JP6927092B2 - 光信号モニタ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光スペクトル整形器及びそれを用いた光信号モニタ装置に関する。
インターネットトラフィックの増大と共に光ファイバ通信における通信容量増加のニーズは一層高まっている。光ネットワークの信頼性を損なわず、ネットワークを柔軟に運用・保守するためには、光信号のモニタリングが不可欠となる。特に、光パスの断線や異常検知のための光モニタとしては、例えば、波長チャネルごとの光強度を測定する光チャネルモニタ(OCM)が広く用いられている。OCMは、各ネットワークノードに装荷される。
また、光信号の信号誤り率(BER:Bit error rate)に直結した情報が得られる光信号雑音比(OSNR:Optical signal noise ratio)モニタも、信号フォーマットの複雑化と共に需要が増している。
OCMの構成は種々あるが、可変波長フィルタ及び受光素子(PD:Photodetector)を用いた構成が簡便且つ高精度に測定可能なため、しばしば用いられる。この構成は、可変波長フィルタの中心周波数を時間領域でスイープすることで、波長チャネル毎の光強度を測定可能である。また、回折格子等の波長分散素子とイメージセンサを利用する構成もOCMとして一般的に用いられる。この構成は、波長分散素子で波長チャネルをイメージセンサ上の異なる位置に入射させ、位置と波長の関係を事前に把握しておくことにより、一括で波長チャネルの強度情報を取得可能である。
OSNRモニタには、従来、OCMと同様の方式で測定された光スペクトルから、信号帯域外の自然放出光(ASE)レベルを線形補完し、光強度に対するASE起因の雑音パワー比を推定する手法(ASE補完法)が一般的に用いられてきた。しかし、高シンボルレート化に伴う光信号の広帯域化や、多段の光フィルタ通過に伴うASE光の非一様なスペクトル特性により、従来用いられてきたASE補完法ではASEレベルを推定することが困難になってきている。そのため、信号帯域内の雑音パワーを直接推定することができるインバンド型OSNRモニタ方法が求められている。
インバンド型OSNRモニタについても種々の構成が提案されているが、波長フィルタと遅延干渉系とPDとを用いた構成は、簡便かつ信号フォーマットに無依存にOSNRを測定可能であることから有用である。この構成は、遅延干渉系の信号光とASE光とのコヒーレンスの違いに基づいてOSNRを推定する手法であり、初期にキャリブレーションを行うことでPDの受光強度のみからOSNRを推定することができる(例えば、非特許文献1参照)。
また、一般に光信号モニタ装置は、常時OSNR情報が必要なわけではなく、通常運転時には光強度のみを測定し、故障解析時や回線設計時にOSNRを測定するようなオペレーションが多い。従って、単一の光信号モニタ装置において、任意の波長の光の位相、強度、振幅等を制御することによりOCM及びOSNRモニタなどの光モニタ機能を動的に変更可能な光スペクトル整形器を構成することができれば、OCMやOSNRモニタをそれぞれ別個に設ける必要がなくなるためデバイス数が削減され、より効率的に光信号モニタが可能となる。
特開2017−58417号公報
X. Liu et al., "OSNR Monitoring Method for OOK and DPSK Based on Optical Delay Interferometer", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 19, No. 15, pp. 1172−1174, 2007 M. Nakajima et al., "In−band OSNR Monitors Comprising Programmable Delay Line Interferometer Integrated with Wavelength Selective Switch by Spatial and Planar Optical Circuit", OFC2016 Y. Sakurai M. Kawasugi, Y. Hotta, M. D. S. Khan, H. Oguri, K. Takeuchi, S. Michihata, and N. Uehara, "LCOS−Based Wavelength Blocker Array With Channel−by−Channel Variable Center Wavelength and Bandwidth," IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 23, no. 14, pp. 989−991.
