JPH10111482A - 光波長選択装置、光波長選択方法及び光信号伝送システム - Google Patents

光波長選択装置、光波長選択方法及び光信号伝送システム

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JPH10111482A
JPH10111482A JP8244966A JP24496696A JPH10111482A JP H10111482 A JPH10111482 A JP H10111482A JP 8244966 A JP8244966 A JP 8244966A JP 24496696 A JP24496696 A JP 24496696A JP H10111482 A JPH10111482 A JP H10111482A
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JP
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optical
wavelength
light
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electrodes
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JP8244966A
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Takumi Fujiwara
巧 藤原
Akira Ikushima
明 生嶋
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Toyota Motor Corp
Toyota Gauken
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Toyota Motor Corp
Toyota Gauken
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガラス材料における電気光学効果を利用した
波長選択素子を提供する。 【解決手段】 ガラス材料からなる光ファイバ10の内
部にコア部10aが形成してあると共に、クラッド部1
0bには電極14a、14bが挿入されている。そし
て、この電極14a、14bに高電圧を印加した状態
で、所定の強弱パターンで紫外線をコア部10aに照射
することによって、コア部10aには非線形領域16a
と通常領域16bが交互に形成され、グレーティング部
16が形成される。そして、電極14a、14bを介し
所定の電界をグレーティング部16に印加することによ
って、グレーティング部16の特性を電気光学効果によ
り変更できる。すなわち、電圧印加によりブラッグ波長
が変化するため、複数の波長の光線の中から特定の光線
を選択できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光非線形性が周期
的に付与されているグレーティング部を利用した光波長
選択装置、光波長選択方法及び光信号伝送システムに関
する。
【0002】
【従来の技術】近年のコンピュータ等を利用した電子通
信技術の進歩に伴い、大容量の情報伝送の必要性はます
ます高まっている。そして、大容量の情報伝送を行う最
も重要な手段として光ファイバ伝送がある。
【0003】この光ファイバ伝送は、光ファイバ中に光
信号伝送するものである。ここで、この光ファイバ伝送
を行う場合には、光源、受光器、光信号発生器、光スイ
ッチ/カプラ、伝送光ファイバ等が必要である。また、
光信号発生器や光スイッチなどの光機能素子には、電気
光学効果(光非線形性)が利用される。この光非線形性
は、光(電磁波)によって物質中に生じる非線形分極が
起因となって生じる現象であり、光非線形材料に印加す
る電界強度などを制御することによって、光非線形材料
を透過する光の強度や方向等が変わる。そこで、この光
非線形性を利用して各種の光機能素子が形成される。
【0004】このように、光ファイバに導入される光に
対し伝達したい情報に基づいたオンオフなどを施し、光
変調が達成される。そこで、受光側でこれを復調して、
情報の光ファイバ伝送が達成される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ここで、光ファイバに
