(57)【要約】【課題】  光信号を時間軸上でしかも高いＳＮ比で多重化する光多重化方法および装置を提供する。【解決手段】光信号多重化装置１は、複数の搬送波周波数を有する光信号の振幅（光強度）を搬送周波数ごとに制御する光振幅制御部１１と、当該光信号の遅延時間を搬送周波数ごとに制御する光遅延時間制御部１２と、光強度および遅延時間を制御された光信号を波長多重するＷＤＭ信号多重部１３と、入射光の光強度に応じて屈折率が変化する非線形媒質により、波長多重された信号の搬送周波数を同一の搬送波周波数に変換することで、同一の搬送波周波数を有する光時分割多重信号を得る光周波数変換部１４とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の搬送波周波数を有する光信号の光強度を搬送周波数ごとに制御し、前記光信号の遅延時間を搬送波周波数ごとに制御し、光強度と遅延時間とを制御された光信号を波長多重するとともに、入射光の光強度に応じて屈折率が変化する光非線形媒質により、同一の搬送波周波数を有する光時分割多重信号に変換することを特徴とする光信号多重化方法。
【請求項２】
前記光強度を制御された光信号の光強度の比を維持したままで光強度を増幅することを特徴とする請求項１記載の光信号多重化方法。
【請求項３】
前記光時分割多重信号を構成する光パルスの内の隣り合うもの同士の偏光方向を直交させることを特徴とする請求項１または２記載の光信号多重化方法。
【請求項４】
前記光時分割多重信号を構成する光パルスを圧縮することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光信号多重化方法。
【請求項５】
前記光非線形媒質として光ファイバを用い、該光ファイバは前記光信号の中心波長よりも短い波長において零分散波長を有し且つ当該中心波長における波長分散が＋１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光信号多重化方法。
【請求項６】
複数の搬送波周波数を有する光信号の光強度を搬送周波数ごとに制御する光強度制御手段と、前記光信号の遅延時間を搬送波周波数ごとに制御する遅延時間制御手段と、光強度と遅延時間とを制御された光信号を波長多重するとともに、入射光の光強度に応じて屈折率が変化する光非線形媒質により、同一の搬送波周波数を有する光時分割多重信号に変換する光時分割多重手段とを備えることを特徴とする光信号多重化装置。
【請求項７】
前記光強度を制御された光信号の光強度の比を維持したままで光強度を増幅する手段を備えたことを特徴とする請求項６記載の光信号多重化装置。
【請求項８】
前記光時分割多重信号を構成する光パルスの内の隣り合うもの同士の偏光方向を直交させる手段を備えたことを特徴とする請求項６または７記載の光信号多重化装置。
【請求項９】
前記光時分割多重信号を構成する光パルスを圧縮する手段を備えたことを特徴とする請求項６ないし８のいずれかに記載の光信号多重化装置。
【請求項１０】
前記光時分割多重手段は、前記光非線形媒質である光ファイバを備え、該光ファイバは前記光信号の中心波長よりも短い波長において零分散波長を有し且つ当該中心波長における波長分散が＋１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上であることを特徴とする請求項６ないし９のいずれかに記載の光信号多重化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号を高いＳＮ比で多重化することができる光信号多重化方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
データ通信におけるトラフィックの急激な増加を背景として、光通信システムの大容量化を目指した超高速光伝送システムが検討されている。具体的には、電子回路で構成されている多重分離回路を全光型の光信号処理回路に置き換え、伝送速度の電子回路制限をなくす試みがこれまでになされてきている。
【０００３】
このような従来技術の基本的なコンセプトは、電子回路の処理が可能な光変調部や光検出部などは電気的に低速に処理し、全光的に処理できる部分は光時分割多重により実現した電子回路の動作速度を超える超高速信号として処理するものである。このコンセプトに沿うものとして、現在までに４００Ｇｂｉｔ／ｓ、６４０Ｇｂｉｔ／ｓ、１．２８Ｔｂｉｔ／ｓ等の超高速伝送実験が報告されている。
【０００４】
図９は、光時分割多重を用いた超高速光通信システムを模式的に示す説明図である（非特許文献１参照）。
【０００５】
同図に示すように、光源１０１からのＦ0 Ｈｚのクロック周波数を有する光パルス列は、光時分割多重器（光ＭＵＸ：Multiplexer）１０２でＮ分岐され、それぞれが電気的に変調された後に遅延線により時間差を付加されＮ多重されてから光時分割多重分離器（光ＤＥＭＵＸ：Demultiplexer）１０３でＮチャネルに分離される。分離されたＦ０ ｂｉｔ／ｓの光信号は各通信チャネルに設けられた光検出器１０４でそれぞれ電気信号に変換されて電気的に処理される。
