JP3909656B2 - 複数波長一括波長変換装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は波長多重を利用した光通信、光交換、光情報処理等の光伝送システムに適用される複数波長一括波長変換装置に関して有効な技術である。
【０００２】
【従来の技術】
図７に通常の波長分波器として、アレイ導波路型回折格子を説明する。簡単のため、１６波長が多重された光伝送系に用いる、１入力１６出力のアレイ導波路型回折格子を例に説明する。材料としては石英系導波路、またはポリマー導波路もしくは半導体導波路で構成されている。図７において、１００１は入力用導波路、１００２は入力用スラブ導波路、１００３はアレイ導波路、１００４は出力用スラブ導波路、１００５〜１０２０は出力用導波路である。
【０００３】
図７において、波長多重光Ｓ１〜Ｓ１６（波長はλ１〜λ１６）が入力用導波路１００１に入力されると、入力用スラブ導波路１００２によって分配され、アレイ導波路１００３に等しい強度で分配される。分配された各波長多重光はアレイ導波路１００３の光路長に応じて遅延差が生じ、出力用スラブ導波路１００４に入力されて収束する。このとき波長によって位相条件が異なるので、出力用導波路１００５〜１０２０にそれぞれ異なる波長が集約するという現象を利用して、アレイ導波路型回折格子を光分光器として用いる。すなわち信号光Ｓ１（波長λ１）を出力用導波路１００５に、信号光Ｓ２（波長λ２）を出力用導波路１００６に、信号光Ｓ３（波長λ３）を出力用導波路１００７に、以下同様にして信号光Ｓ４〜Ｓ１６（波長λ４〜λ１６）を出力用導波路１００８〜１０２０にそれぞれ出力する。
【０００４】
また図７では１入力１６出力の例を示したが、入力導波路の数を増やすことにより、例えば１６入力１６出力の光分光器として用いることも可能である。この場合のアレイ導波路型回折格子の入出力特性は例えば図８のようになる。図８において、縦軸はアレイ導波路型回折格子の入力ポート、横軸は出力ポートであり、表中の数字、例えば「１」は「波長λ１の信号光」を意味する。
【０００５】
ここで図８においては、信号光Ｓ１〜Ｓ３０等の波長間隔を等間隔、例えば１ｎｍとする。波長としては信号光Ｓ１の波長λ１が１５３１ｎｍ、信号光Ｓ３０の波長λ３０は１５６０ｎｍとする。なお、例えばλ１７＝１５５７ｎｍ、λ１８＝１５５８ｎｍ等を入力すると、λ１７はλ１と同等な出力結果を、λ１８はλ２と同等な出力結果を得る。このときの自由スペクトルレンジはλ１７−λ１＝１６ｎｍとなる。
【０００６】
次に従来の複数波長一括波長変換システムについて説明する。図９は従来の複数波長一括波長変換システムを説明する図であって、参考文献としては例えば「多波長変換装置」菊池、柴田、伊藤（特願平１１−６５０３６号）がある。同図において、１２０１は波長多重信号光Ｓ１〜Ｓ１６の入力ポート、１２０２はポンプ光Ｐ２〜Ｐ１７の入力ポート、１２０３は１６出力のアレイ導波路型回折格子、１２０４〜１２２０は波長変換素子、１２２１は１６入力のアレイ導波路型回折格子、１２２２〜１２２４は出力用導波路である。
【０００７】
図９において、入力ポート１２０１より１６波長（波長がλ１〜λ１６）の波長多重信号光Ｓ１〜Ｓ１６を入力すると、アレイ導波路型回折格子１２０３の特性により、各出力ポートに信号光Ｓ１〜Ｓ１６が分波されて出力される。一方で入力ポート１２０２に波長がλ２〜λ１７のポンプ光（連続光）Ｐ２〜Ｐ１７を入力すると、同じように分波されるため、各波長変換素子１２０４〜１２２０には１波長の信号光Ｓと１波長のポンプ光Ｐとが入力される。
【０００８】
