JPWO2011145281A1 - 光アナログ／デジタル変換器、その構成方法、光信号復調器及び光変復調装置 - Google Patents

Abstract

本発明に係る光Ａ／Ｄ変換器は、アナログ入力信号光を複数に分割する光分波器（２）と、光分波器（２）により分割された各信号光が入力される複数のマッハ・ツェンダー型光干渉計（４）と、各マッハ・ツェンダー型光干渉計（４）から出力された各信号光をデジタル電気信号に変換する複数の光／電気変換手段（９）と、を備え、各マッハ・ツェンダー型光干渉計（４）は、入力信号光の強度を位相シフト量に光学的に変換する光強度位相変換手段（２５〜２８）を備え、位相シフト量が、マッハ・ツェンダー型光干渉計（４）毎に異なるものである。これにより、高速かつ低消費電力な光復調回路を提供することができる。

Description

本発明は、例えば光通信システムや光インターコネクションにおいて用いられる光アナログ／デジタル変換器、これを用いた光信号復調器、光変復調装置及び光アナログ／デジタル変換器の構成方法に関する。

中・長距離系における光通信システムにおいては、ますます高速化や波長多重による大容量化が進んでいる。現在の幹線系光通信システムでは、波長多重通信が用いられ、波長チャネル間隔が定められている。そのため、光ファイバアンプの帯域内において５０ＧＨｚ間隔であれば、約１００チャネルを利用することができる。

ここで、チャネル間隔をΔｆ［Ｈｚ］、伝送速度をＢ［ｂｉｔ／ｓ］とすると、Ｂ／Δｆ［ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ］を、周波数利用効率という。Δｆ＝５０ＧＨｚであれば、もしチャネル毎に１００Ｇｂｉｔ／ｓの伝送速度があれば、周波数利用効率は、２ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚとなる。

光ファイバアンプの帯域が限られているため、周波数利用効率を高めることが必要である。ただし、周波数利用効率を高くするために単純に信号のビットレートを高くすると、チャネル間のクロストークが問題となる。そこで、次世代の光通信方式として、光多値変調や、光直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Orthogonal Frequency-Division Multiplexing）の検討が進んでいる。光多値変調は、従来の０、１の２値を用いた光強度変調とは異なり、光の振幅や位相を用いて多値化することによって、周波数利用帯域を増やさずに情報量を増大させる方法である。また、光ＯＦＤＭでは、電気信号によってＯＦＤＭ信号を生成して光変調し、光サブキャリア間を直交状態にして多重化する。そのため、クロストーク問題を解決し、周波数利用効率を高めることができる。

このように電気信号処理を主とした多値化、多重化を行い、伝送された光信号は、受信側で電気信号に復調する。光復調回路のＰＤ（光受光器）の後段にはアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器が必要となる。現在は、電気回路を利用したＡ／Ｄ変換器が一般的に用いられている。

他方、光信号のアナログ量を直接デジタル値として導出する光Ａ／Ｄ変換器は、高速性という特長を有するため、提案が多くなされている。例えば、特許文献１では、光信号を異なる所定の分割比で分割することによって、光量を所定の比率で表し、各分割光信号が閾値に達しているかどうかで入力された光信号の光アナログ量を検出している。

また、特許文献２では、光Ａ／Ｄ変換手段において、アナログ信号である入力光信号に対し非線形光素子を介した帰還系を構成することにより、当該光Ａ／Ｄ変換手段より順次デジタル信号である第１出力光を得ている。

特許文献３では、光符号化回路は、光強度に関する入出力特性が異なる周期性を有する光非線形素子を備えた複数の光符号化器を用いて、第１の波長を有する信号光のパルス列を、第１の波長とは異なる近傍の第２の波長を有しかつ光標本化された光アナログ信号のパルス列である制御光に従って光符号化し、光符号化された複数の信号光のパルス列を各光符号化器から出力する。次いで、光量子化回路は、各光符号化器にそれぞれ接続され、光強度に関する入出力特性が周期性を有する光非線形素子を備えた複数の光しきい値処理器を用いて、第１の波長とは異なる近傍の第３の波長を有する搬送波光のパルス列を、光符号化された複数の信号光のパルス列に従ってそれぞれ光しきい値処理を行うことにより光量子化して光デジタル信号として出力している。

特許文献４では、複数の分岐干渉型光変調器を有しており、同じ基板上に光起電力素子が形成されて、この光起電力素子の出力電圧が分岐干渉型光変調器に印加されることを特徴としている。そのため、この例では、強度信号光を一度ＰＤで受光し、電圧信号に変換することになり、その電気信号の速度が全体の回路の速度を決定してしまうことになる。

