(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的に時間多重した光ＴＤＭ信号に重畳される光強度変調成分を光の周波数領域で除去する光フィルタにおいて、
前記光ＴＤＭ信号の多重前の光パルス列の繰り返し周波数Ｔと、多重後の光パルス列の繰り返し周波数Ｔ′に対応するように、離散的かつ周期的に設定された透過周波数帯域を有し、前記光ＴＤＭ信号を入力し、前記光パルス列の繰り返し周波数に対応する縦モード成分のみを切り出し、縦モード以外の成分を除去する第１のアレイ導波路回折格子と、
前記第１のアレイ導波路回折格子で切り出された縦モード成分を合波する第２のアレイ導波路回折格子と
を備えたことを特徴とする光フィルタ。
【請求項２】
請求項１に記載の光フィルタにおいて、
前記第１のアレイ導波路回折格子と前記第２のアレイ導波路回折格子との間に、前記各光周波数成分の位相を制御して光フィルタの分散補償を行う位相制御部を備えた
ことを特徴とする光フィルタ。
【請求項３】
請求項２に記載の光フィルタにおいて、
前記位相制御部は、前記各光周波数成分を導波する導波路の光路長を変化させる構成である
ことを特徴とする光フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光の周波数領域における光フィルタに関する。特に、光通信の信号光や光計測の計測光などの光パルスの波形整形に用いられる光フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
大容量光伝送システムでは、伝送容量拡大のために信号光を周波数領域で多重する波長多重（ＷＤＭ）技術や、短光パルスを光学的に時間多重する光時分割多重（光ＴＤＭ）技術が用いられている。
【０００３】
図１０は、光ＴＤＭシステムの光送信器の構成例を示す。図において、パルス光源５１は、繰り返し周波数ｆ0 の光パルス列を発生する。この光パルス列の繰り返し周波数ｆ0 を例えば10ＧHzとすると、そのパルス間隔は 100psecとなる。この光パルス列は光分岐器５２でＮ分岐され、それぞれ光変調器５３−１〜５３−Ｎに入力される。各光変調器は、ビットレートｆ0 の変調信号で駆動される。各光変調器で変調された信号光は、光遅延器５４−１〜５４−Ｎでそれぞれ異なる遅延を与えられ、光結合器５５で結合されることにより、ビットレートＮｆ0 の光ＴＤＭ信号が生成される。ｆ0 ＝10ＧHz、Ｎ＝10とすると、この光ＴＤＭ信号のパルス間隔は10psecとなる。
【０００４】
この光送信器における多重度Ｎを上げるには、パルス光源５１で生成する光パルスのパルス幅を狭くする必要がある。ただし、パルス光源５１で生成可能な光パルスのパルス幅は、レーザ媒質の利得帯域幅に依存し、利得帯域幅が広いほど超短光パルスの発生が可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１０に示す従来の光送信器では、光分岐器５２の分岐比、光結合器５５の結合比、各光遅延器５４−１〜５４−Ｎの光路長差に応じた光損失の違いなどの要因により、時間多重した光ＴＤＭ信号に信号成分ではない強度変調成分が重畳されることがある。このような光強度変調成分が重畳された信号により通信を行うと、次に示す問題が生じる。信号の１，０の判定は、光から電気へ光電変換を行った後に、電圧波形における波高値の１／２に閾値を設定し、電圧の大小を識別する方法で行われる。このとき、上記の光強度変調成分が重畳した光信号では、光電変換後の電圧波形の波高値にばらつきが生じ、信号の識別閾値の設定が困難となる問題がある。
【０００６】
また、信号を周波数領域でみた場合には、上記の光強度変調成分に起因する周波数成分のノイズが信号に重畳され、通信品質が劣化する問題がある。ここで、時間多重された光ＴＤＭ信号の時間領域における強度波形と、周波数領域におけるスペクトル波形を図１１に模式的に示す。図１１(a) に示すように、ある一定の繰り返し周波数をもつ光パルス列に光強度変調成分が重畳されると、その変調成分（光パルス列における強度の包絡線）をフーリエ変換した周波数成分が、図１１(b) の破線で示すように重畳される。なお、図１１(b) の実線は光パルスの中心波長および光パルス列の繰り返し周波数に起因する周波数成分を示す。
【０００７】
さらに、超高速での時間領域の計測や現象の解析、また超短光パルスがもつ超広帯域の光周波数スペクトルを利用した周波数域での計測や分光などの分野では、超短光パルスがフーリエ変換限界パルス（ＴＬパルス）であることが要求される。このＴＬパルスとは、広義の意味において、パルス幅と周波数幅の積（時間バンド幅積）が最小となる状態のパルスである。この時間バンド幅積は概ね 0.1〜1.0 の範囲にあり、パルス波形に依存して次のような値をとる。
【０００８】
【表１】
0003694636.tif 000002
【０００９】
しかし、通常のパルス光源からＴＬパルスを直接発生させることは容易でなく、またＴＬパルスを発生できるパルス光源はアライメントおよびコスト面において問題がある。
