JP7387149B2

JP7387149B2 - 傾斜利得等化器

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Publication number: JP7387149B2
Application number: JP2019196197A
Authority: JP
Inventors: 年永大久保; 隆司加藤
Original assignee: Kohoku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Kohoku Kogyo Co Ltd
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2023-11-28
Anticipated expiration: 2039-10-29
Also published as: EP4054092A1; WO2021084938A1; EP4054092A4; US11835766B2; US20220373741A1; JP2021071511A; CN114586293A

Description

本発明は傾斜利得等化器に関する。

光海底ケーブルシステムなどの光ファイバー通信システムにおける光信号の伝送路(光伝送路）は、長大な光ファイバーケーブルをいくつもの中継器を介して接続させることで構築される。光伝送路には、光ファイバーケーブルを伝搬する過程で減衰した光信号を増幅するためのエルビウム添加光ファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）が設置されている。また、光信号は、ＥＤＦＡによって増幅される際、あるいは光伝送路を伝搬する過程で利得に波長依存性が生じることから、光伝送路には、光信号の利得の波長依存性を補正するための利得等化器が設置されている。なお、以下の非特許文献１、非特許文献２には、光海底ケーブルシステムについて記載されている。また、以下の非特許文献３には、誘電体多層膜を用いた利得等化器について記載されている。

日本電気株式会社、"大洋横断有中継光海底ケーブルシステムの建設技術"、[online]、[令和１年９月２４日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：https://jpn.nec.com/techrep/journal/g09/n04/pdf/090410.pdf＞日本電気株式会社、"光海底中継装置及び関連技術"、[online]、[令和１年９月２４日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：https://jpn.nec.com/techrep/journal/g09/n04/pdf/090404.pdf＞古河電気工業株式会社、"誘電体多層膜を用いた利得等化器用フィルタチップの開発"、[online]、[令和１年９月２４日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：https://www.furukawa.co.jp/jiho/fj109/fj109_04.pdf＞

非特許文献１にも記載されているように、利得等化器には、光伝送路を伝播する過程で累積した光信号の利得のうねりを補正するシェイプ等化器と、利得の傾きを補正するチルト等化器（以下、傾斜利得等化器と称する）とがある。シェイプ等化器によって補正する利得のうねりは、中継器における増幅帯域の利得形状に基づいて特定することができる。そのため、シェイプ等化器の仕様は、シミュレーションによって、あらかじめ決定することができる。

しかし、光信号における利得の傾斜状態（傾斜方向、傾斜の大きさなど）は、実際に製造された中継器や光ファイバーケーブルの特性を測定することで判明する。そのため、傾斜利得等化器の仕様は、光信号における利得の傾斜状態（以下、傾斜利得特性と言うことがある）が判明してから決定されることになる。あるいは多様な傾斜利得特性に対応して、補正特性が異なる多種多様な傾斜利得等化器を事前に用意しておく必要がある。

傾斜利得特性が判明してから傾斜利得等化器の仕様を決定すれば、光ファイバー通信システムを短期間で構築することが困難になる。多種多様な傾斜利得等化器をあらかじめ用意しておけば、仕様の決定時間を省略し、光ファイバー通信システムを短期間で構築することができる一方で、実際に使用されない傾斜利得等化器を在庫として管理する必要がある。そのため、傾斜利得等化器の在庫管理にコストが掛かる。また、使用されない傾斜利得等化器の製造コストは、光ファイバー通信システムの構築コストを増大させる要因となる。

