JP5381089B2 - 光信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、光信号処理装置に係わり、例えば、光ファイバ伝送により付加された雑音により劣化した光信号の品質（特に、光Ｓ／Ｎ比やＱ値）を改善する装置等に適用可能である。

光通信システムにおいては、伝送速度（データのビットレート）あるいは総データ伝送容量（１チャンネル当りの伝送速度×チャンネル数）、および伝送可能な距離の限界は、光Ｓ／Ｎ比（Optical Signal-to-Noise Ratio）やＱ値、および光信号の波形歪みや位相歪みに依存する。そして、光信号の波形歪および位相歪みは、伝送路光ファイバの波長分散（高次分散を含む）や非線形光学効果等に大きく依存する。また、光Ｓ／Ｎ比やＱ値は、光ファイバの損失を補償するための光アンプにおいて生成される自然放出光（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission）雑音や送信機または受信機内の雑音特性等に依存する。

波長分散による光信号の波形歪みを補償する技術としては、下記が知られている。
（１）正常分散ファイバおよび異常分散ファイバを交互に配置した伝送路
（２）分散補償ファイバ等の波長分散補償器
（３）受信した光信号を電気信号に変換したのち、電気的な信号処理を行う構成
現在までに、光アンプを用いて伝送損失を補償しながら、大陸間で１０Ｇｂ／ｓのデータ伝送を行う波長多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）光ファイバ伝送システムが開発されている。そして、より高速な長距離データ伝送（例えば、４０Ｇｂ／ｓ、１６０Ｇｂ／ｓ）の開発、およびフォトニックネットワークに拡張可能なシステム余裕を与える方式の開発が進められている。

しかしながら、高精度の分散補償、歪補償、及び高品質の光アンプを組み合わせても、光アンプにより生成されるＡＳＥ雑音等による光Ｓ／Ｎ比やＱ値の劣化が厳しい。このため、実用的な伝送距離が制限されている。したがって、高速信号の長距離光ファイバ伝送を実現するためには、歪んだ光波形を整形する技術、位相歪みを補正する技術、累積したＡＳＥ雑音や位相雑音等を抑圧する技術の実現が望まれている。

また、将来の超大容量情報の通信バックボーンとなる光ネットワークにおいては、上述の高速光信号を柔軟に処理可能な、光スイッチおよび波長変換器等を組み合わせた光ノード装置を実現することが重要である。このため、光Ｓ／Ｎ比の劣化の少ない光信号処理装置、および光Ｓ／Ｎ比を改善する技術の開発が望まれている。

光信号の波形を整形する技術として、第１および第２のパワー制御器、および非線形光学媒質を備える光波形整形装置が知られている。第１のパワー制御器は、信号光のパワーを制御する。第２のパワー制御器は、信号光と異なる波長を持った励起光のパワーを制御する。非線形光学媒質は、第１のパワー制御器によりパワーが制御された信号光および第２のパワー制御器によりパワーが制御された励起光が入力される。そして、第１のパワー制御器は、非線形光学媒質において励起光による利得が飽和するように信号光のパワーを制御する。これにより光リミッタ機能が実現され、光波形が整形される。
特開２００７−２６４３１９号公報 特開２００６−１８４８５１号公報 特開２０００−７５３３０号公報

従来技術においては、波形やスペクトルの変化を伴うことなしに、光Ｓ／Ｎ比やＱ値を改善することができなかった。また、光リミッタを用いて光信号の波形を整形する方式においては、光信号のＯＮレベルの振幅雑音を抑圧することはできるが、ゼロレベルの雑音を抑圧することはできなかった。

したがって、光信号のゼロレベルの振幅雑音を抑圧可能な光信号処理装置の開発が望まれている。

本発明の１つの実施形態の光信号処理装置は、光信号の波形幅を拡大する波形幅拡大手段と、前記波形幅が拡大された光信号が入力され、入力強度および出力強度が比例しない領域において、前記光信号の強度を抑圧する光リミッタ回路、を備える。

上記光信号処理装置において、光リミッタは、光信号のＯＮレベルの雑音を抑圧する。したがって、光リミッタの入力側で波形拡大手段により光信号の波形幅が拡大されると、光リミッタにおいてより大きな時間領域で雑音が抑圧される。

開示の光信号処理装置によれば、光信号のゼロレベルの振幅雑音を抑圧することができる。

図１は、本発明の１つの実施形態の光信号処理装置の構成を示す図である。光信号処理装置１は、特に限定されるものではないが、例えば、光伝送システムの中継局または受信局に設けられ、光伝送路を介して伝送される光信号を処理する。また、光信号処理装置１により処理される光信号は、特に限定されるものではないが、ＯＮレベル（所定の閾値レベルよりも大きい光強度に対応する第１の状態）、およびゼロレベル（上記閾値レベルよりも小さい光強度に対応する第２の状態）の組合せにより情報を伝搬する。上記光信号には、光強度変調はもとより、ＲＺ（Ｒｅｔｕｒｎ−ｔｏ−ｚｅｒｏ）パルスを光位相変調信号や光周波数変調等により変調した信号光等も含まれる。

光回路２は、光信号がＯＮレベルである時間とゼロレベルである時間の比率（以下、存在比）を調整する。具体的には、光回路２は、光信号がＯＮレベルである時間を大きくすると共に、その光信号がゼロレベルである時間を短くすることにより、ＯＮレベルの存在比を大きくする。１つの実施例としては、光回路２は、時間軸上において光信号の波形幅（すなわち、パルス幅）を拡大する。なお、「存在比」は、いわゆるデューティと類似の概念である。ただし、デューティは連続する複数のタイムスロットにおいて同じ値であるのに対して、存在比はタイムスロット毎に異なっていてもよい。

光リミッタ３は、入力強度および出力強度が比例しない領域において、その光信号の強度を抑圧する。すなわち、光リミッタ３は、光信号のＯＮレベルに載っている雑音を抑圧することができる。光リミッタ３は、例えば、３次非線形光学効果または２次非線形光学効果を用いた光パラメトリック増幅器、あるいはラマン増幅器により実現される。このような光アンプは、例えば、上述した特許文献１に記載されている。この場合、光アンプの利得飽和領域において、光信号のＯＮレベルの振幅雑音が抑圧される。なお、光リミッタ３は、光信号を増幅しなくてもよい。

光回路４は、光回路２により調整された光信号の存在比を、光回路２へ入力される前の
状態に戻す。すなわち、光回路４は、光回路２による波形変換の逆変換を行う。換言すれば、光回路４は、時間軸上において光信号の波形幅（すなわち、パルス幅）を狭くする。なお、光信号処理装置１は、必ずしも光回路４を備えていなくてもよい。すなわち、光信号処理装置１は、光回路２および光リミッタ３を備える構成であってもよい。

次に、光信号処理装置１の動作を説明する。まず、光リミッタ３の動作を説明する。光リミッタ３は、図２に示すように、入力光信号の強度が小さい領域では、出力強度は入力強度に比例する。しかし、入力光信号の強度が大きい領域では、出力強度は入力強度に比例しなくなる。すなわち、入力光信号の強度が大きい領域では、利得が飽和する。

光伝送路を介して伝送されてくる光信号は、一般に、ＯＮレベルおよびゼロレベルの双方に振幅雑音が載っている。そして、このような光信号が光リミッタ３に入力される。このとき、入力光信号のゼロレベルが線形増幅領域に属し、入力光信号のＯＮレベルが利得飽和領域に属するものとする。そうすると、光信号のゼロレベルの振幅雑音は、線形増幅領域において増幅される。しかし、光信号のＯＮレベルの振幅雑音は、利得飽和領域において抑圧される。すなわち、光リミッタ３は、光信号のＯＮレベルの振幅雑音を抑圧することができる。

図３は、光信号の存在比を変えることによる効果を説明する図である。図３（ａ）は、光リミッタ３の入力側で光信号の存在比を変えない（すなわち、光回路２、４を備えていない）場合の波形を示している。光信号ａ１が光リミッタに入力される。ここで、光信号ａ１は、ＯＮレベルおよびゼロレベルの双方に振幅雑音が載っている。光信号ａ１が光リミッタ３に入力されると、図２を参照しながら説明したように、ＯＮレベルの雑音が抑圧される。しかし、ゼロレベルの雑音は抑圧されない。

