(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
安定な波長光を提供する光源であって、
複数の異なる周波数にて動作する複数のレーザから成る波長可変光信号源と、
第１のマルチモードカップラと、第２のマルチモードカップラと、該カップラ間の少なくとも３つの導波管光路とを含み、該第１のカップラが、該波長可変光信号源に光結合された入力を有し、該導波管光路が、それぞれ異なる光路長を提供し、及び該第２のカップラが、複数の出力を有するようなマルチパス  マッハ−ゼンダー干渉計と、
該出力の少なくとも２つに光結合された複数の光検出器であって、該干渉計の出力の数より少ない数を有し、該出力からの光電力を測定する光検出器と、
該光検出器に応答して、該複数のレーザの各々の波長を調整してその動作波長を安定化させるためのフィードバック回路とを含み、
該フィードバック回路は、該複数出力からの光学的電力の比を用いてフィードバック応答を求めるよう動作することを特徴とする光源。
【請求項２】
請求項１記載の光源において、前記第１のマルチモードカップラが、Ｎ×Ｎマルチモードカップラである光源。
【請求項３】
請求項１記載の光源において、該複数のレーザの各々が、各動作周波数にて可変になっている光源。
【請求項４】
ハイブリッドデバイスとして実行される請求項１記載の光源。
【請求項５】
シリカ導波基台上で実行される請求項４記載の光源。
【請求項６】
モノリシックデバイスとして実行される請求項１記載の光源。
【請求項７】
ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ導波基台上で実行される請求項６記載の光源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システム用安定波長光を提供する光源に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
光ファイバ通信システムは、膨大な情報量の早い伝送についての大きな潜在力を達成し始めている。本質上、光ファイバシステムは、光源と、光に情報を乗せる変調器と、光信号を運ぶ光ファイバ伝送線と、信号を検出し、信号が運ぶ情報を復調する受信機とからなる。光信号は、典型的に、シリカファイバ内の伝播に有利な波長内にあり、また、その範囲内の波長が異なる複数の波長チャンネルからなる波長分割多重（ＷＤＭ）信号が増えてきている。情報は、典型的に、パルス符号変調として信号チャンネルに乗せられている。
【０００３】
これらのシステムに用いられる光源では、波長安定性が重要である。企図されたシステムでは、レーザ源は、現場動作の２０年にわたって動作波長を精密に維持する必要がある。現在最良のレーザでさえ、投影された波長チャンネル間隔が要求する狭い波長許容誤差内で動作できることは疑わしい。したがって、波長安定性を高めた光源が必要である。
【０００４】
波長測定用マッハ＝ゼンダー導波路干渉計が提案されている。たとえば、M. Teshima et al.,“Multiwavelength simultaneous monitoring circuit employing wavelength crossover properties of arrayed waveguide grating", Electronics Letters, 31, pp.1595-97 (1995)を参照されたい。しかし、これらの装置では、比較的能率が悪く、大型で、光源に組み込むのが容易ではないという難しさがある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、波長が安定な光源は、少なくとも１つの可変波長光源と、可変波長光源から信号を受け取り、主出力と１つの以上の副出力を供給するマルチパス  マッハ＝ゼンダー干渉計（ＭＭＺＩ）と、出力に応じて可変波長光源を調整するフィードバック装置とからなる。主出力と１つ以上の副出力に接続された光検出器は、波長安定性を維持するためのフィードバック情報を供給する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の利点、性質および種々のさらなる特徴は、添付図面に関して詳細に説明される実施例の考察に基づいて、より十分に明らかになるだろう。