図1は、光信号モニタ装置において用いられる、特許文献1に記載されたSLM(Spatial Light Modulator:空間光変調器)を利用した従来の光スペクトル整形器を概略的に示す。図1(a)及び図1(b)には、入力ポートである複数の入力ファイバ1111〜111Nと、出力ポートである複数の出力ファイバ1121〜112Nと、入力ファイバ1111〜111Nに対応して設けられた複数の入力コリメートレンズ1211〜121Nと、光学素子群130と、SLM140と、出力ファイバ1121〜112Nに対応して設けられた複数の出力コリメートレンズ1221〜122Nと、を備えた光スペクトル整形器が示されている。
図1(a)はx軸方向から見た図であり、図1(b)はy軸方向から見た図である。図1(a)及び図1(b)においては、入力ファイバ111及び出力ファイバ112が配列している方向をy軸、入力ファイバ111中を信号光が伝搬する方向をz軸、y軸及びz軸に垂直な方向をx軸として示している。
図1に示されるように、光学素子群130は、入力ファイバ111から入力コリメートレンズ121を介して入力された信号光を波長分散する回折格子131と、入力ポート毎及び波長毎にSLM140上の異なる位置に集光させ、それらの信号を入力ファイバ111に対応する出力ファイバ112に結合させるためのレンズ132と、を含む。
図1に示す光信号モニタ装置においては、入力されたN本の信号光は、それぞれ、入力ファイバ1111〜111Nを介して空間に出射され、入力コリメートレンズ1211〜121Nを介し、光学素子群130に入射する。光学素子群130は、波長チャネル及び入力ポート毎にSLM140上の異なる位置に光を集光する。集光された信号光は、SLM140によって位相が変化されて出射され、再び光学素子130を介し、出力コリメートレンズ1221〜122Nを経て出力ファイバ1121〜112Nへ与えられる。
SLM140はxy平面上に画素がマトリクス状に配列された素子であり、各画素において光の位相を独立に制御可能である。SLM140では、入力された信号光が波長チャネルや入力ポートごとにSLM140上の異なる位置に集光される。そのため、この各画素の領域毎に、特定の位相パタンを与えることによって出射光の波面を制御できるため、信号光について任意のスペクトル形状に整形することが実現可能である。
従来の光信号モニタ装置では、特許文献1に記載のような光スペクトル整形器に出力ファイバに受光部を結合し、SLM140を用いて波長チャネルごとに信号光のスペクトル形状を制御することにより、OCMやOSNRなどの光モニタ機能を動的に変更しながら特性評価を行うことができる。
加えて、特許文献1記載の構成から容易に推定可能なように、SLM140をイメージセンサに置き換えることにことにより、各ファイバからの波長毎の強度測定、すなわちOCMの機能が実現可能である。本構成は、OSNRモニタの機能が削減される反面、OCMとしてはSLM及び出力ファイバ、PDアレイが不要となるため、サイズ・コストの面で有用である。
ここで、現在ネットワークの多方路化が進んでおり、必要となる光モニタの数が増大してきている。加えて、マルチコアファイバ等を用いた空間多重化(SDM:Space division multiplexing)技術も検討が進んでおり、波長方向のみならず空間方向に多重化された光信号をモニタする必要が生じる。
しかしながら、従来の光スペクトル整形器においては、図1に示すように、入力コリメートレンズ1211〜121N及び出力コリメートレンズ1221〜122Nをy軸方向に配列する必要があるため、光モニタの数が増大するにしたがってレンズ自体の大きさに起因して光信号モニタ装置の大きさも増大してしまうという問題があった。また、一般にSLMやイメージセンサのサイズ・ピクセル数には上限があるために、実現可能な空間多重数に上限がある。例えば、非特許文献3記載の、ファイバアレー型のスペクトル整形器の空間多重数は12である。したがって、大規模な光モニタをコンパクトに実装する技術が求められている。
本発明は、上記のような課題を鑑みてなされたものであり、入出力ポート数が増大した場合であってもコンパクトに構成可能な光スペクトル整形器及び光信号モニタ装置を提供することを目的とする。
本発明の他の態様に係る光信号モニタ装置は、信号光を入力する複数の入力ファイバと、前記複数の入力ファイバの各々から出射された各信号光のビーム径を拡大しつつ、前記信号光毎に異なる角度で出射する入力側導波路部を含む光導波路フロントエンドと、平面上にマトリックス状に配列された複数の画素によって構成されるイメージセンサと、前記光導波路フロントエンドの前記入力側導波路部から出射された前記信号光の各々を前記イメージセンサ上のそれぞれ異なる前記画素の位置に集光するように配置された光学素子群とを備え、前記イメージセンサでそれぞれ測定した光の強度に基づいて、前記複数の入力ファイバの各々を伝搬する信号光の強度を算出する算出手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明の一態様によると、入出力ポート数が増大した場合であってもコンパクトに構成可能な光スペクトル整形器及び光信号モニタ装置を実現することが可能となる。
