JP2004093884A

JP2004093884A - 異波長多重光の合分波装置並びにこれを利用した光増幅器とａｓｅ光源

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Publication number: JP2004093884A
Application number: JP2002254731A
Authority: JP
Inventors: Michitaka Okuda; 奥田　通孝; Yoshiyuki Shigeoka; 重岡　義之
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】多数の波長の異なる波長光の合波と分波とを行なう光黄分波装置に関して、合波の際に合波効率が高く、分波の際には分波の効率と共に波長分離度の高い装置を提供する。
【解決手段】装置は、２つの光導波路の間にエバネセント結合部を有する合分波器を多数含み、１つの合分波器の２つの分岐端子が次段の合分波器の集合端に接続して２段以上のツリー構造に光接続して成り、隣接する各信号光波長の間の波長間隔ΔλがΔλである波長列を有する多数の異波長光を合波若しくは分波するもので、ツリー構造の幹側端から枝側端にみて、各段の合分波器の出力特性の波長半周期で表した波長帯域幅が、前段の合分波器の出力特性の波長帯域幅の実質的に２倍とし、且つ初段の合分波器の出力特性の波長帯域幅を上記波長間隔に実質的に等しく設定する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長の異なる複数のレーザ光を合波し、またはその合成波を成分光に分波する光多重伝送システム用の光合分波装置に関する。また、本発明は、光合分波装置により合成した複数の励起光で信号光を増幅するファイバ増幅と自然放出光の生成とを提供する異波長光合分波装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複数の伝送光でデータ信号等を送受信する光多重伝送システムにおいて、各伝送光を合波又は分波するのに光合波装置又は分波装置が利用されている。上記システムにおいては、合波装置は、多数の波長の異なる光を、それぞれのファイバにより導入して、効率よく一本の光ファイバ上に合成して多重波長光を出力する装置であり、また、光分波装置は、一本の光ファイバから多重波長成分を含む合成光信号を導入して、各波長光に、効率よく、且つ、一定以上の波長分離度でもって、対応する光ファイバに分離する装置である。
【０００３】
従来、波長の異なる２つの光信号については、分波ないし合波を行なう装置に、２つのシングルモードの光クラッドファイバの一部の側部同士を並列して融着延伸し、エバネセント結合部を形成した光ファイバカプラは、広く知られている。
【０００４】
さらに、従来の多重波長光信号用の合波装置及び分波装置（以下、合分波装置と称する）について、特開平７−１９８９８７号公報には、多数の光ファイバカプラを多段のツリー構造に光接続して、そのツリー構造が、その幹側端に入力された合成光を分波し、波長ごとに分離した光信号をそれぞれの対応する枝側端から出力するようにした分波装置を開示している。この装置であって、入出力をこれとは逆にして、枝側端に多数の光信号を入力して幹側端から合波光を出力する合波装置とすることもできる。
【０００５】
この先行技術は、光ファイバカプラの融着延伸部の長さを設定することにより、ファイバカプラの集合端に入力した合成光がそれぞれの分岐端に出力されるとき各出力光の強度とその波長幅を制御することができることを利用している。そして、この装置は、多数の波長の合成光信号を幹側の光ファイバカプラの集合端に入力し、そのカプラが、波長分離境界を境にして２つの分岐端の出力光を高波長域と低波長域に分離する。これら分離された各出力光は、異波長の複数の光をまだ含むので、次段の各光ファイバカプラにそれぞれ入力して、各光ファイバカプラは、その入力光をさらに狭い２つの帯域に分離することを行なっている。こうして、各段のファイバカプラは、ファイバカプラ・ツリーの幹側から枝側に向うほど、分波すべき波長帯域を狭めるように設定されて、ツリーの各枝側端にそれぞれ波長の異なる光信号を出力する。
【０００６】
また、特開平６−７５１３９号公報には、２つの波長異なる合成光を分波する光ファイバカプラについて、分岐端における２つの波長光出力の分離比を最適化するために、光ファイバカプラの融着延伸部長さ設定して融着延伸操作を行なう光ファイバカプラの製造方法が、開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ファイバカプラによる分波器において、その出力光の対波長分離特性曲線は、後述のように、カプラの延伸部長さをパラメータにして、一方の分岐端につき、波長に対してほぼＳＩＮ２乗関数に類似の周期関数になり、他方の分岐端は、同様にＣＯＳ２乗関数類似となり、いずれもその周期は、波長幅を与える。
【０００８】
