JP6499603B2 - 光信号処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光通信ネットワークに用いられる光信号処理装置に関する。
インターネットなどのデータ通信ネットワークの爆発的な広がりにより、光通信ネットワークの大容量化の要求がますます大きくなっている。このようなネットワーク需要の拡大に対応するため波長多重通信が実用化されているが、近年は、光信号を電気信号に変換することなく、光信号の波長ごとの方路スイッチングを可能にする波長選択スイッチ(WSS:Wavelength Selective Switch)の需要も高まりつつある。WSSを用いるノードの構成をROADM(Reconfigurable optical add/drop multiplexing)システムという。
一方で、近年、空間分割多重通信の研究が盛んであり、一本の光ファイバ中に複数のコアを内包したマルチコアファイバ(MCF:MultiCore Fiber)を用いた光通信の研究がなされている。MCFを用いた通信においてもスイッチングを行うため、MCF用の波長選択スイッチ(MCF−WSS)の検討がなされている(例えば、非特許文献1参照)。
MCFを用いた伝送において伝送路の損失を補償するために、MCFに適した光増幅器を用いる必要がある。このような光増幅器には、複数のコアを一括で励起する一括励起のMCF−EDFA(Erbium-doped fiber amplifier)が提案されている(例えば、非特許文献2参照)。
しかしながら、一括励起MCF−EDFAにおいては、励起光をクラッドモードに伝搬させ、信号を伝搬するコアと励起光の相互作用により利得を得ることから、各コアに対する励起光の相互作用が均一でない場合、コア間で利得差が生じるという課題を有する。これに対して、OFC2014国際会議にて、7コアのMCF−EDFAの利得を等化する利得等化器について、空間光学系及びLCOS(Liquid Crystal on Silicon)素子を用いた利得等化器が提案されている(例えば、非特許文献3参照)。
M. D. Feuer, L. E. Nelson, K. Abedin, X. Zhou, T.F. Taunay, J. F. Fini, B. Zhu, R. Isaac, R. Harel, G. Cohen, and D. M. Marom, "ROADM System for Space Division Multiplexing with Spatial Superchannels," OFC/NFOEC 2013, PDP5B.8, March 17-21, 2013, Anaheim. Yukihiro Tsuchida, Koichi Maeda, Kengo Watanabe, Tsunetoshi Saito, Shigeto Matsumoto, Keiichi Aiso, Yu Mimura, and Ryuichi Sugizaki, "Simultaneous 7-Core Pumped Amplification in Multicore EDF through Fibre Based Fan-In/Out," European Conference and Exhibition on Optical Communication OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2012), paper Tu.4.F.2. Nicolas K. Fontaine, Binbin Guan, Roland Ryf, Haoshuo Chen, A. M. J. Koonen, S. J. Ben Yoo, Kazi Abedin, John Fini, Thierry F. Taunay, and David T. Neilson, "Programmable Gain Equalizer for Multi-Core Fiber Amplifiers," OFC 2014, Th5C.5 (PD), 9-13 March, 2014, San Francisco.
