JP5738079B2 - 光波長変換器 - Google Patents

Description

この発明は、簡素な構成で常に最適な動作点に制御することができる光波長変換器に関するものである。

現在の光通信ネットワークには、光波長多重（Wavelength Division Multiplexing）伝送が用いられている。上り／下り、また伝送信号によって光波長を分けて通信を行うものであり、光波長の異なった光信号はネットワークノードのルータにより光信号の経路切り替えを行っている。現状、光の信号経路切り替えを行う場合、光送受信機を用いて光を一度電気に変換し、再度他の光波長に変換し別の経路に送り出す電気／光／電気変換を行っており、光波長が増加する毎に光送受信機の消費電力が増加するという問題点がある。そこで、光波長を電気に変換せず、直接他の光波長に変換する光波長変換器の研究開発が行われている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１では、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）を用いた光波長変換器を開示しており、半導体光変調器をマッハツェンダー干渉計の両アームに配置し、両方のアームの半導体光増幅器にはプローブ光を、片方のアームの半導体光増幅器には信号光を入力することにより、半導体光増幅器内で相互位相変調され、干渉計の作用により強度変換されることを利用し波長変換動作を行う。相互位相変調はプローブ光と信号光の比によって異なるため、最適動作点となるように入力信号に応じて最適動作点をモニタし、波長変換光の出力のＳ／Ｎ比を最大とするように調整する。

その調整方法としては、位相調整導波路に印加するバイアスに１ＭＨｚで変調した電流とし、フォトダイオード電流値の直流成分と交流成分から変調度を測定できるようにしてある。そのため、１ＭＨｚで変調した位相基準電流の変調度を測定することにより、前置ＳＯＡのバイアス電流を制御して変調度が常に一定となるようにすることにより出力光のＳＮ比を最大にすることが可能となる。

特開２００８−２２４８６２号公報

しかしながら、従来の光波長変換器の制御においては次のような問題点があった。すなわち、フォトダイオードで波長変換光をモニタするために、位相調整導波路を複数用意する必要があり、光合分波器を設ける必要があり、またフォトダイオードの電流値から直流成分と交流成分を分離する回路が必要であるなど、構成が複雑である。

また、一定の変調度をモニタするためには位相調整導波路に印加する変調バイアス電流を精密に制御する必要があり、経時変化等に対する変動を制御することが難しいという問題点もある。

更には、測定された変調度を基に前置ＳＯＡを制御する必要もあるなど、制御系も複雑であった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、簡単な構成の制御系により、常に最適な動作点に制御することができる光波長変換器を得ることを目的とする。

本発明に係る光波長変換器は、入力された信号光を増幅する前置半導体光増幅器と、入力されたプローブ光を２つに分配する第１の光分波器と、前置半導体光増幅器から出力された信号光及び第１の光分波器から分配された一方のプローブ光を合波する第１の光合波器と、第１の光合波器により合波された信号光及び一方のプローブ光を増幅する第１の半導体光増幅器と、第１の光分波器により分配された他方のプローブ光を増幅する第２の半導体光増幅器と、第１及び第２の半導体光増幅器の出力光を合波して波長変換光として出力する第２の光合波器と、波長変換光を２つに分配する第２の光分波器と、第２の光分波器により分配された他方の波長変換光の平均電力に応じた電流を出力するフォトダイオードと、フォトダイオードから出力された電流が最大値となるように、前置半導体光増幅器のバイアス電流を制御する制御回路とを備え、制御回路は、前置半導体光増幅器に印加するバイアス電流を時間的に常に微小に変化させ、フォトダイオードの電流の変化を読み取ることによりフォトダイオードの電流を最大値にし、バイアス電流を発生するバイアス電流源と、バイアス電流源の電圧を測定する電圧測定部とを有し、前置半導体光増幅器に印加するバイアス電流及び電圧測定部により測定された電圧を記録し、バイアス電流と測定された電圧の関係からバイアス電流を制限するものである。

本発明に係る光波長変換器によれば、簡単な構成の制御系により、常に最適な動作点に制御することができる。

この発明の実施の形態１に係る光波長変換器の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る光波長変換器の前置ＳＯＡ制御回路の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る光波長変換器の２つの半導体光増幅器の光出力が光合波器で干渉し、出力される様子を示す図である。 図３を別の軸で見たものであり、横軸を信号光の強度、縦軸を波長変換光の強度とした場合の関係を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る光波長変換器の波長変換光と信号光との関係を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る光波長変換器の波長変換光と信号光との関係を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る光波長変換器の前置半導体光増幅器の電流値とフォトダイオードの電流値の関係を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る光波長変換器の前置ＳＯＡ制御回路の構成を示す図である。

