JP6914453B2 - 波長多重通信システム及び波長多重通信システムの調整方法 - Google Patents

Description

この発明は、多波長レーザを有する波長多重通信システム及び波長多重通信システムの調整方法に関する。

光通信システムでは、波長多重通信（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術を用いて大容量光伝送を行っている。ＷＤＭ技術は、波長の異なる複数の信号光を束ねて１つの光ファイバで送る通信技術である。現在の光通信システムでは、通信波長数と同数の波長可変レーザを並列配置し、各波長可変レーザから出力された信号光を波長合波器によって束ねている。

これに対し、近年、波長フィルタを有する外部共振器を用い、多波長で同時発振する多波長レーザが提案されている。そして、この多波長レーザのＷＤＭへの適用が期待されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１６−２１３３７９号公報

多波長レーザをＷＤＭへ適用するためには、多波長レーザの発振波長が全てＷＤＭで要求されるグリッド内になくてはならない。多波長レーザでは、発振波長は、波長フィルタの透過波長によって規定される。

しかしながら、波長フィルタの透過波長は、多波長レーザの製造誤差によって設計値からずれてしまう。例えば、多波長レーザの導波路幅に誤差が生じると、波長フィルタの実効屈折率が設計値からずれ、波長フィルタの透過波長が設計値からずれてしまう。
そのため、多波長レーザを正確に所望の波長で発振させるためには、波長フィルタの透過波長を正確に制御する必要があるという課題があった。具体的には、従来では、波長フィルタに対して例えば発熱体を配置している。そして、発熱体に電流を印加することで発熱体から熱を発し、熱光学効果により波長フィルタの屈折率を制御することで、波長フィルタの透過波長を制御している。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、多波長レーザの発振波長の制御が不要な波長多重通信システムを提供することを目的としている。

この発明に係る波長多重通信システムは、一定温度に制御された送信器、及び受信器を備え、送信器は、一端に反射鏡を有する半導体光増幅器と、一端が半導体光増幅器の他端に接続された光導波路と、光導波路の他端に接続された入力ポート、及び透過波長間隔が一定である複数の出力ポートを有する第１波長分波フィルタと、第１波長分波フィルタの出力ポート毎に設けられ、当該出力ポートから出力された光の一部を反射する反射構造と、反射構造毎に設けられ、当該反射構造を透過した光を変調する変調器と、透過波長間隔が第１波長分波フィルタの透過波長間隔と同一であり、変調器の出力端毎に接続された入力ポート、及び光ファイバの一端に接続された出力ポートを有する波長合波フィルタとを有し、受信器は、光ファイバの他端に接続された入力ポート、及び透過波長間隔が第１波長分波フィルタの透過波長間隔と同一であり自由スペクトル領域が当該透過波長間隔のポート数倍である複数の出力ポートを有する第２波長分波フィルタと、第２波長分波フィルタの出力ポート毎に設けられ、当該出力ポートから出力された光を受光する受光部と、第２波長分波フィルタを温調制御する温調制御部とを有することを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、多波長レーザの発振波長の制御が不要となる。

実施の形態１に係る波長多重通信システムの構成例を示す図である。 実施の形態１における受信器が有する波長分波フィルタの出力ポート条件の一例を示す図である。 実施の形態１における受信器が有する波長分波フィルタの調整例を示すフローチャートである。 図４Ａ、図４Ｂは、実施の形態１における送信器が有する波長分波フィルタと受信器が有する波長分波フィルタとの対応関係の一例を示す図である。 実施の形態２における受信器が有する波長分波フィルタの出力ポート条件の一例を示す図である（Δλ’＞Δλ且つΔＦＳＲ＞０である場合）。 実施の形態２における受信器が有する波長分波フィルタの出力ポート条件の一例を示す図である（Δλ’＜Δλ且つΔＦＳＲ＜０である場合）。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る波長多重通信（ＷＤＭ）システムの構成例を示す図である。
ＷＤＭシステムは、図１に示すように、送信器１、受信器２、及び、送信器１と受信器２とを接続する光ファイバ３を備えている。

送信器１は、図１に示すように、利得導波路１１、光導波路１２、波長分波フィルタ（第１波長分波フィルタ）１３、複数の反射構造１４、複数の変調器１５、及び波長合波フィルタ１６を備えている。利得導波路１１、光導波路１２、波長分波フィルタ１３及び複数の反射構造１４は、多波長レーザを構成する。また、送信器１は、一定の温度に制御されている。

