Optical nrz-rz format converter

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明の分野は、ＮＲＺフォーマットの入力信号をＲＺフォーマットの出力信号に変換する「全光学式」変換器である。 本発明はまた変換方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】全光学式伝送システム、特に、波長分割多重化ＷＤＭネットワークは、異なる変調方式、異なるデータフォーマットを用いている。 非ゼロ復帰（ＮＲ
Ｚ）フォーマットおよびゼロ復帰（ＲＺ）フォーマットの２種類の標準データフォーマットが広く普及している。 １９８３年ＥＹＲＯＬＬＥＳ発行の、Ａ． ＣＯＺＡ
ＮＥＴ等による「Optique et Telecommunication - Tra
nsmission et traitement optique de 1'information
(光学と通信- 伝送と光情報処理)」という名称のマニュアルの３５９ページに説明されているように、非ゼロ復帰システムにおいては、ビット伝送時間の継続中、高レベルによってレベル「１」が伝送され、また、このビット伝送時間の継続中、低レベルによって「ゼロ」が伝送される。 ゼロ復帰システムでは、ビット伝送時間の一部分、通常、前半部分で、高レベルによってレベル「１」
が伝送され、その後低レベルが続き、ビットの継続期間中、低レベルによって「ゼロ」が伝送される。

【０００３】この簡単な記述は、つまり、１つのデータセットに対して伝送されるパルスの数は、ＮＲＺフォーマットの場合よりもＲＺフォーマットの場合の方が多くなることを意味している。 ＮＲＺフォーマットでは、
「１」の列が連続する場合、この列を伝送している間、
高レベル信号、すなわち１つの長いパルスが必要になる。

【０００４】ゼロ復帰フォーマットの場合、パルス列によって「１」の列が表される。 同様に、ビット時間の持続期間が、ＲＺとＮＲＺの２つのフォーマットに対して同一であると仮定すると、ＲＺフォーマットにおける単独の「１」は、ＮＲＺフォーマットにおけるパルスの半分の長さのパルスを作り出すことになり、したがって、
ＲＺフォーマットの伝送には、より広い通過帯域幅が必要になる。

【０００５】このような理由により、同一のデータを伝送する場合に必要な通過帯域は、ＲＺフォーマットの場合、ＮＲＺフォーマットの場合における２倍の広さが必要になる。

【０００６】したがってＮＲＺフォーマットは、同一伝送速度に対し、より広い帯域幅を必要とする他のフォーマットと比較した場合、疑う余地のない利点を有していることが分かる。

【０００７】しかし、ＲＺフォーマットも、例えば、多重化、受動時分割による多重化解除、ソリトン生成およびブリュアン誘導分散の消去など、いくつかの用途には有効である。

【０００８】そのため、両方のフォーマットの利点を利用するために、一方のフォーマットから他方のフォーマットへの変換器が必要となる。

【０００９】例えば、この種の変換器として知られている第１の例が、１９９２年２月１３日付け「Electronic
s Letters」（vol. 28, No. 4, ４０５および４０６ページ）の、Ａ． Ｄ． ＥｌｌｉｓおよびＤ． Ａ． Ｃｌｅｌ
ａｎｄの著による「Commutation tout optique ultra r
apide dans un miroir boucle optique non lineaire(N
OLM) (非線形光ループミラーにおける超高速全光交換)」という名称の論文の中に、簡単に記載されている。 この論文の図１に示されているように、この論文の装置はＳＡＧＮＡＣ反共振干渉計を備えている。

【００１０】干渉計の入力は、第１に、規則的なパルスストリーム、第２に、データ信号を表す非ゼロ復帰フォーマットの信号からなっている。

【００１１】上記２種類の信号の強さは、一方の信号のみが存在する場合、つまり高レベルにあるとき、ファイバの複屈折の性質に起因する、順方向信号と逆方向信号間の位相遅延を考慮して、干渉計の出力部の信号を、Ｓ
ＡＧＮＡＣ干渉計の正規の動作に対応する低にするような弱め合う干渉が生じるように選択される。 しかし、これら２種類の信号が、総光パワーを２倍にする効果を有する、共に高レベルの場合、逆方向に伝搬する高出力信号の変調により、干渉計の出力部に強め合うな干渉がもたらされることにより、位相πが付加される。

