JPH01500375A - 光信号処理方法および光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 波長感応性光学素子 〔技術分野〕 本発明は波長感応性光学素子に関し、特に、光信号の変調または濾波に使用する 光学素子に関する。

〔背景技術〕

断面がＤ字型のファイバやその他の導波路上に屈折率が永久的に変調された被覆 を設けたものは、導波路内の特定の波長を選択的に反射することから、波長フィ ルタとして動作する。また、Ｄ字型ファイバの表面に格子を刻んだものを波長フ ィルタとして用いることもでき、この場合には、導波される光がファイバ内から 格子に入射し、格子の感応する波長が反射される。

しかし、製造された素子は固定波長で動作し、同調できない欠点があった。導波 路内にすでに存在する光信号を用いる技術も利用されているが、外部の光信号源 と干渉させることはできない。

半導体性材料の二次元スラブ型導波路に互いに干渉する二つの光ビームを照射す るダイナミック回折格子が知られている。ビコフスキイ（Ｂｙｋｏｖｓｋ　ｉ　 ｉ）等は、このような格子について、論文、ザ・ソビエト・ジャーナル・オン・ クラオンタム・エレクトロニクス第１２巻第４号（１９８２年４月）、「インベ スティゲーション・オン・ライト・ウェーブ・ディフラクション・イン・アーウ ェーブガイド・ブレーン・パイ・オンティ力すイ・インデユースト・ダイナミッ ク・グレーテインダスＪ　（ｔｈｅ　５ｏｖｉｅｔ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑ ｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ。

Ｖｏｌ、１２．　Ｎｏ、４．　八ｐｒｉ＋　１９８２．　ｅｎｔｉｔｌｅｄ　” Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉ ｏｎ　ｉｎ　ａ　ｗａｖｅｇｕｉｄ　ｐｌａｎｅ　ｂｙ　ｏｐｔｉｃａｌｌｙ　 ｉｎｄｕｃｅｄｄｙｎａｍｉｃ　ｇｒａｔｉｎ３ｓ”）に詳しく説明している。

ダイナミック伝送格子を製造する技術については、シンサーボックス（Ｓ　１ｎ ｃｅｒｂｏｘ）により、公開されたヨーロッパ特許出願第ＥＰ　９５５６３号に 開示されている。ビコフスキイ等とシンサーボックスとの両者により開示された 素子は、異なる入力波長の角分散を利用する構成である。これらの素子は、例え ば、複合光入力のスペクトラム解析に利用できる。

しかし、これらの素子は、空間的に多重化された光処理装置を一次元波長多重導 波路に干渉させる問題を解決できない。

波長分割多重（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ 、　１４０Ｍ）装置、またはコヒーレント装置では、帯域幅の狭い別個の光源の それぞれについて外部変調器を使用するのが一般的である。波長のわずかに異な る多数の光源を得ることは、一般的には困難である。波長分割多重を実現するに は、例えば、多数の同等なレーザの格子、または同調可能なレーザおよび多数の フィルタを使用することが必要である。

本発明は、例えば変調器またはフィルタとして必要な干渉機能を使用でき、多数 の別個の光源を必要としない光学素子を提供することを目的とする。

本明細書において「光」とは、可視スペクトラムだけでなく、紫外線および赤外 線に及ぶ光導波路により伝送可能な波長を含む。

〔発明の開示〕

本発明の光学素子は、光強度により屈折率が変化する可変屈折率部を少なくとも 一部に設けた一次元光導波路と、上記可変屈折率部に少なくとも二つの可干渉波 を照射し、そこに定在波を形成させて上記−次元導波路内の屈折率を変調する手 段とを備える。

ここで「−次元」という用語は、光信号が導波路を実質的に一次元方向にのみ伝 搬することをいう。これに対してスラブ型導波路は、しばしば「ブレーナ」導波 路と呼ばれ、少なくとも二次元の伝搬が可能である。

一定屈折率の線が導波路に沿った信号伝搬方向を横切って移動するように、可変 屈折率部の長さ方向の軸に対して波面がほぼ直交し、可変屈折率部に長さ方向の 定在波が形成されることが望ましい。

