(57)【要約】【課題】  変換効率の偏波依存性のない位相共役光発生装置を提供する。【解決手段】  信号光ビームを供給されてポンプ光を用いた四光波混合に基づいて位相共役光ビームを発生させる第１の非線形光学媒質と、該第１の非線形光学媒質にカスケード接続され第１の非線形光学媒質から出力された信号光ビーム、位相共役光ビーム及びポンプ光が供給される第２の非線形光学媒質とを備えた装置。【選択図】図１６
2008033368.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）第１の非線形光学媒質に信号光ビームを供給するステップと、
（ｂ）ポンプ光を用いた四光波混合に基づいて上記第１の非線形光学媒質内において位相共役光ビームを発生させるステップと、
（ｃ）上記第１の非線形光学媒質から出力された上記信号光ビーム、上記位相共役光ビーム及び上記ポンプ光を第２の非線形光学媒質に供給するステップとを備えた方法。
【請求項２】
信号光ビームを供給されてポンプ光を用いた四光波混合に基づいて位相共役光ビームを発生させる第１の非線形光学媒質と、
該第１の非線形光学媒質にカスケード接続され上記第１の非線形光学媒質から出力された上記信号光ビーム、上記位相共役光ビーム及び上記ポンプ光が供給される第２の非線形光学媒質とを備えた装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装置であって、
上記第１の非線形光学媒質は第１の変換帯域を提供するための半導体チップからなり、上記第２の非線形光学媒質は上記第１の変換帯域よりも広い第２の変換帯域を提供するための光ファイバからなる装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置であって、
上記半導体チップは半導体光増幅器によって提供され、該半導体光増幅器に上記ポンプ光を供給するためのポンプ光源を更に備えた装置。
【請求項５】
請求項３に記載の装置であって、
上記半導体チップは分布帰還（ＤＦＢ）レーザダイオードによって提供され、該ＤＦＢレーザダイオードが上記ポンプ光を発生するように該ＤＦＢレーザダイオードに電流を注入する手段を更に備えた装置。
【請求項６】
請求項３に記載の装置であって、
上記光ファイバは上記ポンプ光の波長に実質的に等しい零分散波長を有している装置。
【請求項７】
請求項３に記載の装置であって、
上記位相共役光ビームのパワーがより高くなるように上記ポンプ光の波長を制御するためのフィードバックループを更に備えた装置。
【請求項８】
（ａ）半導体非線形光学媒質に信号光ビームを供給するステップと、
（ｂ）ポンプ光を用いた四光波混合に基づいて上記半導体非線形光学媒質内において位相共役光ビームを発生させるステップと、
（ｃ）上記信号光ビームの波長を上記ポンプ光の波長よりも長くなるように設定するステップとを備えた方法。
【請求項９】
信号光ビームが供給される半導体非線形光学媒質と、
上記信号光ビームの波長よりも短い波長を有するポンプ光を用いた四光波混合に基づいて上記半導体非線形光学媒質が位相共役光ビームを発生させるように該半導体非線形光学媒質をポンピングする手段とを備えた装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の装置であって、
上記半導体非線形光学媒質は半導体光増幅器によって提供され、上記ポンピングする手段は上記ポンプ光を上記半導体光増幅器に供給するためのポンプ光源を含む装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の装置であって、
上記半導体非線形光学媒質は分布帰還（ＤＦＢ）レーザダイオードによって提供され、上記ポンピングする手段は上記ＤＦＢレーザダイオードが上記ポンプ光を発生するように該ＤＦＢレーザダイオードに電流を注入する手段を含む装置。
【請求項１２】
光学的に接続された複数のユニットと、該複数のユニットの接続点に設けられた少なくとも１つの光信号挿入分岐装置とを備え、
上記複数のユニットの各々は、
信号光を伝送するための第１の光ファイバと、
上記信号光を位相共役光に変換するための手段と、
上記位相共役光を伝送するための第２の光ファイバとを備えており、
上記第１の光ファイバにおける波長分散及び光カー効果が上記第２の光ファイバにおける波長分散及び光カー効果によって補償されるシステム。
【請求項１３】
請求項２に記載の装置であって、
上記第１の非線形光学媒質は半導体チップからなり、上記第２の非線形光学媒質は光ファイバからなる装置。
【請求項１４】
位相共役光を発生するための非線形光学媒質として光ファイバを有する装置を製造するための方法であって、
（ａ）光ファイバを切断して複数の区間に分割するステップと、
（ｂ）非縮退四光波混合による変換帯域が拡大されるように上記複数の区間を並べ替えて繋ぎ合わせるステップとを含む方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、
上記ステップ（ｂ）は上記複数の区間の各々の分散値を測定するステップを含み、
上記光ファイバにポンプ光を入力するときの入力端に近い側に比較的分散値の小さい区間が配置されるように上記複数の区間が並び替えられる方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、
上記複数の区間の少なくとも一部は分散値の正負が交互になるように繋ぎ合わされる方法。
【請求項１７】
位相共役光を発生するための非線形光学媒質として光ファイバを有する装置を製造するための方法であって、
（ａ）光ファイバを切断して複数の区間に分割するステップと、
（ｂ）上記複数の区間の各々の分散値を測定するステップと、
（ｃ）非縮退四光波混合による所要の変換帯域を得るのに十分小さい分散値を有する区間だけを選んで繋ぎ合わせるステップとを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は位相共役光の発生及び波長変換のための方法及び装置並びに該装置を有するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
低損失なシリカ光ファイバが開発されたことにより、光ファイバを伝送路として用いる光ファイバ通信システムが数多く実用化されてきた。光ファイバそれ自体は極めて広い帯域を有している。しかしながら、光ファイバによる伝送容量は実際上はシステムデザインによって制限される。最も重要な制限は、光ファイバにおいて生じる波長分散による波形歪みに起因する。光ファイバはまた例えば約０．２ｄＢ／ｋｍの割合で光信号を減衰させるが、この減衰による損失は、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を始めとする光増幅器の採用によって補償されてきた。
【０００３】
しばしば単純に分散と称される波長分散は、光ファイバ内における光信号の群速度が光信号の波長（周波数）の関数として変化する現象である。例えば標準的なシングルモードファイバにおいては、１．３μｍよりも短い波長に対しては、より長い波長を有する光信号がより短い波長を有する光信号よりも速く伝搬し、その結果としての分散は、通常、正常分散と称される。１．３μｍよりも長い波長に対しては、より短い波長を有する光信号がより長い波長を有する光信号よりも速く伝搬し、その結果としての分散は異常分散と称される。
【０００４】
近年、ＥＤＦＡの採用による光信号パワーの増大に起因して、非線形性が注目されている。伝送容量を制限する光ファイバの最も重要な非線形性は光カー効果である。光カー効果は光ファイバの屈折率が光信号の強度に伴って変化する現象である。屈折率の変化は光ファイバ中を伝搬する光信号の位相を変調し、その結果信号スペクトルを変更する周波数チャーピングが生じる。この現象は自己位相変調（self-phase modulation:ＳＰＭ）として知られている。ＳＰＭによってスペクトルが拡大され、波長分散による波形歪みが更に大きくなる。
【０００５】
このように、波長分散及びカー効果は、伝送距離の増大に伴って光信号に波形歪みを与える。従って、光ファイバによる長距離伝送を可能にするためには、波長分散及び非線形性は制御され、補償され或いは抑圧されることが必要である。
【０００６】
波長分散及び非線形性を制御する技術として、主信号のための電子回路を含む再生中継器を用いたものが知られている。伝送路の途中に例えば複数の再生中継器が配置され、各々の再生中継器では、光信号の波形歪みが過剰になる前に光／電気変換、再生処理及び電気／光変換がこの順で行われる。しかし、この方法では、高価で複雑な再生中継器が必要であるとともに、再生中継器が有する電子回路が主信号のビットレートを制限するという問題がある。
【０００７】
波長分散及び非線形性を補償する技術として、光ソリトンが知られている。与えられた異常分散の値に対して精度よく規定された振幅、パルス幅及びピークパワーを有する光信号パルスが発生させられ、それにより光カー効果によるＳＰＭと異常分散とによるパルス圧縮と、分散によるパルス拡がりとがバランスし、光ソリトンはその波形を維持したまま伝搬して行く。
【０００８】
波長分散及び非線形性を補償するための他の技術として、光位相共役の適用がある。例えば、伝送路の波長分散を補償するための方法がヤリフ（Ｙａｒｉｖ）らによって提案されている（A. Yariv, D. Fekete, and D. M. Pepper,“Compensation for channel dispersion by nonlinear optical phase conjugation” Opt. Lett., vol. 4, pp. 52-54, 1979）。伝送路の中間点で光信号が位相共役光に変換され、伝送路の前半で受けた波長分散による波形歪みが伝送路の後半の波長分散による歪みで補償される。
【０００９】
特に、２つの地点での電場の位相変化の要因が同じであり、その要因をもたらす環境変化が２地点の間の光の伝搬時間内で緩やかであるとすれば、２地点の中間に位相共役器（位相共役光発生器）を配置することによって、位相変化は補償される（S. Watanabe,“Compensation of phase fluctuation in a transmission line by optical conjugation ”Opt. Lett., vol. 17, pp. 1355-1357, 1992）。従って、位相共役器の採用によって、ＳＰＭに起因する波形歪みも補償される。しかし、位相共役器の前後で光パワーの分布が非対称である場合には、非線形性の補償が不完全になる。
【００１０】
発明者は、先に、位相共役器を用いる場合に光パワーの非対称性による補償の不完全さを克服するための技術を提案した（S. Watanabe and M. Shirasaki, “Exact compensation for both chromatic dispersion and Kerr effect in a transmission fiber using optical phase conjugation”J. Lightwave Technol., vol. 14, pp. 243-248, 1996 ）。位相共役器は伝送路におけるその前後の分散値又は非線形効果の総量が等しくなる点の近傍に配置され、その前後における種々のパラメータが微小区間ごとに設定される。
【００１１】
位相共役器及びその光ファイバ通信への適用に関しては、例えば、本発明者による出願（特願平６−５０９８４４号、特願平７−４４５７４号、特願平７−３０４２２９号、特開平７−９８４６４号及び特開平７−３０１８３０号）がある。
【００１２】
進行波型半導体レーザ増幅器を用いた位相共役波の発生方法は、〔１〕A. MECOZZI ET AL., IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL.31, NO.4, APRIL 1995, PP.689-699に記載されている。この方法では、その文献の図６に示されているように、ポンプ（励起）光とプローブ光（信号光ともいう）を方向性結合器によって結合し、結合されたポンプ光とプローブ光をレンズ及び光アイソレーションを介して進行波型半導体レーザ増幅器に入力し、これにより位相共役波を進行波型半導体レーザ増幅器から取り出すようにしている。そのポンプ光は、色中心レーザ（ＣＣＬ）から出力された光を光アイソレータ（ＯＩ）、バビネソレイユ（ＢＡＢＩＮＥＴ−ＳＯＬＥＩＬ）補償板及びレンズを通して方向性結合器に入力することにより与えられている。また、プローブ光は、外部共振器半導体レーザ（ＥＣＬＤ）から出力された光を光アイソレーション、λ／２板及びλ／４板を通して方向性結合器に入力することにより与えられている。
【００１３】
半導体レーザ増幅器の代わりに半導体レーザを用いて位相共役波を発生させる方法は、〔２〕PATRICK P. IANNONE ET AL., IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL.31, NO.7, JULY 1995, PP.1285-1291 に記載されている。この方法では、半導体レーザを使用している他は文献〔１〕とほぼ同じ機構の装置を用いている。その半導体レーザでは、外部から注入されるポンプ光の波長と同じ波長の光を発振するようになっている。
【００１４】
これら２つの例は、半導体レーザ増幅器又は半導体レーザの一端にポンプ光とプローブ光を入れるとともに、その他端からポンプ光とプローブ光と位相共役波を取り出す点で共通している。
【００１５】
これに対してポンプ光を発振する半導体レーザの第１の端面からその内部にプローブ光を入れ、その同じ第１の端面から位相共役波を出力する方法が、〔３〕S. MURATA EL AL., APPL. PHYS. LETT. 58 (14), 8 APRIL 1991, PP.1458-1460に記載されている。
【００１６】
上述した文献〔１〕，〔２〕に記載された方法では、プローブ光を発生させる光源とポンプ光を発生させる光源と位相共役波を発生させる半導体レーザ増幅器又は半導体レーザというように、３つの光デバイスが必要になるのでそれらを結合する光学系が複雑になる。特に、プローブ光とポンプ光を効率よく結合するための光結合器が要求される。
【００１７】
また、文献〔３〕に記載された方法においては、位相共役波を出力する半導体レーザの非出力端面に高反射率の反射膜を形成しておく必要があるので、半導体レーザにファブリペローモードが存在する。従って、その位相共役波の波長は、文献〔３〕にも記載されているように、ファブリペローモードに共鳴した波長に限定されることになる。
【００１８】
最近、発振状態のＤＦＢ−ＬＤ内の非縮退の四光波混合（Four-Wave Mixing:
ＦＷＭ）による位相共役光の発生方法が、次の論文にて報告されている。
【００１９】
H. Kuwatsuka, H. Shoji, M. Matsuda and H. Ishikawa, “THz frequency conversion using nondegenerate four-wave mixing prosess in a lasing long-cavity λ/4- shifted laser ”, ELECTRONICS LETTERS, Vol.31, No.24, pp.2108-2110, 1995.   
