JPWO2015052937A1 - スペクトル圧縮装置、光アナログ／デジタル変換システム、およびスペクトル圧縮方法 - Google Patents

Abstract

入力光信号のスペクトル圧縮を行うスペクトル圧縮装置（１００）は、入力光信号を複製することにより、任意の時間間隔で遅延された少なくとも２つの複製光信号を生成する複製部（１１０）と、少なくとも２つの複製光信号を合波することにより、入力光信号のスペクトルよりも圧縮されたスペクトルを有する出力光信号を生成する合波部（１２０）とを備える。

Description

本発明は、光信号のスペクトル圧縮を行うスペクトル圧縮装置、および、スペクトル圧縮装置を備える光アナログ／デジタル変換システムに関する。

光信号を利用する様々な技術分野（例えば、光ＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）、光アナログ／デジタル変換、非線形光学顕微鏡など）において、光信号のスペクトル圧縮技術が利用されている。例えば、コヒーレントアンチストークスラマン散乱（ＣＡＲＳ）顕微鏡では、ＣＡＲＳ光のスペクトル分解能を高めるために、ポンプ光のスペクトル圧縮を行う（例えば、非特許文献１を参照）。非特許文献１では、スペクトルの圧縮に、非線形光学効果（自己位相変調）が利用されている。

夛田量宏、唐沢直樹、「ＣＡＲＳ分光のためのＰＣＦを用いた単一ビーム光源の実験と解析」、電子情報通信学会技術研究報告、ＯＰＥ、光エレクトロニクス、ｖｏｌ．１１１、Ｎｏ．１８５、ｐｐ．７−１０、２０１１年８月 Ｔ． Ｋｏｎｉｓｈｉ、ｅｔ ａｌ．、「Ａｌｌ−ｏｐｔｉｃａｌ ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ｓｅｌｆ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｉｎ ｆｉｂｅｒ ａｎｄ ａ ｐｕｌｓｅ−ｓｈａｐｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ」、ＪＯＳＡ Ｂ、ｖｏｌ．１９、Ｉｓｓｕｅ １１、ｐｐ．２８１７−２８２３、２００２

しかしながら、非特許文献１のように非線形光学効果を利用してスペクトル圧縮を行う場合、実現可能な圧縮率は、非線形光学効果を発生させる光学デバイスの物理的特性に依存する。つまり、光学デバイスの光学特性の物理的限界によってスペクトルの圧縮率が制限されるため、高い圧縮率を実現することが難しい。

そこで、本発明は、光信号のスペクトルの圧縮率を向上させることができるスペクトル圧縮装置を提供する。

本発明の一態様に係るスペクトル圧縮装置は、入力光信号のスペクトル圧縮を行うスペクトル圧縮装置であって、前記入力光信号を複製することにより、任意の時間間隔で遅延された少なくとも２つの複製光信号を生成する複製部と、前記少なくとも２つの複製光信号を合波することにより、前記入力光信号のスペクトルよりも圧縮されたスペクトルを有する出力光信号を生成する合波部とを備える。

この構成によれば、入力光信号を複製して得られた、任意の時間間隔で遅延された少なくとも２つの複製光信号を合波することにより、入力光信号のスペクトル圧縮を行うことができる。つまり、入力光信号の時間領域における複製、遅延および合波によって、スペクトル圧縮を実現することができる。したがって、非線形光学効果を利用してスペクトル圧縮を行う場合のように、光学デバイスの物理的特性によってスペクトルの圧縮率が制限されない。ゆえに、例えば、１０倍以上のスペクトル圧縮を実現することができ、光信号のスペクトルの圧縮率を向上させることができる。このように、少なくとも２つの複製光信号を任意の時間間隔で遅延させた上で合波することにより、非線形光学効果を使うことなく入力光信号のスペクトルを効率的に圧縮することは、これまで誰も実現していなかった。

例えば、前記入力光信号は、パルス光であり、前記任意の時間間隔は、前記入力光信号における波束の存続時間よりも短くてもよい。

この構成によれば、入力光信号がパルス光である場合に、複製光信号の時間間隔を、入力光信号における波束の存続時間よりも短くすることができる。したがって、出力光信号のスペクトルに大きな強度を有する複数のピークが含まれることを抑制することができる。なお、波束とは、一体として進行する局所的な波動の塊である。波束の存続時間は、パルス光の強度が閾値強度（例えば、ピーク強度の半分の強度）以上となる時間である。

