JP4599330B2 - 波長可変光出力装置 - Google Patents

Description

この発明は、波長多重光通信システムに用いられる波長可変光出力装置に関する。

光波長多重技術は、波長の異なる複数の光信号を多重し光ファイバを介して伝送する技術であり、大容量情報伝送を効率良く実現することができる。光ネットワークはこの技術を応用するもので、都市間などの大容量ネットワークを実現するものとして期待されている。光ネットワークは複数の光信号のやりとりをつかさどる複数のノードを備え、その機能と性能が、光ネットワークの柔軟性と信号帯域の利用効率向上を両立させるために重要である。

ノードの性能で重要なものは、例えば、光信号を電気信号に変換することなく光信号のまま経路を切換るクロスコネクト機能、複数の光信号から所望のチャネル信号を抽出するための光フィルタリング機能、新規信号を所望チャネルの波長に制御して挿入する波長可変機能、などである。このうち波長可変機能を実現するために、出力光波長を変化させることのできる光源（波長可変光源）が必要となる。波長可変光源には、回折格子を波長選択・反射体とした外部共振器型レーザ、または複数の回折格子をレーザ共振器内部に含む分布帰還形レーザなどがある。半導体によるレーザではレーザ内の反射部の反射波長や共振器長を制御するようにレーザ各部への電流値を調整することにより、光源の波長を変えることができる。

ところで波長多重伝送では、利用可能な波長帯と各チャネルの中心波長値とが予め割り当てられるので、波長可変光源においては精度良く規定の光波長値に光波長を切換えなくてはならない。また波長切換えの際には、ノードで抽出されず通過すべきチャネル信号の波長とは十分アイソレーションをとれるように、光源の波長を変化させなくてはならない。しかしながら既存技術では波長切換時における瞬時の波長跳躍を制御できず、必ずしもそのようなアイソレーションを確保した出力光の波長変化を期待することができないという課題がある。

そこで、波長可変光源の出力光の波長を波長検出部により監視し、所望外の波長が検出された場合には波長可変光源出力を遮断するように光ゲートを閉じることで所望外の波長を外部に出力しないようにした光源が開示されている（特許文献１を参照）。この文献では透過中心波長を目標波長値に設定した光フィルタにより出力光波長を監視し、その結果をもとに光ゲートの開閉を決定している。このようにすることで、波長可変光源の波長切換時に起きる波長跳躍によるノード通過信号への混信を避けるようにしている。
特開２００１−２６８０１５号公報

しかしながら上記文献の技術を波長多重伝送に用いるには、高精度の波長検出部が全ての波長チャネル分にわたって必要になることから、多チャネルの光ネットワークへの適用では波長検出部の規模が大きくなる。光スペクトラムアナライザのような光計測器により全チャネルの波長を検出することはできるが、光ネットワーク内の全ての光ノードに光スペクトラムアナライザを導入することはコストや実用の面で現実的ではない。

また、波長切換が高速な波長可変光源を用いる場合には波長検出から光ゲートの制御に至る制御回路部も高速化する必要があり、制御回路部を広帯域化せざるを得なくなるので装置が高価になるという問題がある。さらに、波長可変光源の波長切換時において出力光の波長は一様（時間に対して線形的）ではなくランダムに変化するので、波長検出と光ゲートの高速制御が容易ではないと考えられる。
この発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、構成簡易にして波長切換時にノード通過信号への混信を阻止することの可能な波長可変光出力装置を低コストで提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明の一態様によれば、光ファイバを介して波長多重光を伝送する波長多重光通信システムに用いられる波長可変光出力装置において、出力光の発振波長を切換可能な波長可変光源と、前記出力光の前記光ファイバへの送出経路に設けられる光スイッチと、前記波長可変光源の発振波長の切換えのトリガとなるトリガ信号を生成するトリガ信号源と、前記トリガ信号に同期して前記波長可変光源の発振波長を切換えるとともに、この切換えにより前記発振波長が不定となる期間において前記出力光を遮断すべく前記光スイッチを駆動する制御部とを具備することを特徴とする波長可変光出力装置が提供される。

