JP6325648B2 - 光位相再生方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、光通信の中継器の光信号再生処理において、光信号の位相を再生する技術に関する。

近年、非線形光学現象のひとつである光パラメトリック過程を利用して光の位相を量子化する技術が開発された(非特許文献１)。

光位相の量子化は、今日の高度情報化社会を支える大容量光通信や高速A-Dコンバーター等に利用できる重要な技術である。
特に、光通信においては多値位相変調信号光の位相再生や直交位相成分分離等の操作を行うことができる。

光位相をMレベルに量子化する概念を図１に示す。
図１(ａ)は、入力光と出力光の位相の関係、図１(ｂ)は入力光位相と出力光強度の関係を示している。
図１(ａ)に示す入出力特性は、M値位相変調(M-PSK)信号光に対して位相雑音を抑圧する効果を持つ。

特にM=2の場合の特性は直交位相スクイージングと呼ばれ、BPSK信号の位相再生に利用できる他、多値位相変調(n-QAM)信号光の直交位相成分の分離に利用することができる。

光位相の量子化は位相感応型光増幅器(Phase sensitive amplification：PSA)を用いて実行できる。
PSAには様々なタイプがあるが、最も代表的なのは信号光を２つのポンプ光と合波し非線形光学媒質に導入するDual-pump PSA(DP-PSA)と呼ばれる方式である(特許文献１)。

図２にDP-PSAを用いてBPSK信号の位相再生をする際の波長配置を示す。
２つのポンプ光はその平均周波数が信号光の周波数と一致する様に配置される。
信号光の位相が平均ポンプ光の位相に対し０またはπの時、非線形媒質には正の光パラメトリック利得が発生し信号光は増幅される。
一方、信号光の位相がπ/2及び-π/2の時には負の光パラメトリック利得が発生し信号光は減衰される。
すなわち、信号光の同相成分は増幅され直交位相成分は減衰される直交位相スクイージングが起こる。

図３はBPSK信号の信号点配置図で横軸が同相軸を縦軸が直角位相軸を表していて、位相雑音が直交位相スクイージングにより抑圧される様子を示す。
QPSK信号の位相再生も同様にDP-PSAを用いて行うことができ、その際の波長配置を図４に示す。

２つのポンプ光は、ポンプ光２と信号光の周波数差がポンプ光１と信号光の周波数差の３倍となる様に配置される。
信号光とポンプ光の位相差が０、±π/2、πの時には正の光パラメトリック利得が発生し、信号光は増幅される。
一方、位相差が±π/4及び±3π/4の時には負の光パラメトリック利得が発生し信号光は減衰される。

また、PSAは飽和領域で動作させることで、位相変調信号の位相と振幅の同時再生も可能になる。

量子化の性能を示す指標として、位相変化に伴う利得の変動量いわゆる利得消光比(Gain extinction ratio：GER)が挙げられる。
一般に、直交位相スクイージングを実行するためには、〜25dB以上の高いGERが必要となる。

PSAでは高い光パラメトリック利得が得られないと高いGERを実現できない。
したがって、大きな非線形性を示し且つ高強度のポンプ光導入に耐えうる破壊閾値の高い非線形光学素子が必要となる。
これまでの成功例では、そのような特性を有する高非線形光学素子が特別に開発され使用されている。

WO2013111413

J. Kakande, R. Slavik, F. Parmigiani, A. Bogris, D. Syvridis, L. Gruner-Nielsen, R. Phelan, P. Petropoulos, and D. J. Richardson, "Multilevel quantization of optical phase in a novel coherent parametric mixer architecture," Nature Photon. 5, 748-752 (2011). R. Slavik, F. Parmigiani, J. Kakande, C. Lundstr¨om, M. Sj¨odin, P. A. Andrekson, R. Weerasuriya, S. Sygletos, A. D. Ellis, L. Gr¨uner-Nielsen, D. Jakobsen, S. Herstrom, R. Phelan, J. O’Gorman, A. Bogris, D. Syvridis, S. Dasgupta, P. Petropoulos, and D. J. Richardson, "All-optical phase and amplitude regenerator for next-generation telecommunications systems," Nature Photon. 4(10), 690-695 (2010). T. Umeki, M. Asobe, and H. Takenouchi, "In-line phase sensitive amplifier based on PPLN waveguides," Opt. Express 21(10), 12077-12084 (2013).