以下、本発明の光波長変換器の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る光波長変換器について図１から図７までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る光波長変換器の構成を示す図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、この発明の実施の形態１に係る光波長変換器は、信号光入力端子１と、プローブ光入力端子２と、波長変換光出力端子３と、光導波路４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇ、４ｈ、４ｉと、前置半導体光増幅器（前置ＳＯＡ）５と、光合波器（第１の光合波器）６ａと、光合波器（第２の光合波器）６ｂと、半導体光増幅器（ＳＯＡ）（第１の半導体光増幅器）７と、光分波器（第１の光分波器）８ａと、光分波器（第２の光分波器）８ｂと、半導体光増幅器（ＳＯＡ）（第２の半導体光増幅器）９と、フォトダイオード（ＰＤ）１０と、フォトダイオード電流測定端子１１と、前置ＳＯＡ制御回路（制御回路）１２と、前置ＳＯＡバイアス制御端子１３とが設けられている。

なお、前置ＳＯＡ制御回路１２を除く、他の構成要素である前置半導体光増幅器（前置ＳＯＡ）５等は、インジウムと燐の化合物結晶で形成された半導体基板（ＩｎＰ基板）１００に設けられている。この光波長変換器は、半導体光増幅器７及び半導体光増幅器９が光導波路４上に配置されているマッハツェンダー干渉計を用いるものである。

図２は、この発明の実施の形態１に係る光波長変換器の前置ＳＯＡ制御回路の構成を示す図である。

図２において、前置ＳＯＡ制御回路１２は、制御部１２１と、バイアス電流を発生するバイアス電流源１２２とが設けられている。

つぎに、この実施の形態１に係る光波長変換器の動作について図面を参照しながら説明する。

信号光は、信号光入力端子１から入力され、光導波路４ａを通って前置半導体光増幅器５で増幅された後、光導波路４ｂ及び光合波器６ａを通って半導体光増幅器７へ入力される。

一方、プローブ光は、プローブ光入力端子２から入力され、光導波路４ｅを通り、光分波器８ａを通って２つに分配され、光導波路４ｆ、４ｇをそれぞれ通って半導体光増幅器７及び９へそれぞれ入力される。光合波器６ａは、前置半導体光増幅器５の出力光（信号光）と、光分波器８ａにより分配された一方のプローブ光とを合波して半導体光増幅器７へ出力する。

半導体光増幅器７及び９の出力光は、光導波路４ｄ、４ｈをそれぞれ通って光合波器６ｂで合波され、光導波路４ｄを通って波長変換光出力端子３へ出力される。

半導体光増幅器７では、信号光とプローブ光との相互位相変調によりプローブ光が位相変調された後、光合波器６ｂで半導体光増幅器９からのプローブ光と干渉し、位相から振幅変調された波長変換光に変換される。

更に、この波長変換光は、光分波器８ｂで２つに分配され、他方の波長変換光が光導波路４ｉを通ってフォトダイオード１０に入力される。フォトダイオード１０は、動作速度が遅いため、波長変換光の時間平均電力に応じた電流をフォトダイオード電流測定端子１１から出力する。フォトダイオード電流測定端子１１から出力された電流は、前置ＳＯＡ制御回路１２へ入力され、前置ＳＯＡ制御回路１２からの制御信号は前置ＳＯＡバイアス制御端子１３へフィードバックされる。

前置ＳＯＡ制御回路１２では、制御部１２１にフォトダイオード１０の電流が入力され、その電流値を基に制御部１２１がバイアス電流源１２２を制御する。

続いて、この実施の形態１に係る光波長変換器の動作原理について説明する。

半導体光増幅器（ＳＯＡ）７では、信号光とプローブ光の相互位相変調により、信号光の振幅に応じてプローブ光の位相が変調され、位相変調されたプローブ光と変調されていないプローブ光が光合波器６ｂで干渉するが、半導体光増幅器７での位相変調は信号光の大きさに比例して位相変調される。しかしながら、半導体光増幅器７では相互位相変調と共に相互強度変調も発生しており、位相が回転すると共に強度も変化することになる。

図３は、相互位相変調と相互強度変調された半導体光増幅器７の光出力と半導体光増幅器９の光出力とが光合波器６ｂで干渉し、出力される様子を図示したものであり、横軸を実軸、縦軸を虚軸とした複素平面を考えた場合、ベクトル長さが振幅、角度が位相として表される。

図３において、光合波器６ｂの出力は、点線で示す一定出力の半導体光増幅器９の出力光と、実線で示す位相と強度が変動する半導体光増幅器７の出力光のベクトルの和となる。半導体光増幅器７の出力光ベクトルは、信号光の大きさに応じて位相が回転すると共に振幅も減少するため、ベクトルの軌跡は渦巻状となる。

