JP2004287382A - 波長変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 励起光波長と零分散波長との差が大きくなっても高パワーの変換光の生成を可能にする構造を備えた波長変換器を提供する。
【解決手段】 この発明に係る波長変換器は、例えば波長１５５０ｎｍにおいて絶対値が０．０１ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下の分散スロープを有する光ファイバを含む。
【選択図】 図１１

Description

この発明は、第１波長の入力光から、非線形光学現象を利用して第２波長の変換光を発生させるための波長変換器に関するものである。

一般に、高パワーの光が媒質中を伝搬すると、その媒質における非線形分極に起因して種々の非線形光学現象が生じることが知られている。この非線形光学現象のうち、四光波混合（FWM: Four-Wave Mixing）は、３次の非線形効果により生じ、具体的には、３つの光子が媒質に入力したときにこれらから新たな１つの光子が生じる現象である。このような非線形光学現象に関与する複数個の光子間にエネルギー保存則及び運動量保存則がともに成り立つとき、最も高い効率で非線形光学現象が生じる。

従来から、上述のような非線形光学現象を光ファイバ中で積極的に発生させ、該光ファイバを波長変換等に利用しようとする研究が盛んに行われている。例えば、波長変換器は、第１波長の入力光から、該入力光と同一の情報を持つ第２波長の変換光を発生させる光学デバイスである。このような波長変換器は、多数ノードが光ファイバ伝送路網により相互に接続されている光通信ネットワークにおいて、これらノードに設けられる。そのノードにおいて波長変換器は、到達した入力光の波長から波長変換された変換光を出力光として出力する。

なお、内部で上述のような非線形光学現象を発生し易い高非線形ファイバとして、例えば、非特許文献１には、分散スロープを０．０１３ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍまで低減した高非線形ファイバが開示されており、非特許文献２には、高非線形分散フラットファイバが開開示されている。非特許文献３には、損失が大きいために実効長が短い分散フラット型高非線形フォトニッククリスタルファイバが示されている。非特許文献４には、波長分散の絶対値が大きいため、信号光と励起光との波長差が１０ｎｍ程度しか許容されないが、ホーリーファイバを利用した波長変換器が開示されている。非特許文献５には、異なる零分散波長を有する複数の光ファイバを縦列接続して、帯域幅を約２ＴＨｚまで拡大する技術が開示されており、さらに、非特許文献６には、高非線形ファイバの例が開示されている。
Jiro Hiroishi, et al., "Dispersion slope controlled HNL-DSF with high γ 25 W-1km-1 and band conversion e4xperiment using this fiber", ECOC2002, PD1.5 Toshiaki Okuno, et al., "Generation of Ultra-Broad-Band Supercontinuum by Dispersion-Flattened and Decreasing Fiber", IEEE PHOTONICS TEC. LETT., VOL. 10, NO. 1, JAN. 1998, pp.72-74 K. P. Hansen, et al., "Fully Dispersion Controlled Triangular-Core Nonlinear Photonic Crystal Fiber", OFC2003, PD2 Ju Han Lee, et al., "Four-Wave Mixing Based 10-Gb/s Tunable Wavelength Conversion Using a Holey Fiber With a High SBS Threshold", IEEE PHOTONICS TECH. LETT., VOL. 15, NO. 3, MAR. 2003, pp.440-442 K. Inoue, "Arrangement of fiber pieces for a wide wavelength conversion range by fiber four-wave mixing", OPTICS LETTERS, VOL. 19, NO. 16, Aug. 15, 1994 M. Onishi, et al., "Highly Nonlinear Dispersion-Shifted Fibers and Their Application to Broadband Wavelength Converter", OPTICAL FIBER TECHNOLOGY, VOL. 4, 204-214 (1998) Kyo Inoue, "Tunable and Selective Wavelength Conversion Using Fiber Four-Wave Mixing with Two Pump Lights", IEEE PHOTONICS TECH. LETT., VOL. 6, NO. 12, DEC. 1994

発明者らは、上述の高非線形ファイバについて検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、上述の非特許文献１〜６に開示された高非線形ファイバを利用した波長変換器では、励起光波長が利用される光ファイバの零分散波長から離れると位相整合条件が満たされなくなるため、急激に変換光の光パワーが低下してしまう。そのため、このような波長変換器では、一チャネルのみの励起光で入力信号光を所望の波長へ変換する可変波長変換を実現するのは困難である。

また、非特許文献７には、光ファイバに２チャネルの励起光を供給する波長変換器が紹介されている。しかしながら、励起光波長と光ファイバの零分散波長とが離れてしまうと、やはり変換光の光パワーが低下する。そもそも２チャネルの励起光を供給することは波長変換器の製造コストを引き上げる要因になる。このように、非特許文献７に記載された波長変換器であっても、より広帯域に亘って効率よく波長変換を行うのは困難である。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、励起光波長と零分散波長との差が大きくなっても高パワーの変換光の生成を可能にする構造を備えた波長変換器を提供することを目的としている。

この発明に係る波長変換器は、光ファイバを利用した波長変換器であって、第１波長の入力光から、非線形光学現象を利用して波長変換された、該第１波長とは異なる第２波長の変換光を発生させる。

この発明に係る波長変換器に適用される光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおいて絶対値が０．０１ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下の分散スロープを有するのが好ましい。この場合、上記光ファイバに入力される光の波長と、該光ファイバの零分散波長との差であるDetuningが大きくなっても、高パワーの変換光の生成が可能になる。