従来、PSAを用いて光位相の量子化を行うには非常に高い非線形性を有する、いわゆる高非線形光学素子と500mWを超える高強度のポンプ光が必要となる。
通常の非線形光学素子でPSAを構成した場合、十分な大きさの光パラメトリック利得を得ることができず、25dB以上のGERを得ることは困難である。

これまでに、“誘導ブリュリアン散乱抑圧型非線形ファイバー”及び“周期的分極反転ニオブ酸リチウム(PPLN)”の２種類の非線形光学素子を用いてBPSK信号とQPSK信号の信号再生やQPSK信号の位相分離が成功している(非特許文献２および３)。
これらの素子は共にサイズが大きく(数cm程度)、集積化に適していない。
また、500mW程度の高強度ポンプ光が必要とされている。

この様にPSAを用いる方法は、非線形光学素子の大きさ、高強度ポンプ光の必要性という点から実用化には適していないのが現状である。

また、様々なタイプの非線形光学材料の開発が進められているが、その中で光パラメトリック利得を示す高非線形光学材料しか利用できないというのは、技術の利用価値を妨げる要因となっている。
光位相量子化技術が普及するためには、集積化可能な材料、例えばシリコン等の半導体で実現できることが必須と言える。
現在、PSAを含め集積化可能な材料で光位相を25dB以上のGERで量子化できる方法は知られていない。

本発明は、光パラメトリック利得を伴わない単純な四光波混合(Four-wave mixing：FWM)と通常の光増幅器を用いて光位相の量子化を行う。

その際、非線形性の小さな非線形光学素子を用いても30dB以上のGERを容易に得ることができる。
その方法を、ここでは Hybrid optical phase squeezer(HOPS)と呼ぶことにして、HOPSの原理を以下に述べる。

入力光の位相をMレベル(M>=2)に量子化する一つの方法は、入力光の位相共役光と入力光の(M-1)次位相高調波をコヒーレント加算することである。
位相共役光や位相高調波は四光波混合により発生させることができる。

図５(ａ)、(ｂ)に、信号光(周波数：ν_s)にポンプ光(周波数：ν_p)を合波し、非線形光学媒質を用いて四光波混合を行った際に発生する光波の関係を示す。
図５(ａ)はポンプ光を１本使用した場合、図５(ｂ)はポンプ光を２本使用した場合を示す。
入力光の位相をφとした場合、上記のコヒーレント加算によって合成される光波の応答(≡A)は、次式で与えられる(非特許文献１)。

ここで、φ_sは出力光の位相、mは混合比である。M=2の場合、m≒1(≒は近似的に等しいことを表すものとする。以下同じ)の時に最大のGERが得られ、かつ最適な量子化特性が得られる。
M>2の場合、やはりm≒1の時に最大のGERが得られるが、最適な量子化特性はm=1/(M-1)の時に得られる。

図１(ａ)および(ｂ)は、M=4、m=1/3の場合に(１)式を用いて計算されるφ_sと│A│をプロットしたものである。

PSAにおいて位相の量子化がなされる過程も同様に(１)式で表現できるが、mは様々な要因に依存しているため自由に制御することは難しい。
一般に、PSAでm≒1を実現するためには極めて高い光非線形を媒質に誘起することが必要となる。

まず、(１)式に基づいて光位相を２レベルに量子化する方法(２レベルHOPS)を図６に示す。

信号光(周波数：ν_s)にポンプ光(周波数：ν_p)を合波して非線形光学素子に導入し、FWMにより位相共役光を発生させる。
ここで、ν_p>ν_sと仮定し信号光とポンプ光の周波数差をΩ(≡ν_p−ν_s)とおくと、発生する位相共役光の周波数はν_i＝ν_p＋Ωとなる。

非線形光学素子の出力から信号光(e^iφ)と位相共役光(e^-iφ)を取り出し、それらの強度を等しくする。
これらの操作は、フィルター等の周波数依存性を持つ減衰器や反射器を用いて行うことができる。
信号光と位相共役光の強度を等しくすることは、(１)式において混合比をm=1にすることに相当する。

次に信号光と位相共役光とを光増幅器(例えば、EDFA)を用いて適当なレベルに増幅した後、強度変調を施す。
強度変調は、入力光のスペクトルを２つに分割し、それらを変調周波数分だけ高周波側と低周波側にそれぞれシフトさせる効果を持つ。

