JP3199106B2

JP3199106B2 - 多波長光源およびそれを用いた光波長多重信号発生回路

Info

Publication number: JP3199106B2
Application number: JP09102595A
Authority: JP
Inventors: 寿和坂野; 晶子大輝; 隆男松本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1995-04-17
Filing date: 1995-04-17
Publication date: 2001-08-13
Anticipated expiration: 2016-08-13
Also published as: JPH08288930A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバ通信に用い
る光波長多重技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光ファイバ通信技術は伝送容量、
中継距離の点で大きな進展を見せている。ことに一本の
光ファイバに互いに波長の異なる複数の光信号を多重化
して伝送する光波長多重通信は、光フィルタや光カプラ
を用いて複数の光信号の多重／多重分離を光信号のまま
行ない、高速かつ複雑な信号処理を必要としないため、
簡便な装置構成で大容量の信号伝送を行えるという特長
がある。

【０００３】光波長多重通信では、互いに異なる複数波
長（通常は４波以上）のそれぞれを信号変調し、それら
を合波して一本の光ファイバへ入力する光波長多重信号
発生回路が必要となる。図５に光波長多重信号発生回路
の従来例を示す。図５において、１−１〜１−４は波長
Ｆ₁₀〜Ｆ₄₀の光をそれぞれ出力する光源、２−１〜２−
４は光変調器、３は光合波器、４は光出力をそれぞれ表
している。光合波器３にはカプラあるいはアレイ導波路
を用いた光フィルタが使われる。図５において、周波数
Ｆ₁₀〜Ｆ₄₀は通常周波数軸上で等間隔に並べられてい
る。これは周波数間隔が等間隔の方が光波長多重／多重
分離に用いる光フィルタを設計、作製しやすいことや、
通信ノードの処理を単純化できることによる。図５の各
光源１−１〜１−４から出力された連続光は、光変調器
２−１〜２−４においてそれぞれ信号変調され、光合波
器３において合波された後に出力される。周波数軸上で
は図５に示す通り、等間隔に周波数Ｆ₁₀〜Ｆ₄₀が並べら
れ、各波長成分は信号変調を受けたものとなる。このよ
うに図５の構成でそれぞれの波長成分が信号変調を受け
た光波長多重信号を得ることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したように図５に
示す構成では、多重数に相当する数の光源が必要とな
る。たとえば１６波多重信号を得ようとすれば、１６個
の光源が必要となるという問題があった。さらに各光源
を正確に等間隔あるいはあらかじめ設計された発振波長
とするためには光源ごとに発振波長制御回路が必要にな
り、多重数を増やすのに伴って、非常に多くの光源が必
要になるるという問題があった。また、光波長多重信号
を分離する場合には、そのためのアレイ導波路等の光波
長分波器は素子作製時の条件により分波される絶対周波
数、周波数間隔が微妙に異なる。このため、従来はそれ
に合わせて多重数分だけの光源の発振周波数を制御する
手段が必要になるという問題があった。

【０００５】この発明は、このような背景の下になされ
たもので、少数の光源（２個の光源）を用いて等波長間
隔を有する複数個（３個以上）の波長多重信号光を生成
することができる多波長光源およびそれを用いた光波長
多重信号発生回路を提供することを目的としている。

【０００６】

【０００７】

【０００８】

【課題を解決するための手段】また、請求項１記載の発
明は、発振周波数Ｆ１である第一の光源と、周波数Ｆ２
を発振周波数とする第２の光源と、上記周波数Ｆ１とＦ
２の周波数差△Ｆと同等の間隔を有する複数の周波数成
分を発生させる光非線形媒体と、上記第１および第２の
光源からそれぞれ出力された光を合波し該光非線形媒体
に入力する合波手段と、上記合波手段と光非線形媒体と
の間に挿入される光増幅装置と、からなる多波長光源で
あって、上記光増幅装置と上記光非線形媒体とを１組と
してこれを２組以上縦続接続したことを特徴としてい
る。

【０００９】また、請求項２記載の発明は、発振周波数
Ｆ１である第一の光源と、周波数Ｆ２を発振周波数とす
る第２の光源と、上記周波数Ｆ１とＦ２の周波数差△Ｆ
と同等の間隔を有する複数の周波数成分を発生させる光
非線形媒体と、上記第１および第２の光源からそれぞれ
出力された光を合波し該光非線形媒体に入力する合波手
段と、前記合波手段と光非線形媒体との間に挿入される
光増幅装置と、からなる多波長光源であって、上記２つ
の光を合波する合波手段と光増幅装置との間に光変調装
置を挿入したことを特徴としている。

