WO2004027511A1

WO2004027511A1 - 光通信用波長変換装置

Info

Publication number: WO2004027511A1
Application number: PCT/JP2003/011883
Authority: WO
Inventors: Sunao Kurimura; Masaki Harada
Original assignee: National Institute For Materials Science
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2003-09-18
Publication date: 2004-04-01
Also published as: JP2004109916A; US7206122B2; US20050213193A1; EP1544670A4; EP1544670A1

Abstract

　信号光は、ＷＤＭ結合器２によりレーザダイオード３から出射される制御光と合波される。ＷＤＭ結合器の一端の光ファイバ４は、擬似位相整合水晶１の光導波路とＶ溝１ａによりモードマッチされている。信号光と制御光の差周波発生により生じた出力光は、Ｖ溝１ａにより再び擬似位相整合水晶１から光ファイバ５へと導波される。そして、光学フィルタ７に入射し、信号光と制御光がカットされる。光ファイバ９はファイバアンプ１０につながっている。波長変換素子として擬似位相整合水晶を使用した場合、非線形定数が小さいことに起因して、ニオブ酸リチウムに比して波長変換効率が低くなる。これを補償するために、ファイバアンプ１０を設けている。これにより、光損傷の問題が少なく、かつ広い範囲の温度で使用することができ、石英系光ファイバとの結合性も良い光通信用波長変換装置とすることができる。

Description

明細書光通信用波長変換装置技術分野

本発明は、波長多重を利用した光通信システムにおいて用いられる光波長変換装置に関するものである。背景技術

光通信分野では、増加する通信容量に対応するために、信号を複数の波長に載せて多重化する高密度波長多重通信（D W D M ) が一般に行われている。これらの分野においては、ネットワークの各ノードでの限りある波長リソースを有効に活用するために、将来、ノード間で光波長変換を行うことが不可欠になってくる。また、波長多重通信は、従来 Cバンドのみで行われてきたが、通信容量の増大により、それ以外の波長帯域を利用することが見込まれている。そのためネットワークの各ノード間でのバンド間波長変換の必要性が出てきている。

従来の波長変換技術においては、光信号を一旦電気信号に変換した後に波長変換を行い、その後再び光信号に戻すことを行っている。しかしながら、この方法には、変換速度が遅く、かつ波長ごとに変換デバイスが必要であるという問題点があり、集積性ゃコストの面で不利である。これに対し近年、光から光へと直接波長変換できる光デバイスの研究が盛んである。この方法は、光の位相情報を失わずに変換できることや、電気信号を介して波長変換を行うシステムに比べて、非常に高速な変換が可能で簡便なシステムを構成できるという点で非常に大きなメリットを有している。現在、光直接変換の方法は複数提案されている。まず、化合物半導体アンプによる相互利得変調を用いた波長変換方法が考えられている。しかし、この方法では、波長変換帯域が半導体の利得範囲内の Cバンド内部に限られており、バンド間波長変換ができないという問題がある。

また、光ファイバ中の非縮退四波光混合を用いた方法も提案されている。この方法によれば、利得媒質の 3次非線形性を利用し、非縮退四波光混合により光通信波長帯での波長変換が可能である。しかしながら、この方法では、変換効率を向上させるため数十〜数百メ一トルの光ファィバが必要である。このような長いファイバ中では、場所ごとに位相整合条件が異なる可能性が大きくなり、波長安定性という点で問題がある。また、変換可能な波長幅はファイバの長さに反比例するため、変換帯域が限られるという問題点もある。

さらに、擬似位相整合非線形光学素子を用いた方法が提案されている。擬似位相整合非線形光学素子による波長変換の利点は、広い波長帯域において無雑音で多波長一括の波長変換が可能なことである。そのため、現時点においては、擬似位相整合非線形光学素子による光直接波長変換が、高密度波長多重通信（D W D M ) における最も有力な方法と考えられている。

以下、擬似位相整合非線形光学素子について説明する。中心対称性のない 2次の非線形光学媒体にレーザ光を入射することより第二次光高調波発生（ second harmonic generation ： SHG )、和周波発生 ( sum irequency generation -'SFG )、差周波発生 difference frequency generation： DFG) など周波数の異なった光を発生させることができる。ただし、実用に耐えうるような高効率の波長変換を可能にするには、各波長の位相がある整合条件を満たしていることが必要である。整合条件を満足させる方法として、' 結晶の複屈折を利用するものと、結晶の非線形定数の符号を周期的に反転させるものがある。後者を擬似位相整合 ( Q P M ： Quasi-Phase Matching) と呼ぶ。