そこで本発明は、在庫管理に掛かるコストを低減し、光ファイバー通信システムをより安価に構築することを可能とする傾斜利得等化器を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、所定の波長帯域の光信号における傾斜した利得特性を補正する傾斜利得等化器であって、
第１の光ファイバーと第２の光ファイバーとを保持する二芯ファイバーコリメーター、第３の光ファイバーを保持する一芯ファイバーコリメーター、および干渉フィルターを備え、
前記二芯ファイバーコリメーターと前記一芯ファイバーコリメーターとが、光軸上に対向配置され、
前記干渉フィルターが、前記光軸上に、前記二芯ファイバーコリメーターと前記一芯ファイバーコリメーターとの間に配置され、
前記第１の光ファイバーまたは前記第２の光ファイバーから所定帯域の光信号が入力された際に、当該光信号が前記干渉フィルターによって反射され、前記第２の光ファイバーまたは前記第１の光ファイバーから出力され、
前記第１の光ファイバーまたは前記第３の光ファイバーから前記光信号が入力された際、当該光信号が前記干渉フィルターを透過し、前記第３の光ファイバーまたは前記第１の光ファイバーから出力され、
前記干渉フィルターの所定の波長帯域における反射方向の挿入損失の波長依存特性は、短波長側から長波長側に向かって増加または減少し、
前記干渉フィルターの所定の波長帯域における透過方向の挿入損失の波長依存特性は、前記反射方向の挿入損失とは逆となるように、短波長側から長波長側に向かって減少または増加し、
前記光信号における利得特性の波長依存特性の増減傾向と、前記干渉フィルターにおける挿入損失の波長依存特性の増減傾向とが逆向きとなるように、前記第１～第３の光ファイバーが前記光信号の入出力経路に接続される、
傾斜利得等化器としている。

本発明によれば、在庫管理に掛かるコストを低減し、光ファイバー通信システムをより安価に構築することを可能とする傾斜利得等化器が提供される。なお、その他の効果については以下の記載で明らかにする。

本発明の第１の実施例に係る傾斜利得等化器の構成を示す図である。上記第１の実施例に係る傾斜利得等化器が備える干渉フィルターに形成されている干渉膜の光学特性の一例を示す図である。上記第１の実施例に係る傾斜利得等化器による光信号の補正原理を示す図である。上記第１の実施例に係る傾斜利得等化器に入出力される光信号の光路を示す図である。上記第１の実施例に係る傾斜利得等化器が備える干渉フィルターの光学特性の一例を示す図である。上記第１の実施例に係る傾斜利得等化器によって補正される光信号の利得特性を示す図である。本発明の第２の実施例に係る傾斜利得等化器の構成を示す図である。上記第２の実施例に係る傾斜利得等化器１０１が備える補償用干渉フィルターの光学特性を示す図である。上記第２の実施例に係る傾斜利得等化器に入力される光信号の利得特性の一例を示す図である。上記第２の実施例に係る傾斜利得等化器に入出力される光信号の光路を示す図である。上記第１の実施例に係る傾斜利得等化器が備える干渉フィルターの光学特性のその他の例を示す図である。

本発明の実施例について、以下に添付図面を参照しつつ説明する。なお以下の説明に用いた図面において、同一または類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。ある図面において符号を付した部分について、不要であれば他の図面ではその部分に符号を付さない場合もある。

＝＝＝第１の実施例＝＝＝
図１は、本発明の第１の実施例に係る傾斜利得等化器１の構成を示す図である。図１に示した傾斜利得等化器１は、中空筒状の筐体２の一端側に接続された二芯ファイバーコリメーター３、筐体２の他端側に二芯ファイバーコリメーター３の光軸１００と同軸となるように接続された一芯ファイバーコリメーター４、および筐体２内にて二つのコリメーター（３，４）間で光軸１００上に配置された干渉フィルター５を含む。

二芯ファイバーコリメーター３と一芯ファイバーコリメーター４とは、光軸１００上に同軸に配置されている。二芯ファイバーコリメーター３は、中空円筒状のスリーブ６内に二本の光ファイバ（７，８）を保持したフェルール９とコリメートレンズ１０とがスリーブ６と同軸に保持された構造を有している。光ファイバ（７，８）は、それぞれ、筐体２側に開口端（以下、第１のポートＰ１，第２のポートＰ２と言うことがある）を有している。

