JPH11514103A - 周期的マッハ・ツェンダ光学フィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 マッハ・ツェンダ・フィルタに、広く、急峻な輪郭を示すバンドを含む非周期性の強い伝達関数が付与されている。該フィルタは、光学増幅器に関連して用いることが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】 周期的マッハ・ツェンダ光学フィルタ 技術分野 本発明は、光通信システムに利用可能な波長選択装置に関するものである。 背景技術 光ファイバ通信システムは、例えば、波長の異なる光ビームを異なる宛先に経 路選択するといったさまざまな目的に、あるいは、所望の波長バンド内における 光は通信チャネルに沿って通し、所望のバンド外の波長の光は除去するか、また は、減衰させる光学フィルタとして、波長選択装置を利用する。 波長選択装置は、実際の通信システムに用いられる厳しい要件を満たさなけれ ばならない。該装置は、ほんの数ナノメートルだけ互いに異なる波長を離隔する ことが可能であるべきである。波長選択装置は、環境に対して安定性、信頼性、 及び、耐久性を有しているべきである。また、波長選択装置は、比較的光学パワ ーの損失が少なくなるように動作すべきである、すなわち、該装置は、所望の波 長バンド内においてそれに供給される光学パワーをあまり消費すべきではない。 光通信システムでは、マッハ・ツェンダ干渉計が波長選択装置として利用され てきた。図１に示すように、従来のマッハ・ツェンダ干渉計には、１対のファイ バＦ１及びＦ２が含まれている。該ファイバは、第１の結合器Ｃ１と第２の結合 器Ｃ２において互いに結合されている。該結合器は、一方のファイバからの光を もう一方のファイバに伝達するように構成されている。さらに後述するように、 該結合器は、ファイバの細長い部分がマトリックスまたは外側クラッディング内 においてお互いに近接して並置されている、いわゆるテーパ状のオーバ・クラッ ド結合器とすることが可能である。該結合器は、一方のファイバに供給された光 学パワーのほぼ１／２をもう一方のファイバに伝達するように構成された３ｄＢ 結合器とすることが可能である。ファイバＦ１及びＦ２は、結合器の間に配置さ れた光路長の異なる移相領域を備えている。従って、ファイバＦ１における移相 領域の光路長は、ファイバＦ２における移相領域の光路長とは異なる。この開示 において用いらる限りにおいて、「光路長」という用語は、所定の波長及び所定 の伝搬モードの光がファイバの一方の端部からもう一方の端部まで通過するのに 必要な時間の測度である。光路長の差は、一方のファイバの移相領域をもう一方 のファイバに比べて物理的に長くすることによって、あるいは、伝搬定数の異な る２つのファイバＦ１及びＦ２を造って、２つのファイバ内における光の位相速 度が異なるようにすることによって、あるいは、その両方によって得られた。屈 折率プロフィールの異なるファイバを造ることによって、ファイバに異なる伝搬 定数を付与することが可能になる。ファイバが、「階段屈折率」ファイバの場合 、比較的屈折率の高いコアと、そのコアの上に重なる比較的屈折率の低いクラッ ディングを組み込むことによって、２つのファイバは、屈折率が異なるコアか、 コア直径が異なるコアか、クラッディングの屈折率が異なるコアか、あるいは、 これらの何らかの組み合わせによるコアを備えることが可能である。光路長の差 をもたらすために用いられる特定のメカニズムにもかかわらず、図１に示す単一 段マッハ・ツェンダ・フィルタは、光の波長に応じて、入力１を介して供給され た光を出力３と出力４のいずれかに送る。 典型的な単一段マッハ・ツェンダ・フィルタは、特定の出力ポートに送られた 光の割合とその光の波長を関連づける、ほぼ周期的な伝達関数を備えている。す なわち、特定の出力ポートに生じる光の量は、光の波長の変化につれて繰り返し 変動する。単一段マッハ・ツェンダ装置の典型的な伝達関数が、図２に例示され ている。それには、一連の交番する通過バンド５とノッチ６が含まれている。通 過バンド内の波長でポート１を介して供給される光の大部分は、ポート３に生じ るが、ノッチ６内の波長でポート１を介して供給される光のうち、ポート３に到 達するものはほとんどないか、全くない。通過バンド及びノッチは、波長軸に沿 ってほぼ規則的な間隔で繰り返されるので、周期的である。複数のマッハ・ツェ ンダ装置を直列に結合することによって、あるいは、それぞれ、３つ以上の光路 長を備える装置を造ることによって、さまざまな特性を得ることができるが、さ らなる改良が望ましい。 すなわち、一般に「通過バンド」と呼ばれる単一の比較的広い波長バンド内に おける光のほぼ全てを通過させ、ほんの少しでも通過バンドの範囲から外れる波 長の光は急激に減衰させる光学フィルタが要求されている。この要求は、とりわ け、光学増幅器に関連して生じる。