JP2001215540A - 光信号変換方法及び光信号変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多重化された光を高いＳＮ比でかつ高速に多
チャンネル出力へ変換する。 【解決手段】 一方向に所定幅の広がりを有する光束で
かつ複数光パルス１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄからなる光パ
ルス列が時間多重された信号光１と、この信号光に同期
した読み出し光パルス２Ａの読み出し光２を、非線形光
学媒質４に異なる方向（角度θ）で入射させ、重ねあわ
せる。これにより、信号光１と読み出し光２が、非線形
光学媒質４内の異なる領域で重複し、信号光の各光パル
スに対応した異なる領域の各々で信号光の各光パルスが
波長変換されて、時間―空間変換された波長変換光が発
生され、出射される。これにより時間多重された信号光
に含まれる光パルスを空間的に読み出すことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光信号変換方法及
び光信号変換装置にかかり、特に、光通信システム等に
おいて信号光に含まれる光パルスを読み出すために信号
光を変換する光信号変換方法及び光信号変換装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、インターネット等の情報通信の普
及により通信による情報量は増大しており、膨大な情報
量を高速伝送できる大容量通信システムが叫ばれてい
る。高速通信技術として、光通信システムは光の超短パ
ルス性、伝送に用いる光ファイパーの広帯域特性、長距
離伝送を可能とする点から、注目されており、大容量化
を目指した光信号処理技術の高速化に関する研究が精力
的に行われている。

【０００３】光通信システムでは、増大する情報量に対
応した単位としてTbit／s（テラビット／秒）以上の超
高速光通信網を実現することが要求される。このため、
従来の電子回路で構成される多重回路（MUX:Multiplexe
r）／分離回路（DEMUX:Demultiplexer）に代わる全光型
の光多重回路（以下、光ＭＵＸという）または光分離回
路（以下、光ＤＥＭＵＸ）が必要である。

【０００４】Ｎ多重のシリアル信号光を多チャンネル
（Ｎ個）の信号光に分配する方法には、１×２光スイッ
チをツリー状にＮ−１個多段に接続して多チャンネル出
力を得る方法（多段接続光分配法）が知られている。

【０００５】この多段接続光分配法は、スイチィング機
構の違いにより、波長変換法と位相シフト法とに分類す
ることができる。

【０００６】波長変換法の一例（Applied Physics Lett
ers 59, 2802-2804(1991)）は、２次の非線形光学効果
による和周波発生または差周波発生を用いたもので、読
み出し光により、多重化されたシリアル信号光の周波数
（波長）をチャンネルごとに変化させ、信号光と同じ情
報を持つ波長変換光だけを、波長分離素子を用いて空間
的に分離させる方法である。

【０００７】一方、位相シフト法の一例(O plus E No.1
87 p. 73(1995))は光カー効果による位相変化を利用し
たものであり、位相変化の検出には通常、２光路干渉計
が用いられている。多重化されたシリアル信号光を分離
するためには、シリアル信号光に同期させた読み出し光
（ゲート光、制御光ともいう）を用いて、２光路干渉計
の一方の光路に挿入された非線形光学媒質の屈折率を光
カー効果により変化させる。読み出し光パルスが入力さ
れないときには、その時の信号光パルスが２光路干渉計
の一方の出力ポートから出力され、読み出し光パルスが
入力されたときには、その時の信号光パルスが２光路干
渉計の他方の出力ポートから出力される。

【０００８】ところで、多段接続光分配法では、分配す
るチャンネル数が多くなると、接続する光スイッチの数
も多くなる。そのため、各光スイッチごとに読み出し光
と信号光の同期を取る際に、非常に高度なプロセス技術
が必要となり、システム全体が複雑化して高価になる。
さらに、スイッチ自体には損失があり、スイッチの数が
増えるとシステム全体の損失が無視できなくなる。この
ため、１Tbit/s以上の超高速光通信網に多段接続光分配
法を用いた場合、分配数が膨大になり現実的ではない。

【０００９】これに対して、Ｎ多重化されたシリアル信
号光を一括してＮ個のチャンネル出力を得る方法（一括
多チャンネル光分配法）が提案されている。一括多チャ
ンネル光分配法は、一度のスイッチング動作で多チャン
ネルに分配できるので、光スイッチの個数が少なくな
り、信号光の多重度が１Tbit/s以上の高ビットレートに
なっても、実用的なシステムを構築することができる。
さらに、読み出し光と信号光の同期制御など、システム
全体の構成も簡単化することができる。

【００１０】一括多チャンネル光分配法には、周波数シ
フト法と、時間−空間変換法の２種類の方法が提案され
ている。

【００１１】周波数シフト法を用いた一括多チャンネル
光分配法の一例(O plus E No.187 p. 73(1995))は、相
互位相変調によるチャープを用いた光分配法で、信号光
に読み出し光の強度波形に比例した位相変化を与える。
その時間微分が信号光の瞬時周波数をシフトさせるの
で、信号光の光パルス列は順々に異なる光周波数シフト
を受ける。従って、波長分離素子などを用いることによ
って、信号光の個々の光パルスを分離することができ
る。

【００１２】この技術では、読み出し光による誘起位相
変調を用いて、信号光の波長を連続的に変化させてい
る。このため、信号光の多重度が大きくなると、読み出
し光による位相シフト量も大きくする必要がある。すな
わち、多重度が大きい程、読み出し光のパワーを大きく
する必要がある。

【００１３】一方、時間−空間変換法を用いた一括多チ
ャンネル光分配法の一例には、特開平５−１００２５６
号公報に記載の技術がある。この光分配法は、空間的に
広げると共に波頭を傾けた信号光と、同じく空間的に広
げられた読み出し光を、信号光及び読み出し光と同程度
の広がりを持つ非線形光学媒質に入射して、時分割多重
された信号光の個々の光パルスと読み出し光の光パルス
の時間的かつ空間的に重なる位置に対応した空間パター
ンの情報として取り出している。

【００１４】この技術では、回折格子を使って、空間的
に広げられた信号光の波頭を傾けることにより、時間−
空間変換を行い、一括多チャンネル光分配法を達成して
いるため、個々の信号光の時間幅が狭い、すなわち波長
幅が広い光パルスを用いる１Tbit/s以上の高ビットレー
ト時間多重信号光（の光パルス列）では、回折格子によ
る角分散が無視できない。すなわち、回折格子による信
号光の回折光は、信号光パルス自身の波長広がりのため
空間的な広がりが大きくなる。例えば、時間幅１００fs
の光パルスを用いた場合には、空間的に約４倍程度その
像が広がる。その結果、信号光の個々の光パルスが空間
的に重なり、各チャンネル毎に分配できなくなる。

【００１５】これに対して、特開平１１−１５０３１号
公報には、時間−空間変換による一括多チャンネル光分
配法として、空間的な重なり位置の違いに対応した空間
パターン情報を取り出す技術が提案されている。この光
分配法では、空間的に広げた読み出し光及び時分割多重
された信号光を、それらと同程度の広がりを持つ非線形
光学媒質に、読み出し光または信号光の少なくとも一方
を斜めに入射させる。そして、時分割多重された信号光
の個々の光パルスと読み出し光の光パルスが時間的に重
なっているときの、空間的な重なり位置の違いに対応し
た空間パターン情報として取り出している。

【００１６】従って、波長により群速度が異なるような
分散素子を用いずに、空間的に広がった信号光と読み出
し光の少なくとも一方を、非線形光学媒質に対して斜め
に入射させることによって、時間−空間変換を実現して
いる。そのため、信号光の光パルス、及び読み出し光の
光パルスの時間幅は変化せず、この方法を用いれば１Tb
it／ｓ 以上の高ビットレート時分割多重信号光の分配
も可能である。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
技術のように、光を斜め入射させて時間−空間変換を実
現させる方法では、透過型または反射型スイッチに適用
させると、読み出し光が照射されたときの透過率または
反射率が数％しか変化しないので、十分なＳ／Ｎを得る
ことができない。さらに、信号光が常に光検出器に入射
されているため、残存した信号光による本来検出に不要
な光（背景光）が多く、Ｓ／Ｎの悪化を増大させてい
る。

【００１８】本発明は、上記事実を考慮して、多重化さ
れた光を高いＳＮ比でかつ高速に多チャンネル出力へ変
換することができる光信号変換方法及び光信号変換装置
を得ることが目的である。

【００１９】

【課題を解決するための手段】前記のように、信号光を
時間−空間変換させた場合、入射させた信号光の一部が
残存して常に光検出器に入射されるので、それが背景光
となり、Ｓ／Ｎの悪化を増大させていた。

【００２０】そこで、本発明者等は種々検討を加えた結
果、異分野に利用されている「シングルショットオート
コリレーター（ＳＳＡ）」を光通信システムと言う特殊
分野に応用することに着目し、あらゆる検討を試み、時
間多重された信号光に含まれる光パルスを読み出すため
に信号光を波長変換光に変換する光信号変換方法として
確立した。

【００２１】シングルショットオートコリレーター（以
下、ＳＳＡという）は、フェムト秒光パルスの時間的な
情報を空間的な情報に変換するものであり、一例とし
て、Salin等が提案している（Appled Optics Vol. 26,
No. 21 4528 (1987)）。

【００２２】図１に、ＳＳＡの原理説明図を示す。ま
ず、同一光を２つに分離したフェムト秒光パルス１０
を、非線形光学結晶１２中で互いに交差するように入射
させる。これによって、２つのフェムト秒光パルス１０
の自己相関により第２高調波光（自己相関光１１）が発
生して非線形光学結晶１２から出射される。この自己相
関により発生した第２高調波光（自己相関光１１）の空
間的な強度分布は、元のフェムト秒光パルス１０の時間
波形を示している。

【００２３】ＳＳＡでは、二つのフェムト秒光パルス１
０の相関によって発生される第２高調波光（自己相関光
１１）と元のフェムト秒光パルス１０の出射方向がそれ
ぞれ異なる。そのため、非線形光学結晶１２から出射さ
れた光のうち自己相関光１１だけを空間的に分離するこ
とができ、背景光のない（入射光の残存光がない）測定
が可能である。また、波長変換を用いているので、光検
出器の前に波長分離素子を挿入することによって、高Ｓ
Ｎ比で自己相関光を検出することができる。また、単一
の光パルスで時間情報を空間情報に変換するので、実時
間で時間波形を評価することができる。

【００２４】ところが、ＳＳＡは低繰返し（数Ｈｚ程
度）フェムト秒光パルスの時間波形に利用されたもので
あり、時間多重された信号光の分離や分配に用いること
は困難であった。そこで、本発明者等は種々検討を加え
た結果、時間多重された信号光に含まれる光パルスに対
応した異なる領域で信号光を波長変換光に変換すること
により、一括多チャンネルの時間−空間変換が可能であ
ることを見出した。

【００２５】詳細には、時間多重された信号光に含まれ
る光パルスを読み出すために前記信号光を変換する。信
号光は、一方向に所定幅の広がりを有する光束でかつ複
数光パルスからなる光パルス列であり、この信号光に同
期した読み出し光を、非線形光学媒質に異なる方向から
入射させ、重ねあわせて波長変換光を得ている。すなわ
ち、信号光と読み出し光とを、信号光の各光パルスと読
み出し光とが非線形光学媒質内の異なる領域で重複する
ように、信号光と読み出し光とを異なる方向から非線形
光学媒質に入射させる。そして、非線形光学媒質内の重
複領域に含まれかつ前記信号光の各光パルスに対応した
異なる領域の各々で前記信号光の各光パルスを波長変換
させて波長変換光を出力光として発生させる。