図３（ｂ）は、実施形態の光信号処理装置１により処理される光信号の波形を示す。光信号ｂ１は、光回路２に入力される。ここで、光信号ｂ１は、光信号ａ１と同じであるものとする。光回路２は、光信号ｂ１の波形幅を拡大することにより、光信号ｂ２を生成する。光リミッタ３には、波形幅が拡大された光信号ｂ２が入力される。光リミッタ３は、光信号ｂ２のＯＮレベルの雑音を抑圧する。このとき、光信号ｂ２のＯＮレベルの存在比は、図３（ａ）に示す光信号ａ１よりも大きい。したがって、光信号ｂ２において雑音が抑圧される時間領域は、光信号ａ１において雑音が抑圧される時間領域よりも大きい。そして、光リミッタ３は、雑音が抑圧された光信号ｂ３を出力する。

光信号ｂ３は、光回路４に入力される。光回路４は、光信号ｂ３のＯＮレベルの存在比を、光信号が光回路２に入力される前の状態（すなわち、光信号ｂ１の状態）に戻す。すなわち、光回路４は、光信号ｂ３の波形幅を狭めることにより、光信号ｂ４を生成する。このとき、光信号ｂ３は、より大きな時間領域においてＯＮレベルの雑音が抑圧されているので、その光信号ｂ３の波形幅を狭めることで得られる光信号ｂ４のゼロレベルの雑音は、図３（ａ）に示す光信号ａ２よりも小さくなる。

このように、光信号処理装置１は、光信号のＯＮレベルの雑音を抑圧する光リミッタ３を備え、その光リミッタ３の入力側においてＯＮレベルの存在比を大きくする。この構成により、雑音が抑圧される時間領域が大きくなり、全体として光信号の雑音量が減少するので、光信号の波形幅を元に戻したときに、ゼロレベルの雑音も抑圧されている。この結果、光信号の品質（Ｓ／Ｎ比やＱ値など）が改善する。

＜光信号処理装置の実施例＞
図４は、光信号処理装置１の第１の実施例を示す図である。第１の実施例では、光回路２および光回路４は、それぞれ波長分散媒質により実現される。図４では、光回路２は光
ファイバ１１であり、光回路４は光ファイバ１２である。この場合、光ファイバ１１の波長分散が「β₂」であるものとすると、光ファイバ１２の波長分散は、例えば「−β₂」である。すなわち、光ファイバ１２は、光ファイバ１１の波長分散を補償する。なお、光ファイバ１１の分散は、正常分散であってもよいし、異常分散であってもよい。また、波長分散は、上記２次の分散以外の高次分散、あるいは、上記２次分散と高次分散を組み合わせたものであってもよい。

光信号の波形幅は、光ファイバ１１の波長分散により、拡大される。また、光ファイバ１２は、光ファイバ１１の波長分散を補償する。したがって、光ファイバ１２から出力される光信号のＯＮレベルの存在比は、光ファイバ１１に入力する前の状態とほぼ同じである。

光ファイバ１１の波長分散量は、特に限定されるものではない。ここで、光ファイバ１１の波長分散量を大きくすれば、光信号のＯＮレベルの存在比がより大きくなり、雑音抑圧効果が高くなる。ただし、光ファイバ１１の波長分散量を大きくし過ぎると、シンボル間干渉により、光信号の品質が劣化してしまう。また、光ファイバ１１の波長分散量を大きくし過ぎると、その波長分散を補償できなくなってしまう。したがって、光ファイバ１１の波長分散量は、光信号が伝送するデータのビットレートに応じて決めるようにしてもよい。あるいは、後で詳しく説明するが、光信号処理装置１の出力信号の品質をモニタしながら、光ファイバ１１の波長分散量を調整するようにしてもよい。

なお、図４では、光ファイバ１１、１２の波長分散の大きさは互いに同じ（符号は、反対）である。しかし、光ファイバ１１、１２の波長分散の大きさは互いに同じである必要はない。すなわち、例えば、光信号処理装置１から出力される光信号の品質が最適化されるように、或いは受信局における品質が最適化されるように、光ファイバ１１、１２の波長分散の大きさは互いに異ならせるようにしてもよい。

また、光ファイバ１１において、光信号に対して偏波モード分散が与えられるようにしてもよい。この場合、光ファイバ１２は、光ファイバ１１の偏波モード分散を補償するように設計される。

図５は、光信号処理装置１の第２の実施例を示す図である。第２の実施例では、光回路２は、分散発生器（分散エミュレータ）１３である。分散発生器１３は、例えば、分散ファイバまたはＶＩＰＡ（Virtually Imaged Phased Array）型分散発生器により実現される。また、光回路４は、分散補償器１４である。分散補償器１４は、例えば、分散補償ファイバまたはＶＩＰＡ型分散補償器により実現される。なお、ＶＩＰＡは、薄板の両面に反射膜をコーティングした波長分散素子（ＶＩＰＡ板）、および反射ミラーを備える。そして、ＶＩＰＡは、例えば、反射ミラーの位置を調整することにより、所望の波長分散を発生させることができる。すなわち、ＶＩＰＡは、可変波長分散発生器または可変波長分散補償器として動作することができる。

図６は、光信号処理装置１の第３の実施例を示す図である。第３の実施例では、分散発生器１３により与えられる分散は、光信号が電気信号に変換された後に補償される。このため、第３の実施例の光回路４は、受光器１５、Ａ／Ｄ変換器１６、デジタル信号処理回路１７を備える。受光器１５は、例えばフォトダイオードであり、光リミッタ３から出力される光信号を電気信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器１６は、受光器１５により得られる信号をデジタルデータに変換する。デジタル信号処理回路１７は、たとえば、電気分散補償器（ＥＤＣ：Electrical Dispersion Compensator）であり、光リミッタ３から出力される光信号を表すデジタルデータについて分散補償処理を実行する。

図７は、光信号処理装置１の第４の実施例を示す図である。第４の実施例では、時間多重回路１８により光信号のＯＮレベルの存在比が増大される。時間多重回路１８は、光分岐要素、遅延要素、光合成要素を備える。光分岐要素は、入力光信号を分岐して第１および第２の光信号を生成する。遅延要素は、第２の光信号を遅延させる。光合成要素は、第１の光信号および遅延要素により遅延させられた第２の光信号を合成する。遅延要素の遅延時間は、第１の光信号および第２の光信号が互いに重なり合わないように調整される。光リミッタ３の出力側には、光分離回路（DEMUX）１９が設けられる。光分離回路１９は、多重化されている第１または第２の光信号の一方を選択して出力する。

図８は、光信号処理装置１の第５の実施例を示す図である。第５の実施例では、光信号の波形幅を拡大するために、偏光制御器２１、偏波保持ファイバ２２、偏波合成器２３を備える。偏波保持ファイバ２２は、互いに直交する第１および第２の偏光主軸を有する。偏光制御器２１は、偏波保持ファイバ２２の入力側に設けられ、入力光信号の偏光を、偏波保持ファイバ２２の第１および第２の偏光主軸に対して４５度に制御する。そして、偏波合成器２３は、偏波保持ファイバ２２から出力される光信号を偏波合成する。光回路４は、必要に応じて設けられ、光リミッタ３から出力される光信号のパルス幅を狭くする。

図９は、光信号処理装置１の第６の実施例を示す図である。第６の実施例では、光リミッタ３は、光アンプであり、励起光を利用して光強度リミッタ機能を実現するとともに、光信号を増幅する。なお、この実施例では、光信号は、波長λ_Sの信号光を利用して伝搬される。また、励起光の波長λ_Pは、波長λ_Sとは異なっている。そして、光信号処理装置１は、光回路４の出力側に、波長λ_Sを通過させる光フィルタ２４を備える。光フィルタ２４は、励起光の波長成分を除去する。

