CN1525225A - 波长变换装置 - Google Patents

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CN1525225A
CN1525225A CNA2004100066503A CN200410006650A CN1525225A CN 1525225 A CN1525225 A CN 1525225A CN A2004100066503 A CNA2004100066503 A CN A2004100066503A CN 200410006650 A CN200410006650 A CN 200410006650A CN 1525225 A CN1525225 A CN 1525225A
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玉井秀明
������֦
大柴小枝子
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    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams

Abstract

为了扩大变换后得到的光波长的选择范围，提供一种波长变换装置，特征在于具有：入射从激发光脉冲光源输出的激发光脉冲来产生SC光的SC光发生部12和对SC光进行滤波的光波长滤波器14。激发光脉冲光源生成中心波长λs的该激发光脉冲。当入射从激发光脉冲光源生成的该激发光脉冲时，SC媒质产生在从波长λL到波长λH(其中λL＜λH＝范围内具有平坦光谱形状的SC光。光波长滤波器具有进行滤波的透过中心波长为λ1、λ2、λ3、…、λn(n是自然数)的特性。并且，在波长λL、波长λH、波长λs和波长λ1、λ2、λ3、…、λn(n是自然数)之间满足以下的条件(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)。

Description

波长变换装置
技术领域
本发明涉及波长变换装置，使激发光脉冲入射到非线性光学媒质上，通过光带通滤波器对所述非线性光学媒质中产生的SC(Supercontinuum)光进行滤波，变换成和入射光不同波长的光脉冲。
背景技术
为了构建传输速度在1Tbit/s以上的大容量光通信网络，研究了各种手段，但其中最引人注目的技术是波长多路复用(WDM：WavelengthDivision Multiplexing)。为了实现WDM光通信网络，需要波长变换装置。例如，如果在光交叉连接节点(OXCN：Optical Cross Connect Node)上采用波长变换装置，优点是：能避免信道间的冲突和再利用波长，此外，容易进行网络管理和改善网络(升级)，结果，可利用新的通信频带。
根据这种需求，开发了以下说明的波长变换装置。在这些波长变换装置中，为了实现波长变换而利用的自然法则是例如在半导体光放大器等非线性光学媒质中发现的四光波混合(FWM：Four-Wave Mixing)(例如，参考专利文献1)。也进行了这样的尝试：利用多波长光源，通过选择由多波长光源发出的光并分配给各信道，实现WDM光通信网络(例如，参考专利文献2)。
专利文献1：特开2000-66253号公报
专利文献2：特开2001-251253号公报
但是，如专利文献1所公开的，在把半导体光放大器的增益区域作为非线性光学媒质、利用在半导体光放大器的增益区域中发现的FWM的波长变换装置有如下问题。即，为了光学连接半导体光放大器和作为光通信系统的通信线路的光纤，需要使用透镜，这就需要精密的位置调整工序，以便确定透镜和半导体光放大器和光纤的位置关系。用于把从半导体光放大器输出的光以较低损失入射到光纤中的位置调整工序很费事，由于用以传播半导体光放大器的光波导路的光传播方式和透镜的会聚特性及光纤的数值孔径等各种因素，限制了把连续损失抑制到很小。
而且，由于把波长变换后得到的光的波长是根据信号光的波长和泵射光的波长唯一确定的，从而存在不能被变换为任意波长的光这样的制约。这一点，在构建WDM光通信系统上是很大的技术制约。
在专利文献2中公开的利用多波长光源的波长变换装置中，需要在波长变换装置内组装新的多波长光源装置，因此，消耗功率大。降低消耗功率是技术问题。而且，由于需要时钟信号再生器、信号再生器、控制电路等多个装置和部件，因此，波长变换装置变复杂了，有生产性差的问题。
时钟信号再生器、信号再生器、控制电路等装置一般不仅以限定的频率进行操作。因此，限制了构建的光通信系统的比特率，例如难以实现较高速的比特率。
