JPH09512642A - 光アンドゲート - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光ＡＮＤゲートには少なくとも１つの半導体レーザ増幅器（ＳＬＡ）と、第１及び第２の光信号のための入力とがある。ゲートはＡとＢとのＡＮＤ積に対応する出力を作る。この発明の１つの特徴によると、第１及び第２の信号（Ａ，Ｂ）は波長が等しい。ゲートは単一のＳＬＡで成り、それが第１の信号Ａと第３の信号とＢを一緒に受領する。信号Ｐは連続波ポンプである。第２の信号Ｂは直交偏波状態でＡとＢとに入力される。あるいは、このゲートは一対のＳＬＡで構成され、第１のＳＬＡは第１の信号をポンプＰと一緒に受ける。側帯波が第１のＳＬＡの出力から選択され、第２のＳＬＡに第２の信号Ｂと一緒に入力される。側帯波が第２のＳＬＡの出力から選択され、それがＡＮＤ積Ｃ＝Ａ・Ｂと対応する。

Description

【発明の詳細な説明】 光アンドゲート 発明の背景 この発明は全光学的ゲートであってＡＮＤ論理演算を実行するためのものに関 する。この種のゲートは、例えば光通信システムやあるいは光データ処理装置で 使用されることになる。 ＡＮＤは、例えば光スイッチングノードを含む光網を実現するために必要とさ れる基本的な論理演算である。我々の未決国際出願 No. ＰＣＴ／ＧＢ９４／０ ０３９７は、その内容がここで一緒に参照するものとなるが、ＡＮＤ機能の使用 の一例を記述し、かつクレームしており、光網上のフレームのヘッダ内で搬送さ れるアドレスを認識し、それにしたがって経路を定めるスイッチを制御するよう にしている。 近年、４波混合（ＦＷＭ）として知られる過程を使用してＡＮＤ機能を実現し ようとの提案がされている。ＦＷＭは２つの入力光信号の電場の積に比例した出 力を作る。Andrekson 他の論文"16Gbit/s All Optical Demultiplexing Using F our-wave Mixing,"Electron．Lett.，27，1991，pp．922及びR．Schnable，W．P ieper，R．Ludwig，H.G．Weber:“All Optical AND Gate using Femtosecond No n-linear Gain Dynamics in Semiconductor Laser Amplifiers”，ECOC'93は、 単一モード光ファイバ及び半導体レーザ増幅器（ＳＬＡｓ）においてＦＷＭをそ れぞれ用いたＡＮＤ機能の実現について記述している。この種のデバイスは、光 通信網におけるスイッチング又は論理処理機能に適していると思われる。しかし 、光ファイバ応用デバイスは長い相互作用長を必要とし、したがって大きな内蔵 のスイッチ遅れを備えている。この遅れにより、この種のデバイスは速い判断時 間を必要とする応用には適していない。ＳＬＡｓはこれに対して短いデバイス長 をもつから、遅れが小さく、その非線形利得特性により高速なスイッチング速度 が得られる。発明の要約 この発明の第１の特徴によると、光ＡＮＤゲートとして少なくとも１つの半導 体レーザ増幅器（ＳＬＡ）と、第１及び第２の光信号（Ａ，Ｂ）用の入力を備え たものが提供されている。ＡＮＤゲートは４波混合（ＦＷＭ）の過程によって第 １及び第２の光信号（Ａ，Ｂ）のＡＮＤ積に対応する出力を作るように配置され ていて、その特徴は、第１及び第２の光信号が実質的に等しい波長であることで ある。 これまでは、ＦＷＭを用いた光ＡＮＤゲートは厳しい制限が課せられていて、 ある狭い規定された範囲内にある異なる周波数の信号でしか効果的に機能できな いものであった。例えば、Andrekson 他の上記引用文献は、ＡＮＤをとるべき信 号間に.８ｎｍの最小の隔たりがあることを必要としているが、この隔たりでは 、一般にもっと大きな波長の隔たりを用いることが望まれるクロストークの問題 が生じる。この発明はこの制限を克服して、波長縮退入力で機能するＡＮＤゲー トを提供する。例えば、これらは共通の光源から抽出されたもの、したがって同 一波長を有するものでもよいし、あるいは共通の標準波長で動作する別の光源に よって作られたものでもよい。 好ましくは、光ＡＮＤゲートはさらに第３の光入力（Ｐ）のための入力を備え 、これが第１及び第２の光信号の少なくとも１つと相互作用をすることによって 、少なくとも１つのＳＬＡ内部でＦＷＭを進行するようにされている点に特徴が ある。 この発明の好ましい特徴として、第３の光信号は連続波信号でもよく、２つの 信号（Ａ，Ｂ）がとは違った波長であるものとし、それをＡＮＤゲートに入力し て４波混合を行わせる。これは、例えば２つの信号（Ａ，Ｂ）の一方とビートを とることによって相互作用をし、それによってＳＬＡ内部のキャリヤ分布に変調 を生じさせ、ダイナミックグレーテング（動的格子）を作らせる。