【００１０】
本発明は、光学的に時間多重した光ＴＤＭ信号に重畳される光強度変調成分を除去し、それに起因した通信品質の劣化を低減することができる光フィルタを提供することを目的とする。
【００１１】
また、本発明は、ＴＬパルスを直接発生できないパルス光源から任意の波形のＴＬパルスを生成することができる光フィルタを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の光フィルタは、入力光パルス列の繰り返し周波数に対応して透過周波数帯域を離散的かつ周期的に設定する。すなわち、光パルスの繰り返し周波数に起因する周波数スペクトルに内在する縦モード成分のみを透過し、ノイズとなる縦モード以外の周波数成分を除去するように設定する。これにより、光ＴＤＭ信号に重畳された光強度変調成分を除去することができる。
【００１３】
ここで、本発明の光フィルタが有する特性の利点について、光パルスの周波数スペクトラム特性に基づいて簡単に説明する。光パルスの裾がある有限幅で消滅するような搬送周波数ωC の単一パルスについて、時間をパラメータにして記述すると、
Ｅs(t)＝exp(jωCt)ｇ(t)         …(1)
と表される。ｇ(t) は包絡線波形に対応する。この単一パルスのもつ周波数スペクトルは、 (1)式をフーリエ変換することにより求められる。
【００１４】
【数１】
0003694636.tif 000003
【００１５】
ここで、Ｇ（ω）は、ｇ(t) のフーリエ変換を示す。したがって、周波数スペクトルは、光パルスの時間波形に起因したある形状の連続的なスペクトルとなる。
【００１６】
一方、光パルスが周期Ｔで表れる場合の周波数スペクトルを考える。周期Ｔは、光パルスの裾がかぶらない程度に広いとする。光パルスを１つ取り出し、(1) 式にならって
Ｅr(t)＝exp(jωCt)ｇ(t)         …(3)
（−Ｔ／２＜ｔ＜Ｔ／２）
のように表記する。(3) 式が周期Ｔで表れる関数をexp(j(ωC＋2nπ/T)t)を基底としてフーリエ展開すると、
【００１７】
【数２】
0003694636.tif 000004
【００１８】
となる。
ここで、ｔ＜−Ｔ／２，ｔ＞Ｔ／２でｇ(t) ＝０と見なすことができるので、(5) 式は、
【００１９】
【数３】
0003694636.tif 000005
【００２０】
と表すことができる。この (6)式は、ｇ(t) のフーリエ変換に他ならず、
【００２１】
【数４】
0003694636.tif 000006
【００２２】
となる。したがって、 (4)式と (7)式から求める周波数スペクトルは、ωC を中心とし、間隔２π／Ｔで、大きさが（１／Ｔ）Ｇ（２ｎπ／Ｔ）の離散的な線スペクトルとなる。
【００２３】
なお、この包絡線は光パルス列を構成する単一パルスの連続的な周波数スペクトルと相似形になる。図１２(a) は単一パルスの周波数スペクトルを示し、図１２(b) は繰り返し周波数Ｔの光パルス列の周波数スペクトルを示す。これにより、光パルス列を光フィルタで波形整形する場合には、光フィルタの透過周波数帯域は、離散的かつ周期的な帯域を有することが望ましいことがわかる。一方、透過スペクトルの包絡線は、時間波形の形状と相関があるので、透過スペクトル波形を制御することにより、時間波形を制御できることがわかる。
【００２４】
したがって、光ＴＤＭ信号に重畳された光強度変調成分を周波数領域で除去することにより、時間領域での光強度変調成分を取り除くことができ、一様な強度の光パルス列の生成が可能となる。なお、本発明の光フィルタの離散的な透過周波数帯域および周期は、任意に設計することが可能であり、任意のパルス光源に適用することができる。
【００２５】
また、本発明の光フィルタは、透過周波数帯域を離散的かつ周期的に設定するとともに、各透過周波数帯域における透過率を任意に設定する。これにより、透過スペクトルの包絡線形状に対応するＴＬパルスを生成することができる。すなわち、表１に示すような波形を含む任意の時間波形を生成することができる。
【００２６】
さらに、上記の縦モード成分のみを分離することにより、透過周波数帯域内の光は複数の線スペクトル光となるので、伝搬時間の遅延はすべて位相に置き換えることができる。したがって、各透過周波数帯域ごとに位相制御部を設けることにより、各透過周波数帯域内の伝搬時間の遅延差は、０から２πまたは−πから＋πまでの制御で補償することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態：光強度変調成分除去フィルタ）
図１は、本発明の光フィルタの第１の実施形態を示す。図において、本実施形態の光フィルタは、入力光パルス列の繰り返し周波数に対応して透過周波数帯域を離散的かつ周期的に設定した周波数スペクトル分離部１および周波数スペクトル合波部２により構成される。周波数スペクトル分離部１は、入力光のスペクトル成分を離散的かつ周期的に透過し、周波数スペクトル合波部２は分離された各スペクトル成分を合波する。
【００２８】
