JP4984568B2

JP4984568B2 - 波長変換方法、および波長変換装置。

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Publication number: JP4984568B2
Application number: JP2006049536A
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Inventors: 孝二大坪
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Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-02-27
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2026-02-27
Also published as: JP2007226076A

Description

波長変換方法、および波長変換装置に関する。

光通信の高速化と大容量化とに伴い、光信号を電気信号に変換せずに信号処理を行う全光信号処理技術が要求されている。

近年、この高速化と大容量化とを実現するひとつの技術として、波長分割多重技術（ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）が進展しており、このＷＤＭでは、石英系光ファイバの数ＴＨｚに及ぶ帯域を全て使い切ることが可能となっている。しかし、このような広帯域な信号処理が可能になるに伴い、光の波長１つ１つに異なる情報を与えて伝送するWDMをサブネットワーク間等で用いる場合には、波長衝突や波長ルーティングといった新しい問題が生じる。そこで、このような問題を解決するために波長変換が用いられており、全光信号処理において波長変換が必要不可欠な技術とされている。

このように波長変換を全光信号処理へ応用する場合には、半導体光増幅器（ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＯｐｔｉｃａｌＡｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＳＯＡ）といった、大きな非線形光学効果を得ることができる非線形媒質（Ｎｏｎ‐ｌｉｎｅａｒＭｅｄｉｕｍ：ＮＬＭ）を用いることで、システムの小型化が可能であるだけでなく、低消費電力での動作が可能である。そこで、このような非線形媒質の全光信号処理への応用が盛んに研究されている。

このＳＯＡを用いた全光波長変換方式は、相互利得変調（ＣｒｏｓｓＧａｉｎＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＸＧＭ）や相互位相変調（ＣｒｏｓｓＰｈａｓｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＸＰＭ）のような光スイッチ型のものと、差周波発生（ＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＤＦＧ）や四光波混合（ＦｏｕｒＷａｖｅＭｉｘｉｎｇ：ＦＷＭ）を用いたコヒーレント型のものとに分けられる。このコヒーレント型の波長変換は、非線形応答の超高速性を活かした波長変換が行える。また、変換後も位相情報が保たれるので差分位相偏移変調（ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ：ＤＰＳＫ）などのような変調フォーマットにも対応可能である。

ところで、入力信号光と波長変換光とが同一方向に出力されるような波長変換を進行波型波長変換とよび、対向型や非並行進行型といった他の波長変換と比較して、一般に変換効率が高い。ただし、この入力信号光全てが波長変換光に変換されることは、現実的には生じない。つまり、非線形媒質からは入力信号光と波長変換光とが同時に出射される。それゆえ、波長変換光だけを取り出したい場合には、非線形媒質から出射した後に波長変換光を選択的に取り出す手段が必要になる。

この波長変換光を選択的に取り出す手段として、分散性媒質と、光ファイバと光カプラとから構成されるサニャック干渉系とを用いた四光波混合発生回路、および前記四光波混合発生回路を用いた光回路が開示されている（例えば、特許文献１、非特許文献１を参照）。

また、波長変換光を選択的に取り出す手段として、分散性媒質による分散性とマッハツェンダー干渉系の干渉効果を用いた光パラメトリック回路が開示されている（例えば、特許文献２を参照）。

ここで、サニャック干渉系の動作原理について、図１乃至３を用いて説明する。

図１に、サニャック干渉系を構成する光カプラ１２を示す。この光カプラ１２は、２入力２出力の計４つのポートを有している。ポート１に光を入射した場合を例に、光カプラの動作原理を説明する。

この光カプラ１２のポート１に光を入射すると、この光が、ポート３とポート４とに分岐される。このとき、ポート３に出射される光１０に対して、ポート４に出射される光１１は、位相がp／２だけ遅れる。これは、光カプラ１２にて対角方向に分岐される光が、直進方向に分岐される光に対して位相がp／２だけ遅れるという性質を、光カプラが有するからである。

図２に、サニャック干渉系を示す。サニャック干渉系２０は、光ファイバ２１と、分岐比１対１の２入力２出力光カプラ（３ｄＢ）２２と、光カプラ２１のポート１とポート２とに接続された光ファイバ２３とにより構成される。光ファイバ２１の両端は、光カプラ２２の片側のポート３および４に接続されてループを形成している。

この光カプラ２２のポート１に光を入力すると、この光が位相差がp／２である２つの光に分岐されて、それぞれがポート３とポート４とから出射する。ここで、この２つの光が、図２に示すループ状の光ファイバ２１内を伝送する例を用いて、サニャック干渉系のループミラーの性質について説明する。

光カプラ２２のポート３からループ状の光ファイバ２１を伝播してポート４へ達した光を右回り３０とよび、光カプラ２２のポート４からループ状の光ファイバ２１を伝播してポート３へ達した光を左回り３０と呼ぶことにする。また、両者の光は光ファイバを伝送中に線形や非線形の効果、および外乱などにより位相に影響を受けないものとする。つまり、光ファイバを伝送中の右回りの光と左回りの光との位相差は常にp／２であるとする。

ポート４に到達した右回り３０の光は、ポート１とポート２とに分岐比１対１で分岐される。ここで、ポート１に分岐された光を右回り３１とよび、ポート２に分岐された光を右回り３２とよぶことにする。光カプラの性質により、右回り３１の光は右回り３２の光に対して位相がp／２だけ遅れる。