２つの信号（ Ａ，Ｂ）のうちの他方はＦＷＭ側帯波を生成してこのダイナミックグレーテング を散乱させる。 好ましくは、光ＡＮＤゲートは第１の信号と第３の光信号とを受領するように された単一のＳＬＡで成り、第１及び第３の光信号は同じ偏波であって、第２の 光信号を第１及び第３の光信号と直交偏波状態で受領するようにされている。ま た、光ＡＮＤゲートは、一方の光信号及び第３の光信号ともう一方の光信号との ＡＮＤ積（Ｃ）に対応するＳＬＡからの側帯波出力を選択するための手段を備え ている。 本発明のこの特徴は、直交偏波状態での信号を使用して単一のＳＬＡに基づく ＡＮＤゲートを提供する。ＳＬＡ内で共通の偏波を持つ一対の光信号の相互作用 は、ＳＬＡキャリヤ密度の中での共通の偏波をもつ一対の光信号の相互作用はＳ ＬＡキャリヤ密度分布の変調を作る。この一対の共通偏波光信号は、連続波信号 であるポンプ信号Ｐと、ＡＮＤをとるべき第１の信号Ａとが一緒になって構成さ れている。もう１つの信号Ｂはその後直交偏波状態でＳＬＡの内部に注入される 。この直交性の故に、ＦＷＭはＢとＰとの間だけ、あるいはＢとＡとの間だけで は生じない。しかし、ＳＬＡ内でのキャリヤ分布の変調は偏波に感応しない効果 を生じ、前述のようなダイナミックグレーテングを生じさせる。他方の信号Ｂは このダイナミックグレーテングを散乱し、ＳＬＡからの出力内でＦＷＭ側帯波を 生ずる結果となる。適切なフィルタで、側帯はの１つが選ばれてＡとＢとの間で ＡＮＤ関数に対応する出力が送出される。 好ましくは、光ＡＮＤゲートはＳＬＡの入力側に偏波ビームスプリッタ／コン バイナを備え、これが直交偏波信号（Ｂ）を受領するようにする。 上述のＡＮＤゲートで直交偏波入力を備えたものは波長縮退入力を使用すると は限らない。この種のＡＮＤゲートが通常のＡＮＤゲートに代わって使用されて 異なる波長で信号を処理する場合には、通常のデバイスと比較して、その効果が 入力間の波長の隔たりの大きさに依存しにくいという利点が得られる。 この発明の第２の特徴によると、この光ＡＮＤゲートは、第１、第２及び第３ の光信号用入力を備えた半導体増幅器（ＳＬＡ）を含み、第１及び第３の光信号 （Ａ，Ｐ）は共通の偏波を持ち、かつ４波混合（ＦＷＭ）過程によってＳＬＡ内 で相互作用を呈するようにされており、またＳＬＡからのＦＷＭ側帯波出力を選 択するための手段を含み、第２の光信号に対する入力は第１の光信号に対して直 交偏波した信号を受けるようにされ、第１及び第３の光信号はそれによってビー トを作ってダイナミックグレーテングを形成し、第２の光信号とダイナミックグ レーテングとの相互作用は、直交偏波した第２の光信号と第１及び第３の光信号 とのＡＮＤ積に対応するＦＷＭ側帯波を作ることを特徴としている。 直交偏波入力をもつ単一のＳＬＡの使用に代わるものとして、光ＡＮＤゲート が、第１の光信号（Ａ）と一緒に、第１の光信号と異なる波長の第３の信号（Ｐ ）を受領するようにされた第１のＳＬＡと、第１のＳＬＡからの側帯波出力を選 択するための手段と、第１のＳＬＡからの選ばれた側帯波出力を第２の光信号（ Ｂ）と一緒に受領するようにされた第２のＳＬＡと、該第１及び第２の信号（Ａ ，Ｂ）のＡＮＤ積（Ｃ）に対応する第２のＳＬＡの出力内の側帯波を選択するた めの手段とで構成されてもよい。 この発明の第３の特徴によると、２つの光信号のＡＮＤをとる方法として、第 １及び第２の光信号（Ａ，Ｂ）を少なくとも１つの半導体レーザ増幅器（ＳＬＡ ）で構成される光ＡＮＤゲートに加え、４波混合過程によって少なくとも１つの ＳＬＡから第１及び第２の光信号のＡＮＤ積に対応する出力を作るようにした方 法であって、第１及び第２の光信号が実質的に等しい波長であることを特徴とす る方法が提供されている。 この発明の第４の特徴によると、光信号のＡＮＤをとる方法が提供されており 、その構成は、第１及び第２の光信号と、第１の光信号に対して共通の偏波を持 つ第３の光信号とを光ＡＮＤゲートに入力し、第１と第３の光信号を半導体レー ザ増幅器（ＳＬＡ）に加え、ＳＬＡ内で４波混合（ＦＷＭ）を生じさせ、かつＡ ＮＤ積に対応するＳＬＡからの出力内の側帯波を選択することを含み、第２の光 信号を第１及び第３の光信号に対して直交偏波状態でＳＬＡに加え、選択された 側帯波は第２の直交偏波光信号と第１の光信号とのＡＮＤ積に対応することを特 徴としている。 この発明は第１及び第２の特徴を持つ光ゲートを用いたデマルチプレクス動作 用の方法及び装置にも発展される。図面の簡単な説明 この発明を実施するシステムは添付の図面を参照して、例としてのみさらに記 述していく。 図１は、第１の実施例の模式図である。 図２は、図１のＳＬＡの出力スペクトラムでポラライザを通った後のものを示 し、ＲＺデータとＢ偏波面内のポラライザの組とを一緒に示している。 図３は、最終フィルタの出力における信号Ａ，Ｂ及びＡＮＤのオシロスコープ 軌跡を示す。 