JP4234065B2 - 多チャンネル光送信装置 - Google Patents

Description

本発明は光情報通信等で用いられる多チャンネル光送信装置に関する発明である。

近年、光通信はその大容量、超高速性により多くの情報通信網で用いられている。このような光通信網では発光素子や受光素子などの光半導体部品が広く利用されており、その研究開発が盛んである。光半導体部品の研究開発は半導体レーザ（ＬＤ）やフォトダイオード（ＰＤ）、光変調器（ＥＡＭ）のような個別部品は勿論のこと、ＬＤに代表されるアクティブ光デバイスや多モード干渉計（ＭＭＩ）やアレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ）に代表されるパッシブ光デバイスなどを半導体基板上にモノリシック集積することも精力的に行われている。

光通信の大容量化を実現するためファイバ内に各チャンネルに対応した波長の異なる多数の光信号を伝搬させる波長分割多重（ＷＤＭ）伝送方式が用いられている。この方式では多数の光信号を１本のファイバで伝送することができるため低コストで大容量化を実現できる。この場合、異なる波長、すなわち異なるチャンネルの光を大量に用意する必要があり、その低コスト化が非常に重要となる。またチャンネル間隔については一定であることが好ましい。

このような光源を実現するためには一つの半導体レーザで多波長の光を発生できることが望ましく、例えばスーパーコンテニウム光源やモードロック半導体レーザを用いたような多波長光源が開発されている。
このような光源では複数のチャンネル光が一括して出力されるため各チャンネル光を分離して、かつ個別の光信号に変調できる多波長光変調器が必要で、多波長光源と多波長光変調器を組み合わせることで多チャンネル光送信装置が実現できる。
このような構成を用いることで、一組の多チャンネル光送信装置で複数のチャンネル分の光変調信号が生成できるため光送信装置の小型化、低コスト化が可能になる。

K.Sato et al.,"Actively Mode-Locked Strained-InGaAsP Multiquantum-Well Lasers Integrated with Electroabsorption Modulators and Distributed Bragg Reflectors, "IEEE J.Selected Topics on Quantum Electron., vol. 2, no. 3, pp.557-565,1996. Y.Suzaki et al.,"2.5-Gb/s Operation of Monolithically Integrated Eight-Channel WDM Modulator Module with 25-GHz Channel Spacing. "Technical Digest of Optical Fiber Communication conference & exposition, TuG4, 2003.

多チャンネル光送信装置の従来例について、図６を参照しつつ説明する。図６に示すように多波長光源１はモードロック光源で構成され、電気変調信号発生回路２から発生する電気変調信号Ｓが印加される。多波長光源１は、能動同期の場合には、電気変調信号Ｓを吸収領域に印加することにより複数の波長で同時発振することができ、さらに、電気変調信号Ｓの周波数で波長間隔が制御できる（かかる技術は、例えば、次の文献（非特許文献１）にも記載されている。 K.Sato et al.,“Actively Mode-Locked Strained-InGaAsP Multiquantum-Well Lasers Integrated with Electroabsorption Modulators and Distributed Bragg Reflectors, ”IEEE J.Selected Topics on Quantum Electron., vol. 2, no. 3, pp.557-565,1996.）。

また多波長光変調器３は光分波器４、光変調器５、および光合波器６で構成されている（かかる技術は、例えば、次の文献（非特許文献２）にも記載されている。 Y.Suzaki et al.,“2.5-Gb/s Operation of Monolithically Integrated Eight-Channel WDM Modulator Module with 25-GHz Channel Spacing. ”Technical Digest of Optical Fiber Communication conference & exposition, TuG4, 2003.)。
入射光は光分波器４で各チャンネルに分波され、チャンネル数だけある光導波路に結合される。その後、光変調器５で変調を受けて光合波器６ですべてのチャンネル光を出力ポートに合波して出力する。

ＷＤＭ伝送システムでは、波長でチャンネルを識別しているため、光送信装置では各チャンネルの波長を安定化する必要がある。一般的には波長フィルタを通過した後の各チャンネルの光強度をＰＤで測定する。波長がずれると波長フィルタ透過光の波長依存性により光強度が変化するため光強度を一定にするように多波長光源にフィードバックをかける。

本光送信装置の多波長光源１からは光が一括して出力されてしまうため、まず光分配器７により信号光の一部を取り出して光分波器８でチャンネルごとに分波してＰＤ９により光出力をモニタする必要がある。

