JPH0378731A - 光論理ゲート - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光信号を電気に変換することなく、高速に信
号処理を行う光論理ゲートに関するものである。

（従来の技術） 従来、全光論理ゲートとして提案されているものには、
大きく分けて、■光共振器型、■光電気融合型、■光フ
ァイバ型がある。■の光弁振器型は、例えばファブリペ
ロエタロンによって光共振器を構成し、その内部に光非
線形性を有する材料、すなわち屈折率が照射する光の強
度によって変化する材料を挿入したものである（第２図
）。第２図において、６は半導体材料、有機非線形材料
などの非線形媒質、７は反射率約９０％程度の半透過鏡
である。光弁振器型で現在量も有望とされているのは、
非線形媒質としてＧａＡｓ、またはＧａＡｓＡｌＧａＡ
ｓ超格子などの半導体を用いたものであり、数ｍＷ程度
のパワーでの動作が確認されている。しかしながら、半
導体の非線形応答速度は約１ｎｓのオーダーであり、当
然のことながら半導体を用いる限りＩｎｓよりも高速な
光弁振器型の素子は実現できない。従って、光弁振器型
で実現できる処理の速度は現状ではＩ　ＧＨｚ程度が限
界であり、これ異常の速度を望むには、半導体を用いる
のではなく、例えば有機非線形材料のように、応答速度
の速い材料を用いなければならない。しかしながら、有
機材料の非線形性は、半導体に比較して約５桁から６桁
以上小さいので、動作に必要な光パワーが非現実的に大
きくなるばかりか、現状では材料の探索が行われている
に止まっており、素子化の見通しは全くないといってよ
い。■の光電気融合型には、例えばＡＴ＆Ｔが開発した
５ＥＥＤと呼ばれる素子が知られている。５ＥＥＤは■
と同様に半導体（Ｇａ＾５−ＡＩＧａＡｓ超格子）の非
線形応答を利用したものであり、信号処理速度が約Ｉ　
ＧＨｚに制限される。

■の光フアイバ型としては、光力−シャッタの原理を用
いた第３図に示すものが提案されている。

第３図において８は偏波保持光ファイバ、９は％波長板
、１０はＺ波長板、１１は偏光ビームスプリッタである
。λ１．λ、は各々ポンプ光、信号光の波長を表わして
いる。偏波保持光ファイバ８の入射端に描かれた２枚の
プレートは入射時のポンプ光および信号光の偏波状態を
表わしており、ポンプ光の偏波状態は、偏波保持光ファ
イバの主軸の一方と平行であるのに対し、信号光の偏波
状態は主軸と４５°の角度をなす。偏波保持ファイバ８
の中には、ポンプ光、信号光の偏波状態の変化の様子を
示しである。ポンプ光の偏波状態は主軸に平行なまま全
く変化をしないが、信号光の偏波状態は直線偏波と円偏
波の間を周期的に変動する。

第４図は光フアイバ型の光論理ゲートの動作を説明する
図であって、１２は合波鏡、１３はファイバ型論理ゲー
トを示す。この光論理ゲートは信号光とポンプ光が重な
った部分のみを出力する光ＡＮＤゲートとして動作する
。この動作を利用して、光サンプリング機能や光信号の
デマルチプレクシング機能などが実現できる。

第３図に示す構成による光論理ゲートの動作原理を説明
する。信号光は偏波保持光ファイバの主軸と４５°の角
度を有する直線偏波として入射される。ポンプ光は偏波
保持光ファイバの一つの主軸と平行な直線偏波として入
射される。信号光は、入射時には直線偏波であるが、偏
波保持光ファイバの二つの主軸の両方の成分をもつので
、伝搬する際にその偏光状態が偏波保持光ファイバのビ
ート長の周期で変化する。一方、ポンプ光は常に直線偏
光を保ったまま伝搬する。２波長板、２波長板は、信号
光の偏光状態をもとの直線偏光に戻すために配置されて
いて、通常、信号光はその後に置かれた偏光ビームスプ
リッタを直進する。偏波保持光ファイバのビート長、す
なわち信号光の偏光状態が変化する周期は、次式で表わ
される。