ここでは、周波数スペクトル分離部１および周波数スペクトル合波部２として、同一構造のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を２つ組み合わせた構成を示す。アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）は、基板１０上に形成した複数の入力導波路１１、スラブ導波路１２、導波路長差を有する複数の導波路からなる導波路アレイ１３、スラブ導波路１４、複数の出力導波路１５を順次接続した構成である。
【００２９】
図２は、周波数スペクトル分離部１および周波数スペクトル合波部２の透過特性の一例を示す。透過周波数帯域は、多重前の光パルス列の繰り返し周波数Ｔと、多重後の光パルス列の繰り返し周波数Ｔ′を満たすように設定される。各透過周波数帯域における透過率は任意に設定可能である。
【００３０】
ここで、図３を参照して本実施形態の光強度変調成分除去フィルタとしての作用について説明する。本光フィルタに入力される光ＴＤＭ信号は、時間領域で多重化に伴う光強度変調成分を有し、周波数領域で多重前の繰り返し周波数成分、多重後の繰り返し周波数成分、光強度変調に依存した周波数成分（破線で示す）を有する。このような光ＴＤＭ信号を図２に示す透過特性を有する光フィルタに通し、光強度変調に依存した周波数成分を除去することにより、時間領域での光強度変調成分を取り除くことができ、一様な強度の光パルス列を生成することができる。
【００３１】
（第２の実施形態：光強度変調成分除去フィルタ）
図４は、本発明の光フィルタの第２の実施形態を示す。図において、本実施形態の光フィルタは、入力光パルス列の繰り返し周波数に対応して透過周波数帯域を離散的かつ周期的に設定した周波数スペクトル分離部１と、高反射率終端１６と、光サーキュレータ１７により構成される。
【００３２】
ここでは、周波数スペクトル分離部１としてアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を用いた構成を示す。アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）の出力導波路１５の他端に高反射率終端１６を配置して折り返し構成とすることにより、１つのアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）が周波数スペクトル分離部および周波数スペクトル合波部として機能する。ただし、この場合には入射光と出射光を分離するための光サーキュレータ１７を備える。高反射率終端１６には、被導波光に対して高反射率をもつコーティングまたはミラーを用いることができる。
【００３３】
また、本発明の光フィルタは、以上示したアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を用いた構成に限らず、例えば周期的な透過特性を有するリング共振器型フィルタで構成することも可能である。
【００３４】
（第３の実施形態：光強度変調成分除去フィルタ）
図５は、本発明の光フィルタの第３の実施形態を示す。図において、本実施形態の光フィルタは、透過周波数帯域を離散的かつ周期的に設定した周波数スペクトル分離部１および周波数スペクトル合波部２との間に、各周波数スペクトル成分の位相を制御する周波数スペクトル位相制御部３を備えた構成である。周波数スペクトル分離部１および周波数スペクトル合波部２により、光ＴＤＭ信号に重畳された光強度変調成分が除去される機能については、第１の実施形態と同様である。
【００３５】
ここでは、周波数スペクトル分離部１および周波数スペクトル合波部２として、第１の実施形態と同様にアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を用いた構成を示すが、その群速度分散のために透過した離散的かつ周期的な周波数スペクトル成分に位相ずれが生ずる。周波数スペクトル位相制御部３は、図６に示すように、各周波数スペクトル成分の位相を制御することにより、光フィルタがもつ分散を補償する。なお、周波数スペクトル位相制御部３に入射する光は、パルス状ではなく連続光になり、群遅延時間差はすべて位相差に置き換えることができるので、各周波数スペクトル成分の位相を制御するのみで、完全に群遅延時間差を補償することができる。
【００３６】
周波数スペクトル位相制御部３は、各周波数スペクトル成分を通す導波路ごとに例えばヒータ３１を備え、それぞれ加熱または冷却して熱光学効果により導波路の屈折率を各々変化させることにより、光路長を変化させて各周波数スペクトル成分の位相を制御する。
【００３７】
（第４の実施形態：光強度変調成分除去フィルタ）
図７は、本発明の光フィルタの第４の実施形態を示す。本実施形態の光フィルタは、第３の実施形態における周波数スペクトル位相制御部３の他端に高反射率終端１６を配置して折り返し構成としたものである。この場合には、各周波数スペクトル成分は、周波数スペクトル位相制御部３を往復することになるので、位相制御量はスルー型の構成に対して１／２でよい。