このような手段を講じることにより、波長可変光源の波長切換えに際して発振波長が不定となる期間においては、波長可変光源の出力光が光スイッチにより遮断される。これにより、既存の波長多重信号へ別途新規信号を挿入する際、波長可変光源の波長切換によって生じる既存波長多重信号への光クロストークを十分に抑圧することが可能になる。

この発明によれば、構成簡易にして波長切換時にノード通過信号への混信を阻止することの可能な波長可変光出力装置を低コストで提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態につき詳細に説明する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態を図１に示す。図１の波長可変光出力装置は光ファイバを介して波長多重光を伝送する波長多重光通信システムに用いられるもので、波長可変光源１、光スイッチ２、波長切換信号源４、および制御信号生成部３を備える。光スイッチ２は波長可変光源１の出力光の光ファイバ（図示せず）への送出経路に設けられる。波長切換信号源４は波長切換信号源４の発振波長の切換のトリガ信号を生成して制御信号生成部３に入力する。制御信号生成部３はトリガ信号を受けて波長制御信号を波長可変光源１に出力するとともに、光スイッチ２に光スイッチ制御信号を入力する。波長制御信号が波長可変光源１に入力されると、波長可変光源１の波長は図２（ａ）に示すように一定時間にわたりランダムな状態となり、その後、所定の波長値に安定化される。光スイッチ制御信号により駆動される光スイッチ２は、図２（ｂ）に示すように波長可変光源１の発振波長がランダムとなる期間に出力が遮断されるように動作させる。一般に、波長可変光源１の波長切換と光スイッチ２のオン／オフ切換の応答時間は同一ではないので、制御信号生成部３からの波長制御信号と光スイッチ制御信号のタイミングやトリガ信号のパルス幅を適宜変更する。

一方、波長可変光源１の波長切換時間に関しては、波長ロッカーを波長の基準として用いて波長を制御しながら切換えた場合、波長切換前後の発振波長差の大きさに寄らず数百マイクロ秒以下で波長切換が完了することが知られている（大島ほか、２００５年度電子情報通信学会通信ソサエティ大会、講演番号：Ｂ−１２−９）。従って、波長切換時に波長がランダム状態となる期間も数百マイクロ秒程度である。よって波長切換から数百マイクロ秒程度の期間内には、光スイッチ２が必ずオフとなるように制御すればよい。このように光スイッチ２を制御することにより、光波長検出部を設けることなく、波長切換に関与しないノード通過信号への混信を阻止することが出来る。

以上のような光スイッチによる開閉動作を実施するには、オン／オフ切換が高速な光スイッチ（例えば、半導体による電界光吸収型光スイッチやＬｉＮｂＯ３導波路による光変調器など）を用い、所望のパルス幅を有するゲート信号により光スイッチを駆動することが考えられる。しかしながらこれらの光データ信号重畳用の変調デバイスは高価であり、光スイッチとして用いる場合の消光比は一般的には１０〜２０ｄＢ程度と高くない。光ネットワーク内のノードに適用した場合には、分岐・挿入信号間の光干渉による伝送特性劣化を避けるために、光スイッチの消光比は３０ｄＢ以上必要である。

そこで本実施形態では、オン／オフ切換動作時に光スイッチ内部の光経路が変化するか、あるいは、光スイッチ内部で光が散乱され、入出力ポート間で光信号が遮断される光スイッチを用い、オン／オフ切換の遷移時に光スイッチ出力が一時的に遮断されるものを波長可変送信装置内部に適用する。

図３を用いて本実施形態における光スイッチの動作概念を説明する。まず、光スイッチ１の入力ポート１１に光信号を入力する。入力ポート１１の端面から放射される光信号を導波路に結合させるか、あるいは、レンズ１２を用いて平行光ビームを形成する。その後、外部からの制御信号により屈折率の均一性が変化する媒質１３に光信号を入力する。媒質１３の屈折率が均一であれば光信号は媒質１３内で散乱することなく進行し、出力ポート１５側に用意されたレンズ１４、または、導波路により出力ポート１５に結合する（図３（ａ））。逆に、外部からの制御信号により媒質１３の屈折率が不均一となった場合には、光信号は媒質１３中で散乱されて光信号の位相も乱されるため、出力ポート１５にはほとんど結合せず、光スイッチ出力が遮断される。従って、制御信号を媒質１３に加える時間を適宜設定することにより、光スイッチ遮断のゲート期間幅を決めることができる。このような、外部からの信号により媒質１３の一様性を変えられるものを用いることによって、光スイッチ１におけるオン／オフ動作の高い消光比が実現できる。

