JP2004185021A - 信号光の波形整形のための方法、装置及びシステム - Google Patents

信号光の波形整形のための方法、装置及びシステム Download PDF

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【課題】本発明は信号光の波形整形のための方法、装置及びシステムに関し、信号光のビットレートやパルス形状に依存しない新規な波形整形のための技術を提供することを主な課題としている。
【解決手段】本発明による信号光の波形整形のための装置は、レーザ発振可能な波長の範囲として定義される阻止帯域を有する分布帰還（ＤＦＢ）レーザ２と、ＤＦＢレーザが阻止帯域に含まれる第１の波長でレーザ発振するようにＤＦＢレーザに駆動電流を供給する駆動回路とを備えている。阻止帯域に含まれない第２の波長を有する信号光がＤＦＢレーザに入力する。信号光がハイレベル及びローレベルを有する光パルスによって提供されている場合、信号光のパワーを適切に設定することによって、信号光のハイレベルでの振幅揺らぎを効果的に抑圧することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、信号光の波形整形のための方法、装置及びシステムに関する。
近年実用化されている光ファイバ通信システムにおいては、伝送路損失や分岐損失等による信号パワーの低下を、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）等の光増幅器を用いて補償している。光増幅器はアナログ増幅器であり、信号を線形増幅するものである。この種の光増幅器においては、増幅に伴って発生する自然放出光（ＡＳＥ）雑音の付加により信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が低下する為、中継数ひいては伝送距離に限界が生じる。また、光ファイバの持つ波長分散やファイバ内の非線形光学効果による波形劣化も伝送限界を与える要因である。こうした限界を打破するためには、信号をデジタル的に処理する再生中継器が必要であり、その実現が望まれている。特に、全ての処理を光レベルにおいて行う全光再生中継器は、信号のビットレートやパルス形状等に依存しないトランスペアレントな動作を実現する上で重要である。
全光再生中継器に必要な機能は、振幅再生又はリアンプリフィケーション（Ｒｅａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）と、タイミング再生又はリタイミング（Ｒｅｔｉｍｉｎｇ）と、波形整形又はリシェイピング（Ｒｅｓｈａｐｉｎｇ）とである。本発明はこれらのうち特にリシェイピング機能に着目して、飽和動作状態の分布帰還（ＤＦＢ）レーザを用いて簡単な構成の超高速波形整形装置を提供するものである。
波形整形器として最も一般的なものは、入力信号光をフォトダイオード等の受光器により一旦電気信号に変換し、この電気信号をロジック回路を用いて電気的に波形整形処理した後、この信号でレーザ光を変調するようにしたＯＥタイプの波形整形器である。ＯＥタイプの波形整形器は従来の光通信システムにおいて再生中継器に用いられている。しかし、ＯＥタイプの波形整形器の動作速度は信号処理のための電子回路によって制限されるので、再生中継器の入力信号のビットレートが低いレートで固定されてしまうという問題がある。
一方、全て光レベルで処理する全光タイプの波形整形器としては、波長変換を伴う非線形ループミラー（ＮＯＬＭ）やマイケルソン型或いはマッハツェンダ型の干渉系構成の非線形スイッチ、更には過飽和吸収体によるスイッチ等が多数提案されている（関連技術に関しては特願平１０−１７６３１６号参照）。
本発明の目的は、信号光のビットレートやパルス形状等に依存しない新規な波形整形のための方法、装置及びシステムを提供することである。本発明の他の目的は以下の説明から明らかになる。
本発明の第１の側面によると、信号光の波形整形の為の方法が提供される。この方法では、まず、レーザ発振可能な波長の範囲として定義される阻止帯域を有する分布帰還（ＤＦＢ）レーザが提供される。ＤＦＢレーザは、阻止帯域に含まれる第１の波長でレーザ発振するように駆動される。阻止帯域に含まれない第２の波長を有する信号光がＤＦＢレーザに入力する。
ＤＦＢレーザの駆動は、例えばＤＦＢレーザに一定の駆動電流を供給することによって行われる。
信号光は、例えば、ハイレベル及びローレベルを有する光パルスによって提供される。この場合、本発明の適用によって、信号光のハイレベルでの振幅揺らぎがＤＦＢレーザ内で抑圧される。この抑圧効果は、ＤＦＢレーザに入力する信号光のパワー等の調節によって最適化され得る。
このように本発明によると、信号光の波形整形の為に光／電気変換或いは電気／光変換が不要であるので、信号光のビットレートやパルス形状等に依存しない新規な波形整形のための方法の提供が可能になる。
望ましくは、阻止帯域に含まれない第３の波長を有する制御光がＤＦＢレーザに入力される。制御光は例えば実質的に一定のパワーを有している。制御光の入力により、信号光のローレベルでの雑音の過剰な増加が抑圧される。この抑圧効果は、制御光のパワーの調節等によって最適化され得る。
ＤＦＢレーザは後述するように出力飽和特性を有している。出力飽和特性に基き信号光を波形整形して得られた波形整形光がＤＦＢレーザから出力される。
本発明の第２の側面によると、信号光の波形整形のための方法が提供される。信号光は第１の信号光と第２の信号光とに分けられる。第１の信号光は第１の出力飽和特性を有する第１のＤＦＢレーザに入力される。第２の信号光は第１の出力飽和特性と異なる第２の出力飽和特性を有する第２のＤＦＢレーザに入力される。第１の出力飽和特性に従って第１のＤＦＢレーザから出力された第１の波形整形光と、第２の出力飽和特性に従って第２のＤＦＢレーザから出力された第２の波形整形光とが加え合わされる。
望ましくは、第１の波形整形光と第２の波形整形光の差信号としての出力信号光が得られるように、第１又は第２の波形整形光に位相シフトが与えられる。この位相シフトは、第１の波形整形光に生じた位相シフトと第２の波形整形光に生じた位相シフトとの差がπ（又はπの奇数倍）になるように設定される。本発明の第２の側面によると、出力信号光に関連してよりリジッドな識別特性が得られる。
本発明の第３の側面によると、レーザ発振可能な波長の範囲として定義される阻止帯域を有するＤＦＢレーザと、ＤＦＢレーザが阻止帯域に含まれる第１の波長でレーザ発振するようにＤＦＢレーザに駆動電流を供給する駆動回路とを備えた装置が提供される。阻止帯域に含まれない第２の波長を有する信号光がＤＦＢレーザに入力する。
このように本発明によると、本発明による方法を実施するのに好適な装置の提供が可能になる。
本発明の第４の側面によると、第１及び第２の光カプラと、第１及び第２のＤＦＢレーザとを備えた装置が提供される。第１の光カプラは信号光を第１の信号光と第２の信号光とに分ける。第１の信号光と第２の信号光はそれぞれ第１及び第２のＤＦＢレーザに入力される。第１及び第２のＤＦＢレーザはそれぞれ第１及び第２の出力飽和特性を有しており、第１及び第２の出力飽和特性は異なる。第２の光カプラは、第１の出力飽和特性に従って第１のＤＦＢレーザから出力された第１の波形整形光と、第２の出力飽和特性に従って第２のＤＦＢレーザから出力された第２の波形整形光とを加え合せる。
本発明の第５の側面によると、光分岐部、波形整形器、クロック再生器および光リタイミング器を備えた装置が提供される。光分岐部は信号光を第１の信号光と第２の信号光とに分ける。波形整形器は第１の信号光を受け受けた第１の信号光を波形整形して波形整形光を出力する。クロック再生器は第２の信号光を受け受けた第２の信号光に基きクロックパルスを再生する。光リタイミング器は、波形整形光及びクロックパルスを受け、クロックパルスに基き波形整形光のタイミングを補正して得られた再生信号光を出力する。波形整形器は本発明の第３又は第４の側面による装置によって提供され得る。
クロック再生器は、例えば、第２の信号光が導入されるリングレーザを含む。この場合、第２の信号光に基くリングレーザのモードロックによりクロックパルスが再生され得る。
波形整形器は例えば非線形ループミラーを含む。
本発明の第６の側面によると、信号光を伝送する光ファイバ伝送路と、光ファイバ伝送路に沿って設けられた少なくとも一つの光中継器とを備えたシステムが提供される。少なくとも一つの光中継器の各々は、本発明の第３、第４又は第５の側面による装置によって提供され得る。
