光変調装置および光変調方法
【課題】高速応答性を有し、伝送劣化が抑制された高品質な光位相変調を行う。
【解決手段】光変調装置１０は、反転部１３、非線形媒質１５−１、非線形媒質１５−２および光干渉部１６を備える。反転部１３は、変調信号光のパワーを反転させて、反転変調信号光を生成する。非線形媒質１５−１は、被変調光を変調信号光の非線形光学効果によって位相変調させる。非線形媒質１５−２は、被変調光を反転変調信号光の非線形光学効果によって位相変調させる。光干渉部１６は、非線形媒質１５−１の出力光と、非線形媒質１５−２の出力光との干渉制御を行って、位相変調された被変調光を出力する。
【解決手段】光変調装置１０は、反転部１３、非線形媒質１５−１、非線形媒質１５−２および光干渉部１６を備える。反転部１３は、変調信号光のパワーを反転させて、反転変調信号光を生成する。非線形媒質１５−１は、被変調光を変調信号光の非線形光学効果によって位相変調させる。非線形媒質１５−２は、被変調光を反転変調信号光の非線形光学効果によって位相変調させる。光干渉部１６は、非線形媒質１５−１の出力光と、非線形媒質１５−２の出力光との干渉制御を行って、位相変調された被変調光を出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光位相変調を行う光変調装置および光変調方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネット等によるマルチメディアサービスの拡大に伴い、ネットワーク上を流れる情報量は飛躍的に増大している。このような状況において、高速・大容量の情報を遠距離まで低コストで伝送するために、光通信ネットワークの構築が進展している。また、光通信ネットワークの通信方式としては、長距離伝送に優れた光位相変調方式が注目されている。
【０００３】
光位相変調方式は、光の位相を変化（変調）させて情報を重畳させる方式であり、代表的なデバイスに、マッハ・ツェンダ干渉計（Mach−Zehnder interferometer）を使用した光変調器がある。
【０００４】
この光変調器は、強誘電体媒質であるニオブ酸リチウム（LiNbO3：ＬＮとも表記）等を用いた結晶基板上に、光導波路で形成されたマッハ・ツェンダ干渉計が設けられる。そして、この光導波路に電気信号を印加して、光導波路の屈折率変化を利用することで、光導波路内を伝搬する光の位相変調を行うものである。
【０００５】
一方、電気信号を介さずに光信号を直接用いて光位相変調を行う光直接位相変調方式がある。この方式は、非線形媒質内にデータ信号光を入力し、データ信号光のパワーに依存する非線形光学効果（相互位相変調（ＸＰＭ：Cross Phase Modulation）など）によって屈折率変化を発生させて、位相を変調させるものである。
【０００６】
なお、非線形光学効果とは、ガラス中に比較的強いパワーの光を伝搬させたとき、光強度に応じてガラスの物性（屈折率）が変化し、光学的な応答が線形性を失う現象のことである。
【０００７】
光変調の従来技術としては、ファイバループの干渉計に代えて、内部で光空間平行光が伝送される空間干渉系を用いた光変調器が提案されている（特許文献１）。また、電界吸収型光変調器の吸収飽和に起因する屈折率変化を利用して、干渉計構成によって被制御光を制御する技術が提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−１９４３７５号公報
【特許文献２】特開２００１−２６４７１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
光位相変調方式として、上記のような、ＬＮ結晶基板上にマッハ・ツェンダ干渉計を設けた光変調器（以降、ＬＮ光変調器と呼ぶ）を使用した場合、マッハ・ツェンダ干渉計の平行光導波路上で差動変調を行うことによって、周波数チャープの発生が抑制された光位相変調が可能である。
【００１０】
しかし、ＬＮ光変調器は、電気信号により光導波路の屈折率を変化させて、光位相変調を行う構成なので、電気信号を発する電子回路の動作速度に制約されてしまい、高速光変調を実現することができないといった問題があった。
【００１１】
基幹光ネットワークでは、10Gbit/s帯から40Gbit/s帯への移行が始まっており、さらには、数百Gbit/s帯への開発も行われている。このような超高速・大容量のシステムを実現するためには、光変調器を高速駆動させる必要がある。
【００１２】
しかし、ＬＮ光変調器では、駆動するための電気信号に帯域制限（速度制限）があるため、変調速度が制限され、数百Gbit/sといった超高速動作を実現することができない。
一方、上記の光直接位相変調方式では、非線形媒質内において、データ信号光のパワーに依存する非線形光学効果によって屈折率を変化させるといった、全光学的光位相変調を行う構成をとる。
【００１３】
このため、ＬＮ光変調器のような、電子回路の応答速度に制約されるといったことはなく、超高速応答する非線形媒質および超高速データ信号光を用意すれば、数百Gbit/sといわず、Tbit/s（テラビット）級の動作を実現することも可能である。
【００１４】
しかし、光直接位相変調方式では、周波数チャープが生じるといった問題があった。一般に高速データ信号光の波形は、矩形ではないので、データ信号光のパワーに比例して生じる屈折率変化量は変動し、一定値にはならない。
【００１５】
その結果、非線形媒質内で発生する位相変調量も一定値にはならず、位相変調後の信号光には周波数チャープが発生してしまう。周波数チャープが発生した場合、必要以上に帯域が広くなって周波数利用効率が悪くなり、伝送特性が劣化するなどの欠点がある。
【００１６】
このように、従来では、電子回路の応答速度を上回る速度において、周波数チャープを発生させずに、高品質な光位相変調を実現することができなかった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、高速応答速度で動作して、伝送特性劣化が抑制された、高品質な光位相変調を行う光変調装置を提供することを目的とする。
【００１７】
また、本発明の他の目的は、高速応答速度で動作して、伝送特性劣化が抑制された、高品質な光位相変調を行う光変調方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するために、光変調装置が提供される。この光変調装置は、変調信号光のパワーを反転させて、反転変調信号光を生成する反転部と、被変調光を前記変調信号光の非線形光学効果によって位相変調させる第１の非線形媒質と、前記被変調光を前記反転変調信号光の前記非線形光学効果によって位相変調させる第２の非線形媒質と、前記第１の非線形媒質の出力光と、前記第２の非線形媒質の出力光との干渉制御を行う光干渉部とを有する。
【発明の効果】
【００１９】
高速応答性を有して、伝送特性劣化が抑制された、高品質な光位相変調を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】光変調装置の構成例を示す図である。
【図２】ＬＮ光変調器の構成例を示す図である。
【図３】平行光導波路上の伝搬光の位相遷移状態を示す図である。
【図４】ＬＮ光変調器の出力光の位相遷移状態を示す図である。
【図５】光直接位相変調方式で周波数チャープが発生する理由を説明するための図である。
【図６】光変調装置の構成例を示す図である。
【図７】各信号光のパワーまたは位相状態を示す図である。
【図８】各信号光のパワーまたは位相状態を示す図である。
【図９】光変調装置の各経路点における位相遷移状態を示す図である。
【図１０】光変調装置の出力光の位相遷移状態を示す図である。
【図１１】反転部の構成例を示す図である。
【図１２】反転部の入出力特性を示す図である。
【図１３】反転部の構成例を示す図である。
【図１４】光変調装置の構成例を示す図である。
【図１５】光変調装置の構成例を示す図である。
【図１６】光変調装置の構成例を示す図である。
【図１７】光変調装置の構成例を示す図である。
【図１８】各信号光の波形例を示す図である。
【図１９】光変調装置の構成例を示す図である。
【図２０】各信号光の波形例を示す図である。
【図２１】各信号光の波形例を示す図である。
【図２２】光変調装置の構成例を示す図である。
【図２３】光変調装置の構成例を示す図である。
【図２４】光変調装置の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は光変調装置の構成例を示す図である。光変調装置１０は、反転部１３、非線形媒質１５−１（第１の非線形媒質）、非線形媒質１５−２（第２の非線形媒質）および光干渉部１６を備える。なお、光変調装置１０は、電気信号を用いずに全光学的光位相変調を行う装置である。
【００２２】
反転部１３は、変調信号光のパワーを反転させて、反転変調信号光を生成する。非線形媒質１５−１は、被変調光を変調信号光の非線形光学効果によって位相変調させる。非線形媒質１５−２は、被変調光を反転変調信号光の非線形光学効果によって位相変調させる。光干渉部１６は、非線形媒質１５−１の出力光と、非線形媒質１５−２の出力光との干渉制御を行って、位相変調された被変調光を出力する。
【００２３】
次に光変調装置１０の構成および動作の詳細を説明する前に、ＬＮ光変調器で周波数チャープが抑制される理由および光直接位相変調方式で周波数チャープが発生する理由について説明する。
【００２４】
図２はＬＮ光変調器の構成例を示す図である。ＬＮ光変調器５は、ＬＮ結晶基板５０上の一部に、光を２つに分岐して異なる光導波路を通した後に再度合波するマッハ・ツェンダ干渉計型の光導波路５１が形成される。
【００２５】
光導波路５１は、入射光導波路５１ａ、分岐部５１ｂ、２つの平行光導波路５１−１、５１−２、合波部５１ｃおよび出射光導波路５１ｄを含み、平行光導波路５１−１、５１−２の近傍には、それぞれ電極５５ａ、５５ｂが設けられている。
【００２６】
また、ＬＮ結晶基板５０の周辺には、光電変換部５２、データ反転部５３、アンプ５４ａ、５４ｂが設けられる。光電変換部５２は、入力された変調信号光を電気信号に変換する。データ反転部５３は、電気信号のデータレベルを反転する。アンプ５４ａは、光電変換部５２からの出力信号を増幅して電極５５ａへ送信し、アンプ５４ｂは、データ反転部５３からの出力信号を増幅して電極５５ｂへ送信する。
【００２７】
光導波路５１の入射光導波路５１ａには、変調信号光が電気信号に変換された後のデータ列によって変調される被変調光が入射し、分岐部５１ｂにより２つに分岐されて、平行光導波路５１−１、５１−２上を流れる。
【００２８】
また、電極５５ａ、５５ｂから与えられる電界によって、平行光導波路５１−１、５１−２の屈折率がそれぞれ変化する。これにより、平行光導波路５１−１、５１−２上を伝搬する光の位相が変化し、合波部５１ｃによって合波されることで、位相変調された被変調光が出射光導波路５１ｄから出力される。
【００２９】
図３は平行光導波路５１−１、５１−２上の伝搬光の位相遷移状態を示す図である。変調信号光のデータレベルが“１”のときに光位相変調量が“π”、変調信号光のデータレベルが“０”のときに光位相変調量が“０”とする。（Ａ）は、平行光導波路５１−１の伝搬光の０からπへの位相遷移を示す。（Ｂ）は、平行光導波路５１−２の伝搬光の０から−πへの位相遷移を示す。
【００３０】
平行光導波路５１−１における光位相変調に対し、電極５５ａから印加される電界によって、平行光導波路５１−１で位相変調が生じ、平行光導波路５１−１上の伝搬光は、０とπの２値の位相をとる。
