JP3914222B2 - 波長分散を補償した光通信システム及び該システムに適用可能な位相共役光発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、位相共役光学の光通信システムへの適用に関し、さらに詳しくは、波長分散を補償した光通信システム及び該システムに適用可能な位相共役光発生装置に関する。

従来の光通信システムは、線形の光学特性を有する光コンポーネントを用いて構築されており、シンプルではあるが、特性や機能に制限がある。特に最近においては、数百ｋｍ〜数千ｋｍにも及ぶ無中継システム或いは光増幅中継システムが実現されつつあり、しかもその伝送速度は数Ｇｂ／ｓ〜数十Ｇｂ／ｓにも及ぶ高速なものである。また、極めて線形性の良好な光変調器を備えたアナログ光通信システムも実用化されつつある。

これらのシステムにおいては、光伝送路の波長分散の影響は、最も重大で且つ深刻な問題の一つである。光伝送路において生じる波長分散は、伝送特性を劣化させ、延いては伝送距離に制限が生じる。このため、波長分散を補償した光通信システムが要望されている。

波長分散に対する従来の対策の一つは、光伝送路として使用される光ファイバの分散をできるだけ小さく抑えることである。例えば、波長１．３μｍ帯及び／又は波長１．５５μｍ帯でほぼ零分散になる光ファイバが実現されている。

また、伝送すべき信号光のチャーピング（動的波長変動）をできるだけ小さく抑えるために、送信用光源を直接変調せずに、光源からの定常光を光変調器により外部変調するシステムの検討も進められている。優れた変調特性を有する光変調器として、ＬｉＮｂＯ_３マッハツェンダ型光変調器が開発されている。

さらに、送信信号光を予め逆のチャーピングを与えておき、伝送路の波長分散により補償する方法や、受信機において非線形光フィルタを用いることや光信号を電気信号に変換した後に分散補償を行うことが原理的に可能であり、精力的に研究が進められている。

一方、位相共役光学の光通信への適用の可能性については、文献(A. Yariv, D. Fekete, and D. M. Pepper, “Compensation for channel dispersion by non-linear optical phase conjugation," Opt. Lett., vol. 4, pp.52-54, 1979.)に示されている。

本発明の目的は、波長分散を補償した新規な光通信システムを提供することである。

本発明の他の目的は、該システムに適用可能な新規な位相共役光発生装置を提供することである。

本発明のある側面によると、信号光を伝送する第１の光伝送路と、該第１の光伝送路から供給された該信号光を受け、該信号光に対する位相共役光を発生する位相共役光発生手段と、該位相共役光発生手段から供給された該位相共役光を受け、該位相共役光を伝送する第２の光伝送路とを備え、該位相共役光発生手段は、非線形光学媒質と、励起光を出力する励起光源と、該励起光源を駆動する駆動手段と、該励起光源から供給された該励起光を該信号光とともに該非線形光学媒質に供給する信号光／励起光供給手段とを含み、前記第１及び第２の光伝送路は複数の光増幅器をそれぞれ備え、該信号光は第１の光パルスであり、該励起光は第２の光パルスであり、該駆動手段は、該第１の光パルスよりクロック成分を抽出し、該抽出されたクロック成分に基づき該励起光源を駆動し、第２の光パルスを出力することを特徴とする光通信システムが提供される。

本発明の他の側面によると、信号光を伝送する第１の光伝送路と、該第１の光伝送路から供給された該信号光を受け、該信号光に対する位相共役光を発生する位相共役光発生手段と、該位相共役光発生手段から供給された該位相共役光を受け、該位相共役光を伝送する第２の光伝送路とを備え、該位相共役光発生手段は、非線形光学媒質と、励起光を出力する励起光源と、該励起光源を駆動する駆動手段と、該励起光源から供給された該励起光を該信号光とともに該非線形光学媒質に供給する信号光／励起光供給手段とを含み、前記第１及び第２の光伝送路は複数の光増幅器をそれぞれ備え、該信号光は第１の光パルスであり、該励起光は第２の光パルスであり、該駆動手段は、基準パルスを発生する手段と、該位相共役光を第１及び第２の分岐光に分岐する手段と、該第１の分岐光を受けその平均パワーを検出する手段と、該平均パワーが最大になるように該基準パルスのタイミングを調整し該励起光源に供給する遅延回路とを含み、該遅延回路で調整された該基準パルスに基づき該励起光源を駆動し、該第２の光パルスを出力するとともに、該第２の分岐光を該第２の光伝送路に供給することを特徴とする光通信システムが提供される。

本発明によると、波長分散を補償した新規な光通信システムの提供が可能になるという効果が生じる。また、本発明によると、このシステムに適用可能な新規な位相共役光発生装置の提供も可能になるという効果が生じる。

以下本発明の実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の光通信システムの基本構成を示すブロック図である。光送信機１は、入力信号に基づいて変調された信号光を光伝送路２に供給する。変調方式は、例えば、コヒーレントな光若しくはコヒーレントでない光に対する強度変調又はコヒーレントな光に対する振幅変調若しくは角度変調である。

光伝送路２により伝送された信号光は、位相共役光発生手段３に供給される。位相共役光発生手段３は、受けた信号光に対する位相共役光を発生する。

光伝送路４は、位相共役光発生手段３で発生した位相共役光を伝送して光受信機５に供給する。光受信機５は、供給された位相共役光に基づいて、光送信機１における入力信号に対応した復調信号を再生する。

光受信機５における検波方式としては、光送信機１における変調方式が強度変調である場合には、フォトダイオード等の受光器を用いた直接検波が適しており、光送信機１における変調方式がコヒーレント光に対する振幅変調又は角度変調である場合には、フォトダイオード等の受光器とローカル光とを用いたヘテロダイン検波又はホモダイン検波が適している。

位相共役光発生手段３は、非線形光学媒質６と、励起光を出力する励起光源７と、励起光源７から供給された励起光を光伝送路２から供給された信号光とともに非線形光学媒質６に供給する信号光／励起光供給手段８とを含む。

非線形光学媒質６は、２次又は３次の非線形光学効果を呈するもので、３次の非線形光学効果が生じている場合には、非線形光学媒質６においては、縮退型又は非縮退型の４光波混合等により位相共役光が発生する。

光伝送路２及び４は、波長分散が不可避的に生じる例えば石英系の光ファイバであり、この場合、本発明の実施により波長分散が補償される。光伝送路２で生じる波長分散が光ファイバ４で生じる波長分散にほぼ等しい場合、本発明の実施により効果的に波長分散を補償することができる。光伝送路２及び４が特にモード分散のないシングルモード光ファイバである場合、本発明による波長分散の補償は極めて効果的である。

次に、位相共役光について説明する。いま、＋ｚ方向に進行するプローブ光（変調されていない信号光に相当）が平面波として次の式で表されるものとする。

ここで、Ａ_Ｓ（ｒ）は電場の複素振幅、ｒは空間座標ベクトル、ω_Ｓはプローブ光の（角）周波数、ｔは時間、ｋ_Ｓは波数ベクトルの大きさを表し、ｃ．ｃ．はその直前の項の複素共役をとることを意味する。但し、波数ベクトルの大きさｋ_Ｓは、光路の屈折率をｎ、真空中の光速をｃとすると、ｋ_Ｓ＝ω_Ｓｎ／ｃで与えられる。このとき、（１）式で表される光の位相共役光は、次の（２Ａ）式及び（２Ｂ）式で表される。

ここで、（２Ａ）式は−ｚ方向の進行波である反射型位相共役光を表し、（２Ｂ）式は＋ｚ方向の進行波である透過型位相共役光を表す。（１）式及び（２Ａ）式より明らかなように、反射型位相共役光については、

が成り立ち、位相共役光が時間反転の性質をもつことがわかる。また、透過型位相共役光については、横方向の空間座標成分について時間反転の性質を持つ。

この時間反転の性質を用いると、光伝送路で受ける線形の位相歪み（例えば波長分散の影響）や偏波変動等の位相揺らぎを補償可能である。

次いで、波長分散の補償についてその原理を説明する。

図１のシステムにおいて、光送信機１から光伝送路２に供給される信号光をＥ_Ｓ１、光伝送路２から位相共役光発生手段３に供給される信号光をＥ_Ｓ２、位相共役光発生手段３から光伝送路４に供給される位相共役光をＥ_Ｃ１、光伝送路４から光受信機５に供給される位相共役光をＥ_Ｃ２とする。また、光伝送路２及び４の長さをそれぞれＬ_１及びＬ_２とする。このとき、送信信号をＳ（ｔ）とし、そのフーリエ変換をＦ（Ω）とすると、

であるから、Ｅ_Ｓ１は次の式で与えられる。

ここで、Ωは変調周波数を表し、ω_Ｓに比べて十分に小さい値を持つものとする（Ω≪ω_Ｓ）。光伝送路２の伝搬定数をβ（ω）として、次のようにω_Ｓに関してテーラー展開する。

（５），（６）式より、位相共役光発生手段３に供給される信号光Ｅ_Ｓ２は、Ωに関する２次までの近似において次式で与えられる。

ここで、β_０＝β（ω_Ｓ）であり、信号光の群速度ｖ_ｇ及び群速度分散（ＧＶＤ）はそれぞれ次の（８），（９）式により与えられる。

さて、位相共役光発生手段３における信号光の位相共役光への変換効率をＴ（Ω）、位相変位をφ（Ω）とすると、位相共役光発生手段３から光伝送路４に供給される信号光Ｅ_Ｃ１は次のように表される。

光伝送路４における伝搬定数をβ′（ω）としてω_Ｓに関してテーラー展開すると次の式が得られる。

（７）式を求めたのと同じようにして、光伝送路４から光受信機５に供給される位相共役光Ｅ_Ｃ２を求めると次の式が得られる。

従って、群遅延の総量は、光伝送路２及び４における遅延の和（∂β（ω_Ｓ）／∂ω）Ｌ_１＋（∂β′（ω_Ｃ）／∂ω）Ｌ_２で与えられ、信号光が光伝送路２を伝搬するときの分散と位相共役光が光伝送路４を伝搬するときの分散とが、次の式の条件が満足されるときに相殺されることがわかる。

以上の結果から、光伝送路２及び４の分散特性が同じである場合には、光伝送路２の長さを光伝送路４の長さと等しくすることによって、分散の効果的な補償が可能である。また、光伝送路２及び４の分散特性が異なる場合には、（１３）式を満足するように各光伝送路２及び４の長さを設定することによって、分散の効果的な補償が可能である。

（１）〜（１３）式による説明は、信号光、励起光及び位相共役光の周波数が異なる非縮退型４光波混合により位相共役光を得る場合についてのものであるが、信号光の周波数と励起光の周波数が一致する縮退型４光波混合プロセスにより位相共役光が発生する場合においても、同じように分散の補償が可能である。この場合ω_Ｓ＝ω_Ｃとすればよい。