複数の波長の光を導通しておけば、複数の情報を同時に
伝送できる。また、時間的に別に伝送する場合にも、波
長を変更することによって、情報の区別を確実にするこ
ともできる。従って、複数の波長の光を単一の光ファイ
バに導通することについての要求がある。しかし、従来
の光伝送システムにおける光の波長の選択は、基本的に
光学フィルタなどによって行われており、所定の波長を
分離するのに、個別のフィルタを要した。また、従来の
光スイッチなどは単一の波長の光をオンオフすることを
基本としており、複数の波長の光をスイッチングしよう
とする考えはなかった。すなわち、入力されてくる光の
波長が複数である場合、それら複数の波長の光に対応し
て、波長スイッチが設けられていた。
【0006】ところが、複数の波長の光を1つの光ファ
イバ中に伝送する場合や、複数の波長の光を総合的に取
り扱い、これらのスイッチングを行う手段においては、
複数の波長の光を選択して、取り扱えることが望まれて
いる。
【0007】また、光スイッチ等に利用される光非線形
材料としては、一般的にLiNbO3 やBaTiO3
どの結晶材料が用いられている。これは、ガラス材料
が、基本的に光非線形性を有さず、通常これを利用する
ことはできないからである。しかし、各種の性状を考慮
すれば、ガラス材料を光非線形材料として利用できるこ
とが好ましい。
【0008】本発明は、上記課題に鑑みなされたもので
あり、ガラス材料を利用し、複数の波長の光を容易に選
択できる波長選択装置、波長選択方法及び光伝送システ
ムを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明に係る波長選択装
置は、ガラス製の光ファイバのコア部に、所定間隔をお
いて、電気光学係数として、光非線形性が周期的に付与
されており、かつ上記光ファイバには、上記コア部を挟
んで一対の電極が形成されている波長選択素子と、この
波長選択素子の一対の電極に対し、任意の電圧を調整可
能に印加する電圧調整手段と、を有し、複数の波長の光
線を波長選択素子に導入して、特定の波長の光を出力す
ることを特徴とする。
【0010】また、本発明に係る波長選択方法は、ガラ
ス製の光ファイバのコア部に、所定間隔をおいて、電気
光学係数として、光非線形性が周期的に付与されてお
り、かつ上記光ファイバには、上記コア部を挟んで一対
の電極が形成されている波長選択素子に複数の波長の光
線を導入し、選択する光の波長に応じた電圧を波長選択
素子の一対の電極間に印加し、選択された波長の光を得
ることを特徴とする。
【0011】さらに、本発明に係る光信号伝送システム
は、複数の波長の光線を変調して得た複数の光信号を単
一の光ファイバに伝送し、この光ファイバを介して伝送
されてきた複数の光信号の中から特定の波長の光信号を
上述の波長選択装置により選択し、得られた光信号を復
調することを特徴とする。
【0012】本発明によれば、電圧調整手段によって、
波長選択素子の電極間電圧を調整する。これによって、
コア部に非線形性が付与されている部分の屈折率が変化
する。また、光非線形性が付与されている領域は、周期
的に(交互に)形成されているため、コア部を透過する
光に対し、ブラッグ反射が起こる。このため、透過光
(または反射光)におけるブラッグ波長が電圧の印加に
よって、変化することになる。従って、印加電圧の調整
によって、所望の波長の光を選択することができる。
【0013】また、本発明では、波長選択素子をガラス
材料で構成している。このような波長選択素子は、紫外
線励起ポーリングによって形成することができる。すな
わち、紫外線を照射して電界を印加することで、紫外線
励起ポーリング処理が行え、ガラス製材料の屈折率を変
更すると共に、この領域に対し光非線形性を付与するこ
とができる。そして、紫外線の照射を間隔をおいて、複
数領域に対し行うことで、光導波路に周期的な光非線形
領域を形成できる。
【0014】また、本発明では、光導波路は、繰り返し
ガラス製の光ファイバのクラッド部に取り囲まれたコア
部であり、上記ポーリング処理は、このコア部にその光
導通方向に対し直交する方向に、周期的に強弱を付けて
紫外線を照射することによって行うことができる。
【0015】なお、周期的に付与される光非線形性は、
電気光学係数として、1pm/V以上であることが好ま
しい。
【0016】また、本発明の波長選択素子は、ガラス製
