JP4138307B2 - 光信号を再生成する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信に係り、特に、光通信信号の波長変換および３Ｒ（再増幅(re-amplification）、再タイミング(re-timing)および再成形(re-shaping)）光信号再生成（regeneration）を提供するための方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
将来の光通信ネットワークの絶えず増大するキャパシティの需要を満たすために、一定かつ許容可能な光信号品質が、そのようなネットワーク全体について維持されなければならない。特に、３Ｒ（再増幅、再タイミングおよび再成形）光信号リジェネレーションを提供するための方法および装置は、光ファイバ、光コンポーネントおよびそれを通しての光通信に関連する分散、損失、クロストークおよび他の非線形性のために必要とされる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、光通信信号の波長変換および３Ｒ（再増幅、再タイミングおよび再成形）光信号再生成を提供するための単純、安価なデバイスの開発を可能にする方法および装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、３Ｒ光信号リジェネレーションを提供する方法および装置（３Ｒ光信号リジェネレータ）を開発した。本発明の方法は、特に、再タイミングおよび再成形を提供するためによく適しており、光増幅器との組合せで使用される場合、再増幅も提供する。本発明による新規な方法および装置は、１）少なくとも１つの光信号からエンコードされた光クロック信号を生成すること、２）振幅調節（振幅変調）されたクロック信号が生成されるように、リジェネレータの遅延干渉（delay interference）セクション中にエンコードされたクロック信号を導入すること、および３）振幅調節されたクロック信号を出力することを含み、出力振幅調節クロック信号は、入力光信号中に存在する情報を保存する。
【０００５】
従来技術とは異なり本発明による方法および装置は、遙かに単純、安価なデバイスの開発を可能にする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１において、同時波長変換を伴う３Ｒ光信号リジェネレーションのコンセプトの概略図が示されている。具体的には、入力信号（Ｐ_ｉｎ）１１０は、再生成されたリジェネレーティッド（regenerated）信号（Ｐ_ｒｅｇ）１４０が生成されるように、３Ｒリジェネレータ１３０の動作により、クロック信号（Ｐ_ｉｎ）１２０にマップされる。これから分かるように、このコンセプトは、再成形（reshaping）、再生成された信号１４０が、クロック信号１２０の一般的な形（general shape）を示す、再タイミング（retiming）、再生成された信号１４０が、クロック信号１２０の一般的タイミング（general timing）を示す、および代替的に、増幅器の動作によりおよびクロック信号パワーを選択的に選ぶことによる再増幅（reamplification）を含む。同時波長変換がなされるところで、クロック信号１２０は、新しい所望の波長を示す。
【０００７】
図２において、本発明による一般化された３Ｒ信号リジェネレータ２００が示されている。特に、３Ｒ信号リジェネレータは、調節セクション２１０、カップリングセクション２２０および遅延干渉（delay-interference）セクション２３０を含む。したがって、入力信号（Ｐ_ｉｎ）２４０は、カップリングセクション２２０に与えられ、クロック信号（Ｐ_ｃｌｋ）２５０は、調節セクション２１０に与えられ、そして、遅延干渉セクション２３０に提供される。遅延干渉セクション２３０の出力は、所望の特性、特に、リタイム（retime）およびリシェープ（reshape）を示す再生成された信号（Ｐ_ｒｅｇ）２６０である。さらに、前述したように、再生成された信号２６０は、任意的に、波長変換も示すことができる。
【０００８】
一実施形態において、調節セクション２１０は、クロック信号（Ｐ_ｃｌｋ）２５０の透過を可能にしかつその屈折率が、入力信号（Ｐ_ｉｎ）２４０で調節されうる１つの媒体またはいくつかの異なる媒体を含む。勿論、屈折率は、電圧変化、温度変化または電流注入の手段により、非線形効果の手段により調節され得る（即ち、屈折率は、強い光信号の存在において変化する）。
【０００９】
延長セクション２１０中において利用されうる材料は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｌＡｓ，Ｇａ，Ａｓ等を含む半導体光増幅器（ＳＯＡ）、アブソーバ、光ファイバ、ガラス、カルコゲナイト（chalcogenite）ガラス、半導体、クラシックベースド導波材料、液体またはガスである。
【００１０】