この方法による位相共役光の発生方法について、簡単に説明する。キャリアを高注入した半導体高利得媒質は、大きな三次の非線形感受性を持つため、四光波混合を行なうのに最適な物質の１つである。半導体レーザが発振している状態では、その内部に高い強度の発振光が存在しているため、外部から光を入れることにより四光波混合が起き、位相共役光が発生することが理論的には知られていたが、実際には、発振しているレーザに外部から光を入れると、発振光がその光の波長に引き込まれたり、発振光が不安定になったりする問題があった。また、位相共役光が発生したとしても、半導体レーザを構成する共振器に共鳴する波長の光のみで位相共役光の発生が可能であり、自由に波長を変換することができなかった。
【００２０】
上記論文では、１／４波長位相シフトＤＦＢ半導体レーザ内部に、発振させたい波長の光のみを反射させる２つの回折格子が、お互いが１／４波長だけ位相シフトするように形成されている。この２つの回折格子により、発振光は半導体レーザ内部に強く閉じ込められ、半導体レーザの両端面を無反射コートすることにより、発振光と異なる波長の光は、レーザ内部で反射されることなく通過する。このため、発振光をポンプ光として用いて、外部より半導体レーザに入力する光の位相共役光を発生することが可能となり、外部からのポンプ光を用いることなく、高効率で高速・広帯域の変換が可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
ところで、位相共役光発生器における変換効率はプローブ光及びポンプ光の偏波面の一致性に依存しているにも関わらず、一般的な光ファイバ伝送路は偏波面を保存する能力を有していない。従って、光位相共役を用いた光システムを構成するためには、高効率で高速・広帯域であり、しかも偏波依存性のない位相共役光発生器を実現する必要がある。
【００２２】
よって、本発明の目的は次の通りである。
【００２３】
（１）信号光ビームから位相共役光ビームへの変換効率を高くすることができる方法、装置を提供すること。
【００２４】
（２）信号光ビームから位相共役光ビームへの変換効率が信号光ビームの偏波状態に大きく依存しなくなるような方法、装置を提供すること。
【００２５】
（３）信号光ビームから位相共役光ビームへの変換における変換帯域を広くするための方法、装置、該装置の製造方法を提供すること。
【００２６】
（４）信号対雑音比に優れた位相共役光ビームを得るための方法、装置を提供すること。
【００２７】
（５）（１）〜（４）の装置を有する、或いは、（１）〜（４）の方法が適用される、光通信に適したシステムを提供すること。
【００２８】
（６）柔軟性に富んだ光ネットワークシステムを構築するのに適した新規な構成を有するシステムを提供すること。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明の一側面によれば、（ａ）第１の非線形光学媒質に信号光ビームを供給するステップと、（ｂ）ポンプ光を用いた四光波混合に基づいて上記第１の非線形光学媒質内において位相共役光ビームを発生させるステップと、（ｃ）上記第１の非線形光学媒質から出力された上記信号光ビーム、上記位相共役光ビーム及び上記ポンプ光を第２の非線形光学媒質に供給するステップとを備えた方法が提供される。
【００３０】
本発明の他の側面によれば、信号光ビームを供給されてポンプ光を用いた四光波混合に基づいて位相共役光ビームを発生させる第１の非線形光学媒質と、該第１の非線形光学媒質にカスケード接続され上記第１の非線形光学媒質から出力された上記信号光ビーム、上記位相共役光ビーム及び上記ポンプ光が供給される第２の非線形光学媒質とを備えた装置が提供される。
【００３１】
本発明の他の側面によれば、（ａ）半導体非線形光学媒質に信号光ビームを供給するステップと、（ｂ）ポンプ光を用いた四光波混合に基づいて上記半導体非線形光学媒質内において位相共役光ビームを発生させるステップと、（ｃ）上記信号光ビームの波長を上記ポンプ光の波長よりも長くなるように設定するステップとを備えた方法が提供される。
【００３２】
本発明の他の側面によれば、信号光ビームが供給される半導体非線形光学媒質と、上記信号光ビームの波長よりも短い波長を有するポンプ光を用いた四光波混合に基づいて上記半導体非線形光学媒質が位相共役光ビームを発生させるように該半導体非線形光学媒質をポンピングする手段とを備えた装置が提供される。
【００３３】
本発明の他の側面によれば、光学的に接続された複数のユニットと、該複数のユニットの接続点に設けられた少なくとも１つの光信号挿入分岐装置とを備え、上記複数のユニットの各々は、信号光を伝送するための第１の光ファイバと、上記信号光を位相共役光に変換するための手段と、上記位相共役光を伝送するための第２の光ファイバとを備えており、上記第１の光ファイバにおける波長分散及び光カー効果が上記第２の光ファイバにおける波長分散及び光カー効果によって補償されるシステムが提供される。
【００３４】
本発明の他の側面によれば、位相共役光を発生するための非線形光学媒質として光ファイバを有する装置を製造するための方法であって、（ａ）光ファイバを切断して複数の区間に分割するステップと、（ｂ）非縮退四光波混合による変換帯域が拡大されるように上記複数の区間を並べ替えて繋ぎ合わせるステップとを含む方法か提供される。
【００３５】
本発明の他の側面によれば、位相共役光を発生するための非線形光学媒質として光ファイバを有する装置を製造するための方法であって、（ａ）光ファイバを切断して複数の区間に分割するステップと、（ｂ）上記複数の区間の各々の分散値を測定するステップと、（ｃ）非縮退四光波混合による所要の変換帯域を得るのに十分小さい分散値を有する区間だけを選んで繋ぎ合わせるステップとを含む方法が提供される。
【発明の効果】
【００３６】
本発明により、光ファイバ内の波長分散と光カー効果による波形歪みを理想的に補償することが可能になり、光速・大容量の光信号の長距離光ファイバ伝送が可能になる。
【００３７】
また、以上説明した本発明による構成又は手順によると次のような効果がある。
【００３８】
（１）信号光ビームから位相共役光ビームへの変換効率を高くすることができる方法及び装置の提供が可能になる。
【００３９】
（２）信号光ビームから位相共役光ビームへの変換における変換帯域を広くすることができる方法及び装置並びに該装置の製造方法を提供することができる。
【００４０】
（３）信号光ビームから位相共役光ビームへの変換効率が信号光ビームの偏波状態に依存しにくい方法及び装置を提供することができる。
【００４１】
（４）信号対雑音比が良好な位相共役光ビームを得ることができる方法及び装置の提供が可能になる。
【００４２】
（５）（１）〜（４）の装置を有する、或いは、（１）〜（４）の方法が適用される、光通信に適したシステムの提供が可能になる。
【００４３】
（６）柔軟性に富んだ光ネットワークシステムを提供するのに適した、位相共役光発生器を有する新規なシステムの提供が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００４５】
今、光パルスが分散媒質中を伝搬する場合を考える。チャープしていないパルスが分散媒質を透過する際、正常分散媒質（∂2 β／∂ω2 ＞０）の場合には、パルスの立ち上がりにおいて低周波側にシフトし、立ち下がりにおいて高周波側にシフトする。異常分散媒質（∂2 β／∂ω2 ＜０）の場合には、パルスの立ち上がりにおいて高周波側にシフトし、立ち下がりにおいて低周波側にシフトする。ここで、βは伝搬定数、ωは光の角周波数を表す。そして、正常分散媒質においては波長が長いほど群速度が速く、異常分散媒質においては波長が短いほど群速度が速いため、いずれの場合にもパルス幅が広がることになる。
【００４６】
一方、光の強度が大きい場合には、光カー効果によって屈折率が
Δｎ（ｔ）＝ｎ2 ｜Ｅ（ｔ）｜2 
だけ変化する。ここに、ｎ2 は非線形屈折率と呼ばれる量であり、通常のシリカファイバの場合にはその値は例えば約３．２×１０-20 ｍ2 ／Ｗである。光パルスが非線形媒質中で光カー効果を受けると、
Δω（ｔ）＝−∂Δφ（ｔ）／∂ｔ
＝−（２πｎ2 ／λ）（∂｜Ｅ（ｔ）｜2 ／∂ｔ）Δｚ
だけスペクトルが拡散（チャープ）する。ここにΔｚは相互作用長である。
【００４７】
この現象は、一般に自己位相変調（Self-phase modulation:ＳＰＭ）と称される。このＳＰＭにより光パルスの立ち上がりにおいては低周波側にシフトし、立ち下がりにおいては高周波側にシフトする。このＳＰＭによるチャーピングのために分散の影響がより顕著になり、その結果、パルスの歪みがより著しくなる。そのため、光パルスが分散媒質中で光カー効果を受けると、正常分散媒質の場合には、パルスが分散だけの場合よりも更に拡散するが、異常分散媒質の場合にはパルス圧縮が起きる。
【００４８】
従って、上記の波長分散の効果を考え合わせると、正常分散媒質の場合には大きなパルス拡散が発生し、異常分散媒質の場合には波長分散によるパルス拡散とＳＰＭによるパルス圧縮のうち大きい方の効果が表れる。これら２つの効果をバランスさせたものが光ソリトンである。
【００４９】
一般に異常分散媒質においてＳＰＭのよるパルス圧縮を加えた方が高い信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を保持できて都合がよいように考えがちであるが、最近光アンプを用いて高いレベルの光パワーで伝送できるようになったことと、分散シフトファイバの開発により比較的小さな波長分散値が実現できるようになったことにより、一概にパルス圧縮を加えた方がよいとも言えなくなってきた。
【００５０】
つまり、パルス圧縮効果が大きくなり過ぎて大きな波形歪みが発生するのである。特に、ＮＲＺパルスの場合には、パルスの立ち上がり、立ち下がり部分において集中的にパルス圧縮が起こるため、急激な波形変化や、極端な場合には、立ち下がり部分が立ち上がり部分を追い抜き、パルスが３つに分裂するようなことも起こる。また、長距離光増幅多中継伝送の場合には、信号光を励起光として光アンプの自然放出光との間で四光波混合が生じ、Ｓ／Ｎが著しく低下するという問題もある（変調不安定性；modulation instability）。
【００５１】
上述したような波長分散及び非線形性に起因する光パルスの歪みは、位相共役光学の適用によって補償することができる。例えば、第１の光ファイバ伝送路によって伝送された信号光ビームが位相共役光発生器によって位相共役光ビームに変換され、位相共役光ビームは第２の光ファイバ伝送路によって伝送される。第１及び第２の光ファイバにおける波長分散及び非線形性に関連するパラメータを適切に設定しておくことによって、第２の光ファイバの出力端で実質的に歪みのない光パルスを得ることができる。
【００５２】
しかし、位相共役光発生器における信号光ビームから位相共役光ビームへの変換効率は信号光ビームの偏波状態に依存するのが一般的であるから、変換効率に偏波依存性のない位相共役光発生器が求められているのである。
【００５３】
変換効率に偏波依存性のない位相共役光発生器を構成するには、偏波スクランブル法、偏波ダイバーシティ法又は偏波能動制御法を適用することができる。更には、偏波保持ファイバ（Polarization Maintaining Fiber：ＰＭＦ）からなる光ファイバ伝送路を用いることによっても、位相共役光発生器における変換効率の偏波依存性を排除することができる。本発明では、変換効率の偏波依存性を排除するために、偏波ダイバシティ法が採用される。
【００５４】
図１は本発明による第１の方法を示す図である。先ず、偏波分離のプロセスにおいては、信号光ビームＥS が２つの偏波成分ＥS1及びＥS2に分離される。偏波成分ＥS1及びＥS2は互いに直交する偏波面を有している。
【００５５】
次いで、変換のプロセスにおいては、偏波成分ＥS1及びＥS2がそれぞれ対応する位相共役光ビームＥC1及びＥC2に変換される。位相共役光ビームＥC1及びＥC2の偏波面はそれぞれ偏波成分ＥS1及びＥS2の偏波面に一致している。
【００５６】
そして、偏波合成のプロセスにおいて、位相共役光ビームＥC1及びＥC2が偏波合成されて、位相共役光ビームＥC が得られる。
【００５７】
本発明によると、変換のプロセスにおいては、１つ又は２つの分布帰還（ＤＦＢ）レーザダイオードが用いられる。
【００５８】
変換のプロセスにおいて１つのＤＦＢレーザダイオードが用いられる場合には、そのＤＦＢレーザダイオードの第１励振端及び第２励振端にそれぞれ偏波成分ＥS1及びＥS2が供給され、第２励振端及び第１励振端からそれぞれ位相共役光ビームＥC1及びＥC2が出力される。この場合、偏波分離及び偏波合成のプロセスは共通の偏波ビームスプリッタにより行なうことができる。ここで、「励振端」という語は、ＤＦＢレーザダイオードの活性層の端面という意味で使用されている。
【００５９】
変換のプロセスにおいて２つのＤＦＢレーザダイオードが用いられる場合には、これらのＤＦＢレーザダイオードは、それぞれ、偏波成分ＥS1から位相共役光ビームＥC1への変換と偏波成分ＥS2から位相共役光ビームＥC2への変換とに供される。この場合、偏波分離及び偏波合成のプロセスはそれぞれ別の偏波ビームスプリッタにより行なうことができる。
【００６０】
望ましくは、ＤＦＢレーザダイオードが信号光ビームＥS の波長と異なる波長を有するポンプ光を発生するようにＤＦＢレーザダイオードには電流が注入され、それによりＤＦＢレーザダイオード内における四光波混合によって位相共役光ビームＥC1及びＥC2が発生する。
【００６１】
図１の方法によると、偏波成分ＥS1及びＥS2の双方に基づいて位相共役光ビームＥc が得られているので、変換効率が信号光ビームＥs の偏波状態に依存しにくくなる。即ち、偏波依存性が小さくなる乃至はなくなる。
【００６２】
図２は、本発明に適用可能な非縮退四光波混合(nondegenerate four-wave mixing)による位相共役光発生器を示す図である。分布帰還( ＤＦＢ（distributed
feedback))レーザダイオード１の第１の励振端には、レンズ３を介して光ファイバ２が光学的に接続されており、第２の励振端にはレンズ６及び光ファイバ４を介して光フィルタ１０が光学的に接続されている。ＤＦＢレーザダイオード１には駆動回路７から駆動電流が供給される。
【００６３】
ＤＦＢレーザダイオード１は例えば図３及び図４に示されるような構造を有している。図３において、ｎ−ＩｎＰ基板１１の上面にはｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層１２が形成され、それらの接合面には、膜厚が光進行方向に周期的に変化する波形の回折格子１３が形成されている。回折格子１３は、図４によく示されるように、その実質的な中央部１３ｃで周期をλ／４（λ：導波構造内の光の波長）だけずらした位相シフト構造を有している。
【００６４】
ガイド層１２の上にはアンドープト多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１４が形成され、更に活性層１４の上にはｐ−ＩｎＧａＡｓＰバッファ層１５及びｐ−ＩｎＰ層１６がこの順に形成されている。
【００６５】
ＭＱＷ活性層１４は、膜厚７ｎｍのＩｎx'Ｇａ1-x'Ａｓ（ｘ’＝０．５３２）井戸層と膜厚１０ｎｍのＧａx Ｉｎ1-x Ａｓy Ｐ1-y （ｘ＝０．２８３，ｙ＝０．６１１）障壁層とが交互に５層ずつ積層されて構成されている。
【００６６】
ｐ−ＩｎＰ層１６からｎ−ＩｎＰ基板１１の上部までは凸状にパターニングされ、その平面形状は光進行方向に伸びたストライプ形状になっている。また、ｎ−ＩｎＰ基板１１のうちストライプ形状の凸部の両側にはｐ−ＩｎＰ層１７及びｎ−ＩｎＰ層１８がこの順に形成され、また、最上のｐ−ＩｎＰ層１６及びｎ−ＩｎＰ層１８の上にはｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層１９が形成されている。
【００６７】
ｎ−ＩｎＰ基板１１の下面にはｎ側電極２０が形成され、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層１９の上には３つに分割されたｐ側電極２１ａ，２１ｂ及び２１ｃが形成されている。
【００６８】
ＤＦＢレーザダイオード１の両端面（第１及び第２の励振端）には、少なくとも位相共役光を透過させるための無反射膜２２がコーティングされている。
【００６９】
ＤＦＢレーザダイオード１の共振器長は例えば９００μｍ、中央のｐ側電極２１ｂの長さは例えば約５８０μｍ、両端寄りのｐ側電極２１ａ及び２１ｃの長さはそれぞれ例えば約１６０μｍとなっている。
【００７０】
この位相共役光発生器の動作について説明する。先ず、ＤＦＢレーザダイオード１のｐ側電極２１ａ，２１ｂ及び２１ｃからＭＱＷ活性層１４を通してｎ側電極２０に駆動電流を流すことにより、ＭＱＷ活性層１４において波長１５４９ｎｍの光を出力４０ｍＷで連続発振させる。この場合、電極２１ａ，２１ｂ及び２１ｃには例えば４００ｍＡの電流を流す。
【００７１】
ＤＦＢレーザダイオード１において発振する光は、レーザモードが単一でありしかも利得帯域幅が狭いことに起因して、狭く且つ安定したスペクトルを有している。そこで、ＤＦＢレーザダイオード１により発振される光を四光波混合のためのポンプ光として使用する。
【００７２】