可干渉波としては平面波を用いることが便利であり、少なくとも可変屈折率部に 入射する場所では、平面波が便利である。

−次元導波路は光ファイバを含むことが望ましい。光ファイバの代わりに、集積 化された光導波路（例えばインジウム・ガリウム・ヒ素１ｎＧａＡｓその他を用 いた）を用いることもできる。

可変屈折率部は、断面がＤ字型である光ファイバと、−ａ上の波長において光強 度により屈折率が変化する適当な非線形媒質の被覆とを含むことが便利である。

また、可変屈折率部は、所望の非線形特性を示す媒質がドープされた導波路でも よい。光ファイバの場合には、非線形ドーパントをファイバのコアに添加する。

本発明の素子はさらに、屈折率変調を同調するために、可干渉波の相対的な角度 を調整する手段を含むことが望ましい。

本発明の素子は、定在波を変調する可干渉波の少なくとも一方を変調する手段を 含むことが望ましい。

共通の一部ビームと複数の変調された二次ビームとの間に、複数の異なる定在波 を形成させることが便利である。−次ビームおよび二次ビームは波長が同一であ ることが便利であり、この場合には一部ビームおよび二次ビームを同一光源から 形成できる。各々の二次ビームは、関連する定在波を同調するために、−次ビー ムから離れた別々の角度に設定され、導波路内の特定の波長の信号を反射および 変調する。

本発明の光学素子はまた、波長多重された光信号を変調する光学素子であり、光 強度により屈折率が変化する可変屈折率部を少なくとも一部に設けた一次元光導 波路と、相対的な角度がそれぞれ異なる複数の可干渉波射を上記可干渉屈折率部 に照射し、その領域に、波長多重された個々の光信号に関連して互いに波長の異 なる複数の定在波を形成させる手段と、上記可干渉波射のそれぞれ一方を変調し て上記定在波および関連する光信号を動的に変調する手段とを備える。

この望ましい態様では、光導波路内の波長分割多重信号を同時に並列変調または 濾波する有効な手段を提供する。この並列処理により、光波長の帯域幅をより有 効に使用でき、光伝送速度を高速化できる。例えば８成分の波長分割多重を用い る場合には、個々の電気光学変調器を最大の電気的ビット速度で動作させること ができ、この一方で、８ビット語を直列時分割多重（ＴＤＭ）の８倍の速度で送 信できる。

さらに、波長分割多重信号の個々の成分波長を変調または濾波するには、可干渉 波射の相対的な角度を適切に選択する。このとき、すべての可干渉波に同じ波長 を使用できる。このため、波長分割多重信号の個々の成分波長を変調のために分 離する必要がなく、波長分割多重信号を一個の多帯域光源またはスペクトラム拡 散光源−Ａら取り°出し、これを直接に導波路に結合させることができる。した がって、上述したような複雑な光源格子またはフィルタは必要ない。

変調器またはフィルタとしての使用に加えて、またはこれとは別に、干渉する一 部ビームと二次ビームとの波長をずらした場合には、導波路内の信号波長をシフ トさせることもできる。

本発明の別の観点は一次元導波路内の光信号を変調する方法であり、この方法は 、光強度により屈折率が変化する導波路の部分で少なくとも二つの可干渉波を干 渉させ、その部分に、変調された屈折率の定在波を形成させ、上記可干渉波の一 方を変調して上記定在波を動的に変調することにより光信号を変調する。

本発明の望ましい形態により、−次元光導波路内で波長多重光信号を変調する方 法が提供される。この方法は、相対的な角度がそれぞれ異なる可干渉波射を発生 させ、それぞれの可干渉波射を光強度の変化により屈折率が変化する導波路の部 分で干渉させ、その部分に、波長多重された個々の光信号に関連して互いに波長 の異なる定在波を形成させ、上記可干渉波射のそれぞれ一方を変調してそれぞれ の定在波および関連する光信号を動的に変調する。

