专利名称：信号光的减噪装置与信号光的减噪方法
技术领域：
本发明涉及光通信中信号光的减噪装置(下面简作减噪装置)。
背景技术：
近年来，随着光通信技术的飞跃发展，希望能进一步扩展信号光的传输距离(长程化)。
对应于传输距离长程化的企图，当前采用了能使信号光进行光增强的多个光增强器，对光纤等传输媒体中继，以补偿信号光强度随着传输距离加长的衰减。
近年来，光纤增强器之中，利用铒的激励光的受激发射现象的掺铒光纤增强器(简记为EDFA)受到重视。
光纤增强器由于与传输媒体有良好的匹配性，适用于光传输系统，而EDFA则因增强波段与石英系光纤的极低损耗即1500nm波段匹配，能实现高增益与高效率而尤其适用于光传输系统。
但是，包括EDFA在内的光增强器因受激离子的粒子数反转，将产生增强信号光。在此信号光的增强过程中，由于随机地发生的自发辐射光也会增强。光增强器将产生增强的自发辐射光也会增强。光增强器将产生增强的自发辐射光(以后有时简作ASE)，也即会产生噪声光(也称为噪声、杂波)。
结果，具有随机相位的ASE便附加到增强信号光上，使信号光对噪声光的比(S/H比)严重恶化。
由于混入了ASE，从光增强器不能以良好的精度只输出预定的信号光，此外，ASE还与信号光相同，在沿光纤等的传输之中反复进行光增强。
因此，这种不希望发生的ASE大大妨碍了传输距离长程化的企图。
发明内容
鉴于以上所述，希望能有从技术上解决前述问题的方法。
为此，本申请的发明人首先通常是将这种噪声光发生初始时的光强与信号光的光强进行比较，着眼于相当小的对象进行深入的研究。结果发现，利用碳纳米管的可饱和吸收体具有的能以光功率的平方减少吸收而激增透射率的特性，可以在只增强信号光的同时抑制噪声光的增强，从而能只传输信号光而截止噪声光。
这样，本发明的信号光的减噪装置具有下述结构方面的特征。
具体地说，这种减噪装置构成为将碳纳米管用作可饱和吸收体。然后将这种减噪装置设于信号光的通路中，用于减少光通信中信号光的噪声。
根据这种结构，可饱和吸收体的碳纳米管一方面截止了光强度弱的ASE等的透过，另一方面则透射光强度高的信号光，从而能降低信号光的噪声。
碳纳米管最好是在光学上具有非线性的。
可饱和吸收体最好通过与光增强器相组合，相对于与信号光反向行进的光具有光隔离器的功能。
作为与信号光反向行进的光例如有信号光的反射光，反射光的光强比信号光的光强弱。因此还可使可饱和吸收体起到用作信号光与反射光的光隔离器的作用，可简便地构成光通信用设备。
可饱和吸收体最好具有可用作相对于信号光的波形整形件的功能。
可饱和吸收体能截止信号光的强度分布中光强弱的部分而透射光强高的部分，从而能将透过可饱和吸收体的信号光的脉冲波形整形成陡削的波形。
可饱和吸收体的可能和吸收的波段最好在1200nm以上和2000nm以下。
这样，例如就能与当前用作传输媒体的石英系光纤的信号光的波段相匹配。
信号光最好设定为从光纤增强器出射的信号光。
光纤增强器最好是掺饵光纤增强器。
这样，由于能使掺饵光纤增强器中石英系光纤的极低损耗波段与可饱和吸收体的可饱和吸收的波段匹配，故能在实际中获得有效的利用。
信号光最好设定为从半导体光增强器出射的信号光。
信号光最好设定为从半导体激光器出射的信号光。
当于光路中具有相连接的多段光纤增强器时，最好将可饱和吸收体作为中继器设于各相邻的光纤增强器之间。
这样，由于相对于从所连接的各光纤增强器出射的增强光能发挥可饱和吸收功能，故可高效地截止增强的自发辐射光的透光而能有效地长距离化。
此外，碳纳米管最好是用单层碳纳米管与多层碳纳米管中的两方，或也可采用其中的一方。
上述的减噪装置最好是由于透明基板、透明棱镜、透明透镜、其他合适的透明光学材料形成的光学部件的表面上设置碳纳米管构成。但也可以将碳纳米管夹设于透明的光学材料之间或是埋置于透明光学材料之中。
