CN1752834A - 光开关和利用光开关的光波形监测装置 - Google Patents

Abstract

光开关和利用光开关的光波形监测装置。通过偏振控制器改变光信号的偏振方向，以使其与偏振器的主轴正交。控制脉冲生成器利用波长与光信号不同的控制光束来生成控制脉冲。将光信号和控制脉冲输入到非线性光纤。在该非线性光纤中，在光信号与控制脉冲一致的时间段内，在控制脉冲的偏振方向附近通过光参量放大对该光信号进行放大。在光信号与控制脉冲一致的时间段内，该光信号穿过偏振器。

Description

光开关和利用光开关的光波形监测装置

技术领域

本发明涉及提取部分光信号的技术，更具体地，涉及一种对具有一系列光脉冲或信号分量的时分复用光信号进行提取的方法，涉及一种利用该方法的光开关，并涉及利用该光开关的光抽样示波器。

背景技术

近年来，数据量的增长和对于远距离通信的需求促进了利用光学技术的装置和系统的广泛普及。光开关是这种技术的一部分，其提取由包括一系列光脉冲组成的光信号的一部分，该光开关作为核心元件正在进行研究和开发。以下方法是公知的对由一系列光脉冲组成的光信号进行切换的传统技术：

(1)一种首先将所接收的光信号转换为电信号，对该信号进行切换，然后使用光调制器或激光器将其转换回光信号的技术。该系统被称为OE/EO型。

(2)一种通过使电信号与所选择的信道同步来对该信道进行切换，并根据该同步信号来操作诸如LiNbO₃调制器和EA(电吸收)调制器的光调制器的技术。

(3)一种通过光学装置执行所有切换处理而不涉及任何电信号的技术。更具体地，以下方法被认为是该技术的一部分。

(3a)使用Mach-Zehnder干涉仪的方法，该干涉仪被构造为使得通过两个波导臂的光之间的相位差为π。

(3b)利用诸如四波混频(FWM)和三波混频(TWM)的非线性波混频的方法。

(3c)利用诸如自相位调制(SPM)或交叉相位调制(XGM)的光学Kerr效应的技术。

(3d)使用诸如交叉增益调制(XGM)和交叉吸收调制(XAM)的增益饱和效应的技术。

以下文献涉及上述技术。非专利文献1和2描述了不需要将光信号输入转换为电信号来执行3R再生的技术。这些3R再生技术通过将输入光信号和根据该光信号再生的时钟信号引导至包括高非线性光纤的光门电路，来获得具有规则波形的再生信号输出，该再生信号输出不受抖动的影响。

专利文献1：日本公开未审专利申请No.H7-98464

专利文献2：日本专利No.3494661

非专利文献1：S.Watanabe，R.Ludwig，F.Futami，C.Schubert，S.Ferber，C.Boener，C.Schmidt-Langhorst，J.Berger and H.G.Weber，“Ultrafast All-Optical 3R Regeneration”，IEICE Trans.Electron，Vol.E87-C，No.7，July 2004

非专利文献2：S.Watanabe，“Signal Regeneration Technique inOptical Field”，Kogaku(Japanese Journal of Optics)，Vol.32，No.1，pp.10-15，2003

以上列出的传统技术具有以下技术问题。OE/EO型在实际使用中达到10Gbps，并且进行了对达到40Gbps的实际有效使用的研究和开发。然而，其对于每一种比特速率都需要专用电路，并且由于电子操作速度的限制而具有高速信号限制。使用电信号作为驱动信号或控制信号的上述技术(2)在操作速度方面也有相同的问题。

上述技术(3)不具有受限的操作速度，因为其不采用电信号，然而，采用超过160Gbps的高速信号会导致诸如与切换有关的10-30dB损耗以及可以进行切换的波长范围窄的问题。切换效率的降低导致光S/N比的降低和信号质量的劣化。此外，窄的工作带宽需要用于各个信号波长的光开关。

发明内容

本发明的目的是提供一种在宽波段内以高的切换效率对光信号进行切换的技术。

本发明的光开关包括：第一偏振控制器，用于控制光信号的偏振方向；非线性光学介质，将从第一偏振控制器输出的光信号输入到该非线性光学介质中；以及偏振器，其设置在非线性光学介质的输出端，其主偏振轴与从非线性光学介质输出的光信号的偏振方向正交。在所述非线性光学介质中，在控制脉冲的偏振方向附近，由该控制脉冲通过参量放大来放大该光信号。在所述非线性光学介质中，在控制脉冲的偏振方向附近，可以由该控制脉冲通过非线性放大来放大该光信号。

当没有提供该控制脉冲的情况下，该光信号的偏振方向在非线性光学介质中不会发生改变。该光信号被偏振器完全阻挡。相反地，在提供了该控制脉冲的情况下，通过交叉相位调制使光信号的偏振方向发生旋转，并且通过由非线性光学介质中的四波混频导致的光参量放大来放大该信号。因此，该光信号的分量通过该偏振器。

在该光开关中，光信号与控制脉冲的偏振方向之间的角度可以设定为大约45度。该结构使得能够进行有效的偏振旋转，并使偏振器中的损耗最小。

可以使用光纤作为该非线性光学介质，其平均零色散波长可以与控制脉冲的波长相同或几乎相同。根据该结构，实现了由四波混频导致的高效光参量放大。

另外，可以在第一偏振控制器的前面设置波形整形器，该波形整形器使光信号的脉冲峰平坦化。另选地，可以使控制脉冲的脉冲宽度比光信号的脉冲宽度窄。这些结构的引入使得即使光信号随时间波动，也能够通过用作为时钟脉冲的控制脉冲来再生信号定时。

本发明的光开关不仅可以对强度调制的光信号进行放大和切换，而且可以对相位调制或频率调制的光信号进行放大和切换。相位调制的光信号和频率调制的光信号优选地为RZ信号。

如果将输入光信号分离为一对彼此正交的偏振信号，并且这些偏振信号在分别由本发明的光开关进行切换后进行耦合，则不需要控制该输入光信号的偏振。

根据本发明，实现了一种在宽波段内以高的切换效率对光信号进行切换的光开关。因此，可以获得优异的光S/N比。

附图说明

图1表示本发明的光开关的基本结构；

图2表示信号和控制脉冲的示例；

图3表示生成控制脉冲的方法；

图4A和4B表示光学Kerr开关的工作原理；

图5是表示光学Kerr开关的操作的示意图；

图6A至图6C表示由本发明的光开关进行的切换；

图7表示传统光学Kerr开关和本发明的光开关的工作范围；

图8是执行光2R再生的实施例；

图9A至图9C表示图8所示的光2R再生；

图10表示光2R再生的另一实施例；

图11表示为了进行图10所示的光2R再生而生成的控制脉冲；

图12表示在通信系统的接收器中采用的光开关的实施例；

图13A和图13B表示在中继器节点中采用光开关的实施例；

图14表示在光中继器中采用本发明的光开关的光通信系统；

图15A和图15B表示消光比的提高；

图16表示采用平顶控制脉冲的光开关的实施例；

图17表示在光抽样示波器中采用光开关的实施例；

图18表示利用光脉冲来测量对象的方法；

图19表示物质分析仪的实施例，其使用了本发明的光开关；

图20表示控制脉冲的波长分配；

图21A和图21B表示信号和控制脉冲的示例波长分配；

图22表示包括用于对控制脉冲的波长进行转换的功能的光开关的结构；

图23A至图23C表示通过四波混频进行的波长转换；

图24表示光纤中的色散补偿的示例；

图25A和图25B描述了一种光通信系统，其使用了与本发明相关的波形监测装置；

图26表示将本发明实现为非线性光环镜(NOLM)的示例；

图27表示实现本发明的干涉仪；

图28表示相位调制光信号和频率调制光信号；

图29表示QPSK；

图30A是用于解调DPSK光信号的解调器的示例；

图30B是用于解调频率调制光信号的解调器的示例；

图31A和31B是用于对调制光信号进行切换的光开关的示例；

图32是用于对调制光信号进行切换的光开关的另一示例；

图33是使用本发明的光开关的光DEMUX的示例；

图34A是在将相位调制光信号转换为强度调制光信号之后的切换的示例；

图34B是在将频率调制光信号转换为强度调制光信号之后的切换的示例；

图35是用于监测相位调制光信号或频率调制光信号的光抽样示波器的示例；

图36是使用偏振分集的光开关的第一示例；

图37A和图37B表示图36所示的光开关的操作；

图38是使用偏振分集的光开关的第二示例；

图39表示用于控制光信号和控制脉冲的偏振的控制系统；

图40表示用于测试本发明的光开关的特性的系统的结构；

图41表示在控制脉冲的峰值功率发生变化时的切换增益；

图42是表示在数据信号的波长发生变化时的切换增益的曲线图；

图43表示所分离信号的接收光功率发生变化时BER(比特错误率)的测量值；以及

图44A至图44E表示使用本发明的光开关的光学抽样信号的眼孔图样。

具体实施方式

以下参照附图来说明本发明的优选实施例。

图1表示本发明的光开关1的基本结构。在图1中，偏振控制器(PC)11控制输入光信号的偏振方向。即，将该光信号偏振到由偏振控制器11指定的方向。在本示例中，使用波长为“λs”的光来生成该光信号。对该信号的比特率没有具体限定。

控制脉冲生成器12使用波长为“λp”的光学控制光束(控制光)来产生控制脉冲。信号的波长λs和控制脉冲的波长λp优选地相分离，然而对这种分离没有具体限定。此外，波长λp可以比波长λs长，也可以比波长λs短。

图2表示信号脉冲和控制脉冲的示例。在该示例中，信号携带信号脉冲S1、S2、S3…。与该信号所携带的信号脉冲同步地生成控制脉冲。在图2所示的示例中，该信号的比特率是控制脉冲的频率的四倍。信号脉冲S1和控制脉冲P1一致，并且信号脉冲S5和控制脉冲P2也一致。

为了使控制脉冲和该信号所携带的信号脉冲同步，可以采用诸如图3所示的结构，但是本发明并不限于该结构。光分支装置21对携带该信号的光的一部分进行分支，并将该部分光引导到控制脉冲生成器12。该光的大部分被引导到偏振控制器11。控制脉冲生成器12包括时钟再生单元22，并再生与输入信号同步的时钟。时钟再生单元22可以包括PLL电路。可以通过全光处理从输入信号中恢复时钟脉冲，并且再生时钟信号的脉冲宽度可以加宽。例如，日本公开未审申请No.2001-249371中描述了这种通过全光处理从光信号中再生时钟的方法。控制脉冲生成器12利用该再生时钟产生控制脉冲。在产生时，如果每四个时钟周期产生一个脉冲，则获得了图2所示的控制脉冲P1和P2。