図２において、光ファイバ２及びレンズ３を介してＤＦＢレーザダイオード１の第１の励振端にプローブ光を供給すると、第２の励振端からは幾つかのスペクトルピークを有する光がレンズ６及び光ファイバ４を介して出力される。その出力光のスペクトルを図示しない光スペクトルアナライザによって調べたところ、図５に示されるような結果が得られた。
【００７３】
図５においては、ポンプ光の波長１５４９ｎｍとプローブ光の波長１５６９ｎｍにスペクトルピークが存在するだけでなく、波長１５２９ｎｍにもスペクトルのピークが存在しており、このスペクトルのピークは位相共役光に対応している。尚、プローブ光の角周波数をωs 、ポンプ光の角周波数をωP 、位相共役光の角周波数をωC とすると、次式が成り立つ。
【００７４】
ωC ＝２ωP −ωS 
このように、非縮退四光波混合によって位相共役光を発生させることによって、プローブ光（信号光）から位相共役光への光周波数変換、即ち波長変換が可能になることがわかる。この波長変換のプロセスにおいては、プローブ光が主信号により変調されている場合には、その変調は位相共役光においても保存されるので、この種の波長変換機能は後述するようなネットワークを構築する上で極めて有用である。
【００７５】
以上のように、ポンプ光をＤＦＢレーザダイオード１の内部で発生させると、プローブ光とポンプ光を結合するための機構が不要となり、位相共役光発生器の構造が簡素化する。従って、その発生器が組み込まれる光通信装置の小型化が可能になる。
【００７６】
また、ＤＦＢレーザダイオード１内でポンプ光を発生しているので、外部からポンプ光を入れようとするときの光ファイバを通すことによるポンプ光の強度の減衰を考慮する必要はなく、強いポンプ光によってプローブ光から位相共役光への変換効率を高めることができる。尚、得られる位相共役光の強度はポンプ光の強度の２乗に比例する。
【００７７】
さらに、ＤＦＢレーザダイオード１の発振モードは単一であるが、波長は自由に変えることができる。波長を変える方法としては、活性層１４に供給される電流分布を変化させる方法がある。これを具体的に説明する。
【００７８】
３つのｐ側電極２１ａ，２１ｂ及び２１ｃに流す電流の大きさを相違させると、ＤＦＢレーザダイオード１の単一の発振モードがシフトすることが知られている (Y.KOTAKI et al., OFC'90, THURSDAY MORNING, 159) 。
【００７９】
例えば、ＤＦＢレーザダイオード１の両端寄りのｐ側電極２１ａ及び２１ｃに注入する電流を一定に保持するとともに、中央のｐ側電極２１ｂに注入する電流を増やしてやると、発振波長が長波長側にシフトする。尚、ｐ側電極２１ａ，２１ｂ，２１ｃの各々に流す電流の調整は、駆動回路７によって行なう。
【００８０】
従って、図４に示されるような複数のｐ側電極２１ａ，２１ｂ及び２１ｃを有し且つ両端面に無反射膜２２が形成されたＤＦＢレーザダイオード１を使用すると、ポンプ光の波長を自由に変えることができるので、それに伴って位相共役光の波長も自由に変えることができる。これにより、上述の位相共役光発生器を使用することによって、波長分割多重光通信において各チャネルの光信号の波長変換を行なうことができる。
【００８１】
上述の例では、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰの層構造によりＤＦＢレーザダイオード１を構成しているが、ＩｎＰ／ＩｎＡｌＧａＡｓの層構造その他を採用したものであってもよい。また、ＧａＡｓ基板に整合する材料系でもよい。
【００８２】
ＤＦＢレーザダイオード１で発生した位相共役光は、プローブ光及びポンプ光と共に出力されるので、位相共役光だけを取り出したい場合には、ＤＦＢレーザダイオード１の出力端の外方に光フィルタ１０を配置すればよい。光フィルタ１０は、図２において、ＤＦＢレーザダイオード１とレンズ６との間或いはレンズ６と光ファイバ４との間に設けられていてもよい。
【００８３】
次に、上述したＤＦＢレーザダイオードを用いた位相共役光発生の実験について述べる。両端面にＡＲコート（無反射コート）したλ／４位相シフトＤＦＢレーザダイオード（共振器長９００μｍ）を用い、その前後にシングルモードファイバ（ＳＭＦ）を結合してなるモジュールによる波長変換実験を行なった。このモジュールを素子出力４０ｍＷで発振させ（ポンプ光の波長λp ＝１５５０ｎｍ）、前方端面から波長λS の信号光を入力し、後方端面から出力される光のスペクトルを観測した。
【００８４】
図６に、ポンプ光及び信号光間の離調周波数Δｆに対する変換効率の変化の様子を示す。Δｆ＝１２５ＧＨｚ（波長差１．０ｎｍ）の場合で−８．７ｄＢ、Δｆ＝２．５ＴＨｚ（同２０ｎｍ）の場合でも−２３ｄＢの変換効率を得た。ＴＨｚ領域まで高い効率の変換が可能であり、波長分割多重信号光等の波長変換への適用が期待できる。また、ＡＲコートにより、ファブリペローモードによる帯域制限は殆ど観測されなかった。
【００８５】
次に、上記変換光が位相共役光であることを確認するために、短パルス伝送における分散補償実験を試みた。２段のＬｉＮｂＯ3 変調器を用いて生成した幅約２３ｐｓのＲＺ信号パルス（λS ＝１５５２ｎｍ）を長さ５０ｋｍの第１のＳＭＦ（分散：＋１８．１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）で伝送したのち、ＤＦＢレーザダイオードによりλC ＝１５４８ｎｍの光に波長変換し、この変換光を長さ５１ｋｍの第２のＳＭＦ（＋１７．８ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）で伝送した。
【００８６】
図７の（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ送信及び１０１ｋｍ伝送後のパルス形状を示す。送信された信号光に対して変換光のパルス形状が再現されており（図７の（ｂ））、変換光が信号光に対して位相共役関係を満足していることがわかる。比較のため、位相共役光発生器を用いずに１０１ｋｍ伝送した場合のパルス形状を図７の（ｃ）に示す。波長分散及び光カー効果によるパルス形状の歪みが著しい。
【００８７】
以上の実験結果より、ＤＦＢレーザダイオードを用いた位相共役光発生器によって、５０Ｇｂ／ｓ相当の高速光信号（パルス）の波形歪みを補償することができることがわかる。
【００８８】
上述したように、ポンプ光をＤＦＢレーザダイオード内で発生させると、プローブ光とポンプ光とを結合するための機構が不要となり、位相共役光発生器の構造が簡素化する。従って、位相共役光発生器が組み込まれる光通信装置の小型化が可能になる。
【００８９】
図８は図１に従う位相共役光発生器の第１実施形態を示す図である。信号光ビームＥS を第１の偏波成分ＥS1及び第２の偏波成分ＥS2に偏波分離するために、第１の偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３２が用いられている。第１の偏波成分ＥS1は、ポンプ光ＥP1を発生するように駆動されている第１のＤＦＢレーザダイオード１（＃１）に供給され、第１の位相共役光ビームＥC1がＤＦＢレーザダイオード（＃１）から出力される。偏波成分ＥS1、ポンプ光ＥP1及び位相共役光ビームＥC1の偏波面は一致している。
【００９０】
第２の偏波成分ＥS2のために第２のＤＦＢレーザダイオード１（＃２）が用いられる。ＤＦＢレーザダイオード１（＃２）は第２のポンプ光ＥP2を発生するように駆動されている。ここでは、ＤＦＢレーザダイオード１（＃１及び＃２）の各々の駆動回路その他の図示は省略されており（以下同様）、ポンプ光ＥP1及びＥP2の偏波面は平行であるとする。
【００９１】
偏波成分ＥS1及びＥS2の偏波面は互いに直交しているので、第２の偏波成分ＥS2の偏波面が第２のポンプ光ＥP2の偏波面に一致して偏波成分ＥS2が第２のＤＦＢレーザダイオード１（＃２）に供給されるようにするために、１／２波長板（λ／２）３４が用いられている。
【００９２】
１／２波長板３４は偏波ビームスプリッタ３２とＤＦＢレーザダイオード１（＃２）との間に動作的に接続されている。
【００９３】
本出願において、ある要素と他の要素とが動作的に接続されるというのは、これらの要素が直接接続される場合を含み、更に、これらの要素の間で電気信号又は光信号の受渡しができる程度の関連性をもってこれらの要素が設けられている場合を含む。
【００９４】
ＤＦＢレーザダイオード１（＃２）からは第２の位相共役光ビームＥC2が出力される。第１及び第２の位相共役光ビームＥC1及びＥC2を偏波合成して１つの位相共役光ビームＥC を得るために、第２の偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３８が用いられている。ここでは、偏波ビームスプリッタ３８は偏波ビームスプリッタ３２に対応して設けられているので、ＤＦＢレーザダイオード１（＃１）からの第１の位相共役光ビームＥC1は１／２波長板３６によって偏波面を９０°回転された後偏波ビームスプリッタ３８に供給される。
【００９５】
信号光ビームＥS から位相共役光ビームＥC への変換効率の偏波依存性を完全に排除するためには、ＤＦＢレーザダイオード１（＃１及び＃２）として特性の等しいものを用いると共に、偏波ビームスプリッタ３２から偏波ビームスプリッタ３８に至るまでのＤＦＢレーザダイオード１（＃１及び＃２）をそれぞれ含む光路の長さを等しくすればよいが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００９６】
ＤＦＢレーザダイオード１（＃１及び＃２）の特性の同一性は、例えば、ポンプ光ＥP1及びＥP2のパワー及び波長が実質的に等しくなるような駆動条件によって与えられる。そのためには、例えば、図４に示される活性層１４におけるλ／４位相シフトの位置が適切に設定され、或いは、活性層１４に供給される電流の分布が調整される。
【００９７】
前述のようにλ／４位相シフトの位置が活性層１４の実質的な中点にあり、且つ、対称な構造が得られている場合には、駆動電流ＩC （電極２１ｂに注入される電流）を駆動電流ＩS （電極２１ａ及び２１ｃに注入される電流）に等しく設定することによって、後述するような双方向の位相共役光発生における変換効率を均等にすることができる。
【００９８】
尚、ＤＦＢレーザダイオード１（＃１及び＃２）の温度の調整によってポンプ光ＥP1及びＥP2のパワー又は波長が調整されてもよい。
【００９９】
この実施形態では、偏波面を９０°回転させるために、１／２波長板３４及び３６が用いられているが、他の構造によって偏波面を９０°回転させるようにしてもよい。
【０１００】
例えば、１／２波長板３４に代えて１本の偏波面保存ファイバ（ＰＭＦ）を用い、その一端の主軸が他端の主軸に対して９０°回転するようにそのＰＭＦをひねればよい。或いは、１／２波長板３４に代えて直列に接続された２本のＰＭＦを用い、これらの接続点においてそれぞれの主軸が直交するようにこれらを接続してもよい。
【０１０１】
尚、ＰＭＦを用いる場合における偏波分散を少なくするためには、前者の接続形態の方が望ましい。このＰＭＦを用いた偏波面の回転方法は本発明のすべての実施形態に適用可能である。
【０１０２】
尚、図８の第１実施形態は、信号光ビームＥS の入力ポートと位相共役光ビームＥC の出力ポートとについて対称な構成を有しているので、後述するような双方向光通信システムにこの位相共役光発生器を適用した場合に、上りチャネル及び下りチャネルの双方に対して位相共役光ビームを発生することができ、しかも変換効率が偏波状態に依存しない。
【０１０３】
図９は図１に従う位相共役光発生器の第２実施形態を示す図である。この実施形態は、図８の偏波ビームスプリッタ３２及び３８に代えて、導波路基板４０上に形成された偏波ビームスプリッタ３２′及び３８′が用いられている点で特徴付けられる。
【０１０４】
偏波ビームスプリッタ３２′及び３８′は、例えば、ＬｉＮｂＯ3 基板上に形成された導波構造によって提供される。この場合、１／２波長板３４及び３６の機能をなす素子は、ＬｉＮｂＯ3 光導波路とＳｉＯ2 膜等の組み合わせにより実現可能である。
【０１０５】
ＤＦＢレーザダイオード１（＃１及び＃２）は例えば導波路基板４０上に形成された溝内に収容されている。この場合、１／２波長板３４及び３６の使用によってＤＦＢレーザダイオード１（＃１及び＃２）の活性層を互いに平行に設定することができるので、製造が容易である。
【０１０６】
ところで、ＤＦＢレーザダイオードの前述したような対称性或いは双方向性によって、１台のＤＦＢレーザダイオードを用いて偏波ダイバーシティを実施することができる。具体的には次の通りである。
【０１０７】
図１０は図１に従う位相共役光発生器の第３実施形態を示す図である。ここでは、励振端１Ａ及び１Ｂを有する１台のＤＦＢレーザダイオード１と偏波分離及び偏波合成のための１台の偏波ビームスプリッタ４２とを含む光ループが構成されている。
【０１０８】
偏波ビームスプリッタ４２は４つのポート４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ及び４２Ｄを有している。ポート４２Ａ及び４２Ｃ間並びにポート４２Ｂ及び４２Ｄ間はＴＥ偏波面により結合されており、ポート４２Ａ及び４２Ｂ間並びにポート４２Ｃ及び４２Ｄ間はＴＭ偏波面により結合されている。
【０１０９】
ここで、「ＴＥ偏波面」及び「ＴＭ偏波面」という表現は、相対的に直交する２つの偏波状態を表現するために便宜的に用いたものである。図では、ＴＥ偏波面はＤＦＢレーザダイオード１の活性層及び紙面に平行であり、ＴＭ偏波面は紙面に垂直である。
【０１１０】
ポート４２ＣはＤＦＢレーザダイオード１の励振端１Ａに光学的に接続され、ポート４２Ｂは１／２波長板４４を介してＤＦＢレーザダイオード１の励振端１Ｂに光学的に接続されている。また、ポート４２Ｄは光学的に無反射終端されている。
【０１１１】
得られた位相共役光ビームＥC を信号光ビームＥS から分離（ドロッピング）するために、光サーキュレータ４６が用いられる。光サーキュレータ４６は３つのポート４６Ａ，４６Ｂ及び４６Ｃを有している。光サーキュレータ４６は、ポート４６Ａから入力した光をポート４６Ｂから出力し、ポート４６Ｂから入力した光をポート４６Ｃから出力するように機能する。
【０１１２】
ポート４６Ａは信号光ビームＥS が供給される入力ポート４８に接続されており、ポート４６Ｂは偏波ビームスプリッタ４２のポート４２Ａに接続されており、ポート４６Ｃは位相共役光ビームＥC の出力ポート５０に接続されている。
【０１１３】
ポート４８，４６Ａ及び４６Ｂを通ってポート４２Ａに供給された信号光ビームＥS は、偏波ビームスプリッタ４２によってＴＥ偏波面を有する第１の偏波成分ＥS1とＴＭ偏波面を有する第２の偏波成分ＥS2とに偏波分離される。
【０１１４】
第１の偏波成分ＥS1はポート４２ＣからＤＦＢレーザダイオード１の励振端１Ａに供給され、第２の偏波成分ＥS2はポート４２Ｂから１／２波長板４４を介してＤＦＢレーザダイオード１の励振端１Ｂに供給される。
【０１１５】
第２の偏波成分ＥS2が１／２波長板４４を通過することによって、その偏波面はＴＭ偏波面からＴＥ偏波面に変換される。従って、ＤＦＢレーザダイオード１に供給される第１及び第２の偏波成分ＥS1及びＥS2は共にＴＥ偏波面を有していることとなる。
【０１１６】
ＤＦＢレーザダイオード１において発生するポンプ光は主としてＴＥ偏波面を有しており、このポンプ光は、励振端１Ａから励振端１Ｂに向かう方向の第１のポンプ光成分ＥP1と励振端１Ｂから励振端１Ａに向かう方向の第２のポンプ光成分ＥP2とからなる。
【０１１７】
励振端１Ａに供給された第１の偏波成分ＥS1と第１のポンプ光成分ＥP1とに基づく四光波混合によってＤＦＢレーザダイオード１内においてはＴＥ偏波面を有する第１の位相共役光ビームＥC1が発生し、位相共役光ビームＥC1は励振端１Ｂから１／２波長板４４を通って偏波ビームスプリッタ４２のポート４２Ｂに供給される。従って、位相共役光ビームＥC1はポート４２ＢにおいてＴＭ偏波面を有することとなる。
【０１１８】
ＤＦＢレーザダイオード１の励振端１Ｂに供給された第２の偏波成分ＥS2と第２のポンプ光成分ＥP2とに基づく四光波混合によって、ＤＦＢレーザダイオード１内においては第２の位相共役光ビームＥC2が発生し、この位相共役光ビームＥC2はＴＥ偏波面を有したまま励振端１Ａから偏波ビームスプリッタ４２のポート４２Ｃに供給される。
【０１１９】
偏波ビームスプリッタ４２に供給された位相共役光ビームＥC1及びＥC2は偏波合成されて位相共役光ビームＥC となり、この位相共役光ビームＥC はポート４２Ａ，４６Ｂ，４６Ｃ及び５０をこの順に通って出力される。
【０１２０】
この実施形態では、前述した特徴を有する１台のＤＦＢレーザダイオード１が用いられているので、偏波成分ＥS1及びＥS2に対する変換効率を一致させるのが容易である。変換効率の一致は、例えば、前述したようなＤＦＢレーザダイオード１の動作条件の設定により容易に行うことができ、これにより、信号光ビームＥS の偏波状態に係わらず一定強度の位相共役光ビームＥC を得ることができる。
【０１２１】
また、この実施形態では、光ループにおける時計周りの光路長と反時計周りの光路長が同じであるので、位相共役光ビームＥC1及びＥC2の偏波合成をタイミングのあった状態で行うことができる。これにより、位相共役光発生器の正確な動作が確保される。
【０１２２】
偏波ビームスプリッタ４２としては、誘電体多層膜等の偏波分離膜を用いたもの、方解石等の結晶を用いたバルクタイプのもの、ファイバ型のものその他を用いることができる。