（第２の実施形態）
本発明第２の実施形態を説明する。図４は、ファラデー回転効果による光スイッチを本実施形態に適用した際の構成例を示している。ファラデー回転効果は、直流磁界を印加された磁性体に光信号を入力すると、直流磁界の向きに応じて光信号の偏光方位が回転する物理現象である。光信号を磁性体の逆の端面から入力すると、偏光方位は不可逆になる（元には戻らない）ことが特徴である。この特徴は、直線光偏光子や偏光プリズム等と組み合わせて、光アイソレータや光サーキュレータ等の光デバイスに広く活用されている。

ファラデー回転効果による偏光回転の効率が最良となるのは、直流磁界印加によって磁性体内部で生じる無数の微視的な磁化の向きが一方向に揃った場合である。スイッチ切換を行うために直流磁界の向きを変えると、磁性体内部の磁化の向きは直ちに逆方向には揃わない。その理由は、磁性体内部の微視的な磁区構造を崩すためのエネルギーと、さらに崩れた磁区構造が一様になって一方向の磁化が再び生成されるまでにさらにエネルギーが必要であるからであり、その値は直流磁界の大きさと磁界印加時間の積にほぼ比例したものである。よって、ファラデー回転効果による光スイッチ動作には、磁性体内部の磁区構造の崩壊と再構成に要するだけの応答時間が存在する。

また、磁区構造が崩れた状態において磁性体に光信号を入力した場合には、磁性体は屈折率が不均一な媒質となるため、磁性体内で散乱される。その結果、入出力ポート間での光結合損失が著しく大きくなり、入力ポートに光信号が入っていても、出力ポートへは光信号がほとんど透過しない。本実施形態は、このような光スイッチ切換時におきる磁性体内部での光散乱効果を光ゲートに利用するものである。

具体的には、図４において、波長可変光源の波長切換前にはファラデー回転素子には直流磁界を一方向に印加（図４（ａ）の状態Ａ、または図４（ｃ）の状態Ｃ）しておき、波長可変光源の波長切換時には直流磁界の印加方向を切換える（図４（ｂ）の状態Ｂ）。状態Ｂにおいては磁区構造が崩れるため、ファラデー回転素子を通過する光信号は散乱されて図３（ｂ）に示すように光信号が遮断される。

なお、状態Ａ⇒状態Ｂ⇒状態Ｃ（磁性体の磁化方向を変える操作）の遷移のほか、状態Ａ⇔状態Ｂ、あるいは、状態Ｂ⇔状態Ｃの遷移（磁性体の磁区構造を崩した後、磁化の向きを再度初期の方向に向けさせる操作）を利用しても、ファラデー回転素子による光ゲート作用は実現可能である。

光散乱効果による光ゲートの時間幅は、直流磁界の大きさや磁性体の寸法などにより調整可能である。あるいは、直流磁界の方向切換の前後で磁界の絶対値を変えてもよい。このような操作により、光ゲート作用が起きるタイミングとゲート期間幅を調節することが出来、波長可変光源の波長がランダムになるタイミングと期間に光ゲート作用を合わせることが出来る。

（第３の実施形態）
本発明第３の実施形態について説明する。図５は、音響光学効果による光スイッチを本実施形態に適用した際の構成例を示す。音響光学効果は、光学ガラスやＬｉＮｂＯ３基板などの媒質上にトランスデューサを設け、超音波信号によりトランスデューサを駆動して媒質上を伝搬させると媒質の屈折率分布が変化することを利用して、媒質を伝搬する光波の回折状態を変化させうるものであり、光偏向器や光スイッチに広く利用されているものである。