【００１２】したがって上記装置は、「ＡＮＤ」ゲートのような挙動をしている。

【００１３】干渉計の出力部に設けられるフィルタの通過帯域に応じて、パルスストリームを搬送する波長の搬送波上に、あるいは、ＮＲＺ信号を搬送する波長で、Ｎ
ＲＺ信号を変換したＲＺ信号を得ることができる。

【００１４】ＮＲＺ−ＲＺ変換器の第２の実施形態が、
１９９４年６月９日付け定期刊行物「Electronics Lett
er」（vol. 30, No. 12, ９８４〜９８５ページ）に発表されている、Ｓ． ＢＩＧＯ、Ｅ． ＤＥＳＵＲＶＩＲ
Ｅ、Ｓ． ＧＡＵＣＨＡＲＤ、およびＥ． ＢＲＵＮ著の「Amelioration de debit par conversion optique NRZ
-RZ et multiplexage par division temporelle passiv
e pour les systemes a transmission soliton (NRZ-RZ
光変換によるフローの改善とソリトン伝送システム用受動的時分割多重)」という名称の論文に記載されている。 以下では、この論文に記載されているＮＲＺ−ＲＺ
変換の考察に留める。 上述の場合と同様に、非線形光ループミラーが使用されている。 これも上述の場合と同様であるが、２種類の信号がループに入力され、ＳＡＧＮ
ＡＣ干渉計を形成している。 先ず、制御信号が、波長λ
ｃで入力され、次に、ＮＲＺ信号が、波長λｓで入力される。 干渉計偏光制御装置は、ＳＡＧＮＡＣ干渉計を得るために、制御信号が低の時、出力信号を最小にするように調整されている。 制御信号は増幅された後、ループに入力され、順方向波と逆方向波間の共有点近くに設けられた８０／２０結合器を介して、干渉計を形成している。

【００１５】著者等は、この受動ループを用いて、つまり、上述の例における場合と同様、ループ内に光増幅器を含まないループを用いて入力ＮＲＺ信号を変換した後、ＲＺ信号を得ることができることを報告している。

【００１６】ＲＺ信号のパルス幅も、波長λｃの制御パルスの幅より、僅かに短くなっている。

【００１７】しかし、低レベルと高レベル間のレベル差は２０ｄＢより大きく、活性ループを有する上述の例と比較して、１０倍改善されていることを示している。

【００１８】上述の２つの例においては、ファイバループミラーは、光の偏光および温度変動に極めて敏感であることを指摘しておく。

【００１９】第３の実施形態例が、「IEEE photonics t
echnology Letters」（１９９６年５月、vol. No. 8, N
o. 5，７１２〜７１４ページ）に掲載されている、Ｄａ
ｖｉｄ． ＮＯＲＴＥおよびＡｌｌａｎ． Ｅ． ＷＩＬＬＮ
ＥＲの著による「Demonstration experimentale d'une
conversion tout optique entre des donnees aux form
ats RZ et NRZ incorporant des changements non inve
rseurs de longueur d'onde et conduisant a une tran
sparence du format (反転のない波長変更とフォーマットの透明性を含むデータのRZ、 NRZ 間フォーマット全光変換の実験的デモンストレーション)」という名称の論文に言及されている。

【００２０】この論文の中で言及されている装置は、論文中の図１に示されている線図に従ったＲＺ−ＮＲＺ変換器に適用されている。 装置およびその動作の説明については、テキストの中で言及されている光増幅器ＳＯＡ
１が図に示されていないため、極めて不明瞭である。 しかし、第１のステップが、ＲＺ信号からクロック信号を回復することであることは理解できる。 また、この論文の説明によれば、記述されていない装置を用いて、２つのフォーマットのどちらかを使用することができるように、ＮＲＺフォーマットからＲＺフォーマットに変換している。

【００２１】上記各論文の中で説明され、あるいは言及されている装置の各々は、いくつかの光学電子装置あるいは電子装置を含み、かつ、組立て作業を必要とするサブシステムである。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、ＳＡＧ
ＮＡＣ干渉計に基づく装置は、温度および光偏光の変動に敏感である。 上記各論文の中で説明されている装置は全て、クロック信号またはクロック回復が必要である。

