JP2005064871A - 光信号処理装置および光信号処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高ビットレートのペイロードを有する光パケット信号に付与されている高ビットレートの光ラベルの交換を可能とする光信号処理装置および光信号処理方法を提供すること。
【解決手段】 入力光信号列である光ラベル１０ａを２分岐する光分波器２１と、光ラベル１０ａの一方の光信号列を入力として入力光信号列にタイミング同期した単一の光パルスを発生する単一光パルス発生器２２と、この単一光パルスを用いて光ラベル１０ａの他方の入力光信号列をパラレル展開する光−光型シリアル・パラレル変換器２３と、並列光信号を並列電気信号に変換する光電変換器２４と、この並列電気信号を処理して新たな光ラベル１０ａ´に対応する並列電気信号を出力する電子回路２５と、単一光パルス発生器２２から出力された単一光パルスを用いて並列電気信号を新たなシリアル光信号列に再構築する電気−光型パラレル・シリアル変換器２６と、を備えている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光信号処理装置および光信号処理方法に関し、より詳細には、高ビットレートの光パケット信号に付与されている光ラベルの交換機能を有する光信号処理装置およびそれを実現するための光信号処理方法に関する。

MPLS（Multi Protocol Label Switching）等のラベルスイッチング技術に基づいて柔軟な光パケット通信ネットワークを実現するためには、ネットワーク内のノードにおける光ラベル交換技術が不可欠である。ここで、光ラベル交換技術とは、ノードに入力した光パケット信号に貼付された光ラベルを認識・解読し、次のノードに光パケット信号をフォワーディングする前に新たな光ラベルを付与して光ラベルの付替えを行う技術である。

このような光ラベルの交換方法としては、例えば、光ラベルのコーディング法としてサブキャリア方式を採用し、サブキャリア変調による光ラベルの貼付と周波数フィルタリングによる光ラベルの消去とを逐次実行する方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

特開２００２−１４８５７４号公報 特開２００２−１３５２０８号公報 J. Cao et. al., "Error-Free Multi-Hop Cascade Operation of Optical Label Switching Routers with All-Optical Label Swapping" Proceedings of OFC2003, FS1 (March 28, 2003).

しかしながら、光ラベルのコーディング法であるサブキャリア方式においては、光パケットの主情報を伝達する信号列（ペイロード）に対して割当て可能な周波数帯域が、サブキャリアの使用する周波数帯域から分離された、低い周波数帯域に制限されるため、ペイロードの高ビットレート化が難しいという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、４０Ｇｂｉｔ／ｓを超える高いビットレートのペイロードを有する光パケット信号に付与されている光ラベルの交換を可能とする光信号処理装置およびそれを実現するための光信号処理方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、入力されたシリアル光信号列を２分岐する光分波手段と、当該２分岐されたシリアル光信号列の一方が入力され、当該シリアル光信号列にタイミング同期した単一の光パルスを発生する単一光パルス発生手段と、前記２分岐されたシリアル光信号列の他方が入力され、前記単一光パルス発生手段から出力された単一光パルスを用いて前記シリアル光信号列をパラレル展開する光−光型シリアル・パラレル変換手段と、当該光−光型シリアル・パラレル変換手段によりパラレル展開された光信号をパラレル電気信号に変換する光電変換手段と、当該パラレル電気信号を処理して新たなシリアル光信号列に対応付けられたパラレル電気信号を出力する電子回路と、前記単一光パルス発生手段から出力された単一光パルスを用いて、前記新たなシリアル光信号列に対応付けられたパラレル電気信号を新たなシリアル光信号列に再構築して出力する電気−光型パラレル・シリアル変換手段と、を備えていることを特徴とする光信号処理装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光信号処理装置において、前記単一光パルス発生手段は、入力光信号列の先頭パルスを検知して所定の電圧値をホールドしたステップ状電気信号を発生するサンプルホールド回路と、当該ステップ状電気信号の立ち上がりエッジを検出して単一の電気パルス信号を発生する電気パルス発生手段と、当該電気パルス信号の変調信号に基づいて前記入力光信号列の先頭パルスにタイミング同期した単一の光パルスを発生する半導体レーザダイオードと、を備えていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の光信号処理装置において、前記単一光パルス発生手段は、２分岐された入力光信号列の一方が入力され、当該入力光信号列の先頭パルスを検知して所定の電圧値をホールドしたステップ状電気信号を発生するサンプルホールド回路と、当該ステップ状電気信号の立ち上がりエッジを検出して単一の電気パルス信号を発生する電気パルス発生手段と、前記２分岐された入力光信号列の他方と前記電気パルス信号とが入力され、当該電気パルス信号に基づいて、前記他方の入力光信号列の先頭パルスを抽出して出力する強度光変調手段と、を備えていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の光信号処理装置において、前記単一光パルス発生手段は、第１および第２の２つの単一パルス発生手段で構成され、当該第１および第２の単一パルス発生手段の各々は、請求項２または請求項３に記載の単一パルス発生手段の何れかの互いに異なる構成を有し、前記第１の単一パルス発生手段は前記光−光型シリアル・パラレル変換手段に単一光パルスを供給する一方、前記第２の単一パルス発生手段は前記電気−光型シリアル・パラレル変換手段に単一光パルスを供給すること、を特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れかに記載の光信号処理装置において、前記パラレル電気信号と前記新たなシリアル光信号列との対応付けは、外部から書き換え可能な照合テーブルによりなされるものであることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５の何れかに記載の光信号処理装置において、前記シリアル光信号列は光ラベルを構成要素として含み、前記光信号処理装置は当該光ラベルの交換を行うものであることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、複数のフラクションから構成される有限長のシリアル光信号列を処理する光信号処理システムであって、入力光信号列を２分岐する光分波手段と、当該２分岐された光信号列の一方が入力され、当該光信号列にタイミング同期した矩形波電気信号を発生する電気パルス発生手段と、前記２分岐された光信号列の他方が入力され、前記電気パルス発生手段からの制御信号に基づいて、前記光信号列を２つのフラクションに分離して出力する光スイッチと、当該光信号列の２つのフラクションの一方が入力される請求項１乃至６の何れかに記載の光信号処理装置と、前記光スイッチから出力される前記光信号列の他方のフラクションと、前記光信号処理装置から出力される光信号列とを合波して出力する合波手段と、を備えていることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、光信号処理方法であって、入力されたシリアル光信号列を２分岐する第１のステップと、当該２分岐されたシリアル光信号列の一方を単一光パルス発生手段に入力し、前記シリアル光信号列にタイミング同期した単一の光パルスを発生する第２のステップと、前記単一光パルス発生手段から出力された単一光パルスに基づいて、前記２分岐されたシリアル光信号列の他方をパラレル展開する第３のステップと、当該パラレル展開された光信号列をパラレル電気信号に変換する第４のステップと、当該パラレル電気信号を処理して新たなシリアル光信号列に対応付けられたパラレル電気信号を出力する第５のステップと、前記単一光パルス発生手段から出力された単一光パルスに基づいて、前記新たなシリアル光信号列に対応付けられたパラレル電気信号を新たなシリアル光信号列に再構築して出力する第６のステップと、を備えていることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の光信号処理方法において、前記単一光パルス発生手段は、第１および第２の２つの単一パルス発生手段で構成され、当該第１および第２の単一パルス発生手段の各々は、請求項２または請求項３に記載の単一パルス発生手段の何れかの互いに異なる構成を有し、前記第３のステップにおけるシリアル光信号列のパラレル展開は、前記第１または第２の単一パルス発生手段の一方から供給される単一光パルスに基づいて実行され、前記第６のステップにおけるシリアル光信号列の再構築は、前記第１または第２の単一パルス発生手段の他方から供給される単一光パルスに基づいて実行されることを特徴とする。

