JP4399037B2

JP4399037B2 - 4-wave mixing generator

Info

Publication number: JP4399037B2
Application number: JP03906198A
Authority: JP
Inventors: 鎮一武田; 茂樹渡辺
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1998-02-20
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2018-02-20
Also published as: JPH11238941A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は４光波混合発生器に関し、光通信における信号光の波長変換や位相共役光の発生に適用して好適なるものである。
近年、通信の大容量化に伴い光波長多重信号技術が開発されているが、任意波長の信号光の波長変換を行うことで異なる波長間で信号光を交換することの要求が高まっている。
【０００２】
また、光伝送路における波長分散や自己位相変調（ＳＰＭ：Self-Phase Modulation)の非線形効果は信号光を歪ませて受信信号特性を悪化させるが、歪んだ信号光を位相共役光に変換して再び同じ分散と非線形量の光伝送路を伝搬させることにより、歪みを受ける前の信号光に復元することが可能である。
【０００３】
【従来の技術】
今日、様々な波長変換技術のうち、非縮退４光波混合による方法は、信号光の変調方式に依存せず、また光波長多重信号を一括に波長変換できる等の利点があるため、有望な波長変換技術と考えられている。また４光波混合によって発生する変換光（位相共役光）は、元の信号光の複素共役であることから光伝送路における波長分散と非線形性（ＳＰＭ）の補償に利用することができる。
【０００４】
４光波混合（位相共役光）の発生源としては、分散シフトファイバ（ＤＳＦ）、分布帰還レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）、半導体光アンプ（ＳＯＡ）等が知られているが、これらについては入力の信号光ビームと変換に用いるポンプ光ビームとの偏光軸が一致している必要がある。しかるに、一般的な光ファイバ伝送路は偏波面を保存する能力を有していないため、信号光ビームの偏光状態によって変換光（位相共役光）のレベルは変動してしまう。しかも、何百〜何千ｋｍも伝送された信号光ビームの偏光揺らぎは非常に速いので、外部からの何らかの制御により偏光状態を一定に留める（復元する）ことは非常に困難であり、変換器そのものが原理的に信号光の偏光状態に依存しないことが望まれる。
【０００５】
この点、本件出願人はＤＦＢ−ＬＤを使用した偏光無依存型の位相共役光発生装置を既に提案している（特願平８−８９７３７，特願平８−２２４２８５等）。以下、その内容を図９に従って概説する。
この位相共役光発生装置は、基本的には、入力の信号光ビームをまず互いに直交する偏波成分に分離し、該分離した各偏波成分に基づき夫々にＤＦＢ−ＬＤ内の４光波混合により対応する位相共役光を生成し、該生成した各位相共役光を偏波合成して出力するものである。
【０００６】
具体的に言うと、任意偏波状態にある入力の信号光ビームＥ_sは偏波ビームスプリッタ７ａにより互いに直交する偏波成分Ｅ_s1，Ｅ_s2に偏波分離される。ここで、紙面に平行な振動面を有する偏波を縦偏波、また紙面に垂直な振動面を有する偏波を横偏波と呼ぶことにする。
縦偏波の信号光ビームＥ_s1はキャリアを高注入されたＤＦＢ−ＬＤ２ａ内に供給され、該ＤＦＢ−ＬＤ２ａ内で発生している縦偏波のポンプ光ビームＥ_p1との４光波混合により縦偏波の位相共役光ビームＥ_c1が生成される。この位相共役光ビームＥ_c1は更に１／２波長板３ａで横偏波の位相共役光ビームＥ_c1に変換され、偏波ビームスプリッタ７ｂの一方の入力ポートに至る。
【０００７】
一方、横偏波の信号光ビームＥ_s2はまず１／２波長板３ｂで縦偏波の信号光ビームＥ_s2に変換された後、同じくキャリアを高注入されたＤＦＢ−ＬＤ２ｂ内に供給され、該ＤＦＢ−ＬＤ２ｂ内で発生している縦偏波のポンプ光ビームＥ_p2との４光波混合により縦偏波の位相共役光ビームＥ_c2が生成され、この位相共役光ビームＥ_c2はそのまま偏波ビームスプリッタ７ｂの他方の入力ポートに至る。
【０００８】
そして、各入力ポートの位相共役光ビームＥ_c1，Ｅ_c2は偏波ビームスプリッタ７ｂで偏波合成され、こうして入力の信号光ビームＥ_sの偏波状態に忠実に対応した出力の位相共役光ビームＥ_cが得られる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記既提案の方式によると、予め入力の信号光ビームを偏波分離するために、その後の位相共役光ビームの生成ルートが２系統必要となり、装置構成が複雑となる。また、２系統の変換効率を正確にバランスさせるには、各素子の変換特性及び各光路長を同一にする必要があり、装置の製造や調整が困難となる。
【００１０】
従って、本発明の目的は、簡単な構成により、光伝送路の偏光揺らぎの影響を受けずに、常に安定な４光波混合を発生させることが可能な４光波混合発生器を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は例えば図１の構成により解決される。即ち、本発明（１）の４光波混合発生器は、相対向する第１，第２の端面２Ａ，２Ｂから入射する第１，第２の信号光ビームＥ_s1v，Ｅ_s2vに基づき内部で発生するポンプ光ビームＥ_Pとの４光波混合により前記第２，第１の端面２Ｂ，２Ａから夫々に第１，第２の位相共役光ビームＥ_c1v，Ｅ_c2vを発生する分布帰還レーザダイオード２と、１／４波長板と、ミラーと、を空間の光軸上で光学的に接続する構成を有し、前記第２の端面２Ｂからの出力光ビームＥ_s1v，Ｅ_c1v，Ｅ_s1h は前記１／４波長板を通過し、前記ミラーにより反射されて、再び前記１／４波長板を通過することにより偏波面を９０°回転させて該第２の端面２Ｂに帰還させる偏波面回転手段５０とを備えるものである。
【００１２】
図において、ＤＦＢ−ＬＤ２の第１の端面２Ａに入力する任意偏光状態の信号光ビームＥ_sは、これを互いに直交する縦偏波成分の信号光ビームＥ_s1vと横偏波成分の信号光ビームＥ_s1hとに分けて考えることが可能である。
ＤＦＢ−ＬＤ２の往路において、上記縦偏波成分の信号光ビームＥ_s1vはキャリアを高注入されたＤＦＢ−ＬＤ２内で発生している縦偏波のポンプ光ビームＥ_pとは偏波面が一致するため、４光波混合により対応する縦偏波の位相共役光（変換光）ビームＥ_c1vが生成され、前記縦偏波成分の信号光ビームＥ_s1vと共にＤＦＢ−ＬＤ２の第２の端面２Ｂより出力される。一方、上記横偏波成分の信号光ビームＥ_s1hは縦偏波のポンプ光ビームＥ_pとは偏波面が直行するため、４光波混合には寄与せず、そのままで第２の端面２Ｂより出力される。
【００１３】
そして、これら第２の端面２Ｂからの出力光ビームＥ_s1v，Ｅ_c1v，Ｅ_s1hは偏波面回転手段５０（例えば、１／４波長板と、ミラーと、を空間の光軸上で光学的に接続した構成）により夫々の偏波面を９０°回転され、ＤＦＢ−ＬＤ２の第２の端面２Ｂに入力する。この時、上記縦偏波成分の信号光ビームＥ_s1v及び縦偏波の位相共役光ビームＥ_c1vは夫々横偏波成分の信号光ビームＥ_s2h及び横偏波の位相共役光ビームＥ_c2hとなっており、かつ上記横偏波成分の信号光ビームＥ_s1hは縦偏波成分の信号光ビームＥ_s2vとなっている。
【００１４】
その結果、ＤＦＢ−ＬＤ２の復路では、入力の縦偏波成分の信号光ビームＥ_s2vは縦偏波のポンプ光ビームＥ_pとは偏波面が一致するため、４光波混合により対応する縦偏波の位相共役光（変換光）ビームＥ_c2vが生成され、前記縦偏波成分の信号光ビームＥ_s2vと共にＤＦＢ−ＬＤ２の第１の端面２Ａより出力される。一方、入力の横偏波成分の信号光ビームＥ_s2h及び横偏波の位相共役光ビームＥ_c2hは縦偏波のポンプ光ビームＥ_pとは偏波面が直行するため、４光波混合には寄与せず、そのままで第１の端面２Ａより出力される。この時、ＤＦＢ−ＬＤ２の復路で発生した縦偏波の位相共役光ビームＥ_c2vは、先にＤＦＢ−ＬＤ２の往路で生成され、かつ同一の光路長を並進してきた横偏波の位相共役光ビームＥ_c2hと同位相で偏波合成され、こうしてＤＦＢ−ＬＤ２の第１の端面２Ａからは入力の任意偏波状態の信号光ビームＥ_sに忠実に対応した出力の位相共役光ビームＥ_cが出力される。
【００１５】
上記本発明（１）によれば、予め入力の信号光ビームを偏波分離しない構成により、その後の位相共役光ビームの生成ルートは１系統あれば良く、装置構成が簡単となる。また、１系統の変換特性は均一である上、光路長は互いに並進する信号光ビームと位相共役光ビームとについて同一であるから、位相共役光ビームＥ_c2hとＥ_c2vとは同一位相で偏波合成される。従って、常に入力の任意偏波状態の信号光ビームＥ_sに忠実に対応する出力の位相共役光ビームＥ_cが容易に得られ、装置の製造や調整が容易となる。また、空間上に１／４波長板とミラーとからなる光学系を配置し、光学的に接続する構成を採用していることにより、偏波ビームスプリッタ、光カブラ、光ファイバなどの光学部品を減らすことができるので偏光の揺らぎの発生を小さくすることができる。
【００１６】
好ましくは、本発明（２）においては、上記本発明（１）において、第１乃至第３のポートａ〜ｃを有する光サーキュレータ１を更に備え、前記何れか一つのポートを分布帰還レーザダイオード２の第１の端面２Ａに光学的に接続したものである。従って、入力の信号光ビームＥ_sより出力の位相共役光（変換光）ビームＥ_cを容易に分離・抽出できる。
【００１７】
好ましくは、分布帰還レーザダイオード２は、その実質的な中央部に１／４波長の位相シフト構造を有する回折格子と、活性層にキャリアを高注入するための複数の電極であって前記回折格子の方向に分割されたものとを備え、かつ外部より前記複数の電極に供給する各電流を可変可能に構成したものである。
【００１８】
ところで、ＤＦＢ−ＬＤ２で生成される位相共役光（変換光）ビームの強度はポンプ光ビームＥ_pの強度の２乗に比例することが知られている。この場合に、もしＤＦＢ−ＬＤ２内で励起されるポンプ光ビームＥ_pのパワーが往路と復路とで異なる様な場合は、両方向の変換効率に差を生じ、出力の位相共役光（変換光）ビームＥ_cのレベルが入力の信号光ビームＥ_sの偏光状態に依存してしまうことになる。
【００１９】
又は、ポンプ光ビームＥ_pのパワーが往路と復路とで同一であっても、入力される信号光ビームＥ_Sの内のＤＦＢ−ＬＤ２と等しい軸の成分は４光波混合を起こしてから直交してＤＦＢ−ＬＤ２を通過して出力されるのに対し、ＤＦＢ−ＬＤ２の軸と直交している成分は、ＤＦＢ−ＬＤ２を通過してから４光波混合を発生させるので、変換光ビームの発生過程が異なり、変換効率に差が生じるかもしれない。
【００２０】
そこで、外部よりＤＦＢ−ＬＤ２の複数の電極に供給する各電流を可変可能に構成すると共に、必要ならポンプ光ビームＥ_pの往路と復路の強度（チップキャリアの分布密度）を微調整し、変換効率のアンバランスを解消する。