特許文献５には、プローブ光を用いて、信号光をサンプリングし、Ａ／Ｄ変換を行なう技術が開示されている。
また、特許文献６には、光減算により逐次Ａ／Ｄ変換を行なう技術が開示されている。

特開２００７−２４９２４号公報 特開平１−５６４２６号公報 特開２００５−１７３５３０号公報 実開昭６１−２０３５６６号公報 特開２００８−２０９７７５号公報 特開２００１−０５１３１４号公報

光伝送容量が増大した電気信号処理を主とした多値化、多重化の伝送では、受信側の光復調回路のＰＤ後段に配置されるＡ／Ｄ変換器が電気回路を利用したものである場合、電気信号処理の速度に制限される。例えば、電気ＯＦＤＭの報告例では、各サブキャリアのビットレートがＧｂｉｔ／ｓ未満にとどまっている。また、処理のための消費電力が大きいという問題があった。
これに対し、光のＡ／Ｄ変換器を用いる方法は、光のままではある強度を有する光から一定の強度の光を減算することは困難であることから、構成が複雑になると考えられる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高速かつ低消費電力な光Ａ／Ｄ変換器を用いた光復調回路を提供することである。

本発明に係る光Ａ／Ｄ変換器は、
アナログ入力信号光を複数に分割する光分波器と、
前記光分波器により分割された各信号光が入力される複数のマッハ・ツェンダー型光干渉計と、
各前記マッハ・ツェンダー型光干渉計から出力された各信号光をデジタル電気信号に変換する複数の光／電気変換手段と、を備え、
各前記マッハ・ツェンダー型光干渉計は、
入力信号光の強度を位相シフト量に光学的に変換する光強度位相変換手段を備え、
前記位相シフト量が、前記マッハ・ツェンダー型光干渉計毎に異なるものである。

本発明に係る光Ａ／Ｄ変換器の構成方法は、
アナログ入力信号光を複数に分割する光分波器を設け、
前記光分波器により分割された各信号光が入力される複数のマッハ・ツェンダー型光干渉計を設け、
各前記マッハ・ツェンダー型光干渉計から出力された各信号光をデジタル電気信号に変換する複数の光／電気変換手段を設け、
各前記マッハ・ツェンダー型光干渉計に、入力信号光の強度を位相シフト量に光学的に変換する光強度位相変換手段を設け、
前記位相シフト量を前記マッハ・ツェンダー型光干渉計毎に異なるように構成するものである。

本発明によれば、高速かつ低電力な光Ａ／Ｄ変換器が得られ、それを内部に含む光信号復調器、光変復調装置が高速かつ低電力に実現できる。

第１の実施の形態に係る光Ａ／Ｄ変換器の構成図である。 図１の光変調領域５の構成を示す図である。 図１の光変調領域６の構成を示す図である。 図１の光変調領域７の構成を示す図である。 図１の光変調領域８の構成を示す図である。 光強度位相変換部２５〜２８が有する特性を示すグラフである。 図１の断面２１における相対光強度を示すグラフである。 第１、第２及び第３の実施の形態に係る光Ａ／Ｄ変換器から出力される入力光強度に応じたデジタル信号を示す図である。 第２の実施の形態に係る光Ａ／Ｄ変換器の構成図である。 図６の光変調領域３５の構成を示す図である。 図６の光変調領域３６の構成を示す図である。 図６の光変調領域３７の構成を示す図である。 図６の光変調領域３８の構成を示す図である。 光強度位相変換器３９の構成を示す図である。 光強度位相変換器３９の他の構成を示す図である。 第３の実施の形態に係る光Ａ／Ｄ変換器の構成図である。 図８の光変調領域５５の構成を示す図である。 図８の光変調領域５６の構成を示す図である。 図８の光変調領域５７の構成を示す図である。 図８の光変調領域５８の構成を示す図である。 光強度位相変換器５９の構成を示す図である。 図１２に示すデジタル符号に対応する図１の光変調領域５の構成を示す図である。 図１２に示すデジタル符号に対応する図１の光変調領域６の構成を示す図である。 図１２に示すデジタル符号に対応する図１の光変調領域７の構成を示す図である。 図１２に示すデジタル符号に対応する図１の光変調領域８の構成を示す図である。 図１２に示すデジタル符号に対応する図６の光変調領域３５の構成を示す図である。 図１２に示すデジタル符号に対応する図６の光変調領域３６の構成を示す図である。 図１２に示すデジタル符号に対応する図６の光変調領域３７の構成を示す図である。 図１２に示すデジタル符号に対応する図６の光変調領域３８の構成を示す図である。 第１、第２及び第３の実施の形態にて出力可能な図５とは異なるデジタル信号を示す図である。

