(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速の光信号をより低速な複数の光信号に変換する光信号処理回路において、
隣り合う光路間に一定の時間遅延を与えるように設けられた複数の光路を備え、入射信号光を前記複数の光路に分配し、該複数の光路の出射面上で時系列信号光を空間信号光に変換する時間−空間変換手段と、
該時間−空間変換手段から出力された空間信号光を、空間的にフーリエ変換・結像させ、入射信号の時間的スペクトルを空間的に展開させる第１のフーリエ変換・結像手段と、
該第１のフーリエ変換・結像手段の焦点面近傍に配置され、空間的に展開された前記時間的スペクトルに対して、その各々のフーリエ位相成分ごとに、一定の時間だけフーリエ位相を一定に保つように時間的に変調を行う位相変調器アレイと、
該位相変調器アレイから出力された、時間変調を受けてフーリエ位相が一定に保たれた空間信号光を、再び空間的フーリエ変換・結像させる第２のフーリエ変換・結像手段と
を備えたことを特徴とする光信号処理回路。
【請求項２】
前記時間−空間変換手段をアレイ導波路で構成し、前記第１および第２の結像手段を、空間信号光をフーリエ変換する機能を有するスラブ導波路で構成したことを特徴とする請求項１に記載の光信号処理回路。
【請求項３】
高速の光信号をより低速な複数の光信号に変換する光信号処理方法において、
隣り合う光路間に一定の時間遅延を与えるように設けられた複数の光路を用い、入射信号光を前記複数の光路に分配し、該複数の光路の出射面上で時系列信号光を空間信号光に変換する工程と、
前記空間信号光を空間的にフーリエ変換・結像させ、時系列信号光の時間周波数スペクトルを空間分布として展開する工程と、
前記フーリエ変換後のフーリエ位相の時間的変化を、各々の時間周波数成分ごとに時間的に変調を加えることにより、一定の時間だけ周波数スペクトルの位相項を一定に保つ工程と、
前記フーリエ位相を一定に保ったフーリエ変換像を空間的にフーリエ変換することで、時系列信号光をシリアル−パラレル変換し、より低時間密度の複数の時系列光信号を生成する工程と
を有することを特徴とする光信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号処理回路及び光信号処理方法に関し、より詳細には、高速の光信号をより低速な複数の光信号に変換する光シリアル−パラレル変換回路及びその処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光信号伝送技術や光信号処理技術の発展に伴い、より高速の光信号を取り扱うことが必要になってきている。しかしながら、信号速度が高速になると、信号処理を行う際に電気的処理が極めて困難になるという問題が生じる。このため、高速の光信号を光シリアル−パラレル変換し、電気的に処理できる低速の信号速度まで落とすことが必要である。
【０００３】
しかしながら、従来の光シリアル−パラレル変換処理方法として、表面出射２次高調波発生を用いた方法（Shih-Chen Wang et al.,J.Lightwave Technol.Vol.14,No.12,p.2736(1996) ）やエキシトン的巨大非線形効果を用いた方法（K.Ema et al.Appl.Phys.Lett.Vol.59 No.25 p.2799(1991)）を用いた方法、さらにはホログラムを用いた方法（P.C.Sun et al.,Opt.Lett.Vol.20,No.16,p1728(1995)）などが存在する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第１の方法は、表面非線形効果を用いるため、極端に効率が悪く、損失が非常に大きいという問題がある。また第２の方法は、大きな非線形効果を得るため、非線形媒質を液体ヘリウム温度に冷やす必要があり、プローブ光を必要とするなどの問題がある。さらに、第３の方法は、回折効果を用いているため、極端に損失が大きく、またプローブ光を必要とするなどの問題がある。したがって、上述した方法はいずれも極端なランニングコストを要し、かつ非効率であり、長期にわたって安定した性能を維持することは非常に困難であるという問題を含んでいる。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、損失が少なく、プローブ光を必要としない、安定で簡便な光信号処理回路及び光信号処理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】