また好ましくは、本発明（３）においては、上記本発明（１）において、分布帰還レーザダイオード１と偏波面回転手段５０との間にポンプ光ビームＥ_pを除去するための帯域除去光フィルタを更に備える。
【００２１】
ＤＦＢ−ＬＤ２の第２の端面２Ｂより射出された縦偏波のポンプ光ビームＥ_pはその復路で横偏波のポンプ光ビームＥ_pとなっているため、復路での位相共役光ビームの発生には寄与しない。一方、光通信システムでは、光サーキュレータ１のポートｃより出力される光ビームの中から位相共役光ビームＥ_cのみを取り出して送信することが行われ、このために位相共役光ビームＥ_cを抽出するための帯域通過光フィルタが設けられる。この時、本発明（３）によれば、先にＤＦＢ−ＬＤ２の第２の端面２Ｂより射出されたポンプ光ビームＥ_pは予め帯域除去光フィルタにより除去されるため、出力の帯域通過光フィルタにかかる負担を大幅に軽減できる。
【００２２】
また好ましくは、偏波面回転手段５０は、例えば図４（Ａ）に示す如く、分布帰還レーザダイオード１の主面（ポンプ光ビームＥ_pの振動面）に対して４５°傾いた直交位相差光学軸を有する１／４波長板３と、前記１／４波長板３からの出射光ビームを該１／４波長板３の側に反射させるミラー４とを備えるものである。
【００２３】
これによりＤＦＢ−ＬＤ２の第２の端面２Ｂより射出された光ビーム（図１のＥ_s1v，Ｅ_c1v，Ｅ_s1h等）は、１／４波長板３を往復する際に夫々の直交偏波成分間にトータルで１／２波長分の位相差が加えられ、夫々に偏波面が９０°回転する。また１／４波長板３とミラー４とからなる構造は構造簡単であると共に、装置を高精度かつ安定に構成できる。
【００２４】
また好ましくは、偏波面回転手段５０は、例えば図６（Ａ）に示す如く、第１乃至第３のポートａ〜ｃを有する偏波ビームスプリッタ７であって、分布帰還レーザダイオード２の第２の端面２Ｂより前記第１のポートａに入力する光ビームを互いに直行する第１，第２の偏波成分Ｅ_S1，Ｅ_S1’等に偏波分離して夫々を前記第２，第３のポートｂ，ｃに出力すると共に、該第２，第３の各ポートｂ，ｃに入力する前記第１，第２の偏波成分と夫々に同じ偏波面を有する第３，第４の偏波成分Ｅ_S2’，Ｅ_S2等を偏波合成して前記第１のポートａに出力するものと、前記第２，第３の各ポート間に光学的（光軸）に介在し、かつ前記偏波ビームスプリッタ７の主面に対して４５°傾いた直交位相差光学軸を有する１／２波長板８とを備えるものである。
【００２５】
これにより、ＤＦＢ−ＬＤ２の第２の端面２Ｂより射出された各光ビームの内の偏波ビームスプリッタ７で偏波分離された縦偏波成分は１／２波長板８で横偏波成分に変換されて後、偏波ビームスプリッタ７を介して第２の端面２Ｂの側に帰還され、かつ上記偏波ビームスプリッタ７で偏波分離された横偏波成分は１／２波長板８で縦偏波成分に変換されて後、偏波ビームスプリッタ７を介して第２の端面２Ｂの側に帰還される。この場合に、各偏波成分は同一光路長を通過するため、互いの位相同期が維持される。
【００２６】
また好ましくは、偏波面回転手段５０は、例えば図８（Ａ）に示す如く、第１乃至第３のポートａ〜ｃを有する偏波ビームスプリッタ７であって、分布帰還レーザダイオード２の第２の端面２Ｂより前記第１のポートａに入力する光ビームを互いに直行する第１，第２の偏波成分Ｅ_S1，Ｅ_S1’等に偏波分離して夫々を前記第２，第３のポートｂ，ｃに出力すると共に、該第２，第３の各ポートｂ，ｃに入力する前記第１，第２の偏波成分と夫々に同じ偏波面を有する第３，第４の偏波成分Ｅ_S2’，Ｅ_S2等を偏波合成して前記第１のポートａに出力するものと、前記第２，第３のポートｂ，ｃ間に光学的に介在し、かつ該区間における光ビームの偏波面を９０°回転させるように設けられた偏波面保存ファイバ９とを備えるものである。従って、簡単な構造により偏波面を９０°回転できる。
【００２７】
また好ましくは、偏波面保存ファイバ９は分散シフトファイバである。上記の如く分散シフトファイバ（ＤＳＦ）は４光波混合（位相共役光）の発生源として使用されるが、図示の如く、偏波ビームスプリッタ７の第２，第３のポートｂ，ｃ間に偏波面保存型の適当な長さの分散シフトファイバ９を接続すると、ＤＦＢ−ＬＤ２の第２の端面２Ｂより出力された縦偏波成分の信号光ビームＥ_s1及び縦偏波のポンプ光ビームＥ_Pが、分散シフトファイバ９中を通過する際の４光波混合により、新たに位相共役光ビームＥ_c1を生成させ、これにより先に生成された位相共役光ビームＥ_c1のパワーが増強される。
【００２８】
従って、ＤＦＢ−ＬＤ２の往路で先に生成され、かつ後の偏波面回転手段５０でロスされる様な位相共役光ビームＥ_c1の強度減衰分を有効に補償できる。
なお、必要なら分散シフトファイバ９をより長くすることにより、ファイバ内部で生成される位相共役光ビームＥ_c1のパワーを更に増強しても良い。この場合は、同時にＤＦＢ−ＬＤ２に加える電流を調整して復路で生成される位相共役光ビームＥ_c2vの強度を増強（バランス）させることにより、位相共役光ビームＥ_cのトータルの変換効率を更に高めることが可能である。
【００２９】
また好ましくは、偏波面回転手段５０は、その光路上に半導体光増幅器を備える。この半導体光光増幅器（ＳＯＡ）は上記分散シフトファイバ９の場合と同様に４光波混合（位相共役光）の発生源として利用できる。又は半導体光光増幅器へのキャリアの高注入により単に特定の波長の光ビーム（例えば位相共役光ビームＥ_c1v）の強度を増幅するものとして使用しても良い。
【００３０】
また好ましくは、偏波面回転手段５０は、分布帰還レーザダイオード２から出力されるポンプ光ビームＥ_pと信号光ビームＥ_s1vとの４光波混合により位相共役光ビームＥ_c1vを生成させる分散シフトファイバを備えるものである。例えば図５（Ｂ），図７（Ｂ）に示す如く、偏波面回転手段５０の光路の一部に分散シフトファイバ（ＤＳＦ）１０を挿入することで位相共役光ビーム（図１のＥ_c1vに相当）のパワーを増強できる。
【００３１】
また好ましくは、分散シフトファイバ１０は、位相共役光ビームを生成させるための非線形効果が増すように、そのコア径が通常より小さくされている。
また好ましくは、例えば図７（Ｂ）に示す如く、分散シフトファイバ１０と直列に偏光制御器１２を挿入したものである。
【００３２】
分散シフトファイバ１０がある程度（２０ｋｍ程度に）長くなると、この区間で偏波面が揺らぐ場合も生じ得るが、本発明（１２）によれば、分散シフトファイバ１０と直列に偏光制御器１２を挿入する構成により、偏波面を一定とするように制御可能となる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に従って本発明に好適なる複数の実施の形態を詳細に説明する。なお、全図を通して同一符号は同一又は相当部分を示すものとする。
まず、図２，図３に従い本発明に利用可能な一例の分布帰還（ＤＦＢ：Distributed FeedBack)レーザダイオードにつき説明する。図２（Ａ）はＤＦＢレーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）２の一部破断斜視図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のａ−ａ断面図である。
【００３４】
図２（Ａ），（Ｂ）において、ｎ−ＩｎＰ基板２１の表面にはｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層２２が形成され、これらの接合面には、膜厚が光進行方向に周期的に変化する様な波形の回折格子（グレーティング）２３が形成されている。回折格子２３は、その実質的な中央部２３ｃで周期をλ／４（λ：導波構造内の光の波長）だけずらした位相シフト構造を備える。
【００３５】
上記ガイド層２２の上にはアンドープト多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層２４が形成され、更に活性層２４の上にはｐ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層２５及びｐ−ＩｎＰ層２６がこの順に形成されている。ここで、ＭＱＷ活性層２４は、膜厚７ｎｍのＩｎ_x'Ｇａ_1-x'Ａｓ（ｘ’＝０．５３２）井戸層と膜厚１０ｎｍのＧａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-y（ｘ＝０．２８３，ｙ＝０．６１１）障壁層とが交互に５層づつ積層されて構成されている。
【００３６】
上記ｐ−ＩｎＰ層２６からｎ−ＩｎＰ基板２１の上部までは下に凸状にパターニングされており、その平面形状は光の進行方向に伸びたストライプ形状となっている。また、ｎ−ＩｎＰ基板２１における前記ストライプ形状の凸部の両側にはｐ−ＩｎＰ層２７及びｎ−ＩｎＰ層２８がこの順に形成され、更にまた、最上のｐ−ＩｎＰ層２６及びｎ−ＩｎＰ層２８の上にはｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層２９が形成されている。そして、ｎ−ＩｎＰ基板２１の下面にはｎ側電極３０が形成され、かつｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層２９の上面には３つに分割されたｐ側電極３１ａ〜３１ｃが夫々形成されている。
【００３７】
更に、ＤＦＢ−ＬＤ２の両端面（第１，第２の励振端）２Ａ，２Ｂには、少なくとも位相共役光（及び信号光）を透過させるための無反射膜３２がコーティングされている。この様なＤＦＢ−ＬＤ２の共振器長は例えば９００μｍ、中央のｐ側電極３１ｂの長さは例えば約５８０μｍ、両端のｐ側電極３１ａ，３１ｃの長さは夫々に例えば約１６０μｍとなっている。
【００３８】
図２（Ｂ）において、ＤＦＢ−ＬＤ２のｐ側電極３１ａ〜３１ｃよりＭＱＷ活性層２４を介してｎ側電極３０に駆動電流を流すことにより、該ＭＱＷ活性層２４において波長１５４９ｎｍの光を出力４０ｍＷで連続発振させる。この場合に、ｐ側電極３１ａ〜３１ｃには例えば４００ｍＡの電流を流す。発振光は、２つの回折格子２３によりＤＦＢ−ＬＤ２の内部に強く閉じ込められる結果、単一モードで、利得帯域幅の狭い、安定したスペクトルが得られ、この発振光を４光波混合のためのポンプ光ω_pとして使用可能である。また、ＤＦＢ−ＬＤ２の両端面を無反射コートすることにより、発振光と異なる波長の光はレーザ内部で反射されることなく通過する。
【００３９】
この状態で、第１の励振端（端面）２Ａよりプローブ光（信号光）ω_sを供給すると、非縮退４光波混合により、第２の励振端（端面）２Ｂからはプローブ光ω_sと、一部のポンプ光ω_pと、位相共役光ω_cとが出力される。ここで、非縮退とは、プローブ光とポンプ光の波長が異なると言う意味で用いられる。また、位相共役光ω_cの強度はポンプ光ω_pの強度の２乗に比例する。
【００４０】
図３に非縮退４光波混合によるＤＦＢ−ＬＤ２の出力光のスペクトルを示す。プローブ光の角周波数をω_s、ポンプ光の角周波数をω_p、位相共役光の角周波数をω_cとすると、これらの間には次式の関係があることが知られている。
ω_c＝２ω_p−ω_s