一方でポート３に到達した左回り３０の光もポート１とポート２とに分岐比１対１で分岐される。ここで、ポート１に到達した光を左回り３１とよび、ポート２に到達した光を左回り３２とよぶことにする。光カプラの性質により、左回り３２の光は左回り３１の光に対して位相がp／２だけ遅れる。

図３に、最初にポート１に入力した光と、右回り３１、右回り３２、左回り３１および左回り３２の光との位相差を示す。そして、右回り３１と左回り３１、および右回り３２と左回り３２との位相関係に注目する。ここでは、ループ状の光ファイバ２１内での位相変化を考慮していないから、右回り３１と左回り３１との位相差は０となる。さらに詳細を述べれば、ポート１から入射した光に対して、右回り３１の光も左回り３１の光も位相がp／２だけ遅れているので位相差が０となる。従って、ポート１からは、右回り３１の光と左回り３１との光が重ね合わされた光が出射する。一方で、右回り３２と左回り３２との位相関係はpとなる。さらに詳細を述べれば、ポート１から入射した光に対して、右回り３２の光は同位相であり、左回り３２の光は位相がpだけ遅れているので位相差がpとなる。従って、右回り３２の光と左回り３２との光は打ち消しあうように干渉し、ポート２からは光が出射しない。このような光信号間の干渉の結果により、サニャック干渉系は光信号のルート選択性を有する。そして、ポート１から入射した光がポート２へは出射せずにポート１のみに帰還するので、この光信号のルート選択性の性質をループミラーとも称する。

ここで、四光波混合を例に波長変換の原理を説明する。この四光波混合は、一般に３次の非線形光学効果を用いており、周波数w₁、w₂、w₃の光から、例えば、w₄= w₂+ w₃- w₁を満たすw₄の光を発生させることができる。ここでw₂≠w₃の場合を非縮退四光波混合とよび、一方でw₂= w₃の場合を縮退四光波混合とよぶ。そして、縮退四光波混合において、w₄のスペクトルはw₁のスペクトルが反転したものになっており、w₄はw₁の位相共役光となる。この四光波混合は、前述したＳＯＡや光非線形光ファイバなどを用いることよって実現できる（例えば、非特許文献２を参照）。

さらに、信号光w_sとポンプ光w_pとを入力して位相共役光w_cを発生させる縮退四光波混合を考える。前述した四光波混合の一般論との対応関係は、w₁=w_s、かつw₂=w₃=w_pであり、各周波数成分は、w_c=2w_p−w_sの周波数関係を満たしている。ここで、ポンプ光の周波数を固定して信号光の周波数を掃引するに伴い、前記周波数関係を満たしながら位相共役光の周波数が変化する。一方で、信号光の周波数を固定してポンプ光の周波数を掃引しても、前記周波数関係を満たしながら位相共役光の周波数が変化する。このように、信号光やポンプ光の周波数を調整することにより、位相共役光の周波数が可変となる。

このような縮退四光波混合の場合でも進行型波長変換の一般論と同じく、信号光とポンプ光とをカットするためのフィルタ等の手段が必要となる。つまり、位相共役光の周波数を可変とする場合には、掃引した信号光やポンプ光、そして、可変される位相共役光の周波数にも対応するような信号光とポンプ光とをカットするためのフィルタ等の手段が必要となる。そして、このようなフィルタ等の手段として、電気的な手段により透過周波数帯域を可変させる電圧印加式可変バンドパスフィルタが知られている。
特開平９−３３９６７号広報。特開２００２−１８２２５６号広報。Ｋ. Ｍｏｒｉ，Ｔ. Ｍｏｒｉｔａ，ａｎｄＭ. Ｓａｒｕｗａｔａｒｉ， "Ｏｐｔｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｒｉｃｌｏｏｐｍｉｒｒｏｒ," Ｏｐｔ. Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．２０，ｎｏ．１２，ｐｐ．１４２４‐１４２５（１９９５）Ｇ．Ｐ．Ａｇｒａｗａｌ， "Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎｐｕｌｓａｔｉｏｎｓａｎｄｎｏｎｄｅｇｅｎｅｒａｔｅｆｏｕｒ‐ｗａｖｅｍｉｘｉｎｇｉｎｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｓａｎｄａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ，" Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ，Ｖｏｌ．５，ｎｏ．１，ｐｐ．１４７‐１５９（１９８８）

以上に述べた、波長変換を用いた従来技術の全光信号処理において、電圧印加式可変バンドパスフィルタ等を用いて所望の光信号を選択的に取り出す場合に、フィルタの動作速度により信号処理の速度が律速されるという問題があり、分散性媒質と干渉系とを用いて光信号を選択的に取り出す場合には、周波数とその帯域幅とが制限されるという問題がある。

