JP7188173B2

JP7188173B2 - 光通信装置、光伝送システム、波長変換器、及び光通信方法

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Publication number: JP7188173B2
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Inventors: 智行加藤
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Filing date: 2019-02-21
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Description

本発明は、光通信装置、光伝送システム、波長変換器、及び光通信方法に関する。

通信需要の増大にともなって、伝送容量の拡大が求められている。光ファイバの芯数を増やす、１波長あたりの光信号容量を増やす、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）のチャネル数を増やす等して、伝送容量の拡大が図られている。光ファイバの敷設コストが高いため、光ファイバの芯数を増やさずに伝送容量を拡大することが望ましい。伝送装置には、光信号容量とＷＤＭチャネル数を増やすことで伝送容量を増やすことが求められるが、従来の通信帯域（Ｃ帯）のみでの伝送容量の拡大には限界がある。さらなる伝送容量の拡大のためには、Ｃ帯のみならず、Ｃ帯の長波長領域（Ｌ帯）と短波長領域（Ｓ帯）を利用するのが望ましい。

Ｓ帯、Ｃ帯、及びＬ帯用の光送受信器、波長合分波器、光増幅器等をそれぞれ個別に開発すると、単一の波帯を用いた伝送装置に比べて、コストが高くなる。Ｃ帯の伝送装置を用い、波長変換を利用して通信帯域を拡張することが検討されている。

波長１５２０ｎｍ～１６２０ｎｍの範囲で、四次分散が所定の範囲にある非線形光ファイバが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。四光波混合を用いた単一励起光による波長変換（たとえば、非特許文献１参照）、及び直交二励起光と平行二励起光を用いた波長変換が知られている（たとえば、非特許文献１及び非特許文献２参照）。

特開２００７－１７９０７号公報

Shigeki Watanabe，Shinich Takeda，and Terumi Chikama，"INTERBAND WAVELENGTH CONVERSION OF 320 GB/S（32X10 GB/S）WDM SINGLE USING A POLARIZAION‐INSENSITIVE FIBER FOUR‐WAVE MIXER"SCPC’98，20‐24 September 1998．Madrid，Spain Katsumi Uesaka，et al．，"WAVELENGTH EXCHANGE IN A HIGHLY NONLINEAR DISPERSION‐SHIFTED FIBER THEORY AND EXPERIMENTS"，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，Vol．8，No．3，May/June 2002

波長変換では、波長分散による入力光と変換信号光の位相不整合と、周波数依存の偏波回転による偏波不一致により、変換効率が低下する。ＷＤＭ信号を一括して波長変換するには、広帯域で良好な波長変換特性をもつ波長変換が求められる。

本発明は、光通信において、広帯域の波長変換特性を実現して通信容量を拡大することを課題とする。

本発明の一態様では、光通信装置は、
第１の非線形光学媒質と、前記第１の非線形光学媒質と異なる光学特性を有する第２の非線形光学媒質が直列に接続されており、前記第１の非線形光学媒質に入力される入力信号光と異なる波長の変換信号光を前記第２の非線形光学媒質から出力する波長変換器、
を有する。

光通信において、広帯域の波長変換特性が実現され通信容量を拡大することができる。

波長変換をＷＤＭに適用するときの変換効率の低下を説明する図である。本発明が適用される光伝送システムの概略図である。実施形態の波長変換器の模式図である。実施形態の波長変換器の効果を説明する模式図である。波長変換器で用いる非線形光学媒質の一例を示す図である。種々の波長変換方式での本発明の効果を示す概念図である。単一励起光による波長変換での偏波回転の補償を説明する図である。直交二励起光、及び平行二励起光による波長変換での偏波クロストークの補償を説明する図である。実施形態の波長変換器の変形例を示す図である。図１０の波長変換器の効果を説明する模式図である。実施形態の波長変換器の別の変形例を示す図である。図１１の波長変換器の効果を説明する模式図である。

図１は、波長変換をＷＤＭに適用するときの波長分散と周波数依存偏波回転の影響を説明する図である。図１の（ａ）は入力信号光と変換信号光のスペクトル、図１の（ｂ）は入力信号光と変換信号光の間の位相不整合を示す図、図１の（ｃ）は、入力信号光と変換信号光の間の偏波回転量の不一致を示す。

非線形光学媒質に、入力信号光と、波長ν_Pの励起光を入射すると、非線形光学作用により、非線形光学媒質の出力光として、中心波長が（２ν_P－νi）の変換信号光を得ることができる。非線形光学媒質に十分な強度の光波が入射することで、非線形光学媒質の内部に入射電場に対して非線形な（２次以上の）分極が生じ、その分極の振動から入射光と異なる周波数成分の光波が発生する。

波長変換をＷＤＭに適用する場合、複数の波長成分を含む光を一括変換するので、広帯域の波長変換特性が求められる。

一般的に、励起光の波長ν_Pをゼロ分散波長ν₀に一致させることで、変換信号光の強度を高く維持することができる。しかし、広帯域の波長変換では、波長分散と周波数依存偏波回転により変換信号光のスペクトルが歪み、変換効率が低下する。

図１のように単一励起光の場合は、励起光波長ν_Pから遠い側の波帯端部で、入力信号光の波長分散量と変換信号光の波長分散量の相違が顕著になり、位相不整合によって変換信号光のスペクトルが劣化する。この光スペクトルの劣化によって変換効率が低下し、広帯域の変換動作が妨げられる。非線形光学媒質の内部で発生する変換信号光に十分な強度を持たせて広帯域の変換動作を行うためには、所望の帯域にわたって入力信号光と変換信号光の位相が整合している必要がある。

さらに、図１の下段に示すように、非線形光学媒質の複屈折性により、非線形光学媒質内を伝搬する光には周波数依存の偏波回転が生じる。この場合は、入力信号光と変換信号光の間の偏波の不一致により、変換効率が低下する。二励起光を用いる場合は、２つの励起光の間の偏波クロストークによっても変換効率が低下する。

