特許 6840321 光アナログ・デジタル変換装置、光アナログ・デジタル変換方法、光量子化回路および光量子化方法

(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】6840321

(24)【登録日】2021年2月19日

(45)【発行日】2021年3月10日

(54)【発明の名称】光アナログ・デジタル変換装置、光アナログ・デジタル変換方法、光量子化回路および光量子化方法

(51)【国際特許分類】

   G02F 7/00 20060101AFI20210301BHJP

   G02F 1/35 20060101ALI20210301BHJP

【ＦＩ】

   G02F7/00

   G02F1/35

【請求項の数】7

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2017-33261(P2017-33261)

(22)【出願日】2017年2月24日

(65)【公開番号】特開2018-138955(P2018-138955A)

(43)【公開日】2018年9月6日

【審査請求日】2019年11月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】504133110

【氏名又は名称】国立大学法人電気通信大学

(74)【代理人】

【識別番号】100205350

【弁理士】

【氏名又は名称】狩野 芳正

(74)【代理人】

【識別番号】100102864

【弁理士】

【氏名又は名称】工藤 実

(74)【代理人】

【識別番号】100117617

【弁理士】

【氏名又は名称】中尾 圭策

(72)【発明者】

【氏名】松浦 基晴

(72)【発明者】

【氏名】二宮 典彦

【審査官】 野口 晃一

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−０５２４４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０６０７９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／１０４０３８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０８７２５００４（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 中国特許出願公開第１０２７２２０５９（ＣＮ，Ａ）

【文献】 Nishitani et al.，Resolution Improvement of All-Optical Analog-to-Digital Conversion Employing Self-frequency Shift and Self-Phase-Modulation-Induced Spectral Compression，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，米国，IEEE，２００８年 ６月 ６日，Vol.14, No.3，pp.724-732

【文献】 松浦基晴，量子ドット半導体光増幅器を用いた光信号処理技術，電子情報通信学会技術研究報告，日本，電子情報通信学会，２０１６年 ４月１８日，Vol.116, No.18, PN2016-1，pp.1-8

【文献】 二宮典彦他，量子ドット半導体光増幅器内の周波数チャープを用いた全光量子化，電子情報通信学会技術研究報告，日本，電子情報通信学会，２０１７年 ２月２７日，Vol.116, No.498, PN2016-104，pp.119-123

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｆ １／００−１／１２５

１／２１−７／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１光入力部から入力する光パルス列信号と、第２光入力部から入力するプローブ光信号とを結合して光結合信号を生成出力する第１光カプラと、
前記光結合信号を光増幅して光増幅信号を生成出力する光増幅器と、
前記光増幅信号を分岐して複数の光分岐信号を生成し、前記複数の光分岐信号を複数の出力部からそれぞれ出力する光スプリッタと、
前記複数の出力部の後段にそれぞれ接続され、互いに異なる閾値以上の周波数成分を通過させて、複数の光透過信号を生成出力する複数の光フィルタと、
前記複数の光透過信号を結合して光量子化信号を生成出力する第２光カプラと
を具備し、
前記プローブ光信号は、前記光パルス列信号とは周波数が異なり、かつ、光強度が一定であり、
前記光増幅器は、前記光パルス列信号に含まれる複数の光パルス信号のそれぞれの光強度に依存する周波数変動量で、前記プローブ光信号に周波数チャープを施す
光量子化回路。

【請求項2】

請求項１に記載の光量子化回路において、
前記光増幅器は、単一の半導体素子として構成されている
光量子化回路。

【請求項3】

請求項２に記載の光量子化回路において、
前記光増幅器は、
量子ドット半導体光増幅器
を具備する
光量子化回路。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか一項に記載の光量子化回路において、
前記複数の光フィルタのそれぞれにおいて、前記複数の光透過信号のそれぞれが前記第２光カプラに到達する時刻に所定の時差が生じるように、前記光スプリッタとの間を接続する前段光ファイバの長さと、前記第２光カプラとの間を接続する後段光ファイバの長さとの合計が異なり、
前記第２光カプラの後段に接続され、前記光量子化信号に含まれる複数の光パルス信号の光強度を等化して光量子化デジタル信号を生成する光リミッタ
をさらに具備する
光量子化回路。

【請求項5】

請求項４に記載の光量子化回路と、
前記プローブ光信号を生成出力するプローブ光信号生成部と、
前記第１入力部の前段に接続され、入力した光アナログ信号を光標本化して前記光パルス列信号を生成出力する光標本化回路と、
前記光量子化回路の後段に接続され、入力した前記光量子化デジタル信号を光符号化して光デジタル信号を生成出力する光符号化回路と
を具備する
光アナログ・デジタル変換装置。

【請求項6】

光パルス列信号およびプローブ光信号を結合して光結合信号を生成することと、
前記光結合信号を光増幅して光増幅信号を生成することと、
前記光増幅信号を分岐して複数の光分岐信号を生成することと、
前記複数の光分岐信号を、互いに異なる閾値以上の周波数成分を通過させる複数の光フィルタにそれぞれ通過させて、複数の光透過信号を生成することと、
前記複数の光透過信号を結合して光量子化デジタル信号を生成することと
を具備し、
前記プローブ光信号は、前記光パルス列信号とは周波数が異なり、かつ、光強度が一定であり、
前記光増幅信号を生成することは、
前記光パルス列信号に含まれる複数の光パルス信号のそれぞれの光強度に依存する周波数変動量で、前記プローブ光信号に周波数チャープを施すこと
を具備する
光量子化方法。

【請求項7】

入力した光アナログ信号を光標本化して光パルス列信号を生成することと、
プローブ光信号を生成することと、
前記光パルス列信号および前記プローブ光信号を結合して光結合信号を生成することと、
前記光結合信号を光増幅して光増幅信号を生成することと、
前記光増幅信号を分岐して複数の光分岐信号を生成することと、
前記複数の光分岐信号を、互いに異なる閾値以上の周波数成分を通過させる複数の光フィルタにそれぞれ通過させて、複数の光透過信号を生成することと、
前記複数の光透過信号を結合して光量子化デジタル信号を生成することと、
前記光量子化デジタル信号を光符号化して光デジタル信号を生成することと
を具備し、
前記光増幅信号を生成することは、
前記光パルス列信号に含まれる複数の光パルス信号のそれぞれの光強度に依存する周波数変動量で、前記プローブ光信号に周波数チャープを施すこと
を具備する
光アナログ・デジタル変換方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は光アナログ・デジタル変換装置、光アナログ・デジタル変換方法、光量子化回路および光量子化方法に関する。

【背景技術】

【0002】

光領域におけるアナログ・デジタル変換回路は、従来の電子回路技術による処理速度を凌駕する。光アナログ・デジタル変換は、例えば、デジタルコヒーレント光伝送や光ファイバ無線伝送における光信号のアナログ・デジタル信号変換、宇宙・環境観測における超高速・大容量アナログデータのデジタル化などへの利用が見込まれている。

