(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透過スペクトルの自由周波数間隔（ＦＳＲ）が互いに等しい第１の光分波素子、第２の光分波素子および第３の光分波素子を具備し、
前記第２の光分波素子および前記第３の光分波素子はそれぞれ前記第１の光分波素子の異なる出力ポートに接続され、
前記ＦＳＲは波長多重（ＷＤＭ）信号の隣接チャネル間隔周波数の整数分の１であって、
ＷＤＭ信号チャネルにおいて前記ＦＳＲ以下の周波数間隔（Δｆ）を有する複数のサブキャリアを分離して出力し、前記ＦＳＲが、前記Δｆの非整数倍であることを特徴とする光分波器。
【請求項２】
前記第１の光分波素子、前記第２の光分波素子および前記第３の光分波素子が、それぞれ２つの光カプラとそれら光カプラを結ぶ互いに長さの異なる２本のアーム導波路からなるマッハツェンダ光干渉計であることを特徴とする請求項１に記載の光分波器。
【請求項３】
前記第２の光分波素子の少なくとも一つの出力ポートにおける消光バンドの中心周波数が、該第２の光分波素子と接続された前記第１の光分波素子の出力ポートにおける消光バンドの中心周波数と異なり、
前記第３の光分波素子の少なくとも一つの出力ポートにおける消光バンドの中心周波数が、該第３の光分波素子と接続された前記第１の光分波素子の出力ポートにおける消光バンドの中心周波数と異なる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光分波器。
【請求項４】
前記第２の光分波素子の少なくとも一つの出力ポートにおける消光バンドの中心周波数が、該第２の光分波素子と接続された前記第１の光分波素子の出力ポートにおける消光バンドの中心周波数と＋δｆだけ異なり、
前記第３の光分波素子の少なくとも一つの出力ポートにおける消光バンドの中心周波数が、該第３の光分波素子と接続された前記第１の光分波素子の出力ポートにおける消光バンドの中心周波数と−δｆだけ異なり、
｜δｆ｜が前記第１の光分波素子、第２の光分波素子および第３の光分波素子の自由周波数間隔（ＦＳＲ）の１／２よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光分波器。
【請求項５】
前記光分波器は、複数本のサブキャリアを用いるマルチキャリア変調方式の光通信用光デバイスにおける、サブキャリア光を分波する１または複数個の光分波器であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光分波器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信用光デバイスに関し、より詳細には、複数本のサブキャリアを用いるマルチキャリア変調方式において、サブキャリアを分離するために用いられる光分波器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光伝送のさらなる高速大容量化へのニーズを受け、総伝送容量が数Ｔ（テラ）ｂ／ｓ〜数十Ｔｂ／ｓの超大容量の波長分割多重（ＷＤＭ）光伝送技術が盛んに研究・開発されている。このような超大容量伝送においては、波長チャネルあたり４０Ｇ（ギガ）ｂ／ｓや１００Ｇｂ／ｓといった高いビットレートが求められる。一般に高速化のために変調シンボルレート（変調符号送出速度）を高くすると、分散耐性が急激に劣化し、また信号スペクトルの広がりも大きくなるため、シンボルあたりのビット量を大きくする多値・多重化がキー技術の一つとなっている。
【０００３】
分散耐性が高く、帯域利用効率の高い多重化技術として、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）変復調方式が有望視されている。同方式は、Ｎ本の直交するサブキャリアを用いるマルチキャリア伝送であり、これまで主として無線通信や衛星放送において開発・導入されてきた。同方式を光伝送における変調手段として用いることにより、伝送路である光ファイバの波長分散や偏波モード分散に起因する伝送距離・容量への制約を緩和することができる。これは、単一キャリアで伝送を行う場合に比べ、同じ伝送ビットレートに対する変調シンボルレートを１／Ｎに落とすことができるためである。