図１０は、光信号処理装置１の第７の実施例を示す図である。第７の実施例においても光リミッタ３は光アンプである。ただし、第７の実施例では、光アンプにおけるパラメトリック効果により、信号光のアイドラ光が生成される。アイドラ光は、信号光の位相共役光であり、波長λ_Iを有する。また、アイドラ光は、信号光と同じ情報を伝搬する。ここで、信号光の周波数ω_S、励起光の周波数ω_P、アイドラ光の周波数ω_Iは、下記の関係を満足する。
ω_P −ω_I ＝ω_S −ω_P ≠０ ・・・（１）
そして、光信号処理装置１は、光回路４の出力側に、波長λ_Iを通過させる光フィルタ２５を備える。光フィルタ２５は、信号光の波長成分および励起光の波長成分を除去する。

なお、第１〜第７の実施例において、光信号のパルス幅を拡大する方法または光信号のＯＮレベルの存在比を高める方法を示したが、実施形態の光信号処理装置１の動作はこれらに限定されるものではない。例えば、光回路２は、光信号のＯＮレベルの存在比を高めるために、チャープおよび波長分散を利用するようにしてもよい。この場合、光信号の送信局において、光信号に対して所定のチャープが与えられるようにしてもよい。また、光回路４は、光信号のパルス幅を狭くする際には、例えば、パルス圧縮光回路または光スイッチで実現するようにしてもよい。

また、光回路２、４として波長分散媒質を用いる場合には、光信号は帯域を有しているので、波長分散により波形の形状が変化する。一方、雑音光には情報がないため、波長分散により雑音成分は変形しない。このため、光リミッタによりＯＮレベルの振幅雑音を抑圧し、光回路４により光信号の波形を等価することにより、ゼロレベル時間領域の雑音成分を低減することが可能である。また、波長分散により波形が変化する際には、信号光のスペクトルはほとんど変化しない。

さらに、光リミッタ３の入力側に設けられる光回路２は、光信号のＯＮレベルの存在比
を大きくする方法の１つとして、各パルスの幅を拡大するが、実施形態の光回路２は、これに限定されるものではない。例えば、図１１（ａ）または図１１（ｂ）に示すように、入力光信号のパルス間に新たに光パルスが存在するように、光信号の波形を変換するようにしてもよい。いずれにしても、光回路２は、光信号の各タイムスロットにおいて、光強度がゼロレベルとなる時間の割合を小さくするような波形変換を行う。また、光回路２は、光信号のパルスピークを平坦化してもよいし、各パルスの強度を一定にしてもよい。さらに、図１１（ａ）または図１１（ｂ）に示すように、一定強度ではなくとも、ゼロでない部分を多くするようにしてもよい。

このように、実施形態の光信号処理装置１によれば、光信号の振幅雑音をそのＯＮレベル領域に集めることができるので、従来の光リミッタと比較して雑音抑圧効果が大きい。換言すれば、実施形態の光信号処理装置１によれば、従来の光リミッタと比較して、緩いリミッタ動作条件においても顕著な雑音抑圧効果が得られる。よって、実施形態の構成によれば、光信号の波形やスペクトルの変化を可能な限り抑えながら振幅雑音を低減し、光Ｓ／Ｎ比の向上が可能である。

＜光信号処理装置の使用例＞
図１２に示す例では、光信号処理装置１にはＷＤＭ光信号が入力される。ＷＤＭ光信号は、互いに異なる波長λ_S1〜λ_SNを利用して複数の信号を伝送する。なお、光信号処理装置１は、例えば、第１〜第７の実施例に記載した通りである。

ＷＤＭ光により伝送される複数の光信号は、一般に、互いに同期しておらず、また、偏光状態もランダムである。さらに、各光信号のピークパワーの総和は、時間領域において一定でない。このため、従来技術においては、ＷＤＭ光からチャネル毎（すなわち、波長ごと）に分離した各光信号についてそれぞれ波形整形および雑音の抑圧を行っていた。

これに対して、実施形態の光信号処理装置１においては、ＷＤＭ光信号の強度雑音が直接的に抑制される。したがって、実施形態の光信号処理装置１においては、ＷＤＭ光をチャネル毎に分離することなく、ＷＤＭ光をそのまま入力するだけで、各光信号の雑音を抑圧することができる。

光信号処理装置１の出力端には、ＷＤＭ光信号の各波長の中心付近に透過帯域の中心を有する光帯域フィルタを設けるようにしてもよい。この場合、例えば、インターリーバ・フィルタやファイバ・グレーティングを組み合わせることができる。また、光信号処理装置１の出力端には、ＷＤＭ信号光の波長成分以外を遮断する帯域遮断光フィルタを設けるようにしてもよい。

図１３に示す例では、光信号処理装置１は、光通信システムにおいて使用される。光通信システムは、送信機３１から光伝送路を介して受信機３２へ光信号を伝送する。
図１３（ａ）に示す例では、送信機３１と受信機３２との間に中継局３３が設けられている。光信号処理装置１は、この中継局３３の中に設けられている。そして、光信号処理装置１は、光伝送路Ａから受信した光信号の雑音を抑圧して光伝送路Ｂに導く。なお、光伝送路Ａ、Ｂは、光アンプを利用してパワー増幅しながら伝送する構成、伝送路ファイバの波長分散を補償するように最適設計された構成等であってもよい。

光伝送路上には、複数の中継局が設けられてもよい。この場合、光信号処理装置１は、すべての中継局に設けられてもよいし、一部の中継局のみに設けられてもよい。また、中継局に設けられる光信号処理装置１は、必ずしも図１に示す光回路４を備えている必要はない。すなわち、例えば、図１に示す光回路２により波長分散が与えられる場合、その波長分散は、他の中継局において補償されてもよいし、受信局で補償されるようにしてもよ
い。受信局は、光伝送路の波長分散、および各光信号処理装置１で発生する波長分散を補償するようにしてもよい。

図１３（ｂ）に示す実施例では、光信号処理装置１は、受信機３２の近くに設けられている。この例では、光信号処理装置１および受信機３２は、受信局３４の中に設けられている。この場合、受信機３２は、雑音が抑圧された光信号を受信することができる。

なお、近年の光ファイバ通信システムにおいては、しばしば、光信号に対して予め誤り訂正符号が付加され、受信局において誤り訂正処理が実行されている。このため、実施形態の光信号処理装置を利用して光Ｓ／Ｎ比やＱ値を改善することにより、誤り訂正の処理性能を緩和したり、誤り訂正符号の冗長度を低くすることができる。これにより、通信システムの構成が簡単になり、また、より波長間隔の狭いＷＤＭ伝送等が可能になる。さらに、受信局において、受信信号をデジタル信号処理する場合、デジタル信号処理回路の処理時間が短くなる。

このように、光通信システムにおいて実施形態の光信号処理装置を使用すれば、受信感度が改善し、伝送特性の向上および伝送マージンの拡大が実現される。特に、光増幅中継伝送を行うシステムにおいては、伝送光パワーの低減、光アンプの中継間隔の延長、さらには光アンプの台数の削減等の効果が期待できる。

＜光リミッタ＞
図１４は、光リミッタ３の構成および動作を説明する図である。光リミッタ３は、上述したように、光回路２と光回路４との間に設けられる。そして、光リミッタ３は、非線形光学媒質４１を備える。非線形光学媒質４１は、例えば、光ファイバである。

図１４において、非線形光学媒質４１には、波長λ_Sin、パワーＰ_Sinの信号光、および波長λ_P、パワーＰ_Pの励起光が入力される。λ_Sinおよびλ_Pは、互いに異なっている。励起光は、偏光制御器を用いて特定の偏光状態に制御された後、非線形光学媒質４１に入力される。信号光は、非線形光学媒質４１において、励起光により非線形増幅される。非線形光学媒質４１から出力される信号光の波長は、λ_Soutである。非線形光学媒質４１の出力側には、必要に応じて、信号光の波長成分を抽出する光帯域フィルタが設けられる。信号光を抽出するための光フィルタは、信号光以外の波長成分（励起光等）を遮断する帯域遮断フィルタ、ＷＤＭ光カプラ等でもよい。