従って、プローブ光（信号光）ω_sから位相共役光ω_cへの光周波数変換（波長変換）が可能となる。
【００４１】
また、３つのｐ側電極３１ａ〜３１ｃに流す電流の大きさを相違させることにより、ＤＦＢ−ＬＤ２の単一の発振モードがシフトすることが知られている。駆動回路４０により、例えば両端のｐ側電極３１ａ，３１ｃに注入する電流を一定に保持し、かつ中央のＰ側電極３１ｂに注入する電流を増すと、発振波長が長波長側にシフトする。従って、ポンプ光ω_pの波長を自由に可変でき、これに伴い位相共役光ω_cの波長も自由に可変できる。従って、波長分割多重光通信において各チャネルの光信号を所望に波長変換できる。
【００４２】
なお、３つのｐ側電極３１ａ〜３１ｃに流す各電流の大きさ（即ち、ＤＦＢ−ＬＤ２内のキャリア密度分布）を適当な相違をもって微調整することにより、第１の端面２Ａから第２の端面２Ｂに進行するポンプ光ω_pの強度と、第２の端面２Ｂから第１の端面２Ａに進行するポンプ光ω_pの強度とを相違させることも可能である。
【００４３】
また、この様なＤＦＢ−ＬＤ２により生成される位相共役光ω_cは、入力のプローブ光（信号光）ω_sの複素共役であることから、光伝送路における波長分散や光カー効果による自己位相変調（ＳＰＭ：Self-Phase Modulation)からなる非線形性の補償に利用可能となる。
図４，図５は第１の実施の形態による４光波混合発生器を説明する図（１），（２）であり、図４（Ａ）は４光波混合発生器の構成を示している。
【００４４】
図において、１は光サーキュレータ、２はＢＦＢレーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）、３は１／４波長板、４はミラー、５は位相共役光を通過させるための帯域通過光フィルタ（ＢＰＦ）、４０はＤＦＢ−ＬＤ２に電流を供給する駆動回路である。上記各デバイスの間は適当な光学系（光ファイバ，光導波路，レンズ，空間等）により光軸上で接続されている。ここで、１／４波長板３とミラー４とからなる構成は図１の偏波面回転手段５０に相当する。
【００４５】
駆動回路４０よりＤＦＢ−ＬＤ２にキャリアが高注入され、内部ではポンプ光ビームＥ_pが発生している。ポンプ光ビームＥ_pは紙面と平行な方向（縦方向）に振動しており、以下、この方向をＤＦＢ−ＬＤ２の軸とも呼ぶ。この状態で、入力の任意偏波状態の信号光ビームＥ_sは光サーキュレータ１の端子（ポート）ａに入力し、かつ端子ｂより出力し、ＤＦＢ−ＬＤ２の第１の端面２Ａに入力する。この信号光ビームＥ_sは、例えば長い光伝送路を伝送されたことにより任意方向に偏波しているが、これを紙面に平行な縦偏波成分と、紙面に垂直なを横偏波成分とに分解して考えることが可能である。
【００４６】
こうしてＤＦＢ−ＬＤ２の端面２Ａに入力した信号光ビームＥ_sは、ＤＦＢ−ＬＤ２の軸と一致した縦偏波成分Ｅ_s1がポンプ光ビームＥ_pとの４光波混合に寄与し、ＤＦＢ−ＬＤ２の端面２Ｂからは入力の信号光ビームＥ_s（Ｅ_s1，Ｅ_s1´）と、漏れ出したポンプ光ビームＥ_p1と、ＤＦＢ−ＬＤ２内で生成された位相共役光ビームＥ_c1とが出力される。
【００４７】
ここで、今、注目するのは位相共役光ビームＥ_c1と信号光ビームＥ_sとであり、この内の位相共役光ビームＥ_c1はＤＦＢ−ＬＤ２の軸と平行に偏波している。また信号光ビームＥ_sにはＤＦＢ−ＬＤ２内における４光波混合に寄与した縦偏波成分Ｅ_s1と４光波混合に寄与しなかった横偏波成分Ｅ_s1´とが含まれる。
図４（Ｂ）〜図４（Ｅ）はＤＦＢ−ＬＤ２の第２の端面２Ｂからミラー４の側を見た場合の各光波の偏波の状態を示しており、図４（Ｂ）は１／４波長板３を通過前の偏波の状態を示している。
【００４８】
図において、１／４波長板３はその屈折率の異なる直交軸ｘ，ｙがＤＦＢ−ＬＤ２の軸と丁度４５°傾く様に設けられている。ここで、例えばｘ軸は屈折率が大きい方の光学軸で、遅い軸（slow axis)とも呼ばれ、またｙ軸は屈折率が小さい方の光学軸で、速い軸（fast axis)とも呼ばれる。この様な配置では１／４波長板３に入射した縦偏波の位相共役光ビームＥ_c1は、実質的にｘ軸とｙ軸の各偏波成分に２分割されて進行し、かつ１／４波長板３を通過した時点ではｙ軸の成分がｘ軸の成分よりもπ／２だけ位相が進んでいる。その結果、１／４波長板３の出力の位相共役光ビームＥ_c2は円偏波となる。
【００４９】
図４（Ｃ）は１／４波長板３を通過後の偏波の状態を示している。
図において、位相共役光ビームＥ_c2は、これをその矢印に向かう方向から見ると、左回転の円偏波（実線で示す）となっている。但し、図は第２の端面２Ｂからミラー４の側を見た場合を示すため右回転となっている。以下も同様である。また、この時、信号光ビームＥ_sの内の上記４光波混合に寄与した縦偏波成分Ｅ_s1についても上記と同様のことが起こっており、同様に左回転の円偏波Ｅ_s2となっている。一方、信号光ビームＥ_sの内の４光波混合に寄与しなかった横偏波成分Ｅ_s1´は１／４波長板３を通過した後、右回転の円偏波（破線で示す）Ｅ_s2´となってる。
【００５０】
図４（Ｄ）はミラー４で反射後の偏波の状態を示している。
上記各円偏波Ｅ_c2，Ｅ_s2，Ｅ_s2´は光軸に対して垂直に設けられたミラー４により逆方向に反射され、夫々の回転方向を保持したままの円偏波Ｅ_c3，Ｅ_s3，Ｅ_s3´となって１／４波長板３の側に戻る。但し、反射によりビームの進行方向が逆転するため、Ｅ_c3，Ｅ_s3は右回転の円偏波、Ｅ_s3´は左回転の円偏波となる。
【００５１】
図４（Ｅ）は再度１／４波長板３を通過後の偏波の状態を示している。
上記右回りの円偏波Ｅ_c3，Ｅ_s3については、復路の１／４波長板３によりｙ軸成分がｘ軸成分よりも更にπ／２だけ位相が進む結果、トータルの位相差はπとなり、ＤＦＢ−ＬＤ２の軸に垂直な横偏波成分Ｅ_c4，Ｅ_s4となる。一方、左回りの円偏波Ｅ_s3´はＤＦＢ−ＬＤ２の軸に平行な縦偏波成分Ｅ_s4´となり、これらの各直線偏波成分Ｅ_c4，Ｅ_s4，Ｅ_s4´はＤＦＢ−ＬＤ２の端面２Ｂに入射する。この場合に、ＤＦＢ−ＬＤ２においては、その構造の対称性により、上記ＤＦＢ−ＬＤ２の往路で起こった４光波混合と同様の４光波混合がＤＦＢ−ＬＤ２の復路でも起こる。但し、上記往路で発生した位相共役光ビームＥ_c1及び信号光ビームＥ_sの内の４光波混合に寄与した縦偏波成分Ｅ_s1はＤＦＢ−ＬＤ２の復路ではＤＦＢ−ＬＤ２の軸に垂直な横偏波成分Ｅ_c4，Ｅ_s4となっており、これらはそのままで端面２Ａの側に出力される。
【００５２】
一方、入力の信号光ビームＥ_sの内の上記往路で４光波混合に寄与しなかった横偏波成分Ｅ_s1´はＤＦＢ−ＬＤ２の復路ではＤＦＢ−ＬＤ２の軸に平行な縦偏波成分Ｅ_s4´となっており、ＤＦＢ−ＬＤ内で逆向きに発生している励起光をポンプ光ビームとして４光波混合を発生させる。その結果、ＤＦＢ−ＬＤ２の復路では信号光ビームの縦偏波成分Ｅ_s4´とポンプ光ビームＥ_pとの４光波混合により新たに位相共役光ビームＥ_c4´が生成され、これがＤＦＢ−ＬＤ２内を同方向に進む位相共役光ビームＥ_c4に偏波合成される。
【００５３】
この様に、信号光ビームＥ_sの直交するいずれの偏光成分も、ＤＦＢ−ＬＤ２内で双方向に発生する励起光Ｅ_pを利用して４光波混合を発生させるので、光サーキュレータ１から取り出される変換光ビームＥ_Cのレベルは、伝送路の偏光揺らぎの影響を受けない。また、上記ＤＦＢ−ＬＤ２の往路で先に生成された位相共役光ビームＥ_c1と、ＤＦＢ−ＬＤ２の復路で位相共役光ビームＥ_c4を生成させる信号光ビームの縦偏波成分Ｅ_s4´とは、共に同一の光路を進行してきたために位相が合っており、よって通過する位相共役光ビームＥ_c4と新たに生成される位相共役光ビームＥ_c4´とは同一位相で偏波合成される。
【００５４】
更に、ＤＦＢ−ＬＤ２の端面２Ａから出力される光ビームには後段の光通信には不用な信号光ビームＥ_sやポンプ光ビームＥ_pが含まれるため、帯域通過光フィルタ５により位相共役光ビームＥ_cのみを抽出し、出力に提供する。
なお、上記ＤＦＢ−ＬＤ２で生成される位相共役光ビームの強度はポンプ光ビームＥ_pの強度の２乗に比例する。この場合に、もしＤＦＢ−ＬＤ２内で励起されるポンプ光ビームＥ_pのパワーが往路と復路とで異なる様な場合は、両方向の変換効率に差を生じ、出力の位相共役光ビームＥ_cのレベルが入力の信号光ビームＥ_sの偏光状態に依存してしまう。又は、ポンプ光ビームＥ_pのパワーが往路と復路とで同一であっても、入力される信号光ビームＥ_Sの内のＤＦＢ−ＬＤ２と等しい軸の成分は４光波混合を起こしてから直交してＤＦＢ−ＬＤ２を通過して出力されるのに対し、ＤＦＢ−ＬＤ２の軸と直交している成分は、ＤＦＢ−ＬＤ２を通過してから４光波混合を発生させるので、両位相共役光ビームＥ_pの発生過程が異なり、変換効率に差が生じるかもしれない。
【００５５】
そこで、この駆動回路４０は３つの電極３１ａ〜３１ｃに供給する各電流Ｉａ〜Ｉｃを夫々可変に構成されており、必要ならポンプ光ビームＥ_pの往路と復路の強度（チップキャリアの分布密度）を微調整し、変換効率のアンバランスを解消できる様になっている。
また、入力の信号光ビームＥ_sの波長が変わった様な場合には、ＤＦＢ−ＬＤ２を通過する際の損失や変換効率が波長によって相違するため、直交する偏光成分の変換効率が異なって、出力の変換光ビームＥ_cが入力の信号光Ｅ_sの偏光状態に依存してしまう可能性がある。そこで、本第１の実施の形態では入力の信号光Ｅ_s又は出力の変換光Ｅ_cの波長、又は出力の変換光Ｅ_cのレベルをモニタすることにより、これらの変化に起因する上記偏光依存性がなくなるように、ＤＦＢ−ＬＤ２内のチップキャリアを自動制御する制御部６０を備えている。
【００５６】
この場合に、上記入力の信号光Ｅ_s又は出力の変換光Ｅ_cの波長、又は出力の変換光Ｅ_cのレベルとＤＦＢ−ＬＤ２内のチップキャリア（即ち、駆動電流Ｉａ〜Ｉｃ）との関係は複雑となるため、予め実験又はシミュレーションにより両者の関係を統計的に求め、得られた関係を不図示のＲＯＭ等に記憶しておく。
なお、上記の駆動回路４０、更には制御部６０を備える構成は以下の各実施の形態にも適用可能である。
【００５７】
図５（Ａ）はＤＦＢ−ＬＤ２と１／４波長板３との間にポンプ光ビームＥ_pを除去するための帯域除去光フィルタ（ＢＳＦ）６を付加した場合を示している。
上記ＤＦＢ−ＬＤ２の往路でその端面２Ｂより射出されたポンプ光ビームＥ_pは、１／４波長板３及びミラー４を介してＤＦＢ−ＬＤ２の復路に戻った時点では該ＤＦＢ−ＬＤ２の軸に垂直であるため、復路での４光波混合には寄与しない。即ち、不要である。一方、ＤＦＢ−ＬＤ２の復路に戻ったポンプ光ビームＥ_pをそのまま通過させると、これがＤＦＢ−ＬＤ２の端面２Ａより新たに射出されたポンプ光ビームＥ_pと合波される結果、帯域通過光フィルタ５における不要波（ポンプ光ビームＥ_p等）の除去負担が大きくなる。
【００５８】
そこで、ＤＦＢ−ＬＤ２と１／４波長板３との間にポンプ光ビームＥ_pを除去するための帯域除去光フィルタ６を挿入し、ＤＦＢ−ＬＤ２の端面２Ｂから先に射出されたポンプ光ビームＥ_pを除去するようにしている。従って、帯域通過光フィルタ５の不用波除去負担が軽減される。
