JP4014020B2 - Optical signal processing system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体デバイスを用いた光通信システムに関し、特に時系列に配列された多チャンネルの信号の光パルス列から所望のチャンネルのパルス列を高感度で選別して検出する光信号処理システム、光信号処理デバイス(光集積回路)及び光信号処理方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年光ファイバ通信において一層の大容量化への需要が高まり、複数のチャンネルの信号を同時に送る多チャンネル通信がますます重要になってきている。多チャンネル通信方式は、大容量化のみならず、必要な所に必要な容量のネットワークを拡充するというシステムの拡張性・柔軟性に対しても大きな効果を有している。将来の高度ネットワーク化に対応するためには、多チャンネル化による情報量の一層の高密度化が不可欠となる。
【0003】
多チャンネル通信には、複数の、時系列に配列された多チャンネルの信号を用いる方式と、複数の波長を搬送波に用いた波長多重通信方式が知られている。
【0004】
このような高密度光通信システムにおいては、多チャンネルの信号のパルス光がファイバを伝搬し、ネットワークを構成する各受信者に送られる。そして、微弱となった多チャンネル光パルス列から各受信者が特定のチャンネルのパルス列を検知するにはまずpinフォトダイオードで多チャンネルの電気パルスに変換し、その後、シリコン集積回路により電気的に特定のチャンネルの信号のパルス列を選択する必要がある。しかし、受信者が多数となると、ネットワークの各末端では光強度が弱まるので、高速パルスを高感度で受信し誤り無く選別するのに困難を来すようになって来ている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来の、シリコン集積回路を使った上記の方式では、シリコンデバイスの動作速度に支配されるため、例えば、数Gb/sec以上のパルス列の高感度処理は容易でない。このような困難を解決するため、既に、高速のデバイスである、砒化ガリウム(GaAs)静電誘導型トランジスタ(SIT)を用いた電気的・光学的な手段による全チャンネルの信号分配できる回路が提案されている。
【0006】
上記問題点を鑑み、本発明は高速大規模集積回路(高速LSI)を使わないで、光学的手段により、時系列で並んだ多数のチャンネルのうちから単一または少数のチャンネルのパルス列のみを高感度で正確に選別することができる光信号処理システムを提供することである。
【0007】
本発明の他の目的は、高度な微細加工技術の要求される高速LSIを使わずに、簡単に希望の周波数のチャンネルのパルス光を選別して検出することが可能な波長多重通信方式の光信号処理システムを提供することである。
【0008】
本発明のさらに他の目的は、多数のチャンネルから単一または少数のチャンネルパルス列のみを高感度で選別することができるコンパクトな光信号処理デバイスを提供することである。
【0009】
本発明のさらに他の目的は、簡便に受信者が希望の1つのチャンネルのみを高感度で選択して受信することができる光信号処理システム方法を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、半導体ラマン増幅器として機能するラマン導波路と、このラマン導波路に、時系列で並んだ多数のチャンネルからなる光信号を入力する入力信号入射手段と、多数のチャンネルのうちの特定のチャンネルと同期した同期パルスを発生し、この同期パルスをラマン導波路に入力するポンプ光源と、ラマン導波路からポンプ光源により同期増幅された特定のチャンネルの光信号を電気信号に変換する光電変換回路とから少なくとも構成される光信号処理システムであることを第1の特徴とする。
【0011】
半導体ラマン増幅器においては、信号光の周波数、ポンプ光の周波数、半導体中のフォノンの周波数をそれぞれωs,ωL,ωphとした時、
ωL=ωs+ωph …(1)
の関係を満たせば、周波数ωLのポンプ光によって信号光ωsは増幅される。即ち、半導体ラマン増幅器に多チャンネル信号光パルス列を導入するとともに、この多チャンネルの内の特定のチャンネルと同期したポンプ光を導入すれば、半導体ラマン増幅器に導入された多チャンネル光信号のうち、ポンプ光パルスに同期したパルス列のみが増幅され、その振幅が増大する。半導体中のフォノンの周波数ωphは、半導体材料やその結晶方位を選ぶことにより種々の値を用いることが出来る。
【0012】
従って、本発明の第1の特徴に係る光信号処理システムにおいては、半導体ラマン増幅器が、多チャンネルパルス列から単一のチャンネルを選別し増幅するために使われる。増幅された信号は容易に、光電変換回路により電気信号に変換され検出可能となる。このようにして、極めて簡便な回路により、所望のチャンネルが選択できる。
【0013】
本発明の第1の特徴において、ラマン導波路は、リン化ガリウム(GaP)コア層と、このリン化ガリウム(GaP)コア層の下部、上部、及び側面にそれぞれ配置されたリン化ガリウム・アルミニウム(AlxGa1-xP)クラッド層から少なくとも構成されたヘテロ構造とすることが好ましい。GaPは、ラマン散乱断面積が大きく、しかもラマン散乱スペクトルの半値幅が極めて小さいからである。また、GaPは光通信で用いる近赤外の波長領域に結晶欠陥に基づく吸収も無いからである。
【0014】
本発明の第1の特徴において、ラマン導波路の光入射端に結合した第1の光導波路、この第1の光導波路の一部に設けられた波長選別ファイバカップラ、波長選別ファイバカップラを介して第1の光導波路に結合し、ポンプ光源の光をラマン導波路に入力する第2の光導波路をさらに有することが好ましい。さらに、第1の光導波路に光サーキュレータを介して結合した第3および第4の光導波路をさらに有し、光電変換回路を、この第3の光導波路に結合したpinフォトダイオードと、このpinフォトダイオードの出力を入力するゲート回路と、このゲート回路にパルス振幅を弁別するための基準電圧を供給する基準電圧発生器とで構成すれば、雑音の影響を大幅に軽減することができる。
【0015】
あるいは、第3の光導波路に結合した第1のpinフォトダイオードと、第4の光導波路に設けられた分岐と、この分岐により、第4の光導波路から分岐した第5の光導波路と、この第5の光導波路に結合した第2のpinフォトダイオードと、第1及び第2のpinフォトダイオードに接続された差動増幅器とを更に有するように構成することが好ましい。こうすれば、信号光が単一の光周波数でなく、複数の光周波数が使われる波長多重通信方式においても、有効である。この場合、ポンプ光周波数は一つの光周波数に同調され、且つその周波数内の一つのチャンネルのパルス列に同期されている。
【0016】
なお、上記の第1乃至第5の光導波路は光ファイバでも良く、半導体導波路でもかまわない。
【0017】
本発明の第2の特徴は、複数の波長の光を搬送波に用いた波長多重通信方式に係わる。即ち、本発明の第2の特徴は、半導体ラマン増幅器として機能するラマン導波路と、このラマン導波路に、周波数のそれぞれ異なる複数の光信号を入力する入力信号入射手段と、複数の光信号のうちの特定の周波数の光信号と同期した同期パルスを発生し、この同期パルスをラマン導波路に入力するポンプ光源と、ラマン導波路から同期増幅された特定の周波数の光信号を電気信号に変換する光電変換回路とから少なくとも構成される光信号処理システムであることである。
【0018】
波長多重通信方式において、信号光の周波数をωs1,ωs2,ωs3,・・・・・ωsnとした時、ポンプ光の周波数ωLj,が
ωLj=ωsj+ωph (j=1,2,3,・・・・・,n)…(2)