ところで、差周波発生は、周波数 ω 1、周波数 ω 2の光を入射して、周波数 ω 3 ( = ω 1 -ω 2 ) の差周波に変換するものである。非線形媒質が周期 Λの非線形定数反転構造を持つ場合においては、次式

51 - 52 -/53 - 2 πτα/Α = 0

で定められる擬似位相整合条件を満たす必要がある。ここで mは奇整数、 31、 ^ 2は、それそれ周波数 ω 1及び ω 2の光の非線形媒質中での伝播定数、 β 3は周波数 ω 3の光の非線形媒質中での伝播定数である。非線形定数を反転させる方法としては、自発分極を持つ強誘電体物質に高電界印加し、周期的な分極反転を形成させる方法が用いられてきた。そのような物質の代表例として、ニオブ酸リチウム（LiNb0₃ ) やタンタル酸リチウム（LiTa0₃ ) などが知られている。

この擬似位相整合非線形光学素子による差周波発生により、光通信における波長変換が可能となる。例えば、 Q. Xu et. al. "Wavelength conversions l.o μηι by difference irequency generation in periodically domain inverted LiNbO ₃ channel wave guides" Appl. Phys. Lett. Vol.63, (1993) pp. 1170-1172の論文に示されるように、光通信で用いられている波長 1.5μπι近辺での波長変換が行われている。またさらには、バンド間光波長変換に関する研究も盛んである。

以下、差周波発生を利用した光通信における波長変換について述べる。波長変換前の光の波長と周波数をそれそれえ i _n 、 _n とする。波長変換後の光の波長と周波数をそれそれえ。 _{u t} 、 ω。 u _t とする。また差周波発生に必要なもう一つの光をポンプ光（制御光）と呼び、その波長と周波数をそれそれ； l_{p u m p} 、 w_{p u m p} とする。 w。 _{u t} 二 ω_ρ u m p _η で位相整合整合条件が成り立つように周期 Λの分極反転構造を作り込んでおく。

例えばニオブ酸リチウムを用いて C— Lバンド変換を行う場合、ボンプ光の波長/ _p u _m p をえ _{p u m} p = 0.785〃m とすると人 i _n = 1.53 〜： l.57〃m、え。 _{u t} = 1.57〜： l.61〃m で周期 Λは約 19.5〃m となる。差周波発生では図 1に示すように横軸を波長、縦軸を光強度とした場合、変換前波長と変換後波長はポンプ光波長を軸として鏡像になる。すなわち、変換前波長がえ、え ₂ 、 ···、え _N のとき、変換後の波長は、それそれえ i '、 λ ₂ '、 ··.、 λ _Ν 'となり、変換前波長が人 i '、人 ₂ '、 ···、 λ Ν 'のとき、変換後の波長は、それそれえ丄、人 ₂ 、 ···、 λ _Ν となる。従つて波長変換前の信号同士が変換後に干渉しあうこともなく、無雑音で、多波長一括の波長変換が可能である。

しかしながら、強誘電体結晶による擬似位相整合非線形光学素子には以下のような問題点がある。すなわち、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムでは、フォトリフラクティブ効果（光損傷）による屈折率変化が問題となる。これは、結晶育成段階に混入した不純物からキャリアが励起されて拡散し、不均一な分布となる結果、内部電界が生じ、電気光学効果を通じて屈折率変化が生じるものである。このような光誘起屈折率変化は光損傷とも呼ばれ、擬似位相整合デバイスでは位相整合条件からのずれ、したがって変換効率の低下を生じさせるので、性能を制限する重要な要因となる。

光損傷を低減する方法として、結晶温度を 100°C以上に保つとよいことが知られている。このためにはペルチェ素子などで温度をコントロールする必要があるが、放熱のための装置が必要であり、かつ簡便なシステムが構成できないなど課題が多く、実用的な光デバイスに用いるには適さない方法である。

これに対し、 MgO ド一プ結晶ゃストイキォメトリック（定比化学量論組成）結晶等、比較的光損傷に強いとされる結晶が開発されつつあるが、品質や入手性、コスト、分極反転の困難さなどの点で課題があり、現在のところ実用上の問題を抱えている。

また、通常のニオブ酸リチウム等は、高周波電気信号フィル夕用として大量生産されているが、光学用として使用するには、より高品質な結晶（光学グレードの結晶）が必要である。この光学グレードの結晶は少量しか生産されておらず、コスト、入手性等の点に問題がある。