ここで、変調周波数(≡f)が信号光とポンプ光の差周波数に等しい(すなわちf＝Ω)場合を考える。
この場合、信号光で高周波側にシフトさせられた成分(ν'_s＝ν_s＋f)と位相共役光で低周波側にシフトさせられた成分(ν'_i＝ν_i−f)は周波数が共にν_pと等しくなり、コヒーレント加算される。

そこで、周波数ν_pに生じる干渉信号光をフィルターで取り出せば、入力信号光を２レベルに位相量子化した信号が得られる。
この方法では、信号光と位相共役光の強度を正確に合わせることによって、任意の非常に大きなGERを得ることができる。

ただし、以上の議論は「変調周波数が信号光とポンプ光の差周波数に等しい」という仮定が成立する時にのみ正しく、実際にこれを実現するのは容易なことではない。

通常、信号光やポンプ光の周波数は高速に変化しており、その差周波数を知ることすら既存の技術では困難である。
ところで、変調周波数と信号-ポンプ光差周波数がδだけずれていると、干渉信号光の強度は2δの周波数で変動する。
逆に、変調周波数が信号-ポンプ光差周波数に等しい時には、干渉信号光の強度は一定である。
このことは、干渉信号光の強度をモニターし、それが一定になる様に変調周波数を制御すれば上記の仮定が満たされることを意味している。

そこでHOPSでは、強度変調器を電圧制御発振器(VCO)の出力で駆動し、干渉信号光の強度が一定になる様にその周波数に制御を施すことで、安定した位相量子化信号が出力される。

ここでさらに、δ=0が実現された状態を考える。変調周波数を信号-ポンプ光差周波数に等しく保ったままその相対位相をゆっくり変化させると、干渉信号光の強度はπ=(2π)/2の位相周期で変動する。
これは、干渉信号光は入力信号光を２レベルに位相量子化した信号であることを示している。
したがって、BPSK信号を入力した場合には、位相再生されたBPSK信号が出力される。

上で述べた２レベルHOPSの動作原理は、代表的な集積化デバイスである半導体増幅器(SOA)を非線形光学素子に用いた実験によって検証されている。
図７、図８に、２レベルHOPSを用いたBPSK信号の位相再生実験の結果を示す。

図７はVCOがフリーラニング時の干渉信号光強度の時間変動を示している。
図８は、位相雑音の付加されたBPSK信号が入力した時に直交位相スクイージングがもたらす効果を示している。

ここでは、入力信号及び図７のA〜C点に干渉信号光強度を安定化した場合の出力信号のコンスタレーション(信号点)が示されている。
A点にロックした時に、位相雑音の抑圧されたBPSK信号が得られていることがわかる。

この２レベルHOPSで使われたポンプ光の強度は3mWであり、PSAで使われる代表的なポンプ光強度500mWと比べると２桁以上低パワーである。
また、この低パワーにおいてもPSAでは困難な40dBのGERが得られている。

次に、光位相を４レベルに量子化する方法(４レベルHOPS)を図９に示す。
２レベルHOPSの場合と同様に、信号光(周波数：ν_s)にポンプ光(周波数：ν_p)を合波し、非線形光学素子に導入する。
ここでは、非線形光学素子の出力から位相共役光(e^-iφ)と３次位相高調波光(e^3iφ)をフィルターにより取り出す。

１回のFWMでは３次位相高調波光を高S/N比で取り出せない場合には、FWMを２段カスケードし途中に光増幅器とフィルターを用いれば良い。
次にフィルター等を用いてこれら２つ光波の強度比を調節し光増幅器で適当なレベルに増幅した後、強度変調を施す。

変調周波数(=f)が信号光とポンプ光の差周波数に等しい場合、位相共役光で低周波側に２倍周波数シフトさせられた成分(ν'_i ^(-1)＝ν_i ^(-1)−2f)と３次位相高調波光で高周波側に２倍周波数シフトさせられた成分(ν'_i ⁽³⁾＝ν_i ⁽³⁾＋2f)は周波数が等しくなり(＝ν_s)、コヒーレント加算される。
変調周波数(=f)が信号光とポンプ光の差周波数の２倍に等しい場合、位相共役光で低周波側に周波数シフトされられた成分(ν'_i ^(-1)＝ν_i ^(-1)−f)と３次位相高調波光で高周波側に周波数シフトさせられた成分(ν'_i ⁽³⁾＝ν_i ⁽³⁾＋f)は周波数が等しくなり(＝ν_s)、コヒーレント加算される(図示せず)。