サブキャリア方式におけるペイロードのビットレートはラベルコーディングの変調帯域に制限されたが、本発明の光信号処理方法によればかかる制限をなくすることができる。

本発明によれば、光ラベルの従来のコーディング方式であるサブキャリア方式では実現困難であった４０Ｇｂｉｔ／ｓを超えるぺイロードを有する光パケット信号に付与されている４０Ｇｂｉｔ／ｓを超える光ラベルの交換を可能とする光信号処理装置と光信号処理方法とを提供することができる。

また、本発明によれば、ペイロードに対してはトランスペアレント（光電変換や信号処理を行わない）な一方、光ラベルに対してのみ光電変換と信号処理を行う、効率の良い光ラベル交換を実行可能な装置と方法を提供することができる。

また、本発明によれば、出力光ラベル信号列を構成する光パルスの性質（波長、強度、パルス幅、偏波）を、入力光ラベル信号列を構成する光パルスの性質を保持した同一のものとすることができる。

また、本発明によれば、入力光ラベル信号列を構成する光パルスの性質（波長、強度、パルス幅、偏波）が不確定な場合であっても、出力光ラベル信号列を構成する光パルスの性質を新たに定義することもできる。

さらに、本発明によれば、随時書き換え可能な照合テーブルを用いた柔軟な光ラベル交換を可能とする装置と方法を提供することができる。

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の光信号処理装置を用いたシステム（装置）の基本構成例を説明するための図で、この図では、光信号処理システムが処理すべき光信号が、ペイロードとこのペイロードに付与された光ラベルとから構成される有限長シリアル光信号列（光パケット）である場合を例として説明している。なお、本明細書においては入力光信号列の構成要素が光ラベルであるものとして説明するが、入力光信号列はシリアル光信号列であればよく必ずしも光ラベルをその構成要素とするものである必要はない。

図中において、１０は光信号処理装置に入力される入力光信号（入力光パケット）であり、光ラベル１０ａとペイロード１０ｂとから構成される。１１は入力された光パケット１０を２分岐する光分波器であり、１２は２分岐された光パケットの一方を入力としてこの入力光パケットにタイミング同期した矩形波電気信号を発生する電気パルス発生器である。この電気パルス発生器１２は入力光パケットの先頭パルスにタイミング同期した単一の電気パルスを発生する。

１３は光分波器１１により２分岐された光パケットの他方を入力としてこの入力光パケット１０のペイロード１０ｂと光ラベル１０ａとを分離し各々を出力する２つの出力ポートを備えている１×２スイッチで、時間的に変化する制御電圧の値に応じてペイロード１０ｂと光ラベル１０ａとを各々の出力ポートに時間的に振り分けて出力する。図１に示した構成の光信号処理システムでは、このための制御電圧として電気パルス発生器１２からの出力が用いられている。

１４は１×２スイッチ１３により分離された光ラベル１０ａを入力し新たな光ラベル１０ａ´を出力する光ラベル交換装置であり、１５は光ラベル交換装置１４から出力された新たな光ラベル１０ａ´と１×２スイッチ１３から出力されたペイロード１０ｂとを合波して出力光信号(出力光パケット）１０´として出力する光合波器である。