Ｌ＝２π／（β８−βｙ）　　　　　　（１）ただし、
β８．β７は偏波保持光ファイバの各主軸の伝搬定数で
ある。光ファイバのＹ軸に平行にポンプ光が２された場
合には、β７がその強度に比例して増加する。従って、
ポンプ光が存在する場合のビート長は、ポンプ光が無い
場合に比べて短くなる。従って、ポンプ光と重なって伝
搬した信号光と、ポンプ光と重ならないで伝搬し信号光
とでは、光ファイバを通過した後の偏光状態が違ってい
ることになる。ポンプ光の強度を適切に調節すれば、２
波長板、ス波長板を通過した後のポンプ光と重なって伝
搬した信号光の偏光状態を、ポンプ光と重ならずに伝搬
した信号光の偏光状態と９０°違った状態にすることが
できる。このようにすれば、信号光のうち、ポンプ光と
重なって伝搬した部分だけが偏光ビームスプリッタによ
って分離され、光ＡＮＤ回路の動作を実現することがで
きる。

以上説明した従来の光フアイバ型の光論理ゲートには、
以下に示すような欠点があった。

第１に、従来の光フアイバ型の光論理ゲートの動作時に
は、信号光の偏光状態を厳格に主軸と４５゜に保持しな
ければならない。言い換えれば、従来の光フアイバ型の
光論理ゲートは、その動作が信号の偏光状態に依存する
。この理由から、偏波保持機能のない通常の単一モード
光ファイバを用いた通信網においては使用が困難である
。

第２に、従来の光論理ゲートは、外部温度にその動作が
敏感に変化し、実際の使用に当たっては、温度制御を必
要とする。従来の光論理ゲートにおいて、信号光の偏波
状態は、偏波保持光ファイバの２本の主軸に平行な成分
の干渉によって決定され、偏波保持光ファイバのビート
長を周期として変化する。偏波保持光ファイバのビート
長は、温度に非常に敏感であるので、動作時には光ファ
イバを一定温度に保つことが必要である。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、前記の欠点に鑑みなされたもので、偏波依存
性がなく、温度などの外界の擾乱に対しても安定な光フ
アイバ型論理ゲートを提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の光論理ゲートは、光フアイバ型であって、偏波
保持機能のない通常の単一モード光ファイバを用いて構
成する。

すなわち本発明の光論理ゲートは、ポンプ光波長におい
て異常分散を有し、かつ第３次の非線形分極に起因する
非線形効果を有する単一モード非ファイバと、パルス状
のポンプ光を発生するレーザ光源を備え、信号光を前記
単一モード光ファイバにポンプ光と同時に合波できるた
めの光学系を有し、前記単一モード光ファイバの出射端
においてこれらを分離するフィルタを備える。

従来の光論理ゲートが光の偏波状態の変化を用いて論理
動作を行っていたのに対して、本発明では光フアイバ中
のパラメトリック増幅を利用する。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例の構成図である。第１図にお
いて、■はポンプ光を発生する波長１．３２μｍのＹＡ
Ｇレーザであり、２は信号光用の半導体レーザであり、
その波長は約１．３０μｍに調節されている。３はポン
プ光波長（この例では１．３２μｍ）における分散が異
常分散であるような単一モード光ファイバ、４はポンプ
光と信号光を合波するための合波鏡、５はポンプ光と信
号光を分離するための分波鏡である。

以下に本発明の詳細な説明する。

本発明は、光フアイバ内にポンプ光と信号光が入射した
場合に光ファイバの有する非線形非光学効果によって生
じるパラメトリック増幅を原理として利用している。パ
ラメトリック増幅は、ポンプ光の周波数をω２、信号光
の周波数ωヶ、とするとき、つぎの関係を満たす周波数
ω、を有する光が増幅される現象である。（第５図参照
）２ω、−ωＡｓ−ωＳ＝Ｏ（２） ７バ ラメトリック をそれぞれストークス光、アンチストークス光と呼び、
ストークス光はポンプ光よりも周波数の小さい光を指し
、アンチストークス光は逆に周波数の大きい光を指す。