特許文献1に記載の従来の光スペクトル整形器を概略的に示す図である。 本発明の第1の実施形態に係る光スペクトル整形器の構成を概略的に例示する図である。 本発明に係る光導波路フロントエンドの構成を例示する図である。 本発明に係るSLMに印加する電圧の位相パタンを例示する図である。 光導波路フロントエンド220の具体的な構成を例示する図である。 本発明に係る光スペクトル整形器を用いてバンドパスフィルタ動作を実現するためのSLMにおける位相パタンを例示する図である。 本発明に係る光スペクトル整形器を用いて遅延干渉系を実現するためのSLMにおける位相パタンを例示する図である。 本発明の第2の実施形態に係る光信号モニタ装置の構成を概略的に例示する図である。 本発明の第3の実施形態に係る光信号モニタ装置の構成を概略的に例示する図である。 本発明の第3の実施形態に係る光信号モニタ装置の他の構成を概略的に例示する図である。 本発明の第3の実施形態に係る光信号モニタ装置のさらに他の構成を概略的に例示する図である。 本発明の第4の実施形態に係る光スペクトル整形器の構成を概略的に例示する図である。 本発明の第4の実施形態に係る光信号モニタ装置の構成を概略的に例示する図である。
(第1の実施形態)
図2は、本発明の第1の実施形態に係る光スペクトル整形器の構成を概略的に例示する。図2(a)及び(b)には、入力ポートである複数の入力ファイバ2111〜211Nと、出力ポートである複数の出力ファイバ2121〜212Nと、光導波路フロントエンド220と、光学素子群230と、SLM240と、を備えた光スペクトル整形器が示されている。
図2(a)はx軸方向から見た図であり、図2(b)はy軸方向から見た図である。図2(a)及び図2(b)においては、入力ファイバ211及び出力ファイバ212が配列している方向をy軸、入力ファイバ211中を信号光が伝搬する方向をz軸、y軸及びz軸に垂直な方向をx軸として示している。
図3は、本発明に係る光導波路フロントエンド220の構成を例示する。図3に示すように、光導波路フロントエンド220は、入力側導波路部2201と、出力側導波路部2202と、を含む。
入力側導波路部2201は、入力ファイバ2111〜211Nから入力される各信号光を導波する第1の入力導波路部2211〜221Nと、各第1の入力導波路部2211〜221Nから入力した信号光の光ビーム径を拡大しつつ拡散して導波する入力スラブ導波路222と、入力スラブ導波路222で拡散された信号光がそれぞれ入射する第2の入力導波路部2231〜223Nと、第2の入力導波路部2231〜223Nからそれぞれ出射された信号光の波面に応じて出射角を変換して当該出射角を変換した信号光を光学素子群230に出力する光フェーズドアレー出射部2241〜224Nと、を含む。
出力側導波路部2202は、SLM240から光学素子群230を介して出力された各信号光が入射する光フェーズドアレー入射部2251〜225Nと、光フェーズドアレー入射部2251〜225Nに入射した信号光をそれぞれ伝搬する第1の出力導波路部2261〜226Nと、各第1の出力導波路部2261〜226Nから入力した信号光を導波する出力スラブ導波路227と、出力スラブ導波路227から入力される各信号光を導波して出力ファイバ2121〜212Nに出力する第2の出力導波路2281〜228Nと、を含む。
光学素子群230は、第1のコリメートレンズ231と、回折格子232と、フーリエレンズ233と、第2のコリメートレンズ234と、を含む。光学素子群230は、波長チャネル及び入力ポート毎に、光導波路フロントエンド220の光フェーズドアレー出射部2241〜224Nから出射された信号光をSLM240上の異なる画素の位置に集光するとともに、SLM240から出射した信号光を光導波路フロントエンド220のそれぞれ異なる光フェーズドアレー入射部2251〜225Nに出力する。
SLM240は、xy平面上に複数の画素がマトリックス状に配列された素子であり、複数の画素を駆動する駆動部(不図示)を有する。マトリックス状の複数の画素の位相パタンを駆動部によって制御することにより、各画素において入力された光の強度、位相、遅延時間等を独立に制御して出射することができる。SLM240は、例えばLCOS(Liquid Crystal On Silicon)、MEMS(Micro Electro Mechanical System)ミラー等を用いることができる。
LCOSは、画素中の液晶材料の配向方向をドライバ電極に印加する電圧により制御可能であり、これによって入力された信号光に対する液晶の屈折率を変化させて信号光の位相を制御して出射することが可能である。LCOSの表面電極を透明電極とし、裏面電極を反射電極とすることで反射型の位相変調器が実現可能である。LCOSにおいては、液晶材料の代わりに電気光学効果を示す材料を用いても構わない。また、MEMSミラーは、例えば電圧を印加することで、各画素の位置に対応するミラーをz軸方向へ変位させることで画素ごとに光路長を変化させ、位相を制御することが可能である。