例えば、前記入力光信号は、連続発振光であり、前記任意の時間間隔は、前記入力光信号における波連の存続時間よりも短くてもよい。

この構成によれば、入力光信号が連続発振光である場合に、複製光信号の時間間隔を、入力光信号における波連の存続時間よりも短くすることができる。したがって、出力光信号のスペクトルに大きな強度を有する複数のピークが含まれることを抑制することができる。なお、波連とは、位相的につながっているとみなせる一塊りの波である。波連の存続時間は、光の時間的干渉性に対応するコヒーレント長と等しくなる。

例えば、前記少なくとも２つの複製光信号は、時間順で最初の複製光信号と、時間順で最後の複製光信号と、前記最初の複製光信号および前記最後の複製光信号の信号強度よりも大きい信号強度を有する少なくとも１つの複製光信号とを含んでもよい。

この構成によれば、最初の複製光信号および最後の複製光信号の間の複製光信号の信号強度を相対的に大きくすることができる。したがって、出力光信号が複数の信号に分離されることを抑制することができ、スペクトル圧縮装置の適用範囲を広げることができる。

本発明の一態様に係る光アナログ／デジタル変換システムは、アナログ光信号をデジタル信号に変換する光アナログ／デジタル変換システムであって、前記アナログ光信号を、当該アナログ光信号の信号強度に対応する波長の入力光信号に変換する変換部と、上記スペクトル圧縮装置と、前記出力光信号の波長を測定することにより、前記アナログ光信号の信号強度に対応するデジタル信号を取得する測定部とを備える。

この構成によれば、スペクトル圧縮装置を利用して、アナログ光信号の信号強度に対応する波長を有する光信号のスペクトルの圧縮率を向上させることができる。したがって、光アナログ／デジタル変換における解像度を向上させることができる。

なお、本発明は、このような特徴的な構成要素を備えるスペクトル圧縮装置および光アナログ／デジタル変換システムとして実現することができるだけでなく、スペクトル圧縮装置に含まれる特徴的な構成要素が実行する処理をステップとするスペクトル圧縮方法および光アナログ／デジタル変換方法として実現することができる。

本発明の一態様に係るスペクトル圧縮装置は、光信号のスペクトルの圧縮率を向上させることができる

図１は、実施の形態１に係るスペクトル圧縮装置の構成図である。 図２は、実施の形態１に係るスペクトル圧縮方法を示すフローチャートである。 図３は、実施の形態１に係るスペクトル圧縮装置によるスペクトル圧縮の原理を説明するための図である。 図４Ａは、実施の形態１に係るスペクトル圧縮のシミュレーション結果を示すグラフである。 図４Ｂは、実施の形態１に係るスペクトル圧縮のシミュレーション結果を示すグラフである。 図５は、実施の形態１に係るスペクトル圧縮のシミュレーション結果を示すグラフである。 図６Ａは、実施の形態１に係るスペクトル圧縮の実験結果を示すグラフである。 図６Ｂは、実施の形態１に係るスペクトル圧縮の実験結果を示すグラフである。 図７は、実施の形態２に係る光アナログ／デジタル変換システムの構成図である。 図８は、実施の形態２に係る光アナログ／デジタル変換方法を示すフローチャートである。 図９は、他の実施の形態における出力光信号の時間波形を示すグラフである。 図１０は、１５６０．２ｎｍの中心波長を有する入力光信号が複製部および合波部に入力された場合の出力光信号のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１１は、１５６０．７ｎｍの中心波長を有する入力光信号が複製部および合波部に入力された場合の出力光信号のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１２は、１５６１．２ｎｍの中心波長を有する入力光信号が複製部および合波部に入力された場合の出力光信号のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１３は、１５６１．７ｎｍの中心波長を有する入力光信号が複製部および合波部に入力された場合の出力光信号のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１４は、１５６２．２ｎｍの中心波長を有する入力光信号が複製部および合波部に入力された場合の出力光信号のシミュレーション結果を示すグラフである。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、請求の範囲を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、以下では、主として、入力光信号がパルス光である場合について説明する。なお、入力光信号は、パルス光に限定される必要はない。