本発明の第７の側面によると、信号光を伝送する光ファイバ伝送路と、光ファイバ伝送路の出力端に接続された光受信機とを備えたシステムが提供される。光受信機は、本発明の第３、第４又は第５の側面による装置を含むことができる。
本発明の第８の側面によると、信号光が通過するようにカスケード接続された複数のＤＦＢレーザを備えた装置が提供される。各ＤＦＢレーザはレーザ発振可能な波長の範囲として定義される阻止帯域を有している。各ＤＦＢレーザは阻止帯域に含まれる第１の波長でレーザ発振するように駆動される。信号光は阻止帯域に含まれない第２の波長を有している。
このように、本発明によると、出力飽和特性を有するＤＦＢレーザを提供するステップを含む方法が提供される。信号光がＤＦＢレーザに入力される。その結果、出力飽和特性に基き信号光を波形整形して得られた波形整形光がＤＦＢレーザから出力される。
また、本発明によると、第１の波長でレーザ発振するＤＦＢレーザを提供するステップを含む方法が提供される。第１の波長と異なる第２の波長を有する信号光がＤＦＢレーザに入力される。信号光のパワーは、ＤＦＢレーザ内で信号光が波形整形されるように調節される。
更に、本発明によると、ＤＦＢレーザと、ＤＦＢレーザが第１の波長でレーザ発振するようにＤＦＢレーザに駆動電流を供給する駆動回路とを備えた装置が提供される。第１の波長と異なる第２の波長を有する信号光がＤＦＢレーザに入力される。信号光のパワーは、ＤＦＢレーザ内で信号光が波形整形されるように調節される。
このように、本発明においては、ＤＦＢレーザが単一モードでレーザ発振することを用いて、レーザ発振状態にあるＤＦＢレーザにそのレーザ発振波長と異なる波長を有する信号光を入力することで、信号光の波形整形を行っている。しかしながら、本発明は、ＤＦＢレーザに限定されずそれ以外のレーザ、例えばレーザダイオード（或いは半導体レーザ）を用いて実施することもできる。即ち、レーザがレーザ発振しており、そのレーザにレーザ発振波長とは異なる波長を有する光パルス或いは信号光が入力したときに、その光パルス或いは信号光に対する波形整形効果が得られるものである。例えば、ファブリペロ型のレーザダイオードのようにマルチモードで発振するレーザにおいては、複数のレーザ発振波長があるので、波形整形されるべき信号光はこれらのレーザ発振波長とは異なる波長を有する。
このように、本発明の他の側面によると、レーザダイオードに対しレーザ光を発光する状態まで電流を供給し、レーザダイオードが出力する光の波長と異なる光をレーザダイオードに入射させることで光波形整形を行う方法が提供される。
また、本発明の更に他の側面によると、レーザダイオードと、レーザダイオードにレーザ光を発光する状態まで電流を供給する電流供給手段と、レーザダイオードが出力する光の波長と異なる光をレーザダイオードに入射する光入力手段とを有する光波形整形装置が提供される。
本発明によると、信号光のビットレートやパルス形状に依存しない新規な波形整形のための方法、装置及びシステムの提供が可能になるという効果が生じる。その結果、現状の線形光通信システムにおける各種の性能限界の打破が可能になる。
以下、添付図面を参照して本発明の望ましい実施の形態を詳細に説明する。
図１を参照して、本発明の原理を説明する。本発明による方法は、レーザ発振可能な波長の範囲として定義される阻止帯域（ストップバンド）を有する分布帰還（ＤＦＢ）レーザとしてのＤＦＢレーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）２を提供することを含む。阻止帯域の幅は例えば０．５乃至１．０ｎｍである。ＤＦＢ−ＬＤ２は阻止帯域に含まれる第１の波長λ０でレーザ発振するように駆動される。発振の結果得られた発振レーザ光はＤＦＢ−ＬＤ２から出力される。発振レーザ光は一般的には連続波（ＣＷ）光である。発振状態にあるＤＦＢ−ＬＤ２は、クランプされた一定の利得を発振レーザ光に関して有している。この発振状態にあるＤＦＢ−ＬＤ２に、阻止帯域に含まれない第２の波長λSを有する信号光が入力される。入力信号光はＤＦＢ−ＬＤ２内で波形整形され、その結果得られた波形整形光がＤＦＢ−ＬＤ２から出力される。波形整形光は第２の波長λSを有している。
ＤＦＢ−ＬＤ２の駆動はＤＦＢ−ＬＤ２に一定の駆動電流（バイアス電流）を供給することにより行われ得るが、本発明はこれに限定されず、光ポンピング等の他の方法によりＤＦＢレーザが駆動されてもよい。
ＤＦＢ−ＬＤ２が電流駆動される場合、その駆動電流を一定値に設定すれば、レーザ発振及び信号増幅に寄与するキャリア総数は一定であり、ＤＦＢ−ＬＤ２から出力される総フォトン数も一定となる。従って、光パルスとして与えられる信号光をＤＦＢ−ＬＤに外部から入射すると、パルスのピーク付近では立ち上がり及び立下り付近に比べてフォトン数が多くなるため、利得飽和が強くなるという効果が生じる。この効果を用いると、図１に示されるように、振幅揺らぎを持った信号光のパルスのピーク付近の振幅揺らぎを抑圧することが出来、振幅揺らぎの少ない波形整形光を得ることが出来る。
このように、本発明のある側面によると、出力飽和特性を有するＤＦＢレーザが用いられ、出力飽和特性に基き信号光を波形整形して得られた波形整形光がＤＦＢレーザから出力される。
本発明によると、カスケード接続された複数の光増幅器を用いた多中継伝送システム等において、ＡＳＥの累積による振幅雑音の累積を抑圧することも可能である。ＡＳＥの累積による波形劣化は、おもに信号／ＡＳＥビート雑音によるものであり、波形劣化は信号パルスのピーク付近で最も顕著となる。従って、本発明を適用することにより、このような波形劣化を有効に補償することが出来る。
一般に、利得クランプ状態のレーザの光強度変化に対する応答は数十ｐｓ以下の高速応答となるから、数十ｐｓ程度或いはそれよりも短いパルス幅を有する短パルス、或いは数十〜百Ｇｂ／ｓ程度の超高速信号に対しても、本発明により波形整形が可能である。より特定的には次の通りである。
通常の半導体光増幅器（ＳＯＡ）においては、吸収回復時間或いはキャリア密度変動の速度制限（通常数ＧＨｚ）の為に入力信号光の速度（変調速度或いはビットレート）が制限され、制限速度以上の信号に対しては、波形歪みが付加される。これに対して、利得クランプ状態のレーザにおいては、誘導放出によって過剰なキャリアを活性層で再結合させるため、吸収回復時間を短くすることが可能である。十分な飽和状態においては、数十ｐｓ以下の光速応答となるので、上述のように超高速な信号に対しても波形整形が可能になるものである。
このように本発明によると、信号光のビットレートやパルス形状に依存せずに信号光の波形整形を行うことが出来るようになる。
図２の（Ａ）及び（Ｂ）はＤＦＢ−ＬＤの入出力特性の例を示すグラフである。より特定的には、図２の（Ａ）及び（Ｂ）の各々には、図１に示されるＤＦＢ−ＬＤ２における信号光の入力パワーＰS-inと波形整形光の出力パワーＰS-outとの関係の例が実線で示されている。破線で示される特性については後述する。
図２の（Ａ）においては、入力パワーＰS-inが閾値Ｐthに等しいかそれよりも小さい場合には、入力パワーＰS-inに比例して出力パワーＰS-outは増加し、また、入力パワーＰS-inが閾値Ｐthよりも大きい場合には、出力パワーＰS-outは飽和出力パワーＰsatで一定である。一定の飽和出力パワーＰsatが得られる理由は、入力パワーＰS-inが閾値Ｐthに達するとレーザ発振が停止し、それよりも大きな入力パワーでは利得が飽和して出力パワーが一定になるところにある。従って、信号光がハイレベル及びローレベルを有する光パルスによって与えられている場合には、例えば、ローレベルを零レベルに設定し、且つ、ハイレベルを閾値Ｐthよりも大きな値に設定することによって、信号光のハイレベルでの振幅揺らぎはＤＦＢ−ＬＤ２内で有効に抑圧され得る。
このように本発明のある側面によると、信号光のハイレベルでの振幅揺らぎがＤＦＢ−ＬＤ２内で抑圧されるように信号光のパワーが調節される。しかし、本発明はこれに限定されず、信号光のハイレベルが閾値Ｐthよりも小さな値に設定されても良い。なぜならば、ＤＦＢレーザの動的特性等によっては、閾値よりも小さな入力パワーに対しても出力パワーが飽和する傾向にある場合があるからである。
適切な条件の設定によって、図２の（Ｂ）に示されるように、入力パワーＰS-inが閾値Ｐthに達してレーザ発振が停止したときに、その分信号光の利得が急激に増加する特性が得られる場合がある。閾値Ｐthは発振レーザ光のパワーとほぼ等しいので、利得は例えば約３ｄＢ増加する。この場合閾値Ｐthよりも大きな入力パワーの範囲における入出力特性は所謂デジタル識別器のそれにより近いものとなり、ハイレベルにおける振幅揺らぎは効果的に抑圧される。
