JP5027434B2 - 光信号の波形を整形する装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ伝送等によって劣化した光信号の波形を整形する波形整形装置に係わる。

従来の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）および伝送距離の限界は、主に、伝送路光ファイバの波長分散制御の精度、および減衰した光信号を増幅する光アンプの特性により決まっている。長距離伝送による波形歪みを補償する技術としては、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を用いる構成、あるいは分散補償ファイバ等の波長分散補償器を用いた構成が知られている。一方、伝送路ファイバの損失による信号光パワーの減衰は、光ファイバアンプなどの光アンプにより補償される。なお、１０Ｇｂ／ｓの単一波長伝送またはＷＤＭ伝送によって大洋横断（例えば、大陸間を接続する海底ケーブル）が可能なシステムが開発されている。

現在、より高速な光信号（例えば、４０Ｇｂ／ｓ、１６０Ｇｂ／ｓ）の長距離伝送を実現したいという要求がある。しかし、既存の技術では、高精度の分散補償技術および良質な光アンプを組み合わせても、残留する波形歪み、あるいは光アンプにより付加される自然放出光（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission）雑音による光Ｓ／Ｎ比の低減が著しい。このため、実質的な伝送距離は、伝送速度が４０Ｇｂ／ｓ程度であっても数百ｋｍであり、伝送速度が１６０Ｇｂ／ｓになると数ｋｍ程度に制限されてしまう。

上述のような高速光信号の長距離光ファイバ伝送を実現するためには、歪んだ波形を整形する技術、および累積したＡＳＥ雑音を抑圧する技術が必要と考えられる。
特許文献１、２には、光リミッタ機能を利用して光信号の波形を整形する回路が記載されている。これらの特許文献に記載の回路では、光ファイバに信号光および補助光が入力される。ここで、信号光のパワーを閾値よりも大きくすることにより、四光波混合を発生させる。この四光波混合において信号光のパワーの一部が補助光に移り、信号光のパワーが低下する。これにより、光信号の「１」レベルの雑音が抑圧され、波形が整形される。
特許第３４６１１２１号 特許第３４７２１５１号

上述の特許文献１、２に記載の技術では、ある程度の波形整形効果はあるが、必ずしも十分とは言えず、改善の余地がある。
本発明の課題は、劣化した光信号の波形を効率よく整形する光波形整形装置を提供することである。

本発明の光波形整形装置は、信号光のパワーを制御する第１のパワー制御器と、前記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第２のパワー制御器と、前記第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前記第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非線形光学媒質、を有する。そして、第１のパワー制御器は、前記非線形光学媒質において前記励起光による光パラメトリック増幅の利得が飽和するように前記信号光のパワーを制御する。

信号光は、非線形光学媒質において励起光によって光パラメトリック増幅される。ところが、信号光の入力パワーを高めると、励起光のパワーが四光波混合の発生のために費やされるようになり、光パラメトリック利得が飽和する。この利得飽和により光リミッタ機能が実現され、信号光の「１」レベルの雑音が抑圧される。

上記光波形整形装置において、前記非線形光学媒質の前段または後段に過飽和吸収媒質をさらに備えるようにしてもよい。過飽和吸収媒質を設けると、信号光の「０」レベルの雑音が抑圧される。

本発明によれば、劣化した光信号の波形を効率よく整形する光波形整形装置を提供することができる。光通信システムにおいて本発明の光波形整形装置を利用すれば、通信品質の改善（例えば、光Ｓ／Ｎ比の改善）を図ることができる。

図１は、本発明の光波形整形装置の動作原理を説明する図である。図１において、非線形光学媒質１には、信号光および励起光（及びこれらの光波）が入力される。ここで、非線形光学媒質１に入力される信号光の波長は「λs 」である。また、この光信号の入力パワーは「Ｐs （Ｐs-in）」である。一方、励起光の波長は「λp 」であり、信号光の波長と異なっている。また、励起光の入力パワーは「Ｐp 」である。

信号光の入力パワーおよび励起光の入力パワーは、それぞれ、パワー制御器によって制御される。ここで、パワー制御器は、例えば、光アンプである。非線形光学媒質１から出力される信号光の波長は、非線形光学媒質１へ入力する信号光と変わらず、「λs 」である。非線形光学媒質１の出力側には、必要に応じて、その非線形光学媒質１の出力光から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。

非線形光学媒質１が３次、あるいは２次非線形光学媒質の場合には、非線形光学媒質１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 ）が発生する。ここでは、非線形光学媒質１が３次非線形光学媒質であるとして議論すると、信号光は、この四光波混合により、励起光の偏光方向とほぼ同じ偏光方向に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、励起光のパワーＰp が信号光のパワーＰs に比べて十分高いときは、ほぼ励起光パワーＰp の二乗に比例して増加する。ところが、信号光パワーＰs が大きくなり、励起光パワーＰp が信号光パワーＰs に比べて十分大きいとみなされない場合には、四光波混合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１内において励起光パワーＰp が減衰する「Depletion 」と呼ばれる現象が発生する。非線形光学媒質１において励起光のDepletion が発生すると、その非線形高額媒質１における光パラメトリック利得は急激に飽和（すなわち、低下）する。この結果、信号光の入力パワーを増加しても、非線形光学媒質１から出力される信号光パワーは所定のレベルよりも大きくならず、光パラメトリックアンプは、いわゆる光リミッターアンプとして動作する。光リミッターアンプにおいては、入力信号光のパワーが揺らいでいても、出力パワーは一定となる。したがって、光信号の強度が変動する強度雑音を抑圧（特に、「１」レベルの雑音を抑制）することができる光波形整形が実現される。

