特許 5794575 光信号処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5794575

(24)【登録日】2015年8月21日

(45)【発行日】2015年10月14日

(54)【発明の名称】光信号処理装置

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/35 20060101AFI20150928BHJP

   G02F 2/00 20060101ALI20150928BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/35

   G02F2/00

【請求項の数】4

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2012-47832(P2012-47832)

(22)【出願日】2012年3月5日

(65)【公開番号】特開2013-182244(P2013-182244A)

(43)【公開日】2013年9月12日

【審査請求日】2014年9月11日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２３年度総務省委託研究「サブバンド間遷移素子を用いた多値位相変調光信号処理の研究開発」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(72)【発明者】

【氏名】鍬塚 治彦

【審査官】 廣崎 拓登

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−００４９８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２５１８５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２２８８１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０６０６２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２４９１２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｆ １／００− １／１２５

１／２１− ７／００

Ｈ０４Ｂ １０／００−１０／９０

Ｈ０４Ｊ １４／００−１４／０８

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

Ｇｏｏｇｌｅ Ｓｃｈｏｌａｒ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光の入力強度に比例して屈折率が変化する光非線形素子を２つ備えた光信号処理装置であって、
第１の光非線形素子に４値の位相変調が施された第１の入力光信号と第２の連続光を入射して、前記第１の入力光信号の周波数の２倍から前記第２の連続光の周波数を引いた周波数を有する第３の光信号を発生させる手段を備え、
前記第３の光信号と第４の連続光を第２の光非線形素子に入射して、前記第３の光信号の周波数の２倍から前記第４の連続光の周波数を引いた周波数と前記第１の入力光信号の基準となる位相のみを有する第５の出力光信号を発生させる手段を備え、
前記第１の入力光信号と当該前記第５の出力光信号とを合波して光信号処理を行うことを特徴とする光信号処理装置。

【請求項2】

前記第１の光非線形素子および前記第２の光非線形素子の少なくとも１つが光ファイバにて構成されていることを特徴とする請求項１に記載する光信号処理装置。

【請求項3】

前記第１の光非線形素子および前記第２の光非線形素子の少なくとも１つがサブバンド間遷移素子にて構成されていることを特徴とする請求項１に記載する光信号処理装置。

【請求項4】

前記第１の入力光信号の波長と前記第２の連続光の波長が一致していることを特徴とする請求項３に記載する光信号処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は，光通信システムにおいて．光信号を処理する装置、特に光の位相に変調信号が重畳された位相変調信号を処理する装置に関する。

【背景技術】

【0002】

高精細画像等による通信需要の増大さらには通信サービスの多様化に加え、地球環境問題の顕在化により、通信ネットワークを支えるフォトニックネットワークシステムに対しても、一層の大容量化、多様な信号を通せるトランスペアレンシー化、さらには、省エネルギー化が必要とされている。

【0003】

フォトニックネットワークにおいては、従来進展してきた波長多重化（WDM)に加えて、位相多値変調の利用により一層の大容量化が図られようとしている。さらに、光信号を電気信号に変換せずに処理をおこなう、ROADMや光パススイッチのような光信号処理により、トランスペアレンシーと省エネルギー化が図られようとしている。

【0004】

このような、位相多値変調信号の光信号処理においては、位相多値変調信号から、特定の位相を抜き出し、この位相を有する光信号を生成して、この光信号と、位相多値変調信号の位相差を検知して、信号処理を行う必要がある（非特許文献１）。

【0005】

現在は、この処理を、光信号を電気信号に変換し、電気回路による信号処理で行っている。光信号と、その光信号の波長に近い波長をもった連続光の二つの光を、フォトダイオードで電気信号に変換する。

【0006】

フォトダイオードは、光のパワーに比例した電流信号を生成するので、光信号の電界の2乗に比例した電気信号が得られる。光信号の電界と、連続光の電界の積の成分を取り出すことにより、光信号の電界値、および、連続光に比較した光信号の位相を、検出することができる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】D.S.Millar, S. Makovejs, C.Behrens, S. Hellerbrand, R.I. Killey, P. Bayvel, S.J. Savory, "Mitigationof Fiber Nonlinearity Using a Digital Coherent Receiver". IEEE J. SelectedTopics on Quantum Eelectorn., 16(5) 1217 - 1226 2010.

