(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏波無依存光混合の方法であって、
入力光信号を提供するステップと、
第一のポンプ信号を供給するための第一の信号源を提供するステップと、
混合信号を供給するための第二の信号源を提供するステップと、
第一の非線形混合デバイスにおいて、該第一のポンプ信号と該混合信号とを四−ホトン混合して、該第一のポンプ信号に対して実質的に直交偏波された第二のポンプ信号を生成するステップと、
第二の非線形混合デバイスにおいて、該入力光信号と、互いに実質的に直交偏波された第一および第二のポンプ信号とを四−ホトン混合して、該入力光信号に関係し、かつ該入力光信号の偏波の変動に対して実質的に鈍感なパワーレベルを有する混合生成信号を生成するステップとを含む方法。
【請求項２】
前記第一のポンプ信号を供給するための第一の信号源を提供するためのステップが、位相変調された第一のポンプ信号を供給するための位相変調された第一の信号源を提供するステップを含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第一及び第二の信号源の少なくとも一つの出力の所に偏波コントローラを提供するステップがさらに含まれる請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記結合された第一のポンプ信号と前記混合信号の前記四−ホトン混合のステップの後に、前記第一及び第二のポンプ信号の偏波の制御のための偏波直交化器を提供するステップがさらに含まれる請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記位相変調された第一のポンプ信号を前記混合信号と四−ホトン混合する前記ステップが実質的に符号において前記位相変調された第一のポンプ信号の位相変調と反対の位相変調を持つ位相変調された第二のポンプ信号を生成し、この結果として、その後の前記第一及び第二のポンプ信号を利用する四−ホトン混合ステップにおいて、前記位相変調の効果が前記入力光信号に対する混合生成共役信号内で相殺されるようになっている請求項２の方法。
【請求項６】
偏波無依存光ミキサであって、
入力光信号を受信するための信号入力と、
二つの実質的に直交偏波されたポンプ信号を発生するための直交ポンプ信号発生器であって、第一のポンプ信号を供給する第一の信号源、混合信号を供給する第二の信号源、および該第一のポンプ信号と該混合信号とを四−ホトン混合して第二のポンプ信号を生成するための第一の非線形混合デバイスを含む直交ポンプ信号発生器と、
二つの実質的に直交偏波されたポンプ信号である該第一および第二のポンプ信号を、該直交ポンプ信号発生器から受信するためのポンプ信号入力と、
該入力光信号と該二つの実質的に直交偏波されたポンプ信号とを四−ホトン混合して、該入力光信号に関係し、かつ該入力光信号の偏波の変動に実質的に鈍感なパワーレベルを有する混合生成信号を生成するための第二の非線形デバイスとを含む光ミキサ。
【請求項７】
前記第一の信号源が、位相変調された第一のポンプ信号を生成するために位相変調される請求項６に記載の光ミキサ。
【請求項８】
前記第一及び第二の信号源の少なくとも一つの出力の所に偏波コントローラがさらに含まれることを特徴とする請求項６に記載の光ミキサ。
【請求項９】
前記結合された第一のポンプ信号及び前記混合信号の四−ホトン混合の後に前記第一及び第二のポンプ信号の偏波を制御するための、前記第一の非線形混合デバイスの出力に接続された偏波コントローラをさらに含む請求項６に記載の光ミキサ。
【請求項１０】
前記位相変調された第一のポンプ信号と前記混合信号との四−ホトン混合が前記位相変調された第一のポンプ信号の位相変調と符号が実質的に反対の位相変調を持つ位相変調された第二のポンプ信号を生成し、この結果として、前記第一及び前記第二のポンプ信号を利用するその後の四−ホトン混合において、前記位相変調の影響が前記入力光信号に対する混合生成共役信号内で相殺されるようになっている請求項７に記載の光ミキサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般的には、光通信システムにおける向上に関する。より詳細には、本発明は、光信号を周波数変換（frequency converting）及び／或は位相共役化（phase conjugating ）するための４−ホトン混合技法（four-photon mixing techiques）に関する。
【０００２】
【産業上の利用分野】
通信システムにおいては、通常、光信号を四−ホトン混合することが要求される。例えば、四ーホトン混合の重要な一面は、これが光信号の位相共役（phase conjugate ）を生成できることである。光ファイバスパンの中央点（midpoint）において光信号を位相共役化（phase conjugating ）することによって、ファイバの色分散（chromatic dispersion）を補償することができ、従って、そのスパンは、より高いビット速度・距離積（bit rate-distance products）をサポートできる。色分散は、ファイバを通じての光信号の速度が光信号周波数或は波長の関数として変動する現象を指す。ある与えられた信号の位相共役（phase conjugate ）は時間の関数としての位相の反転（reversal of phase ）を示すために、中間スパン共役化（mid-span conjugation）は、ファイバスパンの第一の半分内の分散の影響がこの位相共役化された信号（phase conjugated signal ）が残りの半分に沿って伝播するときに相殺されることを許す。これに関しては、A.Yariv 、D.Fekete及びD.Pepperによって、Optics Letters、vol.４、１９７９年発行、ページ５２−５４に掲載の論文『非線型光位相共役化によるチャネル分散の補償（Compensation for channel dispersion by nonlinear optical phase conjugation）を参照すること。ミッドシステム（Midsystem ）光位相共役化は、世界の現存するファイバ通信チャネルの殆どを構成する通常の分散ファイバを通じて達成可能なビット速度・距離積（bit rate-distance product ）を向上させた。これに関しては、例えば、A.Gnauck、R.Jopson及びR.Derosierらによって、IEEE Photonics Technology Letters 、vol.５、no. ６、１９９３年６月発行に掲載の論文『ミッドシステムスペクトル反転を使用しての分散ファイバを通じての１０Ｇｂ／ｓ  ３６０ｋｍ伝送（10 Gb/s 360km Transmission over Dispersive Fiber Using Midsystem Spectral Inversion ）』を参照すること。周波数変換は、多重チャネルシステム内における誘導ラマン散乱（situmulated Raman scattering）のチャネル信号周波数のグローバル反転（global inversion）による補償、波長分割多重（ＷＤＭ）網におけるルーティング（routing ）及び波長分割スイッチ内での交換を含む他の多くの用途において使用される。
【０００３】