本発明は、光が分岐されるステップを含む波長変換方法であって、光カプラと、前記光カプラの第１のポートと第２のポートとに両端が接続されたループ状の光ファイバとから構成されるサニャック干渉系が、前記ループ状の光ファイバのループ内に、波長変換の基準となるポンプ光と波長変換の信号となる信号光とにより波長変換光を発生する非線形媒質と、前記ポンプ光の周波数帯域を透過し前記信号光及び前記波長変換光のうちいずれか一方の周波数帯域を減衰させる手段とを含むサニャック干渉系であり、前記光カプラの所定のポートに、波長変換の基準となるポンプ光と波長変換の信号となる信号光とから構成された、第１の光群が入力される第１のステップと、前記ループ状の光ファイバを前記第１のポートから前記第２のポートへ伝播する第１のルートと、前記ループ状の光ファイバを前記第２のポートから前記第１のポートへ伝播する第２のルートとに、前記第１の光群が分岐される第２のステップと、前記非線形媒質と前記ポンプ光の周波数帯域を透過し前記信号光及び前記波長変換光のうちいずれか一方の周波数帯域を減衰させる手段とによって、前記第１のルートを伝播する前記第１の光群から、第２の光群が構成される第３のステップと、前記非線形媒質と前記ポンプ光の周波数帯域を透過し前記信号光及び前記波長変換光のうちいずれか一方の周波数帯域を減衰させる手段とによって、前記第２のルートを伝播する前記第１の光群から、第３の光群が構成される第４のステップと、前記光カプラの前記第２のポートに入力された前記第２の光群を構成する光と、前記光カプラの前記第１のポートに入力された前記第３の光群を構成する光とが、前記光カプラで干渉して所定のポートへ分岐される第５のステップとを有することを特徴とする。

本発明では、信号処理速度が外部装置の動作速度に律速されないため、高速な信号処理が可能となる。また、広帯域な全光信号処理が可能となる。

図４を用いて、本発明における第１の実施例の構成を説明する。図４に示す構成は、光ファイバ４１と、分岐比１対１の２入力２出力光カプラ（３ｄＢ）４２と、光カプラ４２のポート１とポート２とに接続された光ファイバ４５とからなるサニャック干渉系４０であって、光ファイバ４１のループ内に接続された、非線形媒質４３と所定の周波数帯域を減衰させる手段４４とを有するサニャック干渉系である。

なお、サニャック干渉系４０に対する、非線形媒質４３と所定の周波数帯域を減衰させる手段４４との配置の態様は、図４に限定されず、非線形媒質４３と所定の周波数帯域を減衰される手段４４は、光ファイバ４０のループ内にあればよい。

また、本発明ではサニャック干渉系以外に、マイケルソン干渉系やマッハツェンダー干渉系を用いることができる。しかし、サニャック干渉系は、他の干渉系と比較すると位相差調整等が容易である。従って、本発明を実施するための構成のひとつとして、サニャック干渉系を用いて説明をする。

図５を用いて、本発明における第１の実施例の構成、および周辺構成の一例を用いて説明する。図５には、偏波保持型方向性結合器５２と、光ファイバ５１とからなるサニャック干渉系５０であって、ループ状の光ファイバ５１内に、ＳＯＡ５４とフィルタ５３とを有するサニャック干渉系５０と、偏波コントローラ５５と、同時入射用方向性結合器５６と、光サーキュレータ５７とを示す。ここで、偏波コントローラ５５の光信号入力部に信号光w_sとポンプ光w_pとを入射することを基点として、図５を詳しく説明する。

はじめに、偏波コントローラ５５において、信号光w_sとポンプ光w_pとの偏光状態を一致させる。この偏光状態は、波長変換の変換効率に影響を与える。偏光状態が一致している関係のときに最も変換効率が高い場合もあれば、偏光状態が一致しない関係のときに最も変換効率が高い場合もある。これは、波長変換に用いる非線形媒質の特性等によって決まる。また、波長変換光の出力値は、非線形媒質および非線形光学効果に対する信号光w_sとポンプ光w_pとの位相関係に依存する。従って、入力する信号光w_sとポンプ光w_p-との位相関係は、非線形媒質の特性と非線形光学効果とに合わせて決めることになる。

次いで、同時入射用方向性結合器５６において、信号光w_sとポンプ光w_pとを合波させる。この合波は、サニャック干渉系５０を構成する偏波保持型方向性結合器５２のポート１に信号光w_sとポンプ光w_pとを入射するために行う。

次いで、合波した信号光w_sとポンプ光w_pとを光サーキュレータ５７へ通過させる。この光サーキュレータ５７は、偏波保持型方向性結合器５２のポート１から光サーキュレータ５７方向に進行する光を、同時入射用方向性結合器５６へ進行させない役割を担う。これにより、サニャック干渉系へ入射する光とサニャック干渉系から出射した光とが、同時入射用方向性結合器５６で干渉することを避けることができる。

次いで、信号光w_sとポンプ光w_pとを、サニャック干渉系５０を構成する分岐比１対１の２入力２出力偏波保持型方向性結合器５２のポート１に入力する。信号光w_sとポンプ光w_pとは、ポート３および４に分岐比１対１で分岐される。

なお、本発明の実施において、前記偏波保持型方向性結合器５２以外に用いることができる光カプラには、多モード干渉カプラ等がある。

次いで、ポート３および４から出射される光信号が、ループ状の光ファイバ内を伝送する。このループ状の光ファイバ内には、所定の周波数帯域を減衰させる手段としてフィルタ５３と、非線形媒質としてＳＯＡ５４とが接続されている。

