JP4407374B2 - 光信号を処理するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、光信号を処理するための方法、装置及びシステムに関する。

近年実用化されている光ファイバ通信システムにおいては、伝送路損失や分岐損失等による信号パワーの低下を、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）等の光増幅器を用いて補償している。光増幅器はアナログ増幅器であり、信号を線形増幅するものである。この種の光増幅器においては、増幅に伴って発生する自然放出光（ＡＳＥ）雑音の付加により信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が低下するので、中継数ひいては伝送距離に限界が生じる。また、光ファイバの持つ波長分散やファイバ内の非線形光学効果による波形劣化も伝送限界を与える要因である。こうした限界を打破するためには、信号をデジタル的に処理する再生中継器が必要であり、その実現が望まれている。特に、全ての処理を光レベルにおいて行う全光再生中継器は、信号のビットレートやパルス形状等に依存しないトランスペアレントな動作を実現する上で重要である。

全光再生中継器に必要な機能は、振幅再生又はリアンプリフィケーション（Ｒｅａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）と、タイミング再生又はリタイミング（Ｒｅｔｉｍｉｎｇ）と、波形整形又はリシェイピング（Ｒｅｓｈａｐｉｎｇ）とである。本発明は、これらの機能に着目して、光ファイバ等の光導波構造内を光パルスが伝搬する際に受ける自己位相変調（ＳＰＭ）効果によるチャーピングを用いて、光通信システムにおける全光再生中継器や光ネットワークの各種ノードポイントにおける信号再生器等を提供するものである。

光信号再生装置のタイミング抽出回路として最も一般的なものは、入力光信号をフォトダイオード等の受光器により一旦電気信号に変換し、電気的に基本周波数を抽出した後、この周波数でレーザ光を強度変調するタイプ（ＯＥタイプ）である。ＯＥタイプのタイミング抽出回路は、従来の光通信システムにおける再生中継器で用いられている。しかし、ＯＥタイプのタイミング抽出回路の動作速度は信号処理のための電子回路によって制限されるので、入力信号のビットレートが低いレートで固定されてしまうという問題がある。

また、従来の他のタイミング抽出回路として、内部にＬＮ（リチウムナイオベート）変調器及びＥＡ（電界吸収）変調器等の光変調器を挿入した能動ＭＬＬ（モードロックレーザ）において、前述と同様に電気的に再生した基本周波数でその光変調器を変調してクロックパルスを再生するタイプも知られている。

一方、全て光レベルで処理する全光タイプのタイミング抽出器としては、可飽和吸収体で構成されるファブリ・ぺロ・レーザ、反射及び位相変調機能部を集積化したＤＦＢ−ＬＤ（分布帰還レーザダイオード）による自己パルセーションレーザ、及び信号光で非線形媒質にＡＭ又はＦＭ変調をかける能動ＭＬＬ等がある。

しかし、従来のタイミング抽出器による光信号の処理を波長分割多重（ＷＤＭ）に適用する場合、波長チャネル分だけタイミング抽出器が必要になり、装置規模が大きくなる等の問題がある。

よって、本発明の目的は、光信号のビットレートやパルス形状等に依存しない新規な光信号を処理するための方法、装置及びシステムを提供することである。

本発明の他の目的は、ＷＤＭ（波長分割多重）に適した光信号を処理するための方法、装置及びシステムを提供することである。本発明の更に他の目的は以下の説明から明らかになる。

本発明の第１の側面によると、光ファイバに光学的に接続され、前記光ファイバを伝搬され入力された単一波長にスペクトルのピークを有し、該ピーク及びピーク付近、並びにパルスの時間軸における裾部分に雑音を含む光パルス信号を第１の光信号及び第２の光信号に分岐する光分岐器と、上記第１の光信号が入力される波形整形器と、上記第２の光信号に基づいてクロックパルスを生成するタイミング抽出器と、上記波形整形器から出力された光信号及び上記タイミング抽出器から出力されたクロックパルスが入力される光ＡＮＤ回路とを備えた装置であって、上記タイミング抽出器は、上記第２の光信号にチャーピングが生じ、且つ上記第２の光信号のスペクトルを拡散するように非線形光学効果を提供する光導波構造と、上記光導波構造から出力された出力光信号が供給され上記チャーピングの小さい成分以外の成分を抽出する光帯域通過フィルタとを含み、上記光導構造は、上記第２の光信号の中心波長及びその近傍波長域、並びに端部に上記第２の光信号に含まれる上記雑音が拡散されるよう上記スペクトルを拡散し、上記光帯域通過フィルタは、上記中心波長及び上記近傍波長域を阻止帯域とし、上記中心波長よりも長波長側及び又は短波長側に所定波長離間し、上記端部を含まない波長域を通過帯域とする装置が提供される。

本発明によると、光信号のビットレートやパルス形状等に依存しない新規な光信号の処理のための方法、装置及びシステムの提供が可能になるという効果が生じる。

以下、添付図面を参照して本発明の望ましい実施の形態を詳細に説明する。

いま、幅Ｔ₀、ピークパワーＰ₀の光パルスＵ（ｚ，Ｔ）が光ファイバ中を伝搬する場合を考える。ここに、Ｔは光パルスとともに動く座標系での時間である。この光ファイバの波長分散β_２があまり大きくなく、分散長Ｌ_D＝Ｔ₀ ²／｜β₂｜が光パルスに対する非線形長Ｌ_NL＝１／γＰ₀（γは３次非線形定数）に比べて十分長い（Ｌ_D≫Ｌ_NL）場合には、ＳＰＭ（自己位相変調）による位相シフトφ_NL（ｚ，Ｌ）は以下のように表せる。