上記の従来装置は、分離すべき波長の帯域を、その半周期の波長幅で以って、二分して、カプラの１つの分岐端から、例えば、高波長域の光を高い効率で出力させ、低波長域の光出力を低減させる（他方の分岐端は、その逆の出力分布である）のであるが、上記周期関数の特性から、出力した低波長域の光の低減が十分でなく、高波長域の出力に、低波長域の光が残留して分離度が低い。同様に、当該他方の分岐端には、低波長域の光出力に高波長域成分の光が含まれ、分離度が低い。そして、これら残留する不要な波長光が、次段以降のファイバカプラの出力特性から、除去されずに最終の枝側端から出力される惧れがある。
【０００９】
さらに、従来の合分波装置は、各カプラが、上記の合成光の波長域を二分して、低波長域と高波長域との光を対応する分岐端に出力する際には、光の低波長域が、周期特性の最大値の効率を示す波長領域と必ずしも一致しないので、出力の効率がかなり低くなり、装置の全挿入損失が低下するという問題がある。
【００１０】
本願発明は、上記の課題に鑑み、多数のエバネセント結合部を有する合分波器をツリー構造に光結合して成る合分波装置であって、分波装置の光波長分離特性を高めることを目的とするものである。
【００１１】
本発明は、また、このようなツリー構造の合分波装置において、分波ないし合波した光の全挿入損失の低減をより少なくしようとするものである。
本発明は、さらに、このような合分波器を、光増幅器又は自然放出光の発振器としての利用可能な光増幅器及びＡＳＥ光源を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の合分波装置は、エバネセント結合による分布結合による合分波器の２つの分岐端子を次段の合分波器の集合端に接続して２段以上のツリー構造に光接続し、ほぼ等しい波長間隔Δλで配列した波長列の光を合分波するための合分波装置であるが、その特徴は、ツリー構造の幹側端から枝側端にみて、各段の合分波器の出力特性の波長半周期で表した波長帯域幅が、前段の合分波器の出力特性の波長帯域幅の実質的に２倍として、初段の合分波器の出力特性の波長帯域幅を上記波長間隔に実質的に等しく設定したことを特徴とするものである。
【００１３】
ここに使用する各合分波器は、出力特性が、２つの分岐端子それぞれに、光の波長に対して一方の分岐端子と集合端の間で、波長に対して透過出力の山と谷を有する周期性を描き、他方の分岐端と集合端との間では、上記波長に対して、逆相になって、透過出力の谷と山を描くように、エバネセント結合部が、設定される。特に、上記の波長対出力特性曲線の山とこれに隣合う谷との間の波長を波長半周期と定め、これを出力特性の波長帯域幅とする。
【００１４】
特に、本発明の異波長光合分波装置においては、各段の合分波器の出力特性が、集合端における波長列の光に対して、一方の分岐端には前段の出力の波長列の１つおきの波長光を透過して且つ残部波長列の光を遮断し、他方の分岐端に当該１つおきの波長列の光を遮断し且つ残部波長列の透過させる特性を備えているものが好ましい。
【００１５】
本発明の合分波装置は、分波装置においては、ツリー構造の幹側端である初段合分波器に入力の波長列の光は、分離されて、枝側端の各合分波器の各分岐端からそれぞれ対応する１つの波長の光だけを出力することができる。また、合波器としては、枝側端の各合分波器の各分岐端のそれぞれに、波長列中の対応する波長の光のみを入力することにより、効率よく合成波を幹側端から出力することができる。
【００１６】
このような各段の各合分波器は、上記波長帯域幅と該各分岐端における波長列の透過及び遮断とを発現するエバネセント結合部の結合長さＬを有するものが利用される。
【００１７】
さらに、各合分波器には、上記光導波路として光ファイバを含み、エバネセント結合部として２つの光ファイバの融着延伸部を含むファイバカプラが、利用でき、上記の融着延伸部の融着条件やその結合長さＬを調整することにより、他の合分波器に対比して上記の透過遮断特性を、相対的に容易に且つ安価に調節することができる。
【００１８】
特に、互いに光接続される各段のファイバカプラが、各融着延伸部を成す上記２つの隣接する光ファイバのいずれかにより、スプライス接続部を仲介させることなく、連続的に接続される。この装置は、スプライス接続部（即ち、切断した光フアイバの端部同士を融着した接続部）を備えないので、挿入損失の低減を図ることができる。
【００１９】
さらに、全てのファイバカプラは単一の基板に配置されて、異波長合分波装を単一のモジュールとすることができ、小型の装置が構成できる利点がある。
【００２０】
各合分波器には、好ましくは、光ファイバに偏波面保存ファイバを用いることができ、出力光、入力光のそれぞれ有する偏光を実質的に維持して結合または分離することができる。
【００２１】
この異波長合分波装置は、さらに、上記の各合分波器を構成するファイバのいずれかを希土類添加ファイバとすることができ、希土類添加ファイバによる信号光の光増幅器または自然放出光の発振器として利用できる。希土類添加ファイバは、ツリー構造の幹側端である初段の合分波器の集合端に接続することもできる。さらに、合分波装置をファイバカプラから構成する場合には、増幅器若しくは発振器を成す１本の希土類添加ファイバの一端側が、初段のファイバカプラの融着延伸部を構成するように配置するのがよい。
