JP5640988B2

JP5640988B2 - 光信号処理装置および光ネットワークシステム

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Publication number: JP5640988B2
Application number: JP2011538173A
Authority: JP
Inventors: 渡辺　茂樹; 茂樹渡辺
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2014-12-17
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Description

本件は、信号光に情報を逐次的に重畳・多重する光信号処理装置および光ネットワークシステムに関する。

将来の光ネットワークは、例えば、従来の光通信システムをベースとしつつ、中継光ノード等、端局装置から離れた地点に置かれた装置において、信号光の分岐挿入やスイッチング等の処理を行う必要がある。その際、できるだけ光信号と電気信号との間の変換なしに、情報を伝搬・処理していくことが、エネルギー効率の観点から有効である。

しかし、現状の中継光ノード等においては、端局装置のように光−電気変換を用いて信号処理を行っており、例えば、伝送されてきた信号光をいったん電気信号に変換し、これを電気的に処理した後、再び光信号に変換している。このため、装置構成は複雑となり、また、光−電気変換のために大きな電力を必要とする。

ところで、光ネットワークでは、各所においてリアルタイムに各種情報をモニタし、その情報を基に、有効なネットワーク制御を行っている。将来の光ネットワークにおいては、この情報の情報量は増大し、省エネルギーの光ネットワークを実現することが有効となる。また、より柔軟な光ネットワークを実現するためには、光ノードに限らず、任意の地点において情報をネットワークに挿入できる機能が有効となる。

しかし、現状では、情報の挿入は、光ノード装置や端局装置において行われており、特にモニタ情報は、信号光を光−電気変換して信号光のヘッダ部に書き込むか、または、専用の光波を用いるなどして伝搬されている。

なお、送信局と、受信局との間に、光伝送路を介して敷設される中継局に、送信局からの入力信号光および励起光を非線形光学媒質に供給する信号光／励起光供給手段と、非線形光学媒質に供給された入力信号光および励起光により、入力信号光に励起光により変調された出力信号光および位相共役光を抽出する信号光／位相共役光抽出手段とを有する位相共役光発生装置と、励起光を中継局固有の監視データにより変調する変調手段を備え、変調された監視データを含む信号光および位相共役光を受信局へ送信することを特徴とする伝送技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３４３６３１０号公報

このように、従来の光ネットワークでは、信号光を光−電気変換を行うことにより、他の信号を挿入したり、情報を伝搬するため、大きな電力損失が生じるという問題点があった。

本件はこのような点に鑑みてなされたものであり、信号光を光−電気変換することなく光ネットワークに挿入される情報や光ネットワークに関する情報を信号光に載せることにより、電力損失を抑制する光信号処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、光信号処理装置が提供される。この光信号処理装置は、互いに周波数が異なる第１〜第ｎの搬送波信号に対して、互いに異なる情報を含む第１〜第ｎの制御信号をそれぞれ乗算して、第１〜第ｎのサブキャリア信号を生成する第１〜第ｎのサブキャリア信号生成器と、前記第１〜第ｎのサブキャリア信号が周波数多重された信号で変調された第２の信号光を出力する光源と、第１の信号光に前記情報を有する前記第２の信号光を合波して非線形光学媒質に入力し、前記非線形光学媒質において前記第２の信号光の強度変化により前記第１の信号光を変調する光変調器と、を有する。

上記光信号処理装置によれば、電力損失を抑制することができる。
本発明の上記および他の目的、特徴および利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。

第１の実施の形態に係る光信号処理装置を示した図である。第２の実施の形態に係る光信号処理装置を示した図である。第３の実施の形態に係る光信号処理装置を示した図である。第４の実施の形態に係る光信号処理装置を示した図である。第５の実施の形態に係る光信号処理装置を示した図である。第６の実施の形態に係る光信号処理装置を示した図である。第７の実施の形態に係る光信号処理装置を示した図である。第８の実施の形態に係る光信号処理装置を示した図である。光信号処理装置の制御光の別の変調例を示した図である。第９の実施の形態に係る受信機を示した図である。ＲＦ搬送波で変調された光信号を復調する受信機の例を示した図である。第１０の実施の形態に係る受信機を示した図である。第１１の実施の形態に係る受信機を示した図である。第１２の実施の形態に係る光ネットワークを示した図である。周波数多重を用いて光変調する場合の例を示した図である。光信号処理装置の適用例を示した図である。光信号処理装置の適用例を示した図である。第１３の実施の形態に係る光信号処理装置を示した図である。

以下、第１の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、第１の実施の形態に係る光信号処理装置を示した図である。図１に示すように、光信号処理装置は、光変調器１を有している。

光変調器１には、波長λ_Sの信号光Ｅ_Sと、波長λ_Ctの制御光Ｅ_Ctとが入力される。信号光Ｅ_Sは、光ネットワークを伝搬している信号光である。信号光Ｅ_Sは、例えば、連続発振(CW)光、あるいはユーザデータを有する信号光である。制御光Ｅ_Ctは、例えばユーザデータや光ネットワークに関する情報を有する信号光である。これらの情報は、例えば、中継光ノードにおいてネットワークに挿入されるデータ信号や光ネットワークを形成している光ネットワーク装置の運用・管理のための情報、監視映像や温度・圧力・電力などの情報などである。

光変調器１は、非線形光学媒質を有している。光変調器１は、入力される信号光Ｅ_Sと制御光Ｅ_Ctとを合波して非線形光学媒質に入力し、非線形光学媒質において、制御光Ｅ_Ctにより信号光Ｅ_Sを変調し、制御光Ｅ_Ctの情報に基づいた波長λ_Sの変調光Ｅ_Oを出力する。