【０１２３】
位相共役光ビームＥC だけを抽出するために、出力ポート５０に光フィルタを接続してもよい。
【０１２４】
この実施形態における光ループは、レンズ系を用いた空間結合又は光ファイバ若しくは光導波路による結合によって提供することができる。特に光ファイバを用いる場合には、偏波状態を保持するために、偏波保持ファイバ（ＰＭＦ）の使用或いは偏波制御器の付加的な使用が採用される。ＰＭＦを用いる場合には、前述したように１／２波長板を省略することができるので便利である。
【０１２５】
図１１は図１０の実施形態の実証実験のための配置を示す図である。直線偏波として与えられる信号光ビームＥS が光サーキュレータ４６に供給され、その偏波面を０°〜１８０°の間の範囲で回転させるために、回転可能なポラライザ５２が用いられた。偏波ビームスプリッタ４２とＤＦＢレーザダイオード１の励振端１Ａは偏波面保存ファイバ（ＰＭＦ）５４により接続され、偏波ビームスプリッタ４２とＤＦＢレーザダイオード１の励振端１ＢはＰＭＦ５６によって接続された。
【０１２６】
ＴＥ偏波面を有する第１の偏波成分ＥS1がそのままの偏波状態でＤＦＢレーザダイオード１の励振端１Ａに供給されるようにするために、ＰＭＦ５４の両端における主軸の方向は一致している。これに対し、ＰＭＦ５６においては、１／２波長板４４を用いずにその機能を達成するために、ＰＭＦ５６の両端における主軸は互いに直交している。これにより、偏波ビームスプリッタ４２から出力されたＴＭ偏波面を有する第２偏波成分ＥS2は、ＴＥ偏波面を有する状態で励振端１ＢからＤＦＢレーザダイオード１に入力される。
【０１２７】
図１２を参照すると、図１１の実験で得られたデータが示されている。図１２において、縦軸は変換効率ηC （ｄＢ）を表し、横軸は偏波角θ（ｄｅｇ）を表している。変換効率ηC は、信号光ビームＥS のパワーをＰS ，位相共役光ビームＥC のパワーをＰC とするときに、ηC ＝ＰC ／ＰS で与えられる。また、偏波角θは、直線偏波として入力された信号光ビームＥS の偏波面とＴＥ偏波面とがなす角によって定義される。
【０１２８】
１つのＤＦＢレーザダイオードに信号光を一方向のみで入射する従来技術による場合、符号５８で示されるように、変換効率ηC が偏波角θに従って大きく変動し（ｃｏｓ2 θに比例）、θ＝９０°では全く変換されなかった。これに対して、図１０の第３実施形態によると、変換効率ηC について、偏波角θの変化に対して０．４ｄＢよりも小さい変動に抑えられており、システム設計上十分な特性が得られていることが確認された。
【０１２９】
尚、図１１及び図１２の実験に関する付加的な詳細は、Electronics Letters, Vol.33, No.4, pp.316-317, 1997 に記載されている。
【０１３０】
図１３は図１に従う位相共役光発生器の第４実施形態を示す図である。図１０の第３実施形態では、１チャネルの信号光ビームＥS に対して１チャネルの位相共役光ビームＥC を発生させているのに対して、この実施形態では、２チャネルの信号光ビームＥS10 及びＥS20 に対して２チャネルの位相共役光ビームＥC10
及びＥC20 を発生させている。
【０１３１】
図１０の第３実施形態の機能はこの実施形態に含まれているが、図１０のビームＥS ，ＥS1，ＥS2，ＥC1，ＥC2及びＥC の標記は、それぞれ、ＥS10 ，ＥS11
，ＥS12 ，ＥC11 ，ＥC12 及びＥC10 に変更されている。
【０１３２】
偏波ビームスプリッタ４２のポート４２Ｄは無反射終端されずに光サーキュレータ６２に接続されている。光サーキュレータ６２はポート６２Ａ，６２Ｂ及び６２Ｃを有している。
【０１３３】
光サーキュレータ６２はポート６２Ａから入力した光をポート６２Ｂから出力し、ポート６２Ｂから入力した光をポート６２Ｃから出力する。ポート６２Ａは第２チャネルの信号光ビームＥS20 の入力ポート６４に接続されており、ポート６２Ｂは偏波ビームスプリッタ４２のポート４２Ｄに接続されており、ポート６２Ｃは第２チャネルの位相共役光ビームＥC20 の出力ポート６６に接続されている。
【０１３４】
尚、第２チャネルにおける信号光ビームＥS20 から位相共役光ビームＥC20 への変換については、第１チャネルにおける信号光ビームＥS10 から位相共役光ビームＥC10 への変換に準じて容易に理解することができるので、その説明を省略する。ここでは、ＤＦＢレーザダイオード１はＴＭ偏波面を有するポンプ光をも発生しているものとする。
【０１３５】
一般的なＤＦＢレーザダイオードにおいては、ＴＥ偏波面を有するポンプ光とＴＭ偏波面を有するポンプ光との双方について必ずしも高い発生効率が得られないかもしれない。このような場合には、２つのＤＦＢレーザダイオードをカスケード接続して使用するとよい。具体的には次の通りである。
【０１３６】
図３３を参照すると、図１３の位相共役光発生器の変形例が示されている。ここでは、ＤＦＢレーザダイオード１と偏波ビームスプリッタ４２との間にもう１つのＤＦＢレーザダイオード１′が設けられており、ＤＦＢレーザダイオード１及び１′はカスケード接続されている。ＤＦＢレーザダイオード１は主としてＴＥ偏波面を有するポンプ光を発生し、ＤＦＢレーザダイオード１′は主としてＴＭ偏波面を有するポンプ光を発生する。
【０１３７】
この実施形態によると、信号光ビームＥS10 から位相共役光ビームＥC10 への変換には主としてＤＦＢレーザダイオード１が寄与し、信号光ビームＥS20 から位相共役光ビームＥC20 への変換には主としてＤＦＢレーザダイオード１′が寄与する。
【０１３８】
尚、ＤＦＢレーザダイオード１及び１′内における位相共役光の発生及び波長変換の原理についてはこれまでの実施形態に準じて容易に理解することができるのでその説明については省略する。
【０１３９】
図３３の構成においては、偏波ビームスプリッタ４２及び１／２波長板４４を含む光ループの中にＤＦＢレーザダイオード１及び１′が含まれているが、カスケード接続されたＤＦＢレーザダイオード１及び１′だけを取り出して位相共役光発生器を構成することもできる。即ち、この場合、ＤＦＢレーザダイオード１はＴＥ偏波面を有するポンプ光を発生し、ＤＦＢレーザダイオード１′はＴＭ偏波面を有するポンプ光を発生しているので、このようなカスケード接続されたＤＦＢレーザダイオード１及び１′のいずれか一方に信号光ビームを供給することによって、他方からは変換された位相共役光ビームが出力され、その場合における変換効率は入力信号光ビームの偏波状態には依存しない。また、カスケード接続されたＤＦＢレーザダイオード１及び１′は双方向性を有しているので、その位相共役光発生器を双方向伝送システムに適用した場合に双方向チャネルの双方について変換効率の偏波依存性を排除することができる。
【０１４０】
図１４の（ａ）及び（ｂ）は本発明による第２の方法を説明するための図である。図１４の（ａ）に示されるように、光ファイバ及び半導体光増幅器等のような三次の非線形光学媒質（χ(3) ）６８を用いて非縮退四光波混合により位相共役光を発生させる場合、角周波数ωS の信号光と角周波数ωP （ωP ≠ωS ）のポンプ光とが光カプラ７０を介して同一光路で非線形光学媒質６８に入力される。光カプラ７０を用いているのは、信号光及びポンプ光が異なる光源から出力されている場合にこれを同一光路で非線形光学媒質６８に供給しこれらの相互作用を可能にするためである。
【０１４１】
非線形光学媒質６８内における信号光及びポンプ光の四光波混合に基づき、角周波数２ωP −ωS の位相共役光が発生し、この位相共役光は信号光及びポンプ光と共に非線形光学媒質６８から出力される。
【０１４２】
尚、「非縮退」というのは、信号光の波長（角周波数）とポンプ光の波長（角周波数）とが異なるという意味で用いられている。信号光の波長、ポンプ光の波長及び位相共役光の波長は前述した関係を満たすので、位相共役光の発生と同時に波長変換が行われることになる。従って、この出願においては、発明の名称及び発明の属する技術分野を除き、「位相共役光の発生」というときには、プローブ光（信号光）から位相共役光への位相共役変換及び波長変換の意味を含む概念として理解されたい。
【０１４３】
図１４の（ｂ）に示されるように、ＤＦＢレーザダイオード１を非線形光学媒質として用いる場合、ＤＦＢレーザダイオード１への電流の注入によってＤＦＢレーザダイオード１内においてポンプ光が発生する。従って、ＤＦＢレーザダイオード１に外部から信号光だけを供給することによって位相共役光が発生し、信号光、ポンプ光及び位相共役光がＤＦＢレーザダイオード１から出力される。このようなＤＦＢレーザダイオード１の非線形光学媒質としての使用による効果は前述した通りである。
【０１４４】
ここで注目すべきは、ＤＦＢレーザダイオード１はファブリペロモードを有していないので、外部からの信号光の入力が可能であるだけでなく、信号光、ポンプ光及び位相共役光の取り出しが可能である点である。即ち、ＤＦＢレーザダイオード１及び非線形光学媒質６８を光学的にカスケード接続することによって、位相共役光のパワーを高めることができるのである。
【０１４５】
本発明による第２の方法においては、まず、ＤＦＢレーザダイオード１がポンプ光を発生するようにＤＦＢレーザダイオード１に電流が注入される。
【０１４６】
次いで、ＤＦＢレーザダイオード１に信号光が供給され、ＤＦＢレーザダイオード１内における信号光及びポンプを基づく四光波混合によって位相共役光が発生させられる。
【０１４７】
そして、ＤＦＢレーザダイオード１から出力された信号光、ポンプ光及び位相共役光が非線形光学媒質６８に供給され、非線形光学媒質６８内における四光波混合によって、位相共役光のパワーが高められる。
【０１４８】
本発明による第２の方法を実施する場合には、ＤＦＢレーザダイオード１から信号光、ポンプ光及び位相共役光が同一光路で出力されるので、これらを非線形光学媒質に供給する際に、図１４の（ａ）に示されるような光カプラ７０が不要である。その結果、ＤＦＢレーザダイオード１及び非線形光学媒質６８内において高いパワーのポンプ光を維持することが容易になり、信号光から位相共役光への変換効率を高くすることができる。
【０１４９】
本発明による第２の方法は本発明による第１の方法と組み合わせて実施することもできる。例えば、図１１に示される実証実験のための配置においては、ＤＦＢレーザダイオード１の２つの励振端１Ａ及び１Ｂにそれぞれ偏波面保存ファイバ（ＰＭＦ）５４及び５６が接続されている。
【０１５０】
一般に、光ファイバは３次非線形光学媒質としての性質を備えているから、図１１のファイバ５４及び５６内で３次非線形効果を生じさせることができれば、ファイバ５４及び５６内においてそれぞれ位相共役光ビームＥC2及びＥC1が増幅され、その結果、偏波合成により得られる位相共役光ビームＥC のパワーを高めることができる。具体的には次の通りである。
【０１５１】
３次非線形効果（具体的にはγの値）を高めるためには、非線形屈折率ｎ2 を大きくするかモードフィード径（ＭＦＤ）を小さくすればよい。非線形屈折率ｎ2 を大きくする方法としては、クラッドにフッ素等を添加しコアにＧｅＯ2 を高濃度に添加する方法がある。このような方法により、非線形屈折率ｎ2 の値として５×１０-20 ｍ2 ／Ｗ以上の大きな値が得られている。
【０１５２】
一方、ＭＦＤを小さくすることは、コアとクラッド間の非屈折率差やコアの形状の設計により可能である（ＤＣＦと同様）。
【０１５３】
これらの手法により、γ値として１５Ｗ-1ｋｍ-1を越える大きな値が得られている（通常のＤＳＦではγ≒２．６Ｗ-1ｋｍ-1）。また、このような大きなγ値のファイバを零分散ファイバとすることも可能である。
【０１５４】
変換効率はγＰＬの二乗に比例するから、上述のように特別に設計されたファイバ（特別なファイバ）においては、通常のＤＳＦと同様の３次非線形効果を生じさせるためには、その長さは２．６／１５（≒１／５．８）程度でよいことになる。例えば通常のＤＳＦを用いて３次非線形効果を生じさせるのに約２０ｋｍ程度の長さが必要であるとすれば、特別なファイバでは３〜４ｋｍ程度の長さで同様の効果が得られることになる。実際には、短くなる分損失が小さくなるので、更に特別なファイバの長さを短くすることができる。また、このような特別なファイバにおいては、零分散波長の制御の精度が向上するため、極めて広い変換帯域の実現が期待される。更に、数ｋｍ（例えば６ｋｍ）のファイバ長であれば、偏波面保存（偏波保持）能力が確保されているので、このような特別なファイバの本発明への適用は高い変換効率及び偏波依存性のない変換効率を得る上で極めて有用である。
【０１５５】
尚、本発明においてＤＦＢレーザダイオード内における２方向の変換における変換効率を等しくするためには、ＤＦＢレーザダイオード及びそれに付随して設けられる３次非線形光学媒質としての光ファイバの各々における変換効率を等しくしてもよいし、ＤＦＢレーザダイオードと各ファイバによる変換の総量が等しくなるようにしてもよい。
【０１５６】
以上のように、本発明による第１及び第２の方法を組み合わせることによって、変換効率の偏波依存性がなく且つ変換効率の高い位相共役光の発生が可能になる。
【０１５７】
図１５は図１４の（ａ）及び（ｂ）に従う位相共役光発生器の第１実施形態を示す図である。ここでは、非線形光学媒質６８として半導体光増幅器（ＳＯＡ）７０が用いられている。
【０１５８】
ＤＦＢレーザダイオード１はポンプ光ＥP を発生するように駆動されており、信号光ＥS がＤＦＢレーザダイオード１に供給される。ＤＦＢレーザダイオード１内における信号光ＥS 及びポンプ光ＥP に基づく四光波混合によって位相共役光ＥC が発生する。
【０１５９】
ＤＦＢレーザダイオード１からは信号光ＥS 、ポンプ光ＥP 及び位相共役光ＥC が出力され、これらはＳＯＡ７０に供給される。ＳＯＡ７０内において四光波混合によって位相共役光ＥC のパワーが高められ、その位相共役光ＥC はＳＯＡ７０から出力される。
【０１６０】
図１６を参照すると、図１４の（ａ）及び（ｂ）に従う位相共役光発生器の第２実施形態が示されている。ここでは、非線形光学媒質６８として光ファイバ７２が用いられている。光ファイバ７２としては単一モードファイバが望ましく、変換効率を高めるためには、光ファイバ７２の零分散波長をポンプ光の波長に実質的に一致させておくのが有効である。例えば、ポンプ光の波長が１．５μｍ帯にある場合には、分散シフトファイバ（ＤＳＦ）を光ファイバ７２として用いることによって、光ファイバ７２の零分散波長とポンプ光の波長とを一致させることができる。
【０１６１】
光ファイバ７２に供給される信号光ＥS 、ポンプ光ＥP 或いは位相共役光ＥC
のパワーが光ファイバ７２の誘導ブリユアン散乱（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＳＢＳ）のしきい値を越えると、変換効率が低下し、得られる位相共役光のパワーが減少する。
【０１６２】
ＳＢＳの影響を抑圧するためには、ポンプ光ＥP 或いは信号光ＥS について周波数変調又は位相変調を行えばよい。そのために、この実施形態では、ＤＦＢレーザダイオード１に変調回路７４が接続されている。変調速度は数百ＫＨｚ以下で十分であり、信号光における信号速度がＧｂ／ｓ以上である場合には、その変調による伝送品質の劣化は問題にはならない。
【０１６３】
変調回路７４は、例えば、図４に示される電極２１ａ，２１ｂ及び２１ｃのいずれかに供給される電流に変調速度に対応する低周波信号を重畳する。図４のＤＦＢレーザダイオード１は高い周波数変調効率を有しているので、容易にＳＢＳによる影響を抑圧することができる（S. Ogita, Y. Kotaki, M. Matsuda, Y. Kuwahara, H. Onaka, H. Miyata, and H. Ishikawa, “FM response of narrow-linewidth, multielectrode λ/4 shift DFB laser, ”IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.2, pp. 165-166, 1990.）。
【０１６４】
以下に本発明の光通信システムへの応用例を示す。
【０１６５】
図１７に示される応用例は、伝送光ファイバの波長分散と非線形光カー効果による波形歪みの補償を可能にしたシステムである。この応用については、前述した本発明者による出願（特願平６−５０９８４４号、特願平７−４４５７４号、特願平７−３０４２２９号、特開平７−９８４６４号及び特開平７−３０１８３０号）に開示された通りであるが、以下に説明する。
【０１６６】
送信機（ＴＸ）からの出力信号光ＥS を第１の光ファイバＦ１（長さＬ1 、分散Ｄ1 、非線形係数γ1 ）で光伝送した後、位相共役光発生器（ＰＣ）に入力する。ＰＣで位相共役光ＥC に変換し、第２の光ファイバＦ２（長さＬ2 、分散Ｄ2 、非線形係数γ2 ）で受信機（ＲＸ）まで光伝送する。受信機では、この位相共役信号光を受光器で受けて信号検出する。尚、送信信号の変調方式には光振幅（強度）、周波数、位相等あらゆる方式が適用可能であり、信号検出には位相共役光を帯域フィルタで抽出した後の光直接検波や光ヘテロダイン検波等が考えられる。
【０１６７】
また、ここで用いる光ファイバは多くの場合単一モードの石英ファイバ（ＳＭＦ）であり、光通信において一般的に用いられている１．３μｍ零分散光ファイバや１．５５μｍ分散シフトファイバ（ＤＳＦ）等がその代表例である。さらに、信号光は波長の異なる複数の光源からなる波長多重信号でもよい。
