Optical signal processing device and method thereof

開示する技術は、光通信等に用いられる信号光波形を、電気信号に変換することなく光のまま整形する技術に関する。

信号光を電気信号に変換することなく光のまま波形整形を行う従来技術の１つとして、光リミッタを用いた波形整形手法がある。 図８は、光リミッタを用いた波形整形装置の従来技術を示す図である。 光リミッタ８００は、入力光８０５と異なる波長の励起光８０１、光カプラ８０２、非線形媒質８０３及び光フィルタ８０４で主に構成されている。 光カプラ８０２において、波形整形される入力光８０５と励起光８０１が１つの非線形媒質８０３内に入力される、非線形媒質８０３内で発生する３次非線形効果を介して、励起光８０１のパワーが入力光８０５に移る非線形現象が発生する。 非線形媒質８０３から入力光８０５と共に励起光８０１が出力されるので、光フィルタ８０４により励起光８０１が取り除かれ、信号光成分のみが出力光８０６として取り出される。

図９は、光リミッタの入出力特性図である。 この図は、図８の非線形媒質８０３に入力する励起光８０１がある一定の光パワーを有する時の、非線形媒質８０３に入力する入力光８０５のパワーと非線形媒質８０３から出力される出力光８０６のパワーの典型的な関係を示している。 入力光８０５のパワーが小さい領域では、入力光８０５と出力光８０６は線形の関係にある。 しかし、入力光８０５のパワーが大きくなり、励起光８０１のパワーに対して十分小さなパワーと見なせなくなると、励起光８０１から入力光８０５へのエネルギーの変換量が枯渇するため、出力パワーは飽和する。 この飽和特性を利用すると、入力する信号光の“１”のレベルに乗っている雑音成分を抑圧し、波形を整形することができる。

本出願が開示する技術に関連する従来技術として、下記先行技術文献が開示されている。

通信システムにおいて、システム設計の観点から、信号光の波形整形前後に、信号光の波長が変化することは大きな問題であり、システム設計の自由度を損なうことになる。 そのため、上述した従来技術のように、波形整形後の信号光波長が、波形整形前の波長と同一であることが強く求められる。 光ファイバの非線形効果を活用した光リミッタは、超高速応答、超広帯域などの特徴があるが、図８に示される従来技術では、低い信号強度レベルの雑音抑圧ができないため、低い信号強度レベル(谷)雑音は残留してしまうという課題があった。

開示する技術が解決しようとする課題は、信号光の全域で雑音を抑制して波形整形可能とすることにある。

上記課題を解決するために、開示する技術は、光信号の波形を整形する光信号処理装置として実現され、以下の構成を有する。
強度反転波長変換器は、入力される第１波長の強度変調光信号の信号強度を反転した第２波長の強度変調光信号を生成する。

光結合器は、第１波長の強度変調光信号と第２波長の強度変調光信号を、両信号の信号強度が逆になるタイミングで合波する。
光リミッタは、光結合器から出力される結合光を入力し、その結合光のパワーが大きくなるに従って利得を抑制させることで結合光に含まれる振幅雑音成分を抑制する。

開示する技術によれば、強度変調信号の山に相当する部分の雑音だけではなく谷に相当する部分の雑音も抑圧することが可能となる。
開示する技術によれば、信号光に含まれる複数波長の信号光の波形を一括して整形でき、かつ、波形整形の前後で各信号光の波長を正確に保持することが可能となる。