図３は本発明による波形整形器の第１実施形態を示すブロック図である。この波形整形器は、本発明に従って出力飽和特性を提供可能なＤＦＢ−ＬＤ２と、ＤＦＢ−ＬＤ２が波長λ0でレーザ発振するようにＤＦＢ−ＬＤ２に一定の或いは制御された駆動電流（バイアス電流）を供給する駆動回路４とを備えている。前述した原理に従ってそのパワーが最適値に調節された波長λSの信号光がＤＦＢ−ＬＤ２に供給され、ＤＦＢ−ＬＤ２内でその出力飽和特性に基き信号光を波形整形して得られた波長λSの波形整形光がＤＦＢ−ＬＤ２から出力される。
信号光をＤＦＢ−ＬＤ２に供給する為に、信号光を伝送する光ファイバと、その光ファイバの出力端とＤＦＢ−ＬＤ２の第一端とを光学的に結合するためのレンズとを使用し得る。また、ＤＦＢ−ＬＤ２から出力された波形整形光を有効に使用するために、波形整形光が導入されるべき光ファイバと、その光ファイバの入力端とＤＦＢ−ＬＤ２の第２端とを光学的に結合するレンズとが使用され得る。各レンズは、各ファイバの先端を加熱することにより各ファイバと一体に形成され得る。
ＤＦＢ−ＬＤ２の阻止帯域は、レーザ発振可能な波長の範囲として定義されるので、発振レーザ光の波長λ0は阻止帯域に含まれている。信号光の波長λSは阻止帯域に含まれないことのみによって限定される。例えば、ＤＦＢ−ＬＤ２のレーザ発振波長λ0が１５５０．０ｎｍであり、その阻止帯域が１５４９．５乃至１５５０．５ｎｍの範囲である場合、信号光の波長λSは１５４７．０ｎｍに設定される。
図３に示される波形整形器は、プローブ光（制御光）をＤＦＢ−ＬＤ２に入力するプローブ光源６を更に備えている点で特徴付けられる。プローブ光はＤＦＢ−ＬＤ２の阻止帯域に含まれない第３の波長λPを有している。波長λPは信号光の波長λSに一致するか否かによって限定されないが、後段での信号処理を考慮すると、波長λPは波長λSとは異なることが望ましい。
図３においては、ＤＦＢ−ＬＤ２内においてプローブ光が信号光と同じ向きに伝搬するがごとくプローブ光がＤＦＢ−ＬＤ２の第一端に入力されている状態が示されているが、ＤＦＢ−ＬＤ２内においてプローブ光が信号光と逆向きに伝搬するようにＤＦＢ−ＬＤ２の第２端にプローブ光が入力されても良い。プローブ光をＤＦＢ−ＬＤ２に信号光と同一光路で入力するために、ハーフミラーを用いて構成される光カプラ又はファイバ融着型の光カプラ若しくはＷＤＭ（波長分割多重）カプラが使用され得る。
プローブ光源６を用いることにより、特に信号光のローレベルにおいて過剰なノイズの増加を抑えることができ、また、信号光のローレベルが連続する場合に不所望なレーザ発振を防止して波形整形器の動作が安定になる、という効果が生じる。プローブ光源６が用いられていない場合、信号光のローレベルに累積するＡＳＥ−ＡＳＥビート雑音や伝送波形歪みによるローレベルの乱れを効果的に抑圧することが出来ないことがある。又、信号光のハイレベル及びローレベルの変化に伴ってＤＦＢ−ＬＤ２の発振状態と発振停止状態とが繰り返されるので、波形整形器の動作が不安定になることがある。
この実施形態では、プローブ光は一定のパワーを有している。従って、信号光のローレベルにおいても一定のパワーのプローブ光がＤＦＢ−ＬＤ２に供給されることとなり、上述した技術的効果が得られるものである。プローブ光のパワーは、例えば、信号光のローレベルでの雑音の増加を抑圧するように調節される。
図４は本発明による波形整形器の第２実施形態を示す図である。この波形整形器は、導波路基板８上に形成されたマッハツェンダ干渉器１０を有している。マッハツェンダ干渉器１０は、信号光或いは信号光およびプローブ光が入力されるべき入力ポート１２と、波形整形光を出力すべき出力ポート１４と、入力ポート１２及び出力ポート１４にそれぞれ光学的に接続されたＹ分岐１６及び１８と、Ｙ分岐１６及び１８間を光学的に接続する光パス２０及び２２とを有している。
光パス２０の途中には第１のＤＦＢ−ＬＤ２（＃１）が設けられており、光パス２２の途中には第２のＤＦＢ−ＬＤ２（＃２）及び位相シフタ２４が入力ポート１２から出力ポート１４に向かってこの順に設けられている。ＤＦＢ−ＬＤ２（＃１及び＃２）にはそれぞれ図示しない駆動回路から駆動電流（バイアス電流）Ｉb1及びＩb2が供給されており、それにより各ＬＤは本発明に従って出力飽和特性を有する。より特定的には、駆動電流Ｉb1及びＩb2が例えば異なる値に設定されて、ＤＦＢ−ＬＤ２（＃１）は第１の出力飽和特性を有すると共に、ＤＦＢ−ＬＤ２（＃２）は第１の出力飽和特性と異なる第２の出力飽和特性を有する。
入力ポート１２に供給された信号光は、Ｙ分岐１６において第１の信号光と第２の信号光とに分けられる。第１の信号光のパワーは一般的には第２の信号光のパワーに実質的に等しい。第１の信号光は、光パス２０を通ってＤＦＢ−ＬＤ２（＃１）に供給される。ＤＦＢ−ＬＤ２（＃１）からは、第１の出力飽和特性に基き第１の信号光を波形整形して得られた第１の波形整形光が出力される。第２の信号光は、光パス２２を通ってＤＦＢ−ＬＤ２（＃２）に供給される。ＤＦＢ−ＬＤ２（＃２）からは、第２の出力飽和特性に基き第２の信号光を波形整形して得られた第２の波形整形光が出力される。第１の波形整形光と第２の波形整形光はＹ分岐１８において加え合され、その結果得られた波形整形光（出力信号光）が出力ポート１４から出力される。
位相シフタ２４は、出力ポート１４から出力される波形整形光が第１の波形整形光と第２の波形整形光の差信号になるように第２の波形整形光に位相シフトφを与える。このような差信号が得られる限りにおいて位相シフタ２４は省略されても良いし、ＤＦＢ−ＬＤ２（＃１）とＹ分岐１８との間の光パス２０上に設けられていても良い。例えば、光パス２０及び２２の適切な光路長の設定によって、位相シフタ２４を省略することができる。第１の波形整形光或いは第２の波形整形光に位相シフトが必要なのは、駆動条件の違いによりＤＦＢ−ＬＤ２（＃１）内で第１の信号光に与えられる位相シフトとＤＦＢ−ＬＤ２（＃２）内で第２の信号光に与えられる位相シフトとが異なることに部分的に起因している。
図５の（Ａ）は図４に示される各ＤＦＢ−ＬＤの入出力特性を示すグラフ、図５の（Ｂ）は図４に示される波形整形器の入出力特性を示すグラフである。図５の（Ａ）において、横軸は波形整形器の入力パワーＰS-in或いは各ＤＦＢ−ＬＤ２の入力パワーを表し、縦軸は各ＤＦＢ−ＬＤの出力パワーＰDFB-LD-outを表している。また、図５の（Ｂ）において、横軸は波形整形器の入力パワーＰS-in、縦軸は波形整形器の出力パワーＰS-outを表している。
図５の（Ａ）に示されるように、ＤＦＢ−ＬＤ２（＃１）の第１の出力飽和特性は飽和出力パワーＰsat1によって与えられており、ＤＦＢ−ＬＤ２（＃２）の第２の出力飽和特性は飽和出力パワーＰsat2（≠Ｐsat1）によって与えられている。ここでは、各駆動電流の適切な設定によって、Ｐsat1＜sat2が得られている。第１及び第２の出力飽和特性における飽和するまでの部分特性（比例領域における特性）はほぼ一致している。従って、第１の波形整形光と第２の波形整形光との差信号として与えられる出力信号光（即ち図４に示される波形整形器から出力される波形整形光）は、図５の（Ｂ）に示されるようなリジッドな識別特性によって決定されることになる。
このように、図４に示される波形整形器の第２実施形態によると、その出力飽和特性が図５の（Ｂ）に示されるような識別特性となるので、より良好な波形整形が可能になる。また、第１の波形整形光と第２の波形整形光との差信号が得られるので、プローブ光を用いない場合であっても、雑音の増加を有効に防止することができる。
図６は本発明による波形整形器の第３実施形態を示すブロック図である。この第３実施形態は、図３に示される第１実施形態と対比して、ＤＦＢ−ＬＤ２の出力に光学的に接続された光フィルタ２６と、ＤＦＢ−ＬＤ２の入力および出力の少なくとも一方に光学的に接続された過飽和吸収体２８とが付加的に設けられている点で特徴付けられる。同図では過飽和吸収体２８は光フィルタ２６を介してＤＦＢ−ＬＤ２の出力に光学的に接続されているが、ＤＦＢ−ＬＤ２の入力に光学的に接続された過飽和吸収体が用いられても良い。
光フィルタ２６は信号光の波長λSを含み、且つ、ＤＦＢ−ＬＤ２での発振レーザ光の波長λ0及びプローブ光の波長λPを含まない通過帯域を有している。光フィルタ２６を採用したことにより、後段の信号処理で必要がなくむしろ有害な発振レーザ光及びプローブ光を除去することが出来るので、全光再生中継器等に利用価値の高い波形整形器の提供が可能になる。なお、プローブ光源６が採用されない場合には、光フィルタ２６は、信号光の波長λSを含み、且つ、ＤＦＢ−ＬＤ２での発振レーザ光の波長λ0を含まない通過帯域を有する。