図２は４光波混合による位相共役光の発生原理の説明図である。位相共役光の発生には、４光波混合、特に前方４光波混合を用いるのが望ましい。

前方４光波混合においては、図２に示されるように、高い強度の励起光Ｅ_Ｐ（周波数ω_Ｐ）によりもたらされる３次の非線形光学プロセス、具体的には、励起光の一部と信号光の相互作用により形成される物質励起波による残りの励起光の自己回折効果により、周波数ω_Ｓ、波数ｋ_Ｓの信号光Ｅ_Ｓから、周波数ω_Ｓ、波数ｋ_Ｓの信号光Ｅ_Ｓ´と、周波数ω_Ｉ、波数ｋ_Ｉのアイドラ光Ｅ_Ｉ´が発生する。

特に、図２に示されるように、周波数ω_Ｐ、波数ｋ_Ｐの励起光Ｅ_Ｐを信号光と同じ方向から非線形光学媒質１１に供給する場合には、ｋ_Ｉ＝２ｋ_Ｐ−ｋ_Ｓとなるから、アイドラ光は入射方向と同じ方向に出力される。

このとき、エネルギー保存則により次の関係が成り立つ。

このときの信号光、励起光及びアイドラ光の周波数配置を図３に示す。周波数軸上において、信号光及びアイドラ光は励起光を中心として対称の位置にあることがわかる。図中Δω＝｜ω_Ｐ−ω_Ｓ｜＝｜ω_Ｐ−ω_Ｉ｜は、信号光及びアイドラ光と励起光との周波数差を表す。

図３の原理における非線形光学効果の相互作用長をＬとすれば、生成方程式は次のように与えられる。

であり、ｎ及びχ^（３）はそれぞれ非線形媒質１１の屈折率及び３次の非線形定数を表す。また、＜χ^（３）＞は非線形定数χ^（３）の全ての偏波状態についての平均を表す。ここでは、位相整合が成り立っている（｜δｋ｜＝｜２ｋ_Ｐ−ｋ_Ｓ−ｋ_Ｉ｜＝０）とした。

（１５）式において、入力アイドラ光がない場合（Ｅ_Ｉ＝０）を考えると、出力アイドラ光Ｅ_Ｉ´が入力信号光Ｅ_Ｓの位相共役光になっていることが明らかである。また、信号光及びアイドラ光に対する利得Ｇ_Ｓ及びＧ_Ｉは、

で与えられることがわかり、４光波混合を用いた位相共役光の発生においては、信号の増幅も同時に実現されることがわかる。従って、波長分散の補償のみならず信号の減衰に対する補償も可能になり、高性能な光中継器の実現が可能になる。

図４は図１の位相共役光発生手段３の第１実施例を示すブロック図である。図１の非線形光学媒質６、励起光源７及び信号光／励起光供給手段８にそれぞれ対応する光ファイバ２１、レーザダイオード２２及び光カプラ２３が用いられる。

非線形光学媒質としての光ファイバ２１は望ましくはシングルモード光ファイバである。この場合において、信号光の波長と励起光の波長をわずかに異ならせて非縮退型の４光波混合を生じさせるときには、光ファイバ２１の零分散を与える波長が励起光の波長（レーザダイオード２２の発振波長）に一致するようにしておく。

光カプラ２３は４つのポート２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ及び２３Ｄを有している。ポート２３Ａには図１の光伝送路２が接続され、ポート２３Ｂにはレーザダイオード２２が接続され、ポート２３Ｃには光ファイバ２１の第１端が接続され、ポート２３Ｄはデッドエンドにされる。光ファイバ２１の第２端は図１の光伝送路４に接続される。

尚、本願明細書において「接続」という語は、動作的な接続を意味し、光学的に直接接続される場合を含み、さらに、光フィルタや光アイソレータ等の光デバイスを介して接続される場合や偏光状態を適当に調整した上で接続される場合を含む。

光カプラ２３は、少なくとも、ポート２３Ａ及び２３Ｂに供給された光をポート２３Ｃから出力するように機能し、この光カプラ２３としては、例えば、ファイバ融着型のもの、ハーフミラー、光合波器、偏光ビームスプリッタ等が使用される。

この実施例の構成によると、光カプラ２３のポート２３Ａに供給された信号光とポート２３Ｂに供給されたレーザダイオード２２からの励起光とをともに非線形光学媒質である光ファイバ２１に導波させることができるので、４光波混合により透過型の位相共役光を発生することができ、この位相共役光を図１の光伝送路４に供給することができる。

図５は図１の位相共役光発生手段３の第２実施例を示すブロック図である。
この実施例は、図４の位相共役光発生手段の第１実施例と対比して、光ファイバ２１内で発生した位相共役光を、光バンドパスフィルタ３１及び光増幅器３２をこの順に介して図１の光伝送路４に供給している点で特徴付けられる。

光増幅器３２は、例えば線形光増幅器である。光増幅器３２の一つの構成例は、Ｅｒ等の希土類元素がドープされたドープファイバと、励起光を出力する励起光源と、この励起光を増幅すべき光とともにドープファイバに供給する手段とを含む。

光バンドパスフィルタ３１は、信号光、励起光、雑音光等の不所望な光を除去するためのものである。このような不要な光を除去することによって、例えば、レーザダイオード２２からの励起光によって光増幅器３２の動作が飽和されるのを回避することができ、光ファイバ２１内で生じた位相共役光を十分に増幅することができる。

また、一般に位相共役光を発生させるための励起光の強度は信号光及び位相共役光の強度に比べて極めて高いので、光バンドパスフィルタ３１を用いて励起光等の不要な光を除去することによって、高強度な励起光が後段の光伝送路内でさらに非線形光学効果を生じさせる恐れがない。

さらに、光バンドパスフィルタ３１により不要な光を除去することによって、図１の光受信機５で受けた位相共役光に基づき復調信号を再生するに際して、励起光の存在による復調の困難を排除することができる。

後述の実験システムのように、非線形光学媒質内で効率よく位相共役光を発生させるために、図１の光伝送路２と光カプラ２３のポート２３Ａの間に光増幅器及び光バンドパスフィルタをこの順に挿入してもよい。

尚、レーザダイオード２２から供給される励起光の強度が十分高い場合には、光ファイバ２１に供給された信号光の強度よりも光ファイバ２１内で発生する位相共役光の強度が高くなることがあるので、このような増幅作用が生じている場合には、光増幅器３２は用いなくてもよい。

図６は図１の位相共役光発生手段３の第３実施例を示すブロック図である。この実施例は、図４の位相共役光発生手段の第１実施例に対比して、励起光源としてのレーザダイオード２２と光カプラ２３のポート２３Ｂとの間に偏光スクランブラ４１を設けている点で特徴付けられる。

一般に、シングルモード光ファイバの伝搬モードには、偏光面が互いに直交する２つの偏光モードが存在し、各種の外乱の影響によりこれら２つの偏光モードが結合して、結果として、光ファイバの第１端に供給される光の偏光状態はこの光ファイバの第２端から出力される光の偏光状態に一致しない。従って、図１の光伝送路２としてシングルモード光ファイバが用いられている場合には、位相共役光発生手段３に供給される信号光の偏光状態は、環境変化等によって時間とともに変動する。

一方、前述した位相共役光の発生原理から明らかなように、図１の位相共役光発生手段３における信号光から位相共役光への変換効率は、位相共役光発生手段３に供給される信号光の偏光状態と励起光の偏光状態との関係に依存する。

図６の位相共役光発生手段の第３実施例によると、レーザダイオード２２からの励起光を偏光スクランブラ４１を介して信号光と合流させるようにしているので、供給される信号光の偏光状態が時間とともに変動する場合でも、信号光から位相共役光への変換効率を一定にして位相共役光発生手段の安定動作を実現することができる。

偏光スクランブラ４１は、１／２波長板及び１／４波長板等を用いて通常通り構成され、例えば、レーザダイオード２２から供給される励起光がほぼ直線偏光である場合には、その偏光面を回転するように機能する。供給される信号光の偏光状態の環境条件の変化等に起因する変動は比較的ゆっくりなので、偏光スクランブラ４１の動作周波数（例えば偏光面の回転周期の逆数）を１〜１００ＫＨｚ程度に設定しておくことによって、十分に偏光依存性を排除することができる。

この例では、レーザダイオード２２から供給される励起光に対して偏光スクランブラ４１を作用させているが、図１の光伝送路２から光カプラ２３のポート２３Ａに供給される信号光に対して偏光スクランブラを作用させるように構成してもよい。また、励起光及び信号光の双方に対して偏光スクランブラを作用させるように構成してもよい。

図７は図１の位相共役光発生手段３の第４実施例を示すブロック図である。この実施例では、図１の光伝送路２から供給された信号光を偏光面が互いに直交する第１及び第２偏光成分に分離する偏光ビームスプリッタ５１と、偏光ビームスプリッタ５１からの第１及び第２偏光成分に基づいてそれぞれ位相共役光を発生する位相共役光発生装置５２及び５３と、位相共役光発生装置５２及び５３からの各位相共役光を合流させる偏光合成器５４とを含む。

偏光合成器５４としては例えば偏光ビームスプリッタを用いることができ、この偏光合成器５４で合成された位相共役光は図１の光伝送路４に供給される。

位相共役光発生装置５２及び５３としては、例えば図４の構成が採用される。

この実施例によると、各位相共役光発生装置５２及び５３に供給される信号光の第１及び第２偏光成分は共に直線偏光であるから、位相共役光発生装置５２及び５３において、供給された信号光（第１又は第２偏光成分）の偏光状態を励起光の偏光状態に一致させるのが容易であり、偏光依存性のない位相共役光発生手段の実現が可能になる。つまり、図１の光伝送路２から供給される信号光の偏光状態の変動にかかわらず、一定強度の位相共役光を光伝送路４に供給することができる。

図８は図１の位相共役光発生手段３の第５実施例を示すブロック図である。励起光源としてレーザダイオード２２が用いられ、非線形光学媒質６として光ファイバ２１が用いられている点はこれまでの第１乃至第４実施例と同じである。

この実施例では、信号光及び励起光を非線形光学媒体である光ファイバ２１に双方向に導波させるために、信号光／励起光供給手段は、光カプラ６１と偏光ビームスプリッタ６２とを含む。

光カプラ６１はポート６１Ａ，６１Ｂ及び６１Ｃを有し、ポート６１Ａ及び６１Ｂに供給された光をポート６１Ｃから出力する。ポート６１Ａには図１の光伝送路２が接続され、ポート６１Ｂには励起光源としてのレーザダイオード２２が接続される。

偏光ビームスプリッタ６２はポート６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ及び６２Ｄを有し、ポート６２Ａ及び６２Ｂに供給された光を直交２偏光成分に偏光分離し、これらの２偏光成分をそれぞれポート６２Ｃ及び６２Ｄから出力する。また、偏光ビームスプリッタ６２は、ポート６２Ｃ及び６２Ｄに供給された光を直交２偏光成分に偏光分離し、これらの２偏光成分をそれぞれポート６２Ａ及び６２Ｂから出力する。