【０１６８】
光ファイバ内の波長分散と自己位相変調（Self Phase Modulation)による波形歪を図１７に示したシステムで補償するためには、ＰＣを挟んで対応する部分の分散と非線形効果の大きさを同じにすればよい。ここで、対応する部分とは、ＰＣから測った分散又は光カー効果の累積値が等しくなる２つの部分をいう。つまり、伝送路を分割したときに、ＰＣに近い側から順にＰＣに関して上記の意味で対象な位置にある各分割区間において分散と非線形効果の大きさを同じにすればよい。このことはまた、各分割区間内の分散値を同じにするとともに、各区間内で、
Ｄ1 ／γ1 Ｐ1 ＝Ｄ2 ／γ2 Ｐ2   …  （１ａ）
が成り立つようにすればよいことを示している。ここにＰ1 ，Ｐ2 は各部分における光パワーであり、
γj ＝ωｎ2j／ｃＡeffj  …  （２ａ）
は光ファイバ内の光カー効果の非線形係数を表す。ここに、ωは光角周波数、ｃは真空中の光速を表し、ｎ2jとＡeffjは光ファイバｊ（ｊ＝１，２）の非線形屈折率と有効コア断面積をそれぞれ表す。
【０１６９】
伝送路に沿って非線形効果の損失による減少を補償するためには、分散を小さくしていくか光カー効果を大きくすればよい。分散の値を変化させることは、光ファイバの設計により可能であり有望である。例えば、分散シフトファイバ(Dispersion Shifted Fiber)の零分散波長を変化させることや、光ファイバのコアとクラッドの比屈折率差やコア径を変えることにより現在盛んに行われている。一方、光カー効果を変化させることは、非線形屈折率を変化させたり光強度を変化させることにより可能となる。
【０１７０】
分散補償ファイバ(Dispersion Compensation Fiber) の分散値を、長手方向に光カー効果の変化に比例するように逓減する構造の分散逓減ＤＣＦ（ＤＤ−ＤＣＦ）と正常分散のＤＳＦによる伝送路によりシステムを構成することにより、高速・長距離伝送が可能となる。
【０１７１】
光アンプを用いた長距離伝送においては、正常分散ファイバを用いるのが光アンプの雑音光による非線形歪（変調不安定性；modulation instability）を低減する上でよいことがわかっており、この構成は有望である。
【０１７２】
上記の厳密な補償法の他に、光カー効果の変化がさほど大きくない場合（光アンプの中継間隔が非線形長に比べて十分短い場合など）には、以下のような平均パワーによる近似が成り立つ。
【０１７３】
Ｄ1 ′Ｌ1 ＝Ｄ2 ′Ｌ2       …    （３ａ）
γ1 Ｐ1 ′Ｌ1 ＝γ2 Ｐ2 ′Ｌ2     …    （４ａ）
ここに、Ｐ1 ′，Ｐ2 ′は、それぞれ光ファイバＦｊ（ｊ＝１，２）内の平均パワーであり、また、Ｄ1 ′，Ｄ2 ′はそれぞれ光ファイバＦｊの平均分散である。
【０１７４】
さらに、理想的な波形補償条件式（１ａ）は満たさないが、伝送路に逆符号の分散を配置することによる分散補償器を適宜配置することも可能である。
【０１７５】
この方法は、特に海底伝送のような長距離伝送において有効である。その理由は以下の通りである。
【０１７６】
即ち、ＰＣを用いた補償においては、その前後の光ファイバ内の波形歪を同じにする必要がある。このため、最も波形が歪んでいるのは、ＰＣの前後においてである。従って、ＰＣの位置においては、最も光パルスのスペクトルの拡がった状態になっている。一方、ＰＣ及び伝送路の光アンプからは雑音が付加されるが、この雑音によるＳ／Ｎ劣化はスペクトルが広いほど大きい。従って、ＰＣの前後でのスペクトル拡がりが少ないようにシステムを設計することは、伝送距離を延ばす上で非常に有効である。
【０１７７】
この意味において、伝送路途中の分散補償により伝送路の総分散値を小さくすることは有効である。
【０１７８】
次に、本発明を波長多重（ＷＤＭ）伝送システムに適用した例を図１８に示す。
【０１７９】
Ｎチャンネルの波長多重信号光ＥS1，ＥS2，…，ＥSN（周波数：ωS1，ωS2，…，ωSN）を、光ファイバＦ１により伝送した後、ＰＣによりＮチャンネルの波長多重位相共役光ＥC1，ＥC2，…，ＥCN（周波数：ωC1，ωC2，…，ωCN）に変換し、光ファイバＦ２により伝送した後受信する。
【０１８０】
ＰＣによる分散補償においては、ＰＣの前後で分散の符号が同一である必要があるから、零分散に対して図１９のような配置になる。光ファイバＦ１及びＦ２の零分散波長はそれぞれω10，ω20である。図の場合は、正常分散から正常分散への変換になっている。この場合、通常の伝送路には２次分散（分散傾斜）が存在するために、光ファイバＦ１では第１チャネル（ｃｈ．１）に対する分散の絶対値が最小であるのに対して、光ファイバＦ２においては第Ｎチャネル（ｃｈ．Ｎ）に対する分散の絶対値が最小になっている。従って、全チャネルに対して同時に完全な分散補償をすることは不可能である。
【０１８１】
全チャネルを等しく理想的に補償するためには図２０に示したように、各チャネル毎に信号光を別々の光ファイバＦ１１、光ファイバＦ１２、…、光ファイバＦ１Ｎで伝送し、その際、異なる分散に見合うパワー（Ｐ11, Ｐ12, …，Ｐ1N）で伝達する。光ファイバの出力光を１つのＰＣによる全チャネルの一括変換、または、各チャネル毎のＰＣ−１，ＰＣ−２，…，ＰＣ−Ｎで位相共役光に変換し、これらを共通の光ファイバＦ２で伝送して受信する。この際の各チャネルの分散と非線形効果は上記で述べた方法で補償する。
【０１８２】
図２１は本発明の第３の応用例を示す図である。送信機ＴＸ−１，…，ＴＸ−Ｎは互いに異なる波長（光周波数）の信号光ＥS1，ＥS2，…，ＥSNを出力する。これらの信号光の角周波数はωS1，ωS2，…，ωSNである。
【０１８３】
これらの信号光は複数の第１の光ファイバＦ１１，…，Ｆ１Ｎによって伝送され、スターカプラ等からなる光マルチ／デマルチプレクサによって加え合わされると共に分岐される。
【０１８４】
分岐された信号光はそれぞれ位相共役光発生器ＰＣ−１，…，ＰＣ−Ｍへ供給される。位相共役光発生器ＰＣ−１，…，ＰＣ−Ｍは供給された複数の信号光の少なくとも１つに対応する位相共役光を発生する。発生した位相共役光はそれぞれ光フィルタＯＦ１，…，ＯＦＭ，を透過した後複数の第２の光ファイバＦ２１，…，Ｆ２Ｍによってそれぞれ光受信機ＲＸ−１，…，ＲＸ−Ｍへ伝送される。  複数の第２の光ファイバによって伝送される位相共役光は、Ｅ′C1，Ｅ′C2，…，Ｅ′CN）で示されている。
【０１８５】
第１の光ファイバＦ１ｊ（ｊ＝１，…，Ｎ）のそれぞれの長さはＬ1J、分散はＤ1j、非線形係数はγ1jであり、各信号光のパワーはＰ1jであるとする。また、第２の光ファイバＦ２ｋ（ｋ＝１，…，Ｍ）のそれぞれの長さはＬ2k，分散はＤ2k，非線形係数はγ2kであり、各位相共役光のパワーはＰ2kであるとする。
【０１８６】
このとき、次の２つの条件が満足されるように各パラメータが設定される。
【０１８７】
Ｄ1jＬ1j＝Ｄ2kＬ2k＝（一定）
γ1jＰ1j／Ｄ1j＝γ2kＰ2k／Ｄ2k＝（一定）
尚、ここでの一定という意味には、各ファイバ内の任意の区間における平均値が一定であるということが含まれる。
【０１８８】
ここで、各第２の光ファイバＦ２ｋによる波形歪みの補償は、光フィルタＯＦｋの帯域を通過する位相共役光に対して最適化されるように設定されている。また、位相共役発生器ＰＣ−ｋと光フィルタＯＦｋの組み合わせによって抽出されるチャネルＥ′Ckは、信号光の任意の１チャネル又はその近傍の光フィルタの帯域に含まれる複数のチャネルの位相共役光である。
【０１８９】
例えば、送信機ＴＸ−１，…，ＴＸ−Ｎ及びファイバＦ１１，…，Ｆ１Ｎが送信端局内に設けられている場合、各ファイバＦ１ｊにおける分散又は非線形効果を等しく設定しておく。この場合、各受信機ＲＸ−ｋが所望のチャネルを選択することができるように、当該ファイバＦ２ｋに対して当該位相共役光発生器ＰＣ−ｋ及び当該光フィルタＯＦｋの機能の組み合わせが制御される。このような制御は、例えば各位相共役光発生器におけるポンプ光の波長制御及び／又は各光フィルタの通過中心波長の制御によってなされる。そのためには、チューナブル光フィルタの適用が望ましい。
【０１９０】
このシステムは、例えば、第２の光ファイバが伝送路として用いられている場合には分配システムとして機能し、第２の光ファイバが受信局或いは中継器内にある場合にはチャンネル交換（クロスコネクト）システムとして機能する。
【０１９１】
図２２は本発明の第４の応用例を示す図である。このシステムは、図２１と対比して、複数の光送信機ＴＸ−１，…，ＴＸ−Ｎに対して共通の第１の光ファイバＦ１が用いられている点で特徴づけられる。
【０１９２】
この変更に伴い、第１の光ファイバＦ１の入力端は光マルチプレクサを介して各光送信機ＴＸ−ｊに接続され、出力端は光デマルチプレクサを介して各位相共役光発生器ＰＣ−ｋに接続される。
【０１９３】
この共通の第１の光ファイバＦ１における分散は全チャネルに対してほぼ一定になるようにされている。例えば、第１の光ファイバＦ１としては、前述のＤＤ−ＤＣＦ、分散の大きな分散シフトファイバ、１．５５μｍ帯の信号光に対する１．３μｍ帯零分散ファイバ、１．３μｍ帯の信号光に対する１．５５μｍ帯零分散ファイバを用いることにより、上述の条件を満足することができる。
【０１９４】
このような共通の第１の光ファイバＦ１に対して、各第２の光ファイバＦ２ｋが本発明の条件を満足することにより、各チャネルについて最適な受信状態を得ることができる。
【０１９５】
図２３は本発明の第５の応用例を示す図である。ここでは、第１の光ファイバとして、比較的大きな分散のＮ個の光ファイバＦ１１′，…，Ｆ１Ｎ′と比較的小さな分散の共通の光ファイバＦ１′とを組み合わせたものが用いられている。  光ファイバＦ１１′，…，Ｆ１Ｎ′と光ファイバＦ１′とは光マルチプレクサによって接続されており、光ファイバＦ１′と各位相共役光発生器ＰＣ−ｋとは光デマルチプレクサによって接続されている。
【０１９６】
このシステムにおいても、第１の光ファイバと第２の光ファイバについて所定の条件を満足させることによって、各チャネルについて波形歪みを良好に補償することができ、最適な受信状態を得ることができる。
【０１９７】
これらの機能を総合した波長多重伝送システムの構成例を図２４に示す。
【０１９８】
波長多重信号を第１の光ファイバを伝送後、分岐し、各チャネル毎に最適な波長の位相共役光に変換、抽出する。これら波長多重位相共役信号光を合成して第２の光ファイバで受信機まで伝送する。この構成をとれば、伝送路に２次分散がある場合でも全てのチャネルの波形歪みを完全に補償可能である。
【０１９９】
本発明の双方向光伝送システムへの応用例を図２５に示す。
【０２００】
第１の端局内のＴＸ−１からの波長λS1の信号光ＥS1を光ファイバＦ１を伝送後、ＤＦＢ−ＬＤ内において同じ方向の発振光（ポンプ光）ＥP1を用いて波長λC1の位相共役光ＥC1に変換し、光ファイバにＦ２により伝送した後、第２の端局内のＲＸ−１で受信する。一方、第２の端局内のＴＸ−２からの波長λS2の信号光ＥS2を光ファイバＦ２により伝送後、ＤＦＢ−ＬＤ内において同じ方向の発振光（ポンプ光）ＥP2を用いて波長λC2の位相共役光ＥC2に変換し、光ファイバＦ１により伝送後第１の端局内のＲＸ−２で受信する。
【０２０１】
このとき、光ファイバＦ１及び光ファイバＦ２により伝送する信号光の波長は、各伝送路に用いる帯域フィルタの透過帯域内にあることが望ましい。即ち、λS1とλC2、及びλC1とλS2が同じ透過帯域にあるように設定することになる。勿論、このときの各信号光は波長多重信号光であってもよい。
【０２０２】
次に、位相共役光発生器を用いた光波ネットワークの実現例について説明する。図２６は光波ネットワークの原理を説明するための図である。
【０２０３】
光送信機（ＯＳ）２０２は信号ビームを出力する。
【０２０４】
第１の光ファイバ２０４は、信号ビームの入力端及び出力端にそれぞれ相当する第１端２０４Ａ及び第２端２０４Ｂを有している。第２端２０４Ｂには第１の位相共役光発生器（１ｓｔ  ＰＣ）２０６が動作的に接続されている。
【０２０５】
第１の位相共役光発生器２０６は、第１の光ファイバ２０４から供給された信号ビームを第１の位相共役ビームに変換して出力する。
【０２０６】
第２の光ファイバ２０８は、第１の位相共役ビームの入力端及び出力端にそれぞれ相当する第３端２０８Ａ及び第４端２０８Ｂを有している。第４端２０８Ｂには第２の位相共役光発生器（２ｎｄ  ＰＣ）２１０が動作的に接続される。
【０２０７】
第２の位相共役光発生器２１０は、第２の光ファイバ２０８から供給された第１の位相共役ビームを第２の位相共役ビームに変換して出力する。
【０２０８】
第３の光ファイバ２１２は、第２の位相共役ビームの入力端及び出力端にそれぞれ相当する第５端２１２Ａ及び第６端２１２Ｂを有している。
【０２０９】
第３の光ファイバ２１２によって伝送された第２の位相共役ビームを受けるために、光受信機（ＯＲ）２１４が設けられている。
【０２１０】
第２の光ファイバ２０８の途中にはシステム中間点２１６が設定される。システム中間点２１６は後程定義される。
【０２１１】
第２の光ファイバ２０８は、第３端２０８Ａ及びシステム中間点２１６の間の第１の部分２８１と、システム中間点２１６及び第４端２０８Ｂの間の第２の部分２８２とからなる。
【０２１２】
本発明では、光ファイバ２０４，２０８及び２１２における各パラメータが次のようにして設定される。
【０２１３】
先ず、第１の光ファイバ２０４がＮ個（Ｎは１より大きい整数）の区間２０４（＃１，…，＃Ｎ）に仮想的に分割され、第２の光ファイバ２０８の第１の部分２８１も同じ数の区間２８１（＃１，…，＃Ｎ）に仮想的に分割される。このとき、第１の位相共役光発生器２０６から数えて対応する２つの区間の波長分散の平均値及び区間長の積が実質的に一致するようにされる。即ち、第１の光ファイバ２０４において第１の位相共役光発生器２０６から数えてｉ（１≦ｉ≦Ｎ）番目の区間２０４（＃ｉ）の波長分散（または分散パラメータ）の平均値及び区間長をそれぞれＤ1i及びＬ1iとし、第２の光ファイバ２０８の第１の部分２８１において第１の位相共役光発生器２０６から数えてｉ番目の区間２８１（＃ｉ）の波長分散（または分散パラメータ）の平均値及び区間長をそれぞれＤ2i及びＬ2iとするときに、
Ｄ1iＬ1i＝Ｄ2iＬ2i    …（１）
が満足される。
【０２１４】
更に、区間２０４（＃ｉ）における光パワーの平均値及び非線形係数の平均値をそれぞれＰ1i及びγ1iとし、区間２８１（＃ｉ）における光パワーの平均値及び非線形係数の平均値をそれぞれＰ2i及びγ2iとするときに、
Ｐ1iγ1iＬ1i＝Ｐ2iγ2iＬ2i    …（２）
が満足される。
【０２１５】
一方、第２の光ファイバ２０８の第２の部分２８２がＭ個（Ｍは１より大きい整数）の区間２８２（＃１，…，＃Ｍ）に仮想的に分割され、第３の光ファイバ２１２も同じ数の区間２１２（＃１，…，＃Ｍ）に仮想的に分割される。
【０２１６】
このとき、第２の光ファイバ２０８の第２の部分２８２において第２の位相共役光発生器２１０から数えてｊ（１≦ｊ≦Ｍ）番目の区間２８２（＃ｊ）の波長分散の平均値及び区間長をそれぞれＤ3j及びＬ3jとし、第３の光ファイバ２１２において第２の位相共役光発生器２１０から数えてｊ番目の区間２１２（＃ｊ）の波長分散の平均値及び区間長をそれぞれＤ4j及びＬ4jとするときに、
Ｄ3jＬ3j＝Ｄ4jＬ4j    …  （３）
が満足される。更に、区間２８２（＃ｊ）における光パワーの平均値及び非線形係数の平均値をそれぞれＰ3j及びγ3jとし、区間２１２（＃ｊ）における光パワーの平均値及び非線形係数の平均値をそれぞれＰ4j及びγ4jとするときに、
Ｐ3jγ3jＬ3j＝Ｐ4jγ4jＬ4j    …  （４）
が満足される。
【０２１７】
図２６においては、第１の位相共役発生器２０６の前後で波形歪みは一旦大きくなるが、（１）式及び（２）式の条件により、システム中間点２１６において波長分散及び非線形性が補償され、波形は一旦元の状態に戻る。この回復した波形は再び第２の位相共役発生器２１０の前後で歪むが、（３）式及び（４）式の条件により、光受信機２１４においては、波長分散及び非線形性が補償された結果、波形は再び元に戻る。
【０２１８】
また、図２６の構成は、海底等に敷設される可能性のある第２の光ファイバ２０８についての長さ等のパラメータの設定誤差に対して寛容である。即ち、システム中間点２１６において例え波形が完全に元の状態に戻らないとしても、この不完全性を第２の部分２８２、第２の位相共役光発生器２１０及び第３の光ファイバ２１２で再現することによって、光受信機２１４において波形を完全に元に戻すことができるのである。
【０２１９】
図２７を参照すると、波長分散及び非線形性の補償の原理が示されている。この補償原理は図１７その他においても同じである。ここでは、光送信機２０２からシステム中間点２１６に至るまでの補償の原理が説明される。先ず、図２７の説明に先立ち、位相共役波の一般的事項について説明する。
【０２２０】
光ファイバ伝送における光信号Ｅ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）＝Ｆ（ｘ，ｙ）φ（ｚ，ｔ）ｅｘｐ〔ｉ（ωｔ−ｋｚ）〕の伝搬は、一般に以下の非線形波動方程式によって記述可能である。ここに、Ｆ（ｘ，ｙ）は横方向のモード分布、φ（ｚ，ｔ）は光の複素包路線を表し、このφ（ｚ，ｔ）は光の周波数ωに比べて十分にゆっくり変化すると仮定する。
