(57)【要約】【課題】短尺、小型かつ軽量な光導波路の構成で光出力の大きい光波長変換を実現すること。【解決手段】４光波混合の励起光Ｌｐを発生する４光波混合励起光源３ａと、４光波混合の励起光Ｌｐと信号光Ｌｓとが入力される光導波路１とを備え、４光波混合を利用して光導波路１中で波長変換光Ｌｃを発生させ、波長変換光を光導波路１から出力する光波長変換装置であって、４光波混合を利用した波長変換が行われる光導波路１にラマン励起光を供給するラマン励起光源３ｂを備え、光導波路１中でラマン励起光による誘導ラマン散乱を利用して波長変換光Ｌｃを増幅する。【選択図】      図１
2004163558.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
４光波混合の励起光を発生する４光波混合励起光源と、前記４光波混合の励起光と信号光とが入力される光導波路とを備え、４光波混合を利用して前記光導波路中で波長変換光を発生させ、波長変換光を光導波路から出力する光波長変換装置であって、
４光波混合を利用した波長変換が行われる前記光導波路にラマン励起光を供給するラマン励起光源を備え、
前記光導波路中で前記ラマン励起光による誘導ラマン散乱を利用して前記波長変換光を増幅することを特徴とする光波長変換装置。
【請求項２】
前記４光波混合励起光源からの４光波混合の励起光を信号光の入力側から前記光導波路に入力し、
前記ラマン励起光源からのラマン励起光を信号光の出力側から前記光導波路に入力することを特徴とする請求項１に記載の光波長変換装置。
【請求項３】
前記４光波混合の励起光の周波数とラマン励起光の周波数とを異ならせることを特徴とする請求項１または２に記載の光波長変換装置。
【請求項４】
前記信号光が波長分割多重され、前記ラマン励起光が複数の異なる波長を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光波長変換装置。
【請求項５】
前記光導波路は、零分散波長が４光波混合の励起光の波長にほぼ等しいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光波長変換装置。
【請求項６】
前記光導波路は、偏波保持構造を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の光波長変換装置。
【請求項７】
前記光導波路は、フォトニック結晶構造を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の光波長変換装置。
【請求項８】
前記光導波路は、光ファイバで構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の光波長変換装置。
【請求項９】
前記光導波路は、平面光波回路で構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の光波長変換装置。
【請求項１０】
前記光導波路は、光導波路の材料が石英ガラス，テルライトガラス，酸化ビスマスおよび／またはフッ化ジルコニウムを含むガラスのうちのいずれかのガラスで構成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の光波長変換装置。
【請求項１１】
前記信号光は、信号波長帯が１．５μｍ帯，１．３μｍ帯，０．８μｍ帯のいずれかであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の光波長変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、波長分割多重（ＷＤＭ）などによる光通信システムに使用される光波長変換装置に関し、特に３次非線形光学効果である４光波混合を利用して波長変換を行う光波長変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットをはじめとする様々なマルチメディアの普及に伴って、光通信に対する大容量化の要求が大きくなっている。この要求を満たすべく波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）通信方式が用いられるようになった。このＷＤＭ通信方式では、１本の光ファイバを用いて複数の異なる波長の光信号を同時に伝送することから、新たな線路を敷設する必要がなく、ネットワークの伝送容量の飛躍的な増加をもたらすことを可能としている。
【０００３】