図６に、フィルタとＳＯＡとをモジュール化したモジュール６０を示す。このモジュール６０では、光ファイバ６１からモジュール６０に入った光が、レンズ６２により平行光となり、フィルタ６３を通過し、レンズ６４でＳＯＡ６５に集光される。そして、ＳＯＡ６５を通過した光はレンズ６６により平行光となり、レンズ６７にて光ファイバ６８に集光される。ここで、ループ内の光ファイバとモジュールの接続面にて反射が起こらないように、接続面は融着により接続されている。

なお、本発明において、所定の周波数帯域を減衰させる手段と非線形媒質との構成方法は図６の構成に限らず、例えばフィルタ６３とＳＯＡ６５とを別々のモジュールで構成することも可能である。

次いで、本発明の第１の実施例において、１５５５ｎｍの信号光w_sと１５５１ｎｍのポンプ光w_pとを入射し、縮退四光波混合により位相共役光を得る波長変換を考える。

図７を用いて、第１の実施例におけるフィルタ５３を説明する。図７に示すグラフの縦軸は光信号の出力値であり、横軸は周波数である。このグラフにより、信号光w_s、ポンプ光w_p、および波長変換光w_cの出力値を示す。斜線部７０で示した周波数帯域が、フィルタ５３の透過周波数帯域である。本発明を実施する上で、フィルタの仕様は、ポンプ光w_pを透過させ、かつ高透過限界波長と吸収限界波長とにより決まる波長傾斜幅が、ポンプ光w_pの周波数付近においてできるだけ小さいフィルタである。このフィルタを用いると、波長変換に使用可能な帯域が広くなる。第１の実施例において具体的には、透過率が５％以下で定義される吸収限界波長が１５４９．２ｎｍであって、透過率が７２％以上で定義される高透過限界波長が１５５０ｎｍである、波長傾斜幅が０．８ｎｍの誘電体多層膜ハイパスフィルタである。

しかし、本発明を実施する場合のフィルタの仕様は、前記誘電体多層膜ハイパスフィルタに限定されない。また、フィルタがどの周波数帯域を減衰させるかは、図１０、１２、１３、１４で説明する、信号光w_s、ポンプ光w_p、および波長変換光w_cとの周波数の関係と実施方法とによって決まる。

図８に、インジウムガリウム砒素（以下、ＩｎＧａＡｓ）を用いた量子井戸ＳＯＡ８０の断面図を示す。量子井戸ＳＯＡ８０の構造は、ＩｎＧａＡｓの量子井戸８１がインジウムガリウム砒素リン（以下、ＩｎＧａＡｓＰ）の分離閉じ込め構造（Ｓｅｐａｒａｔｅｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔｈｅｔｅｒｏ‐ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、ＳＣＨ）８２にはさまれた構造と、ｐ型インジウムガリウム砒素（ｐ−ＩｎＧａＡｓ）８３と、第１のｐ型インジウムリン（ｐ−ＩｎＰ）８４と、第２のｐ型インジウムリン（ｐ−ＩｎＰ）８５と、第１のｎ型インジウムリン（ｎ‐ＩｎＰ）８６と、第２のｎ型インジウムリン（ｎ‐ＩｎＰ）８７とで構成される。ここでは、第１の実施例の周波数帯域に対応して、量子井戸層８１が、膜厚が５ｎｍであって歪量が−０．７０％であり組成比がＩｎ_０．４３Ｇａ_０．５７Ａｓとなるバリア層と、膜厚が５ｎｍであって歪量が＋０．５０％であり組成比がＩｎ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓとなる井戸層とを交互に６周期積層し、さらに膜厚が５ｎｍであって歪量が−０．７０％であり組成比がＩｎ_０．４３Ｇａ_０．５７Ａｓとなるバリア層を１層だけ積層した構成とを用いる。また、ＳＣＨ層のＩｎＧａＡｓＰの発光波長は１．１５μｍであり、層幅が５０ｎｍである。ただし、この非線形媒質の構成は実施例１の周波数帯域に対応させたものであり、本発明はこれに限定されない。

なお、ＩｎとＧａと併せて示した添え字は、ＩｎとＧａとの組成比を示している。また、ＩｎＧａＡｓは、一般にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とよばれる半導体である。ここで、ＩｎとＧａとはＩＩＩ族に属する。一方で、ＡｓはＶ族に属する。ＩｎＧａＡｓは、ＩｎとＧａとを合わせたＩＩＩ族の元素と、Ｖ族のＡｓとが１対１の組成比で構成されている。

なお、本発明で用いることができる非線形媒質として、２次の非線形光学効果を用いることができるＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、ＫＬｉＯＰＯ_４（ＫＴＰ）、ＫＨ_２ＰＯ_４（ＫＤＰ）、ＫＮｂＯ_３といった酸化物強誘電体などがある。また、３次の非線形光学効果を用いることができる有機材料ＡＡＮＰ結晶やＭＭＡポリマやＤＡＮ結晶と、ＧａＮやＺｎＳＳｅやＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ量子井戸やＡｇＧａＳｅ_２やＡｇＧａＳなどの半導体増幅器と、高非線形光ファイバなどがある。