波長変換素子１２０４〜１２２０は例えば半導体増幅器からなり、信号光Ｓとポンプ光Ｐが入力されると、四光波混合によって波長変換光を生じる（図１０参照）。例えば信号光Ｓの波長がλ１、ポンプ光Ｐの波長がλ２のとき、波長変換光Ｈの波長はλ３となる（λ１−λ２＝λ２−λ３）。こうして各波長変換素子１２０４〜１２２０によって得られた波長変換光Ｈ３〜Ｈ１８をアレイ導波路回折格子１２２１によって合波したのがポート１２２４である。また図９において、出力用導波路１２２２はもとの信号光Ｓ１〜Ｓ１６を再び合波したもので、入力信号の監視等に用いる。また出力用導波路１２２３はポンプ光Ｐ２〜Ｐ１７６を合波したものである。
【０００９】
図９において、ポート１２０１を入力とし、ポート１２２４を出力とすると、１６波長の波長多重信号光を一括で波長変換していることがわかる。しかしながら、本方式には以下のような欠点があった。
【００１０】
図９に示すように、従来例は１６波長の複数波長一括波長変換に１６個の波長変換素子１２０４〜１２２０を必要とする。ところがアレイ導波路回折格子の規模を拡大したり、波長変換素子の数を増加するには技術的な制約があり、現在、入力用アレイ導波路回折格子と波長変換素子を組合わせた構成では、半導体モノリシック集積素子では１６チャネル、半導体とＰＬＣのハイブリッド集積回路でも３２チャネルのものが最大である（参考文献：M.Zirngibl et al.,IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.6,pp.513-515,1994 あるいはF.Ebisawa et al.,Proc.OFC'99,ThB1,1999）。すなわち１波長あたりの伝送ビットレートを１０Ｇｂ／ｓとすると、総スループットで３２０Ｇｂ／ｓが限界であった。
【００１１】
なお、ここでは近接波長間の多波長一括変換（１５５１〜１５５４ｎｍの信号光から１５５７〜１５６６ｎｍへの波長変換）についてのみ説明したが、ポンプ光の波長を変えることによって、より遠い波長への多波長一括変換（例えば１．５５μｍ帯から１．５８μｍ帯）への複数波長一括波長変換も可能である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記に説明したように、図９において従来例は１６波長の複数波長一括波長変換に１６個の波長変換素子を必要とする。ところがアレイ導波路回折格子の規模を拡大したり、波長変換素子の数を増加することには技術的な制約があり、現在、半導体モノリシック集積回路では１６チャネル、半導体・ＰＬＣハイブリッド集積回路を用いても現在得られているものとしては３２チャネルのものが最大である。すなわち１波長あたりの伝送ビットレートを１０Ｇｂ／ｓとすると、総スループットで３２０Ｇｂ／ｓが限界であった。そのため、より多くの波長を一括で波長変換し、総スループットをあげる複数波長一括波長変換装置の出現が望まれていた。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明の構成は、ある波長帯域内の波長多重信号光を一括で別の波長帯域に移す波長変換装置であって、
波長多重信号光（波長間隔ｆ，波長数ｎ）を入力する入力用導波路と、該波長多重信号光をｍ本（ｍ＝ｎ／ｉ，ｉは整数）に分岐する２入力ｍ出力の波長分波器と、前記分岐された波長多重光をそれぞれ導波するｍ個の導波路と、該導波路のそれぞれに接続されたｍ個の波長変換素子と、該波長変換素子によって生成された波長変換光を合波する波長合波器と、からなり、
前記波長分波器の１つの入力ポートには前記波長多重信号光を入力し、もう１つの入力ポートには、波長数ｍ、波長間隔ｉ×ｆのポンプ光を波長多重した上で入力し、
