JP5408313B2 - 光デバイスおよび波長変換方法、並びにそれに適した光ファイバ - Google Patents

Description

本発明は、波長λ_pumpのポンプ光および波長λ_probeのプローブ光を光ファイバに導波させて非線形光学現象によって波長λ_probeに応じた新たな波長λ_idlerのアイドラ光を前記光ファイバで発生させる光デバイスおよび波長変換方法、並びにそれに適した光ファイバに関するものである。

高パワーの波長λ_pumpのポンプ光および波長λ_probeのプローブ光を高非線形性の光ファイバに導波させると、その光ファイバにおいて非線形光学現象が発現する。そして、この非線形光学現象により、波長λ_probeに応じた新たな波長λ_idlerのアイドラ光を光ファイバで発生させることができる。非線形光学現象の一種である四光波混合を利用することにより、波長変換「λ_probe→λ_idler」を行うことができる。このような波長変換技術や、これに用いるのに好適な高非線形性光ファイバは、特許文献１，２等に開示されている。

また、波長変換技術の応用として、光通信システムにおける信号光の波長変換だけでなく、ポンプ光としてコントロールパルス光を光ファイバに入射させることにより、光スイッチ、デマルチプレクサおよびサンプリングモニタ等も実現可能である。また、元の光と同じ情報を有する新たな波長の光子を発生させることができるので、量子暗号通信用の光子ペアを生成することも可能である。さらに、適当な光源が無い波長の光を、波長変換技術により容易に生成することも可能である。

国際公開第９９／１０７７０号 特開２００２-２０７１３６号公報

一般に分散シフト光ファイバ中で発生する四光波混合を利用した波長変換技術では、波長変換可能なプローブ光の波長の帯域（波長変換帯域）は、ポンプ光波長を含むように10ｎｍ以上連続する。従来では、この波長変換帯域の広帯域化が注目されていた。しかしながら、例えば波長分割多重（ＷＤＭ: Wavelength Division Multiplexing）光通信システムにおいて、伝搬する多波長信号光のうち特定波長の信号光に対しては波長変換をするものの他の波長の信号光については波長変換をしないというようなことは従来では困難であった。また、波長変換される波長を変化させることも困難であった。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、狭い波長帯域のプローブ光に対して選択的に波長変換をすることができる光デバイスおよび波長変換方法、並びにそれに適した光ファイバを提供することを目的とする。

本発明の光ファイバは、ゼロ分散波長が１４４０ｎｍ〜１６４０ｎｍの範囲にあり、ゼロ分散波長において分散スロープが０.０４ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以上であり、ゼロ分散波長において角周波数ωによる伝搬定数βの４階微分値β_４の絶対値が１×１０^−５５sec^４／ｍ以上であることを特徴とする。

本発明の光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおいて実効断面積が１５μｍ^２以下であるのが好適である。また、長手方向に沿ったゼロ分散波長の変動量が±０.３ｎｍ以下であるのが好適である。

本発明の光デバイスは、波長λ_pumpのポンプ光を出力するポンプ光源と、ポンプ光と波長λ_probeのプローブ光とを合波する合波器と、ポンプ光およびプローブ光を導波させて非線形光学現象によって波長λ_probeに応じた新たな波長λ_idlerのアイドラ光を発生させる上記の本発明の光ファイバと、を備える光デバイスであって、光ファイバにおける波長λ_probeのプローブ光から波長λ_idlerのアイドラ光への波長変換効率の波長λ_probe依存性が、波長λ_pumpを含む主帯域と、この主帯域と区分される副帯域とを有することを特徴とする。

本発明の波長変換方法は、波長λ_pumpのポンプ光および波長λ_probeのプローブ光を上記の本発明の光ファイバに導波させて非線形光学現象によって波長λ_probeに応じた新たな波長λ_idlerのアイドラ光を光ファイバで発生させる波長変換方法であって、光ファイバにおける波長λ_probeのプローブ光から波長λ_idlerのアイドラ光への波長変換効率の波長λ_probe依存性が、波長λ_pumpを含む主帯域と、この主帯域と区分される副帯域とを有し、副帯域に含まれる一または複数のプローブ光を光ファイバに導波させて、プローブ光に応じた一または複数のアイドラ光を光ファイバで発生させることを特徴とする。

本発明によれば、狭い波長帯域のプローブ光に対して選択的に波長変換をすることができる。

波長変換を行う光デバイスの構成例を示す図である。 波長変換を行う光デバイスの他の構成例を示す図である。 波長変換を行う光デバイスの更に他の構成例を示す図である。 光ファイバにおける波長変換効率の波長λ_probe依存性を示す図である。 光ファイバにおける波長変換効率の波長λ_probe依存性のシミュレーション結果を示す図である。 光ファイバにおける波長変換効率の波長λ_probe依存性の実験結果を示す図である。 光ファイバにおける波長変換効率の波長λ_probe依存性の実験結果を示す図である。 光ファイバにおける波長変換効率の波長λ_probe依存性の実験結果を示す図である。 光ファイバにおける波長変換効率の波長λ_probe依存性のシミュレーション結果を示す図である。 光ファイバにおける波長変換効率の波長λ_probe依存性の実験結果を示す図である。 ポンプ光波長λ_pump，副帯域の中心波長，副帯域の帯域幅および副帯域における波長変換効率の最大値η１の関係について纏めた図表である。 光ファイバにおける波長変換効率の波長λ_probe依存性のシミュレーション結果を示す図である。 光ファイバにおける波長変換効率の波長λ_probe依存性のシミュレーション結果を示す図である。 光ファイバにおける波長変換効率の波長λ_probe依存性のシミュレーション結果を示す図である。 光ファイバにおける波長変換効率の波長λ_probe依存性のシミュレーション結果を示す図である。 光ファイバにおける波長変換効率の波長λ_probe依存性の実験結果を示す図である。 光ファイバにおけるゼロ分散波長の長手方向変動量と分散スロープとの関係を示す図である。 光ファイバの屈折率プロファイルの好適例を示す図である。 光ファイバにおける規格化した波長変換効率の波長λ_probeとλ_probeの差分波長依存性の実験結果を示す図である。 光ファイバにおける規格化した波長変換効率の波長λ_probe依存性の実験結果を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、波長変換を行う光デバイスの構成例を示す図である。この図に示される光デバイス１は、光ファイバ１１，ポンプ光源１２および光カプラ１３を備える。この光デバイス１では、ポンプ光源１２から出力された高パワーの波長λ_pumpのポンプ光と、波長変換の対象である波長λ_probeのプローブ光とは、光カプラ１３により合波されて高非線形性の光ファイバ１１により導波され、この光ファイバ１１において非線形光学現象が発現する。そして、この非線形光学現象により、波長λ_probeに応じた新たな波長λ_idlerのアイドラ光が光ファイバ１１で発生し出力される。