偏振控制器13控制该控制脉冲的偏振方向。该控制脉冲的偏振方向被设置为相对于信号的偏振角保持指定的角度。希望对控制脉冲的偏振角进行设定，以使得信号和控制脉冲的偏振角之间的角度为40到50度之间(例如，45度)。

对信号和控制脉冲进行复用，并耦合到非线性光纤14。在非线性光纤14中，通过交叉相位调制使信号的偏振方向旋转，并且通过由四波混频(FWM)导致的光参量放大对该信号进行放大。换句话说，如图6C所示，通过由四波混频导致的光参量放大，主要在控制脉冲的偏振方向上对信号进行放大。这里，偏振的旋转和光参量放大并不应用于信号的所有部分。它们仅应用于该信号与控制脉冲交叠或一致的时间段。在图2所示的示例中，偏振的旋转和光参量放大仅应用于信号脉冲S1和S5，而信号脉冲S2、S3、S4、S6和S7的偏振方向保持不变。

采用上述非线性光纤作为其中信号的波长λs与控制脉冲的波长λp不同的光参量放大器。这里，可以将波长λs与波长λp之间的差异设定为使得可以使用通过非线性效应进行的光放大，例如Raman放大和Brillouin放大。在这种结构中，可以实现Raman放大或Brillouin放大。此外，如果提供了依次逐渐偏离λp的n种波长λp2-λpn，则可以在宽波段上执行Raman放大。

偏振器15可以是偏振分束器(PBS)、双折射光学晶体等，并且其使包含沿主轴的偏振的分量通过。偏振器15的主轴被设置为与信号的偏振角垂直。即，偏振控制器11对信号的偏振方向进行控制，以使得信号的偏振方向与偏振器15的主轴正交。

光带通滤波器(BPF)16仅通过波长为λs的信号，而阻挡其他波长的信号。因此，波长为λp的控制源被阻挡。另外，去除了在波长位于BPF的通带外部的光放大器(图中未示出)中产生的任何放大自发发射(ASE)。如果控制脉冲的波长与信号的波长相差很大，或者如果通过偏振器15的信号的功率与任意ASE的功率相比足够大，则不需要光BPF 16。

如上所述，信号的偏振角与偏振器15的主轴正交。在没有控制脉冲的情况下，非线性光纤不使信号的偏振角旋转，因此该信号完全由偏振器15阻挡。在图2所示的示例中，信号脉冲S2、S3、S4、S6和S7被偏振器15阻挡。相反，当信号和控制脉冲同时出现在非线性光纤14中时，通过交叉相位调制使信号的偏振方向发生旋转。换句话说，在非线性光纤14中，通过光参量放大主要在控制脉冲的偏振方向上对信号进行放大。于是，从非线性光纤14输出的信号包含偏振方向与偏振器15的主轴方向相同的分量。结果，信号的一部分由偏振器15透射。在图2所示的示例中，信号脉冲S1和S5由偏振器15透射。

光开关1使得能够选择性地提取和输出信号中与控制脉冲一致(在时间域上交叠)的部分。在该操作过程中，输出信号的波长与输入信号的波长相同。

以下详细给出本发明的光开关的工作原理的说明。本发明的光开关的结构和操作以及利用光学Kerr效应的光学Kerr开关的操作的共同点在于以下原理：在没有控制脉冲的情况下分量被阻挡(具有零切换传输的分量)。在以下文献中对光学Kerr开关的详细操作进行了说明。

“NONLINEAR FIBER OPTICS”，page 180-184，Govind P.Agrawal，ACADEMIC PRESS，INC。

与图1所示的光开关1类似，传统的光学Kerr开关包括非线性光纤和偏振器。信号和控制脉冲进入该非线性光纤。信号的偏振角被设置为与偏振器的主轴正交。

当控制脉冲的功率在光学Kerr开关中为零时，如图4A所示，该非线性光纤不使信号的偏振方向旋转。换句话说，来自非线性光纤的输出信号的偏振方向与偏振器的主轴正交。在这种情况下，没有信号通过偏振器透射(信号被偏振器完全阻挡)。

当控制脉冲的功率在信号与控制脉冲在时间上交叠的状态下增大时，通过与控制脉冲的强度成正比的交叉相位调制使信号的相位发生变化，从而信号的偏振角发生旋转，如图4A所示。即，当信号在非线性光纤中传输时，如图5所示，偏振状态发生改变，并且信号的偏振主轴的方向发生旋转。这种现象使得信号的一部分能够通过偏振器，如图4B所示。控制信号的功率被调节为使得输入到非线性光纤中的信号的相位变化为π。于是信号的偏振方向从初始状态旋转了90度。换句话说，获得了相对于输入光信号的偏振方向旋转了90度的线性偏振。此时，信号的偏振方向与偏振器的主轴一致，从而信号基本上百分之百地通过偏振器。在这一点上，输出信号的功率为最大，如图4B的曲线图所示。控制脉冲的功率的进一步增大导致信号的偏振角的进一步旋转，以及信号的输出功率的下降。即，如图5所示，信号的偏振状态进一步发生改变，并且信号的偏振主轴进一步旋转。在光学Kerr开关中，信号的输出功率的变化与控制脉冲功率呈余弦曲线状依赖关系。

因此，在光学Kerr开关中，通常，生成用于信号提取的控制脉冲，以使得在非线性光纤中存在足够的功率用于将信号的偏振方向旋转90度。然而，从上述工作原理可以显见，光学Kerr开关不能产生比信号的输入功率更大的输出功率。即，存在对提高切换效率的限制。因此，光学Kerr开关通常独立地与光放大器一起使用。此外，从上述工作原理可以显见，由于只有在非线性相移为π时才能执行最优切换操作，所以传统光学Kerr开关需要对控制光束的光功率进行高精度地设定，以生成控制脉冲。

图5示意性表示了光学Kerr开关的操作。利用非线性光纤中的控制脉冲，通过交叉相位调制使信号的偏振方向旋转。对控制脉冲的功率进行设定，以使得信号的偏振方向在非线性光纤中精确地旋转90度。这样，在时间上与控制脉冲交叠的信号最高效地通过了偏振器。

本发明的光开关通过有效利用通过交叉相位调制进行的上述偏振旋转，并通过使用由图1所示的非线性光纤14中的四波混频生成的光参量放大(其中将该控制信号用作泵浦光)，来获得高切换效率。与传统光学Kerr开关不同，在本发明中，不需要对控制脉冲进行精确的功率控制。这里，四波混频是非线性介质(本示例中的非线性光纤14)中的现象，假设非线性介质通过其非线性偏振吸收了两个光子，并释放两个光子以使能量守恒。当向该非线性介质提供波长与信号波长不同的高能泵浦光时，该信号由上述释放的光子放大(参量放大)。

本发明的光开关通过利用参量放大确保了切换效率的极大提高。这里，切换效率被定义为：输出信号的功率与输入信号的功率之比。本发明使得在切换之后信号的输出功率能够极大地提高，并且产生光S/N比下降非常小的高性能光开关。

假定光开关1中使用的非线性光纤14的长度为“L”并且其损耗为“α”。另外，非线性光纤14的输入和输出信号分别为“Es1”和“Es2”。在四波混频的理想相位匹配状态下，可以通过以下公式(1)来近似切换效率ηs。

ηs≡|Es2|²/|Es1|²＝exp(-αL)·G       (1)

其中“G”是光参量增益，并通过以下公式(2)近似。

G＝1+{γP_PL(L)}²                       (2)

其中“P_P”是非线性光纤14中的输入控制脉冲的峰值功率。“L(L)”是非线性有效交互长度，表示为“{1-exp(-αL)}/α”。三阶非线性系数“γ”表示为“ωn₂/cA_eff”，其中“c”、“ω”、“n₂”和“A_eff”分别表示“光速”、“光角频率”、“非线性折射率”和“有效截面积”。

以上公式(1)和(2)揭示了：非线性光纤14中的信号的切换效率随着“γP_PL(L)”的增大而增大。另外，如果确定了非线性光纤14的特性和长度，则“γ”和“L(L)”变为固定值。于是，切换效率随“P_P”的增大而增大。即，光参量放大导致的控制脉冲的峰值功率的增大会导致更高的信号切换效率。

在光开关1中，信号的偏振方向与控制脉冲的偏振方向之间的角度被设定为大约45度。信号和控制脉冲的偏振方向分别由偏振控制器11和13设定。

通常，四波混频或者光参量放大在交互波的偏振方向彼此一致时具有最大效率。相反地，当偏振方向彼此正交时，几乎不会出现四波混频。因此，当信号和控制脉冲的偏振方向之间的角度被设定为大约45度时，效率比偏振方向彼此一致时的效率要低得多。然而，与控制脉冲方向相同的偏振分量通过光参量放大沿与控制脉冲的方向相同的偏振方向上放大，因此，输入光信号被光学切换为该偏振方向上的信号分量。

同时，如参照图4所说明的，当控制脉冲的功率相对较低时，通过交叉相位调制，使信号的偏振方向开始根据控制脉冲的功率而旋转。随着信号的偏振旋转接近45度，通过光参量增益获得的分量增大。当旋转角度达到45度时，信号和控制脉冲的偏振方向一致，并且获得了最大光参量增益。通过这种方式，通过光交叉相位调制实现的信号偏振状态的改变依赖于控制脉冲的功率；然而在传统光学Kerr开关中使用的光交叉相位调制并不妨碍本发明的效果。

这里，在非线性光纤中通过四波混频进行的信号放大(即光参量放大)可以认为是下述的现象：通过作为泵浦能量提供的控制脉冲，重新生成了波长与信号波长相同的分量。另外，在本发明的光开关1中，向非线性光纤14提供功率非常高的控制脉冲。因此，来自非线性光纤14的输出信号的大部分是通过四波混频重新生成的分量。然而，该重新生成的信号分量的偏振状态(SOP)几乎不受交叉相位调制的影响，因此其偏振方向没有被交叉相位调制改变。换句话说，没有发生偏振旋转。因此，在控制脉冲的功率非常高的区域，由非线性光纤14中的光参量放大进行了放大的信号的偏振方向被固定为几乎与控制脉冲的偏振方向相同的方向。因此，从非线性光纤输出通过本发明的非线性光纤进行了切换的信号，作为在大致与控制脉冲的偏振方向一致(或者在控制脉冲的偏振方向附近)的方向上偏振的信号。这种切换与传统光学Kerr开关的切换机制有很大的不同。