【００３１】
この場合、平行光導波路５１−１上で０からπへ遷移するとき、またはπから０へ遷移するとき、０とπの間の遷移時間において、角度（位相）θ（０≦θ≦π）を持って遷移することになる。
【００３２】
すなわち、０からπへ遷移するときは、θは、０からπの方向へ向かって、０からπの間の正側の角度（位相）を時間的に遷移しながらπとなる。また、πから０へ遷移するときは、θは、πから０の方向へ向かって、πから０の間の正側の角度（位相）を時間的に遷移しながら０となる。
【００３３】
ここで、周波数チャープをｆ、位相をφ、時間をｔとすると、周波数チャープｆは、以下の式（１）で表せる。
【００３４】
【数１】
【００３５】
周波数チャープは、式（１）に示すように位相の時間微分であるから、位相が時間変動すると発生する。仮に平行光導波路５１−１だけで光位相変調を実施した場合、平行光導波路５１−１上の伝搬光は、０とπの２値の位相をとるので、１つの平行光導波路５１−１だけでも光位相変調を行うことはできる。
【００３６】
しかし、平行光導波路５１−１だけの光位相変調では、上記のように０とπ以外の位相をとりながら時間遷移して位相が変位するので、周波数チャープが発生することになる。
一方、ＬＮ光変調器５は、平行光導波路５１−２に対しては、変調信号光の光電変換後の反転データで変調をかけている。平行光導波路５１−２における光位相変調では、電極５５ｂから印加される電界によって、平行光導波路５１−２で位相変調が生じ、平行光導波路５１−２上の伝搬光は、０と−πの２値の位相をとる。
【００３７】
この場合、平行光導波路５１−２上で０から−πへ遷移するとき、または−πから０へ遷移するとき、０と−πの間の遷移時間において、角度（位相）θ（−π≦θ≦０）を持って遷移することになる。
【００３８】
すなわち、０から−πへ遷移するときは、θは、０から−πの方向へ向かって、０から−πの間の負側の角度（位相）を時間的に遷移しながら−πとなる。また、−πから０へ遷移するときは、θは、−πから０の方向へ向かって、−πから０の間の負側の角度（位相）を時間的に遷移しながら０となる。
【００３９】
図４はＬＮ光変調器５の出力光の位相遷移状態を示す図である。平行光導波路５１−１、５１−２における位相変調量は共に同じであり、符号が異なる。したがって、例えば、平行光導波路５１−１側で角度（＋θ1）の遷移があったとき、平行光導波路５１−２側では角度（−θ1）の遷移となるから、これらの合成ベクトルは、実軸上に現れることになる。
【００４０】
すなわち、平行光導波路５１−１側で遷移する位相と、平行光導波路５１−２側で遷移する位相との光電界の合成ベクトルは、常に実軸上に存在することになる。したがって、０とπの間の角度（位相）の時間変動がないので（実軸上での遷移となるので角度を持たない）、０またはπを瞬間的に遷移することになり、位相変調量の時間変動が抑制される。
【００４１】
このように、ＬＮ光変調器５では、上記のような差動変調を行うことにより、０からπへ、逆にπから０に遷移する瞬間を除いて、位相変調量の時間変動が抑制されるので、周波数チャープの発生を防止することができる。
【００４２】
ただし、ＬＮ光変調器５においては、電気光学効果の応答速度により、変調速度に制限がかかる（〜100Gb/s程度）。このため、電子回路がボトルネックとなり、高ビットレートの光位相変調を行うことができない。また、光信号を電気信号に変換する機能は、光信号から電気信号への変換効率は低いために、大きな電力消失を伴うといった欠点があった。
【００４３】
図５は光直接位相変調方式で周波数チャープが発生する理由を説明するための図である。光直接位相変調方式では、まず、偏波状態が共に調整された変調信号光と被変調光とが合波部６ａによって合波され、合波光が非線形媒質６ｂに入力する。
【００４４】
そして、非線形媒質６ｂ内で被変調光が位相変調されて、光フィルタ６ｃにより変調信号光が遮断され、位相変調後の被変調光が出力するものである。なお、変調信号光の波長と被変調光の波長は互いに異なる。
【００４５】
ここで、非線形媒質６ｂでは、光カー効果（optical Kerr effect）と呼ばれる非線形光学効果が発生し、被変調光は、変調信号光のパワー（振幅）に比例した位相量だけ変調されて出力される。
【００４６】
光フィルタ６ｃから出力される被変調光は、図５の位相状態ｐ１に示すように、矩形波形ではなく、時間変動を有した位相の波形であり、周波数チャープは、位相の時間微分であるから、位相状態ｐ１のような波形を時間で微分すると、周波数チャープｃｈ１が発生することがわかる。
【００４７】
光直接位相変調方式は、このように周波数チャープが発生することは不可避といえるが、非線形媒質６ｂ内の非線形光学効果は非常に速く、テラビット級の超高速応答特性を有しているため、高ビットレートの光位相変調が可能であるという利点を持っている。
【００４８】
次に光変調装置１０の構成および動作について以降詳しく説明する。図６は光変調装置の構成例を示す図である。光変調装置１０ａは、被変調光分岐部１１、変調信号光分岐部１２、反転部１３、光合波部１４ａ、１４ｂ、非線形媒質１５−１、１５−２および光干渉部１６を備える。また、光干渉部１６は、位相シフト部１６ａ、光合波部１６ｂおよび光フィルタ１６ｃを含む。
【００４９】
被変調光分岐部１１は、入力した被変調光を分岐して、被変調光ａ１と被変調光ａ２を出力する。変調信号光分岐部１２は、入力した変調信号光を分岐して、変調信号光ｂ１と変調信号光ｂ２を出力する。
【００５０】
反転部１３は、変調信号光ｂ２のパワーを反転して、反転変調信号光ｂ３を生成する。なお、被変調光の波長λｐと変調信号光の波長λｓとは互いに異なる（λｐ≠λｓ）。
光合波部１４ａは、被変調光ａ１と変調信号光ｂ１とを合波し、合波光を非線形媒質１５−１に入力する。光合波部１４ｂは、被変調光ａ２と反転変調信号光ｂ３とを合波し、合波光を非線形媒質１５−２に入力する。
【００５１】
非線形媒質１５−１は、被変調光ａ１と変調信号光ｂ１とが入力し、変調信号光ｂ１の非線形光学効果（主にＸＰＭの作用）によって、変調信号光ｂ１のパワーに比例した位相量だけ被変調光ａ１を変調して、出力光を位相変調光ｃ１として出力する。
【００５２】
非線形媒質１５−２は、被変調光ａ２と反転変調信号光ｂ３とが入力し、反転変調信号光ｂ３の非線形光学効果（主にＸＰＭの作用）によって、反転変調信号光ｂ３のパワーに比例した位相量だけ被変調光ａ２を変調して、出力光を位相変調光ｃ２として出力する。
【００５３】
このように、一方の非線形媒質１５−１には、被変調光ａ１と変調信号光ｂ１とを入力して位相変調を行い、他方の非線形媒質１５−２には、被変調光ａ２と、変調信号光ｂ２のパワーを反転させた反転変調信号光ｂ３とを入力して位相変調を行うようにして、互いに独立して被変調光の位相を変調する。
【００５４】
非線形媒質１５−１、１５−２としては、非線形光学効果の発生効率が高い、例えば、高非線形光ファイバ（ＨＮＬＦ：High Non Linear Fiber）を使用できる。またはＨＮＬＦに限らず、フォトニック結晶ファイバ、半導体光アンプ、擬似位相整合構造を有する導波路（ＰＰＬＮ：Periodically Poled Lithium Niobate）、シリコン光導波路等を使用してもよい。
【００５５】
なお、位相変調量は、一般に非線形媒質の非線形係数、媒質長および変調信号光のパワーの積に比例する。また、変調信号光ｂ１のパワーおよび反転変調信号光ｂ３のパワーは、非線形媒質１５−１、１５−２内で生じる位相変調量が概ねπになるように調整する。
【００５６】
一方、光干渉部１６において、位相シフト部１６ａでは、変調信号光ｂ１で位相変調された被変調光が生成される経路（非線形媒質１５−１側経路）と、反転変調信号光ｂ３で位相変調された被変調光が生成される経路（非線形媒質１５−２側経路）とに対して、２つの経路差の位相が０になるように、非線形媒質１５−２側経路に対してバイアスをかけて、位相変調光ｃ２の位相変調量をπ（または−π）だけ位相をシフトさせる。
【００５７】
光合波部１６ｂは、位相変調光ｃ１と、位相シフト後の位相変調光ｃ２とを合波する。これにより、非線形媒質１５−１、１５−２それぞれで位相変調を受けた被変調光ａ１、ａ２の互いのデータパターンが一致するタイミングで結合される。光フィルタ１６ｃは、変調信号光を除去する光帯域除去フィルタであって、合波光から被変調光の光成分以外を遮断して、位相変調された被変調光を出力する。
【００５８】
このように、非線形媒質１５−１、１５−２の後段に、光干渉部１６を配置して、位相シフト、合波および光フィルタリングを行うことで、非線形媒質１５−１、１５−２からの出力光を適切に光干渉させて、所望の特性の光を出力させることが可能になる。
【００５９】
ここで、変調信号光のデータレベルが“１”のときは、非線形媒質１５−１を通過した光の位相変調量は“π”であり、非線形媒質１５−２を通過した光の位相変調量は“−π”になっているので、その光電界の合成は“π”になる。
【００６０】
一方、変調信号光のデータレベルが“０”のときは、非線形媒質１５−１を通過した光の位相変調量は“０”であり、非線形媒質１５−２を通過した光の位相変調量は“０”なので、その光電界の合成は“０”になる。
【００６１】
すなわち、非線形媒質１５−１が位置する経路を伝搬した光と、非線形媒質１５−２が位置する経路を伝搬した光との和は、常に、実軸上に存在することになり、位相が０もしくはπしかとりえないという構成となる。したがって、光変調装置１０ａの構成において、位相変調量の時間変動がなく、周波数チャープの発生を抑制することが可能になる。
【００６２】
また、光変調装置１０ａは、全光学的構成をとっており、非線形媒質１５−１、１５−２による非線形光学効果を利用して位相変調を実行するために、ＬＮ光変調器のような位相変調を実行するための電気駆動信号は不要である。これにより、駆動源の電子回路の動作速度に制約されるといったことがなく、超高速光変調を実現することが可能になる。
【００６３】
図７、図８は各信号光のパワーまたは位相状態を示す図である。光変調装置１０ａにおける各信号光のパワーまたは位相状態の一例を示している。図７の（Ａ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、被変調光のパワーを示している。被変調光は連続光（ＣＷ（Continuous Wave）光）である。
【００６４】
図７の（Ｂ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、入力される変調信号光のデータパターンを示している。図７の（Ｃ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、変調信号光のデータパターンが反転された反転変調信号光ｂ３のデータパターンを示している。
【００６５】
図８の（Ａ）は、縦軸は位相、横軸は時間であり、位相変調光ｃ１の位相を示している。図８の（Ｂ）は、縦軸は位相、横軸は時間であり、位相変調光ｃ２の位相を示している。図８の（Ｃ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、光フィルタ１６ｃ出力後の被変調光のパワーを示している。図８の（Ｄ）は、縦軸は位相、横軸は時間であり、光フィルタ１６ｃ出力後の被変調光の位相を示している。
【００６６】
図９は光変調装置１０ａの各経路点における位相遷移状態を示す図である。状態ｐｈ１は、非線形媒質１５−１から出力された位相変調光ｃ１の０からπへの位相遷移状態を示す。
【００６７】