図４は、入力パルス幅と出力ＡＮＤ信号との比較を示す。 図５は、図１のＡＮＤゲートを用いたＰＬＬの模式図である。 図６ａないし６ｄは、ＮＲＺからＲＺへの変換用のＡＮＤゲートの使用を例示 する。 図７は、図１の回路で使用するためのＳＬＡの第１の例の模式図である。 図８は、図１の回路で使用するためのＳＬＡの第２の例の模式図である。 図９は、図１のＳＬＡの出力スペクトラムで、ＡとＢとが１５４６ｎｍでＮＲ Ｚデータを用いたときに、ポラライザを通った後のものを示す。 図１０は、約2.5Gbit/sにおけるＮＲＺデータに対して得られたビット誤り率 （ＢＥＲ）を示すプロットである。 図１１は、図１のシステムの出力を例示する模式図で、信号ＢとＡとが異なる 光周波数の場合である。 図１２は、２つのＳＬＡｓを採用した第２の実施例の模式図である。 図１３は、図１の回路をＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ上に実装した集積平面回路を 示す。 図１４ａと１４ｂとは、図１の回路を１０Gbit/sで示すものを用いた信号源と 信号受信器とを示す。 図１５は、１０Gbit/sで得られたオシロスコープ軌跡を示す。 図１６は、１０Gbit/sで得られたＢ偏波面の出力スペクトラムを示す。 図１７は、１０Gbit/sにおけるビット誤り率を示す。 図１８は、修正された回路を用いて測定した１０Gbit/sにおけるビット誤り率 を示す。 図１９は、１０Gbit/sにおける回路の出力を示すオシロスコープ軌跡を示す。 図２０は、相関プロフィルを示すグラフである。 図２１は、この発明を実施したＡＮＤゲートが作動しているデマルチプレクサ である。実施例の記述 光ＡＮＤゲートは半導体レーザ増幅器（ＳＬＡ）１と、第１の光信号Ａ及び第 ２の光信号Ｂのための入力とを含む。光源２は第３の光信号Ｐを生成する。第１ の光信号Ａは光結合器（カップラ）内で第３の信号Ｐと結合されていて、ファイ バ増幅器４に送られる。この例ではファイバ増幅器はエルビウムをドープしたデ バイスである。 第２の光信号は、偏波ビームスプリッタ／コンバイナ５を用いてファイバ増幅 器の出力に結合される。結合された信号は次にＳＬＡ１に入力される。ＳＬＡか らの出力は偏波アナライザ６及びバンドパスフィルタ７を通って、ＡＮＤゲート からの出力を用意する。 この第１の例では、ＳＬＡは歪みを加えた層を持つ８井戸ＭＱＷ（複数量子井 戸）が埋め込まれたヘテロ構造デバイス（図７）である。これは１０００μｍ長 で２００μｍ幅であり、３４０ｍＡでバイアスされたときに1.56μｍの領域で利 得のピークを有する。活性領域はＩｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓが４０Åの深さで、Ｉｎ_0.37 Ｇａ_0.63Ａｓが６０Åの深さの交番した層で成る。これらの量子井戸はＩｎ ＧａＡｓｐの５００Å深さの上側とした側の層の間に挟まれている。このデバイ スを用いると、図２，３，４に示した結果が得られた。 図８は図１の回路で使用され得る別のバルクＳＬＡを示す。デバイスは５００ μｍ長で２００μｍ幅であり、幅ｗが1.17μｍの活性領域を有する。ＩｎＰのコ アで0.23μｍ深さのものが上部層Ｑ_1.10.21μｍ深さと下部層Ｑ_1.590.2μｍ深さ との間に閉じ込められている。 第３の入力信号Ｐはポンプ信号であり、連続波信号であり、同調可能な外部空 洞半導体でRadians Innova製のレーザ型式番号Intun１５００のようなものから 得られる。この例では波長1555.08 ｎｍで動作する。第２の信号Ａは波長1553.1 5ｎｍで、３ｄＢ溶融ファイバカップラ（結合器）であるカップラ３内で第１信 号で結合される。Ａ，Ｂ及びＰの偏波は偏波ビームスプリッタ５を通って最大伝 送となるよう最適化される。ビームスプリッタ５はＳＩＦＡＭ高屈折率ファイバ 偏波ビームスプリッタがよい。このビームスプリッタは、ＢがＡとＰとに対して 直 交することを確かなものとする。 ＳＬＡからの出力は偏波フィルタを通る。この例では偏波フィルタはＡ＋Ｐ偏 波面内の信号を消滅させるように調節されたファイバポラライザである。この後 に0.6 ｎｍファイバグレーテング帯域通過（バンドパス）フィルタで中心が1551 .20 ｎｍのものがある。さらに後述するが、これはＡＮＤ信号を隔離するために 機能している。第２の信号１３がビームスプリッタ５に向かう入力経路内に遅延 線が用意されている。 便宜上、図示の例では入力ＡとＢとが共通の光源から発生されている。実際に はＡでの入力は、例えば光網上を搬送されるパケットのヘッダによって一般に提 供され、Ｂはヘッダ認識の目的でヘッダとともにＡＮＤをとるべきターゲットワ ード（目標語）であり、このことについては我々の上述した未決の国際出願で記 述されている。 