(57)【要約】【課題】差動位相変調された信号を簡便に強度情報に復調することで、光導波路の光非線形効果による信号情報の損失を著しく低減し、さらに長距離の光伝送を可能にする差動位相変調信号復調回路およびその復調方法を提供すること。【解決手段】微分フィルタの中心をスラブ導波路２０４の焦点面に展開するスペクトルの中心周波数ω０に合わせ、ＤＦＢレーザ１０１からの連続光を、ＮＲＺ波形で位相変調器１０２によって差動位相変調を行う。この差動位相信号を光ファイバ１０３によって伝送し、光サーキュレータ１０４によってアレイ導波路格子１０５に入射させる。アレイ導波路格子１０５の焦点面に配置した微分フィルタ１０６によって伝送された位相変調信号は微分され、位相の変化点が強度変調され、通常のフォトダイオードで受信可能な４０ＧｂｐｓのＲＺ信号に変換されることとなる。【選択図】図１
2014202913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前記時系列光信号を空間光信号に変換し、該空間光信号を該時系列光信号に変換する時間−空間変換手段と、
前記時間−空間変換手段から出射する空間光信号を結像させる結合手段と、
前記結合手段の焦点面近傍に配置されかつ光信号の強度および位相を変調することにより、差動位相変調された光信号の位相変化を強度変化に変換した強度変調信号に変換する微分フィルタと、
を備えたことを特徴とする差動位相変調信号復調回路。
【請求項２】
前記時間−空間変換手段がアレイ導波路で構成され、前記結合手段が前記空間光信号をフーリエ変換する機能を有するスラブ導波路で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の差動位相変調信号復調回路。
【請求項３】
前記時間−空間変換手段が回折格子で構成され、前記結合手段が前記空間光信号をフーリエ変換する機能を有するレンズで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の差動位相変調信号復調回路。
【請求項４】
差動位相変調された時系列光信号の位相変化を時間−空間変換手段により位相変調空間光信号に変換するステップと、
前記位相変調空間光信号に微分フィルタにより微分演算を施すことにより前記差動位相変調された位相変調空間光信号の位相変化を強度変調空間光信号に変換するステップと、
前記強度変調空間光信号を前記時間−空間変換手段により時系列強度変調光信号に変換するステップと、
を有することを特徴とする差動位相変調信号復調方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、差動位相変調された超高速の光信号を復調及び変調する差動位相変調信号復調回路およびその復調方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光信号伝送、光信号処理技術の発展に伴い、より高速の光信号を変調し、さらに復調することが必要になってきている。また伝送設備の低価格化のため、および光増幅装置を用いることなく伝送できる距離を大きくするために、高強度の光信号を光導波路に入射することが必要になってきている。
【０００３】
従来、超高速の光信号を変調する手段として強度変調もしくは振幅変調が主に用いられている。図６に、従来の光信号変復調回路構成の例を示す。ここで６０１はレーザ光源、６０２は強度変調器、６０３は伝送用光ファイバ、６０４は光検出器である。
【０００４】
このような従来の強度変調する構成においては、変調された光信号をフォトダイオードなどの光強度検出器で直接検波することができ、簡便に伝送系を構築することができるという利点がある。しかし、高速の光信号を光ファイバなどの光導波路によって長距離の光伝送を行う場合、強度変調もしくは振幅変調方式においては瞬間的な光強度（ピークパワー）が大きくなることで、光導波路を構成する媒質の光非線形効果が重畳し、光信号情報が失われてしまうため、あまり高強度の光信号を光導波路に入射することができないという課題があった。
【０００５】
一方、位相変調（周波数変調）においては、光非線形効果による信号の劣化は強度変調に比べて緩和されるが、強度変調成分が無いため位相変調信号をフォトダイオードなどで二乗検波する方法では受信信号を得ることは著しく困難である。そのため、位相の絶対値ではなく、位相の変化に情報を乗せる差動位相変調方式が提案されている。この方式を用いれば、遅延検波と呼ばれる方法で、位相変調信号を強度信号として受信することが可能である。遅延検波とは、元信号と１ビット分の時間遅延を与えた信号とを干渉させることで、強度変化の差として信号を検波する方式である。この方式が開発されたことで位相変調信号が実用的に利用することが可能となった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３２６９７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、遅延検波は高精度な遅延干渉計と２つのフォトダイオードから構成されるバランスドＰＤを必要とする。特にバランスドＰＤを構成する２つのフォトダイオードは高いＣＭＲＲ（同相成分除去比）が必要であることから２つのフォトダイオードの特性を高精度に揃える必要があるため、非常に高価になってしまうという課題があった。