JP5304650B2 - 光信号処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光信号および励起光を非線形光学媒体に入力して前記光信号を増幅する光信号処理装置に関するものである。
従来および現状の光通信システムにおいては、伝送速度（データのビットレート）あるいは総伝送容量（１チャンネル当たりの伝送速度×チャンネル数）、および伝送可能な距離の限界は、光信号対雑音比（光Ｓ／Ｎ）および光信号の波形歪みや位相歪みによって決まる。
光信号の波形や位相の歪みは、伝送路光ファイバの波長分散（高次分散を含む）や非線形光学効果等に大きく依存し、光Ｓ／Ｎは、光ファイバの損失を補償するための光アンプから発生する自然放出光雑音（以下、ＡＳＥ雑音）や送受信機内の雑音特性等に依存する。
波長分散による伝送波形歪みについては、正常分散ファイバと異常分散ファイバを交互に配置した伝送路、あるいは分散補償ファイバ等の波長分散補償器あるいは受信側の電気的な信号処理を用いた補償技術等の対策手段が開発されている。
一方、光ファイバ・アンプ等の光アンプにより、伝送路ファイバの損失による光信号パワーの減衰を補償し、１０Ｇｂ／ｓの単一波長伝送あるいは波長多重伝送により、大洋横断が可能な実用システムが開発されている。
なお、特許文献１では、光信号と異なる波長をもった制御パルスを生成し、生成した制御パルスと光信号とを非線形光ファイバに入力して制御パルスの偏光方向に光信号をパラメトリック増幅させることによって、高いスイッチング効率でかつ十分に広い波長範囲に渡って高速スイッチングを実現するという技術が公開されている。
特開２００６−１８４８５１号公報
現状の大きな課題は、４０Ｇｂ／ｓや１６０Ｇｂ／ｓといったより高速の光信号の長距離伝送を実現することである。しかし、従来より用いられている高精度の分散補償と良質な光アンプを組合せても残留する波形の歪みや、光アンプにより付加されるＡＳＥ雑音による光Ｓ／Ｎ比の低減が厳しく、実用的な伝送距離が制限されてしまう。
すなわち、歪んだ波形の整形や位相歪みを補正すると共に、累積したＡＳＥ雑音を抑制することによって、高速の光信号（波長多重された光信号も含む）による長距離光ファイバ伝送を実現させることが極めて重要な課題となっている。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、歪んだ波形の整形や位相歪みを補正すると共に、累積したＡＳＥ雑音を抑制し、高速の光信号による長距離光ファイバ伝送を実現可能な光信号処理装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、光信号および励起光を非線形光学媒体に入力して前記光信号を増幅する光信号処理装置であって、前記非線形光学媒体の出力端に配置された偏光子と、前記非線形光学媒体に入力する第１の励起光と第２の励起光の偏光方向を調整する励起光調整手段とを備え、前記励起光調整手段は、前記偏光子に入力される際に前記第１の励起光および前記第２の励起光の偏光方向を互いに実質的に直交させると共に、前記偏光子の偏光主軸を基準として前記第１の励起光の偏光方向の角度と前記第２の励起光の偏光方向の角度との差が閾値以下となるように前記第１の励起光および前記第２の励起光の偏光状態を調整することを特徴とする。
また、本発明は、上記発明において、前記光信号、前記第１の励起光および前記第２の励起光のパワーを所定値以上に調整することにより前記非線形光学媒体の光増幅の利得を飽和させるパワー調整手段を更に備えたことを特徴とする。
また、本発明は、上記発明において、前記パワー調整手段は、前記非線形光学媒体に入力される入力光のパワーあるいは、前記非線形光学媒体から出力される出力光のパワーあるいは、前記偏光子から出力される出力光のパワーがあらかじめ設定された設定値となるように前記光信号、前記第１の励起光および前記第２の励起光のパワーを調整することを特徴とする。
また、本発明は、上記発明において、前記励起光調整手段は、前記偏光子に入力される前記第１の励起光と前記第２の励起光の偏光状態を抽出し、抽出した偏光状態が予め設定された偏光状態となるように前記第１の励起光および前記第２の励起光の偏光方向を調整することを特徴とする。
また、本発明は、上記発明において、前記信号光は、波長多重された光信号であることを特徴とする。
また、本発明は、上記発明において、前記第１の励起光および前記第２の励起光は、所定の繰り返し周波数の光パルス列であることを特徴とする。
また、本発明は、上記発明において、前記第１の励起光および前記第２の励起光は、ピークが平坦な光パルス列であることを特徴とする。
また、本発明は、上記発明において、前記第１の励起光および前記第２の励起光は、光信号の変調速度に比べて所定値以上高い繰り返し周波数の光パルス列であることを特徴とする。
また、本発明は、上記発明において、前記第１の励起光および前記第２の励起光は、光信号のパルス幅よりも所定値以上狭いパルス幅のパルスを時間多重したものであることを特徴とする。
また、本発明は、上記発明において、前記第１の励起光および前記第２の励起光は、所定の繰り返し周波数の光パルス列であり、かつ、前記第１の励起光および前記第２の励起光は、前記非線形光学媒体内において、前記信号光に対して相対的に時間シフトすることを特徴とする。
また、本発明は、上記発明において、前記非線形光学媒体の前段または後段に過飽和吸収媒体を配置することを特徴とする。
また、本発明は、上記発明において、前記非線形光学媒体は、前記光信号、前記第１の励起光および前記第２の励起光によって四光波混合が発生する光ファイバであることを特徴とする。
また、本発明は、上記発明において、前記第１の励起光および前記第２の励起光の波長は、前記光ファイバの平均零分散波長を基準とした所定の範囲内に設定されていることを特徴とする。
