[第1の実施の形態]
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の構成例を示すブロック図である。
本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1と、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の後述する光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されたRZ(Return to Zero)型クロック信号光に対して初期調整時のみ所望の光損失を与えることが可能な可変光強度減衰部VA−1と、可変光強度減衰部VA−1から出力されたRZ型クロック信号光を2系統に分波する光分波部SP−1と、光分波部SP−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光がマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1内の後述する位相変調部R1,L1に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、位相変調部R1,L1に入力される2系統のRZ型クロック信号光の内、位相変調部R1,L1に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のRZ型クロック信号光に付与する光伝搬遅延差付与部D−D−1とから構成される。
マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1は、図示しないクロック信号光源から出力される、ピーク光パワーが一定のRZ型のクロック信号光を受ける光入力ポートP−MZ−1−1と、光入力ポートP−MZ−1−1に入力されたRZ型クロック信号光を伝送する2つの干渉アームと、この2つの干渉アームの端部に設けられた2つの光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barと、光分波部SP−1で分波された2つの光信号をマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の2つの干渉アーム内の後述する位相変調部R1,L1へ入力するための位相変調駆動用の光入力ポートP−R1,P−L1と、2つの干渉アームに1つずつ設けられ、干渉アームにより伝送されるRZ型クロック信号光を、光入力ポートP−R1,P−L1から入力されるRZ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する位相変調部R1,L1とから構成される。
図1における100は一端が光入力ポートP−MZ−1−1に接続され他端が位相変調部L1の入力に接続された光導波路、101は一端が光導波路100に近接して配置され他端が位相変調部R1の入力に接続された光導波路、102は一端が位相変調部L1の出力に接続され他端が光出力ポートP−MZ−1−barに接続された光導波路、103は一端が位相変調部R1の出力に接続され他端が光出力ポートP−MZ−1−crossに接続され、一部が光導波路102と近接して配置された光導波路である。
光導波路100,102がマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の一方の干渉アームを構成し、光導波路101,103がマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の他方の干渉アームを構成している。光導波路100と光導波路101との間では、光信号の漏洩が発生し、光導波路100に入力された光信号は光導波路101にも入力される。光導波路102と光導波路103との間では、相互に光信号の漏洩が発生する。
また、104は一端が光出力ポートP−MZ−1−crossに接続され他端が可変光強度減衰部VA−1の入力に接続された光導波路、105は一端が可変光強度減衰部VA−1の出力に接続され他端が光分波部SP−1の入力に接続された光導波路、106は一端が光分波部SP−1の第1の出力に接続され他端が光伝搬遅延差付与部D−D−1の入力に接続された光導波路、107は一端が光分波部SP−1の第2の出力に接続され他端が光入力ポートP−R1に接続された光導波路、108は一端が光伝搬遅延差付与部D−D−1の出力に接続され他端が光入力ポートP−L1に接続された光導波路である。
次に、本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路の動作について説明する。通常時における可変光強度減衰部VA−1の光損失量は、初期調整時の光損失量よりも小さく、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるRZ型クロック信号光に過剰な光損失を与えないように極力小さな値に設定される。以下、通常時の動作とその効果について説明し、初期調整時の動作については後述する。
光入力ポートP−MZ−1−1に入力されるクロック信号光の光パワー変化を図2に示す。このように、図示しないクロック信号光源から光入力ポートP−MZ−1−1に入力されるクロック信号光は、ピーク光パワーが一定のRZ型の信号光である。
標準的なマッハツェンダー干渉型光強度変調部においては、干渉器を構成する2つの干渉アームを光が伝搬する際に位相差が生じない状態が変調駆動が行われていない状態であり、このとき入力側の干渉アームに対して異なる側の干渉アームの光出力ポートから光信号が100%出力される。また、2つの干渉アームを光が伝搬する際に位相差がπとなる状態においては、光入力ポートと同じ側の干渉アームの光出力ポートから光信号が100%出力される。
したがって、図1に示した高速カオス光信号生成光回路にクロック信号光が光入力ポートP−MZ−1−1から入力される場合、最初のクロック光パルスp0は、光入力ポートP−MZ−1−1と異なる側の干渉アームの光出力ポートP−MZ−1−crossから100%出力され、光分波部SP−1によりクロック光パルスp0−1,p0−2の2つに分波され、引き続き光伝搬遅延差付与部D−D−1により遅延を付与された後、それぞれ光入力ポートP−R1,P−L1から位相変調部R1,L1へと入力される。
図3(A)は光入力ポートP−MZ−1−1への入力クロック信号光の入力タイミングを示す図、図3(B)は位相変調部R1への入力信号光の入力タイミングを示す図、図3(C)は位相変調部L1への入力信号光の入力タイミングを示す図である。
図3(B)に示すように、光入力ポートP−MZ−1−1に入力されたクロック光パルスp0と次の時間ステップのクロック光パルスp1との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部D−D−1による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスp0−1が位相変調部R1に入力される。一方、図3(C)に示すように、クロック光パルスp1と次の時間ステップのクロック光パルスp2との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部D−D−1による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスp0−2が位相変調部L1に入力される。
位相変調部R1においては、光入力ポートP−MZ−1−1から光導波路100,101を介してクロック光パルスp1が入力される直前に、光入力ポートP−R1からクロック光パルスp0−1が入力されると、このクロック光パルスp0−1の光強度に応じて屈折率が変化する。こうして、位相変調部R1は、クロック光パルスp0−1の光強度に応じて、クロック光パルスp1の位相を変調する(相互位相変調)。
一方、位相変調部L1においては、光入力ポートP−MZ−1−1から光導波路100を介してクロック光パルスp1が入力された直後に、光入力ポートP−L1からクロック光パルスp0−2が入力されると、このクロック光パルスp0−2の光強度に応じて屈折率が変化する。こうして、位相変調部L1は、クロック光パルスp0−2の光強度に応じて、クロック光パルスp2の位相を変調する(相互位相変調)。
結果として、クロック光パルスp0−1が位相変調部R1に入力されてから、クロック光パルスp0−2が位相変調部L1に入力されるまでの間、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の2つの干渉アームで位相差が生じることとなり、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック光パルスp1の光出力強度が変調されることとなる。
同様に、光入力ポートP−MZ−1−1に入力されたクロック光パルスp1と次の時間ステップのクロック光パルスp2との間のタイミングで、光分波部SP−1によって分波されたクロック光パルスp1−1,p1−2のうち光伝搬遅延差付与部D−D−1による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスp1−1が位相変調部R1に入力される。一方、クロック光パルスp2と次の時間ステップのクロック光パルスp3との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部D−D−1による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスp1−2が位相変調部L1に入力される。
位相変調部R1は、光入力ポートP−MZ−1−1から光導波路100,101を介してクロック光パルスp2が入力される直前に、クロック光パルスp1の分波光であるクロック光パルスp1−1が光入力ポートP−R1から入力されると、このクロック光パルスp1−1の光強度に応じて、クロック光パルスp2の位相を変調する。
位相変調部L1は、光入力ポートP−MZ−1−1から光導波路100を介してクロック光パルスp2が入力された直後に、クロック光パルスp1の分波光であるクロック光パルスp1−2が光入力ポートP−L1から入力されると、このクロック光パルスp1−2の光強度に応じて、クロック光パルスp3の位相を変調する。結果として、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック光パルスp2の光出力強度が変調されることとなる。
以上のようにして、クロック光パルスp(t)(t=0,1,2,3,・・・・)と次の時間ステップのクロック光パルスp(t+1)との間のタイミングで、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力され光分波部SP−1によって分波された一方のクロック光パルスp(t)が位相変調部R1に入力され、クロック光パルスp(t+1)と次の時間ステップのクロック光パルスp(t+2)との間のタイミングで、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力され光分波部SP−1によって分波された他方のクロック光パルスp(t)が位相変調部L1に入力される。その結果、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック光パルスp(t+1)の光出力強度が変調される。こうして、クロック光パルスp1,p2,p3,・・・・の変調が連続して行われる。
図4はマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック光パルスの光強度を規格化した規格化光出力強度を示す図であり、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されたクロック光パルスが次の時間ステップのクロック光パルスに生じさせる位相変調の量が1.8261πである場合を示している。
マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−crossから100%出力される状態にある条件下で、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されたクロック光パルスが次の時間ステップのクロック光パルスに生じさせる位相変調の量が十分且つ適当な大きさとなるように位相変調部R1,L1を設定することにより、例えば図4に示した場合のように光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック光パルスの強度が時系列でカオス状態となり、同時に、光出力ポートP−MZ−1−barから出力されるクロック光パルスの強度も時系列でカオス状態となる。
マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−barから出力されるクロック光パルスの強度も時系列でカオス状態となる理由は、クロック光パルスの全光強度から、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力される同じクロック光パルスの光強度を引いた残りの光強度のクロック光パルスが光出力ポートP−MZ−1−barから出力されるからである。
こうして、本実施の形態では、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力される出力クロック信号光の光出力強度の振る舞いを乱雑なものとすることができる。100%出力時の光強度を1として、閾値を0.5として設定し、光強度が時系列でカオス状態となっている出力クロック信号光の光強度が閾値よりも大きい場合は2値化信号の値を1とし、出力クロック信号光の光強度が閾値以下であれば2値化信号の値を0とする2値化処理を行うと、2値の乱数列が得られる。