【００２３】したがって、設計および製作が容易なＮＲ
Ｚ−ＲＺ変換装置が必要である。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明の基本概念は、干渉計構造、例えば、２本のアーム（第１のアームおよび第２のアーム）を備えたマッハ−ツェンダー構造を用いることである。 第１のアームまたは第２のアームは、少なくとも、例えば半導体光増幅器（ＳＯＡ）などの素子を備え、その素子に存在する光パワーに応じて光屈折率を変化させることができる。

【００２５】ＮＲＺ信号（Ｓｅ）は、このＮＲＺ信号がバランスよく各干渉計アームに分散されるように、干渉計の入力の１つに注入される。 光パワーに応じて屈折率が変化するアームに制御信号（Ｓｃ）が入力されていない場合、入力信号（Ｓｅ）は変化することなく干渉計の出力部の一方に現れる。 しかし、干渉計の上記アームに制御信号（Ｓｃ）が入力されており、かつ、制御信号（Ｓｃ）のレベルが適切に選択されている場合、干渉計の２本のアームから出力される光信号を位相対立させる、すなわち、互いに（２ｋ＋１）πの位相ずれを持たせるために必要な量に匹敵する屈折率変化を、存在する光パワーに応じて光屈折率が変化する素子内に得ることができる。 この瞬時構成においては、干渉計の各アームに存在する入力信号（Ｓｅ）から出力される２つの信号は、干渉計の出力部で互いに相殺される。 したがって、
入力信号（Ｓｅ）に対する干渉計の挙動は、制御信号（Ｓｃ）によって開かれる光ゲートに類似している。 本発明によれば、この現象を利用することにより、光クロック信号を用いることなく、ＮＲＺフォーマットの信号がＲＺフォーマットの信号に変換される。 この変換は、
干渉計の出力部の信号を、干渉計構造のアームのうちの１本に入力し、かつ、ＮＲＺ信号の時間ビットのほぼ半分の遅延を、その信号に与えることによって実行される。 したがって遅延出力信号は、上述の光ゲートを開閉するための制御信号として使用される。 遅延させることにより、干渉計の出力信号中の光パワーが、しばらくの間、除去される。 後でさらに詳細に考察するが、成果は、入力信号に対応し、かつ、ＲＺフォーマットの出力信号を得ることである。

【００２６】したがって、本発明は、ビット持続時間Ｔ
をもつＮＲＺフォーマットの信号をＲＺフォーマットの信号に変換する変換器であって、第１のアームと第２のアームの２本のアームを備え、アームの各々が、第１の端部と第２の端部の２つの端部を有する干渉計構造であって、干渉計の上記アームの少なくとも１本は、通過する光パワーに応じて光屈折率の値が変化する媒体を含んでおり、少なくとも１つの入力部と少なくとも１つの出力部とを有する干渉計構造と、変換すべきＮＲＺ信号を受信する１つの入力部、および上記第１のアームに存在する信号と、第２のアームに存在する信号との間の干渉によって生じる信号を搬送する１つの出力部とを備え、
さらに、干渉計構造の出力部に結合するための結合手段と、光パワーに応じて光屈折率の値が変化する媒体を含んでいる、前記構造のアームと、前記干渉計構造の出力部と前記結合手段との間に置かれ、約Ｔ／２の遅延をもたらす遅延手段とを備えることを特徴とする変換器に関している。

【００２７】通過する光パワーに敏感な屈折率を有する活性媒体が、半導体光増幅器の活性層から構成されることが好ましい。

【００２８】高速伝送のためのビット時間は極めて短く（数十ピコ秒程度である）、例えば、アームの１本に再入力される出力信号に加えられる遅延は、干渉計の基板上に、あるいは、例えば、干渉計構造のアームの１本に再入力する前に、出力信号のレベルを調整する機能を、
同様に、実行する光増幅器などの部品に統合された光ガイドによって実現することができる。

【００２９】干渉計構造の出力信号は、干渉計構造のアームの端部に入力され、アームの端部には、また、変換すべきＮＲＺ信号も入力され、アーム内を２つの信号が同一方向に伝搬する。 この場合、前記アーム内に生じる、これら２つの信号間の干渉を避けるために、干渉計構造からの出力信号を波長に変換することが好ましい。

