JP3787617B2 - リングレーザを用いた四光波混合装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、リング構成のモード同期レーザ中でおこる利得媒質中の四光波混合現象を利用した装置で、特に光分割多重分離装置、光サンプリング装置、あるいは光波長変換装置としたリングレーザを用いた四光波混合装置に関している。
【０００２】
【従来の技術】
複数の光源からの光を、非線形応答を示す光媒質に通した時に起こる四光波混合現象を利用した装置は、既にいくつか知られている。
【０００３】
例えば、文献１（S.Kawanishi, T.Morioka, O.Kamatani, H.Takara, J.M.Jacob, and M.Saruwatari, “100Gbit/s all-optical demultiplexing using four-wave mixing in a traveling wave laser diode amplifier,” Electron. Lett., vol.30, no.12, pp.981-982, Jun. 9, 1994.、（S.カワニシ、T.モリオカ、O.カマタニ、H.タカラ、J.M.ヤコブ、M.サルワタリ、「進行波型レーザーダイオード増幅器似おける四波混合を用いた100Gbit/s全光学式デマルチプレクシング」、Electron. Lett.、30巻、NO.12、981-982頁、1994年6月9日））には、図７（ａ）に示すように、入力光とクロック光発生装置からの光との２つの光源からの光を同時にひとつの多重化分離（DEMUX）である素子進行波型レーザダイオード増幅器に通して四光波混合を行うことにより、分割多重化された光信号を分離する多重化分離装置が記載されている。この装置で、２つの光源のひとつが変調された光信号であり、他の一つが、モードロックEDF （エルビウムをドープしたファイバレーザ）からの光パルスである。
【０００４】
図７（ａ）に示す装置では、図７（ｂ）に示す入力光にたいして、点線で示す様にクロック光が一致した時にのみ、四光波混合光が出力されることを用いて、多重化分離を行うものである。
【０００５】
この多重化分離装置では、多重化分離（DEMUX）素子は、被多重化分離（DEMUX）信号光（入力）から時間的に決まった繰り返し（クロック）の信号光を抜き出す（スイッチする）操作をおこなうものであり、この方式では、DEMUX素子とクロック光発生器が必要であった。この構成では、まだ簡素化の余地があった。
【０００６】
また、特開平９−３３９６７号公報には、波長フィルタ等の波長分離手段を用いずに、四光波混合光（波長変換光、位相共役光）を信号光および励起光から分離して取り出すことができる四光波混合光発生回路およびそれを用いた光回路が開示されている。これは、２×２の光分岐結合器の第３ポートと光非線形媒質とを所定の長さと伝搬定数を有する分散性媒質で接続し、第４ポートと光非線形媒質とを所定の長さと伝搬定数を有する分散性媒質で接続し、信号光Ｓ（キャリア角周波数ωS ）と励起光Ｐ1,Ｐ2 （キャリア角周波数ωP1, ωP2）を光分岐結合器の第１ポートから入射し、第２ポートから光非線形媒質で発生した四光波混合光（キャリア角周波数ωf ＝ωP1＋ωP2−ωS ）を取り出すものである。
【０００７】
ここで開示された光回路は、上記の装置と同様に、信号光と励起光が必要であり、励起光の発生には、独立した発生装置が用いられたため、この構成では、まだ簡素化の余地があった。
【０００８】
また、文献２（荒平慎、加藤幸雄、小川洋、“モード同期DBRレーザにおける四光波混合も用いた波長変換実験”、平成13年度春季応物予稿集、29a-ZV-8、p.1173、2001.）には、図８（ａ）に示す様に、１つの光源からの光をファブリー・ペロー型のモード同期分布帰還型（DBR）レーザに通して、このレーザで発生した光パルスとの四光波混合を行う波長変換装置が記載されている。この装置においては、信号光（波長＝λｓ）に対して、四光波混合（ＦＷＭ）光（波長＝λFWM）とモード同期光（波長＝λｐ）および信号光（波長＝λｓ）が出力される。
【０００９】
この装置に於いては、上記の文献１の装置と比べて、構成部品がすくない、という特徴がある。しかし、モノリシック構造のため、一体型なので共振器長を制御することが難しく、分離周波数の調整が困難である、あるいは、発振波長の調整が困難であるという欠点がある。発振波長を変えられない場合は、発振波長に一致または近い信号光を分離できない、ということが起こる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記で説明したように、上記した従来の四光波混合現象を利用した装置では、信号光と励起光が必要であり、励起光を発生するためには、励起光の発生装置が用いられたため、この構成では、まだ簡素化の余地があり、また適用できる周波数に制限があった。
【００１１】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、従来の構成に比べて簡単な構成で、用いる波長を容易に変えることのできるリングレーザを用いた四光波混合装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、レーザ共振器中の利得媒質のもつ非線形応答特性を用いて四光波混合を行うことにより、従来レーザ発振器と非線形素子とが用いられてきた構成を簡素化するものであり、本発明は、（１）ループ状の光路の外部から分割多重化された光パルス信号を入力する第１の入力端と、ループ状の光路を形成する第２の入力端と、上記のループ状の光路へ出力する出力端を持った第１の光結合器と、（２）第１の光結合器からの出力光を増幅する光増幅器と、（３）該光増幅器の出力光を受け、ループ状光路の外部に向かう光路と、第１の光結合器に向かう光路とに分岐する光分岐器として 用いられる第２の光結合器と、（４）上記の第２の光結合器から第１の光結合器とを結ぶ光路上に配置され発振波長を選択する第１のフィルタと、（５）上記のループ状の光路と上記の光増幅器とを用いてレーザパルス光を発生させる手段と、（６）上記のループ状の光路と上記の光増幅器とを用いて発生させるレーザパルス光の繰り返し周波数を変える可変光遅延器と、
