JP4801281B2

JP4801281B2 - 光パルス挿入装置

Info

Publication number: JP4801281B2
Application number: JP2001163828A
Authority: JP
Inventors: 茂樹渡辺; 史生二見
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2001-05-31
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2021-05-31
Also published as: US20020196498A1; DE60200309T2; JP2002357855A; EP1263156B1; US7136596B2; EP1263156A1; DE60200309D1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号を光信号のまま処理するための装置に係り、特に、光通信システムや光ネットワークの各種ノードポイントにおけるシステムのフレキシビリティの性能向上などに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、高速大容量の通信を可能とするために、光通信システムが開発され、一部で実用化されている。このような、光通信システムでは、ビットレートが１０ＧＨｚ以上の信号を扱っており、このビットレートに対応する速度で信号処理を行う必要がある。しかし、光信号を電気信号に変換していたのでは、電子デバイスが光信号のビットレートを追従可能なほど高速には動作しないので、上記のような高速大容量の光通信を実現する上での障害となっている。従って、このような高速大容量の光通信を実現するためには、光信号を光信号のまま処理するオールオプティカルデバイスの開発が要求される。
【０００３】
また、上記のような高速大容量の光通信を実現するにおいては、、従来、光信号を分岐したり挿入したりする方式としては、WDM信号を波長軸上で処理するものが一般的である。今後、更に光信号制御技術が進歩し、WDM信号の各チャネルがＯＴＤＭ（Optical Time Division Multiplex）による高速大容量信号により構成されるようになると、フレキシビリティを向上するために、時間軸上での信号の分岐挿入も必要となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のようなＯＴＤＭにおける光信号の挿入・分岐では、光信号のビットレートが非常に大きいため、電気信号に変換してから分岐挿入を行うのでは、電気デバイスの動作が遅いことから、十分に高速大容量通信を行うために光信号を使っていることの優位性を利用することが出来ない。
【０００５】
そこで、ＯＴＤＭの高速光信号を光信号のまま分岐・挿入するための構成が必要とされる。
本発明の課題は、短パルスと３次非線形媒質によるチャープを用いた超高速波長変換によりＯＴＤＭ信号の挿入を実現し、将来の光ネットワークにおけるWDM信号の各チャネルが非常に高速大容量化した際に問題となる、チャネル毎のアクセスを可能とする波長変換、光パルス挿入装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の光パルス挿入装置は、時間多重された光信号を光信号のまま時間的に分岐・多重する光パルス挿入装置であって、光パルスからなる入力された光信号に周波数チャープを発生させ、該光パルスのスペクトルを拡張するチャープ手段と、該拡張されたスペクトルの一部を、所定の波長を中心とした帯域で透過させる透過手段と、該透過された帯域に対応する光パルスを、該所定波長の時間多重光信号に挿入する挿入手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、時間多重された光信号を電気信号に変換することなく、時間多重・分離をすることができるので、回路の構成を簡単化できると共に、高速な動作を行うことが出来、将来の高速光通信における時分割多重・分離装置の実現に寄与するところが大きい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態においては、第一のＯＴＤＭ信号光を３次非線形媒質に入力し、チャープさせた後、光帯域フィルタを用いて第二のＯＴＤＭ信号光と同じ波長の成分を抽出し、この抽出されたＯＴＤＭ信号光をタイミング調整しながら第二のＯＴＤＭ信号と合成することにより、光時間軸上での光挿入を実現する。
【０００９】