光学増幅器は、光信号にパワーを加える装置 である。光学増幅器は、主として、光ファイバを延長して伝送する場合に生じる パワー損失を補償するために用いられる。光学増幅器の１つの形態が、エルビウ ムをドープしたファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）として知られるものである。ＥＤＦ Ａには、エルビウム元素を含む特殊ガラス材料から形成されたある長さの光ファ イバが含まれる。信号の伝送に用いられる波長で入力される光信号の光ビームは 、「ポンピング」光と呼ばれる、別のより短い波長の光と共に光ファイバに送り 込まれる。ポンピング光からのエネルギは、光ファイバに吸収され、蓄積される 。信号光ビームが光ファイバを通過する際、このエネルギは、解放され、信号光 ビームに混じる。エルビウムをドープしたファイバ増幅器は、動作バンド内にお ける波長の中心が約１．５５マイクロメートルにくるようにして利用することが 可能である。通常、該増幅器の有効動作バンドは、約３０ｎｍ（０．０３マイク ロメートル）以上の幅である。従って、該増幅器の有効動作バンドは、約１．５ ３マイクロメートル〜約１．５６マイクロメートルの波長を包含する可能性があ る。この動作バンドは、この動作バンドは、わずかに波長の異なる、いくつかの 異なる光ビームの同時増幅を可能にするのに十分な広さである。 あいにく、ＥＤＦＡは、その有効動作バンドからわずかに外れた波長の光につ いても多少の増幅を施す。換言すれば、ＥＤＦＡの利得曲線は、動作バンドのエ ッジにおけるカット・オフが急激ではない。従って、入力信号に、有効動作バン ドからわずかに外れた波長のスプリアス成分すなわち「ノイズ」が混じっている 場合、これらのスプリアス成分も、ある程度増幅されることになる。さらに、増 幅器自体が、動作バンドからわずかに外れた波長のノイズを導入する可能性もあ る。両方の場合とも、増幅されたノイズが、システムの下流に送られ、システム の性能を劣化させる。さらに、光ファイバから取り出されて、ノイズを増幅させ るエネルギは、所望の信号の増幅に利用することができない。従って、ＥＤＦＡ の入力または出力に用いられて、ＥＤＦＡの所望の動作バンドからわずかに外れ た信号は抑圧するが、所望の動作バンド内の波長の信号は、全て、ほとんど減衰 を生じることなく通過させることが可能な単純なフィルタが大いに必要とされて いる。すなわち、約１．５４９〜約１．５６５マイクロメートルの波長を通過さ せる、その一方で、約１．５２５〜約１．５４５マイクロメートルの波長を備え た信号を抑圧することが可能なフィルタが必要とされている。通過バンドは広い が、所望のバンドからわずかに外れた波長は急激に減衰させる、他のタイプの光 学増幅器及び他の装置にも用いられる光学フィルタも相応じて必要とされている 。また、逆のタイプのフィルタ、すなわち、広いバンド内の波長の光を抑圧する が、該バンドからわずかに外れた光はほとんど減衰を生じることなく通過させる フィルタも必要とされている。 発明の目的 発明の開示 本発明は、これらの要求に取り組むものである。 本発明の態様の１つによれば、入力ポート、出力ポート、入力端結合器、及び 、出力端結合器を含むマッハ・ツェンダ干渉装置が得られる。該装置には、さら に、結合器間に延びる第１と第２の光路が含まれている。入力端結合器は、入力 ポートに加えられる光を第１と第２の光路に送るようになっており、一方、出力 端結合器は、第１と第２の出力光路における光を結合し、結合された光を出力ポ ートに送るようになっている。該光路は、それぞれ、結合器間の光路長がｌ₁及 びｌ₂である。光路長の少なくとも一方は、この光路を通る光の波長λに対して 非線形に変動する。波長に対する光路長の変動は、動作波長λ₀の付近において 、入力ポートを介して供給されて、出力ポートに生じる光の割合を関連づける伝 達関数が、ほぼ周期的になるように、また、その伝達関数に、伝達関数の値がλ₀ を含む比較的広い波長範囲にわたってほぼ最小または最大になる、主たる比較 的広い通過バンドまたはノッチが含まれるように選択される。主たる通過バンド またはノッチは、λ₀付近において伝達関数の最も広い通過バンドまたはノッチ を構成する。主たる通過バンドまたはノッチは、最も近い隣接通過バンドまたは ノッチの半値幅の少なくとも約２倍の半値幅△λを備えるのが最も望ましい。。 光路長の変動に関して必要な事項については、数学的に次のように表すことがで きる： ここで： △Ｌは、（ｌ₁−ｌ₂）であり、 Ａは、波長に対する光路長の最大変化率であり、 Ｂは、波長に対する光路長の最小曲率である。 従って、本発明のこの態様による望ましい装置は、波長に対する光路長の変化率 が低いが、波長に対する光路長の極率は高くなる。おそらく、Ａは、約４π／△ λ以下であり、Ｂは、約５／（△λ）²以上である。ここで、△λは通過バンド またはノッチである。