(57)【要約】【課題】光パルス信号を構成する光パルスの時間軸上でのパルス幅を広げず、また波長軸上での光パルスの光スペクトル半値幅を狭めることをしないで、光3R再生を可能とする。【解決手段】光パルス信号11を分波器18で分波して得られる第2経路20を伝播する光パルス信号21から光クロックパルス13を再生して、この光クロックパルスに光遅延回路14によって時間遅延を付加する。この光クロックパルスと合波器22によって第1経路10を伝播してきた光パルス信号19とを合波してQPM光導波路16に入力し、信号19のSH波を成長させつつ、かつ成長途上のこのSH波と光クロックパルスとのDF波を成長させ、QPM光導波路16から出力させる。このQPM光導波路から出力されるDF波を含む光線束17を波長フィルタ24でフィルタリングして、再生信号であるDF波のみを取り出すことで光再生信号25を得る。【選択図】図１
2005070694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光パルス信号から光クロックパルスを再生するステップと、
該光パルス信号と該光クロックパルスとの間の時間遅延差を調整するステップと、
前記光パルス信号の第2高調波を成長させつつ、かつ成長途上の該第2高調波と光クロックパルスとの差周波を発生させる波長変換ステップと
を含むことを特徴とする光信号再生方法。
【請求項２】
光パルス信号から光クロックパルスを再生する光クロック再生部と、
該光パルス信号と該光クロックパルスとの時間遅延差を調整する時間遅延差調整部と、
前記光パルス信号の第2高調波を成長させつつ、かつ成長途上の該第2高調波と該光クロックパルスとの差周波を発生させる波長変換部と
を具えることを特徴とする光信号再生装置。
【請求項３】
光パルス信号から光クロックパルスを再生するステップと、
前記光パルス信号の第2高調波を成長させてその成長を完了させるステップと、
前記光クロックパルスと前記第２高調波との間の時間遅延差を調整するステップと、
成長が完了された前記第2高調波と前記光クロックパルスとの差周波を発生させるステップと
を含むことを特徴とする光信号再生方法。
【請求項４】
光パルス信号から光クロックパルスを再生する光クロック再生部と、
前記光パルス信号の第2高調波を成長させその成長を完了させる第1波長変換部と、
前記光クロックパルスと前記第２高調波との時間遅延差を調整する時間遅延差調整部と、
成長が完了した前記第2高調波と前記光クロックパルスとの差周波を発生させる第2波長変換部と
を具えることを特徴とする光信号再生装置。
【請求項５】
第1波長の光パルス信号を、第1経路と第2経路とを伝播する第1波長の光パルス信号に分波するステップと、
該第2経路を伝播する光パルス信号から該第1波長とは異なる第2波長の光クロックパルスを再生するステップと、
該第2経路あるいは該第1経路に設置された光遅延回路で、前記第1波長の光パルス信号と前記第2波長の光クロックパルスとの時間遅延差を調整するステップと、
前記第1経路を伝播する第1波長の光パルス信号と前記第2経路を伝播する第2波長の光クロックパルスとを合波して波長変換部に入力するステップと、
該波長変換部で前記第1経路を伝播した第1波長の光パルス信号の第2高調波を成長させつつ、かつ成長途上の該第2高調波と前記第2波長の光クロックパルスとの差周波を発生させるステップと、
前記波長変換部から出力される第1波長の光パルス信号、前記第2高調波、前記第2波長の光クロックパルス及び前記差周波のうち、該差周波のみを取り出すステップと
を含むことを特徴とする光信号再生方法。
【請求項６】
第1波長の光パルス信号を、第1経路と第2経路とを伝播する第1波長の光パルス信号に分波する分波器と、
該第2経路を伝播する光パルス信号から該第1波長とは異なる第2波長の光クロックパルスを再生する光クロック再生部と、
第2経路または第1経路に設置され、光パルス信号と光クロックパルスとの時間遅延差を調整する光遅延回路と、
第1経路を伝播する第1波長の光パルス信号と第2経路を伝播する第2波長の光クロックパルスとを合波する合波器と、
前記第1経路を伝播した第1波長の光パルス信号の第2高調波を成長させつつ、かつ成長途上の該第2高調波と第2波長の光クロックパルスとの差周波を発生させる波長変換部と、
前記波長変換部から出力される第1波長の光パルス信号、前記第2高調波、前記第2波長の光クロックパルス及び前記第2高調波との差周波のうち、該差周波のみを取り出す波長フィルタと
を具えることを特徴とする光信号再生装置。
【請求項７】
請求項2または6に記載の光信号再生装置であって、前記波長変換部が、擬似位相整合型波長変換素子を具えて構成されることを特徴とする光信号再生装置。
【請求項８】
第1波長の光パルス信号を、第1経路と第2経路とを伝播する第1波長の光パルス信号に分波するステップと、
該第2経路を伝播する光パルス信号から該第1波長とは異なる第2波長の光クロックパルスを再生するステップと、
前記第1経路を伝播する第1波長の前記光パルス信号を、第1波長変換部に入力して第2高調波を成長させその成長を完了させるステップと、
該第1波長変換部から出力される成長が完了した該第2高調波と、前記第1経路を伝播した該第1波長の光パルス信号とのうち、該第2高調波だけを取り出すステップと、
前記第2経路または第1経路に設置された光遅延回路で、第2波長変換部に入射する前記光クロックパルスと前記第２高調波との時間遅延差を調整するステップと、
前記第2高調波と前記第2波長の光クロックパルスとを合波して第2の波長変換部に入力するステップと、
該第2波長変換部で、前記第2高調波と前記第2波長の光クロックパルスとの差周波を発生させるステップと、
前記第2波長の光クロックパルス、前記第2高調波及び該差周波のうち、該差周波のみを取り出すステップと
を含むことを特徴とする光信号再生方法。
【請求項９】
第1波長の光パルス信号を、第1経路と第2経路とを伝播する第1の波長の光パルス信号に分波する分波器と、
該第2経路を伝播する光パルス信号から該第1波長とは異なる第2波長の光クロックパルスを再生する光クロック再生部と、
前記第1経路を伝播する該第1波長の光パルス信号の第2高調波を成長させその成長を完了させる、該第1経路に設置される、第１波長変換部と、
該第１波長変換部から出力される、該第1波長の光パルス信号と成長が完了された該第2高調波のうち、成長が完了された該第2高調波だけを取り出す、該第1経路に設置される第１波長フィルタと、
前記第2経路または前記第1経路に設置され、第2波長変換部に入射する前記光クロックパルスと前記第２高調波との時間遅延差を調整する光遅延回路と、
前記第2高調波と前記第2波長の光クロックパルスとを合波する合波器と、
前記第2高調波と前記第2波長の光クロックパルスとの差周波を発生させる前記第2波長変換部と、
前記第2波長変換部から出力される前記第2波長の光クロックパルス、前記第2高調波及び該差周波のうち該差周波のみを取り出す第2波長フィルタとを具えること
を特徴とする光信号再生装置。
【請求項１０】
請求項4または9に記載の光信号再生装置であって、前記第1及び第2の波長変換部が擬似位相整合型波長変換素子を具えて構成されることを特徴とする光信号再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光ファイバ伝送路を伝播中に光パルス波形に歪あるいは位相にばらつきが生じて劣化した光パルス信号を、波形整形し雑音を除去して、伝送端から伝送された時点の光パルス信号と同一の波形で位相に乱れのない光パルス信号に再生する方法及びその方法を実現する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信では、規則正しい一定の時間間隔で光パルスが並ぶ光パルス列を変調して得られる2値デジタル信号を反映した光パルス信号を、伝送路である光ファイバを伝播させることで通信が行なわれる。規則正しい一定の時間間隔とは、伝送密度周波数に相当する周波数の逆数に相当する時間間隔である。以後、伝送密度周波数をビットレートということもある。
【０００３】
近年、実用化されている光ファイバ通信においては、伝送路損失等による光パルス信号強度の低下を、光増幅器を用いて補償することが行なわれている。光増幅器として使われるのは、例えば、エルビウムをドープした光ファイバ増幅器（EDFA: Erbium-doped Fiber Amplifier）である。
【０００４】