光信号の周波数変換は、典型的には、通常、四波混合（four-wave mixing）とも呼ばれる四−ホトン混合を使用して遂行される。四−ホトン混合は、入力光通信信号を一つ或は二つのより高いパワーの光信号、或はポンプ信号と非線型媒体、例えば、半導体レーザ、半導体レーザ増幅器、或はある長さの分散シフトファイバ内で混合することによって様々な混合生成信号を生成する非線型プロセスである。但し、四−ホトン混合プロセスの効率は、入力光信号とポンプ信号の相対偏波に強く依存する。入力信号の偏波は典型的には時間と共にランダムに変動するために、四−ホトン混合プロセスにおける最適の効率を維持するためには、通常、この変動を制御或はこれに対する調節を行なうことが必要である。現在利用できる信号及びポンプ信号の相対偏波を制御するための技法は、典型的には、偏波コントローラ、或は他の手操作に或は自動化された偏波調節ハードウエアを利用する。現存の偏波制御の他の欠点としては、幾つかの技法における信号の減衰及び制限された光帯域幅が含まれる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
入力信号とポンプ信号との間の適当な偏波整合の維持に失敗すると、結果として、出力混合生成信号のパワーが大きく低減される。事実、幾つかの偏波の組合わせに対しては、混合生成信号内のパワーが結果としてゼロとなることがある。入力信号の位相共役化のために四−ホトン混合が使用された場合、光位相共役化の長所は、通常、共役化された信号パワー（conjugated signal power ）の低減によってその効果以上にオフセットされる。相対信号偏波を検出及び調節するためには追加の要素、設備及び費用が要求されるために、（偏波感度に対する鋭敏性）は、今日、商業上の用途における周波数変換及び位相共役化（phase conjugation ）の有用性を制限している。
【０００５】
最近開発された実験的な技法は、入り光信号及びポンプ信号の両方の別個に偏波されたバージョンを生成及び混合するための偏波ビームスプリッタ及びファイバループを使用することによって四−ホトン混合における偏波依存性を軽減する（即ち、偏波に対して鈍感にさせる）ことを試みる。これに関しては、T.Hasegawaらによって、Post Deadline Digest of the Optical Amplifiers and their Applications Conference（光増幅器及びこれらの用途に関する会議の締切後ダイジェスト）、ペーパＰＤ−７、日本の横浜市に於て、１９９３年７月４から６日まで開催に掲載の論文『ファイバ四波混合を使用しての１ＴＨｚを超えての多重チャネル周波数変換（Multi-Channel Frequency Conversion Over 1 THz Using Fiber Four-Wave Mixing）』を参照すること。このハセガワのファイバループ四−ホトン混合技法は、明らかにこの混合プロセスの効率の入り信号偏波への依存性を低減させるが、これは幾つかの重大な欠点を持つ。例えば、偏波コントローラがファイバループ内に混合生成信号の異なる偏波の適当な再結合を行なうために要求される。これは、偏波コントローラ自身並びに偏波コントローラを適当に調節するために要求される任意の追加のデバイスの両方のために追加のハードウエアコストを必要とする。さらに、このファイバループは、四−ホトン混合のための非線形媒体として機能するために比較的長い分散シフト或は非分散ファイバを使用する。このため、このファイバループ技法は、他の一般的に使用されている四−ホトン混合媒体、例えば、半導体レーザ増幅器には簡単に適用することがでない。この技法が光ファイバの偏波独立非線形特性に依存し、また、この技法が信号が偏波スプリッタにループバックすることを要求するために、これを商業的に有利な形式、例えば、光集積回路形式（photonic integrated circuit ）にて実現することは困難である。この技法のもう一つの短所は、偏波スプリッタ内における信号の減衰である。
【０００６】
多くの現在利用できる光混合プロセスにおいては、ポンプ信号パワーが誘導ブリルアン散乱（stimulated Brillouin scattering 、ＳＢＳ）として知られる効果によって制限される。ＳＢＳ歪は、通常、３．０から１０．０ｄＢｍのレンジ内のポンプパワーに対しては、ファイバ内の重要な要因となる。ここで、ｄＢｍは、１ミリワットに対するデシベルを表わす。周知のように、ＳＢＳしきい値は、ポンプ信号のライン幅が、約２０ＭｈｚであるＳＢＳ帯域幅よりも広い場合に上昇（増加）する。ポンプ信号のライン幅は、ポンプ信号を位相変調することによってＳＢＳ帯域幅を超えて人工的に広くすることができる。但し、ＳＢＳしきい値を上げるために位相変調を使用すると、結果としての混合生成信号のライン幅も広がり、これは、この混合生成信号が色分散を通過した後、信号受信機の所で位相歪を与え、システム性能を劣化させる原因となる。現在の技法は、典型的には、位相変調を使用してのＳＢＳしきい値の増加、及び狭いライン幅を持つ出力混合生成信号の両方を提供することはできない。
【０００７】
上の説明から明かのように、入力信号の偏波とは関係なく比較的一定した周波数変換された及び／或は位相共役化された信号出力パワーを生成する偏波無依存光ミキサに対する需要が存在する。これによって、最大の利益が、分散を光位相共役化（optical phase conjugation ）によって補償するシステム、並びに、他の周波数変換用途において得られる。この光四−ホトンミキサは、任意のタイプの非線型混合デバイスと共に使用でき、従って、光集積回路の形式にて実現するのに適当であるべきである。さらに、この光ミキサは、出力混合生成信号に位相歪を与えないようにポンプ信号のＳＢＳしきい値を増加するために低周波数位相変調を使用する能力を持つべきである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光位相共役化において使用するために特に適する偏波無依存光ミキサを提供する。本発明による偏波無依存光ミキサは、入力光信号を受信するための信号入力；二つの実質的に直角偏波されたポンプ信号を受信するためのポンプ信号入力；これら光信号及び二つの実質的に直角偏波されたポンプ信号を結合するためのビーム結合器；及び複数の混合生成信号を生成するためにこうして結合された入力光信号及び二つの直角偏波されたポンプ信号を四−ホトン混合するための非線型混合デバイスを含む。生成された混合生成信号の一つ或はそれ以上は、入力光信号の位相共役成分（phase conjugates）であり、光ファイバ分散補償技法において使用するために適当である。また、生成された混合生成信号の一つ或はそれ以上は、入力信号の周波数シフトされたコピーであり、周波数変換用途に使用するために適当である。
【０００９】
本発明の一面によると、これら二つの実質的に直角偏波されたポンプ信号は、直角ポンプ信号生成器内において生成される。この直角ポンプ信号生成器は、第一のポンプ信号を供給するための第一の信号源；混合信号を供給するための第二の信号源；第一のポンプ信号と混合信号を結合するためのビーム結合器；及び第一のポンプ信号の位相共役である第二のポンプ信号を生成するために第一のポンプ信号と混合信号を四−ホトン混合するための第二の非線型混合デバイスを含む。第二の光混合プロセスが、こうして、二つの位相共役ポンプ信号を生成するために使用することができるが、これらはポンプ信号は必要であれば、偏波無依存光混合のための二つの直角ポンプ信号を形成するために偏波をシフトされる。本発明の直角ポンプ信号生成器内で使用されるポンプ信号及び混合信号の偏波は、時間によって変動しないために、ここで使用される光混合プロセスは、偏波依存である必要はない。本発明の光ミキサはまた他のポンプ信号生成器によって生成された直角偏波されたポンプ信号を使用することもできる。
【００１０】
