(57)【要約】【課題】強度変調器を用いず、光送信器内の光電気回路構成を簡略化し、かつ、半導体レーザから出力される光信号の光強度を減ずることのない波長安定化装置を提供すること。【解決手段】データ信号により直接変調されることにより所定波長の変調光を出力する半導体レーザと、波長設定信号を出力して半導体レーザの波長を制御する波長制御部と、正弦波信号を発生する正弦波信号源と、波長設定信号と正弦波信号とを加算し、加算した信号を半導体レーザに印加する加算器と、半導体レーザから出力された光信号を波長に応じた透過率で透過する光フィルタと、光フィルタを透過した光信号を電気信号に変換する光電気変換器と、光電気変換器より出力される電気信号から正弦波信号を抽出し、抽出された周期信号に基づく制御信号を波長制御部に送る制御信号検出部とを備えたことを特徴とする。【選択図】図１
2007158251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともデータ信号により直接変調して所定波長の変調された光信号を出力する半導体レーザと、
入力される制御信号に応じて波長設定信号を出力して前記半導体レーザの波長を制御する波長制御部と、
所定の周波数の正弦波信号を発生する正弦波信号源と、
前記波長設定信号と前記正弦波信号とを加算し、当該加算した信号を前記半導体レーザに出力する加算器と、
前記半導体レーザから出力された光信号を波長に応じた透過率で透過する光フィルタと、
前記光フィルタを透過した光信号を電気信号に変換する光電気変換器と、
前記光電気変換器より出力される電気信号から前記正弦波信号と同じ周波数を有する周期信号を抽出し、当該抽出された周期信号に基づく前記制御信号を前記波長制御部に出力する制御信号検出部であって、前記周期信号を抽出するバンドパスフィルタと、前記抽出された正弦波信号と前記正弦波信号と同じ周波数を有する第２の正弦波信号を乗算し、当該乗算した信号を出力する掛け算器と、前記掛け算器から出力される乗算した信号から制御信号として直流成分を抽出するローパスフィルタとを含む前記制御信号検出部と
を備えたことを特徴とする波長安定化装置。
【請求項２】
請求項１に記載の波長安定化装置であって、
前記正弦波信号源からの正弦波信号は、前記正弦波信号から前記掛け算器へと直接入力されることを特徴とする波長安定化装置。
【請求項３】
請求項１に記載の波長安定化装置であって、
前記正弦波信号を分周して、当該正弦波信号を分周した周波数を有する第３の正弦波信号を出力する分周器と、
前記第３の正弦波信号と前記データ信号とを加算して、当該加算された信号を前記半導体レーザに出力する第２の加算器とをさらに備え、
前記制御信号検出部は、
前記第３の正弦波信号を抽出する第２のバンドパスフィルタと、
前記第２のバンドパスフィルタにて抽出されただい３の正弦波信号を逓倍して、前記正弦波信号と同じ周波数を有する第４の正弦波信号を出力する逓倍器とを有し、
前記第４の正弦波信号は、前記正弦波信号源からの正弦波信号であることを特徴とする波長安定化装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の波長安定化装置において、前記波長制御部は、前記波長設定信号により前記半導体レーザの波長を制御して前記半導体レーザから出力される光信号の波長を前記光フィルタの透過中心波長に一致させることを特徴とする波長安定化装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の波長安定化装置において、前記波長制御部は、前記半導体レーザを直接変調して得られた変調光の光スペクトルにおける強度のピークを、前記光フィルタの透過中心波長に対して低周波側に設定されるよう、波長設定信号にオフセットを掛けることを特徴とする波長安定化装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の波長安定化装置において、前記波長制御部は、波長安定化装置に許容される波長ずれが高周波側と低周波側とで対称になるよう、前記半導体レーザを直接変調して得られた変調光の光スペクトルにおける強度のピークに対して波長設定信号にオフセットを掛けることを特徴とする波長安定化装置。
【請求項７】
少なくともデータ信号により半導体レーザを直接変調して所定波長の変調された光信号を出力する変調光出力ステップと、
前記半導体レーザから出力された光信号を波長に応じた透過率で光フィルタに透過させる透過ステップと、
前記光フィルタを透過した光信号を電気信号に変換する変換ステップと、
前記変換ステップにおいて出力された電気信号から所定の周波数の正弦波信号と同じ周波数を有する周期信号を抽出し、当該抽出された周期信号に基づく制御信号を出力する制御信号検出ステップであって、前記周期信号を抽出する第１の抽出ステップと、前記抽出された周期信号と前記正弦波信号と同じ周波数を有する第２の正弦波信号とを乗算する乗算ステップと、前記乗算された信号から制御信号として直流成分を抽出する第２の抽出ステップとを含む制御信号検出ステップと
前記制御信号に応じて波長設定信号を出力する波長設定信号出力ステップと、
