JP4957234B2

JP4957234B2 - 光信号伝送装置

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Publication number: JP4957234B2
Application number: JP2006349978A
Authority: JP
Inventors: 研一西
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2026-12-26
Also published as: JP2008160719A

Description

本発明は、光信号伝送装置に関し、特に波長多重技術にもとづく光信号伝送装置に関する。

現在、光信号の伝送容量を増加させるために、波長多重技術が用いられている。特に長距離の光信号を伝送する際には、伝送損失の小さい光ファイバーが用いられる。単一の光ファイバーに大容量の信号を伝送させる技術として、以下の技術が用いられる。即ち、異なる波長を有する複数の光源を用意し、各波長に信号を乗せるために光変調器により信号を付加し、または、直接光源を変調した後、複数の変調光を合波して単一の光ファイバーに結合する技術が用いられる。一方、受光側では、分波器で波長ごとに分波して、分波器の先に設けられた受光素子において、光信号は電気信号へと変換される。

長距離の光ファイバーを経由する光信号の伝送において、波長ごとの伝送速度の差に基づく信号の劣化を防ぐため、光源からの光は波長（周波数）の広がりが小さい分布帰還型半導体レーザを複数用いる方式が採用される。複数の光源と合分波器を用いた波長多重伝送方式は、例えば特許文献１に、基本的な構成が示されている。また、同様の方式は、文献（「フォトニックネットワーク革命」、超高速フォトニックネットワーク開発推進協議会、平成１４年１月発行）の１１４ページの図３．５−１（ａ）において、幹線系システムとして示されている。

なお、光源を単一にする技術としては、例えば、特許文献２において、単一光源の光を分波器によって波長分離し、各々の波長分離された光を変調した後、合波器で合波し、単一の伝送路を経由した後、再び分波器で波長分離して、受光素子において電気信号に変換する装置が開示されている。

特願平１１−１０３２８６号公報特開平７−７９２１２号公報

従来の波長多重通信においては、光源が複数必要とされる。また、光源が一つの場合であっても、光信号を合波する合波器や光信号を波長分離する分波器が必要とされる。したがって、装置全体のコストが高くなるのを避けるために、これらの機器を必要としない、簡便な機器構成からなる光信号伝送装置を提供することが課題となっている。

また、長距離の光伝送の際には、光ファイバ中で信号が劣化するため、変調時におけるスペクトル広がりの小さい分布帰還型レーザが必要とされ、変調の際にもスペクトル広がりの小さい光変調器が必要とされるが、近年、大容量の情報通信を行う必要性が高まりつつある情報処理機器などにおける装置の筐体内程度の距離においては、伝送路中でのスペクトル広がり等が問題にならない。したがって、光源も安価な機器によって代替し、光変調器および受光素子についても、従来とは異なる原理にもとづく簡便な機器を提供することが課題となる。

本発明の第１の視点に係る光信号伝送装置は、光を発する光源と、複数の経路に前記光を分岐する分岐器と、分岐ごとに設けられ、前記分岐された光を変調することで、伝送すべき信号を該光に付与する光変調器と、前記変調された光を合波する合波器と、前記合波された光を伝送する単一の光伝送路と、
前記伝送された光を受光して電気信号へ変換する、前記光変調器と同数以上の受光素子と、を備えた光信号伝送装置であって、前記光源の波長帯域中に前記光変調器の変調可能な波長帯域が含まれるように構成され、前記光変調器の変調可能な波長帯域がそれぞれ異なるように構成され、前記光変調器それぞれの変調可能な波長帯域の中に、前記受光素子の受光可能な波長帯域が少なくとも１つ含まれるように構成されたことを特徴とする。

本発明の第２の視点に係る光信号伝送装置は、光を発する光源と、前記光の伝搬経路に直列に設けられ、前記光を変調する複数の光変調器と、前記変調された光を伝送する単一の光伝送路と、前記光の伝搬経路に直列に設けられ、前記伝送された光を受光して電気信号へ変換する、前記光変調器と同数以上の受光素子と、を備えた光信号伝送装置であって、前記光源の波長帯域中に前記光変調器の変調可能な波長帯域が含まれるように構成され、前記複数の光変調器は、それぞれ変調可能な波長帯域が異なるとともに、前記光源からの入射光のうちの該変調可能な波長帯域の光の強度を、電気信号に応じて変調するように構成され、前記受光素子の受光可能な波長帯域が異なるように構成され、前記光変調器それぞれの変調可能な波長帯域の中に、前記受光素子の受光可能な波長帯域が少なくとも１つ含まれるように構成されたことを特徴とする。

