專利名稱：波長變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及波長變換裝置，使激發(fā)光脈沖入射到非線性光學媒質(zhì)上，通過光帶通濾波器對所述非線性光學媒質(zhì)中產(chǎn)生的SC(Supercontinuum)光進行濾波，變換成和入射光不同波長的光脈沖。
背景技術(shù)：
為了構(gòu)建傳輸速度在1Tbit/s以上的大容量光通信網(wǎng)絡(luò)，研究了各種手段，但其中最引人注目的技術(shù)是波長多路復用(WDMWavelengthDivision Multiplexing)。為了實現(xiàn)WDM光通信網(wǎng)絡(luò)，需要波長變換裝置。例如，如果在光交叉連接節(jié)點(OXCNOptical Cross Connect Node)上采用波長變換裝置，優(yōu)點是能避免信道間的沖突和再利用波長，此外，容易進行網(wǎng)絡(luò)管理和改善網(wǎng)絡(luò)(升級)，結(jié)果，可利用新的通信頻帶。
根據(jù)這種需求，開發(fā)了以下說明的波長變換裝置。在這些波長變換裝置中，為了實現(xiàn)波長變換而利用的自然法則是例如在半導體光放大器等非線性光學媒質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的四光波混合(FWMFour-Wave Mixing)(例如，參考專利文獻1)。也進行了這樣的嘗試利用多波長光源，通過選擇由多波長光源發(fā)出的光并分配給各信道，實現(xiàn)WDM光通信網(wǎng)絡(luò)(例如，參考專利文獻2)。
專利文獻1特開2000-66253號公報專利文獻2特開2001-251253號公報但是，如專利文獻1所公開的，在把半導體光放大器的增益區(qū)域作為非線性光學媒質(zhì)、利用在半導體光放大器的增益區(qū)域中發(fā)現(xiàn)的FWM的波長變換裝置有如下問題。即，為了光學連接半導體光放大器和作為光通信系統(tǒng)的通信線路的光纖，需要使用透鏡，這就需要精密的位置調(diào)整工序，以便確定透鏡和半導體光放大器和光纖的位置關(guān)系。用于把從半導體光放大器輸出的光以較低損失入射到光纖中的位置調(diào)整工序很費事，由于用以傳播半導體光放大器的光波導路的光傳播方式和透鏡的會聚特性及光纖的數(shù)值孔徑等各種因素，限制了把連續(xù)損失抑制到很小。
而且，由于把波長變換后得到的光的波長是根據(jù)信號光的波長和泵射光的波長唯一確定的，從而存在不能被變換為任意波長的光這樣的制約。這一點，在構(gòu)建WDM光通信系統(tǒng)上是很大的技術(shù)制約。
在專利文獻2中公開的利用多波長光源的波長變換裝置中，需要在波長變換裝置內(nèi)組裝新的多波長光源裝置，因此，消耗功率大。降低消耗功率是技術(shù)問題。而且，由于需要時鐘信號再生器、信號再生器、控制電路等多個裝置和部件，因此，波長變換裝置變復雜了，有生產(chǎn)性差的問題。
時鐘信號再生器、信號再生器、控制電路等裝置一般不僅以限定的頻率進行操作。因此，限制了構(gòu)建的光通信系統(tǒng)的比特率，例如難以實現(xiàn)較高速的比特率。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種變換后得到的光的波長選擇范圍較大的波長變換裝置。
為了達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的波長變換裝置具有入射激發(fā)光脈沖后產(chǎn)生SC光的SC光發(fā)生部和對SC光進行濾波的光波長濾波器。
SC光是在比激發(fā)光脈沖的半峰全寬還廣的波長頻帶上分布的脈沖光。SC光的發(fā)生機制概括說明如下。
例如，當向分散減少光纖等非線性光學媒質(zhì)入射具有較窄光譜頻帶的光、即單色光時，在該非線性光學媒質(zhì)中，由于自相位調(diào)制現(xiàn)象，入射光的光譜寬度增大。這樣，光譜寬度大的入射光遍及該增大的光譜寬度的波長頻帶與四光波混合的增益頻帶相重合的波長范圍，入射光相干地使光譜帶寬增大。這樣，具有窄光譜頻帶的入射光被變換為具有寬光譜頻帶的光。該變換后的具有寬光譜頻帶的光是SC(Supercontinuum)光。
激發(fā)光脈沖光源生成中心波長為λs的激發(fā)光脈沖。當由激發(fā)光脈沖光源生成的激發(fā)光脈沖入射時，SC媒質(zhì)充當SC光發(fā)生部，用于產(chǎn)生具有分布在從波長λL到波長λH(其中，λL＜λH)的范圍內(nèi)的光譜形狀的SC光。光波長濾波器具有其透過中心波長是λ1，λ2，λ3，...，λn(n是自然數(shù))的特性。
在波長λL、波長λH、波長λs和波長λ1，λ2，λ3，...，λn(n是自然數(shù))之間，滿足以下條件(1)和(2-1)、(2-2)、...、(2-n)。