また、この発明に係る波長変換器に適用される光ファイバは、供給される励起光の波長において絶対値が０．０１ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下の分散スロープを有してもよい。励起光を利用する波長変換器において、該励起光が伝搬する光ファイバの分散スロープを十分に小さくすることにより、より効率的に変換光を取り出すことができるからである。特に高い光パワーの励起光に対して光ファイバの分散スロープを小さくすることで、励起光と該光ファイバの零分散波長との差であるDetuningが大きくなったとしても、高パワーの変換光の生成が可能になる。

この発明に係る波長変換器に適用される光ファイバは、少なくとも１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍの波長範囲において絶対値が０．２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の波長分散を有してもよい。当該光ファイバの波長分散がＣバンドの範囲で十分に抑えられることにより、より広帯域での波長変換が可能になるからである。また、この波長範囲であれば励起光波長を変動させても得られる変換光の光パワーの変動が小さいため、より広帯域で高い光パワーを有する変換光が生成される。

この発明に係る波長変換器に適用される光ファイバは、１３００ｎｍ〜１７００ｎｍの波長範囲において少なくとも２つの零分散波長を有するのが好ましい。零分散波長が２つ以上存在するように光ファイバを設計することにより、波長分散の絶対値が小さい波長範囲を拡大することができる。この結果、より広い波長帯域に亘って効率的に四光波混合を発生させることができる。

この発明に係る波長変換器は、少なくとも一励起チャネルの励起光と少なくとも一信号チャネルの信号光から、非線形光学現象を利用して波長変換された、少なくとも一チャネルの変換光を発生させる。このとき、当該波長変換器は、励起チャネルの波長が可変である励起光光源と、励起光光源から供給される励起光の波長において絶対値が０．０１ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下の分散スロープを有する光ファイバとを備えるのが好ましい。励起光と信号光を入力する構成において、励起光波長における分散スロープを小さく抑えることで、より効率的に変換光を生成することができるからである。また、特に高い光パワーの励起光に対してファイバの分散スロープを小さくすることで、励起光と該光ファイバの零分散波長との差であるDetuningが大きくなったとしても、高パワーの変換光の生成が可能になる。

上述のような構造を有する光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおいて８（１／Ｗ／ｋｍ）以上、さらには１０（１／Ｗ／ｋｍ）以上の非線形定数を有するのが好ましい。非線形定数がこのような値以上であれば、実際的な入力光パワーで効率よく変換光の生成が可能になる。また、ファイバ長を１ｋｍ以下まで短くしても、十分広帯域かつ高パワーの変換光が得られる。

さらに、上記光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおいて１ｄＢ／ｋｍ以下の伝送損失を有するのが好ましい。伝送損失を低く抑えることにより、非線形光学現象が起こる実効的なファイバ長を十分に長く取ることができ、より高パワーの変換光が得られるからである。換言すれば、光ファイバファイバの実効長を十分長く維持することができ、高パワーの変換光が生成される。

上記光ファイバの、入力される励起光に対する誘導ブリルアン散乱の発生しきい値は、１０ｄＢｍ以上であるのが好ましい。この発生しきい値が１０ｄＢｍ以上であれば、非線形光学現象が起こる実効的なファイバ長の低減を回避することができ、入力される励起光を十分に変換光に振り分けることができるからである。すなわち、この発生しきい値が１０ｄＢｍ以上であれば、実用上使用可能な高パワーの変換光が生成される。

さらに、この発明に係る波長変換器において、上記光ファイバから出力される変換光の波長の許容可変幅は、２０ｎｍ以上である。入力信号光を２０ｎｍ以上の波長範囲で変換可能とすることで、実際の光ネットワーク上で十分実用レベルの波長変換器として適用することが可能となる。

この発明に係る波長変換器において、少なくとも１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍの波長範囲（Ｃバンド）の信号チャネルに対し、上記光ファイバから出力される変換光の波長の許容可変幅は、２０ｎｍ以上であるのが好ましい。Ｃバンドで十分実用的な波長変換が実現できるからである。すなわち、信号光波長に依存することなく、任意波長への変換が可能になる。

この発明に係る波長変換器は、上記光ファイバ内を伝搬した励起光を遮断するための光部品をさらに備えるのが好ましい。この光部品は、上記光ファイバの光出力端側に配置される。この光部品により、高パワーの励起光が上記光ファイバより出力されることによる後段の伝送系への影響を回避することができる。

以上のようにこの発明によれば、高パワーの励起光に対して分散スロープの小さい高非線形分散フラットファイバを利用して波長変換器を実現することにより、励起光波長と該高非線形分散フラットファイバの零分散波長との差であるDetuningが大きくなっても高パワーの変換光の生成が可能になる。また、励起光波長を幅３５ｎｍ程度の波長範囲を変動させても、この励起光波長に対応した波長の変換光の光パワーは十分に維持されるので、より広帯域での波長変換を実現する可変波長変換器が得られる。

以下、この発明に係る波長変換器の実施形態を、図１〜図１１を用いて詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

まず、この発明に係る波長変換器に適した光ファイバの構造について説明する。図１は、当該波長変換器に適した光ファイバとして高非線形分散フラットファイバ（HNL-DFF: Highly Nonlinear Dispersion Flattened Fiber）の構造を示す断面図及びその屈折率プロファイルである。

図１（ａ）において、光ファイバ１００は、所定軸に沿って伸びた、外径２ａを有する屈折率ｎ１のコア領域１１０と、該コア領域１１０の外周に設けられたクラッド領域１２０を備える。このクラッド領域１２０は、コア領域１１０の外周に設けられ、外径２ｂを有する屈折率ｎ２（＜ｎ１）の内側クラッド１２１と、該内側クラッド１２１の外周に設けられた屈折率ｎ３（＜ｎ１、＞ｎ２）の外側クラッド１２２を備える。