図５（Ｂ）はＤＦＢ−ＬＤ２と１／４波長板３との間に光増幅器（ＯＡ）１３を付加した場合を示している。
【００５９】
上記変換効率のアンバランスを解消する一方法として、ＤＦＢ−ＬＤ２内のキャリア分布密度を調整する場合を述べたが、ＤＦＢ−ＬＤ２の端面２Ｂの側に光増幅器１３を挿入することによっても変換効率のアンバランスを解消できる。光増幅器１３としては、例えば分散シフトファイバ（ＤＳＦ）１０又は半導体光増幅器（ＳＯＡ）１１等を使用できる。
【００６０】
分散シフトファイバ（ＤＳＦ）１０を使用する場合は、ＤＦＢ−ＬＤ２の往路で生成された位相共役光ビームＥ_c1は、分散シフトファイバ１０における往路と復路とで共に並進するポンプ光ビームＥ_pとの４光波混合により新たな位相共役光ビームＥ_c1，Ｅ_c4を生成させる。
また一つの半導体光増幅器１１を使用する場合は、該半導体光増幅器１１の往路（又は復路）において、上記分散シフトファイバ１０の場合と同様に、新たに４光波混合を発生させ、又は既に生成された位相共役光ビームＥ_c1又はＥ_c4を光増幅できる。。
【００６１】
更には、上記光増幅器１３のゲインを上げることで、位相共役光ビームの変換効率を更に上げることも可能である。但し、ここで増幅されるのはＤＦＢ−ＬＤ２の往路で生成された位相共役光ビームＥ_c1であるから、これにＤＦＢ−ＬＤ２の復路で生成される位相共役光ビームの強度をバランスさせる必要がある。この方法としては、上記ＤＦＢ−ＬＤ２内のキャリア分布をアンバランスさせる方法、又は光サーキュレータ１の端子ｃの側に光増幅器１３を更に挿入することにより、ＤＦＢ−ＬＤ２の復路で生成される位相共役光ビームの強度を増幅することが考えられる。
【００６２】
図６，図７は第２の実施の形態による４光波混合発生器を説明する図（１），（２）であり、図２（Ａ）は第２の実施の形態による基本的な４光波混合発生器の構成を示している。図において、７は偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、８は１／２波長板である。
ＤＦＢ−ＬＤ２の側における動作は上記と同様で良い。また、この構成ではＤＦＢ−ＬＤ２の軸と偏波ビームスプリッタ７の偏波軸との関係は任意で良いが、１／２波長板８の軸は偏波ビームスプリッタ７の偏波軸に対して４５°傾いている必要がある。
【００６３】
今、説明の簡単のために、ＤＦＢ−ＬＤ２の軸と偏波ビームスプリッタ７の軸は平行（又は垂直）と仮定し、かつ１／２波長板８の軸は偏波ビームスプリッタ７の偏波軸に対して４５°傾いている場合を説明する。偏偏波ビームスプリッタ７の端子ａに入力する光ビームＥ_s1，Ｅ_s1´，Ｅ_c1に着目すると、ＤＦＢ−ＬＤ２の往路において既に４光波混合に寄与した縦偏波成分の信号光ビームＥ_s1及び位相共役光ビームＥ_c1は偏波ビームスプリッタ７の端子ｂからそのまま出力されて縦偏波成分のＥ_s1，Ｅ_c1となり、１／２波長板８に至る｛同図（Ｂ）参照｝。これらの各縦偏波成分Ｅ_s1，Ｅ_c1は１／２波長板８で偏波面が９０°回転され、横偏波成分のＥ_s2，Ｅ_c2となって偏波ビームスプリッタ７の端子ｃに至る｛同図（Ｃ）参照｝。
【００６４】
一方、上記ＤＦＢ−ＬＤ２の往路において４光波混合に寄与しなかった横偏波成分の信号光ビームＥ_s1´は偏波ビームスプリッタ７の端子ｃからそのまま出力されて横偏波成分のＥ_s1´となり、１／２波長板８に至る｛同図（Ｄ）参照｝。この横偏波成分Ｅ_s1´は１／２波長板８で偏波面が９０°回転され、縦偏波成分のＥ_s2´となって偏波ビームスプリッタ７の端子ｂに至る｛同図（Ｅ）参照｝。更に、偏波ビームスプリッタ７では端子ｂからの縦偏波Ｅ_s2´と端子ｃからの横偏波Ｅ_s2，Ｅ_c2とが偏波合成され、最終的にＤＦＢ−ＬＤ２の端面２Ｂに入力する。
【００６５】
そして、ＤＦＢ−ＬＤ２の復路では、ＤＦＢ−ＬＤ２の軸と平行な縦偏波成分の信号光ビームＥ_s2´はポンプ光ビームＥ_pとの４光波混合により新たに縦偏波の位相共役ビームを発生させるが、ＤＦＢ−ＬＤ２の軸と垂直な横偏波の信号光ビームＥ_s2及び位相共役光ビームＥ_s2はＤＦＢ−ＬＤ２内をそのまま通過する。従って、入力の任意偏波状態の信号光ビームＥ_sに忠実に対応した出力の位相共役光ビームＥ_cが得られる。
【００６６】
次に、図示しないが、偏波ビームスプリッタ７の偏波軸がＤＦＢ−ＬＤ２の軸から任意角度傾いており、かつ１／２波長板８の軸が偏波ビームスプリッタ７の軸から４５°傾いている場合を説明する。位相共役光ビームＥ_c1に着目すると、該ビームＥ_c1はＤＦＢ−ＬＤ２の軸に対して任意角度傾いた偏波ビームスプリッタ７により互いに直交する偏波成分Ｅ_c1a，Ｅ_c1bに分離される。Ｅ_c1aは偏波ビームスプリッタ７に対して４５°傾いた軸を有する１／２波長板８によりその偏波面が９０°回転されて偏波ビームスプリッタ７の端子ｂに至り、またＥ_c1bは同じく１／２波長板８によりその偏波面が９０°回転（上記と逆方向）されて偏波ビームスプリッタ７の端子ｃに至る。両者は偏波ビームスプリッタ７で合波され、最終的に横偏波の位相共役光ビームＥ_c2となってＤＦＢ−ＬＤ２の端面２Ｂに入力する。信号光ビームＥ_s1についても同様である。一方、信号光ビームＥ_s1´は最終的に縦偏波の信号光ビームＥ_s2´となってＤＦＢ−ＬＤ２の端面２Ｂに入力する。
【００６７】
この後者について、上記偏波ビームスプリッタ７の軸がＤＦＢ−ＬＤ２の軸と平行（又は垂直）の場合と異なる点は、前者の場合は位相共役光ビームＥ_c1の全てが１／２波長板８を含む経路を一方向に進行するのに対して、後者の場合は位相共役光ビームＥ_c1の直交成分Ｅ_c1a，Ｅ_c1bが１／２波長板８を含む経路を互いに逆方向に進行することである。ここで、直交成分Ｅ_c1a，Ｅ_c1bの分岐比は偏波ビームスプリッタ７とＤＦＢ−ＬＤ２との任意傾き角度によって決まり、傾き角が４５°の場合は１：１となる。
【００６８】
なお、上記いずれの場合も、後述の如く、更にこの経路に光増幅器１３を挿入する構成により、変換光発生効率の更なる向上が図れる。
図７（Ａ）は偏光ビームスプリッタ７の経路に半導体光増幅器（ＳＯＡ）１１を備える場合を示している。ここでは、偏波ビームスプリッタ７の偏波軸はＤＦＢ−ＬＤ２の軸に対して４５°傾いており、また１／２波長板８は偏光ビームスプリッタ７の偏波軸に対して４５°傾いている。また、半導体光増幅器１１における両方向の変換光発生効率を等しくするために、半導体光増幅器１１に偏波依存性の無い素子を用いる。
【００６９】
図７（Ｂ）は偏光ビームスプリッタ７の経路に分散シフトファイバ（ＤＳＦ）１０を備える場合を示している。ここでも、偏波ビームスプリッタ７の偏波軸はＤＦＢ−ＬＤ２の軸に対して４５°傾いており、また１／２波長板８は偏光ビームスプリッタ７の偏波軸に対して４５°傾いている。その結果、ＤＳＦ１０ではＰＢＳ７で分離された信号光ビームＥ_s1a，Ｅ_s1bとポンプ光ビームＥ_p1a，Ｅ_p1bとがそれぞれ両端から入射されて４光波混合を発生させる。また帯域の広い変換特性を得るためには、ＤＦＢ−ＬＤ２の発振波長とＤＳＦ１０の零分散波長とが等しいことが望まれる。
【００７０】
また好ましくは、このＤＳＦ１０は、通常のＤＳＦよりもそのコア半径を小さくし、更には該コアにゲルマニウムを添加することで屈折率を高める等して、４光波混合の非線形効果を大きくする。これにより一層の変換効率の向上を可能にできる。
また、上記４光波混合を発生させるために用いるＤＳＦ１０の距離はあまり長くはないが（〜２０ｋｍ程度）、この区間で少なからず偏光が揺らぎ、出力の変換光ビームＥ_cのレベルも緩やかに揺らぐ可能性がある。そこで、このようなＤＳＦ１０での偏光揺らぎを補償するために、ＰＢＳ７とＤＳＦ１０間、又はＤＳＦ１０と１／２波長板８との間等に偏光制御器１２を挿入しても良い。この場合は、図示しないが、出力の変換光ビームＥ_cのレベルの揺らぎを検出して、該揺らぎを無くする方向に偏光制御器１２の偏光量を制御することが可能である。
【００７１】
図８は第３の実施の形態による４光波混合発生器を説明する図である。
図８（Ａ）において、ここでは、偏光ビームスプリッタ７の端子ｂ，ｃ間が偏波面保存ファイバ９により端子間の偏波面が９０°回転するように接続されている。従って、簡単な構成により確実かつ安定な偏波面回転が得られる。ここで、図８（Ｂ）〜（Ｄ）は図６（Ｂ）〜（Ｄ）と同じ状態を示している。
【００７２】
なお、この偏波面保存ファイバ９を偏波面保持型の分散シフトファイバ９´とする事が可能である。こうすれば、図７（Ｂ）に示す様な偏光制御器１２を必要とせずに、ＤＳＦ９´内での偏光揺らぎを回避できる。また偏波面保持型のＤＳＦ９´を９０°回転させて接続すれば、伝搬する光ビームの偏光も９０°回転するので、１／２波長板８も不要となる。但し、この場合は、ＤＳＦ９´内でも変換光を発生するので、その発生効率を等しくするためには、偏波ビームスプリッタ７はＤＦＢ−ＬＤ２に対して軸を４５°傾けて、ポンプ光の分岐比を等しくする。
【００７３】
なお、上記本発明に好適なる複数の実施の形態を述べたが、本発明思想を逸脱しない範囲内で各部の構成、制御、及びこれらの組合せの様々な変更が行えることは言うまでも無い。
【００７４】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、簡単な構成により、光伝送路の偏光揺らぎの影響を受けずに、常に安定な４光波混合を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明する図である。
【図２】一例のＤＦＢレーザダイオードを説明する図（１）である。
【図３】一例のＤＦＢレーザダイオードを説明する図（２）である。
【図４】第１の実施の形態による４光波混合発生器を説明する図（１）である。
【図５】第１の実施の形態による４光波混合発生器を説明する図（２）である。
【図６】第２の実施の形態による４光波混合発生器を説明する図（１）である。
【図７】第２の実施の形態による４光波混合発生器を説明する図（２）である。
【図８】第３の実施の形態による４光波混合発生器を説明する図である。
【図９】既提案の位相共役光発生装置を説明する図である。
【符号の説明】
１光サーキュレータ（Ｏ．Ｃ．）
２ＢＦＢレーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）
３１／４波長板
４ミラー
５帯域通過光フィルタ（ＢＰＦ）
６帯域除去光フィルタ（ＢＳＦ）
７偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
８１／２波長板
９偏波面保存ファイバ
９´ 偏波面保持型の分散シフトファイバ
１０分散シフトファイバ（ＤＳＦ）
１１半導体光増幅器（ＳＯＡ）
１２偏光制御器
１３光増幅器（ＯＡ）
４０駆動回路
５０偏波面回転手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a four-wave mixing generator and is suitably applied to wavelength conversion of signal light and generation of phase conjugate light in optical communication.