動作波長におけるＡは、ゼロになるのが最も望ましい。光 路は、ファイバまたは他の導波管によって構成することが可能である。特に望ま しい構成の場合、第１と第２の光路は、第１と第２のファイバによって構成され 、ファイバは、結合器を通って延びている。入力結合器を越えて延びる一方のフ ァイバの一部は、入力ポートを構成し、同じファイバ、または、もう一方のファ イバの一部は、出力結合器を越えて延び、出力ポートを構成する。代替案では、 １つ以上の追加ファイバによって、入力ポート及び出力ポートを形成することが 可能であり、これらの追加ファイバは、入力端及び出力端結合器において第１と 第２のファイバに結合することが可能である。結合器は、テーパ状のオーバ・ク ラッド結合器が最も望ましく、この場合、各ファイバには、テーパ状の結合領域 が含まれており、ファイバのテーパ状結合領域は、互いに並置されている。結合 器には、さらに、ファイバのテーパ状結合領域を包囲するオーバ・クラッドと一 体化したハウジングが含まれる。 例えば、譲渡先が同じである米国特許第５，２９５，２０５号に開示のように 、環境に対して安定したモノリシック・マッハ・ツェンダ装置は、ガラス管のボ アにファイバを通し、ガラス管を加熱して、ファイバに対してガラス管を収縮さ せ、さらに、２つの間隔をあけた位置でガラス管及びファイバを加熱して、引き 伸ばし、結合器を形成することによって、形成することができる。結合器は、入 力ポートによって給与された光のほぼ等しい部分を２つの光路のそれぞれに送り 込むように構成するのが最も望ましいが、等しくない部分も、以下で述べるよう に利 用することが可能である。 本発明のもう１つの態様によれば、光学増幅器または他の装置と直列をなす、 上述の急峻な輪郭を示す通過バンドを備えるマッハ・ツェンダ波長選択装置を組 み込んだ光学システムが得られるが、この場合、マッハ・ツェンダ装置の通過バ ンドは、増幅器または他の装置の動作バンドとほぼ整合する。後述のように、該 フィルタによって、システムのＳ／Ｎ比が向上する。 本発明の他の目的、特徴、及び、利点については、添付の図面に関連して示さ れる、後述の望ましい実施例に関する詳細な説明を通じて、さらに分かりやすく なるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、従来のマッハ・ツェンダ光学装置の概略図である。 図２は、図１に示す装置における光伝送と波長を関連づける伝達関数の周期的 変動を示すグラフである。 図３は、本発明の実施例の１つによるマッハ・ツェンダ装置の概略図である。 図４は、図３の装置の伝達関数を示すグラフである。 図５は、本発明のもう１つの実施例による増幅システムの概略図である。 図６は、図５のシステムに関連した所定の伝達関数を示すグラフである。 図７は、図３と同様であるが、本発明のさらにもう１つの実施例による装置を 表した図である。 図８は、本発明のもう１つの実施例によるシステムに関する伝達関数を示すグ ラフである。 発明を実施するための最良の形態 本発明によるマッハ・ツェンダ干渉装置には、第１のファイバ１０と第２のフ ァイバ１２が含まれている。ファイバ１０及び１２は、階段屈折率ファイバであ る。従って、ファイバ１０には、図３に破線で示されたコア１０ａ及びコアの上 に重なるクラッド１０ｂが含まれている。ファイバ１２には、同様のコアとクラ ッドが含まれている。ファイバ１０及び１２は、コア及びクラッドの屈折率を所 望の値に調整するため、ゲルマニウム及びフッ素のようなドーパントまたは添加 剤を用いて、石英ガラスのような従来の材料から形成することが可能である。フ ァイバは、一体化されたガラスの管状ハウジング１４内に配置される。 ハウジング１４及びファイバ１０及び１２は、伸ばされ、細められて、第１の オーバ・クラッド結合器１６及び第２のオーバ・クラッド結合器１８が形成され る。第１のオーバ・クラッド結合器には、ファイバ１２の細められたテーパ状の 結合領域２２と並んで延びる、ファイバ１０の細められたテーパ状の結合領域２ ０が含まれている。これらの結合領域は、ハウジング１４と一体化されたオーバ ・クラッド２４内に納められている。第２のオーバ・クラッド結合器１８には、 同様のテーパ状結合領域２６及び２８と、オーバ・クラッド３０が含まれている 。結合器及びハウジングは、参考までにその開示が本書に組み込まれている、米 国特許第５，２９５，２０５号に開示のプロセスによって製作することが可能で ある。要するに、’２０５特許に開示のように、こうした構造は、ハウジングを 構成する管１４内部に２つのファイバを並べて配置し、管を加熱して、軟化させ 、ファイバに対して管を収縮させることによって形成することができる。該プロ セスには、結合器を形成すべき位置においてファイバを軟化させるのに十分な程 度まで管及びファイバに加熱することが含まれている。