ここに、ｚ_eff＝[１−ｅｘｐ（−αｚ）]／αは有効（非線形）相互作用長である。

このとき、チャープδω_NLは以下で与えられる。

｜Ｕ（０，Ｔ）｜²はピークパワーに相当するから、（２）式によれば、光パルスの各部分におけるチャーピングは、パワー傾斜がきつい部分ほど大きくなる。また、伝搬距離ｚが長くなり非線形長Ｌ_NLが短くなる（γＰ₀が大きくなる）とともに大きくなる。こうして、ＳＰＭによるチャーピングは新しい周波数成分を光パルスに与え、結果としてスペクトルを拡大する。

特に、用いるパルスが数ｐｓ或いはそれより短いパルスであり、しかもピークパワーが数ワット或いはそれよりも大きい場合には、チャープδω_NLは非常に大きなものとなり、所謂スーパーコンティニューム（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ：ＳＣ）と称される広帯域スペクトルを有する光（ＳＣ光）となる。例えば光ファイバ中の３次非線形効果の応答時間はフェムト秒オーダであるため、ＳＣ光の各スペクトル成分はもとの入力信号パルスにほぼ完全に同期している。従って、光帯域通過フィルタを用いてＳＣ光の一部を取り出すと、入力信号パルスに同期した１つ又は複数のパルスを抽出することができる。このことは、ＳＣ光の帯域内の任意の波長の入力信号パルスに同期したパルスを生成可能であることを示している。

一例として、ｍ次のスーパーガウシアン（Ｓｕｐｅｒ−Ｇａｕｓｓｉａｎ）型の光パルス

を光ファイバに入力する場合を考えると、（２）式より、

である。特に、通常のガウシアン（Ｇａｕｓｓｉａｎ）パルス（ｍ＝１）については、

である。（３）−（５）式の様子を図１の（Ａ）及び（Ｂ）に示す。図１の（Ａ）及び（Ｂ）において、実線はガウシアンパルス（ｍ＝１）の場合を示しており、破線はｍ＝３のときのスーパーガウシアンパルスの場合を示している。パルスのスロープに沿ってチャープが発生し、先頭部分では、δω＜０、後尾部分ではδω＞０となる（アップチャープ）。また、ガウシアンパルスにおいては、パルスのピーク付近ではほぼ線形なチャープとなっている。

図１の（Ａ）及び（Ｂ）は、光パルスにＳＰＭによるチャープを与えることによって、パルスの時間成分をスペクトル上で分解できることを示している。特に重要なのは、チャープの大きなスロープ中央付近とチャープの小さなピーク付近及び裾部分とを区別できる点である。このことを用いて、例えばピーク及び裾付近の微小なパワー変動や累積した雑音を光フィルタを用いて除去することができる。

即ち、先ず光パルスを光ファイバ中を伝搬させ、強制的にＳＰＭを発生させ、チャープの大きな部分と小さな部分に周波数的に分離した後、チャープの小さな（δω〜０）付近のスペクトル成分を光バンドストップフィルタ（ＢＳＰ）を用いて集中的に除去する。

このようにして、全光２Ｒ（リアンプリフィケイション及びリシェイピング）再生を行う方法については既に特願２０００―３４４５４号（平成１２年２月１４日出願）において示した。もし、信号パルスが十分にピークパワーの大きな短パルスであるとすると、ＳＰＭによるチャーピングによりＳＣ光が発生する。このようなＳＣ光においても、スペクトルの中心波長（入力信号光の波長）付近には、上述と同様に比較的小さなチャープの雑音成分が集中する。従って、このように雑音が多く含まれる帯域よりも外側のスペクトル成分から光帯域通過フィルタにより抽出すれば、雑音が除去されたクロックパルスを再生することができる。

ＳＰＭによるチャープを効果的に発生させるためには、波長に依存しない小さな正常分散を与える分散フラットファイバ（ＤＦＦ）を用いたり、光ファイバのγ値を大きくすることが有効である。ＤＦＦは例えばコア径や比屈折率差を適切に制御することにより得ることができる。一方、光ファイバのγは、

で表される。ここに、ωは光角周波数、ｃは真空中の光速を表し、ｎ₂とＡ_effはファイバの非線形屈折率と有効コア断面積をそれぞれ表す。従来のＤＳＦ（分散シフトファイバ）の非線形係数はγ＝２．６Ｗ^-1ｋｍ^-1程度と小さいので、十分なチャープを得るためには数ｋｍ〜１０ｋｍ以上の長さが必要であった。より短尺で十分大きなチャープを発生するためには、（６）式においてｎ₂を大きくするかモード・フィールド径（ＭＦＤ）、従ってＡ_effを小さくして光強度を高くするのが有効である。ｎ₂を大きくする手段としては、クラッドにフッ素等を添加し、コアにＧｅＯ₂等をかなり高濃度に添加するなどの方法がある。ＧｅＯ₂の添加濃度が２５〜３０ｍｏｌ％の場合で５×１０^-20m^２／Ｗ以上の大きなｎ₂値が得られている（通常のシリカファイバではｎ₂〜３．２×１０^-20m^２／Ｗ）。一方、ＭＦＤを小さくすることは、コアとクラッドの比屈折率差やコア形状の設計により可能である。上記ＧｅＯ₂添加ファイバにおいて比屈折率差Δが２．５〜３％程度の場合に、ＭＦＤ〜４μｍ程度のものが得られている。これらの効果の総合効果として１５Ｗ^-1ｋｍ^-1以上の大きなγ値のファイバが得られている。

また、分散長を非線形長に比べて十分長くしたり、チャープ補償をするためには、こうしたファイバのＧＶＤを任意に調整可能であることが望まれる。この点に関しても上記パラメータを以下のように設定することにより可能である。先ず、通常のＤＣＦにおいて、一般にＭＦＤを一定にした条件でΔを大きくすると分散値は正常分散領域で大きくなる。一方、コア径を大きくすると分散は減少し、逆にコア径を小さくすると分散は大きくなる。従って、与えられた波長帯においてＭＦＤをある値に設定した状態で、コア径を大きくしていくと分散を零とすることが可能となる。逆に所望の正常分散ファイバを得ることも可能である。