過飽和吸収体２８は、例えば逆バイアスされた半導体素子（レーザダイオード及び半導体光増幅器等）により提供され、その過飽和吸収特性に基づいて信号光のローレベルでの振幅揺らぎに起因する雑音が抑圧される。一般に、過飽和吸収体においては、飽和レベル以下の入力光に対して吸収効果により非線形の入出力特性が得られる。従って、図６に示されるように、ＤＦＢ−ＬＤ２から光フィルタ２６を介して出力された信号光に対応する光が過飽和吸収体２８を通過すると、この波形整形器の入出力特性は、図２の（Ａ）又は図２の（Ｂ）に破線で示されるような入出力特性を有するようになり、より識別回路に近い動作が得られる。その結果、信号光のハイレベル及びローレベルの各々での振幅揺らぎが抑圧され、より高度な波形整形が可能になる。
過飽和吸収体２８の応答をより高くするために、過飽和吸収体２８に別のプローブ光を入力するための光源が付加的に設けられても良いし、過飽和吸収体２８の動作を安定にするために、過飽和吸収体２８の入力又は出力に光アイソレータが光学的に接続されても良い。
この実施形態では、各々光カプラとして動作するＹ分岐１６及び１８が導波路基板８上に形成されたマッハツェンダ干渉器１０により提供されているので、波形整形器を小型にすることが出来る。
図７は本発明による全光信号再生装置の実施形態を示すブロック図である。この装置は、例えば光カプラにより提供される光分岐部３０と、本発明の種々の実施形態により提供され得る波形整形器３２と、クロック再生器３４と、光リタイミング器３６とを備えている。光分岐部３０は供給された信号光を第１の信号光と第２の信号光とに分ける。第１の信号光は波形整形器３２に供給される。波形整形器３２は、受けた第１の信号光を波形整形して得られた波形整形光を出力する。第２の信号光はクロック再生器３４に供給される。クロック再生器３４は、受けた第２の信号光に基きクロックパルス（光クロック）を再生する。波形整形光及びクロックパルスは光リタイミング器３６に供給される。光リタイミング器３６は、クロックパルスに基き波形整形光のタイミングを補正して得られた再生信号光を出力する。
波形整形器３２から出力される波形整形光においては、本発明に従って信号光のハイレベル及び／又はローレベルに関して波形整形が行われている。しかし、波形整形光のパルス間時間間隔は不均一になり得る。これに対して、クロック再生器３４から出力されるクロックパルスのパルス間時間間隔は一定である。従って、光リタイミング器３６が例えば光ＡＮＤ回路として機能することによって、波形整形が行われ、かつパルス間時間間隔が一定である再生信号光が得られる。
クロック再生器３４は、第２の信号光が導入されるリングレーザを含むことができる。この場合、第２の信号光に基くリングレーザのモードロックによりクロックパルスが再生される。より特定的には次の通りである。
図８は図７に示されるクロック再生器３４の実施形態を示すブロック図である。このクロック再生器３４は、入力ポート４２と出力ポート４４との間に設けられる光パス４６と、光パス４６に光学的に結合されるリングレーザとしての光ループ４８とを備えている。光パス４６及び光ループ４８の各々は例えば光ファイバにより提供され、この場合、光パス４６と光ループ４８の光学的な結合はファイバ融着型の光カプラ５０により行うことができる。従って、光カプラ５０によって光パス４６及び光ループ４８の各々の一部が提供されている。
光ループ４８は、光ループ４８でレーザ発振が生じるように光ループ４８の損失を補償する光増幅器５２と、可変な遅延時間τを有する遅延回路からなる調節器５４と、非線形媒質（非線形光学媒質）５６とを含む。特にこの実施形態では、光ループ４８は、更に、リングレーザによるレーザ発振の波長λCを含む通過帯域を有する光帯域通過フィルタ５８を含む。
入力ポート４２には速度（又はビットレート）ｆSで変調された波長λSの信号光（第２の信号光）が供給され、供給された信号光の一部は光カプラ５０を介して光ループ４８内に導入される。光ループ４８の光路長Ｌは、信号光の変調速度（周波数に対応）ｆSが光ループ４８の周回周期の逆数Δν＝ｃ／Ｌ（ｃ：光速）の整数倍に等しくなるように、調節器５４により予め調節される。光増幅器５２としては、例えばＥＤＦＡ（エルビウムドープファイバ増幅器）を用いることができる。
特にこの実施形態では、非線形媒質５６として３次非線形媒質が用いられ、信号光の導入により非線形媒質５６内でＡＭ変調或いはＦＭ変調が生じ、光ループ４８のレーザ発振がモードロックされる。その結果、波長λＣ、周波数ｆSのクロックパルスが発生し或いは再生され、そのクロックパルスは光カプラ５０を介して出力ポート４４から出力される。より特定的には次の通りである。
まず、光ループ４８によるリングレーザにより波長λCの連続発振（ＣＷ）レーザ光を発振させておき、そこに波長λＳ、周波数（ビットレート或いは速度）ｆSの信号光を入力する。このとき、非線形媒質５６内でこの信号光をポンプ光（励起光）とする四光波混合（ＦＷＭ）が発生し、波長λCのＣＷ光に信号光によるＡＭ変調がかかる。このＡＭ変調には基本周波数ｆSの成分が含まれており、前述した光ループ４８の光路長の設定により、周波数ｆSのクロックパルスが発生する。
このように、本実施形態においては光／電気変換を行うことなしにクロックパルスを得ることができるので、信号光のビットレートやパルス形状等に依存しない全光クロック再生器を提供することが可能である。
非線形媒質５６としては、半導体光増幅器（ＳＯＡ）、シングルモードファイバ、或いは分散シフトファイバ（ＤＳＦ）を用いることができる。ＤＳＦとしては、非線形効果が大きい高非線形ＤＳＦ（ＨＮＬ−ＤＳＦ）を用いるのが有効である。ＨＮＬ−ＤＳＦについては後述する。非線形媒質５６としてＳＯＡを用いた場合には、非線形媒質５６において利得が生じるので、光ループ４８におけるレーザ発振を維持する為の光増幅器５２は省略されても良い。更に、より一般的には、非線形媒質５６における線形又は非線形な利得が十分大きい場合には、光増幅器５６を省略することができる。
非線形媒質５６としてＨＮＬ−ＤＳＦが用いられている場合には、非線形媒質５６においてＦＷＭを最も効果的に発生させるために、信号光の波長λSをＨＮＬ−ＤＳＦの零分散波長λ0に実質的に等しく設定するのが良い。これにより最適な位相整合が達成され、最も広い変換帯域と最大の変換効率が得られる。ここで、「変換」という語は信号光からクロックパルスへの変換という意味で用いられている。また、ＨＮＬ−ＤＳＦの零分散波長λ0を高精度に一定値に管理することによって、帯域を拡大することができる。これについても後述する。
図９は図７に示される光リタイミング器３６の実施形態を示す図である。この実施形態では、光リタイミング器３６は非線形ループミラー（ＮＯＬＭ）によって提供されている。ＮＯＬＭは、方向性結合される第１の光路６２及び第２の光路６４を含む第１の光カプラ６６と、光路６２および６４を接続するループ光路６８と、ループ光路６８に方向性結合される第３の光路７０を含む第２の光カプラ７２とを備えている。ループ光路６８の一部又は全部は非線形光学媒質によって提供されている。特にこの実施形態では、非線形光学媒質としてＨＮＬ−ＤＳＦが用いられている。第１の光カプラ６６のカップリング比は１：１に設定される。
第３の光路７０には、波形整形器３２（図７参照）からの波形整形光がλSの制御パルスとして供給される。また、第１の光路６２には、クロック再生器３４（図７参照）からのクロックパルスが波長λCのプローブパルスとして供給される。
このＮＯＬＭの動作をまず簡単に説明すると、プローブパルス及び制御パルスがそれぞれ光路６２及び７０に入力されたときに光ＡＮＤ回路の動作に従って得られた再生パルス（再生信号光）が光カプラ６６の第２の光路６４から出力されるというものである。再生パルスはプローブパルスと同じ波長λCを有している。
プローブパルスは、光カプラ６６によりパワーが等しい２成分に分けられ、これら２成分は、ループ光路６８をそれぞれ時計回り及び反時計回りに伝搬し、非線形光学媒質により共に等しい位相シフトΦを受けた後、光カプラ６６により合成される。これは制御パルスが光路７０に入力していない場合の現象であり、この場合には、光カプラ６６における合成に際して、２成分のパワーは等しく且つ位相も一致しているので、合成により得られた光はあたかもミラーにより反射されるがごとく第１の光路６２から出力され、第２の光路６４からは出力されない。
