JP2012004982A - Optical signal processing apparatus - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical signal processing apparatus for an optical signal to which multivalue phase modulation is performed, without using an AD converter.SOLUTION: An optical signal processing apparatus has an optical input port 1, and four-stage optical phase receiving means cascade-connected to the optical input port 1. Optical phase receiving means 5a of a first stage has optical tap means 2a, and optical phase determination means 4a connected to an output of the tap optically. The optical tap means 2a divides an optical signal into a tap output and a main output. Optical phase receiving means 5b of a second stage has optical frequency doubler means 3a, optical tap means 2b connected to the output of the optical frequency doubler means 3a optically, and optical phase determination means 4b connected to the output of the tap optically. Optical phase receiving means 5c of a third stage is similar to the second stage. Optical phase receiving means 5d of a fourth stage as the last stage has optical frequency doubler means 3c, and optical phase determination means 4d connected to the output of the optical frequency doubler means 3c optically. Each optical frequency doubler means doubles an optical frequency and an optical phase.

Description

本発明は、光信号処理装置に関し、より詳細には、多値位相変調された光信号の位相を判別するための光信号処理装置に関する。   The present invention relates to an optical signal processing apparatus, and more particularly to an optical signal processing apparatus for determining the phase of a multilevel phase-modulated optical signal.

光通信システムのさらなる大容量化に向けて、スペクトル利用効率の高い伝送フォーマットの検討が盛んにおこなわれている。このような伝送フォーマットには、光の位相に情報を付与するPSK(Phase Shift Keying)や光の振幅に情報を付与するASK(Amplitude Shift Keying)、あるいは位相および振幅の両者に情報を付与するQAM(Quadrature Amplitude Modulation)などがある。このうち差動で位相を変調するDPSK(Differential Phase Shift Keying)やDQPSK(Differential Quadrature Phase Shift Keying)はすでに実用化が進んでおり、差動を用いないQPSK(Quadrature Phase Shift Keying)も実用化目前にある。さらにスペクトル利用効率の高い(D)8PSK、16QAMなども盛んに検討されている状況にある。   In order to further increase the capacity of optical communication systems, transmission formats with high spectrum utilization efficiency are being actively studied. Such transmission formats include PSK (Phase Shift Keying) that gives information to the phase of light, ASK (Amplitude Shift Keying) that gives information to the amplitude of light, or QAM that gives information to both the phase and amplitude. (Quadrature Amplitude Modulation). Among them, DPSK (Differential Phase Shift Keying) and DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying), which modulate the phase in a differential manner, have already been put into practical use, and QPSK (Quadrature Shading) that does not use differential is also in progress. It is in. Furthermore, (D) 8PSK, 16QAM, etc. with high spectrum utilization efficiency are being actively studied.

2値の位相変調であるDPSK、あるいは4値の位相変調であるDQPSKを復調ではDLI(Delay Line Interferometer)を用いて直接バイナリ信号を取り出すことができる。しかしながらD8PSKなどさらに多値の光信号を復調するためには、従来、DLIに加えてADC(Analog−to−Digital Converter)を用いることが必要であった。D8PSK光信号を復調するための従来の光信号処理装置の構成を図1に示す(非特許文献1参照)。   In demodulating DPSK, which is binary phase modulation, or DQPSK, which is quaternary phase modulation, a binary signal can be directly extracted using DLI (Delay Line Interferometer). However, in order to demodulate a further multilevel optical signal such as D8PSK, it has been conventionally necessary to use an analog-to-digital converter (ADC) in addition to DLI. FIG. 1 shows the configuration of a conventional optical signal processing device for demodulating a D8PSK optical signal (see Non-Patent Document 1).

従来の光信号処理装置は、入力用光ポート101と、1×3光カプラ102と、遅延干渉計103a及び103bと、バランス検波器104a及び104bと、検波器105と、電気アンプ106a、106b及び106cと、アナログデジタル変換器107a、107b及び107cと、デジタルシグナルプロセッサ108から構成されている。この構成により、光の振幅および差動位相情報をバランス検波器104a及び104bで取得し、また光強度情報を検波器105で取得し、これらのデータをアナログデジタル変換器107a、107b及び107cでデジタルデータに変換してデジタルシグナルプロセッサ108で処理することにより、多値の光信号を復調する構成になっている。   The conventional optical signal processing apparatus includes an input optical port 101, a 1 × 3 optical coupler 102, delay interferometers 103a and 103b, balance detectors 104a and 104b, a detector 105, electric amplifiers 106a and 106b, and 106 c, analog-digital converters 107 a, 107 b and 107 c, and a digital signal processor 108. With this configuration, light amplitude and differential phase information is acquired by the balance detectors 104a and 104b, light intensity information is acquired by the detector 105, and these data are digitally converted by the analog-to-digital converters 107a, 107b, and 107c. A multi-value optical signal is demodulated by converting it into data and processing it by the digital signal processor 108.

また、従来の光信号処理装置の第2の例を図2に示す。光入力用ポート101a及び101bと、偏波多重光ハイブリッド109と、バランス検波器104a、104b、104c及び104dと、電気アンプ106a、106b、106c及び106dと、アナログデジタル変換器107a、107b、107c及び107dと、デジタルシグナルプロセッサ108から構成されている。ここで、偏波多重光ハイブリッド109は、偏波分離器110a及び110bと、90℃光ハイブリッド111a及び111bから構成されている。このような構成で、光入力用ポート101aに信号光を入力し、光入力用ポート101bに局発光を入力して、バランス検波器104a、104b、104c及び104dで光の変更、振幅、位相情報を取得してデジタルシグナルプロセッサ108で処理することにより、多値の光信号を復調する構成になっている。   FIG. 2 shows a second example of a conventional optical signal processing apparatus. Optical input ports 101a and 101b, polarization multiplexed optical hybrid 109, balance detectors 104a, 104b, 104c and 104d, electric amplifiers 106a, 106b, 106c and 106d, analog-digital converters 107a, 107b, 107c and 107d and a digital signal processor 108. Here, the polarization multiplexed optical hybrid 109 includes polarization separators 110a and 110b and 90 ° C. optical hybrids 111a and 111b. With such a configuration, signal light is input to the optical input port 101a, local light is input to the optical input port 101b, and light changes, amplitude, and phase information are received by the balance detectors 104a, 104b, 104c, and 104d. Is obtained and processed by the digital signal processor 108 to demodulate the multi-value optical signal.

N. Kikuchi, K. Mandai, K. Sekine, S. Sasaki, ‘‘Incoherent 32-level optical multilevel signaling technologies’’, J. Lightwave Circuit, vol. 26, no. 1, pp. 150-157, 2008.N. Kikuchi, K. Mandai, K. Sekine, S. Sasaki, ‘‘ Incoherent 32-level optical multilevel signaling technologies ’’, J. Lightwave Circuit, vol. 26, no. 1, pp. 150-157, 2008.

従来の光信号処理装置では高速のADCを用いる必要があった。しかしながら、高速のADCでビット数を増加させることは難しい問題があった。また、高速のADCは消費電力が大きいため、光信号処理装置全体の消費電力を増大させる問題があり、この消費電力は小さなADCチップで発生するために光信号処理装置の熱マネージメントが難しい問題もあった。   A conventional optical signal processing apparatus needs to use a high-speed ADC. However, it is difficult to increase the number of bits with a high-speed ADC. In addition, since a high-speed ADC consumes a large amount of power, there is a problem of increasing the power consumption of the entire optical signal processing apparatus. Since this power consumption is generated by a small ADC chip, there is also a problem that heat management of the optical signal processing apparatus is difficult. there were.

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、多値位相変調された光信号の光信号処理装置をADCを用いずに提供し、消費電力を抑えつつ、高速動作かつ高分解能の光信号処理装置を実現することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and the object thereof is to provide an optical signal processing device for an optical signal subjected to multilevel phase modulation without using an ADC, while suppressing power consumption. An object of the present invention is to realize a high-speed and high-resolution optical signal processing apparatus.