このような方法により、γ＝１５Ｗ^-1ｋｍ^-1以上の高非線形分散シフトファイバ（ＨＮＬ−ＤＳＦ）やＤＣＦ（分散補償ファイバ）が実現している。例えば、γ＝１５Ｗ^-1ｋｍ^-1のファイバは通常のＤＳＦに比べて２．６／１５〜１／５．７程度の長さで同じ効率を達成可能である。上記のように通常のＤＳＦでは１０ｋｍ程度の長さが必要であるが、このようなファイバでは１〜２ｋｍ程度の長さで同様の効果が達成できる。実際には、短くなる分損失が少なくなるから更に短い長さでよい。

図２は本発明による装置の第１実施形態を示すブロック図である。非線形光学効果を提供する光導波構造として、光ファイバ２が用いられている。光ファイバ２のＧＶＤはβ_２であり、光ファイバ２は例えば供給された光信号に正常分散及び３次の非線形光学効果を与える。

中心波長λ_Sを有する光信号としての信号パルス４は、光増幅器６により所要のチャーピングを発生させるのに十分な程度のパワーまで増幅された後、光ファイバ２に入力される。光ファイバ２内においては、ＳＰＭによりチャーピングが発生し、スペクトルが拡大（拡散）される。チャーピングが与えられて光ファイバ２から出力された出力光信号は、通過帯域の中心波長がλ_S´の光帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）８を通過してチャーピングの小さい成分以外の成分が抽出されて、中心波長λ_S´を有する再生パルス１０が出力される。

チャーピングの小さな成分には、主にオフパワー（０符合）成分の零点からの変動分（例えばＧＶＤによる波形劣化）やパルスのピーク付近のスロープの小さな成分が含まれる。これらの成分は光信号対雑音比（ＯＳＮＲ）を決定付けるものであるので、この部分をＢＰＦにより除去することにより、これらの成分のパワー変動、消光比劣化、雑音累積等によるＯＳＮＲの低下を改善することができる。従って、本発明により、ＯＳＮＲの改善を伴う波長変換及びクロックパルスの抽出が可能になる。

ＢＰＦ８の通過帯域の中心波長λ_S´は、雑音を含むチャープの小さい成分が出力信号パルス１０に含まれないように、信号パルスの中心波長λ_Sから十分にしておくことが望ましい。また、ＢＰＦ８の通過帯域の幅及び形状は、必要とされるパルスの幅及び形状に応じて適宜設定しておくことが望ましい。基本的には、入力信号パルス４のスペクトル形状とほぼ等しく設定される。

ここで、本発明の実施可能性を評価するために、チャープの程度を見積っておく。例えばＴ₀＝５ｐｓのパルスがβ₂＝１ｐｓ²／ｋｍ、γ＝２０Ｗ^-1ｋｍ^-1の正常分散ファイバを伝搬する場合を考える。Ｐ₀＝１Ｗ程度で入力するとすると、Ｌ_D＝２５km、Ｌ_NL＝０．０５ｋｍであるから、Ｌ_D≫Ｌ_NLが成り立つ。従って、ここではチャープに対する分散の影響は無視する。

このときチャープδωは、Ｌ＝０．５ｋｍのとき１．６８ＴＨｚ（１３ｎｍ）である。同様の条件でＰ₀＝２Ｗとすれば、３．３３ＴＨｚ（２６ｎｍ）となる。５〜１０ｐｓの短パルスに対しては、例えば４０Ｇｂ／ｓ程度の信号であっても、１Ｗ程度のピークパワーは比較的容易に実現可能であり、上記見積もりを考慮しても本発明は実施可能である。

図３は本発明による装置の第２実施形態を示すブロック図である。この実施形態では、複数の（図では２つの）通過帯域を有する光帯域通過フィルタ８が用いられている。これらの通過帯域の中心波長は、λ_Ｓ´及びλ_Ｓ´´である。このように多峰性のＢＰＦを用いることによって、中心波長λ_Ｓ´及びλ_Ｓ´´を有する２つの光信号を含む出力ＷＤＭ信号パルスを得ることができる。多峰性のＢＰＦとしては、ＡＷＧ（アレイドウエイブガイド）やインターリーバフィルタ、或いはタンデム接続されたファイバグレーティング等を用いることができる。

次に、図４を用いて、本発明による雑音除去の原理について説明する。

図４は本発明による処理前の信号パルス内の強度揺らぎを示しており、その横軸は時間（Ｔ）である。このパルスの各部分のＳＰＭによるチャーピングを考えると、先ず、ａ及びａ´の部分は光増幅器の自然放出光（ＡＳＥ）雑音或いはファイバ伝送による波形歪等に由来するものである。ａ及びａ´で示される部分は本来零レベルにあるべきであり、従って強度が低い。従って、ａ及びａ´で示される部分は、光ファイバ内で受けるチャープも小さい。

次に、ｂ及びｂ´で示されるように、パルスのピーク付近及びスロープ上の揺らぎは主に信号パルスと光増幅器のＡＳＥとのビート雑音、光ファイバ伝送による波形歪み等によるものであり、信号の帯域と同等或いは若干広い帯域を持つものであるから、傾斜はパルス自体の傾斜と同等か或いは若干きつい程度である。この場合の強度の変動の山と谷の部分では、傾斜が零となるため、その付近のチャープは小さい。

但し、ｃ及びｃ´で示されるように、極端にピーキーな変動成分も存在するであろう。このような特異点では、チャープがパルス自体のスロープにおけるものよりも大きく、スペクトルはメインスロープのそれよりも外側に位置する。

従って、比較的チャープの小さな成分及び特異点の部分から発生するような極端にチャープの大きなチャープ成分を除いたスペクトル成分からＢＰＦにより抽出した光パルスは、雑音による強度揺らぎが抑圧されたものとなる。

