(57)【要約】【課題】入力される光パルス列を、一定数のパルス毎にスイッチする光パルス列変換方法に関して、入力の光信号の偏波に無依存で、かつ高速な光信号処理が可能な光パルス列変換装置を提供すること。【解決手段】この光パルス列変換装置は、光パルス列のパルスの並び方を光演算により変換するものであって、２つの光波入力端２０２，２０３と少なくとも１つの光波出力端２０４を有する３デシベル光結合器２０１と、この３デシベル光結合器２０１の光波入力端の一方（２０３）から入力されて光波出力端２０４から出力される光波が同位相で光波入力端の他方（２０２）に入力されるように該光波の位相を調節可能な光位相調節器２０６と、この位相が調節された光波を３デシベル光結合器２０１の光波入力端の他方（２０２）に入力される前に所定の光パワーとなるまで光増幅する光増幅器２０９及び光リミッタ２１２とを光路で接続したループ構成を有する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光パルス列のパルスの並び方を光演算により変換する光パルス列変換装置であって、光波を２分する手段と、この２分岐された一方の光波に所定の遅延を与える手段と、この遅延を受けた光波と前記２分された他方の光波とを合波する手段とを備えた光干渉系の一端を、偏波分離器の一方の分離端子に接続し、かつ、前記光干渉系の他端を、前記偏波分離器の他方の分離端子にねじりを与えた光路で接続したループ構成を有することを特徴とする光パルス列変換装置。
【請求項２】
光パルス列のパルスの並び方を光演算により変換する光パルス列変換装置であって、２つの光波入力端と少なくとも１つの光波出力端を有する光結合器と、前記光結合器の前記光波入力端の一方から入力されて前記光波出力端から出力される光波が同位相で前記光波入力端の他方に入力されるように該光波の位相を調節可能な光位相調節器と、この位相が調節された光波を前記光結合器の他方に入力される前に所定の光パワーとなるまで光増幅する光リミッタ増幅器とを光路で接続したループ構成を有することを特徴とする光パルス列変換装置。
【請求項３】
光パルス列のパルスの並び方を光演算により変換する光パルス列変換装置であって、電気信号により光をオンオフする光スイッチの光波出力端に光電気変換器を光路で接続し、該光電気変換器の出力で前記光スイッチを駆動するループ構成を有し、該光スイッチの動作が、電気信号入力時には光を遮断し、電気信号がない時には光を通過させる動作であることを特徴とする光パルス列変換装置。
【請求項４】
ループを構成する光路の曲がり部分の一部もしくは全部に、光の波長程度の周期的屈折率分布をもつフォトニック結晶で構成されたフォトニック結晶導波路を用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光パルス列変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光信号処理の分野に属する技術である。
【０００２】
【従来の技術】
パルス信号処理では、一定周期でパルス列を交互にスイッチする場合がある。たとえば、１０ギガビット毎秒（Ｇｂｐｓと記す。）の信号を２．５Ｇｂｐｓの信号にデ・マルチプレックス（ＤＭＵＸと記す。）する場合、最初に続く１０ビットを第１の方路にスイッチし、次に続く１０ビットを第２の方路にスイッチし、次に続く１０ビットを第３の方路にスイッチし、次に続く１０ビットを第４の方路にスイッチし、次に続く１０ビットを第１の方路にスイッチし、以下同じことを繰り返し、各々の方路でビットの伸張を行うことにより、２．５Ｇｂｐｓの４チャンネルの光信号を得るというＤＭＵＸの方法がある。
【０００３】
電気信号については、種々の論理素子が実現しているので上記のような処理は容易に行えるが、信号速度が速くなると実現が困難になる。
【０００４】
光の信号のままで信号処理を行う方法は、一般的に処理速度が速く、電気信号処理では実現不可能な高速な信号に対しても、信号処理が可能となることが期待でき、種々研究開発がされているが、上記のような処理を光信号のままで信号処理（光演算）する方法は提案されていない。
【０００５】
高速な光パルス伝送では、光パルス列の繰り返し周波数をＦとするとき、周波数Ｆの信号に同期し、Ｆより周波数の低い光パルス列を得る必要がしばしばある。ここで、周波数とは、光波の強度変化の周波数である。光通信で、例えば、４０Ｇｂｐｓの光信号から１０ギガヘルツ（ＧＨｚと記す。）の光パルスを得てタイミング信号とするときには、４０ＧＨｚから１０ＧＨＺへの光パルス列変換技術が必要になる。このような一定周期の光パルス列への変換を以下では光周波数変換と言う。光周波数変換は単に周波数が小さくなるということではなく、もとの光パルス列の光強度変化の位相と周波数変換された光パルス列の光強度変化の位相が一定関係にあるということである。一定関係とは、一致するかもしくは一定の時間差をもつということを意味する。