In recent years, optical wavelength multiplexing signal technology has been developed along with an increase in communication capacity. However, there is an increasing demand for exchanging signal light between different wavelengths by performing wavelength conversion of signal light having an arbitrary wavelength.
[0002]
Moreover, the nonlinear effect of wavelength dispersion and self-phase modulation (SPM) in the optical transmission line distorts the signal light and deteriorates the received signal characteristics, but converts the distorted signal light into phase conjugate light. By propagating again through the optical transmission line with the same dispersion and nonlinear amount, it is possible to restore the signal light before being subjected to distortion.
[0003]
[Prior art]
Today, among various wavelength conversion technologies, the method based on non-degenerate four-wave mixing does not depend on the modulation method of signal light, and has advantages such as the ability to wavelength-convert optical wavelength multiplexed signals all together. It is considered a conversion technology. Further, the converted light (phase conjugate light) generated by the four-wave mixing is a complex conjugate of the original signal light, and therefore can be used for compensation of chromatic dispersion and nonlinearity (SPM) in the optical transmission line.
[0004]
Known sources of four-wave mixing (phase conjugate light) include dispersion-shifted fiber (DSF), distributed feedback laser diode (DFB-LD), and semiconductor optical amplifier (SOA). The polarization axes of the signal light beam and the pump light beam used for conversion need to match. However, since a general optical fiber transmission line does not have the ability to preserve the plane of polarization, the level of converted light (phase conjugate light) varies depending on the polarization state of the signal light beam. Moreover, since the polarization fluctuation of the signal light beam transmitted for hundreds to thousands of km is very fast, it is very difficult to keep (restore) the polarization state constant by some control from the outside. In principle, it is desirable that it does not depend on the polarization state of the signal light.
[0005]
In this regard, the present applicant has already proposed a polarization-independent type phase conjugate light generator using a DFB-LD (Japanese Patent Application Nos. 8-89737, 8-224285, etc.). The contents will be outlined below with reference to FIG.
This phase conjugate light generating device basically separates an input signal light beam into polarized components that are orthogonal to each other, and performs four-wave mixing in the DFB-LD based on the separated polarized components. Corresponding phase conjugate light is generated, and the generated phase conjugate light is combined by polarization and output.
[0006]
Specifically, the input signal light beam E in an arbitrary polarization state_sAre polarization components E orthogonal to each other by the polarization beam splitter 7a._s1, E_s2Polarization separation. Here, a polarization having a vibration plane parallel to the paper surface is called a longitudinal polarization, and a polarization having a vibration surface perpendicular to the paper surface is called a transverse polarization.
Longitudinal polarization signal light beam E_s1Is supplied into the DFB-LD 2a into which carriers are highly injected, and a longitudinally polarized pump light beam E generated in the DFB-LD 2a._p1The phase conjugate light beam E of longitudinal polarization by four-wave mixing with_c1Is generated. This phase conjugate light beam E_c1Further, a phase-conjugate light beam E of transverse polarization by the half-wave plate 3a._c1And reaches one input port of the polarization beam splitter 7b.
[0007]
On the other hand, a horizontally polarized signal light beam E_s2First, a longitudinally polarized signal light beam E is applied to the half-wave plate 3b._s2After being converted into a longitudinally polarized pump light beam E, which is supplied into the DFB-LD 2b in which carriers are also highly injected and generated in the DFB-LD 2b._p2The phase conjugate light beam E of longitudinal polarization by four-wave mixing with_c2And this phase conjugate light beam E_c2Directly reaches the other input port of the polarization beam splitter 7b.
[0008]
Then, the phase conjugate light beam E of each input port_c1, E_c2Is combined by the polarization beam splitter 7b, and thus the input signal light beam E_sOutput phase conjugate light beam E faithfully corresponding to the polarization state of_cIs obtained.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the above-mentioned proposed method, in order to polarization-separate the input signal light beam in advance, two subsequent generation routes of the phase conjugate light beam are required, resulting in a complicated apparatus configuration. Further, in order to accurately balance the conversion efficiencies of the two systems, it is necessary to make the conversion characteristics and optical path lengths of the respective elements the same, which makes it difficult to manufacture and adjust the apparatus.
[0010]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a four-wave mixing generator capable of always generating stable four-wave mixing with a simple configuration without being affected by the polarization fluctuation of the optical transmission line. .
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The above problem is solved by the configuration of FIG. That is, the four-wave mixing generator of the present invention (1) has the first and second signal light beams E incident from the first and second end faces 2A and 2B facing each other._s1v, E_s2vPump light beam E generated internally based on_PAnd the first and second phase conjugate light beams E from the second and first end faces 2B and 2A, respectively._c1v, E_c2vA distributed feedback laser diode 2 for generatingHaving a configuration in which a quarter-wave plate and a mirror are optically connected on the optical axis of space;Output light beam E from the second end face 2B_s1v, E_c1v, E_s1h Passes through the quarter-wave plate, is reflected by the mirror, and passes through the quarter-wave plate again.Polarization plane rotating means 50 for rotating the polarization plane by 90 ° and returning it to the second end face 2B is provided.
[0012]
In the figure, a signal light beam E in an arbitrary polarization state input to the first end face 2A of the DFB-LD2._sIs a signal light beam E of longitudinal polarization components orthogonal to each other._s1vAnd signal light beam E of transverse polarization component_s1hIt is possible to think separately.
In the forward path of the DFB-LD2, the signal light beam E of the longitudinal polarization component_s1vIs a longitudinally polarized pump light beam E generated in the DFB-LD 2 in which carriers are highly injected._pSince the planes of polarization coincide with each other, the longitudinally polarized phase conjugate light (converted light) beam E is obtained by four-wave mixing._c1vAnd the signal light beam E of the longitudinal polarization component_s1vAt the same time, it is output from the second end face 2B of the DFB-LD2. On the other hand, the signal light beam E of the transverse polarization component_s1hIs a longitudinally polarized pump light beam E_pSince the plane of polarization is orthogonal, it does not contribute to the four-wave mixing and is output as it is from the second end face 2B.
[0013]
Then, the output light beam E from the second end face 2B._s1v, E_c1v, E_s1hIs the polarization plane rotation means 50(For example, a configuration in which a quarter-wave plate and a mirror are optically connected on the optical axis of space.), The respective polarization planes are rotated by 90 ° and input to the second end face 2B of the DFB-LD2. At this time, the signal light beam E of the longitudinal polarization component_s1vAnd longitudinally polarized phase conjugate light beam E_c1vIs a signal light beam E of a horizontally polarized component, respectively._s2hAnd transversely polarized phase conjugate light beam E_c2hAnd the signal light beam E of the above-mentioned transverse polarization component_s1hIs the signal light beam E of the longitudinal polarization component_s2vIt has become.
[0014]
As a result, in the return path of the DFB-LD2, the signal light beam E of the input longitudinal polarization component_s2vIs a longitudinally polarized pump light beam E_pSince the planes of polarization coincide with each other, the longitudinally polarized phase conjugate light (converted light) beam E is obtained by four-wave mixing._c2vAnd the signal light beam E of the longitudinal polarization component_s2vAt the same time, it is output from the first end face 2A of the DFB-LD2. On the other hand, the signal light beam E of the input transverse polarization component_s2hAnd transversely polarized phase conjugate light beam E_c2hIs a longitudinally polarized pump light beam E_pSince the plane of polarization is orthogonal, it does not contribute to the four-wave mixing and is output as it is from the first end face 2A. At this time, the longitudinally polarized phase conjugate light beam E generated in the return path of the DFB-LD 2_c2vIs a horizontally-polarized phase conjugate light beam E that has been generated in the forward path of the DFB-LD 2 and has translated the same optical path length._c2hAre combined in the same phase, and thus the input signal light beam E in the arbitrary polarization state is input from the first end face 2A of the DFB-LD2._sOutput phase conjugate light beam E faithfully_cIs output.
[0015]
  According to the present invention (1), since the input signal light beam is not polarized and separated in advance, there is only one system for generating the subsequent phase conjugate light beam, and the apparatus configuration is simplified. Further, since the conversion characteristics of one system are uniform and the optical path length is the same for the signal light beam and the phase conjugate light beam that are translated from each other, the phase conjugate light beam E_c2hAnd E_c2vAre combined with the same phase. Therefore, the input signal light beam E in the arbitrary polarization state is always input._sOutput phase conjugate light beam E faithfully corresponding to_cIs easily obtained, and the manufacture and adjustment of the apparatus are facilitated.In addition, an optical system consisting of a quarter-wave plate and a mirror is arranged in the space and optically connected, so that optical components such as polarization beam splitters, optical cabling, and optical fibers can be used. Since this can be reduced, the occurrence of polarization fluctuations can be reduced.
[0016]
Preferably, in the present invention (2), in the present invention (1), the optical circulator 1 having first to third ports a to c is further provided, and any one of the ports is a distributed feedback laser diode 2. The first end face 2A is optically connected. Therefore, the input signal light beam E_sMore output phase conjugate light (converted light) beam E_cCan be easily separated and extracted.
[0017]
  Preferably, the distributed feedback laser diode 2 includes a diffraction grating having a phase shift structure of ¼ wavelength in a substantial center portion thereof, and a plurality of electrodes for highly injecting carriers into the active layer. The currents supplied to the plurality of electrodes from the outside can be varied.