ポート６２Ａには光カプラ６１のポート６１Ｃが接続され、ポート６２Ｂには図１の光伝送路４が接続され、ポート６２Ｃ及び６２Ｄ間には光ファイバ２１が接続される。光ファイバ２１の途中には、１／４波長板及び１／２波長板等を用いて通常通り構成される偏光制御器６３が設けられており、この偏光制御器６３は、光ファイバ２１に供給された光の偏光状態と光ファイバ２１から出力する光の偏光状態とが一致するような制御を行う。

供給された信号光は、光カプラ６１で、レーザダイオード２２からの励起光と合流され、これら信号光及び励起光は、偏光ビームスプリッタ６２で第１偏光成分とこの第１偏光成分の偏光面に直交する偏光面を有する第２偏光成分とに分離される。第１及び第２偏光成分は、それぞれ光ファイバ２１を互いに逆方向に伝搬して、さらにもう一度偏光ビームスプリッタ６２を通過するときに偏光合成されてポート６２Ｂから出力される。

レーザダイオード２２から出力される励起光の偏光面は、偏光ビームスプリッタ６２で分離される第１及び第２偏光成分への、レーザダイオード２２からの励起光の分配比が１：１になるように、設定される。即ち、偏光ビームスプリッタ６２のポート６２Ａに供給される励起光の偏光面は、第１及び第２偏光成分の偏光面に対してそれぞれほぼ４５°傾斜するように、レーザダイオード２２が設定される。

こうしておくと、光ファイバ２１に互いに逆方向に導波される信号光の直交２偏光成分に対して、励起光の直交２偏光成分がそれぞれ一致した偏光面でもって作用するので、光ファイバ２１内で互いに逆方向に発生した位相共役光を偏光ビームスプリッタ６２で合成してポート６２Ｂから出力したときに、供給された信号光の偏光状態の変動にかかわらず一定強度の位相共役光を得ることができる。

図９は図１の位相共役光発生手段３の第６実施例を示すブロック図である。この実施例は、図８の位相共役光発生手段の第５実施例と対比して、光ファイバ２１として偏光面保存型の定偏波ファイバ２１′を用いている点で特徴付けられる。

定偏波ファイバ２１′は、定偏波ファイバ２１′に供給された光の偏光状態が定偏波ファイバ２１′から出力される光の偏光状態に一致するように、偏光ビームスプリッタ６２に接続される。この場合、定偏波ファイバ２１′の主軸は、偏光ビームスプリッタ６２で偏光分離される直線偏光の偏光面に平行である。この実施例によると、図８の偏波制御器６３が不要になるので、装置の構成を簡単にすることができる。

図１０は図１の位相共役光発生手段３の第７実施例を示すブロック図である。非線形光学媒質としての光ファイバ２１と、励起光源としてのレーザダイオード２２と、偏光ビームスプリッタ６２と、偏光制御器６３とが用いられている点は、図８の位相共役光発生手段の第５実施例と同じである。

この実施例では、位相共役光の発生に際して消費されずに残った励起光を発生した位相共役光と分離するために、図１の信号光／励起光供給手段８は、光カプラ７１と１／２波長板７３と偏光ビームスプリッタ６２とを含む。また、励起光を供給するポートと位相共役光を取り出すポートとを分離するために、信号光／励起光供給手段は、さらに光サーキュレータ７２を含む。

光サーキュレータ７２は３つのポート７２Ａ，７２Ｂ及び７２Ｃを有し、ポート７２Ａに供給された光をポート７２Ｂから出力し、ポート７２Ｂに供給された光をポート７２Ｃから出力し、ポート７２Ｃに供給された光をポート７２Ａから出力するように機能する。

ポート７２Ａには図１の光伝送路２が接続され、ポート７２Ｃは図１の光伝送路４に接続される。

光カプラ７１は４つのポート７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ及び７１Ｄを有し、ポート７１Ａ及び７１Ｂに供給された光を等分配してポート７１Ｃ及び７１Ｄから出力し、ポート７１Ｃ及び７１Ｄに供給された光を等分配してポート７１Ａ及び７１Ｂから出力する。光カプラ７１としては、例えばハーフミラーやファイバ融着型のものが用いられる。

光カプラ７１のポート７１Ａには励起光源としてのレーザダイオード２２が接続され、ポート７１Ｂには光サーキュレータ７２のポート７２Ｂが接続され、ポート７１Ｄは偏光ビームスプリッタ６２のポート６２Ｂに接続される。

１／２波長板７３は光カプラ７１のポート７１Ｃと偏光ビームスプリッタ６２のポート６２Ａの間の光路に挿入され、この１／２波長板７３は供給された光の偏光面を９０°回転させる。

この実施例では、レーザダイオード２２から光カプラ７１のポート７１Ａに供給される励起光の偏光状態と、レーザダイオード２２から光サーキュレータ７２を介して光カプラ７１のポート７１Ｂに供給される信号光の偏光状態とが一致するようにされている。いま、これらの励起光及び信号光がそれぞれ紙面に垂直な偏光面を有する直線偏光であるとしてこの実施例における動作を説明する。

光カプラ７１のポート７１Ａ及び７１Ｂにそれぞれ供給された励起光及び信号光は、等分配されてポート７１Ｃ及び７１Ｄから出力する。ポート７１Ｃから出力された信号光及び励起光は、１／２波長板７３で偏光面を９０°回転され、紙面に平行な偏光面を有する直線偏光として偏光ビームスプリッタ６２のポート６２Ａに供給される。

ポート６２Ａに供給された信号光及び励起光は、ポート６２Ｄから光ファイバ２１に供給され、光ファイバ２１内で図の反時計回りに伝搬するときに同方向に位相共役光が発生する。

この位相共役光と残留した励起光は、ポート６２Ｃから偏光ビームスプリッタ６２に供給されポート６２Ｂから出力する。

一方、光カプラ７１のポート７１Ｄから偏光ビームスプリッタ６２のポート６２Ｂに供給された信号光及び励起光は、紙面に垂直な偏光面を有しているので、これら信号光及び励起光は、ポート６２Ｄから光ファイバ２１に供給され、光ファイバ２１内で図中の反時計回りに伝搬するときに位相共役光が発生する。

この位相共役光と残留した励起光は、ポート６２Ｃから偏光ビームスプリッタ６２に供給され、ポート６２Ａから出力される。ポート６２Ａから１／２波長板７３に供給された位相共役光及び励起光は、偏光面を９０°回転されて紙面に平行な直線偏光として光カプラ７１のポート７１Ｃに供給される。

１／２波長板７３からポート７１Ｃに供給される励起光及び位相共役光と偏光ビームスプリッタ６２のポート６２Ｂから光カプラ７１のポート７１Ｄに供給される励起光及び位相共役光とは、共に紙面に平行な偏光面を有しており、且つ、これらが経てきた光路の長さは完全に一致する。

従って、光カプラ７１においてポート７１Ｃ及び７１Ｄに供給された励起光及び位相共役光のうち、励起光は主としてポート７１Ａから出力され、位相共役光は主として７１Ｂから出力される。

光カプラ７１のポート７１Ｂから出力された光は、光サーキュレータ７２を介して図１の光伝送路４に供給される。

本実施例によると、非線形光学媒質としての光ファイバ２１内での位相共役光の発生に際して残留した励起光と発生した位相共役光とを、光フィルタ（例えば図５の光バンドパスフィルタ３１）を用いることなしに分離することができる。位相共役光の発生に際して用いられる励起光の強度は信号光及び発生した位相共役光の強度に比べて極めて高いので、このような高強度の励起光を位相共役光と分離する上で、図１０の実施例は有用である。

以上説明した実施例では、信号光は一つであるが、周波数分割多重された複数の信号光に対しても本発明を適用可能である。

次に、本発明を実施し得ることを実証するための実験及びその結果を説明する。この実証実験の詳細については文献(S. Watanabe, T. Naito and T. Chikama,“Compensation of Chromatic dispersion in a single-mode fiber by optical phase conjugation", IEEE photon. Technol. Lett., 5, 92-95, 1993.)に示されている。

図１１は実証実験に用いられたシステムのブロック図である。信号光源８１としては、発振波長λ_Ｓ＝１５４６ｎｍで駆動される３電極λ／４シフト型のＤＦＢ−ＬＤ（分布帰還型レーザダイオード）が使用された。

このＤＦＢ−ＬＤの詳細については、文献(S. Ogita, Y. Kotaki, M. Matsuda, Y. Kuwahara, H. Onaka, H. Miyata, and H. Ishikawa,“FM response of narrow-linewidth, multielectrode λ/4 shift DFB laser", IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 2, pp.165-166, 1990.)に示されている。

信号光の変調は、送信光源８１を５Ｇｂ／ｓＮＲＺデータ列（ＰＮ：２^７−１）で直接変調された。変調方式は連続位相周波数シフトキーイング（ＣＰＦＳＫ）であり、変調指数は０．８７に設定された。

光強度が＋９．１ｄＢｍの信号光が図１の光伝送路２に相当するシングルモードファイバ８２（損失：０．２３ｄＢ／ｋｍ) に供給された。シングルモードファイバ８２の長さＬ_１は８０ｋｍであり、波長λ_Ｓにおける分散Ｄ_１は１３２４ｐｓ／ｎｍであった。

シングルモードファイバ８２により伝送された信号光は、位相共役光発生器８３に供給され、ここで波長λ_Ｃが１５５２ｎｍである位相共役光に変換された。発生した位相共役光は、図１の光伝送路４に対応するシングルモードファイバ８４により伝送され光カプラ８７でローカル光源８５から偏光制御器８６を介して供給されたローカル光とともにヘテロダイン受信機８８に供給された。

シングルモードファイバ８４の損失特性はシングルモードファイバ８２のそれと同等であり、その長さＬ_２は７２ｋｍ、波長λ_Ｃでの分散Ｄ_２は１２０３ｐｓ／ｎｍであった。

図１２は図１１の位相共役光発生器８３のブロック図である。供給された信号光はＥｒドープファイバを備えた光増幅器９１により増幅され、半値全幅が３ｎｍである光フィルタ９２を通過しさらに偏光制御器９３で偏光状態を制御された後、光カプラ９４で励起光源９５からの励起光源と合流された。励起光源９５としては、波長λ_Ｐ＝１５４９ｎｍで動作する３電極型のＤＦＢ−ＬＤが用いられた。

光カプラ９４で合流された光は次いで長さが２３ｋｍで損失が０．２５ｄＢ／ｋｍである分散シフトファイバ９６に供給され、この分散シフトファイバ９６内においては、非縮退型の前方４光波混合プロセスによって、周波数が低い方向に変換された位相共役光が発生した。

分散シフトファイバ９６に供給された信号光及び励起光の強度はそれぞれ＋６．１ｄＢｍ及び＋７．４ｄＢｍであった。分散シフトファイバ９６の零分散波長は、良好な位相整合を達成するために、λ_Ｐに一致する１５４９ｎｍに設定された。

発生した位相共役光は次いで通過帯域の半値全幅が０．７ｎｍの光フィルタ９７を通過した後、さらに光増幅器９８で増幅されて図１１のシングルモードファイバ８４に供給された。