なお、クラッド領域１２０の最外層である外側クラッド１２２を基準領域としたとき、該外側クラッド１２２に対するコア領域１１０の比屈折率差Δ⁺、内側クラッド１２１の比屈折率差Δ^-は、それぞれ以下の式で与えられる。

Δ⁺≒（ｎ１−ｎ３）／ｎ１×１００
Δ^-≒（ｎ２−ｎ３）／ｎ２×１００

図１（ｂ）は、図１（ａ）に示された光ファイバ１００の屈折率プロファイル１５０であり、この屈折率プロファイル１５０において、領域１５１はコア領域１１０の線Ｌ上における各部の屈折率、領域１５２は内側クラッド１２１の線Ｌ上における各部の屈折率、そして、領域１５３は外側クラッド１２２の線Ｌ上における各部の屈折率をそれぞれ示している。このような光ファイバ１００は、例えばシリカガラスを主成分とし、コア領域１１０にはＧｅＯ₂が添加され、内側クラッド１２１にはフッ素が添加される。外側クラッド１２２は純シリカで構成される、塩素が添加されたシリカガラスで構成される。

なお、この発明に係る波長変換器に適した光ファイバは、図３に示されたように、種々の屈折率プロファイル１６０、１７０を有してもよい。図３（ａ）に示された屈折率プロファイル１６０は、図１に示された光ファイバ１００の内側クラッド１２１と外側クラッド１２２との間に中間クラッドが設けられることにより実現される。すなわち、この屈折率プロファイル１６０において、領域１６１は屈折率ｎ１、外径２ａを有するコア領域の屈折率、領域１６２は、コア領域の外周に設けられ、屈折率ｎ２（＜ｎ１）、外径２ｂを有する内側クラッドの屈折率、領域１６３は、内側クラッドの外周に設けられ、屈折率ｎ３（＞ｎ２、＜ｎ１）、外径２ｃを有する中間クラッドの屈折率、そして、領域１６４は、中間クラッドの外周に設けられ、屈折率ｎ４（＜ｎ３、＞ｎ２）を有する外側クラッドの屈折率をそれぞれ示している。

さらに、図３（ｂ）に示された屈折率プロファイル１７０は、図１に示された光ファイバ１００の内側クラッド１２１と外側クラッド１２２との間に２層の中間クラッドが設けられることにより実現される。すなわち、この屈折率プロファイル１７０において、領域１７１は屈折率ｎ１、外径２ａを有するコア領域の屈折率、領域１７２は、コア領域の外周に設けられ、屈折率ｎ２（＜ｎ１）、外径２ｂを有する内側クラッドの屈折率、領域１７３は、内側クラッドの外周に設けられ、屈折率ｎ３（＞ｎ２、＜ｎ１）、外径２ｃを有する第１中間クラッドの屈折率、領域１７４は、第１中間クラッドの外周に設けられ、屈折率ｎ４（＞ｎ２、＜ｎ３）、外径２ｄを有する第２中間クラッドの屈折率、領域１７５は、第２中間クラッドの外周に設けられ、屈折率ｎ５（＜ｎ３、＞ｎ４）を有する外側クラッドの屈折率をそれぞれ示している。

次に、この発明に係る波長変換器に適した高非線形分散フラットファイバの各実施例について説明する。図２は、図１に示された高非線形分散フラットファイバとして試作された複数サンプル（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７）の緒元を纏めた表である。なお、これらサンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．７の光ファイバは、いずれも図１（ａ）及び図１（ｂ）に示された断面構造と屈折率プロファイルを有する。

（サンプルＮｏ．１）
サンプルＮｏ．１の光ファイバにおいて、基準領域である外側クラッドに対するコア領域の比屈折率差Δ⁺は１．３７％、外側クラッドに対する内側クラッドの比屈折率差Δ^-は−０．８２％である。また、コア領域のプロファイル形状を決めるためのα値は３．０である。コア領域の外径２ａは４．８９０μｍであり、内側クラッドの外径２ｂに対するコア領域の外径２ａの比Ｒａ（＝ａ／ｂ）は０．５２である。このサンプルＮｏ．１の光ファイバは、波長１５５０ｎｍの諸特性として、０．４８ｄＢ／ｋｍの伝送損失と、０．０６３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散と、−０．００１１ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍの分散スロープを有する。カットオフ波長は９８９ｎｍである。さらに、波長１５５０ｎｍの諸特性として、サンプルＮｏ．１の光ファイバは、１６．４μｍ²の実効断面積Ａ_effと、１０．４（１／Ｗ／ｋｍ）の非線形定数γと、４．６μｍのモードフィールド径ＭＦＤと、０．０５ｐｓ・ｋｍ^-1/2の偏波モード分散ＰＭＤを有する。

（サンプルＮｏ．２）
サンプルＮｏ．２の光ファイバにおいて、基準領域である外側クラッドに対するコア領域の比屈折率差Δ⁺は１．３７％、外側クラッドに対する内側クラッドの比屈折率差Δ^-は−０．８２％である。また、コア領域のプロファイル形状を決めるためのα値は３．０である。コア領域の外径２ａは４．９０８μｍであり、内側クラッドの外径２ｂに対するコア領域の外径２ａの比Ｒａ（＝ａ／ｂ）は０．５２である。このサンプルＮｏ．２の光ファイバは、波長１５５０ｎｍの諸特性として、０．４８ｄＢ／ｋｍの伝送損失と、０．５２５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散と、０．０００６ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍの分散スロープを有する。カットオフ波長は９９５ｎｍである。さらに、波長１５５０ｎｍの諸特性として、サンプルＮｏ．２の光ファイバは、１６．５μｍ²の実効断面積Ａ_effと、１０．３（１／Ｗ／ｋｍ）の非線形定数γと、４．６μｍのモードフィールド径ＭＦＤと、０．０６ｐｓ・ｋｍ^-1/2の偏波モード分散ＰＭＤを有する。