通常の光スイッチでは、周波数純度の高い超音波により媒質内に周期的な屈折率変化を実現させて回折格子として利用することにより、入力光信号の進行方向を変えて光スイッチとして機能させる。本実施形態では、必ずしも周波数純度の高い超音波を用いるのではなく、光学媒質の屈折率分布を不均一にするべく周波数帯域がブロードな超音波信号を媒質に加えるようにすればよい。このようにすることによって、入力ポートとレンズからの光信号を媒質内で散乱させ、光信号の波面位相をランダム化することにより、出力ポートに光信号がほとんど結合しない状況（図５（ｂ））を実現できる。このような現象を用い、波長可変光源１の波長切換時に光源出力の波長がランダムとなる時間領域において波長可変光出力装置の出力を遮断する機能を実現できる。

なお、超音波が媒質を伝搬するまでの時間はマイクロ秒オーダであるので、光スイッチ２の応答時間もマイクロ秒オーダである。一方、波長可変光源１の波長切換後に発振波長がフィードバック制御により安定化されるまでの時間は数百マイクロ秒であり、音響光学光スイッチの応答時間よりも幾分遅い。そこで、チャネル切換信号源からの波長切換のトリガ信号を受けるのと同時に音響光学スイッチを遮断し、かつ、遮断時間と波長制定時間の整合を取るべく、周波数帯域がブロードな超音波信号を数百マイクロ秒間加えるとよい。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態につき説明する。図６は、光スイッチ内部で光信号経路を切換える１×２光スイッチ２１を用いる場合の実施形態を示す。１×２光スイッチ２１の２つの出力ポートは光カプラ２２に接続されている。１×２光スイッチ２１は、波長可変光源の波長切換と同期させてオン／オフ動作させる。１×２光スイッチ２１の内部において、第１の実施形態で述べたように、媒質が不均一となる時間領域、あるいは、光経路の切換を行う時間領域において、１×２光スイッチ２１の２つの出力ポートに入力ポートからの光信号はほとんど結合しないことから、光カプラ出力において光ゲート（遮断）効果が期待できる。

また、図６の構成の特徴は、光ゲート機能の立ち上がり時間がそれぞれの光スイッチのオン／オフ切換時間よりも短縮されることである。その理由は、光信号の経路を切換える光スイッチであるので、一方の出力ポートから他方の出力ポートに光経路が切換る間に、両出力ポートへの光結合がほとんど無くなる（光出力が遮断される）時間領域が存在するからである。

本実施形態の変形として、図７のように光入力ポートを光カプラ２３により２分岐して２×１光スイッチ２４の２つの入力ポートに光信号を入力させてもよい。動作原理に関しては、１×２光スイッチ２１を用いた場合と同等である。
ファラデー回転効果に基づいた光スイッチにおいては、磁性体における偏光方位の回転を利用している。図８に示すように、ポート１に入った光信号はポート２に出力され、ポート２に入力した光信号はポート３に出力されている。図９（ａ）に示すように、磁性体に印加する直流磁界の向きを逆にすると偏光回転の値が逆符号となるので、ポート２に入力した光信号はポート１へと出力され、光スイッチ機能が実現たされる。

逆方向の直流磁界の印加により直ちに磁区は一方向に再構成されないので、光信号が磁性体にて強く散乱され、光スイッチの両出力ポートからは、光信号がほとんど出力されず、光ゲート作用が実現する（図９（ｃ））。光ゲート作用が機能する時間幅は、１×２光スイッチ２１の経路切換の応答時間よりも短いことが特徴である。従って、波長可変光源の波長切換時間が光スイッチの切換応答時間より短い場合でも、波長可変光源の波長切換時間と整合した光ゲート作用を実現可能である。

図１０は、比較のため既存の波長可変光送信器を示す図である。図１０においては波長可変光源の出力光の波長を波長検出部により監視し、所望外の波長が検出された場合には波長可変光源出力を遮断するように光ゲートを閉じる構成が開示されている。波長可変光源の波長切換時に起きる波長跳躍によるノード通過信号への混信を避けるため、透過中心波長が目標波長値に設定された光フィルタにより出力光波長を監視し、その結果を元に光ゲートの開閉を決定している。しかしながらこの構成では先に述べたように多チャネル信号を扱う場合には波長検出部が大規模になり、またコストや実用性の面で現実的ではない。

