JPH0695181A - 光直列並列変換回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 時系列上の光パルス列を空間的な並列光パル
ス列に高速に変換し得るとともにスイッチ制御系を簡略
化し得る光直列並列変換回路を提供する。 【構成】 時系列上に並べられた光パルス列を空間的な
並列光パルス列に変換する光直列並列変換回路におい
て、入力された信号光を光信号分岐部２２にて複数に分
岐し、該分岐された信号光に対して遅延付加部２３にて
互いに異なる遅延を施し、これらと制御信号光とを制御
信号合成部２４にてそれぞれ合成し、さらに光非線形素
子からなるゲート部２５に入力することにより、電気信
号に変換することなく、しかも共通の制御信号で各信号
光を制御可能とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、時系列上の光パルス列
を空間的な並列光パルス列に変換する光直列並列変換回
路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一本の伝送路を通過する時系列上に並べ
られたパルス列を、複数の伝送路を通過する並列パルス
列に変換する直列並列変換回路は、コンピュータを始め
とするデジタル回路内で汎用的に使われる基本回路であ
る。通信の分野においても、直列並列変換回路は多重化
された高速信号を複数の低速信号に分離する多重分離回
路として良く知られている。

【０００３】コンピュータ等の電子装置では、信号処理
の高速化に伴う遅延やクロストークを抑えるため、装置
内の配線を光配線とする検討がなされている。また、通
信の分野では光の持つ高速性を生かした光通信が実用化
されている。このような光配線や光通信では時系列上に
並べられた高速な光パルス列を電気的な処理が可能な複
数の低速の並列パルス列に変換する光直列並列変換回路
が必要となる。

【０００４】図９は従来の光直列並列変換回路の一例を
示すもので、図中、１は光信号入力端、２は光ファイバ
等の光伝送路、３は光受信回路、４は電気配線、５は直
列並列変換回路、６−１〜６−４は信号出力端である。
光信号入力端１より入力され、光伝送路２を通過してき
た光パルス列は光受信回路３において光／電気変換、増
幅、しきい値処理が施され、電気的なデジタル信号に変
換される。該電気信号に変換されたパルス列は電気配線
４を通って直列並列変換回路５に入力される。直列並列
変換回路５では時系列上に並べられたパルス列を並列信
号に変換し、複数の信号出力端６−１〜６−４から並列
な電気信号として出力する。

【０００５】前述した従来の光直列並列変換回路では、
光信号として入力されたパルス列が一旦、電気信号に変
換され、直列並列変換がなされた後、並列な電気信号と
して出力されている。

【０００６】このような従来の構成では入力される光信
号の速度が高速、例えば数１０Ｇｂ／ｓになると、電気
配線部での遅延やクロストークが無視できなくなる、直
列並列変換を電子回路を用いて行うことが困難になって
くるという問題があった。また、並列変換された信号を
再び光信号として伝送する場合には、複数の信号出力端
のそれぞれに電気／光変換回路が必要となり、回路全体
が複雑になるという問題もあった。

【０００７】これらの問題を解決する手法として、光ス
イッチを用いた光入出力型の光直列並列変換回路も提案
されている。

【０００８】図１０は従来の光入出力型の光直列並列変
換回路の一例を示すもので、図中、７は光信号入力端、
８−１〜８−６は光スイッチ、９−１〜９−４は光信号
出力端、１０は入力光信号波形、１１−１〜１１−２は
１段目の光スイッチ通過後の光信号波形、１２−１〜１
２−４は２段目の光スイッチ通過後の光信号波形であ
る。

【０００９】光ファイバ等の光伝送路を通って光信号入
力端７に入力された光信号は２分岐され、光スイッチ８
−１及び８−２において１対２に並列変換される。並列
変換された光信号１１−１及び１１−２はさらにそれぞ
れ２分岐され、光スイッチ８−３〜８−６において再び
１対２の並列変換を受け、それぞれ光信号出力端１２−
１〜１２−４より出力される。このような構成で光入出
力型の光直列並列変換を実行できる。