图6A至图6C表示由本发明的光开关进行的切换。图6A和图6B中表示信号的箭头的方向和长度表示该信号的偏振角和幅值。如图6A所示，信号的偏振方向与偏振器15的主轴正交。图6C示意性描述了由本发明的光开关执行的切换。

在本发明中，通过由控制脉冲执行的光参量放大，在非线性光纤的输出端子将信号输出为在该控制脉冲的偏振方向附近的方向上的线性偏振。

在没有控制脉冲的情况下，在非线性光纤14中不会发生光参量放大和交叉相位调制。因此，来自非线性光纤14的输出信号的偏振方向与输入信号的相同。即，输出信号的偏振角与偏振器15的主轴正交。在这种情况下，信号被偏振器15完全阻挡。

在有控制脉冲的情况下，如参照图4A所述，通过光参量放大对信号进行放大，并且作为交叉相位调制的结果，信号的偏振方向发生了旋转。然而，在本发明的光开关1中使用的控制脉冲的功率非常高(例如，该控制脉冲的峰值功率为几瓦或更大)。因此，通过由四波混频导致的光参量放大对信号进行了放大。当信号和控制脉冲的偏振方向一致时，该光参量放大的效率最高。另外，通过四波混频重新生成的信号分量的SOP不受交叉相位调制的影响，因此其偏振方向不发生变化。因此，通过非线性光纤14中的光参量放大进行了放大的信号的偏振方向被固定在基本上与控制脉冲的偏振方向相同的方向，如图6B所示。与传统光Kerr开关不同，信号的偏振方向不会持续旋转。

这里，非线性光纤14的输入端的信号的偏振方向与控制脉冲的偏振方向之间的角度被设定为大约45度。另外，输出信号的偏振方向与偏振器15的主轴之间的角度也是45度。于是，来自非线性光纤14的输出信号的功率的大约50％ $(={(1/\sqrt{2})}^2)$ 通过了偏振片15。

在本发明的光开关1中，当信号通过偏振器15时，信号的功率下降了一半。然而，可以容易地对该信号的功率进行放大，以能够充分地补偿通过非线性光纤14中的光参量放大由偏振器15导致的功率降低。尽管来自光开关1的输出信号的功率在偏振器15中部分地损耗，但是与输入信号的功率相比，其仍然很大。因此，大大提高了切换效率。考虑到传统光学Kerr开关的最大切换效率为1的事实，本发明的切换效率得到了显著提高。传统的四波混频开关的效率是{γP_PL(L)}²，而本发明的光开关的效率超过了传统光开关的效率。除了效率提高以外，本发明的不同之处在于没有波长转换，而传统的四波混频开关没有提供该特征。

图7表示传统光学Kerr开关和本发明的光开关的工作范围。传统Kerr开关仅需要低功率控制脉冲来实现输入信号的偏振方向的90度旋转。因此，信号的偏振方向随控制脉冲的功率增大而发生旋转，而没有进行光参量放大(或者有很小的光参量放大)，并且信号的偏振状态和偏振主轴的方向根据控制脉冲的功率而改变。最大输出信号功率没有超过输入信号的功率。因此，传统Kerr开关的切换效率小于1。

与传统Kerr开关相比，本发明的光开关1使用了功率高得多的控制脉冲。在非线性光纤14中，在控制脉冲的偏振方向上产生通过四波混频进行的光参量放大。即，在控制脉冲相对较小的范围内通过交叉相位调制使信号的偏振开始旋转。当信号的偏振角逐渐接近控制脉冲的偏振角时，由于四波混频而产生光参量放大。由于信号的偏振角固定为控制脉冲的偏振角，所以输出信号功率大致与控制脉冲的功率的平方成正比地增大。因此，输出信号的功率超过了输入信号的功率。控制脉冲的峰值功率的适当设定可以实现大于1的切换效率。换句话说，本发明的光开关1是包括光放大器功能的光开关。在不涉及波长转换的光开关中，在传统技术中不存在具有光放大器功能的光开关。

在本发明的光开关1中，信号的初始设定的偏振状态与偏振器15的主轴方向正交。因此，光开关1能够以高消光比来控制OFF信号(0电平)。这在不进行波长转换的情况下，不能通过传统光开关实现。更具体地，由于ON信号(1电平)情况下的光参量增益，使得光开关1产生比输入信号的电平更高的信号输出，并通过利用OFF信号(0电平)情况下的偏振器的高消光比来持续执行良好的控制。因此，在切换之后，信号具有高的消光比和S/N比(或高质量的信号再生)。

此外，本发明的光开关1使用了包括非线性光纤中的交叉相位调制和四波混频在内的光学Kerr(三阶非线性光学)效应。这些非线性效应是非常高速的现象，其包括飞秒级的响应速度。因此，本发明具有透明切换的特征，该特征与比特率和脉冲形状无关。另外，本发明可以与诸如Tbps(terra bps)级信号的超高速信号一起使用。

另外，在上述实施例中，信号的偏振与控制脉冲的偏振之间的角度被设定为大约45度。该角度可以根据多种条件而变化，以获得最高的效率。然而，实验和仿真证明：在非线性光纤的输入端口处，该角度应该在大约40度到大约50度之间。当该角度太大时，可能不会出现由交叉相位调制产生的信号的偏振旋转和由四波混频产生的光参量放大，这不是所希望的结果。当该角度太小时，偏振器15处的损耗增大，这也不是所希望的结果。

接下来，对光开关1的实施例进行说明。

图8是执行光学2R再生的实施例。这里，“光学2R”表示再定时和再放大。

在图8中，主电路100包括偏振控制器11和13、非线性光纤14、偏振器15和光带通滤波器(BPS)16，如图1所示。控制脉冲生成器12包括图3所示的时钟再生单元22，并通过使用从输入信号中再生的时钟来生成控制脉冲。

对输入信号进行分支并将其提供给波形整形器101和控制脉冲生成器12。波形整形器101将图9A所示的信号的波形转换为图9B所示的波峰经过平坦化的光脉冲。将该光脉冲发送给主电路100。控制脉冲生成器12根据与信号比特率相对应的基准频率来产生控制脉冲(也可以使用N×RF或RF/N，而不是基准频率，其中RF为基准频率，而N是正整数)。主电路100利用该控制脉冲从波形由波形整形器101进行了整形的输入信号中再生出信号(光学2R再生)。

当信号比特率较高(160Gbps)时，由于偏振色散、由光放大器加入的噪声等的影响而导致出现数据脉冲的定时波动或者抖动。在图9A所示的示例中，周期T1、T2和T3彼此不同。然而，在图8所示的2R再生中，只要抖动位于信号脉冲的平顶域的范围内，就可以通过使用该控制脉冲的再生使该抖动最小。也就是说，周期T1、T2和T3变得相等，如图9C所示。另外，主电路100中的光参量放大以大的放大率来再生信号。另外，来自主电路100的输出信号的频率(波长)与输入信号的频率(波长)相同。

为了进行波形整形，波形整形器101可以采用任意方法，例如利用非线性啁啾的方法、利用保偏光纤中的两个偏振主轴之间的群速度色散的不同的方法(参见非专利文献1和2)、利用增益饱和放大器的方法、利用光调制器的方法，以及对信号进行O/E转换之后使用信号处理的光调制方法。

图8所示的光学2R再生使用了本发明的光开关，因为使时间上的波动最小，所以其能够消除接收器中对于偏振色散补偿器的需要。

图10示出了光学2R再生的另一实施例。在图10中，控制脉冲生成器102基本上与图1或图3中的控制脉冲生成器12相同。然而，如图11所示，控制脉冲生成器102生成脉冲宽度非常窄的控制脉冲。即，控制脉冲生成器102产生的控制脉冲的脉冲宽度(半幅全宽：FWHM)Wc比信号脉冲的脉冲宽度(FWHM)Ws窄。脉冲宽度Ws表示不受抖动影响的范围的宽度。

使用这种控制脉冲的光学2R再生通过采用参照图8所说明的结构，使得光开关能够使例如图9A至9C的时间上的抖动最小。即，可以控制添加到光纤传输中的信号中的波动(例如由偏振模色散导致)。因此，通过在接收器或光中继器中执行上述光学2R再生，通过控制偏振模色散而不使用复杂的装置(例如偏振模色散补偿器)来提高接收和发送特性。

也可以在生成时间宽度比信号脉冲短的控制脉冲时，通过控制脉冲生成器102生成频率比信号的比特率低的光时钟脉冲，并且通过该光时钟脉冲的光时分复用(OTDM)来生成具有所需频率的控制脉冲。例如，当信号的比特率为160Gb/s时，生成10GHz或40GHz的光时钟脉冲。然后，对该光时钟脉冲进行复用，从而生成160GHz的控制脉冲。

通过下述方法来生成具有非常短的脉冲宽度的脉冲：例如利用锁模激光器的方法、利用电吸收调制器或LiNbO₃强度/相位调制器中的再生光时钟信号的调制、在再生光脉冲的线性啁啾之后使用光纤的脉冲压缩、利用绝热孤波压缩效应、利用光带通滤波器提取线性啁啾光脉冲的光谱的一部分、使用利用第二和第三阶非线性光学效应的光开关，以及使用干涉仪光开关。

图12示出了将光开关用于对要输入到通信系统的接收器中的信号进行预处理的实施例。在图12中，将由发送器31发送的信号输入多个信道，该多个信道通过光时分复用进行了复用。例如，如果复用信号的比特率为160Gbps，则通过光时分复用对四个40Gbps信道进行复用。接收器32从复用信号中接收指定信道的信号。

光开关1从信号所传播的信道中提取接收器32指定要接收的信道。换句话说，光开关1用作解调装置。例如，在图2中，当信号S1、S2、S3…通过输入信号传播时，并且当信号S1、S5…由接收器32指定接收时，光开关1将控制脉冲P1、P2…输入到非线性光纤14中。结果，从该信号中提取信号S1、S5…。此时，通过光参量放大对所提取的信号进行放大。在不生成控制脉冲的时间段内，光开关1的输出为OFF状态。因此，可以实现满意的消光比和S/N比。