しかしながら、EDFA内で発生する自然放出光（ASE: Amplified Spontaneous Emission）に起因する雑音が光パルス信号に重畳されるために、伝送距離が長くなるほど信号対雑音比（S/N: Signal to Noise Ratio）が低下する。その結果、光ファイバ通信の伝送距離に限界が生じる。
【０００５】
また、光ファイバの有する屈折率の波長分散や、光ファイバ中で発現する非線形光学効果によっても、光パルス波形に歪が発生し、光ファイバ通信の伝送距離が制限される。
【０００６】
光ファイバ通信において、その伝送距離を長くするためには、光信号を増幅する機能（Re-amplifying）、光信号を構成する光パルスの波形を整形をする機能（Re-shaping）及び再生する光パルスの時間幅・位相を制御するタイミング再生する機能（Re-timing）の三つの機能を併せ持つ光信号再生装置（「再生中継器」ということもある。）が必要である。
【０００７】
特に、上述の三つの機能を一旦電気信号に変換して実行するのではなく、全て光の状態で直接実行することができる機能を光3R機能といい、この機能を有する再生中継器を光3R再生中継器ということもある。すなわち、光3R再生中継器は、伝送端から伝送された時点の光パルス信号と同一の波形で同一の強度をもつ光パルス信号を、電気信号に変換することなく光信号処理によって再生して光パルス信号を中継する機能を有する。以後、光3R再生中継器を光信号再生装置ということもある。
【０００８】
光3R再生中継器では、光パルス信号から光クロックを抽出して、光ゲート回路を用いて光パルス信号と光クロックとのAND処理（ゲーティング）を行うことで光パルス信号を再生する。すなわち、光パルス信号と光クロックとを構成するそれぞれの光パルスのうち、同時に光ゲート内で重ね合わされて存在した光パルスのエネルギー成分だけが光ゲートから出力されるという効果を利用して、光パルス信号の光パルス波形の歪を修正し、光パルス信号を再生する。
【０００９】
このようにして、光3R再生中継器は、光パルス信号を一旦電気パルス信号に変換して信号の再生中継を行ってきた従来と同様の信号処理を、全光素子による光信号処理技術を用いて光のまま高速で行なうという特徴を有する。
【００１０】
これまで、非線形光ループミラー（NOLM: Non-linear Optical loop Mirror）を用いて光3R再生中継器を構成した例がある（例えば、非特許文献1参照）。NOLMは、第1及び第2の二つの光路を伝播する光を双方向結合させる機能を有する第1の光カプラと、第1と第2の光路との二つの光路を結ぶループ光路と、このループ光路に方向性結合される第3の光路を含む第2の光カプラを具えて構成される。このNOLMが、上述の光ゲート回路として機能し、光パルス信号と光クロックとのAND処理を行う。
【００１１】
このループ光路の全部または一部を非線形光学媒質によって構成されるNOLMの、第1及び第3の光路にそれぞれ光パルス信号及びこの光パルス信号に位相同期したクロック光を供給することによって、光3R再生された変換光信号が第2の光路から得られる。一般に、ループ光路を構成する非線形光学媒質としては、非線形光学効果を発現する光ファイバが使われ、その長さは数ｋｍである。
【００１２】
また、二つのNOLMを用い、第1のNOLMの第2の光路を第2のNOLMの第3の光路に接続して、構成された光パルス信号の波形整形を行なう波形整形装置の例がある（例えば、特許文献1参照）。
【００１３】
この波形整形装置は、二つのNOLMを用いて構成され、第1のNOLMの第1光路に第1の波長を持つ第1のプローブ光を供給し、第1のNOLMの第3光路には第2の波長を持つ光パルス信号が供給される構成となっている。また第1の波長の光パルス信号に同期した中間光信号が第1のNOLMの第2の光路から第2のNOLMの第3の光路に供給される構成となっている。第2のNOLMの第1の光路には第3の波長を持つ第2のプローブ光が供給され、その結果、第3の波長を持ち中間光信号に同期した出力光信号が第2のNOLMの第2光路から出力される構成となっている。この構成で、第2の波長を持つ光パルス信号が第3の波長を持ち中間光信号に同期した出力光信号として波形整形される。
【非特許文献１】J.C. Simon et al., “ALL-OPTICAL REGENERATION”, ECOC'98 September 1998, pp.467-469.
【特許文献１】特開2001-117125号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述のNOLMを用いて構成される光再生中継器によって、光伝送路を伝播してきた光パルス信号を再生すると、タイミングジッタが再生出力信号の振幅変動として反映されて、光パルス信号が再生されてしまうという問題がある。タイミングジッタとは、光伝送路を伝播する間に光パルス信号を構成する光パルスに付加される、光パルスの時間軸上での幅あるいは位相のばらつきを言う。
【００１５】
上述の問題を解決するために、従来は、光再生中継器に光パルス信号を入力する前段で波長フィルタを通過させることで、光パルス信号を構成する光パルスの波長軸上でのスペクトル幅を狭くし、この光パルスの時間軸上でのパルス幅をタイミングジッタに対して十分に広くすることで、光パルスの振幅変動を抑圧してきた。
【００１６】
しかし、この波長フィルタを用いて光パルス信号をフィルタリングする過程で、光パルス信号を構成する光パルスの時間軸上での形状が変形する。また、この波長フィルタによるフィルタリングによって、光パルス信号の光パルスの強度が減少する。この光パルスの強度減少によって、上述の光3R再生において重要な働きをする非線形光学効果が弱まる。
【００１７】
以上説明したように、上述のNOLMを用いて構成される光3R再生中継器によって、光3R再生が可能となるタイミングジッタの大きさ、あるいは光パルスの振幅変動の大きさには、制限が存在する。
【００１８】
そこで、この発明の目的は、波長フィルタによるフィルタリングによって、光パルス信号を構成する光パルスの時間軸上でのパルス幅を広げるという手段をとらず、また光パルス信号の強度を低下させることなく、光3R再生を行える光信号再生方法及びその方法を実現する装置を提供することにある。
【００１９】
またこの発明の他の目的は、光パルス信号に含まれるタイミングジッタが大きくても、再生された光パルス信号の振幅のばらつきを小さくできる特段の工夫をした光信号再生装置を提供することにある。
【００２０】
またこの発明の更に他の目的は、従来知られていない特別な構造を有する素子等を用いずとも、市販されている素子あるいは学会等において発表されている公知の素子のみを用いて、この発明の光信号再生方法を実現できる方法及びこの方法を実現できる装置を提供することにある。
【００２１】
以後、光パルス信号との表現は、光パルス列を光変調して得られる、2値デジタル信号を反映した光信号を意味するものとする。一方、ビットレートに相当する周波数の逆数に相当する時間間隔で光パルスが並ぶ光パルス列を光パルス列と表現する。光パルス信号あるいは光パルス列を構成する個々の光パルスをさす場合には、単に光パルスと表現することもある。また、特に誤解が生じない範囲で、光パルス信号を構成する光パルスを、単に光パルス信号ということもある。また、光パルス信号あるいは光パルス列（光クロック信号）の伝播姿態である光線束を、単に光パルス信号あるいは光パルス列（光クロック信号）ということもある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上述の課題を解決するため、この発明の第1の光信号再生方法は、光パルス信号から光クロックパルスを再生するステップと、光パルス信号と光クロックパルスとの時間遅延差を調整するステップと、光パルス信号の第2高調波発生（SHG: Second Harmonic Generation）による第2高調波（以後「SH波」ということもある。）を成長させつつ、この成長途上のSH波と光クロックパルスとの差周波発生（DFG: Difference Frequency Generation）による差周波（以後「DF波」ということもある。）を発生させるステップとを含んでいる。
【００２３】
また、この発明の第1の光信号再生方法を実現する装置は、光パルス信号から光クロックパルスを再生する光クロック再生部と、光パルス信号と光クロックパルスとの時間遅延差を調整する時間遅延差調整部と、光パルス信号のSH波を成長させつつこの成長途上のSH波と光クロックパルスとのDF波を発生させる波長変換部とを具えている。