所定の波長帯にわたって入力信号光と変換信号光の間の位相整合を維持し、偏波回転を低減することができれば、広帯域かつ高効率の波長変換が実現される。

実施形態では、波長分散による位相不整合と、周波数依存偏波回転の少なくとも一方が低減された非線形光学媒質を用いる。具体的には、符号の異なる、または互いに異なる特性をもつ非線形光学媒質を組み合わせることで、波長変換時の波長分散と周波数依存偏波回転の少なくとも一方を補償する。

符号の異なる特性の組み合わせの例として、ストークス空間上で波長に依存して右回りに偏波が回転する非線形光学媒質と、左回りに偏波が回転する非線形光学媒質の組み合わせ、正の４次分散値をもつ非線形光学媒質と、負の４次分散値をもつ非線形光学媒質の組み合わせ、正の３次分散値をもつ非線形光学媒質と、負の３次分散値をもつ線形光学媒質を組み合わせ、等がある。これらの組み合わせのうち、２つ以上の組み合わせをさらに組み合わせてもよい。たとえば、右回りと左回りの偏波回転の非線形光学媒質の組と、正の４次分散値と負の４次分散値をもつ非線形光学媒質の組を組み合わせる等である。

良好な構成例では、特性または符号の異なる特性の非線形光学媒質を光軸方向に交互に配置する。波長分散と周波数依存の偏波回転の少なくとも一方を補償して、周波数成分間の位相不整合と偏波不一致の少なくとも一方を低減する。これにより、広帯域の波長変換が実現される。

図２は、実施形態の伝送システム１の模式図である。伝送システム１は、送信側の光通信装置１０と、受信側の光通信装置２０と、これらの間を接続する光伝送路１８とを有する。光通信装置１０と光通信装置２０はともに、送信側と受信側の双方の機能を有し、同じ構成であるが、説明の便宜上、光通信装置１０の送信側の機能と、光通信装置２０の受信側の機能を例にとって説明する。

光通信装置１０は、第１グループに含まれる光送信器１１－Ｌ１～１１－ＬＮ_Lと、第２グループに含まれる光送信器１１－Ｃ１～１１－ＣＮ_Cと、第３グループに含まれる光送信器１１－Ｓ１～１１－ＳＮ_S（以下、適宜「光送信器１１」と総称する）を有する。これらの光送信器１１は、たとえば、光トランスポンダの電気／光変換フロントエンド回路である。複数の光送信器１１は同じ構成を有し、たとえば、Ｃ帯（１５３０～１５６５ｎｍ）の波長チャネルの信号を出力する（図中、「Ｃ帯送信器」と表記されている）。

第１グループの光送信器１１－Ｌ１～１１－ＬＮ_Lの出力光は、第１の波長合波器１２－１で合波される。第２グループの光送信器１１－ＬＣ～１１－ＣＮ_Cの出力光は、第２の波長合波器１２－２で合波される。第３グループの光送信器１１－Ｓ１～１１－ＳＮ_Sの出力光は、第３の波長合波器１２－３で合波される。第１の波長合波器１２－１～第３の波長合波器１２－３は、同じ機能と構成を有し、入力された複数の波長チャネルの信号を合波して出力する。

第１の波長合波器１２－１の出力は、第１の光増幅器１３－１で増幅される。第２の波長合波器１２－２の出力は、第２の光増幅器１３－２で増幅される。第３の波長合波器１２－３の出力は、第３の光増幅器１３－３で増幅される。第１の光増幅器１３－１～第３の光増幅器１３－３は、同じ機能と構成を有し、合波されたＣ帯の光信号を増幅する。

第１の光増幅器１３－１で増幅されたＣ帯の信号光は、第１の波長変換器３０－１で波長変換され、波長合波器１６に入力される。この例では、Ｃ帯の信号からＬ帯の信号へ一括変換される。

第３の光増幅器１３－３で増幅されたＣ帯の信号光は、第２の波長変換器３０－２で波長変換され、波長合波器１６に入力される。この例では、Ｃ帯の信号からＳ帯の信号へ一括変換される。

第２の光増幅器１３－２で増幅されたＣ帯の信号光は、波長変換を受けずにそのまま波長合波器１６に入力される。

波長合波器１６は、Ｌ帯の信号光と、Ｃ帯の信号光と、Ｓ帯の信号光を合波して、光伝送路１８に光信号を出力する。この光信号には、Ｌ帯からＳ帯までの波長チャネルが含まれており、広帯域の光通信が行われる。光信号は、光伝送路１８を伝搬して、光通信装置２０で受信される。

光通信装置２０で、受信された光信号は、波長分波器２６によって、Ｌ帯の信号光と、Ｃ帯の信号光と、Ｓ帯の信号光に分波される。Ｌ帯の信号光は、第３の波長変換器３０－３によってＣ帯の信号光に変換され、光増幅器２３－１で増幅されて、第１の波長分波器２２－１でそれぞれ異なる波長チャネルに分波される。

Ｓ帯の信号光は、第４の波長変換器３０－４によってＣ帯の信号光に変換され、光増幅器２３－３で増幅されて、第３の波長分波器２２－３でそれぞれ異なる波長チャネルに分波される。Ｃ帯の信号光は、波長変換を受けずにそのまま光増幅器２３－２で増幅され、第２の波長分波器２２－２でそれぞれ異なる波長チャネルに分波される。

光増幅器２３－１～２３－３は同じ機能と構成を有する。波長分波器２２－１～２２－３は同じ機能と構成を有し、この例では、Ｃ帯の信号光をそれぞれ異なる波長チャネルに分波する。

第１の波長分波器２２－１で分波された各信号光は、第１グループの光受信器２１－Ｌ１～２１－ＬＮ_Lに供給される。第２の波長分波器２２－２で分波された各信号光は、第２グループの光受信器２１－Ｃ１～２１－ＣＮ_Cに供給される。第３の波長分波器２２－３で分波された各信号光は、第３グループの光受信器２１－Ｓ１～２１－ＳＮ_Sに供給される。光受信器２１－Ｌ１～２１－ＬＮ_L、２１－Ｃ１～２１－ＣＮ_C、及び光受信器２１－Ｓ１～２１－ＳＮ_Sは、適宜「光受信器２１」と総称される。