一芯ファイバーコリメーター４は、中空円筒状のスリーブ６内に一本の光ファイバー１１を保持したフェルール１２とコリメートレンズ１０とがスリーブ６と同軸に保持された構造を有している。光ファイバー１１は、筐体２側に開口端（以下、第３のポートＰ３と言うことがある）を有している。そして、第１の実施例に係る傾斜利得等化器１では、第１のポートＰ１と第３のポートＰ３とが光軸１００上に配置されている。

なお、以下では、第１のポートＰ１を開口端とする光ファイバー７を第１の光ファイバー７と称し、第２のポートＰ２を開口端とする光ファイバー８を第２の光ファイバー８と称し、第３のポートＰ３を開口端とする光ファイバー１１を第３の光ファイバー１１と称することとする。

干渉フィルター５は、石英ガラスなどからなる基板の表面に誘電体多層膜からなる干渉膜が形成されてなる。誘電体多層膜を構成する誘電体薄膜は、Ｔａ_２Ｏ_５やＳｉＯ_２などからなる。そして、上記非特許文献３にも示されているように、干渉フィルター５における挿入損失の波長依存特性（以下、光学特性と言うことがある）は、シミュレーションに基づいて適宜に設定することができる。すなわち、目的の光学特性を有する干渉フィルター５を得るために必要な干渉フィルターの構成や構造に関するパラメーター（例えば、基板や誘電体多層膜を構成する材料の屈折率や厚さなど）を、シミュレーションにより求めることができる。

図２は、干渉フィルター５に形成されている干渉膜の光学特性の一例を示している。図２には、干渉膜に波長多重方式の光通信に用いられるＣバンドの波長帯域の光が入射したときの透過光と反射光のそれぞれの挿入損失の波長依存性が示されている。なお、周知のごとく、干渉膜に入射した光に対する反射光と入射光の波長損失特性の波長依存性は、互いに補完し合う関係になっている。図２に示した例では、干渉膜の光学特性は、図中実線で示したように、反射光の挿入損失が波長の増加とともに、直線的に３ｄＢ程度増加するように設定されている。透過光の挿入損失は、図中破線で示したように、波長の増加とともに直線的に３ｄＢ程度減少するように設定されている。このように、第１の実施例に係る傾斜利得等化器１の干渉フィルター５に形成されている干渉膜は、波長の増加に伴う反射光の挿入損失と透過光の挿入損失とが、逆向きの傾き方向で、その傾きの大きさ（傾き角度）が同じとなるように設定されている。

図３は、傾斜利得等化器１による光信号の傾斜利得特性の補正原理を示す図である。図３（Ａ）は、傾斜利得等化器１に入力される光信号の傾斜利得特性の一例を示している。図３（Ｂ）は、補正後の光信号の利得特性を示す図である。図４は、傾斜利得等化器１に入出力される光信号の光路を示している。以下、図３と図４とを参照しつつ、干渉フィルター５の光学特性が、図２に示した干渉膜の光学特性と同じであるものとして、第１の実施例に係る傾斜利得等化器１の動作を説明する。

図３（Ａ）に示した光信号の利得は、波長の増加に伴って直線的に３ｄＢ程度減少する「右肩下がり」に傾斜した特性を有している。傾斜利得等化器１は、この光信号を、短波長から長波長に向かって一定の強度となる平坦な利得特性となるように補正する。ここでは、干渉フィルター５の挿入損失が、図２に示したように、反射光において、短波長側から長波長側に向かって直線的に３ｄＢ程度減少していく特性を有していることから、図３（Ａ）に示した傾斜利得特性を有する光信号を補正する場合は、光信号を干渉フィルター５で反射させて、その反射光を出力させることになる。