本発明の実施例について添付図面を参照して説明する。

〔図面の簡単な説明〕

第１図は本発明の動作を示す図。

第２図は変調を含む本発明を実施する望ましい形態を示す概略図。

第３図は本発明の実施例の変更例を示す図。

第４図は本発明を使用する種々の構成を示す図。

〔発明を実施するための最良の形態〕

本発明の原理は、第１図に示したように、−次元光導波路２の一部に光強度によ り屈折率が変化する媒体で可変屈折率部１を形成し、この可変屈折率部１に格子 を形成させることを基本とする。

外部の二つの可干渉ビーム３．４が干渉して定在波を形成し、この定在波で可変 屈折率部１の屈折率を変調することにより、ここに格子が形成される。可干渉ビ ーム３．４が一定であるなら格子の一定性が維持され、波長フィルタとして動作 する。しかし、可干渉ビーム３．４の一方が変調されると、格子が同時に動的に 変調される。

変調方法としては、例えば強度変調または位相変調を用いる。導波路２内の光は 、連続波でも複数波長のグループでもよく、格子の瞬間的な状態により、この格 子で選択的に反射される。したがって、選択された波長は、多量にまたは少なく 反射され、外部からの可干渉ビーム３または４に含まれる変調信号により変調さ れる。

与えられた可干渉ビーム３．４０波長に対して、格子の間隔および導波路内で反 射される波長は、これらの可干渉ビーム３．４の間の相対的な角度に依存する。

可干渉ビーム３．４の相対的な角度が大きい場合（例えば表面に対して反対方向 からかすめるように照射した場合）には、反射される波長は照射波長のほぼ半分 となる。相体的な角度が６０”のときには、反射される波長は照射波長と等しく なり、可干渉ビーム３．４を互いにほぼ平行で表面に直角に照射すると、反射さ れる波長は照射波長より長くなる。したがって、照射する可干渉ビーム３．４の 相対角度を選択することにより、特定の波長を選択して反射させることができる 。最も単純な場合には、二つのビームにより消去可能フィルタ、すなわち照射ビ ーム間の角度を調整することにより除去または同調が可能なフィルタを形成でき る。

外部の可干渉ビーム３．４の一方、この例では可干渉ビーム４について、それぞ れ角度が異なる複数の二次ビーム４ａ、　４ｂ、　４ｃに分割すると、これらの 二次ビーム４ａ、　４ｂ、４Ｃは、可干渉ビーム３と干渉して異なる波長を選択 する格子が形成される。二次ビーム４ａ、　４ｂ、４ｃをそれぞれ変調すると、 異なる波長を選択的に変調する複数のダイナミック格子が導波路内に同時に形成 される。この構成により、空間的に分離された外部の変調された信号を用いて、 導波路内の波長分割多重信号を個々に変調することができる。

第１図にはまた、素子の動作を示す広帯域入力信号１１反射出力信号Ｒおよび送 信出力信号Ｔのスペクトラムを示した。

フリンジ定数（この場合には屈折率変調のシャープネス）が大きくなるほど、格 子がより有効になる。誘起された格子内で良好なフリンジ定数を得るためには、 二次ビーム４ａ、　４ｂ、　４ｃの各光パワーを等しく設定し、−次ビーム、す なわち可干渉ビーム３の光パワーを二次ビーム４ａ、、　４ｂ、　４ｃのパワー の総和にほぼ等しく設定する。この素子の有効性はまた、誘起される格子の長さ により影響を受ける。

したがって、何らかの都合によりコントラストが低い場合には、干渉が生じる可 変屈折率部１の長さを増加させる。

第２図は本発明の望ましい実施例を示し、可干渉光源５からの光は、星型結合器 ７により光ファイバ３０および４０に分割される。光ファイバ３０．４０は、そ れぞれ可干渉ビーム３．４のために必要な光を伝搬する。星型結合器７は、総有 効光パワーのほぼ半分（正確である必要はない）を可干渉ビーム３として引き出 すように構成されている。これに対して可干渉ビーム４のそれぞれの二次ビーム には、光パワーがほぼ均等に分配される。