利得導波路１１は、電流が注入されることで光を発生する。この利得導波路１１は、一端に反射鏡１１２を有する半導体光増幅器１１１である。

光導波路１２は、光が伝搬する伝送路であり、一端が半導体光増幅器１１１の他端に光学的に接続されている。

波長分波フィルタ１３は、単一の入力ポート及び複数の出力ポートを有し、入力ポートに入力された光を波長毎に分けて各出力ポートから出力する。波長分波フィルタ１３は、入力ポートが光導波路１２の他端に接続されている。また、波長分波フィルタ１３は、出力ポートの透過波長間隔（透過波長周期）が一定である。この波長分波フィルタ１３としては、例えばアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）が用いられる。

反射構造１４は、波長分波フィルタ１３の出力ポート毎に設けられ、当該出力ポートから出力された光の一部を反射するミラーである。また、多波長レーザにおいて所定のレベルまで増幅された光は反射構造１４を透過する。この反射構造１４としては、半導体利得チップの劈開端面ミラー、ループミラー、又はＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）が用いられる。

変調器１５は、反射構造１４毎に設けられ、当該反射構造１４を透過した光を変調する外部変調器である。この変調器１５としては、例えば、電界吸収型変調器又はマッハツェンダ型変調器が用いられる。

波長合波フィルタ１６は、複数の入力ポート及び単一の出力ポートを有し、各入力ポートに入力された光を束ねて出力ポートから出力する。この波長合波フィルタ１６は、入力ポートが変調器１５の出力端毎に接続され、出力ポートが光ファイバ３の一端に接続されている。

波長合波フィルタ１６は、波長分波フィルタ１３と同一（略同一の意味を含む）の特性を有するフィルタである。すなわち、波長合波フィルタ１６は、入力ポートの透過波長間隔が波長分波フィルタ１３の透過波長間隔と同一（略同一の意味を含む）であり且つ波長特性が波長分波フィルタ１３の波長特性と同一（略同一の意味を含む）である。
以下では、波長合波フィルタ１６は、波長分波フィルタ１３と完全に同一の特性を有するフィルタであるとする。例えば、波長分波フィルタ１３としてＡＷＧを用いた場合、波長合波フィルタ１６として当該ＡＷＧと完全に同一設計のＡＷＧを用いる。これにより、導波路型の集積外部共振器を構成する際に波長分波フィルタ１３及び波長合波フィルタ１６が同じ製造誤差の影響を受けるため、設計値からのずれの影響が等しくなる。

受信器２は、図１に示すように、波長分波フィルタ（第２波長分波フィルタ）２１、複数の受光部２２、及び温調制御部２３を備えている。

波長分波フィルタ２１は、単一の入力ポート及び複数の出力ポートを有し、入力ポートに入力された信号光を波長毎に分けて各出力ポートから出力する。この波長分波フィルタ２１は、入力ポートが光ファイバ３の他端に接続されている。また、波長分波フィルタ２１は、出力ポートの透過波長間隔が波長分波フィルタ１３の透過波長間隔と同一（略同一の意味を含む）であり、また、自由スペクトル領域（ＦＳＲ：Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ）が当該透過波長間隔のポート数倍である。この波長分波フィルタ１３としては、例えばＡＷＧが用いられる。

図２は、波長分波フィルタ２１の出力ポート条件の一例を示す図である。図２では波長分波フィルタ２１としてＡＷＧを用いた場合を示している。以下では、波長分波フィルタ２１は、透過波長間隔が波長分波フィルタ１３の透過波長間隔と完全に同一であり、また、ＦＳＲが当該透過波長間隔のポート数倍に完全に一致しているものとする。図２では、波長分波フィルタ２１の出力ポート数がＮである場合を示し、Ｐ_１〜Ｐ_Ｎは各出力ポートのポート番号を示している。また、図２において、λは波長を示し、Δλは透過波長間隔を示している。
図２では、波長分波フィルタ２１は、各出力ポートの透過波長が一定間隔（Δλ）となっている。また、波長分波フィルタ２１は、Ｎ番目の出力ポートでの透過波長と１番目の出力ポートにおける次の回析次数での透過波長との差がΔλとなっている。すなわち、ＦＳＲ＝Δλ×Ｎとなっている。

受光部２２は、波長分波フィルタ２１の出力ポート毎に設けられ、当該出力ポートから出力された光を受光する。この受光部２２としては、例えばＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）が用いられる。