【００２４】
なお、この発明の第1の光信号再生方法は、好ましくは、以下のステップを含んで構成するのが良い。
（1）第1波長の光パルス信号を第1経路と第2経路とを伝播する第1波長の光パルス信号に分波するステップ
（2）第2経路を伝播する光パルス信号から第1波長とは異なる第2波長の光クロックパルスを再生するステップ
（3）第2経路あるいは第1経路に設置された光遅延回路で、光パルス信号と光クロックパルスとの時間遅延差を調整するステップ
（4）第1経路を伝播する第1波長の光パルス信号と第2経路を伝播する第2波長の光クロックパルスとを合波して波長変換部に入力するステップ
（5）波長変換部で第1経路を伝播した第1波長の光パルス信号のSH波を成長させつつ、この成長途上のSH波と第2波長の光クロックパルスとのDF波を発生させるステップ
（6）波長変換部から出力される第1波長の光パルス信号、SH波、第2波長の光クロックパルス及びDF波のうち、DF波のみを取り出すステップ
【００２５】
上述の（1）〜（6）のステップを実行できる装置は、以下の構成要素を具えることが好ましい。すなわち、分波器と、光クロック再生部と、光遅延回路と、合波器と、波長変換部と、波長フィルタとを具える。
【００２６】
分波器は、第1波長の光パルス信号を第1経路と第2経路とを伝播する第1波長の光パルス信号に分波する。光クロック再生部は、第2経路に設置され、第2の経路を伝播する光パルス信号から第1波長とは異なる第2波長の光クロックパルスを再生する。光遅延回路は、第2経路または第1経路に設置され、光パルス信号と光クロックパルスとの時間遅延差を調整する。合波器は、第1経路を伝播する第1波長の光パルス信号と第2経路を伝播する第2波長の光クロックパルスとを合波する。波長変換部は、第1波長の光パルス信号のSH波を成長させその成長させつつ、かつこの成長途上のSH波と第2波長の光クロックパルスとのDF波を発生させる。波長フィルタは、波長変換部から出力される第1波長の光パルス信号、SH波、光クロックパルス及びDF波のうち、DF波のみを取り出す。
【００２７】
この発明の第2の光信号再生方法は、光パルス信号から光クロックパルスを再生するステップと、光パルス信号の第2高調波を成長させてその成長を完了させるステップと、光クロックパルスとSH波との間の時間遅延差を調整するステップと、成長が完了された第2高調波と光クロックパルスとの差周波を発生させるステップとを含んでいる。
【００２８】
また、この発明の第2の光信号再生方法を実現する装置は、光パルス信号から光クロックパルスを再生する光クロック再生部と、光パルス信号の第2高調波を成長させその成長を完了させる第1波長変換部と、光クロックパルスとSH波との時間遅延差を調整する光遅延回路と、成長が完了した第2高調波と光クロックパルスとの差周波を発生させる第2波長変換部とを具えている。
【００２９】
また、この発明の第2の光信号再生方法は、好ましくは、以下のステップを含んで構成するのが良い。
（1）第1波長の光パルス信号を第1経路と第2経路とを伝播する第1波長の光パルス信号に分波するステップ
（2）第2経路を伝播する光パルス信号から第1波長とは異なる第2波長の光クロックパルスを再生するステップ
（3）第1波長変換部で第1経路を伝播する第1波長の光パルス信号のSH波を成長させこの成長を完了させるステップ
（4）第１波長変換部から出力される、成長が完了したSH波と第1波長の光パルス信号とのうち、成長が完了したSH波だけを取り出すステップ
（5）第2経路または第1経路に設置された光遅延回路で、第2波長変換部に入射する光クロックパルスとSH波との時間遅延差を調整するステップ
（6）第2波長の光クロックパルスと成長が完了したSH波とを合波して第2波長変換部に入力するステップ
（7）第2波長変換部で第2波長の光クロックパルスと成長が完了したSH波とのDF波を発生させるステップ
（8）第2波長変換部から出力される第2波長の光クロックパルス、SH波及びDF波のうちDF波のみを取り出すステップ
【００３０】
上述の(1)〜(8)のステップを実行できる第2の光信号再生装置は、以下の構成要素を具えることが好ましい。すなわち、分波器と、光クロック再生部と、光遅延回路と、第１波長変換部と、第１波長フィルタと、合波器と、第2波長変換部と、第2波長フィルタとを具える。
【００３１】
分波器は、第1波長の光パルス信号を第1経路と第2経路とを伝播する第1波長の光パルス信号に分波する。
【００３２】
光クロック再生部は、第2経路に設置され、第2経路を伝播する光パルス信号から第1波長とは異なる第2波長の光クロックパルスを再生する。
【００３３】
第１波長変換部は、第1経路に設置され、第1経路を伝播する第1波長の光パルス信号のSH波を成長させその成長を完了させる。
【００３４】
第１波長フィルタは、第1経路に設置され、第１波長変換部から出力される第1波長の光パルス信号と成長が完了したSH波のうち、成長が完了したSH波だけを取り出す。
【００３５】
光遅延回路は、第2経路または第1経路に設置され、第2波長変換部に入射する光クロックパルスとSH波との時間遅延差を調整する。
【００３６】
合波器は、第2波長の光クロックパルスと成長が完了したSH波とを合波する。
【００３７】
第2波長変換部は、成長が完了したSH波と第2波長の光クロックパルスとのDF波を発生させる。
【００３８】
第2波長フィルタは、第2波長変換部から出力される第2波長の光クロックパルス、SH波及びDF波のうち、DF波のみを取り出す。
【００３９】
なお、上述の波長変換部あるいは、第1波長変換部及び第2波長変換部を、擬似位相整合型波長変換素子を具えて構成するのが好適である。
【発明の効果】
【００４０】
この発明の第1および第2の光信号再生方法及びそれを実現する装置においては、光パルス信号から再生される光クロックパルスは、後述するように、例えば、モード同期半導体レーザを用いて再生される。そしてこの再生された光クロックパルスにはタイミングジッタが含まれない。一方、波長変換部を構成する媒質中を伝播する光パルス信号のSH波の群速度は、光クロックパルスの群速度よりも低速である。
【００４１】
また、光パルス信号のSH波は、その基本波である光パルス信号のタイミングジッタをそのまま引き継いでいる。光遅延回路により光パルス信号（あるいは光パルス信号より変換されたSH波）と光クロックパルスとの位相差を調整し、光クロックパルスの位相を、光パルス信号（あるいは光パルス信号より変換されたSH波）の位相に比べて遅らせる条件で、光パルス信号（あるいは光パルス信号より変換されたSH波）と一緒に両者を波長変換部に入射させると、光クロックパルスはこの波長変換部で発生した光パルス信号のSH波（あるいは入射されたSH波）より早い群速度でこの波長変換部を伝播するので、光クロックパルスが光パルス信号のSH波のパルスを追い越すように導波される。すなわち、光クロックパルスと光パルス信号のSH波のパルスが丁度波長変換部において重なった瞬間に光クロックパルスと光パルス信号のSH波とのDF波が発生する。
【００４２】
したがって、上述のDF波のパルス列は、タイミングジッタを含まない光クロックパルスに同期しているので、この発明の光信号再生装置に入力する光パルス信号はタイミングジッタを含まない光クロックパルスと光パルス信号のSH波とのDF波として再生される。
【００４３】
光クロックパルスの位相を、光パルス信号(あるいは光パルス信号より変換されたSH波)の位相に比べて遅らせるためには、第1経路または第2経路のいずれか一方に、光遅延回路を挿入すればよい。
【００４４】
この発明の第1及び第2の光信号再生方法及び光信号再生装置においては、光クロックパルスの群速度とSH波の群速度の差を利用して、光パルス信号をゲーティングするので、従来の光信号再生法のように、光パルス信号の時間軸上でのパルス幅を広げたり、光パルス信号の品質を一旦劣化させる必要がないという利点がある。
【００４５】
更に、この発明の第2の光信号再生方法及び光信号再生装置においては、波長変換部を、光パルス信号のSH波を生成しその成長を完了させるための第1波長変換部と、光クロックパルスと成長が完了したSH波とのDF波を発生させるための第2波長変換部とに分離する。このことによって、以下の利点が生じる。
【００４６】
光クロックパルスとSH波とのDF波が発生する場所を、第2波長変換部を構成する波長変換素子のどの位置に設定するかを、光遅延回路において付加する時間遅延量を調整することで自由に決めることができる。これによって、光パルス信号に大きなタイミングジッタが含まれても、光クロックパルスとSH波とのDF波が発生する場所を、第2波長変換部を構成する波長変換素子の中央部に設定することができる。