多値・多重化された光信号の復調のためには、光の位相及び振幅の状態を検知する必要がある。しかしながら、複素平面上で光の状態を検知するのは困難なため、前段で実部Ｉと虚部Ｑに分離しておき、それぞれの実部Ｉと虚部Ｑの強度情報を受信器（ＰＤ）にて検知するのが一般的である。

例えば、コヒーレント光検波という手法においては、光位相ハイブリッドという装置を用いて、位相が９０度異なる４つの局所光とそれぞれ信号光を干渉させ、実部Ｉ及び虚部Ｑ用に２系統ずつの出力光を得て、それぞれの系統の光をＰＤ（Photodiode）で受光する。本発明では、既に光信号が実部Ｉまたは虚部Ｑに分離された後の各系統における強度情報を用いて光Ａ／Ｄ変換を行う。

これまでは、光の強度を検知するのに、ＰＤで受信して電気信号に変換し、電気回路によるＡ／Ｄ変換器でデジタル値に変換していた。これを光のＡ／Ｄ変換器を用いる方法は、光のままではある強度を有する光から一定の強度の光を減算することは困難であることから、構成が複雑になると考えられる。そこで、本発明では、さらに強度を位相差に変換する回路を付け加え、光位相にて処理を行う。これによって、以下に説明する発明の実施の形態では、光のままの状態で、光強度を多ビットに分解してデジタル値として取り出す。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る光Ａ／Ｄ変換器の構成図である。図１は、４ビットの光Ａ／Ｄ変換器の構成例を示す。この光Ａ／Ｄ変換器は、入力ポート１、光分波器２、光導波路３、マッハ・ツェンダー（ＭＺ）型光干渉計４、出力ポート１３〜２０、バランスドレシーバ９を備えている。

入力ポート１から光信号であるアナログ入力信号Ａｉｎが入力され、光分波器２により等価な４つのアナログ信号Ａ３、Ａ２、Ａ１、Ａ０に分割される。この分割数が、光Ａ／Ｄ変換器のビット数に対応する。光分波器２により分波された光は、光導波路３を介して、それぞれ、ＭＺ型光干渉計４に入力される。

図１に示すように、ＭＺ型光干渉計４は、４つの経路を備え、各経路に１つずつ光分波器１０と光合分波器１１とを備えている。また、それぞれの経路において、光分波器１０と光合分波器１１との間に光変調領域５、６、７、８が設けられている。光分波器１０で２つのアームに分波された４対のアナログ信号Ａ３、Ａ２、Ａ１、Ａ０は、それぞれ光変調領域５、６、７、８に入力される。

ここで、光変調領域５、６、７、８は、それぞれ上下２入力と上下２出力を有し、上側入力ポートは上側出力ポートに、下側入力ポートは下側出力ポートに接続されている。この領域では、上側の入出力ポートを通った光と比べて、下側の入出力ポートを通った光の位相が、入力ポート１から入力された光信号の強度に応じて変化するようにしている。光変調領域５、６、７、８のそれぞれは、デジタル信号の各ビットに相当する信号を出力するために必要な位相シフト（位相回転）量を有するように設計されている。なお、詳細については後述する。

次に、図１の最上段の経路を例に説明すると、光変調領域５を通過して上下の出力ポートから出力された１対の光は、光合分波器１１において干渉する。そして、出力光が１対の出力ポート１３、１４に分配される。同様に、光変調領域６を通過して上下の出力ポートから出力された１対の光は、光合分波器１１において干渉した後、１対の出力ポート１５、１６に分配される。光変調領域７を通過して上下の出力ポートから出力された１対の光は、光合分波器１１において干渉した後、１対の出力ポート１７、１８に分配される。光変調領域８を通過して上下の出力ポートから出力された１対の光は、光合分波器１１において干渉した後、１対の出力ポート１９、２０に分配される。なお、図１では、光分波器１０は１入力２出力、光合分波器１１は２入力２出力として図示されているが、これに限定されるものではない。

次に、ＭＺ型光干渉計の各経路から出力された１対の光は、バランスドレシーバ９によってＯ／Ｅ（光／電気）変換される。ここで、バランスドレシーバ９は直列接続された１対のＰＤから構成されている。各バランスドレシーバ９の出力に応じて、デジタル信号の０と１を割り振ることにより、デジタル出力信号Ｄｏｕｔを生成する。

次に、図２Ａ〜２Ｄを用いて動作原理について説明する。図２Ａ〜２Ｄは、それぞれ図１における光変調領域５〜８の詳細を示した図である。光変調領域５〜８における一方のアーム（図２Ａ〜２Ｄにおける上側のアーム）は通常の光導波路である。他方のアーム（図２Ａ〜２Ｄにおける下側のアーム）には、それぞれ光強度位相変換部２５、２６、２７、２８が設けられている。ここで、光強度位相変換部２５、２６、２７、２８は、いずれも、図３に示すように、入力光強度と位相シフト量とが比例関係となる線形特性を有している。

