JP5042054B2 - 全光再生中継装置 - Google Patents

Description

本発明は、全光再生中継装置に関する。

近年の光ファイバ通信技術の進展はめざましく、従来から用いられてきた光信号の点滅にディジタル信号の“１”と“０”を対応させて送出する強度変調方式に加えて、ディジタル信号に対応して光の位相を変化させる位相変調方式が実用化の段階に入ってきた。

光位相変調方式によって変調された光の復調方法には様々な方法が検討されてきたが、これらのうち、光ホモダイン受信器を用いたものは、最も受信感度が優れているものであり、これまで様々な検討が行われてきた。本願は、光ホモダイン受信器のうち、主として、注入同期型レーザを用いたものに関する。

従来の注入同期型レーザを用いた光ホモダイン受信器は、たとえば、非特許文献１に開示されている。図１は、注入同期型レーザを用いた光ホモダイン受信器の例を示すブロック図であり、非特許文献１の図１（Ｆｉｇ．１）に相当する。

光位相変調され、光ファイバ伝送路（図示せず）を伝送した光信号は、入力端子１に入力される。該入力光信号は、光分岐器２によって、予め決められた比率で２つに分岐される。光分岐器２によって分岐された入力光信号のうち一方は、光１８０度ハイブリッド５の２つの入力端子のうちの一方の入力端子Ａに入力される。また、光分岐器２によって分岐された入力光信号のうちのもう一方は、注入同期型レーザ３に入力される。注入同期型レーザ３は、半導体レーザあるいは光ファイバレーザによって構成されたものであり、一般にその出力光として、入力光の周波数、位相に同期したものが出力される。また、注入同期型レーザ３の特性を適切に設定しておくことにより、入力光の変調成分がほとんど除去され、入力光の搬送波成分のみが出力されるようにすることが可能である。注入同期型レーザ３の出力光は、光位相調整器４によって光位相を適当に調整され、光１８０度ハイブリッド５の他方の入力端子Ｂに入力される。

ここで、入力端子１に入力される光位相変調を施された光信号の電解Ｅ_ｉを次のように表す。

Ｅ_ｉ＝Ｅ_０ｃｏｓ（ωｔ＋θ_ｍ＋θ_ｉ） （１）
ただし、Ｅ_０は光信号の電界振幅、ωは光信号の角周波数、θ_ｍは変調成分であり、２進位相変調方式においては、０またはπの値をとる。更にθ_ｉは定数位相である。

また、光１８０度ハイブリッド５の一方の入力端子Ａに入力される光信号は、次のように表される。

Ｅ_Ｕ＝Ｅ_１ｃｏｓ（ωｔ＋θ_ｍ＋θ_１） （２）
ただし、Ｅ_１は光信号の電界振幅、θ_１は定数位相である。
さらに、光１８０度ハイブリッド５の他方の入力端子Ｂに入力される光信号は、注入同期型レーザ３によって変調成分θ_ｍが完全に除去されるとすれば、以下のようになる。

Ｅ_Ｌ＝Ｅ_２ｃｏｓ（ωｔ＋θ_２） （３）
ただし、Ｅ_２は光信号の電界振幅、θ_２は定数位相である。

したがって、受光器６−１の出力電流ｉ_１は、（４）式に示すものとなる。

ｉ_１＝Ｒｃｏｓ（θ_ｍ＋θ_１−θ_２−π／２）
＝Ｒｓｉｎ（θ_ｍ＋θ_１−θ_２） （４）
また、受光器６−２の出力電流ｉ_２は、（５）式に示すものとなる。

ｉ_２＝Ｒｃｏｓ（θ_ｍ＋θ_１−θ_２＋π／２）
＝−Ｒｓｉｎ（θ_ｍ＋θ_１−θ_２） （５）
なお、ここで、Ｒは定数である。

したがって、負荷抵抗器７−１、７−２および差動増幅器８の作用により、差動増幅器８の出力電圧ｖ_０は（６）式のように表される。

ｖ_０∝ｓｉｎ（θ_ｍ＋θ_１−θ_２） （６）
θ_ｍは、０またはπの値をとるので、θ_１−θ_２＝π／２とすることにより、ｓｉｎ（θ_ｍ＋θ_１−θ_２）の値としては、±１をとり、正しく復調が行われることがわかる。

このように、図１に示す従来の光ホモダイン受信器によって、光ホモダイン検波により、位相変調された光信号を復調して、復調された電気信号を得ることができる。
「Analysisof a homodyne receiver using an injection-locked semiconductor laser」、 ＯｌｉｖｉｅｒＬｉｄｏｙｎｅ他著、IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol. 9, No.5, 第６５９頁〜第６６５頁、１９９１年５月発行 「All-Optical 2R Regeneration of 40-Gb/s SignalImpaired by Intrachannel Four-Wave Mixing」、Ｙ．Ｓｕ他著、IEEE Photonics Technology Letters、 Vol. 15、No.2、2003、第３５０頁〜第３５２頁、２００３年２月発行 「All-OpticalWavelength Conversion by Semiconductor Optical Amplifiers」、 Ｔ．Ｄｕｒｈｕｕｓ他著、IEEE Journal ofLightwave Technology、 Vol. 14、No.6、1996、第９４２頁〜第９５４頁、１９９６年６月発行 「All Optical ASK to DPSK Format ConversionUsing Cross-Phase Modulation in a Nonlinear Photonic Crystal Fiber」、Ｓ．Ｈ．Ｌｅｅ他著、CLEOPacific Rim 2005、paper CFJ2-5、１５７９頁〜１５８０頁、２００５年発行