光カプラ７２により制御パルスがループ光路６８に導入されると、この制御パルスはループ光路６８の一方向（図では時計回り）にだけ伝搬し、この方向に伝搬する光に対しては、制御パルスがハイレベルのときにだけ非線形光学媒質の非線形屈折率が変化する。従って、プローブパルスの２成分が光カプラ６６で合成されるに際して、制御パルスのハイレベルに同期したプローブパルスの２成分の位相は異なり、制御パルスのローレベルに同期したプローブパルスの２成分の位相は一致する。この位相差をΔΦとすると、光カプラ６６の第２の光路６４には｛１−ｃｏｓ（ΔΦ）｝／２に比例する出力が得られる。従って、位相差ΔΦがπになるように制御パルス（即ち波形整形器３２からの波形整形光）のパワーを調節することによって、制御パルス及びプローブパルスが重複したときにだけ波長λCの光が第２の光路６４から出力され、それ以外のときには出力レベルがローレベルになるような動作が可能になる。
このようにして、光リタイミング器３６（図７参照）に供給された波形整形光に基づいて、クロックパルスに同期した再生信号光が得られるものである。従って、波形整形光から再生信号光への変換には、波長λSからλCへの波長変換を伴う。従って、図７に示される全光信号再生装置は例えば光ネットワークのノードで用いられる波長変換器と兼用することが出来る。この場合、クロック再生器３４（図７参照）で再生されるクロックパルスの波長λCに応じた変換波長を得ることが出来る。
ＮＯＬＭ自身は過飽和吸収特性を有し、従って波形整形機能をも有することになる。パルスの立ち上がり（低パワー部）及びピーク（高パワー部）における非線形（飽和）効果により、これらの部分での波形歪みが圧縮されるので、ＮＯＬＭそれ自身により前述した波形整形器の実施形態におけるのと同様の波形整形の動作が得られるものである。
このような、光ＡＮＤ回路の機能を有する光リタイミング器３６（図７参照）としては、四光波混合器を用いることも出来る。波形整形光或いはクロックパルスをポンプ光とし，ポンプ光のオン／オフに応じて四光波混合を発生させることにより光リタイミングが行われる。四光波混合器の非線形光学媒質として光ファイバが用いられている場合には、その零分散波長をポンプ光の波長に一致させることが位相整合状態を最適化するために有効である。
光通信システムにおける光信号処理に適用可能な非線形光学効果としては、主に、２次非線形光学媒質中の三光波混合或いは、３次非線形光学媒質中の自己位相変調（ＳＰＭ）、相互位相変調（ＸＰＭ）及び四光波混合（ＦＷＭ）等の光カー効果が考えられる。２次非線形光学媒質としては、ＩｎＧａＡｓ及びＬｉＮｂＯ3 等がある。３次非線形光学媒質としては、半導体光アンプ（ＳＯＡ）及び発振状態にある分布帰還レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）等の半導体媒質或いは光ファイバが考えられる。
図８に示されるクロック再生器３４の実施形態或いは図９に示される光リタイミング器３６の実施形態では、特に光ファイバ内の光カー効果が有効である。光ファイバとしては単一モードファイバが適しており、特に波長分散が比較的小さい分散シフトファイバ（ＤＳＦ）が望ましい。
一般に、光ファイバの３次非線形係数γは、
γ＝ωｎ2 ／ｃＡeff ・・・・・（１）
で表される。ここに、ωは光角周波数、ｃは真空中の光速を表し、ｎ2 及びＡeff は光ファイバの非線形屈折率及び有効コア断面積をそれぞれ表す。
従来のＤＳＦの非線形係数はγ＝２．６Ｗ-1ｋｍ-1程度と小さいので、十分な変換効率を得るためには数ｋｍ〜１０ｋｍ以上の長さが必要である。より短尺のＤＳＦで十分な変換効率を実現することができるとすれば、零分散波長を高精度に管理することが可能となり、高速・広帯域な変換を実現することができる。「変換」という語は、信号光からクロックパルスへの変換或いは波形整形光から再生信号光への変換の意味で使用されている。
一般に、光ファイバの３次非線形効果を高めるためには、（１）式において非線形屈折率ｎ2 を大きくし、或いは有効コア断面積Ａeff に対応するモードフィールド径（ＭＦＤ）を小さくして光強度を高くするのが有効である。
非線形屈折率ｎ2 を大きくするためには、例えば、クラッドにフッ素等をドープし或いはコアに高濃度のＧｅＯ2 をドープすればよい。コアにＧｅＯ2 を２５〜３０ｍｏｌ％ドープすることによって、非線形屈折率ｎ2 として５×１０-20 ｍ2 ／Ｗ以上の大きな値が得られている（通常のシリカファイバでは約３．２×１０-20 ｍ2 ／Ｗ）。
一方、ＭＦＤを小さくすることは、コア及びクラッド間の比屈折率差Δ或いはコア形状の設計により可能である。このようなＤＳＦの設計は分散補償ファイバ（ＤＣＦ）の場合と同様である。例えば、コアにＧｅＯ2 を２５〜３０ｍｏｌ％ドープし、且つ、比屈折率差Δを２．５〜３．０％に設定することによって、４μｍよりも小さなＭＦＤが得られている。そして、非線形屈折率ｎ2を大きくすることとＭＦＤを小さくすることとの総合効果として、１５Ｗ-1ｋｍ-1以上の大きな非線形係数γを有する光ファイバ（ＨＮＬ−ＤＳＦ）が得られている。
他に重要な要素として、上述のように大きな非線形係数γを有するＨＮＬ−ＤＳＦが、用いる波長帯で零分散を持つことである。この点に関しても各パラメータを以下のように設定することにより満足することができる。通常のＤＣＦにおいては、一般にＭＦＤを一定にした条件で比屈折率差Δを大きくすると、分散値は正常分散領域で大きくなる。一方、コア径を大きくすると分散は減少し、逆にコア径を小さくすると分散は大きくなる。従って、用いる波長帯においてＭＦＤをある値に設定した状態で、コア径を大きくしていくと分散を０とすることが可能である。
長さＬの光ファイバ中での光カー効果による位相シフトは、γＰP Ｌに比例する。ここに、ＰP は平均ポンプ光パワーである。従って、非線形係数γが１５Ｗ-1ｋｍ-1のファイバは通常のＤＳＦに比べて２．６／１５≒１／５．７程度の長さで同じ変換効率を達成可能である。上述のように通常のＤＳＦでは１０ｋｍ程度の長さが必要であるが、このように大きな非線形係数γを有するＨＮＬ−ＤＳＦにあっては、１〜２ｋｍ程度の長さで同様の効果が得られることになる。実用上は、ファイバが短くなる分損失も小さくなるので、同じ効率を得るために更にファイバを短くすることができる。このように短いファイバにおいては、零分散波長の制御性がよくなり、以下に説明するように極めて広帯域の変換が可能になる。更に、数ｋｍのファイバ長であれば、定偏波化が可能になり偏波面保存能力が確保されているので、ＨＮＬ−ＤＳＦの本発明への適用は、高い変換効率及び広い変換帯域を達成し且つ偏波依存性を排除する上で極めて有効である。
例えば、図９に示されるＮＯＬＭにおいて、光カー効果、特にＸＰＭを有効に発生させて、波形整形光から再生信号光への変換効率を高めるためには、前述のプローブパルスと制御パルスとの間の位相整合をとる必要がある。図９によりこれを説明する。プローブパルスは、光カプラ６６においてループ光路６８を時計回りに伝搬する第１プローブパルスと反時計回りに伝搬する第２プローブパルスとに分岐される。また、制御パルスは、光カプラ７２を通ってループ光路６８内に時計回りに導入される。
ループ光路６８における位相整合条件は、ループ光路６８内を共に時計回りに伝搬する制御パルス及び第１プローブパルスのタイミングの一致性により与えられる。もし、制御パルス及び第１プローブパルスのタイミングが一致しない場合には、ＸＰＭによる光カーシフトが制限され、有効な光ＡＮＤ回路の動作が困難になる。
制御パルス及び第１プローブパルスの波長は異なるので、ループ光路６８における制御パルス及び第１プローブパルスの群速度は異なり、結果としてループ光路６８の長さに比例するタイミングずれが生じる。これを回避するためには、制御パルス及び第１プローブパルスの群速度が一致するような波長配置を選択することが望ましい。
タイミングずれを最小限に抑えるための最も有効な波長配置は、制御パルスの波長λS及び第１プローブパルスの波長λCをループ光路６８の零分散波長に対して実質的に対称に位置させることにより得られる。零分散波長に近い広い帯域に渡って、波長分散はほぼ直線的に変化しており、上述の波長配置により制御パルス及び第１プローブパルスの群速度を一致させて、良好な位相整合条件を得ることができる。
しかし、このような波長配置をとっても、零分散波長自体がファイバ長手方向に変動していると、群速度間にずれが生じ、これが変換帯域及び変換可能な信号速度に制限を与える。このように、ファイバによる変換帯域は分散により制限されることになる。長手方向の分散が完全に制御され、例えば全長（正確には非線形長）に渡り唯一の零分散波長を有するファイバが作られたとすれば、波形整形光の波長λSとクロックパルスの波長λCとをこの零分散波長に関して対称な位置に配置することにより事実上無限大の（分散の波長依存性が直線状である範囲で制限のない程広い）変換帯域が得られることになる。しかし、実際には、零分散波長が長手方向にばらつくため、位相整合条件が理想状態からずれ、これにより帯域が制限される。