本発明のもう一つの特徴によると、直角ポンプ信号生成器は、第二の非線型混合デバイスの後ろに差分偏波回転子（differential polarization rotator ）を含む。これは、第一のポンプ信号のそれと整合された偏波を持つ第二のポンプ信号を生成するために偏波整合四−ホトン混合を使用することを許す。差分偏波回転子は二つのポンプ信号間の相対偏波をこれらが互いに直角になるように変化させる。
【００１１】
本発明のもう一面によると、この二つの直角偏波されたポンプ信号源は、そこから誘導ブリルアン散乱（stimulated Brillouin scattering 、ＳＢＳ）に起因する歪が始まるパワーしきい値を増加（上昇）させるための位相変調を含む。これら直角ポンプ信号の一つの上の位相変調は、他方のポンプ信号の上の変調と位相が実質的に符号において反対であり、このために、これら直角ポンプ信号の位相変調の結果としての位相共役出力混合生成信号内の位相歪は排除される。
【００１２】
本発明のさらにもう一面によると、偏波制御が入力信号の偏波に対する混合プロセスの依存性を最小にするために直角ポンプ信号に対して提供される。この自動偏波制御は、入力信号偏波に対する依存性を最小にするために、特定の混合生成信号、例えば、これら二つのポンプ信号の二−トーン生成信号（two-tone product）を使用する。フィードバック制御を通じて二−トーン生成信号内のパワーを最小にすることによって、入力信号の偏波からの最大の独立性を維持することができる。
【００１３】
本発明のさらにもう一面によると、ポンプ信号周波数と入力信号周波数の相対的な配置に対する様々な設計規則が提供される。本発明に従う要求されない混合生成信号からの潜在的な干渉を最小にする一つの配置は、混合されるべき入力光信号をポンプ信号よりも分散ゼロに接近して配置することによって達成される。
【００１４】
本発明の一つの特徴として、この偏波無依存四−ホトンミキサは、入力信号の偏波とは関係なく最大のそして実質的に一定の混合生成信号を生成する。本発明は、従って、最大のビット速度距離積の向上が、例えば、位相共役化分散補償技法（phase conjugation dispersion compensation techniques）を使用して得られることを保証する。
【００１５】
本発明のもう一つの特徴として、結果としての偏波無依存性は、混合デバイスの特定のタイプには依存しないことを挙げることができる。任意の適当な光混合デバイス、或は媒体を使用することができる。例えば、本発明に従って分散シフトファイバが混合媒体として使用されるが、アクティブな混合デバイス、例えば、半導体レーザ増幅器を使用することも可能である。回路サイズが重要な制約要因であるような多くの用途においては、本発明は、分散シフト或は非分散ファイバの代わりにアクティブな混合デバイスを使用して光集積回路（photonic integrated circuit ）の形式にて簡単に実現できる。
【００１６】
本発明のさらにもう一つの特徴として、ＳＢＳしきい値を上昇するために使用される位相変調に起因する位相歪の影響は、二つの直角偏波されたポンプ信号上の同一の、但し、符号が反対の変調を使用することによって排除される。入力信号及び二つの位相変調されたビームの位相共役混合生成信号は、従って、通常、位相変調によるＳＢＳ抑圧に付随する低周波数歪を持たない。
【００１７】
本発明の上に説明の特徴、並びに、追加の特徴及び長所は、以下の詳細な説明及び付属の図面を参照することによって明白となるものである。
【００１８】
【実施例】
本発明は、偏波無依存（polarization-insensitive）光混合（optical mixing）装置、及び光通信信号の位相共役化（pahase conjugation）のために特に適する方法に関する。以下の詳細な説明においては、本発明の用途が主に四−ホトン混合（four-photon mixing）を使用する光位相共役化との関連で説明するが、これは一例を示すためのものであり、制約を目的とするものではないものと理解されるべきである。本発明はまた光周波数変換（optical frequency conversion）、グローバルチャネル反転（global channel inversion）及び全光学変調（all-optical modulation）などのアプリケーションにおいて長所を持つ。
【００１９】
前述のように、四−ホトン混合は、入力光通信信号を半導体レーザ増幅器或はある長さの分散シフトファイバ（ＤＳＦ）などのような非線形混合媒体内で一つ或はそれ以上の一般的に高いパワーのポンプ信号と混合することによって混合生成信号（mixing products） を生成する非線形プロセスである。これら様々な四−ホトン混合媒体は、ここでは、非線形混合デバイス（nonlinear mixing devices）と呼ばれる。一例としての従来の技術による四−ホトンミキサが図１に示される。四−ホトンミキサ１０は、ポンプ信号源１１及び光信号入力１２を持つ。ポンプ信号源１１は、通常、単にポンプ（pump）と呼ばれるポンプ信号（pump signal）を 生成し、これは、ビーム結合器（beam combiner） １３内において入力１２からの入力光信号と結合される。入力光信号及びポンプ信号の両方とも光信号であるが、これらは、ここでは、それぞれ、光信号及びポンプ信号と呼ばれる。結合された光信号及びポンプ信号は非線型混合デバイスとして機能する半導体レーザ増幅器１４に供給される。第一のフィルタ１５は要求される混合生成信号をパスし、他方において、元の信号、ポンプ信号、及び任意の要求される混合生成信号を減衰する。この要求される混合生成信号は、次に、光増幅器１６内において増幅され、最終的に、要求される混合生成信号出力１８から増幅された自然放射（amplified spontaneous emission、ＡＳＥ）ノイズを除去するために再度第二のフィルタ１７内でろ波される。出力１８上の信号は、入力１２の所の信号の位相共役或は他の要求される混合生成信号である。
【００２０】
図１の従来の技術によるミキサ内での四−ホトン混合は、縮退或は非縮退であり得る。縮退四−ホトン混合の場合は、これら混合信号の二つが単一のポンプ（ポンプ信号源）によって供給される。こうして、周波数ｆｓの光信号と周波数ｆｐのポンプ信号に対しては、縮退四−ホトン混合は、ｆ１＝２ｆｐ−ｆｓの光信号の位相共役（成分）及びｆ２＝２ｆｓ−ｆｐのポンプ信号の位相共役（成分）を生成する。縮退四−ホトン混合と関連するこれら周波数成分ｆｓ、ｆｐ、ｆ１及びｆ２が図２に示される。ポンプ信号のパワーが光信号のパワーよりも大きな場合は、ｆ１のパワーレベルはｆ２のパワーレベルよりも大きい。これは典型的なケースであるが、ポンプ信号パワーが光信号パワーよりも低い場合もある。成分ｆ１はファイバ分散を補償するためのｆｓの位相共役として使用される。縮退混合においては、周知のように、光信号とポンプ信号の位相整合（phase matching）が、混合媒体としての分散シフトファイバを用い、また、分散シフトファイバのゼロ分散周波数に対応するポンプ周波数を用いることによって提供される。適当な位相整合は、混合出力生成信号のパワーがある与えられた混合プロセスに対して最適化されることを保証する。位相整合は、混合生成信号及び混合生成信号を生成する信号成分の相対的な位相に関係し、これら成分には、縮退四−ホトン混合においては、単一周波数ポンプ源から派生されたポンプ信号の両方、並びに入力信号が含まれる。非線型媒体を通じて任意の特定な混合生成信号が生成され、こうして生成された生成信号は、非線型媒体の残りの長さを通じて伝播する。要求される混合生成信号の生成における効率を高めるためには、四−ホトンプロセスがその生成信号に対してよく位相整合されていなければならない。生成された混合生成信号の光学位相がそのポイントを通じて伝播する前に生成された混合生成信号の光学位相と、非線型媒体の任意のポイントにおいて、どの程度一致するかその条件を記述するためにある特定の混合生成信号の位相整合（phase maching） という用語が使用される。この条件がある特定の混合生成信号に対して満足された場合は、こうして生成された生成信号が非線型媒体全体を通じて位相において前に生成された生成信号と加算的となり、最大の効率が得られる。こうして、偏波が入力信号とこれらポンプ信号との間で整合することが要求される一方で、出力信号パワーをさらに最適にするために入力信号と出力信号の位相整合も要求される。
