JPH08292458A - 四光波混合光発生装置及びそれに用いる半導体非偏光光源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明では，伝送される光に発生する偏波面の
揺らぎがランダムに変化しているので，四光波混合光を
生じさせる非線形光学媒質の内部で偏波面の揺らぎのあ
る伝送光と，円偏光または特定の偏光をしていない光と
を混合させると，四光波混合光への伝送光の偏波面の揺
らぎの影響を減少または解消することができる。そのた
め，混合前の少なくとも一方の光が特定の偏波面をもた
ない状態をつくり出すことにした。 【構成】伝送される信号光の波長に対して所定の波長だ
けずれた光を出力する光源１と，前記信号光または前記
光源の出力光を受けて非偏光又は円偏光に変換して出力
する偏波面変換手段２と，前記信号光または前記光源か
らの出力光と前記偏波面変換手段とからの出力光とを受
けて，前記所定の波長の間隔でとなりあう少なくとも四
つの波長の光を出力する非線形光学媒質３とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】光波長多重通信などにおける，光
パルスの多重化信号を分離する光デマルチプレクシン
グ，または長距離光伝送における分散補償に使用される
四光波混合光発生装置と，それに用いる半導体非偏光光
源とに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来，光波長多重通信において，多重化
された高速信号を分離する光デマルチプレクシングを行
う場合に四光波混合光発生という現象を用いるものが考
えられてきている。また，長距離光伝送における分散補
償に四光波混合光発生を利用することで伝送距離を延ば
すことができることが知られている。

【０００３】四光波混合光発生とは，非線形光学効果を
利用した現象の一つで，例えば，光ファイバ，半導体光
増幅器，光学結晶などの中に，入射光の振幅に比例せ
ず，２乗以上の高次の効果が表れる光学効果である非線
形光学効果を発生するような高強度の光信号を入射する
ときに発生する現象である。ここで，四光波混合光発生
の原理を述べる。この現象は，光ファイバ，半導体光増
幅器，光学結晶などの非線形光学媒質中へ非線形光学効
果が発生するような高強度の光を入射するときに発生す
る現象である。具体的には，図５に示すように，一定波
長の信号光（λｑ：以下，プローブ光という。）とその
プローブ光からΔλだけ波長のずれた高強度の信号光
（λｐ：以下，ポンプ光という。）とを同時に半導体光
増幅器であるレーザダイオード増幅器等の非線形光学媒
質に入射させると，λｐから｜λｑ−λｐ｜だけ短波長
の位置に新たな信号光λｓが，λｑから｜λｑ−λｐ｜
だけ長波長の位置に新たな信号光λｓ’がそれぞれ発生
する。これが四光波混合光発生とよばれる現象である。
ポンプ光とプローブ光との間のビート周波数でのキャリ
ア密度の変動を原因とするものと，キャリアの占有確率
の変動を原因としたものとがある。特に，半導体光増幅
器での発生については文献「菊池，他“半導体光増幅器
における非縮退四光波混合”，信学技報ＯＱＥ９０−８
６」等に示されている。この四光波混合光発生現象を用
いて波長変換を行うと純光学的に処理され，ＴＨｚオー
ダ（１０¹²Hz）の高速応答性（すなわち，ＴＨｚオーダ
の帯域）があるという利点がある。

【０００４】四光波混合光発生を行うにあたっては，入
射されるプローブ光とポンプ光との偏波面が一致してい
ることが要求される。しかし，プローブ光の長距離伝送
が行われた場合においてプローブ光の偏波面の揺らぎが
発生するのは避けられない。この偏波面の揺らぎは，環
境温度や，光ファイバに加わる応力の影響により発生す
る。これは，四光波混合光は入射する２光波の差周波に
より起こるビート振動により生じるからである。従っ
て，偏波面が一致していなければ四光波混合光は発生し
ない。また，偏波面が相互に垂直に位置している場合は
四光波混合光発生はおきない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】長距離伝送されてきた
プローブ光に発生する偏波面の揺らぎを抑制する方法と
してプローブ光の伝送路中に偏光子を介在させる方法が
従来とられてきた。すなわち，偏光子によって偏波面を
制御し，プローブ光の偏波面に合わせて，ポンプ光の偏
波面を追従させ，偏波面を相互に一致させることにより
プローブ光に生じた揺らぎを補償してきた。