図１に示した回路では、Ａ及びＢのための光源は外部空洞半導体レーザで、シ ンセサイザマイクロ波発生器からの増幅された電気信号を用いて３ＧＨｚで基本 的にモードロックされたレーザ（ＭＬＬ）である。モードロックしたレーザから の出力パルスは、ストリークカメラで測定したところ、約0.2 ｎｍのスペクトル 幅で、約２０ｐｓ継続したものである。マイクロ波発生器はまたパルスパターン 発生器ＰＰＧを同期させるためにも用いられ、ＰＰＧは次にリチウムナイオベー トのMach-Zehnder変調器を駆動する。結果として生じたパルスパターンは次に再 び増幅され、溶融ファイバカップラを用いて信号経路ＡとＢとに分けられる。経 路ＡとＢとの間には長さの差（時間差）があり、可変長ファイバ遅延線を用いて 精密同調がとられて、ＳＬＡ内へのビット到着の同期をとる。 実用上、１６ビット光パルスシーケンスが発生されて、ＡＮＤ機能を実演する こととした。ＳＬＡへの入力で測定した光パワーレベルはＡ＋Ｐの組合せで＋９ ｄＢｍであり、信号Ｂで−１ｄＢｍであった。ポンプはＡとＢとによるＳＬＡス ポンタネアス放出の変調を妨げるのに十分大きなパワーのものである。Ａ対Ｐの 比は光スペクトラムアナライザ上での測定で−１１ｄＢである。ポラライザの出 力（Ｂ偏波面についての組）で測定した光スペクトラムは、Ａオン／オフ及びＢ オン／オフの組合せに対して図２に示す。ＡＮＤ信号を示す。この信号は、ポン プＰと信号Ａとの間のビート作用の結果として生じたキャリヤ密度分布に変調が あるときに、直交偏波信号Ｂから発生されたＦＷＭ側帯波として作られる。この ＡＮＤ信号はＡ又はＢが存在しないときは完全に消滅される。ＡＮＤ信号の平均 パワーレベルが小さいのは、ＡＮＤパターン内に僅かな数の１しかないことが大 きく原因している。 図９は入力信号ＡとＢとが１５４６ｎｍ波長でＮＲＺ変調されているときのＡ ＮＤゲートの出力を示す。上記の第１の例でのように、強いＡＮＤ信号が１５４ ４ｎｍの範囲内の波長で作られ、適切に同調されたフィルタによって選ぶことが できる。 これらの例ではＡとＢとが単一の共通波長であるが、この発明はこの形の動作 に限定される理由はない。図１１はＡとＢとが異なる光周波数の時に期待される 形の出力を模式的に示す。出力では、ＡとＰとが上述のように偏波フィルタを用 いて選ばれ、次にＡＮＤ積に対応するＢの側帯波の１つが適切な同調したバンド パスフィルタにより選ばれる。 図３はゲートからの出力を検出するために使用されたフォトダイオードからの 正規化されたトレースを、サンプリングオシロスコープ上でとらえたところにし たがって示す。上のトレース（軌跡）はパルス列Ａを、Ａを隔離するように調節 したポラライザとフィルタとを持つ最終段フィルタの出力でとったものである。 図３の中間のトレースはＢ信号に対する同じものを示すが、ポラライザはＢを示 すように調節してある。下のトレースは、上の入力データシーケンスから生じた ＡＮＤゲートの出力を示す。ＡＮＤゲートはＡとＢとの両方からのパルスがＳＬ Ａ内で一致するときだけ１パルスを与えるのを見ることができる。 図４では、信号Ａに対するパルス形状がＡＮＤ信号パルス形状と比較されてい る。パルスの広がりはなく、ＡＮＤゲートの超高速動作速度が実演されている。 ＡＮＤパルス幅はＳＬＡ内のＡとＢとの間の相関が原因して入力パルスよりも狭 い。 このデバイスは動作において著しく安定なものであることが見出される。偏波 ビームスプリッタはＡ＋ＰとＢ信号との直交性を確かなものとし、一番クリティ カル（重要）な調節はポラライザに対してであり、何故ならこれが消滅比を決定 するからである。このデバイスは偏波保持ファイバをＳＬＡのいずれかの側に用 いることによって改善することができる。 図１０に示すプロットでは、ＡＮＤ信号ＢＥＲ（ビット誤り率）が、第１の入 力ＡをＢに対して１完全パターン長だけ遅らせることにより得られる。したがっ て、ＡＮＤゲートでは、パターンがそれ自身の遅延したものと組み合わされる。 したがってＡＮＤ信号はもとのパターンである。グラフ上の第２のプロットは、 適切な場所にＡＮＤゲートがない出力“バック・トゥ・バック”でベースライン 受信機の感度を判断するためのものを示す。 試作品を作って試験をするためには、上述の回路をファイバピクテールとして 市販されているディススプライスとかファイバコネクタを用いて比較的簡単かつ 迅速に構築できるようにする。ファイバコネクタで接合した部品の使用はＳＬＡ 入力ポートといったデバイス内の重要点での主要なパラメータの測定を便利なも のとする。回路を商業ベースで実現するとなると、しかし、回路を集積デバイス として形成する方が有利となる。これにより製造コストが低減し、回路によって しめられる空間を減らし、回路の信頼性を増す。ファイバ接続損失を除去するこ とにより性能も改善される。 図１３は図１の回路の集積した実現を示し、ここでは信号Ａは、共通偏波のポ ンプ信号でチップ上に組み立てられた高パワーＤＦＢレーザ１３０により作られ たものと、方向性結合器（ディレクショナル・カップラ）１３１内で結合される 。