JP3576546B2

JP3576546B2 - 位相共役光学の光システムへの適用

Info

Publication number: JP3576546B2
Application number: JP2004009964A
Authority: JP
Inventors: 茂樹渡辺
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1992-10-20
Filing date: 2004-01-19
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2019-10-13
Also published as: JP2004157562A

Description

本発明は、一般的には、位相共役光学の光通信、光計測、光情報処理その他の分野への適用に関し、さらに詳しくは、第１に位相共役光発生装置並びに該装置を備えた中継光伝送システム、双方向中継光伝送システム、光分配システム、光スイッチングシステム、光選択システム及び光アンド回路システムに関し、第２に位相共役光を用いた光通信システムに関し、第３にこれらのシステムに適用可能な光変調器に関する。

まず、本発明の第１の適用分野について説明する。本発明の以下の実施例は、位相共役光発生装置並びに該装置を備えた中継光伝送システム、双方向中継光伝送システム、光分配システム、光スイッチングシステム、光選択システム及び光アンド回路システムに関する。

非線形光学を用いることにより、従来の光技術では得られなかった新しい機能の達成や光システムの特性の改善が可能になる。特に、最近盛んに研究が進められている位相共役光を用いれば、光伝送路における位相揺らぎや波長分散の補償、高感度の情報の読み取り、低雑音の増幅、さらにはスクイズド状態等の量子状態の生成等への光技術の幅広い応用が可能になる。

従来、例えば光の増幅、分岐、情報の付加といった機能を実現するためには、各々の機能だけを持つ光デバイス（具体的には光増幅器、光分岐器、光カプラ等）を組み合わせてシステムを構成していた。また、例えば光伝送路中で受ける位相揺らぎや波長分散等に対しては、主に信号の送受信側、特に受信側において補償する方法が用いられてきた。

本発明の第１の適用分野における目的は、種々の光システムに適用可能な新規な構成を有する光変調器を提供することである。

本発明の第１の適用分野における他の目的は、この光変調器を備えた有用な光システムを提供することである。

本発明によれば、プローブ光源と、励起光源と、非線形光学媒質と、該プローブ光源からのプローブ光を該励起光源からの励起光とともに該非線形光学媒質に供給するプローブ光／励起光供給手段と、該励起光源に動作的に接続されて該励起光を情報信号により変調する変調手段とを備え、該非線形光学媒質から変調された位相共役光が出力される光変調器が提供される。

好ましくは、該非線形光学媒質は３次の非線形光学効果を呈し、該非線形光学媒質においては４光波混合により該位相共役光が発生する。

更に好ましくは、該変調手段は該励起光の振幅又は強度を変調する。

本発明により位相共役光学を光システムに適用することによって、従来の光技術では得られなかった新しい機能の達成や光システムの特性の改善が可能になる。

以下、本発明の第１の適用分野における実施例を図面に沿って詳細に説明する。

図１は非線形光学効果による位相共役光の発生原理の説明図である。非線形光学媒質を用いて位相共役光を発生させる場合、パラメトリック光増幅（光パラメトリックプロセス）又は４光波混合によるのが望ましい。パラメトリック光増幅器は２次の非線形光学効果を用いるのに対し、４光波混合は３次の非線形光学効果を用いる点で異なるが、物理的には全く同じ現象である。

いま、図１に示されるように、高強度の励起光Ｅ_P（周波数ω_P）が非線形光学媒質ＮＯＭに入射している状態で、周波数ω_Sの信号光Ｅ_Sと周波数ω_Iのアイドラ光Ｅ_Iとが非線形光学媒質ＮＯＭに入射すると、２次又は３次の非線形光学プロセスにより、周波数ω_Sの信号光Ｅ_S′と周波数ω_Iのアイドラ光Ｅ_I′とが非線形光学媒質ＮＯＭから出力される。このとき、エネルギー保存則により以下の関係が成り立つ。

特に、４光波混合における信号光、励起光及びアイドラ光の周波数配置を図２に示す。Ωは信号光と励起光の離調周波数である。周波数軸上において、信号光及びアイドラ光は励起光を中心として対称の位置にあることがわかる。

図１の原理における非線形光学効果の相互作用長をＬとすれば、生成方程式は以下のように与えられる。

となる。ｎ及びχ⁽³⁾はそれぞれ非線形媒質ＮＯＭの屈折率及び３次の非線形光学定数を表す。また、＜χ⁽³⁾＞は非線形光学定数χ⁽³⁾の非線形媒質ＮＯＭにおける偏波状態についての平均を表す。(3), (4)式より、信号光及びアイドラ光に対する利得Ｇ_S及びＧ_Iは、

で与えられることがわかる。通常、ω_I／ω_S≒１であるから、非線形光学効果による位相共役光の発生においては、信号の増幅が実現されることがわかる。また、この場合における利得は、励起光の強度に依存するので、本発明の位相共役光発生装置において光変調を行って、位相共役光発生装置から出力される光に新たな情報を載せることができる。

図１の原理に基づいて発生する出力アイドラ光Ｅ_I′は入力信号光Ｅ_Sに対する位相共役光になっている。このことは、(3), (4)式において、入力アイドラ光がない場合（Ｅ_I＝０）を考えてみれば明らかである（Ｅ_I′はＥ_Sの複素共役に相当）。

次に、この位相共役光の大きな特徴である時間反転の性質について説明する。いま、＋ｚ方向に進行する入力プローブ光（変調されていない入力信号光に相当）が平面波として次の式で表されるものとする。

ここで、Ａ_S（ｒ）は電場の複素振幅、ｒは空間座標ベクトル、ω_Sはプローブ光の周波数、ｔは時間、ｋ_Sは波数ベクトルを表し、ｃ．ｃ．はその直前の項の複素共役をとることを意味する。但し、波数ベクトルの大きさｋ_Sは、光路の屈折率をｎ、真空中の光速をｃとすると、ｋ_S＝ω_Sｎ／ｃで与えられる。このとき、(9) 式で表される光の位相共役光は、次の(10), (11)式で表される。

ここで、(10)式は＋ｚ方向の進行波である透過型位相共役光を表し、(11)式は−ｚ方向の進行波である反射型位相共役光を表す。(9),(11)式より
明らかなように、反射型位相共役光については、

が成り立ち、位相共役光が時間反転の性質を持つことがわかる。また、(9),(10)式から、透過型位相共役光については、横方向の空間座標成分について時間反転の性質を持つことがわかる。この時間反転の性質を用いることによって、光伝送路で受ける線形の位相歪み（例えば波長分散の影響）や偏波変動等の位相揺らぎを補償可能である。

図３は本発明の位相共役光発生装置の基本構成を示すブロック図である。１は非線形光学媒質、２は励起光源、３は信号光入力ポート、４は信号光／励起光供給手段、５は信号光出力ポート、６は位相共役光出力ポート、７は信号光／位相共役光抽出手段をそれぞれ表している。

励起光源２は励起光を出力する。信号光／励起光供給手段４は、信号光入力ポート３に供給された入力信号光を励起光源２からの励起光とともに非線形光学媒質１に供給する。信号光／位相共役光抽出手段７は、非線形光学媒質１に供給された入力信号光と励起光との相互作用により発生した出力信号光及び位相共役光を抽出してそれぞれ信号光出力ポート５及び位相共役光出力ポート６から出力する。

この構成によると、信号光と励起光を非線形光学媒質１に入射させて位相共役光を発生させることができる。また、発生した位相共役光を位相共役光出力ポート６から取り出すことができるので、この装置を種々の光システムに適用可能である。

図４は本発明の第１実施例を示す位相共役光発生装置のブロック図である。この実施例では、図３の信号光／励起光供給手段４は、少なくとも３つのポートを有する光カプラ１１を含む。光カプラ１１はポート１１Ａ，１１Ｂ及び１１Ｃを有し、ポート１１Ａ及び１１Ｂに供給された光をポート１１Ｃから出力するように機能する。光カプラ１１のポート１１Ａは信号光入力ポート３に接続され、ポート１１Ｂは励起光源２に接続され、ポート１１Ｃは非線形光学媒質１の第１端に接続される。尚、本願明細書において「接続」という語は、動作的な接続を意味し、光学的に直接接続される場合を含み、さらに、光フィルタ、光アイソレータ及び光増幅器等の光デバイスを介して接続される場合を含む。光カプラ１１としては、ファイバ融着型のもの、ハーフミラー、偏光ビームスプリッタ、光合波器等を使用可能である。また、非線形光学媒質１としては、光ファイバ、半導体レーザ、半導体光増幅器、その他２次又は３次の非線形光学効果を呈する光学結晶等を採用可能である。

この実施例のように光カプラ１１を用いて信号光及び励起光を非線形光学媒質１に供給すると、信号光及び励起光は非線形光学媒質１の第１端から同一光路で非線形光学媒質１に入射するので、非線形光学媒質１内においては信号光及び励起光が同一方向に伝搬し、例えば非線形光学媒質１が３次の非線形光学効果を呈する場合に、片方向励起型の４光波混合を生じさせて、位相共役光を非線形光学媒質１の第２端から取り出すことができる。

励起光源２から供給される励起光の強度が十分に高い場合、前述したように、非線形光学媒質１においては利得が生じ、増幅された信号光及び位相共役光が非線形光学媒質１から出力される。これら信号光及び位相共役光を分離して取り出すために、この実施例では、図３の信号光／位相共役光抽出手段７は、光デバイダ１２と光フィルタ１３及び１４とを含む。光デバイダ１２はポート１２Ａ，１２Ｂ及び１２Ｃを有し、ポート１２Ａに供給された光を２分岐してそれぞれポート１２Ｂ及び１２Ｃから出力するように機能する。光デバイダ１２のポート１２Ａは非線形光学媒質１の第２端に接続される。光デバイダ１２としては、例えば、ファイバ融着型のもの、ハーフミラー、偏光ビームスプリッタ、光分波器等が使用される。光フィルタ１３は光デバイダ１２のポート１２Ｂと信号光出力ポート５の間の光路に挿入され、その通過帯域は出力信号光の周波数を包含する。光フィルタ１４は光デバイダ１２のポート１２Ｃと位相共役光出力ポート６の間の光路に挿入され、その通過帯域は位相共役光の周波数を包含する。

励起光の周波数と信号光の周波数を僅かに異ならせて非線形光学媒質１において非縮退型の４光波混合を生じさせる場合には、このようにして出力信号光及び位相共役光を光学的に分離することができる。励起光源２として例えばレーザダイオードが用いられている場合、その駆動電流に情報信号を重畳して励起光の振幅変調又は強度変調を行うことによって、非線形光学媒質１における利得を変調して、その結果変調された出力信号光及び位相共役光を得ることができる。

図５は本発明の第２及び第３実施例を説明するための位相共役光発生装置の主要部のブロック図である。これらの実施例は、周波数が等しい２つの励起光をそれぞれ非線形光学媒質１に互いに逆向きに入射させ、双方向励起型の４光波混合を生じさせている点で特徴付けられる。図３の励起光源２に対応して２つの励起光源２１及び２２が設けられている。励起光源２１及び２２からの励起光を非線形光学媒質１にそれぞれ互いに逆向きで入射させるために、図３の信号光／励起光供給手段４は、２つの光カプラ２３及び２４を含む。光カプラ２３はポート２３Ａ，２３Ｂ及び２３Ｃを有し、ポート２３Ａ及び２３Ｂに供給された光をポート２３Ｃから出力し、ポート２３Ｃに供給された光をポート２３Ａから出力するように機能する。光カプラ２３のポート２３Ｂは励起光源２１に接続され、ポート２３Ｃは非線形光学媒質１の第１端に接続される。光カプラ２４はポート２４Ａ，２４Ｂ及び２４Ｃを有し、ポート２４Ａに供給された光をポート２４Ｃから出力し、ポート２４Ｂに供給された光をポート２４Ａから出力するように機能する。光カプラ２４のポート２４Ａは非線形光学媒質１の第２端に接続され、ポート２４Ｂは励起光源２２に接続される。図示された例では、独立した２つの励起光源２１及び２２を用いているが、出力強度が高い１つの励起光源からの励起光を２分岐してそれぞれ光カプラ２３のポート２３Ｂと光カプラ２４のポート２４Ｂに供給するようにしてもよい。この場合、２つの励起光の周波数を一致させるための制御が不要になる。

