JP3919737B2 - 光信号再生方法及び光信号再生装置 - Google Patents

Description

この発明は、光ファイバ伝送路を伝播中に、光パルスの波形が歪んだりその位相にばらつきが生じたりして、劣化した光パルス信号を再生する方法及びその方法を実現する装置に関する。

光ファイバ通信では、規則正しい一定の時間間隔で光パルスが並ぶ光パルス列を変調して得られる、2値デジタル信号を反映した光パルス信号を、伝送路である光ファイバを伝播させることで通信が行なわれる。規則正しい一定の時間間隔とは、伝送密度周波数の逆数に相当する時間間隔である。すなわち、伝送密度周波数とは、1秒間に送受信できるデータ量をビット数で表したビットレートに等しい繰り返し周波数に相当する。また、この逆数に相当する時間間隔とは、時間軸上で隣接して並ぶ、光パルス信号を構成する光パルスの時間間隔の最小間隔である。

以後、伝送密度周波数の逆数に相当する時間間隔で光パルスが並ぶ光パルス列を、単に光パルス列と表現することもある。光パルス信号あるいは光パルス列を構成する、個々の光パルスをさす場合には、単に光パルスと表現することもある。

光ファイバ通信装置においては、光パルス信号がその伝送路である光ファイバや合分波器等の光部品を通過する際に、環境温度の変化等によって光パルス信号を構成する光パルスの波形が歪んだり、その位相に時間的な揺らぎが発生したりすることがある。この揺らぎは、タイミングジッタあるいは単にジッタと呼ばれる。

すなわち、光ファイバ伝送路を伝播中に、光パルス信号を構成する光パルスは、その光強度が弱まり、その波形が歪んだり位相に乱れが生じたりして劣化する。従って、光ファイバ通信において、その伝送距離を長くするためには、光パルス信号を、増幅しかつ波形整形し雑音を除去して、伝送端から伝送された時点の光パルス信号と同一の時間波形で位相に乱れのない光パルス信号に再生する必要がある。

従来の光信号再生装置には、図1に示すものがある（例えば、特許文献1参照）。なお、図1及び以後の説明において参照する概略的ブロック構成図においては、太線によって光経路を示し、また、この太線に付された番号は、その番号が付された光経路を伝播する光パルス信号や光クロック信号を意味するものとする。

図1に示された従来の光信号再生装置10は、光パルス信号16を増幅する光増幅手段18、スーパーコンティニュアム（Supercontinuum: SC）光を発生させる光非線形媒質20、波長分離手段24、を具えて構成されている。この光増幅手段18、光非線形媒質20、波長分離手段24を介して得られた所定の波長及び光強度の光パルス信号26を、光クロック信号発生器34で抽出された光クロック信号36とともに光スイッチ28に入力させる構成である。

光クロック信号発生器34は、光信号入力端子12から入射する光パルス信号13に同期しかつ光パルス信号のビットレートに等しい繰り返し周波数の、光クロック信号を発生させる機能を有している。光スイッチ28は、光クロック信号36の光強度を光パルス信号26の光強度により変調して出力する機能を有しており、光カーシャッタや非線形ループミラー等が用いられる。

以下、図1を参照して従来の光信号再生装置の動作を説明する。光信号入力端子12から分波器14を介して光増幅手段である光増幅器18に入力された光パルス信号16は、所定の光強度に増幅されて光非線形媒質20に入力される。このとき、入力する光パルス信号19の波長λｓを光非線形媒質20の零分散波長付近に設定し、光パルス信号19の光強度を増加させていくと、光非線形媒質20から、光パルス信号の波長スペクトルが入力光パルス信号のそれと比べて数十倍以上に広がったSC光を発生させ出力光22として出力される。SC光を発生させるために必要な、光非線形媒質20への入力光強度の最小強度を、以後SC光発生閾値という。

光非線形媒質20から出力されるSC光22を、波長分離手段である光バンドパスフィルタ24でフィルタリングすると、このフィルタを透過した波長λsc（≠λs）において、光バンドパスフィルタ24への入力信号と同じ時間波形の光パルス信号26が得られる。

タイミング抽出回路30は、分波器14で分岐された光パルス信号15からクロック信号を抽出して光クロック信号発生器34に与え、光クロック信号発生器34は、光パルス信号に同期しかつ光パルス信号のビットレートに等しい繰り返し周波数の光クロック信号36を発生させる。この光クロック信号36と、光バンドパスフィルタ24から出力される光強度が一定に波形整形された光パルス信号26とを光スイッチ28に入力することにより、振幅揺らぎやタイミングジッタのない再生光パルス信号（波長＝λs）32が、光信号出力端子38から出力される。
特許第３３１９６８５号公報

