(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の周波数成分が重畳された光パルスを出力するパルス発振器と、
前記パルス発振器から出力された光パルスを異なる周波数成分に分離してフーリエ変換面を形成する第１光学系と、
前記第１光学系により形成されたフーリエ変換面に配置され、フーリエ変換面の各々の位置を伝播する個々の周波数成分の光について、位相情報を与える空間光変調器と、
送信すべきデータに応じて前記空間光変調器の各々の位置で与える位相を制御する制御部と、
前記空間光変調器により位相情報が与えられた各周波数成分の光を合波して位相変調光パルスを出力する第２光学系と
を備え、
前記パルス発振器からの出力光パルスＥ（ｔ）は、次式となり、
Ｅ（ｔ）＝Σ｜Ｅ（Ωｋ）｜exp［ｉ（２π／λｋ）ｒ］exp［−ｉΩｋｔ］      （１）
（ここに、
｜Ｅ（Ωｋ）｜：振動数Ωｋの正弦波の複素振幅の絶対値（振幅成分）
exp［ｉ（２π／λｋ）ｒ］exp［−ｉΩｋｔ］：波長λｋ、振動数Ωｋの正弦波成分
Σ：ｋ＝１，２，・・・，１２８についての総和
ｒ：進行方向の位置座標
ｔ：時間）
前記第１光学系は、フーリエ変換面で、次式のような、異なる波数２π／λｋの光が異なるピクセル位置ｋに伝播されるようにし、
Ｅｋ（ｔ）  ＝｜Ｅ（Ωｋ）｜exp［ｉ（２π／λｋ）ｒ］exp［−ｉΩｋｔ］      (２−ｋ)
前記制御部は、振動数Ωｋに対応する各位相変化Φｋを与えるための制御信号を発生し、
前記空間光変調器は、個々の正弦波成分が各々の位置を通過するときの光路長を変えることで、次式のように位相を変化させ、
Ｅｋ（ｔ）  ＝｜Ｅ（Ωｋ）｜exp［ｉΦ（Ωｋ）］exp［ｉ（２π／λｋ）ｒ］exp［−ｉΩｋｔ］      (３−ｋ)
（ここに、exp［ｉΦ（Ωｋ）］：振動数Ωｋの正弦波に与えられた位相成分）
位相変調することを特徴とする光多重送信装置。
【請求項２】
複数の周波数成分が重畳された光パルスを出力するパルス発振器と、
前記パルス発振器から出力された光パルスを異なる周波数成分に分離してフーリエ変換面を形成する第１光学系と、
前記第１光学系により形成されたフーリエ変換面に配置され、フーリエ変換面の各々の位置を伝播する個々の周波数成分の光について、位相情報を与える空間光変調器と、
送信すべきデータに応じて前記空間光変調器の各々の位置で与える位相を制御する制御部と、
前記空間光変調器により位相情報が与えられた各周波数成分の光を合波して位相変調光パルスを出力する第２光学系と
を備え、
送信する位相変調光パルスを入力し、第１及び第２の光路に分岐するビームスプリッタと、
第１及び第２の光路間に与える時間差を制御して干渉光を形成する可変時間差光学系と、
第１及び第２の光路間の和周波信号光を発生するための非線形光学結晶と、
形成された干渉光を測定する分光器と、
前記可変時間差光学系を制御して信号強度を測定し、周波数及び時間差に対する信号強度を表した第１波形図を作成し、位相情報を仮定して周波数及び時間差に対する信号強度を表した第２波形図を求め、第１及び第２波形図に基づいて位相情報を求める受信データ解析部と、
送信すべき送信データの位相情報が記憶されている送信データ記憶部と、
前記送信データ記憶部に記憶された位相情報と、前記受信データ解析部からの位相情報とを比較する比較部と、
前記比較部による比較結果に基づき、両位相情報の差分が十分小さくなるように補正した補正位相シフトデータを作成して、前記空間光変調器に位相情報を与える送信制御部とをさらに備えた光多重送信装置。
【請求項３】
複数の周波数成分が重畳された光パルスを出力するパルス発振器と、
前記パルス発振器から出力された光パルスを異なる周波数成分に分離してフーリエ変換面を形成する第１光学系と、
前記第１光学系により形成されたフーリエ変換面に配置され、フーリエ変換面の各々の位置を伝播する個々の周波数成分の光について、位相情報を与える空間光変調器と、
送信すべきデータに応じて前記空間光変調器の各々の位置で与える位相を制御する制御部と、
前記空間光変調器により位相情報が与えられた各周波数成分の光を合波して位相変調光パルスを出力する第２光学系と
を備え、
前記制御部は、
振動数に対する位相シフト補正量を予め記憶した補正メモリと、
前記補正メモリから読み出した補正量により送信データを補正した補正位相シフトデータを作成し、それを前記空間光変調器に与える送信補正部と
をさらに備えた光多重送信装置。
【請求項４】
前記パルス発振器は、複数の共振器縦モードの正弦波の周波数成分を発生し、各周波数成分が少なくともある一点で位相がそろった状態で重畳された超短光パルスを、ひとつ又は時系列的に複数出力することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光多重送信装置。
【請求項５】
前記第１及び第２光学系は、それぞれ回折格子と凹面鏡と平面鏡とを有し、前記第１及び第２光学系の各凹面鏡の中間位置にフーリエ変換面が形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光多重送信装置。
【請求項６】
前記空間光変調器は、１次元又は２次元にピクセルが並べられ、各ピクセルに分離された周波数成分の光が通過し、前記制御部からの制御信号により独立にピクセル毎に位相変化が与えられることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光多重送信装置。
【請求項７】
前記空間光変調器は、２次元配列とし、前記制御部により、さらに他の１次元方向により他の情報を含めることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光多重送信装置。
【請求項８】
前記第２光学系は、次式の光変調パルスを出力することを特徴とする請求項３に記載の光多重送信装置。
Ｅ（ｔ）  ＝Σ｜Ｅ（Ωｋ）｜exp［ｉΦ（Ωｋ）］exp［ｉ（２π／λｋ）ｒ］exp［−ｉΩｋｔ］      (４)