第２の光結合器から第１の光結合器に向かう光路上に配置した、モード同期レーザとして動作させるための光変調器と、繰り返し周波数を可変とするための可変光遅延器と、
を備え、
（７）第１の光結合器の第１の入力端に入力した光信号と、上記のループ状の光路で生成したレーザパルス光とを上記の光増幅器で混合して第２の光結合器から光波混合して分離された光信号を送出することを特徴としている。
【００１３】
また、上記の構成では、目的とする四光波混合光の他の光も含まれているが、四光波混合光のみを選択するために、本発明は、（１）ループ状の光路の外部からレーザパルス光を入力する第１の入力端と、ループ状の光路を形成する第２の入力端と、上記のループ状の光路へ出力する出力端を持った第１の光結合器と、（２）第１の光結合器からの出力光を増幅する光増幅器と、（３）該光増幅器の出力光を受け、ループ状光路の外部に向かう光路と、第１の光結合器に向かう光路とに分岐する光分岐器として用いられる第２の光結合器と、（４）上記の第２の光結合器から第１の光結合器とを結ぶ光路上に配置され発振する発振波長を選択する第１のフィルタと、（５）上記のループ状の光路と上記の光増幅器とを用いてレーザパルス光を発生させる手段と、（６）上記のループ状の光路と上記の光増幅器とを用いて発生させるレーザパルス光の繰り返し周波数を変える可変光遅延器と、
第２の光結合器から第１の光結合器に向かう光路上に配置した、モード同期レーザとして動作させるための光変調器と、繰り返し周波数を可変とするための可変光遅延器と、
を備え、
（７）第１の光結合器の第１の入力端に入力した光信号と、上記のループ状の光路で生成したレーザ発振光とを上記の光増幅器で光波混合して第２の光結合器から上記の光波混合により発生した波長変換信号光を選択する第２の光フィルタを経て波長変換された光信号を送出することを特徴としている。
【００１４】
また、本発明は、光分割多重分離装置を構成するために、上記の構成に加えて、第１の光結合器と、光増幅器と、第２の光結合器と、第２の光結合器から第１の光結合器にいたる光路と、前記の光路上に配置された第１の光フィルタ、光遅延器、および光変調器とによるループ状の光路でモード同期レーザが構成され、
第１の光結合器にループ状の光路の外部から入力された第１の光パルス信号と、上記のモード同期レーザにより生成された第２の光パルス信号とを、上記の光増幅器において重ね合わせて四光波混合光を発生しこれを出力して、第２のパルス信号に一致した第１のパルス信号の四光波混合光を選択することにより、光分割多重分離装置として動作することを特徴としている。
【００１５】
また、本発明は、光サンプリング装置を構成するために、上記の構成に加えて、第１の光結合器と、光増幅器と、第２の光結合器と、第２の光結合器から第１の光結合器にいたる光路と、前記の光路上に配置された第１の光フィルタ、光遅延器、および光変調器とによるループ状の光路でモード同期レーザが構成され、
第１の光結合器には被測定光である繰返し信号が入力され、上記の光変調器には被測定光の繰り返し周波数より低い周波数の変調信号が加えられることで低周波数でモード同期パルスが出力され、上記の光増幅器中でこの低周波数のモード同期パルスと入力信号との四光波混合を起こし、前記の四光波混合光信号を電気信号に変換し、該電気信号の強度を表示することにより、変調信号の変化分に対する第１の光結合器に入力された繰り返し信号の分布を描写する光サンプリング装置として動作することを特徴としている。
【００１６】
また、本発明は、光周波数変換 装置を構成するために、上記の構成に加えて、第１の光結合器と、光増幅器と、第２の光結合器と、第２の光結合器から第１の光結合器にいたる光路と、前記の光路上に配置された第１の光フィルタ、光遅延器、および光変調器とによるループ状の光路でモード同期レーザが構成され、
第１の光結合器の第１の入力端には繰返し信号が入力され、前記の繰返し信号に同期した信号を上記の光変調器に入力して、入力された信号とモード同期レーザ光との４光波混合光を出力する光周波数変換装置として動作することを特徴としている。
【００１７】
また、本発明は、モード同期レーザの発振条件を満たすために、上記の構成に加えて、前記第１の入力端に入力した繰返し信号の周波数に応じて光遅延器を調整して上記のモード同期レーザの繰り返し周波数を入力した繰返し信号に一致させる様に調整する同期手段を備えることを特徴としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。先ず第１の実施形態として光分割多重分離装置を、また、第２の実施形態として光サンプリング装置を、さらに第３の実施形態として光周波数変換装置を示す。なお、図面に付した符号については、同様の機能あるいは同様の形状をもつもので、異なる符号で区別する必要のないものについては、同じ符号を用いて説明する。
【００１９】
まず、第１の実施の形態として、光分割多重分離装置を構成した第１の実施例を図１に示す。図１の装置は、光結合器１、アイソレータ２、発振波長＝1．５５μｍ帯の半導体光増幅器３、アイソレータ４、光結合器５、透過波長＝１．５５μｍで帯域幅３ｎｍの光フィルタ６、遅延器７、偏波面制御器８、変調器９、偏波面制御器１０とそれらを結ぶ光路からなるリング状の共振器をもったモードロックレーザ装置の光分岐器１から分割多重化された光パルス信号を入力し、光分岐器５で光信号をモードロックレーザ部の外部に取りだして、透過波長＝１．５４μｍで帯域幅３ｎｍの光フィルタ６を用いて分離された光信号を得るように構成されている。
【００２０】
そのモードロックレーザ装置の発振波長は共振器中に挿入した光フィルタ６（透過波長＝λP）で任意に設定することができる。透過波長を変えることのできる光フィルタは既に市販されているので、これを用いることができる。よく知られている様に、変調器９には、１０ＧＨｚの高周波発振器２０からの信号が印加されることによってモードロックが起こりパルス発振する。また、変調器９は、強度変調器でも、位相変調器でも、あるいは偏波変調器でもよい。アイソレータ２、４は一方向に光を伝搬させることが可能な光素子であり、これにより、一方向に光が周回するリング構成になっている。この変調器９を用いて周回する光を周回時間の整数倍に合わせて変調することによってモード同期がおこり光パルスが発生する。また、光パルスのリング共振器中の周回時間は、時間遅延器（Time Delay）によって連続可変である。遅延時間を変えることのできる時間遅延器は既に市販されているので、これを用いることができる。共振器中に挿入している偏波面制御器（PC）８、１０は半導体光増幅器３や変調器９に偏波依存性があるので偏波を一致させるために用いている。同様に光路もまた、偏波面保持型の光ファイバで構成することが望ましい。
