WO2024089895A1 - 光信号処理装置及びその制御方法 - Google Patents

光信号処理装置及びその制御方法 Download PDF

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processing device
signal processing
optical
phase
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祥江 森本
賢哉 鈴木
慶太 山口
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日本電信電話株式会社
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    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference
    • G02F1/225—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference in an optical waveguide structure
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/29—Repeaters
    • H04B10/291—Repeaters in which processing or amplification is carried out without conversion of the main signal from optical form
    • H04B10/293—Signal power control
    • H04B10/294—Signal power control in a multiwavelength system, e.g. gain equalisation
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J14/00—Optical multiplex systems
    • H04J14/02—Wavelength-division multiplex systems

Definitions

  • the present invention relates to an optical signal processing device, and more specifically to a technology for controlling the amount of phase modulation of an optical signal propagating through an optical waveguide.
  • Wavelength Division Multiplexing (WDM) technology used in optical communication networks is considered important as a means of achieving high capacity optical communication.
  • Non-Patent Document 1 a gain equalizer consisting of a silica-based glass waveguide as disclosed in Non-Patent Document 1 has been proposed.
  • Non-Patent Document 2 discloses a gain equalizer with a configuration called a lattice-type optical circuit.
  • This lattice-type optical circuit is composed of N directional couplers and N-1 arm waveguides, each consisting of two waveguides sandwiched between them.
  • N directional couplers and N-1 arm waveguides, each consisting of two waveguides sandwiched between them.
  • it operates as a phase shifter that utilizes the change in refractive index caused by the thermo-optic effect, controlling the phase of the light propagating therethrough.
  • This control makes it possible to adjust the phase difference of the optical signals propagating through the two waveguides that make up the arm waveguide, making it possible to adjust the interference state in the downstream directional coupler, and controlling the transmission spectrum for each wavelength.
  • optical signal processing devices consisting of optical waveguides and multiple phase shifters that impart a phase shift to the optical signal propagating through the optical waveguide are widely used in optical communication networks.
  • a lattice-type optical circuit which consists of N directional couplers, N-1 arm waveguides consisting of two waveguides sandwiched between them, and up to 2(N-1) phase shifters loaded on at least one of the two waveguides that make up the arm waveguide.
  • the phase difference ⁇ i that occurs between the upper arm waveguide and the lower arm waveguide is expressed by equation (1).
  • ⁇ is the wavelength of light
  • neff is the effective refractive index of the optical waveguide
  • ⁇ Li is the difference in length between the upper arm waveguide and the lower arm waveguide in the i-th arm waveguide
  • ⁇ i is the phase difference added between the arms by the phase shifter in the i-th arm waveguide.
  • the waveform continues to change continuously during the process of setting multiple phase shifters, so if the amount of phase modulation set is large, the wavelength spectrum may deviate significantly from the desired wavelength spectrum to which it should be changed. If the optical characteristics deviate significantly from the desired wavelength spectrum, there is a risk that the optical signal being transmitted will be blocked.
  • the present invention aims to provide an optical signal processing device that can obtain a desired wavelength spectrum even if the setting of the phase modulation amount of the phase shifter is changed during optical signal transmission.
  • FIG. 1 is a top view of an optical signal processing device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing the wavelength spectrum of the transmittance of a lattice-type optical circuit.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a process for determining the division number M by linearly dividing the range between the current phase modulation amount and the target phase modulation amount according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing a lookup table according to a modified example of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing the amount of phase modulation in the phase shifter at each step according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a process for determining the division number M when the lookup table shown in FIG. 4 is used.
  • FIG. 1 is a top view of an optical signal processing device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing the wavelength spectrum of the transmittance of a lattice-type optical circuit.
  • FIG. 7( a ) is a diagram showing an example of the amount of phase modulation applied by each phase shifter for each spectral tilt according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 7 ( b ) is a diagram showing an example of a graph after dividing the amount of phase modulation.
  • FIG. 8 is a diagram showing a lookup table that defines the amount of phase modulation for each spectral tilt according to the second embodiment.
  • Fig. 1 is a diagram showing a schematic diagram of an optical signal processing device according to an embodiment of the present invention.
  • the optical signal processing device of this embodiment shows a lattice-type optical circuit as an example of the form of the optical waveguide, but the form of the optical waveguide is not limited to this.
  • the optical signal processing device of this embodiment is configured to include a lattice-type optical circuit 11 and a control unit 10 that controls the amount of phase modulation by a phase shifter having a phase modulation function in this optical circuit.
  • the control unit may also execute a division process of the amount of phase modulation, which will be described later in Figs. 3, 6, etc.
  • the control unit 10 has a CPU and a memory that stores programs executed by the CPU, such as the control of the optical signal processing device described below and the division processing of the phase modulation amount, and executes the control processing of the phase modulation amount by the phase shifter described below.
  • the lattice type optical circuit 11 has an input waveguide 111, optical directional couplers 113-1 to 113-N, arm waveguides 114-1 to 114-(N-1), and an output waveguide 112.
  • the arm waveguides 114-1 to 114-(N-1) are composed of two waveguides, and phase shifters 115-1 to 115-(N-1), 116-1 to 116-(N-1) are respectively loaded on both waveguides. It is clear from the following explanation that in order to execute the phase modulation processing of the present invention, it is sufficient that at least one of the two waveguides is loaded with a phase shifter.
  • the signal light input from the input waveguide 111 passes alternately through the optical directional couplers 113-1 to 113-N and the arm waveguides 114-1 to 114-(N-1) in the order shown in the figure, and is output from the output waveguide 112.
  • the phase shifter may be of any principle as long as it can control the phase of the passing optical signal, and an example of such a phase shifter is a thermo-optical phase shifter that uses heat generated by a heater and the thermo-optical effect.