【０００４】
光信号をＯＦＤＭ変調する手段としては、非特許文献１で示されているように、電気的に生成したＯＦＤＭ信号を用いて光変調器を駆動する方法がまず考えられる。この場合、光学系の構成はシンプルだが、駆動電気回路の帯域として変調シンボルレートのＮ倍程度が必要となり、結局電気系の帯域が伝送ビットレートに対するボトルネック（隘路）となる。
【０００５】
これに対し、非特許文献２で提案されているような、“Ａｌｌ−Ｏｐｔｉｃａｌ（全光学式）ＯＦＤＭ” 変調方式においては、図５に示すように、まずマルチキャリア発生回路５０４において複数のサブキャリア光を生成し、次にそれらサブキャリア光を、光分波器５０７を用いて分波し、それぞれ変調器５１２，５１３でデータ変調した後、カプラ（光合波器）５１８で合波して伝送路へ出力する。この場合、光学系は非特許文献１で示された上記の手段に比べ複雑だが、各変調器５１２，５１３の駆動電気回路（図示しない）に求められる帯域は変調シンボルレート程度で済むため、電気回路の帯域による伝送容量への制約が緩和される。特に、非特許文献２のようにサブキャリア２本を用いる方式では、送受信器の光学系構成も比較的簡易であり、かつ変調シンボルレート及び電気系への要求帯域を１／２に落とす効果があるために、波長チャネルあたり１００Ｇｂ／ｓ級の高速光伝送を比較的低コストで実現する方式として有望である。
【０００６】
【非特許文献１】S.L.Jansen, I.Morita, N.Takeda, and H.Tanaka,“20-Gb/s OFDM Transmission over 4,160-km SSMF Enabled by RF-Pilot Tone Phase Noise Compensation,” Proc. of OFC/NFOEC2007, paper PDP15, 2007.
【非特許文献２】A.Sano, H.Masuda, E.Yoshida, T.Kobayashi, E.Yamada, Y.Miyamoto, F.Inuzuka, Y.Hibino, Y.Takatori, K.Hagimoto, T.Yamada, and Y.Sakamaki,“30×100-Gb/s all-optical OFDM transmission over 1300 km SMF with 10 ROADM nodes,” Proc. of ECOC2007, paper PD1.7, 2007.
【非特許文献３】K.Jinguji, N.Takato, A.Sugita, and M.Kawachi,“Mach-Zehnder interferometer type optical waveguide coupler with wavelength-flattened coupling ratio,”Electron. Lett., Vol.26, No.17, pp.1326-1327, 1990.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
さて、上記のようなＡｌｌ−Ｏｐｔｉｃａｌ  ＯＦＤＭ変調方式において、データ変調を行う変調器へ入射する時点での光キャリアの混在（図５の５０６を参照）は、コヒーレントクロストークによる受信感度劣化を引き起こすため、問題である。このため、サブキャリア光を分波する光分波器には高い消光比が求められる。ここで、消光比とは、例えばサブキャリアｆ1がポート１から出力され、ｆ2がポート２から出力される場合に、ポート１から出力されるｆ1成分と、ポート２からの出力光に混入するｆ1成分との光強度比と定義する。一方で、ＷＤＭネットワークへの適用を考えると、製造および運用コストを低減する観点から、光源以外の光部品に関しては、異なる波長チャネルに対しても共通のものを使用でき、波長に応じた調整が不要であることが望ましい。