例えば、図１に示す波形の信号光Ｅ_Sと制御光Ｅ_Ctとが光変調器１に入力されるとする。この場合、信号光Ｅ_Sは、光変調器１によって、図１の変調光Ｅ_Oの波形に示すように、制御光Ｅ_Ctによって強度変調される。すなわち、光信号処理装置は、信号光Ｅ_Sを光−電気変換することなく、制御光Ｅ_Ctの情報を光ネットワーク上に流れている信号光Ｅ_Sに重畳することができる。

このように、光信号処理装置は、波長λ_Sの信号光Ｅ_Sを非線形光学媒質において波長λ_Ctの制御光Ｅ_Ctの情報により変調する。これにより、制御光Ｅ_Ctの情報は、信号光Ｅ_Sを光−電気変換することなく信号光Ｅ_Sに重畳することができ、電力損失を抑制することができる。

また、光ネットワークの任意の地点において、情報を光ネットワークに挿入・伝送し、伝送後に上記挿入された情報を受信し、その任意の地点からの情報として認識することが可能となる。また、情報がモニタ情報などの場合において、例えば、無線ネットワークなどの別の通信ネットワークを用いて伝搬しなくて済み、コストを低減することができる。

なお、図１のように、信号を重畳する場合には、光変調器１は、信号光Ｅ_Sのデータ信号に影響を与えない程度に、制御光Ｅ_Ctにより信号光Ｅ_Sを変調するようにする。
次に、第２の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。第２の実施の形態では、ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）信号光を制御光によって変調する例を説明する。

図２は、第２の実施の形態に係る光信号処理装置を示した図である。図２に示すように、光信号処理装置は、光変調器１１を有している。
光変調器１１には、波長λ_S1，λ_S2，…，λ_SNの信号光Ｅ_S1，Ｅ_S2，…，Ｅ_SNを有するＮチャネルのＷＤＭ信号光と、波長λ_Ctの制御光Ｅ_Ctとが入力される。

光変調器１１は、非線形光学媒質を有している。光変調器１１は、入力されるＷＤＭ信号光と制御光Ｅ_Ctと合波して非線形光学媒質に入力し、非線形光学媒質において、制御光Ｅ_CtによりＷＤＭ信号光を変調し、制御光Ｅ_Ctの情報に基づいた波長λ_S1，λ_S2，…，λ_SNの変調光Ｅ_O1，Ｅ_O2，…，Ｅ_ON（ＷＤＭ信号光）を出力する。すなわち、光変調器１１は、制御光Ｅ_Ctの有する情報を載せた変調光Ｅ_O1，Ｅ_O2，…，Ｅ_ONのＷＤＭ信号光を出力する。

このように、光信号処理装置は、ＷＤＭ信号光を制御光Ｅ_Ctにより変調することができる。
次に、第３の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。第３の実施の形態では、第２の実施の形態で変調したＷＤＭ信号光を分波器で分波する例を説明する。

図３は、第３の実施の形態に係る光信号処理装置を示した図である。図３に示すように、光信号処理装置は、光変調器１１および分波器２１を有している。なお、光変調器１１は、図２の光変調器と同様であり、その説明を省略する。

分波器２１は、光変調器１１によって変調されたＷＤＭ信号光を各波長λ_S1，λ_S2，…，λ_SNの変調光Ｅ_O1，Ｅ_O2，…，Ｅ_ONに分波して出力する。
すなわち、図３の光信号処理装置では、光変調器１１によって変調されたＷＤＭ信号光を、分波器２１によって各波長の変調光に分波して出力する。これにより、異なる波長帯の光システムとの整合が可能となる。

次に、第４の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。第４の実施の形態では、光ファイバの光パラメトリック増幅によって信号光を制御光によって変調する例を説明する。

図４は、第４の実施の形態に係る光信号処理装置を示した図である。図４に示すように、光信号処理装置は、光カプラ３１、光ファイバ３２、および光フィルタ３３を有している。

光カプラ３１には、波長λ_Sの信号光Ｅ_Sと、波長λ_Ct、光パワーＰ_Ctの制御光Ｅ_Ctとが入力される。光カプラ３１は、信号光Ｅ_Sと制御光Ｅ_Ctとを合波して、光ファイバ３２に出力する。光カプラ３１には、例えば、ＷＤＭカプラを用いることができる。ＷＤＭカプラは、透過損失が小さく、信号光Ｅ_Sにほとんど影響を与えることなく、制御光Ｅ_Ctを合波・分波することができる。

光ファイバ３２は、制御光Ｅ_Ctを励起光とし、制御光Ｅ_Ctの光パワーＰ_Ctの強度変化によって信号光Ｅ_Sを変調し、波長λ_Sの変調光Ｅ_Oを出力する。信号光Ｅ_Sは、制御光Ｅ_Ctの光パワーＰ_Ctを大きくするにつれ、光ファイバ３２の四光波混合（ＦＷＭ：Four-Wave Mixing）の発生により、光パラメトリック増幅される。これにより、信号光Ｅ_Sは、制御光Ｅ_Ctの有する情報（例えば、０，１）に応じて振幅変調することができる。

光フィルタ３３は、制御光Ｅ_Ctを遮断し、信号光Ｅ_Sを通過させる光フィルタである。光フィルタ３３には、例えば、光帯域フィルタ、信号光Ｅ_S以外の波長成分を遮断する帯域遮断フィルタ、ＷＤＭ光カプラ（光カプラ３１と入出力を逆向きに用いる）等を用いてもよい。