（サンプルＮｏ．３）
サンプルＮｏ．３の光ファイバにおいて、基準領域である外側クラッドに対するコア領域の比屈折率差Δ⁺は１．３７％、外側クラッドに対する内側クラッドの比屈折率差Δ^-は−０．８２％である。また、コア領域のプロファイル形状を決めるためのα値は３．０である。コア領域の外径２ａは４．８６０μｍであり、内側クラッドの外径２ｂに対するコア領域の外径２ａの比Ｒａ（＝ａ／ｂ）は０．５２である。このサンプルＮｏ．３の光ファイバは、波長１５５０ｎｍの諸特性として、０．４７ｄＢ／ｋｍの伝送損失と、−０．７７１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散と、−０．００４５ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍの分散スロープを有する。カットオフ波長は９８０ｎｍである。さらに、波長１５５０ｎｍの諸特性として、サンプルＮｏ．３の光ファイバは、１６．３μｍ²の実効断面積Ａ_effと、１０．５（１／Ｗ／ｋｍ）の非線形定数γと、４．６μｍのモードフィールド径ＭＦＤと、０．０２ｐｓ・ｋｍ^-1/2の偏波モード分散ＰＭＤを有する。

（サンプルＮｏ．４）
サンプルＮｏ．４の光ファイバにおいて、基準領域である外側クラッドに対するコア領域の比屈折率差Δ⁺は１．３７％、外側クラッドに対する内側クラッドの比屈折率差Δ^-は−０．８２％である。また、コア領域のプロファイル形状を決めるためのα値は３．０である。コア領域の外径２ａは４．８９２μｍであり、内側クラッドの外径２ｂに対するコア領域の外径２ａの比Ｒａ（＝ａ／ｂ）は０．５２である。このサンプルＮｏ．４の光ファイバは、波長１５５０ｎｍの諸特性として、０．５１ｄＢ／ｋｍの伝送損失と、−０．０９７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散と、−０．００１５ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍの分散スロープを有する。カットオフ波長は９８７ｎｍである。さらに、波長１５５０ｎｍの諸特性として、サンプルＮｏ．４の光ファイバは、１６．４μｍ²の実効断面積Ａ_effと、１０．４（１／Ｗ／ｋｍ）の非線形定数γと、４．６μｍのモードフィールド径ＭＦＤと、０．０３ｐｓ・ｋｍ^-1/2の偏波モード分散ＰＭＤを有する。

（サンプルＮｏ．５）
サンプルＮｏ．５の光ファイバは、波長分散が片端（以下、Ａ端という）側から他端（以下。Ｂ端という）側へ向かう長手方向に沿って変化している分散マネージメントファイバ（DMF: Dispersion-Managed Fiber）である。このサンプルＮｏ．５の光ファイバにおいて、基準領域である外側クラッドに対するコア領域の比屈折率差Δ⁺は１．３７％、外側クラッドに対する内側クラッドの比屈折率差Δ^-は−０．８２％である。また、コア領域のプロファイル形状を決めるためのα値は３．０である。コア領域の外径２ａはＡ端側が４．８８であり、Ｂ端側が５．３６μｍである。内側クラッドの外径２ｂに対するコア領域の外径２ａの比Ｒａ（＝ａ／ｂ）は０．５２である。このサンプルＮｏ．５の光ファイバは、波長１５５０ｎｍの諸特性として、平均値０．５５ｄＢ／ｋｍの伝送損失と、平均値５．４３２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散と、平均値０．０１６８ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍの分散スロープを有する。なお、Ａ端側における波長分散と分散スロープは、それぞれ−０．２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、−０．００２ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍである。一方、Ｂ端側における波長分散と分散スロープは、それぞれ９．０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、０．０２６ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍである。カットオフ波長はＡ端側で９８７ｎｍ、Ｂ端側で１０８４ｎｍである。さらに、波長１５５０ｎｍの諸特性として、サンプルＮｏ．５の光ファイバは、平均値０．０５ｐｓ・ｋｍ^-1/2の偏波モード分散ＰＭＤを有する。Ａ端側における実効断面積Ａ_effは、１６．４μｍ²であり、Ｂ端側における実効断面積Ａ_effは１７．４μｍ²である。Ａ端側における非線形定数γは１０．４（１／Ｗ／ｋｍ）であり、Ｂ端側における非線形定数γは９．８（１／Ｗ／ｋｍ）である。さらに、Ａ端側におけるモードフィールド径ＭＦＤは、４．６μｍであり、Ｂ端側におけるモードフィールド径ＭＦＤは４．８μｍである。

