JP5416042B2 - 光信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、光信号処理装置に関し、より詳細には、多値位相変調された光信号の位相を判別するための光信号処理装置に関する。

光通信システムのさらなる大容量化に向けて、スペクトル利用効率の高い伝送フォーマットの検討が盛んにおこなわれている。このような伝送フォーマットには、光の位相に情報を付与するＰＳＫ（Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）や光の振幅に情報を付与するＡＳＫ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）、あるいは位相および振幅の両者に情報を付与するＱＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）などがある。このうち差動で位相を変調するＤＰＳＫ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）やＤＱＰＳＫ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）はすでに実用化が進んでおり、差動を用いないＱＰＳＫ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）も実用化目前にある。さらにスペクトル利用効率の高い（Ｄ）８ＰＳＫ、１６ＱＡＭなども盛んに検討されている状況にある。

２値の位相変調であるＤＰＳＫ、あるいは４値の位相変調であるＤＱＰＳＫを復調ではＤＬＩ（Ｄｅｌａｙ Ｌｉｎｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）を用いて直接バイナリ信号を取り出すことができる。しかしながらＤ８ＰＳＫなどさらに多値の光信号を復調するためには、従来、ＤＬＩに加えてＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を用いることが必要であった。Ｄ８ＰＳＫ光信号を復調するための従来の光信号処理装置の構成を図１に示す（非特許文献１参照）。

従来の光信号処理装置は、入力用光ポート１０１と、１×３光カプラ１０２と、遅延干渉計１０３ａ及び１０３ｂと、バランス検波器１０４ａ及び１０４ｂと、検波器１０５と、電気アンプ１０６ａ、１０６ｂ及び１０６ｃと、アナログデジタル変換器１０７ａ、１０７ｂ及び１０７ｃと、デジタルシグナルプロセッサ１０８から構成されている。この構成により、光の振幅および差動位相情報をバランス検波器１０４ａ及び１０４ｂで取得し、また光強度情報を検波器１０５で取得し、これらのデータをアナログデジタル変換器１０７ａ、１０７ｂ及び１０７ｃでデジタルデータに変換してデジタルシグナルプロセッサ108で処理することにより、多値の光信号を復調する構成になっている。

また、従来の光信号処理装置の第２の例を図２に示す。光入力用ポート１０１ａ及び１０１ｂと、偏波多重光ハイブリッド１０９と、バランス検波器１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ及び１０４ｄと、電気アンプ１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ及び１０６ｄと、アナログデジタル変換器１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ及び１０７ｄと、デジタルシグナルプロセッサ１０８から構成されている。ここで、偏波多重光ハイブリッド１０９は、偏波分離器１１０ａ及び１１０ｂと、９０℃光ハイブリッド１１１ａ及び１１１ｂから構成されている。このような構成で、光入力用ポート１０１ａに信号光を入力し、光入力用ポート１０１ｂに局発光を入力して、バランス検波器１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ及び１０４ｄで光の変更、振幅、位相情報を取得してデジタルシグナルプロセッサ１０８で処理することにより、多値の光信号を復調する構成になっている。

N. Kikuchi, K. Mandai, K. Sekine, S. Sasaki, ‘‘Incoherent 32-level optical multilevel signaling technologies’’, J. Lightwave Circuit, vol. 26, no. 1, pp. 150-157, 2008.