图1用于说明SWNT(单层碳纳米管)薄膜的光吸收特性。
图2是相对于图1中最低能量区出现的吸收带部分将横轴变换为光波长的图。
图3用于说明SWNT薄膜的Z扫描法的测定装置。
图4用于说明SWNT薄膜的Z扫描法中SWNT薄膜位于-40mm附近时各激光强度下的透射率。
图5用于说明具有本发明的信号光的减噪装置的EDFA。
图6(A)～(C)用于说明SWNT薄膜的减噪效果。
图7说明SWNT薄膜的波形整形效果。
图8(A)与(B)用于说明实施形式的变形例。
图9用于说明一般的EDFA的结构。
具体实施形式下面参考
本发明的实施形式，此外，供说明的各图只是概示了能理解本发明程度的各结构要素的尺寸、形状与配置关系等。这就是说，本发明并不限于图示的例子。
(1)碳纳米管的可饱和吸收功能的验证(1-1)碳纳米管的制作在本实施形式中，采用由碳原子(c)的六元环结构形成的一片石墨体成为管状结构的碳纳米管(SWNT)。此外，碳纳米管中还有多层结构的石墨体成为管状结构的多层碳纳米管(以下简记为MWNT)，本发明并不局限于SWNT。
SWNT的制造周知可利用激光蒸发法与弧光放电法等任意的合适方法。下面简述激光蒸发法的SWNT的形成方法例。
首先制作含有钴(Co)与镍(Ni)各若干原子％(例如设各为0.6原子％)的(金属/碳)复合棒。
继将此复合棒于电炉中在约1200℃的温度下加热后，在500乇的减压下按50sccm导入氩(Ar)气，同时用Nd-yAG脉冲激光器(10Hz)等瞬时蒸发碳与催化剂金属，制作SWNT。此外，在这样制得的SWNT中有时会混入副产物的杂质，因而最好采用水热法、离心分离法与超滤法等任意一种合适的方法来精制SWNT。
(1-2)碳钠米管薄膜的制作再来制作SWNT形成的薄膜(以下称作SWNT薄膜)。制作SWNT薄膜时，可使用SWNT，直径较好在0.5nm～2.0nm范围内；SWNT的长度，较好在500nm～1000nm范围内。SWNT的直径和长度在该范围内可发现合适的可饱和吸收功能。
在以下实施例中，采用平均直径为1.3nm左右、平均长度为1000nm程度的SWNT。
在制作SWNT薄膜时，采用喷涂法将SWNT分散于分散剂中获得的分散液喷涂于透明的光学材料即玻璃基板等透明性的被涂布物上，制作SWNT薄膜。下面简述喷涂法的SWNT薄膜的制作方法的一例。作为玻璃基板例如采用两面平行的玻璃板。
首先调制将(1-1)说明的方法精制的SWNT均匀分散到例如乙醇、二氯乙烷与甲基甲醛等之中至少一种内的分散液。在此分散液的调制中，自然可根据需要添加表面活性剂等。SWNT的分散浓度例如在把乙醇用作分散剂时以约1～2mg/ml为宜。又，分散浓度也不局限于此，可以根据目的与设计任意变更。
然后将调制好的分散液喷涂到玻璃基板上再使其干燥。当用于进行喷涂的玻璃基板的温度低时，所涂布的分散液中的SWNT便不能取得良好凝集的涂膜质量，因而应在将玻璃基板加温的同时进行喷涂。
经上述过程后可以制得优质的SWNT薄膜。此外，SWNT薄膜的制造方法也不局限于这里所述的，也可以采用电泳成膜法与聚合物分散法等。
(1-3)碳纳米管的吸收光谱的测定对(1-2)说明的方法所制备的SWNT薄膜进行了光吸收特性的评价。
SWNT薄膜是把精制的SWNT 1～2mg分散到用作分散剂的例如乙醇5ml的分散液喷涂到透明的玻璃基板上来制作。
这样取得的SWNT薄膜的光吸收特性的测定结果示明于图1中，用分光光度计U-4000(日立制作所制造)进行这样测定。此图的横轴表示照射到SWNT薄膜上的光能(ev)，纵轴表示该SWNT薄膜的光吸收度[-]。