しかしながら、非特許文献3に示される従来の一括励起MCF−EDFA用の利得等化器では、7コア用のMCFを軸に対して回転させることで各コアに対して独立なアッテネーションを実現しているが、コア数が多くなったときに各コアの光信号を分離するのが困難になり、コア間クロストークが生じるという欠点を有している。
また、非特許文献3に示されるMCFを用いた従来の利得等化器では、各コアに対して要求される等化利得レベルが大きくなるという欠点を有する。すなわち、従来のシングルコアの伝送系では、λ依存VOA(Variable Optical Attenuator)のみで波長間の利得偏差を等化することが要求され、λ依存VOAに要求される仕様としては波長間の利得偏差のみの等化に必要なものであった。これに対して、MCFの伝送系では、通常のEDFAに対する波長間の利得偏差の利得等化に加えて、コア間利得差も等化する必要があるため、従来の利得等化器に要求されるアッテネーション性能に加えて、コア間利得偏差の等化性能が加算されることとなる。そのため、MCFの伝送系においてλ依存VOAのみで補償等化を行う際、そのアッテネーションレベル要求はコア間利得偏差の補償分、シングルコア系と比べて厳しくなる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、MCFに含まれる複数のコアから伝送された光信号を増幅した際に、アッテネーションレベル要求レベルを緩和しつつ、その波長間及びコア間の利得偏差を等化する光信号処理装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る光信号処理装置は、複数の波長多重光信号を入力する複数の入力端と、前記複数の入力端と同数かそれ以上の数の複数の出力端と、入力した前記複数の波長多重光信号の各々に対して、波長依存性のない減衰を加える波長無依存減衰器と、前記入力した複数の波長多重光信号の各々に対して、波長依存性を有する減衰を加える波長依存減衰器と、前記複数の波長多重信号のうち、利得が所定の波長範囲内で最小値を有する波長多重信号を決定して、当該最小値を最小レベル値として計測する計測部と、を備え、前記波長無依存減衰器が、前記決定された波長多重信号とは異なる他の波長多重信号の利得の各最小値を前記最小レベル値と一致するように前記他の波長多重信号を減衰し、かつ、前記波長依存減衰器が、前記入力した複数の波長多重光信号の各々に対して波長毎に減衰することにより、前記複数の波長多重光信号の利得を等化することを特徴とする。
本発明によると、MCFに含まれる複数のコアから伝送された光信号を増幅する際に、アッテネーションレベル要求レベルを緩和しつつ、その波長間及びコア間の利得偏差を等化する光信号処理装置を実現できる。
本発明に係る光信号処理装置の構成を概略的に示す図である。 本発明の実施例1に係る光信号処理装置の構成を概略的に示す図である。 実施例1における光信号処理装置のWDM信号の減衰動作について説明するためのWDM信号の利得スペクトルの例を示す図である。 本発明の実施例2に係る光信号処理装置の構成を概略的に示す図である。 本発明の実施例3に係る光信号処理装置を示す図である。 本発明の実施例3に係るLCOS素子532に設定される位相分布の例を示す図である。 減衰のための多値位相変調信号と2値の位相変調(BPSK:Binary Phase Shift Keying)信号を重畳してのこぎり波形の信号を生成する例を示す図である。 本発明の実施例4に係るλ無依存VOAの構成を例示する図である。 本発明の実施例4に係るλ無依存VOAの構成の具体例を示す図である。
(実施例1)
図1は、本発明に係る光信号処理装置の構成を概略的に示す図である。図1には、WDM信号の利得を計測する計測部101と、M個(Mは1以上の整数)の入力端In1〜InMを含む入力群110と、N個(Nは1以上の整数)の出力端からなるM組の出力端Out1-1〜Out1-N乃至OutM-1〜OutM-Nを含む出力群120と、入力群110及び出力群120に接続された減衰器130と、を含む光信号処理装置100が示されている。減衰器130は、波長依存性のある光減衰器(以下、λ依存VOA)131と、波長依存性のない光減衰器(以下、λ無依存VOA)132と、を含む。減衰器130におけるλ依存VOA131及びλ無依存VOA132は、不図示の制御部によって動作制御される(以下の各実施例でも同様である)。