【非特許文献2】R. Akimoto, T. Simoyama, H.Tsuchida, S. Namiki, C.G. Lim, M. Nagase, T. Mozume, T. Hasama, and H.Ishikawa, “All-optical demultiplexing of 160-10 Gbit/s signales withMach-Zehnder interferometric switch utilizing intersubband transition inInGaAs/AlAs/AlAsSb quantum well”, Appl. Phys. Lett., 91, pp 221115, 2007.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ところで、光位相変調信号、特に２値の位相変調信号や４値の位相変調信号の場合、位相の値は、変調により、0,π/2、π、3π/2の値を取るが、高速に変調がかかっているため、平均的な位相は不定となる。このため、電気回路の信号処理で、電界の４乗の演算を行うことにより、位相を抽出することを行う。
この演算は、高速に行う必要があり、100Ｗ近い大きな消費電力のLSIが必要であり、光位相変調信号が受信可能な光受信装置の小型化や、省電力化を困難にしていた。
また、一旦光信号を電気信号に変換する必要があるという問題もあった。

【0009】

本発明は、４値の光位相変調信号を電気信号に変換せず、光位相変調信号を光の状態のまま処理を加えて、４値の光位相変調信号の基準となる位相を抽出することを課題とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、第一に、光の入力強度に比例して屈折率が変化する光非線形素子を２つ備えた光信号処理装置であって、第１の光非線形素子に４値の位相変調が施された第１の入力光信号と第２の連続光を入射して、前記第１の入力光信号の周波数の２倍から前記第２の連続光の周波数を引いた周波数を有する第３の光信号を発生させる手段を備え、前記第３の光信号と第４の連続光を第２の光非線形素子に入射して、前記第３の光信号の周波数の２倍から前記第４の連続光の周波数を引いた周波数と前記第１の入力光信号の基準となる位相のみを有する第５の出力光信号を発生させる手段を備え、前記第１の入力光信号と当該前記第５の出力光信号とを合波して光信号処理を行うことを特徴とする光信号処理装置を提供する。
本発明によって、４値位相変調された入力光信号から基準となる位相の抽出を電気回路
に頼らずに光学素子により行い当該第５の出力光信号と第１の入力光信号とを合波して光信号処理を行うことができるようになった。

【0011】

本発明は、次に、第１の光非線形素子および第２の光非線形素子の少なくとも１つが光ファイバにて構成されていることを特徴とする上に記載する光信号処理装置を提供する。

【0012】

また、本発明は、第１の光非線形素子および第２の光非線形素子の少なくとも１つがサブバンド間遷移素子にて構成されていることを特徴とする上に記載する光信号処理装置を提供する。

【0013】

さらに、本発明は、第１の入力信号の波長と第２の連続光の波長が一致していることを特徴とする上に述べた光信号処理装置を提供する。

【発明の効果】

【0014】

本発明を用いると、励起光に必要な数Ｗ程度の光パワーとそれを制御する数Ｗの消費電力のICにより、位相に追随した光を生成でき、電気回路による位相抽出が不要となる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の光信号処理装置の原理を示した図である。

【図2】本発明の第一の実施例を示した図である。

【図3】本発明に用いるサブバンド間遷移素子の四光波混合の原理を示した図である。

【図4】本発明の第二の実施例を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下に，本発明を実施するための実施例について説明する。

【実施例1】

【0017】

本発明においては、光信号を電気信号に変換せずに、光信号のまま、光非線形材料により、光の電界の4乗の演算を行って、入力された位相変調光信号の４値の位相のいずれかと同一の位相を有する光を生成する手段を提供する。これにより、消費電力の大きなLSIに頼ることなく、入力信号光の位相を決定することができる。
本発明の光非線形素子としては、光の入力強度に比例して屈折率が変化する光非線形素子であればよいが、当該装置の使用には内部で４光波混合が生じ得る光非線形素子が望ましい。
本発明の実施は光ファイバ、サブバンド間遷移素子で行ったが、光非線形素子ならば半導体光増幅器（SOA, Semiconductor Optical Amplifier)、LiNb0₃光導波路等でもよい。

【0018】

まず、本発明の手段の原理について図１を用いて説明する。４値に変調された第１の入力光信号(１)が、光非線形素子(３)に入力される。入力信号の光電界の時間変化Ｅ₁を以下で表わす。

【数1】

ここで、|Ｅ₁|は光の電界の振幅、ω₁は入力信号光の角周波数、tは時刻、c.c.は、(１)式第一項の複素共役である。δ₁は、0,π/2,π、3π/2の位相の値を取って変調されている。
図１(ａ)は複素平面上で表示された第１の入力光信号の光電界ベクトルを表わしている。

【0019】

さらに、この入力光信号に近い波長を有する第２の連続光(２)を同時に入力する。非線形素子では、四光波混合が生じ、入力光信号の二乗と、第２の連続光の積に比例した第３の光(４)が生じる。
図１(ｂ)は複素平面上で表示された第３の光信号の光電界ベクトルを表わしている。
第３の光(４)の光電界の時間変化Ｅ₃は、以下で表わされる。