【０００６】
光周波数変換のような光パルス列変換方法として、容易に考えられる方法は、光信号を一旦電気信号に変換し、電気信号で周波数変換した後、その電気信号で新たに電気光変換を行って周波数変換された光信号を得るという方法である。この場合には、電気信号の処理速度によって制限される周波数の上限があり、４０ＧＨｚ程度が上限である。そこで、光周波数変換の方法として、入力した光パルスを光演算して周波数変換する方法がいくつか提案されている。以下、それらについて説明する。
【０００７】
（従来例１）
周波数を小さくするように光演算して周波数変換する既知の方法の一つは、光変調器を駆動して、光パルスを間引く方法である。図６にその方法を実現できる装置構成のブロック図を示す。図６において、５０１は光変調器、５０２は光分岐、５０３は光電気変換器、５０４は電気狭帯域フィルタ、５０５は電気増幅器、５０６は光遅延器、５０７は信号光入力端子、５０８は信号光出力端子である。
【０００８】
光変調器５０１の駆動は、この光変調器５０１の出力の一部を光電気変換器５０３で光電気変換し、電気の狭帯域フィルタ５０４で所望の周波数を有する正弦波信号に変換した後、電気増幅器５０５によって増幅された信号によって行われる。光遅延器５０６は光パルスを間引くタイミングを調節する。
【０００９】
この方法では、電気信号の処理を含むが、狭帯域な電気信号であるので、比較的周波数を高くすることができる。光変調器５０１としては、光の干渉を用いる干渉型光変調器がよく知られている。この干渉型光変調器は駆動電気信号に対して線形に動作するので、実用的には周波数を半分にすることになる。特殊な光変調器である、電界吸収型光変調器（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−ｔｙｐｅ−Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ、以下ではＥＡＭと略す。）は、正弦波電気信号で駆動しても光が通過する時間幅は、正弦波の一周期の時間幅より十分狭いので、入力する光信号の一定パルス毎に光パルス透過させることができる。すなわち、この方法では、入力する光パルスの周波数の整数分の１の周波数への周波数変換が可能である。しかし、この方法では、ＥＡＭの構造に起因する動作特性から、周波数変換としては４０ＧＨｚから１０ＧＨｚ程度への変換が実用上の限界である。この場合には、ＥＡＭは４つの入力光パルスのうち、１つの光パルスを通過させる。
【００１０】
（従来例２）
入力した光パルスを光演算して周波数変換する既知の他の方法では、半導体のレーザ発振器を用いる。半導体光増幅器を光の共振器の光路中に挿入するとレーザ発振器となるが、同時に可飽和吸収体といわれる非線形素子を光路中に挿入すると光パルス発生器となることがよく知られている。その共振器の簡単な構成は凹面鏡を対向させたものである。光出力は鏡の透過率を適当に設計してとり出すようにしている。レーザ発振器の光パルスの繰り返し周波数は共振器の長さで決定され、繰り返し周波数が１０ＧＨｚであれば往復の等価的な光路長は約２センチメートル（以下ｃｍと記す。）である。
【００１１】
このような光の共振器に、繰り返し周期が１０ＧＨｚの整数倍の信号光を注入すると、レーザ共振器の光パルスが信号光に含まれる１０ＧＨｚ成分に同期するようになり、１０ＧＨｚの周波数をもつ光パルスが得られる。この方法では、構成部品が比較的少なく、小型になるという利点がある。しかし、この方法では、注入される入力信号光に必ず１０ＧＨｚの成分が必要であるという制約があり、使用に当たって大きな制約となる。さらに、この方法では、製作に高度な半導体製作技術や、超高精度な光共振器製作技術が必要であり、高価なものになるという欠点がある。
【００１２】
（従来例３）
入力した光パルスを光演算して周波数変換する既知のさらに他の方法は光干渉系を用いる方法である（特許文献１）。この方法では、光入力を２つの光路に分岐し、一方の分岐の光路に所定の遅延を与えて、再度合波する。合波される２つの光波の光の位相が同相であるか、逆相であるかにより出力がスイッチされることを利用している。このような回路によって、周波数がＦの光パルス列が入力すると、周波数が２Ｆの光パルス列が出力される。
【００１３】