このように、光信号処理装置は、波長λ_Sの信号光Ｅ_Sを光ファイバ３２において波長λ_Ctの制御光Ｅ_Ctの強度変化により変調する。これにより、制御光Ｅ_Ctに含まれる情報は、信号光Ｅ_Sを光−電気変換することなく波長λ_Sの信号光Ｅ_Sに重畳することができる。

なお、光パラメトリック増幅は、制御光Ｅ_Ctと同じ偏光成分の信号光Ｅ_Sに対して選択的に発生する。従って、信号光Ｅ_Sと制御光Ｅ_Ctは、偏光制御器を用いて偏光状態を最適な状態、あるいはランダムな状態（偏光スクランブル）に制御するか、または、偏光ダイバーシティ構成により、任意の偏光状態に対して動作するようにしてもよい。

また、光ファイバ３２内のＦＷＭや光パラメトリック増幅の応答時間は、フェムト秒オーダーと光速であり、テラビットを超える光速の光変調も可能であり、制御光Ｅ_Ctのデータ速度に依存することなしに動作可能である。

また、図４の光信号処理装置は、図２で説明したようにＷＤＭ信号を変調することもでき、図３で説明したように分波器で変調されたＷＤＭ信号を分波することもできる。
また、光ファイバ３２の後段に制御光Ｅ_Ctを出力しないようにするための光フィルタを配置するようにしてもよい。例えば、信号光Ｅ_Sと制御光Ｅ_Ctを分波し、波長λ_Sの信号光Ｅ_Sを通過させるＷＤＭカプラを配置する。これにより、光ネットワークに制御光Ｅ_Ctを伝搬させないようにすることができる。

次に、第５の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。第５の実施の形態では、アイドラ光を変調する例を説明する。
図５は、第５の実施の形態に係る光信号処理装置を示した図である。図５に示すように、光信号処理装置は、光カプラ４１、光ファイバ４２、および光フィルタ４３を有している。

光カプラ４１は、図４で説明した光カプラ３１と同様である。光カプラ４１は、信号光Ｅ_Sと制御光Ｅ_Ctとを合波して、光ファイバ４２に出力する。
光ファイバ４２は、ＦＷＭにより発生する信号光Ｅ_Sのアイドラ光（波長λ_I）を、強度変調光として出力する。アイドラ光の発生効率は、励起光である制御光Ｅ_Ctの光パワーＰ_Ctの二乗に比例するので、高い効率での光強度変調が可能となる。

光フィルタ４３は、信号光Ｅ_Sおよび制御光Ｅ_Ctによって光変調されたアイドラ光（変調光Ｅ_O）と信号光Ｅ_Sを通過させる光フィルタである。光フィルタ４３には、例えば、光帯域フィルタ、信号光Ｅ_Sと変調光Ｅ_O以外の波長成分を遮断する帯域遮断フィルタ、ＷＤＭ光カプラを用いてもよい。なお、図５では、光フィルタ４３の出力において、信号光Ｅ_Sの波形の図示を省略している。

このように、光信号処理装置は、波長λ_Ctの制御光Ｅ_Ctの強度変化により、光ファイバ４２において発生する波長λ_Iのアイドラ光を変調する。これにより、制御光Ｅ_Ctの情報は、信号光Ｅ_Sを光−電気変換することなく波長λ_Iのアイドラ光に重畳することができる。

なお、図５の光信号処理装置は、図２で説明したようにＷＤＭ信号を変調することもでき、図３で説明したように分波器で変調されたＷＤＭ信号を分波することもできる。
以下、光パラメトリック増幅とアイドラ光について説明する。制御光Ｅ_Ct、アイドラ光、および信号光Ｅ_Sの周波数をそれぞれ、ω_Ct、ω_I、およびω_Sとする。ω_Ct、ω_I、およびω_Sは、次の式（１）を満たす。

ω_Ct−ω_I＝ω_S−ω_Ct≠０ …（１）
ここで、非線形光学媒質として光ファイバを用い、光ファイバの長さをＬ、損失をαとする。また、光ファイバにおいて、すべての光波の偏光状態は等しいものとし、制御光Ｅ_Ctの入力パワーは、信号光Ｅ_Sの光パワーおよびアイドラ光の光パワーに比べて十分に大きいものと仮定する。

一例として、制御光Ｅ_Ctの波長λ_Ctを光ファイバの零分散波長λ₀に調整する場合には、光ファイバから出力される信号光Ｅ_Sおよびアイドラ光は、それぞれ近似的に次の式（２），（３）に示す利得Ｇ_Sおよび利得Ｇ_Iを得る。

なお、φ（Ｌ）は、非線形光位相シフトを表し、次の式（４）で与えられる。

ここに、Ｐ_P（０）は、制御光Ｅ_Ctの入力パワーを表す。また、Ｐ_P（０）の右式は、非線形相互作用長を表し、次の式（５）で示される。

また、γは、三次非線形定数を表し、次の式（６）で与えられる。

ここに、ｎ₂およびＡ_effは、それぞれ光ファイバ内の非線形屈折率および有効コア断面積を表す。
光パラメトリック増幅の利得Ｇ_Sは、非線形定数、励起光である制御光Ｅ_Ctの入力パワー、相互作用長の大きさに対して非線形的に変化する。特に、λ_Ct＝λ₀の条件下においては、式（２）、（３）に示したように、積の大きさの二乗分だけ利得が増加し、この増加分に相当するパワー変動が振幅変調となる。