非線形光学媒質１は、例えば、光ファイバである。この場合、その光ファイバの零分散波長が励起光の波長λp と一致または略一致するようにしてもよい。この構成によれば、四光波混合による光パラメトリック増幅の効率が良好である。また、非線形高額媒質１として、非線形光学効果を高めた高非線形ファイバ（ＨＮＬＦ）を使用する構成が有効である。高非線形ファイバは、例えば、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光ファイバ、モードフィールドを小さく設計することにより光パワー密度を高めた光ファイバ、フォトニック結晶ファイバ等により実現される。さらに、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、あるいは量子ドット構造の半導体光アンプ等を用いることが可能である。

光パラメトリック増幅効果を持つ他のデバイス（非線形光学媒質）として、三光波混合等の２次の非線形光学効果を有効に発生させる媒質を使用してもよい。この場合、たとえば、擬似位相整合構造を有するLiNbO3導波路（PPLN）、あるいはGaAlAs素子を用いることができる。

なお、四光波混合あるいは三光波混合の発生においては、非線形光学媒質１内で信号光の位相が乱れることはない。このため、本発明の波形整形方法は、光強度変調信号だけでなく、光位相変調信号および光周波数変調信号等にも適用することが可能である。

本発明の光波形整形装置の動作をまとめる。
（１）互いに波長の異なる信号光および励起光（制御光）を非線形光学媒質に入力する。これにより、非線形光学媒質内で四光波混合あるいは三光波混合が発生し、信号光は励起光によって光パラメトリック増幅される。
（２）非線形光学媒質における光パラメトリック利得が飽和または低下するように、非線形光学媒質に入力する信号光のパワーを増加させる。これにより、光リミッタ動作が実現され、信号光の「１」レベルの揺らぎが抑圧される。
（３）信号光および励起光の偏光状態を制御することにより、或いは過飽和吸収素子を利用することにより、信号光の「０」レベルの揺らぎを抑圧する。なお、信号光の「０」レベルの揺らぎの抑圧は、本発明において必須の要素ではない。

これらの動作を行うことにより、高い効率と広い動作帯域を併せ持つ超高速光波形整形を実現することが可能である。また、光Ｓ／Ｎ比の改善を図ることができる。
次に、本発明の実施形態の光波形整形装置の動作を説明する。

図２は、本発明の実施形態の光波形整形装置の動作を説明する図である。ここでは、図１に示す非線形光学媒質１の一例として、３次非線形光学媒質である光ファイバ１１が使用されている。また、信号光Ｅs の波長は「λs 」、周波数は「ωs 」、光ファイバ１１への入力パワーは「Ｐs 」であるものとする。一方、励起信号光Ｅp の波長は「λp 」、周波数は「ωp 」、光ファイバ１１への入力パワーは「Ｐp 」であるものとする。なお、励起光は、連続（ＣＷ：Continuous Wave ）光であってもよいし、光パルス列であってもよい。

信号光Ｅs および励起光Ｅp は、光ファイバ１１に入力される。このとき、信号光および励起光は、例えば、光カプラにより結合されて光ファイバ１１に入力される。ここで、信号光Ｅs および励起光Ｅp の光波の波長配置を図３（ａ）に示す。なお、励起光波長λp は、信号光波長λs より長くてもよいし、短くてもよい。また、これらの波長差は、特に限定されるものではないが、例えば、数ｎｍ〜数十ｎｍである。

信号光Ｅs と励起光Ｅ との間の相互作用において、信号光Ｅs は、図３（ｂ）に示すように、四光波混合により、信号光Ｅs に対応するアイドラ光Ｅc （周波数：ωc ）が発生する。そして、この四光波混合において、信号光Ｅs およびアイドラ光Ｅc のパワーが増幅（光パラメトリック増幅）される。このとき、励起光Ｅp のエネルギーの一部が、信号光Ｅs およびアイドラ光Ｅc にほぼ均等に与えられる。なお、信号光、励起光、アイドラ光の周波数は、下記の関係を満足する。
ωp −ωc ＝ωs −ωp ≠０
ここで、光ファイバ１１の長さを「Ｌ」、その損失を「α」とする。また、光ファイバ１１において、すべての光波の偏光状態が等しく、完全に位相整合がとれているものとする。さらに、励起光Ｅp の入力パワーＰp(0)は、信号光Ｅs のパワーＰs およびアイドラ光Ｅc のパワーＰc と比べて十分に大きいと仮定する。ここで、「十分に大きい」とは、例えば１０倍（１０ｄＢ）以上をいうものとする。そうすると、光ファイバ１１から出力される信号光Ｅs は、およそ下記（１）式に示す利得Ｇs を得る。