以下に原理を説明する。
今、幅Ｔ₀、ピークパワーＰ₀（ピークパワーとは、１つのパルスに含まれるパワーのことであり、複数のパルスを受信した後の時間平均したパワーとは異なるものである）の光パルスＵ（ｚ、Ｔ）が光ファイバ中を伝搬する場合を考える。なお、本実施形態においては、光パルスとしてＲＺ信号を使用することを前提にする。また、Ｔは光パルスと共に動く座標系での時間であり、ｚは光パルスが伝搬した光ファイバの長さである。
【００１０】
この光ファイバの波長分散β₂があまり大きくなく、分散長Ｌ_D＝Ｔ₀ ²／｜β₂｜が光パルスに対する非線形長Ｌ_NL＝１／γＰ₀（γは３次非線形定数）に比べて十分長い（Ｌ_D＞＞Ｌ_NL）場合には、ＳＰＭによる位相シフトは以下のように表せる。
【００１１】
【数１】

【００１２】
ここに、ｚ_eff＝［１−ｅｘｐ（−αｚ）］／αは有効（非線形）相互作用長である。このとき、チャープδωは以下で与えられる。
【００１３】
【数２】

【００１４】
｜Ｕ（０、Ｔ）｜²はピークパワー（１つの光パルスに含まれるパワー）に相当するから、（２）式によれば光パルスの各部分におけるチャーピングは、パワーの傾斜がきつい部分ほど大きくなる。また、伝搬距離ｚが長くなり非線形長Ｌ_NLが短くなる（γＰ₀が大きくなる）とともに大きくなる。こうして、ＳＰＭによるチャーピングは新しい周波数成分を光パルスに与え、結果として光パルスのスペクトルを拡大する。
【００１５】
光パルスを３次非線形媒質に高いピークパワーで入力すると、ＳＰＭによるチャープが発生しスペクトルが拡大する。特にピークパワーの高い短パルスの場合には、上記チャープは非常に大きなものとなり、いわゆるSupercontinuum（スーパーコンティニューム：ＳＣ）と呼ばれる広帯域スペクトル光となる。光ファイバ中の３次非線形効果の応答時間はフェムト秒オーダであるため、光信号のビットレートがｐｓ〜ｎｓ単位であることを考えると、ＳＣ光の各スペクトル成分はもとの入力信号パルスにほぼ完全に同期していると考えて良い。従って、帯域透過フィルタを用いてＳＣ光の一部を取り出すと、入力信号パルスに同期したパルスを抽出可能である。このことは、ＳＣ光の帯域内において、任意の波長の入力信号パルスに同期したパルスを生成可能であることを示している。すなわち、受信される光信号のスペクトルを光信号の受信側で観測すると、光パルスが来ていない時には、スペクトルは、幅の狭いものとなっているが、光パルスが到着すると、急激にスペクトルが広がる（ＳＣが観測される）。従って、スペクトルは、光パルスの到着に同期して、広がったり、狭まったりする。
【００１６】
このＳＣを用いて、信号光の全光２Ｒ再生を行う方法については、特願２０００−３４４５４号及び特願２０００−２６４７５７号において示した。
ＳＰＭによるチャープを効果的に発生させるためには、（１）光ファイバを小さな正常分散の分散フラットファイバ（ＤＦＦ：光ファイバの零分散波長を移動し、光ファイバの分散特性がほぼ平らになっている部分を伝送帯域として使用するファイバ）としたり、（２）光ファイバのγ値を大きくするのが有効である。ＤＦＦはコア径やコアとクラッドの比屈折率差Δを制御することにより実現可能である。
【００１７】
一方、光ファイバのγは、
【００１８】
【数３】

【００１９】
で表される。ここに、ωは光角周波数、ｃは真空中の光速を表し、ｎ₂とＡ_effはファイバの非線形屈折率と有効コア断面積をそれぞれ表す。短尺で十分大きなチャープを発生するためには、（３）式においてｎ₂を大きくするかモード・フィールド径（ＭＦＤ）、従ってＡ_effを小さくして光強度を高くするのが有効である。ｎ₂を大きくする手段としては、クラッドにフッ素などを添加し、コアにＧｅＯ₂等をかなり高濃度に添加するなどの方法がある。ＧｅＯ₂の添加濃度が２５〜３０mol％の場合で、５×１０^-20ｍ²／Ｗ以上の大きなｎ₂値が得られている（通常のシリカファイバではｎ₂〜３．２×１０^-20ｍ²／Ｗ）。一方、ＭＦＤを小さくすることは、コアとクラッドの比屈折率差やコア形状の最適設計や、フォトニッククリスタル構造のファイバ（Holly Fiber）等により可能である。上記ＧｅＯ₂添加ファイバにおいて比屈折率差Δが２．５〜３％程度の場合に、ＭＤＦ〜４μｍ程度のものが得られている。これらの効果の総合効果として１５〜２０Ｗ^-1ｋｍ^-1以上の大きなγ値のファイバが得られている。なお、上記の光ファイバは、例えば、単一モードファイバである。
【００２０】