なお、本発明では、上記の非線形媒質の特性に合わせて四光波混合、差周波発生、およびカスケード２次非線形光学効果といった非線形光学効果を用いることができる。
次に、信号光とポンプ光の周波数の大小関係と、その大小関係に対応したフィルタの種類の組み合わせにより、第１の実施例において動作原理が異なる４つ実施例（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）を説明する。
なお、図９に、各実施例における周波数の大小関係と、使用する所定の周波数帯域を減衰させる手段の仕様とをまとめる。
図１０および図１１を用いて実施例（ａ）を説明する。
実施例（ａ）は、信号光w_sの周波数がポンプ光w_pの周波数よりも大きな場合である。また、所定の周波数帯域を減衰させる手段として、少なくともポンプ光w_pの周波数以上の周波数帯域を透過させるハイパスフィルタ１０２を用いる。図１０には、ループ状の光ファイバに接続された非線形媒質１０１と、ハイパスフィルタ１０２と、このループ状の光ファイバと分岐比１対１の光カプラから構成されるサニャック干渉系１００と、信号光w_sとポンプ光w_pと波長変換光w_cと、各周波数成分の光の伝播の様子を示す矢印とを図示する。また、このハイパスフィルタ１０２にあわせて図示するグラフの縦軸が光信号の出力値であり、横軸が周波数である。このグラフにより、信号光w_s、ポンプ光w_p、および波長変換光w_cの出力値を示す。また、このグラフの斜線部分が、ハイパスフィルタ１０２の透過周波数帯域である。

図１０および図１１を用いて、実施例（ａ）をステップに分離して説明する。図１１には、サニャック干渉系１００のループ上の光ファイバを右回り、および左回りに伝播する、信号光w_s、ポンプ光w_p、および波長変換光w_cの様子を示す。

信号光w_sとポンプ光w_pとを光カプラのポート１に入力し、ポート３および４に分岐する。ポート３から出た信号光w_sとポンプ光w_pとが、ハイパスフィルタ１０２を通過して非線形媒質１０１に入射され、生成された波長変換光w_cと共にポート４に到達する。一方、ポート４から出た信号光w_sとポンプ光w_pとが非線形媒質１０１に入射され、生成された波長変換光w_cと共にハイパスフィルタ１０２に入射される。このとき、ハイパスフィルタ１０２で波長変換光w_cがカットされて、ハイパスフィルタ１０２を通過した信号光w_sとポンプ光w_pとがポート３に到達する。こうしてループ状の光ファイバを右回り、左回りに伝播したこれらの光が、光カプラのポート３、もしくはポート４に入射される。このとき、光カプラのポート３とポート４とに入射される信号光w_sとポンプ光w_pとはループミラーとなり、ポート１より出射する。他方で、波長変換光w_cはポート４のみから光カプラに入射されるので、ポート１とポート２とに分岐される。すなわち、ポート２からは波長変換光w_cのみが出射する。

なお、実施例（ａ）で用いる所定の周波数帯域を減衰させる手段１０２に要求される仕様を、光信号の点から言及すれば、信号光w_sとポンプ光w_pとを透過させて波長変換光w_cを減衰させるという仕様である。さらに、信号光w_sもしくはポンプ光w_pの周波数を掃引して波長変換光w_cを可変とする場合には、掃引する信号光w_sもしくは掃引するポンプ光w_pの周波数帯域を透過させて、可変となる波長変換光w_cの周波数帯域を減衰させるという仕様である。

図１２を用いて実施例（ｂ）を説明する。基本構成は実施例（ａ）と同様であり、ここでは信号光w_sの周波数がポンプ光w_pの周波数よりも大きな場合である。ただし、所定の周波数帯域を減衰させる手段として、少なくともポンプ光w_pの周波数以下の周波数帯域を透過させるローパスフィルタ１２２を用いる。図１２には、ループ状の光ファイバに接続された非線形媒質１２１と、ローパスフィルタ１２２と、このループ状の光ファイバと分岐比１対１の光カプラから構成されるサニャック干渉系１２０と、信号光w_sとポンプ光w_pと波長変換光w_cと、各周波数成分の光の伝播の様子を示す矢印とを図示する。また、このローパスフィルタ１２２にあわせて図示するグラフの縦軸が光信号の出力値であり、横軸が周波数である。このグラフにより、信号光w_s、ポンプ光w_p、および波長変換光w_cの出力値を示す。また、このグラフの斜線部分が、ローフィルタ１２２の透過周波数帯域である。

信号光w_sとポンプ光w_pとを光カプラのポート１に入力し、ポート３および４に分岐する。ポート３から出た信号光w_sとポンプ光w_pとは、ローパスフィルタ１２２によって信号光w_sがカットされ、ポンプ光w_pのみが非線形媒質１２１を通過し、ポート４に到達する。一方、ポート４から出た信号光w_sとポンプ光w_pとが非線形媒質１２１に入射され、生成された波長変換光w_cと共にローパスフィルタ１２２に入射される。このとき、ローパスフィルタ１２２で信号光w_sがカットされ、ローパスフィルタ１２２を通過したポンプ光w_pと波長変換光w_cがポート３に到達する。こうしてループ状の光ファイバを右回り、左回りに伝播したこれらの光が、光カプラのポート３、もしくはポート４に入射される。このとき、光カプラのポート３とポート４とに入射されるポンプ光w_pはループミラーとなり、ポート１より出射する。他方で、波長変換光w_cはポート３のみから入射されるので光カプラのポート１とポート２とに分岐される。すなわち、ポート２からは波長変換光w_cのみが出射する。