【００１０】光スイッチとしては、ニオブ酸リチウム光
スイッチ等の電気制御型の光スイッチ、あるいは光カー
スイッチ等の光制御型の光スイッチが用いられる。前述
した従来の光入出力型の光直列並列変換回路では、これ
らの高速光スイッチを用いることができるため、高速な
直列並列変換が可能である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の光入出力型の光直列並列変換回路では各光ス
イッチへの制御信号を互いに一定の位相関係を有するよ
うに精度良く調整する必要があり、並列度が大きくなる
程、スイッチ制御系が複雑になるという問題があった。

【００１２】本発明は前記従来の問題点に鑑み、時系列
上の光パルス列を電気信号に変換することなく、空間的
な並列光パルス列に高速に変換し得るとともにスイッチ
制御系を簡略化し得る光直列並列変換回路を提供するこ
とを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の請求項１では、入力信号光を複数の信号光
に分岐する光信号分岐部と、該分岐された信号光のそれ
ぞれに互いに異なる遅延を付加する遅延付加部と、該遅
延付加部から出力された複数の信号光のそれぞれに同一
の制御信号光を合成する制御信号合成部と、該制御信号
合成部の出力光のそれぞれに対して配置された、入出力
特性がヒステリシス特性あるいはしきい値特性を有する
光非線形素子とを備えた光直列並列変換回路、また、請
求項２では、入力信号光を一様な媒質中を伝播する光ビ
ームとして入力する手段と、入力された光ビームを複数
の光ビームに分岐しかつ分岐された光ビームのそれぞれ
を互いに直交する２つの偏光成分のうちの一方の偏光成
分のみを有する光ビームとする手段とからなる光信号分
岐部と、互いに直交する２つの偏光成分のうちの一方の
偏光成分のみを有する複数の光ビームのそれぞれに対
し、その偏光成分を他方の偏光成分に変換して出力する
か又はそのまま通過させるかを選択可能な複数の偏光面
制御素子と、入力された光ビームが互いに直交する２つ
の偏光成分のうちの一方の偏光成分の場合はそのまま通
過させ、他方の偏光成分の場合は遅延を付加して出力す
る複数の遅延素子とを交互に多段接続してなる遅延付加
部と、複数の制御信号光を一様な媒質中を伝播する光ビ
ームとして入力する手段と、入力された複数の制御信号
光と遅延付加部からの複数の出力光ビームとをそれぞれ
合成して出力する手段とからなる制御信号合成部とを備
えた請求項１記載の光直列並列変換回路を提案する。

【００１４】

【作用】本発明の請求項１によれば、時系列上に並べら
れた光パルス列は光信号分岐部にて複数に分岐され、該
分岐された光パルス列は遅延付加部にて互いに異なる遅
延が与えられ、さらに制御信号合成部にて同一の制御信
号光と合成された後、光非線形素子に入力されてスイッ
チングされる。また、請求項２によれば、時系列上に並
べられた光パルス列は光信号分岐部にて複数の互いに直
交する２つの偏光成分のうちの一方の偏光成分のみを有
する光ビームに分岐され、該分岐された光ビームは遅延
付加部の偏光面制御素子にてそれぞれその偏光面が制御
され、遅延素子にて遅延が与えられて互いに異なる遅延
が与えられ、さらに制御信号合成部にてそれぞれ複数の
制御信号光と合成された後、光非線形素子に入力されて
スイッチングされる。

【００１５】

【実施例】図１は本発明の光直列並列変換回路の第１の
実施例を示すもので、図中、２１は光信号入力端、２２
は光信号分岐部、２３は遅延付加部、２４は第１の制御
信号合成部、２５はゲート部、２６−１〜２６−４は光
信号出力端、２７−１〜２７−４はそれぞれ長さの異な
る光ファイバ等の光導波路、２８−１〜２８−４は光フ
ァイバ結合器、２９−１〜２９−４は光非線形素子、３
０は第１の制御信号光である。