図６は本発明の第２実施例を示す位相共役光発生装置のブロック図である。この実施例は、図５の主要部の非線形光学媒質１において双方向励起型の４光波混合により後方向に発生した位相共役光を取り出すのに適している。非線形光学媒質１内を伝搬する信号光と逆向きに発生した位相共役光を取り出すために、この実施例では、図３の信号光／位相共役光抽出手段７は、光デバイダ３１と光フィルタ３２及び３３とを含む。光デバイダ３１はポート３１Ａ，３１Ｂ及び３１Ｃを有し、ポート３１Ａに供給された光をポート３１Ｃから出力し、ポート３１Ｃに供給された光をポート３１Ｂから出力するように機能する。光フィルタ３２は光カプラ２４のポート２４Ｃと信号光出力ポート５の間の光路に挿入され、その通過帯域は出力信号光の周波数を包含する。光フィルタ３３は光デバイダ３１のポート３１Ｂと位相共役光出力ポート６の間の光路に挿入され、その通過帯域は位相共役光の周波数を包含する。

図７は本発明の第３実施例を示す位相共役光発生装置のブロック図である。この実施例は、図５の主要部の非線形光学媒質１において双方向励起型の４光波混合により前方向及び後方向にそれぞれ発生した位相共役光を取り出すのに適している。前方向及び後方向にそれぞれ発生した位相共役光を取り出すために、この実施例では、図３の位相共役光出力ポート６に対応して位相共役光出力ポート６Ａ及び６Ｂが設けられており、信号光／位相共役光抽出手段７は、光デバイダ３１及び４１と光フィルタ３３，４２及び４３とを含む。光デバイダ３１及び光フィルタ３３は、図６の第２実施例におけるのと同じように後方向に発生した位相共役光を抽出するためのもので、光フィルタ３３には位相共役光出力ポート６Ｂが接続される。光デバイダ４１と光フィルタ４２及び４３は前方向に発生した位相共役光を取り出すためのものである。光デバイダ４１はポート４１Ａ，４１Ｂ及び４１Ｃを有し、ポート４１Ａに供給された光を２分岐してそれぞれポート４１Ｂ及び４１Ｃから出力する。光デバイダ４１のポート４１Ａは光カプラ２４のポート２４Ｃに接続される。光フィルタ４２は光デバイダ４１のポート４１Ｂと信号光出力ポート５の間の光路に挿入され、その通過帯域は出力信号光の周波数を包含する。光フィルタ４３は光デバイダ４１のポート４１Ｃと位相共役光出力ポート６Ａの間の光路に挿入され、その通過帯域は位相共役光の周波数を包含する。

図８は本発明の第４実施例を示す位相共役光発生装置のブロック図である。この実施例は、図３の基本構成に対比して、入力データに基づき励起光を変調する変調手段５１をさらに備えている点で特徴付けられる。変調手段５１が励起光の強度又は振幅を変調する場合、それに伴って非線形光学媒質１における利得が変化するので、信号光出力ポート５から出力される信号光と位相共役光出力ポート６から出力される位相共役光の双方について変調を行うことができる。また、変調手段５１が励起光の周波数を変調する場合には、信号光の周波数と励起光の周波数の差が励起光の周波数と位相共役光の周波数の差に等しいという関係から、位相共役光についての周波数変調が可能になる。尚、変調手段５１が励起光の強度を変調する場合には、変調度を小さくして変調成分を出力信号光及び／又は位相共役光に重畳するようにしても良いし、変調度を大きくして、位相共役光をオン・オフ変調するようにしてもよい。変調手段５１を図６の第２実施例又は図７の第３実施例に適用して励起光源の強度変調を行う場合には、変調手段５１により励起光源２１及び２２のいずれか一方から出力される励起光が変調されるようにすればよい。尚、以上の位相共役光発生装置の実施例では、必要に応じて励起光、出力信号光、位相共役光について光増幅を行うようにしても良い。

図９Ａ，図９Ｂ及び図９Ｃは本発明の第５実施例を示す中継光伝送システムのブロック図である。これらのシステムは、それぞれ、送信局６１と、受信局６２と、送信局６１及び受信局６２間に敷設された光伝送路６３と、光伝送路６３の途中に挿入された中継局６４とを備えている。

図９Ａに示された例では、中継局６４は位相共役光発生装置６５を含み、この位相共役光発生装置６５は、送信局６１から光伝送路６３を介して信号光入力ポート３に供給された光を入力信号光として受け、この入力信号光に基づいて発生した位相共役光を、位相共役光出力ポート６から光伝送路６３を介して受信局６２に向けて送出する。位相共役光発生装置６５は例えば図３に示された基本構成を有する。この構成によると、光伝送路６３の途中に位相共役光発生装置６５を設けているので、光伝送路６３において生じた波長分散等を補償することができ、長距離の光伝送が可能になる。また、位相共役光発生装置６５で位相共役光に対する利得が生じるようにしておくことによって、光伝送路６３で減衰した信号光強度を補償することができる。

図９Ｂに示された例では、中継局６４は、位相共役光発生装置６５に加えて、入力データに基づき励起光を変調する変調手段６６をさらに含む。この入力データは例えば中継局６４の監視データを含む。この構成によると、監視データ等の中継局６４に固有の情報を受信局６２に伝送することができる。尚、位相共役光発生装置６５の信号光出力ポート５からの出力信号光が受信局６２に伝送されるようにし、位相共役光出力ポート６から出力された変調された位相共役光が送信局６１に伝送されるように構成を変更しても良い。

図９Ｃに示された例では、送信局６１が送出する光は伝送データにより変調されており、中継局６４は、位相共役光発生装置６５に加えて、復調手段６７を含む。復調手段６７は、位相共役光発生装置６５の信号光出力ポート５から出力される出力信号光を受け、送信局６１における伝送データに対応した復調データを再生する。送信局６１における変調方式は、例えば、コヒーレントな光若しくはコヒーレントでない光に対する強度変調又はコヒーレントな光に対する振幅変調若しくは角度変調である。受信局６２における検波方式としては、送信局６１における変調方式が強度変調である場合には、フォトダイオード等の受光器を用いた直接検波が適しており、送信局６１における変調方式がコヒーレント光に対する振幅変調又は角度変調である場合には、フォトダイオード等の受光器の受光面上に受信光とローカル光とを同一光路で入射させるようにしたヘテロダイン検波又はホモダイン検波が適している。この構成によると、送信局６１から受信局６２に伝送される伝送データを中継局６４でモニタすることができる。

図９Ａ，図９Ｂ及び図９Ｃのシステムは周波数分割多重伝送にも適用可能である。この場合、中継局６４は各周波数毎の励起光源を有していることが望ましいが、周波数分割多重間隔が密である場合には、１つの励起光源を用いて全てのチャネルの位相共役光を発生させることもできる。

図１０は本発明の第６実施例を示す中継光伝送システムのブロック図である。この実施例は、図９Ａ，図９Ｂ又は図９Ｃに示されたシステムと対比して、送信局６１と受信局６２の間にＮ台（Ｎは１より大きい自然数）の中継局６４（＃１〜＃Ｎ）が挿入されている点で特徴付けられる。送信局６１の側から数えて１番目の中継局６４（＃１）が有する位相共役光発生装置６５の信号光入力ポート３は送信局６１に接続される。また、中継局６４（＃１〜＃Ｎ）のうち送信局６１の側から数えてｎ番目（ｎは１よりも大きく且つ（Ｎ＋１）よりも小さい自然数）の中継局が有する位相共役光発生装置６５の信号光入力ポート３は、（ｎ−１）番目の中継局が有する位相共役光発生装置６５の位相共役光出力ポート６に接続される。さらに、受信局６２の側から数えて１番目の中継局６４（＃Ｎ）が有する位相共役光発生装置６５の位相共役光出力ポート６は受信局６２に接続される。この実施例によると、図９Ａ，図９Ｂ及び図９Ｃのいずれかの実施例に比べてさらに長距離の光伝送が可能になる。

図１１は本発明の第７実施例を示す双方向中継光伝送システムのブロック図である。このシステムは、光送信機７１及び光受信機７２を有する送受信局７３と、光送信機７４及び光受信機７５を有するもう一つの送受信局７６と、送受信局７３及び７６間に敷設された上り光伝送路７７及び下り光伝送路７８と、上り及び下り光伝送路７７及び７８の途中に挿入された中継局７９とを備えている。中継局７９は、双方向伝送に適用するように変更を加えられた位相共役光発生装置６５′を含む。位相共役光発生装置６５′は、第１及び第２の励起光をそれぞれ出力する図示しない第１及び第２の励起光源を有しており、発生した位相共役光は位相共役光出力ポート６Ａ及び６Ｂから出力する。

図１２は図１１のシステムにおける各光の周波数配置の説明図である。ω_P1は第１の励起光、ω_S1は光送信機７１から上り光伝送路７７を介して位相共役光発生装置６５′の信号光入力ポート３に供給される第１の信号光、ω_I1は第１の励起光と第１の信号光に基づき位相共役光発生装置６５′において発生する第１の位相共役光、ω_P2は第２の励起光、ω_S2は光送信機７４から下り光伝送路７８を介して位相共役光発生装置６５′の信号光出力ポート５に供給される第２の信号光、ω_I2は第２の励起光と第２の信号光に基づき位相共役光発生装置６５′において発生する第２の位相共役光の周波数をそれぞれ表している。第１の励起光と第２の励起光は例えば互いに異なる周波数を有しており、第１及び第２の信号光の周波数はそれぞれ第１及び第２の励起光の周波数と僅かに異なるように設定される。第１及び第２の位相共役光は、それぞれ、第１及び第２の励起光を中心として第１及び第２の信号光に対して対称の周波数軸上の位置に出現する。尚、第１及び第２の信号光が、これらが混信しない程度にわずかに異なる周波数を有している場合には、第１及び第２の信号光が利得帯域に入るような単一周波数（帯域）の第１及び第２の励起光を用いてもよい。

位相共役光発生装置６５′は、信号光入力ポート３に供給された第１の信号光と第１の励起光に基づき第１の位相共役光を発生し、この第１の位相共役光は、位相共役光出力ポート６Ａから上り光伝送路７７を介して光受信機７５に伝送される。また、位相共役光発生装置６５′は、光送信機７４から信号光出力ポート５に供給された第２の信号光と第２の励起光に基づいて第２の位相共役光を発生させ、この第２の位相共役光は位相共役光出力ポート６Ｂから下り光伝送路７８を介して光受信機７２に伝送される。尚、位相共役光発生装置６５′は、図７の第３実施例に準じて構成することができる。図７の第３実施例では、信号光出力ポート５は出力信号光を送出するためのものであるが、図１１の第７実施例では、この信号光出力ポート５を下り方向のための入力ポートとして用いている。また、図９Ａ〜図９Ｃの第５実施例に周波数分割多重を適用可能であるのと同様に、図１１の第７実施例にも周波数分割多重を適用可能である。

図１３は本発明の第８実施例を示す双方向中継光伝送システムのブロック図である。この実施例は、図１１の第７実施例と対比して、送受信局７３及び７６間にＮ台（Ｎは１より大きい自然数）の中継局７９（＃１〜＃Ｎ）を設けている点で特徴付けられる。各中継局７９（＃１〜＃Ｎ）はそれぞれ図１１の位相共役光発生装置６５′を有している。送受信局７３の側から数えて１番目の中継局７９（＃１）が有する位相共役光発生装置６５′の信号光入力ポート３及び位相共役光出力ポート６Ｂは、それぞれ光送信機７１及び光受信機７２に接続される。また、中継局７９（＃１〜＃Ｎ）のうち送受信局７３の側から数えてｎ番目
（ｎは１より大きく且つ（Ｎ＋１）より小さい自然数）の中継局が有する位相共役光発生装置６５′の信号光入力ポート３及び位相共役光出力ポート６Ｂは、（ｎ−１）番目の中継局が有する位相共役光発生装置６５′のそれぞれ位相共役光出力ポート６Ａ及び信号光出力ポート５に接続される。さらに、送受信局７６の側から数えて１番目の中継局７９（＃Ｎ）が有する位相共役光発生装置６５′の信号光出力ポート５及び位相共役光出力ポート６Ａはそれぞれ光送信機７４及び光受信機７５に接続される。この実施例において、各位相共役光発生装置６５′における第１の励起光を同一周波数にし、各位相共役光発生装置６５′における第２の励起光を同一周波数にするためには、信号光と位相共役光の周波数配置関係を交互に逆転させれば良い。例えば、中継局７９（＃１）が有する位相共役光発生装置６５′における周波数配置が図２のように設定されている場合には、中継局７９（＃２）が有する位相共役光発生装置６５′における周波数配置が、ω_S＝ω_P−Ω，ω_I＝ω_P＋Ωとなるようにすれば良い。