管及びファイバは、各結 合器位置において単一体として引き伸ばされるので、管及びファイバが同時に伸 ばされ、細められることになる。２つのファイバ１０及び１２は、結合器１６及 び１８の間に同じ物理的距離ｚを有することができる。従って、ファイバ１０は 、２つの結合器間に第１の光路を形成する中央部３２を備えており、一方、ファ イバ１２は、２つの結合器間に光路を形成する中央部３４を備えているが、両方 の光路とも物理的長さは同じである。ファイバは、両方とも、結合器を通り、結 合器の向こうに配置された端部領域まで延びている。第１のファイバ１０の第１ の端部領域は、第１の入力ポート３６を形成し、同じファイバの第２の端部領域 は、装置のもう一方の端部に出力ポートを形成する。ポート３６及び３８を形成 するファイバ端部領域は、光学システム内におけるさらに別のファイバとの結合 に適した端部が得られるように、従来のやり方で切断される。第２のファイバの 端部領域４０及び４２は、付加ポートを形成する。ただし、これらの付加ポート は、ファイバ先端を溶解させて、反射防止端部を形成することによって端末処理 されている。例えば、参考までにその開示も本書組み込まれている、米国特許第 ４， ９７９，９７２号に開示のように、反射防止端末は、ファイバ端部を加熱して、 引っ張ることで、それを切断し、さらに、ファイバ端部を加熱して、ガラスに、 ファイバ・クラッドのもとの外径に等しいか、あるいは、わずかにそれより小さ い直径を備えた球状の丸い端面を形成させることによって、形成することが可能 である。 ２つのファイバは、異なる光学特性を備えている。すなわち、波長に対する２ つのファイバの伝搬定数の変化パターンは、入力ポート３６を介して供給されて 、出力ポート３８に生じる光の割合が、非周期的伝達関数に従って、給与される 光の波長に応じて変動するように選択される。すなわち、出力ポート３８に生じ る光と波長を関連づける伝達関数には、選択された波長範囲における広い通過バ ンドまたはノッチのような上述の特徴が含まれている。 一般に、光が２つの光路間において均等に分配されるマッハ・ツェンダ干渉装 置の場合、入力ポートの１つから給与されて、出力ポートに生じる光の割合Ｉは 、波長の関数である： ここで、△１は、２つの光路間における光路長の差である。Ｉとλの関係は、本 書において「伝達関数」と呼ばれる。両方の光路とも、結合器間の物理的長さｚ が同じである、図３の装置の場合： ここで： Ｉは、入力ポート３６で給与されて、出力３８に生じる光の割合である。 △βは、結合器間における第１の光路３２の伝搬定数β₁と結合器間における 第２の光路３４の伝搬定数β₂との差である。「伝搬定数」は、光路に沿った光 の位相速度の測度である。ファイバによって形成される光路に沿って伝搬する光 の場合、伝搬定数は、光の波長λに応じて変動する。λに対するβの変動は、一 般に、時間遅延と呼ばれる。ある条件下では、単一波長の光が、いくつかの異な る伝送モードで、単一ファイバを伝搬することが可能であり、βの値が異なるこ とにな る。しかし、本発明の望ましい実施例では、光が単一モードでしか伝搬すること ができないように、比較的コアの直径が小さいファイバを利用するので、どの波 長の光も、伝搬定数βは１つだけである。任意のλの値におけるβの値は、ファ イバのコア直径とλの関係、及び、ファイバにおけるコアとクラッドの屈折率ｎ₁ 及びｎ₂といった要素によって決まる。屈折率自体は、ある程度、λによって決 まる可能性がある。 △βがλに対して線形に変動する場合、伝達関数Ｉは、図２に示す周期的特性 を有している。図２において明らかなように、伝達関数の周期は、一定であり、 その各ピークは、ほぼ同じ幅である。対照的に、本発明の望ましい実施例による 装置は、波長がかなり非周期的な伝達関数を備えている。図４に示す非周期的伝 達関数は、主たるバンド５０の中心が動作波長λ₀に位置している。バンド５０ は、入力ポートで給与される光の比較的多くの部分が出力ポートに生じることに なる（Ｉ＞０．５）、波長のグループを表しており、従って、バンド５０は「通 過バンド」と呼ばれる。隣接するバンド５２及び５４は、入力ポートで給与され る光のうち、出力ポートに達するのがわずかな部分である（Ｉ＜０．５）、波長 のグループであり、従って、これらの隣接バンドは、「ノッチ」と呼ばれる。バ ンド５６及び５８は、別の通過バンドを表している。λ₀の付近では、バンド幅 が、波長によって大幅に変化する。主たる通過バンド５０は、他のバンドの幅よ りかなり広い幅Ｗ₅₀を備えている。通過バンドまたはノッチに関して本開示で用 いられる限りにおいて、「幅」という用語は、全幅半値すなわち「ＦＷＨＭ」幅 を表している。バンドの限界波長は、Ｉが問題となるバンドにおいて得られる最 小値または最大値とすぐ隣接するバンドにおける最小値または最大値の中間であ る、バンド中心の両側における波長とみなされる。例えば、主たるバンド５０は 、下限波長λ₁及び上限波長λ₂を有しており、ノッチ５２は、限界波長λ₅₂及び λ₁を有している。