图13A示出了将光开关用于通信系统的中继器节点的实施例。在图13A中，由发送器31发送的信号与图12的信号类似。光开关节点41包括光分支装置42，其对通过第一光传输线路接收的信号进行分支。将所分支的信号之一输出到第二光传输线路，而将另一分支信号引导到光开关1。光开关1提取该输入信号所传播的多个信道中的指定信道，并将所提取的信号引导到第三光传输线路。即，光中继器节点41从通过光时分复用进行了复用的多个信道中分离(drop)指定信道。

类似地，本发明可以实现光时分复用(OTDM)或两个信道的时域光ADD电路。图13B示出了该应用的结构。

将通过第一光传输线路提供的第一输入信号输入本发明的光开关1a。向光开关1a提供控制脉冲，该控制脉冲的速率与该信号的比特率相同，并且是全“1”模式(连续非零模式)。这样，光开关1a对第一信号中的所有信号脉冲进行放大，并将其输出。将通过第二光传输线路输入的第二输入信号引导到本发明的光开关1b。向光开关1b输入控制脉冲，该控制脉冲用于选择由第二信号发送的部分或全部信号脉冲。这样，光开关1b对部分或全部第二信号进行了选择、放大和输出。

由光耦合器对光开关1a和1b的输出进行复用，并将其引导到第三光传输线路。通过该处理，通过复用第一信号和第二信号(或者第二信号的一部分)而生成了第三信号。另外，可以在光开关(1a和1b)与光耦合器之间设置控制系统，以匹配第一和第二信号的相位。

图14表示了一种光通信系统，该光通信系统在光中继器中使用了本发明的光开关。在该系统中，通过光中继器33中的光开关1对由发送器31发送的信号进行放大，并将其发送到接收器32。第一光传输线路和第二光传输线路可以是光纤或者自由空间传输。

通过传输线路传播的信号与其传输距离成比例地衰减，其消光比下降，如图15A所示，并且抖动增加。

在图14所示的系统中，可以通过采用光开关1使抖动和偏振模色散的影响最小，以执行图8或图10所示的光学2R再生。另外，在光开关1中，在没有控制脉冲的时间段内，所有信号都被阻挡。因此，即使在信号处于“OFF”状态时光功率由于传输过程中的噪声和波形失真而增大(参见图15A)，也可以再生具有高消光比的信号(参见图15B)。

在图8所示的2R再生中，对信号脉冲的峰进行平坦化。然而，也可以对控制脉冲的峰而不是信号脉冲的峰进行平坦化。这种结构使得能够进行重复放大，该重复放大不会影响信号的相位或脉冲宽度。该结构还可以用于如图12所示的光解调装置、如图13A和13B所示的光ADM装置，或者用于切换相位调制信号或频率调制信号的装置中。希望通过使用由图3所示的时钟脉冲再生器22从输入信号中再生的光时钟，使信号和控制脉冲彼此同步。

图17表示在光抽样示波器中使用该光开关的实施例。这里，将用于观察的信号的比特率表示为“fs”。将该信号输入到光开关1中。

抽样脉冲生成器51包括时钟再生器，用于从输入信号中再生基准时钟信号。基准时钟信号的频率或抽样速率为“f′s”。抽样脉冲生成器51使用光脉冲源产生与频率“f′s+Δfs”(其中Δfs＜＜f′s)同步的一系列光脉冲，该频率“f′s+Δfs”与基准时钟频率稍有不同。如上参照图1所述，将该一系列光脉冲作为控制脉冲输入到光开关1中。为了使电路更加简单，例如通常使用较低的抽样速率“fs＝f′s/N，其中N＝1，2…”。这样，当“N≥2”时，光信号的频率f′s可以是信号比特率的N分之一。换句话说，可以降低电路的处理速度，并且可以简化电路的设计和制造。随着“N”接近“1”，抽样信号的数量增大，由此可以得到清晰的波形信息；然而，这需要高速电路。

光开关1在控制脉冲的峰值定时与输入信号的强度成比例地输出光脉冲。光接收器52将来自光开关1的输出光脉冲依次转换为电信号。示波器53通过在时域中对从光接收器52获得的电信号进行跟踪，来检测输入信号的波形。此时，由于输入信号与“N×f′s”之间的频率差为“Δfs”，因此以Δfs为周期来检测信号波形，该周期比输入信号的比特率低得多。并且通过将抽样速率fs/N设定为比输入信号的调制速度低得多，即使其为超过示波器的电路的工作速度极限的超高速脉冲也可以观察其波形。可以通过光开关的增益来输出高光强的光信号，因此可以实现高灵敏度的光抽样示波器。顺便提及，例如在日本公开未审申请No.2003-65857以及日本未公开申请No.2004-214982中对光抽样示波器的操作进行了说明。

上述光抽样示波器可用于分析多种物质，例如检查超微制造元件的表面或物体的内部组成。即，如图18所示，将信号脉冲入射到待检查的物体上，并对其反射或透射光进行观察。根据待检查物体的表面状态和/或内部组成的非均匀性，反射或透射光的波形与原始波形不同。较小的信号脉冲宽度便于观察所检查物体的变形和/或非均匀性，因为与宽脉冲相比，短脉冲的脉冲形状对于这些特征更加敏感，因此倾向于更容易改变形状，由此所得到的反射或透射光的脉冲波形倾向于更容易失真。

图19表示使用本发明的光开关的物质分析仪的实施例。在图19中，主电路61与图17的光开关1和抽样脉冲生成器51相应。另外，O/E转换器62和分析仪63与图17的光接收器52和示波器53相应。

在该物质分析仪中，如上所述，使用短脉冲宽度的光探测脉冲。首先，通过将该光探测脉冲直接输入到主电路61中，来观察其波形。接下来，将该光探测脉冲引导到待检查的物体。通过将测量光(反射光或透射光)从待检查的物体引导到主电路61，来对该测量光的波形进行观察。然后，对两个波形的比较使得能够检查该物体的表面和内部状态。

该测量光并不限于反射光或透射光，如果所检查的物体在照射光探测脉冲时发光，则可以测量从所检查的物体发出的光。即使该发光持续时间非常短并且强度非常弱，光开关1的高时间分辨率和优异的光放大也可以提供对所发出的光的高度精确的测量。因此，与本发明相关的材料分析仪对于分析所检查的物体的物理特性有很大帮助。

可以从用于光通信的1.55μm波段以及可以产生非线性光学效应的所有波段中选择本发明可以采用的波长。当选择光纤作为非线性介质时，在可以获得非线性光学效应的波段内使用单模光纤。光纤的使用并不限于石英光纤，其非线性效应得到增强的光纤(例如光子晶体光纤和铋置换(bismuth-substituted)光纤)也是有效的。具体地，光子晶体光纤的使用使得能够灵活地选择色散特性。另外，可以使用更短的波长，已有报道，可以在从可见光波长到大约0.8μm的波长范围内实现非线性光纤(M.Nakazawa et al.，Technical Digest in CLEO2001)。另外，本发明可以使用更短的波长范围。

以下对本发明的光开关的波长配置以及切换波长的增强带宽进行说明。

本发明的光开关1利用了由交叉相位调制导致的偏振旋转以及由非线性光纤中的四波混频而产生的光参量放大。可以极高的速度和极宽的带宽实现这些非线性光学效应。因此，根据本发明，可以对分配在光通信系统中使用的波段中的所有信号进行切换。

为了改善光开关1的特性，将该开关配置为有利于四波混频。四波混频的出现强烈依赖于非线性光纤的色散。另外，当在非线性光纤中光信号和控制脉冲(泵浦光)一致时，生成四波混频光(空闲光(idlerlight))。如果信号和控制脉冲的频率分别为“fs”和“fp”，则该空闲光的频率为“2fp-fs”。四波混频的有效产生要求信号和空闲光之间的相位匹配。

通常，为了有效地产生由四波混频导致的光参量放大，例如，希望控制脉冲(泵浦光)的波长与非线性光纤的零色散波长λ₀相对应，如图20所示。另选地，可以将色散平坦光纤(或者小色散光纤)用作为非线性光纤。然而，根据非线性光纤的长度和信号与控制脉冲之间的波长差，可以消除这些要求。

通常，当用于产生控制脉冲的控制光束的中心波长附近的色散为β₂时，光信号与控制脉冲的之间的波长差所导致的相位差的量可以估计为“β₂×(2πfp-2πfs)²”。因此，当控制脉冲(泵浦光)的波长与非线性光纤的零色散波长(β₂＝0)相匹配时，由色散导致的相位差的量实际上可以为零。然而，与本发明相同，当控制脉冲的强度很高时，考虑到由于非线性效应产生的诸如PSM和XPM的非线性相位调制而导致的相位差的量，可以有效地对波长分配进行优化。考虑到非线性特性，该相位差的量可以估计为“β₂×(2πfp-2πfs)²+2γP_P”，因此，应该设定为使得该值达到最小。这样，一种可能的方法是：将泵浦光(控制脉冲)的波长设置在非线性光纤的反常色散侧，以使“β₂＜0”。

图21A和图21B表示信号和控制脉冲的示例波长分配，假定该示例中存在两个可用波段。这里，两个波段例如为可见光波段和红外波段，或者是用于光通信的C波段(1530nm-1565nm)和L波段(1568nm-1610nm)。

在存在这些波段的情况下，将信号分配在一个波段(第一波段)内，而将控制脉冲分配在另一波段(第二波段)内，如图21A所示。本发明的光开关1在对信号进行切换时不涉及波长转换。由于输出信号的波长与输入信号的相同，因此，将输出信号分配在第一波段中，如图21B所示。

通常，光通信系统包括光放大器、滤光器、光接收器，以及用来在O/E转换之后对信号进行放大的电路。在这些装置当中，光测量装置尤其昂贵。如果为每个波段都配备光测量装置，则成本将进一步增大。然而，上述波段设置的引入使得能够利用一套装置对分配在该波段内的所有信号进行切换。另外，通常，为了从包括控制脉冲的其他光束中提取目标切换信号，使用滤光器(例如，图1所示的光带通滤波器16)。这里，如果在上述波长分配的条件下使用例如在对应波段(C波段和L波段)内进行工作的光放大器，则可以在分配有信号的一个波段内执行线性放大，而在其中分配了用于生成控制脉冲的控制光束的另一波段中截止不必要的分量。

此外，在本发明的光开关1中，信号的波长必须与控制脉冲的不同。然而，对于某些用户来说，很难提供具有合适波长的控制光束来获得控制脉冲。例如，某些用户可以提供C波段(光通信中最普通的波段)中的光束，但是不能提供L波段中的光束。在这种情况下，下述配置是有用的，该配置可以通过将C波段中的光束转换为L波段中的光束来生成控制脉冲。