また、本発明は、上記発明において、前記非線形光学媒体は、前記光信号と前記第１の励起光および第２の励起光との波長分散が異なる光ファイバであることを特徴とする。
また、本発明は、上記発明において、前記光ファイバは、モード・フィールドを所定値よりも小さくした光ファイバであることを特徴とする。
また、本発明は、上記発明において、前記光ファイバは、当該光ファイバのコアにゲルマニウムまたはビスマスがドープされた光ファイバであることを特徴とする。
また、本発明は、上記発明において、前記光ファイバは、フォトニック結晶ファイバであることを特徴とする。
また、本発明は、上記発明において、前記非線形光学媒体または前記偏光子から出力される光信号の中心波長を基準とした所定範囲の波長を透過する中心透過帯域を有する光フィルタを配置して、前記光信号の中心波長付近の成分を選択的に透過させることを特徴とする。
また、本発明は、上記発明において、前記非線形光学媒体または前記偏光子から出力される波長多重された光信号に含まれる各光波の中心波長を基準とした所定範囲の波長を透過する中心透過帯域を有する光フィルタを配置して、前記光波の中心波長付近の成分を選択的に透過させることを特徴とする。
本発明によれば、非線形光学媒体の出力端に配置された偏光子と、非線形光学媒体に入力する第１の励起光と第２の励起光を調整する励起光調整部を備え、励起光調整部は、第１の励起光と第２の励起光が偏光子に入力される際に、第１の励起光と第２の励起光の偏光方向を互いに実質的に直交させると共に、偏光子の偏光主軸を基準として第１の励起光の偏光方向の角度と第２の偏光方向の角度との差が閾値以下となるように第１の励起光および第２の励起光の偏光状態を調整することにより、歪んだ波形の整形や位相歪みを補正すると共に、累積したＡＳＥ雑音を抑制することによって、高速の光信号（波長多重された光信号も含む）による長距離光ファイバ伝送を実現させることができる。
以下に、本発明にかかる光信号処理装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
まず、本実施例１にかかる光信号処理装置の概要および特徴について説明する。本実施例１にかかる光信号処理装置は、光信号および励起光を非線形光学媒体（光ファイバ等）に入力して光信号を増幅する光信号処理装置であり、非線形光学媒体の出力端に配置された偏光子と、非線形光学媒体に入力する第１の励起光と第２の励起光を調整する励起光調整部を備えている。
そして、励起光調整部は、第１の励起光と第２の励起光が偏光子に入力される際に、第１の励起光と第２の励起光の偏光方向を互いに実質的に直交させると共に、偏光子の偏光主軸を基準として第１の励起光の偏光方向の角度と第２の偏光方向の角度との差が閾値以下となるように（換言すれば、第１の励起光の偏光方向の角度と第２の偏光方向の角度とがほぼ等しくなるように）第１の励起光および第２の励起光の偏光状態を調整する。
このように、本実施例１にかかる光信号処理装置は、第１の励起光と第２の励起光の偏光方向を互いに実質的に直交させると共に、第１の励起光の偏光方向の角度と第２の偏光方向の角度とがほぼ等しくなるように第１の励起光および第２の励起光の偏光状態を調整して光信号を増幅させることにより、歪んだ波形の整形や位相歪みを補正すると共に、累積したＡＳＥ雑音を抑制でき、高速の光信号（波長多重（ＷＤＭ；Wavelength Division Multiplexing）された光信号も含む）による長距離光ファイバ伝送を実現することができる。
次に、本実施例１にかかる光信号処理装置の構成について説明する。図１は、本実施例１にかかる光信号処理装置の構成を示す図である。同図に示すように、この光信号処理装置１００は、光ファイバ１１０と、偏光子１２０と、偏光制御部１３０，１４０とを備えて構成される。
光ファイバ１１０は、入力信号光ＥＳｉｎ（波長：λＳ、パワー：ＰＳｉＮ）、第１の励起光ＥＰ１（波長：λＰ、パワー：ＰＰ１）および第２の励起光ＥＰ２（波長：λＰ、パワー：ＰＰ２）の合成波が入力された場合に、四光波混合（ＦＷＭ；Four Wave Mixing）等による光パラメトリック効果により、第１、第２の励起光の偏光方向に入力信号光ＥＳｉｎのパワーを増幅する非線形光学媒体である。光ファイバ１１０から出力される出力光は、偏光子１２０に入力される。
偏光子１２０は、光ファイバ１１０からの出力光が入力された場合に、出力光における偏光子１２０の偏光主軸方向の成分を抽出した波形整形光ＥＳｏｕｔ（波長：λＳ、パワー：ＰＳｏｕｔ）を生成する手段である。
偏光制御部１３０は、第１の励起光ＥＰ１のパワーおよび偏光状態を調整する手段である。具体的に、偏光制御部１３０は、偏光子１２０の主軸方向に対して第１の励起光ＥＰ１の偏光方向をおおよそ＋４５°（例えば、＋４２°〜＋４８°）に調整する（偏光子１２０に入力される際に偏光子１２０の主軸方向に対しておおよそ＋４５°の直線偏光とする）。
偏光制御部１４０は、第２の励起光ＥＰ２のパワーおよび偏光状態を調整する手段である。具体的に、偏光制御部１４０は、偏光子１２０の主軸方向に対して第２の励起光ＥＰ２の偏光方向をおおよそ−４５°（例えば、−４８°〜−４２°）に調整する（偏光子１２０に入力される際に偏光子１２０の主軸方向に対しておおよそ−４５°の直線偏光とする）。
図２は、偏光子１２０の主軸と第１、第２の励起光にかかる偏光方向との関係を示す図である。同図に示すように、第１の励起光ＥＰ１の偏光方向と偏光子１２０の主軸とは＋４５°の角度をなしており、第２の励起光ＥＰ２の偏光方向と偏光子１２０の主軸とは−４５°の角度をなしている。すなわち、偏光制御部１３０，１４０は、第１の励起光ＥＰ１の偏光方向と第２の励起光ＥＰ２の偏光方向とを互いに実質的に直交させている。なお、入力信号光ＥＳｉｎの偏光方向は、偏光子１２０の主軸方向からみて、任意の方向θに偏光しているものとする。