λL＜λs＜λH(1)λL＜λ1＜λH(2-1)···λL＜λn＜λH(2-n)根據(jù)上述本發(fā)明所述的波長變換裝置，中心波長為λs的激發(fā)光脈沖被波長變換為具有從條件式(1)所示的波長λL到λH(其中λL＜λH)范圍波長的光譜帶寬的光脈沖。即，如果使用透過中心波長在λ1，λ2，λ3，...，λn滿足條件式(2-1)、(2-2)、...和(2-n)范圍內(nèi)的光波長濾波器，則可以從位于從波長λL到λH波長范圍內(nèi)的SC光中、在從光波長λL到波長λH的較大波長范圍內(nèi)選擇出任意波長的光脈沖。
特別地，說明n＝1的情況時，如果向本發(fā)明的波長變換裝置入射中心波長為λs的激發(fā)光脈沖，則將中心波長波長變換為λ1的光脈沖。同樣，說明n＝2的情況時，如果向本發(fā)明的波長變換裝置入射中心波長為λs的激發(fā)光脈沖，則意味著得到中心波長為λ1的光脈沖和中心波長為λ2的光脈沖。n是3以上時也一樣。
作為SC光發(fā)生部的SC媒質(zhì)，最好利用具有波長λs的波長分散絕對值在傳播方向上減少的特性的光纖。根據(jù)這種光纖，可更有效地產(chǎn)生SC光。
上述光波長濾波器的透過光譜的形狀最好具有與對中心波長為λ1，λ2，λ3，...，λn(n是自然數(shù))的光脈沖的時間波形進行傅立葉變換后得到的光譜形狀相等的透過特性。具體地說，上述光波長濾波器最好成為具有用以波長為自變量的高斯函數(shù)表示其透光率的透過特性的光波長濾波器。下面，把這種具有用高斯函數(shù)表示的透過特性的光波長濾波器稱為高斯型光波長濾波器。
如果使用具有上述透過特性的光波長濾波器，在經(jīng)該光波長濾波器濾波的光脈沖的輸出時間波形中不產(chǎn)生輸出旁瓣，難以產(chǎn)生引起與時間上相鄰存在的光脈沖相干涉的問題。所謂經(jīng)光波長濾波器濾波后的光脈沖的輸出波形是指以橫軸為時間軸、以縱軸為光強度表示的光脈沖的波形。以下，把如此表示時的光脈沖的波形稱為光脈沖的時間波形。
在高斯型光波長濾波器中，其透過特性具有這樣的性質(zhì)具有與對光脈沖的時間波形進行傅立葉變換后得到的光譜形狀相等的形狀。因此，通過高斯型光波長濾波器進行濾波后的光脈沖的時間波形不產(chǎn)生輸出旁瓣。
上述光波長濾波器最好是這樣的其透過帶寬Δf(Hz)滿足以下條件(3)。
Δf＝fh＞0.44fo(3)這里，fh(Hz)是變換后的波長為λ1，λ2，λ3，...，λn(n是自然數(shù))的光脈沖的頻率軸上的半峰全寬，fo(Hz)是根據(jù)為了不與在時間軸上相鄰的光脈沖產(chǎn)生干涉而設(shè)定的比特時隙最小值(1/fo)(秒)確定的頻率。
根據(jù)滿足上述條件(3)的光波長濾波器，來自光脈沖濾波器的出射光脈沖在時間軸上成列存在時，不會引起與相鄰的光脈沖的干涉。


圖1是本發(fā)明的波長變換裝置的基本構(gòu)成圖；圖2是用于說明光脈沖和SC光的光譜構(gòu)造的圖；圖3是本發(fā)明第一實施例的波長變換裝置的構(gòu)成圖；圖4表示利用SC光進行波長變換的仿真結(jié)果；圖5(A)是用提供透過特性的函數(shù)g(f)是矩形函數(shù)的光波長濾波器進行濾波時得到的光脈沖的時間波形，圖5(B)是用提供透過特性的函數(shù)g(f)是高斯函數(shù)的光波長濾波器進行濾波時得到的光脈沖的時間波形；圖6是本發(fā)明第二實施例的波長變換裝置的構(gòu)成圖；
圖7示出了產(chǎn)生SC光所需的入射光脈沖的最小峰值功率和入射光脈沖的半峰寬度的關(guān)系；圖8是本發(fā)明第三實施例的波長變換裝置的構(gòu)成圖；圖9是本發(fā)明第四實施例的波長變換裝置的構(gòu)成圖；圖10是本發(fā)明第五實施例的波長變換裝置的構(gòu)成圖。
具體實施例方式
以下，參考圖1至圖10說明本發(fā)明的實施例。各圖示出了根據(jù)本發(fā)明的一個構(gòu)成例，在能理解本發(fā)明的程度上僅概略性地示出了各構(gòu)成要素的截面形狀和配置關(guān)系，但本發(fā)明不限于圖示的例子。在以下的說明中，雖然使用了特定的材料和條件等，但這些材料和條件只是最佳例之一，因此，不限于它們。各圖中，對同樣的構(gòu)成要素賦予相同的編號，重復的說明從略。
以下所示的圖中，用粗線表示光纖等光信號的路徑，用細線表示電信號的路徑。這些粗線和細線上帶的編號和記號分別表示光信號和電信號。
<波長變換裝置的基本構(gòu)成>
參考圖1說明本發(fā)明的波長變換裝置的基本構(gòu)成。波長變換裝置10由SC光發(fā)生部12和光波長濾波器14構(gòu)成。在圖1左側(cè)說明性描述的光脈沖串20是波長為λs的激發(fā)光脈沖串，是入射到本發(fā)明的波長變換裝置10中的被變換光脈沖。
光脈沖在時間軸上的位置等間隔分配，例如，沒有光脈沖的位置是0，有光脈沖的位置是1，被解釋為分別表示的光脈沖串。即，圖1所示的例子是表示所謂1101的2值數(shù)字信號的光脈沖串。光脈沖的相鄰波峰的時間間隔稱為比特時隙。