図５は本発明により抽出される全体の透過帯域（通過帯域）を示している。ここでは、中心波長λ_Sの信号スペクトルに対して波長λ_Sに関して対象な２つの透過帯域が与えられている。２つの透過帯域の間の阻止帯域は例えば光バンドストップフィルタによって与えられ、２つの透過帯域の外側の阻止帯域は例えば光バンドパスフィルタによって与えられる。この場合、光バンドストップフィルタによる阻止帯域のほうが光バンドパスフィルタの通過帯域よりも狭い。２つの透過帯域の間の阻止帯域によって図４にａ，ａ´，ｂ及びｂ´で示される雑音成分を除去することができ、２つの透過帯域の外側の阻止帯域によってｃ及びｃ´で示される雑音成分を除去することができる。

光バンドストップフィルタとしては、例えば狭帯域のファイバグレーティングを用いることができる。また、光バンドパスフィルタとしては、ファイバグレーティングによる反射を用いたり或いはダブルキャビティ型の多層膜フィルタ等の高次フィルタを用いることができる。

ところで、図５においては、中心付近の強度が最も大きな形でスペクトルが表示されているが、分散やパルスのパワーを適当に設定すると、スペクトルの形状をフラットにすることが可能である。正常分散（β₂＞０）に設定した場合などがそうであるし、（この場合パルスは矩形状に広がりつつチャープしていく）、極端な場合には、スーパーコンティニューム（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ）と称される超広帯域の白色スペクトルになる（この場合にはＳＰＭだけでなく四光波混合等の寄与が大きい）。こうしたフラットなチャープスペクトルに本発明を適用すれば、入力ピークパワーに依存しない一定の出力が得られるので、ピーク付近の揺らぎを効果的に抑圧することができる。

図６は本発明による装置の第３実施形態を示すブロック図である。中心波長λ_Sを有する入力信号光１２は、タイミング抽出光回路１４に供給され、中心波長λ_S’を有するクロックパルス１６が抽出される。クロックパルス１６は、光増幅器６により所要のチャーピングを発生させるのに十分な程度のパワーまで増幅された後、非線形光学効果を提供する光導波構造としての光ファイバ２に入力される。光ファイバ２内においては、ＳＰＭによりチャーピングが発生し、スペクトルが拡大される。チャーピングが与えられて光ファイバ２から出力された出力光信号は、通過帯域の中心波長がλ_S’’の光帯域通過フィルタ８を通過してチャーピングの小さい成分以外の成分が抽出されて、中心波長λ_S’’の出力クロックパルス１８が出力される。

この実施形態によると、タイミング抽出光回路により発生させたクロックパルス１６に各種の雑音や波形歪がある場合でも、それらを抑圧し、より品質の高いクロックパルスを得ることができる。また、タイミング抽出光回路により発生したクロックパルスの波長が元の信号波長と異なる場合（λ_S≠λ_S’）であっても、λ_S’’＝λ_Sとなるように光帯域通過フィルタ８の通過帯域の中心波長を設定することによって、もとの信号波長と同じ波長を有するクロックパルスを発生することができる。更に、光帯域通過フィルタ８の通過帯域の中心波長を適宜設定することによって、任意の波長を有するクロックパルスを発生することができる。

図７は本発明によるシステムの実施形態を示すブロック図である。このシステムは、光信号を伝送する第１の光ファイバ伝送路２０と、第１の光ファイバ伝送路により伝送された光信号が入力される光中継器２２と、光中継器２２から出力された光信号を伝送する第２の光ファイバ伝送路２４とを備えている。

第１の光ファイバ伝送路２０から光中継器２２に供給される光信号は、波長λ_Sの入力信号光２６であり、光中継器２２から第２の光ファイバ伝送路２４に供給される光信号は、波長λ_S’の出力信号光２８である。

光中継器２２は本発明による装置の構成を含むことができる。より特定的には次の通りである。

入力信号光２６は、光増幅器３０により増幅された後、光分岐器３２により第１及び第２の光信号に分岐される。第１の光信号は波形成形器３８に入力され、本発明によるタイミング抽出器３４が第２の光信号に基づいてクロックパルス３６を生成する。クロックパルス３６の波長はλ_S’である。波形成形器３８から出力された光信号及びタイミング抽出器３４から出力されたクロックパルス３６は光ＡＮＤ回路４０に入力される。その結果、光ＡＮＤ回路４０から出力信号光２８が出力される。タイミング抽出器３４は例えば図２に示される実施形態によって提供され得る。

この実施形態によると、本発明による装置をタイミング抽出器３４に適用しているので、雑音や波形歪が抑圧された品質の高いクロックパルスを得ることができ、効果的な３Ｒ再生が実現可能である。尚、光ＡＮＤ回路４０としてＮＯＬＭ（非線形光学ループミラー）やマッハツェンダ干渉器等の光ゲートを用いる場合には、信号光の持つ情報はクロックパルスに転化されるので、出力信号光２８の波長はクロックパルス３６の波長に一致する。また、このような光ゲートを用いることによって、光ＡＮＤ動作と共に波形成形効果も得られる。

図７に示される実施形態では、タイミング抽出器３４に本発明による装置を適用しているが、波形整形器３８に本発明による装置を適用することもできる。

光ファイバ伝送路２０及び２４の各々としては、単一モードのシリカファイバ（ＳＭＦ）を用いることができ、その例としては、１．３μｍ零分散ファイバや１．５５μｍ分散シフトファイバ（ＤＳＦ）がある。光ファイバ伝送路２０及び２４の各々は、少なくとも１つの光増幅器を含む光増幅中継伝送路であり得る。この場合、光信号の減衰を光増幅器により補償することができるので、長距離伝送が可能になる。

本発明を実施するに際しては、効果的にチャープを発生させるために、伝送路のＧＶＤや非線形効果による波形歪は予め補償しておくことが望ましい。従って、光ファイバ伝送路２０及び２４の各々には、適当な分散補償器或いは光位相共益器等が含まれる場合がある他、光ソリトン伝送が行われる場合もある。