一方、偏光制御部１３０，１４０が、第１の励起光ＥＰ１および第２の励起光ＥＰ２のパワーＰＰ１、ＰＰ２を大きくするにつれ、光ファイバ１１０の四光波混合による光パラメトリック増幅効果により、入力信号光ＥＳｉｎは第１、第２の励起光ＥＰ１、ＥＰ２の偏光方向に増幅される。
入力信号光ＥＳｉｎのパワーをＰＳｉｎ、第１の励起光のパワー利得をＧ１、第２の励起光のパワー利得をＧ２とすると、偏光子１２０から出力される波形整形光ＥＳｏｕｔのパワーＰＳｏｕｔは、
Figure 0005304650
 によって与えられる。式（１）中のθは、偏光子１２０の主軸と入力信号光ＥＳｉｎの偏光方向との間の角を示す。
光ファイバ１１０内の非線形効果が第１、第２の励起光の偏光状態に依存しないとすると、Ｇ１およびＧ２は、各々ＰＰ１およびＰＰ２の二乗に依存する。したがって、偏光制御部１３０，１４０が、各励起光のパワーＰＰ１、ＰＰ２を、ＰＰ１＝ＰＰ２＝ＰＰとなるように、等しく設定することにより、各励起光のパワー利得はＧ１＝Ｇ２＝Ｇとなるから、式（１）を
Figure 0005304650
 のように表すことができ、入力信号光ＥＳｉｎの偏光方向に依存せず、波形整形光ＥＳｏｕｔのパワーＰＳｏｕｔを一定の値で出力することができる。
波形整形光ＥＳｏｕｔのパワーＰＳｏｕｔを一定の値で出力する場合、波形整形光は、偏光子１２０の主軸方向の直線偏光として出力される。また、光パラメトリック増幅利得Ｇを１／２よりも大きくできれば、入力信号光ＥＳｉｎのパワーを増幅可能である。光ファイバ１１０の長さとＰｐを調整することにより、十分大きなＧ（１／２以上のＧ）を得ることが可能である。
例えば、光信号処理装置１００の管理者が、光パラメトリック増幅利得Ｇと、光ファイバ１１０の長さと、第１、第２の励起光のパワーＰＰとの関係を予め実験などで調べておき、光パラメトリック増幅利得Ｇを１／２以上にするためのパワーＰＰを偏光制御部１３０，１４０に設定しておく。偏光制御部１３０，１４０は、第１、第２の励起光のパワーを、設定されたＰＰに調整することで、光パラメトリック増幅利得Ｇを１／２以上にすることができる。
光パラメトリック増幅利得Ｇを飽和させることにより、出力パワー（波形整形光ＥＳｏｕｔのパワーＰＳｏｕｔ）を一定にする光リミッタ・アンプを実現可能であり、これを用いて例えば、強度雑音を抑圧する波形整形が可能となる。なお、光ファイバ１１０内の光パラメトリック増幅の応答時間は、フェムト秒オーダーと超高速であり、テラビットを超える超高速信号光の波形整形を行うことができる。
図３は、光リミッタ・アンプの効果の一例を示す図である。図３の上段に示すように、光リミッタ・アンプにおいて、入力信号光のパワーＰＳｉｎが低い場合には、線形利得（＝ＧＳ０）の光アンプであるが、入力信号光のパワーＰＳｉｎが所定の値（図３のＰ１）以上になると、利得Ｇが飽和する。その結果、波形整形光のパワー（ＰＳｏｕｔ）の振幅揺らぎを抑圧することができる。なお、図３の下段は、入力信号光のパワーＰＳｉｎと波形整形光のパワーＰＳｏｕｔとの関係を示している。
図４は、四光波混合（ＦＷＭ）の波長配置を示す図である。同図に示すλＳは、入力信号光ＥＳｉｎの波長を示し、λＰは、第１、第２の励起光の波長を示す。入力信号光ＥＳｉｎと第１、第２の励起光ＥＰ１、ＥＰ１を光ファイバ１１０に入力し、入力信号光ＥＳｉｎと第１、第２の励起光ＥＰ１、ＥＰ１の光ファイバ１１０への入力パワー（ＰＳｉｎ、ＰＰ）を、パワー制御器（図示略）あるいは偏光制御部１３０，１４０を用いて制御する。
また、必要に応じて光ファイバ１１０の出力側に設定された光フィルタ（偏光子１２０）を用いて、光ファイバ１１０より出力される光信号を選別する。そして、上記入力信号光ＥＳｉｎは、光ファイバ１１０において、第１の励起光ＥＰ１、第２の励起光ＥＰ２により光パラメトリック増幅される。
光パラメトリック増幅の利得は、励起光のパワーＰＰが、入力信号光のパワーＰＳｉｎに比べて、十分高いとき（所定値以上高いとき；図４の上側参照）、ほぼＰＰの二乗に比例して増加する。一方、ＰＳｉｎが大きく、ＰＰがＰＳｉｎに比べて十分大きいとみなされない場合（ＰＰとＰＳｉｎとの差分が所定値未満の場合）、四光波混合（ＦＷＭ）を発生させるために消耗される励起光のパワーが大きくなるため、ＰＰの減衰「Depletion」が発生する（図４の下側参照）。
励起光のDepletionが発生する（パワー制御部および偏光制御部１３０，１４０が、ＰＰとＰＳｉｎとの差分が所定値未満に設定すると）と、光パラメトリック増幅の利得は急激に飽和し、その結果、入力信号光の入力パワーＰＳｉｎを増加しても、光ファイバ１１０から出力する波形整形光のパワーＰＳｏｕｔはある値よりも大きくならず、光パラメトリック・アンプは、光リミッタ・アンプとなる。光リミッタ・アンプにおいては、入力信号光のパワーＰＳｉｎが揺らいでも、出力パワー（ＰＳｏｕｔ）は、一定値に安定化されるので強度揺らぎは抑圧される。
図５は、第１、第２の励起光として入力信号光と同じ繰り返し周波数の光パルス列を用いた場合を示す図である。同図において、第１、第２の励起光ＥＰ１、ＥＰ２の（所定の）繰り返し周波数として、入力信号光ＥＳｉｎの基準周波数と一致したものを用いてもよい。さらに、第１、第２の励起光ＥＰ１、ＥＰ２の一方または両方のタイミングを入力信号光ＥＳｉｎに同期させても、第１、第２の励起光ＥＰ１、ＥＰ２のタイミングを互いにずらしてもよい。なお、図５に示したパルス列は、パルス列発生装置（図示略）等によって生成されるものとする。
図６は、第１、第２の励起光として光信号のピークを平坦な形状にしたものを用いた場合を示す図である。図５に示した光パルス列のようにピークが狭い場合に比べ、時間的な揺らぎによる不安定性を回避でき、励起光による非線形位相変調の影響を緩和することができる。なお、図６に示す励起光（光信号のピークを平坦な形状にしたもの）は、パルス列発生装置（図示略）等によって生成されるものとする。