そこで、周波数ν_sに生じる干渉信号光をフィルターで取り出せば、入力信号光を４レベルに位相量子化した信号が得られる。

ここでも、位相共役光と３次位相高調波光の強度比を調整することにより任意のGERを得ることができる。
４レベルHOPSにおいても、SOAを用いた原理検証実験においてPSAでは実現困難な17dB以上のGERが容易に得られている。

同様にして、M=2、4以外のMの場合においても、位相共役光(e^-iφ)と(M-1)次位相高調波光(e^(M-1)iφ)をコヒーレント加算することで光位相の量子化を行うことができる。

ただし、１本のポンプ光を用いてこれらの光波を発生させる場合(図５(ａ)参照)、Mが大きく成るほど周波数間隔が大きくなりそれらを重ね合わせるのが難しくなる。

そこで、M>4の場合には２本のポンプ光を用いる方式が有利になる(図５(ｂ)参照)。

２本のポンプ光は、２つの独立なレーザーを利用しても良いし、１つのレーザー光に変調を加えて発生する側帯波を利用しても良い。

最近は、レーザー光に効率よく多数の側帯波(光コムと呼ばれる)を発生させる方法が開発されており、ここではそれらを総称して光コム発生器と呼ぶ。

図１０に２本のポンプ光を用いて光信号をMレベルに量子化する方法(MレベルHOPS(２ポンプ方式))を示す。

レーザー光を光コム発生器に導入して光コムを発生させ、フィルターを用いてその中から２本のモードをポンプ光として抜き出す。

信号光をこの２本のポンプ光と合波して非線形光学素子に導入し、そこで発生する位相共役光(e^-iφ)と(M-1)次位相高調波光(e^(M-1)iφ)をフィルターで抜き出す。

それらの強度比を調節し、適当なレベルに増幅した後、強度変調を施してコヒーレント加算する。
ここで用いる変調周波数は、発生した位相共役光と(M-1)次位相高調波光の差周波数の半分とすれば良い。

この２ポンプ方式では、Mの大きさに応じてポンプ光の周波数を適切に選べば、この差周波数を常に強度変調器の駆動に適した周波数に合わせる事が出来る。
もちろん、ポンプ光源として２台のレーザーを用いても良い。光コムを利用する場合には、レーザーの台数を節約できる他、２本のポンプ光が位相同期していることがもたらす様々なメリットを受けることができる。

HOPSで用いるコヒーレント加算の手段としては、周波数シフトをもたらすものであれば強度変調以外のどんな方法を用いても良い。
例えば、元の周波数成分が消えないという欠点はあるが位相変調も利用することができる。

４レベルHOPSの場合、光周波数を2Ωだけシフトさせる必要がある。これを単一の変調器で実行すると周波数シフト光の強度が弱くなりすぎる場合もある。
その場合は、変調器を直接2Ωで駆動しても良いし(f=2Ω)、複数の変調器(必要に応じて光増幅器も併用)を使用しても良い。

PSAがBPSK信号やQPSK信号に対し位相と振幅の同時再生ができるのに対し、HOPSでは位相再生の機能しか保有していない。
しかし、位相を保持したまま信号光の振幅再生を行う様々な技術が開発されており、HOPSとこれら振幅再生技術を併用することにより低パワーによるBPSK信号やQPSK信号の信号再生を行うことができる。

本発明の方法は、利得を伴わない光パラメトリック過程を利用しているため、非線形性の小さな非線形光学素子を用いて光位相量子化、その応用として位相変調信号光の位相再生や直交位相分離等の操作を行うことが可能になる。

PSAと違い、パラメーターを変えることで容易に30dBを超える任意のGERで位相量子化を行うこともできる。

光位相量子化技術が普及するためには、集積化可能な材料を用いて装置を実現できることが必須と言える。

本発明の方法では、半導体増幅器(SOA)やシリコン導波路(アモルファスシリコンや添加物を混ぜたりコーティングを施す等して特性を改善したシリコン導波路も含む)などの集積可能な非線形光学材料が素子として利用できるほか、必要なポンプ光強度もPSAを用いた場合に比べて１〜２桁小さくなる。
これらの効果は、光位相量子化を利用した光信号処理技術の普及を図る上で非常に重要である。