なお、「φ（Ｌ）」は、非線形光位相シフトを表す。「Ｐp(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「Ａeff 」は、それぞれ、光ファイバ１１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（１）〜（３）式に示すように、光パラメトリック利得Ｇs は、非線形定数、励起光の入力パワー、相互作用長の積の二乗に比例して大きくなる。ここで、四光波混合の発生効率は、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１１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Ｅp の入力パワーが十分に大きいときは、信号光Ｅs は、励起光Ｅp 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。

上述のモデルにおいて、光ファイバ１１に入力する信号光Ｅs の入力パワーＰs を大きくし、励起光Ｅp のパワーＰp が信号光Ｅs のパワーＰs またはアイドラ光Ｅc のパワーＰc 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、光パラメトリック利得Ｇs は次第に飽和（即ち、低下）してくる。特に、励起光Ｅp のパワーＰp が四光波混合の発生のために費やされ、光ファイバ１１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、光パラメトリック利得は急速に飽和する。この利得の飽和は、上記（２）式における相互作用長の減少（すなわち、励起光の損失の増加）に起因する。

図４は、入力パワーを変化させたときの光パラメトリック利得および信号光の出力パワーを示す図である。ここでは、励起光Ｅp の入力パワーは一定であるものとする。
信号光Ｅs の入力パワーＰs-inが小さいときは、光パラメトリック利得Ｇs は一定である。また、光ファイバ１１から出力される信号光のパワーＰs-out は、入力パワーＰs-inの増加に伴って、大きくなっていく。なお、図４（ｂ）において、破線は、光パラメトリック利得がゼロであったと仮定した場合の信号光の出力パワーを示し、実線は、光パラメトリック増幅された信号光の出力パワーを示している。

信号光の入力パワーＰs-inが閾値パワーＰ1 よりも大きくなると、図４（ａ）に示すように、光パラメトリック利得Ｇs が飽和して減少してゆく。また、信号光の出力パワーＰs-out は、図４（ｂ）に示すように、破線で示される状態に近づいてゆく。

図５および図６は、利得飽和と波形整形との関係を説明する図である。図５は、信号光の入力パワーが閾値パワーＰ1 よりも小さい場合の入力信号／出力信号の波形を模式的に示している。この場合、光ファイバ１１における光パラメトリック利得は飽和していないので、信号光の出力パワーは、概ね、その信号光の入力パワーに比例する。また、入力信号光に強度雑音が付加されていると、その強度雑音も増幅されて出力されてしまう。

図６は、信号光の入力パワーが閾値パワーＰ1 よりも大きい場合の入力信号／出力信号の波形を模式的に示している。なお、図６において、破線で示す出力波形は、利得が飽和しなかったと仮定した場合の出力パワーを表している。一方、実線で示す出力波形は、利得飽和が発生した場合の出力パワーを表しており、実施形態の光波形整形装置の実際の出力波形である。

光ファイバ１１における光パラメトリック利得は、励起光がdepletion 状態となることによって飽和する。このため、信号光の出力パワーは、利得が飽和しなかったと仮定した場合と比較して、抑圧される。すなわち、光リミッタ機能が働く。このとき、信号光の「１」レベルの強度雑音も抑圧される。したがって、光ファイバ１１から出力される光信号の波形は、「１」レベルの雑音が除去され、整形される。なお、信号光の入力パワーが閾値パワーＰ1 よりも大きくなって利得が飽和した場合の出力レベルは、基本的に、信号光の入力パワーが閾値パワーＰ1 よりも小さく利得が飽和した場合の出力レベルよりも高い。

上述の現象を利用することにより、信号光の強度雑音が抑圧される。なお、光パラメトリック増幅は、励起光パワーのほぼ二乗に比例して増加する非常に効率のよい増幅方法である。このため、光パラメトリック利得を飽和させた状態で光信号を処理する構成は、一般には、好ましくないものである。特に、励起光がdepletion 状態となるような構成は、利得効率が極端に低減するので、これまでは利用されることはなかった。

これに対して、本発明の実施形態の光波形整形装置では、光リミッタ機能を実現するために、励起光のdepletion に起因する強い利得飽和を利用する構成を導入している。これにより、良好な波形整形効果が得られている。

なお、上述した特許文献１、２に記載の波形整形回路も、四光波混合を利用して光リミッタ機能を提供する。しかし、信号光を増幅するための励起光は使用されておらず、「利得の飽和」を利用するものではない。すなわち、信号光のパワーを補助光へ与えることにより信号光のパワーを低下（すなわち、リミット）するものである。このため、光リミッタ機能は弱く、「１」レベルの強度雑音を十分に抑圧できないおそれがある。

これに対して、本発明の実施形態の光波形整形装置においては、励起光を用いて信号光を増幅する構成を前提とし、その励起光のdepletion に起因する利得飽和によって光リミッタ機能を実現する。ここで、光パラメトリック利得は、上記（１）〜（３）式に示すように、相互作用長の二乗に依存する。よって、励起光がdepletion 状態になると、光パラメトリック利得が急激に低下して十分な光リミッタ機能が得られることになる。したがって、実施形態の光波形整形装置は、良好な波形整形を行うことができる。