【０００６】しかし，この方法は，制御系を設ける必要
があり，システム全体としても大きくなってしまうとい
う欠点がある。対応可能なプローブ光の偏波面の揺らぎ
の速度も制御装置や追従させるために必要な偏波面コン
トローラで制限されてしまう。また，偏光子を用いてプ
ローブ光の偏波面を制御するといっても，現実には，プ
ローブ光を伝送路から取り出しモニタすることが必要が
あり，プローブ光の損失も発生する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで，本発明では，プ
ローブ光に発生する偏波面の揺らぎはランダムに変化し
ていることに注目する。四光波混合光を生じさせる非線
形光学媒質の内部で偏波面の揺らぎのあるプローブ光
と，円偏光または特定の偏光をしていないポンプ光とを
混合させると，四光波混合光へのプローブ光の偏波面の
揺らぎの影響を減少または解消することができる。発明
者はこの事実を実験で確認した。すなわち，四光波混合
光を非線形光学媒質を用いて発生させるための必須要件
は，前述の通りポンプ光とプローブ光との偏波面が一致
していることである。そのため，四光波混合光が外乱に
よって揺らぎを生じないようにするため，混合前の少な
くとも一方の光が特定の偏波面をもたない状態をつくり
出すことにした（以下，非偏光という。）。こうしてお
けば混合された光の偏光がたとえゆらいでも，必ず偏波
面の一致する成分が存在する。この非偏光の状態を作成
するための手段として，本発明では，偏波面変換手段を
採用した。この偏波面変換手段は請求項２，請求項３に
記載されている。この偏波面変換手段を用いた四光波混
合光発生装置が請求項１，請求項４に記載されている。

【０００８】本発明では，以下の手段を採用することに
より上記課題を解決した。すなわち，請求項１に記載さ
れた四光波混合光発生装置の構成は以下の通りである。
四光波混合光発生をおこさせるために，伝送されるプロ
ーブ光の波長に対して所定の波長だけずれた光を出力す
るポンプ光を発生する光源１（以下，ポンプ用光源１と
いう。）を用意した。次に，このポンプ用光源１が出力
する光か，または伝送路により伝送されてきたプローブ
光かのどちらかを受けて非偏光又は円偏光に変換して出
力する偏波面変換手段２を有する。さらに，ポンプ用光
源１からの光の偏波面が変換された場合は，その変換さ
れた光とプローブ光とを受け，プローブ光の偏波面が変
換された場合は，その変換された光とポンプ光とを受け
て，所定の波長の間隔でとなりあう少なくとも四つの波
長の光を出力する非線形光学媒質３を有する。

【０００９】次に，請求項２に記載された半導体非偏光
光源について述べる。構成として半導体レーザ４と，こ
の半導体レーザ４の出射光を拡大する拡大光学系５と，
拡大光学系５からの出射光を受ける光学的に対称の中心
を有して相互に配置され，光学軸を直交にした一対の複
屈折性の光学くさび６とを備えている。

【００１０】さらに，請求項３に記載された半導体非偏
光光源について述べる。構成として半導体レーザ４と，
この半導体レーザ４の出射光を拡大する拡大光学系５
と，拡大光学系５からの出射光を受ける光学的に対称の
中心を有して相互に配置され，光学軸を直交にした一対
の複屈折性の光学くさび６と，この光学くさび６を透過
した光を集光する光学系７とを備えている。請求項２に
記載の半導体非偏光光源であっても，非偏光を作りだす
ことは可能であるが，請求項３に記載の半導体非偏光光
源であれば，集光する光学系７により非偏光の光をより
直接的に利用できる。

【００１１】さらに，また，請求項１に記載されたポン
プ用光源１と偏波面変換手段２とが請求項２に記載され
た半導体非偏光光源からなる四光波混合光発生装置であ
る。

【００１２】

【作用】四光波混合発生は非線形光学媒質３の内部で相
互に同一の偏波面をもつポンプ光とプローブ光とのビー
トが発生することにより起こる。このため，互いの偏波
面が一致していないと四光波混合光が発生しなくなる。
実際のシステムでは，光が，光ファイバの温度変動や応
力により伝送路中で偏波面の揺らぎを受けることは避け
られない。本発明によれば，ポンプ光とプローブ光とを
合波する前に偏波面変換手段２を用いて二つの光のう
ち、一方を非偏光とすることでこの揺らぎを抑制してい
る。この方法は，プローブ光の偏波を検出し、その偏波
面に応じてポンプ光の偏波面を制御する方法に対して，
制御装置が不要で対応可能な揺らぎの速度に制限がない
ことや，光学素子やモニタのために生じるプローブ光の
損失がなくなること等の利点があり、また，同様に偏波
面変換手段２を用いてポンプ光，またはプローブ光を円
偏光にした場合でも直線偏光の回転に対しては対応でき
るので揺らぎの抑制手段がないときに比べてかなりの効
果を期待できる