−次ビーム、すなわち可干渉ビーム３は、変調されずに、適当なビーム集光器８ により導波路２の可変屈折率部１に照射される。二次ビームは、最初に、ファイ バ４０により変調器６に送られる。変調器６は、この使用目的に適していればど のような変調器でもよく、例えば可飽和吸収体、非線形エタロンまたは半導体が ドープされたガラス内の非線形マツハ・ツエンダ干渉計を用いることができる。

変調された二次ビームは、適当なビーム集光器８を経由して、可変屈折率部１に 照射される。ここで、個々の変調された二次ドープ・は、−次ビーム、すなわち 可干渉ビーム３とは異なる角度で入射される。

ビームの角分離が波長分割変調チャネルの選択感度を決定する。導波路内の波長 が約１．３贋のとき、二次ビームの角分離が１／２０°であれば、１０４のうち の一部の隣接するチャネルを分離できる。

伝送のセキュリティのために、−次ビームを変調して種々の格子を誘起すること もできる。復調時には、相補的に変調された第二のダイナミック格子により反射 または透過結合させて第二変調を除去する。

異なる波長の照射ビームを使用することもでき、特に−次ビームを変調する場合 には、−以上の一部ビームを使用することもできる。

誘起された格子を変調して光の場を変化させるためには、可変屈折率？Ｘｌとし て使用する媒質の選択により、導波路の非線形成分の応答によりいくらかの遅延 がある。光の周波数は例えば１０”Ｈｚのオ−ダであり、これに対して半導体を ドープしたガラスを用いた場合の屈折率変化の周波数は１０Ｉ２Ｈｚのオーダで ある。しかし、典型的なデータ速度はせいぜい１０１ないし１０１０の範囲であ り、光の場の変化に応答する格子の変化の緩慢さは問題とはならない。

可変屈折率部１としては、導波路に非線形成分、例えば不純物がドープされたガ ラスまたは有機材料を被覆したものでもよく、導波路自身に不純物、例えばカド ミウム・サルファイド・セレナイドをドープしたものでもよい。第３図には、− 次元光導波路２の例として、断面が０字型のファイバ導波路を示す。この導波路 には非線形材料の被ζが設けられ、本発明の実施例で使用する可変屈折率部１を 形成する。

本発明を利用するいくつかの構成例を第４図に簡単に示す。変調器として使用さ れる本発明の光学素子１３は、第４図（ａ）に示したように、レーザ光源その他 の光源１０と、出力ファイバとの間に配置される。また、第４図（ｂ）に示した ように、この素子を反射モードで使用することもできる。このモードの場合には 、変調器が光源に隣接し、反射された波長だけがレーザ発振するように動作する 。光学素子１３を変調器として使用する他の構成を第４図（Ｃ）に示す。この光 学素子１３は、方向性結合器１４を経由した出力に対して反射モードで動作する 。この図およびその他の図において、参照番号Ｊ５は結合器の端子が非反射端末 であることを示す。

間隔の狭い波長を使用できることから、本発明に組み合わせてファイバ・レーザ を使用することが有効である。第４図（ｄ）および第４図（ｅ）は、励起素子１ ２により駆動されるファイバ・レーザ１１を組み合わせた変調器として、個別素 子を使用した構成を示す。第４図（ｅ）において付加した結合器１４は、励起素 子１２を装置全体の出力から光学的に分離する。

波長の異なる（−次および二次の）波を干渉させる素子を使用する場合には、本 発明の光学素子を波長シフタとして動作させることができる。二つの波長が近接 している場合には、縦方向のフリンジが、導波路の軸に沿って、波長差に比例し かつビームの相対的な角度に反比例した速度で移動する。これにより、誘起され た格子が反射する信号の波長にドツプラ・シフトを生じさせ、格子の移動状態（ これは−次ビームと二次ビームとのどちらの周波数が高いかに依存する）により 、波長が増加または減少する。波長シフトの大きさはビームの相対的な角度に依 存する。ただし、波長の変化は、干渉するビームの相対的な波長差と同じオーダ となる。