入射光脈沖串20從輸入端子16入射并入射到SC光發(fā)生部12中，變換成波長分布在從波長λL到波長λH(其中λL＜λH)的范圍內(nèi)的SC光13。SC光13經(jīng)光波長濾波器14濾波后，變成波長為λ1的光脈沖串15。光脈沖串15通過輸出端子18作為出射光脈沖串22從波長變換裝置10輸出到外部。在圖1的左側(cè)和右側(cè)分別說明性描述了入射光脈沖串20和出射光脈沖串22。入射光脈沖串20和出射光脈沖串22在時間軸上的形狀相同，但波長從λs變換為λ1。
參考圖2(A)～(D)，詳細說明上述波長變換的原理。圖2(A)、圖2(B)和圖2(D)分別以任意的刻度尺在縱軸上標出光強度，在橫軸上標出波長。而且，圖2(C)分別以任意的刻度尺在縱軸上標出透過率，在橫軸上標出波長。
圖2(A)示出了入射到波長變換裝置10中的光脈沖串20的光譜。示出了光脈沖的中心波長為λs的情況。圖2(B)示出了從SC光發(fā)生部12射出的、波長具有分布在從λL到λH(其中，λL＜λH)的范圍內(nèi)的光譜形狀的SC光13的光譜。圖2(C)示出了光波長濾波器14的透過率特性。圖2(D)示出了從波長變換裝置10射出的光脈沖串22的光譜。
圖2(A)所示的具有以波長λs為中心波長的光譜的入射光脈沖串20從輸入端子16入射到波長變換裝置10中。入射光脈沖串20是具有光脈沖的反復頻率fo(Hz)的光脈沖串。在光通信中，光脈沖串20被調(diào)制為RZ(Return to Zero)信號。
在SC光發(fā)生部12中，入射光脈沖串20被變換為圖2(B)所示的、波長具有分布在從波長λL到波長λH(其中，λL＜λH)的范圍內(nèi)的光譜形狀的SC光13。另一方面，光波長濾波器14具有圖2(C)所示的中心波長為λ1的透過率特性。這里，說明了光波長濾波器14的中心波長是λ1的情況，但光波長濾波器14的中心波長是λ1以外的λ2等時也一樣。即，使經(jīng)過變換的光脈沖的中心波長λ1和光波長濾波器14的透過率為最大的波長(中心波長λ1)是一致的。
從SC光發(fā)生部12輸出的SC光13通過光波長濾波器14僅提取出所期望的波長成分，可以得到圖2(d)所示的波長不同于入射光脈沖串20(波長是λs)的出射光脈沖串22(波長是λ1)。但是，入射光脈沖串20被調(diào)制為RZ信號時，波長變換后得到的光脈沖串22也被調(diào)制為相同形狀的RZ信號。而且，無論入射光脈沖串20的比特率如何，都能進行波長變換。如果用透過波長可變的光波長濾波器作為后述第二實施例中使用的光波長濾波器，則可在時間上連續(xù)改變波長變換后得到的出射光脈沖串22的波長。
(第一實施例)參考圖3，說明本發(fā)明第一實施例的波長變換裝置30的構(gòu)成和各個部分的功能。本發(fā)明的波長變換裝置30的特點在于用分散減少光纖32作為SC光發(fā)生部、即SC媒質(zhì)。波長變換裝置30的SC光發(fā)生部以外的構(gòu)成和圖1所示的波長變換裝置10相同。即，入射光脈沖串40從輸入端子36入射到波長變換裝置30中，在相當于SC光發(fā)生部的分散減少光纖32中變換為SC光33。在光波長濾波器34中對SC光33進行濾波，變成波長被變換的光脈沖串35，通過輸出端子38作為波長變換后的光脈沖串42輸出到外部。
圖3的左側(cè)和右側(cè)分別說明性地描述了入射光脈沖串40和出射脈沖串42。入射光脈沖串40和出射光脈沖串42在時間軸上的形狀相同，但波長從λs變換為λ1。當然，λL＜λ1＜λH。
所謂分散減少光纖是指這樣的光纖具有對應(yīng)于某個特定波長光的波長分散值隨著進入光纖的波導方向而減小的特性。當光脈沖(嚴格地說是光孤波脈沖)在分散減少光纖中傳播時，引起所謂孤波脈沖壓縮效應(yīng)的孤波絕熱壓縮、傳播的光脈沖的半峰全寬減少的現(xiàn)象是已知的。因此，入射光脈沖40的峰值功率增大，結(jié)果，高效地產(chǎn)生SC光33。
參考圖4(A)～(C)，說明波長λs＝1.55μm的入射光脈沖被變換為SC光，經(jīng)光波長濾波器濾波后得到的波長變換的光脈沖的關(guān)系。這里所示的結(jié)果是在假設(shè)下述條件后進行數(shù)值仿真得到的結(jié)果。此外，在各個圖中，橫軸波長的刻度以μm為單位來表示，縱軸光強度的刻度以dBm為單位來表示。
假設(shè)入射光脈沖是這樣的光脈沖其中心波長是1.55μm，峰值功率是5W，半峰全寬是4ps，反復頻率fo具有10GHz的高斯函數(shù)形狀。光波長濾波器作為透過帶寬(透過率曲線的半峰全寬)為1nm、透過帶寬的中心波長λ1為1.57μm的高斯型光波長濾波器，進行數(shù)值分析。為了產(chǎn)生SC光而使用的分散減少光纖的長度、波長分散值、波長分散斜度等一并顯示在表1中。如表1所示的輸入端分散值是分散減少光纖的輸入端的波長分散值。該波長分散值從輸入端向輸出端直線減少。
表1

用于數(shù)值仿真的數(shù)值計算通過用分步傅立葉法解出非線性薛定諤方程來進行。用分步傅立葉法求解非線性薛定諤方程的方法是公知的方法，詳細說明例如見G.P.アグラワ一ル著《非線性光纖光學》。數(shù)值計算是用遵循上述計算方法實現(xiàn)的仿真機(Optiwave公司制，商品名OptiSystem2.1)進行的。