これは通常のフォトリソグラフィと、また、インジウム・ガリウム・アーセナ イド・フォスファイド活性領域と導波路とを用いてのインジウム・フォスファイ ド上へのエピタキシャル技術とを用いて組み立てられる。結合された信号は次に 偏波カップラ１３２内でＢ信号と結合されてから集積されたＳＬＡに入る。ＳＬ Ａの出力には、光フィルタ１３３でＡＮＤ側帯波に対応する波長で信号を通すよ うに設計されたグレーテングを備えているものがある。最後に、フィルタをかけ た信号は別な偏波カップラ１３４を通って進み、残っている好ましくない信号を 除去して、フォトダイオードで検出される。チップ上には別なフォトダイオード が含まれていて、回路を監視し素子管理用のデータを送出する。適宜に、追加の ＳＬＡｓをチップ上に集積して信号を増幅することができる。しかし、こういっ た ものは超短光パルスを歪ませ得るから、応用によっては外部のＤＥＦＡｓ（エル ビウムをドープしたファイバ増幅器（複数））を用いるのがよいかも知れない。 さらに別な実施例として、ハイブリッド・プレーナ構造がエルビウムをドープし たシリカ導波路とともに使用できる。この場合、この導波路はシリコン基板上の 回路と集積されるようにする。 図１４ａと１４ｂとは、修正された信号源と信号受信機とをそれぞれ示し、図 １の回路の動作を１０ Gbit/sのビットレートで実演するのに使用したものであ る。 ＣＷ ＤＦＢレーザ１４０からの1551.24 ｎｍの光は６０ｄＢ光アイソレータ １４１を通ってＥＡＭ（エレクトロアブソープション・モジュレータ：電気吸収 変調器）１４２で変調帯域幅が１０ＧＨｚを超えるものに接続される。 9.8174Gbit/s電気ＰＲＢＳで2⁷-１ビット長のものがHewlett Packardの１０Gbit /sＰＲＧ１４３から送られ、広帯域増幅器によって増幅されてバイアスＴを経て ＥＡＭに加えられる。得られた強度変調光出力は次にＥＤＦＡによって増幅され 、約＋１０ｄＢｍの平均光パワーレベルとなる。この増幅された光信号は次に同 調可能なフィルタで1.2ｎｍ通過帯域を持つものにかけられてＥＤＦＡからの余 分なスポンタネアス放出を除去する。信号は次に１０ｄＢカップラ１４４を用い て、信号Ａが信号Ｂに対して１０ｄＢ余分に損失を蒙るように分けられる。２つ の信号は次に２つの光減衰器を経てＡＮＤゲートに入る。ＡＮＤ回路は図１に関 連して前記したように構築されているが、若干の小さな修正が加えられている。 偏波結合器は低挿入損失のＪＤＳ偏波ビームスプリッタに変わっている。この結 合器は第４のポートとして結合したパワーを監視できるものを備えていないから 、溶融したファイバ結合器がそれとＳＬＡとの間に１０ｄＢパワータップとして 置かれている。ＳＬＡは、図８に関連して上述したように、バルク活性層デバイ スである。このバルク層デバイスは、例えばＭＱＷ ＳＬＡ（図７）よりも一層 効果的なＦＷＭを提供することが見出されている。 ＡＮＤゲートからの出力は、図１４ｂに示した光学的前置増幅受信機によって 検出される。この構成は、ＥＤＦＡの次段に同調可能な光フィルタ１４５で１ｎ ｍ通過帯域を持つものと、１５ＧＨｚHewlett Packard光波変換器１４６とがあ る。光波変換器からの電気出力は次に誤り検出器１４７もしくはディジタイズ用 オシロスコープのいずれかに加えられる。 この回路を用いて、必要とされるＡＮＤ機能をゲートが１０Gbit/sで実行して いるかどうかを検証するための実験が行われた。Ａ及びＢの信号でそれぞれ+8.2 ｄＢｍ及び+2.7 ｄＢｍの光パワーレベルのものが３１０ｍＡバイアスされたＳ ＬＡに注入される。ポンプビームＰの波長が1553.8ｎｍに、また光パワーが+9.8 ｄＢｍに設定される。ＥＡＭは−３Ｖにバイアスされ、データ信号によって僅か にオーバードライブされて、１の状態が割り当てられた１００ｐｓ時間スロット を決して超えないようにする。この尺度は１０パターンと０１パターンとが入力 Ａ，Ｂから同時にＡＮＤゲートに到達したときに、１の袖が重なってはっきりし ない消滅状態のＡＮＤ出力信号が生じないようにするのに必要とされる。この駆 動条件は、ビット重なりがサンプリング窓の外にあるとして誤り率を測定すると きには不必要であるが、ここでは結果の解釈の助けとなっている。ＡＮＤゲート の出力におけるＡアンドＢデータパターン、すなわち、ＡＮＤからの短いシーケ ンスは、ＳＬＡの偏波とフィルタとを適切に調節することによってオシロスコー プ上でとらえることができる。結果のトレース（軌跡）は図１５に示す。図１６ はフィルタ動作の前のポラライザの出力で得られる光スペクトラムを示し、２０ ｄＢ以上の優れた消滅率を示している。図１７は１０Gbit/sにおけるＢＥＲの測 定結果を示す。