状態ｐｈ２は、非線形媒質１５−２から出力された位相変調光ｃ２の０からπへの位相遷移状態を示す。状態ｐｈ３は、位相シフト部１６ａによって位相がπ（または−π）シフトされた後の位相変調光ｃ２の位相遷移状態を示す。
【００６８】
図１０は光変調装置１０ａの出力光の位相遷移状態を示す図である。位相変調光ｃ２はπ（または−π）だけ位相シフトされるので、位相変調光ｃ１、ｃ２は、位相変調量が同じであり、互いに符号だけが異なる。
【００６９】
したがって、例えば、位相変調光ｃ１の位相が角度（＋θ1）だけ遷移したとき、位相シフト後の位相変調光ｃ２の位相は（−θ1）の遷移となり、｜θ1｜＝｜−θ1｜なので、光合波部１６ｂによって合波されると、合成ベクトルは実軸上に現れることになる。
【００７０】
したがって、光電界の合成ベクトルは、常に実軸上に存在することになるので、位相が０からπへ遷移、またはπから０へ遷移する際には、０とπの間の角度（位相）の時間変動がなくなり（実軸上での遷移となるので角度を持たない）、瞬間的に遷移する。
【００７１】
このように、光変調装置１０ａでは、上記のような位相変調を行うことにより、ＬＮ光変調器と同様にして、位相変調量の時間変動が抑制されるので、周波数チャープの発生を防止することになる。
【００７２】
次に反転部１３の構成および動作について説明する。図１１は反転部の構成例を示す図である。反転部１３−１は、光カースイッチを応用して光データの反転を行うものであり、光源１３ａ、偏波コントローラ１３ｂ−１、１３ｂ−２、光カプラ１３ｃ、光カースイッチ１３ｄを備える。また、光カースイッチ１３ｄは、高非線形光ファイバ（例えば、ＨＮＬＦなど）１３ｄ−１、偏光子１３ｄ−２および光フィルタ１３ｄ−３を含む。
【００７３】
光源１３ａは、ＣＷ光である信号光ｂ４を発出する。信号光ｂ４の波長λｃは、変調信号光の波長λｓおよび被変調光の波長λｐに対して異なる（λｃ≠λｓ≠λｐ）。偏波コントローラ１３ｂ−１は、信号光ｂ４の偏光状態（偏波状態）を調整制御する。偏波コントローラ１３ｂ−２は、変調信号光ｂ２の偏光状態を調整制御する。
【００７４】
光カプラ１３ｃは、偏光調整後の変調信号光ｂ２と、偏光調整後の信号光ｂ４とを合波して合波光を高非線形光ファイバ１３ｄ−１へ入力する。高非線形光ファイバ１３ｄ−１は、光カー効果を介して、信号光ｂ４の偏光状態を変調する。
【００７５】
偏光子１３ｄ−２は、偏光軸（透過軸）と同一方向の偏光状態の光を通過させる光素子である。光フィルタ１３ｄ−３は、偏光子１３ｄ−２の出力光から、波長λｃを透過帯域とするフィルタリングを行って、反転データ信号光である反転変調信号光ｂ３を出力する。
【００７６】
動作について説明する。偏波コントローラ１３ｂ−１では、変調信号光ｂ２の入力がないとき、すなわち、高非線形光ファイバ１３ｄ−１の中で信号光ｂ４が非線形光学効果を受けないとき、高非線形光ファイバ１３ｄ−１の後段に設置されている偏光子１３ｄ−２を最大透過するように、信号光ｂ４の偏光状態を調整する。
【００７７】
したがって、信号光ｂ４の偏光状態を、偏光子１３ｄ−２の偏光軸と同一方向に調整することになる。例えば、図１１に示すように、偏光子１３ｄ−２の偏光軸が水平にある状態Ｐ１の場合、偏波コントローラ１３ｂ−１では、信号光ｂ４の偏波方向も水平になるように調整制御する（状態Ｐ２）。さらに加えて、高非線形光ファイバ１３ｄ−１の入力端で、信号光ｂ４の偏光状態がおよそ直線偏光になるように調整する。
【００７８】
なお、高非線形光ファイバ１３ｄ−１の内部で偏光状態が変わらないとすると、上記の設定は１つの偏波コントローラ１３ｂ−１で達成できるが、高非線形光ファイバ１３ｄ−１内で発生する偏波変動を考慮する場合には、高非線形光ファイバ１３ｄ−１と偏光子１３ｄ−２との間に、別途、偏波コントローラを設置すればよい。
【００７９】
一方、偏波コントローラ１３ｂ−２では、変調信号光ｂ２の偏光状態は、高非線形光ファイバ１３ｄ−１の入力端において、およそ直線偏波となって、かつ信号光ｂ４の偏光面と概ねπ／４をなすように調整する（状態Ｐ３）。
【００８０】
ここで、変調信号光ｂ２が入力せずにパワーがゼロであれば、高非線形光ファイバ１３ｄ−１において信号光ｂ４の偏光方向は回転しない。この場合、高非線形光ファイバ１３ｄ−１から出力される信号光ｂ４の偏光方向は、偏光子１３ｄ−２の偏光軸と一致するので、信号光ｂ４のほぼ１００％が偏光子１３ｄ−２を通過することになる。したがって、変調信号光ｂ２のデータが“０”の場合は、偏光子１３ｄ−２から“１”の値が出力されることになる。
【００８１】
一方、変調信号光ｂ２が高非線形光ファイバ１３ｄ−１に入力し、変調信号光ｂ２のパワーが大きくなると、高非線形光ファイバ１３ｄ−１では、光カー効果によって（特にＸＰＭの作用によって）偏光回転が生じ、変調信号光ｂ２のパワーに応じて、信号光ｂ４の偏光方向が回転する。
【００８２】
そして、信号光ｂ４の偏光方向がπ／２回転すると、高非線形光ファイバ１３ｄ−１から出力される信号光ｂ４の偏光方向は、偏光子１３ｄ−２の偏光軸と直交する状態になり、信号光ｂ４は、偏光子１３ｄ−２によって完全に遮断される。したがって、変調信号光ｂ２のデータが“１”の場合は、偏光子１３ｄ−２から“０”の値が出力されることになる。
【００８３】
このように、反転部１３−１では、非線形媒質として高非線形光ファイバ１３ｄ−１を用いた光カースイッチ１３ｄにより、変調信号光ｂ２のデータレベルが反転された反転変調信号光ｂ３を生成する構成とした。これにより、光電変換などを行わずに、光信号の状態のままで効率よくデータ反転を行うことが可能になる。
【００８４】
図１２は反転部１３−１の入出力特性を示す図である。縦軸は反転部１３−１の出力パワーであり、横軸は変調信号光ｂ２の入力パワーである。変調信号光ｂ２の入力パワーが０のときは、反転部１３−１の出力パワーは１となり、変調信号光ｂ２の入力パワーが１のときは、反転部１３−１の出力パワーは０となる。
【００８５】
図１３は反転部の構成例を示す図である。反転部１３−２では、図１１で示した高非線形光ファイバ１３ｄ−１と偏光子１３ｄ−２の代わりに、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）を用いるものである。
【００８６】
反転部１３−２は、光源１３ａ、偏波コントローラ１３ｂ−１、１３ｂ−２、光カプラ１３ｃおよび光カースイッチ１３ｅを備える。また、光カースイッチ１３ｅは、ＳＯＡ１３ｅ−１および光フィルタ１３ｅ−２を備える。ＳＯＡ１３ｅ−１には、変調信号光ｂ２と信号光ｂ４との合波光が入力される。
【００８７】
なお、ＳＯＡ１３ｅ−１として、矩形無歪バルク構造、伸張歪ウエル多重量子井戸（MQW：Multi-Quantum Well）構造、伸張歪バルク構造、伸張歪バリアMQW構造などの偏波無依存で動作するＳＯＡを用いれば、偏波コントローラ１３ｂ−１、１３ｂ−２は不要である。
【００８８】
ここで、変調信号光ｂ２と信号光ｂ４とのパワーの和が十分小さい場合、すなわち、利得が線形の場合は、両者の光が同じ利得を受ける。しかしながら、信号光ｂ４と比べて、変調信号光ｂ２のパワーが十分大きいと、変調信号光ｂ２の増幅に使われるエネルギーが大きくなり、信号光ｂ４は利得を受けなくなる。
【００８９】
すなわち、変調信号光ｂ２のパワーが大きくなると、ＳＯＡ１３ｅ−１内で非線形光学効果である相互利得変調が発生し、信号光ｂ４を一定パワーでＳＯＡ１３ｅ−２に入力していても、ＳＯＡ１３ｅ−１内で発生する利得が変調信号光ｂ２の方に取られてしまい、信号光ｂ４の出力パワーが小さくなる現象が生じる。このことは、変調信号光ｂ２のデータが“１”の場合は、ＳＯＡ１３ｅ−１から“０”の値が出力されることを意味している。
【００９０】
一方、変調信号光ｂ２がない場合には、信号光ｂ４は利得を受ける。このことは、変調信号光ｂ２のデータが“０”の場合は、ＳＯＡ１３ｅ−１から“１”の値が出力されることを意味する。上記のようにして、変調信号光ｂ２のデータが反転した光が、ＳＯＡ１３ｅ−１から出力され、データ反転が実施される。
【００９１】
このように、反転部１３−２では、非線形媒質としてＳＯＡ１３ｅ−１を用いた光カースイッチ１３ｅにより、変調信号光ｂ２のデータレベルが反転された反転変調信号光ｂ３を生成する構成とした。これにより、光電変換などを行わずに、光信号の状態のままで効率よくデータ反転を行うことが可能になる。
【００９２】
次に光変調装置１０ａの他の実施の形態について説明する。なお、以降の説明では、上述した構成要素には同じ符号を付けて、同一構成要素の説明は省略し、あらたな構成要素について主に説明する。
【００９３】
図１４は光変調装置の構成例を示す図である。光変調装置１０ａ−１は、図６で上述した光変調装置１０ａに対して、あらたに偏波コントローラ１７ａ〜１７ｃを設け、あらたな光干渉部１６−１を設けている。光干渉部１６−１は、あらたに光減衰器１６ｄを含む。
【００９４】
偏波コントローラ１７ａは、被変調光ａ１の偏光状態を調整制御する。偏波コントローラ１７ｂは、変調信号光ｂ０の偏光状態を調整制御する。偏波コントローラ１７ｃは、被変調光ａ２の偏光状態を調整制御する。光減衰器１６ｄは、位相変調光ｃ１の光レベルを調整制御する。
【００９５】
一般に、非線形媒質や光部品接続用の光ファイバ中では、光の偏光状態は完全に保たれない。このため、偏波コントローラ１７ａ〜１７ｃを設けることにより、所望の偏光状態（偏波状態）を実現することが可能になる。
【００９６】
また、非線形媒質１５−１を伝搬する経路の光損失と、非線形媒質１５−２を伝搬する経路の光損失とは一般には等しくならない。このため、非線形媒質１５−１を伝搬する経路にパワー調整機構である光減衰器１６ｄを設置する。
【００９７】
これにより、位相変調光ｃ１のパワーと、位相シフト後の位相変調光ｃ２のパワーとを均等化することができ、光合波部１６ｂにおいて、パワーバランスされた両者を結合することが可能になる。
【００９８】
図１５は光変調装置の構成例を示す図である。光変調装置１０ａ−２は、図６で上述した光変調装置１０ａに対して、あらたな光干渉部１６−２が設けられる。光干渉部１６−２は、あらたに光分岐部１６ｅ、モニタ部１６ｆ、ドライバ１６ｇを含む。
【００９９】
光分岐部１６ｅは、光フィルタ１６ｃからの被変調光の出力を２分岐する。モニタ部１６ｆは、光分岐部１６ｅによって分岐された一方の被変調光のパワーをモニタする。ドライバ１６ｇは、モニタ値が所定の値になるように（具体的には、モニタした光パワーが最大になるように）、位相シフト部１６ａに対してバイアス量を調整し、調整後のバイアスを与えるフィードバック制御を行う。
【０１００】
ここで、非線形媒質１５−１、１５−２それぞれの経路を伝搬した光を結合する場合、その経路差の揺らぎを波長に比べて十分に短い長さにする必要がある。光通信で使用する光の波長は１．５μｍ程度なので、サブマイクロメートルの精度に抑え込むことになる。
【０１０１】
シリコン導波路をもちいて集積化したものだと、特に、動的な安定化は必要ないが、光ファイバ入出力形態の光部品を接続して本光変調装置を実現する場合には、経路差揺らぎを制御して動作を安定化することが好ましい。
【０１０２】
この安定化策の一例が光変調装置１０ａ−２に示す構成である。経路差が半波長の奇数倍だと、互いの光が干渉して、パワーが小さくなる。一方、経路差が半波長の偶数倍だと、互いが干渉して、出力パワーが大きくなる。
【０１０３】
この特徴を利用して、光フィルタ１６ｃからの出力光パワーを光パワーメータなどのモニタ部１６ｆで測定し、そのパワーが最大になるように、ドライバ１６ｇによってバイアスを調整する。これにより、経路差揺らぎを効率よく制御することができ、安定な動作が可能になる。