バンド幅は、その限界波長の差である。従って、主たる通過 バンド５０の幅△λは、（λ₂−λ₁）である。伝達関数の非周期度は、主たるバ ンドの幅とすぐ隣接するバンドの幅の最大幅の比として表すことが可能である。 この比は、少なくとも約２が望ましい。 広いパス・バンドまたはノッチの中心がλ₀にくる、かなり非周期的な伝達関 数 を得るため、 は、できるだけ小さく、波長に対する光路長の最大変化率を表す値Ａ未満である ことが望ましい。一方、 は、大きく、波長に対する光路の最小二次導関数すなわち「曲率」を表した値Ｂ を超えることが望ましい。通過バンドまたはノッチの幅が△λで、λに対する１ の変動を放物線として近似するのが妥当な典型的なファイバの場合、Ａは、約６ π／△λ以下、できれば、約４π／△λ以下にすべきであり、一方、Ｂは、約３ ／（△λ）²以上にすべきであり、望ましいのは、約５／（△λ）²以上である。 図３に示す装置の場合、両光路とも、等しい長さｚを備えており、また、両光 路とも、結合器間の全光路長ｚにわたってほぼ均一な伝搬定数を備えている（△ １＝△βｚ）。一般的なファイバの時間遅延特性（β対λ）は、既知のところで あり、従って、 の値は、任意のファイバ対に関して容易に計算することが可能である。 両光路とも等しい長さｚを備える場合にファイバ特性を選択する原則について 別様に述べると、次のようになる。まず、幅△λの主たる通過バンドまたはノッ チを得るためには、 ｚに関するこの値を式（２）に代入すると、 伝達関数の周期の最大変動を得るためには、式ｄ［．．．］／ｄλを最大にすべ きであるが、ここで、［．．．］は、式（４）における余弦の括弧でくくった引 数を表している。微分すると、次のようになる： 式５を検分することによって、この式は、所望の通過バンドまたはノッチの付近 の波長に関して△βと△βの二次導関数の積を最大化することよって、また、所 望の通過バンドまたはノッチの付近の波長に関して△βの一次導関数を最小化す ることによって最大化することが可能である。 等しい光路長または等しくない光路長ｚ₁及びｚ₂（ここで、ｚ₁は、一方の光 路長であり、ｚ₂はもう一方の光路長である）の場合に対する一般化は、次の通 りである： ｄ（△１）／ｄλ＝ｚ₁ｄ（β₁）／ｄλ−ｚ₂ｄ（β₂）／ｄλ （６） この式は、できるだけ小さくすべきであり、一方、 ｄ²（△１）／ｄλ²＝ｚ₁ｄ²（β₁）／ｄλ²−ｚ₂ｄ²（β₂）／ｄλ² （７） は、できるだけ大きくすべきである。項ｄ²（β₁）／ｄλ²及びｄ²（β₂）／ｄ λ²は、光路を構成するファイバ内における拡散に比例する。換言すれば、光路 長ｚ₁及びｚ₂によって重み付けが施される光路内の拡散は、最大非周期性にとっ てできるだけ異なることが望ましい。 上述の干渉装置は、光学増幅器に関連して利用することが可能である。本発明 のもう１つの実施例による光増幅システムには、エルビウムをドープしたファイ バの長いセクション６０、及び、ファイバ６０の一方の端部に接続された光学結 合器またはコンバイナ６２を備えたファイバ増幅器が含まれている。コンバイナ ６２は、入力光信号を受信するための入力ポート６１を備えている。コンバイナ ６２は、波長が約１．４８μｍのポンピング放射線源、例えば、こうした波長で 動作するダイオード・レーザに接続されたポートも備えている。ファイバ６０の もう一方の端部は、ポンピング放射線を阻止するが、１．５５μｍの付近の、増 幅器の動作バンド内の波長の放射線を通過させるようになっている標準的な周期 的マッハ・ツェンダ・フィルタのような従来のフィルタまたは波長選択装置に接 続されている。このフィルタの出力６５は、増幅器の出力接続を構成する。こう したファイバ増幅器は、当該技術において周知のところである。それらについて は、例えば、その開示が参考までに本書に組み込まれている、Ｐａｌａｉｓ，Ｆ ｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｔｈｉｒｄ ｅｄｉｔ ｉｏｎ，ｐｐ．１６２−１６３（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ−Ｈａｌｌ，Ｉｎｃ．１９９ ２）に記載がある。該増幅器によって、約１．５５μｍに中心がくる比較的広い 波長範囲にわたって１を大幅に超える、入力６１における入力パワーに対する出 力６５における出力パワーの利得または比が生じる。図６には、光学増幅器の利 得と波長を関連づける典型的な伝達関数曲線７０が示されている。図示のように 、利得曲線は、Ｗ_aの半値幅を備えている。最大利得は、何桁にもなる、すなわ ち、約４０ｄＢにも及ぶ可能性がある。 図５に示すように、それぞれ、幅Ｗ₅₀の主通過バンドを有する上述の１つ以上 のフィルタが、増幅器と直列に接続される。