（実施の形態１）
＜構成＞
図１は、実施の形態１に係るスペクトル圧縮装置の構成図である。このスペクトル圧縮装置１００は、入力光信号のスペクトル圧縮を行う。

入力光信号のスペクトル圧縮とは、入力光信号の帯域幅（スペクトル幅）を狭くすることを意味する。帯域幅（スペクトル幅）とは、例えば、スペクトルの強度が、ピーク強度より小さい閾値強度（例えばピーク強度の半分の強度）以上である周波数または波長の範囲である。

図１に示すように、スペクトル圧縮装置１００は、複製部１１０と、合波部１２０とを備える。

複製部１１０は、入力光信号を複製することにより、任意の時間間隔で遅延された少なくとも２つの複製光信号を生成する。例えば、複製部１１０は、入力光信号を分岐し、分岐して得られた複数の光信号（複製光信号）を所定の時間間隔ずつ遅延させる。なお、複製とは、原信号の波形と略同一の波形を有する信号、または、原信号の波形を拡大もしくは縮小した波形を有する信号を生成することを意味する。

図１では、複製部１１０は、入力光信号を分岐することにより、入力光信号から５つの複製光信号（第１〜第５複製光信号）を生成する。そして、複製部１１０は、第１〜第５複製光信号を所定の時間間隔ずつ遅延させる。つまり、複製部１１０は、（i）第２複製信号を、第１複製信号に対して所定の時間間隔だけ遅延させ、（ii）第３複製信号を、第２複製信号に対して所定の時間間隔だけ遅延させ、（iii）第４複製信号を、第３複製信号に対して所定の時間間隔だけ遅延させ、（iv）第５複製信号を、第４複製信号に対して所定の時間間隔だけ遅延させる。なお、以下において、時間順で最初の複製光信号（ここでは、第１複製光信号）に対する時間順で最後の複製光信号（ここでは、第５複製光信号）の遅延時間を、複数の複製光信号（ここでは、第１〜第５複製光信号）の総遅延時間と呼ぶ。

合波部１２０は、複製部１１０によって生成された少なくとも２つの複製光信号を合波することにより出力光信号を生成する。つまり、合波部１２０は、任意の時間間隔で遅延された複数の複製光信号を、遅延を有する状態で１つの出力光信号にまとめる。図１では、合波部１２０は、５つの複製光信号（第１〜第５複製光信号）を合波することにより、１つの出力光信号を出力する。

このように生成された出力光信号は、入力光信号のスペクトルよりも圧縮されたスペクトルを有する。つまり、出力光信号のスペクトル（以下、「出力スペクトル」と呼ぶ）の幅は、入力光信号のスペクトル（以下、「入力スペクトル」と呼ぶ）の幅よりも狭い。すなわち、出力光信号の帯域幅は、入力光信号の帯域幅よりも狭い。このように出力スペクトルの幅が入力スペクトルの幅よりも狭くなる原理については後述する。

なお、上記の複製部１１０および合波部１２０は、例えば、光導波路を集積した光回路によって実現できる。また例えば、複製部１１０および合波部１２０は、互いに長さの異なる複数の光ファイバを用いて実現されてもよい。

＜方法＞
次に、以上のように構成されたスペクトル圧縮装置１００によるスペクトル圧縮方法について説明する。

図２は、実施の形態１に係るスペクトル圧縮方法を示すフローチャートである。

まず、複製部１１０は、入力光信号を複製することにより、任意の時間間隔で遅延された少なくとも２つの複製光信号を生成する（Ｓ１０１）。続いて、合波部１２０は、生成された少なくとも２つの複製光信号を合波することにより出力光信号を生成する（Ｓ１０２）。

＜スペクトル圧縮の原理＞
次に、本実施の形態に係るスペクトル圧縮装置によって入力スペクトルが圧縮される原理について説明する。ここでは、説明の便宜のため、複数の複製光信号の時間間隔（つまり、複数の複製光信号に含まれる時間的に隣り合う複製光信号の遅延の時間間隔）が一定であるとして説明する。つまり、複数の複製光信号は、所定の時間間隔ずつ遅延されているとして説明する。

図３は、実施の形態１に係るスペクトル圧縮装置によるスペクトル圧縮の原理を説明するための図である。具体的には、図３の（ａ）は、時間領域における窓関数を示す。図３の（ｂ）は、時間領域における入力光信号を示す。図３の（ｃ）は、時間領域における櫛型関数（ｃｏｍｂ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を示す。櫛型関数とは、デルタ関数を一定の時間間隔で並べた超関数であり、周期的デルタ関数とも呼ばれる。図３の（ｄ）は、周波数領域における窓関数を示す。図３の（ｅ）は、周波数領域における入力光信号を示す。つまり、図３の（ｅ）は、入力スペクトルを示す。図３の（ｆ）は、周波数領域における櫛型関数を示す。