【００１０】また、請求項３記載の発明は、請求項２記
載の発明において、上記光増幅装置と上記光非線形媒体
とを１組としてこれを２組以上縦続接続したことを特徴
としている。

【００１１】また、請求項４記載の発明は、請求項２記
載の多波長光源において、上記光変調器と上記光増幅装
置と上記光非線形媒体とを１組としてこれを２組以上縦
続接続したことを特徴としている。

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【作用】ここで、光ファイバ等の光非線形媒体（以下、
単に光ファイバとして説明する）に近接した周波数成分
を有する２つの光を入力して、新たな周波数成分を有す
る複数の光を生成する本発明の動作原理について説明す
る。

【００１６】一般に、光ファイバにそれぞれの周波数が
ｆ_p、ｆ_q、ｆ_r、伝搬定数がβ_p、β_q、β_rの３つの光を
入力すると、これらの入力光により誘起される３次の非
線形分極を介して新たな周波数成分を有する光が生成さ
れる。これは４光波混合と呼ばれる光非線形現象であ
り、新たに生成された光の周波数をＦ_fとすると、入力
光の周波数と次式の関係が満たされることが知られてい
る。Ｆ_f＝Ｆ_p＋Ｆ_q−Ｆ_r （１）

【００１７】上述の３つの光のうち２つの光の周波数が
縮退している場合でもやはり新たな光が生成される。す
なわち（１）式で周波数Ｆ_p、Ｆ_qを有する２つの光が縮
退している（すなわちＦ_p＝Ｆ_qである）とすると新たに
生成された光の周波数は、Ｆ_f＝２Ｆ_p−Ｆ_r （２）となる。従って、本発明の上記の構成によれば、光ファ
イバに周波数がＦ₁、Ｆ₂の２つの光が入力されるので、
光ファイバでは周波数Ｆ₁から周波数差（Ｆ₂−Ｆ₁）だ
け離れた新たな周波数成分が生成されることになる。

【００１８】また、４光波混合によって生成された光の
パワＰ_fは一般に次式のようになる。

【００１９】

【数１】

【００２０】ここで、Ｐ_p、Ｐ_q、Ｐ_rは３つの入力光の
光パワ、αは光ファイバの損失係数、Ｌは光ファイバ
長、β_p、β_q、β_r、β_fはそれぞれ３つの入力光および
生成された４光波混合光の伝搬定数を表している。
（４）式の△βは位相不整合量と呼ばれ、△βが小さい
値をとるときには４光波混合光が効率良く生成される。
特に△β＝０となる条件を位相整合条件といい、これを
満たすとき４光波混合光の発生効率は最大となる。ただ
し、光ファイバに互いに周波数の異なる複数の光を入力
した場合には、光ファイバの分散特性によってその伝搬
定数は通常互いに違ったものとなり、△βとして小さな
値をとることができない。

【００２１】しかし、上記複数の光の周波数が互いに近
接している場合には、各伝搬定数がほぼ同じ値となり△
βを小さくすることができる。したがって（４）式から
分かるように、光ファイバに大きな光パワを有し、近接
した周波数成分を有する２つの光を入射した場合には、
比較的大きな光パワを有する４光波混合光が生成され
る。この新たに生成された光の光パワが大きい場合に
は、生成光と、もともと入力された光を種として更に新
たな４光波混合光が生成される。このようにもともと光
ファイバに入力した２つの光を種として４光波混合光を
生成し、さらにこれを種として新たな４光波混合光を生
成するということを繰り返していくと、結局、周波数間
隔が初めに入力された２つの光（周波数Ｆ₁，Ｆ₂）の周
波数差（Ｆ₂−Ｆ₁）と等しい複数の光周波数成分を生成
できることになる。

【００２２】このように本発明の構成によれば、２つの
光源を用いて３個以上の光周波数成分を生成することが
できる。しかも生成される周波数は周波数軸上で必ず等
間隔に並んでおり、その間隔は２つの光源の周波数差
（Ｆ₂−Ｆ₁）に等しいという性質がある。したがって周
波数間隔および生成周波数の絶対値は２つの光源の発振
周波数のみを制御することによって可変にできるという
利点がある。