【請求項９】
前記制御部は、前記空間光変調器により、さらに各周波数成分毎の振幅成分を変化させることにより、振幅情報を多重することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の光多重送信装置。
【請求項１０】
ある一点で位相がそろった状態の複数の周波数成分の各々に位相情報が与えられて重畳された位相変調光パルスを受信し、位相情報を復調するための光多重受信装置であって、
受信した位相変調光パルスを第１及び第２の光路に分岐するビームスプリッタと、
第１及び第２の光路間に与える時間差を制御して干渉光を形成する可変時間差光学系と、
前記可変時間差光学系により形成された干渉光を測定する分光器と、
前記可変時間差光学系を制御して信号強度を測定し、周波数及び時間差に対する信号強度を表した第１波形図を作成し、位相情報を仮定して周波数及び時間差に対する信号強度を表した第２波形図を求め、第１及び第２波形図に基づいて位相情報を求める処理部と
を備えた光多重受信装置。
【請求項１１】
前記位相変調光パルスは、
パルス発振器により、複数の共振器縦モードの正弦波の周波数成分を発生し、各周波数成分が少なくともある一点で位相がそろった状態で重畳された超短光パルスを、ひとつ又は時系列的に複数出力し、
第１光学系により、前記パルス発振器から出力された光パルスを異なる周波数成分に分離してフーリエ変換面を形成し、
空間光変調器により、前記第１光学系により形成されたフーリエ変換面に配置され、送信すべきデータに応じて、フーリエ変換面の各々の位置を伝播する個々の周波数成分の光について、位相情報が与えられ、
第２光学系により、前記空間光変調器により位相情報が与えられた各周波数成分の光を合波して出力されたものであることを特徴とする請求項１０に記載の光多重受信装置。
【請求項１２】
干渉光により次式で表される和周波Ｅsigを形成するための非線形光学結晶を備えたことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の光多重受信装置。
Ｅsig（ｔ，τ）＝Ｅ（ｔ）Ｅ（ｔ−τ）
（τ：第１及び第２経路の各光の時間差）
【請求項１３】
前記処理部は、
受信した位相変調パルスに基づき、前記可変時間差光学系により時間差を走査して、信号強度を測定し、第１波形図を求め、
振動数に対して位相変化を表す位相曲線を仮定し、
仮定された位相曲線により位相変調された位相変調パルスを受信した際に得られる第２波形図を求め、
測定された第１波形図と仮定した位相曲線の第２波形図を比較し、両者が一致又は比較結果が収束したときに、その波形図に対応する位相曲線を位相変調光パルスにより伝送された位相情報として求めることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれかに記載の光多重受信装置。
【請求項１４】
複数の位相曲線についてのパターン識別子と、パターン識別子に対応する位相曲線データ及び第２波形図データを記憶したメモリを備え、
前記処理部は、前記メモリからパターン識別子を選択して第２波形図データを読み出して第２波形図を求めることを特徴とする請求項１３に記載の光多重受信装置。
【請求項１５】
前記処理部は、
さらに振幅成分により情報を与えられた受信位相変調パルスに基づき第１波形図を作成し、
位相情報及び振幅情報の両方について各々予め仮定して第２波形図を求め、
第１及び第２波形図の比較を実行し、一致するもの又は収束するものを決定して、送信側で変調された位相情報及び振幅情報を求めることを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれかに記載の光多重受信装置。
【請求項１６】
請求項１乃至９のいずれかに記載の前記光多重送信装置と、
請求項１０乃至１５のいずれかに記載の前記光多重受信装置と
を備えた光多重送受信装置。
【請求項１７】
複数の周波数成分が重畳された光パルスを異なる周波数成分に分離してフーリエ変換面を形成し、
形成されたフーリエ変換面の各々の位置を伝播する個々の周波数成分の光について、位相情報を与え、
送信すべきデータに応じてフーリエ変換面の各々の位置で与える位相を制御し、
位相情報が与えられた各周波数成分の光を合波して位相変調光パルスを出力し、
送信する位相変調光パルスを入力し、第１及び第２の光路に分岐し、
第１及び第２の光路間に与える時間差を制御して干渉光を形成し、
形成された干渉光を測定し、
第１及び第２の光路間に与える時間差を制御して信号強度を測定し、周波数及び時間差に対する信号強度を表した第１波形図を作成し、位相情報を仮定して周波数及び時間差に対する信号強度を表した第２波形図を求め、第１及び第２波形図に基づいて位相情報を求め、
送信すべき送信データの位相情報と、求められた位相情報とを比較し、
その比較結果に基づき、両位相情報の差分が十分小さくなるように補正した補正位相シフトデータを作成し、
作成された補正位相シフトデータに基づき、フーリエ変換面の各々の位置を伝播する周波数の光について、位相情報をさらに与えるようにした光多重通信方法。
【請求項１８】
ある一点で位相がそろった状態の複数の周波数成分の各々に位相情報が与えられて重畳された位相変調光パルスを受信し、位相情報を復調するための光多重通信方法であって、
受信した位相変調光パルスを第１及び第２の光路に分岐し、
第１及び第２の光路間に与える時間差を制御して干渉光を形成し、
形成された干渉光を測定し、
第１及び第２の光路間に与える時間差を制御して信号強度を測定し、周波数及び時間差に対する信号強度を表した第１波形図を作成し、位相情報を仮定して周波数及び時間差に対する信号強度を表した第２波形図を求め、第１及び第２波形図に基づいて位相情報を求めるようにした光多重通信方法。
【請求項１９】
送信側では、
複数の周波数成分が重畳された光パルスを異なる周波数成分に分離してフーリエ変換面を形成し、