具体的には、「カー効果」や「半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）の自己位相変調効果」なども利用することができる。非線形の効果を利用する場合にも、なるべく線形の領域を利用できるように、ＳＯＡの電流値の調整、さらには、信号光自体の強度をそれに見合うようにあらかじめ調整しておけばよい。

ここでは簡単のため、光強度位相変換部２５、２６、２７、２８は、単位長さあたりの特性がすべて同じであるとする。さらに、ある規定された最大光強度と最小光強度において、光強度位相変換部２５の位相回転が２πになるように、光強度位相変換部２５の長さを決定する。その長さをＬとする。

これにより、ＭＺ型光干渉計４を透過する光は、光変調領域５のアーム間の位相差が、最小光強度から最大光強度までの光強度に応じて０〜２πまで変化する。そのため、ＭＺ型光干渉計４を通過した出力ポート１３からの出力光強度Ｂ１と出力ポート１４からの出力光強度Ｂ２との合計（Ｂ１＋Ｂ２）に対する出力ポート１３からの出力光強度Ｂ１の割合、即ち、相対光強度Ｂ１／（Ｂ１＋Ｂ２）は、図４に示すように変化する。図４の横軸は入力光強度、縦軸は相対光強度である。ここで、図４は、図１の断面２１における相対光強度を示している。

そして、出力光強度Ｂ１、Ｂ２の強度の比較を行い、どちらが大きいかにより、０又は１の判定を行えばよい。具体的には、バランスドレシーバ９は、２つのＰＤを組み合わせることによって出力の違いを検知することができるので、コンパレータを用いることによりデジタル値を得ることができる。このようにして、入力光強度に応じて、図５のデジタル信号Ｄ３のようなデジタル値をとることになる。

この比は、光変調領域５では最小光強度から最大光強度までの光強度に応じて位相回転が２πになるように設定されている。そのため、繰り返し周期Ｐ_{ｐｅｒｉｏｄ}＝１／ｆ（ｆは繰り返し周波数）は最小光強度から最大光強度までの光強度に応じて１周期となる。

次に、光強度位相変換部２６、２７、２８については、それぞれ２５の長さＬを基準として、２Ｌ、４Ｌ、８Ｌとなるように設定すれば、光変調領域６、７、８では、最大光強度までの光強度に応じて位相回転が４π、８π、１６πとなる。よって、上記光変調領域５での繰り返し周波数をｆとすると、出力ポート１５及び出力ポート１６からの出力光強度の合計に対する出力ポート１５からの出力光強度の割合の繰り返し周波数は２×ｆとなる。同様に、出力ポート１７及び出力ポート１８からの出力光強度の合計に対する出力ポート１７からの出力光強度の割合の繰り返し周波数は４×ｆとなる。出力ポート１９及び出力ポート２０からの出力光強度の合計に対する出力ポート１９からの出力光強度の割合の繰り返し周波数は８×ｆになる。

一般に、ｎビットの光Ａ／Ｄ変換器を作成する場合、上位ビットから下位ビットに行くに従って、光強度位相変換部の長さを長くする。具体的には、最上位ビットでの長さをＬとした場合、各下位ビットについては、順に長さＬの２＾ｋ（ｋ＝０、・・・、ｎ−１）倍とすればよい。

光変調領域５〜８の出力は、それぞれがバランスドレシーバ９に入力されており、アナログ信号Ａ３、Ａ２、Ａ１、Ａ０に対応したデジタル信号Ｄ３、Ｄ２、Ｄ１、Ｄ０が出力される。具体的には、入力光強度に応じて、図５に示すようなデジタル信号Ｄ３、Ｄ２、Ｄ１、Ｄ０が得られることがわかる。即ち、アナログ入力信号の光強度がデジタル信号に変換される。
なお、入力ポート１から入力される平均的な光の強度が小さい場合には、平均光強度がちょうどデジタル信号にした際の中央の値近くになるように、あらかじめ光を増幅しておくことがよい。また、最大光強度でデジタル信号の最大値に近くなり、最長光強度でデジタル信号の最小値になるように、あらかじめ光強度位相変換部２５、２６、２７、２８の動作状態を調整しておくことが望ましい。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について、図６を参照して説明する。図６は、４ビットの光Ａ／Ｄ変換器の構成例である。図１と同一の構成要素については同一符号を付し、適宜説明を省略する。第１の実施の形態では、図１における光変調領域５、６、７、８に局所光が導入されていない。これに対し、本実施の形態では、光変調領域３５、３６、３７、３８に局所光ＬＬ３、ＬＬ２、ＬＬ１、ＬＬ０が導入されている点が異なる。