[0018]
Incidentally, the intensity of the phase conjugate light (converted light) beam generated by the DFB-LD2 is determined by the pump light beam E._pIt is known that it is proportional to the square of the intensity of. In this case, the pump light beam E excited in the DFB-LD2_pIs different between the forward path and the return path, a difference occurs in the conversion efficiency in both directions, and the output phase conjugate light (converted light) beam E_cLevel of the input signal light beam E_sIt will depend on the polarization state.
[0019]
Or pump light beam E_pEven if the power of the signal is the same in the forward path and the return path, the input signal light beam E_SThe component with the same axis as DFB-LD2 is output after passing through DFB-LD2 orthogonally after four-wave mixing, while the component orthogonal to the axis of DFB-LD2 is DFB-LD2. Since the four-wave mixing is generated after passing through the LD 2, the generation process of the converted light beam is different, and there may be a difference in conversion efficiency.
[0020]
  Therefore, each current supplied to the plurality of electrodes of the DFB-LD2 from the outside can be made variable, and if necessary, the pump light beam E_pFine adjustment of the strength of the forward and return paths (chip carrier distribution density) eliminates the conversion efficiency imbalance.
  Also preferably, the present invention (3In the present invention (1), the pump light beam E is interposed between the distributed feedback laser diode 1 and the polarization plane rotating means 50._pA band-removal optical filter is further provided.
[0021]
  Longitudinal polarized pump light beam E emitted from the second end face 2B of the DFB-LD2_pIs a horizontally polarized pump light beam E on the return path._pTherefore, it does not contribute to the generation of the phase conjugate light beam in the return path. On the other hand, in the optical communication system, the phase conjugate light beam E out of the light beams output from the port c of the optical circulator 1._cOnly the phase conjugate light beam E for this purpose._cA band-pass optical filter is provided for extracting. At this time, the present invention (3), The pump light beam E previously emitted from the second end face 2B of the DFB-LD2._pIs previously removed by the band elimination optical filter, the load on the output band pass optical filter can be greatly reduced.
[0022]
  Also preferably,For example, as shown in FIG. 4 (A), the polarization plane rotating means 50 has a main surface (pump light beam E) of the distributed feedback laser diode 1._pA quarter-wave plate 3 having an orthogonal phase difference optical axis inclined by 45 ° with respect to the vibration plane), and a light beam emitted from the quarter-wave plate 3 is reflected to the quarter-wave plate 3 side. The mirror 4 is provided.
[0023]
As a result, the light beam emitted from the second end face 2B of the DFB-LD 2 (E in FIG. 1)._s1v, E_c1v, E_s1hEtc.), a total of a phase difference of ½ wavelength is added between the orthogonal polarization components when the ¼ wavelength plate 3 is reciprocated, and the plane of polarization is rotated by 90 °. Further, the structure composed of the quarter-wave plate 3 and the mirror 4 is simple in structure, and the apparatus can be configured with high accuracy and stability.
[0024]
  Also preferably,The polarization plane rotating means 50 is a polarization beam splitter 7 having first to third ports a to c as shown in FIG. 6A, for example, from the second end face 2B of the distributed feedback laser diode 2. First and second polarization components E that orthogonally cross the light beams input to the first port a._S1, E_S1The first and second polarized waves are output to the second and third ports b and c and are input to the second and third ports b and c, respectively. Third and fourth polarization components E having the same polarization plane as each of the components_S2', E_S2Of the polarization beam splitter 7 and optically (optical axis) between the second and third ports and the main surface of the polarization beam splitter 7. And a half-wave plate 8 having a quadrature phase difference optical axis inclined by 45 ° with respect to.
[0025]
As a result, the longitudinally polarized component separated by the polarization beam splitter 7 out of each light beam emitted from the second end face 2B of the DFB-LD 2 is converted into a transversely polarized component by the half-wave plate 8. After the conversion, the horizontally polarized wave component fed back to the second end face 2B side through the polarization beam splitter 7 and separated by the polarization beam splitter 7 is After being converted into the polarization component, it is fed back to the second end face 2 </ b> B side via the polarization beam splitter 7. In this case, since each polarization component passes through the same optical path length, mutual phase synchronization is maintained.
[0026]
  Also preferably,The polarization plane rotating means 50 is a polarization beam splitter 7 having first to third ports a to c as shown in FIG. 8A, for example, from the second end face 2B of the distributed feedback laser diode 2. First and second polarization components E that orthogonally cross the light beams input to the first port a._S1, E_S1The first and second polarized waves are output to the second and third ports b and c and are input to the second and third ports b and c, respectively. Third and fourth polarization components E having the same polarization plane as each of the components_S2', E_S2And the like, and optically interposed between the second and third ports b and c, and the polarization plane of the light beam in the section is 90 °. The polarization plane preserving fiber 9 is provided so as to be rotated. Therefore, the polarization plane can be rotated by 90 ° with a simple structure.
[0027]
  Also preferably,The polarization preserving fiber 9 is a dispersion shifted fiber. As described above, the dispersion-shifted fiber (DSF) is used as a generation source of four-wave mixing (phase conjugate light). As shown in the drawing, the dispersion-shifted fiber (DSF) is polarized between the second and third ports b and c of the polarization beam splitter 7. When a dispersion-shifted fiber 9 having an appropriate length that is a wavefront-preserving type is connected, the signal light beam E of the longitudinal polarization component output from the second end face 2B of the DFB-LD2_s1And longitudinally polarized pump light beam E_PHowever, by the four-wave mixing when passing through the dispersion-shifted fiber 9, a new phase conjugate light beam E_c1, Thereby generating the phase conjugate light beam E previously generated_c1The power of is increased.
[0028]
Accordingly, the phase conjugate light beam E generated earlier in the forward path of the DFB-LD 2 and lost by the subsequent polarization plane rotating means 50._c1It is possible to effectively compensate for the intensity attenuation.
If necessary, the phase-conjugate light beam E generated inside the fiber is made longer by making the dispersion-shifted fiber 9 longer._c1This power may be further increased. In this case, the phase conjugate light beam E generated in the return path by adjusting the current applied to the DFB-LD 2 at the same time._c2vBy increasing (balancing) the intensity of the phase conjugate light beam E_cIt is possible to further increase the total conversion efficiency.
[0029]
  Also preferably,The polarization plane rotating means 50 includes a semiconductor optical amplifier on its optical path. This semiconductor optical amplifier (SOA) can be used as a generation source of four-wave mixing (phase conjugate light) as in the case of the dispersion shifted fiber 9. Alternatively, a light beam of a specific wavelength (for example, a phase conjugate light beam E) is simply generated by high injection of carriers into the semiconductor optical amplifier._c1v) May be used to amplify the intensity.
[0030]
  Also preferably,The polarization plane rotating means 50 is a pump light beam E output from the distributed feedback laser diode 2._pAnd signal light beam E_s1vPhase conjugate light beam E_c1vIs provided with a dispersion-shifted fiber. For example, as shown in FIGS. 5B and 7B, by inserting a dispersion shifted fiber (DSF) 10 into a part of the optical path of the polarization plane rotating means 50, a phase conjugate light beam (E in FIG._c1vCan be increased.
[0031]
  Preferably, the dispersion shifted fiber 10 has a core diameter smaller than usual so that a nonlinear effect for generating the phase conjugate light beam is increased.
  Also preferably,For example, as shown in FIG. 7B, a polarization controller 12 is inserted in series with the dispersion shifted fiber 10.
[0032]
If the dispersion-shifted fiber 10 is lengthened to some extent (about 20 km), the polarization plane may fluctuate in this section. However, according to the present invention (12), the polarization controller 12 is inserted in series with the dispersion-shifted fiber 10. Depending on the configuration, the polarization plane can be controlled to be constant.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a plurality of preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Note that the same reference numerals denote the same or corresponding parts throughout the drawings.
First, an example of a distributed feedback (DFB) laser diode that can be used in the present invention will be described with reference to FIGS. 2A is a partially broken perspective view of the DFB laser diode (DFB-LD) 2, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line aa of FIG.
[0034]
2A and 2B, an n-InGaAsP guide layer 22 is formed on the surface of an n-InP substrate 21, and the film thickness of these junction surfaces periodically changes in the light traveling direction. A corrugated diffraction grating (grating) 23 is formed. The diffraction grating 23 has a phase shift structure in which the period is shifted by λ / 4 (λ: the wavelength of light in the waveguide structure) at the substantial central portion 23c.
[0035]
An undoped multiple quantum well (MQW) active layer 24 is formed on the guide layer 22, and a p-InGaAsP guide layer 25 and a p-InP layer 26 are formed on the active layer 24 in this order. Here, the MQW active layer 24 has a thickness of 7 nm._{x '}Ga_{1-x '}As (x ′ = 0.532) well layer and 10 nm thick Ga_xIn_1-xAs_yP_1-y(X = 0.283, y = 0.611) Barrier layers are alternately laminated to form five layers.
[0036]
The p-InP layer 26 and the upper part of the n-InP substrate 21 are patterned downward in a convex shape, and the planar shape is a stripe shape extending in the light traveling direction. Further, a p-InP layer 27 and an n-InP layer 28 are formed in this order on both sides of the stripe-shaped convex portion in the n-InP substrate 21, and the uppermost p-InP layer 26 and the n-InP layer are also formed. A p-InGaAsP layer 29 is formed on 28. An n-side electrode 30 is formed on the lower surface of the n-InP substrate 21, and p-side electrodes 31 a to 31 c divided into three are formed on the upper surface of the p-InGaAsP layer 29.
[0037]
Further, both end faces (first and second excitation ends) 2A and 2B of the DFB-LD 2 are coated with a non-reflective film 32 for transmitting at least phase conjugate light (and signal light). The resonator length of such a DFB-LD2 is, for example, 900 μm, the length of the central p-side electrode 31b is, for example, about 580 μm, and the lengths of the p-side electrodes 31a, 31c at both ends are, for example, about 160 μm.
[0038]
In FIG. 2B, a drive current is supplied from the p-side electrodes 31a to 31c of the DFB-LD2 to the n-side electrode 30 through the MQW active layer 24, whereby light having a wavelength of 1549 nm is output from the MQW active layer 24 to 40 mW. To oscillate continuously. In this case, for example, a current of 400 mA is passed through the p-side electrodes 31a to 31c. The oscillation light is strongly confined inside the DFB-LD 2 by the two diffraction gratings 23. As a result, a stable spectrum with a narrow gain bandwidth is obtained in a single mode, and this oscillation light is pumped for four-wave mixing. Light ω_pCan be used as Further, by applying non-reflective coating on both end faces of the DFB-LD2, light having a wavelength different from that of the oscillation light passes through without being reflected inside the laser.
[0039]
In this state, the probe light (signal light) ω from the first excitation end (end face) 2A._sIs supplied from the second excitation end (end face) 2B by non-degenerate four-wave mixing._sAnd some pump light ω_pAnd phase conjugate light ω_cAre output. Here, non-degenerate is used in the sense that the wavelengths of the probe light and the pump light are different. In addition, phase conjugate light ω_cThe intensity of the pump light ω_pIs proportional to the square of the intensity.
[0040]
FIG. 3 shows the spectrum of the output light of the DFB-LD 2 by non-degenerate four-wave mixing. The angular frequency of the probe light is ω_s, The angular frequency of the pump light ω_p, The angular frequency of the phase conjugate light ω_cThen, it is known that there is a relationship of the following equation between them.
ω_c= 2ω_p−ω_s
Therefore, probe light (signal light) ω_sTo phase conjugate light ω_cOptical frequency conversion (wavelength conversion) is possible.
[0041]
Further, it is known that the single oscillation mode of the DFB-LD 2 is shifted by making the magnitudes of the currents flowing through the three p-side electrodes 31a to 31c different. If, for example, the current injected into the p-side electrodes 31a and 31c at both ends is kept constant by the drive circuit 40 and the current injected into the central P-side electrode 31b is increased, the oscillation wavelength shifts to the longer wavelength side. Therefore, the pump light ω_pThe wavelength of the light can be freely changed, and the phase conjugate light ω_cThe wavelength of can also be freely changed. Therefore, it is possible to wavelength-convert the optical signal of each channel as desired in wavelength division multiplexing optical communication.