【００２１】
非縮退四−ホトン混合においては、二つの異なるポンプ信号が入り光信号と混合されて第四の信号が生成される。周波数ｆｓの光信号、周波数ｆｐ１の第一のポンプ信号、及び周波数ｆｐ２の第二のポンプ信号に対して、非縮退混合プロセスは、周波数ｆｐ１＋ｆｐ２−ｆｓ、並びに周波数２ｆｐ１−ｆｓ及び周波数２ｆｐ２−ｆｓの光信号の位相共役（成分）を生成する。図３は、本発明に従う非縮退四−ホトン混合に対するポンプ信号及び入力信号の周波数の位置を図解する一例といての周波数スペクトルである。図３のスペクトルにおいては、入力信号とポンプ信号のスペクトルは変調され、図２に示される無変調の光信号及びポンプ信号のケースの場合の離散周波数のようではなく、グループ化されたスペクトルラインとして出現する。変調の重要性については後に詳細に説明される。周波数軸に沿ってのｆ０とラベル付けされたポイントはこの実施例において混合媒体として使用される分散シフトファイバの分散ゼロに対応する。半導体レーザ増幅器などのようなデバイスを使用して混合が遂行された場合は、ポイントｆ０は、色分散は典型的には位相整合において重要な役割を果たさないために、このデバイスの動作帯域幅内の任意のポイントに対応する。これは、主に、アクティブの非線型混合媒体の短い長さの結果である。本発明においては、ファイバ混合媒体内で位相共役混合生成信号を生成するために使用された場合は、非縮退混合のためのこれら二つのポンプ信号の周波数をファイバ分散ゼロの回りに対称的に位置することが要求される。これら二つのポンプ信号ｆｐ１及びｆｐ２は、従って、同一であるが、ただし、ファイバ分散ゼロから反対のオフセットを持つ周波数を持つ。分散ゼロの回りの対称配置は入力信号の共役（成分）に対して最適な位相整合を提供し、結果として、共役出力信号のパワーを高める。非縮退四−ホトン混合のために別の信号及びポンプ周波数配置を使用することもできることに注意する。例えば、入力信号の周波数シフトが要求される場合は、入力信号とポンプ信号の一つが分散ゼロの回りに対称的に位置されるべきである。
【００２２】
前述のように、四−ホトン混合における最適な効率は、一つ或は複数のポンプ信号の偏波が混合されている光信号の偏波と同一であるときに得られる。この点を解説する式は周知であり、ここでは複製されない。これらの式は、例えば、K.Inoue によって、Journal of Quantum Electoronics 、Ｖｏｌ．２８、１９９２年出版、ページ８８３−８９４に掲載の論文『単一モードファイバ内での四−ホトン混合効率への偏波の影響（Polarization Effect on For-wave Mixing Efficiency in a Single-Mode Fiber）』において示されている。偏波無依存四−ホトン混合は、入力信号の偏波を検出し、制御し、或は調節することなしに、混合生成信号の効率的な生成を可能にする。本発明は、非線型混合デバイス、例えば、分散シフトファイバの分散ゼロを中心としてその回りに位置された二つの直角に偏波されたポンプ信号を使用することによって偏波無依存性（polarization insensitivity）を提供する。
【００２３】
図４は本発明に従う一例としての偏波無依存光学四−ホトンミキサ４０の一つの実現を示す。光学四−ホトンミキサ４０は、光信号入力４１及び直角ポンプ信号入力４２を含む。単一チャネル或は多重チャネル光通信信号が光信号入力４１に加えられる。二つの直交に偏波したポンプ信号ｆｐ１及びｆｐ２がポンプ信号入力４２に加えられる。ポアレンカの球上の約１０゜の完全な直交性からの変動は本発明の目的に対しては実質的に直交していると見なされる。直交に偏波したポンプ信号ｆｐ１及びｆｐ２を生成するための技法については以下に議論される。光信号は、偏波の二つの直交状態の総和として特性化することができる。入力光信号とポンプ信号はビーム結合器４３内で結合され、必要であれば、光増幅器４４内で増幅される。光増幅器４４は、エルビウムドープされたファイバ増幅器、半導体レーザ増幅器、或は他のタイプの光増幅器であり得る。混合生成信号を得るためには増幅器は必要でないが、これは通常混合生成信号内の光学パワーを増加するために挿入される。ノイズフィルタ４５が混合の前に結合及び増幅された入力及びポンプ信号からの増幅された自然放射（ＡＳＥ）ノイズを制限するために挿入される。
【００２４】
増幅された光信号及びポンプ信号は混合デバイス４６に供給されるが、この中でこれら成分の非縮退四−ホトン混合が遂行される。示される実施例においては、約２０ｋｍの長さのシリカ分散シフトファイバが混合デバイスとして使用される。一つの代替混合デバイスは、前に述べたように、半導体レーザ増幅器である。光集積回路実現が要求されるような空間の制約された用途においては半導体レーザ増幅器が使用される。この混合プロセスは、複数の混合生成信号を生成し、これらの一つ或は複数が光入力信号の位相共役（成分）として使用される。混合デバイス４６内の非縮退混合の一つの位相共役生成信号ｆｓ＊が図３に示される。この位相生成共役混合生成信号ｆｓ＊はｆｐ１＋ｆｐ２−ｆｓに対応する生成信号である。フィルタ４７が混合デバイス４６の後ろに、要求される混合生成信号をパスする一方で、入力信号、ポンプ信号及び望ましくない混合生成信号周波数を減衰するために挿入される。例えば、フィルタ４７は、ｆｓ＊及びその変調された成分はパスするが、ｆｓ、ｆｐ１、ｆｐ２、望ましくない三次混合生成信号及びより高次の混合生成信号を拒絶するように設計された帯域通過フィルタであり得る。要求される生成信号ｆｓ＊は光ミキサ出力４８の所に提供される。
【００２５】
図４の一例としての光ミキサの偏波無依存性は、一部は直角ポンプ信号入力４２に供給される二つのポンプ信号ｆｐ１及びｆｐ２の直交性の結果である。本発明の偏波無依存性は、従って、直角ポンプ信号が生成される方法とは無関係に、二つの直角に偏波されたポンプ信号を直角ポンプ入力４２に供給することによって得られる。位相整合の長所を提供するために、これら二つの直角ポンプ信号は、また、分散シフトファイバの分散ゼロを中心としてその回りに位置されるべきである。これら二つのポンプ信号ｆｐ１及びｆｐ２は、これらの信号が互いに直角であり、要求される周波数を持つ限り、単一の信号ポンプ源から供給することができる。
【００２６】
光信号入力４１に供給される光信号は、一般的には、与えられた任意の用途によって要求されるように、周波数反転或は位相共役化される光通信信号である。本発明の光信号は、単一チャネル信号である場合も、多重チャネル信号である場合もあることに注意する。図４の実現は、混合の前に多重チャネル光信号をその様々なチャネル信号に分離するためにチャネルルータを必要とすることなしに直接に多重チャネル光信号の偏波無依存光四−ホトン混合を遂行する。周波数変換は、従って、本発明によると多重チャネルシステム内で単一光ミキサを使用して遂行される。
【００２７】