如图1所示，SWNT薄膜在红外区具有多个吸收带。此外，由于此SWNT薄膜于0.8(ev)附近具有吸收限，可以推察其具有半导体性质。
然后将图1所示的最低能量区(在此为1(ev)附近)中出现的吸收带提取出且将横轴变换为光波长(nm)的结果，示明于图2。
如图2所示，图1中约1(ev)附近的吸收带存在于1200～2000nm的波段中，同时确认吸收峰波长在1780nm附近。虽然SWNT的吸收峰波长在本实施形式条件下是在1780nm附近，但可以推断，通过调整SWNT的直径与长度，能使吸收峰波长作稍许变化。
(1-4)碳纳米管的可饱和吸收功能的测定以激光照射由(1-2)中所述方法制备的SWNT薄膜，用Z扫描法测定照射光强与透过SWNT薄膜的透射光强的关系，评价SWNT薄膜的可饱和吸收功能。
图3概示Z扫描法的测定装置。如图3所示，测定装置10将半导体激光器等光源12、UV截止滤光片14、ND滤光片16、焦距f为150mm的透镜18以及光接收器20，依此顺序沿着光源12的照射光的光轴(Z方向)设置，SWNT薄膜15则配置于透镜18与光接收器20之间。
然后将从透镜18的焦点F到靠近光接收器20侧约40mm的位置设为原点X(O，零点)，使SWNT薄膜15沿光轴(Z轴)于图中的左向(光源12)的方向移动，测定照射SWNT薄膜15的照射光强的透射率的变化。
这时的光源12是在带再生增强器的钛蓝宝石激光器中备有光参量放大器(OPA)，输出SWNT的吸收峰波长约1780nm的激光。此外，设激光的脉冲宽度为200fs、重复周期为1kHz，取光源12的激光强度为10μw、20μw、30μw、50μw、100μw与300μw共六种，进行了测定。照射到SWNT薄膜15上的光量在该SWNT薄膜15配置于焦点F处时为最大，而随着离焦点F愈远而愈小。例如当光源12的激光强度为10μw而焦点F处的激光点直径约0.05mm时，则焦点F处的激光强度约为637MW。
将SWNT薄膜15从原点X(o)沿图面向左移动到40mm(-40mm)附近的位置，即SWNT薄膜15位于焦点F附近位置时的，光源12的各激光强度与透射率的关系示明于图4。在图4中，横轴表示光强(光功率)(μw)的对数，纵轴表示透射率(-)，在10μW、20μw、30μw、50μw、100μw与300μw时分别约为3×10-2(3％)、9.5×10-2(9.5％)、16∶5×10-2(约16.5％)、32×10-2(32％)、55×10-2(55％)与80×10-2(80％)。
从图4可知在各个激光强度照射光强下的透射率各不相同，但在透镜18的焦点F附近约-40mm处，透射率的增加在光学上呈非线性形式。据此可以确认，SWNT薄膜相对于红外区的吸收波段的光(或信号光)具有可饱和吸收功能。
但在此实施形式中，由于在SWNT薄膜表面上未进行合适的涂层。故照射到该SWNT薄膜上的激光必然会扩散。这样，若考虑此实施形式中因这种扩散造成的激光损耗约20％时，透射率约为80×10-2(80％)，而可认为照射光(激光)基本上是100％透过。
(2)利用碳纳米管的可饱和吸收功能的结构例首先说明将可饱和吸收体碳纳米管设于光通信的信号光通路中，用作降低信号光噪声的减噪装置的结构例。
通过将用作减噪装置的可饱和吸收体与光增强器相组合，能用作与信号光反向行进的光的光隔离器，此外还能用作相对于信号光的波形整形器。
图5为用于说明本发明的具有信号光减噪装置的光纤增强器的EDFA的概略结构图。图9为用于说明与图5结构不同的既有的一般EDFA的概略结构图。图5与图9虽为双向激励型，但并非限定于此，即便是前向激励型的EDFA或后向激励型EDFA也能良好地适用本发明。
此外，在本实施形式中是以EDFA为例说明光纤增强器，但不局限于此，例如即使是喇曼增强器也能良好地实施本发明。
