JP2662805B2

JP2662805B2 - 光タイミング抽出回路

Info

Publication number: JP2662805B2
Application number: JP28006888A
Authority: JP
Inventors: 正彦神野; 隆男松本; 正文古賀
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-11-04
Filing date: 1988-11-04
Publication date: 1997-10-15
Anticipated expiration: 2012-10-15
Also published as: JPH02126243A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は光通信に利用する。特に、光信号を電気信号
に変換することなく処理するために、ディジタル信号に
より変調された光信号に同期した光クロックパルス列を
その信号自身から抽出する光タイミング抽出回路に関す
る。

本発明は、入力光信号のクロック周波数と等しい周波
数間隔で複数の光を出力することにより、入力光信号に
同期した光クロックパルス列を得るものである。

〔従来の技術〕

現在の光通信装置では、実際に光信号が流れるのは伝
送路の部分だけであり、中継器、多重・分離装置、およ
び交換機では、光信号を一旦電気信号に変換し、電気回
路による処理を施してから再び光信号に戻して伝送して
いる。このような光電気変換、電気光変換を行うための
装置構成は非常に複雑であり、また、電子回路による処
理では、10〜数10Gb/s程度のビット速度に原理的な処理
速度の限界が存在する。

電気的処理が介在することによる装置構成の複雑化、
処理速度の制限の問題を解決するためには、光信号を電
気信号に変換することなく、光信号のままで処理する光
信号処理の技術が必要である。このような光信号処理を
行うには、光信号列からそれに同期した光クロック信号
を抽出することが必要不可欠である。

これを実現するため、注入同期によるタイミング抽出
方法が提案されている。この方法では、自励パルス発振
により周期的に光パルス列を出力している光発振器に、
そのパルス発振周波数とほぼ等しいビット速度のリター
ン・ツー・ゼロ符号により強度変調された光信号を入射
する。これにより、光発振器のパルス発振周波数が入射
光信号のビッド速度に同期し、光クロックパルス列から
得られる。

第19図は注入同期によるタイミング抽出方法を用いた
従来例光タイミング抽出回路の構成を示す。この回路
は、エレクトロニクス・レターズ第24巻（1988年）、
「オール・オプティカル・リジェネレータ」（Electron
ics Letters,Vol.24（1988），“All optical regenera
tor"）に示されたものであり、LC並列共振回路を外付け
したSEED（Self Ｅlector−optic Ｄevice）を用いた回
路である。

ポンピング用光源191は、ビーム・スプリッタ192を介
して、SEED193に連続波ポンプ光195を入射する。SEED19
3は、光・電気混合型量子井戸構造の負性抵抗素子であ
り、そのバイアス回路にLC並列共振回路194が接続され
ている。LC並列共振回路194を介してSEED193をバイアス
し、このSEED193に連続波ポンプ光195を入射すると、SE
ED193は、の自励発振周波数で発振する。このため、入射された連
続波ポンプ光195がその周波数で強度変調され、SEED193
の出力に周期的なパルス列が得られる。

この状態で、SEED193の自励発振周波数とほぼ等しい
ビッド速度のリターン・ツー・ゼロ符号で強度変調され
た光信号196をSEED193に入射する。このためにビームス
プリッタ192を用いる。これによりSEED193の自励発振周
波数が光信号196のビッド速度に引き込まれ、SEED193の
出力に、光信号196のビット速度と等しい速度の光クロ
ック信号197が得られる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、SEEDのような能動素子を用いると、タイミン
グ抽出可能なビッド速度はその能動素子の応答速度で制
限される欠点があった。この欠点のために、電気的信号
処理に対する光信号処理の優位性が顕著になるような数
Ghz以上の領域での利用が困難であった。例えば、上述
した従来例では、SEEDの応答速度が高々数10nsであり、
動作可能なビッド速度は数10Mb/sが限界である。

本発明は、以上の問題点を解決し、受動型の光共振器
を用いて入力光信号に同期した高速の光クロックパルス
列を抽出する光タイミング抽出回路を提供することを目
的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の光タイミング抽出回路は、ディジタル信号に
より変調された光信号を入力としその入力光信号のクロ
ック周波数と等しい繰り返し周期のクロック光を出力す
る光タイミング抽出回路において、共振ピークの周波数
間隔がクロック周波数と実質的に等しく共振ピークの半
値全幅が入力光信号の中心光周波数スペクトル半値全幅
より大きい光共振器を備え、この光共振器の共振周波数
のひとつが入力光信号の中心周波数と実質的に等しい値
に設定されたことを特徴とする。