前記波長設定信号と前記正弦波信号とを加算し、当該加算した信号を前記半導体レーザに出力する加算ステップと
を有することを特徴とする波長安定化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長安定化装置及び波長安定化方法に関し、より詳細には、波長多重信号の波長を安定化させる波長安定化装置及び波長安定化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットをはじめとするデータ通信トラフィックの増大により、大容量な通信システムの構築が進んでいる。そのような中、波長多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）技術の導入も盛んになされている。このＷＤＭ技術は、単なる伝送容量の拡大だけでなく、波長ごとに異なったサービスや利用者を割り当てることができる、多チャンネルのブロードバンドネットワークを柔軟に構築することにも寄与し得る。
【０００３】
ＷＤＭ技術において利用できる波長数は、使用される波長合分波器などの光デバイスの帯域により制限される。したがって、波長数を増やすためには、波長間隔の高密度化が求められる。そこで鍵となるのが、信号波長を安定化させる技術である。従来、信号波長を安定させるために、光源ごとに波長ロッカを取り付ける手法が用いられてきた。その一例として、特許文献１を挙げることができる。しかしながら、波長ロッカは、光フィルタをはじめとする高価な光部品を多数必要とするため、送信部のコストが大幅に上昇するという課題があった。
【０００４】
図６に、波長ロッカを用いない従来技術の一例として、特許文献２に開示されている波長安定化装置を示す。この波長安定化装置は、送信器６０１−１〜６０１−Ｎ、波長合波器６０２及び光電気変換器６０３を備えている。これら各送信器６０１−１〜６０１−Ｎは、波長合波器６０２にそれぞれ接続されており、各送信器６０１−１〜６０１−Ｎから出射された光信号が波長合波器６０２によって合波される。この波長合波器６０２は光電気変換器６０３にも接続されており、波長多重された光信号の一部は光電気変換器６０３に入力され、光電気変換器６０３によって電気信号に変換される。また、光電気変換器６０３と各送信器６０１−１〜６０１−Ｎとは、光電気変換器６０３から送信された電気信号を各送信器６０１−１〜６０１−Ｎが受信することができるように接続されている。
【０００５】
各送信器６０１−１〜６０１−Ｎは、半導体レーザ６０４、制御信号検出部６０５、波長制御部６０９、正弦波信号源６１０、極性反転器６１１、強度変調器６１２、加算器６１３及び電流源６１４を有している。
【０００６】
所定波長の連続光を出力する半導体レーザ６０４は、波長制御部６０９、電流部６１４及び強度変調器６１２に接続されている。波長制御部６０９は、制御信号検出部６０５から入力される制御信号に基づく波長設定信号を出力して半導体レーザ６０４から出力される光信号波長を制御し、電流源６１４は、正弦波信号源６１０から出力される正弦波信号と所定のバイアス値とを重畳した電流を半導体レーザ６０４に供給する。正弦波信号源６１０は、電流源６１４、制御信号検出部６０５及び極性反転器６１１に接続され、それぞれに周波数ｆ１の正弦波信号を出力する。極性反転器６１１は、加算器６１３に接続され、正弦波信号源６１０から出力された正弦波信号の極性を反転し、その極性反転した信号を加算器６１３に出力する。加算器６１３は、強度変調器６１２に接続され、極性反転器６１１で極性反転された正弦波信号とデータ信号とを加算し、強度変調器６１２に加算した信号を出力する。強度変調器６１２は、加算器６１３から出力される信号に基づき、半導体レーザ６０４から出力される連続光を強度変調する。この強度変調を行う際、半導体レーザ６０４と強度変調器６１２とのそれぞれにおける正弦波信号の強度変調成分を一致させる。
【０００７】
半導体レーザ６０４として、分布帰還型レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ：Distributed Feedback Laser-Diode）や、分布ブラッグ反射型レーザ（ＤＢＲ−ＬＤ：Distributed Bragg Reflector Laser-Diode)を用いることができる。ＤＦＢ−ＬＤ、ＤＢＲ−ＬＤの出力波長は、それぞれ、温度、注入電流により設定される。ＤＦＢ−ＬＤの場合、波長設定信号は、温度制御に用いる素子に依存する。例えば、温度制御用素子としてペルチェ素子を用いた場合、信号電圧が波長設定信号となる。ＤＢＲ−ＬＤの場合、信号電流が波長設定信号となる。送信器６０１−２〜６０１−Ｎは、送信器６０１−１と基本的に同様の構成・機能を有するが、正弦波信号源６１０から出力される正弦波信号は、各送信器６０１−１〜６０１−Ｎに割り当てられた固有の周波数とする。よってこれら送信器６０１−１〜６０１−Ｎは、互いに異なる波長の光信号を出力する。
【０００８】