前記波長分波器は、分波感度を落としたアレイ導波路型回折格子からなり、分波する波長帯域幅がｉ×ｆで少なくともｍ本の出力ポートを備えることにより、ｎ波長からなる波長多重信号光を、ｉ波ずつの波長からなるｍ組の波長多重信号光に分波した上で各出力ポートに出力し、該ｍ組に分波された波長多重信号光はそれぞれ同一の導波路を伝播して同一の波長変換素子に入力され、
該波長変換素子にはｉ波の波長からなる波長多重信号光の他に１つのポンプ光が入力され、
前記波長変換素子は前記ｉ波の波長からなる波長多重信号光を同時に波長変換し、
前記波長合波器は、前記各波長変換素子によって波長変換された波長変換光を合波することを特徴とする。
【００１５】
ここで、前記のポンプ光の入力手段であって、波長分波器として２入力ｍ出力のものを用い、波長分波器の１つの入力ポートには波長多重信号光を入力するとともに、波長数ｍ・波長間隔ｉ×ｆ（ｎｍ）のポンプ光を波長多重したうえで波長分波器のもう１つの入力ポートに入力することを特徴とすると、システムのポート数を減らすことができて有効である。
【００１６】
ここでポンプ光の入力手段として前記ポンプ光の偏波状態がＴＥ偏光の強度とＴＭ偏光の強度が等しいことを特徴とすると、システムの偏波依存性が打ち消されて有効である。
【００１７】
またシステムの波長依存性を打ち消すために、前記の波長分波器の特性として、ポンプ光に近い波長の信号光の挿入損失が、ポンプ光に遠い波長の信号光の挿入損失に比べて大きいことを特徴とするか、あるいは前記波長合波器の特性として、ポンプ光に近い波長の波長変換光の挿入損失が、ポンプ光に遠い波長の波長変換光の挿入損失に比べて大きいことを特徴とすると有効である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の参考例を説明する図である。ここで１６波長を使ったＷＤＭシステムを想定し、波長多重信号光Ｓ１〜Ｓ１６として波長がλ１〜λ１６の信号光を用いる。図１において、１０１は波長多重信号光入力用導波路、１０２は１入力４出力のアレイ導波路型回折格子、１０３〜１０６は入力用カプラ、１０７〜１１０は波長変換素子、１１１はアレイ導波路型回折格子、１１２は出力ポートである。またポンプ光Ｐ５，Ｐ９，Ｐ１３，Ｐ１７として波長がλ５，λ９，λ１３，λ１７の連続光を用いている。
【００１９】
ここで特徴的なことはアレイ導波路型回折格子１０２が分波する波長間隔を変えることである。アレイ導波路型回折格子１０２の分波感度を落とすことにより、波長がλ１〜λ１６の信号光Ｓ１〜Ｓ１６が入力されると、波長がλ１〜λ４の信号光Ｓ１〜Ｓ４を一番上のポートに、波長がλ５〜λ８の信号光Ｓ５〜Ｓ８を２番目のポートに、波長がλ９〜λ１２の信号光Ｓ９〜Ｓ１２を３番目のポートに、そして波長がλ１３〜λ１６の信号光Ｓ１３〜Ｓ１６を４番目のポートへと分波することができる。
【００２０】
さらに、入力用カプラ１０３〜１０６を使って、波長がλ５，λ９，λ１３，λ１７の連続光であるポンプ光Ｐ５，Ｐ９，Ｐ１３，Ｐ１７を入力すると、
▲１▼波長変換装置１０７には４波長の信号光Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４（波長はλ１，λ２，λ３，λ４）と、波長がλ５の１波長のポンプ光Ｐ５が入力され、
▲２▼波長変換装置１０８には４波長の信号光Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８（波長はλ５，λ６，λ７，λ８）と、波長がλ９の１波長のポンプ光Ｐ９が入力され、
▲３▼波長変換装置１０９には４波長の信号光Ｓ９，Ｓ10，Ｓ11，Ｓ12（波長はλ９，λ10，λ11，λ12）と、波長がλ13の１波長のポンプ光Ｐ13が入力され、