図4は、本発明に係るSLMに印加する電圧の位相パタンを例示する。SLM240に、例えば図4に示すような、のこぎり波状の位相パタンを有する電圧を印加することで、信号光を偏向させることができる。SLM240では、のこぎり波状の位相パタンの傾きに応じて、入射した信号光の偏向角度を制御することができる。従って、本発明に係る光スペクトル整形器では、SLM240において波長チャネル毎に異なる位相パタンを設定することで、信号光について任意のスペクトル形状を実現可能である。
図2に示す光信号モニタ装置では、入力されたN本の信号光は、それぞれ、入力ファイバ2111〜211Nを介して光導波路フロントエンド220内の各第1の入力導波路部2211〜221Nに結合される。
第1の入力導波路部2211〜221N内を伝搬する信号光は、入力側スラブ導波路222で拡大・拡散され、第2の入力導波路部2231〜223Nに入射する。従って、第2の入力導波路部2231〜223Nの各導波路内では、第1の入力導波路部2211〜221Nから出射された全ての信号光がシェアされている。第1の入力導波路部2211〜221N及び第2の入力導波路部2231〜223Nでは、各導波路間を伝搬する信号光に遅延差が生じないように導波路の長さが調整されており、また隣接する各導波路を伝搬する信号光が互いに干渉しないような距離に各導波路間が離間されている。これにより、入力されたN本の信号光は、入力側スラブ導波路222での光波面が保存されたまま光フェーズドアレー出射部2241〜224Nに至る。
光フェーズドアレー出射部2241〜224Nは、各導波路から出射する信号光が干渉するように各導波路の各出射端が近接している。各導波路から出射する信号光を干渉させるために、光フェーズドアレー出射部2241〜224Nから出射する信号光の出射角度は、各光フェーズドアレー出射部2241〜224Nに入力される信号光の波面の向きによって異なる。第2の入力導波路部2231〜223Nでは、入力側スラブ導波路222での光波面が保存されているため、この波面の向きは第2の入力導波路部2231〜223Nの位置によって変化する。従って、入力側スラブ導波路222へ高密度に信号光を入力することで、多数の入力光信号を異なる角度で出射させることができる。また、この時のビーム径は、入力側スラブ導波路222において入力側スラブ導波路222の長さで決まる倍率でy方向に拡大されている。光フェーズドアレー出射部2241〜224Nから出射した各光ビームは、光学素子群230に入射する。
光導波路フロントエンド220を介して光学素子群230に入力された信号光は、コリメートレンズ231を介して回折格子232に入射し、回折格子232において波長分散されて、フーリエレンズ233に入射する。フーリエレンズ233に異なる角度で入力された各光は、レンズ234を介してSLM240上の異なる位置に集光される。
フーリエレンズ233に入射した光は、レンズ234を介してSLM240上に集光される。フーリエレンズ233では、光導波路フロントエンド220から出射される信号光のビーム径w0が大きいほど、SLM240上に入射する信号光のビーム径w1が減少する。すなわち、光導波路フロントエンド220の光フェーズドアレー出射部2241〜224Nから出射する各信号光のビーム径と出射角度を制御することで、多数の信号光をSLM240上へ高密度に照射することが可能である。
波長チャネルごとにSLM240上の異なる画素の位置に集光された信号光は、SLM240において位相が変化されて、SLM240から出射される。SLM240から出射された信号光は、再び光学素子230を介し、光導波路フロントエンド220に至る。SLM240では、各信号光が入射する画素領域毎に、特定の位相パタンを与えるように印加電圧を設定することによって出射光の波面を制御することができる。
光導波路フロントエンド220の光フェーズドアレー入射部2251〜225Nに入射した信号光は、第1の出力導波路部2261〜226N、出力スラブ導波路227及び第2の出力導波路部2281〜228Nを介して出力ファイバ2121〜212Nに出力される。
本構成で実現可能な空間多重数について記述する。SLM240のy方向の高さをH、SLM240上の隣接ポートとのビーム間隔ΔdSLMとすると、本発明で実現可能な最大の空間多重数Nは以下の(式1)のように記述できる。
Figure 0006927092
また、SLM240上のビーム径ωSLMはΔdSLMよりも小さい値でない場合、ビームがオーバラップし、光モニタにクロストーク(XT)が生じる。これを回避するためにkを1より大きな実数として、ΔdSLMを以下の(式2)のように設定する必要がある。
Figure 0006927092