このようなＷＤＭ通信方式には、３次非線形光学効果である４光波混合を利用して波長変換を行う光波長変換装置が、波長を変えてパスを切り替える際などに利用されることが多い。
【０００４】
光ファイバ中の信号光に強い４光波混合の励起光を入力すると３次非線形光学効果である４光波混合により、信号光の波長とは異なる波長変換光を発生させることが可能となる。この波長変換光のみをフィルタなどにより取り出せば信号光の波長変換が達成される。
【０００５】
図５は、特許文献１に示された４光波混合を利用した従来の光波長変換装置を示すものである。また、図６は従来の光波長変換装置における光ファイバ中の光スペクトルを示すものである。
【０００６】
図５において、零分散シングルモード光ファイバ１０１（ＤＳＦ：Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｓｈｉｆｔｅｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒ）には、周波数ｆｓの信号光と、４光波混合の励起光源１０２からの周波数ｆｐの励起光とが光カプラ１０３を介して入力される。４光波混合の励起光源１０２から発光された周波数ｆｐの励起光が光カプラ１０３を介してＤＳＦ１０１に入力して信号光とともにＤＳＦ１０１中を破線矢印のように進む。この際、３次非線形光学効果である縮退４光波混合により、図６に示すように、周波数ｆｃ（＝２ｆｐ−ｆｓ）の波長変換光がＤＳＦ１０１中で発生する。光フィルタ１０４において信号光と４光波混合の励起光は阻止され、波長変換光のみが透過する。そして波長変換光のみが装置外に出力される。
【０００７】
他方、光ファイバ中の信号光を増幅するための技術として、誘導ラマン散乱を利用したラマン増幅がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
ラマン増幅では、光ファイバに強い励起光を入射すると、誘導ラマン散乱によって、励起光波長から約１００ｎｍ程度長波長側に利得が現れ、この励起された状態の光ファイバに、この利得を有する波長帯域の信号光を入射すると、この信号光が増幅されるというものである。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−７５１３６号公報
【特許文献２】
特開２００１−２８１７１５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記前者の従来技術においては、４光波混合により光ファイバ中で波長変換を行うことが可能であるが、波長変換光の発生効率が低く、波長変換光出力が小さいという問題があった。
【００１１】
また、後者の従来技術には、単に光ファイバ中の信号光をラマン増幅により増幅することしか開示されていない。
【００１２】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、短尺、小型かつ軽量な光導波路の構成で光出力の大きい光波長変換を実現する光波長変換装置を得ることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明にかかる光波長変換装置は、４光波混合の励起光を発生する４光波混合励起光源と、前記４光波混合の励起光と信号光とが入力される光導波路とを備え、４光波混合を利用して前記光導波路中で波長変換光を発生させ、波長変換光を光導波路から出力する光波長変換装置であって、４光波混合を利用した波長変換が行われる前記光導波路にラマン励起光を供給するラマン励起光源を備え、前記光導波路中で前記ラマン励起光による誘導ラマン散乱を利用して前記波長変換光を増幅することを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば１本の光導波路を波長変換媒体とラマン増幅媒体の両方に用いる構成にして、３次元非線形効果である４光波混合による波長変換と同時に誘導ラマン散乱現象による増幅作用を行うようにしている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光波長変換装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１６】
実施の形態１．
図１および図２を用いてこの発明の実施の形態１について説明する。図１はこの発明の実施の形態１にかかる光波長変換装置の構成を示す図であり、図２はこの発明の実施の形態１にかかる光波長変換装置における光スペクトルを示す図である。
【００１７】