  • the amount of heat generated is controlled by the amount of current applied to the heater, and the amount of phase modulation is controlled by the accompanying change in the refractive index of the waveguide.
  • FIG. 2 is a graph showing the wavelength spectrum of the transmittance of an optical signal in the lattice optical circuit 11, with the vertical axis showing the transmittance and the horizontal axis showing the wavelength of light.
  • waveform A is the waveform currently set as the transmission spectrum in the lattice optical circuit 11, and as an example, it is a waveform showing an almost linear spectrum with a slope of about -0.2 dB/nm.
  • waveform D is the transmittance spectrum waveform targeted by phase variable control, and as an example, it is a waveform showing an almost linear spectrum with a slope of about -0.1 dB/nm.
  • the current phase modulation amounts applied by phase shifters 115-1 to 115-5 are ⁇ 01, ⁇ 02, ⁇ 03, ⁇ 04, and ⁇ 05, respectively.
  • the phase modulation amount provided by each phase shifter is changed to change the transmission spectrum of the lattice optical circuit 11 from the currently set waveform A to the target set waveform D.
  • the target phase modulation amounts to be added by phase shifters 115-1 to 115-5 to obtain target setting waveform D are ⁇ M1, ⁇ M2, ⁇ M3, ⁇ M4, and ⁇ M5, respectively.
  • the transmission spectrum during the waveform change must be within the range permitted by the optical communication network. In the example shown in Figure 2, this is the range between waveform F (upper limit) and waveform E (lower limit). This is within ⁇ 0.3 dB for waveform A and waveform D.
  • the waveform When changing the waveform, if the amount of phase modulation applied by the phase shifters 115-1 to 115-5 is directly changed from the current amount of phase modulation ⁇ 01, ⁇ 02, ⁇ 03, ⁇ 04, and ⁇ 05 to the target amount of phase modulation ⁇ M1, ⁇ M2, ⁇ M3, ⁇ M4, and ⁇ M5, as described above, the waveform continues to change continuously during the change by the five phase shifters, so there is a risk that the transmission spectrum of the lattice-type optical circuit will exceed the allowable range at a certain point during the setting change.
  • waveform B shown in Figure 2 is an example of a transmission spectrum during the change of the amount of phase modulation applied by the phase shifters 115-1 to 115-5, and the transmission spectrum has changed by approximately 1.8 dB beyond the allowable range at a wavelength of approximately 1565 nm.
  • the current phase modulation amount and the target phase modulation amount are divided into M parts, and M+1 phase modulation amounts including the current phase modulation amount and the target phase modulation amount are calculated as follows:
  • Phase modulation amount of the first piece after division ⁇ 11, ⁇ 12, ⁇ 13, ⁇ 14, ⁇ 15
  • Phase modulation amount of the second piece after division ⁇ 21, ⁇ 22, ⁇ 23, ⁇ 24, ⁇ 25 ...
  • Phase modulation amount of the M-1th piece after division ⁇ (M-1)1, ⁇ (M-1)2, ⁇ (M-1)3, ⁇ (M-1)4, ⁇ (M-1)5
  • Target phase modulation amount ⁇ M1, ⁇ M2, ⁇ M3, ⁇ M4, ⁇ M5
  • the amount of phase modulation applied by each of phase shifters 115-1 to 115-5 is changed from the kth phase modulation amount to the (k+1)th phase modulation amount out of the M+1 phase modulation amounts, for each of phase shifters 115-1 to 115-5.
  • the flow of the process for changing the phase modulation amount is as follows:
  • Step 1 ⁇ 01 ⁇ ⁇ 11, ⁇ 02 ⁇ ⁇ 12, ⁇ 03 ⁇ ⁇ 13, ⁇ 04 ⁇ ⁇ 14, ⁇ 05 ⁇ ⁇ 15
  • Step 2 ⁇ 11 ⁇ ⁇ 21, ⁇ 12 ⁇ ⁇ 22, ⁇ 13 ⁇ ⁇ 23, ⁇ 14 ⁇ ⁇ 24, ⁇ 15 ⁇ ⁇ 25
  • Step 3 ⁇ 21 ⁇ ⁇ 31, ⁇ 22 ⁇ ⁇ 32, ⁇ 23 ⁇ ⁇ 33, ⁇ 24 ⁇ ⁇ 34, ⁇ 25 ⁇ ⁇ 35 ...
  • Step M-1 ⁇ (M-2)1 ⁇ ⁇ (M-1)1, ⁇ (M-2)2 ⁇ ⁇ (M-1)2, ⁇ (M-2)3 ⁇ ⁇ (M-1)3, ⁇ (M-2)4 ⁇ ⁇ (M-1)4, ⁇ (M-2)5 ⁇ ⁇ (M-1)5
  • the characteristic changes of the optical signal processing device can be kept within an acceptable range regardless of the change in the phase shifter settings, and the desired signal processing characteristics can be achieved without affecting the transmission characteristics in the optical communication network.
  • the transmission characteristics refer to characteristics that represent the transmission quality of the optical signal, such as the bit error rate.
  • phase shifters 115-1 to 115-5 are operated one by one in each step, but they may be operated simultaneously or multiple times within the same step. The same applies when N is another natural number.
  • the amount of phase modulation may be set by software within the optical signal processing device or externally, or by hardware.
  • the division method for dividing the current phase modulation amount and the target phase modulation amount into M may be a linear division between the current phase modulation amount and the target phase modulation amount, or may be a division according to a look-up table of the phase modulation amount prepared in advance.
  • the division number M is determined according to the difference between the current phase modulation amount and the target phase modulation amount and the allowable value of the change in the optical characteristics passing through the optical signal processing device.