の光ファイバに光非線形性を付与したものである。そこ
で、光ファイバとの接続が容易であり、広範囲の波長の
光をよく透過させる、安価である等の効果が得られる。
【0017】また、このような波長選択装置を利用する
ことによって、所定波長の光を容易に選択することがで
き、複数の波長の光を用いた多重光通信システムを容易
に構築することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、本発明に好適な実施の形態
(以下、実施形態という)について、図面に基づいて説
明する。
【0019】図1、2は、本発明に係る波長選択素子の
構造を示す概略構成図である。光ファイバ10は、シリ
カガラス(SiO2 )を円柱状に延伸した構成をしてお
り、Ge(ゲルマニウム)等がドープされ、屈折率が調
整された中心部が光導通用のコア部10a、周辺部がク
ラッド部10bとして形成されている。
【0020】また、クラッド部10bには、一対のサイ
ドホール12a、12bが形成されており、ここにアル
ミニウム線材からなる電極14a、14bが挿入配置さ
れている。図から明らかなように、電極14a、14b
は、コア部10aを挟んで対向して設けられている。
【0021】そして、図1に示すように、コア部10a
には、所定間隔で、屈折率が異なり、かつ2次の光非線
形性を有する非線形領域16aが、長手方向と直交する
方向に一定間隔、かつ一定幅で形成され、通常領域16
bとでグレーティング部16が形成されている。従っ
て、コア部10aをその長手方向に向けて導通する光
は、グレーティング部16によって反射干渉される。
【0022】特に、本実施形態によれば、電極14a、
14bが設けられており、ここに任意の電圧が印加可能
である。そして、上述のように、グレーティング部16
の非線形領域16aが光非線形性を有している。そこ
で、電極14a、14b間に印加される電圧に従って、
屈折率が変化する。
【0023】従って、本実施形態の波長選択素子によれ
ば、電極14a、14b間に印加する電圧を制御するこ
とによって、グレーティング部16の特性を変更するこ
とができる。
【0024】「製造方法」このような波長選択素子は、
次のようにして製造する。まず、サイドホール12a、
12b内に電極14a、14bが挿入された光ファイバ
を用意する。光ファイバの直径は200μm、サイドホ
ール12a、12b及び電極14a、14bの直径はほ
ぼ40μm、電極14a、14bの長さは4cm程度、
電極14a、14bの間隔は8〜10μm、光ファイバ
の長さは10cm程度とする。ここで、電極14a、1
4bは、図1に示すように、異なる端からサイドホール
12a、12bに挿入されており、その端部が異なる方
向にのみ突出している。これは、電極14a、14b間
での放電を防止するためである。空気の絶縁破壊電圧
は、約104 V/cmであり、それより大きな電界をコ
ア部10aに印加するためには、空気が介在する経路を
できるだけ長くとる必要がある。図1のような電極14
a、14bの構成によって、コア部10aに約106
/cmの高い電界印加が達成できる。
【0025】そして、電極14a、14b間に電圧を印
加する。この電圧は、約800Vとする。これによっ
て、コア部10aに、約106 V/cmの電界が印加さ
れる。この状態で、ArFエキシマレーザ(波長193
nm)をパルスとして照射し、コア部10aに紫外線を
照射する。このレーザのエネルギー密度は、36mJ/
cm2 程度、パルスの繰り返し間隔は10pps(パル
ス/秒)程度、照射時間は10〜30分程度とする。
【0026】ここで、このレーザは、位相マスクを介し
光ファイバに照射する。この位相マスクの構成例を図3
に示す。このように、板状の基板18の一面側に多数の
溝18aが形成されている。この溝18aは、一定間隔
で平行して形成されている。従って、この基板18の面
直方向に平行光線を透過させることによって、所定の回
折現象が生起され、所定間隔において光の強弱が繰り返
される。すなわち、光の照射領域と非照射領域が周期的
に繰り返す縞模様(ゼブラパターン)が形成される。こ
の例では、レーザは、1.05μmの間隔で、光ファイ
バに照射される。なお、位相マスクの基板18は、紫外
線を透過させるシリカガラス等で形成する。
【0027】また、このレーザ光照射の間、上述の電界