非線形光学媒質４１が３次または２次の非線形光学媒質である場合には、非線形光学媒質４１において励起光による四光波混合（ＦＷＭ：Four-Wave Mixing）あるいは三光波混合（ＴＷＭ：Three-Wave Mixing）等の光パラメトリック効果が発生し、信号光は光パラメトリック増幅される。この光パラメトリック増幅の利得は、励起光パワーＰ_Pが信号光パワーＰ_Sに比べて十分高いときには、Ｐ_Sに関係なくほぼ一定である。しかし、Ｐ_Sが大きくなり、Ｐ_PがＰ_Sに比べて十分大きいとみなされない場合には、光パラメトリック効果を発生させるために消耗される励起光のパワーが大きくなる。そうすると、非線形光学媒質４１において励起光パワーＰ_Pが減衰する「Depletion」と呼ばれる現象が発生する。

図１５は、Depletionについて説明する図である。ここでは、図１５（ａ）に示すように、波長λsの信号光および波長λ_Pの励起光が、非線形光学媒質４１としての光ファイバに入力されるものとする。なお、λ_Pは、λ_Sより長くてもよいし、短くてもよい。

信号光と励起光との間の相互作用において、図１５（ｂ）に示すように、例えば四光波混合により、信号光に対応するアイドラ光（波長：λ_I）が発生する。そして、この四光波混合において、信号光およびアイドラ光のパワーが増幅される。このとき、励起光のエ
ネルギーの一部が、信号光およびアイドラ光にほぼ均等に与えられる。なお、信号光の周波数ω_S、励起光の周波数ω_P、アイドラ光の周波数ω_Iは、上述した式（１）の関係を満足する。

ここで、例えば非線形光学媒質４１として光ファイバを用いる場合において、光ファイバの長さを「Ｌ」、その損失を「α」とする。また、説明を簡単にするために、光ファイバにおいて、すべての光波の偏光状態が等しいものとする。さらに、励起光の入力パワーＰ_Pは、信号光のパワーおよびアイドラ光のパワーと比べて十分に大きいものと仮定する。一例として、励起光の波長λ_Pが光ファイバの零分散波長λ₀に調整される場合、光ファイバから出力される信号光およびアイドラ光は、それぞれ近似的に、下式に示す利得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す。「Ｐ_P(0)」は、励起光の入力パワーを表す。
は、相互作用長を表す。「γ」は、三次非線形定数を表す。「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。

上述した（２）〜（５）式に示すように、光パラメトリック利得Ｇ_SおよびＧ_Iは、非線形定数、励起光の入力パワー、相互作用長の積の大きさに対して非線形的に変化する。特に、線形の位相整合条件（λ_P=λ₀）が成り立つ場合には、Ｇ_SおよびＧ_Iは、（２）（３）式に示すように、上記積の大きさの二乗に比例して変化する。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とき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。したがって、励起光の入力パワーが十分に大きいときは、信号光は、励起光と同じ偏光方向に選択的に光パラメトリック増幅される。

本件明細書においては、励起光は、最適な偏光状態に制御されているものと仮定している。具体的には、信号光の偏光状態をモニタし、それに対して最適な状態になるように、偏光制御器を用いて励起光の偏光状態を能動的に制御するようにしてもよい。また、信号光を互いに直交する２つの偏光状態に分離し、各々に対して同じ効率で光リミッタ処理をした後、再び偏光合成する偏光ダイバーシティ方式を導入してもよい。また、利得Ｇ_SおよびＧ_Iを大きくするために、例えば、λ_Pをλ₀よりも長波長側に設定し、非線形ファイ
バの異常分散による非線形位相整合条件を用いるようにしてもよい。この方法は、上述した線形の位相整合条件に比べて、帯域は狭まるものの、利得を大幅に大きくすることが可能であり、適用条件に応じて適宜用いることができる。

上述のモデルにおいて、光ファイバに入力する信号光の入力パワーを大きくし、励起光のパワーＰ_Pが信号光パワーと比べて十分に大きいとは言えない状態になるものとする。そうすると、光利得Ｇ_SおよびＧ_Iは、次第に飽和（すなわち、低下）してくる。特に、励起光のパワーＰ_Pが光パラメトリック効果の発生のために費やされ、光ファイバ内で励起光のパワー自体が低下してくる「depletion」と呼ばれる状態が発生すると、光利得は急速に飽和する。

非線形光学媒質４１において励起光のDepletion が発生すると、非線形光学媒質４１における利得は飽和（すなわち、低下）する。この結果、信号光の入力パワーを大きくしても、非線形光学媒質４１から出力される信号光のパワーは所定のレベルよりも大きくならず、非線形光学媒質４１は、いわゆる光リミッタとして動作する。光リミッタにおいては、入力信号光のパワーが揺らいでいても、出力パワーの揺らぎは抑圧される。特に、光リミッタにより、光信号のＯＮレベルの強度雑音または振幅雑音が抑圧ざれる。

このように、実施形態の光信号処理装置１においては、励起光のDepletionが発生する程度に信号光の入力パワーを大きくすることにより、光リミッタが実現される。
光リミッタ３においては、例えば、光パラメトリック増幅等の非線形光学効果が用いられる。この場合、信号光は、非線形光学媒質において励起光により増幅される。特に、光パラメトリック増幅を用いる場合には、励起光のパワーＰ_Pを大きくすると、光パラメトリック効果による光パラメトリック利得が得られる。ここで、信号光の入力パワーＰ_Sinに対するパワー利得をＧ（上述したＧ_SまたはＧ_I）とすると、信号光の出力パワーＰ_Soutは下式で表される。
Ｐ_Sout＝ＧＰ_Sin ・・・（６）
ここで、利得Ｇを「１」よりも大きくすれば、信号光のパワーは増幅される。例えば、非線形光学媒質として光ファイバを用い、その光ファイバの長さ、励起光のパワーＰ_Pおよび波長λ_P等を適切に調整することにより、十分に大きな利得Ｇを得ることが可能である。このとき、この利得Ｇを飽和させることにより、非線形光学媒質の出力パワーを一定にする（或いは、パワー変動を抑制する）ことが可能である。また、偏光ダイバーシティ方式等を用いることにより、信号光の偏光状態に関係ない光リミッタアンプを実現することが可能である。そして、この光リミッタアンプにより、例えば、振幅雑音を抑圧する波形整形が可能となる。なお、光ファイバ内の光パラメトリック増幅の応答時間は、超高速（フェムト秒オーダー）であり、テラビットを超える超高速信号の光リミッタアンプが期待できる。

光パラメトリック増幅は、例えば、光ファイバ等の３次非線形光学媒質内の四光波混合等や、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次非線形媒質内の三光波混合等を用いて実現可能である。

図１６は、非線形光学媒質において得られる利得と信号光のパワーとの関係を示す図である。ここでは、励起光のパワーは一定であるものとする。この場合、信号光の入力パワーＰ_Sinが小さいときは、利得（例えば、光パラメトリック利得）Ｇはほぼ一定（図１６では、Ｇ₀）の値を示す。この場合、非線形光学媒質に入力される信号光は、通常の光増幅器と同様に線形増幅される。

これに対して、信号光の入力パワーＰ_Sinが閾値パワーＰ₁よりも大きい領域では、利得Ｇは飽和し、信号光の入力パワーが小さい領域と比較して、得られる利得は小さくなる。
実施形態の光信号処理装置において、非線形光学媒質は、信号光のパワーと励起光のパワーを適切に制御することにより、利得飽和領域で使用することができる。すなわち、非線形光学媒質には、予め必要な利得を発生するために必要となるパワーの励起光が入力される。これにより、非線形光学媒質は、利得飽和状態に保持される。そして、このような利得飽和状態において、信号光の入力パワーを、図１６に示す閾値パワーＰ₁と同等、あるいはそれ以上のパワーに制御すれば、非線形光学媒質は、信号光に対して光リミッタとして動作する。

なお、上述の非線形光学媒質には、図１７に示すように、信号光および励起光の他に、制御光を入力するようにしてもよい。この場合、信号光のパワーＰ_Sinおよび制御光のパワーＰ_Contの和が、図１６に示す閾値パワーＰ₁と同等あるいはそれ以上になるように、制御光が生成および制御される。なお、制御光は、信号光および励起光とは異なる波長の連続発振（ＣＷ）光あるいはパルス光である。また、制御光は、偏光制御器により、最適なリミッタ特性が得られるように偏光制御されるようにしてもよい。