形成されたフーリエ変換面の各々の位置を伝播する個々の周波数成分の光について、位相情報を与え、
送信すべきデータに応じてフーリエ変換面の各々の位置で与える位相を制御し、
位相情報が与えられた各周波数成分の光を合波して位相変調光パルスを出力し、
受信側では、
受信した位相変調光パルスに基づき、周波数及び時間差に対する信号強度を表した波形図に基づいて位相情報を求めるようにした光多重通信方法。
【請求項２０】
超短光パルス１個をＡＴＭセル１個に対応させて時分割多重伝送を行い、且つ、各スペクトル成分の位相情報を各ＡＴＭセル内の多ビットデータとして周波数分割多重伝送を行うことにより、１つの超短パルスで１つのセルを形成することを特徴とする請求項１７乃至１９のいずれかに記載の光多重通信方法。
【請求項２１】
予め定められた補正量で送信データに対する補正位相シフトデータを補正することで、ゼロベースラインを設定することを特徴とする請求項１７乃至２０のいずれかに記載の光多重通信方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光多重送信装置、光多重受信装置、光多重送受信装置、光多重通信方法に係り、特に、フェムト秒領域等のパルス幅の短い領域において波長多重伝送と時間多重伝送が複合された状態でデータ伝送を行う波長時間多重伝送方式を用いた光多重送信装置、光多重受信装置、光多重送受信装置、光多重通信方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代に向けて飛躍的に処理能力を高めるために、光の位相を最大限利用することが考えられる。従来の通信技術開発は、波長（周波数）多重あるいは時間多重のどちらかに重点をおくに過ぎなかった。波長多重伝送（ＷＤＭ）、周波数多重伝送は、波長の異なる互いにインコヒーレントな多チャンネル信号をなるべく密にかつ帯域幅を広くして、光信号を合成し、全体を１本のファイバーに送り込むことで、光ファイバーの伝送容量を数十倍以上に拡大する伝送方式である。一方、時間多重伝送（ＴＤＭ）は、超短光パルスのパルス幅をなるべく短くして、単位時間あたりのビットレートをなるべく上げて、伝送容量の増大化をはかる伝送方式である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これらの光多重伝送技術においては、光源として用いるレーザの発振波長間隔を狭くすることが伝送容量を増大させる上で重要な技術課題となっている。現在、光源としては分布帰還（ＤＦＢ）型レーザダイオードと外部変調器の組み合わせ、または、電界吸収型（ＥＡ）変調器を集積したＤＦＢレーザダイオードが用いられているが、これらの光源ではわずかなチップ温度の変動あるいは駆動電流の変化により発振波長が変動する場合がある。このため、波長間隔としては、例えば、１００ＧＨｚ（約０．８ｎｍ）間隔が実用上の限界となっており、国際標準でもこの波長間隔が前提となっている。
【０００４】
このように、波長間隔に最小限度があるために、チャンネル数を増やすには全体の帯域幅を増やすしかないが、そのためには広い帯域幅にわたる発振波長のレーザーをチャンネル数分だけ独立に用意しなければならず、用意できるチャンネル数にも限界がある。
そこで、本発明者らは、波長間隔の狭い超短光パルスとして、フェムト（１０−１５）秒パルス等の超短光パルスに着目した。本発明では、例えば、光通信の光源としてフェムト秒パルスレーザーを用いる。フェムト秒レーザー光は、複数の共振器縦モードの重畳した光波束として考えられる。また、フェムト秒パルスと単なる広帯域光とが異なる大きな点は、パルスの持つ周波数成分間の位相が完全に確定していることである。なお、超短光パルスのパルス幅を短くするためには、フーリエ変換の関係より、その帯域幅を広くすることが必要である。なお、時間領域で考えることと周波数（波長）領域で考えることは等価である。
【０００５】
本発明の目的は、以上の点に鑑み、フェムト秒パルス等の超短光パルスの持つ広帯域性を最大限活用し、かつ、その各周波数成分の位相に情報をのせることによって、フェムト秒領域等のパルス幅の短い領域での波長時間多重伝送を行うことができる光多重送信装置、光多重受信装置、光多重送受信装置、光多重通信方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の解決手段によると、
複数の周波数成分が重畳された光パルスを出力するパルス発振器と、
前記パルス発振器から出力された光パルスを異なる周波数成分に分離してフーリエ変換面を形成する第１光学系と、
前記第１光学系により形成されたフーリエ変換面に配置され、フーリエ変換面の各々の位置を伝播する個々の周波数成分の光について、位相情報を与える空間光変調器と、
送信すべきデータに応じて前記空間光変調器の各々の位置で与える位相を制御する制御部と、
前記空間光変調器により位相情報が与えられた各周波数成分の光を合波して位相変調光パルスを出力する第２光学系と
を備えた光多重送信装置を提供する。
【０００７】
また、本発明では、
送信する位相変調光パルスを入力し、第１及び第２の光路に分岐するビームスプリッタと、
第１及び第２の光路間に与える時間差を制御して干渉光を形成する可変時間差光学系と、
第１及び第２の光路間の和周波信号光を発生させるための非線形光学結晶と、
形成された干渉光を測定する分光器と、
前記可変時間差光学系を制御して信号強度を測定し、周波数及び時間差に対する信号強度を表した第１波形図を作成し、位相情報を仮定して周波数及び時間差に対する信号強度を表した第２波形図を求め、第１及び第２波形図に基づいて位相情報を求める受信データ解析部と、
送信すべき送信データの位相情報が記憶されている送信データ記憶部と、
前記送信データ記憶部に記憶された位相情報と、前記受信データ解析部からの位相情報とを比較する比較部と、
前記比較部による比較結果に基づき、両位相情報の差分が十分小さくなるように補正した補正位相シフトデータを作成して、前記空間光変調器に位相情報を与える送信制御部と
