JP2830485B2 - 光ファイバ分散補償装置 - Google Patents

光ファイバ分散補償装置

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JP2830485B2 JP3024233A JP2423391A JP2830485B2 JP 2830485 B2 JP2830485 B2 JP 2830485B2 JP 3024233 A JP3024233 A JP 3024233A JP 2423391 A JP2423391 A JP 2423391A JP 2830485 B2 JP2830485 B2 JP 2830485B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザの非縮退
４光波混合を利用した、光ファイバ分散補償装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバ通信において、信号の伝送速
度または伝送距離が大きくなると、伝送路である光ファ
イバの周波数分散によって信号波形の劣化が生じる。こ
のため、伝送できる速度または距離が制限される。例え
ば、通常の１．３μｍ零分散ファイバを用いて１．５５
μｍの１０Ｇｂ／ｓ光信号を伝送する場合、２次の周波
数分散による伝送距離の限界は数１０ｋｍ以下である。
【０００３】この周波数分散を補償する方法はいくつか
知られている。その中で非線形光学効果を利用した分散
補償方法は、補償できる伝送距離が原理的に無制限であ
り、最も有力な方法の一つである。この方法では、非線
形光学素子を含む分散補償装置を、ほぼ一様な周波数分
散を有する伝送路の中間地点に設置する。分散補償装置
では、非線形光学効果を利用して、伝送され周波数分散
の影響を受けて劣化した信号光のスペクトルを、周波数
軸で折り返して（つまり周波数変換を行って）受信側の
伝送路に送り出す。それによって伝送路の前半分の周波
数分散の影響を、後半分の周波数分散で補償できる。例
えば光ファイバの周波数分散によって、信号光のスペク
トル成分の中で高周波成分の方が低周波成分よりも速く
進む場合を考える。このとき信号波形はこの光ファイバ
を伝播するにつれて劣化する。そこで、伝送路の中間地
点で上述のような信号光の周波数変換を行うと、変換前
の信号光の低周波成分が高周波成分に変換される。した
がって、伝送路の前半で遅れた部分が伝送路の後半で元
にもどり、これによって受信端で信号波形の劣化が補償
される。非線形光学効果としては、４光波混合や光パラ
メトリック増幅などが利用できる。これに関しては例え
ば、半導体レーザアンプの非縮退４光波混合などを利用
した装置が逸見によって出願されている（特願平１−２
６３６７８号）。ここで非縮退４光波混合というのは、
非線形光学媒質にポンプ光と、それとは周波数の異なる
プローブ光（ここでは入力信号光）を同時に入射したと
き、ポンプ光の周波数に対してプローブ光と対称な位置
に、プローブ光のスペクトルを周波数軸上で反転したス
ペルトルを有する出力信号光が発生する現象である。
【０００４】なお、半導体レーザまたは半導体レーザア
ンプの非縮退４光波混合は２つの異なった機構によって
生じる。１つの機構はキャリア密度の変動によるもの
で、周波数変換効率は高いが、周波数応答がキャリア寿
命時間（１ｎｓ程度）で制限されるため、変換できる光
信号の伝送速度はせいぜい１Ｇｂ／ｓ程度である。もう
一つの機構はバンド内非線形過程によるもので、周波数
変換効率は小さいが、応答は数１００ＧＨｚ以上ある。
したがって原理的には１００Ｇｂ／ｓ以上の信号を変換
できる。ただし、後者は周波数変換効率が非常に小さい
ため、従来例などで利用されているのは、もっぱら前者
のキャリア密度の変動に起因する４光波混合である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来例には以
下のような問題点がある。まず一般的にいって、４光波
混合や光パラメトリック増幅などの非線形光学効果を利
用するためには、大出力のポンプ光源を必要とするとい
う欠点がある。例えば非線形光学媒質として光ファイバ
を利用する場合は、数Ｗ以上のポンプ光源が必要であ
る。このために分散補償装置には固体レーザなどの大型
の装置が必要となり、消費電力や安定性などの点で光フ