【数2】

ここで、|Ｅ₂|は第２の連続光の電界の振幅、ω₂は第２の連続光の角周波数、c.c.は、（２)式第一項の複素共役である。δ₂は、第２の連続光(２)の位相で固定である。

【0020】

この第３の光(４)を、第１、第２の光を光フィルタで除去したのちに、第２の光非線形素子(６)に第４の連続光(５)と同時に入力する。四光波混合が生じ、第３の信号(４)の二乗と第４の連続光(５)の積に比例した光が生じる。
図１(ｃ)は複素平面上で表示された第５の出力光信号の光電界ベクトルを表わしている。
出力光の光電界の時間変化Ｅ_outは、以下で表わされる。

【数3】

ここで、|Ｅ₄|は第４の連続光の電界の振幅、ω₄は第２の連続光の角周波数、c.c.は、（３)式第一項の複素共役である。δ₄は、第４の連続光の位相で固定である。

【0021】

(２)式より、第３の光(４)の周波数と位相を代入すると、

【数4】

となる。c.c.は、(４)式第一項の複素共役である。δ₁(t)は、0,π/2,π、3π/2の値しかとらないので、4δ₁(t)は、常に0になり、位相が決まった光となる。
特に、第２の連続光(２)と、第４の連続光(５)の周波数の関係を、

【数5】

と設定すると、

【数6】

となり、元の周波数に一致させることができる。

【0022】

図２に第一の実施例の構成を示す。装置は、第１の入力光信号(１１)(波長1550nm,入力パワー30dBm,100Gbaud/s)と、第２の連続光(１２)(波長1552nm,入力パワー0dBm)を合波する光カプラ１、第１の光非線形素子として動作する高非線形光ファイバ１(１４)、第３の信号光(１７)のみを透過する光フィルタ１(１５)(中心波長1548nm,帯域幅1nm)、第３の光(１７)と第４の連続光(１８)を合波する光カプラ２(１９)、第２の非線形素子として動作する高非線形光ファイバ２(２０)と、第５の出力光信号のみ透過する光フィルタ２(２１)より構成される。

【0023】

第１の入力光信号(１１)と第２の連続光(１２)は、高非線形ファイバ１(１４)内の四光波混合により、第３の光を生成する。第３の光は、0もしくは、πの位相のみを持っている。第３の光(１７)は、EDFA光増幅器(Er Doped optical Fiber Amplifier)(１６)により増幅され後、第４の連続光と合波される。第３の光(１７)と、第４の連続光(１８)は、高非線形ファイバ２(２０)での四光波混合により、第５の光(２２)を生成する。第５の光は、0の位相のみを持っている。

【0024】

本実施例を用いて、例えば、第５の光と、第１の位相変調信号光と合波して、フォトダイオードで受ける構成のヘテロダイン受信装置を構成すれば、第１の変調信号の位相の揺らぎを高速電気回路の信号処理で抽出することなく、光受信装置が構成可能である。

【0025】

また、本実施例を用いて、例えば、第５の光と、第１の４値の位相変調信号光と合波して、光の強度に応じて光の透過率の変わる光スイッチに入射すれば、電気信号に変換することなく、４値の位相変調信号光から２値の位相変調信号光を抜き出す多重分離装置を構成することが可能である。
本発明は、上記のような、光受信装置や多重分離装置への適用に限定されるものではない。

【実施例2】

【0026】

第二の実施例として用いる、サブバンド間遷移素子を図３に示す。
図３の左側はサブバンド間遷移素子(３１)の概念図を、図３(ａ)はInGaAs/AlAsSb量子井戸のバンド構造を表わしている。

【0027】

サブバンド間遷移素子(３１)は、n型にドープされたAlGaSb/InGaAs量子井戸(３２)をコアとし、InPをクラッドとした光導波路構造になっている（非特許文献２）。この光導波路に、波長が1.5μm帯のTMモードの光(３４)を入射すると、AlGaSb/InGaAs量子井戸(３２)に形成されたサブバンド間の遷移(４０)を引き起こし、光が吸収される。AlGaSbとInGaAsの間の伝導帯のn=1の準位(３７)と伝導帯のn=2の準位(３８)との伝導帯バンド不連続は比較的大きいため、サブバンド間遷移(４０)で1.55μm帯の吸収が可能である。一方、TEモードの光(３３)を入射しても、サブバンド間遷移を起こさず、さらに、この量子井戸は、伝導帯のn=1の準位(３７)と価電子帯(３９)の間のバンド間遷移波長が、1.5μm帯より高エネルギー側にあるため、バンド間遷移(３６)吸収も生じない。TEモードの光は、光導波路を損失少なく伝搬していく。

