JP2008052066A - 光信号処理回路 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化・集積化ができる半導体素子を用いて光強度に応じて光の位相を制御する遅い緩和を伴わない高速の光位相変調回路と、この光位相変調回路を用いた、光強度変調を位相変調に変換する回路と、強度変調を差動位相変調に変換する回路と、差動位相変調信号を再生する光信号再生回路と、干渉を利用する光ゲートスイッチ回路を提供することを目的とする。
【解決手段】光位相変調回路は、光位相変調素子と、光バンドパスフィルタと、光方向性結合器とからなり、波長λ_Cの制御光と、波長λ_Pのプローブ光とを、前記光方向性結合器により結合して前記光位相変調素子に入力し、該光位相変調素子で位相変調したプローブ光を前記光バンドパスフィルタにより抽出して、制御光の強度により、プローブ光の位相を変調することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

大容量・高機能光通信ネットワークのノード等においては、超高速光データ信号に対する種々の処理を、電気信号に変換することなく、光信号のまま行うことが要求されている。本発明は、要求されている超高速光データ信号のスイッチング、再生、変調フォーマット変換などの全光信号処理技術に関する。

光通信システムは、単純な２地点間の伝送から、多数のノードを含むネットワーク技術へと展開しつつある。ネットワークに配置されたノードは、伝送により劣化した信号の再生中継、経路切替などのスイッチング、速度やプロトコルの異なるネットワークを繋ぐゲートウェイ、信号の品質モニタリングなどの機能を担っている。これら一連の信号処理は、現状では電子回路を用いて行われ、その過程で光信号から電気信号へ、さらに電気信号から光信号への変換が必要になる。ビットレートが１０−１６０Ｇｂ／ｓの光信号を処理するノードでは、電子回路の動作速度の限界や、光・電気・光変換に伴う消費電力の増大により、従来の電子回路による信号処理が困難になり、電気信号に変換しないで光信号のままで高速処理できる技術が要求される。このためには、光信号を高速に切り替えることができる光ゲートスイッチ、光信号の再生中継、変調フォーマット変換などの機能を有する光信号処理回路が必要である。また、光信号の変調方式も単純な光のオン・オフだけでなく、差動位相シフト変調などに代表される、光波の位相を変調する方式も利用されるため、制御光での信号光の位相を変調、制御できる光信号処理回路が必要である。

ビットレートが１０−１６０Ｇｂ／ｓの光信号を、別の光信号で制御して処理する方式の光ゲートスイッチ回路として、半導体光増幅器の相互位相変調効果と光干渉計を組み合わせた方式、および光ファイバのカー効果を利用する方式が報告されている。
例えば、特許文献１では、制御光に対して非線形屈折率変化を示す半導体光導波路を、マッハツェンダー干渉計型の２つの光路に、対称に配置した構造の光ゲートスイッチ素子を提案している。半導体光導波路における非線形屈折率変化の緩和時間（スイッチオフ時間）は、キャリアの緩和時間により数ナノ秒に制限される。このため、特許文献１の素子では、ピコ秒オーダーの高速動作を実現するため、光の干渉を利用して、遅い緩和成分を打ち消し、高速ゲートスイッチ動作を実現している。しかしながら、２つの光路に配置した半導体光導波路の特性を一致させることが困難であり、特性の違いを補償する回路が必要になるなどの問題があった。

この問題を解決するため、特許文献２では、特許文献１と同等の機能を、１つの半導体光導波路のみで実現できる、長期安定性に優れた光ゲートスイッチ素子を提案している。
しかしながら、制御光による屈折率変化に起因する光の位相変化は数ナノ秒の緩和を伴うため、１つの半導体光導波路のみで光ゲートスイッチ素子を実現しても、位相変調・制御素子として高速動作させることは困難である。

