JP5347333B2 - 光信号処理装置 - Google Patents
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Description
(1)正常分散ファイバおよび異常分散ファイバを交互に配置した伝送路
(2)分散補償ファイバ等の波長分散補償器
(3)受信した光信号を電気信号に変換したのち、電気的な信号処理を行う構成
現在までに、光アンプを用いて伝送損失を補償しながら大陸間で10Gb/sのデータ伝送を行う光ファイバ伝送システムが開発されている。そして、より高速な長距離データ伝送(例えば、40Gb/s、160Gb/s)の開発、およびフォトニックネットワークに拡張可能なシステム余裕を与える方式の開発が進められている。
図1は、実施形態の光信号処理装置に関連する光波形整形装置の基本構成を示す図である。なお、この関連技術は、例えば、上述した特許文献2にも記載されている。
ωp −ωI =ωs −ωp ≠0
ここで、例えば非線形光学媒質1として光ファイバを用いる場合において、光ファイバの長さを「L」、その損失を「α」とする。また、光ファイバにおいて、すべての光波の偏光状態が等しいものとし、励起光の入力パワーPpは、信号光のパワーおよびアイドラ光のパワーと比べて十分に大きいものと仮定する。一例として、励起光の波長λpを光ファイバの零分散波長λ0に調整する場合には、光ファイバから出力される信号光は、近似的に、下記(1)式に示す利得Gsを得る。
は、相互作用長を表す。「γ」は、三次非線形定数を表す。「n2」および「Aeff」は、それぞれ、光ファイバ内の非線形屈折率および有効コア断面積を表す。
上述した(1)〜(3)式に示すように、光パラメトリック利得Gs は、非線形定数、励起光の入力パワー、相互作用長の積の大きさに対して非線形的に変化する。特に、線形の位相整合条件(λp=λ0)が成り立つ場合には、(1)式に示したように、Gs は上記積の大きさの二乗に比例する。ここで、光パラメトリック効果の発生効率は、相互作用する光波の偏光状態に強く依存する。具体的には、光ファイバに入力される光波の偏光状態が互いに同じであるときに四光波混合の発生効率が最大となり、光波の偏光状態が互いに直交している場合には四光波混合はほとんど発生しない。したがって、励起光の入力パワーが十分に大きいときは、信号光は、励起光と同じ偏光方向に選択的に光パラメトリック増幅される。
実施形態の光信号処理装置は、互いに波長の異なる信号光、励起光、制御光が入力される非線形光学媒質と、非線形光学媒質の入力側に設けられ、その非線形光学媒質において所定の利得が得られるように励起光のパワーを制御する第1のパワー制御器と、非線形光学媒質の入力側に設けられ、その非線形光学媒質において励起光による利得が飽和するように制御光のパワーを制御する第2のパワー制御器を備える。
図3は、実施形態の光信号処理装置の基本構成を示す図である。図3において、非線形光学媒質1には、信号光Es、励起光Ep、制御光EContが入力される。非線形光学媒質1に入力される信号光、励起光、制御光の波長は、それぞれ「λs」「λp」「λCont」である。信号光、励起光、制御光の波長は、互いに異なっている。また、信号光、励起光、制御光の入力パワーは、それぞれ「PSin」「Pp」「PCont」である。
PSout =G・PSin
ここで、利得Gを1よりも大きくすれば、信号光のパワーは増幅される。例えば、非線形光学媒質1として光ファイバを用い、その光ファイバの長さおよび励起光のパワーPpを調整することにより、十分に大きな利得Gを得ることが可能である。このとき、この利得Gを飽和させることにより、非線形光学媒質1の出力パワーを一定にする(或いは、パワー変動を抑制する)光リミッタ・アンプが実現される。そして、この光リミッタ・アンプにより、例えば、強度雑音を抑圧する波形整形が可能となる。なお、光ファイバ内の光パラメトリック増幅の応答時間は、超高速(フェムト秒オーダー)であり、テラビットを超える超高速信号の波形整形が期待できる。