このような目的を達成するために、本発明の第1の態様は、光入力用ポートと、第1段から第N段(Nは2以上の整数)まで、この順で縦続に接続されたN段の光位相受信手段とを備える光信号処理装置であって、第1段の光位相受信手段は、前記入力用光ポートに入力された光信号をタップ出力とメイン出力に分岐する第1の光タップ手段と、前記第1の光タップ手段のタップ出力に光学的に接続された第1の光位相判別手段とを備え、第i段の光位相受信手段(iを2から(N−1)までの整数とし、N=2のときは空集合とする。)は、第(i−1)の光タップ手段のメイン出力に光学的に接続された、光周波数および光位相を夫々逓倍する第(i−1)の光周波数逓倍手段と、前記第(i−1)の光周波数逓倍手段の出力をタップ出力とメイン出力に分岐する第iの光タップ手段と、前記第iの光タップ手段のタップ出力に光学的に接続された第iの光位相判別手段とを備え、第N段の光位相受信手段は、第(N−1)の光タップ手段のメイン出力に光学的に接続された光周波数および光位相を夫々逓倍する第(N−1)の光周波数逓倍手段と、前記第(N−1)の光周波数逓倍手段の出力に光学的に接続された第Nの光位相判別手段とを備えることを特徴とする。   In order to achieve such an object, according to the first aspect of the present invention, an optical input port is connected in cascade from the first stage to the Nth stage (N is an integer of 2 or more) in this order. An optical signal processing apparatus comprising N stages of optical phase receiving means, wherein the first stage of optical phase receiving means branches the optical signal input to the input optical port into a tap output and a main output. Optical tap means and a first optical phase discriminating means optically connected to the tap output of the first optical tap means, the i-th optical phase receiving means (i from 2 to (N− 1) is an integer up to 1), and when N = 2, it is an empty set.) Is the optical frequency and optical phase, respectively, optically connected to the main output of the (i-1) th optical tap means. Tap the outputs of the (i-1) th optical frequency multiplier and the (i-1) th optical frequency multiplier. And an i-th optical tap means branching to the main output, and an i-th optical phase determining means optically connected to the tap output of the i-th optical tap means, and an N-th optical phase receiving means (N−1) th optical frequency multiplication means for multiplying the optical frequency and optical phase optically connected to the main output of the (N−1) th optical tap means, respectively, And an Nth optical phase discrimination means optically connected to the output of the optical frequency multiplication means.

また、本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記第1から第(N−1)の光周波数逓倍手段のうちの少なくとも1つの光周波数逓倍手段が、光非線形導波路による第M次高調波発生(Mは2以上の整数)を利用するものであり、前記少なくとも1つの光周波数逓倍手段と同じ段の各光位相判別手段は、2π/Mの分解能で位相を判別する光位相判別手段であることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, at least one of the first to (N-1) th optical frequency multipliers is an optical nonlinear waveguide. M order harmonic generation (M is an integer greater than or equal to 2) is used, and each optical phase discrimination means in the same stage as the at least one optical frequency multiplication means is a light for discriminating the phase with a resolution of 2π / M. It is a phase discrimination means.

また、本発明の第3の態様は、第1又は第2の態様において、前記第1から第(N−1)の光周波数逓倍手段のうちの少なくとも1つの光周波数逓倍手段が、光非線形導波路による第M次高調波発生(Mは2以上の整数)を利用するものであり、前記少なくとも1つの光周波数逓倍手段の前記非線形導波路に前記入射された光信号と異なる光周波数のポンプ光を入射するポンプ光源と、前記非線形導波路における差周波発生を経た光信号から、前記入射された光信号の光周波数および前記ポンプ光の光周波数の成分を除去するフィルタとをさらに備えることにより、光周波数を変換することを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, at least one of the first to (N-1) th optical frequency multipliers is an optical nonlinear waveguide. Pump light having an optical frequency different from that of the optical signal incident on the non-linear waveguide of the at least one optical frequency multiplying means, which uses M-th harmonic generation by a waveguide (M is an integer of 2 or more). And a filter that removes the optical frequency component of the incident optical signal and the optical frequency component of the pump light from the optical signal that has undergone the difference frequency generation in the nonlinear waveguide, It is characterized by converting the optical frequency.

また、本発明の第4の態様は、第1乃至第3のいずれかの態様において、光位相判別手段が、マッハツェンダ干渉計と、前記マッハツェンダ干渉計の出力に光学的に接続されたバランス検波器とを備えることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the optical phase discrimination means is a Mach-Zehnder interferometer and a balance detector optically connected to the output of the Mach-Zehnder interferometer. It is characterized by providing.

また、本発明の第5の態様は、第1乃至第3のいずれかの態様において、光位相判別手段が、90度光ハイブリッド回路と、前記90度光ハイブリッド回路の出力に光学的に接続されたバランス検波器であることを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the optical phase discrimination means is optically connected to the 90-degree optical hybrid circuit and the output of the 90-degree optical hybrid circuit. It is characterized by being a balanced detector.

また、本発明の第6の態様は、第3の態様において、前記少なくとも1つの光周波数逓倍手段が、前記光非線形導波路による第二次高調波発生を利用する光周波数二倍手段であることを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in the third aspect, the at least one optical frequency multiplying means is an optical frequency doubling means using second harmonic generation by the optical nonlinear waveguide. It is characterized by.

また、本発明の第7の態様は、第2乃至第6のいずれかの態様において、前記光非線形導波路が、周期分極反転されたニオブ酸リチウム上に設けられた光導波路であることを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, in any one of the second to sixth aspects, the optical nonlinear waveguide is an optical waveguide provided on a periodically poled lithium niobate. And

また、本発明の第8の態様は、第1乃至第7のいずれかの態様において、前記光周波数逓倍手段が、少なくとも2つの入力ポートおよび少なくとも1つの出力ポートを有する波長合波器と、前記波長合波器の出力ポートに光学的に接続された光非線形導波路と、前記光非線形導波路の出力に光学的に接続された、少なくとも1つの入力ポートおよび少なくとも1つの出力ポートを有する波長分波器とを備えることを特徴とする。   Further, an eighth aspect of the present invention is the wavelength multiplexer according to any one of the first to seventh aspects, wherein the optical frequency multiplication means has at least two input ports and at least one output port, An optical nonlinear waveguide optically connected to the output port of the wavelength multiplexer, and a wavelength component having at least one input port and at least one output port optically connected to the output of the optical nonlinear waveguide And a waver.

また、本発明の第9の態様は、第1乃至第7のいずれかの態様において、前記光周波数逓倍手段が、少なくとも2つの入力ポートおよび少なくとも1つの出力ポートを有する波長合波器と、前記波長合波器の出力ポートに光学的に接続された1入力2出力の偏波分離器と、前記偏波分離器の一方の出力に光学的に接続された第1の偏波変換素子と、前記偏波分離器の他方の出力と前記第1の偏波変換素子の出力に夫々光学的に接続された2本の光非線形導波路と、前記2本の光非線形導波路の一方の出力に光学的に接続された第2の偏波変換素子と、前記2本の光非線形導波路の他方の出力と前記第2の偏波変換素子の出力に夫々光学的に接続された2入力1出力の偏波合流器と、前記偏波合流器の出力に光学的に接続された、少なくとも1つの入力ポートおよび少なくとも3つの出力ポートを有する波長分波器とを備えることを特徴とする。   According to a ninth aspect of the present invention, in any one of the first to seventh aspects, the optical frequency multiplier includes a wavelength multiplexer having at least two input ports and at least one output port, A 1-input 2-output polarization separator optically connected to an output port of the wavelength multiplexer; a first polarization conversion element optically connected to one output of the polarization separator; Two optical nonlinear waveguides optically connected to the other output of the polarization separator and the output of the first polarization conversion element, respectively, and one output of the two optical nonlinear waveguides 2 input 1 output optically connected to the second polarization conversion element optically connected, the other output of the two optical nonlinear waveguides, and the output of the second polarization conversion element, respectively. A polarization combiner and at least one optically connected to the output of the polarization combiner And a wavelength demultiplexer having at least three output ports.

本発明によれば、光周波数および光位相を逓倍する光周波数逓倍手段を縦続に接続することにより、簡便で消費電力の小さな光信号処理装置を提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide a simple and low power consumption optical signal processing apparatus by connecting optical frequency multiplication means for multiplying optical frequency and optical phase in cascade.

従来の光信号処理装置を表す図である。It is a figure showing the conventional optical signal processing apparatus. 従来の光信号処理装置の第2の例を表す図である。It is a figure showing the 2nd example of the conventional optical signal processing apparatus. 第1の実施形態に係る光信号処理装置の構成を表す図である。It is a figure showing the structure of the optical signal processing apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態の光周波数二倍手段の第1の実現例を表す図である。It is a figure showing the 1st implementation example of the optical frequency doubling means of 1st Embodiment. 第1の実施形態の光周波数二倍手段の第2の実現例を表す図である。It is a figure showing the 2nd implementation example of the optical frequency doubling means of 1st Embodiment. 第1の実施形態の光周波数二倍手段の第3の実現例を表す図である。It is a figure showing the 3rd implementation example of the optical frequency doubling means of 1st Embodiment. 第1の実施形態の光位相判別手段の実現例を表す図である。It is a figure showing the implementation example of the optical phase discrimination | determination means of 1st Embodiment. 第2の実施形態に係る光信号処理装置の構成を表す図である。It is a figure showing the structure of the optical signal processing apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態の光周波数四倍手段の実現例を表す図である。It is a figure showing the implementation example of the optical frequency quadruple means of 2nd Embodiment. 第2の実施形態の位相判別手段の第1の実現例を表す図である。It is a figure showing the 1st implementation example of the phase discrimination means of 2nd Embodiment. 第2の実施形態の位相判別手段の第2の実現例を表す図である。It is a figure showing the 2nd implementation example of the phase discrimination means of 2nd Embodiment.