図７は、本発明の実施形態の光波形整形装置の具体的な構成を示す図である。なお、非線形光学媒質１は、２次または３次の非線形光学媒質（χ(2) ／χ(3) ）であり、例えば、上述した光ファイバ１１により実現される。

偏光制御器２１は、入力信号光の偏光状態を制御する。また、偏光制御器２２は、励起光の偏光状態を制御する。なお、偏光制御器２１、２２は、それぞれ、偏光制御指示回路２７からの指示に従って信号光、励起光の偏光状態を制御する。また、偏光制御器２１、２２としては、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を使用することができる。

パワー制御器２３は、偏光制御器２１により偏光状態が制御された信号光のパワーを調整する。また、パワー制御器２４は、偏光制御器２２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。なお、パワー制御器２３、２４は、それぞれ、制御回路２８からの指示に従って信号光、励起光のパワーを制御する。また、パワー制御器２３、２４は、例えば、光アンプ（あるいは、光アンプと光アテネータ等との組合せ）により実現される。

モニタ回路２５は、非線形光学媒質１へ入力される信号光のパワーおよび非線形光学媒質１から出力される信号光のパワーをモニタする。なお、モニタ回路２５は、非線形光学媒質１へ入力される光信号（信号光および励起光を含む）の一部を受信することにより、非線形光学媒質１へ入力される信号光のパワーを検出する。同様に、モニタ回路２５は、非線形光学媒質１から出力される光信号（信号光および励起光を含む）の一部を受信することにより、非線形光学媒質１から出力される信号光のパワーを検出する。

比較回路２６は、信号光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１における利得を算出する。また、比較回路２６は、必要に応じて、信号光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。

偏光制御指示回路２７は、比較回路２６の出力を参照し、偏光制御器２１、２２に対して偏光状態を調整するための指示を与える。また、パワー制御指示回路２８は、比較回路２６の出力を参照し、パワー制御器２３、２４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、上記構成の光波形整形装置は、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。励起光として光パルスを生成する場合は、例えば、入力光信号から再生したクロックに同期したパルス列が生成されるようにしてもよい。また、光帯域フィルタは、例えば、信号光の波長と同じ透過周波数を持った光波長フィルタであり、非線形光学媒質１の後段に設けられる。そして光帯域フィルタは、非線形光学媒質１の出力から信号光の波長成分を抽出する。

上記構成の光波形整形装置において、偏光制御器２１、２２、パワー制御器２３、２４は、下記の手順に従って調整される。
まず、偏光制御器２１、２２の状態を調整する。ここで、信号光および励起光の偏光状態は、非線形光学媒質１において適切に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、信号光および励起光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２１、２２は、信号光および励起光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、信号光および励起光の偏光方向が互いに所定の角度だけ異なるような異なる偏光方向に制御してもよい。

続いて、パワー制御指示回路２８がパワー制御器２４の状態を調整する。すなわち、非線形光学媒質１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。このとき、信号光の入力パワーは小さく、励起光のパワーはその信号光の入力パワーと比較して十分に大きいものとする。具体的には、例えば、光パラメトリック利得が概ね上述した（１）式に従う状態を想定する。

この後、非線形光学媒質１における光パラメトリック利得をモニタしながら、信号光の入力パワーを増加させていく。ここで、信号光の入力パワーが図４（ａ）に示す閾値パワーＰ1 よりも小さいうちは、光パラメトリック利得は概ね一定である。しかし、信号光の入力パワーをさらに増加させ、閾値パワーＰ1 よりも大きくなると、光パラメトリック利得は飽和して低下していく。そして、パワー制御回路２８は、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２３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）のレベルに依存する。例えば、入力信号光の波形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、入力信号光の波形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。

また、信号光の入力パワーの調整は、非線形光学媒質１から出力される励起光のパワーに基づいて行うこともできる。すなわち、本発明の波形整形のための光リミッタ機能は、励起光がdepletion 状態になったときに実現される。よって、励起光の入力パワーを一定の値に保持しながら信号光の入力パワーを増加させる過程で、非線形光学媒質１から出力される励起光のパワーの低下をモニタすれば、光パラメトリック利得をモニタする場合と同様に波形整形を行うことができる。

以下では、本発明の実施形態の光波形整形装置の様々な使用形態を示す。
＜第１の実施例＞
第１の実施例では、本発明の光波形整形装置は、増幅機能を持った光スイッチに適用される。この光スイッチは、例えば、図７に示す光波形整形装置の非線形光学媒質１の後段に偏光子を設けることにより実現される。

図８は、第１の実施例の光スイッチの動作を説明する図である。以下の説明では、信号光Ｅs （波長：λs 、ピークパワー：Ｐs ）および励起光としての制御パルスＥp （波長：λp 、ピークパワー：Ｐp ）が非線形光学媒質としての光ファイバ（ＨＮＬＦ）３１に入力されるものとする。