本発明によれば、高品質なタイミング再生が可能であるので、本発明を中継器に適用する場合には伝送路途中でのＳ／Ｎ比の改善が、また本発明を受信機に適用する場合には、受信感度の改善等が可能となる。

ところで、従来、光クロックを発生するには、入力信号光を一旦光／電気変換機により電気信号に変換した後、電気的にクロックを抽出し、再びレーザで光信号に変換することによりクロックを発生する方法が最も一般的である。しかし、この発生方法では、第１に電気的帯域制限により入力信号光の伝送速度が制限される。その上、複数波長の光クロックを発生するには、クロック発生用レーザが波長数分だけ必要になる。従って、波長分割多重用の光クロック発生装置の構成規模は、概ね波長数に比例して大きくなる。また、電気回路は信号光のフォーマットに依存するので、入力信号光の波形等に対する柔軟性が殆ど無い。

一方、全て光段で処理する全光型クロック発生方法によると、電気的な帯域制限は無くなる。図８を参照すると、全光型クロック発生方法によるタイミング調整器の構成の一例が示されている。異なる波長λ₁，…，λ_nの光信号を波長分割多重して得られるＷＤＭ信号光（多波長の入力信号光）は光デマルチプレクサ４２によって各波長の光信号に分けられる。各光信号はタイミング調整器４４に供給される。タイミング調整器４４は、入力光信号に基きクロックを抽出するクロック抽出回路４８と、抽出されたクロック及び入力光信号が供給される光ＡＮＤ回路４６とを含む。光ＡＮＤ回路４６によりタイミング調整された光信号は光マルチプレクサ５０により再び波長分割多重され、光マルチプレクサ５０からＷＤＭ信号光（多波長の出力信号光）が出力される。

この従来技術によると、全光型クロック発生方法が適用されているので電気的帯域制限は無くなるものの、依然波長数分だけ光クロックが必要なため、ＷＤＭ信号光の波長数に概ね比例して装置規模が大きくなる。

このように、ＷＤＭにおける波長数が増大するとそれだけ光クロックの数が必要になるのが光クロック発生装置における現状であり、一括して多波長のクロックを発生することができる方法及び装置の提供が期待されている。

よって、本発明の以下の実施形態の目的は、単一波長の信号光を基に多波長の光クロックを一括して発生する方法を提供することである。

この目的を達成するために、本発明によると、複数のクロックパルスを得るための方法が提供される。この方法では、先ず、入力信号光に基づき単一波長を有するクロックパルスが生成される。次いで、非線形光学効果を提供する光導波構造にクロックパルスが供給され、クロックパルスのスペクトルが拡散させられる。そして、複数の通過帯域を有する光フィルタにスペクトルが拡散されたクロックパルスが供給され、複数の波長を有する複数のクロックパルスが生成される。

以下、スペクトルの拡散を中心にこの方法における原理を詳細に説明する。

信号光の強度に比例した位相変化を生じる非線形効果γ（カー効果）と波長分散β₂を有する中心対称の非線形光導波路中を伝搬する光パルスの電界との関係は、次式の非線形シュレディンガー方程式で記述できる。

ここで、Ｌ_d，Ｌ_n1はそれぞれ次式で定義される分散長及び非線形長を表している。また、光Ｕは光パルスのピークパワーで規格化した光電界、ξは分散長で規格化した非線形光導波路長、τは入射パルス幅Ｔ₀で規格化した時間をそれぞれ表している。

波長分散よりこの方程式の解は大きく異なるので、次の三通りに分けて説明する。（ａ）波長分散が正（正常分散領域：β₂＞０）、（ｂ）波長分散が零（零分散領域：β₂＝０）、（ｃ）波長分散が負（異常分散領域：β₂＜０）。

（ａ） 波長分散が正（正常分散領域：β₂＞０）
正常分散領域では、非線形効果が大きい条件のとき（Ｌ_d＞＞Ｌ_n1）、非線形光導波路の入射端付近では非線形効果のカー効果が支配的になり、非線形周波数チャープが生じる。この周波数チャープは、やがて群速度分散により線形化されると共に蓄積される。この蓄積したチャープにより、スペクトルが平坦に拡散する。Ｌ_d／Ｌ_n1でスペクトル拡散率が規定され、この値が大きいほど大きなスペクトル拡散率を達成できる。

この原理の詳細は、文献「OSA, J. Opt. Soc. Am. B（vol.1, no.2, pp.139-149, 1984）」等で参照できる。

（ｂ）波長分散が零（零分散波長：β₂＝０）
波長分散が無い場合、信号光パルスはパルス波形を全く変化させずに非線形光導波路中を伝搬し、非線形カー効果により生じる非線形周波数チャープが蓄積する。この蓄積量は入射パルスがガウス型の場合、解析的に求められ、次式で与えられる。

ここで、ｚは非線形光導波路の実効長を示す。非線形長が小さい（γＰが大きい）程、大きなチャープが生じるのでよりスペクトルが拡散する。同様に、実効長が大きいほどスペクトルが拡散することも分かる。

詳細は、文献「Phys. Rev. A, （vol.17, no.4, pp.1448-1453, 1978）」等で参照できる。

（ｃ）波長分散が負（異常分散領域：β₂＜０）
異常分散領域では、解析解が存在する。非線形光導波路に入射する光パルスがＬ_d／Ｌ_n1＝１を満たすとき、固有値が唯一存在し、その固有解は次式になる。

これは、基本光ソリトンと呼ばれ、非線形光導波路中で波形及びスペクトルが変化しない。また、Ｌ_d／Ｌ_n1＞１では、複数の固有値が存在するので複数の固有解の重ね合わせが、解析解として求まる。これらは、高次光ソリトンと呼ばれる。異常分散領域では、次の二通りの方法でスペクトルを拡散できる。

（ｉ）ソリトン断熱圧縮
基本光ソリトンは、長手方向の波長分散値の大きさが小さくなる非線形光導波路中で、伝搬中チャープすることなくパルス圧縮される。この過程で、スペクトルが拡散する。スペクトル拡散効率は、非線形光導波路の出力端の分散値に対する入力端の分散値の比で求められる。