図２は、本発明の光信号処理システムが備える光ラベル交換装置の第１の構成例を説明するための図である。この光ラベル交換装置１４は、入力光信号列である光ラベル１０ａを２分岐する光分波器２１ａと、２分岐された光ラベル１０ａの一方の光信号列を入力として入力光信号列にタイミング同期した単一の光パルスを発生する単一光パルス発生器２２と、単一光パルス発生器２２から出力された単一光パルスを２分岐する光分波器２１ｂと、２分岐された光ラベル１０ａの他方の入力光信号列を単一光パルス発生器２２から出力された単一光パルスを用いて空間的にパラレルに展開する光−光型シリアル・パラレル変換器２３と、光−光型シリアル・パラレル変換器２３によりパラレルに展開された並列光信号を並列電気信号に変換する光電変換器２４と、光電変換器２４により変換された並列電気信号を処理して新たな光ラベル１０ａ´に対応する並列電気信号を出力する電子回路２５と、単一光パルス発生器２２から出力された単一光パルスを用いて、電子回路２５から出力された並列電気信号を新たなシリアル光信号列に再構築して新たな光信号列を出力する電気−光型パラレル・シリアル変換器２６と、を備えている。

この光ラベル交換装置１４は、図示しない各々１個の入力端子と出力端子とを有しており、ｎビットのシリアル光信号列（光ラベル１０ａ）が入力されると、入力光ラベル１０ａは光分波器２１により２分岐され、一方が単一光パルス発生器２２へ、他方が光−光型シリアル・パラレル変換器２３へと導かれる。

単一光パルス発生器２２は光ラベル１０ａの先頭パルスにタイミング同期した単一の光パルスを出力し、この光パルスが光分波器２１ｂによって２分岐され、その一方は光−光型シリアル・パラレル変換器２３に対する制御光パルスとされる一方、他方は電気−光型パラレル・シリアル変換器２６に対する単一光パルス入力とされる。この時、固定された光遅延器２７を用いて、光−光型シリアル・パラレル変換器２３への光ラベル１０ａの入力タイミングを調整することにより、光−光型シリアル・パラレル変換における時間窓のタイミングを、制御光パルスの入力タイミングに合致させる。この時間窓のタイミング調整により、光ラベル１０ａの光−光型シリアル・パラレル変換を正しく実行させる。

光−光型シリアル・パラレル変換器２３によりパラレルに展開された光ラベル１０ａは、光電変換器２４により並列電気信号に変換されて電子回路２５に入力される。電子回路２５では、光ラベル１０ａのパタンの認識と、その認識結果に基づくｎビットの新たな光ラベルパタンの発生を並列電気信号の形態で実行する。

電気−光型パラレル・シリアル変換器２６には、電子回路２５が出力するｎチャンネルの並列電気信号が入力され、単一光パルス発生器２２から供給された単一の光パルスに同期して、ｎビットのシリアル光ラベル信号（新たな光ラベル１０ａ´）が再構築される。この時、電気−光型パラレル・シリアル変換器２６に供給する単一光パルスの入力タイミングを、電子回路２５から入力される並列電気信号の値が確定するタイミングまで光遅延器２８により遅延させることにより、新たな光ラベル１０ａ´の電気−光型パラレル・シリアル変換を正しく実行させる。この遅延値は、光−光型シリアル・パラレル変換器２３での光−光型シリアル・パラレル変換、光電変換器２４での光電変換、および電子回路２５での信号処理時間の和にほぼ等しく設定される。なお、電子回路２５での処理アルゴリズムが同一の場合は、確定した一定値とすることができる。

図３は、単一光パルス発生器２２の構成例（特許文献１参照）を説明するための図で、この単一光パルス発生器２２は、サンプルホールド回路３１により発生したステップ状電気信号に基づいて、立ち上がりエッジ検出型の電気パルス発生回路３２により電気パルスを発生させ、このパルス状の変調信号により半導体レーザダイオード３３を駆動させることで単一光パルス出力を得る構成とされている。このような構成の単一光パルス発生器を用いることにより、入力した光信号列の先頭パルスにタイミング同期した単一の光パルスを発生すること、換言すれば、入力光信号列の先頭パルスの入力タイミングと単一光パルスの出力タイミングとの間に生じる時間遅延を確定した一定値とすることが可能となる。この場合、出力光パルスの性質（波長、強度、パルス幅、偏波）は、入力信号とは無関係に新たに定義された確定値であることが特徴である。

上述したように、図２に示した構成の光ラベル交換装置の光信号の入力部である単一光パルス発生器２２は、入力光信号と出力光信号との間に発生する遅延時間として固有の一定値をもち、また、後述するように、この光ラベル交換装置の光信号の出力部である電気−光型パラレル・シリアル変換器２６も、入力光信号と出力光信号との間に発生する遅延時間として固有の一定値をもつ。さらに、電気−光型パラレル・シリアル変換器２６は、単一光パルス発生器２２の出力光信号を入力とし、かつ、単一光パルス発生器２２と電気−光型パラレル・シリアル変換器２６との間に挿入される光遅延器２８は確定した一定の遅延時間を有する固定遅延器である。従って、図２に示した構成の光ラベル交換装置１４は、その入力端子における信号入力のタイミングと出力端子における信号出力のタイミングとの間に、確定した一定の遅延値を有することを特徴とするものである。

また、この光ラベル交換装置１４が備える単一光パルス発生器２２を、入力光パルスとは別の新たな光パルスを発生する独立光源を用いる構成とすることにより、入力光ラベル信号列を構成する光パルスの性質（波長、強度、パルス幅、偏波）が不確定な場合であっても、出力光ラベル信号列を構成する光パルスの性質を、新たに定義された確定値を有するようにすることができる。