図１３は図１２の分散シフトファイバ９６の出力光のスペクトルを示している。Ａで示されるピークは位相共役光についてのもの、Ｂで示されるピークは励起光についてのもの、Ｃで示されるピークは信号光についてのもの、Ｄで示されるピークは周波数が高まる方向に変換された励起光についてのものである。

位相共役光のパワーは−１９．０ｄＢｍであって、この値は信号光からの変換効率−２５．１ｄＢに相当している。

Ｂで示される励起光の強度レベルとＣで示される信号光の強度レベルはほぼ一致していた。ＡのピークがＤのピークに比べて十分高いレベルであったという結果は、励起光の波長を分散シフトファイバ９６の零分散波長に一致させたことで良好な位相整合が達成されたことを示している。

受信側において、ローカル光源８５として波長λ_Ｌ＝１５５２ｎｍで駆動される３電極型のＤＦＢ−ＬＤが採用された。また、ヘテロダイン受信機８８においては、バランス型の光／電気変換器が使用された。ヘテロダイン検波信号はフィルタを通過した後遅延型の復調器により復調された。中間周波信号の中心周波数は８．７ＧＨｚに設定され、位相共役光のビートスペクトルの半値全幅は約６ＭＨｚであった。

図１４は実験により得られたビット誤り率特性を示す図である。黒塗りの三角印は送信光源８１からの信号光を５ｍの光伝送路を介して直接受信部に伝送したときの特性を表し、黒塗りの丸印は送信光源８１からの信号光を５ｍの光伝送路と位相共役光発生器８３とを介して受信側に伝送したときの特性を表し、白抜きの丸印は図１１のシステムを動作させたときの特性を表し、白抜きの三角印は図１１のシステムから位相共役光発生器８３を除いて動作させたときの特性を表している。

５ｍの光伝送路を用い位相共役光発生器８３を用いなかったときの受信感度は、ビット誤り率１０^−９で−４２．５ｄＢｍであり、信号光の１５２ｋｍ（シングルモードファイバ８２及び８４の長さの和に相当）の伝送に際しての分散によるパワーペナルティは１．６ｄＢであった。尚、位相共役光発生器８３を用いない場合の測定に際してのローカル光源８５の発振波長は１５４６ｎｍであった。

図１１のシステムにより位相共役光発生器８３を用いることにより、パワーペナルティは０．８ｄＢ改善された。

尚、５ｍの光伝送路を用いた場合において、位相共役光発生器８３未使用時に対して使用時のパワーペナルティが０．６ｄＢ劣化しているのは、位相共役光発生器８３において信号対雑音比が劣化しているからであると考えられる。

図１１のシングルモードファイバ８２及び８４間の分散の差を考慮すると、以上の実験結果は、位相共役光発生器８３の使用により効果的な分散の補償が達成されたことを示している。

ところで、信号光が強度変調或いは振幅変調されてなる光パルス（複数の光パルスからなるパルス列を含む。）である場合、波長分散以外の原因によってパルス波形が歪むことがある。このような例としては、
（１）波長分散と光カー効果の相乗効果による波形歪み、
（２）光増幅多中継伝送における光アンプのＡＳＥ雑音の累積によるランダムな位相揺らぎによる波形歪み、
等が顕著なものとして考えられる。以下、こうした波長分散以外の原因によるパルス波形の歪みにも対処し得る実施例を説明する。
（１）について
光パルスが分散媒質中を伝送する場合を考える。図１５に示したように、チャープしていないパルスが分散媒質を透過する際、正常分散媒質（∂^２β／∂ω^２＞０）の場合には、パルスの立ち上がりにおいて低周波側にシフトし、立ち下がりにおいて高周波側にシフトする（いわゆるアップ・チャーピング）。一方、異常分散媒質（∂^２β／∂ω^２＜０）の場合には、パルスの立ち上がりにおいて高周波側にシフトし、立ち下がりにおいて低周波側にシフトする（いわゆるダウン・チャーピング）。そして、正常分散媒質においては波長が長い程群速度が速く、異常分散媒質においては波長が短い程群速度が速いため、いずれの場合にもパルス幅は拡がることになる。

他方、光の強度が大きい場合には、光カー効果によって屈折率が

だけ変化する。ここに、ｎ_２＝χ^（３）／２ε_０ｎは非線形屈折率とよばれる量であり、シリカファイバの場合には３．２×１０^−１６ｃｍ^２／Ｗ程度の大きさである。光パルスが光カー効果を受けると、

だけスペクトルが拡散する。ここにΔｚは相互作用長である。これを自己位相変調(Self-phase mojulation: SPM)と称している。ＳＰＭにより光パルスの立ち上がりにおいては低周波側にシフトし、立ち下がりにおいては高周波側にシフトする（アップ・チャーピング）。そのため、この光パルスが分散媒質中で光カー効果を受けると、正常分散媒質の場合にはパルスが拡散するが、異常分散媒質の場合にはパルス圧縮が起きる。

従って、上記の波長分散の効果を考え合わせると、正常分散媒質の場合には大きなパルス拡散が発生し、異常分散媒質の場合には波長分散によるパルス拡散とＳＰＭによるパルス圧縮が相殺しあい、どちらか効果の大きなものが残ることになる。特に、これら２つの効果をバランスさせたものが光ソリトンである。

一般に、異常分散媒質においてＳＰＭによるパルス圧縮を加えた方がよいように考えがちであるが、最近光アンプを用いて高いレベルの光パワーで伝送するようになったことと、分散シフトファイバの開発により比較的小さな波長分散値が実現できるようになったこととから、いちがいにパルス圧縮を加えた方がよいとも言えなくなってきた。

つまり、パルス圧縮効果が大きくなり過ぎて大きな波形歪みが発生するのである。特に、ＮＲＺパルスの場合には、パルスの立ち上がり、立ち下がり部分においてのみパルス圧縮がおきるため、急激な波形変化や、極端な場合には、立ち下がり部分が立ち上がり部分を追い抜き、パルスが３つに分裂するようなことも起きる。この様子を図１６に示す。

こうした問題に対しても本発明は効果があると考えられる。図１７の構成において考える（ここでは伝送路は異常分散媒質とした）。構成は図１の基本構成と同じである。ここで、ＰＣは位相共役光発生装置を表す。ただし、波長分散のみの補償では、２つの伝送路の全分散値を等しくするだけでよかったが、ＳＰＭの効果も補償するためには、伝送路の非線形屈折率の値や光パワーの値を制御することが望ましい。このとき、信号光と位相共役光のスペクトルが反転することから、分散による波形歪みもＳＰＭによる波形歪みも補償されることになる。波長分散の補償条件は（１３）式であり、ＳＰＭの補償条件は、以下の考察から明らかになる。

前述の（５）式を（６）式に展開するに際して、光カー効果により生じる項を考慮すると、（６），（７），（１０），（１１），（１２）式は、それぞれ次に示すように（６´），（７´），（１０´），（１１´），（１２´）式に変形される。

ここで、

である。

従って、非線形効果（光カー効果）が小さくて無視することができる場合には、前述の(13)式の条件が満足されるときに波長分散が補償されるのである。

次に、光カー効果の影響を無視することができない場合には、波長分散と光カー効果の非線形作用によりパルスの形状が歪む。このパルス形状の歪は、（２０の４）式におけるΦ_１（Ω，Ｌ_１）と（２０の５）式におけるΦ_２（Ω，Ｌ_２）を等しくすることにより補償することができる。ここでは、最も簡単な近似として、各々の影響を独立に補償することを考える。

この場合、波長分散の補償については前述と同様であり、光カー効果による影響は、以下の条件がなりたてば補償されることになる。

ここで、第１の光ファイバ（図１の光伝送路２に対応）及び第２の光ファイバ（図１の光伝送路４に対応）の損失係数をそれぞれα_１及びα_２とすると、

と書けるから、求める条件は、次の（２０の９）式で与えられる。

ここにＰ_Ｓは第１の光ファイバ内での信号光の平均パワーを表し、Ｐ_Ｃは第２の光ファイバ内での位相共役光の平均パワーを表す。即ち、Ｐ_Ｓ及びＰ_Ｃは次の（２０の１０）式及び（２０の１１）式で与えられる。

このように、（１３）式を満足させて波長分散を補償した上で、第１の光ファイバにおける非線形屈折率と平均パワーと光周波数とファイバ長との積を第２の光ファイバにおける非線形屈折率と平均パワーと光周波数とファイバ長との積に等しく設定しておくことにより、光カー効果によるパルス歪の補償も可能になる。

以上の各式において、ｎ_２１及びｎ_２２はそれぞれ第１及び第２の光ファイバの非線形屈折率を表し、Ａ_ｅｆｆは光ファイバの有効コア面積を表す。

（２０の９）式より、もしも２つの伝送路が同じ非線形屈折率をもち、信号光と位相共役光の周波数が等しい（縮退４光波混合：ω_Ｓ＝ω_Ｃ）場合には、同じ長さにして、平均パワーを等しくすればよいことになる。しかし、実際には各パラメータは微妙に異なるし、信号光と位相共役光の入力波形は異なる（なぜなら位相共役光は歪んだ波形の線形変換光であるから）ため、各光パルスのピーク・パワーが異なることになり、結果として光カー効果の大きさが異なり、その補償に限界がでる。実際には、各パラメータ（特に平均パワーと長さ）を調整して最適化（波長分散の補償との整合も考慮して）を行うのが望ましい。

伝送路の損失が大きい場合、伝送路内で大きなパワー変動があるために、ＰＣの前後での光カー効果に対して時間反転の性質から大きく逸脱してしまい、結果として補償が不十分となる。このような場合には、途中にいくつかの光アンプを設置して小さな損失を小さな利得で補償し、できるだけ小さなパワー変動に抑えるようにするのが望ましい。こうすることにより、上記の平均パワーによる近似に近い条件が達成され、十分な補償が可能となる。

また、伝送路に損失がない場合、或いは分布定数型の光アンプにより伝送路の損失を補償しながら伝送する場合には、時間反転条件が成り立つ結果、理想的な波形歪みの補償が実現できることはいうまでもない。

ところで、図１７の構成では、ＰＣを伝送路の途中に設けて中継器として使用しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、ＰＣを受信機の近くに設けて、プリアンプとして使用してもよい。プリアンプは、通常送信機及び受信機から遠方に位置する中継器に比べて管理が容易である。尚、波長分散及び光カー効果の影響を補償したシステムの具体例については後述する。

前述の（１３）式を、分散値として通常用いられるＤ値を用いて書き直すと次式が得られる。ここで、λ_Ｓ及びλ_Ｃはそれぞれ信号光及び位相共役光の波長である。

例えば、いまω_Ｓ≒ω_Ｃであるとし、第１の光伝送路としてＤ_１＝１．８ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの分散シフトファイバを用い、これをＤ_２＝１８ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの第２の光伝送路により補償することを考える。このようなファイバは１５５０ｎｍ帯での分散シフトファイバを異常分散領域で用いるとともに、ゼロ分散波長が１３１０ｎｍ帯のシングルモードファイバを１５５０ｎｍで用いることによって容易に実現可能である。この場合、Ｄ_２／Ｄ_１＝１０であるから、（２０の１２）式よりＬ_２はＬ_１のおよそ１／１０倍に設定することになる。すなわち、もしもＬ_１＝１００ｋｍならばＬ_２＝１０ｋｍ、Ｌ_１＝１０００ｋｍならばＬ_２＝１００ｋｍに設定できる。このとき、２つのファイバの非線形屈折率がさほど違わないとすれば、第２の光伝送路における位相共役光の平均光強度を第１の光伝送路における信号光の平均光強度の約１０倍の値に設定することにより、光カー効果による波形歪みの補償が可能になる。