【０００８】
図６に、非特許文献２に示される従来例において、２本のサブキャリアｆ1、ｆ2を分離する光分波器として用いられている光分波器５０７の構造を示す。ここでは、２つの５０％カプラ６１，６２とそれを結ぶ互いに長さの異なる２本のアームからなる単一のマッハツェンダ光干渉計（ＭＺＩ）が用いられている。この従来例では、ＷＤＭチャネル間隔は１００ＧＨｚ、サブキャリア間隔は２５ＧＨｚであり、ＭＺＩの自由周波数間隔（ＦＳＲ）はサブキャリア間の周波数間隔（＝変調シンボルレート）の２倍の５０ＧＨｚとなるよう設計されている。
【０００９】
図７（Ａ）に例示するように、図６のスルー側出力ポート１ａに対する消光バンドの中心がｆ2と一致し、また図６のクロス側出力ポート１ｂに対する消光バンドの中心がｆ1と一致するよう調整すれば、ｆ1とｆ2を最も高い消光比で分離して各々ポート１（図５の５０８）及びポート２（図５の５１０）から出力することができる。また、サブキャリア間隔が、チャネル間隔の整数分の一であるため、光分波器をあるチャネルにおいて最大の消光比が得られるよう調整すれば、他のチャネルにおいてもベストの消光比が得られ、チャネルに応じた調整は不要である。
【００１０】
しかしながら、サブキャリア間隔がチャネル間隔の整数分の一とはならない場合に、例えばチャネル間隔１００ＧＨｚでサブキャリア間隔３０ＧＨｚの伝送を行いたい場合などでは、下記のような問題が生じる。すなわち、上記のような単一のＭＺＩでは、図７（Ｂ）に示ように、ＦＳＲをサブキャリア間隔の２倍の６０ＧＨｚとすれば、ある一つのチャネルに対しては各出力ポートの透過スペクトルのボトムがそれぞれｆ1、ｆ2となるよう調整できるが、このときそこから任意のｎだけ離れたチャネルに対しては透過スペクトルのボトムがサブキャリア周波数に対しｎ×２０ＧＨｚもずれてしまうため、チャネルに応じた調整が必須となってしまう。
【００１１】
また、図８（Ａ），（Ｂ）に示すように、チャネル間隔にあわせて光分波器のＦＳＲを１００ＧＨｚの整数分の１である５０ＧＨｚとすれば、チャネルに応じた調整は不要であるが、各出力ポートの透過スペクトルのボトムをｆ1、ｆ2に同時に合わせることはできず、充分な消光比を得ることができない。仮に、ＭＺＩの最大消光比が２５ｄＢであるとし、各サブキャリアに対して等しい消光比が得られるように、消光バンドの中心をスルー側出力ポート１ａにおいてｆ1＋２．５ＧＨｚ、クロス側出力ポート１ｂにおいてｆ2−２．５ＧＨｚになるように調整した場合においては、各サブキャリアに対する消光比は約１６ｄＢしか得られない。
【００１２】
本発明は、上述のような従来技術に鑑みてなされたもので、その目的は、２サブキャリアのＡｌｌ−Ｏｐｔｉｃａｌ  ＯＦＤＭ変調方式を用いたＷＤＭ伝送において、サブキャリア間隔がＷＤＭチャネル間隔の整数分の一でないような場合においても、サブキャリアを高消光比で分離することができ、かつチャネルに応じた調整が不要であるような光分波器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の光分波器は、透過スペクトルの自由周波数間隔（ＦＳＲ）が互いに等しい第１の光分波素子、第２の光分波素子および第３の光分波素子を具備し、前記第２の光分波素子および前記第３の光分波素子はそれぞれ前記第１の光分波素子の異なる出力ポートに接続され、前記ＦＳＲは波長多重（ＷＤＭ）信号の隣接チャネル間隔周波数の整数分の１であって、ＷＤＭ信号チャネルにおいて前記ＦＳＲ以下の周波数間隔（Δｆ）を有する複数のサブキャリアを分離して出力し、前記ＦＳＲが、前記Δｆの非整数倍であることを特徴とする。
【００１６】