波長合波器６０２は、各送信器６０１−１〜６０１−Ｎに接続され、送信器６０１−１〜６０１−Ｎから出力された光信号を波長多重し、ＷＤＭ信号を生成して出力する。この波長合波器６０２としては、例えば、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating)や、ファイバーグレーティングなどを用いることができる。光電気変換器６０３は、波長合波器６０２から出力されるＷＤＭ信号の一部が入力するように波長合波器６０２に接続され、ＷＤＭ信号を電気信号に変換する。この光電気変換器６０３は、送信器６０１−１〜６０１−Ｎの各制御信号検出部６０５とそれぞれ接続され、各制御信号検出部６０５にＷＤＭ信号を出力する。制御信号検出部６０５は、光電気変換器６０３より出力された電気信号から前述の正弦波信号を検出し、その正弦波信号と正弦波信号源６１０から入力される正弦波信号とから制御信号を生成してその制御信号を波長制御部６０９に出力する。
【０００９】
ここで、特許文献２において開示されている従来の波長安定化装置の基本原理について説明する。図７に、波長合波器の透過特性を表す曲線とその１階微分成分を示す。図７（ａ）に示すような透過特性を有する波長合波器６０２を光信号が透過する場合を考える。この光信号の波長がλ０を中心として周波数ｆの正弦波で変調されているとき、すなわち、波長の時間変化が、
【００１０】
【数１】
2007158251.tif 000003
【００１１】
で表されるとき、波長合波器６０２の透過中心波長λｃと光信号の中心波長λ０がずれていれば、光信号の波長変化が強度変化に変換される。これは、以下のように説明できる。波長合波器６０２の透過特性Ｔは、波長λ０を中心として、次式のように展開できる。
【００１２】
【数２】
2007158251.tif 000004
【００１３】
よって、波長合波器６０２に入力される前の光信号パワーＰｉｎに対し、波長合波器６０２を透過した後の光信号パワーＰｏｕｔは、次式により求められる。
【００１４】
【数３】
2007158251.tif 000005
【００１５】
式（３）の第２項は、波長合波器６０２透過後の光信号に波長変化と同じ周波数ｆの強度変調成分が存在し、その振幅が波長合波器６０２の透過率Ｔの１階微分に比例することを示している。
【００１６】
図７（ａ）に示した特性を持つ波長合波器６０２の透過率の１階微分成分を図７（ｂ）に示す。波長合波器６０２の透過特性が透過中心波長λｃに対して対称な場合、透過中心波長λｃにおいて透過率の１階微分成分は０となる。したがって、予め光信号の波長を正弦波で変調しておき、波長合波器６０２透過後にこの正弦波と同じ周波数の強度変調成分を検出し、この振幅が０となるように光信号の中心波長λ０を制御すれば、光信号の中心波長λ０と波長合波器の透過中心波長λｃとを一致させることができる。
【００１７】
次に、図８（ａ）〜（ｅ）に、従来の波長安定化装置における各機能ブロックにおける信号形態を示す。また図９（ａ）に、従来の波長安定化装置における半導体レーザ６０４から出力される光信号波長の時間変化を示し、図９（ｂ）に、強度変調器から出力される光信号波長の時間変化を示す。正弦波信号源６１０から出力される信号の信号波形が図８（ａ）で表されるとき、半導体レーザ６０４の出力光は、図８（ｂ）のように強度変調される。それと同時に半導体レーザ６０４の出力波長も変調され、その波長の時間変化は図９（ａ）のようになる。ただし以下では、半導体レーザへ注入される電流量の増加に伴い波長が長波長側に変化し、かつ強度変調成分と波長の変調成分との間には位相差がないものと仮定する。
【００１８】
一方、極性反転器６１１から出力される信号の波形は図８（ｃ）に示すように図８（ａ）の波形を反転したものとなり、加算器６１３において図８（ｄ）に示す本来伝送すべきデータ信号と多重され、強度変調器６１２に入力される。強度変調器６１２がこの多重された信号に基づき半導体レーザ６０４からの出力光を変調すると、正弦波信号による強度変調成分がキャンセルされ、図８（ｅ）に示すように、データ信号による強度変調成分のみが残る。一方、波長情報に関しては、強度変調器６１２では影響を受けないため、図９（ｂ）に示すように、半導体レーザ６０４で与えられた波長変化がそのまま残る。以上により、波長が正弦波で変調された光信号が得られる。
【００１９】
図７（ａ）に示す波長合波部６０２の透過特性において、送信器６０１−１〜６０１−Ｎから出力される光信号の中心波長λ０と波長合波器６０２の透過中心波長λｃとがずれた場合、正弦波信号と同じ周波数ｆ１を持ち、振幅が波長合波器６０２の透過率の１階微分に比例する強度変調成分（以下、透過率微分信号）が発生する。
【００２０】