なお、実施例（ｂ）で用いる所定の周波数帯域を減衰させる手段１２２に要求される仕様を、光信号の点から言及すれば、波長変換光w_cとポンプ光w_pとを透過させて信号光w_sを減衰させるという仕様である。さらに、信号光w_sもしくはポンプ光w_pの周波数を掃引して波長変換光w_cを可変とする場合には、掃引するポンプ光w_pもしくは可変となる波長変換光w_cの周波数帯域を透過させて、掃引するポンプ光w_ｓの周波数帯域を減衰させるという仕様である。

図１３を用いて実施例（ｃ）を説明する。基本構成は実施例（ａ）と同様であるが、ここでは信号光w_sの周波数がポンプ光w_pの周波数よりも小さい場合である。また、所定の周波数帯域を減衰させる手段として、少なくともポンプ光w_pの周波数以上の周波数帯域を透過させるハイパスフィルタ１３２を用いる。図１３には、ループ状の光ファイバに接続された非線形媒質１３１と、ハイパスフィルタ１３２、このループ状の光ファイバと分岐比１対１の光カプラから構成されるサニャック干渉系１３０と、信号光w_sとポンプ光w_pと波長変換光w_cと、各周波数成分の光の伝播の様子を示す矢印とを図示する。また、このハイパスフィルタ１３２にあわせて図示するグラフの縦軸が光信号の出力値であり、横軸が周波数である。このグラフにより、信号光w_s、ポンプ光w_p、および波長変換光w_cの出力値を示す。また、このグラフの斜線部分が、ハイパスフィルタ１３２の透過周波数帯域である。

信号光w_sとポンプ光w_pとを光カプラのポート１に入力し、ポート３および４に分岐する。ポート３から出た信号光w_sとポンプ光w_pとは、ハイパスフィルタ１３２によって信号光w_sがカットされ、ポンプ光w_pのみが非線形媒質１３１を通過し、ポート４に到達する。一方、ポート４から出た信号光w_sとポンプ光w_pは非線形媒質１３１に入射され、生成された波長変換光w_cと共にハイパスフィルタ１３２に入射される。このとき、ハイパスフィルタ１３２で信号光w_sがカットされ、ハイパスフィルタ１３２を通過したポンプ光w_pと波長変換光w_cがポート３に到達する。こうしてループ状の光ファイバを右回り、もしくは左回りに伝播したこれらの光が、光カプラのポート３、もしくはポート４から入射される。このとき、光カプラのポート３とポート４とに入射されるポンプ光w_pはループミラーとなり、ポート１に出射する。他方で、波長変換光w_cは光カプラのポート３のみから入射されるので、光カプラのポート１とポート２とに分岐される。すなわち、ポート２からは波長変換光w_cのみが出射する。

なお、実施例（ｃ）で用いる所定の周波数帯域を減衰させる手段１３２に要求される仕様を光信号の点から言及すれば、ポンプ光w_pと波長変換光w_cとを透過させて信号光w_sを減衰させるという仕様である。さらに、信号光w_sもしくはポンプ光w_pの周波数を掃引して波長変換光w_cを可変とする場合には、掃引するポンプ光w_pと可変となる波長変換光w_cとの周波数帯域を透過させて、掃引する信号光w_sの周波数帯域を減衰させるという仕様である。

図１４を用いて実施例（ｄ）を説明する。基本構成は実施例（ｃ）と同様であり、ここでは信号光w_sの周波数がポンプ光w_pの周波数よりも小さな場合である。ただし、所定の周波数帯域を減衰させる手段として、少なくともポンプ光w_pの周波数以下の周波数帯域を透過させるローパスフィルタ１４２を用いる。図１４には、ループ状の光ファイバに接続された非線形媒質１４１と、ローパスフィルタ１４２、このループ状の光ファイバと分岐比１対１の光カプラから構成されるサニャック干渉系１４０と、信号光w_sとポンプ光w_pと波長変換光w_cと、各周波数成分の光の伝播の様子を示す矢印とを図示する。また、このローパスフィルタ１４２にあわせて図示するグラフの縦軸が光信号の出力値であり、横軸が周波数である。このグラフにより、信号光w_s、ポンプ光w_p、および波長変換光w_cの出力値を示す。また、このグラフの斜線部分が、ローパスフィルタ１４２の透過周波数帯域である。

信号光w_sとポンプ光w_pとを光カプラのポート１に入力し、ポート３および４に分岐する。ポート３から出た信号光w_sとポンプ光w_pとは、ローパスフィルタ１４２を通過して非線形媒質１４１に入射され、生成された波長変換光w_cと共にポート４に到達する。一方、ポート４から出た信号光w_sとポンプ光w_pとが非線形媒質１４１に入射され、生成された波長変換光w_cと共にローパスフィルタ１４２に入射される。このとき、ローパスフィルタ１４２で波長変換光w_cがカットされ、ローパスフィルタ１４２を通過した信号光w_sとポンプ光w_pとがポート３に到達する。こうしてループ状の光ファイバを右回り、もしくは左回りに伝播したこれらの光が、ポート３、もしくはポート４から入射される。このとき光カプラのポート３とポート４とから入射される信号光w_sとポンプ光w_pとはループミラーとなり、光カプラのポート１に出射する。他方で、波長変換光はポート４のみから入射されるので光カプラのポート１とポート２とに分岐される。すなわち、ポート２からは波長変換光のみが出射する。