また、前記第１の光分波素子、前記第２の光分波素子および前記第３の光分波素子が、それぞれ２つの光カプラとそれら光カプラを結ぶ互いに長さの異なる２本のアーム導波路からなるマッハツェンダ光干渉計であることを特徴とすることができる。
【００１７】
また、前記第２の光分波素子の少なくとも一つの出力ポートにおける消光バンドの中心周波数が、該第２の光分波素子と接続された前記第１の光分波素子の出力ポートにおける消光バンドの中心周波数と異なり、前記第３の光分波素子の少なくとも一つの出力ポートにおける消光バンドの中心周波数が、該第３の光分波素子と接続された前記第１の光分波素子の出力ポートにおける消光バンドの中心周波数と異なることを特徴とすることができる。
【００１８】
また、前記第２の光分波素子の少なくとも一つの出力ポートにおける消光バンドの中心周波数が、該第２の光分波素子と接続された前記第１の光分波素子の出力ポートにおける消光バンドの中心周波数と＋δｆだけ異なり、前記第３の光分波素子の少なくとも一つの出力ポートにおける消光バンドの中心周波数が、該第３の光分波素子と接続された前記第１の光分波素子の出力ポートにおける消光バンドの中心周波数と−δｆだけ異なり、｜δｆ｜が前記第１の光分波素子、第２の光分波素子および第３の光分波素子の自由周波数間隔（ＦＳＲ）の１／２よりも小さいことを特徴とすることができる。
【００２０】
さらに、前記光分波器は、複数本のサブキャリアを用いるマルチキャリア変調方式の光通信用光デバイスにおける、サブキャリア光を分波する１または複数個の光分波器であることを特徴とすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
上記のような構成であるので、本発明の光分波器によれば、ＦＳＲをチャネル間隔の整数分の一とすることでチャネルに応じた調整を不要とすることができ、同時に光分波素子の２段化により２本のサブキャリアを高い消光比で分離することができるという顕著な効果を奏する。そのサブキャリア数は２以上の複数であっても同様の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。  
（第１の実施形態）
図１に、本発明の第１の実施形態の光分波器の回路構成を示す。この光分波器は、２つの５０％カプラとそれらを結ぶ互いに長さの異なる２本のアーム導波路からなる非対称マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）を３個用いた構成となっている。なお、以下で説明する本発明の光分波器は、例えば、図５に示す従来の光分波器５０７に置き換わるものである。
【００２３】
図１に示すように、２本の多重化されたサブキャリア光が入力される入力ポート（図示しない）は、まず第１の非対称マッハツェンダ干渉計（以下、ＭＺＩ1）に接続され、このＭＺＩ1のスルー側出力ポート１ａ、クロス側出力ポート１ｂにそれぞれ第２の非対称マッハツェンダ干渉計（以下、ＭＺＩ2）と第３の非対称マッハツェンダ干渉計（以下、ＭＺＩ3）がカスケード接続されている。そして、ＭＺＩ2のクロス側出力ポート２ｂおよびＭＺＩ3のクロス側出力ポート３ｂがそれぞれ分離されたサブキャリアｆ1及びｆ2を出力する出力ポート（図示しない）に接続されている。
【００２４】
ここで、２つのサブキャリアｆ1とｆ2の周波数間隔Δｆは、３０ＧＨｚであり、キャリアｆ0に対して周波数軸上でそれぞれ−１５ＧＨｚ，＋１５ＧＨｚに位置する。また、チャネル間隔１００ＧＨｚのＷＤＭへの適用を前提として設計されている。
【００２５】
ＭＺＩ1、ＭＺＩ2、ＭＺＩ3のＦＳＲ（自由周波数間隔）は全て５０ＧＨｚである。一般に、ＭＺＩのＦＳＲは、２つのカプラを結ぶ２本の長さの異なる導波路に関し、その群屈折率をＮ、導波路長差をΔＬとすると、
【００２６】
【数１】
0005015822.tif 000002
【００２７】