【００１３】次に，非偏光について説明する。光波は進
行方向に垂直でかつ相互に垂直な振動を行う電界および
磁界成分で構成されている。電界と磁界の方向が時間的
に無関係に一定の場合には直線偏光，回転している場合
には楕円偏光，ときには円偏光と呼ばれる。しかし，こ
れら各種の偏光が混合し，振動方向と位相とが完全に平
均化され，どの方向の偏光も等しく含んだ光は偏光した
成分をもっていないのと同じように観測できるので，こ
の状態を非偏光と呼ぶ。光という電磁波は，必ず電界ベ
クトルを有するから，電界が特定の向きをもっていない
ことはありえないが，ここで，非偏光というのは，時
間，空間的に見て全体として特定方向に偏った電界をも
っていないことを意味する。

【００１４】次に，非偏光の光の作成について説明す
る。例えば，半導体レーザの出力光を非偏光に変換する
場合は長さが１：２の２本の偏波面保存光ファイバの主
軸を互いに４５度傾けて接続したものを使用する。この
時，光ファイバ長は光源のコヒーレンス長より十分長い
遅延時間差を与えるように設定することにより非偏光状
態を作ることができる。また，請求項２に記載のよう
に，次の方法でも非偏光の光を作成することができる。
半導体レーザ４からの出射光をレンズ等の拡大光学系５
を経由して，光学的に対称の中心を有して相互に配置さ
れた，一対の複屈折性の光学くさび６を通す。すなわ
ち，光学軸を直交させた光学くさび６が対向して配置し
てあるために，光学くさび６を通過する場所により連続
的に偏波の状態が異なる。このため様々な偏波の状態の
光が空間的に同時に存在するため，時間的，空間的にみ
ると全体として偏光のない光であると見ることができ
る。

【００１５】

【実施例】次に，本発明の構成に対応した実施例を図１
を用いて説明する。四光波混合光発生をおこさせるため
に，伝送されるプローブ光の波長に対して所定の波長だ
けずれた光を出力するポンプ光を発生するポンプ用光源
１を用意した。次に，このポンプ用光源１が出力する光
か，または伝送路により伝送されてきたプローブ光かの
どちらかを受けて非偏光又は円偏光に変換して出力する
偏波面変換手段２を有する。本実施例ではポンプ光の偏
波面を変換することとした。この偏波面が変換された光
とプローブ光とを受け，光カプラ８等で結合し，非線形
光学媒質３である半導体光増幅器３０に入射する。その
結果，四光波混合光発生により所定の波長の間隔でとな
りあう少なくとも四つの波長の光が出力される。

【００１６】次に，実験例を図２を用いて説明する。ポ
ンプ光を発生するポンプ用光源１には波長１．５４９９
μｍの波長で発振する安定化光源１０を，プローブ光の
発生には１．５５１９μｍの波長で発振する波長可変光
源１１を用いた。発振したプローブ光についてはフィル
タ１２を経由させる。フィルタ１２は，波長可変光源１
１の出射する光のサイドモードを除去するために使用す
る。その後，ポンプ光とプローブ光とは共にＥｒドープ
ファイバアンプ１３と光アッテネータ１４を通過し，さ
らに，それぞれ，偏波面変換手段２と偏波面コントロー
ラ２０とを経由して光カプラ８により結合される。ここ
で，Ｅｒドープファイバアンプ１３は，四光波混合光発
生を起こさせるのに必要な光の強度を維持するために使
用する。光カプラ８により結合された光は，非線形光学
媒質３である半導体光増幅器３０に入力され，四光波混
合光を発生する。ここではポンプ光を円偏光に変換する
ので，偏波面変換手段２として，ポンプ光側には偏光
子，１／４波長板，１／２波長板を備えたものを有す
る。１／４波長板は，円偏光を作りだすために使用す
る。また，非偏光に変換する場合は長さが１：２の２本
の偏波面保存光ファイバの主軸を互いに４５度傾けて接
続したものを使用する。この時，光ファイバ長は光源の
コヒーレンス長より十分長い遅延時間差を与えるように
設定する。一方，プローブ光側には偏波面を回転させる
ための偏波面コントローラ２０を有している。偏波面コ
ントローラ２０は偏光子と１／２波長板とからなる。