なお、実施例（ｄ）で用いる所定の周波数帯域を減衰させる手段１４２に要求される仕様を、光信号の点から言及すれば、信号光w_sとポンプ光w_pとを透過させて波長変換光w_cを減衰させるという仕様である。さらに、信号光w_sもしくはポンプ光w_pの周波数を掃引して波長変換光w_cを可変とする場合には、掃引するポンプ光w_ｓもしくは掃引するポンプ光w_pの周波数帯域を透過させて、可変となる波長変換光w_cの周波数帯域を減衰させるという仕様である。

以上が、実施例（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の説明である。

本発明により、波長変換を用いた全光信号処理において、信号処理の速度が、フィルタの掃引速度といった外部装置の動作速度に律速されない。また、サニャック干渉系にてループミラーとなるのは信号光w_sとポンプ光w_pとであり、波長変換光の帯域がハイパスフィルタ、もしくはローパスフィルタの透過周波数帯域、および非線形媒質の特性によって決まる。従って、広帯域な波長変換が可能となる。

本発明は、波長変換を用いる光信号処理技術に適用可能である。

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）光が分岐されるステップを含む波長変換方法であって、
光カプラと、前記光カプラの第１のポートと第２のポートとに両端が接続されたループ状の光ファイバとから構成されるサニャック干渉系が、前記ループ状の光ファイバのループ内に、非線形媒質と所定の周波数帯域を減衰させる手段とを含むサニャック干渉系であり、前記光カプラの所定のポートに、波長変換の基準となるポンプ光と波長変換の信号となる信号光とから構成された、第１の光群が入力される第１のステップと、
前記ループ状の光ファイバを前記第１のポートから前記第２のポートへ伝播する第１のルートと、前記ループ状の光ファイバを前記第２のポートから前記第１のポートへ伝播する第２のルートとに、前記第１の光群が分岐される第２のステップと、
前記非線形媒質と前記所定の周波数帯域を減衰させる手段とによって、前記第１のルートを伝播する前記第１の光群から、第２の光群が構成される第３のステップと、
前記非線形媒質と前記所定の周波数帯域を減衰させる手段とによって、前記第２のルートを伝播する前記第１の光群から、第３の光群が構成される第４のステップと、
前記光カプラの前記第２のポートに入力された前記第２の光群を構成する光と、前記光カプラの前記第１のポートに入力された前記第３の光群を構成する光とが、前記光カプラで干渉して所定のポートへ分岐される第５のステップと
を有する波長変換方法。（１）
（付記２）付記１に記載の波長変換方法であって、
前記所定の周波数帯域が、前記ポンプ光の周波数よりも大きい周波数帯域であることを特徴とする波長変換方法。（２）
（付記３）付記１に記載の波長変換方法であって、
前記所定の周波数帯域が、前記ポンプ光の周波数よりも小さい周波数帯域であることを特徴とする波長変換方法。（３）
（付記４）付記１に記載の波長変換方法であって、
前記非線形媒質において、四光波混合を用いることを特徴とする波長変換方法。（４）
（付記５）付記１に記載の波長変換方法であって、
前記非線形媒質が、半導体光増幅器であることを特徴とする波長変換方法。
（付記６）光カプラと、前記光カプラの第１のポートと第２のポートとに両端が接続されたループ状の光ファイバから構成されるサニャック干渉系を備え、
前記ループ状の光ファイバのループ内に、所定の周波数帯域を減衰させる手段と非線形媒質とが配置されていることを特徴とする波長変換装置。（５）
（付記７）付記６に記載の波長変換装置であって、
前記所定の周波数帯域が、前記ポンプ光の周波数よりも大きい周波数帯域であることを特徴とする波長変換装置。

（付記８）付記６に記載の波長変換装置であって、
前記所定の周波数帯域が、前記ポンプ光の周波数よりも小さい周波数帯域であることを特徴とする波長変換装置。

（付記９）付記６に記載の波長変換装置であって、
前記非線形媒質において、四光波混合を用いることを特徴とする波長変換装置半導体増幅器であることを特徴とする波長変換装置。

（付記１０）付記６に記載の波長変換装置であって、
前記非線形媒質が、半導体増幅器であることを特徴とする波長変換装置。

光カプラの原理を示す図である。サニャック干渉系を示す図である。サニャック干渉系の原理を示す図である。本発明の第１の実施例を示す図である。本発明の第１の実施例と周辺部を示す図である。本発明の第１の実施例で用いるフィルタとＳＯＡのモジュールを示す図である。本発明の第１の実施例で用いるフィルタの仕様を示す図である。本発明の第１の実施例で用いる量子井戸ＳＯＡを示す図である。本発明の実施例（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の仕様を示す図である。本発明の実施例（ａ）を示す図である。本発明の実施例（ａ）の動作ステップを示す図である。本発明の実施例（ｂ）を示す図である。本発明の実施例（ｃ）を示す図である。本発明の実施例（ｄ）を示す図である。