图22描述了包括控制脉冲的波长转换功能的光开关的结构。为了更具体，下面对包括利用四波混频进行波长转换功能的结构进行说明。

在图22中，控制脉冲生成器71产生第一控制脉冲，其波长λc1位于C波段中。波长转换器72包括光源73和非线性光纤74。光源73产生探测光，其波长λp例如为λp＜λc1。该探测光是连续波光或者一系列光脉冲。如图23A所示，将第一控制脉冲和探测光输入到非线性光纤74中。然后，在非线性光纤74中，通过四波混频生成第二控制脉冲，如图23B所示。这里，第二控制脉冲的波长λc2应该满足条件

这样，探测光的波长的适当设定可以通过C波段内的第一控制脉冲产生L波段内的第二控制脉冲。

带通滤波器75使波长λc2通过。因此，可以产生波长在L波段内的控制脉冲，如图23C所示。另外，如果需要，可以采用光放大器对非线性光纤74的输出进行放大。

上述实施例提供了利用四波混频进行波长转换的功能，然而本发明并不限于这种方法。可以通过下述方法来执行波长转换，例如利用三波混频的方法、利用交叉相位调制的方法、利用自相位调制的方法、使用准相位匹配结构的LiNbO₃调制器的方法、使用半导体光放大器的方法、使用可饱和吸收型调制器的方法、使用干涉仪光开关的方法、使用诸如光子晶体的装置的方法，以及使用光电探测器将光信号转换为电信号并随后利用该电信号来驱动光调制器来进行检测的方法。

另外，可以在信号和控制脉冲都设置在单个波段内的结构中采用本发明。然而，该结构要求脉冲的光谱彼此分离，以使它们不会彼此进行不当干涉。信号和控制脉冲位于同一波段的这种结构便于相位匹配，降低了脉冲逸散(pulse walk-off)效应，因此，提供了更高效率的光开关。

还可以利用本发明的光开关对复用了多个波长的光WDM信号进行集中切换。然而，为了集中切换光WDM信号，各个信道中的信号必须彼此同步。为此，可以采用下述的同步方法：在比较各个波长的信号定时之后，通过使用延迟电路进行光缓冲来调整定时。另一方面，当通过利用本发明的光开关的示波器(参见图17)来监测WDM光的各个信道中的信号波形时，各个信道中的信号不必同步。

下面对光开关1中使用的非线性光纤的实施例进行说明。

优选地，使非线性光纤14在其整个长度上的色散变化小于特定值。此外，非线性光纤14应该使其非线性效应增强，例如光子晶体光纤、铋置换光纤(具有掺铋纤芯的非线性光纤)，以及锗置换光纤(具有掺锗纤芯的非线性光纤)。具体地，锗置换光纤是目前最合适的，其具有下述的结构，在该结构中，对纤芯和包层的折射率比进行了适当的调整，并且提高了每单位长度的三阶非线性光学效应的产生效率。

当使用非线性光纤时，为了在覆盖如上所述两个波段(例如，C波段和L波段)的宽带宽内实现四波混频，使信号(波长λs)和空闲光(波长λc)相位匹配。在日本公开未审申请No.H7-98464和日本专利No.3494661中对相位匹配的条件进行了说明。

作为示例，可以通过交替地设置具有正色散的光纤和具有负色散的光纤，来获得总体上平均零色散的非线性光纤，如图24所示。当使用具有足够非线性效应的光纤(例如，铋置换光纤)时，即使光纤的长度较短，也能够以足够的效率实现四波混频。然而，这种光纤通常具有很大的色散。在这种情况下，使用色散补偿光纤对色散进行补偿。例如，在图24中，将具有很大非线性效应的光纤设置在N＝1，3，5…的部分，而将用于补偿对应非线性光纤的色散的光纤设置在N＝2，4，6…的部分。

在本发明的光开关1中，可以使用其他非线性光学介质，而不是非线性光纤。该其他非线性光学介质例如是：用于四波混频的半导体光放大器、量子点光放大器，或者包括用于三波混频的准相位匹配结构的LiNbO₃波导(周期性接入的LN)。

另外，尽管未对控制脉冲进行具体限定，但是可以使用半导体激光器、锁模激光器、可饱和吸收型调制器或者LiNbO₃波导型调制器来生成控制脉冲。

此外，图1所示的光开关1的输入端可以包括用于放大信号的光放大器，以及用于从该光放大器中去除经放大的自发射光(ASE)的滤光器。

接下来，说明在光通信系统中采用本发明的实施例。在该说明中，假定由发送器31发送的光信号通过光中继器(或光放大中继器)81发送到接收器32。通过在光中继器81处监测该光信号的波形，来监测和控制光通信系统的操作状态。

在这种情况下，如图25A所示，监测装置82与光中继器81相连，并将通过第一光传输线路传播的信号的分量输入该监测装置82。可以在光中继器81内实现该监测装置82。监测装置82可以监测信号的波形，因为其包括相当于图17所示的光抽样示波器的监测功能。如果需要，监测装置82还评估该信号的波形，并将评估结果发送给发送器31、接收器32、其他中继器和网络管理系统等(以下统称为通信装置)中的至少任意一个。例如，对波形的评估是通过对量化眼孔图样进行量化来获得的。这样，可以在这些通信装置中的至少任意一个中对通信进行控制。

另外，可以通过向上述通信装置中的至少一个发送由监测装置82抽样的抽样光信号(如图17所示，由光开关1输出的一系列光脉冲)，由这些通信装置中的至少一个来评估波形。此时，例如使该抽样光信号与信号重叠并进行发送。通过对该信号和抽样光信号进行复用而产生的光束由光接收器转换为电信号，然后提取该抽样光信号，并对其波形进行监测。另选地，还可以使该信号暂时停止在光中继器81处，并仅将抽样光信号发送到这些通信装置中的至少一个。抽样光信号是相当于控制脉冲的短脉冲，并且其重复周期例如从几MHz直到几百MHz。通过光传输中的光纤的色散使该抽样光信号退化，然而，很容易对其进行补偿，以进行波形监测。

在上述示例中，将包含波形评估信息的数据和抽样光信号传送给发送器和/或接收器。然而，可以将它们传送给其他装置，例如控制整个通信系统的控制服务器。

图26示出了采用本发明来实现非线性光环镜(NOLM)的示例。

在图26中，通过耦合比为1∶1的光耦合器91将光信号分支为一对反向传播的分支信号，以使该环中的各个分支信号的功率相等。这些信号之一在NOLM的环中顺时针方向传播，而另一信号在该环中逆时针方向传播。通过设置在环上的光耦合器92向环中提供控制脉冲，该控制脉冲沿一个方向(本示例中为顺时针)传播。该控制脉冲具有足以在非线性光纤中实现光参量放大的较大功率。因此，当存在该控制信号时，顺时针传播的信号被参量放大。相反地，当不存在控制信号时，顺时针传播的信号和逆时针传播的信号相互抵消，所以输出几乎为零。

与光学Kerr开关一样，非线性光环镜(NOLM)也可以通过控制脉冲的交叉相位调制对同步信号进行切换。然而，可以通过全反射来实现在不存在控制脉冲情况下的信号阻挡，当具有相等功率的信号沿顺时针方向和逆时针方向以相同偏振状态传播回到光耦合器91时产生该全反射。通常，当通过控制脉冲的交叉相位调制为一个方向上的信号提供相移π时，实现了百分之百的透射或者切换。在本发明中，如上所述，使用功率非常大的控制脉冲来对信号进行参量放大。这样，尽管由光耦合器反射的光增多，但是可以对功率更高的信号进行切换。

如上所述，本发明并不限于如图1所示的包括偏振控制器、非线性光纤和偏振器的结构，而是可以应用于非线性光环镜。

另外，本发明可以应用于图27所示的干涉仪。通过控制非线性光学介质93的交叉相位调制，该干涉仪(例如，Mach-Zehnder干涉仪)可以实现两种状态：第一状态，通过第二输出端口输出输入信号的反信号，以及通过第一输出端口输出与输入信号相同的信号；以及第二状态，通过第一输出端口输出输入信号的反信号，以及通过第二输出端口输出与输入信号相同的信号。

当在该干涉仪中应用本发明时，使用如上所述的控制脉冲来控制非线性光学介质93的状态。控制脉冲的光功率足够高，以使得信号在非线性光学介质93中被参量放大。这样，当存在控制脉冲时，例如通过第一输出端口来输出经过参量放大的信号。在这种情况下，当不存在控制脉冲时，第一输出端口处于信号消光状态。因此，在该干涉仪中，可以实现相当于图1所示的构造的光放大切换。

如上所述，本发明是包括非线性光学介质的光开关。通过将信号和控制脉冲输入该非线性光学介质，来实现其特征之一，信号的光参量放大。本发明包括表示这种操作的所有结构。

另外，与在本发明中使用光参量放大的目的相似，可以使用能够通过控制脉冲进行泵浦的每一种非线性放大效应。例如，当使用光纤作为非线性介质通过Raman效应(Raman放大)来产生非线性光放大时，可以通过生成频率比信号频率高12THz(波长要短100nm)的光脉冲作为泵浦光来实现上述实施例。然而，为了有效地产生交叉相位调制和Raman放大，必须减小信号脉冲和控制脉冲之间的逸散。在减小逸散的方法当中，可以使用：使用色散斜率很小(色散平坦光纤)并且色散较小的非线性光纤的方法；以及使用信号和控制脉冲的波长相对于非线性光纤的零色散波长对称设置的方法。

下面说明用于对相位调制光信号或频率调制光信号进行放大和切换的光开关。在以上实施例中，对用于切换强度调制光信号的光开关进行了说明，但是，本发明的光开关也可以对相位调制光信号和频率调制光信号进行切换。

图28示出了相位调制光信号和频率调制光信号。假定在该示例中一个码元携带一个比特的数据。

相位调制光信号为RZ(归零)-PSK(相移键控)光信号，并且可以通过根据数据信号对RZ脉冲序列进行光学相位调制来获得。这里，在RZ脉冲序列中，光功率在码元之间实际上为零。在图28的示例中，获得了相位调制光信号，该相位调制光信号的相位根据数据信号“11001…”而改变“ππ00π…”。换句话说，当数据在“0”和“1”之间变化时，执行调制，以使光信号的相位相对地偏移“π”。另选地，还可以在数据为“1”时分配与前一比特相同的相位，并且在数据为“0”时分配前一比特加“π”的相位。或者说，可以通过例如LiNbO₃调制器或者使用非线性介质中的交叉相位调制(XPM)的技术来实现这些相位调制。