図２は、波長変換を行う光デバイスの他の構成例を示す図である。この図に示される光デバイス２は、光ファイバ１１，ポンプ光源１２および光カプラ１３を備える。この光デバイス２では、波長変換の対象である波長λ_probeのプローブ光は、光ファイバ１１の一端側から入射される。ポンプ光源１２から出力された高パワーの波長λ_pumpのポンプ光は、光カプラ１３を経て光ファイバ１１の他端側から入射される。これらプローブ光およびポンプ光が高非線形性の光ファイバ１１により導波され、この光ファイバ１１において非線形光学現象が発現する。そして、この非線形光学現象により、波長λ_probeに応じた新たな波長λ_idlerのアイドラ光が光ファイバ１１で発生して、そのアイドラ光は光カプラ１３を経て出力される。

図３は、波長変換を行う光デバイスの更に他の構成例を示す図である。この図に示される光デバイス３は、光ファイバ１１，ポンプ光源１２，光カプラ１３，光カプラ１４，光増幅器１５，光フィルタ１６および光アイソレータ１７を備える。この光デバイス３では、波長変換の対象である波長λ_probeのプローブ光は、光カプラ１３および光アイソレータ１７を経て、光ファイバ１１に入射される。また、ポンプ光源１２から出力された高パワーの波長λ_pumpのポンプ光は、光増幅器１５により光増幅され、光フィルタ１６により所定波長の光成分が選択的に透過され、光カプラ１３および光アイソレータ１７を経て、光ファイバ１１に入射される。これらプローブ光およびポンプ光が高非線形性の光ファイバ１１により導波され、この光ファイバ１１において非線形光学現象が発現する。そして、この非線形光学現象により、波長λ_probeに応じた新たな波長λ_idlerのアイドラ光が光ファイバ１１で発生して、そのアイドラ光は光カプラ１４を経て出力される。また、光ファイバ１１から出力されるプローブ光も光カプラ１４を経て出力される。

これらのような構成を有する光デバイスに含まれる光ファイバにおいて発現する非線形光学現象の一種である縮退四光波混合では、ポンプ光波長λ_pump，プローブ光波長λ_probeおよびアイドラ光波長λ_idlerの間には、下記（１）式で表される関係がある。また、光ファイバにおけるポンプ光の伝搬定数をβ_pumpとし、プローブ光の伝搬定数をβ_probeとし、アイドラ光の伝搬定数をβ_idlerとしたとき、下記（２）式で示される位相不整合パラメータΔβが値０に近いほど、光ファイバにおける波長λ_probeのプローブ光から波長λ_idlerのアイドラ光への波長変換効率は大きくなる。

この位相不整合パラメータΔβを４次項まで考慮してテーラー展開すると、下記（３）式のように表される。β_２は、光ファイバの波長λ_pumpにおける角周波数ωによる伝搬定数βの２階微分値である。β_４は、光ファイバの波長λ_pumpにおける角周波数ωによる伝搬定数βの４階微分値である。Ｃは真空中の光速であり、πは円周率である。

この位相不整合パラメータΔβが値０となるのは、「λ_pump＝λ_probe」の場合を除くと、下記（４）式が成り立つときである。

伝搬定数βの４階微分値β_４が非０である光ファイバにおいて、この（４）式が成り立つのは、伝搬定数βの２階微分値β_２が略０であって（１／λ_pump−１／λ_probe）が小さいとき（ケース１）と、２階微分値β_２が非０であって２階微分値β_２および４階微分値β_４が逆符号であり下記（５）式が成り立つとき（ケース２）とがある。

ケース１は、ポンプ光波長λ_pumpとプローブ光波長λ_probeとが互いに近いときであり、一般的に分散シフトファイバを用いた場合によく知られている条件である。一方、ケース２は、これまで考慮されていなかった条件である。このケース２の条件を満たすのは、（１／λ_pump−１／λ_probe）が或る程度大きな値を持ち、且つ狭い範囲でのみとなる。

したがって、ケース２の条件では、狭い帯域の四光波混合を実現することが可能となる。これを以下に説明する。

（５）式を用いると、下記（６）式の関係を満たすようなプローブ光波長λ_probeにおいて、波長変換が実現する。つまり、β_２／β_４の値が変化すれば、波長変換可能なλ_probeも変化する。例えば、λ_pump=1530nmのCバンドのポンプ光波長を用いて、λ_probe=1610nmのLバンドのプローブ光をλ_idler=1460nmのアイドラ光に変換するような場合には、β_２／β_４＝-3×10²⁶ｓ^-2であれば良い。光ファイバのゼロ分散波長近傍で、ポンプ光波長λ_pumpが変化した際β₄はあまり変化しないが、β_２は大きく変化させることが可能であるため、四光波混合が発生するプローブ光の波長範囲を変化させることができるという波長可変的な波長変換を実現することが可能となる。