送信器６０１−１〜６０１−Ｎ内に配置される制御信号検出部６０５は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）６０８、掛け算器６０７及びローパスフィルタ（ＬＰＦ）６０６を有している。ＢＰＦ６０８は、波長合波器６０２を透過した光信号から光電気変換器６０３によって変換された電気信号中の周波数ｆ１の透過率微分信号を抽出する。掛け算器６０７は、抽出された透過率微分信号に正弦波信号源６１０からの分岐信号を乗算する。ＬＰＦ６０６は、掛け算器６０７から出力された信号より直流成分を抽出する。この直流成分が制御信号として波長制御部６０９にフィードバックされる。ここで、透過率微分信号と、正弦波信号源６１０からの分岐信号がフェーズロックされ、同相で乗算されるものとする。このとき、光信号の中心波長λ０が、λ０＞λｃ，λ０＝λｃ，λ０＜λｃ、それぞれの場合について、透過率微分信号の符号は、マイナス，０，プラス、となる。制御信号検出部６０５で検出された透過率微分信号の振幅及び符号情報を制御信号として波長制御部６０９に送り、波長制御部６０９において透過率微分信号の振幅が０となるように半導体レーザ６０４の出力光の波長を制御することで、送信器６０１−１〜６０１−Ｎから出力される光信号の中心波長λ０を波長合波器６０２の透過中心波長λｃに一致させることができる。その際、波長の制御方向は、透過率微分信号の符号により決定する。
【００２１】
なお、特許文献２では、掛け算器６０７において乗算される正弦波信号として、光信号に重畳されたパイロット信号を利用した例が示されているが、ここでは、より簡単な手法として、光送信器６０１−１〜６０１−Ｎ内の正弦波信号源６１１の出力を用いる場合を示した。
【００２２】
【特許文献１】特開平１１−０３１８５９号明細書
【特許文献２】特開２００３−２５８３７３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
しかしながら、上記従来技術においては、半導体レーザ６０４の出力波長の正弦波変調を行うことによって生じる強度変調成分をキャンセルするため、強度変調器６１２を用いた複雑な光電気回路構成を必要とするという問題があった。また、データ信号のマーク側の光強度は、強度変調器６１２の損失を無視したとしても、上記強度変調成分の谷の位置に相当する光強度以下となり（図８（ｅ）を参照）、半導体レーザ６０４から出力される光信号の光強度が大幅に小さくなるという問題もあった。
【００２４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、光送信器内の光電気回路構成を簡略化し、かつ半導体レーザから出力される光信号の光強度の低下を抑えた波長安定化装置及び波長安定化方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、波長安定化装置において、少なくともデータ信号により直接変調して所定波長の変調された光信号を出力する半導体レーザと、入力される制御信号に応じて波長設定信号を出力して半導体レーザの波長を制御する波長制御部と、所定の周波数の正弦波信号を発生する正弦波信号源と、波長設定信号と正弦波信号とを加算し、加算した信号を半導体レーザに出力する加算器と、半導体レーザから出力された光信号を波長に応じた透過率で透過する光フィルタと、光フィルタを透過した光信号を電気信号に変換する光電気変換器と、光電気変換器より出力される電気信号から正弦波信号と同じ周波数を有する周期信号を抽出し、抽出された周期信号に基づく制御信号を波長制御部に出力する制御信号検出部であって、周期信号を抽出するバンドパスフィルタと、抽出された正弦波信号と正弦波信号と同じ周波数を有する第２の正弦波信号を乗算し、乗算した信号を出力する掛け算器と、掛け算器から出力される乗算した信号から制御信号として直流成分を抽出するローパスフィルタとを含む制御信号検出部とを備えたことを特徴とする。
【００２６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の波長安定化装置であって、正弦波信号源からの正弦波信号は、正弦波信号から掛け算器へと直接入力されることを特徴とする。
【００２７】
請求項３は、請求項１に記載の波長安定化装置であって、正弦波信号を分周して、正弦波信号を分周した周波数を有する第３の正弦波信号を出力する分周器と、第３の正弦波信号とデータ信号とを加算して、加算された信号を半導体レーザに出力する第２の加算器とをさらに備え、制御信号検出部は、第３の正弦波信号を抽出する第２のバンドパスフィルタと、第２のバンドパスフィルタにて抽出されただい３の正弦波信号を逓倍して、正弦波信号と同じ周波数を有する第４の正弦波信号を出力する逓倍器とを有し、第４の正弦波信号は、正弦波信号源からの正弦波信号であることを特徴とする。
【００２８】
請求項４は、請求項１乃至３のいずれかに記載の波長安定化装置において、波長制御部は、波長設定信号により半導体レーザの波長を制御して半導体レーザから出力される光信号の波長を光フィルタの透過中心波長に一致させることを特徴とする。
【００２９】
請求項５は、請求項１乃至４のいずれかに記載の波長安定化装置において、波長制御部は、半導体レーザを直接変調して得られた変調光の光スペクトルにおける強度のピークを、光フィルタの透過中心波長に対して低周波側に設定されるよう、波長設定信号にオフセットを掛けることを特徴とする。
【００３０】
請求項６は、請求項１乃至５のいずれかに記載の波長安定化装置において、波長安定化装置に許容される波長ずれが高周波側と低周波側とで対称になるよう、波長制御部は、半導体レーザを直接変調して得られた変調光の光スペクトルにおける強度のピークに対して、波長設定信号にオフセットを掛けることを特徴とする。
