JP4844418B2 - 光クロック信号再生装置 - Google Patents

Description

本発明は、光クロック信号再生装置に関し、例えば、長距離大容量光ファイバ通信における光中継器等で用いられる光クロック信号再生装置に適用し得るものである。

近年、光通信ネットワークは、長距離大容量化の一途を辿っている。長距離大容量光ファイバ通信においては、光ファイバ伝送路における光損失や、光増幅器の多段使用によってもたらされるＳ／Ｎ比の劣化や、光ファイバの群速度分散や、光ファイバ中での非線形光学効果による波形ひずみなどの原因により、長距離伝搬後の光信号の品質劣化が生じる。そのため、ある程度の距離のファイバ伝送路長（数十ｋｍ〜数百ｋｍ）毎に設けられた中継器において、光信号の再生成が行われるのが一般的である。この中継器における主要な役割の１つに、クロック再生機能がある。すなわち、伝送後の歪んだ光信号から、そのビットレートに相当する周波数（以下、ビットレート周波数と呼ぶ）での連続的なパルス（あるいは正弦波状でも良い）出力を得る技術である。

このような、長距離光通信システムにおけるクロック再生技術として、従来用いられてきた方式は、以下のような方式である。すなわち、入力光信号をフォトダイオードなどで光電変換し、その電気出力を、その中心周波数が入力信号のビットレート周波数に近似する狭帯域な電気フィルタを通過させることで、ビットレート周波数の電気信号のみを選択的に取り出す方法である。その後、同電気信号を用いて半導体レーザなどの光パルスレーザ装置を動作させることで、繰り返しがビットレート周波数に一致する連続的な光パルス列、すなわち再生光クロックを得る方法である。

フォトダイオードのＯ／Ｅ変換特性は、一般に、入力光信号の偏波依存性が小さいため、従来の光通信システムで用いられてきた前記の光クロック再生装置は、入力光信号の偏波面に依存せず、安定なクロック再生動作が期待できた。

一方、光通信ネットワークはまた、大容量化の一途をも辿っている。波長チャンネルあたりの信号ビットレートを高速化する、光時分割多重（ＯＴＤＭ；Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｅｖｉｓｉｏｎ ＭｕｌｔｉｐｌｅＸｉｎｇ）方式は、その将来有望な一方式である。このＯＴＤＭ方式を用いた場合、４０Ｇｂｉｔ／ｓないしはそれ以上の高ビットレートのクロック再生動作が必要となるが、このような高ビットレートのクロックを電子デバイスでは追随することが困難である。例えば、上述したフォトダイオードと電気狭帯域フィルタを用いた従来のクロック再生方法を適用しようとしても、第１に、既存フォトダイオードの動作速度が追随できない、第２に、対応する超高速周波数成分を抽出する電気狭帯域フィルタの開発がなされていない。そのため、上記従来のクロック再生方法では実現が困難である。

以上で説明した状況に鑑み、ＯＴＤＭ方式を採用した光通信ネットワークにおいて、超高速光信号からクロックを再生する方法としては、光電変換を行わず、光データ信号から光クロックを直接再生して出力する、全光クロック再生方法が有望である。

全光クロック再生方法としては、従来、特許文献１、非特許文献１に開示のモード同期レーザを用いた方法が報告されている。すなわち、入力光信号のビットレート周波数に近似した繰り返しで光パルスを発生するモード同期レーザに、信号光を入力し、モード同期レーザのパルス繰り返しを入力信号光のデータレートに同期させることで光クロック再生を行う。

特許文献１においては、ファイバ型モード同期レーザを用いた全光クロック再生が述べられている。ここでは、データ光の入力によって、ファイバレーザ内を周回する光クロックパルスが、データ光との非線形光学効果の一種である、光カー効果に基づく相互位相変調（ＸＰＭ；Ｃｒｏｓｓ Ｐｈａｓｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）によって変調されることにより、ファイバレーザ内の周回光クロックパルスが入力信号光と同期され、その結果、再生光クロックが得られる。

また、特許文献１及び非特許文献１では、可飽和吸収体による受動モード同期半導体レーザを用いた方法について述べられている。ここでは、データ光の入力によって、可飽和吸収体の吸収係数が変調されることにより、受動モード同期半導体レーザ内の周回光クロックパルスが入力信号光と同期され、結果、再生光クロックが得られる。

非特許文献２においては、繰り返し１６０ＧＨｚの受動モード同期半導体レーザを用いた、データレート１６０Ｇｂ／ｓでの全光クロック再生が報告されており、モード同期半導体レーザを用いた全光クロック再生技術が、ＯＴＤＭ信号のような、超高速光データ信号のクロック再生技術として有用であることを示している。

特表平７−５０６２３１号公報 特開２００４−３６３８７３号公報 特開平６−８８９８１号公報 Ｔ．Ｏｎｏ，Ｔ．Ｓｈｉｍｉｚｕ，Ｙ．Ｙａｎｏ，ａｎｄ Ｈ．Ｙｏｋｏｙａｍａ，"Ｏｐｔｉｃａｌ ｃｌｏｃｋ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ １０−Ｇｂｉｔ／ｓ ｄａｔａ ｐｕｌｓｅｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅｓ"， ＯＦＣ’９５ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ， ＴｈＬ４ Ｓ．Ａｒａｈｉｒａ ａｎｄ Ｙ．Ｏｇａｗａ，"Ｒｅｔｉｍｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｓｈａｐｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｌｌ−ｏｐｔｉｃａｌ ｃｌｏｃｋ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ａｔ １６０Ｇｂ／ｓ ｉｎ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ"， ＩＥＥＥＥ Ｊｏｕｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ.４１ Ｎｏ．７，ｐｐ.９３７−９４４，２００５． Ｈ．Ａ．Ｈａｕｓ，"Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｍｏｄｅ ｌｏｃｋｉｎｇ ｗｉｔｈ ａ ｓｌｏｗ ｓａｔｕｒａｂｌｅ ａｂｓｏｒｂｅｒ"， ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｖｏｌ．ＱＥ−１１，Ｎｏ．９，ｐｐ．７３６−７４６，１９７５ Ｄ．Ｊ．Ｄｅｒｉｃｋｓｏｎ， Ｒ．Ｊ．Ｈｅｌｋｅｙ， Ａ．Ｍａｒ，Ｊ．Ｒ．Ｋａｒｉｎ， Ｊ．Ｇ． Ｗａｓｓｅｒｂａｕｅｒ，ａｎｄ Ｊ．Ｅ．Ｂｏｗｅｒｓ， "Ｓｈｏｒｔ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｍｕｌｔｉｓｅｇｍｅｎｔ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒｓ"， ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．１０，ｐｐ.２１８６−２２０２，１９９２ 塙雅典、藤本敏也、中村一彦"πシフトＦＢＧによる高速ＮＲＺ光信号からのクロック抽出"，２００５年電子情報通信学会総合大会，Ｂ−１０−１１１．

しかしながら、特許文献１、非特許文献１、非特許文献２で述べられた、モード同期レーザを用いた全光クロック再生方法の従来方式では、クロック再生動作が、入力光信号の偏光状態に大きく依存している。すなわち、入力光信号の偏波状態が、モード同期半導体レーザの発振偏波状態と合致している場合には良好なクロック再生動作が得られるのに対し、それらが直交している場合には良好なクロック再生動作が得られない。

一方、光信号の長距離光伝播媒体となる光ファイバ（通常シングルモード光ファイバ）は、偏波保存性を全く持っていない。従って、光ファイバの入力端において、正確にある一定の偏波状態に制御された光信号を入力しても、光ファイバの付設状態や、伝播経路中での周辺環境などによって、光ファイバ中を伝播している光信号の偏波面は無作為に回転し、出力端では、横偏波状態の信号成分と縦偏波状態の信号成分とを合わせ持つことになってしまう。

その結果、この出力光信号を受け入れたモード同期レーザの全光クロック再生動作は、不安定になってしまうという解決すべき課題が残されている。

この問題点を解決し、モード同期レーザの全光クロック再生動作の偏波面依存性を解消する手段が、特許文献２に開示されている。

特許文献２に記載の技術を、図１３を参照して簡単に説明する。入力光信号Ｓ１０を偏光ビームスプリッタ３−１は、受動モード同期半導体レーザの発振偏波面と一致した横偏波成分（Ｓ１１）と、これに直交した縦偏波成分（Ｓ１２）とに分離する。横偏波成分は、偏光状態を保ったまま受動モード同期半導体レーザ１４の一方の共振器端面Ｒに入力する。一方、縦偏波成分は、ファラディ素子１２により偏光状態が９０°回転され、受動モード同期半導体レーザ１４の発振偏波面に一致させた後に、受動モード同期半導体レーザ１４の他方の共振器端面Ｌに入力する。以上の構成を採用することで、入力光信号の偏波面依存性がない、全光クロック再生動作を提案している。