【００１６】光非線形素子２９−１〜２９−４として
は、ファブリペロー共振器中に非線形媒質を挟み込んだ
素子や多重量子井戸中の量子閉じ込め光シュタルク効果
を利用した素子を用いることができる。

【００１７】図２はこれらの光非線形素子の入出力形態
を示すもので、同図(a)は透過型、同図(b)は反射型の光
非線形素子をそれぞれ表している。図２において、３１
は入力光、３２は光非線形素子、３３は出力光、３４は
読み出し光である。ファブリペロー共振器を用いた光非
線形素子は通常、図２(a)に示すように透過型の形態を
取る。一方、量子閉じ込めシュタルク効果を利用した素
子の中には図２(b)に示すように反射型の構造をとるも
のもある。図２(b)において、出力光は読み出し光３４
の反射光として得られる。これらの光非線形素子は高速
な光非線形現象を用いており、原理的にはピコ秒からフ
ェムト秒オーダの超高速スイッチングが可能である。

【００１８】図３は光非線形素子の入出力特性を示すも
ので、同図(a)はヒステリシス特性、同図(b)はしきい値
特性をそれぞれ表している。両特性とも入力光パワーを
増加させてゆくと、ある点で急激に低出力光パワー状態
から高出力光パワー状態に変移している。さらにヒステ
リシス特性を有する（図３(a)）場合には一旦、高出力
光パワー状態に変移した後は入力光パワーを減少させて
も、ある点までは高出力光パワーを保持し、低出力光パ
ワー状態から高出力光パワー状態に変移した時よりも低
い入力光パワーで低出力光パワー状態に戻る。これらの
非線形特性は信号処理回路内でゲートやメモリとして用
いることができる。

【００１９】図１の回路は光非線形素子としてヒステリ
シス特性を有する透過型素子を用いて１入力４出力の直
列並列変換を行う場合を示している。

【００２０】図１において、光信号入力端２１から入力
された光パルス列は光信号分岐部２２において４分岐さ
れる。分岐された信号光はそれぞれ遅延付加部２３にお
いて長さの異なる光ファイバ２７−１〜２７−４を通過
する。この時、各光ファイバ２７−１〜２７−４の長さ
は遅延付加部２３の出力点で各信号光の遅延差がパルス
幅をｔとして、それぞれｔ，２ｔ，３ｔ，４ｔとなるよ
うに調整される。遅延付加部２３を通過した信号光は光
ファイバ結合器２８−１〜２８−４からなる制御信号合
成部２４において制御パルス３０と合成され、それぞれ
光非線形素子２９−１〜２９−４に入力される。光非線
形素子２９−１〜２９−４からの４つの出力信号はその
まま光信号出力端２６−１〜２６−４から出力される。

【００２１】図４は図１の光直列並列変換回路における
入出力信号を示すもので、図中、Ｓ１〜Ｓ４は遅延付加
部２３における４つの出力信号光、Ｃ１は制御信号光、
Ｏ１〜Ｏ４は４つの出力信号光である。

【００２２】図４に示す通り、遅延付加部２３の４つの
出力信号光Ｓ１〜Ｓ４は順次、パルス一個分だけ時間的
にずらした信号となっている。制御信号光Ｃ１は遅延付
加部２３の出力信号光のうち、最も遅延量の大きい出力
信号光（図４ではＳ４）の先頭パルスと同期して印加さ
れる高バイアス状態、高バイアス状態の直前に印加され
る低バイアス状態及びそれら以外の期間に印加される通
常バイアス状態からなる。

【００２３】制御信号光Ｃ１の高バイアス時の光強度
は、信号光と合成されて光非線形素子２９−１〜２９−
４に入力される際に入力信号光のビットが「１」の場合
にはしきい値を越え、「０」の場合にはしきい値を越え
ないように設定される。また、制御信号光Ｃ１の通常バ
イアス時の光強度は、光非線形素子２９−１〜２９−４
において入力信号光のビットが「１」か「０」かに拘ら
ず、出力光パワー状態を保持する光強度に調整され、低
バイアス状態時の光強度は入力信号光のビットが「１」
か「０」かに拘らず低出力光パワー状態となるように設
定されている。