の関係を満たせば、周波数ωLjのポンプ光によって周波数ωsjの信号光が増幅される。即ち、半導体ラマン増幅器に周波数のそれぞれ異なる複数の光信号を導入するとともに、この複数の光信号のうちの特定の周波数の光信号と同期した周波数ωLjポンプ光を導入すれば、半導体ラマン増幅器に導入された複数の光信号のうち、ポンプ光パルスに同期した周波数ωsjの信号光のみが増幅され、その振幅が増大する。従って、本発明の第2の特徴に係る光信号処理システムにおいては、半導体ラマン増幅器が、複数の周波数を有した光信号から、特定の単一の周波数ωsjの信号光を選別し増幅するために使われる。半導体中のフォノンの周波数ωphは、半導体材料やその結晶方位を選ぶことにより種々の値を用いることが出来る。増幅された信号は容易に、光電変換回路により電気信号に変換され検出可能となる。このようにして、極めて簡便な回路により、所望の周波数ωsjのチャンネルが選択できる。第1の特徴において述べたように、ラマン導波路は、GaPコア層と、このGaPコア層の下部、上部、及び側面にそれぞれ配置されたAlxGa1-xPクラッド層から少なくとも構成されたヘテロ構造とすることが好ましい。GaPは、ラマン散乱断面積が大きく、しかもラマン散乱スペクトルの半値幅が極めて小さく、近赤外の波長領域に結晶欠陥に基づく吸収も無いからである。
【0019】
このため、本発明の第2の特徴に係る光信号処理システムにおいては、ポンプ光源は、複数の周波数ωs1,ωs2,ωs3,・・・・・ωsnに対応して、複数の異なる周波数ωL1,ωL2,ωL3,・・・・・ωLnの同期パルスを発生すべく複数個配置するように構成しても良い。さらに、複数の周波数を有した光信号のそれぞれの周波数の光信号は、それぞれ時系列で並んだ多数のチャンネルからなり、同期パルスは、多数のチャンネルのうちの特定のチャンネルと同期するようにすれば、それぞれの波長(周波数)について本発明の第1の特徴と同様の処理が可能である。
【0020】
具体的には、本発明の第2の特徴において、ラマン導波路の光入射端に結合した第1の光導波路と、この第1の光導波路の一部に設けられた波長選別ファイバカップラと、この波長選別ファイバカップラを介して第1の光導波路に結合し、複数のポンプ光源の光をラマン導波路に入力する複数の第2の光導波路と、第1の光導波路に光サーキュレータを介して結合した複数の第3の光導波路と、第1の光導波路に光サーキュレータを介して結合した第4の光導波路と、これらの複数の第3の光導波路にそれぞれ結合した複数の第1のpinフォトダイオードと、第4の光導波路に設けられた分岐と、分岐により、第4の光導波路から分岐した複数の第5の光導波路と、これらの複数の第5の光導波路にそれぞれ結合した複数の第2のpinフォトダイオードと、複数の第1及び第2のpinフォトダイオードに接続された複数の差動増幅器をさらに有して構成すればよい。ここで、第1乃至第5の光導波路は光ファイバでも良く、リッジ構造等の半導体導波路でもかまわない。
【0021】
本発明の第3の特徴は、光集積回路に係わる。即ち、本発明の第3の特徴は、基板と、基板の上部に配置されたラマン導波路と、ラマン導波路に、時系列で並んだ多数のチャンネルからなる光信号を入力する入力信号入射手段と、基板の上部に配置され、多数のチャンネルのうちの特定のチャンネルと同期した同期パルスを発生し、この同期パルスをラマン導波路に入力するポンプ光源と、基板の上部に配置され、ラマン導波路により同期増幅された特定のチャンネルの光信号を電気信号に変換する光電変換回路とから少なくとも構成される光信号処理デバイス(光集積回路)であることである。
【0022】
本発明の第3の特徴において、「基板」は、半導体基板でもよく、ガラスエポキシ基板等の有機系基板でもよい。また、アルミナ(Al2O3)基板や絶縁性金属基板等の基板でもかまわない。GaP等の半導体基板の上に、GaPコア層とAlxGa1-xPクラッド層から少なくとも構成されたヘテロ構造のラマン導波路を集積化すれば、本発明の第3の特徴に係る光信号処理デバイスをモノリシックに集積化できる。この場合、同様なリッジ構造の半導体導波路を、入力信号入射手段やポンプ光源の入力導波路として用いれば良い。これらのラマン導波路やその他の半導体導波路は、エピタキシャル成長技術、フォトリソグラフィー技術及び反応性イオンエッチング(RIE)等を用いれば簡単に製造できる。あるいは、入力信号入射手段やポンプ光源の入力導波路に光ファイバを用いて絶縁基板上にハイブリッドに集積化しても良い。いずれにしても、簡単な構造でコンパクトな光信号処理デバイス(光集積回路)を提供できる。
【0023】
本発明の第4の特徴は、半導体のフォノン周波数ωphを有するラマン導波路に、周波数ωsにおいて、時系列で並んだ多数のチャンネルからなる光信号を入力するステップと、多数のチャンネルのうち特定のチャンネルと同期し、ωL=ωs+ωphの条件を満足するポンプ光をラマン導波路に入力するステップと、ポンプ光に同期した特定のチャンネルの光信号のみをラマン増幅するステップと、このラマン増幅された光信号のみを電気信号に変換するステップとから少なくとも構成される光信号処理方法であることである。
【0024】
第1の特徴で述べたように、ωL=ωs+ωphの関係を満たせば、周波数ωLのポンプ光によって信号光ωsはラマン増幅される。従って、第4の特徴において、多数のチャンネルのうちの特定のチャンネルと同期したポンプ光を導入すれば、ポンプ光パルスに同期したパルス列のみが増幅され、その振幅が増大する。半導体中のフォノンの周波数ωphは、半導体材料やその結晶方位を選ぶことにより種々の値を用いることが出来る。増幅された信号は容易に、光電変換回路により電気信号に変換し、検出することが可能である。このため、本発明の第4の特徴によれば、極めて簡便に、所望のチャンネルが選択できる。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【0026】
(第1の実施の形態)
図1は本発明の第1の実施の形態に係る光信号処理システムの概略を示すブロック図である。図1に示すように、本発明の第1の実施の形態に係る光信号処理システムは、半導体ラマン増幅器として機能するラマン導波路11と、このラマン導波路11に、時系列で並んだ多数のチャンネルからなる光信号を入力する入力信号入射手段(10,12)と、多数のチャンネルのうちの特定のチャンネルと同期した同期パルスを発生し、ラマン導波路11に入力するためのポンプ光源4と、ラマン導波路11からポンプ光源4により同期増幅された特定のチャンネルの光信号を電気信号に変換する光電変換回路6とから少なくとも構成されている。半導体ラマン増幅器として機能するラマン導波路11は、例えば、リン化ガリウム(GaP)コア層とリン化ガリウム・アルミニウム(AlxGa1-xP)クラッド層からなる半導体導波路の構造をしており、周波数ωsの信号光及び周波数ωLのポンプ光がコア層を伝搬する。より具体的には、本発明の第1の実施の形態に係るラマン導波路11は、GaP基板上に形成されたAlxGa1-xP第1クラッド層、このAlxGa1-xP第1クラッド層の上に形成されたGaPコア層、このGaPコア層の上部及び側面に形成されたAlxGa1-xP第2クラッド層および、AlxGa1-xP第2クラッド層を被覆して形成されたGaP保護層等からなるヘテロ構造で構成すればよい。ラマン導波路11の光入射端12は無反射コーティングされており、また、反射端13は反射率100%に近い多層反射膜が形成されている。多層反射膜はシリコン酸化膜(SiO2)/チタン酸化膜(TiO2)等を10乃至20層堆積して構成すればよい。ラマン散乱断面積を考慮すると、光入射端12及び反射端13は(100)面になるようにGaPコア層の結晶方位を選定すればよい。また、光入射端12と反射端13との間隔は、0.5mm乃至20mm、好ましくは、3mm乃至10mm程度に選べばよい。
【0027】
本発明の第1の実施の形態において、ラマン導波路11の光入射端12には、第1の光導波路(第1の光ファイバ)10が結合し、この第1の光導波路10には、波長選別ファイバカップラ9が設けられている。本発明の「入力信号入射手段」は、これらの光入射端12及び第1の光導波路(第1の光ファイバ)10等から構成される。