なお、乗算は“×”で表され、畳み込み（ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ）は“＊”で表される。

入力光信号ｓ１（ｔ）から、Ｔ１の時間間隔ずつ遅延された無限数の複製光信号を合波して得られる信号（合波結果）は、入力光信号ｓ１（ｔ）（図３の（ｂ））と、Ｔ１の周期を有する櫛型関数ｃｏｍｂ_T1（ｔ）（図３の（ｃ））との合成積（畳み込み結果）によって表現される。

ただし、実際の出力光信号は、有限数の複製光信号の合波結果である。そこで、有限数の複製光信号の総遅延時間がＴ２である場合、出力光信号は、Ｔ２の時間幅を有する矩形の窓関数ｒｅｃｔ_T2（ｔ）（図３の（ａ））と、無限数の複製光信号の合波結果ｓ１（ｔ）＊ｃｏｍｂ_T1（ｔ）との積（乗算結果）として表される。

つまり、出力光信号ｓ２（ｔ）は、以下の式（１）で表される。

ここで、周波数領域において上記の演算を表現することにより、ｓ２（ｔ）をフーリエ変換して得られる出力スペクトルＳ２（ω）の幅が、ｓ１（ｔ）をフーリエ変換して得られる入力スペクトルＳ１（ω）の幅よりも狭くなることについて説明する。

時間領域における合成積は、周波数領域では積で表される。また、Ｔ１の周期を有する櫛型関数ｃｏｍｂ_T1（ｔ）は、フーリエ変換によって、１／Ｔ１の周期を有する櫛型関数Ｃｏｍｂ_T1（ω）（図３の（ｆ））に変換される。したがって、時間領域におけるｓ１（ｔ）とｃｏｍｂ_T1（ｔ）との合成積は、周波数領域においてＳ１（ω）とＣｏｍｂ_T1（ω）との積で表される。

また、時間領域における積は、周波数領域では合成積で表される。また、Ｔ２の時間幅を有する窓関数ｒｅｃｔ_T2（ｔ）は、フーリエ変換によって、Ｔ２に比例するスケーリングファクタを有するｓｉｎｃ関数Ｓｉｎｃ_T2（ω）（図３の（ｄ））に変換される。したがって、時間領域におけるｒｅｃｔ_T2（ｔ）と、ｓ１（ｔ）＊ｃｏｍｂ_T1（ｔ）との積は、周波数領域においてＳｉｎｃ_T2（ω）と、Ｓ１（ω）×Ｃｏｍｂ_T1（ω）との合成積で表される。

つまり、出力スペクトルＳ２（ω）は、以下の式（２）で表される。

図３および式（２）から分かるように、周波数領域において、Ｓ１（ω）は、Ｃｏｍｂ_T1（ω）の周期１／Ｔ１でサンプリングされ、サンプリング結果と、Ｔ２に比例するスケーリングファクタを有するＳｉｎｃ_T2（ω）との合成積が取られる。したがって、適切な遅延の時間間隔（Ｔ１）と総遅延時間（Ｔ２）とを与えることにより、所望の圧縮率でスペクトル圧縮を行うことができる。

例えば、Ｓ１（ω）の最大ピークの周波数成分のみがサンプリングされるようにＴ１が与えられれば、最大ピーク以外の周波数成分がサンプリングされることによって出力スペクトルに大きな強度を有する複数のピークが含まれることを抑制することができ、スペクトルの圧縮率を向上させることができる。したがって、Ｓ１（ω）の最大ピークの周波数成分のみがサンプリングされるように、周波数領域における櫛型関数の周期（１／Ｔ１）が入力スペクトル（Ｓ１（ω））の幅よりも大きいことが好ましい。ここで、入力スペクトルの幅は、入力光信号の時間幅（つまり、波束の存続時間）に反比例する。したがって、複製光信号の時間間隔（Ｔ１）は、入力光信号の波束の存続時間よりも短いことが好ましい。

なお、複製光信号の時間間隔は、入力光信号の波束の存続時間よりも長くてもよい。この場合であっても、入力スペクトルの幅よりも出力スペクトルの幅を狭くすることはできる。