光ファイバの伝送損失が小さい場合、波長変換効率は下記（７）式で表されるηに比例する。ここでLはファイバ長さである。この式（7）は最大値が１であるため、1〜0.5となるようなλ_probeの範囲が、本発明で定義する波長変換帯域となる。これは、Δβ×Lの範囲が下記（８）式であるような場合に相当する。

従って、下記（９）式を満たすλ_{probe_A}と、下記（１０）式を満たすλ_{probe_B}との差（λ_{probe_A}−λ_{probe_B}）の絶対値が、波長変換帯域である。

式（９）と（１０）の差を取ると、下記（１１）式のようになる。ここで、「（1/λ_pump−１／λ_{probe_A}）＝（1/λ_pump−１／λ_{probe_B}）」とし、さらに式（６）を代入すると、結局、下記（１２）式となる。

従って、例えば、L＝１００mの長さのファイバを用い、λ_pump=1530nmのCバンドのポンプ光波長を用いて、λ_probe=1610nmのLバンドのプローブ光をλ_idler=1460nmのアイドラ光に変換するような場合には、上述の通りβ_２／β_４＝-3×10²⁶ｓ^-2であるため、β_２が6×10^-29s²/mである場合、変換帯域（λ_{probe_A}−λ_{probe_B}）≒8nmとなり、このように100m程度以上の光ファイバ長を用いれば、狭い帯域の波長変換が実現する。

さらに、（１／λ_pump−１／λ_probe）が或る程度大きな値を持つことから、ＷＤＭ信号を高非線形ファイバの四光波混合を用いて一括で変換するような場合、信号光間の四光波混合は発生しにくく雑音の発生を抑制可能である。一方、従来のような主帯域を用いて一括で波長変換する場合には信号間での四光波混合が信号の雑音の原因となる。

そこで、本実施形態に係る光デバイスおよび波長変換方法では、光ファイバにおける波長λ_probeのプローブ光から波長λ_idlerのアイドラ光への波長変換効率の波長λ_probe依存性は、ポンプ光波長λ_pumpを含む主帯域と、この主帯域と区分される副帯域とを有している。そして、副帯域に含まれる波長λ_probeのプローブ光が光ファイバに導波されて、この波長λ_probeに応じた波長λ_idlerのアイドラ光が光ファイバで発生する。

図４は、光ファイバにおける波長変換効率の波長λ_probe依存性を示す図である。この図に示されるように、本実施形態に係る光デバイスおよび波長変換方法では、波長変換効率は、ポンプ光波長λ_pumpを含む主帯域と、この主帯域と区分される副帯域とを有する。ここで、光ファイバから出力されるアイドラ光の強度をＰ_idlerとし、光ファイバに入力されるプローブ光の強度をＰ_probeとしたときに、波長変換効率は「Ｐ_idler／Ｐ_probe」で定義される。主帯域は、ポンプ光波長λ_pumpを含む連続した帯域であって、該帯域における波長変換効率の最大値をη２としたときに波長変換効率が(η２−３ｄＢ)以上である帯域である。副帯域は、該帯域における波長変換効率の最大値をη１としたときに波長変換効率が(η１−３ｄＢ)以上である連続した帯域である。副帯域は、主帯域に対して長波長側および短波長側それぞれに存在する。主帯域と副帯域とは、互いに重複することは無く、互いに区分される。主帯域と副帯域との間に、波長変換効率が(η１−３ｄＢ)未満となる波長が存在する。また、主帯域の帯域幅と比較して、副帯域の帯域幅は狭い。

プローブ光は、１波長であってもよいし、複数波長であってもよい。プローブ光およびポンプ光それぞれは、連続光であってもよいし、パルス光でもあってもよい。ポンプ光は、変調されていてもよい。プローブ光は、光通信等で用いられる信号光であってもよい。

このように、主帯域に含まれる波長のプローブ光を光ファイバに導波させて波長変換をする場合と比較すると、本実施形態に係る光デバイスまたは波長変換方法では、副帯域に含まれる波長のプローブ光を光ファイバに導波させて波長変換をすることにより、特定波長のプローブ光に対して選択的に波長変換をすることができる。加えて、ポンプ光の波長を変化させることで波長変換効率を維持しながらプローブ光の波長を変えることができる。

副帯域の帯域幅は３０ｎｍ以下であるのが好適である。副帯域における波長変換効率の最大値をη１とし、主帯域における波長変換効率の最大値をη２としたときに、η１が (η２−１０ｄＢ)より大きいのが好適である。副帯域の帯域幅は、より好ましくは１５ｎｍ以下であり、更に好ましくは１０ｎｍ以下である。η１とη２との差は、より好ましくは５ｄＢ以下であり、更に好ましくは３ｄＢ以下である。このような場合には、波長変換の対象となるプローブ光に対して効率よく波長変換をすることができるとともに、このプローブ光とともに多重化されている他の波長の光に対しては波長変換の影響を抑制することができる。波長選択的な波長変換をする為には、副帯域の帯域幅は狭いほど好ましい。上記帯域幅３０ｎｍというのは、一般的なＥＤＦＡの利得帯域幅である。また、主帯域中のポンプ光波長λ_pumpの近傍において波長変換効率は最大値η２となるので、副帯域における波長変換効率の最大値η１とη２との差は小さいほど好ましい。η１とη２との差の上限値１０ｄＢは、主帯域における波長変換効率の最大値に対して副帯域における波長変換効率の最大値が１０％であることを意味する。

図５は、光ファイバにおける波長変換効率の波長λ_probe依存性のシミュレーション結果を示す図である。また、図６〜図８それぞれは、光ファイバにおける波長変換効率の波長λ_probe依存性の実験結果を示す図である。これらの図には、ポンプ光波長λ_pumpが１５２７.４ｎｍ，１５２８.３ｎｍおよび１５２９.２ｎｍそれぞれの場合について示されている。

