(57)【要約】【課題】単一のＩＳＢＴ光ゲートを用いて、２つのＩＳＢＴ光ゲートを用いた場合と同等またはより高品質な位相弁別信号を得ること。【課題を解決するための手段】光信号１を第１分割光信号１及び第２分割光信号１の２つに分割し、ＩＳＢＴ光ゲートに互いに逆方向から入射させるとともに、光信号２をＩＳＢＴ光ゲートに入射吸収させ、第１分割光信号１及び第２分割光信号１のＩＳＢＴ光ゲートからの出力の差を位相弁別信号として得ることを特徴とする光信号処理方法及び光信号処理装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号１を第１分割光信号１及び第２分割光信号１の２つに分割し、ＩＳＢＴ光ゲートに互いに逆方向から入射させるとともに、光信号２をＩＳＢＴ光ゲートに入射吸収させ、第１分割光信号１及び第２分割光信号１のＩＳＢＴ光ゲートからの出力の差を位相弁別信号として得ることを特徴とする光信号処理方法。
【請求項２】
ＴＥ偏光の光信号１を第１分割光信号１及び第２分割光信号１の２つに分割する手段と、互いに逆方向から入射する第１分割光信号１及び第２分割光信号１とＴＭ偏光の光信号２を受けるＩＳＢＴ素子を有し、ＩＳＢＴ素子を通過する第１分割光信号１及び第２分割光信号１に生ずる位相変化を強度変化に変換するための光干渉計と、該光干渉計からの第１分割光信号１の出力を受信する第１の光電変換手段と、該光干渉計からの第２分割光信号１の出力を受信する第２の光電変換手段と、第１及び第２の光電変換手段からの出力信号の差から位相弁別信号を得る手段とを含む光信号処理装置。
【請求項３】
ＴＥ偏光の光信号１を第１分割光信号１及び第２分割光信号１の２つに分割する手段と、互いに逆方向から入射する第１分割光信号１及び第２分割光信号１とＴＭ偏光の光信号２を受けるＩＳＢＴ素子と、ＩＳＢＴ素子を透過した第１分割光信号１からＸＰＭにより加わったスペクトル成分を切り出す第１のフィルターと、ＩＳＢＴ素子を透過した第２分割光信号１からＸＰＭにより加わったスペクトル成分を切り出す第２のフィルターと、第１のフィルターにより切り出された第１分割光信号１の出力を受信する第１の光電変換手段と、第２のフィルターにより切り出された第２分割光信号１の出力を受信する第２の光電変換手段と、第１及び第２の光電変換手段からの出力信号の差から位相弁別信号を得る手段とを含む光信号処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相弁別信号を得るための光信号処理方法及び光信号処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インターネットの急速な発展により光通信に要求される伝送レートは年々高まっているが、電子デバイスの動作速度は限界に達しようとしている。そのため、電子デバイスより高速動作が可能な素子として非線形光学効果を利用した光デバイスの研究が進められている。特に、光（制御光）で光（シグナル光）の開閉制御を行う全光ゲートスイッチは低消費電力化の点からも注目を集めており、半導体量子井戸のサブバンド間遷移（ＩＳＢＴ）を応用した光ゲートスイッチは通常の半導体バンドギャップ間遷移を用いたものより３桁以上高速でテラビット級の高速動作が可能である。
【０００３】
通信装置では、受信側のクロック信号の周波数を送信側のクロック周波数に一致させる位相同期（ＰＬＬ）は必須の技術である。ＰＬＬとは２つの信号の位相差を検出し、位相差あるいは差周波数が一定になるように、発振器にフィードバック制御を掛ける技術である。電気信号においては、ダブル・バランスド・ミキサー（ＤＢＭ）に代表される位相比較器を用いて位相差の検出を行うことができる（図３参照）。
２つの光信号にＰＬＬをかけるためには光信号間の位相差を検出する素子が必要であるが、ＩＳＢＴ光ゲートはこのような光位相比較器を実現するのに利用することができる。