光再生中継器は、伝送路から受信した光のノイズを除去し、増幅した上で、さらに伝送路に送出する。図２は、従来の光再生中継器の構成を示すブロック図である。図２に示す光再生中継器は、図１の光ホモダイン受信器に、再生された位相変調光信号を出力する機能を付加したものである。

なお、図２において、図１に示す光ホモダイン受信機の構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付し、説明を省略する。差動増幅器８の出力である復調されたデータ信号は、再生中継回路１０に入力される。再生中継回路１０は、復調されたデータ信号の雑音、歪み、ジッタを抑圧する。したがって、再生中継回路１０の出力電気信号は、振幅および位相の整ったデータ信号となる。

再生中継回路１０によって再生された電気信号は、増幅器１２によって所定の電圧に増幅された後、光位相変調器１３の端子に印加される。光位相変調器１３は、入力される電圧に応じて、入力光信号に位相変調をかけるものであり、入力光信号としては、レーザ発振器１１の出力光信号が用いられる。したがって、出力端子１４には増幅器１２の出力電圧に応じて位相変調された光信号が出力される。

上記説明から理解できるように、図２に示す従来の光再生中継器においては、入力端子１に入力された位相変調光信号の位相変調情報に対応した、再生された位相変調光信号が、出力端子１４から出力される。一般に入力端子１から入力される位相変調光信号は、光ファイバと光増幅器により構成される光伝送路を伝送されるため、雑音や歪を伴うのが一般的であるが、図２に示す光再生中継器を用いれば、それらの影響を除去することが可能である。

しかしながら、従来の光再生中継器においては、上述したように、復調過程で受信した光信号を一旦電気信号に変換し、再生中継回路１０で再生した後、再び位相変調光信号に変換している。一般に電気信号を用いた信号処理においては、その扱える周波数に上限があるため、図２に示すような光再生中継器の動作伝送速度は、おおよそ５０Ｇｂｉｔ／ｓ程度に限られていた。しかるに、近年の技術革新によって１００Ｇｂｉｔ／ｓで動作するイーサネット（登録商標）に関する研究開発などが進展しており、近い将来には実用化されるものと期待されている。

１００Ｇｂｉｔ／ｓで動作するイーサネット信号を伝送するには、一般的には１００Ｇｂｉｔ／ｓ以上の伝送速度を有する変調が必要となる。しかしながら、図２の光再生中継器では、上述したように、このような高速な伝送速度における動作は望めないという問題点があった。

本発明は、電気信号への変換の無い、高速動作可能な全光再生中継装置を提供することを目的とする。

本発明の目的は、伝送路中に配置され、当該伝送路からの位相変調光信号を受け入れ、当該位相変調光信号の雑音成分を除去して、伝送路に再度送出する全光再生中継装置であって、
前記受け入れた位相変調光信号を、予め定められた比率で分岐させる光分岐器と、
前記光分岐器から分岐した他方の位相変調光信号を受け入れ、当該位相変調光信号の変調成分を除去し、搬送波成分を含む光信号を出力する注入同期型レーザと、
前記注入同期型レーザから出力された光信号の位相を調整する光位相調整器と、
前記光分岐器から分岐した一方の位相変調光信号を第１の入力端子に受け入れるとともに、前記光位相調整器から出力された光信号を第２の入力端子に受け入れ、前記第１の入力端子にて受け入れた光信号の位相をπ／２だけ遅らせ、かつ、前記第２の入力端子にて受け入れた光信号をそのまま第１の出力端子から出力するとともに、前記第１の入力端子にて受け入れた信号をそのまま、かつ、前記第２の入力端子にて受け入れた光信号の位相をπ／２だけ遅らせて第２の出力端子から出力する光１８０度ハイブリッドと、
前記光１８０度ハイブリッドの前記第１の出力端子から出力される強度変調光信号の雑音および歪を除去する強度変調光用全光再生中継器と、
前記強度変調光用全光再生中継器から出力された光信号を受け入れ、当該受け入れた光信号の波長を変換し、波長の異なる光信号として出力する全光波長変換器と、
前記全光波長変換器から出力された強度変調光信号を受け入れ、当該強度変調光信号の強度に応じた位相変調光信号を発生する全光位相変調器と、を備えたことを特徴とする全光再生中継装置により達成される。

好ましい実施態様においては、前記全光位相変調器が、
前記受け入れた強度変調光信号とは異なる波長の光信号を出力する信号用レーザと、
前記強度変調光信号と、前記信号用レーザから出力された光信号とを合波する光合波器と、
前記信号用レーザから出力された光信号に、前記強度変調光信号による光位相変調を受けさせる非線形光デバイスと、
前記光位相変調を受けた光信号のみを出力する光帯域通過フィルタと、を有する。