【0003】

光アナログ・デジタル変換では、光標本化、光量子化および光符号化の３つの処理が必要とされる。これらのうち、光標本化については、光パルスの低ジッタ性能と広帯域を活用し、電気的な標本化技術を凌駕する高性能化が実現されている。しかし、光量子化および光符号化については、光の広帯域性は継承出来るものの、緩慢な入出力特性を有する非線形光学効果が障害となり、超高速動作と高分解能（高量子化ビット数）を両立した光アナログ・デジタル変換は未だ報告されていない。

【0004】

非特許文献１（Ｔ． Ｋｏｎｉｓｈｉ ｅｔ ａｌ．， “Ａｌｌ−ｏｐｔｉｃａｌ ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ｓｅｌｆ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｉｎ ｆｉｂｅｒ ａｎｄ ａ ｐｕｌｓｅ−ｓｈａｐｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ”， Ｖｏｌ． １９， Ｎｏ． １１， ２００２年１１月， Ｊ． Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ． Ｂ，１９， ２８１７−２８２３ （２００２））、特許文献１（特開２００５−１７３５３０号公報）および特許文献２（特開２００８−１８５８６７号公報）では、光アナログ・デジタル変換のキーとなる光量子化技術が開示されている。しかし、そのほとんどが、長尺な光ファイバ中の非線形光学効果を利用している。そのため、集積化が困難であり、消費電力が大きく、実利用が極めて限定される。また、原理的に、超高速動作および高分解能（高量子化ビット数）を両立させることは困難である。

【0005】

特許文献３（特開２０１１−２４３６９２号公報）には、半導体素子を用いた光量子化技術が開示されている。しかし、特許文献３では、複数の半導体素子を組み合わせた論理回路の原理に基づいており、系の構成も複雑である。また、その動作速度も、従来の電子回路によるアナログ・デジタル変換を凌駕する性能は見込めない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００５−１７３５３０号公報

【特許文献2】特開２００８−１８５８６７号公報

【特許文献3】特開２０１１−２４３６９２号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】Ｔ． Ｋｏｎｉｓｈｉ ｅｔ ａｌ．， “Ａｌｌ−ｏｐｔｉｃａｌ ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ｓｅｌｆ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｉｎ ｆｉｂｅｒ ａｎｄ ａ ｐｕｌｓｅ−ｓｈａｐｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ”， Ｖｏｌ． １９， Ｎｏ． １１， ２００２年１１月， Ｊ． Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ． Ｂ，１９， ２８１７−２８２３ （２００２）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

超高速動作および高分解能（高量子化ビット数）を両立させる光アナログ・デジタル変換装置、光アナログ・デジタル変換方法、光量子化回路および光量子化方法を提供する。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

【課題を解決するための手段】

【0009】

以下に、（発明を実施するための形態）で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、（特許請求の範囲）の記載と（発明を実施するための形態）との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、（特許請求の範囲）に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

【0010】

一実施形態による光アナログ・デジタル変換装置（１）は、プローブ光信号生成部（３０２）と、光標本化回路（２０）と、光量子化回路（３０）と、光符号化回路（４０）とを具備する。ここで、プローブ光信号生成部（３０２）は、プローブ光信号（１２１）を生成出力する。光標本化回路（２０）は、入力した光アナログ信号（１１）を光符号化して光パルス列信号（１２）を生成出力する。光量子化回路（３０）は、プローブ光信号（１２１）を利用して光パルス列信号（１２）を光量子化して光量子化デジタル信号（１３）を生成出力する。光符号化回路（４０）は、光量子化デジタル信号（１３）を光符号化して光デジタル信号（１４）を生成出力する。

【0011】

一実施形態による光量子化回路は、第１光カプラ（３０３）と、光増幅器（３０５）と、光スプリッタ（３０７）と、複数の光フィルタ（３０８）と、第２光カプラ（３０９）とを具備する。ここで、第１光カプラ（３０３）は、第１光入力部（３０１）から入力する光パルス列信号（１２）と、第２光入力部から入力するプローブ光信号（１２１）とを結合して光結合信号（１２２）を生成出力する。プローブ光信号（１２１）は、光パルス列信号（１２）とは周波数が異なり、かつ、光強度が一定である。光増幅器（３０５）は、光結合信号（１２２）を光増幅して光増幅信号（１２３）を生成出力する。光増幅器（３０５）は、前記光パルス列信号（１２）に含まれる複数の光パルス信号のそれぞれの光強度に依存する周波数変動量で、プローブ光信号（１２１）に周波数チャープを施す。光スプリッタ（３０７）は、光増幅信号（１２３）を分岐して複数の光分岐信号（１２４）を生成し、複数の光分岐信号（１２４）を複数の出力部からそれぞれ出力する。複数の光フィルタ（３０８）は、複数の出力部の後段にそれぞれ接続され、互いに異なる閾値以上の周波数成分を通過させて、複数の光透過信号（１２５）を生成出力する。第２光カプラ（３０９）は、複数の光透過信号（１２５）を結合して光量子化デジタル信号（１３）を生成出力する。

【0012】

一実施形態による光アナログ・デジタル変換方法は、入力した光アナログ信号（１１）を光符号化して光パルス列信号（１２）を生成すること（Ｓ２）と、プローブ光信号（１２１）を生成することと、光パルス列信号（１２）およびプローブ光信号（１２１）を結合して光結合信号（１２２）を生成すること（Ｓ３０２）と、光結合信号（１２２）を光増幅して光増幅信号（１２３）を生成すること（Ｓ３０３）と、光増幅信号（１２３）を分岐して複数の光分岐信号（１２４）を生成すること（Ｓ３０４）と、複数の光分岐信号（１２４）を、互いに異なる閾値以上の周波数成分を通過させる複数の光フィルタ（３０８）にそれぞれ通過させて、複数の光透過信号（１２５）を生成すること（Ｓ３０５）と、複数の光透過信号（１２５）を結合して光量子化デジタル信号（１３）を生成すること（Ｓ３０６、Ｓ３０７）と、光量子化デジタル信号（１３）を光符号化して光デジタル信号（１４）を生成すること（Ｓ４）とを具備する。ここで、光増幅信号（１２３）を生成すること（Ｓ３０３）は、光パルス列信号（１２）に含まれる複数の光パルス信号のそれぞれの光強度に依存する周波数変動量で、プローブ光信号（１２１）に周波数チャープを施すことを具備する。