上述してきたように、本実施例１にかかる光信号処理装置１００は、光ファイバ１１０の出力端に配置された偏光子１２０と、光ファイバ１１０に入力する第１の励起光と第２の励起光を調整する偏光制御部１３０，１４０を備え、偏光制御部１３０，１４０は、第１の励起光と第２の励起光が偏光子１２０に入力される際に、第１の励起光と第２の励起光の偏光方向を互いに実質的に直交させると共に、偏光子１２０の偏光主軸を基準として第１の励起光の偏光方向の角度と第２の偏光方向の角度との差が閾値以下となるように第１の励起光および第２の励起光の偏光状態を調整することにより、歪んだ波形の整形や位相歪みを補正すると共に、累積したＡＳＥ雑音を抑制でき、高速の光信号（波長多重（ＷＤＭ）された光信号も含む）による長距離光ファイバ伝送を実現することができる。
本発明においては、励起光として、ＣＷ（Continuous Wave）光および光パルス光のいずれも用いることが可能である。ＣＷ光を用いて光信号を励起する場合には、光信号に対するタイミング制御の必要がなく、簡易である。しかし、非線形光学効果の発生効率は、励起光のピークパワーに依存するため、十分な利得を確保するために、大出力の線形光アンプが必要となったり誘導ブリルアン散乱の影響により、一定以上の励起光パワーを非線形光学媒体に入力しても反射されてしまい四光波混合（ＦＷＭ）の発生が制限される等の課題がある。
一方、光パルスを用いて励起する場合には、高いピークパワーを容易に確保可能なので、高い利得を期待できる。しかしながら、光信号と励起光のタイミングを合わせる必要があり、クロック再生回路などが必要になる等の課題がある。
そこで、本実施例２にかかる光信号処理装置は、励起光として、光信号の基準周波数に比べて高い繰り返し周波数の光パルス列を用いる。図７は、本実施例２にかかる光信号処理装置２００の構成を示す図である。同図に示すように、この光信号処理装置２００は、光ファイバ２１０と、偏光子２２０と、偏光制御部２３０，２４０とを備えて構成される。
なお、光ファイバ２１０、偏光子２２０は、図１に示した光ファイバ１１０、偏光子１２０と同様であるため、説明を省略する。
偏光制御部２３０は、第１の励起光ＥＰ１（第１の励起光は、入力信号光ＥＳｉｎの基準周波数に比べて高い繰り返し周波数の光パルス列）のパワーおよび偏光状態を調整する手段である。具体的に、偏光制御部２３０は、偏光子２２０の主軸方向に対して第１の励起光ＥＰ１の偏光方向をおおよそ＋４５°（例えば、＋４２°〜＋４８°）に調整する（偏光子２２０に入力される際に偏光子２２０の主軸方向に対しておおよそ＋４５°の直線偏光とする）。
偏光制御部２４０は、第２の励起光ＥＰ１（第１の励起光は、入力信号光ＥＳｉｎの基準周波数に比べて高い繰り返し周波数の光パルス列）のパワーおよび偏光状態を調整する手段である。具体的に、偏光制御部２４０は、偏光子２２０の主軸方向に対して第１の励起光ＥＰ１の偏光方向をおおよそ＋４５°（例えば、＋４２°〜＋４８°）に調整する（偏光子２２０に入力される際に偏光子２２０の主軸方向に対しておおよそ＋４５°の直線偏光とする）。
なお、偏光制御部２３０，２４０に入力される第１、第２の励起光ＥＰ１、ＥＰ２は、励起光生成部（図示略）によって生成されるものとする。
入力信号光ＥＳｉｎと励起光の波長が異なる場合には、非線形光学媒体内で波長分散や揺らぎの影響で互いに時間的にすれ違いが発生する。一方、非線形光学効果は励起光パルスのピークパワーに依存して発生するため、本方法（励起光として、入力信号光ＥＳｉｎの基準周波数に比べて高い繰り返し周波数の光パルス列を用いる方法）により、入力信号光ＥＳｉｎに対して平均としてほぼ時間的に一定の利得を与えることが可能である。
さらに、線形光増幅等を用いることにより、第１、第２の励起光ＥＰ１、ＥＰ２の各々のパルスに十分に高いピークパワーを与えることができ、これにより平均として高い利得を与えることが可能である。その際、励起光のデューティ比が小さいほどピークパワーを大きくでき、利得を向上可能である。したがって、励起光生成部は、入力信号光ＥＳｉｎに比べて、より狭いパルス幅（入力信号光ＥＳｉｎのパルス幅よりも所定値以上狭いパルス幅）のパルスを時間多重して、第１、第２の励起光ＥＰ１、ＥＰ２を生成することが有効である。
四光波混合（ＦＷＭ）は、励起光パワーのおよそ２乗に比例した利得をうけるので、ＣＷ光で励起する場合に比べて、平均利得を大きくすることが可能である。また、光ファイバ２１０内の波長分散の影響により、励起光パルス（第１、第２の励起光ＥＰ１、ＥＰ２）は、入力信号光ＥＳｉｎに対して、相対的に時間的にシフトするので、入力信号光ＥＳｉｎを時間的に平均的に光パラメトリック増幅することが可能である。
この場合、第１、第２の励起光ＥＰ１、ＥＰ２の各パルスの間隔を一定間隔にしてもよいが、互いに重ならない範囲で間隔がずれても構わない。光信号処理装置２００においては、入力信号光ＥＳｉｎのタイミングと第１、第２の励起光ＥＰ１、ＥＰ２のタイミングを同期させなくとも一定の光パラメトリック効果を発生可能である。
上述してきたように、本実施例２にかかる光信号処理装置２００は、光ファイバ２１０の出力端に配置された偏光子２２０と、光ファイバ２１０に入力する第１の励起光と第２の励起光を調整する偏光制御部２３０，２４０を備え、偏光制御部２３０，２４０は、光信号の基準周波数に比べて高い繰り返し周波数の第１の励起光と第２の励起光が偏光子２２０に入力される際に、第１の励起光と第２の励起光の偏光方向を互いに実質的に直交させると共に、偏光子２２０の偏光主軸を基準として第１の励起光の偏光方向の角度と第２の偏光方向の角度との差が閾値以下となるように第１の励起光および第２の励起光の偏光状態を調整するので、入力信号光のタイミングと第１、第２の励起光のタイミングを同期させなくとも一定の光パラメトリック効果を発生可能となり、高い利得を期待できる。