光のアイドラ光(波長:λI-Cont)が生成される。なお、励起光の周波数ωp、信号光の周波数ωs、信号光のアイドラ光の周波数ωI、制御光の周波数ωCont、制御光のアイドラ光の周波数ωI-Contは、下記の関係を満足する。
ωp −ωI =ωs −ωp ≠0
ωp −ωI-Cont =ωCont −ωp ≠0
制御光のパワーは、例えば、励起光のパワーの10パーセントから同等程度であり、励起光による光ファイバの利得が飽和するように制御される。信号光のパワーは、励起光と比較して小さい。
図9は、第1の実施例に係る光信号処理装置の構成を示す図である。第1の実施例においては、非線形光学媒質として、光ファイバ11を使用する。光ファイバ11は、非線形光ファイバである。
光のピークパワーに依存する。このため、十分な利得を確保するためには、十分に増幅された励起光を光ファイバ11に入力するようにしてもよい。また、誘導ブリルアン散乱(SBS)が生じる場合には、入力した励起光は反射されてしまい、光パラメトリック増幅の発生が制限されてしまう。誘導ブリルアン散乱は、励起光のスペクトルを拡大することで抑圧することができる。励起光のスペクトルの拡大は、例えば、信号光により伝送される信号と比べて周波数の低い位相変調や周波数変調を行うことにより実現される。
実施形態の光信号処理装置は、入力信号光の偏光状態に依存することなく動作することが好ましい。第2の実施例は、この課題を解決することができる。
直線偏光に制御される。この構成においては、制御光EContは、p偏光励起光およびs偏光励起光により均等に利得を受けることになる。
図11に示す例では、互いに直行する1組の励起光EP1、EP2を用いて偏光依存性を回避する構成を示したが、図12(a)に示すように、ほぼ同一の特性を有する光ファイバ12、13を直列に設けるようにしてもよい。この場合、例えば、励起光EP1は光ファイバ12に入力される。そして、光ファイバ12においてp偏光成分が処理される。一方、励起光EP2は、光ファイバ13に入力される。そして、光ファイバ13においてs偏光成分が処理される。なお、2つの光ファイバ12、13の間に、信号光以外の波長成分を遮断するする光フィルタ、および信号光と励起光EP2を合波する合波器を配置するようにしてもよい。
信号光のあらゆる偏光状態に対して十分な利得飽和を発生させるためには、上述した1組の互いに直交する励起光に加え、さらに別方向の偏光状態の互いに直交する1組の励起光を用いるようにしてもよい。図12(b)に、上述した励起光EP1、EP2に対して45度の偏光方向を有する第2の1組の励起光EP3、EP4を用いる構成を示す。例えば、1組の励起光EP1、EP2を用いる場合には、これらの励起光の偏光方向に対して、45度の偏光方向の信号に対する利得飽和が相対的に甘くなるが、本実施例のようにさらに第2の1組の励起光EP3、EP4を用いることにより、こうした偏光方向の信号光に対しても十分な利得飽和を実現可能である。さらに別な偏光状態の励起光を用意すれば、あらゆる信号光に対して、より十分な利得飽和を実現可能である。
なお、上記2つの応用例を用いて、偏光依存性のない線形の光パラメトリック増幅や四光波混合、三光波混合、波長変換、光位相共役等を実現可能である。この場合には、制御光は不要である。
第3の実施例は、第2の実施例の変形例である。第2の実施例では、図13に示すように、1組の励起光EP1、EP2および1組の制御光ECont1、ECont2を使用する。制御光ECont1の波長およびパワーは、「λCont1」「PCont1」である。また、制御光ECont2の波長およびパワーは、「λCont2」「PCont2」である。なお、制御光ECont1、ECont2の波長は、互いに異なが、共に信号光に対して十分な利得飽和を発生するように設定する。また、制御光ECont1、ECont2のパワーは、互いに同じまたはほぼ同じである。
第4の実施例では、図14に示すように、光信号処理装置41に、複数の信号が波長多重(WDM)された信号光が入力される。光信号処理装置41は、例えば、第1〜第3の実施例に記載した通りである。