で与えられる。但しｃは真空中の光速である。本例では、導波路としてシリコン基板上に形成されたＮ＝１．４８８の石英系ガラス導波路を用いる。従って、ΔＬ＝ｃ／（Ｎ・ＦＳＲ）＝４０２９．５μｍとする。なお、本発明は導波路の種類に依らず適用可能であり、導波路としては他にも例えばシリコン導波路やポリマ導波路、ＬｉＮｂＯ3（ニオブ酸リチュウム）導波路などを用いることもできる。
【００２８】
ＭＺＩ一段の最大消光比は、カプラの分岐比が正確に５０％であり、回路中で偏波回転が全く生じないもしくは導波路の複屈折がゼロであり、かつ放射損失が全く生じないような理想条件を仮定すれば、無限大となる。しかしながら、実際には製造誤差や回路内の応力、導波路の曲げ等が存在するために、これらの理想条件は満たされず、例えば石英系ガラス導波路においてはＭＺＩ一段の最大消光比は２５ｄＢ程度であることが多い。本例では典型的な回路を用いるものとし、ＭＺＩ一段の最大消光比は２５ｄＢとする。
【００２９】
５０％カプラとしては、マルチモード干渉計（ＭＭＩ）を用いている。他にも、５０％カプラとして、例えば非特許文献３に示されるような導波路型波長無依存カプラ（ＷＩＮＣ）を用いても良い。いずれのカプラも波長に対しフラットな分岐比特性を得られるため、広帯域での使用に適している。
【００３０】
本例では、ＭＺＩ1のスルー側透過スペクトルとＭＺＩ2のクロス側透過スペクトルが一致するよう調整されている。また、ＭＺＩ1のクロス側透過スペクトルとＭＺＩ3のクロス側透過スペクトルが一致するよう調整されている。その調整方法としては、各ＭＺＩのアーム導波路にヒータ（図示しない）を装荷し、導波路を加熱して熱光学効果により各アームの光路長を微調整する方法を用いても良いし、あるいは各アームに紫外光を照射して屈折率を変化させ、これにより光路長を微調整する方法を用いても良い。いずれの方法においても、ΔＬ（導波路長差）を変化させるため、厳密にはその調整によりＦＳＲも変化するが、スペクトルの移動量が数十ＧＨｚ程度であれば、ほぼＦＳＲを一定に保ちつつ、スペクトルを周波数軸上で平行移動させることができる。
【００３１】
図２（Ａ），（Ｂ）は、光が図１のＭＺＩ1の入力ポートに入力され、ＭＺＩ2のクロス側出力ポート２ｂおよびＭＺＩ3のクロス側出力ポート３ｂから出力される場合の透過スペクトルを示している。クロス側出力ポート２ｂおよび３ｂから出力される透過スペクトルは、それぞれＦＳＲ＝５０ＧＨｚ、最大消光比５０ｄＢとなる。
【００３２】
図２（Ｂ）の拡大図に示すように、前者（２ｂから出力の場合のスペクトル）の消光バンドの中心は、サブキャリアｆ2から＋５ＧＨｚだけずれており、後者（２ｂから出力の場合のスペクトル）の消光バンドの中心はサブキャリアｆ1から−５ＧＨｚだけずれているが、サブキャリアに対する消光比は３１ｄＢと、図８（Ｂ）に示した従来例の１６ｄＢに比べて、充分大きい。また、各スペクトルのＦＳＲは５０ＧＨｚであるので、使用波長を１００ＧＨｚグリッド上の他のチャネルに切り替えても、各ＭＺＩの調整状態を変更することなく、同等の特性を得ることができる。
【００３３】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態は、回路構成は図１に示す第１の実施形態と同様であり、入力するサブキャリアの周波数間隔も同じく３０ＧＨｚ、ＷＤＭチャネル間隔も同じく１００ＧＨｚであるが、スペクトルの調整が異なる。図３（Ａ），（Ｂ）に、本発明の第２の実施形態における、光が図１のＭＺＩ1の入力ポートに入力され、ＭＺＩ2のクロス側出力ポート２ｂおよびＭＺＩ3のクロス側出力ポート３ｂから出力される場合の透過スペクトルを示す。
【００３４】
各ＭＺＩのＦＳＲは５０ＧＨｚであるが、本例では一段目と二段目でＭＺＩの透過スペクトルをずらしてある。すなわち、図３（Ｂ）の拡大図に示すように、ＭＺＩ1のスルー側透過スペクトルに対し、ＭＺＩ2のクロス側透過スペクトルが周波数軸上でδｆ＝＋２．５ＧＨｚ平行シフトしており、ＭＺＩ1のクロス側透過スペクトルに対し、ＭＺＩ3のクロス側透過スペクトルが周波数軸上で−δｆ＝−２．５ＧＨｚシフトしている。これにより、サブキャリアに対する消光比は４０ｄＢと、図８（Ｂ）に示した従来例の１６ｄＢに比べて、充分大きく、また各スペクトルのＦＳＲは５０ＧＨｚであるので、使用波長を１００ＧＨｚグリッド上の他のチャネルに切り替えても、各ＭＺＩの調整状態を変更することなく、同等の特性を得ることができる。