【０１０４】
なお、バイアス制御を実現する例としては、ＬＮ導波路やシリコン導波路にＤＣバイアスをかける等が挙げられる。または光ファイバに張力をかけて長さを高精度に調整する方法をとってもよい（例えば、光ファイバにピエゾ素子を付加し、ドライバ１６ｇでピエゾ素子に電圧を印加して、ファイバ経路長の微調整を行うなど）。
【０１０５】
図１６は光変調装置の構成例を示す図である。光変調装置１０ａ−３は、図６で上述した光変調装置１０ａに対して、あらたに波長多重化部１８が設けられる。波長多重化部１８は、波長λｐ１の被変調光と、波長λｐ２の被変調光との波長多重化を行って（λｐ１≠λｐ２）、波長多重被変調光を出力する。
【０１０６】
このように、非線形媒質１５−１、１５−２で位相変調される被変調光が、２波長以上の波長数の波長多重光となるように、互いに異なる複数の波長の被変調光の波長多重化を行う波長多重化部１８を設けた。
【０１０７】
これにより、多波長の被変調光に同じ変調信号光で変調して、例えば、マルチキャストなどの通信サービスを行うことが可能になる。なお、図１６の例では２波長の場合を示しているが、３波以上の複数波長の光にも適用できる。
【０１０８】
図１７は光変調装置の構成例を示す図である。上述してきた光変調装置では、被変調光としてＣＷ光を入力したが、光変調装置１０ａ−４では、光クロックの被変調光を入力するものである（装置構成上の特段の変更はない）。
【０１０９】
ＣＷ光の被変調光を入力した場合、位相変調後は、ＮＲＺ（Non Return to Zero）形式の信号光として出力されるが、ＲＺ（Return to Zero）形式の信号光として出力したい場合には、光変調装置１０ａ−４のように、パルス化した被変調光を入力すればよい。
【０１１０】
図１８は各信号光の波形例を示す図である。光変調装置１０ａ−４の各信号光の波形例を示している。（Ａ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、変調信号光の波形を示す。（Ｂ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、被変調光（装置入力時）の波形を示す。（Ｃ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、被変調光（装置出力時）の波形を示す。
【０１１１】
図１９は光変調装置の構成例を示す図である。光変調装置１０ａ−５は、図６で上述した光変調装置１０ａに対して、あらたに波長多重化部１８ａを有する。波長多重化部１８ａは、波長λｐ１の被変調光と、波長λｐ２の被変調光との波長多重化を行って（λｐ１≠λｐ２）、波長多重被変調光を出力する。被変調光（λｐ１）と被変調光（λｐ２）はともに光クロックである。
【０１１２】
図２０、図２１は各信号光の波形例を示す図である。光変調装置１０ａ−５の各信号光の波形例を示している。図２０の（Ａ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、変調信号光の波形を示す。図２０（Ｂ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、被変調光（装置入力時、波長λｐ１）の波形を示す。図２０の（Ｃ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、被変調光（装置入力時、波長λｐ２）の波形を示す。
【０１１３】
図２１（Ａ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、被変調光（装置出力時、波長λｐ１）の波形を示す。図２１の（Ｂ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、被変調光（装置出力時、波長λｐ２）の波形を示す。
【０１１４】
図２２は光変調装置の構成例を示す図である。光変調装置１０ａ−６は、図６で上述した光変調装置１０ａに対して、あらたにタイミング抽出部１９を備える。各信号光の波形は図１８と同じである。
【０１１５】
タイミング抽出部１９は、変調信号光の光クロックからタイミング抽出を行って、被変調光の光クロックを生成する。被変調光を光クロックで入力する場合、変調信号光との同期が重要になる。
【０１１６】
このため、正確な同期を実現するためには、タイミング抽出部１９において、変調信号光からクロックタイミングを抽出し、そのクロックタイミングと一致した光クロックの被変調光を生成する。タイミング抽出部１９を備えることにより、変調信号光と正確に同期した光クロックの被変調光を生成することが可能になる。
【０１１７】
なお、タイミング抽出としては、例えば、電界吸収型光変調器（EAM：Electric Absorption Modulator）を用いた手法、半導体光増幅器を用いた方法などがある。また、超高速の光クロック生成は、半導体モード同期レーザ、ファイバモード同期レーザなどにより実現できる。
【０１１８】
図２３は光変調装置の構成例を示す図である。光変調装置１０ａ−７は、図６で上述した光変調装置１０ａに対して、波長多重化部１８ａとタイミング抽出部１９をさらに備える。各信号光の波形は図２０、図２１と同じである。
【０１１９】
タイミング抽出部１９は、変調信号光のクロックタイミング抽出を行って、波長λｐ１の被変調光の光クロックと、波長λｐ２の被変調光の光クロックを生成する（λｐ１≠λｐ２）。波長多重化部１８ａは、波長λｐ１の被変調光と、波長λｐ２の被変調光との波長多重化を行って、波長多重被変調光を出力する。
【０１２０】
図２４は光変調装置の構成例を示す図である。光変調装置１０ａ−８は、図２３の光変調装置１０ａ−７と基本構成は同じであるが、光伝送路３を通じて伝送された変調信号光を受信する構成を示している。各信号光の波形は図２０、図２１と同じである。
【０１２１】
光伝送路３は、光ファイバｆ１、ｆ２を含み、光増幅器３１、３２が中継点において設置される。光変調装置１０ａ−８は、光伝送路３を通じて他ノード等から送信された変調信号光を受信し、その変調信号光のタイミング抽出を行って複数波長の被変調光を生成する。
【０１２２】
このような構成により、例えば、遠方のノードから伝送されてきた変調信号光を受信した場合であっても、タイミング抽出部１９によって、変調信号光からクロックタイミングを抽出して、変調信号光と同期した被変調光の光クロックを生成することができる。
【０１２３】
以上、実施の形態を例示したが、実施の形態で示した各部の構成は同様の機能を有する他のものに置換することができる。また、他の任意の構成物や工程が付加されてもよい。
（付記１） 変調信号光のパワーを反転させて、反転変調信号光を生成する反転部と、
被変調光を前記変調信号光の非線形光学効果によって位相変調させる第１の非線形媒質と、
前記被変調光を前記反転変調信号光の前記非線形光学効果によって位相変調させる第２の非線形媒質と、
前記第１の非線形媒質の出力光と、前記第２の非線形媒質の出力光との干渉制御を行う光干渉部と、
を有することを特徴とする光変調装置。
【０１２４】
（付記２） 前記光干渉部は、
前記第２の非線形媒質の出力光に所定の位相シフトを与える位相シフト部と、
前記第１の非線形媒質の出力光と、位相シフト後の前記第２の非線形媒質の出力光とを合波して合波光を出力する光合波部と、
前記合波光から、前記被変調光と異なる波長の光を遮断する光フィルタと、
を有することを特徴とする付記１記載の光変調装置。
【０１２５】
（付記３） 前記光干渉部は、光減衰器をさらに有し、
前記光減衰器は、前記第１の非線形媒質の出力光のパワーと、位相シフト後の前記第２の非線形媒質の出力光のパワーとが均等化するように、前記第１の非線形媒質の出力光のパワー、または位相シフト後の前記第２の非線形媒質の出力光のパワーのいずれかの減衰制御を行うことを特徴とする付記２記載の光変調装置。
【０１２６】
（付記４） 前記光干渉部は、
前記光フィルタの透過後の光パワーをモニタするモニタ部と、
モニタ値が所定値になるように、位相シフトさせるためのバイアス量を調整し、調整後のバイアス量を前記位相シフト部に与えるドライバと、
を有することを特徴とする付記２記載の光変調装置。
【０１２７】
（付記５） 前記変調信号光および前記被変調光に対して、偏光状態を制御するための偏波コントローラをさらに有することを特徴とする付記１記載の光変調装置。
（付記６） 前記第１の非線形媒質および前記第２の非線形媒質で位相変調される前記被変調光が、２波長以上の波長数の波長多重光となるように、互いに異なる複数の波長の前記被変調光の波長多重化を行う波長多重化部をさらに有することを特徴とする付記１記載の光変調装置。
【０１２８】
（付記７） 前記反転部は、非線形媒質として高非線形光ファイバを用いた光カースイッチを含むことを特徴とする付記１記載の光変調装置。
（付記８） 前記反転部は、非線形媒質として半導体光増幅器を用いた光カースイッチを含むことを特徴とする付記１記載の光変調装置。
【０１２９】
（付記９） 前記変調信号光からクロックタイミングを抽出して前記変調信号光と同期した前記被変調光の光クロックを生成するタイミング抽出部をさらに有することを特徴とする付記１記載の光変調装置。
【０１３０】
（付記１０） 光変調方法において、
変調信号光のパワーを反転させて、反転変調信号光を生成し、
第１の非線形媒質により、被変調光を前記変調信号光の非線形光学効果によって位相変調させ、
第２の非線形媒質により、前記被変調光を前記反転変調信号光の前記非線形光学効果によって位相変調させ、
前記第１の非線形媒質の出力光と、前記第２の非線形媒質の出力光との干渉制御を行う、
ことを特徴とする光変調方法。
【符号の説明】
【０１３１】
１０ 光変調装置
１３ 反転部
１５−１、１５−２ 非線形媒質
１６ 光干渉部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光位相変調を行う光変調装置および光変調方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネット等によるマルチメディアサービスの拡大に伴い、ネットワーク上を流れる情報量は飛躍的に増大している。このような状況において、高速・大容量の情報を遠距離まで低コストで伝送するために、光通信ネットワークの構築が進展している。また、光通信ネットワークの通信方式としては、長距離伝送に優れた光位相変調方式が注目されている。
【０００３】
光位相変調方式は、光の位相を変化（変調）させて情報を重畳させる方式であり、代表的なデバイスに、マッハ・ツェンダ干渉計（Mach−Zehnder interferometer）を使用した光変調器がある。
【０００４】
この光変調器は、強誘電体媒質であるニオブ酸リチウム（LiNbO3：ＬＮとも表記）等を用いた結晶基板上に、光導波路で形成されたマッハ・ツェンダ干渉計が設けられる。そして、この光導波路に電気信号を印加して、光導波路の屈折率変化を利用することで、光導波路内を伝搬する光の位相変調を行うものである。
【０００５】
一方、電気信号を介さずに光信号を直接用いて光位相変調を行う光直接位相変調方式がある。この方式は、非線形媒質内にデータ信号光を入力し、データ信号光のパワーに依存する非線形光学効果（相互位相変調（ＸＰＭ：Cross Phase Modulation）など）によって屈折率変化を発生させて、位相を変調させるものである。
【０００６】
なお、非線形光学効果とは、ガラス中に比較的強いパワーの光を伝搬させたとき、光強度に応じてガラスの物性（屈折率）が変化し、光学的な応答が線形性を失う現象のことである。