在图28中，将BPSK(其中1个码元携带1个比特的数据)描述为一种相位调制技术；然而本发明还可以应用于MPSK(M＝2，4，8，16…)。例如，对于其中1个码元携带2个比特的数据的QPSK，将“π/4”、“3π/4”、“5π/4”、“7π/4”分别分配给“00”、“10”、“11”和“01”，如图29所示。这种技术还可以应用于CS(载波抑制)RZ-DPSK信号。

频率调制光信号是RZ-FSK(频移键控)光信号，并且可以通过根据数据信号对RZ脉冲序列进行频率调制来获得。在图28所示的示例中，获得了频率调制光信号，该频率调制光信号的频率根据数据信号“11001…”变化为“f2，f2，f1，f1，f2…”。例如，通过使用具有高频率转换效率的半导体激光器等来执行这种频率调制。例如，通过光外差检测或光零差检测来接收相位调制光信号和频率调制光信号。

图30A是用于解调DPSK光信号的解调器的示例。在DPSK技术中，相邻比特之间的相位差为“0”或“π”，如图28中的各个脉冲所示。因此，可以通过使用1比特光延迟电路111来解调DPSK光信号。换句话说，当相邻比特之间的相位差为“π”时，通过耦合输入光信号和1比特延迟光信号而得到的信号为“1(存在光功率)”。另一方面，当相邻比特之间的相位差为“0”时，通过耦合输入光信号和1比特延迟光信号而得到的信号为“0(不存在光功率)”。这样，将相位调制光信号转换为强度调制光信号。目前，得益于光波导技术的进步，高精度1比特光延迟电路已经投入实际使用。目前已经实现了用于在使用这种1比特光延迟电路将相位调制光信号转换为强度调制光信号之后对信号进行检测的光接收器。

图30B是用于解调频率调制光信号的解调器的实例。在该示例中，频率调制光信号包含两个频率f1和f2。在这种情况下，通过使用使频率f1通过的光带通滤波器112-1，或者使频率f2通过的光带通滤波器112-2，可以将频率调制光信号转换为强度调制光信号。也可以通过使用Fabry-Perot谐振器或光干涉仪等将频率调制光信号转换为强度调制光信号。

图31A是用于在放大调制光信号的同时对其进行切换的光开关的示例。在该示例中，光开关200包括图1中的偏振控制器11和13、非线性光纤14，以及偏振器15。该调制光信号是RZ相位调制光信号或者RZ频率调制光信号。另外，使用从该调制光信号中恢复的时钟，通过频率与该调制光信号不同的控制光束来产生控制脉冲。在光开关200中，相对于该调制光信号的偏振状态(偏振方向)将控制脉冲的偏振状态(偏振方向)设定为预定状态(例如，大约45度)。光开关200的操作基本上与以上参照图1至图7的说明相同。

在该实例中，如图31B所示，该控制脉冲是平顶脉冲，其中该调制光信号的光功率在特定脉冲宽度中保持预定值以上的恒定强度。在这种情况下，例如，该预定值为零(大致为零)；然而，该值可以是其他值(例如，该调制光信号的光功率的峰值的1/2)。如果控制脉冲的光功率恒定，则非线性光纤14中的三阶非线性光学效应变得恒定。于是，通过使用上述控制脉冲，通过参量放大对该调制光信号进行均匀放大。换句话说，该调制光信号的每个脉冲的波形都不会失真。

图32是用于对调制光信号进行切换的光开关的另一示例。在该示例中，控制脉冲的脉冲宽度比该调制光信号的光功率高于预定值的持续时间短。用于产生这种控制脉冲的方法及其效果与以上参照图10和图11的说明相同。换句话说，根据该光开关，抑制了由偏振模色散(PMD)等导致的定时波动，因此可以改善接收特性而不需要配备PMD补偿器。

这样，在图31A和图32中，光开关200在将相位调制光信号或频率调制光信号转换为强度调制信号之前，对它们执行放大和切换。将光开关200的输出提供给图30A或图30B所示的解调器。

图33是使用本发明的光开关的光DEMUX的示例。在该示例中，将通过对RZ-DPSK光信号或RZ-FSK光信号进行时分复用而获得的光信号输入光开关200。作为一个示例，将其中复用了4个40Gbps信道的160Gbps复用光信号输入光开关200。可以通过从光信号中恢复时钟来获得该控制脉冲，并将其提供给包括在光开关200中的非线性光纤。此时，该控制脉冲的比特率是要提取的信道的比特率。这样，从复用光信号中提取出所需信道中的光信号。

在图31A和图32所示的实例中，本发明的光开关设置在解调器的前级中，用于对调制光信号进行转换；然而，本发明的光开关可以设置在该调制器的后级中，用于将相位调制光信号或频率调制光信号转换为强度调制信号。

图34A是在DPSK光信号被转换为强度调制光信号之后的切换的示例。在这种情况下，如参照图30A所述，通过使用1比特光延迟电路111将DPSK光信号转换为强度调制光信号。图34B是在FSK光信号被转换为强度调制光信号之后的切换的示例。在这种情况下，如参照图30B所述，通过使用光带通滤波器112-1将FSK光信号转换为强度调制光信号。这些结构的引入使得能够抑制在传输信道中和光信号的放大中加入到光信号中的抖动和PMD等，并因此改善了接收特性。

如参照图17所述，本发明的光开关用作光抽样示波器的主要部分。通过将本发明的光开关应用于图34A或图34B中所示的结构，可以观察被转换为强度调制信号的数据信号光波形。另外，该光抽样示波器可以观察相位调制光信号或频率调制光信号的波形，如图35所示。在这种情况下，尽管不能观察眼孔图样，但是可以测量光信号的质量(例如S/N比)以及光信号的噪声分布。

下面说明使用偏振分集的光开关。

在以上实例的光开关1中，偏振控制器11设置在非线性光纤14的前级中，以将光信号的偏振状态(偏振方向)控制为与偏振器15的偏振主轴正交。另一方面，以下光开关不需要用于控制输入光信号的偏振状态的偏振控制器。

图36示出了使用偏振分集的光开关的结构。在图36中，偏振分束器301将输入光信号分离为第一偏振信号(P偏振分量)和第二偏振信号(S偏振分量)，二者彼此正交。一对光开关302-1和302-2中的每一个光开关都包括图1所示的非线性光纤14和偏振器15，并且它们操作与上述相同。在本示例中，由于通过偏振分束器301向各个光开关302-1和302-2输入了预定的偏振信号，所以可以忽略偏振控制器13。控制脉冲生成器303包括：光源，用于产生波长与输入光信号的波长不同的控制光束；以及时钟生成器，用于从输入光信号中恢复出时钟。控制脉冲生成器303根据该控制光束生成第一控制脉冲和第二控制脉冲。

在光开关302-1中，将第一偏振信号和第二偏振信号输入非线性光纤14中，并通过第一控制脉冲对第一偏振信号进行参量放大。以相同的方式，在光开关302-2中，通过第二控制脉冲对第二偏振信号进行参量放大。光开关302-1和302-2的输出通过偏振耦合器304进行耦合。这样，可以对光信号进行切换，而不需要控制输入光信号的偏振状态。

光开关302-1和302-2的光学增益必须匹配。这里，光开关302-1和302-2中的光学增益与非线性光纤14的长度、非线性光纤的非线性特性，以及控制脉冲的光功率的乘积成比例。还需要匹配以下两个信道的传输延迟：从偏振分束器301经由光开关302-1到偏振耦合器304的信道；以及从偏振分束器301经由光开关302-2到偏振耦合器304的信道。在这种情况下，可以通过设置光延迟电路来调节传输延迟。

图37A和图37B表示图36所示的光开关的操作。图37A表示光开关302-1的状态，而图37B表示光开关302-2的状态。

如上所述，第一偏振信号和第二偏振信号彼此正交。如图37A所示，将第一控制脉冲的偏振状态设定为下述的状态：从第一偏振信号的偏振状态旋转45度。光开关302-1中的偏振器15的偏振主轴被设定为与第一偏振信号的偏振状态正交。结果，第一偏振信号的一部分(与光开关302-1中的非线性光纤14中的第一控制脉冲一致的部分)被放大并通过偏振器15。

如图37B所示，以相同的方式，将第二控制脉冲的偏振状态设定为下述状态：从第二偏振信号的偏振状态旋转45度。光开关302-2中的偏振器15的偏振主轴被设定为与第二偏振信号的偏振状态正交。结果，第二偏振信号的一部分(与光开关302-2中的非线性光纤14中的第二控制脉冲一致的部分)被放大并通过偏振器15。

图38是图36所示的光开关的变型例。在图36所示的结构中，通过在光信号状态下耦合光开关302-1和302-2的输出来获得光开关输出。另一方面，在图38所示的结构中，通过使用O/E转换器305-1和305-2分别将从光开关302-1和302-2输出的光信号转换为电信号，并通过信号耦合器306对这些电信号进行耦合。在这种结构中，可以通过使用可变长度电路来调节两个信道中的信号的定时。

对于本发明的实施，必须将要输入非线性光纤14中的光信号和控制脉冲的偏振状态设定为预定的(例如，彼此旋转45度)线性偏振。例如，可以通过下述操作来实现这种设定：使用光电二极管401来监测从偏振器15输出的信号的光功率，然后通过控制电路402和403来调整各个偏振控制器11和13，以使得输出光信号的光功率最优。具体地，许多控制脉冲的重复频率f是恒定的。因此，在用于对控制脉冲的偏振进行控制的反馈系统中，希望通过使用电带通滤波器404(其使作为中心频率的频率f通过)从由光电二极管401获得的电信号中去除其他频率分量(即，噪声)。通过对该滤波器进行配置，可以提高检测灵敏度。

尽管图39示出了用于对设置在光开关的输出端的偏振器15的输出进行监测的结构，但是也可以监测要输入到非线性光纤14中的光信号和控制脉冲中的每一个，并根据监测结果来调整偏振控制器11和13。