広帯域化を実現するための第１の方法は、ＨＮＬ−ＤＳＦを用いることである。ＨＮＬ−ＤＳＦを用いた場合には、１〜２ｋｍ程度の長さで十分な変換が可能になるので、分散の制御性がよくなり、広帯域特性を得やすい。その際、特に光カー効果の発生効率が高い入力端付近の零分散波長のばらつきを小さく抑えることができれば、最も効率よく帯域を拡大可能である。更に、ファイバを複数の小区間に分割し、零分散波長が似ている区間同士をスプライス等により繋ぎ合わせていく（当初のファイバ端から数えた順番とは違う順番で）ことにより、全長における平均分散は同じであるにも係わらず、広い変換帯域を得ることができる。
或いは又、十分広い変換帯域を得るのに必要な程度に高精度な分散制御が可能な長さ（例えば数１００ｍ以下）のファイバを予め多数用意しておき、所要の零分散波長のものを組み合わせてスプライスして、所要の変換効率を得るのに必要な長さのファイバを作ることも可能である。
このようにして変換帯域を拡大する場合には、光強度の高い入力端付近に零分散波長のばらつきの少ない部分を集めるのが有効である。また、必要に応じて順次分割数を増やしたり、入力端から離れた位置で比較的分散の大きな部分では、分散の正負を交互に配置する等により小区間を適切に組み合せることによって、更に変換帯域を拡大することができる。
光ファイバを分割するに際して各区間をどの程度短くすれば十分か否かの目安としては、例えば、非線形長を基準にすればよい。非線形長に比べて十分短いファイバ内でのＦＷＭにおいては、位相整合はそのファイバの平均分散値に依存すると考えることができる。一例として、非線形係数γが２．６Ｗ-1ｋｍ-1のファイバで３０ｍＷ程度のポンプ光パワーを用いたＦＷＭにおいては、非線形長は１２．８ｋｍ程度になるから、その１／１０程度、即ち１ｋｍ程度が１つの目安となる。他の例としては、非線形係数γが１５Ｗ-1ｋｍ-1のファイバで３０ｍＷ程度のポンプ光パワーを用いたＦＷＭにおいては、非線形長は２．２ｋｍ程度になるから、その１／１０程度、即ち２００ｍが１つの目安となろう。いずれにしても、非線形長に比べて十分短いファイバの平均零分散波長を測定し、ほぼ同じ値のものを組み合わせて所要の変換効率のファイバを構成すれば、広い変換帯域を得ることができる。
このように、図９に示される光リタイミング器３６の実施形態においては、非線形光学媒質としてのＨＮＬ−ＤＳＦの零分散波長を波形整形光の波長λSとクロックパルスの波長λCの中間付近に設定することによって、二つのパルス（波形整形光のパルスの一つとクロックパルスの一つ）の間にウォークオフ（Ｗａｌｋ−ｏｆｆ）が発生し難くなる。或いは、零分散波長は二つのパルスよりも長波長側或いは短波長側に設定されても良い。長波長側に設定する場合には、正常分散領域が得られ、変調不安定効果を抑圧可能である。また、短波長側に設定する場合には、異常分散領域が得られ、ソリトン効果を用いることが出来る。零分散波長をどのように設定するかは実際のシステム条件に応じて決定することが出来る。
また、必要に応じて、光フィルタ、光増幅器及び光アイソレータ等を図７に示される構成の前後或いは構成内に設けても良い。
図１０は本発明によるシステムの実施形態を示すブロック図である。このシステムは、信号光を伝送する光ファイバ伝送路７０と、光ファイバ伝送路７０に沿って設けられた複数の（図では二つの）光中継器（Ｒ）７２とを備えている。一つの光中継器が用いられても良い。信号光は光送信機（ＯＳ）７４から光ファイバ伝送路７０に供給され、光ファイバ伝送路７０により伝送された信号光は光受信機（ＯＲ）７６により受信される。
以上説明した本発明の実施形態の少なくとも一つを各光中継器７２に適用することによって、光／電気変換を行うことなしに、所謂３Ｒ機能或いは２Ｒ機能が得られる。ここで、３Ｒは波形等化（Ｒｅｓｈａｐｉｎｇ）、タイミング再生（Ｒｅｔｉｍｉｎｇ）及び識別再生（Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）を意味し、２Ｒはタイミング再生を除く二つを意味する。特に、各光中継器７２にＥＤＦＡ等の光増幅器が含まれている場合には、光増幅器において生じるＡＳＥが累積するので、各光中継器７２に本発明を適用することによって、効果的に波形整形或いは全光信号再生を行うことが出来る。
光ファイバ伝送路７０の出力端において、本発明に従って波形整形或いは全光信号再生を行っても良い。この場合、本発明による種々の実施形態の少なくとも何れか一つが光受信機７６に適用される。受信感度を高めるために、光受信機７６内にＥＤＦＡ等からなる光増幅器が光プリアンプとして設けられていても良い。
図１０に示されるシステムにおいては、光ファイバ伝送路７０における分散や非線形光学効果により信号光の波形が歪んだり、光増幅器による中継伝送に際しての光増幅器のＡＳＥ雑音の累積により信号光の波形が乱れることがある。分散や非線形光学効果による信号光の波形の歪みは、分散補償器或いは非線形補償器を各光中継器７２内或いは光受信機７６内に設けることによって防止することが出来る。また、ＡＳＥ雑音の累積による波形の乱れは、本発明に従って波形整形を行うことによって、有効に防止し得る。従って、本発明と分散補償器或いは非線形補償器との組み合わせは、長距離・超高速の高品質な光伝送システムを構築する上で極めて有効である。なお、非線形補償器としては、位相共役変換を用いたもの等を採用可能である。
しばしば単純に分散と称される波長分散は、光ファイバ内における光信号の群速度が光信号の波長（周波数）の関数として変化する現象である。例えば標準的なシングルモードファイバにおいては、１．３μｍよりも短い波長に対しては、より長い波長を有する光信号がより短い波長を有する光信号よりも速く伝搬し、その結果としての分散は、通常、正常分散と称される。１．３μｍよりも長い波長に対しては、より短い波長を有する光信号がより長い波長を有する光信号よりも速く伝搬し、その結果としての分散は異常分散と称される。
近年、ＥＤＦＡの採用による光信号パワーの増大に起因して、非線形性が注目されている。伝送容量を制限する光ファイバの最も重要な非線形性は光カー効果である。光カー効果は光ファイバの屈折率が光信号の強度に伴って変化する現象である。屈折率の変化は光ファイバ中を伝搬する光信号の位相を変調し、その結果信号スペクトルを変更する周波数チャーピングが生じる。この現象は自己位相変調（self-phase modulation:ＳＰＭ）として知られている。ＳＰＭによってスペクトルが拡大され、波長分散による波形歪みが更に大きくなる。
このように、波長分散及びカー効果は、伝送距離の増大に伴って光信号に波形歪みを与える。従って、光ファイバによる長距離伝送を可能にするためには、波長分散及び非線形性は制御され、補償され或いは抑圧されることが必要である。
波長分散及び非線形性を制御する技術として、主信号のための電子回路を含む再生中継器を用いたものが知られている。伝送路の途中に例えば複数の再生中継器が配置され、各々の再生中継器では、光信号の波形歪みが過剰になる前に光／電気変換、再生処理及び電気／光変換がこの順で行われる。しかし、この方法では、高価で複雑な再生中継器が必要であるとともに、再生中継器が有する電子回路が主信号のビットレートを制限するという問題がある。
波長分散及び非線形性を補償する技術として、光ソリトンが知られている。与えられた異常分散の値に対して精度よく規定された振幅、パルス幅及びピークパワーを有する光信号パルスが発生させられ、それにより光カー効果によるＳＰＭと異常分散とによるパルス圧縮と、分散によるパルス拡がりとがバランスし、光ソリトンはその波形を維持したまま伝搬して行く。
波長分散及び非線形性を補償するための他の技術として、光位相共役の適用がある。例えば、伝送路の波長分散を補償するための方法がヤリフ（Ｙａｒｉｖ）らによって提案されている（A. Yariv, D. Fekete, and D. M. Pepper,“Compensation for channel dispersion by nonlinear optical phase conjugation” Opt. Lett., vol. 4, pp. 52-54, 1979）。伝送路の中間点で光信号が位相共役光に変換され、伝送路の前半で受けた波長分散による波形歪みが伝送路の後半の波長分散による歪みで補償される。