本発明は、このような課題を達成するために、請求項１に記載の発明は、高速の光信号をより低速な複数の光信号に変換する光信号処理回路において、隣り合う光路間に一定の時間遅延を与えるように設けられた複数の光路を備え、入射信号光を前記複数の光路に分配し、該複数の光路の出射面上で時系列信号光を空間信号光に変換する時間−空間変換手段と、該時間−空間変換手段から出力された空間信号光を、空間的にフーリエ変換・結像させ、入射信号の時間的スペクトルを空間的に展開させる第１のフーリエ変換・結像手段と、該第１のフーリエ変換・結像手段の焦点面近傍に配置され、空間的に展開された前記時間的スペクトルに対して、その各々のフーリエ位相成分ごとに、一定の時間だけフーリエ位相を一定に保つように時間的に変調を行う位相変調器アレイと、該位相変調器アレイから出力された、時間変調を受けてフーリエ位相が一定に保たれた空間信号光を、再び空間的フーリエ変換・結像させる第２のフーリエ変換・結像手段とを備えたことを特徴とするものである。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記時間−空間変換手段をアレイ導波路で構成し、前記第１および第２の結像手段を空間信号光をフーリエ変換する機能を有するスラブ導波路で構成したことを特徴とするものである。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、高速の光信号をより低速な複数の光信号に変換する光信号処理方法において、隣り合う光路間に一定の時間遅延を与えるように設けられた複数の光路を用い、入射信号光を前記複数の光路に分配し、該複数の光路の出射面上で時系列信号光を空間信号光に変換する工程と、前記空間信号光を空間的にフーリエ変換・結像させ、時系列信号光の時間周波数スペクトルを空間分布として展開する工程と、前記フーリエ変換後のフーリエ位相の時間的変化を、各々の時間周波数成分ごとに時間的に変調を加えることにより、一定の時間だけ周波数スペクトルの位相項を一定に保つ工程と、前記フーリエ位相を一定に保ったフーリエ変換像を空間的にフーリエ変換することで、時系列信号光をシリアル−パラレル変換し、より低時間密度の複数の時系列光信号を生成する工程とを有することを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の光信号処理回路の一実施形態を示す図で、図中符号１０１は入力導波路、符号１０２は、スラブ導波路であって入力導波路１０１の光をアレイ導波路１０３に分配する機能を有するものである。アレイ導波路１０３は、入射信号光を時間−空間変換する機能を有するものである。符号１０４はスラブ導波路で、アレイ導波路１０３からのそれぞれの出力光をフーリエ変換させる機能を有するものである。つまり、スラブ導波路１０４のアレイ導波路１０３に接続された端面とは反対側の端面（焦点面）において入力光信号の周波数成分が空間的に展開されており、空間軸と周波数軸とは線分散を通じて互いに比例関係にある。入力導波路１０１、スラブ導波路１０２、アレイ導波路１０３、スラブ導波路１０４からなる回路構成は、一般的にアレイ導波路格子と呼ばれている。
【００１０】
符号１０５は、導波路型位相変調器アレイで、スラブ導波路１０４の焦点面に展開したスペクトルのフーリエ位相を時間的に、かつ各スペクトル成分に対して独立に変調することができるものである。符号１０６はスラブ導波路で、位相変調器アレイ１０５で変調されたスペクトルを再び空間波形に変換する機能を有するものである。符号１０７は出力導波路である。
【００１１】
図１におけるアレイ導波路格子を構成する導波路は、単結晶シリコンの基板上に、火炎加水分解体積法（ＦＨＤ法）によって下部クラッド層、コア層の順にガラス微粒子膜として堆積させた後、アニール炉中で高温に加熱し、シリコン基板上を覆う透明なガラス膜とする。その後、導波路の形にパターニングを施し、ドライエッチングを用いて、不要なコア層を除去した後、再びＦＨＤ法を用いて上部クラッド層を堆積させ、高温に加熱して上部クラッド層を透明化させる。
【００１２】