図３に示した単一パルス発生器の構成に替えて、図４に示す構成としてもよい（特許文献２参照）。この図に示した構成の単一光パルス発生器２２は、２分岐した入力信号の一方をサンプルホールド回路３１に入力し、発生したステップ状電気信号に基づいてその立ち上がりエッジを検出することにより電気パルス発生回路３２により電気パルスを発生させ、この電気パルスにより駆動される強度光変調器３４により２分岐した他方の入力信号から先頭パルスのみを透過させて単一光パルス出力とする構成である。

単一光パルス発生器２２をこのように構成すると、入力した光信号列の先頭パルスにタイミング同期した単一の光パルスを発生させること、すなわち、入力光信号列の先頭パルスの入力タイミングと単一光パルスの出力タイミングの間に生じる時間遅延を確定した一定値とすることができる。この場合、出力光パルスの性質（波長、強度、パルス幅、偏波）は、入力光信号列の先頭パルスの性質がそのまま保持されて両者の性質は同一となるとの特徴が得られる。なお、強度に関しては確定した一定損失を被ることとなる。

図４に示した構成の単一光パルス発生器を備えた光ラベル交換装置においても、図３に示した構成の単一光パルス発生器を備えた光ラベル交換装置と同様に、その入力端子における信号入力のタイミングと出力端子における信号出力のタイミングとの間に、確定した一定の遅延値を有するとの特徴が得られる。

一方、図４に示した構成の単一光パルス発生器を備えた光ラベル交換装置は、図３に示した構成の単一光パルス発生器を備えた光ラベル交換装置とは異なり、図４に示した単一光パルス発生器が、変換前の光ラベルの先頭パルスを透過させて抽出する構成であることにより、出力光ラベル信号列を構成する光パルスの性質（波長、強度、パルス幅、偏波）は、入力光ラベル信号列を構成する光パルスの性質が保持された同一の性質であることを特徴とする（強度に関しては、確定した一定の損失を被ることを特徴とする）。

図５は、本発明の光信号処理装置が備える光ラベル交換装置の第２の構成例を説明するための図である。この光ラベル交換装置１４は、図２に示した構成の光ラベル変換装置において、単一光パルス発生器を第１および第２の２つの単一パルス発生器で構成とされている。

すなわち、この光ラベル変換装置では、光分波器２１で２分岐された光ラベル１０ａの一方の光信号列を光分波器２９で２分岐し、一方の光ラベル信号列を第１の単一光パルス発生器２２ａに入力し、他方の光ラベル信号列を第２の単一光パルス発生器２２ｂに入力する。ここで、第１の単一光パルス発生器２２ａは、図４または図５に示した構成のうちの一方の構成とし、第２の単一光パルス発生器２２ｂは、図４または図５に示した構成のうちの第１の単一光パルス発生器２２ａとは異なる他方の構成とする。そして、第１の単一光パルス発生器２２ａは光−光型シリアル・パラレル変換器２３に対して制御光パルスを供給し、第２の単一光パルス発生器２２ｂは電気−光型パラレル・シリアル変換器２８に対して単一光パルスの供給を行う。

図５に示した構成の光ラベル交換装置においても、図２に図示した構成の光ラベル交換装置と同様の原理により、その入力端子における信号入力のタイミングと出力端子における信号出力のタイミングとの間に、確定した一定の遅延値を有するという特徴がある。

さらに、図５に示す構成の光ラベル交換装置は、光−光型シリアル・パラレル変換器２３と電気−光型パラレル・シリアル変換器２６に対して各々独立に単一光パルスを供給する２個の単一光パルス発生器（２２ａ、２２ｂ）を備えているため、これらのパラレル・シリアル変換器（２３、２６）に供給する２つの単一光パルスの性質を互いに異なるものとすることが可能となる。この特徴は、用いられる光−光型シリアル・パラレル変換器の種類に応じた最適な性質を有する制御光を供給することと、適用されるべき光通信システムに適した性質を有する出力光信号を得ることの、両立を可能とする。

例えば、後述する図６に示すような光−光型シリアル・パラレル変換器を用いて光ラベル変換装置を構成する場合には、供給する制御光パルスの偏光状態を、確定した方向を有する直線偏波とすることが望ましい。この場合には、制御光パルスを発生する第１の単一光パルス発生器２２ａを図３に示した構成とすればよい。一方、新たに生成する光ラベルの波長やパルス幅を、変換前の光ラベルのそれと同一に保持させたい場合には、電気−光型パラレル・シリアル変換器２６に対して光パルスを供給する第２の単一光パルス発生器２２ｂを図４に示した構成とすればよい。

図６および図７は、本発明の光ラベル変換装置が備える光−光型シリアル・パラレル変換器（図６）および電気−光型パラレル・シリアル変換器（図７）の構成例を説明するための図である（特許文献１参照）。

図６に示す光−光型シリアル・パラレル変換器は、入力するｎビットシリアル光信号列をｎ本に分波する１対ｎ光分波器６１と、光分波器６１により分波された各々の光に対応するｎ個の光遅延器６２と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）６３と、１／４波長板（λ／４板）６４と、集光レンズ６５と、反射型の面型光−光スイッチ６６とから構成されている。