上記の関係から、空間多重数Nは、以下の(式3)のようにωSLMとHの値で決定される。
Figure 0006927092
すなわち、kまたはωSLMを小さく出来るほど空間多重数Mは増加する。ただし、上述の通り、kの値には制約があり、例えばガウスビームの結合が十分小さくなる場合を鑑みると3以上の値が好ましい。この値よりも小さい場合は、XTが劣化しモニタの精度劣化などにつながる。
また、ビーム径ωSLMが小さくなると、1ビーム当たりのピクセル数が劣化し、スペクトル整形器の精度劣化につながる。例えば、後述するような遅延干渉計機能やバンドパスフィルタ機能を光モニタに十分な精度で構築するには、ωSLMは少なくとも5ピクセル以上であることが望ましい。
上記の制約を満たす範囲で最小のωSLM、kの値を選択することで空間多重数Mを増加させることが出来る。しかしながら、前述のように特許文献1記載のファイバアレー型フロントエンドの構成では、レンズの配置間隔やファイバのビーム径の制約等から、任意のωSLM、kを設計するのは困難であった。一方、本発明の導波路フロントエンドを利用した形態では、任意のωSLM、kを実現可能である。その設計手法について記述する。
図5は、光導波路フロントエンド220の具体的な構成を例示する。図5中、pは第1の入力導波路部221の入力導波路221i(iはポート番号)から入力スラブ導波路222へ結合する箇所の位置オフセット、fSBTは入力スラブ導波路222の長さ、d1は入力スラブ導波路222から出射する箇所での第2の入力導波路部2231〜223Nの間隔、d2は光フェーズドアレー出射部224の導波路間隔である。この場合、光導波路フロントエンド220から空間に出射する光ビームの出射角θSBT及びビーム径ωSBTは、それぞれ以下の(式4)及び(式5)で記述できる。
Figure 0006927092
Figure 0006927092
ただし、λは伝搬ビームの波長、nは導波路の有効屈折率、ωoは導波路のモード径である。このビームが図2に記述するような、一般的なフーリエ光学系を介してSLMに結像する場合、そのビーム結像位置の間隔ΔdSLMは、以下の(式6)から、次の(式7)で表される。
Figure 0006927092
Figure 0006927092
ただし、foはレンズの焦点距離を示している。(式2)及び(式4)−(式7)を用いることで、任意のk、ωSLMを実現可能である。例えば、d1=d2=10μm、ωo=5μm、n=1.4、fsbt=21mm、fo=150mmのようにすることで、ωSLM=50μm、k=3.5が得られる。画素ピッチ10μm及びピクセル数が4Kの長軸をy方向に向けて配置する場合(y方向に4096画素)を鑑みると、空間多重数Nは231となる。これは、非特許文献3に示される従来のファイバ型スペクトル整形器の報告値である12よりも約19.3倍大きい。
なお、(式4)−(式7)は、最もビーム径が小さくなる位置である焦点面にSLM240を配置する場合(すなわち2−f系)を考慮しているが、必ずしも焦点面に配置する必要は無い。例えば、よりレンズ側にSLM240を配置することで、光路長の短縮を計れる。本発明は、上記のような構成も包含することができる。
図6は、本発明に係る光スペクトル整形器を用いてバンドパスフィルタ動作を実現するためのSLM240における位相パタンを例示する。本発明に係る光スペクトル整形器を用いてバンドパスフィルタ動作を実現するには、例えば図6に示すような位相パタンをSLM240で設定すればよい。ここで、接続のこぎり波パタン241は出力ファイバ2121〜212Nに最も結合する角度で信号光が出射するように構成され、ブロック位相パタン242は出力ファイバ2121〜212に十分に結合しないような角度で信号光が出射するように構成されている。接続のこぎり波パタン241の中心位置は、バンドパスフィルタの中心波長に対応し、接続パタンのx方向の幅はバンドパスフィルタの幅を示す。図6に示すようにy軸方向に異なる位相パタンを表示することで、入力ポート毎に異なる波長チャネルの信号をモニタすることが可能となる。
また、バンドパスフィルタ幅は位相パタンで変更可能であるため、フレックスグリッドのような波長チャネル毎に帯域幅が異なる光信号強度もモニタすることが可能となる。また、バンドパスフィルタの中心波長を時間掃引することで、全ての波長チャネルの信号光をモニタすることが可能となる。
図7は、本発明に係る光スペクトル整形器を用いて遅延干渉系を実現するためのSLM240における位相パタンを例示する。本発明に係る光スペクトル整形器を用いて遅延干渉系を実現するには、例えば図7に示すように、SLM240に入射した1つの信号光について、そのビーム径内において2つの異なる位相パタンが設けられるように印加電圧を制御すればよい。これによって、SLM240に入射した光は、方路が2つに分岐される。