しかしながら、SC光を発生させるためには、SC光発生閾値以上のピーク強度の光パルスを光非線形媒質である光ファイバ20に入力しなければならない。また、光パルスを光増幅器18で増幅すると、入力光パルス幅が広いほど増幅されて出力される光パルスのピーク強度は小さい。すなわち、光増幅器18からの出力光パルスのピーク強度は、光増幅器18への入力光パルスの半値幅に依存し、入力光パルスの半値幅が広いほど、増幅して得られる光パルスのピーク強度の増加量は小さい。従って、光増幅器18に入射する光クロック信号を構成する光パルスの半値幅如何によっては、出力される光パルスのピーク強度が、SC光を発生させるために必要とされるSC光発生閾値に達しないことが起こり得る。

光信号再生装置10に入力される光パルス信号13を構成している光パルスの半値幅は、上述したように様々な原因で一定ではなく揺らいでいる。そのため、光信号再生装置10に入力される光パルス信号13を構成している光パルスの中には、半値幅が広く、光増幅器18で増幅されてもそのピーク強度がSC光発生閾値に達しないことが起こり得る。この場合には、光非線形媒質である光ファイバ20において、この光パルスに対応するSC光が発生せず、光信号再生装置として正常に機能しないという問題が発生する。

そこで、この発明は、光パルス信号を構成する光パルスの波形が歪んだりその位相に時間的な揺らぎが存在したりしても、その光強度を増幅し、波形整形し雑音を除去して、伝送端から伝送された時点の光パルス信号と同一の波形で位相に乱れのない光パルス信号に再生する、光信号再生方法及びその方法を実現することができる装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、この発明の光信号再生方法は、(a)光クロック信号再生ステップと、(b)光クロック信号増幅ステップと、(c)光クロック信号と同じ時間波形で超広帯域のSC光を発生させるステップと、(d)このSC光からその一部の波長成分を波長分離手段で分離して出力するステップと、(e)光パルス信号と光クロック信号とを光スイッチに入力して光パルス信号を再生するステップとを具える。

光クロック信号再生ステップは、光パルス信号からこの光パルス信号に同期しかつこの光パルス信号のビットレートに等しい繰り返し周波数の第1光クロック信号を光クロック再生器で再生して抽出するステップである。以後、単に第1光クロック信号を光クロック再生器で抽出するという。こうして抽出された第1光クロック信号は、光クロック信号増幅ステップにおいて、光増幅手段で光増幅され、第2光クロック信号となる。第2光クロック信号は、光非線形媒質に入力され、SC光を発生させるステップにおいて、この光クロック信号と同じ時間波形で超広帯域のSC光に変換される。次に、このSC光からその一部の波長成分を波長分離手段である光バンドパスフィルタで分離して出力するステップを経て、この光バンドパスフィルタで分離して第3光クロック信号が得られる。そして、第3光クロック信号と光パルス信号とを光スイッチに入力させて、第3光クロック信号の光強度を光パルス信号の光強度により変調して出力することで、光パルス信号を再生する。

なお、光クロック信号再生ステップにおいて、可飽和吸収領域と利得領域とを含んで構成されるモード同期半導体レーザに、光パルス信号を入力させることによって強制モード同期動作をさせて、第1光クロック信号を抽出するのが好適である。

そして、次式で与えられる関係を有するように、光増幅手段である光増幅器の特性や伝送密度周波数等を設定して、上記のステップ(a)からステップ(c)を実行するのが好適である。
Δt_r ＜〈P_sat〉/(Ｐ_th・Ｂ) （1）
Ｐ_r ＞ Ｐ_th 10^-(Gsat/10) （2）
ここで、
〈P_sat〉：光増幅手段である光増幅器の時間平均飽和出力強度、
G_sat：飽和利得、
B：伝送密度周波数、
P_r：光クロック信号再生ステップにおいて抽出された光クロック信号を構成する光パルスのピーク強度、
Δt_r：この光パルスの半値全幅、
P_th：光非線形媒質のSC光発生閾値
である。

また、以下に記載するこの発明の光信号再生装置によれば、上記の光信号再生方法を実現することができる。すなわち、(a)光パルス信号に同期しかつこの光パルス信号のビットレートに等しい繰り返し周波数の第1光クロック信号を抽出する光クロック再生器と、(b)光クロック信号を光増幅して第2光クロック信号を生成する光増幅手段と、(c)第2光クロック信号を入力し、この光クロック信号と同じ時間波形のSC光を発生させる光非線形媒質と、(d) SC光からその一部の波長成分を分離して第3光クロック信号を出力する波長分離手段と、(e)光パルス信号と第3光クロック信号とを入力して光パルス信号を再生する光スイッチとを具える、光信号再生装置である。

この発明の光信号再生方法及びそれを実現する装置においては、光パルス信号から再生される第1光クロック信号は、後述するように、例えば、モード同期半導体レーザを用いて光パルス信号から抽出される。そしてこの第1光クロック信号にはタイミングジッタが含まれず、かつ第1光クロック信号を構成する光パルスの時間軸上での半値全幅が狭く歪みもない。