（サンプルＮｏ．６）
サンプルＮｏ．６の光ファイバにおいて、基準領域である外側クラッドに対するコア領域の比屈折率差Δ⁺は１．３０％、外側クラッドに対する内側クラッドの比屈折率差Δ^-は−０．７５％である。また、コア領域のプロファイル形状を決めるためのα値は２．８である。コア領域の外径２ａは５．２８８μｍであり、内側クラッドの外径２ｂに対するコア領域の外径２ａの比Ｒａ（＝ａ／ｂ）は０．５５である。このサンプルＮｏ．６の光ファイバは、波長１５５０ｎｍの諸特性として、０．４３ｄＢ／ｋｍの伝送損失と、０．３１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散と、０．００１ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍの分散スロープを有する。カットオフ波長は９４８ｎｍである。さらに、波長１５５０ｎｍの諸特性として、サンプルＮｏ．６の光ファイバは、１８．２μｍ²の実効断面積Ａ_effと、９．１（１／Ｗ／ｋｍ）の非線形定数γと、４．９μｍのモードフィールド径ＭＦＤと、０．０３ｐｓ・ｋｍ^-1/2の偏波モード分散ＰＭＤを有する。

（サンプルＮｏ．７）
サンプルＮｏ．７の光ファイバにおいて、基準領域である外側クラッドに対するコア領域の比屈折率差Δ⁺は１．３０％、外側クラッドに対する内側クラッドの比屈折率差Δ^-は−０．７５％である。また、コア領域のプロファイル形状を決めるためのα値は２．８である。コア領域の外径２ａは５．２７４μｍであり、内側クラッドの外径２ｂに対するコア領域の外径２ａの比Ｒａ（＝ａ／ｂ）は０．５５である。このサンプルＮｏ．７の光ファイバは、波長１５５０ｎｍの諸特性として、０．４０ｄＢ／ｋｍの伝送損失と、−０．１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散と、−０．００１ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍの分散スロープを有する。カットオフ波長は９４４ｎｍである。さらに、波長１５５０ｎｍの諸特性として、サンプルＮｏ．７の光ファイバは、１８．２μｍ²の実効断面積Ａ_effと、９．１（１／Ｗ／ｋｍ）の非線形定数γと、４．９μｍのモードフィールド径ＭＦＤと、０．０１ｐｓ・ｋｍ^-1/2の偏波モード分散ＰＭＤを有する。

以上の各実施例から、この発明に係る波長変換器に適した光ファイバは、波長１５５０ｎｍの諸特性として、絶対値が２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の波長分散と、絶対値が０．０１ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍの分散スロープと、８（１／Ｗ／ｋｍ）以上、好ましくは１０（１／Ｗ／ｋｍ）以上の非線形定数γを有する。また、分散マネージメントファイバは、Ａ端側において、＋４〜＋１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散と、絶対値が０．０４ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下の分散スロープと、８（１／Ｗ／ｋｍ）以上の非線形定数γを有する一方、Ｂ端側において、＋２〜−２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散と、絶対値が０．０１ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下の分散スロープと、８（１／Ｗ／ｋｍ）以上の非線形定数γを有するのが好ましい。さらに、実効断面積Ａ_effは、２０μｍ²以下、好ましくは１７μｍ²以下、偏波モード分散ＰＭＤは、０．３ｐｓ・ｋｍ^-1/2以下、伝送損失は１．０ｄＢ／ｋｍ以下であるのが好ましい。

好ましい屈折率プロファイル形状を得るため、外側クラッドを基準としたコア領域の比屈折率差Δ⁺は１．２％以上、内側クラッドの比屈折率差Δ^-は−０．６％以下が好ましい。また、コア領域の屈折率プロファイルをパワー分布で近似した際のα値は２以上、コア領域の外径２ａと内側クラッドの外径２ｂの比Ｒａ（＝ａ／ｂ）は０．３０〜０．７０であるのが好ましい。

続いて、従来の高非線形ファイバ（ＨＮＬＦ）と比較して、この発明に係る波長変換器に適した高非線形分散フラットファイバ（ＨＮＬ−ＤＦＦ）の優位性を検証する。図４は、この発明に係る波長変換器に適用される光ファイバサンプルの評価系システムの構成を示す図である。

この図４に示された評価系システムは、２入力―２出力の３ｄＢ光カプラ５０を備える。この光カプラ５０の第１入力端には、プローブ光を供給するための可変長レーザ光源（TLS: Tunable Laser Source）１０ａが光学的に接続されており、これら光カプラ５０とＴＬＳ１０ａとの間には、偏波制御器（PC: Polarization Controller）２０ａ、Ｅｒ添加光ファイバ増幅器（EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier）３０ａと、可変バンドバプフィルタ（BPS: Band Pass Filter）４０ａが配置されている。一方、光カプラ５０の第２入力端には、励起光を供給するためのＴＬＳ１０ｂが光学的に接続されており、これら光カプラ５０とＴＬＳ１０ｂとの間には、ＰＣ２０ｂ、ＥＤＦＡ３０ａと、ＢＰＳ４０ａが配置されている。

光カプラ５０の第１出力端と第２出力端には、それぞれオプティカルスペクトルアナライザ（OSA: Optical Spectrum Analyzer）７０ａ、７０ｂが配置されており、評価対象ファイバ６０が光カプラ５０の第１出力端とＯＳＡ７０ａとの間に配置されることにより、該ＯＳＡ７０ａが評価対象ファイバ６０の出力をモニタする構成になっている。

図５は、図４に示された評価系システムにおける評価対象として試作された複数サンプル（Ｎｏ．８、Ｎｏ．９）及び比較対象ファイバの緒元を纏めた表である。なお、サンプルＮｏ．８及びＮｏ．９の光ファイバは、いずれもこの発明に係る波長変換器に適した高非線形分散フラットファイバ（HNL-DFF: Highly Nonlinear Dispersion-Flattened Fiber）、サンプルＮｏ．１０の光ファイバは従来の高非線形ファイバ（HNLF: Highly Nonlinear Fiber）、サンプルＮｏ．１１は非特許文献２に開示された分散フラットファイバ（DFF: Dispersion-Flattened Fiber）、サンプルＮｏ．１２は非特許文献３に開示された高非線形分散フラットフォトニッククリスタルファイバ（HNL-DFPCF: Highly Nonlinear Dispersion-Flattened Photonic Crystal Fiber）である。

