信號光的減噪裝置與信號光的減噪方法

2024-03-06 00:33:15 1

專利名稱：信號光的減噪裝置與信號光的減噪方法
技術領域：
本發明涉及光通信中信號光的減噪裝置(下面簡作減噪裝置)。
背景技術：
近年來，隨著光通信技術的飛躍發展，希望能進一步擴展信號光的傳輸距離(長程化)。
對應於傳輸距離長程化的企圖，當前採用了能使信號光進行光增強的多個光增強器，對光纖等傳輸媒體中繼，以補償信號光強度隨著傳輸距離加長的衰減。
近年來，光纖增強器之中，利用鉺的激勵光的受激發射現象的摻鉺光纖增強器(簡記為EDFA)受到重視。
光纖增強器由於與傳輸媒體有良好的匹配性，適用於光傳輸系統，而EDFA則因增強波段與石英系光纖的極低損耗即1500nm波段匹配，能實現高增益與高效率而尤其適用於光傳輸系統。
但是，包括EDFA在內的光增強器因受激離子的粒子數反轉，將產生增強信號光。在此信號光的增強過程中，由於隨機地發生的自發輻射光也會增強。光增強器將產生增強的自發輻射光也會增強。光增強器將產生增強的自發輻射光(以後有時簡作ASE)，也即會產生噪聲光(也稱為噪聲、雜波)。
結果，具有隨機相位的ASE便附加到增強信號光上，使信號光對噪聲光的比(S/H比)嚴重惡化。
由於混入了ASE，從光增強器不能以良好的精度只輸出預定的信號光，此外，ASE還與信號光相同，在沿光纖等的傳輸之中反覆進行光增強。
因此，這種不希望發生的ASE大大妨礙了傳輸距離長程化的企圖。

發明內容
鑑於以上所述，希望能有從技術上解決前述問題的方法。
為此，本申請的發明人首先通常是將這種噪聲光發生初始時的光強與信號光的光強進行比較，著眼於相當小的對象進行深入的研究。結果發現，利用碳納米管的可飽和吸收體具有的能以光功率的平方減少吸收而激增透射率的特性，可以在只增強信號光的同時抑制噪聲光的增強，從而能只傳輸信號光而截止噪聲光。
這樣，本發明的信號光的減噪裝置具有下述結構方面的特徵。
具體地說，這種減噪裝置構成為將碳納米管用作可飽和吸收體。然後將這種減噪裝置設於信號光的通路中，用於減少光通信中信號光的噪聲。
根據這種結構，可飽和吸收體的碳納米管一方面截止了光強度弱的ASE等的透過，另一方面則透射光強度高的信號光，從而能降低信號光的噪聲。
碳納米管最好是在光學上具有非線性的。
可飽和吸收體最好通過與光增強器相組合，相對於與信號光反向行進的光具有光隔離器的功能。
作為與信號光反向行進的光例如有信號光的反射光，反射光的光強比信號光的光強弱。因此還可使可飽和吸收體起到用作信號光與反射光的光隔離器的作用，可簡便地構成光通信用設備。
可飽和吸收體最好具有可用作相對於信號光的波形整形件的功能。
可飽和吸收體能截止信號光的強度分布中光強弱的部分而透射光強高的部分，從而能將透過可飽和吸收體的信號光的脈衝波形整形成陡削的波形。
可飽和吸收體的可能和吸收的波段最好在1200nm以上和2000nm以下。
這樣，例如就能與當前用作傳輸媒體的石英系光纖的信號光的波段相匹配。
信號光最好設定為從光纖增強器出射的信號光。
光纖增強器最好是摻餌光纖增強器。
這樣，由於能使摻餌光纖增強器中石英系光纖的極低損耗波段與可飽和吸收體的可飽和吸收的波段匹配，故能在實際中獲得有效的利用。
信號光最好設定為從半導體光增強器出射的信號光。
信號光最好設定為從半導體雷射器出射的信號光。
當於光路中具有相連接的多段光纖增強器時，最好將可飽和吸收體作為中繼器設於各相鄰的光纖增強器之間。
這樣，由於相對於從所連接的各光纖增強器出射的增強光能發揮可飽和吸收功能，故可高效地截止增強的自發輻射光的透光而能有效地長距離化。
此外，碳納米管最好是用單層碳納米管與多層碳納米管中的兩方，或也可採用其中的一方。