【００２１】
例えば、波長＝１．５６μｍの信号光がこの光分割多重分離装置に入力すると、光結合器１（入力＝10％、リング共振器＝90％）によって、その１０％がモードロックレーザ装置部に入力される。この光結合器１を通して光信号が、モードロックレーザ装置の半導体光増幅器において、波長λs＝１．５６μｍの入力信号光がリング中を周回する光パルス（波長λp＝１．５５μｍ）と重なり合った場合にのみ、利得媒質のもつ非線形性によって四光波混合現象が起き、新たな光信号が発生する。これは、入力された光信号から、モードロックレーザのパルス光により分離された光（波長λd＝１．５４μｍ）（DEMUX光）に相当する。
【００２２】
この分離された光は、光結合器５（リング共振器＝90％、出力＝10％）により共振器外部に取り出される。しかし、ここで取り出された光には、入力された光信号（波長＝λs）とモード同期パルス光（波長＝λp）と分離された光（波長＝λd）とが混じっているので、光フィルタ１１（透過波長＝λd）を用いて、分離された光（波長＝λd）だけを抜き出す。
【００２３】
このような動作により、モードロックレーザ装置の光パルスの繰り返し周波数がｆ(Hz)のとき、その光パルスと一致した入力パルスのみが分離されるので、同じ繰り返し周波数をもった複数のパルス列が適度な間隔をおいて混在する信号から、任意のパルス列を分離できることは明らかである。
【００２４】
また、光分割多重分離装置の第２の実施例として、半ファイバ増幅器を用いた光分割多重分離装置の実施例を図２に示す。図２の装置は、上記の第１の実施の形態における半導体光増幅器３をファイバアンプ１５で置き換えたものである。このファイバアンプ１５は、エルビウムをドープした光ファイバ１２と、その励起光源として発振波長１４８０ｎｍで出力２００ｎＷのレーザダイオード１４と、２波長多重分波器１３とからなっている。この２波長多重分波器１３では、１．５５μｍの光はそのまま透過し、１．４８μｍの光が結合するものである。ここで、励起光は、入力された光信号の向きと逆向きに伝搬する様に入力する事により、励起光による妨害を避けることができる。この装置の特徴は、上記の第１の実施の形態における光分割多重分離装置に比べて、短い光パルスを生成できる点にあり、光サンプリング等を行なう上で、時間分解能をあげることができるという効果がある。
【００２５】
次に、第２の実施の形態として、光サンプリング装置として構成した第３の実施例を図３に示す。これは、パルス光源のパルス波形を観測するためのものである。パルス光源２０からの光信号は、図１と同様の構成をもったサンプリング部１７へ入力される。ここで、パルス光源２０は、高周波発振器２１（発振周波数＝１０ＧＨｚ）からの高周波信号にしたがってパルス発振を行っているものとする。この高周波信号は、鋸波発振器２３からの電気信号にしたがって移相器２２のより低周波（周波数＝１００Ｈｚ）で周期的に移相される。この移相された高周波信号は、サンプリング部の光変調器９に供給される。サンプリング部１７内に形成されたモード同期レーザのパルス発振の繰り返し周波数は、もとの高周波信号の周りに僅かに変動し、このためモード同期レーザの発振パルスは、時間的に僅かに変動するようになる。この時間的に僅かに変動するパルスと、パルス光源からのパルス光との四光波混合光を光検出器（ＰＤ）３によって電気信号に変換し、ローパスフィルタで濾波した後、増幅器で十分な電圧に増幅して、オシロスコープ２４で観察する。その際、鋸波の電圧を横軸に、光検出器の出力を縦軸にして観測する事により、パルス光源のパルス波形を得ることができる。
【００２６】
次に、光サンプリング装置として構成した第４の実施例を図４に示す。これは、パルス光源のパルス波形を観測するためのものである。パルス光源２０からの光信号は、光結合器３０により分岐され、その一部は、光検出器３１で電気信号に変換されて、フィルタ３２で濾波された後、同期発振器３３で同期信号が生成される。この同期信号の発生方法は、良く知られており、例えば位相同期ループ（ＰＬＬ）回路がある。この同期信号は、鋸波発振器２３からの電気信号にしたがって位相変調され移相される。この移相された高周波信号は、サンプリング部１７の光変調器９に供給される。これにより、サンプリング部１７のモード同期レーザのパルス発振の繰り返し周波数は、もとの高周波信号の周りに僅かに変動し、このためモード同期レーザの発振パルスは、時間的に僅かに変動するようになる。この時間的に僅かに変動するパルスとパルス光源からのパルス光との四光波混合光を光検出器３によって電気信号に変換して、鋸波の電圧を横軸に、光検出器の出力を縦軸にしてオシロスコープ２４で観測する事により、パルス光源のパルス波形を得ることができる。
【００２７】
次に、第３の実施の形態として、光周波数変換装置として構成した第５の実施例を図５に示す。これは、パルス光源あるいは連続光源であるレーザ光源１９からの光を入力して、リングレーザ部によるレーザ光との４波混合光を発生させ、光フィルタ１１によりその４波混合光を選択して出力することにより、入力したレーザ光の周波数変換を行うものである。ここで、入力する光信号は、パルス光でも連続光でも良いことは明らかである。また、リングレーザによるレーザ光においても、パルス光でも連続光でも良いことは明らかである。
【００２８】
次に、光周波数変換装置として構成した第６の実施例を図６に示す。これは、パルス光の周波数を変換するためのものである。パルス光源２０からの光信号は、光結合器３０により分岐され、その一部は、光検出器３１で電気信号に変換されて、フィルタ３２で濾波された後同期発振器３３で同期信号が生成される。この同期信号は、パワーアンプ３６で増幅された後、変調器９に加えられ、モード同期がかけられる。また、このままでは共振器長はモード同期周波数に合っているとは限らないので、ＰＬＬ回路出力からの信号の周波数を周波数計３４で検出し、その検出結果をもとに遅延器７をコンピュータを用いた制御装置３５で制御するものである。