【0013】

一実施形態による光量子化方法は、光パルス列信号（１２）およびプローブ光信号（１２１）を結合して光結合信号（１２２）を生成すること（Ｓ３０２）と、光結合信号（１２２）を光増幅して光増幅信号（１２３）を生成すること（Ｓ３０３）と、光増幅信号（１２３）を分岐して複数の光分岐信号（１２４）を生成すること（Ｓ３０４）と、複数の光分岐信号（１２４）を、互いに異なる閾値以上の周波数成分を通過させる複数の光フィルタ（３０８）にそれぞれ通過させて、複数の光透過信号（１２５）を生成すること（Ｓ３０５）と、複数の光透過信号（１２５）を結合して光量子化デジタル信号（１３）を生成すること（Ｓ３０６、Ｓ３０７）とを具備する。ここで、プローブ光信号（１２１）は、光パルス列信号（１２）とは周波数が異なり、かつ、光強度が一定である。光増幅信号（１２３）を生成することは、光パルス列信号（１２）に含まれる複数の光パルス信号のそれぞれの光強度に依存する周波数変動量で、プローブ光信号（１２１）に周波数チャープを施すことを具備する。

【発明の効果】

【0014】

前記一実施の形態によれば、単一の半導体素子を利用する光量子化が可能となり、超高速動作および高分解能（高量子化ビット数）の両立が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1A】図１Ａは、光アナログ・デジタル変換装置の一構成例を示すブロック回路図である。

【図1B】図１Ｂは、図１Ａの光アナログ・デジタル変換装置を用いる光アナログ・デジタル変換方法の一構成例を示すフローチャートである。

【図2A】図２Ａは、光アナログ信号の一例を示す図である。

【図2B】図２Ｂは、図２Ａの光アナログ信号を光標本化して得られる光標本化信号の一例を示す図である。

【図2C】図２Ｃは、図２Ｂの光標本化信号を光量子化して得られる光量子化デジタル信号の量子化値の一例を示す図である。

【図2D】図２Ｄは、図２Ｃの光量子化デジタル信号を光符号化して得られる光デジタル信号の一例を示す図である。

【図3A】図３Ａは、一実施形態による光量子化回路の一構成例を示すブロック回路図である。

【図3B】図３Ｂは、図３Ａの光量子化回路を用いる光量子化の一構成例を示すフローチャートである。

【図4A】図４Ａは、一実施形態による光結合信号の一構成例を示す図である。

【図4B】図４Ｂは、一実施形態による光増幅信号の一構成例を示す図である。

【図5A】図５Ａは、光増幅器に入力する光標本化パルス列信号の一例を示す図である。

【図5B】図５Ｂは、光標本化パルス列信号を光増幅する際に発生するレッドチャープ現象の一例を示す図である。

【図5C】図５Ｃは、光結合信号を光増幅する際に発生するレッドチャープ現象の一例を示す図である。

【図6A】図６Ａは、一実施形態による光量子化信号の一構成例を示す図である。

【図6B】図６Ｂは、一実施形態による光量子化デジタル信号の一構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

添付図面を参照して、本発明による光アナログ・デジタル変換装置、光アナログ・デジタル変換方法、光量子化回路および光量子化方法を実施するための形態を以下に説明する。

【0017】

まず、本発明の原理について説明する。本発明では、光アナログ・デジタル変換に含まれる各工程のうち、光量子化の工程を、周波数領域で行う。つまり、第１に、光アナログ信号を標本化した光標本化パルス信号のそれぞれにおいて、光強度の違いを周波数の違いに変換する。第２に、変換された周波数を、複数の周波数帯域に分類する。第３に、周波数帯域の違いを、光パルスの数または光強度に変換し、光量子化デジタル信号として出力する。

【0018】

以下、光アナログ・デジタル変換装置および光アナログ・デジタル変換方法について概略的に説明し、その後、一実施形態による光量子化装置および光量子化方法について詳細に説明する。

【0019】

（実施形態）
図１Ａは、光アナログ・デジタル変換装置１の一構成例を示すブロック回路図である。図１Ａの光アナログ・デジタル変換装置１の構成要素について説明する。光アナログ・デジタル変換装置１は、光標本化回路２０と、光量子化回路３０と、光符号化回路４０とを備える。

【0020】

図１Ａの光アナログ・デジタル変換装置１の構成要素の接続関係について説明する。光アナログ・デジタル変換装置１の光入力は、光標本化回路２０の光入力である。光標本化回路２０の光出力は、光量子化回路３０の光入力に接続されている。言い換えれば、光標本化回路２０は、光量子化回路３０の前段に、光学的に接続されている。光量子化回路３０の光出力は、光符号化回路４０の光入力に接続されている。言い換えれば、光量子化回路３０は、光符号化回路４０の前段に、光学的に接続されている。

【0021】

図１Ｂを参照して、図１Ａの光アナログ・デジタル変換装置１の動作、すなわち、一実施形態による光アナログ・デジタル変換方法について説明する。図１Ｂは、図１Ａの光アナログ・デジタル変換装置１を用いる光アナログ・デジタル変換方法の一構成例を示すフローチャートである。図１Ｂのフローチャートは、第０ステップＳ０から第６ステップＳ６までの、合計７個の工程を備える。図１Ｂのフローチャートは、第０ステップＳ０で開始し、その次には第１ステップＳ１が実行される。

【0022】

第１ステップＳ１において、光アナログ・デジタル変換装置１が、その光入力に、光アナログ信号１１を、外部から入力する。言い換えれば、光標本化回路２０が、その光入力に、光アナログ信号１１を入力する。

【0023】

図２Ａは、光アナログ信号１１の一例を示す図である。図２Ａのグラフ１１０は、光アナログ信号１１における光強度の時間変化の一例を示している。なお、光アナログ信号１１の周波数（または波長）は、一定であることが好ましい。

【0024】

第１ステップＳ１の次には、第２ステップＳ２が実行される。

【0025】

第２ステップＳ２において、光標本化回路２０が、光アナログ信号１１から光標本化パルス列信号１２への光標本化を行う。光標本化とは、光領域における標本化である。標本化とは、時間的に連続しているアナログ信号を、所定の周期ごとに、または所定の周波数で、サンプリングする処理である。このような周期を、サンプリング周期と呼ぶ。また、このような周波数を、サンプリング周波数と呼ぶ。

【0026】

図２Ｂは、図２Ａの光アナログ信号１１を光標本化して得られる光標本化パルス列信号１２の一例を示す図である。図２Ｂの例では、時刻Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３およびＴ４においてサンプリングを行っている。サンプリング周期はＴであり、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの時間に等しく、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの時間に等しく、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの時間に等しく、時刻Ｔ４から時刻Ｔ５までの時間に等しい。

【0027】

図２Ｂの例では、時刻Ｔ１において光標本化した光アナログ信号１１の光強度は、５．３単位である。光標本化パルス列信号１２のうち、時刻Ｔ１における光アナログ信号１１に対応する部分を、サンプリング点１２Ａで表す。同様に、時刻Ｔ２において光標本化した光アナログ信号１１の光強度は６．９単位であり、この部分に対応する光標本化パルス列信号１２をサンプリング点１２Ｂで表す。時刻Ｔ３において光標本化した光アナログ信号１１の光強度は１１単位であり、この部分に対応する光標本化パルス列信号１２をサンプリング点１２Ｃで表す。時刻Ｔ４において光標本化した光アナログ信号１１の光強度は８．４単位であり、この部分に対応する光標本化パルス列信号１２をサンプリング点１２Ｄで表す。