第１の展開形態の光信号伝送装置は、前記光変調器の変調可能な波長帯域および前記受光素子の受光可能な波長帯域を決定する原理が同一であるように構成されたことを特徴とする。

第２の展開形態の光信号伝送装置は、前記光変調器および前記受光素子は、それぞれ、光導波路と該光導波路近傍に、光学的な干渉構造とを備えたことを特徴とする。

第３の展開形態の光信号伝送装置は、前記光変調器および前記受光素子は、それぞれ、光導波路、該光導波路が光学的な相互作用を有する近傍またはその両方に、周期的に屈折率を変化させた構造を備えたことを特徴とする。
第４の展開形態の光信号伝送装置は、前記複数の光変調器が、それぞれ、前記光源からの入射光を導波する第１の光導波路と、前記入射光に対する干渉光を導波する第２の光導波路と、を備え、前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、前記入射光と前記干渉光とが互いに干渉するように配置されている。

本発明に係る光信号伝送装置は、波長多重による光信号伝送を単一の光源のみによって実現することができる。

また、本発明に係る光信号伝送装置は波長分離を行うための分波器を必要としない。さらに、光変調器や受光素子を単一の伝送路に直列に配置した場合には分岐器や合波器も必要としない。

本発明に係る光信号伝送装置において、光学的な共鳴構造により、波長を選択することによって、スペクトル拡がりの狭い光源および変調時のスペクトル広がりの狭い光変調器は不要となる。また、同一の共鳴構造を備えた変調器と受光素子の組で送受信を行うことにより、環境温度の変化による光学特性の変化による影響を低減し、伝送性能の低下を防ぐことが可能となる。

本発明による光信号伝送装置は、光源と、光源から発せられる光に伝送する信号を付与する光変調器と、信号が付与された変調光を受光し、光信号を電気信号へと変換する受光素子を含み、光源の波長帯域の中に光変調器の変調可能な波長帯域が含まれ、かつ光変調器の変調可能な波長帯域の中に受光素子の受光可能な波長帯域が含まれることを特徴とする。

また、本発明による光信号伝送装置は、光源と、光源から発せられる光に伝送する信号を付与する複数の光変調器と、信号が付与された変調光を受光し、光信号を電気信号へと変換する光変調器と同数以上の受光素子からなり、光源の波長帯域の中にすべての光変調器の変調可能な波長帯域が含まれ、かつ各光変調器の変調可能な波長帯域が異なり、それぞれの光変調器の変調可能な波長帯域の中に、少なくとも一つの受光素子の受光可能な波長帯域が含まれるものであってもよい。

さらに、上記の光信号伝送装置において、光源から発せられる光を複数の経路に分岐する手段を備え、分岐ごとに光変調器が設けられ、これら複数の光変調器を経由した変調光を合波する手段を備え、合波された変調光を伝送する単一の光伝送路を含み、該伝送路の受信側に受光素子が設けられていてもよい。

また、上記の光信号伝送装置において、光変調器は、光を伝搬する経路に順次設けられ、かつ各光変調器において信号を付与する波長帯域においてのみ光源からの光に対する相互作用が大きく、光を伝搬する経路に、複数の異なる受光可能な波長帯域を有する受光素子が順次設けられていてもよい。

さらに、上記の光信号伝送装置において、光変調器および受光素子における波長帯域を決定する原理が同一であることが好ましい。

また、上記の光信号伝送装置において、光変調器および受光素子は、光導波路とその近傍に設けられた光学的な共鳴構造を有することが好ましい。

さらに、上記の光信号伝送装置において、光変調器および受光素子は、光導波路またはその光学的な相互作用を有する近傍領域、またはその両方に設けられた周期的に屈折率の異なる構造を含んでいてもよい。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明第１の実施例による光信号伝送装置の構成図である。本実施形態では、光源１は発光波長域の広いスーパールミネッセンスダイオードであって、発光波長は８００ｎｍから８５０ｎｍまでの範囲とする。光源１からの光は分岐器２ａで４つに分岐される。以下では、多重度、すなわち分岐数が４の場合を例として説明するが、多重度の数は４に限られない。分岐後には、同一のスペクトルを有し、強度がそれぞれ４分の１となった光が、並列に接続された光変調器３ａ〜３ｄへと導かれる。光変調器３ａ〜３ｄは、それぞれ異なる波長帯域において、電気信号を光信号へと変換する。ここでは、例えば、中心波長λ_１ないしλ_４がそれぞれ８０５ｎｍ、８１５ｎｍ、８２５ｎｍ、８３５ｎｍ、かつ変調帯域が４ｎｍ程度の光変調器を用いる。