【0028】
さらに、波長選別ファイバカップラ9を介して第1の光導波路10に結合し、ポンプ光源4の光をラマン導波路11に入力する第2の光導波路(第2の光ファイバ)31が設けられている。ポンプ光源4となる半導体レーザダイオードはパルス発生器5によってパルス駆動される。あるいは、パルス発生器5の代わりに、モード同期信号発生器を用いて半導体レーザダイオード4を駆動しても良い。半導体レーザダイオード4からの周波数ωLのポンプ光及び第1の光ファイバ10で送られてきた周波数ωsの多チャンネルパルス信号光が波長選別ファイバーカップラー9で合波されて、第1の光ファイバ10によりラマン導波路11の光入射端12に導入される。
【0029】
第1の光導波路(第1の光ファイバ)10には、光サーキュレータ8を介して結合した第3および第4の光導波路(第3および第4の光ファイバ)32,34がさらに接続されている。ラマン導波路11においてラマン増幅されながら反射端13で反射した信号光は、光サーキュレータ8を介して第3の光導波路(第3光ファイバ)32を伝達し、光電変換回路6に送られ、電気信号に変換される。
【0030】
半導体ラマン増幅器として機能するラマン導波路11のコア層を構成するGaPのフォノン周波数ωphは12THzである。従って、たとえば、信号光の周波数ωsが350THz(857nm)の場合は、ポンプ光の周波数ωLは(1)式より362THz(829nm)が選ばれる。
【0031】
図2(a)に入力信号光のパルス列、図2(b)にポンプ光のパルス列、図2(c)に出力信号光のパルス列を示す。図2(a)に示すように入力信号光のパルス列は多数のチャンネルC1,C2,C3,C4,C5,C6,……が時系列で並んでいる。
【0032】
本発明の第1の実施の形態においては、すべての信号光パルスは同じ光周波数ωsを持っているとして、以下の説明をする。また、図2では簡単のため全てのチャンネルがビット1である場合を示した。
【0033】
チャンネルC1を選択するときは、図2(b)に示すようにポンプ光のパルスP1は光チャンネルC1のパルスに同期されている。その結果、図2(c)に示すように、出力信号はチャンネルC1のパルスに対応したチャンネルO1のパルスのみが増幅される。図2(c)に示すように、出力信号は、
・信号が無い“0”の状態、
・増幅されない“1”の状態、
・この“1”の状態より信号強度の強い“2”の状態、
とからなる3値の状態のいずれかを有する。ここで、“2”の状態は必ずしも“1”の2倍の強度を有する必要はない。“1”の状態から、明確に識別できるレベルを有し、“1”の状態より信号強度の強くなるようにラマン増幅された信号であればよい。他のそれぞれのチャンネルについても、同様に所望のチャンネルのパルス(パルス列)にポンプ光のパルス(パルス列)を同期させることによって、任意の一つのチャンネルのパルス(パルス列)を増幅し、信号レベルを“2”の状態とすることができる。GaP半導体ラマン増幅器の場合、増幅帯域幅は25GHzであるので10Gb/sec以上の高速多チャンネル光パルス列から所望の一つのパルス列を選別することができる。増幅度は例えば、10dBが得られ、十分誤り無く検出できるレベルとなる。
【0034】
ラマン導波路11はテーパ構造を有している。第1の光導波路10として光ファイバを用いる場合であっても、このラマン導波路11の光入射端12を第1の光ファイバ10のコア径に近い寸法の断面にすることにより容易に高効率で第1の光ファイバ10とラマン導波路11とを結合できる。またラマン導波路11によるラマン増幅は所望の光周波数のみ増幅するので増幅器として不安定な動作をしない。ポンプ光源の半導体レーザダイオード4を電流パルス駆動すると、いわゆるチャーピングが生じ光周波数が変動するが、本発明の第1の実施の形態においては、半導体レーザダイオード4にバイアス電流を与えておくことにより周波数チャーピングをラマン導波路11によるラマン増幅の帯域幅程度に、あるいはそれ以下に保つことが可能である。光入射端12は無反射コーティングされているので共振を生じることがない。このため、温度変動のない安定な動作が可能である。
【0035】
図3は、出力パルス列からラマン増幅された所望の光パルスに対応した電気信号のみを弁別するためのパルス振幅弁別回路100を有する光電変換回路6を示すブロック図である。ラマン増幅系200からの信号は光サーキュレータ8を介して第3の光ファイバを伝達し、pinフォトダイオード14に入力される。そして、pinフォトダイオード14で検知された電気信号パルスは、信号が無い“0”の状態か、増幅されない“1”の状態か、それより電圧の高い増幅された“2”の状態の3値の信号レベルを有する(前述したように“2”は、“1”とは異なる状態を意味するのであって、必ずしも“1”の2倍の強度を有する必要はないことに留意すべきである)。従って、pinフォトダイオード14の出力を入力するゲート回路15を、“1”以上で“2”以下のパルス電圧にしきい値を有するように構成しておけば、このゲート回路15により、ラマン増幅され、選択されたチャンネルの“2”の状態のみがパルスとして、ゲート回路15から出力される。図3において16はゲート回路のしきい値を与える基準電圧発生器である。増幅されないパルスは微弱であるが誤り発生の原因となるので除去しなければならない。パルス振幅弁別回路100を設けることにより、雑音の影響が大幅に減少し誤り率が向上する。たとえば、増幅されない“1”のレベルが光検知器のS/N比の限界に近い微弱値であったとき、基準電圧をそれより大きくかつ増幅されたレベルより小さく設定することにより、雑音の影響は大幅に軽減される。
【0036】
(第2の実施の形態)
図4は本発明の第2の実施の形態に係る光信号処理システムの概略を示すブロック図で、図3とは別の光電変換回路を用いた場合の例である。ラマン増幅系200からの信号は光サーキュレータ8を介して第3の光ファイバを伝達し、第1のpinフォトダイオード14に入力され、第1のpinダイオード14で検知される。光ファイバからの信号光は分岐20により参照信号として取り出され、第2のpinフォトダイオード19によって検出される。第1のフォトダイオード14,第2のpinフォトダイオード19の出力パルスは差動増幅器23で比較される。増幅されたパルスのみが差動増幅器の出力電気信号ODとなって取り出される。図4の例は図3に比べて、参照用の分岐20を必要とするので、信号光強度が減少する欠点がある。しかし、信号光が単一の光周波数でなく、複数の光周波数ωs1,ωs2,ωs3,・・・・・ωsnが使われる波長多重通信方式においても、図4の方法は有効である。この場合、ポンプ光周波数ωLjは一つの光周波数ωsjに同調され、且つその周波数内の一つのチャンネルのパルス列に同期するようにすれば、前述した(2)式の条件を満足する周波数ωsjの信号光のみが増幅され、その振幅が増大する。
【0037】
本発明の第2の実施の形態に係る光信号処理システムにおいて、ポンプ光源は、複数の周波数ωs1,ωs2,ωs3,・・・・・ωsnに対応して、複数の異なる周波数ωL1,ωL2,ωL3,・・・・・ωLnの同期パルスを発生すべく複数個配置しても良い。即ち、ラマン導波路の光入射端に結合した第1の光導波路10と、この第1の光導波路10の一部に設けられた波長選別ファイバカップラと、この波長選別ファイバカップラを介して第1の光導波路10に結合し、複数のポンプ光源の光をラマン導波路に入力する複数の第2の光導波路とを有するようにすればよい。さらに、図4において、第1の光導波路10に光サーキュレータ8を介して結合した複数の第3の光導波路32と、第1の光導波路10に光サーキュレータを介して結合した第4の光導波路34と、これらの複数の第3の光導波路32にそれぞれ結合した複数の第1のpinフォトダイオード14と、第4の光導波路34に設けられた分岐20と、分岐20により、第4の光導波路34から分岐した複数の第5の光導波路35と、これらの複数の第5の光導波路35にそれぞれ結合した複数の第2のpinフォトダイオード19と、複数の第1及び第2のpinフォトダイオード14,19に接続された複数の差動増幅器23を有するように構成すればよい。