【００３５】
図４は、各ＭＺＩのＦＳＲ＝５０ＧＨｚ、サブキャリア間隔３０ＧＨｚの本実施形態の構成において、スペクルのシフト量δｆ（一段目と二段目のＭＺＩスペクトルずらし量）の変化に対するサブキャリアの消光比の変化をプロットして示す。δｆ＝２．５ＧＨｚのとき、すなわちＭＺＩ2の消光バンドの中心周波数をｆ2と一致させ、ＭＺＩ3の消光バンドの中心周波数をｆ1と一致させた場合に、最大の消光比が得られることがわかる。換言すれば、本実施形態においては、一段目のＭＺＩ1はサブキャリアｆ1、ｆ2を均等な消光比で荒く分離し、二段目のＭＺＩ2およびＭＺＩ3でそれぞれｆ2、ｆ1の混入成分を選択的にカットすることで高消光比を得ている。
【００３６】
（他の実施形態）
上記では、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用しても良いし、１つの機器からなる装置に適用してもよい。
【００３７】
例えば、上記実施形態では、ＭＺＩの２段化により２本のサブキャリアを高い消光比で分離することを示したが、そのサブキャリア数は２以上の複数であっても、同様の効果が得られる。また、複数のキャリアを発生するマルチキャリア発生回路に対して本発明による分波器を並列に接続する場合も本発明の実施形態に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１実施形態の光分波器の回路構成を示す回路図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の光分波器の透過スペクトルを示す特性図であり、（Ａ）はその全体図、（Ｂ）はその主要部の拡大図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の光分波器の透過スペクトルを示す特性図であり、（Ａ）はその全体図、（Ｂ）はその主要部の拡大図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の光分波器の回路における、スペクトルずらし量とサブキャリア消光比との関係を示す特性図である。
【図５】非特許文献２で提案されている“Ａｌｌ−Ｏｐｔｉｃａｌ  ＯＦＤＭ”における送信器の構成を示すブロック図である。
【図６】従来例の光分波器の回路構成を示す回路図である。
【図７】従来例の光分波器の透過スペクトルを示す特性図であり、（Ａ）はその第１の例、（Ｂ）はその第２の例を示す図である。
【図８】従来例の光分波器の透過スペクトルを示す特性図であり、（Ａ）はその第３の例、（Ｂ）はその主要部の拡大図である。
【符号の説明】
【００３９】
ＭＺＩ1              第１段目の第１の非対称マッハツェンダ干渉計
ＭＺＩ2              第２段目の第２の非対称マッハツェンダ干渉計
ＭＺＩ3              第２段目の第３の非対称マッハツェンダ干渉計
１a                  スルー側出力ポート
１ｂ、２ｂ、３ｂ      クロス側出力ポート
５０１                ＣＷ光源
５０４                マルチキャリア発生回路
５０７                光分波器
５１２，５１３        変調器
５１８                カプラ
【図１】
0005015822.tif 000003
【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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