特許文献３では、光ファイバのカー効果を利用する、非線形光ループミラー型の光ゲートスイッチ回路を提案している。光ファイバの非線形屈折率変化は、特許文献1、２で用
いられる半導体光導波路の非線形屈折率変化に比べて、桁違いに小さい。このため、数１００ｍから数ｋｍの光ファイバを用いて、制御光と信号光の相互作用長を長くする必要があり、またスイッチングに必要な制御光のパワーも１桁以上大きい。光ファイバによりループを構成し、ループを時計回り、および反時計回りに伝搬する光との間の干渉を利用して、屈折率変化に起因する光の位相変化を強度変化に変換する。光ファイバのカー効果は、制御光による光ファイバの非線形屈折率変化であり、数１００フェムト秒程度の高速応答を示すため、数１００Ｇｂ／ｓ以上のスイッチング動作を実現できる可能性があり、光の位相変調・制御素子として高速動作させることも原理的には可能である。しかしながら、長尺の光ファイバを用いる必要があるため、信号のタイミング調整が困難であり、信号の遅延を引き起こす可能性がある。このため、小型化・集積化には不向きである。
特開平７−２０５１０公報 特開平８−１７９３８５公報 特開２００６−３０２９５公報

本発明は、小型化・集積化ができる半導体素子を用いて光強度に応じて光の位相を制御する遅い緩和を伴わない高速の光位相変調回路と、この光位相変調回路を用いた、光強度変調を位相変調に変換する回路と、強度変調を差動位相変調に変換する回路と、差動位相変調信号を再生する光信号再生回路と、干渉を利用する光ゲートスイッチ回路とを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために下記の解決手段を採用する。
なお、この明細書中で用いる「光信号処理回路」は、「光位相変調回路と、この光位相変調回路を用いた、光強度変調を位相変調に変換する回路、強度変調を差動位相変調に変換する回路、差動位相変調信号を再生する光信号再生回路、干渉を利用する光ゲートスイッチ回路」を含む概念の回路を意味する。

（１）光位相変調回路は、光位相変調素子と、光バンドパスフィルタと、光方向性結合器とからなり、波長λ_Cの制御光と、波長λ_Pのプローブ光とを、前記光方向性結合器により結合して前記光位相変調素子に入力し、該光位相変調素子で位相変調したプローブ光を前記光バンドパスフィルタにより抽出して、制御光の強度により、プローブ光の位相を変調することを特徴とする。
（２）強度変調・位相変調変換回路は、上記（１）記載の光位相変調回路において、前記プローブ光をクロック信号光とし、強度変調された波長λ_Cの制御光と、クロック信号光
である波長λ_Pのプローブ光とを、前記光方向性結合器により結合して前記光位相変調素
子に入力し、透過するプローブ光を前記光バンドパスフィルタにより抽出して、前記制御光の強度変調をプローブ光の位相変調に変換することを特徴とする。

（３）１ビット遅延素子と、光バンドパスフィルタと、光方向性結合器と、上記（１）記載の光位相変調回路とからなり、
制御光を第１の光方向性結合器と１ビット遅延素子を介して遅延した制御光とし、前記第１の光方向性結合器の分岐光とプローブ光を第２の光方向性結合器で結合し、前記第２の光方向性結合器の結合出力のプローブ光を前記第１の光位相変調素子を介して制御信号で位相変調した変調信号とし、前記遅延した制御光を上記（１）記載の光位相変調回路の制御光とし、前記位相変調した変調信号を上記（１）記載の光位相変調回路のプローブ光とした強度変調・差動位相変調変換回路において、
前記制御光の強度変調をプローブ光の差動位相変調に変換することを特徴とする。
（４）光信号再生回路は、
差動位相復調回路と、上記（３）記載の強度変調・差動位相変調変換回路とからなり、差動位相変調されたデータ信号光である制御光を前記差動位相復調回路を介して強度変調データ信号光に変換し、前記強度変調データ信号光を制御光として、前記強度変調・差動位相変調変換回路により、クロック信号光を差動位相変調信号光に変換して、前記位相変調されたデータ信号光を再生することを特徴とする。