印加は継続されている。そして、光ファイバは、そのコ
ア部10aのみが所定元素(例えばゲルマニウム)のド
ープなどにより紫外線を吸収するように形成されてい
る。このため、コア部10aが1.05μm間隔で、紫
外線励起ポーリングされる。
【0028】なお、このような位相マスクを用いた紫外
線励起ポーリング処理により生じる周期的な屈折率の増
大は、屈折率変化に対応する波長における透過光の減少
(反射光の増大)を招く。そこで、コア部10aに光を
入射させ、反対側において透過光強度を実時間で観測し
ながら、この紫外線励起ポーリングを所望の時間継続し
た(この例では30分間)。
【0029】このようにして得られた波長選択素子に、
光を導光し、射出光強度の波長依存性(透過光のスペク
トル)を測定した結果を図4に示す。ここで、本実施形
態の波長選択素子は、紫外線励起ポーリングのためにコ
ア部10aを挟んで電極14a、14bが設けられてい
る。そこで、この電極14a、14b間に電圧を印加す
ることにより、コア部10aに所望の電界を印加でき
る。
【0030】そして、電極14a、14b間に電圧0、
−150、−300V印加した場合の結果を図4(A)
に、また0V、150V、300V印加した場合の結果
を図4(B)に示す。なお、電圧の正負は、ポーリング
電界と反対の向きの電界を正としている。
【0031】このように、この波長選択素子において、
特定波長の光の透過強度が減少する。これは、1.05
μm間隔のグレーティングにより、ブラッグ反射が起こ
り、ブラッグ波長(この場合1.53μm)の光が反射
されるからである。
【0032】そして、電圧の印加によって、ブラッグ波
長がシフトする。さらに、ブラッグ反射も電圧の印加に
従って増減することが分かる。これは、紫外線励起ポー
リングによって、紫外線照射領域のコア部10aが、非
線形性を有するようになり、一次の電気光学効果が発生
しており、導波光の実効屈折率が変化するためであると
考えられる。
【0033】特に、負の電圧を印加した場合には、電圧
の印加によって、ブラッグ周波数における減衰が大きく
なり、好適な反射特性を有していることが分かる。
【0034】ここで、電気光学効果による屈折率の変化
ΔnEOは、 ΔnEO=−n3 rE/2 で表される。この式で、nはファイバのコア領域の屈折
率、rは一次の電気光学効果係数、Eが電界強度であ
る。
【0035】また、ブラッグ波長λB は、 λB =2Λneff で表され、Λはグレーティングのピッチである。また、
グレーディングによる前進及び後進(反射)導波光の結
合(カップリング)に基づく考え方において、ピーク反
射率Rは、 R=tanh2 (κL) で表され、3dBバンド幅Δλは、 Δλ=λB {π2 +(κL)2 0.5 /2neff L で表される。
【0036】ここで、κは前進及び後進(反射)導波光
のカップリング係数であり、 κ=πnc δnη/λB eff で表される。また、Lはグレーティング部の長さであ
る。
【0037】なお、neff はグレーティング部における
導波光の実効的な屈折率、nc はクラッド部の屈折率、
δnは周期構造を形成する屈折率変化の大きさ、ηは前
後伝搬モードにおけるオーバーラップインテグラル(重
なり積分)である。
【0038】そして、neff 、δn及びηは、ΔnEO
応じて変化する。そこで、図4に示した電圧印加とブラ
ッグ波長の変化の関係から、実効屈折率変化ΔnEOと印
加電圧の関係を調べた結果を図5に示す。このように、
実効屈折率neff は、印加電圧の変化に対し−5.7×
10-7/Vの傾きを有し、直線的に変化する。そこで、
電圧の印加によって、実効屈折率が低下し、ブラッグ波
長が短波長側にシフトすることが分かる。なお、電界1
V/μmに対するブラッグ波長の変化ΔλB は、ほぼ
0.01nmである。
【0039】このように、印加電圧と実効屈折率には、
線形な関係があり、2次の光非線形性に基づく、ポッケ
ルス効果(1次の電気光学効果)が得られていることが
分かる。
【0040】さらに、図6には、印加電圧とδnη関係
を示してある。このように、δnηは、印加電圧の変化
に対し、−3.6×10-6の傾きを有しており、これか
らも1次の電気光学効果が得られていることが分かる。
【0041】このように、本実施形態の波長選択素子
は、図4に示すように、ブラッグ波長における反射が狭
い帯域幅で起こる。特に、図4(A)に示すように、印
