JP7077525B2 - 波長可変光源、及びこれを用いた光トランシーバ - Google Patents

Description

本発明は、光通信で用いられる波長可変光源とこれを用いた光トランシーバに関する。

大容量の光通信を実現するため、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）の技術が採用されつつある。ＷＤＭでは、異なる波長の光を発振する波長可変光源（ＴＬＳ：Tunable Light Source）が用いられる。波長可変光源には、波長制御のための波長モニタが設けられている。波長モニタは、一般的に、周期的な透過スペクトルをもつ波長フィルタとフォトダイオード（ＰＤ）で実現される。このような波長フィルタとして遅延干渉計が用いられている（たとえば、特許文献１及び特許文献２参照）。

図１は、従来の波長可変光源の構成を示す。半導体光増幅器（ＳＯＡ１）から出力された光を共振器フィルタに通すことで、特定波長の光が選択的に増幅される。増幅された光の一部をタップ１で取り出し、タップ２で２つに分岐する。分岐された光の一方は波長フィルタに入力され、他方は半導体光増幅器（ＳＯＡ２）で増幅されて出力光となる。出力光の一部は、パワーモニタ用のフォトダイオードＰＤｍで受光される。波長フィルタは３ｄＢカプラと、長さの異なる２本の導波路と、９０°ハイブリッド（光ミキサ）を有し、９０°ハイブリッドから出力される位相が９０°ずれた２つの光をＰＤ１、ＰＤ２で受光する。

波長モニタのＰＤ１とＰＤ２で検出される電流をそれぞれＰ１、Ｐ２とし、パワーモニタ用のフォトダイオードＰＤｍで検出される電流をＰmonとすると、電流比Ｐ１／ＰmonとＰ２／Ｐmonのスペクトル（波長フィルタの透過スペクトル）は図２のようになる。各波長グリッドに波長を精度良く合わせるためには、フィルタのスロープが大きいほうが微分利得が大きく感度がよい。グリッドごとに、Ｐ１とＰ２のうちスロープの大きいほうを選択して、ＰＤ１とＰＤ２の電流が狙いの値になるように波長を制御する。

図１の構成では、パワーモニタ用のＰＤｍの受光強度が半導体光増幅器ＳＯＡ２の状態に依存することにより、波長モニタで十分な精度を得ることができない。そこで、図３のように、波長モニタへの入力光の一部をタップ３で取り出し、追加の波長モニタ用のフォトダイオードＰＤｍＷで受光し、受光した光を参照光とする構成がある。

米国特許出願公開第２０１５／００８５２９２号明細書 国際公開第２０１６／０１０５２８号

図３の構成ではタップ３が新たに必要となり、ＰＤ１とＰＤ２での受光量が減る。波長モニタ用の受光量を確保するためにタップ２の分岐比率を調整すると、ＳＯＡ２側での出力光の強度が小さくなってしまう。また、タップ３の分岐比は波長に依存するため、パワーモニタ用のフォトダイオードＰＤｍＷで必要な受光量を得るために、タップ３からＰＤｎＷ側への分岐割合が最小となる波長を基準にしてタップ比を設計する。タップ３からＰＤｎＷへの分岐割合が最大となる波長では、そのぶんＰＤ１とＰＤ２での受光量が減るので、タップ２から波長フィルタへの分岐比を上げなければならない。その結果、損失が増大して出力光のパワーが減少する。また、タップ３の分岐比が波長に依存すると、制御波長ずれの問題も生じ波長フィルタが安定しない。

本発明は、低損失かつ安定した動作の波長モニタを有する波長可変光源を提供することを目的とする。

一つの態様では、波長可変光源は、
光源と、
前記光源からの光が入力される波長モニタと、
前記波長モニタの出力値に基づいて前記光源を制御する制御部と、
を有し、
前記波長モニタは、周期的な透過スペクトルをもつ波長フィルタと、前記波長フィルタの出力に接続される３つの受光素子を有し、
前記制御部は、前記３つの受光素子で得られた３つの受光量のうちの２つの受光量を用いて規格化された受光比を計算し、前記受光比の計算値が指定波長での目標比率に近づくように前記光源に入力される電流値を制御する。