【０００７】
光変調の従来技術としては、ファイバループの干渉計に代えて、内部で光空間平行光が伝送される空間干渉系を用いた光変調器が提案されている（特許文献１）。また、電界吸収型光変調器の吸収飽和に起因する屈折率変化を利用して、干渉計構成によって被制御光を制御する技術が提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−１９４３７５号公報
【特許文献２】特開２００１−２６４７１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
光位相変調方式として、上記のような、ＬＮ結晶基板上にマッハ・ツェンダ干渉計を設けた光変調器（以降、ＬＮ光変調器と呼ぶ）を使用した場合、マッハ・ツェンダ干渉計の平行光導波路上で差動変調を行うことによって、周波数チャープの発生が抑制された光位相変調が可能である。
【００１０】
しかし、ＬＮ光変調器は、電気信号により光導波路の屈折率を変化させて、光位相変調を行う構成なので、電気信号を発する電子回路の動作速度に制約されてしまい、高速光変調を実現することができないといった問題があった。
【００１１】
基幹光ネットワークでは、10Gbit/s帯から40Gbit/s帯への移行が始まっており、さらには、数百Gbit/s帯への開発も行われている。このような超高速・大容量のシステムを実現するためには、光変調器を高速駆動させる必要がある。
【００１２】
しかし、ＬＮ光変調器では、駆動するための電気信号に帯域制限（速度制限）があるため、変調速度が制限され、数百Gbit/sといった超高速動作を実現することができない。
一方、上記の光直接位相変調方式では、非線形媒質内において、データ信号光のパワーに依存する非線形光学効果によって屈折率を変化させるといった、全光学的光位相変調を行う構成をとる。
【００１３】
このため、ＬＮ光変調器のような、電子回路の応答速度に制約されるといったことはなく、超高速応答する非線形媒質および超高速データ信号光を用意すれば、数百Gbit/sといわず、Tbit/s（テラビット）級の動作を実現することも可能である。
【００１４】
しかし、光直接位相変調方式では、周波数チャープが生じるといった問題があった。一般に高速データ信号光の波形は、矩形ではないので、データ信号光のパワーに比例して生じる屈折率変化量は変動し、一定値にはならない。
【００１５】
その結果、非線形媒質内で発生する位相変調量も一定値にはならず、位相変調後の信号光には周波数チャープが発生してしまう。周波数チャープが発生した場合、必要以上に帯域が広くなって周波数利用効率が悪くなり、伝送特性が劣化するなどの欠点がある。
【００１６】
このように、従来では、電子回路の応答速度を上回る速度において、周波数チャープを発生させずに、高品質な光位相変調を実現することができなかった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、高速応答速度で動作して、伝送特性劣化が抑制された、高品質な光位相変調を行う光変調装置を提供することを目的とする。
【００１７】
また、本発明の他の目的は、高速応答速度で動作して、伝送特性劣化が抑制された、高品質な光位相変調を行う光変調方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するために、光変調装置が提供される。この光変調装置は、変調信号光のパワーを反転させて、反転変調信号光を生成する反転部と、被変調光を前記変調信号光の非線形光学効果によって位相変調させる第１の非線形媒質と、前記被変調光を前記反転変調信号光の前記非線形光学効果によって位相変調させる第２の非線形媒質と、前記第１の非線形媒質の出力光と、前記第２の非線形媒質の出力光との干渉制御を行う光干渉部とを有する。
【発明の効果】
【００１９】
高速応答性を有して、伝送特性劣化が抑制された、高品質な光位相変調を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】光変調装置の構成例を示す図である。
【図２】ＬＮ光変調器の構成例を示す図である。
【図３】平行光導波路上の伝搬光の位相遷移状態を示す図である。
【図４】ＬＮ光変調器の出力光の位相遷移状態を示す図である。
【図５】光直接位相変調方式で周波数チャープが発生する理由を説明するための図である。
【図６】光変調装置の構成例を示す図である。
【図７】各信号光のパワーまたは位相状態を示す図である。
【図８】各信号光のパワーまたは位相状態を示す図である。
【図９】光変調装置の各経路点における位相遷移状態を示す図である。
【図１０】光変調装置の出力光の位相遷移状態を示す図である。
【図１１】反転部の構成例を示す図である。
【図１２】反転部の入出力特性を示す図である。
【図１３】反転部の構成例を示す図である。
【図１４】光変調装置の構成例を示す図である。
【図１５】光変調装置の構成例を示す図である。
【図１６】光変調装置の構成例を示す図である。
【図１７】光変調装置の構成例を示す図である。
【図１８】各信号光の波形例を示す図である。
【図１９】光変調装置の構成例を示す図である。
【図２０】各信号光の波形例を示す図である。
【図２１】各信号光の波形例を示す図である。
【図２２】光変調装置の構成例を示す図である。
【図２３】光変調装置の構成例を示す図である。
【図２４】光変調装置の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は光変調装置の構成例を示す図である。光変調装置１０は、反転部１３、非線形媒質１５−１（第１の非線形媒質）、非線形媒質１５−２（第２の非線形媒質）および光干渉部１６を備える。なお、光変調装置１０は、電気信号を用いずに全光学的光位相変調を行う装置である。
【００２２】
反転部１３は、変調信号光のパワーを反転させて、反転変調信号光を生成する。非線形媒質１５−１は、被変調光を変調信号光の非線形光学効果によって位相変調させる。非線形媒質１５−２は、被変調光を反転変調信号光の非線形光学効果によって位相変調させる。光干渉部１６は、非線形媒質１５−１の出力光と、非線形媒質１５−２の出力光との干渉制御を行って、位相変調された被変調光を出力する。
【００２３】
次に光変調装置１０の構成および動作の詳細を説明する前に、ＬＮ光変調器で周波数チャープが抑制される理由および光直接位相変調方式で周波数チャープが発生する理由について説明する。
【００２４】
図２はＬＮ光変調器の構成例を示す図である。ＬＮ光変調器５は、ＬＮ結晶基板５０上の一部に、光を２つに分岐して異なる光導波路を通した後に再度合波するマッハ・ツェンダ干渉計型の光導波路５１が形成される。
【００２５】
光導波路５１は、入射光導波路５１ａ、分岐部５１ｂ、２つの平行光導波路５１−１、５１−２、合波部５１ｃおよび出射光導波路５１ｄを含み、平行光導波路５１−１、５１−２の近傍には、それぞれ電極５５ａ、５５ｂが設けられている。
【００２６】
また、ＬＮ結晶基板５０の周辺には、光電変換部５２、データ反転部５３、アンプ５４ａ、５４ｂが設けられる。光電変換部５２は、入力された変調信号光を電気信号に変換する。データ反転部５３は、電気信号のデータレベルを反転する。アンプ５４ａは、光電変換部５２からの出力信号を増幅して電極５５ａへ送信し、アンプ５４ｂは、データ反転部５３からの出力信号を増幅して電極５５ｂへ送信する。
【００２７】
光導波路５１の入射光導波路５１ａには、変調信号光が電気信号に変換された後のデータ列によって変調される被変調光が入射し、分岐部５１ｂにより２つに分岐されて、平行光導波路５１−１、５１−２上を流れる。
【００２８】
また、電極５５ａ、５５ｂから与えられる電界によって、平行光導波路５１−１、５１−２の屈折率がそれぞれ変化する。これにより、平行光導波路５１−１、５１−２上を伝搬する光の位相が変化し、合波部５１ｃによって合波されることで、位相変調された被変調光が出射光導波路５１ｄから出力される。
【００２９】
図３は平行光導波路５１−１、５１−２上の伝搬光の位相遷移状態を示す図である。変調信号光のデータレベルが“１”のときに光位相変調量が“π”、変調信号光のデータレベルが“０”のときに光位相変調量が“０”とする。（Ａ）は、平行光導波路５１−１の伝搬光の０からπへの位相遷移を示す。（Ｂ）は、平行光導波路５１−２の伝搬光の０から−πへの位相遷移を示す。
【００３０】
平行光導波路５１−１における光位相変調に対し、電極５５ａから印加される電界によって、平行光導波路５１−１で位相変調が生じ、平行光導波路５１−１上の伝搬光は、０とπの２値の位相をとる。
【００３１】
この場合、平行光導波路５１−１上で０からπへ遷移するとき、またはπから０へ遷移するとき、０とπの間の遷移時間において、角度（位相）θ（０≦θ≦π）を持って遷移することになる。
【００３２】
すなわち、０からπへ遷移するときは、θは、０からπの方向へ向かって、０からπの間の正側の角度（位相）を時間的に遷移しながらπとなる。また、πから０へ遷移するときは、θは、πから０の方向へ向かって、πから０の間の正側の角度（位相）を時間的に遷移しながら０となる。
【００３３】
ここで、周波数チャープをｆ、位相をφ、時間をｔとすると、周波数チャープｆは、以下の式（１）で表せる。
【００３４】
【数１】
【００３５】
周波数チャープは、式（１）に示すように位相の時間微分であるから、位相が時間変動すると発生する。仮に平行光導波路５１−１だけで光位相変調を実施した場合、平行光導波路５１−１上の伝搬光は、０とπの２値の位相をとるので、１つの平行光導波路５１−１だけでも光位相変調を行うことはできる。
【００３６】
しかし、平行光導波路５１−１だけの光位相変調では、上記のように０とπ以外の位相をとりながら時間遷移して位相が変位するので、周波数チャープが発生することになる。
一方、ＬＮ光変調器５は、平行光導波路５１−２に対しては、変調信号光の光電変換後の反転データで変調をかけている。平行光導波路５１−２における光位相変調では、電極５５ｂから印加される電界によって、平行光導波路５１−２で位相変調が生じ、平行光導波路５１−２上の伝搬光は、０と−πの２値の位相をとる。
【００３７】
この場合、平行光導波路５１−２上で０から−πへ遷移するとき、または−πから０へ遷移するとき、０と−πの間の遷移時間において、角度（位相）θ（−π≦θ≦０）を持って遷移することになる。
【００３８】
すなわち、０から−πへ遷移するときは、θは、０から−πの方向へ向かって、０から−πの間の負側の角度（位相）を時間的に遷移しながら−πとなる。また、−πから０へ遷移するときは、θは、−πから０の方向へ向かって、−πから０の間の負側の角度（位相）を時間的に遷移しながら０となる。
【００３９】
図４はＬＮ光変調器５の出力光の位相遷移状態を示す図である。平行光導波路５１−１、５１−２における位相変調量は共に同じであり、符号が異なる。したがって、例えば、平行光導波路５１−１側で角度（＋θ1）の遷移があったとき、平行光導波路５１−２側では角度（−θ1）の遷移となるから、これらの合成ベクトルは、実軸上に現れることになる。
【００４０】
すなわち、平行光導波路５１−１側で遷移する位相と、平行光導波路５１−２側で遷移する位相との光電界の合成ベクトルは、常に実軸上に存在することになる。したがって、０とπの間の角度（位相）の時間変動がないので（実軸上での遷移となるので角度を持たない）、０またはπを瞬間的に遷移することになり、位相変調量の時間変動が抑制される。
【００４１】