本従来例では、モニタのために、光分波器８およびチャンネル数分の光検知器（ＰＤ９）が必要となり、小型化、低コスト化の面で妨げとなる。また信号光の一部を利用するため光出力の低下を招く。

上記課題を解決する本発明の構成は、
モードロック機構によって、波長の異なる複数のチャンネル光の他にこのチャンネル光の波長とは異なる波長となっている２以上の波長の異なる検査光を含む多波長光を発生すると共に、発生する多波長光の波長が温度によって変化する多波長光源と、
前記多波長光源から発生する多波長光の波長間隔を制御する波長間隔制御手段と、
前記多波長光源の温度を制御する温度制御素子と、
前記多波長光源から出力された多波長光を波長に応じて分波する光分波器と、この光分波器により分波されたチャンネル光をそれぞれ個別に変調する複数の光変調器と、この光変調器にて変調されたチャンネル光を合波して出力する光合波器と、前記光分波器にて分波された各検査光の光強度をそれぞれ個別に検出する光強度検出器とを備えた多波長光変調器と、
前記光強度検出器にて検出した各検査光の検出値のうちの一の検出値と予め設定した一の設定値とを比較し両者が一致するように前記温度制御素子により前記多波長光源の温度を制御し、その後に、各検査光の検出値のうちの他の検出値と予め設定した他の設定値とを比較し両者が一致するように前記波長間隔制御手段により前記多波長光源から発生する多波長光の波長間隔を制御して、前記多波長光源から発生する複数のチャンネル光の波長および波長間隔が所望の値となるように制御する波長制御回路とを備えていることを特徴とする。

また本発明の構成は、
電気変調信号を発生する電気変調信号発生回路と、
前記電気変調信号が印加されると、モードロック機構によって、波長の異なる複数のチャンネル光の他にこのチャンネル光の波長とは異なる波長となっている２以上の波長の異なる検査光を含む多波長光を発生すると共に、発生する多波長光の波長間隔が前記電気変調信号の周波数によって変化し、且つ、発生する多波長光の波長が温度によって変化する多波長光源と、
前記多波長光源の温度を制御する温度制御素子と、
前記多波長光源から出力された多波長光を波長に応じて分波する光分波器と、この光分波器により分波されたチャンネル光をそれぞれ個別に変調する複数の光変調器と、この光変調器にて変調されたチャンネル光を合波して出力する光合波器と、前記光分波器にて分波された各検査光の光強度をそれぞれ個別に検出するフォトダイオードとを備えた多波長光変調器と、
前記フォトダイオードにて検出した各検査光の検出値のうちの一の検出値と予め設定した一の設定値とを比較し両者が一致するように前記温度制御素子により前記多波長光源の温度を制御し、その後に、各検査光の検出値のうちの他の検出値と予め設定した他の設定値とを比較し両者が一致するように前記電気変調信号発生回路から発生する電気変調信号の周波数を制御して、前記多波長光源から発生する複数のチャンネル光の波長および波長間隔が所望の値となるように制御する波長制御回路とを備えていることを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記多波長光変調器は、モノリシック集積されていることを特徴とする。

本発明により小型で低コストな多チャンネル光送信装置を作製でき、波長制御についても大幅に簡略化することができる。

次に本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は本発明の最良の形態の基本的な構成を示している。本装置は電気変調信号発生回路１０と、温度制御素子２１をもつ多波長光源２０と、ＰＤ３４，３５を備えた多波長光変調器３０と、波長制御回路４０からなる。

多波長光源２０からは、チャンネル数分の波長の異なる光（チャンネル光）の他に、チャンネル光の波長以外の波長を持つ２つの波長の異なる光（検査光）が出力される。
つまり多波長光源２０は、波長の異なる複数の光からなる多波長光を発生し、この多波長光は、波長の異なる複数のチャンネル光（信号光）と、このチャンネル光の波長とは異なる波長となっている２つの波長の異なる検査光を含んでいる。

多波長光変調器３０では、光分波器３１の後ろに、各チャンネルに対応した複数（チャンネル数分）の光変調器３２と、２つのＰＤ３４，３５が配置される。ここで、光分波器３１はすでに多波長光変調器３０で用いていたものを兼用でき、２つのＰＤ３４，３５以外には追加で必要となる光部品はない。また多波長光変調器３０をモノリシック集積で作製すれば、チップ数およびモジュール数も全く増加しないため小型化、低コスト化が可能となる。
なお、各光変調器３２にて変調を受けた各チャンネル光は、光合波器３３にて合波されて出力ポートから出力される。