しかし、この方法での光路は一般的には偏波分散を有する。光波の干渉は、光導波路の導波路長の波長オーダの差異によって動作するので、偏波分散があると偏波の方向によって、合波される２つの光波の位相が異なることになり、スイッチのされ方が異なってしまう。すなわち、この方法では、入力される光の偏波が一定方向でなければ安定な動作とはならないという欠点がある。
【００１４】
【特許文献１】
特開平１１−１０１９２２号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
光パルス列を一定パルス数ずつ取り出す方法はこれまで提案されていない。また、従来の光周波数変換方法の、光信号を電気信号に変換して新たな光信号を作り出す方法では、電気信号処理速度の上限により入力の周波数を上げられないという欠点があった。また、従来の光演算して周波数を変換する方法においても、動作周波数をあげられなかったり（従来例１）、入力の光信号に特別な条件が必要であったり（従来例２）、入力される光波の偏波状態に制約がある（従来例３）などの欠点があった。
【００１６】
このような状況に鑑み、本発明では、光パルス列から、これと同期して、一定数のパルスずつ取り出すことができ、あるいは、周波数の高い光パルス列に変換された光パルス列を得る光パルス列変換に関して、光パルスの繰り返し周波数を高くすることができ、あるいは、入力する光波の偏波への依存性をなくすことができる光パルス列変換装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の光パルス列変換装置では、光パルス列のパルスの並び方の変換を光演算機能によって行っている。すなわち、連続するシンボル１の光パルス列がＮ個の「１」とＮ個の「０」が交互に現れる光パルス列に変換される。これにより、Ｎ＝１とすれば周波数１／２のダウンコンバートとして働く。またこのような動作は、新しい光信号の多重化や光分離に応用できる可能性がある。さらに、信号を光信号のままで信号処理するので、高速な信号処理に適した方法である。
【００１８】
請求項１に記載の発明は、光パルス列のパルスの並び方を光演算により変換する光パルス列変換装置であって、光波を２分する手段と、この２分岐された一方の光波に所定の遅延を与える手段と、この遅延を受けた光波と前記２分された他方の光波とを合波する手段とを備えた光干渉系の一端を、偏波分離器の一方の分離端子に接続し、かつ、前記光干渉系の他端を、前記偏波分離器の他方の分離端子にねじりを与えた光路で接続したループ構成を有することを特徴とするものである。
【００１９】
この構成では、例えば光干渉系は、光波を２分する手段としての光結合器と、その２分岐された一方の光波に遅延を与える手段としての光遅延器と、その遅延を受けた光波と２分された他方の光波とを合波する手段としての光結合器とからなる、２端子の双方向性の光学系である。偏波分離器は、入力された光波を直交する二つの偏波に分離して出力する３端子光デバイスで、作用は可逆である。光路のループは、光干渉系の一方の端子と偏波分離器の一方の分離端子を接続し、光干渉系の他端子を偏波分離器の他方の分離端子に接続して構成される。光干渉系の光論理演算機能により、一端から正弦波状に変化する光信号を入力すると周波数が２倍の光信号が得られることが既知であるが、従来の方法では入力される光信号の偏波方向が一定である必要があった。本発明では、偏波分離器を用い、この偏波分離器と干渉系との結線用の偏波保持光ファイバをねじって接続することにより、偏波無依存化を図っている。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、光パルス列のパルスの並び方を光演算により変換する光パルス列変換装置であって、２つの光波入力端と少なくとも１つの光波出力端を有する光結合器と、前記光結合器の前記光波入力端の一方から入力されて前記光波出力端から出力される光波が同位相で前記光波入力端の他方に入力されるように該光波の位相を調節可能な光位相調節器と、この位相が調節された光波を前記光結合器の他方に入力される前に所定の光パワーとなるまで光増幅する光リミッタ増幅器とを光路で接続したループ構成を有することを特徴とするものである。
【００２１】