図１４は本発明の第９実施例を示す光分配システムのブロック図である。このシステムは位相共役光発生装置６５を複数備えており、これら複数の位相共役光発生装置６５のうちの上位のものの信号光出力ポート５及び位相共役光出力ポート６はそれぞれすぐ下位のものの信号光入力ポート３に接続される。この実施例においては、位相共役光発生装置６５を１台通過する毎のＳＮ比の劣化は最小で３ｄＢ（量子雑音の付加）で済む。一方、従来の光分配システムにおいては、一つの光分配部が少なくとも１台の１：１光カプラと光増幅器とを有しているので、分配による損失を０ｄＢに抑えるためには、一つの光分配部で最小でも６ｄＢのＳＮ比の劣化があった。従って、この実施例によると、極めて低雑音で且つ分配による損失のない光分配が可能になる。尚、位相共役光発生装置６５のポート５及び６からそれぞれ出力される信号光及び位相共役光に対する利得は、(7), (8)式に示されたように互いに異なるが、Ｇ≫１，ω_I／ω_S≒１の条件の下で位相共役光発生装置６５を動作させることによって、この利得差を無視することができる。

図１５は本発明の第１０実施例を示す光スイッチングシステムのブロック図である。この実施例は、図３の基本構成に対比して、励起光源２をオン・オフするスイッチング手段８１をさらに備えている点で特徴付けられる。励起光源２のオン状態においては、非線形光学媒質１において位相共役光が発生するように励起光の強度が制御され、励起光源２のオフ状態においては、非線形光学媒質１で位相共役光が発生しないように励起光の強度が制御される。この実施例によると、スイッチング手段８１の動作により位相共役光が発生する状態と発生しない状態とを択一的に切り換えることが可能になる。

図１６は本発明の第１１実施例を示す光選択システムのブロック図である。この実施例は、図３の基本構成に対比して、励起光源２から出力される励起光の周波数を掃引する掃引手段９１をさらに備えている点と、信号光入力ポート３に周波数分割多重された複数の信号光が供給される点とで特徴付けられる。周波数分割多重された複数の信号光を供給するために、この実施例では、周波数が互いに異なる信号光を出力する複数の光源９２（＃１，＃２，…）が用いられており、これらの光源９２（＃１，＃２，…）からの信号光はマルチプレクサ等の多重化手段９３で多重化されて信号光入力ポート３に供給される。この実施例において、励起光の周波数を掃引手段９１により変化させると、それに伴って、位相共役光を発生する利得帯域も周波数軸上で掃引される。従って、複数の信号光のうち利得帯域にある信号光を択一的に選択して、その信号光に対応する位相共役光を発生させることができるので、周波数分割多重システムにおけるチャネル選択を容易に行うことができる。

図１７は本発明の第１２実施例を示す光アンド回路システムのブロック図である。この実施例では、図６の第２実施例における励起光源２１及び２２と光カプラ２３及び２４と光デバイダ３１と光フィルタ３３とが用いられ、さらに励起光制御手段１０１が設けられている。励起光制御手段１０１は、励起光源２１から光カプラ２３のポート２３Ｂに供給される励起光の強度を入力論理データＱ₁のハイ及びローに従って変化させる駆動回路１０２と、励起光源２２から光カプラ２４のポート２４Ｂに供給される励起光の強度を入力論理データＱ₂のハイ及びローに従って変化させる駆動回路１０３とを含む。信号光入力ポート３には光源１０４からの例えば変調されていない信号光が供給される。そして、入力論理データＱ₁及びＱ₂がともにハイのときにのみ位相共役光出力ポート６から位相共役光が出力されるように信号光及び励起光の強度を調整しておく。このときの入力論理データＱ₁及びＱ₂とこれらに対する位相共役光の論理レベルＸ₁との関係を表に示す。

表から明らかなように、この実施例によると、２つの入力論理データに対する位相共役光の強度レベルがアンド回路の出力として得られていることがわかる。尚、２つの論理データは電気信号であっても良いし光信号であっても良い。また、この実施例においては、非線形光学媒質１における非線形光学効果自体の応答時間はピコ秒程度であるので、極めて高速な演算の実現が可能になる。

ところで、光の波動性を積極的に利用した光計測や光通信に用いられる光を振動電場と考えると、この振動電場の振幅や位相は種々の原因で揺らいでいる。取り分け、場の量子論的揺らぎは避けることができないものである。従って、このような揺らぎが光計測における精度や光通信における受信感度を究極的に律することになる。場のある量の揺らぎはその量と特定の関係にあるもう１つの量との間の不確定性関係で律せられている。即ち、これら２つの量の揺らぎの大きさの積は所定値以下にはならない。しかし、一方の量の揺らぎが大きくなることを許容すれば、他方の量の揺らぎを小さくすることができる可能性は残されている。このような考えに基づいて、揺らぎの少ない場を作ろうという試みがなされている。こうして作られた場はスクイズド状態と称され、この状態における光はスクイズド光と称される。

本発明の位相共役光発生装置を用いてスクイズド状態を生成することができる。即ち、励起光の強度が高い場合、出力信号光と位相共役光についての量子論的取り扱いが可能になり、出力信号光及び位相共役光が互いにパラメトリックな量子相関を有することを用いてスクイズド状態の生成が可能になり、光計測における測定精度や光通信における感度を高めることができる。

以上説明したように、本発明の第１の適用態様によると、種々の光システムに適用可能な新規な構成を有する位相共役光発生装置の提供が可能になるという効果が生じる。また、この位相共役光発生装置を備えた種々の有用な光システムを提供することができるようになるという効果が生じる。

次に本発明の第２の適用分野について説明する。本発明の以下の実施例は、位相共役光を用いた光通信システムに関する。

本発明の第２の適用分野における目的は、多機能性を有する位相共役光発生手段を用い、これを光通信システムに適用することである。

具体的には、本発明の以下の実施例の目的は、光伝送路での位相揺らぎを補償した光通信システムを提供することにある。

本発明によると、主局と従局の間に光伝送路を設けてなる光通信システムであって、上記主局は位相共役光発生手段及び第１の変調手段を有し、上記従局はプローブ光発生手段及び第１の復調手段を有し、上記プローブ光発生手段はプローブ光を上記光伝送路の第１端に供給し、上記位相共役光発生手段は上記光伝送路の第２端から出力した上記プローブ光に対する位相共役光を発生して該位相共役光を上記光伝送路の第２端に供給し、上記第１の変調手段は第１の入力データに従って上記位相共役光を変調し、上記第１の復調手段は上記光伝送路の第１端から出力した上記位相共役光に基づいて上記第１の入力データを復調するシステムが提供される。

このシステムにおいては、光伝送路を介して従局から伝送されたプローブ光に対する位相共役光を主局で発生させ、この位相共役光を例えばデータ信号により変調して光伝送路を介して従局に伝送するようにしているので、位相共役光における時間反転の性質により、光伝送路での位相揺らぎが補償される。

以下、本発明の第２の適用分野における実施例を添付図面に従って詳細に説明する。

図１８は本発明の光通信システムの基本構成を示すブロック図である。このシステムは、主局２０１と従局２０２を光伝送路２０３により接続して構成される。主局２０１は位相共役光発生手段２０４及び（第１の）変調手段２０５を有する。従局２０２はプローブ光発生手段２０６及び（第１の）復調手段２０７を有する。プローブ光発生手段２０６は、変調された或いは変調されていないプローブ光を光伝送路２０３の第１端に供給する。位相共役光発生手段２０４は、光伝送路２０３の第２端から出力したプローブ光を受け、そのプローブ光に対する位相共役光を発生して、この位相共役光を光伝送路２０３の第２端に供給する。変調手段２０５は、入力データに従って位相共役光を変調する。復調手段２０７は、光伝送路２０３の第１端から出力した位相共役光に基づいて入力データを復調する。変調手段２０５は、位相共役光発生手段２０４に動作的に接続されて位相共役光を内部変調するように構成されていても良いし、位相共役光発生手段２０４とは独立して位相共役光発生手段２０４から光伝送路２０３の第２端に供給される位相共役光を外部変調するように構成されていても良い。

図１９は図１８の主局２０１の具体的構成例を示すブロック図である。位相共役光発生手段２０４は、非線形光学媒質２１１と、励起光を発生する励起光発生手段２１２と、プローブ光／励起光供給手段２１３とを含む。プローブ光／励起光供給手段２１３は、励起光発生手段２１２から供給された励起光を、図１８の従局２０２から光伝送路２０３を介して供給されたプローブ光とともに非線形光学媒質２１１に供給する。非線形光学媒質２１１内で発生した位相共役光は、プローブ光の供給経路と同じ経路を逆向きに経て或いはプローブ光の供給経路とは異なる経路を経て図１８の光伝送路２０３に供給される。

図１９のように構成された位相共役光発生手段２０４が用いられている場合、位相共役光を変調する変調手段２０５は、入力データに従って励起光を変調する励起光変調手段２１４を含むことができる。励起光変調手段２１４は、励起光発生手段２１２の光源を直接変調し、或いは励起光発生手段２１２からプローブ光／励起光供給手段２１３を介して非線形光学媒質２１１に供給される励起光を間接変調する。非線形光学媒質２１１を用いて位相共役光を発生させる場合、パラメトリック光増幅（光パラメトリックプロセス）又は４光波混合によるのが望ましい。パラメトリック光増幅は２次の非線形光学効果を用いるのに対し、４光波混合は３次の非線形光学効果を用いる。４光波混合により位相共役光を発生させる場合、励起光として同一周波数の第１及び第２の励起光を用い、これら第１及び第２の励起光を非線形光学媒質に互いに逆向きに供給するのが望ましい。このような双方向励起型の４光波混合による場合には、効率的に位相共役光を発生させることができる。勿論一つの励起光源を用いて４光波混合を発生させても良い。

図２０は、同一周波数の第１及び第２の励起光を３次の非線形光学効果を呈する非線形光学媒質に互いに逆向きに供給して４光波混合を生じさせる場合における位相共役光の発生原理の説明図である。３次の非線形光学効果を呈する非線形光学媒質ＮＯＭに第１及び第２の励起光Ｅ_P1及びＥ_P2を互いに反対の向きで入射させている状態で、非線形光学媒質ＮＯＭに入力信号光（プローブ光に相当）を供給すると、３次の非線形光学プロセス（具体的には第１及び第２の励起光のいずれか一方と入力信号光とにより形成される空間回折格子による第１及び第２の励起光のいずれか他方の回折）により、周波数ω_S、波数ｋ_Sの入力信号光Ｅ_Sから、周波数ω_S、波数ｋ_Sの出力信号光Ｅ_S′と周波数ω_I、波数ｋ_Iの出力アイドラ光Ｅ_I′とが生成される。出力アイドラ光Ｅ_I′が入力信号光Ｅ_Sの位相共役光に相当するものであることは後述する。特に、互いに反対の向きで供給された第１及び第２の励起光が同じ周波数（ω_P）である場合には、波数についてｋ_I＝−ｋ_Sとなるから、アイドラ光は入力信号光の入射方向と反対方向に出力され、これにより反射型の位相共役光発生装置（位相共役ミラー）が実現される。このとき、エネルギー保存則により次の関係が成り立つ。

図２１は、４光波混合における信号光、励起光及びアイドラ光の周波数配置を説明するための図である。Ωは信号光と励起光の離調周波数を表す。周波数軸上において、信号光及びアイドラ光は励起光を中心として対称の位置にあることが分かる。

図２０の原理における非線形光学効果の相互作用長をＬとすれば、生成方程式は以下のように与えられる。

となる。ｎ及びχ⁽³⁾はそれぞれ非線形媒質ＮＯＭの屈折率及び３次の非線形光学定数を表す。また、＜χ⁽³⁾＞は非線形光学定数χ⁽³⁾の全ての偏波状態についての平均を表す。