開示する技術によれば、長距離光通信システムの性能向上が可能となる。

光信号処理装置の第１の実施形態の構成図である。

第１の実施形態の動作説明図である。

光信号処理装置の第２の実施形態の構成図である。

光カースイッチを用いた強度反転波長変換器１０２の構成例を示す図である。

第３の実施形態の構成図である。

第４の実施形態の構成図である。

第５の実施形態の構成図である。

光リミッタを用いた波形整形装置の従来技術を示す図である。

光リミッタの入出力特性図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、光信号処理装置の第１の実施形態の構成図である。
雑音圧縮による波形整形が施されるべき信号光である入力光１０５（波長：λs ）は、２つの経路に分岐される。 第１の経路において、入力光１０５は、強度反転波長変換器１０２によって、信号強度が反転されると共に波長が変換される。 波長変換後の波長をλc とする。 強度反転波長変換器１０２から出力される反転光１０６と入力光１０５は、光カプラ１０３にて結合される。 結合される相対的なタイミングは、入力光１０５が２つの経路に分岐された時のタイミングと同じにされる。

光リミッタ１０４は、入力光１０５の波長及び反転光１０６の波長の何れとも異なる波長λp を有する励起光１０４−１、光カプラ１０４−２、非線形媒質１０４−３及び光フィルタ１０４−４で主に構成されている。 この部分の構成及び動作は、図８で説明した従来技術の構成及び動作と同様である。 即ち、光カプラ１０４−２において、光カプラ１０３から出力される入力光＋反転光１０７と励起光１０４−１が１つの非線形媒質１０４−３内に入力される、非線形媒質１０４−３内で発生する３次非線形効果を介して、励起光１０４−１のパワーが入力光＋反転光１０７に移る非線形現象が発生する。 非線形媒質１０４−３から入力光＋反転光１０７と共に励起光１０４−１が出力されるので、光フィルタ１０４−４により波長λp の励起光１０４−１と波長λc の反転光１０６が取り除かれ、信号光成分のみが出力光１０９として取り出される。

このときの光リミッタ１０４の入出力特性は、従来技術における図９に示される特性と同様である。
なお、光リミッタ１０４は、上述の構成のほかに、量子ドットアンプの利得飽和、半導体増幅器の利得飽和、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザによる光増幅等の技術を用いて実現することも可能である。

ここで、入力光１０５と反転光１０６の論理極性はほぼ反対の関係にある。 このため、光カプラ１０３において入力光１０５と反転光１０６とが混合された結果出力される入力光＋反転光１０７の光パワーは、データパターンに依存せずにほぼ一定の値になる。

この入力光＋反転光１０７が、光リミッタ１０４に入力された場合を考える。 光リミッタ１０４における入力光パワーと出力光パワーの関係は、図９に示したように、入力光パワーが小さい領域では入力光パワーに比例した出力光パワーが得られ、利得は一定値を維持する。 一方、入力光パワーが大きい領域では入力光パワーに見合った出力光パワーは得られなくなり、利得は減少してゆく。 即ち、図２の（ａ）に示されるように、光リミッタ１０４の利得は、小さな入力光パワーＰ ₀に対しては一定値を維持し、大きな入力光パワーＰ ₁に対してはその値に比例して減少する特性を有する。

今、光リミッタ１０４に対して、従来技術の説明において前述したように入力光１０５のみが入力し、反転光１０６は入力しないと仮定する。 この場合、図９の入出力特性に基づいて、入力光１０５の論理値が“１”となる期間では、入力光１０５のパワー変化に対する出力光１０９のパワー変化はほぼ一定値にクリップされる。 これにより、入力光１０５の論理値が“１”となる期間で入力光１０５に重畳されている雑音成分が抑圧される。 一方、入力光１０５の論理値が“０”となる期間では、入力光１０５のパワー変化に正比例して出力光１０９のパワーも変化する。 即ち、この状態は、例えば図２（ａ）の小さな入力光パワーＰ ₀が入力されている状態に相当し、出力光１０９は、入力光１０５に対して一定の利得Ｇ ₀を有する状態となる。 この結果、図２（ｂ）に示されるように、入力光１０５に対して、信号光と共に、その信号光に重畳されている雑音成分も利得Ｇ ₀で増幅されてしまい、出力光１０９において雑音成分を抑制することができない。