【0028】

光標本化回路２０は、光アナログ信号１１を光標本化した結果として、光標本化パルス列信号１２を生成し、後段の光量子化回路３０に向けて出力する。ここで、光標本化パルス列信号１２は、時刻Ｔ１〜Ｔ４にそれぞれ対応するサンプリング点１２Ａ〜１２Ｄの集合である。言い換えれば、光標本化パルス列信号１２は、光アナログ信号１１の、サンプリング時刻のそれぞれにおける光強度を有する、光パルス信号の集合である。このような光パルス信号の集合を、光パルス列信号と呼ぶ。

【0029】

第２ステップＳ２の次には、第３ステップＳ３が実行される。

【0030】

第３ステップＳ３において、光量子化回路３０が、光標本化パルス列信号１２から光量子化デジタル信号１３への光量子化を行う。光量子化とは、光領域における量子化である。量子化とは、アナログ信号が表す連続的な値を、離散的な近似値に変更する処理である。ここで用いられる近似値は、所定の単位値およびその整数倍の集合に含まれることが好ましい。量子化後の近似値を、量子化値と呼ぶ。

【0031】

図２Ｃは、図２Ｂの光標本化パルス列信号１２を光量子化して得られる光量子化デジタル信号１３の一例を示す図である。図２Ｃは、図２Ｂのサンプリング点１２Ａ〜１２Ｄにそれぞれ対応する量子化値１３Ａ〜１３Ｄを示している。すなわち、図２Ｂのサンプリング点１２Ａに対応する光強度としての５．３単位は、図２Ｃの量子化値１３Ａとしての５単位に変更されている。同様に、サンプリング点１２Ｂの６．９単位は、量子化値１３Ｂとしての７単位に変更されている。サンプリング点１２Ｃの１１単位は、量子化値１３Ｃとしての１１単位に変更されている。サンプリング点１２Ｄの８．４単位は、量子化値１３Ｄとしての８単位に変更されている。

【0032】

光量子化回路３０は、光標本化パルス列信号１２としての光パルス列信号を光量子化した結果として、光量子化デジタル信号１３を生成し、後段の光符号化回路４０に向けて出力する。本実施形態では、光パルス列信号に含まれる１つの光パルス信号は、光量子化されることによって、その量子化値と同数のパルス信号に変換される。ただし、光符号化回路４０が光符号化出来る限りは、光量子化デジタル信号１３として他の形式を用いても良い。

【0033】

第３ステップＳ３の次には、第４ステップＳ４が実行される。

【0034】

第４ステップＳ４において、光符号化回路４０が、光量子化デジタル信号１３から光デジタル信号１４への光符号化を行う。光符号化は、光領域における符号化である。符号化とは、量子化されたデジタル信号を、「０」および「１」だけで表現される２進法のデジタル信号に変換する処理である。

【0035】

図２Ｄは、図２Ｃの光量子化デジタル信号１３を光符号化して得られる光デジタル信号１４の一例を示す図である。図２Ｄは、図２Ｃの量子化値１３Ａ〜１３Ｄのそれぞれを２進法で表現したバイナリ値１４Ａ〜１４Ｄを示している。すなわち、図２Ｃの量子化値１３Ａである５単位は、対応するバイナリ値「０１０１」に変換されている。同様に、量子化値１３Ｂである７単位は、対応するバイナリ値１４Ｂである「０１１１」に変換されている。量子化値１３Ｃである１１単位は、対応するバイナリ値１４Ｃである「１０１１」に変換されている。量子化値１３Ｄである８単位は、対応するバイナリ値１４Ｄである「１０００」に変換されている。ここで、バイナリ値１４Ａ〜１４Ｄの２進法における桁数は４であり、０〜１５の整数を表すことが出来る。ただし、この桁数はあくまでも一例にすぎず、光アナログ・デジタル変換装置１に求められる分解能に応じて適宜に設定することが好ましい。

【0036】

光符号化回路４０は、光量子化デジタル信号１３を光符号化した結果として、光デジタル信号１４を生成する。

【0037】

第４ステップＳ４の次には、第５ステップＳ５が実行される。

【0038】

第５ステップＳ５において、光アナログ・デジタル変換装置１が、その光出力から、光デジタル信号１４を外部に向けて出力する。言い換えれば、光符号化回路４０が、光デジタル信号１４を外部に向けて出力する。

【0039】

第５ステップＳ５の次には、第６ステップＳ６が実行されて、光アナログ・デジタル変換方法が終了する。

【0040】

次に、本実施形態による光量子化回路３０について、詳細に説明する。

【0041】

図３Ａは、一実施形態による光量子化回路３０の一構成例を示すブロック回路図である。図３Ａを参照して、本実施形態による光量子化回路３０の構成要素について説明する。

【0042】

図３Ａの光量子化回路３０は、光入力部３０１と、プローブ光信号生成部３０２と、光カプラ３０３と、光アイソレータ３０４と、光増幅器３０５と、光アイソレータ３０６と、光スプリッタ３０７と、光フィルタ３０８−１〜３０８−Ｎと、光カプラ３０９と、光リミッタ３１０と、光出力部３１１とを備える。ここで、光増幅器３０５は単一の半導体素子である。光増幅器３０５として、量子ドット半導体光増幅器を用いても良い。以下、光フィルタ３０８−１〜３０８−Ｎの集合を、単に光フィルタ３０８とも記す。光カプラ３０３、３０９、光アイソレータ３０４、３０６、光スプリッタ３０７、光フィルタ３０８、光リミッタ３１０および光出力部３１１は、いずれも、光学素子である。なお、プローブ光信号生成部３０２も半導体素子として生成可能であるが、その場合は光増幅器３０５と一体化することが可能である。

【0043】

ここで、光フィルタ３０８−１〜３０８−Ｎの総数は任意の整数Ｎである。本実施形態では、光アナログ・デジタル変換装置１が２進法における４桁の分解能を実現する場合として、整数Ｎは１５に等しく、またはそれ以上であるであることが好ましい。

【0044】

Ｎ個の光フィルタ３０８は、周波数の閾値がそれぞれ異なるハイパスフィルタであることが好ましい。これらの閾値については、第５ステップＳ３０５で説明する。

【0045】

Ｎ個の光フィルタ３０８のそれぞれは、前段の光スプリッタ３０７と、後段の光カプラ３０９との間に、光ファイバを介して光学的に接続される。ここで、Ｎ個の光フィルタ３０８のそれぞれにおいて、前段および後段の光ファイバの長さの合計に、互いに所定の差があることが好ましい。この差については、第６ステップＳ３０６で説明する。