本実施の形態では、従来の乱数発生プログラムまたは電子回路による乱数生成方法では実現不可能であった10Gb/sを超える高速な乱数データ生成を実現することができる。また、本実施の形態では、非特許文献1に開示されたカオス・レーザーによる乱数生成方法のような複雑なシステム構成では困難であった、工学応用上必須となる再現性と制御性とを実現することができ、さらに高精度性とシステムの集積化とを実現することができる。
また、本実施の形態では、特許文献1に開示された光カオス信号源による乱数生成方法では実現不可能であったシステムの集積化を実現することができる。また、本実施の形態では、熱光学効果により2つの干渉アームの光路長差を制御してその光路長差に一定の関係性を持たせるように制御した複数のマッハツェンダー干渉器を用いて、それぞれのマッハツェンダー干渉器からの出力パワーにカオス写像関係性を実現する装置のように、光路長差情報記憶装置や温度による光路長差制御部等を持つ必要がなくなり、システムの高速化および集積化を実現することができる。
また、本実施の形態では、光ファイバの非線形屈折率効果に基づく全光の光カオス現象を用いる装置で困難であった、工学応用上必須となる再現性と制御性とを実現することができ、さらにシステムの集積化を実現することができる。
次に、初期調整時の動作について説明する。高速カオス光信号生成光回路において所望の信号光−制御光分離動作、すなわち光入力ポートP−MZ−1−1から入力されたクロック信号光をマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の一方の光出力ポートから選択的に出力させ、且つ強度変調されたクロック信号光をマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の他方の光出力ポートから選択的に出力させる動作を実現するためには、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の2つの干渉アームの信号光に対する実効長のバランスが精密に調整されている必要がある。しかしながら、高速カオス光信号生成光回路を作製する際には避けがたい様々な製造誤差が生じるため、製造後に位相変調部R1,L1を用いて干渉アームの信号光に対する実効長を精密に初期調整しバランスをとることとなる。
ここで、高速カオス光信号生成光回路は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1と光分波部SP−1と光伝搬遅延差付与部D−D−1とが光導波路で結ばれ、リング状の閉光回路を形成しているため、位相変調部R1,L1として半導体光増幅器(SOA)を使用している場合、この閉光回路がリング型光共振器となり、発振または発振に準じた状態になる。このため、リング型光共振器の干渉特性がマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の位相変調部R1,L1の光干渉特性に影響を与えるので、位相変調部R1,L1の光干渉特性を評価してバランスを調整することが非常に難しくなるという問題がある。
そこで、本実施の形態では、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−crossと光分波部SP−1との間の光導波路上に、初期調整時のみ所望の光損失を与えることが可能な可変光強度減衰部VA−1を設けることにより、初期調整時に光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック信号光に十分な光損失を与え、リング型光共振器による発振挙動を抑えることができ、位相変調部R1,L1の光干渉特性を評価してバランス調整を行うことが可能となる。
この初期調整時においては、光入力ポートP−MZ−1−1に入力されるクロック信号光が光出力ポートP−MZ−1−crossから100%出力される状態にある条件下で、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されたクロック光パルスが次の時間ステップのクロック光パルスに生じさせる位相変調の量が十分且つ適当な大きさとなるように位相変調部R1,L1の利得を設定すればよい。位相変調部R1,L1として半導体光増幅器(SOA)を使用する場合、外部から位相変調部R1,L1に供給する駆動電流により、位相変調部R1,L1の利得を調整することができる。
また、本実施の形態では、可変光強度減衰部VA−1として、電界吸収活性層のPL(Photoluminescence)特性が高速カオス光信号生成光回路の設定動作波長に対して100nm以上短波長側に設定された定電圧駆動状態の半導体EA変調器を用いることにより、通常時にはクロック信号光に対して過剰な光損失を与えず、且つ初期調整時においてのみ初期調整を行うのに障害となるリング共振を抑制するのに十分な光損失をクロック信号光に与えることが可能となる。可変光強度減衰部VA−1として半導体EA変調器を使用すれば、外部から供給する電圧により、可変光強度減衰部VA−1の光損失量を調整することができる。
なお、初期調整が終了し、位相変調部R1,L1が所望の光干渉条件に調整されている状態では、光入力ポートP−MZ−1−1から入力されたクロック信号光をマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の一方の光出力ポートから選択的に出力させ、且つ強度変調されたクロック信号光をマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の他方の光出力ポートから選択的に出力させることが可能となることから、位相変調部R1,L1の部分において20dB以上の大きな光損失が付与される状態となる。したがって、高速カオス光信号生成光回路を動作させるために、通常時に可変光強度減衰部VA−1の光損失量を初期調整時の値よりも小さくした状態にしても、リング型光共振器の発振を抑えることが可能である。
なお、本実施の形態では、光出力ポートP−MZ−1−crossと光分波部SP−1の入力とを接続し、光出力ポートP−MZ−1−crossと光分波部SP−1との間に可変光強度減衰部VA−1を挿入しているが、これに限るものではなく、光出力ポートP−MZ−1−barと光分波部SP−1の入力とを接続し、光出力ポートP−MZ−1−barと光分波部SP−1との間に可変光強度減衰部VA−1を挿入するようにしてもよい。
本実施の形態において、高速カオス光信号生成光回路の出力信号光は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の2つの光出力ポートP−MZ−1−bar,P−MZ−1−crossの内のいずれか一方から得るようにすればよい。
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図5は本発明の第2の実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の構成例を示すブロック図である。
本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、第1の実施の形態の高速カオス光信号生成光回路における可変光強度減衰部VA−1の代わりに、光分波部SP−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光に対して初期調整時のみ所望の光損失を与えることが可能な可変光強度減衰部VA−2,VA−3を設けたものである。
本実施の形態では、光導波路104の他端を光分波部SP−1の入力に接続し、光導波路106の他端を可変光強度減衰部VA−2の入力に接続し、光導波路107の他端を可変光強度減衰部VA−3の入力に接続すればよい。図5における109は一端が可変光強度減衰部VA−2の出力に接続され他端が光伝搬遅延差付与部D−D−1の入力に接続された光導波路、110は一端が可変光強度減衰部VA−3の出力に接続され他端が光入力ポートP−R1に接続された光導波路である。
次に、本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路の動作について説明する。通常時における可変光強度減衰部VA−2,VA−3の光損失量は、初期調整時の光損失量よりも小さく、光分波部SP−1から出力される2系統のRZ型クロック信号光に過剰な光損失を与えないように極力小さな値に設定される。通常時の高速カオス光信号生成光回路の動作は第1の実施の形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。
次に、初期調整時には、可変光強度減衰部VA−2,VA−3により、光分波部SP−1から出力される2系統のクロック信号光に十分な光損失を与える。位相変調部R1,L1の調整の仕方は第1の実施の形態で説明したとおりである。また、本実施の形態では、第1の実施の形態と同様に、可変光強度減衰部VA−2,VA−3として、電界吸収活性層のPL特性が高速カオス光信号生成光回路の設定動作波長に対して100nm以上短波長側に設定された定電圧駆動状態の半導体EA変調器を用いることにより、通常時にはクロック信号光に対して過剰な光損失を与えず、且つ初期調整時においてのみ初期調整を行うのに障害となるリング共振を抑制するのに十分な光損失をクロック信号光に与えることが可能となる。こうして、本実施の形態では、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。図6は本発明の第3の実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の構成例を示すブロック図である。
本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、第1の実施の形態の高速カオス光信号生成光回路に対して、光分波部SP−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延を付与する光遅延部D−T−1を追加したものである。
本実施の形態では、光導波路106の他端を光遅延部D−T−1の第1の光入力ポートに接続し、光導波路107の他端を光遅延部D−T−1の第2の光入力ポートに接続すればよい。図6における111は一端が光遅延部D−T−1の第1の光出力ポートに接続され他端が光伝搬遅延差付与部D−D−1の入力に接続された光導波路、112は一端が光遅延部D−T−1の第2の光出力ポートに接続され他端が光入力ポートP−R1に接続された光導波路である。
次に、本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路の通常時の動作について説明する。本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路にクロック信号光が光入力ポートP−MZ−1−1から入力される場合、最初のクロック光パルスp0は、光入力ポートP−MZ−1−1と異なる側の干渉アームの光出力ポートP−MZ−1−crossから100%出力され、光分波部SP−1によりクロック光パルスp0−1,p0−2の2つに分波され、引き続き光伝搬遅延差付与部D−D−1により遅延を付与された後、それぞれ光入力ポートP−R1,P−L1から位相変調部R1,L1へと入力される。
図7(A)は光入力ポートP−MZ−1−1への入力クロック信号光の入力タイミングを示す図、図7(B)は位相変調部R1−1への入力信号光の入力タイミングを示す図、図7(C)は位相変調部L1−1への入力信号光の入力タイミングを示す図である。
図7(B)に示すように、光入力ポートP−MZ−1−1に入力されたクロック光パルスp0から時系列的にある一定の遅延ステップ時間T−1後のクロック光パルスpM1と次の時間ステップのクロック光パルスpM2との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部D−D−1による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスp0−1が位相変調部R1に入力される。一方、図7(C)に示すように、クロック光パルスpM2と次の時間ステップのクロック光パルスpM3との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部D−D−1による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスp0−2が位相変調部L1に入力される。
遅延ステップ時間T−1は、光遅延部D−T−1によってクロック信号光に付与される遅延時間である。すなわち、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されたクロック信号光は、光分波部SP−1により2つに分波され光遅延部D−T−1によって遅延ステップ時間T−1に相当する遅延が付与された後、一方のクロック信号光はそのまま光入力ポートP−R1に入力され、他方のクロック信号光は光伝搬遅延差付与部D−D−1により更に遅延が付与された後に光入力ポートP−L1に入力される。
位相変調部R1は、光入力ポートP−MZ−1−1から光導波路100,101を介してクロック光パルスpM2が入力される直前に、光入力ポートP−R1から入力されるクロック光パルスp0−1の光強度に応じて、クロック光パルスpM2の位相を変調する。
一方、位相変調部L1は、光入力ポートP−MZ−1−1から光導波路100を介してクロック光パルスpM2が入力された直後に、光入力ポートP−L1から入力されるクロック光パルスp0−2の光強度に応じて、クロック光パルスpM3の位相を変調する。
結果として、クロック光パルスp0−1が位相変調部R1に入力されてから、クロック光パルスp0−2が位相変調部L1に入力されるまでの間、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の2つの干渉アームで位相差が生じることとなり、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック光パルスpM2の光出力強度が変調されることとなる。