特に、２つの地点での電場の位相変化の要因が同じであり、その要因をもたらす環境変化が２地点の間の光の伝搬時間内で緩やかであるとすれば、２地点の中間に位相共役器（位相共役光発生器）を配置することによって、位相変化は補償される（S. Watanabe,“Compensation of phase fluctuation in a transmission line by optical conjugation ”Opt. Lett., vol. 17, pp. 1355-1357, 1992）。従って、位相共役器の採用によって、ＳＰＭに起因する波形歪みも補償される。しかし、位相共役器の前後で光パワーの分布が非対称である場合には、非線形性の補償が不完全になる。
発明者は、先に、位相共役器を用いる場合に光パワーの非対称性による補償の不完全さを克服するための技術を提案した（S. Watanabe and M. Shirasaki, “Exact compensation for both chromatic dispersion and Kerr effect in a transmission fiber using optical phase conjugation”J. Lightwave Technol., vol. 14, pp. 243-248, 1996 ）。位相共役器は伝送路におけるその前後の分散値又は非線形効果の総量が等しくなる点の近傍に配置され、その前後における種々のパラメータが微小区間ごとに設定される。
光ファイバ及び半導体光増幅器等のような三次の非線形光学媒質を用いて、非縮退四光波混合により位相共役光を発生させることができる。角周波数ωS の信号光と角周波数ωP （ωP ≠ωS ）のポンプ光とがその非線形光学媒質に供給されると、非線形光学媒質内における信号光及びポンプ光の四光波混合に基き、角周波数２ωP −ωS の位相共役光（変換信号光）が発生し、この位相共役光は信号光及びポンプ光と共に非線形光学媒質から出力される。
尚、「非縮退」というのは、信号光の波長とポンプ光の波長とが異なるという意味で用いられている。信号光の波長、ポンプ光の波長及び位相共役光の波長（角周波数）は前述した関係を満たすので、位相共役光の発生と同時に波長変換が行なわれることになる。従って、位相共役変換及び波長変換のための非線形光学媒質としてＨＮＬ−ＤＳＦが用いられている場合には、前述した「変換」の語をこれらの変換に当てはめることにより、高い変換効率及び広い変換帯域を得るための前述の議論はそのまま適用され得る。
図１１は本発明による波形整形器の第４実施形態を示すブロック図である。この波形整形器は、図６に示されるＤＦＢ−ＬＤ２、駆動回路４、プローブ光源６及び光フィルタ２６と、これらにそれぞれ対応するＤＦＢ−ＬＤ２´、駆動回路４´、プローブ光源６´及び光フィルタ２６´とを備えている。ＤＦＢ−ＬＤ２及び２´をカスケード接続（或いはタンデム接続）するために、光フィルタ２６から出力された光がＤＦＢ−ＬＤ２´に入力されるようになっている。
このように本実施形態では、２台のＤＦＢ−ＬＤ２及び２´をカスケード接続しているので、一つのＤＦＢ−ＬＤを用いている場合と比較して波形整形の程度を高めることができる。
ＤＦＢ−ＬＤ２にプローブ光が供給されていることにより、波長λ０の発振レーザ光の生成を有効に抑圧し得る。従ってこの場合、光フィルタ２６を省略してＤＦＢ−ＬＤ２から出力された光を直接ＤＦＢ−ＬＤ２´に入力するようにすれば、プローブ光源６からのプローブ光はＤＦＢ−ＬＤ２を透過した後にＤＦＢ−ＬＤ２´にも供給されるので、プローブ光源６´を省略することができる。又この場合、ＤＦＢ−ＬＤ２´における波長λ０の発振レーザ光の発生が有効に抑圧されていれば、光フィルタ２６´に要求される機能は、波長λPのプローブ光を除去することである。
このように、複数のＤＦＢ−ＬＤをカスケード接続して本発明を実施することによって、効果的に波形整形を行うことができる波形整形器の提供が可能になる。
以上、ＤＦＢレーザが用いられる場合について本発明の実施形態を説明したが、本発明はＤＦＢレーザが用いられることによって限定されない。ＤＦＢレーザ以外のレーザを用いる場合であっても光増幅に関連して利得クランプ状態を得ることができるので、ＤＦＢレーザを用いた場合と同様に信号光の波形整形を行うことができる。例えば、マルチモードで発振するファブリペロ型のレーザダイオードを用いて本発明を実施することができる。この場合、そのレーザダイオードは複数のレーザ発振波長を有するので、波形整形されるべき信号光の波長はそれらのレーザ発振波長とは異なるように設定される。
図１は本発明の原理の説明図である。 図２の（Ａ）及び図２の（Ｂ）はＤＦＢ−ＬＤ（分布帰還型レーザダイオード）の入出力特性の例を示すグラフである。 図３は本発明による波形整形器の第１実施形態を示すブロック図である。 図４は本発明による波形整形器の第２実施形態を示す図である。 図５の（Ａ）は図４に示される各ＤＦＢ−ＬＤの入出力特性を示すグラフ、図５の（Ｂ）は図４に示される波形整形器の入出力特性を示すグラフである。 図６は本発明による波形整形器の第３実施形態を示すブロック図である。 図７は本発明による全光信号再生装置の実施形態を示すブロック図である。 図８は図７に示されるクロック再生器の実施形態を示すブロック図である。 図９は図７に示される光リタイミング器の実施形態を示す図である。 図１０は本発明によるシステムの実施形態を示すブロック図である。 図１１は本発明による波形整形器の第４実施形態を示すブロック図である。
符号の説明
２，２（＃１），２（＃２） ＤＦＢ−ＬＤ
４ 駆動回路
６ プローブ光源
８ 導波路基板
１０ マッハツェンダ干渉器
２４ 位相シフタ
２６ 光フィルタ
２８ 過飽和吸収体
３２ 波形整形器
３４ クロック再生器
３６ 光リタイミング器

Claims (27)

  1. （ａ） レーザ発振可能な波長の範囲として定義される阻止帯域を有する分布帰還（ＤＦＢ）レーザを提供するステップと、
    （ｂ） 上記ＤＦＢレーザが上記阻止帯域に含まれる第１の波長でレーザ発振するように上記ＤＦＢレーザを駆動するステップと、
    （ｃ） 上記阻止帯域に含まれない第２の波長を有する信号光を上記ＤＦＢレーザに入力するステップと、
    （ｄ） 上記阻止帯域に含まれない第３の波長を有する制御光を上記ＤＦＢレーザに入力するステップとを備えた方法。
  2. 請求項１に記載の方法であって、
    上記制御光は実質的に一定のパワーを有している方法。
  3. （ａ） レーザ発振可能な波長の範囲として定義される阻止帯域を有する分布帰還（ＤＦＢ）レーザを提供するステップと、
    （ｂ） 上記ＤＦＢレーザが上記阻止帯域に含まれる第１の波長でレーザ発振するように上記ＤＦＢレーザを駆動するステップと、
    （ｃ） 上記阻止帯域に含まれない第２の波長を有する信号光を上記ＤＦＢレーザに入力するステップとを備えた方法であって、
    上記ＤＦＢレーザは出力飽和特性を有しており、
    上記出力飽和特性に基き上記信号光を波形整形して得られた波形整形光が上記ＤＦＢレーザから出力される方法。
  4. （ａ） レーザ発振可能な波長の範囲として定義される阻止帯域を有する分布帰還（ＤＦＢ）レーザを提供するステップと、
    （ｂ） 上記ＤＦＢレーザが上記阻止帯域に含まれる第１の波長でレーザ発振するように上記ＤＦＢレーザを駆動するステップと、
    （ｃ） 上記阻止帯域に含まれない第２の波長を有する信号光を上記ＤＦＢレーザに入力するステップと、
    （ｄ） 上記ＤＦＢレーザから出力された光を第２のＤＦＢレーザに入力するステップとを備えた方法。
  5. （ａ） 信号光を第１の信号光と第２の信号光に分けるステップと、
    （ｂ） 第１の出力飽和特性を有する第１の分布帰還（ＤＦＢ）レーザに上記第１の信号光を入力するステップと、
    （ｃ） 上記第１の出力飽和特性と異なる第２の出力飽和特性を有する第２の分布帰還（ＤＦＢ）レーザに上記第２の信号光を入力するステップと、
    （ｄ） 上記第１の出力飽和特性に従って上記第１のＤＦＢレーザから出力された第１の波形整形光と上記第２の出力飽和特性に従って上記第２のＤＦＢレーザから出力された第２の波形整形光とを加え合せるステップとを備えた方法。
  6. 請求項５に記載の方法であって、
    上記ステップ（ｄ）において上記第１の波形整形光と上記第２の波形整形光の差信号としての出力信号光が得られるように上記第２の波形整形光に位相シフトを与えるステップを更に備えた方法。
  7. レーザ発振可能な波長の範囲として定義される阻止帯域を有する分布帰還（ＤＦＢ）レーザと、