前にも述べたように、多波長光送信装置では各チャンネルの光の波長を安定化することが必要である。一方、モードロック機構を用いた多波長光源では、波長間隔は電気変調信号の周波数によって決まるため、波長間隔については電気変調信号を制御することで安定化できる。また一般的に半導体レーザの場合には、温度によって波長が変化するため絶対波長は温度を制御することで安定化できる。このような多波長光源では所望のチャンネル数だけ離れた２チャンネルの波長変動をそれぞれ検知して、電気変調信号と温度を制御することで、２チャンネル間のチャンネル光の波長間隔と絶対波長を一意に決定することができる。

例えば、図２に示すように２つのモニタするチャンネルの波長が長波長側にずれた場合を考える（図2（ａ）参照）。まず、短波長側のチャンネルの波長を温度制御することで所望の波長に一致させる（図2（ｂ）参照）。このとき、波長間隔が所望値と一致していれば長波長側のチャンネルも所望の波長に一致するが、一致していなければ波長ずれが生じるため電気変調信号を調整する（図2（ｃ）参照）。これを繰り返して２チャンネルの波長がともに所望値と一致すれば、波長間隔は一定であるため２チャンネル間にある他のチャンネルの波長も同時に調整される。

実際には波長自体を検知することは困難なので光分波器３１をフィルタとして用いて波長変動を強度変動に変換する。この際、２つのＰＤ３４，３５に導かれる分波器ポートの透過中心波長を、図３（ａ）（ｂ）に示すように、少しずらしておくと波長に対して短波長側のチャンネル(1) では単調減少、長波長側のチャンネル(2) では単調増加となり制御が容易になる。

これらの制御はＬＳＩなどで作製された波長制御回路４０を用いて行うことができる。つまり、多波長光源２０から出力される多波長光の波長間隔は、電気変調信号の周波数が高くなると広くなり、多波長光の波長（絶対波長）は多波長光源２０の温度が高くなると長くなるので、ＰＤ３４，３５の検出値を基に、電気変調信号発生回路１０から発生する電気変調信号の周波数と、温度制御素子２１にコントロールする多波長光源２０の温度を、波長制御回路４０により制御するのである。

以上のように本発明により容易に多チャンネル光の波長を安定化することができ、小型、低コストな多チャンネル光送信装置が実現できる。

以下に本発明の実施例について、図４を用いて述べる。
本実施例に係る多チャンネル光送信装置１００は、電気変調信号発生回路１１０と、温度制御素子１２４を備えた多波長光源１２０と、多波長光変調器１３０と、波長制御回路１４０を主要部材として構成されている。

多波長光源１２０は、ＩｎＰ基板上に作製された活性領域１２１、変調領域１２２、ブラック反射（ＤＢＲ）領域１２３からなる。活性領域１２１には電流を注入し、変調領域１２２にはチャンネル間隔（波長間隔）に対応した周波数となっている正弦波の電気変調信号Ｓを電気変調信号発生回路１１０から印加する。また基板下には温度制御素子１２４を備える。発生した光はレンズ１２５を介して出射される。

この多波長光源１２０は、電気変調信号発生回路１１０から電気変調信号Ｓが印加されると、波長の異なる複数のチャンネル光の他にこのチャンネル光の波長とは異なる波長となっている２つの波長の異なる検査光を含む多波長光を発生する。このとき発生する多波長光の波長間隔は印加される電気変調信号Ｓの周波数によって変化し、且つ、発生する多波長光の波長（絶対波長）は多波長光源１２０の温度によって変化する。

多波長光変調器１３０は、ＩｎＰ基板上に光分波器（ＡＷＧ）１３１、チャンネル数分の光変調器（ＥＡＭ）１３２、２つのＰＤ１３３，１４４、光合波器（ＡＷＧ）１３５と接続導波路１３６から構成されている。光分波器１３１、光合波器１３５ではチャンネル間隔に対応した光が出力されるように設計されている。またチャンネル光に対応するポートは光変調器１３２にそれぞれ接続されている。また光分波器１３１ではチャンネル光に対応したポートの外側に２つのＰＤ１３３，１３４を接続するポートをもち、チャンネル間隔はチャンネル光の間隔の１．２倍に設定されている。

多波長光源１２０から送出された光（多波長光）は、光ファイバ１０１及びレンズ１０２を介して、多波長光変調器１３０に入力される。また、多波長光変調器１３０にて変調された光は、レンズ１０３及び光ファイバ１０４を介して、送出される。