このように、ＬＮ光変調器５では、上記のような差動変調を行うことにより、０からπへ、逆にπから０に遷移する瞬間を除いて、位相変調量の時間変動が抑制されるので、周波数チャープの発生を防止することができる。
【００４２】
ただし、ＬＮ光変調器５においては、電気光学効果の応答速度により、変調速度に制限がかかる（〜100Gb/s程度）。このため、電子回路がボトルネックとなり、高ビットレートの光位相変調を行うことができない。また、光信号を電気信号に変換する機能は、光信号から電気信号への変換効率は低いために、大きな電力消失を伴うといった欠点があった。
【００４３】
図５は光直接位相変調方式で周波数チャープが発生する理由を説明するための図である。光直接位相変調方式では、まず、偏波状態が共に調整された変調信号光と被変調光とが合波部６ａによって合波され、合波光が非線形媒質６ｂに入力する。
【００４４】
そして、非線形媒質６ｂ内で被変調光が位相変調されて、光フィルタ６ｃにより変調信号光が遮断され、位相変調後の被変調光が出力するものである。なお、変調信号光の波長と被変調光の波長は互いに異なる。
【００４５】
ここで、非線形媒質６ｂでは、光カー効果（optical Kerr effect）と呼ばれる非線形光学効果が発生し、被変調光は、変調信号光のパワー（振幅）に比例した位相量だけ変調されて出力される。
【００４６】
光フィルタ６ｃから出力される被変調光は、図５の位相状態ｐ１に示すように、矩形波形ではなく、時間変動を有した位相の波形であり、周波数チャープは、位相の時間微分であるから、位相状態ｐ１のような波形を時間で微分すると、周波数チャープｃｈ１が発生することがわかる。
【００４７】
光直接位相変調方式は、このように周波数チャープが発生することは不可避といえるが、非線形媒質６ｂ内の非線形光学効果は非常に速く、テラビット級の超高速応答特性を有しているため、高ビットレートの光位相変調が可能であるという利点を持っている。
【００４８】
次に光変調装置１０の構成および動作について以降詳しく説明する。図６は光変調装置の構成例を示す図である。光変調装置１０ａは、被変調光分岐部１１、変調信号光分岐部１２、反転部１３、光合波部１４ａ、１４ｂ、非線形媒質１５−１、１５−２および光干渉部１６を備える。また、光干渉部１６は、位相シフト部１６ａ、光合波部１６ｂおよび光フィルタ１６ｃを含む。
【００４９】
被変調光分岐部１１は、入力した被変調光を分岐して、被変調光ａ１と被変調光ａ２を出力する。変調信号光分岐部１２は、入力した変調信号光を分岐して、変調信号光ｂ１と変調信号光ｂ２を出力する。
【００５０】
反転部１３は、変調信号光ｂ２のパワーを反転して、反転変調信号光ｂ３を生成する。なお、被変調光の波長λｐと変調信号光の波長λｓとは互いに異なる（λｐ≠λｓ）。
光合波部１４ａは、被変調光ａ１と変調信号光ｂ１とを合波し、合波光を非線形媒質１５−１に入力する。光合波部１４ｂは、被変調光ａ２と反転変調信号光ｂ３とを合波し、合波光を非線形媒質１５−２に入力する。
【００５１】
非線形媒質１５−１は、被変調光ａ１と変調信号光ｂ１とが入力し、変調信号光ｂ１の非線形光学効果（主にＸＰＭの作用）によって、変調信号光ｂ１のパワーに比例した位相量だけ被変調光ａ１を変調して、出力光を位相変調光ｃ１として出力する。
【００５２】
非線形媒質１５−２は、被変調光ａ２と反転変調信号光ｂ３とが入力し、反転変調信号光ｂ３の非線形光学効果（主にＸＰＭの作用）によって、反転変調信号光ｂ３のパワーに比例した位相量だけ被変調光ａ２を変調して、出力光を位相変調光ｃ２として出力する。
【００５３】
このように、一方の非線形媒質１５−１には、被変調光ａ１と変調信号光ｂ１とを入力して位相変調を行い、他方の非線形媒質１５−２には、被変調光ａ２と、変調信号光ｂ２のパワーを反転させた反転変調信号光ｂ３とを入力して位相変調を行うようにして、互いに独立して被変調光の位相を変調する。
【００５４】
非線形媒質１５−１、１５−２としては、非線形光学効果の発生効率が高い、例えば、高非線形光ファイバ（ＨＮＬＦ：High Non Linear Fiber）を使用できる。またはＨＮＬＦに限らず、フォトニック結晶ファイバ、半導体光アンプ、擬似位相整合構造を有する導波路（ＰＰＬＮ：Periodically Poled Lithium Niobate）、シリコン光導波路等を使用してもよい。
【００５５】
なお、位相変調量は、一般に非線形媒質の非線形係数、媒質長および変調信号光のパワーの積に比例する。また、変調信号光ｂ１のパワーおよび反転変調信号光ｂ３のパワーは、非線形媒質１５−１、１５−２内で生じる位相変調量が概ねπになるように調整する。
【００５６】
一方、光干渉部１６において、位相シフト部１６ａでは、変調信号光ｂ１で位相変調された被変調光が生成される経路（非線形媒質１５−１側経路）と、反転変調信号光ｂ３で位相変調された被変調光が生成される経路（非線形媒質１５−２側経路）とに対して、２つの経路差の位相が０になるように、非線形媒質１５−２側経路に対してバイアスをかけて、位相変調光ｃ２の位相変調量をπ（または−π）だけ位相をシフトさせる。
【００５７】
光合波部１６ｂは、位相変調光ｃ１と、位相シフト後の位相変調光ｃ２とを合波する。これにより、非線形媒質１５−１、１５−２それぞれで位相変調を受けた被変調光ａ１、ａ２の互いのデータパターンが一致するタイミングで結合される。光フィルタ１６ｃは、変調信号光を除去する光帯域除去フィルタであって、合波光から被変調光の光成分以外を遮断して、位相変調された被変調光を出力する。
【００５８】
このように、非線形媒質１５−１、１５−２の後段に、光干渉部１６を配置して、位相シフト、合波および光フィルタリングを行うことで、非線形媒質１５−１、１５−２からの出力光を適切に光干渉させて、所望の特性の光を出力させることが可能になる。
【００５９】
ここで、変調信号光のデータレベルが“１”のときは、非線形媒質１５−１を通過した光の位相変調量は“π”であり、非線形媒質１５−２を通過した光の位相変調量は“−π”になっているので、その光電界の合成は“π”になる。
【００６０】
一方、変調信号光のデータレベルが“０”のときは、非線形媒質１５−１を通過した光の位相変調量は“０”であり、非線形媒質１５−２を通過した光の位相変調量は“０”なので、その光電界の合成は“０”になる。
【００６１】
すなわち、非線形媒質１５−１が位置する経路を伝搬した光と、非線形媒質１５−２が位置する経路を伝搬した光との和は、常に、実軸上に存在することになり、位相が０もしくはπしかとりえないという構成となる。したがって、光変調装置１０ａの構成において、位相変調量の時間変動がなく、周波数チャープの発生を抑制することが可能になる。
【００６２】
また、光変調装置１０ａは、全光学的構成をとっており、非線形媒質１５−１、１５−２による非線形光学効果を利用して位相変調を実行するために、ＬＮ光変調器のような位相変調を実行するための電気駆動信号は不要である。これにより、駆動源の電子回路の動作速度に制約されるといったことがなく、超高速光変調を実現することが可能になる。
【００６３】
図７、図８は各信号光のパワーまたは位相状態を示す図である。光変調装置１０ａにおける各信号光のパワーまたは位相状態の一例を示している。図７の（Ａ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、被変調光のパワーを示している。被変調光は連続光（ＣＷ（Continuous Wave）光）である。
【００６４】
図７の（Ｂ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、入力される変調信号光のデータパターンを示している。図７の（Ｃ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、変調信号光のデータパターンが反転された反転変調信号光ｂ３のデータパターンを示している。
【００６５】
図８の（Ａ）は、縦軸は位相、横軸は時間であり、位相変調光ｃ１の位相を示している。図８の（Ｂ）は、縦軸は位相、横軸は時間であり、位相変調光ｃ２の位相を示している。図８の（Ｃ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、光フィルタ１６ｃ出力後の被変調光のパワーを示している。図８の（Ｄ）は、縦軸は位相、横軸は時間であり、光フィルタ１６ｃ出力後の被変調光の位相を示している。
【００６６】
図９は光変調装置１０ａの各経路点における位相遷移状態を示す図である。状態ｐｈ１は、非線形媒質１５−１から出力された位相変調光ｃ１の０からπへの位相遷移状態を示す。
【００６７】
状態ｐｈ２は、非線形媒質１５−２から出力された位相変調光ｃ２の０からπへの位相遷移状態を示す。状態ｐｈ３は、位相シフト部１６ａによって位相がπ（または−π）シフトされた後の位相変調光ｃ２の位相遷移状態を示す。
【００６８】
図１０は光変調装置１０ａの出力光の位相遷移状態を示す図である。位相変調光ｃ２はπ（または−π）だけ位相シフトされるので、位相変調光ｃ１、ｃ２は、位相変調量が同じであり、互いに符号だけが異なる。
【００６９】
したがって、例えば、位相変調光ｃ１の位相が角度（＋θ1）だけ遷移したとき、位相シフト後の位相変調光ｃ２の位相は（−θ1）の遷移となり、｜θ1｜＝｜−θ1｜なので、光合波部１６ｂによって合波されると、合成ベクトルは実軸上に現れることになる。
【００７０】
したがって、光電界の合成ベクトルは、常に実軸上に存在することになるので、位相が０からπへ遷移、またはπから０へ遷移する際には、０とπの間の角度（位相）の時間変動がなくなり（実軸上での遷移となるので角度を持たない）、瞬間的に遷移する。
【００７１】
このように、光変調装置１０ａでは、上記のような位相変調を行うことにより、ＬＮ光変調器と同様にして、位相変調量の時間変動が抑制されるので、周波数チャープの発生を防止することになる。
【００７２】
次に反転部１３の構成および動作について説明する。図１１は反転部の構成例を示す図である。反転部１３−１は、光カースイッチを応用して光データの反転を行うものであり、光源１３ａ、偏波コントローラ１３ｂ−１、１３ｂ−２、光カプラ１３ｃ、光カースイッチ１３ｄを備える。また、光カースイッチ１３ｄは、高非線形光ファイバ（例えば、ＨＮＬＦなど）１３ｄ−１、偏光子１３ｄ−２および光フィルタ１３ｄ−３を含む。
【００７３】
光源１３ａは、ＣＷ光である信号光ｂ４を発出する。信号光ｂ４の波長λｃは、変調信号光の波長λｓおよび被変調光の波長λｐに対して異なる（λｃ≠λｓ≠λｐ）。偏波コントローラ１３ｂ−１は、信号光ｂ４の偏光状態（偏波状態）を調整制御する。偏波コントローラ１３ｂ−２は、変調信号光ｂ２の偏光状態を調整制御する。
【００７４】
光カプラ１３ｃは、偏光調整後の変調信号光ｂ２と、偏光調整後の信号光ｂ４とを合波して合波光を高非線形光ファイバ１３ｄ−１へ入力する。高非線形光ファイバ１３ｄ−１は、光カー効果を介して、信号光ｂ４の偏光状態を変調する。
【００７５】
偏光子１３ｄ−２は、偏光軸（透過軸）と同一方向の偏光状態の光を通過させる光素子である。光フィルタ１３ｄ−３は、偏光子１３ｄ−２の出力光から、波長λｃを透過帯域とするフィルタリングを行って、反転データ信号光である反転変調信号光ｂ３を出力する。
【００７６】
動作について説明する。偏波コントローラ１３ｂ−１では、変調信号光ｂ２の入力がないとき、すなわち、高非線形光ファイバ１３ｄ−１の中で信号光ｂ４が非線形光学効果を受けないとき、高非線形光ファイバ１３ｄ−１の後段に設置されている偏光子１３ｄ−２を最大透過するように、信号光ｂ４の偏光状態を調整する。
【００７７】