【００４７】
光クロックパルスとSH波とのDF波が発生する場所を、第2波長変換部を構成する波長変換素子の中央部に設定することができることによって、光パルス信号に含まれるタイミングジッタが大きくても十分対応できる光信号再生装置が構築できる。
【００４８】
また、第2波長変換部においては、SH波及び光クロックパルスの強度は、光クロックパルスと重なり合いDF波を発生するまでは光導波路の進行方向に沿って一定である。DF波の変換効率は概ね光クロックパルス強度とSH波強度の積に比例する。したがって、タイミングジッタによりSH波と光クロックパルスとが重なり合う光導波路における位置が変動しても、SH波と光クロックパルスの強度が一定であるため、再生された光パルス信号の強度を一定に保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。なお、各図は、この発明に係る一構成例を図示するものであり、この発明が理解できる程度に各構成要素の配置関係等を概略的に示しているに過ぎず、この発明を図示例に限定するものではない。また、以下の説明において、特定の材料および条件等を用いることがあるが、これら材料および条件は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。また、各図において同様の構成要素については、その重複する説明を省略することもある。また太線によって光経路を示しこの太線に付された番号は、その番号が付された光経路を伝播する光信号を意味する。
【実施例１】
【００５０】
図1に示すブロック構成図を参照して、この発明の実施例である第1の光信号再生方法とそれを実現する装置の構成及びその各部の機能とを併せて説明する。
【００５１】
光信号再生装置は、分波器18、光クロック再生部12、光遅延回路14、合波器22、波長変換部16及び波長フィルタ24を具えて構成される。また、時間遅延差調整部6は、第1経路10あるいは第2経路20のいずれか一方に光遅延回路14を設置することで構成される。
【００５２】
光遅延回路14の果たすべき役割は、波長変換部16において光パルス信号の位相に対して光クロックパルスの位相が遅れた状態を創出することである。したがって、この状態は、光クロックパルスが伝播する伝送路中に光遅延回路14を挿入し、光クロックパルスの位相を遅らせることで実現できる。また、光パルス信号が伝播する伝送路中に光遅延回路14を挿入して、光パルス信号を遅らせることによっても、実質的に光パルス信号の位相に対して光クロックパルスの位相が遅れた状態を創出できることは明らかである。
【００５３】
なぜならば、光パルス信号の位相に対して光クロックパルスの位相が遅れた状態とは、光パルス信号の位相とクロックパルスの位相との相対的な関係で決まることであるからである。言い換えると、光パルス信号の位相に対して光クロックパルスの位相を丁度１周期遅らせても進ませても光パルス信号の位相とクロックパルスの位相との相対的な関係は同一である。すなわち、光パルス信号の位相に対する光クロックパルスの位相の相対的な関係は、光クロックパルスの位相を光パルス信号の位相に対して相対的に遅らせても進めても、両者の位相関係としては同一の状態を創出できる。
【００５４】
したがって、第1経路10あるいは第2経路20のいずれか一方に光遅延回路14を設置することで、上述の光パルス信号の位相に対して光クロックパルスの位相が遅れた状態を創出できる。
【００５５】
そこで、実施例1においては、時間遅延差調整部6を第2経路20に光遅延回路14を挿入することで構成される場合について説明するが、時間遅延差調整部6が第1経路10に光遅延回路14を挿入することで構成される場合を除外するものではない。
【００５６】
被再生信号である光パルス信号11は、分波器18によって第1経路10を伝播する光パルス信号19と第2経路20を伝播する光パルス信号21とに分波される。光パルス信号11の波長は、例えば、そのスペクトルの中心波長が1.56μmである。以後光パルス信号のスペクトル中心波長をλSで示す。また、以後便宜的に波長λSを第1波長と称することもある。
【００５７】
第1波長の光パルス信号21は、光クロック再生部12に入力されて、光クロックパルス13が再生される。光クロックパルス13は、光パルス信号21のビットレートに等しい繰返し周波数の光パルス列である。
【００５８】
ここで、光パルス信号から光クロックパルスを生成するステップ及びこのステップを実現するための光クロック再生部の構成を説明する。
【００５９】
光クロック再生部12は、例えばモード同期半導体レーザを用いて構成され、周知の原理に基づいて光クロックパルスを再生する（例えば、S.Arahira and Y.Ogawa, The 10th International Workshop on Femtosecond Technology July 16-17, 2003 Chiba, Japan 参照）。このモード同期半導体レーザの発振周波数は、第1波長とは異なる第2波長λCであり、例えば、1.54μmである。すなわち、光クロックパルス13は、そのスペクトルの中心波長が1.54μmである。
【００６０】
ここでは、上述のS.Arahira等の文献に開示されている、衝突パルスモード同期（CPM: Colliding Pulse Mode-locking）法による光クロックパルス再生法を説明する。このCPM法はモード同期半導体レーザの共振器の中央部に設けられる可飽和吸収領域と、活性領域とがモノリシック一体化された構造の半導体レーザ(monolithic Colliding pulse Mode-locked Laser Diode: CPM-LD)を用いて行なわれる。このCPM-LDの共振器中を互いに反対方向に伝播する一対の光パルスが丁度この可飽和吸収領域の中で衝突するように設計されている。
【００６１】
このCPM-LDの共振器長は、モード同期周波数(ここでは光パルス信号のビットレートに相当する周波数)の逆数に対応する時間に光がこの共振器中で伝播する長さに対応する長さに設定される。すなわち、CPM-LDの共振器長を光パルス信号のビットレートに相当する周波数の逆数に対応する時間に光がこの共振器中を伝播する長さの整数倍の長さに共振器長を設定しておけば、光パルスがCPM-LDの共振器中で往復し、互いに反対方向に伝播する一対の光パルス対が、丁度この可飽和吸収領域で衝突する。
【００６２】
この衝突の際に可飽和吸収領域は透明となり、この衝突後光パルスが通過してしまえば再び不透明になる。この可飽和吸収領域が透明及び不透明となる繰返し周波数が、丁度光パルス信号のビットレートに相当する周波数と等しくなる。すなわち、CPM-LDが光パルス信号のビットレートに相当する周波数でモード同期されて、CPM-LDの発振波長でパルス発振する。
【００６３】
一方、光パルス信号をCPM-LDに入力すると、光パルス信号に多少のタイミングジッタが含まれていても、光パルス信号の光パルスが、CPM-LDの共振器を往復する時間は変わらないため、この光パルスの一つ一つがCPM-LDの可飽和吸収領域を透明となっている時間帯に通過するタイミングは、丁度光パルス信号の位相に同期することとなる。
【００６４】
この結果、CPM-LDは、入力される光パルス信号の位相にモード同期されて、CPM-LDの発振波長で、かつ正確に光パルス信号のビットレートに相当する繰返し周波数でパルス発振する。言い換えると、光パルス信号にタイミングジッタが含まれていても、光パルス信号は、CPM-LDの共振長に対応する規則正しい繰り返し周波数に引き込まれ、タイミングジッタを含まない規則正しい繰り返し周波数のCPM-LDの発振波長の光パルス列に変換されてCPM-LDから出力される。この出力光パルス列が、光クロックパルスである。
【００６５】
この場合、光パルス信号の光パルスの波長は、CPM-LDの利得範囲内であって、可飽和吸収領域を透明にすることが可能である波長であればよく、CPM-LDの利得が最大となる波長（CPM-LDの発振波長）に等しい必要はない。
【００６６】
この発明の発明者は、光パルス信号の波長（第1波長λS）を1.56μｍとし、CPM-LDの発振波長（第2波長λC）を1.54μｍとして、第1及び第2の光信号再生装置を構築した。
【００６７】
次に、光クロックパルスに時間遅延を付加するステップとそれを実現する光遅延回路の構成について説明する。
