(57)【要約】【課題】光ファイバやパッシブ部品を用いることなく、低い光パワーで良好な動作を行う光パワーリミッタ回路及び方法を提供する。【解決手段】半導体光増幅器２２には、信号処理系からの光信号２５とともに、プローブ光発生器２３からの光信号２５の波長とは異なる波長のプローブ光２６が入力される。プローブ光２６は、半導体光増幅器２２の光利得によって増幅されるが、光信号２５を増幅する誘導放出過程によりキャリア密度が減少するため、光信号２５が入力された時間のみプローブ光２６に対する利得が減少する。したがって、光信号２５とはローレベル・ハイレベルの強度が反転した信号がプローブ光２６の波長に変換されることになる。波長フィルタ２４は、半導体光増幅器２２から出力された光信号２７〜２９のうち、光信号２５に相当する光信号２８のみを選択的に取り出す。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長が互いに相違する第１及び第２の光信号をそれぞれ発生する第１の光信号発生手段と、
これら第１及び第２の光信号が入力され、相互利得変調特性を有する第１の半導体光増幅器と、
前記第１の半導体光増幅器から出力された光信号から前記第１の光信号のみを選択的に取り出す第１の光信号選択手段とを具えることを特徴とする光パワーリミッタ回路。
【請求項２】
前記第１の光信号の波長と異なる波長の第３の光信号を発生する第２の光信号発生手段と、
前記光信号選択手段から出力された前記第１の光信号が前記第３の光信号とともに入力され、相互利得変調特性を有する第２の半導体光増幅器と、
前記第２の半導体光増幅器から出力された光信号から前記第１の光信号のみを選択的に取り出す第２の光信号選択手段手段とを更に具えることを特徴とする請求項１記載の光パワーリミッタ回路。
【請求項３】
前記第１の光信号を、直線偏波された光信号としたことを特徴とする請求項１又は２記載の光パワーリミッタ回路。
【請求項４】
波長が互いに相違する第１及び第２の光信号をそれぞれ発生するステップと、
これら第１及び第２の光信号を相互利得変調特性を利用して光増幅するステップと、
光増幅された第１及び第２の光信号のうち第１の光信号のみを選択的に取り出すステップとを具えることを特徴とする光パワーリミッタ方法。
【請求項５】
前記第１の光信号の波長と異なる波長の第３の光信号を発生するステップと、
選択的に出力された第１の光信号と、前記第３の光信号とを相互利得変調特性を利用して光増幅するステップと、
光増幅された第１及び第３の光信号のうち第１の光信号のみを選択的に取り出すステップとを具えることを特徴とする請求項４記載の光パワーリミッタ方法。
【請求項６】
前記第１の光信号を、直線偏波された光信号とすることを特徴とする請求項４又は５記載の光パワーリミッタ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、様々な光パワーで入力された光信号を、同一の光パワーの光信号にして出力する光パワーリミッタ回路及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光パワーリミッタ回路としては、半導体光増幅器の利得飽和を利用したもの（例えば、非特許文献１参照）、光ファイバ中の４光波混合による強度抑制現象を用いたもの（例えば、非特許文献２参照）、非線形特性を有する方向性結合器を用いたもの（例えば、非特許文献３参照）、光ファイバ中の自己位相変調（ＳＰＭ）を用いたもの（例えば、非特許文献４参照）、及び非線形材料を用いるもの（例えば、非特許文献５参照）が提案されている。
【０００３】
半導体光増幅器の利得飽和を利用したものでは、図１Ａに示すように、半導体光増幅器１に高レベルの電流を注入し、光信号を増幅すると、誘導放出によるキャリア密度減少によって光利得が減少する利得飽和現象が生じる。その結果、入力光を増大させたとしても、出力信号の光パワーは線形的に増大せず、増加が抑制される。
【０００４】
光ファイバ中の４光波混合による強度抑制現象を用いたものでは、図１Ｂに示すように、信号発生器２から光信号（ポンプ光）を発生するとともに、その光信号とは異なる波長のアシスト光の信号をアシスト光発生器３で発生し、これらの信号をカプラで合成して、光導波路（光ファイバ）４中の非線形効果である４光波混合を発生させる。その後、狭帯域の波長フィルタ５からは光信号（ポンプ光）のみを出力する。その強度は、入力光強度がある一定値以上になると急に増大するため、逆に信号光のパワーを奪うことになるため、出力光パワーがリミットされる。
【０００５】