【００２６】このように、異なる方向から非線形光学媒
質に入射することで、信号光の各光パルスと読み出し光
の光パルスの非線形光学媒質中でそれぞれ異なる位置で
重ね合わさり、信号光の各光パルスが波長変換され、波
長変換光の強度分布に対応した１次元の空間情報として
取り出すことができる。

【００２７】より具体的には、空間的に広げたパルス列
からなる信号光と、同じく空間的に広げた光パルスの読
み出し光を、非線形光学媒質に異なる方向から入射し、
両者を非線形光学媒質中で交差させる。さらに、光パル
スの読み出し光とパルス列からなる信号光が同時に非線
形光学媒質に入射されるように、読み出し光と信号光の
同期をとる。このとき、読み出し光の光パルスと信号光
の各光パルスの非線形光学媒質中での重なり位置は、信
号光の光パルス列の並び方すなわち波面の進行方向と同
様に、空間的に一列に並ぶ。従って、信号光と読み出し
光の相関により発生した波長変換光の空間的な強度分布
は、信号光の時間波形を示す。すなわち、信号光に対応
する１次元パラレル信号が波長変換光によって得られ
る。

【００２８】この場合、信号光と読み出し光の入射角を
略同様の角度にすれば、波長変換光の出射方向は、信号
光と読み出し光の出射方向を２等分する方向であるの
で、波長変換光だけを空間的に分離することができ、背
景光のない高ＳＮ比の光検出が可能となる。

【００２９】ところで、前記では、異なる方向から信号
光と読み出し光を、非線形光学媒質に入射することで、
非線形光学媒質中の異なる位置で重ね合せて波長変換
し、波長変換光の強度分布に対応した１次元の空間情報
を取り出している。ところが、１次元の空間情報では、
情報量が増大すると、非線形光学媒質が１次元的に大き
くなり、有効に利用することができない。

【００３０】そこで、波長変換するときに、光の伝搬に
ついて、空間的に異なる遅延時間を与えるステップ状光
遅延素子等を用いて、読み出し光パルスと各信号光パル
スの非線形光学媒質中での重なり位置を、信号光の光パ
ルス列の並び方に対応させて、空間的に複数列に並ばせ
る。従って、信光パルス列と読み出し光パルスの相関に
より発生した変換光の空間的な強度分布は、信号光の光
パルス列の時間波形を複数列に分解したものに相当す
る。すなわち、信号光の光パルス列に対応する２次元パ
ラレル信号が波長変換光によって得られる。

【００３１】さらに、波長変換光の出射方向は、信号光
と読み出し光の出射方向を２等分する方向であるので、
波長変換光だけを空間的に分離することができ、背景光
のない高ＳＮ比の光検出が可能となる。

【００３２】また、前記では、信号光と読み出し光を、
非線形光学媒質に異なる方向から入射させて両者を非線
形光学媒質中で交差させることで、信号光の各光パルス
を波長変換している。このように、非線形光学媒質に異
なる方向から入射させることなく、波長変換光を得るこ
とも可能である。

【００３３】すなわち、空間的に広げた信号光と、同じ
く空間的に広げた読み出し光を同一方向から非線形光学
媒質に入射させる。さらに、読み出し光のパルスと信号
光の光パルス列が同時に非線形光学媒質に入射するよう
に、読み出し光と信号光の同期を取る。ここで、信号光
及び読み出し光の何れかに、信号光及び読み出し光の伝
搬方向を含む伝搬面に沿う方向の光について伝搬面と交
差する方向の異なる部位を伝搬する光に対して異なる遅
延時間を与える。

【００３４】これにより、読み出し光の光パルスと信号
光の各光パルスの非線形光学媒質内における重なり位置
は、信号光の光パルス列の並び方に対応して、空間的に
一列に並ぶ。例えば、空間的に異なる遅延を与えるステ
ップ状光遅延素子を用いると、読み出し光の光パルスと
信号光の各光パルスの非線形光学媒質内での重なり位置
が、信号光の光パルス列の並び方に対応して、空間的に
一列に並ぶ。従って、信号光の各光パルスと読み出し光
の光パルスの相関により波長変換光が異なる領域から発
生され、発生した波長変換光の空間的な強度分布は、信
号光の光パルス列の時間波形を示す。すなわち、信号光
の光パルス列に対応する１次元パラレル信号が波長変換
光によって得られる。

【００３５】さらに、前記では、異なる遅延時間が与え
られた信号光と読み出し光を同一方向から非線形光学媒
質に入射させることで、波長変換光の強度分布に対応し
た１次元の空間情報として取り出している。ところが、
１次元の空間情報では、情報量が増大すると、非線形光
学媒質が１次元的に大きくなり、有効に利用することが
できない。

【００３６】そこで、空間的に広げた信号光の光パルス
列と、同じく空間的に広げた読み出し光の光パルスを同
一方向から入射させる。さらに、読み出し光の光パルス
と信号光の光パルス列が同時に非線形光学媒質に入射す
るように、読み出し光と信号光の同期を取る。ここで、
互いに交差（好ましくは直交）する２方向にそれぞれ異
なる遅延時間を与えるステップ状光遅延素子を用いる
と、読み出し光の光パルスと信号光の各光パルスの非線
形光学媒質中での重なり位置が、信号光の光パルス列の
並び方に対応して、空間的に複数列に並ぶ。従って、信
号光の光パルス列と読み出し光の光パルスの相関により
発生した波長変換光の強度分布は、信号光の光パルス列
の時間波形を複数列に分解したものに相当する。すなわ
ち、信号光の光パルス列に対応する２次元パラレル信号
が波長変換光によって得られる。

【００３７】

【発明の実施の形態】まず、本発明の実施の形態を説明
するに先立ち、本発明の態様を説明する。各種の技術事
項の実施態様を含む態様も共に説明する。

【００３８】〔発明の態様〕 ＜第１の態様＞は、時間多重された信号光に含まれる光
パルスを読み出すために前記信号光を変換する光信号変
換方法であって、一方向に所定幅の広がりを有する光束
でかつ複数光パルスからなる光パルス列の信号光と、前
記所定幅に対応する幅の広がりを有する光束でかつ光パ
ルスからなる読み出し光とを、前記信号光の各光パルス
と読み出し光の光パルスとが非線形光学媒質内の異なる
領域で重複するように前記信号光と読み出し光とを異な
る方向から前記非線形光学媒質に入射させて、前記非線
形光学媒質内の重複領域に含まれかつ前記信号光の各光
パルスに対応した異なる領域の各々で前記信号光の各光
パルスを波長変換し、該波長変換光を出力光として発生
させるものである。

【００３９】このように、異なる方向から非線形光学媒
質に入射することで、各信号光パルスと読み出し光パル
スの非線形光学媒質中でそれぞれ異なる位置で重ね合わ
さり、各信号光パルスが波長変換され、波長変換光の強
度分布に対応した１次元の空間情報として取り出すこと
ができる。

【００４０】また、信号光と読み出し光の入射角を略同
様の角度にすれば、波長変換光の出射方向は、信号光と
読み出し光の出射方向を２等分する方向であるので、波
長変換光だけを空間的に分離することができ、背景光の
ない高ＳＮ比の光検出が可能となる。

【００４１】この場合、読み出し光の波長を信号光と同
じ波長に選び、読み出し光と信号光の入射角、および偏
光方向に対して第２高調波発生の効率が最大になるよう
に位相整合がなされている非線形光学媒質を用いること
によって、波長変換することを第２高調波発生にするこ
とができる。例えば、信号光および読み出し光の波長を
通信波長帯（1.3μｍ、又は1.55μｍ）に選び、波長変
換光をその２倍波（0.65μｍ、又は0.775μｍ）にする
と、この波長域での感度が良い、シリコン系光検出器を
使うことができ、システム全体の低コスト化、および高
感度化が可能となる。この非線形光学媒質は、無機非線
形光学材料または有機非線形光学材料を用いることがで
きる。

【００４２】また、この場合、使用する非線形光学媒質
に応じて、読み出し光と信号光の偏光方向を平行、また
は交差（好ましくは直交）のどちらかにすることができ
る。この場合、読み出し光と信号光の偏光方向を交差
（好ましくは直交）させ、かつ、第２高調波発生の効率
が最大になるような非線形光学媒質を用いると、読み出
し光、および信号光自身の第２高調波光の発生を少なく
することができ、ＳＮ比をさらに向上させることができ
る。

【００４３】一方、読み出し光の波長を信号光と異なる
波長に選び、読み出し光と信号光の入射角、および偏光
方向に対して和周波発生の効率が最大になるように位相
整合がなされている非線形光学媒質を用いることによっ
て、波長変換することを和周波発生にすることもでき
る。この場合、使用する非線形光学媒質に応じて、読み
出し光と信号光の偏光方向を平行、あるいは直交のどち
らかにすることができる。

【００４４】また、読み出し光の波長を信号光と異なる
波長に選び、読み出し光と信号光の入射角、および偏光
方向に対して差周波波発生の効率が最大になるように位
相整合がなされている非線形光学媒質を用いることによ
って、波長変換することを差周波発生にすることもでき
る。この場合、読み出し光の強度を充分大きくすると、
波長変換光の強度が増幅され、この方法を適用したシス
テム全体の高感度化が可能となる。

【００４５】さらに、使用する非線形光学媒質に応じ
て、読み出し光と信号光の偏光方向を平行、あるいは直
交のどちらかにすることができる。

【００４６】なお、波長変換光の波長を信号光の波長に
戻す場合、波長変換で差周波を発生させたときは次に和
周波発生を用いて波長を戻し、波長変換で和周波を発生
させたときは次に差周波発生を用いて波長を戻すように
再変換をしてもよい。

【００４７】また、それぞれの波長変換法において変換
光の波長だけを取り出して、背景光を完全に遮断し、更
にＳＮ比を上げることもできる。

【００４８】また、信号光および読み出し光の波長に対
しては感度がなく、変換光の波長に対してのみ感度があ
るような光検出器を用いることによっても、背景光の影
響を取り除くことができる。

【００４９】以上の説明事項は、次の光信号変換装置に
より実現可能である。詳細には、時間多重された複数光
パルスからなる光パルス列の信号光の波面を一方向へ所
定幅に広げる信号光学系と、前記信号光に同期しかつ前
記所定幅に対応しかつ光パルスからなる読み出し光の波
面を一方向へ広げる読み出し光学系と、前記信号光及び
前記読み出し光を、前記信号光の各光パルスと読み出し
光の光パルスとが内部の異なる領域で重複するように前
記信号光と読み出し光とを異なる方向から入射されて、
前記重複領域に含まれかつ前記信号光の各光パルスに対
応した異なる領域の各々で前記信号光の各光パルスを波
長変換し、該波長変換光を出力光として発生する非線形
光学媒質手段と、ことを特徴とする光信号変換装置。

【００５０】＜第２の態様＞は、時間多重された信号光
に含まれる光パルスを読み出すために前記信号光を変換
する光信号変換方法であって、一方向に所定幅の広がり
を有する光束でかつ複数光パルスからなる光パルス列の
信号光と、前記所定幅に対応する幅の広がりを有する光
束でかつ光パルスからなる読み出し光とを、前記信号光
の各光パルスと読み出し光の光パルスとが非線形光学媒
質内の異なる領域で重複するように前記信号光と読み出
し光とを異なる方向から前記非線形光学媒質に入射させ
ると共に、前記信号光及び前記読み出し光の伝搬方向を
含む伝搬面に沿う方向の光について前記伝搬面と交差す
る方向の異なる部位を伝搬する光に対して異なる遅延時
間を与えて、前記非線形光学媒質内の重複領域に含まれ
かつ前記信号光の各光パルスに対応した異なる領域の各
々で前記信号光の各光パルスを波長変換し、該波長変換
光を出力光として発生させる。