この現象により、ポンプ光と信号光が同時に存在する場
合にのみ、周波数ω３の信号が生成される。第１図に示
すように、ポンプ光として波長１．３２μｍ、信号光と
して１．３０μｍの光を用いると、式（２）により約１
．３４μｍの波長を持つストークス光が増幅される。こ
の周波数ω３の信号を分波鏡５によって選択的に抜き出
せば、信号光とポンプ光が重なった部分のみを取り出す
ことができ、ポンプ光およびアンチストークス光を入力
とし、ストークス光を出力とする光ＡＮＤゲートが実現
できる。

パラメトリック増幅の増幅度は、光ファイバの分散およ
びポンプ光のパワーによって決定され、次式で表わされ
ることが知られている。

（３） ここで、Ｋ″（−一６２に／ｄω２）は光ファイバの分
散数であり、Ωはポンプ光とストークス光の周波数間隔
、ｎ２は光ファイバの非線形屈折率、ｋｏはポンプ光の
波数、Ｐは入射ポンプ光パワー、Ｓは光ファイバのモー
ドフィールド面積、ｎ．）は光ファイバの屈折率である
。

ポンプ光のパワーを一定とし、光ファイバの分散を変化
させた場合の増幅度を、式（３）に従って増幅度を計算
し結果を第６図に示す。第６図の計算においては、光フ
ァイバに入射するポンプ光パワーを５Ｗと仮定している
。第６図かられかるように、光ファイバの分散数が小さ
くなるほど、パラメトリック増幅は広い波長範囲で生じ
ることがわかる。このことは、光ファイバの分散数が小
さいほど、信号光として利用できる波長帯が大きくなる
ことを意味している。利得が最大値をとるのは、パラメ
トリック増幅の位相整合条件が満たされるときであり、
この位相整合条件は、ポンプ光とストークス光、または
ポンプ光とアンチストークス光の周波数差をΩとすると
、以下の式で与０ えられることが知られている。

本発明で利用する光フアイバ中のパラメトリック増幅は
、光ファイバの異常分散と光非線形効果が釣合った結果
、位相整合条件を満足し、大きな利得を生じるものであ
り、従って、本発明で利用する単一モード光ファイバは
、ポンプ光の波長において異常分散を有する必要がある
。このことは、式（４）においてｋ“が負であると、Ω
の値が負となり、位相整合を満足する条件が存在しなく
なることを意味している。通常の単一モード光ファイバ
は、波長１．３μｍ近辺に零分散波長を有しており、ポ
ンプ光波長を１．３μｍ付近に選定すれば、この波長に
おいてわずかな異常分散を有するように設計するのは容
易である。

本発明の利点の一つは、信号光とポンプ光のＡＮＤを出
力するというゲート動作と同時に、出力信号を増幅する
機能を持つことである。第７図に、ポンプ光強度、光フ
ァイバの長さをパラメータとしたときの増幅度を示す。

第７図かられかるように、数百ｍ程度の光ファイバを用
いれば、数Ｗ程度のポンプ光によって、３０ｄＢ〜４０
ｄＢの大きな利得が得られることがわかる。利得がそれ
ほど必要でないときは、さらに小さいパワー、または短
い光ファイバを使用できる。

本発明の特長の第２は、従来の光フアイバ型の論理ゲー
トと異なり、信号光の偏波状態に対する動作の依存性が
ないことである。本来、バラメリック増幅現象は、光フ
アイバ中のポンプ光と信号光（ストークス光またはアン
チストークス光）の偏波状態にその利得が依存し、ポン
プ光と信号光の偏波の方向が一致するときに利得が最大
となる。

しかしながら、本発明において使用される偏波保持特性
を持たない単一モード光ファイバにおいては、ポンプ光
の偏波状態は伝搬時にランダムに変化するので、信号光
の入射端での偏波状態を変化させても、光ファイバが十
分に長い場合には利得はほとんど変化しない。数十ｍ程
度の短い光ファイバを用いるときは、信号光の入射端で
の偏波状１ ２ 態によって利得が変化する場合があるが、ポンプ光の偏
波を円偏波としてから入力すれば、利得の偏波依存性は
ほぼ完全に消失する。このように、本発明による光ＡＮ
Ｄ・ゲートは、その特性が信号光の偏波に依存しない。