【0028】

TEの光(３３)を伝搬させた状態で、TM光(３４)を入射しサブバンド間吸収を生じさせると、TEモードに対する屈折率分散が変化し、TEの光に位相変調(３５)が生じることが知られている(非特許文献２）。

【0029】

この素子を用いた実施例を図４に示す。
装置は、第一の入力光信号(４１)(波長1550nm,入力パワー17dBm,100Gbaud/s)と、第二の連続光(４２)(波長1550nm,入力パワー17dBm)を合波する光カプラ１(４３)、第一の光非線形素子として動作するサブバンド間遷移素子１(４４)、第３の光(４５)と第４の連続光(４７)を合波する光カプラ２(４８)、第２の非線形素子として動作するサブバンド間遷移素子２（４９）より構成される。

【0030】

第1の入力光信号(４１)は、TM偏光の成分が17dBm、TE偏光の成分が0dBmの状態で入射される。第２の連続光(４２)は、第１のサブバンド間遷移素子に対して、TM偏光の状態で入射される。第２の連続光に対して、第一の入力光信号の位相が一致する場合は強くサブバンド間吸収が起こる。逆の位相の場合には、サブバンド間吸収は弱く生じる。このサブバンド間吸収により、第１の光のTE成分にさらに、0からπの位相変調が重畳された第３の光(４５)を生成する。第３の光(４５)は、EDFA光増幅器(Er Doped optical Fiber Amplifier)（４６）により増幅される。

【0031】

第３の光(４５)は、元の位相変調に同じだけの位相変調が再度かかるのでの２倍の位相変調を持つことになる。この操作を再度繰り返すことにより、第５の光(５０)は、０の位相のみを持っている。

【0032】

従って、例えば、第５の光(５０)を局発光として用い、第１の信号光(４１)と合波して、フォトダイオードで受ける構成のイントラダイン受信器を構成すれば、局発光の位相を高速電気回路の信号処理で抽出することなく、安定な動作が可能となる。また、第一の実施例と比較して、光フィルタが必要でなく、さらに、全ての光を入射信号光と同一の波長を用いることができるという特長がある。

【0033】

本実施例を用いて、例えば、第５の光(５０)と、第１の位相変調信号光(４１)と合波して、フォトダイオードで受ける構成のヘテロダイン受信装置を構成すれば、第一の変調信号の位相の揺らぎを高速電気回路の信号処理で抽出することなく、光受信装置が構成可能である。

【0034】

また、本実施例を用いて、例えば、第５の光(５０)と、第１の４値の位相変調信号光と合波して、光の強度に応じて光の透過率の変わる光スイッチに入射すれば、電気信号に変換することなく、４値の位相変調信号光から２値の位相変調信号光を抜き出す多重分離装置を構成することが可能である。
本発明は、上記のような、光受信装置や多重分離装置への適用に限定されるものではない。

【産業上の利用可能性】

【0035】

本発明は，光通信ネットワークにおける多値位相変調信号の光信号処理、特に光受信システムに資する効果が大きい。

【符号の説明】

【0036】

１ 第１の入力光信号（角周波数ω₁)
２ 第２の連続光（角周波数ω₂)
３ 第１の非線形素子
４ 第３の光信号（角周波数ω₃=2ω₁-ω₂）
５ 第４の連続光（角周波数ω₄)
６ 第２の非線形素子
７ 第５の出力光信号（角周波数ω₅=2ω₃-ω₄)
１１ 第１の入力光信号（波長1550nm)
１２ 第２の連続光（波長1552nm)
１３ 光カプラ１
１４ 高非線形光ファイバ１
１５ 波長フィルタ１
１６ EDFA光増幅器
１７ 第３の光信号（波長1548nm)
１８ 第４の連続光（波長1546nm)
１９ 光カプラ２
２０ 高非線形光ファイバ２
２１ 波長フィルタ２
２２ 第５の出力光信号（波長1550nm)
３１ サブバンド間遷移素子
３２ InGaAs/AlAs/AlAsSb結合多層量子井戸
３３ TE偏光の光
３４ TM偏光の励起光パルス
３５ 位相変調されたTE偏光の光
３６ バンド間の遷移
３７ 伝導帯のn=1の準位
３８ 伝導帯のn=2の準位
３９ 価電子帯の準位
４０ サブバンド間の遷移
４１ 第１の入力光信号(TM偏光）（波長1550nm)
４２ 第２の連続光(TM偏光/TE偏光)（波長1550nm)
４３ 光カプラ１
４４ サブバンド間遷移素子１
４５ 第３の光信号（波長1550nm)
４６ EDFA光増幅器
４７ 第４の連続光（波長1550nm)
４８ 光カプラ２
４９ サブバンド間遷移素子２
５０ 第５の出力光信号（波長1550nm)

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】