ここで「実質的に等しい」とは、作用効果を期待でき
る程度に等しいことをいう。

光共振器内に光増幅器を含むこともできる。

〔作用〕

リターン・ツー・ゼロ符号、CMI符号その他によりデ
ィジタル変調された光信号は、中心光周波数f₀のまわり
に、クロック周波数成分およびこの高調波成分を側波帯
として含む。このような光信号をそのクロック周波数Ｆ
と等しい周波数間隔で共振ピークを示す光共振器に入射
する。このとき、光信号の中心光周波数f₀を光共振器の
共振周波数のひとつに一致させておく。これにより光共
振器は、中心光周波数f₀だけでなく、この中心光周波数
f₀からクロック周波数Ｆだけずれた光周波数f₀±Ｆ、お
よび高調波周波数2F、3F、…だけずれた光周波数f₀±2
F、f₀±3F、…で共振する。このような共振スペクトル
は、光周波数f₀を周波数Ｆで強度変調したスペクトルに
対応している。したがって、光共振器の出力には、クロ
ック周波数と等しい繰り返し周波数で、連続した光クロ
ックパルス列が得られる。

光共振器の共振特性は干渉により生じるので、上述の
ような共振特性を得るためには、入力光信号のコヒーレ
ンシーが高いことが必要である。したがって、入力光信
号の中心光周波数のスペクトル半値全幅は、光共振器の
共振ピークの半値全幅より小さいことが必要である。

〔実施例〕

第１図は本発明実施例光タイミング抽出回路の構成を
示す。

この回路は、ディジタル信号により変調された入力光
信号からクロック周波数を抽出する光タイミング抽出回
路であり、共振ピークの周波数間隔がクロック周波数と
実質的に等しい光共振器１を備え、この光共振器１の共
振周波数のひとつが入力光信号の中心光周波数と実質的
に等しい値に設定されていることを特徴とする。

光共振器１には、クロック周波数成分を含む入力光信
号が供給される入力光導波路２と、抽出された光クロッ
クパルス列が出力される出力光導波路３とが接続され
る。

第２図は入力光信号のスペクトルと、光共振器１の共
振特性と、抽出された光クロックのスペクトルとの関係
を示す。

クロック周波数成分を含む入力信号、例えばクロック
周波数Ｆのリターン・ツー・ゼロ符号により強度変調さ
れた光信号のスペクトルは、第２図（ａ）に示すよう
に、中心光周波数f₀のまわりに側波帯を含む。この側波
帯の形状は符号パターンに依存するが、必ず、クロック
周波数Ｆおよびその高調波成分2F、3F、4Fを含んでい
る。したがってそのスペクトルには、f₀±2F、f₀±3F、
…の成分が存在する。このような光信号を光共振器１に
入力する。

光共振器１は、第２図（ｂ）に示すように、その共振
特性に周期性をもつ。この周期はフリー・スペクトラル
・レンジ（FSR）と呼ばれる。光共振器１のフリー・ス
ペクトラル・レンジは入力光信号のクロック周波数Ｆと
等しい。また、光共振器１の共振周波数のひとつが、入
力光信号の中心光周波数f₀に一致している。ただし、入
力光信号の中心光周波数f₀の光スペクトル半値全幅は、
共振ピークの半値全幅より狭い。

このとき、光共振器１の出力には、第２図（ｃ）に示
したスペクトルの光出力、すなわち、中心光周波数f₀だ
けでなく、この中心光周波数f₀からクロック周波数Ｆだ
けずれた光周波数f₀±Ｆ、および高調波周波数2F、3F、
…だけずれた光周波数f₀±2F、f₀±3F、…が得られる。
したがって光共振器１の出力には、入力光信号のクロッ
ク周波数と等しい繰り返し周波数で、連続した光クロッ
クパルス列が得られる。