以下、本発明の各実施例について説明する。
(実施例1)
図2は、本発明の実施例1に係る光信号処理装置の構成を概略的に示す図である。図2には、WDM信号の利得を計測する計測部201と、入力端In1〜InMを含む入力群210と、出力端Out1-1〜Out1-N乃至OutM-1〜OutM-Nを含む出力群220と、入力群210及び出力群120に接続されたλ依存VOA230と、入力端In1〜InMにそれぞれ設けられたλ無依存VOA2401〜240Mと、を含む光信号処理装置200が示されている。入力群210に含まれる各入力及び出力群120に含まれる各出力は、マルチコアファイバ(MCF)に内包されたコアやリボンファイバなどのバンドルされた光ファイバとすることができる。λ依存VOA230は、一般にWSSのアッテネーション機能などを用いて実現される。
図2に示す光信号処理装置200において、波長多重(WDM)信号は、入力群210に含まれる複数の入力端In1〜InMの各々を介して各λ無依存VOA2401〜240Mに入力される。この際、各λ無依存VOA2401〜240Mは、WDM信号を個別に減衰することが可能である。
図3を用いて、実施例1における光信号処理装置200のWDM信号の減衰動作について説明する。図3には、入力数がM=3の場合における、WDM信号の利得スペクトル21〜23の例が示されている。図3においては、利得スペクトル21a、22a、23aはそれぞれ異なる利得を有している。
WDM信号が光信号処理装置200に入射すると、図3(a)に示されるように、まず、計測部201は、各WDM信号の利得スペクトル31a、32a、33aのうち、関心のある所定の波長範囲で最小値を有する利得スペクトル(図3の場合はスペクトル21a)を決定し、その最小値(図3における最小レベル値)を計測する。WDM信号がλ無依存VOA240に入射すると、図3(b)に示されるように、WDM信号は、利得スペクトル32b、33bの強度がそれぞれに対応するλ無依存VOA240で減衰され、その最小値が上記決定された最小レベル値と一致するように設定される。λ無依存VOA240で利得スペクトルの最小値が最小レベル値に等化された各WDM信号は、次にλ依存VOA230へと入射する。図3(c)に示されるように、λ依存VOA230に入力されたWDM信号は、λ依存VOA230によって波長毎に減衰をかけることで利得が等化される。λ依存VOA230で利得等化された各々のWDM信号は、入力端In1〜In3に対応する出力端Out1-1〜Out1-N乃至Out3-1〜Out3-Nから、例えば、In1から入力されたWDM信号は、その波長に応じて、出力端Out1-1〜Out1-Nの何れかから出力される。
ここで、図3では、M=3の場合について説明したが、これに限定されず、Mが2以上の整数のときも同様の減衰動作により本発明を実現可能であることは明らかである。また、図3では利得スペクトルを基準に説明したが、利得スペクトルを各WDM信号強度と読み替えても差し支えないことは明らかである。
本実施例1に係る利得等化を実現する光信号処理装置200によると、MCFの伝送系における上述したようなコア間利得偏差の補償分をλ無依存VOA2401〜240Mに担保させることが可能である。そのため、MCFの伝送系を用いた場合であっても、λ依存VOA230に要求されるアッテネーションレベルを緩和することができるため、λ依存VOA230に対する要求は従来のシングルコアの伝送系における性能と同等の性能で良いという利点を生じる。
(実施例2)
図4は、本発明の実施例2に係る光信号処理装置の構成を概略的に示す図である。実施例1では、λ無依存VOA240を複数の入力端In1〜InMにそれぞれ挿入した例を示したが、λ無依存VOA240の位置は他の位置とすることもできる。例えば、図4に示すように、λ依存VOA230と出力端Out1-1〜Out1-N乃至OutM-1〜OutM-Nとの間の各位置にλ無依存VOA240を挿入することもできる。さらに、λ無依存VOAを入力群210及び出力群220の両方に設置することもできる。
(実施例3)