上記した実施例１において、光信号処理装置１００（２００）の光パラメトリック利得を飽和させることにより、出力パワーを一定にする光リミッタ・アンプを実現させる例を示したが、本実施例３では、かかる光リミッタ・アンプに入力信号光を入力し、入力信号光の波形整形または振幅雑音を抑制する。
なお、本実施例３では、波長多重（ＷＤＭ）された光信号（以下、入力ＷＤＭ信号光）を光リミッタ・アンプに入力し、波形整形する場合について説明する。図８は、本実施例３にかかる光リミッタ・アンプを示す図である。なお、図８に示す光リミッタ・アンプ３００の構成は、図１に示した光信号処理装置１００と同様であるため説明を省略する。
波形整形については、従来、単一波長の光信号に対して実施する方法は多数提案・実証されているが、入力ＷＤＭ信号光を一括して波形整形する方法はない。入力ＷＤＭ信号光の各チャンネルのタイミングはランダムであるが、光リミッタ・アンプ３００が、励起光として各チャンネルの光信号の変調速度よりも十分高い（光信号の変調速度に比べて所定値以上高い）繰り返し周波数の短光パルス列を用い、互いに時間的にシフトさせることにより、各チャンネルの信号光を平均的に波形整形することができる。
なお、入力ＷＤＭ信号光の各チャンネルに対してランダムなタイミングで励起するための方法の一例としては、光ファイバ（光ファイバ１１０；図１参照）の波長分散を大きくする方法が考えられる。
四光波混合（ＦＷＭ）の発生効率を入力ＷＤＭ信号光の全チャンネルに渡って一定とするためには、励起光の波長を光ファイバ１１０の（平均）零分散波長付近（零分散波長を基準とした所定の範囲内）に設定する必要があるが、この場合には、光ファイバ１１０のもつ分散スロープを用いて、信号光の波長における分散の値を大きくすることが可能である。
また、光ファイバ１１０の一部に、意図的に大きなタイミングシフトを与える媒質を挿入する方法も有効である。例えば、単位長さ当たりの分散が大きい分散補償ファイバ等を短い長さ（所定値以下となる長さ）にして使う方法や分散補償用の光デバイス等が考えられる。また、第１、第２の励起光と入力信号光との波長分散が異なる光ファイバを用いてもよい。
本実施例３（あるいは、本実施例１、２）に用いる光ファイバにおいては、その零分散波長が第１、第２の励起光の波長と一致又はほぼ一致する（第１、第２の励起光の波長が光ファイバの零分散波長を基準とした所定範囲内に含まれる）ようにしてもよい。この構成によれば、四光波混合（ＦＷＭ）による光パラメトリック増幅の効率が良好である。
特に、光ファイバとしては、非線形光学効果を高めた高非線形ファイバ（ＨＮＬＦ）等が有効である。コアにゲルマニウムやビスマス等をドープして非線形屈折率を高めるとともに、モード・フィールドを（所定値よりも）小さく設計することにより、光パワー密度を高めたタイプや、フォトニック結晶ファイバ構造を用いたタイプ等を用いることが可能である。
上記では、光ファイバを用いた光パラメトリック増幅について述べたが、同様な構成において、光ラマン増幅を用いることも有効である。さらに、他の非線形光学媒質として、量子井戸構造の半導体光アンプや量子ドット構造の半導体光アンプ等を用いることが可能である。
一方、光パラメトリック増幅効果をもつ他のデバイスとして、三光波混合等、２次の非線形光学効果を有効に発生可能な、擬似位相整合構造を有するLiNbO3導波路（ＰＰＬＮ）やGaAlAs素子、あるいは２次非線形光学結晶等を用いることもできる。
なお、上記の各々の増幅過程においては、信号光の位相は影響されないため、上記波形整形の方法は、光強度変調、光位相変調および光周波数変調等で変調された信号光に適用することが可能である。光位相変調信号光については、光リミッタ・アンプ３００により、位相雑音自体を抑圧するわけではないが、強度揺らぎを減らすことにより、強度揺らぎが起因となって発生する位相雑音の低減に有効である。
特に光ファイバ伝送においては、光ファイバ内の非線形光学効果により、強度雑音が位相雑音に変換され（ＡＭ／ＰＭ変換）、これが光位相変調信号光の伝送限界を決める要因の一つとなっている。本発明により、このＡＭ／ＰＭ変換雑音を抑圧することが可能であり有効である。
なお、ゼロレベルの揺らぎを抑圧する他の方法としては、本実施例１，２，３に示した光信号処理装置１００，２００（光リミッタ・アンプ３００）の前段あるいは後段に、過飽和吸収装置を配置する方法等もある。過飽和吸収装置としては、半導体過飽和吸収体、半導体アンプ、マッハ・ツェンダー干渉型光ファイバスィッチ、非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）型スィッチ等がある。
上述してきたように、本実施例３にかかる光リミッタ・アンプ３００は、光パラメトリック利得を飽和させることにより、入力ＷＤＭ信号光が入力された場合であっても、入力ＷＤＭ信号光の各チャンネルに含まれる光信号を一括して波形整形することができる。
なお、本実施例３に示した光リミッタ・アンプ３００を種々の光伝送システムに適用することができる。図９、図１０は、光リミッタ・アンプ３００を光伝送システムに適用した場合の例を示す図である。
図９に示す例では、第１の伝送路と第２の伝送路との間に、光リミッタ・アンプ３００を設置している。このように、光リミッタ・アンプ３００を設置することにより、入力信号光は、第１の光伝送路を伝送後に光リミッタ・アンプ３００によって波形整形され、波形整形光が、第２の光伝送路を介して受信機２０に伝送される。
また、図１０に示す例では、光リミッタ・アンプ３００を受信端に配置し、波形整形した後、受信機２０が光信号を受信する例を示している。なお、図９、図１０に示した伝送路は、光アンプを中継しパワー増幅しながら光信号を増幅する場合や、伝送路ファイバの波長分散を補償するように最適設計された場合等、従来のあらゆるシステムを含むものとする。