【００３０】干渉計構造の出力信号を、ＮＲＺ構造が入力される端部と反対側の、干渉計構造のアームの一端に入力することもできる。 この場合、干渉計構造の出力信号を、干渉計構造の前記アームに入力する前に波長に変換することが可能な場合と、不可能な場合とがある。

【００３１】好ましくも、干渉計構造からの出力信号がない場合、干渉計構造の２本のアームの光経路が等しく、各アームに存在する信号間に強め合う干渉が生成される。

【００３２】干渉計構造の出力部と１本のアームとの間に設けられた手段が、出力部の信号の光パワーレベルを調整し、そのアームの光経路を、もう一方のアームの光経路に対して修正することにより弱め合う干渉を得ることが好ましい。

【００３３】さらに、本発明は、ビット持続時間ＴをもつＮＲＺフォーマットの信号をＲＺフォーマットの信号に変換するための方法にも関し、その方法は、変換すべき信号が、干渉計構造のアームの各々に入力され、各アームはそれぞれ通過する光パワーに応じて屈折率の値が変化する光媒体を含み、前記干渉計構造の出力部に存在する信号が、ビット持続時間の約半分の時間だけ遅延されて、前記干渉計構造のアームのうちの１本のアームにのみ入力され、ＮＲＺ信号の変換によって得られるＲＺ
信号が、前記出力部に収集されることを特徴としている。

【００３４】次に、本発明の実施形態例について、添付の図面に照らして説明する。 図において、同一参照番号は、同一機能を実行する素子を表している。

【００３５】

【発明の実施の形態】図１は、本発明によるＮＲＺ−Ｒ
Ｚ変換器の第１の実施形態例を図解したものである。

【００３６】この変換器は、以下で記述する、知られている干渉計構造１０を使用している。 この干渉計構造は対称構造であり、対称入力部５および８を持つ２つの制御入力部１および４と、出力部６および７に対称入力部をもつ２つの信号入力部２および３とを有している。 入力部２および３は、干渉計構造のアーム９および１１の各々に結合されている。

【００３７】各アームは２つの端部、すなわち、それぞれ第１の端部２６および２８と、それぞれ第２の端部２
７および２９を有している。

【００３８】本発明の実施形態例では、入力部２および３は、先ず、互いに結合され、次に、図１、３および図４に示すように、分離され、アーム９および１１の各々に結合されている。 アーム９および１１の各々への入力結合を形成しているこれらの結合手段が、参照番号２３
で示されている。 これらの結合手段は、２対２の結合器を形成している。 対称的に、出力側でも結合手段は、２
３'で示される別の２対２の結合器から構成されている。

【００３９】制御入力部１および４は、これらの入力部によってアーム９および１１に入力される信号が、アームの第１の端部から第２の端部に伝搬するように、アーム９および１１の１つにそれぞれ結合されている。

【００４０】同様に、制御入力部５および８も、アーム９および１１の１つにそれぞれ結合されている。 例えば、制御入力部５を介して入力される信号は、アーム９
の第２の端部２７からアーム９の第１の端部２６に伝搬する。 図１、３および図４に示す例においては、使用される制御入力部は４と８だけである。 この制御入力部４
および８を、アーム１１の端部２８および２９にそれぞれ結合している手段のみが、それぞれ２４および２４'
で参照されている。

【００４１】アーム９および１１の各々は、通過する光パワーに応じて屈折率が変化する光媒体１３および１５
を、半導体増幅器の活性層の形で備えている。

【００４２】この種の干渉計構造の出力レベルを、信号入力部および制御入力部上に存在する信号レベルに応じて、次の表に示す。

【表１】

【００４３】この装置の動作原理は、上記２種類の真理値表に要約される。 制御信号がない場合（つまり、制御入力部のレベルが０の場合）、入力部３における信号が、出力部６で再生される。 制御信号が高、すなわち１
の時、レベル０またはレベル１の入力信号が、レベル０
の出力信号に変換される。

【００４４】この説明の残りの部分では、信号入力は入力部２に存在し、制御入力は、アーム１１の第１の端部または第２の端部にそれぞれ結合された入力部４または入力部８のいずれかに存在すると仮定することができる。