    上記ＤＦＢレーザが上記阻止帯域に含まれる第１の波長でレーザ発振するように上記ＤＦＢレーザに駆動電流を供給する駆動回路とを備え、
    上記阻止帯域に含まれない第２の波長を有する信号光が上記ＤＦＢレーザに入力する装置であって、
    上記阻止帯域に含まれない第３の波長を有する制御光を上記ＤＦＢレーザに入力する光源を更に備えた装置。
  8. 請求項７に記載の装置であって、
    上記信号光はハイレベル及びローレベルを有し、
    上記制御光のパワーは、上記信号光の上記ローレベルでの雑音の増加が抑圧されるように設定される装置。
  9. 請求項７に記載の装置であって、
    上記ＤＦＢレーザの出力に光学的に接続され、上記第２の波長を含み上記第１及び第３の波長を含まない通過帯域を有する光フィルタを更に備えた装置。
  10. レーザ発振可能な波長の範囲として定義される阻止帯域を有する分布帰還（ＤＦＢ）レーザと、
    上記ＤＦＢレーザが上記阻止帯域に含まれる第１の波長でレーザ発振するように上記ＤＦＢレーザに駆動電流を供給する駆動回路とを備え、
    上記阻止帯域に含まれない第２の波長を有する信号光が上記ＤＦＢレーザに入力する装置であって、
    上記ＤＦＢレーザの出力に光学的に接続され、上記第２の波長を含み上記第１の波長を含まない通過帯域を有する光フィルタを更に備えた装置。
  11. レーザ発振可能な波長の範囲として定義される阻止帯域を有する分布帰還（ＤＦＢ）レーザと、
    上記ＤＦＢレーザが上記阻止帯域に含まれる第１の波長でレーザ発振するように上記ＤＦＢレーザに駆動電流を供給する駆動回路とを備え、
    上記阻止帯域に含まれない第２の波長を有する信号光が上記ＤＦＢレーザに入力する装置であって、
    上記ＤＦＢレーザの入力及び出力の少なくとも一方に光学的に接続された過飽和吸収体を更に備えた装置。
  12. レーザ発振可能な波長の範囲として定義される阻止帯域を有する分布帰還（ＤＦＢ）レーザと、
    上記ＤＦＢレーザが上記阻止帯域に含まれる第１の波長でレーザ発振するように上記ＤＦＢレーザに駆動電流を供給する駆動回路とを備え、
    上記阻止帯域に含まれない第２の波長を有する信号光が上記ＤＦＢレーザに入力する装置であって、
    上記ＤＦＢレーザは、第１の出力飽和特性を有する第１のＤＦＢレーザと、上記第１の出力飽和特性と異なる第２の出力飽和特性を有する第２のＤＦＢレーザとからなり、
    上記信号光を上記第１のＤＦＢレーザに入力される第１の信号光と上記第２のＤＦＢレーザに入力される第２の信号光とに分ける第１の光カプラと、
    上記第１の出力飽和特性に従って上記第１のＤＦＢレーザから出力された第１の波形整形光と上記第２の出力飽和特性に従って上記第２のＤＦＢレーザから出力された第２の波形整形光とを加え合せる第２の光カプラとを更に備えた装置。
  13. 請求項１２に記載の装置であって、
    上記第１の波形整形光と上記第２の波形整形光の差信号としての出力信号光が得られるように上記第２の波形整形光に位相シフトを与える位相シフタを更に備えた装置。
  14. 信号光を第１の信号光と第２の信号光に分ける第１の光カプラと、
    第１の出力飽和特性を有し、上記第１の信号光が入力される第１の分布帰還（ＤＦＢ）レーザと、
    上記第１の出力飽和特性と異なる第２の出力飽和特性を有し、上記第２の信号光が入力される第２の分布帰還（ＤＦＢ）レーザと、
    上記第１の出力飽和特性に従って上記第１のＤＦＢレーザから出力された第１の波形整形光と上記第２の出力飽和特性に従って上記第２のＤＦＢレーザから出力された第２の波形整形光とを加え合せる第２の光カプラとを備えた装置。
  15. 請求項１４に記載の装置であって、
    上記第１の波形整形光と上記第２の波形整形光の差信号としての出力信号光が得られるように上記第２の波形整形光に位相シフトを与える位相シフタを更に備えた装置。
  16. 請求項１４に記載の装置であって、
    上記第１及び第２の光カプラは導波路基板上に形成されたマッハシェンダ干渉器により提供される装置。
  17. 信号光を第１の信号光と第２の信号光に分ける光分岐部と、
    上記第１の信号光を受け、受けた第１の信号光を波形整形して得られた波形整形光を出力する波形整形器と、
    上記第２の信号光を受け、受けた第２の信号光に基きクロックパルスを再生するクロック再生器と、
    上記波形整形光及び上記クロックパルスを受け、上記クロックパルスに基き上記波形整形光のタイミングを補正して得られた再生信号光を出力する光リタイミング器とを備え、
    上記波形整形器は、
    レーザ発振可能な波長の範囲として定義される阻止帯域を有し、上記第１の信号光が入力される分布帰還（ＤＦＢ）レーザと、
    上記ＤＦＢレーザが上記阻止帯域に含まれる第１の波長でレーザ発振するように上記ＤＦＢレーザに駆動電流を供給する駆動回路とを備えており、
    上記信号光は上記阻止帯域に含まれない第２の波長を有している装置。
  18. 請求項１７に記載の装置であって、
    上記クロック再生器は上記第２の信号光が導入されるリングレーザを含み、
    上記第２の信号光に基く上記リングレーザのモードロックにより上記クロックパルスが再生される装置。
  19. 請求項１７に記載の装置であって、
    上記波形整形器は非線形ループミラーを含む装置。
  20. 信号光を伝送する光ファイバ伝送路と、
    上記光ファイバ伝送路に沿って設けられた少なくとも一つの光中継器とを備え、
    上記少なくとも一つの光中継器の各々は、
    レーザ発振可能な波長の範囲として定義される阻止帯域を有し、上記光ファイバ伝送路により伝送された信号光が供給される分布帰還（ＤＦＢ）レーザと、
    上記ＤＦＢレーザが上記阻止帯域に含まれる第１の波長でレーザ発振するように上記ＤＦＢレーザに駆動電流を供給する駆動回路とを含み、
    上記信号光は上記阻止帯域に含まれない第２の波長を有しているシステム。
  21. 信号光を伝送する光ファイバ伝送路と、
    上記光ファイバ伝送路の出力端に接続された光受信機とを備え、
    上記光受信機は、
    レーザ発振可能な波長の範囲として定義される阻止帯域を有し、上記光ファイバ伝送路により伝送された信号光が供給される分布帰還（ＤＦＢ）レーザと、
    上記ＤＦＢレーザが上記阻止帯域に含まれる第１の波長でレーザ発振するように上記ＤＦＢレーザに駆動電流を供給する駆動回路とを含み、
    上記信号光は上記阻止帯域に含まれない第２の波長を有しているシステム。
  22. 信号光が通過するようにカスケード接続された複数の分布帰還（ＤＦＢ）レーザを備え、
    上記各ＤＦＢレーザはレーザ発振可能な波長の範囲として定義される阻止帯域を有し、
    上記各ＤＦＢレーザは上記阻止帯域に含まれる第１の波長でレーザ発振するように駆動され、
    上記信号光は上記阻止帯域に含まれない第２の波長を有している装置。
  23. 出力飽和特性を有する分布帰還（ＤＦＢ）レーザを提供するステップと、
    上記ＤＦＢレーザに信号光を入力するステップと、
    上記出力飽和特性に基き上記信号光を波形整形して得られた波形整形光を上記ＤＦＢレーザから出力するステップとを備えた方法。
  24. 第１の波長でレーザ発振する分布帰還（ＤＦＢ）レーザを提供するステップと、
    上記第１の波長と異なる第２の波長を有する信号光を上記ＤＦＢレーザに入力するステップと、
    上記ＤＦＢレーザ内で上記信号光が波形整形されるように上記信号光のパワーを調節するステップとを備えた方法。
  25. 分布帰還（ＤＦＢ）レーザと、
    上記ＤＦＢレーザが第１の波長でレーザ発振するように上記ＤＦＢレーザに駆動電流を供給する駆動回路とを備え、
    上記第１の波長と異なる第２の波長を有する信号光が上記ＤＦＢレーザに入力され、
    上記信号光が上記ＤＦＢレーザ内で波形整形されるように上記信号光のパワーが調節されている装置。
  26. レーザダイオードに対しレーザ光を発光する状態まで電流を供給し、
    該レーザダイオードが出力する光の波長と異なる光をレーザダイオードに入射させることで光波形整形を行うことを特徴とする光波形整形方法。
  27. レーザダイオードと、
    該レーザダイオードにレーザ光を発光する状態まで電流を供給する電流供給手段と、
    該レーザダイオードが出力する光の波長と異なる光をレーザダイオードに入射する光入力手段とを有する光波形整形装置。
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