別の好ましい実施態様においては、前記光位相調整器から出力された光信号を受け入れ、受け入れた光信号を分岐させる第２の光分岐器を備え、
前記全光位相変調器が、
前記強度変調光信号と、前記第２の光分岐器から受け入れた光信号とを合波する光合波器と、
前記第２の光分岐器から受け入れた光信号に、前記強度変調光信号による光位相変調を受けさせる非線形光デバイスと、
前記光位相変調を受けた光信号のみを出力する光帯域通過フィルタと、を有する。

また、別の好ましい実施態様においては、前記光１８０度ハイブリッドの前記第２の出力端子からの光信号を受け入れ、前記光１８０度ハイブリッドの前記第１の入力端子に入力される光信号と、前記第２の入力端子に入力される光信号の位相差をなくすように、前記第２の入力端子に入力される光信号の位相を補正する補正信号を生成する光位相安定化回路を備え、
前記光位相調整器が、前記光位相安定化回路からの出力を受け入れて、前記光１８０度ハイブリッドの前記第２の入力端子に入力される光信号の位相を変化させる。

より好ましい実施態様においては、前記光位相安定化回路が、
前記光１８０度ハイブリッドの第２の出力端子からの光信号を受け入れて、電気信号に変換する光受信器と、
前記位相変調光信号の伝送速度と比較して十分に低い周波数の電気信号を発生する発振器と、
前記光受信器からの出力信号と、前記発振器からの出力信号を乗算する乗算器と、
前記乗算器からの出力信号を増幅する増幅器と、
前記増幅器からの出力信号から、所定の低域の周波数成分のみを通過させる低域濾波器と、
前記低域濾波器からの出力信号と、前記発振器からの出力信号とを加算する加算器と、を有する。

本発明によれば、電気信号への変換の無い、高速動作可能な全光再生中継装置を提供することが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図３は、本発明の第１の実施の形態にかかる全光再生中継装置の構成を示すブロック図である。図３に示すように、本実施の形態にかかる全光再生中継装置１５は、光分岐器２、注入同期型レーザ３、光位相調整器４、光１８０度ハイブリッド５、強度変調光用全光再生中継器２０、光終端器２２、全光波長変換器２５、および、全光位相変調器２１を備えている。

図３に示すように、光位相変調され、光ファイバ伝送路（図示せず）を伝送された光信号は、入力端子１に入力される。入力光信号は、光分岐器２によって、予め決められた比率で２つに分岐される。光分岐器２によって分岐された入力光信号のうちの一方は、光１８０度ハイブリッド５の２つの入力端子のうちの一方の入力端子Ａに入力される。また、光分岐器２によって分岐された入力光信号のうちのもう一方は、注入同期型レーザ３に入力される。

図１に示したものと同様に、注入同期型レーザ３の出力光として、入力光の周波数、位相に同期したものが出力される。また、注入同期型レーザ３の特性を適切に設定しておくことにより、入力光の変調成分がほとんど除去され、入力光の搬送波線分のみが出力されるようにすることが可能である。注入同期型レーザ３の出力光は、光位相調整器４によって光位相を適当に調整され、光１８０度ハイブリッド５の他方の入力端子Ｂに入力される。

入力端子に入力される光位相変調を施された光信号の電解Ｅ_ｉを、従来技術の説明と同様に（１）式にて表す。

Ｅ_ｉ＝Ｅ_０ｃｏｓ（ωｔ＋θ_ｍ＋θ_ｉ） （１）
光１８０度ハイブリッド５は、入力端子Ａ、Ｂおよび出力端子Ｃ、Ｄを有し、光１８０度ハイブリッド５を通過した時の光の位相は、次のような位相シフトを受ける。
・入力端子Ａに入力された光信号は、位相がπ／２だけ遅れて出力端子Ｃから出力される。
・入力端子Ａに入力された光信号は、そのままの位相で出力端子Ｄから出力される。
・入力端子Ｂに入力された光信号は、そのままの移送で出力端子Ｃから出力される。
・入力端子Ｂに入力された光信号は、位相がπ／２だけ遅れて出力端子Ｄから出力される。

たとえば、本実施の形態において、光１８０度ハイブリッド５として、光ファイバカプラや半透過型ミラーなどを使用することができる。光１８０度ハイブリッド５にの入力端子Ａに入力された光は、適当な分岐比で出力端子Ｃ、Ｄにそれぞれ出力され、同様に、入力端子Ｂに入力された光は、適当な分岐比で出力端子Ｃ、Ｄにそれぞれ出力される。本実施の形態において、分岐比は５０パーセントである。

光１８０度ハイブリッド５の一方の入力端子Ａに入力される光信号、および、光１８０度ハイブリッド５の他方の入力端子Ｂに入力される光信号は、それぞれ、（２）式および（３）式に示されるものとなる。