従って、上述のタイプの第１のフィ ルタは、入力ポートと直列に接続することができるので、該フィルタの出力ポー ト３８は、増幅器の入力ポートに接続され、一方、上述のような第２のフィルタ の入力ポート３６¹は、フィルタの出力ポート６５に直接接続することができる 。該複合装置は、フィルタの伝達関数Ｉと増幅器の利得伝達関数の積である利得 曲線７２の幅が狭く、急峻に形成される。該複合装置によれば、フィルタの通過 バンドＷ₅₀内の周波数については、増幅器自体によって得られる利得のほぼ全て が得られるが、この範囲外の周波数については急激なカット・オフが生じる。従 って、入力信号に、フィルタの通過バンドＷ₅₀からわずかに外れた周波数のノイ ズまたは望ましくない信号が混じっている場合、フィルタによって望ましくない 信号はほぼ除去される。また、フィルタがフィルタの入力ポートの前に配置され ている場合、望ましくない信号は、増幅器におけるパワーを吸収可能になる前に 、除去される。従って、複合化されたフィルタ及び増幅器は、フィルタ通過バン ドＷ₅₀内の波長を用いる光通信システムに用いられる場合、優れた性能を発揮す る。さらに、フィルタＷ₅₀の通過バンドには、いくつかの波長分割多重化振幅変 調信号または波長変調信号に適応するのに十分な広さの波長範囲が含まれている 。エルビウムをドープしたファイバ増幅器に役立てる場合、主通過バンドは、中 心波長が約１．５５マイクロメートルで、幅が少なくとも約１０マイクロメート ル、できれば、約１０〜約４０マイクロメートルが望ましい。 フィルタ伝達関数（図４）に増幅器の利得伝達関数７０を掛けることによって 得られる合成利得関数（図６Ａ）は、主通過バンドの中心波長λ₀から遠い波長 では急激に降下する。フィルタが光学増幅器に直列に接続されている場合、増幅 器の利得バンド幅Ｗ_aからかなり外れた波長におけるフィルタの特性は、ほとん ど重要ではない。従って、フィルタだけの非周期的伝達関数（図４）には、伝達 関数が、波長の関数として急激な揺動を示す、主通過バンドの中心周波数から遠 い波長の領域５７及び５９が含まれている。このフィルタ伝達関数の領域は、増 幅器の利得特性によってほぼ除去される。換言すれば、フィルタの伝達関数は、 増幅器の利得伝達関数における中心ピークのカット・オフを急峻化することだけ に依存している。より一般的には、本発明の望ましい実施例による非周期的マッ ハ・ツェンダ・フィルタは、比較的通過バンドの広い別の装置と組み合わせるこ とが可能であり、この場合、他の装置は、フィルタの伝達関数曲線の急激な揺動 領域における波長の除去に有効であるが、非周期マッハ・ツェンダ・フィルタの 主通過バンドを包含する比較的広い通過バンドを備えている。従って、該非周期 的フィルタによって、他の装置の通過バンドに対するカット・オフがより急峻に なる。 本発明を逸脱することなく、上述の特徴に多様な変更及び組み合わせを施すこ とが可能である。例えば、図３のフィルタの場合、第２のファイバによって形成 されるポート４２は、出力ポート３８の代わりの、または、出力ポート３８以外 の出力ポートとして構成することが可能である。出力ポート４２に関する伝送の 伝達関数は、ポート３８に関する伝送の伝達関数の逆数である。従って、ポート ４２における伝達関数の主バンドは、通過バンドではなくノッチである。 光路を形成するファイバが、結合器を越えて延びること、あるいは、入力ポー ト及び出力ポートが、結合器間の光路を形成するファイバによって構成されるこ とは、不可欠なものではない。例えば、図７に示す装置は、入力ポート１３６及 び出力ポート１３８を形成するファイバ１１１を備えている。２つの他のファイ バ１１０及び１１２は、入力結合器１１６及び出力結合器１１８においてファイ バ１１１に結合されている。結合器は、入力ポート１３６を介してファイバ１１ １で供給される光が、ほぼ等しい割合でファイバ１１０及び１１２に結合され、 これらのファイバからの光が、再結合されて、ファイバ１１１に送り込まれるよ うに構成されている。この構成の場合、ファイバ１１１の結合器間に延びる部分 は、光をそれと感知できるほど伝送しないので、省略することも可能である。マ ルチファイバ結合器は、当該技術において既知のところであり、例えば、その開 示が参考までに本書に組み込まれている、譲渡先が同じ米国特許第５，３５１， ３２５号に記載がある。 図７にも示されているように、ファイバは一様な組成である必要はない。従っ て、ファイバ１１０は一様な組成とし、一方、ファイバ１１２には、ファイバ１ １０と同じ組成及び構造によるセクション１１３及び１１５と、光学特性の異な るもう１つのセクション１１７を含むことが可能である。部分１１３及び１１５ は、△Ｌに影響しないので、伝達関数の計算を行う場合には、セクション１１７ の長さ、及び、ファイバ１１０の対応する長さだけしか考慮する必要がない。図 ３に示す２ファイバ装置には、複合ファイバを用いることも可能である。