【００２４】以上に説明したような制御信号光Ｃ１を遅
延付加部２３通過後の信号光に重畳して光非線形素子２
９−１〜２９−４に入射する。制御信号光Ｃ１が高バイ
アス状態時の各入力信号ビットが光非線形素子２９−１
〜２９−４に記録され、制御信号光Ｃ１が通常バイアス
状態となっている間はその状態が保持される。その後、
制御信号光Ｃ１が低バイアス状態となり、光非線形素子
２９−１〜２９−４の記録状態はリセットされる。

【００２５】図４のＯ１〜Ｏ４はこのような過程を経て
出力された出力信号光を示しており、時系列上のパルス
列が空間的な並列パルス列に変換されていることがわか
る。さらに出力信号光のパルス幅は入力信号光のパルス
幅より大きくなり（図４では３倍）、速度変換が行われ
ることがわかる。なお、光非線形素子がしきい値特性の
みを有する場合には直列並列変換のみが行われ、速度変
換は行われない。

【００２６】図５は本発明の光直列並列変換回路の第２
の実施例、即ち光非線形素子としてヒステリシス特性を
有する反射型素子を用いて１入力４出力の直列並列変換
を行う場合を示している。図５において、３５は第２の
制御信号合成部、３６−１〜３６−４は光ファイバ結合
器、３７は第２の制御信号光である。図５では図１の構
成に加えて、光非線形素子２９−１〜２９−４の出力端
に、読み出し光となる第２の制御信号光３７を該光非線
形素子２９−１〜２９−４の出力側に入射しかつその反
射光を出力する第２の制御信号合成部３５を設けた構成
となっている。

【００２７】図６は図５の光直列並列変換回路における
入出力信号を示すもので、図中、Ｓ１〜Ｓ４は遅延付加
部２３における４つの出力信号光、Ｃ１及びＣ２は第１
及び第２の制御信号光、Ｏ１〜Ｏ４は４つの出力信号光
である。図４の場合と異なる点は制御信号光Ｃ１は高バ
イアス状態のみにより構成され、低バイアス状態及び通
常バイアス状態は第２の制御信号光Ｃ２により加えられ
る点である。光非線形素子２９−１〜２９−４が反射型
でヒステリシス特性を有する場合にはこのような２つの
制御信号光により直列並列変換が可能となる。

【００２８】以上説明した第１及び第２の実施例によれ
ば、電気信号を介することなく光入出力の直列並列変換
を実行することができ、簡便な構成で高速な直列並列変
換を実現することができる。また、第１及び第２の実施
例では一種類の制御信号により全ての光非線形素子を制
御しており、制御系を簡単にできる。

【００２９】図７は本発明の光直列並列変換回路の第３
の実施例を示すもので、図中、４１は光信号入力端、４
２は光信号分岐部、４３は遅延付加部、４４は第１の制
御信号合成部、４５はゲート部、４６−１〜４６−４は
光信号出力端、４７−１，４７−２は偏光ビームスプリ
ッタを積層した光ビーム分配器、４８はλ／４板、４９
−１〜４９−３は偏光回転子、５０−１〜５０−３は偏
光ビームスプリッタ、５１−１〜５１−４はλ／４板、
５２−１〜５２−４は全反射ミラー、５３は光非線形素
子、５４は第１の制御信号光である。

【００３０】図７は光非線形素子としてヒステリシス特
性を有する透過型素子を用いて１入力４出力の直列並列
変換を行う場合を示している。

【００３１】光信号入力端４１からは円偏光の平行光ビ
ームが入射される。入射された平行光ビームは第１の光
ビーム分配器４７−１によって互いに直交する直線偏光
光ビームに２分岐され、λ／４板４８によって再び円偏
光にされる。２本の円偏光光ビームは第２の光ビーム分
配器４７−２によってさらに２分岐され、合計４本の直
線偏光光ビームが形成される。