をさらに備えることができる。
【０００８】
本発明の第２の解決手段によると、
ある一点で位相がそろった状態の複数の周波数成分の各々に位相情報が与えられて重畳された位相変調光パルスを受信し、位相情報を復調するための光多重受信装置であって、
受信した位相変調光パルスを第１及び第２の光路に分岐するビームスプリッタと、
第１及び第２の光路間に与える時間差を制御して干渉光を形成する可変時間差光学系と、
前記可変時間差光学系により形成された干渉光を測定する分光器と、
前記可変時間差光学系を制御して信号強度を測定し、周波数及び時間差に対する信号強度を表した第１波形図を作成し、位相情報を仮定して周波数及び時間差に対する信号強度を表した第２波形図を求め、第１及び第２波形図に基づいて位相情報を求める処理部と
を備えた光多重受信装置を提供する。
【０００９】
本発明の第３の解決手段によると、
前記光多重送信装置と、前記光多重受信装置とを備えた光多重送受信装置を提供する。
【００１０】
本発明の第４の解決手段によると、
複数の周波数成分が重畳された光パルスを異なる周波数成分に分離してフーリエ変換面を形成し、
形成されたフーリエ変換面の各々の位置を伝播する個々の周波数成分の光について、位相情報を与え、
送信すべきデータに応じてフーリエ変換面の各々の位置で与える位相を制御し、
位相情報が与えられた各周波数成分の光を合波して位相変調光パルスを出力するようにした光多重通信方法を提供する。
【００１１】
本発明の第５の解決手段によると、
送信する位相変調光パルスを入力し、第１及び第２の光路に分岐し、
第１及び第２の光路間に与える時間差を制御して干渉光を形成し、
形成された干渉光を測定し、
第１及び第２の光路間に与える時間差を制御して信号強度を測定し、周波数及び時間差に対する信号強度を表した第１波形図を作成し、位相情報を仮定して周波数及び時間差に対する信号強度を表した第２波形図を求め、第１及び第２波形図に基づいて位相情報を求め、
送信すべき送信データの位相情報と、求められた位相情報とを比較し、
その比較結果に基づき、両位相情報の差分が十分小さくなるように補正した補正位相シフトデータを作成し、
作成された補正位相シフトデータに基づき、フーリエ変換面の各々の位置を伝播する周波数の光について、位相情報をさらに与えるようにした請求項１８に記載の光多重通信方法を提供する。
【００１２】
本発明の第６の解決手段によると、
ある一点で位相がそろった状態の複数の周波数成分の各々に位相情報が与えられて重畳された位相変調光パルスを受信し、位相情報を復調するための光多重通信方法であって、
受信した位相変調光パルスを第１及び第２の光路に分岐し、
第１及び第２の光路間に与える時間差を制御して干渉光を形成し、
形成された干渉光を測定し、
第１及び第２の光路間に与える時間差を制御して信号強度を測定し、周波数及び時間差に対する信号強度を表した第１波形図を作成し、位相情報を仮定して周波数及び時間差に対する信号強度を表した第２波形図を求め、第１及び第２波形図に基づいて位相情報を求めるようにした光多重通信方法を提供する。
【００１３】
本発明の第７の解決手段によると、
送信側では、
複数の周波数成分が重畳された光パルスを異なる周波数成分に分離してフーリエ変換面を形成し、
形成されたフーリエ変換面の各々の位置を伝播する個々の周波数成分の光について、位相情報を与え、
送信すべきデータに応じてフーリエ変換面の各々の位置で与える位相を制御し、
位相情報が与えられた各周波数成分の光を合波して位相変調光パルスを出力し、
受信側では、
受信した位相変調光パルスに基づき、周波数及び時間差に対する信号強度を表した波形図に基づいて位相情報を求めるようにした光多重通信方法を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態では、特にフェムト秒パルスについて説明するが、本発明は、フェムト秒に限らず、超短光パルスについて広く適用できるものである。また、説明中、周波数、振動数、角周波数、角振動数は、主に、光の周波数、振動数、角周波数、角振動数をいう。さらに、主に振動数又は周波数を用いて説明しているが、周波数又は振動数、角周波数、角振動数に適宜置換えてもよい。
【００１５】
１．概略
図１は、波長時間多重伝送の概略説明図である。
送信側では、位相変調パルス１０は、例えば、位相変調された複数の周波数（振動数、波長）の光を含む。位相変調パルス１０は、ある時点で位相がそろったフェムト秒パルス５０に対して、各々の周波数の光に位相変化を与える（位相変調）書き込みパルス６０とを、超高速光位相デバイス（波長時間多重伝送装置）１００に入力することにより得られる。こうして、光通信の光源として用いられたフェムト秒パルス５０の各々の周波数の光の位相にそれぞれ情報が載せられ、複数のパルスで情報が時分割多重されることで、波長時間多重光信号が伝送される。
【００１６】
図２は、位相変調パルス１０のパルス幅及び発生クロックレートを示す。ここでは、複数の位相変調パルス１０が時系列に伝送されていく様子を示し、さらに、ひとつの位相変調パルス１０が、複数の周波数成分を含み、各周波数成分に１ビットの位相データを載せている様子を示している。このように、複数のパルスにより時系列にデータが送られ、各パルスの異なる波長チャンネルに異なるデータが載っていることから、波長時間多重伝送に対応する。
一方、受信側では、受信した波長時間多重光された位相変調信号１０’の各パルスを時分割多重分離し、各パルスについて、そこに含まれる各々の周波数の光に与えられた位相情報を解析して（位相復調手段１００’）、書込みパルス６０’を復号する。これら位相変調及び復調の詳細は後述する。このように、波長時間多重伝送装置によれば、波長多重伝送と時間多重伝送が複合された形でデータ伝送を行うことができる。
【００１７】
２．送信装置（第１の実施の形態）
図３は、光多重送信装置１００の第１の実施の形態の構成図である。