光ファイバ３１の後段には、偏光子３２が設けられている。よって、光ファイバ３１から出力される光信号は、偏光子３２の偏光主軸の方向の直線偏光成分のみが透過する。
信号光Ｅs の偏光状態は、光ファイバ３１の入力側において、図８（ａ）に示すように、偏光子３２の偏光主軸に直交するように制御される。そうすると、制御光パルスＥp が存在しない時間領域では、図８（ｂ）に示すように、光ファイバ３１において信号光Ｅs の偏波状態は変化しない。この場合、光ファイバ３１から出力される信号光Ｅs の偏光方向は、偏光子３２の偏光主軸に直交している。よって、この場合、信号光Ｅs は偏光子３２により遮断される。

制御光パルスＥp の偏光方向は、図８（ｂ）及び図８（ｃ）に示すように、信号光Ｅs の偏光方向に対して４０〜５０度（望ましくは、約４５度）傾斜した直線偏光となるように制御される。この場合、制御光パルスＥp が存在する時間領域では、信号光Ｅs の偏光状態は、光ファイバ３１において制御光パルスＥp の影響を受けて変化する。ここで、制御光パルスＥp のピークパワーＰp が信号光Ｅs のパワーＰs に対して十分に大きいものとする。そうすると、信号光Ｅs は、光ファイバ３１において制御光パルスＥp の偏光方向に光パラメトリック増幅される。即ち、光ファイバ３１から出力される信号光Ｅs は、偏光子３２の偏光主軸方向に大きな偏光成分を含んでいる。よって、制御光パルスＥp が存在する時間領域では、信号光Ｅs の一部の成分が偏光子３２を透過する。このように、信号光Ｅs は、制御光パルスＥp が存在するか否かに応じてスイッチされる。

なお、四光波混合（光パラメトリック増幅）は、励起光パルスと同じ偏光成分の信号光に対して選択的に発生する。このため、励起光パワーがある程度大きくなると、信号光の偏光状態は、励起光パルスと同じ４５度方向に近づいてゆく。

上記構成の光スイッチにおいては、波長変換なしで光信号のＯＮ／ＯＦＦスイッチが可能である。また、偏光子３２により「ＯＦＦ（ゼロ）」レベルが十分に低い値にまで遮断されると共に、光パラメトリック増幅効果より「ＯＮ（１）」レベルが大きな利得を持って出力される。これにより、３０ｄＢ以上の高い消光比および良好な光Ｓ／Ｎ比を有する高性能の光スイッチが実現される。また、上記光スイッチは、励起光の偏光方向が信号光の偏光方向に対して４５度傾斜しているので、偏光子３２において必然的に３ｄＢの損失が発生するが、光パラメトリック利得をこの損失よりも大きくすることにより、実質的に利得を持った光スイッチングが可能になる。よって、信号光の入力パワーを閾値パワーよりも大きくして光パラメトリック利得を強く飽和させることにより、ＯＮレベルの強度雑音を抑圧する波形整形が可能となる。さらに、ＯＦＦレベルの揺らぎや雑音も偏光子３２により抑圧することができるので、光２Ｒ（Regeneration, Reshaping ）効果が実現される。

なお、光ファイバ内の四光波混合の応答時間は、極めて高速（フェムト秒オーダー）なので、実施形態の光波形整形装置は、数テラｂ／ｓの超高速光信号の波形を整形することが可能である。

＜第２の実施例＞
第２の実施例の光波形整形装置は、図９に示すように、上述した波形整形装置の非線形光学媒質１の前段または後段に過飽和吸収媒質４１を備える。過飽和吸収媒質４１は、光信号のＯＦＦレベルの揺らぎを抑圧する。なお、過飽和吸収媒質４１は、例えば、半導体アンプ、マッハツェンダ干渉型光ファイバスイッチ、非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）型スイッチ等により実現される。

＜第３の実施例＞
位相変調光信号または周波数変調光信号の品質劣化の１つの原因は、光ファイバ内の非線形光学効果によって強度雑音（および、強度揺らぎ）が位相雑音に変換されることである。したがって、本発明の光波形整形装置を利用して光信号の強度雑音（および、強度揺らぎ）を抑圧することは、位相変調光信号または周波数変調光信号の品質の改善に有効である。

図１０は、光通信システムの通信装置（例えば、光受信器、光中継器）に本発明の光波形整形装置を適用した実施例である。ここでは、光ファイバ伝送路を介してＤＰＳＫ光信号が伝送されるシステムを示す。なお、ＤＰＳＫ光信号の光波長は、「λs 」であるものとする。

この通信装置においては、ＤＰＳＫ光信号および励起光が上述の非線形光学媒質１に入力される。そうすると、非線形光学媒質１において四光波混合によって波長λc のアイドラ光が生成される。ここで、ＤＰＳＫ光信号の位相情報（ゼロ／π）およびアイドラ光の位相情報（π／ゼロ）は、互いに反転している。

非線形光学媒質１から出力される光信号（ＤＰＳＫ光信号およびアイドラ光を含む）は、光スプリッタにより分岐され、光帯域フィルタ５１、５２に導かれる。光帯域フィルタ５１は、周波数成分λs を通過させる。すなわち、光帯域フィルタ５１の出力からＤＰＳＫ光信号が得られる。一方、光帯域フィルタ５２は、周波数成分λc を通過させる。すなわち、光帯域フィルタ５２の出力からアイドラ光信号が得られる。したがって、このＤＰＳＫ光信号またはアイドラ光を検波（あるいは、復調）すれば、伝送された情報を再生することができる。