（サンプルＮＯ．８）
サンプルＮｏ．８のＨＮＬ−ＤＦＦは、１０００ｍの長さを有し、波長１５５０ｎｍの諸特性として、０．４７ｄＢ／ｋｍの伝送損失と、０．４２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散と、０．０００２ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍの分散スロープと、１０．４（１／Ｗ／ｋｍ）の非線形定数γを有する。

（サンプルＮＯ．９）
サンプルＮｏ．９のＨＮＬ−ＤＦＦは、５００ｍの長さを有し、波長１５５０ｎｍの諸特性として、０．６２ｄＢ／ｋｍの伝送損失と、０．０６３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散と、−０．００１１ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍの分散スロープと、１０．４（１／Ｗ／ｋｍ）の非線形定数γを有する。

（サンプルＮＯ．１０）
サンプルＮｏ．１０のＨＮＬＦは、１０００ｍの長さを有し、波長１５５０ｎｍの諸特性として、０．５６ｄＢ／ｋｍの伝送損失と、−０．３６ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散と、０．０２５ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍの分散スロープと、２０．４（１／Ｗ／ｋｍ）の非線形定数γを有する。

（サンプルＮＯ．１１）
サンプルＮｏ．１１のＤＦＦは、１０００ｍの長さを有し、波長１５５０ｎｍの諸特性として、０．２２ｄＢ／ｋｍの伝送損失と、０．３２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散と、０．００３６ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍの分散スロープと、５．１（１／Ｗ／ｋｍ）の非線形定数γを有する。

（サンプルＮＯ．１２）
サンプルＮｏ．１２のＰＣＦは、５００ｍの長さを有し、波長１５５０ｎｍの諸特性として、９．９ｄＢ／ｋｍより大きい伝送損失と、−１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散と、０．００１ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍの分散スロープと、１１．２（１／Ｗ／ｋｍ）の非線形定数γを有する。

なお、図６は、サンプルＮｏ．８の光ファイバ（ＨＮＬ−ＤＦＦ）とサンプルＮｏ．１０の光ファイバ（従来のＨＮＬＦ）について、波長分散特性を示すグラフである。図６において、グラフ６１０はＨＮＬ−ＤＦＦの波長分散特性、グラフＧ６２０はＨＮＬＦの波長分散特性をそれぞれ示す。この図６から分かるように、ＨＮＬ−ＤＦＦは、より広い波長範囲で分散スロープが小さく、効率的な波長変換が可能であることが分かる。

さらに発明者らは、図４の評価系システムにおいて、実際の励起光波長を変えながら、ＦＷＭ変換光の光パワーを測定した。図７は、ＦＷＭ光パワーの測定結果を示すグラフである。この測定では、上述のサンプルＮｏ．９のＨＮＬ−ＤＦＦが用意された。そして、励起光波長は１５４０ｎｍに固定された状態で、励起光及びプローブ光の入力パワーは、それぞれ１６ｄＢｍとしたときの、該プローブ光波長に対するＦＷＭ光パワーが測定された。

この明細書では、ＦＷＭ光パワーのピークより３ｄＢ低下する波長帯域をＦＷＭ帯域幅と定義する。この場合、上述の測定方法によれば、２０ｎｍの帯域幅が得られることが分かる（図７参照）。このＦＷＭ帯域幅を異なる励起光波長に対してプロットした結果が図８中のグラフＧ８６０である。図８から分かるように、１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍの波長範囲で２０ｎｍのＦＷＭ帯域幅が確保できる。このことは、励起光波長のDetuningが３０ｎｍ以上であることを示しており、ＨＮＬ−ＤＦＦが適用されることにより、波長変換可能な波長帯域を従来よりも遥かに拡大可能であることを意味する。また、変換効率は約−１９ｄＢであり、５００ｍのファイバ長では従来の分散フラットファイバよりも高い変換効率が得られ、かつ実用可能な値が実現されている。したがって、非線形定数γは１０（１／ｗ／ｋｍ）以上であるのが好ましい。

図８は、サンプルＮｏ．９の光ファイバ（ＨＮＬ−ＤＦＦ）を基準に、分散スロープは一定のままピーク分散値をシフトさせた場合のＦＷＭ帯域幅の波長依存性を計算機シミュレーションしたグラフである。この図８において、グラフＧ８１０は比較のためのＨＮＬＦ（サンプルＮｏ．１０）の励起光波長に対するＦＷＭ帯域幅、グラフＧ８２０は０．０６５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散（波長１５４５ｎｍにおけるサンプルＮｏ．９のＨＮＬ−ＤＦＦ本来の波長分散、以下同様）を有するＨＮＬ−ＤＦＦの励起光波長に対するＦＷＭ帯域幅、グラフＧ８３０は０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散を有するＨＮＬ−ＤＦＦの励起光波長に対するＦＷＭ帯域幅、グラフＧ８４０は−０．０６５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散を有するＨＮＬ−ＤＦＦの励起光波長に対するＦＷＭ帯域幅、そして、グラフＧ８５０は＋０．１３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散を有するＨＮＬ−ＤＦＦの励起光波長に対するＦＷＭ帯域幅をそれぞれ示す。なお、グラフＧ８６０は、上述のように、ＦＷＭ帯域幅を異なる励起光波長に対してプロットした測定結果である。この図から、波長変換器にＨＮＬ−ＤＦＦが適用されることにより、大きく励起光波長を振ってもＦＷＭ帯域幅の急激な狭窄化が回避されることが確認できる。なお、グラフＧ８１０から明らかなように、従来のＨＮＬＦは励起光波長を零分散波長に合わせ込むことが必要であり、零分散波長から励起光波長が離れると急激に変換効率が低下する。