【００４５】この仮定により、図２に示すような入力信号の変換が得られる。

【００４６】図２は、Ａ、ＢおよびＣの３つの部分からなっている。 部分Ａは、ＮＲＺ信号レベルの時間変化を示したもので、ビット持続時間はＴである。 この種の信号が、入力部２に印加されていると仮定している。

【００４７】出力部７に存在する信号は、Ｔ／２の値だけ、すなわちビット持続時間の半分だけ遅延されて制御入力部４または８に入力されるものと仮定する。 図２の部分Ｃは、この仮想信号を示したものである。 このような条件の下で、図２の部分Ｂに示すように、ＲＺ信号に変換されたＮＲＺ信号が得られる。 したがって、ＮＲＺ
／ＲＺ変換は自己保持形変換である。

【００４８】図１は、ＮＲＺ信号が入力部２に入力され、アーム９および１１を、それぞれ第１の端部２６および２８から第２の端部２７および２９へ通過する実施形態を示したものである。

【００４９】出力信号７は、ビット時間Ｔの半分の時間だけ遅延されて制御入力部８に再注入される。 例えば、
ビットレートが１０ギガビットの場合、ビット時間は１
０ ^{− １０}秒、すなわち１００ピコ秒であり、したがってＴ／２の遅延は５０ピコ秒である。 この種の遅延は、僅か１ｃｍの光ファイバ、あるいは長さ５ｍのＩｎＰガイドによって得ることができる。

【００５０】出力部７の信号レベルを適切に設定し、アーム１１上に設けられた増幅器の活性光媒体１５の飽和状態に近いレベルを得ることができるよう、出力部７の信号を再増幅することが好ましい。

【００５１】その場合、信号出力部７の光信号が入力される光増幅器１４は、増幅器１４として、かつ、Ｔ／２
遅延手段１６として使用される。

【００５２】図１に示す実施形態では、Ｔ／２だけ遅延された復帰信号は、入力部２に印加されるＮＲＺ信号と逆の方向にアーム内を伝搬するように、制御入力部８に印加される。 したがって、この再入力信号は、アーム１
１の第２の端部２９から第１の端部２８に向かって伝搬する。

【００５３】したがって、波長が同一であっても、変換すべきＮＲＺ信号を復帰信号が干渉することはない。 復帰信号が行うのは、アーム１１の光増幅器の活性媒体１
５内の出力レベルを、適切な時点で変更するだけである。 変換されたＲＺ信号は、入力ＮＲＺ信号と同一波長の搬送波に乗せられる。

【００５４】図３は、光増幅器１５を通過する光パワーを制御する信号の波長を変更することができる利点を有する、本発明による実施形態を示したものである。

【００５５】図３に示す装置は、参照番号１〜９、１１
〜１３、１５、および２３〜２４'で表される素子を含んでいる、図１に示す装置１０を備えている。

【００５６】出力部７は、フィルタ１７に導かれている。 フィルタ１７の出力信号は、復帰ループ３０に給電している。 復帰ループ３０は、帯域通過フィルタ２０を介して制御入力部４に給電することが好ましい波長変換器１９を備えている。 波長変換器１９は、出力レベルを調整する手段を備えていることが好ましい。

【００５７】この種の波長変換器の利点は、制御信号が入力信号を干渉しないことである。

【００５８】装置１０の出力部７に設けられたフィルタ１７は、ＮＲＺ信号の搬送波長を中心とする帯域通過フィルタである。

【００５９】波長変換器１９の出力部に設けられたフィルタ２０は、波長変換器１９が生成する、あるいは受信する制御信号の波長を中心とする帯域通過フィルタである。

【００６０】図４は、波長変換器１９の実施形態例を示したものである。

【００６１】制御波長の波は、例えばレーザダイオード２１によって、生成される。 ダイオード２１の非変調連続波の形での出力信号は、フィルタ１７の出力信号に結合され、結合された２つの信号は、通過する光パワーに敏感な活性媒体を備えた半導体光増幅器２２に入力されている。 これらの条件下では、増幅器２２に入力される各信号の入力パワーが、フィルタ１７からの変調信号の値が高い時、飽和値に達するような強さである場合、ダイオード２１の連続波出力は、あたかもフィルタ１７からの変調信号のように変調される。 上で記述したように、波長変換器１９における通過時間は、ほぼＴ／２になるように調整しなければならない。