光受信器２１は、たとえば、光トランスポンダの光／電気変換フロントエンド回路である。複数の光受信器２１は同じ構成を有し、たとえば、Ｃ帯（１５３０～１５６５ｎｍ）の波長チャネルの光を電気信号に変換する（図中、「Ｃ帯受信器」と表記されている）。

この伝送システムでは、個別の帯域の光部品を使わずに、共通の光送受信器、波長合分波器、光増幅器等を使用する。波長変換器３０－１～３０－４を用いることで、従来の光部品を用いて光通信帯域を拡張することができる。

図３は、実施形態の波長変換器３０の波長変換器の模式図である。波長変換器３０は、光合波器３１と、励起光源３２と、第１の非線形光学媒質３３と、第２の非線形光学媒質３４と、光フィルタ３５を有する。第１の非線形光学媒質３３と第２の非線形光学媒質３４は、互いに異なる特性、たとえば異なる符号を持つ。

中心波長がνiの信号光が光合波器３１に入力される。入力される信号光には複数の波長チャネルの光が含まれており、複数の波長チャネルの光が一括して異なる波長帯に変換される。一方、入力される信号光と異なる波長の励起光が、励起光源３２から光合波器３１に入力される。励起光と信号光は合波されて、第１の非線形光学媒質３３に入力される。信号光に含まれる各波長チャネルの光の位相と励起光の位相は、第１の非線形光学媒質３３の入射面では位相整合しているものとする。

第１の非線形光学媒質３３は、たとえば、右回り偏波回転の非線形光学媒質である。非線形光学作用により新たに生成される変換信号光は、右回りの偏波回転を受けながら第１の非線形光学媒質３３中を伝搬する。

入力信号光と、励起光と、変換信号光は、第１の非線形光学媒質３３を一定の距離進むと、第２の非線形光学媒質３４に入射する。第２の非線形光学媒質３４は、たとえば、左回り偏波回転の非線形光学媒質である。入力信号光と、励起光と、変換信号光は、左回りの偏波回転を受けながら第２の非線形光学媒質３４中を伝搬する。

第２の非線形光学媒質３４の出力光は、光フィルタ３５に入射し、入力信号光と励起光が除去されて、変換信号光だけが出力される。

図４は、図３の波長変換器３０の効果を説明する模式図である。横軸は、非線形光学媒質内の伝搬位置、すなわち第１の非線形光学媒質３３の入射面からの距離である。第１の非線形光学媒質３３と第２の非線形光学媒質３４は光軸方向に連続しており、界面の影響は無視できるものとする。

縦軸は、励起光と入力信号光の相対偏波角度である。右回り偏波回転の非線形光学媒質３３を伝搬することで、励起光と入力信号光の相対偏波角度は増大するが、左回り偏波回転の非線形光学媒質３４を伝搬することで、相対偏波角度は減少し、第２の非線形光学媒質３４の出力面で、相対偏波角度を最小にする。

これにより、偏波不一致または偏波クロストークによる変換効率の低下を抑制することができる。

図５は、非線形光学媒質３３と非線形光学媒質３４の構成例である。図５の（ａ）で、第１の非線形光学媒質３３は、応力付与型の光ファイバであり、光軸と直交する断面で、コア３３１を取り囲むクラッド３３２の円周方向の特定の位置に、応力付与部３３３が設けられている。

応力付与部３３３は、コア３３１の円周の一部に応力を与える。偏波回転は、コアの真円度に影響されるため、コア３３１の円周の特定の側に応力をかけることで、コアの断面形状の真円度を低減して偏波回転を発生させる。

図５の（ｂ）は、図５の（ａ）と同じ側から第２の非線形光学媒質３４をみたときの断面図である。第２の非線形光学媒質３４は、光軸と直交する断面で、コア３４１を取り囲むクラッド３４２の円周方向の特定の位置に、応力付与部３４３を有する。応力付与部３４３の位置は、コア３４１に対して、第１の非線形光学媒質３３３の応力付与部３３３と反対側に位置する。コア３４１の円周の一部を、第１の非線形光学媒質３３のコア３３１の歪みと反対側の位置で歪ませることで、第１の非線形光学媒質３３と反対方向に偏波回転を生じさせる。

第１の非線形光学媒質３３と第２の非線形光学媒質３４の構成は、図５の例に限定されない。たとえば、楕円コアの偏波保持ファイバのコアの表面形状を加工することで、第１の非線形光学媒質３３と第２の非線形光学媒質３４を実現してもよい。楕円コアの長軸または短軸に沿った一方の頂点の近傍で楕円の曲率をわずかに小さくして第１の非線形光学媒質３３とする。コアの楕円断面の原点に対して第１の頂点と対称の位置にある第２の頂点の近傍で、楕円面の形状を第１の頂点と同じように変えることで、第２の非線形光学媒質３４とする。楕円の円周上で原点に対して反対側の位置でコア表面の形状を同じように変えることで、右回りの偏波回転と、左回りの偏波回転を生じさせることができる。

図６は、種々の波長変換方式での本発明の効果を示す概念図である。図６の（ａ）は、単一励起光による波長変換での変換信号光のスペクトル劣化の抑制を示す。図６の（ｂ）は、直交二励起光による波長変換での変換信号光のスペクトル劣化の抑制を示す。図６の（ｃ）は、平行二励起光による波長変換での変換信号光のスペクトル劣化の抑制を示す。

図６の（ａ）～（ｃ）の変換信号光のスペクトルで、実線は、実施形態で得られる変換信号光のスペクトル、破線は、実施形態の波長変換構成を用いないときの変換信号光のスペクトルである。単一励起光を用いた波長変換では、入射信号光と同じ偏波方向の励起光を入射する。互いに異なる特性を有する第１の非線形光学媒質３３と第２の非線形光学媒質３４を組み合わせることで、励起光からΔν離れた変換信号光の端部領域でのスペクトル劣化が抑制される。