【００５１】この場合、前記伝搬面と交差する方向の異
なる部位を伝搬する信号光及び読み出し光の少なくとも
一方の光について異なる遅延時間を与えることができ
る。異なる遅延時間は、前記伝搬面と交差する方向の異
なる部位を伝搬する信号光に異なる遅延時間を与えるこ
と、または読み出し光に異なる遅延時間を与えることこ
とができる。

【００５２】このように、信号光の各光パルスと読み出
し光の光パルスの非線形光学媒質中でのそれぞれ異なる
位置で重ね合わせ、信号光の各光パルスを波長変換し、
波長変換光の強度分布に対応した２次元の空間情報とし
て取り出すことができる。遅延時間は、光の伝搬するの
に要する時間に対応する長さすなわち光路長を変更すれ
ばよい。従って、ガラス等に段差を設けて光路長を変更
する。この光路長は、信号光を空間的に分離する際の方
向のチャンネル数によって決定すればよい。

【００５３】この場合、ステップ状光遅延素子等の遅延
時間を発生するものを空間的に広げた読み出し光の光路
上に配置することもでき、また、ステップ状光遅延素子
等の遅延時間を発生するものを空間的に広げた信号光の
光路上に配置することもできる。

【００５４】なお、前記態様と同様に、波長変換では、
第２高調波発生、和周波発生、差周波発生のそれぞれを
用いることができる。このとき、読み出し光と信号光の
偏光方向は、使用する非線形光学媒質に応じて互いに平
行または交差（好ましくは直交）のどちらかにすること
ができる。

【００５５】ここで、波長変換において差周波発生を選
んだ場合、変換光の波長を信号光の波長に戻すために、
再び和周波発生を用いて波長の再変換をしてもよい。

【００５６】さらに、それぞれの波長変換において変換
された光の波長だけを取り出すような波長分離素子を用
いて、背景光を完全に遮断し、更にＳＮ比を上げること
もできる。また、信号光および読み出し光の波長に対し
ては感度がなく、変換光の波長に対してのみ感度がある
ような光検出器等を用いることによっても、背景光の影
響を取り除くことができる。

【００５７】以上の説明事項は、次の光信号変換装置に
より実現可能である。詳細には、時間多重された複数光
パルスからなる光パルス列の信号光の波面を一方向へ所
定幅に広げる信号光学系と、前記信号光に同期しかつ前
記所定幅に対応しかつ光パルスからなる読み出し光の波
面を一方向へ広げる読み出し光学系と、前記信号光及び
前記読み出し光の伝搬方向を含む伝搬面に沿う方向の光
について前記伝搬面と交差する方向の異なる部位を伝搬
する光に対して異なる遅延時間を与える遅延手段と、前
記信号光及び前記読み出し光を、前記信号光の各光パル
スと読み出し光の光パルスとが内部の異なる領域で重複
するように前記信号光と読み出し光とを異なる方向から
入射されて、前記重複領域に含まれかつ前記信号光の各
光パルスに対応した異なる領域の各々で前記信号光の各
光パルスを波長変換し、該波長変換光を出力光として発
生する非線形光学媒質手段と、を特徴とする光信号変換
装置。

【００５８】前記遅延手段は、前記信号光学系及び読み
出し光学系の少なくとも一方に設けることができる。す
なわち、遅延手段は、信号光学系のみに設けてもよく、
読み出し光学系のみに設けてもよい。

【００５９】＜第３の態様＞は、時間多重された信号光
に含まれる光パルスを読み出すために前記信号光を変換
する光信号変換方法であって、一方向に所定幅の広がり
を有する光束でかつ複数光パルスからなる光パルス列の
信号光と、前記所定幅に対応する幅の広がりを有する光
束でかつ光パルスからなる読み出し光とを同一方向から
非線形光学媒質に入射させると共に、前記信号光の各光
パルスと読み出し光の光パルスとが前記非線形光学媒質
内の異なる領域で重複するように、前記信号光と読み出
し光との伝搬方向に沿う方向と交差する方向の異なる部
位を伝搬する光に対して異なる遅延時間を与えて前記非
線形光学媒質に入射させて、前記非線形光学媒質内の重
複領域に含まれかつ前記信号光の各光パルスに対応した
異なる領域の各々で前記信号光の各光パルスを波長変換
し、該波長変換光を出力光として発生させる。

【００６０】この場合、前記信号光及び読み出し光の伝
搬方向に沿う方向と交差する方向の異なる部位を伝搬す
る前記信号光及び読み出し光の少なくとも一方に対して
異なる遅延時間を与えることができる。前記異なる遅延
時間を与える光は、信号光と読み出し光との伝搬方向に
沿う方向と交差する方向の異なる部位を伝搬する信号
光、及び読み出し光の何れに対してでもよい。

【００６１】本態様では、空間的に広げた信号光と、同
じく空間的に広げた読み出し光を同一方向から非線形光
学媒質に入射させる。さらに、読み出し光のパルスと信
号光の光パルス列が同時に非線形光学媒質に入射するよ
うに、読み出し光と信号光の同期を取る。ここで、信号
光及び読み出し光の何れかに、信号光及び読み出し光の
伝搬方向を含む伝搬面に沿う方向の光について伝搬面と
交差する方向の異なる部位を伝搬する光に対して異なる
遅延時間を与える。

【００６２】これにより、読み出し光と信号光の非線形
光学媒質内における重なり位置は、信号光の光パルス列
の並び方に対応して、空間的に一列に並ぶ。従って、信
号光の各光パルスと読み出し光の光パルスの相関により
波長変換光が異なる領域から発生され、発生した波長変
換光の空間的な強度分布は、信号光の光パルス列の時間
波形を示し、１次元パラレル信号が波長変換光によって
得られる。

【００６３】この場合、ステップ状光遅延素子を読み出
し光の光路上に配置することができる。また、ステップ
状光遅延素子を信号光の光路上に配置することもでき
る。

【００６４】また、波長変換としては、第２高調波発
生、和周波発生、差周波発生のそれぞれを用いることが
できる。このとき、読み出し光と信号光の偏光方向は、
使用する非線形光学媒質に応じて互いに平行または交差
（好ましくは直交）の何れかにすることができる。

【００６５】この波長変換として、差周波発生を選んだ
場合、波長変換光の波長を信号光の波長に戻すために、
再び和周波発生を用いて波長の再変換をしてもよい。

【００６６】また、各信号光および読み出し光と波長変
換光は全て同一方向に出射されるので、波長分離素子等
を用いて分離することが好ましく、また、波長変換光の
みに感度があるような光検出手段等を用いて、波長変換
光のみを効率的に検出しても良い。

【００６７】以上の説明事項は、次の光信号変換装置に
より実現可能である。詳細には、時間多重された複数光
パルスからなる光パルス列の信号光の波面を一方向へ所
定幅に広げる信号光学系と、前記信号光に同期しかつ前
記所定幅に対応しかつ光パルスからなる読み出し光の波
面を一方向へ広げる読み出し光学系と、前記信号光と、
前記読み出し光とを同一方向へ案内する案内手段と、前
記信号光及び前記読み出し光について、前記信号光の各
光パルスと読み出し光の光パルスとが異なる領域で重複
するように、前記信号光及び読み出し光の伝搬方向を含
む伝搬面の異なる部位を伝搬する光に対して異なる遅延
時間を与える付与手段と、同一方向の前記信号光及び前
記読み出し光の入射により前記信号光の各光パルスと読
み出し光の光パルスとが内部の異なる領域で重複され
て、該内部の異なる領域で重複された前記信号光の各光
パルスに対応した異なる領域の各々で前記信号光の各光
パルスを波長変換し、該波長変換光を出力光として発生
する非線形光学媒質手段と、ことを特徴とする光信号変
換装置。

【００６８】前記付与手段は、前記信号光学系及び読み
出し光学系の少なくとも一方に設けることができる。付
与手段は、信号光学系のみに設けてもよく、読み出し光
学系のみに設けてもよく、信号光学系及び読み出し光学
系の双方に設けてもよい。この場合、付与手段は、信号
光及び読み出し光の伝搬方向に沿う方向と交差する方向
の異なる部位を伝搬する読み出し光に対して異なる遅延
時間を与えたり、信号光と読み出し光との伝搬方向に沿
う方向と交差する方向の異なる部位を伝搬する信号光に
対して異なる遅延時間を与えたりする。

【００６９】＜第４の態様＞は、他の発明では、時間多
重された信号光に含まれる光パルスを読み出すために前
記信号光を変換する光信号変換方法であって、一方向に
所定幅の広がりを有する光束でかつ複数光パルスからな
る光パルス列の信号光と、前記所定幅に対応する幅の広
がりを有する光束でかつ光パルスからなる読み出し光と
を同一方向から非線形光学媒質に入射させると共に、前
記信号光の各光パルスと読み出し光の光パルスとが前記
非線形光学媒質内の異なる領域で重複するように、前記
信号光と読み出し光との伝搬方向に沿う方向と交差する
方向の異なる部位を伝搬する光に対して異なる第１の遅
延時間を与えると共に、前記信号光と読み出し光との伝
搬方向に沿う方向の異なる部位を伝搬する光に対して異
なる第２の遅延時間を与えて前記非線形光学媒質に入射
させて、前記非線形光学媒質内の重複領域に含まれかつ
前記信号光の各光パルスに対応した異なる領域の各々で
前記信号光の各光パルスを波長変換し、該波長変換光を
出力光として発生させる。

【００７０】このように、信号光と、読み出し光を、同
一方向から非線形光学媒質に入射させるときに、一方向
に空間的に異なる遅延時間を与えることで、各信号光と
読み出し光は非線形光学媒質中でそれぞれ異なる位置で
重ね合わさり、各信号光パルスが波長変換されるので、
波長変換光の強度分布に対応した２次元の空間情報とし
て取り出すことができる。

【００７１】前記の異なる遅延時間を与えるには、ステ
ップ状光遅延素子を二つ、段差方向が直交するように用
いればよい。例えば、一方向に異なる遅延時間を与える
ステップ状光遅延素子を２つ、段差方向が交差（好まし
くは直交）するように、信号光の光パルス列と読み出し
光の光パルスの光路上に一つずつ配置することができ
る。

【００７２】また、一方向に異なる遅延時間を与えるス
テップ状光遅延素子を二つ、段差方向が直交するよう
に、読み出し光または信号光の光路上に配置することが
できる。

【００７３】さらに、互いに直交する２方向にそれぞれ
異なる遅延時間を与える２重ステップ状光遅延素子を、
読み出し光または信号光の光路上に配置しても良い。

【００７４】なお、波長変換として、第２高調波発生、
和周波発生、差周波発生のそれぞれを用いることができ
る。このとき、読み出し光と信号光の偏光方向は、使用
する非線形光学媒質に応じて互いに平行または直交の何
れかにすることができる。

【００７５】波長変換として差周波発生を選んだ場合、
変換光の波長を信号光の波長に戻すために、再び和周波
発生を用いて波長の再変換をしてもよい。

【００７６】また、各信号光および読み出し光と変換光
はすべて同一方向に出射されるので、波長分離素子を配
置する方が良い。または、波長変換光のみに感度がある
ような光検出器を用いても良い。