【００３２】偏光ビームスプリッタ５０−１、λ／４板
５１−１，５１−２及び全反射ミラー５２−１，５２−
２からなる第１の遅延素子は、Ｐ偏光光ビームが入射さ
れた場合にはそのまま通過させ、Ｓ偏光光ビームが入射
された場合にはＰ偏光光ビームの場合に比べて全反射ミ
ラー５２−１と５２−２との間の距離だけ長い光路を通
すことにより遅延を付加する。また、偏光ビームスプリ
ッタ５０−２、λ／４板５１−３，５１−４及び全反射
ミラー５２−３，５２−４からなる第２の遅延素子も、
Ｐ偏光光ビームが入射された場合にはそのまま通過さ
せ、Ｓ偏光光ビームが入射された場合にはＰ偏光光ビー
ムの場合に比べて全反射ミラー５２−３と５２−４との
間の距離だけ長い光路を通すことにより遅延を付加す
る。

【００３３】ここで、第１の遅延素子は２ｔの遅延を与
え、第２の遅延素子はｔの遅延を与えるよう、各全反射
ミラー間の距離を決める。従って、偏光回転子４９−
１，４９−２を用いて入力信号光の偏光を変化させ、光
路を選択することにより４通りの遅延を付加することが
できる。偏光回転子４９−３は第２の遅延素子の出力を
Ｐ偏光に揃える機能を有する。第１の制御信号光５４は
Ｓ偏光として、また、第２の遅延素子の出力はＰ偏光と
してそれぞれ偏光ビームスプリッタ５０−３において合
成され、光非線形素子５３に入力され、光信号出力端４
６−１〜４６−４より出力される。

【００３４】以上のような構成を用いて図１の光直列並
列変換回路と同様の動作を実現できる。

【００３５】図８は本発明の光直列並列変換回路の第４
の実施例、即ち光非線形素子としてヒステリシス特性を
有する反射型素子を用いて１入力４出力の直列並列変換
を行う場合を示している。図８において、５５は第２の
制御信号合成部、５６はλ／４板、５７は偏光ビームス
プリッタ、５８は第２の制御信号光である。図８におい
て、第２の制御信号光５８はＳ偏光として偏光ビームス
プリッタ５７へ入力され、λ／４板５６を介して光非線
形素子５３に入力される。その反射光は再びλ／４板５
６を通して、今度はＰ偏光となって偏光ビームスプリッ
タ５７を通過し、出力される。このような構成とするこ
とにより、図５の光直列並列変換回路と同様の動作を実
現できる。

【００３６】前記第３及び第４の実施例では、入力光は
空間光ビームとして回路に入力される。光信号分岐部で
は出力光ビームの間隔がそれぞれ異なる光ビーム分配器
を多段接続することにより容易に入力光ビームの分岐数
を増やすことができる。また、各光ビーム分配器を構成
する偏光ビームスプリッタをロッドとし、その光ビーム
分配器を縦横方向に配置することにより、容易に２次元
アレイ化された光ビーム列を得ることができる。このよ
うな空間光ビームを用いた光ビーム分配器は光ファイバ
等の光導波路を用いた光分配器に比べて、配線の輻輳が
なく単純な構成で大規模な２次元光ビームアレイを形成
できる。

【００３７】また、遅延付加部では遅延量の異なる遅延
素子をｎ段並べれば、遅延素子の前に置かれた偏光面制
御素子を制御することにより、２ⁿ通りの遅延を２次元
配列された光ビーム列中の任意の光ビームに対して、独
立かつ容易に付加することができる。また、第１及び第
２の制御信号合成部では２次元配列された光信号列に対
し、容易に２次元配列された制御信号を付加することが
できる。また、光非線形素子は面入出力型の素子が多
く、本実施例によれば、そのような面入出力型の光非線
形素子との整合性も良い。