Ｅ_Ｕ＝Ｅ_１ｃｏｓ（ωｔ＋θ_ｍ＋θ_１） （２）
Ｅ_Ｌ＝Ｅ_２ｃｏｓ（ωｔ＋θ_２） （３）
本実施の形態において、光１８０度ハイブリッド５の他方の出力端子Ｄには光終端器２２が接続され、当該他方の出力端子Ｄから出力された光は反射することなく終端する。光１８０度ハイブリッドの一方の出力端子Ｃからの出力光は、以下の（７）式で表される。

Ｅ_３＝Ｅ_１ｃｏｓ（ωｔ＋θ_ｍ＋θ_１−π／２）＋Ｅ_２ｃｏｓ（ωｔ＋θ_２） （７）
Ｅ_１＝Ｅ_２≡Ｅとすると、（７）式は以下のように書き換えられる。

Ｅ_３＝Ｅｃｏｓ（ωｔ＋θ_ｍ＋θ_１−π／２）＋Ｅｃｏｓ（ωｔ＋θ_２）
＝Ｅｓｉｎ（ωｔ＋θ_ｍ＋θ_１）＋Ｅｃｏｓ（ωｔ＋θ_２） （８）
ここで、θ_２＝θ_１＋π／２ （９）
となるように、θ_２の値を、光位相調整器４により調整することにより、出力光の電界振幅Ｅ_３は、（１０）式のようになる。

Ｅ_３＝Ｅｓｉｎ（ωｔ＋θ_ｍ＋θ_１）＋Ｅｃｏｓ（ωｔ＋θ_１＋π／２）
＝Ｅｓｉｎ（ωｔ＋θ_ｍ＋θ_１）−Ｅｓｉｎ（ωｔ＋θ_１） （１０）
θ_ｍは、０またはπの値をとるから、上記（１０）式は、（１１ａ）式および（１１ｂ）式のように表される。

θ_ｍ＝０のとき、Ｅ_３＝０ （１１ａ）
θ_ｍ＝πのとき、Ｅ_３＝−２Ｅｓｉｎ（ωｔ＋θ_１） （１１ｂ）
したがって、θ_ｍの値に応じて、光信号の有無が決定される。これは位相変調光信号が、光強度変調信号に変換されたことを示しており、位相変調光信号が電気信号に変換されずに、光のまま復調されたことに他ならない。

光レベルで復調された信号は、強度変調光用全光再生中継器２０に入力される。強度変調光用全光再生中継器２０は、入力された強度変調光の雑音、歪を除去する。図４は、強度変調光用全光再生中継器２０の構成例を示すブロック図である。

なお、図４に示す強度変調光用全光再生中継器は、公知のものであり、たとえば、非特許文献２に提案されている。入力端子４０に入力された、雑音や歪を伴った強度変調された光信号は、高出力光増幅器４１により規定の電力まで増幅され、非線形光デバイス４２に入力される。非線形光デバイス４２においては、非線形光学効果により、入力された光信号のスペクトル幅が広げられる。該スペクトル幅が広げられた光信号を、光帯域通過フィルタ４３を通過させることにより、入力光信号の雑音や歪が軽減されることが知られている。

強度変調光用全光再生中継器２０によって、雑音や歪が軽減された光信号は、全光波長変換器２５に入力され、波長の異なる出力光として出力される。図５は、全光波長変換器２５の構成例を示すブロック図である。図５の構成は公知のものであり、たとえば、非特許文献３に提案されている。

入力光信号は入力端子５０に入力される。入力端子５０から入力された光信号は、光送信器５１から出力される入力光信号とは異なる波長の光信号と光合成器５２で合波される。合波された光信号は、半導体光増幅器５３に入力され、半導体光増幅器５３の利得飽和現象によって、光送信器５１の出力光信号が、入力端子５０に入力された強度変調された光信号により、論理反転した強度変調を受ける。

光フィルタ５４は光送信器５１の出力光波長と同一の波長成分のみを通過させるように設定されたもので、入力端子５０に入力された光信号は通過することができない。すなわち、出力端子５５には、入力端子５０に入力された光信号を論理反転した変調情報を有する波長変換された強度変調光が出力される。ここで述べたように、全光波長変換器２５においては、波長変換と同時に論理反転が生じるが、一般にデータ通信において論理反転が生じることはしばしばあり、論理反転されたことがわかっていれば、データの復調自体に何ら問題はない。一般に伝送路に送出される光信号によるデータにはヘッダが含まれ、当該ヘッダには決められたデータ列が含まれる。したがって、受信側において、当該決められたデータ列を参照することにより、論理反転の有無を知ることができる。

全光波長変換器２５によって波長変換された光信号は、全光位相変調器２１に入力される。全光位相変調器２１は、入力された強度変調光の強度に対応した位相変調光を発生するものであり、電気信号処理部分を有しないものである。図６は、全光位相変調器２１の構成例を示すブロック図である。図６に示す全光位相変調器は公知のものであり、たとえば、非特許文献４に提案されている。