(14),(15) 式より、信号光及びアイドラ光に対するそれぞれの利得Ｇ_S及びＧ_Iは、

で与えられることがわかる。通常、ω_I／ω_S≒１であるから、非線形光学効果による位相共役光の発生においては、信号の増幅が実現されることがわかる。また、この場合における利得は、励起光の強度に依存するので、励起光の強度を変調することで、アイドラ光について強度変調を行うことができる。図２０の原理に基づいて発生する出力アイドラ光Ｅ_I′は入力信号光Ｅ_Sに対する位相共役光になっている。このことは、(14),(15) 式において、入力アイドラ光がない場合（Ｅ_I＝０）を考えてみれば明らかである（Ｅ_I′はＥ_Sの複素共役に相当）。

次に、この位相共役光の大きな特徴である時間反転の性質について説明する。いま、＋ｚ方向に進行する入力信号光（変調されていない入力プローブ光に相当）が平面波として次の式で表されるものとする。

ここで、Ａ_S（ｒ）は電場の複素振幅、ｒは空間座標ベクトル、ω_Sはプローブ光の周波数、ｔは時間、ｋ_Sは波数ベクトルを表し、ｃ．ｃ．はその直前の項の複素共役をとることを意味する。但し、波数ベクトルの大きさｋ_Sは、光路の屈折率をｎ、真空中の光速をｃとすると、ｋ_S＝ω_Sｎ／ｃで与えられる。このとき、(20)式で表される光の位相共役光は、次の(21)式で表される。

(21)式は−ｚ方向の進行波である反射型の位相共役光を表している。(21)式より明らかなように、反射型の位相共役光については、

が成り立ち、位相共役光が時間反転の性質を持つことがわかる。この時間反転の性質を用いることによって、光伝送路で受ける定常的な位相歪み（例えば波長分散の影響）や偏波変動等の位相揺らぎを補償可能である。

図２２は図１８及び図１９の主局２０４の実施例を示すブロック図である。この実施例では、図１９の非線形光学媒質２１１として光ファイバ２２１が用いられている。光ファイバ２２１は望ましくは石英系のシングルモードファイバである。また、図１９の励起光発生手段２１２に対応して２つのレーザダイオード２２２及び２２３が用いられている。レーザダイオード２２２及び２２３はそれぞれ第１及び第２の励起光を出力し、これらの周波数は等しい。非線形光学媒質２１１としては、光ファイバ２２１の他にＢａＴｉＯ₃等の光誘起屈折率（フォトリフラクティブ）効果媒質、各種の有機化合物、各種半導体、特に進行波型の半導体光増幅器やファブリペロ型の半導体光増幅器を用いることもできる。また、ＬｉＮｂＯ₃等による光導波構造も採用可能である。いずれにしても、これらの媒質の主にＦＷＭを用いることにより位相共役光の発生が可能であり、位相共役光の発生効率が高い非線形光学媒質を用いてその光路長を短くすることが、位相整合を容易にして広帯域化を図る上で有効である。レーザダイオード２２２及び２２３からの第１及び第２の励起光を非線形光学媒質としての光ファイバ２２１にそれぞれ互いに逆向きで入射させるために、図１９のプローブ光／励起光供給手段２１３は、２つの光カプラ２２４及び２２５を含む。光カプラ２２４はポート２２４Ａ，２２４Ｂ及び２２４Ｃを有し、少なくとも、ポート２２４Ａに供給された光をポート２２４Ｂから出力しポート２２４Ｂに供給された光をポート２２４Ｃから出力するように機能する。光カプラ２２４のポート２２４Ａはレーザダイオード２２２に接続され、ポート２２４Ｂは光ファイバ２２１の第１端に接続され、ポート２２４Ｃは信号光出力用のポート２２６に接続される。光カプラ２２５はポート２２５Ａ，２２５Ｂ及び２２５Ｃを有し、少なくとも、ポート２２５Ａに供給された光をポート２２５Ｂから出力しポート２２５Ｂに供給された光をポート２２５Ｃから出力しポート２２５Ｃに供給された光をポート２２５Ｂから出力するように機能する。光カプラ２２５のポート２２５Ａはレーザダイオード２２３に接続され、ポート２２５Ｂは光ファイバ２２１の第２端に接続され、ポート２２５Ｃはプローブ光入力及び位相共役光出力のためのポート２２７に接続される。光カプラ２２４及び２２５としては、例えば、ファイバ融着型のもの、ハーフミラー、光合波器、偏光ビームスプリッタ等が使用される。

この実施例では、図１９の励起光変調手段２１４は、レーザダイオード２２２及び２２３の駆動制御回路２２８を含む。駆動制御回路２２８は、光ファイバ２２１に供給される第１及び第２の励起光によって入力プローブ光に対する位相共役光が発生するようにレーザダイオード２２２及び２２３に駆動電流を供給し、また、レーザダイオード２２２及び／又は２２３に供給する駆動電流を入力データに従って変化させる。位相共役光について強度変調又は振幅変調を行う場合には、駆動制御回路２２８は、入力データに従って第１及び第２の励起光の少なくともいずれか一方の強度又は振幅が変調されるように、レーザダイオード２２２及び２２３に与える駆動電流を制御する。また、位相共役光について周波数変調を行う場合には、駆動制御回路２２８は、入力データに従って第１及び第２の励起光の周波数が変調されるように、レーザダイオード２２２及び２２３に与える駆動電流を制御する。レーザダイオード２２２及び２２３から光ファイバ２２１にそれぞれ供給される第１及び第２の励起光が周波数変調されると、信号光の周波数と励起光の周波数の差が励起光の周波数と位相共役光の周波数の差に等しいという関係（図２１参照）から、位相共役光が周波数変調される。

この実施例によると、レーザダイオード２２２及び２２３からの第１及び第２の励起光を非線形光学媒質としての光ファイバ２２１にそれぞれ互いに逆向きに供給することができるので、双方向励起型の４光波混合を生じさせて、入力プローブ光に対する位相共役光を効率的に発生させることができる。また、ポート２２７から入力プローブ光の供給経路と同一の経路で位相共役光を取り出すことができるので、ポート２２７を図１８の光伝送路２０３に接続することによって、図１８のシステムを容易に実現することができる。尚、図２２のポート２２６は、ポート２２７に供給されるプローブ光が後述のように変調されている場合に、復調のために用いることができる。

図２３Ａ及び２３Ｂは、図２２の駆動制御回路２２８が位相共役光を強度変調すべくレーザダイオード２３に与える駆動電流を変化させて第２の励起光を強度変調する場合についての位相共役光及び第２の励起光の波形を説明するための図である。図２３Ａにおいて、下段は第２の励起光Ｅ_P2の波形を表し、上段は位相共役光Ｅ_I′の波形を表している。第２の励起光Ｅ_P2はアナログ信号（この例では正弦波信号）により強度変調されており、第２の励起光Ｅ_P2が信号利得Ｇ＝１を満足する値Ｅ_P2 ⁽⁰⁾よりも高い値のときにのみ位相共役光が出力される。従って、位相共役光Ｅ_I′の波形は、正弦波信号を半波整流した波形と等価になる。図２３Ｂは第２の励起光がデジタル信号により強度変調されている場合についてを図２３Ａに準じて表示した位相共役光及び第２の励起光の波形図である。この例においても、第２の励起光Ｅ_P2がしきい値Ｅ_P2 ⁽⁰⁾よりも高い値のときにのみ位相共役光が出力される。尚、第２の励起光の強度又は振幅を常にしきい値Ｅ_P2 ⁽⁰⁾よりも高い領域で変化させる場合にも、本発明を実施可能である。

図２４は本発明の光通信システムの他の基本構成を示すブロック図である。この基本構成は、図１８の基本構成と対比して、主局２０１の第１の変調手段２０５が第１の入力データに従って位相共役光を変調している点と、従局２０２が第２の入力データに従ってプローブ光を変調する第２の変調手段２３１をさらに有している点と、主局２０１が位相共役光発生手段２０４の出力光に基づいて第２の入力データを復調する第２の復調手段３２をさらに有する点とで特徴付けられる。この構成によると、従局２０２から主局２０１に向かう方向にはプローブ光に伝送データをのせ、主局２０１から従局２０２に向かう方向については位相共役光に伝送データをのせることができるので、双方向伝送が可能になるとともに、主局２０１から従局２０２に向かう方向について光伝送路での位相揺らぎを補償することができる。

第２の変調手段２３１がプローブ光の周波数又は位相を変調する場合には、第１の変調手段２０５における位相共役光に対する変調方式としては、強度変調又は振幅変調を採用可能である。こうすることで、第１及び第２の復調手段２０７及び２３２がそれぞれ容易に第１及び第２の入力データを復調することができる。また、第２の変調手段２３１がプローブ光の強度又は振幅を比較的低い変調度で変調し、第１の変調手段２０５が位相共役光の強度又は振幅を比較的高い変調度で変調するようにしても、或いはその逆でも良好に復調を行うことができる。尚、図２４の第２の復調手段２３２は、例えば図２２のポート２２６に接続され、図２２の光ファイバ２２１内で増幅された信号光（増幅された変調プローブ光に相当）に基づいて、第２の入力データを復調する。

図２５は図１８又は図２４のシステムに適用可能な従局の第１実施例を示すブロック図である。この実施例では、位相共役光が強度変調されている場合に、直接検波により伝送データを復調する。光カプラ２４１はポート２４１Ａ，２４１Ｂ及び２４１Ｃを有し、ポート２４１Ａに供給された光をポート２４１Ｂから出力しポート２４１Ｃに供給された光をポート２４１Ａから出力するように機能する。光カプラ２４１としては例えば光サーキュレータを用いることができる。光カプラ２４１のポート２４１Ａは図１８又は図２４の光伝送路２０３に接続され、ポート２４１Ｂはフォトダイオード等の受光器２４２に接続され、ポート２４１Ｃはプローブ光の光源としてのレーザダイオード２４４に接続される。

強度変調された位相共役光が光カプラ２４１のポート２４１Ａ及び２４１Ｂをこの順に経て受光器２４２に供給されると、受光器２４２の出力電気信号は伝送されてきた位相共役光の強度変化に対応して変化する。従って、識別器等を用いて通常通り構成される復調回路２４３により受光器２４２の出力電気信号を処理することで、伝送データを再生することができる。プローブ光の光源としてのレーザダイオード２４４は駆動回路２４５により駆動される。この実施例の従局を図１８のシステムに適用する場合には、駆動回路２４５はレーザダイオード２４４を定常駆動し、レーザダイオード２４４からは一定のプローブ光が出力され、このプローブ光は光カプラ２４１のポート２４１Ｃ及び２４１Ａをこの順に経て図１８の光伝送路２０３に送出される。一方、この実施例の従局が図２４のシステムに適用される場合には、レーザダイオード２４４から変調されたプローブ光が出力されるように、駆動回路２４５がレーザダイオード２４４を駆動する。コヒーレントな位相共役光に対して振幅変調、位相変調又は周波数変調が行われている場合には、従局では、ローカル光を用いてヘテロダイン検波により伝送データを再生することができる。この場合、従局に伝送された位相共役光をローカル光と共に受光器の受光面に入射させて、ヘテロダイン検波を行うことができる。

図２６は図１８又は図２４のシステムに適用可能な従局の第２実施例を示すブロック図である。この実施例は、従局でヘテロダイン検波を行う場合に、一つの光源からのプローブ光を２分岐し、その一方をローカル光として用いている点で特徴付けられる。図１８又は図２４の光伝送路２０３により伝送された位相共役光は、光カプラ２４１のポート２４１Ａ及び２４１Ｂをこの順に経てさらにハーフミラー２５１を透過してフォトダイオード等の受光器２５２に入射する。レーザダイオード２５３から出力されたプローブ光は、ハーフミラー２５４で分岐され、分岐プローブ光の一方は光カプラ２４１のポート２４１Ｃ及び２４１Ａをこの順に経て光伝送路に送出される。分岐プローブ光の他方は、ハーフミラー２５４で反射してローカル光としてさらにハーフミラー２５１で反射し、位相共役光と同一光路で受光器２５２の受光面に入射する。