光多重送信装置１００は、例えば、フェムト秒等の超短光パルス列を発生するパルス発振器１０と、パルスに波長多重データをエンコードする位相変調器２０と、位相変調器２０のエンコードを制御する制御部であるコンピュータ（パソコン）４０とを備える。パルス発振器１０で生成されたパルスは、位相変調器２０を通り出力される。
【００１８】
パルス発振器１０は、例えば、ヤグレーザー１１と、チタンサファイヤレーザー１２と、その間に配置された反射板１３とを備える。フェムト秒レーザー光のような光パルスを発生するためのレーザは、広い利得スペクトル幅をもつレーザー媒質により、複数の共振器縦モードが同時に発振し、それらが重畳した光波束を生成する。加えて、フェムト秒パルスのような光パルスでは、レーザー共振器内のモード同期機構により、パルスの持つ周波数成分間の位相が完全に確定している。このような点が、本実施の形態で用いられるフェムト秒パルスレーザーのような超短パルス幅の光パルスと、単なる広帯域光とが異なる大きな点である。
【００１９】
なお、パルス発振器１０は、光パルス幅の短いレーザーであればよいので、ヤグレーザー１１とサファイヤレーザー１２との組合わせに限られず、ヤグレーザー１１の代わりの手段でチタンサファイヤレーザー１２をオペレートしたり、エルビウムドープファイバーレーザー、半導体レーザー等を適用することができる。ここでは、パルス発振器１０は、例えば、パルス幅最短１０フェムト秒（波長全幅２００ｎｍ）の光パルスを１００ＭＨｚのクロックレートで発生させることができる。パルス発振器１０は、現状では最大４０ＧＨｚ程度までクロックを上げることができるが、これらのパルス幅及びクロックレートの値は一例を示したもので、これに限定されず適宜設定しうる。
【００２０】
位相変調器２０は、例えば、回折格子２１、２５と、凹面鏡２２、２６と、平面鏡２３、２７と、空間光変調器（ＳＬＭ）２４とを備える。空間光変調器２４は、例えば、液晶を用いた空間光変調器を採用することが、特にこれに限られない。凹面鏡２２、２６の中間の位置にフーリエ変換面２８が形成され、空間光変調器２４は、フーリエ変換面２８の位置に配置される。空間光変調器２４は、１次元又は２次元にピクセルが並べられ、各ピクセルに分離された周波数の光が通過する。そのとき、制御信号により独立に分離された周波数の光毎に位相変化を与えることができる。また、平面鏡２３は、回折格子２１からの光を凹面鏡２２の正面に照射し、かつ、凹面鏡２２からの反射光をさえぎらないような光学系が配置される。パソコン（制御部）４０は、位相解析器３０の空間光変調器２４の各ピクセル又は複数のピクセル群を制御して、個々に独立に屈折率を変化させ、そこを通過する各周波数の光に光路長の変化を与えて位相変調を行う。
【００２１】
なお、パルス発振器１０から出力されたレーザ光を位相変調器２０に入力するための伝送光学系として、例えば、図示のような反射板が配置される。また、外部の光伝送路は、空間光伝送を用いてもよいし、光ファイバなどでもよく、適宜の光伝送手段を用いることができる。
【００２２】
つぎに、光多重送信装置１００の動作について説明する。
図４に、波形信号の説明図を示す。図中ａ，ｂ−１，ｂ−ｋ，ｂ−１２８，ｃが、図３の各位置の信号に対応する。
パルス発振器１０は、図中ａ．の波形信号を出力する。この例では、パルス幅が１０ｆｓ、パルス間隔が１００ＭＨｚでオペレートされた光が出力される。この波形は、複数の振動数の正弦波の光信号が重ね合わされたものであり、ある一点で複数波形の位相がそろった際、その一点を中心に和を取ったものである。なお、パルスの両端が平坦になっているのは、ランダムなすべての多数の波形が合成されることでゼロになるためである。以下、一例として、１２８個の振動数（周波数）の光信号に対して位相変調を行い、それらを多重すると想定する。なお、この多重度は、これに限らず、適宜設定することができる。
【００２３】
このとき、パルス発振器１０からの出力パルス（光電場の時間波形）Ｅ（ｔ）は、次式となる。
0003643061.tif 000002
ここに、
｜Ｅ（Ωｋ）｜：振動数（角振動数）Ωｋの正弦波の複素振幅の絶対値（振幅成分）
exp［ｉ（２π／λｋ）ｒ］exp［−ｉΩｋｔ］：波長λｋ、振動数Ωｋの正弦波成分
Σ：ｋ＝１，２，・・・，１２８についての総和
ｒ：進行方向の位置座標
ｔ：時間
【００２４】
位相変調器２０では、パルス発振器１０より入射された広帯域な（例えば、１００ｎｍ）フェムト秒パルスは、回折格子２１で分散（回折）された後、平面鏡２３により凹面鏡２３に入射され、さらに、凹面鏡２３で反射されることにより、フーリエ変換面２８に結像される。なお、図は平面的に示されているが、凹面鏡２２、２６間の光学系は、平面鏡２３、２７と分離して配置される。フーリエ変換面２８では、回折格子２１からビーム径全域にわたって同じ回折角で平行に出射されてきた同じスペクトル成分は１点に集光され、異なる回折角で出射されてきた異なるスペクトル成分は、凹面鏡２２を経た後に互いに平行になり、異なる位置で集光される。
【００２５】
フーリエ変換面２８を形成することは、上式の各光を分離してシグマをはずして、個々の正弦波（単色光）を取り出して別の位置に伝播させることに相当する。このフーリエ変換面２８では、異なる波数２π／λｋの光が異なる位置に伝播されるので、次式のような光波形が入射される（図中ｂ−１、ｂ−ｋ、ｂ−１２８の各波形参照）。
0003643061.tif 000003
【００２６】
空間光変調器２４は、このフーリエ変換面２８の位置に設置され、個々の正弦波がそこを通過する光路長を変えることで、位相を変化させる。各スペクトル成分に空間光変調器２４の各々のピクセル又は複数のピクセルを含むピクセル群を対応させて通過させる。この各ピクセルまたは各ピクセル群は各チャネルに相当する。空間光変調器２４では、コンピュータ４０により各ピクセル又はピクセル群に独立に外部電場を印加し、独立に屈折率を変化させて、位相ｅｘｐ［ｉΦ（Ωｋ）］を発生する。その結果、各ピクセル又はピクセル群に対応したスペクトル成分がそれぞれ異なった光路長を通過して位相変調を受ける。