圖4(A)示出了入射光脈沖40的光譜形狀。半峰全寬約為6nm，中心波長為1.55μm。當該入射光脈沖40通過分散減少光纖32時，變成圖4(B)所示的SC光。SC光分布的、SC光的光強度在-20dB以上的頻帶約為從1.49μm到1.61μm的120nm寬。由于上述入射光脈沖40的光譜的半峰全寬約為6nm，因此SC光分布的帶寬約為它的20倍。
通過光波長濾波器可以從圖4(B)所示的SC光中提取出波長為1.57μm的光脈沖，上述SC光的光強度在-20dBm以上的頻帶是從短波長側(cè)(λL)1.49μm到長波長側(cè)(λH)1.61μm，顯然，波長1.57μm包含在該區(qū)域中。如上所述，SC光的透過頻帶的中心波長λ1是1.57μm，通過高斯型光波長濾波器進行濾波，得到中心波長變換為1.57μm的輸出光脈沖。
以下，更詳細地說明用于進行上述波長變換的條件。
中心波長λs的激發(fā)光脈沖被波長變換為具有以下條件(1)所示的波長λL到波長λH(其中，λL＜λH)范圍的波長光譜頻帶的光脈沖。
λL＜λs＜λH(1)從以上的說明可知，因為對SC光進行濾波的光波長濾波器的透過頻帶的中心波長λ1應(yīng)該等于波長變換后得到的光脈沖的中心波長λs，無疑，一定是λL＜λ1＜λH(2)即，如果使用在進行濾波的、透過中心波長λ1滿足條件式(2)的范圍內(nèi)的某個光波長濾波器，則可以在從波長λL到波長λH的寬波長范圍內(nèi)選擇波長，從存在于從波長λL到波長λH的波長范圍內(nèi)的SC光中得到任意波長的光脈沖。
下面，以用于濾波的光波長濾波器的透過頻帶的形狀為條件說明SC光。如果把光波長濾波器34的透過特性作為光頻率f的函數(shù)、以g(f)來表示的話，則通過光波長濾波器34對SC光濾波時，從光波長濾波器34輸出的光的光譜形狀應(yīng)該和光波長濾波器34的透過特性g(f)相同。
另一方面，作為來自光波長濾波器34的輸出光的時間t的函數(shù)的時間波形G(t)和來自光波長濾波器34的輸出光的光譜形狀g(f)彼此之間是傅立葉變換的關(guān)系。因此，光波長濾波器34的透過特性g(f)的形狀最好以對作為來自光波長濾波器34的輸出光的時間t的函數(shù)的時間波形G(t)進行傅立葉變換后得到的關(guān)系存在。
高斯函數(shù)即使進行了傅立葉變換仍然是高斯函數(shù)。另一方面，在光通信等中使用的光脈沖的形狀無論對于時間軸還是對光頻率軸而言都可以通過高斯函數(shù)而十分近似。以后，光脈沖形狀如果表示成光波長或光頻率的函數(shù)，則稱其為光脈沖的光譜，如果表示成時間t的函數(shù)，則稱其為光脈沖的時間波形。
參考圖5(A)和圖5(B)說明最佳條件是上述光波長濾波器34的透過特性g(f)的形狀滿足對作為從光波長濾波器34輸出的光的時間t的函數(shù)的時間波形G(t)進行傅立葉變換后得到的關(guān)系。
圖5(A)和圖5(B)中的縱軸都用W為單位表示光強度(圖5(A)的曲線以pW為單位，圖5(B)的曲線以nW為單位)，橫軸的刻度尺是以ps為單位表示時間。兩個曲線都是計算仿真的結(jié)果。
圖5(A)是使用提供透過特性的函數(shù)g(f)是矩形函數(shù)的光波長濾波器，對時間波形G(t)具有高斯函數(shù)形狀的光脈沖進行濾波時得到的光脈沖的時間波形。另一方面，圖5(B)是提供光波長濾波器的透過特性的函數(shù)g(f)和提供光脈沖的時間波形的函數(shù)G(t)都是高斯函數(shù)形狀時，同樣得到的光脈沖的時間波形。
在圖5(A)所示的、使用提供透過特性的函數(shù)g(f)為矩形函數(shù)的光波長濾波器對時間波形G(t)具有高斯函數(shù)形狀的光脈沖濾波時得到的光脈沖的時間波形中，在峰值波長的兩側(cè)出現(xiàn)了以向下方向箭頭表示的旁瓣。這些旁瓣可能會在光通信等中引起和相鄰光脈沖的干涉，給通信帶來故障。
另一方面，如圖5(B)所示，在提供光波長濾波器的透過特性的函數(shù)g(f)和提供光脈沖的時間波形的函數(shù)G(t)都為高斯函數(shù)形狀的情況下，在和圖5(A)所示情況一樣得到的光脈沖的時間波形中不出現(xiàn)上述旁瓣。
因此，可以得出結(jié)論光波長濾波器34的透過特性g(f)的形狀滿足對作為來自光波長濾波器34的輸出光的時間t的函數(shù)的時間波形G(t)進行傅立葉變換后得到的關(guān)系是最好的。
下面，研究光脈沖在時間軸上成串地在光傳輸路徑中傳播時，不和相鄰存在的光脈沖引起干涉的條件。為了不與相鄰存在的光脈沖發(fā)生干涉，在以比特時隙的最小值(1/fo)(秒)提供的、時間軸上的時間寬度范圍內(nèi)必須收到一個光脈沖。這里，fo(Hz)是提供光脈沖在時間軸上的出現(xiàn)頻度的頻率(比特率)。