しかしながら、特許文献２の開示の手法においては、次のような課題が存在する。すなわち、この方式では、受動モード同期半導体レーザを有する両側の共振器端面を利用して、入力光信号を受動モード同期半導体レーザに入力させる。従って、これらの両側の共振器端面の反射率は、ともに、入力光信号を受動モード同期半導体レーザの内部に導くのに十分な程、低いものでなければならない。すなわち、受動モード同期半導体レーザの有するどちらか一方の端面反射率が極端に高い場合、所望とする入力光信号の偏波状態に無依存な全光クロック再生動作が得られなくなる。

一方、受動モード同期半導体レーザの端面反射率を高くする必要性が生じる場合が考えられる。このことは、特に、受動モード同期半導体レーザの繰返し周波数の高速化、すなわち、本発明で目的とする全光クロック再生動作における、再生光クロック信号のクロック周波数の高速化にとって重要となる可能性がある。このことは、次に述べるような事情によって生じる。

まず第１に、受動モード同期半導体レーザの繰返し周波数は、共振器長に反比例する。すなわち、その高速化には、受動モード同期半導体レーザの共振器長を短くする必要がある。一方、レーザの発振閾値利得は、共振器長を短くすると増加する。従って、繰返し周波数の高速化のために、短共振器化した受動モード同期半導体レーザにおいては、まず、レーザ発振を生じさせるために、共振器損失を低くする必要性がある。レーザの共振器損失は、共振器内の伝播損失と共振器端面の反射損失との和であり、共振器端面の反射率が高いほど低減する。

また第２に、受動モード同期半導体レーザの繰返し周波数を高速化するには、当然、発生する光パルス幅がそれに応じて狭くならなければならない。非特許文献３は、受動モード同期レーザのパルス特性を理論的に検討したものであるが、その図３に、共振器のＱ値とパルス幅の逆数の関係が示されている。共振器Ｑ値は、共振器損失の逆数に比例する値であり、このことは、受動モード同期半導体レーザの繰返し周波数の高速化には、共振器損失の低減が重要なパラメータであることを示している。

さらにまた、可飽和吸収領域の一方の端面を共振器端面とし、その共振器端面を高反射膜コーティングすると、衝突パルスモード同期動作が生じ、可飽和吸収領域における吸収飽和エネルギーを実効的に減少できることが、非特許文献４の図１４等に開示されている。このことは、モード同期動作の安定性の向上に望ましい。

これらの諸事情に鑑みたとき、片側の共振器端面に高反射膜を施した受動モード同期半導体レーザを用いて、全光クロック再生装置を実現できれば、動作速度、すなわち再生される光クロック信号のクロック周波数の高速化や、再生光クロック信号の短パルス化や安定性の向上といった、実用上望ましい効果が期待できる。

そこで、本発明は、片側の共振器端面に高反射膜を施した受動モード同期半導体レーザを用いても、入力光信号の偏光方向に依存することなく、光信号からそのビットレート周波数に一致した繰返し周波数（クロック周波数）の再生光クロック信号を生成することが可能である、光クロック信号再生装置を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するために、本発明の光クロック信号再生装置は、（１）入力された信号光のビットレート周波数に近似した繰返し周波数の、光パルス列の形のレーザ発振光を発振する、片側端面に高反射膜を施したモード同期レーザ素子と、（２）入力された入力信号光を偏波分離する偏波分離部を有し、偏波分離部により偏波分離された、それぞれ直交する光軸をもつ両偏波分離光の、それぞれの偏波方向を一致させるように、一方の偏波分離光及び又は他方の偏波分離光の偏波方向を調整すると共に、両偏波分離光の時間間隔が入力信号光のビットレート周波数の逆数である信号時間間隔の自然数倍となるように、両偏波分離光の少なくとも一方の偏波分離光の遅延時間を調整し、一方の偏波分離光と他方の偏波分離光とを合成した合成光をモード同期レーザ素子に与える信号光供給手段と、（３）モード同期レーザ素子から発振された光パルス列の形のレーザ発振光に基づいて、再生光クロック信号を形成する光クロック信号形成手段とを備えることを特徴とする。

本発明の光クロック信号再生装置によれば、入力光信号の偏光方向に依存することなく、光信号からそのビットレート周波数に一致した繰返し周波数（クロック周波数）の再生光クロック信号を生成することが可能であり、その結果、再生光クロック信号のクロック周波数の高速化や、再生光クロック信号の短パルス化や安定性の向上が図れる。

（Ａ）第１の実施形態
以下、本発明の光クロック信号再生装置を適用した第１の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

（Ａ−１）第１の実施形態の構成
図１は、第１の実施形態の光クロック信号再生装置１Ａの構成を説明するブロック構成図である。

図１において、第１の実施形態の光クロック信号再生装置１Ａは、モード同期半導体レーザ１００、偏波分離回路３１、λ／２波長板３２、光遅延回路３３、光カップラ３４、光サーキュレータ３５、結合レンズ３６、波長フィルタ３７、を少なくとも有して構成される。

図１において、Ｓ３０は、ビットレートがｆ_{ｂｉｔ−ｒａｔｅ}（ｂｉｔ／ｓ）であり、偏波状態が不定の入力光信号（信号光）を示す。ここで、ビットレートに対応する周波数をビットレート周波数として定義とする。すなわち、ビットレートｆ_{ｂｉｔ−ｒａｔｅ}（ｂｉｔ／ｓ）に対応するビットレート周波数はｆ_{ｂｉｔ−ｒａｔｅ}（Ｈｚ）とする。また、入力光信号の信号時間間隔Ｔ_{ｂｉｔ−ｒａｔｅ}は、ビットレート周波数の逆数で与えられる。すなわち、ビットレート周波数ｆ_{ｂｉｔ−ｒａｔｅ}（Ｈｚ）の入力光信号の信号時間間隔Ｔ_{ｂｉｔ−ｒａｔｅ}は、１／ｆ_{ｂｉｔ−ｒａｔｅ}（ｓ）である。

モード同期半導体レーザ１００は、共振器端面Ｒ１、Ｌ１を有し、モード同期動作を生じたときに発生する光パルス列の繰り返し周波数が、入力光信号のビットレート周波数に近似した受動モード同期半導体レーザである。ここで、受動モード同期半導体レーザの繰り返し周波数が、入力光信号のビットレート周波数に近似した状態とは、入力光信号のビットレート周波数と、受動モード同期半導体レーザが生成する光パルス列の形の発振光の繰り返し周波数との差が、周波数引き込み現象が発現する程度に小さいことをいう。

また、モード同期半導体レーザ１００は、望ましくは、多電極構造を有する半導体レーザとする。さらに、モード同期半導体レーザ１００は、実用上の動作安定性を担保し、かつ、装置をより低コストに提供するという観点から、結合レンズなどを用いた外部共振器を構成しない、集積型半導体レーザとするのが望ましい。

図２は、モード同期半導体レーザ１００の構成例を示す図である。図２のモード同期半導体レーザ１００は、２電極受動モード同期半導体レーザの例を示す。モード同期半導体レーザ１００の素子構造としては、レーザ発振を得るための利得領域１０３と、モード同期動作のための光スイッチとして動作する可飽和吸収領域１０２とから構成される。利得領域１０３には、ｐ側電極１０７とｎ側共通電極１０８を介して定電流源１１０から電流印加され、また、可飽和吸収領域１０２には、ｐ側電極１０６とｎ側共通電極１０８を介して定電圧源１０９から逆バイアス電圧が印加されることで、受動モード同期動作が生じ、素子の共振器周回周波数の自然数倍に近似した繰り返し周波数の光パルス列を発生する。

受動モード同期半導体レーザ１００の素子構造は、図２に示された構造に限定されない。すなわち、受動導波路領域や、分布ブラッグ反射鏡領域が集積化された構造でも第１の実施形態の効果を得ることができる。また、パルス特性の向上などを目的に、利得領域を複数に分岐した構造でも構わない。またその材料系も、所望とする動作波長によってＩｎＰ系、ＧａＡｓ系など、様々な化合物半導体を用いた受動モード同期半導体レーザに適用できる。さらにまた、用いる基板もｎドープ基板に限定されず、ｐドープ基板でも構わない。

