JPH07109467B2 - 光機能回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光情報／制御信号の一致／不一致を判定するた
めの光機能回路に関するものである。

〔従来の技術〕

電子交換の分野では、非同期転送モードと呼ばれる新し
い方式も含めてパケット交換方式が主流であり、光交換
でも光パケット交換への関心が高まっている。光パケッ
ト交換では、信号のアドレス等の制御信号を、情報信号
と一緒に伝送し、光交換機の中でアドレス判定して接続
先を決める処理が必要となる。

そのため、このようなアドレス信号の一致／不一致を判
定する光機能回路の実現が求められている。このよう
な、信号の一致／不一致の判定は、論理回路では排他的
論理回路（exor）で実現できる。

これまで、光信号の一致／不一致を判定する機能回路と
しては、電子情報通信学会技術報告、1988年２月、第７
〜14頁、論文番号0QE87−160に掲載されているような、
面入出力光電融合機能素子（VSTEP）を用いたものが知
られている。この方法は、二つの信号A,Bのexorが、Ａ
・Ｂ＋Ａ・Ｂとなることから、信号の否定（not），論
理和（or），論理積層（and）演算を組み合わせてexor
を実現するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、この方法では、複数の光論理処理演算を
繰り返して最終的にexorを動作を実現し、判定を行うた
め、数種類の光論理動作を必要とする。このため、処理
が複雑化し、処理速度も遅くなるという課題があった。

本発明の目的は、上述の課題を解決し、一回の簡単な処
理のみで光信号の一致／不一致が判定でき、そのため高
速処理が可能な光機能回路を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上述の課題を解決するため本発明による光機能回路の第
１の態様では、f1とf2（f1＜f2）なる光周波数間で、二
値光周波数変調された、二つの光信号の一致／不一致を
判定する光機能回路に於いて、三次の光学非線形媒質
と、一致／不一致を判定すべき二つの光信号を、ビット
同期させて合流し、前記光学非線形媒質に入射させる手
段と、前記光学非線形媒質の出力から、f3＝2f2−f1,f4
＝2f1−f2,なる光周波数のうちの少なくとも一方の光周
波数の光を選択的に取り出す手段とを備える。

また、第２の態様ではf1とf2（f1＜f2）なる光周波数間
で、二値光周波数変調された、二つの光信号の一致／不
一致を判定する光機能回路に於て、直流駆動される半導
体レーザ光増幅器と、一致／不一致を判定すべき二つの
光信号を、ビット同期させて合流し、前記半導体レーザ
光増幅器に入射させる手段と、前記半導体レーザ光増幅
器の端子電圧から、Δｆ＝f2−f1近傍の周波数成分の有
無を検出する手段とを備える。

更に第３の態様では、f1とf2（f1＜f2）なる光周波数間
で、二値光周波数変調された、二つの光信号の一致／不
一致を判定する光機能回路に於て、一致／不一致を判定
すべき二つの光信号を、ビット同期させて合流する手段
と、前記合流手段の光出力を光電変換する手段と、前記
光電変換手段の出力電気信号から、Δｆ＝f2−f1近傍の
周波数成分の有無を検出する手段とを備えて成る。

〔作用〕

本発明は、三次の光学非線形媒質内の四光波混合現象を
利用したものである。二つの、お互いに僅かに異なる光
周波数f1,f2（f1＜f2とする）の二つの光を、三次の光
学非線形媒質に入射させると、f1から低周波側へ、f2か
ら高周波側へ、それぞれΔｆ＝f2−f1だけ離れたf3＝2f
2−f1,f4＝2f1−f2という二つの光周波数成分の光が、
光学非線形媒質内で発生する。これが、四光波混合と呼
ばれる現象である。

光学非線形媒質に入射する２つの光の光周波数が一致し
ている場合にはこのような入射光と異なる光周波数の光
は発生しない。本発明はこの現象を利用したものであ
る。

ここで光学非線形媒質に入射する二つの信号1,2が、共
に、光周波数f1,f2をそれぞれ“0",“1"に対応させた情
報信号である場合を考える。この場合1,2が共に“1"も
しくは“0"で一致しているときには、光学非線形媒質に
入射する２つの光の光周波数が一致しているためf3,f4
の光周波数成分の光は現れない。一方、光信号1,2が不
一致の場合には光周波数f1,f2の二つの光が同時に光学
非線形媒質に入射するので、光周波数f3,f4の光が発生
する。つまり、光周波数f3,f4の光強度を観測すれば、
二つの光信号1,2の一致／不一致を判定できるわけであ
る。信号の一致、不一致の判定方法としては、光周波数
f3,f4の光を、光フィルタにより選択的に取り出せば、
光信号として、一致、不一致の情報が取り出せる。