けることなく、光信号の強度雑音が抑制され、その光信号の波形が整形される。したがって、実施形態の光信号処理装置においては、WDM光をチャネル毎に分離することなく、WDM光をそのまま入力するだけで、各光信号の波形を整形することができる。なお、WDM信号光内のある1つの波長、あるいは複数の波長を、上述した制御光として使用することも可能である。この場合、例えば、波形整形する必要のないチャンネルが制御光として利用される。
利得飽和は、WDM信号光の全てのチャンネルの同一タイミングでのピークパワーの総和に依存する。したがって、全ての信号に対して平均的に利得飽和を発生するために、同一タイミングでのピークパワーの総和を平均化することが有効である。図15に、光ファイバを分割し、それらの間において波長毎に異なる遅延を与える実施例を示す。波長の異なる信号光に対して異なる遅延を与える構成は、例えば、波長分散媒質を用いることで実現される。一例としては、分散ファイバにより実現される。例えば、10nm離調した2チャンネルの100Gb/s−WDM信号であれば、2つのチャンネル間に5psだけ遅延を与えれば平均化できる。この場合、例えば、波長分散が20ps/nm/km程度の光ファイバを25m程度用いればよい。
実施形態の光信号処理装置においては、光ファイバ11内での増幅過程で信号光の位相は影響を受けない。このため、上述の波形整形方法は、光強度変調、光位相変調、または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。
第6の実施例では、実施形態の光信号処理装置は、光通信システムにおいて使用される。図16(a)に示す実施例では、光信号処理装置41は、送信機51と受信機52との間の光伝送路上に設けられている。この場合、光信号処理装置41は、例えば、光中継装置内に設けられる。そして、光信号処理装置41は、光伝送路Aから受信した光信号の波形を整形して光伝送路Bに導く。なお、光伝送路A、Bは、光アンプを利用してパワー増幅しながら伝送する構成、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構成等であってもよい。
図17は、フィードバック系を備える光信号処理装置の構成を示す図である。なお、非線形光学媒質1は、2次または3次の非線形光学媒質(χ(2) /χ(3) )であり、例えば、上述した光ファイバ11により実現される。
ば、信号光の波長と同じ透過周波数を持った光波長フィルタであり、非線形光学媒質1の後段に設けられる。この光帯域フィルタは、非線形光学媒質1の出力光から信号光の波長成分を抽出する。
まず、偏光制御器61p、61cの状態を調整する。ここで、励起光および制御光の偏光状態は、非線形光学媒質1において効率よく非線形光学効果が発生するように調整される。なお、非線形光学効果(特に、四光波混合)は、励起光および制御光の偏光状態が互いに同じ場合に最も効率よく発生する。よって、偏光制御器61p、61cは、励起光および制御光の偏光状態が互いに一致するように制御を行うようにしてもよい。ただし、本発明はこの構成に限定されるものではなく、励起光および制御光の偏光方向が互いに所定の角度だけ異なる偏光方向に制御してもよい。
第8の実施例では、デジタル信号処理を利用して性能の向上が図られる。図18(a)に示す構成では、上述の光信号処理装置41の後段に、O/E変換器71、A/D変換器72、デジタル信号処理プロセッサ(DSP)73を備える。O/E変換器71は、光信号処理装置41によって波形が整形され且つ強度雑音が抑制された光信号を電気信号に変換する。A/D変換器72は、O/E変換器71から出力される信号をデジタル信号に変換する。DSP73は、例えば、誤り訂正符号を用いた処理(FEC)、受信信号を量子符号推定する処理、最尤系列推定(MLSE:Maximum Likelihood Sequence Estimation)などを実行する。このとき、DSP73は、受信信号を量子符号化し、計算機シミュレ
ーションとの併用しながら逐次近似的に推定する方法等をあわせて実行するようにしてもよい。