例えば 、その開示が参考までに本書に組み込まれている、本件と同じ日付で提出された 、譲渡先が同じである、「Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅ ｔｒｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｗiｔｈ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｆｉｂｅｒｓ」と 題するＷｉｌｌｉａｍ Ｊ．Ｍｉｌｌｅｒの米国特許出願には、マッハ・ツェン ダ干渉装置における複合ファイバの利用が開示されている。 該フィルタは、光ファイバ導波管によって形成された光路に基づいて解説され ているが、他の導波管を利用することも可能である。例えば、フィルタは、モノ リシック平面導波管を用いて形成することも可能である。さらに、結合器は、テ ーパ状オーバ・クラッド結合器である必要はなく、光路間において一様でないパ ワー配分をもたらす結合器を利用することが可能である。このアプローチを利用 することによって、伝送される信号のサイズの縮小または変調深度の低減を行う ことが可能である。 フィルタの伝達関数には、２つ以上の広い通過バンドまたはノッチを含むこと が可能である。図８に示すように、伝達関数には、主波長λ₁₅₀に中心がくる主 通過バンド以外に、中心波長λ₁₄₀に中心がくる広いノッチ１４０を含むことこ とが可能である。こうした伝達関数は、ｄ（△ｌ）／ｄλが、両波長λ₁₄₀及び λ₁₅₀においてゼロか、または、ゼロに近い場合、及び、ｄ²（△ｌ）／ｄλ²が 、前記 両波長において比較的大きい場合に実現することができる。同様に、該装置は、 これらの条件が３つ以上の波長において満たされる、３つ以上の比較的広いバン ドを有することが可能である。こうした構成の場合、広いバンドのうち最も広い ものは、上述の主バンドとみなすことが可能である。主通過バンドの両側に比較 的広いノッチを備えたフィルタは、波長分割多重化システムの場合のような波長 選択フィルタとして利用することが可能であり、上述の光学増幅器のような装置 に関連して用いることも可能である。例１ ほぼ図３によるマッハ・ツェンダ・フィルタは、コア半径が３．８０マイクロ メートルで、（△ ｎ）が０．３５％の第１の階段ファイバから形成されている 。このフィルタに用いられている第２のファイバ、コア半径が０．８２マイクロ メートルで、（デルタ ｎ）＝１．８０％である。本書で用いられる限りにおい て、「デルタ ｎ」という用語は、（ｎ₁−ｎ₂）を表しており、ここで、ｎ₁は コアの屈折率であり、ｎ₂はクラッドの屈折率である。入力結合器と出力結合器 の間の物理的光路長は、２３ｃｍである。伝送スペクトルは、図４に示すとおり である。λ₁は約１．５３μｍであり、λ₂は約１．５７μｍである。λ₀は約１ ．５５μｍである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 モダヴィス，ロバート エイ アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14870 ペインテッドポスト テイラー ストリ ート 14 (72)発明者 ノーラン，ダニエル エイ アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14830 コーニング スカイライン ドライヴ 28

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．入力ポート、出力ポート、入力端結合器、出力端結合器、及び、前記結合器 間に延びる第１と第２の光路から構成されるマッハ・ツェンダ干渉装置であって 、前記入力端結合器が、前記入力ポートにおいて給与される光を前記第１と第２ の光路に送るようになっており、前記出力端結合器が、前記第１と第２の光路に おいて光を結合し、結合した光を前記出力ポートに送るようになっており、前記 光路が、前記結合器間において、それぞれ、光路長ｌ₁及びｌ₂を備えており、前 記装置が、前記第１の入力ポートを介して供給されて、前記出力ポートに生じる 光の割合を関連づける、かなり非周期的な伝達関数を備えており、前記伝達関数 に、前記伝達関数が、動作波長λ₀を包含する比較的広い波長範囲にわたって、 最小値に近くなるかまたは最大値になる、比較的広い主たる通過バンドまたはノ ッチが含まれており、前記主たる通過バンドまたはノッチが、λ₀の付近におけ る前記伝達関数の最も広い通過バンドまたはノッチを構成することと、前記光路 長の少なくとも一方が、 λ₀において、 △ｌが、（ｌ₁−ｌ₂）であり、 Ａが、約４π／△λであり、 Ｂが、約５／（△λ）²であり、 △λが、主たる通過バンドまたはノッチの全幅半値であるとき、 及び となるようにその光路を通過する光の波長λに対して非線形に変動する干渉装 置。 ２．λ₀において、 であることを特徴とする、請求項１に記載の干渉装置。 ３．前記第１と第２の光路が、それぞれ、物理的光路長ｚ₁及びｚ₂を備え、また 、前記第１及び第２の光路が、それぞれ、ほぼ一様な伝搬定数β₁及びβ₂を備え ており、これによって、△ｌ＝β₁ｚ₁−β₂ｚ₂になることを特徴とする、請求項 １に記載の干渉装置。 ４．前記第１及び第２の光路が、第１及び第２のファイバによって構成されるこ とと、前記第１及び第２のファイバが、前記結合器を通って延びていることを特 徴とする、請求項１に記載の干渉装置。 ５．前記ファイバの部分が、前記結合器を越えて延び、前記ポートを形成するこ とを特徴とする、請求項４に記載の干渉装置。 ６．前記結合器が、テーパ状のオーバ・クラッド結合器であり、前記ファイバの それぞれに、テーパ状の結合領域が含まれており、前記ファイバの前記テーパ状 結合領域が、前記結合器内において互いに並置されており、前記結合器のそれぞ れに、さらに、前記ファイバの前記テーパ状結合領域を包囲するオーバ・クラッ ドが含まれていることを特徴とする、請求項５に記載の干渉装置。 ７．さらに、前記結合器の前記オーバ・クラッドと一体化したハウジングが含ま れ、前記ハウジングが前記結合間の前記ファイバを包囲していることを特徴とす る、請求項６に記載の干渉装置。 ８．λ＝λ₀の場合、前記結合器によって、前記第１と第２の光路の間にほぼ３ ｄＢの光の結合が生じることを特徴とする、請求項１に記載の干渉装置。 ９．前記結合器によって、λ₀を包含する波長範囲にわたってほぼ色消し結合が 生じることを特徴とする、請求項８に記載の干渉装置。 10．前記主たる通過バンドまたはノッチの半値幅が、最も近い隣接通過バンドま たはノッチの半値幅の少なくとも約２倍であることを特徴とする、請求項９に記 載の干渉装置。 11．前記伝達関数の値が、少なくとも約０．０１５λ₀の幅にわたって前記主た る通過バンドまたはノッチにおけるその最小値またはその最大値の約２０％以内 であることを特徴とする、請求項９に記載の干渉装置。 12．請求項１に記載のマッハ・ツェンダ装置に直列に接続された、比較的装置の 通過バンドが広い装置伝達関数を有する光学装置から構成される光学システムで あって、前記マッハ・ツェンダ装置が、前記装置通過バンドと整合する主たる通 過バンドを備えていることを特徴とする、光学システム。 13．前記光学装置が光学増幅器であることを特徴とする、請求項１２に記載の光 学システム。 14．入力ポート、出力ポート、入力端結合器、出力端結合器、及び、前記結合器 間に延びる第１と第２の光路から構成されるマッハ・ツェンダ干渉装置であって 、前記入力端結合器が、前記入力ポートにおいて給与される光を前記第１と第２ の光路に送るようになっており、前記出力端結合器が、前記第１と第２の光路に おいて光を結合し、結合した光を前記出力ポートに送るようになっており、前記 光路が、前記結合器間において、それぞれ、光路長ｌ₁及びｌ₂を備えており、前 記光路長の少なくとも一方が、動作波長λ₀の付近において、前記第１の入力ポ ートを介して供給されて、前記出力ポートに生じる光の割合を関連づける前記装 置の伝達関数がかなり非周期的になるように、前記光路を通過する光の波長λに 対して非線形に変動し、前記伝達関数に、前記伝達関数の値が、λ₀を包含する 比較的広い波長範囲にわたって、最小値に近いか、または、最大値になる、比較 的広い主たる通過バンドまたはノッチが含まれており、前記主たる通過バンドま たはノッチによって、λ₀の付近に、前記伝達関数の最も広い通過バンドまたは ノッチが構成され、前記主たる通過バンドまたはノッチが、最も近い隣接通過バ ンドまたはノッチの半値幅の少なくとも約２倍の半値幅を備えることを特徴とす る、干渉装置。 15．前記伝達関数の値が、少なくとも約０．０１５λ₀の幅にわたって、前記主 たる通過バンドまたはノッチにおけるその最小値または最大値の約２０％以内に なることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。 16．そのかなり非周期的なフィルタ伝達関数によって、該伝達関数の他の通過バ ンドより広い主通過バンドが限定されているマッハ・ツェンダ干渉フィルタに対 して直列に接続された、装置通過バンドを有する光学装置伝達関数を備えた光学 装置から構成される光学システムであって、前記フィルタ伝達関数の前記主通過 バンドが、前記装置通過バンド内に含まれ、前記装置通過バンドよりカ ット・オフが急峻であることを特徴とする、光学システム。 17．前記非周期的フィルタ伝達関数に、フィルタの伝達関数の値が、伝送される 光の波長の変化につれて最大値と最小値の間で急激に揺動する揺動領域が含まれ ており、前記光学装置の伝達関数が、前記フィルタ伝達関数の前記揺動領域内の 波長に関して比較的低い値を備えていることを特徴とする、請求項１６に記載の 光学システム。 18．前記装置が光学増幅器であることを特徴とする請求項１７に記載の光学シス テム