図６の（ｂ）では、ターゲットの変換信号光よりも周波数の高い第１の励起光ν_P1と、入力信号光よりも周波数の低い第２の励起光ν_P2を非線形光学媒質に入射する。第１の励起光ν_P1と第２の励起光ν_P2の偏波の方向は、互いに直交している。入射信号光の偏波の方向は、第１の励起光起光ν_P1の偏波方向と同じで、第２の励起光ν_P2の偏波方向と直交する。生成される変換信号光の偏波の方向は、入力信号光の偏波の方向と直交し、かつ第１の励起光ν_P1の偏波の方向と直交する。

この場合、波長分散または周波数依存偏波回転を補償しない構成では、変換信号光のスペクトルは、ゼロ分散波長ν₀に近い側の端部領域で劣化する。これに対し、実施形態のように、互いに逆特性の第１の非線形光学媒質３３と第２の非線形光学媒質３４を組み合わせて波長分散または周波数依存の偏波回転を補償することで、広帯域にわたって変換効率を維持することができる。

図６の（ｃ）では、ターゲットの変換信号光の中心波長の近傍の第１の励起光ν_P1と、入力信号光の中心波長の近傍の第２の励起光ν_P2を、非線形光学媒質に入射する。第１の励起光ν_P1と第２の励起光ν_P2の偏波の方向は同じである。入射信号光の偏波の方向と、第２の励起光ν_P2の偏波の方向は直交している。生成される変換信号光の偏波の方向は、入力信号光の偏波の方向と同じであり、かつ第１の励起光ν_P1の偏波の方向と直交する。

この場合、波長分散または周波数依存偏波回転を補償しない構成では、変換信号光のスペクトルは、ゼロ分散波長ν₀に近い側のスペクトル端と、遠い側のスペクトル端の両方で劣化する。これに対し、実施形態のように、互いに逆特性の第１の非線形光学媒質３３と第２の非線形光学媒質３４を組み合わせて波長分散または周波数依存偏波回転を補償することで、広帯域にわたって変換効率を維持することができる。

＜１：単一励起光による波長変換での偏波回転の補償＞
図７は、単一励起光を用いた波長変換での偏波回転による効率低下の補償を説明する図である。入力信号光の偏波の方向は、励起光ν_Pの偏波方向と同じであることが望ましい。しかし、非線形光学媒質内を伝搬する光は周波数に依存して偏波面が回転する。このときの励起光の偏波方向からの回転角はθ（ν）である。

周波数依存の偏波回転は、偏波間のＤＧＤ（Differential Group Delay：群遅延時間差）と、ＰＳＤ（Polarization State Depolarization：偏波主軸デポラリゼーション）の関数として、式（１）で定義される。

長さＬの非線形光学媒質の長手方向または光軸方向で生じる偏波回転の有無による効率比Δηは、偏波回転がある場合の単位長さ「ｌ」あたりの変換効率η_Rの積分値の、偏波回転がないときの単位長さ「ｌ」あたりの変換効率η_NRの積分値に対する比であり、式（２）で表される。

長さに比例して偏波が回転すると仮定すると、η_Rとη_NRの関係は、式（３）で表される。

ここで、θ＝ｋｌであり、出射端での回転角を表わす。「ｌ」は単位長である。

式（２）に式（３）を代入すると、式（４）が得られる。

効率比ΔηをΔη＞０．５に維持するためには、式（４）より、

となる。式（１）に式（５）を代入すると、式（６）が得られる。

たとえば、５ＴＨｚの帯域にわたって、効率比Δη＞０．５の条件で波長変換するには、式（６）にΔν＝５ＴＨｚを代入して、式（７）を満たす必要がある。

すなわち、ＰＳＤ／ＤＧＤが０．５６ｐｓよりも小さくなるように波長変換器が設計される。

これに対し、実施形態の図３の構成で、右回りの周波数依存偏波回転の非線形光学媒質３３と、左回りの周波数依存偏波回転の非線形光学媒質３４を組み合わせて、単一励起光で波長変換する場合、式（２）は式（８）に拡張される。

ここで、Ｌ１は、周波数依存の偏波回転が右回りとなる非線形光学媒質３３の長さ、Ｌ２は、周波数依存の偏波回転が左回りとなる非線形光学媒質３４の長さである。組み合わせによる非線形光学媒質のトータルの長さＬは、Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２である。

非線形光学媒質３３、及び非線形光学媒質３４で、それぞれ長さに比例して偏波回転すると仮定すると

となる。ここで、θ₁＝ｋ₁ｌ、θ₂＝ｋ₂ｌである。

式（８）に式（９）を代入すると、式（１０）が得られる。

ここでθ₁＝－θ₂＝θs／２とすると、式（１０）は式（１１）になる。

式（１１）と式（４）と比較すると、右回り周波数依存偏波回転の非線形光学媒質３３と、左回り周波数依存偏波回転の非線形光学媒質３４を組み合わせたことで、周波数依存の偏波回転を補償することができる。すなわち、従来の波長変換と比較して、単位長さあたりの偏波回転が２倍大きくても、効率比またはＰＳＤ／ＤＧＤを同程度に設定することができ、波長変換への要求が緩和される。

＜２：二励起光による波長変換での偏波回転によるクロストーク劣化の補償＞
図８の（ａ）は、直交二励起光を用いるときの偏波クロストークの補償を説明する図、図８の（ｂ）は、平行二励起光を用いるときの偏波クロストークの補償を説明する図である。直交二励起光の場合も、平行二励起光の場合も、２つの励起光の間の偏波回転による偏波クロストークが生じ、変換信号光にノイズが混入して信号品質が劣化する。

非線形光学媒質の長手方向で偏波回転が生じる２つの励起光の間の偏波回転による偏波クロストークＸＴは、式（１２）で表される。

式（１２）のクロストークＸＴは、「回転により生じる直交偏波成分の相互作用で生成される単位長さあたりの成分の効率η_ROrthの積分」と、「回転しない平行偏波成分の相互作用で生成される単位長さあたりの成分の効率η_RParaの積分」の比で表される。ここで言う直交偏波成分と平行偏波成分は、入射光の偏波と直交する成分と、平行な成分をいう。