首先参考图9说明一般EDFA的结构的例子。
如图9所示，一般的双向激励型EDFA30设于输入部32与输出部42之间，具有光合波分波器34、34’，激励光源36、36’；光隔离器38、38’以及掺饵光纤(以下简记为EDF)40。此时的光隔离器38、38’主要起到不可逆电路的作用，以抑制成为EDFA30与其他光纤的连接端的输入部32与输出部42的端部处发生的与信号光反向行前的反射光(噪声光)。
双向激励型EDFA3的工作概示于下。
首先，从输入部32输入的信号光由光合波分波器34与激励光源36出射的激励光合波，然后经光隔离器38由EDF40增强。此增强了的光(增强光)在由光合波分波器34’与光隔离器38’将残留的激励光等不需的光分波后，成为所希望的增强信号光，出射到输出部42。
对于这种既有的双向激励型EDFA的适用于本发明的信号光减噪装置的结构例示明于图5。现参看图5来说明本发明实施形式的一个例子。
如图5所示，本实施形式的减噪装置由碳纳米管的可饱和吸收体构成，这时的可饱和吸收体15是(1-3)中说明的于透明的玻璃基板上涂布形成的SWNT薄膜。
在本实施形式中，最好将玻璃基板上的SWNT薄膜形成为对于所希望的信号光的透射率约在80％以上的膜厚。这样可不妨碍所希望的信号光的透过，而且能有效地降低有害的噪声光的透过。此外在以下的说明中，也将减噪装置仅称作为可饱和吸收体。
本实施形式中将此减噪装置插设于双向激励型EDFA50的信号光的通路中。在此结构例中取由碳纳米管的可饱和吸收体15代替图9的EDF40的后级的光隔离器38’的结构。
但是EDFA，如所周知，由于半导体激光器的激励光(激励波长980nm或1480nm)导致的饵(Er)的粒子数反转，将石英光纤的极低损耗的波段中1500nm的波长带的信号光进行光增强。于是可以获得SWNT薄膜引起可饱和吸收的波段(约为1200～2000nm)与EDFA的信号光波长带(1500nm)的匹配性。
本实施形式中取代光隔离器38’的可饱和吸收体15如(1-4)所说明的，具有截止强度弱的光(噪声光)和透过高强度光(信号光)的特性。
由此可知，若能良好地利用此噪声光的光功率与信号光的光功率差，让这两种光通过碳纳米管构成的可饱和吸收体15，则能降低噪声光的透射率(实质上截断噪声光)而让信号光基本上是100％地透过。
这样，例如对于双向激励型EDFA50中产生的初始噪声光的光强(光功率)约为10μW，而与之相比，初始信号的光强(光功率)为50μw或100μw或是比这更大的电平的情形，通过以信号光强所致的透射率差为基础来构造光通信系统，就能实现所希望的功能。以上所述只不过是一个例子，可以对应于所希望的设定任意地作出合适的变更。
下面参看图6(A)～(C)详细说明具有信号光减噪装置的EDFA的信号光波形与噪声光波形的变化。图6(A)～(C)只是概示信号光波形与噪声光波形的变化，而实际的波形变化则未必如所示的。此外，这些图中的横轴表示时间隔t(任意单位)而纵轴表示信号光强(光功率)(任意单位)。
来自图5所示输入部32的信号光a与随着该信号光a的传输所产生的噪声光b一起，入双向激励型EDFA50。这时的噪声光b的光强与信号光的光强相比充分地小(参看图6(A))。
在图5所示的双向激励型EDFA50的可饱和吸收体15的前段之中，信号光a经光增强而成为信号光a’。此外，在信号光的光增强过程中，初始的噪声光b与随机发生的自发辐射光也增强而成为噪声光b’。这时的噪声光b’的光强与信号光a’的光强相比可以忽视(参看图6(B))。