例えば、図４に示したように、光信号の入力経路を第１の光ファイバーに接続し、その第１の光ファイバー７に入力された光信号を、第１のポートＰ１から出射させるとともに（ｓ１→ｓ２）、その光信号を、コリメートレンズ１０を介して干渉フィルター５に入射させる（ｓ３）。干渉フィルター５は、光の入射面が光軸１００に対して所定の角度で傾いており、第２のポートＰ２は、干渉フィルター５からの反射光（ｓ４）がコリメートレンズ１０によって結合する光路（ｓ５）上に配置されている。それによって、第１の光ファイバー７に入力された光信号（ｓ１）が、第２の光ファイバー８から出力される（ｓ６）。そして、傾斜利得等化器１に入力された光信号は、図３（Ｂ）に示したように、強度が所定の波長帯域において平坦化された状態で出力される。

なお、光信号の傾斜利得特性が短波長側から長波長側に向かって増加する「右肩上がり」の特性を有している場合は、光軸１００に沿って光路が形成されるように、干渉フィルター５に光信号を透過させる。すなわち、図４において、第１の光ファイバー７に入力した光信号を第１のポートＰ１から出射させ（ｓ１→ｓ２）、その出射光を、コリメートレンズ１０を介して干渉フィルター５に入射させる（ｓ３）。そして、干渉フィルター５を透過した光を第３のポートＰ３に結合させ（ｓ８→ｓ９）、補正後の光信号を第３の光ファイバー１１から出力させる（ｓ１０）。

このように、第１の実施例に係る傾斜利得等化器１によれば、光信号の傾斜利得特性が、短波長側から長波長側に向かってどの方向に傾斜していても、その傾斜の大きさが同じであれば、傾斜の方向を問わず、一つの傾斜利得等化器１で光信号の強度特性を平坦化することができる。すなわち、光ファイバー通信システムに第１の実施例に係る傾斜利得等化器１を採用すれば、従来、光信号における傾斜の方向と傾斜の大きさとについて個別に用意していた傾斜利得等化器１の数を、半減させることができる。すなわち、第１の実施例に係る傾斜利得等化器１は、在庫管理に掛かるコストを低減し、光ファイバー通信システムをより安価に構築することができるものとなっている。

＝＝＝第２の実施例＝＝＝
図３は、第１の実施例に係る傾斜利得等化器１の動作原理を示したものであり、干渉フィルター５の光学特性が反射光と透過光とで対称であるものとしていた。しかし、実際の干渉フィルター５の光学特性は、干渉膜と基板の双方の光学特性を反映したものであるため、反射光の挿入損失と透過光の挿入損失のいずれか一方の波長依存特性が直線的に増加あるいは減少するように設定すると、他方の波長依存特性を直線的に減少あるいは増加するように設定することが難しい。

図５に、実際の干渉フィルター５の光学特性の一例を示した。実際の干渉フィルター５では、反射光の光学特性（図中、実線）が、波長の増減に伴って直線的に増加する場合、透過光の挿入損失（図中、破線）は、波長の増減に伴って曲線を描くように減少し、直線（図中、点線）からずれてしまう。そのため、図５に示した光学特性を有する干渉フィルター５を備えた傾斜利得等化器１に、右肩上がりの傾斜利得特性を有する光信号を入力すると、図６に示したように、短波長側から長波長側に向かって湾曲した利得特性を有する光信号が出力される。

このように、補正後の光信号の波長に対する利得特性が湾曲したものであっても、利得の変動幅が、光ファイバー通信システムの仕様によって規定される範囲内であれば問題はない。すなわち、干渉フィルター５における反射光の挿入損失と透過光の挿入損失とが非対称であっても、実用的には問題がない。

もちろん、光信号の傾斜利得特性が、右肩上がりと右肩下がりのどちらであっても、利得変動が少なく平坦度が高い光信号を出力することができればより好ましい。そこで、第２の実施例として、干渉フィルター５における反射光の挿入損失と、透過光の挿入損失とが非対称である場合でも、入力される光信号の傾斜利得特性における傾斜方向に依らず、より平坦度の高い光信号を出力できる傾斜利得等化器を挙げる。