図２（ａ）に、波長λ_１およびλ_２の光変調器（図１の３ａおよび３ｂ）により変調された光スペクトルを模式的に示す。

波長選択性を実現するために、例えば、図３に示すような干渉型の導波構造を設ける。なお、図３には、入射光、出射光、干渉光のスペクトルの模式図も示す。信号を付与する光は光導波路７の左側から入射して右側から出射する。一方、光導波路８には、電極９および１０への電気信号に応じて、干渉光１２が誘導される。ここで、光導波路７および８は互いに近接し、光学的に結合している。光変調器３ａによる波長λ１における信号変調は、例えば、電気信号がＯＮの時に波長λ１での光強度が０、電気信号がＯＦＦの時に光強度が１となるように設定する。例えば、干渉光の波長をλ１に設定し、電気信号がＯＮの時には、光導波路８に誘導された波長λ１の干渉光１２が光導波路７への入射光１１と干渉し、出射光１３のように波長λ１におけるスペクトル強度が０になるように設定すればよい。

単一光源１から出た光は、分岐器２ａによって分岐され、共鳴波長の異なる光変調器３ａ〜３ｄにおいて、異なる波長帯域に信号を乗せる。その後、光信号は、合波器４によって合波され、単一の光伝送路５によって伝送される。そして、伝送された光信号は再び分岐器２ｂによって分岐され、波長選択性を有する受光素子６ａ〜６ｄを用いて光信号を検出する。

受光素子６ａ〜６ｄの受光可能な波長帯域の中心はそれぞれλ_１ないしλ_４とし、光変調器３ａ〜３ｄにおける変調可能な波長帯域の中心と一致させる。ここで、受光可能な波長帯域幅を、対応する光変調器の変調可能な波長帯域幅である４ｎｍより狭くするため、例えば２ｎｍ（図２（ｂ）参照）とする。この受光の波長依存性は、図３に示す光変調器における波長選択性と同様の原理を用いれば良い。また選択範囲の大小は、光導波路８と光導波路７の距離の調節や、干渉構造の個数によって調節できる。

なお、異なる波長帯域毎にそれぞれ光伝送路を備える場合は、伝送前後の合波や分波を行うことなく、光変調器３ａ〜３ｄそれぞれの出力を直接受光素子６ａ〜６ｄへ１対１に伝送する。

この実施例において、信号が伝送される様子は次の通りである。図１は、複数の光変調器３ａ〜３ｄの出力が合波器４で合波され、単一の光伝送路５を経由した後、分岐器２ｂで分岐され、波長選択制の有る複数の受光素子６ａ〜６ｄに伝送される例を示している。ここで、複数の光変調器３ａ〜３ｄでは、それぞれ対応する波長において光強度の強弱によって信号が乗せられているが、これらが合波されると、これらの波長における光強度の強弱の程度は弱まることになる。そのため、受光素子６ａ〜６ｄにおいては、強度分岐のために全体の光強度が分岐の数分の１に減少するとともに、光強度の変化の割合も光変調器３ａ〜３ｄにおける光強度の変化の割合の数分の１に低下する。しかし、ここで受光素子６ａ〜６ｄの波長選択制によって、ある特定の波長だけを検出するようにしておけば、その波長の強弱に対応した光信号を検出することが可能となる。

この実施形態によれば、単一の光源１と単一の光伝送路５によって、複数の波長λ_１ないしλ_４に信号を乗せて伝搬させる波長多重通信が可能となる。

次に図４を用いて、第２の実施形態を説明する。光信号伝送装置に含まれる、光源１、分岐器２ａ、合波器４、光伝送路５、受光素子６ａ〜６ｄは、実施例１（図１）におけるものと同じである。相違点は、光変調器１４ａ〜１４ｄの機能および受光素子の配置方法の２点である。