【００３１】
請求項７は、波長安定化方法であって、少なくともデータ信号により半導体レーザを直接変調して所定波長の変調された光信号を出力する変調光出力ステップと、半導体レーザから出力された光信号を波長に応じた透過率で光フィルタに透過させる透過ステップと、光フィルタを透過した光信号を電気信号に変換する変換ステップと、変換ステップにおいて出力された電気信号から所定の周波数の正弦波信号と同じ周波数を有する周期信号を抽出し、当該抽出された周期信号に基づく制御信号を出力する制御信号検出ステップであって、周期信号を抽出する第１の抽出ステップと、抽出された周期信号と正弦波信号と同じ周波数を有する第２の正弦波信号とを乗算する乗算ステップと、乗算された信号から制御信号として直流成分を抽出する第２の抽出ステップとを含む制御信号検出ステップと制御信号に応じて波長設定信号を出力する波長設定信号出力ステップと、波長設定信号と正弦波信号とを加算し、加算した信号を半導体レーザに出力する加算ステップとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、半導体レーザから出力される光信号を強度変調器によって強度変調させる必要がないため、光送信器内の光電気回路構成が簡略化され、かつ強度変調による光強度の低下を抑えた光信号を出力する光送信器を備えた波長安定化装置を提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
（実施形態１）
図１に、本発明の一実施形態に係る波長安定化装置の構成を示す。実施形態１の波長安定化装置は、送信器１０１−１〜１０１−Ｎ、波長合波器１０２、光電気変換器１０３を備えている。また、各送信器１０１−１〜１０１−Ｎは、半導体レーザ１０４、制御信号検出部１０５、波長制御部１０９、正弦波信号源１１０、加算器１１１を備えている。
【００３４】
例えば、図６に示した従来の波長安定化装置による半導体レーザ６０４の出力波長変化は、半導体レーザ６０４をバイアスされた正弦波信号により電流駆動し、出力光の強度変調を行うことによってもたらされる。それに対し、本発明の実施形態による半導体レーザ１０４の出力波長変化は、ペルチェ素子を用いて正弦波信号に基づく温度制御を行い、半導体レーザ１０４のディッサリングによりもたらされる点において異なる。すなわち、本発明の実施形態においては、図８（ｂ）のように出力光の強度変調を行うことなく波長変化させるため、データ信号による強度変調を半導体レーザ１０４に対して直接行うことができる。
【００３５】
本実施形態における半導体レーザ１０４として、直接変調可能な分布帰還型レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ：Distributed Feedback Laser-Diode）を用いることができる。ＤＦＢ−ＬＤの出力波長は、温度により設定される。半導体レーザ１０４は、波長制御部１０９から出力される波長設定信号と正弦波信号源１１０から出力される正弦波信号とを加算した信号によって変調させる。この波長設定信号と正弦波信号とが加算された信号は、温度制御に用いる素子に依存するので、例えば、温度制御用素子としてペルチェ素子（不図示）を用いた場合、波長設定信号と正弦波信号とが加算された信号は電圧により変化させることができる。この場合、半導体レーザ１０４は、バイアスされたデータ信号により電流駆動され、波長設定信号と正弦波信号とが加算された信号に基づくペルチェ素子による温度制御がなされることによって所定波長の変調光を出力する。
【００３６】
半導体レーザ１０４は、加算器１１１に接続されている。この加算器１１１は、波長設定信号を出力する波長制御部１０９と周波数ｆ１の正弦波信号を出力する正弦波信号源１１０とに接続され、両者が出力する信号を加算し、その加算した信号を半導体レーザ１０４に出力する。これにより半導体レーザ１０４の出力波長は、波長制御部１０９による制御の下、ディッサリングされる。また、加算器１１１に接続されている正弦波信号源１１０は、制御信号検出部１０５にも正弦波信号を出力するように接続されている。制御信号検出部１０５は、波長制御部１０９と光電気変換器１０３とも接続されており、この光電気変換器１０３から出力される電気信号と正弦波信号源１１０から出力される正弦波信号とに基づく制御信号を波長制御部１０９に出力するように接続されている。すなわち、波長制御部１０９は、制御信号検出部１０５から入力される制御信号にしたがって、半導体レーザ１０４から出力される光信号波長を制御する。
【００３７】
また、波長合波器１０２と光電気変換器１０３とは、波長合波器１０２で多重された光信号の一部が光電気変換器１０３に入力されるように接続されている。光電気変換器１０３と各送信器１０１−１〜１０１−Ｎの制御信号検出部１０５とはそれぞれ接続されており、多重された信号に基づく電気信号が光電気変換器１０３から各制御信号検出部１０５に出力される。
【００３８】