また、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムは、環境温度に対する条件が厳しいことも問題である。環境温度が変わると結晶の屈折率が変化し、その結果前記位相整合条件が成り立たなくなってしまい、波長変換効率が激減してしまう。例えばニオブ酸リチウムでは、数度程度の環境温度変化で位相整合条件からのずれが起きてしまう。よって、環境温度が変化しても、結晶の温度が数度以内に保たれるように温度コントロールする必要があり、システムの構成が複雑となってしまう。

また、これらの素子は、石英系光ファイバとの結合性にも問題を有する。現在、光通信においては光を導波させる媒体として石英系光フアイバが広く用いられている。また、前記ニオブ酸リチウムなどの分極反転素子においては、強い光閉じ込めによる波長変換効率増大を目的として、プロトン交換法などによる光導波路構造が作製され用いられる。この塲合、光導波路のモード直径は約 4〃mであり、それに対して石英系ファィバのモード直径は約 1 0 m程度である。このため両光モードを完全に一致させることは不可能で、光導波路と光ファイバを結合させる際に、約 2 dBの結合損失が必ず生じてしまう。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、光損傷の問題が少なく、かつ広い範囲の温度で使用することができ、石英系光ファイバとの結合性も良い光通信用波長変換装置を提供することを目的とする。発明の開示

前記目的を達成するための第 1の発明は、波長多重を利用した光通信システムに用いられる波長変換装置であって、 2次の非線形効果を持つ擬似位相整合水晶と、信号光と制御光とを混合して前記擬似位相整合水晶に入力する光結合装置と有することを特徴とする光通信用波長変換装置である。

本発明においては、信号光と制御光（ポンプ光）が混合されて擬似位相整合水晶に入り、ニオブ酸リチウムやタン夕ル酸リチウムを波長変換素子として用いた場合と同じ原理により、波長変換された光が擬似位相整合水晶から出力される。

本発明においては、波長変換用素子として、非線形効果を持つ擬似位相整合水晶を使用する。擬似位相整合水晶は既に公知のものであり、栗村直、応用物理学会誌 2000 年 5月号には、常誘電体である水晶（SiO ₂ ) のひ一 /?相転移温度付近で応力を印加することにより周期的な双晶構造を作り込み、自発分極の周期的な反転構造を実現させるという、従来とはまったく別な製造方法が記載されている。これは、水晶のドフィ —ネ双晶を利用し、非線形光学定数！の符号を周期的に反転させることにより水晶による擬似位相整合結晶を作製する方法である。

ポンプ光の波長 l _{p u m} p を λ _{ρ u m} p - 0.785 zm とすると入丄 _n = 1.53〜： 1.57〃m、入。 _{u t} = 1.57〜 1.61〃m の C一 Lバンド間波長変換を行う場合の水晶双晶構造の周期は約 7 0 / mである。

水晶は化学的、機械的に安定な結晶であり、かつ水熱合成法による大量生産が可能となっており、入手がし易くコストが低い結晶である。さらに、光学用途、例えば波長板や光学ローパスフィル夕などに広く使われており、品質の高いものが大量生産されている。また強いレーザ光入射に対しても、損傷しきい値が光学結晶の中で非常に高い（約 400GW /cm ² ；)。さらに潮解性がなく、長期に渡って用いることができる結晶である。

加えて、前記ニオブ酸リチウムなどの強誘電体結晶にあるフォトリフラクティブ効果による光損傷が、水晶にはない。従って、従来の擬似位相整合ができる結晶の問題点である、屈折率変化による変換効率の低下や位相整合波長のずれなどが克服できる。

また、水晶は、前記、栗村直、応用物理学会誌 2000 年 5月号に記載されているように、使用温度条件の許容幅が非常に広いという特色がある。例えば、 C— Lバンド間波長変換では、長さ 1 cmの素子で 187°Cであり、従来のニオブ酸リチウムの約 1 2 °Cに比べてはるかに広い。このため、変化する環境温度に対して温度を一定に保つような温度調整機構が全く不要となり、光通信用デバイスとしては非常に実用的なシステムを構成することができる。

さらに、石英と水晶の屈折率は非常に近く、そのため擬似位相整合水晶を導波路化した場合、石英系光導波路と同様のモード直径になることが予想される。現在の石英系光導波路と石英系光ファイバとの結合効率は、 0.5 d B程度であり、擬似位相整合水晶を光導波路化した場合でも同様の結合効率となる。