また、位相共役光と信号光の平均光強度がほぼ等しい場合には、第１及び第２の光伝送路の長さの違いに応じて、（２０の９）式を満足するように、非線形屈折率を設定すればよい。非線形屈折率が大きいファイバとして、カルコゲナイトガラスからなるファイバが知られている。
（２）について
信号光が強度変調或いは振幅変調されてなる光パルスである場合に波長分散以外の原因によってパルス波形が歪む現象は、特に、多数の光増幅器を用いて多段光増幅中継を行う場合に顕著であり、その対策が要望されている。

図１８は、本発明を適用可能な光増幅中継システムのブロック図である。光送信機１から出力された信号光は、その途中に１つ又は複数の光増幅器１０１が挿入された光伝送路２を介して光中継器１０２に供給される。光中継器１０２で波形整形、増幅、タイミング調整等の処理をなされた信号光は、その途中に１つ又は複数の光増幅器１０３が挿入された光伝送路４を介して光受信機５に伝送される。

光中継器１０２が位相共役光発生手段３（図１参照）を含む場合に波長分散が補償されることはこれまでに説明した通りである。伝送距離が長くなって、図１８に示されるように、１つ又は複数の光増幅器を用いて信号光を伝送する場合、各光増幅器において生じる自然放出光（ＡＳＥ）による微小な振幅揺らぎが信号光に付加され、信号光自らのパワーによる光カー効果によって生じる位相シフトのランダム化（所謂自己位相変調（ＳＰＭ））や、信号光を励起光とする自然放出光の４光波混合過程を通じて、信号光のスペクトルが拡散する。その結果がパルス波形の歪みである。

この非線形効果については、特に大陸間の光海底伝送等の長距離伝送システムにおいて盛んに研究されている。信号光のパワー及び光増幅器の利得を可能な限り小さくしたり、狭帯域の光フィルタを用いて自然放出光を低減すること等が提案されているが、有効な解決策は未だないのが現状である。

図１９は図１８のシステムに適用可能な位相共役光発生装置のブロック図である。非線形光学媒質６、励起光源７及び信号光／励起光供給手段８が用いられている点は、図１の位相共役光発生手段３と同じである。

この例では、光パルスＯＰ１からなる信号光が信号光／励起光供給手段８を介して非線形光学媒質６に供給され、一方、励起光源７は光パルスＯＰ２からなる励起光を、信号光／励起光供給手段８を介して非線形光学媒質６に供給する。光パルスＯＰ１とＯＰ２は同期するようにされている。

そのために、図１９の装置は、光パルスＯＰ１とＯＰ２が同期するように励起光源７を駆動する駆動手段１１１をさらに備えている。

駆動手段１１１の一つの構成例は、基準パルスＳＰを出力するパルスジェネレータ１１２と、基準パルスＳＰを調整された遅延時間だけ遅延させて励起光源７に供給する可変遅延回路１１３と、非線形光学媒質６から出力される位相共役光を第１及び第２の分岐光に分岐する光分岐回路１１４と、第１の分岐光を受け、その平均パワーを検出する受光回路１１５と、受光回路１１５で検出された平均パワーが最大になるように可変遅延回路１１３における遅延時間を調整するタイミング回路１１６とを含む。

光分岐回路１１４で分岐された第２の分岐光は光伝送路４（図１８等参照）に送出される。第１の分岐光のパワーは第２の分岐光のパワーに比べて十分小さくてよい。

駆動手段１１１の具体例における動作については後述する。

図１９の位相共役光発生装置を図１８の光中継器１０２に適用することによって、波長分散が補償されるという効果が生じる他、波形整形、リタイミング、増幅等が可能になる。波長分散の補償を効果的に行うためには、図１８のシステムにおいて、光伝送路２における総分散量と光伝送路４における総分散量とがほぼ等しくなるようにされ、光増幅器１０１の数と光増幅器１０３の数は例えば等しくされる。

また、図１９の装置は、光送信機１と光受信機５を結ぶ光伝送路における光受信機５に近い所に配置して使用することもできる。この場合、波形改善等を行った直後に受信することができるので、高性能な前置増幅器を提供することができる。或いは、図１９の装置は光受信機５に含まれていてもよい。その具体例については後述する。

尚、図１８においては、光中継器１０２が１つだけ図示されているが、光送信機１と光受信機５を結ぶ光伝送路の途中に光中継器を複数設けてもよい。

次に、図１９の装置において波形整形等がなされる原理について詳細に説明する。図２の説明並びに（１４）式乃至（２０）式から明らかなように、４光波混合においては、励起光Ｅ_Ｐと信号光Ｅ_Ｓが非線形光学媒質中で相互作用する結果、Ｅ_ＰＥ_Ｓ ^＊に比例した物質励起波ができ、これによりさらに励起光Ｅ_Ｐがｋ_Ｉ＝２ｋ_Ｐ−ｋ_Ｓの方向に自己回折されてアイドラ光（位相共役光）Ｅ_Ｉが生じる。結果として、アイドラ光Ｅ_Ｉの複素振幅Ａ_Ｉ（ｔ）は次式で与えられる。

ここで、Ａ_Ｐ１（ｔ）及びＡ_Ｐ２（ｔ）はそれぞれ励起光パルスの複素振幅を表す。励起光パルスの複素振幅が２つあるのは、励起光の作用が２光子過程に相当するからである。つまり、励起光は４光波混合過程において２光波に相当する。

（２１）式から、アイドラ光（位相共役光）が信号光パルスと励起光パルスの重なり領域で発生していることがわかる。発生するアイドラ光パルス（位相共役光パルス）Ｉ_Ｉ（ｔ）は次式で与えられる。

ここに、Ｇ_Ｉ０はアイドラ光の利得を表し、ｔ_１及びｔ_２は励起光パルスの信号光パルスに対する時間ずれを表す。励起光源が１つである場合には、ｔ_１及びｔ_２は等しい値をとるが、２つの励起光源を用いる場合を含む一般形においては、ｔ_１及びｔ_２は必ずしも一致しない。

ここでは、励起光パルスのパルス幅は非線形光学媒質の応答時間よりも十分に長い場合を想定している。この場合、物質系からの応答は十分に得られ、光波と媒質との非線形相互作用による分極は定常値に達する。

従って、発生する位相共役光のパルス幅はプローブ光（信号光）のパルス幅と等しいか、それよりも短くなる。また、励起光パルスが対称形である場合には、供給された信号光のパルス波形が対称形でないとしても、発生する位相共役光のパルス波形は対称形に近づく。

このことを確認するために、半値全幅（ＦＷＨＭ）がＴ_Ｓの信号光とパルス幅がＴ_Ｐである矩形波の励起光パルスとによる４光波混合を考える。但し、各パルスの中心は時間的に一致している（ｔ_１＝ｔ_２＝０）とする。このとき、（２２）式より次式が得られる。

ここで、τは励起光パルスの中心からの時間ずれを表す。また、簡単のため励起パルスの強度は規格化した。

（２３）式の結果を図２０及び図２１に示す。

図２０は、励起光のパルス幅が信号光のパルス幅にほぼ等しいか或いはそれよりも大きい場合における各光パルスの波形図である。同図において、（Ａ）は信号光パルス、（Ｂ）は励起光パルス、（Ｃ）は位相共役光パルスを表す。

励起光のパルス幅が信号光のパルス幅にほぼ等しい場合には、発生した位相共役光のパルス形状は供給された信号光のパルス形状にほぼ一致する。尚、励起光のパルス幅が信号光のパルス幅よりも大きい場合にも、位相共役光のパルス形状は信号光のパルス形状にほぼ一致する。

図２１は励起光のパルス幅が信号光のパルス幅よりも小さい場合の各波形図を表す。同図において、（Ａ）は信号光パルス、（Ｂ）は励起光パルス、（Ｃ）は位相共役光パルスを表す。

励起光のパルス幅が信号光のパルス幅よりも小さい場合には、発生する位相共役光パルスの形状はその幅が励起光のパルス幅により制限されたものになる。従って、信号光に基づき位相共役光を発生させるときに、パルス幅を減少させて波形整形を行うことができる。

図２０及び図２１による説明においては、使用する励起光のパルス形状が単純な矩形波であるとしたが、本発明はこれに限定されず、任意パルス波形の励起光を用いて信号光に対する波形整形を行うことができる。

図２１により説明した原理に従って、パルス波形整形を行う場合、非線形光学媒質に供給される信号光に対して、供給する励起光を同期させることが要求される。この同期を行うための駆動手段１１１（図１９参照）の動作の具体例を説明する。

パルスジェネレータ１１２が出力した基準パルスＳＰは、可変遅延回路１１３により、調整された遅延量だけ遅延されて、タイミングを調整された基準パルスＳＰ′となって励起光源７に供給される。励起光源７は、例えばレーザダイオードを用いて構成され、供給された遅延パルスに同期した励起光パルスＯＰ２を出力する。

信号光パルスＯＰ１及び励起光パルスＯＰ２が非線形光学媒質６に供給されると、信号光パルスＯＰ１と励起光パルスＯＰ２とが時間軸上で重なり合っているときに位相共役光パルスＰＣが非線形光学媒質６から出力される。

非線形光学媒質６から出力された位相共役光パルスＰＣは、その一部を光分岐回路１１４で分岐され、その分岐光の平均パワーは受光回路１１５によって検出される。

信号光パルスＯＰ１と励起光パルスＯＰ２とが完全に同期したときに、受光回路１１５で検出される平均パワーが最大になる。従って、受光回路１１５で検出される平均パワーが最大になるように、タイミング回路１１６が可変遅延回路１１３における基準パルスＳＰのタイミングを調整することによって、信号光パルスＯＰ１と励起光パルスＯＰ２を同期させることができる。

尚、図示はしないが、駆動手段１１１の他の具体例としては、供給された信号光パルスからクロック成分を抽出し、このクロック成分に基づき励起光源７を駆動するように構成されるものがある。

信号光パルスが後述するソリトンパルスである場合には、パルス間の相互作用によりパルス間隔が変動し、クロック抽出が困難になる場合があるので、このような場合には、図１９に示される駆動手段１１１の具体例が適している。

図２２は、図１８の光送信機における信号光の符号形式（コード）がＮＲＺコードである場合の各光パルスの波形図である。図１８の光増幅中継システムにおける光中継器１０２は、図１９の位相共役光発生装置を有しているものとする。