実施例１（図１）の光変調器３ａ〜３ｄの出力は、光源１のスペクトルを分岐器２ａで分岐したスペクトルの中から、特定の波長の光強度だけを変化させるものであったが、光変調器１４ａ〜１４ｄの出力は特定の波長の光だけを抽出したものとする。

このとき、複数の光変調器１４ａ〜１４ｄの出力を合波器４で合波させた光のスペクトルは、各光変調器１４ａ〜１４ｄに対応する波長の光強度の強弱に信号が乗せられた形になっている。

光変調器１４ａ〜１４ｄで変調され、合波器４で合波された後の変調光のスペクトルを図５（ａ）に模式的に示す。それぞれの波長において、信号の乗せられない光変調器からのバイアス出力は０となっているので、受光素子６ａ〜６ｄにおける信号検出の０レベルと１レベルの差を大きく取ることができる。

したがって、図４に示すように、直列に受光素子６ａ〜６ｄを配置する構成を採用することが可能となる。実施例２の装置における受光素子６ａ〜６ｄにおける光強度は、実施例１における光強度と比較してより大きい変化を観測することができる。

図５（ｂ）は、受光素子６ａ〜６ｄによって受光することのできる波長帯域を模式的に示す図である。図５（ａ）に示した変調光スペクトルの各ピークに、各受光素子６ａ〜６ｄの受光可能な波長帯域が含まれる。

次に図６を用いて、第３の実施例を説明する。第１および第２の実施例においては、図１および図４に示すように、スペクトルの広い光源からの光を分岐器２ａで分岐してから、それぞれの分岐において光変調器を用いた光の変調を行っているが、第３の実施例では、分岐器を用いず、直列に配置した光変調器３ａ〜３ｄにより、それぞれの波長における光強度の変調を行う。ここでの光変調器３ａ〜３ｄの作用は、図２に示したように、相互作用するそれぞれの波長で電気信号の０ないし１を光強度の１ないし０へと変調し、相互作用しない波長域の光はそのまま透過させる。

この光変調であれば、光源１からの光を分岐させることなく、光変調器を直列に接続して、それぞれの光変調器３ａ〜３ｄの変調可能な波長帯域において、信号を順次乗せていくことができる。

このように複数の光変調器に３ａ〜３ｄによって、複数の波長域に異なる信号が乗せられた光は、単一の光伝送路５を経由して受光素子６ａ〜６ｄへ伝送される。受光素子６ａ〜６ｄも波長選択性を有し、それぞれ受光可能な波長帯域の光の強弱を電気信号へ変換する。また受光不能な波長帯域の光はそのまま透過させる波長選択機構を受光素子に設けた場合は、光変調器３ａ〜３ｄと同様に、受光素子６ａ〜６ｄも直列に接続することができる。このように、単一の光源１と光伝送路５によって、複数の波長域にそれぞれ信号を乗せる波長多重の信号伝送が可能となる。

以上、実施例１ないし３のいずれの波長多重システムの場合も、発光スペクトルの広い光源を用い、そのスペクトル中の特定波長の光とのみ相互作用をする光変調器と受光素子を組み合わせることにより構成されている。受光時の信号の品質を向上させるために、変調されていない波長域に対する受光感度は低いことが好ましい。そのため、受光素子の受光可能な波長帯域は、いずれかの光変調器の変調可能な波長帯域の中に包含されていることが好ましい。

一般に、波長選択性を有する光素子においては、その選択性は温度に依存する。これは、物質の光学定数が温度依存性を持つためである。いま、伝送距離が短く送信側と受信側が同一の温度下にある場合を考える。ここで、光変調器と受光素子の波長選択性の原理を等しくすることで、周辺温度が変化した場合に、それぞれの機器の波長帯域は同一の変化を示す。したがって、温度が変わっても伝送品質の低下を防ぐことが可能となる。

波長選択性が鋭い、すなわち、波長帯域の両端が鋭く立ち上がるほど、波長多重性を向上させることができる。したがって、光変調器および受光素子は限られた波長帯域の光とのみ相互作用することが望ましい。例えば、光変調器および受光素子の双方に、光導波路と、その光導波路に光学的に結合する共鳴構造とを備えることにより、鋭い波長選択性を得ることができる。