上述的減噪裝置最好是由於透明基板、透明稜鏡、透明透鏡、其他合適的透明光學材料形成的光學部件的表面上設置碳納米管構成。但也可以將碳納米管夾設於透明的光學材料之間或是埋置於透明光學材料之中。


圖1用於說明SWNT(單層碳納米管)薄膜的光吸收特性。
圖2是相對於圖1中最低能量區出現的吸收帶部分將橫軸變換為光波長的圖。
圖3用於說明SWNT薄膜的Z掃描法的測定裝置。
圖4用於說明SWNT薄膜的Z掃描法中SWNT薄膜位於-40mm附近時各雷射強度下的透射率。
圖5用於說明具有本發明的信號光的減噪裝置的EDFA。
圖6(A)～(C)用於說明SWNT薄膜的減噪效果。
圖7說明SWNT薄膜的波形整形效果。
圖8(A)與(B)用於說明實施形式的變形例。
圖9用於說明一般的EDFA的結構。
具體實施形式下面參考

本發明的實施形式，此外，供說明的各圖只是概示了能理解本發明程度的各結構要素的尺寸、形狀與配置關係等。這就是說，本發明並不限於圖示的例子。
(1)碳納米管的可飽和吸收功能的驗證(1-1)碳納米管的製作在本實施形式中，採用由碳原子(c)的六元環結構形成的一片石墨體成為管狀結構的碳納米管(SWNT)。此外，碳納米管中還有多層結構的石墨體成為管狀結構的多層碳納米管(以下簡記為MWNT)，本發明並不局限於SWNT。
SWNT的製造周知可利用雷射蒸發法與弧光放電法等任意的合適方法。下面簡述雷射蒸發法的SWNT的形成方法例。
首先製作含有鈷(Co)與鎳(Ni)各若干原子％(例如設各為0.6原子％)的(金屬/碳)複合棒。
繼將此複合棒於電爐中在約1200℃的溫度下加熱後，在500乇的減壓下按50sccm導入氬(Ar)氣，同時用Nd-yAG脈衝雷射器(10Hz)等瞬時蒸發碳與催化劑金屬，製作SWNT。此外，在這樣製得的SWNT中有時會混入副產物的雜質，因而最好採用水熱法、離心分離法與超濾法等任意一種合適的方法來精製SWNT。
(1-2)碳鈉米管薄膜的製作再來製作SWNT形成的薄膜(以下稱作SWNT薄膜)。製作SWNT薄膜時，可使用SWNT，直徑較好在0.5nm～2.0nm範圍內；SWNT的長度，較好在500nm～1000nm範圍內。SWNT的直徑和長度在該範圍內可發現合適的可飽和吸收功能。
在以下實施例中，採用平均直徑為1.3nm左右、平均長度為1000nm程度的SWNT。
在製作SWNT薄膜時，採用噴塗法將SWNT分散於分散劑中獲得的分散液噴塗於透明的光學材料即玻璃基板等透明性的被塗布物上，製作SWNT薄膜。下面簡述噴塗法的SWNT薄膜的製作方法的一例。作為玻璃基板例如採用兩面平行的玻璃板。
首先調製將(1-1)說明的方法精製的SWNT均勻分散到例如乙醇、二氯乙烷與甲基甲醛等之中至少一種內的分散液。在此分散液的調製中，自然可根據需要添加表面活性劑等。SWNT的分散濃度例如在把乙醇用作分散劑時以約1～2mg/ml為宜。又，分散濃度也不局限於此，可以根據目的與設計任意變更。
然後將調製好的分散液噴塗到玻璃基板上再使其乾燥。當用於進行噴塗的玻璃基板的溫度低時，所塗布的分散液中的SWNT便不能取得良好凝集的塗膜質量，因而應在將玻璃基板加溫的同時進行噴塗。
經上述過程後可以製得優質的SWNT薄膜。此外，SWNT薄膜的製造方法也不局限於這裡所述的，也可以採用電泳成膜法與聚合物分散法等。
(1-3)碳納米管的吸收光譜的測定對(1-2)說明的方法所製備的SWNT薄膜進行了光吸收特性的評價。
SWNT薄膜是把精製的SWNT 1～2mg分散到用作分散劑的例如乙醇5ml的分散液噴塗到透明的玻璃基板上來製作。