なお、図１０においては、励起光としてＤＰＳＫ光信号に同期したパルス列を用いる構成を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、所望の光パラメトリック利得が得られる十分に高いパワーの連続光を励起光として用いてもよい。

＜第４の実施例＞
第３の実施例と同様の構成において、図１１に示すように、励起光としてピーク（または、トップ）が平坦な形状の光パルス列を利用してもよい。

光ファイバ内で励起光パルスのパワーを用いて四光波混合を発生させる際、入力信号光は、相互位相変調（ＸＰＭ：Cross Phase Modulation）によって光位相変調が付加される。この相互位相変調の強さは、励起光パルスのピーク強度に比例する。このため、励起光パルスが大きなピークを持つ短パルスである場合は、信号光の光位相を乱すおそれがある。そこで、第４の実施例の構成では、励起光としてトップが平坦な形状の励起光パルス列を使用する。パワーが平坦な時間領域では、相互位相変調の影響が一定に保持されるので、この結果、光位相のかく乱を抑圧できる。

＜第５の実施例＞
位相変調光信号または周波数変調光信号を受信する受信装置（または、中継器）においては、図１２に示すように、本発明の光波形整形装置の前段にその光信号を強度変調光信号（すなわち、ＯＮ／ＯＦＦ変調光信号）に変換する復調器６１を設けてもよい。この構成によれば、位相変調光信号または周波数変調光信号は、強度変調光信号に変換された後に整形される。

ＤＰＳＫ光信号を強度変調光信号に変換する復調器は、図１３（ａ）に示すように、１ビット遅延素子６２を利用して実現することができる。また、ＦＳＫ光信号を強度変調光信号に変換する復調器は、図１３（ｂ）に示すように、透過周波数ｆ1 の光帯域透過フィルタ６３−１および透過周波数ｆ2 の光帯域透過フィルタ６３−２を利用して実現することができる。なお、図１３に示すＦＳＫ光信号は、周波数ｆ1 ／ｆ2 が「１」「０」に対して割り当てられている。

なお、第１、３、４、５の実施例に記載の構成は、本特許出願と同じ出願人による特願２００５−２００５７２に詳しく記載されている。
＜第６の実施例＞
入力信号光の偏光状態に依存することなく波形を整形できる構成を図１４に示す。図１４において、入力信号光は、偏光制御器２１により任意の偏波（例えば、直線偏波、楕円偏波等）に固定される。すなわち、入力信号光の偏波の揺らぎを除去する。そして、パワー制御器２３は、任意の偏波に固定された信号光のパワーを制御する。同様に、励起光は偏光制御器２２により任意の偏波に固定され、パワー制御器２４によりそのパワーが制御される。励起光の偏波は、信号光の偏波と同じであってもよいし、異なっていてもよい。なお、偏光制御器２１、２２、及びパワー制御器２３、２４の制御は、図７を参照しながら説明した手順に準ずる。ただし、この実施例では、偏光制御器２１とパワー制御器２３との間に偏光子（あるいは、ＰＢＳ（Polarizing Beam Splitter））７１が設けられている。そして、不図示の制御系が偏光子７１の出力パワーをモニタする。この構成においては、偏光子７１の出力パワーが最大となるように、偏光制御器２１を調整するようにしてもよい。

＜第７の実施例＞
第６の実施例と異なる方法で入力信号光の偏光状態に対する依存性を回避する構成を図１５に示す。この光波形整形装置は、偏波ダイバーシチを利用して入力信号光の偏光状態に対する依存性を回避する。

ＰＢＳ８１は、入力信号光を互いに直交する１組の偏波成分に分離する。１組の偏波成分は、偏光制御器８２、８３に入射される。偏光制御器８２、８３は、各偏波成分を互いに同じ方向の直線偏波に変換する。そして、偏光制御器８２、８３から出力される１組の直線偏波を光カプラ８４を用いてパワー合成し、パワー制御器２３へ導く。パワー合成においては、必要に応じて、上記１組の直線偏波のタイミングを合わせるために、時間調整のための光回路８５を設けるようにしてもよい。この光回路８５は、例えば、光遅延素子あるいはファラデー回転子により実現される。なお、偏光制御器８２、８３、２２、およびパワー制御器２３、２４の制御は、基本的に、図７を参照しながら説明した手順に準ずる。

（付記１）
信号光のパワーを制御する第１のパワー制御器と、
前記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第２のパワー制御器と、
前記第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前記第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非線形光学媒質、を有し、
前記第１のパワー制御器は、前記非線形光学媒質において前記励起光による光パラメトリック増幅の利得が飽和するように前記信号光のパワーを制御する
ことを特徴とする光波形整形装置。