【００６８】
光クロックパルス13は、光遅延回路14に入力されて、後述する目的を達することができる量の時間遅延を付加される。時間遅延を付加された光クロックパルス15は、合波器22によって、第1経路10を伝播してきた光パルス信号19と合波されて合波光パルス信号23となって、波長変換部16に入力される。
【００６９】
第1波長（λS＝1.56μｍ）の光パルス信号がCPM-LDに入力されて、モード同期された第2波長（λC＝1.54μｍ）の光が光クロックパルスとして得られる構成であるので、CPM-LDに入力される波長が1.56μｍである光パルス信号も、波長が1.54μｍの光クロックパルスも同時にCPM-LDから出力される。しかし、出力される光パルス信号強度は、再生される光クロックパルスの強度に比べて十分に小さいので、CPM-LDからの出力光をフィルタリングして波長が1.56μｍの光パルス信号成分を除去しなくても、特段問題が生じない。すなわち、第1波長（λS＝1.56μｍ）の光パルス信号がCPM-LDに入力されて、第2波長（λC＝1.54μｍ）の光クロックパルスが再生されたものとして、この発明の光信号再生装置を構築することができる。
【００７０】
光遅延回路14は、例えば、光伝送路を伸縮させるために、空気層中断法（air gap method）を用いて構成される市販の時間遅延モジュールを利用できる。例えば、サンテック株式会社のディレーラインモジュールカタログに掲載されている、時間遅延モジュール（Optical Delay Line Module type ODL-330）を利用することができる。このモジュールODL-330は、光導波路を、第1光導波路と第2光導波路とに空気層を挟んで分割して、第1光導波路の出力端から出力される光を全反射プリズムに導き、この全反射プリズムから反射される光を、第2光導波路の入力端に入力する構成となっている。
【００７１】
第1光導波路の出力端と第2光導波路の入力端とはこの全反射プリズムから等距離の位置に設定されており、これらの出力端及び入力端から全反射プリズムまでの距離を調整することで、遅延時間を調整することができる。すなわち、これらの出力端及び入力端から全反射プリズムまでの距離を光が往復する時間だけ、時間遅延を付加することができる。
【００７２】
次に、光パルス信号のSH波を成長させつつ、かつ成長途上のこのSH波と光クロックパルスとのDF波を発生させる波長変換ステップ及びこの波長変換ステップを実現させるための波長変換部の構成を説明する。
【００７３】
波長変換部16は、例えば周期的ドメイン反転構造によって擬似位相整合（QPM: Quasi-Phase Matching）を実現して波長変換をおこなう擬似位相整合型波長変換素子（以後「QPM型波長変換素子」ということもある。）を用いて構成することができる。QPM型波長変換素子の構造及びその製造方法については、後述する。
【００７４】
また、光導波路を用いたQPM型波長変換素子を用いることが好適である。光導波路を用いる理由は、この光導波路を伝播する光を、そのエネルギー密度を高い状態に保ったまま必要な距離伝播させることができるからである。以後、QPM型波長変換素子に形成される光導波路を、QPM光導波路ということもある。
【００７５】
非線形光学効果は、非線形相互作用する光（例えば、信号光とポンプ光）のエネルギー密度が大きいほど、そしてQPM光導波路等を構成する非線形光学媒質と光とが非線形相互作用する長さが長いほど大きい。すなわち、光のエネルギー密度を高い状態に保ったまま長い距離伝播させることができる光導波路中で非線形光学効果を発現させる構造にすることが、非線形光学効果を大きくするために有効である。
【００７６】
以後の説明においては、波長変換部16を、QPM光導波路を用いたQPM型波長変換素子によって構成した場合を想定する。
【００７７】
波長変換部16を構成するQPM型波長変換素子のQPM光導波路中では、SHGが発現し、波長が第1波長λSである第1経路を伝播した光パルス信号のSH波(波長がλSH＝λS/2)が発生し、QPM光導波路を伝播するにつれてSH波はその強度が単調に増大する。この明細書において、QPM光導波路を伝播するにつれて、光パルス信号19（基本波）のエネルギーが徐々にSH波に移ることによって、SH波の強度が増大していくことを、SH波が成長すると表現することとする。
【００７８】
一方、上述のQPM光導波路中では、上述のSH波と第2波長の光クロックパルスとのDFGも発現し、波長がλDFであるDF波が発生して、このDF波の強度もQPM光導波路を伝播するにつれて単調に増大する。上述のSH波に対すると同様に、SH波と第2波長の光クロックパルスのエネルギーが徐々にDF波に移ることによって、DF波の強度が増大していくことを、DF波が成長すると表現することとする。
【００７９】
以下で、この発明の光信号再生装置の動作原理を説明する際に必要となる、上述の光クロックパルス、SH波及びDF波の、波長、位相速度及び群速度について説明する。
【００８０】
光クロックパルス、SH波及びDF波の波長スペクトルは、有限の半値幅を持つガウス関数型の形状を有している。波長とは、この波長スペクトルの極大位置の波長、すなわち中心波長を言う。光クロックパルス、SH波及びDF波の位相速度とは、上述の単一波長からなる単色正弦波の位相一定の面（波面）が光導波路中を伝播する速度を言う。
【００８１】
QPM光導波路中において、SHGが発現し、波長が第1波長λsである第1経路を伝播した光パルス信号のSH波が発生するということは、光パルス信号の位相速度とSH波の位相速度との関係において、擬似位相整合条件が成立していることを意味する。
【００８２】
擬似位相整合とは、基本波（ここでは光パルス信号）が非線形媒質中を伝播して、基本波とSH波の位相差が基本波の半波長に及んだ段階で、基本波の位相を反転するすることで、それから先更に基本波とSH波の位相差が基本波の半波長に及ぶまで伝播する間も、基本波からSH波へのエネルギー移動が実現する状態を言う。このような状態を実現できる条件を擬似位相整合条件といい、定量的には後述する条件式(1)で与えられる。また、基本波が非線形媒質中を伝播して、基本波とSH波の位相差が半波長に及ぶまでの伝播距離をコヒーレンス長という。
【００８３】
DF波に関しても擬似位相整合条件について同様のことが言える。すなわち、光パルス信号のSH波と光クロックパルスとのDFGによるDF波の発生の場合について言えば、擬似位相整合条件は後述する条件式(2)で与えられる。この場合におけるコヒーレンス長に相当する長さは、条件式(2)で与えられるΛDFの長さの1/2である。すなわち、ΛDF/2がDF波の発生に対するコヒーレンス長となる。
【００８４】
すなわち、擬似位相整合条件は、SH波発生の場合においても、DF波の発生においても、いずれの場合においても、SH波あるいはDF波と、その発生原因となる基本波等との位相速度に関する条件である。
【００８５】
基本波の位相の反転を実現するために有効な構造として知られた構造は、後述するようにドメイン反転構造である。強誘電体結晶の自発分極の向きが180°の関係を持って隣接する二つのドメインの境界で、光の位相反転（位相角度で180°、すなわち1/2波長変化）が起こることが知られている。すなわち、擬似位相整合条件を実現するには、上述のドメインの境界を、光の伝播方向に対して、丁度コヒーレンス長毎、あるいはコヒーレンス長の奇数倍の長さ毎に設ければよい。一般には、上述のドメインの境界間隔は、SH変換効率及びDF変換効率が最大となる、コヒーレンス長にとる。周期的ドメイン反転構造とは、基本波の伝播方向に対して、上述のコヒーレンス長毎に、自発分極の方向が180°の関係にあるドメインを周期的に配置した構造を言う。
【００８６】
波長スペクトルが有限の半値幅を有するということは、中心波長がわずかずつ異なる単色正弦波が複数重ね合わせられて群（波束）を形成しているということを意味している。すなわち、上述の光クロックパルス、SH波及びDF波のそれぞれは、QPM光導波路を上述の波長がわずかずつ異なる単色正弦波がそれぞれ複数重ね合わせられて形成される群（波束）の状態で伝播する。したがって、上述の光クロックパルス、SH波及びDF波のエネルギーは、厳密には、位相速度でQPM光導波路を伝播するのではなく、群速度で伝播するものとして扱わなければならないことを意味している。
【００８７】
すなわち、光クロックパルス、SH波及びDF波は、その波のエネルギーが空間的に束の形で伝播し、その空間的な光の波の束である群を波束（wave packet）という。群速度とは、この波束の伝播速度を意味する。