この実施の形態１では、例えば光導波路として、石英ガラスを材料とする１．５μｍ帯の零分散シングルモード光ファイバ（ＤＳＦ）１を用いている。図１に示すように、光波長変換装置は、ＤＳＦ１、光カプラ２ａ，２ｂ、４光波混合励起光源３ａ、ラマン励起光源３ｂ、光フィルタ４および光アイソレータ５ａ，５ｂを備えている。
【００１８】
ＤＳＦ１の信号光の入力端には光カプラ２ａが接続され、ＤＳＦ１の出力端には光カプラ２ｂが接続されている。
【００１９】
光カプラ２ａには光アイソレータ５ａと４光波混合励起光源３ａが接続されている。光カプラ２ｂには光フィルタ４とラマン励起光源３ｂが接続されている。
【００２０】
光アイソレータ５ａは光を一方向のみに通過させる機能を有し、光カプラ２ａから出力される信号光の逆進を阻止して動作を安定化させるために設けられている。
【００２１】
４光波混合励起光源３ａは周波数ｆｐの４光波混合の励起光Ｌｐを発生する。励起光ＬｐはＤＳＦ１内で周波数ｆｓの信号光Ｌｓとの４光波混合により周波数ｆｃの波長変換光Ｌｃを発生させるための所定の波長をもつものである。４光波混合の励起光Ｌｐの波長は、ＤＳＦ１の零分散波長にほぼ等しくしている。
【００２２】
光カプラ２ａは光アイソレータ５ａを通過した信号光Ｌｓと、励起光源３ａから発生された４光波混合の励起光Ｌｐを合波してＤＳＦ１に入力する。すなわち、４光波混合の励起光Ｌｐは、信号光Ｌｓの入力側からＤＳＦ１に入力される。
【００２３】
ラマン励起光源３ｂは周波数ｆｐｒ（≠ｆｐ）のラマン励起光Ｌｐｒを発生する。周波数ｆｐｒの励起光ＬｐｒはＤＳＦ１内で周波数ｆｃの近傍域に利得帯域を有し、周波数ｆｃの波長変換光Ｌｃをラマン増幅させることができる所定の波長をもつ励起光である。ラマン励起光源３ｂから発生する励起光Ｌｐｒは、光カプラ２ｂを介してＤＳＦ１に入力される。光カプラ２ｂはＤＳＦ１内にある信号光Ｌｓ，励起光Ｌｐ，波長変換光Ｌｃを合波して光フィルタ４に出力するとともに、ラマン励起光源３ｂから発生した励起光ＬｐｒをＤＳＦ１に入力する。すなわち、ラマン励起光Ｌｐｒは信号光の出力側からＤＳＦ１に入力される。
【００２４】
光フィルタ４は入力される信号光Ｌｓ、４光波混合の励起光Ｌｐ、ラマン励起光Ｌｐｒを遮断し、波長変換光Ｌｃのみを通過させる。
【００２５】
光アイソレータ５ｂは光を１方向のみに通過させる機能を有し、光フィルタ４から出力される波長変換光Ｌｃの逆進を阻止して動作を安定化させる働きをする。
【００２６】
実施の形態１の動作について説明する。図２に示す周波数ｆｓの１．５μｍ帯の信号光Ｌｓが外部から光波長変換装置内に入力されると、この信号光Ｌｓは光アイソレータ５ａを介して、光カプラ２ａに入力される。
【００２７】
一方、励起光源３ａから発生した図２に示す周波数ｆｐの励起光Ｌｐも、光カプラ２ａに入力され、信号光Ｌｓと合波されてＤＳＦ１内に入力される。
【００２８】
このＤＳＦ１内に入力された周波数ｆｓの信号光Ｌｓと周波数ｆｐの４光波混合の励起光Ｌｐは３次元非線形効果である縮退４光波混合により、図２に示す周波数ｆｃ（＝２ｆｐ−ｆｓ）の波長変換光ＬｃをＤＳＦ１中で発生させる。
【００２９】
ラマン励起光源３ｂからは図２に示す周波数ｆｐｒのラマン励起光Ｌｐｒが発生される。ここでラマン励起光Ｌｐｒは光カプラ２ｂを介してＤＳＦ１中に後方から入力されるようにしているので、ラマン励起光に含まれる光雑音の影響が減り、低雑音のラマン増幅が可能となる。
【００３０】
ＤＳＦ１内に入力されたラマン励起光Ｌｐｒは、ＤＳＦ１内の波長変換光Ｌｃに対し誘導ラマン散乱現象による増幅作用を起こす。すなわち、図２に示すようにＤＳＦ１内では３次非線形効果である４光波混合による波長変換と同時に波長変換光に対する誘導ラマン散乱現象による増幅作用が行われる。
【００３１】
このようにして増幅された波長変換光Ｌｃは光カプラ２ｂを介して光フィルタ４に入力される。光フィルタ４では、信号光Ｌｓ、４光波混合の励起光Ｌｐ、およびラマン励起光Ｌｐｒの通過を阻止し、ラマン増幅された波長変換光Ｌｃのみを通過させる。
【００３２】
光アイソレータ５ｂは、このラマン増幅された波長変換光Ｌｃを外部に出力させる。なお、光アイソレータ５は動作条件によっては省略可能である。
【００３３】