  • the optical characteristics at any phase modulation amount setting ⁇ mn (m, n are integers, 1 ⁇ m ⁇ M, 1 ⁇ n ⁇ N-1) between the initial waveform and the target waveform are theoretically calculated in advance, and the division number M is determined so that the optical characteristics fall within the range ⁇ Q between the initial characteristics and the target characteristics.
  • FIG. 3 is a flowchart showing the process of determining the division number of the phase modulation amount according to the first embodiment of the present invention.
  • the current phase modulation amount ( ⁇ 01, ⁇ 02, ..., ⁇ 05) and the target phase modulation amount ( ⁇ M1, ⁇ M2, ..., ⁇ M5) are obtained (S301).
  • the division number M is set to the division number initial value (1 in this example) (S302).
  • the value of the division number is incremented (+1 in this example) (S307), and the processing of steps S303 and S304 is repeated. If it is determined that the calculated wavelength spectrum is within the acceptable range, the division number M at that time is set to the division number to be calculated (S306), and this processing ends. Note that although the initial division number value is set to 1, it may be another value, and the incremented value may be an integer of 2 or more.
  • the transmission spectrum in step S304 of the division process can be calculated as follows, for example.
  • the optical waveguide constituting the optical signal processing device is a lattice optical circuit
  • the transmission spectrum of the lattice optical circuit can be approximated linearly with respect to the wavelength.
  • the transmission spectrum of the lattice optical circuit can be theoretically calculated by calculating the electric field after transmission for each path that exists for the combination of arm waveguides that pass through at each stage, and adding up the electric fields for all the paths. This theoretical calculation makes it possible to calculate all the transmission spectra that the lattice filter optical circuit can take at each of the above-mentioned steps after dividing the area between the current phase modulation amount and the target phase modulation amount into M. By performing theoretical calculations for multiple division numbers M, it is possible to find the division number M that keeps the change in the transmission spectrum of the lattice optical circuit within an acceptable range.
  • the amount of phase modulation is determined by linear interpolation, but a lookup table prepared in advance may also be used.
  • Figure 4 is a diagram showing an example of a lookup table.
  • FIG. 5 shows the phase modulation amount ⁇ n_k by phase shifter k determined using the lookup table shown in FIG. 4, in comparison with an example using linear interpolation.
  • the phase modulation amounts corresponding to waveforms 2, 3, 4, and 5 are determined so that the change steps (change times) from waveform 1 to waveform 6 are equally spaced. Note that when further dividing between waveforms, linear interpolation, etc. may be used.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the process of determining the division number M when a lookup table is used.
  • the difference from the division process shown in FIG. 3 is the process of determining the phase modulation amount in step S603. That is, in this example, the lookup table shown in FIG. 5 is created for M determined in step S607, and then the respective phase modulation amounts are determined by referring to the lookup table created in step S603.
  • the amount of phase modulation applied by each phase shifter is determined so as to quantize and change the continuous changes in the optical characteristics of the optical signal processing device (changing them minutely (divided into M)). Then, in response to the continuous changes in the optical characteristics of the optical signal processing device, the amount of phase modulation applied by each phase shifter is also changed by quantizing the continuous changes within a certain phase range.
  • the optical signal processing device is a lattice-type optical circuit as shown in FIG. 1, and the transmission spectrum is controlled so as to approximate a linear shape with respect to wavelength. That is, consider the case where the optical signal processing device is controlled as a tilt equalizer, that is, the case where each phase shifter of the optical signal processing device is controlled so that the wavelength spectrum of the transmittance of the optical signal processing device has a linear shape with respect to wavelength. In this case, in the second embodiment, the optical signal processing device is controlled so that the slope (dB/nm) of the transmission spectrum of the tilt equalizer changes continuously. At this time, the amount of phase modulation applied by each phase shifter is also changed continuously, for example, within a range of - ⁇ to + ⁇ , in accordance with the continuous change in the spectral slope of the tilt equalizer.
  • Figure 7(a) shows the amount of phase modulation applied by each phase shifter for each spectral slope (which indicates the shape of the waveform).
  • the amount of phase modulation can be approximated by a continuous function of the spectral slope. This function can be obtained by theoretically calculating the transmission spectrum of a lattice-type optical circuit or by actually evaluating the transmission spectrum of a lattice-type optical circuit.
  • the control when changing the optical characteristics of the optical signal processing device from the current setting to the target setting is performed in the same manner as in the first embodiment, by dividing the current phase modulation amount and the target phase modulation amount into M parts, and calculating M+1 phase modulation amounts including the current phase modulation amount and the target modulation amount.
  • the phase modulation amount to be added to each of the phase shifters 115-1 to 115-5 is changed from the kth phase modulation amount to the (k+1)th phase modulation amount among the M+1 phase modulation amounts, one by one for the phase shifters 115-1 to 115-5.
  • the phase modulation amount to be added in the phase shifters 115-1 to 115-5 is gradually changed from the current setting, and finally reaches the target setting.
  • the phase modulation amount is divided along the graph line between the plot of the current phase modulation amount and the plot of the target phase modulation amount in the relationship of the phase modulation amount for each optical characteristic shown in FIG. 7(a).
  • the process for determining the division number M is the same as in the first embodiment.
  • FIG. 7(b) shows the amount of phase modulation applied by each phase shifter for each spectral slope after dividing the amount of phase modulation.
  • adjacent plots in FIG. 7(a) may be connected linearly or smoothly connected by a curve.
  • the optical waveguide that constitutes the optical signal processing device is a lattice optical circuit
  • the lattice optical circuit operates as a tilt equalizer.
  • the tolerance for change in the transmission spectrum of the optical signal processing device is 0.3 dB.