【００２３】なお、このような多周波光源は白色光源の
出力を周期的な透過周波数特性を有する光フィルタを通
すことによっても得られるが、その場合には生成される
光のスペクトル幅が光フィルタの透過特性で決まってし
まい、一般にはレーザから出力される光のスペクトル幅
に比べ広いものとなる。しかもそのスペクトル幅内のス
ペクトル成分は互いに相関がなく、信号伝送した場合に
雑音源になるという問題がある。しかし、本発明の多周
波光源によって生成された光のスペクトル幅は用いる光
源（通常は半導体レーザ）のスペクトル幅程度であり、
信号伝送上十分なスペクトル純度を有するコヒーレント
な光を生成することができる。

【００２４】

【実施例】

「実施例１」図１（ａ）は本発明による多波長光源の第
１の実施例の構成を示すブロック図であり、図１
（ｂ），（ｃ）は図１（ａ）に示す構成の変形例を示す
図である。図１（ａ）〜（ｃ）において、５−１，５−
２は発振周波数が互いに近接した周波数Ｆ₁およびＦ₂に
制御された光を発生する光源、６は光合波器、７は光ア
ンプ、８は光ファイバ、９は光出力をそれぞれ表してい
る。ただし、図１（ａ）に示す多波長光源は、光アンプ
７が省略され、合波器６と光ファイバ８が直接接続され
たものであり、図１（ｂ）に示す多波長光源は、合波器
６の後に、光アンプ７と光ファイバ８を接続したもので
あり、そして、図１（ｃ）に示す多波長光源は、合波器
６の後に、光アンプ７と光ファイバ８を一組にしてそれ
を複数組、縦続接続したものである。

【００２５】したがって、図１（ａ）に示す多波長光源
では、光源５−１，５−２から出力された光が光合波器
６で合波された後、直接、光ファイバ８に入力されて出
力光９となり、図１（ｂ）に示す多波長光源では、光源
５−１，５−２から出力された光が光合波器６を介し
て、光アンプ７と光ファイバ８とに入力されて出力光９
となり、そして、図１（ｃ）に示す多波長光源では、光
源５−１，５−２から出力された光が光合波器６を介し
て、複数の光アンプ７，７，７，…と複数の光ファイバ
８，８，８，…とに入力され、出力光９となる。

【００２６】上記「作用」の欄で説明したように、図１
（ａ）〜（ｃ）に示す各構成においては、光ファイバ８
で、４光波混合により周波数Ｆ₁、Ｆ₂からそれぞれ周波
数差△Ｆ（Ｆ₂−Ｆ₁）の整数倍の周波数位置に新たな周
波数成分が形成される。また、４光波混合の発生効率は
入力光の光パワに比例するので、図１（ｂ），（ｃ）に
示す構成では、光アンプ７によって入力光信号を増幅す
ることによって新たに生成される周波数成分の光パワを
大きくすることができ、図１（ａ）に示す構成に比べて
さらに高効率でＦ₁，Ｆ₂以外の周波数を発生させること
ができる。以上のように、図１（ａ）〜（ｃ）に示す本
実施例の構成によれば、２つの光源の周波数差に等しい
等間隔配置の複数の光周波数成分を生成することが可能
である。

【００２７】「実施例２」図２（ａ）〜（ｃ）は、本発
明の第２の実施例を示す図である。図２（ａ）〜（ｃ）
において、１０は光周波数選択分波器であり、たとえば
アレイ導波路を用いたアレイフィルタやカプラと波長フ
ィルタを組合せたもので実現できる（以下、アレイフィ
ルタ１０と称する）。１１−１〜１１−４は光変調器、
１２は光合波器、１３は光信号出力、１４−１〜１４−
４は光アンプをそれぞれ表している。なお、図１（ａ）
〜（ｃ）に示すものと同一の構成には同一の符号をつけ
ている。

【００２８】図２（ａ）〜（ｃ）に示す実施例は、図１
（ａ）〜（ｃ）に示す本発明の第１の実施例の多波長光
源をそれぞれ用いた光波長多重信号発生回路である。本
発明の第１の実施例による多波長光源の出力をまずアレ
イ導波路を用いたアレイフィルタ１０に入力する。アレ
イフィルタ１０は、入力信号の周波数軸上で等間隔に並
べられた周波数成分をそれぞれ分波した上でそれぞれ異
なる出力ポートから出力。従ってアレイフィルタ１０の
４つの出力端にはそれぞれ周波数の異なる一周波数成分
のみが出力される。このように周波数ごとに分波された
光成分はそれぞれ光アンプ１４−１〜１４−４によって
光パワが等化された後に光変調器１１−１〜１１−４に
よって外部からの信号に応じてそれぞれ変調され、光合
波器１２によって再び合波されて出力される。結局、出
力光信号１３は周波数軸上では等間隔に並んだ４つの光
信号が多重化された信号となる。