非線形特性を有する方向性結合器を用いたものでは、図１Ｃに示すように、２本の光導波路６，７を互いに近接させた方向性結合器８の光分岐特性に非線形性を持たせた構造を作製し、入力光の増加に対して一定値から急速に出力が変化する特性を実現したものである。
【０００６】
光ファイバ中の自己位相変調を用いたものでは、図１Ｄに示すように、増幅器９を通じて光導波路（光ファイバ）１０に高強度の光信号を入力すると、強度の強い時間で屈折率が変化するＳＰＭ現象が発生し、信号光波長が変化する。波長変化量は光強度が強くなるに従って大きくなるので、信号光強度が増加しても波長スペクトルが広がり、ピークパワーは増大しなくなる。したがって、狭帯域の波長フィルタ１１で出力信号の一部を切り出すと、光パワーが一定値に保持される。
【０００７】
非線形材料を用いるものでは、図１Ｅに示すように、ＣＳ２やポリマーのような非線形材料１２を用いて光パワーリミッタを実現している。
【非特許文献１】Kyo Ineue et al. “Suppression of Signal Fluctuation Induced by Crosstalk Light in a Gain Saturated Laser Diode Amplifier”, IEEE PHOTNICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 8, NO.3, MARCH 1996, pp.458 - 460 (Fig. 1)
【非特許文献２】A. Hirano et al. “All-optical limiter circuit based on four-wave mixing in optical fibers” ELECTRONICS LETTERS 9th July 1998 Vol.34 No.14(Fig. 1)
【非特許文献３】Byongin Ma et al. “Realization of All-Optical Wavelength Converter Based on Directionally Coupled Semiconductor Optical Amplifiers”, IEEE PHOTNICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 11, NO.2, FEBRUARY 1999, pp.188 - 190 (Fig. 1)
【非特許文献４】M. Matsumoto et al. “Analysis of 2R optical regenerator utilizing self-phase modulation in highly nonlinear fiber”, ELECTRONICS LETTERS 6th June 2002 Vol.38 No.12, pp 576 - 577 (Fig. 1)
【非特許文献５】M. J. Soileau, “Optical Power limiter with Picosecond Response Time”, IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. QE-19, NO. 4, APRIL 1983, pp.731 - 738 (Fig. 1)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、半導体光増幅器の利得飽和を利用した場合、小型の半導体光デバイスを使用できる利点があるものの、利得飽和現象が生じても、一般的には光出力の変動は少ない。すなわち、信号光１波のみを半導体光増幅器で増幅させるが、誘導放出による利得飽和現象では、キャリア密度の減少に要する時間だけ過渡応答が存在し、信号の立上がり部分は、利得飽和しない大きな利得の影響を受け、信号の立下り部分は、利得飽和による小さな利得の影響を受ける。したがって、理想的な光パワーリミッタを実現するのは困難である。
【０００９】
光ファイバ中の４光波混合による強度抑制現象を用いた場合及び光ファイバ中の自己位相変調を用いた場合、光ファイバを用いるためにｋｍオーダの長尺光ファイバが必要であり、かつ、数十ｍＷの大きなパワーを必要とする。
【００１０】
非線形特性を有する方向性結合器を用いた場合、方向性結合器がパッシブ光部品のために波長依存性が存在する。さらに、非線形材料を用いる場合、数Ｗから数百ｋＷの大きな光パワーを入力しないと動作しない。
【００１１】
本発明の目的は、光ファイバやパッシブ部品を用いることなく、低い光パワーで良好な動作を行う光パワーリミッタ回路及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明による光パワーリミッタ回路は、