這樣取得的SWNT薄膜的光吸收特性的測定結果示明於圖1中，用分光光度計U-4000(日立製作所製造)進行這樣測定。此圖的橫軸表示照射到SWNT薄膜上的光能(ev)，縱軸表示該SWNT薄膜的光吸收度[-]。
如圖1所示，SWNT薄膜在紅外區具有多個吸收帶。此外，由於此SWNT薄膜於0.8(ev)附近具有吸收限，可以推察其具有半導體性質。
然後將圖1所示的最低能量區(在此為1(ev)附近)中出現的吸收帶提取出且將橫軸變換為光波長(nm)的結果，示明於圖2。
如圖2所示，圖1中約1(ev)附近的吸收帶存在於1200～2000nm的波段中，同時確認吸收峰波長在1780nm附近。雖然SWNT的吸收峰波長在本實施形式條件下是在1780nm附近，但可以推斷，通過調整SWNT的直徑與長度，能使吸收峰波長作稍許變化。
(1-4)碳納米管的可飽和吸收功能的測定以雷射照射由(1-2)中所述方法製備的SWNT薄膜，用Z掃描法測定照射光強與透過SWNT薄膜的透射光強的關係，評價SWNT薄膜的可飽和吸收功能。
圖3概示Z掃描法的測定裝置。如圖3所示，測定裝置10將半導體雷射器等光源12、UV截止濾光片14、ND濾光片16、焦距f為150mm的透鏡18以及光接收器20，依此順序沿著光源12的照射光的光軸(Z方向)設置，SWNT薄膜15則配置於透鏡18與光接收器20之間。
然後將從透鏡18的焦點F到靠近光接收器20側約40mm的位置設為原點X(O，零點)，使SWNT薄膜15沿光軸(Z軸)於圖中的左向(光源12)的方向移動，測定照射SWNT薄膜15的照射光強的透射率的變化。
這時的光源12是在帶再生增強器的鈦藍寶石雷射器中備有光參量放大器(OPA)，輸出SWNT的吸收峰波長約1780nm的雷射。此外，設雷射的脈衝寬度為200fs、重複周期為1kHz，取光源12的雷射強度為10μw、20μw、30μw、50μw、100μw與300μw共六種，進行了測定。照射到SWNT薄膜15上的光量在該SWNT薄膜15配置於焦點F處時為最大，而隨著離焦點F愈遠而愈小。例如當光源12的雷射強度為10μw而焦點F處的雷射點直徑約0.05mm時，則焦點F處的雷射強度約為637MW。
將SWNT薄膜15從原點X(o)沿圖面向左移動到40mm(-40mm)附近的位置，即SWNT薄膜15位於焦點F附近位置時的，光源12的各雷射強度與透射率的關係示明於圖4。在圖4中，橫軸表示光強(光功率)(μw)的對數，縱軸表示透射率(-)，在10μW、20μw、30μw、50μw、100μw與300μw時分別約為3×10-2(3％)、9.5×10-2(9.5％)、16∶5×10-2(約16.5％)、32×10-2(32％)、55×10-2(55％)與80×10-2(80％)。
從圖4可知在各個雷射強度照射光強下的透射率各不相同，但在透鏡18的焦點F附近約-40mm處，透射率的增加在光學上呈非線性形式。據此可以確認，SWNT薄膜相對於紅外區的吸收波段的光(或信號光)具有可飽和吸收功能。
但在此實施形式中，由於在SWNT薄膜表面上未進行合適的塗層。故照射到該SWNT薄膜上的雷射必然會擴散。這樣，若考慮此實施形式中因這種擴散造成的雷射損耗約20％時，透射率約為80×10-2(80％)，而可認為照射光(雷射)基本上是100％透過。
(2)利用碳納米管的可飽和吸收功能的結構例首先說明將可飽和吸收體碳納米管設於光通信的信號光通路中，用作降低信號光噪聲的減噪裝置的結構例。
通過將用作減噪裝置的可飽和吸收體與光增強器相組合，能用作與信號光反向行進的光的光隔離器，此外還能用作相對於信號光的波形整形器。