この測定はＦＷＭ効率が改善されると思われる条件として、ＳＬ Ａを２８５ｍＡでバイアスし、かつ僅かに１４℃まで冷ました状態で行われた。 ＳＬＡへの入力の光レベルは、Ａ，Ｂ及びＰに対してそれぞれ+6.4ｄＢｍ，+2.8 ｄＢｍ及び+10.8ｄＢｍであった。ＥＡＭへのバイアス電圧は1.8Ｖまで下げて、 変調器の挿入損失を低下し、システム性能を改善するようにした。 １０ＧＨｚ帯域幅前置増幅器を光波変調器の後段に加え、誤り率検出器へ入る パルスの帯域幅を制限するようにして、別な測定を行った。６００ｍ長の分散補 償用ファイバを入力Ｂ経路に挿入して、長いパターンがＡＮＤゲートへの入力で 重なるようにした。ＥＡＭ送信機は−３Ｖでバイアスされ、１０Gbit/s 2¹³-1Ｐ ＲＢＳで駆動した。ＡＮＤゲート入力で正確に重なったパターンもしくは１ビッ トだけ遅れたパターンのいずれかを与える正確なビットレートは３８４ｋＨｚで 変化した。光源ＤＦＢの波長は1551.2ｎｍで、Ｐは1553.3ｎｍであった。ＳＬＡ への入力で測定したパワーレベルは、Ａ，Ｂ及びＰについてそれぞれ-0.1ｄＢｍ ，+1ｄＢｍ及び+7.8ｄＢｍであった。ＳＬＡは２９１ｍＡでバイアスされ、温度 １５℃に保つた。図１８はこの例で得られたＢＥＲ結果であり、図１９はＡＮＤ 信号出力のオシロスコープ記録を示す。 直前のパラグラフで述べたように動作するＡＮＤゲートでは、相関測定が行わ れて、ＡＮＤゲートの応答が１００Gbit/sデータパルスを処理するのに十分であ ることが示されるようにした。第１の測定は入力信号繰り返しレートを調節して ＡＮＤゲートのＡ及びＢの入力でのパルスの相対到達時刻が直線的に変化するよ うにした。これは、パルスの１つの流れが別な流れを通って進み、２つのパルス 流間で相互相関がとれるようにする。また、ＡＮＤゲートの出力について、市販 の自己相関器（オートコリレータ）を用いて別な測定をした。光源信号は、１０ ＧＨｚ帯域幅ＥＡＭに注入されたＣＷＤＦＢレーザで 1551 ｎｍのもので用意さ れた。 図２０は得られた結果を示す。ＡＮＤゲート内の相互相関を用いて測定された 半値幅は10.7ｐｓであり、自己相関器からのトレースの半値幅は11.6ｐｓであっ た。パルスプロフィルが（sech²）関数の形をとると仮定すると、実際のパルス 幅は相関幅よりも因子1.55だけ小さくなり、７ｐｓという値になる。このパルス 幅に対する値は、このＡＮＤゲートが１００Gbit/sを超えるデータレートで動作 できることを示している。 図１２は２つのＳＬＡを直列に接続して使用した別の実施例である。連続波ポ ンプは上述のように発生され、信号Ａと一緒にＳＬＡ１に入力される。フィルタ にかけられたＳＬＡ１からの出力は、次に、第２の光信号Ｂと一緒にＳＬＡ２に 入力される。第１のＳＬＡでは、非縮退４波混合過程が信号Ａとポンプとの間に あって、新しい波長λ_pcで光信号が発生される。λ_pc＝λ_pλ_s/(2λ_s-λ_p)であ り、λ_pはポンプの波長、λ_sは信号ＡとＢとの波長である。新しいλ_pcの信号は 、ＳＬＡの出力で第１のバンドパスフィルタＢＰＦ１を用いて選択される。第１ のＳＬＡからの出力を信号Ｂと第２のＳＬＡ内で非縮退４波混合をすると、別な 光信号を別な新波長λ_cで発生する。λ_c＝λ_sλ_pc/(2λ_pc-λ_s)である。この信 号 は第２のバンドパスフィルタＢＰＦ２を用いて選択されて、信号Ｃを作る。この 信号Ｃは、信号がＡとＢとで同時に存在するときだけ発生することができ、言い 換えれば、ＡとＢとのＡＮＤ積に対応する。この実施例は、各ＳＬＡで偏波無依 存のＦＷＭを用いて実現すれば信号の偏波制御の必要性を回避することができる という利点をもたらす。したがって、偏波がとくに難しいとされる高ビットレー トでの使用にとくに適している。 ２つのＳＬＡの各々はディスクリートデバイスでよく、例えば、図７に関連し て述べたＭＱＷ半導体レーザ増幅器で構成してよい。ＳＬＡは単一モード光ファ イバによって相互とそれぞれの入力とに接続される。バンドパスフィルタはファ イバグレーテングとして適宜形成される。 代わって、２つのＳＬＡがフィルタとともに１個の集積デバイスとして形成さ れてもよい。 上述の光ＡＮＤゲートは光通信システムにおいてヘッダ認知用に使用すること ができる。このデバイスをこの目的で使用することについては、我々の未決の国 際出願ＰＣＴ／ＧＢ９４／００３９７により完全に記述されている。 ＡＮＤゲートの使用分野の別な例は、光位相ロックループである。この種のル ープは、例えば入力データ流のクロックレートのサブマルチプル（何分の１倍） でクロックを再生するときに使用することができる。図５は、このために相応し い回路を模式的に示す。ＡＮＤゲート５１は上述の例のように構成されていて、 その出力は光電検出器５２に送られる。