由此，如果出射光脈沖的時間波形的半峰全寬為th(秒)，則必須滿足th＜1/fo(4)而且，如果光脈沖的光譜的半峰全寬為fh(Hz)，如果光脈沖的光譜和時間波形是作為傅立葉變換極限的高斯函數(shù)型，則在th(秒)和fh(Hz)之間存在以下關(guān)系th·fh0.44(5)
光脈沖的光譜的半峰全寬fh(Hz)和光波長濾波器的透過帶寬(透過率曲線的半峰全寬)Δf(Hz)一致。這樣，通過式(4)和式(5)，光波長濾波器的透過頻率帶寬Δf(Hz)必須滿足下述關(guān)系式Δf＝fh＞0.44fo(3)下面詳細說明在上述光脈沖的光譜和時間波形是作為傅立葉變換極限的高斯函數(shù)型的情況下，光脈沖的光譜寬度和光脈沖的時間波形的關(guān)系。
光脈沖的時間波形作為時間t(秒)的函數(shù)，用下式(6)提供的高斯函數(shù)U(t)表示。
U(t)＝exp(-t2/2to2)(6)這里，to(秒)是函數(shù)U(t)的半峰寬度。所謂函數(shù)U(t)的半峰寬度是以提供光強度U(t)的最大值的1/e的時間為t1和t2時從t1到t2的時間寬度。以提供光強度U(t)的最大值的1/2的時間為t1’和t2’時從t1’到t2’的時間寬度被稱為半峰全寬，寫為th(秒)。
在高斯函數(shù)型的光脈沖的時間波形中，在to(秒)和th(秒)之間具有下式(7)的關(guān)系。
th＝2(ln2)1/2to(7)其中，ln2表示2的自然對數(shù)。
另一方面，下式(8)提供了通過傅立葉變換光脈沖的時間波形U(t)而得到的具有高斯函數(shù)型光脈沖的光譜形狀的函數(shù)u(ω)。
u(ω)＝(2πto2)1/2exp(-ω2to2/2)(8)這里，ω(rad/s)是光脈沖的角頻率，與頻率f(Hz)具有如下關(guān)系f＝ω/2π(9)光脈沖的光譜u(ω)的半峰寬度ωo(rad/s)與光脈沖的時間波形U(t)的半峰寬度to(秒)具有如下關(guān)系ωo＝1/to(10)所謂光脈沖的光譜u(ω)的半峰寬度ωo(rad/s)是指以提供光脈沖光譜u(ω)的最大值的1/e的角頻率為ω1和ω2時從ω1到ω2的角頻率間隔。其中，ω1＜ω2。
當以提供ωo(rad/s)和光脈沖光譜u(ω)的最大值的1/2的角頻率為ω1’和ω2’時，從ω1’到ω2’的角頻率間隔被稱為光脈沖光譜u(ω)的半峰全寬，如果用ωh(rad/s)表示，則有這樣的關(guān)系ωh＝2(ln2)1/2ωo(11)其中，ω1’＜ω2’。
從以上說明的式(7)、式(9)、式(10)和式(11)可以得出，光脈沖光譜的半峰全寬fh(Hz)和光脈沖光譜u(ω)的半峰全寬ωh(rad/s)的關(guān)系是fh＝ωh/2π，因此，光強度U(t)的半峰全寬th(秒)和光脈沖光譜的半峰全寬fh(Hz)的關(guān)系由下式(12)提供。
th·fh＝th·(ωh/2π)＝2(ln2)/π0.44(12)根據(jù)以上說明，得到上述關(guān)系式th·fh0.44(5)根據(jù)關(guān)系式(5)，上述光波長濾波器的透過頻率帶寬Δf(Hz)由下式提供Δf＝fh0.44/th＞0.44fo(3)(第二實施例)參考圖6，說明本發(fā)明波長變換裝置的第二實施例。第二實施例的波長變換裝置50的特征在于把光放大器作為構(gòu)成要素加在已經(jīng)參考圖1說明的本發(fā)明波長變換裝置的基本構(gòu)成中。第二實施例的波長變換裝置50由光放大器52、SC光發(fā)生部54和光波長濾波器56構(gòu)成。在圖6的左側(cè)和右側(cè)分別說明性地描述了入射光脈沖串60和出射光脈沖串62。入射光脈沖串60和出射光脈沖串62在時間軸上的形狀是相同的，但波長從λs變換為λ1。
在圖6的左側(cè)說明性描述的光脈沖串60是波長為λs的激發(fā)光脈沖串，是入射到本發(fā)明波長變換裝置50中的被變換光脈沖串。
以后，將被波長變換的入射光脈沖串稱為激發(fā)光脈沖串，把波長變換后的出射光脈沖串稱為變換光脈沖串。對于構(gòu)成光脈沖串的一個一個光脈沖來說，被波長變換的入射光脈沖稱為激發(fā)光脈沖，波長變換后的出射光脈沖稱為變換光脈沖。
下面說明本發(fā)明第二實施例的波長變換裝置50的構(gòu)成和各部分的功能。波長變換裝置50的特點在于向SC光發(fā)生部54入射被變換光脈沖之前，可以通過光放大器52將被變換光脈沖的峰值功率放大到產(chǎn)生SC光所需的足夠光強度的水準。
即，本發(fā)明第二實施例的波長變換裝置50具有光放大器，在激發(fā)光脈沖的SC光發(fā)生部的入射光路中，把激發(fā)光脈沖的峰值功率放大到產(chǎn)生SC光所需的光強度的水準。
波長變換裝置50的光放大器52以外的構(gòu)成和圖1所示的波長變換裝置10相同。即，入射光脈沖串60從輸入端子58入射到波長變換裝置50中，通過光放大器52把入射光脈沖串51的峰值功率放大到產(chǎn)生SC光所需的最低限度的光強度以上的水準。通過光放大器52放大的入射光脈沖串51作為光脈沖串53，在SC光發(fā)生部54中被變換為SC光55。SC光55經(jīng)波長濾波器56濾波，變成變換了波長的光脈沖串57，通過輸出端子64，作為波長變換后的光脈沖串62輸出到外部。