【０２２１】
【数１】
2008033368.tif 000003
【０２２２】
ここに、Ｔ＝ｔ−β1 ｚ（β1 は伝搬定数）、αはファイバの損失、β2 はファイバの波長分散を表し、
【０２２３】
【数２】
2008033368.tif 000004
【０２２４】
は、３次の非線形係数（光カー効果の係数）を表す。ここに、ｎ2 とＡeff はそれぞれファイバの非線形屈折率と有効コア断面積を表す。ｃは真空中の光速である。ここでは１次分散までを考慮し、それより高次の分散は省略した。また、α，β，γはｚの関数であるとし、それぞれα（ｚ），β（ｚ），γ（ｚ）と表されるものとする。更に、位相共役光発生器の位置を原点（ｚ＝０）とする。ここで、以下の規格化関数を導入する。
【０２２５】
【数３】
2008033368.tif 000005
【０２２６】
ここに、
【０２２７】
【数４】
2008033368.tif 000006
【０２２８】
は、振幅を表し、α（ｚ）＞０の場合は伝送路が損失を持ち、α（ｚ）＜０の場合は利得を持つことをそれぞれ表す。Ａ（ｚ）≡Ａ（０）は損失無しの場合を表す。また、Ａ（ｚ）2 ＝Ｐ（ｚ）は光パワーに相当する。（７），（８）式を（５）式に代入すると、次の発展方程式が得られる。
【０２２９】
【数５】
2008033368.tif 000007
【０２３０】
ここで以下の変換を行う。
【０２３１】
【数６】
2008033368.tif 000008
【０２３２】
その結果、（９）式は以下のように変換できる。
【０２３３】
【数７】
2008033368.tif 000009
【０２３４】
ここで、ｓｇｎ［β2 ］≡±１は、β2 ＞０，即ち正常分散の場合には＋１を、β2 ＜０，即ち以上分散の場合には−１をそれぞれとる。（１１）式が成り立てばその複素共役も成り立ち、次の式が得られる。
【０２３５】
【数８】
2008033368.tif 000010
【０２３６】
複素共役光ｕ* はｕに対する発展方程式と同じ発展方程式に従う。但し、その際の伝搬方向は反転する。この動作は正しく位相共役器の動作である。特に透過型の位相共役器においては上記のことは波長分散とＳＰＭとによる位相シフトを反転させることと等価である。
【０２３７】
ここで、図２７においては、第１の光ファイバ２０４の長さはＬ1 であり、第２の光ファイバ２０８の第１の部分２８１の長さはＬ2 であるとする。また、位相共役光発生器２０６はｚ軸座標及びζ座標の原点ｚ＝０（ζ＝０）に配置される。システム中間点２１６のｚ座標及びζ座標はそれぞれＬ2 及びζ0 である。
【０２３８】
第１の光ファイバ２０４においては、信号ビームｕ（Ｅｓ）は発展方程式（１１）に従って伝搬する。位相共役光発生器２０６により信号ビームｕは位相共役ビームｕ* （Ｅｃ）に変換される。位相共役ビームｕ* は第２の光ファイバ２０８の第１の部分２８１において発展方程式（１２）式に従って伝搬する。
【０２３９】
このときζ軸上の位相共役光発生器２０６の位置（ζ＝０）に関して対称な位置にある任意の２点−ζ，ζにおける規格化距離ｄζ内において、（１１）式の右辺第１、２項の係数が等しくなるように各パラメータの値を設定すれば、ζにおけるｕ* は−ζにおけるｕの位相共役波となる。即ち、次の２式が条件となる。
【０２４０】
【数９】
2008033368.tif 000011
【０２４１】
（１３）式は第１の光ファイバ２０４及び第１の部分２８１の分散の符号が等しい必要性を示している。ファイバ内では、γ＞０，Ａ（ｚ）2 ＞０であることを考慮すると、上記条件は次のようにまとめることができる。
【０２４２】
【数１０】
2008033368.tif 000012
【０２４３】
第１の光ファイバ２０４内の（−ζ）における波長分散とＳＰＭとによる位相シフトは位相共役光発生器２０６により符号が反転する。従って、この位相シフトによる波形歪みは第１の部分２８１内の（ζ）における位相シフトによる歪みにより補償される。このように区間毎に上記のような設定による補償を繰り返していけば、全長に渡る補償が可能となる。
【０２４４】
次に、上記の補償条件をｚ座標で記述する。（１５）式より、
【０２４５】
【数１１】
2008033368.tif 000013
【０２４６】
を得る。即ち、各区間内での非線形係数と光パワーの積に対する波長分散の比を等しくすることが条件となる。ここで、−ｚ1 ，ｚ2 は次の式を満足させる２点である。
【０２４７】
【数１２】
2008033368.tif 000014
【０２４８】
（１６），（１７）式より（１８），（１９）式が得られる。
【０２４９】
【数１３】
2008033368.tif 000015
【０２５０】
ｄｚ1 ，ｄｚ2 はそれぞれ−ｚ1 ，ｚ2 における小区間の長さであり、各区間長は当該区間内の分散に反比例するか或いは非線形係数と光パワーの積に反比例する。ここで、分散β2 と分散パラメータＤの関係、Ｄ＝−（２πｃ／λ2 ）β2
を考慮すれば、（１８），（１９）式より以下の関係が得られる。Ｄはｚの関数であり、Ｄ（ｚ）とも表される。
【０２５１】
【数１４】
2008033368.tif 000016
【０２５２】
分散及び非線形性についていずれも位相共役光発生器２０６に関して対称な２つの位置の一方における増加分と他方の減少分とが等しいことが補償の条件であることがわかる。
【０２５３】
（２０），（２１）式は、補償のための必要条件であり、対応する２つの区間で総分散量と光カー効果の総量とが等しくなることを示している。即ち、（１）式乃至（４）式の条件の有効性が確認された。
【０２５４】
特にα，Ｄ及びγが一定であり且つパワーの変動が小さい場合には（２０），（２１）式を積分すれば、
Ｄ1 Ｌ1 ＝Ｄ2 Ｌ2     …  （２２）
γ1 Ｐ1 Ｌ1 ＝γ2 Ｐ2 Ｌ2   …  （２３）
を得る。ここで、Ｐ1 ，Ｐ2 はそれぞれ第１の光ファイバ２０４及び第１の部分２８１における平均パワーである。また、Ｄ1 ，γ1 はそれぞれ第１の光ファイバ２０４の分散パラメータの平均値及び非線形係数の平均値、Ｄ2 ，γ2 はそれぞれ第１の部分２８１の分散パラメータの平均値及び非線形係数の平均値である。（２２），（２３）式は分散補償及び平均値近似によるＳＰＭの補償法における条件と一致する。
【０２５５】
実用的には、（２２）式の条件を満足するだけでも本発明を実施することができる。即ち、本発明によると、信号ビームの入力端及び出力端にそれぞれ相当する第１端及び第２端を有する第１の光ファイバと、上記第２端に動作的に接続され上記信号ビームを位相共役ビームに変換して出力する位相共役光発生器と、上記位相共役ビームの入力端及び出力端にそれぞれ相当する第３端及び第４端を有する第２の光ファイバとを備え、上記第１の光ファイバの波長分散の平均値及び長さの積は上記第２の光ファイバの波長分散の平均値及び長さの積に実質的に一致する光ファイバ通信システムが提供される。
【０２５６】
望ましくは、（２３）式の条件を満足するために、上記第１の光ファイバにおける光パワーの平均値及び非線形係数の平均値並びに上記第１の光ファイバの長さの積は上記第２の光ファイバにおける光パワーの平均値及び非線形係数の平均値並びに上記第２の光ファイバの長さの積に実質的に一致する。
【０２５７】
第１及び第２の光ファイバを含む光路上に複数の光増幅器が設けられている場合には、これらのうちの隣り合う２つの光増幅器の間隔を光路（光ファイバ）の非線形長よりも短く設定するのが望ましい。
【０２５８】
図２７においては、システム中間点２１６の上流側における補償の原理が示されている。システム中間点２１６の下流側における補償の原理はこれと同じようにして理解することができるのでその説明を省略する。
【０２５９】
図２７による説明においては、（１０）式に示されるように、位相共役光発生器２０６からの波長分散の累積値によって規格化座標が定義されている。その結果、要求される条件は、（１５）式により示されているように、位相共役光発生器２０６からの波長分散の累積値が等しい第１の光ファイバ２０４及び第１の部分２８１上の２点の各々における光パワー及び非線形係数の積と波長分散との比が実質的に一致することである。
【０２６０】
図２７においては、位相共役光発生器２０６からの非線形効果の累積値（即ち光パワー及び非線形係数の積の累積値）によって規格化座標が定義されてもよい。この場合には、位相共役光発生器２０６からの当該累積値が等しい第１の光ファイバ２０４及び第１の部分２８１上の２点の各々における光パワー及び非線形係数の積と波長分散との比が実質的に一致することが条件となる。
【０２６１】
以上の説明の通り、位相共役光発生器に接続される第１の光ファイバと第２の光ファイバとの間で、光ファイバの総分散量と光カー（Ｋｅｒｒ）効果との総量とが等しくなるように設定することにより、第１の光ファイバに入力される光パルス波形と第２の光ファイバから出力される光パルス波形とがほぼ同一の形状を有するように位相共役光発生器により補償されることがわかる。即ち、光パルスの送信側（第１の光ファイバの入力端）と光パルスの受信側（第２の光ファイバの出力端）において、ほぼ同一形状の光パルス波形が得られることとなり、これらの入力端、出力端に光ＡＤＭ（Add Drop Multiplexer：光信号挿入分岐装置）を設けることにより、光ＡＤＭでは、受信光パルスが送信光パルスとほぼ同一の状態で受信することが可能となる。そのため、各ＡＤＭにおいて、受信光パルスのＳＮＲを劣化させることなく、受信光パルスの再生（波形整形・タイミング再生）処理を不要にすることが可能となり、柔軟性に富んだシステムの構築が可能になる。この原理を応用した所謂光波ネットワークについて以下に説明する。
【０２６２】
図２８は、位相共役光発生器を用いたリング型光波ネットワークを示す図である。図において、各ノード（Ｎｏｄｅ）１，２，３はそれぞれ光ＡＤＭであり、外側光ファイバリング（単一モード光ファイバ伝送路）と内側光ファイバリング（同じく、単一モード光ファイバ伝送路）とに接続されている。
【０２６３】
各ノード１，２，３間の外側光ファイバリングと内側光ファイバリングの途中には、位相共役光発生器（ＰＣ１２，ＰＣ２１，ＰＣ２３，ＰＣ３２，ＰＣ１３，ＰＣ３１）が設けられている。各ＰＣ又は各ノードは、それぞれ、入力側光ファイバリングと出力側光ファイバリングの総分散量と光カー効果との総量とが等しくなる位置に設けられている。
【０２６４】
ノード１はノード２へ信号を波長λ１２の光波を用いて送信し、ノード２はノード１へ信号を波長λ２１の光波を用いて送信する場合について説明する。ノード１は、λ１２の光波を外側光ファイバリング１０１に送信する。
【０２６５】
ＰＣ１２は、光ファイバリング１０１から受信したλ１２の光波の位相共役光λ′１２を発生する。ＰＣ１２としては、前述のＤＦＢ−ＬＤを用いるのが好適である。
【０２６６】
ＰＣ１２は、λ１２の位相共役光λ′１２を光ファイバリング１０２に入力し、ノード２へ送信する。
【０２６７】
ノード２では、光ファイバリング１０２より、λ′１２の光波を受信し、これをノード１からの光信号として扱う。
【０２６８】
ＰＣ１２を、光ファイバリング１０１と光ファイバリング１０２との総分散量と光カー効果の総量とが等しくなる位置に設けることにより、ノード１で外側光ファイバリングに挿入される光信号λ１２とほぼ同一波形の位相共役光λ′１２をノード２において外側光ファイバリングから分岐することができる。従って、ノード２では、受信光信号の複雑な波形整形・タイミング再生を行う必要はなくなる。
【０２６９】
ノード２からノード１へ信号を送信する場合は、内側光ファイバリングを用いる。即ち、ノード２からノード１への信号を波長λ２１の光波を用いて送信する場合、λ２１の光波を光ファイバリング１０３に送信する。
【０２７０】
ＰＣ２１では、光ファイバリング１０３から受信した光波λ２１の位相共役光λ′２１を発生し、光ファイバリング１０４に送信する。
【０２７１】
ノード１では、光ファイバリング１０４より、光波λ′２１を受信し、この光波λ２１′をノード２からの送信信号として受信する。
【０２７２】
ＰＣ２１を、光ファイバリング１０３と光ファイバリング１０４との総分散量と光カー効果の総量とが等しくなる位置に設けることにより、ノード２で内側光ファイバリングに挿入される光信号λ２１とほぼ同一波形の位相共役光λ′２１をノード１において内側光ファイバリングから分岐することができる。
【０２７３】
従って、ノード１においても、受信光信号の複雑な波形整形・タイミング再生を行う必要はなくなる。
【０２７４】
ノード１からノード３への通信は、内側光ファイバリング１０６を経由して波長λ１３を用いて行い、ノード３からノード１への通信は外側光ファイバリング１０５を経由して波長λ３１の光波を用いて行う。
【０２７５】
ＰＣ１３は、λ１３の位相共役光λ′１３を発生して、光ファイバリング１０８に入力し、ノード３は、λ′１３の光波をノード１からの光信号として受信する。
【０２７６】
また、ノード３からノード１への通信は、外側光ファイバリング１０７を経由して行う。ＰＣ３１は、λ３１の位相共役光λ′３１を発生し、光ファイバリング１０５に入力する。ノード１は、λ′３１の光波をノード３からの光信号として受信する。
【０２７７】
同様に、ノード２からノード３への通信は、外側光ファイバリング１１２を経由して波長λ２３を用いて行い、ノード３からノード２への通信は内側光ファイバリング１０９を経由して波長λ３２の光波を用いて行う。
【０２７８】
ＰＣ２３は、λ２３の位相共役光λ′２３を発生して、光ファイバリング１１０に入力し、ノード３は、λ′２３の光波をノード２からの光信号として受信する。
【０２７９】
また、ＰＣ３２は、λ３２の位相共役光λ′３２を発生し、光ファイバリング１１１に入力する。ノード２は、λ′３２の光波をノード３からの光信号として受信する。
【０２８０】
図２８に示すリング型光波ネットワークでは、光ファイバリングが断となった際にも、通信を継続可能である。即ち、光ファイバリング１０１が断となった場合、ノード１からノード２への通信は、内側光ファイバリング１０６，１０８，１０９，１１１からなる迂回路を用いて継続することが可能である。
【０２８１】
ここで、「光ファイバリングが断になる」というのは、光ファイバリングが物理的に損傷を受けて伝送不能になった場合を含み、更に、光ファイバリングが伝送容量のオーバーフローをきたして伝送困難になった場合を含む。
【０２８２】
この場合、ノード１は、波長λ１２の光波を光ファイバリング１０６に送信する。ＰＣ１３の位置には、ＰＣ１２′を設けておき、このＰＣ１２′により、λ１２の光波からλ″１２の位相共役光を発生し、光ファイバリング１０８に送信する。
【０２８３】
ノード３は、λ″１２の光波を通過させ、光ファイバリング１０９に送信する。ＰＣ３２の位置には、ＰＣ１２″を設けておき、光ファイバリング１１１から受信したλ″１２の光波から、λ′１２の位相共役光を発生し、光ファイバリング１１１に送信する。
【０２８４】
ノード２では、光ファイバリング１１１から受信したλ′１２の光波をノード１からの光信号として受信する。
【０２８５】
上記の場合、ＰＣ１３の位置に設けたＰＣ１２′と、ＰＣ３２の位置に設けたＰＣ１２″により、２段階の位相共役光発生が行われるため、２段階の波長変換が行われることになる。
【０２８６】
従って、ＰＣ１２′とＰＣ１２″で用いるポンプ光波長を適宜選択して、ノード１から受信する光波λ１２と、ノード２へ送信する光波λ′１２とが、ＰＣ１２における入力光波λ１２と位相共役光λ′１２の波長と等しくなるようにすることが好ましい。
【０２８７】
このように設定することにより、ノード１では、障害時にも同一の光源を用いることができ、また、ノード２でも同一の光受信系を用いることができる。
【０２８８】
従って、ノード１においては、ノード１への光源を１つだけ用意しておき、光スイッチにより、光ファイバリング１０１と接続するか、光ファイバリング１０６と接続するかを障害状況に応じて選択するだけでよい。
【０２８９】
この場合、ノード２では、光ファイバリング１０２及び光ファイバリング１１１をそれぞれ同一の受信系に接続しておくだけで、ノード１からの光波λ′１２を受信することが可能である。また、逆に、ノード１においては、常に光ファイバリング１０１及び光ファイバリング１０６に光波λ１２を送信し、ノード２において、障害状況に応じて、光ファイバリング１０２から光波λ′１２を受信するか、光ファイバリング１１１から光波λ′１２を受信するかを選択すればよい。
【０２９０】
以上において、ＰＣ１２′及びＰＣ１２″をＰＣ１３及びＰＣ３２と同一位置に設けることができるのは、ＰＣ１３が光ファイバリング１０６と光ファイバリング１０９の総分散量と光カー効果の総量とが等しくなる位置に設けられており、更に、ＰＣ３２が光ファイバリング１０９と光ファイバリング１１１の総分散量と光カー効果の総量とが等しくなる位置に設けられているからである。
【０２９１】
尚、ノード２からノード１への迂回路としては、光ファイバリング１１２，１１０，１０７，１０５の経路を用いることができ、ノード２からノード３への迂回路としては、光ファイバリング１０３，１０４，１０６，１０８の経路を用いることができ、更にノード３からノード２への迂回路としては、光ファイバリング１０７，１０５，１０１，１０２の経路を用いることができる。動作等は、上記のようにノード１からノード２への通信の迂回路の場合と同様である。
【０２９２】