入力光信号はｎビットのシリアル光パルス信号列であり、この入力信号は光分波器６１によりｎ本に分波され、それぞれの光波が１ビット分づつ時間的にずれるように各光遅延器（６２_１、６２_２、・・・６２_ｎ）により遅延される。この場合、元のシリアル光信号のｎ個のビットの光パルスが、ｎ本の並列光信号の中に１つずつ含まれる時間窓６７が存在する。この時間窓６７にタイミングを一致させた単一の光パルスを制御光として、並列光信号とともにＰＢＳ６３に入力する。並列光信号と制御光とは、ＰＢＳ６３を通過するように予め直線偏光に設定されており、ＰＢＳ６３を通過して集光レンズ６５により面型光−光スイッチ６６の一点に照射される。なお、制御光は、ＰＢＳ６３と集光レンズ６５との間に配置されるλ／４板６４により円偏光に変換されて面型光−光スイッチ６６に照射される。

面型光−光スイッチ６６は、半導体多重量子井戸構造における可飽和吸収現象を利用したスイッチである。円偏光の制御光は「上向き」または「下向き」の何れかのスピンを有するキャリア（電子正孔対）のみを選択的に励起するため、それに対応して、各信号光は「右回り」または「左回り」の何れかの円偏光成分のみの反射係数が増大する。その結果、光スイッチ６６から反射された信号光は楕円偏光状態となる。ここで、多重量子井戸構造は、低温成長とＢｅドーピングにより、励起キャリアの寿命を１〜１０ｐｓ以下に高速化しているため、４０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の超高ビットレートの光信号に対して、制御光と同じ時間窓６７の中に存在する信号光に対してのみの、楕円偏光への変換が実行される。

時間窓６７の外にある信号光は、そもそも大部分が光スイッチ６６内部で吸収されるが、吸収しきれずに反射されてＰＢＳ６３に入射した信号光も、その偏光状態は元の直線偏光のままであるため、ＰＢＳ６３を透過して図中の左方の経路へと戻る。一方、時間窓６７内のｎ個のピットの信号光は楕円偏光に変換されて反射されるため、元の直線偏光と直交する直線偏光成分を含み、その直交成分がＰＢＳ６３で反射されｎチャンネルの並列光信号として空間的にパラレルに展開されて出力される。この並列出力信号には、時間窓６７の外の信号は全く含まれていないため、極めて高い消光比が得られる。

このようにして、ｎビットシリアル光信号をｎチャンネルパラレル電気信号に変換するための光−光型シリアル・パラレル変換器を構成することができる。なお、２個の光−光スイッチを用いることにより、入力信号に対する偏波無依存化を図ることも可能である。

図７に示す電気−光型パラレル・シリアル変換器は、入力光信号をｎ本に分波する１対ｎ光分波器７１と、ｎチャンネルの並列入力電気信号により個別に駆動されるｎ個の光変調器７２と、光変調器の各々に対応して設けられる光遅延器７３と、ｎ本の並列の光信号を１本に合波するｎ対１光合波器７４とから構成されている。

入力光信号である単一光パルスは、分波器７１によりｎ本に分波され、ｎ個の並列光パルスが生成される。これらのｎ個の光パルスの各々は、ｎチャンネルの並列入力電気信号のうちの１チャンネルの信号により、光変調器（７２_１、７２_２、７２_３、・・・７２_ｎ）を用いて強度変調される。強度変調されたｎ個のパルス信号は、それぞれが１ビット分ずつ時間的にずれるように光遅延器（７３_１、７３_２、７３_３、・・・７３_ｎ）により遅廷された後に合波器７４により合波される。

このようにして、ｎチャンネルのパラレル電気信号をｎビットシリアル光信号に変換する、電気−光型パラレル・シリアル変換器が構成される。ここで、単一光パルスの入力タイミングとｎビットシリアル光信号の出力タイミングとの間に生じる時間遅延が、用いられる光変調器７２や接続ファイバの長さにより決定される確定した一定値となることが特徴である。

なお、本発明の光信号処理装置が備える光−光型シリアル・パラレル変換器および電気−光型パラレル・シリアル変換器は、図６および図７に図示した構成のものに限定されるものではない。

また、これまでの説明では、出力光ラベル信号列を構成する光パルスの性質（波長、強度、パルス幅、偏波）の全てを、一括して、入力光パルスの性質と無関係に新たに定義する方法や、入力光パルスの性質と同一とする方法について示したが、例えば、電気−光型パラレル・シリアル変換器からの出力をＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier）などを利用した波長変換器により波長変換してから出力端子に導く構成とすることにより、出力光ラベル信号列を構成する光パルスの性質の一部分のみ（この場合は波長のみ）を新たに定義する方法も容易に提供することができる。

以下に、図１で示した構成の本発明の光信号処理装置の実施例について説明する。本実施例では、図２に示した構成の光ラベル交換装置を備える装置構成とし、この光ラベル交換装置には図３に示した構成の単一光パルス発生器が採用され、光−光型シリアル・パラレル変換器および電気−光型パラレル・シリアル変換器には各々、図６および図７に示した構成のものが用いられている。

図８は、単一光パルス発生器に用いられているサンプルホールド回路を説明するための図（特許文献１参照）で、このサンプルホールド回路は、入力光信号８１を光−電流変換するＭＳＭ−ＰＤ（Metal-Semiconductor-Metal Photodetector）８２、定電圧源Ｖ_ｐｄ８３およびＶ_ｒｓ８４、ホールドキャパシタ８５、リセット用ＦＥＴ８６、および出力バッファ８７からなる。この回路では、電気リセット信号をリセット用ＦＥＴ８６に予め入力しておくことにより、ホールドキャパシタ８５の電位（上側電極の電位）をＶ_ｒｓにリセットしておく。このリセット状態で入力光信号８１の先頭パルスがＭＳＭ−ＰＤ８２に入力すると、生成される光電流により、ホールドキャパシタ８５の電位はＶ_ｒｓからＶ_ｐｄとなって充電される。充電されたホールドキャパシタ８５の電荷はホールドされるため、ホールドキャパシタ８５の電位は２番目以降の入力光パルスに影響されることなくＶ_ｐｄに固定され続ける。そして、出力バッファ８７を介してホールドキャパシタ８５の電位を電気信号として外部に出力する。この一連の動作により、サンプルホールド回路は、入力光信号列の先頭パルスに同期した立ち上がりタイミングを有するステップ状電気信号を出力する。