図5を用いて、本発明の実施例3に係る光信号処理装置について説明する。図5は、本発明の実施例3に係る光信号処理装置を示す図である。実施例3では、本発明における波長選択機能を有するλ依存減衰器の構成について詳細に説明する。実施例3では、M=4の場合を例に説明するが、これに限定されず、Mが2以上の整数のときも同様に動作させることができる。
図5には、計測部501と、入力群510及び出力群5201〜5204に接続され、光導波路基板550と、光導波路基板550に光学的に結合した空間光学系で構成されたλ依存減衰器530と、を有する光信号処理装置500が示されている。光導波路基板550上には、入力群510に接続された入力導波路群551と、出力群5201〜5204に接続された出力導波路群5521〜5524と、入力導波路群551に接続された入力側空間ビーム変換器(SBT:Spatial Beam Transformer)素子553と、出力導波路群5521〜5524にそれぞれ接続された出力側SBT素子554と、入力導波路群551にそれぞれ設けられたλ無依存VOA540と、が設けられている。入力側SBT素子553及び出力側SBT素子554は、スラブ導波路555及びアレイ導波路556を含む。λ依存減衰器530は、レンズ531と、反射型の光偏向器532と、光導波路基板550とレンズ531との間に設けられた回折格子533と、レンズ531と光偏向器532との間に設けられたシリンダレンズ534とを含んだ空間光学系で構成される。レンズ531は、x軸方向に光学パワーを有し、焦点距離がf1で構成され、シリンダレンズ534は、y軸方向に光学パワーを有し、焦点距離がf2で構成される。
光偏向器532としては、2次元上に配置されたMEMS(MicroElectro Mechanical System)によるミラーアレイもしくはLCOS素子などが適用可能であるが、ここではLCOS素子(以下、光偏向器532をLCOS素子532とする)を用いた例を説明する。
図5に示されるλ依存減衰器530において、WDM信号群は、入力群510から光導波路基板550の入力導波路群551に入力され、λ無依存VOA540を経由して入力側SBT素子553へと伝搬する。入力導波路群551は、入力側SBT素子553のスラブ導波路555へと接続されており、WDM信号群はスラブ導波路555内を拡散し、それぞれの光路長が等しいアレイ導波路556を経由して空間に出力される。
例えば、WDM信号群のうち入力導波路群551の入力導波路1aを通過する光信号は、図5に示されるように、空間側では光線1bの方向に出力され、入力導波路群551の入力導波路2aを通過する光信号は、空間側では光線2bの方向に出力される。すなわち、入力群510から入力されたWDM信号群は、その伝搬したコア毎に、λ依存減衰器530の空間光学系において異なる方向に出力される。
この際、λ依存減衰器530の空間光学系において、WDM信号群は、回折格子533、レンズ531、及びシリンダレンズ534を経由してLCOS素子532へと入射する。レンズ531は、光導波路基板550とLCOS素子532から、それぞれf1の位置に設置されているため、x−z面内において、光導波路基板550からLCOS素子532までの光学系は2f光学系となる。そのため、WDM信号群は、LCOS素子532上に垂直に入射するとともに、入力群510に含まれるコア毎に、x方向についてそれぞれ異なる位置に入力される。たとえば、光線1bを伝搬する光信号は領域αに、光線2bを伝搬する光信号は領域βに入射する。
また、WDM信号群は、回折格子533により波長分波され、回折格子533とLCOS素子532からそれぞれf2の位置に設置されたシリンダレンズ534により角度変換され、波長毎にLCOS素子532上のy方向の異なる位置に入射する。この作用により波長選択動作がなされる。これにより、LCOS素子532上では、入力群510に含まれるコア毎にx方向の異なる位置に、及びWDM信号群を構成する波長毎にy方向の異なる位置に、WDM信号群が入射する。
図6は、本発明の実施例3に係るLCOS素子532に設定される位相分布の例を示す。ここで、LCOS素子532は、入射光信号の位相を空間的に変調することで、光信号を偏向する空間位相変調素子である。したがって、LCOS素子532においてのこぎり波状の位相分布をx軸方向に付与することで光偏向が可能となる。