要求される混合生成信号内のパワーは、入力光信号のパワーと二つのポンプ信号のパワーの積に比例する。図４の実施例においては、各ポンプ信号は約０．０から＋１０．０ｄＢｍのパワーレベルを持つ。ここで、ｄＢｍは、１ｍＷに対するデシベルを示し、従って、１ｍＷは０．０ｄＢｍに対応する。ミキサ出力パワーはポンプ信号のパワーを上げることによって増加することができるが、誘導ブリルアン散乱（stimulated Brillouin scattering （ＳＢＳ））が実施において使用できる最大ポンプパワーを決定する。ＳＢＳはファイバ媒体内のフォノンによるポンプ光の後方散乱によって発生し、ポンプ信号内の非線形媒体内を伝播するパワーをＳＢＳしきい値として知られるパワーレベルに制限する。ＳＢＳしきい値を越える全てのポンプパワーはファイバの入力に向かって後方に散乱し、四−ホトン混合に完全には寄与しない。ＳＢＳ歪は通常の３．０から１０．０ｄＢｍのレンジ内においてポンプパワーに対して重要な要因となる。周知のように、ＳＢＳしきい値は、ポンプ信号のライン幅が約２０ＭｈｚのＳＢＳ帯域幅よりも広い場合には上げられる。これは、２０Ｍｈｚより大きな自然ライン幅（natural linewidth） を持つ光源を使用することによって達成することができる。或は、ポンプ信号のライン幅は、人工的に、非線形媒体の下流に向かっての光伝播時間の二倍の逆数（reciprocal）、例えば、２０ｋｍ長の非線型媒体に対しては５Ｋｈｚよりも大きな速度にてポンプ信号を変調することによってＳＢＳ帯域幅よりも広くすることができる。ライン幅を約２００から３００Ｍｈｚに増加する変調はＳＢＳしきい値を約１０ｄＢ上げるために使用することができ、結果として、約１３．０から２０．０ｄＢｍのパワーレベルを持つポンプ信号が大きなＳＢＳ歪なしに使用することができるようになる。用語“位相変調（phase modulation）”は、任意の周波数変調関数は等価の位相変調関数として表現できるために、また周波数変調も含む。
【００２８】
ＳＢＳの影響を克服するために使用される位相変調は、この位相変調が混合生成信号上に印加されるために、光通信システム内に別の問題を導入する。四−ホトン混合プロセスにおける位相変調ポンプ信号の使用は、縮退ポンプ信号が使用された場合、このケースにおいてはポンプ信号上の位相変動がコ−ヒレント的に加算されるために、ポンプビームのライン幅の約４倍のライン幅を持つ混合生成信号を生成する。ライン幅の増加は、光ファイバの色分散は、例えば、システム中間ポイントの所の信号周波数の変動を受信機の所の位相変動に変換（translate） するという意味において、システム性能を大きく劣化させる。クロック到着時間におけるこの位相変動はシステムデータ速度から見れば遅いが、受信機クロック回復回路がこれを追跡できないために性能は劣化する。中央スパン（midspan） 位相共役化の場合は、位相共役信号の増加されたライン幅がスパンの第二の半分内のファイバによってさらに分散され、受信機の所のクロック位相の変動に変換（translate） される。このクロック位相の変動は、位相ノイズ或はジッタとして特性化されるが、これは、中央スパン位相共役化の分散補償を相殺する。
【００２９】
本発明はＳＢＳしきい値を上げることに伴うこれらの問題を直交に偏波されたポンプ信号の各々を位相変調するために、等価であるが符号が反対の位相変調信号を使用することによって解決する。こうして、一つのポンプ信号の位相変調は、他方のポンプ信号のそれと符号が反対にされる。単一周波数変調の場合は、これら二つの変調信号はこれら二つの信号間の約１８０゜の相対位相シフトを除いて同一であると見ることができる。両方のポンプ変調信号を供給するために単一の変調信号源が使用され、これら信号の一つの変調が他方の信号の変調に対して反転される。光信号はφ（ｔ）によって与えられる位相変調を持つＣＷキャリアとして記述することができ、ここで、ｔは時間を表わす。共役信号の位相は、φｐｒｏｄｕｃｔ ＝φｐ１＋φｐ２−φｓｉｇｎａｌ−ｋｚ＋ωｔであり、ここで、φｐ１、φｐ２、及びφｓｉｇｎａｌは、それぞれ二つのポンプ信号及び入力光信号の位相であり、ｋ及びωは、共役生成信号（conjugate product） の波ベクトル及び角周波数であり、ｚはファイバを下っての距離である。φｐ１＝−φｐ２である場合は、二つのポンプ信号の位相は相殺し、ポンプ信号の変調ライン幅は、共役生成信号上に印加されない。結果として、各ポンプ信号のライン幅が増加し、従って、ＳＢＳしきい値が上げられるが、要求される混合生成信号（mixing product）のライン幅は増加しない。各ポンプ信号の変調の結果として通常は考えられる増加は、他方のポンプ信号上への等価の位相シフトされた変調によって相殺される。
【００３０】
前の議論においては、ＳＢＳ抑圧が入力信号の位相共役である混合生成信号のケースに対して説明された。幾つかの用途、例えば、単一サイズバンド変調（sigle-sideband modulation） を持つ周波数変調信号（frequency shifting signals）の場合は、入力信号の位相共役ではなく位相アナログ（phase-analogue）である混合生成信号に対してＳＢＳを抑圧することが要求される。このケースにおいては、混合生成信号上にポンプ変調を課すことを回避するために、ｆｐ１及びｆｐ２は、反対の変調でなく同一の変調を持つべきである。位相アナログ混合生成信号の一つの位相は、φｐｒｏｄｕｃｔ ＝φｐ１−φｐ２＋φｓｉｇｎａｌ−ｋｚ＋ωｔであり、ここで、φｐ１、φｐ２、φｓｉｇｎａｌ、ｚ、及びｔは上記と同一の定義を持ち、一方、ｋ及びｗは、位相アナログ生成信号の波ベクトル及び角周波数を表わす。φｐ１＝φｐ２の場合は、これら二つのポンプ信号の位相は相殺し、これらポンプ信号の変調ライン幅は共役生成信号上に印加されない。
【００３１】
図５は本発明に従う二つの直角に偏波したポンプ信号を生成するための一例としてのシステム５０の略図である。この一例としての直角ポンプ信号発生器５０は非線型混合デバイス内での縮退四−ホトン混合を使用する。この直角ポンプ信号発生器５０は、周波数ｆ１の信号源５２に約０．５から１０００Ｍｈｚの周波数の位相変調信号を供給するための位相変調入力５１を含む。この位相変調は、上に説明のように、ポンプ信号のＳＢＳしきい値を上げるために使用される。信号源５２は約０．０ｄＢｍのパワーレベルを持つ周波数ｆ１の光信号を供給する。この周波数ｆ１の光信号は第一のポンプ信号として機能する。第二の信号源５３は約０．０ｄＢｍのパワーレベルを持つ周波数ｆｐの混合信号を供給する。信号源５２、５３の片方或は両方の後ろに対応するソース出力信号の偏波を調節するために偏波コントローラ５４、５５が置かれる。それぞれ、ソース５２、５３からの第一のポンプ信号ｆ１及び混合信号ｆｐは、ビーム結合器５６内に供給され、ここでこれらの信号は結合される。こうして結合された第一のポンプ信号及び混合信号は増幅器５７内において増幅され、次に非線形混合デバイス５８に供給され、ここで第一のポンプ信号ｆ１は混合信号ｆｐと混合する。混合デバイス５８内でのこの四−ホトン混合プロセスは複数の混合生成信号を生成する。これらの一つは変調された第一のポンプ信号ｆ１の共役（成分）ｆ２であるが、ここで、ｆ２＝２ｆｐ−ｆ１である。周波数ｆ２を持つ共役信号は直交ポンプ信号発生器５０内で生成された第二のポンプ信号である。変調された第一及び第二のポンプ信号ｆ１及びｆ２は、フィルタ５９内に通されるが、このフィルタは、第二のポンプ信号ｆ２を通過させ、周波数ｆ１の第一のポンプ信号を第二のポンプ信号ｆ２のレベルとおおむね等しくなるまで減衰し、そして周波数ｆｐの混合信号をブロックする。最後に、周波数ｆ１及び周波数ｆ２の第一及び第二のポンプ信号が偏波直交化器６０に供給されるが、これはこれら二つのポンプ信号の相対偏波を調節して直交偏波を提供する。出力６１の所の周波数ｆ１及びｆ２の第一及び第二のポンプ信号は、図４の偏波無依存光ミキサの直角ポンプ信号入力４２内に入力される直角ポンプ信号を表す。