▲４▼波長変換装置１１０には４波長の信号光Ｓ13，Ｓ14，Ｓ15，Ｓ16（波長はλ13，λ14，λ15，λ16）と、波長がλ17の１波長のポンプ光Ｐ17が入力される。
【００２１】
ここで波長変換素子１０７〜１１０として、半導体増幅器を用いた四光波混合を仮定すると、図２に示すように、
▲１▼波長変換素子１０７では、信号光Ｓ１（波長λ１）の波長はλ９に、信号光Ｓ２（波長λ２）の波長はλ８に、信号光Ｓ３（波長λ３）の波長はλ７に、信号光Ｓ４（波長λ４）の波長はλ６へと波長変換され、
▲２▼波長変換素子１０８では、信号光Ｓ５（波長λ５）の波長はλ13に、信号光Ｓ６（波長λ６）の波長はλ12に、信号光Ｓ７（波長λ７）の波長はλ11に、信号光Ｓ８（波長λ８）の波長はλ10へと波長変換され、
▲３▼波長変換素子１０９では、信号光Ｓ９（波長λ９）の波長はλ17に、信号光Ｓ10（波長λ10）の波長はλ16に、信号光Ｓ11（波長λ11）の波長はλ15に、信号光Ｓ12（波長λ12）の波長はλ14へと波長変換され、
▲４▼波長変換素子１１０では、信号光Ｓ13（波長λ13）の波長はλ21に、信号光Ｓ14（波長λ14）の波長はλ20に、信号光Ｓ15（波長λ15）の波長はλ19に、信号光Ｓ16（波長λ16）の波長はλ18へと波長変換される。
【００２２】
さらにアレイ導波路型回折格子１１１のうち、
▲１▼波長変換素子１０７に接続された入力ポートで、波長がλ６〜λ９の波長変換光のみを合波し、
▲２▼波長変換素子１０８に接続された入力ポートで、波長がλ10〜λ13の波長変換光のみを合波し、
▲３▼波長変換素子１０９に接続された入力ポートで、波長がλ14〜λ17の波長変換光のみを合波し、
▲４▼波長変換素子１１０に接続された入力ポートで、波長がλ18〜λ21の波長変換光のみを合波するようにすることで、複数波長の一括波長変換が可能になる。つまり、波長がλ１〜λ16の信号光Ｓ１〜Ｓ１６を、波長がλ６〜λ２１の波長変換光Ｈ１〜Ｈ１６に一括波長変換が可能になった。
【００２３】
一般に四光波混合においては１つの半導体増幅器によって８波長程度の一括変換が可能とされる。前述のように、３２個の半導体増幅器を持つシステムの構成が可能であるので、３２ポート×８波長×１０Ｇｂ／ｓ＝２，５６０Ｇｂ／ｓの総スループットを実現できる。
【００２４】
なお、図１の例の構成では、光カプラ１０３〜１０６を必要とするため、光カプラの挿入損が生じ、また入力ポート数が増えるが、４個の半導体増幅器を持つシステムではそれ程問題とはならない。ただし、半導体増幅器を更に増加し、例えば３２個とした場合には、上記問題、即ち入力ポートの増加に伴う光カプラの挿入損失の増加を解消したほうが望ましく、その場合には、次の第１の実施の形態を採用すればよい。
【００２５】
［第１の実施の形態］
図３は本発明の第１の実施の形態を説明する図であって、参考例（図１）における欠点を解消するものである。図３において、２０１，２０２は波長多重光入力用導波路、２０３は２入力４出力のアレイ導波路型回折格子、２０４〜２０７は波長変換素子、２０８はアレイ導波路型回折格子、２０９は出力ポートである。
【００２６】
アレイ導波路型回折格子２０３は、波長がλ１〜λ１６の信号光Ｓ１〜Ｓ１６が入力されると、波長がλ１〜λ４の信号光Ｓ１〜Ｓ４を一番上のポートに、波長がλ５〜λ８の信号光Ｓ５〜Ｓ８を２番目のポートに、波長がλ９〜λ１２の信号光Ｓ９〜Ｓ１２を３番目のポートに、そして波長がλ１３〜λ１６の信号光Ｓ１３〜Ｓ１６を４番目のポートへと分波することができる。更に、波長がλ５のポンプ光Ｐ５を一番上のポートに、波長がλ９のポンプ光Ｐ９を２番目のポートに、波長がλ13のポンプ光Ｐ13を３番目のポートに、波長がλ17のポンプ光Ｐ17を４番目のポートへと分波することができる。つまり、図１との相違はポンプ光の入力にカプラを用いることなく、アレイ導波路型回折格子２０３の入力用導波路２０２を用いた点である。