ここで用いた光ファイバは、長さが２００ｍであり、ゼロ分散波長が１５２８.３ｎｍであり、分散値（１５５０ｎｍ）が＋１.０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、分散スロープ（１５５０ｎｍ）が＋０.０４７ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍであり、４階微分値β_４（１５２８ｎｍ）が−１.７×１０^−５５sec^４／ｍであり、伝送損失（１５５０ｎｍ）が１.３ｄＢ／ｋｍであり、実効断面積（１５５０ｎｍ）が１２μｍ^２であり、非線形係数γ（１５５０ｎｍ）が１８／Ｗ／ｋｍであり、モードフィールド径（１５５０ｎｍ）が４.０μｍであり、偏波モード分散（Ｃバンド）が０.０６ｐｓ／ｋｍ^１／２である。光ファイバに入射するポンプ光のパワーを＋６ｄＢｍとした。また、光ファイバに入射するプローブ光のパワーを−４ｄＢｍとした。上記の非線形係数γはＸＰＭ法による測定値であり、以降のファイバ特性も同様である。また、ＣＷ-ＳＰＭ法での測定では２／３程度になることが知られている。

この光ファイバは、ゼロ分散波長付近において４階微分値β_４は負である。したがって、２階微分値β_２が正となるようにゼロ分散波長より短い波長のポンプ光を光ファイバに入射させた場合には、波長選択的な四光波混合波長変換が可能であり、逆にゼロ分散波長より長い波長のポンプ光を光ファイバに入射させた場合には、このような現象は発生しない。すなわち、図５に示されるように、ポンプ光波長がゼロ分散波長より短波長である１５２７.４ｎｍである場合のみ、プローブ光波長１４５５ｎｍ及び１６０７ｎｍそれぞれを中心波長とする副帯域において、波長変換帯域が６ｎｍである比較的狭い帯域の波長変換が可能であることが判る。このとき、プローブ光波長が１４５５ｎｍである場合には、アイドラ光波長は１６０７ｎｍであり、プローブ光波長が１６０７ｎｍである場合には、アイドラ光波長は１４５５ｎｍである。

図６はポンプ光波長λ_pumpが１５２７.４ｎｍである場合を示し、図７はポンプ光波長λ_pumpが１５２８.３ｎｍである場合を示し、また、図８はポンプ光波長λ_pumpが１５２９.４ｎｍである場合を示す。また、図６〜図８それぞれにおいて、実線はシミュレーション結果を示し、プロットは実験結果を示す。また、これらの図に示されるように、シミュレーション結果実験結果とは互いによく一致している。実験でも、ポンプ光波長λ_pumpがゼロ分散波長（１５２８.３ｎｍ）より短波長である場合のみ、プローブ光波長１６０３ｎｍでピークとなる効率−４４.６ｄＢｍ（プローブ光波長がポンプ光波長近傍の場合には波長変換効率が−３９.５ｄＢｍであるので、効率差は−５.１ｄＢｍである）、副帯域幅１０ｎｍの波長変換を実現できた。

シミュレーション結果と実験結果とのずれは、光ファイバの長さ方向におけるゼロ分散波長の変動、偏波モード分散、４階微分値β_４より高次の分散項、といった要因が考えられる。波長変換効率はポンプ光パワーの２乗に比例する。今回のポンプ光パワーは＋６ｄＢｍと低いが、誘導ブリルアン散乱の発生閾値であった＋２２ｄＢｍまでポンプ光パワーを高めれば、波長変換効率は−１３ｄＢと高くなる。

このような波長変換技術については、従来は検討されていなかった。これは、例えばＣＷＤＭ（Course Wavelength Division Multiplexing）光信号を波長選択的にDropするような光スイッチに使用することができる。非常に単純な構成での波長選択スイッチとなる。

以上に示した図５〜図８は、ゼロ分散波長付近において４階微分値β_４が負である光ファイバを用いた場合における波長変換効率の波長λ_probe依存性のシミュレーション結果または実験結果であった。これに対して、図９〜図１１は、ゼロ分散波長付近において４階微分値β_４が正である光ファイバを用いた場合における波長変換効率の波長λ_probe依存性のシミュレーション結果または実験結果を示す。

図９は、光ファイバにおける波長変換効率の波長λ_probe依存性のシミュレーション結果を示す図である。この図には、ポンプ光波長λ_pumpが１５８７.０ｎｍ，１５８５.５ｎｍおよび１５８４.０ｎｍそれぞれの場合について示されている。ここで用いた光ファイバは、長さが２００ｍであり、ゼロ分散波長が１５８５.５ｎｍであり、分散値（１５５０ｎｍ）が−０.５６ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、分散スロープ（１５５０ｎｍ）が＋０.０１８ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍであり、４階微分値β_４（１５８５ｎｍ）が＋１.４×１０^−５５sec^４／ｍであり、伝送損失（１５５０ｎｍ）が０.７ｄＢ／ｋｍであり、実効断面積（１５５０ｎｍ）が９.７μｍ^２であり、非線形係数γ（１５５０ｎｍ）が２５／Ｗ／ｋｍであり、モードフィールド径（１５５０ｎｍ）が３.６μｍであり、偏波モード分散（Ｃバンド）が０.１５ｐｓ／ｋｍ^１／２である。

この光ファイバは、４階微分値β_４がゼロ分散波長の近傍で正であり、２階微分値β_２が負であって、ポンプ光波長がゼロ分散波長よりも長い１５８７.０ｎｍの場合のみ、図９に示されるように、波長１５２０ｎｍおよび１６６０ｎｍそれぞれを中心波長として、波長変換帯域が１０ｎｍというピーク波長選択的な波長変換デバイスを実現することができる。この場合、分散スロープが小さいので、ポンプ光波長とゼロ分散波長との差が大きくないと大きな２階微分値β_２を実現することができない。また、光ファイバのγ値が高いので、図６〜図８に示したものより効率が高い。