因此，本发明的目的在于提供一种变换后得到的光的波长选择范围较大的波长变换装置。
为了达到上述目的，根据本发明的波长变换装置具有：入射激发光脉冲后产生SC光的SC光发生部和对SC光进行滤波的光波长滤波器。
SC光是在比激发光脉冲的半峰全宽还广的波长频带上分布的脉冲光。SC光的发生机制概括说明如下。
例如，当向分散减少光纤等非线性光学媒质入射具有较窄光谱频带的光、即单色光时，在该非线性光学媒质中，由于自相位调制现象，入射光的光谱宽度增大。这样，光谱宽度大的入射光遍及该增大的光谱宽度的波长频带与四光波混合的增益频带相重合的波长范围，入射光相干地使光谱带宽增大。这样，具有窄光谱频带的入射光被变换为具有宽光谱频带的光。该变换后的具有宽光谱频带的光是SC(Supercontinuum)光。
激发光脉冲光源生成中心波长为λs的激发光脉冲。当由激发光脉冲光源生成的激发光脉冲入射时，SC媒质充当SC光发生部，用于产生具有分布在从波长λL到波长λH(其中，λL＜λH)的范围内的光谱形状的SC光。光波长滤波器具有其透过中心波长是λ1，λ2，λ3，...，λn(n是自然数)的特性。
在波长λL、波长λH、波长λs和波长λ1，λ2，λ3，...，λn(n是自然数)之间，满足以下条件(1)和(2-1)、(2-2)、...、(2-n)。
λL＜λs＜λH    (1)
λL＜λ1＜λH    (2-1)
·
·
·
λL＜λn＜λH    (2-n)
根据上述本发明所述的波长变换装置，中心波长为λs的激发光脉冲被波长变换为具有从条件式(1)所示的波长λL到λH(其中λL＜λH)范围波长的光谱带宽的光脉冲。即，如果使用透过中心波长在λ1，λ2，λ3，...，λn满足条件式(2-1)、(2-2)、...和(2-n)范围内的光波长滤波器，则可以从位于从波长λL到λH波长范围内的SC光中、在从光波长λL到波长λH的较大波长范围内选择出任意波长的光脉冲。
特别地，说明n＝1的情况时，如果向本发明的波长变换装置入射中心波长为λs的激发光脉冲，则将中心波长波长变换为λ1的光脉冲。同样，说明n＝2的情况时，如果向本发明的波长变换装置入射中心波长为λs的激发光脉冲，则意味着得到中心波长为λ1的光脉冲和中心波长为λ2的光脉冲。n是3以上时也一样。
作为SC光发生部的SC媒质，最好利用具有波长λs的波长分散绝对值在传播方向上减少的特性的光纤。根据这种光纤，可更有效地产生SC光。
上述光波长滤波器的透过光谱的形状最好具有与对中心波长为λ1，λ2，λ3，...，λn(n是自然数)的光脉冲的时间波形进行傅立叶变换后得到的光谱形状相等的透过特性。具体地说，上述光波长滤波器最好成为具有用以波长为自变量的高斯函数表示其透光率的透过特性的光波长滤波器。下面，把这种具有用高斯函数表示的透过特性的光波长滤波器称为高斯型光波长滤波器。
如果使用具有上述透过特性的光波长滤波器，在经该光波长滤波器滤波的光脉冲的输出时间波形中不产生输出旁瓣，难以产生引起与时间上相邻存在的光脉冲相干涉的问题。所谓经光波长滤波器滤波后的光脉冲的输出波形是指以横轴为时间轴、以纵轴为光强度表示的光脉冲的波形。以下，把如此表示时的光脉冲的波形称为光脉冲的时间波形。
在高斯型光波长滤波器中，其透过特性具有这样的性质：具有与对光脉冲的时间波形进行傅立叶变换后得到的光谱形状相等的形状。因此，通过高斯型光波长滤波器进行滤波后的光脉冲的时间波形不产生输出旁瓣。
上述光波长滤波器最好是这样的：其透过带宽Δf(Hz)满足以下条件(3)。
Δf＝fh＞0.44fo    (3)
这里，fh(Hz)是变换后的波长为λ1，λ2，λ3，...，λn(n是自然数)的光脉冲的频率轴上的半峰全宽，fo(Hz)是根据为了不与在时间轴上相邻的光脉冲产生干涉而设定的比特时隙最小值(1/fo)(秒)确定的频率。
根据满足上述条件(3)的光波长滤波器，来自光脉冲滤波器的出射光脉冲在时间轴上成列存在时，不会引起与相邻的光脉冲的干涉。
附图说明
图1是本发明的波长变换装置的基本构成图；
图2是用于说明光脉冲和SC光的光谱构造的图；
图3是本发明第一实施例的波长变换装置的构成图；
图4表示利用SC光进行波长变换的仿真结果；
图5(A)是用提供透过特性的函数g(f)是矩形函数的光波长滤波器进行滤波时得到的光脉冲的时间波形，图5(B)是用提供透过特性的函数g(f)是高斯函数的光波长滤波器进行滤波时得到的光脉冲的时间波形；
图6是本发明第二实施例的波长变换装置的构成图；
图7示出了产生SC光所需的入射光脉冲的最小峰值功率和入射光脉冲的半峰宽度的关系；
图8是本发明第三实施例的波长变换装置的构成图；
图9是本发明第四实施例的波长变换装置的构成图；