図１は、本発明の概念を示すことを目的とするものであり、本発明を限定することなく、明瞭化を図るためだけに、図示される構成要素の寸法が任意に選定されている。
【０００７】
図面を参照すると、図１は波長安定光源９を示す。波長安定光源９は、少なくとも１つの可変光源１０と、マルチパス  マッハ＝ゼンダー干渉計（ＭＭＺＩ）１１と、干渉計１１の出力を監視する複数の光検出器１２Ａ，１２Ｂと、可変光源１０の動作波長を調整するフィードバック回路１３からなる。マルチパス  マッハ＝ゼンダー干渉計は、一対のマルチモードカップラと、カップラ間の異なる光路長を有する複数（３つ以上）の導波路からなる。各マルチモードカップラは、入力を位相の異なる複数の出力に造る。これらの構成要素は全て、好適には、シリカ被覆されたシリコン基板等のシリカ導波路基台上または内に備えられる。
【０００８】
可変波長光源１０は、好適には、波長可変レーザ１０Ａ〜１０Ｄの配列である。各レーザは、少なくとも１つの異なる周波数（したがって、少なくとも１つの異なる波長チャンネル）の光出力を発生することができる。周波数ｆ1，ｆ2，．．．ｆ4は、好適には間隔が置かれ、望ましい間隔にされた異なる波長光通信チャンネルを提供する。
【０００９】
ＭＭＺＩ１１は、好適には、４つの光路長導波路アーム１６Ａ〜１６Ｄで結合された一対のマルチモード干渉カップラ（ＭＭＩカップラ）１４および１５からなる。ＭＭＩカップラは、好適には、シリカ導波路基台に形成された平たい厚板導波路デバイスであり、アーム１６Ａ，１６Ｂ，．．．には、シリカ内に限定された光導波路が埋め込まれている。これらの埋め込まれた導波路は、典型的には、伝送するべき波長に対して単一モードになるように設計されている。シリカ導波路基台と埋め込まれた導波路の設計は、“Silicon Optical Bench Waveguiding Technology"by Y. P. Li and C. H. Henry, Chapter 8 of Optical Fiber Telecommunicatios, Vol IIIB (Editors I. P. Kaminov and T. L. Koch)(Academic Press, 1997)に開示されている。
【００１０】
ＭＭＩカップラ１４，１５は、技術上周知の自己イメージング原理にしたがって、入力ポートで受け取った各信号のイメージを各出力ポートに提供するように設計されている。R. Ulrich in Optical Communications 13 , pp.259-264 (1975 )や、L. B. Soldano and E. C. M. Pennings in J. Lightwave Tech. 13, pp.615-627 (1995)や、M. Bachmann et al. in Applied Optics, 33, pp.3905-3911 (1994)を参照されたい。ＭＭＺＩは、異なる光路長を有する導波路で結合されたこれらの２つのカップラからなる。ＭＭＺＩは、異なる入力ポートＩ1，Ｉ2，．．．Ｉ4で異なる周波数ｆ1，ｆ2，．．．ｆ4を受け取り、これらの合成出力を主出力ポートＯ1に提供するように設計されている。また、各入力信号の一部は、副出力ポート、たとえばＯ2に提供される。このような周波数依存伝送デバイスの設計は、たとえば、M. R. Param et al., “Design of phased-array wavelength division multiplexers using multimode interference couplers", Applied Optics, 36 pp.5097-5108 (1997)に開示されている。
【００１１】
図１に示されている特定のＭＭＺＩ１１は、Ｎ×Ｎ（４×４）ＭＭＩマッハ＝ゼンダー干渉計である。このデザインは、P. A. Besse et al. in “The Integrated prism interpretation of multileg Mach-Zehnder interferometers based on multimode interference couplers", Optical and Quantum Electronics, 27, pp.909-920 (1995)で説明されている。