図６において強度変調光信号は入力端子６０に入力される。入力端子６０に入力された強度変調光は、高出力光増幅器６１により増幅され、入力端子に入力された強度変調光とは異なる波長を有する信号用レーザ６２の出力光信号と、光合波器６３により合波される。合波された２つの光信号は、非線形光デバイス６４に入力される。

非線形光デバイス６４においては、非線形光学効果（相互位相変調現象）により、信号用レーザ６２から出力された光信号が、入力端子６０から入力された強度変調光の変調データ信号により光位相変調を受ける。光帯域通過フィルタ６５は、位相変調を受けた光信号の波長のみを通過させ、入力された強度変調光の波長は通過させないように設定されている。したがって、出力端子６６には、光位相変調された光信号のみが出力される。かくして、図６に示す全光位相変調器を用いることにより、入力された強度変調光の変調データに応じた光位相変調信号が出力できることとなる。

図３に示す、本実施の形態にかかる全光再生中継装置１５によれば、入力端子１から入力された位相変調光信号は、光レベルで復調された後、強度変調光用全光再生中継器２０によって雑音、歪が除去され、更に全光波長変換器２５によって波長を変換された後、全光位相変調器２１によって再び光位相変調された光となって出力端子２３に導かれる。

ここで、入力端子１に入力される位相変調光信号の波長と出力端子２３から出力される位相変調光信号の波長とを同一とするためには、全光波長変換器２５によって、一旦光信号の波長を変換する必要がある。その理由は、全光位相変調器２１では、図６に示すように、最終的に光位相変調されて出力される光は、信号用レーザ６２から出力される光であり、これは入力端子６０から入力される光の波長とは異なるものとする必要があるためである。すなわち、図３において、入力端子１に入力される位相変調光信号の波長と出力端子２３から出力される位相変調光信号の波長を同一とするためには、図６における信号用レーザの波長を、図３において、入力端子１に入力される位相変調光信号の波長と同一にすればよい。

上述した説明から理解できるように、図３において、入力端子１に入力される位相変調光信号の波長と出力端子２３から出力される位相変調光信号の波長が同一でなくてもよい場合には、全光波長変換器２５は必ずしも必要ではなく、強度変調光用全光再生中継器２０の出力を、全光位相変調器２１の入力に直結すればよい。

本実施の形態によれば、電気信号への変化なしに、伝送路を介して伝送され、全光再生中継装置に入力された光信号の雑音、歪を除去し、増幅した上で、再度伝送路に送出することが可能となる。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図７は、本発明の第２の実施の形態にかかる全光再生中継装置の構成を示すブロック図である。図７において、図３に示す第１の実施の形態にかかる全光再生中継装置と同一の構成部分については同一の符号を付する。

図７に示すように、第２の実施の形態にかかる全光再生中継装置７０は、光分岐器２、注入同期型レーザ３、光位相調整器４、光分岐器２６、光１８０度ハイブリッド５、強度変調光用全光再生中継器２０、光終端器２２、全光波長変換器２５、および、全光位相変調器２７を備えている。

第２の実施の形態にかかる全光再生中継装置７０が、第１の実施の形態にかかる全光再生中継装置１５と異なるところ以下の点である。第１の実施の形態においては、図６に示すように、全光位相変調器２１の出力する光位相変調された光信号の元となる信号を発生させるために、信号用レーザ６２を用いているが、第２の実施の形態においては、新たに信号用レーザ６２を設けることなく、注入同期型レーザ３の出力光を光分岐器２６により２つに分岐して、光分岐器２６の一方の出力を、全光位相変調器２７に入力することにより、第１の実施の形態にかかる信号用レーザ６２の発生光と同等の役割をさせている。

図８は、第２の実施の形態にかかる光位相変調器２７の構成を示すブロック図である。図８において、図６に示す第１の実施の形態にかかる光位相変調器２１の構成部分と同一のものには同一の符号を付している。第２の実施の形態にかかる全光位相変調器２７において、光位相変調されるもととなる光は、入力端子８０から入力される。また、変調情報を有する強度変調された光信号は、入力端子６０から入力される。

入力端子６０から入力された光信号は、高出力光増幅器６１によって増幅され、入力端子８０から入力された光信号と光合波器６３によって合波され、第１の実施の形態と同様に、非線形光デバイス６４によって光位相変調される。

次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。第１の実施の形態および第２の実施の形態において、光１８０度ハイブリッド５において合波される光信号の位相は、相互に変化しないものと考えている。しかしながら、周囲の温度変化、振動などの外部環境の変動によって、光１８０度ハイブリッド５で合波される２つの光信号の位相が絶えず変動する可能性がある。したがって、第３の実施の形態においては、これらの変動を補正する。

図９は、本発明の第３の実施の形態にかかる全光再生中継装置の構成を示すブロック図である。第３の実施の形態にかかる全光再生中継装置９０は、光分岐器２、注入同期型レーザ３、光位相変調器３９、光１８０度ハイブリッド５、強度変調光用全光再生中継器２０、全光波長変換器２５、全光位相変調器２１、および、光位相安定回路３０を備えている。