【００２９】
このようにして、入力されたパルス光とモード同期レーザで生成されたパルス光を位置的に一致させることにより、ピークパワーの大きいパルス光同士で四光波混合を行うことができる様になり、パルス光の周波数変換を効率的に行うことができる。
【００３０】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
第１の発明では、レーザ共振器中に光変調器が配置されたモード同期レーザで、リングレーザ共振器中の利得媒質のもつ非線形応答特性を用いて四光波混合を行うことにより、従来は、レーザ発振器と非線形素子とが用いられてきたが、この構成を簡素化することができた。
【００３１】
また、第２の発明では、レーザ共振器中に光変調器が配置されたモード同期レーザで、四光波混合光によって発生する複数の光信号から光フィルタによって目的とする光信号のみを選択様にしたので、出力される光信号を利用しやすくなった。
【００３２】
また、第３の発明では、モード同期レーザとして動作させた状態で、光パルスを入力する事により、モード同期レーザの発振パルスにしたがった光分割多重分離装置が構成できる様になった。
【００３３】
また、第４の発明では、モード同期レーザとして動作させた状態で、光パルスを入力し、光変調器に入力する変調周波数を変化させる事により、モード同期レーザの発振パルスをサンプリングゲートとする光サンプリング装置が構成できる様になった。
【００３４】
また、第５あるいは第６の発明では、モード同期レーザとして動作させた状態で、光パルスを入力し、その入力パルスに同期した信号を光変調器に入力することにより、効率的に光パルスの周波数を変換できる光周波数変換装置が構成できる様になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 光分割多重分離装置を構成した第１の実施例を示すブロック図である。
【図２】 光分割多重分離装置を構成した第２の実施例を示すブロック図である。
【図３】 光サンプリング装置を構成した第３の実施例を示すブロック図である。
【図４】 光サンプリング装置を構成した第４の実施例を示すブロック図である。
【図５】 光周波数変換装置を構成した第５の実施例を示すブロック図である。
【図６】 光周波数変換装置を構成した第６の実施例を示すブロック図である。
【図７】 従来技術により、分割多重化された光信号を分離する多重化分離装置を示す図であり、（ａ）はそのブロック図であり、（ｂ）は、パルス動作を示すタイミング図である。
【図８】 従来技術により、レーザ光の波長変換を行う波長変換装置を示す図であり、（ａ）はそのブロック図であり、（ｂ）は、出力光のスペクトル配置図である。
【符号の説明】
１ 光結合器
２ アイソレータ
３ 半導体光増幅器
４ アイソレータ
５ 光結合器
６ 光フィルタ
７ 遅延器
８ 偏波面制御器
９ 変調器
１０ 偏波面制御器
１１ 光フィルタ
１２ エルビウムをドープした光ファイバ
１３ ２波長多重分波器
１７ サンプリング部
１９ レーザ光源
２０ パルス光源
２１ 高周波発振器
２２ 移相器
２３ ２波長多重分波器
２４ オシロスコープ
２５ アンプ
２６ フィルタ
３０ 光結合器
３１ 光検出器
３２ フィルタ
３３ 同期発振器
３４ 周波数計
３５ 制御装置
３６ パワーアンプ
【発明の属する技術分野】
この発明は、リング構成のモード同期レーザ中でおこる利得媒質中の四光波混合現象を利用した装置で、特に光分割多重分離装置、光サンプリング装置、あるいは光波長変換装置としたリングレーザを用いた四光波混合装置に関している。
【０００２】
【従来の技術】
複数の光源からの光を、非線形応答を示す光媒質に通した時に起こる四光波混合現象を利用した装置は、既にいくつか知られている。
【０００３】
例えば、文献１（S.Kawanishi, T.Morioka, O.Kamatani, H.Takara, J.M.Jacob, and M.Saruwatari, “100Gbit/s all-optical demultiplexing using four-wave mixing in a traveling wave laser diode amplifier,” Electron. Lett., vol.30, no.12, pp.981-982, Jun. 9, 1994.、（S.カワニシ、T.モリオカ、O.カマタニ、H.タカラ、J.M.ヤコブ、M.サルワタリ、「進行波型レーザーダイオード増幅器似おける四波混合を用いた100Gbit/s全光学式デマルチプレクシング」、Electron. Lett.、30巻、NO.12、981-982頁、1994年6月9日））には、図７（ａ）に示すように、入力光とクロック光発生装置からの光との２つの光源からの光を同時にひとつの多重化分離（DEMUX）である素子進行波型レーザダイオード増幅器に通して四光波混合を行うことにより、分割多重化された光信号を分離する多重化分離装置が記載されている。この装置で、２つの光源のひとつが変調された光信号であり、他の一つが、モードロックEDF （エルビウムをドープしたファイバレーザ）からの光パルスである。
【０００４】
図７（ａ）に示す装置では、図７（ｂ）に示す入力光にたいして、点線で示す様にクロック光が一致した時にのみ、四光波混合光が出力されることを用いて、多重化分離を行うものである。
【０００５】
この多重化分離装置では、多重化分離（DEMUX）素子は、被多重化分離（DEMUX）信号光（入力）から時間的に決まった繰り返し（クロック）の信号光を抜き出す（スイッチする）操作をおこなうものであり、この方式では、DEMUX素子とクロック光発生器が必要であった。この構成では、まだ簡素化の余地があった。
【０００６】