以上のように、本発明においては、擬似位相整合水晶を波長変換素子として使用しているので、従来のニオブ酸リチウムの欠点を克服した光通信用波長変換装置とすることができる。

前記目的を達成するための第 2の発明は、前記第 1の発明であって、前記擬似位相整合水晶からの出力光を増幅するファイバアンプを有することを特徴とするものである。

水晶の非線形定数 dは、！ = 0.3pm/Vであり、ニオブ酸リチウムの非線形定数 d ₃ a = 27pm/V に比べて小さい。さらに、波長変換効率は非線形定数の自乗に比例する。従って、同じ結晶長の場合、擬似位相整合ニオブ酸リチウムに比べて、 3 9 dB ほど変換効率が低くなる。本発明においては、擬似位相整合水晶からの出力光を増幅するファイバァンプを有するので、この変換効率の低さを補うことができる。ファイバアンプは、利得が 3 0〜 4 O dB ほどあり、広く光通信に用いられているデバイスであって、低ノイズの増幅が可能なものである。ファイバァンプは 1段ではなく 2段構成としてもよい。

前記目的を達成するための第 3の発明は、前記第 1の発明又は第 2の発明であって、前記擬似位相整合水晶の出射側に、光変換されずに残留する前記信号光と前記制御光をカツトする光学フィル夕を有することを特徴とするものである。

波長変換素子での波長変換効率は 100 %ではないので、出力される光には、未変換の信号光と制御光が含まれる。本発明においては、光学フィル夕によりこれらの未変換の信号光と制御光を力ットできる。

前記目的を達成するための第 4の発明は、前記第 1の発明から第 3の発明のいずれかであって、前記擬似位相整合水晶の前後に、ファイバコリメ一夕を有することを特徴とするものである。

擬似位相整合水晶には、その前後に光導波路が形成されたものがあり、このようなものについては、光ファイバからの光は、 V溝によりモードマッチングされる。しかし、このような光導波路が形成されていない擬似位相整合水晶を使用する場合には、擬似位相整合水晶中で光が拡散すると、変換効率が低下する。本発明においては、擬似位相整合水晶の前後に、ファイバコリメ一夕を設けることにより、擬似位相整合水晶に入力する光を平行光として波長変換を行わせ、擬似位相整合水晶から発生する光を、光ファイバ中に集光させて光ファイバで受光する。このようにして、擬似位相整合水晶中で光が拡散することを防止し、高い変換効率で波長変換を行うことができる。 .

前記目的を達成するための第 5の発明は、前記第 1の発明から第 4の発明のいずれかであって、前記擬似位相整合水晶に入力される光の偏光方向を制御する発明を有することを特徴とするものである。

擬似位相整合水晶においては d！ iという非線形定数を用いるため、偏光依存性が生じる。一方、光ファイバ中の信号光は一般にランダムな精円偏光となっている。そのため擬似位相整合水晶に入射するときの偏光状態によって波長変換効率が変わってしまうという問題が生じる。本発明においては、擬似位相整合水晶に入力される光の偏光方向を制御する発明を有するので、この制御発明により、光の偏光方向を擬似位相整合水晶の波長変換に好ましい方向とし、波長変換効率を上げることができる。図面の簡単な説明

図 1は、擬似位相整合波長変換素子による差周波発生を説明する図である。

図 2は、本発明の第 1の実施の形態である W D M用波長変換器を示す概略構成図である。

図 3は、本発明の第 2の実施の形態である W D M用波長変換器を示す概略構成図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。

[第 1の実施の形態]

図 2は、本発明の第 1の実施形態である W D M用波長変換器を示す概略構成図である。図 2において擬似位相整合水晶 1には、光導波路構造が作製されており、その前後には V溝 1 aが形成されている。以下、 C 一 Lバンド波長変換を行う場合を例として説明する。この場合、制御光の波長え p u m p を入 p u m p = 0.785 ^ m とすると信号光 l i _n = 1.53〜： 1.57m、出力光人。 _{u t} = 1.57〜1.61〃m となる。また、信号光と出力光の波長帯域はこの逆でもよい。

図 2において、シングルモ一ド光ファイバにて導波された信号光は、 W D M結合器 2によりレーザダイォード 3から出射される制御光と合波される。 W D M結合器の一端の光ファイバ 4は、擬似位相整合水晶 1の光導波路と V溝 1 aによりモ一ドマツチされている。この場合の結合損失は、前記のように 0.5dBと推測される。