同様に、光入力ポートP−MZ−1−1に入力されたクロック光パルスp1から遅延ステップ時間T−1後のクロック光パルスpM2と次の時間ステップのクロック光パルスpM3との間のタイミングで、光分波部SP−1によって分波されたクロック光パルスp1−1,p1−2のうち光伝搬遅延差付与部D−D−1による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスp1−1が位相変調部R1に入力される。一方、クロック光パルスpM3と次の時間ステップのクロック光パルスpM4との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部D−D−1による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスp1−2が位相変調部L1に入力される。
位相変調部R1は、光入力ポートP−MZ−1−1から光導波路100,101を介してクロック光パルスpM3が入力される直前に、クロック光パルスp1の分波光であるクロック光パルスp1−1が光入力ポートP−R1から入力されると、このクロック光パルスp1−1の光強度に応じて、クロック光パルスpM3の位相を変調する。
位相変調部L1は、光入力ポートP−MZ−1−1から光導波路100を介してクロック光パルスpM3が入力された直後に、クロック光パルスp1の分波光であるクロック光パルスp1−2が光入力ポートP−L1から入力されると、このクロック光パルスp1−2の光強度に応じて、クロック光パルスpM4の位相を変調する。結果として、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック光パルスpM3の光出力強度が変調されることとなる。
以上のようにして、クロック光パルスp(i+Ns)(Nsは1以上の整数)と次の時間ステップのクロック光パルスp(i+Ns+1)との間のタイミングで、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力され光分波部SP−1によって分波された一方のクロック光パルスp(i)が位相変調部R1に入力され、クロック光パルスp(i+Ns+1)と次の時間ステップのクロック光パルスp(i+Ns+2)との間のタイミングで、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力され光分波部SP−1によって分波された他方のクロック光パルスp(i)が位相変調部L1に入力される。その結果、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック光パルスp(i+Ns+1)の光出力強度が変調される。こうして、クロック光パルスpM2,pM3,pM4,・・・・の変調が連続して行われる。
マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−crossから100%出力される状態にある条件下で、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されたクロック光パルスがこのパルスよりも時間軸上で後ろに位置するクロック光パルスに生じさせる位相変調の量が十分且つ適当な大きさとなるように位相変調部R1,L1を設定することにより、例えば図4に示した場合のように光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック光パルスの強度が時系列でカオス状態となり、同時に、光出力ポートP−MZ−1−barから出力されるクロック光パルスの強度も時系列でカオス状態となる。
上記の光遅延部D−T−1を設けない場合、即ちT−1=0の場合、時間ステップiのクロック光パルスの光強度変調のために、直前の時間ステップi−1のクロック光パルスが用いられることとなる。このとき、100%出力時の光強度を1として、閾値を0.5として設定し、光強度が時系列でカオス状態となっている出力クロック信号光の光強度が閾値よりも大きい場合は2値化信号の値を1とし、出力クロック信号光の光強度が閾値以下であれば2値化信号の値を0とする2値化処理を行うと、2値の乱数列が得られる。
しかしながら、光遅延部D−T−1を設けない場合、光出力ポートP−MZ−1−crossまたはP−MZ−1−barから得られる出力クロック信号光は、物理乱数源として用いられる物理雑音のように完全に乱雑な特性を有していることを求められる応用分野には適さない。その理由は、一般的にカオス的な振る舞いをする力学系に従っている系は長期的には予測不能で乱雑な振る舞いをするが、時間ステップ上で隣接するパルス間の光強度には、例えば図8のリターンマップで示されるような明確な関係性・相関があり、ある時間ステップの光強度から次の時間ステップの光強度を予測することが容易となってしまうため、即ち、短期的にみて乱雑な振る舞いとなっていないためである。図8の例では、時間ステップiでの規格化光出力強度と次の時間ステップi+1での規格化光出力強度との間に相関性があることが示されている。
このような事情から、非特許文献1に開示されたカオス・レーザーによる乱数生成方法においては、2つのカオスレーザーから2つのカオス的出力光信号を得た後に、この2つの独立したカオス的出力光信号に対して論理的な演算処理を施すことにより、短期的にみても乱雑性の高い乱数列を得るようにしている。
これに対して、本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路においては、出力クロック信号光が時系列で短期的にみて乱雑でないという問題を、複数のカオス光源を用意することなく、かつ付加的な論理演算処理を施すことなく実現している。即ち、本実施の形態では、上記の遅延ステップ時間T−1が1ステップ時間(クロック光パルスの周期)以上の任意の値となるように光遅延部D−T−1を設けることにより問題を解決する。ここで、遅延ステップ時間T−1は、例えばクロック光パルスの周期の整数倍の時間である。
遅延ステップ時間T−1が1ステップ時間以上の任意の値となるように光遅延部D−T−1を設けた場合、出力クロック信号光のパルス列は、p(i),p(i+1),p(i+2),・・・・,p(i+Ns−1)のNs個のカオス状態のパルス列とp(i+Ns),p(i+Ns+1),p(i+Ns+2),・・・・,p(i+2Ns−1)のNs個のカオス状態のパルス列とが組み合わされ、p(i+Ns),p(i+Ns+1),p(i+Ns+2),・・・・,p(i+2Ns−1)のNs個のカオス状態のパルス列とp(i+2Ns),p(i+2Ns+1),p(i+2Ns+2),・・・・,p(i+3Ns−1)のNs個のカオス状態のパルス列とが組み合わされるといったように、独立したNs個のカオス状態のパルス列が図9のように組み合わされたものとなる。なお、Nsは、遅延ステップ時間T−1中のクロック光パルスの数であり、1以上の整数値である。
このようなパルスの組み合わせにより、現実世界では僅かな揺らぎによる初期値の差が物理的に避けがたいがために上記Ns個のカオス状態のパルス列は長期的に見ると予測不能で乱雑な振る舞いをすることとなり、加えてNs個のカオス状態のパルス列と別のNs個のカオス状態のパルス列との間の関係性も予測不能となる。したがって、本実施の形態では、T−1=0の場合に時系列上で隣接する任意の時間ステップiのパルスの光強度と時間ステップi+1のパルスの光強度との間に見られた明確な関係性・規則性を、図10に示すように失わせることができ、乱雑性が増した乱数列を生成することが可能となる。以上のように、本実施の形態では、第1の実施の形態と比較して更に乱雑性が増した乱数列を生成することが可能となる。
初期調整時の動作は第1の実施の形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。
なお、本実施の形態では、光出力ポートP−MZ−1−crossと光分波部SP−1の入力とを接続し、光出力ポートP−MZ−1−crossと光分波部SP−1との間に可変光強度減衰部VA−1を挿入しているが、これに限るものではなく、光出力ポートP−MZ−1−barと光分波部SP−1の入力とを接続し、光出力ポートP−MZ−1−barと光分波部SP−1との間に可変光強度減衰部VA−1を挿入するようにしてもよい。
また、本実施の形態において、高速カオス光信号生成光回路の出力信号光は、第1のマッハツェンダー干渉型光強度変調手段MZ−1の2つの光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barの内のいずれか一方から得るようにすればよい。
[第4の実施の形態]
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。図11は本発明の第4の実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の構成例を示すブロック図である。
本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、第3の実施の形態の高速カオス光信号生成光回路における可変光強度減衰部VA−1の代わりに、光遅延部D−T−1によって遅延が付与された2系統のRZ型クロック信号光に対して初期調整時のみ所望の光損失を与えることが可能な可変光強度減衰部VA−2,VA−3を設けたものである。
図11における113は一端が光遅延部D−T−1の第1の光出力ポートに接続され他端が可変光強度減衰部VA−2の入力に接続された光導波路、114は一端が光遅延部D−T−1の第2の光出力ポートに接続され他端が可変光強度減衰部VA−3の入力に接続された光導波路である。
次に、本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路の動作について説明する。第2の実施の形態と同様に、通常時における可変光強度減衰部VA−2,VA−3の光損失量は、初期調整時の光損失量よりも小さく、光遅延部D−T−1から出力される2系統のRZ型クロック信号光に過剰な光損失を与えないように極力小さな値に設定される。通常時の高速カオス光信号生成光回路の動作は第3の実施の形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。
次に、初期調整時には、可変光強度減衰部VA−2,VA−3により、光遅延部D−T−1から出力される2系統のクロック信号光に十分な光損失を与える。位相変調部R1,L1の調整の仕方は第1の実施の形態で説明したとおりである。また、本実施の形態では、第2の実施の形態と同様に、可変光強度減衰部VA−2,VA−3として、電界吸収活性層のPL特性が高速カオス光信号生成光回路の設定動作波長に対して100nm以上短波長側に設定された定電圧駆動状態の半導体EA変調器を用いることにより、通常時にはクロック信号光に対して過剰な光損失を与えず、且つ初期調整時においてのみ初期調整を行うのに障害となるリング共振を抑制するのに十分な光損失をクロック信号光に与えることが可能となる。こうして、本実施の形態では、第3の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
なお、可変光強度減衰部VA−2,VA−3を、光分波部SP−1と光遅延部D−T−1との間に設けるようにしてもよい。
[第5の実施の形態]
次に、本発明の第5の実施の形態について説明する。図12は本発明の第5の実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の構成例を示すブロック図である。
本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1,MZ−2と、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されたRZ型クロック信号光に対して初期調整時のみ所望の光損失を与えることが可能な可変光強度減衰部VA−1と、可変光強度減衰部VA−1から出力されたRZ型クロック信号光を2系統に分波する光分波部SP−1と、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−crossから出力された信号光に対して初期調整時のみ所望の光損失を与えることが可能な可変光強度減衰部VA−4と、可変光強度減衰部VA−4から出力された信号光を2系統に分波する光分波部SP−2−1と、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−barから出力される光信号を2系統に分波する光分波部SP−2−2と、光分波部SP−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光がマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1内の後述する位相変調部R1−1,L1−1に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、位相変調部R1−1,L1−1に入力される2系統のRZ型クロック信号光の内、位相変調部R1−1,L1−1に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のRZ型クロック信号光に付与する光伝搬遅延差付与部D−D−1と、光分波部SP−2−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光がマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2内の後述する位相変調部R2,L2に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、位相変調部R2,L2に入力される2系統のRZ型クロック信号光の内、位相変調部R2,L2に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のRZ型クロック信号光に付与する光伝搬遅延差付与部D−D−2と、光分波部SP−2−2で分波された2系統のRZ型クロック信号光がマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1内の後述する位相変調部R1−2,L1−2に到達するまでの光伝搬遅延差に相当する遅延を、位相変調部R1−2,L1−2に入力される2系統のRZ型クロック信号光の内、位相変調部R1−2,L1−2に到達するまでの光伝搬遅延が長い方のRZ型クロック信号光に付与する光伝搬遅延差付与部D−D−2−1とから構成される。