  • the current transmission spectrum slope is -0.2 dB/nm
  • the target transmission spectrum slope is -0.1 dB/nm.
  • Control section 11 Lattice type optical circuit 111 Input waveguide 112 Output waveguide 113-1 to 113-N Optical directional coupler 114-1 to 114-(N-1) Arm waveguide 115-1 to 115-(N-1), 116-1 to 116-(N-1) Phase shifter

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Abstract

複数の位相シフタにおける設定変更途中に波長スペクトルがアナログ的に変化しますため、所望の波長スペクトルから大きくずれてしまう問題を解決する。本発明の光信号処理装置は、現在位相変調量と目標位相変調量の間をそれぞれＭ分割し、現在位相変調量と目標変調量を含むＭ＋１個の位相変調量を取得し、さらに、各位相シフタで加える位相変調量の設定を徐々に変更する。

Description

光信号処理装置及びその制御方法
　本発明は、光信号処理装置に関し、詳しくは、光導波路を伝搬する光信号の位相変調量の制御技術に関する。
　光通信ネットワークで用いられる波長多重通信（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術は光通信の大容量化を実現する手段として重要視されている。
　例えば、１００ｋｍ以上の距離の伝送にＷＤＭ技術を適用するには、光増幅器を伝送ファイバ中に一定間隔で配置する必要があり、その利得スペクトルの波長依存性は光信号対雑音比（ＯＳＮＲ：Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｉｇｎａｌ－ｔｏ―Ｎｏｉｓｅ　Ｒａｔｉｏ）に大きく影響するため、利得スペクトルを平坦化する必要がある。この利得等化器として、非特許文献１に開示される石英系ガラス導波路で構成される利得等化器が提案されている。また、非特許文献２には、ラティス型光回路と呼ばれる構成の利得等化器が開示されている。
　このラティス型光回路は、Ｎ個の方向性結合器とそれらに挟まれた２本の導波路からなるＮ－１個のアーム導波路により構成される。また、アーム導波路を構成する２本の導波路の少なくとも一方の導波路に熱を加えることで、熱光学効果による屈折率変化を利用した位相シフタとして動作させ、そこを伝搬する光の位相を制御する。この制御によりアーム導波路を構成する２本の導波路を伝搬する光信号の位相差を調整することができ、後段の方向性結合器における干渉状態の調整が可能であり、波長に対する透過スペクトルを制御する。
　以上のとおり、光導波路と、その光導波路を伝搬する光信号に対して位相シフトを与える複数の位相シフタによって構成される光信号処理装置は、光通信ネットワークの中で広く用いられる。その一例であるラティス型光回路は、Ｎ個の方向性結合器と、それらに挟まれた２本の導波路からなるＮ－１個のアーム導波路と、アーム導波路を構成する２本の導波路のうち少なくとも一方に装荷される最大で２（Ｎ－１）個の位相シフタ、により構成される。ラティス型光回路の、i個目のアーム導波路において、上側アーム導波路と下側アーム導波路の間に生じる位相差Θiは、（１）式で表される。
　ここで、λは光の波長、neffは光導波路の実効屈折率、ΔLiはi個目のアーム導波路における上側アーム導波路と下側アーム導波路の長さの差、φiはi個目のアーム導波路において位相シフタによってアーム間に加えられる位相差である。複数の位相シフタで加える位相変調量を個々に制御することで、各アーム導波路における位相差φiを制御し、最終的に出力される波長スペクトルを制御する。位相シフタ設定は光信号を通しながらも自由に変更可能であるため、光信号伝送状況に応じて波長スペクトルを逐次、任意に変更することができる。
K. Suzuki, T. Kitoh, S. Suzuki, Y. Inoue, Y. Hbbino, T. Shibata, A. Mori, and M. Shimizu, "Ultra wide range dynamic gain equalizer with high contrast silica planar lightwave circuit," in Integrated Photonics Research, A. Sawchuk, ed., Vol. 78 of OSA Trends in Optics and Photonics (Optical Society of America, 2002), paper IThG2. T. R. Schlipf, M. W. Street, J. Pandavenes, R. McBride, and D. R. S. Cumming, "Design and Analysis of a Control System for an Optical Delay-Line Circuit Used as Reconfigurable Gain Equalizer," Journal of Lightwave Technology, 2003, Vol. 21, Issue 9, pp. 1944.