入力ポート１からアナログ入力信号Ａｉｎが入力され、光分波器２により等価な４つのアナログ信号Ａ３、Ａ２、Ａ１、Ａ０に分割される。この分割数が、光Ａ／Ｄ変換器のビット数に対応する。光分波器２により分波された光は、それぞれ、ＭＺ型光干渉計４の中にある光変調領域３５、３６、３７、３８に入力される。また、光変調領域３５、３６、３７、３８には、それぞれ光分波器１０により２つのアームに分波された局所光ＬＬ３、ＬＬ２、ＬＬ１、ＬＬ０が入力される。

ここで、光変調領域３５、３６、３７、３８は、それぞれ上下２入力と上下２出力を有し、上側入力ポートは上側出力ポートに、下側入力ポートは下側出力ポートに接続されている。この領域では、上側の入出力ポートを通った光と比べて、下側の入出力ポートを通った光の位相が、入力ポート１から入力された光信号の強度に応じて変化するようにしている。光変調領域３５、３６、３７、３８のそれぞれは、デジタル信号の各ビットに相当する信号を出力するために必要な位相シフト量を有するように設計されている。なお、詳細については後述する。

次に、光変調領域３５、３６、３７、３８を通過して上下の出力ポートから出力された４対の光は、光合分波器１１において干渉する。そして、出力光が１対の出力ポート（例えば、出力ポート１３、１４）に分配される。なお、図６では、光分波器１０は１入力２出力、光合分波器１１は２入力２出力として図示されているが、これに限定されるものではない。

実施の形態１と同様に、ＭＺ型光干渉計４の各経路から出力された１対の光は、バランスドレシーバ９によってＯ／Ｅ変換される。ここで、バランスドレシーバ９は直列接続された１対のＰＤから構成されている。各バランスドレシーバ９の出力に応じて、デジタル信号の０と１を割り振ることにより、デジタル出力信号Ｄｏｕｔを生成する。

次に、図７Ａ〜７Ｄを用いて動作原理について説明する。図７Ａ〜７Ｄは、それぞれ図６における光変調領域３５〜３８の詳細を示した図である。光変調領域３５〜３８には、光強度位相変換器３９が設けられている。この領域は光強度変化を位相差に変換する機能を持つ。この光強度位相変換器３９の数が光変調領域３５〜３８において異なっている。具体的には、光変調領域３５には１つ、光変調領域３６には２つ、光変調領域３７には４つ、光変調領域３８には８つ設けられている。一般に、ｎビットの光Ａ／Ｄ変換器を作成する場合には、上位ビットから下位ビットに行くに従って、光強度位相変換器３９の数を２＾ｋ（ｋ＝０、・・・、ｎ−１）とすればよい。

光変調領域３５〜３８の光強度位相変換器３９には、局所光ＬＬ３〜ＬＬ０に加えて信号光であるアナログ信号Ａ３〜Ａ０が入力される。信号光の強度に応じて局所光の位相が変調されて出力される。

図７Ｅは、光強度位相変換器３９の具体的な構成の一例である。光強度位相変換器３９の入力導波路４４ａから入力される局所光ＬＬｂ（波長λ２）は、領域４０において、入力導波路４４ｂから入力される信号光Ａ（波長λ１）の強度に応じた位相の変化を受ける。また、領域４０の出口では、局所光ＬＬｂと信号光Ａが分かれて出てくるように設計されている。そして、局所光ＬＬｂは光強度調整器４２ｂを介して出力導波路４８から出力される。また、信号光Ａは光強度調整器４１を介して出力導波路４７から出力される。さらに、領域４０は、最小光強度から最大光強度までの光強度に応じて位相回転が２πになるように設定されている。

具体的には、例えば、領域４０は、半導体光導波路から構成される２×２のＭＭＩ（Multi Mode Interference）導波路を有する。その幅と長さは、ＭＭＩ導波路の上部ポートである入力導波路４４ａに入力した光が下部の出力導波路４８へ、下部ポートである入力導波路４４ｂに入力した光が上部の出力導波路４７へ出力されるように設計されている。さらに、電流ないしは電圧が印加できるように、この領域４０の半導体光導波路は、ｐｉｎ構造を有し、上下に電極が配置される。この電流値などによって、信号光の強度変化に応じて位相回転量が所望のものになるように設定される。