ァイバ伝送に使用することは難しい。大出力のポンプ光
源を必要とする理由は、数１０ｍＷ以下の低出力ポンプ
光源で動作するような、効率の良い非線形光学媒質がほ
とんど無いことにある。
【０００６】一つの例外は、従来例で述べた半導体レー
ザアンプの非縮退４光波混合を使うことである。これは
１ｍＷ以下のポンプ光源で、大きな周波数変換効率が得
られる。しかしながら、上述のように、従来利用されて
いるキャリア密度の変動に起因した４光波混合は応答が
遅いために、１Ｇｂ／ｓ以上の高速信号を周波数変換す
ることは困難であった。一方、もしンバンド内非線形過
程に起因した４光波混合を利用できれば高速の信号を変
換できるはずだが、変換効率が非常に小さいため、これ
まではこの現象を利用した分散補償装置は実現できなか
った。
【０００７】本発明の目的は、これらの問題点を改善
し、数Ｇｂ／ｓ以上の高速信号の周波数分散による波形
劣化を補償し、かつ低消費電力で安定な、光ファイバ分
散補償装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の光ファイバ分散
補償装置は、非線形光学媒質と、ポンプ光を発生するポ
ンプ光源と、入力信号光とポンプ光とを非線形光学媒質
に注入する手段と、非線形光学媒質から非縮退４光波混
合過程によって発生する周波数変換された出力信号光を
取り出す手段とを少なくとも含む装置であって、非線形
光学媒質がファブリペロー形半導体レーザであり、ポン
プ光の周波数と入力信号光の周波数とがファブリペロー
型半導体レーザのそれぞれ異なった共振モードの一つに
ほぼ一致していることを特徴とする。
【０００９】また、非線形光学媒質と、入力信号光を非
線形光学媒質に注入する手段と、非線形光学媒質から非
縮退４波混合過程によって発生する周波数変換された出
力信号光を取り出す手段とを少なくとも含む装置であっ
て、非線形光学媒質が複数の共振モードを有し単一軸モ
ード発振する半導体レーザであり、入力信号光の周波数
が半導体レーザの発振周波数とは異なる前記共振モード
の一つにほぼ一致していることを特徴とする。
【００１０】また、非線形光学媒質と、入力信号光を非
線形光学媒質に注入する手段と、非線形光学媒質から非
縮退４光波混合過程によって発生する周波数変換された
出力信号光を取り出す手段とを少なくとも含む装置であ
って、非線形光学媒質がファブリペロー型半導体レーザ
であり、ファブリペロー型半導体レーザの複数の共振モ
ードのうち特定の共振モードの光を選択的に帰還させて
単一軸モード発振させる手段を備え、入力信号光の周波
数が前記発振モードの周波数とは異なる共振モードの一
つにほぼ一致していることを特徴とする。
【００１１】
【作用】上述のように、半導体レーザまたは半導体レー
ザアンプの非縮退４光波混合は２つの異なった機構によ
って生じる。一つはキャリア密度の変動によるもので、
変換できる光信号の伝送速度はせいぜい１ＧＨｚ程度で
ある。もう一つはバンド内非線形過程によるもので、周
波数効率は小さいが、応答速度は数１００ＧＨｚ以上あ
る。
【００１２】本発明の装置では、これまで利用されなか
った半導体レーザのバンド内非線形過程を利用すること
で、数Ｇｂ／ｓ以上の高速の光信号の分散補償を可能に
する。図２は、進行波型半導体レーザアンプの非縮退４
光波混合過程における、出力信号光強度の離調周波数依
存性を模式的に表している。ここで離調周波数とは、入
力信号光周波数とポンプ光周波数の差である。キャリア
密度の変動に起因する項を破線で、バンド内非線形過程
に起因する項を実線で示した。前記が無視できる１００
ＧＨｚ以上から、数１００ＧＨｚ程度の広い周波数帯に
わたって、出力信号光強度はほぼ一定である。したがっ
て、この離調周波数領域で４光波混合を利用して、入力
信号光のスペクトルを折り返せば、原理的には１００Ｇ
ｂ／ｓ以上の高速信号の周波数変換が、したがって分散
補償が可能となる。
【００１３】しかし、上述のように、半導体レーザまた
は半導体レーザアンプのバンド内非線形過程に起因する
４光波混合は、周波数変換効率が非常に小さいため、出
力信号光の強度が十分とれず、そのままでは分散補償装
置に利用できない。そこで本発明では、周波数変換効率
を大幅に上げるために、非線形光学媒質として、共振モ
ードを有する半導体レーザを用い、出力信号光を共振を
