JP5009890B2

JP5009890B2 - 広帯域多波長光源

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Publication number: JP5009890B2
Application number: JP2008270952A
Authority: JP
Inventors: 正文古賀; 明水鳥
Original assignee: 国立大学法人大分大学
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2028-10-21
Also published as: JP2010101956A

Description

本発明は、波長多重光伝送システムや光計測における光周波数基準として用いられる等しい光周波数間隔のマルチ光周波数キャリアを発生する広帯域多波長光源に関する。特に、１つのマルチ光周波数キャリア発生装置で位相同期した広帯域のマルチ光周波数キャリアを一括して発生させる広帯域多波長光源に関する。

図９に、従来の多波長光源の構成例を示す（特許文献１、非特許文献１）。
図において、多波長光源は、連続発振光（ＣＷ光）を発生させるＣＷ光源９１と、ＣＷ光を入力してマルチ光周波数キャリアを発生させるマルチ光周波数キャリア発生装置として、位相変調を施す位相変調器９２、９３と、変調周波数ｆm ［Hz］の正弦波を発生する信号発生器９４と、変調信号の位相を調整する位相シフタ９５と、群速度分散を与える群速度分散媒質９６とを備える。

ＣＷ光源９１で発生させたＣＷ光は位相変調器９２に入射され、そこで信号発生器９４からの変調周波数ｆm ［Hz］の正弦波によって変調指数Δθ₁＝π／４で位相変調され、チャープが付与される。チャープを受けたＣＷ光は、群速度分散媒質９６を通過することによって、群速度分散Ｂ₂（＝±１／（４πｆm²））［秒²］が与えられる。群速度分散を受けたＣＷ光は、位相変調器９３において、信号発生器９４からの周波数ｆm の正弦波によって、位相シフタ９５を介して任意の変調指数Δθ₂で位相変調される。これにより、ＣＷ光の光周波数に対して周波数間隔ｆm で、広い周波数範囲にわたってＳＮＲの優れた平坦なスペクトル波形のマルチ光周波数キャリアが得られる。
特願２００７−０９４１４３号公報山本貴司他、「位相変調器と分散媒質を用いたマルチキャリア光源」, IEICE Technical Report OCS2007-32(2007-8) pp.1-5 (2007)

ところで、マルチ光周波数キャリアの一層の広帯域化を図るには、中心光周波数が異なる複数のマルチ光周波数キャリアを順に位相同期させてチェーンする方法があるが、この場合に位相誤差や揺らぎも累積する問題がある。また、３つ以上のマルチ光周波数キャリアをチェーン化するには、位相同期のための構成も煩雑になる問題があった。さらに、ｎ台のマルチ光周波数キャリアをチェーン化させるには、ｎ台のマルチ光周波数キャリア発生装置が必要であった。

本発明は、１つのマルチ光周波数キャリア発生装置を用い、中心光周波数が異なる複数のマルチ光周波数キャリアを相互に位相同期させて同時に発生させることができる広帯域多波長光源を提供することを目的とする。

本発明の広帯域多波長光源は、所定の周波数間隔を有し、互いに位相が同期した光周波数コムを発生する光周波数コム発生手段と、光周波数コムを周波数基準として入力し、光周波数コムのｍ番目ごと（ｍは整数）の光周波数成分と光周波数および位相が同期した複数のＣＷ光を出力する複数の安定化ＣＷ光源と、複数のＣＷ光を入力し、各ＣＷ光から互いに異なる帯域の複数の光周波数成分を有するマルチ光周波数キャリアを発生させるマルチ光周波数キャリア発生装置と、複数の安定化ＣＷ光源とマルチ光周波数キャリア発生装置との間に配置され、異なる帯域のマルチ光周波数キャリアのうち、互いに光周波数が同一となる光周波数キャリアが等位相で電界加算されるように、複数のＣＷ光の位相を制御し、合波してマルチ光周波数キャリア発生装置に入力する光移相・合波手段とを備える。

マルチ光周波数キャリア発生装置は、入力するＣＷ光をマルチ光周波数キャリアの周波数間隔に対応する周波数の変調信号で位相変調してチャープを付与する第１の位相変調器と、小さな分散スロープ特性を有しチャープを受けたＣＷ光に群速度分散を与える群速度分散媒質と、群速度分散を受けたＣＷ光を位相シフトした変調信号で位相変調してマルチ光周波数キャリアを発生させる第２の位相変調器とを含む構成である。

また、マルチ光周波数キャリア発生装置は、第１の位相変調器と群速度分散媒質に代えてチャープレス変調が可能な強度変調器を用いた構成としてよい。

光移相・合波手段は、複数の入力光導波路に入力する複数のＣＷ光を合波して出力光導波路から出力する集積化されたアレイ格子フィルタの個々の入力光導波路上にヒータを取り付け、熱光学効果によって複数のＣＷ光の相対的位相を制御する構成である。