長さに比例して偏波が回転すると仮定すると、

となる。ここで、θ＝ｋｌである。

式（１２）に式（１３）を代入すると、式（１４）が得られる。

クロストークＸＴを０．０１以下に抑えるためには、式（１５）の条件を満たす必要がある。

式（１）に式（１５）を代入すると、

となる。

たとえば、５ＴＨｚの帯域にわたって、効率比Δη＞０．５で波長変換するための条件は、二つの励起光の配置によって異なる。平行二励起光による波長変換の場合は、二つの励起光の間の周波数差が５ＴＨｚ程度になるため（図６の（ｃ）参照）、式（１６）Δν＝５ＴＨｚを代入することで、式（１７）の条件が得られる。

波長変換器を、ＰＳＤ／ＤＧＤ＜０．０８ｐｓを満たすように設計する必要がある。

直交二励起光を用いる場合は、二つの励起光の間の周波数差が５ＴＨｚの２倍の１０ＴＨｚ程度になるため（図６の（ｂ）参照）、式（１６）にΔν＝１０ＴＨｚを代入して、式（１８）の条件が得られる。

波長変換器を、ＰＳＤ／ＤＧＤ＜０．０４ｐｓを満たすように設計する必要がある。

これに対し、図３の実施形態のように、右回り周波数依存偏波回転の非線形光学媒質３３と、左回り周波数依存偏波回転の非線形光学媒質３４を組み合わせた構成で、二励起で波長変換する場合、式（１２）は、式（１９）に拡張される。

非線形光学媒質３３、及び非線形光学媒質３４で、それぞれ長さに比例して偏波回転すると仮定すると、

となる。ここで、θ₁=ｋ₁ｌ、θ₂＝ｋ₂ｌである。

式（１９）に式（２０）を代入すると、クロストークＸＴは式（２１）で表される。

θ₁＝－θ₂＝θ_d／２とすると、式（２１）は式（２２）になる。

式（２２）と式（１４）を比較すると、右回り周波数依存偏波回転の非線形光学媒質３３と、左回り周波数依存偏波回転の非線形光学媒質３４を組み合わせることで、従来構成と比較して、単位長さあたりの偏波回転が２倍大きくても、クロストークを同程度に抑えることができる。すなわち、波長変換器の設計の要求値が緩和される。

＜３：単一励起光、及び直交二励起光での波長分散による効率低下の補償＞
伝搬損失が十分に小さいとき、励起光ν_P1、励起光ν_P2、中心周波数ν_Sの信号光、中心周波数ν_Cの変換光の間の伝搬定数差Δβは、式（２３）で表される。

この伝搬定数差Δβにより長さＬの非線形光学媒質に生じる位相不整合ΔβＬに起因する効率低下、すなわち効率比Δηは、式（２４）で表される。

伝搬定数βは周波数の関数であり、ν₀周りのテイラー展開は、５次以上の項を無視すると、式（２５）で表される。

ここで、ν₀を非線形光学媒質のゼロ分散周波数（２次分散がゼロ）とする。

単一励起光の場合、励起光周波数とゼロ分散周波数を一致させると（ν₀=ν_P）、信号光の周波数ν_Sと変換光の周波数ν_Cの平均は零分散周波数に一致し（ν₀=（ν_S＋ν_C）／２）、伝搬定数差Δβは、４次の項以外は打ち消されて、式（２６）となる。

Δνの帯域を変換するとき、最も効率が低くなるのはν_S＝ν₀±Δνのときであり、式（２６）は式（２７）になる。

直交二励起光を用いた波長変換では、二つの励起光周波数の平均値とゼロ分散周波数を一致させると（ν₀＝（ν_P1+＋ν_P2）／２）、信号光の周波数ν_Sと変換光の周波数ν_Cの平均は、ゼロ分散周波数に一致し（ν₀＝（ν_S＋ν_C）／２）、伝搬定数差Δβは、４次の項以外は打ち消されて、式（２８）となる。

Δνの帯域を変換するとき、最も効率が低くなるのはν_S＝ν₀のときであり、ν_P1，2＝ν₀±Δνとなって、式（２７）と等しくなる。

単一励起光、直交二励起光のいずれにおいても、効率比Δη＞０．５に抑えるためには、周波数νによる伝搬定数βの４階微分値の絶対値は、式（２４）に式（２７）を代入して、式（２９）の条件を満たす必要がある。

たとえば、５ＴＨｚの帯域を１００ｍの非線形光学媒質で変換するためには、

を満たす必要がある。

これに対し、実施形態のように、４階微分ｄ₄β／ｄν⁴の値が正になる長さ５０ｍの非線形光学媒質と、４階微分値が負になる長さ５０ｍの非線形光学媒質を組み合わせることで、後述する通り、要求値を緩和することができる。

＜４：平行二励起光での波長分散による効率低下の補償＞
非線形光学媒質のゼロ分散周波数（2次分散がゼロ）をν₀とし、二つの励起光周波数の平均値とゼロ分散周波数を一致させると（ν₀＝（ν_P1＋ν_P2）／２、ν_P1＝ν₀－Δν／２，ν_P2＝ν₀＋Δν／２）、変換光の周波数ν_Cは、ν_C＝ν_S＋Δνとなる。Δνの帯域を変換するとき、最も効率が低くなるのはν_S＝ν₀、またはν_S=ν₀－Δνのときである。

４次微分が十分小さいとき、式（２５）より伝搬定数差Δβは、３次の項以外は打ち消されて、式（３１）となる。

効率比Δη＞０．５を維持するためには、周波数νによる伝搬定数βの３階微分値の絶対値は、式（３２）の条件を満たす必要がある。式（３２）は、式（３１）を式（２４）にを代入することで導かれる。

