JPH05219018A - 光多重通信の周波数安定化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光周波数多重送信光の周波数間隔および絶対
周波数を制御することができる光周波数多重通信を提供
する。 【構成】 光周波数多重送信光の周波数制御系の周期透
過形光フィルタ３６に、光多重信号光の波長域あるいは
その近辺に吸収特性を持つようなガスセル３７を配置
し、絶対周波数基準を与える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は光周波数多重通信にお
ける送信光の周波数安定化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】将来、画像情報などを頻繁にやり取りす
る時代になると、光通信では、光ファイバの広い帯域を
活用して、高密度光波長多重（ＷＤＭ：Wave Division
Multiplexing）、あるいは光周波数多重（ＦＤＭ：Freq
uency Division Multiplexing）などの光多重通信が行
われることが予想される。その際光多重通信の技術課題
の一つが、送信光の周波数（光波長）の安定化である。

【０００３】通常、光多重通信の光源として用いる半導
体レーザは、光周波数が周囲温度や注入電流で容易に変
化する。したがって光周波数多重通信では送信光同士の
干渉が起こらないように、それぞれの送信光の光周波数
を正しく制御する必要がある。

【０００４】送信光の光周波数を制御する方法として
は、電気通信１Vol.54 No.529(1991)pp39 〜54 野須潔
「光波大容量通信技術」にまとめられているように、ガ
ス吸収スペクトルを使用する方法、リング共振器やファ
ブリ・ペロー共振器の周期透過域に合わせる方法、掃引
レーザとのビートあるいは掃引ファブリ・ペローの透過
光の時間間隔を検出する方法（IEEE Journal of Lightw
ave Technology LT-5,no.9,pp1301-1308,K.Nosu et a
l.:"Optical FDM Transmission Technique" ）などが提
案されている。

【０００５】その提案の中に、光フィルタと掃引レーザ
を組み合わせたもので、参照パルス法と呼ばれる方法
（IEEE Journal on Selected Areas in Communications
Vol.8No.6(1990)pp1078-1086 N.Shimosaka et al. "F
requency Separation Lockingand Synchronization for
FDM Optical Sources Using Widely Frequency Tunabl
e Laser Diode"）がある。

【０００６】ここで参照パルス法を図１５で簡単に説明
する。

【０００７】１１、１２、…１ｎは、それぞれが互いに
異なる光周波数の送信光を生成する送信器である。この
送信光は、スターカプラ２を経て伝送路３に送られる。
またスターカプラ２で分岐された送信光の一部は、カプ
ラ４に加えられる。カプラ４には、波長掃引レーザ５の
掃引レーザ光も加えられる。掃引レーザ光は、複数の送
信光の全ての光周波数を横切る波長が掃引できるように
構成される。掃引レーザ光はカプラ６で２分され、その
一方は偏波を制御して前記カプラ４に加える。カプラ４
で掃引レーザ光と複数の送信光とが結合され、検出器７
で両者のビートパルス列が検出される。２分された掃引
レーザ光の他方は、ファブリペロー光フィルタ８を通
し、その出力光であるパルス列を検出器９で検出する。

【０００８】また制御信号発生装置１０では、検出器７
で検出されフィルタＦを通ったビートパルス列と、検出
器９で検出されたパルス列との両パルス列の時間間隔を
一致させる制御信号を生成する。この制御信号を送信器
１１、１２、…１ｎに送り、送信光の光周波数を制御す
る。このようにすれば複数の送信光の相対周波数間隔を
一定にでき、送信光の光周波数の制御が行える。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】この方法では、複数の
送信光の周波数間隔は安定にできるものの、送信光の周
波数が希望する値となるような絶対周波数の制御はされ
ていない。

【００１０】このように送信光の周波数間隔の制御のみ
で、送信光の絶対周波数の制御が行われないと、例え
ば、同一の光ファイバを通る送信光が、それぞれ異なる
制御系で周波数間隔が制御される場合などは、制御系が
送信光の絶対周波数の変化に追随できないため、異なる
制御系の送信光同士の周波数が接近し、送信光間で干渉
を起こす可能性がある。