電子情報通信学会技術報告、論文番号0QE88−34に詳し
く述べられているように、進行波型半導体レーザ光増幅
器では、数10μＷの入力光パワーに対しmWレベルの四光
波混合出力が得られる事が知られており、三次の光学非
線形媒質として有望である。従って、この現象を積極的
に利用することが可能である。

また、光学非線形媒質として半導体レーザ光増幅器を用
いた時には、f1,f2の光が同時に入射すると、活性層内
のキャリア密度が周波数Δｆで脈動する。二つの光信号
の光周波数が一致している場合には、周波数Δｆの成分
は現れない。従って、半導体レーザ光線増幅器の端子電
圧変化のスペクトラムのΔｆ付近の信号を観測しても、
一致、不一致の判定が可能となる。この場合には、半導
体レーザ光増幅器の光出力を判定用には使わないので、
光信号を有効に利用出来ると言う利点が生じる。

また、f1とf2の差周波数Δｆが光検出器の帯域に比べ小
さい場合には、判定すべき二つの光信号を合波して光電
変換し、光ヘテロダイン検波方式と同様に。IF帯でΔｆ
付近の信号を取り出すことにより、電気信号として、一
致、不一致の情報を知る事ができる。

この光判定回路は、判定すべき信号を合流して光学非線
形媒質、もしくは光電変換器に入射させるというただ一
回のプロセスで判定出力が得られる。従って、遅延のな
い高速な処理が可能となる。また、複雑な論理回路は不
要で、非常に簡単な処理で判定が可能である。

〔実施例〕

第１図は、本発明による光判定回路の第一の実施例の構
成を示す図である。

一致／不一致を判定すべき二つの信号1,2はそれぞれ異
なる光周波数f1,f2（f2＞f1、ここでは、光周波数間隔
Δｆ＝2GHz）の間で、二値光周波数変調されている。

この二つの光信号1,2は、時間的に同期された状態で、
光ファイバを融着した構造の光合流器３により合流さ
れ、直流電源４により駆動される半導体レーザ光増幅器
５に統合される。

半導体レーザ光増幅器５としてはファブリーペロー型半
導体レーザの両端面に無反射コート（反射率0.1％）を
施したものが用いられる。素子長は300μｍで、駆動電
流100mAで動作させる。

半導体レーザ光増幅器５の出力は、反射光の影響を除く
為に設置した光アイソレータ６を介して、可変波長フィ
ルタ７へ結合される。

可変波長フィルタ７としては、電子情報通信学会技術報
告、論文番号0QE88−65に記載されている、位相シフト
制御型DFB−LDフィルタが用いられる。この位相シフト
制御型DFB−LDフィルタは、二つの活性領域の中央に位
相制御領域を持つ構造で、発振しきい値以下のバイアス
条件で、数GHzの選択幅で一つの波長の光だけを選択的
に増幅できる。位相制御領域への注入電流により、増幅
する波長を1nm程度に亙、連続的に変化させることがで
き、更に活性領域への注入電流により、利得を制御でき
るものである。電源８により活性領域を、電源９により
位相制御領域を駆動することにより、選択波長、利得を
制御し、f3＝2f2−f1もしくはf4＝2f1−f2の光周波数成
分のみを選択的に増幅するようにして、光出力10を得
る。

第２図は本発明による光判定回路の動作を説明するため
の図である。

図に於て（ａ），（ｂ）は光信号1,2のスペクトラム、
（ｃ）は半導体レーザ光増幅器５の出力のスペクトルを
示している。ここでは、光信号１がf1、光信号２がf2で
光周波数が一致していない場合を示しており、半導体レ
ーザ光増幅器５の出力には、四光波混合により発生した
光周波数f3,f4の光が現れている。