入力光信号が入力される共振器端面Ｌ１の反射率は、入力光信号が受動モード同期半導体レーザ１００の内部に導かれるのに十分な程度に低い反射率とする。一方、共振器端面Ｒ１の反射率は、特に限定されないが、高反射率コーティングを施すことにより、先に述べたモード同期パルス特性の改善と、共振器端面Ｌ１から出力される光クロック信号の光強度が増加する効果が得られ、応用上望ましい。また、利得領域１０３と可飽和吸収領域１０２の配置は、特に限定されないが、先述した衝突パルスモード同期の効果を発現させるためには、図示するように、共振器端面Ｒ１に接続して可飽和吸収領域１０２を配置し、共振器端面Ｒ１に高反射膜コーティングを施すのが望ましい。

ここで、紙面に垂直な偏光方向を有する直線偏波光をＴＥ偏波光と定義する。また、これと直交する、紙面内の偏光方向を有する直線偏波光をＴＭ偏波光と定義する。また、受動モード同期半導体レーザ１００の発振偏波方向は、ＴＥ偏波であるとする。

偏波分離回路３１は、３つの入出力ポートを有する偏波分離回路である。偏波分離回路３１は、ポート３１−ａから光が入力されると、その入力光のＴＥ偏波成分をポート３１−ｂから出力し、その入力光のＴＭ偏波成分をポート３１−ｃから出力するものである。

λ／２波長板３２は、偏波分離回路３１から出力された光を取り込み、直線偏光の偏光方向を９０°回転させるλ／２波長板である。

光遅延回路３３は、λ／２波長板から出力された光に対して、所定の遅延時間を与えて、光カップラ３４に与えるものである。

光カップラ３４は、偏波分離回路３１のポート３１−ｂから出力された光と、光遅延回路３３からの光とを取り込み、これらの光を合波させるものである。光カップラ３４の分岐比は、５０：５０とする。すなわち、光カップラ３４のポート３４−ａ、ポート３４−ｂから入力された光はそれぞれ、その強度の５０％ずつで合波されポート３４−ｃから出力される。

光サーキュレータ３５は、ポート３５−ａから入力され光をポート３５−ｂから出力し、ポート３５−ｂから入力された光をポート３５−ｃから出力するものである。

以上のように、光部品３１〜３５を通過する光経路は、光部品３１〜３５も含めて偏波保持光学系で構成されることが望ましい。もしくは、光経路内の適当な箇所に偏波面コントローラを挿入することでも第１の実施形態の効果を得ることはできる。

結合レンズ３６は、モード同期半導体レーザ１００の共振器端面Ｌ１に設けられ、モード同期半導体レーザ１００と光ファイバ等との間を結合するためのものである。

波長フィルタ３７は、光サーキュレータ３５のポート３５−ｃからの光、すなわち、モード同期半導体レーザ１００から出力される光クロック信号の光学経路に設けられ、光クロック信号の波長成分のみを通過し、入力光信号の波長成分の光を遮断するものである。

（Ａ−２）第１の実施形態の動作
次に、第１の実施形態の光クロック信号再生装置１Ａの動作を図面を参照して説明する。

まず、図１において、光ファイバ伝送網等を通過してきた、不定偏波光である入力光信号Ｓ３０が、偏波分離回路３１のポート３１−ａに入力される。

入力光信号Ｓ３０の偏波成分のうち、ＴＥ偏波成分は光信号Ｓ３１として偏波分離回路３１のポート３１−ｂから出力され、ＴＭ偏波成分は光信号Ｓ３２として偏波分離回路３１のポート３１−ｃから出力される。

その後、光信号Ｓ３２は、λ／２波長板３２及び光遅延回路３３を通過することで、その偏波方向が９０°回転し、ＴＥ偏波となると共に、光信号Ｓ３１に対してｎＴ_{ｂｉｔ−ｒａｔｅ}（ｎはゼロでない整数）の時間遅延が与えられ、光信号Ｓ３３に変換される。

光信号Ｓ３１及び光信号Ｓ３３はそれぞれ、光カップラ３４のポート３４−ａ及び３４−ｂに入力され、その合波出力が光信号Ｓ３４としてポート３４−ｃから出力される。

この光信号Ｓ３４は、光信号Ｓ３１及び光信号Ｓ３３が共にＴＥ偏波光であるから、入力光信号Ｓ３０の偏波状態に拘わらず、常にＴＥ偏波光となる。光信号Ｓ３４は、光サーキュレータ３５のポート３５−ａに入力され、ポート３５−ｂから光信号Ｓ３５として出力される。

この光信号Ｓ３５もＴＥ偏波光である。光信号Ｓ３５は、結合レンズ３６を介して、受動モード同期半導体レーザ１００の共振器端面Ｌ１に入力される。

一方、受動モード同期半導体レーザ１００の共振器端面Ｌ１から出力される光クロック信号Ｃ３１は、結合レンズ３６を介して、光サーキュレータ３５のポート３５−ｂに入力される。

その後、光サーキュレータ３５のポート３５−ｃから、所望とする最終的な光クロック信号Ｃ３２が得られる。また、光クロック信号Ｃ３２から、入力光信号の波長成分光を除去する必要がある場合には、適宜、光サーキュレータ３５のポート３５−ｃに接続して、波長フィルタ３７を挿入し、波長フィルタ３７からの出力を所望とする最終的な光クロック信号Ｃ３２として得る。

続いて、第１の実施形態の光クロック信号再生装置１Ａの動作は、大別して、次の２つのステップにより実現される。

（Ａ）偏波不定の入力光信号Ｓ３０からＴＥ偏波の光信号Ｓ３５を得るステップ
（Ｂ）光信号Ｓ３５を入力することで、再生光クロック信号Ｃ３１を発生するステップ。

まず、ステップ（Ａ）の動作について、図面を参照して説明する。

図３は、入力光信号Ｓ３０、光信号Ｓ３１〜Ｓ３５及び光クロック信号Ｃ３１、Ｃ３２の信号波形及び偏波状態の様子を模式的に示したものである。

図３において、入力光信号Ｓ３０としては、＜１０１１０１０１＞の８ビット信号の場合を図示する。ここで、信号が＜１＞であるとは、そのピーク強度が有意な強度を持つ状態であり、＜０＞であるとは、＜１＞のピーク強度に比べて十分弱い（望ましくは、ゼロに近い）状態であることを意味する。一般的なデジタル通信では、このような信号強度の強弱をもって、２値デジタル信号の判別を行う。

まず、入力光信号Ｓ３０は、その信号が＜１＞であるとき、ＴＥ成分の光信号のピーク強度をＩ_Ｅ、ＴＭ成分の光信号のピーク強度をＩ_Ｍとする。トータルの＜１＞の信号強度は、Ｉ_Ｅ＋Ｉ_Ｍで与えられる。

このとき、入力光信号の偏光消光比（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ Ｒａｔｉｏ：以下、ＰＥＲと呼ぶこともある）として、ＴＥ成分強度をＴＭ成分強度で除した値、すなわちＩ_Ｅ／Ｉ_Ｍとして定義する。

入力光信号Ｓ３０は偏波不定信号であり、このことは、任意の偏光消光比をとり得ることを意味する。また、ＴＥ成分とＴＭ成分の光搬送波の位相関係も不定であるから、それらの間の相対位相差（Φ）は０〜２πの任意の値をとり得る。また、入力光信号の偏波状態は、上記の偏光消光比、相対位相差φによって規定することができる。

クロック再生動作が入力光信号の偏波状態に無依存であるとは、任意の偏光消光比、相対位相差φの値に対して、再生される光クロック信号の時間ジッタに大きな差が生じず、常にある規定以下の値が実現できることを意味する。

入力光信号Ｓ３０は、偏波分離回路３１で偏波分離され、ＴＥ偏波の光信号Ｓ３１と、ＴＭ偏波の光信号Ｓ３２に分離される（図３（Ｂ）、（Ｃ）参照）。

次に、光信号Ｓ３２が、λ／２波長板３２を通過することで、その偏波方向が９０°回転されることで、ＴＥ偏波に変換され、その偏波状態を保ったまま、光遅延回路３３にて、光信号Ｓ３１に対して、その光信号の時間位置がｎＴ_{ｂｉｔ−ｒａｔｅ}だけ遅延された光信号Ｓ３３に変換される（図３（Ｄ）参照）。