これまでに、電気信号（周波数= f 1）と光信号（繰返し周波数= f 2）の位相差を検出し（図４参照）、それらに位相同期をかける方法は提案されている。この場合、次式を満たす関係を実現できる。
ｆ２＝ｍ×ｆ１＋Δｆ            （ｍ＝整数、Δｆ：オフセット周波数）
ＩＳＢＴ光ゲートを用いると、１６０ＧＨｚを超える２つの光信号から位相弁別信号を検出することができる。（図５参照）
【０００４】
ＩＳＢＴ素子は、量子井戸面に対して垂直な直線偏光した光（ＴＥ光）は透過させるが、平行に直線偏光した光（ＴＭ光）は吸収する性質を持っている。当初ＩＳＢＴ光ゲートは可飽和吸収を利用していたが、その後の研究により相互位相変調（ＸＰＭ）を利用した方が高い効率を得られることが判明した(非特許文献１)。
ＸＰＭとはＩＳＢＴがＴＭ光を吸収した際にその屈折率が変化する為、そこを通過するＴＥ光の位相が変化する現象を言う。
特にＴＭ光が短パルスの時は、高速の位相変調効果によりＴＥ光はスペクトルが広がってＩＳＢＴを透過して来る。
ＩＳＢＴ素子を光ゲートとして用いる為にはＴＥ光に生じる位相変化を強度変化に変換する必要があり、これまでにマッハ・ツェンダー（Ｍ−Ｚ）干渉計を利用する方法と光フィルターでスペクトルを切り出す方法が考案されている。
【０００５】
ＸＰＭを利用したＩＳＢＴ光ゲートの構成例を図６に示す(非特許文献２)。ここでは、ＩＳＢＴ素子はＭ−Ｚ干渉計の片方の光路上に配置して使われている。
シグナル光はＴＥ偏光を持つ状態でポートＡから入力される。制御光はＴＭ偏光を持つ状態でポートＢから入力され、ＩＳＢＴを通過する際に吸収を受ける。シグナル光は入射側ビームスプリッター（ＢＳ）で分割され、２つの光路を進行した後に出射側ＢＳで合波される。ここで、制御光が存在しない時にはポートＤでは２つの光波が完全に打ち消し合いポートＣからのみシグナル光が出力されるようにＭ−Ｚ干渉計は調整されている。しかし、制御光が入射している時はＩＳＢＴを透過するシグナル光に位相変化が生じるため合波時の干渉条件が崩れ、シグナル光の一部はポートＤから出力される。したがって、ポートＤには制御光がＯＮの時だけシグナル光が出力されることになる。
【０００６】
光ゲートは信号光と制御光が同時に入射した時にだけ光信号が出力される。したがって、同じ繰り返し周波数を持つ２つの光信号をそれぞれシグナル光及び制御光として光ゲートに入射させると、その位相差に応じて出力光強度が変化することになり、これを光電変換すれば位相弁別信号を得ることができる。
ただし、この位相弁別信号は常に極性が同じ、すなわちＤＣ成分が重複しているため（図７参照）、そのままではＰＬＬなどのフィードバック制御には使えない。位相に応じて極性の変化する位相弁別信号を得るためには、このＤＣ成分を除去する必要がある。最も簡単な方法は、シグナル光強度をモニターしこれに比例する電圧を光ゲートの出力電圧から引くことである（図８参照）。ただし、この方法で得られる位相弁別信号の波形は必ずしも正負対称にはならない。
また、たとえ位相差が一定であっても制御光の強度やＭ−Ｚ干渉計の動作点の変動等によって出力電圧が変化してしまう為、実用的な位相比較器は実現し難い。
【０００７】
一方、光ゲートを２つ使うと出力信号の非対称性に関する問題は解決することができる（図９参照）。シグナル光を２つに分割して２つの光ゲートに180°の位相差をつけて入射させ、その出力をそれぞれ光電変換する。この２つの電気信号は同じ波形を持ち位相が180°ずれているので、その差を取ると０ボルトを中心とする正負対称な電気信号を得ることができる。
ただし、この方法では２つの光ゲートを使用するためシステムが複雑になる他、２倍の光パワーを消費する事になる。また、それぞれのＭ−Ｚ干渉計の動作点の揺らぎに起因する出力電圧の変動はキャンセルされずむしろ増加してしまう。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】H. Tsuchida et al., Opt.Lett., 32, 751 (2007).