また、特開平９−３３９６７号公報には、波長フィルタ等の波長分離手段を用いずに、四光波混合光（波長変換光、位相共役光）を信号光および励起光から分離して取り出すことができる四光波混合光発生回路およびそれを用いた光回路が開示されている。これは、２×２の光分岐結合器の第３ポートと光非線形媒質とを所定の長さと伝搬定数を有する分散性媒質で接続し、第４ポートと光非線形媒質とを所定の長さと伝搬定数を有する分散性媒質で接続し、信号光Ｓ（キャリア角周波数ωS ）と励起光Ｐ1,Ｐ2 （キャリア角周波数ωP1, ωP2）を光分岐結合器の第１ポートから入射し、第２ポートから光非線形媒質で発生した四光波混合光（キャリア角周波数ωf ＝ωP1＋ωP2−ωS ）を取り出すものである。
【０００７】
ここで開示された光回路は、上記の装置と同様に、信号光と励起光が必要であり、励起光の発生には、独立した発生装置が用いられたため、この構成では、まだ簡素化の余地があった。
【０００８】
また、文献２（荒平慎、加藤幸雄、小川洋、“モード同期DBRレーザにおける四光波混合も用いた波長変換実験”、平成13年度春季応物予稿集、29a-ZV-8、p.1173、2001.）には、図８（ａ）に示す様に、１つの光源からの光をファブリー・ペロー型のモード同期分布帰還型（DBR）レーザに通して、このレーザで発生した光パルスとの四光波混合を行う波長変換装置が記載されている。この装置においては、信号光（波長＝λｓ）に対して、四光波混合（ＦＷＭ）光（波長＝λFWM）とモード同期光（波長＝λｐ）および信号光（波長＝λｓ）が出力される。
【０００９】
この装置に於いては、上記の文献１の装置と比べて、構成部品がすくない、という特徴がある。しかし、モノリシック構造のため、一体型なので共振器長を制御することが難しく、分離周波数の調整が困難である、あるいは、発振波長の調整が困難であるという欠点がある。発振波長を変えられない場合は、発振波長に一致または近い信号光を分離できない、ということが起こる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記で説明したように、上記した従来の四光波混合現象を利用した装置では、信号光と励起光が必要であり、励起光を発生するためには、励起光の発生装置が用いられたため、この構成では、まだ簡素化の余地があり、また適用できる周波数に制限があった。
【００１１】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、従来の構成に比べて簡単な構成で、用いる波長を容易に変えることのできるリングレーザを用いた四光波混合装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、レーザ共振器中の利得媒質のもつ非線形応答特性を用いて四光波混合を行うことにより、従来レーザ発振器と非線形素子とが用いられてきた構成を簡素化するものであり、本発明は、（１）ループ状の光路の外部から分割多重化された光パルス信号を入力する第１の入力端と、ループ状の光路を形成する第２の入力端と、上記のループ状の光路へ出力する出力端を持った第１の光結合器と、（２）第１の光結合器からの出力光を増幅する光増幅器と、（３）該光増幅器の出力光を受け、ループ状光路の外部に向かう光路と、第１の光結合器に向かう光路とに分岐する光分岐器として 用いられる第２の光結合器と、（４）上記の第２の光結合器から第１の光結合器とを結ぶ光路上に配置され発振波長を選択する第１のフィルタと、（５）上記のループ状の光路と上記の光増幅器とを用いてレーザパルス光を発生させる手段と、（６）上記のループ状の光路と上記の光増幅器とを用いて発生させるレーザパルス光の繰り返し周波数を変える可変光遅延器と、
第２の光結合器から第１の光結合器に向かう光路上に配置した、モード同期レーザとして動作させるための光変調器と、繰り返し周波数を可変とするための可変光遅延器と、
を備え、
（７）第１の光結合器の第１の入力端に入力した光信号と、上記のループ状の光路で生成したレーザパルス光とを上記の光増幅器で混合して第２の光結合器から光波混合して分離された光信号を送出することを特徴としている。
【００１３】
また、上記の構成では、目的とする四光波混合光の他の光も含まれているが、四光波混合光のみを選択するために、本発明は、（１）ループ状の光路の外部からレーザパルス光を入力する第１の入力端と、ループ状の光路を形成する第２の入力端と、上記のループ状の光路へ出力する出力端を持った第１の光結合器と、（２）第１の光結合器からの出力光を増幅する光増幅器と、（３）該光増幅器の出力光を受け、ループ状光路の外部に向かう光路と、第１の光結合器に向かう光路とに分岐する光分岐器として用いられる第２の光結合器と、（４）上記の第２の光結合器から第１の光結合器とを結ぶ光路上に配置され発振する発振波長を選択する第１のフィルタと、（５）上記のループ状の光路と上記の光増幅器とを用いてレーザパルス光を発生させる手段と、（６）上記のループ状の光路と上記の光増幅器とを用いて発生させるレーザパルス光の繰り返し周波数を変える可変光遅延器と、
第２の光結合器から第１の光結合器に向かう光路上に配置した、モード同期レーザとして動作させるための光変調器と、繰り返し周波数を可変とするための可変光遅延器と、
を備え、
（７）第１の光結合器の第１の入力端に入力した光信号と、上記のループ状の光路で生成したレーザ発振光とを上記の光増幅器で光波混合して第２の光結合器から上記の光波混合により発生した波長変換信号光を選択する第２の光フィルタを経て波長変換された光信号を送出することを特徴としている。
【００１４】
また、本発明は、光分割多重分離装置を構成するために、上記の構成に加えて、第１の光結合器と、光増幅器と、第２の光結合器と、第２の光結合器から第１の光結合器にいたる光路と、前記の光路上に配置された第１の光フィルタ、光遅延器、および光変調器とによるループ状の光路でモード同期レーザが構成され、
第１の光結合器にループ状の光路の外部から入力された第１の光パルス信号と、上記のモード同期レーザにより生成された第２の光パルス信号とを、上記の光増幅器において重ね合わせて四光波混合光を発生しこれを出力して、第２のパルス信号に一致した第１のパルス信号の四光波混合光を選択することにより、光分割多重分離装置として動作することを特徴としている。
【００１５】