なお、上記光ファイバの伝送損失については、図５に示された表にあるように、１ｄＢ／ｋｍを十分に下回る値が得られる。ただし、この発明に係る波長変換器に適した光ファイバでは、非線形定数γが１０（１／Ｗ／ｋｍ）以上であれば、伝送損失が１ｄＢ／ｋｍでもファイバ長１ｋｍ（１０００ｍ）程度で十分高い変換効率が得られるため、該伝送損失が１ｄＢ／ｋｍ以下であれば実用上問題ないと考えられる。

また、誘導ブリルアン散乱については、実際の使用条件で発現するかどうか問題になる。これは逆に、実際に入力される条件として信号光や励起光に対する発生しきい値が１０ｄＢｍ以下である場合、変換効率の低下が問題となるため、少なくとも１０ｄＢｍ以上の発生しきい値を確保する光ファイバや励起光光源を利用する必要があることを意味している。

さらに、図９は、励起波長における波長分散とＦＷＭ帯域幅の関係を示すグラフである。実際には、最低限の波長可変範囲が±６ｎｍ（ＦＷＭ帯域幅＝１２ｎｍ）であれば、フレキシブル光ネットワークが実現できると考えられる。これに必要な波長分散の絶対値は、図９のグラフから、±０．２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下となることが分かる。したがって、Ｃバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）全域に亘って可変波長変換を実現するためには、１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍの波長範囲において、波長分散の絶対値が０．２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ未満である必要がある。

次に、この発明に係る波長変換器が適用された光通信システムについて説明する。図１０は、この発明に係る波長変換器が適用された光通信システムの第１実施形態の構成を示す図である。

図１０（ａ）に示された光通信システムでは、光送信手段（ＴＸ）２０１から光受信手段（ＲＸ）２０２へ向って、伝送路本線上に、ＥＤＦＡ２１１、ＤＭＦ２２１、伝送路支線からの光を導くための光カプラ２３１、ＥＤＦＡ２１２、ＤＭＦ２２２、可変減衰器２４１（ＡＴＴ）、ＥＤＦＡ２１３、ＡＷＧ２５０が順に配置されている。伝送路支線には、励起光光源２０４から出力された励起光と、光送信手段（ＴＸ）２０３から出力され、ＥＦＤＡ２１６及び伝送路ファイバ２２４を順次伝搬してきた信号光とを入力し、新たに所定波長の変換光を、光カプラ２３１を介して本線に出力する波長変換器２００（この発明に係る波長変換器）が設けられている。この波長変換器２００は、励起光光源２０４から出力され、ＥＤＦＡ２１４、可変ＢＰＦ２６１を順に通過した励起光と、伝送路ファイバ２２４から出力され、ＥＤＦＡ２１５、可変ＢＰＦ２６２を順に通過した信号光とを合波する光カプラ２３２が設けられており、この光カプラ２３２の出力端に、ＨＮＬ−ＤＦＦ２２３が接続されている。さらに、ＨＮＬ−ＤＦＦ２２３と光カプラ２３１との間には、可変ＢＰＦ２６３と可変ＡＴＴ２４２が配置されている。

通常、ＦＷＭはフェムト秒オーダーの高速現象であるため、信号光をパケット加工する一方として、変換に利用する励起光を適当に変調することで、得られる変換光にその変調成分を付加する方法が挙げられる。図１０（ａ）に示された光通信システムは、伝送路本線に支線からの信号光を追加する場合を想定しており、本線を伝搬する信号光がバーストスイッチングしているため、その空いた時間に支線からのデータを乗せる、いわゆる時間分割多重システムである。実験では、ＴＤＭ（Time Division Multiplexing）信号を受信して、本線からの信号成分及び支線からの信号成分それぞれを調べたが、良好な光伝送が実現できることを確認した。なお、当該波長変換器２００の後段には、励起光（及び入力信号光）を除去するため、可変ＢＰＦ２６３が設けられている。

なお、図１０（ｂ）は、本線上に位置するＥＤＦＡ２１１の出力端Ａにおける主信号光成分、図１０（ｃ）は、支線上に位置するＥＤＦＡ２１５の出力端Ｂにおける追加信号光成分、図１０（ｄ）は、波長変換器２００の後段に設けられた可変ＡＴＴ２４２の出力端Ｃにおける波長変換された変換光成分、そして、図１０（ｅ）は、本線上に位置するＥＤＦＡ２１２の出力端Ｄにおける合成信号光成分をそれぞれ示す。

さらに、図１１は、この発明に係る波長変換器が適用された光通信システムの第２実施形態の構成を示す図である。

図１１（ａ）に示された光通信システムでは、複数チャネルが多重化された信号光の進行方向に沿って、伝送路本線上に、ＥＤＦＡ３０１、伝送路ファイバ３１１、伝送路支線からの光を導くための光カプラ３２０、ＥＤＦＡ３０２、伝送路ファイバ３１２、ＥＤＦＡ３０３が順に配置されている。伝送路支線には、波長変換器３００が配置されており、別の信号光がＥＤＦＡ３０４、伝送路ファイバ３１３を通過して該波長変換器３００に導かれる。そして、この波長変換器３００から出力された変換光が光カプラ３２０を介して本線に導かれる。