【００２７】
このとき、空間光変調器２４を通過した光の波形は次のようになる。
Ｅ１（ｔ）  ＝｜Ｅ（Ω１）｜exp［ｉΦ（Ω１）］exp［ｉ（２π／λ１）ｒ］exp［−ｉΩ１ｔ］    (３−１)
Ｅｋ（ｔ）  ＝｜Ｅ（Ωｋ）｜exp［ｉΦ（Ωｋ）］exp［ｉ（２π／λｋ）ｒ］exp［−ｉΩｋｔ］      (３−ｋ)
Ｅ１２８（ｔ）＝｜Ｅ（Ω１２８｜exp［ｉΦ（Ω１２８）］exp［ｉ（２π／λ１２８）ｒ］exp［−ｉΩ１２８ｔ］      (３−１２８)
ここに、exp［ｉΦ（Ωｋ）］：振動数Ωｋの正弦波に与えられた位相成分
【００２８】
また、空間光変調器２４で形成された位相変調パルスは、凹面鏡２６と回折格子２５と平面鏡２３との組み合わせによって、すべてのスペクトル成分が総和され同一方向に出射させる。その出力波形は次の通り（図中ｃの波形参照）。
Ｅ（ｔ）  ＝Σ｜Ｅ（Ωｋ）｜exp［ｉΦ（Ωｋ）］exp［ｉ（２π／λｋ）ｒ］exp［−ｉΩｋｔ］      (４)
【００２９】
位相のかけ方は、たとえば、次の場合がある。
図５に、デジタル位相変調の種類についての説明図を示す。
図（Ａ）の例では、位相をかける又は位相をかけないことで、「１」又は「０」、「０」又は「１」に対応させる。横軸は振動数Ωｋ、縦軸は振幅Ｅｋ(ｔ)及び位相Φｋを示す。また、図（Ｂ）の例では、位相をかける程度を複数段階とすることにより、「００」、「０１」、「１０」又は「１１」に対応させる。同様に、３ビット、４ビットなどの適宜の情報に対応させることができる。
【００３０】
図６に、アナログ位相変調の種類についての説明図を示す。この２つの例では、位相をかける程度で、各振動数Ωｋに対しての伝送する情報をアナログ量で与える。
３．受信装置
【００３１】
図７に、光多重受信装置の構成図を示す。光多重受信装置２００は、位相解析器３０とコンピュータ（パソコン、処理部）５０を備える。
位相解析器３０は、いわゆる周波数分解光ゲート法（ＦＲＯＧ：frequency-resolved optical gating）を適用して、位相を解析する装置である。位相解析器３０は、例えば、可変遅延光学系３２、固定光学系３４と、ビームスプリッター３１と、合波器３３、平面反射鏡３５と、凹面鏡３６と、非線形光学結晶３７と、分光器３９とを備える。パソコン（処理部）５０は、可変遅延光学系３２（例えば、内部の２組の反射板）を走査して、位相解析器３０の分光器３９から出力されたスペクトル強度を測定し、位相を解析する。
【００３２】
信号光が、位相解析器３０に入射されると（図中Ａ）、位相解析器３０は、周波数分解光ゲート法（ＦＲＯＧ）を適用してパルスの位相データをデコードすることにより、パルススペクトル波形および位相を求めることができる。これより、位相解析器３０は、位相変調器２０でエンコードした複数（例えば、１２８）チャンネルの位相データをその複数（例えば、１２８）チャンネルでデコードすることができる。
【００３３】
つぎに、光多重受信装置２００の動作について詳述する。
図８及び図９に、信号波形の説明図（１）及び（２）を示す。この波形Ａ〜Ｃは、図７中のＡ〜Ｃに対応する。
位相解析器３０では、まず、入射された位相変調パルスＥ（ｔ）（図中Ａ）をビームスプリッター３１で第１の経路と第２の経路に分岐し、第１の経路の光は可変遅延光学系３２に入射され、パソコン５０からの制御により、所定の光路差（時間差）が与えられる。一方、第２の経路の光は固定光学系３４及び合波器３３により第１の経路の方向と一致するように反射される。こうして第１の経路と第２の経路による光は平行に且つ光路差（時間差）を与えられ、両者が干渉する。干渉光は、平面反射鏡３５、凹面鏡３６を経て、非線形光学結晶３７により、次式で表される和周波Ｅsigが形成される（図中Ｂ）。
【００３４】
Ｅsig（ｔ，τ）＝Ｅ（ｔ）Ｅ（ｔ−τ）
τ：第１及び第２経路の各光の時間差
また、パソコン５０からの制御信号により可変遅延光学系３２が制御され、遅延量（時間差τ）が走査され、分光器３９によりそれぞれのタイミングで、次式で表されるスペクトラムの信号強度ＩFROGが測定される。
【００３５】
【数１】
0003643061.tif 000004
【００３６】
ここで、ω：Ｅsigの振動数（周波数）
パソコン５０は、分光器３９からの出力信号に基づき、振動数ωと時間差τによりスペクトラム信号強度ＩFROGが紙面に垂直な方向に等高線で表示されている（図中Ｃ）。これをパソコン５０は、所定の位相解析計算アルゴリズムで、振動数Ωｋに対する位相成分Φ（Ωｋ）及び振幅成分｜Ｅ（Ωｋ）｜を求める。図８中Ｄは、符号１、２は、図８中Ｃの符号１、２に相当するもので、振動数Ωｋ（Ω１，・・・，Ωｋ，・・・，Ω１２８）と振幅Ｅ（Ωｋ）に対する位相量Φ（Ωｋ）を表した位相曲線である。パソコン５０は、位相曲線を適宜仮定して、図ＣのようなＦＲＯＧ図を計算し、一方、可変遅延光学系３２により時間差τと走査して実際に受信した信号強度ＩFROGからＦＲＯＧ図（図中Ｃ）を求める。パソコン５０は、これらＦＲＯＧ図を比較して、一致するものを求め、そのときＦＲＯＧ図と対応する位相曲線が求める位相データである。こうして、受信装置２００では、各周波数における位相情報が解析される。
【００３７】
つぎに、図１０に、位相解析計算アルゴリズムのフローチャートを示す。
位相解析器３０は、位相変調パルスを受信する（Ｓ１０１）。パソコン５０は、可変遅延光学系３２を制御して時間差τを走査して、振動数Ωｋとスペクトル強度ＩFROGを測定することで、測定光に関するＦＲＯＧ図を作成する（Ｓ１０３）。