【００１１】このように従来の方法では、送信光の絶対
周波数を制御することができなかった。

【００１２】本発明は、送信光の周波数間隔の制御に併
せて絶対周波数を制御できる光周波数多重通信の周波数
安定化装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】波長掃引レーザにより、
複数の送信器によって生成される送信光のすべての光周
波数を横切る波長の掃引レーザ光を発生する。この波長
掃引レーザの出力光を、第１の出力光と第２の出力光と
に分け、第１の出力光と光周波数多重された前記各送信
光とを結合器で合波する。この結合器の出力を受光し、
前記波長掃引レーザの波長を掃引したときに、前記光周
波数多重された送信光との干渉によって検出されるビー
トパルスを、ビートパルス検出器で検出する。また前記
波長掃引レーザの第２の出力光を周期透過型光フィルタ
に通し、この周期透過型光フィルタを透過する透過スペ
クトルに絶対周波数基準を与える。前記周期透過型光フ
ィルタを透過してきた前記波長掃引レーザの前記第２の
出力光を検波し、絶対周波数基準を検出する。また前記
ビートパルス検出器の出力と前記参照光検波器の出力と
を比較し、前記送信器に対し送信光の周波数を制御する
制御信号を複数の送信器に送る。

【００１４】

【作用】周期透過型光フィルタを透過した掃引レーザ光
を検出して得られる時間波形には、周期透過型光フィル
タの特性による周期的な透過ピークの他に、絶対周波数
基準によるディップなどが検出できる。これによれば周
期透過型光フィルタの透過ピークと絶対周波数との関係
を検出でき、送信光の絶対周波数の制御ができる。

【００１５】

【実施例】本発明の一実施例を図１で説明する。

【００１６】２１、２２…２ｎは、それぞれが互いに異
なる光周波数の送信光を生成する送信器である。この送
信器２１、２２…２ｎによって生成される送信光は、ス
ターカプラ３１を通して伝送路３２に供給される。送信
光の一部は、スターカプラ３１から光の結合器、例えば
光カプラ３３に加えられる。このカプラ３３には波長掃
引レーザ３４の出力光も加えられる。

【００１７】波長掃引レーザ３４の出力光は、全ての送
信光の光周波数を横切る波長が掃引できるようになって
いる。波長掃引レーザ３４は第１の出力光と第２の出力
光とに分けられる。第１の出力光と第２の出力光とは、
波長掃引レーザ３４の、例えば前方出力と後方出力をそ
れぞれ用いる。

【００１８】第１の出力光は光カプラ３３で光周波数多
重された各送信光と合波される。このカプラ３３の出力
はビートパルス検出器３５で受光される。ビートパルス
検出器３５は、波長掃引レーザの波長を掃引したとき
に、その波長が光周波数多重された送信光の１つ１つを
横切るたびに起こる干渉によって発生するビートパルス
を検出する。なおビートパルス検出器３５の受信回路の
帯域は、低い周波数の側は、直流近辺から、また高い周
波数の側は、隣接するチャネルのビートまで拾わないよ
うに、また発生したビートパルスが周波数軸上での位置
を特定できる程度に鋭くなるように、かつ簡単な電気回
路で検出できるようなトータルのエネルギーをもつよう
な条件を満たす周波数（通常数100MHz）までをカバーす
るようにする。

【００１９】また波長掃引レーザの第２の出力光は、そ
の光路内にある周期透過型光フィルタ３６、例えば、フ
ァブリ・ペロー干渉計やマッハ・ツェンダー干渉計に加
える。周期透過型光フィルタ３６の後方には、透過スペ
クトルに絶対周波数基準を与えるために、例えば掃引レ
ーザの波長可変範囲内に吸収線を持つガスを封入したガ
スセル３７が設けられる。第２の出力光はこのガスセル
３７に加える。次に周期透過型光フィルタ３６、ガスセ
ル３７を透過してきた波長掃引レーザの第２の出力光
を、参照光検波器３８で検波する。この参照光検波器３
８の出力から前記絶対周波数基準が検出される。