図１(ａ)は光位相量子化における入力光と出力光の位相関係を説明する図であり、図(ｂ)は光位相量子化における入力光位相と出力光強度の関係を説明する図である。 DP-PSAを用いてBPSK信号の位相再生をする際の波長配置を説明する図である。 BPSK信号の位相雑音が位相スクイージング効果により抑圧される様子を説明する信号点配置図である。 DP-PSAを用いてQPSK信号の位相再生をする際の波長配置を説明する図である。 図５(ａ)は１本のポンプ光を用いた四光波混合で発生する光波の関係を説明する図である。図５(ｂ)は２本のポンプ光を用いた四光波混合で発生する光波の関係を説明する図である。 ２レベルHOPSの原理を説明する図である。 VCOがフリーラニング時の干渉信号光強度の時間変動を示す図である。 ２レベルHOPSによるBPSK信号の位相雑音抑圧効果を示す信号点配置図である。 ４レベルHOPSの原理を説明する図である。 ＭレベルHOPS(２ポンプ式)の原理を説明する図である。 ２レベルHOPSを用いてBPSK信号を位相再生する実施例である。 ２レベルHOPSを用いてBPSK信号を振幅信号再生する実施例を信号点配置図とともに表した図である。 ４レベルHOPSを用いてQPSK信号を位相再生する実施例である。 ４レベルHOPSを用いてQPSK信号を振幅信号再生する実施例を信号点配置図とともに表したである。 MレベルHOPS(２ポンプ式)を用いてM値-PSK信号を位相再生する実施例を表した図である。 MレベルHOPS(２ポンプ式)を用いてM値-PSK信号を振幅信号再生する実施例を信号点配置図と共に表した図である。 HOPSを利用してQPSK信号を２つのBPSK信号に分離する実施例を信号点配置図と共に表した図である。

図１１に２レベルHOPSを用いてBPSK信号を位相再生する実施例を示す。

信号光(周波数：ν_s)にポンプ光(周波数：ν_p)を合波し適当なレベルまで増幅した後、非線形光学素子に導入して位相共役光を発生させる。
この際、光増幅器は増幅自然放出光(ASE)を発生するので、フィルター等用いて位相共役光が発生する周波数領域のASEを除去しておく。
ポンプ光強度が十分強ければ、光増幅器とフィルターは省略しても良い。

非線形光学素子の出力はスペクトル成形器に導かれ、信号光と位相共役光以外の成分が除去される他、これらの強度が等しくなるように信号光成分(φ)に減衰が加えられる。
これらの操作は、ノッチフィルターやバンドパスフィルター等の波長依存性光学素子を用いて実行できる。

この信号光-位相共役光対は強度変調器(位相変調器でも良い)に導かれ、その出力から干渉信号光(周波数：ν_p)がフィルターを用いて出力される。

出力光は、強度をモニターするために一部が分波器によって光検出器に導かれる。

強度変調器はVCOによって駆動されており、その発振周波数は光検出器の出力電圧が一定になる様に位相同期ループ(PLL)によってフィードバック制御される。

図１２に２レベルHOPSを用いてBPSK信号の振幅雑音と位相雑音を抑圧し信号再生する実施例を示す。

BPSK信号を図１１に示す方法を用いて位相再生した後、位相保持型の振幅再生器に導入し振幅再生を行う。
位相保持型の振幅再生器の例としては、注入同期型の半導体レーザーが挙げられる。

図１３に４レベルHOPSを用いてQPSK信号を位相再生する実施例を示す。

信号光(周波数：ν_s)にポンプ光(周波数：ν_p)を合波し適当なレベルまで増幅した後、非線形光学素子に導入して位相共役光と３次位相高調波光を発生させる。
この際、フィルター等用いてこれらの光波が発生する周波数領域のASEを除去しておく。
ポンプ光強度が十分強ければ、光増幅器とフィルターは省略しても良い。

３次位相高調波光が十分なS/N比で得られない時は、非線形光学素子を２段カスケードしても良い。
この際、１段目の非線形光学素子の出力をフィルターでスペクトル整形して増幅してから２段目の非線形光学素子に導入すると良好なS/N比が得られる。

非線形光学素子の出力はスペクトル成形器に導かれ、位相共役光と３次位相高調波光以外の成分が除去される他、２つの信号光が好ましい強度比になるようにスペクトル整形が施される。
これらの操作は、ノッチフィルターやバンドパスフィルター等の波長依存性光学素子を用いて実行できる。

この強度調整された２つの信号光は強度変調器に導かれ、その出力から干渉信号光(周波数：ν_s)がフィルターを用いて出力される。

出力光は、強度をモニターするために一部が分波器によって光検出器に導かれる。

強度変調器はVCOによって駆動されており、その発振周波数は光検出器の出力電圧が一定になる様にPLLによってフィードバック制御される。
強度変調器は位相共役光と３次位相高調波の周波数を2(ν_p−ν_s)シフトさせることが目的であり、これが達成できるのであれば位相変調器など他の装置を用いても良い。