従来の光信号処理装置では高速のＡＤＣを用いる必要があった。しかしながら、高速のＡＤＣでビット数を増加させることは難しい問題があった。また、高速のＡＤＣは消費電力が大きいため、光信号処理装置全体の消費電力を増大させる問題があり、この消費電力は小さなＡＤＣチップで発生するために光信号処理装置の熱マネージメントが難しい問題もあった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、多値位相変調された光信号の光信号処理装置をＡＤＣを用いずに提供し、消費電力を抑えつつ、高速動作かつ高分解能の光信号処理装置を実現することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、光入力用ポートと、第１段から第Ｎ段（Ｎは２以上の整数）まで、この順で縦続に接続されたＮ段の光位相受信手段とを備える光信号処理装置であって、第１段の光位相受信手段は、前記入力用光ポートに入力された光信号をタップ出力とメイン出力に分岐する第１の光タップ手段と、前記第１の光タップ手段のタップ出力に光学的に接続された第１の光位相判別手段とを備え、第ｉ段の光位相受信手段（ｉを２から（Ｎ−１）までの整数とし、Ｎ＝２のときは空集合とする。）は、第（ｉ−１）の光タップ手段のメイン出力に光学的に接続された、光周波数および光位相を夫々逓倍する第（ｉ−１）の光周波数逓倍手段と、前記第（ｉ−１）の光周波数逓倍手段の出力をタップ出力とメイン出力に分岐する第ｉの光タップ手段と、前記第ｉの光タップ手段のタップ出力に光学的に接続された第ｉの光位相判別手段とを備え、第Ｎ段の光位相受信手段は、第(Ｎ−１)の光タップ手段のメイン出力に光学的に接続された光周波数および光位相を夫々逓倍する第(Ｎ−１)の光周波数逓倍手段と、前記第（Ｎ−１）の光周波数逓倍手段の出力に光学的に接続された第Ｎの光位相判別手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記第１から第（Ｎ−１）の光周波数逓倍手段のうちの少なくとも１つの光周波数逓倍手段が、光非線形導波路による第Ｍ次高調波発生（Ｍは２以上の整数）を利用するものであり、前記少なくとも１つの光周波数逓倍手段と同じ段の各光位相判別手段は、２π/Ｍの分解能で位相を判別する光位相判別手段であることを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様において、前記第１から第（Ｎ−１）の光周波数逓倍手段のうちの少なくとも１つの光周波数逓倍手段が、光非線形導波路による第Ｍ次高調波発生（Ｍは２以上の整数）を利用するものであり、前記少なくとも１つの光周波数逓倍手段の前記非線形導波路に前記入射された光信号と異なる光周波数のポンプ光を入射するポンプ光源と、前記非線形導波路における差周波発生を経た光信号から、前記入射された光信号の光周波数および前記ポンプ光の光周波数の成分を除去するフィルタとをさらに備えることにより、光周波数を変換することを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、第１乃至第３のいずれかの態様において、光位相判別手段が、マッハツェンダ干渉計と、前記マッハツェンダ干渉計の出力に光学的に接続されたバランス検波器とを備えることを特徴とする。

また、本発明の第５の態様は、第１乃至第３のいずれかの態様において、光位相判別手段が、９０度光ハイブリッド回路と、前記９０度光ハイブリッド回路の出力に光学的に接続されたバランス検波器であることを特徴とする。

また、本発明の第６の態様は、第３の態様において、前記少なくとも１つの光周波数逓倍手段が、前記光非線形導波路による第二次高調波発生を利用する光周波数二倍手段であることを特徴とする。

また、本発明の第７の態様は、第２乃至第６のいずれかの態様において、前記光非線形導波路が、周期分極反転されたニオブ酸リチウム上に設けられた光導波路であることを特徴とする。

また、本発明の第８の態様は、第１乃至第７のいずれかの態様において、前記光周波数逓倍手段が、少なくとも２つの入力ポートおよび少なくとも１つの出力ポートを有する波長合波器と、前記波長合波器の出力ポートに光学的に接続された光非線形導波路と、前記光非線形導波路の出力に光学的に接続された、少なくとも１つの入力ポートおよび少なくとも１つの出力ポートを有する波長分波器とを備えることを特徴とする。

また、本発明の第９の態様は、第１乃至第７のいずれかの態様において、前記光周波数逓倍手段が、少なくとも２つの入力ポートおよび少なくとも１つの出力ポートを有する波長合波器と、前記波長合波器の出力ポートに光学的に接続された１入力２出力の偏波分離器と、前記偏波分離器の一方の出力に光学的に接続された第１の偏波変換素子と、前記偏波分離器の他方の出力と前記第１の偏波変換素子の出力に夫々光学的に接続された２本の光非線形導波路と、前記２本の光非線形導波路の一方の出力に光学的に接続された第２の偏波変換素子と、前記２本の光非線形導波路の他方の出力と前記第2の偏波変換素子の出力に夫々光学的に接続された２入力１出力の偏波合流器と、前記偏波合流器の出力に光学的に接続された、少なくとも１つの入力ポートおよび少なくとも３つの出力ポートを有する波長分波器とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、光周波数および光位相を逓倍する光周波数逓倍手段を縦続に接続することにより、簡便で消費電力の小さな光信号処理装置を提供できる。