[0042]
The first end face 2A to the second end face are finely adjusted with an appropriate difference between the magnitudes of the currents flowing through the three p-side electrodes 31a to 31c (that is, the carrier density distribution in the DFB-LD2). Pump light ω traveling to 2B_pAnd the pump light ω traveling from the second end face 2B to the first end face 2A_pIt is also possible to make the intensity different from that.
[0043]
Further, the phase conjugate light ω generated by such a DFB-LD2_cIs the input probe light (signal light) ω_sTherefore, it can be used for non-linearity compensation including self-phase modulation (SPM) due to chromatic dispersion and optical Kerr effect in the optical transmission line.
4 and 5 are views (1) and (2) for explaining the four-wave mixing generator according to the first embodiment, and FIG. 4 (A) shows the configuration of the four-wave mixing generator.
[0044]
In the figure, 1 is an optical circulator, 2 is a BFB laser diode (DFB-LD), 3 is a quarter-wave plate, 4 is a mirror, 5 is a bandpass optical filter (BPF) for passing phase conjugate light, 40 Is a drive circuit for supplying a current to the DFB-LD2. The devices are connected on the optical axis by an appropriate optical system (optical fiber, optical waveguide, lens, space, etc.). Here, the configuration composed of the quarter wavelength plate 3 and the mirror 4 corresponds to the polarization plane rotating means 50 of FIG.
[0045]
Carriers are injected into the DFB-LD 2 from the drive circuit 40 at a high level, and a pump light beam E is internally generated._pHas occurred. Pump light beam E_pVibrates in a direction (longitudinal direction) parallel to the paper surface, and this direction is hereinafter also referred to as an axis of the DFB-LD2. In this state, the input signal light beam E in an arbitrary polarization state_sIs input to the terminal (port) a of the optical circulator 1, is output from the terminal b, and is input to the first end face 2A of the DFB-LD2. This signal light beam E_sIs polarized in an arbitrary direction by being transmitted through a long optical transmission line, for example, and is considered to be broken down into a longitudinally polarized wave component parallel to the paper surface and a vertically polarized wave component perpendicular to the paper surface It is possible.
[0046]
Thus, the signal light beam E input to the end face 2A of the DFB-LD2._sIs the longitudinal polarization component E that coincides with the axis of DFB-LD2_s1Pump light beam E_pAnd the input signal light beam E from the end face 2B of the DFB-LD2._s(E_s1, E_s1′) And leaked pump light beam E_p1And a phase conjugate light beam E generated in the DFB-LD2_c1Are output.
[0047]
Here, attention is now focused on the phase conjugate light beam E._c1And signal light beam E_sOf which the phase conjugate light beam E_c1Is polarized parallel to the axis of the DFB-LD2. The signal light beam E_sIncludes a longitudinal polarization component E that contributes to four-wave mixing in the DFB-LD 2._s1And transverse polarization component E that did not contribute to four-wave mixing_s1'Is included.
4 (B) to 4 (E) show the polarization state of each light wave when the mirror 4 side is viewed from the second end face 2B of the DFB-LD 2. FIG. The state of polarization before passing through the / 4 wavelength plate 3 is shown.
[0048]
In the figure, the quarter-wave plate 3 is provided so that the orthogonal axes x and y having different refractive indexes are inclined by 45 ° with respect to the axis of the DFB-LD 2. Here, for example, the x-axis is an optical axis having a larger refractive index and is also called a slow axis, and the y-axis is an optical axis having a smaller refractive index and is also called a fast axis. In such an arrangement, a longitudinally polarized phase conjugate light beam E incident on the quarter-wave plate 3 is used._c1Is substantially divided into two polarization components of the x-axis and y-axis and travels, and when passing through the quarter-wave plate 3, the y-axis component is π / 2 more than the x-axis component. The phase is advanced. As a result, the phase conjugate light beam E output from the quarter-wave plate 3 is output._c2Becomes circularly polarized.
[0049]
FIG. 4C shows the state of polarization after passing through the quarter-wave plate 3.
In the figure, the phase conjugate light beam E_c2When this is viewed from the direction of the arrow, it is a counterclockwise circularly polarized wave (shown by a solid line). However, the figure is rotated clockwise to show the case where the mirror 4 side is viewed from the second end face 2B. The same applies to the following. At this time, the signal light beam E_sLongitudinal polarization component E that contributes to the above four-wave mixing_s1As for the above, the same thing as above is happening._s2It has become. On the other hand, the signal light beam E_sOf which the transverse polarization component E did not contribute to the four-wave mixing_s1'Is a circularly polarized wave (shown by a broken line) E rotated clockwise after passing through the quarter-wave plate 3_s2It is ´.
[0050]
FIG. 4D shows the state of polarized light after being reflected by the mirror 4.
Each circular polarization E_c2, E_s2, E_s2′ Is reflected in the opposite direction by the mirror 4 provided perpendicular to the optical axis, and circularly polarized wave E with its respective rotation directions maintained._c3, E_s3, E_s3'And return to the quarter-wave plate 3 side. However, since the traveling direction of the beam is reversed by reflection, E_c3, E_s3Is a circularly polarized wave of right rotation, E_s3′ Is a counterclockwise circularly polarized wave.
[0051]
FIG. 4E shows the state of polarization after passing through the quarter-wave plate 3 again.
Right hand circular polarization E_c3, E_s3As a result of the phase of the y-axis component being further advanced by π / 2 from the x-axis component by the quarter wave plate 3 in the return path, the total phase difference becomes π, and the transverse polarization perpendicular to the axis of the DFB-LD 2 Ingredient E_c4, E_s4It becomes. On the other hand, counterclockwise circular polarization E_s3'Is the longitudinal polarization component E parallel to the axis of the DFB-LD2._s4′, And each of these linear polarization components E_c4, E_s4, E_s4'Enters the end surface 2B of the DFB-LD2. In this case, in the DFB-LD2, the four-wave mixing similar to the four-wave mixing that occurs in the forward path of the DFB-LD2 also occurs in the return path of the DFB-LD2 due to the symmetry of the structure. However, the phase conjugate light beam E generated in the forward path_c1And signal light beam E_sLongitudinal polarization component E that contributed to four-wave mixing_s1Is the transverse polarization component E perpendicular to the axis of DFB-LD2 in the return path of DFB-LD2._c4, E_s4These are output as they are to the end face 2A side.
[0052]
On the other hand, the input signal light beam E_sOf the horizontal polarization component E which did not contribute to the four-wave mixing in the above-mentioned outbound path_s1'Is the longitudinal polarization component E parallel to the axis of DFB-LD2 in the return path of DFB-LD2._s4The four-wave mixing is generated using the excitation light generated in the opposite direction in the DFB-LD as a pump light beam. As a result, in the return path of the DFB-LD2, the longitudinal polarization component E of the signal light beam_s4'And pump light beam E_pA new phase conjugate light beam E by four-wave mixing with_c4′ Is generated, and this phase conjugate light beam E traveling in the same direction in the DFB-LD 2_c4Is combined with polarization.
[0053]
In this way, the signal light beam E_sAny of the orthogonal polarization components of the excitation light E generated in both directions in the DFB-LD2_pIs used to generate four-wave mixing, so that the converted light beam E extracted from the optical circulator 1 is used._CThis level is not affected by polarization fluctuations in the transmission line. In addition, the phase conjugate light beam E generated earlier in the forward path of the DFB-LD 2_c1And the phase conjugate light beam E on the return path of the DFB-LD2._c4Longitudinal polarization component E of the signal light beam for generating_s4′ And the phase conjugate light beam E that pass through the same optical path and thus pass through._c4And a newly generated phase conjugate light beam E_c4Polarization synthesis is performed with the same phase as ′.
[0054]
Further, the light beam output from the end face 2A of the DFB-LD2 is a signal light beam E that is not necessary for the subsequent optical communication._sAnd pump light beam E_pTherefore, the band-pass optical filter 5 causes the phase conjugate light beam E to be included._cOnly extract and provide output.
The intensity of the phase conjugate light beam generated by the DFB-LD2 is the pump light beam E_pIs proportional to the square of the intensity. In this case, the pump light beam E excited in the DFB-LD2_pIs different between the forward path and the return path, a difference occurs in the conversion efficiency in both directions, and the output phase conjugate light beam E_cLevel of the input signal light beam E_sIt depends on the polarization state. Or pump light beam E_pEven if the power of the signal is the same in the forward path and the return path, the input signal light beam E_SThe component with the same axis as DFB-LD2 is output after passing through DFB-LD2 orthogonally after four-wave mixing, while the component orthogonal to the axis of DFB-LD2 is DFB-LD2. Since the four-wave mixing is generated after passing through the LD 2, both phase conjugate light beams E_pThe generation process may differ, and there may be a difference in conversion efficiency.
[0055]
Therefore, the drive circuit 40 is configured so that the currents Ia to Ic supplied to the three electrodes 31a to 31c are variable, and if necessary, the pump light beam E_pFine adjustment of the strength of the forward and backward paths (chip carrier distribution density) can eliminate the imbalance in conversion efficiency.
The input signal light beam E_sIn this case, the loss and the conversion efficiency when passing through the DFB-LD 2 differ depending on the wavelength, so that the conversion efficiency of the orthogonal polarization components differs, and the output converted light beam E_cIs the input signal light E_sMay depend on the polarization state. Therefore, in the first embodiment, the input signal light E_sOr output converted light E_cWavelength or output converted light E_cIs provided with a control unit 60 that automatically controls the chip carrier in the DFB-LD 2 so that the above-described polarization dependence caused by these changes is eliminated.
[0056]
In this case, the input signal light E_sOr output converted light E_cWavelength or output converted light E_cSince the relationship between the level of the DFB-LD2 and the chip carrier in the DFB-LD2 (that is, the driving currents Ia to Ic) is complicated, the relationship between the two is statistically obtained in advance by experiments or simulations, and the relationship obtained is not shown. Store in ROM or the like.
The configuration including the drive circuit 40 and the control unit 60 can also be applied to the following embodiments.
[0057]
FIG. 5A shows a pump light beam E between the DFB-LD 2 and the quarter-wave plate 3._pThis shows a case where a band elimination optical filter (BSF) 6 for removing the signal is added.
Pump light beam E emitted from the end face 2B in the forward path of the DFB-LD2_pIs perpendicular to the axis of the DFB-LD 2 when returning to the return path of the DFB-LD 2 via the quarter-wave plate 3 and the mirror 4, and therefore does not contribute to the four-wave mixing in the return path. That is, it is unnecessary. On the other hand, the pump light beam E returned to the return path of DFB-LD2._p, The pump light beam E newly emitted from the end face 2A of the DFB-LD2 is passed through._pAs a result, the unnecessary wave in the band-pass optical filter 5 (pump light beam E_pEtc.) is increased.
[0058]
Therefore, the pump light beam E is interposed between the DFB-LD 2 and the quarter-wave plate 3._pIs inserted, and the pump light beam E emitted from the end face 2B of the DFB-LD2 first is inserted._pTo be removed. Accordingly, the unnecessary wave removal burden of the bandpass optical filter 5 is reduced.
FIG. 5B shows a case where an optical amplifier (OA) 13 is added between the DFB-LD 2 and the quarter wavelength plate 3.
[0059]
As one method for solving the above-described imbalance in conversion efficiency, the case where the carrier distribution density in the DFB-LD 2 is adjusted has been described. Can be solved. As the optical amplifier 13, for example, a dispersion shifted fiber (DSF) 10 or a semiconductor optical amplifier (SOA) 11 can be used.