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図3に、第1の実施形態に係る光信号処理装置の構成を示す。第1の実施形態に係る光信号処理装置は、光入力用ポート1と、光入力用ポート1に縦続に接続された四段の光位相受信手段5a、5b、5c及び5dとを備える。第1段の光位相受信手段5aは、メイン出力およびタップ出力を有する光タップ手段2aと、光タップ手段2aのタップ出力に光学的に接続された光位相判別手段4aとを備える。光タップ手段2aは、光信号をそのタップ出力とメイン出力に分岐する。第2段の光位相受信手段5bは、光周波数二倍手段3aと、光周波数二倍手段3aの出力に光学的に接続された、メイン出力およびタップ出力を有する光タップ手段2bと、光タップ手段2bのタップ出力に光学的に接続された光位相判別手段4bとを備える。第3段の光位相受信手段5cは、光周波数二倍手段3bと、光周波数二倍手段3bの出力に光学的に接続された、メイン出力およびタップ出力を有する光タップ手段2cと、光タップ手段2cのタップ出力に光学的に接続された光位相判別手段4cから構成されている。最終段の第4段の光位相受信手段5dは、光周波数二倍手段3cと、光周波数二倍手段3cの出力に光学的に接続された光位相判別手段4dとを備える。
(First embodiment)
FIG. 3 shows the configuration of the optical signal processing apparatus according to the first embodiment. The optical signal processing apparatus according to the first embodiment includes an optical input port 1 and four stages of optical phase receiving means 5a, 5b, 5c and 5d connected in cascade to the optical input port 1. The first-stage optical phase receiving means 5a includes an optical tap means 2a having a main output and a tap output, and an optical phase determination means 4a optically connected to the tap output of the optical tap means 2a. The optical tap means 2a branches the optical signal into its tap output and main output. The second-stage optical phase receiving means 5b includes an optical frequency doubling means 3a, an optical tap means 2b having a main output and a tap output optically connected to the output of the optical frequency doubling means 3a, and an optical tap. Optical phase discriminating means 4b optically connected to the tap output of the means 2b. The third-stage optical phase receiving means 5c includes an optical frequency doubling means 3b, an optical tap means 2c optically connected to the output of the optical frequency doubling means 3b and having a main output and a tap output, and an optical tap. It comprises optical phase discrimination means 4c optically connected to the tap output of means 2c. The final-stage fourth-stage optical phase receiving means 5d includes an optical frequency doubling means 3c and an optical phase discrimination means 4d optically connected to the output of the optical frequency doubling means 3c.

ここで光タップ手段2a、2b及び2cとしては、光ファイバ型カプラや導波路型カプラなどを用いて実現することができる。また光タップ手段2a、2b及び2cの分岐比としては、光位相判別手段4a、4b及び4cの受光感度が許す範囲で小さくするほうが、特に光周波数二倍手段3a、3b及び3cとして光非線形材料を用いる場合などを考えると好ましい。   Here, the optical tap means 2a, 2b, and 2c can be realized using an optical fiber coupler, a waveguide coupler, or the like. The optical tap means 2a, 2b and 2c have a smaller branching ratio within the range allowed by the light receiving sensitivity of the optical phase discriminating means 4a, 4b and 4c, particularly as the optical frequency doubling means 3a, 3b and 3c. Considering the case of using

また、上記の本発明の第1の実施形態では光位相受信手段の段数を4としたが、本発明はこの例に限定されるものではもちろんなく、段数は2でも3でも5でもそれ以上でも構わない。Nを2以上の整数として一般化すると、第i段の光位相受信手段(iを2から(N−1)までの整数とし、N=2のときは空集合とする。)は、第(i−1)の光タップ手段のメイン出力に光学的に接続された第(i−1)の光周波数二倍手段と、第(i−1)の光周波数二倍手段の出力をタップ出力とメイン出力に分岐する第iの光タップ手段と、第iの光タップ手段のタップ出力に光学的に接続された第iの光位相判別手段とを備える。そして、最終段の第N段の光位相受信手段は、第(N−1)の光タップ手段のメイン出力に光学的に接続された第(N−1)の光周波数二倍手段と、第(N−1)の光周波数二倍手段の出力に光学的に接続された第Nの光位相判別手段とを備える。   In the first embodiment of the present invention, the number of stages of the optical phase receiving means is four. However, the present invention is not limited to this example, and the number of stages may be 2, 3, 3, 5, or more. I do not care. When N is generalized as an integer of 2 or more, the i-th optical phase receiving means (i is an integer from 2 to (N−1), and an empty set when N = 2) is the ( The output of the (i-1) th optical frequency doubling means optically connected to the main output of the i-1) optical tap means, and the output of the (i-1) th optical frequency doubling means is the tap output. I-th optical tap means branched to the main output, and i-th optical phase discrimination means optically connected to the tap output of the i-th optical tap means. The N-th optical phase receiving means at the final stage includes (N-1) th optical frequency doubling means optically connected to the main output of the (N-1) th optical tap means, N-th optical phase discrimination means optically connected to the output of the (N-1) optical frequency doubling means.

また、本実施形態では、光周波数および光位相を二倍にする光周波数二倍手段を例に説明するが、第2の実施形態でも説明するように、光周波数および光位相を四倍等の逓倍にする光周波数逓倍手段を用いてもよい。   In this embodiment, the optical frequency doubling means for doubling the optical frequency and the optical phase will be described as an example. However, as described in the second embodiment, the optical frequency and the optical phase are quadrupled. Optical frequency multiplying means for multiplying may be used.

次に、第1の実施形態の光信号処理装置における光周波数二倍手段および光位相判別手段の具体例およびその動作原理を説明し、その後に、第1の実施形態の光信号処理装置の全体での動作原理を説明する。   Next, specific examples of optical frequency doubling means and optical phase discrimination means in the optical signal processing apparatus of the first embodiment and the operation principle thereof will be described, and then the entire optical signal processing apparatus of the first embodiment. The principle of operation will be described.

光周波数二倍手段の第1の実現例
図4に、第1の実施形態に係る光信号処理装置の、光周波数二倍手段の実現例を示す。図4の光周波数二倍手段は、光入力用ポート6と、光入力用ポート6に光学的に接続された周期分極反転ニオブ酸リチウム7上に設けられた光導波路8と、光導波路8の出力に光学的に接続された光フィルタ9と、光フィルタ9の出力に光学的に接続された光出力用ポート10とを備える。
First Implementation Example of Optical Frequency Doubler Means FIG. 4 shows an implementation example of the optical frequency doubler means of the optical signal processing apparatus according to the first embodiment. The optical frequency doubling means of FIG. 4 includes an optical input port 6, an optical waveguide 8 provided on a periodically poled lithium niobate 7 optically connected to the optical input port 6, An optical filter 9 optically connected to the output and an optical output port 10 optically connected to the output of the optical filter 9 are provided.

次に、図4に示す第1の実施形態に係る光信号処理装置の光周波数二倍手段の実現例の動作を説明する。入力された光信号の光周波数をf0とすると、周期分極反転ニオブ酸リチウム7上に設けられた光導波路8内で2次の光非線形効果により第二次高調波(SHG:Second Harmonic Generation)により光周波数2f0の成分が発生する。光フィルタ9で光周波数f0の成分を除去することで光周波数2f0の成分のみが抽出される。ここで、入力光信号の光電界EsをAsを実数の定数、φs(t)を時間で変化する光位相として Next, the operation of an implementation example of the optical frequency doubling means of the optical signal processing device according to the first embodiment shown in FIG. 4 will be described. Assuming that the optical frequency of the input optical signal is f 0 , second harmonic generation (SHG: Second Harmonic Generation) is caused by the second-order optical nonlinear effect in the optical waveguide 8 provided on the periodically poled lithium niobate 7. As a result, a component of the optical frequency 2f 0 is generated. By removing the component of the optical frequency f 0 by the optical filter 9, only the component of the optical frequency 2f 0 is extracted. Here, the optical electric field E s of the input optical signal is defined as A s as a real constant, and φ s (t) as the optical phase changing with time.

Figure 2012004982
Figure 2012004982

と表すと、光周波数二倍手段の出力光電界EoはAoを実数の定数として The output optical electric field E o of the optical frequency doubler means that A o is a real constant.

Figure 2012004982
Figure 2012004982

で与えられ、式からも明らかに光周波数だけではなく光位相項も二倍になる。 As is apparent from the equation, not only the optical frequency but also the optical phase term is doubled.