【００３８】
（第５の実施形態：ＴＬパルス生成フィルタ）
光強度変調された光パルス列を出力するパルス光源において、その光パルスがＴＬパルスにならない主な原因として、
▲１▼  光パルスの周波数成分にチャープ（時間的な周波数のずれ）がある、
▲２▼  周波数成分に不必要な発振モードがのっている、
などがある。
【００３９】
ここで、光パルスが周波数チャープをもたず、かつ不必要な発振モードのみを有する場合には、図１または図４に示すようなアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を用いた光フィルタやリング共振器型フィルタによりＴＬパルスの生成が可能である。すなわち、不必要な発振モードに起因する周波数成分を除去し、各透過周波数帯域ごとに所定の透過率を設定することにより、透過スペクトルの包絡線形状に対応するＴＬパルスを生成することができる。
【００４０】
図８を参照し、本実施形態のＴＬパルス生成フィルタとしての作用について説明する。本光フィルタに入力される光パルス列は、時間領域でパルス光源の共振器長に依存した理論値と異なる繰り返し周波数や１パルス中に複数のピーク（パルスの重畳）を有し、周波数領域で共振器長で決まる繰り返し周波数成分や不必要な発振モードに依存した周波数成分（破線で示す）を有する。このような光パルス列を透過周波数帯域が離散的かつ周期的であり、各透過周波数帯域ごとに所定の透過率を設定した光フィルタに通すことにより、共振器長で決まる繰り返し周波数と周波数成分の強度分布で決まる時間波形を有するＴＬパルスを生成することができる。
【００４１】
（第６の実施形態：ＴＬパルス生成フィルタ）
光パルスが周波数チャープをもち、かつ不必要な発振モードを有する場合には、図５または図７に示すようなアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）と周波数スペクトル位相制御部３を組み合わせた構成をとる。周波数スペクトル位相制御部３は、図９に示すように、各周波数スペクトル成分の位相をＴＬパルスが生成されるように制御する。
【００４２】
このとき、通常のパルス光源はその共振器が有する分散によりある有限の位相ずれをもつので、その補償にはダイナミックレンジが大きく、かつ詳細な位相制御を要する。これは、被補償周波数成分が時間的に局在するためである。本発明では、時間的に局在する光を離散的な周波数成分ごとに分割することにより、すべての光において位相ずれは０〜２πになる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光フィルタは、光ＴＤＭ信号に重畳された強度変調成分を周波数領域で波形整形することにより、強度変調成分に起因した通信品質の劣化を低減することができ、超高速光通信の実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光フィルタの第１の実施形態を示す図。
【図２】周波数スペクトル分離部１および周波数スペクトル合波部２の透過特性の一例を示す図。
【図３】第１の実施形態（光強度変調成分除去フィルタ）の作用説明の図。
【図４】本発明の光フィルタの第２の実施形態を示す図。
【図５】本発明の光フィルタの第３の実施形態を示す図。
【図６】第３の実施形態（光強度変調成分除去フィルタ）の作用説明の図。
【図７】本発明の光フィルタの第４の実施形態を示す図。
【図８】第５の実施形態（ＴＬパルス生成フィルタ）の作用説明の図。
【図９】第６の実施形態（ＴＬパルス生成フィルタ）の作用説明の図。
【図１０】光ＴＤＭシステムの光送信器の構成例を示す図。
【図１１】光ＴＤＭ信号の時間領域における強度波形および周波数領域におけるスペクトル波形を示す図。
【図１２】単一パルスの周波数スペクトルと繰り返し周波数Ｔの光パルス列の周波数スペクトルを示す図。
【符号の説明】
１  周波数スペクトル分離部
２  周波数スペクトル合波部
３  周波数スペクトル位相制御部
１０  基板
１１  入力導波路
１２，１４  スラブ導波路
１３  導波路アレイ
１５  出力導波路
１６  高反射率終端
１７  光サーキュレータ
３１  ヒータ
５１  パルス光源
５２  光分岐器
５３  光変調器
５４  光遅延器
５５  光結合器
【図１】
0003694636.tif 000007
【図２】
0003694636.tif 000008
【図３】
0003694636.tif 000009
【図４】
0003694636.tif 000010
【図５】
0003694636.tif 000011
【図６】
0003694636.tif 000012
【図７】
0003694636.tif 000013
【図８】
0003694636.tif 000014
【図９】
0003694636.tif 000015
【図１０】
0003694636.tif 000016
【図１１】
0003694636.tif 000017
【図１２】
0003694636.tif 000018