【００７７】以上の説明事項は、次の光信号変換装置に
より実現可能である。詳細には、時間多重された複数光
パルスからなる光パルス列の信号光の波面を一方向へ所
定幅に広げる信号光学系と、前記信号光に同期しかつ前
記所定幅に対応しかつ光パルスからなる読み出し光の波
面を一方向へ広げる読み出し光学系と、前記信号光と、
前記読み出し光とを同一方向へ案内する案内手段と、前
記信号光及び前記読み出し光の伝搬方向を含む伝搬面に
沿う方向の光について前記伝搬面と交差する方向の異な
る部位を伝搬する光に対して異なる遅延時間を与える遅
延手段と、前記前記信号光及び前記読み出し光につい
て、前記信号光の各光パルスと読み出し光の光パルスと
が異なる領域で重複するように、前記信号光及び読み出
し光の伝搬方向を含む伝搬面の異なる部位を伝搬する光
に対して異なる遅延時間を与える付与手段と、同一方向
の前記信号光及び前記読み出し光の入射により前記信号
光の各光パルスと読み出し光の光パルスとが内部の異な
る領域で重複されて、該内部の異なる領域で重複された
前記信号光の各光パルスに対応した異なる領域の各々で
前記信号光の各光パルスを波長変換し、該波長変換光を
出力光として発生する非線形光学媒質手段と、ことを特
徴とする光信号変換装置。

【００７８】前記遅延手段は、前記信号光学系及び読み
出し光学系の少なくとも一方に設けると共に、前記付与
手段は、前記信号光学系及び読み出し光学系の少なくと
も一方に設けることができる。

【００７９】遅延手段及び付与手段は、ステップ状光遅
延素子を用いて構成することができる。この場合、２つ
のステップ状光遅延素子を、空間的に広げた信号光の光
路上と空間的に広げられた読み出し光の光路上の両方
に、それぞれ１つずつ、段差方向が直交するように配置
することができる。また、２つのステップ状光遅延素子
を、空間的に広げた読み出し光または信号光の光路上
に、段差方向が交差（直交）するように配置してもよ
い。この場合、２つのステップ状光遅延素子が一体とな
った、すなわち、交差（直交）する二方向にそれぞれ異
なる遅延時間を与える２重ステップ状光遅延素子を空間
的に広げた読み出し光または信号光の光路上に配置する
ことにより実現できる。

【００８０】なお、次の事項は、上記態様に共通するも
のである。

【００８１】前記非線形光学媒質手段は、前記波長変換
光の波長として第２高調波を発生する高調波発生手段を
含むことができる。

【００８２】前記非線形光学媒質手段は、前記波長変換
光の波長として和周波を発生するまたは前記波長変換光
の波長として差周波を発生する発生手段を含むことがで
きる。この場合、前記非線形光学媒質手段は、前記発生
手段により和周波を発生させた場合に前記波長変換され
た波長変換光の波長をさらに差周波発生させて変換前の
波長に再変換させる、または前記発生手段により差周波
を発生させた場合に前記波長変換された波長変換光の波
長をさらに和周波発生させて変換前の波長に再変換させ
る変換手段をさらに備えることができる。

【００８３】前記信号光及び前記読み出し光の偏光方向
を略平行にするまたは直交にする偏光手段をさらに備え
ることができる。

【００８４】前記非線形光学媒質手段は、無機非線形光
学材料または有機非線形光学材料で構成することができ
る。

【００８５】前記非線形光学媒質手段で波長変換された
波長変換光のみの光を分離する分離手段をさらに備える
ことができる。

【００８６】前記非線形光学媒質手段で波長変換された
波長変換光を、さらに検出する検出手段を更に備えるこ
とができる。この検出素子は、読み出し光及び信号光の
波長に対しては感度がなく、波長変換光の波長にのみ感
度がある光検出素子を用いることが好ましい。

【００８７】次に、図面を参照して本発明の実施の形態
の一例を詳細に説明する。

【００８８】〔第１実施の形態〕図２は、本発明の実施
の形態にかかる、光信号変換装置の概念構成を示した説
明図である。

【００８９】光ファイバ等の光導波路（図示省略）を伝
搬された信号光１は、時間多重された複数光パルスから
なる光パルス列である。この信号光１は、図２の例では
４つの信号光パルス１Ａ〜１Ｄが時間的にシリアルに多
重化された、ビットレートが１Tbit/s、パルス時間間隔
が１psのものである。

【００９０】この信号光１は、単レンズまたは複数レン
ズを組合せて構成した拡大光学系５によって、進行方向
に対して垂直な面方向に波面が広げられて光路２０を伝
搬する。従って、信号光１は、拡大光学系５により波面
が広げられた光束に信号光パルス１Ａ〜１Ｄの各チャン
ネルの列（すなわち光パルス列）を含んで構成される。
このため、信号光１は、信号光パルス列と考えることも
できる。

【００９１】信号光１の光路上には、信号光１の波面が
広げられた光束を全て透過するに十分な大きさの非線形
光学媒質４が設けられている。本実施の形態では、信号
光１を、非線形光学媒質４に対して予め定めた所定角度
θ（例えば３０度や４５度）で入射させている。

【００９２】また、非線形光学媒質４には、読み出し光
２が入射される。読み出し光２は、信号光１の各信号光
パルス１Ａ〜１Ｄの一組に対して、１つの読み出し光パ
ルス２Ａが対応されている。読み出し光２は、信号光１
と同様に、単レンズまたはレンズを組合せて構成した拡
大光学系５によって、進行方向に対して垂直な面方向に
波面が広げられて光路２２を伝搬する。従って、読み出
し光２は、拡大光学系５により波面が広げられた光束に
読み出し光パルス２Ａのチャンネルから構成される。

【００９３】また、読み出し光２は、非線形光学媒質４
に対して予め定めた所定角度θ（例えば３０度や４５
度）で、信号光１の入射方向と逆方向から入射させてい
る。従って、信号光１と読み出し光２は、それぞれ異な
る方向から非線形光学媒質４に対して所定の角度θで入
射される。

【００９４】上記広げられた信号光を得るための拡大光
学系は本発明の信号光学系に相当し、広げられた読み出
し光を得るための拡大光学系は本発明の読み出し光学系
に相当し、非線形光学媒質は本発明の非線形光学媒質手
段に相当する。

【００９５】ここで、信号光１及び読み出し光２は、信
号光１の信号光パルス１Ａ〜１Ｄと読み出し光パルス２
Ａが、それぞれ非線形光学媒質４に同時に入射するよう
に、読み出し光パルス２Ａと信号光１を同期させてい
る。ここでいう同時入射のための同期とは、信号光１及
び読み出し光２が非線形光学媒質４の内部に同時に存在
する時間であればよい。

【００９６】本実施の形態では、非線形光学媒質４は、
信号光１に対して角度θだけ傾いているので、多重（本
実施の形態では、Ｎ＝４）の信号光１の場合、所定幅Ｗ
は、 Ｗ＝（Ｎ−１）×｛（信号光の光パルス間の距離）／si
nθ｝ である。

【００９７】このとき、図３に示すように、信号光パル
ス１Ａと読み出し光パルス２Ａは、非線形光学媒質４中
の領域Ｗｓでのみ重なる。また、信号光パルス１Ｂ，１
Ｃ，１Ｄに関しても同様に、読み出し光パルス２Ａと重
なる領域は、非線形光学媒質４中の領域Ｗｒ，Ｗｑ，Ｗ
ｐのみである。

【００９８】従って、信号光パルス１Ａ〜１Ｄと読み出
し光パルス２Ａの相関を示す変換光３は、それぞれ領域
Ｗｐ〜Ｗｓのみから発生される。すなわち、変換光３の
空間的な強度分布は信号光１の光パルス列の時間−空間
変換像となる。これにより、信号光パルス１Ａ〜１Ｄ
は、非線形光学媒質４中の領域Ｗｓ〜Ｗｐから発生され
る空間的に分布した波長変換光３Ａ〜３Ｄに対応され
る。これら波長変換光３Ａ〜３Ｄの伝播により波長変換
光の光路２４が形成される。

【００９９】ここで、読み出し光パルス２Ａの時間幅
は、各信号光パルス１Ａ〜１Ｄの波長変換光３Ａ〜３Ｄ
が、非線形光学媒質４の対応する領域Ｗｓ〜Ｗｐのみか
ら出射されるように、例えば信号光パルス１Ａが、非線
形光学媒質４中の領域Ｗｐと領域Ｗｑに到達するまでの
時間差よりも充分短くする。

【０１００】本実施の形態のように、信号光１の光パル
ス列の時間幅が、パルス時間間隔（１ps）の１／１０
（１００ fs）であれば、読み出し光パルス２Ａの時間
幅は、信号１の光パルスの時間幅と同程度か、それより
若干短くすれば良い。

【０１０１】非線形光学媒質４の光の出射側には、ＣＣ
Ｄアレイやフォトディテクタアレイ等の光検出素子から
なるライン状または１次元アレイ状の光検出器６が設け
られている。本実施の形態では、光検出器６は、信号光
１と読み出し光２の進行方向を２等分する方向に配置さ
れている。すなわち、信号光１と読み出し光２は、非線
形光学媒質４に対して異なる方向から入射角度θで入射
されるため、非線形光学媒質４の入射面（または出射
面）に略垂直な方向に配置されている。上記のように、
波長変換光３は、信号光１と読み出し光２の進行方向を
２等分する方向に出射され、これら波長変換光３Ａ〜３
Ｄを光検出器６により検出できる。なお、非線形光学媒
質４の入射面と出射面とが略平行な場合には、略垂直な
方向に波長変換光３が出射されるが、角度を有している
場合には、その角度に応じて配置してもよい。

【０１０２】本実施の形態では、信号光パルス列１Ａ〜
１Ｄは、一括して４チャンネルの波長変換光３Ａ〜３Ｄ
に時間−空間変換された。従って、多重度Ｎの場合には
（信号光のパルス時間間隔）×Ｎ時間後に、次の組の信
号光パルス列が時間−空間変換される。すなわち、Ｎ＝
４の場合には、光検出器６の各画素は、信号光１の時間
間隔の４倍の時間ごとに、対応する波長変換光３Ａ〜３
Ｄを検出できればよい。多重度Ｎがより多い場合には、
光検出器６はより応答速度の遅いものでよいことにな
る。

【０１０３】このように、本実施の形態では、非線形光
学媒質へ、時間多重化された信号光（信号光パルス列）
と、読み出し光とを異なる方向から入射させて、非線形
光学媒質において波長変換させて時間−空間変換された
波長変換光を発生させている。この波長変換光は、信号
光及び読み出し光の光軸から角度を有して出射されるの
で、波長変換光を検出する光検出器には、信号光及び読
み出し光からの光の入射が極力抑制されている。従っ
て、時間多重化された信号光から、背景光が抑制された
波長変換光のみを効率よく検出することができる。

【０１０４】〔第２実施の形態〕図４には、本実施の形
態の波長変換についての概念説明図を示した。本実施の
形態は、上記実施の形態の具体例として、波長変換に、
本発明の高調波発生手段としての第２高調波発生を生じ
させる非線形光学媒質を用いたものである。本実施の形
態は、上記実施の形態と略同様の構成であるため、同一
部分には、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

【０１０５】なお、本実施の形態では、信号光１に波長
７８０ｎｍ、パルス幅１５０ｆｓのフェムト秒光パルス
から構成される４連光パルス列（繰り返し周波数１TH
z、パルス時間間隔１ps）を用いている。読み出し光パ
ルス２Ａには、信号光と同様に波長７８０ｎｍ、パルス
幅１５０ｆｓのフェムト秒光パルスを用いている。ま
た、読み出し光パルス２Ａの偏光方向は、信号光１の偏
光方向に一致または略一致させている。