（５）光ゲートスイッチ回路は、上記（１）記載の光位相変調回路の制御光とプローブ光を第１の光方向性結合器と光位相変調素子を介して第２の光方向性結合器へ出力する光路と、プローブ光を入力する第３の光方向性結合器から可変光減衰器と光位相シフタを介して前記第２の光方向性結合器へ接続する光路とからなる非対称マッハツェンダー干渉計と、前記第２の光方向性結合器に接続された光バンドパスフィルタとからなり、
強度変調された波長λ_Cの制御光を前記光位相変調素子に入力し、クロック信号光、また
は連続光である波長λ_Pのプローブ光を前記非対称マッハツェンダー干渉計に入力し、透
過したプローブ光を前記光バンドパスフィルタにより抽出して、前記制御光により前記プローブ光をスイッチングすることを特徴とする。
（６）上記（１）乃至（５）のいずれか１項記載の回路において、前記光位相変調素子を井戸層と障壁層からなる半導体の単一または多重量子井戸構造の素子とし、前記制御光を量子井戸のサブバンド間遷移に共鳴するＴＭ偏光とし、プローブ光をＴＥ偏光としたことを特徴とする。

特許文献１と２の光ゲートスイッチ素子においては、制御光により引き起こされるプローブ光の位相変調を強度変調に変換するために、半導体光導波路における非線形屈折率変化の緩和時間（スイッチオフ時間）を打ち消すように干渉計を用いた。これに対して、本発明の光信号処理回路では、半導体の非線形屈折率変化は制御光に対して高速に応答するため、遅い緩和成分を除去する必要はない。このため、干渉計は位相変調を強度変調に変換するためだけに利用され、構造が簡素化され、安定性と信頼性が著しく向上する。さらに、本発明の光信号処理回路に用いる光位相変調素子では、遅い緩和成分が存在しないため、位相変調・制御素子として高速動作させることが可能になる。これにより、特許文献１と２の光ゲートスイッチ素子ではできなかった強度変調・位相変調変換回路、強度変調・差動位相変調変換回路、光信号再生回路が実現できる。
特許文献３の光ゲートスイッチ回路においては、制御光により光ファイバの非線形屈折率変化が高速に応答するものの、長さ数１００ｍから数ｋｍの光ファイバを必要とするため、信号遅延、タイミング調整が困難、小型化・集積化には不向きなどの問題がある。これに対して、本発明の光信号処理回路は、半導体素子により実現できるため、信号遅延やタイミング調整の問題は解消され、小型化と、他の半導体素子との集積化ができるようになる。

以下、本発明の実施の形態を図を用いて詳細に説明する。
図１は本発明に係る光位相変調回路を示す図である。波長λ_Cの制御光と、波長λ_Pのプローブ光とを、光方向性結合器１により結合して、光位相変調素子２に入力する。制御光の波長λ_Cは、中心波長λ_Pの光バンドパスフィルタ３により、除去できるように設定する。制御光の強度に比例して、光位相変調素子２の屈折率が変調され、これに応じて光位相変調素子２を伝搬するプローブ光の位相が変調される。制御光としてパルス光を用いた場合、プローブ光には図１に示すようなパルス状の位相変化が与えられる。光位相変調素子２を透過したプローブ光は、光バンドパスフィルタ３により残留している制御光を除去して取り出す。プローブ光として連続光、または制御光に同期したクロックパルス光を用いることができる。