圖5為用於說明本發明的具有信號光減噪裝置的光纖增強器的EDFA的概略結構圖。圖9為用於說明與圖5結構不同的既有的一般EDFA的概略結構圖。圖5與圖9雖為雙向激勵型，但並非限定於此，即便是前向激勵型的EDFA或後向激勵型EDFA也能良好地適用本發明。
此外，在本實施形式中是以EDFA為例說明光纖增強器，但不局限於此，例如即使是喇曼增強器也能良好地實施本發明。
首先參考圖9說明一般EDFA的結構的例子。
如圖9所示，一般的雙向激勵型EDFA30設於輸入部32與輸出部42之間，具有光合波分波器34、34』，激勵光源36、36』；光隔離器38、38』以及摻餌光纖(以下簡記為EDF)40。此時的光隔離器38、38』主要起到不可逆電路的作用，以抑制成為EDFA30與其他光纖的連接端的輸入部32與輸出部42的端部處發生的與信號光反向行前的反射光(噪聲光)。
雙向激勵型EDFA3的工作概示於下。
首先，從輸入部32輸入的信號光由光合波分波器34與激勵光源36出射的激勵光合波，然後經光隔離器38由EDF40增強。此增強了的光(增強光)在由光合波分波器34』與光隔離器38』將殘留的激勵光等不需的光分波後，成為所希望的增強信號光，出射到輸出部42。
對於這種既有的雙向激勵型EDFA的適用於本發明的信號光減噪裝置的結構例示明於圖5。現參看圖5來說明本發明實施形式的一個例子。
如圖5所示，本實施形式的減噪裝置由碳納米管的可飽和吸收體構成，這時的可飽和吸收體15是(1-3)中說明的於透明的玻璃基板上塗布形成的SWNT薄膜。
在本實施形式中，最好將玻璃基板上的SWNT薄膜形成為對於所希望的信號光的透射率約在80％以上的膜厚。這樣可不妨礙所希望的信號光的透過，而且能有效地降低有害的噪聲光的透過。此外在以下的說明中，也將減噪裝置僅稱作為可飽和吸收體。
本實施形式中將此減噪裝置插設於雙向激勵型EDFA50的信號光的通路中。在此結構例中取由碳納米管的可飽和吸收體15代替圖9的EDF40的後級的光隔離器38』的結構。
但是EDFA，如所周知，由於半導體雷射器的激勵光(激勵波長980nm或1480nm)導致的餌(Er)的粒子數反轉，將石英光纖的極低損耗的波段中1500nm的波長帶的信號光進行光增強。於是可以獲得SWNT薄膜引起可飽和吸收的波段(約為1200～2000nm)與EDFA的信號光波長帶(1500nm)的匹配性。
本實施形式中取代光隔離器38』的可飽和吸收體15如(1-4)所說明的，具有截止強度弱的光(噪聲光)和透過高強度光(信號光)的特性。
由此可知，若能良好地利用此噪聲光的光功率與信號光的光功率差，讓這兩種光通過碳納米管構成的可飽和吸收體15，則能降低噪聲光的透射率(實質上截斷噪聲光)而讓信號光基本上是100％地透過。
這樣，例如對於雙向激勵型EDFA50中產生的初始噪聲光的光強(光功率)約為10μW，而與之相比，初始信號的光強(光功率)為50μw或100μw或是比這更大的電平的情形，通過以信號光強所致的透射率差為基礎來構造光通信系統，就能實現所希望的功能。以上所述只不過是一個例子，可以對應於所希望的設定任意地作出合適的變更。
下面參看圖6(A)～(C)詳細說明具有信號光減噪裝置的EDFA的信號光波形與噪聲光波形的變化。圖6(A)～(C)只是概示信號光波形與噪聲光波形的變化，而實際的波形變化則未必如所示的。此外，這些圖中的橫軸表示時間隔t(任意單位)而縱軸表示信號光強(光功率)(任意單位)。
來自圖5所示輸入部32的信號光a與隨著該信號光a的傳輸所產生的噪聲光b一起，入雙向激勵型EDFA50。這時的噪聲光b的光強與信號光的光強相比充分地小(參看圖6(A))。
