(57)【要約】【課題】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安価に提供すること。【解決手段】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、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・結像手段上に配置され、前記フーリエ変換・結像手段に入射した光信号に対して時間的に変調を行うための一対の変調電極と、該フーリエ変換・結像手段から出力された、時間変調を受けた空間信号光を、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である。【選択図】図１
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【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、
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・結像手段上に配置され、前記フーリエ変換・結像手段に入射した光信号に対して時間的に変調を行うための一対の変調電極と、
該フーリエ変換・結像手段から出力された、時間変調を受けた空間信号光を、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】
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、
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、
該フーリエ変換・結像手段から出力された、時間変調を受けた空間信号光を、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、
該第２のフーリエ変換・結像手段上に配置され、前記フーリエ変換・結像手段に入射した光信号に対して時間的に変調を行うための一対の変調電極とを備えたことを特徴とする光信号処理回路。
【請求項３】
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のフーリエ変換・結像手段および第２のフーリエ変換・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または２に記載の光信号処理回路。
【請求項４】
前記第２のフーリエ変換・結像手段から出力された信号を前記光信号回路の外部に出力する複数の導波路からなる出力導波路アレイをさらに備え、
前記一対の変調電極は、互いに頂点が逆になるように配置された２つの三角形の電極により構成されており、前記出力導波路アレイの前記複数の導波路のピッチが等間隔である場合は該２つの三角形の電極に交互にノコギリ波が印加されるよう設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光信号処理回路。
【請求項５】
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、
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・結像させると同時に時系列信号光の時間周波数スペクトルの空間分布の位相を電極によって屈折率変化を与えることで打ち消すことで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。
【請求項６】
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、
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、
前記展開されたフーリエ変換像を空間的にフーリエ変換すると同時にフーリエ変換像の空間分布の位相を電極によって屈折率変化を与えることで打ち消すことで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により、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】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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】
従来の光シリアル−パラレル変換処理方法としては、表面出射２次高調波発生を用いた第１の方法（非特許文献１）やエキシトン的巨大非線形効果を用いた第２の方法（非特許文献２）、さらにはホログラムを用いた第３の方法（非特許文献３）、またＡＷＧを用いた第４の方法（特許文献１）などが存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３６４３２８１号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Shih-Chen Wang et al.,  J.Lightwave Technol.  Vol.14,  No.12,  p.2736(1996)
【非特許文献２】K.Ema  et al.  Appl.  Phys.  Lett.  Vol.59 No.2２ p.2799(1991)
【非特許文献３】P.C.Sun et al.,  Opt.Lett.  Vol.20, No.16, p1728(1995)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。第４の方法は損失が少なくプローブ光を必要としないため安定であるものの、多数の光位相変調器が必要で装置が高価になってしまう問題があった。
【０００７】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、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安価に提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、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、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・結像手段上に配置され、前記フーリエ変換・結像手段に入射した光信号に対して時間的に変調を行うための一対の変調電極と、該フーリエ変換・結像手段から出力された、時間変調を受けた空間信号光を、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である。
【０００９】
他の実施形態に記載された発明は、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、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、該フーリエ変換・結像手段から出力された、時間変調を受けた空間信号光を、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、該第２のフーリエ変換・結像手段上に配置され、前記フーリエ変換・結像手段に入射した光信号に対して時間的に変調を行うための一対の変調電極とを備えたことを特徴とする光信号処理回路である。
【００１０】
他の実施形態に記載された発明は、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、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・結像させると同時に時系列信号光の時間周波数スペクトルの空間分布の位相を電極によって屈折率変化を与えることで打ち消すことで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である。
【００１１】
他の実施形態に記載された発明は、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、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、前記展開されたフーリエ変換像を空間的にフーリエ変換すると同時にフーリエ変換像の空間分布の位相を電極によって屈折率変化を与えることで打ち消すことで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により、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である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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。