用于依據(jù)激發(fā)光脈沖產(chǎn)生SC光所需的激發(fā)光脈沖的峰值功率由于入射光脈沖寬度和SC光發(fā)生部構(gòu)成部件的物理特性不同而不同。例如，對將具有表1中記載的諸特性的分散減少光纖作為SC光發(fā)生部的構(gòu)成部件產(chǎn)生SC光時所需的入射光脈沖的峰值功率與入射光脈沖寬度的關(guān)系進行了仿真。結(jié)果如圖7所示。假設(shè)分散減少光纖的長度是1000米，利用根據(jù)以分步傅立葉法求解上述非線性薛定諤方程的計算方法而制作的仿真器(Optiwave公司的OptiSystem2.1)來進行仿真。
圖7示出了通過上述仿真得到的產(chǎn)生SC光所需的激發(fā)光脈沖的最小峰值功率和激發(fā)光脈沖的半峰寬度的關(guān)系?？v軸以W為單位標出激發(fā)光脈沖的峰值功率，橫軸以ps為單位標出激發(fā)光脈沖的半峰寬度。圖7中，黑點所示的值提供仿真結(jié)果，用實線把這些值平滑地連接起來，從而示出產(chǎn)生SC光所需的激發(fā)光脈沖的最小峰值功率的值。因此，激發(fā)光脈沖的峰值功率如果是實線表示的值以上的值，則產(chǎn)生SC光。例如，如果激發(fā)光脈沖的半峰寬度是2ps，如果激發(fā)光脈沖的峰值功率在1.5W以上，則產(chǎn)生SC光。
根據(jù)具有光放大器52的波長變換裝置50，入射到波長變換裝置50中的入射光脈沖的峰值功率即使在產(chǎn)生SC光所需的值以下，也進行期望的波長變換。即，若通過光放大器52放大入射光脈沖，如果設(shè)定光放大器52的放大率，使得入射光脈沖的峰值功率變成以上說明的產(chǎn)生SC光所需的激發(fā)光脈沖的最小峰值脈沖以上，則進行期望的波長變換。
(第三實施例)參考圖8說明本發(fā)明波長變換裝置的第三實施例。第三實施例的波長變換裝置70的特征在于相當于圖1的基本構(gòu)成中的光波長濾波器14的光波長濾波器74由透過光的中心波長是可變的透過波長可變?yōu)V波器74構(gòu)成。波長變換裝置70由SC光發(fā)生部72和透過波長可變?yōu)V波器74構(gòu)成。入射光脈沖串82和出射光脈沖串84分別在圖8的左側(cè)和右側(cè)進行了說明性描述。入射光脈沖串82和出射光脈沖串84在時間軸上的形狀相同，但波長從λs變換為λ1。
說明作為本發(fā)明第三實施例的波長變換裝置70的構(gòu)成和各部分的功能。光波長濾波器74除了由透過光的中心波長可變的透過波長可變?yōu)V波器構(gòu)成這點之外，和圖1所示的作為本發(fā)明波長變換裝置的基本構(gòu)成的波長變換裝置10相同。即，入射光脈沖串82從輸入端子78入射到波長變換裝置70中，在SC光發(fā)生部72中，變換為SC光73。SC光73經(jīng)透過波長可變?yōu)V波器74進行濾波，變成變換了波長的光脈沖串75，通過輸出端子80，作為波長變換了的光脈沖串84輸出到外部。
根據(jù)具有透過波長可變?yōu)V波器74的波長變換裝置70，進行變換為任意波長的入射光脈沖的波長變換。
根據(jù)由光波長濾波器控制信號輸入端子76提供的控制信號77，在作為SC光的光譜頻帶的、從波長λL到波長λH(其中，λL＜λH)的范圍內(nèi)，可任意改變透過波長可變?yōu)V波器74的透過波長帶的中心波長λ1，選擇出射光脈沖的波長。即，如果選擇透過波長可變?yōu)V波器74的透過波長帶的中心波長λ1，使得變成λL＜λ1＜λH，則由輸入光脈沖的波長λs可以得到波長為λ1的輸出光脈沖。但是，波長λL、波長λH、波長λs和波長λ1之間的條件是滿足以下的條件(1)和(2)λL＜λs＜λH(1)λL＜λ1＜λH(2)作為透過波長可變?yōu)V波器，可以作成能通過壓電元件調(diào)整諧振器長度類型的法布里-佩洛型光波長濾波器。這時，從光波長濾波器控制信號輸入端子76提供的控制信號77是電壓信號。當然，也可以利用機械調(diào)整諧振器、使透過光的中心波長改變的類型的法布里-佩洛型光波長濾波器作為透過波長可變?yōu)V波器。例如オプトクエスト有限公司制造的WTFA系列在市場上有售，所以可以使用它作為可用作上述透過波長可變?yōu)V波器的光波長濾波器。
(第四實施例)參考圖9，說明本發(fā)明波長變換裝置的第四實施例。第四實施例的波長變換裝置100的特點在于光循環(huán)器和光波長濾波器交互串聯(lián)排列構(gòu)成且利用光纖光柵構(gòu)成光波長濾波器，以代替圖1的基本構(gòu)成中的光波長濾波器14。
射出SC光發(fā)生部120的、波長λs的入射光脈沖被波長變換后的SC光通過第一光循環(huán)器122入射到第一光纖光柵124中。第一光纖光柵124具有作為光波長濾波器的功能，僅反射波長λ1的光脈沖，使其他波長的光脈沖透過。因此，僅波長為λ1的光脈沖通過第一光纖光柵124被反射，再入射到第一光循環(huán)器122中，作為波長為λ1的光脈沖123到達第一輸出端子144，并作為波長為λ1的光脈沖112輸出到外部。即，將波長為λs的入射光脈沖波長變換為波長為λ1的光脈沖112后從第一輸出端子144輸出，進行第一波長變換。