【００１２】
周波数ｆ1で望ましい動作を行う所定のレーザ、たとえばレーザ１０Ａに対して、主出力Ｏ1に提供されるレーザ出力の割合は、副出力、たとえばＯ2の部分と比較した場合、レーザの実周波数がその動作値ｆ1にどれくらい近いかの関数となる。したがって、それぞれ、Ｏ1およびＯ2に接続された光検出器１２Ａ，１２Ｂは、レーザ波長に関連した電力レベルを監視することができる。次いで、光検出器出力は、レーザ周波数を調整するフィードバック回路１３に印加することができる。レーザは、好適には、各々の調整時１つずつスキャンされる。
【００１３】
典型的なフィードバック回路１３は、別々のトランスインピーダンス増幅器２１Ａ，２１Ｂのフロントエンドとして２個のフォトダイオード１２Ａ，１２Ｂを使用する。各増幅器は、その信号をアナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）２２Ａ，２２Ｂを介してマイクロプロセッサ２３に出力する。マイクロプロセッサ２３は、デジタル／アナログコンバータ（ＤＡＣ）２４を介してレーザ１０Ａ―１０Ｄを制御する。周波数制御は、熱電冷却素子に印加される電流の調整によるレーザ温度の制御によって達成される。かけがえとして、進歩したレーザデザインの中には、波長調整が、レーザ構造の波長調整電極に印加される電流を変えることにより直接達成することができるものがある。図１に示される２つの光検出器１２Ａ，１２Ｂに加えて、第３の光検出器を第３の出力ポートＯ3に使用して、波長の正確さを高めることができる。
【００１４】
図１は、デジタルフィードバック回路を示してしるが、かけがえとして、直接アナログフィードバックを使用することができる。フィードバック制御回路の実行は、まず、検出器光電流を光検出器１２Ａ信号に正規化することを必然的に伴う。
【００１５】
マルチモード干渉計装置の通過帯域中心を、望ましいレーザ周波数との正確な一致からずらすことが好都合になることがある。これは、干渉計装置のいくつかの実現化が、予測された狭帯域周波数ゼロ点に影響を与えないが、代わりに、レーザの望ましい動作周波数より大きな周波数範囲にわたって広い極小を提供するためである。通過帯域中心をずらすと、信号Ｐ２が広い極小から移動し、その結果、Ｐ２は、レーザ周波数がその望ましい動作値から偏移した時、測定可能に変わる。Ｐ１／Ｐ２の評価は、この偏移の感度基準を与え、フィードバック制御の作動により、レーザ周波数の正確な維持が可能になる。
【００１６】
図２は、１つの入力における入力信号に対する装置１１の異なる出力から送信される相対電力を示すグラフ図である。伝達関数は、所定の出力ポートと単一入力ポートに対して周波数が周期的になる。異なる出力ポートから発する相対電力の認識は、入力信号の周波数の決定を可能にする。周期性により与えられる制限内で、光検出器１２Ａ，１２Ｂで受けた相対電力は、レーザ周波数を正確に反映しており、フィードバック制御を用いてレーザ周波数を必要な許容誤差内に維持することができる。
【００１７】
典型的なアプリケーションでは、配列されるレーザの順序と、マルチモード干渉計のデザインは、レーザが望ましい周波数で動作した時、主出力からの送信が実質的に最大になるようになっている。この出力信号の決まったわずかな一定部分が、タップされ、光検出器１２Ａに送られ、電力レベルＰ１として測定される。残りの部分は出力としてとどまる。副出力ポートからの電力は、第２の光検出器１２Ｂに送られ、Ｐ２として測定される。レーザ周波数がその望ましい値に近い場合は、第２の光検出器からの信号は小さくなる。レーザ周波数は、レーザと干渉計における実際の不完全さによって決定される。信号Ｐ１／Ｐ２の比を測定することにより、その望ましい値からのレーザ周波数の偏移を決定することができる。この偏移に関するスレショールド最大値を決定し、この値がスレショールド以上になる時にレーザ動作周波数を変えるようにフィードバックメカニズムを確立することによって、レーザ周波数をその望ましい値の極めて近くに維持することができる。
【００１８】
光検出器１２Ａだけによる測定は、レーザー出力電力の減少またはレーザと干渉計１１間の結合効率の減少に備えて監視する。
【００１９】