然后将信号光a’与噪声光b’通过可饱和吸收体15输出，于是光强度大的信号光a’几乎是100％透过成为信号光a”，而噪声光b’的透射率降低或实质上可以说是被截止(参看图6(C))。此外，信号光a”的波形形状与信号光a’的波形形状相比，进行了波形整形(详述于后)。
在此实施形式中，最好将SWNT的吸收峰波长从约1780nm移动约1500nm以改进SWNT的可饱和吸收功能。但是，信息光波长与SWNT的吸收峰波长未必一致，如果是SWNT的吸收波段内的信号光波长，则SWNT可供实际应用。
在上述实施形式中是以可饱和吸收体15取代了图9中的光隔离器38’而构成，但也可取以可饱和吸收体15置换光隔离器38的结构或是以可饱和吸收体15配置于双向激励型EDFA30后段中的结构，这时可以期待有相同的效果。
可饱和吸收体15不仅能对信号光还能对与此信号光反向行进的这一信号光的反射光同样地进行可饱和吸收。于是能把图5所示的可饱和吸收体15用作载止反射光透过的光隔离器或是用作具备信号光的减噪与反射光的光隔离功能的元件。于是通过将本发明的减噪装置插入到信号光的传输通路中，能谋求实现低噪声的良好的光传输。
现在参看图7，说明将可饱和吸收体15用作波形整形器的情形。此图的横轴表示时间t(任意单位)，纵轴表示信号光强(光功率)(任意单位)。
如已说明的，光强分布中中心侧强度大的部分的光透射率高，而此分布曲线下降侧的强度小的部分的光透射率低。于是如图7所示，入射到可饱和吸收体15之前的信号光a’(对应于图6中的信号光a’)，经过可饱和吸收体15而成为截止此信号光a’中光强度弱的信号光透过的信号光a”。
结果，经过可饱和吸收体15输出的脉冲信号光a”遂成为信号光a’的前后端被切去的波形。于是信号光a”的脉冲宽度Y比信号光a’的脉冲宽度窄。从而在把图5所示的可饱和吸收体15用于脉冲信号光的情形，就能把它用作整形器，缩短脉冲时间宽度短且把信号光整形成陡峭的波形，例如矩形波形。
此外，利用了可饱和吸收体15的碳纳米管的本发明的减噪装置，由于是具有抗光损伤与机械损伤性和耐水性的长寿命光纤，特别有希望在光通信领域获得广泛的实际应用。
上述本发明的实施形式的条件等并不局限于所述的组合形式。因此，在任意合适的阶段组合适当的条件都可适用本发明。
例如本发明的减噪装置的可饱和吸收功能能适用于任意合适的发生源的(信号)光而不限于光增强器的信号光。又例如，上述实施中是就把采用可饱和吸收体的减噪装置应用于光通信领域的情形进行说明，但它也能良好地用于半导体器件领域。
具体如图8(A)所示，将本发明的减噪装置插入半导体器件，例如将半导体用作光增强介质的，从激光器除去了谐振腔结构的半导体光增强器60出射的光路中，通过对此出射光进行可饱和吸收，就能降低甚或消除由该半导体光增强器60发生非所希望的导致制品可靠性降低的噪声。此外，即使对于半导体激光器62，若将本发明的减噪装置插入此出射光的光路中，也有可能获得减少甚或消除上述噪声的效果。
再如图8(B)所示，在信号光的通路中具有多个光纤增强器(在此例如设定为图5所示的双向激励型EDFA50)例如是三个相连接的情形，也可构成为将可饱和吸收体15的碳纳米管作为中继器设于相邻的各个光纤增强器中。此时，由于相对于所连接的各光纤增强器50出射的增强光能进行可饱和吸收，就能更有效地截止(减少)不希望有的ASE。
此外，光纤增强器的连接数不限于以上所述的3个。例如在实际工作中约每隔80km设置1个光纤增强器，以补偿信号光的衰减来谋求传输距离的长程化。此时，由于信号光与噪声光同时都反复地增强，结果妨碍了信号光的正确传输。
于是，如上所述，在将光纤连接的同时设置本发明的减噪装置即可饱和吸收体的碳纳米管，只需构成为使每个碳纳米管各减少约10％的噪声光亮度计，就能极有效地降低10000km处的噪声光的影响，并可用来抑制S/N比的降低。