この場合、ローカル光源と信号光源を共通化できる上、ローカル光源は受信機の近傍に設置されるので、高い光パワーレベルでのローカル光の受光が可能であり、従って、高い受信感度の確保も容易である。位相共役光及びローカル光が受光器２５２の受光面に同一光路で入射すると、位相共役光の周波数とローカル光の周波数の差に相当する周波数を有する中間周波信号が、受光器２５２の出力として得られる。従って、フィルタ検波方式或いは同期検波方式により通常通り構成される復調回路２５６を用いて、受光器２５２から供給される中間周波信号に基づいて伝送データを復調することができる。尚、図２６において、符号２５５はレーザダイオード２５３の駆動回路を表しており、この駆動回路２５５は図２５の駆動回路２４５に対応している。

図２７は図２６の受光器２５２から出力される中間周波信号のスペクトルの説明図である。図２１で説明したように、非線形光学媒質を用いて４光波混合により位相共役光を発生させる場合、プローブ光と励起光の離調周波数をΩとすると、励起光と位相共役光の離調周波数もΩとなり、その結果、プローブ光の周波数と位相共役光の周波数の差は２Ωとなる。従って、図２６の実施例において、分岐プローブ光をローカル光として用いた場合には、中間周波信号の中心周波数は２Ωとなる。

ところで、図２６の実施例のように、ヘテロダイン検波を行う場合には、受光器２５２に入射する位相共役光及びローカル光の偏光面を一致させておくことが、中間周波信号の出力レベルを安定化する上で要求される。レーザダイオード２５３の出力光は通常直線偏光に近い偏光状態を有しているので、レーザダイオード２５３からハーフミラー２５４及び２５１を介して受光器２５２に供給されるローカル光は一定の偏光面を有する直線偏光と見なすことができる。一方、光伝送路としてよく用いられるシングルモードファイバの伝搬モードには、偏光面が互いに直交する２つの偏光モードが存在し、これら２つの偏光モードは各種の外乱の影響により結合して、結果として、シングルモードファイバの第１端に供給される光の偏光状態はそのファイバの第２端から出力される光の偏光状態に一致しない。従って、図２６の光カプラ２４１のポート２４１Ａに接続される光伝送路としてシングルモードファイバが用いられている場合には、光カプラ２４１のポート２４１Ｂからハーフミラー２５１を介して受光器２５２に供給される位相共役光の偏光状態は、環境変化等によって時間とともに変動する。このような偏光状態の変動があると、受光器２５２から出力される中間周波信号のレベルが変動し、最悪の場合位相共役光とローカル光が干渉せずに受信不能状態となる。

このような問題に対処するために、従来のコヒーレント光通信システムでは、受光器に供給される信号光（図２６の実施例における位相共役光に相当）及び／又はローカル光について、これらの偏光状態が一致するような偏光制御を行っていた。偏光制御に代えて、光伝送路としての偏波保持ファイバの使用或いは偏波ダイバーシティ方式の適用によっても上述の問題に対処することができるが、いずれにしても、システムの構成が複雑になるという欠点がある。

図２８は偏光制御その他の対策を行うことなしに中間周波信号の高いレベルを維持することができる実施例を示す光通信システムのブロック図である。従局２０２としては例えば図２６に示されたものが用いられる。主局２０１と従局２０２を接続する光伝送路２０３は、この実施例ではシングルモードファイバ２６１である。主局２０１は２つの位相共役光発生装置２６２及び２６３と偏光ビームスプリッタ２６４とを有している。位相共役光発生装置２６２及び２６３は、供給された直線偏光のプローブ光に対して同じ偏光面を有する直線偏光の位相共役光を発生してこの位相共役光をプローブ光供給経路と逆向きに送出する。偏光ビームスプリッタ２６４はポート２６４Ａ，２６４Ｂ及び２６４Ｃを有し、ポート２６４Ａに供給された光を直交２偏光成分に分離してそれぞれポート２６４Ｂ及び２６４Ｃから出力しポート２６４Ｂ及び２６４Ｃにそれぞれ供給された直交２偏光成分をポート２６４Ａから出力するように機能する。偏光ビームスプリッタ２６４のポート２６４Ａはシングルモードファイバ２６１に接続され、ポート２６４Ｂ及び２６４Ｃは、定偏波ファイバ等の偏光状態保持機能を有する伝送路を介してそれぞれ位相共役光発生装置２６２及び２６３に接続される。

シングルモードファイバ２６１により従局２０２から主局２０１に送られたプローブ光は、偏光ビームスプリッタ２６４で偏光面が互いに直交する２つの偏光成分に偏光分離される。プローブ光のこれら２偏光成分はその偏光状態を保ったままそれぞれ位相共役光発生装置２６２及び２６３に供給され、ここでそれぞれ対応した偏光面を有する位相共役光が発生する。位相共役光発生装置２６２及び２６３から出力した位相共役光は、偏光ビームスプリッタ２６４で偏光合成され、シングルモードファイバ２６１により従局２０２に伝送される。位相共役光発生装置２６２及び２６３から送出される位相共役光の２偏光成分は、プローブ光の偏光状態の変動を正確にさかのぼって従局２０２に伝送されるので、シングルモードファイバ２６１における偏光状態の変動の周期が主局２０１及び従局２０２間の光の往復時間に比べて十分に大きい場合には、シングルモードファイバ２６１の出力端における位相共役光の偏光状態は、プローブ光としてシングルモードファイバ２６１に供給された状態に戻り、従って、常に最適な偏光状態でのヘテロダイン検波が可能になる。このように本実施例によると、偏光制御や偏波ダイバーシティ方式の適用が不要になるので、簡単且つ高性能なシステムの提供が可能になる。尚、位相共役光発生装置２６２及び偏光ビームスプリッタ２６４間の光路長と位相共役光発生装置２６３及び偏光ビームスプリッタ２６４間の光路長の差は、光源のコヒーレント長よりも短く設定されることが望ましい。

主局２０１は、一つの位相共役光発生装置２６２のみを有するように構成されても良い。この場合、図２８の主局２０１の構成要素のうち位相共役光発生装置２６３及び偏光ビームスプリッタ２６４が省略され、位相共役光発生装置２６２は偏波能動制御器を介してシングルモード光ファイバ２６１に接続される。そして、シングルモードファイバ２６１から主局２０１に入力する任意の偏波状態の光を偏波能動制御器により位相共役光発生装置２６２で発生させる位相共役光の偏波状態（通常は直線偏波）と同じ状態に変換して位相共役光発生装置２６２に入力する。こうすると、発生した位相共役光は偏波能動制御器で再びシングルモードファイバ２６１から出力された際の偏波状態に変換される。従って、この位相共役光がシングルモードファイバ２６１を逆方向に伝搬して従局２０２に戻った際には、最初の偏波状態と等しくなるのである。

図１８又は図２４のシステムにおいて、プローブ光発生手段２０６から光伝送路２０３に供給されるプローブ光が周波数分割多重された複数のプローブ光である場合には、周波数分割多重数と同数の位相共役光発生手段２０４を用いるか、或いは、周波数分割多重された複数のプローブ光に対して位相共役光をそれぞれ発生し得る広帯域の位相共役光発生手段２０４を用いることで、周波数分割多重光伝送が可能になる。

図２９は本発明を光分配系に適用した実施例を示す光通信システムのブロック図である。この系での第１の実施例は、それぞれが主局２０１に対応する複数の加入者２７１と、従局２０２に対応する分配局２７２とを光マルチ／デマルチプレクサ２７３を介して接続している場合である。分配局２７２からの単一周波数の或いは周波数分割多重されたプローブ光は、光マルチ／デマルチプレクサ２７３で分配されて、各加入者２７１に供給される。各加入者２７１では、各分配プローブ光に基づき伝送データが再生され、一方、各加入者２７１からのリクエスト信号等の伝送データは位相共役光により分配局７２に伝送される。この実施例では、各加入者２７１では出力信号光及び位相共役光についての増幅を行わせることができるので、光マルチ／デマルチプレクサ２７３における分配損失を補償することができ、簡単な構成の光加入者システムを実現することができる。各加入者２７１は例えば図１９の主局の具体的構成例を有しており、この場合、各励起光発生手段２１２が発生する各励起光の周波数を異ならせておくことによって、分配局２７２の側で例えばいずれの加入者からのリクエスト信号であるかを検出することが容易になる。

この系での第２の実施例は、主局に対応する分配局２７２と従局に対応する複数の加入者２７１を光マルチ／デマルチプレクサ２７３を介して接続している場合である。各加入者２７１の各々に割り当てられた周波数のプローブ光或いは共通の光源から分配されたプローブ光は、光マルチ／デマルチプレクサ２７３で合成されて、分配局２７２に供給される。分配局２７２は、プローブ光を位相共役光に変換し、この位相共役光に伝送データを載せた後、再び各加入者２７１に伝送する。位相共役光の生成においては、各加入者の各々に別々の周波数のプローブ光が割り当てられている場合には、加入者の数と同数の位相共役光発生手段を用いるか、或いは、複数のプローブ光に対して位相共役光を発生し得る広帯域の位相共役光発生手段が用いられる。また、各加入者からのプローブ光には各加入者からのリクエスト信号を載せておくことも可能である。

以上説明したように、本発明の第２の適用態様によると、多機能性を有する位相共役光発生手段を用いてこれを光通信システムに適用することができるので、所定の機能を簡単な構成で実現することができるようになるという効果が生じる。また、本発明によると、光伝送路での位相揺らぎを補償した光通信システムの提供が可能になるという効果が生じる。

続いて、本発明の第３の適用分野について説明する。本発明の以下の実施例は、種々の光システムに適用可能な光変調器に関する。

従来、光変調器としては、電気信号により光デバイスを変調するものが知られている。例えば、レーザダイオードの注入電流の変調による振幅変調や周波数（位相）変調、ＬｉＮｂＯ₃光導波路のバイアス電圧の変調による強度変調や位相変調等が盛んに行われている。光システムの高速化に際し、従来の光変調器の性能は限界に近づきつつある。その一方で、光システムのさらなる高速化への期待もある。また、光増幅中継が盛んになるにつれ、伝送速度に依存しない光中継器が求められるようになってきている。こうした要求に応えるためには、電気的な処理を介さない光による光変調器（所謂全光変調器）の開発が要求される。

本発明の第３の適用分野における目的は、このような光変調器を提供することにある。

図３０は本発明の光変調器の基本構成を示すブロック図である。この光変調器は、プローブ光源３０１と、励起光源３０２と、非線形光学媒質３０３と、プローブ光源３０１からのプローブ光を励起光源３０２からの励起光とともに非線形光学媒質３０３に供給するプローブ光／励起光供給手段３０４と、励起光源３０２に動作的に接続されて励起光を情報信号により変調する変調手段３０５とを備える。そして、非線形光学媒質３０３から変調された位相共役光が出力される。

非線形光学媒質を用いた４光波混合（ＦＷＭ）による位相共役光の発生及びその性質については、例えば第２の適用分野において(13)式乃至(22)式により説明したので、ここでは出力アイドラ光（位相共役光）がどのように変調されるかについて、振幅（強度）変調、周波数変調、位相変調を例にとり説明する。いま、ＦＷＭにおける入力信号光（プローブ光）Ｅ_S（ω_S，ｔ）、励起光Ｅ_P（ω_P，ｔ）及び出力アイドラ光Ｅ_I′（ω_P，ｔ）がそれぞれ次のように表されるものとする。Ａ_S（ω_S，ｔ），Ａ_P（ω_P，ｔ）及びＡ_I（ω_I，ｔ）はそれぞれプローブ光、励起光及び出力アイドラ光の振幅、ω_S，ω_P及びω_Iはそれぞれプローブ光、励起光及び出力アイドラ光の周波数、ｔは時間、φ_S（ｔ），φ_P（ｔ）及びφ_I（ｔ）はそれぞれプローブ光、励起光及び出力アイドラ光の位相を表している。

ここで、入力アイドラ光がない場合（Ｅ_I＝０）を考えると、(13)式乃至(16)式より以下の関係が得られる。

（１）振幅（強度）変調
(26)式より、励起光の振幅Ａ_P（ω_P，ｔ）を変化させると、その絶対値の二乗に比例して出力アイドラ光（位相共役光）の振幅Ａ_I（ω_I，ｔ）が変化することがわかる。即ち、(29)式及び(30)式で表されるように励起光に振幅（強度）変調をかけると、(31)式で与えられるように出力アイドラ光が振幅（強度）変調されるものである。