なお、ここでは、時間的に隣り合う複製光信号の時間間隔が一定であるとして説明したが、時間間隔はばらつきを有してもよい。この場合、図３の（ｃ）に示す櫛型関数の周期（デルタ関数の時間間隔）は一定でなくなる。その結果、図３の（ｆ）に示すフーリエ変換された櫛型関数の周期も一定ではなくなる。しかしながら、櫛型関数の周期が一定でなくても、周波数領域において入力スペクトルがサンプリングされることに変わりはない。したがって、周期が適切に設定されれば、スペクトル圧縮を行うことができる。特に、時間領域における櫛型関数の周期が入力光信号の幅よりも小さければ（つまり、複製光信号の遅延の時間間隔が入力光信号の波束の存続時間よりも小さければ）、入力スペクトルの最大ピークのみがサンプリングされるので、遅延の時間間隔のばらつきの影響を出力スペクトルから除去することができる。

＜シミュレーション結果＞
次に、本実施の形態に係るスペクトル圧縮装置１００によるスペクトル圧縮のシミュレーション結果について説明する。

図４Ａおよび図４Ｂは、実施の形態１に係るスペクトル圧縮のシミュレーション結果を示すグラフである。このシミュレーションでは、入力光信号を１６個の複製光信号に複製している。また、１６個の複製光信号の時間間隔を、１．５ｐｓ、０．５ｐｓ、０．２５ｐｓに変化させている。また、図４Ａおよび図４Ｂにおいて、縦軸は強度を示し、横軸は、それぞれ時間および波長を示す。

所定の時間間隔（１．５ｐｓ、０．５ｐｓ、または０．２５ｐｓ）ずつ遅延された１６個の複製光信号を合波することにより、入力光信号の時間波形は、図４Ａに示すような出力光信号の時間波形に変換される。

この時間波形の変化は、周波数領域では、図４Ｂのようなスペクトルの変化として表される。いずれの時間間隔の場合でも、出力スペクトルは、入力スペクトルよりも圧縮されている。例えば、時間間隔が１．５ｐｓの場合、スペクトルの幅は、５．８ｎｍから０．４ｎｍに圧縮されている。

また、図４Ｂでは、時間間隔が長いほどスペクトルの圧縮率が高くなっている。この圧縮率の変化は、時間間隔が変化することにより総遅延時間が変化した影響を強く受けている。つまり、図４Ｂは、総遅延時間が長いほど圧縮率が高くなることを示している。

図５は、実施の形態１に係るスペクトル圧縮のシミュレーション結果を示すグラフである。図５では、縦軸は強度を示し、横軸は波長を示す。このシミュレーションでは、入力光信号の波長を１５５０ｎｍから１６００ｎｍまで変化させている。なお、複製光信号の時間間隔は１ｐｓで固定されている。

図５から明らかなように、入力光信号の波長を変化させても、スペクトルの圧縮率はほとんど変化していない。つまり、本実施の形態に係るスペクトル圧縮装置は、入力光信号の波長が変化しても、入力光信号のスペクトル圧縮を行うことができる。

＜実験結果＞
次に、本実施の形態に係るスペクトル圧縮装置１００によるスペクトル圧縮の実験結果について説明する。

この実験では、約２．５ｐｓのパルス光（入力光信号）を分岐させて、約５ｐｓの遅延間隔を有する２つの複製光信号を生成し、この２つの複製光信号を合波して出力光信号を生成した。入力光信号は、約１５５０ｎｍの波長を有し、入力スペクトルの幅（半値幅）は１．８６２ｎｍであった。

図６Ａおよび図６Ｂは、実施の形態１に係るスペクトル圧縮の実験結果を示すグラフである。図６Ａでは、縦軸は強度を示し、横軸は時間を示す。図６Ｂでは、縦軸は強度を示し、横軸は波長を示す。

図６Ａには、パルスの重ね合わせ（１つの同じ高さのパルスのすれ違い）による時間波形の測定結果が示されている。したがって、出力光信号（Ｏｕｔｐｕｔ）の時間波形は、真ん中の山の高さが他の山の高さの２倍である３つの山を有する波形に見えている。また、図６Ｂに示すように、出力スペクトル（Ｏｕｔｐｕｔ）の半値幅は、０．９９７ｎｍであり、入力スペクトル（Ｉｎｐｕｔ）の半値幅１．８６２ｎｍよりも狭くすることができた。