図４は、図３を別の軸で見たものであり、横軸を信号光の強度、縦軸を波長変換光の強度とした場合の関係を示したものである。

図４において、ベクトルの大きさを表す点Ａでは信号光の強度に応じて最も強めあうが、ベクトルの大きさを表す点Ｂ、Ｃとなるに従って半導体光増幅器７の出力光ベクトル振幅が小さくなるため、干渉も弱くなり、ベクトルの大きさを表す点Ｅでは半導体光増幅器７の出力光と半導体光増幅器９の出力光の位相が揃っているにも係らず振幅が異なるため、干渉光の大きさも小さくなることがわかる。

また、図４において、ベクトルの大きさを表す点Ａが最も位相、振幅が揃っており、点Ａまでの信号光の強度となるようにすれば、最も波長変換光のＳＮ比を確保することが可能である。従って、信号光の強度が変動する場合や、光波長変換器の各部での経時変化があった場合でも点Ａの位置となるよう前置半導体光増幅器５の利得を調整するなどすれば常に最適な振幅の信号光が半導体光増幅器７に入力される。

光波長変換はこの特性を用いて行う。図５及び図６は、波長変換光と信号光との関係を示す。図５は図４における点Ａでの動作状態を示し、図６は図４における点Ｃでの動作状態を示す。

パルス状の信号光が入力された場合、図５に示すように、信号光のハイレベルが図４における点Ａと等しいとき、点Ａをハイレベルとする波長変換光が出力される。このように信号光波形に合わせて波長変換光が出力されるが、図６に示すように、信号光のハイレベルが図４における点Ｃと等しいとき、波長変換光は点Ａを通り越して点Ｃに到達するため、信号光の立上り若しくは立下りにオーバーシュートが発生して信号光波形とは異なる波長変換光波形となる。また、ハイレベルは点Ａと比較して低い点Ｃとなる。

フォトダイオード（ＰＤ）１０の電流値は、パルス状の高速動作に反応しないため、波長変換光のハイレベルとローレベルの時間平均となるが、ハイレベルが点Ｃで動作している場合のフォトダイオード１０の電流値と比較して、ハイレベルが点Ａで動作している場合の電流値の方が大きく、最大値を取る。そのため、半導体光増幅器７は、ハイレベルが点Ａとして動作するように入力信号光強度を調整すれば最適に動作し、そのためにはフォトダイオード１０の電流値が最大となるように前置半導体光増幅器５のバイアス電流値を制御すれば、常に最適な動作状態に保つことが可能となる。

図７は、前置半導体光増幅器の電流値とフォトダイオード１０の電流値の関係について、信号光の強度が異なる３つの状態について図示したものであり、動作曲線Ｃ１は相対的に信号光強度が低い場合、動作曲線Ｃ２は中間の信号光強度の場合、動作曲線Ｃ３は相対的に信号光強度が高い場合を示す。

また、それぞれの動作曲線において黒丸（●印）は最適動作点を示す。図７は例えば図５において信号光波形のハイレベルが点Ａとなる場合にフォトダイオード１０の電流も最大になり、その時の条件が黒丸となる。信号光強度が異なる場合でも図７に示すようにフォトダイオード１０の電流が最大値となるように前置半導体光増幅器５の電流を調整することにより、最適な動作状態に保つことが可能である。従って、前置ＳＯＡ制御回路１２の制御部１２１ではフォトダイオード１０の電流値が最大となるようにバイアス電流源１２２を制御すればよい。

フォトダイオード１０の電流を最大にする手段としてより具体的には、例えば、常に微小な電流変化がバイアス電流源１２２で発生するように制御部１２１で制御する。すなわち、バイアス電流源１２２にて、ある設定したバイアス電流値を中心に微小な電流変調を行う。バイアス電流源１２２における電流変化は前置半導体光増幅器５の駆動バイアス変化となって前置半導体光増幅器５の光出力信号強度が変化する。それにより結果として波長変換光の強度変化となってフォトダイオード１０の電流値の変動として検出することができる。バイアス電流源１２２の電流変化に対応するフォトダイオード１０の電流変化を比較することにより、前置半導体光増幅器５の電流に対するフォトダイオード１０の電流変動の傾きを求めることができる。最適動作点にバイアス電流値が設定されていれば、図７から分かるように微小なバイアス電流の変化に対しても、この傾きが０となる。もし、バイアス電流値が最適動作点より小さい場合は傾きが正となり、最適動作点より大きい場合は負となることから、傾きに応じてバイアス電流源１２２を制御し、傾きが０となるようにすれば最適な動作点とすることが可能となる。