第３の実施の形態にかかる全光再生中継装置９０が、第１の実施の形態にかかる全光再生中継装置１５と異なるところは以下の点である。第１の実施の形態においては、図３に示すように、光１８０度ハイブリッド５の他方の出力端子Ｄからの出力は光終端器２２に与えられ終端されているが、第３の実施の形態においては、光１８０度ハイブリッド５の他方の出力端子Ｄからの出力光を用いて、光位相安定回路３０が、光位相変調器３９における光信号の位相を補正する。

なお、第１の実施の形態および第２の実施の形態においては、注入同期型レーザ３からの出力光を受け入れる光位相調整器４が設けられ、その一方、第３の実施の形態においては、注入同期型レーザ３の光を受け入れる光位相変調器３９が設けられている。前者は、固定位相シフタであり、その位相が固定である。その一方、後者は、後述するように、光位相安定化回路３０の制御によって位相が変更可能である。しかしながら、実際には、光位相調整器４および光位相変調器３９も、同一のデバイス（たとえば、ニオブ酸リチウムを用いた光位相変調器）により実現され、その差は、位相が固定であるか可変であるかに過ぎない。

図１２において、横軸δ_０は、図９における光分岐器２から光１８０度ハイブリッド５の一方の入力端子Ａに達する第１の光経路と、注入同期型レーザ３および光位相変調器３９を経て、光１８０度ハイブリッドの他方の入力端子Ｂに達する第２の経路との間の位相差である。また、図１２において、縦軸Ｉは、図９における光１８０度ハイブリッド５の出力端子Ｃから出力され、強度変調光用全光再生中継器２０に入力される光信号の強度である。なお、以下の説明においては、簡単のために、光１８０度ハイブリッド５においては既に説明したπ／２の位相シフトは生じないものとする。実際には、光１８０度ハイブリッド５においては上記π／２の位相シフトは生じるため、以下の説明においては、正しくは、位相シフトの値π／２を考慮する必要がある。そのためには、以下の説明において、第１の光経路の位相を−π／２だけずらせばよい。

図１２に示すように、δ_０＝０であれば、第１の光経路と第２の光経路との間の位相差は０となるので、光１８０度ハイブリッド５の出力では、第１の光経路を通過した光と第２の光経路を通過した光とが強めあい、強度Ｉは最大となる（図１２におけるＰ点）。その一方、両者に±πだけ位相差が生じた場合には、Ｉ＝０となる。一般に、第１の光経路と第２の光経路との間の位相変化により、その位相差が時々刻々変化する可能性があり、図１２のＰ＋点あるいはＰ−点に位置して出力光強度が減少することとなるため、これに絶えず追随して、図１２におけるＰ点に戻すことが望ましい。

この目的のために、後述する光位相安定化回路３０中の発振器３１（図１０参照）の出力により、第２の光経路の光位相に対して、微小な低周波変調をかける。

第１の実施の形態において述べたのと同様に考えると、光１８０度ハイブリッド５の他方の出力端子Ｄから出力される光電界は、次のように表わされる。

Ｅ_４＝Ｅｃｏｓ（ωｔ＋θ_ｍ＋θ_１）＋Ｅｃｏｓ（ωｔ＋θ_２−π／２）
＝Ｅｃｏｓ（ωｔ＋θ_ｍ＋θ_１）＋Ｅｓｉｎ（ωｔ＋θ_２） （１２）
ここで、（９）式から、
θ_２＝θ_１＋π／２ （１３）
となるようにθ_２は設定される。（１３）式を（１２）式に適用すれば、（１４）式を得ることができる。

Ｅ_４＝Ｅｃｏｓ（ωｔ＋θ_ｍ＋θ_１）＋Ｅｓｉｎ（ωｔ＋θ_１＋π／２）
＝Ｅｃｏｓ（ωｔ＋θ_ｍ＋θ_１）＋Ｅｃｏｓ（ωｔ＋θ_１） （１４）
図９の光位相安定化回路３０についてより詳細に説明する。図１０は、本発明の第３の実施の形態にかかる光位相安定化回路３０の構成を示すブロック図である。図１０に示すように、発振器３１、乗算器３２、光受信器３３、増幅器３４、低域濾波器３５および加算器３６を有している。

発振器３１は、位相変調光信号の伝送速度に比べて十分低い周波数の電気信号を発生させる。発振器３１の発生周波数としては、一例として、数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ程度の値が採用される。発振器３１の出力は、加算器３６を介して、光位相変調器３９に入力される。これにより、図９において光分岐器９によって分岐された２つの光信号のうち、注入同期型レーザ３および光位相変調器３９を通る経路（第２の光経路）を通過した光信号には、伝送速度で施されている光位相変調に加えて、発振器３１の出力である低周波電気信号による微小な光位相変調が施される。この微小な位相変調を考慮すると、（１４）式は、（１５）式のように書き換えられる。

ただし、δ_０は、外部環境の変化により生じる第１の光経路（光分岐器２から光１８０度ハイブリッド５の一方の入力端子Ａに達する経路）と第２の光経路の間の位相差を光位相変調器３９に集約したもの、δ、ω_ｍは、それぞれ低周波電気信号の振幅、角周波数である。