此外，玻璃基板不限于双面平行的玻璃板，可根据用途或设计取定任意合适形状的玻璃基板。至于透明的光学材料也可以采用玻璃基板以外的塑料等。
从以上所述可知，根据本发明，能把碳纳米管具备的可饱和吸收功能于光通信领域用作信号光的减噪装置，以截止信号光强度弱的ASE等的透过而同时透射光强度强的信号光。结果，由于能谋求降低ASE等，故可使传输距离进一步长程化。
权利要求
1.一种信号光减噪装置，其特征在于，它用于降低光通信中信号光的噪声，设于该信号光的通路中，且构成为将碳纳米管用作可饱和吸收体。
2.根据权利要求1中所述的信号光减噪装置，其特征在于，上述碳纳米管具有非线性光学特性。
3.根据权利要求1或2中所述的信号光减噪装置，其特征在于，上述可饱和吸收体通过与光增强器相组合，具有相对于与上述信号光反向行进的光起到光隔离器的功能。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的信号光减噪装置，其特征在于，上述可饱和吸收体具有相对于上述信号光的波形整形器功能。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的信号光减噪装置，其特征在于，上述可饱和吸收体的可饱和吸收波段是1200～2000nm。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的信号光减噪装置，其特征在于，上述信号光设定为从光纤增强器出射的信号光。
7.根据权利要求6中所述的信号光减噪装置，其特征在于，上述光纤增强器是掺饵光纤增强器。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的信号光减噪装置，其特征在于，上述信号光设定为从半导体光增强器出射的信号光。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的信号光减噪装置，其特征在于，上述信号光设定为从半导体激光器出射的信号光。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的信号光减噪装置，其特征在于，在上述通路中具有相连接的多段上述光纤增强器的情形下，将上述可饱和吸收体作为中继器设于各个相邻的上述光纤增强器之间。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的信号光减噪装置，其特征在于，上述碳纳米管是单层碳纳米管与多层碳纳米管两者或其中之一。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的信号光减噪装置，其特征在于，上述可饱和吸收体设于透明的光学部件上。
13.信号光的减噪方法，其特征在于，将碳纳米管作为可饱和吸收体配置于光通信的信号光通路中，由此可饱和吸收体来降低信号光的噪声。
全文摘要
本发明的目的在于降低光通信中不希望产生的ASE，谋求传输距离长程化。将碳纳米管用作可饱和吸收体(15)，以此可饱和吸收体作为减噪装置插入到例如双向激励型EDFA(50)的信号光的通路中，更详细地说插入EDFA的后段中，由这种结构来截止或减少信号光强度弱的不希望的ASE等的透过同时透射光强度强的信号光，使具有可饱和吸收功能的碳纳米管有可能用于光通信领域。
文档编号G02F1/35GK1639627SQ0380453
公开日2005年7月13日 申请日期2003年2月19日 优先权日2002年2月25日
发明者榊原阳一, 德本圆, 阿知波洋次, 片浦弘道, 马克·K·杰布伦斯基, 田中佑一 申请人:独立行政法人产业技术综合研究所, 奥奈尔实验室公司