本実施形態に係る光デバイスまたは波長変換方法において、ポンプ光の波長λ_pumpを０.１ｎｍだけ変化させたときに、副帯域の中心波長の変化量が１ｎｍ以上であるのが好適である。ポンプ光の波長λ_pumpの変化量に対して、副帯域の中心波長の変化量は１０倍である。ポンプ光の波長を変化させることで、波長変換の対象となるプローブ光の波長を効率的に変化させることができる。これについて、図１０および図１１を用いて説明する。

図１０は、光ファイバにおける波長変換効率の波長λ_probe依存性の実験結果を示す図である。図１１は、ポンプ光波長λ_pump，副帯域の中心波長，副帯域の帯域幅および副帯域における波長変換効率の最大値η１の関係について纏めた図表である。ここで用いた光ファイバは、図６〜図８で用いたものと同様のものである。これらは、ポンプ光波長λ_pumpを１５２７.７ｎｍ，１５２７.５ｎｍ，１５２７.３ｎｍおよび１５２７.１ｎｍと変化させた際の四光波混合波長変換の結果を示す。光ファイバに入射するポンプ光のパワーは＋６ｄＢｍであった。

図１０および図１１に示されるように、ポンプ光波長λ_pumpの０.２ｎｍの変化で、副帯域の中心波長が２ｎｍ以上シフトした。波長可変型の光デバイスを容易に実現することが可能である。また、ポンプ光波長近傍の波長を有するプローブ光の波長変換効率η２は−４０ｄＢ程度であり、副帯域における波長変換効率の最大値η２との差は１０ｄＢ以下である。特にポンプ光波長が１５２７.７ｎｍの場合には、その差は３ｄＢ以下である。

また、ポンプ光の波長は一定で光ファイバのゼロ分散波長を変化させた場合でもポンプ光波長における２階微分値β_２を変化することが可能である。この場合には、ポンプ光として波長可変光源を使う必要がなく、好適である。光ファイバのゼロ分散波長を変化させるには、光ファイバの温度を変えたり（T.Kato et.al.）、歪量を変えたり（J.D.Marconi et.al.）することで実現できる。

本実施形態に係る光デバイスまたは波長変換方法において、光ファイバに入射されるポンプ光の強度が１ｍＷ（＝０ｄＢｍ）であるときに、副帯域における波長変換効率の最大値が−８０ｄＢ以上であるのが好適である。この場合、比較的容易に実現することができる強度１Ｗ（＝＋３０ｄＢｍ）のポンプ光を光ファイバに入射させたとき、副帯域における波長変換効率の最大値が−２０ｄＢ以上となり、実用の上で好ましい。これについて、図１２を用いて説明する。

図１２は、光ファイバにおける波長変換効率の波長λ_probe依存性のシミュレーション結果を示す図である。ここで用いた光ファイバは、長さが５０ｍであり、ゼロ分散波長が１４８０ｎｍであり、分散値（１５５０ｎｍ）が＋２.５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、分散スロープ（１５５０ｎｍ）が＋０.０３４ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍであり、４階微分値β_４（１４８０ｎｍ）が−７×１０^−５６sec^４／ｍであり、伝送損失（１５５０ｎｍ）が０.５ｄＢ／ｋｍであり、実効断面積（１５５０ｎｍ）が１２μｍ^２であり、非線形係数γ（１５５０ｎｍ）が１９／Ｗ／ｋｍであり、モードフィールド径（１５５０ｎｍ）が３.８μｍ、偏波モード分散（Ｃバンド）が０.０５ｐｓ／ｋｍ^１／２である。光ファイバに入射するポンプ光の波長を１４７８.８ｎｍとし、該ポンプ光のパワーを＋３０ｄＢｍとした。この図に示されるように、プローブ光波長１３７０ｎｍおよび１６０６ｎｍそれぞれを中心波長として、帯域１２ｎｍ、ピーク効率−８.５ｄＢの波長変換が可能である。これは、１ｍＷのポンプ光入射時には効率−６８.５ｄＢに相当する。

本実施形態に係る光デバイスまたは波長変換方法において、ポンプ光の波長λ_pumpが１４４０ｎｍ〜１６４０ｎｍの範囲にあるのが好適である。この場合、ポンプ光を出力するポンプ光源として、光通信に用いられている安価な高出力レーザ光源を利用することができる。

本実施形態に係る光デバイスまたは波長変換方法において、光ファイバの全長が５００ｍ以下であるのが好適である。ファイバ長が短いほど、光ファイバの長手方向のゼロ分散波長の変動量が小さく、副帯域の帯域幅が狭い。光ファイバの全長が５００ｍ以下であれば、光ファイバの長手方向のゼロ分散波長の変動量が±０.３ｎｍ以下とすることが容易である。

本実施形態に係る光デバイスまたは波長変換方法において、ポンプ光の波長λ_pumpと副帯域の中心波長との差が５０ｎｍ以上であるのが好適である。ポンプ光の波長λ_pumpは光ファイバのゼロ分散波長と略等しいので、副帯域に含まれる複数波長のプローブ光を光ファイバに入射させた場合、ポンプ光の波長λ_pumpと副帯域の中心波長とが互いに近いときには、複数波長のプローブ光の間での四光波混合の発現が問題となる。これに対して、ポンプ光の波長λ_pumpと副帯域の中心波長との差が５０ｎｍ以上であれば、副帯域における光ファイバの波長分散の絶対値が１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ程度以上となるので、複数波長のプローブ光の間での四光波混合の発現が抑制され得る。

ポンプ光の波長λ_pumpと副帯域の中心波長との差が100ｎｍ以下であるのが好適である。これは、例えば励起光としてCバンド（波長1520〜1565nm）内にある波長λ_pumpを用い、Lバンド（波長1570〜1620nm）の波長をSバンド（波長1510〜1460nm）に変換する、またはSバンドの光をLバンドに変換する、というような通信応用を考えた際には、ポンプ光の波長λ_pumpと副帯域の中心波長との差は小さい方が良く、ポンプ光の波長λ_pumpと副帯域の中心波長との差が100ｎｍ以下であれば実現可能である。