ただし、y軸方向は出力ファイバ2121〜212に十分結合する同じ傾きのスロープが設定されており、スロープの位相オフセット量Δφが異なる。位相傾きが同様であるため、信号は同じ出射角で出力ファイバに至るが、位相がΔφ異なるために出力ポートで干渉が発生し、Δφに応じて出力ファイバへ結合する信号光の強度が変化する。また、x軸方向には互いに逆向きの位相スロープが設定される。x軸への位相スロープによって光路差Δτが発生するため、出力ポートでの干渉は遅延干渉と同様になる。光路差Δτは、x軸方向のスロープ傾きを変化させることで変化可能である(例えば、非特許文献2参照)。
本発明に係る第1の実施形態に係る光スペクトル整形器によると、SLM上に高密度に光信号を入射させることができるため、入出力ポート数が増大した場合であっても、コンパクトな光スペクトル整形器を実現することが可能となる。
(第2の実施形態)
図8は、本発明の光スペクトル整形器を用いた第2の実施形態に係る光信号モニタ装置の構成を概略的に例示する。図8には、モニタ対象のN本の信号光が入力されるN本の主線光ファイバ3011〜301N中の信号光の一部をN本の接続ファイバ3021〜302Nに分岐するNアレーの光カプラ3031〜303Nと、光カプラ3031〜303Nでそれぞれ分岐された光信号を独立に制御可能なNアレーの光スペクトル整形器304と、光スペクトル整形器304からのN本の出力信号の光強度を独立に測定可能な受光部アレー305と、を備えた光信号モニタ装置が示されている。
光カプラ3031〜303Nは、例えば1入力2出力の1×2光カプラを用いることができる。光カプラ3031〜303Nとしては、例えば光ファイバ型カプラや光導波路の干渉系のカプラを用いることができる。
Nアレーの光スペクトル整形器304は、N本の入力光に対して任意の波長フィルタリングや遅延干渉などの光モニタ機能を動的に変更可能に構成されている。光スペクトル整形器304としては、例えば、第1の実施形態に係る光スペクトル整形器を用いることができる。本発明の第2の実施形態に係る光モニタ装置に依れば、Nの数は、上述のように例えば231のような大きな値を設定できる。
受光部アレー305は、例えば、多数のPDを基板上に集積化したり、先端にPDを実装した光ファイバアレーを用いたり、CCDやInGaAsカメラのような面受光素子を用いることができる。受光部アレー305には、図示しない算出手段が接続されており、当該算出手段によって、受光部アレー305で測定した光の強度に基づいて、各主線光ファイバ3011〜301Nにおける信号光の強度やOSNR等のモニタ内容に応じた測定値が算出される。
本発明の第2の実施形態に係る光信号モニタ装置の多チャネルOCMとしての動作について説明する。光カプラ3031〜303Nにて主線光ファイバ3011〜301Nからそれぞれタップされた信号光は、光スペクトル整形器304の各入力ポートへそれぞれ入力される。光スペクトル整形器304では、測定したい波長チャネルの中心周波数と、透過する波長帯域を有するバンドパスフィルタと、が波長チャネル毎に設定されている。そのため、光スペクトル整形器304から出力された信号光は、所望の波長チャネルの成分のみを含む。従って、n=1,2,...,Nとすると、各主線光ファイバ301を伝搬する信号光の強度Pn[dB]は、受光部アレー305においてそれぞれ検出される受光強度PPD-n[dB]及び光カプラ3031〜303Nにおいてタップした後の光学系で発生する光損失の値αn[dB]から以下の(式8)を通じて換算可能である。
Figure 0006927092
ここで、βは、光カプラ3031〜303Nにおける主線光ファイバへの出力に対する接続ファイバへの出力の分岐比である。β及びαnの値は、実験による実測値または光伝搬シミュレーション等によって予め保持しておくことができる。そのため、PPD-nをモニタすることで主線光ファイバ3011〜301Nの光チャネルを伝搬する信号光の強度Pnの値を特定することができる。
光スペクトル整形器304から出力された各信号光は、受光部アレー305に入力される。光スペクトル整形器304では波長チャネル毎に任意のフィルタ形状を設定することができるため、受光部アレー305において主線光ファイバ3011〜301N毎に異なる波長チャネルの信号光の強度を測定することも可能である。また、光スペクトル整形器304では、バンドパスフィルタを動的に再構成可能であるため、中心波長を時間掃引することで各主線光ファイバ3011〜301Nの全ての波長チャネルの信号光の光強度を測定することが可能である。
次に、本発明の第2の実施形態に係る光信号モニタ装置の多チャネルOSNRモニタとしての動作について説明する。本発明の第2の実施形態に係る光信号モニタ装置を多チャネルOSNRモニタとして動作させる場合には、上述した機能に加えて、光スペクトル整形器304において、同帯域内の信号光を2分岐して、受光部アレー305における単一の受光部に結合することによって遅延干渉系を形成するように構成する。この結果、受光部アレー305では、所望の波長チャネルを伝搬する信号光が遅延干渉した後の干渉光強度が測定される。