図２は本発明に係る強度変調・位相変調変換回路を示す図である。強度変調・位相変調変換回路４では、波長λ_Cの制御光と、波長λ_Pのプローブ光とを、光方向性結合器１により結合して、光位相変調素子２に入力する。制御光の波長λ_Cは、中心波長λ_Pの光バンドパスフィルタにより、除去できるように設定する。制御光は２値デジタル信号で強度変調されたパルス信号光とする。プローブ光は制御光に同期し、制御光と同じビットレートを有するクロック信号光とする。光位相変調素子２において、制御光の光強度に比例した位
相変化がプローブ光に与えられるが、制御光の値が“１”の場合のプローブ光の位相変化がπになるように、制御光の強度を調整する。制御光の値が“０”と“１”に対応して、プローブ光は位相が“０”と“π”に変調された位相シフト変調（ＰＳＫ：Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）光に変換される。光位相変調素子２を透過したプローブ光は、光バンドパスフィルタ３により残留している制御光を除去して取り出す。

図３は本発明に係る強度変調・差動位相変調変換回路を示す図である。
強度変調・差動位相変調変換回路６は、制御光を入力する光方向性結合器１ａを基点として、光方向性結合器１ｃまでの光路を２光路設ける。一方は、１ビット遅延素子５を介する光路であり、他方は、光方向性結合器１ｂ、光位相変調素子２ａを介する光路である。光方向性結合器１ｃは、光位相変調素子２ｂ、光バンドパスフィルタ３を介して出力される。光方向性結合器１ｃと、光位相変調素子２ｂと、光バンドパスフィルタ３とは図１記載の光位相変調回路４と同一のものである。

強度変調・差動位相変調変換回路６では、波長λ_Cの制御光と、波長λ_Pのプローブ光とを、光方向性結合器１ａにより結合して、光位相変調素子２ａに入力するが、さらに光位相変調素子２ｂを光路に設けて、光位相変調素子を２段に直列接続した構造を有している。後段の光位相変調素子２ｂに入力する制御光には、前段の光位相変調素子２ａに入力する制御光に対して、１ビット遅延素子５により１ビット分の遅延を与える。制御光の波長λ_Cは、中心波長λ_Pの光バンドパスフィルタ３により、除去できるように設定する。制御光は２値デジタル信号で強度変調された光パルス信号とする。プローブ光は制御光に同期し、制御光と同じビットレートを有するクロック信号とする。それぞれの光位相変調素子２ａ、２ｂにおいて、制御光の光強度に比例した位相変化がプローブ光に与えられるが、制御光の値が“１”の場合のプローブ光の位相変化がπになるように、制御光の強度を調整する。それぞれの光位相変調素子２ａ、２ｂにおいて、制御光の値が“０”と“１”に対応して、プローブ光には位相が“０”と“π”の位相変化が与えられる。光位相変調素子２ａ、２ｂを２段に直列接続することにより、制御光の引き続く２ビット間の論理値の差に対応した位相変調が与えられ、プローブ光は最終的に差動位相変調（ＤＰＳＫ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）光に変換される。後段の光位相変調素子２ｂを透過したプローブ光は、光バンドパスフィルタ３により残留している制御光を除去して取り出される。

図４は本発明に係る光信号再生回路を示す図である。光信号再生回路は、劣化した差動位相変調信号を、電気信号に変換することなく、全光学的に再生する機能を有する。
強度変調・差動位相変調変換回路６は、図３の強度変調・差動位相変調変換回路と同一のものである。波長λ_Cの制御光は差動位相変調された光パルス信号とし、波長λ_Pのプローブ光は制御光に同期し、制御光と同じビットレートを有するクロック信号とする。制御光を差動位相復調回路７に入力し、強度変調信号に変換する。
差動位相復調回路７は、例えば、制御光の１ビット分の遅延を有するマッハツェンダー干渉計により実現できる。

図３の強度変調・差動位相変調変換回路６と同様の原理で、差動位相復調回路７により強度変調信号に変換された制御光は、強度変調・差動位相変調変換回路６に入力され、同時に入力されたプローブ光を差動位相シフト変調光に変換して、制御光の情報はプローブ光に転写され、再生される。