共鳴構造の温度依存性を抑えるため、材料や構造を変化させることで、屈折率を変化させることが好ましい。例えば、共鳴構造として、導波路に回折格子を設け、周期的に屈折率を変化させてもよい。

また、発光、光変調器、受光素子として、上記の波長帯域の関係が満たされるものであれば、上記の波長選択の実現方法には限定されない。つまり、受光素子の受光可能な波長帯域を含むより広い範囲で光変調を行うことができる光変調器であればよい。光変調器の変調機構に関しても、半導体薄膜の吸収係数の電界強度依存性を利用するものであってもよいし、光導波路との結合を外部電界で変調させるものであってもよい。

光源については、光変調器の波長帯域を含む範囲に発光スペクトルを有するものが必要であり、この条件を満足するものであれば、スーパールミネッセンスダイオードであってもよいし、光ファイバーの非線形性を利用したスペクトル幅の広い光源であってもよい。また発光スペクトル帯域が広ければよいので、ファブリペローモードで多数の軸モードで発光している半導体レーザを光源とし、そのスペクトル帯域にすべての光変調器の波長帯域が含まれるようにしてもよい。

本発明の第１の実施例に係る光信号伝送装置の構成図である。（ａ）本発明の第１および第３の実施例に係る光変調器により、変調された後の光スペクトルを模式的に示す図である。（ｂ）受光素子の受光可能な波長帯域を模式的に示す図である。光変調器の実施例を示す図である。信号を付与する光が入出射する導波路と、これと近接して配置されると共に、入射した光に対する干渉光を誘導する導波路と、干渉光を誘導する電極の平面図である。本発明の第２の実施例に係る光信号伝送装置の構成図である。（ａ）本発明の第２の実施例に係る光変調器により、変調された後の光スペクトルの様子を模式的に示す図である。（ｂ）受光素子の受光可能な波長帯域を模式的に示す図である。本発明の第３の実施例に係る光信号伝送装置の構成図である。

符号の説明

１光源
２ａ、２ｂ分岐器
３ａ〜３ｄ光変調器
４合波器
５光伝送路
６ａ〜６ｄ受光素子
７信号光に対する光導波路
８干渉光に対する光導波路
９、１０干渉光を誘導するための電極
１１入射光のスペクトルの模式図
１２干渉光のスペクトルの模式図
１３出射光のスペクトルの模式図
１４ａ〜１４ｄ光変調器

Claims

光を発する光源と、
複数の経路に前記光を分岐する分岐器と、
分岐ごとに設けられ、前記分岐された光を変調することで、伝送すべき信号を該光に付与する光変調器と、
前記変調された光を合波する合波器と、
前記合波された光を伝送する単一の光伝送路と、
前記伝送された光を受光して電気信号へ変換する、前記光変調器と同数以上の受光素子と、を備えた光信号伝送装置であって、
前記光源の波長帯域中に前記光変調器の変調可能な波長帯域が含まれるように構成され、
前記光変調器の変調可能な波長帯域がそれぞれ異なるように構成され、
前記光変調器それぞれの変調可能な波長帯域の中に、前記受光素子の受光可能な波長帯域が少なくとも１つ含まれるように構成されたことを特徴とする光信号伝送装置。
光を発する光源と、
前記光の伝搬経路に直列に設けられ、前記光を変調する複数の光変調器と、
前記変調された光を伝送する単一の光伝送路と、
前記光の伝搬経路に直列に設けられ、前記伝送された光を受光して電気信号へ変換する、前記光変調器と同数以上の受光素子と、を備えた光信号伝送装置であって、
前記光源の波長帯域中に前記光変調器の変調可能な波長帯域が含まれるように構成され、
前記複数の光変調器は、それぞれ変調可能な波長帯域が異なるとともに、前記光源からの入射光のうちの該変調可能な波長帯域の光の強度を、電気信号に応じて変調するように構成され、
前記受光素子の受光可能な波長帯域が異なるように構成され、
前記光変調器それぞれの変調可能な波長帯域の中に、前記受光素子の受光可能な波長帯域が少なくとも１つ含まれるように構成されたことを特徴とする光信号伝送装置。
前記複数の光変調器は、それぞれ、
前記光源からの入射光を導波する第１の光導波路と、
前記入射光に対する干渉光を導波する第２の光導波路と、を備え、
前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、前記入射光と前記干渉光とが互いに干渉するように配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の光信号伝送装置。