ここで、遅延干渉系における一方の信号光の位相を掃引し、干渉光強度が最大になる値Pmaxと最小になる値Pminを算出すると、これらの強度比R=Pmax/Pminを用いて、OSNR[dB]を以下の(式9)から計算することができる(例えば、非特許文献1参照)。
Figure 0006927092
上記(式9)において、sおよびnはそれぞれ光ノイズが存在しない場合及び信号光が存在しない場合のRの値であり、NEBはノイズ成分の実効的な透過帯域すなわちバンドパスフィルタの帯域である。s及びnは事前にキャリブレーションすることで算出可能であり、NEBはSLMで設定する透過帯域の幅から算出可能である。従って、上述のRをモニタすることで、OSNRを推定することが可能である。
このように、光スペクトル整形器304では、バンドパスフィルタを動的に再構成可能なため、中心波長を時間掃引することで各主線光ファイバ3011〜301Nの全ての波長チャネルの信号光のOSNRを測定することが可能である。加えて、各主線光ファイバ3011〜301Nや波長チャネル毎に異なるモニタ機能を割り当てることもできる。
(第3の実施形態)
図9は、本発明の第3の実施形態に係る光信号モニタ装置の構成を概略的に例示する。図9には、空間多重に対応した空間多重数がKであるN本の主線SDM光ファイバ4011〜401Nと、N本の接続SDMファイバ4021〜402Nと、N本の主線光SDMファイバ4011〜401N中の信号光の一部をN本の接続SDMファイバ4021〜402Nに分岐するNアレーのSDM光カプラ4031〜403Nと、SDM光カプラ4031〜403Nでそれぞれ分岐された信号光を独立に制御可能なNアレーのSDM光スペクトル整形器404と、SDM光スペクトル整形器404から出力された信号光をシングルモードファイバ(SMF)407に分離するファンイン・ファンアウト(FIFO)部406と、FIFO部406においてファンアウトされた(N×K)本の信号光の光強度を独立に測定可能な受光部アレー405と、FIFO部406と受光部アレー405との間を接続する(N×K)本のSMF407と、を備えた光信号モニタ装置が示されている。
主線SDM光ファイバ4011〜401N及び接続SDMファイバ4021〜402Nとしては、例えば、マルチコアファイバやマルチモードファイバを用いることができる。
SDM光カプラ4031〜403Nは、主線SDM光ファイバ4011〜401N内の空間多重化された信号光を主線SDM光ファイバ4011〜401N及び接続SDMファイバ4021〜402Nに2分岐する。SDM光カプラ4031〜403Nとしては、例えば、光ファイバ型カプラや光導波路の干渉系のカプラを用いることができる。
NアレーのSDM光スペクトル整形器404は、N本のK空間多重された信号光に対して任意の波長フィルタや遅延干渉をさせて出力させる機能を有している。SDM光スペクトル整形器404としては、例えば第1の実施形態に係る光スペクトル整形器を用いることができる。
受光部アレー405は、例えば、多数のPDを基板上に集積化したり、先端にPDを実装した光ファイバアレーを用いたり、CCDやInGaAsカメラのような面受光素子を用いることができる。
FIFO部406は、空間多重された光信号をSMF変換することができる。例えばフォトニックランタンやファイババンドル、光導波路などで構成することができる。
本発明の第3の実施形態に係る光信号モニタ装置において、N本の主線SDM光ファイバ4011〜401Nからそれぞれタップされた信号光は、光スペクトル整形器404の各入力ポートへそれぞれ入力される。光スペクトル整形器404では、入力したN本のK空間多重された信号光のスペクトル形状を所望の形状に整形してFIFO部406に出力する。
光スペクトル整形器404からFIFO部406に入力されたN本のK空間多重された信号光は、FIFO部406において(N×K)本の信号光に分離されて、(N×K)本のSMF407を介して受光部アレー405に出力される。
本発明の第3の実施形態に係る光信号モニタ装置におけるOCM動作及びOSNR動作については、入出力数がN本から(N×K)本に変化したのみであり、第2の実施形態で述べた手法と同様の方法によって実現される。
第3の実施形態に係る光信号モニタ装置は、第2の実施形態に係る光信号モニタ装置と比較し、SDM伝送した信号光についても適応できる点で優れている。
図10は、本発明の第3の実施形態に係る光信号モニタ装置の他の例を示す。図10に示す光信号モニタ装置では、FIFO部406がSDM光スペクトル整形器404の後段ではなく前段に配置されており、FIFO部406とSDM光スペクトル整形器404との間、及びSDM光スペクトル整形器404と受光部アレー405との間が(N×K)本のSMF407で接続されている。
また、図11は、本発明の第3の実施形態に係る光信号モニタ装置のさらに他の例を示す。図11に示す光信号モニタ装置では、FIFO部4061及び4062がSDM光スペクトル整形器404の前段及び後段の両方に配置されており、FIFO部4061及び4062とSDM光スペクトル整形器404との間がそれぞれ(N×K)本のSMF407で接続されているとともに、FIFO部4062と受光部アレー405との間がN本の出力SDM光ファイバ4081〜408N(空間多重数K)で接続されている。