他のアプリケーションでは、レーザ１０Ａ〜１０Ｄのうちの１つ以上が、複数の異なる周波数で動作する。この場合は、レーザは、まだある配列にて並べられているが、ＭＭＩ装置は、レーザが発している望ましい周波数にかかわらずレーザ電力の実質的に一部分を通過させるようなより広い通過帯域を持つように設計される。主出力ポートからの電力のわずかな一定部分がタップされ、光検出器でＰ１として測定される。副ポートに送られた電力は、第２の光検出器に通され、Ｐ２として測定される。このようにして、望ましい周波数のレーザ動作に対応する測定比Ｐ１／Ｐ２が決定され、調整用の最大および最少スレショールドでひとまとめに扱われる。
【００２０】
図２から、望ましい周波数に対応するＰ１／Ｐ２比は唯一ではないことがわかる。たとえば、図２において、出力１および４からの電力は、図で表される周波数期間内で４つの周波数値において同一比を持っている。しかしながら、周波数に対する出力電力レベルの変化の様子は、各々の場合で異なっている。レーザー周波数がわずかに変化するにつれて、電力信号が増加しているか減少しているかを調べることにより、レーザ周波数を唯一的に決定することができる。
【００２１】
他の実施例では、可変波長光源１０は１個のレーザからなり、第１のＭＭＩカップラ−は１×Ｎマルチモードイメージングカップラとすることができる。これは、非常にコンパクトな装置を提供する。
【００２２】
図１の光源は、ハイブリッド集積またはモノリシック集積で形成することができる。ハイブリッド集積を用いた実現化は、個々の構成要素の最も効果的な最適化を可能にする。モノリシック集積による実現化は、コンパクト化と容易な容器化を提供する。ハイブリッド実現化では、マルチモード干渉計は、典型的に、レーザと光検出器から分離した材料システムから形成される。シリカの平たい導波路構造を含むシリカ基台が好適である。この場合は、レーザ素子と光検出器を基台に搭載することができる。干渉計を含む導波路システムは、導波路構成要素の屈折率の温度依存にしたがって温度依存する周波数伝送を提供する。典型的なシリカ導波路基台の場合には、この感度は、約０．０１ｎｍ／Ｃである。したがって、導波路構造の温度制御は、高い波長安定度のために使用することができる。
【００２３】
モノリシック方法では、結合構造の干渉計部分は、一定の知られている温度に維持されるべきであるが、フィードバック回路は、レーザ周波数の制御を提供する。干渉計と導波路構成要素は、レーザおよび光検出器と同じ材料システムで、たとえば、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ半導体基板で形成することができる。ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ導波路基台上に実現された４×４ＭＭＩマッハ＝ゼンダー波長マルチプレクサは、C. van Dam et al. in European Conference on Integrated Optics. ECIO '94. Conference Proceeding, pp.275-79,(1994)に開示されている。
【００２４】
上述したテシマ等の装置と対照されるように、本発明では、干渉計のマルチパスで接続された平たい導波路領域は、自己イメージングの原理に基づいて動作するマルチモードカップラである。これは、入力光が接続導波路の入り口上に直接投影されるので、出力への入力信号の伝送時により効率的な干渉計を提供する。また、信号の相対位相が良好に決定されるので、この装置は、知られている干渉計特性でより容易に製作することができる。さらに、この装置は、よりコンパクトな構造も提供する。
【００２５】
上述の実施例は，本発明の原理の応用を提供することができる多くのあり得る特定の実施例のうちのいくつかのみの例示であることが理解されるべきである。多くの変更された他の配置は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく当業者によって容易に工夫され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】波長安定光源を示す図である。
【図２】図１の装置の出力から送信される相対電力を示すグラフ図である。
【図１】
0003902373.tif 000002
【図２】
0003902373.tif 000003