＜効果＞
以上のように、本実施の形態に係るスペクトル圧縮装置１００によれば、入力光信号を複製して得られた、任意の時間間隔で遅延された少なくとも２つの複製光信号を合波することにより、入力光信号のスペクトル圧縮を行うことができる。つまり、入力光信号の時間領域における複製、遅延および合波によって、スペクトル圧縮を実現することができる。したがって、非線形光学効果を利用してスペクトル圧縮を行う場合のように、光学デバイスの物理的特性によってスペクトルの圧縮率が制限されない。ゆえに、スペクトル圧縮装置１００は、例えば、１０倍以上のスペクトル圧縮を実現することができ、光信号のスペクトルの圧縮率を向上させることができる。

また、非線形光学効果を利用してスペクトル圧縮を行う場合、高い圧縮率を得るためには光信号の増幅が必要となり、信号増幅のための電力が必要となる。しかしながら、本実施の形態に係るスペクトル圧縮装置１００では、光信号を増幅しなくてもスペクトルを高い圧縮率で圧縮することができる。つまり、本実施の形態に係るスペクトル圧縮装置１００によれば、効率的にスペクトル圧縮を行うことが可能となる。

また、本実施の形態に係るスペクトル圧縮装置１００によれば、入力光信号の波長（周波数）に無依存でスペクトル圧縮を行うことができる。つまり、入力光信号の波長が既知でなくてもスペクトル圧縮を行うことができる。例えば、波長フィルタなどを用いて不要な波長の成分を除去することにより入力光信号のスペクトル圧縮を行う場合には、スペクトルを圧縮可能な入力光信号の波長は、波長フィルタを通過する波長に限定される。これに対して、本実施の形態に係るスペクトル圧縮装置１００によれば、スペクトルを圧縮可能な入力光信号の波長は特定の波長に限定されない。つまり、入力光信号の波長（周波数）に無依存でスペクトル圧縮を行うことができる。

（実施の形態２）
実施の形態２では、実施の形態１に係るスペクトル圧縮装置の応用例として、光アナログ／デジタル変換システムについて説明する。なお、実施の形態１に記載の構成要素と実質的に同一の構成要素については、説明が冗長となるのを避けるために、図示および説明を省略する。

＜構成＞
図７は、実施の形態２に係る光アナログ／デジタル変換システムの構成図である。この光アナログ／デジタル変換システム１０００は、アナログ光信号をデジタル信号に変換する。光アナログ／デジタル変換システム１０００は、実施の形態１に係るスペクトル圧縮装置１００と、変換部２００と、測定部３００とを備える。

変換部２００は、アナログ光信号を、当該アナログ光信号の信号強度に対応する波長の光信号に変換する。具体的には、変換部２００は、例えば、自己周波数シフトを発生させる高非線形性光ファイバである。変換結果の光信号は、スペクトル圧縮装置１００の入力となる。

測定部３００は、スペクトル圧縮装置１００の出力光信号の波長を測定することにより、アナログ光信号の信号強度に対応するデジタル信号を取得する。具体的には、測定部３００は、例えば、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇｓ）である。

なお、変換部２００および測定部３００については、非特許文献２と同様であるので、詳細な説明を省略する。

＜方法＞
次に、このように構成された光アナログ／デジタル変換システム１０００による光アナログ／デジタル変換方法について説明する。

図８は、実施の形態２に係る光アナログ／デジタル変換方法を示すフローチャートである。

まず、変換部２００は、アナログ光信号を、当該アナログ光信号の信号強度に対応する波長の光信号に変換する（Ｓ２０１）。続いて、スペクトル圧縮装置１００は、光信号のスペクトル圧縮を行う。具体的には、図２に示すように、複製部１１０は、入力光信号を複製することにより、任意の時間間隔で遅延された少なくとも２つの複製光信号を生成する（Ｓ１０１）。続いて、合波部１２０は、生成された少なくとも２つの複製光信号を合波することにより出力光信号を生成する（Ｓ１０２）。最後に、測定部３００は、スペクトル圧縮装置１００の出力光信号の波長を測定することにより、アナログ光信号の信号強度に対応するデジタル信号を取得する（Ｓ２０２）。