【００８８】
そこで、QPM光導波路中において、SHGあるいはDFGが発現する現象を説明する。波長λSの光パルス信号のSHGが発現するためには以下の条件式(1)が成立することが必要である。以下この条件をSHGが発現するための擬似位相整合条件（QPM条件）という。また、この条件をQPM-SHG条件と略記することもある。
（2π/λSH）nSH - 2(2π/λS）nS ＝ 2π/ΛSH     （1）
ここで、λSHはSH波の波長であり、λSH＝λS/2である。nSH及びnSは、それぞれSH波の屈折率及び光パルス信号に対するQPM光導波路の屈折率（実効屈折率）である。また、ΛSHは、QPM-SHG条件を満足するQPM光導波路中の周期的ドメイン反転構造の周期である。
【００８９】
また、波長λSHのSH波と波長λCの光クロックパルスとのDFGが発現するためには以下の条件式(2)が成立することが必要である。以下この条件をDFGが発現するためのQPM条件という。また、この条件をQPM-DFG条件と略することもある。
（2π/λSH）nSH - (2π/λDF）nDF -(2π/λC）nC＝ 2π/ΛDF    （2）
ここで、λDFはDF波の波長であり、１/λDF＝１/λSH-1/λC すなわち１/λSH＝１/λDF+1/λCである。nCは、光クロックパルスに対するQPM光導波路の屈折率（実効屈折率）である。また、ΛDFは、QPM-DFG条件を満足するQPM光導波路中の周期的ドメイン反転構造の周期である。
【００９０】
ここで、λS＝1.56μｍ、λC＝1.54μｍ及びλDF＝1.58μｍであり、これらの波長に対するQPM光導波路の屈折率（実効屈折率）の波長依存性は以下のように近似できる。
nS≒(nDF+ nC)/2
ここで、条件式(1)から条件式(2)を減じて、さらに上記の近似と、
１/λDF＝１/λSH-1/λC＝2/λS-1/λC
を用いると、
2π/λSH-2π/λDF＝2π[(λS-λC)/(λSλC)](nC-nDF)
すなわち、λS-λC及びnC-nDFが十分に小さければ、
ΛSH≒ΛDF
とみなすことができる。したがって、ドメイン反転構造の周期については、以後ΛSH＝ΛDF＝Λとし、ΛSHとΛDFとを区別せず、Λで統一して説明する。
【００９１】
ここで、実効屈折率nS、nC、nSH及びnDFについて、ドメイン反転構造の周期との関係で重要な点を説明する。実効屈折率nS、nC、nSH及びnDFは、それぞれQPM光導波路を伝播する光パルス信号、光クロックパルス、SH波及びDF波に対する実効屈折率であるが、伝播モードに依存する値である。すなわち、例えば、SH波がQPM光導波路を基本伝播モードで伝播する場合と高次伝播モードで伝播する場合とでは、nSHの値は異なる。
【００９２】
したがって、QPM光導波路を伝播する光パルス信号、光クロックパルス、SH波及びDF波は、全て基本モードで伝播するものとして、それぞれの実効屈折率nS、nC、nSH及びnDFを用いて、式(1)及び式(2)を満足するドメイン反転構造の周期Λを設定すれば、QPM光導波路を高次伝播モードで伝播するSH波及びDF波は発生成長しない。
【００９３】
すなわち、光パルス信号のSHGによるSH波は、基本伝播モードでQPM光導波路を伝播するSH波だけが発生する。決して高次伝播モードで伝播するSHは成長することはない。また、SH波と光クロックパルスとのDFGによるDF波についても、基本伝播モードでQPM光導波路を伝播するSH波だけが関与することで発生するDF波だけが発生する。
【００９４】
このことによって、QPM光導波路において、基本伝播モードで伝播するSH波と高次伝播モードで伝播するSH波とが発生し、このいずれとも相互作用してDF波が複数発生するということは起こらない。仮に、QPM光導波路において、基本伝播モードで伝播するSH波と高次伝播モードで伝播するSH波とが発生し、このいずれとも相互作用してDF波が複数発生する事態が発生すれば、この発明の光信号再生装置にいおて、高次伝播モードで伝播するSH波との相互作用で発生したDF波は、雑音成分に相当するので、この発明の目的とする光信号再生は実現しない。
【００９５】
したがって、上述したことから明らかなように、実効屈折率nS、nC、nSH及びnDFが、QPM光導波路を伝播する光パルス信号、光クロックパルス、SH波及びDF波の伝播モードに依存する値であるという点は、この発明において重要な要素である。
【００９６】
波長λSHのSH波と波長λCの光クロックパルスとのDFGが発現するためには上述のQPM-DFG条件を満足する他、SH波と光クロックパルスのそれぞれの光線束の波束が、同一時刻に同一箇所に存在することが必要である。すなわち、上述したように、光クロックパルス、SH波及びDF波のエネルギーは、群速度でQPM光導波路中を伝播するので、SH波と光クロックパルスのそれぞれの光線束の波束が、QPM光導波路中において、同一時刻に同一箇所に存在することが必要である。
【００９７】
そこで、DFGが発現する過程を説明するために、まず、QPM光導波路中における、SH波及びDF波の群速度について説明する。
【００９８】
位相速度v(λ)は、QPM光導波路の実効屈折率をneffとして、v(λ)＝c/neff(λ)で与えられるのに対して、、群速度u(λ)は以下の式(3)で与えられる。ここで、cは光速度である。
1/u(λ)＝c/neff(λ)-(λ/c)[dneff(λ)/dλ]    (3)
また、群速度u(λ)について次式（4）が成立する。
u(λS)≒u(λC)≒u(λDF)≠u(λS/2)    （4）
【００９９】
なぜならば、λS＝1.56μｍ、λC＝1.54μm及びλDF＝1.58μｍであるが、λが1.54μｍから1.58μｍの範囲では、neffの波長依存性dneff(λ)/dλは一定であるとみなせるのに対して、第2高調波の波長λSH＝λS/2＝0.78μmにおいては、neffの波長依存性dneff(λ)/dλは大きく異なるからである。すなわち、次式(5)で表される関係がある。
dneff(λS)/dλ≒dneff(λC)/dλ≒dneff(λDF)/dλ≠dneff(λSH)/dλ    （5）
特に、
dneff(λS)/dλ＞dneff(λSH)/dλ
である特性を有する材料においては、次式(6)が成立する。
u(λS)≒u(λC)≒u(λDF)＞u(λS/2)    （6）
【０１００】
すなわち、波長λCの光クロックパルスは、このQPM光導波路中で発生した光パルス信号のSH波（波長λSH）より早い群速度でこのQPM光導波路を伝播する。したがって、波長λCの光クロックパルスの位相に時間遅延を付加して、波長λSの光パルス信号に比べて遅らせて、光クロックパルスと光パルス信号との両者をQPM光導波路に入射させると、光クロックパルスの波束が光パルス信号のSH波のパルスの波束を追いかけ、やがて追い越すように導波される。すなわち、上述の時間遅延を調整することで、光クロックパルスの波束と光パルス信号のSH波のパルスの波束とは、QPM光導波路中のある箇所において重なる瞬間を創出できる。QPM光導波路中の重なった箇所において、重なった瞬間に光クロックパルスと光パルス信号のSH波とのDF波が発生する。
【０１０１】
上述した内容をふまえて、視覚的に理解しやすいように図2(A)、(B)及び(C)
を参照して、QPM光導波路中で上述の光クロックパルス、SH波及びDF波の、波束の伝播の様子を説明し、DFGが発現する過程を説明する。また、図2(A)、(B)及び(C)における横軸は、QPM光導波路の光が伝播する長さ方向の座標であり、光はこの図で左から右に進むように描いてある。すなわち、ある瞬間における光パルスの波束がQPM光導波路中で並んでいる様子を描いた、波束の空間的分布を示している。隣接する波束と波束との間隔は、その間隔をその波束の群速度で伝播するのに要する時間によって表現されている。
【０１０２】
図2(A)は、QPM光導波路中を光クロックパルスの波束が群速度u(λC)で伝播する様子を模式的に描いた図である。ここで、光クロックパルスの群速度は、波長スペクトルの中心波長λCの関数であるので、u(λC)と表現したが、以後簡単のためにuCと略記する。すなわち、u(λC)＝uCである。u(λS/2)＝u(λSH)についても、uSHと略記する。また、u(λDF)についてもuDFと略記する。
【０１０３】