本実施例のサンプルホールド回路は、１．５５ミクロン帯に感度を持つＩｎＧａＡｓを光吸収層としたＭＳＭ−ＰＤ８２、ホールドキャパシタ８５、およびＦＥＴ８６から成る、ＩｎＰ基板上のモノリシック集積回路として作製した。ＦＥＴ８６はリセット用のスイッチおよびキャパシタ電圧を外部に取り出すための出力バッファ８７を構成するのに用いており、モノリシック集積とすることによりＭＳＭ−ＰＤ８２や出力バッファ８７に付随する寄生容量をほとんどゼロとすることができた。この低容量化により、サンプルホールド回路の感度として、１パルス当り０．５ピコジュールの高感度の値を得ることができた。また、先頭パルスのエネルギーが０．５ピコジュール以上であれば、２番目以降の入力光パルスとは無関係に、所望のステップ状信号の発生が可能であった。

電気パルス発生回路３２は、１０Ｇｂｉｔ／ｓの信号処理が可能な、ＧａＡｓを材料とするＩＣで構成した。これにより、立ち上がり時間と立下り時間が共に４０ｐｓ以下の、矩形電気パルスを発生することができた。

半導体レーザダイオード３３には、ＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザを用いた。これにより、入力光信号列の先頭パルスに対して、±２ピコセコンドの精度でタイミング同期された、パルス幅１０ピコセコンドの単一光パルスを発生することができた。

光−光型シリアル・パラレル変換器２３を構成する光遅延器の時間刻み幅（τ）を２５ピコ秒とした。また、反射型の面型光−光スイッチ６６の応答速度は以下のように設定した。可飽和吸収体であるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸構造の成長温度を２００℃の低温とし、ドーパントとしてＢｅを２×１０^１７ｃｍ^‐３添加した。これにより、励起キャリアの寿命は１０ピコ秒以下の短寿命となり、４０Ｇｂｉｔ／ｓのＲＺ（Return to Zero）のシリアル光信号のパラレル変換が可能となった。

電気−光型パラレル・シリアル変換器２６を構成する光変調器７２には、ＩｎＰ系半導体の多重量子井戸構造を吸収層とするＱＣＳＥ（Quantum-confined Stark Effect）を利用した、導波路型の強度変調器を用いた。この変調器では、３．３Ｖの駆動電圧振幅で２０ｄＢ以上の消光比を得ることができる。従って、３．３Ｖの電源電圧で動作するシリコンＣＭＯＳ回路からの出力電圧による直接駆動が可能である。また、光遅延器７３の時間刻み幅（τ）を２５ピコ秒としたことにより、４０Ｇｂｉｔ／ｓのＲＺシリアル光信号の出力が可能となった。

以下に、上述した構成の光信号処理装置を用いて行った光ラベル交換実験の結果について説明する。

入力光パケットのフォーマットは、ビットレート４０Ｇｂｉｔ／ｓのＲＺフォーマットとし、パケットの先頭から順番に、１６ビットラベル、１ビットのゼロ（ガードタイム）、任意ビット数のペイロードの構成とした。ビットレートは、ラベル、ペイロード共に、４０Ｇｂｉｔ／ｓであり、光パケットを構成する光パルスは、波長を１．５５μｍ、パルス幅を１０ピコ秒とした。

入力光パケットを２分岐し、１×２スイッチ１３と電気パルス発生器１２に導く。この電気パルス発生器１２は、図３に示した単一光パルス発生器において半導体レーザダイオードを省略した構成を有し、入力光パケットの先頭パルスにタイミング同期した単一の電気パルスを発生する。ここで、発生する電気パルス幅は、１６ビットラベルの持続時間よりも若干長い６００ピコ秒に設定されている。

１×２スイッチ１３には、ＬＮ（Lithium Niobate）を材料とする、２０Ｇｂｉｔ／ｓの帯域を有するスイッチを用いた。この１×２スイッチ１３は、時間的に変化する制御電圧値に従って、２分岐した一方の光パケットを２つの出力ポートに時間的に振り分けて出力する。このための制御電圧には電気パルス発生器１２からの出力を用い、かつ、制御電圧パルスの立下がりタイミングが光パケット内のガードタイムと一致するように、固定光遅延器を用いてタイミング調整する。

このような電気パルス幅の設定およびタイミング調整により、１×２スイッチ１２は、入力した光パケットの光ラベル１０ａとペイロード１０ｂとを分離し、２つの出力ポートから各々を出力する。

ここで、光ラベル交換器装置１４に使用した電子回路の構成と機能を説明するための概念図を図９に示す。電子回路としては、１６チャンネルの並列入力端子と１６チャンネルの並列出力端子を備える、３．３Ｖの電源電圧で動作するシリコンＣＭＯＳ回路を用いている。回路内には、変換前の旧ラベルパタンと変換後の新ラベルパタンとを対応づける照合テーブルが記憶されており、この照合テーブルは外部からの書き換えが可能とされている。この回路が実行する処理は、入力信号を照合テーブルに照合して、この入力信号に対応付けられた出力信号を発生することであり、例えば、入力した旧ラベルパタンがＢであれば、Ｂ´の出力パタンを新ラベルパタンとして発生する。なお、当然のことであるが、ＢおよびＢ´は共に、１６ビットパタンである。