【００２７】
図３の構成を取ることにより、光カプラが不要になり、また入力ポート数を減少することができる。
【００２８】
［第２の実施の形態］
第１の実施の形態（図３）において一番問題となるのは、四光波混合における偏波依存性である。一般に四光波混合は信号光とポンプ光の偏波面が一致しないと生じない。しかし信号光の偏波を一定方向（ポンプ光の方向）に常にそろえるのは現実的ではない。そこで、ポンプ光の入力２０２として、図４のような回路構成をとる。
【００２９】
図４において、３０１，３０２，３０３，３０４はそれぞれ波長λ５，λ９，λ１２，λ１７に対応する半導体レーザ、３０５〜３０８は偏波面保存光ファイバ、３０９は光カプラ、３１２は１／４波長板３１０と１／２波長板３１１とからなる偏波コントローラである。偏波コントローラ３１２の出力端（図４では右端）が、図３に示す入力用導波路２０２に接続されて、波長多重されたポンプ光Ｐ５〜Ｐ１７（波長λ５〜λ１７）が供給される。
【００３０】
図４の構成を取ることによって、波長がλ５〜λ１７の各ポンプ光Ｐ５〜Ｐ１７の偏波方向をＴＥ偏波とＴＭ偏波が同一になるように偏波コントローラ３１２を用いて調整することができる。このように調整しておくと、入力信号光の偏波方向に依存しない、四光波混合を得ることができる。
【００３１】
［第３の実施の形態］
図５は第３の実施の形態を説明するものである。四光波混合は一般にポンプ光に近い波長の変換効率が高く、遠い波長の変換効率が低い（図５（ａ））。これを解消するために、図３のアレイ導波路型回折格子２０３をポンプ光に近い波長の挿入損失をポンプ光から遠い波長の挿入損失よりも大きくなるようにする。こうすることで、変換効率に係わらず、均一な波長変換光を得ることができる（図５（ｂ））。
【００３２】
図５の実現方法を図６を用いて説明する。アレイ導波路型回折格子は、ある特定の出力ポートにのみ着目すると、波長フィルタとしてとらえることができる。すなわち図６に示すように、ある出力ポートの光損失を入力光の波長に対してグラフ化すると、透過帯域は光損失が低く（約５ｄＢ）、それ以外の波長帯域では光損失が高い（約４５ｄＢ）。通常は透過帯域の中央付近、図中の「通常の波長配置領域」に入力光を配置する。すなわち、信号光の４波長をすべてこの領域に配置するので、４波長の光損失に大きな差はない。この結果が図５（ａ）である。しかしながら図６の「本発明における波長配置領域」に４波長を配置すると、波長に対する光損失が大きく変化するので、図５（ｂ）を実現することが可能である。
【００３３】
［第４の実施の形態］
第３の実施の形態においては変換効率の差を入力側のアレイ導波路型回折格子２０３で補償したが、出力側のアレイ導波路型回折格子２０８によって補償することもできる。アレイ導波路型回折格子２０８のポンプ光に近い波長の挿入損失をポンプ光に遠い波長の挿入損失よりも大きくなるようにする。こうすることで、変換効率に係わらず、均一な波長変換光を得ることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来技術に比べてより少ない波長変換素子を使用するにもかかわらず、より多くの波長を一括で波長変換し、総スループットをあげることのできる複数波長一括波長変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考例を示す構成図である。