　しかしながら、光信号処理装置の波長スペクトルを変更する際、複数の位相シフタにおける設定の際にその途中で波形が連続的に変化し続けるため、設定する位相変調量が大きい場合は、変更すべき所望の波長スペクトルから大きくずれることがある。そして、光学特性の所望波長スペクトルからのずれが大きい場合、伝送する光信号が遮断されるおそれがある。
　本発明は、光信号伝送中に位相シフタの位相変調量の設定を変更しても、所望の波長スペクトルを得ることが可能な光信号処理装置を提供することを目的とする。
　本発明の光信号処理装置の制御方法は、基板上に形成された光導波路と、前記光導波路中を伝搬する光信号に対して位相シフトを加えるN個の位相シフタによって構成される光信号処理装置であって、現在加えている位相シフト量と、目標とする位相シフト量の間を、分割数Mで分割して、変更前後の位相シフト量を含む（M＋１）個の位相シフト量を、前記Ｎ個の位相シフタそれぞれに対して取得する第１ステップと、前記N個の位相シフタそれぞれに加える位相シフト量を、前記（M＋１）個ある位相シフト量のうち、ｋ個目の位相シフト量から（ｋ＋１）個目の位相シフト量への変更を、前記位相シフタのうち１番目の位相シフタからN番目の位相シフタまで変更する第２ステップと、を含み、前記第２ステップをｋ＝１からｋ＝ＭのM回繰り返す、処理を実行することを特徴とする。
　以上の構成によれば、光信号処理装置において、光信号伝送中に位相シフタの位相変調量の設定を変更しても、所望の波長スペクトルを得ることが可能となる。
図１は、本発明の光信号処理装置を上面から見た図である。 図２は、ラティス型光回路の透過率の波長スペクトルを表すグラフである。 図３は、本発明の第１の実施形態に係る、現在位相変調量と目標位相変調量の間を線形に分割して分割数Mを決定する処理を示すフローチャートである。 図４は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る、ルックアップテーブルを示す図である。 図５は、第１実施形態に係る、各ステップにおける位相シフタでの位相変調量を示す図である。 図６は、図４に示すルックアップテーブルを用いる場合の分割数Mを決定する処理を示すフローチャートである。 図７（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る、スペクトル傾きごとの、各位相シフタで加える位相変調量の例を示す図であり、図７（ｂ）は、位相変調量を分割した後のグラフの例を示す図である。 図８は、第２実施形態に係る、スペクトル傾きごとの位相変調量を規定するルックアップテーブルを示す図である。
(光信号処理装置の構造)
　図１は、本発明の一実施形態に係る光信号処理装置を模式的に示す図である。本実施形態の光信号処理装置は、光導波路の形態の一例としてラティス型光回路の場合を示しているが、光導波路の形態はこれに限定されない。本実施形態の光信号処理装置は、ラティス型光回路１１と、この光回路において位相変調機能を有する位相シフタによる位相変調量を制御する制御部１０とを有して構成される。制御部は、また、図３、図６等で後述される位相変調量の分割処理を実行してもよい。
　制御部１０は、ＣＰＵやＣＰＵが実行する、後述される光信号処理装置の制御や位相変調量の分割処理等のプログラムを格納したメモリ等を有し、以下で説明される位相シフタによる位相変調量の制御処理を実行する。ラティス型光回路１１は、入力導波路１１１および光方向性結合器１１３－１～１１３－N、アーム導波路１１４－１～１１４－（Ｎ－１）および出力導波路１１２を備える。アーム導波路１１４－１～１１４－（Ｎ－１）は２本の導波路から構成されており、その両方の導波路に位相シフタ１１５－１～１１５－（Ｎ－１）、１１６－１～１１６－（Ｎ－１）がそれぞれ装荷されている。なお、本発明の位相変調処理を実行するためには、２本の導波路のうち少なくとも一方の導波路に位相シフタが装荷されていればよいことは、以下の説明からも明らかである。
　入力導波路１１１から入力された信号光は、図に示す順序で、光方向性結合器１１３－１～１１３－Nと、アーム導波路１１４－１～１１４－（Ｎ－１）とを交互に通過し、出力導波路１１２から出力される。
(位相シフタ)
　アーム導波路１１４－１～１１４－（Ｎ－１）にそれぞれ配置された位相シフタ１１５－１～１１５－（Ｎ－１）、１１６－１～１１６－（Ｎ－１）は、それぞれ対応する導波路を通過する光信号の位相を制御する。位相シフタとしては、通過した光信号の位相を制御できれば原理は問わないが、例えば、ヒータで発生する熱と熱光学効果を利用した熱光学位相シフタが挙げられる。熱光学位相シフタの場合、ヒータに加える電流量によって発生する熱を制御し、それに伴う導波路の屈折率変化によって位相変調量を制御する。
(光信号処理装置の制御)
　以下では、本発明の一実施形態に係る光信号処理装置の制御を説明するが、図示および説明の簡略化のため、ラティス型光回路が６個の方向性結合器と５個のアーム導波路対によって構成される場合（Ｎ＝６である場合）について説明する。また、同じく、図示および説明の簡略化のため、位相シフタは二本のアーム導波路１１４－１～１１４－５の片方の導波路のみに位相シフタ１１５－１～１１５－５がそれぞれ配置されているものとする。
　図２は、ラティス型光回路１１における光信号の透過率の波長スペクトルを表すグラフであり、縦軸が透過率、横軸が光の波長をそれぞれ示している。図２において、波形Aはラティス型光回路１１における透過スペクトルとして現在設定されている波形であり、一例として、傾きが約―０．２ｄＢ／ｎｍのほぼ線形なスペクトルを示す波形である。また、波形Ｄは位相量変量制御によって目標とする透過率スペクトル波形であり、一例として、傾きが約－０．１ｄＢ／ｎｍのほぼ線形なスペクトルの波形である。そして、位相シフタ１１５－１～１１５－５によって加えられている現在の位相変調量をそれぞれφ０１、φ０２、φ０３、φ０４、φ０５とする。以上の設定に対し、各位相シフタで与える位相変調量を変更することにより、ラティス型光回路１１の透過スペクトルを、現在設定波形Ａから目標設定波形Ｄへ変更する。ここで、目標設定波形Ｄとするために位相シフタ１１５－１～１１５－５によって加えるべき目標位相変調量を、それぞれφＭ１，φＭ２、φＭ３、φＭ４、φＭ５とする。