図５は本発明に係る光ゲートスイッチ回路を示す図である。
光ゲートスイッチ回路は、非対称マッハツェンダー干渉計１０の出力側に光バンドパスフィルタ３を接続した構造を有する。
非対称マッハツェンダー干渉計１０は、プローブ光を入力する光方向性結合器１ｄを基点
として、光方向性結合器１ｅ、光位相変調素子２を介して光方向性結合器１ｆに接続される光路と、可変光減衰器８、光位相シフタ９を介して光方向性結合器１ｆに接続される光路とを有し、光方向性結合器１ｅには制御光が入力される構成を有する。光方向性結合器１ｆは光バンドパスフィルタ３に接続される。

プローブ光は光方向性結合器１ｄにより２分して、非対称マッハツェンダー干渉計７の２つの光路をそれぞれ伝搬した後、光方向性結合器１ｆにより結合する。可変光減衰器８の透過率は、非対称マッハツェンダー干渉計１０の光路を透過した２つのプローブ光の強度が等しくなるように調整する。光位相シフタ９の位相変化は、制御光を入力しない場合の、非対称マッハツェンダー干渉計１０の光路を透過した２つのプローブ光の位相差が、π（１８０°）になるように調整する。非対称マッハツェンダー干渉計１０を透過したプローブ光は、光バンドパスフィルタ３により残留している制御光を除去して取り出される。

制御光を入力しない場合は、プローブ光は干渉により打ち消され、非対称マッハツェンダー干渉計１０の出力側にはプローブ光は出力されない。強度変調されたデータ信号光を制御光として入力した場合は、制御光がプローブ光の位相変調を引き起こし、干渉により位相変調が強度変調に変換され、非対称マッハツェンダー干渉計１０は光ゲートスイッチとして動作する。プローブ光として連続光、または制御光に同期したクロックパルス光を用いることができ、光波長変換や光信号再生に利用できる。図２の光ゲートスイッチ回路においては、非対称マッハツェンダー干渉計１０は、位相変調を強度変調に変換するために用いられ、特許文献１、２で用いられる、遅い緩和成分を打ち消す機能は不要である。

図１から図５の光信号処理回路において、光位相変調素子２は、井戸層と障壁層からなる半導体の単一または多重量子井戸構造である。制御光はサブバンド間遷移に共鳴するＴＭ偏光を用い、サブバンド間遷移による制御光の吸収を通して、半導体の屈折率変化を引き起こす。さらに、この屈折率変化を介してＴＥ偏光のプローブ光の位相を変調して、制御光でプローブ光の位相を変調できる光位相変調素子として動作する。光通信波長帯にサブバンド間遷移を有する材料系として、非特許文献１〜３に述べられている半導体量子井戸構造があり、導波路構造により光閉じ込めを施して、光位相変調素子として動作できる。

Ｈ．Ｙｏｓｈｉｄａ，Ｔ．Ｓｈｉｍｏｙａｍａ，Ａ．Ｖ．Ｇｏｐａｌ，Ｊ．Ｋａｓａｉ，Ｔ．Ｍｏｚｕｍｅ ａｎｄ Ｈ．Ｉｓｈｉｋａｗａ，"Ｕｌｔｒａｆａｓｔ ａｌｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｉｎｔｅｒｓｕｂｂａｎｄ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ ｉｎ ｃｏｕｐｌｅｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ"，ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，ｖｏｌ．８７−Ｃ，ｎｏ，７，ｐｐ．１１３４−１１４１（２００４）．

Ｒ．Ａｋｉｍｏｔｏ，Ｂ．Ｓ．Ｌｉ，Ｋ．Ａｋｉｔａ ａｎｄ Ｔ．Ｈａｓａｍａ，"Ｓｕｂｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｓａｂｂａｎｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｉｎ（ＣｄＳ／ＺｎＳｅ）ＢｅＴｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ａｔ ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ"，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．８７，ｎｏ，１８，１８１１０４（２００５）．