【００６２】図３および図４は、波長変換器１９の出力を、アーム１１の第１の端部２８に結合した、本発明による装置を示したものである。 当然、ＮＲＺ信号と制御信号が逆方向に伝搬するように、波長変換器１９の出力を第２の端部２９に結合することもできる。

【００６３】また、本発明における制御信号は出力信号でもあること、すなわち、ＮＲＺ信号の変換によって得られるＲＺ信号でもあることを理解しなければならない。

【００６４】変換器の設計を理解するために、付録には、半導体光増幅器の動作を説明する仮定の数式が含まれている。 付録 半導体光増幅器の動作を説明する方程式 １）飽和出力以下で動作する増幅器 増幅器が飽和する前の利得Ｇ _０は、次式１によって与えられる。

【００６５】

【数１】

_０は係数を表し、Ｌは、活性媒体の光波長を表す。 飽和出力で動作する増幅器によって付加される位相Φは、次式２で表される。

【００６６】

【数２】

_ｎは、ネイピアの対数関数を表す。 ２）飽和状態で動作する増幅器 飽和時における利得Ｇは、次式３によって与えられる。

【００６７】

【数３】

_ｓは飽和出力を表し、Ｌは、活性媒体の長さを表す。 位相推移は、次式４によって与えられる。

【００６８】

【数４】

_Ｄ０およびＨ

_Ｄ１は、次式５および６によって与えられる。

【００６９】

【数５】

【００７０】

【数６】

_Ｄ０は、アームの出力部６（図１）における光パワーを表し、Ｐ

_Ｄ１は、アームの出力部７における光パワーを表し、Ｐ

_Ａ０は、入力部２におけるアームに印加される光パワーを表し、Ｄ

_０は、出力部６における光の場を表し、Ｄ

_１は、アームの出力部７における光の場を表し、Ａ

_０は、入力部２における光の場を表し、Ａ

_１は、入力部３（例えば、図１の３）における光の場を表し、Ｇ

_１は、例えば増幅器１３の利得を表し、Ｇ

_２は、他の増幅器１５の利得を表し、Ｋ

_１およびＫ

_２は、次式７によって決定される、増幅器１３および１

５の係数値を表す。

【００７１】

【数７】

【００７２】

【数８】

【図面の簡単な説明】

【図１】出力信号が、干渉計構造のアームの、ＮＲＺ信号が入力される端部と反対の端部に再入力される、本発明による第１の実施形態例を示す図である。

【図２】時間に対する信号レベルを示す。 図は３つの部分からなる。 部分ＡがＮＲＺ信号を表し、部分Ｃが、遅延手段がない場合に干渉計構造の出力部に存在するであろう仮想信号を表し、部分Ｂが、部分Ａに示すＮＲＺ信号の変換によって作り出されるＲＺ信号を表す。

【図３】出力信号が波長に変換され、干渉計構造のアームの、ＮＲＺ信号が入力される端部と同じ端部に再入力される実施形態例を示す図である。

【図４】波長変換器の実施形態例を有する、図３に示す実施形態例と同様の図である。

【符号の説明】 １、４、５、８ 制御入力部 ２、３ 信号入力部 ６、７ 出力部 ９、１１ アーム １０ 干渉計構造 １３、１５ 光媒体 １４、１６ 光増幅器 １７、２０ フィルタ １９ 波長変換器 ２１ レーザダイオード ２２ 半導体光増幅器 ２３、２３'、２４、２４' 結合手段 ２６、２８ 第１の端部 ２７、２９ 第２の端部 ３０ 復帰ループ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ミヒヤエル・シユラーク ドイツ国、デー−12107・ベルリン、ビル ンホムベーク・50 (72)発明者 トルガ・テキン ドイツ国、デー−13353・ベルリン、リユ ンアルシユトラーセ・５ Ｆターム(参考） 2H079 AA08 AA12 BA01 CA04 EA05 EA07 HA00 2K002 AA02 AB12 BA01 DA08 DA11 GA10 HA16