加電圧を負の方向としたときに、その帯域幅は非常に狭
くなり、その幅は、最小0.04nm程度となる。そし
て、上述のように、ブラッグ波長は、電圧の印加に応じ
て、大きく変化する。すなわち、図4(A)によれば、
印加電圧を0Vから−300Vに変化させることによっ
て、中心波長1.5299μmに対して、約10dBの
ON/OFF消光比が得られる。このため、本実施形態
の波長選択素子は、複数の波長の光線の中から特定の波
長の光線を選択したり、特定の波長の光線を選択して透
過させたり、特定の波長の光線のみの透過を禁止したり
することができる。
【0042】すなわち、ブラッグ波長を電圧の印加によ
り、シフトさせ、レーザ光の透過・非透過を制御して、
所定波長の光をスイッチングすることができる。特に、
本実施形態の波長選択素子は、ガラス製の光ファイバで
構成されている。そこで、通常の光ファイバとの接続も
容易に行える。また、素子における光の透過率も十分な
ものに維持できる。
【0043】そして、印加電圧を複数変更することで、
ブラッグ波長を複数段階、シフトすることもできる。こ
れによって、透過する波長を制御して、波長選択素子と
して機能する。
【0044】さらに、本実施形態では、グレーティング
の間隔は、位相マスクによって、容易に調整できる。そ
こで、所望のブラッグ波長を持つ波長選択素子を容易に
得ることができる。
【0045】ここで、本実施形態の波長選択素子では、
図1に示すように、電極14a、14bが突出してい
る。そこで、このままでは通常の光ファイバとの接続
が、困難である。そこで、この電極14a、14bを受
け入れ、かつコア部10aとの接続を好適に行えるよう
な特別のコネクタを設けることが好適である。例えば、
図7に示すように、電極14a、14bを受け入れる凹
部30a、30bを形成したコネクタが考えられる。こ
の場合、このコネクタには、外方からこの凹部30a、
30bに至る半径方向の穴32a、32bを開けてお
き、この穴32a、32bを介し、電極14a、14b
と外部電源との電気的接続を行うとよい。なお、コネク
タにも光導波路としてのコア部34を設けておく。ま
た、図1のように、電極14a、14bは、グレーディ
ング素子から異なる方向に向けて突出しているが、電極
14a、14bは、サイドホール12a、12b内を移
動可能であるため、ポーリング処理後に移動しておけば
よい。
【0046】上述の波長スイッチ等の動作の際の電圧印
加はそれ程大きな電圧は必要なく、容易に引出線を接続
することができる。すなわち、紫外線励起ポーリングの
際には、突出する電極14a、14bを用いて直接電気
的接続を行い、この処理後電極14a、14bを移動す
ると共に所定形状に整形し、コネクタを取り付けるとよ
い。
【0047】さらに、波長選択素子の電極14a、14
bが突出している面を平坦な面に研磨し、同じく平坦な
面を持つコネクタと接続してもよい。この場合、図8に
示すように、コネクタの研磨面には、コア部40及び電
極42a、42bを形成しておく。また、コネクタ内の
電極42a、42bは、外方に向けて伸びる端子部44
a、44bを有しており、この端子部44a、44bを
利用して外部電源との電気的接続が行われる。
【0048】なお、コネクタは、波長選択素子を受け入
れる側の対向する側においても光ファイバを接続できる
構成になっている。従って、このコネクタを介し、波長
選択素子を他の光ファイバに接続することができる。ま
た、電極14a、14bとの電気的接続も、穴32a、
32bや端子44a、44bを利用して容易に行うこと
ができる。
【0049】さらに、図9に示されるように、波長選択
素子に電極14a、14bとの電気的接続を直接行う穴
50a、50bを設けることもできる。この場合、上述
の図8の場合と同様に、波長選択素子の端面は、研磨
し、他の光ファイバと直接接続できるようにする。
【0050】以上のような構成により、電極14a、1
4bと外部電源との接続を確保することができる。
【0051】「システム全体構成」図10に、光信号伝
送システムの構成を示す。複数の信号は、それぞれ対応
するレーザ光源20に入力される。各レーザ光源20
は、入力信号に応じて、変調した信号を出力する。ま
た、各レーザ光源20は、それぞれ互いに異なる一定の
波長の光信号を出力する。複数のレーザ光源20からの
互いに波長が異なる複数の光信号は、光多重回路22に