このとき、励起光Ｅ_P（ω_P，ｔ）の消光比をγとすると、得られるアイドラ光Ｅ_I′（ω_P，ｔ）の消光比はγ²となる。例えば、γ＝−１５ｄＢとすると、γ²＝−３０ｄＢとなるから、大幅な消光比の改善が可能になる。

アイドラ光Ｅ_I′（ω_P，ｔ）は、励起光Ｅ_P（ω_P，ｔ）が信号利得Ｇ＝１を満足する値Ｅ_P ⁽⁰⁾よりも高い値のときにのみ出力される。この様子を図３１Ａに示す。ここでは、励起光を正弦波で変調している。励起光をデジタル信号によりオン−オフ変調する場合には、図３１Ｂに示すような波形になる。ところで、特にデジタル変調の場合に励起光のパルス形状は実際には図３１Ｃに示すように矩形からなまった形状であり、アイドラ光の振幅が励起光の振幅の二乗に比例することを考慮すると、アイドラ光のパルス幅は励起光のパルス幅に比べて狭くなることがわかる。この様子を図３１Ｃに示す。従って、このような性質を用いて、任意のデューティ比及び形状を有するＲＺパルスを生成することが可能になる。
（２）周波数変調
励起光に(32)式で表されるような周波数変調をかけるとすると、出力アイドラ光は(33)式で与えられるように周波数変調される。

この場合、出力アイドラ光に対する変調度が励起光に対するそれの二倍になるため、出力アイドラ光に変調度ｍの周波数変調を与えるために必要な励起光の変調度はその半分のｍ／２でよいことになる。
（３）位相変調
励起光に(34)式で示されるように位相変調をかけるとすると、出力アイドラ光は(35)式で与えられるように位相変調される。

この場合にも、周波数変調の場合と同様に、アイドラ光に対する変調度は励起光に対するそれの二倍になるため、アイドラ光に変調度ｍの周波数変調を与えるための励起光の変調度はその半分のｍ／２でよいことになる。(33)式及び(34)式より、出力アイドラ光の位相雑音は励起光の位相雑音の二倍と信号光の位相雑音との和になる。従って、光周波数変調或いは光位相変調を行う場合には、用いる光源の位相雑音が極力小さいことが望ましい。即ち、プローブ光源及び励起光源としてはコヒーレント光源を用いるのが望ましい。

図３０において、ＦＷＭによりアイドラ光を生成するための非線形媒質３０３の具体例としては、ＴｉＢａＯ₃やＬｉＮｂＯ₃等の結晶媒質、各種の有機媒質、各種の半導体（例えば半導体光増幅器）、さらには光ファイバ等があげられる。いずれの場合にも、対向励起配置にすれば位相共役鏡（ＰＣＭ）型光変調器を構成することができ、前方励起配置にすれば透過型の位相共役器型光変調器を構成することができる。本発明を光ファイバ通信に適用する場合には、光伝送路との整合性から、非線形光学媒質としては光ファイバが適している。以下、非線形光学媒質として光ファイバを用いたいくつかの例を説明する。

図３２は本発明の光変調器の第１実施例を示すブロック図である。図３０の非線形光学媒質３０３、励起光源３０２、プローブ光／励起光供給手段３０４、プローブ光源３０１及び変調手段３０５にそれぞれ対応する光ファイバ３２１、励起ＬＤ（レーザダイオード）３２２、光カプラ３２３、プローブＬＤ３２４及び変調回路３２５が用いられる。非線形光学媒質としての光ファイバ３２１は望ましくはシングルモードファイバである。この場合において、プローブ光の波長と励起光の波長をわずかに異ならせて非縮退型のＦＷＭを生じさせるときには、光ファイバ３２１の零分散を与える波長が励起光の波長（励起ＬＤ３２２の発振波長）に一致するようにしておく。光カプラ３２３は４つのポート３２３Ａ，３２３Ｂ，３２３Ｃ及び３２３Ｄを有している。ポート３２３ＡにはプローブＬＤ３２４が接続され、ポート３２３Ｂには励起ＬＤ３２２が接続され、ポート３２３Ｃには光ファイバ３２１の第１端が接続され、ポート３２３Ｄはデッドエンドにされる。光カプラ３２３は、少なくとも、ポート３２３Ａ及び３２３Ｂに供給された光をポート３２３Ｃから出力するように機能し、この光カプラ３２３としては、例えば、ファイバ融着型のもの、ハーフミラー、光合波器、偏光ビームスプリッタ等が使用される。

この構成によると、光カプラ３２３のポート３２３Ａに供給されたプローブ光とポート３２３Ｂに供給された励起光とを共に非線形光学媒質である光ファイバ３２１に導波させることができるので、ＦＷＭにより透過型の位相共役光（アイドラ光）を発生することができる。そして、励起ＬＤ３２２に接続されている変調回路３２５によって励起光が変調されているので、前述した原理に従って光ファイバ３２１の第２端からは変調されたアイドラ光を出力させることができる。この変調されたアイドラ光は例えば図示しない光ファイバからなる光伝送路に送出される。

非線形光学媒質として光ファイバを用いる場合、光ファイバ内でＦＷＭを効率よく生じさせるためには、プローブ光とアイドラ光の位相整合をとることが望ましい。そのための有効な方法としては、励起光とプローブ光の波長を一致させた縮退ＦＷＭを用いる方法や、励起光の波長を光ファイバの零分散波長に一致させる方法等がある。特に、後者の方法を採用する場合には、プローブ光とアイドラ光が互いに複素共役の関係を保ちつつこれらの位相速度を等しくすることができ（２次分散までの近似において）、結果として理想的な位相整合が可能になる。

ところで、光ファイバ内のＦＷＭにより光変調を行う場合には、変調効率を大きくするために励起光の強度を大きくすると誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）により励起光が光ファイバ内で反射されてしまい、それにより変換効率が飽和してしまう。特に、振幅（強度）変調や変調をかけない場合（ＣＷ）には、シングルモードファイバにおいては約＋７〜８ｄＢｍ程度の入力パワーでＳＢＳがおきる。このようなＳＢＳの影響を排除した実施例を次に説明する。

図３３は本発明の光変調器の第２実施例を示すブロック図である。この実施例では、比較的低い周波数ω′の発振器３２７により周波数変調されている励起ＬＤ３２２からの励起光を光変調器３２６を介して光カプラ３２３のポート３２３Ｂに入力している。光変調器３２６は、情報信号が入力する変調回路３２５により駆動されて、通過する励起光を振幅（強度）変調する。こうすると、光ファイバ３２１内における励起光の単位周波数当たりのパワー密度を低下させてＳＢＳを抑圧することができる。光変調器３２６により励起光を間接変調することに代えて、励起光を直接変調する場合には、周波数ω′の低周波信号を情報信号に重畳して励起ＬＤ３２２に供給すれば良い。尚、発振器３２６の周波数ω′は変調回路３２５に供給される情報信号に影響を及ぼさないために十分に低速であることが望ましい。この実施例では、変調された位相共役光を得るに際して励起光の低速な周波数変調を行っているが、前述した実施例のように変調されていない位相共役光を得る場合においても、励起光を周波数変調することによりＳＢＳを抑圧することができる。

図３４は本発明の光変調器の第３実施例を示すブロック図である。この実施例は、図３２の第１実施例と対比して、光ファイバ３２１内で発生した位相共役光（出力アイドラ光）を、光バンドパスフィルタ３３１及び光増幅器３３２をこの順に介して図示しない光伝送路に送出している点で特徴付けられる。光増幅器３３２は例えば線形光増幅器である。光増幅器３３２の一つの構成例は、Ｅｒ（エルビウム）等の希土類元素がドープされたドープファイバと、ポンプ光を出力するポンプ光源と、このポンプ光を増幅すべき光（ここでは出力アイドラ光）とともにドープファイバに供給する手段とを含む。光バンドパスフィルタ３３１は、プローブＬＤ３２４及び励起ＬＤ３２２からの光や雑音光等の不所望な光を除去するためのものであり、これにより変調された出力アイドラ光のみをこの光変調器から出力することができる。また、このような不要な光を除去することによって、例えば、励起ＬＤ３２２からの励起光によって光増幅器３３２の動作が飽和することが回避され、光ファイバ３２１内で生じた出力アイドラ光を十分に増幅することができる。また、一般に励起ＬＤ３２２からの励起光の強度はプローブ光及び出力アイドラ光の強度に比べて極めて高いので、光バンドパスフィルタ３３１を用いて励起光等の不要な光を除去することによって、高強度な励起光が後段の光伝送路内でさらに非線形光学効果を生じさせる恐れがない。さらに、光バンドパスフィルタ３３１で不要な光を除去することによって、変調された出力アイドラ光に基づき受信側で復調信号を再生するに際して、励起光の存在による復調の困難を排除することができる。尚、励起ＬＤ３２２から供給される励起光の強度が十分に高い場合には、光ファイバ３２１に供給されたプローブ光の強度よりも光ファイバ３２１内で発生する出力アイドラ光の強度が高くなることがあるので、このような増幅作用が生じている場合には、光増幅器３２２は用いなくてもよい。

図３５は本発明の光変調器の第４実施例を示すブロック図である。この実施例は、図３２の第１実施例に対比して、励起ＬＤ３２２と光カプラ３２３のポート３２３Ｂとの間に偏光スクランブラ３４１を設けている点で特徴付けられる。一般にシングルモードファイバの伝搬モードには、偏光面が互いに直交する２つの偏光モードが存在し、各種の外乱の影響によりこれら２つの偏光モードが結合して、結果としてシングルモードファイバの第１端に供給される光の偏光状態はこのシングルモードファイバの第２端から出力される光の偏光状態に一致しない。従って、本発明の光変調器を光中継器に内蔵させる場合等のように、プローブＬＤ３２４からのプローブ光が比較的長いシングルモードファイバを介して光カプラ３２３に供給されているような場合には、非線形光学媒質としての光ファイバ３２１に供給されるプローブ光の偏光状態は、環境変化等によって時間とともに変動する。一方、前述した出力アイドラ光（位相共役光）の発生原理から明らかなように、プローブ光から位相共役光への変換効率は、非線形光学媒質に供給されるプローブ光の偏光状態と励起光の偏光状態との関係に依存する。図３５の第４実施例によると、励起ＬＤ３２２からの励起光を偏光スクランブラ３４１を介してプローブ光と合流させるようにしているので、供給されるプローブ光の偏光状態が時間とともに変動する場合でも、プローブ光から位相共役光への変換効率を一定にして光変調器の動作を安定にすることができる。

偏光スクランブラ３４１は、１／２波長板及び１／４波長板等を用いて通常通り構成され、例えば、励起ＬＤ３２２から供給される励起光がほぼ直線偏光である場合にその偏光面を回転するように機能する。供給されるプローブ光の偏光状態の環境条件の変化等に起因する変動は比較的ゆっくりであるので、偏光スクランブラ３４１の動作周波数（例えば偏光面の回転周期の逆数）を１〜１００ＫＨｚ程度に設定しておくことによって、十分に偏光依存性を排除することができる。この例では、励起ＬＤ３２２から供給される励起光に対して偏光スクランブラ３４１を作用させているが、偏光スクランブラをプローブ光に対して作用させるようにしてもよい。

図３６は本発明の光変調器の第５実施例を示すブロック図である。この実施例では、プローブＬＤ３２４から供給されたプローブ光を偏光面が互いに直交する第１及び第２偏光成分に分離する偏光ビームスプリッタ３５１と、偏光ビームスプリッタ３５１からの第１及び第２偏光成分に基づいてそれぞれ位相共役光（出力アイドラ光）を発生させる位相共役光発生器３５２及び３５３と、位相共役光発生器３５２及び３５３からの各位相共役光を合流させる偏光合成器３５４とが用いられる。偏光合成器３５４は例えば偏光ビームスプリッタであり、偏光合成器３５４で合成された位相共役光は図示しない光伝送路に送出される。位相共役光発生器３５２及び３５３としては、例えば、図３２の第１実施例の構成からプローブＬＤ３２４及び変調回路３２５を除いたものを用いることができる。位相共役光発生器３５２及び３５３における励起光を変調するために、変調回路３２５′が設けられている。