【００１７】それぞれ，変換された光は光アイソレータ
１５を経由して光スペクトラムアナライザ１６に入射さ
れ，波形が観測される。本実験例では，光スペクトラム
アナライザ１６を用いたが，スペクトラムアナライザ１
６を使用しない場合は，偏光子を回転させて出力に変動
がないことを確認すれば良い。偏波面コントローラ２０
の側には，円偏光を作る必要がないので１／４波長板は
不要である。非線形光学媒質３には希土類ドープ光ァイ
バ増幅器等も使用できるが，本実験例では半導体光増幅
器３０を用いた。

【００１８】以下，本発明による非偏光のポンプ光によ
り四光波混合光を発生させた場合と，従来の直線偏光の
光を用いて四光波混合光を発生させた場合とを比較す
る。半導体光増幅器３０からの出力光を光スペクトラム
アナライザ１６を用いて測定した場合である。図３は，
縦軸は光出力を示し，横軸は波長を示す。図３（ａ）に
よりポンプ光（波長１．５４９９μｍ）とプローブ光
（１．５５１９μｍ）の出力はそれぞれ約５ｄＢｍ，約
−２ｄＢｍであることがわかる。このとき，プローブ光
側の１／２波長板を回転させることにより偏波面を変え
て四光波混合光の出力の変化を観測した。図３（ｂ）
（ｃ）にその結果を示す。図３（ｂ）は，ポンプ光を直
線偏光に偏波面の制御をおこなった場合，図３（ｃ）
は，ポンプ光を円偏光に偏波面の制御を行なった場合で
ある。図中，マーカ（ＬＭＫＲ）Ｃは最大出力を，マー
カＤは最小出力を，Ｃ−Ｄはその変動幅を示す。

【００１９】図３（ｂ）からわかるようにポンプ光側の
偏波面を調整して，直線偏光の光を半導体光増幅器３０
に入力したとき，プローブ光の偏波面の変動に対する変
動幅が６ｄＢｍ以上であった。この値は自然放出光の影
響により低いレベルが測定できないからで，実際はもっ
と大きいと推定される。

【００２０】一方，ポンプ光側の偏波面を調整して，円
偏光の光を半導体光増幅器３０に入力したとき，図３
（ｃ）によりわかるように，最大出力が３．５ｄＢｍほ
ど悪化するもののプローブ光の偏波面の変動に対する変
動幅は約０．４ｄＢｍ以下に抑えることがができた。今
回の実験では，変動幅は約０．４ｄＢｍであったが，非
偏光で行なえばより変動幅は抑圧できる。

【００２１】このように，本発明によれば長距離伝送さ
れてきたプローブ光またはポンプ光が非偏光または円偏
光となっているので，長距離伝送中に偏波面が変化して
も四光波混合光の出力が変動することがない。この場
合，四光波混合光の出力は多少落ちることが考えられる
が，実際のシステムではこの出力光をファイバアンプで
増幅することが多いため，実用上問題とはならない。こ
のため偏波面を検出するための偏光子，受光器，また偏
波面を一致させるための追従制御系などが一切不要とな
る。

【００２２】請求項２の実施例は以下の通りである。図
４（ａ）を用いて説明する。請求項２に記載の発明は，
半導体レーザ４と，この半導体レーザ４の出射光を拡大
する拡大光学系５と，拡大光学系５からの出射光を受け
る光学的に対称の中心を有して相互に配置された，光学
軸を直交した一対の複屈折性の光学くさび６とを備えた
半導体非偏光光源である。下側に配置された光学くさび
６ａと上側に配置された光学くさび６ｂとはそれぞれの
光軸が直交して配置され，さらに，この二つの光学くさ
び６ａ，６ｂは入射光の光軸に対して直交している。例
えば，光学くさび６の上部を通過した光イは楕円偏光と
なり，中心部を通過した光ロは直線偏光となり，光学く
さび６の下部を通過した光ハは楕円偏光となることが確
かめられた。このように，光学くさび６は，光学軸を直
交させた一対の光学くさび６が対向して配置してあるた
めに，それぞれ，光学くさび６ａ，６ｂを通過する場所
により連続的に偏波の状態が異なる。このため様々な偏
波の状態の光を空間的に同時に存在させることができる
ので，全体でみると偏光のない光であると見ることがで
きる。

【００２３】一方，非偏光の光を作る方法としては，以
下の方法は従来から知られている。通常，半導体レーザ
やスーパールミネッセントダイオードなどの光は直線偏
光を有しているため，非偏光な光を得るには長さが１：
２の２本の偏波面保存光ファイバを主軸を互いに４５゜
傾けて接続する方法がある。この方式ではロスが少なく
てすむ一方で，光ファイバの長さをコヒーレンス長より
長く設定する必要があるので光源により光ファイバの長
さを調整する必要を生じる上，全体の光ファイバ長が長
くなる欠点がある。本発明によれば全体の長さは光学系
の長さだけでよい。