導入され、ここで多重されて、単一の光ファイバ24を
介し、伝送される。
【0052】光ファイバ24は、光分岐回路26に接続
されており、この光分岐回路26に光ファイバ24を介
し伝送されて来た光信号が入力される。光分岐回路26
は入力信号を所定数に分割し、これを複数の受信端末の
波長選択装置28に供給する。
【0053】各波長選択装置28には、それぞれ電圧調
整回路30が接続されており、この電圧調整回路30か
らの電圧によって、所定の波長の光信号を選択する。す
なわち、波長選択装置28は、上述の波長選択素子を有
しており、波長選択素子の一対の電極間の電圧が変更さ
れることによって、透過する光の波長を制御できる。従
って、所定の波長の光信号を電圧調整回路30からの出
力電圧の調整によって、選択できる。そして、波長選択
装置28で選択された波長の光信号が受信回路32に入
力され、ここで復調される。
【0054】このように、本システムでは、波長選択装
置28を有しているため、電圧調整回路30の出力電圧
を制御することによって、レーザ光源20のいずれかで
変調された光信号を選択して、復調することができる。
従って、多重光伝送システムにおいて、各端末における
信号の選択を効率的に行える。さらに、本波長選択装置
は、ガラス材料によって構成されているため、安価でか
つ光ファイバとの接続が非常に容易である。従って、各
受信端末において、効率的な光信号の選択が行える。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施形態の波長選択素子の構成を示す正面断
面図である。
【図2】 同実施形態の波長選択素子の構成を示す側面
図である。
【図3】 位相マスクの構成を示す図である。
【図4】 印加電圧変化に対する透過光周波数特性を変
化を示す図である。
【図5】 印加電圧変化に対するブラッグ波長の変化を
示す図である。
【図6】 印加電圧に対するオーバーラップインテグレ
ーションの変化を示す図である。
【図7】 コネクタの一例を示す図である。
【図8】 コネクタの他の一例を示す図である。
【図9】 コネクタの他の一例を示す図である。
【図10】 光信号伝送システムの構成を示す図であ
る。
【符号の説明】
10 光ファイバ、12a,12b サイドホール、1
4a,14b 電極、16 グレーティング部、16a
非線形領域、16b 通常領域、18 基板、18a
溝、20 レーザ光源、22 光多重回路、24 光
ファイバ、26光分岐回路、28 波長選択装置、30
電圧調整回路、32 受信回路。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ガラス製の光ファイバのコア部に、所定
    間隔をおいて、電気光学係数として、1pm/V以上の
    光非線形性が周期的に付与されており、かつ上記光ファ
    イバには、上記コア部を挟んで一対の電極が形成されて
    いる波長選択素子と、 この波長選択素子の一対の電極に対し、任意の電圧を調
    整可能に印加する電圧調整手段と、 を有し、 複数の波長の光線を波長選択素子に導入して、特定の波
    長の光を出力することを特徴とする光波長選択装置。
  2. 【請求項2】 ガラス製の光ファイバのコア部に、所定
    間隔をおいて、電気光学係数として、1pm/V以上の
    光非線形性が周期的に付与されており、かつ上記光ファ
    イバには、上記コア部を挟んで一対の電極が形成されて
    いる波長選択素子に複数の波長の光線を導入し、 選択する光の波長に応じた電圧を波長選択素子の一対の
    電極間に印加し、選択された波長の光を得ることを特徴
    とする光波長選択方法。
  3. 【請求項3】 複数の波長の光線を変調して得た複数の
    光信号を単一の光ファイバに伝送し、 この光ファイバを介して伝送されてきた複数の光信号の
    中から特定の波長の光信号を請求項1に記載の装置によ
    り選択し、 得られた光信号を復調する光信号伝送システム。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2017110792A1 (ja) * 2015-12-24 2017-06-29 住友電気工業株式会社 光デバイスおよび光デバイス製造方法
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