また、分散長を非線形長に比べて十分長くしたり、チャープ補償をするには、こうしたファイバのＧＶＤ（Gruop Velocity Dispersion）を任意に調整可能であることが望まれる。この点に関しても上記パラメータを以下のように設定することにより可能である。まず、通常のＤＣＦにおいて、ＭＦＤを一定にした条件でΔを大きくすると分散値は正常分散領域で大きくなる。一方、コア径を大きくすると分散は減少し、コア径を小さくすると分散は大きくなる。従って、励起光の波長帯域においてＭＤＦをある値に設定した状態で、コア径を大きくしていくと分散を零とすることが可能となる。逆に所望の正常分散ファイバを得ることも可能である。
【００２１】
このような方法により、γ＝１５Ｗ^-1ｋｍ^-1以上の高非線形分散シフトファイバ（ＨＮＬ−ＤＳＦ）やＤＣＦが実現している。
なお、ＨＮＬ−ＤＳＦにおける零分散波長およびＧＶＤの高精度の管理方法については、先に出願した特願平１０−５０７８２４号に示した。
【００２２】
図１は、本発明の実施形態の基本構成を示す図である。
中心波長λ_Sの信号パルスを所要のチャープを発生させるのに十分なパワーにアンプした後、ＧＶＤがβ₂の光ファイバに入力し、ＳＰＭによるチャープを発生させる。チャープしたパルスをλ_Sと異なる中心波長λ_S'のＢＰＦを通過させる。その際、ＢＰＦの透過帯域幅及び形状は、所要パルス幅とパルス形状に見合う値に適宜設定しておく。基本的には、入力信号パルスのスペクトル形状とほぼ等しいものに設定しておく。チャープによるスペクトル広がりが十分に大きければ、λ_S'は広がったスペクトルの帯域内で信号波長λ_Sを任意の波長に変換した信号光として取り出すことが可能である。
【００２３】
図２は、本発明の第１の実施形態を示す図である。
波長λ_S1のＯＴＤＭ信号光１と波長λ_S2の入力信号２を考える。図のように入力信号２から光ファイバなどを用いてＳＣ光を発生させ、中心波長λ_S1のＢＰＦを用いて波長λ_S1に変換する（ＳＣ光の中から、波長λ_S1の特定のタイミングの光パルスを抽出する）。この波長変換光と信号光１を、波長変換光のアドタイミングを遅延器（τ）によって調整した後、光アド回路に入力して二つの信号を足し合わせる。ここで、波長変換光のタイミングを調整しなくとも、どちらか一方のタイミングを調整することにより、互いに時間的に重ならないようにすればよい。このようにして、WDM信号の時間的な光挿入（Addition）が可能となる。
【００２４】
ＯＴＤＭ信号光２から任意のチャネルを光ドロップ回路を用いてドロップし、このドロップ信号を本実施形態により第一のＯＴＤＭ信号光１と同じ波長に波長変換した後、光アド回路に入力して二つの信号を足し合わせる。この場合、光ドロップ回路としては、ＯＴＤＭ信号の光デマックス用に用いられる全ての方法が適用可能である。一例としては、ＥＡ変調器、ＭＺ干渉器型光スイッチ、四光波混合器等が考えられる。
図３は、本発明の第２の実施形態を示す図である。
同図の例では、光ドロップ回路として四光波混合器が使われる場合を示しており、あるチャネルがドロップされても、もとの入力信号２はそのまま出力される。
【００２５】
入力信号１は、波長λ_S1の特定のタイミングの光パルスが含まれていない光信号である。また、入力信号２は、入力信号１に挿入すべき光パルスが波長λ_S2で含まれている。光ドロップ回路では、入力信号２から波長λ_S2の光信号がドロップされ、本発明の基本構成である図１の構成に入力される。そして、この図１の構成によって、波長λ_S2の光についてＳＣ光が生成され、このＳＣ光から波長λ_S1の特定のタイミングで入力される光パルスが抽出され、結果として、波長λ_S1に波長変換された信号が出力される。そして、この波長変換された光パルスは、光アド回路において、入力信号１に挿入されて、出力される。
【００２６】
図４は、本発明の第３の実施形態を示す図である。
この場合、光ドロップ回路としてはＭＺ（Mach-Zehnder）干渉器型光スイッチなどを用いる場合を示しており、従って、ドロップされたチャネルのところにスペースが出来る。この実施形態では、この空きスペースに他の波長のチャネルのＯＴＤＭ信号から分岐したチャネルを本発明の基本構成により挿入する方式を示している。
【００２７】
同図の場合、入力信号１の波長λ_S1の光パルスを入力信号２に、入力信号２の波長λ_S2の光パルスを入力信号１に分岐・挿入するものである。入力信号１は、波長λ_S1であり、光ドロップ回路１によって、特定のタイミングの光パルスが分岐される。光ドロップ回路１を通過した信号１は、特定のタイミングの光パルスが取り除かれた状態となっている。同様に、入力信号２は、波長λ_S2であり、光ドロップ回路２によって、特定のタイミングの光パルスがドロップされる。光ドロップ回路２を通過した信号２は、この特定のタイミングの光パルスが取り除かれた状態である。