波長が互いに相違する第１及び第２の光信号をそれぞれ発生する第１の光信号発生手段と、
これら第１及び第２の光信号が入力され、相互利得変調特性を有する第１の半導体光増幅器と、
前記第１の半導体光増幅器から出力された光信号から前記第１の光信号のみを選択的に取り出す第１の光信号選択手段とを具えることを特徴とする。
【００１３】
本発明による光パワーリミッタ方法は、
波長が互いに相違する第１及び第２の光信号をそれぞれ発生するステップと、
これら第１及び第２の光信号を相互利得変調特性を利用して光増幅するステップと、
光増幅された第１及び第２の光信号のうち第１の光信号のみを選択的に取り出すステップとを具えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、第１の半導体光増幅器の相互利得変調（ＸＧＭ）を利用する。第１の半導体光増幅器には、第１の光信号とともに、第１の光信号の波長とは異なる波長の第２の光信号が入力される。第２の光信号は、第１の半導体光増幅器の光利得によって増幅されるが、第１の光信号を増幅する誘導放出過程によりキャリア密度が減少するため、第１の光信号が入力された時間のみ第２の光信号に対する利得が減少する。
【００１５】
したがって、第１の光信号とはローレベル（０レベル）・ハイレベル（１レベル）の強度が反転した信号が第２の光信号の波長に変換されることになる。このような変換は、いわゆる波長変換であるが、本発明では第１の半導体光増幅器から出力された光信号のうち第１の光信号のみを選択的に取り出す。
【００１６】
相互利得変調の際には、第２の光信号の誘導放出によって予め第１の半導体光増幅器内のキャリア密度が減少し、利得飽和状態となっている。第１の光信号の入力によって利得飽和の度合いを更に強めるが、第１の光信号のみの増幅よりもキャリア密度の変化が小さいので、既に説明したような大きな過渡特性を抑制することができる。
【００１７】
また、第１の半導体光増幅器に入力される光信号の強度は、一つ（１波）の光信号の場合よりも二つ（２波）の光信号の場合の方が強く、誘導放出によるキャリア寿命の低減効果も大きい。その結果、光ファイバやパッシブ部品を用いることなく、良好な動作を行う光パワーリミッタ回路及び方法を実現することができる。なお、光パワーは数ｍＷ程度でよいため、従来に比べて光パワーが低くなる。
【００１８】
相互利得変調では、動作原理上、出力される光信号のローレベル（０レベル）・ハイレベル（１レベル）が入力される光信号の逆になる。しかしながら、波長が互いに相違する第１及び第３の光信号を発生し、これら第１及び第３の光信号を相互利得変調特性を利用して光増幅し、光増幅された第１及び第３の光信号のうち第１の光信号のみを選択的に取り出すことによって、光信号の反転を起こさずにすむ。また、全光信号処理の観点から、第１の光信号を、直線偏波された光信号にできると応用範囲の拡大が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明による光パワーリミッタ回路及び方法の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図２は、本発明による光パワーリミッタ回路の第１の実施の形態のブロック図及び信号波形の概略図である。図２Ａにおいて、光パワーリミッタ回路２１は、相互利得変調特性を有する半導体光増幅器２２と、プローブ光発生器２３と、波長フィルタ２４とを具える。
【００２０】
本実施の形態において、半導体光増幅器２２の相互利得変調（ＸＧＭ）を利用する。半導体光増幅器２２には、図示しない信号処理系で偏波制御された光信号２５とともに、プローブ光発生器２３からの（ＣＷ）プローブ光２６が入力される。プローブ光２６は、光信号２５とは波長が異なり、半導体光増幅器２２の光利得によって増幅されるが、光信号を増幅する誘導放出過程によりキャリア密度が減少するため、光信号２５が入力された時間のみプローブ光２６に対する利得が減少する（図２Ｂ）。
【００２１】
したがって、光信号２５とはローレベル（０レベル）・ハイレベル（１レベル）の強度が反転した信号がプローブ光２６の波長に変換されることになる。このような変換は、いわゆる波長変換であるが、本実施の形態では、波長フィルタ２４は、半導体光増幅器２２から出力された光信号２７（図２B）のうち、図示しない信号処理系で偏波制御された光信号２８（図２C）のみを選択的に取り出す。
【００２２】
相互利得変調の際には、プローブ光２６の誘導放出によって予め半導体光増幅器２２内のキャリア密度が減少し、利得飽和状態となっている。光信号２５の入力によって利得飽和の度合いを更に強めるが、光信号２５のみの増幅よりもキャリア密度の変化が小さいので、既に説明したような大きな過渡特性を抑制することができる。