本実施の形態のマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1は、図示しないクロック信号光源から出力される、ピーク光パワーが一定のRZ型のクロック信号光を受ける光入力ポートP−MZ−1−1と、光入力ポートP−MZ−1−1に入力されたRZ型クロック信号光を伝送する2つの干渉アームと、この2つの干渉アームの端部に設けられた2つの光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barと、光分波部SP−1で分波された2つの光信号をマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の2つの干渉アーム内の後述する位相変調部R1−1,L1−1へ入力するための位相変調駆動用の光入力ポートP−R1−1,P−L1−1と、光分波部SP−2−2で分波された2つの光信号をマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の2つの干渉アーム内の後述する位相変調部R1−2,L1−2へ入力するための位相変調駆動用の光入力ポートP−R1−2,P−L1−2と、2つの干渉アームに1つずつ設けられ、干渉アームにより伝送されるRZ型クロック信号光を、光入力ポートP−R1−1,P−L1−1から入力されるRZ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する位相変調部R1−1,L1−1と、位相変調部R1−1,L1−1よりも後ろの2つの干渉アームに1つずつ設けられ、干渉アームにより伝送されるRZ型クロック信号光を、光入力ポートP−R1−2,P−L1−2から入力されるRZ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する位相変調部R1−2,L1−2とから構成される。
マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2は、図示しないクロック信号光源から出力される、ピーク光パワーが一定のRZ型のクロック信号光を受ける光入力ポートP−MZ−2−1と、この光入力ポートP−MZ−2−1に入力されたRZ型クロック信号光を伝送する2つの干渉アームと、この2つの干渉アームの端部に設けられた2つの光出力ポートP−MZ−2−cross,P−MZ−2−barと、光分波部SP−2−1で分波された2つの光信号をマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の2つの干渉アーム内の後述する位相変調部R2,L2へ入力するための位相変調駆動用の光入力ポートP−R2,P−L2と、2つの干渉アームに1つずつ設けられ、干渉アームにより伝送されるRZ型クロック信号光を、光入力ポートP−R2,P−L2から入力されるRZ型クロック信号光の光強度に応じて位相変調する位相変調部R2,L2とから構成される。
図12における200は一端が光入力ポートP−MZ−1−1に接続され他端が位相変調部L1−1の入力に接続された光導波路、201は一端が光導波路200に近接して配置され他端が位相変調部R1−1の入力に接続された光導波路、202は一端が位相変調部L1−1の出力に接続され他端が位相変調部L1−2の入力に接続された光導波路、203は一端が位相変調部R1−1の出力に接続され他端が位相変調部R1−2の入力に接続された光導波路、204は一端が位相変調部L1−2の出力に接続され他端が光出力ポートP−MZ−1−barに接続された光導波路、205は一端が位相変調部R1−2の出力に接続され他端が光出力ポートP−MZ−1−crossに接続され、一部が光導波路204と近接して配置された光導波路である。
光導波路200,202,204がマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の一方の干渉アームを構成し、光導波路201,203,205がマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の他方の干渉アームを構成している。光導波路200と光導波路201との間では、光信号の漏洩が発生し、光導波路200に入力された光信号は光導波路201にも入力される。光導波路204と光導波路205との間では、相互に光信号の漏洩が発生する。
また、206は一端が光入力ポートP−MZ−2−1に接続され他端が位相変調部L2の入力に接続された光導波路、207は一端が光導波路206に近接して配置され他端が位相変調部R2の入力に接続された光導波路、208は一端が位相変調部L2の出力に接続され他端が光出力ポートP−MZ−2−barに接続された光導波路、209は一端が位相変調部R2の出力に接続され他端が光出力ポートP−MZ−2−crossに接続され、一部が光導波路208と近接して配置された光導波路である。
光導波路206,208がマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の一方の干渉アームを構成し、光導波路207,209がマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の他方の干渉アームを構成している。光導波路206と光導波路207との間では、光信号の漏洩が発生し、光導波路206に入力された光信号は光導波路207にも入力される。光導波路208と光導波路209との間では、相互に光信号の漏洩が発生する。
また、210は一端が光出力ポートP−MZ−1−crossに接続され他端が可変光強度減衰部VA−1の入力に接続された光導波路、211は一端が可変光強度減衰部VA−1の出力に接続され他端が光分波部SP−1の入力に接続された光導波路、212は一端が光分波部SP−1の第1の出力に接続され他端が光伝搬遅延差付与部D−D−1の入力に接続された光導波路、213は一端が光分波部SP−1の第2の出力に接続され他端が光入力ポートP−R1−1に接続された光導波路、214は一端が光伝搬遅延差付与部D−D−1の出力に接続され他端が光入力ポートP−L1−1に接続された光導波路である。
また、215は一端が光出力ポートP−MZ−2−crossに接続され他端が可変光強度減衰部VA−4の入力に接続された光導波路、216は一端が可変光強度減衰部VA−4の出力に接続され他端が光分波部SP−2−1の入力に接続された光導波路、217は一端が光分波部SP−2−1の第1の出力に接続され他端が光伝搬遅延差付与部D−D−2の入力に接続された光導波路、218は一端が光分波部SP−2−1の第2の出力に接続され他端が光入力ポートP−R2に接続された光導波路、219は一端が光伝搬遅延差付与部D−D−2の出力に接続され他端が光入力ポートP−L2に接続された光導波路、220は一端が光出力ポートP−MZ−2−barに接続され他端が光分波部SP−2−2の入力に接続された光導波路、221は一端が光分波部SP−2−2の第1の出力に接続され他端が光伝搬遅延差付与部D−D−2−1の入力に接続された光導波路、222は一端が光分波部SP−2−2の第2の出力に接続され他端が光入力ポートP−L1−2に接続された光導波路、223は一端が光伝搬遅延差付与部D−D−2−1の出力に接続され他端が光入力ポートP−R1−2に接続された光導波路である。
次に、本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路の通常時の動作について説明する。光入力ポートP−MZ−1−1,P−MZ−2−1に入力されるクロック信号光の光パワー変化は図2に示したとおりである。図示しないクロック信号光源から光入力ポートP−MZ−1−1,P−MZ−2−1に入力されるクロック信号光は、ピーク光パワーが一定のRZ型の信号光である。
通常時における可変光強度減衰部VA−1の光損失量は、初期調整時の光損失量よりも小さく、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるRZ型クロック信号光に過剰な光損失を与えないように極力小さな値に設定される。同様に、通常時における可変光強度減衰部VA−4の光損失量は、初期調整時の光損失量よりも小さく、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−crossから出力されるRZ型クロック信号光に過剰な光損失を与えないように極力小さな値に設定される。
本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路にクロック信号光が光入力ポートP−MZ−1−1から入力される場合、最初のクロック光パルスp0は、光入力ポートP−MZ−1−1と異なる側の干渉アームの光出力ポートP−MZ−1−crossから100%出力され、光分波部SP−1によりクロック光パルスp0−1,p0−2の2つに分波され、引き続き光伝搬遅延差付与手段D−D−1により遅延差を付与された後、それぞれ光入力ポートP−R1−1,P−L1−1から位相変調部R1−1,L1−1へと入力される。
図13(A)は光入力ポートP−MZ−1−1への入力クロック信号光の入力タイミングを示す図、図13(B)は位相変調部R1−1への入力信号光の入力タイミングを示す図、図13(C)は位相変調部L1−1への入力信号光の入力タイミングを示す図である。図13(B)に示すように、光入力ポートP−MZ−1−1に入力されたクロック光パルスp0と次の時間ステップのクロック光パルスp1との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部D−D−1による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスp0−1が位相変調部R1−1に入力される。一方、図13(C)に示すように、クロック光パルスp1と次の時間ステップのクロック光パルスp2との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部D−D−1による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスp0−2が位相変調部L1−1に入力される。
位相変調部R1−1は、光入力ポートP−MZ−1−1から光導波路200,201を介してクロック光パルスp1が入力される直前に、光入力ポートP−R1−1から入力されるクロック光パルスp0−1の光強度に応じて、クロック光パルスp1の位相を変調する。
一方、位相変調部L1−1は、光入力ポートP−MZ−1−1から光導波路200を介してクロック光パルスp1が入力された直後に、光入力ポートP−L1−1から入力されるクロック光パルスp0−2の光強度に応じて、クロック光パルスp1の位相を変調する。
結果として、クロック光パルスp0−1が位相変調部R1−1に入力されてから、クロック光パルスp0−2が位相変調部L1−1に入力されるまでの間、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の2つの干渉アームで位相差が生じることとなり、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック光パルスp1の光出力強度が変調されることとなる。
同様に、光入力ポートP−MZ−1−1に入力されたクロック光パルスp1と次の時間ステップのクロック光パルスp2との間のタイミングで、光分波部SP−1によって分波されたクロック光パルスp1−1,p1−2のうち光伝搬遅延差付与部D−D−1による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスp1−1が位相変調部R1−1に入力される。一方、クロック光パルスp2と次の時間ステップのクロック光パルスp3との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部D−D−1による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスp1−2が位相変調部L1−1に入力される。
位相変調部R1−1は、光入力ポートP−MZ−1−1から光導波路200,201を介してクロック光パルスp2が入力される直前に、クロック光パルスp1の分波光であるクロック光パルスp1−1が光入力ポートP−R1−1から入力されると、このクロック光パルスp1−1の光強度に応じて、クロック光パルスp2の位相を変調する。
位相変調部L1−1は、光入力ポートP−MZ−1−1から光導波路200を介してクロック光パルスp2が入力された直後に、クロック光パルスp1の分波光であるクロック光パルスp1−2が光入力ポートP−L1−1から入力されると、このクロック光パルスp1−2の光強度に応じて、クロック光パルスp2の位相を変調する。結果として、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック光パルスp2の光出力強度が変調されることとなる。
以上のようにして、クロック光パルスp(t)(t=0,1,2,3,・・・・)と次の時間ステップのクロック光パルスp(t+1)との間のタイミングで、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力され光分波部SP−1によって分波された一方のクロック光パルスp(t)が位相変調部R1−1に入力され、クロック光パルスp(t+1)と次の時間ステップのクロック光パルスp(t+2)との間のタイミングで、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力され光分波部SP−1によって分波された他方のクロック光パルスp(t)が位相変調部L1−1に入力される。その結果、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック光パルスp(t+1)の光出力強度が変調される。こうして、クロック光パルスp1,p2,p3,・・・・の変調が連続して行われる。
マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−crossから100%出力される状態にある条件下で、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されたクロック光パルスが次の時間ステップのクロック光パルスに生じさせる位相変調の量が十分且つ適当な大きさとなるように位相変調部R1−1,L1−1を設定することにより、例えば図4に示した場合のように光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック光パルスの強度が時系列でカオス状態となり、同時に、光出力ポートP−MZ−1−barから出力されるクロック光パルスの強度も時系列でカオス状態となる。
但し、このように光出力強度が時系列でカオス状態となっている出力クロック信号光は、物理乱数源として用いられる物理雑音のように完全に乱雑な特性を有していることを求められる応用分野には適さない。その理由は、前記の図8で説明したとおりである。
そこで、本実施の形態においては、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の出力クロック信号光パルス列が時系列で短期的に見ると乱雑でないという問題を、付加的な論理演算処理を施すことなく解決している。本実施の形態では、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1とは別にマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2を設け、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−crossから100%出力される状態にある条件下で、光出力ポートP−MZ−2−crossから出力されたクロック光パルスが位相変調部R2,L2において次の時間ステップのクロック光パルスに生じさせる位相変調の量が十分且つ適当な大きさとなるように設定し、光入力ポートP−MZ−1−1に入力されるクロック信号光と同期のとれたクロック信号光を光入力ポートP−MZ−2−1にも入力させる。
マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1と同様に、クロック信号光がマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光入力ポートP−MZ−2−1から入力される場合、最初のクロック光パルスp0は、光入力ポートP−MZ−2−1と異なる側の干渉アームの光出力ポートP−MZ−2−crossから100%出力され、光分波部SP−2−1によりクロック光パルスp0−1,p0−2の2つに分波され、引き続き光伝搬遅延差付与手段D−D−2により遅延差を付与された後、それぞれ光入力ポートP−R2,P−L2から位相変調部R2,L2へと入力される。
そして、光入力ポートP−MZ−2−1に入力されたクロック光パルスp0と次の時間ステップのクロック光パルスp1との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部D−D−2による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスp0−1が位相変調部R2に入力される。一方、クロック光パルスp1と次の時間ステップのクロック光パルスp2との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部D−D−2による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスp0−2が位相変調部L2に入力される。
位相変調部R2は、光入力ポートP−MZ−2−1から光導波路206,207を介してクロック光パルスp1が入力される直前に、光入力ポートP−R2から入力されるクロック光パルスp0−1の光強度に応じて、クロック光パルスp1の位相を変調する。位相変調部L2は、光入力ポートP−MZ−2−1から光導波路206を介してクロック光パルスp1が入力された直後に、光入力ポートP−L2から入力されるクロック光パルスp0−2の光強度に応じて、クロック光パルスp1の位相を変調する。
結果として、クロック光パルスp0−1が位相変調部R2に入力されてから、クロック光パルスp0−2が位相変調部L2に入力されるまでの間、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の2つの干渉アームで位相差が生じることとなり、光出力ポートP−MZ−2−crossから出力されるクロック光パルスp1の光出力強度が変調されることとなる。
以上のようにして、クロック光パルスp(t)(t=0,1,2,3,・・・・)と次の時間ステップのクロック光パルスp(t+1)との間のタイミングで、光出力ポートP−MZ−2−crossから出力され光分波部SP−2−1によって分波された一方のクロック光パルスp(t)が位相変調部R2に入力され、クロック光パルスp(t+1)と次の時間ステップのクロック光パルスp(t+2)との間のタイミングで、光出力ポートP−MZ−2−crossから出力され光分波部SP−2−1によって分波された他方のクロック光パルスp(t)が位相変調部L2に入力される。その結果、光出力ポートP−MZ−2−crossから出力されるクロック光パルスp(t+1)の光出力強度が変調される。こうして、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1と同様に、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2においても、クロック光パルスp1,p2,p3,・・・・の変調が連続して行われる。
マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−crossから出力される出力クロック信号光のパルス列は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−crossから出力される出力クロック信号光のパルス列とクロック・タイミングが合い、且つ光出力強度が時系列でカオス状態となる。加えて、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−crossから出力される出力クロック信号光のパルス列に生じているカオス状態は、カオス力学的な観点で、光出力ポートP−MZ−1−crossからの出力クロック信号光のパルス列には全く影響を受けていない。
このため、カオスの特徴の1つであるバタフライ効果により、光出力ポートP−MZ−1−crossからの出力クロック信号光パルス列に含まれる、ある時間ステップiでのパルスの光出力強度を、光出力ポートP−MZ−2−crossからの出力クロック信号光パルス列に含まれる、時間ステップiの直前の時間ステップi−1でのパルスの光出力強度に基づいて予測することができない状態、即ち光出力ポートP−MZ−1−crossからの出力クロック信号光と光出力ポートP−MZ−2−crossからの出力クロック信号光とが互いに乱雑な状態となっている。
次に、光出力ポートP−MZ−2−barから出力され光分波部SP−2−2によって分波された2つの出力クロック信号光に対して光伝搬遅延差付与部D−D−2−1により伝搬遅延差を付与し、伝搬遅延差を付与した2つの出力クロック信号光をマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光入力ポートP−R1−2,P−L1−2から位相変調部R1−2,L1−2へと入力する。
位相変調部R1−2,L1−2は、位相変調部R1−1,L1−1とは独立に設けられ、位相変調部R1−1,L1−1から光導波路203,202を介して入力される入力クロック信号光の強度の最大値に対する位相変調量が十分且つ適当な大きさとなるように設定されている。このため、位相変調部R1−2,L1−2により、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の2つの干渉アームで位相差が生じることとなる。
こうして、本実施の形態では、光出力ポートP−MZ−2−barからの出力クロック信号光パルス列に生じているカオス状態を、光出力ポートP−MZ−1−crossからの出力クロック信号光パルス列に生じているカオス状態に対して畳み込むことにより、光出力ポートP−MZ−1−crossからの出力クロック信号光の光出力強度の振る舞いを乱雑なものとすることができる。本実施の形態では、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1と光分波部SP−1と光伝搬遅延差付与部D−D−1とからなる光回路部を単独で駆動させた場合に見られた、時間ステップ上で隣接するパルス間の光強度の関係性を、図14に示すように失わせることができ、乱雑性が増した乱数列を生成することが可能となる。以上のように、本実施の形態では、第1の実施の形態と比較して更に乱雑性が増した乱数列を生成することが可能となる。
次に、初期調整時の動作について説明する。本実施の形態では、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−crossと光分波部SP−1との間の光導波路上に可変光強度減衰部VA−1を設けることにより、初期調整時に光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック信号光に十分な光損失を与え、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1と光分波部SP−1と光伝搬遅延差付与部D−D−1とで構成されるリング型光共振器による発振挙動を抑えることができ、位相変調部R1−1,L1−1,R1−2,L1−2の光干渉特性を評価してバランス調整を行うことが可能となる。また、本実施の形態では、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−crossと光分波部SP−2−1との間の光導波路上に可変光強度減衰部VA−4を設けることにより、初期調整時に光出力ポートP−MZ−2−crossから出力されるクロック信号光に十分な光損失を与え、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2と光分波部SP−2−1と光伝搬遅延差付与部D−D−2とで構成されるリング型光共振器による発振挙動を抑えることができ、位相変調部R2,L2の光干渉特性を評価してバランス調整を行うことが可能となる。
この初期調整時においては、光入力ポートP−MZ−1−1に入力されるクロック信号光が光出力ポートP−MZ−1−crossから100%出力される状態にある条件下で、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されたクロック光パルスが次の時間ステップのクロック光パルスに生じさせる位相変調の量が十分且つ適当な大きさとなるように位相変調部R1−1,L1−1の利得を設定すればよい。また、初期調整時においては、光入力ポートP−MZ−2−1に入力されるクロック信号光が光出力ポートP−MZ−2−crossから100%出力される状態にある条件下で、光出力ポートP−MZ−2−crossから出力されたクロック光パルスが次の時間ステップのクロック光パルスに生じさせる位相変調の量が十分且つ適当な大きさとなるように位相変調部R2,L2の利得を設定すればよい。また、初期調整時においては、位相変調部R1−1,L1−1から光導波路203,202を介して入力される入力クロック信号光の強度の最大値に対する位相変調量が十分且つ適当な大きさとなるように位相変調部R1−2,L1−2の利得を設定すればよい。
位相変調部R1−1,L1−1,R1−2,L1−2,R2,L2として半導体光増幅器(SOA)を使用する場合、外部から位相変調部R1−1,L1−1,R1−2,L1−2,R2,L2に供給する駆動電流により、位相変調部R1−1,L1−1,R1−2,L1−2,R2,L2の利得を調整することができる。
また、本実施の形態では、第1の実施の形態と同様に、可変光強度減衰部VA−1,VA−4として、電界吸収活性層のPL特性が高速カオス光信号生成光回路の設定動作波長に対して100nm以上短波長側に設定された定電圧駆動状態の半導体EA変調器を用いることにより、通常時にはクロック信号光に対して過剰な光損失を与えず、且つ初期調整時においてのみ初期調整を行うのに障害となるリング共振を抑制するのに十分な光損失をクロック信号光に与えることが可能となる。
なお、本実施の形態では、光出力ポートP−MZ−1−crossと光分波部SP−1の入力とを接続し、光出力ポートP−MZ−1−crossと光分波部SP−1との間に可変光強度減衰部VA−1を挿入しているが、光出力ポートP−MZ−1−barと光分波部SP−1の入力とを接続し、光出力ポートP−MZ−1−barと光分波部SP−1との間に可変光強度減衰部VA−1を挿入するようにしてもよい。また、光出力ポートP−MZ−2−barと光分波部SP−2−1の入力とを接続し、光出力ポートP−MZ−2−barと光分波部SP−2−1との間に可変光強度減衰部VA−4を挿入し、光出力ポートP−MZ−2−crossと光分波部SP−2−2の入力とを接続するようにしてもよい。