なお、ＩｎＰなどの半導体層にコア層として、ＩｎＧａＡｓＰなどのクラッドよりも屈折率の高い半導体をエピタキシャル成長させ、パターニング、及びエッチングによって作製した半導体の導波路構造やコアを重水素化ＰＭＭＡ、クラッドを紫外線硬化樹脂とするようなポリマーからなる導波路構造などについても同様の機能を有することは明らかである。この場合は、使用したい波長域において材料が十分透明であることが望ましい。
【００１３】
また、導波路型位相変調器アレイ１０５は、ニオブ酸リチウムの基板上に作製された導波路上に設けた電極に電界を加え、その電気光学効果によって位相を変化させることをできる素子である。これは、半導体導波路の電気光学効果などを用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００１４】
また、動作速度は、ニオブ酸リチウムや半導体の電気光学効果を用いた位相変調器に比べると遅いが、よく知られている液晶位相変調器、シリカ導波路の熱光学効果を用いた位相変調器、マイクロマシン技術を用いた位相変調器などを用いても数ｋＨｚ程度の変調速度を有する位相変調器アレイを作製することが可能である。
【００１５】
図１に示した光信号処理回路で光シリアル−パラレル変換回路が実現できる理由を、図２〜４を参照して説明する。なお、ここでは、出力ポートの数を４本としているが、この数に限定されるものではない。図１の入射導波路１０１に入射した時間波形は、スラブ導波路１０２によってアレイ導波路１０３の各導波路にほぼ均一に分配される。アレイ導波路は、隣り合う導波路間に一定の時間遅延を与えるように設計されており、その出射面上で、時間波形が空間波形として展開される。
【００１６】
しかしながら、展開された空間波形は、図２（ａ）に示すように、時間的推移を見せる。図２（ａ）において、Ｔはアレイ導波路の最大時間遅延差である。このとき、スラブ導波路１０４の焦点面上では、スペクトルの強度の形状は時間的にほとんど変化することはないが、そのスペクトルの位相は空間的に傾き、その傾きが時間的に大きく推移する。この様子を、実線、点線をそれぞれスペクトルの強度および位相として図示すると図２（ｂ）のようになる。
【００１７】
このようにスペクトルの位相（フーリエ位相）が時間的に傾きを変える事実は、アレイ導波路１０４から出射した波形が時間的に推移していることに起因している。この事実は、図２（ｃ）のように、逆に時間Ｔの間、フーリエ位相の時間的な傾きの変化分を、ちょうどうち消し合うだけの位相変化をそれぞれのスペクトル成分に与えることができれば、そのスペクトルを再びフーリエ変換し空間波形に戻すことで、図２（ｄ）に示すように、入射した時間波形をスラブ導波路１０６の出力面上に時間Ｔの間だけ固定させることができる。
【００１８】
このような処理を行うために、位相変調器アレイを順に＃１、＃２、＃３、＃４とすると、加えるべき位相変調波形は図３のようになる。本実施例で用いた４本の位相変調器は、繰り返し時間Ｔのノコギリ型波形で駆動し、その変調位相振幅は、外側の２本（＃1 および＃４）が２π、内側の２本（＃２および＃３）がπであり、＃１、＃２と＃３、＃４の位相変調の駆動波形における時間位相は反転させている。これにより、入射した信号のスペクトルの位相の時間変化を時間Ｔの間だけ固定することが可能となる。位相変調器アレイに加える波形は、必ずしもノコギリ波である必要はないが、その場合は、出力導波路１０７の導波路ピッチを、不等間隔にする必要がある。また、入出力における波形の変化は、図４（ａ）および図４（ｂ）のようになる。
【００１９】
図４（ａ）のような時間Ｔの間に１、２、４′、２′、３′、４′…と、４ｂｉｔの信号が収められている場合、出力は４つの出力ポート＃１、＃２、＃３、＃４（ポート番号は上述の位相変調器番号に対応している）にそれぞれの時間Ｔの幅に間延びした信号の出力が得られることになる。
【００２０】
実際に本発明の光信号処理回路を導波路部分にシリカ導波路、位相変調器アレイ部分はニオブ酸リチウム導波路を用いた構成で作製した。位相変調器アレイ１０５を除いた図１に示した光信号処理回路はシリコン基板上に、位相変調器アレイ１０５はニオブ酸リチウムの基板上にそれぞれ作製されたものをハイブリッド実装している。本実施例で用いたアレイ導波路部分の設計中心波長は、１５５２ｎｍであり、アレイ導波路の本数は３７８本、回折次数（隣接導波路の光路長差を波長で除した値）は５３である。スラブ導波路１０４の焦点面における線分散は１．２５ＧＨｚ／μｍであり、周波数分解能は約１２．７ＧＨｚである。位相変調器アレイおよび出力導波路の本数は４本とした。