このように実施の形態１によれば、１本の光ファイバを波長変換媒体とラマン増幅媒体に共用して、３次元非線形効果である４光波混合による波長変換と同時に誘導ラマン散乱現象による増幅作用を行うため、大きな光出力の波長変換光を出力することができる。また、光波長変換装置とラマン増幅装置とを別々に構成して縦続接続する場合と比べて、光ファイバが短尺で済む。そして、光ファイバが短尺で済む分だけ光ファイバの損失が小さくなり、波長変換効率が高くなるとともに、光波長変換装置の部品点数が減り、小型・軽量化できるという効果を有する。また、４光波混合の励起の周波数ｆｐとラマン励起光の周波数ｆｐｒとが異なるように構成しているので、光波長変換装置としての動作周波数の設定自由度が大きいという利点も有する。さらに、後方励起すなわち、ラマン励起光を波長変換光の出力側から同じ導波路に入力しているので、低雑音のラマン増幅が可能となる。
【００３４】
実施の形態２．
図３および図４を用いてこの発明の実施の形態２について説明する。図３はこの発明の実施の形態２にかかる光波長変換装置の構成を示す図であり、図４はこの発明の実施の形態２にかかる光波長変換装置における光スペクトルを示す図である。
【００３５】
実施の形態２においては波長分割多重させた複数の異なる周波数ｆｓ１〜ｆｓｎの信号光Ｌｓ１〜Ｌｓｎを入力するようにしており、これに対応して、４光波混合による波長変換光の周波数ｆｃｎ〜ｆｃ１の周波数域を利得帯域としてカバーできるように、複数の異なる周波数を持つラマン励起光を入力している。
【００３６】
光アイソレータ５ａには、複数の異なる周波数ｆｓ１〜ｆｓｎの信号光Ｌｓ１〜Ｌｓｎが入力される。ラマン励起光源３ｂ，３ｃは、周波数ｆｐｒ，ｆｐｒ２のラマン励起光Ｌｐｒ，Ｌｐｒ２を夫々発生する。光カプラ２ｃはラマン励起光源３ｂ，３ｃからの励起光Ｌｐｒ，Ｌｐｒ２を合波して、光カプラ２ｂを介してＤＳＦ１に入力する。他の構成要素の機能は、先の図１に示す実施の形態と同じである。
【００３７】
実施の形態２の動作について説明する。図４に示す複数の異なる周波数ｆｓ１〜ｆｓｎの１．５μｍ帯の信号光Ｌｓ１〜Ｌｓｎが外部から光波長変換装置内に入力されると、これらの信号光Ｌｓ１〜Ｌｓｎは光アイソレータ５ａを介して、光カプラ２ａに入力される。
【００３８】
一方、励起光源３ａから発生した図４に示す周波数ｆｐの４光波混合の励起光Ｌｐも、光カプラ２ａに入力され、信号光Ｌｓと合波されてＤＳＦ１内に入力される。
【００３９】
このＤＳＦ１内に入力された周波数ｆｓ１〜ｆｓｎの信号光Ｌｓ１〜Ｌｓｎと４光波混合の周波数ｆｐの励起光Ｌｐは３次非線形効果である４光波混合により、図４に示すように、複数の異なる周波数ｆｃｎ〜ｆｃ１（＝２ｆｐ−ｆｓ）の波長変換光Ｌｃｎ〜Ｌｃ１をＤＳＦ１中で発生させる。ＤＳＦ１の零分散波長を、４光波混合の励起光Ｌｐの波長にほぼ等しく設定することにより、より均一に各ＷＤＭ信号光を光波長変換することができる。
【００４０】
ラマン励起光源３ｂ，３ｃは図４に示すように、周波数ｆｐｒ，ｆｐｒ２のラマン励起光Ｌｐｒ，Ｌｐｒ２を発生し、これらのラマン励起光Ｌｐｒ，Ｌｐｒ２を光カプラ２ｃを介して光カプラ２ｂに入力する。
【００４１】
ＤＳＦ１内に入力されたラマン励起光Ｌｐｒ，Ｌｐｒ２は、ＤＳＦ１内の波長変換光Ｌｃｎ〜Ｌｃ１に対し誘導ラマン散乱現象による増幅作用を起こす。すなわち、この場合、２つのラマン励起光Ｌｐｒ，Ｌｐｒ２の利得帯域は、４光波混合による波長変換光の周波数ｆｃｎ〜ｆｃ１の周波数域をカバーすることができる。
【００４２】
したがって、図４に示すようにＤＳＦ１内では３次元非線形効果である４光波混合による波長変換（ｆｓ１〜ｆｓｎ→ｆｃｎ〜ｆｃ１）と同時にこれら波長変換光に対する誘導ラマン散乱現象による増幅作用が行われる。
【００４３】
このように増幅された波長変換光Ｌｃｎ〜Ｌｃ１は光カプラ２ｂを介して光フィルタ４に入力される。光フィルタ４では、信号光Ｌｓ１〜Ｌｓｎ、励起光Ｌｐ、およびラマン励起光Ｌｐｒ，Ｌｐｒ２の通過を阻止し、ラマン増幅された波長変換光Ｌｃｎ〜Ｌｃ１のみを通過させる。光アイソレータ５ｂでは、ラマン増幅された波長変換光Ｌｃｎ〜Ｌｃ１を外部に出力させる。
【００４４】
このように実施の形態２によれば、実施の形態１で説明した効果に加え、複数の波長のラマン励起光Ｌｐｒ，Ｌｐｒ２によりラマン増幅をするため、より均一に各ＷＤＭ波長変換光を増幅することができ、より光レベルの揃ったＷＤＭ波長変換光を大きい光出力で出力することが可能となる。
【００４５】
実施の形態３．
次にこの発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３では実施の形態１，２におけるＤＳＦ１を直線偏波状態を保持したまま光を伝搬可能な偏波保持光ファイバとし、信号光，４光波混合の励起光，およびラマン励起光の偏波をＤＳＦ１中でＤＳＦ１の偏波保持面に一致させている。