この原理の詳細は、例えば文献「OSA, J. Opt. Soc. Am. B（vol.5, no.3, pp.709-713, 1988）」で参照できる。

（ｉｉ）高次ソリトン圧縮
非線形光導波路を伝搬中、高次光ソリトンはソリトン長と呼ばれる長さを一周期として周期的な変化をする。非線形光導波路の入射端付近では、非線形効果により必ずパルス圧縮が生じるので、スペクトルは拡散する。非線形光導波路長をスペクトルが最も拡散する長さに調節すれば、スペクトル拡散が可能となる。

この原理は、文献「OSA, Opt. Lett.（vol.8, no.5, pp.289-291, 1983）」で参照できる。

図９は本発明による装置の第４実施形態を示すブロック図である。この装置は、クロック抽出部５２、光増幅部５４、スペクトル拡散部５６及び多波長光クロック発生部５８を備えている。クロック抽出部５２は、入力信号光に基づき単一波長（λ_S）を有するクロックパルスを生成する。光増幅部５４は、クロック抽出部５２から出力されたクロックパルスを増幅する光増幅器６０と、光増幅器６０により増幅されたクロックパルスが通過する光帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）６２とを含む。光帯域通過フィルタ６２は光増幅器６０で付加された雑音を除去するために設けられており、その通過帯域の中心波長はλ_Sに設定されている。

光増幅部５４から出力されたクロックパルスはスペクトル拡散部５６に供給される。スペクトル拡散部５６は、非線形光学効果によりクロックパルスのスペクトルを拡散させる非線形光導波路６４を含む。非線形光導波路６４としては、光ファイバ、半導体光増幅器等を用いることができる。非線形光導波路６４として光ファイバが用いられている場合、光ファイバは正常分散、異常分散及び零分散の何れかを提供する。何れの場合であっても、前述した原理に従ってクロックパルスのスペクトルが拡散させられる。

スペクトルが拡散したクロックパルスは多波長光クロック発生部５８に供給される。クロック発生部５８は、複数の通過帯域を有する多峰性光波長フィルタ６６を含む。複数の通過帯域の中心波長はλ₁，…，λ_nである。スペクトルが拡散したクロックパルスが多峰性光波長フィルタ６６を通過することによって、複数の波長を有する複数のクロックパルスが発生する。

このように、本実施形態によると、複数の波長を有する複数のクロックパルスを一括して得ることができるので、ＷＤＭが適用される装置の規模を小さくすることができる。

図１０は本発明による装置の第５実施形態を示すブロック図である。この装置においては、図８に示される従来技術における各タイミング調整器４４に代えて、クロック抽出器４８が除去されたタイミング調整器６８が用いられている。その代わりに、この実施形態では、本発明が適用される多波長クロック抽出器７０が用いられている。多波長クロック抽出器７０は例えば図９に示される装置によって提供される。

光デマルチプレクサ４２に供給されるＷＤＭ信号光の一部は光カプラ７２により分岐されて光帯域通過フィルタ７４に供給される。光帯域通過フィルタ７４は、波長λ₁，…，λ_nから選択される任意の波長λ_iの光信号を通過させる。フィルタ７４を通過した光信号は多波長クロック抽出器７０に供給される。

多波長クロック抽出器７０は本発明に従って複数の波長をλ₁，…，λ_nを有する複数のクロックパルスを発生する。これらのクロックパルスはそれぞれ対応するタイミング調整器６８に供給される。各タイミング調整器６８では、光デマルチプレクサ４２から供給された光信号とクロックパルスとが光ＡＮＤ回路４６に供給され、これにより各光信号のタイミング調整が行われる。タイミング調整が行われた光信号は光マルチプレクサ５０により波長分割多重され、その結果得られたＷＤＭ信号光が光マルチプレクサ５０から出力される。

光デマルチプレクサ４２及び光マルチプレクサ５０の各々としては、例えばアレイ導波路格子（ＡＷＧ）を用いることができる。また、光ＡＮＤ回路４６としては、非線形ループミラーやマッハツェンダ構成の光スイッチを用いることができる。

この実施形態によると、ＷＤＭの波長数が増大した場合であっても１つの多波長クロック抽出器７０でクロックパルスの供給が間に合うので、装置構成を簡単にすることができる。

図１１は本発明による装置の第６実施形態を示すブロック図である。この装置は光クロックパルスの監視方法に関連している。従来方法による場合、光クロックは波長毎に発生するので、それぞれの光クロックパルスを監視しなくてはならない。

本発明が適用される多波長クロック抽出器７０にあっては、発生した複数のクロックパルスの中から最低１波長のクロックパルスを監視するだけで、残り全てのクロックパルスの波形、スペクトル形状及び品質が分かる。そのために、この実施形態では、多波長クロック抽出器７０にクロック監視装置７６が接続されており、クロック監視装置７６は、複数の波長λ₁，…，λ_nから選択される任意のモニタリング波長λ_monのクロックパルスを受け、そのクロックパルスを監視している。この監視方法が可能になる理由は、本発明ではクロック抽出した単一波長のクロックパルスのスペクトルを拡散しているので、そのクロックパルスの複製がそれぞれの波長で発生していることに基づく。

図１２は本発明による装置の第７実施形態を示すブロック図である。この実施形態は図１０に示される実施形態の具体例に相当し、図１０に示される各タイミング調整器６８に代えて３Ｒリジェネレータ７８が用いられている。３Ｒリジェネレータ７８は、リアンプリフィケーションのための光増幅器８０と、リシェーピング及びリタイミングのための波形整形器８１とを含む。