＜効果＞
以上のように、本実施の形態に係る光アナログ／デジタル変換システム１０００によれば、スペクトル圧縮装置１００を利用して、アナログ光信号の信号強度に対応する波長を有する光信号のスペクトルの圧縮率を向上させることができる。したがって、光アナログ／デジタル変換における解像度を向上させることができる。

（他の実施の形態）
以上、本発明の実施の形態に係るスペクトル圧縮装置および光アナログ／デジタル変換システムについて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれてもよい。

例えば、上記各実施の形態では、スペクトル圧縮装置の入力光信号がパルス光である場合について説明したが、入力光信号は、連続発振光であってもよい。この場合、連続発振光における波連が上記実施の形態におけるパルス光の波束に相当するので、連続発振光のスペクトル圧縮を行うことができる。また、上記各実施の形態と同様に、複数の複製光信号の時間間隔は、入力光信号における波連の存続時間よりも短いことが好ましい。

また、上記実施の形態２では、スペクトル圧縮装置を光アナログ／デジタル変換システムに用いる応用例を説明したが、スペクトル圧縮装置は、他の装置に応用されてもよい。例えば、非特許文献１に開示されているＣＡＲＳ顕微鏡においてポンプ光のスペクトル圧縮を行うために、実施の形態１に係るスペクトル圧縮装置が用いられてもよい。

例えば、ＣＡＲＳ顕微鏡にスペクトル圧縮装置が用いられる場合、出力光信号が複数の信号に分離されないように、複製光信号のゲイン調整が行われてもよい。つまり、時間順で最初の複製光信号および最後の複製光信号の信号強度よりも、最初の複製光信号および最後の複製光信号の間の複製光信号の信号強度が大きくなるように、複数の複製光信号の信号強度が調整されてもよい。言い換えると、少なくとも２つの複製光信号は、時間順で最初の複製光信号と、時間順で最後の複製光信号と、最初の複製光信号および最後の複製光信号の信号強度よりも大きい信号強度を有する少なくとも１つの複製光信号とを含んでもよい。

例えば入力光信号から３つの複製光信号が生成される場合に、図９の（ｂ）に示すように、３つの複製光信号のうちの真ん中の複製光信号の信号強度を大きくする。その結果、３つの複製光信号の合波結果である出力光信号の時間波形（図９の（ｂ））を、複製光信号の信号強度が同一の場合の出力光信号の時間波形（図９の（ａ））よりも滑らかにすることができる。これにより、出力光信号が複数の信号に分離されることを抑制することができ、ＣＡＲＳ顕微鏡などにおいて利用しやすい出力光信号を生成することができる。なお、３つの複製光信号は一例であり、入力光信号から４つ以上の複製光信号が生成される場合も、上記効果を奏することができる。つまり、４つ以上の複製光信号が、最初の複製光信号および最後の複製光信号の信号強度よりも大きい信号強度を有する少なくとも１つの複製光信号を含めば、上記効果を奏することができる。

また、実施の形態１に係るスペクトル圧縮装置は、光ＯＦＤＭ用の信号分離装置あるいは波長計などに用いられてもよい。

（複製部および合波部の具体例）
次に、上記各実施の形態における複製部および合波部の具体例について説明する。

複製部および合波部における光の伝搬経路の屈折率は、波長分散の影響により、入力光信号の中心波長に応じて変化する。そのために、各伝搬経路を伝搬する光の時間遅延は、入力光信号の中心波長に応じて変化する。つまり、複製光信号の時間間隔Ｔ１は、入力光信号ｓ１（ｔ）の中心波長に応じて変化する。また、図３の（ｆ）に示される櫛型関数Ｃｏｍｂ_T1（ω）におけるデルタ関数の位置（周波数）は、時間間隔Ｔ１に依存する。

そのため、入力光信号ｓ１（ｔ）の中心波長（中心周波数）によっては、櫛型関数Ｃｏｍｂ_T1（ω）におけるデルタ関数の位置（周波数）と中心周波数とがずれてしまい、入力スペクトルＳ（ω）の中心周波数をうまくサンプリングできない場合がある。その結果、入力光信号のスペクトルを圧縮できない場合が発生する。

つまり、所定の波長帯域の入力光信号のスペクトル圧縮を行うためには、複製部および合波部を適切に構成する必要がある。そこで、所定の波長帯域の入力光信号のスペクトル圧縮を行うための複製部および合波部の一例を以下に示す。ここでは、１５６０．２ｎｍ〜１５６２．２ｎｍの中心波長を有する入力光信号のスペクトル圧縮を行うための複製部および合波部の一例を示す。