【0038】
(その他の実施の形態)
本発明は上記の第1及び第2の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【0039】
例えば、上記の第1及び第2の実施の形態の説明においては、周波数ωLのポンプ光及び周波数ωsの多チャンネルパルス信号光が、第1の光ファイバ10によりラマン導波路11の光入射端12に導入される場合を説明したが、第1の光ファイバ10の代わりにリッジ構造や拡散層構造の半導体導波路を用いてもかまわない。同様に、第2乃至第5の光ファイバ10の少なくともいずれかを半導体導波路としても良いことは勿論である。さらに、第1乃至第4、若しくは第1乃至第5の光ファイバのすべてを半導体導波路とし、これらをGaP等の半導体基板上にモノリシックに集積化すれば、光集積回路を構成することも可能である。モノリシックに集積化する代わりに、ガラスエポキシ基板等の有機系基板、アルミナ(Al2O3)や絶縁性金属基板等の基板の上にハイブリッドに集積化してもかまわない。
【0040】
また、半導体ラマン増幅器として用いる半導体としては、上記のGaP以外に、砒化ガリウム(GaAs)やリン化インジウム(InP)等の種々の半導体が使用可能である。
【0041】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【0042】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体ラマン増幅器の増幅効果により、高速LSIを使わずに、簡単に希望のチャンネルのパルス光を選別して検出することが可能な光信号処理システムを提供できる。
【0043】
本発明によれば、高度な微細加工技術の要求される高速LSIを使わずに、簡単に希望のチャンネルのパルス光を選別して検出することが可能な波長多重通信方式の光信号処理システムを提供できる。
【0044】
本発明によれば、高度な高速LSIを使わずに、コンパクトな構造で簡単に希望のチャンネルのパルス光を選別して検出することが可能な光信号処理デバイスを提供できる。
【0045】
本発明によれば、簡便に、かつ誤り無く、希望のチャンネルのみを高感度で選択して受信することができる光信号処理システム方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る光信号処理システムの概略を示すブロック図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態における光パルスの同期法を示す図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態に係る光信号処理システムにおける光パルスを電気パルスに変換する手段を示す図である。
【図4】本発明の第2の実施の形態に係る光信号処理システムの概略を示すブロック図で、光パルスを電気パルスに変換する他の手段を示す図である。
【符号の説明】
4 ポンプ光源(半導体レーザダイオード)
5 パルス発生器
6 光電変換回路
8 光サーキュレータ
10 第1の光導波路(第1の光ファイバ)
11 ラマン導波路
12 光入射端
13 反射端
14 pinフォトダイオード(第1のpinフォトダイオード)
19 第2のpinフォトダイオード
15 ゲート回路
16 基準電圧発生器
20 分岐
23 差動増幅器
31 第2の光導波路(第2の光ファイバ)
32 第3の光導波路(第3の光ファイバ)
34 第4の光導波路(第4の光ファイバ)
35 第5の光導波路(第5の光ファイバ)
100 パルス振幅弁別回路
200 ラマン増幅器系[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical communication system using a semiconductor device, and more particularly to an optical signal processing system and an optical signal processing for selecting and detecting a pulse train of a desired channel from an optical pulse train of a multi-channel signal arranged in time series with high sensitivity. The present invention relates to a device (optical integrated circuit) and an optical signal processing method.
[0002]
[Prior art]
In recent years, there has been a growing demand for higher capacity in optical fiber communication, and multi-channel communication that simultaneously transmits signals of a plurality of channels has become increasingly important. The multi-channel communication system has a great effect not only on an increase in capacity but also on expandability and flexibility of the system by expanding a network having a necessary capacity at a necessary place. In order to cope with future advanced networking, it is indispensable to further increase the amount of information by increasing the number of channels.
[0003]
For multi-channel communication, a method using a plurality of time-series arranged multi-channel signals and a wavelength multiplexing communication method using a plurality of wavelengths as a carrier wave are known.
[0004]