【0046】

図３Ａの光量子化回路３０の構成要素の接続関係について説明する。プローブ光信号生成部３０２は、光学的な出力を備える。光入力部３０１およびプローブ光信号生成部３０２は、光カプラ３０３の前段に、光学的に、かつ、並列に、接続されている。ここで、光カプラ３０３は、２つの入力と、１つの出力とを備える。言い換えれば、光カプラ３０３の一方の入力は光入力部３０１であり、他方の入力はプローブ光信号生成部３０２の出力に光学的に接続されている。

【0047】

光アイソレータ３０４は、光カプラ３０３の後段に、光学的に接続されている。言い換えれば、光カプラ３０３の出力は、光アイソレータ３０４の入力に、光学的に接続されている。

【0048】

光増幅器３０５は、光アイソレータ３０４の後段に、光学的に接続されている。言い換えれば、光アイソレータ３０４の出力は、光増幅器３０５の入力に、光学的に接続されている。

【0049】

光アイソレータ３０６は、光増幅器３０５の後段に、光学的に接続されている。言い換えれば、光増幅器３０５の出力は、光アイソレータ３０６の入力に、光学的に接続されている。

【0050】

光スプリッタ３０７は、光アイソレータ３０６の後段に、光学的に接続されている。言い換えれば、光アイソレータ３０６の出力は、光スプリッタ３０７の入力に、光学的に接続されている。

【0051】

Ｎ個の光フィルタ３０８のそれぞれは、光スプリッタ３０７の後段に、光学的に、かつ、並列に、接続されている。ここで、光スプリッタ３０７は、１つの入力と、Ｎ個の出力とを備える。言い換えれば、光スプリッタ３０７のＮ個の出力は、Ｎ個の光フィルタ３０８の入力に、それぞれ、光学的に接続されている。

【0052】

光カプラ３０９は、Ｎ個の光フィルタ３０８の後段に、光学的に、かつ、並列に、接続されている。ここで、光カプラ３０９は、Ｎ個の入力と、１つの出力とを備える。言い換えれば、Ｎ個の光フィルタ３０８の出力は、光カプラ３０９のＮ個の入力に、それぞれ、光学的に接続されている。

【0053】

光リミッタ３１０は、光カプラ３０９の後段に、光学的に接続されている。言い換えれば、光カプラ３０９の出力は、光リミッタ３１０入力に、光学的に接続されている。

【0054】

光出力部３１１は、光リミッタ３１０の後段に接続されている。言い換えれば、光リミッタ３１０の出力は、光出力部３１１である。

【0055】

図３Ａの光量子化回路３０の構成要素のうち、プローブ光信号生成部３０２や、光増幅器３０５のように、電力の供給を受けて動作する素子は、図示しない電源に、電気的に接続されている。また、光量子化回路３０は、図示しない制御部に、電気的に接続されていて、この制御部の制御下で動作する素子を含んでいても良い。

【0056】

図３Ｂを参照して、図３Ａに示した光量子化回路３０の動作、すなわち、一実施形態による光量子化方法について説明する。図３Ｂは、図３Ａの光量子化回路を用いる光量子化の一構成例を示すフローチャートである。図３Ｂのフローチャートは、第０ステップＳ３００から第８ステップＳ３０８の、合計９個の工程を備える。図３Ｂのフローチャートを参照して、図１Ｂのフローチャートのうち、第３ステップＳ３の工程を、より詳細に説明する。図３Ｂのフローチャートは、第０ステップＳ３００で開始し、その次には第１ステップＳ３０１が実行される。

【0057】

第１ステップＳ３０１において、光カプラ３０３が、光標本化回路２０から出力される光標本化パルス列信号１２を、その一方の入力から、または光入力部３０１を介して、入力する。このとき、プローブ光信号生成部３０２はプローブ光信号１２１を生成出力しており、光カプラ３０３は他方の入力からこのプローブ光信号１２１を同時に入力する。プローブ光信号１２１については、次の第２ステップＳ３０２で説明する。

【0058】

第１ステップＳ３０１の次には、第２ステップＳ３０２が実行される。

【0059】

第２ステップＳ３０２において、光カプラ３０３が、第１ステップＳ３０１で入力した光標本化パルス列信号１２およびプローブ光信号１２１を結合して光結合信号１２２を生成し、後段の光アイソレータ３０４に向けて出力する。図４Ａは、一実施形態による光結合信号１２２の一構成例を示す図である。光結合信号１２２は、光標本化パルス列信号１２と、プローブ光信号１２１とを含む。図４Ａは、光結合信号１２２を、３次元の直交座標で示している。この直交座標は、時間軸と、波長軸と、光強度軸とを含む。時間軸は、時間の経過を示す。波長軸は、光結合信号１２２に含まれる光標本化パルス列信号１２およびプローブ光信号１２１の波長を示す。光強度軸は、光結合信号１２２に含まれる光標本化パルス列信号１２およびプローブ光信号１２１の光強度を示す。

【0060】

光標本化パルス列信号１２については、図１Ｂの第２ステップＳ２の工程で説明したとおりであり、さらなる詳細な説明を省略する。

【0061】

プローブ光信号１２１について説明する。図４Ａに示すとおり、プローブ光信号１２１は、時間軸上の連続波であり、かつ、一定の波長および一定の光強度を有している。ここで、プローブ光信号１２１の波長は、光標本化パルス列信号１２の波長とは異なる。言い換えれば、プローブ光信号１２１および光標本化パルス列信号１２は、異なる周波数を有している。両信号の周波数は、周波数チャープ現象の観点から、十分に離れていることが必要となる。周波数チャープ現象については、次の第３ステップＳ３０３で説明する。

【0062】

上述のとおり、光標本化パルス列信号１２およびプローブ光信号１２１には、共通する周波数成分が無い。したがって、両信号を単純に結合して得られるものとして説明を続ける。なお、厳密には、光結合時に光強度の減衰などの軽微な変化が考えられるが、この程度の変化は本実施形態による光量子化には実質的な影響を与えないので、ここではこのような変化を無視する。

【0063】

光結合の結果により生成される光結合信号１２２は、光カプラ３０３から出力されて、光アイソレータ３０４を通過し、光増幅器３０５に向かう。ここで、光アイソレータ３０４は、光カプラ３０３から出力された光結合信号１２２が、光増幅器３０５の入力で反射して光カプラ３０３の出力に戻らないための光学素子である。光結合信号１２２が光アイソレータ３０４を通過する際に、厳密には、その光強度の減衰などの軽微な変化が考えられるが、これも無視して説明を続ける。

【0064】

第２ステップＳ３０２の次には、第３ステップＳ３０３が実行される。

【0065】

第３ステップＳ３０３において、光増幅器３０５が、光アイソレータ３０４を介して光結合信号１２２を入力し、光結合信号１２２を光増幅して光増幅信号１２３を生成し、後段の光アイソレータ３０６に向けて出力する。図４Ｂは、一実施形態による光増幅信号１２３の一構成例を示す図である。図４Ｂに示す光増幅信号１２３は、光標本化パルス列信号１２と、プローブ光信号１２１と、レッドチャープ成分１２１Ａとを含む。ここで、レッドチャープ成分１２１Ａとは、プローブ光信号１２１のうち、周波数チャープ現象によって波長が長くなった（周波数が低くなった）成分である。なお、光増幅後の各光信号の光強度の変動は、本実施形態による光量子化方法に実質的な影響を与えないので、図４Ｂではその反映を省略する。