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、差動位相変調された信号を簡便に強度情報に復調することで、光導波路の光非線形効果による信号情報の損失を著しく低減し、さらに長距離の光伝送を可能にする差動位相変調信号復調回路およびその復調方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明は、請求項１に記載のように、差動位相変調信号復調回路であって、前記時系列光信号を空間光信号に変換し、該空間光信号を該時系列光信号に変換する時間−空間変換手段と、前記時間−空間変換手段から出射する空間光信号を結像させる結合手段と、前記結合手段の焦点面近傍に配置されかつ光信号の強度および位相を変調することにより、差動位相変調された光信号の位相変化を強度変化に変換した強度変調信号に変換する微分フィルタと、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の差動位相変調信号復調回路において、前記時間−空間変換手段がアレイ導波路で構成され、前記結合手段が前記空間光信号をフーリエ変換する機能を有するスラブ導波路で構成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の差動位相変調信号復調回路において、前記時間−空間変換手段が回折格子で構成され、前記結合手段が前記空間光信号をフーリエ変換する機能を有するレンズで構成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、差動位相変調信号復調方法であって、差動位相変調された時系列光信号の位相変化を時間−空間変換手段により位相変調空間光信号に変換するステップと、前記位相変調空間光信号に微分フィルタにより微分演算を施すことにより前記差動位相変調された位相変調空間光信号の位相変化を強度変調空間光信号に変換するステップと、前記強度変調空間光信号を前記時間−空間変換手段により時系列強度変調光信号に変換するステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、差動位相変調された信号を簡便に強度情報に復調することで、光導波路の光非線形効果による信号情報の損失を著しく低減し、さらに長距離の光伝送を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る差動位相変調信号復調回路の構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るアレイ導波路格子の詳細な構造図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、各微分フィルタの周波数と反射強度の関係を示す図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は、各位相フィルタの詳細な構造図である。
【図５】アレイ導波路格子と同等の機能を有する回折格子とレンズからなる空間光学系の構成を示す図である。
【図６】従来の光信号変復調回路構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００１６】
図１に、本発明の一実施形態に係る差動位相変調信号復調回路の構成を示す。ここで、１０１はＤＦＢレーザダイオード光源、１０２は位相変調器、１０３は信号伝送用光ファイバである。１０４は光サーキュレータ、１０５はアレイ導波路格子、１０６は微分フィルタ、１０７は光検出器である。
【００１７】
図２に、アレイ導波路格子１０５の詳細な構造図を示す。２０１は信号光を入射及び出射させるための導波路である。２０２はスラブ導波路であって導波路２０１の光をアレイ導波路２０３に分配する機能を持つ。アレイ導波路２０３は時系列光信号である入射信号光を時間−空間変換する機能を持つ。２０４はスラブ導波路であり、アレイ導波路２０３の出力光をそれぞれフーリエ変換し、空間光信号を結像させる機能を持つ。１０６は微分フィルタであり、入射光電場の位相情報を強度情報に変換することが可能な、強度及び位相変調特性を有している。本実施例では微分フィルタ１０６はスラブ導波路２０４の焦点面にほぼ密着させているが、さらにスラブ導波路２０４の焦点面上にレンズを設けて位相補償を行ってもよい。また、入射した信号光はスラブ導波路２０４の焦点面においてスペクトルに展開される。
【００１８】
導波路２０１に入射した差動位相変調光信号である時系列光信号は、スラブ導波路２０２を介してアレイ導波路２０３の各導波路に分配され、空間光信号に変換される。空間光信号はスラブ導波路２０４を介して微分フィルタ１０６上に結像され、位相変化を強度変化に変換した強度変調光信号に変換され、スラブ導波路２０４に入射される。強度変調光信号に変換された空間光信号は、スラブ導波路２０４を介してアレイ導波路２０３の各導波路に分配され、強度変調光信号である時系列光信号に変換され、スラブ導波路２０２を介して導波路２０１から出射される。
【００１９】
図２における導波路２０１〜２０４は、単結晶シリコンの基板上に以下のような方法で作製することができる。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、各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。
【００２０】
このような作製法の他に、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半導体の導波路構造を作製する方法や、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を作製する方法などとしても良い。いずれの場合にも、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。
【００２１】