ここで、上記の第1の実施形態の光周波数二倍手段の実現例では、光周波数を二倍するために周期分極反転されたニオブ酸リチウム7を用いるとしたが、これはこの材料が効率的に第二次高調波を発生できるからである。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、ポリマーや光ファイバなどの光非線形材料を用いてももちろん構わない。光非線形材料で光導波路を形成した場合、これを本明細書では「非線形導波路」と呼ぶ。
また、光導波路8の構成としては、拡散により形成することもできるし、リッジ導波路により形成することもできる。
Here, in the realization example of the optical frequency doubling means of the first embodiment described above, it is assumed that the lithium niobate 7 which is periodically poled in order to double the optical frequency is used. This is because second harmonics can be generated. However, the present invention is not limited to this example. Of course, an optical nonlinear material such as a polymer or an optical fiber may be used. When an optical waveguide is formed of an optical nonlinear material, this is called a “nonlinear waveguide” in this specification.
Further, the configuration of the optical waveguide 8 can be formed by diffusion or a ridge waveguide.

光周波数二倍手段の第2の実現例
図5に、第1の実施形態に係る光信号処理装置の、光周波数二倍手段の第2の実現例を示す。図5の光周波数二倍手段は、光入力用ポート6と、光周波数fpのポンプ光源11と、光入力用ポート6に光学的に接続された石英系アレイ導波路格子フィルタ12aと、アレイ導波路格子フィルタ12aの出力に光学的に接続された周期分極反転ニオブ酸リチウム7上に設けられた光導波路8と、光導波路8の出力に光学的に接続された石英系アレイ導波路格子フィルタ12bと、アレイ導波路格子フィルタ12bの出力に光学的に接続された光出力用ポート10とを備える。ここで、石英系アレイ導波路格子フィルタ12aとニオブ酸リチウム7と石英系アレイ導波路格子フィルタ12bは、それぞれ直接接続されている。
Second Implementation Example of Optical Frequency Doubler Means FIG. 5 shows a second implementation example of the optical frequency doubler means of the optical signal processing apparatus according to the first embodiment. Optical frequency doubling means of Figure 5 includes an optical input port 6, a pump light source 11 of the optical frequency f p, and the silica-based arrayed waveguide grating filter 12a optically connected to an optical input port 6, the array Optical waveguide 8 provided on periodically poled lithium niobate 7 optically connected to the output of waveguide grating filter 12a, and silica-based arrayed waveguide grating filter optically connected to the output of optical waveguide 8 12b and an optical output port 10 optically connected to the output of the arrayed waveguide grating filter 12b. Here, the quartz-based arrayed waveguide grating filter 12a, the lithium niobate 7, and the quartz-based arrayed waveguide grating filter 12b are directly connected to each other.

次に、図5に示す第1の実施形態に係る光信号処理装置の光周波数二倍手段の第2の実現例の動作を説明する。入力された光信号の光周波数をf0、ポンプ光の光周波数をfp(光周波数f0とは異なるものとする。)とすると、周期分極反転ニオブ酸リチウム7上に設けられた光導波路8内で二次の光非線形効果により第二次高調波(SHG:Second Harmonic Generation)と、これに引き続く差周波発生により光周波数2f0−fpの成分が発生する。したがって、アレイ導波路格子フィルタ12bで光周波数f0の成分および光周波数fpの成分を除去することで光周波数2f0−fpの成分のみが抽出される。このときの光周波数二倍手段の出力は Next, the operation of the second implementation example of the optical frequency doubling means of the optical signal processing device according to the first embodiment shown in FIG. 5 will be described. If the optical frequency of the input optical signal is f 0 and the optical frequency of the pump light is f p (which is different from the optical frequency f 0 ), the optical waveguide provided on the periodically poled lithium niobate 7. the second-order optical nonlinear effect in the 8 second harmonic: and (SHG second harmonic generation), components of the optical frequency 2f 0 -f p is generated by subsequent difference frequency generation thereto. Therefore, only the component of the optical frequency 2f 0 -f p is extracted by removing the components of the components and the optical frequency f p of the optical frequency f 0 in the array waveguide grating filter 12b. The output of the optical frequency doubling means at this time is

Figure 2012004982
Figure 2012004982

と与えられる。このときも図4に示した第1の実現例と同様に、光位相項が二倍となる。一方で光周波数は2f0−fpに変換される。 And given. Also at this time, the optical phase term is doubled as in the first implementation example shown in FIG. On the other hand the light frequency is converted to 2f 0 -f p.

一般に、光通信では1.55ミクロン帯の波長が使用されることが多いが、図5に示した光周波数二倍手段の第2の実現例では光信号の光周波数f0およびポンプ光の光周波数fpをそれぞれ1.55ミクロン帯とすることで、光周波数二倍手段の出力でも1.55ミクロン帯の波長が得られるため、汎用の光通信用部品が使用できるという利点がある。 In general, in the optical communication, a wavelength of 1.55 micron band is often used. However, in the second implementation example of the optical frequency doubling means shown in FIG. 5, the optical frequency f 0 of the optical signal and the light of the pump light are used. by the frequency f p and each 1.55 micron band, since the wavelength of 1.55 micron band at the output of the optical frequency doubling means is obtained, optical communication components of a general purpose there is an advantage that it can be used.

ここでニオブ酸リチウム8については、別の光非線形材料を用いることができるのは図4の第1の実現例と同様である。   Here, as for the lithium niobate 8, another optical nonlinear material can be used as in the first implementation example of FIG.

また、図5の光周波数二倍手段の第2の実現例では、光フィルタとして石英系アレイ導波路格子フィルタ12a及び12bを用いてこれをニオブ酸リチウムと接合するとしたが、これはこの組み合わせが透過/遮断特性に優れ小型な光周波数二倍出力を提供できるからである。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、アレイ導波路格子フィルタの替わりにラティス型光導波路フィルタを用いても良いし、トランスバーサル型光導波路フィルタを用いてもよいし、多層膜フィルタを用いても良い。また、アレイ導波路格子など光フィルタとニオブ酸リチウムは直接接合しなくとも、光ファイバで接続してももちろん構わない。   Further, in the second implementation example of the optical frequency doubling means in FIG. 5, silica-based arrayed waveguide grating filters 12a and 12b are used as optical filters and are joined to lithium niobate. This is because it has excellent transmission / cutoff characteristics and can provide a small optical frequency double output. However, the present invention is not limited to this example, and a lattice type optical waveguide filter, a transversal type optical waveguide filter, or a multilayer film may be used instead of the arrayed waveguide grating filter. A filter may be used. Of course, an optical filter such as an arrayed waveguide grating and lithium niobate may be connected by an optical fiber instead of being directly joined.

光周波数二倍手段の第3の実現例
図6に、第1の実施形態に係る光信号処理装置の、光周波数二倍手段の第3の実現例を示す。図6の光周波数二倍手段は、光入力用光ポート6と、光周波数fpのポンプ光源11と、光入力用ポート6に光学的に接続された石英系アレイ導波路格子フィルタ12aと、アレイ導波路格子フィルタ12aの出力に光学的に接続されたマッハツェンダ型導波路偏波合分波素子13aと、偏波合分波素子13aの一方の出力に設けられた45度傾いたポリイミド半波長板による偏波変換素子14aと、偏波合分波素子13aの2出力にそれぞれ光学的に接続された周期分極反転ニオブ酸リチウム7上に設けられた光導波路8a及び8bと、光導波路8a及び8bの出力の一方に設けられた45度傾いたポリイミド半波長板による偏波変換素子14bと、光導波路8a及び8bのそれぞれの出力に光学的に接続されたマッハツェンダ型導波路偏波合分波素子13bと、偏波合分波素子13bの出力に光学的に接続された石英系アレイ導波路格子フィルタ12bと、アレイ導波路格子フィルタ12bの出力に光学的に接続された光出力用ポート10とを備える。ここで、石英系アレイ導波路格子フィルタ12a、偏波合分波素子13aおよび偏波変換素子14aは一枚の基板上に形成されており、石英系アレイ導波路格子フィルタ12b、偏波合分波素子13bおよび偏波変換素子14bは別の一枚の基板上に形成されている。これら基板とニオブ酸リチウム7はそれぞれ直接接続されている。
FIG. 6 shows a third example of realization of the optical frequency doubling means of the optical signal processing apparatus according to the first embodiment. Optical frequency doubling means of Figure 6 includes an optical input optical port 6, a pump light source 11 of the optical frequency f p, and the silica-based arrayed waveguide grating filter 12a optically connected to an optical input port 6, A Mach-Zehnder waveguide polarization multiplexer / demultiplexer 13a optically connected to the output of the arrayed waveguide grating filter 12a, and a polyimide half wavelength inclined at 45 degrees provided at one output of the polarization multiplexer / demultiplexer 13a Optical waveguides 8a and 8b provided on the periodically poled lithium niobate 7 optically connected to the two outputs of the polarization conversion element 14a and the polarization multiplexing / demultiplexing element 13a, respectively; Polarization conversion element 14b by a polyimide half-wave plate inclined at 45 degrees provided on one of the outputs of 8b, and a Mach-Zehnder waveguide polarization optically connected to the respective outputs of optical waveguides 8a and 8b. The multiplexing / demultiplexing element 13b, the silica-based arrayed waveguide grating filter 12b optically connected to the output of the polarization multiplexing / demultiplexing element 13b, and the optical output optically connected to the output of the arrayed waveguide grating filter 12b Port 10. Here, the silica-based arrayed waveguide grating filter 12a, the polarization multiplexing / demultiplexing element 13a, and the polarization converting element 14a are formed on a single substrate. The wave element 13b and the polarization conversion element 14b are formed on a separate substrate. These substrates and lithium niobate 7 are directly connected to each other.