【００２０】また制御信号発生装置３９で、ビートパル
ス検出器３５の出力と前記参照光検波器３８の出力とを
比較し、送信光の周波数を制御する制御信号を発生す
る。制御信号発生装置３９は、制御信号を送信器２１、
２２…２ｎに送り、送信光の周波数を制御する。

【００２１】ここで参照光検波器３８による絶対周波数
基準の検出の模様について説明する。図２が参照光検波
器３８で検出される信号の時間波形である。図２で横軸
は時間、縦軸は検出された信号の出力である。波長掃引
レーザを掃引すると、その時間の経過とともに周期透過
型光フィルタの透過スペクトル特性に応じて、山形の出
力ｍ１，ｍ２，…、ｍｎが検出される。この場合出力の
一つ、例えばガスセル３７のガスの吸収線が現れる周波
数と周期透過型光フィルタの透過ピークの周波数とがほ
ぼ一致している出力ｍ３に、ガスの吸収線による変化ｐ
が出ている。

【００２２】なお図２では、周期透過型光フィルタの透
過スペクトルは安定で、温度などで変化しないものと
し、またガスの吸収線が現れる周波数と周期透過型光フ
ィルタの透過ピークの周波数の一つが、ほぼ一致してい
るものとしている。また周期透過型光フィルタの反射係
数などを調整し、ガスの吸収スペクトルの線幅（半値全
幅）がＳHzのとき、周期透過型光フィルタの透過域の半
値全幅はＳHzより広くなるようにし、周期透過型光フィ
ルタの透過ピークが、ガスの吸収線で隠れて見えなくな
らないようにする。

【００２３】またガスの吸収線の波長における光の透過
量（吸収量）は、ガスの濃度やセルの長さで決定され
る。したがってガスの吸収線と周期透過型フィルタの透
過ピークとが重なっている部分、すなわち図３のａ，
ｂ，ｃで示すような周波数軸上の波形は、周期透過型光
フィルタの特性、例えばガス濃度、セル長などガスセル
の特性を適宜選ぶことにより決定できる。

【００２４】また波長掃引レーザの波長の掃引は、通常
半導体レーザの電流値を変化させて行う。しかし電流値
の変化に対する周波数の変化は一定でないことが多い。
その結果参照光検波器で観測される時間波形は、図４の
ように透過ピークと透過ピークとの間隔ｌは、必ずしも
等しくならない。

【００２５】掃引レーザの周波数変化が時間に対して多
少非線形であっても、参照光検波器の出力の時間波形
は、周波数軸上の波形とほぼ等しい波形となる。したが
って参照光検波器の中に、ガスの吸収線が重なっている
周期透過型光フィルタのピークの波形を見分ける回路が
あれば、観測された時間波形の中のどの透過ピークにガ
スの吸収線が重なっているか判別できる。また、逆に、
どの透過ピークにガスの吸収線が重なっているかが回路
で見分けやすい波形になるように、ガスの吸収量やフィ
ルタの種類、フィルタの透過線幅を決定することにな
る。

【００２６】なおガスの吸収線が重なっている周期透過
型光フィルタの透過ピークを見分ける回路としては、図
５（ａ）のような構成がある。

【００２７】参照光検波器５１の出力を２分し、その一
方は合成器５２に直接、また他方は波形判別回路５３を
通して合成器５２に加える構成である。

【００２８】なお波形判別回路５３としては、（ｂ）の
ようにその波形と同じ応答を持った相関フィルタ５４、
（ｃ）のように波形をＡ／Ｄ変換回路５５でＡ／Ｄ変換
して、その変換波形を解析するコンピュータやマイクロ
プロセッサ５６、（ｄ）のように振幅にいくつか閾値を
設定して判断する簡単なロジック回路５７、がそれぞれ
利用できる。

【００２９】図１の実施例では、参照光検波器の時間波
形と前述のビートパルス検出器の時間波形とを、制御信
号発生装置３９で比較して、それぞれのピークが一致す
るように各送信器の光源であるレーザの発振周波数を制
御している。この場合参照光検波器の出力のうち、どの
ピークにガスの吸収線があるかが分かっているので、複
数の送信光のうち、どのチャネルに吸収線が一致すれば
いいかを、予め決めておいて、それらが一致するように
レーザの発振周波数を制御する。