光増幅器８０は光デマルチプレクサ４２から出力された各波長の光信号を増幅する。増幅された光信号は波形整形器８１に供給される。波形成形器８１は、光増幅器８０からの光信号と本発明による多波長クロック抽出器７０からのクロックパルスとが供給される非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）８２と、ＮＯＬＭ８２から出力された光信号が通過する光帯域通過フィルタ８４とを含む。フィルタ８４は対応する光信号の波長を中心波長とする通過帯域を有している。ＮＯＬＭ８２においては、その非線形性により光信号の波形が成形されると共に、クロックパルスとの同期によって光信号の位相雑音が除去される。

３Ｒリジェネレータ７８から出力された光信号は光マルチプレクサ５０によって波長分割多重され、その結果得られたＷＤＭ信号光が光マルチプレクサ５０から出力される。

図１３は本発明による装置の第８実施形態を示すブロック図である。異なる波長λ₁，…，λ_nを有する複数の光信号を波長分割多重して得られたＷＤＭ信号光がこの装置に供給されると、先ず、ＷＤＭ信号光は光カプラ等からなる光分岐器７２により第１及び第２のＷＤＭ信号光に分けられる。第１のＷＤＭ信号光は、光増幅器８６により増幅された後ＷＤＭ−ＴＤＭ変換器８８に供給される。変換器８８は供給されたＷＤＭ信号光を時分割多重信号（ＴＤＭ信号）に変換する。

光分岐器７２からの第２のＷＤＭ信号光が光帯域通過フィルタ７４を通過することによって、複数の波長λ₁，…，λ_nから選択される任意の波長λ_iの光信号が得られ、その光信号は本発明が適用される多波長クロック抽出器７０に供給される。多波長クロック抽出器７０は、供給された光信号に基き、複数の波長λ₁，…，λ_nを有する複数のクロックパルスを生成する。

ＷＤＭ−ＴＤＭ変換器８８からのＴＤＭ信号及び多波長クロック抽出器７０からの複数のクロックパルスは、ＴＤＭ−ＷＤＭ変換器９０に供給される。変換器９０は、供給された複数のクロックパルスに基づきＴＤＭ信号をＷＤＭ信号光に変換して出力する。

ＷＤＭ−ＴＤＭ変換器８８は、中間波長λ_iのＣＷ（連続波）光を出力する光源９２と、光源９２からの光と光増幅器８６により増幅されたＷＤＭ信号光とが供給されるＮＯＬＭ９４とを含む。ＷＤＭ信号光及びＣＷ光がＮＯＬＭ９４に供給されることによって、ＷＤＭ信号光は中間波長λ_iを有する時分割多重信号に変換される。この変換に際しては、ＮＯＬＭ９４の作用によって信号の波形成形が行われる。得られたＴＤＭ信号は、中間波長λ_iを通過帯域の中心波長とする光帯域通過フィルタ９６を通過して出力される。

ＴＤＭ−ＷＤＭ変換器９０は、ＷＤＭ−ＴＤＭ変換器８８からのＴＤＭ信号が供給されるＮＯＬＭ９８を含む。ＮＯＬＭ９８には、多波長クロック抽出器７０からの複数のクロックパルスが遅延回路１００を介して供給される。遅延回路１００は、複数のクロックパルスが波長毎にタイミングをずらしてＴＤＭ信号に同期するように作用する。

ＴＤＭ信号及び複数のクロックパルスがＮＯＬＭ９８に供給されることによって、ＴＤＭ信号がＷＤＭ信号光に変換されると共に信号の位相雑音が除去される。このようにして得られたＷＤＭ信号光はこの装置から出力される。

この実施形態によると、基本的には本発明による多波長クロック抽出器及び２つのＮＯＬＭのみにより、電気信号を介すことなく多波長の信号を一括して再生することができる。その結果、装置構成を簡単にすることができると共に、波長数増大に柔軟に対応することができる。

図１４は本発明による装置の第９実施形態を示すブロック図である。ここでは、本発明による装置１１０が光アッド／ドロップ装置における多波長光源として用いられている。具体的には次の通りである。

この装置に供給されたＷＤＭ信号光は、光デマルチプレクサ１０２により波長λ₁，…，λ_nの光信号に分けられ、各光信号は光アッド／ドロップのための光スイッチ１０４に供給される。

光スイッチ１０４に挿入すべき光信号を供給するために、挿入信号処理装置１０６が設けられている。挿入信号処理装置１０６から出力された信号により光変調器１０８が動作する。光変調器１０８は波長数分だけ設けられており、これらには本発明による装置１１０からそれぞれクロックパルスが供給されている。挿入信号により光変調器１０８が動作することによって得られた光信号は、光スイッチ１０４により伝送路に挿入される。

一方、光スイッチ１０４で分岐した光信号を処理するために、分岐信号処理装置１１２が設けられている。また、光スイッチ１０４から出力された光信号は、光マルチプレクサ１１４により波長分割多重され、その結果得られたＷＤＭ信号光がこの装置から出力される。

従来の光アッド／ドロップ装置では、複数の光変調器に供給すべきクロックパルス或いはＣＷ光を得るために、複数の光源が必要になる。そのために、装置の小型化が困難であった。これに対して、図１４に示される実施形態によると、複数のクロックパルスを得るために本発明による装置１１０が１台あれば足りるので、装置の小型化や低価格化が可能になると共に、信頼性の向上が可能になる。

図１５は図９に示される装置の具体的構成例を示すブロック図である。より特定的には、図９に示されるクロック抽出部５２の内部構成が示されており、スペクトル拡散のための非線形光導波路６４として光ファイバ１１６が用いられている。クロック抽出部５２は、フォトディテクタ（ＰＤ）１１８、電気的な帯域通過フィルタ１２０及びモードロックレーザ（ＭＬＬ）１２２を含む。フォトディテクタ１１８は、入力信号光としての単一の任意波長を有する光信号を受け、これを電気信号に変換する。この電気信号が帯域通過フィルタ１２０を通過することにより、光信号のビットレート成分が抽出される。このようにして、ビットレートに対応する単一周波数の電気信号を得ることができる。得られた電気信号によりモードロックレーザ１２２が変調され、単一の波長λ_ｉを有する光クロックパルスが得られる。