　波形変更途中の透過スペクトルは、光通信ネットワークで許容される範囲に収まっている必要があり、図２に示す例では、波形Ｆ（許容上限）と波形Ｅ（許容下限）によって挟まれる範囲である。これは、波形Ａと波形Ｄそれぞれに対して±０．３ｄＢの範囲である。
　波形変更の際、位相シフタ１１５－１～１１５－５で加える位相変調量を、現在位相変調量φ０１，φ０２、φ０３、φ０４、φ０５から、目標位相変調量φＭ１，φＭ２、φＭ３、φＭ４、φＭ５に直接変更すると、前述したように、５個の位相シフタによる変更途中で波形が連続的に変化し続けるため、設定変更途中のあるタイミングで、ラティス型光回路の透過スペクトルが許容範囲を超えるおそれがある。例えば、図２に示す波形Ｂは、位相シフタ１１５－１～１１５－５で加える位相変調量設定を変更している途中の透過スペクトルの一例であり、波長が約１５６５ｎｍで、許容範囲を約１．８ｄＢ超えて透過スペクトルが変化している。
　そこで、本実施形態による光信号処理装置の制御では、先ず、現在位相変調量と目標位相変調量の間をそれぞれＭ分割し、下記のとおり、現在位相変調量と目標位相変調量を含むＭ＋１個の位相変調量を計算する。
　　現在位相変調量：φ０１，φ０２、φ０３、φ０４、φ０５
　　分割後１個目の位相変調量：φ１１，φ１２、φ１３、φ１４、φ１５
　　分割後２個目の位相変調量：φ２１，φ２２、φ２３、φ２４、φ２５
・・・
　　分割後Ｍ－１個目の位相変調量：φ(M-1)１，φ(M-1)２、φ(M-1)３、φ(M-1)４、φ(M-1)５
　　目標位相変調量：φＭ１，φＭ２、φＭ３、φＭ４、φＭ５
　その後、波形変更の際には、位相シフタ１１５－１～１１５－５それぞれによって加える位相変調量を、Ｍ＋１個ある位相変調量のうち、ｋ個目の位相変調量から（ｋ＋１）個目の位相変調量へと変更することを、位相シフタ１１５－１～１１５－５に対して一つずつ行う。このステップをｋ＝１からｋ＝ＭまでM回繰り返すことで、位相シフタ１１５－１～１１５－５によって加える位相変調量を現在位相変調量から徐々に変化させ、最終的に目標位相変調量まで到達させる。位相変調量の変更処理の流れは下記の通りである。
　　ステップ１：φ０１→φ１１、φ０２→φ１２、φ０３→φ１３、φ０４→φ１４、φ０５→φ１５
　　ステップ２：φ１１→φ２１、φ１２→φ２２、φ１３→φ２３、φ１４→φ２４、φ１５→φ２５
　　ステップ３：φ２１→φ３１、φ２２→φ３２、φ２３→φ３３、φ２４→φ３４、φ２５→φ３５
・・・
　　ステップＭ－１：φ(M-2)１→φ(M-1)１、φ(M-2)２→φ(M-1)２、φ(M-2)３→φ(M-1)３、φ(M-2)４→φ(M-1)４、φ(M-2)５→φ(M-1)５
　　ステップＭ：φ(M-1)１→φＭ１、φ(M-1)２→φＭ２、φ(M-1)３→φＭ３、φ(M-1)４→φＭ４、φ(M-1)５→φＭ５
　上述のように、位相シフタ１１５－１～１１５－５で加える位相変調量の設定を、分割処理として後述されるように分割された微小変調量に変更することで、波形が連続的に変化する場合でも、ラティス型光回路の透過スペクトルの変化は、図２に示した波形Cのように、変更途中の波形を許容範囲内とすることができる。
　以上、本実施形態による、光信号処理装置の制御によれば、いかなる位相シフタ設定変更の場合にも、光信号処理装置の特性変化を許容範囲内に収めることができ、光通信ネットワークにおける伝送特性に影響を与えずに所望の信号処理特性を実現することができる。ここで、伝送特性とは、ビット誤り率など、光信号の伝送品質を表す特性のことである。
　なお、本実施形態においては、各ステップにおいて、位相シフタ１１５－１～１１５－５に対して一つずつ行った場合を示したが、同一ステップ内であれば一斉に行ってもよいし、複数個ずつ行ってもよい。Nが他の自然数の場合も同様である。位相変調量の設定は光信号処理装置内または外部のソフトウェアで実施してもよいし、ハードウェアで実施してもよい。
(分割処理)
　本実施形態による光信号処理装置の制御において、現在位相変調量と目標位相変調量の間をＭ分割する際の分割方法としては、現在位相変調量と目標位相変調量の間を線形に分割してもよいし、予め用意した位相変調量のルックアップテーブルに従って分割してもよい。分割数Ｍは、現在位相変調量と目標位相変調量の差と、光信号処理装置を通過する光学特性の変化の許容値に応じて決定する。光信号処理装置を通過する光学特性の変化の許容値をＱとしたとき、初期波形から目標波形に至る間の任意の位相変調量設定φｍｎ（ｍ、ｎは整数。１≦ｍ≦Ｍ、１≦ｎ≦Ｎ－１）のときの光学特性を予め理論計算し、その光学特性が、初期特性と目標特性に挟まれる範囲±Ｑの範囲内に収まるように分割数Ｍを決定する。
　図３は、本発明の第１の実施形態に係る位相変調量の分割数を決定する処理を示すフローチャートである。
　先ず、現在位相変調量（φ01、φ02、…、 φ05）および目標位相変調量（φM1、φM2、…、φM5）を取得する（Ｓ３０１）。また、分割数Mを分割数初期値（本例では、１）で設定する（Ｓ３０２）。
　次に、各位相変調量φｍｎ３）を、式φｍｎ=φ0ｎ+ｍΔφで表される線形補間によって求め（Ｓ３０３）、各位相変調量φｍnに対する波長スペクトルの理論計算を行う（Ｓ３０４）。
　そして、算出した波長スペクトルが許容範囲であるか否かを判定する（Ｓ３０５）。ここで、許容範囲内でない場合は分割数の値をインクリメント（本例では、＋１）させて（Ｓ３０７）、ステップＳ３０３、Ｓ３０４の処理を繰り返す。算出した波長スペクトルが許容範囲内と判断すると、そのときの分割数Ｍを求める分割数とし（Ｓ３０６）、本処理を終了する。なお、分割数初期値は１としたが他の値でもよいし、インクリメントする値も２以上の整数でもよい。