図6に示す光周波数二倍手段の第3の実現例では、図5に2の実現例と同様に、入力された光信号の光周波数をf0、ポンプ光の光周波数をfpとすると、周期分極反転ニオブ酸リチウム7上に設けられた光導波路8内で二次の光非線形効果により第二次高調波(SHG:Second Harmonic Generation)と、これに引き続く差周波発生により光周波数2f0−fpの成分が発生する。したがって、アレイ導波路格子フィルタ12bで光周波数f0の成分および光周波数fpの成分を除去することで光周波数2f0−fpの成分のみが抽出される。このときの光周波数二倍手段の出力は In the third implementation example of the optical frequency doubling means shown in FIG. 6, when the optical frequency of the input optical signal is f 0 and the optical frequency of the pump light is f p , as in the implementation example 2 in FIG. In the optical waveguide 8 provided on the periodically poled lithium niobate 7, the second harmonic (SHG) is generated by the second-order optical nonlinear effect, and the optical frequency 2f 0 is generated by the subsequent difference frequency generation. component of the -f p occurs. Therefore, only the component of the optical frequency 2f 0 -f p is extracted by removing the components of the components and the optical frequency f p of the optical frequency f 0 in the array waveguide grating filter 12b. The output of the optical frequency doubling means at this time is

Figure 2012004982
Figure 2012004982

と与えられる。このときも図4に示した第1の実現例と同様に、光位相項が二倍となる。一方で光周波数は2f0−fpとなる。 And given. Also at this time, the optical phase term is doubled as in the first implementation example shown in FIG. On the other hand the light frequency is 2f 0 -f p.

加えて、図6に示した光周波数二倍手段の第3の実現例では、偏波合分波素子13および偏波変換素子14によって偏波ダイバーシチの構成がとられているので、光入力用ポート6に入力される光信号の偏波状態にかかわらず、光位相を二倍とできる利点がある。   In addition, in the third realization example of the optical frequency doubling means shown in FIG. 6, since the polarization diversity structure is formed by the polarization multiplexing / demultiplexing element 13 and the polarization converting element 14, There is an advantage that the optical phase can be doubled regardless of the polarization state of the optical signal input to the port 6.

ここで、図6の光周波数二倍手段の第3の実現例では、偏波合分波素子13として石英系光導波路によるマッハツェンダ型偏波合分波素子を用いるとし、偏波変換素子14としてポリイミド半波長板を用いるとしたが、これはこの組み合わせにより集積性に優れた偏波合分波素子および偏波変換素子が実現できるからである。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、方解石による偏光プリズムを用いてもよいし、フォトニック結晶による偏光プリズムを用いてももちろん構わない。   Here, in the third realization example of the optical frequency doubling means in FIG. 6, it is assumed that a Mach-Zehnder type polarization multiplexing / demultiplexing element using a silica-based optical waveguide is used as the polarization multiplexing / demultiplexing element 13 and the polarization converting element 14 is used. The polyimide half-wave plate is used because this combination makes it possible to realize a polarization multiplexing / demultiplexing element and a polarization converting element with excellent integration. However, the present invention is not limited to this example. A polarizing prism made of calcite or a polarizing prism made of a photonic crystal may be used.

なお、図6では、アレイ導波路格子フィルタ12aを例に説明したが、少なくとも2つの入力ポートおよび少なくとも1つの出力ポートを有する波長合波器であれば、同等の機能を果たすことができる。同様に、アレイ導波路格子フィルタ12bを例に説明したが、導波路8の出力に光学的に接続された、少なくとも1つの入力ポートおよび少なくとも1つの出力ポートを有する波長分波器であれば、同様の機能を果たすことができる。   In FIG. 6, the arrayed waveguide grating filter 12a has been described as an example, but an equivalent function can be achieved as long as the wavelength multiplexer has at least two input ports and at least one output port. Similarly, the arrayed waveguide grating filter 12b has been described as an example. However, if the wavelength demultiplexer has at least one input port and at least one output port optically connected to the output of the waveguide 8, A similar function can be performed.

また、マッハツェンダ型導波路偏波合分波素子13aを例に説明したが、波長合波器の出力ポートに光学的に接続された1入力2出力の偏波分離器であれば、同様の機能を果たすことができる。同様に、マッハツェンダ型導波路偏波合分波素子13bを例に説明したが、2本の光非線形導波路のうち出力に偏波変換素子14bが設けられていない方の出力と、偏波変換素子14bの出力に夫々光学的に接続された2入力1出力の偏波合流器であれば、同様の機能を果たすことができる。   Further, although the Mach-Zehnder type polarization multiplexing / demultiplexing element 13a has been described as an example, the same function can be used as long as it is a 1-input 2-output polarization separator optically connected to the output port of the wavelength multiplexer. Can be fulfilled. Similarly, the Mach-Zehnder waveguide polarization multiplexing / demultiplexing element 13b has been described as an example. Of the two optical nonlinear waveguides, the output of which the polarization conversion element 14b is not provided, and the polarization conversion A 2-input 1-output polarization combiner that is optically connected to the output of the element 14b can perform the same function.

光位相判別手段の実現例
次に、本発明の第1の実施形態に係る光信号処理装置の光位相判別手段の実現例について説明する。図7に示す光位相判別手段の実現例は、光入力用ポート15と、光入力用ポート15に光学的に接続された導波路型マッハツェンダ干渉計である遅延干渉計16と、遅延干渉計16の2つの出力に光学的に接続されたバランス検波器17と、バランス検波器の出力に電気的に接続された電気アンプ18と、電気アンプ18の出力に電気的に接続された電気出力用ポートとを備える。ここで遅延干渉計16の遅延量Dは、光信号のビット間隔Tとおおむね一致するように設定されており、遅延干渉計16の各アームには位相調整手段としてヒータが設けられている。
Implementation Example of Optical Phase Discriminating Unit Next, an implementation example of the optical phase discrimination unit of the optical signal processing device according to the first embodiment of the present invention will be described. The optical phase discrimination means shown in FIG. 7 includes an optical input port 15, a delay interferometer 16 that is a waveguide type Mach-Zehnder interferometer optically connected to the optical input port 15, and a delay interferometer 16. The balance detector 17 optically connected to the two outputs, the electrical amplifier 18 electrically connected to the output of the balance detector, and the electrical output port electrically connected to the output of the electrical amplifier 18 With. Here, the delay amount D of the delay interferometer 16 is set to substantially coincide with the bit interval T of the optical signal, and each arm of the delay interferometer 16 is provided with a heater as a phase adjusting means.

ここで遅延量Dとビット間隔Tについては、理想的な線路状態ではD=Tとすることで最適な受信を行うことができるが、例えば線路の帯域が制限されている場合など非理想的な要因が存在するときには、例えばD=0.7Tなど、遅延量Dをビット間隔Tよりも短くすることで非理想的な要因の影響が抑制できることが知られている。
このとき、位相調整手段を調整することで、光信号の隣接ビット間の位相差が0.5πのときに出力-1、1.5πのときに出力1となるように設定することができる。
Here, with regard to the delay amount D and the bit interval T, optimal reception can be performed by setting D = T in an ideal line state. However, for example, when the band of the line is limited, it is non-ideal. When there is a factor, it is known that the influence of the non-ideal factor can be suppressed by making the delay amount D shorter than the bit interval T, for example, D = 0.7T.
At this time, by adjusting the phase adjusting means, it is possible to set so that the output is -1 when the phase difference between adjacent bits of the optical signal is 0.5π, and the output is 1 when the phase difference is 1.5π.