その後、光信号Ｓ３１及び光信号Ｓ３３は、光カップラ３４で合波され、その合成出力光である光信号Ｓ３４が光カップラ３４のポート３４−ｃから出力される。

光信号Ｓ３４は、ＴＥ偏波光である光信号Ｓ３１及び光信号Ｓ３２の合成光であるから、最初の入力光信号Ｓ３０の偏波状態に拘わらず、常にＴＥ偏波である（図３（Ｅ）参照）。

従って、光信号Ｓ３４が、光サーキュレータ３５を介して、モード同期半導体レーザ１００に入力されるときの光信号Ｓ３５は、最初の入力光信号Ｓ３０の偏波状態に拘わらず、常にＴＥ偏波とすることができる（図３（Ｆ）参照）。

このことは、光部品３１〜３５として偏波保持光学系を用いたり、あるいは、これらの光経路を適当な位置に偏波面コントローラを挿入することで、容易に実現できる。

以上の結果、入力光信号Ｓ３０の偏波状態に拘わらず、モード同期半導体レーザ１００には、常にＴＥ偏波の光信号Ｓ３５が入力されることになる。さらに、次に詳細に述べるステップ（Ｂ）の効果が加わることにより、モード同期半導体レーザ１００においては、特許文献１及び非特許文献１と同様に、光クロック信号再生効果が生じ、所望とする光クロック信号を得ることができる。

次に、ステップ（Ｂ）の動作について、図面を参照して説明する。

ステップ（Ａ）で説明した処理によって、入力光信号Ｓ３０の偏波状態に拘わらず、モード同期半導体レーザ１００に入力される光信号Ｓ３５は、常にＴＥ偏波とすることができる。

次に考慮すべきことは、光信号Ｓ３５の信号波形が、入力光信号Ｓ３０の偏波状態、すなわち、その偏光消光比と相対位相差Φの値によってどのように変化し、またそれが光クロック信号再生動作にどのように影響するかである。

入力光信号Ｓ３０の強度時間波形Ｉ_Ｓ３０（ｔ）を次式のように表す。

ここで、Ｉ_Ｓ３０（ｔ）は、ピーク強度を１として規格化した信号時間波形である。

このとき、光信号Ｓ３１及び光信号Ｓ３２の強度時間波形Ｉ_Ｓ３１（ｔ）及びＩ_Ｓ３２（ｔ）は、それぞれ式（２）及び式（３）となる。

モード同期半導体レーザ１００に入力される光信号Ｓ３５の強度時間波形Ｉ_Ｓ３５（ｔ）は、ステップ（Ａ）での議論に従って、式（４）のように表すことができる。

ここで、θは、光信号Ｓ３１、Ｓ３２、Ｓ３３が、光部品３１、３２、３３、３４及びそれらを結ぶ光経路を通過するときに生じる光搬送波位相の相対位相である。これは最初の入力光信号Ｓ３０のもつ初期相対位相Φと同じ項に和の形で入っているため、以下の議論で、θの変化をΦの変化と独立に取り扱う必要はない。つまり、入力光信号Ｓ３０のもつ初期相対位相Φの変化に関する議論は、実際には、θの変化を含んだΦ＋θの変化についての議論となる。従って、Φ＋θのとり得る任意の値（０から２πまでの任意の値）については、クロック再生動作の安定性が担保されれば、第１の実施形態で目的とする効果は達成される。またこのとき、θの任意の値について、クロック再生動作の安定性が担保されるということは、装置構成において、光搬送波位相の制御まで含めた、光遅延回路３３の制御は、不要であるということを意味する。このことは、本発明の効果を実現できる装置のアッセンブリを安価に実行できることを意味する。

また、上式では簡単のために、光部品３１、３２、３３、３４、３５での過剰光損失を無視した。

ここで、式（４）に基づいて、光信号Ｉ_Ｓ３５（ｔ）の信号波形について考察すると、次のことがわかる。

（ｉ）相対遅延時間差がゼロ（ｎ＝０）の場合、Ｉ_Ｅ＝Ｉ_Ｍ（偏光消光比＝１）、かつ、Φ＋θ＝πであるとき、光信号Ｓ３１からの寄与と光信号Ｓ３３からの寄与が完全に相殺してしまい、Ｉ_Ｓ３５（ｔ）＝０となる。

（ｉｉ）相対遅延時間差が与えられた場合（ｎ≠０）、光信号Ｓ３１が＜１＞、光信号Ｓ３３が＜０＞での状態であるとき、その干渉波形である光信号Ｓ３５には、ピーク強度（Ｉ_Ｔ）がＩ_Ｅ／２の＜１＞信号が生じる。逆に、光信号Ｓ３３が＜１＞、光信号Ｓ３１が＜０＞での状態であるとき、光信号Ｓ３５には、ピーク強度（Ｉ_Ｔ）がＩ_Ｍ／２の＜１＞信号が生じる。また、光信号Ｓ３１、光信号Ｓ３３がともに＜０＞での状態であるとき、光信号Ｓ３５には＜０＞信号が生じる。一方、光信号Ｓ３１、光信号Ｓ３３がともに＜１＞での状態であるとき、光信号Ｓ３５には、一般にピーク強度（ＩＴ）がＩ_Ｅ／２＋Ｉ_Ｍ／２＋（Ｉ_ＥＩ_Ｍ）^２ｃｏｓ（Φ＋θ）である＜１＞信号が生じる。ただし、光信号Ｓ３１、光信号Ｓ３３がともに＜１＞での状態であり、Ｉ_Ｅ＝Ｉ_Ｍ（偏光消光比＝１）、かつ、Φ＋θ＝πの条件下においては、光信号Ｓ３５は＜０＞信号となる。

（ｉｉｉ）ｎは自然数でなければならない。つまり、ｎが１／２などの有理数、無理数であってはならない。ｎが自然数である場合、偏光消光比やΦ＋θの値が変化しても、光信号Ｓ３５の＜１＞信号は、１つの＜１＞信号を基準として、それからＴ_{ｂｉｔ−ｒａｔｅ}の整数倍だけ離れた時間位置に規則的に配置される。これに対して、ｎが自然数でない場合、偏光消光比やΦ＋θの値によって、光信号Ｓ３５の＜１＞の時間位置が、Ｔ_{ｂｉｔ−ｒａｔｅ}の整数倍とは異なった時間位置に不規則に配置されるようになってしまう。その結果、発生する再生光クロック信号に、偏光消光比やΦ＋θの値に応じた位相ずれが生じてしまう。

（ｉ）から、光信号Ｓ３１とＳ３３間に相対遅延時間差を与えないと、Ｉ_Ｅ＝Ｉ_Ｍ、Φ＋θ＝πの条件下で，光信号Ｓ３５は完全に消失してしまう。このような条件下では、何らの光信号もモード同期半導体レーザ１００に入力されないので、クロック再生動作は生じ得ない。この条件を避けるために、光信号Ｓ３１とＳ３３との間に互いに数ビット分の相対遅延時間を与える必要がある。

また（ｉｉｉ）から、遅延時間差は信号時間間隔の自然数倍として、発生する再生光クロック信号に位相ずれが生じるのを避ける必要がある。

また、（ｉｉ）は次のことを意味する。まず、図３からも判るように、光信号Ｓ３５の信号パターン、すなわち、＜１＞であるビットと＜０＞であるビットの配列は、元の入力光信号Ｓ３０の配列とは異なる。しかしながら、クロック再生における最終目的は連続したパルス列（あるいは正弦波）の出力を得ることが目的であるので、このような入力光信号の信号パターンの変化は実際上問題とはならない。

さらに、（ｉｉ）は次のことを意味する。すなわち、光信号Ｓ３５における＜１＞のピーク強度が一定ではなく、レベル変動を本質的に伴うことである。すなわち、入力光信号Ｓ３０が、＜１＞信号のピーク強度が揃った、強度揺らぎのないきれいな信号であっても、モード同期半導体レーザ１００に入力される光信号Ｓ３５は、＜１＞信号のピーク強度が不揃いな、いわゆる強度揺らぎの大きな光信号となる。式（４）からわかるように、この強度揺らぎは入力信号Ｓ３０の偏光消光比及び相対位相差Φに依存する。またこのことは、入力信号Ｓ３０の平均強度が一定であっても、光信号Ｓ３５の平均強度は、入力信号Ｓ３０の偏光消光比及び位相差Φ（ならびにθ）に依存して変化することを意味する。