ここでは、複製部および合波部は、その長さが１ｍｍずつ異なる２０個の伝搬経路によって構成される。各伝搬経路における分散（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）は、３５００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍである。また、各伝搬経路における分散勾配（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｓｌｏｐｅ）は、０ｐｓ／ｎｍ＾２／ｋｍである。

このような複製部および合波部に、１５６０．２ｎｍ、１５６０．７ｎｍ、１５６１．２ｎｍ、１５６１．７ｎｍ、および１５６２．２ｎｍの中心波長をそれぞれ有する入力光信号が入力された場合の出力光信号のシミュレーション結果を図１０〜図１４に示す。

図１０〜図１４において、（ａ）は、入力光信号の時間波形を示す。（ｂ）は、出力光信号の時間波形を示す。（ｃ）は、入力光信号のスペクトルを示す。（ｄ）は、出力光信号のスペクトルを示す。

（ａ）および（ｂ）に示すように、入力光信号の中心波長に依存する時間間隔で遅延された２０個の複製光信号を合波することにより出力光信号が生成されている。このとき、（ｄ）に示す出力光信号のスペクトルは、（ｃ）に示す入力光信号のスペクトルに比べて圧縮されている。

このように、上述のように構成された複製部および合波部を用いれば、１５６０．２ｎｍ〜１５６２．２ｎｍの中心波長を有する入力光信号のスペクトルを適切に圧縮することができる。

本発明は、入力光信号のスペクトル圧縮を行うスペクトル圧縮装置として利用でき、光アナログ／デジタル変換システム、非線形光学顕微鏡、あるいは波長計などに応用できる。

１００ スペクトル圧縮装置
１１０ 複製部
１２０ 合波部
２００ 変換部
３００ 測定部
１０００ 光アナログ／デジタル変換システム

Claims (6)

1. 入力光信号のスペクトル圧縮を行うスペクトル圧縮装置であって、
   前記入力光信号を複製することにより、任意の時間間隔で遅延された少なくとも２つの複製光信号を生成する複製部と、
   前記少なくとも２つの複製光信号を合波することにより、前記入力光信号のスペクトルよりも圧縮されたスペクトルを有する出力光信号を生成する合波部とを備える
   スペクトル圧縮装置。
2. 前記入力光信号は、パルス光であり、
   前記任意の時間間隔は、前記入力光信号における波束の存続時間よりも短い
   請求項１に記載のスペクトル圧縮装置。
3. 前記入力光信号は、連続発振光であり、
   前記任意の時間間隔は、前記入力光信号における波連の存続時間よりも短い
   請求項１に記載のスペクトル圧縮装置。
4. 前記少なくとも２つの複製光信号は、
   時間順で最初の複製光信号と、
   時間順で最後の複製光信号と、
   前記最初の複製光信号および前記最後の複製光信号の信号強度よりも大きい信号強度を有する少なくとも１つの複製光信号とを含む
   請求項１〜３のいずれか１項に記載のスペクトル圧縮装置。
5. アナログ光信号をデジタル信号に変換する光アナログ／デジタル変換システムであって、
   前記アナログ光信号を、当該アナログ光信号の信号強度に対応する波長の入力光信号に変換する変換部と、
   前記入力光信号のスペクトル圧縮を行うスペクトル圧縮装置と、
   前記スペクトル圧縮装置からの出力光信号の波長を測定することにより、前記アナログ光信号の信号強度に対応するデジタル信号を取得する測定部とを備え、
   前記スペクトル圧縮装置は、
   前記入力光信号を複製することにより、任意の時間間隔で遅延された少なくとも２つの複製光信号を生成する複製部と、
   前記少なくとも２つの複製光信号を合波することにより、前記入力光信号のスペクトルよりも圧縮されたスペクトルを有する光信号を前記出力光信号として生成する合波部とを備える
   光アナログ／デジタル変換システム。
6. 入力光信号のスペクトル圧縮を行うためのスペクトル圧縮方法であって、
   前記入力光信号を複製することにより、任意の時間間隔で遅延された少なくとも２つの複製光信号を出力する複製ステップと、
   前記少なくとも２つの複製光信号を合波することにより、前記入力光信号のスペクトルよりも圧縮されたスペクトルを有する出力光信号を出力する光合波ステップとを含む
   スペクトル圧縮方法。

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