【００２２】
このような希土類添加ファイバを接続した合分波器を光増幅器として利用するには、異波長合分波装置の次段以降の段の合分波器の分岐端に、信号光用ファイバと励起光用ファイバとを接続して、合分波器に接続した上記の希土類添加ファイバにより信号光を増幅する。
【００２３】
さらに、自然放出光の発振器としては、異波長合分波装置の次段以降の段の合分波器の分岐端に、励起光用ファイバとを接続して、上記の希土類添加ファイバから自然放出光を出力して、ＡＳＥ光源として利用するものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の合分波装置は、光導波路間にエバネセント結合部を形成した合波器又は分波器を利用するが、このような合分波器は、透光性基体中に２つの光導波路を近接して光交換可能に形成し、２つの導波路の間にエバネセント結合部を構成した光学素子が利用される。合分波器は、エバネセント結合部のいずれか一端側には、２つの光導波路の端部がそれぞれ分岐端として光の入出力に利用するが、これに対して、エバネセント結合部の他方の端部側には、２つの導波路の１つを、ここでは、集合端と呼び、合成波光の入出力に供し、残りの導波路を自由端にしてある。
【００２５】
合分波器は、後述の如くエバネセント結合部を適性に調製することにより、それぞれの分岐端から異なる波長の光を入力すれば、エバネセント結合部で合成されて、集合端から合成波が出力され、他方、集合端から異なる波長の光成分を含む合成波を入力すれば、エバネセント結合部において異なる波長光に分離されて、２つの分岐端から別々に出力される。
【００２６】
合分波装置は、ツリー構造を成す初段の合分波器の分岐端それぞれに第２段の合分波器列の各合分波器の集合端が接続され、このように、各段の合分波器列の各合分波器の分岐端が、その次段の合分波器列の各合分波器の集合端に接続されている。初段の合分波器の集合端子が、ツリー構造の幹側端と成り、合成光の入出力に接続され、他方、終段の合分波器列の各合分波器の分岐端が、ツリー構造の枝川端として、各対応波長光の入出力に共される。
【００２７】
このようなツリー構成の合分波装置においては、合波または分波すべき多数の成分光は、ほぼ一定の波長間隔Δλで、実質的に等間隔に離間した波長列を構成した多重光伝送系を扱う。合分波装置を構成する各段の合分波器について、ツリー構造の幹側端からみて、初段の合分波器は、合分波器の合分波特性の波長半周期Ｔ_λ１を、概してΔλに設定し、各段の合分波器列は、その出力特性曲線の波長半周期で表した波長帯域幅が、前段の合分波器の出力特性の波長帯域幅の実質的に２倍に設定されている。
【００２８】
分波装置として作用する場合には、上記波長間隔Δλの合成光の入力に対して、初段の分波器の一方の分岐端は、上記波長列の１つおきの波長の光を出力させ、残りの１つの波長列を出力させないで、これら残りの波長列は、他方の分岐端から出力させる。これらの出力は波長間隔が２Δλの波長列を含む。この初段の分波器の分岐端に集合端側を接続する次段の合分波器群である２つの合分波器には、これらは、２Δλ間隔の光が入力されるので、この次段の合分波器の合分波特性の波長半周期Ｔ_λ２を、上記波長間隔Δλの約２倍に設定することにより、上記２Δλ間隔の波長列の光は、１つの分岐端からは、さらに、１つおきの波長列の光と、他方の分岐端には、残りの１つおきの波長列の光に分離されて出力される。これら出力波長列は、上記波長間隔Δλの４倍に広がっている。
ここに、波長半周期を上記波長間隔Δλの約２倍に設定するというときには、Δλの２倍の±１０％の範囲の変動は許容される。
【００２９】
さらに、当該第２段の各分波器の各分岐端には、第３段の各分波器の集合端が接合され、第３段の各合分波器の合分波特性の波長半周期Ｔ_λ３を、前段である波長半周期Ｔ_λ２の約２倍に、即ち、Δλの約４倍に設定して、同様に、分岐端それぞれから、１つおきに波長列の光のみが分離出力される。このようにして、ツリーの枝側端が、単一の光が分離出力されるように、ツリーの段数を決めることができる。
ここにおいても、約２倍というとき、及び約４倍に設定というときは、いずれも±１０％の範囲の変動は、許容できる。
【００３０】
合波装置として利用するには、この分波装置とは逆に作用させて、波長列の光は、ツリー構造の枝側端の合波器の分岐端に、それぞれ、ツリーの段数がＮ段であるとき、各合波器について、同一の合波器の２つの分岐端の間に、波長間隔が２^ＮΔλだけ異なる２つの光を入力すると、波長半周期Ｔ_λＮが２^ＮΔλに設定されているので、２つの信号は、損失なく、波集合端に出力することができる。この出力光は、その前段の各合波器に入力されるが、各合波器の２つの分岐端には、波長間隔が２^Ｎ−１Δλだけ相異する波長列が入力され、集合端には、波長間隔が、２^Ｎ−２Δλその合成光が出力される。最終的には、幹側端からは、完全に合成した光が出力される。
【００３１】