図７は、第２の実施例に係る傾斜利得等化器１０１の構成を示す図である。図７に示したように、傾斜利得等化器１０１は、第１のポートＰ１と第３のポートＰ３との間に、二つの干渉フィルター（５，１０５）が光軸１００に沿って配置されている。そして、第２の実施例に係る傾斜利得等化器１０１では、第１のポートＰ１寄りの干渉フィルター５が、図２に示した光学特性を有するものとなっている。そして、第３のポートＰ３寄りの干渉フィルター（以下、補償用干渉フィルター１０５と言うことがある）は、干渉フィルター５における透過光の挿入損失特性をより平坦にするためのものである。

図８は、補償用干渉フィルター１０５における透過光の挿入損失の波長依存特性を示している。図９は、第２の実施例に係る傾斜利得等化器１０１に入力される光信号の傾斜利得特性を示しており、図９に示したように、傾斜利得等化器１０１に入力される光信号は、利得の変動幅が３ｄＢ程度で右肩上がりの傾斜利得特性を有するものである。図１０は、傾斜利得等化器１０１に入出力される光信号の光路を示す図である。以下、図８～図１０を参照しつつ、第２の実施例に係る傾斜利得等化器１の動作を説明する。

第２の実施例に係る傾斜利得等化器１０１では、図９に示した傾斜利得特性を有する光信号が、図１０に示したように、第１の光ファイバー７に入力されると（ｓ１）、その光信号が第１のポートＰ１から出射するとともに（ｓ２）、コリメートレンズ１０によって平行光に整形された上で干渉フィルター５に入射する（ｓ３）。干渉フィルター５に入射した光信号は、干渉フィルター５と補償用干渉フィルター１０５とを透過し（ｓ８→ｓ２１）、第３のポートＰ３を介して第３の光ファイバーから出力される（ｓ２２→ｓ２３）。

そして、第２の実施例に係る傾斜利得等化器１において、光信号は、上記の光路（ｓ１→ｓ２→ｓ３→ｓ８→ｓ２１→ｓ２１→ｓ２２→ｓ２３）を辿る過程で、まず、干渉フィルター５により、図６に示した上方に凸となるように湾曲した利得特性を有するものとなる。次に、その光信号が図８に示した下方に凸となるように湾曲した利得特性を有する補償用干渉フィルター１０５を透過する。それによって、光信号は、図３（Ｂ）に示したような、所定の波長帯域において平坦な利得特性となるように補正される。

なお、右肩下がりの傾斜利得特性を有する光信号を入力する場合は、第１の実施例に係る傾斜利得等化器１と同様に、第１の光ファイバー７から入力した光信号を、干渉フィルター５で反射させて第２の光ファイバーから出力させればよい（ｓ１→ｓ２→ｓ３→ｓ４
→ｓ５→ｓ６）。

第２の実施例に係る傾斜利得等化器１０１は、実質的に、図２に示した光学特性を有する干渉フィルターを備えたものとなる。すなわち、第２の傾斜利得等化器１０１は、入力される光信号の傾斜利得特性が、短波長側から長波長側に向かってどちらの方向に傾斜していたとしても、所定の波長帯域における信号強度の平坦度をより高めることができるものとなっている。

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
図５に示したように、実際の干渉フィルター５は、反射光と、透過光のいずれか一方が直線的な光学特性であると、他方の光学特性は直線的ではない。そのため、第１の実施例に係る傾斜利得等化器１は、干渉フィルター５の反射光を用いて補正したときの光信号の傾斜利得特性と、干渉フィルター５の透過光を用いて補正したときの光信号の傾斜利得特性とが対称にならなかった。そこで、補正後の所定の波長帯域における利得の変動が、規定の範囲内であれば、図１１に示したように、干渉フィルター５における反射光の挿入損失（図中、実線）と透過光の挿入損失（図中、破線）の双方を、直線（図中、点線）に対して湾曲させ、反射光と透過光の挿入損失を対称にしてもよい。