【０００６】
図１０は、図９の光時分割多重器１０２の構成例を示す図である。同図に示す光時分割多重器１０２では、入射されたＦ０  Ｈｚのクロック周波数を有する光パルス列が光強度分割器１０２１によりＮ分岐され、分岐された光りパルス列のそれぞれが定数倍の遅延時間差を有する遅延線を具備した光強度変調器１０２２により符号化された後に、再び光多重器１０２３により多重化され、Ｎ×Ｆ０ ｂｉｔ／ｓの光時分割多重信号が伝送される。    図１１に示すように、光時分割多重分離器（光ＤＥＭＵＸ）１０３では、Ｆ０ Ｈｚの繰り返し周波数を有する制御パルス列を、制御パルス光源１０５と光位相同期制御器（光ＰＬＬ）１０９を用いて同期させ、非線形相互作用（光カー効果）によって光時分割多重信号をＦ０ ｂｉｔ／ｓの光信号に分離する。
【非特許文献１】Satoki Kawanishi, "Ultrahigh-Speed Optical Time-Division-Multiplexed Transmission Technology Based on Optical Signal Processing", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 34, NO.11, NOVEMBER 1998
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１２に示すように、光時分割多重器（光ＭＵＸ）１０２では、時間的にＮ多重されたＮ×Ｆ０  ｂｉｔ／ｓの超高速信号を作る。しかしながら、この同一搬送波周波数成分の時間的な多重には、原理的に３ｄＢの結合損失が発生する。したがって、Ｎ多重では、Ｎ×３ｄＢの非常に大きな多重損失が発生する問題があった。また、多重前では、Ｉ０であった信号（パルス）の光強度は多重によって、１／Ｎ分割されて、Ｉ０／Ｎとなる。このため、光増幅器を用いた場合にもＳＮ比（光信号と雑音光の比）の向上は見込めないので伝送距離や中継距離間隔が制限される問題があった。さらに、光パルスの増幅は被増幅パルスのパルス幅が短くなほど非線形現象を誘起し、信号波形を劣化させる問題があり、短パルスの高出力化が困難であった。
【０００８】
そこで本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光信号を時間軸上でしかも高いＳＮ比で多重化することができる光多重化方法および装置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、請求項１の本発明は、複数の搬送波周波数を有する光信号の光強度を搬送周波数ごとに制御し、前記光信号の遅延時間を搬送波周波数ごとに制御し、光強度と遅延時間とを制御された光信号を波長多重するとともに、入射光の光強度に応じて屈折率が変化する光非線形媒質により、同一の搬送波周波数を有する光時分割多重信号に変換することを特徴とする光信号多重化方法をもって解決手段とする。
【００１０】
請求項２の本発明は、前記光強度を制御された光信号の光強度の比を維持したままで光強度を増幅することを特徴とする請求項１記載の光信号多重化方法をもって解決手段とする。
【００１１】
請求項３の本発明は、前記光時分割多重信号を構成する光パルスの内の隣り合うもの同士の偏光方向を直交させることを特徴とする請求項１または２記載の光信号多重化方法をもって解決手段とする。
【００１２】
請求項４の本発明は、前記光時分割多重信号を構成する光パルスを圧縮することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光信号多重化方法をもって解決手段とする。
【００１３】
請求項５の本発明は、前記光非線形媒質として光ファイバを用い、該光ファイバは前記光信号の中心波長よりも短い波長において零分散波長を有し且つ当該中心波長における波長分散が＋１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光信号多重化方法をもって解決手段とする。
【００１４】
請求項６の本発明は、複数の搬送波周波数を有する光信号の光強度を搬送周波数ごとに制御する光強度制御手段と、前記光信号の遅延時間を搬送波周波数ごとに制御する遅延時間制御手段と、光強度と遅延時間とを制御された光信号を波長多重するとともに、入射光の光強度に応じて屈折率が変化する光非線形媒質により、同一の搬送波周波数を有する光時分割多重信号に変換する光時分割多重手段とを備えることを特徴とする光信号多重化装置をもって解決手段とする。
【００１５】
請求項７の本発明は、前記光強度を制御された光信号の光強度の比を維持したままで光強度を増幅する手段を備えたことを特徴とする請求項６記載の光信号多重化装置をもって解決手段とする。
【００１６】
請求項８の本発明は、前記光時分割多重信号を構成する光パルスの内の隣り合うもの同士の偏光方向を直交させる手段を備えたことを特徴とする請求項６または７記載の光信号多重化装置をもって解決手段とする。
【００１７】