ここで、光パラメトリック効果の発生効率は、相互作用する光波の偏光状態に強く依存する。具体的には、光ファイバに入力される光波の偏光状態が互いに同じである場合に、四光波混合の発生効率が最大となり、光波の偏光状態が互いに直交している場合には、四光波混合はほとんど発生しない。

式（３）より、アイドラ光の発生効率は、およそ励起光である制御光Ｅ_Ctの光パワーの二乗に比例するので、高い光パワーレベルの制御光Ｅ_Ctを用意することにより、高い効率での光強度変調が可能となる。

光強度変調器としては、上記の他にマッハ・ツェンダ干渉計型光ファイバスイッチ、非線形光ループミラー型スイッチ等を用いることも可能である。
なお、光ファイバは、零分散波長を励起光である制御光Ｅ_Ctの波長よりも短波長側に有し、制御光Ｅ_Ctの波長における波長分散および信号光Ｅ_Sと制御光Ｅ_Ctとの周波数差の積の値を、非線形光学係数、制御光Ｅ_Ctの光パワー、および光ファイバの長さの積の約２倍に一致させるようにしてもよい。

次に、第６の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。第６の実施の形態では、光ファイバ内の相互位相変調（ＸＰＭ：Cross Phase Modulation）を用いた光位相変調の例を説明する。この場合、同じ制御光パワーに対して、式（４）で与えられる値の２倍の値の位相変調をかけることができる。その際、光ファイバの零分散波長と制御光の波長を一致させる必要はない。

図６は、第６の実施の形態に係る光信号処理装置を示した図である。図６に示すように、光信号処理装置は、光カプラ５１、光ファイバ５２、および光フィルタ５３を有している。

光カプラ５１は、図４で説明した光カプラ３１と同様である。光カプラ５１は、信号光Ｅ_Sと制御光Ｅ_Ctとを合波して、光ファイバ５２に出力する。
制御光Ｅ_Ctの偏光状態と信号光Ｅ_Sの偏光状態は、所望の光変調を得ることができるように調整して光カプラ５１に入力する。例えば、制御光Ｅ_Ctの偏光状態は、偏光制御器を用いて信号光Ｅ_Sの偏光状態に一致させる。あるいは、二つの直交偏波毎に変調度のほぼ同じ光変調をかける偏光ダイバーシティ方式を用いてもよい。

光ファイバ５２は、制御光Ｅ_Ctの強度変化により、信号光Ｅ_Sの位相を変化させる（ＸＰＭ）。すなわち、光ファイバ５２は、制御光Ｅ_Ctの強度変化に応じた光位相変調を信号光Ｅ_Sに与える。

例えば、図６の変調光Ｅ_Oの波形に示すように、制御光Ｅ_Ctの光パワーＰ_Ctが小さいとき、信号光Ｅ_Sの位相はφ₁となり、制御光Ｅ_Ctの光パワーＰ_Ctが大きいとき、信号光Ｅ_Sの位相はφ₂となる。

与えられる位相変調の位相差Δφ＝｜φ₁−φ₂｜は、制御光Ｅ_Ctの強度と、光ファイバ５２の非線形計数および長さによって決めることができる。
光フィルタ５３は、図４で説明した光フィルタ３３と同様である。光フィルタ５３は、信号光Ｅ_Sを抽出して出力する。

このように、光信号処理装置は、波長λ_Sの信号光Ｅ_Sを光ファイバ５２において波長λ_Ctの制御光Ｅ_Ctにより位相変調する。これにより、制御光Ｅ_Ctの情報は、信号光Ｅ_Sを光−電気変換することなく波長λ_Sの信号光Ｅ_Sに載せることができる。

なお、非線形光学媒質が３次または２次の非線形光学媒質である場合には、信号光Ｅ_Sは、非線形光学媒質において制御光Ｅ_Ct（励起光）による光Kerr効果や光パラメトリック効果により光位相変調される。より具体的には、光ファイバ等の３次非線形光学媒質や、分極反転構造（擬似位相整合構造）のLiNbO₃（Periodically-poled LN）導波路等の２次非線形媒質等を用いて実現できる。

また、図６の光信号処理装置は、図２で説明したようにＷＤＭ信号を変調することもでき、図３で説明したように分波器で変調されたＷＤＭ信号を分波することもできる。
次に、第７の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。第７の実施の形態では、光信号処理装置の制御光の変調について説明する。

図７は、第７の実施の形態に係る光信号処理装置を示した図である。図７に示すように、光信号処理装置は、ＬＤ（Laser Diode）６１を有している。
ＬＤ６１には、図７に示すような情報である制御信号Ｂが入力される。ここで、制御信号Ｂは振幅変調、位相変調、周波数変調、あるいは必要に応じて多値変調等の変調方式で作成される。ＬＤ６１は、入力される制御信号Ｂに応じて、図７に示すような光パワーＰ_Ct、波長λ_Ctの制御光Ｅ_Ctを出力する。制御光Ｅ_Ctは、例えば、図１〜図３に示した光変調器１，１１、図４〜図６に示した光カプラ３１，４１，５１に出力される。

このように、光信号処理装置は、情報である制御信号Ｂにより制御光Ｅ_Ctを変調する。これにより、光信号処理装置は、情報を有する制御光Ｅ_Ctによって、信号光Ｅ_Sを変調することができる。

次に、第８の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。第８の実施の形態では、光信号処理装置の制御光の別の変調例について説明する。
図８は、第８の実施の形態に係る光信号処理装置を示した図である。図８に示すように、光信号処理装置は、乗算器７１、局発振器７２、およびＬＤ７３を有している。