この構成では、光結合器は次に述べるように作用する。ただし、光結合器に２つの光波出力端子がある場合には、その一方の光波出力端子は空きの端子である。２つの光波入力端子のいずれかの端子から信号光が入力される場合には、その入力された光パワーの半分ずつが光波出力端子から出力される。２つの光波入力端子から同じ光パワーの信号光が入力された場合、両方の光の位相が逆位相の場合には全光パワーが一方の光波出力端子から出力され、同位相であれば全光パワーが他方の光波出力端子（空き端子）から出力される。本発明では、光結合器に同位相で入力されるように光位相調節器が調節され、この位相が調節された光波の光パワーが光リミッタ増幅器で所定の光パワーにまで増幅される。この光結合器の一つの光波入力端子から、周期がＴの光パルス列が入力されるとする。また、ループ状の光路を光波が伝搬するのに要する時間がＴ×Ｎとすると、光分岐の一端からは、Ｎ個の連続する光パルスと、Ｎ個相当時間のブランクとが、交互に現れる。例えば、１，１，１，１の入力光パルスに対して、Ｎ＝１とすると、出力は０，１，０，１に変換される。このような作用は、光パルスの１／２ダウンコンバートに適している。また、Ｎ＝２であれば、出力は０，０，１，１，０，０，１，１のようになる。Ｎ＝２以上については光周波数のダウンコンバートの他に、光信号の前記ＤＭＵＸへの応用が期待できる。
【００２２】
請求項３に記載の発明は、光パルス列のパルスの並び方を光演算により変換する光パルス列変換装置であって、電気信号により光をオンオフする光スイッチの光波出力端に光電気変換器を光路で接続し、該光電気変換器の出力で前記光スイッチを駆動するループ構成を有し、該光スイッチの動作が、電気信号入力時には光を遮断し、電気信号がない時には光を通過させる動作であることを特徴とするものである。
【００２３】
この構成では、電気信号により光波をオンオフする光スイッチの光波出力端子に光電気変換器を光路で接続し、その光電気変換器の出力で前記の光スイッチを駆動するループ構成をとる。その場合、光スイッチの動作を、電気信号入力時には光波を遮断し、電気信号がない時には光波を通過させる。ここで、ループの長さを、信号が光信号や電気信号としてループを一周するのに要する時間が入力される光パルス列の時間周期Ｔの整数倍Ｎ×Ｔであるとする。このような光電気回路も請求項２に述べた周波数変換装置と同じ作用があり、連続した光パルス列が、連続するＮ個の光パルス列と連続するＮ個のブランクの繰り返しに変換される。
【００２４】
ところで、請求項１乃至３に述べた発明を高速な光パルスに適用する場合、光回路をかなり短くする必要があり、通常の導波路ではループの径が小さくなって大きな光損をひき起こすおそれがある。そこで請求項４に記載の発明のように、ループを構成する光路の曲がり部分の一部もしくは全部に、光の波長程度の周期的屈折率分布をもつフォトニック結晶で構成されたフォトニック結晶導波路を用いることとすれば、このフォトニック結晶導波路により、光導波路の微小な曲がりを低損失で実現することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の適用範囲は、これらの実施形態によって限定されるものではない。
【００２６】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る光パルス列変換装置の全体構成を示すブロック図である。
【００２７】
図１において、１０１は光干渉系、１０２は光結合器、１０３は光波に所定の遅延を与える光遅延器、１０４は光波に可変の遅延を与える可変遅延器、１０５は光結合器、１０６は光干渉系の一方の光端子、１０７は光干渉系の他方の光端子、１０８は偏波分離器、１０９は偏波分離器１０８の一方の分離端子、１１０は偏波分離器１０８の他方の光端子、１１１は偏波分離器１０８の光入出力端子、１１２は３端子光サーキュレータ、１１３は光サーキュレータ１１２の光入力端子、１１４は光サーキュレータ１１２の光出力端子、１１５は光サーキュレータ１１２の光入出力端子、１１６は端子間を接続する偏波保持光コード、１１７は端子間を接続する偏波保持光コード、１１８は端子間を接続する光コードである。なお、同図中の二重線は光波が伝搬する光路としての光コード（光ファイバ）を表している。
【００２８】
光干渉系１０１は既知のものであって、その動作は可逆となっている。すなわち、光パルスの繰り返し周波数がＦの光信号が光端子１０６から入射すると、光端子１０７からは２Ｆの周波数成分を有する光信号が出力される。光信号が光端子１０７から入射した場合も、同様に光端子１０６から２Ｆの周波数成分を有する信号光が出力される。
【００２９】
偏波分離器１０８は光干渉系１０１に接続されて、以下のように動作するようになっている。光入出力端子１１１から入力された信号光は任意の偏波状態とする。信号光が偏波分離器１０８を通過すると、光端子１０９と光端子１１０には、それぞれ、直交する偏波成分に分離されて現れる。
【００３０】