図３（a）〜（ｃ）に、各微分フィルタの周波数と反射強度の関係を示す。図３（ａ）は周波数に対する空間フィルタの強度成分であり、反射率がきわめて０に近いフィルタの中心からの距離に比例して反射強度が増加するように構成される。本実施例では図３（ａ）の様に空間フィルタの強度成分が周波数に対して連続的に変化させる構成としたが、図３（ｂ）に示すように周波数に対して反射強度が段階的に増加するように近似的に構成しても良い。図３（ｃ）は空間フィルタの位相成分であり、フィルタの中心を境にして片側にπの位相遅れを与えるように構成される。
【００２２】
本実施形態において位相フィルタは、図４（ａ）のようにＧａＡｓの平面基板４０１をλ／４に相当する深さだけ部分的にエッチングした後、金などの金属４０２を蒸着することで作製できる。また、図４（ｂ）のように、金などの金属４０４が蒸着した石英基板４０３の上に屈折率ｎを有する透明な物質４０５（例えばポリイミドなど）を部分的にλ／｛４（ｎ−１）｝の厚みで形成し、全面に無反射コーティング４０６を施すことで作製することも可能である。
【００２３】
また、図５に、アレイ導波路格子１０５と同等の機能を有する回折格子とレンズからなる空間光学系を示す。５０１は入射信号光を空間光信号に変換する機能を有する回折格子、５０２は空間光信号をフーリエ変換し、空間光信号を結像させる機能を有するレンズである。５０３は図２に示す微分フィルタ１０６と同じ微分フィルタであり、５０４は入出射信号光である。この構成でもアレイ導波路格子１０５と同じように機能し、同等の効果が得られる。
【００２４】
図１の光信号送受信回路を用いて位相変調信号の復調実験を行った。その方法は以下の通りである。前述の強度フィルタ及び位相フィルタの中心をそろえて重ね合わせて作製した微分フィルタをスラブ導波路１０４の焦点面に展開するスペクトルの中心周波数ω０に合わせ、ＤＦＢレーザ１０１からの連続光を、位相変調器により位相変調信号を付与する。
【００２５】
変調後の光電場Ｅ（ｔ）は次のように表せる。
【００２６】
【数１】
2014202913.tif 000003
【００２７】
ここでｆ（ｔ）は変調信号、Ａは振幅であり、ｆ（ｔ）の変化は１／ω０よりも十分に緩やかであるとする（包絡線近似）。このような信号を光ファイバ１０３によって伝送し、光サーキュレータ１０４によってアレイ導波路格子１０５に入射させる。アレイ導波路格子の焦点面に配置した微分フィルタ１０６によって伝送された位相変調信号は微分され、
【００２８】
【数２】
2014202913.tif 000004
【００２９】
となる。上記の過程においてキャリア周波数を含む指数項は一般的に微分されない。その理由は、通常作成されるアレイ導波路格子では分解能が不足しているためである。
【００３０】
（２）式を強度で表すと、
【００３１】
【数３】
2014202913.tif 000005
【００３２】
となり、これが光検出器によって検波される信号となる。
【００３３】
図１の光信号送受信回路を用いて位相変調信号の復調実験を行った。その方法は以下の通りである。前述の微分フィルタの中心をスラブ導波路２０４の焦点面に展開するスペクトルの中心周波数ω０に合わせ、ＤＦＢレーザ１０１からの連続光を、ＮＲＺ波形で位相変調器１０２によって差動位相変調を行う。この差動位相信号を光ファイバ１０３によって伝送し、光サーキュレータ１０４によってアレイ導波路格子１０５に入射させる。アレイ導波路格子１０５の焦点面に配置した微分フィルタ１０６によって伝送された位相変調信号は微分され、位相の変化点が強度変調され、通常のフォトダイオードで受信可能な４０ＧｂｐｓのＲＺ信号に変換されることとなる。
【００３４】
実際に波長１５５０ｎｍのＤＦＢレーザ光源をＤＦＢレーザ１０１として用い、位相変調器１０２をパルスパターンジェネレータで駆動して４０Ｇｂｐｓの差動位相変調されたビット列を生成し、長さ４０ｋｍの分散シフトファイバを用いた光信号の送受信実験を行った結果、パルスパターンジェネレータで生成した信号と同じビットパターンが復調され、エラーフリーで受信できることを確認した。
【００３５】
また本実施例では、１波長の信号のみで差動位相変調信号の強度変調信号変換を行ったが、複数の波長が多重された差動位相変調信号をアレイ導波路格子１０５に入射し、微分フィルタ１０６を波長多重信号のスペクトル間隔に相当する間隔で空間的に並列に並べた空間フィルタを準備して信号処理を行うことで複数波長の差動位相変調信号を一括して復調することも可能である。
【００３６】
以上説明したように本発明では、微分フィルタとアレイ導波路格子から構成される位相−強度変換器により、ＮＲＺの差動位相変調信号をＲＺの強度変調信号に変換することが可能であり、不要な非線形効果を誘起することなく長距離の光伝送が可能な差動位相変調による伝送システムを安価に提供することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０１  光源
１０２  位相変調器
１０３  信号伝送用光ファイバ
１０４  光サーキュレータ
１０５  アレイ導波路格子
１０６  微分フィルタ
１０７  光検出器
２０１  入射および出射導波路
２０２、２０４  スラブ導波路
２０３  アレイ導波路
４０１  ＧａＡａ基板
４０２、４０４  金属
４０３  石英基板
４０５  透明な物質
４０６  無反射コーティング
５０１  回折格子
５０２  レンズ
５０３  微分フィルタ
【図１】
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【図２】
2014202913.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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