Ｎ．Ｉｉｚｕｋａ，Ｋ．Ｋａｎｅｋｏ ａｎｄ Ｎ．Ｓｕｚｕｋｉ，"Ｓｕｂ−ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ ａｌｌ−ｏｐｔｉｃａｌ ｇａｔｅ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ＧａＮ ｉｎｔｅｒｓｕｂｂａｎｄ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ"，Ｏｐｔ．Ｅｘｐ．，ｖｏｌ．１３，ｎｏ，１０，ｐｐ．３８３５−３８４０（２００５）．

以下では、半導体多重量子井戸構造の光位相変調素子を用いた、サブバンド間遷移に
よる相互位相変調の実験結果を報告する。
実験に用いた光位相変調素子は、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ結合量子井戸構造を有し、組成と構造は非特許文献１に記載されている。

図６は、光位相変調素子２の位相変調特性を評価する実験装置の構成を示す図である。制御光の光源として、能動モード同期光ファイバレーザー１１を用いた。能動モード同期光ファイバレーザー１１は、シンセサイザ１２により駆動され、繰り返し周波数が９．９５３２８ＧＨｚ、持続時間２．３ｐｓ、中心波長１５５０ｎｍの光クロック信号を安定に発生する。前記シンセサイザ１２に同期した符号発生器１４で駆動される光強度変調器１３に、前記光クロック信号を入力し、デジタル変調された制御光を生成する。前記制御光は光ファイバ増幅器１５により増幅し、偏光制御器１６ａによりＴＭ偏光に設定して、光サーキュレータ１７を介して、光位相変調素子２に入力した。

図６に示されているように、前記制御光は、周期１００．４７ｐｓのデジタル変調信号である。プローブ光の光源として波長可変レーザー１８を用いた。波長可変レーザー１８の出力光をＴＥ偏光に設定して、前記制御光とは逆方向から光位相変調素子２に入力した。光位相変調素子２を透過した前記プローブ光は、光サーキュレータ１７を介して取り出し、光バンドパスフィルタ３により不要な制御光成分を除去した後、偏光制御器１６ｂにより偏波を調整して、直交偏光間の遅延時間２５．１２ｐｓを有する差動群遅延素子１９に入力した。差動群遅延素子１９を透過したプローブ光は、偏光制御器１６ｃにより偏波を調整して、偏光子２０に入力し、直交偏光間の干渉を利用して、位相変調を強度変調に変換した。図６に示されているように、偏光子２０を透過したプローブ光は、時間間隔２５．１２ｐｓの２連パルスが、周期１００．４７ｐｓで繰り返されるデジタル変調信号になっている。理想的には、図５に示した構造の非対称マッハツェンダー干渉計７を用いることが望ましいが、個別部品で安定な干渉計を構成することが困難であるため、直交偏光間の干渉計を利用した。

図７は、強度変調信号に変換されたプローブ光の光サンプリング波形を表す図である。図７の横軸はＴｉｍｅ（時間）［ｐｓ］、縦軸はＡｍｐｌｉｔｕｄｅ(振幅)［２ｍＷ／ｄｉｖ］を表し、図７の波形は、下から順に制御光の１パルス当たりのエネルギーを１．５９ｐＪ、４．４８ｐＪ、６．７６ｐＪ、８．４７ｐＪ、９．９３ｐＪに設定した場合の、プローブ光の波形を表す。差動群遅延素子１９の遅延時間２５．１２ｐｓに相当する間隔の２連パルスが現れており、制御光によりプローブ光に引き起こされた位相変調が、強度変調に変換されたことを示している。
図７の各波形は、アイパターン（Ｅｙｅ Ｐａｔｔｅｒｎ）を呈する。このアイパターンは、サンプリングデータを時間軸上で重ね合わせた特性を備え、中央の空白の部分が広いほうが良質であり、振幅が位相変化の大きさに対応している。特性上、９．９３ｐＪの強度レベルのプローブ光が最も良質である。