以下では、光端子１０９に現れる光信号をＡ信号と呼び、光端子１１０に現れる光信号をＢ信号と呼ぶ。Ａ信号の偏波の方向は紙面に平行な方向としこれをｘ方向とする。Ｂ信号の偏波方向は紙面に垂直方向としこれをｙ方向とする。
【００３１】
偏波分離器１０８は光入出力端子１１１から入力された信号光を偏波によって光端子１０９と光端子１１０に分離して出力する機能の他に、光端子１０９から入力されたｘ偏波の信号光と光端子１１０から入力されたｙ偏波の信号光を合波して光入出力端子１１１に出力するという機能を有している。すなわち、偏波分離器１０８についてもその動作は可逆である。
【００３２】
光干渉系１０１は、ｘ偏波で最適に動作するように調節されているものとする。干渉系がｘ偏波に対して最適に動作し、かつｙ偏波に対しても同様に最適な動作をするようにするように設計することは一般的には困難であるので、一方の偏波のみを用いるのが実用的である。
【００３３】
Ａ信号は光干渉系１０１に対して適切な偏波方向であるので、光端子１０７にはＡ信号の周波数成分の２倍の周波数成分を持つ光パルス列が現れる。この信号光をここではＣ信号と呼ぶ。Ｃ信号はｘ偏波であるので、そのままでは光端子１１０には入力できない。そこで、偏波保持光コード１１６に１／４回転の捻りを与えて光端子１０７と光端子１１０とを接続する。その結果、Ｃ信号は偏波保持光コード１１６を伝搬する間にｙ偏波に変換され、光端子１１０にはｙ偏波で入射するので、Ｃ信号は光入出力端子１１１にそのまま出力される。
【００３４】
光端子１１０に現れるＢ信号はｙ偏波であるが、偏波保持光コード１１６が捻られていることにより、光干渉系１０１にはｘ偏波に変換されて到達する。その結果、Ｂ信号も光干渉系１０１に対して適切な偏波となって光端子１０７から入射し、光端子１０６にはｘ偏波の状態で現れる。この信号光をここではＤ信号と呼ぶ。Ｄ信号はＢ信号の２倍の周波数成分をもつ光パルス列となっている。Ｄ信号はｘ偏波であるので、光端子１０９から入力されると光入出力端子１１１にそのまま出力される。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態１では、光入出力端子１１１に入力された信号光は、偏波分離器１０８で２つの偏波成分に分離された後、それぞれが周波数変換を受け、再度偏波分離器１０８で合成される。これら２つの偏波の信号光は、光干渉系１０１、偏波分離器１０８、偏波保持光コード１１６、偏波保持光コード１１７の光路のループを逆向きに伝搬するが、全く同一の光路を伝搬するので、２つの偏波の光波の光波位相関係は保たれたままである。すなわち、光入出力端子１１１に入力される信号光の偏波状態と光入出力端子１１１から出力される信号光の偏波状態は同一であるので、信号光の周波数変換は、偏波無依存であることになる。
【００３６】
光サーキュレータ１１２は、ここでは３端子の光サーキュレータであり、光入力端子１１３から入力された光波は光入出力端子１１５から出力され、光入出力端子１１５から入力された信号光は光出力端子１１３から出力される。偏波分離器１０８が、入力端と出力端が同一の端子であるので、この光サーキュレータ１１２が、その入力端と出力端とを分離するために通常用いられる。
【００３７】
なお、図１に例示の光パルス変換装置では、光端子を接続するために、光コードや偏波保持光コードを用いているが、光導波路を用いてもよい。ただし、光導波路の場合は、光端子１０７と光端子１１０の結線の途中に偏波変換器を挿入する必要がある。
【００３８】
（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態２に係る光パルス列変換装置の構成の一例をブロック図で示したものである。図２において、２０１は光結合器としての３デシベル光結合器、２０２および２０３は３デシベル光結合器２０１の信号光入力端子、２０４および２０５は３デシベル光結合器２０１の信号光出力端子、２０６は光位相調節器、２０７は光位相調節器２０６の信号光入力端子、２０８は光位相調節器２０６の信号光出力端子、２０９は光増幅器、２１０は光増幅器２０９の信号光入力端子、２１１は光増幅器２０９の信号光出力端子、２１２は光リミッタ、２１３は光リミッタ２１２の信号光入力端子、２１４は光リミッタ２１２の信号光出力端子、２１５は光分岐、２１６は光分岐２１５の信号光入力端子、２１７は光分岐２１５の一方の信号光出力端子、２１８は光分岐２１５の他方の信号光出力端子、２１９は信号光入力端子、２２０は光分岐２１５の信号光出力端子、２２１は光端子である。なお、同図中の二重線は光波が伝搬する光路としての光ファイバを表している。