图10是本发明第五实施例的波长变换装置的构成图。
具体实施方式
以下，参考图1至图10说明本发明的实施例。各图示出了根据本发明的一个构成例，在能理解本发明的程度上仅概略性地示出了各构成要素的截面形状和配置关系，但本发明不限于图示的例子。在以下的说明中，虽然使用了特定的材料和条件等，但这些材料和条件只是最佳例之一，因此，不限于它们。各图中，对同样的构成要素赋予相同的编号，重复的说明从略。
以下所示的图中，用粗线表示光纤等光信号的路径，用细线表示电信号的路径。这些粗线和细线上带的编号和记号分别表示光信号和电信号。
<波长变换装置的基本构成>
参考图1说明本发明的波长变换装置的基本构成。波长变换装置10由SC光发生部12和光波长滤波器14构成。在图1左侧说明性描述的光脉冲串20是波长为λs的激发光脉冲串，是入射到本发明的波长变换装置10中的被变换光脉冲。
光脉冲在时间轴上的位置等间隔分配，例如，没有光脉冲的位置是0，有光脉冲的位置是1，被解释为分别表示的光脉冲串。即，图1所示的例子是表示所谓1101的2值数字信号的光脉冲串。光脉冲的相邻波峰的时间间隔称为比特时隙。
入射光脉冲串20从输入端子16入射并入射到SC光发生部12中，变换成波长分布在从波长λL到波长λH(其中λL＜λH)的范围内的SC光13。SC光13经光波长滤波器14滤波后，变成波长为λ1的光脉冲串15。光脉冲串15通过输出端子18作为出射光脉冲串22从波长变换装置10输出到外部。在图1的左侧和右侧分别说明性描述了入射光脉冲串20和出射光脉冲串22。入射光脉冲串20和出射光脉冲串22在时间轴上的形状相同，但波长从λs变换为λ1。
参考图2(A)～(D)，详细说明上述波长变换的原理。图2(A)、图2(B)和图2(D)分别以任意的刻度尺在纵轴上标出光强度，在横轴上标出波长。而且，图2(C)分别以任意的刻度尺在纵轴上标出透过率，在横轴上标出波长。
图2(A)示出了入射到波长变换装置10中的光脉冲串20的光谱。示出了光脉冲的中心波长为λs的情况。图2(B)示出了从SC光发生部12射出的、波长具有分布在从λL到λH(其中，λL＜λH)的范围内的光谱形状的SC光13的光谱。图2(C)示出了光波长滤波器14的透过率特性。图2(D)示出了从波长变换装置10射出的光脉冲串22的光谱。
图2(A)所示的具有以波长λs为中心波长的光谱的入射光脉冲串20从输入端子16入射到波长变换装置10中。入射光脉冲串20是具有光脉冲的反复频率fo(Hz)的光脉冲串。在光通信中，光脉冲串20被调制为RZ(Return to Zero)信号。
在SC光发生部12中，入射光脉冲串20被变换为图2(B)所示的、波长具有分布在从波长λL到波长λH(其中，λL＜λH)的范围内的光谱形状的SC光13。另一方面，光波长滤波器14具有图2(C)所示的中心波长为λ1的透过率特性。这里，说明了光波长滤波器14的中心波长是λ1的情况，但光波长滤波器14的中心波长是λ1以外的λ2等时也一样。即，使经过变换的光脉冲的中心波长λ1和光波长滤波器14的透过率为最大的波长(中心波长λ1)是一致的。
从SC光发生部12输出的SC光13通过光波长滤波器14仅提取出所期望的波长成分，可以得到图2(d)所示的波长不同于入射光脉冲串20(波长是λs)的出射光脉冲串22(波长是λ1)。但是，入射光脉冲串20被调制为RZ信号时，波长变换后得到的光脉冲串22也被调制为相同形状的RZ信号。而且，无论入射光脉冲串20的比特率如何，都能进行波长变换。如果用透过波长可变的光波长滤波器作为后述第二实施例中使用的光波长滤波器，则可在时间上连续改变波长变换后得到的出射光脉冲串22的波长。
(第一实施例)
参考图3，说明本发明第一实施例的波长变换装置30的构成和各个部分的功能。本发明的波长变换装置30的特点在于用分散减少光纤32作为SC光发生部、即SC媒质。波长变换装置30的SC光发生部以外的构成和图1所示的波长变换装置10相同。即，入射光脉冲串40从输入端子36入射到波长变换装置30中，在相当于SC光发生部的分散减少光纤32中变换为SC光33。在光波长滤波器34中对SC光33进行滤波，变成波长被变换的光脉冲串35，通过输出端子38作为波长变换后的光脉冲串42输出到外部。
图3的左侧和右侧分别说明性地描述了入射光脉冲串40和出射脉冲串42。入射光脉冲串40和出射光脉冲串42在时间轴上的形状相同，但波长从λs变换为λ1。当然，λL＜λ1＜λH。
所谓分散减少光纤是指这样的光纤：具有对应于某个特定波长光的波长分散值随着进入光纤的波导方向而减小的特性。当光脉冲(严格地说是光孤波脉冲)在分散减少光纤中传播时，引起所谓孤波脉冲压缩效应的孤波绝热压缩、传播的光脉冲的半峰全宽减少的现象是已知的。因此，入射光脉冲40的峰值功率增大，结果，高效地产生SC光33。