本実施形態に係る光デバイスまたは波長変換方法において、光ファイバからのプローブ光またはアイドラ光の出射強度が光ファイバへのプローブ光の入射強度より大きいのが好適である。この場合、光パラメトリック増幅（Optical Parametric Amplification）によって、広帯域の光増幅が可能である。また、光増幅作用だけでなく、ポンプ光としてコントロールパルス光を光ファイバに入射させることにより光スイッチやデマルチプレクサの作用をも奏することができる。

本実施形態に係る光デバイスまたは波長変換方法において、光ファイバの波長λ_pumpにおける角周波数ωによる伝搬定数βの４階微分値β_４の絶対値が３×１０^−５６sec^４／ｍ以上であるのが好適である。この４階微分値β_４の絶対値が大きいほど、特定波長のプローブ光に対して選択的に波長変換をする上で好ましい。なお、光ファイバの４階微分値β_４の絶対値や分散スロープの調整は、該光ファイバの屈折率プロファイルを最適化することで可能である。これについて、図１３〜図１５を用いて説明する。図１３〜図１５それぞれは、光ファイバにおける波長変換効率の波長λ_probe依存性のシミュレーション結果を示す図である。

図１３で用いた光ファイバは、長さが３００ｍであり、ゼロ分散波長が１５２０.０ｎｍであり、分散値（１５５０ｎｍ）が＋０.９ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、分散スロープ（１５５０ｎｍ）が＋０.０２４ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍであり、４階微分値β_４（１５２０ｎｍ）が−１.６×１０^−５６sec^４／ｍであり、伝送損失（１５５０ｎｍ）が１.２ｄＢ／ｋｍであり、実効断面積（１５５０ｎｍ）が８.６μｍ^２であり、非線形係数γ（１５５０ｎｍ）が３０／Ｗ／ｋｍであり、モードフィールド径（１５５０ｎｍ）が３.４μｍであり、偏波モード分散（Ｃバンド）が０.０５ｐｓ／ｋｍ^１／２である。

このような光ファイバを用いた場合、４階微分値β_４が小さいので、主帯域が連続的に非常に広いものとなり、Ｅ〜Ｕバンドまでカバーしてしまう。例えば、波長１５１９.８ｎｍで＋１０ｄＢｍのポンプ光を光ファイバに入射させると、波長変換効率のプローブ光波長依存性は、図１３に示されるとおりである。式（６）を満たすようなプローブ光波長は、λ_pump＝1610nmであるが、主帯域と区分される副帯域を有しない。

図１４で用いた光ファイバは、長さが３００ｍであり、ゼロ分散波長が１５１９.０ｎｍであり、分散値（１５５０ｎｍ）が＋１.０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、分散スロープ（１５５０ｎｍ）が＋０.０２６ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍであり、４階微分値β_４（１５１９ｎｍ）が−３.１×１０^−５６sec^４／ｍであり、伝送損失（１５５０ｎｍ）が１.２ｄＢ／ｋｍであり、実効断面積（１５５０ｎｍ）が８.６μｍ^２であり、非線形係数γ（１５５０ｎｍ）が３０／Ｗ／ｋｍであり、モードフィールド径（１５５０ｎｍ）が３.４μｍであり、偏波モード分散（Ｃバンド）が０.０５ｐｓ／ｋｍ^１／２である。

このような光ファイバを用いた場合、ゼロ分散波長における４階微分値β_４が比較的大きいので、副帯域において波長選択的な波長変換が可能となる。例えば、波長１５１９.８ｎｍで＋１０ｄＢｍのポンプ光を光ファイバに入射させると、波長変換帯域は図１４に示されるとおりであり、波長１６１２ｎｍを中心に帯域幅１５ｎｍの波長変換が可能である。

図１５で用いた光ファイバは、長さが３００ｍであり、ゼロ分散波長が１５１９.５ｎｍであり、分散値（１５５０ｎｍ）が＋１.２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、分散スロープ（１５５０ｎｍ）が＋０.０３３ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍであり、４階微分値β_４（１５１９ｎｍ）が−９.６×１０^−５６sec^４／ｍであり、伝送損失（１５５０ｎｍ）が１.２ｄＢ／ｋｍであり、実効断面積（１５５０ｎｍ）が８.６μｍ^２であり、非線形係数γ（１５５０ｎｍ）が３０／Ｗ／ｋｍであり、モードフィールド径（１５５０ｎｍ）が３.４μｍであり、偏波モード分散（Ｃバンド）が０.０５ｐｓ／ｋｍ^１／２である。

このような光ファイバを用いた場合、ゼロ分散波長における４階微分値β_４がさらに大きいので、より消光比の大きな波長選択的な波長変換が可能となる。例えば、波長１５１８.９ｎｍで＋１０ｄＢｍのポンプ光を光ファイバに入射させると、波長変換帯域は図１５に示されるとおりであり、波長１４５３ｎｍおよび１５９６ｎｍそれぞれを中心に帯域幅８ｎｍの波長変換が可能である。このようにポンプ光波長における４階微分値β_４の絶対値が１×１０^−５５sec^４／ｍ以上であると更に好ましい。

光ファイバの長さは短いほうがゼロ分散波長の変動が小さくなるが、式（１２）のように、長さに反比例して波長変換帯域は大きくなってしまう。このような場合には、よりβ₄を大きくする必要がある。