送信器１０１−２〜１０１−Ｎは、送信器１０１−１と同様の構成・機能を有し、これら送信器１０１−２〜１０１−Ｎは、互いに異なる波長の光信号を出力する。ここで、各送信器１０１−１〜１０１−Ｎの正弦波信号源１１０から出力される正弦波信号は、各送信器１０１−２〜１０１−Ｎに割り当てられた固有の周波数ｆ２〜ｆＮとする。波長合波器１０２は、送信器１０１−１〜１０１−Ｎに接続され、送信器１０１−１〜１０１−Ｎから出力された光信号を波長多重してＷＤＭ信号を出力する。波長合波器１０２とは、半導体レーザから出力された光信号を波長に応じた透過率で透過する光フィルタであって、波長合波器１０２として、例えば、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating)や、ファイバーグレーティングなどを用いることができる。光電気変換器１０３は、波長合波器１０２に接続されており、波長合波器１０２から出力されるＷＤＭ信号の一部を電気信号に変換する。この光電気変換器１０３は、各送信器１０１−１〜１０１−Ｎの制御信号検出部１０５に接続されており、各送信器１０１−１〜１０１−Ｎの制御信号検出部１０５は、光電気変換器１０３より出力された電気信号から周波数ｆ１〜ｆＮの正弦波信号をそれぞれ検出する。
【００３９】
送信器１０１−１内に配置される制御信号検出部１０５は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１０８、掛け算器１０７、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１０６を有している。ＢＰＦ１０８は、光電気変換器１０３において変換された電気信号から、周波数ｆ１の周期信号である透過率微分信号を抽出する。掛け算器１０７は、抽出された透過率微分信号に正弦波信号源１１０からの分岐信号を乗算する。ＬＰＦ１０６は、掛け算器１０７から出力された信号より直流成分を抽出する。この直流成分が制御信号として波長制御部にフィードバックされる。すなわち、電気信号と正弦波信号とに基づく制御信号は、上記電気信号から抽出された透過率微分信号と正弦波信号との乗算信号から抽出された直流成分である。ここで、透過率微分信号と、正弦波信号源１１０からの分岐信号がフェーズロックされ、同相で乗算されるものとする。このとき、半導体レーザ１０４から出力される光信号の中心波長λ０が、λ０＜λｃ，λ０＝λｃ，λ０＞λｃ、それぞれの場合について、透過率微分信号の符号は、ブラス，０，マイナス、となる。この制御信号検出部１０５で検出された透過率微分信号の振幅及び符号情報は制御信号として波長制御部１０９に送られる。波長制御部１０９は波長設定信号をペルチェ素子に出力し、そのペルチェ素子が波長設定信号に基づく温度制御を行うことにより、透過率微分信号の振幅が０となるように半導体レーザ１０４の出力光の波長を制御し、光信号の中心波長λ０を波長合波器１０２の透過中心波長λｃに一致させることができる。その際、単位電圧に対する波長の変化量を予め把握しておけば、検出された波長変化量に対応した波長制御を行える。また、波長の制御方向は、透過率微分信号の符号により決定する。ここでは、送信器１０１−１の制御信号検出部１０５について説明したが、送信器１０１−２〜１０１−Ｎの各制御信号検出部１０５も検出する電気信号の周波数以外は送信器１０１−１の制御信号検出部１０５と同じ構成である。
【００４０】
本発明による波長安定化装置によれば、強度変調器を用いず、直接変調により半導体レーザを駆動する構成とすることにより、送信器内の光電気回路を簡略化し、かつ半導体レーザ出力の光強度の低減を抑えることができる。
【００４１】
（実施形態２）
図２に、本発明の一実施形態に係る波長安定化装置の構成を示す。実施形態２の波長安定化装置は、制御信号検出部２１２を送信器２０１−１から受信器２０４−１に移動した構成となっている。半導体レーザ２０５は、加算器２０７、２０８に接続されている。加算器２０７は、波長制御部２０６と正弦波信号源２０９に接続され、波長制御部２０６から出力される制御信号と正弦波信号源２０９から出力される周波数ｆの正弦波信号とを加算し、半導体レーザ２０５に加算した信号を出力する。加算器２０８は、分周器２１０に接続され、分周器２１０から出力される波長ｆ′の正弦波信号と送信すべきデータ信号とを加算して半導体レーザ２０５に加算した信号を出力する。分周器２１０は、正弦波信号源２０９に接続されており、正弦波信号源２０９から出力される正弦波信号の周波数ｆを整数分の１の周波数ｆ′に分周する。この分周された周波数ｆ′の正弦波信号をデータ信号に加算して半導体レーザ２０５を直接変調する。これは、受信器２０４−１の制御信号検出部２１２において検出される透過率微分信号に乗算する正弦波信号、実施形態１において正弦波信号源１１０から制御信号検出部１０５に出力される正弦波信号に対応する信号を送信器２０１−１から受信器２０４−１にパイロット信号として送るためである。
【００４２】