利用して増幅している。
【００１４】具体的な方法を図３を用いて説明する。図
３は、ファブリペロー型半導体レーザの共振モードと、
ポンプ光、入力信号光、出力信号光の周波数の相対関係
を模式的に示している。共振モードは図３（ａ）のよう
に周波数軸上ほぼ等間隔に並んでいる。この半導体レー
ザの共振モードの一つにポンプ光の周波数をあわせて注
入すると、半導体レーザはその共振モードだけが強調さ
れて単一軸モード発振する（つまり注入同期状態とな
る）。そこへ別の共振モードに入力信号光の周波数をあ
わせて注入する。この時、発振光をポンプ光とし、入力
信号光をプローブ光とする非縮退４光波混合過程によっ
て、図３（ｂ）のようにポンプ光の周波数に対してちょ
うど対称な共振モードの位置に折り返された（つまり周
波数変換された）出力信号光が発生する。この出力信号
光は、共振によって１桁以上増幅されるため、大きな強
度が得られる。また本発明の様に共振を利用すると、出
力信号光が増幅されることに加えて、ポンプ光と入力信
号光が共振器内部に閉じこめられるため、これらの内部
電界が大きくなり、比較的低電力で４光波混合が発生す
るという利点がある。非線形光学媒質として半導体レー
ザを利用しているために、装置が小型になり、安定な動
作を実現できる。
【００１５】なお、利用する共振モードは、すべて半導
体レーザの利得帯域内にある必要があるが、利得帯域は
通常数１０００ＧＨｚあるので、利用できる周波数帯に
対する制限は緩い。ただし、離調周波数の最大値、つま
り利用できる最も周波数の離れた共振モードの位置は、
ポンプ光の周波数から１０００ＧＨｚ程度以下に選ぶ必
要がある。この値は、半導体レーザのバンド内非線形過
程の応答時間で決まる。一方離調周波数の最小値は、共
振モードの周波数間隔で決まる。この周波数間隔（通常
１００−２００ＧＨｚ程度）は、半導体レーザの共振器
長に反比例するので、共振器長を適当に設定することで
調整できる。また、本発明では共振を利用して出力信号
光を増幅しているために、共振による周波数帯域制限に
よって、分散補償できる信号の速度の上限が決まる。こ
の帯域は、半導体レーザの共振器長、端面反射率、内部
利得などを調整することで調整でき、数１０ＧＨｚ程度
の帯域は実現可能である。したがって、１０Ｇｂ／ｓ程
度の高速信号の周波数分散補償ができる。
【００１６】従来の技術でも述べたように、出力信号光
のスペクトルは入力信号光のスペクトルをポンプ光の周
波数に対して折り返した形をしている。したがって、こ
の非線形光学媒質を含む分散補償装置を、ほぼ均一な周
波数分散特性を有する光ファイバ伝送路の中間地点に設
置し、スペクトル上で折り返された出力信号光を信号光
を受信側に伝送することによって、送信側の伝送路の周
波数分散の影響を受信側の伝送路で補償できる。このた
め、受信端ではほぼ周波数分散による劣化の影響を受け
ない信号波形が受信できる。なお、この装置では入力信
号光と出力光の中心周波数が数１００ＧＨｚ程度異な
る。しかし、この程度の周波数差では、光ファイバの周
波数分散の差はほとんど無視できる。
【００１７】
【実施例】図１は、本発明の第１の実施例を表す図で、
請求項１に記された光ファイバ分散補償装置の基本的な
構成を模式的に表している。この装置は、おもに非線形
光学媒質であるファイブリペロー型半導体レーザ（以下
ＦＰレーザ）１０、ポンプレーザ２０、周波数フィルタ
３０、光ファイバアンプ４０、偏波補償装置５０、光ア
イソレータ６０、およびそれらをつなぐ光学系から構成
されている。送信側の伝送路２００から周波数分散の影
響を受けて劣化した入力信号光のスペクトルを、ファブ
リペロー型半導体レーザ１０の非縮退４光波混合を利用
して周波数軸上で折り返して（つまり周波数変換を行っ
て）出力信号光とし、受信側の伝送路３００に送り出
す。動作原理は作用で述べた通りである。
【００１８】ＦＰレーザ１０としては１．５５μｍ帯半
導体レーザ、ポンプレーザ２０としては１．５５μｍ帯
の分布反射型半導体レーザ（以下ＤＦＢレーザ）を用い
ている。２つのレーザはともに±０．１℃以下に温度安
定化されている。ＦＰレーザ１０の共振モードとポンプ
レーザ２０の周波数は、ともに温度によって調整してい
る。ポンプレーザ２０の周波数を変え、ＦＰレーザ１０
の発振モードを変更することで、出力信号光の周波数を