In such a high-density optical communication system, pulse light of a multi-channel signal propagates through a fiber and is sent to each receiver constituting the network. In order for each receiver to detect a pulse train of a specific channel from the weak multi-channel optical pulse train, it is first converted into a multi-channel electrical pulse by a pin photodiode, and then electrically specified by a silicon integrated circuit. It is necessary to select the pulse train of the channel signal. However, as the number of recipients increases, the light intensity decreases at each end of the network, which makes it difficult to receive high-speed pulses with high sensitivity and to select them without error.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional method using a silicon integrated circuit, since it is governed by the operation speed of the silicon device, for example, high-sensitivity processing of a pulse train of several Gb / sec or more is not easy. In order to solve these difficulties, we have already proposed a circuit that can distribute signals on all channels using electrical and optical means using gallium arsenide (GaAs) static induction transistors (SIT), which are high-speed devices. Has been.
[0006]
In view of the above-described problems, the present invention does not use a high-speed large-scale integrated circuit (high-speed LSI), and only a pulse train of a single channel or a small number of channels among a large number of channels arranged in time series can be increased by optical means. It is to provide an optical signal processing system capable of accurately selecting with sensitivity.
[0007]
Another object of the present invention is to provide a wavelength division multiplexing optical system that can easily select and detect pulse light of a channel having a desired frequency without using a high-speed LSI that requires advanced microfabrication technology. It is to provide a signal processing system.
[0008]
Still another object of the present invention is to provide a compact optical signal processing device capable of selecting only a single or a small number of channel pulse trains from a large number of channels with high sensitivity.
[0009]
Still another object of the present invention is to provide an optical signal processing system method that allows a receiver to select and receive only one desired channel with high sensitivity.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the present invention provides a Raman waveguide functioning as a semiconductor Raman amplifier, input signal incident means for inputting an optical signal consisting of a number of channels arranged in time series into the Raman waveguide, A sync pulse synchronized with a specific channel is generated, a pump light source that inputs the sync pulse to the Raman waveguide, and an optical signal of the specific channel that is synchronously amplified from the Raman waveguide by the pump light source A first feature is that the optical signal processing system includes at least a photoelectric conversion circuit that converts signals.
[0011]
In a semiconductor Raman amplifier, when the frequency of signal light, the frequency of pump light, and the frequency of phonons in the semiconductor are ω s , ω L , and ω ph , respectively,
ω L = ω s + ω ph (1)
If the above relationship is satisfied, the signal light ω s is amplified by the pump light having the frequency ω L. That is, if a multi-channel signal optical pulse train is introduced into a semiconductor Raman amplifier and pump light synchronized with a specific channel among the multi-channels is introduced, the pump among the multi-channel optical signals introduced into the semiconductor Raman amplifier. Only the pulse train synchronized with the optical pulse is amplified and its amplitude increases. Various values can be used for the frequency ω ph of the phonon in the semiconductor by selecting the semiconductor material and its crystal orientation.