また、本実施の形態では、光伝搬遅延差付与部D−D−2−1の出力を光入力ポートP−R1−2と接続しているが、光伝搬遅延差付与部D−D−2−1の出力を光入力ポートP−L1−2と接続し、光分波部SP−2−2の出力のうち光伝搬遅延差付与部D−D−2−1による光伝搬遅延が付与されていない方の出力を光入力ポートP−R1−2と接続するようにしてもよい。
また、本実施の形態において、同一のクロック信号光源から出力されたRZ型のクロック信号光をあらかじめ分波して光入力ポートP−MZ−1−1,P−MZ−2−1に入力するようにしてもよいし、第1のクロック信号光源から出力されたRZ型のクロック信号光を光入力ポートP−MZ−1−1に入力すると共に第1のクロック信号光源と同期している第2のクロック信号光源から出力されたRZ型のクロック信号光を光入力ポートP−MZ−2−1に入力するようにしてもよい。
また、本実施の形態において、高速カオス光信号生成光回路の出力信号光は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の2つの光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barの内のいずれか一方から得るようにすればよい。このとき、100%出力時の光強度を1として、閾値を0.5として設定し、出力信号光の光強度が閾値よりも大きい場合は2値化信号の値を1とし、出力信号光の光強度が閾値以下であれば2値化信号の値を0とする2値化処理を行うと、2値の乱数列が得られる。
[第6の実施の形態]
次に、本発明の第6の実施の形態について説明する。図15は本発明の第6の実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の構成例を示すブロック図である。
本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、第5の実施の形態の高速カオス光信号生成光回路における可変光強度減衰部VA−1の代わりに、光分波部SP−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光に対して初期調整時のみ所望の光損失を与えることが可能な可変光強度減衰部VA−2,VA−3を設け、可変光強度減衰部VA−4の代わりに、光分波部SP−2−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光に対して初期調整時のみ所望の光損失を与えることが可能な可変光強度減衰部VA−5,VA−6を設けたものである。
本実施の形態では、光導波路210の他端を光分波部SP−1の入力に接続し、光導波路215の他端を光分波部SP−2−1の入力に接続し、光導波路212の他端を可変光強度減衰部VA−2の入力に接続し、光導波路213の他端を可変光強度減衰部VA−3の入力に接続し、光導波路217の他端を可変光強度減衰部VA−5の入力に接続し、光導波路218の他端を可変光強度減衰部VA−6の入力に接続すればよい。図15における224は一端が可変光強度減衰部VA−2の出力に接続され他端が光伝搬遅延差付与部D−D−1の入力に接続された光導波路、225は一端が可変光強度減衰部VA−3の出力に接続され他端が光入力ポートP−R1に接続された光導波路、226は一端が可変光強度減衰部VA−5の出力に接続され他端が光伝搬遅延差付与部D−D−2の入力に接続された光導波路、227は一端が可変光強度減衰部VA−6の出力に接続され他端が光入力ポートP−R2に接続された光導波路である。
次に、本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路の動作について説明する。通常時における可変光強度減衰部VA−2,VA−3の光損失量は、初期調整時の光損失量よりも小さく、光分波部SP−1から出力される2系統のRZ型クロック信号光に過剰な光損失を与えないように極力小さな値に設定される。同様に、通常時における可変光強度減衰部VA−5,VA−6の光損失量は、初期調整時の光損失量よりも小さく、光分波部SP−2−1から出力される2系統のRZ型クロック信号光に過剰な光損失を与えないように極力小さな値に設定される。通常時の高速カオス光信号生成光回路の動作は第5の実施の形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。
次に、初期調整時には、可変光強度減衰部VA−2,VA−3により、光分波部SP−1から出力される2系統のクロック信号光に十分な光損失を与え、可変光強度減衰部VA−5,VA−6により、光分波部SP−2−1から出力される2系統のクロック信号光に十分な光損失を与える。位相変調部R1−1,L1−1,R1−2,L1−2,R2,L2の調整の仕方は第5の実施の形態で説明したとおりである。
また、本実施の形態では、第1の実施の形態と同様に、可変光強度減衰部VA−2,VA−3,VA−5,VA−6として、電界吸収活性層のPL特性が高速カオス光信号生成光回路の設定動作波長に対して100nm以上短波長側に設定された定電圧駆動状態の半導体EA変調器を用いることにより、通常時にはクロック信号光に対して過剰な光損失を与えず、且つ初期調整時においてのみ初期調整を行うのに障害となるリング共振を抑制するのに十分な光損失をクロック信号光に与えることが可能となる。こうして、本実施の形態では、第5の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
また、第5の実施の形態において、可変光強度減衰部VA−1を残し、第6の実施の形態のように可変光強度減衰部VA−4の代わりに可変光強度減衰部VA−5,VA−6を設けるようにしてもよい。この場合の高速カオス光信号生成光回路の構成を図16に示す。また、第5の実施の形態において、可変光強度減衰部VA−4を残し、第6の実施の形態のように可変光強度減衰部VA−1の代わりに可変光強度減衰部VA−2,VA−3を設けるようにしてもよい。この場合の高速カオス光信号生成光回路の構成を図17に示す。
[第7の実施の形態]
次に、本発明の第7の実施の形態について説明する。図18は本発明の第7の実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の構成例を示すブロック図である。
本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、第5の実施の形態の高速カオス光信号生成光回路に対して、光分波部SP−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延時間T−1の遅延を付与する光遅延部D−T−1と、光分波部SP−2−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光にそれぞれ所定の遅延時間T−2(T−1≠T−2)の遅延を付与する光遅延部D−T−2とを追加したものである。
本実施の形態では、光導波路212の他端を光遅延部D−T−1の第1の光入力ポートに接続し、光導波路213の他端を光遅延部D−T−1の第2の光入力ポートに接続し、光導波路217の他端を光遅延部D−T−2の第1の光入力ポートに接続し、光導波路218の他端を光遅延部D−T−2の第2の光入力ポートに接続すればよい。図18における228は一端が光遅延部D−T−1の第1の光出力ポートに接続され他端が光伝搬遅延差付与部D−D−1の入力に接続された光導波路、229は一端が光遅延部D−T−1の第2の光出力ポートに接続され他端が光入力ポートP−R1−1に接続された光導波路、230は一端が光遅延部D−T−2の第1の光出力ポートに接続され他端が光伝搬遅延差付与部D−D−2の入力に接続された光導波路、231は一端が光遅延部D−T−2の第2の光出力ポートに接続され他端が光入力ポートP−R2に接続された光導波路である。
次に、本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路の通常時の動作について説明する。本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路において、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2が存在せず、クロック信号光が光入力ポートP−MZ−1−1から入力される場合、最初のクロック光パルスp0は、光入力ポートP−MZ−1−1と異なる側の干渉アームの光出力ポートP−MZ−1−crossから100%出力され、光分波部SP−1によりクロック光パルスp0−1,p0−2の2つに分波され、引き続き光伝搬遅延差付与部D−D−1により遅延を付与された後、それぞれ光入力ポートP−R1−1,P−L1−1から位相変調部R1−1,L1−1へと入力される。
前記の図7(A)〜図7(C)を参照すると、図7(A)は光入力ポートP−MZ−1−1への入力クロック信号光の入力タイミングを示し、図7(B)は位相変調部R1−1への入力信号光の入力タイミングを示し、図7(C)は位相変調部L1−1への入力信号光の入力タイミングを示している。
図7(B)に示したように、光入力ポートP−MZ−1−1に入力されたクロック光パルスp0から時系列的にある一定の遅延ステップ時間T−1後のクロック光パルスpM1と次の時間ステップのクロック光パルスpM2との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部D−D−1による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスp0−1が位相変調部R1−1に入力される。一方、図7(C)に示すように、クロック光パルスpM2と次の時間ステップのクロック光パルスpM3との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部D−D−1による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスp0−2が位相変調部L1−1に入力される。
遅延ステップ時間T−1は、光遅延部D−T−1によってクロック信号光に付与される遅延時間である。すなわち、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されたクロック信号光は、光分波部SP−1により2つに分波され光遅延部D−T−1によって遅延ステップ時間T−1に相当する遅延が付与された後、一方のクロック信号光はそのまま光入力ポートP−R1−1に入力され、他方のクロック信号光は光伝搬遅延差付与部D−D−1により更に遅延が付与された後に光入力ポートP−L1−1に入力される。
位相変調部R1−1は、光入力ポートP−MZ−1−1から光導波路200,201を介してクロック光パルスpM2が入力される直前に、光入力ポートP−R1−1から入力されるクロック光パルスp0−1の光強度に応じて、クロック光パルスpM2の位相を変調する。
一方、位相変調部L1−1は、光入力ポートP−MZ−1−1から光導波路200を介してクロック光パルスpM2が入力された直後に、光入力ポートP−L1−1から入力されるクロック光パルスp0−2の光強度に応じて、クロック光パルスpM3の位相を変調する。
結果として、クロック光パルスp0−1が位相変調部R1−1に入力されてから、クロック光パルスp0−2が位相変調部L1−1に入力されるまでの間、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の2つの干渉アームで位相差が生じることとなり、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック光パルスpM2の光出力強度が変調されることとなる。
同様に、光入力ポートP−MZ−1−1に入力されたクロック光パルスp1から遅延ステップ時間T−1後のクロック光パルスpM2と次の時間ステップのクロック光パルスpM3との間のタイミングで、光分波部SP−1によって分波されたクロック光パルスp1−1,p1−2のうち光伝搬遅延差付与部D−D−1による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスp1−1が位相変調部R1−1に入力される。一方、クロック光パルスpM3と次の時間ステップのクロック光パルスpM4との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部D−D−1による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスp1−2が位相変調部L1−1に入力される。
位相変調部R1−1は、光入力ポートP−MZ−1−1から光導波路200,201を介してクロック光パルスpM3が入力される直前に、クロック光パルスp1の分波光であるクロック光パルスp1−1が光入力ポートP−R1−1から入力されると、このクロック光パルスp1−1の光強度に応じて、クロック光パルスpM3の位相を変調する。
位相変調部L1−1は、光入力ポートP−MZ−1−1から光導波路200を介してクロック光パルスpM3が入力された直後に、クロック光パルスp1の分波光であるクロック光パルスp1−2が光入力ポートP−L1−1から入力されると、このクロック光パルスp1−2の光強度に応じて、クロック光パルスpM4の位相を変調する。結果として、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック光パルスpM3の光出力強度が変調されることとなる。
以上のようにして、クロック光パルスp(i+Ns)(Nsは1以上の整数)と次の時間ステップのクロック光パルスp(i+Ns+1)との間のタイミングで、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力され光分波部SP−1によって分波された一方のクロック光パルスp(i)が位相変調部R1−1に入力され、クロック光パルスp(i+Ns+1)と次の時間ステップのクロック光パルスp(i+Ns+2)との間のタイミングで、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力され光分波部SP−1によって分波された他方のクロック光パルスp(i)が位相変調部L1−1に入力される。その結果、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック光パルスp(i+Ns+1)の光出力強度が変調される。こうして、クロック光パルスpM2,pM3,pM4,・・・・の変調が連続して行われる。
マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−crossから100%出力される状態にある条件下で、光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されたクロック光パルスが次の時間ステップのクロック光パルスに生じさせる位相変調の量が十分且つ適当な大きさとなるように位相変調部R1−1,L1−1を設定することにより、例えば図4に示した場合のように光出力ポートP−MZ−1−crossから出力されるクロック光パルスの強度が時系列でカオス状態となり、同時に、光出力ポートP−MZ−1−barから出力されるクロック光パルスの強度も時系列でカオス状態となる。
上記の光遅延部D−T−1を設けない場合、即ちT−1=0の場合、時間ステップiのクロック光パルスの光強度変調のために、直前の時間ステップi−1のクロック光パルスが用いられることとなる。このとき、100%出力時の光強度を1として、閾値を0.5として設定し、光強度が時系列でカオス状態となっている出力クロック信号光の光強度が閾値よりも大きい場合は2値化信号の値を1とし、出力クロック信号光の光強度が閾値以下であれば2値化信号の値を0とする2値化処理を行うと、2値の乱数列が得られる。
しかしながら、光遅延部D−T−1を設けない場合、光出力ポートP−MZ−1−crossまたはP−MZ−1−barから得られる出力クロック信号光は、物理乱数源として用いられる物理雑音のように完全に乱雑な特性を有していることを求められる応用分野には適さない。その理由は、前記の図8で説明したとおりである。
そこで、本実施の形態においては、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の出力クロック信号光パルス列が時系列で短期的に見ると乱雑でないという問題を、付加的な論理演算処理を施すことなく解決している。本実施の形態では、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1とは別にマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2を設け、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−crossから100%出力される状態にある条件下で、光出力ポートP−MZ−2−crossから出力されたクロック光パルスが位相変調部R2,L2において次の時間ステップのクロック光パルスに生じさせる位相変調の量が十分且つ適当な大きさとなるように設定し、光入力ポートP−MZ−1−1に入力されるクロック信号光と同期のとれたクロック信号光を光入力ポートP−MZ−2−1にも入力させる。さらに、本実施の形態では、上記の遅延ステップ時間T−1が1ステップ時間(クロック光パルスの周期)以上の任意の値となるように光遅延部D−T−1を設けると共に、遅延ステップ時間T−2が1ステップ時間以上の任意の値となるように光遅延部D−T−2を設ける。ここで、遅延ステップ時間T−1,T−2は、例えばクロック光パルスの周期の整数倍の時間であり、T−1≠T−2である。
マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1と同様に、クロック信号光がマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光入力ポートP−MZ−2−1から入力される場合、最初のクロック光パルスp0は、光入力ポートP−MZ−2−1と異なる側の干渉アームの光出力ポートP−MZ−2−crossから100%出力され、光分波部SP−2−1によりクロック光パルスp0−1,p0−2の2つに分波され、光遅延部D−T−2により所定の遅延が付与され、さらに光伝搬遅延差付与手段D−D−2により遅延差を付与された後、それぞれ光入力ポートP−R2,P−L2から位相変調部R2,L2へと入力される。
図19(A)は光入力ポートP−MZ−2−1への入力クロック信号光の入力タイミングを示す図、図19(B)は位相変調部R2への入力信号光の入力タイミングを示す図、図19(C)は位相変調部L2への入力信号光の入力タイミングを示す図である。
図19(B)に示すように、光入力ポートP−MZ−2−1に入力されたクロック光パルスp0から時系列的にある一定の遅延ステップ時間T−2後のクロック光パルスpM2と次の時間ステップのクロック光パルスpM3との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部D−D−2による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスp0−1が位相変調部R2に入力される。一方、図19(C)に示すように、クロック光パルスpM3と次の時間ステップのクロック光パルスpM4との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部D−D−2による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスp0−2が位相変調部L2に入力される。
遅延ステップ時間T−2は、光遅延部D−T−2によってクロック信号光に付与される遅延時間である。すなわち、光出力ポートP−MZ−2−crossから出力されたクロック信号光は光分波部SP−2−1により2つに分波され、引き続き光遅延部D−T−2によって遅延ステップ時間T−2に相当する遅延が付与された後、一方のクロック信号光はそのまま光入力ポートP−R2に入力され、他方のクロック信号光は光伝搬遅延差付与部D−D−2により更に遅延が付与された後に光入力ポートP−L2に入力される。
位相変調部R2は、光入力ポートP−MZ−2−1から光導波路206,207を介してクロック光パルスpM3が入力される直前に、光入力ポートP−R2から入力されるクロック光パルスp0−1の光強度に応じて、クロック光パルスpM3の位相を変調する。
一方、位相変調部L2は、光入力ポートP−MZ−2−1から光導波路206を介してクロック光パルスpM3が入力された直後に、光入力ポートP−L2から入力されるクロック光パルスp0−2の光強度に応じて、クロック光パルスpM4の位相を変調する。
結果として、クロック光パルスp0−1が位相変調部R2に入力されてから、クロック光パルスp0−2が位相変調部L2に入力されるまでの間、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の2つの干渉アームで位相差が生じることとなり、光出力ポートP−MZ−2−crossから出力されるクロック光パルスpM3の光出力強度が変調されることとなる。
同様に、光入力ポートP−MZ−2−1に入力されたクロック光パルスp1から遅延ステップ時間T−2後のクロック光パルスpM3と次の時間ステップのクロック光パルスpM4との間のタイミングで、光分波部SP−2−1によって分波されたクロック光パルスp1−1,p1−2のうち光伝搬遅延差付与部D−D−2による光伝搬遅延が付与されていない方のクロック光パルスp1−1が位相変調部R2に入力される。一方、クロック光パルスpM4と次の時間ステップのクロック光パルスpM5との間のタイミングで、光伝搬遅延差付与部D−D−2による光伝搬遅延が付与された方のクロック光パルスp1−2が位相変調部L2に入力される。
位相変調部R2は、光入力ポートP−MZ−2−1から光導波路206,207を介してクロック光パルスpM4が入力される直前に、クロック光パルスp1の分波光であるクロック光パルスp1−1が光入力ポートP−R2から入力されると、このクロック光パルスp1−1の光強度に応じて、クロック光パルスpM4の位相を変調する。
位相変調部L2は、光入力ポートP−MZ−2−1から光導波路206を介してクロック光パルスpM4が入力された直後に、クロック光パルスp1の分波光であるクロック光パルスp1−2が光入力ポートP−L2から入力されると、このクロック光パルスp1−2の光強度に応じて、クロック光パルスpM5の位相を変調する。結果として、光出力ポートP−MZ−2−crossから出力されるクロック光パルスpM4の光出力強度が変調されることとなる。
以上のようにして、クロック光パルスp(i+Qs)(Qsは1以上の整数)と次の時間ステップのクロック光パルスp(i+Qs+1)との間のタイミングで、光出力ポートP−MZ−2−crossから出力され光分波部SP−2−1によって分波された一方のクロック光パルスp(i)が位相変調部R2に入力され、クロック光パルスp(i+Qs+1)と次の時間ステップのクロック光パルスp(i+Qs+2)との間のタイミングで、光出力ポートP−MZ−2−crossから出力され光分波部SP−2−1によって分波された他方のクロック光パルスp(i)が位相変調部L2に入力される。その結果、光出力ポートP−MZ−2−crossから出力されるクロック光パルスp(i+Qs+1)の光出力強度が変調される。こうして、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1と同様に、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2においても、クロック光パルスpM3,pM4,pM5,・・・・の変調が連続して行われる。
マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−crossから出力される出力クロック信号光のパルス列は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−crossから出力される出力クロック信号光のパルス列とクロック・タイミングが合い、且つ光出力強度が時系列でカオス状態となる。加えて、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−crossから出力される出力クロック信号光のパルス列に生じているカオス状態は、カオス力学的な観点で、光出力ポートP−MZ−1−crossからの出力クロック信号光のパルス列には全く影響を受けていない。
このため、カオスの特徴の1つであるバタフライ効果により、光出力ポートP−MZ−1−crossからの出力クロック信号光パルス列に含まれる、ある時間ステップiでのパルスの光出力強度を、光出力ポートP−MZ−2−crossからの出力クロック信号光パルス列に含まれる、時間ステップiの直前の時間ステップi−1でのパルスの光出力強度に基づいて予測することができない状態、即ち光出力ポートP−MZ−1−crossからの出力クロック信号光と光出力ポートP−MZ−2−crossからの出力クロック信号光とが互いに乱雑な状態となっている。
次に、光出力ポートP−MZ−2−barから出力され光分波部SP−2−2によって分波された2つの出力クロック信号光に対して光伝搬遅延差付与部D−D−2−1により伝搬遅延差を付与し、伝搬遅延差を付与した2つの出力クロック信号光をマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光入力ポートP−R1−2,P−L1−2から位相変調部R1−2,L1−2へと入力する。
位相変調部R1−2,L1−2は、位相変調部R1−1,L1−1とは独立に設けられ、位相変調部R1−1,L1−1から光導波路203,202を介して入力される入力クロック信号光の強度の最大値に対する位相変調量が十分且つ適当な大きさとなるように設定されている。このため、位相変調部R1−2,L1−2により、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の2つの干渉アームで位相差が生じることとなる。
こうして、本実施の形態では、光出力ポートP−MZ−2−barからの出力クロック信号光パルス列に生じているカオス状態を、光出力ポートP−MZ−1−crossからの出力クロック信号光パルス列に生じているカオス状態に対して畳み込むことにより、光出力ポートP−MZ−1−crossからの出力クロック信号光の光出力強度の振る舞いを乱雑なものとすることができる。
同時に、本実施の形態では、遅延ステップ時間T−1が1ステップ時間(クロック光パルスの周期)以上の任意の値となるように光遅延部D−T−1を設け、遅延ステップ時間T−2が1ステップ時間以上の任意の値となるように光遅延部D−T−2を設ける。
遅延ステップ時間T−1が1ステップ時間以上の任意の値となるように光遅延部D−T−1を設けた場合、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−crossから出力される出力クロック信号光のパルス列は、p(i),p(i+1),p(i+2),・・・・,p(i+Ns−1)のNs個のカオス状態のパルス列とp(i+Ns),p(i+Ns+1),p(i+Ns+2),・・・・,p(i+2Ns−1)のNs個のカオス状態のパルス列とが組み合わされ、p(i+Ns),p(i+Ns+1),p(i+Ns+2),・・・・,p(i+2Ns−1)のNs個のカオス状態のパルス列とp(i+2Ns),p(i+2Ns+1),p(i+2Ns+2),・・・・,p(i+3Ns−1)のNs個のカオス状態のパルス列とが組み合わされるといったように、独立したNs個のカオス状態のパルス列が図20のように組み合わされたものとなる。なお、Nsは、遅延ステップ時間T−1中のクロック光パルスの数であり、1以上の整数値である。
このようなパルスの組み合わせにより、上記Ns個のカオス状態のパルス列は長期的に見ると予測不能で乱雑な振る舞いをすることから、遅延ステップ時間T−1の間、光出力ポートP−MZ−1−crossからの出力クロック信号光パルス列の光出力強度は全く乱雑な振る舞いをすることとなる。