従来の光信号処理装置を表す図である。 従来の光信号処理装置の第２の例を表す図である。 第１の実施形態に係る光信号処理装置の構成を表す図である。 第１の実施形態の光周波数二倍手段の第１の実現例を表す図である。 第１の実施形態の光周波数二倍手段の第２の実現例を表す図である。 第１の実施形態の光周波数二倍手段の第３の実現例を表す図である。 第１の実施形態の光位相判別手段の実現例を表す図である。 第２の実施形態に係る光信号処理装置の構成を表す図である。 第２の実施形態の光周波数四倍手段の実現例を表す図である。 第２の実施形態の位相判別手段の第１の実現例を表す図である。 第２の実施形態の位相判別手段の第２の実現例を表す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図３に、第１の実施形態に係る光信号処理装置の構成を示す。第１の実施形態に係る光信号処理装置は、光入力用ポート１と、光入力用ポート１に縦続に接続された四段の光位相受信手段５ａ、５ｂ、５ｃ及び５ｄとを備える。第１段の光位相受信手段５ａは、メイン出力およびタップ出力を有する光タップ手段２ａと、光タップ手段２ａのタップ出力に光学的に接続された光位相判別手段４ａとを備える。光タップ手段２ａは、光信号をそのタップ出力とメイン出力に分岐する。第２段の光位相受信手段５ｂは、光周波数二倍手段３ａと、光周波数二倍手段３ａの出力に光学的に接続された、メイン出力およびタップ出力を有する光タップ手段２ｂと、光タップ手段２ｂのタップ出力に光学的に接続された光位相判別手段４ｂとを備える。第３段の光位相受信手段５ｃは、光周波数二倍手段３ｂと、光周波数二倍手段３ｂの出力に光学的に接続された、メイン出力およびタップ出力を有する光タップ手段２ｃと、光タップ手段２ｃのタップ出力に光学的に接続された光位相判別手段４ｃから構成されている。最終段の第４段の光位相受信手段５ｄは、光周波数二倍手段３ｃと、光周波数二倍手段３ｃの出力に光学的に接続された光位相判別手段４ｄとを備える。

ここで光タップ手段２ａ、２ｂ及び２ｃとしては、光ファイバ型カプラや導波路型カプラなどを用いて実現することができる。また光タップ手段２ａ、２ｂ及び２ｃの分岐比としては、光位相判別手段４ａ、４ｂ及び４ｃの受光感度が許す範囲で小さくするほうが、特に光周波数二倍手段３ａ、３ｂ及び３ｃとして光非線形材料を用いる場合などを考えると好ましい。

また、上記の本発明の第１の実施形態では光位相受信手段の段数を４としたが、本発明はこの例に限定されるものではもちろんなく、段数は２でも３でも５でもそれ以上でも構わない。Ｎを２以上の整数として一般化すると、第ｉ段の光位相受信手段（ｉを２から（Ｎ−１）までの整数とし、Ｎ＝２のときは空集合とする。）は、第（ｉ−１）の光タップ手段のメイン出力に光学的に接続された第（ｉ−１）の光周波数二倍手段と、第（ｉ−１）の光周波数二倍手段の出力をタップ出力とメイン出力に分岐する第ｉの光タップ手段と、第ｉの光タップ手段のタップ出力に光学的に接続された第ｉの光位相判別手段とを備える。そして、最終段の第Ｎ段の光位相受信手段は、第(Ｎ−１)の光タップ手段のメイン出力に光学的に接続された第(Ｎ−１)の光周波数二倍手段と、第（Ｎ−１）の光周波数二倍手段の出力に光学的に接続された第Ｎの光位相判別手段とを備える。

また、本実施形態では、光周波数および光位相を二倍にする光周波数二倍手段を例に説明するが、第２の実施形態でも説明するように、光周波数および光位相を四倍等の逓倍にする光周波数逓倍手段を用いてもよい。

次に、第１の実施形態の光信号処理装置における光周波数二倍手段および光位相判別手段の具体例およびその動作原理を説明し、その後に、第１の実施形態の光信号処理装置の全体での動作原理を説明する。

光周波数二倍手段の第１の実現例
図４に、第１の実施形態に係る光信号処理装置の、光周波数二倍手段の実現例を示す。図４の光周波数二倍手段は、光入力用ポート６と、光入力用ポート６に光学的に接続された周期分極反転ニオブ酸リチウム７上に設けられた光導波路８と、光導波路８の出力に光学的に接続された光フィルタ９と、光フィルタ９の出力に光学的に接続された光出力用ポート１０とを備える。

次に、図4に示す第１の実施形態に係る光信号処理装置の光周波数二倍手段の実現例の動作を説明する。入力された光信号の光周波数をｆ₀とすると、周期分極反転ニオブ酸リチウム７上に設けられた光導波路８内で２次の光非線形効果により第二次高調波（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）により光周波数２ｆ₀の成分が発生する。光フィルタ９で光周波数ｆ₀の成分を除去することで光周波数２ｆ₀の成分のみが抽出される。ここで、入力光信号の光電界Ｅ_sをＡ_sを実数の定数、φ_s（ｔ）を時間で変化する光位相として

と表すと、光周波数二倍手段の出力光電界Ｅ_oはＡ_oを実数の定数として

で与えられ、式からも明らかに光周波数だけではなく光位相項も二倍になる。

ここで、上記の第１の実施形態の光周波数二倍手段の実現例では、光周波数を二倍するために周期分極反転されたニオブ酸リチウム７を用いるとしたが、これはこの材料が効率的に第二次高調波を発生できるからである。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、ポリマーや光ファイバなどの光非線形材料を用いてももちろん構わない。光非線形材料で光導波路を形成した場合、これを本明細書では「非線形導波路」と呼ぶ。
また、光導波路８の構成としては、拡散により形成することもできるし、リッジ導波路により形成することもできる。