変えることもできる。周波数フィルタ３０は、ＦＰレー
ザ１０から出力信号光だけを取り出すための装置で、こ
こではファブリペロー干渉型のフィルタを利用してい
る。光ファイバアンプ４０は、変換された出力信号光を
増幅して伝送路に送り出すための装置であり、半導体レ
ーザ励起のエルビウム添加光ファイバを利用している。
偏波補償装置５０は、光ファイバに応力を加えて入力信
号光の偏波を調整する装置であり、応力印加部、モニタ
部、制御部などから構成されている。
【００１９】図４は、本発明の第２の実施例を表す図
で、請求項２に記された光ファイバ分散補償装置の基本
的な構成を模式的に表している。第１の実施例と異なる
主な点は、非線形光学媒質として、複数の共振モードを
有し単一軸モード発振する半導体レーザ１１（以下単一
モードレーザ）を利用していることである。他の点は、
第１の実施例とほぼ同じである。この装置では、単一モ
ードレーザ１１の発振モードの光自身がもともとポンプ
光として利用できるため、第１の実施例に設置されてい
るようなポンプ光源を必要としない。したがって装置構
成が簡単になる。ここでも単一モードレーザ１１の周波
数は温度制御されている。動作原理は第１の実施例と同
じである。単一モードレーザ１１としては、通常のＦＰ
レーザで単一軸モード発振するレーザやＤＦＢレーザ、
分布ブラック反射型半導体レーザ、複合共振型半導体レ
ーザなどが利用できる。
【００２０】図５は、ＤＦＢレーザを利用する場合の、
出力スペクトルを模式的に描いた図と、ポンプ光と入力
信号光、出力信号光の同波数の関係を説明する図であ
る。ＤＦＢレーザとしては、いわゆるλ／４シフト型Ｄ
ＦＢレーザを用いている。このλ／４シフト型ＤＦＢレ
ーザでは、図５（ａ）のように、中央の発振モードの両
側の対称位置に副モードが存在する。この副モードの位
置にある信号光は、ファイブリペロー型の共振モードの
場合と同様に共振によって増幅される。したがって、発
振状態で入力信号を片方の副モード位置に注入した時、
非縮退４光波混合過程によって図５（ｂ）のようにポン
プ光（つまり発振光）に対して反対側の副モードに位置
に周波数軸上で折り返されたスペクトルを有する出力信
号光が発生する。この出力信号光は共振による増幅を受
けているために、大きな強度が得られる。発振モードと
副モードの周波数間隔は、通常１００−２００ＧＨｚ程
度以上あり、周波数フィルタ３０を用いて出力信号光だ
けを取り出すことが可能である。共振周波数帯域は、λ
／４シフト型ＤＦＢレーザの共振器長や回折格子の結合
係数などを変化することで調整でき、数１０ＧＨｚ程度
の周波数帯域をとることが可能である。なお、λ／４シ
フト型ＤＦＢレーザは、通常両端面を無反射コートして
いるが、数％の反射率がある場合、図５に示した副モー
ド両側に、ＦＰレーザと同様の共振モードが現れる。し
たがって、これらの共振モードを利用することもでき
る。単一モードレーザとして、上述のような他の構造の
半導体レーザを用いる場合も、同様な効果がある。
【００２１】図６は、本発明の第３の実施例を表す図
で、請求項３に記された光ファイバ分散補償装置の基本
的な構成を模式的に表している。第１の実施例と異なる
主な点は、非線形光学媒質として、ＦＰレーザ１０を利
用し、複数の共振モードのうち特定の共振モードの光を
選択的に帰還させて単一軸モード発振させる手段を備え
ていることである。他の点は、第１の実施例とほぼ同じ
である。この装置では、第２の実施例と同様に、発振モ
ードの光自身がもともとポンプ光として利用できるた
め、第１の実施例に設置されているようなポンプ光源を
必要としない。したがって装置の構成が簡単になる。動
作原理は第１の実施例とまったく同じである。特定の共
振モードを帰還させるための手段として、ここでは回折
格子８０を利用している。またＦＰレーザ１０から出力
信号光を取り出すために、ハーフミラー７０を導入して
いる。
【００２２】以上、実施例について具体的に説明してき
たが、以下に若干の補足をする。実施例では、信号光の
波長帯として１．５５μｍ帯に対応する装置だけを示し
たが、非線形光学媒質となる半導体レーザおよびポンプ
光源の波長を変えれば、例えば１．３μｍ帯などの他の
波長帯の信号光に対しても、本発明の効果は変わらな
い。また、信号光の変復調方式として直接検波方式だけ