【００３０】なおガスの吸収線が重なっている周期透過
型光フィルタの透過ピークは、波長掃引レーザの波長域
に入っていれば、光多重通信の各送信光の波長領域に入
っていなくても良い。この場合ガスの吸収線のあるピー
クから何番目のピークが制御用信号あるいは光多重通信
の各送信光の何番目のにチャネルに当たるかということ
を明確にしておけば良い。

【００３１】これまでの説明では、周期透過型光フィル
タは安定で、その透過周波数や周期は温度などでほとん
ど変化しないものとしている。しかしこのような周期透
過型光フィルタは、安価に入手できない。

【００３２】このようなときは図６のように周期透過型
光フィルタ３６のフィルタ特性を可変にしておき、参照
光検波器３８の出力をもとに制御信号発生装置３９で制
御信号を作り、この制御信号で周期透過型光フィルタ３
６の透過ピークとガスの吸収線が一致するように周期透
過型光フィルタ３６の透過ピークを制御すれば良い。こ
の場合光フィルタ３６のフィルタ特性を変化させる方法
としては、周期透過型光フィルタ３６がファブリ・ペロ
ー干渉計であれば、入射光に対する角度を可変にした
り、光路長が電界や温度で変化するような物質で構成し
たり、また掃引型のものにしたりするなどの方法があ
る。

【００３３】またマッハ・ツェンダー型であれば、その
光路長が電界や温度で変化するような物質で構成した
り、掃引型のものにしたりすればよい。

【００３４】図６では、図１と同じ部分に同じ番号を付
し説明は省略する。

【００３５】なお周期透過型光フィルタを制御する制御
信号は、前述のガスの吸収線のあるピークを検出する回
路に少々手を加えれば実現できる。例えば図５（ｂ）の
ように波形判別回路が相関フィルタであれば、フィルタ
から出力が出ない、あるいは出力の値が期待されるもの
より小さいことなどから判断できる。図５（ｃ）のよう
にプロセッサを用いるものでは、プログラムに波形の異
常を検知する部分を加えれば良い。また図５（ｄ）のよ
うにロジック回路を用いるものでは、閾値の設定を厳し
くしたり、新たに、閾値を増やすことで対応できる。

【００３６】なお図１の実施例において、ガスセル３７
と周期透過型光フィルタ３６との相対的な配置はどちら
が先でも構わない。またガスセル３７と周期透過型光フ
ィルタ３６とは一体化しても良い。図７のように中空の
光フィルタ７１の内部に、ガスセル３７に無反射コート
７２をして配置してもよく、図８のようにガスセル３７
そのものに高反射コート８１を施し、角度が可変な光フ
ィルタとしても良い。また図９のようにガスのセル９１
の中に光フィルタ９２をおいても良い。９３はレンズ、
９４は光ファイバである。図７の方法によれば光フィル
タ７１内の光の多重反射によって、光がガスセル７２を
通過する回数が多くなるので、その分吸収によるディッ
プを大きくできる。

【００３７】またガスセルの中に封入するガスは、吸収
線が掃引レーザの波長域の中に１本だけあるようなもの
が好ましい。ガスの吸収線を利用して波長を安定化する
場合、アセチレンなどの分子ガスがよく使用される。し
かし分子ガスは吸収線が数十ＧＨｚから百ＧＨｚ程度の
間隔で繰り返し現れる。この場合掃引レーザの波長域
は、吸収線が繰り返し現れる周波数の幅よりも小さくす
る。しかし半導体レーザの波長が温度や経年劣化などで
変化しても、その変化の度合いには限界があるので、ガ
スの吸収線が掃引レーザの波長域内に２本、３本あって
も、それぞれがどの波長に当たるか明確に区別できれ
ば、分子ガスが利用できる。

【００３８】また不活性原子ガス（Ａｒ、Ｋｒなど）を
放電によってプラズマ状態にしたものは、吸収線が単独
で現れるので、掃引レーザの波長域が大きい場合にはこ
のようなものが使用できる。