次に、光リミッタ１０４に、入力光１０５だけでなく反転光１０６も入力された場合、即ち、光カプラ１０３から入力光＋反転光１０７が入力した場合を考える。 この場合、入力光１０５と反転光１０６の論理極性がほぼ逆であるから、入力光１０５の論理値が“１”である期間も“０”である期間も共に、入力光＋反転光１０７の光パワーは図２（ａ）の光パワーＰ ₁付近のほぼ一定値となる。

この場合、入力光１０５の論理値が“１”となる期間における入力光＋反転光１０７の光パワーは一定値Ｐ ₁であるから、図２（ａ）の特性に基づいて、光リミッタ１０４の利得は一定利得Ｇ ₀よりも低い利得Ｇ ₁となる。 従って、従来技術の場合と同様に、入力光１０５に重畳されている雑音成分の増幅率が利得Ｇ ₁に抑圧されながら、非線形媒質１０４−３の出力１０８は一定値を維持する。 この場合、反転光１０６の光パワーはほとんど論理値“０”に対応する値であるから、光フィルタ１０４−４にて励起光１０４−１と反転光１０６の光成分が除去されて得られる出力光１０９の値はほぼ、入力光１０５の論理値“１”に対応する一定値となる。

次に、入力光１０５の論理値が“０”となる期間を考えると、その期間における入力光＋反転光１０７の光パワーもやはりＰ ₁である。 従ってこの期間においても、図２（ａ）の特性に基づいて、光リミッタ１０４の利得は一定利得Ｇ ₀よりも低い利得Ｇ ₁となる。 即ち、図２（ｃ）に示されるように、入力光＋反転光１０７に含まれる反転光１０６の光成分に対する利得及び入力光１０５の光成分に対する利得共に、低い利得Ｇ ₁となる。 従って、入力光１０５に重畳されている雑音成分の増幅率が利得Ｇ ₁に抑制されながら、非線形媒質１０４−３の出力１０８は一定値を維持する。 この場合には、入力光１０５の光パワーがほぼ論理値“０”に対応する値で反転光１０６の光パワーがほぼ論理値“１”に対応する値である。 従って、光フィルタ１０４−４にて励起光１０４−１と反転光１０６の光成分が除去されて得られる出力光１０９は、雑音成分が抑圧され、入力光１０５の論理値“０”に対応する一定値をほぼ有する信号となる。

なお、反転光１０６の波長λc は、入力光１０５の波長λs と異なるものに設定されているため、光フィルタ３０２において、入力光１０５のみを容易に取り出すことができる。

以上のように、第１の実施形態では、入力光１０５の論理極性を判定させる強度反転波長変換器１０２が設けられ、そこから得られる反転光１０６と入力光１０５が光カプラ１０３にて混合されて、光リミッタ１０４に入力される。 これにより、光リミッタ１０４による非線形飽和特性を、入力光１０５の信号全域に対して適用することが可能となり、入力光１０５の全域で雑音成分を抑圧することが可能となる。

図３は、光信号処理装置の第２の実施形態の構成図である。
図３の構成において、図１の第１の実施形態の場合と同じ処理を行う部分には、同じ番号が付されている。 図３の光分配器１０１、強度反転波長変換器１０２、光カプラ１０３、及び光リミッタ１０４による基本的な動作は、図１の第１の実施形態の場合と同様であるが、振幅、パワー、偏光状態を制御する具体的な処理部分を有する点が、図１の場合と異なる。

入力光は、任意の偏向状態を所定特性の偏向状態に安定化させる自動偏波安定器（ＡＰＣ）３０１に入力される。 偏波自動安定器３０１は、例えば、ストークスパラメータなどの偏向状態をモニタすることにより、入力光を所望の偏向状態に制御する、光ファイバ型の偏波コントローラ（ＰＣ）によって実現される。 この構成は、挿入損失が小さいなどの特徴を有する。 偏波自動安定器３０１として、光ファイバ型のＰＣの代わりに、ＬｉＮｂＯ ₃変調器を用いて偏光を制御する方式のものが用いられてもよい。 この構成は、動作速度が高速などの特徴がある。