本発明の広帯域多波長光源は、光周波数コムのｍ番目ごとの光周波数成分と光周波数および位相が同期した複数のＣＷ光を１つのマルチ光周波数キャリア発生装置に入力し、互いに異なる帯域の複数の光周波数成分を有するマルチ光周波数キャリアを発生させることができる。

図１は、本発明の広帯域多波長光源の実施形態の構成例を示す。
図において、本実施形態の広帯域多波長光源は、基準クロック１１、基準光周波数コム発生装置１２、基準光周波数コムをｎ分岐（ｎは２以上の整数）する光スプリッタ１３、ｎ台の安定化ＣＷ光源１４−１，…，１４−ｎ、各安定化ＣＷ光源から出力されるＣＷ光の光位相を調整して合波する光移相器１５−１，…，１５−ｎおよび光合波器１６、１台のマルチ光周波数キャリア発生装置１７から構成される。

基準光周波数コム発生装置１２は、基準クロック１１から与えられる周波数ｆ_repによって光周波数間隔ｆ_repの基準光周波数コムを発生する。ここで、基準光周波数コムの任意の光周波数ｆ(k) は（ｋは整数) 、アンカー光周波数をｆ_anchorとすると、
ｆ(k) ＝ｆ_anchor＋ｆ_rep×ｋ
と表される。例えば、アンカー光周波数ｆ_anchorをＩＴＵ−Ｔにおける標準化で規定されている 193.1ＴHzとし、光周波数間隔ｆ_repを12.5ＧHzとすると、基準光周波数コムの任意の光周波数ｆ(k) は、
ｆ(k) ＝193.1000ＴHz±12.5ＧHz×ｋ
となる。

基準光周波数コムは、後段のｎ台の安定化ＣＷ光源１４−１，…，１４−ｎに対して周波数基準を与える。安定化ＣＷ光源は、それぞれの発振周波数を位相同期の手法によって周波数基準に一致させる。詳しくは、図７，図８を参照して別途説明する。位相同期させる周波数は安定化ＣＷ光源ごとに異なり、各安定化ＣＷ光源の周波数間隔は後段のマルチ光周波数キャリア発生装置１７によって発生するマルチ光周波数キャリア数に依存する。ここで、マルチ光周波数キャリア発生装置１７が発生させることのできるマルチ光周波数キャリア数をｑ、光周波数キャリア間隔をΔｆ_cr（＝ｆm ）とする。

安定化ＣＷ光源１４−１，…，１４−ｎから出力されたＣＷ光は、それぞれ光移相器１５−１，…，１５−ｎを介して光合波器１６で合波され、マルチ光周波数キャリア発生装置１７に入力してマルチ光周波数キャリアを発生させる。ｎ台の安定化ＣＷ光源はすべて基準光周波数コムに同期しているので、マルチ光周波数キャリア発生装置１７でそれぞれのＣＷ光から発生するマルチ光周波数キャリア＃１，＃２，…，＃ｎも互いに同期する。ここで、各ＣＷ光の位相は、マルチ光周波数キャリア発生装置１７で発生する異なる帯域のマルチ光周波数キャリアのうち、互いに光周波数が同一となる光周波数キャリアが等位相で電界加算されるように、光移相器１５−１，…，１５−ｎで制御される。

マルチ光周波数キャリア発生装置１７では、電界加算したｎ個のＣＷ光のそれぞれからｑ本の光周波数キャリアが発生し、電界加算のためにｐ本を重複させるとすると、
ｑ×ｎ−ｐ×(n-1) 本
の光周波数キャリアが発生する。これにより、マルチ光周波数キャリア発生装置１７に複数の安定化ＣＷ光源１４−１，…，１４−ｎから入力する基準光周波数コムに同期した各ＣＷ光を通過させるだけで、光周波数キャリアのチェーン化を図ることができる。

なお、光移相器１５−１，…，１５−ｎは相対的な光路長を調整する必要があるので、集積されているほうが良い特性が得られやすい。また、光移相器１５−１，…，１５−ｎから光合波器１６までの光導波路も個別に形成されると、温度揺らぎの影響を独立に受けるので好ましくない。したがって、例えば集積化されたアレイ格子フィルタ（ＡＷＧ）の個々の入力光導波路上にｎ個のヒータを取り付け、熱光学効果によって相対的位相を制御する構成などが有効である。