次に、本実施例４にかかる光信号処理装置について説明する。本実施例４にかかる光信号処理装置は、非線形光学媒体への入力光、非線形光学媒体からの出力光、または偏光子からの出力光をモニタし、最適な光信号処理状態となるように（入力信号光、第１、第２の励起光のパワーＰＰを所定値以上に設定して、光パラメトリック利得が飽和するように）、非線形光学媒体の前段に配置した入力信号光および第１、第２の励起光のパワーを調節する。
また、光信号処理装置は、偏光子に入力する第１、第２の励起光の偏光状態をモニタし、最適な光信号処理状態となるように（偏光子に入力される第１、第２の励起光の偏光方向が、偏光子の主軸方向を基準として、略＋４５度（例えば、＋４２°〜＋４８°）、略−４５度（例えば、−４８°〜−４２°）となるように）、第１、第２の励起光を調整する。
このように、本実施例４にかかる光信号処理装置は、最適な光信号処理状態となるように、入力信号光、第１、第２の励起光のパワーおよび偏光状態を調整するので、歪んだ波形の整形や位相歪みをより適正に補正すると共に、累積したＡＳＥ雑音を抑制でき、高速の光信号による長距離光ファイバ伝送を実現することができる。
次に、本実施例４にかかる光信号処理装置の構成について説明する。図１１は、本実施例４にかかる光信号処理装置の構成を示す機能ブロック図である。同図に示すように、この光信号処理装置４００は、光ファイバ４１０と、偏光子４２０と、モニタ回路４３０と、比較回路４４０と、パワー制御回路４５０と、パワー制御器４６０ａ〜４６０ｃと、偏光制御回路４７０と、偏光制御器４８０ａ，４８０ｂとを備える。
このうち、光ファイバ４１０と、偏光子４２０は、図１に示した光ファイバ１１０、偏光子１２０と同様であるため説明を省略する。
モニタ回路４３０は、光ファイバ４１０への入力光、光ファイバ４１０からの出力光、または偏光子４２０からの出力光のパワーを検出すると共に、偏光子４２０に入力される第１、第２の励起光の偏光状態を検出し、検出結果を比較回路４４０に出力する処理部である。
なお、図１１に示すように、入力光が光ファイバ４１０に入力される直前の位置を第１の位置、出力光が光ファイバ４１０から出力された直後の位置を第２の位置、出力光が偏光子４２０から出力された直後の位置を第３の位置と定義する。
図１２は、モニタ回路４３０が比較回路４４０に出力する検出結果のデータ構造の一例を示す図である。同図に示すように、この検出結果には、検出位置、光信号のパワー、偏光子４２０の主軸方向を基準とした第１の励起光ＥＰ１の偏光方向、偏光子４２０の主軸方向を基準とした第２の励起光ＥＰ２の偏光方向にかかるデータ等を含んでいるものとする。
比較回路４４０は、モニタ回路４３０から検出結果を取得した場合に、理想的なパワー（光パラメトリック利得が飽和するパワー）および理想的な偏光方向と検出結果とを比較し、比較結果をパワー制御回路４５０および偏光制御回路４７０に出力する処理部である。
まず、比較回路４４０が、理想的なパワーと、検索結果とを比較する場合について説明する。比較回路４４０は、パワー比較テーブルを保持しており、かかるパワー比較テーブルと検索結果とを基にして、光信号のパワーが理想的なパワーに対して大きいか、小さいかあるいは等しいかを判定する。
図１３は、パワー比較テーブルのデータ構造の一例を示す図である。同図に示すように、このパワー比較テーブルは、検出位置とかかる検出位置における光信号の理想パワーとを備えている。例えば、第１の位置に対応する理想的なパワーは、Ｐｉ１であり、第２の位置に対応する理想的なパワーは、Ｐｉ２であり、第３の位置に対応する理想的なパワーは、Ｐｉ３である（各理想パワーＰｉ１〜Ｐｉ３は、管理者などが予め設定しておくものとする）。
比較回路４４０は、検出結果を取得した場合に、検出結果に含まれる検出位置を参照し、検出位置に対応する理想パワーと検出結果のパワーとを比較し、光信号のパワーが理想的なパワーに対して大きいか、小さいかあるいは等しいかを判定する。比較回路４４０は、判定結果をパワー制御経路４５０に出力する。
続いて、比較回路４４０が、理想的な偏光方向と、検出結果の偏光方向とを比較する場合について説明する。ここで、理想的な偏光方向とは、偏光子４２０に入力される第１の励起光ＥＰ１の偏光方向が、偏光子の主軸方向を基準として、略＋４５度（例えば、＋４２°〜＋４８°）となる偏光方向（第１の理想偏光方向）であり、偏光子４２０に入力される第２の励起光ＥＰ２の偏光方向が、偏光子の主軸方向を基準として、略−４５度（例えば、−４８°〜−４２°）となる偏光方向（第２の理想偏光方向）である。
比較回路４４０は、検出結果の第１の励起光の偏光方向と、第１の理想偏光方向とを比較し、比較結果を偏光制御回路４７０に出力する。また、比較回路４４０は、検出結果の第２の励起光の偏光方向と、第２の理想偏光方向とを比較し、比較結果を偏光制御回路４７０に出力する。
パワー制御回路４５０は、比較回路４４０の判定結果に基づいて、パワー制御器４６０ａ〜４６０ｃを制御する処理部である。具体的に、パワー制御回路４５０は、第１〜３の位置のいずれかのパワーが理想的なパワーよりも小さい旨の判定結果を取得した場合には、パワー制御器４６０ａ〜４６０ｃを制御して、入力信号光ＥＳｉｎ、第１、第２の励起光ＥＰ１、ＥＰ２のパワーを所定値上昇させる。
なお、パワー制御回路４５０は、第１〜３の位置のいずれかのパワーが理想的なパワーよりも大きいあるいは理想的なパワーに等しい旨の判定結果を取得した場合には、パワー制御器４６０ａ〜４６０ｃを制御して、入力信号光ＥＳｉｎ、第１、第２の励起光ＥＰ１、ＥＰ２のパワーを現状の値に維持させる。
パワー制御器４６０ａは、パワー制御回路４５０の制御命令に応答して、入力信号光ＥＳｉｎのパワーを調整する処理部である。パワー制御器４６０ｂは、パワー制御回路４５０の制御命令に応答して、第１の励起光ＥＰ１のパワーを調整する処理部である。パワー制御器４６０ｃは、パワー制御回路４５０の制御命令に応答して、第２の励起光ＥＰ２のパワーを調整する処理部である。