したがって、信号光ｂ４の偏光状態を、偏光子１３ｄ−２の偏光軸と同一方向に調整することになる。例えば、図１１に示すように、偏光子１３ｄ−２の偏光軸が水平にある状態Ｐ１の場合、偏波コントローラ１３ｂ−１では、信号光ｂ４の偏波方向も水平になるように調整制御する（状態Ｐ２）。さらに加えて、高非線形光ファイバ１３ｄ−１の入力端で、信号光ｂ４の偏光状態がおよそ直線偏光になるように調整する。
【００７８】
なお、高非線形光ファイバ１３ｄ−１の内部で偏光状態が変わらないとすると、上記の設定は１つの偏波コントローラ１３ｂ−１で達成できるが、高非線形光ファイバ１３ｄ−１内で発生する偏波変動を考慮する場合には、高非線形光ファイバ１３ｄ−１と偏光子１３ｄ−２との間に、別途、偏波コントローラを設置すればよい。
【００７９】
一方、偏波コントローラ１３ｂ−２では、変調信号光ｂ２の偏光状態は、高非線形光ファイバ１３ｄ−１の入力端において、およそ直線偏波となって、かつ信号光ｂ４の偏光面と概ねπ／４をなすように調整する（状態Ｐ３）。
【００８０】
ここで、変調信号光ｂ２が入力せずにパワーがゼロであれば、高非線形光ファイバ１３ｄ−１において信号光ｂ４の偏光方向は回転しない。この場合、高非線形光ファイバ１３ｄ−１から出力される信号光ｂ４の偏光方向は、偏光子１３ｄ−２の偏光軸と一致するので、信号光ｂ４のほぼ１００％が偏光子１３ｄ−２を通過することになる。したがって、変調信号光ｂ２のデータが“０”の場合は、偏光子１３ｄ−２から“１”の値が出力されることになる。
【００８１】
一方、変調信号光ｂ２が高非線形光ファイバ１３ｄ−１に入力し、変調信号光ｂ２のパワーが大きくなると、高非線形光ファイバ１３ｄ−１では、光カー効果によって（特にＸＰＭの作用によって）偏光回転が生じ、変調信号光ｂ２のパワーに応じて、信号光ｂ４の偏光方向が回転する。
【００８２】
そして、信号光ｂ４の偏光方向がπ／２回転すると、高非線形光ファイバ１３ｄ−１から出力される信号光ｂ４の偏光方向は、偏光子１３ｄ−２の偏光軸と直交する状態になり、信号光ｂ４は、偏光子１３ｄ−２によって完全に遮断される。したがって、変調信号光ｂ２のデータが“１”の場合は、偏光子１３ｄ−２から“０”の値が出力されることになる。
【００８３】
このように、反転部１３−１では、非線形媒質として高非線形光ファイバ１３ｄ−１を用いた光カースイッチ１３ｄにより、変調信号光ｂ２のデータレベルが反転された反転変調信号光ｂ３を生成する構成とした。これにより、光電変換などを行わずに、光信号の状態のままで効率よくデータ反転を行うことが可能になる。
【００８４】
図１２は反転部１３−１の入出力特性を示す図である。縦軸は反転部１３−１の出力パワーであり、横軸は変調信号光ｂ２の入力パワーである。変調信号光ｂ２の入力パワーが０のときは、反転部１３−１の出力パワーは１となり、変調信号光ｂ２の入力パワーが１のときは、反転部１３−１の出力パワーは０となる。
【００８５】
図１３は反転部の構成例を示す図である。反転部１３−２では、図１１で示した高非線形光ファイバ１３ｄ−１と偏光子１３ｄ−２の代わりに、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）を用いるものである。
【００８６】
反転部１３−２は、光源１３ａ、偏波コントローラ１３ｂ−１、１３ｂ−２、光カプラ１３ｃおよび光カースイッチ１３ｅを備える。また、光カースイッチ１３ｅは、ＳＯＡ１３ｅ−１および光フィルタ１３ｅ−２を備える。ＳＯＡ１３ｅ−１には、変調信号光ｂ２と信号光ｂ４との合波光が入力される。
【００８７】
なお、ＳＯＡ１３ｅ−１として、矩形無歪バルク構造、伸張歪ウエル多重量子井戸（MQW：Multi-Quantum Well）構造、伸張歪バルク構造、伸張歪バリアMQW構造などの偏波無依存で動作するＳＯＡを用いれば、偏波コントローラ１３ｂ−１、１３ｂ−２は不要である。
【００８８】
ここで、変調信号光ｂ２と信号光ｂ４とのパワーの和が十分小さい場合、すなわち、利得が線形の場合は、両者の光が同じ利得を受ける。しかしながら、信号光ｂ４と比べて、変調信号光ｂ２のパワーが十分大きいと、変調信号光ｂ２の増幅に使われるエネルギーが大きくなり、信号光ｂ４は利得を受けなくなる。
【００８９】
すなわち、変調信号光ｂ２のパワーが大きくなると、ＳＯＡ１３ｅ−１内で非線形光学効果である相互利得変調が発生し、信号光ｂ４を一定パワーでＳＯＡ１３ｅ−２に入力していても、ＳＯＡ１３ｅ−１内で発生する利得が変調信号光ｂ２の方に取られてしまい、信号光ｂ４の出力パワーが小さくなる現象が生じる。このことは、変調信号光ｂ２のデータが“１”の場合は、ＳＯＡ１３ｅ−１から“０”の値が出力されることを意味している。
【００９０】
一方、変調信号光ｂ２がない場合には、信号光ｂ４は利得を受ける。このことは、変調信号光ｂ２のデータが“０”の場合は、ＳＯＡ１３ｅ−１から“１”の値が出力されることを意味する。上記のようにして、変調信号光ｂ２のデータが反転した光が、ＳＯＡ１３ｅ−１から出力され、データ反転が実施される。
【００９１】
このように、反転部１３−２では、非線形媒質としてＳＯＡ１３ｅ−１を用いた光カースイッチ１３ｅにより、変調信号光ｂ２のデータレベルが反転された反転変調信号光ｂ３を生成する構成とした。これにより、光電変換などを行わずに、光信号の状態のままで効率よくデータ反転を行うことが可能になる。
【００９２】
次に光変調装置１０ａの他の実施の形態について説明する。なお、以降の説明では、上述した構成要素には同じ符号を付けて、同一構成要素の説明は省略し、あらたな構成要素について主に説明する。
【００９３】
図１４は光変調装置の構成例を示す図である。光変調装置１０ａ−１は、図６で上述した光変調装置１０ａに対して、あらたに偏波コントローラ１７ａ〜１７ｃを設け、あらたな光干渉部１６−１を設けている。光干渉部１６−１は、あらたに光減衰器１６ｄを含む。
【００９４】
偏波コントローラ１７ａは、被変調光ａ１の偏光状態を調整制御する。偏波コントローラ１７ｂは、変調信号光ｂ０の偏光状態を調整制御する。偏波コントローラ１７ｃは、被変調光ａ２の偏光状態を調整制御する。光減衰器１６ｄは、位相変調光ｃ１の光レベルを調整制御する。
【００９５】
一般に、非線形媒質や光部品接続用の光ファイバ中では、光の偏光状態は完全に保たれない。このため、偏波コントローラ１７ａ〜１７ｃを設けることにより、所望の偏光状態（偏波状態）を実現することが可能になる。
【００９６】
また、非線形媒質１５−１を伝搬する経路の光損失と、非線形媒質１５−２を伝搬する経路の光損失とは一般には等しくならない。このため、非線形媒質１５−１を伝搬する経路にパワー調整機構である光減衰器１６ｄを設置する。
【００９７】
これにより、位相変調光ｃ１のパワーと、位相シフト後の位相変調光ｃ２のパワーとを均等化することができ、光合波部１６ｂにおいて、パワーバランスされた両者を結合することが可能になる。
【００９８】
図１５は光変調装置の構成例を示す図である。光変調装置１０ａ−２は、図６で上述した光変調装置１０ａに対して、あらたな光干渉部１６−２が設けられる。光干渉部１６−２は、あらたに光分岐部１６ｅ、モニタ部１６ｆ、ドライバ１６ｇを含む。
【００９９】
光分岐部１６ｅは、光フィルタ１６ｃからの被変調光の出力を２分岐する。モニタ部１６ｆは、光分岐部１６ｅによって分岐された一方の被変調光のパワーをモニタする。ドライバ１６ｇは、モニタ値が所定の値になるように（具体的には、モニタした光パワーが最大になるように）、位相シフト部１６ａに対してバイアス量を調整し、調整後のバイアスを与えるフィードバック制御を行う。
【０１００】
ここで、非線形媒質１５−１、１５−２それぞれの経路を伝搬した光を結合する場合、その経路差の揺らぎを波長に比べて十分に短い長さにする必要がある。光通信で使用する光の波長は１．５μｍ程度なので、サブマイクロメートルの精度に抑え込むことになる。
【０１０１】
シリコン導波路をもちいて集積化したものだと、特に、動的な安定化は必要ないが、光ファイバ入出力形態の光部品を接続して本光変調装置を実現する場合には、経路差揺らぎを制御して動作を安定化することが好ましい。
【０１０２】
この安定化策の一例が光変調装置１０ａ−２に示す構成である。経路差が半波長の奇数倍だと、互いの光が干渉して、パワーが小さくなる。一方、経路差が半波長の偶数倍だと、互いが干渉して、出力パワーが大きくなる。
【０１０３】
この特徴を利用して、光フィルタ１６ｃからの出力光パワーを光パワーメータなどのモニタ部１６ｆで測定し、そのパワーが最大になるように、ドライバ１６ｇによってバイアスを調整する。これにより、経路差揺らぎを効率よく制御することができ、安定な動作が可能になる。
【０１０４】
なお、バイアス制御を実現する例としては、ＬＮ導波路やシリコン導波路にＤＣバイアスをかける等が挙げられる。または光ファイバに張力をかけて長さを高精度に調整する方法をとってもよい（例えば、光ファイバにピエゾ素子を付加し、ドライバ１６ｇでピエゾ素子に電圧を印加して、ファイバ経路長の微調整を行うなど）。
【０１０５】
図１６は光変調装置の構成例を示す図である。光変調装置１０ａ−３は、図６で上述した光変調装置１０ａに対して、あらたに波長多重化部１８が設けられる。波長多重化部１８は、波長λｐ１の被変調光と、波長λｐ２の被変調光との波長多重化を行って（λｐ１≠λｐ２）、波長多重被変調光を出力する。
【０１０６】
このように、非線形媒質１５−１、１５−２で位相変調される被変調光が、２波長以上の波長数の波長多重光となるように、互いに異なる複数の波長の被変調光の波長多重化を行う波長多重化部１８を設けた。
【０１０７】
これにより、多波長の被変調光に同じ変調信号光で変調して、例えば、マルチキャストなどの通信サービスを行うことが可能になる。なお、図１６の例では２波長の場合を示しているが、３波以上の複数波長の光にも適用できる。
【０１０８】
図１７は光変調装置の構成例を示す図である。上述してきた光変調装置では、被変調光としてＣＷ光を入力したが、光変調装置１０ａ−４では、光クロックの被変調光を入力するものである（装置構成上の特段の変更はない）。
【０１０９】
ＣＷ光の被変調光を入力した場合、位相変調後は、ＮＲＺ（Non Return to Zero）形式の信号光として出力されるが、ＲＺ（Return to Zero）形式の信号光として出力したい場合には、光変調装置１０ａ−４のように、パルス化した被変調光を入力すればよい。
【０１１０】
図１８は各信号光の波形例を示す図である。光変調装置１０ａ−４の各信号光の波形例を示している。（Ａ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、変調信号光の波形を示す。（Ｂ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、被変調光（装置入力時）の波形を示す。（Ｃ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、被変調光（装置出力時）の波形を示す。
【０１１１】
図１９は光変調装置の構成例を示す図である。光変調装置１０ａ−５は、図６で上述した光変調装置１０ａに対して、あらたに波長多重化部１８ａを有する。波長多重化部１８ａは、波長λｐ１の被変調光と、波長λｐ２の被変調光との波長多重化を行って（λｐ１≠λｐ２）、波長多重被変調光を出力する。被変調光（λｐ１）と被変調光（λｐ２）はともに光クロックである。
【０１１２】