そこで、第１の実施形態のモード同期半導体レーザ１００は、上記のことがクロック再生動作に影響しないために、次のような特徴を有する。

（１）光クロック再生動作において、入力光信号のピーク強度変動を吸収できる、強度雑音吸収効果を有する。

（２）光クロック再生動作において、実用上十分に低い時間ジッタを実現できる、光信号の平均入力強度の許容変動量が、十分なマージンを有する。

（１）について、既に我々は、先にあげた非特許文献２において、モード同期半導体レーザを用いた全光クロック再生における強度雑音吸収効果を報告している。非特許文献２の図９及び図１０に示された実験結果によれば、±２５％の強度雑音を有する信号入力に対しても、強度揺らぎ、及び、時間ジッタの小さい、良好な光クロック信号再生に成功している。

後に詳細に述べる実験結果が示すように、この程度の強度雑音吸収効果があれば、本発明の第１の実施形態を実現するためには実用上十分であり、このことから、光信号Ｓ３５における＜１＞信号のピーク強度変動は、本発明の第１の実施形態においてはそれを十分吸収できるため、問題とならない。

一方、（２）について検討を進めるために、光信号Ｓ３５の平均強度が、入力光信号Ｓ３０の偏光消光比及び位相（Φ＋θ）によって、どれほど変化するかを見積もった。

ここでは、光通信システムの評価において一般的に用いられる、擬似ランダム信号を入力光信号Ｓ３０の信号パターンと仮定した。表１にその信号パターンを示す。信号はいわゆる７段の擬似ランダム信号であり、ビット数は２^７−１＝１２７ビット、そのうち６４ビットが＜１＞信号で、残り６３ビットが＜０＞信号である。

個々の＜１＞信号の信号エネルギーを１と規格化すると、入力光信号Ｓ３０の規格化平均強度は１×６４＝６４となる。

図４（Ａ）及び（Ｂ）に、光信号Ｓ３１とＳ３３のビットずれを横軸として、このときの光信号Ｓ３５の規格化平均強度の最大値と最小値の偏光消光比（ＰＥＲ）依存性を計算した結果を示す。ここで、規格化平均強度の最大値と最小値は、それぞれの偏光消光比に対して、位相Φ＋θを変化させたときの最大値と最小値である。

ビットずれｎ＝０の場合、規格化平均強度の最大値は６４、最小値は０である。最大値は偏光消光比＝１及びΦ＋θ＝０のときに生じ、最小値は偏光消光比＝１及びΦ＋θ＝πのときに生じる。この場合は、先にも述べたが、同じ信号パターンで同じピーク強度の光信号Ｓ３１、Ｓ３３がそれぞれ同相・逆相で干渉した結果である。ここでは光信号Ｓ３１、Ｓ３２間に数ビット分の時間遅延を与える場合を検討しているため、この結果は以下の議論から省いて考えるものとする。

また、ビットずれｎ≠０の場合、規格化平均強度の最小値は１６である。一方、最大値は４８であり、これは最小値に対して３倍の値である。最大値は偏光消光比＝１及びΦ＋θ＝０のときに生じ、最小値は偏光消光比＝１及びΦ＋θ＝πのときに生じる。図４（Ａ）及び（Ｂ）に示す今回の結果ではビットずれｎの変化に対する依存性は見られなかったが、これは評価に用いた擬似ランダム信号パターンの特徴を反映した結果である。

以上の議論より、第１の実施形態に係る光クロック信号再生装置１Ａにおいて、モード同期半導体レーザ１００に入力される光信号Ｓ３５の平均強度は、入力光信号Ｓ３０の偏光状態に応じて、３倍（約４．８ｄＢ程度）の幅をもって変動するものと想定される。従って、第１の実施形態のモード同期半導体レーザ１００は、クロック再生動作が約４．８ｄＢ程度以上の光信号の平均入力強度のマージンを有するものを用いる。

また、以上の議論から、そのクロック再生動作が、約４．８ｄＢ程度以上の光信号の平均入力強度のマージンを有するモード同期半導体レーザ１００を用いることで、光信号Ｓ３５を入力されたモード同期半導体レーザ１００からは、入力光信号Ｓ３０の偏波状態が変化しても、時間ジッタの小さい、安定な再生光クロック信号Ｃ３１が出力される。

再生光クロック信号Ｃ３１は、その後、光サーキュレータ３５のポート３５−ｂに入力され、ポート３５−ｃから出力され、その後、入力光信号の波長成分を除去する必要があれば、光フィルタ３７を用いて、入力光信号の波長成分を除去した後、最終的に所望とされる光クロック信号Ｃ３２が得られる。

（実施例）
次に、第１の実施形態の効果を実証するために行った実証実験について述べる。

ここで、受動モード同期半導体レーザ素子１００としては、可飽和吸収領域（長さ２５０μｍ）、利得領域（６１０μｍ）、位相調整領域（１５０μｍ）が順に配置した、ＩｎＰ系の多電極半導体レーザを使用した。共振器長は１０５０μｍであり、共振器周回周波数は約４０ＧＨｚである。利得領域の導波層には、井戸を０．６％の圧縮歪ＩｎＧａＡｓＰ層、障壁層を無歪のＩｎＧａＡｓＰ層で形成した多重量子井戸構造を採用しており、そのフォトルミネッセンスピーク波長が１５６２ｎｍになるように、各層の組成比、厚さを設計したものを用いた。また、可飽和吸収領域、位相調整領域の導波層には、井戸を０．６％の圧縮歪ＩｎＧａＡｓＰ層、障壁層を無歪のＩｎＧａＡｓＰ層で形成した多重量子井戸構造を採用しており、そのフォトルミネッセンスピーク波長が１４８０ｎｍになるように、各層の組成比、厚さを設計したものを用いた。また、受動モード同期半導体レーザ素子１００の両端の共振器端面は、へき開面のままである素子を用いた。受動モード同期半導体レーザ素子１００の利得領域に電流印加したときのレーザ発振閾値は、約３０ｍＡ、スロープ効率は０．１Ｗ／Ａ程度であり、半導体レーザとして典型的な値を示した。

なお、ここで示したモード同期半導体レーザ素子１００の各領域長や組成、各層の膜厚、フォトルミネッセンスピーク波長などは、単なる１つの構成例であり、これに限定されるものではない。

モード同期半導体レーザ素子１００の利得領域に１４５．５ｍＡの直流電流、可飽和吸収領域に−０．９１Ｖの逆バイアス電圧を印加したとき、受動モード同期動作が生じた。このとき発生したモード同期光パルス列のパルス幅は約３．７ｐｓ、中心波長は１５５７．４ｎｍ、スペクトルの半値全幅は４．３ｎｍであった。また、このとき発生したモード同期光パルス列の繰り返し周波数は３９．６８５５ＧＨｚであった。また、このときのモード同期半導体レーザ素子１００の位相調整領域側端面からの平均光強度出力は、約８．９ｄＢｍであった。

入力光信号は、ビットレート３９．６９０１２Ｇｂ／ｓ、中心波長１５４７．８４ｎｍ、パルス幅５．０ｐｓの、連続する＜１＞の信号間で光強度が一旦ゼロに落ちる、いわゆるリターン・トゥ・ゼロ（Ｒｅｔｕｒｎ−ｔｏ−ｚｅｒｏ，ＲＺ）フォーマットの擬似ランダム光信号とした。擬似ランダム段数は７段（２^７−１＝１２７ビット）とした。

図５に、モード同期半導体レーザ素子１００への入力光信号強度（平均強度）を変化させたときの、モード同期半導体レーザ素子１００から発生した再生光クロック信号の時間ジッタの変化を測定した実験結果を示す。

なお、ここでは、入力光信号の偏波状態をＴＥ偏波一定とした、特許文献１、非特許文献１及び２に開示される従来型の光クロック信号再生装置としての実験結果を示す。光信号は、モード同期半導体レーザ素子の位相調整領域側端面から入力した。

図５から、入力光強度の増加と共に、時間ジッタが低減する様子がわかる。また、図５において、入力光強度が−５．４ｄＢｍから０ｄＢｍの範囲で、０．３ｐｓ以下の低時間ジッタ化が得られることがわかる。すなわち、０．３ｐｓ以下の時間ジッタを実現するのに、５．４ｄＢの光信号の平均入力強度のマージンが得られることを示している。この値は、先に述べた第１の実施形態の効果を得るための条件（約４．８ｄＢ程度以上）を満足する値である。このことは、第１の実施例を実現するために必要な平均入力強度のマージンが、実際のモード同期半導体レーザ素子において実現できることを意味している。