【0066】

周波数チャープ現象について説明する。一般的に、入力する光信号を光増幅器３０５で光増幅する際に、出力する光信号の周波数が変動する。このような現象を、周波数チャープ現象と呼ぶ。特に、入力する光信号の光強度に依存する変動量で周波数が低くなる（波長が長くなる）現象を、レッドチャープ現象と呼ぶ。光信号を本来的な意味で光増幅する観点からは、周波数チャープ現象は、望まれない現象である。しかし、発明者は、光信号の光強度の違いを、光信号の周波数の違いに変換する目的で、レッドチャープ現象を積極的に利用する可能性を模索し、その可能性を実験により確認した。

【0067】

図５Ａおよび図５Ｂを参照して、レッドチャープ現象についてより詳細に説明する。図５Ａは、光増幅器３０５に入力する光標本化パルス列信号１２の一例を示す図である。図５Ｂは、光標本化パルス列信号１２を光増幅する際に発生するレッドチャープ現象Ｃ１〜Ｃ８の一例を示す図である。

【0068】

図５Ａおよび図５Ｂでは、光標本化パルス列信号１２を、時間軸、波長軸および光強度軸で構成される３次元の直交座標で示している。図５Ａおよび図５Ｂに示す光標本化パルス列信号１２は、第１の光パルス信号Ｐ１〜第８の光パルス信号Ｐ８の、合計８個の光パルス信号を含んでいる。

【0069】

図５Ａおよび図５Ｂでは、時間軸上の時間を、第１インターバルＩ１〜第８インターバルＩ８の、合計８個のインターバルに分割している。図５Ａおよび図５Ｂにおいて、光パルス信号Ｐ１〜Ｐ８は、それぞれ、インターバルＩ１〜Ｉ８に存在している。

【0070】

図５Ｂでは、光パルス信号Ｐ１〜Ｐ８がそれぞれ受けたレッドチャープ現象Ｃ１〜Ｃ８を、波長軸に平行な矢印として示している。

【0071】

図５Ａに示す、光増幅される前の状態において、光パルス信号Ｐ１〜Ｐ８の周波数は、全て、同一である。その一方で、図５Ｂに示す、光増幅された後の状態において、光パルス信号Ｐ１〜Ｐ８の波長は、レッドチャープ現象Ｃ１〜Ｃ８の影響を受けて、変動している。ここで、光パルス信号Ｐ１〜Ｐ８の光強度が大きいほど、レッドチャープ現象Ｃ１〜Ｃ８による光パルス信号Ｐ１〜Ｐ８の波長の変動量は大きい。なお、光パルス信号Ｐ１〜Ｐ８の最大光強度（ピークパワー）を、単に光強度とも呼ぶ。

【0072】

例えば、光パルス信号Ｐ１〜Ｐ８のうち、光強度が最も大きい光パルス信号Ｐ１およびＰ６がそれぞれ受けたレッドチャープ現象Ｃ１およびＣ６による波長の変動量は、図５Ｂの波長軸上にＬ４として示されている。そして、この値Ｌ４は、光強度が光パルス信号Ｐ１およびＰ６のそれよりも小さい光パルス信号Ｐ２〜Ｐ５、Ｐ７およびＰ８の波長の変動量よりも大きい。反対に、光強度が小さい光パルス信号Ｐ４およびＰ８の波長の変動量はＬ１として示されているが、この値Ｌ１は、光強度が光パルス信号Ｐ４およびＰ８のそれよりも大きい光パルス信号Ｐ１、Ｐ２およびＰ５〜Ｐ７の波長の変動量よりも小さい。なお、光パルス信号Ｐ３は、その光強度がゼロであるので図５Ｂには描かれていないが、その波長の変動量もゼロである。

【0073】

このように、光増幅器３０５による光標本化パルス列信号１２の光増幅に伴う周波数チャープ現象を用いることで、光パルス信号の光強度の違いを、対応する波長の変動量に変換出来ることが実験により確認された。しかし、光標本化回路２０で生成出力されて光量子化回路３０に入力する光標本化パルス列信号１２には、その周波数分布が、周波数チャープ現象による周波数の変動量に対して、比較的広いという課題がある。さらに、この周波数分布自体も、周波数チャープ現象によって広がる方向に変動してしまう。結果として、光標本化パルス列信号１２の周波数分布が広いと、レッドチャープ現象によって得られた波長の違いが、精度よく判別出来ない。

【0074】

そこで、発明者は、光標本化パルス列信号１２にプローブ光信号１２１を結合してから光増幅を行うことを提案する。プローブ光信号１２１には、非常に狭い周波数分布で生成しやすいという特徴がある。図５Ｃは、光結合信号１２２を光増幅する際に発生するレッドチャープ現象Ｃ１１〜Ｃ１８の一例を示す図である。光結合信号１２２の光増幅に伴うレッドチャープ現象Ｃ１〜Ｃ８およびＣ１１〜Ｃ１８は、光結合信号１２２に含まれる光標本化パルス列信号１２およびプローブ光信号１２１のそれぞれにおいて、波長を変動する。図５Ｃでは、光結合信号１２２に対するレッドチャープ現象のうち、プローブ光信号１２１に対して発生する成分を、レッドチャープ現象Ｃ１１〜Ｃ１８として示している。なお、光標本化パルス列信号１２に対するレッドチャープ現象Ｃ１〜Ｃ８は、図５Ｂの場合と同様であるので、図５Ｃでは省略している。

【0075】

プローブ光信号１２１に対するレッドチャープ現象Ｃ１１〜Ｃ１８による波長の変動量について説明する。光結合信号１２２に含まれる成分のうち、プローブ光信号１２１は、その光強度が一定である。したがって、光結合信号１２２に対するレッドチャープ現象による波長の変動量は、光結合信号１２２に含まれる残りの成分、すなわち、光標本化パルス列信号１２の光強度の違いに対応して決定する。

【0076】

例えば、図５Ｃに示すように、プローブ光信号１２１のうち、光パルス信号Ｐ１１〜Ｐ１８として示した部分は、光パルス信号Ｐ１〜Ｐ８に、それぞれ、時間軸上で対応する。このとき、光パルス信号Ｐ１１〜Ｐ１８の波長は、光パルス信号Ｐ１〜Ｐ８の光強度に依存する変動量で、それぞれ、レッドチャープ現象Ｃ１１〜Ｃ１８の影響を受ける。したがって、光パルス信号Ｐ１１〜Ｐ１８の波長は、光パルス信号Ｐ１〜Ｐ８の波長の変動量と同じ量で変動する。