また、本発明は、光サンプリング装置を構成するために、上記の構成に加えて、第１の光結合器と、光増幅器と、第２の光結合器と、第２の光結合器から第１の光結合器にいたる光路と、前記の光路上に配置された第１の光フィルタ、光遅延器、および光変調器とによるループ状の光路でモード同期レーザが構成され、
第１の光結合器には被測定光である繰返し信号が入力され、上記の光変調器には被測定光の繰り返し周波数より低い周波数の変調信号が加えられることで低周波数でモード同期パルスが出力され、上記の光増幅器中でこの低周波数のモード同期パルスと入力信号との四光波混合を起こし、前記の四光波混合光信号を電気信号に変換し、該電気信号の強度を表示することにより、変調信号の変化分に対する第１の光結合器に入力された繰り返し信号の分布を描写する光サンプリング装置として動作することを特徴としている。
【００１６】
また、本発明は、光周波数変換 装置を構成するために、上記の構成に加えて、第１の光結合器と、光増幅器と、第２の光結合器と、第２の光結合器から第１の光結合器にいたる光路と、前記の光路上に配置された第１の光フィルタ、光遅延器、および光変調器とによるループ状の光路でモード同期レーザが構成され、
第１の光結合器の第１の入力端には繰返し信号が入力され、前記の繰返し信号に同期した信号を上記の光変調器に入力して、入力された信号とモード同期レーザ光との４光波混合光を出力する光周波数変換装置として動作することを特徴としている。
【００１７】
また、本発明は、モード同期レーザの発振条件を満たすために、上記の構成に加えて、前記第１の入力端に入力した繰返し信号の周波数に応じて光遅延器を調整して上記のモード同期レーザの繰り返し周波数を入力した繰返し信号に一致させる様に調整する同期手段を備えることを特徴としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。先ず第１の実施形態として光分割多重分離装置を、また、第２の実施形態として光サンプリング装置を、さらに第３の実施形態として光周波数変換装置を示す。なお、図面に付した符号については、同様の機能あるいは同様の形状をもつもので、異なる符号で区別する必要のないものについては、同じ符号を用いて説明する。
【００１９】
まず、第１の実施の形態として、光分割多重分離装置を構成した第１の実施例を図１に示す。図１の装置は、光結合器１、アイソレータ２、発振波長＝1．５５μｍ帯の半導体光増幅器３、アイソレータ４、光結合器５、透過波長＝１．５５μｍで帯域幅３ｎｍの光フィルタ６、遅延器７、偏波面制御器８、変調器９、偏波面制御器１０とそれらを結ぶ光路からなるリング状の共振器をもったモードロックレーザ装置の光分岐器１から分割多重化された光パルス信号を入力し、光分岐器５で光信号をモードロックレーザ部の外部に取りだして、透過波長＝１．５４μｍで帯域幅３ｎｍの光フィルタ６を用いて分離された光信号を得るように構成されている。
【００２０】
そのモードロックレーザ装置の発振波長は共振器中に挿入した光フィルタ６（透過波長＝λP）で任意に設定することができる。透過波長を変えることのできる光フィルタは既に市販されているので、これを用いることができる。よく知られている様に、変調器９には、１０ＧＨｚの高周波発振器２０からの信号が印加されることによってモードロックが起こりパルス発振する。また、変調器９は、強度変調器でも、位相変調器でも、あるいは偏波変調器でもよい。アイソレータ２、４は一方向に光を伝搬させることが可能な光素子であり、これにより、一方向に光が周回するリング構成になっている。この変調器９を用いて周回する光を周回時間の整数倍に合わせて変調することによってモード同期がおこり光パルスが発生する。また、光パルスのリング共振器中の周回時間は、時間遅延器（Time Delay）によって連続可変である。遅延時間を変えることのできる時間遅延器は既に市販されているので、これを用いることができる。共振器中に挿入している偏波面制御器（PC）８、１０は半導体光増幅器３や変調器９に偏波依存性があるので偏波を一致させるために用いている。同様に光路もまた、偏波面保持型の光ファイバで構成することが望ましい。
【００２１】
例えば、波長＝１．５６μｍの信号光がこの光分割多重分離装置に入力すると、光結合器１（入力＝10％、リング共振器＝90％）によって、その１０％がモードロックレーザ装置部に入力される。この光結合器１を通して光信号が、モードロックレーザ装置の半導体光増幅器において、波長λs＝１．５６μｍの入力信号光がリング中を周回する光パルス（波長λp＝１．５５μｍ）と重なり合った場合にのみ、利得媒質のもつ非線形性によって四光波混合現象が起き、新たな光信号が発生する。これは、入力された光信号から、モードロックレーザのパルス光により分離された光（波長λd＝１．５４μｍ）（DEMUX光）に相当する。
【００２２】
この分離された光は、光結合器５（リング共振器＝90％、出力＝10％）により共振器外部に取り出される。しかし、ここで取り出された光には、入力された光信号（波長＝λs）とモード同期パルス光（波長＝λp）と分離された光（波長＝λd）とが混じっているので、光フィルタ１１（透過波長＝λd）を用いて、分離された光（波長＝λd）だけを抜き出す。
【００２３】
このような動作により、モードロックレーザ装置の光パルスの繰り返し周波数がｆ(Hz)のとき、その光パルスと一致した入力パルスのみが分離されるので、同じ繰り返し周波数をもった複数のパルス列が適度な間隔をおいて混在する信号から、任意のパルス列を分離できることは明らかである。
【００２４】
また、光分割多重分離装置の第２の実施例として、半ファイバ増幅器を用いた光分割多重分離装置の実施例を図２に示す。図２の装置は、上記の第１の実施の形態における半導体光増幅器３をファイバアンプ１５で置き換えたものである。このファイバアンプ１５は、エルビウムをドープした光ファイバ１２と、その励起光源として発振波長１４８０ｎｍで出力２００ｎＷのレーザダイオード１４と、２波長多重分波器１３とからなっている。この２波長多重分波器１３では、１．５５μｍの光はそのまま透過し、１．４８μｍの光が結合するものである。ここで、励起光は、入力された光信号の向きと逆向きに伝搬する様に入力する事により、励起光による妨害を避けることができる。この装置の特徴は、上記の第１の実施の形態における光分割多重分離装置に比べて、短い光パルスを生成できる点にあり、光サンプリング等を行なう上で、時間分解能をあげることができるという効果がある。