<实施例1>

图40表示用于测试本发明的光开关的特性的结构。测试环境如下所述。

高非线性光纤(HNLF)相当于图1中的非线性光纤14。其长度为20m，并且三阶非线性系数γ为20.4W^-1km^-1，零色散波长λ₀为1579nm，色散斜率为0.03ps/nm²/km。第一锁模光纤激光器(MLFL1)生成重复速率为10GHz，波长λs位于C波段内的一系列脉冲。通过LiNbO₃强度调制器(LN，10Gbps，PRBS：2²³-1)对这一系列光脉冲进行调制，通过光时分复用对调制信号进行复用，以生成160-640Gbps的数据信号Es。将该数据信号Es与由第二锁模光纤激光器(MLFL2)产生的控制脉冲Ep一起输入高非线性光纤HNLF。控制脉冲Ep的波长与该高非线性光纤(HNLF)的零色散波长λ₀大致相同，并且位于L波段内。控制脉冲Ep的偏振方向为45度。

图41表示控制脉冲Ep的峰值功率发生改变时的切换增益。这里，控制脉冲Ep的重复速率为10GHz，并且数据信号Es的波长λ₀为1550nm。另外，数据信号Es和控制脉冲Ep的脉冲宽度(FWHM)分别为1.6ps和0.9ps。

切换增益被定义为来自偏振器(Pol.)的输出数据信号Es的功率与高非线性光纤HNLF中的输入数据信号Es的功率之比。由于光参量放大，使得数据信号Es的功率基本上与控制脉冲Ep的峰值功率的平方成比例地增大。当控制脉冲Ep的峰值功率为15W时，获得7.6dB的最大切换增益。

图42是表示数据信号Es的波长发生改变时的切换增益的曲线图。控制脉冲Ep的峰值功率为15W。由于20m高非线性光纤(HNLF)中的低逸散和良好的相位匹配，使得切换增益对于C波段内的所有波长几乎都是平坦的。控制脉冲Ep波长位置在C波段内，使得光开关能够在整个L波段的范围内工作。

<实施例2>

以下提供了光解复用器的实验数据，该光解复用器从160Gbps、320Gbps和6406bps的光时分复用信号Es中分离10Gbps的信号。160Gbps的信号Es的脉冲宽度为1.6ps，320Gbps的信号Es的脉冲宽度为0.75ps，而640Gbps的信号Es的脉冲宽度为0.65ps。控制脉冲Ep的脉冲宽度为0.9ps。

图43是表示所分离的信号的接收功率P_R发生改变时，BER(比特错误率)的测量值的曲线图。控制脉冲的平均功率为+21.8dBm(相当于峰值功率＝15W)。输入到光开关的160Gbps的输入信号Es的平均功率为-5dBm。

在160Gbps，对各个信号波长λs＝1535nm、1540nm、1550nm以及1560nm的比特错误率进行测量。结果，对于C波段内的所有波长，实现了功率损失小于0.2dB的无错操作(BER＝10^-9)。对于320Gbps和640Gbps的信号，实现了功率损失稍有增大(分别为1.1dB和2.5dB)的无错操作。这种功率损失的增大主要是由于脉冲宽度不是足够短而产生的残余串扰所导致的。

<实施例3>

示出了在利用本发明的光开关进行抽样之后使用示波器观察到的信号波形。图44A至图44E示出了在脉冲宽度条件与实施例2中相同的条件下，所观察到的眼孔图样。抽样速率为311MHz。在160至640Gbps的范围内获得了优异的眼孔图样。这种精细的时间分辨率对于在整个C波段的范围内以高对比度实现光抽样由很大的帮助。

以下文献提供了上述实施例1至3的说明。S.Watanabe，et al.“Novel Fiber Kerr-Switch with Parametric Gain：Demonstration ofOptical Demultiplexing and Sampling up to 640Gb/s”，30^th EuropeanConference on Optical Communication(ECOC 2004)，Stockholm，Sweden，September 2004，Post-deadline paper Th4.1.6，pp 12-13。

Claims (50)

1、一种光开关，其包括：

第一偏振控制器，用于控制光信号的偏振方向；

非线性光学介质，将从所述第一偏振控制器输出的光信号输入到该非线性光学介质中；以及

偏振器，设置在所述非线性光学介质的输出端，其主偏振轴与从所述非线性光学介质输出的光信号的偏振方向正交，其中

在所述非线性光学介质中，在控制脉冲的偏振方向附近，由所述控制脉冲通过参量放大来对所述光信号进行放大。

2、根据权利要求1所述的光开关，还包括：

光脉冲生成器，用于生成波长与所述光信号不同的控制脉冲，并将该控制脉冲提供给所述非线性光学介质。

3、根据权利要求2所述的光开关，还包括：

第二偏振控制器，设置在所述光脉冲生成器和所述非线性光学介质之间，用于相对于所述光信号的偏振方向将所述控制脉冲的偏振方向设置为指定角度。

4、根据权利要求3所述的光开关，其中

所述光信号的偏振方向与所述控制脉冲的偏振方向之间的角度在40度到50度之间。

5、根据权利要求3所述的光开关，其中

所述光信号的偏振方向与所述控制脉冲的偏振方向之间的角度为大约45度。

6、根据权利要求1所述的光开关，其中

来自所述偏振器的光信号的输出功率大于输入到所述非线性光学介质的光信号的输入功率。

7、根据权利要求1所述的光开关，其中

输入到所述非线性光学介质的光信号的波长与来自所述偏振器的光信号的波长相同。

8、根据权利要求1所述的光开关，其中

所述非线性光学介质是下述的光纤，该光纤在其整个长度上的色散变化小于特定值。

9、根据权利要求1所述的光开关，其中

所述非线性光学介质是光纤，并且其平均零色散波长与所述控制脉冲的波长相同或基本相同。

10、根据权利要求1所述的光开关，其中

所述非线性光学介质是色散平坦光纤，该色散平坦光纤在其整个长度上具有零色散。

11、根据权利要求9所述的光开关，其中

所述光纤是具有掺锗或掺铋的纤芯的高非线性光纤。

12、根据权利要求9所述的光开关，其中

所述光纤是光子晶体光纤。

13、根据权利要求1所述的光开关，其中

所述非线性光学介质是包括准相位匹配结构的LiNbO₃波导。

14、根据权利要求2所述的光开关，其中

所述光脉冲生成器从所述光信号中恢复出时钟，并利用所再生的时钟产生与所述光信号同步的控制脉冲。

15、根据权利要求1所述的光开关，其中

将所述控制脉冲分配在与分配有所述光信号的波段不同的波段中。

16、根据权利要求1所述的光开关，还包括：

滤光器，设置在所述偏振器的输出端，用于去除经放大的自发发射光。

17、根据权利要求1所述的光开关，还包括：

光放大器，用于放大所述光信号；以及

滤光器，用于从所述光放大器中去除经放大的自发发射光，其中

将所述滤光器的输出提供给所述第一偏振控制器。

18、根据权利要求1所述的光开关，还包括：

波形整形器，设置在所述第一偏振控制器之前，用于使所述光信号的脉冲峰平坦。

19、根据权利要求1所述的光开关，其中

所述控制脉冲的脉冲宽度比所述光信号的脉冲宽度要窄。

20、根据权利要求1所述的光开关，还包括：

波长转换器，用于将第一波长转换为第二波长，其中

利用由所述波长转换器获得的第二波长从光束中生成所述控制脉冲。

21、根据权利要求3所述的光开关，还包括：

转换器，用于将来自所述偏振器的输出转换为电信号；

滤波器，该滤波器的中心频率是所述控制脉冲的重复频率，用于对来自所述转换器的电信号进行滤波；以及

控制电路，用于根据进行了滤波的电信号，通过所述第二偏振控制器来调整所述控制脉冲的偏振。

22、一种光开关，其包括：

非线性光学介质，将具有指定偏振方向的光信号以及波长和偏振方向与该光信号不同的控制脉冲输入该非线性光学介质，该非线性光学介质用于通过在所述光信号与所述控制信号在时域中一致的时间段内的交叉相位调制来改变所述光信号的偏振，以及通过光参量放大在时域中放大所述光信号，以使所述光信号具有所述控制脉冲的偏振方向附近的偏振分量；以及

偏振器，设置在所述非线性光学介质的输出端，具有与所述光信号的偏振方向正交的偏振主轴。

23、一种光开关，其具有非线性光学介质，将偏振方向受到偏振控制器控制的光信号输入到该非线性光学介质，其中

通过使用所述偏振控制器，在不存在偏振分量和波长与所述光信号不同的控制信号情况下，将所述光信号的偏振设置为使得所述光信号偏振与位于所述非线性光学介质的输出端的偏振器的主偏振轴正交；并且

通过光参量放大来放大所述光信号，以通过所述非线性光学介质中的所述控制脉冲使其具有所述控制脉冲的偏振方向附近的偏振分量。

24、一种光波形监测装置，其包括：

偏振控制器，用于控制光信号的偏振方向；

非线性光学介质，将从所述偏振控制器输出的光信号输入该非线性光学介质；

偏振器，设置在所述非线性光学介质的输出端，具有与从所述非线性光学介质输出的光信号的偏振方向正交的主偏振轴；

光接收器，用于将所述偏振器的输出转换为电信号；以及

监测装置，用于通过在时域中对所述电信号进行跟踪，来监测所述光信号的波形，其中

在所述非线性光学介质中，在控制脉冲的偏振方向附近，由该控制脉冲通过参量放大对所述光信号进行放大，

所述控制脉冲的频率与所述光信号的比特率不同。

25、一种光波形监测装置，其包括：

偏振控制器，用于控制光信号的偏振方向；

非线性光学介质，将从所述偏振控制器输出的光信号输入该非线性光学介质；

偏振器，设置在所述非线性光学介质的输出端；

光接收器，用于将所述偏振器的输出转换为电信号；以及

监测装置，用于通过在时域中对所述电信号进行跟踪，来监测所述光信号的波形，其中

在所述非线性光学介质中，在控制脉冲的偏振方向附近，由该控制脉冲通过参量放大对所述光信号进行放大，

所述控制脉冲的频率与所述光信号的比特率不同，

在不存在所述控制脉冲的情况下，通过所述偏振控制器将所述光信号的偏振方向设置为与所述偏振器的主偏振轴正交。

26、一种光通信系统，包括其传输线路上的光中继器，其中

所述光中继器包括根据权利要求24所述的光波形监测装置，

该光波形监测装置将在所述传输线路上传播的光信号的波形的评估发送给指定装置。

27、一种光通信系统，包括其传输线路上的光中继器，其中

所述光中继器包括根据权利要求24所述的光波形监测装置，

当将在所述传输线路上传播的光信号输入到所述非线性光学介质时，该光波形监测装置将来自所述偏振器的一系列光脉冲的输出发送给指定装置，

根据所述指定装置中的所述一系列光脉冲，对所述光信号的波形进行监测。

28、一种用于光切换的方法，包括：

控制光信号的偏振方向；

产生波长与所述光信号的波长不同的控制脉冲；

相对于所述光信号的偏振方向将所述控制脉冲的偏振方向设置为指定角度；

将所述光信号和所述控制脉冲输入到非线性光学介质；

通过在不存在所述控制脉冲的时间段内，使所述光信号经过主偏振轴与所述光信号的偏振方向正交的偏振器，来提取所述光信号的在时间上与所述控制脉冲一致的部分，在所述非线性光学介质中，在所述光信号与所述控制信号一致的时间段内，在所述控制脉冲的偏振方向附近，通过交叉相位调制来改变所述光信号的偏振方向，并且通过光参量放大对所述光信号进行放大。