図１９には、β₄の大小による比較を行った結果を示す。用いた光ファイバは、長さが1００ｍでゼロ分散波長が１５５８.０ｎｍであり、分散値（１５５０ｎｍ）が−０.２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、分散スロープ（１５５０ｎｍ）が＋０.０１９ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍであり、４階微分値β_４（１５５８ｎｍ）が＋１.０×１０^−５５sec^４／ｍであり、伝送損失（１５５０ｎｍ）が０.８ｄＢ／ｋｍであり、実効断面積（１５５０ｎｍ）が９.６μｍ^２であり、非線形係数γ（１５５０ｎｍ）が２４／Ｗ／ｋｍであり、モードフィールド径（１５５０ｎｍ）が３.６μｍであり、偏波モード分散（Ｃバンド）が０.０３ｐｓ／ｋｍ^１／２である、光ファイバと、長さが1００ｍでゼロ分散波長が１５２８.０ｎｍであり、分散値（１５５０ｎｍ）が＋１.０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、分散スロープ（１５５０ｎｍ）が＋０.０４７ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍであり、４階微分値β_４（１５２８ｎｍ）が−１.8×１０^−５５sec^４／ｍであり、伝送損失（１５５０ｎｍ）が１.３ｄＢ／ｋｍであり、実効断面積（１５５０ｎｍ）が１２μｍ^２であり、非線形係数γ（１５５０ｎｍ）が１８／Ｗ／ｋｍであり、モードフィールド径（１５５０ｎｍ）が４.０μｍであり、偏波モード分散（Ｃバンド）が０.０６ｐｓ／ｋｍ^１／２である、光ファイバである。

図１９は、規格化した波長変換効率のポンプ光とプローブ光の差分依存性の実験結果を示す。このとき、β_２／β_４は-3×10²⁶ｓ²程度とした。β₄＝−１.０×１０^−５５sec^４／ｍである光ファイバは、白丸のように、主帯域と区分される副帯域を有していない。一方、β₄＝−１.８×１０^−５６sec^４／ｍである光ファイバは、黒丸のように、ポンプ光波長から８０ｎｍ程度はなれたプローブ光波長に、変換帯域１０ｎｍの副帯域を有している。このように、β４は大きな値であると好ましい。

β₄＝−１.８×１０^−５６sec^４／ｍである光ファイバ１００ｍを用い、ポンプ光波長λ_pumpを変化させた際の、規格化した波長変換効率のプローブ光波長λ_probe依存性を図２０に示す。ファイバ長が１００ｍと短いために、プローブ光波長λ_probeが１６２０ｎｍにおける、副帯域の波長変換効率のピーク値は主帯域の波長変換効率のピーク値から３ｄB程度しか低下していない。また、ポンプ光波長を変化させて、副帯域のプローブ光波長λ_probe中心波長が１６００、１６１０、１６２０ｎｍとなり、消光比が約１０ｄBとなるような可変型の波長変換を実現した。

本実施形態に係る光デバイスまたは波長変換方法において、光ファイバの長手方向に沿ったゼロ分散波長の変動量が±０.３ｎｍ以下であるのが好適である。ポンプ光の波長λ_pumpにおける４階微分値β_４の絶対値を変化させると副帯域の中心波長が大きく変化するので、光ファイバの長手方向に沿ったゼロ分散波長の変動量は小さいほど好ましい。これについて、図１６を用いて説明する。

図１６は、光ファイバにおける波長変換効率の波長λ_probe依存性の実験結果を示す図である。ここで用いた光ファイバは、長さが５００ｍであり、ゼロ分散波長が１５２９.１ｎｍであり、分散値（１５５０ｎｍ）が＋１.２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、分散スロープ（１５５０ｎｍ）が＋０.０４２ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍであり、４階微分値β_４（１５１９ｎｍ）が−１.５×１０^−５６sec^４／ｍであり、伝送損失（１５５０ｎｍ）が０.３５ｄＢ／ｋｍであり、実効断面積（１５５０ｎｍ）が１５μｍ^２であり、非線形係数γ（１５５０ｎｍ）が１０／Ｗ／ｋｍであり、モードフィールド径（１５５０ｎｍ）が４.６μｍであり、偏波モード分散（Ｃバンド）が０.０２ｐｓ／ｋｍ^１／２である。

この光ファイバの長さ方向におけるゼロ分散波長の変動は±０.１ｎｍであった（測定はMollenauerらの方法。また、それぞれ波長の異なる２波長の波長可変レーザ光を光ファイバ中に入射し、波長間隔を一定に保ちながら波長をスキャンし、発生する四光波混合の変換効率を調査することによってもゼロ分散波長の変動を知ることが出来る: . Brenner, et al., Opt. Lett., 23, (1998) 1520.）。このような光ファイバに波長１５２８.５ｎｍで＋１５ｄＢｍのポンプ光を入射させると、波長１４７１ｎｍ及び１５９２ｎｍそれぞれを中心波長として、副帯域の幅１０ｎｍという波長選択的な波長変換デバイスを実現することができる。この副帯域内での波長変換効率は、最大−２７ｄＢであり、ポンプ光波長近傍での波長変換効率の最大値−２０ｄＢと比較して、１０ｄＢ以内の差である。

本実施形態に係る光デバイスまたは波長変換方法において、光ファイバのゼロ分散波長における分散スロープが＋０.０２ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以上であるのが好適である。この場合には、光ファイバの長手方向に沿ったゼロ分散波長の変動が抑制され得る。これについて、図１７を用いて説明する。

図１７は、光ファイバにおけるゼロ分散波長の長手方向変動量と分散スロープとの関係を示す図である。ここで用いた光ファイバは、実効断面積が８〜１２μｍ^２であり、非線形係数γがＸＰＭ法での測定で１７〜３５／Ｗ／ｋｍである。このような光ファイバのコア部の径が長さ方向で１％（±０.０５％）変動した場合に、ゼロ分散波長がどの程度変化するのかが図１７に示されている。

この図に示されるように、分散スロープが+０.０２ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以下である場合には、急激にゼロ分散波長の変動量が大きくなっている。したがって、好ましいのはゼロ分散波長において+０.０２ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以上の分散スロープを有する光ファイバである。その倍の+０.０４ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以上の分散スロープを有する光ファイバであれば、より好ましい。また、一般的に高非線形性光ファイバとして実現可能な分散スロープの最大値は＋０.０６ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ程度である。