参考图4(A)～(C)，说明波长λs＝1.55μm的入射光脉冲被变换为SC光，经光波长滤波器滤波后得到的波长变换的光脉冲的关系。这里所示的结果是在假设下述条件后进行数值仿真得到的结果。此外，在各个图中，横轴波长的刻度以μm为单位来表示，纵轴光强度的刻度以dBm为单位来表示。
假设入射光脉冲是这样的光脉冲：其中心波长是1.55μm，峰值功率是5W，半峰全宽是4ps，反复频率fo具有10GHz的高斯函数形状。光波长滤波器作为透过带宽(透过率曲线的半峰全宽)为1nm、透过带宽的中心波长λ1为1.57μm的高斯型光波长滤波器，进行数值分析。为了产生SC光而使用的分散减少光纤的长度、波长分散值、波长分散斜度等一并显示在表1中。如表1所示的输入端分散值是分散减少光纤的输入端的波长分散值。该波长分散值从输入端向输出端直线减少。
表1
参数 值  单位
光纤长度 500  m
输入端分散值 +9  ps/km/nm
输出端分散值 -1  ps/km/nm
分散斜度 0.11  ps/km/nm2
非线性折射率 2.6×10-20  m2/W
有效截面积 50  μm2
损失 0.2  dB/km
用于数值仿真的数值计算通过用分步傅立叶法解出非线性薛定谔方程来进行。用分步傅立叶法求解非线性薛定谔方程的方法是公知的方法，详细说明例如见G.P.アグラワ一ル著《非线性光纤光学》。数值计算是用遵循上述计算方法实现的仿真机(Optiwave公司制，商品名：OptiSystem2.1)进行的。
图4(A)示出了入射光脉冲40的光谱形状。半峰全宽约为6nm，中心波长为1.55μm。当该入射光脉冲40通过分散减少光纤32时，变成图4(B)所示的SC光。SC光分布的、SC光的光强度在-20dB以上的频带约为从1.49μm到1.61μm的120nm宽。由于上述入射光脉冲40的光谱的半峰全宽约为6nm，因此SC光分布的带宽约为它的20倍。
通过光波长滤波器可以从图4(B)所示的SC光中提取出波长为1.57μm的光脉冲，上述SC光的光强度在-20dBm以上的频带是从短波长侧(λL)1.49μm到长波长侧(λH)1.61μm，显然，波长1.57μm包含在该区域中。如上所述，SC光的透过频带的中心波长λ1是1.57μm，通过高斯型光波长滤波器进行滤波，得到中心波长变换为1.57μm的输出光脉冲。
以下，更详细地说明用于进行上述波长变换的条件。
中心波长λs的激发光脉冲被波长变换为具有以下条件(1)所示的波长λL到波长λH(其中，λL＜λH)范围的波长光谱频带的光脉冲。
λL＜λs＜λH    (1)
从以上的说明可知，因为对SC光进行滤波的光波长滤波器的透过频带的中心波长λ1应该等于波长变换后得到的光脉冲的中心波长λs，无疑，一定是
λL＜λ1＜λH    (2)
即，如果使用在进行滤波的、透过中心波长λ1满足条件式(2)的范围内的某个光波长滤波器，则可以在从波长λL到波长λH的宽波长范围内选择波长，从存在于从波长λL到波长λH的波长范围内的SC光中得到任意波长的光脉冲。
下面，以用于滤波的光波长滤波器的透过频带的形状为条件说明SC光。如果把光波长滤波器34的透过特性作为光频率f的函数、以g(f)来表示的话，则通过光波长滤波器34对SC光滤波时，从光波长滤波器34输出的光的光谱形状应该和光波长滤波器34的透过特性g(f)相同。
另一方面，作为来自光波长滤波器34的输出光的时间t的函数的时间波形G(t)和来自光波长滤波器34的输出光的光谱形状g(f)彼此之间是傅立叶变换的关系。因此，光波长滤波器34的透过特性g(f)的形状最好以对作为来自光波长滤波器34的输出光的时间t的函数的时间波形G(t)进行傅立叶变换后得到的关系存在。
高斯函数即使进行了傅立叶变换仍然是高斯函数。另一方面，在光通信等中使用的光脉冲的形状无论对于时间轴还是对光频率轴而言都可以通过高斯函数而十分近似。以后，光脉冲形状如果表示成光波长或光频率的函数，则称其为光脉冲的光谱，如果表示成时间t的函数，则称其为光脉冲的时间波形。
参考图5(A)和图5(B)说明最佳条件是上述光波长滤波器34的透过特性g(f)的形状满足对作为从光波长滤波器34输出的光的时间t的函数的时间波形G(t)进行傅立叶变换后得到的关系。
图5(A)和图5(B)中的纵轴都用W为单位表示光强度(图5(A)的曲线以pW为单位，图5(B)的曲线以nW为单位)，横轴的刻度尺是以ps为单位表示时间。两个曲线都是计算仿真的结果。