【０１０６】また、本実施の形態では、非線形光学媒質
にＢＢＯ（β−ＢａＢ₂Ｏ₄）を用いている。このＢＢＯ
は、１９０ｎｍから３５００ｎｍまでの広い透過性波長
域を有しかつ、４０９．６ｎｍから３５００ｎｍまで可
能な広い位相整合角を有して、非線形光学結晶として広
く使われているＫＤＰ（Potassium Dihydorogen Phosph
ate）よりも約６倍大きい第２高調波発生係数を有して
いる。さらに、ＢＢＯの非線形性は電子分極によるもの
なので、応答時間は１００ｆｓ以下である。ＢＢＯの大
きさは１０×１０×１ｍｍとし、読み出し光と信号光パ
ルス列の空間的広がりよりも十分大きくした。また、読
み出し光と信号光パルス列の偏光方向が等しいときに、
第２高調波発生の効率が最大になるようにカットされた
ものを用いた。

【０１０７】また、信号光１と読み出し光２のビーム径
は約７mmφに広げている。これら空間的に広げられた信
号光１と同じく空間的に広げられた読み出し光２は、そ
れぞれの入射角が共に約９°になるように、互いに異な
る方向から非線形光学媒質4に入射させた。さらに、信
号光１と読み出し光パルス２Ａが同時に非線形光学媒質
４に入射するように、読み出し光パルス２Ａを、その光
路上に配置された遅延光学系（図示省略）を用いて、信
号光１（の光パルス列）に同期させた。

【０１０８】図５には、（Ａ）にＢＢＯを非線形光学媒
質として用いたときの光検出器に現れる光学像及び
（Ｂ）に光パワーを示した。図から理解されるように、
光検出器６上には、読み出し光パルス２Ａと信号光１の
各信号光パルス１Ａ〜１Ｄの異なる重なり位置から発生
した４つの波長変換光３Ａ〜３Ｄが１次元パラレル信号
として観測された。従って、繰り返し周波数が１THzの
時間多重信号光パルス列である信号光１が、読み出し光
パルス２Ａによって、ビーム間隔が約１ｍｍの空間強度
分布に変換されることが確認された。

【０１０９】なお、ここでは、光源の関係上、波長７８
０ｎｍの光を用いたが、ＢＢＯは１９０ｎｍから３５０
０ｎｍまでの広い透過性波長域であり、４０９．６ｎｍ
から３５００ｎｍ まで可能な広い位相整合角を有して
いるので、光通信で用いられる１．５５μｍ帯にも適用
可能である。また、本実施の形態では、読み出し光２と
信号光１の偏光方向を同一にしたが、偏光方向を直交し
た光に対して第２高調波発生の効率が最大になるように
カットされた非線形光学媒質を用いれば、偏光方向が互
いに直交した読み出し光と信号光から波長変換光を得る
ことも可能である。

【０１１０】〔第３実施の形態〕図６には、本実施の形
態の波長変換についての概念説明図を示した。本実施の
形態は、時間−空間変換である波長変換を、２次元的に
行うために本発明の遅延手段としてのステップ状光遅延
素子を読み出し光２の光路２２上に配置したものであ
る。本実施の形態は、上記実施の形態と略同様の構成で
あるため、同一部分には、同一符号を付して詳細な説明
を省略する。

【０１１１】本実施の形態では、時間多重された信号光
１は、８つの光信号パルス１Ａ〜１Ｈが時間的にシリア
ルに多重化された、ビットレートが１Ｔｂｉｔ／ｓ、パ
ルス時間間隔が１ｐｓのものである。また、読み出し光
２は、信号光１を構成する信号光パルス１Ａ〜１Ｈの一
組につき、１つの読み出し光パルス２Ａから構成されて
いる。これらの信号光１と読み出し光２は、それぞれレ
ンズを組合せて構成した拡大光学系５によって、進行方
向に対して垂直な面方向に波面が広げられている。

【０１１２】また、本実施の形態では、読み出し光２の
光路２２上に階段状ガラスのステップ状光遅延素子７を
設置している。ステップ状光遅延素子７は、透過光の光
路長を変更すなわち光パルスの伝搬時間を変更するため
のものである。ステップ状光遅延素子７は、一方向（図
６ではｘ方向）に同一幅で直交する他方向（図６ではｙ
方向）に段階的（本実施の形態では２段階）に長い幅
（または短い幅）になるよう所定屈折率のガラス材で形
成されている。従って、空間的に広げられ平面波となる
読み出し光パルス２Ａは、階段状になっているステップ
状光遅延素子７を透過することによって、第１読み出し
光パルス２Ａｍと第２読み出し光パルス２Ａｎに分離さ
れる。これらの第１読み出し光パルス２Ａｍと第２読み
出し光パルス２Ａｎは、それぞれの波面の間にステップ
状光遅延素子７の光路長差すなわち階段状ガラスの厚さ
に対応した、一定間隔の時間遅延が生じている。

【０１１３】ここで、ステップ状光遅延素子７を階段状
ガラスで形成したときの段差数と厚さは、信号光１を空
間的に分離する際の方向（図６ではｙ方向）のチャンネ
ル数によって決定される。本実施の形態では、８多重度
の信号光パルス列を図６のｙ方向に関して、２チャンネ
ルに分離するため、階段状ガラスの段差数を２としか
つ、第１読み出し光パルス２Ａｍと第２読み出し光パル
ス２Ａｎの遅延時間が４ｐｓとなるように、それらの光
路長差を１．２ｍｍ（屈折率１．５のガラスを用いた場
合には、実際の段差として１．８ｍｍ）にした。

【０１１４】光信号パルス１Ａ〜１Ｈが時間的に多重化
された信号光１は、非線形光学媒質４に対して予め定め
た所定角度θで入射される。同様に、第１読み出し光パ
ルス２Ａｍと第２読み出し光パルス２Ａｎからなる読み
出し光２も非線形光学媒質４に対して予め定めた所定角
度θで逆方向から入射される。従って、信号光１と読み
出し光２は、それぞれ異なる方向から非線形光学媒質４
に対して所定の角度θで入射される。

【０１１５】また、信号光１と読み出し光２は、それぞ
れ非線形光学媒質４に同時に入射するように、第１読み
出し光パルス２Ａｍと信号光１を同期させている。これ
によって、図７にも示すように、信号光パルス１Ａと第
１読み出し光パルス２Ａｍは、非線形光学媒質４中の領
域Ｗｐｍのみで重なる。また、信号光パルス１Ｂ〜１Ｄ
に関しても同様に、第１読み出し光パルス２Ａｍと重な
る領域は、非線形光学媒質４中の領域Ｗｑｍ〜Ｗｓｍの
みである。

【０１１６】そして、第１読み出し光パルス２Ａｍと第
２読み出し光パルス２Ａｎは、遅延時間（４ｐｓ）を有
しているので、遅延時間経過後の第２読み出し光パルス
２Ａｎは、信号光パルス１Ｅ〜１Ｈと重なる。この第２
読み出し光パルス２Ａｎと信号光１が重なる領域は、第
２読み出し光パルス２Ａｎとして空間的に分離された方
向（図６のｙ方向）の非線形光学媒質４の領域Ｗｐｎ〜
Ｗｓｎのみとなる。

【０１１７】従って、信号光パルス１Ａ〜１Ｈと読み出
し光パルス２Ａｍ、２Ａｎは、非線形光学媒質４のそれ
ぞれ異なる領域で重なることになる。すなわち、図１０
に示すように、信号光パルス１Ａ〜１Ｈと読み出し光パ
ルス２Ａｍ、２Ａｎは、信号光パルス１Ａ〜１Ｄが非線
形光学媒質４の領域Ｗｐｍ〜Ｗｓｍで、信号光パルス１
Ｅ〜１Ｈが非線形光学媒質４の領域Ｗｐｎ〜Ｗｓｎのそ
れぞれ異なる領域で重なる。

【０１１８】この場合、信号光パルス１Ａ〜１Ｈと読み
出し光パルス２Ａｍ、２Ａｎの相関を示す波長変換光３
Ａ〜３Ｈは、非線形光学媒質４のそれぞれ異なる領域Ｗ
ｐｍ〜Ｗｓｍ、Ｗｐｎ〜Ｗｓｎで発生される。すなわ
ち、波長変換光３の空間的な強度分布は信号光パルス列
１の２次元時間−空間変換像となる。

【０１１９】ここで、読み出し光パルス２Ａの時間幅
は、各信号光パルス１Ａ〜１Ｈの波長変換光３Ａ〜３Ｈ
が、非線形光学媒質４の対応する領域Ｗｐｍ〜Ｗｓｍ、
領域Ｗｐｎ〜Ｗｓｎのみから出射されるように、例えば
信号光パルス１Ａが、非線形媒質中の領域Ｗｐｍと領域
Ｗｑｍに到達するまでの時間差よりも充分短くする。例
えば、信号光パルス列の時間幅が、時間間隔（１ｐｓ）
の１／１０の１００ｆｓであれば、読み出し光パルスの
時間幅は、信号光パルスの時間幅と同程度か、それより
若干短くすれば良い。

【０１２０】上記実施の形態と同様に、波長変換光３Ａ
〜３Ｈは、信号光１と読み出し光２の進行方向を２等分
する方向に配置したＣＣＤアレイやフォトディテクタア
レイなどの光検出素子からなる、２次元アレイ状の光検
出器６で検出する。

【０１２１】このようにして、本実施の形態では、信号
光１を構成する信号光パルス列１Ａ〜１Ｈは、一括して
２×４チャンネルの波長変換光３Ａ〜３Ｈに時間−空間
変換された。従って、多重度Ｎの場合には（信号光のパ
ルス時間間隔）×Ｎ時間後に、次の組の信号光パルス列
が時間−空間変換される。すなわち、Ｎ＝８の場合に
は、光検出器６の各画素は、信号光パルス列時間間隔の
８倍の時間ごとに、対応する波長変換光３Ａ〜３Ｈを検
出できればよい。多重度Ｎがより多い場合には、光検出
器６はより応答速度の遅いものでよくなる。

【０１２２】なお、本実施例では透過型のステップ状光
遅延素子７を用いたが、反射型のステップ状光遅延素
子、例えば端面が階段状になっているガラス基板に金属
を蒸着したもの、又は誘電体多層膜をコーティングした
ものを用いても良い。この場合、透過型に比べて、分散
による光パルスの時間的な広がりを少なくすることがで
きる。

【０１２３】このように、本実施の形態では、非線形光
学媒質へ、入射させる読み出し光を空間的に分離して入
射させているので、非線形光学媒質上の波長変換の領域
を、分離させた段階数に対応して増加させることがで
き、２次元的に非線形光学媒質を用いることができる。
このため、非線形光学媒質上で２次元的に波長変換させ
て時間−空間変換された波長変換光を２次元的に発生さ
せることができる。

【０１２４】〔第４実施の形態〕上記実施の形態では、
信号光と読み出し光とを異なる方向で非線形光学媒質へ
入射している。本実施の形態は、信号光と読み出し光と
を同一方向で非線形光学媒質へ入射した場合に本発明を
適用したものである。

【０１２５】図８には、本実施の形態の波長変換につい
ての概念説明図を示した。本実施の形態は、非線形光学
媒質の異なる領域で波長変換させるために本発明の付与
手段としてのステップ状光遅延素子を読み出し光２の光
路２２上に配置したものである。本実施の形態は、上記
実施の形態と略同様の構成であるため、同一部分には、
同一符号を付して詳細な説明を省略する。

【０１２６】図８に示すように、読み出し光２の光路２
２上には、本発明の付与手段としてのステップ状光遅延
素子７、ビームスプリッタ８、非線形光学媒質４、本発
明の案内手段としての波長分離素子９、及び光検出器６
が順に設置されている。ビームスプリッタ８には、読み
出し光２が入射され、さらに、信号光１が入射される。
ビームスプリッタ８では、読み出し光２が透過される
が、信号光１は反射される。従って、ビームスプリッタ
８により、信号光１は偏向されて（具体的には反射され
て）、読み出し光２と同一の光路２２に案内される。