（付記２）
付記１に記載の光波形整形装置であって、
前記非線形光学媒質へ入力される前記信号光の入力パワーおよび前記非線形光学媒質から出力される前記信号光の出力パワーをモニタするモニタ手段をさらに備え、
前記第１のパワー制御器は、前記信号光の入力パワーおよび出力パワーから算出される前記非線形光学媒質における利得が低下するまでその信号光のパワーを高める
ことを特徴とする光波形整形装置。

（付記３）
付記２に記載の光波形整形装置であって、
前記第２のパワー制御器は、前記励起光のパワーを制御して前記利得を所定値に設定し、
前記第１のパワー制御器は、前記第２のパワー制御器により所定値に設定された利得を低下させるように前記信号光のパワーを高める
ことを特徴とする光波形整形装置。

（付記４）
付記１に記載の光波形整形装置であって、
前記非線形光学媒質の後段に設けられる偏光子と、
前記非線形光学媒質の前段に設けられ、前記信号光の偏光方向を前記偏光子の偏光主軸に直交させる第１の偏光制御器と、
前記非線形光学媒質の前段に設けられ、前記励起光の偏光方向を前記信号光の偏光方向に対して所定角度傾斜するように制御する第２の偏光制御器、をさらに備え、
前記信号光は、前記非線形光学媒質において、前記励起光の偏光方向とほぼ同じ偏光方向に光パラメトリック増幅される
ことを特徴とする光波形整形装置。

（付記５）
付記１に記載の光波形整形装置であって、
前記非線形光学媒質の後段に前記信号光の波長成分を透過させる光帯域フィルタをさらに備える
ことを特徴とする光波形整形装置。

（付記６）
付記１に記載の光波形整形装置であって、
前記非線形光学媒質の前段または後段に過飽和吸収媒質をさらに備える
ことを特徴とする光波形整形装置。

（付記７）
付記１に記載の光波形整形装置であって、
前記信号光は、位相変調光信号または周波数変調光信号である
ことを特徴とする光波形整形装置。

（付記８）
付記７に記載の光波形整形装置であって、
前記非線形光学媒質の前段に設けられ、前記位相変調光信号または周波数変調光信号を強度変調光信号に復調する復調器をさらに備え、
その復調器から出力される強度変調光信号が前記非線形光学媒質に入力される
ことを特徴とする光波形整形装置。

（付記９）
付記１に記載の光波形整形装置であって、
前記非線形光学媒質の出力光から前記信号光と同じ波長成分またはその信号光に対応する四光波混合光の波長と同じ波長成分を抽出する光帯域フィルタをさらに備える
ことを特徴とする光波形整形装置。

（付記１０）
付記１に記載の光波形整形装置であって、
前記励起光は、トップが平坦な形状の光パルスである
ことを特徴とする光波形整形装置。

（付記１１）
付記１に記載の光波形整形装置であって、
前記非線形光学媒質は光ファイバであり、その光ファイバの平均零分散波長は前記励起光の波長と一致または略一致する
ことを特徴とする光波形整形装置。

（付記１２）
付記１１に記載の光波形整形装置であって、
前記光ファイバは、そのモードフィールドの小さな高非線形光ファイバである
ことを特徴とする光波形整形装置。

（付記１３）
付記１１に記載の光波形整形装置であって、
前記光ファイバは、そのコアにゲルマニウムまたはビスマスがドープされた高非線形光ファイバである
ことを特徴とする光波形整形装置。

（付記１４）
付記１１に記載の光波形整形装置であって、
前記光ファイバは、フォトニック結晶ファイバである
ことを特徴とする光波形整形装置。

（付記１５）
付記１に記載の光波形整形装置であって、
前記非線形光学媒質は、擬似位相整合構造を有するLiNbO3導波路である
ことを特徴とする光波形整形装置。

（付記１６）
付記１に記載の光波形整形装置であって、
前記第１のパワー制御器の前段に設けられ、前記信号光を任意の偏波に固定する第１の偏波制御器と、
前記第２のパワー制御器の前段に設けられ、前記励起光を任意の偏波に固定する第２の偏波制御器、をさらに備える
ことを特徴とする光波形整形装置。

（付記１７）
付記１に記載の光波形整形装置であって、
前記第１のパワー制御器の前段に、
信号光を互いに直交する１組の偏波成分に分離する分離手段と、
前記１組の偏波成分を互いに同じ方向の直線偏波に変換する１組の偏光制御器と、
前記１組の直線偏波を合成する光カプラ、備え、
前記光カプラから出力される信号光が前記第１のパワー制御器に入射される
ことを特徴とする光波形整形装置。

（付記１８）
光通信システムにおいて使用される光通信装置であって、
第１の光ファイバを介して入力される光信号の波形を付記１に記載の光波形整形装置を用いて整形し、第２の光ファイバへ出力する
ことを特徴とする光通信装置。

（付記１９）
非線形光学媒質に信号光およびその信号光と異なる波長を持った励起光を入力し、
前記非線形光学媒質へ入力される前記信号光の入力パワーおよび前記非線形光学媒質から出力される前記信号光の出力パワーに基づいて前記励起光による光パラメトリック増幅の利得をモニタし、
所望の利得を得るために、前記非線形光学媒質の前段において、前記励起光のパワーを調整し、
前記利得が低下するまでその信号光のパワーを高める
ことを特徴とする光波形整形方法。