光周波数二倍手段の第２の実現例
図５に、第１の実施形態に係る光信号処理装置の、光周波数二倍手段の第２の実現例を示す。図５の光周波数二倍手段は、光入力用ポート６と、光周波数ｆ_pのポンプ光源１１と、光入力用ポート６に光学的に接続された石英系アレイ導波路格子フィルタ１２ａと、アレイ導波路格子フィルタ１２ａの出力に光学的に接続された周期分極反転ニオブ酸リチウム７上に設けられた光導波路８と、光導波路８の出力に光学的に接続された石英系アレイ導波路格子フィルタ１２ｂと、アレイ導波路格子フィルタ１２ｂの出力に光学的に接続された光出力用ポート１０とを備える。ここで、石英系アレイ導波路格子フィルタ１２ａとニオブ酸リチウム７と石英系アレイ導波路格子フィルタ１２ｂは、それぞれ直接接続されている。

次に、図５に示す第１の実施形態に係る光信号処理装置の光周波数二倍手段の第２の実現例の動作を説明する。入力された光信号の光周波数をｆ₀、ポンプ光の光周波数をｆ_p（光周波数ｆ₀とは異なるものとする。）とすると、周期分極反転ニオブ酸リチウム７上に設けられた光導波路８内で二次の光非線形効果により第二次高調波（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）と、これに引き続く差周波発生により光周波数２ｆ₀−ｆ_pの成分が発生する。したがって、アレイ導波路格子フィルタ１２ｂで光周波数ｆ₀の成分および光周波数ｆ_pの成分を除去することで光周波数２ｆ₀−ｆ_pの成分のみが抽出される。このときの光周波数二倍手段の出力は

と与えられる。このときも図４に示した第１の実現例と同様に、光位相項が二倍となる。一方で光周波数は２ｆ₀−ｆ_pに変換される。

一般に、光通信では１．５５ミクロン帯の波長が使用されることが多いが、図５に示した光周波数二倍手段の第２の実現例では光信号の光周波数ｆ₀およびポンプ光の光周波数ｆ_pをそれぞれ１．５５ミクロン帯とすることで、光周波数二倍手段の出力でも１．５５ミクロン帯の波長が得られるため、汎用の光通信用部品が使用できるという利点がある。

ここでニオブ酸リチウム８については、別の光非線形材料を用いることができるのは図４の第１の実現例と同様である。

また、図５の光周波数二倍手段の第２の実現例では、光フィルタとして石英系アレイ導波路格子フィルタ１２ａ及び１２ｂを用いてこれをニオブ酸リチウムと接合するとしたが、これはこの組み合わせが透過/遮断特性に優れ小型な光周波数二倍出力を提供できるからである。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、アレイ導波路格子フィルタの替わりにラティス型光導波路フィルタを用いても良いし、トランスバーサル型光導波路フィルタを用いてもよいし、多層膜フィルタを用いても良い。また、アレイ導波路格子など光フィルタとニオブ酸リチウムは直接接合しなくとも、光ファイバで接続してももちろん構わない。

光周波数二倍手段の第３の実現例
図６に、第１の実施形態に係る光信号処理装置の、光周波数二倍手段の第３の実現例を示す。図６の光周波数二倍手段は、光入力用光ポート６と、光周波数ｆ_pのポンプ光源１１と、光入力用ポート６に光学的に接続された石英系アレイ導波路格子フィルタ１２ａと、アレイ導波路格子フィルタ１２ａの出力に光学的に接続されたマッハツェンダ型導波路偏波合分波素子１３ａと、偏波合分波素子１３ａの一方の出力に設けられた４５度傾いたポリイミド半波長板による偏波変換素子１４ａと、偏波合分波素子１３ａの２出力にそれぞれ光学的に接続された周期分極反転ニオブ酸リチウム７上に設けられた光導波路８ａ及び８ｂと、光導波路８ａ及び８ｂの出力の一方に設けられた４５度傾いたポリイミド半波長板による偏波変換素子１４ｂと、光導波路８ａ及び８ｂのそれぞれの出力に光学的に接続されたマッハツェンダ型導波路偏波合分波素子１３ｂと、偏波合分波素子１３ｂの出力に光学的に接続された石英系アレイ導波路格子フィルタ１２ｂと、アレイ導波路格子フィルタ１２ｂの出力に光学的に接続された光出力用ポート１０とを備える。ここで、石英系アレイ導波路格子フィルタ１２ａ、偏波合分波素子１３ａおよび偏波変換素子１４ａは一枚の基板上に形成されており、石英系アレイ導波路格子フィルタ１２ｂ、偏波合分波素子１３ｂおよび偏波変換素子１４ｂは別の一枚の基板上に形成されている。これら基板とニオブ酸リチウム７はそれぞれ直接接続されている。