図７は、制御光のエネルギーを増大すると、プローブ光の強度変調が増大し、プローブ光の位相変調が増大していることを示している。制御光の１パルス当たりのエネルギーが６．７６ｐＪ以上では、明瞭なアイ開口を有する強度変調信号が得られており、光ゲートスイッチ回路として利用可能であることを示している。

図８は、プローブ光の光スペクトラムを表す図であり、横軸はＷａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｏｆｆｓｅｔ（波長オフセット）［ｎｍ］、縦軸はＩｎｔｅｎｓｉｔｙ（強度）［１０ｄＢ／ｄｉｖ］を表す。図８の波形は、制御光を入力しない場合（Ｐｕｍｐ Ｏｆｆ）、および制御光の１パルス当たりのエネルギーを３．１９ｐＪ、９．０２ｐＪに設定して測定
したものである。制御光を入力した場合は、制御光により引き起こされるプローブ光の位相変調により、キャリアの周囲に多数のサイドバンドが生じている。また、プローブ光のサイドバンドの振幅は、制御光のエネルギーとともに増大している。サイドバンドの間隔は９．９５３２８ＧＨｚであり、制御光のビットレートに対応している。

図９は、制御光により引き起こされるプローブ光の位相変化を、制御光の１パルス当たりのエネルギーの関数として表した図であり、横軸はＰｕｍｐ Ｅｎｅｒｇｙ（制御光エネルギー）［ｐＪ］で、縦軸はＰｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ（位相変化）［ｒａｄ］を表す。プローブ光の位相変化は、制御光の１パルス当たりのエネルギーにほぼ比例して、０．２３４ｒａｄ／ｐＪの割合で増大している。プローブ光にπの位相変化を与えるのに必要な制御光１パルス当たりのエネルギーは、１３．４ｐＪと見積もられ、１０Ｇｂ／ｓの光デジタル信号では、平均パワー６７．１ｍＷに相当する。したがって、プローブ光に対してπの位相変化を必要とする、上記強度変調・位相変調変換回路と、上記強度変調・差動位相変調変換回路と、上記光信号再生回路は、実験に用いた光位相変調素子２により実現することができる。

以上のとおりであるから、小型化・集積化できる半導体素子を用いて、遅い緩和を伴わない高速の光位相変調回路と、光強度変調を位相変調に変換する回路と、強度変調を差動位相変調に変換する回路と、差動位相変調信号を再生する光信号再生回路と、干渉を利用する光ゲートスイッチ回路を提供することが可能になり、実験結果により有効性が示された。

本発明の光信号処理回路は、従来の光ゲートスイッチ回路では不可能であった遅い緩和を伴わない高速の光位相変調回路を、小型化・集積化ができる半導体素子を用いて実現することが可能になる。これによりビットレートが１０−１６０Ｇｂ／ｓ超高速光データ信号に対するスイッチング、再生、変調フォーマット変換などの種々の処理を、電気信号に変換することなく、光信号のまま行うことができるようになる。この技術思想は、光通信システムに適用することにより、その性能向上に寄与することができる。

本発明に係る光位相変調回路を説明する図である。 本発明に係る強度変調・位相変調変換回路を説明する図である。 本発明に係る強度変調・差動位相変調変換回路を説明する図である。 本発明に係る光信号再生回路を説明する図である。 本発明に係る光ゲートスイッチ回路を説明する図である。 光位相変調素子の相互位相変調特性を評価する実験装置を示す図である。 強度変調信号に変換されたプローブ光の光サンプリング波形を表す図である。 プローブ光の光スペクトラムを表す図である。 プローブ光の位相変化を、制御光の１パルス当たりのエネルギーの関数として表した図である。