乗算器７１は、制御信号Ｂと発振器７２から出力されるＲＦ（Radio Frequency）の搬送波（サブキャリア信号）とを乗算する。発振器７２は、例えば、周波数ｆの搬送波を出力する。これにより、乗算器７１からは、周波数ｆの搬送波が情報信号により変調された（サブキャリア変調された）制御信号Ｂ（ｆ）が出力される。

ＬＤ７３は、乗算器７１から出力される制御信号Ｂ（ｆ）により、駆動電流が変調され、それに応じて、光パワーＰ_Ct、波長λ_Ctの制御光Ｅ_Ctを出力する。
すなわち、ＬＤ７３からは、周波数ｆで変調された光キャリアが、情報信号Ｂで変調され、制御光Ｅ_Ctが出力される。制御光Ｅ_Ctは、例えば、図１〜図３に示した光変調器１，１１、図４〜図６に示した光カプラ３１，４１，５１に出力される。

このように、光信号処理装置は、データ情報である制御信号Ｂにより変調ＲＦ搬送波を光キャリアに載せて（変調して）出力する。これにより、光信号処理装置は、サブキャリア変調されたデータ情報を有する制御光Ｅ_Ctによって、信号光Ｅ_Sを変調することができる。

なお、上記では、変調器としてＬＤ６１，７３を用い、レーザを直接変調する方式の例を示したが、連続発振光に外部変調器を用いて変調するようにしてもよい。外部変調器の例としては、例えば、LiNbO₃強度／位相変調器や電界吸収型変調器（ＥＡ：Electronic Absorption）、半導体アンプ、非線形媒質等がある。また、変調方式も振幅変調、位相変調、周波数変調等、あらゆる方式を適用可能である。

さらに、信号光Ｅ_Sがデータ変調光である場合には、上記周波数ｆを、データ信号のベースバンド帯域よりも十分高い周波数に設定することにより、信号光Ｅ_Sのデータ信号と制御信号Ｂが同一周波数帯域に存在することによる互いの品質劣化を防ぐことが可能である。

図９は、光信号処理装置の制御光の別の変調例を示した図である。図９に示すように、光信号処理装置は、ＬＤ７６ａ、周波数ｆの信号を出力する局発振器７６ｂ、周波数ｆの信号が入力される光変調器７６ｃ、および情報信号Ｂが入力される光変調器７６ｄを有している。

図９に示すように、周波数ｆおよび制御信号Ｂに対して外部変調器を２台用いる場合、。高い周波数ｆを用いて、比較的高速の情報を載せる場合などに有効である。
なお、図６の例においては、簡単のため位相変調はφ₁、φ₂の２値変調として説明したが、上記のようなＸＰＭを用いて光サブキャリア変調を行う場合には、振幅変調も含め、光変調としてはアナログ変調となる。

次に、第９の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。第９の実施の形態では、データ情報を復調する受信機について説明する。
図１０は、第９の実施の形態に係る受信機を示した図である。図１０に示すように、光信号処理装置は、ＰＤ（Photo Diode）８１、増幅器８２、ＬＰＦ（Low Pass Filter）８３、および復調回路８４を有している。図１０に示す受信機は、例えば、図７で説明した制御信号Ｂを復調する。

ＰＤ８１には、信号光Ｅ_Sが入力される。ＰＤ８１は、信号光Ｅ_Sを電気信号に変換する受光器であり、ＰＤ８１からは、例えば、図４の変調光Ｅ_Oに示す波形の電気信号が出力される。

増幅器８２は、ＰＤ８１から出力される電気信号を増幅する。ＬＰＦ８３は、増幅器８２によって増幅された電気信号の低域周波数帯域を通過させる。例えば、ＬＰＦ８３は、図４の変調光Ｅ_Oに示す波形の包絡線を通過させる。

復調回路８４は、例えば、制御信号Ｂの変調方式に応じて、制御信号Ｂを復調する回路である。なお、制御信号Ｂが強度変調の場合、復調回路８４は不要である。
このように、受信機は、信号光Ｅ_Sから情報（制御信号Ｂ）を復調することができる。

なお、復調回路８４の後段には、復調した情報の誤り検出や揺らぎ等を解消するデジタル信号処理回路を設けてもよい。
図１１は、図８で示したようなＲＦ搬送波で変調された光信号を復調する受信機の例を示した図である。図１１に示すように、受信機は、ＰＤ８６ａ、増幅器８６ｂ、ＢＰＦ（Band Pass Filter）８６ｃ、および復調回路８６ｄを有している。

図１１の受信機では、ＰＤ８６ａを用いて電気信号に変換し、サブキャリア信号の周波数ｆを中心に通過させるＢＰＦ８６ｃを透過した後、復調回路８６ｄを用いて制御信号Ｂを復調する。

次に、図１１の受信機の具体例である第１０の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。第１０の実施の形態では、情報を復調する受信機の他の例について説明する。
図１２は、第１０の実施の形態に係る受信機を示した図である。図１２に示すように、受信機は、ＰＤ９１、増幅器９２、ＢＰＦ９３、乗算器９４、およびＬＰＦ９５を有している。図１２に示す受信機は、例えば、図８で説明した制御信号Ｂを復調する。

ＰＤ９１には、信号光Ｅ_Sが入力される。ＰＤ９１は、信号光Ｅ_Sを電気信号に変換する受光器であり、ＰＤ９１からは、例えば、図８で説明したＲＦ搬送波で変調された光信号を電気信号に変換した（サブキャリア変調）制御信号Ｂ（ｆ）が出力される。