図６に示す光周波数二倍手段の第３の実現例では、図５に２の実現例と同様に、入力された光信号の光周波数をｆ₀、ポンプ光の光周波数をｆ_pとすると、周期分極反転ニオブ酸リチウム７上に設けられた光導波路８内で二次の光非線形効果により第二次高調波（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）と、これに引き続く差周波発生により光周波数２ｆ₀−ｆ_pの成分が発生する。したがって、アレイ導波路格子フィルタ１２ｂで光周波数ｆ₀の成分および光周波数ｆ_pの成分を除去することで光周波数２ｆ₀−ｆ_pの成分のみが抽出される。このときの光周波数二倍手段の出力は

と与えられる。このときも図４に示した第１の実現例と同様に、光位相項が二倍となる。一方で光周波数は２ｆ₀−ｆ_pとなる。

加えて、図６に示した光周波数二倍手段の第３の実現例では、偏波合分波素子１３および偏波変換素子１４によって偏波ダイバーシチの構成がとられているので、光入力用ポート６に入力される光信号の偏波状態にかかわらず、光位相を二倍とできる利点がある。

ここで、図６の光周波数二倍手段の第３の実現例では、偏波合分波素子１３として石英系光導波路によるマッハツェンダ型偏波合分波素子を用いるとし、偏波変換素子１４としてポリイミド半波長板を用いるとしたが、これはこの組み合わせにより集積性に優れた偏波合分波素子および偏波変換素子が実現できるからである。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、方解石による偏光プリズムを用いてもよいし、フォトニック結晶による偏光プリズムを用いてももちろん構わない。

なお、図６では、アレイ導波路格子フィルタ１２ａを例に説明したが、少なくとも２つの入力ポートおよび少なくとも１つの出力ポートを有する波長合波器であれば、同等の機能を果たすことができる。同様に、アレイ導波路格子フィルタ１２ｂを例に説明したが、導波路８の出力に光学的に接続された、少なくとも１つの入力ポートおよび少なくとも１つの出力ポートを有する波長分波器であれば、同様の機能を果たすことができる。

また、マッハツェンダ型導波路偏波合分波素子１３ａを例に説明したが、波長合波器の出力ポートに光学的に接続された１入力２出力の偏波分離器であれば、同様の機能を果たすことができる。同様に、マッハツェンダ型導波路偏波合分波素子１３ｂを例に説明したが、２本の光非線形導波路のうち出力に偏波変換素子１４ｂが設けられていない方の出力と、偏波変換素子１４ｂの出力に夫々光学的に接続された２入力１出力の偏波合流器であれば、同様の機能を果たすことができる。

光位相判別手段の実現例
次に、本発明の第１の実施形態に係る光信号処理装置の光位相判別手段の実現例について説明する。図７に示す光位相判別手段の実現例は、光入力用ポート１５と、光入力用ポート１５に光学的に接続された導波路型マッハツェンダ干渉計である遅延干渉計１６と、遅延干渉計１６の２つの出力に光学的に接続されたバランス検波器１７と、バランス検波器の出力に電気的に接続された電気アンプ１８と、電気アンプ１８の出力に電気的に接続された電気出力用ポートとを備える。ここで遅延干渉計１６の遅延量Ｄは、光信号のビット間隔Ｔとおおむね一致するように設定されており、遅延干渉計１６の各アームには位相調整手段としてヒータが設けられている。

ここで遅延量Ｄとビット間隔Ｔについては、理想的な線路状態ではＤ＝Ｔとすることで最適な受信を行うことができるが、例えば線路の帯域が制限されている場合など非理想的な要因が存在するときには、例えばＤ＝０．７Ｔなど、遅延量Ｄをビット間隔Ｔよりも短くすることで非理想的な要因の影響が抑制できることが知られている。
このとき、位相調整手段を調整することで、光信号の隣接ビット間の位相差が０．５πのときに出力-１、１．５πのときに出力１となるように設定することができる。

第１の実施形態の光信号処理装置の動作の説明
次に、図３に示した本発明の第１の実施形態に係る光信号処理装置の動作について、表１を参照して説明する。なお、光周波数二倍手段としては図６に示した光周波数二倍手段を用いるとし、光位相判別手段としては図７に示した光位相判別手段を用いるとする。ただし、光周波数二倍手段として図６に示した光周波数二倍手段を用いるとしたのは、この構成が偏波依存性が小さく、汎用の光通信波長帯の光部品を用いることができる光信号処理装置を提供できるからであるが、本発明はこの例に限定されるものではなく、図４に示した光周波数二倍手段を用いても、図５に示した光周波数二倍手段を用いても、もちろん構わない。