図１４に４レベルHOPSを用いてQPSK信号の振幅雑音と位相雑音を抑圧し再生する実施例を示す。

QPSK信号を図１３に示す方法を用いて位相再生した後、位相保持型の振幅再生器に導入し振幅再生を行う。
位相保持型の振幅再生器の例としては、注入同期型の半導体レーザーが挙げられる。

図１５にMレベルHOPS(２ポンプ式)を用いてM値-PSK信号(M≧2)を位相再生する実施例を示す。

レーザー光を光コム発生器に導入して光コムを発生させ、フィルターを用いて２本のモードをポンプ光として抜き出す。

信号光をこの２本のポンプ光と合波して非線形光学素子に導入して位相共役光(e^-iφ)と(M-1)次位相高調波光(e^(M-1)iφ)を発生させる。
この際、フィルター等用いてこれらの光波が発生する周波数領域のASEを除去しておく。

(M-1)次位相高調波光が十分なS/N比で得られない時は、非線形光学素子を２段カスケードしても良い。
この際、１段目の非線形光学素子の出力をフィルターでスペクトル整形して増幅してから２段目の非線形光学素子に導入すると良好なS/N比が得られる。

非線形光学素子の出力はスペクトル成形器に導かれ、位相共役光(周波数：ν_i ^(-1))と(M-1)次位相高調波光(周波数：ν_i ^(M-1))以外の成分が除去される他、２つの信号光が好ましい強度比になるようにスペクトル整形が施される。

これらの操作は、ノッチフィルターやバンドパスフィルター等の波長依存性光学素子を用いて実行できる。
強度調整された２つの光波は強度変調器に導かれ、２つの光波の差周波数の半分の周波数で変調を受ける。

その出力から２つの光波の中間の周波数に生じる干渉信号光(周波数：ν'_s＝[ν_i ^(-1)＋ν_i ^(M-1)]／2)がフィルターを用いて出力される。

出力光は、強度をモニターするために一部が分波器によって光検出器に導かれる。

強度変調器はVCOによって駆動されており、その発振周波数は光検出器の出力電圧が一定になる様にPLLによってフィードバック制御される。

図１６にMレベルHOPS(２ポンプ式)を用いてM値-PSK信号の振幅雑音と位相雑音を抑圧し再生する実施例を示す。
M値-PSK信号を図１５に示す方法を用いて位相再生した後、位相保持型の振幅再生器に導入し振幅再生を行う。
位相保持型の振幅再生器の例としては、注入同期型の半導体レーザーが挙げられる。

図１７に２レベルHOPSと４レベルHOPSを組み合わせてQPSK信号を２つのBPSK信号(それぞれ、入力QPSK信号のI成分とQ成分のデータで構成される)に分離する実施例を示す。

信号光は3dBカプラーなどの合波器(２入力２出力)を用いてポンプ光と合波させられる。合波器の２つの出力はそれぞれ２レベルHOPSに導かれる(第１、第２のアーム)。

合波器の出力の１部は分波され４レベルHOPSに導かれる(第３のアーム)。
これら３つのHOPSで使われている強度変調器は、全て同一のVCOの出力で駆動されている。

第１、第２のアームは、直交位相スクイージング効果を用いてQPSK信号をその１成分だけからなるBPSK信号に変換する操作を行う。
第３のアームは、VCOの周波数を信号光とポンプ光の差周波数と等しくする操作を行う。

第１、第２のアームでは、非線形光学素子の出力から位相共役光と入力信号光がフィルターで抜き出され、コヒーレント加算される。
一方、第３のアームでは、非線形光学素子の出力から位相共役光と３次位相高調波光がフィルターで抜き出され、コヒーレント加算される。

第３のアームの出力は位相再生されたQPSK信号であり、この強度が一定になるようにVCOの周波数を制御することでVCOの発振周波数は常に信号光とポンプ光の差周波数と等しく保たれる。
したがって、第１、第２のアームは２レベルHOPSとして機能し、入力されたQPSK信号には位相スクイージング効果が及ぼされる。