符号の説明

１０：光カプラ内の第１のルート
１１：光カプラ内の第２のルート
１２：光カプラ
２０：サニャック干渉系
２１、２３：光ファイバ
２２：光カプラ
４０、５０、１００、１２０、１３０、１４０：サニャック干渉系
４１、４５、５１、５５：光ファイバ
４２：光カプラ
４３：非線形媒質
４４：所定の周波数帯域を減衰させる手段
５２：偏波保持型方向性結合器
５３：ＳＯＡ
５４：フィルタ
５６：偏波コントローラ
５７：同時入射用方向性結合器
５８：光サーキュレータ
６０：フィルタとＳＯＡからなるモジュール
６１、６８：光ファイバ
６２、６４、６６、６７：レンズ
６３：フィルタ
６５：非線形媒質
７０：フィルタの透過周波数領域（斜線部分）
８０：量子井戸ＳＯＡ
８１：量子井戸層
８２：ＳＣＨ層
８３：ｐ−ＩｎＧａＡｓ

８４：第１のｐ−ＩｎＰ
８５：第２のｐ−ＩｎＰ
８６：第１のｎ−ＩｎＰ
８７：第２のｎ−ＩｎＰ
１００、１２０、１３０、１４０：サニャック干渉系
１０１、１２１、１３１、１４１：非線形媒質
１０２：実施例（ａ）で用いるフィルタおよびフィルタの透過周波数帯域（斜線部分）
１２２：実施例（ｂ）で用いるフィルタおよびフィルタの透過周波数帯域（斜線部分）
１３２：実施例（ｃ）で用いるフィルタおよびフィルタの透過周波数帯域（斜線部分）
１４２：実施例（ｄ）で用いるフィルタおよびフィルタの透過周波数帯域（斜線部分）

Claims

光が分岐されるステップを含む波長変換方法であって、
光カプラと、前記光カプラの第１のポートと第２のポートとに両端が接続されたループ状の光ファイバとから構成されるサニャック干渉系が、前記ループ状の光ファイバのループ内に、波長変換の基準となるポンプ光と波長変換の信号となる信号光とにより波長変換光を発生する非線形媒質と、前記ポンプ光の周波数帯域を透過し前記信号光及び前記波長変換光のうちいずれか一方の周波数帯域を減衰させる手段とを含むサニャック干渉系であり、前記光カプラの所定のポートに、波長変換の基準となるポンプ光と波長変換の信号となる信号光とから構成された、第１の光群が入力される第１のステップと、
前記ループ状の光ファイバを前記第１のポートから前記第２のポートへ伝播する第１のルートと、前記ループ状の光ファイバを前記第２のポートから前記第１のポートへ伝播する第２のルートとに、前記第１の光群が分岐される第２のステップと、
前記非線形媒質と前記ポンプ光の周波数帯域を透過し前記信号光及び前記波長変換光のうちいずれか一方の周波数帯域を減衰させる手段とによって、前記第１のルートを伝播する前記第１の光群から、第２の光群が構成される第３のステップと、
前記非線形媒質と前記ポンプ光の周波数帯域を透過し前記信号光及び前記波長変換光のうちいずれか一方の周波数帯域を減衰させる手段とによって、前記第２のルートを伝播する前記第１の光群から、第３の光群が構成される第４のステップと、
前記光カプラの前記第２のポートに入力された前記第２の光群を構成する光と、前記光カプラの前記第１のポートに入力された前記第３の光群を構成する光とが、前記光カプラで干渉して所定のポートへ分岐される第５のステップと
を有する波長変換方法。
請求項１に記載の波長変換方法であって、
前記信号光及び前記波長変換光のうちいずれか一方の周波数帯域が、前記ポンプ光の周波数よりも大きい周波数帯域であることを特徴とする波長変換方法。
請求項１に記載の波長変換方法であって、
前記信号光及び前記波長変換光のうちいずれか一方の周波数帯域が、前記ポンプ光の周波数よりも小さい周波数帯域であることを特徴とする波長変換方法。
請求項１に記載の波長変換方法であって、
前記非線形媒質において、四光波混合を用いることを特徴とする波長変換方法。
請求項１に記載の波長変換方法であって、
前記ポンプ光の周波数帯域を透過し前記信号光及び前記波長変換光のうちいずれか一方の周波数帯域を減衰させる手段が、前記波長変換光を減衰させることを特徴とする波長変換方法。
光カプラと、前記光カプラの第１のポートと第２のポートとに両端が接続されたループ状の光ファイバから構成されるサニャック干渉系を備え、
前記ループ状の光ファイバのループ内に、波長変換の基準となるポンプ光と波長変換の信号となる信号光とにより波長変換光を発生する非線形媒質と、前記ポンプ光の周波数帯域を透過し前記信号光及び前記波長変換光のうちいずれか一方の周波数帯域を減衰させる手段とが配置されていることを特徴とする波長変換装置。
請求項６に記載の波長変換装置であって、
前記ポンプ光の周波数帯域を透過し前記信号光及び前記波長変換光のうちいずれか一方の周波数帯域を減衰させる手段は、所定の周波数以上の周波数帯域を減衰させるハイパスフィルタ及び所定の周波数以下の周波数帯域を減衰させるローパスフィルタのうちいずれか一方であることを特徴とする波長変換装置。