つぎに、パソコン５０は、振動数Ωｋに対して位相変化Φ（Ωｋ）を表す位相曲線を内部メモリに予め定められたもの等所定の曲線にに仮定する（Ｓ１０５）。パソコン５０は、この仮定された位相曲線により位相変調された位相変調パルスを受信したと仮定し、その際に得られるＦＲＯＧ図を計算する。なお、パソコン５０は、内部メモリに複数の位相曲線についてのパターン識別子とそのパターン識別子に対応する位相曲線データ及びＦＲＯＧ図データを予め計算して記憶しておき、パターン識別子を適宜選択して、ＦＲＯＧ図データを読み出してそれを求めるようにしてもよい。
【００３８】
つぎに、パソコン５０は、測定されたＦＲＯＧ図と仮定した位相曲線のＦＲＯＧ図を比較する（Ｓ１０９）。両者が一致（収束）するまで、ステップＳ１０５で位相曲線を変位、変形させるか、他のパターン識別子により他のそれを選択して、ステップＳ１０７、Ｓ１０９の処理を繰返す。パソコン５０は、以上の結果、両者のＦＲＯＧ図が一致又は比較結果が収束したら、それに対応する位相曲線を受信された位相変調信号の位相情報として決定し、内部メモリに記憶及び／又は表示部・出力部に出力する（Ｓ１１３）。
【００３９】
３．第２の実施の形態の光多重送信装置
図１１に、光多重送信装置の第２の実施の形態の構成図を示す。
この光多重送信装置は、パルス発振器１０、位相変調器２０、位相解析器３０、コンピュータ（パソコン・制御部）６０、ビームスプリッタ７０を備える。パルス発振器１０、位相変調器２０、位相解析器３０の構成及び動作は、上述した通りである。ビームスプリッタ７０は、位相変調器２０から出力される位相変調パルスを送信出力と位相解析器３０への入力とに分岐する。また、コンピュータ（制御部）６０は、上述したパソコン４０、５０のような構成及び動作に加え、求められた位相曲線を補正して、パルス発振器１０からの出力パルス中の各スペクトル成分に独立に与えるべき位相シフトデータを作成し、それを位相変調器２０の空間光変調器２４に与えて位相量（変位量）を制御する。コンピュータ６０は、例えば、出力パルスの一部から位相情報を取り出し、得られた位相情報を演算処理して、所望のパルス位相になっているか否かを判断する。所望のパルス位相とずれがある場合は、コンピュータ６０から位相変調器２０の空間光変調器２４に所定変位量で補正された位相シフトデータを送出して、所望のパルス位相に近づける。この処理を繰り返すことによって、最終的に制御されたパルス位相を得ることができる。
【００４０】
図１２に、位相シフトデータの補正のための構成図を示す。また、図１３に、位相シフトデータの補正のためのフローチャートを示す。図１４に、位相シフトデータの補正のための波形図を示す。なお、図１２中、Ｄ、Ｅ、Ｆの位置における波形が図１４中のそれぞれに対応する。また、図１２中のＤは、図９のＤに相当する。
【００４１】
コンピュータ６０は、受信データ解析部６１、送信データ記憶部６２、比較部６３、送信制御部６４を備える。受信データ解析部６１は、上述の光多重受信装置のパソコン５０の構成及び動作と同様のものである。
まず、受信データ解析部６１は、上述と同様の処理により、位相情報Ｄを出力する（Ｓ２０１）。比較部６３は、送信すべき送信データＥの位相情報（位相曲線）が記憶されている送信データ記憶部６２からそれを読出し、受信データ解析部６１からの位相情報（位相曲線）と比較する（Ｓ２０３）。送信制御部６４は、両位相情報（位相曲線）の差分が十分小さくなければ（Ｓ２０５）、それを所定の変位量に補正して補正位相シフトデータＦを作成して出力する（Ｓ２０７）。一方、ステップＳ２０５で、両位相曲線の差分が十分小さい場合は、処理を終了する。こうして、補正位相シフトデータＦが作成され、このデータにより空間光変調器２４が制御され、位相変調がかけられる。
【００４２】
４．変形例
なお、位相変調器２０内の空間光変調器２４は、１次元配列ではデータが波長分割されて伝送されるが、２次元配列とすれば、波長分割の他にもうひとつの１次元方向により他の情報をさらに含めて伝送されることができる。
【００４３】
また、以上ではアナログ位相変調について主に説明したが、デジタル位相変調でも同様に実現可能である。
さらに、振幅｜Ｅ（Ωｋ）｜に、情報をのせることも可能である。コンピュータ４０、６０等は、例えば、空間光変調器２４又は他の手段を付加することにより、各周波数成分（正弦波成分）の透過度等を調整して、振幅を変化することができる。その際コンピュータは、位相情報と振幅情報の両方について各々仮定してＦＲＯＧ図を作成し、測定して求めたＦＲＯＧ図との比較を両方をパラメータとして実行する。そして、コンピュータは、一致するもの（又は、収束するもの）を決定して、位相情報及び振幅情報を求めることができる。
【００４４】
図１５に、空間光変調器の制御部（処理部）の他の構成図を示す。これは、予め所定補正量を位相シフトデータに与えるためのものである。コンピュータ７は、送信補正部７１、補正メモリ７２、送信データ記憶部７３を備える。
装置内、装置外のノイズや伝送路の状態等で位相みだれが生ずる場合がある。このような場合、予め補正量を送信側及び受信側で測定しておき、各振動数Ωｋに対する位相シフト補正量を補正メモリ７２に記憶する。送信側では、コンピュータ７中の送信補正部７１が予め補正メモリ７２から補正量を読出し、送信データ記憶部７３から読み出した送信データをその補正量で補正する。送信補正部７１は作成した補正位相シフトデータを空間光変調器２４に与えるようにする。
【００４５】
つぎに、周波数チャネル上でのゼロベースラインの設定について説明する。なお、上述の補正量を調整して以下のようなゼロベースラインを設定するようにしてもよい。
図１６は、デコードされた位相データ曲線とパルススペクトルを示す図である。
位相変調器２０を通ったパルスの位相状態は、図（ａ）のように、周波数に対して２次関数的なデータ分布となっている。各周波数チャンネルごとに位相シフト量をデータとすると、波長多重データとして扱うことができる。この場合、上述のように、位相シフト量をアナログ的に扱うことにより、多値化も可能であるが、ある閾値でデジタルデータとして量子化することもできる。位相変調器２０を通ったパルスの位相状態は、２次分散の影響が大きく、この例では、そのときのパルス幅は１５０ｆｓである（図（ａ））。