このように本実施形態では、電気的に抽出されたビットレート成分に基づきモードロックレーザ１２２により光クロックパルスを再生しているので、よりクリアーな複数のクロックパルスを発生させることができる。

本発明は以下の付記を含むものである。

（付記１）
異なる波長を有する複数の光信号を波長分割多重して得られたＷＤＭ信号光を第１のＷＤＭ信号光と第２のＷＤＭ信号光とに分岐する光分岐器と、
入力ポート及び複数の出力ポートを有し、上記入力ポートには上記第１のＷＤＭ信号光が供給され、上記複数の出力ポートからは異なる波長を有する複数の光信号が出力される光デマルチプレクサと、
上記第２のＷＤＭ信号光を受け、複数の波長を有する複数のクロックパルスを生成する多波長クロック発生器と、
上記光デマルチプレクサの複数の出力ポートに接続され、上記複数のクロックパルスに基づき上記複数の光信号の波形整形を行う複数の波形整形器とを備え、
上記多波長クロック発生器は、
上記第２のＷＤＭ信号光に基づき単一波長を有するクロックパルスを生成するクロック抽出器と、
上記クロックパルスを供給されて非線形光学効果により上記クロックパルスのスペクトルを拡散させる光導波構造と、
複数の通過帯域を有し、上記スペクトルが拡散されたクロックパルスを供給されて複数の波長を有する複数のクロックパルスを生成する光フィルタとを備えている装置。

（付記２）
付記１に記載の装置であって、
上記波形整形された光信号を波長分割多重する光マルチプレクサを更に備えた装置。

（付記３）
付記１に記載の装置であって、
上記複数の波形整形器の各々は非線形ループミラーを含む装置。

（付記４）
異なる波長を有する複数の光信号を波長分割多重して得られたＷＤＭ信号光を第１のＷＤＭ信号光と第２のＷＤＭ信号光とに分岐する光分岐器と、
上記第１のＷＤＭ信号光を時分割多重信号に変換する第１の変換器と、
上記第２のＷＤＭ信号光を受け、複数の波長を有する複数のクロックパルスを生成する多波長クロック発生器と、
上記複数のクロックパルスに基づき上記時分割多重信号をＷＤＭ信号光に変換する第２の変換器とを備え、
上記多波長クロック発生器は、
上記第２のＷＤＭ信号光に基づき単一波長を有するクロックパルスを生成するクロック抽出器と、
上記クロックパルスを供給されて非線形光学効果により上記クロックパルスのスペクトルを拡散させる光導波構造と、
複数の通過帯域を有し、上記スペクトルが拡散されたクロックパルスを供給されて複数の波長を有する複数のクロックパルスを生成する光フィルタとを備えている装置。

（付記５）
付記４に記載の装置であって、
上記第１及び第２の変換器の各々は非線形ループミラーを含む装置。

図１の（Ａ）及び図１の（Ｂ）はガウシアンパルス及びスーパーガウシアンパルスが光ファイバ中を伝搬する際のチャーピングを説明するための図である。 図２は本発明による装置の第１実施形態を示すブロック図である。 図３は本発明による装置の第２実施形態を示すブロック図である。 図４は本発明に従って除去されるパルス内の強度揺らぎを説明するための図である。 図５は本発明の実施形態における光フィルタによる雑音の除去の様子を示す図である。 図６は本発明による装置の第３実施形態を示すブロック図である。 図７は本発明によるシステムの実施形態を示すブロック図である。 図８は全光型クロック発生器を用いた従来のタイミング調整器の構成例を示すブロック図である。 図９は本発明による装置の第４実施形態を示すブロック図である。 図１０は本発明による装置の第５実施形態を示すブロック図である。 図１１は本発明による装置の第６実施形態を示すブロック図である。 図１２は本発明による装置の第７実施形態を示すブロック図である。 図１３は本発明による装置の第８実施形態を示すブロック図である。 図１４は本発明による装置の第９実施形態を示すブロック図である。 図１５は図９に示される装置の具体的構成を示すブロック図である。

符号の説明

８ 光帯域通過フィルタ
２０ 光ファイバ
３２ 光分岐器
３８ タイミング抽出器
４０ 光ＡＮＤ回路

Claims (2)

1. 光ファイバに光学的に接続され、前記光ファイバを伝搬され入力された単一波長にスペクトルのピークを有し、該ピーク及びピーク付近、並びにパルスの時間軸における裾部分に雑音を含む光パルス信号を第１の光信号及び第２の光信号に分岐する光分岐器と、
   上記第１の光信号が入力される波形整形器と、
   上記第２の光信号に基づいてクロックパルスを生成するタイミング抽出器と、
   上記波形整形器から出力された光信号及び上記タイミング抽出器から出力されたクロックパルスが入力される光ＡＮＤ回路とを備えた装置であって、
   上記タイミング抽出器は、
   上記第２の光信号にチャーピングが生じ、且つ上記第２の光信号のスペクトルを拡散するように非線形光学効果を提供する光導波構造と、
   上記光導波構造から出力された出力光信号が供給され上記チャーピングの小さい成分以外の成分を抽出する光帯域通過フィルタとを含み、
   上記光導構造は、上記第２の光信号の中心波長及びその近傍波長域、並びに端部に上記第２の光信号に含まれる上記雑音が拡散されるよう上記スペクトルを拡散し、
   上記光帯域通過フィルタは、上記中心波長及び上記近傍波長域を阻止帯域とし、上記中心波長よりも長波長側及び又は短波長側に所定波長離間し、上記端部を含まない波長域を通過帯域とする装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、
   上記波形整形器は、
   上記第１の光信号にチャーピングが生じるように非線形光学効果を提供する光導波構造と、
   上記光導波構造から出力された出力光信号が供給され上記チャーピングの小さい成分以外の成分を抽出する光帯域通過フィルタとを含み、
   上記光帯域通過フィルタは上記光信号の波長と異なる波長を含む通過帯域を有している装置。

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