図２２において、（Ａ）は光送信機１から送出される送信信号光パルス、（Ｂ）は光中継器１０２が受ける伝送信号光パルス、（Ｃ）は光中継器１０２において供給される励起光パルス、（Ｄ）は光中継器１０２から送出される位相共役光パルスのそれぞれの波形を表している。

信号光パルスがビットレートＢ、幅Ｔ（Ｔ＝１／Ｂ）のＮＲＺパルスである場合には、同じビットレートでパルス幅Ｔ′（Ｔ′＜Ｔ）の全オンＲＺパルスからなる励起光パルスを用いることにより、生成される位相共役光パルスのパルス幅Ｔ″をＴよりも細くすることができる。

図２２の（Ｂ）に示されるように、伝送信号光パルスのパルス幅が波長分散やＳＰＭの影響により送信信号光パルスに対比して拡がっている場合には、Ｔ″≒１／Ｂとなるように波形整形が可能である。また、多くの場合、伝送信号光パルスのタイミングも微妙にずれているが、このずれも図２２の波形整形過程において修正される。

図２３は信号光がＲＺコードである場合の各光パルスの波形図である。図２３の（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ図２２の（Ａ）〜（Ｄ）に対応している。

信号光パルスがビットレートＢ、幅ＴのＲＺパルスである場合には、同じビットレートでパルス幅Ｔ′（Ｔ′≦Ｔ）の全オンＲＺパルスからなる励起光パルスを用いることにより、位相共役光パルスのパルス幅Ｔ″をＴよりも小さくすることができる。

伝送信号光パルスのパルス幅Ｔが波長分散やＳＰＭの影響により送信信号光パルスにおける当初の設定値ｄ／Ｂ（ｄデューティ比）よりも拡がっている場合には、この方法によりＴ″≒ｄ／Ｂとなるように波形整形が可能である。

ここで、このような波形整形をすることの効果について考える。まず第１に、波形整形によりＳＮ比が改善される。コヒーレント光を用いた光通信においては、損失を受けても量子雑音によって決まるＳＮ比（所謂ショット雑音限界）は保存されるので、受信機で検波した際の送信信号に対するＳＮ比の低下は、主として、光伝送路における付加雑音若しくは隣接パルス間の干渉又は受信機における熱雑音によってもたらされる。

このうちの付加雑音に関しては、光増幅器が放出するＡＳＥ雑音が最も大きい。また、隣接パルス間の干渉は、波長分散やＳＰＭによる波形歪みが主な原因である。

位相共役光発生装置自身も増幅機能を有していることがあるので、これによる雑音の累積は増加する。しかしながら、位相共役光発生装置において波形整形を行うことにより、隣接パルス間の干渉雑音を減らすことが可能になるので、結果としてＳＮ比を回復可能である。この様子を図２４に示す。

図２４は波形整形の効果の説明図であって、（Ａ）は波形劣化した伝送信号光パルスの波形図、（Ｂ）は波形整形された位相共役光パルスの波形図を表している。波形整形によって干渉雑音を除去可能であることがわかる。

第２に、本発明による波形整形の結果、伝送信号光パルスの時間軸上の揺らぎを補正して、リタイミングされた位相共役光パルスを生成することができる。従って、この位相共役光パルスを受信側に伝送したときに、受信に際しての位相余裕を大きくすることができる。

ところで、最近、光ソリトンを用いた光通信の研究が盛んになされている。光ソリトン通信の場合にも、信号光は自らの電界の２乗に比例する位相シフトを受けるが、光増幅中継する場合には、光増幅器のＡＳＥによるランダムな強度変調によるランダムな位相変調により、パルスのランダムな群速度揺らぎが発生し、これにより受信パルスのタイミングずれが生じ、伝送特性が劣化する。

この劣化による伝送速度と伝送距離の積の限界はGordon-Haus 限界と呼ばれ、光ソリトン通信の限界を与えるものとなっている。これを克服するための各種の方策が検討されているが、いずれもトリッキーなものであり、実現にはほど遠い。

本発明によると、前述の説明から明らかなように、パルスのタイミングを補正することができるので、この原理を用いてGordon-Haus 限界を越える伝送を実現することができる。これを図２５により説明する。

図２５は信号光がソリトンパルスである場合の各光パルスの波形図である。（Ａ）は送信信号光パルス、（Ｂ）は伝送信号光パルス、（Ｃ）は励起光パルス、（Ｄ）は位相共役光パルス、（Ｅ）は出力一定化パルスにそれぞれ対応する。

光送信機から出力される送信信号光はビットレートＢのソリトンパルスであるとする。この信号光が伝送された結果、ビットレートがＢ＋ΔＢであるようにタイミングが揺らいでいる場合、同じビットレートＢの全オンＲＺパルスからなる励起光パルスを用いることによって、タイミング揺らぎがΔＢよりも小さなソリトンパルスからなる位相共役光パルスを生成可能である。

この場合、発生する位相共役光パルスの波高は、信号光パルスと励起光パルスのタイミングずれに依存するので、位相共役光パルスの波高のばらつき（図２５の（Ｄ）参照）を補償するために、出力一定光増幅器を用いるのがよい。

このような光増幅器の例としては、出力飽和領域にあるファイバ型光増幅器があげられる。或いは、応答速度の速い半導体型光増幅器の駆動電流へのフィードバックを行うことにより、光増幅器出力が一定になるようにしてもよい。さらに、過飽和吸収体と線形光増幅器を組み合わせたり非線形光学効果を用いて出力一定光増幅器を構成してもよい。

図２６は、図１８のシステムの遠隔操作に適した改良例を示すブロック図である。光中継器１０２′に図１６の位相共役光発生装置が適用される点については図１８のシステムと同じであるが、この例では、励起光源として、遠隔地に設置されたソリトン光源１２１を用いている。

前述した波形整形の原理においては、励起光パルスはできるだけ形がきれいで高いパワーであることが望ましい。ところが、図１８及び図２６に示されるように、多段の光増幅中継を行う場合には、光中継器を人が容易に近づくことができない場所（例えば山奥や海中）に設置されることが多いので、光中継器についての監視が要求される。

その一方で、監視機能に関する構成をできるだけ簡素にしたいという基本的な要求もある。こうした観点から、遠隔地に設置された光中継器に本発明の位相共役光発生装置を適用しようとする場合には、励起光パルス用の励起光源を遠隔伝送用に構成することが要求されるのである。

励起光パルスを遠隔伝送する場合、分散等の影響による励起光パルスの波形劣化を防止するために、励起光パルスをソリトンパルスにすることが望ましい。ソリトンパルスは光ファイバの波長分散や位相シフトとバランスした形で伝送するので、パルス波形を保存した状態で光中継器に伝送することができる。

但し、パルス幅はパワーの減少に従って拡がるので、光ファイバの損失が問題になる程遠距離の伝送を行う場合には、ソリトン光源１２１におけるパルス幅を予め所要のものよりも狭くしておくか、励起光パルス伝送用の光伝送路の途中で光増幅器を用いて伝送損失を補償する等の対策がなされることが望ましい。

尚、ソリトン光源は、例えば、次に掲げる文献に開示された公知技術を用いて構成することができる。
(1) G. Eisenstein et al., “Active mode-locking characteristics of InGaAsP single mode fiber composite cavity lasers", IEEE J. Quantum Electron., vol. QE-22, pp.142-148, 1986.
(2) R. S. Tucker et al.,“40 GHz active mode-locking in a 1.5 μm monolithic extended-cavity laser",Electron. Lett., vol.25, pp.621-622, 1989.
(3) M. C. Wu et al.,“Transform-limited 1.4 ps optical pulses from a monolithic colliding-pulse mode-locked quantum well laser", Appl. Phys. Lett., vol. 57, pp.759-761, 1990.
(4) M. Suzuki et al., “Transform-limited 14 ps optical pulse generation with 15 GHz repetition rate by InGaAsP electroabsorption modulator", Electron. Lett., vol. 28, pp.1007-1008, 1992.
(5) K. Iwatsuki et al., “Generation of transform-limited gain-switched
DFB-LD pulses < 6 ps with linear fiber compression and spectral window",Electron. Lett., vol. 27, pp.1981-1982, 1992.
(6) K. Smith et al.,“Totally integrated erbium fiber soliton laser pumped by laser diode", Electron. Lett., vol. 27, pp.244-246, 1991.
(7) D. J. Richardson et al.,“Pulse repetition rates in passive, selfstarting, femtsecond soliton fiber laser", Electron. Lett., vol. 27, pp.1451-1453, 1991.
(8) S. V. Chernikov et al., “Tunable source of 4 ps to 230 fs solitons
at repetition rates from 60-200 Gbit/s", OAA'92, Paper PD7, 1992.
本発明の位相共役光発生装置の応用例として、時分割多重（ＴＤＭ）された光パルスの分離（ＤＥＭＵＸ）への適用がある。光パルスが高速になるにつれ、実際に変復調を行うエレクトロニクスの動作速度の限界に近づいてゆく。これを打破するための一例として、光ＴＤＭと称される方法が提案されている。この方法では、光デバイスの帯域が十分に広いことを利用している。

具体的には、図２７に示されるように、別チャネルの光パルスを、その一方のタイミングを調整しながら一つのチャネルに合流させるのである。

一方の信号光発生器１３１からの信号光パルスＯＰ１１は、光カプラ等からなる光マルチプレクサ１３４を介して光伝送路２に送出される。他方の信号光発生器１３２からの信号光パルスＯＰ１２は、遅延時間が可変な光遅延回路１３３を通り光マルチプレクサ１３４を介して光伝送路２に送出される。

信号光パルスＯＰ１１とＯＰ１２とが同一速度であるとすれば、光遅延回路１３３における遅延時間を適切に設定することによって、光伝送路２に送出される信号光パルスＯＰ１３の速度を信号光パルスＯＰ１１及びＯＰ１２の速度の２倍にすることができる。

このように、図２７に示された光送信機は高速化に適したものであり、この光ＴＤＭを繰り返し行うことにより、原理的には伝送速度の上限はない。

しかしながら、いくら高速な信号光パルスを生成することができたとしても、光受信機において光パルスの分離（ＤＥＭＵＸ）を行い得なければ意味がない。本発明の位相共役光発生装置は、このような光パルスの分離に適用することができる。具体的には次の通りである。

図２８は、ＴＤＭ光パルス（時分割多重された光パルス）の分離に適した光受信機の例を示すブロック図である。例えば図２７の光送信機において生成された高速な信号光パルスＯＰ１３は、光カプラ等からなる信号光／励起光供給手段８を介して非線形光学媒質６に供給される。

励起光源７から信号光／励起光供給手段８を介して非線形光学媒質６に供給される励起光パルスＯＰ１４は、信号光パルスＯＰ１３に対して、多重数（この例では２）の逆数に比例した速度を有している。

励起光源７がパルスジェネレータ１１２からの基準パルスＳＰに基づいて駆動される点は、図１９の位相共役光発生装置におけるのと同じである。この場合、基準パルスＳＰは前述したような励起光パルスＯＰ１４が得られるように速度を調整されている。