可変波長フィルタ７では、この内、四光波混合課程で発
生した光周波数成分（図ではf3）のみを選択的に取り出
すので、図に示した場合には、光出力10として有限の光
パワーが取り出される。光信号１がf2、光信号２がf1の
場合も同様である。一方、光信号1,2が共にf1もしくはf
2で一致している時には光周波数f3,f4の成分は現れな
い。従って、可変波長フィルタ７の出力10は零となる。
つまり、光信号1,2の各ビットが不一致の時のみ可変波
長フィルタ７の出力に信号が現われるわけで、これによ
り、光信号1,2の一致／不一致の判定が可能である。

第３図は本発明による光機能回路の実際の判定動作を説
明するためのタイミング・チャートである。図に於い
て、（ａ）は光信号1,2が一致している場合、（ｂ）は
４ビット目が不一致の場合を示す。

（ａ）の場合、全てのビットで、光信号1,2は一致して
いるため、可変波長フィルタ７の出力は、全ビットに
亙、零となる。一方、（ｂ）では４ビット目で、光信号
１は"1",光信号は２は“0"となり不一致生じているた
め、４ビット目に、可変波長フィルタ７から信号が出力
される。このように、可変波長フィルタ７の出力が１ビ
ットでも零でなくなれば光信号1,2は不一致であると判
定出来る。

本実施例の光機能回路は、判定すべき信号を合流して光
学非線形媒質（ここでは半導体レーザ光増幅器）に入射
させるだけで、判定動作が得られる。従って、遅延のな
い高速な処理が可能となる。また、複雑な論理回路は不
要で、非常に簡単な処理で判定が可能である。

光学非線形媒質として半導体レーザ光増幅器を用いた場
合には、四光波混合課程は、二つの入力光の差周波数Δ
ｆでのキャリアの脈動の効果により増強され、結果的に
大きな非線形効果が得られる。従って、非線形効果の応
答速度はキャリアの寿命で制限される。しかし、進行波
型半導体レーザ光増幅器内でのキャリア寿命は数100pse
c.のオーダであることから数Gb/s程度の信号の判定は充
分可能である。キャリアの変動を伴わない三次の光学非
線形過程による、四光波混合では、その応答速度はpse
c.以下の超高速なものとなる。

本実施例では、光信号1,2として数10μＷオーダのパワ
ーの光を用いた場合、可変波長フィルタの出力光パワー
は数mWであった。この様に大きな光出力が得られるた
め、可変波長フィルタ出力により、直接光機能素子を駆
動することも可能である。

本発明による光機能回路では、判定すべき信号同士がビ
ット同期している事が必要である。この条件は、一方の
信号に同期用の信号を波長多重等の手段で乗せておき、
それを元に同期をとる、予め基準となるクロックをシス
テム内に分配しておき、それに同期させてシステムを動
作させる、等の方法により容易に満足させることが出来
る。

実施例では、f3の光周波数成分を選択的に取り出した
が、f4の周波数成分を用いてもよいのは言うまでもな
い。半導体レーザ光増幅器としては、ここで用いた進行
波型の他、共振型のものも使用できるが、帯域広い等の
点で進行波型の方が優れている。半導体レーザ光増幅器
５と可変波長フィルタ７の間に置いた光アイソレータ６
は二つのアクティブなデバイス間の相互作用を防ぐため
に用いたもので、デバイス動作条件によっては省略でき
る。また、可変波長フィルタとして受動型のものを用い
た際には必須ではない。

第４図は本発明による光判定回路の第二の実施例の構成
を示す図である。

本実施例においては、光信号1,2,光合流器3,電源4,半導
体レーザ光増幅器５は既に説明した実施例１と全く同じ
である。

本実施例では、電源４と半導体レーザ光増幅器５の間に
バイアスT20を挿入し、半導体レーザ光増幅器５の端子
電圧変化の高周波成分を取り出す。バイアスT20により
取り出された信号を、増幅器12により増幅した後、復調
器13により復調信号を得る。この復調信号の内、Δｆ＝
f2−f1を中心とする周波数成分を帯域フィルタ14で取り
出して増幅器15で増幅した後、低減フィルタ16を通すこ
とにより、出力端子17に出力が電気信号として取り出さ
れる。本実施例ではΔｆ＝2GHzとしているので、帯域フ
ィルタ14の帯域は1GHzにとっている。

半導体レーザ光増幅器５に異なる二つの光周波数f1,f2
の光が入射すると、その差周波数Δｆ＝f2−f1で、半導
体レーザ光増幅器５の内部のキャリアの脈動が生じる。
従って、半導体レーザ光増幅器５の端子電圧変化にも、
周波数Δｆの脈動成分が含まれる。