また、この光共振器１は、共振特性によるフィルタ作
用があるため、電気の領域における狭帯域帯域通過フィ
ルタの場合と同様に、入力光信号に含まれるジッタを吸
収することができる。

以上の実施例では、入力光信号がディジタル信号によ
り強度変調されている場合について説明したが、位相変
調または周波数変調されている場合でも本発明を同様に
実施できる。

第３図ないし第17図は光共振器１の例を示す。

第３図はファブリ・ペロー共振器を示す。この共振器
は、二枚の高反射率ミラー31、32を互いに平行に向かい
合わせた構造をもつ。この共振器に連続光を入射する
と、その透過特性は入力光周波数に対して周期的とな
る。ここで、高反射率ミラー31、32のパワー反射率を
Ｒ、高反射率ミラー31、32の距離をＬとする。また、真
空中の高速をｃ、媒質の屈折率をｎとする。このとき、
この共振器のフリー・スペクトラル・レンジFSRは、 FRS＝c/2nL となる。また、共振の鋭さを表すために、共振ピークの
半値全幅Δｆをフリー・スペクトラル・レンジで割った
値で表す。この値をフィネスfinesseという。この値
は、となり、高反射率ミラー31、32の反射率Ｒが１に近づく
ほど共振が鋭くなる。

このフィネスは、電気の領域におけるタンク回路の性
能を表す指数Ｑに相当し、フィネスが大きいほど、零の
連続に対する耐性およびジッタ抑圧能力が大きくなる。

第４図は導波路構造のファブリ・ペロー共振器を示
す。この共振器は、導波路40の両端面を高反射率膜41、
42で被覆したものである。導波路40としては、光ファイ
バ、石英系導波路、LiNbO₃導波路その他を用いることが
でき、その材料および形状はついては種々のものがあ
る。

第５図および第６図は、光共振器中に部分反射ミラー
を挿入した横方向結合型ファブリ・ペロー共振器を示
す。この構造は、導波路構造との整合性に優れている。
第５図に示した共振器は、高反射率ミラー51、52の間に
部分反射ミラー53が挿入され、入力光と反射方向に出力
光を出射するものである。また、第６図に示した共振器
は、高反射率ミラー51、52の間の光路が部分反射ミラー
53により折り曲げられた構造をもつ。

第７図、第８図は、それぞれ第５図、第６図に示した
共振器を導波路構造化したものを示す。部分反射ミラー
53は方向性結合器73により置き換えられ、共振器を構成
する導波路の端面は高反射率膜71、72により被覆され
る。

第９図、第10図は、光クロックパルス列を出力するた
め、第７図、第８図に示した共振器にそれぞれタップ用
方向性結合器91を設けた例を示す。

横方向結合型ファブリ・ペロー共振器のフリー・スペ
クトラル・レンジは、その共振器を構成するアームのそ
れぞぞれの長さをL₁、L₂とすると、 FSR＝c/2n（L₁＋L₂）となる。また、高反射率膜71、72のパワー反射率を１、
方向性結合器73の損失および導波路損失を無視した理想
的な場合のフィネスは、方向性結合器73のパワー分岐比
をＫとすると、第７図に示した共振器の場合には、第８図に示した共振器の場合には、となる。

第11図ないし第14図は、部分反射ミラーまたは方向性
結合器を二個用いたリング共振器を示す。

第11図に示した例では、部分反射ミラー111、高反射
率ミラー112、部分反射ミラー113および高反射率ミラー
114によりリング共振器が形成される。入力光は部分反
射ミラー111により共振器内に取り込まれ、出力光は部
分反射ミラー113により共振器外に取り出される。第12
図に示した例では、部分反射ミラー121、高反射率ミラ
ー122、123、部分反射ミラー124および高反射率ミラー1
25によりリング共振器が形成される。入力光は部分反射
ミラー121により共振器内に取り込まれ、出力光は部分
反射ミラー124により共振器外に取り出される。

第13図に示した例では、リング状の導波路131に二つ
の方向性結合器132、133が設けられ、その一方から入力
光が共振器内に取り込まれ、他方から出力光が共振器外
に取り出される。また、第14図に示した例では、導波路
141の両端が方向性結合器142により結合されてリングを
形成し、この方向性結合器142から共振器内に入力光が
取り込まれる。また、導波路141にはもう一個の方向性
結合器143が設けられ、ここから出力光が取り出され
る。