【００３２】
さらに、これら周波数ｆ１及びｆ２の直角に偏波された第一及び第二のポンプ信号は、これらが互いに共役であるために等価であるが、但し、反対の変調を持つ。出力６１の所の直角ポンプ信号は、位相変調の結果としてより高いＳＢＳしきい値を持つが、但し、両方のポンプ信号の位相変調効果が互いに相殺するためにその後の四−ホトン混合生成信号内に位相歪が導入されることはない。ポンプ信号上の位相変調は、従って、これら二つのポンプ周波数の幾つかの出力混合生成信号、例えば、位相共役混合生成信号上に出現しない。
【００３４】
偏波直角化器６０は偏波コントローラ５３、５４が周波数ｆ１及びｆ２の二つの生成されたポンプ信号間の要求される偏波をセットするために十分でない場合に使用される。これは、例えば、線型媒体５８の選択がｆ１のそれと直交の偏波を持つ共役混合生成信号ｆ２の生成を許さない場合に起こる。偏波直角化器６０は、入力として、例えば、等しい偏波の信号ｆ１及びｆ２を取り、直交偏波を持つ信号ｆ１及びｆ２を出力する。偏波直交化器６０の一つの可能な実現は、ある長さの高複屈折ファイバにファイバ軸に対して４５゜に方位する線形偏波を持つポンプ信号ｆ１及びｆ２を送る構成である。この複屈折ファイバの長さは、周波数ｆ１及びｆ２の信号間に１８０゜の位相シフトが提供されるように選択されるべきである。もう一つの可能な実現は、狭帯域偏波ビームスプリッタを使用する方法であるが、ポンプ信号ｆ１及びｆ２の各々に対して一つのペアのビームスプリッタが用意される。信号ｆ１及びｆ２はそれらの対応するビームスプリッタを通過し、そして信号ｆ１及びｆ２がこれによって直角となるように再結合される。もう一つの可能性は、例えば、一つ或いは複数の偏波コントローラ５４、５５を調節することによって、偏波直角化器の必要なしに、それが信号ｆ１と直角になるように信号ｆ２を生成する方法である。
【００３５】
前述のように、位相共役化することなしに入力信号を周波数変調するケースにおいてＳＢＳを抑圧するためには、二つのポンプ信号に同一の変調を提供することが必要である。前に説明された互いに位相共役であるポンプ信号ｆ１及びｆ２を生成するための方法は、ｆ１に対して位相アナログ（phase analogue）であるポンプ信号ｆ２を生成するために単純に採用することができる。二つの混合信号ｆｐａ及びｆｐｂを混合信号ｆｐによって置換すると、周波数ｆ１＋ｆｐａ−ｆｐｂ及びｆ１＋ｆｐｂ−ｆｐａのｆ１に位相アナログである混合生成信号が生成される。これらの信号のいずれかを第二のポンプ信号ｆ２として使用することができる。この場合、ｆ１及びｆ２は位相アナログであるために、これらポンプ信号上への変調は、幾つかのその後の四−ホトン混合生成信号内に位相歪を導入することはない。ｆｓ＋ｆ１−ｆ２及びｆｓ＋ｆ２−ｆ１の周波数のこれらの生成信号は周波数ｆｓの入力信号の周波数変調位相アナログ（成分）（frequency-shifted phase-analogues） である。
【００３６】
図５のこの一例としてのシステムに対する一つの代替実現は、偏波コントローラ５４とビーム結合器５６との間にビームスプリッタ（図示無し）を含む。第一のポンプ信号はビームスプリッタ内で分割され、遅延要素（図示無し）内に通過され、偏波直角化器６０内に入力される。この場合、フィルタ５９は、ビームスプリッタ及び遅延要素を介して直角化器６０に供給される第二のポンプ信号のみを通過するように設計される。遅延要素は、第一のポンプ信号に対して、第二のポンプ信号によって直角化器６０に到達するまでに経験される遅延とおおむね同一の遅延を提供すべきである。
【００３７】
図６は図５の直角ポンプ信号発生器内の第一及び第二のポンプ信号及び混合信号を図解する一例としての周波数スペクトルである。ｆ１と命名される信号成分のグループは位相変調された第一のポンプ信号を表わす。周波数ｆｐの単一の信号成分は変調されてない混合信号を表わす。周波数ｆｐの混合信号は、実際には、周波数ｆ１及びｆｐの信号の縮退四−ホトン混合を表わす図５のポンプ信号として機能することに注意する。周波数ｆ１及びｆ２の信号は両方とも、その後の四−ホトンミキサ、例えば、図４に示されるミキサ内のポンプ信号として機能するために、混乱を回避するために、用語“混合信号（mixing signal）” は、図５及び６内の周波数ｆｐの信号を表わすために使用される。混合信号の周波数ｆｐはその後の光混合において使用される混合デバイスの分散ゼロと一致するように選択される。例えば、その後の混合プロセスにおいて分散シフトファイバが混合デバイスとして使用される場合は、これら二つの直角ポンプ信号はファイバの分散ゼロから対称的にオフセットされた周波数を持つべきである。このような周波数配置を生成するためには、図６に示される混合信号ｆｐはファイバの分散ゼロと一致すべきである。周波数ｆ１の第一のポンプ信号は、ｆｐから所望の距離だけ離れて位置されるべきである。図５の発生器内での縮退四−ホトン混合の後の結果は、ファイバの分散ゼロの回りに対称的に配置された周波数ｆ１及びｆ２の直角に偏波されたポンプ信号を与える。図５の発生器は直角ポンプ信号を生成するために縮退四−ホトン混合を使用するが、非縮退四−ホトン混合を含む他の混合プロセスを使用することもできる。さらに、上の直角ポンプ信号発生器の重要な用途は偏波無依存光混合にあるが、この発生器は、高パワー直角信号を要求する他の用途、例えば、偏波多重光通信（polarization-multiplexed optical communication）において使用することもできる。また偏波直角化器６０を削除することによって、この発生器は非直角偏波を持つ共役ビームを要求する用途、例えば、偏波依存（polarization-dependent）四−ホトン混合におけるＳＢＳ抑圧のために使用することもできる。
【００３８】
本発明の性能を最適化するためには、これら二つのポンプ信号の偏波は実質的に直角でなければならない。前述の説明は、光ミキサ及びこの要素の性能が時間の関数として変化或は劣化しないことを想定する。従って、ポンプ信号の偏波は一度セットされたら、その後の調節は必要ないと想定する。但し、実用のシステムにおいては、ポンプ信号の偏波が時間と共に直角からずれる可能性があり、従って、様々なパラメータの調節が必要となる。光ミキサのポンプ信号の直角からのずれに対する依存性を低減するために、偏波保存ファイバ（polarization-maintainingfiber ）を使用することができる。幾つかの実施例に対しては、円偏波（circularly-polarized）されたポンプ信号は線型偏波（linearly-polarized）されたポンプ信号よりもかなり高い変換効率を持つために、これら実施例に対しては、高い円複屈折（high circular birefrigence）を持つ偏波保持ファイバが好ましいが、但し、線型偏波を持つ偏波保持ファイバを使用することもできる。いずれのケースにおいても、ファイバ分散の調節が位相マッチングを確保するために行なわれる。典型的には、偏波保存ファイバを使用する場合、一般に、ファイバは要求されるポンプ信号周波数及び入力信号周波数に対してマッチされてないために、ファイバ分散の調節が位相マッチのために要求される。通常の複屈折光ファイバが混合媒体として使用される場合は、ポンプ信号の直交性からのポアレンカ球上での１０  というオーダの比較的小さなずれが結果として混合生成信号のパワーを大きく劣化させるために、ポンプ信号の相対偏波が適当なシステム性能を提供するために注意深く制御されなければならない。
【００３９】