【図２】 参考例における信号変換状態を示す説明図である。
【図３】 本発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図４】 本発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図５】 本発明の第３の実施の形態を説明する説明図である。
【図６】 第３の実施の形態の実現方法を説明する説明図である。
【図７】 アレイ導波路型回折格子を示す構成図である。
【図８】 アレイ導波路型回折格子の入出力状態を示す説明図である。
【図９】 従来の複数波長一括波長変換装置の一例を示す構成図である。
【図１０】 波長変換として四光波混合の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０１ 波長多重信号光入力用導波路
１０２ アレイ導波路型回折格子
１０３〜１０６ 入力用カプラ
１０７〜１１０ 波長変換素子
１１１ アレイ導波路型回折格子
１１２ 出力ポート
２０１，２０２ 入力用導波路
２０３ アレイ導波路型回折格子
２０４〜２０７ 波長変換素子
２０８ アレイ導波路型回折格子
２０９ 出力ポート
３０１〜３０４ 半導体レーザ
３０５〜３０８ 偏波面保存光ファイバ
３０９ 光カプラ
３１０ １／４波長板
３１１ １／２波長板
３１２ 偏波コントローラ

Claims (4)

1. ある波長帯域内の波長多重信号光を一括で別の波長帯域に移す波長変換装置であって、
   波長多重信号光（波長間隔ｆ，波長数ｎ）を入力する入力用導波路と、該波長多重信号光をｍ本（ｍ＝ｎ／ｉ，ｉは整数）に分岐する２入力ｍ出力の波長分波器と、前記分岐された波長多重光をそれぞれ導波するｍ個の導波路と、該導波路のそれぞれに接続されたｍ個の波長変換素子と、該波長変換素子によって生成された波長変換光を合波する波長合波器と、からなり、
   前記波長分波器の１つの入力ポートには前記波長多重信号光を入力し、もう１つの入力ポートには、波長数ｍ、波長間隔ｉ×ｆのポンプ光を波長多重した上で入力し、
   前記波長分波器は、分波感度を落としたアレイ導波路型回折格子からなり、分波する波長帯域幅がｉ×ｆで少なくともｍ本の出力ポートを備えることにより、ｎ波長からなる波長多重信号光を、ｉ波ずつの波長からなるｍ組の波長多重信号光に分波した上で各出力ポートに出力し、該ｍ組に分波された波長多重信号光はそれぞれ同一の導波路を伝播して同一の波長変換素子に入力され、
   該波長変換素子にはｉ波の波長からなる波長多重信号光の他に１つのポンプ光が入力され、
   前記波長変換素子は前記ｉ波の波長からなる波長多重信号光を同時に波長変換し、
   前記波長合波器は、前記各波長変換素子によって波長変換された波長変換光を合波することを特徴とする複数波長一括波長変換装置。
2. 請求項１に記載の複数波長一括波長変換装置であって、前記ポンプ光の偏波状態がＴＥ偏光の強度とＴＭ偏光の強度が等しいことを特徴とする複数波長一括波長変換装置。
3. 前記請求項１の複数波長一括波長変換装置であって、前記波長分波器の特性として、ポンプ光に近い波長の信号光の挿入損失が、ポンプ光から遠い波長の信号光の挿入損失に比べて大きいことを特徴とする複数波長一括波長変換装置。
4. 前記請求項１の複数波長一括波長変換装置であって、前記波長合波器の特性として、ポンプ光に近い波長の波長変換光の挿入損失が、ポンプ光から遠い波長の波長変換光の挿入損失に比べて大きいことを特徴とする複数波長一括波長変換装置。

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