増幅器９２は、ＰＤ９１から出力される電気信号を増幅する。ＢＰＦ９３は、増幅器９２によって増幅された電気信号を、サブキャリア信号の周波数を中心に通過させる帯域透過フィルタである。ＢＰＦ９３の中心通過帯域の周波数は、例えば、図８で説明した局発振器７２の周波数ｆを設定する。

図１２の例では、乗算器９４は、２乗検波器を構成しており、受信信号の包絡線を出力する。ＬＰＦ９５は、２乗検波器から出力される信号の低周波数成分を通過さる。例えば、ＬＰＦ９５は、図８で説明した制御信号Ｂの基本帯域以下の信号を通過させる。これにより、例えば、図８で説明した情報の制御信号Ｂを得ることができる。なお、２乗検波器としては、上記構成の他に、抵抗、コンデンサ、およびコイルを用いた半波整流回路等を用いることも可能である。

このように、受信機は、信号光Ｅ_Sからサブキャリア変調された情報（制御信号Ｂ（ｆ））を復調することができる。
なお、図１２の受信機において、信号光Ｅ_Sに局発光を合波してＰＤ９１に入力するようにしてもよい。局発光の周波数（波長）は、信号光の周波数（波長）と所望の離調周波数（ｆ_IF）分だけ異なるものとする。これにより、ＰＤ９１からは、中間周波数帯（ｆ_IF）の電気信号を得ることができる。

また、ＬＰＦ９５の後段には、復調した情報の誤り検出や揺らぎ等を解消するデジタル信号処理回路を設けてもよい。
次に、第１１の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。第１１の実施の形態では、情報を復調する受信機の他の例について説明する。

図１３は、第１１の実施の形態に係る受信機を示した図である。図１３において、図１２と同じものには同じ符号を付し、その説明を省略する。
図１３の受信機では、乗算器９４の２乗検波器の一方の入力にＣＲ（Clock Recovery）回路１０１とＰＬＬ（Phase Lock Loop）回路１０２が設けられている。

ＣＲ回路１０１は、ＢＰＦ９３から出力される電気信号に基づいて、サブキャリア信号の周波数を有するクロックを生成する。例えば、図８で説明した局発振器７２の周波数ｆを有するクロックを生成する。

ＰＬＬ回路１０２は、乗算器９４に入力されるＢＰＦ９３から出力される電気信号の位相と、ＣＲ回路１０１から出力されるクロックの位相とを同期させる。
このように、受信機は、一方の入力にＣＲ回路１０１とＰＬＬ回路１０２が接続された同期検波器によっても信号光Ｅ_Sからサブキャリア変調された位相情報（制御信号Ｂ（ｆ））を復調することができる。

次に、第１２の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。第１２の実施の形態では、光信号処理装置を適用した光ネットワークについて説明する。
図１４は、第１２の実施の形態に係る光ネットワークを示した図である。図１４に示すように、光ネットワークは、光ファイバ１１１ａ〜１１１ｉおよび光信号処理装置１１２ａ〜１１２ｅを有している。光信号処理装置１１２ａ〜１１２ｅは、図１４の左側から、１番目、…、ｊ−１番目、ｊ番目、ｊ＋１番目、…、ｎ番目の光信号処理装置と呼ぶこともある。

ｊ番目の光信号処理装置１１２ｃは、乗算器１１３、局発振器１１４、制御光源１１５、合波器１１６、分波器１１７、および光ファイバ１１１ｅを有している。乗算器１１３、局発振器１１４、および制御光源１１５は、例えば、図８に示した乗算器７１、局発振器７２、およびＬＤ７３に対応し、その詳細な説明は省略する。

合波器１１６は、制御光源１１５から出力される制御光Ｅ_Ctを、光ネットワークを流れる信号光Ｅ_Sに合波する。分波器１１７は、光ネットワークを流れる信号光Ｅ_Sから制御光Ｅ_Ctjを分波する。すなわち、分波器１１７は、その後段の光ネットワークに制御光Ｅ_Ctjが伝搬しないようにする。合波器１１６、分波器１１７は、例えば、ＷＤＭカプラである。

なお、光信号処理装置１１２ａ〜１１２ｅは、光ネットワークを形成している、敷設されている光ファイバの一部を用いて、信号光Ｅ_Sを制御光Ｅ_Ctjで変調してもよい。
制御光Ｅ_Ctjによって変調された信号光Ｅ_Sは、図１４に図示していないが、例えば、図１１、図１２または図１３に示した受信機によって復調される。例えば、信号光Ｅ_Sを分岐する光カプラを光ネットワークの所定の位置に設け、図１２または図１３に示したＰＤ９１により、変調された信号光Ｅ_Sを受光し、情報を復調する。

光信号処理装置１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｄ，１１２ｅは、光信号処理装置１１２ｃと同様の乗算器、局発振器、および制御光源を有している。ｊ番目の光信号処理装置１１２ｃの局発振器１１４は、周波数ｆ_jの発振信号を出力し、他の光信号処理装置の局発振器は、それぞれ周波数ｆ₁〜ｆ_nの発振信号を出力している。すなわち、各光信号処理装置は、周波数の異なる複数のサブキャリア信号のうちの１つが割り当てられ、制御信号Ｂ_jをサブキャリア変調した制御信号Ｂ_j（ｆ_j）を用いて光変調する。

従って、光ネットワークを流れる波長λ_Sの信号光Ｅ_Sには、周波数ｆ_j（ｊ＝１，…，ｎ）でサブキャリア変調された局発情報の制御光Ｅ_Ctjが順次重畳されていくことになり、受信機は、制御光Ｅ_Ctjに含まれる局発情報を周波数により区別して復調することができる。