　なお、上記分割処理のステップＳ３０４の透過スペクトルは、一例として次のように行うことができる。例えば、光信号処理装置を構成する光導波路がラティス型光回路であり、ラティス型光回路の透過スペクトルが波長に対して線形に近似できる場合を考える。ラティス型光回路の透過スペクトルは、各段で通過するアーム導波路の組合せ分存在する経路ごとに、透過後の電界を計算し、全ての経路について電界を足し合わせることで理論計算できる。この理論計算により、現在位相変調量と目標位相変調量の間をM分割した後に、前述の各ステップでラティスフィルタ型光回路が取りうる透過スペクトルをすべて計算することができる。複数の分割数Mに対して理論計算を行うことにより、ラティス型光回路の透過スペクトルの変化を許容範囲に抑えるための分割数Mを求めることができる。
　また、上述の例は各位相変調量の決定を線形補間により行うものであるが、予め用意したルックアップテーブルを用いてもよい。
　図４は、ルックアップテーブルの例を示す図である。上例と同様、図２の波形A（変更前）から波形D（変更後）に変更する例では、変更途中の波形（波形C）の波形を４つ想定し、ルックアップテーブルには波形A（＝波形１）、変更途中の波形（＝波形２～５）、波形D（＝波形６）に対応する各位相シフタの位相変調量φ1_１、φ1_２、・・・φ1_５、φ２_１、φ２_２、・・・を、テーブルの内容として記録しておく。
　図５は、図４に示すルックアップテーブルを用いて定められる位相シフタｋによる位相変調量φｎ_ｋを、線形補間を用いた例と比較して示す図である。現在波形から目標波形まで、各位相変調量を分割して定める際、波形１から波形６までの変化のステップ（変化時間）が等間隔となるように、波形2, 3, 4, 5に対応する位相変調量を定める。なお、波形と波形との間をさらに分割するときは、線形補間などを用いてもよい。
　図６は、ルックアップテーブルを用いる場合の分割数Mを決定する処理を示すフローチャートである。図３に示した分割処理と異なる点は、ステップS６０３の位相変調量の決定処理である。すなわち、本例では、ステップS６０７で定まるMに対して図５に示すルックアップテーブルを作成し、その後ステップS６０３で作成したルックアップテーブルを参照してそれぞれの位相変調量を決定する。
　なお、ルックアップテーブルには波形１（＝変更前）から波形６（＝変更後）の６レコードの場合を示したが、レコード数は６に限らない。また、変更前の波形が先頭レコードや、変更後の波形が最終レコードである必要もない。
　次に、本発明の第２の実施形態に係る光信号処理装置の制御について説明する。第２の実施形態では、光信号処理装置の光学特性の連続的な変化を量子化して変化させる（微小（Ｍ分割した）変化させる）ように、各位相シフタで加える位相変調量を決定する。そして、光信号処理装置の光学特性の連続的な変化に対応させて、各位相シフタで加える位相変調量も、ある位相範囲内で連続的な変化を量子化して変化させるようにする。
　一例として、光信号処理装置が、図１で示されるようなラティス型光回路であり、その透過スペクトルが波長に対して線形に近似できるよう制御する場合を考える。すなわち、光信号処理装置をチルトイコライザとして制御する場合、すなわち、光信号処理装置の透過率の波長スペクトルが、波長に対して線形な形状となるように、光信号処理装置の各位相シフタを制御する場合を考える。この場合、第２の実施形態においては、チルトイコライザの透過スペクトルの傾き（ｄＢ／ｎｍ）が連続的に変化するように光信号処理装置を制御する。このとき、各位相シフタで加える位相変調量も、チルトイコライザのスペクトル傾きの連続的な変化に合わせて、たとえば―π～＋πの範囲内で連続的に変化させる。
　図７（ａ）は、スペクトル傾き(波形の形状を示すもの)ごとの、各位相シフタで加える位相変調量を示す図である。
　図７（ａ）に示すように、位相変調量はスペクトルの傾きに対して連続な関数で近似することができる。この関数は、ラティス型光回路の透過スペクトルの理論計算あるいは、ラティス型光回路の透過スペクトルを実際に評価することで得ることができる。
　本実施形態においても、光信号処理装置の光学特性を現在設定から目標設定へと変更する際の制御は、第１の実施形態と同様に、現在位相変調量と目標位相変調量の間をそれぞれＭ分割し、現在位相変調量と目標変調量を含むＭ＋１個の位相変調量を計算する。位相シフタ１１５－１～１１５－５それぞれに加える位相変調量を、Ｍ＋１個ある位相変調量のうち、ｋ個目の位相変調量から（ｋ＋１）個目の位相変調量へと変更することを、位相シフタ１１５－１～１１５－５に対して一つずつ行う。このステップをｋ＝１からｋ＝ＭのM回繰り返すことで、位相シフタ１１５－１～１１５－５において加える位相変調量を現在設定から徐々に変化させ、最終的に目標設定まで到達させる。現在位相変調量と目標位相変調量の間をＭ分割する際の分割処理としては、図７（ａ）に示した、光学特性ごとの位相変調量の関係において、現在位相変調量のプロットと、目標位相変調量のプロットの間を、グラフ線に沿うように位相変調量を分割する。分割数Ｍの決定処理は、第１の実施形態と同一である。
　図７(ｂ)は、位相変調量を分割した後のスペクトルの傾きごとの各位相シフタで加える位相変調量を示す図である。図７（ｂ）に示す分割後の対応関係を求める際、図７(ａ)において隣り合うプロットどうしの間は、線形で結んでもよいし、曲線で滑らかに結んでもよい。