【００２５】
次に、第２の実施の形態として、光サンプリング装置として構成した第３の実施例を図３に示す。これは、パルス光源のパルス波形を観測するためのものである。パルス光源２０からの光信号は、図１と同様の構成をもったサンプリング部１７へ入力される。ここで、パルス光源２０は、高周波発振器２１（発振周波数＝１０ＧＨｚ）からの高周波信号にしたがってパルス発振を行っているものとする。この高周波信号は、鋸波発振器２３からの電気信号にしたがって移相器２２のより低周波（周波数＝１００Ｈｚ）で周期的に移相される。この移相された高周波信号は、サンプリング部の光変調器９に供給される。サンプリング部１７内に形成されたモード同期レーザのパルス発振の繰り返し周波数は、もとの高周波信号の周りに僅かに変動し、このためモード同期レーザの発振パルスは、時間的に僅かに変動するようになる。この時間的に僅かに変動するパルスと、パルス光源からのパルス光との四光波混合光を光検出器（ＰＤ）３によって電気信号に変換し、ローパスフィルタで濾波した後、増幅器で十分な電圧に増幅して、オシロスコープ２４で観察する。その際、鋸波の電圧を横軸に、光検出器の出力を縦軸にして観測する事により、パルス光源のパルス波形を得ることができる。
【００２６】
次に、光サンプリング装置として構成した第４の実施例を図４に示す。これは、パルス光源のパルス波形を観測するためのものである。パルス光源２０からの光信号は、光結合器３０により分岐され、その一部は、光検出器３１で電気信号に変換されて、フィルタ３２で濾波された後、同期発振器３３で同期信号が生成される。この同期信号の発生方法は、良く知られており、例えば位相同期ループ（ＰＬＬ）回路がある。この同期信号は、鋸波発振器２３からの電気信号にしたがって位相変調され移相される。この移相された高周波信号は、サンプリング部１７の光変調器９に供給される。これにより、サンプリング部１７のモード同期レーザのパルス発振の繰り返し周波数は、もとの高周波信号の周りに僅かに変動し、このためモード同期レーザの発振パルスは、時間的に僅かに変動するようになる。この時間的に僅かに変動するパルスとパルス光源からのパルス光との四光波混合光を光検出器３によって電気信号に変換して、鋸波の電圧を横軸に、光検出器の出力を縦軸にしてオシロスコープ２４で観測する事により、パルス光源のパルス波形を得ることができる。
【００２７】
次に、第３の実施の形態として、光周波数変換装置として構成した第５の実施例を図５に示す。これは、パルス光源あるいは連続光源であるレーザ光源１９からの光を入力して、リングレーザ部によるレーザ光との４波混合光を発生させ、光フィルタ１１によりその４波混合光を選択して出力することにより、入力したレーザ光の周波数変換を行うものである。ここで、入力する光信号は、パルス光でも連続光でも良いことは明らかである。また、リングレーザによるレーザ光においても、パルス光でも連続光でも良いことは明らかである。
【００２８】
次に、光周波数変換装置として構成した第６の実施例を図６に示す。これは、パルス光の周波数を変換するためのものである。パルス光源２０からの光信号は、光結合器３０により分岐され、その一部は、光検出器３１で電気信号に変換されて、フィルタ３２で濾波された後同期発振器３３で同期信号が生成される。この同期信号は、パワーアンプ３６で増幅された後、変調器９に加えられ、モード同期がかけられる。また、このままでは共振器長はモード同期周波数に合っているとは限らないので、ＰＬＬ回路出力からの信号の周波数を周波数計３４で検出し、その検出結果をもとに遅延器７をコンピュータを用いた制御装置３５で制御するものである。
【００２９】
このようにして、入力されたパルス光とモード同期レーザで生成されたパルス光を位置的に一致させることにより、ピークパワーの大きいパルス光同士で四光波混合を行うことができる様になり、パルス光の周波数変換を効率的に行うことができる。
【００３０】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
第１の発明では、レーザ共振器中に光変調器が配置されたモード同期レーザで、リングレーザ共振器中の利得媒質のもつ非線形応答特性を用いて四光波混合を行うことにより、従来は、レーザ発振器と非線形素子とが用いられてきたが、この構成を簡素化することができた。
【００３１】
また、第２の発明では、レーザ共振器中に光変調器が配置されたモード同期レーザで、四光波混合光によって発生する複数の光信号から光フィルタによって目的とする光信号のみを選択様にしたので、出力される光信号を利用しやすくなった。
【００３２】
また、第３の発明では、モード同期レーザとして動作させた状態で、光パルスを入力する事により、モード同期レーザの発振パルスにしたがった光分割多重分離装置が構成できる様になった。
【００３３】
また、第４の発明では、モード同期レーザとして動作させた状態で、光パルスを入力し、光変調器に入力する変調周波数を変化させる事により、モード同期レーザの発振パルスをサンプリングゲートとする光サンプリング装置が構成できる様になった。
【００３４】
また、第５あるいは第６の発明では、モード同期レーザとして動作させた状態で、光パルスを入力し、その入力パルスに同期した信号を光変調器に入力することにより、効率的に光パルスの周波数を変換できる光周波数変換装置が構成できる様になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 光分割多重分離装置を構成した第１の実施例を示すブロック図である。
【図２】 光分割多重分離装置を構成した第２の実施例を示すブロック図である。
【図３】 光サンプリング装置を構成した第３の実施例を示すブロック図である。
【図４】 光サンプリング装置を構成した第４の実施例を示すブロック図である。
【図５】 光周波数変換装置を構成した第５の実施例を示すブロック図である。
【図６】 光周波数変換装置を構成した第６の実施例を示すブロック図である。
【図７】 従来技術により、分割多重化された光信号を分離する多重化分離装置を示す図であり、（ａ）はそのブロック図であり、（ｂ）は、パルス動作を示すタイミング図である。