【００３８】このように第３及び第４の実施例によれ
ば、入力信号光を光ビームとし、光直列並列変換に必要
な操作を光ビームのまま行うことにより、簡便な構成で
高速かつ多並列度の直列並列変換を行うことができる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１に
よれば、入力信号光を複数に分岐し、該分岐された信号
光に対して互いに異なる遅延を施し、さらに同一の制御
信号光とそれぞれ合成して光非線形素子に入力するよう
になしたため、簡便な構成で高速な直列並列変換を実現
できるとともに、全ての光非線形素子を一種類の制御信
号で制御でき、制御系を簡単にできる。

【００４０】また、本発明の請求項２によれば、入力信
号光を光ビームとし、光直列並列変換に必要な操作を光
ビームのまま行うようになしたため、簡便な構成で高速
かつ多並列度の直列並列変換を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光直列並列変換回路の第１の実施例を
示す構成図

【図２】光非線形素子の入出力形態を示す説明図

【図３】光非線形素子の入出力特性を示す説明図

【図４】図１の光直列並列変換回路における入出力信号
を示す波形図

【図５】本発明の光直列並列変換回路の第２の実施例を
示す構成図

【図６】図５の光直列並列変換回路における入出力信号
を示す波形図

【図７】本発明の光直列並列変換回路の第３の実施例を
示す構成図

【図８】本発明の光直列並列変換回路の第４の実施例を
示す構成図

【図９】従来の光直列並列変換回路の一例を示す構成図

【図１０】従来の光入出力型の光直列並列変換回路の一
例を示す構成図

【符号の説明】

２１，４１…光信号入力端、２２，４２…光信号分岐
部、２３，４３…遅延付加部、２４，４４…第１の制御
信号合成部、２５，４５…ゲート部、２６−１〜２６−
４，４６−１〜４６−４…光信号出力端、２７−１〜２
７−４…光導波路、２８−１〜２８−４，３６−１〜３
６−４…光ファイバ結合器、２９−１〜２９−４，５３
…光非線形素子、３０，５４…第１の制御信号光、３
５，５５…第２の制御信号合成部、３７，５８…第２の
制御信号光、４７−１，４７−２…光ビーム分配器、４
８，５１−１〜５１−４，５６…λ／４板、４９−１〜
４９−３…偏光回転子、５０−１〜５０−３，５７…偏
光ビームスプリッタ、５２−１〜５２−４…全反射ミラ
ー。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力信号光を複数の信号光に分岐する光
   信号分岐部と、 該分岐された信号光のそれぞれに互いに異なる遅延を付
   加する遅延付加部と、 該遅延付加部から出力された複数の信号光のそれぞれに
   同一の制御信号光を合成する制御信号合成部と、 該制御信号合成部の出力光のそれぞれに対して配置され
   た、入出力特性がヒステリシス特性あるいはしきい値特
   性を有する光非線形素子とを備えたことを特徴とする光
   直列並列変換回路。
2. 【請求項２】 入力信号光を一様な媒質中を伝播する光
   ビームとして入力する手段と、入力された光ビームを複
   数の光ビームに分岐しかつ分岐された光ビームのそれぞ
   れを互いに直交する２つの偏光成分のうちの一方の偏光
   成分のみを有する光ビームとする手段とからなる光信号
   分岐部と、 互いに直交する２つの偏光成分のうちの一方の偏光成分
   のみを有する複数の光ビームのそれぞれに対し、その偏
   光成分を他方の偏光成分に変換して出力するか又はその
   まま通過させるかを選択可能な複数の偏光面制御素子
   と、入力された光ビームが互いに直交する２つの偏光成
   分のうちの一方の偏光成分の場合はそのまま通過させ、
   他方の偏光成分の場合は遅延を付加して出力する複数の
   遅延素子とを交互に多段接続してなる遅延付加部と、 複数の制御信号光を一様な媒質中を伝播する光ビームと
   して入力する手段と、入力された複数の制御信号光と遅
   延付加部からの複数の出力光ビームとをそれぞれ合成し
   て出力する手段とからなる制御信号合成部とを備えたこ
   とを特徴とする請求項１記載の光直列並列変換回路。