この構成によると、複数チャネルの低速光パルスを時分割多重してなる信号光パルスＯＰ１３の内、励起光パルスＯＰ１４が同期する低速光パルスのみについて位相共役光パルスＰＣを生じさせることができるので、低速パルスのいずれかを選択的に取り出すことができる。つまり、時分割多重された光パルスの分離が可能になるのである。

選択的に取り出された、低速光パルスに対応する位相共役光ＰＣは、光分岐回路１１４で分岐され、その分岐光の一方は受信部１４１に供給されてデータが再生される。分岐光の他方は、受光回路１１５に供給され、図１６で説明した原理に従って、励起光パルスＯＰ１４と信号光パルスＯＰ１３における低速光パルスとの同期ずれが生じないように、基準パルスＳＰのタイミングが調整される。

次に図２９及び図３０により、供給される信号光の偏波状態にかかわらず位相共役光の生成効率を安定に保つことができる位相共役光発生装置の実施例を説明する。これらの位相共役光発生装置は、図１のシステムにおける位相共役光発生手段３として用いることができる他、図１９の装置或いは図２８の光受信機にも適用可能である。

図２９は位相共役光発生装置の第８実施例を示す図である。信号光／励起光供給手段としては、光カプラ１５１が用いられ、非線形光学媒質としては定偏波ファイバ１５２が用いられている。供給された信号光と励起光源７からの励起光は、光カプラ１５１で合流して定偏波ファイバ１５２に入力する。

この例では、励起光は予め定められた偏波面を有する実質的な直線偏波であり、この予め定められた偏波面が定偏波ファイバ１５２の主軸に対してほぼ４５°傾斜するように励起光源７の配置等が設定される。

こうしておくと、励起光パワーの直交２偏波成分を等しく一定に保つことができるので、任意の偏波状態の信号光に対して位相共役光の生成効率を安定に保つことができる。

図２９の実施例では、非線形光学媒質としての定偏波ファイバ１５２の長さが長くなるのに従って、定偏波ファイバ１５２の２つの主軸方向の偏波に対する屈折率のわずかな違いによる位相ずれが生じる可能性があるので、励起光パワーを高くするか或いは定偏波ファイバ１５２の非線形定数を大きくすることによって、短い定偏波ファイバ１５２で足りるようにすることが望ましい。

この直交２偏波成分間の位相ずれの程度は、定偏波ファイバ１５２の材料や構造により決定される。標準的なファイバにおいては、１０ｍの長さに対して約１７ｐｓのずれが発生する。従って、ビットレートが６０Ｇｂ／ｓ程度の信号光に対して１ビットの偏波分散となって現れる。この場合、実際に伝送可能な信号光の伝送速度は１０Ｇｂ／ｓ程度になる。定偏波ファイバの長さが長くなればさらに伝送可能な信号光の伝送速度は低下する。

次に、非線形光学媒質としての定偏波ファイバの長さを短くすることなしに高ビットレートの信号光に対応可能な実施例を説明する。

図３０は位相共役光発生装置の第９実施例を示す図である。この実施例は、図２９の実施例と対比して、非線形光学媒質がほぼ同じ長さの２本の定偏波ファイバ１５２Ａ及び１５２Ｂからなる点で特徴付けられる。

定偏波ファイバ１５２Ａ及び１５２Ｂはこれらの主軸同士が互いに直交するように接続される。励起光は予め定められた偏波面を有する実質的な直線偏波である。実質的な直線偏波を出力する励起光源としては、例えばレーザダイオードを用いることができる。

光カプラ１５１で合流した信号光と励起光は、定偏波ファイバ１５２Ａの第１端に供給される。このとき、励起光の偏波面が定偏波ファイバ１５２Ａの主軸に対してほぼ４５°傾斜するように、励起光源７の配置が設定される。

定偏波ファイバ１５２Ａの第２端は定偏波ファイバ１５２Ｂの第１端に接続される。定偏波ファイバ１５２Ｂの第２端からは、定偏波ファイバ１５２Ａ及び１５２Ｂ内で生じた位相共役光が出力する。

この実施例では、ほぼ同じ特性を有する定偏波ファイバ１５２Ａ及び１５２Ｂの長さを等しく設定しているので、定偏波ファイバ１５２Ａで生じた直交２偏波成分間の位相ずれは定偏波ファイバ１５２Ｂにおいて生じる直交２偏波成分間の位相ずれと相殺され、定偏波ファイバ１５２Ａと１５２Ｂの総長が長い場合でも、これによって信号光の伝送速度が制限されることがない。

次に、本発明により波長分散及び光カー効果の影響を補償したシステムの具体例について説明する。

即ち、図１７のシステムの幾つかの具体例である。

図３１は図１７のシステムの第１の具体例を示すブロック図である。ここでは、線形光増幅器による光増幅多中継伝送システムにおいて、各中継器間の伝送路の途中に位相共役光発生装置を置いて、その前後のファイバによるパルス歪を補償しながら伝送する構成を示している。具体的には次の通りである。

光送信機１と光受信機５を結ぶ光伝送路の途中に、複数の位相共役光発生装置ＰＣと複数の線形光増幅器ＬＡとを設けている。光伝送路はこの例ではシングルモードファイバからなる。

即ち、光送信機１と光受信機５の間に、光送信機１の側から、シングルモードファイバＳＭＦ−ｍ１と位相共役光発生装置ＰＣ−ｍとシングルモードファイバＳＭＦ−ｍ２と線形光増幅器ＬＡ−ｍとの組（ｍは自然数）をＮ組この順に設けている。

任意の位相共役光発生装置ＰＣ−ｍの上流側のシングルモードファイバＳＭＦ−ｍ１の波長分散と下流側のシングルモードファイバＳＭＦ−ｍ２の波長分散とが同符号で且つほぼ等しい値にしておくことによって、システム全体において波長分散を累積的に補償することができる。

また、波長分散を補償した上で、任意の位相共役光発生装置ＰＣ−ｍの上流側のシングルモードファイバＳＭＦ−ｍ１における平均光パワーと光周波数と非線形屈折率と長さの積が下流側のシングルモードモールドＳＭＦ−ｍ２における平均光パワーと光周波数と非線形屈折率と長さの積に等しくしておくことによって、波長分散及び光カー効果の影響を累積的に補償することができる。

図３２は図１７のシステムの第２の具体例を示すブロック図である。この実施例では、光送信機１′の内部に第１の光伝送路としてのシングルモードファイバＳＭＦ−１と位相共役光発生装置ＰＣとを設け、このシングルモードファイバＳＭＦ−１に光変調器ＯＭからの波長λ_Ｓの出力光をパワーＰ1 で供給する。シングルモードファイバＳＭＦ−１の長さはＬ_１、分散はＤ_１、非線形屈折率はｎ_２１である。

位相共役光発生装置ＰＣに供給された光は、波長λ_Ｃの位相共役光に変換され、この光はパワーＰ_２でこのシステムの伝送路となる第２の光伝送路としてのシングルモードファイバＳＭＦ−２により光受信機５に伝送される。シングルモードファイバＳＭＦ−２の長さはＬ_２、分散はＤ_２、非線形屈折率はｎ_２２である。

この場合、前述の（２０−９）式及び（２０の１２）式を満足するように各パラメータを設定することで、波長分散及び光カー効果の影響を補償することができる。尚、（２０の９）式を適用するに際して、光周波数ω_Ｓ及びω_Ｃはそれぞれ波長λ_Ｓ及びλ_Ｃの逆数に比例する。

この実施例によると、光受信機５において歪のない光パルスを受信することができ、しかも、位相共役光発生装置ＰＣを中継器として使用する場合のように位相共役光発生装置ＰＣが伝送路の途中にないので、偏光依存性等に対する考慮が不要である（光送信機内であれば一定偏光の状態を確保しやすい）。

図３２のシステムを実施する場合、光送信機１′内に設けるシングルモードファイバＳＭＦ−１のＤ_１及びｎ_２１をできるだけ大きくすることが望ましい。これにより、比較的小さい値のＤ_２及びｎ_２２を有するシングルモードファイバＳＭＦ−２を長く設定することができるので、長距離伝送が容易になる。

図３３は図１７のシステムの第３の具体例を示すブロック図である。この実施例では、位相共役光発生装置ＰＣと第２の光伝送路としてのシングルモードファイバＳＭＦ−２を光受信機５′内に設け、シングルモードファイバＳＭＦ−２から出力する光を光検波器ＯＤで検波するようにしている。従って、この場合には、第１の光伝送路としてのシングルモードファイバＳＭＦ−１がこのシステムの伝送路として機能する。

この実施例においても、図３２の実施例と同様に各パラメータの条件を設定しておくことによって、波長分散及び光カー効果の影響を補償することができる。尚、図３２の実施例と対比して、シングルモードファイバＳＭＦ−１内における偏波変動を考慮すると、光受信機５′には偏波変動に対する対策が要求されるが、位相共役光発生装置ＰＣにおいて励起光による波長選択機能があることを考えると、図３３のシステムは光周波数多重伝送システム等において有望な構成である。

波長分散及び光カー効果の影響を補償するようにした以上の実施例では、波長分散による光パルスの波形歪の補償とＳＰＭによる光パルスの波形歪の補償とを独立に行うという近似のもとでシステムを構築している。実際の実験結果からも、このような近似で定性的な説明はできるし、効果も確認されている。しかし、より厳密な補償を行うためには、もう少し詳細な考察が必要である。

ここでの考え方の基礎は、光位相共役による補償は位相共役光の時間反転性を用いているという点である。波長分散についてはその定常的な性質から完璧な補償が可能であるが、ＳＰＭについては、光カー効果がピークパワーに依存するため、補償の度合いが光伝送路における長手方向のパワー分布に依存することになる。その意味では、伝送路の損失が無視できる場合、或いは分布定数的な光増幅器を用いる場合には時間反転のパワー分布を得ることが可能である。

しかし、無視できない伝送路の損失の補償を最も一般的な集中定数的な光増幅器により行う場合には、位相共役光発生装置の前後におけるパワー分布が対称とはならないから、正確には光カー効果に対する時間反転性もなりたたないことになる。また、光の電界Ｅは波動方程式に従って伝搬していくが、波長分散と光カー効果がともに存在する場合には、この２つの効果が互いに影響しながら波動が伝搬する。実際、伝送路中の光強度変動等を含んだより厳密な議論をするためには、以下の非線形シュレジンガー方程式でよく説明できることが示されている。

ここに、（ｚ，Ｔ）は光パルスと一緒に動く座標系を表し、Γは減衰定数を表す。これをもう少し現象論的に見てみる。位相共役光発生装置の前後では、信号光と位相共役光とでスペクトル及びチャーピングの符号が反転する。また、パルスの歪はこのチャーピングと分散の相互作用であることは前に示した通りである。従って、ＳＰＭを補償するためには、チャーピングを補償する必要がある。その補償条件は次式で与えられる。

問題は、伝送方向の積分の中に時間微分が含まれていることである。これは、光の振幅変動に依存してチャーピング量が異なること、即ちパルスの形状によってチャーピング量が異なることを表している。従って、光のパワー分布が位相共役光発生装置の前後で対称でない場合には、チャーピングの時間反転性が正確な意味ではなりたたないことになる。