射出SC光發(fā)生部120的、波長為λs的入射光脈沖被波長變換后的SC光通過第一光循環(huán)器122和第一光纖光柵124，再通過第二光循環(huán)器126，入射到第二光纖光柵128中。第二光纖光柵128具有作為光波長濾波器的功能，僅反射波長為λ2的光脈沖，使其他波長的光脈沖透過。
因此，僅波長為λ2的光脈沖通過第二光纖光柵128被反射，再入射到第二光循環(huán)器126中，作為波長為λ2的光脈沖127到達第二輸出端子146，并作為波長為λ2的光脈沖114輸出到外部。即，波長為λs的入射光脈沖被波長變換為波長為λ2的光脈沖114后從第二輸出端子146輸出，進行第二波長變換。
同樣地，在第二光纖光柵128的后級，如上所述那樣使光循環(huán)器和光纖光柵組合起來，通過串聯(lián)排列連接，可以把射出SC光發(fā)生部120的波長為λs的入射光脈沖波長變換為波長為λ3、波長為λ4、...波長為λn(n是2以上的整數(shù))的波長各不相同的n種光脈沖。
通過作為最后一級的第n個光循環(huán)器130和第n個光纖光柵132組后，波長為λs的入射光脈沖被波長變換為波長為λn的光脈沖116后從第n個輸出端子148輸出，進行第n次波長變換。即，波長為λs的入射光脈沖被波長變換為波長為λn的光脈沖116后從第n個輸出端子148輸出，進行第n次波長變換。
光端接器140連接在第n個光纖光柵132的后級，處理可以到達該光端接器140的光脈沖(波長是上述λ1、λ2、λ3、...及λn以外的光脈沖)以使之不再次返回SC光發(fā)生部120。
當然，入射光脈沖的波長λs、波長變換后得到的出射光脈沖的波長λ1、λ2、λ3、...及λn必須位于作為SC光的光譜頻帶的、從波長λL到波長λH(其中，λL＜λH)的范圍內(nèi)，并且波長互不相同。即λL＜λs＜λH(1)λL＜λ1＜λH(2-1)λL＜λ2＜λH(2-2)···λL＜λn＜λH(2-n)，并且，λ1、λ2、λ3、...及λn互不相同。
圖9的左側(cè)和右側(cè)分別說明性描述了入射光脈沖串110和出射光脈沖112、114及116。入射光脈沖串110和出射光脈沖112、114及116在時間軸上是相同的形狀，但波長從λs分別被變換為λ1、λ2、λ3、...及λn。
當然，也可以取代圖1的基本構(gòu)成中的光波長濾波器14，光循環(huán)器和光波長濾波器交互串聯(lián)排列構(gòu)成的部分由第一光循環(huán)器122和第一光纖光柵124構(gòu)成，省略設(shè)置在第二光循環(huán)器后級的進行第二次波長變換和第三次波長變換等第n次波長變換的部分。這時，經(jīng)波長變換裝置波長變換后得到的光脈沖僅是中心波長為λ1的光脈沖。
(第五實施例)參考圖10說明本發(fā)明波長變換裝置的第五實施例。第五實施例的波長變換裝置150的特點在于利用陣列波導光柵(AWGArrayedWaveguide Grating)162構(gòu)成相當于圖1基本構(gòu)成中的光波長濾波器的光波長濾波器。
AWG162是具有這樣功能的元件由具有波長選擇性的多個光波導路集聚而成，分離具有各不相同的中心波長λ1、λ2、λ3、...及λn的光脈沖，并將其分別輸出到不同的輸出端子。
入射光脈沖串152從輸入端子154入射到波長變換裝置150中，入射到SC光發(fā)生部160中變成SC光161，入射到AWG162中。在AWG162中，分離具有各不相同的中心波長λ1、λ2、λ3、...及λn(n是2以上的整數(shù))的光脈沖，分別分離提取為中心波長為λ1的光脈沖、中心波長為λ2的光脈沖、...和中心波長為λn的光脈沖，通過各自的輸出端子164、166及168作為n種光脈沖171、173及175輸出到外部。
根據(jù)如上構(gòu)成的波長變換裝置150，與上述第四實施例的波長變換裝置100同樣地，對波長為λs的入射光脈沖進行波長變換，得到波長各不相同的中心波長λ1的光脈沖、中心波長λ2的光脈沖、...和中心波長λn的光脈沖。
當然，和上述第四實施例的波長變換裝置一樣，入射光脈沖的波長λs、波長變換后得到的出射光脈沖的波長λ1、λ2、λ3、...及λn必須在作為SC光的光譜頻帶的、從波長λL到波長λH(其中λL＜λH)的范圍內(nèi)，并且波長互不相同。即，λL＜λs＜λH(1)λL＜λ1＜λH(2-1)λL＜λ2＜λH(2-2)
···λL＜λn＜λH(2-n)，并且，λ1、λ2、λ3、...及λn互不相同。