【０１２７】本実施の形態の信号光１は、時間多重され
た複数光パルス１Ａ〜１Ｄからなる光パルス列である。
この信号光１は、図８の例では４つの信号光パルス１Ａ
〜１Ｄが時間的にシリアルに多重化された、ビットレー
トが１Ｔｂｉｔ／ｓ、パルス時間間隔が１ｐｓのもので
ある。また、読み出し光２は、信号光１の各信号光パル
ス１Ａ〜１Ｄの一組に対して、１つの読み出し光パルス
２Ａが対応されている。

【０１２８】信号光１及び読み出し光２は、上記実施の
形態と同様に、単レンズまたはレンズを組合せて構成し
た拡大光学系５によって、進行方向に対して垂直な面方
向に波面が広げられて光路２０、２２を伝搬する。

【０１２９】本実施の形態では、空間的に広げられた読
み出し光２の光路２２上でビームスプリッタ８の入射側
には、階段状ガラスのステップ状光遅延素子７を設置し
ている。ステップ状光遅延素子７は、読み出し光２の光
路長を変更すなわち光パルスの伝搬時間を変更するため
のものである。このステップ状光遅延素子７は、一方向
（図８では紙面と垂直方向）に同一幅で直交する他方向
（図８ではｘ方向）に段階的（本実施の形態では４段
階）に長い幅（または短い幅）になるよう所定屈折率の
ガラス材で形成されている。従って、空間的に広げられ
平面波となる読み出し光パルス２Ａは、階段状になって
いるステップ状光遅延素子７を透過することによって、
第１読み出し光パルス２Ａｐ、第２読み出し光パルス２
Ａｑ、第３読み出し光パルス２Ａｒ、第４読み出し光パ
ルス２Ａｓに分離される。これらの読み出し光パルス２
Ａｐ〜２Ａｓは、それぞれの波面の間にステップ状光遅
延素子７の光路長差すなわち階段状ガラスの厚さに対応
した、一定間隔の時間遅延が生じている。

【０１３０】ここで、ステップ状光遅延素子７を階段状
ガラスで形成したときの段差数と厚さは、信号光１の光
パルス列に同期させる光パルスの数及び光パルスの時間
間隔によって決定される。本実施の形態では、４つの光
パルスからなる信号光１を読み出し光２と重複させるた
め、階段状ガラスの段差数を４としかつ、第１読み出し
光パルス２Ａｐ〜第４読み出し光パルス２Ａｓの各々の
間の遅延時間が信号光パルス列のパルス時間間隔（１ｐ
ｓ）に対応させている。これによって、ステップ状光遅
延素子７を透過した読み出し光の光パルス２Ａは、一定
間隔の時間遅延が生じ、伝搬される。

【０１３１】すなわち、本実施の形態では、信号光１の
多重度がＮ＝４なので、階段状ガラスの段差数を４段、
それぞれの段差の光路長差を３００μｍ（屈折率が１．
５のガラスを用いた場合、実際の段差は２００μｍ）に
した。

【０１３２】信号光パルス列１と読み出し光２は、ビー
ムスプリッタ８によって、空間的に重ね合わせられ、非
線形光学媒質４に対して垂直に入射される。

【０１３３】なお、信号光１と読み出し光２は、それぞ
れ非線形光学媒質４に同時に入射するように、第１読み
出し光パルス２Ａｐと信号光１の信号光パルス１Ａを同
期させている。これによって、信号光パルス１Ａと第１
読み出し光パルス２Ａｐは、非線形光学媒質４中の領域
Ｗｐのみで重なる。同様に、信号光パルス１Ｂは、第２
読み出し光パルス２Ａｑと重なる領域は非線形光学媒質
４中の領域Ｗｑ、信号光パルス１Ｃは、第２読み出し光
パルス２Ａｒと重なる領域は非線形光学媒質４中の領域
Ｗｒ、信号光パルス１Ｄは、第２読み出し光パルス２Ａ
ｓと重なる領域は非線形光学媒質４中の領域Ｗｓのみで
ある。

【０１３４】従って、信号光パルス1Ａ〜１Ｄと読み出
し光パルス２Ａｐ〜２Ａｓの相関を示す変換光３Ａ〜３
Ｄは、非線形光学媒質４中のそれぞれ異なる領域Ｗｐ〜
Ｗｓのみから発生される。すなわち、変換光３の空間的
な強度分布は、信号光１の時間−空間変換像となる。

【０１３５】なお、読み出し光パルス２Ａの時間幅は、
各信号光パルス１Ａ〜１Ｄの波長変換光３Ａ〜３Ｄが、
非線形光学媒質４の対応する領域Ｗｐ〜Ｗｓのみから出
射されるように、例えば信号光パルス１Ａが、非線形媒
質中の領域Ｗｐと領域Ｗｑに到達するまでの時間差より
も充分短くする。

【０１３６】本実施の形態のように、信号光パルス列の
時間幅が、パルス時間間隔（１ｐｓ）の１／１０（１０
０ｆｓ）であれば、読み出し光パルスの時間幅は、信号
光パルスの時間幅と同程度か、それより若干短くすれば
良い。

【０１３７】ここで、非線形光学媒質４の下流側、すな
わち光束の出射側には波長分離素子９が設置されてい
る。この波長分離素子９は、非線形光学媒質４で発生さ
れた波長変換光３のみを透過するためのものであり、非
線形光学媒質４で発生される光の波長に対応した透過波
長帯を有している。従って、波長分離素子９によって、
同一光路を伝搬している信号光１及び読み出し光２を分
離して非線形光学媒質４で発生された波長変換光３のみ
を光検出器６へ伝搬させることができる。このようにし
て、波長分離素子９により取り出された波長変換光３Ａ
〜３Ｄを光検出器６で検出する。

【０１３８】本実施の形態では、信号光パルス列１Ａ〜
１Ｄは、一括して４チャンネルの波長変換光３Ａ〜３Ｄ
に時間−空間変換された。従って、多重度Ｎの場合には
（信号光パルス列のパルス時間間隔）×Ｎ 時間後に、
次の組の信号光パルス列が時間−空間変換される。すな
わち、Ｎ＝４の場合には、光検出器６の各画素は、信号
光パルス列時間間隔の４倍の時間ごとに、対応する波長
変換光３Ａ〜３Ｄを検出できればよい。多重度Nがより
多い場合には、光検出器６はより応答速度の遅いもので
よくなる。

【０１３９】このように、本実施の形態では、読み出し
光と同一光路に信号光を案内して同一光路上を伝搬させ
て非線形光学媒質へ、入射させている。このとき、読み
出し光が、信号光に重なるように、読み出し光に遅延時
間を与えている。さらに、非線形光学媒質で発生された
波長変換光は波長分離素子を透過させることで、さらに
不要な光を分離でき、波長変換光のみを取り出してい
る。従って、信号光と読み出し光を同一光路上を伝搬さ
せることで、光路設計の自由度が増加すると、共に、ス
テップ状光遅延素子の段階数及び厚さにより遅延時間及
びその総数を調整でき、信号光から検出すべき波長変換
光に応じて最適な構成を設定することができる。

【０１４０】なお、本実施の形態において、信号光パル
スと読み出し光パルスの偏光方向を互いに直交させた場
合、ビームスプリッタ８を偏光ビームスプリッタに変え
ることによって、ビームを重ね合わせるときの損失がな
くなり、波長変換効率が良くなる。

【０１４１】さらに、この場合、非線形光学媒質として
偏光方向が互いに直交した光に対して波長変換効率が最
大となるようにカットされたものを用いれば、信号光パ
ルス、及び読み出し光パルス自身の波長変換光の発生を
少なくなり、ＳＮ比を向上させることができる。

【０１４２】〔第５実施の形態〕本実施の形態は、信号
光と読み出し光とを同一方向で非線形光学媒質へ入射し
た場合に、時間−空間変換である波長変換を、２次元的
に行うためのものである。本実施の形態は、上記実施の
形態と略同様の構成であるため、同一部分には、同一符
号を付して詳細な説明を省略する。

【０１４３】図９には、本実施の形態の波長変換につい
ての概念説明図を示した。本実施の形態は、非線形光学
媒質の異なる領域で波長変換させるためにステップ状光
遅延素子を信号光１の光路２０上及び読み出し光２の光
路２２上の各々に配置したものである。本実施の形態
は、上記実施の形態と略同様の構成であるため、同一部
分には、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

【０１４４】図９に示すように、信号光１の光路２０上
には、本発明の遅延手段としてのステップ状光遅延素子
７Ｂ、本発明の案内手段としてのビームスプリッタ８、
非線形光学媒質４、波長分離素子９、及び光検出器６が
順に設置されている。ビームスプリッタ８には、信号光
１が入射され、さらに、読み出し光２が入射される。ビ
ームスプリッタ８では、信号光１が透過されるが、読み
出し光２は反射される。従って、ビームスプリッタ８に
より、読み出し光２は偏向されて、信号光１と同一の光
路２０に案内される。

【０１４５】本実施の形態の信号光１は、時間多重され
た複数光パルス１Ａ〜１Ｈからなる光パルス列である。
この信号光１は、図９の例では８つの信号光パルス１Ａ
〜１Ｈが時間的にシリアルに多重化された、ビットレー
トが１Ｔｂｉｔ／ｓ、パルス時間間隔が１ｐｓのもので
ある。また、読み出し光２は、信号光１の各信号光パル
ス１Ａ〜１Ｈの一組に対して、１つの読み出し光パルス
２Ａが対応されている。

【０１４６】信号光１及び読み出し光２は、上記実施の
形態と同様に、単レンズまたはレンズを組合せて構成し
た拡大光学系５によって、進行方向に対して垂直な面方
向に波面が広げられて光路２０、２２を伝搬する。

【０１４７】本実施の形態では、信号光１の光路２１上
に階段状ガラスのステップ状光遅延素子７Ｂを設置して
いる。ステップ状光遅延素子７Ｂは、透過光の光路長を
変更すなわち光パルスの伝搬時間を変更するためのもの
である。ステップ状光遅延素子７Ｂは、一方向（図９で
はｘ方向）に同一幅で直交する他方向（図９ではｙ方
向）に段階的（本実施の形態では２段階）に長い幅（ま
たは短い幅）になるよう所定屈折率のガラス材で形成さ
れている。従って、空間的に広げられ平面波となる信号
光１の信号光パルス１Ａ〜１Ｈは、階段状になっている
ステップ状光遅延素子７Ｂを透過することによって、部
分信号光パルス１Ａｍ〜１Ｈｍの光パルス列からなる第
１信号光１ｍと部分信号光パルス１Ａｎ〜１Ｈｎの光パ
ルス列からなる第２信号光１ｎに分離される。これらの
第１信号光１ｍと第２信号光１ｎは、それぞれの波面の
間にステップ状光遅延素子７Ｂの光路長差すなわち階段
状ガラスの厚さに対応した、一定間隔の時間遅延が生じ
ている。

【０１４８】ここで、ステップ状光遅延素子７Ｂを階段
状ガラスで形成したときの段差数と厚さは、信号光１を
空間的に分離する際の方向（図９ではｙ方向）のチャン
ネル数によって決定される（詳細は後述）。