第1の実施形態の光信号処理装置の動作の説明
次に、図3に示した本発明の第1の実施形態に係る光信号処理装置の動作について、表1を参照して説明する。なお、光周波数二倍手段としては図6に示した光周波数二倍手段を用いるとし、光位相判別手段としては図7に示した光位相判別手段を用いるとする。ただし、光周波数二倍手段として図6に示した光周波数二倍手段を用いるとしたのは、この構成が偏波依存性が小さく、汎用の光通信波長帯の光部品を用いることができる光信号処理装置を提供できるからであるが、本発明はこの例に限定されるものではなく、図4に示した光周波数二倍手段を用いても、図5に示した光周波数二倍手段を用いても、もちろん構わない。
Description of Operation of Optical Signal Processing Apparatus According to First Embodiment Next, the operation of the optical signal processing apparatus according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 3 will be described with reference to Table 1. The optical frequency doubling means shown in FIG. 6 is used as the optical frequency doubling means, and the optical phase determining means shown in FIG. 7 is used as the optical phase determining means. However, the reason why the optical frequency doubling means shown in FIG. 6 is used as the optical frequency doubling means is that this configuration has small polarization dependence and can use optical components in a general-purpose optical communication wavelength band. This is because the signal processing apparatus can be provided, but the present invention is not limited to this example. Even if the optical frequency doubling means shown in FIG. 4 is used, the optical frequency doubling means shown in FIG. Of course, it does not matter.

さて、図3に示す光信号処理装置で、図7に示した光位相判別手段の位相調整手段を調整することで、第1段目から第4段目までの出力I1からI4を下記のように設定することができる。
I1 = cos[(φ+π/16)+π/2]
I2 = cos[2(φ+π/16)+π/2]
I3 = cos[4(φ+π/16)+π/2]
I4 = cos[8(φ+π/16)+π/2]
ここでφは隣り合うビットの位相差である。
By adjusting the phase adjusting means of the optical phase discriminating means shown in FIG. 7 with the optical signal processing device shown in FIG. 3, the outputs I1 to I4 from the first stage to the fourth stage are as follows: Can be set to
I1 = cos [(φ + π / 16) + π / 2]
I2 = cos [2 (φ + π / 16) + π / 2]
I3 = cos [4 (φ + π / 16) + π / 2]
I4 = cos [8 (φ + π / 16) + π / 2]
Here, φ is the phase difference between adjacent bits.

このときの各段の出力を表1に示す。さらに表1で正の出力を“1”、負の出力を“0”とアサインすることとすれば、表1に示したように4ビットのバイナリ出力を得ることができる。表1よりも明らかに、このバイナリ出力は入力光信号の位相をアナログデジタル変換した値となっている。このように、本発明の第1の実施形態の光信号処理装置を用いることで、光段で入力光信号の位相をアナログデジタル変換することが可能となる。アナログデジタル変換の段数については、光位相受信手段5の数を増やすことで増加することができる。   Table 1 shows the output at each stage. Further, if the positive output is assigned as “1” and the negative output is assigned as “0” in Table 1, a 4-bit binary output can be obtained as shown in Table 1. As apparent from Table 1, this binary output is a value obtained by analog-digital conversion of the phase of the input optical signal. As described above, by using the optical signal processing apparatus according to the first embodiment of the present invention, the phase of the input optical signal can be converted from analog to digital at the optical stage. The number of stages of analog-digital conversion can be increased by increasing the number of optical phase receiving means 5.

Figure 2012004982
Figure 2012004982

(第2の実施形態)
図8に、本発明の第2の実施形態に係る光信号処理装置の構成を示す。第2の実施形態に係る光信号処理装置は、光入力用ポート1と、光入力用ポート1に縦続に接続された二段の光位相受信手段23a及び23bとを備える。第1段の光位相受信手段23aは、光タップ手段2aと、光タップ手段2aのタップ出力に光学的に接続された光位相判別手段22aとを備える。最終段の第2段の光位相受信手段23bは、光周波数四倍手段21aと、光周波数四倍手段21aの出力に光学的に接続された光タップ手段2bと、光タップ手段2bのタップ出力に光学的に接続された光位相判別手段22bとを備える。
(Second Embodiment)
FIG. 8 shows a configuration of an optical signal processing device according to the second embodiment of the present invention. The optical signal processing apparatus according to the second embodiment includes an optical input port 1 and two-stage optical phase receiving means 23 a and 23 b connected in cascade to the optical input port 1. The first-stage optical phase receiving unit 23a includes an optical tap unit 2a and an optical phase determination unit 22a optically connected to the tap output of the optical tap unit 2a. The second-stage optical phase receiving means 23b in the final stage includes an optical frequency quadruple means 21a, an optical tap means 2b optically connected to the output of the optical frequency quadruple means 21a, and a tap output of the optical tap means 2b. And optical phase discriminating means 22b optically connected.

ここで、光タップ手段2a及び2bとしては、光ファイバ型カプラや導波路型カプラなどを用いて実現することができることは第1の実施形態と同様である。また光タップ手段2a及び2bの分岐比としては、光位相判別手段24a及び24bの受光感度が許す範囲で小さくする方が、特に光周波数四倍手段21aとして光非線形材料を用いる場合などを考えると好ましいことも第1の実施形態と同様である。   Here, as in the first embodiment, the optical tap means 2a and 2b can be realized by using an optical fiber coupler, a waveguide coupler, or the like. Further, the branching ratio of the optical tap means 2a and 2b is preferably made smaller in the range allowed by the light receiving sensitivity of the optical phase discriminating means 24a and 24b, especially when an optical nonlinear material is used as the optical frequency quadruple means 21a. What is preferable is the same as in the first embodiment.

さらに、本発明の第2の実施形態では第2段の光位相受信手段において、光周波数四倍手段21aの出力に光タップ手段2bを設け、これを介して光周波数四倍手段21aの出力に光位相判別手段22bが光学的に接続するとした。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、光タップ手段2bを除いて、光周波数四倍手段21aの出力に光位相判別手段22bが直接、光学的に接続されているとしても、もちろん構わない。   Furthermore, in the second embodiment of the present invention, in the second stage optical phase receiving means, an optical tap means 2b is provided at the output of the optical frequency quadruple means 21a, and the optical frequency quadruple means 21a is provided via this. The optical phase discrimination means 22b is assumed to be optically connected. However, the present invention is not limited to this example. Even if the optical phase discriminating means 22b is optically connected directly to the output of the optical frequency quadruple means 21a except for the optical tap means 2b, Of course.

また、上記の第2の実施形態では、光位相受信手段の段数を2としたが、本発明はこの例に限定されるものではもちろんなく、段数は3でも4でも5でもそれ以上でも構わない。   In the second embodiment, the number of stages of the optical phase receiving means is 2. However, the present invention is not limited to this example, and the number of stages may be 3, 4, 5, or more. .

次に第2の実施形態の光信号処理装置における光周波数二倍手段21aおよび光位相判別手段22a及び22bの実現例およびその動作原理を説明し、その後に第2の実施形態の光信号処理装置の全体での動作原理を説明する。   Next, an implementation example of the optical frequency doubling means 21a and the optical phase discrimination means 22a and 22b and the operation principle thereof in the optical signal processing apparatus of the second embodiment will be described, and then the optical signal processing apparatus of the second embodiment. The overall operation principle will be described.

光周波数四倍手段の実現例
図9に、本発明の第2の実施形態に係る光信号処理装置の、光周波数四倍手段の実現例を示す。図9の光周波数四倍手段は、光入力用ポート6と、光入力用ポート6に光学的に接続された周期分極反転ニオブ酸リチウム7a上に設けられた光導波路8aと、光導波路8aの出力に光学的に接続された光フィルタ9aと、光フィルタ9aに光学的に接続された周期分極反転ニオブ酸リチウム7b上に設けられた光導波路8bと、光導波路8bの出力に光学的に接続された光フィルタ9bと、光フィルタ9bの出力に光学的に接続された光出力用ポート10とを備える。このように、図4に示した光周波数二倍手段を縦続に接続することにより、光周波数四倍手段を実現することができる。
Realization Example of Optical Frequency Quadruple Means FIG. 9 shows an implementation example of the optical frequency quadruple means of the optical signal processing apparatus according to the second embodiment of the present invention. 9 includes an optical input port 6, an optical waveguide 8a provided on a periodically poled lithium niobate 7a optically connected to the optical input port 6, and an optical waveguide 8a. An optical filter 9a optically connected to the output, an optical waveguide 8b provided on the periodically poled lithium niobate 7b optically connected to the optical filter 9a, and an optical connection to the output of the optical waveguide 8b And the optical output port 10 optically connected to the output of the optical filter 9b. In this way, the optical frequency quadrupling means can be realized by connecting the optical frequency doubling means shown in FIG. 4 in cascade.

なお、図9では、図4に示した光周波数二倍手段を縦続に接続するとしたが、本発明はこの例に限定されるものではなく、図5に示した光周波数二倍手段を縦続接続してもよいし、図6に示した光周波数二倍手段を縦続接続してもよいし、図4乃至6のいずれかの光周波数二倍手段を、図4乃至6のいずれかの光周波数二倍手段と縦続接続しても、もちろん構わない。   In FIG. 9, the optical frequency doubling means shown in FIG. 4 is connected in cascade. However, the present invention is not limited to this example, and the optical frequency doubling means shown in FIG. 5 is connected in cascade. Alternatively, the optical frequency doubling means shown in FIG. 6 may be connected in cascade, or any one of the optical frequency doubling means shown in FIGS. 4 to 6 may be connected to any one of the optical frequencies shown in FIGS. Of course, it does not matter if it is cascaded with the double means.