在圖5所示的雙向激勵型EDFA50的可飽和吸收體15的前段之中，信號光a經光增強而成為信號光a』。此外，在信號光的光增強過程中，初始的噪聲光b與隨機發生的自發輻射光也增強而成為噪聲光b』。這時的噪聲光b』的光強與信號光a』的光強相比可以忽視(參看圖6(B))。
然後將信號光a』與噪聲光b』通過可飽和吸收體15輸出，於是光強度大的信號光a』幾乎是100％透過成為信號光a」，而噪聲光b』的透射率降低或實質上可以說是被截止(參看圖6(C))。此外，信號光a」的波形形狀與信號光a』的波形形狀相比，進行了波形整形(詳述於後)。
在此實施形式中，最好將SWNT的吸收峰波長從約1780nm移動約1500nm以改進SWNT的可飽和吸收功能。但是，信息光波長與SWNT的吸收峰波長未必一致，如果是SWNT的吸收波段內的信號光波長，則SWNT可供實際應用。
在上述實施形式中是以可飽和吸收體15取代了圖9中的光隔離器38』而構成，但也可取以可飽和吸收體15置換光隔離器38的結構或是以可飽和吸收體15配置於雙向激勵型EDFA30後段中的結構，這時可以期待有相同的效果。
可飽和吸收體15不僅能對信號光還能對與此信號光反向行進的這一信號光的反射光同樣地進行可飽和吸收。於是能把圖5所示的可飽和吸收體15用作載止反射光透過的光隔離器或是用作具備信號光的減噪與反射光的光隔離功能的元件。於是通過將本發明的減噪裝置插入到信號光的傳輸通路中，能謀求實現低噪聲的良好的光傳輸。
現在參看圖7，說明將可飽和吸收體15用作波形整形器的情形。此圖的橫軸表示時間t(任意單位)，縱軸表示信號光強(光功率)(任意單位)。
如已說明的，光強分布中中心側強度大的部分的光透射率高，而此分布曲線下降側的強度小的部分的光透射率低。於是如圖7所示，入射到可飽和吸收體15之前的信號光a』(對應於圖6中的信號光a』)，經過可飽和吸收體15而成為截止此信號光a』中光強度弱的信號光透過的信號光a」。
結果，經過可飽和吸收體15輸出的脈衝信號光a」遂成為信號光a』的前後端被切去的波形。於是信號光a」的脈衝寬度Y比信號光a』的脈衝寬度窄。從而在把圖5所示的可飽和吸收體15用於脈衝信號光的情形，就能把它用作整形器，縮短脈衝時間寬度短且把信號光整形成陡峭的波形，例如矩形波形。
此外，利用了可飽和吸收體15的碳納米管的本發明的減噪裝置，由於是具有抗光損傷與機械損傷性和耐水性的長壽命光纖，特別有希望在光通信領域獲得廣泛的實際應用。
上述本發明的實施形式的條件等並不局限於所述的組合形式。因此，在任意合適的階段組合適當的條件都可適用本發明。
例如本發明的減噪裝置的可飽和吸收功能能適用於任意合適的發生源的(信號)光而不限於光增強器的信號光。又例如，上述實施中是就把採用可飽和吸收體的減噪裝置應用於光通信領域的情形進行說明，但它也能良好地用於半導體器件領域。
具體如圖8(A)所示，將本發明的減噪裝置插入半導體器件，例如將半導體用作光增強介質的，從雷射器除去了諧振腔結構的半導體光增強器60出射的光路中，通過對此出射光進行可飽和吸收，就能降低甚或消除由該半導體光增強器60發生非所希望的導致製品可靠性降低的噪聲。此外，即使對於半導體雷射器62，若將本發明的減噪裝置插入此出射光的光路中，也有可能獲得減少甚或消除上述噪聲的效果。
再如圖8(B)所示，在信號光的通路中具有多個光纖增強器(在此例如設定為圖5所示的雙向激勵型EDFA50)例如是三個相連接的情形，也可構成為將可飽和吸收體15的碳納米管作為中繼器設於相鄰的各個光纖增強器中。此時，由於相對於所連接的各光纖增強器50出射的增強光能進行可飽和吸收，就能更有效地截止(減少)不希望有的ASE。
此外，光纖增強器的連接數不限於以上所述的3個。例如在實際工作中約每隔80km設置1個光纖增強器，以補償信號光的衰減來謀求傳輸距離的長程化。此時，由於信號光與噪聲光同時都反覆地增強，結果妨礙了信號光的正確傳輸。