この発明の装置においては、合波器ないし分波器は、エバネセント結合部より合波器ないし分波器としての出力光強度の波長周期性を具備し、且つその結合長さを設定することにより波長半周期を制御できるものが利用される。このような合波器ないし分波器としては、２本の単一モードファイバのクラッド部同士を部分的に並列して融着延伸してエバネセント結合部を形成したファイバカプラが利用できる。
【００３２】
さらに、別の合波器ないし分波器には、透光性の基板（例えば、石英系又はＬＮ系の基板）上に平行な２つの光導波路を形成し、これら２つの導波路の間を光交換可能に近接して配置して、エバネセント結合部を構成したものがある。この場合には、１個の素子基板上に、そうした複数の結合部をツリー構造にして合分波装置を構成することができる。この合分波装置においては、各段の導波路の端部で、ファイバアレイ型部品により光ファイバと接続される。
【００３３】
以下の実施形態では、合波器ないし分波器とがファイバカプラである異波長合分波装置の例を示す。図１の異波長合分波装置１は、合分波器に融着延伸部によりエバネセント結合部を作ったファイバカプラ３を用いて、ファイバカプラ３を光学的に接続して３段のツリー構造にいる。この合分波装置は、初段のファイバカプラ２１の２つの分岐端子３２、３３に各々１個づつ第２段のファイバカプラ２２ａ、２２ｂの集合端子３０、３０を接続し、この段のファイバカプラ２２ａ、２２ｂの２つの分岐端子３２、３３に、次段（この例は、終段）のファイバカプラ２３ａ〜２３ｄの１つの集合端子３０、３０を接続している。これにより、合分波装置は、３段の合分波器群２１、２２、２３から構成され、１つの幹側端子に対して８個の枝側端子１１が形成され、各枝側端１１には、それぞれに異なったレーザ光波長を割り付けたレーザ用の光フアイバー（不図示）が接続される。
【００３４】
以下には、ファイバカプラを使用した分波器を例にして、先ず、分波器と動作を示すと、図６と図８に示したように、単一波長λの光を入力Ｐｉとして集合端子３０に入力したとき、エバネセント結合部において分離されて２つの分岐端子３２、３３から放出する出力Ｐｏ１とＰｏ２とは、エバネセント結合部の結合長さＬ（ファイバカプラでは、コアファイバの（融着延伸部長さ）の周期関数として次式のように表される。即ち、分波器においては、入力側の集合端３０のファイバのコア部４１がエバネセント結合部３４を通して出力側の分岐端子３２のファイバ４と直結しているとき、この分岐端３２（第１の出力ポート）には、
Ｐ（λ）ｏ１＝　Ｅ_１・ｃｏｓ^２［κ（λ）・Ｌ］　＋Ｅ_２　　　（１）
で表される出力Ｐ（λ）ｏ１が現れる。
他方、他方の分岐端子３３（第２の出力ポート）が、このエバネセント結合部３４で、上記のコア部４１に添設されて光結合している光フアイバに接続されているとき、この分岐端子３３（第２の出力ポート）に現れる出力Ｐ（λ）ｏ２は、
Ｐ（λ）ｏ２＝　Ｅ_１・ｓｉｎ^２［κ（λ）・Ｌ］　＋Ｅ_２　　　（２）
で与えられる。
【００３５】
両式において、κ（λ）は、エバネセント結合部のコア間の相互の光結合係数であるが。伝搬する波長λにも依存する。これらの式は、出力ポートからの出力が、エバネセント結合長さＬ（ファイバカプラでは、溶融延伸部長さ）の周期関数であり、結合長さＬを調節することにより、出力Ｐ（λ）ｏ１とＰ（λ）ｏ２とは、ボートＥ_２から（Ｅ_１＋Ｅ_２）の間を　周期的に変化する。図８には、上記式（２）により、Ｐ（λ）ｏ２が、結合部長さＬにより大きく変化することを示している。
【００３６】
上記の式（１）、（２）は、式中の係数κ（λ）が波長λの関数であり、波長λの異なる２つの光についての上記の周期関数は、図８に示すように、結合長さＬについての周期が異なる。２つの波長λ_１、λ_２の入力光に対して、結合長Ｌを変化させたとき、上記の第２の出力ポートの出力が、Ｐ（λ_１）ｏ２について最大（Ｅ_１＋Ｅ_２）で、Ｐ（λ_２）ｏ１について最小Ｅ_２となる長さＬ_０が存在する（図８参照、この結合長さＬ_０において、上記第１の出力ポートの出力は、これと逆に、Ｐ（λ_１）ｏ１が最小Ｅ_２で、Ｐ（λ_２）ｏ１が最大（Ｅ_１＋Ｅ_２））。このようにして、２つの波長λ_１とλ_２により規定された上記結合長さＬ_０を有する分波器は、上記の合成光を、第１出力ポートと、第２の出力ポートとに振り分けて、効率的に分離することができる（逆に、合波器の場合には、上記結合長さＬを有する合波器が、上記２つの波長λ_１とλ_２の各光をそれぞれ分岐端に入力することにより、集合端を出力ポートにして、効率よく合成することができる）。
【００３７】
このような分波器の光分離度は、波長λ_１光と波長λ_２光とについての最高の分離度が各出力ポートにおいてＥ２／（Ｅ１＋Ｅ２）で与えられる。実際には、入力光の波長λ_１とλ_２とは上記の出力特性曲線のそれぞれ山波長と谷波長と完全には一致しないので、上記最大の分離度よりも、若干悪くなることはあり得る。また、分波器の光過剰損失は、両ポートの合計出力について、（Ｐｏ１＋Ｐｏ２）／Ｐｉで与えられ、これは、エバネセント結合部の光の透過率を示している。
【００３８】