所望の入出力ポート数や空間多重数、所望の光学特性、コスト、サイズ等に応じて、図9乃至図11に示す構成のうち、適切な構成を選べばよい。
(第4の実施形態)
図12及び図13を用いて、本発明の第4の実施形態に係る光信号モニタ装置を説明する。上述した第2及び第3の実施形態に係る光信号モニタ装置では、各々光スペクトル整形器の外側に受光部アレーが必要であった。本実施の形態では、OSNRモニタ機能を削減する代わりに、受光部アレーを必要としない形態について述べる。
図12は、本発明の第4の実施形態に係る光信号モニタ装置で用いられる光信号モニタ部の構成を例示する。図12には、入力ポートである複数の入力ファイバ5111〜511N、光導波路フロントエンド520と、光学素子群530と、イメージセンサ540と、を備えた光信号モニタ部が示されている。
図12(a)はx軸方向から見た図であり、図12(b)はy軸方向から見た図である。図12(a)及び図12(b)においては、入力ファイバ511が配列している方向をy軸、入力ファイバ511中を信号光が伝搬する方向をz軸、y軸及びz軸に垂直な方向をx軸として示している。光導波路フロントエンド520及び光学素子群530は第1の実施形態で説明したものと同様である。
本実施の形態では、SLMの代わりにイメージセンサ540が配置されていることを特徴とする。イメージセンサ540は、xy平面上に複数の画素がマトリックス状に配列された素子であり、各画素に入力される光強度に応じて出力応答が変化する。例えばCCDカメラやInGaAsカメラが利用できる。イメージセンサ540では、入力ポート及び波長毎にイメージセンサ540の異なる位置に光が照射されるため、その位置関係を把握しておくことにより入力ポート及び波長毎の光パワーを測定することが出来る。これにより、第4の実施形態に係る光信号モニタ部を用いて光信号モニタ装置を構成した場合に、外部に受光部アレーを配置せずともOCMの機能を搭載できるといった優れた効果を発現する。
図13は、本発明の第4の実施形態に係る光信号モニタ装置を例示する。図13には、モニタ対象のN本の信号光が入力されるN本の主線光ファイバ6011〜601N中の信号光の一部をN本の接続ファイバ6021〜602Nに分岐するNアレーの光カプラ6031〜303Nと、光カプラ6031〜603Nでそれぞれ分岐された光信号を独立に制御してその光強度を独立に測定可能なNアレーの光信号モニタ部604と、を備えた光信号モニタ装置が示されている。
主線光ファイバ601及び接続ファイバ602としては、第2の実施形態で用いたような光ファイバや、第3の実施形態で用いたようなSDM光ファイバを用いることができる。
光信号モニタ部604としては、図12で例示した光信号モニタ部を用いることができる。光信号モニタ部604には、図示しない算出手段が接続されており、当該算出手段によって、光信号モニタ部604で測定した光の強度に基づいて、各主線光ファイバ6011〜601Nにおける信号光の強度が算出される。
図13に示すように配置することで、受光部アレーを設けることなく、ファイバアレーや空間多重用ファイバアレーのOCMが可能な光信号モニタ装置を実現することができる。
本実施の形態においても最大の空間多重数Nは、上記(式1)〜(式8)により決定され、例えば231のように設定できる。
上記の各実施形態では、上記の機能を満たす光学系を最小のコンポーネントで実現される場合を示しており、同様の機能を実現し得る光学系以外にも無数に存在する。例えば、光路を短くするために折り返しミラーを装荷してもよく、収差を補正するレンズ群を追加してもよい。また、上記実施形態では、光カプラで分離された信号光をFIFO部を用いて分離したが、FIFO部を用いて光信号を各空間チャネルに分離し、分離した信号光のそれぞれに対し通常のSMF伝送で利用される光カプラにより分岐してもよい。

Claims (1)

  1. 信号光を入力する複数の入力ファイバと
    記複数の入力ファイバの各々から出射された各信号光のビーム径を拡大しつつ、前記信号光毎に異なる角度で出射する入力側導波路部を含む光導波路フロントエンドと、
    平面上にマトリックス状に配列された複数の画素によって構成されるイメージセンサと、
    前記光導波路フロントエンドの前記入力側導波路部から出射された前記信号光の各々を前記イメージセンサ上のそれぞれ異なる前記画素の位置に集光するように配置された光学素子群とを備え、
    前記イメージセンサでそれぞれ測定した光の強度に基づいて、前記複数の入力ファイバの各々を伝搬する信号光の強度を算出する算出手段と、
    を備えたことを特徴とする光信号モニタ装置。
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