さて、図３に示す光信号処理装置で、図７に示した光位相判別手段の位相調整手段を調整することで、第１段目から第４段目までの出力Ｉ１からＩ４を下記のように設定することができる。
I1 = cos[(φ+π/16)+π/2]
I2 = cos[2(φ+π/16)+π/2]
I3 = cos[4(φ+π/16)+π/2]
I4 = cos[8(φ+π/16)+π/2]
ここでφは隣り合うビットの位相差である。

このときの各段の出力を表１に示す。さらに表１で正の出力を“１”、負の出力を“０”とアサインすることとすれば、表１に示したように４ビットのバイナリ出力を得ることができる。表１よりも明らかに、このバイナリ出力は入力光信号の位相をアナログデジタル変換した値となっている。このように、本発明の第１の実施形態の光信号処理装置を用いることで、光段で入力光信号の位相をアナログデジタル変換することが可能となる。アナログデジタル変換の段数については、光位相受信手段５の数を増やすことで増加することができる。

（第２の実施形態）
図８に、本発明の第２の実施形態に係る光信号処理装置の構成を示す。第２の実施形態に係る光信号処理装置は、光入力用ポート１と、光入力用ポート１に縦続に接続された二段の光位相受信手段２３ａ及び２３ｂとを備える。第１段の光位相受信手段２３ａは、光タップ手段２ａと、光タップ手段２ａのタップ出力に光学的に接続された光位相判別手段２２ａとを備える。最終段の第２段の光位相受信手段２３ｂは、光周波数四倍手段２１ａと、光周波数四倍手段２１aの出力に光学的に接続された光タップ手段２ｂと、光タップ手段２ｂのタップ出力に光学的に接続された光位相判別手段２２ｂとを備える。

ここで、光タップ手段２ａ及び２ｂとしては、光ファイバ型カプラや導波路型カプラなどを用いて実現することができることは第１の実施形態と同様である。また光タップ手段２ａ及び２ｂの分岐比としては、光位相判別手段２４ａ及び２４ｂの受光感度が許す範囲で小さくする方が、特に光周波数四倍手段２１ａとして光非線形材料を用いる場合などを考えると好ましいことも第１の実施形態と同様である。

さらに、本発明の第２の実施形態では第２段の光位相受信手段において、光周波数四倍手段２１ａの出力に光タップ手段２ｂを設け、これを介して光周波数四倍手段２１ａの出力に光位相判別手段２２ｂが光学的に接続するとした。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、光タップ手段２ｂを除いて、光周波数四倍手段２１ａの出力に光位相判別手段２２ｂが直接、光学的に接続されているとしても、もちろん構わない。

また、上記の第２の実施形態では、光位相受信手段の段数を２としたが、本発明はこの例に限定されるものではもちろんなく、段数は３でも４でも５でもそれ以上でも構わない。

次に第２の実施形態の光信号処理装置における光周波数二倍手段２１ａおよび光位相判別手段２２ａ及び２２ｂの実現例およびその動作原理を説明し、その後に第２の実施形態の光信号処理装置の全体での動作原理を説明する。

光周波数四倍手段の実現例
図９に、本発明の第２の実施形態に係る光信号処理装置の、光周波数四倍手段の実現例を示す。図９の光周波数四倍手段は、光入力用ポート６と、光入力用ポート６に光学的に接続された周期分極反転ニオブ酸リチウム７ａ上に設けられた光導波路８ａと、光導波路８ａの出力に光学的に接続された光フィルタ９ａと、光フィルタ９ａに光学的に接続された周期分極反転ニオブ酸リチウム７ｂ上に設けられた光導波路８ｂと、光導波路８ｂの出力に光学的に接続された光フィルタ９ｂと、光フィルタ９ｂの出力に光学的に接続された光出力用ポート１０とを備える。このように、図４に示した光周波数二倍手段を縦続に接続することにより、光周波数四倍手段を実現することができる。

なお、図９では、図４に示した光周波数二倍手段を縦続に接続するとしたが、本発明はこの例に限定されるものではなく、図５に示した光周波数二倍手段を縦続接続してもよいし、図６に示した光周波数二倍手段を縦続接続してもよいし、図４乃至６のいずれかの光周波数二倍手段を、図４乃至６のいずれかの光周波数二倍手段と縦続接続しても、もちろん構わない。