【0077】

このように、プローブ光信号１２１を利用することで、光強度の違いを波長の違いに変換し、かつ、変換後にも周波数分布が非常に狭い光パルス信号Ｐ１１〜Ｐ１８を生成することが可能となる。つまり、このようにして得られる光パルス信号Ｐ１１〜Ｐ１８であれば、波長の違いを精度よく判別することが可能となる。

【0078】

なお、光標本化パルス列信号１２に由来する光パルス信号Ｐ１〜Ｐ８は、最終的に得られる光量子化デジタル信号１３に影響しないように、後述する光フィルタ３０８で遮断しても良い。また、この観点から、プローブ光信号１２１は、光パルス信号Ｐ１〜Ｐ８の影響を受けないように、光標本化パルス列信号１２の周波数から十分に離れた周波数で生成することが好ましい。

【0079】

以上のように、光増幅器３０５が光結合信号１２２を光増幅することで生成される光増幅信号１２３は、光パルス信号Ｐ１〜Ｐ８およびＰ１１〜Ｐ１８と、残りのプローブ光信号１２１とを含む。光増幅信号１２３は、光増幅器３０５から出力されて、光アイソレータ３０６を通過し、光スプリッタ３０７に向かう。ここで、光アイソレータ３０６の動作については、光アイソレータ３０４の場合と同様であるので、さらなる詳細な説明を省略する。

【0080】

第３ステップＳ３０３の次には、第４ステップＳ３０４が実行される。

【0081】

第４ステップＳ３０４において、光スプリッタ３０７が、光アイソレータ３０６を介して光増幅信号１２３を入力して分岐し、Ｎ個の光分岐信号１２４を生成する。Ｎ個の光分岐信号は、光スプリッタ３０７の後段に接続されたＮ個の光フィルタ３０８に向けてそれぞれ出力される。光分岐信号１２４は、光スプリッタ３０７で分岐されることで、その光強度は光増幅信号１２３より減衰するが、時間軸および波長軸の観点からは、光増幅信号１２３と実質的に同じ光分岐信号１２４がＮ個の光フィルタ３０８に届く。

【0082】

第４ステップＳ３０４の次には、第５ステップＳ３０５が実行される。

【0083】

第５ステップＳ３０５において、Ｎ個の光フィルタ３０８が、Ｎ個の光分岐信号１２４をそれぞれ通して、Ｎ個の光透過信号１２５−１〜１２５−Ｎを生成する。以下、光透過信号１２５−１〜１２５−Ｎの集合を、単に光透過信号１２５とも記す。一例として、Ｎ個の光フィルタ３０８が、上述のとおり、周波数の閾値がそれぞれ異なるハイパスフィルタであり、かつ、整数Ｎが３に等しい場合について、説明する。

【0084】

この例において、第１の光フィルタ３０８−１の閾値は、図５Ｃに示した波長Ｌ１１の逆数である。同様に、第２の光フィルタ３０８−２の閾値は波長Ｌ１２の逆数である。第３の光フィルタ３０８−３の閾値は波長Ｌ１３の逆数である。このとき、第１の光フィルタ３０８−１は、入力した光分岐信号１２４のうち、波長が波長Ｌ１１よりも長い成分を透過させる。同様に、第２の光フィルタ３０８−２は波長が波長Ｌ１２よりも長い成分を透過させる。第３の光フィルタ３０８−３は波長が波長Ｌ１３よりも長い成分を透過させる。

【0085】

より具体的には、プローブ光信号１２１に由来する光パルス信号Ｐ１１〜Ｐ１８のうち、波長が図５Ｃに示した波長範囲Ｄ１に含まれる光パルス信号Ｐ１１、Ｐ１２およびＰ１４〜Ｐ１８は、第１の光フィルタ３０８−１を透過する。その一方で、波長範囲Ｄ１に含まれない光パルス信号Ｐ１３は、第１の光フィルタ３０８−１を透過しない。ここで、波長範囲Ｄ１とは、波長Ｌ１１以上、かつ、波長Ｌ１４以下の領域である。

【0086】

同様に、波長Ｌ１２以上、かつ、波長Ｌ１４以下の領域を、波長範囲Ｄ２と呼ぶ。また、波長Ｌ１３以上、かつ、波長Ｌ１４以下の領域を、波長範囲Ｄ３と呼ぶ。このとき、光パルス信号Ｐ１１〜Ｐ１８のうち、波長が波長範囲Ｄ２に含まれる光パルス信号Ｐ１１、Ｐ１２およびＰ１５〜Ｐ１７は、第２の光フィルタ３０８−２を透過する。その一方で、波長範囲Ｄ２に含まれない光パルス信号Ｐ１３、Ｐ１４およびＰ１８は、第２の光フィルタ３０８−２では遮断される。また、光パルス信号Ｐ１１〜Ｐ１８のうち、波長が波長範囲Ｄ３に含まれる光パルス信号Ｐ１１、Ｐ１６およびＰ１７は、第３の光フィルタ３０８−３を透過する。その一方で、波長範囲Ｄ３に含まれない光パルス信号Ｐ１２〜Ｐ１５およびＰ１８は、第３の光フィルタ３０８−３では遮断される。

【0087】

言い換えれば、波長が波長範囲Ｄ３に含まれる光パルス信号Ｐ１１、Ｐ１６およびＰ１７は、第１の光フィルタ３０８−１、第２の光フィルタ３０８−２および第３の光フィルタ３０８−３の全てを透過する。しかし、波長が波長範囲Ｄ２に含まれ、かつ、波長範囲Ｄ３には含まれない光パルス信号Ｐ１２およびＰ１５は、第１の光フィルタ３０８−１および第２の光フィルタ３０８−２を透過するが、第３の光フィルタ３０８−３では遮断される。そして、波長が波長範囲Ｄ１に含まれ、かつ、波長範囲Ｄ２には含まれない光パルス信号Ｐ１４およびＰ１８は、第１の光フィルタ３０８−１だけを透過し、第２の光フィルタ３０８−２および第３の光フィルタ３０８−３では遮断される。なお、波長が波長範囲Ｄ１〜Ｄ３のいずれにも含まれない光パルス信号Ｐ１３は、光フィルタ３０８−１〜３０８−３のいずれも透過しない。

【0088】

さらに言い換えれば、光パルス信号Ｐ１１〜Ｐ１８のそれぞれにおいて、光スプリッタ３０７で分岐された３個のうち、光フィルタ３０８−１〜３０８−３を透過する数は、その光パルス信号の波長が含まれる領域に応じて決定する。ここで、波長範囲Ｄ１〜Ｄ３を定義する波長Ｌ１〜Ｌ４は、光フィルタ３０８−１〜３０８−３を透過する光パルス信号の数が、その光パルスに対応する量子化値に一致するように設定される。この設定は、入力される光アナログ信号１１の最大光強度、各光学素子の光減衰率、光増幅器３０５におけるレッドチャープ現象の特性、整数Ｎの値、などを勘案して、適宜に行われる。このように設定することで、光パルス信号の光強度から変換された波長の量子化が可能となる。