【００３９】
３デシベル光結合器２０１は次に述べるような動作をする。光端子２０２もしくは光端子２０３のいずれかの光入力端子から信号光が入力される場合には、入力された光パワーの半分ずつが光端子２０４および光端子２０５から出力される。光端子２０２と光端子２０３の両方に同じ光パワーの信号光が入力された場合、両方の光の位相が同相であれば全光パワーが光端子２０５から出力され、両方の光の位相が逆位相の場合には全光パワーが光端子２０４から出力される。
【００４０】
光位相調節器２０６は、波長オーダの微動機構により、伝搬する光波に波長オーダの遅延を与えることができる。本発明では光位相調節器２０６により、３デシベル光結合器２０１に入力される２つの信号光が同相で入力されるように調節される。
【００４１】
光増幅器２０９は、入力された信号光が、光リミッタ２１２の動作に適切な光パワーとなるように増幅する。この実施形態２では、２０９は半導体光増幅器である。
【００４２】
２１２は光リミッタであって、ある値以上の入力光パワーに対しては、一定の光パワーを出力する光デバイスである。本実施形態２では、光増幅器２０９を出力の飽和領域で用いることによりリミッタ動作を実現している。この場合には、光増幅器２０９と光リミッタ２１２とが同時に稼動されるので、光増幅器２０９と光リミッタ２１２は一体のものであるが、本発明では、光増幅器２０９と光リミッタ２１２とが別体であるものも含めて、両者を光リミッタ増幅器と総称する。光リミッタ機能は吸収型光変調器を用いても得られる。
【００４３】
本発明の光パルス変換装置の動作は以下の通りである。
【００４４】
光端子２１９から一定の周期で光パルスが入力される。この周期をＴとする。３デシベル光結合器２０１から出て、光位相調節器２０６、光増幅器２０９，光リミッタ２１２、および光分岐２１５を通過して、再度３デシベル光結合器２０１に入力される信号光の伝搬に要する時間はＴの整数倍Ｎ×Ｔ（Ｎは整数）となるように、結線のための光ファイバ長が決められる。本実施形態２ではＮ＝２である。図２中のＡは光ファイバの一点、Ｂも光ファイバの一点を示しており、光端子２１９から入力された信号光がＢ点に達するに要する時間がＴ、信号光が点Ｂから点Ａに達するに要する時間がＴ、信号光が、点Ａから点Ｂに達するに要する時間がＴである。
【００４５】
図３はある時刻Ｔ０から始まって時間Ｔ毎の信号光の強度を示している。ただし、強度は光端子２１９での強度で正規化されている。光端子２１９からは周期Ｔで光パルスが入力されるのでその強度はつねに１である。また、３デシベル光結合器２０１は固有の一定の光損をともなうが、ここでは原理を説明するために光損はゼロとしている。信号光がＢ点からＡ点に伝搬する間には、光位相調節器２０６や光増幅器２０９や光リミッタ２１２を経過するが、その結果として、Ａ点での信号光強度が１であるように光増幅器２０９の利得が調整されているものとする。
【００４６】
ある時刻Ｔ０での信号光の状態が光端子２１９，Ａ点，Ｂ点でそれぞれ１，０，０とするとＴ０＋Ｔの時刻では、それぞれ１，０，０．５となる。これは、３デシベル光結合器２０１への入力が光端子２１９からの１のみであるので、３デシベル光結合器２０１からは２等分された信号光が出力されるからである。
【００４７】
Ｔ０＋２Ｔでは、それぞれ、１，１，０．５となる。Ａ点での強度が１になるのは、Ｔ０＋ＴでのＢ点の強度が０．５あったものが光増幅器２０９と光リミッタ２１２の作用で１となったことによる。
【００４８】
次にＴ０＋３Ｔでは、それぞれ、１，１，０となる。Ａ点での強度が１となるのは、Ｔ０＋２ＴでのＢ点での強度が０．５であることによる。Ｂ点での強度が０になるのは、光端子２０２と光端子２０３に同時に１の強度信号光が同相で入力されたために、全信号光が光端子２０５に出力されたためである。
【００４９】
次にＴ０＋４Ｔでは、それぞれ、１，０，０となる。Ａ点の強度が０であるのは、Ｔ０＋３ＴでのＢ点の起用度が０であるからであり、Ｂ点での強度が０であるのは、Ｔ０＋３Ｔでの光端子２１９およびＡ点での強度がともに１であることによる。Ｔ０＋４Ｔでの信号光強度はＴ０での強度と同一であるので、以下の時刻ではこの信号強度の変化が繰り返される。
【００５０】
光端子２２０から出力される信号光はＡ点での強度と同じであるので、オール１の信号光パルス列が、０，０，１，１，０，０，１，１の信号光パルス列に変換されたことになる。
【００５１】
図２では、光のループを光が一周するために要する時間は、入力される信号光パルスの周期の２倍であったが、これをＮ倍（Ｎは整数）とすると、出力される信号光のパルス列は、連続するＮ個の１と連続するＮ個の０とが繰り返すパルス列となる。もっとも簡単な場合は、Ｎ＝１であって、この場合には、１と０の繰り返しとなる。