光位相判別手段の第１の実現例
図１０に、本発明の第２の実施形態に係る光信号処理装置の、光位相判別手段の第１の実現例を示す。図１０の光位相判別手段は、光入力用ポート１５と、光入力用ポート１５に入力された光信号をおおむね等分に分岐する光カプラ２４と、光カプラ２４の出力にそれぞれ光学的に接続された遅延干渉計１６ａ及び１６ｂと、遅延干渉計１６ａ及び１６ｂのそれぞれの出力に光学的に接続されたバランス検波器１８ａ及び１８ｂと、バランス検波器１８ａ及び１８ｂの出力に電気的に接続された電気アンプ１９ａ及び１９ｂと、電気アンプ１９ａ及び１９ｂの出力に電気的に接続された電気出力用ポート２０ａ及び２０ｂとを備える。また遅延干渉計１６ａ及び１６ｂは、それぞれ干渉計位相を調整するための位相シフタ１７ａ、１７ｂ、１７ｃ及び１７ｄを備える。また、遅延干渉計１６ａ及び１６ｂの遅延量は、それぞれ光信号のビット間隔Ｔとおおむね一致するように設定されている。

この構成で位相シフタ１７ａ、１７ｂ、１７ｃ及び１７ｄを調整することで、電気出力ポート２０ａ及び２０ｂより、隣接ビット間の位相差の正弦成分と余弦成分をそれぞれ取り出すことが可能となり、位相を２π/４の分解能で判別することが可能となる。

光位相判別手段の第２の実現例
図１１に、本発明の第２の実施形態に係る光信号処理装置の、光位相判別手段の第２の実現例を示す。図１１の光位相判別手段は、局発光源２５と、光入力用ポート１５ａ及び１５ｂと、光入力用ポート１５ａに入力された光信号と光入力用ポート１５ｂに入力された局発光を干渉させる９０度光ハイブリッド回路２６と、９０度光ハイブリッド回路２６の出力に光学的に接続されたバランス検波器１８ａ及び１８ｂと、バランス検波器１８ａ及び１８ｂの出力に光学的に接続された電気アンプ１９ａ及び１９ｂと、電気アンプ１９ａ及び１９ｂの出力に電気的に接続された電気出力用ポート２０とを備える。このような構成とすることで電気出力ポート２０ａ及び２０ｂより、信号ビット間の位相の正弦成分と余弦成分をそれぞれ取り出すことが可能となる。

第２の実施形態の光信号処理装置の動作
次に、図８に示した本発明の第２の実施形態に係る光信号処理装置の動作について表２を用いて説明する。なお、光周波数四倍手段としては図６に示した光周波数四倍手段を用いるとし、光位相判別手段としては図１０に示した光位相判別手段を用いるとした。ただし、本発明はこの例に限定されるものではなく、図１１に示した光位相判別手段を用いても、もちろん構わない。

さて、図８に示す光信号処理装置で、図１０に示した光位相判別手段の位相調整手段を調整することで、第１段目から第２段目までの出力Ｉ１からＩ２を下記のように設定することができる。
I1a = cos[(φ+π/16)+π/2]
I1b = cos[(φ+π/16)-π]
I2a = cos[4(φ+π/16)+π/2]
I2b = cos[4(φ+π/16)-π]
ここでφは隣り合うビットの位相差である。

このときの各段の出力を表２に示す。さらに表２で正の出力を‘‘１’’、負の出力を‘‘０’’とアサインすることとすれば、表２に示したように４ビットのバイナリ出力を得ることができる。表２よりも明らかに、このバイナリ出力も入力光信号の位相をアナログデジタル変換した値となっている。このように、本発明の第２の実施形態の光信号処理装置を用いることで、光段で入力光信号の位相をアナログデジタル変換することが可能となる。アナログデジタル変換の段数については、光位相受信手段の数を増やすことで増加することができる。

このように、図６に示すような光周波数を４倍にする光周波数四倍手段を用い、光位相判別手段としては図１０に示す位相を２π/４の分解能で判別する位相判別手段を用いることで、入力光信号の位相をアナログデジタル変換することが可能となる。Ｍを２以上の整数として一般化すると、光周波数Ｍ倍手段と位相を２π／Ｍの分解能で判別する位相判別手段を用いることで、入力光信号の位相をアナログデジタル変換することが可能となる。

１ 光入力用ポート
２ 光タップ手段
３ 光周波数二倍手段
４ 光位相判別手段
５ 光位相受信手段
６ 光入力用ポート
７ 周期分極反転ニオブ酸リチウム
８ 光導波路
９ 光フィルタ
１０ 光出力用ポート
１１ ポンプ光源
１２ アレイ導波路格子フィルタ
１３ 偏波合分波素子
１４ 偏波変換素子
１５ 光入力用ポート
１６ 遅延干渉計
１７ 位相シフタ
１８ バランス検波器
１９ 電気アンプ
２０ 電気出力用ポート
２１ 光周波数四倍手段
２２ 光位相判別手段
２３ 光位相受信手段
２４ 光カプラ
２５ 局発光源
２６ ９０度光ハイブリッド