偏波自動安定器３０１の出力は、光分配器１０１において、２つの経路に分岐される。 光分配器１０１は、いわゆる光カプラを用いることにより、入力光を所望の割合で分配できる。 図３において、１０２、３０２〜３０７の各部を経由する経路を第１の経路、３０８〜３１１の各部を経由する経路を第２の経路とする。

光カプラ１０３において、２つの異なる経路を伝搬した光が、光分配器１０１で分岐されたタイミングと同じ相対的なタイミングで結合されるよう、第１の経路上及び第２の経路上にそれぞれ設置される遅延素子（Ｄｅｌａｙ）３０２及び３０８を用いて、２つの経路長が等しくなるように調整される。 遅延素子３０２及び３０８は、任意の長さの光ファイバでも良いし、空間光学を用いたものでもよい。 ２つの経路の長さが調整可能であれば、必ずしも２つの経路上に遅延素子を配置する必要はなく、どちらか一方の経路上に置かれてもよい。

また、光カプラ１０３で結合される２つの光の振幅がほぼ等しくなるように、以下の構成が設置される。 即ち、各経路を伝搬した光のパワーが、各光分配器３０７及び３１１を介して光パワーメータ３１５でモニタされる。 光パワーメータ３１５は、例えばポラリメータで実現される。 そして、コントローラ３１６が、光パワーメータ３１５でのモニタ結果に基づいて、各光分配器３０７及び３１１の各出力光の振幅がほぼ等しくなるように、ドライバ３０４を介して第１の経路上に設置された振幅調整器３０３を制御する。 振幅調整器３０３は、光を増幅する場合は光増幅器（エルビウム添加光ファイバ増幅器、半導体光増幅器など）であり、また光を減衰させる場合は光減衰器によって実現することができる。 振幅調整器３０３は、第１の経路上ではなく第２の経路上に設置されてもよく、或いは、両方の経路上に設置されてもよい。

第１及び第２の経路上にそれぞれ設置される偏波コントローラ（ＰＣ）３０５及び３０９は、光リミッタ１０４に入力される２つの異なる波長の信号光の偏波が一致するように動作する。 コントローラ３１６は、光カプラ１０３の後段に設置されている偏光子３１２から出力される光パワーが最大になるように、光パワーメータ３１５による光分配器３１３の出力光に対するモニタ結果に基づいて、それぞれドライバ３０６及び３１０を介して偏波コントローラ３０５及び３０９をフィードバック制御する。 より具体的には、光分配器３１３から出力される光パワーが最大になるように、まず偏波コントローラ３０５が制御され、次に偏波コントローラ３０９が制御される。 偏波コントローラ３０５及び３０９は例えば、光ファイバに応力を加えて所望の偏波状態に変換する素子として実現される。

光パワー調整機構３１４は、入力光＋反転光１０７の光パワーが、光リミッタ１０４における所望の利得飽和特性（図２（ａ）参照）にマッチするように、入力光＋反転光１０７の光パワーを調整する。 これを実現するために、光パワーメータ３１５は、光分配器３１３の出力をモニタし、そのモニタ結果に基づいてドライバ３１７を介して光パワー調整機構３１４を制御する。 光リミッタ１０４の入力パワーは通常は大きな値なので、光パワー調整機構３１４は光増幅器として実現される。

図４は、図１に示される第１の実施形態又は図３に示される第２の実施形態における強度反転波長変換器１０２の構成例を示す図であり、光カースイッチを用いて実現される。 図４において、入力光１０５及び反転光１０６は、図１又は図３に示されるものと同じである。

図４に示されるように、光カースイッチを用いた強度反転波長変換器１０２は、偏波コントローラ（ＰＣ）４０１、光カプラ４０３、非線形媒質４０４、偏光子４０５、及び光フィルタ４０６で実現される。