一方、二つの光信号の光周波数が一致している場合に
は、周波数Δｆの信号成分は現れない。このため周波数
Δｆの成分の有無を検出することにより、光信号1,2の
一致／不一致の判定が可能である。一致／不一致の情報
は周波数Δｆの搬送波に乗っているので、これを復調す
る手法は、通常の、電波、光でのヘテロダイン検波方式
と全く同じである。本実施例の実現のためには、差周波
数Δｆ以上の周波数迄、キャリアの応答が追従すること
が必要である。先に述べたように、進行波型半導体レー
ザ光増幅器内部のキャリア寿命は数100psec程度である
から、Δｆ＜5GHzにとれば、本実施例の動作に問題はな
い。

第５図は本発明による光判定回路の第三の実施例の構成
を示す。光信号1,2,光合流器３については、実施例1,2
と全く同様である。

本実施例では、光合流器３の光出力を光検出器11により
光電変換し、増幅器12により増幅した後、復調器13によ
り復調信号を得る。この復調信号の内、Δｆ＝f2−f1を
中心とする周波数成分を帯域フィルタ14で取り出して増
幅器15で増幅した後、低域フィルタ16を通すことによ
り、出力端子17に出力が電気信号として取り出される。
本実施例ではΔｆ＝2GHzとしているので、帯域フィルタ
14の帯域は1GHzにとった。

光信号1,2の光周波数が一致していない時には、光検出
器11の出力には、周波数Δｆの近傍に、二つの信号のビ
ートが現れる。一方、二つの光信号の周波数が、f1,又
はf2で一致しているときには、ビートは直流付近に現
れ、Δｆ付近には現れない。従って、これを利用して、
先の実施例1,2と同様に光信号1,2の一致／不一致の判定
ができる。本実施例は、光ヘテロダイン受信機の局部発
振光源の光周波数が、信号に応じて、f1,f2の間で二値
光周波数変調されているのと全く同様と考えることがで
きる。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明したように、本発明による光機能回路
によれば、一回の簡単な処理のみで光信号の一致／不一
致が判定でき、高速処理が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光機能回路の第一の実施例の構成
を示す図、第２図と第３図は本発明による光機能回路の
第一の実施例の動作を説明するための図、第４図と第５
図は本発明による光機能回路の第二と第三の実施例の構
成をそれぞれ示す図である。 1,2,10……光信号、３……光合流器、4,8,9……電源、
５……半導体レーザ光増幅器、６……光アイソレータ、
７……可変波長フィルタ、11……光検出器、12,15……
増幅器、14,16……フィルタ、17……端子、20……バイ
アスＴ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】f1とf2（f1＜f2）なる光周波数間で二値光
   周波数変調された、二つの光信号について一致か不一致
   かを判定する光機能回路に於て、三次の光学非線形媒質
   と、一致か不一致かを判定すべき二つの光信号をビット
   同期させて合流して前記光学非線形媒質に入射させる手
   段と、前記光学非線形媒質の出力から、f3＝2f2−f1,f4
   ＝2f1−f2,なる光周波数のうちの少なくとも一方の光周
   波数の光を選択的に取り出す手段とを備えて成ることを
   特徴とする光機能回路。
2. 【請求項２】f1とf2（f1＜f2）なる光周波数間で二値光
   周波数変調された、二つの光信号について一致か不一致
   かを判定する光機能回路に於て、直流駆動される半導体
   レーザ光増幅器と、一致か不一致を判定すべき二つの光
   信号をビット同期させて合流して前記半導体レーザ光増
   幅器に入射させる手段と、前記半導体レーザ光増幅器の
   端子電圧からΔｆ＝f2−f1近傍の周波数成分の有無を検
   出する手段とを備えて成ることを特徴とする光機能回
   路。
3. 【請求項３】f1とf2（f1＜f2）なる光周波数間で二値光
   周波数変調された、二つの光信号について一致か不一致
   かを判定する光機能回路に於て、一致か不一致かを判定
   すべき二つの光信号をビット同期させて合流する手段
   と、前記合流手段の光出力を光電変換する手段と、前記
   光電変換手段の出力電気信号からΔｆ＝f2−f1近傍の周
   波数成分の有無を検出する手段を備えて成ることを特徴
   とする光機能回路。