图5(A)是使用提供透过特性的函数g(f)是矩形函数的光波长滤波器，对时间波形G(t)具有高斯函数形状的光脉冲进行滤波时得到的光脉冲的时间波形。另一方面，图5(B)是提供光波长滤波器的透过特性的函数g(f)和提供光脉冲的时间波形的函数G(t)都是高斯函数形状时，同样得到的光脉冲的时间波形。
在图5(A)所示的、使用提供透过特性的函数g(f)为矩形函数的光波长滤波器对时间波形G(t)具有高斯函数形状的光脉冲滤波时得到的光脉冲的时间波形中，在峰值波长的两侧出现了以向下方向箭头表示的旁瓣。这些旁瓣可能会在光通信等中引起和相邻光脉冲的干涉，给通信带来故障。
另一方面，如图5(B)所示，在提供光波长滤波器的透过特性的函数g(f)和提供光脉冲的时间波形的函数G(t)都为高斯函数形状的情况下，在和图5(A)所示情况一样得到的光脉冲的时间波形中不出现上述旁瓣。
因此，可以得出结论：光波长滤波器34的透过特性g(f)的形状满足对作为来自光波长滤波器34的输出光的时间t的函数的时间波形G(t)进行傅立叶变换后得到的关系是最好的。
下面，研究光脉冲在时间轴上成串地在光传输路径中传播时，不和相邻存在的光脉冲引起干涉的条件。为了不与相邻存在的光脉冲发生干涉，在以比特时隙的最小值(1/fo)(秒)提供的、时间轴上的时间宽度范围内必须收到一个光脉冲。这里，fo(Hz)是提供光脉冲在时间轴上的出现频度的频率(比特率)。
由此，如果出射光脉冲的时间波形的半峰全宽为th(秒)，则必须满足
th＜1/fo    (4)
而且，如果光脉冲的光谱的半峰全宽为fh(Hz)，如果光脉冲的光谱和时间波形是作为傅立叶变换极限的高斯函数型，则在th(秒)和fh(Hz)之间存在以下关系：
th·fh0.44    (5)
光脉冲的光谱的半峰全宽fh(Hz)和光波长滤波器的透过带宽(透过率曲线的半峰全宽)Δf(Hz)一致。这样，通过式(4)和式(5)，光波长滤波器的透过频率带宽Δf(Hz)必须满足下述关系式
Δf＝fh＞0.44fo    (3)
下面详细说明在上述光脉冲的光谱和时间波形是作为傅立叶变换极限的高斯函数型的情况下，光脉冲的光谱宽度和光脉冲的时间波形的关系。
光脉冲的时间波形作为时间t(秒)的函数，用下式(6)提供的高斯函数U(t)表示。
U(t)＝exp(-t2/2to2)    (6)
这里，to(秒)是函数U(t)的半峰宽度。所谓函数U(t)的半峰宽度是以提供光强度U(t)的最大值的1/e的时间为t1和t2时从t1到t2的时间宽度。以提供光强度U(t)的最大值的1/2的时间为t1’和t2’时从t1’到t2’的时间宽度被称为半峰全宽，写为th(秒)。
在高斯函数型的光脉冲的时间波形中，在to(秒)和th(秒)之间具有下式(7)的关系。
th＝2(ln2)1/2to    (7)
其中，ln2表示2的自然对数。
另一方面，下式(8)提供了通过傅立叶变换光脉冲的时间波形U(t)而得到的具有高斯函数型光脉冲的光谱形状的函数u(ω)。
u(ω)＝(2πto2)1/2exp(-ω2to2/2)    (8)
这里，ω(rad/s)是光脉冲的角频率，与频率f(Hz)具有如下关系：
f＝ω/2π    (9)
光脉冲的光谱u(ω)的半峰宽度ωo(rad/s)与光脉冲的时间波形U(t)的半峰宽度to(秒)具有如下关系：
ωo＝1/to    (10)
所谓光脉冲的光谱u(ω)的半峰宽度ωo(rad/s)是指以提供光脉冲光谱u(ω)的最大值的1/e的角频率为ω1和ω2时从ω1到ω2的角频率间隔。其中，ω1＜ω2。
当以提供ωo(rad/s)和光脉冲光谱u(ω)的最大值的1/2的角频率为ω1’和ω2’时，从ω1’到ω2’的角频率间隔被称为光脉冲光谱u(ω)的半峰全宽，如果用ωh(rad/s)表示，则有这样的关系：
ωh＝2(ln2)1/2ωo    (11)
其中，ω1’＜ω2’。
从以上说明的式(7)、式(9)、式(10)和式(11)可以得出，光脉冲光谱的半峰全宽fh(Hz)和光脉冲光谱u(ω)的半峰全宽ωh(rad/s)的关系是fh＝ωh/2π，因此，光强度U(t)的半峰全宽th(秒)和光脉冲光谱的半峰全宽fh(Hz)的关系由下式(12)提供。
th·fh＝th·(ωh/2π)＝2(ln2)/π0.44    (12)
根据以上说明，得到上述关系式
th·fh0.44    (5)
根据关系式(5)，上述光波长滤波器的透过频率带宽Δf(Hz)由下式提供：
Δf＝fh0.44/th＞0.44fo    (3)
(第二实施例)