この実施例によると、各位相共役光発生器３５２及び３５３に供給されるプローブ光の第１及び第２偏光成分はともに直線偏光であるから、位相共役光発生器３５２及び３５３において、供給されたプローブ光（第１又は第２偏光成分）の偏光状態を励起光の偏光状態に一致させるのが容易であり、偏光依存性を排除することができる。つまり、プローブＬＤ３２４から供給されるプローブ光の偏光状態の変動にかかわらず、位相共役光の発生効率を一定にすることができるのである。この実施例では、偏光ビームスプリッタ３５１から位相共役光発生器３５２を経て偏光合成器３５４に至る光路の光路長と偏光ビームスプリッタ３５１から位相共役光発生器３５３を経て偏光合成器３５４に至る光路の光路長との差を信号の１タイムスロットＴにおける光の進行距離に比べて十分小さくすることが望ましい。例えば、変調回路３２５′に供給される情報信号が１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ信号である場合には、その１タイムスロットＴにおける光の進行距離は約２mmとなるから、光路長差はその１／１０に相当する０．２mm程度以下に抑えることが望ましい。

図３７は本発明の光変調器の第６実施例を示す図である。プローブ光／励起光供給手段としては光カプラ３２３が用いられ、非線形光学媒質としては偏波保持ファイバ３５５が用いられている。プローブＬＤ３２４からのプローブ光と励起ＬＤ３２２からの励起光は、光カプラ３２３で合流されて偏波保持ファイバ３５５に入力する。励起光は予め定められた偏波面を有する実質的な直線偏光であり、この予め定められた偏波面が偏波保持ファイバ３５５の主軸に対してほぼ４５°傾斜するように励起ＬＤ３２２の配置等が設定される。こうしておくと、励起光パワーの偏波保持ファイバ内での直交２偏波成分を等しく一定に保つことができるので、任意の偏光状態のプローブ光に対して出力アイドラ光の生成効率を安定に保つことができる。

図３７の実施例では、非線形光学媒質として使用される偏波保持ファイバ３５５の長さが長くなるのに従って、偏波保持ファイバ３５５の２つの主軸方向の偏波に対する屈折率のわずかな違いによる位相ずれが生じる可能性があるので、励起光パワーを高くするか或いは偏波保持ファイバ３５５の非線形定数を大きくすることによって、短い偏波保持ファイバ３５５で足りるようにすることが望ましい。この直交２偏波成分間の位相ずれの程度は、偏波保持ファイバ３５５の材料や構造により決定される。標準的なファイバにおいては、１０ｍの長さに対して１７ｐｓのずれが発生する。従って、ビットレートが６０Ｇｂ／ｓ程度の信号に対して１ビットの偏波分散となって現れる。この場合、実際に伝送可能な信号の伝送速度は１０Ｇｂ／ｓ程度になる。偏波保持ファイバ３５５の長さが長くなればさらに伝送可能な信号の伝送速度は低下する。次に、非線形光学媒質としての偏波保持ファイバの長さを短くすることなしに高ビットレートの信号に対応可能な実施例を説明する。

図３８は本発明の光変調器の第７実施例を示すブロック図である。この実施例は、図３７の実施例と対比して、非線形光学媒質がほぼ同じ長さの２本の偏波保持ファイバ３５５Ａ及び３５５Ｂからなる点で特徴付けられる。偏波保持ファイバ３５５Ａ及び３５５Ｂはこれらの主軸同士が互いに直交するように接続される。励起光は予め定められた偏波面を有する実質的な直線偏光である。光カプラ３２３で合流したプローブ光と励起光は、偏波保持ファイバ３５５Ａの第１端に供給される。ここで、励起光の偏波面が偏波保持ファイバ３５５Ａの主軸に対してほぼ４５°傾斜するように、励起ＬＤ３２２の配置等が設定される。偏波保持ファイバ３５５Ａの第２端は偏波保持ファイバ３５５Ｂの第１端に接続されている。偏波保持ファイバ３５５Ｂの第２端からは、偏波保持ファイバ３５５Ａ及び３５５Ｂ内で生じた変調された位相共役光が出力する。この実施例では、ほぼ同じ特性を有する偏波保持ファイバ３５５Ａ及び３５５Ｂの長さを等しく設定しているので、偏波保持ファイバ３５５Ａで生じた直交２偏波成分間の位相ずれは偏波保持ファイバ３５５Ｂにおいて生じる直交２偏波成分間の位相ずれと相殺され、偏波保持ファイバ３５５Ａ及び３５５Ｂの総長が長い場合でも、これによって信号の伝送速度が制限されることがない。

図３９は本発明の光変調器の第８実施例を示すブロック図である。励起光源として励起ＬＤ３２２が用いられ、非線形光学媒質として光ファイバ３２１が用いられている点は前述の図３２乃至図３５の実施例と同じである。この実施例では、プローブ光及び励起光を光ファイバ３２１に双方向に導波させるために、プローブ光／励起光供給手段は、光カプラ３６１と偏光ビームスプリッタ３６２とを含む。光カプラ３６１はポート３６１Ａ，３６１Ｂ及び３６１Ｃを有し、ポート３６１Ａ及び３６１Ｂに供給された光をポート３６１Ｃから出力する。ポート３６１ＡにはプローブＬＤ３２４が接続され、ポート３６１Ｂには励起ＬＤ３２２が接続される。偏光ビームスプリッタ３６２はポート３６２Ａ，３６２Ｂ，３６２Ｃ及び３６２Ｄを有し、ポート３６２Ａ及び３６２Ｂに供給された光を直交２偏光成分に偏光分離し、これらの２偏光成分をそれぞれポート３６２Ｃ及び３６２Ｄから出力する。また、偏光ビームスプリッタ３６２は、ポート３６２Ｃ及び３６２Ｄに供給された光を直交２偏光成分に偏光分離し、これらの２偏光成分をそれぞれポート３６２Ａ及び３６２Ｂから出力する。ポート３６２Ａには光カプラ３６１のポート３６１Ｃが接続され、ポート３６２Ｂには図示しない光伝送路が接続され、ポート３６２Ｃ及び３６２Ｄ間には光ファイバ３２１が接続される。光ファイバ３２１の途中には、１／４波長板及び１／２波長板等を用いて通常通り構成される偏光制御器３６３が設けられており、この偏光制御器３６３は光ファイバ３２１に供給された光の偏光状態と光ファイバ３２１から出力する光の偏光状態とが一致するような制御を行う。

光カプラ３６１に供給されたプローブ光は励起ＬＤ３２２からの励起光と合流され、これらプローブ光及び励起光は、偏光ビームスプリッタ３６２で第１偏光成分とこの第１偏光成分の偏光面に直交する偏光面を有する第２偏光成分とに分離される。第１及び第２偏光成分は、それぞれ光ファイバ３２１を互いに逆方向に伝搬して、さらにもう一度偏光ビームスプリッタ３６２を通過するときに偏光合成されてポート３６２Ｂから出力される。励起ＬＤ３２２から出力される励起光の偏光面は、偏光ビームスプリッタ３６２で分離される第１及び第２偏光成分への、励起ＬＤ３２２からの励起光の分配比が１：１になるように、設定される。即ち、偏光ビームスプリッタ３６２のポート３６２Ａに供給される励起光の偏光面は、第１及び第２偏光成分の偏光面に対してそれぞれほぼ４５°傾斜するように、励起ＬＤ３２２が設定される。こうしておくと、光ファイバ３２１に互いに逆方向に導波されるプローブ光の直交２偏光成分に対して、励起光の直交２偏光成分がそれぞれ一致した偏光面でもって作用するので、光ファイバ３２１内で互いに逆方向に発生した位相共役光を偏光ビームスプリッタ３６２で合成してポート３６２Ｂから出力したときに、供給されたプローブ光の偏光状態の変動にかかわらず一定の変換効率で位相共役光を得ることができる。

図４０は本発明の光変調器の第９実施例を示すブロック図である。この実施例は、図３９の実施例と対比して、非線形光学媒質として偏波保持ファイバ３２１′を用いている点で特徴付けられる。偏波保持ファイバ３２１′は、偏波保持ファイバ３２１′に供給された光の偏光状態が偏波保持ファイバ３２１′から出力される光の偏光状態に一致するように、偏光ビームスプリッタ３６２に接続される。この場合、偏波保持ファイバ３２１′の主軸は、偏光ビームスプリッタ３６２で偏光分離される直線偏光の偏光面に平行である。この実施例によると、図３９の偏波制御器３６３が不要になるので、装置の構成を簡単にすることができる。

図４１は本発明の光変調器の第１０実施例を示すブロック図である。非線形光学媒質としての光ファイバ３２１と、励起ＬＤ３２２と、プローブＬＤ３２４と、偏光ビームスプリッタ３６２と、偏光制御器３６３とが用いられている点は、図３９の実施例と同じである。この実施例では、位相共役光の発生に際して消費されずに残った励起光を発生した位相共役光と分離するために、プローブ光／励起光供給手段は、光カプラ３７１と１／２波長板３７３と偏光ビームスプリッタ３６２とを含む。また、励起光を供給するポートと位相共役光を取り出すポートとを分離するために、プローブ光／励起光供給手段はさらに光サーキュレータ３７２を含む。光サーキュレータ３７２は３つのポート３７２Ａ，３７２Ｂ及び３７２Ｃを有し、ポート３７２Ａに供給された光をポート３７２Ｂから出力し、ポート３７２Ｂに供給された光をポート３７２Ｃから出力し、ポート３７２Ｃに供給された光をポート３７２Ａから出力するように機能する。ポート３７２ＡにはプローブＬＤ３２４が接続され、ポート３７２Ｃは図示しない光伝送路に接続される。光カプラ３７１は４つのポート３７１Ａ，３７１Ｂ，３７１Ｃ及び３７１Ｄを有し、ポート３７１Ａ及び３７１Ｂに供給された光を等分配してポート３７１Ｃ及び３７１Ｄから出力し、ポート３７１Ｃ及び３７１Ｄに供給された光を等分配してポート３７１Ａ及び３７１Ｂから出力する。光カプラ３７１としては、例えばハーフミラーやファイバ融着型のものが用いられる。ポート３７１Ａには励起ＬＤ３２２が接続され、ポート３７１Ｂにはサーキュレータ３７２のポート３７２Ｂが接続され、ポート３７１Ｄは偏光ビームスプリッタ３６２のポート３６２Ｂに接続される。１／２波長板３７３は光カプラ３７１のポート３７１Ｃと偏光ビームスプリッタ３６２のポート３６２Ａの間の光路に挿入され、この１／２波長板３７３は供給された光の偏光面を９０°回転させる。この実施例では、光カプラ３７１のポート３７１Ａに供給される励起光の偏光状態と、プローブＬＤ３２４から光サーキュレータ３７２を介して光カプラ３７１のポート３７１Ｂに供給されるプローブ光の偏光状態とが一致するようにされている。

いま、これらの励起光及びプローブ光がそれぞれ紙面に垂直な偏光面を有する直線偏光であるとしてこの実施例における動作を説明する。光カプラ３７１のポート３７１Ａ及び３７１Ｂにそれぞれ供給された励起光及びプローブ光は、等分配されてポート３７１Ｃ及び３７１Ｄから出力する。ポート３７１Ｃから出力されたプローブ光及び励起光は、１／２波長板３７３で偏光面を９０°回転させられ、紙面に平行な偏光面を有する直線偏光として偏光ビームスプリッタ３６２のポート３６２Ａに供給される。ポート３６２Ａに供給されたプローブ光及び励起光は、ポート３６２Ｄから光ファイバ３２１に供給され、光ファイバ３２１内で図の反時計回りに伝搬するときに同方向に位相共役光が発生する。この位相共役光と残留した励起光は、ポート３６２Ｃから偏光ビームスプリッタ３６２に供給されポート３６２Ｂから出力する。一方、光カプラ３７１のポート３７１Ｄから偏光ビームスプリッタ３６２のポート３６２Ｂに供給されたプローブ光及び励起光は、紙面に垂直な偏光面を有しているので、これらプローブ光及び励起光は、ポート３６２Ｄから光ファイバ３２１に供給され、光ファイバ３２１内で図中の反時計回りに伝搬するときに位相共役光が発生する。この位相共役光と残留した励起光は、ポート３６２Ｃから偏光ビームスプリッタ３６２に供給され、ポート３６２Ａから出力される。ポート３６２Ａから１／２波長板３７３に供給された位相共役光及び励起光は、偏光面を９０°回転させられて紙面に平行な直線偏光として光カプラ３７１のポート３７１Ｃに供給される。１／２波長板３７３からポート３７１Ｃに供給される励起光及び位相共役光と偏光ビームスプリッタ３６２のポート３６２Ｂから光カプラ３７１のポート３７１Ｄに供給される励起光及び位相共役光とは、ともに紙面に平行な偏光面を有しており、且つ、これらが経てきた光路の長さは完全に一致する。従って、光カプラ３７１においてポート３７１Ｃ及び３７１Ｄに供給された励起光及び位相共役光のうち、励起光は主としてポート３７１Ａから出力され、位相共役光は主としてポート３７１Ｂから出力される。光カプラ３７１のポート３７１Ｂから出力された光は、光サーキュレータ３７２を介して図示しない光伝送路に送出される。