【００２９】本実施例では２つの光源５−１，５−２の
発振周波数Ｆ₁，Ｆ₂を制御するだけでアレイフィルタ１
０の特性に全ての周波数を整合させることができる。従
って本実施例の光波長多重信号発生回路によれば、簡便
な制御で効率良く光波長多重信号を発生することが可能
となる。なお、図１に示す第一の実施例と同様に、図２
（ｂ）と図２（ｃ）に示す光波長多重信号発生回路は、
図２（ａ）に示すものに比べて、さらに高効率でＦ₁，
Ｆ₂以外の周波数を発生させることができる。

【００３０】「実施例３」図３（ａ）〜（ｃ）は、本発
明の第３の実施例の構成を示す図である。図３におい
て、１５は光変調器を表している。また、他の構成につ
いては、図１に示す対応する構成と同一の符号を付けて
いる。図３（ａ）〜（ｃ）に示す多波長光源は、図１
（ａ）〜（ｃ）に示す多波長光源の光合波器６の出力端
に光変調器１５を配置した構成である。「作用」の欄で
述べた通り、４光波混合光の光パワは入力光の光パワに
大きく依存する。入力光の光パワが大きい程、４光波混
合光が効率良く生成される。ところが、一般に光ファイ
バに入力できる光パワはファイバの誘導ブリルアン散乱
により制限を受ける。光ファイバに入力する光にあらか
じめ強度変調あるいは位相変調を施し、そのスペクトル
幅を広げてやることによって誘導ブリルアン散乱による
入力光パワの制限を緩和できることが知られている。従
って図３に示すような構成によって光ファイバ８へ入力
する光にあらかじめ変調をかけ、そのスペクトル幅を広
げてやることによって、光ファイバ８へ入力できる光パ
ワを大きくすることができる。ただし、ここで強度変調
をかける場合には、後に信号変調をかけるときの信号速
度と同等のＲＺ信号（オールマークの信号）となるよう
に変調がかけられることを想定している。極端な場合に
は光ファイバ８へ入力する光を光短パルス列としても良
い。また、図３（ｃ）に示す構成においては、光変調器
１５を光アンプ７および光ファイバ８と組み合わせて複
数、設けることもできる。

【００３１】このように本実施例の構成によって、光フ
ァイバ８へ入力される２つの光のスペクトル幅を広げて
やることにより、光ファイバ８へ入力できる光パワを大
きくすることができ、ひいては多波長光源の発生効率を
大きくすることができる。なお、２つの光源５−１，５
−２の駆動電流をそれぞれ変調したり、外部変調器を設
けて出力光に周波数変調や位相変調をかけた場合も上記
と同等の効果が得られる。なお、図３（ｂ）と図３
（ｃ）に示す多波長光源は、光変調器１５の出力端に光
アンプ７を１又は複数、配置しているので、図３（ａ）
に示すものに比べてさらに高効率でＦ₁，Ｆ₂以外の周波
数を発生させることができる。

【００３２】「実施例４」図４は本発明の第４の実施例
を説明するための図である。「作用」の欄でも述べた通
り、４光波混合光を効率良く発生させるためには、位相
不整合量△βを小さくすることが重要である。４光波混
合光を発生させるために用いる光ファイバの分散特性を
制御することにより、△βを小さくし４光波混合光の発
生効率を大きくするのが本実施例の主旨である。図４に
おいて、（ａ）は通常の単一モード光ファイバ、（ｂ）
は分散シフト光ファイバ、（ｃ），（ｄ）は分散平坦化
光ファイバの屈折率分布をそれぞれ表している。また図
４（ｅ）のグラフは上記４種類の光ファイバの分散特性
を示している。

【００３３】通常の単一モード光ファイバは波長に対し
て正の傾きを有する分散特性を有しており、分散値が零
となる波長（零分散波長と呼ばれる）は光ファイバの材
料および導波路の構造によってきまり、１３１０ｎｍ付
近である（図４（ｅ）の曲線（ａ）参照）。一方、図４
（ｂ）の屈折率分布を有する光ファイバは零分散波長が
シフトすることが知られており、分散シフトファイバと
呼ばれている。この分散シフトファイバでは、伝送損失
が最も小さくなる波長が１５５０ｎｍ付近であることか
ら、零分散波長を１５５０ｎｍにシフトした分散シフト
ファイバが実現されている。図４（ｅ）に曲線（ｂ）と
して示す通り、分散シフトファイバにおいても波長に対
して正の傾きを有する分散特性となる。