信号光と制御光の差周波発生により生じた出力光は、 V溝 1 aにより再び擬似位相整合水晶 1から光ファイバ 5へと導波される。その光ファィバ 5の他端にはフアイバコリメ一夕 6が設けられており、光ファイバ 5からの光は、平行光に変換されて光学フィル夕 7に入射される。この光学フィル夕 7の役割は、波長変換されずに残った信号光と制御光を力ットし、出力光のみを透過させることである。出力光はファイバコリメ一夕 8により集光されて光ファイバ 9に入力される。

光ファイバ 9はファイバアンプ 1 0につながっている。前述のように、波長変換素子として擬似位相整合水晶を使用した場合、非線形定数が小さいことに起因して、ニオブ酸リチウムに比して波長変換効率が低くなる。これを補償するために、本実施の形態においては、ファイバアンプ 1 0を設けている。波長変換された光は、ファイバアンプ 1 0で光増幅され、出力光として出力される。

[第 2の実施の形態]

図 3は、本発明の第 2の実施形態である W D M用波長変換器を示す概略構成図である。第 1の実施の形態と同様に、 C一 Lバンド波長変換を行う場合を例として説明する。図 3において、図 2に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してその説明を省略することがある。この実施の形態の基本的な動作は、第 1の実施の形態と異なるところはない。ただし、図 3において擬似位相整合水晶 1には、光導波路構造が形成されていない。したがって、本実施例においては、ファイバコリメータ 1 1により、信号光と制御光を平行光として擬似位相整合水晶 1 に入射させて差周波発生を行い、その結果発生した出力光を、ファイバコリメ一夕 1 2で光ファイバ 6中に集光させる。その他の構成は、図 2 に示した第 1の実施の形態と同じである。

[第 3の実施の形態]

以下、本発明第 3の実施の形態について説明する。この実施の形態においては、光通信用波長変換装置本体部は、図 2、図 3に示したものと同じであるが、その前に、擬似位相整合水晶 1に入力される信号光の偏光方向を制御する手段を有することが異なっている。

擬似位相整合水晶 1においては d i ！という非線形定数を用いるため、偏光依存性が生じる。一方、光ファイバ中の信号光は一般にランダムな楕円偏光となっている。そのため擬似位相整合水晶に入射するときの偏光状態によって変換効率が変わつてしまうという問題が生じる。

本実施の形態においては、信号光を直線偏光に変換する機構を設けてこの問題を解決する。一般に 4分の 1波長板、 2分の 1波長板を組み合わせ回転させると、楕円偏光を任意の偏光方向を持った直線偏光に変換することができる。本実施の形態においては、信号光が W D M結合器に入射する前にこのような機構を光路中に挿入することにより、波長変換効率の偏光無依存化を実現することができる。

また、文献 C. Q. Xu, H. Okayama and T. Kamijoh: Opt. Rev. 4, (1997) pp.546に記載されているように、偏光ビームスプリッ夕と波長板を組み合わせた偏光無依存化方法を用いてもよい。あるいは、特許開平 1 0— 6 8 9 7 6号公報に記載されているように、光デバイスに波長板を埋め込むことによる偏光無依存化方法を用いてもよい。

Claims

請求の範囲

1 . 波長多重を利用した光通信システムに用いられる波長変換装置であって、 2次の非線形効果を持つ擬似位相整合水晶と、信号光と制御光とを混合して前記擬似位相整合水晶に入力する光結合装置と有することを特徴とする光通信用波長変換装置。

2 . 請求の範囲第 1項に記載の光通信用波長変換装置であって、前記擬似位相整合水晶からの出力光を増幅するファイバアンプを有することを特徴とする光通信用波長変換装置。

3 . 請求の範囲第 1項又は第 2項に記載の光通信用波長変換装置であつて、前記擬似位相整合水晶の出射側に、光変換されずに残留する前記信号光と前記制御光をカツ卜する光学フィルタを有することを特徴とする光通信用波長変換装置。

4 . 請求の範囲第 1項から第 3項のうちいずれか 1項に記載の光通信用波長変換装置であって、前記擬似位相整合水晶の前後に、ファイバコリメ一夕を有することを特徴とする光通信用波長変換装置。

5 . 請求の範囲第 1項から第 4項のうちいずれか 1項に記載の光通信用波長変換装置であって、前記擬似位相整合水晶に入力される光の偏光方向を制御する手段を有することを特徴とする光通信用波長変換装置。