尚、以上の例では、内側光ファイバリングと外側光ファイバリングとして別の光路を用いる場合を説明したが、光波λ１２とλ２１との波長として別の波長を用いることにより、同一の光路を用いて双方向光通信を行うこともできる。この場合は、外側光ファイバリングと内側光ファイバリングとが物理的に同一であるので、当然、それぞれの総分散量と光カー効果との総量とが等しくなるので、ＰＣ１２，ＰＣ２１をそれぞれ同じ位置に設けることができる。
【０２９３】
図２９には、ノード１の具体的構成を示す。図において、ＤＭＵＸは、光波長分離装置であり、光学的に異なる波長の光波に分離するものである。また、ＭＵＸは、光波長多重化装置であり、光学的に異なる波長の光を多重化して、１本の光ファイバに結合するためのものである。ノード２，３も同様に構成することができる。また、１本の光ファイバリングにて双方向光伝送を行う場合には、図の点線で示すように、光ファイバリング１０１をＤＭＵＸに接続し、光ファイバリング１０５をＭＵＸに接続すればよい。
【０２９４】
図３０は、位相共役光発生器ＰＣ１２，ＰＣ２１の具体的構成を示すものである。ＰＣ１２，ＰＣ１３′，ＰＣ３２′としては、前述したようにＤＦＢ−ＬＤを用いることが好適である。
【０２９５】
ＤＦＢ−ＬＤを用いることにより、位相共役光発生器を大幅に小型化・簡素化できるため、光波長多重通信において、図３０のように、各波長毎に位相共役光発生装置を設け、個別に波長変換を行うことができる。
【０２９６】
従って、位相共役光発生器の所要帯域を拡大するための制御の必要がなくなる。尚、図３０においては、位相共役光のみを光ファイバリングに入力するため（プローブ光、ポンプ光を除去するため）位相共役光の波長のみを透過する帯域通過光フィルタを設けている。
【０２９７】
図３１は、図２８の光波ネットワークの更に別の構成例を示すものである。図中、○は、図２８と同様のノードを示し特定の波長の光波の挿入・分岐機能を持つものである。この場合、図２８と異なるのは、位相共役光発生器ＰＣに、光分岐・切替機能を持たせている点である。ＰＣ１２１の具体的構成について、図３２を参照して説明する。
【０２９８】
いま、ＰＣ１２１は、ノード（Ｎｏｄｅ）１１側のサブ・ネットワーク（Ｓｕｂ−Ｎｅｔｗｏｒｋ）１から光信号を受信し、ノード１２側のサブ・ネットワークへ光信号を送信する場合を考える。ノード１１側のサブ・ネットワーク１は、光波長分離装置ＤＭＵＸに接続され、各波長毎に光波λ１１〜λ１ｊに分離される。λ１１〜λ１ｉの光波をサブ・ネットワーク１の光通信用として用いる場合、それぞれの光波λ１１〜λ１ｉの位相共役光を発生し、光フィルタにより、この位相共役光のみを抽出して、これらを光波長多重化装置ＭＵＸに入力して多重化し、サブ・ネットワーク１のノード１２側へ入力する。また、光波λ１ｍ〜λ１ｊをメイン・ネットワーク（Ｍａｉｎ−Ｎｅｔｗｏｒｋ）との通信用として用いる場合は、それぞれの光波λ１ｍ〜λ１ｊの位相共役光を発生し、光フィルタにより、この位相共役光のみを抽出して、これらを光波長多重化装置ＭＵＸに入力して、多重化し、メイン・ネットワークの光ファイバ１３０に入力する。この場合、ノード１１とＰＣ１２１との間の光ファイバ１３１とＰＣ１２１とノード１２との間の光ファイバ１３２との間で、総分散量及び光カー効果の総量とを等しく設定し、更に、ノード１１とＰＣ１２１との間の光ファイバ１３１とＰＣ１２１とノード１０との間の光ファイバ１３０との間で総分散量及び光カー効果の総量とを等しく設定する。
【０２９９】
尚、ノード１０においては、例えば、特公平６−６６９８２号に記載された光マトリクススイッチを用いて、光波の経路を切り替えることができる。この光マチリクススイッチを用いることにより、ＰＣ１２４，ＰＣ１２５，ＰＣ１２６のいずれへも光波信号を送信することができる。
【０３００】
尚、図２８乃至図３２の実施形態においては、ＤＦＢレーザダイオードを用いていない位相共役光発生器も採用可能である。この種の位相共役光発生器は、例えば、信号光ビームが供給される非線形光学媒質（例えば光ファイバ又は半導体光増幅器）と、ポンプ光を出力するポンプ光源と、ポンプ光を非線形光学媒質に供給するための光カプラとを備えている。非線形光学媒質内において信号光ビーム及びポンプ光に基づく四光波混合によって位相共役光ビームが発生し、位相共役光ビームは非線形光学媒質から出力される。
【０３０１】
図３４の（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）は図４のＤＦＢレーザダイオードの変形例を示す断面図である。図３４の（Ａ）は、各層１２，１４及び１５間の接合面に垂直な平面に対して傾斜した第１の端面（劈開面）と接合面に対して実質的に垂直な第２の端面（劈開面）とを有するＤＦＢレーザダイオードを示している。第１の端面には信号光ビームが供給され、第２の端面は信号光ビーム、ポンプ光及び位相共役光ビームを出力する。図３４の（Ａ）に示される構成においては、第１の端面からＤＦＢレーザダイオード内部に向けて反射する光は漏洩モードになるので、この反射光が導波路層１２内に導き入れられることが防止される。その結果、位相共役光ビームを安定に発生させることができる。従って、図３４の（Ａ）に示される構成は、図２，８，９，１５及び１６に示されるような一方向型の位相共役光発生器に適している。
【０３０２】
図３４の（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ図１０，１１，１３及び３３に示されるような双方向型の位相共役光発生器に適したＤＦＢレーザダイオードを示している。図３４の（Ｂ）及び（Ｃ）に示されるＤＦＢレーザダイオードの各々は、接合面に垂直な平面に対して傾斜した第１及び第２の端面（劈開面）を有している。図３４の（Ｂ）の第１及び第２の端面は互いにほぼ平行であり、図３４の（Ｃ）の第１及び第２の端面は互いに平行ではない。図３４の（Ｂ）又は（Ｃ）に示される構成によると、第１及び第２の端面の各々で反射した光が漏洩モードになるので、反射光が導波路層１２内に導き入れられることが防止される。その結果、ＤＦＢレーザダイオード内において互いに逆方向に伝搬する位相共役光ビームを安定に発生させることができる。
【０３０３】
反射光の影響を更に抑圧するために、図３４に示される変形例においては、第１及び第２の端面の何れか一方又は両方に反射防止膜（図４において符号２２で示されるものを参照）が設けられていてもよい。反射防止膜の適切な設計によって、０．１％よりも小さい反射率を得ることができる。
【０３０４】
図３５は図１０に示される位相共役光発生器の第１の変形例を示す図である。ここでは光帯域阻止フィルタ２０２が付加的に設けられている。フィルタ２０２は光サーキュレータ４６のポート４６Ｃと出力ポート５０との間に光学的に接続されており、フィルタ２０２はＤＦＢレーザダイオード１において発生したポンプ光成分ＥP1及びＥP2を除去する。
【０３０５】
図３６は図３５に示される光帯域阻止フィルタ２０２の透過率の波長特性を示している。フィルタ２０２はポンプ光成分ＥP1及びＥP2の波長λP を含む狭い阻止帯域を有している。即ち、波長λP の近傍の領域における透過率は実質的に０％であり、それ以外の領域における透過率は実質的に１００％である。図３６に示されるような波長特性は例えば光帯域阻止フィルタ２０２としてファイバグレーティングを用いることにより得ることができる。
【０３０６】
光学媒質（例えばガラス）の屈折率が光照射によって恒久的に変化する場合、その媒質は感光性であるといわれる。この性質を用いることにより、光ファイバのコアにファイバグレーティングを作製することができる。このようなファイバグレーティングの特徴は、グレーティングピッチ及びファイバモードの有効屈折率によって決定される共振波長近傍の狭い帯域で光をブラッグ反射させることである。ファイバグレーティングは、例えば、フェイズマスクを用いて波長２４８ｎｍ又は１９３ｎｍで発振するエキシマレーザを照射することによって作製することができる（K. O. Hill, B. Malo, F. Bilodeau, D. C. Johnson, and J. Albert, “Bragg gratings fabricated in monomode photosensitive optical fiber by UV exposure through a phase mask”, Applied Physics Letters, Vol.62, No.10, pp.1035-1037, March 8, 1993 ）。従って、ファイバグレーティングの共振波長を最適化することによって、波長λP を含む、光帯域阻止フィルタの狭い素子帯域を得ることができる。
【０３０７】
特に図３５に示される光帯域阻止フィルタ２０２の阻止帯域が波長λP に実質的に等しい中心波長を有する場合には、ＤＦＢレーザダイオード１内において発生したポンプ光成分ＥP1及びＥP2はフィルタ２０２により効果的に除去される。従って、ポンプ光成分ＥP1及びＥP2は出力ポート５０から出力されない。このように、受信局或いは光伝送路の下流側に配置される光デバイスに対するポンプ光の影響が低減され、位相共役光ビームの処理（抽出、増幅等）が容易になる。
【０３０８】
図３７は図１０に示される位相共役光発生器の第２の変形例を示す図である。図３５のフィルタ２０２に代えて２つの光帯域阻止フィルタ２０２（＃１及び＃２）が設けられている。フィルタ２０２（＃１）は１／２波長板４４とＤＦＢレーザダイオード１の励振端１Ｂとの間に光学的に接続されており、フィルタ２０２（＃２）はＤＦＢレーザダイオード１の励振端１Ａと偏波ビームスプリッタ４２のポート４２Ｃとの間に光学的に接続されている。フィルタ２０２（＃１及び＃２）の各々は、図３５に示されるフィルタ２０２と同等の波長特性、即ち図３６に示されるような波長特性を有している。従って、図３７に示される実施形態によると、ＤＦＢレーザダイオード１内において発生したポンプ光成分ＥP1及びＥP2はそれぞれフィルタ２０２（＃１及び＃２）により除去され、ポート５０から出力することはない。
【０３０９】
位相共役光発生器がＤＦＢレーザダイオードを含む場合、上述のような光帯域阻止フィルタを使用することの効果は絶大である。何故ならば、ＤＦＢレーザダイオードにおいて発生して出力されるポンプ光は、位相共役光を発生させるために非線形光学媒質に外部から導入したポンプ光の残留成分のパワーに比べて大きなパワーを有しているので、そのようなハイパワーなポンプ光の影響がその位相共役光発生器の下流側において生じ易いからである。
【０３１０】
図３８は図１０の位相共役光発生器の第３の変形例を示す図である。ここでは、入力ポート４８と光サーキュレータ４６のポート４６Ａとの間に光学的に接続される光帯域阻止フィルタ２０４が付加的に設けられている。フィルタ２０４は例えばファイバグレーティングからなる。フィルタ２０４は予め定められた波長を含む狭い阻止帯域を有している。上記予め定められた波長は、ＤＦＢレーザダイオード１内において四光波混合により発生する位相共役光ビームＥC1及びＥC2の波長λc に実質的に一致するように設定される。
【０３１１】
図３９の（Ａ）は図３８に示される光帯域阻止フィルタ２０４の透過率の波長特性を示している。波長λc の近傍の領域における透過率は実質的に０％であり、他の領域における透過率は実質的に１００％である。
【０３１２】
図３９の（Ｂ）は図３８に示される光帯域阻止フィルタ２０４を透過した光のパワースペクトルを示している。入力ポート４８に供給された入力光ビームは、ＡＳＥ（自然放出光）雑音と、波長λs にてＡＳＥ雑音に重畳された信号成分（Ｅs ）とを有している。入力光ビームが光帯域阻止フィルタ２０４を通過することによって、ＡＳＥ雑音の一部分が波長λc の近傍において除去される。
【０３１３】
図３９の（Ｃ）は図３８に示される位相共役光発生器から出力される光のパワースペクトルを示している。ＤＦＢレーザダイオード１内における信号光ビームＥs （偏波成分Ｅs1及びＥs2）及びポンプ光Ｅp （ポンプ光成分Ｅp1及びＥp2）に基づく四光波混合の結果、位相共役光ビームＥc （Ｅc1及びＥc2）が波長λc
において発生する。ＡＳＥ雑音は波長λc の近傍において予め除去されているので、得られた位相共役光ビームは良好な信号対雑音比（ＳＮＲ）を提供する。
【０３１４】
図４０は図１５に示される位相共役光発生器の変形例を示す図である。ＤＦＢレーザダイオード１と非線形光学媒質６８との間に光学的に接続された光増幅器２０６が付加的に設けられている。ＤＦＢレーザダイオード１はポンプ光Ｅp を発生するように駆動されており、信号光ビームＥs はＤＦＢレーザダイオード１に供給される。ＤＦＢレーザダイオード１内における信号光ビームＥs 及びポンプ光Ｅp に基づく四光波混合によって位相共役光ビームＥc が発生する。ＤＦＢレーザダイオード１から出力された信号光ビームＥs 、ポンプ光Ｅp 及び位相共役光ビームＥc は光増幅器２０６において増幅され、次いで非線形光学媒質６８に供給される。非線形光学媒質６８内においては、位相共役光ビームＥc が四光波混合によって強められ、非線形光学媒質６８から出力される。特にこの実施形態では、ポンプ光Ｅp が非線形光学媒質６８に供給される前に光増幅器２０６により増幅されているので、非線形光学媒質６８内における非線形効果が高められ、得られる位相共役光ビームＥc のパワーが効果的に増大される。
【０３１５】
波長１．５μｍ帯における増幅の場合、光増幅器２０６としてはエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）が適している。非線形光学媒質６８は、例えば、半導体光増幅器（ＳＯＡ）或いは分散シフトファイバ（ＤＳＦ）等の光ファイバである。光ファイバが非線形光学媒質６８として用いられており、その零分散波長がポンプ光Ｅp の波長に実質的に一致している場合、位相整合条件を容易に満足することができるので、得られる位相共役光ビームＥc のパワーを高めることができる。
【０３１６】
図４１は本発明による偏波無依存位相共役光発生器の実施形態を示す図である。この位相共役光発生器は、例えば図３３の光ループから取り出したようなカスケード接続されたＤＦＢレーザダイオード１及び１′を有している。ＤＦＢレーザダイオード１はＴＥ偏波面を有するポンプ光Ｅp を発生するように駆動され、ＤＦＢレーザダイオード１′はＴＭ偏波面を有するポンプ光Ｅp ′を発生するように駆動されている。ＤＦＢレーザダイオード１に供給される信号光ビームＥsはそれぞれＴＥ及びＴＭ偏波面に対応する偏波面を有する第１及び第２の信号成分からなる。第１の信号成分は、ＤＦＢレーザダイオード１内において第１の信号成分及びポンプ光Ｅp に基づく四光波混合プロセスを通して第１の位相共役光成分に変換され、第２の信号成分はＤＦＢレーザダイオード１を透過する。第２の信号成分は、次いで、ＤＦＢレーザダイオード１′内における第２の信号成分及びポンプ光Ｅp ′に基づく四光波混合プロセスを通して第２の位相共役光成分に変換され、ＤＦＢレーザダイオード１内において発生した第１の位相共役光成分はＤＦＢレーザダイオード１′を透過する。第１及び第２の位相共役光成分はＤＦＢレーザダイオード１′から位相共役光ビームＥc として出力される。この実施形態によると、第１及び第２の信号成分の両方が位相共役光ビームに変換されるので、変換効率の偏波依存性が小さくなる。
【０３１７】
図４２は図４１に示される位相共役光発生器の変形例を示す図である。ＤＦＢレーザダイオード１及び１′の各々がＴＥ及びＴＭ偏波モードに対して異なる透過率を有している場合、偏波依存性の減少の程度が悪くなる可能性がある。この可能性に対処するために、ここでは、ＤＦＢレーザダイオード１及び１′の間に偏波依存エレメント２０８が設けられている。エレメント２０８はＴＥ及びＴＭ偏波モードに対して異なる損失又は利得を有しており、エレメント２０８は、この位相共役光発生器における変換効率の偏波依存性が最小になるように設定又は調節されている。エレメント２０８としては、例えば光増幅器又は偏光子を用いることができる。
【０３１８】
ところで、位相共役変換がカスケード接続された第１及び第２の非線形光学媒質（例えば図１６に示されるＤＦＢレーザダイオード１及び光ファイバ７２）を含む位相共役光発生器において行なわれる場合、変換効率及び変換帯域は第１及び第２の非線形光学媒質における非線形効果の和によって決定される。ここで、変換帯域は、あるパワーの位相共役光ビームが得られる条件下におけるポンプ光及び信号光の最大の離調波長（離調周波数）で定義される。一般に、第２の非線形光学媒質としての光ファイバは第１の非線形光学媒質としてのＤＦＢレーザダイオード又は半導体光増幅器よりも広い変換帯域を有している。従って第１の非線形光学媒質としてのＤＦＢレーザダイオード又は半導体光増幅器と第２の非線形光学媒質としての光ファイバとの組み合わせは、高い変換効率及び広い変換帯域を有する位相共役光発生器を提供する。
【０３１９】
一般の目的で使用される分散シフトファイバ（ＤＳＦ）は、その非線形係数γとして約２．６Ｗ-1ｋｍ-1程度の値しか有しておらず、従って、十分な変換効率を得るためにはファイバ長を１０ｋｍ以上にすることが要求される。従って、ファイバ長を短くするのに十分大きな非線形係数γを有するＤＳＦの提供が要望されているのである。もし、第２の非線形光学媒質として使用されるＤＳＦの長さを短くすることができるとすれば、その零分散波長の管理が容易になり、従ってポンプ光の波長をＤＳＦの零分散波長に実質的に一致させるのが容易になり、その結果広い変換帯域を得ることができる。
【０３２０】
非線形係数γは、