【００２４】請求項３の実施例は以下の通りである。図
４（ｂ）を用いて説明する。請求項３に記載の発明は，
半導体レーザ４と，この半導体レーザ４の出射光を拡大
する拡大光学系５と，拡大光学系５からの出射光を受け
る光学的に対称の中心を有して相互に配置された光学軸
が直交した一対の複屈折性の光学くさび６と，その一対
の光学くさび６を透過した光を集光する光学系７とを備
えた半導体非偏光光源である。請求項３に記載の発明で
は集光のための光学系７を追加してあるので，空間的に
様々な偏光状態の光を再び光ファイバに集光することが
できる。請求項２に記載の発明では，出射した光全体で
みると偏光のない光だが，局所的にみると各々の光は偏
光を有している。しかし，再度光ファイバに集光するこ
とでほぼ完全な非偏光の光として使用することができ
る。

【００２５】請求項４の実施例は以下の通りである。請
求項１記載に記載されたポンプ用光源１と偏波面変換手
段２とが請求項２に記載された半導体非偏光光源からな
る四光波混合光発生装置である。プローブ光やポンプ光
の波長やシステムは請求項１記載の発明と同様である。
ここで請求項２に記載された偏波面変換手段２を用いる
と，光ファイバ中の光に様々な偏光の状態が混在してい
るので，等価的に非偏光の状態になったことと同じ効果
を得ることができる。従って，実施例１の場合と同様
に，伝送してきたプローブ光の偏波面のゆらぎに対して
四光波混合光が変動しなくなるためにプローブ光の偏波
面を検出する手段や追従制御系などが一切不要となる。

【００２６】

【発明の効果】本発明の構成を採用したので，以下の効
果が得られる。長距離伝送される光など，偏波面のゆら
ぎが発生した光に対しても，偏波面の制御を行なうこと
なく，四光波混合光発生を行なうことができる。すなわ
ち，長距離伝送されてきたプローブ光に発生する偏波面
の揺らぎを抑制する方法としてプローブ光の伝送路中に
偏光子を介在させる必要がなく，システム全体として小
型化できる。また，プローブ光をモニタするために，プ
ローブ光を伝送路から取り出す必要がないので，プロー
ブ光の損失も発生する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成を示す図である。

【図２】本発明の実験例を示す図である。

【図３】本発明の実験例の結果を示す図である。

【図４】本発明の請求項２の実施例を示す図である。

【図５】四光波混合光の発生の原理を示す図である。

【符号の説明】

１ 光源。 ２ 偏波面変換手段。 ３ 非線形光学媒質。 ４ 半導体レーザ。 ５ 拡大光学系。 ６ 光学くさび。 ７ 光学系。 ８ 光カプラ。 １０ 安定化光源。 １１ 波長可変光源。 １２ フィルタ。 １３ Ｅｒドープファイバアンプ。 １４ 光アッテネータ。 １５ 光アイソレータ。 １６ スペクトラムアナライザ。 ２０ 偏波面コントローラ。 ３０ 半導体光増幅器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】伝送される信号光の波長に対して所定の波
   長だけずれた光を出力する光源（１）と，前記信号光ま
   たは前記光源の出力光を受けて非偏光又は円偏光に変換
   して出力する偏波面変換手段（２）と，前記信号光また
   は前記光源からの出力光と前記偏波面変換手段とからの
   出力光とを受けて，前記所定の波長の間隔でとなりあう
   少なくとも四つの波長の光を出力する非線形光学媒質
   （３）とを備えた四光波混合光発生装置。
2. 【請求項２】半導体レーザ（４）と，該半導体レーザの
   出射光を拡大する拡大光学系（５）と，光学的に対称の
   中心を有して相互に配置され，該拡大光学系からの出射
   光を受ける一対の複屈折性の光学くさび（６）とを備え
   た半導体非偏光光源。
3. 【請求項３】半導体レーザ（４）と，該半導体レーザの
   出射光を拡大する拡大光学系（５）と，光学的に対称の
   中心を有して相互に配置され，該拡大光学系からの出射
   光を受ける一対の複屈折性の光学くさび（６）と，該一
   対の光学くさびを透過した光を集光する光学系（７）と
   を備えた半導体非偏光光源。
4. 【請求項４】請求項１記載の光源（１）と偏波面変換手
   段（２）とが請求項２記載の半導体非偏光光源からなる
   四光波混合光発生装置。