【0089】

第５ステップＳ３０５の次には、第６ステップＳ３０６が実行される。

【0090】

第６ステップＳ３０６において、光カプラ３０９が、Ｎ個の光透過信号１２５を結合し、光量子化信号１２６を生成する。図６Ａは、一実施形態による光量子化信号１２６の一構成例を示す図である。図６Ａの例では、光量子化信号１２６は、光パルス信号Ｐ１４−１、Ｐ１５−１、Ｐ１５−２、Ｐ１６−１、Ｐ１６−２およびＰ１６−３を含む光パルス列信号である。ここで、図６Ａの時刻Ｔ１４における光パルス信号Ｐ１４−１は図５Ｃの光パルス信号Ｐ１４に由来し、図６Ａの時刻Ｔ１５における光パルス信号Ｐ１５−１、Ｐ１５−２は図５Ｃの光パルス信号Ｐ１５に由来し、図６Ａの時刻Ｔ１６における光パルス信号Ｐ１６−１〜Ｐ１６−３は図５Ｃの光パルス信号Ｐ１６に由来する。光量子化信号１２６のうち、光パルス信号Ｐ１４〜Ｐ１６のそれぞれに由来する光パルス信号の数は、第５ステップＳ３０５で光パルス信号Ｐ１４〜Ｐ１６のそれぞれが透過した光フィルタ３０８−１〜３０８−３の数に等しい。

【0091】

ここで、光パルス信号Ｐ１６が光フィルタ３０８−１〜３０８−３の全てを透過した後、大きい光強度を有する単独の光パルス信号に合成されず、３つの独立した光パルス信号Ｐ１６−１〜１６−３として存在していることに注目されたい。これは、上述したように、光フィルタ３０８−１〜３０８−３のそれぞれにおいて、前段の光スプリッタ３０７および後段の光カプラ３０９に接続する光ファイバなどを、その光路の長さの合計が互いに異なるように構成することで実現される。より具体的には、第１の光フィルタ３０８−１の前後に接続される光ファイバの光路長は、第２の光フィルタ３０８−２の前後に接続される光ファイバの光路長よりも短い。また、第２の光フィルタ３０８−２の前後に接続される光ファイバの光路長は、第３の光フィルタ３０８−３の前後に接続される光ファイバの光路長よりも短い。その結果、光カプラ３０９から光パルス信号Ｐ１６−１が出力された後に光パルス信号Ｐ１６−２が出力され、さらにその後に光パルス信号Ｐ１６−３が出力される。このように構成することで、光量子化回路３０は、その後段に接続された光符号化回路４０にとって符号化しやすい形式で、光量子化信号１２６を生成出力することが出来る。

【0092】

第６ステップＳ３０６の次には、第７ステップＳ３０７が実行される。

【0093】

第７ステップＳ３０７において、光リミッタ３１０が、光量子化信号１２６に含まれる各光パルス信号の光強度を等化して光量子化デジタル信号１３を生成する。図６Ｂは、一実施形態による光量子化デジタル信号１３の一構成例を示す図である。図６Ｂに示す光量子化デジタル信号１３は、図６Ａの光量子化信号に含まれる複数の光パルス信号のそれぞれについて、光強度を統一することで得られる。このようにして得られた光量子化デジタル信号１３は、光出力部３１１から後段の光符号化回路４０に向けて出力される。

【0094】

第７ステップＳ３０７の次には、第８ステップＳ３０８が実行されて、本実施形態による光量子化方法が終了する。

【0095】

以上に説明したように、本実施形態による光増幅器３０５と、この光増幅回路を用いる光増幅方法と、この光増幅回路を用いる光アナログ・デジタル変換装置１と、この光アナログ・デジタル変換装置１を用いる光アナログ・デジタル変換方法とでは、主に以下の３つの観点から、上述の課題を解決した。すなわち、単一の半導体素子を用い、従来より大幅に小型化かつ簡略化された構成による光量子化を可能とし、超高速動作および高分解能（高量子化ビット数）を両立させた。

【0096】

第１に、光標本化パルス列信号１２に含まれる光パルス信号Ｐ１〜Ｐ８の光強度を、光強度のまま量子化せずに、レッドチャープ現象の積極的な利用によって光強度の違いを波長（または周波数）の違いに変換した上で、周波数領域で量子化する。

【0097】

第２に、周波数分布が比較的広い光標本化パルス列信号１２の光強度をそのまま波長（または周波数）に変換せずに、周波数分布が非常に狭いプローブ光信号１２１を併用することによって、量子化の精度がさらに向上する。

【0098】

第３に、周波数式位置および光路長がそれぞれ異なる複数の光フィルタ３０８を並列接続して光増幅信号１２３を透過させることで、後段の光符号化回路４０が光デジタル信号１４に符号化しやすい形式の光量子化デジタル信号１３を生成する。

【0099】

以上、発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。また、前記実施の形態に説明したそれぞれの特徴は、技術的に矛盾しない範囲で自由に組み合わせることが可能である。

【符号の説明】

【0100】

１ 光アナログ・デジタル変換装置
１１ 光アナログ信号
１１０ グラフ
１２ 光標本化パルス列信号
１２Ａ〜１２Ｄ サンプリング点
１２１ プローブ光信号
１２１Ａ レッドチャープ成分
１２２ 光結合信号
１２３ 光増幅信号
１２４ 光分岐信号
１２５、１２５−１〜１２５−Ｎ 光透過信号
１２６ 光量子化信号
１３ 光量子化デジタル信号
１３Ａ〜１３Ｄ 量子化値
１４ 光デジタル信号
１４Ａ〜１４Ｄ バイナリ値
２０ 光標本化回路
３０ 光量子化回路
３０１ 光入力部
３０２ プローブ光信号生成部
３０３ 光カプラ
３０４ 光アイソレータ
３０５ 光増幅器
３０６ 光アイソレータ
３０７ 光スプリッタ
３０８、３０８−１〜３０８−Ｎ 光フィルタ
３０９ 光カプラ
３１０ 光リミッタ
３１１ 光出力部
４０ 光符号化回路
Ｃ１〜Ｃ８ レッドチャープ現象
Ｄ１〜Ｄ３ 波長範囲
Ｉ１〜Ｉ８ インターバル
Ｌ１〜Ｌ４ 波長
Ｐ１〜Ｐ８ 光パルス信号
Ｐ１１〜Ｐ１８ 光パルス信号
Ｐ１４−１ 光パルス信号
Ｐ１５−１、Ｐ１５−２ 光パルス信号
Ｐ１６−１〜Ｐ１６−３ 光パルス信号
Ｔ サンプリング周期
Ｔ１〜Ｔ５ 時刻
Ｔ１４〜Ｔ１６ 時刻

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6A】

【図6B】