参考图6，说明本发明波长变换装置的第二实施例。第二实施例的波长变换装置50的特征在于把光放大器作为构成要素加在已经参考图1说明的本发明波长变换装置的基本构成中。第二实施例的波长变换装置50由光放大器52、SC光发生部54和光波长滤波器56构成。在图6的左侧和右侧分别说明性地描述了入射光脉冲串60和出射光脉冲串62。入射光脉冲串60和出射光脉冲串62在时间轴上的形状是相同的，但波长从λs变换为λ1。
在图6的左侧说明性描述的光脉冲串60是波长为λs的激发光脉冲串，是入射到本发明波长变换装置50中的被变换光脉冲串。
以后，将被波长变换的入射光脉冲串称为激发光脉冲串，把波长变换后的出射光脉冲串称为变换光脉冲串。对于构成光脉冲串的一个一个光脉冲来说，被波长变换的入射光脉冲称为激发光脉冲，波长变换后的出射光脉冲称为变换光脉冲。
下面说明本发明第二实施例的波长变换装置50的构成和各部分的功能。波长变换装置50的特点在于：向SC光发生部54入射被变换光脉冲之前，可以通过光放大器52将被变换光脉冲的峰值功率放大到产生SC光所需的足够光强度的水准。
即，本发明第二实施例的波长变换装置50具有光放大器，在激发光脉冲的SC光发生部的入射光路中，把激发光脉冲的峰值功率放大到产生SC光所需的光强度的水准。
波长变换装置50的光放大器52以外的构成和图1所示的波长变换装置10相同。即，入射光脉冲串60从输入端子58入射到波长变换装置50中，通过光放大器52把入射光脉冲串51的峰值功率放大到产生SC光所需的最低限度的光强度以上的水准。通过光放大器52放大的入射光脉冲串51作为光脉冲串53，在SC光发生部54中被变换为SC光55。SC光55经波长滤波器56滤波，变成变换了波长的光脉冲串57，通过输出端子64，作为波长变换后的光脉冲串62输出到外部。
用于依据激发光脉冲产生SC光所需的激发光脉冲的峰值功率由于入射光脉冲宽度和SC光发生部构成部件的物理特性不同而不同。例如，对将具有表1中记载的诸特性的分散减少光纤作为SC光发生部的构成部件产生SC光时所需的入射光脉冲的峰值功率与入射光脉冲宽度的关系进行了仿真。结果如图7所示。假设分散减少光纤的长度是1000米，利用根据以分步傅立叶法求解上述非线性薛定谔方程的计算方法而制作的仿真器(Optiwave公司的OptiSystem2.1)来进行仿真。
图7示出了通过上述仿真得到的产生SC光所需的激发光脉冲的最小峰值功率和激发光脉冲的半峰宽度的关系。纵轴以W为单位标出激发光脉冲的峰值功率，横轴以ps为单位标出激发光脉冲的半峰宽度。图7中，黑点所示的值提供仿真结果，用实线把这些值平滑地连接起来，从而示出产生SC光所需的激发光脉冲的最小峰值功率的值。因此，激发光脉冲的峰值功率如果是实线表示的值以上的值，则产生SC光。例如，如果激发光脉冲的半峰宽度是2ps，如果激发光脉冲的峰值功率在1.5W以上，则产生SC光。
根据具有光放大器52的波长变换装置50，入射到波长变换装置50中的入射光脉冲的峰值功率即使在产生SC光所需的值以下，也进行期望的波长变换。即，若通过光放大器52放大入射光脉冲，如果设定光放大器52的放大率，使得入射光脉冲的峰值功率变成以上说明的产生SC光所需的激发光脉冲的最小峰值脉冲以上，则进行期望的波长变换。
(第三实施例)
参考图8说明本发明波长变换装置的第三实施例。第三实施例的波长变换装置70的特征在于：相当于图1的基本构成中的光波长滤波器14的光波长滤波器74由透过光的中心波长是可变的透过波长可变滤波器74构成。波长变换装置70由SC光发生部72和透过波长可变滤波器74构成。入射光脉冲串82和出射光脉冲串84分别在图8的左侧和右侧进行了说明性描述。入射光脉冲串82和出射光脉冲串84在时间轴上的形状相同，但波长从λs变换为λ1。
说明作为本发明第三实施例的波长变换装置70的构成和各部分的功能。光波长滤波器74除了由透过光的中心波长可变的透过波长可变滤波器构成这点之外，和图1所示的作为本发明波长变换装置的基本构成的波长变换装置10相同。即，入射光脉冲串82从输入端子78入射到波长变换装置70中，在SC光发生部72中，变换为SC光73。SC光73经透过波长可变滤波器74进行滤波，变成变换了波长的光脉冲串75，通过输出端子80，作为波长变换了的光脉冲串84输出到外部。
根据具有透过波长可变滤波器74的波长变换装置70，进行变换为任意波长的入射光脉冲的波长变换。
根据由光波长滤波器控制信号输入端子76提供的控制信号77，在作为SC光的光谱频带的、从波长λL到波长λH(其中，λL＜λH)的范围内，可任意改变透过波长可变滤波器74的透过波长带的中心波长λ1，选择出射光脉冲的波长。即，如果选择透过波长可变滤波器74的透过波长带的中心波长λ1，使得变成λL＜λ1＜λH，则由输入光脉冲的波长λs可以得到波长为λ1的输出光脉冲。但是，波长λL、波长λH、波长λs和波长λ1之间的条件是满足以下的条件(1)和(2)