【００２３】
また、半導体光増幅器２２に入力される光信号の強度は、一つ（１波）の光信号の場合よりも二つ（２波）の光信号の場合の方が強く、誘導放出によるキャリア寿命の低減効果も大きい。その結果、光ファイバやパッシブ部品を用いることなく、良好な動作を行う光パワーリミッタ回路及び方法を実現することができる。なお、光パワーは数ｍＷ程度でよいため、従来に比べて光パワーが低くなる。また、半導体光増幅器は、一般的には利得帯域が５０ｎｍ程度と比較的広く、その波長範囲で動作が可能である。
【００２４】
図３は、本発明による光パワーリミッタ回路の第２の実施の形態のブロック図である。図３において、光パワーリミッタ回路３１は、２個の光パワーリミッタ回路２１（図２）を組み合わせた構造を有し、相互利得変調特性を有する半導体光増幅器３２と、プローブ光発生器３３と、波長フィルタ３４と、相互利得変調特性を有する半導体光増幅器３５と、プローブ光発生器３６と、波長フィルタ３７とを具える。
【００２５】
相互利得変調では、動作原理上、出力される光信号のローレベル（０レベル）・ハイレベル（１レベル）が入力される光信号の逆になる。しかしながら、プローブ光発生器３６から、波長フィルタ３４から出力した光信号とは波長が異なるプローブ光を発生し、これらを半導体光増幅器３５によって相互利得変調特性を利用して光増幅し、図示しない信号処理系から半導体光増幅器３２に入力された光信号に相当する光信号のみを波長フィルタ３７によって選択的に取り出すことによって、光信号の反転を起こさずにすむ。
【００２６】
図４Ａは、１０１０１のデータ及び１１１００１のデータを有する光信号を偏波制御されたものの波形であり、光パワーリミッタ回路２１（図２）に入力される。図４Ｂは、波長フィルタ３４から出力された光信号の波形である。図４Ａに表す波形が入力光信号に対応し、図４Ｂに表す波形が出力光信号に対応し、パワー変動がリミットされている。
【００２７】
図５は、光信号を互いに直交する直線偏波に分離する偏波制御回路を示す図である。図５において、偏波制御回路４１は、偏波ビームスプリッタ４２と、２個のフォトダイオード４３，４４と、比較器４５と、２×２光スイッチ４６とを具える。
【００２８】
図５に示すような偏光面を有する光信号が偏波ビームスプリッタ４２に入力されると、この光信号は、互いに直交する直線偏波を有する二つの光信号に分離される。これら二つの光信号の光パワーは、フォトダイオード４３，４４によってそれぞれモニタされ、フォトダイオード４３，４４によって検出された光強度が比較器４５にそれぞれ入力される。比較器４５の比較結果は２×２光スイッチ４６に入力され、２×２光スイッチ４６は、比較器４５の比較結果に基づいて、偏波ビームスプリッタ４２によって分離された二つの光信号のうちの光パワーが強い方の光信号を光パワーリミッタ回路（図示せず）に出力する。
【００２９】
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
例えば、光パワーリミッタ回路に入力される光信号の偏波制御を、図５に示す偏波制御回路を用いて行う場合について説明したが、任意の偏波制御により光信号を偏波し、かかる光信号を光パワーリミッタ回路に入力することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来の種々の光パワーリミッタ回路のブロック図である。
【図２】本発明による光パワーリミッタ回路の第１の実施の形態のブロック図及び信号波形の概略図である。
【図３】本発明による光パワーリミッタ回路の第２の実施の形態のブロック図である。
【図４】図３の光パワーリミッタ回路に関連する信号波形を示す図である。
【図５】光信号を互いに直交する直線偏波に分離する偏波制御回路を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１，２２，３２，３５  半導体光増幅器
２  信号発生器
３  アシスト光発生器
４，６，７，１０  光導波路
５，１１，２４，３４，３７  波長フィルタ
８  方向性結合器
９  増幅器
１２  非線形材料
２１，３１  光パワーリミッタ回路
２３，３３，３６  プローブ光発生器
２５，２７，２８  光信号
２６  プローブ光
４１  偏波制御回路
４２  偏波ビームスプリッタ
４３，４４  フォトダイオード
４５  比較器
４６  ２×２光スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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