実施形態の光信号処理装置は、ラマン増幅器にも適用可能である。ラマン増幅は、よく知られているように、励起光の波長よりも約100nmだけ波長の長い領域に利得が得られる。そして、この利得領域に信号光(または、WDM信号光)が配置される。したがって、このラマン増幅器を光リミッタ・アンプとして使用する場合には、利得領域内またはその利得領域の近傍に制御光を配置する。そして、ラマン利得が飽和するように、その制御光のパワーが調整される。この構成によっても、強度雑音が抑圧され、光信号の波形が整形される。
(付記1)
互いに波長の異なる信号光、励起光、制御光が入力される非線形光学媒質と、
前記非線形光学媒質の入力側に設けられ、前記非線形光学媒質において所定の利得が得られるように前記励起光のパワーを制御する第1のパワー制御器と、
前記非線形光学媒質の入力側に設けられ、前記非線形光学媒質において前記励起光による利得が飽和するように前記制御光のパワーを制御する第2のパワー制御器、
を備える光信号処理装置。
(付記2)
付記1に記載の光信号処理装置であって、
前記非線形光学媒質へ入力される前記信号光の入力パワーおよび前記非線形光学媒質から出力される前記信号光の出力パワーをモニタするモニタ手段をさらに備え、
前記第2のパワー制御器は、前記信号光の入力パワーおよび出力パワーから算出される前記非線形光学媒質における利得が低下するまで前記制御光のパワーを高める
ことを特徴とする光信号処理装置。
(付記3)
付記1に記載の光信号処理装置であって、
前記信号光は、複数の光信号を伝送するWDM光である
ことを特徴とする光信号処理装置。
(付記4)
付記3に記載の光信号処理装置であって、
前記非線形光学媒質の出力側に設けられ、前記WDM光の波長帯を透過させる光フィルタをさらに備える
ことを特徴とする光信号処理装置。
(付記5)
付記1に記載の光信号処理装置であって、
前記励起光は、前記信号光によって伝送される信号よりも狭いパルス幅の光パルス列である
ことを特徴とする光信号処理装置。
(付記6)
付記1に記載の光信号処理装置であって、
前記制御光は、前記信号光によって伝送される信号よりも狭いパルス幅の光パルス列である
ことを特徴とする光信号処理装置。
(付記7)
付記1に記載の光信号処理装置であって、
前記非線形光学媒質は、光ファイバであり、前記励起光による四光波混合により前記信号光を増幅する
ことを特徴とする光信号処理装置。
(付記8)
付記1に記載の光信号処理装置であって、
前記非線形光学媒質は、平均零分散波長が前記励起光の波長と一致または略一致する光ファイバである
ことを特徴とする光信号処理装置。
(付記9)
付記1に記載の光信号処理装置であって、
前記非線形光学媒質は、モードフィールドの小さな高非線形光ファイバである
ことを特徴とする光信号処理装置。
(付記10)
付記1に記載の光信号処理装置であって、
前記非線形光学媒質は、そのコアにゲルマニウム、ビスマス、またはガルコゲナイトがドープされた高非線形光ファイバである
ことを特徴とする光信号処理装置。
(付記11)
付記1に記載の光信号処理装置であって、
前記非線形光学媒質は、フォトニック結晶ファイバである
ことを特徴とする光信号処理装置。
(付記12)
付記1に記載の光信号処理装置であって、
前記非線形光学媒質は、擬似位相整合構造を有するLiNbO3導波路である
ことを特徴とする光信号処理装置。
(付記13)
付記1に記載の光信号処理装置であって、
前記励起光として、互いに直交する1組の直線偏光を生成する偏光制御手段をさらに備える
ことを特徴とする光信号処理装置。
(付記14)
付記13に記載の光信号処理装置であって、
前記制御光は、前記1組の直線偏光に対して45度の直線偏光である
ことを特徴とする光信号処理装置。
(付記15)
付記1に記載の光信号処理装置であって、
前記励起光として、互いに直交する1組の直線偏光励起光を生成する第1の偏光制御手段と、
前記制御光として、前記第1の偏光制御手段により得られる1組の直線偏光励起光と同じ偏光状態の1組の直線偏光制御光を生成する第2の偏光制御手段をさらに備える
ことを特徴とする光信号処理装置。
(付記16)
付記1に記載の光信号処理装置であって、
前記非線形光学媒質の前段または後段に過飽和吸収媒質をさらに備える