光位相判別手段の第1の実現例
図10に、本発明の第2の実施形態に係る光信号処理装置の、光位相判別手段の第1の実現例を示す。図10の光位相判別手段は、光入力用ポート15と、光入力用ポート15に入力された光信号をおおむね等分に分岐する光カプラ24と、光カプラ24の出力にそれぞれ光学的に接続された遅延干渉計16a及び16bと、遅延干渉計16a及び16bのそれぞれの出力に光学的に接続されたバランス検波器18a及び18bと、バランス検波器18a及び18bの出力に電気的に接続された電気アンプ19a及び19bと、電気アンプ19a及び19bの出力に電気的に接続された電気出力用ポート20a及び20bとを備える。また遅延干渉計16a及び16bは、それぞれ干渉計位相を調整するための位相シフタ17a、17b、17c及び17dを備える。また、遅延干渉計16a及び16bの遅延量は、それぞれ光信号のビット間隔Tとおおむね一致するように設定されている。
First Implementation Example of Optical Phase Discriminating Unit FIG. 10 shows a first implementation example of the optical phase discrimination unit of the optical signal processing apparatus according to the second embodiment of the present invention. The optical phase discriminating means in FIG. 10 is optically connected to the optical input port 15, the optical coupler 24 that roughly divides the optical signal input to the optical input port 15, and the output of the optical coupler 24. Delay interferometers 16a and 16b, balance detectors 18a and 18b optically connected to respective outputs of the delay interferometers 16a and 16b, and electrically connected to outputs of the balance detectors 18a and 18b. Electrical amplifiers 19a and 19b and electrical output ports 20a and 20b electrically connected to the outputs of the electrical amplifiers 19a and 19b are provided. The delay interferometers 16a and 16b include phase shifters 17a, 17b, 17c and 17d for adjusting the interferometer phases, respectively. Further, the delay amounts of the delay interferometers 16a and 16b are set so as to substantially match the bit interval T of the optical signal.

この構成で位相シフタ17a、17b、17c及び17dを調整することで、電気出力ポート20a及び20bより、隣接ビット間の位相差の正弦成分と余弦成分をそれぞれ取り出すことが可能となり、位相を2π/4の分解能で判別することが可能となる。   By adjusting the phase shifters 17a, 17b, 17c, and 17d with this configuration, it is possible to extract the sine component and the cosine component of the phase difference between adjacent bits from the electrical output ports 20a and 20b, respectively, and the phase is 2π / It is possible to discriminate with a resolution of 4.

光位相判別手段の第2の実現例
図11に、本発明の第2の実施形態に係る光信号処理装置の、光位相判別手段の第2の実現例を示す。図11の光位相判別手段は、局発光源25と、光入力用ポート15a及び15bと、光入力用ポート15aに入力された光信号と光入力用ポート15bに入力された局発光を干渉させる90度光ハイブリッド回路26と、90度光ハイブリッド回路26の出力に光学的に接続されたバランス検波器18a及び18bと、バランス検波器18a及び18bの出力に光学的に接続された電気アンプ19a及び19bと、電気アンプ19a及び19bの出力に電気的に接続された電気出力用ポート20とを備える。このような構成とすることで電気出力ポート20a及び20bより、信号ビット間の位相の正弦成分と余弦成分をそれぞれ取り出すことが可能となる。
Second Implementation Example of Optical Phase Discriminating Unit FIG. 11 shows a second implementation example of the optical phase discrimination unit of the optical signal processing apparatus according to the second embodiment of the present invention. The optical phase discrimination means in FIG. 11 causes the local light source 25, the optical input ports 15a and 15b, the optical signal input to the optical input port 15a and the local light input to the optical input port 15b to interfere with each other. 90-degree optical hybrid circuit 26, balance detectors 18a and 18b optically connected to the output of 90-degree optical hybrid circuit 26, and electric amplifier 19a optically connected to the outputs of balance detectors 18a and 18b 19b, and an electrical output port 20 electrically connected to the outputs of the electrical amplifiers 19a and 19b. With such a configuration, it is possible to extract the sine component and the cosine component of the phase between the signal bits from the electrical output ports 20a and 20b, respectively.

第2の実施形態の光信号処理装置の動作
次に、図8に示した本発明の第2の実施形態に係る光信号処理装置の動作について表2を用いて説明する。なお、光周波数四倍手段としては図6に示した光周波数四倍手段を用いるとし、光位相判別手段としては図10に示した光位相判別手段を用いるとした。ただし、本発明はこの例に限定されるものではなく、図11に示した光位相判別手段を用いても、もちろん構わない。
Operation of optical signal processing device according to second embodiment Next, the operation of the optical signal processing device according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 8 will be described with reference to Table 2. The optical frequency quadruple means shown in FIG. 6 is used as the optical frequency quadruple means, and the optical phase discrimination means shown in FIG. 10 is used as the optical phase discrimination means. However, the present invention is not limited to this example. Of course, the optical phase discrimination means shown in FIG. 11 may be used.

さて、図8に示す光信号処理装置で、図10に示した光位相判別手段の位相調整手段を調整することで、第1段目から第2段目までの出力I1からI2を下記のように設定することができる。
I1a = cos[(φ+π/16)+π/2]
I1b = cos[(φ+π/16)-π]
I2a = cos[4(φ+π/16)+π/2]
I2b = cos[4(φ+π/16)-π]
ここでφは隣り合うビットの位相差である。
Now, with the optical signal processing device shown in FIG. 8, the outputs I1 to I2 from the first stage to the second stage are adjusted as follows by adjusting the phase adjustment means of the optical phase discrimination means shown in FIG. Can be set to
I1a = cos [(φ + π / 16) + π / 2]
I1b = cos [(φ + π / 16) -π]
I2a = cos [4 (φ + π / 16) + π / 2]
I2b = cos [4 (φ + π / 16) -π]
Here, φ is the phase difference between adjacent bits.

このときの各段の出力を表2に示す。さらに表2で正の出力を‘‘1’’、負の出力を‘‘0’’とアサインすることとすれば、表2に示したように4ビットのバイナリ出力を得ることができる。表2よりも明らかに、このバイナリ出力も入力光信号の位相をアナログデジタル変換した値となっている。このように、本発明の第2の実施形態の光信号処理装置を用いることで、光段で入力光信号の位相をアナログデジタル変換することが可能となる。アナログデジタル変換の段数については、光位相受信手段の数を増やすことで増加することができる。   Table 2 shows the output of each stage at this time. Further, if the positive output is assigned to “1” and the negative output is assigned to “0” in Table 2, a 4-bit binary output can be obtained as shown in Table 2. As apparent from Table 2, this binary output is also a value obtained by analog-digital conversion of the phase of the input optical signal. As described above, by using the optical signal processing apparatus according to the second embodiment of the present invention, the phase of the input optical signal can be converted from analog to digital at the optical stage. The number of stages of analog-digital conversion can be increased by increasing the number of optical phase receiving means.

このように、図6に示すような光周波数を4倍にする光周波数四倍手段を用い、光位相判別手段としては図10に示す位相を2π/4の分解能で判別する位相判別手段を用いることで、入力光信号の位相をアナログデジタル変換することが可能となる。Mを2以上の整数として一般化すると、光周波数M倍手段と位相を2π/Mの分解能で判別する位相判別手段を用いることで、入力光信号の位相をアナログデジタル変換することが可能となる。   In this way, the optical frequency quadruple means for quadrupling the optical frequency as shown in FIG. 6 is used, and the phase discrimination means for discriminating the phase shown in FIG. 10 with a resolution of 2π / 4 is used as the optical phase discrimination means. Thus, the phase of the input optical signal can be converted from analog to digital. When M is generalized as an integer of 2 or more, the phase of the input optical signal can be converted from analog to digital by using the optical frequency M multiplication means and the phase discrimination means for discriminating the phase with a resolution of 2π / M. .