　例えば、光信号処理装置を構成する光導波路がラティス型光回路であり、ラティス型光回路がチルトイコライザとして動作する場合を考える。光信号処理装置の透過スペクトルの変化の許容値は０．３ｄBであるとする。現在透過スペクトルの傾きは―０．２ｄＢ／ｎｍ、目標透過スペクトルの傾きは―０．１ｄＢ／ｎｍである。このとき、図７に示した、スペクトル傾きごとの位相変調量のグラフにおいて、―０．２ｄＢ／ｎｍとなる位相変調量のプロットと、―０．１ｄＢ／ｎｍとなる位相変調量のプロットに挟まれるグラフ線上で、スペクトル傾き０．００５ｄＢ／ｎｍごとに位相変調量を分割（＝２０分割）する。このとき、図８に示すように、スペクトル傾きごとの位相変調量を規定するルックアップテーブルを参照して、―０．２ｄＢ／ｎｍとなる位相変調量から―０．１ｄＢ／ｎｍとなる位相変調量までを２０分割することで、前述のステップを１回経たときに取りうる透過スペクトルを、傾きが―０．２ｄＢ／ｎｍの波形から０．３ｄＢ差し引いた直線と、傾きが―０．１ｄＢ／ｎｍの波形に０．３ｄＢ足し合わせた直線に挟まれる範囲内に収められることが、理論計算によりあらかじめ求められる。つまり、伝送特性に悪影響を及ぼすことなく、初期波形を目標波形へと変化させることができる。
１０　制御部
１１　ラティス型光回路
１１１　入力導波路
１１２　出力導波路
１１３－１～１１３－N　光方向性結合器
１１４－１～１１４－（Ｎ－１）　アーム導波路
１１５－１～１１５－（Ｎ－１）, １１６－１～１１６－（Ｎ－１）　位相シフタ

Claims (8)

  1. 　基板上に形成された光導波路と、前記光導波路中を伝搬する光信号に対して位相シフトを加えるN個の位相シフタによって構成される光信号処理装置であって、
    　現在加えている位相シフト量と、目標とする位相シフト量の間を、分割数Mで分割して、変更前後の位相シフト量を含む（M＋１）個の位相シフト量を、前記Ｎ個の位相シフタそれぞれに対して取得する第１ステップと、
    　前記N個の位相シフタそれぞれに加える位相シフト量を、前記（M＋１）個ある位相シフト量のうち、ｋ個目の位相シフト量から（ｋ＋１）個目の位相シフト量への変更を、前記位相シフタのうち１番目の位相シフタからN番目の位相シフタまで変更する第２ステップと、を含み、
    　前記第２ステップをｋ＝１からｋ＝ＭのM回繰り返す、
    処理を実行することを特徴とする光信号処理装置。
  2. 前記分割数Ｍは、現在設定の光学特性と、目標設定の光学特性の差によって決定され、
    　当該光信号処理装置を通過する光学特性の変化の許容値Qが与えられた際に、前記第２ステップを1回経たときに取りうる光学特性が、現在設定の光学特性と目標設定の光学特性に挟まれた範囲±Qの範囲内となるようにステップ数Mを決定する
    ことを特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
  3. 　前記光信号処理装置の制御方法は、前記光信号処理装置の光学特性の連続的な変化を量子化して変化させる
    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. 　前記光信号処理装置の制御方法は、前記光信号処理装置の光学特性の連続的な変化を量子化して変化させることを特徴とし、
    　前記N個の位相シフタそれぞれに加える位相シフト量は、前記光信号処理装置の光学特性の連続的な変化に合わせて、ある位相範囲で連続的な変化を量子化して変化する
    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。
  5. 　前記光信号処理装置は利得等化器であって、前記利得等化器の利得等化スペクトルが、光信号波長に対して線形に変化する形状となるように前記位相シフト量を決定する
    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。
  6. 前記光信号処理装置は少なくとも一つの入力ポートと、少なくとも一つの出力ポートを有し、
    　前記光信号処理装置は３以上の２入力２出力光合分流回路を有し、
    前記２入力２出力光合分流回路のうち３つ以上の２入力２出力光合分流回路が、当該２入力２出力光合分流回路に挟まれた２つの光導波路からなる接続用光導波路によって接続され、
    　前記接続用光導波路を構成する２つの光導波路のうち１つ以上の光導波路に、入力された光信号に対して位相シフトを加える位相シフタを含む被駆動エレメントを有すること、
    を特徴とする請求項１又は２に記載の光信号処理装置。
  7. 　前記位相シフタは熱光学効果を使用し、光導波路を加熱することによって構成される
    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。
  8. 　基板上に形成された光導波路と、前記光導波路中を伝搬する光信号に対して位相シフトを加えるN個の位相シフタによって構成される光信号処理装置の制御方法であって、
    　現在加えている位相シフト量と、目標とする位相シフト量の間を、分割数Mで分割して、変更前後の位相シフト量を含む（M＋１）個の位相シフト量を、前記Ｎ個の位相シフタそれぞれに対して取得する第１ステップと、
    　前記N個の位相シフタそれぞれに加える位相シフト量を、前記（M＋１）個ある位相シフト量のうち、ｋ個目の位相シフト量から（ｋ＋１）個目の位相シフト量への変更を、前記位相シフタのうち１番目の位相シフタからN番目の位相シフタまで変更する第２ステップと、を含み、
    　前記第２ステップをｋ＝１からｋ＝ＭのM回繰り返す、
    処理を実行することを特徴とする光信号処理装置の制御方法。
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US20050149593A1 (en) * 2004-01-07 2005-07-07 International Business Machines Corporation Transitioning a filter function of a two-port lattice-form planar waveguide optical delay line circuit filter from a start filter function to a target filter function

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