低損失で安定した動作の波長モニタを有する波長可変光源が実現する。

温度依存性を低減した従来の波長モニタの概略図である。 ＰＤ電流の出力パワーモニタ用のＰＤｍ電流に対する比率のスペクトルを示す図である。 従来の波長モニタの別の構成を示す図である。 実施形態の波長モニタを用いた波長可変光源の概略図である。 ３つのＰＤ出力電流から計算される波長フィルタの透過スペクトルを示す図である。 光源制御部の機能ブロック図である。 波長ごとに用いる比の種類と目標の比率値を対応づけたテーブルの例を示す。 光源制御部で行われる波長制御のフローチャートである。 波長可変光源１０を用いた光トランシーバの概略図である。

図４は、実施形態の波長可変光源１０の概略構成図である。波長可変光源１０は、光源２０と、波長モニタ１５と、光源制御部５１０を有する。波長モニタ１５は、波長フィルタ１５０と３つの受光素子３１（ＰＤ１）、３２（ＰＤ２）、３３（ＰＤ３）を有する。

光源２０は、半導体光増幅器１１（ＳＯＡ１）と共振器フィルタ１４と、これらの間に延びる光導波路１３１を含む。半導体光増幅器１１の光導波路１３１への接続面と反対側の端面に高反射膜１１１が形成されており、共振器フィルタ１４の光導波路１３１と反対側の端部にミラーまたは反射器１４１が形成されている。共振器フィルタ１４は外部共振器として機能し、高反射膜１１１と反射器１４１の間を往復して増幅された特定波長の光が、タップ１で光導波路１３２に結合する。共振器フィルタ１４は、たとえば１つまたは複数のリング型導波路を配置したリングフィルタであり、リングの周長、屈折率等で共振周波数が決まる。

光導波路１３２を伝搬する光の一部は、タップ２で光導波路１３３に分岐され、半導体光増幅器１２（ＳＯＡ２）で増幅される。増幅された光の一部はビームスプリッタ１７で分岐されてパワーモニタ２１（ＰＤｍ）で検出され、光源制御部５１０によりＳＯＡ２のフィードバック制御に用いられる（図面の簡略化のため結線は省略されている）。ビームスプリッタ１７を透過した光は波長可変光源１０の出力光となる。

タップ２で光導波路１３２をそのまま伝搬する光は、波長フィルタ１５０への入力光となる。波長フィルタ１５０は、入力光を２つに分岐する分岐部１５１と、分岐部１５１から延びる長さの異なる光導波路１５２及び１５３と、光導波路１５２及び１５３を伝搬した光を干渉させて位相が互いに９０°異なる光を出力する光ミキサ１５４を有する。分岐部１５１は、たとえば３ｄＢカプラであり、等分された光が入力光から３ｄＢ減衰して出力される。光ミキサ１５４は、４つの出力導波路を有する９０°ハイブリッドであり、４つの出力導波路のうちの任意の３つの導波路が、受光素子３１（ＰＤ１）、３２（ＰＤ２）、３３（ＰＤ３）に接続される。

この構成では、波長フィルタ１５０の前段にタップまたは分岐部を設けなくてもよいので、波長フィルタ１５０に入力される光の損失を抑制することができる。また、共振器フィルタ１４、光導波路１３１、１３２、１３３、波長フィルタ１５０がＳＯＩなどの基板１３上にモノリシックに形成されており、タップ数を増やさずに、コンパクトな構成となっている。

光ミキサ１５４からの３つの出力光は、それぞれ受光素子３１（ＰＤ１）、３２（ＰＤ２）、３３（ＰＤ３）で受光される。受光素子３１、３２、３３で検出された電流値は、光源制御部５１０に入力されて波長制御に用いられる。なお、光電流を電圧に変換するトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）等の回路は、直接発明と関係がないので省略する。

実施形態では、検出された３つの受光量のうちの２つの受光量の和を分母として規格化する。すなわち、受光素子３１、３２、３３で検出された電流をそれぞれＰ１、Ｐ２、Ｐ３とすると、任意の２つの和を分母、一つを分子とする比率を３つ以上計算し、所望の波長で傾きが最も大きくなる比率を選択する。たとえば、Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２）、Ｐ２／（Ｐ１＋Ｐ３）、Ｐ３／（Ｐ２＋Ｐ１）など、任意の２つの受光量の和を分母として、検出された電流値を規格化する。