[0012]
Therefore, in the optical signal processing system according to the first aspect of the present invention, a semiconductor Raman amplifier is used to select and amplify a single channel from a multi-channel pulse train. The amplified signal is easily converted into an electric signal by the photoelectric conversion circuit and can be detected. In this way, a desired channel can be selected with a very simple circuit.
[0013]
In the first aspect of the present invention, the Raman waveguide includes a gallium phosphide (GaP) core layer, and gallium phosphide / aluminum phosphide disposed on the lower, upper, and side surfaces of the gallium phosphide (GaP) core layer, respectively. Preferably, the heterostructure is at least composed of an (Al x Ga 1-x P) cladding layer. This is because GaP has a large Raman scattering cross-sectional area and a very small half-value width of the Raman scattering spectrum. In addition, GaP has no absorption based on crystal defects in the near-infrared wavelength region used in optical communication.
[0014]
In the first feature of the present invention, a first optical waveguide coupled to a light incident end of a Raman waveguide, a wavelength selecting fiber coupler provided in a part of the first optical waveguide, and a wavelength selecting fiber coupler. It is preferable to further include a second optical waveguide that is coupled to the first optical waveguide and inputs light from the pump light source to the Raman waveguide. Furthermore, it has the 3rd and 4th optical waveguide couple | bonded with the 1st optical waveguide via the optical circulator, The pin photodiode which couple | bonded the photoelectric conversion circuit with this 3rd optical waveguide, and this pin photo If a gate circuit that inputs the output of the diode and a reference voltage generator that supplies a reference voltage for discriminating the pulse amplitude to the gate circuit, the influence of noise can be greatly reduced.
[0015]
Alternatively, the first pin photodiode coupled to the third optical waveguide, the branch provided in the fourth optical waveguide, the fifth optical waveguide branched from the fourth optical waveguide by this branch, and the It is preferable to further include a second pin photodiode coupled to the fifth optical waveguide and a differential amplifier connected to the first and second pin photodiodes. This is effective even in a wavelength multiplexing communication system in which signal light does not have a single optical frequency but uses a plurality of optical frequencies. In this case, the pump optical frequency is tuned to one optical frequency and synchronized to the pulse train of one channel within that frequency.
[0016]
The first to fifth optical waveguides described above may be optical fibers or semiconductor waveguides.
[0017]
The second feature of the present invention relates to a wavelength division multiplexing communication system using light of a plurality of wavelengths as a carrier wave. That is, the second feature of the present invention is that a Raman waveguide functioning as a semiconductor Raman amplifier, input signal incident means for inputting a plurality of optical signals having different frequencies to the Raman waveguide, and a plurality of optical signals Generates a synchronization pulse synchronized with an optical signal of a specific frequency, and inputs the synchronization pulse to the Raman waveguide. The optical signal of the specific frequency synchronously amplified from the Raman waveguide is converted into an electrical signal. An optical signal processing system including at least a photoelectric conversion circuit.
[0018]
In the wavelength division multiplexing communication system, when the frequency of the signal light is ω s1 , ω s2 , ω s3 ,... Ω sn , the frequency ω Lj of the pump light is ω Lj = ω sj + ω ph (j = 1 , 2, 3, ..., n) ... (2)
If the above relationship is satisfied, the signal light having the frequency ω sj is amplified by the pump light having the frequency ω Lj . That is, if a plurality of optical signals having different frequencies are introduced into the semiconductor Raman amplifier and a frequency ω Lj pump light synchronized with an optical signal having a specific frequency among the plurality of optical signals is introduced, the semiconductor Raman amplifier can be introduced. Of the introduced optical signals, only the signal light having the frequency ω sj synchronized with the pump light pulse is amplified, and the amplitude thereof increases. Therefore, in the optical signal processing system according to the second aspect of the present invention, the semiconductor Raman amplifier selects and amplifies signal light having a specific single frequency ω sj from optical signals having a plurality of frequencies. Used for. Various values can be used for the frequency ω ph of the phonon in the semiconductor by selecting the semiconductor material and its crystal orientation. The amplified signal is easily converted into an electric signal by the photoelectric conversion circuit and can be detected. In this way, a channel having a desired frequency ω sj can be selected with a very simple circuit. As described in the first feature, the Raman waveguide is composed of at least a GaP core layer and Al x Ga 1-x P cladding layers respectively disposed on the lower, upper, and side surfaces of the GaP core layer. A heterostructure is preferable. This is because GaP has a large Raman scattering cross section, a very small half width of the Raman scattering spectrum, and no absorption based on crystal defects in the near infrared wavelength region.
[0019]
For this reason, in the optical signal processing system according to the second feature of the present invention, the pump light source has a plurality of different values corresponding to a plurality of frequencies ω s1 , ω s2 , ω s3,. A plurality of synchronous pulses having frequencies ω L1 , ω L2 , ω L3 ,..., Ω Ln may be arranged. Furthermore, each optical signal having a plurality of frequencies is composed of a number of channels arranged in time series, and the synchronization pulse is synchronized with a specific channel among the plurality of channels. For example, the same processing as the first feature of the present invention can be performed for each wavelength (frequency).
[0020]
Specifically, in the second feature of the present invention, a first optical waveguide coupled to the light incident end of the Raman waveguide, a wavelength selecting fiber coupler provided in a part of the first optical waveguide, A plurality of second optical waveguides coupled to the first optical waveguide through the wavelength selecting fiber coupler and inputting light from the plurality of pump light sources to the Raman waveguide, and an optical circulator connected to the first optical waveguide. A plurality of coupled third optical waveguides, a fourth optical waveguide coupled to the first optical waveguide via an optical circulator, and a plurality of first pins respectively coupled to the plurality of third optical waveguides A photodiode, a branch provided in the fourth optical waveguide, a plurality of fifth optical waveguides branched from the fourth optical waveguide by the branching, and a plurality coupled to each of the plurality of fifth optical waveguides The second pin of And preparative diode may be further have a configuration a plurality of first and second pin photodiode connected to a plurality of differential amplifiers. Here, the first to fifth optical waveguides may be optical fibers or semiconductor waveguides such as a ridge structure.