上述したように、実施形態の光信号処理装置は、光リミッタ３として動作する非線形光学媒質、光リミッタ３の入力側に設けられる光回路２、および光リミッタ３の出力側に設けられる光回路４を備える。このとき、非線形光学媒質に入力される励起光のパワーは、非線形光学媒質において所定の光増幅利得（例えば、光パラメトリック増幅）が得られるように、パワー制御器により制御される。そして、図１４に示す構成においては、光回路２から出力される光信号のパワーは、閾値パワーＰ₁以上になるように、パワー制御器により制御される。また、図１７に示す構成では、非線形光学媒質に入力される制御光のパワーは、光信号のパワーと制御光のパワーの和が閾値パワーＰ₁以上になるように、パワー制御器により制御される。なお、図１７に示す構成では、光回路２から出力される光信号のパワーは、制御されてもよいし、制御されなくてもよい。これらの構成により、光リミッタが実現され、光信号の振幅揺らぎが抑圧される。そして、非線形光学媒質の出力側に設けられる光回路４において、光信号のＯＮレベルの存在比を入力前の状態に戻すことにより、ゼロレベルの振幅雑音が抑圧される。

光パラメトリック効果を用いた光リミッタにおいては、図１０を参照しながら説明したように、アイドラ光は入力信号光の位相共役光となる。このため、光回路２と光回路４において同じ位相歪みを与えることにより、それらの歪みを補償可能である。したがって、２つの光回路２、４の分散はほぼ同一の符号と絶対値を持つものを用いるようにしてもよい。また、チャープ等の非線形効果も補償可能であり、チャープと分散により波形とスペクトルを大きく変形させる方法等を用いることも可能である。光位相共役による波形歪みの補償方法は、例えば特開平８−１７１１０２号公報（特許３４９４７３８号）に記載されている。また、非線形と分散による波形整形の方法は、例えば特開２００３−２０９５１６号公報（特許４０９４８５４号）に記載されている。

なお、非線形光学媒質として用いる光ファイバとしては、例えば、非線形光学効果を高めた非線形光ファイバを用いることができる。光ファイバの長さは、所望の光パラメトリック増幅効率が得られるように、或いは光リミッタ効果が最適となるように決定される。また、光パラメトリック増幅の帯域を十分広範囲に確保するためには、例えば、励起光の波長（λ_P）を、光ファイバの零分散波長（λ₀）に一致または略一致するようにして線形の位相整合を図るようにしてもよい。この構成によれば、光パラメトリック増幅の広帯域化が図れる。また、励起光波長を光ファイバの零分散波長よりも長波長側に設定すると共に、非線形位相シフトを用いて位相整合をとるようにしてもよい。この構成によれば、上述した（１）（２）式で示した場合に比べて、光パラメトリック増幅の効率の向上が図れる。

光ファイバとしては、例えば、非線形光学効果を高めた高非線形ファイバ（ＨＮＬＦ）が有効である。また、光ファイバとして、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構成、カルコゲナイドガラスを用いた構成、フォトニック結晶ファイバ構造を用いた構成等を採用するようにしてもよい。

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、量子ドット構造の半導体光アンプ、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（ＰＰＬＮ）、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。

励起光（および／または制御光）は、ＣＷ光であってもよいし、光パルスであってもよい。励起光がＣＷ光である場合は、信号光により伝送される光信号に対するタイミング制御を行う必要がないので、光信号処理装置は簡易な構成で実現される。しかし、非線形光学効果の発生効率は、励起光のピークパワーに依存する。このため、十分な利得を確保するためには、十分に増幅された励起光を光ファイバに入力するようにしてもよい。また、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ：Stimulated Brillouin Scattering）が生じる場合には、入力した励起光は反射されてしまい、光パラメトリック増幅の発生が制限されてしまう。誘導ブリルアン散乱は、光ファイバの長手方向に温度分布を与える方法や、励起光のスペクトルを拡大する方法等を用いて抑圧することができる。励起光のスペクトルの拡大は、例えば、信号光により伝送される信号に比べて、低い周波数の位相変調や周波数変調を行うことにより実現される。

励起光が光パルスである場合には、ピークパワーを容易に高めることができるので、高い利得が実現される。ただし、この構成では、光信号と励起光パルスのタイミングを合わせる必要があり、タイミング再生回路等が必要になる。

利得飽和は、ＷＤＭ信号光の全てのチャンネルの同一タイミングでのピークパワーの総和に依存する。したがって、全ての信号に対して平均的に利得飽和を発生するためには、同一タイミングでのピークパワーの総和を平均化するようにしてもよい。図１８に、光ファイバを分割し、それらの間において波長毎に異なる遅延を与える実施例を示す。波長の異なる信号光に対して異なる遅延を与える構成は、例えば、波長分散媒質を用いることで実現される。一例としては、分散ファイバにより実現される。例えば、１０ｎｍ離調した２チャンネルの１００Ｇｂ／ｓ−ＷＤＭ信号であれば、２つのチャンネル間に５ｐｓだけ遅延を与えれば平均化できる。この場合、例えば、波長分散が２０ps/nm/km程度の光ファイバを２５ｍ程度用いればよい。

実施形態の信号処理装置においは、光ファイバ内での増幅過程で信号光の位相は影響を受けない。このため、上述の波形整形／雑音抑圧方法は、光強度変調、ＲＺパルスを用いた光位相変調、または光周波数変調等で変調された信号光等に適用することが可能である。

光位相変調信号光については、光リミッタにより、位相雑音自体を抑圧するわけではないが、強度揺らぎを減らすことにより、強度揺らぎが起因となって発生する位相雑音の低減に有効である。特に、光ファイバ伝送においては、光ファイバ内の非線形光学効果により、強度雑音が位相雑音に変換される（ＡＭ／ＰＭ変換）。そして、位相変調光信号の伝送限界は、この位相雑音に依存する。よって、実施形態の光信号処理装置を利用して強度
雑音を抑圧すれば、ＡＭ／ＰＭ変換により発生する位相雑音も小さくなり、位相変調光信号の品質が向上する。さらに、実施形態の構成により光Ｓ／Ｎ比も改善可能なので、光信号を高い品質で伝送することが可能となる。

なお、ゼロレベルの揺らぎは、例えば、実施形態の光信号処理装置の前段あるいは後段に、過飽和吸収装置を配置することによりさらに抑圧することができる。過飽和吸収装置としては、半導体過飽和吸収体、半導体アンプ、マッハツェンダー干渉型光ファイバスィッチ、非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）型スィッチ等がある。

＜フィードバック制御系＞
図１９は、フィードバック系を備える光信号処理装置の構成を示す図である。この実施例では、光リミッタ３の特性がフィードバック制御される。なお、非線形光学媒質は、２次または３次の非線形光学媒質等であり、例えば、上述した光ファイバにより実現される。

偏光制御器５１は、偏光制御回路５５からの指示に従って、励起光の偏光状態を制御する。なお、偏光制御器５１は、例えば、波長板型偏光コントローラ、LiNbO₃型偏光コントローラ、応力型偏光コントローラ、ファラデー回転子等により実現される。

パワー制御器５２ｐは、偏光制御器５１により偏光状態が制御された励起光のパワーを調整する。パワー制御器５２ｓは、光回路２から出力される光信号のパワーを調整する。なお、パワー制御器５２ｐ、５２ｓは、それぞれ、パワー制御回路５６からの指示に従って、励起光および光信号のパワーを制御する。また、パワー制御器５２ｐ、５２ｓは、例えば、光アンプまたは光アテネータ（あるいは、光アンプと光アテネータ等との組合せ）等により実現される。

モニタ回路５３は、非線形光学媒質４１へ入力される光信号のパワーおよび非線形光学媒質から出力される光信号のパワーをモニタする。なお、モニタ回路５３は、例えば、光信号の波長λ_Sを抽出する光フィルタ、光フィルタにより抽出された光信号を受光する受光素子を含んで構成される。