次に、図１に示す構成からなる光クロック信号再生装置１Ａを用いて、光クロック信号の再生動作の実験結果を、図面を参照して説明する。

図６は、入力光信号の偏光消光比の変化に対する再生光クロック信号の時間ジッタの変化との関係を示す図である。なお、図６の実験では、入力光強度を−４．４７ｄＢｍの一定値とした場合を示す。

図６より、入力光信号の偏光消光比を＋２６ｄＢから−２８ｄＢまで大きく変化させても、時間ジッタは、０．２３ｐｓ〜０．２８ｐｓの範囲内と極めて小さい範囲内での変化であることがわかる。このことは、第１の実施形態の光クロック信号再生装置１Ａを適用することにより、入力光信号の偏波状態に拘わらず、安定な全光クロック信号の再生動作が、実際のモード同期半導体レーザ素子において実現できることを実証する結果であり、第１の実施形態の効果を実証する実験結果である。

また、図７は、光クロック信号再生装置１Ａを用いて、入力光信号の偏光消光比を変化させた場合の各信号のサンプリングオシロスコープ観測波形を示す図である。図７（ａ）は入力光信号Ｓ３０、図７（ｂ）は光信号Ｓ３５、図７（ｃ）は再生光クロック信号Ｃ３２を示す。

入力光信号の偏光消光比を変化させると、光信号Ｓ３５における＜１＞レベルの変動が変化する。特に、偏光消光比が１に近くなる（すなわち、ＴＥ偏波成分強度とＴＭ偏波成分強度が同程度になる）と、＜１＞レベル変動は最大となる。

このことは、図７（ｂ−２）、（ｂ−３）に示す結果より、偏光消光比が０ｄＢ、−１０ｄＢであるときの光信号Ｓ３５のサンプリングオシロスコープ波形が、アイ開口が見られないほど劣化した波形となることで示されている。そのような状況でも、このときの再生光クロック信号Ｃ３２のサンプリングオシロスコープ波形（図７（ｃ−２）、（ｃ−３））は、入力光信号Ｓ３０の偏光消光比が高く、光信号Ｓ３５においても＜１＞レベル変動が小さいときの再生光クロック信号Ｃ３２のサンプリングオシロスコープ波形（図７（ｃ−１））に比べて遜色ない。このことは、モード同期半導体レーザにおける強度揺らぎ吸収効果が十分に働いていることを示し、第１の実施形態の効果を実証する実験結果となっている。

以上の実験結果から、第１の実施形態の効果を実証することができた。

（変形例）
第１の実施形態において、図１に示す構成の光クロック信号再生装置１Ａを例示して説明した。しかし、第１の実施形態の効果を実現することができれば、そのための必要な光部品やその配置は、図１に示すブロック構成図において示された光部品やその配置に限定されず、異なった光部品を用いた構成を採用することができる。

図８は、第１の実施形態の変形例である光クロック信号再生装置１Ｂの構成を説明するブロック図である。

図８において、光クロック信号再生装置１Ｂは、モード同期半導体レーザ２００、偏波無依存型光アイソレータ４１、４ポート偏波分離合成回路４２、ファラデー回転子４３、λ／２波長板４４、光遅延回路４５、光カップラ４６、結合レンズ４７、波長フィルタ４８、を少なくとも有して構成される。

図８に示す光クロック信号再生装置１Ｂの構成例は、以下の点で、図１に示す光クロック信号再生装置１Ａと異なる。

すなわち、図８の光クロック信号再生装置１Ｂの構成では、光サーキュレータ３５が不要である。また、光クロック信号再生装置１Ｂは、直線偏光を入力したときにその偏光方向を９０°回転させるλ／２波長板３２に代わりに、直線偏光を入力したときにその偏光方向を＋４５°回転させるλ／２波長板４４と、図面の左側から直線偏光を入力したときにその偏波方向を＋４５°回転させるファラデー回転子４３を用いる。また、３ポートの偏波分離回路３１の代わりに、４ポートの入出力ポートを有する偏波分離合成回路４２を用いる。

モード同期半導体レーザ２００は、図１のモード同期半導体レーザ１００と同じものである。すなわち、モード同期半導体レーザ２００は、共振器端面Ｌ２、Ｒ２を有し、モード同期動作を生じたときに発生する光パルス列の繰返し周波数が、入力光信号のビットレート周波数に近似したものとする。なお、図１の場合と同様に、入力光信号が入力される共振器端面Ｌ２の反射率は、入力光信号が受動モード同期半導体レーザ２００の内部に導かれるのに十分な程度に低い反射率とする。一方、共振器端面Ｒ２には、高反射膜コーティングを施すことが望ましい。

偏波分離合成回路４２は、ポート４２−ａに光が入力されると、そのＴＥ偏波成分をポート４２−ｂから出力し、ＴＭ偏波成分をポート４２−ｃから出力するものである。また、偏波分離合成回路４２は、ポート４２−ｂに光が入力されると、そのＴＥ偏波成分をポート４２−ａから出力し、ＴＭ偏波成分をポート４２−ｄから出力するものである。さらに、偏波分離合成回路４２は、ポート４２−ｃから光が入力されると、そのＴＥ偏波成分をポート４２−ｄから出力し、ＴＭ偏波成分をポート４２−ａから出力するものである。

反射戻り光による動作不安定性を抑制するために、偏波分離合成回路４２のポート４２−ａに、偏波無依存型光アイソレータ４１を接続する。

光カップラ４６は、図１の光カップラ３４と同様に、分岐比が５０：５０の光カップラである。光カップラ４６のポート４６−ａ、ポート４６−ｂから入力された光は、その強度の５０％ずつがポート４６−ｃにより出力される。また、ポート４６−ｃから入力された光は、その強度の５０％ずつが、それぞれポート４６−ａ、ポート４６−ｂから出力される。

光遅延回路４５は、第１の実施形態の光遅延回路３３と同様のものである。

以上のように、光部品４２〜４６を通過する光経路は、光部品４２〜４６も含めて偏波保持光学系で構成されることが望ましい。もしくは、光経路内の適当な箇所に偏波面コントローラを挿入することでも第１の実施形態の効果を得ることはできる。

また、光遅延回路４６は、図１の場合と同様に、光信号Ｓ４１が通過する、偏波分離回路４２のポート４２−ｂと光カップラ４６のポート４６−ａとを結ぶ光経路に挿入されるようにしてもよい。

図８に示す光クロック信号再生装置１ｂにおける光クロック信号の再生動作を説明する。図９は、入力光信号、光信号、光クロック信号の信号波形及び偏波状態を模式的に示す図である。

まず、図８において、光ファイバ伝送網等を通過してきた、不定偏波光である入力光信号Ｓ４０が、偏波無依存型光アイソレータ４１を通過した後、偏波分離回路４２のポート４２−ａに入力される。

入力光信号Ｓ４０の偏波成分のうち、ＴＥ偏波成分は光信号Ｓ４１として偏波分離回路４２のポート４２−ｂから出力され、ＴＭ偏波成分は光信号Ｓ４２として偏波分離回路４２のポート４２−ｃから出力される。

その後、光信号Ｓ４２は、ファラデー回転子４３、λ／２波長板４４及び光遅延回路４５を通過することで、その偏波方向が、ファラデー回転子４３で＋４５°、λ／２波長板４４で＋４５°回転することで、トータルで９０°回転して、ＴＥ偏波となる。また、光遅延回路４５で、光信号Ｓ４１に対してｎＴ_{ｂｉｔ−ｒａｔｅ}（ｎはゼロでない整数）の時間遅延が与えられ、光信号Ｓ４３変換される。

光信号Ｓ４１及び光信号Ｓ４３はそれぞれ、光カップラ４６のポート４６−ａ及び４６−ｂに入力され、その合波出力光が光信号Ｓ４４としてポート４６−ｃから出力される。

この光信号Ｓ４４は、光信号Ｓ４１及び光信号Ｓ４３が共にＴＥ偏波光であるから、入力光信号Ｓ４０の偏波状態に拘わらず、常にＴＥ偏波光となる。光信号Ｓ４４は、結合レンズ４７を介して、受動モード同期半導体レーザ２００の共振器端面Ｌ２に入力される。