これに対し本発明の実施形態によれば、発振波長が可変な波長可変光源１と、この光源の出力に接続される光スイッチ２と、発振波長切換のトリガ信号を出力する波長切換信号源４と、制御信号生成部３とを備える。制御信号生成部３は波長切換信号源４からの波長切換トリガ信号によって波長可変光源１の波長を切換えるとともに光スイッチ２を一時動作させ、波長可変光源１の波長切換時に発振波長が不定となる期間に光スイッチ２により出力光を遮断する。特に、制御信号生成部３からの光スイッチ制御信号が与えられると光散乱や回折が顕著になる媒質を有する光スイッチを用いることで光スイッチ１の入出力ポート間での光結合を著しく低下させ、波長可変送信装置から波長が不定の光信号を出力させないようにしている。すなわち光源出力に光スイッチ２を設置し、光源の波長切換と光スイッチ２の遮断を同期させる。光スイッチ２内部でおきる光散乱や回折現象を利用して、光スイッチ２の遮断時には入出力ポート間での光結合を阻止する構造となっている。これにより波長可変光源１の波長切換によって生じる既存波長多重信号への光クロストークを防止し、既存の波長多重信号への光クロストークを十分抑圧できる。

また本実施形態では、光スイッチ２の媒質としてファラデー回転素子を用い、波長可変光源１の波長切換時にファラデー回転素子への印加磁界の向きを変え、ファラデー回転素子内の磁区構造の変化により生じる光散乱効果を利用して、ファラデー回転素子からの出力光を光スイッチの出力ポートへほとんど結合させずに光源出力の遮断を図るようにした。特に、光スイッチ制御信号と呼応した磁界印加方向の切換によりファラデー回転素子内の磁区構造を崩した後、素子全体の磁化方向を完全に逆転させるか、あるいは、一時的に素子の磁区構造を崩した後、素子全体の磁化方向を再生させるようにした。

ファラデー回転素子へ印加する磁界の向きを変えると、ファラデー素子内部での磁区構造の崩壊と再生の過程において、ファラデー素子の媒質の一様性が一時的に著しく損なわれ、入力光が著しく散乱される。これを利用して光スイッチ２の光ゲート作用を実現している。光ゲート作用を実現する上では、ファラデー素子の磁区構造を崩せばよいので、光スイッチの駆動方法（磁界印加方向の切換方法）は、切換後に一定とするか、一旦切換えて元に戻すかのいずれの方法でもよい。

また本実施形態では、光スイッチ２の媒質として音響光学素子を用い、波長可変光源１の波長切換時に音響光学素子へ超音波信号を印加するか、超音波信号の中心周波数を変えるか、あるいは、超音波信号の帯域を広げるようにする。そして音響光学効果により生じる素子内部の光散乱効果を利用して、音響光学素子からの出力光を光スイッチの出力ポートへほとんど結合させずに光源出力の遮断を図るようにする。

すなわち、音響光学素子へ超音波を印加するか超音波の周波数を変えると、超音波によってもたらされる音響光学素子内での媒質の粗密状態が変化し、媒質内に屈折率格子が生成されて光の回折方向が変わる。超音波の周波数帯域を広げると、屈折率格子の一様性が崩れ、光の波面位相が崩れて散乱し、光スイッチの出力ポートへ光信号がほとんど結合しなくなることを利用して、光スイッチの光ゲート作用を実現させている。

さらに本実施形態では、波長可変光源１の出力を光スイッチ２に接続し、光スイッチ２の複数の出力ポートを光カプラ２２により結合させる。光スイッチ制御信号が与えられると光スイッチ２の入力ポートから出力ポートへの経路切換が行われ、かつ、経路切換時におきる光スイッチ２内部における光信号の回折や光散乱により光スイッチ２の入出力ポート間の光結合を阻止することで、光カプラ２２の出力光を抑圧するようにしている。

すなわち光スイッチ２の複数の出力ポートをカプラにより結合しているので、光スイッチ２の経路切換を行った際、経路切換が完了するまでの時間よりも早い応答で光スイッチ２のゲート機能が動作する。また、光スイッチ２へ制御信号が印加される際、光スイッチ内部の媒質が不均一となるものを用いれば、光散乱や回折現象によって光信号の入出力ポート間での結合の阻止効果が高められ、光カプラ２２出力での光強度を十分抑圧することができる。