【００２８】
次に、ドロップ信号１は、図１の本発明の基本構成によって波長λ_S2に変換され、光アド回路２に入力される。同様に、ドロップ信号２は、図１の本発明の基本構成によって波長λ_S1に変換され、光アド回路１に入力される。
【００２９】
そして、光アド回路１において、信号１の光パルスが抜けた部分に、ドロップ信号２が挿入され、光アド回路２において、信号２の光パルスが抜けた部分に、ドロップ信号１が挿入される。
【００３０】
このようにして、従来は、波長毎のアド・ドロップを行っていたところ、本実施形態を利用することで、同じ波長の中でも、特定のタイミングの光パルスを光信号のままアド・ドロップすることができる。
【００３１】
図５は、本発明の第４の実施形態を示す図である。
図１の基本構成におけるＳＣ光の生成と同様にして、光ファイバによりチャープし、ＳＣ光となった信号光を中心波長λ_S1、・・・、λ_SNの多峰性のＢＰＦを通過させ、WDM信号パルスを出力する。この場合、出力される信号は全て入力信号と同じ情報を持っており、いわゆるマルチキャストと呼ばれる信号分配を実現可能である。このようにすることによって、入力信号の光パルスの波長がλ_Sであったものを、波長λ_S1〜λ_SNのそれぞれの波長の信号として出力することが出来るので、異なる波長でマルチキャスト送信を行う場合、容易に光信号の複製を生成することが出来る。同じ波長でマルチキャストしたい場合には、上記のようにして生成された各波長の光パルスを本発明の基本構成に示したような方法で、波長変換すれば、光信号のまま波長変換できるので、光信号のままで同波長によるマルチキャストを行うことが出来る。
【００３２】
多峰性の光ＢＰＦとしては、ＡＷＧやインターリーバフィルタ、あるいは、タンデム接続したファイバグレーティングなどが考えられる。
上記実施形態の光アド回路においては、光パルスをアドするタイミングを調整する必要がある。タイミング調整のための構成例としては、長さを機械的に微調整可能な空間スペーサタイプ、光ファイバに応力をかけることにより光路長を微調整するタイプ、導波路の光路長をこの導波路に電圧をかけて微調整するタイプ、更には、伝搬媒質の温度などを変えることによりこの伝搬媒質内での群遅延を微調整するタイプなどが考えられる。
【００３３】
また、上記実施形態における光ドロップ回路としては、ＯＴＤＭ信号の光デマックス用に用いられる全ての回路が適用可能であり、（ｉ）光−電気（ＯＥ）変換タイプ、（ｉｉ）光変調器タイプ、（ｉｉｉ）干渉計構成の光ゲート、及び（ｉｖ）光波ミキサータイプなどが考えられる。
【００３４】
このうち（ｉ）は、入力信号を受光器で電気信号に変換し、電気段で所望のタイミングの成分を抽出し、この信号で再び光変調してドロップ光信号を得るタイプである。一方、（ｉｉ）は、ＥＡ変調器やＬｉＮｂＯ₃等の光強度変調器を用いて所望のタイミングの信号成分を抽出するものである。また、（ｉｉｉ）半導体内の非線形位相変調シフトを用いたMach-Zehnder（MZ）干渉計やMichelson（MI）干渉計、非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）や半導体光アンプを用いたループミラー（SLALOM）、超高速非線形干渉計（UNI）等各種の光ゲートが考えられる。更に（ｉｖ）としては、２次非線形媒質を用いた３光波混合器あるいは差周波生成器や３次非線形媒質を用いた四光波混合器などが考えられる。
【００３５】
なお、上記実施形態の原理及び構成の説明において３次非線形効果を利用しているが、３次非線形効果とは、一般に以下のことを示す。
すなわち、３次非線形効果とは、３つの光波間で発生する相互作用のうち、発生効率が二つの光波の振幅の積に依存するものである。光ファイバや各種の結晶内および光半導体内で発生し、自己位相変調（ＳＰＭ）、相互位相変調（ＸＰＭ）、四光波混合（ＦＷＭ）等がある。本発明の実施形態で用いるスーパーコンティニューム（ＳＣ）も３次非線形効果により発生する。
【００３６】
このうち、ＳＣは、光ファイバを用いて発生させるのが最も一般的であるが、小型化をはかるために半導体光アンプを用いることも可能である。
（付記１）時間多重された光信号を光信号のまま時間的に分岐・多重する光パルス挿入装置であって、
光パルスからなる入力された光信号に周波数チャープを発生させ、該光パルスのスペクトルを拡張するチャープ手段と、
該拡張されたスペクトルの一部を、所定の波長を中心とした帯域で透過させる透過手段と、