このように、光ネットワークに挿入される光信号処理装置は、異なる周波数でサブキャリア変調した情報の制御光を信号光に重畳する。これにより、受信機は、制御光に含まれる異なる複数の情報を区別して復調することができる。

図１５は、周波数多重を用いて光変調する場合の例を示した図である。図１５において図１４と同じものには同じ符号を付し、その説明を省略する。
図１５では、光信号処理装置１１２ｃは、乗算器１１８ａ〜１１８ｋおよび局発振器１１９ａ〜１１９ｋを有している。局発振器１１９ａ〜１１９ｋは、それぞれ周波数ｆ_j1〜ｆ_jkの信号を出力する。乗算器１１８ａ〜１１８ｋには、それぞれ制御信号Ｂ_j1〜Ｂ_jkと周波数ｆ_j1〜ｆ_jkの信号とが入力され、これらを乗算して制御光源１１５へ出力する。

図１４では、各光信号処理装置ｊにおいて、周波数ｆ_jで識別される一つの制御信号Ｂ_j（ｆ_j）を用いて変調する例について示したが、図１５に示すように、複数の周波数の搬送波ｆ_j1、…、ｆ_jkを、制御信号Ｂ_j1、…、Ｂ_jkで変調したサブキャリア信号の周波数多重（ＦＤＭ：Frequency Division Multiplex）信号を用いて光変調してもよい。

光変調する地点において、複数の情報データが存在する場合に、それらをＦＤＭした後、光変調をすることにより、一つの光キャリアに、複数の情報を一括して載せることが可能となる。ＦＤＭ信号は、マイクロ波技術等既開発の技術との整合性がよく、各種の電気信号処理を併用することが可能である。特に直交ＦＤＭ（ＯＦＤＭ：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）信号を用いる場合には、通常の、直並列変換、逆離散フーリエ変換、並直列変換等の信号処理を用いる。情報は、光ネットワークまたは他の光ネットワークにおいて、周波数多重信号を抽出し、各サブキャリア信号を復調して得ることができる。

また、光信号処理装置は、変調した信号光Ｅ_Sを別の光ネットワークに送信し、受信機によって別の光ネットワークで前記の信号光Ｅ_Sを受光し復調することができる。
図１６、図１７は、光信号処理装置の適用例を示した図である。光信号処理装置の適用に際しては、図１６、図１７のような構成が想定される。図１６の場合は、Ａ地点からＢ地点に信号光を伝搬し、途中の任意の地点１、…、Ｎにおいて、光信号処理装置により情報１、…、Ｎを信号光に載せてＢ地点で受信する。通常の情報通信の他、双方向の一つの方向の通信、モニタ情報の送信、光配線等の応用が考えられる。

一方、図１７の場合は、Ａ地点から信号光を伝搬し、途中の任意の地点１、…、Ｎにおいて、光信号処理装置により情報１、…、Ｎを信号光に載せ、Ａ地点まで送信し受信する。ネットワーク内のモニタ情報、制御情報、リクエスト情報の収集・伝達、双方向通信等の応用が考えられる。

なお、図１４〜図１７の実施例において、途中の任意の地点において、それ以前に光信号処理装置により信号光Ｅ_Sに載せられた情報を抽出し観測することも可能である。その場合の抽出方法としては、例えば、信号光Ｅ_Sの一部をパワー分岐回路等によりタップする方法、あるいは、図５に記載の構成を用い、図５における制御光Ｅ_Ctと同様の波長のＣＷ光を信号光Ｅ_Sと合波し、発生するアイドラ光を、光フィルタあるいはＷＤＭカプラ等により抽出する方法、等を用いることが可能である。

光信号処理装置は、ＷＤＭ信号光に一括して制御信号（情報）を重畳することができるので、リアルタイムに制御信号の有する情報をネットワーク内に配信することが可能である。各地点ｊに信号光に影響を与えないような短い光ファイバを配置しておき、その入出力端に制御光を合分波するためのＷＤＭカプラを配置することにより、信号光によりデータ情報が送られている場合にも、ほとんど影響を与えることなく、局発の制御信号を重畳することが可能である。短い光ファイバとは、具体的には数ｍから数１０ｍ程度で非線形光学効果を発生する光ファイバであり、信号光自体のパワーにおいては、ほとんど非線形効果を発生しないものを用いる。この光ファイバに制御信号を重畳するのに十分なパワーの制御光を入力する。例えば、信号光に０．１％の振幅変調（マーク率１／２）を重畳する場合に、長さ２０ｍ、非線形定数２０（１／Ｗ／ｋｍ）の光ファイバを用いるとすると、必要となる制御光のパワーは、５０ｍＷ程度である。実際に必要となる変調度は、与える変調方式（振幅変調か位相変調か）、制御信号のビットレートや検出感度等に依存する。

あるいは、伝送路ファイバの適当な長さを抽出し、その前後にＷＤＭカプラを配置し、伝送路ファイバ内の非線形光学効果を用いてモニタ信号を重畳してもよい。通常の伝送路ファイバの非線形定数は、２（１／Ｗ／ｋｍ）程度であるから、上記のモデルでは、数百ｍ程度の長さがあれば光ネットワークのモニタが実現可能である。実際の光ネットワークにおいては、上記のように伝送路ファイバの一部を光変調器として用いることができれば、光ネットワーク内の任意の場所においてモニタすることができる。また、その際、制御光が入力されない場合には、信号光は何ら影響を受けず、従来システムとの整合が極めてよい。