波長合波器２０２は、送信器２０１−１〜２０１−Ｎに接続され、各送信器２０１−１〜２０１−Ｎから出力された光信号を波長多重してＷＤＭ信号を波長合波器２０２に接続された波長分波器２０３に出力する。波長分波器２０３は、受信器２０４−１〜２０４−Ｎに接続されおり、波長合波器２０２から出力されたＷＤＭ信号を分波して各受信器２０４−１〜２０４−Ｎの光電気変換器２１１に出力する。光電気変換器２１１は、制御信号検出部２１２に接続され、入力されたＷＤＭ信号を電気信号に変換して、その変換した電気信号を制御信号検出部２１２に出力する。
【００４３】
制御信号検出部２１２は、２つのバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２１３、２１４、逓倍器２１５、掛け算器２１６、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２１７から構成される。ＢＰＦ２１３，２１４は、光電気変換器２１１とそれぞれ接続され、光電気変換器２１１から出力された電気信号をそれぞれ入力される。ＢＰＦ２１３は、掛け算器２１６に接続されており、光電気変調器２１１において検出された電気信号から周波数ｆの透過率微分信号を抽出して掛け算器２１６に出力する。ＢＰＦ２１４は、逓倍器２１５に接続されており、光電気変換器２１１において検出された電気信号から周波数ｆ′のパイロット信号を抽出て逓倍器２１５に出力する。すなわち、ＢＰＦ２１３、２１４は、それぞれ周波数ｆ、ｆ′の電気信号が入力されるが、その電気信号からＢＰＦ２１３では周波数ｆの電気信号を抽出し、ＢＰＦ２１４では周波数ｆ′の電気信号を抽出する。
【００４４】
逓倍器２１５は、掛け算器２１６に接続されており、ＢＰＦ２１４から入力される周波数ｆ′のパイロット信号を逓倍し、透過率微分信号と同じ周波数ｆの正弦波信号に変換して掛け算器２１６に出力する。掛け算器２１６は、ＬＰＦ２１７に接続されており、ＢＰＦ２１３において抽出された透過率微分信号に逓倍器において周波数ｆに変換された正弦波信号を乗算し、その乗算した信号をＬＰＦ２１７に出力する。ＬＰＦ２１７は、掛け算器２１６から出力された信号より直流成分を抽出する。ＬＰＦ２１７は、波長制御部２０６に接続されており、この抽出された直流成分が制御信号として波長制御部２０６にフィードバックされるのは実施形態１と同様である。制御信号検出部２１２で検出された透過率微分信号の振幅及び符号情報を制御信号として波長制御部２０６に送り、波長制御部２０６において透過率微分信号の振幅が０となるように半導体レーザ２０５の出力光の波長を制御することで、送信器２０１−１〜２０１−Ｎから出力される光信号の中心波長λ０を波長分波器２０３の透過中心波長λｃに一致させることができる。なお、分周器２１０と逓倍器２１５とは逆であってもよい。また、実施形態１における波長合波器１０２の透過特性に対応するものは、波長合波器２０２と波長分波器２０３の全体の透過特性である。波長合波器２０２、波長分波器２０３として、例えば、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating)や、ファイバーグレーティングなどの光フィルタを用いることができるが、後述のように直接変調による光スペクトル広がりが大きいので、波長合波器２０２には光フィルタではなく光カプラを利用する方が望ましい。このように波長合波器２０２に光カプラを利用する場合、実施形態１において波長合波器１０２に対応する、透過率微分信号を発生するものは、実施形態２においては波長分波器２０３となる。
【００４５】
（実施形態３）
図３（ａ）に、５０ＧＨｚ間隔のＷＤＭ信号を合分波することのできるＡＷＧの透過特性の測定例を示し、図３（ｂ）に、断熱チャープの支配的なＤＦＢ−ＬＤを１．２５Ｇｂｐｓ（ＰＮ７段）のデータ信号により直接変調したときの光スペクトルを示す。図３では、ＤＦＢ−ＬＤを直接変調したときの光スペクトルの相対周波数０ＧＨｚを、光スペクトルにおける強度がピークとなるよう図示している。
【００４６】
図３（ａ）に示すＡＷＧの透過特性は、透過中心波長（図の相対周波数０ＧＨｚ）に対して左右対称であるのに対し、ＤＦＢ−ＬＤを直接変調したときの光スペクトルは左右非対称である。また、ＡＷＧの透過幅（３ｄＢ幅＝２７．５ＧＨｚ）に対して、光スペクトルは無視できないほど広がっている。最近の研究開発により、直接変調による光スペクトル広がりは抑えられてきてはいるが、５０ＧＨｚ間隔、１００ＧＨｚ間隔などの高密度ＷＤＭへの適用を考えると、その広がりは無視できない。
【００４７】
図４に、直接変調による光スペクトル広がり、及びその非対称性の影響を示す測定結果を示す。使用したＤＦＢ−ＬＤ、及びＡＷＧは、図３に示されるものと同一である。図４の横軸はＡＷＧの透過中心波長に対するＤＦＢ−ＬＤの周波数ずれを表し、縦軸はそれぞれ、相対光強度、及びパワーペナルティを表す。相対光強度は、ＤＦＢ−ＬＤの周波数がＡＷＧの透過中心波長に対して相対的にずれた場合に、ＡＷＧを通過した光信号の強度が周波数のずれに応じて変化する様子を表し、最大値を０ｄＢとして規格化している。また、パワーペナルティは、ＢＥＲ（bit error rate）＝１０-12の受信感度−３４．２ｄＢｍのＡＰＤ（avalanche photo diode）により受信したときの受信感度劣化を表す。直接変調による光スペクトル広がりが、ＡＷＧの透過幅に対して無視できるほど小さければ、相対光強度、パワーペナルティともほぼ０ｄＢの値を示す横軸の範囲がある程度存在するはずである。しかしながら、図４に示すように、そのような範囲はほとんど存在せず、相対光強度、パワーペナルティともにＤＦＢ−ＬＤの周波数ずれに対して敏感に減少あるいは劣化している。また、図３に示すように光スペクトルが左右非対称であるため、ＤＦＢ−ＬＤの周波数ずれに対して、相対光強度、パワーペナルティいずれの曲線も左右非対称に変化している。