請求項９の本発明は、前記光時分割多重信号を構成する光パルスを圧縮する手段を備えたことを特徴とする請求項６ないし８のいずれかに記載の光信号多重化方法をもって解決手段とする。
【００１８】
請求項１０の本発明は、前記光時分割多重手段は、前記光非線形媒質である光ファイバを備え、該光ファイバは前記光信号の中心波長よりも短い波長において零分散波長を有し且つ当該中心波長における波長分散が＋１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上であることを特徴とする請求項６ないし９のいずれかに記載の光信号多重化装置をもって解決手段とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、複数の搬送波周波数を有する光信号の光強度を搬送周波数ごとに制御し、光信号の遅延時間を搬送波周波数ごとに制御し、光強度と遅延時間とを制御された光信号を波長多重するとともに、入射光の光強度に応じて屈折率が変化する光非線形媒質により、同一の搬送波周波数を有する光時分割多重信号に変換するので、光信号を時間軸上でしかも高いＳＮ比で多重化することができる。
【００２０】
また、制御された光信号の光強度の比を維持したままで光強度を増幅するので、光強度への要求仕様を低減することができる。
【００２１】
また、光時分割多重信号を構成する光パルスの内の隣り合うもの同士の偏光方向を直交させるので、これらの光パルス間で生じる干渉を低減することができる。
【００２２】
また、光時分割多重信号を構成する光パルスを圧縮するので、パルス幅への要求特性を低減することができる。
【００２３】
また、光非線形媒質である光ファイバは光信号の中心波長よりも短い波長において零分散波長を有し且つ当該中心波長における波長分散が＋１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上であるので、効率的な周波数変換を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態に係る光信号多重化装置１の構成を示す図である。光信号多重化装置１は、光強度と遅延時間が制御されたＷＤＭ信号を、一括で同一波長（同一の搬送波周波数）を有する光信号に変換することで、多重時に原理的には損失が発生しない光信号の時間的な多重化装置として実現されたものである。本実施の形態では、ＷＤＭ信号は４信号（４チャネル）から構成されるが、本発明では４信号に限定するものではなく、ＷＤＭ信号は２信号以上であればよい。
【００２６】
光信号多重化装置１は、複数の搬送波周波数を有する光信号の振幅（光強度）を搬送周波数ごとに制御する光振幅制御部１１（光強度制御手段）と、当該光信号の遅延時間を搬送周波数ごとに制御する光遅延時間制御部１２（遅延時間制御手段）と、光強度および遅延時間を制御された光信号を波長多重するＷＤＭ信号多重部１３と、入射光の光強度に応じて屈折率が変化する非線形媒質により、波長多重された信号の搬送周波数を同一の搬送波周波数に変換することで、同一の搬送波周波数を有する光時分割多重信号（ＯＴＤＭ信号：Optical Time-Division-Multiplexed信号）を得る光周波数変換部１４と、光時分割多重信号から搬送波以外の周波数成分（信号成分）を取り出す光周波数選択部１５とを備える。ここでは、ＷＤＭ信号多重部１３と光周波数変換部１４とにより光時間多重手段が構成される。本実施の形態では、これらブロックが当該一連の処理を順番に行うことによって光多重化方法を実行するようになっている。
【００２７】
図２（ａ）は、ＷＤＭ信号多重部１３におけるＷＤＭ信号を模式的に示す図であり、図２（ｂ）は、光時分割多重信号を模式的に示す図である。なお、ＷＤＭ信号多重部１３は、例えば、アレイ導波路格子などで構成することができる。
【００２８】
図３は、光周波数変換部１４の構成を示す図である。光周波数変換部１４には、光強度を制御された光信号の光強度の比を維持したままで光強度を増幅する光増幅部１４１と、光時分割多重信号を構成する光パルスのパルス幅を圧縮する光信号圧縮部１４２を設けることができる。
【００２９】
光周波数変換部１４では、光カー効果を利用した、ソリトン自己周波数シフトまたはラマンソリトンと呼ばれるパルス内誘導ラマン拡散により光強度に応じた周波数シフトが起きている。この現象は非常に高速な動作であるため周波数シフトはピコ秒（１０−１２）以下で起きる。この周波数シフトでは、パルスに内在する短波長成分が、ラマン利得を誘起するポンプとして機能しエネルギーを連続的に長波長成分へと転換する。周波数シフト量は、入射パルスのパルス幅Ｔの４乗、すなわちＴ４に比例する。具体的には、周波数のシフト量ｄλ（ＴＨｚ／ｋｍ）とパルス幅Ｔには次式の関係がある。
【００３０】
ｄλ＝０．０４３６／Ｔ４