図6(a)では、LCOS素子532を領域α、β、γに分割して、四種の波長に対して、LCOS素子532においてそれぞれ異なるのこぎり波の位相分布を設定することで偏向する状態を示している。図6(b)に示されるように、たとえば、断面A−A’に対しては、領域αでその領域を2つののこぎり形状の分布を有する領域に分割し、領域βでは4つののこぎり形状の分布を有する領域に分割し、領域γでは2つののこぎり形状の分布を有する領域に分割して、偏向するパターンを設定している。同様に、LCOS素子22の断面B−B’、断面C−C’及び断面D−D’についても、所望のスイッチングを実現するようにLCOS素子532のパターンを設定すればよい。
LCOS素子532に入射したWDM信号群は、各領域の位相分布に応じて偏向・反射され、シリンダレンズ534、レンズ531及び回折格子533を経由して、波長選択スイッチによる波長選択に従って、光導波路基板550の何れかの出力側SBT素子554のアレイ導波路556の出力ポートに結合して出力導波路群5521〜5524へと伝搬する。このようにして、本発明に係るλ依存減衰器における波長選択機能が実現される。
以下、本実施例3に係る波長選択スイッチを有するλ依存VOAのλ依存VOAとしての動作について詳細に説明する。本実施例3に係る波長選択スイッチにおけるλ依存VOAとしての動作は、図6に示したLCOS素子532に設定された、のこぎり状波形の位相分布によって生成された位相変調信号に対して、その変調周期が十分高い多値の位相変調信号を重畳することにより実現される。
図7は、減衰のための多値位相変調信号と2値の位相変調(BPSK:Binary Phase Shift Keying)信号を重畳してのこぎり波形の信号を生成する例を示す。図7に示す例では、LCOS素子532においては、LCOS素子532ののこぎり状波形の位相分布によって生成されたのこぎり波形の位相変調信号71に対して、変調度mの位相変調信号72を重畳することにより、入射光に与える位相変調信号73を生成している。この方式により、入射光は位相変調信号72の変調周期に対応した方向へ回折されるため、損失すなわち減衰が生じる。
このように、LCOS素子532に入射した光信号に対して、LCOS素子532上の波長方向の位置毎に、異なる変調度mの位相変調信号を重畳することで波長依存の減衰を加えることができる。また、波長依存の減衰はここに示した方法以外にも、のこぎりの傾きを変えて光導波路基板550への戻り位置を調整する方法など、他の手段によっても良いことは自明である。
本実施例3に係る光信号処理装置によると、入力光学系である光導波路基板550上の入力ポートを増やすことで、非特許文献3に示される従来技術で課題となっていたコア間クロストークの問題を解決することができ、スケーラビリティに優れるという利点を有する。
(実施例4)
図8を用いて、本発明の実施例4に係る、光導波路基板に設置されたλ無依存VOAについて説明する。図8は、本発明の実施例4に係るλ無依存VOA840の構成を例示する図である。上述したように、図8において、入力群810から入力されたWDM信号は、計測部801によって利得が計測され、λ無依存VOA8401〜8403を経由してSBT素子853へと入射する。
図9は、λ無依存VOA8401〜8403の構成の具体例を示す。図9には、2つの方向性結合器841及び842と、2つの方向性結合器841及び842に挟まれたアーム導波路8431及び8432と、アーム導波路8431上に装荷された位相シフタ844とを含むマッハツェンダ型の減衰器で構成されたλ無依存VOA840が示されている。
図9に示すマッハツェンダ型の減衰器では、位相シフタ844によりアーム導波路8431及び8432間に位相差を設定することで、可変の光減衰が達成される。また、アーム導波路8431及び8432の長さを等長もしくは信号波長の数倍程度とすることで、信号波長帯域内で波長依存性のない光減衰器を実現できる。