偏光制御回路４７０は、比較回路４４０の判定結果に基づいて、偏光制御器４８０ａ，４８０ｂを制御する処理部である。具体的に、偏光制御回路４７０は、第１の励起光ＥＰ１の偏光方向が、＋４５度よりも小さい場合には、第１の励起光ＥＰ１の偏光方向をプラス方向に所定角度回転させる旨の制御命令を偏光制御器４８０ａに出力する。一方、第１の励起光ＥＰ１の偏光方向が、＋４５度よりも大きい場合には、第１の励起光ＥＰ１の偏光方向をマイナス方向に所定角度回転させる旨の制御命令を偏光制御器４８０ａに出力する。
また、偏光制御回路４７０は、第２の励起光ＥＰ２の偏光方向が、−４５度よりも小さい場合には、第１の励起光ＥＰ１の偏光方向をプラス方向に所定角度回転させる旨の制御命令を偏光制御器４８０ａに出力する。一方、第２の励起光ＥＰ２の偏光方向が、−４５度よりも大きい場合には、第１の励起光ＥＰ１の偏光方向をマイナス方向に所定角度回転させる旨の制御命令を偏光制御器４８０ａに出力する。
偏光制御器４８０ａは、偏光制御回路４７０の制御命令に応答して、第１の励起光ＥＰ１の偏光方向を調整する処理部である。偏光制御器４８０ｂは、偏光制御回路４７０の制御命令に応答して、第２の励起光ＥＰ２の偏光方向を調整する処理部である。
上述してきたように、本実施例４にかかる光信号処理装置４００は、光ファイバ４１０への入力光、光ファイバ４１０からの出力光、または偏光子４２０からの出力光をモニタし、最適な光信号処理状態となるように（入力信号光、第１、第２の励起光のパワーＰＰを所定値以上に設定して、光パラメトリック利得が飽和するように）、光ファイバ４１０の前段に配置した入力信号光および第１、第２の励起光のパワーを調節すると共に、偏光子４２０に入力する第１、第２の励起光の偏光状態をモニタし、最適な光信号処理状態となるように（偏光子に入力される第１、第２の励起光の偏光方向が、偏光子の主軸方向を基準として、略＋４５度（例えば、＋４２°〜＋４８°）、略−４５度（例えば、−４８°〜−４２°）となるように）、第１、第２の励起光を調整する。本実施例により、歪んだ波形の整形や位相歪みをより適正に補正すると共に、累積したＡＳＥ雑音を抑制でき、高速の光信号による長距離光ファイバ伝送を実現することができる。
次に、本実施例５にかかる光信号処理装置について説明する。本実施例５にかかる光信号処理装置は、偏光子あるいは光ファイバの出力端に光信号の中心波長と同じ透過帯域を有する光フィルタを配置する。光パラメトリック増幅により光信号の帯域が拡大する可能性がある場合に、過剰な帯域拡大を防ぐために光フィルタにより出力信号光の帯域を制限する。
特に、図８に示したように信号光が波長多重（ＷＤＭ）されている場合には、光フィルタとして、ＷＤＭ信号光の各波の中心波長付近のみ透過するインターリーバー型の光フィルタ、各波長の中心波長間の中間付近を遮断する帯域除去フィルタを組合せた光フィルタなどを用いることが有効である。こうした複数の透過帯域を有するいわゆる櫛型光フィルタを用いることにより、出力されるＷＤＭ信号光の帯域拡大とそれによるクロストークを抑制することができる。
図１４は、本実施例５にかかる光信号処理装置５００の構成を示す図である。同図に示すように、この光信号処理装置５００は、光ファイバ５１０と、偏光子５２０と、光フィルタ５３０と、偏光制御部５４０，５５０とを備えて構成される。なお、図１４に示す例では、光フィルタ５３０は、偏光子５２０の出力端に設置されているが、光ファイバ５１０と偏光子５２０との間に設置されていてもよい。
ここで、光ファイバ５１０、偏光子５２０、偏光制御部５４０，５５０は、図１に示した光ファイバ１１０、偏光子１２０、偏光制御部１３０，１４０と同様であるため、説明を省略する。
光フィルタ５３０は、光ファイバ５１０または偏光子５２０から出力される光信号の中心波長とほぼ同じ中心透過帯域を有する光フィルタである。例えば、入力信号光ＥＳｉｎの中心波長帯域をλＳとすると、光フィルタ５３０の中心透過帯域をλＳ−Ａ〜λＳ＋Ａとする（Ａは所定値）。
なお、光信号処理装置５００が処理する入力信号光ＥＳｉｎが波長多重された光信号である場合には、光フィルタ５３０の代わりに、入力信号光ＥＳｉｎの各波の中心波長付近のみ透過するインターリーバー型の光フィルタおよび各波長の中心波長間の中心付近を遮断する帯域除去フィルタを組合せた光フィルタを用いることによって、波長多重された光信号の帯域拡大とそれによるクロストークを抑制することができる。例えば、波長多重された入力信号光ＥＳｉｎの各光波の中心波長帯域をλＩ、λＩ＋１、λＩ＋２・・・とすると、光フィルタの中心透過帯域をλＩ−Ａ〜λＩ＋Ａ、λＩ＋１−Ａ〜λＩ＋１＋Ａ、λＩ＋２−Ａ〜λＩ＋２＋Ａ、・・・とする（Ａは所定値）。
上述してきたように、本実施例５にかかる光信号処理装置５００は、偏光子５２０あるいは光ファイバ５１０の出力端に光信号の中心波長と同じ透過帯域を有する光フィルタ５３０を配置するので、光パラメトリック増幅により光信号の帯域が拡大する可能性がある場合に、光信号の過剰な帯域拡大を防ぐことができる。
ところで、本実施例１〜５において説明した各処理のうち、自動的に行われるものとして説明した処理の全部または一部を手動的に行うこともでき、あるいは、手動的に行われるものとして説明した処理の全部あるいは一部を公知の方法で自動的に行うこともできる。この他、上記文書中や図面中で示した処理手順、制御手順、具体的名称、各種のデータやパラメータを含む情報については、特記する場合を除いて任意に変更することができる。