29、一种用于光切换的方法，包括：

控制第一光信号的偏振方向；

产生波长与所述第一光信号的波长不同的控制脉冲；

相对于所述第一光信号的偏振方向将所述控制脉冲的偏振方向设置为指定角度；

将所述第一光信号和所述控制脉冲输入到非线性光学介质；

在不存在所述控制脉冲的情况下，通过使所述第一光信号经过主偏振轴与所述第一光信号的偏振方向正交的偏振器，来对第二光信号和所述第一光信号进行时分复用，所述第一和第二光信号在时间上彼此不一致，所述第一光信号通过光参量放大被放大为偏振方向在所述控制脉冲的偏振方向附近的偏振分量，并且其偏振方向在所述第一光信号与所述控制脉冲一致的时间段内通过交叉相位调制而发生了变化。

30、根据权利要求29所述的用于光切换的方法，其中

所述光开关是非线性光环镜结构，

将所述第一光信号输入设置在所述环上的第一光耦合器，以使所述第一光信号沿所述环的两个方向分别以相等的功率传播；

通过第二光耦合器沿所述环的一个方向输入所述控制脉冲；并且

通过光参量放大对在与所述控制脉冲相同方向上传播的所述第一光信号的分量进行放大。

31、一种用于光切换的方法，包括：

在进行波形整形以使光信号的峰平坦之后，控制该光信号的偏振方向；

生成波长与所述光信号的波长不同的控制脉冲；

相对于所述光信号的偏振方向将所述控制脉冲的偏振方向设置为指定角度；

将所述光信号和所述控制脉冲输入到非线性光学介质；以及

在不存在所述控制脉冲的时间段内，通过使所述光信号经过主偏振轴与所述光信号的偏振方向正交的偏振器，来提取所述光信号的在时间上与所述控制脉冲一致的部分，在所述非线性光学介质中，在所述光信号与所述控制脉冲一致的时间段内，在所述控制脉冲的偏振方向附近，通过交叉相位调制使所述光信号的偏振方向发生了改变，并且通过光参量放大对所述光信号进行放大。

32、一种用于光切换的方法，包括：

产生控制脉冲，该控制脉冲的时间宽度小于光信号的脉冲的时间宽度，并且波长与该光信号的波长不同；

相对于所述光信号的偏振方向将所述控制脉冲的偏振方向设置为指定角度；

将所述光信号和所述控制脉冲输入到非线性光学介质中；

在不存在所述控制脉冲的时间段内，通过使所述光信号经过主偏振轴与所述光信号的偏振方向正交的偏振器，来提取所述光信号的在时间上与所述控制脉冲一致的部分，在所述非线性光学介质中，在所述光信号与所述控制脉冲一致的时间段内，在所述控制脉冲的偏振方向附近，通过交叉相位调制使所述光信号的偏振方向发生了改变，并且通过光参量放大对所述光信号进行放大。

33、一种分析方法，其中

通过使用根据权利要求24所述的光波形监测装置来监测光信号的波形，其中将通过向待检查的物体提供光探测信号而获得的反射光、透射光，或者从该物体发出的光用作所述光信号。

34、一种光开关，其包括：

非线性光学介质，将光信号和控制脉冲输入到该非线性光学介质；以及

光学装置，用于在所述非线性光学介质中，在所述光信号与所述控制脉冲一致的时间段内，输出所述光信号，以及用于在所述非线性光学介质中，不存在所述控制信号的时间段内，阻挡所述光信号，其中

在所述非线性光学介质中，在所述控制脉冲的偏振方向附近，由所述控制脉冲通过参量放大来放大所述光信号。

35、一种光开关，其包括：

非线性光学介质，将光信号和控制脉冲输入到该非线性光学介质；以及

光学装置，用于在所述非线性光学介质中，在所述光信号与所述控制脉冲一致的时间段内，输出所述光信号，以及用于在所述非线性光学介质中，不存在所述控制信号的时间段内，阻挡所述光信号，其中

在所述非线性光学介质中，在所述控制脉冲的偏振方向附近，由所述控制脉冲通过非线性放大来放大所述光信号。

36、一种光开关，其包括：

偏振控制器，用于控制光信号的偏振方向；

非线性光学介质，将从所述偏振控制器输出的光信号输入到该非线性光学介质；以及

偏振器，设置在所述非线性光学介质的输出端，其主偏振轴与从所述非线性光学介质输出的光信号的偏振方向正交，其中

在所述非线性光学介质中，在所述控制脉冲的偏振方向附近，由所述控制脉冲通过非线性放大来放大所述光信号。

37、根据权利要求36所述的光开关，其中

在所述非线性光学介质中，由所述控制脉冲通过光Raman放大来放大所述光信号。

38、一种光开关，其包括：

偏振控制器，用于控制相位调制光信号或频率调制光信号的偏振方向；

非线性光学介质，将从所述偏振控制器输出的光信号输入到该非线性控制器；以及

偏振器，设置在所述非线性光学介质的输出端，其主偏振轴与从所述非线性光学介质输出的光信号的偏振方向正交，其中

在所述非线性光学介质中，在所述控制脉冲的偏振方向附近，由所述控制脉冲通过参量放大来放大所述光信号。

39、根据权利要求38所述的光开关，其中所述光信号是RZ相位调制光信号或者RZ频率调制光信号。

40、根据权利要求39所述的光开关，其中所述控制脉冲在所述光信号的光功率高于预定值的脉冲宽度内保持恒定的强度。

41、根据权利要求39所述的光开关，其中所述控制脉冲的脉冲宽度比其中所述光信号的光功率高于预定值的脉冲宽度要窄。

42、一种光开关，其包括：

非线性光学介质，将具有指定偏振方向的相位调制光信号或频率调制光信号，以及波长和偏振方向与该光信号不同的控制脉冲输入到该非线性光学介质，该非线性光学介质用于在所述光信号与所述控制信号在时域中一致的时间段内通过交叉相位调制来改变所述光信号的偏振，以及通过光参量放大在时域中对所述光信号进行放大，以使所述光信号具有所述控制脉冲的偏振方向附近的偏振分量；以及

偏振器，设置在所述非线性光学介质的输出端，具有与所述光信号的偏振方向正交的偏振主轴。

43、一种光波形监测装置，其包括：

偏振控制器，用于控制相位调制光信号或频率调制光信号的偏振方向；

非线性光学介质，将从所述偏振控制器输出的光信号输入到该非线性光学介质；

偏振器，设置在所述非线性光学介质的输出端，具有与从所述非线性光学介质输出的光信号的偏振方向正交的主偏振轴；

光接收器，用于将所述偏振器的输出转换为电信号；以及

监测装置，用于通过在时域中对所述电信号进行跟踪，来监测所述光信号的波形，其中

在所述非线性光学介质中，在所述控制脉冲的偏振方向附近，由所述控制脉冲通过参量放大对所述光信号进行放大，

所述控制脉冲的频率与所述光信号的比特率不同。

44、一种用于光切换的方法，包括：

控制相位调制光信号或频率调制光信号的偏振方向；

生成波长与所述光信号的波长不同的控制脉冲；

相对于所述光信号的偏振方向将所述控制脉冲的偏振方向设置为指定角度；

将所述光信号和所述控制脉冲输入到非线性光学介质；

在不存在所述控制脉冲的时间段内，通过使所述光信号经过主偏振轴与所述光信号的偏振方向正交的偏振器，来提取所述光信号的在时间上与所述控制脉冲一致的部分，在所述非线性光学介质中，在所述光信号与所述控制脉冲一致的时间段内，在所述控制脉冲的偏振方向附近，通过交叉相位调制使所述光信号的偏振方向发生了改变，并且通过光参量放大对所述光信号进行放大。

45、一种光切换方法，包括：

相对于光信号的偏振方向将波长与该光信号不同的控制脉冲的偏振方向设置为预定角度，该光信号是通过对相位调制光信号或频率调制光信号进行时分复用而获得的；

将所述光信号和所述控制脉冲输入到非线性光学介质；以及

在不存在所述控制脉冲的时间段内，通过使所述光信号经过主偏振轴与所述光信号的偏振方向正交的偏振器，来提取所述光信号的在时间上与所述控制脉冲一致的部分，在所述非线性光学介质中，在所述光信号与所述控制脉冲一致的时间段内，在所述控制脉冲的偏振方向附近，通过交叉相位调制使所述光信号的偏振方向发生了改变，并且通过光参量放大对所述光信号进行放大。

46、根据权利要求1所述的光开关，还包括光转换器，用于将相位调制光信号或频率调制光信号转换为强度调制光信号，其中

所述光信号是通过所述光转换器获得的强度调制光信号。

47、根据权利要求46所述的光开关，其中所述光转换器包括1比特光延迟电路，用于将相位调制光信号转换为强度调制光信号。

48、根据权利要求46所述的光开关，其中所述光转换器包括滤光器，用于将频率调制光信号转换为强度调制光信号。

49、根据权利要求1所述的光开关，其中所述光信号是RZ相位调制光信号或者RZ频率调制光信号。

50、一种光开关，其包括：

偏振分束器，用于将光信号分离为彼此正交的第一和第二偏振信号；

第一和第二非线性光学介质，将所述第一和第二偏振信号分别输入到该第一和第二非线性光学介质；

第一和第二偏振器，分别设置在所述第一和第二非线性光学介质的输出端，分别具有与所述第一和第二偏振信号的偏振方向正交的偏振主轴；以及

耦合装置，用于耦合从所述第一和第二偏振器输出的信号，

其中，在所述第一非线性光学介质中，在第一控制脉冲的偏振方向附近，通过光参量放大对所述第一偏振信号进行放大，而在所述第二非线性光学介质中，在第二控制脉冲的偏振方向附近，通过光参量放大对所述第二偏振信号进行放大。

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