符号の説明

１，１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ 光方向性結合器
２，２ａ、２ｂ 光位相変調素子
３ 光バンドパスフィルタ
４ 光位相変調回路
５ １ビット遅延素子
６ 強度変調・差動位相変調変換回路
７ 差動位相復調回路
８ 可変光減衰器
９ 位相光位相シフタ
１０ 非対称マッハツェンダー干渉計
１１ 能動モード同期光ファイバレーザー
１２ シンセサイザ
１３ 光強度変調器
１４ 符号発生器
１５ 光ファイバ増幅器
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ 偏光制御器
１７ 光サーキュレータ
１８ 波長可変レーザー
１９ 差動群遅延素子
２０ 偏光子

Claims (6)

1. 光位相変調素子と、光バンドパスフィルタと、光方向性結合器とからなり、波長λ_Cの制
   御光と、波長λ_Pのプローブ光とを、前記光方向性結合器により結合して前記光位相変調
   素子に入力し、該光位相変調素子で位相変調したプローブ光を前記光バンドパスフィルタにより抽出して、制御光の強度により、プローブ光の位相を変調することを特徴とする光位相変調回路。
2. 請求項１記載の光位相変調回路において、前記プローブ光をクロック信号光とし、強度変調された波長λ_Cの制御光と、クロック信号光である波長λ_Pのプローブ光とを、前記光方向性結合器により結合して前記光位相変調素子に入力し、透過するプローブ光を前記光バンドパスフィルタにより抽出して、前記制御光の強度変調をプローブ光の位相変調に変換することを特徴とする強度変調・位相変調変換回路。
3. 光位相変調素子と、１ビット遅延素子と、光方向性結合器と、請求項１記載の光位相変調回路とからなり、
   制御光を第１の光方向性結合器と１ビット遅延素子を介して遅延した制御光とし、前記第１の光方向性結合器の分岐光とプローブ光を第２の光方向性結合器で結合し、前記第２の光方向性結合器の結合出力のプローブ光を前記第１の光位相変調素子を介して制御信号で位相変調した変調信号とし、前記遅延した制御光を請求項１記載の光位相変調回路の制御光とし、前記位相変調した変調信号を請求項１記載の光位相変調回路のプローブ光とした強度変調・差動位相変調変換回路であって、
   前記制御光の強度変調をプローブ光の差動位相変調に変換することを特徴とする強度変調・差動位相変調変換回路。
4. 差動位相復調回路と、請求項３記載の強度変調・差動位相変調変換回路とからなり、差動位相変調されたデータ信号光である制御光を前記差動位相復調回路を介して強度変調データ信号光に変換し、前記強度変調データ信号光を制御光として、前記強度変調・差動位相変調変換回路により、クロック信号光を差動位相変調信号光に変換して、前記位相変調されたデータ信号光を再生することを特徴とする光信号再生回路。
5. 請求項１記載の光位相変調回路の制御光とプローブ光を、第１の光方向性結合器と光位相変調素子を介して、第２の光方向性結合器へ出力する光路と、プローブ光を入力する第３の光方向性結合器から可変光減衰器と光位相シフタを介して、前記第２の光方向性結合器へ接続する光路とからなる非対称マッハツェンダー干渉計と、前記第２の光方向性結合器に接続されたバンドパスフィルタとからなり、
   強度変調された波長λ_Cの制御光を前記光位相変調素子に入力し、クロック信号光、また
   は連続光である波長λ_Pのプローブ光を前記非対称マッハツェンダー干渉計に入力し、透
   過したプローブ光を前記光バンドパスフィルタにより抽出して、前記制御光により前記プローブ光をスイッチングすることを特徴とする光ゲートスイッチ回路。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項記載の回路において、前記光位相変調素子を井戸層と障壁層からなる半導体の単一または多重量子井戸構造の素子とし、前記制御光を量子井戸のサブバンド間遷移に共鳴するＴＭ偏光とし、プローブ光をＴＥ偏光としたことを特徴とする回路。

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