一方、光非線形媒質中を伝播する第2光クロック信号を種光として発生するSC光は、この光非線形媒質に入力される光パルス信号と同じ時間波形を持ち、このSC光からその一部の波長成分を、波長分離手段である狭帯域光波長フィルタ（光バンドパスフィルタ）で分離して出力される出力光である第3光クロック信号もまた同じ時間波形を持つ。また、光非線形媒質から出力されるSC光は、そのスペクトルは広がるのみで、このSC光から如何なる波長成分を狭帯域光波長フィルタで波長分離しても、その光強度は一定である。なぜならば、光非線形媒質への入力光パルスの光強度が強い場合は、そのスペクトルの幅が広くなるが、その光強度は入力光パルスの光強度が強い場合と等しいからである。すなわち、光非線形媒質を用いて構成されるSC光発生素子は、光非線形媒質への入力光パルスの光強度に対して強度制限素子として動作する。

このことによって、光非線形媒質から出力されるSC光に変換された第2光パルス信号は、その構成要素である光パルスの光強度が揃った光パルス列となる。そして、狭帯域波長フィルタから波長分離されて出力される各光パルスの波長半値全幅は、この狭帯域波長フィルタの透過特性である透過波長の半値全幅に等しくなるので、全て等しくなる。すなわち、光クロック再生器で再生され、光増幅器で増幅され、光非線形媒質によってSC光変換されて、狭帯域波長フィルタから波長分離されて出力される第3光クロック信号は、タイミングジッタが含まれておらず、時間軸上での光パルス波形に歪が存在せず、かつその光強度が等しく揃った光パルス列から構成される。

上述のとおり、第3光パルス信号と光パルス信号とを光スイッチに入力すれば、第3光クロック信号の光強度を光パルス信号の光強度により変調して出力することができ、タイミングジッタや時間軸上での波形歪のない光パルス信号を再生することができる。ここで、第3光パルス信号は、タイミングジッタが含まれず、時間軸上での光パルス波形に歪が存在せず、かつその光強度が等しく揃った光パルス列から構成されている。また、光パルス信号は、タイミングジッタを含み時間軸上での光パルス波形に歪が存在し、その光強度が不均一である光パルス列から構成されている。

なお、光非線形媒質に光パルスを入力してSC光を発生させるためには、その光パルスの光強度が、SC光を発生させるために必要な最小強度であるSC光発生閾値を越えていなければならない。そこで、光非線形媒質に入力される第2光パルス信号の光強度は必ずSC光発生閾値を越えていることが保障されることが重要である。

そのためには、光増幅器に入力される光パルスの時間軸上での半値全幅やピーク強度がある程度の範囲内に収まっていることを保障する必要がある。この発明の光信号再生方法及び光信号再生装置によれば、第2光クロック信号をSC光発生の種光としているので、後述するように、光増幅器に入力される光パルスの時間軸上での半値全幅やピーク強度を必要な範囲内に収めることを保障することができる。

そして、光増幅手段の飽和出力強度及び飽和利得、伝送密度周波数、第1光クロック信号の光パルスのピーク強度及びその半値全幅、SC光発生閾値の間に、上記の(1)及び(2)式で与えられる関係を有するように設定すれば、確実に、光増幅器で増幅された光パルス信号が、光非線形媒質中を伝播することによりSC光が発生する。

以上説明したように、この発明である光信号再生方法及び光信号再生装置によれば、光非線形媒質中でSC光が発生しないということが起こらず、光信号再生装置として正常に機能しないという問題が発生しない。

以下、図2から図5を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。なお、各図は、この発明に係る一構成例を図示するものであり、この発明が理解できる程度に各構成要素の配置関係等を概略的に示しているに過ぎず、この発明を図示例に限定するものではない。また、以下の説明において、特定の材料および条件等を用いることがあるが、これら材料および条件は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。また、各図において同様の構成成分に対しては同一の番号を付し、その重複する説明を省略することがある。

図2を参照して、この発明の光信号再生方法及び光信号再生装置について説明する。図2に示す光信号再生装置50は、分波器54、光パルス信号55から第1光クロック信号59を抽出する光クロック再生器58、第1光クロック信号59を増幅し第2光クロック信号61を生成する光増幅手段60、SC光63を発生させる光非線形媒質62、波長分離手段64、を具えて構成されている。この光増幅手段60、光非線形媒質62、波長分離手段64を介して得られた所定の波長及び光強度の第3光クロック信号65を、分波器54で分波された光パルス信号56と共に光スイッチ66に入力させる構成である。ただし、後述するように、光パルス信号56を、第2の光増幅器57で光増幅してから光スイッチ66に入力する構成とするのが好適である。