光ラベル交換装置１４は、１×２スイッチ１３により分離・抽出した旧光ラベル１０ａを入力とし、ＣＭＯＳ回路内での上記照合テーブルに従った処理を実行して、新たな光ラベル１０ａ´を生成する。この新光ラベル１０ａ´と、１×２スイッチ１３で抽出したペイロード１０ｂとを、光合波器１５によって合波することにより、出力光パケット１０´が構築される。

既に説明したように、光ラベル交換装置は、その入力端子における信号入力のタイミングと、出力端子における信号出力のタイミングとの間に、確定した一定の遅延値を有することを特徴とするため、１×２スイッチ１３から出力される抽出されたペイロード１０ｂの出力タイミングと、新たな光ラベル１０ａ´の生成タイミングとの間に生じる時間遅延もまた、確定した一定の値となる。この特徴により、抽出されたペイロードと新たな光ラベルの合波のタイミングを、固定光遅延器によって調整し、出力光パケット１０´のフォーマットを入力パケットのそれと同一とすることが可能であった。すなわち、ビットレート４０Ｇｂｉｔ／ｓのＲＺフォーマットであり、パケットの先頭から順番に、１６ビットの新ラベル、１ビットのゼロ（ガードタイム）、ペイロードの構成とすることができた。このように、随時書き換え可能な照合テーブルにより制御される、４０Ｇｂｉｔ／ｓ光パケットの光ラベル交換が実行可能となった。

なお、本実施例においては、１×２スイッチとしてＬＮを材料とするスイッチを用いたが、１個の１対２光分波器と２個の相補的に駆動されるＳＯＡを用いた構成のように、他のスイッチ構成とすることもできる。

また、上記実施例においては、ペイロードのビットレートを４０Ｇｂｉｔ／ｓとしたが、ペイロードのビットレートは任意であってよい。

また、上記実施例においては、光ラベルのビット数を１６、ビットレートを４０Ｇｂｉｔ／ｓとしたが、予め定められた一定値であり、かつ、光ラベル交換装置の動作可能な範囲である限り、任意ビット数、任意ビットレートとしてよい。ただし、光ラベルのビット数やビットレートを変更する場合には、光ラベル交換装置の構成をビット数およびビットレートに対応させて変更する必要があることは当然である。

更に、上記実施例においては、光ラベルとペイロードとの間のガードタイムを１ビット長としたが、１×２スイッチの帯域の許容範囲内で可能な限り短くしてもよい。

例えば、４０Ｇｂｉｔ／ｓの帯域を有する１×２スイッチを用いることにより、光パケットのフォーマットを、４０Ｇｂｉｔ／ｓの３２ビットラベル（ｎ＝３２）、ガードタイムなし、１６０Ｇｂｉｔ／ｓのペイロード、の構成としたり、あるいは、８０Ｇｂｉｔ／ｓの６４ビットラベル（ｎ＝６４）、ガードタイム１ビット、３２０Ｇｂｉｔ／ｓのペイロード、の構成としたりすること等が可能である。

本発明は、高ビットレートの光パケット信号に付与されている光ラベルの交換機能を有する光信号処理装置およびそれを実現するための光信号処理方法の提供を可能とする。

本発明の光信号処理システムの基本構成例を説明するための図である。 本発明の光信号処理装置が備える光ラベル交換装置の第１の構成例を説明するための図である。 単一光パルス発生器の第１の構成例を説明するための図である。 単一光パルス発生器の第２の構成例を説明するための図である。 本発明の光信号処理装置が備える光ラベル交換装置の第２の構成例を説明するための図である。 本発明の光ラベル変換装置が備える光−光型シリアル・パラレル変換器の構成例を説明するための図である。 本発明の光ラベル変換装置が備える電気−光型パラレル・シリアル変換器の構成例を説明するための図である。 単一光パルス発生器に用いられているサンプルホールド回路を説明するための図である。 光ラベル交換器装置に使用した電子回路の構成と機能を説明するための概念図である。

符号の説明

１０ 入力光信号(入力光パケット)
１０´ 出力光信号(出力光パケット)
１０ａ、１０ａ´ 光ラベル
１０ｂ ペイロード
１１ 光分波器
１２ 電気パルス発生器
１３ １×２スイッチ
１４ 光ラベル交換装置
１５ 光合波器
２１ 光分波器
２２ 単一光パルス発生器
２３ 光−光型シリアル・パラレル変換器
２４ 光電変換器
２５ 電子回路
２６ 電気−光型パラレル・シリアル変換器
２７、２８ 光遅延器
２９ 光分波器
３１ サンプルホールド回路
３２ 電気パルス発生回路
３３ 半導体レーザダイオード
３４ 強度光変調器
６１ １対ｎ光分波器
６２ 光遅延器
６３ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
６４ １／４波長板（λ／４板）
６５ 集光レンズ
６６ 面型光−光スイッチ
６７ 時間窓
７１ １対ｎ光分波器
７２ 光変調器
７３ 光遅延器
７４ ｎ対１光合波器
８１ 入力光信号
８２ ＭＳＭ−ＰＤ
８３ 定電圧源Ｖ_ｐｄ
８４ 定電圧源Ｖ_ｒｓ
８５ ホールドキャパシタ
８６ リセット用ＦＥＴ
８７ 出力バッファ