【非特許文献２】R. Akimoto et al., ECOC2008, P.2.03 (2008).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記の従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、単一のＩＳＢＴ光ゲートを用いて、２つのＩＳＢＴ光ゲートを用いた場合と同等またはより高品質な位相弁別信号を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題は次のような手段により解決される。
（１）光信号１を第１分割光信号１及び第２分割光信号１の２つに分割し、ＩＳＢＴ光ゲートに互いに逆方向から入射させるとともに、光信号２をＩＳＢＴ光ゲートに入射吸収させ、第１分割光信号１及び第２分割光信号１のＩＳＢＴ光ゲートからの出力の差を位相弁別信号として得ることを特徴とする光信号処理方法。
（２）ＴＥ偏光の光信号１を第１分割光信号１及び第２分割光信号１の２つに分割する手段と、互いに逆方向から入射する第１分割光信号１及び第２分割光信号１とＴＭ偏光の光信号２を受けるＩＳＢＴ素子を有し、ＩＳＢＴ素子を通過する第１分割光信号１及び第２分割光信号１に生ずる位相変化を強度変化に変換するための光干渉計と、該光干渉計からの第１分割光信号１の出力を受信する第１の光電変換手段と、該光干渉計からの第２分割光信号１の出力を受信する第２の光電変換手段と、第１及び第２の光電変換手段からの出力信号の差から位相弁別信号を得る手段とを含む光信号処理装置。
（３）ＴＥ偏光の光信号１を第１分割光信号１及び第２分割光信号１の２つに分割する手段と、互いに逆方向から入射する第１分割光信号１及び第２分割光信号１とＴＭ偏光の光信号２を受けるＩＳＢＴ素子と、ＩＳＢＴ素子を透過した第１分割光信号１からＸＰＭにより加わったスペクトル成分を切り出す第１のフィルターと、ＩＳＢＴ素子を透過した第２分割光信号１からＸＰＭにより加わったスペクトル成分を切り出す第２のフィルターと、第１のフィルターにより切り出された第１分割光信号１の出力を受信する第１の光電変換手段と、第２のフィルターにより切り出された第２分割光信号１の出力を受信する第２の光電変換手段と、第１及び第２の光電変換手段からの出力信号の差から位相弁別信号を得る手段とを含む光信号処理装置。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光信号処理方法、光信号処理装置によれば、単一のＩＳＢＴ光ゲートを用いているため、２個のＩＳＢＴ光ゲートを用いた方式に比べて構成がシンプルになる他、消費電力も低減できる。また、２個のＩＳＢＴ光ゲートを用いる方式に比べて長期安定性の優れた信号出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】単一のＩＳＢＴを用いて位相弁別信号を生成する第１の構成例
【図２】単一のＩＳＢＴを用いて位相弁別信号を生成する第２の構成例
【図３】従来の電気信号の位相比較器を説明する図
【図４】電気信号と光信号の位相比較器を説明する図
【図５】光信号の位相比較器を説明する図
【図６】相互位相変調（ＸＰＭ）を利用したＩＳＢＴ光ゲートスイッチの構成例を説明する図
【図７】ＩＳＢＴ光ゲートの基本動作を説明する図
【図８】１個のＩＳＢＴ光ゲートを用いた最も単純な光ミキサーを説明する図
【図９】２個のＩＳＢＴ光ゲートを用いた光ミキサーを説明する図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の光信号処理方法及び光信号処理装置について詳細に説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。
【００１４】
図１に単一のＩＳＢＴを用いて位相弁別信号を生成する第１の構成例を示す。位相比較する２つの光信号をそれぞれ光信号１及び光信号２と呼ぶ。光信号１と光信号２は、ＩＳＢＴ光ゲートに対しそれぞれシグナル光及び制御光として用いられる。ＩＳＢＴ光ゲートは、Ｍ−Ｚ干渉計とその光路上に置かれた１個のＩＳＢＴ素子とから構成される。
【００１５】
光信号１はＴＥ偏光しており、第１の分波器５によって２本に分割され、それらは互いに逆方向からＭ−Ｚ干渉計に入射させられる。Ｍ−Ｚ干渉計は２つの分波器８、９と２本の光路（光路１と光路２）から構成され、２つの光入出力器６、７に接続されている。第１の光入出力器６は第１分割光信号１をＭ−Ｚ干渉計に入射し、第２分割光信号１を当該干渉計から出力する役割を持ち、第２の光入出力器７は第２分割光信号１をＭ−Ｚ干渉計に入射し、第１分割光信号１を当該干渉計から出力する役割を持つ。