光クロック再生器58は、光信号入力端子52から入射する光パルス信号53に同期し、かつ光パルス信号のビットレートに等しい繰り返し周波数の第1光クロック信号59を抽出する機能を有している。光スイッチ66は、第3光クロック信号65の光強度を光パルス信号56の光強度により変調して出力する機能を有しており、光カーシャッタや後述する非線形ループミラー等が用いられる。

光増幅手段60としては光増幅器が用いられ、具体的には、希土類をドープした光ファイバ増幅器、あるいは、半導体レーザの利得構造を利用して構成される進行波型光増幅器等を利用できる。

以下、図2に示す光信号再生装置の動作を説明する。光信号再生装置50に入射する光パルス信号53は、光信号入力端子52から入射して分波器54で、光スイッチ66に入射する光パルス信号56と、光クロック再生器58に入射する光パルス信号55とに分波される。光パルス信号55は光クロック再生器58に入射されて第1光クロック信号59が抽出されて(再生されて)出力される（光クロック信号再生ステップ(a)）。このとき、光パルス信号55の波長λsと出力される第1光クロック信号59の波長λrとは一般に異なる。

第1光クロック信号59は、光増幅手段60である光増幅器（以後、光増幅器60ともいう。）に入力され、後述するように、所定の光強度に増幅された第2光クロック信号61として出力されて光非線形媒質62に入力される（光クロック信号増幅ステップ(b)）。このとき、光非線形媒質62に入力される第2光クロック信号61の波長λrを光非線形媒質62の零分散波長付近に設定し、第2光クロック信号61の光強度を増加させていきSC光発生閾値を越えると、光非線形媒質62の出力光63として、第2光クロック信号61の波長スペクトルが入力光パルス信号のそれと比べて数十倍以上に広がったSC光を発生させる（SC光を発生させるステップ(c)）。

光非線形媒質62から出力されるSC光63を、波長分離手段である光バンドパスフィルタ64でフィルタリングすると、このフィルタを透過した波長λsc（≠λr）において、入力信号と同じ時間波形の第3光クロック信号65が得られる(波長分離手段で分離して生成するステップ(d))。

この第3光クロック信号65と、分波器54で分波された光パルス信号56とを光スイッチ66に入力することにより、振幅揺らぎやタイミングジッタのない再生光パルス信号（波長＝λsc）67が、光信号出力端子68からから出力される（光信号再生ステップ(e)）。光信号出力端子68から出力される再生光パルス信号の波長は、波長分離手段である光バンドパスフィルタ64の透過波長によって自由に選択できる。すなわち、光信号再生装置50に入射する光パルス信号の波長λsと再生光パルス信号の波長λscは同一とすることも違えることもできる。

＜光クロック再生器＞
ここで、この発明の光信号再生装置を構成する光クロック再生器58の一例について図3(A)、(B)および(C)を参照して説明する。図3(A)は、光クロック再生器58に入力される光パルス信号55を構成する光パルス列の配列を模式的に示したものである。横軸に時間軸をとって示している。１、2、3及び4と示す位置は、1ビット信号を担う光パルスの存在位置を示しており、図3(A)では、たまたま3と示した位置には光パルスが存在しない場合を示している。例えば、光パルスの存在によって2値デジタル信号の1を示すのであれば、この例では［１１０１］という信号列からなる光パルス信号であることを示している。

図3(B)は、光クロック再生器の概念図であり、光クロック再生器を構成する素子を収納する筐体あるいは電源や電流注入に必要な端子等、ここでの説明に直接必要とならない構成部分を省略して描いてある。図3(C)は、光クロック再生器58から出力される第1光クロック信号59を構成する光パルス列の配列を模式的に示したものである。図3(A)同様に、横軸に時間軸をとって示している。出力される光パルス列は、その間隔が等しく、光パルスの半値幅も入力光パルス信号を構成する光パルスのそれより狭くなっている。

光クロック再生器58は、入力された光パルス信号55から、その光パルス信号55に同期してかつ所定のピーク強度と所定のパルス幅をもつ光パルス列からなる、第1光クロック信号を出力する働きを有することが必要である。このような条件を満たす光クロック再生器としては、例えば、光注入同期方式のモード同期半導体レーザを用いることで実現できる。図3(B)に示す光クロック再生器では、光クロック信号の再生に光注入同期方式のモード同期半導体レーザを用いることを前提にして構成してある。この動作原理を以下に説明する。

モード同期半導体レーザ81は、可飽和吸収領域82と利得領域83とを具えて構成される。一般に、モード同期半導体レーザは、自励的に発振するが、外部からこの自励発振周波数に近い光変調信号を光変調部に印加すると、自励発振周波数がその光変調信号の周波数に引き込まれるという、いわゆる強制モード同期という現象が起こる。光変調部は、光を透過させたり遮断したりする、いわば光シャッタであり、この透過あるいは遮断する機能は、例えば可飽和吸収物質で構成される。すなわち、利得領域83においてレーザ発振し、可飽和吸収領域82が光変調部の働きをする。