【００３９】図１０に示したように光フィルタ１０１か
らプラズマ状態のガスセル１０２に、その吸収波長に対
応する光が入射すると、オプトガルバニック効果により
プラズマの状態が変化し、その電気的なインピーダンス
が変化する。このインピーダンスの変化を電極周りの電
気回路、例えば抵抗ＲやコンデンサＣで検出すれば、ガ
スに入射した光量を知ることができる。この光量から制
御信号発生装置１０３で光フィルタ１０１を制御する制
御信号を得ることができる。なお１０４は参照光検波
器、１０５は高圧電源である。

【００４０】また周期透過型光フィルタに周波数基準を
与える手段としては、ガスセルの他に、光共振器でもよ
く、また送信光とともに送られる単独に周波数制御され
た基準光でもよい。

【００４１】周波数基準を与える手段として光共振器を
使用する場合は、リング型のように周期的に減衰するも
のを使用する。また共振器は温度に対する安定性をよく
し、減衰線の絶対周波数の変動を極力小さくする。図１
１（ａ）で周期透過型光フィルタの光透過特性を、
（ｂ）でリング共振器の特性を示すように、リング共振
器のフリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）は、共に使用す
る周期透過型光フィルタのＦＳＲより非常に大きいもの
が良い。その理由は、分子ガスの場合と同様で、掃引レ
ーザの波長域内にある減衰線の数が少ないほうがよいか
らである。

【００４２】また周波数基準を与える手段として基準光
を使用する場合は、図１２のように基準光源１１１で、
単独で周波数制御された基準光を生成し、これを複数の
送信光とともに送信する。そしてビートパルス検出器３
５で検出された基準光によるビートパルスをもとにし
て、周期透過型光フィルタ３６を基準光に合うように制
御する。図１２では図１と同じ部分に同じ番号を付し、
その他の説明は省略する。

【００４３】またビートパルス検出器でビートパルスを
確実に検出するためには、波長掃引レーザ光と複数の送
信光とが、ビートパルス検出器に入射するところで偏波
が一致していなければならない。前述のShimosaka らに
よる文献では、送信光を合波して光多重信号とするとき
に、全ての送信光の偏波が一致するように制御し、さら
に全ての送信光と掃引レーザ光との偏波が一致するよう
に掃引レーザ光の偏波を制御している。

【００４４】しかし実際のシステムに応用する場合は、
すべての光を偏波制御することは現実的でない。そこで
本発明では図１３（ａ）のように送信光１２１と掃引レ
ーザ光１２２をカプラ１２３で合波する前に、掃引レー
ザ光１２２をスクランブラ１２４で偏波スクランブルす
る。このときスクランブルレートはビートが検出できれ
ば良いので高々数kHz 程度の低速でじゅうぶんである。
また図１３（ｂ）のようにスクランブラ１２４で送信光
１２１を偏波スクランブルしてもよい。またスクランブ
ラ１２４を入れる代わりに、図１４のように、ビートパ
ルス検出器１３１、１３２を偏波ダイバーシティ構造に
しても良い。１３３は偏光分離素子、１３４は加算器で
ある。

【００４５】なおビートパルス検出器としては、ビート
が検出できればいいので、高い受信感度は必要とされな
い。したがって光学系はシンプルなもので良く、受信の
帯域も狭いものでよく、ビート検出器（復調器）は簡単
な構成で実現できる。このため受信器全体が比較的簡単
で扱いやすい素子で構成できる。また検出器の大きさが
ほぼ２倍になっても、コヒーレント光通信で偏波ダイバ
ーシティを行なう時のような繁雑さはない。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、光多重信号光の周波数
間隔だけでなく、絶対周波数も制御することが可能とな
り、送信光の周波数を安定化した光周波数多重通信が実
現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すブロック図である。