入力光１０５がない場合、入力光１０５の波長λs と異なる波長λc を有する励起光４０７が偏光子４０５を透過するような偏光状態に、励起光４０７の偏光状態が設定される。

入力光１０５は、励起光４０７に対しておよそ４５度になる直線偏光状態で、光カプラ４０３を介して非線形媒質４０４に入力される。 また、入力光１０５の光パワー及び非線形媒質４０４の緒元が適切に設定されることにより、入力光１０５がある場合には、非線形媒質４０４内での相互位相変調により、励起光４０７の偏光が９０度回転して偏光子４０５を透過しなくなるように制御される。

このようにして、入力光１０５がない場合に励起光４０７が出力され、入力光１０５がある場合に励起光４０７は出力されないので、入力光１０５の強度が反転する。 これと同時に、入力光１０５のデータが励起光４０７に変換されるので、波長もλs からλc に変換される。

光フィルタ４０６は、波長λc のみを通過させるように設定される。
以上のようにして、波長λs を有する入力光１０５に対して、論理極性が反転し波長がλc に変換された反転光１０６が出力される。
なお、光カースイッチの動作の詳細は、例えば、前述した非特許文献１に詳細に開示されている。

上述した図４に示される構成のほか、図３（又は図１）の強度反転波長変換器１０２は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）の利得飽和による別波長光への強度反転の技術を用いて実現することが可能である。 また、強度反転波長変換器１０２は、非線形光ループミラ（NOLM: Nonlinear optical loop mirror）干渉計内での相互位相変調(XPM:Cross-phase modulatio)による強度反転波長変換の技術を用いて実現することが可能である。 或いは、強度反転波長変換器１０２は、１つの経路に半導体光増幅器などの非線形媒質が設置されたマッハツェンダー干渉計での相互位相変調による位相差を利用した強度反転波長変換の技術を用いて実現することが可能である。

図５は、光信号処理装置の第３の実施形態の構成図である。
図５の構成において、図１又は図３の第１又は第２の実施形態の場合と同じ処理を行う部分には、同じ番号が付されている。

図１に示される第１の実施形態や図３に示される第２の実施形態は、１波長の入力光に対する光信号処理を実現する実施形態である。 図５に示される第３の実施形態において、各部の基本的な動作は図３の第２の実施形態の場合と同様であるが、図５の構成では、２波長からなる２つの信号光成分を含む入力光５０７に対して、１つの光リミッタ１０４で雑音抑圧し波形整形を実現する光信号処理が可能である。

これを実現するために、光分配器１０１にて第１の経路に分配された入力光５０７は、光分波器５０３によって波長毎に複数の第１の経路処理部５０１（＃１）及び５０１（＃２）に分波される。 そして、それぞれの処理部５０１（＃１）及び５０１（＃２）にて、波長毎に、第２の実施形態の説明にて前述した第１の経路の処理が実行される。 そして、各処理部からの出力が光合波器５０５にて合波され、その合波出力が光カプラ１０３に入力される。

同様に、光分配器１０１にて第２の経路に分配された入力光５０７は、光分波器５０４によって波長毎に複数の第２の経路処理部５０２（＃１）及び５０２（＃２）に分波される。 そして、それぞれの処理部５０２（＃１）及び５０２（＃２）にて、波長毎に、第２の実施形態の説明にて前述した第２の経路の処理が実行される。 そして、各処理部からの出力が光合波器５０６にて合波され、その合波出力が光カプラ１０３に入力される。

波長毎の第１の経路処理部５０１（＃１）及び５０１（＃２）及び第２の経路処理部５０２（＃１）及び５０２（＃２）では、第２の実施形態で説明したのと同様の振幅調整及び偏波制御が、波長毎に独立して実施される。

光分波器５０３又は５０４及び光合波器５０５又は５０６は例えば、アレイ導波路グレーティング（Array Waveguide Gratings：AWG）やファイバブラッググレーティング（FBG）などによって実現できる。