本実施例によると、非線形光学媒質としての光ファイバ３２１内での位相共役光の発生に際して残留した励起光と発生した位相共役光とを、光フィルタ（例えば図３４の光バンドパスフィルタ３３１）を用いることなしに分離することができる。位相共役光の発生に際して用いられる励起光の強度はプローブ光及び発生した位相共役光の強度に比べて極めて高いので、このような高強度の励起光を位相共役光と分離する上で、図４１の実施例は有用である。

以上説明した実施例では、プローブ光は１つであるが、周波数分割多重された複数のプローブ光に対しても本発明を適用可能である。

図４２は本発明の光変調器の第１１実施例を示すブロック図である。シングルモードファイバＳＭＦ−１からのプローブ光は、光カプラ３８２の第１ポートに入力する。光ファイバ３８２の第２ポートには、情報信号源３８４により変調される励起光源３８６からの励起光が、偏波制御器３８８を介して供給される。光カプラ３８２で加え合わされたプローブ光及び励起光が非線形光学媒質３９０に入力すると、ここで位相共役光が発生し、この位相共役光は光カプラ３９２で２分岐される。分岐された一方の位相共役光は、シングルモードファイバＳＭＦ−２に送出され、分岐された他方の位相共役光は光フィルタ３９４を通って受光器３９６で電気信号に変換される。比較器３９８は、受光器３９６の出力レベルが最大になるように、励起光の偏波状態と励起光源３８６の発振波長とを制御する。励起光の波長は、励起光源３８６として使用されるレーザダイオードの温度やバイアス電流により制御される。

この実施例によると、励起光の偏光状態をプローブ光の偏光状態に合わせて能動的に制御するようにしているので、プローブ光の偏光状態にかかわらず安定した変換効率で位相共役光を発生させることができる。

以上説明した本発明の光変調器の実施例では、プローブ光源を非線形光学媒質の比較的近くに設置してこの光変調器を送信局に適用しているが、この光変調器は中継局にも適用可能である。即ち、送信局から送られてきたプローブ光を中継局で励起光（変調されている）とともに非線形光学媒質に入力することで、非線形光学媒質において生じる位相共役光に情報の書き込みを行うことができるのである。

以上のように、本発明により位相共役光学を光システムに適用することによって、従来の光技術では得られなかった新しい機能の達成や光システムの特性の改善が可能になる。本発明により得られる他の効果については以上説明したとおりであるのでその説明を省略する。

図１は位相共役光の発生原理の説明図である。図２は信号光、励起光及びアイドラ光の周波数配置の説明図である。図３は本発明の基本構成を示す位相共役光発生装置のブロック図である。図４は本発明の第１実施例を示す位相共役光発生装置のブロック図である。図５は本発明の第２及び第３実施例を説明するための位相共役光発生装置の主要部のブロック図である。図６は本発明の第２実施例を示す位相共役光発生装置のブロック図である。図７は本発明の第３実施例を示す位相共役光発生装置のブロック図である。図８は本発明の第４実施例を示す位相共役光発生装置のブロック図である。図９Ａ，図９Ｂ及び図９Ｃは本発明の第５実施例を示す中継光伝送システムのブロック図である。図１０は本発明の第６実施例を示す中継光伝送システムのブロック図である。図１１は本発明の第７実施例を示す双方向中継光伝送システムのブロック図である。図１２は図１１のシステムにおける周波数配置の説明図である。図１３は本発明の第８実施例を示す双方向中継光伝送システムのブロック図である。図１４は本発明の第９実施例を示す光分配システムのブロック図である。図１５は本発明の第１０実施例を示す光スイッチングシステムのブロック図である。図１６は本発明の第１１実施例を示す光選択システムのブロック図である。図１７は本発明の第１２実施例を示す光アンド回路システムのブロック図である。図１８は本発明の光通信システムの基本構成を示すブロック図である。図１９は本発明における主局の具体的構成を示すブロック図である。図２０は位相共役光の発生原理の説明図である。図２１は信号光、励起光及びアイドラ光（位相共役光）の周波数配置の説明図である。図２２は本発明における主局の実施例を示すブロック図である。図２３Ａ及び図２３Ｂは位相共役光の強度変調の説明図である。図２４は本発明の光通信システムの他の基本構成を示すブロック図である。図２５は本発明における従局の第１実施例を示すブロック図である。図２６は本発明における従局の第２実施例を示すブロック図である。図２７は図２６の実施例における中間周波信号のスペクトルの説明図である。図２８は偏光制御を不要にした実施例を示す光通信システムのブロック図である。図２９は本発明を光分配系に適用した実施例を示す光通信システムのブロック図である。図３０は本発明の光変調器の基本構成を示すブロック図である。図３１Ａ，図３１Ｂ及び図３１Ｃは励起光の変調による出力アイドラ光の変調の説明図である。図３２は本発明の光変調器の第１実施例を示すブロック図である。図３３は本発明の光変調器の第２実施例を示すブロック図である。図３４は本発明の光変調器の第３実施例を示すブロック図である。図３５は本発明の光変調器の第４実施例を示すブロック図である。図３６は本発明の光変調器の第５実施例を示すブロック図である。図３７は本発明の光変調器の第６実施例を示すブロック図である。図３８は本発明の光変調器の第７実施例を示すブロック図である。図３９は本発明の光変調器の第８実施例を示すブロック図である。図４０は本発明の光変調器の第９実施例を示すブロック図である。図４１は本発明の光変調器の第１０実施例を示すブロック図である。図４２は本発明の光変調器の第１１実施例を示すブロック図である。

符号の説明

３０１プローブ光源
３０２励起光源
３０３非線形光学媒質
３０４プローブ光／励起光供給手段
３０５変調手段

Claims

プローブ光源と、
励起光源と、
非線形光学媒質と、
該プローブ光源からのプローブ光を該励起光源からの励起光とともに該非線形光学媒質に供給するプローブ光／励起光供給手段と、
該励起光源に動作的に接続されて該励起光を情報信号により変調する変調手段とを備え、
該非線形光学媒質から変調された位相共役光が出力される光変調器。
該非線形光学媒質は３次の非線形光学効果を呈し、
該非線形光学媒質においては４光波混合により該位相共役光が発生する請求項１に記載の光変調器。
該変調手段は該励起光の振幅又は強度を変調する請求項１に記載の光変調器。
該変調手段は該励起光の周波数を変調する請求項１に記載の光変調器。
該変調手段は該励起光の位相を変調する請求項１に記載の光変調器。
該非線形光学媒質に動作的に接続され、その通過帯域は該位相共役光の波長を包含する光バンドパスフィルタをさらに備えた請求項１に記載の光変調器。
該光バンドパスフィルタに動作的に接続され、該位相共役光を増幅する光増幅器をさらに備えた請求項６に記載の光変調器。
該非線形光学媒質は光ファイバである請求項１に記載の光変調器。
該プローブ光の波長と該励起光の波長はわずかに異なり、該光ファイバの零分散を与える波長は該励起光の波長にほぼ一致する請求項８に記載の光変調器。
該励起光は該情報信号よりも十分に低速な信号により周波数変調される請求項１に記載の光変調器。
該プローブ光を偏光面が互いに直交する第１及び第２偏光成分に分離する偏光分離手段と、偏光合成手段とをさらに備え、
該非線形光学媒質は、該プローブ光の該第１及び第２偏光成分を受けて該第１及び第２偏光成分に対する位相共役光をそれぞれ出力し、該各位相共役光が該偏光合成手段で合成される請求項１に記載の光変調器。
該非線形光学媒質は偏波保持ファイバであり、
該励起光は予め定められた偏波面を有する実質的な直線偏波であり、
該予め定められた偏波面が該偏波保持ファイバの主軸に対してほぼ４５°傾斜するように該励起光源が設定される請求項１に記載の光変調器。
該非線形光学媒質はほぼ同じ長さの第１及び第２の偏波保持ファイバであり、
該第１及び第２の偏波保持ファイバはこれらの主軸同士が互いに直交するように接続され、
該励起光は予め定められた偏波面を有する実質的な直線偏波であり、
該励起光は該第１の偏波保持ファイバに供給され、
該予め定められた偏波面が該第１の偏波保持ファイバの主軸に対してほぼ４５°傾斜するように該励起光源が設定される請求項１に記載の光変調器。
該プローブ光／励起光供給手段は、第１乃至第３ポートを有し、
該第１及び第２ポートにはそれぞれ該プローブ光源及び該励起光源が接続され、
該第１及び第２ポートに供給された光を該第３ポートから出力する光カプラと、
第４乃至第７ポートを有し、
該第４ポートは該第３ポートに接続され、
該第５ポートから該変調された位相共役光が出力され、
該第６及び第７ポートは該光ファイバの第１端及び第２端にそれぞれ接続され、
該第４及び第５ポートに供給された光の直交２偏光成分をそれぞれ該第６及び第７ポートから出力し、
該第６及び第７ポートに供給された光の直交２偏光成分をそれぞれ該第４及び第５ポートから出力する偏光ビームスプリッタとを含み、
該第４ポートに供給される該励起光の偏光面が該直交２偏光成分の偏光面に対してそれぞれほぼ４５°傾斜するように該励起光源が設定される請求項８に記載の光変調器。
該光ファイバに供給される光の偏光状態と該光ファイバから出力される光の偏光状態とが一致するように制御する偏光制御器をさらに備えた請求項１４に記載の光変調器。
該光ファイバは偏波保持ファイバである請求項１４に記載の光変調器。
上記プローブ光／励起光供給手段は、第１乃至第４ポートを有し、
該第１ポートには上記励起光か供給され、
該第２ポートには上記プローブ光が供給され、
該第１及び第２ポートに供給された光を等分配して該第３及び第４ポートから出力し、該第３及び第４ポートに供給された光を等分配して該第１及び第２ポートから出力する光カプラと、
第５乃至第８ポートを有し、
該第６ポートは該第４ポートに接続され、
該第７及び第８ポートは上記光ファイバの第１端及び第２端にそれぞれ接続され、
該第５及び第６ポートに供給された光の直交２偏光成分を該第７及び第８ポートから出力し、該第７及び第８ポートに供給された光の直交２偏光成分を該第５及び第６ポートから出力する偏光ヒームスプリツタと、
該第３ポート及び該第５ポート間の光路に挿入される１／２波長板とを含み、
該第１及び第２ポートにそれぞれ供給される上記励起光及び上記プローブ光の偏光状態は一致する請求項８に記載の光変調器。
上記プローブ光源に接続された第９ポートと
上記第２ポートに接続された第１０ポートと上記変調された位相共役光か出力する第１１ポートとを有し、
該第９ポートに供給された光を該第１Ｏポートから出力し該第１Ｏポートに供給された光を該第１１ポートから出力する光サーキュレータをさらに備えた請求項１７に記載の光変調器。
該プローブ光／励起光供給手段は、該プローブ光が供給される第１ポートと、
該励起光が供給される第２ポートと該光ファイバの第１端に接続される第３ポートとを有し、
該第１及び第２ポートにそれぞれ供給された該プローブ光及び該励起光を該第３ポートから出力する光カプラを含み、
該光ファイバの第２端から該変調された位相共役光が出力される請求項８に記載の光変調器。
該プローブ光源と該第１ポート間の光路に挿入された該プローブ光の偏光状態を攪乱する偏光スクランブラをさらに備えた請求項１９に記載の光変調器。
該励起光源と該第２ポート間の光路に挿入され該励起光の偏光状態を攪乱する偏光スクランブラをさらに備えた請求項１９に記載の光変調器。