同様に、遅延ステップ時間T−2が1ステップ時間以上の任意の値となるように光遅延部D−T−2を設けた場合、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−crossから出力される出力クロック信号光のパルス列は、p(i),p(i+1),p(i+2),・・・・,p(i+Qs−1)のQs個のカオス状態のパルス列とp(i+Qs),p(i+Qs+1),p(i+Qs+2),・・・・,p(i+2Qs−1)のQs個のカオス状態のパルス列とが組み合わされ、p(i+Qs),p(i+Qs+1),p(i+Qs+2),・・・・,p(i+2Qs−1)のQs個のカオス状態のパルス列とp(i+2Qs),p(i+2Qs+1),p(i+2Qs+2),・・・・,p(i+3Qs−1)のQs個のカオス状態のパルス列とが組み合わされるといったように、独立したQs個のカオス状態のパルス列が組み合わされたものとなる。なお、Qsは、遅延ステップ時間T−2中のクロック光パルスの数であり、1以上の整数値である。
このようなパルスの組み合わせにより、上記Qs個のカオス状態のパルス列は長期的に見ると予測不能で乱雑な振る舞いをすることから、遅延ステップ時間T−2の間、光出力ポートP−MZ−2−crossからの出力クロック信号光パルス列の光出力強度は全く乱雑な振る舞いをすることとなる。
但し、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−crossから出力される出力クロック信号光パルス列において、時間ステップiのクロック光パルスと時間ステップi+Ns+1のクロック光パルスとの間には、図8に示したような明確な関係性が残ったままとなる。即ち、図8は時間ステップiでの光出力強度と次の時間ステップi+1での光出力強度との間の関係を示すものであるが、このような関係は時間ステップiと時間ステップi+Ns+1との間でも成り立つ。
一方、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−crossから出力される出力クロック信号光パルス列の場合、時間ステップiの時点から見て時間ステップi+Ns+1の光出力強度が予測可能性のより低下した乱雑性のより高い振る舞いをするようになっている。この光出力ポートP−MZ−2−crossからの出力クロック信号光パルス列を用いてマッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1内の位相変調部R1−2,L1−2を駆動することにより、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の光出力ポートP−MZ−1−crossからの出力クロック信号光の光出力強度の振る舞いに、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−2の光出力ポートP−MZ−2−crossからの出力クロック信号光の光出力強度の乱雑さを畳み込むことができる。
その結果、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1と光分波部SP−1と光遅延部D−T−1と光伝搬遅延差付与部D−D−1とからなる光回路部を単独で駆動させた場合に見られた、時間ステップ上で隣接するパルス間の光強度の関係性を、図21に示すように失わせることができ、乱雑性が増した乱数列を生成することが可能となる。こうして、本実施の形態では、第5の実施の形態と比較して更に乱雑性が増した乱数列を生成することが可能となる。
初期調整時の動作は第5の実施の形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。
なお、本実施の形態では、光出力ポートP−MZ−1−crossと光分波部SP−1の入力とを接続し、光出力ポートP−MZ−1−crossと光分波部SP−1との間に可変光強度減衰部VA−1を挿入しているが、光出力ポートP−MZ−1−barと光分波部SP−1の入力とを接続し、光出力ポートP−MZ−1−barと光分波部SP−1との間に可変光強度減衰部VA−1を挿入するようにしてもよい。また、光出力ポートP−MZ−2−barと光分波部SP−2−1の入力とを接続し、光出力ポートP−MZ−2−barと光分波部SP−2−1との間に可変光強度減衰部VA−4を挿入し、光出力ポートP−MZ−2−crossと光分波部SP−2−2の入力とを接続するようにしてもよい。
また、本実施の形態では、光伝搬遅延差付与部D−D−2−1の出力を光入力ポートP−R1−2と接続しているが、光伝搬遅延差付与部D−D−2−1の出力を光入力ポートP−L1−2と接続し、光分波部SP−2−2の出力のうち光伝搬遅延差付与部D−D−2−1による光伝搬遅延が付与されていない方の出力を光入力ポートP−R1−2と接続するようにしてもよい。
また、本実施の形態では、光遅延部D−T−1と光遅延部D−T−2の両方を設ける場合について説明しているが、光遅延部D−T−1と光遅延部D−T−2のうちどちらか一方だけを設ける場合でも、超高速の光乱数生成要求に対応可能で、乱雑性の高い乱数を生成可能であるという効果を得ることができる。このときの効果の大きさは、(光遅延部D−T−1と光遅延部D−T−2の両方を設ける場合)>(光遅延部D−T−2を無くし光遅延部D−T−1だけを設ける場合)≧(光遅延部D−T−1を無くし光遅延部D−T−2だけを設ける場合)、という大小関係となる。
また、本実施の形態において、同一のクロック信号光源から出力されたRZ型のクロック信号光をあらかじめ分波して光入力ポートP−MZ−1−1,P−MZ−2−1に入力するようにしてもよいし、第1のクロック信号光源から出力されたRZ型のクロック信号光を光入力ポートP−MZ−1−1に入力すると共に第1のクロック信号光源と同期している第2のクロック信号光源から出力されたRZ型のクロック信号光を光入力ポートP−MZ−2−1に入力するようにしてもよい。
また、本実施の形態において、高速カオス光信号生成光回路の出力信号光は、マッハツェンダー干渉型光強度変調部MZ−1の2つの光出力ポートP−MZ−1−cross,P−MZ−1−barの内のいずれか一方から得るようにすればよい。このとき、100%出力時の光強度を1として、閾値を0.5として設定し、出力信号光の光強度が閾値よりも大きい場合は2値化信号の値を1とし、出力信号光の光強度が閾値以下であれば2値化信号の値を0とする2値化処理を行うと、2値の乱数列が得られる。
[第8の実施の形態]
次に、本発明の第8の実施の形態について説明する。図22は本発明の第8の実施の形態に係る高速カオス光信号生成光回路の構成例を示すブロック図である。
本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、第7の実施の形態の高速カオス光信号生成光回路における可変光強度減衰部VA−1の代わりに、光分波部SP−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光に対して初期調整時のみ所望の光損失を与えることが可能な可変光強度減衰部VA−2,VA−3を設け、可変光強度減衰部VA−4の代わりに、光分波部SP−2−1で分波された2系統のRZ型クロック信号光に対して初期調整時のみ所望の光損失を与えることが可能な可変光強度減衰部VA−5,VA−6を設けたものである。
本実施の形態では、光導波路210の他端を光分波部SP−1の入力に接続し、光導波路215の他端を光分波部SP−2−1の入力に接続し、光導波路212の他端を可変光強度減衰部VA−2の入力に接続し、光導波路213の他端を可変光強度減衰部VA−3の入力に接続し、光導波路217の他端を可変光強度減衰部VA−5の入力に接続し、光導波路218の他端を可変光強度減衰部VA−6の入力に接続すればよい。図22における232は一端が可変光強度減衰部VA−2の出力に接続され他端が光遅延部D−T−1の第1の光入力ポートに接続された光導波路、233は一端が可変光強度減衰部VA−3の出力に接続され他端が光遅延部D−T−1の第2の光入力ポートに接続された光導波路、234は一端が可変光強度減衰部VA−5の出力に接続され他端が光遅延部D−T−2の第1の光入力ポートに接続された光導波路、235は一端が可変光強度減衰部VA−6の出力に接続され他端が光遅延部D−T−2の第2の光入力ポートに接続された光導波路である。
次に、本実施の形態の高速カオス光信号生成光回路の動作について説明する。通常時における可変光強度減衰部VA−2,VA−3の光損失量は、初期調整時の光損失量よりも小さく、光分波部SP−1から出力される2系統のRZ型クロック信号光に過剰な光損失を与えないように極力小さな値に設定される。同様に、通常時における可変光強度減衰部VA−5,VA−6の光損失量は、初期調整時の光損失量よりも小さく、光分波部SP−2−1から出力される2系統のRZ型クロック信号光に過剰な光損失を与えないように極力小さな値に設定される。通常時の高速カオス光信号生成光回路の動作は第7の実施の形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。
次に、初期調整時には、可変光強度減衰部VA−2,VA−3により、光分波部SP−1から出力される2系統のクロック信号光に十分な光損失を与え、可変光強度減衰部VA−5,VA−6により、光分波部SP−2−1から出力される2系統のクロック信号光に十分な光損失を与える。位相変調部R1−1,L1−1,R1−2,L1−2,R2,L2の調整の仕方は第7の実施の形態で説明したとおりである。
また、本実施の形態では、第1の実施の形態と同様に、可変光強度減衰部VA−2,VA−3,VA−5,VA−6として、電界吸収活性層のPL特性が高速カオス光信号生成光回路の設定動作波長に対して100nm以上短波長側に設定された定電圧駆動状態の半導体EA変調器を用いることにより、通常時にはクロック信号光に対して過剰な光損失を与えず、且つ初期調整時においてのみ初期調整を行うのに障害となるリング共振を抑制するのに十分な光損失をクロック信号光に与えることが可能となる。こうして、本実施の形態では、第7の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
また、第7の実施の形態において、可変光強度減衰部VA−1を残し、第8の実施の形態のように可変光強度減衰部VA−4の代わりに可変光強度減衰部VA−5,VA−6を設けるようにしてもよい。この場合の高速カオス光信号生成光回路の構成を図23に示す。また、第7の実施の形態において、可変光強度減衰部VA−4を残し、第8の実施の形態のように可変光強度減衰部VA−1の代わりに可変光強度減衰部VA−2,VA−3を設けるようにしてもよい。この場合の高速カオス光信号生成光回路の構成を図24に示す。
第1の実施の形態〜第8の実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、光導波路部分を低損失な半導体導波路で構成し、位相変調部として半導体光増幅器(SOA)若しくは量子ドット型SOA(QD−SOA)を用いるか、或いは位相変調部として半導体EA(Electro-absorption)変調器を定電圧駆動で用いる構成を用い、全体を光半導体で集積化して製作すればよい。
また、第1の実施の形態〜第8の実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、光導波路部分をPLC(Planar Lightwave Circuit)で構成し、位相変調部としてSOA若しくはQD−SOAを用いるか、或いは位相変調部として半導体EA変調器を定電圧駆動で用いる構成を用い、全体をPLCと光半導体のハイブリッドで製作してもよい。このような光回路は、文献「T.Ito,et al.,“Bit-rate and format conversion from 10-Gbit/s WDM channels to a 40-Gbit/s channel using a monolithic Sagnac interferometer integrated with parallelamplifier structure”,IEE Proc.-Optoelectron.,Vol.151,No.1,p.41-45,February 2004」や、文献「小川育生他,“PLCハイブリッド集積型半導体光増幅器モジュール”,The Institute of Electronics,Information and Communication Engineers,IEICE technical report. EMD 102(283),p.7-11,2002-08-22」に開示されている。
また、第1の実施の形態〜第8の実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、光導波路部分にフォトニック結晶導波路を用い、位相変調部として量子ドット群をコア層に埋め込んだ構成を用い、全体を一体集積化して製作してもよい。このような光回路は、文献「H.Nakamura,Y.Sugimoto,K.Kanamoto,N.Ikeda,Y.Tanaka,Y.Nakamura,S.Ohkouchi,Y.Watanabe,K.Inoue,H.Ishikawa and K.Asakawa,“Ultra-fast photonic crystal/quantum dot all-optical switch for future photonic networks”,Optics Express,vol.12,no.26,p.6606-6614,2004」に開示されている。
また、第1の実施の形態〜第8の実施の形態の高速カオス光信号生成光回路は、化合物半導体基板上やシリコン平面基板上に集積型光回路として作製された平面型光回路であってもよい。シリコン平面基板上に集積型光回路として作製された平面型光回路については、文献「板橋 聖一,“シリコンフォトニクスの研究開発動向”,NTT技術ジャーナル 2009.12,p.12-15,2009」に開示されている。