温調制御部２３は、波長分波フィルタ２１を温調制御する。この温調制御部２３としては、例えば、ＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ）、又は発熱体に対して電流を印加する簡易なヒータが用いられる。

次に、図１に示すＷＤＭシステムの動作例について説明する。
図１に示す送信器１は、一定の温度となるように制御されているため、ＩＣからの発熱等による環境温度の変化の影響は受けない。一方、送信器１は、多波長レーザに製造誤差が生じると、波長分波フィルタ１３の透過波長が設計値からずれる。この際、波長分波フィルタ１３の透過波長間隔は一定である。
図１に示す送信器１では、波長分波フィルタ１３の波長特性及び複数の反射構造１４の波長特性によって多波長レーザの発振波長が規定される。一方で、送信器１は、上記発振波長を制御するための機構、例えば熱光学効果を利用する機構を有していない。そのため、上記発振波長は、波長分波フィルタ１３の透過波長間隔を維持したまま設計値からシフトする。

その後、多波長レーザから出射された各光は、波長合波フィルタ１６により合波されて波長多重光となる。その後、この波長多重光は光ファイバ３を通って受信器２まで到達する。

ここで、仮に、受信器２が有する波長分波フィルタがＷＤＭのグリッドに合う波長のみを分光できる通常のフィルタである場合、発振波長は設計値からシフトしているため、波長多重光は当該フィルタを通過できず、通信が実現しない。
一方、受信器２が有する波長分波フィルタが図２に示すような特性を有する波長分波フィルタ２１である場合、図３に示すように波長分波フィルタ２１の透過波長を調整することで、波長多重光は波長分波フィルタ２１を通過可能となる。

図３は、波長分波フィルタ２１の調整例を示すフローチャートである。なお、送信器１及び受信器２は、実際の利用箇所に設置され、光ファイバ３により接続されているものとする。
波長分波フィルタ２１の調整例では、図３に示すように、まず、作業者は、波長分波フィルタ１３の出力ポートから光を送信させる（ステップＳＴ３０１、送信ステップ）。
次いで、作業者は、任意の１つの受光部２２での光の受光レベルをモニタする（ステップＳＴ３０２、モニタステップ）。
次いで、作業者は、モニタしている受光部２２での光の受光レベルが最大となるように、温調制御部２３を用いて波長分波フィルタ２１を温調制御する（ステップＳＴ３０３、温調制御ステップ）。

ここで、実施の形態１では、送信器１における波長分波フィルタ１３の透過波長間隔及び波長合波フィルタ１６の透過波長間隔と、受信器２における波長分波フィルタ２１の透過波長間隔とは完全に一致している。
そのため、波長分波フィルタ２１の１つの出力ポートでの調整が完了すると、残りの全ての出力ポートでの調整も自動的に完了し、送信器１と受信器２との間での通信が可能となる（図４Ａ参照）。

なお、波長分波フィルタ１３の１番目の出力ポートと、波長分波フィルタ２１の１番目の出力ポートとが対応するように調整されていなくてもよい。
例えば、波長分波フィルタ１３のｉ番目の出力ポートでの透過波長（λｉ）と、波長分波フィルタ２１のｉ番目の出力ポートでの透過波長（λｉ’）とが、Δλずれた状態で調整が終了する場合がある。この場合、図４Ｂに示すように、波長分波フィルタ１３の１番目の出力ポートから出力された光は波長分波フィルタ２１の２番目の出力ポートへ送信され、波長分波フィルタ１３の２番目の出力ポートから出力された光は波長分波フィルタ２１の３番目の出力ポートへ送信され、波長分波フィルタ１３のＮ番目の出力ポートから出力された光は波長分波フィルタ２１の１番目の出力ポートへ送信される。λｉとλｉ’との間のずれがｍ×Δλとなっていても同様である。

このように、実施の形態１に係る波長多重通信システムでは、送信側で生じた発振波長の設計値からのずれを受信側の簡易な温調制御によって吸収可能である。よって、実施の形態１に係る波長多重通信システムでは、精密な波長制御機構を省くことによる多波長レーザの構成の簡素化と、製造バラつきによる性能の変動をある程度許容することによる生産性の向上とが期待できる。また、受信側の透過波長の調整方法としても、送信器１と受信器２で共に周期性のある波長フィルタを利用することよって、１ポート分のみの調整で全ポートを同時に調整可能としている。