また、本実施例１〜５に示した光信号処理装置１００〜５００の各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。すなわち、各装置の分散・統合の具体的形態は図示のものに限られず、その全部または一部を、各種の負荷や使用状況などに応じて、任意の単位で機能的または物理的に分散・統合して構成することができる。さらに、各装置にて行われる各処理機能は、その全部または任意の一部がＣＰＵおよび当該ＣＰＵにて解析実行されるプログラムにて実現され、あるいは、ワイヤードロジックによるハードウェアとして実現され得る。
以上のように、本発明にかかる光信号処理装置は、光信号を伝送する光伝送ネットワークなどに有用であり、特に、光信号の歪んだ波形の整形や位相歪みを補正すると共に、累積したＡＳＥ雑音を抑制することによって、高速の光信号による長距離光ファイバ伝送を実現させる必要がある場合に適している。
図１は、本実施例１にかかる光信号処理装置の構成を示す図である。 図２は、偏光子の主軸と第１、第２の励起光にかかる偏光方向との関係を示す図である。 図３は、光リミッタ・アンプの効果の一例を示す図である。 図４は、四光波混合（ＦＷＭ）の波長配置を示す図である。 図５は、第１、第２の励起光として入力信号光と同じ繰り返し周波数の光パルス列を用いた場合を示す図である。 図６は、第１、第２の励起光として光信号のピークを平坦な形状にしたものを用いた場合を示す図である。 図７は、本実施例２にかかる光信号処理装置の構成を示す図である。 図８は、本実施例３にかかる光リミッタ・アンプを示す図である。 図９は、光リミッタ・アンプを光伝送システムに適用した場合の例を示す図（１）である。 図１０は、光リミッタ・アンプを光伝送システムに適用した場合の例を示す図（２）である。 図１１は、本実施例４にかかる光信号処理装置の構成を示す機能ブロック図である。 図１２は、モニタ回路が比較回路に出力する検出結果のデータ構造の一例を示す図である。 図１３は、パワー比較テーブルのデータ構造の一例を示す図である。 図１４は、本実施例５にかかる光信号処理装置の構成を示す図である。
１０ 送信機
２０ 受信機
１００，２００，４００，５００ 光信号処理装置
１１０，２１０，４１０，５１０ 光ファイバ
１２０，２２０，４２０，５２０ 偏光子
１３０，１４０，２３０，２４０，５４０，５５０ 偏光制御部
３００ 光リミッタ・アンプ
４３０ モニタ回路
４４０ 比較回路
４５０ パワー制御回路
４６０ａ，４６０ｂ，４６０ｃ パワー制御器
４７０ 偏光制御回路
４８０ａ，４８０ｂ 偏光制御器
５３０ 光フィルタ

Claims (10)

  1. 光信号および励起光を非線形光学媒体に入力して前記光信号を増幅する光信号処理装置であって、
    前記非線形光学媒体の出力端に配置された偏光子と、
    前記非線形光学媒体に入力する所定の波長の第１の励起光と所定の波長の第２の励起光の偏光状態を調整する励起光調整手段とを備え、
    前記励起光調整手段は、前記偏光子の偏光主軸を基準とした前記第１の励起光の偏光方向の角度が所定の範囲内の角度となり、前記偏光子の前記偏光主軸を基準とした前記第２の励起光の角度が所定の範囲内の角度となるように前記第１の励起光および前記第２の励起光の偏光状態を調整して、前記第１の励起光の偏光方向と前記第２の励起光の偏光方向とを直交させること
    を特徴とする光信号処理装置。
  2. 前記光信号、前記第１の励起光および前記第２の励起光のパワーを所定値以上に調整することにより前記非線形光学媒体の光増幅の利得を飽和させるパワー調整手段を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
  3. 前記パワー調整手段は、前記非線形光学媒体に入力される入力光のパワーあるいは、前記非線形光学媒体から出力される出力光のパワーあるいは、前記偏光子から出力される出力光のパワーがあらかじめ設定された設定値となるように前記光信号、前記第１の励起光および前記第２の励起光のパワーを調整することを特徴とする請求項２に記載の光信号処理装置。
  4. 前記励起光調整手段は、前記偏光子に入力される前記第１の励起光と前記第２の励起光との偏光状態を抽出し、抽出した偏光状態が予め設定された偏光状態となるように前記第１の励起光および前記第２の励起光の偏光方向を調整することを特徴とする請求項３に記載の光信号処理装置。
  5. 前記信号光は、波長多重された光信号であることを特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
  6. 前記第１の励起光および前記第２の励起光は、所定の繰り返し周波数の光パルス列であることを特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
  7. 前記第１の励起光および前記第２の励起光は、ピークが平坦な光パルス列であることを特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
  8. 前記第１の励起光および前記第２の励起光は、光信号の変調速度に比べて所定値以上高い繰り返し周波数の光パルス列であることを特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
  9. 前記非線形光学媒体または前記偏光子から出力される光信号の中心波長を基準とした所定範囲の波長を透過する中心透過帯域を有する光フィルタを配置して、前記光信号の中心波長付近の成分を選択的に透過させることを特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
  10. 前記非線形光学媒体または前記偏光子から出力される波長多重された光信号に含まれる各光波の中心波長を基準とした所定範囲の波長を透過する中心透過帯域を有する光フィルタを配置して、前記光波の中心波長付近の成分を選択的に透過させることを特徴とする請求項５に記載の光信号処理装置。
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