[0021]
A third feature of the present invention relates to an optical integrated circuit. That is, the third feature of the present invention is that the substrate, the Raman waveguide disposed on the substrate, and the input signal incident means for inputting an optical signal composed of a number of channels arranged in time series to the Raman waveguide. And a pump light source for generating a synchronization pulse synchronized with a specific channel among a number of channels and inputting the synchronization pulse to the Raman waveguide; and a pump light source disposed on the substrate to The optical signal processing device (optical integrated circuit) includes at least a photoelectric conversion circuit that converts an optical signal of a specific channel synchronously amplified by a waveguide into an electric signal.
[0022]
In the third feature of the present invention, the “substrate” may be a semiconductor substrate or an organic substrate such as a glass epoxy substrate. A substrate such as an alumina (Al 2 O 3 ) substrate or an insulating metal substrate may also be used. An optical signal according to the third aspect of the present invention can be obtained by integrating a heterostructure Raman waveguide composed of at least a GaP core layer and an Al x Ga 1-x P cladding layer on a semiconductor substrate such as GaP. Processing devices can be monolithically integrated. In this case, a semiconductor waveguide having a similar ridge structure may be used as an input waveguide for input signal incident means or a pump light source. These Raman waveguides and other semiconductor waveguides can be easily manufactured by using epitaxial growth technology, photolithography technology, reactive ion etching (RIE), and the like. Alternatively, the input signal incident means and the input waveguide of the pump light source may be integrated in a hybrid on an insulating substrate using an optical fiber. In any case, a compact optical signal processing device (optical integrated circuit) can be provided with a simple structure.
[0023]
The fourth feature of the present invention is that a step of inputting an optical signal consisting of a number of channels arranged in time series at a frequency ω s into a Raman waveguide having a semiconductor phonon frequency ω ph , A step of inputting pump light that is synchronized with a specific channel and satisfies a condition of ω L = ω s + ω ph into a Raman waveguide, and a step of Raman-amplifying only an optical signal of the specific channel that is synchronized with the pump light, The optical signal processing method comprises at least a step of converting only the Raman-amplified optical signal into an electrical signal.
[0024]
As described in the first feature, when the relationship of ω L = ω s + ω ph is satisfied, the signal light ω s is Raman amplified by the pump light having the frequency ω L. Therefore, in the fourth feature, when pump light synchronized with a specific channel among a large number of channels is introduced, only the pulse train synchronized with the pump light pulse is amplified and the amplitude thereof is increased. Various values can be used for the frequency ω ph of the phonon in the semiconductor by selecting the semiconductor material and its crystal orientation. The amplified signal can be easily converted into an electric signal by a photoelectric conversion circuit and detected. For this reason, according to the fourth feature of the present invention, a desired channel can be selected very easily.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0026]
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing an outline of an optical signal processing system according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the optical signal processing system according to the first embodiment of the present invention includes a Raman waveguide 11 functioning as a semiconductor Raman amplifier, and a number of time-series aligned Raman Raman waveguides 11. An input signal input means (10, 12) for inputting an optical signal composed of channels, and a pump
[0027]
In the first embodiment of the present invention, a first optical waveguide (first optical fiber) 10 is coupled to the light incident end 12 of the Raman waveguide 11, and the first
[0028]
Further, a second optical waveguide (second optical fiber) 31 that is coupled to the first
[0029]
The first optical waveguide (first optical fiber) 10 is further connected to third and fourth optical waveguides (third and fourth optical fibers) 32 and 34 coupled via the optical circulator 8. Yes. The signal light reflected by the reflection end 13 while being Raman-amplified in the Raman waveguide 11 is transmitted to the third optical waveguide (third optical fiber) 32 via the optical circulator 8 and sent to the
[0030]
The phonon frequency ω ph of GaP constituting the core layer of the Raman waveguide 11 functioning as a semiconductor Raman amplifier is 12 THz. Therefore, for example, when the frequency ω s of the signal light is 350 THz (857 nm), 362 THz (829 nm) is selected as the frequency ω L of the pump light from the equation (1).
[0031]
FIG. 2A shows a pulse train of input signal light, FIG. 2B shows a pulse train of pump light, and FIG. 2C shows a pulse train of output signal light. As shown in FIG. 2A, the pulse train of the input signal light has a large number of channels C 1 , C 2 , C 3 , C 4 , C 5 , C 6 ,.
[0032]
In the first embodiment of the present invention, the following description will be given on the assumption that all the signal light pulses have the same optical frequency ω s . FIG. 2 shows a case where all channels are
[0033]
When the channel C 1 is selected, the pulse P 1 of the pump light is synchronized with the pulse of the optical channel C 1 as shown in FIG. As a result, as shown in FIG. 2C, only the pulse of channel O 1 corresponding to the pulse of channel C 1 is amplified as the output signal. As shown in FIG. 2 (c), the output signal is
・ "0" state with no signal,
-A state of "1" that is not amplified,
-"2" state where the signal strength is stronger than this "1" state,
One of the three-valued states consisting of Here, the state of “2” does not necessarily have twice the strength of “1”. Any signal that has a level that can be clearly distinguished from the “1” state and is Raman-amplified so that the signal intensity is stronger than the “1” state may be used. Similarly, for each of the other channels, the pulse (pulse train) of any one channel is amplified by synchronizing the pulse (pulse train) of the pump light with the pulse (pulse train) of the desired channel. 2 "state. In the case of a GaP semiconductor Raman amplifier, the amplification bandwidth is 25 GHz, so that one desired pulse train can be selected from a high-speed multichannel optical pulse train of 10 Gb / sec or more. For example, the amplification degree is 10 dB, which is a level that can be detected sufficiently without error.