図２に明示的に示されていないＳＯＡに基づく１つの具現化は、以下のように動作し得る。入力信号（Ｐ_ｉｎ）２４０は、屈折率関連キャリア減少（depletion）効果を利用することにより、ＳＯＡ中の媒体の屈折率を調節する。代替的に、入力信号（Ｐ_ｉｎ）２４０は、フォトダイオードに導かれて、光電流を生じる。この光電流は、ＳＯＡに注入され、またはＳＯＡの電圧を変化させるために使用され、これは、ＳＯＡ中のキャリア密度を変化させ、屈折率を調節する。さらに別の具現化において、カー効果（Kerr-effect）が、入力信号（Ｐ_ｉｎ）２４０を加えることにより、図示しないファイバ中の屈折率を調節するために利用され得る。読者に明らかであるように、多くの他の具現化も、容易に考えられる。
【００１１】
図２において、カップリングセクション２２０は、入力信号（Ｐ_ｉｎ）２４０を、調節セクション２１０中に直接的に導入し、または、代替的に、調節セクション２１０の屈折率を変化させるために使用され得るように、入力信号（Ｐ_ｉｎ）２４０を導入しかつ修正する。１つの例示的実施形態において、カップリングセクション２２０は、入力信号（Ｐ_ｉｎ）２４０を、クロック信号（Ｐ_ｃｌｋ）２５０の信号パスに結合させる光カプラを含むことができ、クロック信号（Ｐ_ｃｌｋ）２５０は、ほぼ（generally）非線形材料の屈折率をその結果として調節する。
【００１２】
そのような単純なカプラは、例えば、調節セクション２１０の前、または調節セクション２１０と遅延干渉セクション２３０との間に置かれ得る。別の実施形態において、カップリングセクション２２０は、調節セクション２１０と遅延干渉セクション２３０との間に配置された光サーキュレータを含み得る。さらに別の実施形態において、カップリングセクション２２０は、光入力信号（Ｐ_ｉｎ）２４０を信号電流に変換する光ホトディテクタを含み得る。この結果として得られる信号電流は、調節セクション２１０に導入され、そこで、屈折率を変化させる。
【００１３】
図２において、遅延干渉セクション２３０は、図示しない、光スプリッタ、光コンバイナおよびそれらの間の複数の光パスを含む。好ましくは、スプリッタおよびコンバイナは、同じデバイスであり得る。動作において、遅延干渉セクション２３０は、クロック信号（Ｐ_ｃｌｋ）２５０を２つの信号に分割するために使用され、この２つの信号は、それらがコンバイナの動作によりその後再結合されるまで、光干渉パスに沿って異なる時間伝播する。
【００１４】
そして、コンバイナは、干渉（コンストラクティブまたはディストラクティブの）を、２つの分割信号間の相対移送関係に依存して、出力（Ｐ_ｃｏｎｖ）２６０に導入する。光干渉パス中に配置される場合、移送シフタおよび／または利得／吸収セクションは有利である。光干渉パスを進む（traversing）分割信号のうちの一方から生じる２つの分割信号の時間遅れΔｔは、近似的にΔｔ＝Ｎ・Δｔ_ｃｌｋにより表される。ここで、Ｎ＝１，２，３...であり、導入される・Δｔ_ｃｌｋは、実質的に、その後のクロック信号パルス間の時間遅れである。
【００１５】
図３において、本発明の動作を例示するデバイスの概略を示す。特に、図３は、λ_１において入力信号Ｐ_ｉｎ３１０およびλ_２においてクロック信号Ｐ_ｃｌｋ３２０を入力として受け入れ、その後、λ_２において再生成された信号Ｐ_ｃｏｎｖ３３０を出力する３Ｒ信号リジェネレータ３００を示す。動作において、入力信号Ｐ_ｉｎ３１０は、図３に明示的に示されていない調節セクションの屈折率を、上述したプロセスのうちの１つにより、直接的または間接的に調節し、これにより、クロック信号Ｐ_ｃｌｋ３２０の位相Φ_ｃｗ３４６を調節する。
【００１６】
屈折率変化の強さは、クロック信号Ｐ_ｃｌｋ３２０の位相を、ほぼ０より大きいがπよりあまり大きくない量だけ調節するように適合されている。誘導される位相シフトのライズタイム（rise time）は、使用される基礎になるプロセスに依存する。通常、Ｐ_ｉｎ３１０信号のパルス幅により制限されるほとんど瞬間的なプロセスであるが、誘導される位相の衰退は典型的により遅い。
【００１７】
調節セクションの後に、Ｐ_ｃｌｋ３２０信号は、遅延干渉セクションにガイドされ、そこで、それぞれスプリッタ３５０およびコンバイナ３７０の動作により、分割されかつその後再結合される。分割信号は、一方が遅延ループ３６０を含み、他方が位相シフタ３６５を含む少なくとも２つの別個のパス、即ち「アーム」を進む。
【００１８】
π位相シフトを示すより短い干渉計（interferometer）パスを通過するクロック信号は、カプラにまず到達し、出力ポート３８０ｂにおいて「スイッチングウィンドウを開く」。クロック信号がより長い干渉計パスを通過するときよりΔｔ後の時点において、位相差は、リセットされ、出力ポート３８０におけるスイッチングウィンドウは閉じる。第２の入力データパルスが続く場合、スイッチングウィンドウは、より短い干渉計パスにおけるクロックの位相を再びセットすることにより再びオープンされる。出力への結果のクロックパルスの実質的なコンストラクティブおよびディストラクティブ干渉を得るために、結果のクロックパルスΔｔ_ｃｌｋの時間遅れと実質的に同じになるように、遅延時間Δｔを選ぶことが必要である。