を満たすように波長変換器を設計する必要がある。

これに対し、実施形態のように、正負の異なる分散を持つ非線形光学媒質を組み合わせことで、以下で説明するとおり、設計の要求を緩和することができる。

すなわち、光軸方向の長さがＬ₁，伝搬定数β₁の非線形光学媒質３３と、長さＬ₂，伝搬定数β₂の非線形光学媒質３４を組み合わせる場合（Ｌ₁＋Ｌ₂＝Ｌ）、式（２４）は、式（３４）に拡張される。

ここで、Δβ＝－Δβ₂＝Δβp、Ｌ₁＝Ｌ₂＝Ｌ／２とすると、効率比Δηは、式（３５）で表される。

Δβpは、単一励起光、及び直交二励起光での波長分散の場合は４次分散のみの関数となり、平行二励起光での波長分散の場合は３次分散のみの関数となる。式（３５）を式（２４）と比較すると、実施形態のように正の分散値と負の分散値を持つ非線形光学媒質を組み合わせることで、単一の非線形光学媒質を用いる場合に比べて、要求が緩和される。具体的には、単位長さあたりの４次分散または３次分散が、それぞれ式（２９）と式（３２）よりも２倍大きくても、クロストークによる効率低下を同程度に抑えることができる。

図９は、波長変換器３０Ａの模式図である。波長変換器３０Ａは、単一励起光、及び直交二励起光による波長変換に適用され、上記で説明したように、４次分散によるスペクトル劣化を補償する。

波長変換器３０Ａは、光合波器３１と、励起光源３２と、正の４次分散値をもつ第１の非線形光学媒質１３３と、負の４次分散値をもつ第２の非線形光学媒質１３４と、光フィルタ３５を有する。第１の非線形光学媒質１３３の光軸方向の長さと、第２の非線形光学媒質１３４の光軸方向の長さは、第２の非線形光学媒質の出射面で、入射光と変換信号光の間の相対群遅延差または位相不整合が最小になるように設計されている。

正の４次分散値の非線形光学媒質１３３と、負の４次分散値の非線形光学媒質１３４の配置順序は逆でもよい。また、２組以上の非線形光学媒質を用いて、４次分散値が正、負、正、負と交互になるように配置してもよい。

この波長変換器３０Ａでは、単一の非線形光学媒質を用いるときと比較して、同じ効率比（または効率低下）で２倍の大きさの４次分散まで許容可能である。

図１０は、図９の波長変換器３０Ａの効果を説明する図である。横軸は、非線形光学媒質内の伝搬位置、すなわち第１の非線形光学媒質１３３の入射面からの距離である。第１の非線形光学媒質１３３と第２の非線形光学媒質１３４は光軸方向に連続しており、界面の影響は無視できるものとする。

縦軸は、入力信号光と変換信号光の間の相対群遅延差である。第１の非線形光学媒質１３３内の伝搬につれ、４次分散の影響を受けて相対群遅延差が大きくなり、入力信号光と変換信号光の間の位相ずれが大きくなる。しかし、逆符号の４次分散値を持つ第２の非線形光学媒質１３４を伝搬することで、相対群遅延差は減少し、第２の非線形光学媒質１３４の出力面では相対群遅延差は最小になる。

これにより、光波間の位相不整合による変換効率の低下を抑制することができる。

図１１は、波長変換器３０Ｂの模式図である。波長変換器３０Ｂは、平行二励起光による波長変換に適用され、上記で説明したように、３次分散によるスペクトル劣化を補償する。

波長変換器３０Ｂは、光合波器３１と、励起光源３２と、正の３次分散値をもつ第１の非線形光学媒質２３３と、負の３次分散値をもつ第２の非線形光学媒質２３４と、光フィルタ３５を有する。第１の非線形光学媒質２３３の光軸方向の長さと、第２の非線形光学媒質２３４の光軸方向の長さは、第２の非線形光学媒質の出射面で、入射光と変換信号光の間の相対群遅延差または位相不整合が最小になるように設計されている。

正の３次分散値の非線形光学媒質２３３と、負の３次分散値の非線形光学媒質２３４の配置順序は逆でもよい。また、２組以上の非線形光学媒質を用いて、３次分散値が正、負、正、負と交互になるように配置してもよい。

この波長変換器３０Ｂでは、単一の非線形光学媒質を用いるときと比較して、同じ効率比（または効率低下）で２倍の大きさの３次分散まで許容可能である。

図１２は、図１１の波長変換器３０Ｂの効果を説明する図である。横軸は、非線形光学媒質内の伝搬位置、すなわち第１の非線形光学媒質２３３の入射面からの距離である。第１の非線形光学媒質２３３と第２の非線形光学媒質２３４は光軸方向に連続しており、界面の影響は無視できるものとする。

縦軸は、入力信号光と変換信号光の間の相対群遅延差である。第１の非線形光学媒質２３３内の伝搬につれ、３次分散の影響を受けて相対群遅延差が大きくなり、入力信号光と変換信号光の間の位相ずれが大きくなる。しかし、逆符号の３次分散値を持つ第２の非線形光学媒質２３４を伝搬することで、相対群遅延差は減少し、第２の非線形光学媒質２３４の出力面では相対群遅延差は最小になる。

波長変換器３０、３０Ａ，３０Ｂのいずれも、図２の光通信装置１０及び２０に適用可能である。励起光の波長ν_Pを制御することで、入力信号光を所望の波長帯域（Ｌ帯、Ｓ帯など）に変換することができる。光通信装置１０及び２０では、符号または特性が互いに異なる非線形光学媒質を組み合わせることで、分散特性による位相不整合と、複屈折特性による周波数依存偏波回転の少なくとも一方が補償され、広帯域で波長変換効率を維持することができる。

本発明の波長変換は、和周波または差周波の発生、高調波発生、光パラメトリック発振等を含む光パラメトリック増幅一般を含むものである。したがって、特許請求の範囲で「波長変換器」という場合は、和周波発生器、差周波発生器、高調波発生器、光パラメトリック発振器、光パラメトリック増幅器などを含む。

本発明を光パラメトリック増幅器等に適用する場合も、互いに逆（または符号の異なる）光学特性を有する第１の非線形光学媒質と第２の非線形光学媒質を組み合わせる。第１の非線形光学媒質に、第１の波長の励起光と、第２の光の励起光と、第３の波長の信号光を入力して、第４の波長のアイドラ光を発生させる。