ことを特徴とする光信号処理装置。
(付記17)
付記1に記載の光信号処理装置であって、
前記励起光として互いに直交する1組の直線偏光を生成する偏光制御手段をさらに備え、
前記非線形光学媒質は、第1および第2の光ファイバを含み、
第1の励起光を前記第1の光ファイバに入力し、第2の励起光を前記第2の光ファイバに入力することを特徴とする光信号処理装置。
(付記18)
付記17に記載の光信号処理装置であって、
前記第1の光ファイバの出力端に、信号光成分を抽出する光フィルタ、および抽出した信号光と前記第2の励起光とを合波する合波器を配置することを特徴とする光信号処理装置。
(付記19)
付記1に記載の光信号処理装置であって、
前記励起光として互いに45度の偏光関係を有する2組の互いに直交する直線偏光を生成する偏光制御手段をさらに備え、
前記非線形光学媒質は、4つの光ファイバを含み、
1組目の励起光を第1および第2の光ファイバに順次入力し、2組目の励起光を第3および第4の光ファイバに順次入力することを特徴とする光信号処理装置。
(付記20)
付記19に記載の光信号処理装置であって、
前記第1に光ファイバ、第2の光ファイバ、および第3の光ファイバの出力端に、それぞれ、信号光成分を抽出する光フィルタ、および抽出した信号光と対応する励起光とを合波する合波器を配置することを特徴とする光信号処理装置。
(付記21)
付記3に記載の光信号処理装置であって、
前記非線形光学媒質は2つの光ファイバを含み、
前記2つの光ファイバの間において波長毎に異なる遅延を与えることを特徴とする光信号処理装置。
(付記22)
光ファイバ伝送路を含む光通信システムにおいて使用される光中継装置であって、
第1の光ファイバ伝送路を介して伝送される信号光が入力される付記1に記載の光信号処理装置を備え、
前記光信号処理装置から出力される信号光が第2の光ファイバ伝送路に導かれることを特徴とする光中継装置。
(付記23)
光ファイバ伝送路を含む光通信システムにおいて使用される光受信装置であって、
付記1に記載の光信号処理装置と、
前記光信号処理装置から出力される信号光を受光する受光器、
を備える光受信装置。
(付記24)
付記1に記載の光信号処理装置であって、
前記非線形光学媒質へ入力される前記励起光または制御光の少なくとも一方の偏光状態をモニタする偏光モニタ手段と、
前記偏光モニタ手段によるモニタ結果に応じて前記励起光または制御光の少なくとも一方の偏光状態を制御する偏光制御手段、をさらに備える
ことを特徴とする光信号処理装置。
(付記25)
付記1に記載の光信号処理装置であって、
前記非線形光学媒質から出力される信号光を電気信号に変換する受光器と、
前記電気信号をデジタル信号に変換するA/D変換器と、
前記デジタル信号を用いて送信信号を再生する復調器、をさらに備える
ことを特徴とする光信号処理装置。
(付記26)
非線形光学媒質に互いに波長の異なる信号光、励起光、制御光を入力し、
前記非線形光学媒質へ入力される前記信号光の入力パワーおよび前記非線形光学媒質から出力される前記信号光の出力パワーに基づいて前記励起光による利得をモニタし、
所望の利得を得るために、前記非線形光学媒質の前段において、前記励起光のパワーを制御し、
前記利得が飽和するように前記制御光のパワーを制御する
ことを特徴とする光信号処理方法。
11〜13 光ファイバ
21 励起光生成部
22 制御光生成部
31〜35 偏光制御器
41 光信号処理装置
51 送信機
52 受信機
63s、63p、63c パワー制御器
65 モニタ回路
66 比較回路
73 デジタル信号処理プロセッサ(DSP)
Claims (14)
- 互いに波長の異なる信号光、励起光、制御光が入力される非線形光学媒質と、
前記非線形光学媒質の入力側に設けられ、前記非線形光学媒質において所定の利得が得られるように前記励起光のパワーを制御する第1のパワー制御器と、
前記非線形光学媒質の入力側に設けられ、前記非線形光学媒質において前記励起光による利得が飽和するように前記制御光のパワーを制御する第2のパワー制御器と、