【００４６】
この実施の形態３によれば、ＤＳＦ１を偏波保持光ファイバとし、信号光，４光波混合の励起光，およびラマン励起光の偏波をＤＳＦ１中でＤＳＦ１の偏波保持面に一致させているので、４光波混合と誘導ラマン散乱の効率を高めることができる。
【００４７】
実施の形態４．
実施の形態４では実施の形態１，２における光導波路１をフォトニック結晶構造を有するファイバ（フォトニッククリスタルファイバ）としている。
【００４８】
光波長と同程度の寸法で屈折率が周期的に分布するような格子構造をもつ誘電媒体を「フォトニック結晶（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌ）」と呼び、従来にない光学性能や光制御を実現できる新しい技術として注目されている。このようなフォトニック結晶構造によって光ファイバを構成することにより、光導波性能や、４光波混合、誘導ラマン散乱といった非線形光学効果を様々に制御することができる。例えば、フォトニック結晶構造により、ラマン増幅性能と独立したパラメータとして、いわゆる構造分散を光ファイバに与えることができる。フォトニック結晶構造の設計により波長分散量を小さく、かつその波長依存性を均一に設定することにより、ＷＤＭ信号光に対する４光波混合による波長変換効率を高め、かつその波長依存性を均一にすることができる。
【００４９】
実施の形態５．
上記実施の形態においては、波長変換およびラマン増幅の媒体となる光導波路として光ファイバを用いた例を示したが、光導波路として、他に例えば、いわゆる平面光波回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ  ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）を用いても良い。平面光波回路を用いれば、光ファイバと同様に信号光や励起光を安定に導波できる上に、さらなる装置の小型・軽量化が可能である。
【００５０】
実施の形態６．
上記実施の形態においては、波長変換およびラマン増幅の媒体となる光導波路の材料として一般的な石英ガラスを用いた例を示したが、他に例えば、テルライトガラス，あるいは酸化ビスマスおよび／またはフッ化ジルコニウムを含むガラスなどを用いてもよい。また、上記実施の形態では信号波長帯を１．５μｍ帯としたが、０．８μｍまたは１．３μｍ帯などの任意の信号波長帯を用いてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば１本の光導波路を波長変換媒体とラマン増幅媒体の両方に用いる構成にして、３次元非線形効果である４光波混合による波長変換と同時に誘導ラマン散乱現象による増幅作用を行うため、大きな光出力の波長変換光を出力することができる。また、光波長変換装置とラマン増幅装置とを別々に構成して縦続接続する場合と比べて、光導波路が短尺で済む。さらに、光導波路が短尺で済む分だけ光導波路の損失が小さくなり、波長変換効率が高くなるとともに、光波長変換装置の部品点数が減り、小型・軽量化できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１にかかる光波長変換装置の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１にかかる光波長変換装置における光スペクトルを示す図である。
【図３】この発明の実施の形態２にかかる光波長変換装置の構成を示すブロック図である。
【図４】この発明の実施の形態２にかかる光波長変換装置における光スペクトルを示す図である。
【図５】従来技術を示すブロック図である。
【図６】従来技術における光スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１  零分散シングルモード光ファイバ（ＤＳＦ）、２ａ，２ｂ，２ｃ  光カプラ、３ａ  ４光波混合励起光源、３ｂ，３ｃ  ラマン励起光源、４  光フィルタ、５ａ，５ｂ  光アイソレータ。
【図１】
2004163558.tif 000003
【図２】
2004163558.tif 000004
【図３】
2004163558.tif 000005
【図４】
2004163558.tif 000006
【図５】
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【図６】
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