比較回路５４は、光信号の入力パワーおよび出力パワーに基づいて、非線形光学媒質４１における利得を算出する。また、比較回路５４は、必要に応じて、光信号の入力パワーおよび／または出力パワーを所定の閾値パワーと比較する。

偏光制御回路５５は、比較回路５４の出力を参照し、偏光制御器５１に対して偏光状態を調整するための指示を与える。また、パワー制御回路５６は、比較回路５４の出力を参照し、パワー制御器５２ｐ、５２ｓに対して光パワーを調整するための指示を与える。

なお、特に図示しないが、上記構成の光信号処理装置は、励起光源および光帯域フィルタを備える。励起光源は、励起光（ＣＷ光または光パルス）を生成する。また、光帯域フィルタは、例えば、非線形光学媒質４１から出力される光信号の波長と同じ透過周波数を有する光波長フィルタであり、非線形光学媒質４１の後段に設けられる。この光帯域フィルタは、非線形光学媒質４１の出力光から光信号の波長成分を抽出する。

偏光制御器５１、パワー制御器５２ｐ、５２ｓは、例えば、下記の手順に従って調整される。
まず、偏光制御器５１の状態を調整する。ここで、励起光の偏光状態は、非線形光学媒質４１において効率よく非線形光学効果が発生するように調整される。なお、非線形光学効果（特に、四光波混合）は、励起光および光信号の偏光状態が互いに同じ場合に最も効
率よく発生する。よって、偏光制御器５１は、励起光および光信号の偏光状態が互いに一致するように制御を行うようにしてもよい。ただし、本発明はこの構成に限定されるものではなく、励起光および光信号の偏光方向を互いに異なる偏光状態に制御してもよい。あるいは、光信号を２つの直交偏光成分に分離し、各々に同等の非線形制御を施した後再び偏光合成する偏光ダイバーシティ方式に対応するように、励起光の偏光状態を制御してもよい。

続いて、パワー制御回路５６がパワー制御器５２ｐの状態を調整する。すなわち、非線形光学媒質４１において所望のまたは十分な光パラメトリック利得が得られるように、励起光のパワーが制御される。この後、非線形光学媒質４１における光パラメトリック利得をモニタしながら、光信号のパワーを増加させ、光パラメトリック利得が所定レベルだけ低下した時点でパワー制御器５２ｓの調整を終了する。

なお、上記調整手順において、光パラメトリック利得をどの程度低下させるのかは、要求される光リミッタ機能（すなわち、波形整形機能および雑音抑圧機能）のレベルに依存する。例えば、入力光信号の光Ｓ／Ｎ比が比較的良好であることが見込まれるシステムでは、波形整形／雑音抑圧効果よりも利得を効率的に得ることを優先し、光パラメトリック利得を僅かに低下させるだけでもよい。一方、入力光信号の光Ｓ／Ｎ比が大幅に劣化していることが見込まれるシステムでは、十分な波形整形／雑音抑圧効果を得るために、光パラメトリック利得を大幅に低下させるようにしてもよい。

このように、光信号の入力パワーは、必要に応じて調整されるが、例えば、光信号がＷＤＭ信号である場合には、そのＷＤＭ信号の総光パワーが所定値に保持されるように、あるいは総光パワーをチャンネル数で割り算した値が所定値に保持されるように、パワー制御器５２ｓを制御するようにしてもよい。さらに、非線形光学媒質４１から出力される光信号をモニタし、その品質（光Ｓ／Ｎ比、Ｑ値、ビットエラー率など）が最適になるように、光信号および励起光のパワーをフィードバック制御するようにしてもよい。

なお、図１９は、制御光を使用しない構成を示しているが、実施形態の光信号処理装置は、制御光を使用することもできる。この場合、光リミッタ３は、制御光のパワーを制御するためのパワー制御器を備える。そして、励起光のパワーの制御の後に、制御光のパワーが制御される。

また、実施形態の光信号処理装置１は、ラマン増幅器にも適用可能である。ラマン増幅では、励起光の波長よりも約１００nmだけ波長の長い領域に利得が得られる。そして、この利得領域に光信号（または、ＷＤＭ信号）が配置され、ラマン利得が飽和するように光信号のパワーが調整される。

図２０は、フィードバック系を備える光信号処理装置の他の構成を示す図である。この実施例では、光リミッタ３の特性に加えて、光回路２、４の特性もフィードバック制御される。すなわち、この構成では、光信号のＯＮレベルの存在比を最適化する制御系を備えている。また、励起光の偏光状態、および光信号、励起光のパワーは、図１９を参照しながら説明した手順で調整されるものとする。

モニタ回路６１は、非線形光学媒質４１から出力される光信号の品質をモニタする。モニタ回路６１は、光回路４の入力側でタップされる光信号（モニタ信号Ａ）に基づいて、光Ｓ／Ｎ比をモニタすることができる。また、モニタ回路６１は、光回路４の出力側でタップされる光信号（モニタ信号Ｂ）に基づいて、光Ｓ／Ｎ比、Ｑ値、符号誤り率をモニタすることができる。

波形制御回路６２は、モニタ回路６１により得られる光信号の品質に応じて、その品質を最適化するように光回路２、４の特性を調整する。ここで、波形制御回路６２は、光回路２の特性を調整することにより、光回路２から出力される光信号のＯＮレベルの存在比（実施例では、パルス幅）を調整する。また、波形制御回路６２は、光回路４の特性を調整することにより、光回路２による波形変形を補償する。なお、光回路２、４は、特に限定されるものではないが、例えば、制御信号に応じて分散量が変化する可変分散発生器および可変分散補償器である。

光回路２、４の調整は、光信号処理装置の動作中に行うことができる。この場合、光回路２、４の特性は、動作環境に応じて動的に更新される。また、光回路２、４の調整は、光信号処理装置の出荷前に行うようにしてもよい。

＜検証実験＞
図２１は、光信号処理装置の動作を確認するための実験系を示す図である。この実験系では、光回路２、光リミッタ３、光回路４として、それぞれ、シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）、高非線形ファイバ（ＨＮＬＦ）、分散補償ファイバ（ＤＣＦ）を使用する。ＳＭＦは、長さが２０ｋｍであり、波長分散は約＋１７ps/nm/kmである。ＨＮＬＦは、励起光の波長の近くに平均零分散を有し、３次非線形係数は約２０W^-1km^-1である。ＤＣＦは、ＳＭＦの異常分散をほぼ補償する。

入力光信号は、波長が１５４３nmであり、パルス幅（半値全幅）が２８psであり、パルスの繰返し周期が１０GHzである。また、この光信号には、光アンプのＡＳＥ雑音を付加することにより、光Ｓ／Ｎ比を約１９dBまで劣化させた後にＳＭＦに入力される。励起光は、ＣＷ光であり、その波長は１５６０nmである。光信号のパワーは＋１０dBmに設定され、励起光のパワーは＋２１dBmに設定されている。

図２２は、実験により得られた光信号の時間波形を示す図である。図２２（ａ）〜図２２（ｄ）は、それぞれ図２１に示す観測点ａ〜ｄにおける光信号の波形を示している。すなわち、実施形態の光信号処理回路には、図２２（ａ）に示す光信号が入力される。そうすると、ＳＭＦを用いてその光信号のＯＮレベルの存在比を大きくすることにより（ここでは、パルス幅を拡大することにより）、図２２（ｂ）に示す波形が得られる。さらに、光リミッタ３として動作するＨＮＬＦから出力される光信号は、図２２（ｃ）に示すように、雑音（特に、ＯＮレベルの雑音）が抑圧されている。そして、ＤＣＦから出力される光信号は、図２２（ｄ）に示すように、ゼロレベルの雑音が抑圧されている。この結果、光Ｓ／Ｎ比が約２dB改善した。

なお、ＳＭＦおよびＤＣＦを備えない構成（すなわち、利得飽和した光パラメトリック増幅のみを利用した構成）でも同様の実験を行った。この結果、光Ｓ／Ｎ比の改善は約１dBであった。このように、光リミッタ３の入力側で光信号のＯＮレベルの存在比を大きくすることにより、光Ｓ／Ｎ比をより大きく改善できることが確認された。