【００２１】
図５は、本実施例で行った光シリアル−パラレル変換処理の実験回路構成図である。繰り返し４０ＧＨｚ、パルス幅２ｐｓ、中心波長１５５２ｎｍのモードロックレーザダイオード１１１の出力を、４０Ｇｂｉｔ／ｓのＲＺ（ｒｅｔｕｒｎ−ｔｏ−ｚｅｒｏ）データフォーマットを用いて駆動したニオブ酸リチウム製導波路型強度変調器１１２によって変調し、光フィルタ１１３によってスペクトルをフィルタリングすることにより、４０Ｇｂｉｔ／ｓパルス幅２０ｐｓのＲＺ光信号を生成し、本回路１１４に入射した。その４つの出力を光路セレクタ１１５を介して、各々サンプリングオシロスコープ１１６による波形の観測と、エラーディテクタ１１６によるエラーの評価を行ったところ、各チャンネルともに１０Ｇｂｉｔ／ｓの明瞭なＲＺ波形の出力が得られた。また、誤り率は１０-12以下であり、エラーフリー動作が確認された。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、隣り合う光路間に一定の時間遅延を与えるように設けられた複数の光路を備え、入射信号光を複数の光路に分配し、複数の光路の出射面上で時系列信号光を空間信号光に変換する時間−空間変換手段と、時間−空間変換手段から出力された空間信号光を、空間的にフーリエ変換・結像させ、入射信号の時間的スペクトルを空間的に展開させる第１のフーリエ変換・結像手段と、第１のフーリエ変換・結像手段の焦点面近傍に配置され、空間的に展開された時間的スペクトルに対して、その各々のフーリエ位相成分ごとに、一定の時間だけフーリエ位相を一定に保つように時間的に変調を行う位相変調器アレイと、位相変調器アレイから出力された、時間変調を受けてフーリエ位相が一定に保たれた空間信号光を、再び空間的フーリエ変換・結像させる第２のフーリエ変換・結像手段とを備えたので、アレイ導波路格子と位相変調器アレイとを組み合わせることで、高速の時間波形を、複数の低速の時間波形に変換することが可能になり、従来困難であった、光シリアル−パラレル変換処理が可能になる。
【００２３】
また、隣り合う光路間に一定の時間遅延を与えるように設けられた複数の光路を用い、入射信号光を複数の光路に分配し、複数の光路の出射面上で時系列信号光を空間信号光に変換する工程と、空間信号光を空間的にフーリエ変換・結像させ、時系列信号光の時間周波数スペクトルを空間分布として展開する工程と、フーリエ変換後のフーリエ位相の時間的変化を、各々の時間周波数成分ごとに時間的に変調を加えることにより、一定の時間だけ周波数スペクトルの位相項を一定に保つ工程と、フーリエ位相を一定に保ったフーリエ変換像を空間的にフーリエ変換することで、時系列信号光をシリアル−パラレル変換し、より低時間密度の複数の時系列光信号を生成する工程とを有するので、同様に、高速の時間波形を複数の低速の時間波形に変換することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における光シリアル−パラレル変換回路の実施の形態の一例を示す構成図である。
【図２】図１の変換回路における光信号処理回路の原理を示す概念図である。
【図３】図１の変換回路における光信号処理方法の位相変調方法を示す概念図である。
【図４】図１の変換回路における光信号処理方法の入出力波形の様子を示す概念図である。
【図５】本発明による光シリアル−パラレル変換システムの実施の形態を示す構成図である。
【符号の説明】
１０１  入力導波路
１０２  スラブ導波路
１０３  アレイ導波路
１０４  スラブ導波路
１０５  導波路型位相変調器アレイ
１０６  スラブ導波路
１０７  出力導波路
１１１  モードロックレーザダイオード
１１２  ニオブ酸リチウム製導波路型強度変調器
１１３  光フィルタ
１１４  本回路
１１５  光路セレクタ
１１６  サンプリングオシロスコープ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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