一方、受動モード同期半導体レーザ２００の共振器端面Ｌ２から出力される光クロック信号Ｃ４１は、結合レンズ４７を介して、光カップラ４６のポート４６−ｃに入力される。

その後、光カップラ４６のポート４６−ａ、ポート４６−ｂから、それぞれＴＥ偏波の光クロック信号Ｃ４２−１、Ｃ４２−２として分岐出力される。

光クロック信号Ｃ４２−１は、偏波分離回路４２のポート４２−ｂに入力され、その偏波状態がＴＥ偏波であるため、ポート４２−ａに出力され、その結果、偏波無依存型光アイソレータ４１によりその出力はカットされる。

一方、光クロック信号Ｃ４２−２は、光遅延回路４５、λ／２波長板４４、ファラデー回転子４３を通過する。その際、光クロック信号Ｃ４２−２は、λ／２波長板４４で＋４５°、ファラデー回転子４３で−４５°、その偏波面が回転するため、トータルで偏波面が回転することなく、ファラデー回転子４３からはＴＥ偏波の光クロック信号Ｃ４２−３が出力される。光クロック信号Ｃ４２−３は、偏波分離合成回路４２のポート４２−ｃに入力され、その偏波状態がＴＥ偏波であるため、ポート４２−ｄに出力される。

その後、入力光信号の波長成分光を除去する必要がある場合には、適宜、波長フィルタ４８を通過させることで、最終的な光クロック信号Ｃ４３が得られる。

このような図８に示す構成においても、モード同期半導体レーザ２００に入力される光信号Ｓ４４の変化状態は、入力光信号の偏波状態によらず、常にＴＥ偏波となる。

また、図１に示す場合と同様に、光信号Ｓ４１及び光信号Ｓ４３の間に数ビット分の時間遅延を与えるため、光信号Ｓ４４の出力がゼロになることはなく、クロック再生動作が、４．８ｄＢ以上の光信号の平均入力強度のマージンを有していれば、安定なクロック再生動作が保証される。

（Ａ−３）第１の実施形態の効果
以上のように、第１の実施形態によれば、次のような効果が期待できる。すなわち、入
力される光データ信号の偏波に依存することなく、高ビットレートの光データ信号からの全光クロック信号再生動作が可能となる。また、その動作は、入力光信号をモード同期半導体レーザの一方のレーザ端面に入力することによって実行できるので、モード同期半導体レーザのもう一方のレーザ端面が高反射率を有している場合でも実行できる。すなわち、モード同期半導体レーザとして、可飽和吸収体側端面に高反射膜コーティングを施したモード同期半導体レーザを使用することができるため、発生する再生光クロック信号の高速化・高出力化など、パルス特性の向上に効果がある。

（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明の光クロック信号再生装置を適用した第２の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。

よく知られているように、ＮＲＺ信号は、その周波数スペクトル上において、ビットレート周波数成分がゼロかあるいは非常に弱い強度成分しか持たず、符号化により拡散したスペクトル成分にほとんど隠れた程度の強度しか有さない。

そのため、ＮＲＺ信号をモード同期半導体レーザにそのまま入力しても、モード同期半導体レーザにおけるクロック再生動作の偏波依存性の有無に係わらず、そもそも安定なクロック再生動作が生じない。

そのため、クロック再生動作を得るためには、ＮＲＺ信号をＲＺ信号に変換し、ビットレート周波数成分を増強する必要がある。

そこで、第２の実施形態では、ＮＲＺ信号をＲＺ信号に変換する変換手段を備える点に特徴がある。

（Ｂ−１）第２の実施形態の構成及び動作
図１０は、第２の実施形態の光クロック信号再生装置１Ｃの構成を説明するブロック図である。

図１０において、第２の実施形態の光クロック信号再生装置１Ｃは、モード同期半導体レーザ３００、偏波分離回路５１、λ／２波長板５２、光遅延回路５３、光カップラ５４、光サーキュレータ５５、結合レンズ５６、波長フィルタ５７、光遅延干渉計５８、を少なくとも有して構成される。

第２の実施形態では、入力光信号として、連続する＜１＞の信号間で光強度がゼロに落ちない、いわゆるノンリターン・トゥ・ゼロ信号（Ｎｏｎ Ｒｅｔｕｒｎ ｔｏ ｚｅｒｏ、以下でＮＲＺ信号と呼ぶこともある）を考える。

第２の実施形態は、図１に示す光クロック信号再生装置１Ａの構成に加えて、入力ＮＲＺ信号Ｓ１００をＲＺ変換信号Ｓ５０に変換するための光遅延干渉計５８を備える。

なお、図１０に示す構成は、第１の実施形態の光クロック信号再生装置１Ａの構成をベースとしてものである。しかし、これに限定されず、モード同期半導体レーザ３００からの再生光クロック信号を出力させるに至る光経路の構成は、図８に示す光クロック信号再生装置１Ｂの構成をベースとして構成するようにしてもよい。

光遅延干渉計５８は、入力ＮＲＺ信号Ｓ１００をＲＺ変換信号Ｓ５０に変換するものであり、入力光信号を偏波分離回路５１に入力する光経路に配置される。光遅延干渉計５８としては、例えば、非特許文献５に示されるファイバグレーティングや、特許文献３に示すマッハツェンダ干渉計などを適用することができる。

（Ｂ−２）第２の実施形態の動作
次に、第２の実施形態の光クロック信号再生装置１Ｃにおける光クロック信号の再生動作を図面を参照して説明する。

以下では、光遅延干渉計５８として、マッハツェンダ干渉計型の光遅延干渉計を適用した場合を例示して説明する。

まず、図１１を参考にして、マッハツェンダ干渉計型の光遅延干渉計を用いた場合の、光信号（ＮＲＺ光信号）からＲＺ光信号への変換方法の原理を説明する。

入力ＮＲＺ光信号Ｓ１００は、光遅延干渉計５８に入力し、光分配器６０にて２分岐される。２分岐された光信号はそれぞれ、マッハツェンダ干渉計の光路６２、６３を通過し、光分配器６１にて再合波される。

ここで、光路６２、６３において、相対群遅延時間τが生じ、かつ、それぞれの光路６２、６３を通過する光信号間にπの位相差が生じるものとする。

図１１（ｃ）は、相対群遅延時間τが、入力光信号Ｓ１００の信号時間間隔１／ｆ_{ｂｉｔ−ｒａｔｅ}より小さいときの、光路６２を通過して光分配器６１に到達したときの光信号Ｓ１０１の振幅波形であり、図１１（ｄ）は、相対群遅延時間τが、入力光信号Ｓ１００の信号時間間隔１／ｆ_{ｂｉｔ−ｒａｔｅ}より小さいときの、光路６３を通過して光分配器６１に到達したときの光信号Ｓ１０２の振偏波形である。

ここで、Ｅは振幅の最大値であり、光分配器６０、６１における分岐比が１：１である場合は、光信号Ｓ１０１、Ｓ１０２で同じ値をとる。

これらの合成で得られる光分配器６１からの干渉出力の振偏波形Ｓ１０３は、図１１（ｅ）に示すようになる。図１１（ｅ）からわかるように、干渉出力Ｓ１０３は、連続するビット間で信号レベルがゼロに戻る、いわゆるＲＺ信号に変換されることがわかる。

ＲＺ変換光信号Ｓ５０の信号パターンは、入力ＮＲＺ光信号Ｓ１００の信号パターンとは異なったものになる。

例えば、図１１の例では、入力ＮＲＺ光信号Ｓ１００の信号パターンは＜１１１０１００１０＞であるが、ＲＺ変換光信号Ｓ５０の信号パターンは＜１００１１１０１１＞となる。しかしながら、クロック抽出における最終目的は、先に述べたように、連続したパルス列（あるいは正弦波）の出力を得ることが目的であるので、このような入力光信号の信号パターンの変化は問題とはならない。また、特許文献３で述べられているように、ＲＺ光信号への変換過程は、何らの光電変換を介さずに、全光学的に実行されるので、このようなＮＲＺ光信号からＲＺ光信号への変換は、光デバイス・電子デバイスの電気的帯域の制限を受けずに、高いビットレートの光信号にも適用できる。

光遅延干渉計５８として、直交した光軸方向で光路差が等しい、いわゆる偏波無依存型のものを用いれば、入力ＮＲＺ光信号の偏波状態にかかわらず、上述したようなＮＲＺ光信号からＲＺ光信号への変換が行われる。

ＲＺ変換光信号Ｓ５０は、入力ＮＲＺ光信号Ｓ１００がそうであるように、偏波不定光であるが、このＲＺ変換光信号Ｓ５０は、ＲＺ光信号であるため、クロック再生動作を安定に実行できるほどの強いビットレート周波数成分を有する。