該透過された帯域に対応する光パルスを、該所定波長の時間多重光信号に挿入する挿入手段と、
を備えることを特徴とする光パルス挿入装置。
【００３７】
（付記２）前記チャープ手段は、３次非線形媒質からなることを特徴とする付記１に記載の光パルス挿入装置。
（付記３）前記３次非線形媒質は、半導体からなることを特徴とする付記２に記載の光パルス挿入装置。
【００３８】
（付記４）前記３次非線形媒質は、光ファイバからなり、該光ファイバは正常分散を有することを特徴とする付記２に記載の光パルス挿入装置。
（付記５）前記光ファイバは、コアの非線形屈折率が大きく設定され、該コアとクラッドの比屈折率差とコア径を制御することによりモードフィールド径を小さくした単一モードファイバであることを特徴とする付記４に記載の光パルス挿入装置。
【００３９】
（付記６）前記コアの非線形屈折率は、該コアにＧｅＯ₂を添加し、前記クラッドへフッ素を添加することによって達成されることを特徴とする付記５に記載の光パルス挿入装置。
【００４０】
（付記７）前記光ファイバは、分散フラットファイバであることを特徴とする付記４に記載の光パルス挿入装置。
（付記８）前記光ファイバに入力する光パルスの強度レベルを、該光ファイバ内で所要のチャープが生じる程度に増幅する増幅手段を更に備えることを特徴とする付記４に記載の光パルス挿入装置。
【００４１】
（付記９）光パルスからなる時間多重光信号の一部を分離する光分離手段を更に備え、
前記チャープ手段には、該分離された時間多重光信号の一部を入力することを特徴とする付記１に記載の光パルス挿入装置。
【００４２】
（付記１０）前記光分離手段として、光強度変調器、干渉器型非線形光スイッチ、あるいは四光波混合器を使用することを特徴とする付記９に記載の光パルス挿入装置。
【００４３】
（付記１１）前記透過手段は、複数の透過帯域を持つことを特徴とする付記１に記載の光パルス挿入装置。
（付記１２）時間多重された光信号を光信号のまま時間的に分岐・多重する光時分割多重装置であって、
光パルスからなる入力された光信号に周波数チャープを発生させ、該光パルスのスペクトルを拡張するチャープ手段と、
該拡張されたスペクトルの一部を、所定の波長を中心とした帯域で透過させる透過手段と、
該透過された帯域に対応する光パルスを、該所定波長の時間多重光信号に挿入する挿入手段と、
を備えることを特徴とする光時分割多重装置。
【００４４】
（付記１３）前記光分割多重装置は、前記チャープ手段、前記透過手段、及び前記挿入手段の処理を繰り返すことにより、時分割多重光信号の多重度を大きくすることを特徴とする付記１２に記載の光時分割多重装置。
【００４５】
【発明の効果】
本発明により、ＯＴＤＭ信号の波長変換及び全光分岐挿入が実現でき、全光ネットワークのフレキシビリティの向上が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の基本構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施形態を示す図である。
【図５】本発明の第４の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
τ 遅延器

Claims

第１の波長を有する第１の時間多重光信号を光信号のまま時間的に分岐し、該分岐された光信号を光信号のまま時間多重する光パルス挿入装置であって、
該分岐された光パルスからなる光信号に周波数チャープを発生させ、該光パルスのスペクトルを拡張するチャープ手段と、
該拡張されたスペクトルの一部を、第１の波長とは異なる第２の波長を中心とした帯域で透過させる透過手段と、
該透過された帯域に対応する光パルスを、該第２の波長を有する第２の時間多重光信号に挿入する挿入手段と、
を備えることを特徴とする光パルス挿入装置。
前記チャープ手段は、３次非線形媒質からなることを特徴とする請求項１に記載の光パルス挿入装置。
前記３次非線形媒質は、光ファイバからなり、該光ファイバは正常分散を有することを特徴とする請求項２に記載の光パルス挿入装置。
前記光ファイバに入力する光パルスの強度レベルを、該光ファイバ内で所要のチャープが生じる程度に増幅する増幅手段を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の光パルス挿入装置。
光パルスからなる時間多重光信号の一部を分離する光分離手段を更に備え、前記チャープ手段には、該分離された時間多重光信号の一部を入力することを特徴とする請求項１に記載の光パルス挿入装置。