以上のように、この実施の形態１によれば、波長多重通信システムは、一定温度に制御された送信器１、及び受信器２を備え、送信器１は、一端に反射鏡１１２を有する半導体光増幅器１１１と、一端が半導体光増幅器１１１の他端に接続された光導波路１２と、光導波路１２の他端に接続された入力ポート、及び透過波長間隔が一定である複数の出力ポートを有する波長分波フィルタ１３と、波長分波フィルタ１３の出力ポート毎に設けられ、当該出力ポートから出力された光の一部を反射する反射構造１４と、反射構造１４毎に設けられ、当該反射構造１４を透過した光を変調する変調器１５と、透過波長間隔が波長分波フィルタ１３の透過波長間隔と同一であり、変調器１５の出力端毎に接続された入力ポート、及び光ファイバ３の一端に接続された出力ポートを有する波長合波フィルタ１６とを有し、受信器２は、光ファイバ３の他端に接続された入力ポート、及び透過波長間隔が波長分波フィルタ１３の透過波長間隔と同一でありＦＳＲが当該透過波長間隔のポート数倍である複数の出力ポートを有する波長分波フィルタ２１と、波長分波フィルタ２１の出力ポート毎に設けられ、当該出力ポートから出力された光を受光する受光部２２と、波長分波フィルタ２１を温調制御する温調制御部２３とを有する。これにより、実施の形態１に係る波長多重通信システムは、多波長レーザの発振波長の制御が不要となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、波長分波フィルタ１３の透過波長間隔及び波長合波フィルタ１６の透過波長間隔と波長分波フィルタ２１の透過波長間隔とが完全に同一であり、波長分波フィルタ２１のＦＳＲが正確に透過波長間隔のポート数倍である場合について示した。しかしながら、上記の条件はＷＤＭシステムの製造誤差等により崩れてしまう場合がある。

図５，６は、波長分波フィルタ２１の出力ポート条件の一例を示す図である。図５，６では波長分波フィルタ２１としてＡＷＧを用いた場合を示している。また図５，６では、波長分波フィルタ２１のポート数はＮ＝４である。図５，６において、Δλは透過波長間隔の設計値を示している。また、Δλ’は透過波長間隔の実際の値を示している。また、ΔＦＳＲは、ＦＳＲの実際の値とＮ×Δλとの差分値である。また、ｗは、波長分波フィルタ２１の出力ポートでの許容過剰損失帯域幅である。許容過剰損失帯域幅は、波長分波フィルタ２１の出力ポートで許容される過剰損失が生じる帯域の幅である。なお、図５ではΔλ’＞Δλ且つΔＦＳＲ＞０である場合を示し、図６ではΔλ’＜Δλ且つΔＦＳＲ＜０である場合を示している。

図５の場合、送信器１から送信された光が波長分波フィルタ２１の帯域内に入る条件は下式（１），（２）のようになる。式（１），（２）において、ｉは整数である。
Δλ×ｉ＋（ｗ／２）＞Δλ’×ｉ （１）
Δλ×ｉ＋ΔＦＳＲ−（ｗ／２）＜Δλ’×ｉ （２）
この式（１），（２）を整理すると、下式（３），（４）のようになる。
ｗ＞２（Δλ’−Δλ）Ｎ （３）
ｗ＞２｛ΔＦＳＲ−（Δλ’−Δλ）Ｎ｝ （４）

また、図６の場合、送信器１から送信された光が波長分波フィルタ２１の帯域内に入る条件は下式（５），（６）のようになる。
Δλ×ｉ−（ｗ／２）＞Δλ’×ｉ （５）
Δλ×ｉ＋ΔＦＳＲ＋（ｗ／２）＜Δλ’×ｉ （６）
この式（５），（６）を整理すると、下式（７），（８）のようになる。
ｗ＜２（Δλ’−Δλ）Ｎ （７）
ｗ＜２｛ΔＦＳＲ−（Δλ’−Δλ）Ｎ｝ （８）

よって、式（３），（４），（７），（８）から、下式（９），（１０）が得られる。
すなわち、波長分波フィルタ２１は、透過波長間隔がΔλ且つＦＳＲがＮ×Δλでない場合でも、式（９），（１０）を満たすフィルタであればよい。なお、この場合での波長分波フィルタ２１の調整方法は、実施の形態１で示した調整方法と同じである。
ｗ＞２｜Δλ’−Δλ｜Ｎ （９）
ｗ＞２｛｜ΔＦＳＲ｜−｜Δλ’−Δλ｜Ｎ｝ （１０）