【００５２】
このような光パルス列には、元の周波数成分は含まれないかあるいは大きな減衰を受けている。たとえば１と０の繰り返しでは、元の周波数の半分の周波数成分が主たる周波数成分となる。あるいは、周期が２倍に変換されたと考えることができる。
【００５３】
Ｎ＝２の場合には、周期は４倍であるが、０，０，１，１の繰り返しであるので、時間波形は正弦波状ではない。正弦波状の信号光を得るには、例えば、エタロンと言われる狭帯域な光フィルタを通過させることにより実現する。
【００５４】
図２の光路は光コードであってもよいし、その他の光導波路であってもよい。
【００５５】
（実施形態３）
図４は本発明の実施形態３に係る光パルス列変換装置の構成の一例をブロック図で示したものである。３０１は電気信号の駆動による光スイッチ、３０２は光分岐、３０３は光電気変換器、３０４は電気増幅器、３０５は電気配線、３０６は信号光入力端子、３０７は信号光出力端子である。なお、図４中の二重線は光波が伝搬する光路としての光ファイバ、一重線は電気信号を伝播する電線を表す。
【００５６】
Ａは光分岐３０２と光電気変換器３０３との間の光ファイバ中の一点、Ｂは電気結線３０５中の一点、Ｃは光端子３０６と光分岐３０１との間の光ファイバ中の一点である。光端子３０６からは時間周期Ｔの光パルス列が入力される。信号光がＣ点から光スイッチ３０１まで伝搬するのに要する時間と、電気信号がＢ点から光スイッチ３０１に伝搬するために要する時間は同一であるように、Ｃ点は設定されている。
【００５７】
信号光がＡ点を出発して、光電気変換器３０３に到達し、３０３で電気信号に変換され、電気結線３０５を伝搬してＢ点に達するまでに要する時間がＴであるように、Ｂ点の位置が設定されている。Ｂ点から光スイッチ３０１まで電気信号が伝搬するのに要する時間と、信号光が光スイッチ３０１からＡ点まで伝搬するのに要する時間との和はＴであるように電気結線３０５の長さとＡ点の位置が設定されている。
【００５８】
光スイッチ３０１は、電気入力がオンのときは信号光を遮断し、電気入力がオフの時には信号光を通過させるように動作する。このような動作は、干渉型光変調器や前述のＥＡＭによって実現可能である。
【００５９】
光端子３０６から周期Ｔの光パルスが入力されるときの、Ａ点，Ｂ点，Ｃ点の信号の強度は図５のようになる。ただし、光強度および電気信号は、オンの状態を１で、オフの状態を０で表している。時刻Ｔ０でＣ点，Ａ点，Ｂ点はそれぞれ、１，０，０であるとすると、時刻Ｔ０＋Ｔでは１，１，０となる。Ａ点が１であるのは、時刻Ｔ０でのＢ点が０であるので、光スイッチ３０１としてはオンの状態であるためＣ点の信号光が、Ａ点に現れたためである。Ｂ点が０であるのは、時刻Ｔ０でのＡ点が０であるからである。
【００６０】
時刻Ｔ０＋２Ｔでは、Ｃ点，Ａ点，Ｂ点は１，１，１となる。Ａ点が１であるのは、時刻Ｔ０＋ＴでのＢ点が０であるので、光スイッチ３０１としてはオンの状態であるためＣ点の信号光がＡ点に現れたためである。Ｂ点が１であるのは、時刻Ｔ０＋ＴでのＡ点が１であるからである。
【００６１】
時刻Ｔ０＋３Ｔでは、Ｃ点，Ａ点，Ｂ点は１，０，１となる。Ａ点が０であるのは、時刻Ｔ０＋２ＴでのＢ点が１であるので、光スイッチ３０１としてはオフの状態であるためＣ点の信号光が遮断されたためである。Ｂ点が１であるのは、時刻Ｔ０＋２ＴでのＡ点が１であるからである。
【００６２】
時刻Ｔ０＋４Ｔでは、Ｃ点，Ａ点，Ｂ点は１，０，０となる。Ａ点が０であるのは、時刻Ｔ０＋３ＴでのＢ点が１であるので、光スイッチ３０１としてはオフの状態であるためＣ点の信号光が遮断されたためである。Ｂ点が０であるのは、時刻Ｔ０＋３ＴでのＡ点が０であるからである。
【００６３】
時刻Ｔ０＋４Ｔの信号の状態は時刻Ｔ０と同じであるので、以後同じことが繰り返される。光端子３０７から出力される信号光はＡ点での強度と同じであるので、オール１の信号光パルス列が、０，０，１，１，０，０，１，１の信号光パルス列に変換されたことになる。
【００６４】
このような動作の結果は、図２で示したものと同じである。図４では、信号がループを一周するために要する時間は、電気増幅器３０４に入力信号光パルスの周期の２倍であったが、これをＮ倍（Ｎは整数）とすると、出力される信号光のパルス列は、連続するＮ個の１と連続するＮ個の０とが繰り返すパルス列となることも同様である。
【００６５】