図２０、図２１は各信号光の波形例を示す図である。光変調装置１０ａ−５の各信号光の波形例を示している。図２０の（Ａ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、変調信号光の波形を示す。図２０（Ｂ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、被変調光（装置入力時、波長λｐ１）の波形を示す。図２０の（Ｃ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、被変調光（装置入力時、波長λｐ２）の波形を示す。
【０１１３】
図２１（Ａ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、被変調光（装置出力時、波長λｐ１）の波形を示す。図２１の（Ｂ）は、縦軸はパワー、横軸は時間であり、被変調光（装置出力時、波長λｐ２）の波形を示す。
【０１１４】
図２２は光変調装置の構成例を示す図である。光変調装置１０ａ−６は、図６で上述した光変調装置１０ａに対して、あらたにタイミング抽出部１９を備える。各信号光の波形は図１８と同じである。
【０１１５】
タイミング抽出部１９は、変調信号光の光クロックからタイミング抽出を行って、被変調光の光クロックを生成する。被変調光を光クロックで入力する場合、変調信号光との同期が重要になる。
【０１１６】
このため、正確な同期を実現するためには、タイミング抽出部１９において、変調信号光からクロックタイミングを抽出し、そのクロックタイミングと一致した光クロックの被変調光を生成する。タイミング抽出部１９を備えることにより、変調信号光と正確に同期した光クロックの被変調光を生成することが可能になる。
【０１１７】
なお、タイミング抽出としては、例えば、電界吸収型光変調器（EAM：Electric Absorption Modulator）を用いた手法、半導体光増幅器を用いた方法などがある。また、超高速の光クロック生成は、半導体モード同期レーザ、ファイバモード同期レーザなどにより実現できる。
【０１１８】
図２３は光変調装置の構成例を示す図である。光変調装置１０ａ−７は、図６で上述した光変調装置１０ａに対して、波長多重化部１８ａとタイミング抽出部１９をさらに備える。各信号光の波形は図２０、図２１と同じである。
【０１１９】
タイミング抽出部１９は、変調信号光のクロックタイミング抽出を行って、波長λｐ１の被変調光の光クロックと、波長λｐ２の被変調光の光クロックを生成する（λｐ１≠λｐ２）。波長多重化部１８ａは、波長λｐ１の被変調光と、波長λｐ２の被変調光との波長多重化を行って、波長多重被変調光を出力する。
【０１２０】
図２４は光変調装置の構成例を示す図である。光変調装置１０ａ−８は、図２３の光変調装置１０ａ−７と基本構成は同じであるが、光伝送路３を通じて伝送された変調信号光を受信する構成を示している。各信号光の波形は図２０、図２１と同じである。
【０１２１】
光伝送路３は、光ファイバｆ１、ｆ２を含み、光増幅器３１、３２が中継点において設置される。光変調装置１０ａ−８は、光伝送路３を通じて他ノード等から送信された変調信号光を受信し、その変調信号光のタイミング抽出を行って複数波長の被変調光を生成する。
【０１２２】
このような構成により、例えば、遠方のノードから伝送されてきた変調信号光を受信した場合であっても、タイミング抽出部１９によって、変調信号光からクロックタイミングを抽出して、変調信号光と同期した被変調光の光クロックを生成することができる。
【０１２３】
以上、実施の形態を例示したが、実施の形態で示した各部の構成は同様の機能を有する他のものに置換することができる。また、他の任意の構成物や工程が付加されてもよい。
（付記１） 変調信号光のパワーを反転させて、反転変調信号光を生成する反転部と、
被変調光を前記変調信号光の非線形光学効果によって位相変調させる第１の非線形媒質と、
前記被変調光を前記反転変調信号光の前記非線形光学効果によって位相変調させる第２の非線形媒質と、
前記第１の非線形媒質の出力光と、前記第２の非線形媒質の出力光との干渉制御を行う光干渉部と、
を有することを特徴とする光変調装置。
【０１２４】
（付記２） 前記光干渉部は、
前記第２の非線形媒質の出力光に所定の位相シフトを与える位相シフト部と、
前記第１の非線形媒質の出力光と、位相シフト後の前記第２の非線形媒質の出力光とを合波して合波光を出力する光合波部と、
前記合波光から、前記被変調光と異なる波長の光を遮断する光フィルタと、
を有することを特徴とする付記１記載の光変調装置。
【０１２５】
（付記３） 前記光干渉部は、光減衰器をさらに有し、
前記光減衰器は、前記第１の非線形媒質の出力光のパワーと、位相シフト後の前記第２の非線形媒質の出力光のパワーとが均等化するように、前記第１の非線形媒質の出力光のパワー、または位相シフト後の前記第２の非線形媒質の出力光のパワーのいずれかの減衰制御を行うことを特徴とする付記２記載の光変調装置。
【０１２６】
（付記４） 前記光干渉部は、
前記光フィルタの透過後の光パワーをモニタするモニタ部と、
モニタ値が所定値になるように、位相シフトさせるためのバイアス量を調整し、調整後のバイアス量を前記位相シフト部に与えるドライバと、
を有することを特徴とする付記２記載の光変調装置。
【０１２７】
（付記５） 前記変調信号光および前記被変調光に対して、偏光状態を制御するための偏波コントローラをさらに有することを特徴とする付記１記載の光変調装置。
（付記６） 前記第１の非線形媒質および前記第２の非線形媒質で位相変調される前記被変調光が、２波長以上の波長数の波長多重光となるように、互いに異なる複数の波長の前記被変調光の波長多重化を行う波長多重化部をさらに有することを特徴とする付記１記載の光変調装置。
【０１２８】
（付記７） 前記反転部は、非線形媒質として高非線形光ファイバを用いた光カースイッチを含むことを特徴とする付記１記載の光変調装置。
（付記８） 前記反転部は、非線形媒質として半導体光増幅器を用いた光カースイッチを含むことを特徴とする付記１記載の光変調装置。
【０１２９】
（付記９） 前記変調信号光からクロックタイミングを抽出して前記変調信号光と同期した前記被変調光の光クロックを生成するタイミング抽出部をさらに有することを特徴とする付記１記載の光変調装置。
【０１３０】
（付記１０） 光変調方法において、
変調信号光のパワーを反転させて、反転変調信号光を生成し、
第１の非線形媒質により、被変調光を前記変調信号光の非線形光学効果によって位相変調させ、
第２の非線形媒質により、前記被変調光を前記反転変調信号光の前記非線形光学効果によって位相変調させ、
前記第１の非線形媒質の出力光と、前記第２の非線形媒質の出力光との干渉制御を行う、
ことを特徴とする光変調方法。
【符号の説明】
【０１３１】
１０ 光変調装置
１３ 反転部
１５−１、１５−２ 非線形媒質
１６ 光干渉部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調信号光のパワーを反転させて、反転変調信号光を生成する反転部と、
被変調光を前記変調信号光の非線形光学効果によって位相変調させる第１の非線形媒質と、
前記被変調光を前記反転変調信号光の前記非線形光学効果によって位相変調させる第２の非線形媒質と、
前記第１の非線形媒質の出力光と、前記第２の非線形媒質の出力光との干渉制御を行う光干渉部と、
を有することを特徴とする光変調装置。
【請求項２】
前記光干渉部は、
前記第２の非線形媒質の出力光に所定の位相シフトを与える位相シフト部と、
前記第１の非線形媒質の出力光と、位相シフト後の前記第２の非線形媒質の出力光とを合波して合波光を出力する光合波部と、
前記合波光から、前記被変調光と異なる波長の光を遮断する光フィルタと、
を有することを特徴とする請求項１記載の光変調装置。
【請求項３】
前記光干渉部は、光減衰器をさらに有し、
前記光減衰器は、前記第１の非線形媒質の出力光のパワーと、位相シフト後の前記第２の非線形媒質の出力光のパワーとが均等化するように、前記第１の非線形媒質の出力光のパワー、または位相シフト後の前記第２の非線形媒質の出力光のパワーのいずれかの減衰制御を行うことを特徴とする請求項２記載の光変調装置。
【請求項４】
前記光干渉部は、
前記光フィルタの透過後の光パワーをモニタするモニタ部と、
モニタ値が所定値になるように、位相シフトさせるためのバイアス量を調整し、調整後のバイアス量を前記位相シフト部に与えるドライバと、
を有することを特徴とする請求項２記載の光変調装置。
【請求項５】
光変調方法において、
変調信号光のパワーを反転させて、反転変調信号光を生成し、
第１の非線形媒質により、被変調光を前記変調信号光の非線形光学効果によって位相変調させ、
第２の非線形媒質により、前記被変調光を前記反転変調信号光の前記非線形光学効果によって位相変調させ、
前記第１の非線形媒質の出力光と、前記第２の非線形媒質の出力光との干渉制御を行う、
ことを特徴とする光変調方法。
【請求項１】
変調信号光のパワーを反転させて、反転変調信号光を生成する反転部と、
被変調光を前記変調信号光の非線形光学効果によって位相変調させる第１の非線形媒質と、
前記被変調光を前記反転変調信号光の前記非線形光学効果によって位相変調させる第２の非線形媒質と、
前記第１の非線形媒質の出力光と、前記第２の非線形媒質の出力光との干渉制御を行う光干渉部と、
を有することを特徴とする光変調装置。
【請求項２】
前記光干渉部は、
前記第２の非線形媒質の出力光に所定の位相シフトを与える位相シフト部と、
前記第１の非線形媒質の出力光と、位相シフト後の前記第２の非線形媒質の出力光とを合波して合波光を出力する光合波部と、
前記合波光から、前記被変調光と異なる波長の光を遮断する光フィルタと、
を有することを特徴とする請求項１記載の光変調装置。
【請求項３】
前記光干渉部は、光減衰器をさらに有し、
前記光減衰器は、前記第１の非線形媒質の出力光のパワーと、位相シフト後の前記第２の非線形媒質の出力光のパワーとが均等化するように、前記第１の非線形媒質の出力光のパワー、または位相シフト後の前記第２の非線形媒質の出力光のパワーのいずれかの減衰制御を行うことを特徴とする請求項２記載の光変調装置。
【請求項４】
前記光干渉部は、
前記光フィルタの透過後の光パワーをモニタするモニタ部と、
モニタ値が所定値になるように、位相シフトさせるためのバイアス量を調整し、調整後のバイアス量を前記位相シフト部に与えるドライバと、
を有することを特徴とする請求項２記載の光変調装置。
【請求項５】
光変調方法において、
変調信号光のパワーを反転させて、反転変調信号光を生成し、
第１の非線形媒質により、被変調光を前記変調信号光の非線形光学効果によって位相変調させ、
第２の非線形媒質により、前記被変調光を前記反転変調信号光の前記非線形光学効果によって位相変調させ、
前記第１の非線形媒質の出力光と、前記第２の非線形媒質の出力光との干渉制御を行う、
ことを特徴とする光変調方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２０１１−１５８７６４（Ｐ２０１１−１５８７６４Ａ）
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１１７９（Ｐ２０１０−２１１７９）
【出願日】平成２２年２月２日（２０１０．２．２）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２日（２０１０．２．２）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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