リング共振器のフリー・スペクトル・レンジは、リン
グの全長をＬとすると、 FSR＝c/nL となる。方向性結合器132、133、142、143の損失および
導波路131、141の損失を無視した理想的な場合のフィネ
スは、第13図に示した構造では方向性結合器132、133の
パワー分岐比をＫとし、第14図に示した構造では方向性
結合器142、143のパワー分岐比をそれぞれ１−Ｋ、Ｋと
すると、いずれの場合にも、となる。

第15図ないし第17図は、光共振器内に光増幅器を挿入
した例を示す。第15図は、第３図に示したファブリ・ペ
ロー共振器中に光増幅器151を挿入した例を示す。また
第16図は、第13図に示したリング共振器中に、光増幅器
として半導体レーザ増進器161を挿入した例を示す。第1
7図は、光共振器を構成する光導波路を光増幅媒体171で
製造した例を示す。このようなレーザ媒質としては、Er
のような希土類をドープしたファイバや、半導体導波路
を用いることができる。また、ファイバ中におけるラマ
ン増幅や、ブリルアン増幅を利用してもよい。

光共振器内に光増幅器を挿入することにより、共振器
損失を損うことができ、高いフィネスの共振器が得られ
る。また、光クロックパルスを増幅できる。

第18図は光タイミング抽出回路の実験結果を示す。こ
の実験では、光共振器として、第３図に示したファブリ
・ペロー共振器を用いた。だたし、この共振器のフリー
・スペクトラル・レンジFSRおよび共振ピークの半値全
幅Δｆは、 FSR＝150MHz Δｆ＝10MHz である。第18図（ａ）は入力光信号を示し、スペクトル
幅が200kHz（≪Δｆ）の光を150Mb/sのリターン・ツー
・ゼロ符号の固定パターン「1111111100000000」で強度
変調したものの波形を示す。第18図（ｂ）は、光共振器
から出力された連続した光クロックの波形を示す。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の光タイミング抽出回路
は、光受動回路のみを使用しているため、動作速度の原
理的な限界は存在せず、入力光信号が超高速のビット速
度で変調されている場合でも、その入力光信号からクロ
ック周波数を抽出することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例光タイミング抽出回路の構成を示
す図。第２図は入力光信号のスペクトル、光共振器の共振特性
および抽出された光クロックのスペクトルの関係を示す
図。第３図は光共振器の一例を示す図。第４図は光共振器の一例を示す図。第５図は光共振器の一例を示す図。第６図は光共振器の一例を示す図。第７図は光共振器の一例を示す図。第８図は光共振器の一例を示す図。第９図は光共振器の一例を示す図。第10図は光共振器の一例を示す図。第11図は光共振器の一例を示す図。第12図は光共振器の一例を示す図。第13図は光共振器の一例を示す図。第14図は光共振器の一例を示す図。第15図は光共振器の一例を示す図。第16図は光共振器の一例を示す図。第17図は光共振器の一例を示す図。第18図は光タイミング抽出回路の実験結果を示す図。第19図は従来例光タイミング抽出回路の構成を示す図。１……光共振器、２……入力光導波路、３……出力光導
波路、31、32、51、52、112、114……高反射率ミラー、
40、131、141……導波路、41、42、71、72、122、123、
125……高反射率膜、53、111、113、121、124……部分
反射ミラー、73、132、133、142、143……方向性結合
器、91……タップ用方向性結合器、151……光増幅器、1
61……半導体レーザ増幅器、171……光増幅媒体、191…
…ポンピング用光源、192……ビーム・スプリッタ、193
……SEED、194……LC並列共振回路。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ディジタル信号により変調された光信号を
入力としその入力光信号のクロック周波数と等しい繰り
返し周期のクロック光を出力する光タイミング抽出回路
において、共振ピークの周波数間隔が上記クロック周波数と実質的
に等しく共振ピークの半値全幅が上記入力光信号の中心
光周波数のスペクトル半値全幅より大きい光共振器を備
え、この光共振器の共振周波数のひとつが上記入力光信号の
中心周波数と実質的に等しい値に設定されたことを特徴とする光タイミング抽出回路。