これらのことから、構成簡易にして波長切換時にノード通過信号への混信を阻止することの可能な波長可変光出力装置を低コストで提供することが可能となる。
なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

この発明に係わる波長可変光出力装置の実施形態を示すブロック図。 波長可変光源の波長切換動作を説明するための図。 本発明の第１の実施形態における光スイッチの動作を示す概念図。 本発明の第２の実施形態における光スイッチの動作を示す概念図。 本発明の第３の実施形態における光スイッチの動作を示す概念図。 本発明の第４の実施形態における光スイッチの動作を示す概念図。 本発明の第４の実施形態の変形例を示す図。 本発明の第４の実施形態を示す図。 本発明の第４の実施形態を示す図。 既存の波長可変光出力装置を示すブロック図。

符号の説明

１…波長可変光源、２…光スイッチ、３…制御信号生成部、４…波長切換信号源、１１…入力ポート、１２…レンズ、１３…媒質、１４…レンズ、１５…出力ポート、２１…１×２光スイッチ、２２…光カプラ、２３…光カプラ、２４…２×１光スイッチ

Claims (3)

1. 光ファイバを介して波長多重光を伝送する波長多重光通信システムに用いられる波長可変光出力装置において、
   出力光の発振波長を切換可能な波長可変光源と、
   前記波長可変光源の出力光の送出経路に設けられ、直流磁界が印加される方向が切り換わった後の所定期間、磁区構造が崩れるファラデー回転素子と、
   前記波長可変光源の発振波長の切換えのトリガとなるトリガ信号を生成するトリガ信号源と、
   前記トリガ信号に同期して前記波長可変光源の発振波長を切換えるとともに、前記発振波長の切換えに応じて、前記ファラデー回転素子に対する前記直流磁界の印加方向を切換える制御部とを具備し、
   前記制御部は、前記直流磁界の印加方向を切換えて前記ファラデー回転素子の磁区構造を崩して前記出力光を散乱させることを特徴とする波長可変光出力装置。
2. 光ファイバを介して波長多重光を伝送する波長多重光通信システムに用いられる波長可変光出力装置において、
   出力光の発振波長を切換可能な波長可変光源と、
   前記波長可変光源の出力光の送出経路に設けられる光スイッチと、
   前記波長可変光源の発振波長の切換えのトリガとなるトリガ信号を生成するトリガ信号源と、
   前記トリガ信号に同期して前記波長可変光源の発振波長を切換えるとともに、前記発振波長の切換えに応じて、前記光スイッチを駆動する制御部とを具備し、
   前記光スイッチは、
   入力ポートと複数の出力ポートとを有し、前記入力ポートに前記出力光が入射されるオン／オフ型の切換スイッチと、
   前記複数の出力ポートの出力を結合する光カプラとを備え、
   前記制御部は、前記発振波長の切換えに応じて、前記切換スイッチをオフして前記入力ポートと前記複数の出力ポートとの間の光結合を阻止することを特徴とする波長可変光出力装置。
3. 光ファイバを介して波長多重光を伝送する波長多重光通信システムに用いられる波長可変光出力装置において、
   出力光の発振波長を切換可能な波長可変光源と、
   前記波長可変光源の出力光の送出経路に設けられる光スイッチと、
   前記波長可変光源の発振波長の切換えのトリガとなるトリガ信号を生成するトリガ信号源と、
   前記トリガ信号に同期して前記波長可変光源の発振波長を切換えるとともに、前記発振波長の切換えに応じて、前記光スイッチを駆動する制御部とを具備し、
   前記光スイッチは、
   前記出力光を複数に分岐する光分岐器と、
   出力ポートと複数の入力ポートとを有し、前記複数の入力ポートに前記光分岐器の分岐光が入射されるオン／オフ型の切換スイッチとを備え、
   前記制御部は、前記発振波長の切換えに応じて、前記切換スイッチをオフして前記出力ポートと前記複数の入力ポートとの間の光結合を阻止することを特徴とする波長可変光出力装置。

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