従来の構成では、波長フィルタを通過しない（すなわち周期的に変化しない）モニタ光で規格化していたが、実施形態では、波長フィルタ１５０を通過した周期的に変化する受光量を分母として規格化する。そのため、一つの受光素子（ＰＤ）だけの受光量で規格化すると、波長によっては分母がゼロになる場合もあり得る。これを避けるために、分母には２つの受光素子ＰＤでの受光量の和を用いる。

また、従来のように２種類の比率だけでは、両方ともに極小値または極大値となる波長が存在しえる。極大値または極小値の近傍では傾きがゼロに近づき、波長に対する強度変化が得られなくなる（不感帯となる）。このような波長では波長制御の精度が悪くなる。そこで、３以上の電流比を算出し、スペクトルの傾きが最も大きい（波長に対する強度変化が最も大きい）比を選択して波長制御の精度を確保する。

この構成により、波長フィルタ１５０への入力（すなわちタップ２の出力）が変動しても、受光素子３１（ＰＤ１）、３２（ＰＤ２）、３３（ＰＤ３）の受光電流から計算される比率は変動しないので、安定した波長モニタが実現できる。また、タップ２で分岐された光をすべて用いてモニタできるので、波長モニタにおける光損失を防止できる。

図５は、受光素子３１、３２、３３での受光量の比率を用いた波長フィルタ１５０の透過スペクトルを示す。ここでは、Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ３）、Ｐ２／（Ｐ２＋Ｐ３）、Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２）という３種類の比率を用いている。図５のグリッドは、５０ＧＨｚの固定グリッドである。どの波長においても、３種類の比率のうち必ず１つ以上のスペクトルで傾きが十分に大きくなる。３つの中で最も傾きの大きい比率を用いて、ターゲットの波長になるように波長を調整する。

たとえば、波長１５４９．３１４ｎｍでは、Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ３）のスペクトルの傾きが最も大きいので、受光素子３１（ＰＤ１）と受光素子３３（ＰＤ３）で検出される電流値がこの波長での目標比率０．２５に近づくように共振器フィルタ１４の共振波長を制御する。

波長１５４９．７１４ｎｍでは、Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２）のスペクトルの傾きが最も大きいので、受光素子３１（ＰＤ１）と受光素子３２（ＰＤ２）で検出される電流値がこの波長での目標比率０．３５になるように共振器フィルタ１４の共振波長を制御する。

受光素子３１、３２、３３からの電流値に基づく比率は、光源制御部５１０によって算出される。光源制御部５１０は、あらかじめ（出荷前に）測定された３種類の透過スペクトル情報をメモリ５１に保持している。運用時に波長が指定されると、メモリ５１を参照して、指定波長で最も傾きが大きくなる比の種類を特定する。その後、受光素子３１、３２、３３でモニタされる受光量から電流比率あるいはパワー比率を計算し、計算値が指定された波長での目標比率に近づくように共振器フィルタ１４の共振波長を制御する。共振波長の制御は、たとえば共振器フィルタ１４の近傍に設けられたヒータに印加される電流値を制御して共振器フィルタ１４の屈折率を変えることで、目標の共振波長に制御する。

図６は、光源制御部５１０の機能ブロック図である。この例では、光源制御部５１０は記憶部５２０とともに、一つのチップ、たとえばマイクロプロセッサ５００に配置されている。光源制御部５１０は、モニタ情報取得部５１１と、比率計算部５１２と、比較部５１３と、波長制御部５１４と、指定波長入力部５１５を有する。

光源制御部５１０は、指定波長入力部５１５に波長可変光源１０で用いられる波長が入力されると、記憶部５２０のスペクトル情報５２１を参照して、指定波長でスペクトルの傾きが最も大きくなる比の種類と、その波長での目標比率値を決定する。

モニタ情報取得部５１１は、モニタ用の受光素子３１、３２、３３から受光量または電流値を取得する。比率計算部５１２は、取得された電流値を用いて、決定された比（たとえばＰ１／（Ｐ１＋Ｐ３））を計算する。比は、３つの受光量のうちの２つの受光量の和を分母とし、１つの受光量を分子とする比である。比較部５１３は、比率の計算値と目標値を比較し、比較結果を波長制御部５１４に出力する。波長制御部５１４は、比較結果に応じて、光源２０の波長を制御する。一例として、光源２０の共振器フィルタ１４のヒータに印加する電流量を制御して、共振波長を制御する。