【図２】本発明を説明するための参照光検波器の出力時
間波形である。

【図３】本発明を説明するためのガスの吸収による光フ
ィルタ透過スペクトルの変化の様子を説明する図であ
る。

【図４】本発明を説明するための光フィルタ透過スペク
トルの様子を説明する図である。

【図５】本発明を説明するための図で、光フィルタ透過
ピークを検出する回路を説明する図である。

【図６】本発明の他の実施例を示すブロック図である。

【図７】本発明を説明するための図で、光フィルタとガ
スセルを一体化した素子の例で、中空の光フィルタ内に
ガスセルを配置した図である。

【図８】本発明を説明するための図で、光フィルタとガ
スセルを一体化した素子の例で、ガスセル自体が光共振
器になっている図である。

【図９】本発明を説明するための図で、光フィルタとガ
スセルを一体化した素子の例で、ガスの雰囲気下に光フ
ィルタを配置した図である。

【図１０】本発明を説明するための図で、本発明の一部
を示すブロック図である。

【図１１】本発明で使用するリング共振器の透過スペク
トルを説明する図である。

【図１２】本発明の他の実施例を示すブロック図で、基
準光源を使用する例である。

【図１３】本発明の一部を示したブロック図で、ビート
パルスを得るために掃引レーザ光または光多重波を偏波
スクランブルするためのスクランブラを配置した図であ
る。

【図１４】本発明の一部を示したブロック図で、ビート
パルス検出器が偏波ダイバーシティ構造を取っている図
である。

【図１５】従来例を示すブロック図である。

【符号の説明】

２１、２２、２ｎ…送信機 ３１…スターカップラ ３２…伝送路４ ３３…光カプラ ３４…波長掃引レーザ出力 ３５…ビートパルス検出器 ３６…周期透過形光フィルタ ３７…ガスセル ３８…参照光検波器 ３９…制御信号発生装置 ５３…波形判別回路 １１１…基準光源 １２４…スクランブラ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 それぞれが互いに異なる光周波数の送信
   光を生成する複数の送信器と、この複数の送信器によっ
   て生成される送信光のすべての光周波数を横切る波長が
   掃引できる波長掃引レーザと、この波長掃引レーザの出
   力光のうち、第１の出力光と光周波数多重された前記各
   送信光とを合波する結合器と、この結合器の出力を受光
   し、前記波長掃引レーザの波長を掃引したときに、光周
   波数多重された前記送信光との干渉によって検出される
   ビートパルスを検出するビートパルス検出器と、前記波
   長掃引レーザの出力光のうち、第２の出力光の光路内に
   位置し、透過スペクトルが周波数方向に所定の間隔で分
   布する周期透過型光フィルタと、この周期透過型光フィ
   ルタの透過スペクトルに絶対周波数基準を与える手段
   と、前記周期透過型光フィルタを透過してきた前記波長
   掃引レーザの前記第２の出力光を検波する参照光検波器
   と、この参照光検波器の出力から前記絶対周波数基準を
   検出し、また、前記ビートパルス検出器の出力と前記参
   照光検波器の出力とを比較し、前記送信器に対し、送信
   光の周波数を制御する制御信号を送る制御信号発生装置
   とを備えた光多重通信の周波数安定化装置。
2. 【請求項２】 前記周期透過型光フィルタの透過スペク
   トルに絶対周波数基準を与える手段が、波長掃引レーザ
   の第２の出力光の光路内に、前記周期透過型光フィルタ
   とともに配置され、かつ、前記波長掃引レーザの掃引波
   長域内に吸収線を持つガスを封入したセルである請求項
   １記載の光多重通信の周波数安定化装置。
3. 【請求項３】 前記周期透過型光フィルタがその光路長
   を変化させることによって透過スペクトルを変化させる
   ことが可能であり、絶対周波数基準が前記周期透過型光
   フィルタの透過域の一つのピークにロックされるように
   前記周期透過型光フィルタの光路長を変化させるフィー
   ドバック制御系を持つ請求項１または２記載の光多重通
   信の周波数安定化装置。
4. 【請求項４】前記波長掃引レーザの第１の出力光の光路
   あるいは前記光周波数多重された送信光の光路に偏波ス
   クランブラが配置され、光周波数多重された送信光と波
   長掃引レーザの第１の出力光が結合される前に、前記第
   １の出力光あるいは前記光周波数多重された送信光を偏
   波スクランブルする請求項１、２または３記載の光多重
   通信の周波数安定化装置。
5. 【請求項５】 前記ビートパルス検出器の受光部が、偏
   波ダイバーシティ構造である請求項１、２、３または４
   記載の光多重通信の周波数安定化装置。