【００１９】
図２中で参照符号２２０で示されたようなカップリングユニットが具現化され得る多様な方法がある。図４（ａ）−（ｆ）において、そのような多様な具現化が示されている。図４（ａ）は、調節セクション４２０および遅延干渉セクション４３０の前に配置された単純なコンバイナ（カプラ）４１０を示す。これは、入力クロック信号および入力信号の両方を、コプロパゲーティングマナー（co-propagating manner）で調節セクションに結合することを許容する。
【００２０】
図４（ｂ）は、調節セクション４２０と遅延干渉セクション４３０との間に配置されたカプラ４１０を示す。入力信号は、カウンタプロパゲーティングマナー（counterpropagating manner）で導入される。好都合なことに、制御信号からクロックを分離するためにフィルタが必要とされない。また、光アイソレータが、望まれる場合、入力側において使用され得る。
【００２１】
図４（ｃ）は、調節セクション４２０と遅延干渉セクション４３０との間に配置されたサーキュレータ４４０を含む。サーキュレータ４４０は、入力信号を、調節セクション４２０に導入する。サーキュレータ４４０は、歪みなしに、クロック信号を遅延干渉セクション４３０にマップする。
【００２２】
図４（ｄ）は、光カプラ４１０およびサーキュレータ４４０の両方を含む。クロック信号および入力信号が、光カプラ４１０により導入される。この構成は、遅延干渉セクション４３０からの反射が、再生成されたパルスを含むサーキュレータ４４０により引き出されることを仮定している。
【００２３】
図４（ｅ）は、入力信号を調節セクション４２０に導入するグレーティング４２０（ａ）を有する本発明の３Ｒリジェネレータを示す。グレーティング４２０（ａ）は、調節セクション４２０の前または後のファイバまたは導波路中に配置され得る。
【００２４】
図４（ｆ）は、入力信号を検出しかつ非線形媒体の電流（または電圧）の調節をするために使用され得るフォトダイオード４５０を含む。勿論、これらの多くの他のタイプおよび変形が、可能であり、当業者に自明である。
【００２５】
図５（ａ）−（ｅ）は、本発明の３Ｒリジェネレータの遅延干渉セクションの変形を示す。容易に分かるように、干渉計遅延スキームは、異なる長さの光パスを使用する、または代替的に、光信号の異なる部分に対する異なる伝播速度を有する。例えば、それらは、光カプラ、グレーティング、ミラー、偏光スプリッタ、高次モードカプラの形の光スプリッタおよびコンバイナを含む。カプラは、例えば、対称または非対称分割子を有することができ、または調節可能であり得る。
【００２６】
図５（ａ）において、干渉セクションは、２つのカプラおよび異なる長さの２つの干渉アームにより形成される。図５（ｃ）において、１つのカプラの後には、２つの光ガイディング手段が続く。このガイディング手段は、光がカプラに反射して戻されるように、反射表面において終端されている。２つの光パスの長さは異なる。図５（ｄ）において、干渉計が示されており、光の一部が、確立Ｒ１で反射して戻され、光の残りの部分が、少し後に、確立Ｒ２で反射して戻される。
【００２７】
その後、２つの後ろ向きに反射された部分が、出力に干渉する。図５（ｅ）において、クロック信号が、所定の偏光状態で、複屈折（birefringement）クリスタルまたは他の材料中に導入される。異なる偏光を有する２つの信号が、互いに所定の遅れを伴って材料をでる。それらは、その後、同じ偏光状態に回転され、結合されて、それらが、コンストラクティブまたはディストラクティブに干渉できるようになる。
【００２８】
図６（ａ）は、ファイバで具現化された本発明の３Ｒリジェネレータを示す。具体的には、リジェネレータ６００は、調節セクション６１０、入力信号カップリングユニットおよび遅延干渉セクション６３０を含み、この遅延干渉セクション６３０は、複屈折ファイバ、位相シフタ６３４およびポラライザ（polarizer）６３６を有する。複屈折ファイバ６３２は、異なる偏光の光に対して、異なる群速度（group velocity）を示す偏光モード分散ファイバであり得る。
【００２９】
ファイバの長さは、異なるモード間の遅延を決定する。図６から分かるように、調節セクション６１０から遠いファイバの一方の端部に、位相シフティングエレメント６３４が設けられている。この位相シフタは、ハーフウェーブプレート（half-wave plate）、偏光コントローラまたは別の適切なエレメントであり得る。より詳細には、ファイバを通過する光のほぼ半分が出力に結合されるように配置されたポラライザが設けられる。
【００３０】
代替的な構成において、追加的な位相シフタ、ウェーププレートまたはポラライザが、調節セクションと遅延セクションとの間に挿入されることができ、これにより、より安定な動作を確かにする。一般に、安定な動作を確かにするために、ユニットの全体または一部を温度制御することが望ましい。入力信号は、カウンタプロパゲーティング動作において、ＳＯＡに結合され得る。そのような構成のうちの一例は、図６（ｂ）に示されている。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、光通信信号の波長変換および３Ｒ（再増幅、再タイミングおよび再成形）光信号再生成を提供するための単純、安価なデバイスの開発を可能にする方法および装置を提供することができる。