さらには、このＲＺ変換光信号Ｓ５０が、偏波分離回路５１に入力されると、第１の実施形態で説明した効果により、モード同期半導体レーザ３００から、再生光クロック信号Ｃ５１及びＣ５２を得ることができる。

図１２は、第２の実施形態の、入力光信号、光信号及び光クロック信号の信号波形及び偏波状態を模式的に示した図である。

図１２に示すように、ＲＺ変換光信号Ｓ５０、光信号Ｓ５１〜Ｓ５４、光クロック信号Ｃ５１、Ｃ５２はそれぞれ、図３に示す第１の実施形態での、入力光信号Ｓ３０、光信号Ｓ３１〜Ｓ３４、光クロック信号Ｃ３１、Ｃ３２に対応するものであり、その詳細な説明は先に述べられた通りなのでここでは割愛する。

（Ｂ−３）第２の実施形態の効果
以上のように、第２の実施形態によれば、第１の実施形態で説明した効果に加えて、次に示す効果を得ることができる。すなわち、入力光信号がＮＲＺ光信号の場合であっても、入力光信号の偏波状態に無依存な、全光クロック信号再生が実行できるようになる。

（Ｆ）他の実施形態
第１、第２の実施形態において、モード同期半導体レーザがＴＥ偏波発振するものとして説明したが、ＴＭ偏波発振する受動モード同期半導体レーザでも同様の効果は得られる。ＴＭ偏波発振するモード同期半導体レーザを適用する場合、ＴＥ偏波成分の光信号の偏光方向を９０°回転させる構成を備えることで、第１、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

第１、第２の実施形態においては、モード同期半導体レーザ１００、２００、３００として、可飽和吸収領域を有し、それがモード同期動作を生じさせるモードロッカとして動作する、いわゆる受動モード同期半導体レーザを考慮しているが、可飽和吸収領域を有しないタイプのモード同期半導体レーザであっても、光信号を受け入れることでレーザ内部の光学利得、光学吸収、あるいは屈折率に変調が生じ、それによって光クロック再生動作を生じることが可能であるならば、適用することができる。

第１、第２の実施形態では、一方の共振器端面Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３に高反射膜をコーティングした受動モード同期半導体レーザを適用した場合を説明したが、共振器端面Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３に高反射膜をコーティングしていない受動コード同期半導体レーザにも適用できる。この場合、受動モード半導体レーザに入力される光信号Ｓ３５、Ｓ４４、Ｓ５５は共振器端面Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３から入力し、発振される光クロック信号Ｃ３１、Ｃ４１、Ｃ５１は共振器端面Ｒ１、Ｒ３から出力される構成となるので、光サーキュレータ３５、５５を備えず、共振器端面Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３に波長フィルタ３７、５７等を接続する構成としてもよい。

第１、第２の実施形態では、偏波分離回路により分離された一方の光信号の偏波方向を９０°回転させる場合を説明したが、偏波分離された一方の光信号と他方の光信号との偏波方向の光軸方向が一致させることができれば、他の方法も適用できる。例えば、偏波分離した一方の光信号の偏波方向を＋４５°回転させ、他方の光信号の偏波方向を−４５°回転させるようにしてもよい。なお、この場合でも、合成出力光の偏波方向とモード同期半導体レーザの発振偏波方向との両光軸方向が一致している必要がある。

図１、図８及び図１０では、一方の偏波分離光の偏波方向を９０°回転させた後に、時間遅延を与える構成としたが、時間遅延を与えた後に、偏波方向を回転させる構成としてもよい。

また、図１、図８及び図１０には図示していないが、光経路の反射戻り光を遮断するために、進行方向選択部（例えば、光アイソレータ等）を光クロック信号の光学経路に備えるようにしてもよい。

第１の実施形態の光クロック信号再生装置の構成ブロック図である。 第１の実施形態のモード同期半導体レーザの構造例を示す図である。 第１の実施形態の入力光信号と光クロック信号との信号波形及び偏波状態を説明する説明図である。 第１の実施形態の光信号の規格化平均強度の最大値と最小値の偏光消光比（ＰＥＲ）依存性を示す図である。 第１の実施形態の光クロック信号の時間ジッタの入力光強度の依存性を示す図である。 第１の実施形態の光クロック信号の時間ジッタの入力光の偏光消光比依存性を示す図である。 第１の実施形態の、入力光信号の偏光消光比を変化させた場合の各信号のサンプリングオシロスコープ観測波形を示す図である。 第１の実施形態の光クロック信号再生装置の変形構成のブロック図である。 第１の実施形態の変形構成における、入力光信号と光クロック信号との信号波形及び偏波状態を説明する説明図である。 第２の実施形態の光クロック信号再生装置の構成ブロック図である。 第２の実施形態の遅延干渉計によるＲＺ変換信号の発生を説明する説明図である。 第２の実施形態の入力光信号と光クロック信号との信号波形及び偏波状態を説明する説明図である。 従来の光クロック信号再生装置の構成例を示す図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…光クロック信号再生装置、１００、２００、３００…モード同期半導体レーザ、３１、５１…偏波分離回路、３２、５２…λ／２波長板（＋９０°回転）、３３、４５、５３…光遅延回路、３４、４６、５４…光カップラ、３５、５５…光サーキュレータ、３６、４７、５６…結合レンズ、４１…偏波無依存型光アイソレータ、４２…４ポート偏波分離回路、４３…ファラデー回転子（＋４５°回転）、４４…λ／２波長板（＋４５°回転）。

Claims (9)

1. 入力された信号光のビットレート周波数に近似した繰返し周波数の、光パルス列の形のレーザ発振光を発振する、片側端面に高反射膜を施したモード同期レーザ素子と、
   入力された入力信号光を偏波分離する偏波分離部を有し、上記偏波分離部により偏波分離された、それぞれ直交する光軸をもつ両偏波分離光の、それぞれの偏波方向を一致させるように、一方の偏波分離光及び又は他方の偏波分離光の偏波方向を調整すると共に、両偏波分離光の時間間隔が上記入力信号光の上記ビットレート周波数の逆数である信号時間間隔の自然数倍となるように、両偏波分離光の少なくとも一方の偏波分離光の遅延時間を調整し、一方の上記偏波分離光と他方の上記偏波分離光とを合成した合成光を上記モード同期レーザ素子に与える信号光供給手段と、
   上記モード同期レーザ素子から発振された上記光パルス列の形の上記レーザ発振光に基づいて、再生光クロック信号を形成する光クロック信号形成手段と
   を備えることを特徴とする光クロック信号再生装置。
2. 上記信号光供給手段が上記モード同期レーザ素子に与える上記合成光の偏波方向が、上記モード同期レーザ素子の発振偏波方向と一致することを特徴とする請求項１に記載の光クロック信号再生装置。
3. 上記信号光供給手段が、一方の上記偏波分離光及び又は他方の上記偏波分離光の偏光方向を調整する、１又は複数の光学部品を有する偏波方向調整部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光クロック信号再生装置。
4. 上記信号光供給手段が、一方の上記偏波分離光と他方の上記偏波分離光の合成比率が１対１となるようにして合成する合成部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光クロック信号再生装置。
5. 上記モード同期レーザ素子が、同一の共振器端面を介して、上記信号光の入力と上記レーザ発振光の出力とを行うものであり、
   上記信号光供給手段及び上記光クロック信号形成手段がそれぞれ共有するものであって、上記信号供給手段からの上記合成光を上記モード同期レーザ素子に与えると共に、上記モード同期レーザ素子からの上記レーザ発振光を上記光クロック信号形成手段に出力する偏光選択部を有する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光クロック信号再生装置。
6. 上記モード同期レーザ素子が、同一の共振器端面を介して、上記信号光の入力と上記レーザ発振光の出力とを行うものであり、
   上記信号光供給手段の上記偏光分離部が４ポートの入出力ポートを有し、これら４ポートの入出力ポートのうち１個の入出力ポートが、上記光クロック信号形成手段と接続するものである
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光クロック信号再生装置。
7. 上記信号光供給手段が、上記偏光分離部の前段に、上記入力信号光の進行方向の逆方向に伝播する光を遮断する進行方向選択部を有することを特徴とする請求項５に記載の光クロック信号再生装置。
8. 上記光クロック信号形成手段が、上記レーザ発振光の所定の波長成分の光を遮断する波長フィルタを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光クロック信号再生装置。
9. 上記信号光供給手段の手前に、入力ＮＲＺ信号光をＲＺ信号光に変換するＮＲＺ−ＲＺ変換手段を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光クロック信号再生装置。

Images