第１および第２の実施例では、光信号を第１の光ファイバー７から入力し、右肩下がりの傾斜利得特性を有する光信号については、干渉フィルター５の反射光を第２の光ファイバーから出力し、干渉フィルター５の透過光、あるいは干渉フィルター５と補償用干渉フィルター１０５との透過光を第３の光ファイバー１１から出力させていた。もちろん、光信号を第２の光ファイバー８から入力して第１の光ファイバー７から出力させたり、光信号を第３の光ファイバー１１から入力して第１の光ファイバー７から出力させたりしてもよい。しかし、第１および第２の実施例に係る傾斜利得等化器（１，１０１）は、入力される光信号の傾斜利得特性の傾き方向に依らず、光信号の入力経路が必ず第１の光ファイバー７に接続されることから、光ファイバー（７，８，１１）と光信号の入出経路との接続関係を間違える可能性が少なくなる。したがって、第１および第２の実施例に係る傾斜利得等化器（１，１０１）は、光ファイバー通信システムへの設置を容易にさせ、結果として、光ファイバー通信システムの建設コストをさらに低減させることができるものとなる。

１，１０１傾斜利得等化器、２筐体、３，４光ファイバーコリメーター、
５干渉フィルター、６スリーブ、１０コリメートレンズ、
７，８，１１光ファイバー、１２フェルール、１００光軸、
１０５補償用干渉フィルター

Claims

所定の波長帯域の光信号における傾斜した利得特性を補正する傾斜利得等化器であって、
第１の光ファイバーと第２の光ファイバーとを保持する二芯ファイバーコリメーター、第３の光ファイバーを保持する一芯ファイバーコリメーター、および干渉フィルターを備え、
前記二芯ファイバーコリメーターと前記一芯ファイバーコリメーターとが、光軸上に対向配置され、
前記干渉フィルターが、前記光軸上に、前記二芯ファイバーコリメーターと前記一芯ファイバーコリメーターとの間に配置され、
前記第１の光ファイバーまたは前記第２の光ファイバーから所定帯域の光信号が入力された際に、当該光信号が前記干渉フィルターによって反射され、前記第２の光ファイバーまたは前記第１の光ファイバーから出力され、
前記第１の光ファイバーまたは前記第３の光ファイバーから前記光信号が入力された際、当該光信号が前記干渉フィルターを透過し、前記第３の光ファイバーまたは前記第１の光ファイバーから出力され、
前記干渉フィルターの所定の波長帯域における反射方向の挿入損失の波長依存特性は、短波長側から長波長側に向かって増加または減少し、
前記干渉フィルターの所定の波長帯域における透過方向の挿入損失の波長依存特性は、前記反射方向の挿入損失とは逆となるように、短波長側から長波長側に向かって減少または増加し、
前記光信号における利得特性の波長依存特性の増減傾向と、前記干渉フィルターにおける挿入損失の波長依存特性の増減傾向とが逆向きとなるように、前記第１～第３の光ファイバーが前記光信号の入出力経路に接続される、
傾斜利得等化器。
請求項１に記載の傾斜利得等化器であって、
前記光軸上に、前記二芯ファイバーコリメーターから前記一芯ファイバーコリメーターに向かって、前記干渉フィルターと補償用干渉フィルターとがこの順に配置され、
前記干渉フィルターの所定の波長帯域における反射方向の挿入損失の波長依存特性は、短波長側から長波長側に向かって直線的に増加または減少し、
前記干渉フィルターの所定の波長帯域における透過方向の挿入損失の波長依存特性は、前記反射方向の挿入損失の増減傾向とは逆の直線的な増減傾向に対して湾曲するように短波長側から長波長側に向かって減少または増加する曲線であり、
前記補償用干渉フィルターは、前記干渉フィルターにおける透過方向の挿入損失の波長依存特性を、前記干渉フィルターで反射する光の挿入損失の増減傾向とは逆の直線的な増減傾向となるように補正する、
傾斜利得等化器。
請求項１または２に記載の傾斜利得等化器であって、前記第１の光ファイバーが前記光信号の入力経路に接続される傾斜利得等化器。