λL＜λs＜λH    (1)
λL＜λ1＜λH    (2)
作为透过波长可变滤波器，可以作成能通过压电元件调整谐振器长度类型的法布里-佩洛型光波长滤波器。这时，从光波长滤波器控制信号输入端子76提供的控制信号77是电压信号。当然，也可以利用机械调整谐振器、使透过光的中心波长改变的类型的法布里-佩洛型光波长滤波器作为透过波长可变滤波器。例如オプトクエスト有限公司制造的WTFA系列在市场上有售，所以可以使用它作为可用作上述透过波长可变滤波器的光波长滤波器。
(第四实施例)
参考图9，说明本发明波长变换装置的第四实施例。第四实施例的波长变换装置100的特点在于：光循环器和光波长滤波器交互串联排列构成且利用光纤光栅构成光波长滤波器，以代替图1的基本构成中的光波长滤波器14。
射出SC光发生部120的、波长λs的入射光脉冲被波长变换后的SC光通过第一光循环器122入射到第一光纤光栅124中。第一光纤光栅124具有作为光波长滤波器的功能，仅反射波长λ1的光脉冲，使其他波长的光脉冲透过。因此，仅波长为λ1的光脉冲通过第一光纤光栅124被反射，再入射到第一光循环器122中，作为波长为λ1的光脉冲123到达第一输出端子144，并作为波长为λ1的光脉冲112输出到外部。即，将波长为λs的入射光脉冲波长变换为波长为λ1的光脉冲112后从第一输出端子144输出，进行第一波长变换。
射出SC光发生部120的、波长为λs的入射光脉冲被波长变换后的SC光通过第一光循环器122和第一光纤光栅124，再通过第二光循环器126，入射到第二光纤光栅128中。第二光纤光栅128具有作为光波长滤波器的功能，仅反射波长为λ2的光脉冲，使其他波长的光脉冲透过。
因此，仅波长为λ2的光脉冲通过第二光纤光栅128被反射，再入射到第二光循环器126中，作为波长为λ2的光脉冲127到达第二输出端子146，并作为波长为λ2的光脉冲114输出到外部。即，波长为λs的入射光脉冲被波长变换为波长为λ2的光脉冲114后从第二输出端子146输出，进行第二波长变换。
同样地，在第二光纤光栅128的后级，如上所述那样使光循环器和光纤光栅组合起来，通过串联排列连接，可以把射出SC光发生部120的波长为λs的入射光脉冲波长变换为波长为λ3、波长为λ4、...波长为λn(n是2以上的整数)的波长各不相同的n种光脉冲。
通过作为最后一级的第n个光循环器130和第n个光纤光栅132组后，波长为λs的入射光脉冲被波长变换为波长为λn的光脉冲116后从第n个输出端子148输出，进行第n次波长变换。即，波长为λs的入射光脉冲被波长变换为波长为λn的光脉冲116后从第n个输出端子148输出，进行第n次波长变换。
光端接器140连接在第n个光纤光栅132的后级，处理可以到达该光端接器140的光脉冲(波长是上述λ1、λ2、λ3、...及λn以外的光脉冲)以使之不再次返回SC光发生部120。
当然，入射光脉冲的波长λs、波长变换后得到的出射光脉冲的波长λ1、λ2、λ3、...及λn必须位于作为SC光的光谱频带的、从波长λL到波长λH(其中，λL＜λH)的范围内，并且波长互不相同。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。
图9的左侧和右侧分别说明性描述了入射光脉冲串110和出射光脉冲112、114及116。入射光脉冲串110和出射光脉冲112、114及116在时间轴上是相同的形状，但波长从λs分别被变换为λ1、λ2、λ3、...及λn。
当然，也可以取代图1的基本构成中的光波长滤波器14，光循环器和光波长滤波器交互串联排列构成的部分由第一光循环器122和第一光纤光栅124构成，省略设置在第二光循环器后级的进行第二次波长变换和第三次波长变换等第n次波长变换的部分。这时，经波长变换装置波长变换后得到的光脉冲仅是中心波长为λ1的光脉冲。
(第五实施例)
参考图10说明本发明波长变换装置的第五实施例。第五实施例的波长变换装置150的特点在于：利用阵列波导光栅(AWG：ArrayedWaveguide Grating)162构成相当于图1基本构成中的光波长滤波器的光波长滤波器。
AWG162是具有这样功能的元件：由具有波长选择性的多个光波导路集聚而成，分离具有各不相同的中心波长λ1、λ2、λ3、...及λn的光脉冲，并将其分别输出到不同的输出端子。