図４は、ＷＤＭ信号を用いて、入射光の光強度によって波長シフト（周波数シフト）を誘起した実験の結果を示す図である。このとき、ＷＤＭ信号のパルス幅は、４．４ｐｓ（チャネル１）、４．７ｐｓ（チャネル２）、４．７ｐｓ（チャネル３）、４．７ｐｓ（チャネル４）であり、入射波長は、１５６０ｎｍ（チャネル１）、１５５７．６ｎｍ（チャネル２）、１５５９．２ｎｍ（チャネル３）、１５６０．９ｎｍ（チャネル４）である。なお、非線形媒質としては、長さが２．５ｋｍ程度の光ファイバを使用した。図４より、入射光の光強度に比例して波長が変化することがわかる。また、入射する信号波長により、入射光強度と周波数シフト量の関係が異なることがわかる。なお、光非線形媒質はこれに限定されるものでなく、ファイバの種類および長さも入射光の条件により最適化する必要がある。
【００３１】
なお、光非線形媒質に光ファイバを用いる場合には、ファイバ中でソリトン波を発生させるために、ファイバの零分散波長は入射光の中心波長よりも短波長になくてはならない。
【００３２】
さらに、ソリトンの自己周波数シフトを効率的に発生させるためには、入射光の中心波長において、ファイバの波長分散が＋１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上であることが要求される。  これは、図５に示すように波長分散が小さい場合には、ソリトンの自己周波数シフトよりも低しきい値である四光波混合が、入射スペクトルの短波長および長波長側に誘起されてしまうため、効率的なソリトンの自己周波数シフトの発生が困難になる。
【００３３】
図６は、ＷＤＭ信号多重部１３の構成を示す図である。ＷＤＭ信号多重部１３には、光時分割多重信号を構成する光パルスの内の隣り合うもの同士の偏光方向を直交させる偏光方向制御部１３１を設けることができる。
【００３４】
ＷＤＭ信号は搬送波周波数が異なるので、波長多重による損失は原理的に発生しないが、搬送波周波数を同一にすると干渉が生じるので、偏光方向制御部１３１を設けることにより当該干渉を低減することができる。
【００３５】
図７は、光時分割多重信号信号のスペクトル波形を示す図である。ここでは、光増幅部１４１の雑音光も示されている。入射したＷＤＭ信号よりも長波長側に光時分割多重信号信号（ＯＴＤＭ信号）のスペクトル成分を見ることができる。
【００３６】
図８は、光時分割多重信号信号から光周波数選択部１５が取り出した信号成分のオシロスコープ波形を示す図であり、特に、図８（ａ）は遅延時間差を２００ｐｓに、図８（ｂ）は遅延時間差を５０ｐｓにそれぞれ制御したときの波形を示す図である。
【００３７】
なお、光周波数選択部１５は、ガラス基板上（ＰＬＣ）に作製されたアレイ導波路格子などの周波数選択性のある光フィルタであれば、特に限定することはなく、多層膜フィルタでも、マッハ・ツェンダ型干渉計やマイケルソン干渉計等でもよい。
【００３８】
以上説明したように、本実施の形態では、ＳＮ比の高い時間的な光信号の多重が可能となる。光非線形現象の中で特に安定に動作するソリトン波を用いて動作するため安定性が非常に高い。しかも、極めて実用性が高くしかも応用範囲が広い。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る光信号多重化装置１の構成を示す図である。
【図２】図２（ａ）は、ＷＤＭ信号多重部１３におけるＷＤＭ信号を模式的に示す図であり、図２（ｂ）は、光時分割多重信号を模式的に示す図である。
【図３】光周波数変換部１４の構成を示す図である。
【図４】ＷＤＭ信号を用いて、入射光の光強度によって周波数シフトを誘起した実験の結果を示す図である。
【図５】各種ファイバの波長分散を示す図である。
【図６】ＷＤＭ信号多重部１３の構成を示す図である。
【図７】光時分割多重信号信号のスペクトル波形を示す図である。
【図８】光時分割多重信号信号から光周波数選択部１５が取り出した信号成分のオシロスコープ波形を示す図であり、特に、図８（ａ）は遅延時間差を２００ｐｓに、図８（ｂ）は遅延時間差を５０ｐｓにそれぞれ制御したときの波形を示す図である。
【図９】光時分割多重を用いた従来の超高速光通信システムを模式的に示す説明図である。
【図１０】図９の光時分割多重装置（光ＭＵＸ）１０２の構成例を示す図である。
【図１１】図９の光多重信号分離装置（光ＤＥＭＵＸ）１０３の動作を模式的に示す図である。
【図１２】図９の光時分割多重装置（光ＭＵＸ）１０２の動作を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  光信号多重化装置
１１  光振幅制御部
１２  光遅延時間制御部
１３  ＷＤＭ信号多重部
１４  光周波数変換部
１５  光周波数選択部
１３１  偏光方向制御部
１４１  光増幅部
１４２  光信号圧縮部
【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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【図１０】
2005303625.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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