本実施形態３は、装置の構成が既知の技術である図６に示した装置とほぼ同様である。ただし、本発明では、光路および電気結線の長さに対する条件および光スイッチ３０１の動作の条件により、論理回路として動作している点が異なる。従来の技術では、狭帯域な電気フィルタで正弦波電気信号を作り、その電気信号がオンの状態で信号光を通過させる動作により、入力された信号光を間引いているので、本発明のような０，０，１，１のような信号光を出力をすることはない。
【００６６】
以上述べたの本発明の実施形態１〜３では、光の伝送路として光ファイバを用いているが、光ファイバに限定されるものではない。一般にいわれる光導波路を用いることにより、装置の小型化を図ることができる。
【００６７】
しかし、従来より知られている導波路を用いたとしても、入力の光パルス列の周期が小さくなる、あるいは周波数が大きくなると光回路の設計が困難になる。たとえば、周波数が４０ＧＨｚとすると一周期は２５ピコセカンド（ｐｓと記す。）であり、光ファイバを伝搬する場合の長さは約２ｃｍである。
【００６８】
一例として、Ｎ＝８である光パルス列変換装置に４０ＧＨｚの光パルス列を入力すると１が８つ、０が８つ、と交互に出力され、これをエタロンフィルタを通過させると、２．５ＧＨｚの正弦波状の光パルス列が得られる。Ｎ＝８であるので、図３の光のループの長さは約１６ｃｍであり、ループの直径は約５ｃｍであり、この値は実現性のある値である。
【００６９】
別の例として、たとえば、４０ＧＨｚの光パルス列をＮ＝２である光パルス列変換装置に入力する場合を考えると、ループ長は約４ｃｍでその直径は１．２７ｃｍとなる。通常の光ファイバや光導波路では、曲がりの直径が２ｃｍ以下では大きな放射損が発生して実現が困難であるので、通常の光導波路ではこの例は現実的ではない。
【００７０】
このような場合、例えば既知のフォトニック結晶導波路（非特許文献：応用物理、第７１巻、第１１号（２００２）、フォトニック結晶による光子制御、野田・浅野・山本著参照）を用いることが有効である。フォトニック結晶導波路は、屈折率が３次元の周期構造をもった光デバイスであって、その特徴の一つは、急激な導波路の曲がりに対しても光損が微少なことである。
【００７１】
本発明において、光導波路の曲がりの部分をフォトニック結晶導波路で構成することにより、元の信号光パルスの周波数が、８０ＧＨｚや１６０ＧＨｚに対しても光パルス列変換が可能となる。
【００７２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の光パルス変換装置によれば、従来はできなかった一定数のパルス列を交互にスイッチしたり、光パルスの変換を偏波無依存で行うことができたり、光回路の小型化により高速な光信号の処理が可能となるので、光信号処理の全光化や経済化に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る光パルス列変換装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態２に係る光パルス列変換装置の全体構成を示すブロック図である。
【図３】実施形態２における光パルス列変換の状態を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態３に係る光パルス列変換装置の全体構成を示すブロック図である。
【図５】実施形態３における光パルス列変換の状態を示す説明図である。
【図６】従来例に係る光パルス列変換装置の全体構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０１  光干渉系
１０２  光結合器
１０３  光遅延器
１０４  可変遅延器
１０５  光結合器
１０６，１０７，１０９，１１０  光端子
１０８  偏波分離器
１１１  入出力端子
１１２  光サーキュレータ
１１３  光入力端子
１１４  光出力端子
１１５  光入出力端子
１１６  偏波保持光コード
１１７  偏波保持光コード
１１８  光コード
２０１  ３デシベル光結合器
２０２〜２０５，２０７，２０８，２１０，２１１，２１３，２１４，２１６〜２２１  光端子
２０６  光位相調節器
２０９  光増幅器
２１２  光リミッタ
２１５  光分岐
３０１  光スイッチ
３０２  光分岐
３０３  光電気変換器
３０４  電気増幅器
３０５  電気結線
３０６，３０７  光端子
【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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