前記非線形光学媒質へ入力される前記信号光の入力パワーおよび前記非線形光学媒質から出力される前記信号光の出力パワーをモニタするモニタ手段と、を有し、
前記第2のパワー制御器は、前記信号光の入力パワーおよび出力パワーから算出される前記非線形光学媒質における利得が所定レベルだけ低下するまで前記制御光のパワーを高める
ことを特徴とする光信号処理装置。 - 請求項1に記載の光信号処理装置であって、
前記信号光は、複数の光信号を伝送するWDM光である
ことを特徴とする光信号処理装置。 - 請求項1に記載の光信号処理装置であって、
前記制御光は、前記信号光によって伝送される信号よりも狭いパルス幅の光パルス列である
ことを特徴とする光信号処理装置。 - 請求項1に記載の光信号処理装置であって、
前記非線形光学媒質は、平均零分散波長が前記励起光の波長と一致または略一致する光ファイバである
ことを特徴とする光信号処理装置。 - 請求項1に記載の光信号処理装置であって、
前記励起光として、互いに直交する1組の直線偏光を生成する偏光制御手段をさらに備える
ことを特徴とする光信号処理装置。 - 請求項5に記載の光信号処理装置であって、
前記制御光は、前記1組の直線偏光に対して45度の直線偏光である
ことを特徴とする光信号処理装置。 - 請求項1に記載の光信号処理装置であって、
前記励起光として、互いに直交する1組の直線偏光励起光を生成する第1の偏光制御手段と、
前記制御光として、前記第1の偏光制御手段により得られる1組の直線偏光励起光と同じ偏光状態の1組の直線偏光制御光を生成する第2の偏光制御手段をさらに備える
ことを特徴とする光信号処理装置。 - 請求項1に記載の光信号処理装置であって、
前記励起光として互いに直交する1組の直線偏光を生成する偏光制御手段をさらに備え、
前記非線形光学媒質は、第1および第2の光ファイバを含み、
第1の励起光を前記第1の光ファイバに入力し、第2の励起光を前記第2の光ファイバに入力することを特徴とする光信号処理装置。 - 請求項8に記載の光信号処理装置であって、
前記第1の光ファイバの出力端に、信号光成分を抽出する光フィルタ、および抽出した信号光と前記第2の励起光とを合波する合波器を配置することを特徴とする光信号処理装置。 - 請求項1に記載の光信号処理装置であって、
前記励起光として互いに45度の偏光関係を有する2組の互いに直交する直線偏光を生成する偏光制御手段をさらに備え、
前記非線形光学媒質は、4つの光ファイバを含み、
1組目の励起光を第1および第2の光ファイバに順次入力し、2組目の励起光を第3および第4の光ファイバに順次入力することを特徴とする光信号処理装置。 - 請求項10に記載の光信号処理装置であって、
前記第1に光ファイバ、第2の光ファイバ、および第3の光ファイバの出力端に、それぞれ、信号光成分を抽出する光フィルタ、および抽出した信号光と対応する励起光とを合波する合波器を配置することを特徴とする光信号処理装置。 - 請求項2に記載の光信号処理装置であって、
前記非線形光学媒質は2つの光ファイバを含み、
前記2つの光ファイバの間において波長毎に異なる遅延を与えることを特徴とする光信号処理装置。 - 請求項1に記載の光信号処理装置であって、
前記非線形光学媒質へ入力される前記励起光または制御光の少なくとも一方の偏光状態をモニタする偏光モニタ手段と、
前記偏光モニタ手段によるモニタ結果に応じて前記励起光または制御光の少なくとも一方の偏光状態を制御する偏光制御手段、をさらに備える
ことを特徴とする光信号処理装置。 - 非線形光学媒質に互いに波長の異なる信号光、励起光、制御光を入力し、
前記非線形光学媒質へ入力される前記信号光の入力パワーおよび前記非線形光学媒質から出力される前記信号光の出力パワーに基づいて前記励起光による利得をモニタし、
所望の利得を得るために、前記非線形光学媒質の前段において、前記励起光のパワーを制御し、
前記非線形光学媒質における利得が飽和するように前記利得が所定レベルだけ低下するまで前記制御光のパワーを高める
ことを特徴とする光信号処理方法。
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