第１の非線形光学媒質の光軸方向の長さ（Ｌ１）と、第２の非線形光学媒質の光軸方向の長さ（Ｌ２）は、第２の非線形光学媒質の出射面で、変換信号光の前記入力信号光に対する相対群遅延差（または位相不整合）と、前記入力信号光と前記励起光の間の相対偏波角度の少なくとも一方が最小化されるように設計されている。

単一励起光による波長変換または光パラメトリック増幅は、四光波混合において、第１の励起光と第２の励起光の波長または周波数が等しい場合と考えてよい。励起光源は、波長変換器または光パラメトリック増幅器の外部の光源であってもよい。外部光源からたとえば光ファイバ等の光導波路によって励起光を第１の非線形光学媒質に入射してもよい。

以上の説明に対し、以下の付記を提示する。
（付記１）
第１の非線形光学媒質と、前記第１の非線形光学媒質と異なる光学特性を有する第２の非線形光学媒質が直列に接続されており、前記第１の非線形光学媒質に入力される入力信号光と異なる波長の変換信号光を前記第２の非線形光学媒質から出力する波長変換器、
を有する光通信装置。
（付記２）
前記第１の非線形光学媒質は、前記第１の非線形光学媒質を伝搬する光波の周波数に依存して第１の方向に偏波回転を生じさせ、
前記第２の非線形光学媒質は、前記周波数に依存して前記第１の方向と反対の第２の方向に偏波回転を生じさせることを特徴とする付記１に記載の光通信装置。
（付記３）
前記第１の非線形光学媒質で、伝搬定数(β)の周波数(ν)に関する４階微分値は第１の符号を有し、
前記第２の非線形光学媒質で、前記４階微分値は前記第１の符号と異なる第２の符号を有することを特徴とする付記１に記載の光通信装置。
（付記４）
前記第１の非線形光学媒質で、伝搬定数(β)の周波数(ν)に関する３階微分値は第１の符号を有し、
前記第２の非線形光学媒質で、前記３階微分値は前記第１の符号と異なる第２の符号を有することを特徴とする付記１に記載の光通信装置。
（付記５）
前記第１の非線形光学媒質の光軸方向の長さと、前記第２の非線形光学媒質の前記光軸方向の長さは、前記第２の非線形光学媒質の出射面で、前記変換信号光の前記入力信号光に対する相対群遅延差と、前記第１の非線形光学媒質に入力される励起光と前記入力信号光の間の相対偏波角度の少なくとも一方が最小化されるように設定されている、
ことを特徴とする付記１～４のいずれかに記載の光通信装置。
（付記６）
前記第１の非線形光学媒質は、コア断面の第１方向に応力が付与される第１の応力付与ファイバであり、前記第２の非線形光学媒質は、前記コア断面の前記第１方向と逆方向の第２方向に応力が付与される第２の応力付与ファイバであることを特徴とする付記２に記載の光通信装置。
（付記７）
前記波長変換器は、複数波長を含む第１の波帯の信号を、前記第１の波帯と異なる第２の波帯の信号に変換し、
前記通信装置は、前記第１の波帯の信号と、前記第２の波帯の信号を合波して光伝送路に出力する合波器、
を有することを特徴とする付記１～６のいずれかに記載の光通信装置。
（付記８）
光伝送路から受信した信号光を第１の波帯と第２の波帯に分波する分波器と、
前記第２の波帯の信号光を、前記第１の波帯に変換する第２の波長変換器と、
を有することを特徴とする付記１～６のいずれかに記載の光通信装置。
（付記９）
第１の非線形光学媒質と、前記第１の非線形光学媒質と異なる光学特性を有する第２の非線形光学媒質とが直列に接続されて、前記第１の非線形光学媒質に入力される入力信号光と異なる波長の変換信号光を前記第２の非線形光学媒質から出力する波長変換器、を備える第１の光通信装置と、
前記変換信号光を光伝送路から受信する第２の光通信装置と、
を有し、
前記第２の光通信装置は、前記変換信号光を前記入力信号光の波長に変換する第２の波長変換器を有することを特徴とする伝送システム。
（付記１０）
第１の非線形光学媒質と、
前記第１の非線形光学媒質と異なる光学特性を有する第２の非線形光学媒質と、
を有し、
前記第１の非線形光学媒質に入力される第１波長の入力信号光と、前記第１波長と異なる第２波長の励起光とから、第３波長のアイドラ光を発生させ、前記第２の非線形光学媒質から前記アイドラ光を出力する波長変換器。
（付記１１）
前記第１の非線形光学媒質は、前記第１の非線形光学媒質を伝搬する光波の周波数に依存して第１の方向に偏波回転を生じさせ、
前記第２の非線形光学媒質は、前記周波数に依存して前記第１の方向と反対の第２の方向に偏波回転を生じさせることを特徴とする付記１０に記載の波長変換器。
（付記１２）
前記第１の非線形光学媒質で、伝搬定数の周波数に関する４階微分値は第１の符号を有し、
前記第２の非線形光学媒質で、前記４階微分値は前記第１の符号と異なる第２の符号を有することを特徴とする付記１０に記載の波長変換器。
（付記１３）
前記第１の非線形光学媒質で、伝搬定数(β)の周波数(ν)に関する３階微分値は第１の符号を有し、
前記第２の非線形光学媒質で、前記３階微分値は前記第１の符号と異なる第２の符号を有することを特徴とする付記１０に記載の波長変換器。
（付記１４）
前記第１の非線形光学媒質の光軸方向の長さと、前記第２の非線形光学媒質の前記光軸方向の長さは、前記第２の非線形光学媒質の出射面で、前記アイドラ光の前記入力信号光に対する相対群遅延差と、前記入力信号光と前記励起光の間の相対偏波角度の少なくとも一方が最小化されるように設定されている、ことを特徴とする付記１０～１３のいずれかに記載の波長変換器。
（付記１５）
第１の非線形光学媒質と、前記第１の非線形光学媒質と異なる光学特性を有する第２の非線形光学媒質とが直列に接続されている波長変換器に、第１波長の入力信号光と、前記第１波長と異なる第２波長の励起光を入射して、前記第１波長及び前記第２波長と異なる第３波長の変換信号光を生成し、
前記第２の非線形光学媒質から出力される前記変換信号光を光伝送路に出力する、
ことを特徴とする光通信方法。
（付記１６）
前記第１の非線形光学媒質で、前記第１の非線形光学媒質を伝搬する光波に周波数に依存して第１の方向に偏波回転を生じさせ、
前記第２の非線形光学媒質で、前記周波数に依存して前記第１の方向と反対の第２の方向に偏波回転を生じさせることを特徴とする付記１５に記載の光通信方法。
（付記１７）
前記第１の非線形光学媒質を、伝搬定数の周波数に関する４階微分値が第１の符号を有するように設計し、
前記第２の非線形光学媒質を、前記４階微分値は前記第１の符号と異なる第２の符号を有するように設計することを特徴とする付記１５に記載の光通信方法。
（付記１８）
前記第１の非線形光学媒質を、伝搬定数の周波数に関する３階微分値が第１の符号を有するように設計し、
前記第２の非線形光学媒質を、前記３階微分値が前記第１の符号と異なる第２の符号を有するように設計することを特徴とする付記１５に記載の光通信方法。
（付記１９）
前記第１の非線形光学媒質の光軸方向の長さと、前記第２の非線形光学媒質の前記光軸方向の長さを、前記第２の非線形光学媒質の出射面で、前記変換信号光の前記入力信号光に対する相対群遅延差と、前記入力信号光と前記励起光の間の相対偏波角度の少なくとも一方を最小化する長さに設定する、ことを特徴とする付記１５～１８のいずれかに記載の光通信方法。