上記電界Ｅ_４は、図１０に示す光受信器３３によって受信される。光受信器３３の周波数帯域は、伝送速度に相当する周波数より十分に小さく、かつ低周波電気信号の周波数よりも十分に大きいものとする。すると光受信器３３の出力電流ｉは、（１６）式のように表わされる。

なお、光受信器３３の周波数帯域を考慮して、伝送速度に相当する１ビット時間よりは十分に長く、低周波電気信号の周期よりは十分に短い時間にわたっての時間平均を表わす。つまり、（１６）式において、右辺は、電界Ｅ_４の絶対値の二乗の平均値である。時間平均は、データ信号による変調項に適用され、（１５）式および（１６）式より、以下の（１７）式を得ることができる。

ここで、θ_ｍ＝０のときには、（１７）式より、（１８）式に示すようになる。

ここで、環境変動による位相ずれは十分に小さく、また低周波電気信号による変調も十分に微小である。すなわち、δ_０が１より十分に小さく（δ_０≪１）かつδが１より十分小さい（δ≪１）であるとすると、（１８）式は、（１９）式のようになる。

ｉ∝−δ_０δｓｉｎω_ｍｔ （１９）
また、（１７）式において、θ_ｍ＝πのときには、（２０）式のようになる。

ｉ∝ｃｏｓ^２（（δ_０＋δｓｉｎω_ｍｔ）／２） （２０）
結局、θ_ｍ＝０の場合と同様であるため、最終的に（１９）式が得られることになる。

図１０において、乗算器３２は発振器３１の出力電気信号と、光受信器３３の出力電気信号の積に比例した電気信号を出力する。したがって、その出力電圧ｖ_ｏｕｔは、（２１）式のようになる。

ｖ_ｏｕｔ∝−（δ_０δｓｉｎω_ｍｔ）ｓｉｎω_ｍｔ
＝−（δ_０δ／２）・（１−ｃｏｓ２ω_ｍｔ） （２１）
乗算器３２の出力は、増幅器３４によって適宜増幅された後、角周波数ω_ｍよりも十分低い周波数成分のみを通過させる低域濾波器３５を通過する。低域濾波器３５を通過した信号ｖ_ｏｕｔ２は、（２１）式より、（２２）式に示すようなものとなる。

ｖ_ｏｕｔ２＝−Ｇ・（δ_０δ／２） （２２）
ここで、Ｇは、増幅器３４の利得である。

（２２）式から理解できるように、低域濾波器３５の出力信号はδ_０に比例した値で符号が反転している。したがって、（２２）式で表わされる信号ｖ_ｏｕｔ２を、加算器３６を介して、光位相変調器２８に印加することにより、δ_０を「０」とするようにフィードバック制御がかかることになる。すなわち、外部環境変動によって図９における、第１の光経路と第２の光経路との間の位相差が変動しても、光位相安定化回路３０の動作により、その変動が除去できることがわかる。

以上述べたように、本発明の第３の実施の形態によれば、外部環境変動による第１の光経路と第２の光経路との位相差の変動に対しても、絶えずその変動を除去して安定な動作が可能な全光再生中継装置を提供することが可能となる。

次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図１１は、本発明の第４の実施の形態にかかる全光再生中継装置の構成を示すブロック図である。図１１に示すように、第４の実施の形態にかかる全光再生中継装置１００は、光分岐器２、注入同期型レーザ３、光位相変調器３９、光分岐器２６、光１８０度ハイブリッド５、強度変調光用全光再生中継器２０、全光波長変換器２５、全光位相変調器２７、および、光位相安定化回路３０を備えている。光位相安定化回路３０は、第３の実施の形態において示したものと同様である。

第３の実施の形態において、全光位相変調器２１は、図６に示すように、信号用レーザ６２を備える。その一方、第４の実施の形態においては、全光位相変調器２７は、図８に示すように、信号用レーザを用いない代わりに、注入同期型レーザ３の出力光を光分岐器２６によって分岐した光信号を受け入れ、この光信号を用いている。

第４の実施の形態にかかる全光再生中継装置１００においては、第２の実施の形態と同様に、注入同期型レーザ３の出力光が、光分岐器２６により２つに分岐され、光分岐器２６の一方の出力が、全光位相変調器２７に入力される。光位相変調器２７においては、図８に示すように、入力端子６０から入力された光信号は、高出力光増幅器６１によって増幅され、入力端子８０から入力された光信号と光合波器６３によって合波され、非線形光デバイス６４によって光位相変調される。

また、第4の実施の形態にかかる全光再生中継装置１００においては、第３の実施の形態と同様に、光１８０度ハイブリッド５の他方の出力端子Ｄからの出力光を用いて、光位相安定回路３０が、光位相変調器３９における光信号の位相を補正する。