なお、実施形態の光信号処理回路による光Ｓ／Ｎ比の改善実験において、出力光信号のスペクトルは、入力光信号に対してほとんど変化しないことを確認した。即ち、実施形態の光信号処理装置によれば、スペクトルを変えることなく、光Ｓ／Ｎ比を改善することができる。

＜実施形態の構成による効果＞
以上説明したように、実施形態の光信号処理装置によれば、光信号の光強度雑音を低減できる。これにより、光信号の光Ｓ／Ｎ比が改善され、高速光通信システムにおける高度の要求（例えば、高精度の分散補償や高い冗長度での誤り訂正など）が緩和され、光ネッ
トワークの高性能化と低コスト化を実現可能である。また、実施形態によれば、光強度変調、光位相変調および光周波数変調された光信号の強度揺らぎおよび強度雑音を抑圧することが可能である。さらに、光ネットワークにおける消費電力を抑えることができる。

上述の各実施例を含む実施形態に関し、さらに下記の付記を開示する。
（付記１）
光信号の波形幅を拡大する波形幅拡大手段と、
前記波形幅が拡大された光信号が入力され、入力強度および出力強度が比例しない領域において、前記光信号の強度を抑圧する光リミッタ回路、
を備える光信号処理装置。
（付記２）
付記１に記載の光信号処理装置であって、
前記波形幅拡大手段は、光ファイバである
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記３）
付記１に記載の光信号処理装置であって、
前記波形幅拡大手段は、波長分散媒質または偏波モード分散媒質である
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記４）
付記１に記載の光信号処理装置であって、
前記波形幅拡大手段は、分散発生器である
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記５）
付記１に記載の光信号処理装置であって、
前記波形幅拡大手段は、
入力光信号を分岐して第１および第２の光信号を生成する光分岐要素と、
前記第２の光信号を遅延させる遅延要素と、
前記第１の光信号および前記遅延要素により遅延させられた第２の光信号を合成する合成要素、を備える
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記６）
付記１に記載の光信号処理装置であって、
前記波形幅拡大手段は、
互いに直交する第１および第２の偏光軸を有する偏波保持ファイバと、
前記偏波保持ファイバの入力側に設けられ、入力光信号の偏光を前記第１および第２の偏光軸に対して４５度に制御する偏光制御器と、
前記偏波保持ファイバから出力される光信号を偏波合成する偏波合成器、を備える
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記７）
付記１に記載の光信号処理装置であって、
前記光リミッタ回路から出力される光信号の品質に基づいて、前記波形幅拡大手段を制御する制御手段をさらに備える
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記８）
付記１に記載の光信号処理装置であって、
前記リミッタ回路から出力される光信号の波形幅を、前記波形幅拡大手段に入力される前の波形幅に戻す再生手段をさらに備える
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記９）
付記１に記載の光信号処理装置であって、
前記光リミッタ回路から出力される光信号の分散を補償する分散補償手段をさらに備える
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記１０）
付記９に記載の光信号処理装置であって、
前記分散補償手段は、前記波形幅拡大手段により与えられた分散を補償する
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記１１）
付記９に記載の光信号処理装置であって、
前記分散補償手段は、光ファイバである
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記１２）
付記１に記載の光信号処理装置であって、
前記光リミッタ回路は、利得飽和領域を有する光増幅器であり、前記利得飽和領域において、前記光信号の強度を抑圧する
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記１３）
付記１に記載の光信号処理装置であって、
前記光リミッタ回路は、３次非線形光学効果または２次非線形光学効果を用いた光パラメトリック増幅器である
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記１４）
付記１に記載の光信号処理装置であって、
前記波形幅拡大手段から出力される光信号のパワーを制御するパワー制御器をさらに備え、
前記光リミッタ回路は、励起光が入力されて光アンプとして動作する非線形光学媒質を備え、
前記パワー制御器は、前記非線形光学媒質において利得が飽和するように前記光信号のパワーを制御する
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記１５）
付記１に記載の光信号処理装置であって、
前記光リミッタに入力される制御光のパワーを制御するパワー制御器をさらに備え、
前記光リミッタ回路は、励起光が入力されて光アンプとして動作する非線形光学媒質を備え、
前記パワー制御器は、前記非線形光学媒質において利得が飽和するように前記制御光のパワーを制御する
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記１６）
付記１に記載の光信号処理装置であって、
前記光信号は、複数の異なる波長が多重化された波長多重光信号である
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記１７）
付記１に記載の光信号処理装置であって、
前記光信号は、予めチャープが与えられている
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記１８）
所定の閾値レベルよりも大きい光強度に対応する第１の状態および前記閾値レベルよりも小さい光強度に対応する第２の状態の組合せにより情報を伝搬する信号光を処理する光信号処理装置であって、
前記第１の状態が存在する時間の比率が大きくなるように前記信号光の時間波形を変形する波形変形手段と、
前記波形変形手段から出力される信号光が前記第１の状態である時間領域において前記信号光の強度を抑圧する光リミッタ回路、
を備える光信号処理装置。
（付記１９）
付記１８に記載の光信号処理装置であって、
前記光リミッタ回路から出力される信号光において前記波形変形手段による波形変形を補償する補償手段、をさらに備える
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記２０）
送信局と受信局との間の光伝送路上に中継局を備える光伝送システムであって、
前記中継局は、光信号処理装置を備え、
前記光信号処理装置は、
光信号の波形幅を拡大する波形幅拡大手段と、
前記波形幅が拡大された光信号が入力され、入力強度および出力強度が比例しない領域において、前記光信号の強度を抑圧する光リミッタ回路、を備え、
前記受信局は、前記光伝送路および前記中継局で発生した分散を補償する分散補償手段を備える
ことを特徴とする光伝送システム。
（付記２１）
送信局と受信局、およびその間の光伝送路を備える光伝送システムであって、
前記受信局は、光信号処理装置を備え、
前記光信号処理装置は、
光信号の波形幅を拡大する波形幅拡大手段と、
前記波形幅が拡大された光信号が入力され、入力強度および出力強度が比例しない領域において、前記光信号の強度を抑圧する光リミッタ回路、を備え、
前記受信局は、前記光伝送路で発生した分散を補償する分散補償手段を備える
ことを特徴とする光伝送システム。

実施形態の光信号処理装置の構成を示す図である。 光リミッタの動作を説明する図である。 存在比を変えることによる効果を説明する図である。 光信号処理装置の第１の実施例を示す図である。 光信号処理装置の第２の実施例を示す図である。 光信号処理装置の第３の実施例を示す図である。 光信号処理装置の第４の実施例を示す図である。 光信号処理装置の第５の実施例を示す図である。 光信号処理装置の第６の実施例を示す図である。 光信号処理装置の第７の実施例を示す図である。 光信号処理装置の第８の実施例を示す図である。 ＷＤＭ光信号を処理する実施例である。 通信システムにおいて光信号処理装置を使用する構成を示す図である。 光リミッタの構成および動作を説明する図である。 Depletionについて説明する図である。 非線形光学媒質において得られる利得と信号光パワーとの関係を示す図である。 制御光を使用する構成を示す図である。 光リミッタの他の実施例である。 フィードバック系を備える光信号処理装置の実施例（その１）である。 フィードバック系を備える光信号処理装置の実施例（その２）である。 光信号処理装置の動作を確認するための実験系を示す図である。 実験により得られた光信号の波形を示す図である。

符号の説明

１ 光信号処理装置
２ 光回路
３ 光リミッタ
４ 光回路
１１、１２ 光ファイバ
１３ 分散発生器
１４ 分散補償器
１５ 受光器
１６ Ａ／Ｄ変換器
１７ デジタル信号処理回路
１８ 時間多重回路
１９ 光分離回路（DEMUX）
２１ 偏光制御器
２２ 偏波保持ファイバ
２３ 偏波合成器
２４、２５ 光フィルタ
３１ 送信機
３２ 受信機
３３ 中継局
３４ 受信局
４１ 非線形光学媒質
６１ モニタ回路
６２ 波形制御回路

Claims (16)