【００３４】他方、図４（ｃ），（ｄ）に示すように光
ファイバのクラッドを多重化し、適当な構造パラメータ
を選ぶことにより、構造分散を材料分散とは逆符号にで
きることが知られている。図４（ｃ），（ｄ）のパラメ
ータをある波長域（たとえば１５５０ｎｍ帯）で材料分
散を構造分散で相殺するように設定すれば図４（ｅ）の
グラフに示す通り広い波長域にわたって分散特性が平坦
でかつほぼ零であるようにすることができる。特にＷ型
ファイバと呼ばれる図４（ｃ）の屈折率分布を有する光
ファイバは光がコアへ強く閉じ込められ、光ファイバ中
の光電力密度を大きくできるという特長もある。

【００３５】上述した各実施例において、４光波混合光
を発生させるために用いる光ファイバ８を上記のような
Ｗ型ファイバとしてやれば、使用波長域で分散値を波長
によらず零にできるので位相整合条件を常に満たすこと
ができる。すなわち入力光５−１，５−２の波長間隔、
絶対波長によらず常に位相整合条件が満たされ、４光波
混合光を効率良く発生することができる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば２
個の光源を使って等周波数間隔の複数光を容易に得るこ
とができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成（ａ）及びその変
形例（ｂ），（ｃ）を示すブロック図である。

【図２】本発明の第２の実施例の構成（ａ）及びその変
形例（ｂ），（ｃ）を示すブロック図である。

【図３】本発明の第３の実施例の構成（ａ）及びその変
形例（ｂ），（ｃ）を示すブロック図である。

【図４】本発明の第４の実施例を説明するための図であ
る。

【図５】光波長多重通信に用いる光波長多重信号発生回
路の従来例を示す図である。

【符号の説明】

５−１，５−２：互いに近接した周波数Ｆ₁およびＦ₂を
それぞれ発生する光源６：光合波器７：光アンプ８：光ファイバ９：光出力１０：アレイ導波路を用いたアレイフィルタ１１−１〜１１−４：光変調器１２：光合波器１３：出力光信号１４−１〜１４−４：光アンプ１５：光変調器

フロントページの続き (56)参考文献特開平７−58388（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−90826（ＪＰ，Ａ) 特開平６−194697（ＪＰ，Ａ) 特開平７−79212（ＪＰ，Ａ) 特公昭62−49997（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04J 14/00 - 14/08 H04B 10/00 - 10/28 G02F 1/35

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】発振周波数Ｆ１である第一の光源と、周波数Ｆ２を発振周波数とする第２の光源と、上記周波数Ｆ１とＦ２の周波数差△Ｆと同等の間隔を有
する複数の周波数成分を発生させる光非線形媒体と、上記第１および第２の光源からそれぞれ出力された光を
合波し該光非線形媒体に入力する合波手段と、上記合波手段と光非線形媒体との間に挿入される光増幅
装置と、からなる多波長光源であって、上記光増幅装置と上記光非線形媒体とを１組としてこれ
を２組以上縦続接続したことを特徴とする多波長光源。
【請求項２】発振周波数Ｆ１である第一の光源と、周波数Ｆ２を発振周波数とする第２の光源と、上記周波数Ｆ１とＦ２の周波数差△Ｆと同等の間隔を有
する複数の周波数成分を発生させる光非線形媒体と、上記第１および第２の光源からそれぞれ出力された光を
合波し該光非線形媒体に入力する合波手段と、前記合波手段と光非線形媒体との間に挿入される光増幅
装置と、からなる多波長光源であって、上記２つの光を合波する合波手段と光増幅装置との間に
光変調装置を挿入したことを特徴とする多波長光源。
【請求項３】請求項２記載の多波長光源において、上
記光増幅装置と上記光非線形媒体とを１組としてこれを
２組以上縦続接続したことを特徴とする多波長光源。
【請求項４】請求項２記載の多波長光源において、上
記光変調器と上記光増幅装置と上記光非線形媒体とを１
組としてこれを２組以上縦続接続したことを特徴とする
多波長光源。