本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。

図１は、注入同期型レーザを用いた光ホモダイン受信器の例を示すブロック図である。 図２は、従来の光再生中継器の構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態にかかる全光再生中継装置の構成を示すブロック図である。 図４は、強度変調光用全光再生中継器の構成例を示すブロック図である。 図５は、全光波長変換器の構成例を示すブロック図である。 図６は、全光位相変調器の構成例を示すブロック図である。 図７は、本発明の第２の実施の形態にかかる全光再生中継装置の構成を示すブロック図である。 図８は、第２の実施の形態にかかる光位相変調器の構成を示すブロック図である。 図９は、本発明の第３の実施の形態にかかる全光再生中継装置の構成を示すブロック図である。 図１０は、本発明の第３の実施の形態にかかる光位相安定化回路の構成を示すブロック図である。 図１１は、本発明の第４の実施の形態にかかる全光再生中継装置の構成を示すブロック図である。 図１２は、第１の光経路と第２の光経路との間の位相差およびそれらの合成光の強度を説明するグラフである。

符号の説明

２ 光分岐器
３ 注入同期型レーザ
４ 光位相調整器
５ 光１８０度ハイブリッド
１５ 全光再生中継装置
２０ 強度変調光用全光再生中継器
２１ 全光位相変調器
２２ 光終端器
２５ 全光波長変換器
４１ 高出力光増幅器
４２ 非線形光デバイス
４３ 光帯域通過フィルタ
５１ 光送信器
５２ 光合成器
５３ 半導体光増幅器
５４ 光フィルタ
６１ 高出力光増幅器
６２ 信号用レーザ
６３ 光合波器
６４ 非線形光デバイス
６５ 光帯域通過フィルタ

Claims (3)

1. 伝送路中に配置され、当該伝送路からの位相変調光信号を受け入れ、当該位相変調光信号の雑音成分を除去して、伝送路に再度送出する全光再生中継装置であって、
   前記受け入れた位相変調光信号を、予め定められた比率で分岐させる光分岐器と、
   前記光分岐器から分岐した他方の位相変調光信号を受け入れ、当該位相変調光信号の変調成分を除去し、搬送波成分を含む光信号を出力する注入同期型レーザと、
   前記注入同期型レーザから出力された光信号の位相を調整する光位相調整器と、
   前記光分岐器から分岐した一方の位相変調光信号を第１の入力端子に受け入れるとともに、前記光位相調整器から出力された光信号を第２の入力端子に受け入れ、前記第１の入力端子にて受け入れた光信号の位相をπ／２だけ遅らせて第１の出力端子から出力するとともに、前記第２の入力端子にて受け入れた光信号をそのまま第１の出力端子から出力し、前記第１の入力端子にて受け入れた信号をそのまま第２の出力端子から出力するとともに、前記第２の入力端子にて受け入れた光信号の位相をπ／２だけ遅らせて第２の出力端子から出力する光１８０度ハイブリッドと、
   前記光１８０度ハイブリッドの前記第１の出力端子から出力される強度変調光信号の雑音および歪を除去する強度変調光用全光再生中継器と、
   前記強度変調光用全光再生中継器から出力された光信号を受け入れ、当該受け入れた光信号の波長を変換し、波長の異なる光信号として出力する全光波長変換器と、
   前記全光波長変換器から出力された強度変調光信号を受け入れ、当該強度変調光信号の強度に応じた位相変調光信号を発生する全光位相変調器と、
   前記光位相調整器から出力された光信号を受け入れ、受け入れた光信号を分岐させる第２の光分岐器を備え、
   前記全光位相変調器が、
   前記強度変調光信号と、前記第２の光分岐器から受け入れた光信号とを合波する光合波器と、
   前記第２の光分岐器から受け入れた光信号に、前記強度変調光信号による光位相変調を受けさせる非線形光デバイスと、
   前記光位相変調を受けた光信号のみを出力する光帯域通過フィルタと、を有する全光再生中継装置。
2. 前記光１８０度ハイブリッドの前記第２の出力端子からの光信号を受け入れ、前記光１８０度ハイブリッドの前記第１の入力端子に入力される光信号と、前記第２の入力端子に入力される光信号の位相差をなくすように、前記第２の入力端子に入力される光信号の位相を補正する補正信号を生成する光位相安定化回路を備え、
   前記光位相調整器が、前記光位相安定化回路からの出力を受け入れて、前記光１８０度ハイブリッドの前記第２の入力端子に入力される光信号の位相を変化させることを特徴とする請求項１に記載の全光再生中継装置。
3. 前記光位相安定化回路が、
   前記光１８０度ハイブリッドの第２の出力端子からの光信号を受け入れて、電気信号に変換する光受信器と、
   前記位相変調光信号の伝送速度と比較して十分に低い周波数の電気信号を発生する発振器と、
   前記光受信器からの出力信号と、前記発振器からの出力信号を乗算する乗算器と、
   前記乗算器からの出力信号を増幅する増幅器と、
   前記増幅器からの出力信号から、所定の低域の周波数成分のみを通過させる低域濾波器と、
   前記低域濾波器からの出力信号と、前記発振器からの出力信号とを加算する加算器と、を有することを特徴とする請求項２に記載の全光再生中継装置。