ＰＤ１３３，１３４にて検出した検出値は、波長制御回路１４０に送られる。波長制御回路１４０は、ＰＤ１３３，１３４の検出値に応じて、温度制御素子１２４の温度並びに電気変調信号発生回路１１０で発生する電気変調信号Ｓの周波数を制御する。波長制御回路１４０による制御の詳細は後述する。

多波長光源１２０から出た光（多波長光）は光分波器１３１で各波長に対応したポートに分波され、チャンネル光は光変調器１３２で変調信号に変換された後に光合波器１３５で一つのポートに合波されて出力される。

このときＰＤ１３３，１３４に接続されたポートにも多波長光源１２０からの光（検査光）が導波される。このＰＤ１３３，１３４の出力をモニタして波長制御回路１４０を用いて多波長光源１２０の温度制御素子１２４と、電気変調信号発生回路１１０にフィードバックすることで各チャンネルの波長を安定化することができる。つまり、温度制御素子１２４の温度を制御して多波長光源１２０の温度を調整することにより、多波長光の波長を制御することができ、また、電気変調信号発生回路１１０から出力される電気変調信号Ｓの周波数を制御することにより、多波長光の波長間隔を制御することができる。

ここで、波長制御回路１４０による、実際の波長制御について、図５のフローチャートを参照しつつ以下に述べる。

まず、実際に動作させる前に短波長側、長波長側の設定値を決めなければならない。
比較する設定値は、短波長側、長波長側ともにその波長が予め決めた波長に一致した場合に、ＰＤ１３３，１３４に入射される波長、強度の光を入射して、モニタ値を測定して決定する。ここでは入射光強度が０ｄＢｍで、ＰＤ１３３，１３４までの素子損失が７ｄＢ、モニタ値が単調増加（減少）するように光分波器１３１の透過中心波長からずらしたことによる損失が３ｄＢであり、ＰＤ１３３，１３４の受光感度が０．８Ａ／Ｗだったことから設定値は短波長側、長波長側ともに８０μＡとなった。

また波長間隔が１００ＧＨｚ程度の光分波器１３１で透過中心波長からずらしたことによる損失が３ｄＢ程度の場合、波長ずれに対する強度変動は０．２ｄＢ／ＧＨｚである。したがって波長ずれを±１ＧＨｚまで許容する場合、光出力変動を±５％程度以内、モニタ値として４μＡ程度以内に設定すればよい。

波長制御回路１４０による制御動作を開始すると、まず短波長側のＰＤ１３３のモニタ値を検出する（図５のステップ１）。

短波長側モニタ値＞短波長側設定値の場合には（ステップ２）、現在の波長が短波長側にシフトしていることを示しているため、温度を上げて長波長側へシフトさせる必要がある。ここでは、モニタ値と設定値の差が４μＡであり波長として１ＧＨｚずれていた。このＬＤの温度に対する波長変動量は１２．５ＧＨｚ／°Ｃなので０．０８°Ｃだけ上昇させればよい。これを補正値として温度制御素子１２４に出力し、温度を変動させる（ステップ３）。このあとはモニタ値と設定値が一致もしくは差が１μＡ以下になるまで制御を繰り返す。

短波長側モニタ値＜短波長側設定値の場合には、温度のシフト方向が逆になるだけで基本的には上記と同じ方法で制御する。

次に長波長側のＰＤ１３４のモニタ値を検出する（ステップ４）。

長波長側モニタ値＞長波長側設定値の場合には（ステップ５）、現在の波長が長波長側にシフトしていて波長間隔が設定値よりも広くなっていることを示しているため、電気信号の変調周波数を狭くする必要がある。

ここでは，モニタ値との差が８μＡであり波長ずれは５ＧＨｚであった。ここでチャンネル数は８なので波長間隔としては０．６２５ＧＨｚのずれとなる。したがって電気変調信号発生回路１１０にこの補正値を出力して、変調周波数を狭くする（ステップ６）。このあとはモニタ値と設定値が一致もしくは差が１μＡ以下となるまで制御を繰り返す。