１伝送システム
１０、２０光通信装置
１２－１～１２－３波長合波器
１６波長合波器
２２－１～２２－３波長分波器
２６波長分波器
３０、３０Ａ、３０Ｂ波長変換器
３１光合波器
３２励起光源
３３、１３３、２３３第１の非線形光学媒質
３４、１３４、２３４第２の非線形光学媒質

Claims

第１の非線形光学媒質と、前記第１の非線形光学媒質と異なる光学特性を有する第２の非線形光学媒質が直列に接続されており、前記第１の非線形光学媒質に入力される入力信号光と異なる波長の変換信号光を前記第２の非線形光学媒質から出力する波長変換器、
を有し、
前記第１の非線形光学媒質は、前記第１の非線形光学媒質を伝搬する光波の周波数に依存して第１の方向に偏波回転を生じさせ、
前記第２の非線形光学媒質は、前記周波数に依存して前記第１の方向と反対の第２の方向に偏波回転を生じさせることを特徴とする光通信装置。
前記第１の非線形光学媒質で、伝搬定数の周波数に関する４階微分値は第１の符号を有し、
前記第２の非線形光学媒質で、前記４階微分値は前記第１の符号と異なる第２の符号を有することを特徴とする請求項１に記載の光通信装置。
前記第１の非線形光学媒質で、伝搬定数の周波数に関する３階微分値は第１の符号を有し、
前記第２の非線形光学媒質で、前記３階微分値は前記第１の符号と異なる第２の符号を有することを特徴とする請求項１に記載の光通信装置。
前記第１の非線形光学媒質の光軸方向の長さと、前記第２の非線形光学媒質の前記光軸方向の長さは、前記第２の非線形光学媒質の出射面で、前記変換信号光の前記入力信号光に対する相対群遅延差と、前記第１の非線形光学媒質に入力される励起光と前記入力信号光の間の相対偏波角度の少なくとも一方が最小化されるように設定されている、
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の光通信装置。
第１の非線形光学媒質と、前記第１の非線形光学媒質と異なる光学特性を有する第２の非線形光学媒質とが直列に接続されて、前記第１の非線形光学媒質に入力される入力信号光と異なる波長の変換信号光を前記第２の非線形光学媒質から出力する波長変換器、を備える第１の光通信装置と、
前記変換信号光を光伝送路から受信する第２の光通信装置と、
を有し、
前記第２の光通信装置は、前記変換信号光を前記入力信号光の波長に変換する第２の波長変換器を有し、
前記第１の非線形光学媒質は、前記第１の非線形光学媒質を伝搬する光波の周波数に依存して第１の方向に偏波回転を生じさせ、
前記第２の非線形光学媒質は、前記周波数に依存して前記第１の方向と反対の第２の方向に偏波回転を生じさせることを特徴とする伝送システム。
第１の非線形光学媒質と、
前記第１の非線形光学媒質と異なる光学特性を有する第２の非線形光学媒質と、
を有し、
前記第１の非線形光学媒質に入力される第１波長の入力信号光と、前記第１波長と異なる第２波長の励起光とから、第３波長のアイドラ光を発生させ、前記第２の非線形光学媒質から前記アイドラ光を出力し、
前記第１の非線形光学媒質は、前記第１の非線形光学媒質を伝搬する光波の周波数に依存して第１の方向に偏波回転を生じさせ、
前記第２の非線形光学媒質は、前記周波数に依存して前記第１の方向と反対の第２の方向に偏波回転を生じさせることを特徴とする波長変換器。
第１の非線形光学媒質と、前記第１の非線形光学媒質と異なる光学特性を有する第２の非線形光学媒質とが直列に接続されている波長変換器に、第１波長の入力信号光と、前記第１波長と異なる第２波長の励起光を入射して、前記第１波長及び前記第２波長と異なる第３波長の変換信号光を生成し、
前記第１の非線形光学媒質は、前記第１の非線形光学媒質を伝搬する光波の周波数に依存して第１の方向に偏波回転を生じさせ、
前記第２の非線形光学媒質は、前記周波数に依存して前記第１の方向と反対の第２の方向に偏波回転を生じさせ、
前記第２の非線形光学媒質から出力される前記変換信号光を光伝送路に出力する、
ことを特徴とする光通信方法。