【図８】 従来技術により、レーザ光の波長変換を行う波長変換装置を示す図であり、（ａ）はそのブロック図であり、（ｂ）は、出力光のスペクトル配置図である。
【符号の説明】
１ 光結合器
２ アイソレータ
３ 半導体光増幅器
４ アイソレータ
５ 光結合器
６ 光フィルタ
７ 遅延器
８ 偏波面制御器
９ 変調器
１０ 偏波面制御器
１１ 光フィルタ
１２ エルビウムをドープした光ファイバ
１３ ２波長多重分波器
１７ サンプリング部
１９ レーザ光源
２０ パルス光源
２１ 高周波発振器
２２ 移相器
２３ ２波長多重分波器
２４ オシロスコープ
２５ アンプ
２６ フィルタ
３０ 光結合器
３１ 光検出器
３２ フィルタ
３３ 同期発振器
３４ 周波数計
３５ 制御装置
３６ パワーアンプ
Claims (6)
- （１）ループ状の光路の外部から分割多重化された光パルス信号を入力する第１の入力端と、ループ状の光路を形成する第２の入力端と、上記のループ状の光路へ出力する出力端を持った第１の光結合器と、（２）第１の光結合器からの出力光を増幅する光増幅器と、（３）該光増幅器の出力光を受け、ループ状光路の外部に向かう光路と、第１の光結合器に向かう光路とに分岐する光分岐器として用いられる第２の光結合器と、（４）上記の第２の光結合器から第１の光結合器とを結ぶ光路上に配置され発振波長を選択する第１のフィルタと、（５）上記のループ状の光路と上記の光増幅器とを用いてレーザパルス光を発生させる手段と、（６）上記のループ状の光路と上記の光増幅器とを用いて発生させるレーザパルス光の繰り返し周波数を変える可変光遅延器と、
第２の光結合器から第１の光結合器に向かう光路上に配置した、モード同期レーザとして動作させるための光変調器と、繰り返し周波数を可変とするための可変光遅延器と、
を備え、
（７）第１の光結合器の第１の入力端に入力した光信号と、上記のループ状の光路で生成したレーザパルス光とを上記の光増幅器で混合して第２の光結合器から光波混合して分離された光信号を送出することを特徴とするリングレーザを用いた四光波混合装置。 - （１）ループ状の光路の外部からレーザパルス光を入力する第１の入力端と、ループ状の光路を形成する第２の入力端と、上記のループ状の光路へ出力する出力端を持った第１の光結合器と、（２）第１の光結合器からの出力光を増幅する光増幅器と、（３）該光増幅器の出力光を受け、ループ状光路の外部に向かう光路と、第１の光結合器に向かう光路とに分岐する光分岐器として用いられる第２の光結合器と、（４）上記の第２の光結合器から第１の光結合器とを結ぶ光路上に配置され発振する発振波長を選択する第１のフィルタと、（５）上記のループ状の光路と上記の光増幅器とを用いてレーザパルス光を発生させる手段と、（６）上記のループ状の光路と上記の光増幅器とを用いて発生させるレーザパルス光の繰り返し周波数を変える可変光遅延器と、
第２の光結合器から第１の光結合器に向かう光路上に配置した、モード同期レーザとして動作させるための光変調器と、繰り返し周波数を可変とするための可変光遅延器と、
を備え、
（７）第１の光結合器の第１の入力端に入力した光信号と、上記のループ状の光路で生成したレーザ発振光とを上記の光増幅器で光波混合して第２の光結合器から上記の光波混合により発生した波長変換信号光を選択する第２の光フィルタを経て波長変換された光信号を送出することを特徴とするリングレーザを用いた四光波混合装置。 - 請求項１あるいは２に記載のリングレーザを用いた四光波混合装置において、
第１の光結合器と、光増幅器と、第２の光結合器と、第２の光結合器から第１の光結合器にいたる光路と、前記の光路上に配置された第１の光フィルタ、可変光遅延器、および光変調器とによるループ状の光路でモード同期レーザが構成され、
第１の光結合器にループ状の光路の外部から入力された第１の光パルス信号と、上記のモード同期レーザにより生成された上記の可変光遅延器により繰り返し周波数が調整された第２の光パルス信号とを、上記の光増幅器において重ね合わせて四光波混合光を発生しこれを出力して、第２のパルス信号に一致した第１のパルス信号の四光波混合光を選択することにより、光分割多重分離装置として動作することを特徴とするリングレーザを用いた四光波混合装置。 - 請求項１あるいは２に記載のリングレーザを用いた四光波混合装置において、
第１の光結合器と、光増幅器と、第２の光結合器と、第２の光結合器から第１の光結合器にいたる光路と、前記の光路上に配置された第１の光フィルタ、光遅延器、および光変調器とによるループ状の光路でモード同期レーザが構成され、
第１の光結合器には被測定光である繰返し信号が入力され、上記の光変調器には被測定光の繰り返し周波数より低い周波数の変調信号が加えられることで低周波数でモード同期パルスが出力され、上記の光増幅器中でこの低周波数のモード同期パルスと入力信号との四光波混合を起こし、前記の四光波混合光信号を電気信号に変換し、該電気信号の強度を表示することにより、変調信号の変化分に対する第１の光結合器に入力された繰り返し信号の分布を描写する光サンプリング装置として動作することを特徴とするリングレーザを用いた四光波混合装置。 - 請求項１あるいは２に記載のリングレーザを用いた四光波混合装置において、
第１の光結合器と、光増幅器と、第２の光結合器と、第２の光結合器から第１の光結合器にいたる光路と、前記の光路上に配置された第１の光フィルタ、可変光遅延器、および光変調器とによるループ状の光路で繰り返し周波数の調整可能なモード同期レーザが構成され、
第１の光結合器の第１の入力端には繰返し信号が入力され、前記の繰返し信号に同期した信号を上記の光変調器に入力して、入力された信号とモード同期レーザ光との４光波混合光を出力する光周波数変換装置として動作することを特徴とするリングレーザを用いた四光波混合装置。 - 請求項５に記載のリングレーザを用いた四光波混合装置にさらに加えて、
前記第１の入力端に入力した繰返し信号の周波数に応じて光遅延器を調整して上記のモード同期レーザの繰り返し周波数を入力した繰返し信号に一致させる様に調整する同期手段を備えることを特徴とするリングレーザを用いた四光波混合装置。
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