でなく、光ヘテロダイン方式など他の方法においても、
本発明の装置は有効である。実施例の周波数フィルタ３
０やファイバアンプ４０は、伝送方式によっては省略で
きる。偏波補償装置５０は、偏波保存ファイバを伝送路
とした場合や、偏波変動が無視できる伝送路では不要で
ある。
【００２３】また、本発明のように共振を利用して増幅
する場合、出力信号光は非線形光学媒質である半導体レ
ーザの２つの共振器面のどちらからも取り出すことがで
きる。したがって、実施例のような配置だけでなく、例
えば光学系を適当に変更して、ポンプ光と入力信号光を
出力側共振器面から注入する配置を使用することも可能
である。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、数
Ｇｂ／ｓ以上の高速信号の分散による波形劣化を補償
し、かつ低消費電力で安定な、光ファイバ分散補償装置
を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ファイバ分散補償装置の第１の実施
例を表す構成図である。
【図２】非縮退４光波混合過程での出力信号光強度の離
調周波数依存性を説明する図である。
【図３】ＦＰレーザの共振モードとポンプ光、入力信号
光、出力信号光の周波数の関係を説明する図である。
【図４】本発明の光ファイバ分散補償装置の第２の実施
例を表す構成図である。
【図５】ＤＦＢレーザの出力スペクトルと、ポンプ光、
入力信号光、出力信号光の周波数の関係を説明する図で
ある。
【図６】本発明の光ファイバ分散補償装置の第３の実施
例を表す構成図である。
【符号の説明】
１０ ファブリペロー型半導体レーザ １１ 単一軸モードレーザ ２０ ポンプレーザ ３０ 周波数フィルタ ４０ 光ファイバアンプ ５０ 偏波補償装置 ６０ 光アイソレータ ７０ ハーフミラー ８０ 回折格子 ２００ 送信側伝送路 ３００ 受信側伝送路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02F 1/35 H01S 3/18 H04B 10/02 H04B 10/18 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 非線形光学媒質と、ポンプ光を発生する
    ポンプ光源と、入力信号光とポンプ光とを前記非線形光
    学媒質に注入する手段と、前記非線形光学媒質から非縮
    退４光波混合過程によって発生する周波数変換された出
    力信号光を取り出す手段とを少なくとも含む装置であっ
    て、前記非線形光学媒質がファブリペロー型半導体レー
    ザーであり、前記ポンプ光の周波数と前記入力信号光の
    周波数とが前記ファブリベロー型半導体レーザのそれぞ
    れ異なった共振モードの一つにほぼ一致していることを
    特徴とする光ファイバ分散補償装置。
  2. 【請求項２】 非線形光学媒質と、入力信号光を前記非
    線形光学媒質に注入する手段と、前記非線形光学媒質か
    ら非縮退４光波混合過程によって発生する周波数変換さ
    れた出力信号光を取り出す手段とを少なくとも含む装置
    であって、前記非線形光学媒体が複数の共振モードを有
    し単一軸モード発振する半導体レーザであり、前記入力
    信号光の周波数が前記半導体レーザの発振周波数とは異
    なる前記共振モードの一つにほぼ一致していることを特
    徴とする光ファイバ分散補償装置。
  3. 【請求項３】 非線形光学媒質と、入力信号光を前記非
    線形光学媒質に注入する手段と、前記非線形光学媒質か
    ら非縮退４光波混合過程によって発生する周波数変換さ
    れた出力信号光を取り出す手段とを少なくとも含む装置
    であって、前記非線形光学媒質がファブリペロー型半導
    体レーザであり、前記ファブリペロー型半導体レーザの
    複数の共振モードのうち特定の共振モードの光を選択的
    に帰還させて単一軸モード発振させる手段を備え、前記
    入力信号光の周波数が前記発振モードの周波数とは異な
    る前記共振モードの一つにほぼ一致していることを特徴
    とする光ファイバ分散補償装置。
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