混合媒体として偏波保存ファイバを使用する代替として、ポンプ信号の偏波の制御がある。幾つかの混合生成信号のパワーレベルを最小にすることによって最適の光ポンプ信号偏波が保存できることが実験的に検証されている。図７には本発明に従う入力信号の周波数とポンプ信号の周波数の一例としての配置を図解する一例としての周波数スペクトルが示される。幾つかの混合生成信号ｆ３及びｆ４も示される。これら混合生成信号ｆ３及びｆ４は、これらが二つのポンプ信号或はトーン（tones ）の生成信号を表わすために二トーン混合生成信号として知られている。例えば、図７に示される二トーン生成信号ｆ３及びｆ４はｆ３＝２ｆｐ１−ｆｐ２及びｆ４＝２ｆｐ２−ｆｐ１によって与えられる。図７には示されてない様々な他の二トーン生成信号がまたこの４波混合プロセスにおいて生成される。実験は二トーン生成信号、例えば、ｆ３及びｆ４のパワーは相対ポンプ信号偏波の関数であることを示す。周波数ｆ３及びｆ４におけるパワーが最小にされると、周波数ｆｐ１＋ｆｐ２−ｆｓ＝ｆｓ＊の所の混合生成信号の入力信号の偏波に対する依存性は最小になる。本発明はこの実験結果をミキサ性能の時間を通じての改良を提供するために活用する。ポンプ信号の相対偏波の調節は二トーン信号パワーの測定に基づいて行なわれる。二トーン混合生成信号が本発明のこの特徴を解説するために使用されるが、他の混合生成信号もポンプ信号の偏波に関する類似する情報を提供し、従って、これらもまた使用が可能であることに注意する。これらの他の混合生成信号には、２ｆｐ２−ｆｓ及び２ｆｐ１−ｆｓが含まれる。さらに、適当なポンプ信号偏波を確立或は保存するための他の技術を使用することもでき、これら他の技術には、偏波ビームスプリッタへのポンプ信号の注入、或はポンプ信号偏波を測定するための偏波分析器の使用が含まれる。
【００４０】
図８は二トーン混合生成信号を最小にすることによって最適のポンプ信号直交性を確立或は保持するために使用するのに適当な自動偏波調節を導入する光ミキサの一つの実施例を示す。光ミキサ７０は、もう一つの周波数に混合されるべき単一或は多重チャネル光信号を受信する信号入力７１を含む。二つの直角に偏波されたポンプ信号はポンプ信号入力７２、７３を介して入力される。これらポンプ信号は偏波に従ってこれらポンプ信号を結合するために偏波ビームスプリッタ７４に供給される。偏波ビームスプリッタ７４の出力は自動偏波コントローラ７６に供給される。直角ポンプ信号入力７２、７３はビームスプリッタ７３を通じて偏波され、要求される偏波が偏波コントローラ７６によって、これら二つのポンプ信号の直交性を維持しながら維持される。偏波コントローラ７６は、入力７２、７３に加えられたこれら二つのポンプ信号の直角偏波されたバージョンをビーム結合器７５に供給し、これはこれらポンプ信号を入力光信号と結合する。こうして結合された信号は、非線型混合デバイス７７に供給されるが、このデバイスはある長さの分散シフト光ファイバであり得る。フィードバックフィルタ７８は自動偏波コントローラ７６に加えるための要求される混合生成信号を選択する。フィルタ７８は、従って、上に説明の二トーン生成信号に対応する周波数成分ｆ３及びｆ４の一つ或は両方をパスするように設計される。検出器７９は選択された二トーン生成信号のパワーレベルをフィードバック回路８０を駆動するための適当な電圧を生成するために変換するのに使用される。フィードバック回路８０は、結果としての処理された信号が偏波コントローラ７６を駆動するように、二トーンパワーレベルを表わす電気信号を処理するための追加の回路を含む。偏波コントローラ７６は、これら二つのポンプ信号の直交性を維持しながら、ポンプ信号の偏波をフィードバック回路８０から出たライン８１上の信号がゼロ或は最小に低減するように調節する能力を持つ。こうして、光ミキサ７０は、ポンプ信号偏波を二トーン生成信号を最小にするように調節することによって、入力信号偏波の変動に対する低減された依存性を持つ。図８のミキサはまた、出力混合生成信号の一部分がミキサ出力にパスし、同一生成信号の一部分がフィードバックフィルタ７８内にパスすることを許すビームスプリッタ（図示無し）を含むこともできる。
【００４１】
自動偏波コントローラ７６は、その入力に加えられるフィードバック信号を要求されるように最小にするようにポンプ信号偏波の調節を行なうデバイスである。一例としての自動偏波コントローラがF.Heissmanに交付された合衆国特許第４，９６６，４３１号及び第５，２１２，７４３号において開示されている。光ミキサ７０は本発明のこの一面に従うフィードバック制御回路を強調するために簡素化された形式にて示される。光ミキサ７０は、従って、図４の実施例に示されるような追加の増幅及びフィリタリング機能を含むこともできる。
【００４２】
本発明に従って使用される入力信号及びポンプ信号は幾つかの実施上の制約に従って様々な位置に配置される。一つの重要な制約が要求されない混合生成信号の重複、或は要求される生成信号との干渉を回避するために課せられる。例えば、図３内の信号ｆｓ、ｆｐ１及びｆｐ２の非縮退４−ホトン混合はｆｐ１＋ｆｐ２−ｆｓの所に位相共役（成分）ｆｓ＊を生成する。但し、要求されない混合生成信号が２ｆｐ１−ｆｓ、２ｆｐ２−ｆｓ、及び２ｆｐ２−ｆｐ１の周波数の所に生成される。これら要求されない生成信号は、特に、入力信号ｆｓが周波数のある帯域（band）を占拠する場合には要求される生成信号と干渉を起こす。例えば、多重チャネル入力信号は、数個の波長分割多重されたチャネル信号を含み、このためこの入力信号は、図９に示されるように、周波数ｆｓｉの帯域を占拠する。要求される混合信号との干渉は以下に説明される設計規則に従ってポンプ信号と入力信号の適当な相対配置を与えることによって最小にされる。
【００４３】
上に説明の実施例は、一般的には、ポンプ信号周波数の外側に入力信号周波数を配置するが、入力信号周波数は、また、ポンプ信号周波数の内側であっても良い。入力信号をポンプ信号周波数の内側に配置すると、これもポンプ信号周波数の内側の位相共役信号が生成される。図９の一例としての周波数スペクトルは、入力光信号とポンプ信号の周波数が入力光信号の周波数が二つのポンプ信号の周波数の間に位置されるような配置にされるとケースを図解する。本発明によると、要求される位相共役混合生成信号と他の要求されない混合生成信号との間の干渉がこのような入力信号とポンプ信号の配置によって最小にされる。図９において、多重チャネル入力信号は周波数ｆｓｉの帯域を占拠する。四−ホトン混合は周波数ｆｓｉ＊の帯域を占拠する位相共役混合生成信号を生成する。要求されない混合生成信号は図示されるように２ｆｓ−ｆｐ１によって与えられる周波数の帯域を占拠する。この要求されない成分２ｆｓ−ｆｐ１は分散ゼロｆｐ０の回りを中心とする帯域を占拠し、示される間隔では、ｆｓｉとｓｆｓｉ＊との間の全帯域を占拠する。周波数ｆｐ２＋ｆｓ−ｆｐ１の追加の要求されない混合生成信号は、図示されるように、ポンプ信号周波数の外側に位置され、一方、周波数２ｆｐｓ−ｆｓはプロットされた範囲の外側に横たわる。要求される生成信号ｆｓｉ＊との干渉は、図９の配置によって最小にされるが、これは、要求されない生成信号２ｆｐ１−ｆｓ、２ｆｐ２−ｆｓ及び２ｆｐ２−ｆｐ１がポンプ信号周波数の外側にｆｓｉ及びｆｓｉ＊から離れて位置されるためである。ｆｓｉ或はｆｓｉ＊によって占拠される帯域付近に横たわる唯一の要求されない混合生成信号は２ｆｓ−ｆｐ１である。分散シフトファイバが非線型混合媒体として使用された場合、図９に示されるような間隔にファイバ分散ゼロからｆｓｉ及びｆｓｉ＊を離して置くことによって、要求されない混合生成信号のマッチングが悪くなり、結果として、この生成信号の所のパワーが低減されるために、最小の干渉が達成される。ポンプ信号周波数ｆｐ１及びｆｐ２は、一般的には、ｆｓｉ及びｆｓｉ＊の外側の広範囲の様々な位置に配置される。
【００４４】