[0060]
When the dispersion shifted fiber (DSF) 10 is used, the phase conjugate light beam E generated in the forward path of the DFB-LD 2_c1Is a pump light beam E that translates both in the forward path and the return path in the dispersion-shifted fiber 10._pA new phase conjugate light beam E by four-wave mixing with_c1, E_c4Is generated.
When one semiconductor optical amplifier 11 is used, four-wave mixing is newly generated or already generated in the forward path (or return path) of the semiconductor optical amplifier 11 as in the case of the dispersion shifted fiber 10. Phase conjugate light beam E_c1Or E_c4Can be amplified. .
[0061]
Furthermore, it is possible to further increase the conversion efficiency of the phase conjugate light beam by increasing the gain of the optical amplifier 13. However, what is amplified here is the phase conjugate light beam E generated in the forward path of the DFB-LD 2._c1Therefore, it is necessary to balance the intensity of the phase conjugate light beam generated in the return path of the DFB-LD2. As this method, the carrier distribution in the DFB-LD 2 is unbalanced, or the phase conjugate generated in the return path of the DFB-LD 2 by further inserting the optical amplifier 13 on the terminal c side of the optical circulator 1. It is conceivable to amplify the intensity of the light beam.
[0062]
FIGS. 6 and 7 are views (1) and (2) for explaining the four-wave mixing generator according to the second embodiment, and FIG. 2 (A) is a basic four-wave wave according to the second embodiment. 2 shows the configuration of a mixing generator. In the figure, 7 is a polarization beam splitter (PBS), and 8 is a half-wave plate.
The operation on the DFB-LD2 side may be the same as described above. In this configuration, the relationship between the axis of the DFB-LD 2 and the polarization axis of the polarization beam splitter 7 may be arbitrary, but the axis of the half-wave plate 8 is relative to the polarization axis of the polarization beam splitter 7. It must be inclined 45 °.
[0063]
For simplicity of explanation, it is assumed that the axis of the DFB-LD 2 and the axis of the polarization beam splitter 7 are parallel (or vertical), and the axis of the half-wave plate 8 is the polarization of the polarization beam splitter 7. The case where it is inclined 45 ° with respect to the axis will be described. Light beam E input to the terminal a of the polarization beam splitter 7_s1, E_s1', E_c1When the signal light beam E of the longitudinal polarization component that has already contributed to the four-wave mixing in the outward path of the DFB-LD 2 is noted._s1And phase conjugate light beam E_c1Is output as it is from the terminal b of the polarization beam splitter 7 and is E of the longitudinal polarization component._s1, E_c1And reaches the half-wave plate 8 {see FIG. Each of these longitudinal polarization components E_s1, E_c1Is a half-wave plate 8 whose plane of polarization is rotated by 90 °, and the transverse polarization component E_s2, E_c2And reaches the terminal c of the polarization beam splitter 7 {see FIG.
[0064]
On the other hand, the signal light beam E of the transverse polarization component that did not contribute to the four-wave mixing in the forward path of the DFB-LD 2_s1'Is output from the terminal c of the polarization beam splitter 7 as it is, and E of the transverse polarization component_s1′ And reaches the half-wave plate 8 {see FIG. This transverse polarization component E_s1′ Is a half-wave plate 8 whose plane of polarization is rotated by 90 °, and E of the longitudinal polarization component_s2'And reaches the terminal b of the polarization beam splitter 7 {see (E) in the figure}. Further, in the polarization beam splitter 7, longitudinal polarization E from the terminal b is obtained._s2'And transverse polarization E from terminal c_s2, E_c2Are combined in the polarization and finally input to the end face 2B of the DFB-LD2.
[0065]
In the return path of the DFB-LD2, the signal light beam E having a longitudinal polarization component parallel to the axis of the DFB-LD2 is used._s2'Is the pump light beam E_pIs newly generated by the four-wave mixing with the signal beam E, but the transversely polarized signal light beam E perpendicular to the axis of the DFB-LD 2._s2And phase conjugate light beam E_s2Passes through the DFB-LD2. Therefore, the input signal light beam E in an arbitrary polarization state_sOutput phase conjugate light beam E faithfully_cIs obtained.
[0066]
Next, although not shown, the polarization axis of the polarization beam splitter 7 is inclined at an arbitrary angle from the axis of the DFB-LD 2, and the axis of the half-wave plate 8 is inclined 45 ° from the axis of the polarization beam splitter 7. Explain the case. Phase conjugate light beam E_c1Paying attention to the beam E_c1Are polarization components E orthogonal to each other by the polarization beam splitter 7 inclined at an arbitrary angle with respect to the axis of the DFB-LD 2._c1a, E_c1bSeparated. E_c1aIs rotated by 90 ° by a half-wave plate 8 having an axis inclined by 45 ° with respect to the polarization beam splitter 7 to reach the terminal b of the polarization beam splitter 7, and E_c1bSimilarly, the plane of polarization of the half-wave plate 8 is rotated by 90 ° (in the opposite direction to the above) and reaches the terminal c of the polarization beam splitter 7. Both are combined by the polarization beam splitter 7 and finally a horizontally polarized phase conjugate light beam E._c2And input to the end face 2B of the DFB-LD2. Signal light beam E_s1The same applies to. On the other hand, the signal light beam E_s1'Is finally a longitudinally polarized signal light beam E._s2'And input to the end face 2B of the DFB-LD2.
[0067]
The latter is different from the case where the axis of the polarization beam splitter 7 is parallel (or perpendicular) to the axis of the DFB-LD 2 in that the former is a phase conjugate light beam E._c1All travel in one direction along the path including the half-wave plate 8, whereas in the latter case, the phase conjugate light beam E_c1Orthogonal component E_c1a, E_c1bAre traveling in directions opposite to each other along the path including the half-wave plate 8. Where the orthogonal component E_c1a, E_c1bIs determined by an arbitrary tilt angle between the polarization beam splitter 7 and the DFB-LD 2 and is 1: 1 when the tilt angle is 45 °.
[0068]
In any of the above cases, as will be described later, by further inserting the optical amplifier 13 in this path, the conversion light generation efficiency can be further improved.
FIG. 7A shows a case where a semiconductor optical amplifier (SOA) 11 is provided in the path of the polarization beam splitter 7. Here, the polarization axis of the polarization beam splitter 7 is inclined by 45 ° with respect to the axis of the DFB-LD 2, and the half-wave plate 8 is inclined by 45 ° with respect to the polarization axis of the polarization beam splitter 7. Yes. In order to make the conversion light generation efficiencies in both directions in the semiconductor optical amplifier 11 equal, an element having no polarization dependence is used in the semiconductor optical amplifier 11.
[0069]
FIG. 7B shows a case where a dispersion shifted fiber (DSF) 10 is provided in the path of the polarization beam splitter 7. Also here, the polarization axis of the polarization beam splitter 7 is inclined by 45 ° with respect to the axis of the DFB-LD 2, and the half-wave plate 8 is inclined by 45 ° with respect to the polarization axis of the polarization beam splitter 7. Yes. As a result, in the DSF 10, the signal light beam E separated by the PBS 7 is used._s1a, E_s1bAnd pump light beam E_p1a, E_p1bAre incident from both ends to generate four-wave mixing. In order to obtain conversion characteristics with a wide band, it is desirable that the oscillation wavelength of the DFB-LD2 and the zero dispersion wavelength of the DSF 10 are equal.
[0070]
Further, preferably, the DSF 10 has a smaller core radius than a normal DSF, and further increases the refractive index by adding germanium to the core, thereby increasing the nonlinear effect of four-wave mixing. This can further improve the conversion efficiency.
Further, although the distance of the DSF 10 used for generating the four-wave mixing is not so long (about 20 km), the polarized light fluctuates not much in this section, and the output converted light beam E_cThere is also a possibility that the level of will fluctuate gently. Therefore, in order to compensate for such polarization fluctuations in the DSF 10, the polarization controller 12 may be inserted between the PBS 7 and the DSF 10, or between the DSF 10 and the half-wave plate 8 or the like. In this case, although not shown, the output converted light beam E_cThe amount of polarization of the polarization controller 12 can be controlled in a direction that eliminates the fluctuation.
[0071]
FIG. 8 is a diagram for explaining a four-wave mixing generator according to the third embodiment.
8A, here, the terminals b and c of the polarization beam splitter 7 are connected by the polarization plane preserving fiber 9 so that the polarization plane between the terminals is rotated by 90 °. Accordingly, reliable and stable polarization plane rotation can be obtained with a simple configuration. Here, FIGS. 8B to 8D show the same state as FIGS. 6B to 6D.
[0072]
The polarization plane preserving fiber 9 can be a polarization maintaining type dispersion shift fiber 9 '. In this way, polarization fluctuations in the DSF 9 'can be avoided without requiring the polarization controller 12 as shown in FIG. 7B. If the polarization plane holding type DSF 9 'is rotated by 90 ° and connected, the polarization of the propagating light beam is also rotated by 90 °, so that the half-wave plate 8 becomes unnecessary. However, in this case, since converted light is also generated in the DSF 9 ', in order to equalize the generation efficiency, the polarization beam splitter 7 tilts the axis by 45 ° with respect to the DFB-LD2 to split the pump light. Make the ratios equal.
[0073]
In addition, although several embodiment suitable for the said invention was described, it cannot be overemphasized that the structure of each part, control, and various changes can be performed within the range which does not deviate from this invention thought.
[0074]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, stable four-wave mixing can always be generated with a simple configuration without being affected by the polarization fluctuation of the optical transmission line.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the present invention.
FIG. 2 is a diagram (1) illustrating an example DFB laser diode.
FIG. 3 is a diagram (2) illustrating an example DFB laser diode;
FIG. 4 is a diagram (1) illustrating a four-wave mixing generator according to the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram (2) illustrating the four-wave mixing generator according to the first embodiment.
FIG. 6 is a diagram (1) illustrating a four-wave mixing generator according to a second embodiment.
FIG. 7 is a diagram (2) illustrating a four-wave mixing generator according to a second embodiment.
FIG. 8 is a diagram illustrating a four-wave mixing generator according to a third embodiment.
FIG. 9 is a diagram illustrating a previously proposed phase conjugate light generator.
[Explanation of symbols]
1 Optical circulator (OC)
2 BFB laser diode (DFB-LD)
3 1/4 wave plate
4 Mirror
5 Bandpass optical filter (BPF)
6 Band elimination optical filter (BSF)
7 Polarized beam splitter (PBS)
8 1/2 wave plate
9 Polarization plane preserving fiber
9 'polarization-maintaining dispersion-shifted fiber
10 Dispersion shifted fiber (DSF)
11 Semiconductor optical amplifier (SOA)
12 Polarization controller
13 Optical amplifier (OA)
40 Drive circuit
50 Polarization plane rotating means

Claims

First from the second and first end faces by four-wave mixing with the pump light beam generated internally based on the first and second signal light beams incident from the opposing first and second end faces, respectively. , A distributed feedback laser diode that generates a second phase conjugate light beam;
Having a configuration in which a quarter-wave plate and a mirror are optically connected on the optical axis of space;
The output light beam from the second end face passes through the quarter-wave plate, is reflected by the mirror, and again passes through the quarter-wave plate, thereby rotating the polarization plane by 90 ° and Polarization plane rotating means for feeding back to the end face of 2;
A four-wave mixing generator comprising:

The four-wave wave according to claim 1, further comprising an optical circulator having first to third ports, wherein any one of the ports is optically connected to a first end face of the distributed feedback laser diode. Mixing generator.

2. The four-wave mixing generator according to claim 1, further comprising a band elimination optical filter for removing the pump light beam between the distributed feedback laser diode and the polarization plane rotating means.