【００４８】
図５に、相対光強度の減少、及びパワーペナルティの劣化により、光ファイバ伝送路に許容されるロスバジェットがどの程度減少するかを示す。点線ａは波長設定信号の位置、すなわち最適化された中心波長λ０の位置を表し、曲線ｂは半導体レーザに印加される信号を表す。相対光強度の減少、及びパワーペナルティの劣化は、ともにその分だけ光ファイバ伝送路に許容されるロスバジェットの減少を招くため、パワーペナルティと相対パワーの差をロスバジェットのペナルティと定義し、図５の縦軸にこのロスバジェットのペナルティをとる。図５に示すように、ロスバジェットのペナルティは、ＤＦＢ−ＬＤの周波数ずれに対して左右非対称に変化する。例えば、ロスバジェットのペナルティ３ｄＢを許容する設計を行った場合、波長安定化装置に許容される周波数ずれは、−８ＧＨｚ〜＋４．５ＧＨｚとなる。この場合、光スペクトルが左右対称であるか、もしくは、左右非対称であったとしても光スペクトルがＡＷＧの透過幅に対して無視しうる場合と同様に、変調光の光スペクトルにおける強度のピークがＡＷＧの透過中心波長λｃに一致するように制御を行うと、実質的に波長安定化装置に許容される波長ずれの大きさは、高周波側の波長ずれの大きさに制限され、効率的な波長安定化を行うことができない。図５の場合には、波長安定化装置に許容される波長ずれは、ＡＷＧの透過中心波長λｃに対して−１．７５ＧＨｚの位置に対して左右対称となる。そこで、波長制御部において波長設定信号の位置をＡＷＧの透過中心波長λｃから低周波側にオフセットしてＤＦＢ−ＬＤに印加することにより、許容される波長ずれの全領域を使用することができ、効率的な波長安定化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態に係る波長安定化装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る波長安定化装置の構成を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る１０ＧＨｚ間隔のＷＤＭ信号を合分波することのできるＡＷＧの透過特性の測定例と、ＤＦＢ−ＬＤを１．２５Ｇｂｐｓ（ＰＮ７段）のデータ信号により直接変調したときの光スペクトルを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る直接変調による光スペクトル広がり、及びその非対称性の影響を示す測定結果を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る相対光強度の減少、及びパワーペナルティの劣化により、光ファイバ伝送路に許容されるロスバジェットがどの程度減少するかを示す図である。
【図６】波長ロッカを用いない従来技術の一例として、特許文献２に開示されている波長安定化装置の構成を示す図である。
【図７】（ａ）は、従来の波長合波器の透過特性を表す曲線を示す図であり、（ｂ）は、その１階微分成分を示す図である。
【図８】（ａ）は、従来の波長安定化装置における正弦波信号源から出力される信号を示す図であり、（ｂ）は、従来の半導体レーザから出力される信号を示す図であり、（ｃ）は、従来の極性反転器から出力される信号を示す図であり、（ｄ）は、従来のデータ信号を示す図であり、（ｅ）は、強度変調器から出力される信号の信号形態を示す図である。
【図９】従来の波長安定化装置における（ａ）半導体レーザ６０４から出力される光信号波長の時間変化を示す図と、（ｂ）強度変調器から出力される光信号波長の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０１−１〜１０１−Ｎ、２０１−１〜２０１−Ｎ、６０１−１〜６０１−Ｎ  送信器
１０２、２０２、６０２  波長合波器
１０３、２１１、６０３  光電気変換器
１０４、２０５、６０４  半導体レーザ
１０５、６０５  制御信号検出部
１０６、２１７、６０６  ＬＰＦ
１０７、２１６、６０７  掛け算器
１０８、２１３、２１４、６０８  ＢＰＦ
１０９、２０６、６０９  波長制御部
１１０、２０９、６１０  正弦波信号源
１１１、２０７、２０８、６１３  加算器
２０３  波長分波器
２０４−１〜２０４−Ｎ  受信器
２１０  分周器
２１５  逓倍器
６１１  極性反転器
６１２  強度変調器
６１４  電流源
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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