【００４６】
つぎに、位相解析器３０により取得したパルスの位相状態に対して、位相が打ち消しあうように、位相変調器に電圧を印加してパルスの中心周波数周り２次、３次のテーラー近似関数を独立に与えていった。まず、２次分散の寄与を減らしていき、次に３次分散の寄与を減少させ、パルス内の相対位相シフトを低減していく。その位相シフト量は減少し、それに伴いパルス幅も２３ｆｓとなった（図（ｂ））。
【００４７】
これを１０倍に拡大すると、位相状態は３次分散の影響が残っていることがわかる。さらにその位相関係がキャンセルされるような３次分散の位相変調信号を与えると、位相シフト量がさらに減少している（図（ｃ））。最終的に位相の平坦化の結果として、図（ｃ）のようにほぼ周波数に依存しない位相データとなった。パルス幅はフーリエ変換限界に近い１４ｆｓとなった。これは周波数チャンネル上でゼロベースラインを決めたことに相当する。
【００４８】
５．ＡＴＭ
本実施の形態では、光ＡＴＭスイッチとしての応用が考えられる。
以下に、超高速光位相変調素子を用いた光ＡＴＭ通信への応用について説明する。
図１７に、超短光パルスを用いた光ＡＴＭスイッチの構成図を示す。超短光パルスを用いた時分割多重伝送方式では、１個の超短パルスを１ビットとしたパルス列を時間軸上でのシリアルデータとみなして、情報伝送を行ってきた。また、超短パルスを光ＡＴＭ通信方式に応用する場合、複数の超短パルスをまとめて１つのセルとみなす方法がとられてきた。それに対して、本発明では、超短光パルスが広帯域のスペクトル成分からなることを活用し、各スペクトル成分に独立に位相情報を載せる。超短光パルス１個をＡＴＭセル１個に対応させて時分割多重伝送を行うと同時に、スペクトル成分の位相情報を各ＡＴＭセル内の多ビットデータとして周波数分割多重伝送を行う。従来は複数のパルスで１つのセルであったのに対し、本発明では１つの超短パルスで１つのセルを形成することが大きな違いである。
【００４９】
たとえば、パルス幅１００フェムト秒のパルスを用いると、最大１０テラビット／秒の伝送レートが得られる。しかしながら、毎秒１０テラビットの情報をパルスごとにルーティングするには、スイッチング時間が１００フェムト秒でなければならない。そこで、複数のビットをまとめてひとつのパケットとし、パケットごとにルーティングすることによって、より遅いスイッチング時間でも実効的な伝送レートを上げることができる。スイッチングのデッドタイムが１ピコ秒まで遅くなったとしても、９０ビットをひとつのパケットとすれば、実効的に９テラビット／秒のレートとなる。この時、１００フェムト秒のパルスを９０個並べてパケットにする方法が考えられるが、本発明では、１００フェムト秒のパルス１個をひとつのパケットとみなし、パルスのスペクトル成分を９０チャンネルに分ける。９０チャンネルのスペクトル成分の位相にビット情報を載せて、パケットを形成する。これにより、時間多重伝送ではパルスごとのルーティング切り替え時間がかかる場合に全体のスループットが低下するという課題を克服することが可能である。
【００５０】
【発明の効果】
本発明は、以上のように、フェムト秒パルス等の超短光パルスの持つ広帯域性を最大限活用し、かつ、その各周波数成分の位相に情報をのせることによって、フェムト秒領域等のパルス幅の短い領域での波長時間多重伝送を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】波長時間多重伝送の概略説明図。
【図２】位相変調パルス１０のパルス幅及び発生クロックレート。
【図３】光多重送信装置１００の第１の実施の形態の構成図。
【図４】波形信号の説明図。
【図５】デジタル位相変調の種類についての説明図。
【図６】アナログ位相変調の種類についての説明図。
【図７】光多重受信装置の構成図。
【図８】信号波形の説明図（１）。
【図９】信号波形の説明図（２）。
【図１０】位相解析計算アルゴリズムのフローチャート。
【図１１】光多重送信装置の第２の実施の形態の構成図。
【図１２】位相シフトデータの補正のための構成図。
【図１３】位相シフトデータの補正のためのフローチャート。
【図１４】位相シフトデータの補正のための波形図。
【図１５】空間光変調器の制御部（処理部）の他の構成図。
【図１６】デコードされた位相データ曲線とパルススペクトルを示す図。
【図１７】超短光パルスを用いた光ＡＴＭスイッチの構成図。
【符号の説明】
１００          光多重送信装置
２００          光多重受信装置
１０            パルス発振器
２０            位相変調器
３０            位相解析器
４０            コンピュータ（パソコン）
５０            コンピュータ（パソコン、処理部）
６０            コンピュータ（パソコン・制御部）
７０            ビームスプリッタ
【図１】
0003643061.tif 000005
【図２】
0003643061.tif 000006
【図３】
0003643061.tif 000007
【図４】
0003643061.tif 000008
【図５】
0003643061.tif 000009
【図６】
0003643061.tif 000010
【図７】
0003643061.tif 000011
【図８】
0003643061.tif 000012
【図９】
0003643061.tif 000013
【図１０】
0003643061.tif 000014
【図１１】
0003643061.tif 000015
【図１２】
0003643061.tif 000016
【図１３】
0003643061.tif 000017
【図１４】
0003643061.tif 000018
【図１５】
0003643061.tif 000019
【図１６】
0003643061.tif 000020
【図１７】
0003643061.tif 000021