光源制御部５１０の機能は、マイクロプロセッサ５００の演算処理回路で実現される。記憶部５２０の機能はメモリ５１で実現される。記憶部５２０は、波長フィルタ１５０の透過特性（スペクトル）情報として、たとえば図５のスペクトル情報５２１を保持していてもよいし、図７に示すテーブル５２２を保持していてもよい。また、メモリ５１は、かならずしもマイクロプロセッサ５００の内部に配置されている必要はなく、マイクロプロセッサ５００の外部に配置されていてもよい。

図７は、記憶部５２０に保持され得るテーブル５２２の一例を示す。テーブル５２２は波長ごとに、用いられる比の種類を表わす比ＩＤと、その波長でその比を用いたときの目標比率値Ｒｔを関連付けて記述する。比ＩＤは、あらかじめ設定された３種類以上の比の各々を識別する情報である。たとえば、図５で３つのスペクトルのそれぞれに与えられた識別情報（Ａ、Ｂ、Ｃ）のうち、波長ごとに傾きが最も大きくなる比ＩＤが対応づけられている。光源制御部５１０は、波長が指定されたならば、図５の透過スペクトル情報を参照して用いる比の種類と目標比率を決定してもよいし、図７のテーブル５２２から用いる比の種類と目標比率を決定してもよい。

図８は、光源制御部５１０で実行される波長制御のフローチャートである。指定波長が入力されると（Ｓ１１）、指定された波長を実現するための電流を共振器フィルタ１４に入力する（Ｓ１２）。スペクトル情報５２１を参照して、指定された波長において測定に用いる受光素子（ＰＤ）と目標比率（Ｒｔ）を選択する（Ｓ１３）。

たとえば、波長１５４９．３１４ｎｍが指定されると、図５を参照して、スペクトルの傾きが最も大きい比であるＰ１／（Ｐ１＋Ｐ３）が選択され、受光素子３１（ＰＤ１）と３３（ＰＤ３）が選択される。また、その比を用いたときの目標比率Ｒｔが特定される。この例では、Ｒｔ＝０．２５である。

受光素子３１の受光量（Ｐ１）と受光素子３３の受光量（Ｐ３）が取得される（Ｓ１４）。取得された受光量から、Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ３）が計算され、この比の計算値が目標値Ｒｔに一致するか否かが判断される（Ｓ１５）。

計算値が許容誤差の範囲内で目標値Ｒｔと一致すれば（Ｓ１５でＹＥＳ）、その波長にロックされる（Ｓ１７）。この場合、ステップＳ１２で共振器フィルタ１４に印加された電流値が維持される。比の計算値が目標値Ｒｔと異なる場合は（Ｓ１５でＮＯ）、共振器フィルタ１４に入力する電流を調整して（Ｓ１６）、目標の波長が得られるまでステップＳ１４～Ｓ１６を繰り返す。電流調整の方向は、比率の計算値と目標値との差分の符号（プラスまたはマイナス）によって決めることができる。電流調整のステップサイズは適切に設定することができる。

この制御方法により、低損失かつ安定した波長モニタに基づく高精度の波長制御が実現する。

図９は、波長可変光源１０（図では「ＴＬＳ」と表記）を用いた光トランシーバ１の概略図である。光トランシーバ１は、光送信器２と、光受信器６と、光源制御部５１０と、ＤＳＰ５０を有する。この例では、ＤＳＰ５０は、光送信器２と光受信器６に共通に用いられている。

光送信器２は、波長可変光源１０と、変調器３と、変調器ドライバ４を有する。波長可変光源１０は、光源制御部５１０の制御により、用いられる波長に応じて共振器フィルタ１４の共振周波数が調整されている。波長可変光源１０から出力される所定波長の光は、変調器３に入力される。変調器３には、データ信号に基づいて変調器ドライバ４で生成された駆動信号が入力され、波長可変光源１０から出力された光が変調される。変調を受けた指定波長の光は光信号として出力される。

光源制御部５１０は、プログラマブルロジックデバイスとして光送信器２の内部に設けられてもよいし、波長可変光源１０と同一基板上に搭載されてもよい。

ＤＳＰ５０は、光送信器２の変調器ドライバ４に入力されるデータ信号を生成する。また、光受信器６から出力される電流信号をデジタル信号に変換して、データ信号を復調する。