上記の式（１）、（２）において、上記の結合長さＬの分波器に、入力光の波長λを広い範囲に変化させて入力したときは、κ（λ）が波長に対して単調変化するので、図７に示す如く、出力ポートからの出力光は波長λに対して周期的変化をする（２つの出力ポートの間では、位相が１８０度異なって、出力が正反対である）。
【００３９】
波長に対するこの出力　特性曲線の周期関数の周期（即ち、波長周期）の半分を合分波特性の波長半周期Ｔ_λとする。この値は、最大出力を示す波長と最小出力を示す波長との間の帯域幅を与える。波長半周期Ｔ_λを利用して、分波器に２つの波長光λ_１、λ_２とが入力されたとき、分岐端子のいずれか１つの出力ポートからλ_１光だけを出力させ、他のλ_２光を出力させないように（他方の出力ポートからは、逆にλ_２光を出力させる）、波長半周期Ｔ_λと結合長さＬを規定することができる。
【００４０】
本発明は、ほぼ等波長間隔で配列された一連の多数の波長光を、複数段の分波器群から成るツリー構造の分波装置または合波装置により、各成分光に分波し又は合波するものであるが、幹側端から枝側端に向けて、各段の合波器又は分波器の波長半周期を２倍つづ拡大することにより、分波ないし合波の分離効率又は合波効率を改善するものである。
【００４１】
ここに、波長の大きさの順に配列した一連の波長λ_１、λ_２、λ_３、λ_４、・・・λ_ｎを有する多数の入力光が波長間隔Δλを有しており、初段の分波器は、図２（Ａ）に示すように、その出力特性曲線の上記波長半周期Ｔ_λがΔλに等しくし、且つ相隣合う波長の一方で出力が最大値を示して他方の波長で最小値を示すように、分波器の結合長さＬを設定する。
このとき、上記波長列を分波器の集合端に入力すると、分岐端である２つの出力ポートのそれぞれには、それぞれ出力ポートの出力特性曲線の山に対応する波長の光のみが出力されるので、上記波長列の波長光が互い違いに１つづつ出力されて、λ_１、λ_３、λ_５・・・のグループと、λ_２、λ_４、λ_６・・・のグループとの、２つの波長光グループに分離することができる。この場合、一方の出力ポートの出力波長λ_１、λ_３、λ_５・・・の波長間隔は、Δλの２倍となっている（他方の出力波長λ_２、λ_４、λ_６・・・の波長間隔も同様に２Δλになる）。　そして、第１の出力ポートからの第１のグループ（λ_１、λ_３、λ_５・・・）の出力Ｐｏ１は、出力特性曲線の最大ピーク値に対応する出力が得られ、第２のグループの波長λ_２、λ_４、λ_６・・・の成分光の出力を最小に抑制することができる（同様に、第２のグループの出力Ｐｏ２は、第１のグループの波長の出力を最大にし、第１のグループの波長の成分光の出力を最小にすることができる）。
【００４２】
ファイバカプラのエバネセント結合部長さＬを小さくすると、式（１）、（２）中のκ（λ）Ｌが小さくなり、従って、波長λの変化に対して、波長半周期Ｔ_λ（即ち、波長帯域幅）は、大きくなる。ファイバカプラのこの性質を利用して、次段の分波器の結合部長さＬを順次小さくすることにより、上記波長間隔Δλを規定する結合長さＬの１／２倍、１／４倍、１／８・・・に設定調節することができ、出力特性曲線の波長半周期Ｔ_λが波長間隔Δλの２倍、４倍、８倍・・・などと、一層広い波長帯域幅を有する合分波器を調製することができる。
【００４３】
即ち、図２（Ｂ）に示すように、上記の例について、上記初段のファイバカプラ２１からの出力である波長グループλ_１、λ_３、λ_５・・・の波長光を、波長半周期Ｔ_λを波長間隔Δλの２倍に設定した第２段分波器のファイバカプラ２２ｂに入力した時、２つ分岐端子３２、３３の出力ポートには、λ_１、λ_５・・・と、λ_３、λ_７・・・の下位クループに分離する。
同様に、図２（Ｂ）において、同様に上記の別の波長グループλ_２、λ_４、λ_６・・・の波長光についても、波長半周期Ｔ_λが２Δλである別の分波器のファイバカプラ２２ａに入力することにより、分岐端子３２、３３には、２つの下位グループλ_２、λ_６・・・と、λ_４、λ_８・・・とに分離して出力される。
【００４４】
これらの下位グループの波長列の光、例えば、λ_１、λ_５・・・は、波長間隔が、上記Δλの４倍となっている。下位グループの波長列は、さらに、波長半周期Ｔ_λが４Δλに設定された第３段の分波器２３ａ〜２３ｄに入力することにより、さらに下位のグループ（２次下位グループ）に分離できる。図２（Ｃ）は、第３段の各ファイバカプラの波長半周期Ｔ_λ３が４Δλに設定され、第３段の各ファイバカプラの特性出力曲線が備えるべき山と谷とを個別的に上記波長列の波長に整合するように設定すれば、第３段のファイバカプラ群がこの波長列をさらに２次下位グループに分離できることを、示している。
【００４５】
この第３段の分波器２３ａ〜２３ｄの挙動は、図１において、例えば、上例の第２段からの出力λ_１、λ_５・・・の波長列は、４Δλの波長半周期を持つ分波器２３ｄにより、２つの出力ポートには、λ_１、λ_９・・・のグループ、λ_５、λ_１３・・・のグループに分離して出力される。上記下位グループの波長列を４つの分波器により、全て分離すると、８つの２次下位グループの波長列に分離できる。