図２は、マルチ光周波数キャリア発生装置１７の第１の実施例を示す。
マルチ光周波数キャリア発生装置１７の構成法は複数考えられるが、光ファイバ通信へ適用することを鑑みるとＣＮＲ(Carrier-to-Noise Ratio)が高いほうが望ましく、位相を制御して変調サイドバンドを光周波数キャリアとして利用する本実施例は好ましい。変調指数Δθ₁＝π／４で変調を行う位相変調器９２、瞬時周波数変化を無くすための群速度分散媒質９６、発生キャリア数を拡大させるために任意の変調指数Δθ₂で変調する位相変調器９３、変調周波数ｆm ［Hz］の正弦波を発生する信号発生器９４、マイクロ波の位相を調整する位相シフタ９５による構成は、図９に示す従来の多波長光源のマルチ光周波数キャリア発生装置と同様である。

この構成では、発生させることのできる光周波数キャリア数は、位相変調器９３の変調指数にΔθ₂に比例する。大きくしすぎると、ＣＮＲが劣化する。群速度分散媒質９６が与える分散量には最適値があり、瞬時周波数がゼロとなる群速度分散はＢ₂（＝±１／（４πｆm²））となる。本構成のマルチ光周波数キャリア発生装置１７に１つのＣＷ光を入力して発生させたマルチ光周波数キャリアを図３に示す。

光周波数キャリア間隔Δｆ_cr（＝ｆm ）が25ＧHzであり、変調指数Δθ₂を10πに設定した時のシミュレーションと実験結果の例である。この例では、安定化ＣＷ光源間の光周波数キャリア数間隔を定める番号、すなわち強度が平坦な領域におけるキャリア数ｑは60となり、１つのＣＷ光から発生するマルチ光周波数キャリアが占める帯域はｑ×Δｆ_cr＝ 1.5ＴHzとなる。複数の安定化ＣＷ光源１４−１，…，１４−ｎに対して一括して同質のマルチ光周波数キャリアを生成するためには、分散フラットファイバまたは中心光周波数の異なる複数のセグメントを有するファイバブラググレーティング（ＦＢＧ）を用意することになる。

図２に示した第１の実施例では、群速度分散媒質９６として光ファイバまたはＦＢＧが多く用いられる。光ファイバの場合、最適な群速度分散Ｂ₂を与える光周波数帯（波長帯）は異なる。波長分散にはスロープがあって、一般のシングルモードファイバでは0.07ps/nm²/km である。したがって、中心波長（ここでは安定化ＣＷ光源波長）が異なると、同じ長さの光ファイバを用いた場合、分散量が異なってくる。この場合、分散フラットファイバと呼ばれる分散スロープを小さくした光ファイバ（例えば、0.01ps/nm²/km ）を用いることによって、最適な分散量に近づけることができる。

ＦＢＧの場合も光周波数によって特性が異なるが、線形分散を与える複数のセグメントをひとつのＦＢＧ内に構成することによって安定化光源ごとに最適な分散量を与えることができる。ひとつのセグメントでは中心周波数を中心に約５nmの帯域幅において線形分散を与えることができる。一例を図４に示す。この例は、非特許文献１に掲載されたデータである。ただし、セグメントの数は無限に可能ではなく、2-3 程度に制限される。

分散媒質を省くことができれば、より高い品質のマルチ光周波数キャリアを生成できることになる。分散媒質後の光変調波形は、瞬時周波数に変化がなく、すなわちチャープがなく、強度変調を施した波形となる。図５は、分散媒質通過後の光瞬時周波数と変調光強度の計算結果を示す。この計算結果と同じ波形を強度変調によって得ることができれば、波長帯に依存せず、マルチ光周波数キャリアを生成できる。その構成をマルチ光周波数キャリア発生装置１７の第２の実施例として図６に示す。すなわち、図６に示すマルチ光周波数キャリア発生装置１７は、図２に示す第１の実施例の位相変調器９２と群速度分散媒質９６を強度変調器９７に置換した構成である。本構成は、複数のＣＷ光が入力されることを除いて、例えば特開2006-118172 号公報に記載の「多波長一括発生装置」と同様のものである。

図７は、安定化ＣＷ光源１４の第１の実施例を示す。
図において、第１の実施例の安定化ＣＷ光源１４−ｋ（ｋは１〜ｎの整数）は、ＣＷ光源１４１と、基準光周波数コム発生装置１２から出力された基準光周波数コムをＣＷ光源１４１に入力し、ＣＷ光源１４１から出力される安定化ＣＷ光を入力光と分離して出力する光サーキュレータ１４２により構成される。本実施例の安定化ＣＷ光源１４は、ＣＷ光源１４１の光周波数を基準光周波数コム中の第（ｉ＋ｍ×ｊ）（ｊ＝0,1,2,…,(n-1)) 番目の光周波数に注入同期させる構成である。ｉは任意の整数である。ここで、ＣＷ光源１４１へ注入する基準光周波数コムのｋ番目の光周波数ｆ(k) は
ｆ(k) ＝193.1000ＴHz±12.5ＧHz×ｋ
であり、ｋ＝ｉ＋ｍ×ｊ番目の光周波数となる。