Claims (9)

1. 光入力用ポートと、
   第１段から第Ｎ段（Ｎは２以上の整数）まで、この順で縦続に接続されたＮ段の光位相受信手段と
   を備える光信号処理装置であって、
   第１段の光位相受信手段は、前記入力用光ポートに入力された光信号をタップ出力とメイン出力に分岐する第１の光タップ手段と、前記第１の光タップ手段のタップ出力に光学的に接続された第１の光位相判別手段とを備え、
   第ｉ段の光位相受信手段（ｉを２から（Ｎ−１）までの整数とし、Ｎ＝２のときは空集合とする。）は、第（ｉ−１）の光タップ手段のメイン出力に光学的に接続された、光周波数および光位相を夫々逓倍する第（ｉ−１）の光周波数逓倍手段と、前記第（ｉ−１）の光周波数逓倍手段の出力をタップ出力とメイン出力に分岐する第ｉの光タップ手段と、前記第ｉの光タップ手段のタップ出力に光学的に接続された第ｉの光位相判別手段とを備え、
   第Ｎ段の光位相受信手段は、第(Ｎ−１)の光タップ手段のメイン出力に光学的に接続された光周波数および光位相を夫々逓倍する第(Ｎ−１)の光周波数逓倍手段と、前記第（Ｎ−１）の光周波数逓倍手段の出力に光学的に接続された第Ｎの光位相判別手段とを備えることを特徴とする光信号処理装置。
2. 前記第１から第（Ｎ−１）の光周波数逓倍手段のうちの少なくとも１つの光周波数逓倍手段は、光非線形導波路による第Ｍ次高調波発生（Ｍは２以上の整数）を利用するものであり、
   前記少なくとも１つの光周波数逓倍手段と同じ段の各光位相判別手段は、２π/Ｍの分解能で位相を判別する光位相判別手段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。
3. 前記第１から第（Ｎ−１）の光周波数逓倍手段のうちの少なくとも１つの光周波数逓倍手段は、光非線形導波路による第Ｍ次高調波発生（Ｍは２以上の整数）を利用するものであり、
   前記少なくとも１つの光周波数逓倍手段の前記非線形導波路に前記入射された光信号と異なる光周波数のポンプ光を入射するポンプ光源と、前記非線形導波路における差周波発生を経た光信号から、前記入射された光信号の光周波数および前記ポンプ光の光周波数の成分を除去するフィルタとをさらに備えることにより、光周波数を変換することを特徴とする請求項１又は２に記載の光信号処理装置。
4. 光位相判別手段は、マッハツェンダ干渉計と、前記マッハツェンダ干渉計の出力に光学的に接続されたバランス検波器とを備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光信号処理装置。
5. 光位相判別手段は、９０度光ハイブリッド回路と、前記９０度光ハイブリッド回路の出力に光学的に接続されたバランス検波器であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光信号処理装置。
6. 前記少なくとも１つの光周波数逓倍手段は、前記光非線形導波路による第二次高調波発生を利用する光周波数二倍手段であることを特徴とする請求項３に記載の光信号処理装置。
7. 前記光非線形導波路は、周期分極反転されたニオブ酸リチウム上に設けられた光導波路であることを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載の光信号処理装置。
8. 前記光周波数逓倍手段は、
   少なくとも２つの入力ポートおよび少なくとも１つの出力ポートを有する波長合波器と、
   前記波長合波器の出力ポートに光学的に接続された光非線形導波路と、
   前記光非線形導波路の出力に光学的に接続された、少なくとも１つの入力ポートおよび少なくとも１つの出力ポートを有する波長分波器と
   を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光信号処理装置。
9. 前記光周波数逓倍手段は、
   少なくとも２つの入力ポートおよび少なくとも１つの出力ポートを有する波長合波器と、
   前記波長合波器の出力ポートに光学的に接続された１入力２出力の偏波分離器と、
   前記偏波分離器の一方の出力に光学的に接続された第１の偏波変換素子と、
   前記偏波分離器の他方の出力と前記第１の偏波変換素子の出力に夫々光学的に接続された２本の光非線形導波路と、
   前記２本の光非線形導波路の一方の出力に光学的に接続された第２の偏波変換素子と、
   前記２本の光非線形導波路の他方の出力と前記第2の偏波変換素子の出力に夫々光学的に接続された２入力１出力の偏波合流器と、
   前記偏波合流器の出力に光学的に接続された、少なくとも１つの入力ポートおよび少なくとも３つの出力ポートを有する波長分波器と
   を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光信号処理装置。

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