1. 光信号の波形幅を拡大する波形幅拡大手段と、
   前記波形幅が拡大された光信号が入力され、入力強度および出力強度が比例しない領域において、前記光信号の強度を抑圧する光リミッタ回路と、
   前記光リミッタ回路の出力側に設けられる光回路と、を有し、
   前記光信号のＯＮレベルの強度は、前記光リミッタ回路において入力強度および出力強度が比例しない領域に属し、前記光信号のＯＦＦレベルの強度は、ゼロまたは前記光リミッタ回路において入力強度および出力強度が比例する領域に属し、
   前記波形幅拡大手段は、前記光信号のＯＮレベルの時間を長くすると共にＯＦＦレベルの時間を短くすることで前記光信号の波形幅を拡大し、
   前記光リミッタ回路は、前記波形幅拡大手段から出力される光信号のＯＮレベルの雑音を抑圧し、
   前記光回路は、前記光リミッタ回路から出力される光信号のＯＮレベルの時間とＯＦＦレベルの時間の比率が、前記波形幅拡大手段に入力される前の光信号のＯＮレベルの時間とＯＦＦレベルの時間の比率に戻るように、前記光リミッタ回路から出力される光信号の波形幅を狭くする
   ことを特徴とする光信号処理装置。
2. 請求項１に記載の光信号処理装置であって、
   前記波形幅拡大手段は、光ファイバである
   ことを特徴とする光信号処理装置。
3. 請求項１に記載の光信号処理装置であって、
   前記波形幅拡大手段は、波長分散媒質または偏波モード分散媒質である
   ことを特徴とする光信号処理装置。
4. 請求項１に記載の光信号処理装置であって、
   前記波形幅拡大手段は、分散発生器である
   ことを特徴とする光信号処理装置。
5. 請求項１に記載の光信号処理装置であって、
   前記波形幅拡大手段は、
   入力光信号を分岐して第１および第２の光信号を生成する光分岐要素と、
   前記第２の光信号を遅延させる遅延要素と、
   前記第１の光信号および前記遅延要素により遅延させられた第２の光信号を合成する合成要素、を備える
   ことを特徴とする光信号処理装置。
6. 請求項１に記載の光信号処理装置であって、
   前記波形幅拡大手段は、
   互いに直交する第１および第２の偏光軸を有する偏波保持ファイバと、
   前記偏波保持ファイバの入力側に設けられ、入力光信号の偏光を前記第１および第２の偏光軸に対して４５度に制御する偏光制御器と、
   前記偏波保持ファイバから出力される光信号を偏波合成する偏波合成器、を備える
   ことを特徴とする光信号処理装置。
7. 請求項１に記載の光信号処理装置であって、
   前記光リミッタ回路から出力される光信号の品質に基づいて、前記波形幅拡大手段を制御する制御手段をさらに備える
   ことを特徴とする光信号処理装置。
8. 請求項１に記載の光信号処理装置であって、
   前記光リミッタ回路または前記光回路から出力される光信号の品質をモニタするモニタ回路と、
   前記モニタ回路によりモニタされる品質を高くするように、前記波形幅拡大手段および前記光回路を制御する波形制御回路と、をさらに有し、
   前記波形幅拡大手段は、前記波形制御回路による制御に応じて、前記光信号のＯＮレベルの時間とＯＦＦレベルの時間の比率を調整し、
   前記光回路は、前記波形制御回路による制御に応じて、前記波形幅拡大手段による波形変形を補償する
   ことを特徴とする光信号処理装置。
9. 請求項１に記載の光信号処理装置であって、
   前記光回路は、前記光リミッタ回路から出力される光信号の分散を補償する分散補償手段である
   ことを特徴とする光信号処理装置。
10. 請求項９に記載の光信号処理装置であって、
    前記前記波形幅拡大手段は、前記光信号に分散を与え、
    前記分散補償手段は、前記波形幅拡大手段により与えられた分散を補償する
    ことを特徴とする光信号処理装置。
11. 請求項１に記載の光信号処理装置であって、
    前記光リミッタ回路は、利得飽和領域を有する光増幅器を含み、前記利得飽和領域において、前記光信号の強度を抑圧する
    ことを特徴とする光信号処理装置。
12. 請求項１に記載の光信号処理装置であって、
    前記波形幅拡大手段から出力される光信号のパワーを制御するパワー制御器をさらに備え、
    前記光リミッタ回路は、励起光が入力されて光アンプとして動作する非線形光学媒質を備え、
    前記パワー制御器は、前記非線形光学媒質において利得が飽和するように前記光信号のパワーを制御する
    ことを特徴とする光信号処理装置。
13. 請求項１に記載の光信号処理装置であって、
    前記光リミッタ回路の入力側に設けられ、前記光リミッタ回路に入力される光信号のパワーを制御するパワー制御器をさらに有し、
    前記光リミッタ回路は、利得飽和領域を有する光増幅器を含み、
    前記パワー制御器は、前記光リミッタ回路に入力される光信号のＯＮレベルのパワーが前記光増幅器の利得飽和領域に属するように前記光信号のパワーを制御する
    ことを特徴とする光信号処理装置。
14. 所定の閾値レベルよりも大きい光強度に対応する第１の状態および前記閾値レベルよりも小さい光強度に対応する第２の状態の組合せにより情報を伝搬する信号光を処理する光信号処理装置であって、
    前記第１の状態が存在する時間の比率が大きくなるように前記信号光の時間波形を変形する波形変形手段と、
    前記閾値レベルよりも光強度が大きい領域に利得飽和領域を有し、前記波形変形手段から出力される信号光が前記第１の状態である時間領域において前記信号光の強度を抑圧する光リミッタ回路と、
    前記光リミッタ回路から出力される信号光において前記波形変形手段による波形変形を補償する補償手段と、
    を備える光信号処理装置。
15. 送信局と受信局との間の光伝送路上に中継局を備える光伝送システムであって、
    前記中継局は、光信号処理装置を備え、
    前記光信号処理装置は、
    光信号に分散を与えることにより前記光信号の波形幅を拡大する波形幅拡大手段と、
    前記波形幅が拡大された光信号が入力され、入力強度および出力強度が比例しない領域において、前記光信号の強度を抑圧する光リミッタ回路、を備え、
    前記受信局は、前記光伝送路および前記中継局で発生した分散を補償する分散補償手段を備え、
    前記光信号処理装置に入力される光信号のＯＮレベルの強度は、前記光リミッタ回路において入力強度および出力強度が比例しない領域に属し、ＯＦＦレベルの強度は、ゼロまたは前記光リミッタ回路において入力強度および出力強度が比例する領域に属し、
    前記波形幅拡大手段は、前記光信号のＯＮレベルの時間を長くすると共にＯＦＦレベルの時間を短くすることで前記光信号の波形幅を拡大し、
    前記光リミッタ回路は、前記波形幅拡大手段から出力される光信号のＯＮレベルの雑音を抑圧する
    ことを特徴とする光伝送システム。
16. 送信局と受信局、およびその間の光伝送路を備える光伝送システムであって、
    前記受信局は、光信号処理装置を備え、
    前記光信号処理装置は、
    光信号に分散を与えることにより前記光信号の波形幅を拡大する波形幅拡大手段と、
    前記波形幅が拡大された光信号が入力され、入力強度および出力強度が比例しない領域において、前記光信号の強度を抑圧する光リミッタ回路、を備え、
    前記受信局は、前記光伝送路および前記光信号処理装置で発生した分散を補償する分散補償手段を備え、
    前記光信号処理装置に入力される光信号のＯＮレベルの強度は、前記光リミッタ回路において入力強度および出力強度が比例しない領域に属し、ＯＦＦレベルの強度は、ゼロまたは前記光リミッタ回路において入力強度および出力強度が比例する領域に属し、
    前記波形幅拡大手段は、前記光信号のＯＮレベルの時間を長くすると共にＯＦＦレベルの時間を短くすることで前記光信号の波形幅を拡大し、
    前記光リミッタ回路は、前記波形幅拡大手段から出力される光信号のＯＮレベルの雑音を抑圧する
    ことを特徴とする光伝送システム。