この発明に使われて好適なモード同期半導体レーザ81においては、外部からの入力光パルスを光変調部に入射させることで、光変調部を構成する可飽和吸収領域82の光透過率を変調する。このことで、可飽和吸収領域82が、光シャッタとしての機能を実現する方式がとられる。すなわち、外部からこの自励発振周波数に近い繰り返し周波数で出現する光パルス列からなる光パルス信号を光変調信号として光変調部である可飽和吸収領域82に入力すると、この光パルス信号を構成する光パルスが可飽和吸収領域82を通過するたびに透明となり、光パルスが通過して次の光パルスが通過するまでの間は不透明となる。すなわち、光パルス信号55に同期して、光パルス信号55の伝送密度周波数に等しい周波数で、可飽和吸収領域82が光を透過したり遮断したりする光シャッタとして動作する。その結果、モード同期半導体レーザ81においては、自励発振周波数が光パルス信号55の伝送密度周波数に引き込まれ（強制モード同期され）、光パルス信号55の伝送密度周波数に等しい光パルス列を出力する。

一旦強制モード同期されると、モード同期半導体レーザ81はこの発振状態に固定され、モード同期半導体レーザ81の入力端84に入力される光パルス信号55に、例えば図3(A)に示すように、それを構成する光パルスの一部に欠損（図3(A)では、3と示す位置の光パルス）があっても、出力される光パルス列には欠損が生じない。すなわち、図3(C)に示すように、光パルスの欠損がない光パルス列であって、光パルス信号55の伝送密度周波数に等しく、しかも光パルス信号55に同期した光パルス列となる。結果として、モード同期半導体レーザ81の出力端85から出力される光パルス列は、光パルス信号55に同期した第1光クロック信号59として得られる。

以上説明したように、この発明の光信号再生装置の実施の形態における光クロック再生器は、モード同期半導体レーザを具えて次のように構成される。すなわち、入力光パルス信号55をモード同期半導体レーザ81の入力端84から入射させ、可飽和吸収領域82の光透過率を変調することで、モード同期半導体レーザ81の自励発振周波数がその入力光パルス信号55の周波数に引き込まれる現象を起こさせる。その結果入力光パルス信号55の伝送密度周波数（ビットレートに等しい繰り返し周波数）に同期した第1光クロック信号59を抽出させる。

抽出された第1光クロック信号59を構成する光パルスのピーク強度ならびにパルス幅は、モード同期半導体レーザ81の構造、可飽和吸収領域82の可飽和吸収特性、及びモード同期半導体レーザ81の駆動電流等によって決まり、入力光パルス信号55を構成する光パルスの形状等には依存しない。すなわち、入力光パルス信号55にタイミングジッタが存在したり、入力光パルス信号55を構成する光パルスのパルス幅の揺らぎが存在したりしても、出力される第1光クロック信号59を構成する光パルスの形状及びパルス間隔は変化しない。この理由を以下に説明する。

モード同期半導体レーザ81は、入力された光パルス信号55を構成する光パルス列に対する、波形整形器及び光増幅器とみなすことができる。ここで実現される強制モード同期による光パルスの形成過程は、可飽和吸収領域82と利得領域83との両方の作用の下で行なわれる。光パルス信号を構成する光パルスが利得領域83の両端85及び86によって形成される光共振器内を往復するとき、光パルスの前縁部分は吸収領域82の吸収飽和が起きる以前の状態（光を吸収して遮断する状態）によって部分的に吸収される。光パルスの前縁部分とは、図3(A)に示す光パルス列の一つである時間軸上で１として示す位置にある光パルスに対して言えば、光パルスの中心部pより時間的に前にある位置rで示す部分に当る。

一方、光パルスの中心部pは、利得領域83で増幅されることで利得領域83の利得(反転分布)を食い尽くす。光パルスの後縁部分qに対しては、利得領域83の両端85及び86によって形成される光共振器内での損失を上回るまでに増幅するだけの利得(反転分布)はもはや残されていない状態となるように、モード同期半導体レーザの注入電流や、利得領域83の両端85及び86によって形成される光共振器長等の諸パラメータを設定することができる。その結果、光パルスの前縁部分rと後縁部分qは吸収と利得飽和によって圧縮されて中心部分pが増幅されるので、その半値全幅が狭く揃って形成されることになる。

したがって、上述したように、抽出される第1光クロック信号59を構成する光パルスは、入力光パルス信号55を構成する光パルスの形状等には依存しない。そして、入力光パルス信号55にタイミングジッタが存在したり、入力光パルス信号55を構成する光パルスのパルス幅の揺らぎが存在したりしても、出力される第1光クロック信号59を構成する光パルスの形状及びパルス間隔は変化しない。図3(C)に示すように、時間軸上で1、2、3及び4と示す位置の光パルスは、その半値全幅は等しく、そして光パルス信号55を構成する光パルス（図3(A)に示す光パルス）の半値全幅よりも狭い。また、光パルス信号55を構成する光パルス間隔（図3(A)に示す時間軸上で1及び2と記した位置の光パルスの時間間隔）と、再生された光クロック信号を構成する光パルス間隔（図3(C)に示す時間軸上で1及び2と記した位置の光パルスの時間間隔）とは等しい。