ここで、信号光とポンプ光の相対位相を適切に調整すれば、QPSK信号を構成する２つの直交位相成分の内の１成分を選択的に抑圧することができる。

したがって、１、第２のアームにおいてそれぞれI成分とQ成分が残る様に信号光とポンプ光の相対位相を調整すれば、I成分とQ成分に分離された２つのBPSK信号が出力される。

本発明は、光通信において伝送中に品質劣化した信号光を再生し伝送距離を長距離化するために利用できる技術である。
また、多値位相変調信号光のフォーマット変換に利用できるため、低消費電力を目指した全光ネットワークの柔軟な運用を促進する。

Claims (13)

1. ２値位相変調信号光の位相を再生する光位相再生方法であって、
   前記２値位相変調信号光(周波数：ν_s)とポンプ光(周波数：ν_p)とを所定の混合比で合波して非線形光学素子に導入し、四光波混合により前記信号光と位相共役光(周波数：ν_i ^(-1))を取り出し、
   光増幅器において前記信号光と前記位相共役光の光強度を所定の同レベルにし、
   光強度変調器において前記同レベルとなった前記信号光と前記位相共役光とを前記信号光と前記位相共役光との差周波数の半分を変調周波数として強度変調し、前記ポンプ光の周波数ν_pに干渉信号光を位相再生信号光として生成することを特徴とする２値位相変調信号光の位相を再生する光位相再生方法。
2. ４値位相変調信号光の位相を再生する光位相再生方法であって、
   前記４値位相変調信号光(周波数：ν_s)とポンプ光(周波数：ν_p)とを所定の混合比で合波して非線形光学素子に導入し、四光波混合により３次位相高調波光(周波数：ν_i ⁽³⁾)と位相共役光(周波数：ν_i ^(-1))を取り出し、
   光増幅器において前記３次位相高調波光と前記位相共役光の光強度を各所定のレベルにし、
   光強度変調器において前記所定のレベルとなった前記３次位相高調波光と前記位相共役光とを前記３次位相高調波光と前記位相共役光との差周波数の１/４又は半分を変調周波数として強度変調し、前記４値位相変調信号光の周波数νsに干渉信号光を位相再生信号光として生成することを特徴とする４値位相変調信号光の位相を再生する光位相再生方法。
3. M値位相変調信号光(Mは３以上の自然数)の位相を再生する光位相再生方法であって、
   前記Ｍ値位相変調信号光(周波数：ν_s)と２本の所定のポンプ光(周波数：ν_p1、ν_p2)とを所定の混合比で合波して非線形光学素子に導入し、四光波混合により(M-1)次位相高調波光(周波数：ν_i ^(M-1))と位相共役光(周波数：ν_i ^(-1))を取り出し、
   光増幅器において前記(M-1)次位相高調波光と前記位相共役光の光強度を各所定のレベルにし、
   光強度変調器において前記所定のレベルとなった前記(M-1)次位相高調波光と前記位相共役光とを前記(M-1)次位相高調波光と前記位相共役光との差周波数の半分を変調周波数として強度変調し、前記(M-1)次位相高調波光と前記位相共役光の平均周波数(ν'_s＝[ν_i ^(M-1)＋ν_i ^(-1) ]／2)に干渉信号光を位相再生信号光として生成することを特徴とするM値位相変調信号光の位相を再生する光位相再生方法。
4. 請求項１に記載の前記生成した干渉信号光をさらに位相保持型の振幅再生器に導入し振幅再生を行うことを特徴とする２値位相変調信号光の位相を再生する光位相再生方法。
5. 請求項２に記載の前記生成した干渉信号光をさらに位相保持型の振幅再生器に導入し振幅再生を行うことを特徴とする４値位相変調信号光の位相を再生する光位相再生方法。
6. 請求項３に記載の前記生成した干渉信号光をさらに位相保持型の振幅再生器に導入し振幅再生を行うことを特徴とするＭ値位相変調信号光の位相を再生する光位相再生方法。
7. ２値位相変調信号光の位相を再生する光位相再生装置であって、
   前記２値位相変調信号光(周波数：ν_s)とポンプ光(周波数：ν_p)とを所定の混合比で合波して非線形光学素子に導入し、四光波混合により前記信号光と位相共役光(周波数：ν_i ^(-1))を取り出し、
   光増幅器において前記信号光と前記位相共役光の光強度を所定の同レベルにし、
   光強度変調器において前記同レベルとなった前記信号光と前記位相共役光とを前記信号光と前記位相共役光との差周波数の半分を変調周波数として強度変調し、前記ポンプ光の周波数ν_pに干渉信号光を位相再生信号光として生成することを特徴とする２値位相変調信号光の位相を再生する光位相再生装置。