本発明の光学素子の他の多くの構成および使用方法は、当業者には明らかである 。

田粉謹査報告 −崗−−繰両−ｈｍＫ　ＰＣＴ／ＧＢ　８７１００５０８

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．光強度により屈折率が変化する可変屈折率部を少なくとも一部に設けた一次 元光導波路と、 上記可変屈折率部に少なくとも二つの可干渉波を照射し、そこに定在波を形成さ せて上記一次元導波路内の屈折率を変調する可干渉波照射手段と を備えた光学素子。
2. ２．可干渉波の相対的な角度を調節して屈折率の変調を同調する手段をさらに備 えた請求項１記載の光学素子。
3. ３．可干渉波の少なくとも一つを変調して定在波を変調する手段をさらに備えた 請求項１または２記載の光学素子。
4. ４．可干渉波照射手段は、一つの可干渉光源の出力を少なくとも二つの角度が異 なる光路に分割する手段を含む請求項１記載の光学素子。
5. ５．可干渉波照射手段は、一次ビームと、この一次ビームと角度が異なる複数の 二次ビームとを形成し、この一次ビームと二次ビームとを干渉させて複数の異な る定在波を形成させる手段を含む請求項１記載の光学素子。
6. ６．一次ビームおよび二次ビームは同一光源から導かれる構成である請求項５記 載の光学素子。
7. ７．複数の二次ビームを別々に変調して複数の別々に変調された定在波を形成す る手段を含む請求項５または６記載の光学素子。
8. ８．一次ビームを変調する手段をさらに含む請求項５、６または７のいずれか記 載の光学素子。
9. ９．一次ビームの光パワーを二次ビームの光パワーの総和とほぼ等しく設定する 手段を含む請求項５記載の光学素子。
10. １０．二次ビームとしてそれぞれ実質的に等しい光パワーを供給する手段を含む 請求項５記載の光学素子。
11. １１．波長多重された光信号を変調する光学素子において、光強度により屈折率 が変化する可変屈折率部を少なくとも一部に設けた一次元光導波路と、 相対的な角度がそれぞれ異なる複数の可干渉波対を上記可干渉屈折率部に照射し 、その領域に、波長多重された個々の光信号に関連して互いに波長の異なる複数 の定在波を形成させる可干渉波照射手段と、 上記可干渉波対のそれぞれ一方を変調して上記定在波および関連する光信号を動 的に変調する手段と を備えたことを特徴とする光学素子。
12. １２．可干渉波照射手段は、共通の一次ビームおよび異なる角度で照射される複 数の二次ビームを生成して可干渉波対を形成する手段を含む請求項１１記載の光 学素子。
13. １３．導波路は光ファイバを含む請求項１ないし１２のいずれか記載の光学素子 。
14. １４．可変屈折率部は、断面がＤ字型であるファイバ上に設けられた光学的非線 形媒体の被覆を含む請求項１ないし１３のいずれか記載の光学素子。
15. １５．可変屈折率部は、光学的非線形媒体のドーパントが添加された導波路を含 む請求項１ないし１３のいずれか記載の光学素子。
16. １６．導波路は光ファイバ・レーザ共振器の一部である請求項１ないし１５のい ずれか記載の光学素子。
17. １７．可干渉波照射手段は、導波路内の信号波長をシフトさせるために、少なく とも一対の波長の異なる可干渉波を形成する手段を含む請求項１、５または１１ のいずれか記載の光学素子。
18. １８．光強度により屈折率が変化する導波路の部分で少なくとも二つの可干渉波 を干渉させ、 その部分に変調された屈折率の定在波を形成させ、上記可干渉波の一方を変調し て上記定在波を動的に変調することにより対応する光信号を変調することを特徴 とする一次元導波路内の光信号を変調する方法。
19. １９．相対的な角度がそれぞれ異なる可干渉波対を発生させ、それぞれの可干渉 波対を光強度の変化により屈折率が変化する導波路の部分で干渉させ、 その部分に、波長多重された個々の光信号に関連して互いに波長の異なる定在波 を形成させ、 上記可干渉波対のそれぞれ一方を変調してそれぞれの定在波および関連する光信 号を動的に変調することを特徴とする一次元光導波路内で波長多重光信号を変調 する方法。
20. ２０．定在波は、共通の一次ビームおよび異なる角度で照射される変調された二 次ビームの干渉により形成される請求項１９記載の方法。