圖10的左側(cè)和右側(cè)分別說明性描述了入射光脈沖串152和出射光脈沖串171、173及175。入射光脈沖串152和出射光脈沖串171、173及175在時間軸上是相同的形狀，但波長從λs分別被變換為λ1、λ2、λ3、...及λn。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的波長變換裝置，中心波長為λs的激發(fā)光脈沖即入射光脈沖被波長變換為作為具有從波長λL到波長λH(其中λL＜λH)的范圍的波長光譜帶寬的SC光的光脈沖。對于SC光，如果使用透過中心波長λi在滿足λL＜λi＜λH(i是自然數(shù))的范圍內(nèi)的光波長濾波器，則可以從波長λL到波長λH的整個波長范圍內(nèi)的SC光中選擇并提取在從光波長λL到波長λH的寬波長范圍內(nèi)具有該中心波長的光脈沖。從而，根據(jù)本發(fā)明的波長變換裝置，可以將中心波長為λs的入射光脈沖變換為中心波長為λi(i是自然數(shù))的光脈沖。
權(quán)利要求
1.一種波長變換裝置，用于將中心波長為λs的激發(fā)光脈沖變換為中心波長為λ1、λ2、λ3、...、λn(n是自然數(shù))的光脈沖，其特征在于包括有SC光發(fā)生部，用于在中心波長為λs的該激發(fā)光脈沖入射到其中后，產(chǎn)生具有分布在從波長λL到波長λH(其中，λL＜λH)的范圍內(nèi)的光譜形狀的SC(Supercontinuum)光，光波長濾波器，用于對該SC光進行濾波，且其透過中心波長為λ1、λ2、λ3、...、λn，其中n是自然數(shù)，所述波長λL、波長λH、波長λs和波長λ1、λ2、λ3、...、λn(n是自然數(shù))之間滿足以下的條件(1)和(2-1)、(2-2)、...、(2-n)λL＜λs＜λH(1)λL＜λ1＜λH(2-1)λL＜λ2＜λH(2-2)λL＜λn＜λH(2-n)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波長變換裝置，其特征在于，上述SC光發(fā)生部是具有波長λs的波長分散絕對值在傳播方向上遞減的特性的光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的波長變換裝置，其特征在于，上述光波長濾波器是具有如下透過特性的光波長濾波器該光的透過光譜的形狀與對中心波長為λ1、λ2、λ3、...、λn(n是自然數(shù))的光脈沖的時間波形進行傅立葉變換后得到的光譜形狀相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的波長變換裝置，其特征在于，上述光波長濾波器是具有如下透過特性的光波長濾波器該光的透過率用以波長為自變量的高斯函數(shù)表示。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的波長變換裝置，其特征在于，上述光波長濾波器是其透過頻率帶寬Δf(Hz)滿足以下的條件(3)的光波長濾波器，Δf＝fh＞0.44fo(3)其中，fh(Hz)是變換后的波長為λ1、λ2、λ3、...、λn(n是自然數(shù))的光脈沖在時間軸上的半峰全寬，fo(Hz)相當于提供光脈沖在時間軸上的出現(xiàn)頻度的頻率(比特率)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波長變換裝置，其特征在于，在上述激發(fā)光脈沖的上述SC光發(fā)生部的入射光路中包括光放大器，用于放大該激發(fā)光脈沖，使該激發(fā)光脈沖的峰值功率達到產(chǎn)生SC光所需的光強度的水準。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波長變換裝置，其特征在于，上述光波長濾波器是透過光的中心波長可變的透過波長可變?yōu)V波器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波長變換裝置，其特征在于，上述光波長濾波器利用光纖光柵構(gòu)成，并且光循環(huán)器和光波長濾波器串聯(lián)排列。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波長變換裝置，其特征在于，上述光波長濾波器利用光纖光柵構(gòu)成，并且光循環(huán)器和光波長濾波器交互串聯(lián)排列。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波長變換裝置，其特征在于，上述光波長濾波器是陣列波導光柵。
全文摘要
為了擴大變換后得到的光波長的選擇范圍，提供一種波長變換裝置，特征在于具有入射從激發(fā)光脈沖光源輸出的激發(fā)光脈沖來產(chǎn)生SC光的SC光發(fā)生部12和對SC光進行濾波的光波長濾波器14。激發(fā)光脈沖光源生成中心波長λs的該激發(fā)光脈沖。當入射從激發(fā)光脈沖光源生成的該激發(fā)光脈沖時，SC媒質(zhì)產(chǎn)生在從波長λ
文檔編號G02B6/34GK1525225SQ200410006650
公開日2004年9月1日 申請日期2004年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月26日
發(fā)明者玉井秀明, 大柴小枝子, 枝子 申請人:沖電氣工業(yè)株式會社