検出器からの電気出力はローパスフィル タ５３によってフィルタにかけられ、次に光電圧制御発振器（光ＶＣＯ）５４を 制御するのに使われて、そこで出力光クロック流を発生する。光ＶＣＯはファイ バリング空洞モードロックレーザをファイバストレッチャ（例えば圧電ドラム） と共働する形で構成し、ローパスフィルタからの信号で制御されるようにする。 適切なレーザは我々の未決出願ＰＣＴ／ＧＢ９４／００８６３に記述されている 。このクロック流はもとのデータ流とともにＡＮＤゲート５１の２入力（上述例 の信号ＡとＢとに等しい）に送られる。ＡＮＤゲート５１はそこでループの位相 検出器として機能する。 ゲートは、このようにクロック再生のための使用するのと同様に、信号再生に も使用され、例えばＲＺ（リターン・トウ・ゼロ）クロックをＮＲＺデータ流で 変調するために使用することができる。図６ａはこれを示し、併せて、図６ｂは ＮＲＺデータ流を、図６ｃはＲＺクロックを、図６ｄは出力パルスシーケンスを 示す。 この発明を実施するＡＮＤゲートの用途でさらに重要な分野は、光パルス流の デマルチプレクスであり、光パルス流は、例えばＯＴＤＭフレームの形をとるも のである。図２１はこの発明のＡＮＤゲートを用いた全光デマルチプレクサの模 式図である。この実施例では、ＡとＰの信号を消滅させるのに、偏波フィルタを 用いる代わりに偏波スプリッタがＳＬＡ出力で使用されている。これがλ_fwmで ＡＮＤ側帯波出力を分離して、デマルチプレクスした出力を送出し、ＡＮＤ出力 に対して直交偏波した信号として送出する。スイッチされていないチャンネルが 依然としてアクセスできるという事実は、このデマルチプレクサの注目すべき利 点である。この種のデマルチプレクサは、線形バス構成で、網内で地理的に隔て られているノードでチャンネルを落とす（ドロップする）というデマルチプレク ス動作によく適している。しかし、“ドロップ・アンド・インサート”ノードで の使用にはあまり適しておらず、その理由は、通過信号にはスイッチされたチャ ンネルの大部分が残っているからである。 偏波に対して感応しない（偏波不感度）はデマルチプレクス動作では重要であ り、偏波が温度と伝送ファイバ内の応力変動により揺らぐ傾向にあるからである 。この発明のＡＮＤゲートの偏波感度は装置を再構成し、とくにＡＮＤゲートの ２ＳＬＡ形式を用いることによるか、あるいは下記文献に記述されているような 高速自動偏波制御器を入力で用いて、伝送ファイバ内の偏波変動を補償できるよ うにすることによるかのいずれかによって除去できる。文献は、F.Heismann et al，“Polarisation-independent photonic switching system using fast auto matic polarisation controllers”，IEEE Photonics Technology Letters，Vol ．5，No．11，1993．

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ９４３０７１８８．６ (32)優先日 1994年９月30日 (33)優先権主張国 イギリス（ＧＢ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＪＰ，ＫＲ，ＵＳ (72)発明者 コッター、デイビッド イギリス国、アイピー12・４ジェイエヌ、 サフォーク、ウッドブリッジ、ムーアフィ ールド・ロード 23 (72)発明者 タータム、マーティン・クリストファー イギリス国、アイピー４・１ピーアール、 サフォーク、イプスウイッチ、ローズベリ ー・ロード 73

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも１つの半導体レーザ増幅器（ＳＬＡ）と、第１及び第２の光信 号（Ａ，Ｂ）用の入力とを含む光ＡＮＤゲートであって、４波混合（ＦＷＭ）過 程により第１及び第２の光信号（Ａ，Ｂ）のＡＮＤ積に対応する出力を作るよう にされ、第１及び第２の光信号が実質的に等しい波長であることを特徴とする光 ＡＮＤゲート。 ２．第３の光信号（Ｐ）が、第１及び第２の光信号の少なくとも１つと相互作 用をして、少なくとも１つのＳＬＡの内部でＦＷＭを進行するようにされている ことを特徴とする請求項１に記載の光ＡＮＤゲート。 ３．第３の光信号（Ｐ）が連続波（ｃｗ）信号であることを特徴とする請求項 ２に記載の光ＡＮＤゲート。 ４．第１の信号及び第３の光信号を受領するようにされ、該第１及び第３の光 信号は共通偏波であり、かつ第１の信号に対して直交偏波状態で第２の光信号を 受領するようにされた単一のＳＬＡ（１）を備え、さらに第２の光信号と第１及 び第３の光信号とのＡＮＤ積に対応するＳＬＡからの側帯波出力を選ぶための手 段（６，７）を備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の光ＡＮＤゲート 。 ５．さらに、ＳＬＡの入力側に直交偏波信号を受領するための偏波ビームスプ リッタ／コンバイナ（５）を備えることを特徴とする請求項４に記載の光ＡＮＤ ゲート。 ６．さらに、第１及び第３の入力信号（Ａ，Ｐ）の偏波面で出力信号を消滅す るように調節された偏波フィルタ（６）を含む出力側帯波を選ぶための手段（６ ）を備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の光ＡＮＤゲート。 ７．第１の光信号（Ａ）とともに第３の光信号（Ｐ）を受領するようにされた 第１のＳＬＡと、第１のＳＬＡからの側帯波出力を選ぶための手段と、第１のＳ ＬＡからの選ばれた側帯波出力とともに第２の光信号（Ｂ）を受領するようにさ れた第２のＳＬＡと、該第１及び第２の光信号（Ａ，Ｂ）のＡＮＤ積に対応して 第２のＳＬＡの出力内で側帯波を選ぶための手段とを備えることを特徴とする請 求項２又は３に記載の光ＡＮＤゲート。 ８．２つの信号のＡＮＤをとる方法であって、第１及び第２の光信号（Ａ，Ｂ ） を少なくとも１つの半導体レーザ増幅器（ＳＬＡ）で成る光ＡＮＤゲートに加え 、４波混合過程によって少なくとも１つの半導体レーザ増幅器（ＳＬＡ）から第 １及び第２の光信号（Ａ，Ｂ）のＡＮＤ積に対応する出力を作ることから成り、 第１及び第２の光信号が実質的に等しい波長であることを特徴とする２つの光信 号のＡＮＤをとる方法。 ９．第３の光信号（Ｐ）を入力する段階と、第１及び第２の光信号の少なくと も１つと相互作用をする段階と、それによって少なくとも１つのＳＬＡ内部でＦ ＷＭを進行する段階とを備えることを特徴とする請求項８に記載の方法。 １０．第３の光信号が連続波（ｃｗ）信号であることを特徴とする請求項９に 記載の方法。 １１．第３の連続波信号（Ｐ）と第１の光信号（Ａ）とを第１の半導体光増幅 器（ＳＬＡ１）に加えることと、第１の半導体光増幅器から側帯波出力を選ぶこ とと、該側帯波とともに第２の光信号を第２のＳＬＡ（ＳＬＡ２）に加えること と、ＡＮＤ積に対応して第２のＳＬＡの出力内で側帯波を選ぶこととを含み、第 ３の光信号（Ｐ）は第１及び第２の光信号と異なる波長のものであることを特徴 とする請求項１０に記載の方法。 １２．第１及び第２の信号（Ａ，Ｂ）の一方がもう片方の光信号と直交偏波状 態でＳＬＡに入力され、このもう片方の光信号と第３の光信号とがビート動作過 程により相互作用をしてダイナミックグレーテングを作り出し、一方の信号がダ イナミックグレーテングを散乱させることを特徴とする請求項９又は１０に記載 の方法。 １３．ＳＬＡからの出力が、第１の光信号（Ａ）及び第３の光信号（Ｐ）の偏 波面で出力信号を消滅するように調節された偏波フィルタを通って進むことを特 徴とする請求項１２に記載の方法。 １４．第１、第２及び第３の光信号のための入力を有する半導体レーザ増幅器 （ＳＬＡ）であって、第１及び第３の光信号（Ａ，Ｐ）は共通の偏波であり、４ 波混合（ＦＷＭ）過程により該半導体レーザ増幅器内で相互作用をするようにさ れている半導体レーザ増幅器（ＳＬＡ）（１）と、半導体レーザ増幅器（ＳＬＡ ）から４波混合（ＦＷＭ）側帯波出力を選択するための手段とを有する光ＡＮＤ ゲ ートであって、第２の光信号に対する入力は第１の光信号に対して直交偏波した 信号を受けるようにされ、第１及び第３の信号はビート作用をして、ダイナミッ クグレーテングを生成し、第２の光信号がダイナミックグレーテングと相互作用 をして直交偏波した第２の光信号と第１の光信号とのＡＮＤ積に対応する４波混 合（ＦＷＭ）側帯波を作るようにしたことを特徴とする光ＡＮＤゲート。 １５．前記第３の光信号が連続波（ＣＷ）信号である請求項１４に記載の光Ａ ＮＤゲート。 １６．第１及び第２の光信号と、第１の光信号と共通の偏波である第３の光信 号とを光ＡＮＤゲートに入力し、第１及び第３の光信号を半導体レーザ増幅器( ＳＬＡ)に加え、半導体レーザ増幅器（ＳＬＡ）内で４波混合（ＦＷＭ）を生じ させ、ＡＮＤ積に対応する半導体レーザ増幅器（ＳＬＡ）からの出力内の側帯波 を選択する構成をとり、第２の光信号を第１及び第３の光信号に対して直交偏波 として半導体レーザ増幅器（ＳＬＡ）に加え、選択した側帯波は第２の直交偏波 光信号と第１の光信号とのＡＮＤ積に対応するものであることを特徴とする光信 号のＡＮＤをとる方法。 １７．第３の光信号が連続波（ｃｗ）信号であることを特徴とする請求項１６ に記載の方法。 １８．請求項８ないし１７のいずれか１に記載の方法によってＮＲＺ信号とＲ Ｚ信号とのＡＮＤをとることを備えるＮＲＺ信号をＲＺ信号に変換する方法。 １９．光位相検出器と、この光位相検出器（５１）からの出力に依存して制御 されるローカル発振器（ＶＣＯ）とから成り、光位相検出器が請求項１ないし７ もしくは１４，１５のいずれか１項に記載の光ＡＮＤゲートで成ることを特徴と する光位相ロックループ（ＰＬＬ）。