＜光増幅器＞
次に、SC光を安定して発生させるための諸条件を、光クロック再生器58、光増幅器60及び光非線形媒質62のそれぞれから出力される第1及び第2光クロック信号に着目し、図4(A)、(B)および(C)を参照して説明する。図4(A)は、光信号再生装置50の、光クロック再生器58、光増幅器60及び光非線形媒質62から構成される部分だけを抜き出して示してある。図4(B)は、光クロック再生器58から出力され、光増幅器60に入力される第1光クロック信号59を構成する光パルスの一部を、時間軸を横軸にとり、光パルスの光強度を縦軸にとって示してある。図4(C)は、光増幅器60から出力され光非線形媒質62に入力される第2光クロック信号61を構成する光パルスの一部を、図4(B)と同様に、時間軸を横軸にとり、光パルスの光強度を縦軸にとって示してある。

光クロック再生器58から出力される、第1光クロック信号59の繰り返し周波数をB［s^-1］とする。また、光パルスのピーク強度と半値全幅をそれぞれP_r［W］、Δt_r［s］とする。実際の光パルスはガウス関数型に近い波形を有しているが、現象の物理的な理解には支障がないので、時間平均強度を計算しやすいように、矩形で近似する。すなわち、光パルス幅Δt_r［s］、ピーク強度P_r［W］のガウス関数型光パルスは、光パルス幅Δt［s］、ピーク強度P［W］の矩形の光パルスであると近似する。

また、ピーク強度P［W］をもち、繰り返し周波数B［s^-1］の矩形光パルス列の時間平均強度を〈P〉［W］と表す。ピーク強度P［W］と時間平均強度〈P〉［W］との関係は、
P＝〈P〉/(Δt・B) （3）
と表せる。

光増幅器60は、入力光パルス信号の光強度を増幅して出力する機能を有し、増幅の前後で、増幅される光パルスの半値全幅は変化しない。光増幅器60の時間平均飽和出力強度、ならびに飽和利得をそれぞれ〈P_sat〉［W］、G_sat［dB］とする。〈P_sat〉［W］及びG_sat［dB］は光増幅器固有の値であり、光信号再生装置50を構成するために必要となるこれらの値を有する光増幅器を選択することができる。

光クロック再生器58から出力された第1光クロック信号である光パルス列59は、光増幅器60でその光強度が増幅される。光増幅器60から出力された第2光クロック信号である光パルス列61のピーク強度をP_amp［W］とする。

一方、光非線形媒質62において、SC光を発生させるためにはある一定のピーク強度P_th［W］以上の光パルスを光非線形媒質62に入力しなければならない。したがって、SC光が発生する条件は、
P_amp＞P_th （4）
である。ここで、P_th［W］は、SC光発生閾値であり、光非線形媒質62固有の値である。そして、光信号再生装置50を構成するために必要となるこのSC光発生閾値を有する光非線形媒質62を選択することができる。この選択、すなわち、光非線形媒質62を構成する光ファイバとして以下の設定条件に合致するものを選べばよい。

SC光を発生させる光非線形媒質である光ファイバの条件については、特許文献（特開平８-２３４２４９号公報）に開示されている。これによれば、光ファイバの3次の非線形係数をγ、入力光(ここでは光クロック信号)を構成する光パルス一つ当りのエネルギーをE［J］、光ファイバ中の光パルスのピーク強度をP［W］、４光波混合光強度の利得をG₀［dB］、真空中の光速をcとしたときに、光パルスの波長（ここでは光クロック信号の波長λr）を含む波長範囲Δλ（波長軸上での光パルスの半値全幅）で、光ファイバの長さが、
lnG₀/(2｜γ｜・P) ［km］ (5)
以上あり、分散スロープの絶対値が、
16(｜γ｜・E)/(Δλ²・lnG₀) ［ps/nm²/km］ (6)
以下であり、かつ波長λrでの分散の絶対値が
(16πc)・λr²・｜γ｜P/Δλ² ［ps/nm/km］ (7)
以下である光ファイバを用いればよい。

そこで、この発明の実施の形態においては、上述の式(5)及び式(7)におけるPの値として、SC光発生閾値であるP_thを設定して、光ファイバを選択する。

光増幅器60の出力強度が飽和した状態では、P_amp＝〈P_sat〉/(Δt_r・B)となるので、(3)式によって、既に述べた、以下の条件式(1)
Δt_r ＜〈P_sat〉/(Ｐ_th・Ｂ) （1）
が得られる。