【００４６】
合成入力光が、一連の波長列λ_１、λ_２、λ_３、λ_４、・・・λ_８の８成分光から成るものであるときは、図１に示す如く、分波装置を分波器３段のツリー構造に配列にすることによって、分波装置により、分波装置の８つの分岐端のそれぞれに、λ_１、λ_２、λ_３、λ_４、・・・λ_８の対応する１つの波長光波のみを完全に分離して出力することができる。
【００４７】
上記の分波装置のツリー構造は、同様にして、合波器としてそのまま利用することができ、図３には、３段ツリー構造の枝側端１１への入力波長列列λ_１、λ_２、λ_３、λ_４、・・・λ_８の、各段におけるその合波過程とを示しおり、ツリーの幹側端１０より、合波光が出力される。
【００４８】
同様に、四段の分波器群のツリー構造の分波装置を利用すると、一定の波長間隔Δλにある１６個の波長列の光を合成し、合成光をほぼ完全に分離することができる。
【００４９】
この実施形態において、エバネセント結合を利用した合分波器にファイバカプラを利用し、ファイバカプラが、エバネセント結合では近接して整列した一対のファイバの相互間で光結合させるので、各分岐端についての出力特性曲線の出力透過波長と遮断波長とをそれぞれ、入射波長列の波長に整合させることにより、高い通過効率と、大きな分離比とを得ることができ、さらに、光導波路としての光ファイバを使うので、光ファイバ自体の伝搬損失ないし通過損失を低減することができる利点がある。特に、本発明の合分波装置は、波長が異なっても、各光がファイバカプラ及び光ファイバとを透過する距離が異ならないので、分離された波長光相互は、透過距離の違いによる大きな出力差が生じない利点がある。
【００５０】
合分波器としてファイバカプラの調製は、２本の光ファイバを並列に整列して、整列部位をバーナにより局部的に加熱して、双方のクラッド部を融着し、同時に両側から引き伸ばして、溶融したコア部ガラス内で、双方のコア部同士を所定長さに渡って近接させて、エバネセント結合部を構成する。このとき、融着延伸部を長く引き伸ばせば、結合部長さＬを大きくでき、結合の波長半周期を小さくできる。そして、最初の溶融する際の条件を変えることにより、各融着延伸部の出力特性曲線の山波長と谷波長とを調節することができる。そこで、各段の合分波器として要する波長列とその波長間隔から必要な波長半周期を勘案して、融着延伸部の引張量を加減して結合部長さＬを設定する。この操作は、特開平６−７５１３９号公報に記載の融着延伸法に準じて行なうことができる。
【００５１】
各合分波器を構成するファイバカプラは、スプライス接続なしに、光ファイバ上に隣接して構成するのが好ましい。このために、各段のファイバカプラ群を直列接続するファイバカプラの組は、単一の連続ファイバ上に所望の間隔を設けて、各段用の融着延伸部を設けて、ファイバカプラとする。この場合、上記の単一の長いファイバの所定位置に、それぞれ別体のファイバの端部側を並列添設して、融着延伸してすることにより、１組のファイバカプラを構成する、さらに、これらファイバカプラに接続した上記別体のファイバは、これを連続ファイバとして、これにさらに１つ又は２つ以上の別体のフアイバを融着延伸して、ファイバカプラとする。この構造の合分波装置は、ファイバカプラの融着延伸を除いて、ファイバ同士の接続部がないので、スプライス接続による光の損失がない点ですぐれている。
【００５２】
このような構成の合分波装置は、一つの基板上に多数の融着延伸部を配置して、実装して構成することができる。これにより、コンパクトな容器に装入固定することができる。図４には、単一の基板５０の上に、３つのファイバカプラ２１、２２を含む２段構成のツリーを、接着材その他で、添着した例を示している。
【００５３】
本発明の合波装置は、光増幅器の合波装置として利用することができる。合波装置の幹側端に希土類添加ファイバを接続し、合波装置の枝側端には、２つ以上の励起光源と信号光源を接続して、それらの合成光を希土類添加ファイバに誘導して、光増幅器を構成する。または、２つ以上の励起光源を使用して、希土類添加ファイバに誘導して、希土類添加ファイバを励起し、自然放射させることもできる。
【００５４】
この場合、信号光と２つ以上の励起光源とは、Δλの波長間隔で配列できる４つの波長列λ_１、λ_２、λ_３、λ_４から選ばれ、例えば、１つの信号光と２つないし３つの励起光を想定して、合波装置は、図４に示すような合波器２段の構成のツリーを利用することができる。これら励起光と信号光から２Δλの波長間隔の波長対を２つ作り（例えば、λ_１とλ_３の対、及び、λ_２とλ_４の対）、各対の波長列が、ツリーの枝側端の２つあるファイバカップル２２ａ、２２ｂの所定の２つの分岐端にそれぞれ入力する。これらのファイバカプラは、波長半周期Ｔ_λが、おおよそ２Δλに設定されているので、各ファイバカプラの集合端子３０には、上記波長対の合成波が高い効率で出力する。各合成波は、波長半周期Ｔ_λがおおよそΔλに設定されている初段のファイバカプラの２つの分岐端に入力されて、その合成波が集合端、即ち、幹側端に出力される。
【００５５】