フレキシブルネットワークの場合、伝送路本線のＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）信号の波長分布が時間的に変わることが予想される。そのため、各信号チャネルの利用効率を高めるため、支線から合流する信号光は本線における信号チャネルの空き状況に合わせて、適当に変換波長をチューニングする必要が起こり得る。この場合に、この発明に係る波長変換器は、可変波長変換器として、広帯域に亘って所望波長の変換光を生成するのに適しており、光通信システムの構築が容易になる。

なお、図１１（ｂ）は、本線上に位置するＥＤＦＡ３０１の入力端ＡにおけるＷＤＭ信号光、図１１（ｃ）は、支線上に位置するＥＤＦＡ３０４の入力端Ｂにおける信号光、図１１（ｄ）は、波長変換器３００の出力端Ｃにおける波長変換された変換光、そして、図１１（ｅ）は、本線上に位置するＥＤＦＡ３０２の出力端ＤにおけるＷＤＭ信号光をそれぞれ示している。

また、この発明におけるＨＮＬ−ＤＦＦを用いることで、高効率なＳＣ（Supercontinuum）光の生成や、広帯域光パラメトリック増幅器等の実現が可能である。

この発明に係る波長変換器に適した高非線形分散フラットファイバの構造を示す断面図及びその屈折率プロファイルである。 図１に示された高非線形分散フラットファイバとして試作された複数サンプル（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７）の緒元を纏めた表である。 この発明に係る波長変換器に適した高非線形分散フラットファイバの他の屈折率プロファイルである。 この発明に係る波長変換器に適用される光ファイバサンプルの評価系システムの構成を示す図である。 図４に示された評価系システムにおける評価対象として試作された複数サンプル（Ｎｏ．８、Ｎｏ．９）及び比較対象ファイバの緒元を纏めた表である。 サンプルＮｏ．８の光ファイバ（高非線形分散フラットファイバ）とサンプルＮｏ．１０の光ファイバ（通常の高非線形ファイバ）について、波長分散特性を示すグラフである。 ＦＷＭ光パワーの測定結果を示すグラフである。 サンプルＮｏ．９の光ファイバ（高非線形分散フラットファイバ）を基準に、分散スロープ固定で波長分散値を変えながらＦＷＭ帯域幅の波長依存性を計算機シミュレーションしたグラフである。更に、比較のためサンプルＮｏ．１０の光ファイバ（通常の高非線形ファイバ）の場合のシミュレーション結果も記載してある。また、サンプルＮｏ．９光ファイバの実測値をプロットしてある。 波長分散とＦＷＭ帯域幅の関係を示すグラフである。 この発明に係る波長変換器が適用された光通信システムの第１実施形態の構成を示す図である。 この発明に係る波長変換器が適用された光通信システムの第２実施形態の構成を示す図である。

符号の説明

１００…高非線形ファイバ、２００、３００…波長変換器。

Claims (11)

1. 第１波長の入力光から、非線形光学現象を利用して波長変換された、該第１波長とは異なる第２波長の変換光を発生させるための波長変換器であって、
   波長１５５０ｎｍにおいて絶対値が０．０１ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下の分散スロープを有する光ファイバを含む波長変換器。
2. 第１波長の入力光から、非線形光学現象を利用して波長変換された、該第１波長とは異なる第２波長の変換光を発生させるための波長変換器であって、
   当該波長変換器に別途供給される励起光の波長において絶対値が０．０１ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下の分散スロープを有する光ファイバを含む波長変換器。
3. 第１波長の入力光から、非線形光学現象を利用して波長変換された、該第１波長とは異なる第２波長の変換光を発生させるための波長変換器であって、
   少なくとも１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍの波長範囲において絶対値が０．２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下の波長分散を有する光ファイバを含む波長変換器。
4. 第１波長の入力光から、非線形光学現象を利用して波長変換された、該第１波長とは異なる第２波長の変換光を発生させるための波長変換器であって、
   １３００ｎｍ〜１７００ｎｍの波長範囲において少なくとも２つの零分散波長を有する光ファイバを含む波長変換器。
5. 少なくとも一励起チャネルの励起光と少なくとも一信号チャネルの信号光から、非線形光学現象を利用して波長変換された、少なくとも一チャネルの変換光を発生させるための波長変換器であって、
   前記励起チャネルの波長が可変である励起光光源と、
   前記励起光光源から供給される励起光の波長において絶対値が０．０１ｐｓ／ｎｍ²／ｋｍ以下の分散スロープを有する光ファイバとを備えた波長変換器。
6. 前記光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおいて１０（１／Ｗ／ｋｍ）以上の非線形定数を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の波長変換器。
7. 前記光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおいて１ｄＢ／ｋｍ以下の伝送損失を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の波長変換器。
8. 入力される励起光に対し、１０ｄＢｍ以上の誘導ブリルアン散乱の発生しきい値を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の波長変換器。
9. 前記光ファイバから出力される変換光の波長の許容可変幅は、２０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項５記載の波長変換器。
10. 少なくとも１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍの波長範囲の信号チャネルに対し、前記光ファイバから出力される変換光の波長の許容可変幅は、２０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項５記載の波長変換器。
11. 前記光ファイバの光出力端側に配置された、該光ファイバ内を伝搬した励起光を遮断するための光部品をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の波長変換器。

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