Figure 2012004982
Figure 2012004982

1 光入力用ポート
2 光タップ手段
3 光周波数二倍手段
4 光位相判別手段
5 光位相受信手段
6 光入力用ポート
7 周期分極反転ニオブ酸リチウム
8 光導波路
9 光フィルタ
10 光出力用ポート
11 ポンプ光源
12 アレイ導波路格子フィルタ
13 偏波合分波素子
14 偏波変換素子
15 光入力用ポート
16 遅延干渉計
17 位相シフタ
18 バランス検波器
19 電気アンプ
20 電気出力用ポート
21 光周波数四倍手段
22 光位相判別手段
23 光位相受信手段
24 光カプラ
25 局発光源
26 90度光ハイブリッド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical input port 2 Optical tap means 3 Optical frequency doubling means 4 Optical phase discriminating means 5 Optical phase receiving means 6 Optical input port 7 Periodically poled lithium niobate 8 Optical waveguide 9 Optical filter 10 Optical output port 11 Pump Light source 12 Array waveguide grating filter 13 Polarization multiplexer / demultiplexer 14 Polarization converter 15 Optical input port 16 Delay interferometer 17 Phase shifter 18 Balance detector 19 Electrical amplifier 20 Electrical output port 21 Optical frequency quadrature means 22 Optical phase discriminating means 23 Optical phase receiving means 24 Optical coupler 25 Local light source 26 90 degree optical hybrid

Claims (9)

光入力用ポートと、
第1段から第N段(Nは2以上の整数)まで、この順で縦続に接続されたN段の光位相受信手段と
を備える光信号処理装置であって、
第1段の光位相受信手段は、前記入力用光ポートに入力された光信号をタップ出力とメイン出力に分岐する第1の光タップ手段と、前記第1の光タップ手段のタップ出力に光学的に接続された第1の光位相判別手段とを備え、
第i段の光位相受信手段(iを2から(N−1)までの整数とし、N=2のときは空集合とする。)は、第(i−1)の光タップ手段のメイン出力に光学的に接続された、光周波数および光位相を夫々逓倍する第(i−1)の光周波数逓倍手段と、前記第(i−1)の光周波数逓倍手段の出力をタップ出力とメイン出力に分岐する第iの光タップ手段と、前記第iの光タップ手段のタップ出力に光学的に接続された第iの光位相判別手段とを備え、
第N段の光位相受信手段は、第(N−1)の光タップ手段のメイン出力に光学的に接続された光周波数および光位相を夫々逓倍する第(N−1)の光周波数逓倍手段と、前記第(N−1)の光周波数逓倍手段の出力に光学的に接続された第Nの光位相判別手段とを備えることを特徴とする光信号処理装置。
An optical input port;
An optical signal processing apparatus comprising N-stage optical phase receiving means connected in cascade from the first stage to the N-th stage (N is an integer of 2 or more),
The first-stage optical phase receiving means is configured to optically input a first optical tap means for branching an optical signal input to the input optical port into a tap output and a main output, and a tap output of the first optical tap means. First optical phase discrimination means connected to each other,
The i-th optical phase receiving means (i is an integer from 2 to (N-1), and an empty set when N = 2) is the main output of the (i-1) -th optical tap means. And (i-1) optical frequency multiplying means optically connected to the optical frequency, and the outputs of the (i-1) optical frequency multiplying means are tap output and main output. An i-th optical tap means for branching into i, and an i-th optical phase discrimination means optically connected to a tap output of the i-th optical tap means,
The Nth stage optical phase receiving means is an (N-1) th optical frequency multiplying means for multiplying the optical frequency and optical phase optically connected to the main output of the (N-1) th optical tap means, respectively. And an Nth optical phase discrimination means optically connected to the output of the (N-1) th optical frequency multiplication means.
前記第1から第(N−1)の光周波数逓倍手段のうちの少なくとも1つの光周波数逓倍手段は、光非線形導波路による第M次高調波発生(Mは2以上の整数)を利用するものであり、
前記少なくとも1つの光周波数逓倍手段と同じ段の各光位相判別手段は、2π/Mの分解能で位相を判別する光位相判別手段であることを特徴とする請求項1に記載の光信号処理装置。
At least one of the first to (N-1) optical frequency multipliers uses M-th harmonic generation (M is an integer of 2 or more) by an optical nonlinear waveguide. And
2. The optical signal processing device according to claim 1, wherein each optical phase determination unit in the same stage as the at least one optical frequency multiplication unit is an optical phase determination unit that determines a phase with a resolution of 2π / M. .
前記第1から第(N−1)の光周波数逓倍手段のうちの少なくとも1つの光周波数逓倍手段は、光非線形導波路による第M次高調波発生(Mは2以上の整数)を利用するものであり、
前記少なくとも1つの光周波数逓倍手段の前記非線形導波路に前記入射された光信号と異なる光周波数のポンプ光を入射するポンプ光源と、前記非線形導波路における差周波発生を経た光信号から、前記入射された光信号の光周波数および前記ポンプ光の光周波数の成分を除去するフィルタとをさらに備えることにより、光周波数を変換することを特徴とする請求項1又は2に記載の光信号処理装置。
At least one of the first to (N-1) optical frequency multipliers uses M-th harmonic generation (M is an integer of 2 or more) by an optical nonlinear waveguide. And
From the pump light source that enters pump light having an optical frequency different from that of the incident optical signal into the nonlinear waveguide of the at least one optical frequency multiplying unit, and from the optical signal that has undergone difference frequency generation in the nonlinear waveguide, The optical signal processing apparatus according to claim 1, further comprising: a filter that removes a component of the optical frequency of the optical signal and the optical frequency of the pump light, thereby converting the optical frequency.
光位相判別手段は、マッハツェンダ干渉計と、前記マッハツェンダ干渉計の出力に光学的に接続されたバランス検波器とを備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の光信号処理装置。   4. The optical signal processing apparatus according to claim 1, wherein the optical phase discrimination means includes a Mach-Zehnder interferometer and a balance detector optically connected to an output of the Mach-Zehnder interferometer. . 光位相判別手段は、90度光ハイブリッド回路と、前記90度光ハイブリッド回路の出力に光学的に接続されたバランス検波器であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の光信号処理装置。   4. The light according to claim 1, wherein the optical phase discrimination means is a 90-degree optical hybrid circuit and a balance detector optically connected to an output of the 90-degree optical hybrid circuit. Signal processing device. 前記少なくとも1つの光周波数逓倍手段は、前記光非線形導波路による第二次高調波発生を利用する光周波数二倍手段であることを特徴とする請求項3に記載の光信号処理装置。   4. The optical signal processing apparatus according to claim 3, wherein the at least one optical frequency multiplying unit is an optical frequency doubling unit that uses second harmonic generation by the optical nonlinear waveguide. 前記光非線形導波路は、周期分極反転されたニオブ酸リチウム上に設けられた光導波路であることを特徴とする請求項2乃至6のいずれかに記載の光信号処理装置。   7. The optical signal processing apparatus according to claim 2, wherein the optical nonlinear waveguide is an optical waveguide provided on a periodically poled lithium niobate. 前記光周波数逓倍手段は、
少なくとも2つの入力ポートおよび少なくとも1つの出力ポートを有する波長合波器と、
前記波長合波器の出力ポートに光学的に接続された光非線形導波路と、
前記光非線形導波路の出力に光学的に接続された、少なくとも1つの入力ポートおよび少なくとも1つの出力ポートを有する波長分波器と
を備えることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の光信号処理装置。
The optical frequency multiplication means is
A wavelength multiplexer having at least two input ports and at least one output port;
An optical nonlinear waveguide optically connected to an output port of the wavelength multiplexer;
8. A wavelength demultiplexer having at least one input port and at least one output port optically connected to the output of the optical nonlinear waveguide. Optical signal processing device.
前記光周波数逓倍手段は、
少なくとも2つの入力ポートおよび少なくとも1つの出力ポートを有する波長合波器と、
前記波長合波器の出力ポートに光学的に接続された1入力2出力の偏波分離器と、
前記偏波分離器の一方の出力に光学的に接続された第1の偏波変換素子と、
前記偏波分離器の他方の出力と前記第1の偏波変換素子の出力に夫々光学的に接続された2本の光非線形導波路と、
前記2本の光非線形導波路の一方の出力に光学的に接続された第2の偏波変換素子と、
前記2本の光非線形導波路の他方の出力と前記第2の偏波変換素子の出力に夫々光学的に接続された2入力1出力の偏波合流器と、
前記偏波合流器の出力に光学的に接続された、少なくとも1つの入力ポートおよび少なくとも3つの出力ポートを有する波長分波器と
を備えることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の光信号処理装置。
The optical frequency multiplication means is
A wavelength multiplexer having at least two input ports and at least one output port;
A 1-input 2-output polarization separator optically connected to the output port of the wavelength multiplexer;
A first polarization conversion element optically connected to one output of the polarization separator;
Two optical nonlinear waveguides optically connected to the other output of the polarization separator and the output of the first polarization conversion element,
A second polarization conversion element optically connected to one output of the two optical nonlinear waveguides;
A two-input one-output polarization combiner optically connected to the other output of the two optical nonlinear waveguides and the output of the second polarization conversion element;
8. A wavelength demultiplexer having at least one input port and at least three output ports optically connected to the output of the polarization combiner. Optical signal processing device.
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