長波長側モニタ値＜長波長側設定値の場合には、変調周波数の変動方向が逆になるだけで基本的には上記と同じ方法で制御する。

なお上記例では、短波長側のＰＤ１３３のモニタ値（検出値）を基に温度制御をして多波長光の絶対波長の調整をし、その後に、長波長側のＰＤ１３４のモニタ値（検出値）を基に電気変調信号Ｓの周波数制御をして多波長光の波長間隔の調整をしたが、これに限らず、長波長側のＰＤ１３４のモニタ値（検出値）を基に温度制御をして多波長光の絶対波長の調整をし、その後に、短波長側のＰＤ１３３のモニタ値（検出値）を基に電気変調信号Ｓの周波数制御をして多波長光の波長間隔の調整をするようにしてもよい。

また、ここでは多波長光源として、アクティブモードロック機構を用いたもので説明したが、電気変調信号を用いないパッシブモードロック機構を利用したものでも代用できる。この場合には共振器長を厳密に制御してチャンネル間隔を不変とするか、位相調整領域または外部共振器構造を用いてチャンネル間隔を制御する機構を設ければ同様に波長制御が可能となる。

構成部品を削減して小型・低コストな多チャンネル光送信装置を実現するのに利用可能である。

本発明の最良の形態を示す構成図。 波長の安定化手法を示す説明図。 光分波器による波長−光強度変換特性を示す特性図。 本発明の実施例に係る多チャンネル光送信装置を示す構成図。 実施例の動作を示すフロー図。 従来の多チャンネル光送信装置を示す構成図。

符号の説明

１０，１１０ 電気変調信号発生回路
２０，１２０ 多波長光源
３０，１３０ 多波長光変調器
４０，１４０ 波長制御回路
２１，１２４ 温度制御素子
３４，３５，１３３，１３４ ＰＤ
Ｓ 電気変調信号

Claims (3)

1. モードロック機構によって、波長の異なる複数のチャンネル光の他にこのチャンネル光の波長とは異なる波長となっている２以上の波長の異なる検査光を含む多波長光を発生すると共に、発生する多波長光の波長が温度によって変化する多波長光源と、
   前記多波長光源から発生する多波長光の波長間隔を制御する波長間隔制御手段と、
   前記多波長光源の温度を制御する温度制御素子と、
   前記多波長光源から出力された多波長光を波長に応じて分波する光分波器と、この光分波器により分波されたチャンネル光をそれぞれ個別に変調する複数の光変調器と、この光変調器にて変調されたチャンネル光を合波して出力する光合波器と、前記光分波器にて分波された各検査光の光強度をそれぞれ個別に検出する光強度検出器とを備えた多波長光変調器と、
   前記光強度検出器にて検出した各検査光の検出値のうちの一の検出値と予め設定した一の設定値とを比較し両者が一致するように前記温度制御素子により前記多波長光源の温度を制御し、その後に、各検査光の検出値のうちの他の検出値と予め設定した他の設定値とを比較し両者が一致するように前記波長間隔制御手段により前記多波長光源から発生する多波長光の波長間隔を制御して、前記多波長光源から発生する複数のチャンネル光の波長および波長間隔が所望の値となるように制御する波長制御回路とを備えていることを特徴とする多チャンネル光送信装置。
2. 電気変調信号を発生する電気変調信号発生回路と、
   前記電気変調信号が印加されると、モードロック機構によって、波長の異なる複数のチャンネル光の他にこのチャンネル光の波長とは異なる波長となっている２以上の波長の異なる検査光を含む多波長光を発生すると共に、発生する多波長光の波長間隔が前記電気変調信号の周波数によって変化し、且つ、発生する多波長光の波長が温度によって変化する多波長光源と、
   前記多波長光源の温度を制御する温度制御素子と、
   前記多波長光源から出力された多波長光を波長に応じて分波する光分波器と、この光分波器により分波されたチャンネル光をそれぞれ個別に変調する複数の光変調器と、この光変調器にて変調されたチャンネル光を合波して出力する光合波器と、前記光分波器にて分波された各検査光の光強度をそれぞれ個別に検出するフォトダイオードとを備えた多波長光変調器と、
   前記フォトダイオードにて検出した各検査光の検出値のうちの一の検出値と予め設定した一の設定値とを比較し両者が一致するように前記温度制御素子により前記多波長光源の温度を制御し、その後に、各検査光の検出値のうちの他の検出値と予め設定した他の設定値とを比較し両者が一致するように前記電気変調信号発生回路から発生する電気変調信号の周波数を制御して、前記多波長光源から発生する複数のチャンネル光の波長および波長間隔が所望の値となるように制御する波長制御回路とを備えていることを特徴とする多チャンネル光送信装置。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記多波長光変調器は、モノリシック集積されていることを特徴とする多チャンネル光送信装置。

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