Claims (9)

1. 入力されたシリアル光信号列を２分岐する光分波手段と、
   当該２分岐されたシリアル光信号列の一方が入力され、当該シリアル光信号列にタイミング同期した単一の光パルスを発生する単一光パルス発生手段と、
   前記２分岐されたシリアル光信号列の他方が入力され、前記単一光パルス発生手段から出力された単一光パルスを用いて前記シリアル光信号列をパラレル展開する光−光型シリアル・パラレル変換手段と、
   当該光−光型シリアル・パラレル変換手段によりパラレル展開された光信号をパラレル電気信号に変換する光電変換手段と、
   当該パラレル電気信号を処理して新たなシリアル光信号列に対応付けられたパラレル電気信号を出力する電子回路と、
   前記単一光パルス発生手段から出力された単一光パルスを用いて、前記新たなシリアル光信号列に対応付けられたパラレル電気信号を新たなシリアル光信号列に再構築して出力する電気−光型パラレル・シリアル変換手段と、
   を備えていることを特徴とする光信号処理装置。
2. 前記単一光パルス発生手段は、
   入力光信号列の先頭パルスを検知して所定の電圧値をホールドしたステップ状電気信号を発生するサンプルホールド回路と、
   当該ステップ状電気信号の立ち上がりエッジを検出して単一の電気パルス信号を発生する電気パルス発生手段と、
   当該電気パルス信号の変調信号に基づいて前記入力光信号列の先頭パルスにタイミング同期した単一の光パルスを発生する半導体レーザダイオードと、
   を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
3. 前記単一光パルス発生手段は、
   ２分岐された入力光信号列の一方が入力され、当該入力光信号列の先頭パルスを検知して所定の電圧値をホールドしたステップ状電気信号を発生するサンプルホールド回路と、
   当該ステップ状電気信号の立ち上がりエッジを検出して単一の電気パルス信号を発生する電気パルス発生手段と、
   前記２分岐された入力光信号列の他方と前記電気パルス信号とが入力され、当該電気パルス信号に基づいて、前記他方の入力光信号列の先頭パルスを抽出して出力する強度光変調手段と、
   を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
4. 請求項１に記載の光信号処理装置において、
   前記単一光パルス発生手段は、第１および第２の２つの単一パルス発生手段で構成され、
   当該第１および第２の単一パルス発生手段の各々は、請求項２または請求項３に記載の単一パルス発生手段の何れかの互いに異なる構成を有し、
   前記第１の単一パルス発生手段は前記光−光型シリアル・パラレル変換手段に単一光パルスを供給する一方、前記第２の単一パルス発生手段は前記電気−光型シリアル・パラレル変換手段に単一光パルスを供給すること、
   を特徴とする光信号処理装置。
5. 前記パラレル電気信号と前記新たなシリアル光信号列との対応付けは、外部から書き換え可能な照合テーブルによりなされるものであることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の光信号処理装置。
6. 前記シリアル光信号列は光ラベルを構成要素として含み、前記光信号処理装置は当該光ラベルの交換を行うものであることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の光信号処理装置。
7. 複数のフラクションから構成される有限長のシリアル光信号列を処理する光信号処理システムであって、
   入力光信号列を２分岐する光分波手段と、
   当該２分岐された光信号列の一方が入力され、当該光信号列にタイミング同期した矩形波電気信号を発生する電気パルス発生手段と、
   前記２分岐された光信号列の他方が入力され、前記電気パルス発生手段からの制御信号に基づいて、前記光信号列を２つのフラクションに分離して出力する光スイッチと、
   当該光信号列の２つのフラクションの一方が入力される請求項１乃至６の何れかに記載の光信号処理装置と、
   前記光スイッチから出力される前記光信号列の他方のフラクションと、前記光信号処理装置から出力される光信号列とを合波して出力する合波手段と、
   を備えていることを特徴とする光信号処理システム。
8. 入力されたシリアル光信号列を２分岐する第１のステップと、
   当該２分岐されたシリアル光信号列の一方を単一光パルス発生手段に入力し、前記シリアル光信号列にタイミング同期した単一の光パルスを発生する第２のステップと、
   前記単一光パルス発生手段から出力された単一光パルスに基づいて、前記２分岐されたシリアル光信号列の他方をパラレル展開する第３のステップと、
   当該パラレル展開された光信号列をパラレル電気信号に変換する第４のステップと、
   当該パラレル電気信号を処理して新たなシリアル光信号列に対応付けられたパラレル電気信号を出力する第５のステップと、
   前記単一光パルス発生手段から出力された単一光パルスに基づいて、前記新たなシリアル光信号列に対応付けられたパラレル電気信号を新たなシリアル光信号列に再構築して出力する第６のステップと、
   を備えていることを特徴とする光信号処理方法。
9. 請求項８に記載の光信号処理方法において、
   前記単一光パルス発生手段は、第１および第２の２つの単一パルス発生手段で構成され、
   当該第１および第２の単一パルス発生手段の各々は、請求項２または請求項３に記載の単一パルス発生手段の何れかの互いに異なる構成を有し、
   前記第３のステップにおけるシリアル光信号列のパラレル展開は、前記第１または第２の単一パルス発生手段の一方から供給される単一光パルスに基づいて実行され、
   前記第６のステップにおけるシリアル光信号列の再構築は、前記第１または第２の単一パルス発生手段の他方から供給される単一光パルスに基づいて実行される
   ことを特徴とする光信号処理方法。
   

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