図５には、合波装置５の幹側端１０に、希土類添加ファイバ４４が接続されて、光増幅器とした例を示すが、合波装置　からの上記の合成出力は、幹側端１０に一端を接続した希土類添加ファイバ１４に入力されて、希土類添加ファイバ４４内で信号光が、増幅され、希土類添加ファイバの他端から、通常は、光アイソレータ８２を介して、光フアイバ４を通じて、別の光回路に放出される。
【００５６】
上記の信号光と励起光の合成は、２段のツリー構造について上記の４つの波長の関係を設定しているが、これら波長のいずれかの励起光源を省く形で（図５に示す例の如く）、２つの励起光源と信号光の入力にも実現できる。さらに、信号光の入力を省略して、２つの励起光源のみで実現でき、これは、自然放出光の発振に適用できる。
【００５７】
本発明の別の実施形態には、上記の光増幅器又は合波装置には、ツリーを構成する光ファイバ群にファイバの内の少なくとも一つを希土類添加ファイバとして、光増幅器または、自然放出光の発振器として利用することを含む。この場合、希土類添加ファイバは、このファイバの端部側に、別体の光ファイバの側部に並列して融着延伸部を設け、ファイバカプラの一部を構成してもよく、融着接続部における光結合により、希土類添加ファイバに光を直接入射することから、信号光の損失を低減でき、増幅光の特性が低下するのを防止できる利点がある。
【００５８】
【実施例】
メトロ用８チャネルの多重伝送系に合分波に使用する合分波装置の例を以下に示す。ここでは、レーザ光源には、狭帯域のＤＦＢ半導体レーザを用いて、波長間隔Δλを２０ｎｍに設定して、λ１＝１４７０ｎｍ、λ２＝１４９０ｎｍ、・・・・λ８＝１６１０ｎｍの８波長のレーザ光を利用した例を示す。これらの光信号は、以下に述べる合波装置により、合成し、さらに、その合波した光を、同様の構成による分波装置により各波長光に分離した。
【００５９】
合波装置と分波装置は、図１及び図３に示すように、ファイバカプラ３を３段のツリー構成にした。各ファイバカプラ３は、シングルモード光ファイバを用いて調製した。１本の長尺ファイバの長手方向に３箇所、それぞれ別体の同質の光ファイバの端部側を並列して溶融延伸部を作りカプラとするが、さらに、これら別体の光ファイバの中間部位に、更に別体の同質の光ファイバの端部側を溶融延伸して、図１に示す溶融延伸部の配列を作った。このファイバカプラ調製の時に、合波装置（及び分波装置）の幹側端から枝側端に向けて、第１段のファイバカプラ２１は、溶融延伸部の長さＬ_１を５２ｍｍとして波長半周期Ｔλ_１を２０ｎｍにするようにした。第２段のファイバカプラ群２２は、溶融延伸部の長さＬ_２を２６ｍｍとし、その波長半周期Ｔ_λ２を４０ｎｍに設定し、第３段のファイバカプラ群２３は、同様に、溶融延伸部のの長さＬ_３を１３ｍｍとして、Ｔ_λ３を８０ｎｍに設定した。
これらの合波装置と分波装置は、長さ１００ｍｍ、直径５ｍｍの容器内に基配置して、適宜接着材料により固定して密閉した。
【００６０】
合波装置においては、上記８個の波長の異なるＤＦＢ半導体レーザからの光ファイバ（不図示）を、装置の枝側端１１に、光ファイバで接続して、幹側端１０から合波光として出力した。他方、分波装置においては、上記と分波装置と同様に構成し、上記の合波装置を利用して合波した合波出力光を、光フアイバーにより、上記分波装置の幹側端部１０に接続して入力し、この分波装置の８つの枝側端子１１から分離した波長光を出力した。
【００６１】
測定結果から、各波長光のポート最大入力１５０ｍＷで、各ポートの挿入損失１．０ｄＢ以下、隣接チャネル分離比１５ｄＢ以上、均一度０．５ｄＢ以内、ＰＤＬは０．５ｄＢ以内の性能を実現することができる。
【００６２】
上記実施形態の合分波器は、多重光通信システムにおいて、Ｃ−ＷＤＭ伝送の送信器側合波器として、亦、受信器側の分波器として使用することができることがわかる。
【００６３】
次の実施例は、合波装置として、幹側端に希土類添加ファイバを接続して、入力側である枝側端に、信号光と、２つ以上の波長の異なる励起光を入力して、ファイバ増幅器の励起光の合波装置とするものである。この合波装置は、図４に示すように、４つの波長λ_１〜λ_４の２段の合波器（ファイバカプラ）群のツリー構造により構成されている。
【００６４】
一例として、希土類添加ファイバ４４をＴｍ（ツリウム）添加ファイバとし、増幅すべき信号光には、１４６０〜１５３０ｎｍ（Ｓバンド）光が利用される。このＴｍ添加ファイバ増幅器に利用できる合波装置には、例えば、信号光として、Ｓバンド内の１５００ｎｍ光を選択し、図４及び図５において、波長間隔Δλとして約５０ｎｍを採ると、第１の励起光源としてλ_１＝１４００ｎｍと、信号光としてλ_３＝１５００ｎｍ、第２の励起光源としてλ_４＝１５５０ｎｍとする（空きポートλ_２＝１４５０ｎｍは入力せず）。このとき、第１段のファイバカプラ２１は、波長半周期Ｔ_λ１をΔλにほぼ等しく、約５０ｎｍに設定し、第２段のファイバカプラ２２ａ、２２ｂの波長半周期Ｔ_λ２を、２Δλにほぼ等しく、約１００ｎｍに設定する。
【００６５】