このように、波長分波フィルタ２１は透過波長間隔がΔλ且つＦＳＲがＮ×Δλでなくてもよく、ＷＤＭシステムの生産性に影響を与えることはない。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組合わせ、或いは各実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係る波長多重通信システムは、多波長レーザの発振波長の制御が不要となり、多波長レーザを有する波長多重通信システム等に用いるのに適している。

１ 送信器、２ 受信器、３ 光ファイバ、１１ 利得導波路、１２ 光導波路、１３ 波長分波フィルタ（第１波長分波フィルタ）、１４ 反射構造、１５ 変調器、１６ 波長合波フィルタ、２１ 波長分波フィルタ（第２波長分波フィルタ）、２２ 受光部、２３ 温調制御部、１１１ 半導体光増幅器、１１２ 反射鏡。

Claims (3)

1. 一定温度に制御された送信器、及び受信器を備え、
   前記送信器は、
   一端に反射鏡を有する半導体光増幅器と、
   一端が前記半導体光増幅器の他端に接続された光導波路と、
   前記光導波路の他端に接続された入力ポート、及び透過波長間隔が一定である複数の出力ポートを有する第１波長分波フィルタと、
   前記第１波長分波フィルタの出力ポート毎に設けられ、当該出力ポートから出力された光の一部を反射する反射構造と、
   前記反射構造毎に設けられ、当該反射構造を透過した光を変調する変調器と、
   透過波長間隔が前記第１波長分波フィルタの透過波長間隔と同一であり、前記変調器の出力端毎に接続された入力ポート、及び光ファイバの一端に接続された出力ポートを有する波長合波フィルタとを有し、
   前記受信器は、
   前記光ファイバの他端に接続された入力ポート、及び透過波長間隔が前記第１波長分波フィルタの透過波長間隔と同一であり自由スペクトル領域が当該透過波長間隔のポート数倍である複数の出力ポートを有する第２波長分波フィルタと、
   前記第２波長分波フィルタの出力ポート毎に設けられ、当該出力ポートから出力された光を受光する受光部と、
   前記第２波長分波フィルタを温調制御する温調制御部とを有する
   ことを特徴する波長多重通信システム。
2. 前記第２波長分波フィルタは、出力ポートでの許容過剰損失帯域幅をｗとし、透過波長間隔の設計値をΔλとし、透過波長間隔の実際の値をΔλ’とし、出力ポート数をＮとし、自由スペクトル領域の実際の値と透過波長間隔の設計値のポート数倍との差分をΔＦＳＲとした場合に、下式を共に満たす
   ことを特徴する請求項１記載の波長多重通信システム。
   ｗ＞２｜Δλ’−Δλ｜Ｎ
   ｗ＞２｛｜ΔＦＳＲ｜−｜Δλ’−Δλ｜Ｎ｝
3. 一定温度に制御された送信器、及び受信器を備え、前記送信器は、一端に反射鏡を有する半導体光増幅器と、一端が前記半導体光増幅器の他端に接続された光導波路と、前記光導波路の他端に接続された入力ポート、及び透過波長間隔が一定である複数の出力ポートを有する第１波長分波フィルタと、前記第１波長分波フィルタの出力ポート毎に設けられ、当該出力ポートから出力された光の一部を反射する反射構造と、前記反射構造毎に設けられ、当該反射構造を透過した光を変調する変調器と、透過波長間隔が前記第１波長分波フィルタの透過波長間隔と同一であり、前記変調器の出力端毎に接続された入力ポート、及び光ファイバの一端に接続された出力ポートを有する波長合波フィルタとを有し、前記受信器は、前記光ファイバの他端に接続された入力ポート、及び透過波長間隔が前記第１波長分波フィルタの透過波長間隔と同一であり自由スペクトル領域が当該透過波長間隔のポート数倍である複数の出力ポートを有する第２波長分波フィルタと、前記第２波長分波フィルタの出力ポート毎に設けられ、当該出力ポートから出力された光を受光する受光部と、前記第２波長分波フィルタを温調制御する温調制御部とを有することを特徴とする波長多重通信システムの調整方法であって、
   前記第１波長分波フィルタの出力ポートから光を送信させる送信ステップと、
   前記受光部のうちの１つの受光部での光の受光レベルをモニタするモニタステップと、
   前記モニタステップにおいてモニタしている受光部での光の受光レベルが最大となるように、前記温調制御部を用いて前記第２波長分波フィルタを温調制御する温調制御ステップとを有する
   ことを特徴とする波長多重通信システムの調整方法。

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