Ｍ−Ｚ干渉計は、制御光が存在しない時にはシグナル光が出力されないように２本の光路長が調整されている。
【００１６】
光信号２はＴＭ偏光しており、合波器１０を用いて第１分割光信号１に重ねられる。光信号２はＩＳＢＴによって吸収されるが、その際、光路２を通過する光信号１の位相をシフトさせる。この位相シフトの為、光信号２のパルスがＩＳＢＴ中を通過している時には、第１及び第２分割光信号１はＭ−Ｚ干渉計から出力されることになる。第１分割光信号１と第２分割光信号１は、それらのパルスが同時にＩＳＢＴに入射しないように、入射するタイミングを適当にずらしておく。
Ｍ−Ｚ干渉計から出力される第１及び第２分割光信号１はそれぞれ第１及び第２光電変換器１、３を用いて電気信号に変換される。この２つの電気信号は波形が同じで位相だけずれているので、差動増幅器４によりそれらの差をとると０ボルトを中心とする正負対称な位相弁別信号が得られる。
【００１７】
ここでは、光信号２を第１分割光信号１に重ねる手段として合波器１０を、第１、第２分割光信号１をＭ−Ｚ干渉計に結合する手段として２つの入出力器６、７を用いているが、光干渉計を構成する分波器８、９にその役割を兼ねさせればこれらの部品を省略することもできる。
また、Ｍ−Ｚ干渉計は光信号１に生じる位相変化を強度変化に変換するために使われているが、他のタイプの光干渉計（マイケルソン干渉計やサニャック干渉計など）に置き換えてもよい。
【００１８】
図２に単一のＩＳＢＴを用いて位相弁別信号を生成する第２の構成例を示す。位相比較する２つの光信号をそれぞれ光信号１及び光信号２と呼ぶ。光信号１と光信号２はそれぞれシグナル光及び制御光として用いられる。
【００１９】
光信号１はＴＥ偏光しており、分波器１７で２本（第１及び第２分割光信号１）に分割され、それらは互いに逆方向からＩＳＢＴ素子１１に入射させられる。ここで、第１及び第２分割光信号１はそれらのパルスが同時にＩＳＢＴに入射しないようにタイミングを適当にずらしておく。
ＩＳＢＴ素子には２つの光入出力器が接続されている。第１の光入出力器１８は第１分割光信号１をＩＳＢＴ素子に入射させ第２分割光信号１をＩＳＢＴ素子から出力する役割を持ち、第２の光入出力器１９は第２分割光信号１をＩＳＢＴ素子に入射させ第１分割光信号１をＩＳＢＴ素子から出力する役割を持つ。
【００２０】
光信号２はＴＭ偏光しており、合波器で第１分割光信号１に重ねられる。光信号２はＩＳＢＴによって吸収されるが、その際にＩＳＢＴを通過する第１及び第２分割光信号１に相互位相変調（ＸＰＭ）を及ぼしそれらのスペクトルを広げる。
【００２１】
ＩＳＢＴを透過した第１分割光信号１は第１のバンドパスフィルター１２によりＸＰＭで加わったスペクトル成分を切り出され、その信号は第１の光電変換器１３で電気信号に変換される。ＩＳＢＴを透過した第２分割光信号１は第２のバンドパスフィルター１４によりＸＰＭで加わったスペクトル成分を切り出され、その信号は第２の光電変換器１５で電気信号に変換される。この２つの電気信号は波形が同じで位相だけずれているので、差動増幅器１６によりそれらの差をとると０ボルトを中心とする正負対称な位相弁別信号が得られる。
【００２２】
本発明は、ただ一つのＩＳＢＴ光ゲートを用いて０ボルトを中心とする正負対称な電気信号を得ている。そのために、光信号を２つに分割しＩＳＢＴ光ゲートに互いに逆方向から入射させ、それらの出力の差を取る。この方法では、ＩＳＢＴ光ゲートを２個使う場合に比べて構成がシンプルでかつ消費パワーも小さくなる。また、２本の光信号が同一のＩＳＢＴ光ゲートを通過するので、たとえ光ゲートの動作環境が変化してもその効果は相殺されるため安定した位相弁別信号を得ることが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は、光通信などにおいて受信側のパルス光源の繰り返し周波数をデータの送信レートに同期させるＰＬＬ等に利用することができる。
【符号の説明】
【００２４】
１  第１の光電変換器
２  ＩＳＢＴ素子
３  第２の光電変換器
４  差動増幅器
５  第１の分波器
６  第１の入出力器
７  第２の入出力器
８  第２の分波器
９  第３の分波器
１０  合波器
１１  ＩＳＢＴ素子
１２  第１のバンドパスフィルター
１３  第１の光電変換器
１４  第２のバンドパスフィルター
１５  第２の光電変換器
１６  差動増幅器
１７  分波器
１８  第１の入出力器
１９  第２の入出力器
２０  合波器
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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