この合波装置では、信号光λ_３＝１５００ｎｍは、第１の励起光λ_１＝１４００ｎｍと合波され、その合波光に、第２の励起光λ_４＝１５５０ｎｍが合波されて、出力光が、幹側端に接続したＴｍ添加ファイバに入力される。Ｔｍ添加ファイバ４４では、合成波中の励起光が希土類イオンを励起して、信号光の放射強度を高める。増幅光は、この希土類添加ファイバ４４の他端から、インライン型アイソレータ８２を介して、取り出される。
【００６６】
この例は、長波長側の励起光λ_４＝１５５０ｎｍが、ファイバガラス中にＴｍイオンの基底準位から次の下位準位への励起を行ない、短波長側の励起光λ_１＝１４００ｎｍが、この下位準位から高い上位準位への励起を行ない、Ｔｍイオンを、基底準位より更に高いエネルギー準位に励起する。Ｔｍイオンが基底準位に戻る過程で信号光の波長光を増幅し、この際に、励起エネルギーの光変換効率が向上し、増幅度も向上する。このエネルギー変換過程は、同時に、自然放出光も増加させる。
【００６７】
特に、合波装置には、信号光を入力せずに、上記の２つの励起光のみを入力して、合波光をＴｍ添加ファイバに入力することができ、希土類添加ファイバは、Ｔｍイオンによる広帯域の自然放出光を放出し、これにより、自然放出光源として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る異波長光の分波装置を示す。
【図２】本発明の実施形態に示した異波長の合分波装置に構成したツリーに使用する各段のファイバカプラの出力特性曲線について、初段のファイバカプラ（Ａ）、第２段のファイバカプラ（Ｂ）、及び、第３段のファイバカプラ（Ｃ）のそれぞれの特性曲線を示す。
【図３】本発明の実施形態に係る異波長光の光合波装置を示す。
【図４】本発明の実施形態に係る２段構成の異波長光合波装置を示す。
【図５】本発明の実施形態の２段構成の異波長光合波装置を含む光増幅装置の光結線図を示す。
【図６】本発明の実施形態の装置に使用する光合分波器に使用したファイバカプラの断面図を示す。
【図７】本発明の実施形態に使用した光合分波器に使用するファイバカプラの波長対透過出力で示した出力特性曲線を示す。
【図８】本発明の実施形態に使用した光合分波器に使用するファイバカプラの結合部長さ対透過出力で示した出力特性曲線を示す。
【符号の説明】
１　　光合分波器
１０　幹側端
１１　枝側端
２１　初段合分波器
２２　次段合分波器
２３　終段合分波器
３　　ファイバカプラ
３０　集合端子
３１　　自由端
３２　（第１の）分岐端子
３３　（第２の）分岐端子
３４　エバネセント結合部
４　　光ファイバ
４４　希土類添加光ファイバ
５０　　基板

Claims

２つの光導波路の間にエバネセント結合部を有する合分波器を多数含み、１つの合分波器の２つの分岐端子が次段の合分波器の集合端に接続して２段以上のツリー構造に光接続して成り、隣接する波長の間にほぼ一定の波長間隔Δλがある波長列を有する多数の異波長光を合波若しくは分波するための異波長光合分波装置において、
ツリー構造の幹側端から枝側端にみて、各段の合分波器の出力特性曲線の波長半周期で表した波長帯域幅が、前段の合分波器の出力特性の波長帯域幅のほぼ２倍とし、且つ、
初段の合分波器の出力特性の波長帯域幅を上記波長間隔にほぼ等しく設定したことを特徴とする異波長光合分波装置。
各合分波器は、そのエバネセント結合部が、一方の分岐端に前段の出力の波長列の１つおきの波長光を透過して出力させ且つ残部波長列の光を遮断し、他方の分岐端に当該１つおきの波長列の光を遮断し且つ残部波長列の出力を透過させるように、光の波長に対する出力特性を有する異波長光合分波装置。
各段の各合分波器が、上記波長帯域幅と該各分岐端における波長列の透過及び遮断とを発現するエバネセント結合部の結合長さＬを有することを特徴とする請求項２に記載の異波長光合分波装置。
各合分波器が、上記光導波路として光ファイバを含み、エバネセント結合部として２つの光ファイバの融着延伸部を含むファイバカプラである請求項１ないし３いずれかに記載の異波長光合分波装置。
互いに光接続される各段のファイバカプラが、各融着延伸部を成す上記２つの隣接する光ファイバのいずれかにより、スプライス接続部を介在させることなく、連続的に接続されて、異波長光合分波装を単一のモジュールとした請求項４に記載の異波長光合分波装置。
各合分波器が、光ファイバに偏波面保存ファイバを用いたことを特徴とする請求項４に記載の異波長光合分波装置。
上記の各合分波器を構成する光ファイバのいずれかが、希土類添加ファイバを含む請求項４に記載の異波長光合分波装置。
ツリー構造の幹側端である初段の合分波器の集合端に、希土類添加ファイバが、接続されている請求項７に記載の異波長光合分波装置。
請求項７又は８に記載の異波長光合分波装置が、次段以降の段の合分波器の分岐端に、信号光用ファイバと励起光用ファイバとを接続して、上記の希土類添加ファイバにより信号光を増幅することを特徴とするファイバ光増幅器。
請求項７又は８に記載の異波長光合分波装置が、次段以降の段の合分波器の分岐端に、励起光用ファイバとを接続して、上記の希土類添加ファイバから自然放出光を出力することを特徴とするＡＳＥ光源。