入射光脉冲串152从输入端子154入射到波长变换装置150中，入射到SC光发生部160中变成SC光161，入射到AWG162中。在AWG162中，分离具有各不相同的中心波长λ1、λ2、λ3、...及λn(n是2以上的整数)的光脉冲，分别分离提取为中心波长为λ1的光脉冲、中心波长为λ2的光脉冲、...和中心波长为λn的光脉冲，通过各自的输出端子164、166及168作为n种光脉冲171、173及175输出到外部。
根据如上构成的波长变换装置150，与上述第四实施例的波长变换装置100同样地，对波长为λs的入射光脉冲进行波长变换，得到波长各不相同的中心波长λ1的光脉冲、中心波长λ2的光脉冲、...和中心波长λn的光脉冲。
当然，和上述第四实施例的波长变换装置一样，入射光脉冲的波长λs、波长变换后得到的出射光脉冲的波长λ1、λ2、λ3、...及λn必须在作为SC光的光谱频带的、从波长λL到波长λH(其中λL＜λH)的范围内，并且波长互不相同。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。
图10的左侧和右侧分别说明性描述了入射光脉冲串152和出射光脉冲串171、173及175。入射光脉冲串152和出射光脉冲串171、173及175在时间轴上是相同的形状，但波长从λs分别被变换为λ1、λ2、λ3、...及λn。
如上所述，根据本发明的波长变换装置，中心波长为λs的激发光脉冲即入射光脉冲被波长变换为作为具有从波长λL到波长λH(其中λL＜λH)的范围的波长光谱带宽的SC光的光脉冲。对于SC光，如果使用透过中心波长λi在满足λL＜λi＜λH(i是自然数)的范围内的光波长滤波器，则可以从波长λL到波长λH的整个波长范围内的SC光中选择并提取在从光波长λL到波长λH的宽波长范围内具有该中心波长的光脉冲。从而，根据本发明的波长变换装置，可以将中心波长为λs的入射光脉冲变换为中心波长为λi(i是自然数)的光脉冲。

Claims (10)

1.一种波长变换装置，用于将中心波长为λs的激发光脉冲变换为中心波长为λ1、λ2、λ3、...、λn(n是自然数)的光脉冲，其特征在于包括有：
SC光发生部，用于在中心波长为λs的该激发光脉冲入射到其中后，产生具有分布在从波长λL到波长λH(其中，λL＜λH)的范围内的光谱形状的SC(Supercontinuum)光，
光波长滤波器，用于对该SC光进行滤波，且其透过中心波长为λ1、λ2、λ3、...、λn，其中n是自然数，
所述波长λL、波长λH、波长λs和波长λ1、λ2、λ3、...、λn(n是自然数)之间满足以下的条件(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.根据权利要求1所述的波长变换装置，其特征在于，上述SC光发生部是具有波长λs的波长分散绝对值在传播方向上递减的特性的光纤。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的波长变换装置，其特征在于，上述光波长滤波器是具有如下透过特性的光波长滤波器：该光的透过光谱的形状与对中心波长为λ1、λ2、λ3、...、λn(n是自然数)的光脉冲的时间波形进行傅立叶变换后得到的光谱形状相同。
4.根据权利要求3所述的波长变换装置，其特征在于，上述光波长滤波器是具有如下透过特性的光波长滤波器：该光的透过率用以波长为自变量的高斯函数表示。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的波长变换装置，其特征在于，上述光波长滤波器是其透过频率带宽Δf(Hz)满足以下的条件(3)的光波长滤波器，
Δf＝fh＞0.44fo            (3)
其中，fh(Hz)是变换后的波长为λ1、λ2、λ3、...、λn(n是自然数)的光脉冲在时间轴上的半峰全宽，fo(Hz)相当于提供光脉冲在时间轴上的出现频度的频率(比特率)。
6.根据权利要求1所述的波长变换装置，其特征在于，在上述激发光脉冲的上述SC光发生部的入射光路中包括光放大器，用于放大该激发光脉冲，使该激发光脉冲的峰值功率达到产生SC光所需的光强度的水准。
7.根据权利要求1所述的波长变换装置，其特征在于，上述光波长滤波器是透过光的中心波长可变的透过波长可变滤波器。
8.根据权利要求1所述的波长变换装置，其特征在于，上述光波长滤波器利用光纤光栅构成，并且光循环器和光波长滤波器串联排列。
9.根据权利要求1所述的波长变换装置，其特征在于，上述光波长滤波器利用光纤光栅构成，并且光循环器和光波长滤波器交互串联排列。
10.根据权利要求1所述的波长变换装置，其特征在于，上述光波长滤波器是阵列波导光栅。
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