上述した第３の実施形態は、２波長からなる信号光成分を含む入力光に対して、１つの光リミッタで雑音抑圧し波形整形を実現する光信号処理装置の例であるが、複数波長からなる信号光成分を含む入力光に対する光信号処理装置も同様に実現できる。 この場合、異なる波長毎に、強度反転された信号光が新たに発生させられ、これらが入力光と共に光リミッタに入力される。 このため、光リミッタの非線形媒質内では、隣接する信号光の間隔が狭くなり、クロストークが発生することも予想される。

図６は、そのようなクロストークを回避することのできる第４の実施形態の構成図である。 即ち、図６では、Ｎ波からなる入力光が、インターリーバ６０１によって、奇数チャネルの波長成分と偶数チャネルの波長成分に分離されて波長間隔が広げられ、分離された各々のグループ毎に、図５に示される第３の実施形態の構成が適用され並列処理される。 そして、各グループの処理結果が、インターリーバ６０２によって合波され出力される。

図７は、第５の実施形態の構成例を示す図である。 第５の実施形態は、前述した第１〜第４の実施形態によって実現される光信号処理装置が適用される光ファイバ通信システムに関するものである。

送信機７０１から受信機７０３に向けて送信された信号光は、伝送路光ファイバ７０４と光ファイバ伝送時に減衰する光パワーを増幅する光増幅器７０５とで構成される光ファイバ伝送路上を伝搬する。 この際、伝送路光ファイバ７０４内で発生する非線形効果、光増幅器７０５が発生する雑音、及びそれらの相互作用により、信号光の波形が劣化する。 図７（ａ）に示される構成例では、光ファイバ伝送路の途中に設置された光信号処理装置７０２が、信号光波形を整形し上述の劣化を修正する。 光信号処理装置７０２には、前述した何れかの実施形態の構成を適用することができる。 信号光が１波長であれば図１又は図３の構成を適用でき、多波長であれば図５又は図６の構成を適用できる。

なお、光信号処理装置７０２は、図７（ｂ）に示されるように、受信機７０３の直前に設置してもよい。
図７（ａ）又は（ｂ）に示される構成により、光ファイバ通信システムにおいて、信号光をより遠くに伝搬することが可能になる。

以上の各実施形態の説明において、信号光の波形図としては、強度変調のＲＺ波形を示した。 しかしながら、開示する技術は、強度変調方式の信号光に限定されるものではなく、位相変調方式の信号光であっても、ＲＺ波形の信号にも適用できる。

開示する技術は、光ファイバ通信システムにおいて波形整形を行う光信号処理装置に利用することができる。

１０１、３０７、３１１、３１３ 光分配器 １０２ 強度反転波長変換器 １０３、１０４−２、４０３、８０２ 光カプラ １０４、８００ 光リミッタ １０４−１、４０７、８０１ 励起光 １０４−３、４０４、８０３ 非線形媒質 １０４−４、４０６、８０４ 光フィルタ １０５、５０７、８０５ 入力光 １０６ 反転光 １０７ 入力光＋反転光 １０８ 変換後の入力光＋反転光 １０９、５０８、８０６ 出力光 ３０１ 自動偏波安定器（ＡＰＣ）
３０２、３０８ 遅延素子（Ｄｅｌａｙ）
３０３ 振幅調整器 ３０４、３０６、３１０、３１７ ドライバ ３０５、３０９、４０１、４０２ 偏波コントローラ（ＰＣ）
３１２、４０５ 偏光子 ３１４ 光パワー調整機構 ３１５ 光パワーメータ ３１６ コントローラ ５０１（＃１，＃２） 第１の経路処理部 ５０２（＃１，＃２） 第２の経路処理部 ５０３、５０４ 光分波器 ５０５、５０６ 光合波器 ６０１、６０３ インターリーバ ７０１ 送信機 ７０２ 光信号処理装置 ７０３ 受信機 ７０４ 伝送路光ファイバ ７０５ 光増幅器