入力導波路４５に入力される局所光ＬＬａ（波長λ２）は、光強度調整器４２ａ及び光位相調整器４３を介して、出力導波路４６から出力される。光強度調整器４２ａ、４２ｂ及び光位相調整器４３は、入力導波路４５と入力導波路４４ａとに入力される局所光の強度及び位相の相対関係が揃うように調整されている。例えば、光強度調整器４２ａ、４２ｂは、信号光強度が最小光強度の時に、出力導波路４６と出力導波路４８の強度が揃うようにあらかじめ調整されている。また、光位相調整器４３は、信号光強度が最小光強度の時に、出力導波路４６と出力導波路４８の位相が揃うようにあらかじめ調整しておく。また、光強度調整器４１は、光変調領域３６、３７、３８のように光強度位相変換器３９が連続して縦続接続されているときに、信号光と局所光の関係が揃うようにあらかじめ調整されている。即ち、図７Ａに示した光変調領域３５では、光強度位相変換器３９における光強度調整器４１は必須ではない。なお、局所光ＬＬａ、ＬＬｂの波長λ２と信号光Ａの波長λ１とは、異なる方が好ましい。

具体的には、光強度調整器４１、４２ａ、４２ｂは、ＳＯＡを用いてその電流値を所望の調整ができるように設定される。また、光位相調整器４３は、ｐｉｎ構造を有する半導体光導波路に電界を印加することで、所望の位相回転が起こるように調整される。一般に、ＳＯＡを用いた光強度調整は、位相回転を伴うため、別途位相回転調整器が必要である。

このような構成により、最小光強度から最大光強度までの光強度が変化すると、光変調領域３５では２π、光変調領域３６では４π、光変調領域３７では８π、光変調領域３８では１６πの位相回転が起こることになる。
なお、図７Ｅに示した光強度位相変換器３９では、領域４０の出力部で、局所光と信号光の出力位置が反転している。しかしながら、信号光と局所光の相互位相変調の程度に応じて、領域４０の長さを変更し、局所光と信号光の出力位置を反転させないこともできる。そのような構成を図７Ｆに示す。

これにより、第１の実施の形態と同様な特性を得ることができる。具体的には、ＭＺ型光干渉計４を透過する光は、光変調領域３５のアーム間の位相差が、最小光強度から最大光強度までの光強度に応じて０〜２πまで変化する。そのため、ＭＺ型光干渉計４を通過した出力ポート１３からの出力光強度Ｂ１と出力ポート１４からの出力光強度Ｂ２との合計（Ｂ１＋Ｂ２）に対する出力ポート１３からの出力光強度Ｂ１の割合、即ち、Ｂ１／（Ｂ１＋Ｂ２）は、図４に示すように変化する。即ち、図４は、図１に示す２１の部分の光強度を元に算出された割合である。

そして、Ｂ１とＢ２の強度の比較を行い、どちらが大きいかにより、０又は１の判定を行えばよい。具体的には、バランスドレシーバ９は、２つのＰＤを組み合わせることによっての出力の違いを検知することができるので、コンパレータを用いることによりデジタル値を得ることができる。

この比は、光変調領域３５では最小光強度から最大光強度までの光強度に応じて位相回転が２πになるように設定されている。そのため、繰り返し周期Ｐ_{Ｐｅｒｉｏｄ}＝１／ｆ（ｆは繰り返し周波数）は最小光強度から最大光強度までの光強度に応じて１周期となる。

同様に、光変調領域３６、光変調領域３７、光変調領域３８では、最大光強度までの光強度に応じて位相回転が４π、８π、１６πになるように設定されている。よって、上記光変調領域５での繰り返し周波数をｆとすると、出力ポート１５及び出力ポート１６からの出力光強度の合計に対する出力ポート１５からの出力光強度の割合の繰り返し周波数は２×ｆとなる。同様に、出力ポート１７及び出力ポート１８からの出力光強度の合計に対する出力ポート１７からの出力光強度の割合の繰り返し周波数は４×ｆとなる。出力ポート１９及び出力ポート２０からの出力光強度の合計に対する出力ポート１９からの出力光強度の割合の繰り返し周波数は８×ｆになる。

光変調領域３５〜３８の出力は、それぞれがバランスドレシーバ９に入力されており、アナログ信号Ａ３、Ａ２、Ａ１、Ａ０に対応したデジタル信号Ｄ３、Ｄ２、Ｄ１、Ｄ０が出力される。具体的には、入力光強度に応じて、図５に示すようなデジタル信号Ｄ３、Ｄ２、Ｄ１、Ｄ０が得られる。即ち、アナログ入力信号の光強度がデジタル信号に変換される。