図2(A)において、光クロックパルスを構成している個々の光パルスに対応する波束を破線で囲った流線型の形状で表している。すなわち、5つの光パルスを代表して描いてある。この5つの光パルスを区別するために、1c、2c、3c、4c及び5cと符号を付してある。破線で囲まれた内部に描かれているこの破線を包絡線とする正弦波は、光クロックパルスの波長スペクトルの中心波長の正弦波を象徴的に描いたものである。
【０１０４】
光クロックパルスは、タイミングジッタが含まれないので、クロック周期（クロック周波数の逆数）Tで等間隔に、光パルスが並んで存在している。そして、それらは群速度uCでQPM光導波路中を導波されている。
【０１０５】
図2(B)は、光パルス信号を基本波とするSH波を構成している個々の光パルスに対応する波束を上述の図2(A)と同様に描いた図である。ここでも、5つの光パルスを代表して描いてあり、この5つのパルスを区別するために、1SH、2SH、3SH、4SH及び5SHと符号を付してある。光パルス信号は、一般にタイミングジッタが含まれているので、光パルス信号を基本波とするSH波にも同様にタイミングジッタが含まれる。したがって、光パルス信号を基本波とするSH波を構成している個々の光パルスの波束は不等間隔T(1)、T(2)、T(3)、T(4)で並んで存在する。そして、それらは群速度uSHでQPM光導波路中を導波されている。
【０１０６】
群速度uCでQPM光導波路中を伝播する光パルス信号には時間遅延が付加されており、それによって、QPM光導波路の入射端に近い側（図2(A)、(B)及び(C)では左端）においては、群速度uSHでQPM光導波路中を伝播するSH波よりも遅れている。すなわち、QPM光導波路の入射端に近い側において、光クロックパルスの波束1cは、光パルス信号を基本波とするSH波の波束1SHより左側にある。
【０１０７】
これらの波束が右側に進むにつれてこの遅れの量は減少し、ついには、光クロックパルスの波束4cと描かれている位置において、光パルス信号を基本波とするSH波の波束4SHに追いつく。ここで、光クロックパルスの波束と光パルス信号を基本波とするSH波の波束とのDFGが発現する。
【０１０８】
図2(C)は、光クロックパルスと光パルス信号を基本波とするSH波とのDF波を構成している個々の光パルスに対応する波束を上述の図2(A)及び(B)と同様に描いた図である。ここでは、2つの光パルスを代表して描いてあり、この2つの光パルスを区別するために、1DF及び2DFと符号を付してある。
【０１０９】
光クロックパルスの波束と光パルス信号を基本波とするSH波の波束とが重なった位置（波束4cと波束4SHとが重なった位置）でDFGが発現し、DH波を構成する波束1DFが生成される。すなわち、光クロックパルスの波束と光パルス信号を基本波とするSH波の波束との一部が重なり始めてから、完全に光クロックパルスの波束がSH波の波束を追い越しきるまでの間、DH波が発生しつづけてDH波を構成する波束1DFが成長し続ける。
【０１１０】
このようにして、光クロックパルスの波束と光パルス信号を基本波とするSH波の波束とが重なる位置では、次々にDH波を構成する波束が1DF、2DF、3DF、4DF…と生成される（図2(C)では1DF及び2DFを示してある。）。
【０１１１】
光クロックパルスの波長λC（＝1.54μm）とDF波の波長λDF（＝1.58μm）とはほぼ等しいので、上述したようにこれらの群速度同士もほぼ等しい。したがって、光クロックパルスを構成する波束の間隔と、発生するDF波を構成する波束の間隔とはほぼ等しく、Tである。
【０１１２】
また、光パルス信号に多少の歪が含まれていても、すなわち光パルス信号を基本波とするSH波に多少の歪が含まれていても、光クロックパルスを構成する光パルスは歪んでいない。SH波を構成する光パルスの波束と光クロックパルスを構成する光パルスの波束との重なり成分だけがDFに変換されるので、発生するDF波は、歪のない光クロックパルスの波形が反映されて、SH波に含まれた歪は除去された形として変換される。
【０１１３】
したがって、上述のDFGの発現機構は、光パルス信号から抽出された光クロックパルス用いて、QPM型光変換素子を用いた光ゲート回路によって、光パルス信号と光クロックパルスとのAND処理（ゲーティング）を行っていることに相当する。すなわち、光パルス信号を構成する波束と光クロックパルスを構成する波束とが、同時にQPM光導波路の同一箇所に存在することで、光パルス信号から変換されたDF波が光ゲートであるQPM光導波路から出力される。言い換えると、上述したDF波が光ゲートであるQPM光導波路から出力されるという効果を利用して、光パルス信号の光パルス波形の歪を修正し、光パルス信号を再生したことに相当している。
【０１１４】
なお、図2(B)で描かれている光パルス信号を基本波とするSH波を構成している個々の光パルスに対応する波束は、QPM光導波路を伝播するにつれてその強度を増している。すなわち、QPM光導波路を伝播しつつ、波長がλSである光パルス信号の光線束からエネルギーを少しずつSH波に移されていく。したがって、SH波を構成している個々の光パルスに対応する波束は、QPM光導波路を伝播する間中その強度を増大させていく。すなわち、SH波を構成している個々の光パルスに対応する波束は、QPM光導波路を伝播する間中成長してし続ける。その結果、SH波は、QPM光導波路中で成長しつつ、そのエネルギーをDF波に移していくことになる。
【０１１５】
以上説明した内容を、図1を参照して整理する。
【０１１６】
光パルス信号11を分波器18で分波して得られる光パルス信号21から光クロックパルス13を再生するステップは、光クロック再生部12において実行される。光クロック再生部12は、例えば、モード同期半導体レーザを具えて構成される、このとき、波長λsから波長λCの光クロックパルス13となる。
【０１１７】
この波長λCの光クロックパルス13に時間遅延を付加するステップは、光遅延回路14において実行される。時間遅延を付加された光クロックパルス15は、合波器22によって第1経路を伝播してきた光パルス信号19と合波されて、波長変換部16に入力されて光パルス信号19のSH波を成長させつつ、かつ成長途上のこのSH波と光クロックパルスとのDF波を発生成長させ、再生信号を含む光線束17として、波長変換部16から出力させる。
【０１１８】
このようにして得られた再生信号であるDF波を含む光線束17を波長フィルタ24でフィルタリングして、再生信号であるDF波のみを取り出すことで、この発明の第1の光信号再生装置からこの発明の第1の光信号再生方法によって、光パルス信号11を光再生信号25として得ることができる。
【０１１９】
次に、図3(A)及び(B)を参照して、光クロックパルスと光パルス信号を基本波とするSH波とのQPM光導波路の入射端近傍及び出射端近傍での位置関係（位相関係）について説明する。図3(A)及び(B)は、QPM光導波路を伝播中のある一瞬における光クロックパルスと光パルス信号を基本波とするSH波それぞれを構成する光パルス列を描いてある。これらの図において、光クロックパルス及びSH波を構成する光パルスの一つ一つを上に凸の形状をした釣鐘型の曲線で示してある。
【０１２０】
図3(A)及び(B)の横軸は、QPM光導波路の導波方向座標（ｚ座標）であり、その左端がQPM光導波路の入射端側である。光クロックパルスとSH波のそれぞれは、この図の左端から右端に向かって、それぞれの群速度uC及びuSHで進行するものとして描いてある。また縦軸は、光強度を任意スケールで示している。
【０１２１】
図3(A)は、QPM光導波路の入射端近傍における、光クロックパルスを構成する光パルス列と光パルス信号を基本波とするSH波を構成する光パルス列の位置関係を模式的に示した図である。光クロックパルスを構成する光パルス列を上段に、光パルス信号を基本波とするSH波を構成する光パルス列を下段にそれぞれ示してある。
【０１２２】
光クロックパルスは、ビットレートに相当する繰返し周波数で光パルスが規則的に並んだ光パルス列であるので、等間隔で光パルスが並んでいる。一方SH波は、2値デジタル信号を反映した光パルス信号を基本波とするSHGにより発生した光パルス列であるから、これを構成している光パルスは、不等間隔で並んでいる。
【０１２３】
この図3(A)下段では、光パルスが存在に対して「1」を、光パルスの不存在に対して「0」を対応させるものとすれば、「11101」というデジタル信号を例にしてある。したがって、信号「11101」の「0」に対応する位置に光パルスが存在していない。このため、図3(A)下段に示されている「1」に対応する5つの光パルスが不等間隔で並んでいる。