また、光増幅器60の利得が飽和した状態では、P_amp＝Ｐ_r 10^(Gsat/10) となるので、既に述べた、以下の条件式(2)
Ｐ_r ＞ Ｐ_th 10^-(Gsat/10) （2）
が得られる。

以上説明したように、条件式(1)及び(2)を同時に満たす光パルス列(この場合は光クロック信号59)を出力する光クロック再生器58を用いれば、安定してSC光を光非線形媒質62において発生させることができる。

既に説明したモード同期半導体レーザ81を用いる光クロック再生器58によれば、このモード同期半導体レーザ81の注入電流や、利得領域83の両端85及び86によって形成される光共振器長等の諸パラメータを、光増幅器60の飽和出力強度ならびに飽和利得ならびに光非線形媒質62のSC光発生閾値に対応させて、上述の条件式(1)及び(2)を同時に満たすように設定するすることができる。

＜光スイッチ＞
図5を参照してこの発明に用いて好適な光スイッチの例として、非線形ループミラーの構成及びその動作を説明する。非線形ループミラーは、光パルス信号入力ポート131、光クロック信号入力ポート132、光カプラ133、光結合器134、光ファイバ135、再生光信号出力ポート136から構成される。

光クロック信号入力ポート132から光カプラ133に入力された光クロック信号（ここでは波長λ₂とする。）は２分割され、ループを構成する光ファイバ135中をそれぞれ左回り及び右回りに伝播する。一方、光パルス信号入力ポート131から光結合器134に入力された光パルス信号（ここでは波長λ₁とする。）は、光ファイバ135を右回りに伝播する。そのため、光ファイバ135中を右回りに伝播する光クロック信号を構成する各光パルスは、光ファイバ135を同じく右回りに伝播する光パルス信号を構成する光パルスと、同一時刻に同一箇所において重なる瞬間をそれぞれに持つ。この瞬間に光クロック信号を構成する重なった光パルスと、光パルス信号を構成する重なった光パルスとが、光カー効果によってその伝播速度が変調されるために、結果として光クロック信号を構成する左回り及び右回りに伝播する光パルスとの間に相対的な位相すれが発生する。

再び光カプラ133で、光クロック信号を構成する左回り及び右回りに伝播する光パルスが合流した時に、両者の間の相対的な位相ずれ量がπになったときに、光クロック信号を構成する光パルスがスイッチされて、光パルス信号（波長λ₁）に対する再生光（波長λ₂）として再生光信号出力ポート136から出力される。

したがって、光パルス信号を構成する右回りに伝播する光パルス強度を、光増幅器を用いて、光クロック信号を構成する右回りに伝播する光パルスと重なったときに、右回りに伝播するクロック信号を構成する光パルスの位相を次の条件を満たすように調整する。すなわち、光カー効果によって、光クロック信号を構成する右回りに伝播する光パルスの位相を、光パルス信号を構成する右回りに伝播する光パルスが変調し、光クロック信号を構成する左回り及び右回りに伝播する光パルス両者の間の相対的な位相差がπになるように設定する。このようにすれば、光クロック信号の光強度を光パルス信号の光強度により変調して再生光パルス信号として、非線形ループミラーによる光スイッチから出力することができる。

図2に示す光信号再生装置50において、上述した非線形ループミラーによる光スイッチを利用するには、分波器54の後段に第2の光増幅器57を設置するのがよい。このことによって、光パルス信号を構成する光パルス強度を、光カー効果によって光パルス信号を構成する光パルスと光クロック信号を構成する光パルスとの間の相対的な位相シフト量がπになるように、設定することができる。

また、第2の光増幅器57の出力信号を光パルス信号として光信号入力ポート131に入力する。一方光バンドパスフィルタ64から出力された第3光クロック信号65を、光クロック信号入力ポート132に入力する。光スイッチ66から出力される再生光パルス信号は再生光信号出力ポート136から出力される。

すなわち、図2に示す光信号再生装置に光スイッチとしてこの図5に示す非線形ループミラーを利用する場合、図2及び図5において、以下のとおりの対応関係となる。光信号出力端子68は、再生光信号出力ポート136に対応し、光パルス信号56が入力する入力ポートは、光パルス信号入力ポート131に対応し、第3光クロック信号65が入力するポートは、光クロック信号入力ポート132に対応する。また、光パルス信号の波長λ₁は、光パルス信号56の波長λsに、再生光信号の波長λ₂は、第3光クロック信号65及び再生された光パルス信号67の波長λrに対応する。