（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態について、図８を参照して説明する。図８は、４ビットの光Ａ／Ｄ変換器の構成例である。図１と同一の構成要素については同一符号を付し、適宜説明を省略する。第１の実施の形態では、図１における光変調領域５、６、７、８に局所光が導入されていない。これに対し、本実施の形態では、光変調領域５５、５６、５７、５８に局所光ＬＬ３、ＬＬ２、ＬＬ１、ＬＬ０が導入されている点が異なる。これにより光信号強度に応じて位相を変化させる効率を上げることができる。

光変調領域５５、５６、５７、５８の機能は、図１における光変調領域５、６、７、８、及び、図６における光変調領域３５、３６、３７、３８と同様である。図９Ａ〜９Ｄに示すように、光変調領域５５、５６、５７、５８は、それぞれ光強度位相変換器５９を２＾０＝１、２＾１＝２、２＾２＝４、２＾３＝８個内蔵している。このような構成は、第２の実施の形態と同様であって、この内蔵する数の決定方法も同様である。

図９Ｅは、光強度位相変換器５９の具体的な構成の一例である。ここで、領域６０ａ、６０ｂは、例えば、半導体光導波路から構成される２×２のＭＭＩ導波路を有する。その幅と長さは、ＭＭＩ導波路の上部ポートに入力された光が下部に、下部ポートに入力された光が上部に出力されるように設計される。光強度位相変換器５９の下部の入力導波路６４ａと上部の入力導波路６５の両方に同じＭＭＩ導波路の領域６０ａ、６０ｂがそれぞれ設けられている。下部の入力導波路６４ａの領域６０ｂにのみ局所光ＬＬ（波長λ２）が導入される。これにより、同じ信号光変化でも、ＭＭＩ導波路内部の光強度が異なる状態を作ることができる。従って、ＭＭＩ導波路で引き起こされる自己位相変調、相互位相変調の違いを利用して、上下のポートに入力された信号光Ａａ（波長λ１）、Ａｂ（波長λ１）に位相差を付与することができる。
なお、図９Ｅに示す光強度位相変換器５９においても、図７Ｆと同様に、信号光と局所光の出力位置を反転させないこともできる。

ここで、光強度位相変換器５９の入力導波路６５に入力される信号光Ａａは、領域６０ａ、光強度調整器６２及び光位相調整器６３を介して、出力導波路６６から出力される。一方、入力導波路６４ａから入力される信号光Ａｂは、領域６０ｂにおいて、入力導波路６４ｂから入力される局所光ＬＬの強度に応じた位相の変化を受ける。また、領域６０ｂの出口では、局所光ＬＬと信号光Ａｂが分かれて出てくるように設計されている。そして、信号光Ａｂは出力導波路６８から出力される。また、局所光ＬＬは光強度調整器６１を介して出力導波路６７から出力される。

実施の形態２の領域４０と同様に、電流ないしは電圧が印加できるように、この領域６０ａ、６０ｂの半導体光導波路はｐｉｎ構造を有し、上下に電極が配置される。このように、光強度位相変換器５９を図９Ａ〜９Ｄのように配置することで、図５に示すようなデジタル信号を得ることができる。

なお、第１〜３の実施の形態は、２進符号を元にして、光強度位相変換部２５〜２８の長さや、光強度位相変換器３９、５９の数を設定した。実際には、デジタル信号符号のフォーマットに応じて異なる値が適宜設定される。

例えば、図１２に示すグレイコードを出力するためには、第１の実施の形態における光変調領域５〜８を、図１０Ａ〜１０Ｄのような構成にすればよい。ここで、光位相変調器５０は、光強度を変えずに位相をπ／２回転させる。この場合、一般にｎビットの光Ａ／Ｄ変換器を作成する場合には、上位ビットから下位ビットに行くに従って、光強度位相変換部の長さを、最上位ビットの長さをＬとした際には、各ビットの信号が出力される光強度位相変換部の長さを、長さＬの２＾ｋ（ｋ＝０、０、１、２、３、・・・、ｎ−２）倍とすればよい。２進コードの時よりも光強度位相変換部の長さを短くことができる。

ここで、光位相変調器５０は、具体的には、ｐｉｎ構造を有する半導体光導波路に電界を印加することで、所望の位相回転が起こるようにすればよい。また、光路長としてπ／２分ずれるように導波路長を変えておくことでも実現できる。このような構成により、入力光強度に応じて、図１２に示すようなデジタル出力が得られる。

第２の実施の形態では、光変調領域３５〜３８を、図１１Ａ〜１１Ｄのような構成にすれば、図１２に示すグレイコードを出力することができる。ここで、光位相変調器５０は、光強度を変えずに位相をπ／２回転させる。この場合、一般にｎビットの光Ａ／Ｄ変換器を作成する場合には、上位ビットから下位ビットに行くに従って、光強度位相変換器３９の数を２＾ｋ（ｋ＝０、０、１、２、３、・・・、ｎ−２）とすればよい。２進コードの時よりも光強度位相変換器３９の数を少なくすることができる。第３の実施の形態においても同様に、光変調領域５５〜５８を図１１Ａ〜図１１Ｄのように構成すれば出力可能である。である。この光位相変調器５０も、上述の図１０Ａ〜１０Ｄにおける光位相変調器５０と同様の方法により実現できる。