実施形態の構成により、波長可変光源において、低損失で安定した波長モニタが実現する。上述した実施形態は一例であり、種々の変形が可能である。３つの受光素子（ＰＤ）の受光電流を用いた比率は上述した例に限定されず、波長フィルタ１５０の透過スペクトルが取得できる限り、任意の組み合わせが可能である。たとえばＰ１／（Ｐ２＋Ｐ３）、Ｐ２／（Ｐ１＋Ｐ３）、Ｐ３／（Ｐ１＋Ｐ２）といった比を用いることもできる。

光源２０は外部共振器型に限定されず、回折格子で波長を選択するモノリシック型の光源であってもよい。波長フィルタ１５０の遅延導波路（光導波路１５３）は、Ｕ字形に限定されずＷ字形に湾曲していてもよい。９０°ハイブリッドとしては、適切な多モード干渉導波路（ＭＭＩ）または複数の多モード干渉導波路の組み合わせで実現することができる。図４の例では、共振器フィルタ１４、光導波路１３１、１３２、１３３、波長フィルタ１５０がＳＯＩ基板上にモノリシックに形成されているが、ＩｎＰ等の化合物半導体基板上にモノリシックに形成されてもよい。

１ 光トランシーバ
１０ 波長可変光源
１３ 基板
１４ 共振器フィルタ
１５ 波長モニタ
２０ 光源
５０ ＤＳＰ
５１ メモリ
１３１、１３２、１３３、１５２、１５３ 光導波路
１５０ 波長フィルタ
５００ マイクロプロセッサ
５１０ 光源制御部
５１１ モニタ情報取得部
５１２ 比率計算部
５１３ 比較部
５１４ 波長制御部
５１５ 指定波長入力部
５２０ 記憶部
５２１ スペクトル情報
５２２ テーブル

Claims (7)

1. 光源と、
   前記光源からの光が入力される波長モニタと、
   前記波長モニタの出力値に基づいて前記光源を制御する制御部と、
   を有し、
   前記波長モニタは、互いに９０°位相の異なる４つの出力をもち波長に対して周期的に変化する透過スペクトルをもつ波長フィルタと、前記波長フィルタの前記４つの出力のうちの３つの出力に接続される３つの受光素子を有し、
   前記制御部は、前記３つの受光素子で得られた３つの受光量のうちの２つの受光量の和を分母、１つの受光量を分子とする受光比を計算し、前記受光比の計算値が前記波長フィルタの前記透過スペクトルで決まる指定波長での目標比率に近づくように前記光源に入力される電流値を制御し、
   前記制御部は、前記指定波長において前記波長フィルタの前記透過スペクトルの傾きが最も大きい１種類の受光比を選択して前記目標比率を決定する、
   ことを特徴とする波長可変光源。
2. 前記３つの受光素子の出力に基づいてあらかじめ計算された、波長に対して周期的に変化する少なくとも３種類の受光比を前記波長フィルタの特性情報として記憶するメモリ、をさらに有し、
   前記制御部は、前記波長フィルタの前記特性情報から、前記指定波長において前記透過スペクトルの傾きが最も大きい１種類の受光比を選択して前記目標比率を決定することを特徴とする請求項１に記載の波長可変光源。
3. 前記メモリは、前記波長フィルタの前記特性情報を、前記３種類の受光比の各々について前記波長に対して周期的に変化する前記透過スペクトルとして記憶することを特徴とする請求項２に記載の波長可変光源。
4. 前記メモリは、前記波長フィルタの前記特性情報を、波長ごとに選択すべき受光比の種類と目標比率とを対応づけたテーブルとして記憶することを特徴とする請求項２に記載の波長可変光源。
5. 前記波長フィルタは、入力光を２つの光に分岐して分岐された光を長さの異なる２つの導波路に出力する分岐部と、前記２つの導波路を伝搬した光を干渉させて前記互いに９０°位相の異なる４つの光を出力する光ミキサとを含むことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の波長可変光源。
6. 前記光源は外部共振器型の光源であり、
   前記制御部は、前記受光比の計算値が前記指定波長での前記目標比率に近づくように共振器に入力される電流値を制御することを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の波長可変光源。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の波長可変光源を用いた光送信器と、
   光受信器と、
   を有する光トランシーバ。

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