γ＝ωｎ2 ／ｃＡeff 
で与えられる。ここで、ωは光周波数、ｎ2 及びＡeff はそれぞれ光ファイバの非線形屈折率及び有効コア断面積、ｃは光速である。従って、大きな非線形係数γを得るためには、非線形屈折率ｎ2 を大きくし或いは有効コア断面積Ａeff に対応するＤＳＦのモードフィールド径（ＭＦＤ）を小さくすることが有効である。非線形屈折率ｎ２を大きくすることは、例えば、クラッドにフッ素等をドープし或いはコアに高濃度のＧｅＯ2 をドープすることにより可能である。コアにＧｅＯ2 を２５乃至３０ｍｏｌ％ドープすることによって、非線形屈折率ｎ2 として５×１０-20 ｍ2 ／Ｗ以上の大きな値が得られている。ＭＦＤを小さくすることは、比屈折率差Δ又はコアの形状の設計により可能である。このようなＤＳＦの設計はＤＣＦ（分散補償ファイバ）の場合と同様である。例えば、コアにＧｅＯ2 を２５乃至３０ｍｏｌ％でドープし、且つ、比屈折率差Δを２．５乃至３．０％に設定することによって、４μｍよりも小さなＭＦＤの値が得られている。これらの総合効果として、１５Ｗ-1ｋｍ-1以上の大きな非線形係数γの値が得られている。
【０３２１】
他の重要な点として、このような大きな値の非線形係数γを提供するＤＳＦがポンプ帯域に含まれる零分散波長を有すべきことが挙げられる。零分散波長とポンプ帯域とのこのような一致性は、ファイバパラメータ（例えば比屈折率差Δ及びＭＦＤ）を次のようにして設定することにより可能である。通常の光ファイバにおいては、ＭＦＤを一定にした条件で比屈折率差Δを大きくすると分散値は正常分散領域で大きくなる。位相共役光発生器による前置補償或いは後置補償に用いられる前述のようなＤＤ−ＤＣＦはこのような原理により実現するものである。一方、コア径を大きくすると分散は減少し、逆にコア径を小さくすると分散は大きくなる。従って、ＭＦＤをポンプ帯域に適合するある値に設定した後に、零分散波長がポンプ光の予め定められた値に一致するようにコア径を調節すればよいのである。
【０３２２】
変換効率はγＰＬ（Ｐは光パワー、ＬはＤＳＦの長さ）の二乗に比例するから、大きな非線形係数γを有するＤＳＦは、通常のＤＳＦに比べて２．６／１５≒１／５．７程度の長さで同じ変換効率を達成可能である。前述のように十分大きな変換効率を得るためには通常のＤＳＦにあっては１０ｋｍ程度の長さが必要であるのに対して、このような大きな非線形係数γを有する光ファイバにあっては、１乃至２ｋｍ程度の長さで同様の変換効率を得ることができる。実際には、ファイバ長を短くすることができる分損失が小さくなるので、同じ変換効率を得るために更にファイバ長を短くすることができる。このような短い長さのＤＳＦにおいては、零分散波長の制御性がよくなり、従ってポンプ光の波長を零分散波長に実質的に一致するように容易に制御することができ、広い変換帯域を提供することができる。更に、数ｋｍのファイバ長であれば偏波面保存能力が確保されているので、このようなＤＳＦの本発明への適用は、高い変換効率及び広い変換帯域を達成し偏波依存性を排除する上で極めて有効である。
【０３２３】
位相共役光を発生するための非線形光学媒質として光ファイバを有している装置においては、変換帯域は光ファイバの分散により制限される。従って、光ファイバの長手方向の分散が完全に制御され、例えば全長（非線形長）に渡り唯一の零分散波長しかない場合には、ポンプ光の波長を零分散波長に合わせることにより、事実上無限大の（分散傾斜が直線状である範囲内で制限のない）変換帯域が得られる。実際には、光ファイバの製造技術上零分散波長が光ファイバの長手方向にばらつくため、位相整合条件が理想状態からずれ、これにより変換帯域が制限される。
【０３２４】
しかし、このような場合であっても、光ファイバを切断して複数の小区間に分割し、零分散波長の似ている区間同士をスプライス等により繋ぎ合わせてゆくことにより（当初のファイバ端から数えた順番とは違う順番で）、全長における平均分散は同じであるにもかかわらず、広い変換帯域を有する位相共役光発生装置を提供するのに適した光ファイバを得ることができる。
【０３２５】
或いはまた、十分広い変換帯域を得るのに必要な程度に高精度な分散制御が可能な長さ（例えば数百メートル以下）のファイバを予め多数用意しておき、所要の零分散波長のものを組み合わせて所要の変換効率を得るのに必要な長さのファイバを得、これを用いて位相共役光発生装置を製造することによって、広い変換帯域を得ることができる。
【０３２６】
尚、このようにして変換帯域を拡大する場合には、ポンプ光のパワーが高いファイバのポンプ光入力端の近くに零分散波長の小さい部分或いは零分散波長のバラツキの少ない部分を集めることが有効である。また、必要に応じて順次分割数を増やしたり、ポンプ光入力端から離れた位置で比較的分散値の大きなところでは、分散値の正負を交互に配置する等により適当に組み合わせることによって更に変換帯域を拡大することができる。
【０３２７】
このように、本発明のある側面によると、位相共役光を発生するための非線形光学媒質として光ファイバを有する装置を製造するための方法であって、（ａ）光ファイバを切断して複数の区間に分割するステップと、（ｂ）非縮退四光波混合による変換帯域が拡大されるように上記複数の区間を並べ替えて繋ぎ合わせるステップとを含む方法が提供される。
【０３２８】
望ましくは、上記複数の区間の各々の分散値（例えばポンプ光に対する分散値）が測定され、光ファイバにポンプ光を入力するときの入力端に近い側に比較的分散値の小さい区間が配置されるように上記複数の区間が並び替えられる。これにより、ポンプ光のパワーが高い部分で効果的に位相整合条件を得ることができるので、変換帯域が効果的に拡大される。
【０３２９】
望ましくは、上記複数の区間の少なくとも一部は分散値の正負が交互になるように繋ぎ合わされる。これにより、光ファイバの各部分の平均分散を小さく抑えることができるので、変換帯域の効果的な拡大が可能になる。
【０３３０】
本発明の他の側面によると、位相共役光を発生するための非線形光学媒質として光ファイバを有する装置を製造するための方法であって、（ａ）光ファイバを切断して複数の区間に分割するステップと、（ｂ）上記複数の区間の各々の分散値（例えばポンプ光に対する分散値）を測定するステップと、（ｃ）非縮退四光波混合による所要の変換帯域を得るのに十分小さい分散値を有する区間だけを選んで繋ぎ合わせるステップとを含む方法が提供される。
【０３３１】
次に、非線形効果を用いた変換帯域の拡大方法について説明する。非線形効果が大きな光ファイバ（ポンプ光のパワーＰ0 が大きい場合を含む）を想定し、信号光とポンプ光の周波数差をΩ（≡｜ωp −ωc ｜＝｜ωs −ωp ｜）とすると、四光波混合における位相不整合量Δｋは次式で与えられる。
【０３３２】
Δｋ＝β2 Ω2 ＋２γＰ0 
ここで、β2 はポンプ光の波長における分散値である。通常のファイバにおいては、２γＰ0 が十分に小さいので、位相整合（Δｋ＝０）のための条件はβ2
＝０で与えられる。これに対して、非線形効果の大きなファイバの場合には、２γＰ0 の値を無視することができないので、位相整合のための条件が変わってくる。２γＰ0 は常に正の値であるから、β2 がある負の値になることが位相整合の条件となる。即ち、ポンプ光の波長を異常分散領域に配置すればよい。このとき、最も位相整合のとれる離調周波数Ω1 は次式で与えられる。
【０３３３】
Ω1 ＝（２γＰ0 ／｜β2 ｜）1/2 
従って、γ及びＰ0 に対してポンプ光を適宜調整することにより、変換帯域をΩ1 付近まで広げることが可能となる。
【０３３４】
図４３及び４４は高い変換効率及び広い変換帯域を有する位相共役光発生器を示す図である。これらの位相共役光発生器の各々は、カスケード接続された第１の非線形光学媒質６８（＃１）と第２の非線形光学媒質６８（＃２）との組み合わせを有している。図４３は第１の非線形光学媒質６８（＃１）が半導体光増幅器（ＳＯＡ）７０を含む場合を示しており、図４４は第１の非線形光学媒質６８（＃１）がＤＦＢレーザダイオード１を含む場合を示している。図４３及び４４の双方共に、第２の非線形光学媒質６８（＃２）はＤＳＦ７２を含む。
【０３３５】
図４３の実施形態においては、供給された信号光ビームとポンプ光源２１０から出力されたポンプ光とが光カプラ２０９により加え合わされてＳＯＡ７０に入力される。ＳＯＡ７０内における信号光ビーム及びポンプ光に基づく四光波混合によって、位相共役光ビームが発生する。ＳＯＡ７０から出力された信号光ビーム、ポンプ光及び位相共役光ビームは次いでＤＳＦ７２に供給される。ＤＳＦ７２においては、四光波混合によって位相共役光ビームのパワーが高められ、その位相共役光ビームは次いでＤＳＦ７２から出力される。このようなＳＯＡ７０及びＤＳＦ７２の組み合わせを用いたプロセスにおいては、変換効率が高められる。
【０３３６】
変換帯域を広くし且つ変換効率を更に高めるために、ここでは光帯域通過フィルタ２１６、フォトディテクタ２１８及び制御ユニット２２０を含むフィードバックループが設けられている。ポンプ光源２１０は駆動回路２１２によって駆動されている。駆動回路２１２は、供給された制御信号に従ってポンプ光の波長を調節する。ＤＳＦ７２から出力された光は光カプラ２１４によって２つのビームに分けられ、これらのビームのうちの一方は光帯域通過フィルタ２１６に供給される。フィルタ２１６は位相共役光ビームの波長λc を含む狭い通過帯域を有している。フィルタ２１６を通過したビーム成分は、フォトディテクタ２１８によって光パワーに対応するレベル（例えば電圧レベル）を有する電気信号に変換される。制御ユニット２２０は、フォトディテクタ２１８から出力された信号を受け、フォトディテクタ２１８による検出光パワーがより高くなるように前述の制御信号を発生する。このようなフィードバック制御の結果として、ＳＯＡ７０及びＤＳＦ７２に供給されるポンプ光の波長は望ましい値（例えばＤＳＦ７２の零分散波長）に等しくなるように制御される。それによって、広い変換帯域及び高い変換効率が得られる。何故ならば、得られる位相共役光ビームのパワーが最大になるときにポンプ光の波長が最適値に等しいからである。ポンプ光源２１０としてレーザダイオードが用いられている場合には、ポンプ光の波長はレーザダイオードの注入電流或いは温度により変化させることができる。
【０３３７】
図４４に示される実施形態においては、制御ユニット２２０から出力される制御信号はＤＦＢレーザダイオード１の駆動回路７に供給される。駆動回路７は、供給された制御信号に基づいて、ＤＦＢレーザダイオード１内において発生するポンプ光の波長を制御する（図２乃至図５の説明を参照）。その結果、ポンプ光の波長は望ましい値（例えばＤＳＦ７２の零分散波長）に一致するように制御され、それにより広い変換帯域及び高い変換効率が得られる。ここではＤＦＢレーザダイオード１の駆動電流が制御されているが、ＤＦＢレーザダイオードの温度が制御されてもよい。
【０３３８】
図示はしないが、第１の非線形光学媒質６８（＃１）と第２の非線形光学媒質（＃２）との間に光増幅器を設けておき、第２の非線形光学媒質６８（＃２）に供給されるポンプ光のパワーが高くなるようにしてもよい。これにより変換効率が更に高まる。
【０３３９】
ところで、ＤＦＢレーザダイオード及び半導体光増幅器等の半導体非線形光学媒質における非縮退四光波混合プロセスにおいては、信号光ビームの波長がポンプ光の波長よりも長い場合（λp ＜λs ）の変換効率の方が、信号光の波長がポンプ光の波長よりも短い場合（λs ＜λp ）の変換効率よりも高い。これは次のような理由によるものと考えられている。半導体非線形光学媒質を用いた変換プロセスにおいては、次に示すような三次の非線形効果の総合効果に基づいて四光波混合が発生する。
【０３４０】
（１）キャリア密度の変調効果（帯域０．１ｎｍ以下）
（２）キャリアヒーティング効果（約１０ｎｍの帯域）
（３）スペクトルホールバーニング効果（帯域５０ｎｍ以上）
結果として、四光波混合プロセスを通して発生した光の位相関係は、λp ＜λs の場合には相乗されるのに対して、λs ＜λp の場合には互いにキャンセルアウトされるのである。従って、半導体非線形光学媒質を用いて位相共役光ビームを発生させる場合には、信号光ビームの波長をポンプ光の波長よりも長く設定しておくことによって、変換効率を高くすることができる。
【０３４１】
このような半導体非線形光学媒質における波長関係の制限は、半導体非線形光学媒質に波長関係の制限がない外部非線形光学媒質をカスケード接続することにより回避することができる。即ち、前述したような、第１の非線形光学媒質としてのＤＦＢレーザダイオード或いは半導体光増幅器と第２の非線形光学媒質としての光ファイバとの組み合わせは、上述のような波長関係の制限を回避して変換帯域を拡大する上で有効である。
【０３４２】
尚、半導体光増幅器と光ファイバとをカスケード接続する場合には、これらの順序は限定されない。
【０３４３】
また、異なる変換帯域を提供する第１及び第２の光ファイバをカスケード接続して位相共役光発生装置を提供する場合においても、狭い方の変換帯域に起因する帯域制限を排除することができるので、このような非線形光学媒質の組み合わせも変換帯域を拡大する上で有効である。
【図面の簡単な説明】
【０３４４】
【図１】本発明による第１の方法を示す図である。
【図２】本発明に適用可能な位相共役光発生器を示す図である。
【図３】図２のＤＦＢレーザダイオードの一部破断斜視図である。
【図４】図３におけるＩ−Ｉ線断面図である。
【図５】図２のＤＦＢレーザダイオードから出力される光のスペクトルの一例を示す図である。
【図６】変換効率の信号光周波数依存性を示すグラフである。
【図７】実験結果を示し、（ａ）は送信パルス波形、（ｂ）は位相共役光発生器（ＰＣ）を用いた場合における１０１ｋｍのＳＭＦ（単一モード光ファイバ）伝送後のパルス波形、（ｃ）はＰＣを用いない場合における１０１ｋｍのＳＭＦ伝送後のパルス波形である。
【図８】図１に従う位相共役光発生器の第１実施形態を示す図である。
【図９】図１に従う位相共役光発生器の第２実施形態を示す図である。
【図１０】図１に従う位相共役光発生器の第３実施形態を示す図である。
【図１１】図１０の実施形態の実証実験のための配置を示す図である。
【図１２】図１１の実験で得られたデータを示すグラフである。
【図１３】図１に従う位相共役光発生器の第４実施形態を示す図である。
【図１４】本発明による第２の方法を説明するための図である。
【図１５】図１４に従う位相共役光発生器の第１実施形態を示す図である。
【図１６】図１４に従う位相共役光発生器の第２実施形態を示す図である。
【図１７】本発明の応用例を示す光通信システムのブロック図である。
【図１８】本発明の波長多重伝送システムへの第１の応用例を示す図である。
【図１９】本発明を波長多重伝送システムに適用する際の周波数配置を説明するための図である。
【図２０】本発明の波長多重伝送システムへの第２の応用例を示す図である。
【図２１】本発明の波長多重伝送システムへの第３の応用例を示す図である。
【図２２】本発明の波長多重伝送システムへの第４の応用例を示す図である。
【図２３】本発明の波長多重伝送システムへの第５の応用例を示す図である。
【図２４】本発明の波長多重伝送システムへの第６の応用例を示す図である。
【図２５】本発明の双方向伝送システムへの応用例を示す図である。
【図２６】光波ネットワークの基本原理を説明する図である。
【図２７】図２６における補償原理の説明図である。
【図２８】位相共役光発生器（ＰＣ）を用いたリングネットワークのシステム構成例を示す図である。
【図２９】図２８におけるノード（Ｎｏｄｅ）１の構成図である。
【図３０】図２８におけるＰＣ（位相共役光発生器）の構成図である。
【図３１】図２８のリングネットワークを更に発展させたＷＤＭネットワーク（光波長多重ネットワーク）の一例を示す図である。
【図３２】図３１における位相共役光発生器（ＰＣ）１２１の構成例を示す図である。
【図３３】図１３の位相共役光発生器の変形例を示す図である。
【図３４】図４のＤＦＢレーザダイオードの変形例を示す図である。
【図３５】図１０の位相共役光発生器の第１の変形例を示す図である。
【図３６】図３５の光帯域阻止フィルタの透過率の波長特性を示す図である。
【図３７】図１０の位相共役光発生器の第２の変形例を示す図である。
【図３８】図１０の位相共役光発生器の第３の変形例を示す図である。
【図３９】図３８における光帯域阻止フィルタの作用を説明するための図である。
【図４０】図１５の位相共役光発生器の変形例を示す図である。
【図４１】本発明による偏波無依存位相共役光発生器の実施形態を示す図である。
【図４２】図４１の位相共役光発生器の変形例を示す図である。
【図４３】高い変換効率及び広い変換帯域を有する位相共役光発生器の実施形態を示す図である。
【図４４】高い変換効率及び広い変換帯域を有する位相共役光発生器の他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【０３４５】
１    ＤＦＢレーザダイオード
３２，３８，４２    偏波ビームスプリッタ
３４，３６，４４    １／２波長板
４６    光サーキュレータ
【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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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