8. ４値位相変調信号光の位相を再生する光位相再生装置であって、
   前記４値位相変調信号光(周波数：ν_s)とポンプ光(周波数：ν_p)とを所定の混合比で合波して非線形光学素子に導入し、四光波混合により３次位相高調波光(周波数：ν_i ⁽³⁾)と位相共役光(周波数：ν_i ^(-1))を取り出し、
   光増幅器において前記３次位相高調波光と前記位相共役光の光強度を各所定のレベルにし、
   光強度変調器において前記所定のレベルとなった前記３次位相高調波光と前記位相共役光とを前記３次位相高調波光と前記位相共役光との差周波数の１/４又は半分を変調周波数として強度変調し、前記４値位相変調信号光の周波数ν_sに干渉信号光を位相再生信号光として生成することを特徴とする４値位相変調信号光の位相を再生する光位相再生装置。
9. M値位相変調信号光(Mは３以上の自然数)の位相を再生する光位相再生装置であって、
   前記M値位相変調信号光(周波数：ν_s)と２本の所定のポンプ光(周波数：ν_p1、ν_p2)とを所定の混合比で合波して非線形光学素子に導入し、四光波混合により(M-1)次位相高調波光(周波数：ν_i ^(M-1))と位相共役光(周波数：ν_i ^(-1))を取り出し、
   光増幅器において前記(M-1)次位相高調波光と前記位相共役光の光強度を各所定のレベルにし、
   光強度変調器において前記所定のレベルとなった前記(M-1)次位相高調波光と前記位相共役光とを前記(M-1)次位相高調波光と前記位相共役光との差周波数の半分を変調周波数として強度変調し、前記(M-1)次位相高調波光と前記位相共役光の平均周波数(ν'_s＝[ν_i ^(M-1)＋ν_i ^(-1) ]／2)に干渉信号光を位相再生信号光として生成することを特徴とするM値位相変調信号光の位相を再生する光位相再生装置。
10. さらに位相保持型の振幅再生器を備え、請求項７に記載の前記生成した干渉信号光を前記振幅再生器に導入し振幅再生を行うことを特徴とする２値位相変調信号光の位相を再生する光位相再生装置。
11. さらに位相保持型の振幅再生器を備え、請求項８に記載の前記生成した干渉信号光を前記振幅再生器に導入し振幅再生を行うことを特徴とする４値位相変調信号光の位相を再生する光位相再生装置。
12. さらに位相保持型の振幅再生器を備え、請求項９に記載の前記生成した干渉信号光を前記振幅再生器に導入し振幅再生を行うことを特徴とするM値位相変調信号光の位相を再生する光位相再生装置。
13. ４値位相変調信号光のI成分とQ成分を前記I成分からなる２値位相変調信号光と前記Q成分からなる２値位相変調信号光に分離して再生する光位相分離再生装置であって、
    前記非線形光学素子の前段にさらに位相調整器を備えた請求項８に記載の光位相再生装置(第１アーム)と、
    前記非線形光学素子の前段にさらに分波器それから位相調整器を備えた請求項８に記載の光位相再生装置(第２アーム)と、
    第１アーム、第２アームと当該アームに配置された強度変調器を制御する電圧制御発振器を備えた請求項８に記載の光位相再生装置(第３アーム)を備え、
    前記４値位相変調信号光(周波数：ν_s)とポンプ光(周波数：ν_p)とを所定の混合比で合波して第１アームと第２アームに導入し、
    第１アームに導入された前記合波信号光は当該位相調整器において前記４値位相変調信号光のＱ成分と前記ポンプ光の相対位相が所定の位相に調整された後にQ成分からなる２値位相変調信号光が再生され、
    第２アームに導入された前記合波信号光はさらに前記分波器において分波され、一の分波光は当該位相調整器において前記４値位相変調信号光のＩ成分と前記ポンプ光の相対位相が所定の位相に調整された後にI成分からなる２値位相変調信号光が再生され、
    前記分波器において分波された他の分波光は第３アームに導入されて光位相が再生される場合において、
    第３アームに配置された前記電圧制御発振器が、第３のアームの前記位相再生信号光の強度を一定に保持するようにして、第１アームと第２アームに配置された各前記強度変調器を前記４値位相変調信号光と前記ポンプ光の差周波数で制御することを特徴とする光位相分離再生装置。

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