このように制御することにより、特に消光比と言ったような波形品質を測定しなくとも簡素な構成及び単純な制御方法で常に最も変換光率が良い最適な動作点に設定することが可能となる。ここではバイアス制御方法として上記のような方式での制御を説明しているが、図７に示す最大値が探知出来る方式であれば何れの方法でも良い。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る光波長変換器について図８を参照しながら説明する。図８は、この発明の実施の形態２に係る光波長変換器の前置ＳＯＡ制御回路の構成を示す図である。

図８において、前置ＳＯＡ制御回路１２は、制御部１２１と、バイアス電流を発生するバイアス電流源１２２と、このバイアス電流源１２２の電圧を測定する電圧測定部１２３とが設けられている。

上記の実施の形態１では、簡素な構成で光波長変換器を最適に動作することが可能なことを説明したが、この実施の形態２では、バイアス電流源１２２の電圧をモニタすることにより急激な信号光波形の変動にも対応できることを説明する。

前置ＳＯＡ制御回路１２の電圧測定部１２３は、バイアス電流源１２２の電圧を測定する。前置半導体光増幅器５は電流により制御されるが、前置半導体光増幅器５は、また、入力信号に対して光を吸収し電流を発生する。前置半導体光増幅器５自体は電流制御のため、光吸収による電流が発生すると電流値に対する電圧が変化する。そのため、予め信号が無い場合、特定の信号が入力された場合などで前置半導体光増幅器５の電流と電圧の関係を記録しておき、実際の動作において前置半導体光増幅器５の電流値と電圧値の関係から入力光信号の概略の大きさを求めることが可能となる。

図７において、例えば、動作曲線Ｃ１から動作曲線Ｃ３へ入力信号が変化した場合、通常では動作曲線Ｃ１の黒丸の点から動作曲線Ｃ２の黒丸の点、それから動作曲線Ｃ３の黒丸の点へと動作点が変化するが、制御速度が追随できないほど光信号の強度変化が速い場合、動作曲線Ｃ１の黒丸の点から動作曲線Ｃ３の白丸（○印）の極大点へバイアス電流の制御が変化してしまう可能性がある。前置半導体光増幅器５へ入力される信号光の大きさが凡そ分かっていれば、その大きさに応じて前置半導体光増幅器５の制御電流範囲を制限できる。それにより、白丸で示す極大点に誤って収束することなく、動作曲線Ｃ３の黒丸の点へ正しく変化することが可能となる。

また、ここでは入力信号光の大きさを前置半導体光増幅器５のバイアス電圧値より求めているが、前置半導体光増幅器５の前段に更に光分波器及びフォトダイオードなど光電力検出器を置いて前置半導体光増幅器５のバイアス電流動作範囲を制限しても良い。

このような制御により、入力信号が急激に変化した場合でも正しい動作点に調整することが可能となる。

１ 信号光入力端子、２ プローブ光入力端子、３ 波長変換光出力端子、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇ、４ｈ、４ｉ 光導波路、５ 前置半導体光増幅器、６ａ、６ｂ 光合波器、７ 半導体光増幅器、８ａ、８ｂ 光分波器、９ 半導体光増幅器、１０ フォトダイオード、１１ フォトダイオード電流測定端子、１２ 前置ＳＯＡ制御回路、１３ バイアス制御端子、１２１ 制御部、１２２ バイアス電流源、１２３ 電圧測定部。

Claims (1)

1. 入力された信号光を増幅する前置半導体光増幅器と、
   入力されたプローブ光を２つに分配する第１の光分波器と、
   前記前置半導体光増幅器から出力された信号光及び前記第１の光分波器から分配された一方のプローブ光を合波する第１の光合波器と、
   前記第１の光合波器により合波された信号光及び一方のプローブ光を増幅する第１の半導体光増幅器と、
   前記第１の光分波器により分配された他方のプローブ光を増幅する第２の半導体光増幅器と、
   前記第１及び第２の半導体光増幅器の出力光を合波して波長変換光として出力する第２の光合波器と、
   前記波長変換光を２つに分配する第２の光分波器と、
   前記第２の光分波器により分配された他方の波長変換光の平均電力に応じた電流を出力するフォトダイオードと、
   前記フォトダイオードから出力された電流が最大値となるように、前記前置半導体光増幅器のバイアス電流を制御する制御回路と
   を備え、
   前記制御回路は、
   前記前置半導体光増幅器に印加するバイアス電流を時間的に常に微小に変化させ、前記フォトダイオードの電流の変化を読み取ることにより前記フォトダイオードの電流を最大値にし、
   バイアス電流を発生するバイアス電流源と、
   前記バイアス電流源の電圧を測定する電圧測定部と
   を有し、
   前記前置半導体光増幅器に印加するバイアス電流及び前記電圧測定部により測定された電圧を記録し、バイアス電流と測定された電圧の関係からバイアス電流を制限する
   光波長変換器。

Images