図８は、安定化ＣＷ光源１４の第２の実施例を示す。
図において、第２の実施例の安定化ＣＷ光源１４は、光ＰＬＬ(Phase Lock Loop) の手法を用いた構成であり、基準光周波数コム発生装置１２から出力された基準光周波数コムのｋ番目の光周波数ｆ(k) と、ＣＷ光源１４３から出力されたＣＷ光を光カプラ１４４を介して合波し、両者のビート信号を光検出器１４５で検出する。ビート信号に対して周波数ｆ_offsetで発振するクロック１４６からのクロック信号を用いて、同期検波器１４７で位相敏感検波を行う。その結果をループフィルタ１４８を介してＣＷ光源１４３の発振周波数と位相を制御する。安定化ＣＷ光源１４の出力は、ＣＷ光源１４３と光カプラ１４４との間に挿入される光スプリッタ１４９を介して取り出される。

ここでは、基準光周波数コムの光周波数をｆ_offsetだけずらして設定する。この基準光周波数コムのｋ番目の光周波数をｆ_PLL(k)とすると、
ｆ_PLL(k)＝193.1000ＴHz±12.5ＧHz×ｋ＋ｆ_offset
となる。

本発明の広帯域多波長光源の実施形態の構成例を示す図。マルチ光周波数キャリア発生装置１７の第１の実施例を示す図。マルチ光周波数キャリアのシミュレーションと実験結果を示す図。ＦＢＧによる線形分散の結果を示す図。分散媒質通過後の光瞬時周波数と変調光強度の計算結果を示す図。マルチ光周波数キャリア発生装置１７の第２の実施例を示す図。安定化ＣＷ光源１４の第１の実施例を示す図。安定化ＣＷ光源１４の第２の実施例を示す図。従来の多波長光源の構成例を示す図。

符号の説明

１１基準クロック
１２基準光周波数コム発生装置
１３光スプリッタ
１４安定化ＣＷ光源
１４１，１４３ＣＷ光源
１４２光サーキュレータ
１４４光カプラ
１４５光検出器
１４６クロック
１４７同期検波器
１４８ループフィルタ
１５光移相器
１６光合波器
１７マルチ光周波数キャリア発生装置
９１ＣＷ光源
９２，９３位相変調器
９４信号発生器
９５位相シフタ
９６群速度分散媒質
９７強度変調器

Claims

所定の周波数間隔を有し、互いに位相が同期した光周波数コムを発生する光周波数コム発生手段と、
前記光周波数コムを周波数基準として入力し、前記光周波数コムのｍ番目ごと（ｍは整数）の光周波数成分と光周波数および位相が同期した複数の連続発振光（以下、ＣＷ光という）を出力する複数の安定化ＣＷ光源と、
前記複数のＣＷ光を入力し、各ＣＷ光から互いに異なる帯域の複数の光周波数成分を有するマルチ光周波数キャリアを発生させるマルチ光周波数キャリア発生装置と、
前記複数の安定化ＣＷ光源と前記マルチ光周波数キャリア発生装置との間に配置され、前記異なる帯域のマルチ光周波数キャリアのうち、互いに光周波数が同一となる光周波数キャリアが等位相で電界加算されるように、前記複数のＣＷ光の位相を制御し、合波して前記マルチ光周波数キャリア発生装置に入力する光移相・合波手段と
を備えたことを特徴とする広帯域多波長光源。
請求項１に記載の広帯域多波長光源において、
前記マルチ光周波数キャリア発生装置は、入力する前記ＣＷ光を前記マルチ光周波数キャリアの周波数間隔に対応する周波数の変調信号で位相変調してチャープを付与する第１の位相変調器と、小さな分散スロープ特性を有し前記チャープを受けたＣＷ光に群速度分散を与える群速度分散媒質と、群速度分散を受けたＣＷ光を位相シフトした前記変調信号で位相変調して前記マルチ光周波数キャリアを発生させる第２の位相変調器とを含む構成である
ことを特徴とする広帯域多波長光源。
請求項２に記載の広帯域多波長光源において、
前記マルチ光周波数キャリア発生装置は、前記第１の位相変調器と前記群速度分散媒質に代えてチャープレス変調が可能な強度変調器を用いた構成である
ことを特徴とする広帯域多波長光源。
請求項１に記載の広帯域多波長光源において、
前記光移相・合波手段は、複数の入力光導波路に入力する前記複数のＣＷ光を合波して出力光導波路から出力する集積化されたアレイ格子フィルタの個々の入力光導波路上にヒータを取り付け、熱光学効果によって前記複数のＣＷ光の相対的位相を制御する構成である
ことを特徴とする広帯域多波長光源。