【０１４９】また、本実施の形態では、空間的に広げら
れた読み出し光２の光路２２上でビームスプリッタ８の
入射側には、本発明の付与手段としての階段状ガラスの
ステップ状光遅延素子７Ａを設置している。ステップ状
光遅延素子７Ａは、読み出し光２の光路長を変更すなわ
ち光パルスの伝搬時間を変更するためのものである。こ
のステップ状光遅延素子７Ａは、一方向（図９ではｙ方
向）に同一幅で直交する他方向（図９ではｚ方向）に段
階的（本実施の形態では４段階）に長い幅（または短い
幅）になるよう所定屈折率のガラス材で形成されてい
る。従って、空間的に広げられ平面波となる読み出し光
パルス２Ａは、階段状になっているステップ状光遅延素
子７Ａを透過することによって、第１読み出し光パルス
２Ａｐ、第２読み出し光パルス２Ａｑ、第３読み出し光
パルス２Ａｒ、第４読み出し光パルス２Ａｓに分離され
る。これらの読み出し光パルス２Ａｐ〜２Ａｓは、それ
ぞれの波面の間にステップ状光遅延素子７Ａの光路長差
すなわち階段状ガラスの厚さに対応した、一定間隔の時
間遅延が生じている。

【０１５０】ここで、ステップ状光遅延素子７Ａ，７Ｂ
の段差数と厚さは、信号光１を空間的に分離する際のｘ
方向、及びｙ方向のチャンネル数によって決定される。
本実施の形態では、８多重度の信号光１をｘ方向に関し
ては４チャンネルに、ｙ方向に関しては２チャンネルに
分離するため、ステップ状光遅延素子７Ａの段差数を４
段、それぞれの段差の光路差を３００μｍ（屈折率１．
５のガラスを用いたとき、実際の段差は２００μｍ）に
した。さらに、ステップ状光遅延素子７Ｂの段差数は２
とし、第１信号光１ｍと第２信号光１ｎの遅延時間が４
ｐｓとなるように、それらの光路長差を１．２ｍｍ（屈
折率１．５のガラスの場合、実際の段差は０．８ｍｍ）
にした。

【０１５１】これらの信号光１と読み出し光２は、ビー
ムスプリッタ８によって、空間的に重ね合わせられ、非
線形光学媒質４に対して垂直に入射させる。

【０１５２】なお、信号光１の信号光パルス１Ａのうち
部分信号光パルス１Ａｍと読み出し光パルス２Ａｐが、
非線形光学媒質４に同時に入射するように、信号光１と
読み出し光パルス２Ａを同期させている。

【０１５３】このとき、図１０に示すように、信号光１
の部分信号光パルス１Ａｍ〜１Ｄｍと読み出し光パルス
２Ａｐ〜２Ａｓの相関を示す変換光３Ａ〜３Ｄは、非線
形光学媒質４中のそれぞれ異なる領域 Ｗｐｍ〜Ｗｓｍ
のみから発生され、同様に、信号光１の部分信号光パル
ス１Ｅｎ〜１Ｈｎと読み出し光パルス２Ａｐ〜２Ａｓの
相関を示す変換光３Ｅ〜３Ｈは、非線形光学媒質４中の
それぞれ異なる領域Ｗｐｎ〜Ｗｓｎのみから発生され
る。すなわち、変換光３の空間的な強度分布は、信号光
パルス列からなる信号光１の２次元時間−空間変換像と
なる。

【０１５４】すなわち、第１信号光１ｍの部分信号光パ
ルス１Ａｍと第１読み出し光パルス２Ａｐは、非線形光
学媒質４中の領域Ｗｐｍのみで重なる。同様に、第１信
号光１ｍの部分信号光パルス１Ｂｍは、第２読み出し光
パルス２Ａｑと非線形光学媒質４中の領域Ｗｑｍでのみ
重なり、第１信号光１ｍの部分信号光パルス１Ｃｍは、
第２読み出し光パルス２Ａｒと非線形光学媒質４中の領
域Ｗｒｍでのみ重なり、第１信号光１ｍの部分信号光パ
ルス１Ｄｍは、第２読み出し光パルス２Ａｓと非線形光
学媒質４中の領域Ｗｓｍでのみ重なる。

【０１５５】また、第２信号光１ｎの部分信号光パルス
１Ａｎと第１読み出し光パルス２Ａｐは、非線形光学媒
質４中の領域Ｗｐｎのみで重なる。同様に、第２信号光
１ｎの部分信号光パルス１Ｂｎは、第２読み出し光パル
ス２Ａｑと非線形光学媒質４中の領域Ｗｑｎでのみ重な
り、第２信号光１ｎの部分信号光パルス１Ｃｎは、第２
読み出し光パルス２Ａｒと非線形光学媒質４中の領域Ｗ
ｒｎでのみ重なり、第２信号光１ｎの部分信号光パルス
１Ｄｎは、第２読み出し光パルス２Ａｓと非線形光学媒
質４中の領域Ｗｓｎでのみ重なる。

【０１５６】従って、信号光パルス1Ａ〜１Ｈと読み出
し光パルス２Ａｐ〜２Ａｓの相関を示す変換光３Ａ〜３
Ｈは、非線形光学媒質４中のそれぞれ異なる領域Ｗｐｍ
〜Ｗｓｎのみから発生される。すなわち、変換光３の空
間的な強度分布は、信号光１の２次元時間−空間変換像
となる。

【０１５７】本実施の形態のように、信号光の時間幅
が、パルス時間間隔（１ｐｓ）の１／１０（１００ｆ
ｓ）であれば、読み出し光パルスの時間幅は、信号光パ
ルスの時間幅と同程度か、それより若干短くすれば良
い。

【０１５８】ここで、非線形光学媒質４の下流側、すな
わち光束の出射側には波長分離素子９が設置されてい
る。この波長分離素子９は、非線形光学媒質４で発生さ
れた波長変換光３のみを透過するためのものであり、非
線形光学媒質４で発生される光の波長に対応した透過波
長帯を有している。従って、波長分離素子９によって、
同一光路を伝搬している信号光１及び読み出し光２を分
離して非線形光学媒質４で発生された波長変換光３のみ
を光検出器６へ伝搬させることができる。このようにし
て、波長分離素子９により取り出された波長変換光３Ａ
〜３Ｄを光検出器６で検出する。すなわち、波長変換光
３Ａ〜３Ｈは、非線形光学媒質４の後方に配置した波長
分離素子９で、波長変換光だけが取り出され、波長変換
光３Ａ〜３Ｈの進行方向に配置されたＣＣＤアレイやフ
ォトディテクタアレイなどの光検出素子からなる、２次
元アレイ状の光検出器６で検出される。

【０１５９】なお、本実施例において、信号光パルスと
読み出し光パルスの偏光方向を互いに直交させた場合、
ビームスプリッタ８を偏光ビームスプリッタに変えるこ
とによって、ビームを重ね合わせるときの損失がなくな
り、波長変換効率が良くなる。

【０１６０】さらに、この場合、非線形光学媒質として
偏光方向が互いに直交した光に対して波長変換効率が最
大となるようにカットされたものを用いれば、信号光パ
ルス、及び読み出し光パルス自身の波長変換光の発生を
少なくなり、ＳＮ比を向上させる事ができる。

【０１６１】以上説明したように本実施の形態によれ
ば、１Ｔｂｉｔ／ｓ以上のシリアル信号光を、直接かつ
容易に、空間的に多次元の多チャンネル信号光に変換で
きる。そのため、電気的検出が困難な高ビットレートの
光パルス列による信号光でも、電気的な処理が可能とな
る。この場合、本実施の形態によれば、時間−空間変換
の手段として波長変換を用いているので、多次元の多チ
ャンネル信号光を高ＳＮ比で検出することができる。ま
た、時分割多重された信号光パルス列を多チャンネルに
分配する際にも、スイッチングクロストークのないエラ
ーフリー動作が可能となる。

【０１６２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、空
間的に広げたパルス列からなる信号光と、同じく空間的
に広げた光パルスの読み出し光を、非線形光学媒質に入
射させて異なる領域で重ね合わせて波長変換させること
で、時間−空間変換しているので、信号光に含まれてい
る光パルスを高ＳＮ比で検出することができ、という効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の原理説明図である。

【図２】 本発明の第１実施の形態にかかる波長変換に
ついての概念説明図である。

【図３】 第１実施の形態の非線形光学媒質の内部挙動
の概念図である。

【図４】 本発明の第２実施の形態にかかる波長変換に
ついての概念説明図である。

【図５】 信号光の光パルス列に関する時間−空間変換
像の説明図であり、（Ａ）はイメージ図、（Ｂ）は特性
図を示す。

【図６】 本発明の第３実施の形態にかかる波長変換に
ついての概念説明図である。

【図７】 第３実施の形態の非線形光学媒質の内部挙動
の概念図である。

【図８】 本発明の第４実施の形態にかかる波長変換に
ついての概念説明図である。

【図９】 本発明の第５実施の形態にかかる波長変換に
ついての概念説明図である。

【図１０】 非線形光学媒質上での信号光と読み出し光
の入射方向から見た重なり領域の説明図である。

【符号の説明】

１０ フェムト秒光パルス １１ 自己相関光 １２ 非線形光学結晶 １ 信号光パルス列 １ｍ 第１信号光 １ｎ 第２信号光 １Ａ〜１Ｈ 信号光パルス １Ａｍ〜１Ｈｍ 信号光パルス １Ａｎ〜１Ｈｎ 信号光パルス ２ 読み出し光 ２Ａ 読み出し光パルス ２Ａｐ〜２Ａｓ 読み出し光パルス ３ 波長変換光 ３Ａ〜３Ｈ 波長変換光 ４ 非線形光学媒質 ５ 拡大光学系 ６ 光検出器 ７ ステップ状光遅延素子 ７Ａ，７Ｂ ステップ状光遅延素子 ８ ビームスプリッタ ９ 波長分離素子 Ｗｐ〜Ｗｓ 非線形光学媒質４の空間的な領域 Ｗｐｍ〜Ｗｓｍ 非線形光学媒質４の空間的な領域 Ｗｐｎ〜Ｗｓｎ 非線形光学媒質４の空間的な領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 辰浦 智 神奈川県足柄上郡中井町境430 グリーン テクなかい 富士ゼロックス株式会社内 (72)発明者 夫 龍淳 神奈川県足柄上郡中井町境430 グリーン テクなかい 富士ゼロックス株式会社内 Ｆターム(参考） 2K002 AA02 AB12 AB16 AB22 BA02 CA02 HA18