於是，如上所述，在將光纖連接的同時設置本發明的減噪裝置即可飽和吸收體的碳納米管，只需構成為使每個碳納米管各減少約10％的噪聲光亮度計，就能極有效地降低10000km處的噪聲光的影響，並可用來抑制S/N比的降低。
此外，玻璃基板不限於雙面平行的玻璃板，可根據用途或設計取定任意合適形狀的玻璃基板。至於透明的光學材料也可以採用玻璃基板以外的塑料等。
從以上所述可知，根據本發明，能把碳納米管具備的可飽和吸收功能於光通信領域用作信號光的減噪裝置，以截止信號光強度弱的ASE等的透過而同時透射光強度強的信號光。結果，由於能謀求降低ASE等，故可使傳輸距離進一步長程化。
權利要求
1.一種信號光減噪裝置，其特徵在於，它用於降低光通信中信號光的噪聲，設於該信號光的通路中，且構成為將碳納米管用作可飽和吸收體。
2.根據權利要求1中所述的信號光減噪裝置，其特徵在於，上述碳納米管具有非線性光學特性。
3.根據權利要求1或2中所述的信號光減噪裝置，其特徵在於，上述可飽和吸收體通過與光增強器相組合，具有相對於與上述信號光反向行進的光起到光隔離器的功能。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的信號光減噪裝置，其特徵在於，上述可飽和吸收體具有相對於上述信號光的波形整形器功能。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的信號光減噪裝置，其特徵在於，上述可飽和吸收體的可飽和吸收波段是1200～2000nm。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的信號光減噪裝置，其特徵在於，上述信號光設定為從光纖增強器出射的信號光。
7.根據權利要求6中所述的信號光減噪裝置，其特徵在於，上述光纖增強器是摻餌光纖增強器。
8.根據權利要求1至5中任一項所述的信號光減噪裝置，其特徵在於，上述信號光設定為從半導體光增強器出射的信號光。
9.根據權利要求1至5中任一項所述的信號光減噪裝置，其特徵在於，上述信號光設定為從半導體雷射器出射的信號光。
10.根據權利要求1至7中任一項所述的信號光減噪裝置，其特徵在於，在上述通路中具有相連接的多段上述光纖增強器的情形下，將上述可飽和吸收體作為中繼器設於各個相鄰的上述光纖增強器之間。
11.根據權利要求1至10中任一項所述的信號光減噪裝置，其特徵在於，上述碳納米管是單層碳納米管與多層碳納米管兩者或其中之一。
12.根據權利要求1至11中任一項所述的信號光減噪裝置，其特徵在於，上述可飽和吸收體設於透明的光學部件上。
13.信號光的減噪方法，其特徵在於，將碳納米管作為可飽和吸收體配置於光通信的信號光通路中，由此可飽和吸收體來降低信號光的噪聲。
全文摘要
本發明的目的在於降低光通信中不希望產生的ASE，謀求傳輸距離長程化。將碳納米管用作可飽和吸收體(15)，以此可飽和吸收體作為減噪裝置插入到例如雙向激勵型EDFA(50)的信號光的通路中，更詳細地說插入EDFA的後段中，由這種結構來截止或減少信號光強度弱的不希望的ASE等的透過同時透射光強度強的信號光，使具有可飽和吸收功能的碳納米管有可能用於光通信領域。
文檔編號G02F1/35GK1639627SQ0380453
公開日2005年7月13日 申請日期2003年2月19日 優先權日2002年2月25日
發明者榊原陽一, 德本圓, 阿知波洋次, 片浦弘道, 馬克·K·傑布倫斯基, 田中佑一 申請人:獨立行政法人產業技術綜合研究所, 奧奈爾實驗室公司