[0034]
The Raman waveguide 11 has a taper structure. Even when an optical fiber is used as the first
[0035]
FIG. 3 is a block diagram showing a
[0036]
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a block diagram showing an outline of an optical signal processing system according to the second embodiment of the present invention, and shows an example in which a photoelectric conversion circuit different from that in FIG. 3 is used. A signal from the
[0037]
In the optical signal processing system according to a second embodiment of the present invention, the pump light source, a plurality of frequencies ω s1, ω s2, ω s3 , in response to · · · · · omega sn, a plurality of different frequencies omega L1, ω L2, ω L3, may be a plurality arranged to generate a sync pulse · · · · · omega Ln. That is, the first
[0038]
(Other embodiments)
Although the present invention has been described by the first and second embodiments described above, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
[0039]
For example, in the description of the first and second embodiments, the pump light having the frequency ω L and the multi-channel pulse signal light having the frequency ω s are incident on the Raman waveguide 11 by the first
[0040]
In addition to the above GaP, various semiconductors such as gallium arsenide (GaAs) and indium phosphide (InP) can be used as the semiconductor Raman amplifier.
[0041]
As described above, the present invention naturally includes various embodiments not described herein. Accordingly, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
[0042]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide an optical signal processing system that can easily select and detect pulse light of a desired channel without using a high-speed LSI due to the amplification effect of the semiconductor Raman amplifier.
[0043]
According to the present invention, there is provided an optical signal processing system of a wavelength multiplexing communication system that can easily select and detect pulse light of a desired channel without using a high-speed LSI that requires advanced fine processing technology. Can be provided.
[0044]
According to the present invention, it is possible to provide an optical signal processing device that can easily select and detect pulse light of a desired channel with a compact structure without using an advanced high-speed LSI.
[0045]
According to the present invention, it is possible to provide an optical signal processing system method that can select and receive only a desired channel with high sensitivity in a simple and error-free manner.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an outline of an optical signal processing system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an optical pulse synchronization method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a means for converting an optical pulse into an electric pulse in the optical signal processing system according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a block diagram showing an outline of an optical signal processing system according to a second embodiment of the present invention, and is a diagram showing another means for converting an optical pulse into an electric pulse.
[Explanation of symbols]
4 Pump light source (semiconductor laser diode)
5
11 Raman waveguide 12 Light incident end 13 Reflecting
19
32 Third optical waveguide (third optical fiber)
34 Fourth optical waveguide (fourth optical fiber)
35 fifth optical waveguide (fifth optical fiber)
100 Pulse
Claims (3)
前記ラマン導波路に、周波数がそれぞれ異なり、且つ、各周波数においてそれぞれ時系列で並んだ多数のチャンネルからなる周波数多重光信号を入力する入力信号入射手段と、
前記各周波数に対応して、前記多数のチャンネルのうちの、特定の周波数の、且つ特定の時系列信号パルスに同期した同期パルスをそれぞれ発生し、該同期パルスはそれぞれ前記各周波数数から前記フォノン周波数だけシフトした周波数を有し、それぞれの同期パルスを前記ラマン導波路にそれぞれ入力する、特定の周波数の光信号のみが増幅されるように、それぞれの周波数における周波数変動が前記増幅帯域幅以下にそれぞれ保たれて周波数同調された複数のポンプ光源と、
前記ラマン導波路からそれぞれ同期増幅された前記特定のチャンネルの光信号をそれぞれ電気信号に変換する光電変換回路
とから少なくとも構成される光信号処理システム。A Raman waveguide that functions as a semiconductor Raman amplifier having a unique phonon frequency and a constant amplification bandwidth ;
Input signal incident means for inputting a frequency-multiplexed optical signal composed of a number of channels, each having a different frequency and arranged in time series at each frequency, to the Raman waveguide,
Corresponding to the respective frequencies, wherein one of the multiple channels, a specific frequency, and a specific time-series signal pulse synchronized with the synchronizing pulses generated respectively, the phonons from each synchronous pulses each frequency number has a frequency shifted by frequency, the respective synchronization pulse is input to the Raman waveguide, so that only the optical signal of a specific frequency is amplified, frequency variations at each frequency is less than the amplification bandwidth A plurality of pump light sources each kept and frequency tuned;
At least composed optical signal processing system and a photoelectric conversion circuit for converting an optical signal of the particular channel which has been amplified respectively synchronized from the Raman waveguide to each electrical signal.
該第1の光導波路の一部に設けられた波長選別ファイバカップラと、
該波長選別ファイバカップラを介して前記第1の光導波路に結合し、前記複数のポンプ光源の光をそれぞれ前記ラマン導波路に入力する複数の第2の光導波路と、
前記第1の光導波路に光サーキュレータを介して結合した複数の第3の光導波路と、
前記第1の光導波路に光サーキュレータを介して結合した第4の光導波路と、
前記複数の第3の光導波路にそれぞれ結合した複数の第1のpinフォトダイオードと、
前記第4の光導波路に設けられた分岐と、
該分岐により、前記第4の光導波路から分岐した複数の第5の光導波路と、
該複数の第5の光導波路にそれぞれ結合した複数の第2のpinフォトダイオードと、
前記複数の第1及び第2のpinフォトダイオードに接続された複数の差動増幅器
をさらに有していることを特徴とする請求項1又は2記載の光信号処理システム。A first optical waveguide coupled to a light incident end of the Raman waveguide;
A wavelength selecting fiber coupler provided in a part of the first optical waveguide;
A plurality of second optical waveguides coupled to the first optical waveguide via the wavelength selecting fiber coupler, and inputting light from the plurality of pump light sources respectively to the Raman waveguide;
A plurality of third optical waveguides coupled to the first optical waveguide via an optical circulator;
A fourth optical waveguide coupled to the first optical waveguide via an optical circulator;
A plurality of first pin photodiodes respectively coupled to the plurality of third optical waveguides;
A branch provided in the fourth optical waveguide;
A plurality of fifth optical waveguides branched from the fourth optical waveguide by the branch;
A plurality of second pin photodiodes respectively coupled to the plurality of fifth optical waveguides;
3. The optical signal processing system according to claim 1, further comprising a plurality of differential amplifiers connected to the plurality of first and second pin photodiodes.
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