【００３２】
特許請求の範囲の発明の要件の後に括弧で記載した番号がある場合は、本発明の一実施例の対応関係を示すものであって、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による同時波長変換を伴う３Ｒ信号リジェネレーションのコンセプトを示す図。
【図２】本発明による一般化された３Ｒ信号リジェネレータを示す図。
【図３】本発明による３Ｒ信号リジェネレータの動作を示す図。
【図４】本発明による３Ｒ信号リジェネレータの代替的な形を示す図。
【図５】本発明による遅延干渉セクションの代替的な形を示す図。
【図６】本発明の３Ｒリジェネレータの単純化された実施形態を示す図。
【符号の説明】
１１０ Ｐ_ｉｎ（入力信号）
１２０ Ｐ_ｃｌｋ（クロック信号）
１３０ ３Ｒリジェネレータ
１４０ Ｐ_ｒｅｇ（再生成された信号）
２００ ３Ｒ信号リジェネレータ
２１０ 調節セクション
２２０ カップリングユニット
２３０ 遅延干渉セクション
２４０ 入力信号
２５０ クロック信号
２６０ 出力
３００ ３Ｒ信号リジェネレータ
３１０ 入力信号
３２０ クロック信号
３３０ 再生成された信号
３５０ スプリッタ
３６０ 遅延ループ
３６５ 位相シフタ
３７０ コンバイナ
３８０ 出力ポート
６００ リジェネレータ
６１０ 調節セクション
６２０ カップリングユニット
６３０ 遅延干渉セクション
６３４ 位相シフタ
６３６ ポラライザ

Claims (7)

1. 光信号を再生成する方法において、
   変調セクションにおいて入力光信号によってクロック信号を位相変調することにより、前記入力光信号から位相のエンコードされたクロック信号を生成するステップと、
   振幅変調されたクロック信号が生成されるように、リジェネレータの遅延干渉セクションに前記位相のエンコードされたクロック信号を導入するステップとを有し、前記振幅変調されたクロック信号の生成は、
   前記位相のエンコードされたクロック信号を２つの部分に分割するステップと、
   前記位相のエンコードされたクロック信号のうちの一方の部分を他方の部分に対してΔｔだけ遅延させるステップであって、ここでΔｔ≒Ｎ×Δｔ _ｃｌｋ であり、Δｔ _ｃｌｋ は、後続のクロック信号パルス間で測定されるクロックパルス時間遅れであり、Ｎは整数である、ステップと、
   前記位相のエンコードされたクロック信号の前記遅延された部分と前記他方の部分とを結合して、振幅変調されたクロック信号を得るステップとを含み、
   本方法はさらに、
   前記振幅変調されたクロック信号を前記遅延干渉セクションから出力するステップを有し、
   前記出力された振幅変調されたクロック信号が、前記入力光信号中に存在する情報を保存することを特徴とする光信号を再生成する方法。
2. 前記振幅変調されたクロック信号を光学的に増幅するステップをさらに有することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記位相のエンコードされたクロック信号を偏光させるステップをさらに有することを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記遅延干渉セクションは、
   前記位相のエンコードされたクロック信号に対する前記分割するステップ及び前記遅延させるステップを行うための複屈折ファイバと、
   前記複屈折ファイバに光学的に接続され、前記リジェネレータの前記遅延干渉セクションにおける前記結合の前に、前記位相のエンコードされたクロック信号の前記遅延された部分と前記他方の部分の相対的な位相を干渉のために調節する位相シフタとを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記遅延干渉セクションは、前記位相シフタに光学的に接続されて前記遅延干渉セクションから前記振幅変調されたクロック信号を出力するポラライザをさらに含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 前記生成するステップが、
   前記入力光信号を、光リジェネレータのカップリングセクションに与えるステップと、
   前記クロック信号を、前記光リジェネレータの変調セクションに与えるステップとをさらに含む
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記カップリングセクションが、前記入力光信号を、前記クロック信号を変調するために前記変調セクションに提供される電気信号に変換するフォトダイオードを含む
   ことを特徴とする請求項６記載の方法。

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