実施例4に係る光信号処理装置によると、コア間利得偏差補償に要求される高速なVOAを適用することができる。実施例3で説明したように、λ依存VOAは、LCOS素子をスイッチングエンジンに用いた波長選択スイッチなどの波長依存の減衰機能を用いることが好適であるが、LCOS素子の応答は数100ms〜数sと遅いことが知られている。
一方、コア間利得偏差は、利得を付与する一括励起EDFAにおける励起光の励振状態によって変化する。励起光の励振状態の変動はおおよそ数ms〜数十ms程度であるため、応答の遅いLCOS素子ではレベル変動に追従できない。したがって、コア間利得偏差を補償するλ無依存VOAとして、例えば数msの応答特性を持つ石英PLC上に形成された、図9に示されるようなマッハツェンダ型のVOAなどを用いることでダイナミックな補償も可能になる。
なお、図9では、アーム導波路5431上に位相シフタ544を装荷した例を示したが、アーム導波路5432上又は両アーム導波路上に位相シフタを設けるように構成してもよい。
また、光導波路基板550としては、石英系光導波路、ポリマー導波路、ニオブ酸リチウム導波路、InPなどの半導体導波路を用いることができる。石英系光導波路の場合は熱光学効果による位相シフタ、ポリマー導波路の場合は熱光学効果もしくは電気光学効果による位相シフタ、ニオブ酸リチウム導波路の場合は熱光学効果もしくは電気光学効果による位相シフタ、半導体導波路の場合は熱光学効果もしくは電気光学効果による位相シフタを用いることができる。また、半導体導波路の場合はEA(Electro Abosorption)による減衰器を用いることもできる。

Claims (5)

  1. 複数の波長多重光信号を入力する複数の入力端と、
    前記複数の入力端と同数かそれ以上の数の複数の出力端と、
    入力した前記複数の波長多重光信号の各々に対して、波長依存性のない減衰を加える波長無依存減衰器と、
    前記入力した複数の波長多重光信号の各々に対して、波長依存性を有する減衰を加える波長依存減衰器と、
    前記入力した複数の波長多重信号のうち、利得が所定の波長範囲内で最小値を有する波長多重信号を決定して、当該最小値を最小レベル値として計測する計測部と、
    を備え、
    前記計測部は、前記波長無依存減衰器および前記波長依存減衰器よりも前記複数の入力端側に設けられ、
    前記波長無依存減衰器が、前記決定された波長多重信号とは異なる他の波長多重信号の利得の各最小値を前記最小レベル値と一致するように前記他の波長多重信号を減衰し、かつ、前記波長依存減衰器が、前記入力した複数の波長多重光信号の各々に対して波長毎に減衰することにより、前記複数の波長多重光信号の利得を等化することを特徴とする光信号処理装置。
  2. 前記波長無依存減衰器は、前記最小レベル値に等化された各波長多重光信号を前記波長依存減衰器に出力し、
    前記波長依存減衰器は、前記波長無依存減衰器によって前記最小レベル値に等化された各波長多重光信号を波長毎に減衰することにより前記複数の波長多重光信号の利得を等化して、前記複数の出力端のうちの少なくとも1つに出力することを特徴とする請求項1に記載の光信号処理装置。
  3. 光導波路が前記複数の入力端に接続された光導波路基板をさらに備え、
    前記波長無依存減衰器は、前記光導波路基板の前記光導波路に設けられており、
    前記波長依存減衰器は、第1のレンズと、光偏向器と、前記光導波路基板と前記第1のレンズとの間に設けられた回折格子と、前記第1のレンズと前記光偏向器との間に設けられたシリンダレンズとを含む空間光学系で構成され、
    前記光導波路基板の前記光導波路から出力された波長多重信号は、前記回折格子、前記第1のレンズ、前記シリンダレンズを順に介して前記光偏向器に入射して偏向・反射され、前記シリンダレンズ、前記第1のレンズ、前記回折格子を順に介して前記光導波路基板の前記光導波路に結合することを特徴とする請求項2に記載の光信号処理装置。
  4. 前記光偏向器は、LCOS(Liquid Crystal on Silicon)素子であることを特徴とする請求項3に記載の光信号処理装置。
  5. 前記波長無依存減衰器は、マッハツェンダ型の減衰器であることを特徴とする請求項3又は4に記載の光信号処理装置。
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