ここで、光パワーと電場の振幅との関係が次の（２６）式で与えられることを考慮すると（ｎは線形屈折率）、前述の（２０の６）式から（２０の１１）式の議論は（２５）式において時間微分がない場合、即ち位相シフトを扱った場合に相当することがわかる。

こうした問題を考慮した実施例を図３４及び図３５により説明する。

図３４は図１７のシステムの第４の具体例を示すブロック図である。光送信機１からの信号光はシングルモードファイバＳＭＦ−１で位相共役光発生装置ＰＣに送られ、ここで位相共役光に変換されてシングルモードファイバＳＭＦ−２により光受信機５に伝送される。図の下側には、長手方向（ｚ方向）におけるパワー分布が示されている。

シングルモードファイバＳＭＦ−１及びＳＭＦ−２が異常分散ファイバである場合に、位相共役光発生装置ＰＣに供給される信号光ではパルス圧縮が生じている。従って、位相共役光発生装置ＰＣの後の平均パワーＰ_Ｃ（Ｌ_１）を最初のパワーＰ_Ｓ（０）と同じにすると、位相共役光発生装置ＰＣの後のパルスの平均のピークパワーが最初のそれよりも大きくなってしまう。そこで、Ｐ_Ｃ（Ｌ_１）＜Ｐ_Ｓ（０）とすることにより、シングルモードファイバＳＭＦ−２内での光カー効果をできるだけシングルモードファイバＳＭＦ−１内のそれに近づけようとするものである。

この効果は既に実験で確認されている。この実験においては、光送信機１の光出力を１１ｄＢｍに設定し、位相共役光発生装置ＰＣの光出力を５ｄＢｍに設定した。尚、正常分散ファイバを用いる場合には、波長分散とＳＰＭの相乗効果によりパルス幅が拡大されるから、Ｐ_Ｃ（Ｌ_１）＞Ｐ_Ｓ（０）とすることが望ましい。この場合にも、各ファイバ内の平均ピークパワーをほぼ等しくするという点では、異常分散ファイバを用いる場合と同様である。

図３５は図１７のシステムの第５の具体例を示すブロック図である。この実施例では、位相共役光発生装置ＰＣの後のシングルモードファイバＳＭＦ−２をＮ分割し（Ｎは自然数）、分割された各ファイバＳＭＦ−２１，ＳＭＦ−２２，…，ＳＭＦ−２Ｎの入力パワーＰ_Ｃｊ（ｊ＝１，２，…，Ｎ）を次第に大きくしていき、各ファイバ内の平均パワーの変化が、シングルモードファイバＳＭＦ−１内の長手方向のパワー分布とほぼ対称になるように設定するものである。

尚、この場合の対称という意味は、２つの条件、（１３）式及び（２０の９）式を満足することである。即ち、分散の比に応じて光パワーの比が決定されるのである。また、図３２の例では、シングルモードファイバＳＭＦ−１をＮ分割して、分割された各ファイバの入力パワーを次第に大きくする構成をとることもできる。

こうすることにより、シングルモードファイバＳＭＦ−２内の光カー効果がシングルモードファイバＳＭＦ−１内の光カー効果の時間反転により近いものになり、厳密な意味での波長分散及び光カー効果の補償が可能になる。分割数Ｎを大きくすることにより、対称性が良好になり、より良い補償が可能になる。

尚、図示された例では、各ファイバの入力パワーを次第に大きくするために、シングルモードファイバＳＭＦ−２の途中に複数の線形光増幅器を設けているが、これによる光伝送路内での光パワーの不連続な変化を防止するために、分布定数的な光増幅器を用いてもよい。

この種の分布定数的な光増幅器は、例えば、位相共役光発生装置ＰＣと光受信機５を結ぶシングルモードファイバＳＭＦ−２にＥｒ（エルビウム）等の希土類元素をドープしておき、受信機５の側から予め定められた波長のポンプ光を供給することなどで実現される。この場合、シングルモードファイバ長手方向におけるドープ濃度に連続的な変化を与えることで、利得の長手方向の変化を生じさせ、前述の対称性の確保を容易にしてもよい。また、ラマンアンプ、ブリルアンアンプ等の非線形効果を用いた光アンプを用いることもできる。

図３６は偏光状態の能動制御が適用される実施例を示すシステムのブロック図である。シングルモードファイバＳＭＦ−１からの信号光は、光カプラ１６２の第１ポートに入力する。光カプラ１６２の第２ポートには、情報信号源１６４により変調される励起光源１６６からの励起光が、偏波制御器１６８を介して供給される。光カプラ１６２で加え合わされた信号光及び励起光が非線形媒質１７０に入力すると、ここで位相共役光が発生し、この位相共役光は光カプラ１７２で２分岐される。分岐された一方の位相共役光はシングルモードファイバＳＭＦ−２に送出され、他方の位相共役光は光フィルタ１７４を通って受光器１７６で電気信号に変換される。

比較器１７８は、受光器１７６の出力レベルが最大になるように、励起光の偏波状態と励起光源１６６の発振波長を制御する。偏波制御器１６８はλ／２板とλ／４板に相当するものを組み合わせることにより構成することができる。また、励起光の波長は、励起光源１６６として使用されるレーザダイオードの温度やバイアス電流により制御することができる。

本発明の基本構成を示すブロック図である。 ４光波混合による位相共役光の発生原理の説明図である。 信号光、励起光及びアイドラ光の周波数配置の説明図である。 位相共役光発生手段の第１実施例を示すブロック図である。 位相共役光発生手段の第２実施例を示すブロック図である。 位相共役光発生手段の第３実施例を示すブロック図である。 位相共役光発生手段の第４実施例を示すブロック図である。 位相共役光発生手段の第５実施例を示すブロック図である。 位相共役光発生手段の第６実施例を示すブロック図である。 位相共役光発生手段の第７実施例を示すブロック図である。 実証実験に用いたシステムのブロック図である。 図１１の位相共役光発生装置のブロック図である。 図１２の分散シフトファイバの出力光のスペクトルを示す図である。 実験におけるビット誤り率特性を示す図である。 分散によるチャーピングの発生の説明図である。 パルス圧縮による波形歪みの説明図である。 分散による波形歪み及びＳＰＭによる波形歪みを補償することができるシステムの構成図である。 本発明を適用可能な光増幅中継システムのブロック図である。 図１８のシステムに適用可能な位相共役光発生装置のブロック図である。 励起光のパルス幅と信号光のパルス幅がほぼ同じ場合の波形図である。 励起光のパルス幅が信号光のパルス幅よりも小さい場合の波形図である。 信号光がＮＲＺコードの場合の波形図である。 信号光がＲＺコードの場合の波形図である。 波形整形の効果の説明図である。 信号光がソリトンパルスである場合の波形図である。 図１８のシステムの遠隔操作に適した改良例を示すブロック図である。 高速化に適した光送信機の例を示すブロック図である。 ＴＤＭ光パルスの分離に適した光受信機の例を示すブロック図である。 位相共役光発生装置の第８実施例を示す図である。 位相共役光発生装置の第９実施例を示す図である。 図１７のシステムの第１の具体例を示すブロック図である。 図１７のシステムの第２の具体例を示すブロック図である。 図１７のシステムの第３の具体例を示すブロック図である。 図１７のシステムの第４の具体例を示すブロック図である。 図１７のシステムの第５の具体例を示すブロック図である。 偏波状態の能動制御が適用される実施例を示すシステムのブロック図である。

符号の説明

１ 光送信機
２，４ 光伝送路
３ 位相共役光発生手段
５ 光受信機
６ 非線形光学媒質
７ 励起光源
８ 信号光／励起光供給手段

Claims (10)

1. 信号光を伝送する第１の光伝送路と、
   該第１の光伝送路から供給された該信号光を受け、該信号光に対する位相共役光を発生する位相共役光発生手段と、
   該位相共役光発生手段から供給された該位相共役光を受け、該位相共役光を伝送する第２の光伝送路とを備え、
   該位相共役光発生手段は、非線形光学媒質と、励起光を出力する励起光源と、該励起光源を駆動する駆動手段と、該励起光源から供給された該励起光を該信号光とともに該非線形光学媒質に供給する信号光／励起光供給手段とを含み、
   前記第１及び第２の光伝送路は複数の光増幅器をそれぞれ備え、
   該信号光は第１の光パルスであり、
   該励起光は第２の光パルスであり、
   該駆動手段は、該第１の光パルスよりクロック成分を抽出し、該抽出されたクロック成分に基づき該励起光源を駆動し、第２の光パルスを出力することを特徴とする光通信システム。
2. 信号光を伝送する第１の光伝送路と、
   該第１の光伝送路から供給された該信号光を受け、該信号光に対する位相共役光を発生する位相共役光発生手段と、
   該位相共役光発生手段から供給された該位相共役光を受け、該位相共役光を伝送する第２の光伝送路とを備え、
   該位相共役光発生手段は、非線形光学媒質と、励起光を出力する励起光源と、該励起光源を駆動する駆動手段と、該励起光源から供給された該励起光を該信号光とともに該非線形光学媒質に供給する信号光／励起光供給手段とを含み、
   前記第１及び第２の光伝送路は複数の光増幅器をそれぞれ備え、
   該信号光は第１の光パルスであり、
   該励起光は第２の光パルスであり、
   該駆動手段は、基準パルスを発生する手段と、該位相共役光を第１及び第２の分岐光に分岐する手段と、該第１の分岐光を受けその平均パワーを検出する手段と、該平均パワーが最大になるように該基準パルスのタイミングを調整し該励起光源に供給する遅延回路とを含み、該遅延回路で調整された該基準パルスに基づき該励起光源を駆動し、該第２の光パルスを出力するとともに、該第２の分岐光を該第２の光伝送路に供給することを特徴とする光通信システム。
3. 請求項１または請求項２記載の光通信システムであって、
   該駆動手段は、該第２の光パルスのパルス幅が該第１の光パルスのパルス幅よりも小さいパルス幅となるように該励起光源を駆動することを特徴とする光通信システム。
4. 該第２の光パルスの符号形式は全オンのＲＺコードであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光通信システム。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光通信システムであって、
   ソリトンパルスを発生するソリトン光源と、
   該ソリトンパルスを該位相共役光発生手段に伝送する第３の伝送路とを更に備え、
   該位相共役光発生手段は該ソリトンパルスを該励起光として用いることを特徴とする光通信システム。
6. 請求項５記載の光通信システムであって、
   該第３の伝送路の途中に光増幅器を更に備えることを特徴とする光通信システム。
7. 該第１の光パルスの符号形式はＮＲＺコードであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光通信システム。
8. 該第１の光パルスの符号形式はＲＺコードであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光通信システム。
9. 請求項１または請求項２に記載の光通信システムであって、
   該第１の光パルスはソリトンパルスであり、
   該位相共役手段から供給された該位相共役光を出力一定増幅後に該第２の光伝送路に出力することを特徴とする光通信システム。
10. 該第１の光伝送路の途中に設けられた複数の光増幅器をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光通信システム。

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