本発明の光波形整形装置の動作原理を説明する図である。 本発明の実施形態の光波形整形装置の動作を説明する図である。 信号光および励起光の関係を示す図である。 入力パワーを変化させたときの光パラメトリック利得および出力パワーを示す図である。 信号光の入力パワーが閾値よりも小さい場合の入力信号／出力信号を示す図である。 信号光の入力パワーが閾値よりも大きい場合の入力信号／出力信号を示す図である。 本発明の実施形態の光波形整形装置の具体的な構成を示す図である。 第１の実施例を示す図である。 第２の実施例を示す図である。 第３の実施例を示す図である。 第４の実施例を示す図である。 第５の実施例を示す図である。 復調器の実施例である。 第６の実施例を示す図である。 第７の実施例を示す図である。

符号の説明

１ 非線形光学媒質
１１、３１ 光ファイバ
２１、２２ 偏光制御器
２３、２４ パワー制御器
２５ モニタ回路
２６ 比較回路
２７ 偏光制御指示回路
２８ パワー制御指示回路
３２ 偏光子
４１ 過飽和吸収媒質
５１、５２ 光帯域フィルタ
６１ 復調器

Claims (9)

1. 信号光のパワーを制御する第１のパワー制御器と、
   前記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第２のパワー制御器と、
   前記第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前記第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非線形光学媒質と、
   前記非線形光学媒質へ入力される前記信号光の入力パワーおよび前記非線形光学媒質から出力される前記信号光の出力パワーをモニタするモニタ手段とを備え、
   前記第１のパワー制御器は、前記非線形光学媒質において前記励起光による光パラメトリック増幅の利得が飽和するように前記信号光のパワーを制御し、
   前記第１のパワー制御器は、前記信号光の入力パワーおよび出力パワーから算出される前記非線形光学媒質における利得が低下するまでその信号光のパワーを高めることを特徴とする光波形整形装置。
2. 請求項１に記載の光波形整形装置であって、
   前記第２のパワー制御器は、前記励起光のパワーを制御して前記利得を所定値に設定し、
   前記第１のパワー制御器は、前記第２のパワー制御器により所定値に設定された利得を低下させるように前記信号光のパワーを高める
   ことを特徴とする光波形整形装置。
3. 請求項１に記載の光波形整形装置であって、
   前記非線形光学媒質の後段に設けられる偏光子と、
   前記非線形光学媒質の前段に設けられ、前記信号光の偏光方向を前記偏光子の偏光主軸に直交させる第１の偏光制御器と、
   前記非線形光学媒質の前段に設けられ、前記励起光の偏光方向を前記信号光の偏光方向に対して所定角度傾斜するように制御する第２の偏光制御器、をさらに備え、
   前記信号光は、前記非線形光学媒質において、前記励起光の偏光方向とほぼ同じ偏光方向に光パラメトリック増幅される
   ことを特徴とする光波形整形装置。
4. 請求項１に記載の光波形整形装置であって、
   前記非線形光学媒質の後段に前記信号光の波長成分を透過させる光帯域フィルタをさらに備える
   ことを特徴とする光波形整形装置。
5. 請求項１に記載の光波形整形装置であって、
   前記非線形光学媒質の前段または後段に過飽和吸収媒質をさらに備える
   ことを特徴とする光波形整形装置。
6. 請求項１に記載の光波形整形装置であって、
   前記第１のパワー制御器の前段に設けられ、前記信号光を任意の偏波に固定する第１の偏波制御器と、
   前記第２のパワー制御器の前段に設けられ、前記励起光を任意の偏波に固定する第２の偏波制御器、をさらに備える
   ことを特徴とする光波形整形装置。
7. 請求項１に記載の光波形整形装置であって、
   前記第１のパワー制御器の前段に、
   信号光を互いに直交する１組の偏波成分に分離する分離手段と、
   前記１組の偏波成分を互いに同じ方向の直線偏波に変換する１組の偏光制御器と、
   前記１組の直線偏波を合成する光カプラ、備え、
   前記光カプラから出力される信号光が前記第１のパワー制御器に入射される
   ことを特徴とする光波形整形装置。
8. 光通信システムにおいて使用される光通信装置であって、
   第１の光ファイバを介して入力される光信号の波形を請求項１に記載の光波形整形装置を用いて整形し、第２の光ファイバへ出力する
   ことを特徴とする光通信装置。
9. 信号光のパワーを制御する第１のパワー制御器と、前記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第２のパワー制御器と、前記第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前記第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非線形光学媒質と、前記非線形光学媒質へ入力される前記信号光の入力パワーおよび前記非線形光学媒質から出力される前記信号光の出力パワーをモニタするモニタ手段とを備える波形整形装置が実行する波形整形方法であって、
   前記第１のパワー制御器は、前記非線形光学媒質において前記励起光による光パラメトリック増幅の利得が飽和するように前記信号光のパワーを制御し、
   前記第１のパワー制御器は、前記信号光の入力パワーおよび出力パワーから算出される前記非線形光学媒質における利得が低下するまでその信号光のパワーを高める
   ことを特徴とする波形整形方法。