以上説明したように、この発明の光信号再生方法及びこの方法を実現する装置によれば、光スイッチに入力される第3光クロック信号は、タイミングジッタが含まれず、時間軸上での光パルス波形に歪が存在せず、かつその光強度が等しく揃った光パルス列となる。このようにして得られた第3光クロック信号の光強度を光パルス信号の光強度により変調して出力することができ、タイミングジッタや時間軸上での波形歪のない光パルス信号を再生することができる。このことに加えて、光非線形媒質において上述したようにSC光を必ず発生させることができ、光信号再生装置として正常に機能しないという問題が発生しないことが保障される。すなわち、この発明は、光ファイバ通信において、光ファイバ伝送路を伝播中に劣化した光パルス信号を再生するために適用して好適である。

従来の光信号再生装置の概略的ブロック構成図である。 この発明の光信号再生装置の概略的ブロック構成図である。。 光クロック再生器の動作の説明に供する図である。 光クロック再生器の出力条件の説明に供する図である。 非線形ループミラーの構成概念図である。

符号の説明

10、50：光信号再生装置
12、52：光信号入力端子
14、54：分波器
18、60：光増幅器
20、62：光非線形媒質
24、64：光バンドパスフィルタ
28、66：光スイッチ
30：タイミング抽出回路
34：光クロック信号発生器
38、68：光信号出力端子
57：第2の光増幅器
58：光クロック再生器
81：モード同期半導体レーザ
82：可飽和吸収領域
83：利得領域
133：光カプラ
134：光結合器
135：光ファイバ

Claims (4)

1. (a) 光パルス信号に同期しかつ該光パルス信号のビットレートに等しい繰り返し周波数の第1光クロック信号を光クロック再生器で前記光パルス信号から抽出させる光クロック信号再生ステップと、
   (b) 前記第1光クロック信号を光増幅手段で光増幅して第2光クロック信号として生成する光クロック信号増幅ステップと、
   (c) 前記第2光クロック信号を光非線形媒質に入力し、該第2光クロック信号と同じ時間波形で超広帯域のスーパーコンティニュアム光を発生させるステップと、
   (d) 該スーパーコンティニュアム光からその一部の波長成分を波長分離手段で分離して第3光クロック信号として生成するステップと、
   (e) 前記光パルス信号と前記第3光クロック信号とを光スイッチに入力し、該第3光クロック信号の光強度を該光パルス信号の光強度により変調して再生光パルス信号として出力する光信号再生ステップと
   を具え、
   前記光増幅手段の時間平均飽和出力強度〈P _sat 〉、飽和利得G _sat 、前記光信号のビットレートに等しい繰り返し周波数B、前記第1光クロック信号を構成する光パルスのピーク強度P _r 、該光パルスの半値全幅Δt _r 、前記光非線形媒質のスーパーコンティニュアム光発生閾値P _th との間に次式(1)及び(2)で与えられる関係を満足する条件で、前記(a)から(c)の各ステップを実行することを特徴とする光信号再生方法。
   Δt _r ＜〈P _sat 〉/(Ｐ _th ・Ｂ) （1）
   Ｐ _r ＞ Ｐ _th 10 ^-(Gsat/10) (2）
2. 請求項１に記載の光信号再生方法において、
   前記光クロック信号再生ステップは、光パルス信号を、可飽和吸収領域と利得領域とを具えて構成されるモード同期半導体レーザに、入力させることによって該半導体レーザを強制モード同期動作させて前記第1光クロック信号を抽出させる
   ことを特徴とする光信号再生方法。
3. (a) 光パルス信号に同期しかつ該光パルス信号のビットレートに等しい繰り返し周波数の第1光クロック信号を該光パルス信号から抽出させる光クロック再生器と、
   (b) 前記第1光クロック信号を光増幅して第2光クロック信号を生成する光増幅手段と、
   (c) 前記第2光クロック信号を入力し、該第2光クロック信号と同じ時間波形で超広帯域のスーパーコンティニュアム光を発生させる光非線形媒質と、
   (d) 該スーパーコンティニュアム光からその一部の波長成分を分離して第3光クロック信号を生成する波長分離手段と、
   (e) 前記光パルス信号と前記第3光クロック信号とを入力し、該第3光クロック信号の光強度を前記光パルス信号の光強度により変調して再生光パルス信号として出力する光スイッチとを具え、
   前記光増幅手段の時間平均飽和出力強度〈P _sat 〉、該光増幅手段の飽和利得G _sat 、前記光パルス信号のビットレートに等しい繰り返し周波数B、前記光クロック信号を構成する光パルスのピーク強度P _r 、該光パルスの半値全幅Δt _r 、スーパーコンティニュアム光発生閾値P _th との間に次式で与えられる関係を有することを特徴とする光信号再生装置。
   Δt _r ＜〈P _sat 〉/(Ｐ _th ・Ｂ) （1）
   Ｐ _r ＞ Ｐ _th 10 ^-(Gsat/10) （2）
4. 請求項３に記載の光信号再生装置において、
   前記光クロック再生器が、可飽和吸収領域と利得領域とを具えて構成されるモード同期半導体レーザを具えて構成されていることを特徴とする光信号再生装置。

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