【図６】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別例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態の光信号処理回路を示す図である。本実施形態の光信号処理回路は、入力導波路１０１と、第１のスラブ導波路１０２と、アレイ導波路１０３と、第２のスラブ導波路１０４と、導波路アレイ１０５と、第３のスラブ導波路１０６と、出力導波路アレイ１０７とが縦列接続されており、第２のスラブ導波路１０４に２つの電極１０８、１０９が設けられて構成されている。
【００１５】
入力導波路１０１は、光信号処理回路に入力された信号を後段のスラブ導波路１０２に接続する。第１のスラブ導波路１０２は、入力導波路１０１から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。第２のスラブ導波路１０４は、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、第２のスラブ導波路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、第１のスラブ導波路１０２、アレイ導波路１０３、第２のスラブ導波路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。
【００１６】
導波路アレイ１０５は、互いに等長の複数の導波路である。スラブ導波路１０６は、導波路アレイ１０５から出射された光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。出力導波路アレイ１０７は、互いに等長の複数の導波路であり、一端が光信号処理回路の出口となる。電極１０８、１０９はそれぞれ、互いに頂点が上下逆になるように形成した三角形の電極であり、取り付けられたスラブ導波路である第２のスラブ導波路１０４の屈折率を変調する。
【００１７】
図１におけるアレイ導波路格子を構成する導波路１０２、１０３、１０４は、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によって形成した。
【００１８】
なお、ニオブ酸リチウムの基板上に高速光変調器の作製で通常用いられているチタン拡散法など、ＩｎＰ系半導体以外の材料であっても、電気光学効果やプラズマ効果を有する材料系であれば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。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、シリコン基板上に火炎加水分解体積法（ＦＨＤ法）によって作製した石英系の平面導波路であってもよい。この場合、屈折率変化は石英導波路の熱光学効果を用いて誘起することとなる。
【００１９】
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から図４を参照して説明する。図１の入射導波路１０１に入射した時間波形は、第１のスラブ導波路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１０３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。
【００２０】
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１０３の最大時間遅延差である。このとき、第２のスラブ導波路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。
【００２１】
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１０３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第３のスラブ導波路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。これを多数の導波路型光変調器で実現したものが特許文献１に記載された方法であるが、本発明者らは多数の導波路型光変調器を用いなくとも第２のスラブ導波路１０４上に互いに頂点が上下逆になるように形成した三角形の電極１０８、１０９で実現出来ることを見出した。
【００２２】
電極１０８、１０９に印加する電界を図示すると図３のようになる。電極１０８に電界を印加することで、第２のスラブ導波路１０４に屈折率変化を与えることができる。スラブ導波路の屈折率を変化させることによって、図２（ｂ）に示したｔ＝−Ｔ／２のように空間位置が大きくなると位相が減少している波形をキャンセルしてｔ＝０のように空間位置に対して位相がフラットになる波面に戻すような波面変化を光信号に与えることができる。逆に電極１０９に電界を印加することで、第２のスラブ導波路１０４に屈折率変化を与えることができる。スラブ導波路の屈折率を変化させることによって、ｔ＝Ｔ／２のように、空間位置が大きくなると位相が増加している波形をキャンセルしてｔ＝０のように空間位置に対して位相がフラットになる波面に戻すような波面変化を光信号に与えることができる。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。電極１０８、１０９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。
【００２３】
さらに、第３のスラブ導波路１０６は、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信号を生成する。したがって、本実施形態の光信号処理回路の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。図４（ａ）のような時間Ｔの間に１、２、３、４、１′、２′、３′、４′…と、４ｂｉｔの信号が収められている場合、出力は図４（ｂ）に示すように、４つの出力ポートにそれぞれの時間Ｔの幅に間延びした信号の出力が得られることになる。
【００２４】
実際に本実施形態の光信号処理回路において、ＩｎＧａＡｓＰをコア、ＩｎＰをクラッドとした導波路とし、Ｔｉ：１０ｎｍ／Ｐｔ：５０ｎｍ／Ａｕ：２００ｎｍを材料として電極を形成して図１の光回路を作製した。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。導波路アレイ１０５、出力導波路１０７の本数はそれぞれ１６本とした。
【００２５】
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１６本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２．５Ｇｂｉｔ／ｓの明瞭なＲＺ波形の出力が得られた。また、誤り率は１６本のいずれのチャネルについても１０-12以下であり、エラーフリー動作が確認された。
【００２６】
なお図６に示したとおり、スラブ導波路に変調を加える電極１０８、１０９は第２のスラブ導波路１０４の代わりに、第３のスラブ導波路１０６上に配置しても同様の効果を得ることが出来る。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態の光信号処理回路によれば、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・結像手段から出力された、時間変調を受けた空間信号光を、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・結像手段と第１もしくは第２のフーリエ変換・結像手段上に配置され、第１もしくは第２のフーリエ変換・結像手段中の光信号に対して時間的に変調を行う１対の位相変調器とを備えたので、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、従来多数の変調器アレイが必要で、そのために極めて高価であった、光シリアル−パラレル変換処理が安価に実現することが可能になる。
【００２８】
また、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。
【符号の説明】
【００２９】
１０１ 入力導波路
１０２ 第１のスラブ導波路
１０３ アレイ導波路
１０４ 第２のスラブ導波路
１０５ 導波路アレイ
１０６ 第３のスラブ導波路
１０７ 出力導波路アレイ
１０８、１０９  変調電極
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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【図６】
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