特に非線形効果を高めた媒質を用いる場合には、例えば、光ファイバとしては、高非線形ファイバ（ＨＮＬＦ：High Nonlinear optical Fiber）をはじめ、コアにゲルマニウムやビスマス等をドープして非線形屈折率を高めたファイバや導波路構成、モードフィールドを小さくすることで光パワー密度を高めたファイバや導波路構成、カルコゲナイドガラスを用いたファイバや導波路構成、フォトニック結晶ファイバや導波路構成等を採用するようにしてもよい。また、他の非線形光学媒質として、量子井戸構造の半導体光アンプ、量子ドット半導体光アンプ、シリコンフォトニクス型導波路等を用いることも可能である。さらに、他の非線形光学媒質として、三光波混合などの２次の非線形光学効果を発生させるデバイスを利用することもできる。この場合、これらのデバイスは、例えば、擬似位相整合構造を有するLiNbO₃導波路、GaAlAs素子、あるいは２次非線形光学結晶等を用いることもできる。２次の非線形媒質を用いる場合でも、位相整合がとれる波長配置をとる構成が好ましい。

次に、第１３の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。第１３の実施の形態では、光信号処理装置のフィードバック処理について説明する。
図１８は、第１３の実施の形態に係る光信号処理装置を示した図である。図１８に示すように、光信号処理装置は、光変調器１２１、モニタ回路１２２、比較回路１２３、パワー制御回路１２４、偏光制御回路１２５、偏光制御器１２６、および光パワー制御器１２７を有している。

光変調器１２１は、例えば、図１に示した光変調器１に対応する。
モニタ回路１２２は、光変調器１２１から出力される変調信号光の品質をモニタする。モニタ回路１２２は、例えば、変調信号光の波長を抽出するフィルタ、フィルタにより抽出された信号光を受光する受光素子を有している。

比較回路１２３は、モニタ回路１２２によってモニタされた変調信号光の光パワー、波形、スペクトル等に基づいて、光変調の動作特性を算出し、所定の閾値と比較する。
パワー制御回路１２４は、比較回路１２３の比較結果に基づいて、光変調に関係する制御光および信号光の光パワーを制御する。例えば、パワー制御回路１２４は、制御光の光パワーを制御する光パワー制御器１２７を制御する。また、パワー制御回路１２４は、光変調器１２１の有する信号光の変調状態を制御する光パワー制御器を制御する。

偏光制御回路１２５は、比較回路１２３の比較結果に基づいて、光変調に関係する制御光および信号光の偏光状態を制御する。例えば、偏光制御回路１２５は、制御光の偏光状態を制御する偏光制御器１２６を制御する。また、偏光制御回路１２５は、光変調器１２１の有する信号光の偏光状態を制御する偏光制御器を制御する。

偏光制御器１２６には、制御光Ｅ_Ctが入力される。偏光制御器１２６は、偏光制御回路１２５の制御に応じて、制御光Ｅ_Ctの偏光状態を制御する。
このように、光信号処理装置は、フィードバック制御を行うことにより、光変調器１２１から適切に変調された信号光を出力することができる。

上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。

１光変調器
Ｅ_S 信号光
Ｅ_Ct 制御光
Ｅ_O 変調光

Claims

互いに周波数が異なる第１〜第ｎの搬送波信号に対して、互いに異なる情報を含む第１〜第ｎの制御信号をそれぞれ乗算して、第１〜第ｎのサブキャリア信号を生成する第１〜第ｎのサブキャリア信号生成器と、
前記第１〜第ｎのサブキャリア信号が周波数多重された信号で変調された第２の信号光を出力する光源と、
第１の信号光に前記情報を有する前記第２の信号光を合波して非線形光学媒質に入力し、前記非線形光学媒質において前記第２の信号光の強度変化により前記第１の信号光を変調する光変調器と、
を有することを特徴とする光信号処理装置。
前記光変調器から出力される光と前記第２の信号光とを分波する光フィルタをさらに有することを特徴とする請求項１記載の光信号処理装置。
前記非線形光学媒質は、光ファイバであることを特徴とする請求項１記載の光信号処理装置。
前記光ファイバは、前記第２の信号光を励起光とする光パラメトリック増幅による強度変調により、前記第１の信号光を変調することを特徴とする請求項３記載の光信号処理装置。
前記光ファイバは、前記第２の信号光による相互位相変調によって前記第１の信号光を位相変調することを特徴とする請求項３記載の光信号処理装置。
前記第２の信号光は、前記情報に基づいて強度変調されていることを特徴とする請求項１記載の光信号処理装置。
第１の信号光に情報を有する第２の信号光を合波して非線形光学媒質に入力し、前記非線形光学媒質において前記第２の信号光の強度変化により前記第１の信号光を変調する光変調器、を有する光信号処理装置を複数備え、
複数の前記光信号処理装置は、割り当てられた搬送波周波数のサブキャリア信号である前記情報を有する前記第２の信号光により、前記第１の信号光を光変調して光ネットワークに送出し、前記情報は前記光ネットワークあるいは他の光ネットワークにおいて、割り当てられた前記搬送波周波数のサブキャリア信号毎に復調されることを特徴とする光ネットワークシステム。
複数の前記光信号処理装置の前記第２の信号光は、割り当てられた複数の搬送波周波数のサブキャリア信号の周波数多重信号であり、前記第１の信号光は前記第２の信号光によって光変調されて各光信号処理装置間の光ネットワークを伝搬し、前記情報は前記光ネットワークあるいは他の光ネットワークにおいて、前記周波数多重信号として抽出された後、割り当てられた前記搬送波周波数のサブキャリア信号毎に復調されることを特徴とする請求項７記載の光ネットワークシステム。