本実施形態に係る光デバイスまたは波長変換方法において、光ファイバの偏波モード分散が全長で０.２ｐｓ以下であるのが好適である。偏波分散の影響が小さくなり、光ファイバにおける非線形光学現象が長時間に亘って安定して発現することが可能である。また、光ファイバを導波する基底モード光の直交偏波間のクロストークが全長で−１５ｄＢ以下であるのが好適である。このような偏波保持光ファイバを用いることにより、偏波分散の影響が無視し得るほど小さくなり、光ファイバにおける非線形光学現象が長時間に亘って安定して発現することが可能である。

図１８は、光ファイバの屈折率プロファイルの好適例を示す図である。偏波モード分散が低い方が、帯域が広くなるので、使用ファイバ長で０.２ｐｓ以下であるとよい。偏波モード分散が０.１ｐｓ以下であればより好ましい。一般的なＰＡＮＤＡ型構造とすることで、導波モード（光ファイバの基底モード）の直交偏波間のカップリングを抑制することが可能であり、さらに好適である。ファイバ長１ｋｍであっても、偏波間のカップリングを−１５ｄＢ以下にすることが可能で、実使用のファイバ長ではさらに小さくすることができえる。

本実施形態に係る光デバイスまたは波長変換方法において用いられる光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおいて実効断面積が１５μｍ^２以下であり、ゼロ分散波長が１４４０ｎｍ〜１６４０ｎｍの範囲にあり、ゼロ分散波長において分散スロープが０.０４ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以上であり、ゼロ分散波長において角周波数ωによる伝搬定数βの４階微分値β_４の絶対値が１×１０^−５５sec^４／ｍ以上であり、長手方向に沿ったゼロ分散波長の変動量が±０.３ｎｍ以下である。この光ファイバは、上記の実施形態に係る光デバイスまたは波長変換方法において好適に用いられ得る。

また、光ファイバは、例えば最小曲げ径が４０ｍｍφ程度以下の小型コイルに巻かれていてもよい。このとき、光ファイバの被覆外径が１５０μｍ以下など細くなる方がより小型にすることができる。また、光ファイバのガラス部の外径が１００μｍ以下など細ければ、小型に巻いたときの巻き歪が小さくなるので、破断する確率が小さくなったり、曲げ誘起複屈折による偏波モード分散の劣化を抑制できたりすることが可能である。

さらに、光ファイバの非線形係数は、高い方が望ましく、特に１０／Ｗ-ｋｍ以上であるとよい。そのため、実効断面積は１５μｍ^２以下である方が望ましい。また、中心コア部の屈折率が高く非線形屈折率Ｎ_２も高い方がよい。例えば中心コア部にＧｅＯ_２を添加した石英ガラスを使用し、純石英ガラスに対する比屈折率差が２.０％以上であり、非線形屈折率Ｎ_２はＸＰＭ法の測定で４以上であるとよい。モードフィールド径も小さい方がよく、例えば４.５μｍ以下であるとよい。

光ファイバの伝送損失は低い方がよい。光ファイバの実効長が長くなるため、変換効率が上昇する。伝送損失は例えば１０ｄＢ／ｋｍ以下（好ましくは２ｄＢ／ｋｍ以下）であるとよい。そのためには、石英ガラスベースの光ファイバであるのが望ましい。ゼロ分散波長とポンプ光波長とは０.１ｎｍ〜１０ｎｍ程度離れているのが望ましいので、分散シフトファイバである必要がある。波長分散の制御性といった観点からも、石英ガラスベースの光ファイバであるのが望ましい。

１〜３…光デバイス、１１…光ファイバ、１２…ポンプ光源、１３…光カプラ、１４…光カプラ、１５…光増幅器、１６…光フィルタ、１７…光アイソレータ。

Claims (5)

1. ゼロ分散波長が１４４０ｎｍ〜１６４０ｎｍの範囲にあり、
   ゼロ分散波長において分散スロープが０.０４ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ以上であり、
   ゼロ分散波長において角周波数ωによる伝搬定数βの４階微分値β_４の絶対値が１×１０^−５５sec^４／ｍ以上である、
   ことを特徴とする光ファイバ。
2. 波長１５５０ｎｍにおいて実効断面積が１５μｍ^２以下であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
3. 長手方向に沿ったゼロ分散波長の変動量が±０.３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
4. 波長λ_pumpのポンプ光を出力するポンプ光源と、前記ポンプ光と波長λ_probeのプローブ光とを合波する合波器と、前記ポンプ光および前記プローブ光を導波させて非線形光学現象によって波長λ_probeに応じた新たな波長λ_idlerのアイドラ光を発生させる請求項１記載の光ファイバと、を備える光デバイスであって、
   前記光ファイバにおける波長λ_probeのプローブ光から波長λ_idlerのアイドラ光への波長変換効率の波長λ_probe依存性が、波長λ_pumpを含む主帯域と、この主帯域と区分される副帯域とを有することを特徴とする光デバイス。
5. 波長λ_pumpのポンプ光および波長λ_probeのプローブ光を請求項１記載の光ファイバに導波させて非線形光学現象によって波長λ_probeに応じた新たな波長λ_idlerのアイドラ光を前記光ファイバで発生させる波長変換方法であって、
   前記光ファイバにおける波長λ_probeのプローブ光から波長λ_idlerのアイドラ光への波長変換効率の波長λ_probe依存性が、波長λ_pumpを含む主帯域と、この主帯域と区分される副帯域とを有し、
   前記副帯域に含まれる一または複数のプローブ光を前記光ファイバに導波させて、前記プローブ光に応じた一または複数のアイドラ光を前記光ファイバで発生させる、
   ことを特徴とする波長変換方法。
   

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