Claims (28)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 時間多重された信号光に含まれる光パル
   スを読み出すために前記信号光を変換する光信号変換方
   法であって、 一方向に所定幅の広がりを有する光束でかつ複数光パル
   スからなる光パルス列の信号光と、前記所定幅に対応す
   る幅の広がりを有する光束でかつ光パルスからなる読み
   出し光とを、前記信号光の各光パルスと読み出し光の光
   パルスとが非線形光学媒質内の異なる領域で重複するよ
   うに前記信号光と読み出し光とを異なる方向から前記非
   線形光学媒質に入射させて、前記非線形光学媒質内の重
   複領域に含まれかつ前記信号光の各光パルスに対応した
   異なる領域の各々で前記信号光の各光パルスを波長変換
   し、該波長変換光を出力光として発生させることを特徴
   とする光信号変換方法。
2. 【請求項２】 時間多重された信号光に含まれる光パル
   スを読み出すために前記信号光を変換する光信号変換方
   法であって、 一方向に所定幅の広がりを有する光束でかつ複数光パル
   スからなる光パルス列の信号光と、前記所定幅に対応す
   る幅の広がりを有する光束でかつ光パルスからなる読み
   出し光とを、前記信号光の各光パルスと読み出し光の光
   パルスとが非線形光学媒質内の異なる領域で重複するよ
   うに前記信号光と読み出し光とを異なる方向から前記非
   線形光学媒質に入射させると共に、前記信号光及び前記
   読み出し光の伝搬方向を含む伝搬面に沿う方向の光につ
   いて前記伝搬面と交差する方向の異なる部位を伝搬する
   光に対して異なる遅延時間を与えて、前記非線形光学媒
   質内の重複領域に含まれかつ前記信号光の各光パルスに
   対応した異なる領域の各々で前記信号光の各光パルスを
   波長変換し、該波長変換光を出力光として発生させるこ
   とを特徴とする光信号変換方法。
3. 【請求項３】 前記伝搬面と交差する方向の異なる部位
   を伝搬する信号光及び読み出し光の少なくとも一方の光
   について異なる遅延時間を与えることを特徴とする請求
   項２記載の光信号変換方法。
4. 【請求項４】 時間多重された信号光に含まれる光パル
   スを読み出すために前記信号光を変換する光信号変換方
   法であって、 一方向に所定幅の広がりを有する光束でかつ複数光パル
   スからなる光パルス列の信号光と、前記所定幅に対応す
   る幅の広がりを有する光束でかつ光パルスからなる読み
   出し光とを同一方向から非線形光学媒質に入射させると
   共に、前記信号光の各光パルスと読み出し光の光パルス
   とが前記非線形光学媒質内の異なる領域で重複するよう
   に、前記信号光と読み出し光との伝搬方向に沿う方向と
   交差する方向の異なる部位を伝搬する光に対して異なる
   遅延時間を与えて前記非線形光学媒質に入射させて、前
   記非線形光学媒質内の重複領域に含まれかつ前記信号光
   の各光パルスに対応した異なる領域の各々で前記信号光
   の各光パルスを波長変換し、該波長変換光を出力光とし
   て発生させることを特徴とする光信号変換方法。
5. 【請求項５】 前記信号光及び読み出し光の伝搬方向に
   沿う方向と交差する方向の異なる部位を伝搬する前記信
   号光及び読み出し光の少なくとも一方に対して異なる遅
   延時間を与えることを特徴とする請求項４記載の光信号
   変換方法。
6. 【請求項６】 時間多重された信号光に含まれる光パル
   スを読み出すために前記信号光を変換する光信号変換方
   法であって、 一方向に所定幅の広がりを有する光束でかつ複数光パル
   スからなる光パルス列の信号光と、前記所定幅に対応す
   る幅の広がりを有する光束でかつ光パルスからなる読み
   出し光とを同一方向から非線形光学媒質に入射させると
   共に、前記信号光の各光パルスと読み出し光の光パルス
   とが前記非線形光学媒質内の異なる領域で重複するよう
   に、前記信号光と読み出し光との伝搬方向に沿う方向と
   交差する方向の異なる部位を伝搬する光に対して異なる
   第１の遅延時間を与えると共に、前記信号光と読み出し
   光との伝搬方向に沿う方向の異なる部位を伝搬する光に
   対して異なる第２の遅延時間を与えて前記非線形光学媒
   質に入射させて、前記非線形光学媒質内の重複領域に含
   まれかつ前記信号光の各光パルスに対応した異なる領域
   の各々で前記信号光の各光パルスを波長変換し、該波長
   変換光を出力光として発生させることを特徴とする光信
   号変換方法。
7. 【請求項７】 前記第１の遅延時間を与える光は、前記
   信号光及び読み出し光の少なくとも一方の光であると共
   に、前記第２の遅延時間を与える光は、前記信号光及び
   読み出し光の少なくとも一方の光であることを特徴とす
   る請求項６記載の光信号変換方法。
8. 【請求項８】 前記波長変換による波長変換光の波長
   は、第２高調波であることを特徴とする請求項１乃至請
   求項７の何れか１項に記載の光信号変換方法。
9. 【請求項９】 前記波長変換による波長変換光の波長
   は、和周波または差周波であることを特徴とする請求項
   １乃至請求項７の何れか１項に記載の光信号変換方法。
10. 【請求項１０】 前記波長変換による波長変換光の波長
    で和周波を発生させた場合、前記波長変換された信号光
    の波長をさらに差周波発生させて変換前の波長に再変換
    させ、前記波長変換による波長変換光の波長で差周波を
    発生させた場合、前記波長変換された信号光の波長をさ
    らに和周波発生させて変換前の波長に再変換させること
    を特徴とする請求項９に記載の光信号変換方法。
11. 【請求項１１】 前記信号光及び前記読み出し光は、略
    平行の偏光方向または交差する偏光方向で伝搬されるこ
    とを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか１項に
    記載の光信号変換方法。
12. 【請求項１２】 前記非線形光学媒質は、無機非線形光
    学材料または有機非線形光学材料を用いたことを特徴と
    する請求項１乃至請求項１１の何れか１項に記載の光信
    号変換方法。
13. 【請求項１３】 前記波長変換された波長変換光は、波
    長変換光のみの光をさらに分離して伝搬されることを特
    徴とする請求項１乃至請求項１２の何れか１項に記載の
    光信号変換方法。
14. 【請求項１４】 前記波長変換された波長変換光を、さ
    らに検出することを特徴とする請求項１乃至請求項１３
    の何れか１項に記載の光信号変換方法。
15. 【請求項１５】 時間多重された複数光パルスからなる
    光パルス列の信号光の波面を一方向へ所定幅に広げる信
    号光学系と、 前記信号光に同期しかつ前記所定幅に対応しかつ光パル
    スからなる読み出し光の波面を一方向へ広げる読み出し
    光学系と、 前記信号光及び前記読み出し光を、前記信号光の各光パ
    ルスと読み出し光の光パルスとが内部の異なる領域で重
    複するように前記信号光と読み出し光とを異なる方向か
    ら入射されて、前記重複領域に含まれかつ前記信号光の
    各光パルスに対応した異なる領域の各々で前記信号光の
    各光パルスを波長変換し、該波長変換光を出力光として
    発生する非線形光学媒質手段と、 ことを特徴とする光信号変換装置。
16. 【請求項１６】 時間多重された複数光パルスからなる
    光パルス列の信号光の波面を一方向へ所定幅に広げる信
    号光学系と、 前記信号光に同期しかつ前記所定幅に対応しかつ光パル
    スからなる読み出し光の波面を一方向へ広げる読み出し
    光学系と、 前記信号光及び前記読み出し光の伝搬方向を含む伝搬面
    に沿う方向の光について前記伝搬面と交差する方向の異
    なる部位を伝搬する光に対して異なる遅延時間を与える
    遅延手段と、 前記信号光及び前記読み出し光を、前記信号光の各光パ
    ルスと読み出し光の光パルスとが内部の異なる領域で重
    複するように前記信号光と読み出し光とを異なる方向か
    ら入射されて、前記重複領域に含まれかつ前記信号光の
    各光パルスに対応した異なる領域の各々で前記信号光の
    各光パルスを波長変換し、該波長変換光を出力光として
    発生する非線形光学媒質手段と、 ことを特徴とする光信号変換装置。
17. 【請求項１７】 前記遅延手段は、前記信号光学系及び
    読み出し光学系の少なくとも一方に設けたことを特徴と
    する請求項１６記載の光信号変換装置。
18. 【請求項１８】 時間多重された複数光パルスからなる
    光パルス列の信号光の波面を一方向へ所定幅に広げる信
    号光学系と、 前記信号光に同期しかつ前記所定幅に対応しかつ光パル
    スからなる読み出し光の波面を一方向へ広げる読み出し
    光学系と、 前記信号光と、前記読み出し光とを同一方向へ案内する
    案内手段と、 前記前記信号光及び前記読み出し光について、前記信号
    光の各光パルスと読み出し光の光パルスとが異なる領域
    で重複するように、前記信号光及び読み出し光の伝搬方
    向を含む伝搬面の異なる部位を伝搬する光に対して異な
    る遅延時間を与える付与手段と、 同一方向の前記信号光及び前記読み出し光の入射により
    前記信号光の各光パルスと読み出し光とが内部の異なる
    領域で重複されて、該内部の異なる領域で重複された前
    記信号光の各光パルスに対応した異なる領域の各々で前
    記信号光の各光パルスを波長変換し、該波長変換光を出
    力光として発生する非線形光学媒質手段と、 ことを特徴とする光信号変換装置。
19. 【請求項１９】 前記付与手段は、前記信号光学系及び
    読み出し光学系の少なくとも一方に設けたことを特徴と
    する請求項１８記載の光信号変換装置。
20. 【請求項２０】 時間多重された複数光パルスからなる
    光パルス列の信号光の波面を一方向へ所定幅に広げる信
    号光学系と、 前記信号光に同期しかつ前記所定幅に対応しかつ光パル
    スからなる読み出し光の波面を一方向へ広げる読み出し
    光学系と、 前記信号光と、前記読み出し光とを同一方向へ案内する
    案内手段と、 前記信号光及び前記読み出し光の伝搬方向を含む伝搬面
    に沿う方向の光について前記伝搬面と交差する方向の異
    なる部位を伝搬する光に対して異なる遅延時間を与える
    遅延手段と、 前記前記信号光及び前記読み出し光について、前記信号
    光の各光パルスと読み出し光の光パルスとが異なる領域
    で重複するように、前記信号光及び読み出し光の伝搬方
    向を含む伝搬面の異なる部位を伝搬する光に対して異な
    る遅延時間を与える付与手段と、 同一方向の前記信号光及び前記読み出し光の入射により
    前記信号光の各光パルスと読み出し光の光パルスとが内
    部の異なる領域で重複されて、該内部の異なる領域で重
    複された前記信号光の各光パルスに対応した異なる領域
    の各々で前記信号光の各光パルスを波長変換し、該波長
    変換光を出力光として発生する非線形光学媒質手段と、 ことを特徴とする光信号変換装置。
21. 【請求項２１】 前記遅延手段は、前記信号光学系及び
    読み出し光学系の少なくとも一方に設けると共に、前記
    付与手段は、前記信号光学系及び読み出し光学系の少な
    くとも一方に設けたことを特徴とする請求項２０記載の
    光信号変換装置。
22. 【請求項２２】 前記非線形光学媒質手段は、前記波長
    変換光の波長として第２高調波を発生する高調波発生手
    段を含むことを特徴とする請求項１５乃至請求項２１の
    何れか１項に記載の光信号変換装置。
23. 【請求項２３】 前記非線形光学媒質手段は、前記波長
    変換光の波長として和周波を発生するまたは前記波長変
    換光の波長として差周波を発生する発生手段を含むこと
    を特徴とする請求項１５乃至請求項２２の何れか１項に
    記載の光信号変換方法。
24. 【請求項２４】 前記非線形光学媒質手段は、前記発生
    手段により和周波を発生させた場合に前記波長変換され
    た波長変換光の波長をさらに差周波発生させて変換前の
    波長に再変換させる、または前記発生手段により差周波
    を発生させた場合に前記波長変換された波長変換光の波
    長をさらに和周波発生させて変換前の波長に再変換させ
    る変換手段をさらに備えたことを特徴とする請求項２３
    に記載の光信号変換装置。
25. 【請求項２５】 前記信号光及び前記読み出し光の偏光
    方向を略平行にするまたは直交にする偏光手段をさらに
    備えたことを特徴とする請求項１５乃至請求項２４の何
    れか１項に記載の光信号変換装置。
26. 【請求項２６】 前記非線形光学媒質手段は、無機非線
    形光学材料または有機非線形光学材料で構成されたこと
    を特徴とする請求項１５乃至請求項２５の何れか１項に
    記載の光信号変換装置。
27. 【請求項２７】 前記非線形光学媒質手段で波長変換さ
    れた波長変換光のみの光を分離する分離手段をさらに備
    えたことを特徴とする請求項１５乃至請求項２６の何れ
    か１項に記載の光信号変換装置。
28. 【請求項２８】 前記非線形光学媒質手段で波長変換さ
    れた波長変換光を、さらに検出する検出手段を更に備え
    たことを特徴とする請求項１５乃至請求項２７の何れか
    １項に記載の光信号変換装置。