帯域ｆｓｉ内の最大及び最小周波数が、それぞれ、ｆｓｍａｘ及びｆｓｍｉｎによって与えられるものとすると、干渉を最小にするためには、周波数配置に関する以下の設計規則に従うべきである。ｆｐ２の共役（成分）ｆｓｉ＊との重複を防止するために、ｆｐ１はｆｓｍｉｎ以下であるべきである。ｆｓｍａｘ−ｆｓｍｉｎによって与えられる周波数帯域ｆｓｉは、２ｆｓｍａｘ−ｆｓｍｉｎに類似する二トーン生成信号がｆｓｉ＊に重複することを阻止するために、ｆｐｏ−ｆｓｍａｘの二倍よりも小さいことが要求される。混合生成信号２ｆｓｉ−ｆｐ１が共役（成分）ｆｓｉ＊と重複することを阻止するために、ｆｓｍａｘは２ｆｐｏ＋ｆｐ１の三分の一よりも小さいことが要求される。最後に、２ｆｓｉ−ｆｐ１が信号ｆｓｉと重複することを阻止するために、周波数スパンｆｍａｘ−ｆｓｍｉｎはｆｓｍｉｎ−ｆｐ１より小さいことが要求される。これらの制約は、干渉を完全に回避したい場合は、使用される混合デバイスとは無関係に適用する。但し、ＤＳＦが混合デバイスとして使用される場合は、干渉信号は通常良く位相マッチせず、従って、これら制約は緩和してもよい。
【００４５】
図１０Ａは本発明の一つの実現の偏波依存性を検証するために使用される一例としてのテスト設定である。このテスト設定は２５ｋｍ分散シフトファイバ８４内の非縮退四−ホトン混合の結果としての光周波数スペクトルを表示するための光スペクトル分析器８３を含む。光信号源８５は可変波長の単一チャネル光信号を提供する。第一のポンプ信号源８６は波長１５４６．１ｎｍの第一のポンプ信号を出力し、第二のポンプ信号源８７は１５４７．２ｎｍの波長の第二のポンプ信号を提供する。偏波コントローラ８８、８９、及び９０が各入力信号及びポンプ信号源の出力の所に提供される。ポンプ信号源８６、８７は、従って、直交偏波を持つように調節することができる。加えて、偏波コントローラ８８を介して、信号源８５からの入力信号の偏波も偏波無依存性を検証するために全レンジの可能な入力信号偏波を提供するように調節することができる。これら入力及びポンプ信号は光ビーム結合器９１内で結合され、こうして結合された信号が次にエルビウムドープされたファイバ増幅器９２内で増幅される。結合器９３は、結合された信号パワーの一部分を様々なミキサ入力信号内のパワーレベルを測定するために可変帯域通過フィルタ９４、偏波器９５及び光電力計９６へと結合する。第四の偏波コントローラ９８がこのテスト設定内の追加の偏波調節能力を提供するためにこうして結合された入力信号及びポンプ信号経路内に挿入される。この設定が二つの直交に偏波されたポンプ信号との非縮退四−ホトン混合を使用する光ミキサ内での偏波無依存性を測定するために使用された。偏波コントローラ８８が要求される混合生成信号の出力パワーの変動を測定するために、入力光信号の周波数と第一及び第二の直角に偏波されたポンプ信号から成るポンプ信号の周波数との任意の配置が得られるように変動された。これらテストにおいて、要求される混合生成信号としては入力信号の位相共役成分が使用された。半導体レーザ増幅器内での偏波無依存４−ホトン混合を実証するために、ＤＳＦがおおむね偏波無依存の半導体レーザ増幅器と置換された。
【００４６】
図１０Ｂはポンプ周波数よりも高い光信号周波数を用いて、図１０Ａのテスト設定を使用して得られた周波数スペクトルのプロットである。この光入力信号は約１５５０．３ｎｍの波長を持ち、約１５４３．１ｎｍの所に共役成分を生成した。このケースにおいては、光信号周波数は二つのポンプ周波数よりも低く、共役成分はこれら二つの信号のそれよりも高い周波数の所で生成された。非線形混合媒体としては半導体レーザ増幅器が使用された。結果としての共役成分は、全ての可能な入力偏波状態に対してたった約２．０ｄＢのパワーレベルの変動を示した。偏波を横断しての共役成分に対する最も高い信号パワーは点線にて示され、一方、最も低いパワーは実線にて示される。比較によって、直交偏波を持たないポンプ信号が使用された場合は、共役信号がある入力偏波に対してゼロに低減されることが理解できる。本発明の直交ポンプ信号が使用された場合は、変動は全ての偏波を横断してたった約２ｄＢとなる。
【００４７】
図１０Ｃはポンプ信号周波数よりも高い光信号周波数が用いられたとき、図１０Ａのテスト設定を使用して得られる周波数スペクトルのプロットである。約１５５０．３ｎｍの波長の所に共役成分を生成するために約１５４３．１ｎｍの波長を持つ光入力信号が使用された。このケースにおいては、２５ｋｍの分散シフトファイバが非線形混合媒体として使用された。ここでも、プロット内の点線は入力信号偏波の全ての可能な状態を横断しての最大共役信号パワーを示し、一方、実線は最小を示す。分散シフトファイバを混合媒体として使用した場合、たった約１．０ｄＢの変動のみが全ての入力偏波を横断して観察された。本発明に従っての直交ポンプ信号の使用は、従って、使用される混合媒体のタイプと関係なく、光混合における実質的な偏波無依存性を提供する。
【００４８】
上の詳細な説明は主に偏波無依存光四−ホトン混合に向けられたが、再度、ここに議論された実施例及び用途は、単に説明のためのものであることを強調すべきである。例えば、本発明の光ミキサは通信用途に限定されるものではなく、光信号の光混合を要求する任意の用途に対して使用することが適当である。他の可能な用途には光データ処理及び光検出が含まれる。これらに限定されるものではないが、例えば、単一或は複数のポンプ信号源の構成、信号とポンプ信号周波数の相対配置、縮退或は非縮退混合の使用を含む幾つかのハードウエアパラメータ、及び直角ポンプ信号を生成する方法は与えられた用途の必要性に合わせて変更する可能であり、示される構成に対するこれら及びその他の変更及びバリエーションは当業者においては明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体レーザ増幅器を混合デバイスとして使用する一例としての従来の技術による四−ホトンミキサを示す図である。
【図２】図１のデバイス内の光通信信号及びポンプ信号の縮退四−ホトン混合の結果としての位相共役混合生成信号を示す一例として周波数スペクトルである。
【図３】本発明に従うポンプ信号周波数と入力信号周波数の配置を解説する一例としての周波数スペクトルである。
【図４】本発明に従う偏波無依存光四−ホトンミキサの略図である。
【図５】本発明に従うジュアル直角偏波ポンプ信号を生成するためのシステムの略図である。
【図６】図５に示される実施例と共に使用するのに適当なセットの入力信号を図解する一例としての周波数スペクトルである。
【図７】本発明に従う入力信号周波数とポンプ信号周波数の一例としての配置、並びに最小にされるべき二トーン生成信号を示す一例としての周波数スペクトルである。
【図８】本発明に従う二トーン混合生成信号を最小にするために使用するのに適当な自動偏波コントローラの一つの実施例である。
【図９】入力光信号周波数とポンプ信号周波数の入力信号周波数がこれら二つのポンプ信号周波数の間に位置されるような配置を図解する一例としての周波数スペクトルを示す図である。
【図１０Ａ】図１に示される実施例の偏波無依存性を検証するために使用される一例としてのテスト設定である。
【図１０Ｂ】２５ｋｍの分散シフトファイバを混合媒体として用い、またポンプ信号周波数より低い光信号周波数を用いたときの図１０Ａの装置を使用して得られる周波数スペクトルのプロットである。
【図１０Ｃ】半導体レーザ増幅器を混合媒体として用い、またポンプ信号周波数よりも高い光信号周波数を用いたときの図１０Ａの装置を使用して得られる周波数スペクトルのプロットである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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