この特長は、偏波状態の変化自体を利用してスイッチン
グを行う従来の光フアイバ型論理ゲートでは、本質的に
達成不可能であった。

また従来の光フアイバ型論理ゲートは、偏波保持光ファ
イバの直交する二つの固有モードの干渉現象を用いたも
のであり、偏波保持光ファイバの複屈折が温度によって
わずかに変化しただけで、その特性が変化してしまい、
実際の使用時には、外部環境の温度制御を行う必要があ
るなどの問題があり、実用の見地から大きな妨げとなっ
ていた。

これに対して、本発明による光論理ゲートは、光ファイ
バにおける増幅現象を利用したものであるから、干渉計
に特有な不安定性はなく、外部の温度は全く制御しなく
てもその動作に影響はない。

本発明による光論理ゲートの応答速度、すなわち帯域を
決定する要因は、主に光フアイバ内のウオークオフ効果
である。

ウオークオフ効果とは、ポンプ光と信号光の光フアイバ
中を伝搬する群速度が違うために生じる。

入射時に重なって入力されたポンプ光と信号光は、その
群速度が違うため出射時にはわずかに時間的にずれてお
り、これによって光論理ゲートの時間分解能が制限され
る。ポンプ光波長の光ファイバの分散を０．１　ｐｓ／
ｎｍ−Ｊａｎとし、ポンプ光として１，３２μｍ、信号
光として１．３０μｍの光を用いる場合を仮定すると、
両者の光フアイバ中の伝搬時間の差は光ファイバ１００
ｍ当たりおよそｌｐｓである。このことは、数百Ｇｐｉ
ｔ／ｓの伝送速度で動作する光論理ゲートが構成できる
ことを意味している。

このように本発明による光論理ゲートは、■信号光の増
幅を同時に行うことができる、■偏波依存性がない、■
高速な光信号処理が可能である、■安定な動作をする、
等の特長を有しており、将来の光通信、光信号処理の分
野での応用が期待できる。

３ ４ （発明の効果） 以上説明したように、本発明の光論理ゲートによれば、
信号光の増幅を同時に行うことができる、偏波依存性が
ないなどの優れた特長をもつ高速光論理ゲートが構成可
能であり、超高速光通信システムにおける時間多重技術
、サンプリング技術の高速化に大きく貢献できると考え
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、 第２図は従来の光論理ゲートとして提案されているファ
ブリペロ型素子の構成図、 第３図は従来の光ファイバ型光ＡＮＤゲートの構成図、 第４図は光論理ゲートの動作を説明する図、第５図は本
発明の光論理ゲートにおけるポンプ光、信号光（アンチ
ストークス光）および増幅光（ストークス光）のスペク
トル、 第６図は光フアイバ中のパラメトリック増幅の利得の計
算結果を示す図、 第７図はパラメトリック増幅の利得の、光ファイバの長
さおよびポンプ光強度に対する依存性を示す図である。 ■・・・ポンプ光を発生する波長１．３２μｍのＹＧ＾
レーザ ２・・・信号光用の半導体レーザ ３・・・ポンプ光波長において異常分散を有する単一モ
ード光ファイバ ４・・・ポンプ光と信号光を合波するための合波鏡５・
・・ポンプ光と信号光を分離するための分岐鎖６・・・
半導体材料、有機非線形材料などの非線形媒質 ７・・・反射率約９０％程度の半透過鏡８・・・偏波保
持非ファイバ ９・・・２波長板　　　　　１０・・・ス波長板１１・
・・偏光ビームスプリッタ １２・・・分散鏡 １３・・・ファイバ型論理ゲート に↓１．ｒ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、ポンプ光波長において異常分散を有し、かつ第３次
   の非線形分極に起因する非線形効果を有する単一モード
   光ファイバと、パルス状のポンプ光を発生するレーザ光
   源を備え、信号光を前記単一モード光ファイバにポンプ
   光と同時に合波できるための光学系を有し、前記単一モ
   ード光ファイバの出射端においてこれらを分離するフィ
   ルタを備えたことを特徴とする光論理ゲート。