なお、当然ながら、上述した実施の形態は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、上述した実施の形態及び変形例では、各部の構造などを具体的に説明したが、その構造などは本発明を満足する範囲で各種に変更することができる。本発明によれば、高速かつ低電力な光Ａ／Ｄ変換器が実現できるので、この光Ａ／Ｄ変換器を利用した光復調回路に、高速かつ低電力といったメリットを生かされた形で利用することができる。具体的には、コヒーレント検波回路や光直接検波回路に本発明の光Ａ／Ｄ変換器を内蔵することができる。

以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２０１０年５月１９日に出願された日本出願特願２０１０−１１５５４４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

本発明にかかる技術は、光通信システムや光インターコネクションにおいて用いられる光アナログ／デジタル変換器、これを用いた光信号復調器、光変復調装置及び光アナログ／デジタル変換器などに利用できる。

１ 入力ポート
２、１０ 光分波器
３ 光導波路
４ ＭＺ型光干渉計
５〜８、３５〜３８、５５〜５８ 光変調領域
９ バランスドレシーバ
１１ 光合分波器
１３〜２０ 出力ポート
２１ 断面
２５〜２８ 光強度位相変換部
３９、５９ 光強度位相変換器
４０、６０ａ、６０ｂ 領域
４１、４２ａ、４２ｂ、６１、６２ 光強度調整器
４３、６３ 光位相調整器
４４ａ、４４ｂ、４５、６４ａ、６４ｂ、６５ 入力導波路
４６〜４８、６６〜６８ 出力導波路
５０ 光位相変調器

Claims (10)

1. 入力されたアナログ光信号を複数に分割する光分波器と、
   前記光分波器により分割された各光信号が入力される複数のマッハ・ツェンダー型光干渉計と、
   各前記マッハ・ツェンダー型光干渉計から出力された各光信号をデジタル電気信号に変換する複数の光／電気変換手段と、を備え、
   各前記マッハ・ツェンダー型光干渉計は、
   入力された光信号の強度を位相シフト量に光学的に変換する光強度位相変換手段を備え、
   前記位相シフト量が、前記マッハ・ツェンダー型光干渉計毎に異なる光Ａ／Ｄ変換器。
2. 前記光強度位相変換手段が、半導体光増幅器であることを特徴とする請求項１に記載の光Ａ／Ｄ変換器。
3. 各前記マッハ・ツェンダー型光干渉計は、
   入力された光を２つに分割する内部光分波器と、
   前記内部光分波器に接続された第１及び第２の導波路と、
   前記第１及び第２の導波路に接続された合分波器と、を備え、
   少なくとも前記第２の導波路に前記光強度位相変換手段が設けられ、前記第１の導波路との間に位相差をつけることができることを特徴とする請求項１又は２に記載の光Ａ／Ｄ変換器。
4. 各光強度位相変換手段の長さが、前記マッハ・ツェンダー型光干渉計毎に異なることにより、前記位相シフト量が異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光Ａ／Ｄ変換器。
5. 各光強度位相変換手段の個数が、前記マッハ・ツェンダー型光干渉計毎に異なることにより、前記位相シフト量が異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光Ａ／Ｄ変換器。
6. 前記光強度位相変換手段が、直列接続された２つの受光素子を含むバランスドレシーバからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光Ａ／Ｄ変換器。
7. 各前記マッハ・ツェンダー型光干渉計は、
   信号光と異なる波長の局所光が入力される局所光導入導波路を更に備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光Ａ／Ｄ変換器。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の光Ａ／Ｄ変換器を含むことを特徴とする光信号復調器。
9. 請求項８に記載の光信号復調器を含むことを特徴とする光変復調装置。
10. 入力されたアナログ光信号を複数に分割する光分波器を設け、
    前記光分波器により分割された各光信号が入力される複数のマッハ・ツェンダー型光干渉計を設け、
    各前記マッハ・ツェンダー型光干渉計から出力された各光信号をデジタル電気信号に変換する複数の光／電気変換手段を設け、
    各前記マッハ・ツェンダー型光干渉計に、入力された光信号の強度を位相シフト量に光学的に変換する光強度位相変換手段を設け、
    前記位相シフト量を前記マッハ・ツェンダー型光干渉計毎に異なるように構成する光Ａ／Ｄ変換器の構成方法。

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