【０１２４】
その上、光パルス信号にはタイミングジッタを含んでいるので、それをSH波長変換して得られたSH波も同様のタイミングジッタを含んでいる。したがって、信号「11101」の左側3桁の「111」に対応する3つの光パルスも、厳密には等間隔では並んでいない。
【０１２５】
QPM光導波路の入射端近傍では、図3(A)に示すように光クロックパルスを構成している光パルスとSH波を構成している光パルスとが重なり合っていない。これは、QPM光導波路へ光クロックパルスを入力する前に、この光クロックパルスに時間遅延を付加したためである。図3(A)の上段と下段とに示された光パルスに重なりが生じていないので、当然に光クロックパルスとSH波とのDFGは発現しないので、DF波は発生していない。
【０１２６】
また、QPM光導波路の入射端近傍では、光パルス信号のQPM光導波路中における伝播距離が短いために、光パルス信号を基本波とするSH波もほとんど成長しておらずSH波の強度は小さい。
【０１２７】
図3(B)は、QPM光導波路の出射端近傍における、光クロックパルスを構成する光パルス列と光パルス信号を基本波とするSH波を構成する光パルス列及び光クロックパルスとSH波とのDFGによるDF波の位置関係を模式的に示した図である。光クロックパルスを構成する光パルス列を上段に、光パルス信号を基本波とするSH波を構成する光パルス列を中段に、DF波を下段にそれぞれ示してある。
【０１２８】
光クロックパルスは、図3(A)同様にビットレートに相当する繰返し周波数で光パルスが規則的に並んだ光パルス列であるので、等間隔で光パルスが並んでいる。一方SH波は、これを構成している光パルスは、不等間隔で並んでいる点は図3(A)同様であるが、光パルス信号のQPM光導波路中において長い距離伝播しているので、SH波を構成する光パルスの強度は図3(A)に示されているよりも大きい。
【０１２９】
QPM光導波路の出射端近傍では、光クロックパルスを構成している光パルスとSH波を構成している光パルスとは相互作用をしてDFGが発現し、光クロックパルスとSH波とのDF波が発生している。そして、既に説明したように、DF波を構成する光パルスと、光クロックパルスを構成する光パルスとは、その位置が合致している。
【０１３０】
すなわち、DF波を構成する光パルスと、光クロックパルスを構成する光パルスとは、同期しており、SH波を介して光パルス信号に存在していたタイミングジッタが取り去られている。これは、第1波長λSの光パルス信号が、タイミングジッタが除去された波長λDFの光パルス信号として再生されたことを意味している。
【０１３１】
図4(A)〜(D)を参照して、SH波を構成する光パルス及びDF波を構成する光パルスがQPM光導波路を伝播中に成長する様子を説明する。これらの図は、QPM光導波路の入射端をｚ＝0 mmとして、ｚ＝2 mm、ｚ＝4 mm、ｚ＝6 mm、ｚ＝8 mm、ｚ＝10 mm の位置におけるそれぞれの光パルスの形状を、それぞれ一点鎖線、破線、二点鎖線、細破線、実線、で区別して示した図である。図4(A)は、光パルス信号を構成する光パルスの形状の変化、図4(B)は光クロックパルスを構成する光パルスの形状の変化、図4(C)はSH波を構成する光パルスの形状の変化、図4(D)はDF波を構成する光パルスの形状の変化をそれぞれ示している。
【０１３２】
図4(A)〜(D)の縦軸は光強度を任意スケールで目盛ってあり、横軸は、光クロックパルスのピーク位置に対する位相ずれを時間Δｔに換算してその値をps単位で目盛って表示してある。また、光パルス信号に対して光クロックパルスの位相を0.85ps遅らせてQPM光導波路に入射させている。このため、QPM光導波路の任意の一点を、光パルス信号を構成する光パルスのピークは、光クロックパルスのピークが到着する0.85ps前に通過する。すなわち、図4(B)に示す光クロックパルスのピーク位置を横軸（時間軸）の原点にとれば、図4(A)に示す光パルス信号を構成する光パルスのピーク位置は、QPM光導波路では-0.85psに相当する位置にある。
【０１３３】
図4(A)に示されている光パルス信号を構成する光パルスは、QPM光導波路の入射端から出射端に進むほどその強度（光パルスの形状を表す曲線と横軸である時間軸とによって囲まれる面積に比例する。）がわずかに減少している。図4(A)では、代表してｚ＝2 mm、ｚ＝6 mmおよびｚ＝10 mm の位置における、光パルス信号を構成する光パルスの形状を示している。これは、QPM光導波路を伝播中に、光パルス信号を構成する光パルスは、そのエネルギーの一部をSH波に受け渡すために、その強度が減少していることを示している。
【０１３４】
図4(B)では、代表してｚ＝2 mmおよびｚ＝10 mm の位置における、光クロックパルスを構成する光パルスの形状を示している。ｚ＝2 mmおよびｚ＝10 mm の位置において、光パルス強度及びその形状がほとんど変化していない。図4(B)に示されている光クロックパルスを構成している光パルスは、その強度の絶対値がSH波から受け渡されるエネルギーのためにその強度がわずかに増加しているが、ほぼQPM光導波路の入射端から出射端に至るまでその強度およびその形状を変えないとみなせることが分かる。
【０１３５】
図4(C)に示されている光パルス信号のSH波を構成する光パルスは、QPM光導波路の入射端から出射端に進むほどその強度（光パルスの形状を表す曲線と横軸である時間軸とによって囲まれる面積に比例する。）が増大するとともにその形状が変化している。光パルスの強度が増大する理由は、光パルス信号がQPM光導波路を伝播中に少しずつSH波にそのエネルギーの一部を渡しつつ進行していくことによる。すなわちSH波は、QPM光導波路の入射端から出射端向かって成長しつつ進行していることが分かる。
【０１３６】
光パルス信号のSH波を構成する光パルスの形状が変化している理由は、一つには、SH波の成長は図4(A)に示す信号光を構成する光パルスに従って起こるので、群速度の大きな光パルス信号に引きずられる形で時間軸が伸張すること、また、光クロックパルスとの相互作用によってDF波及び光クロックパルスにエネルギーを受け渡しているためである。
【０１３７】
図4(D)に示されている光パルス信号のSH波と光クロックパルスとのDFGによって発生するDF波を構成する光パルスは、QPM光導波路の入射端から出射端に進むほどその強度（光パルスの形状を表す曲線と横軸である時間軸とによって囲まれる面積に比例する。）が増大するとともにそのピーク位置(図中の下向きの矢印で示す位置)が、光クロックパルスの位相とのずれが0 ps（Δｚ＝0 ps）に近づいていることが読み取れる。そしてこの場合、QPM光導波路の入射端からｚ＝10 mm進めば、その光クロックパルスの位相とのずれがほぼなくなることを意味している。
【０１３８】
したがって、QPM光導波路の長さを十分（図4(A)〜(D)で示した例では10 mm以上）にとれば、光パルス信号を構成する光パルスに、タイミングジッタ（図4(A)〜(D)で示した例では0.85ps）が存在しても、この光パルス信号が再生されたDF波にはタイミングジッタが除去されていることが分かる。
【０１３９】
図5(A)及び(B)を参照してこの発明の第1の光信号再生法によって光パルス信号のタイミングジッタが除去される過程、すなわちタイミング再生機能を説明する。図5(A)及び(B)において、QPM光導波路の全長が10 mmである場合を実線で、全長が30 mmである場合を破線でそれぞれ示してある。
【０１４０】
図5(A)は、タイミングジッタがQPM光導波路を伝播する過程でどの程度除去されるかについて示した図である。横軸は、光クロックパルスを構成する光パルスに対する、光パルス信号を構成する光パルスの遅れ量Δtinをps単位で目盛ってある。光クロックパルスを構成する光パルスに対して、光パルス信号を構成する光パルスが遅れる場合がΔtin＞0であり、進む場合がΔtin＜0である。縦軸は、QPM光導波路から出力されるDF波を構成する光パルスの、光クロックパルスを構成する光パルスに対する遅れ量Δtoutをps単位で目盛ってある。
【０１４１】
タイミングジッタが存在することは、図5(A)において、Δtinの値のばらつきに反映される。例えば、2psのタイミングジッタを有する光パルス信号を考える。光遅延回路によって光クロックパルスの遅れ量を-2psに設定すれば、図5(A)において、実際に入射する光パルス信号のΔtinは、Δtin＝-2psを中心として、-3ps＜Δtin＜-1psの間の値をとる。すなわち、Δtinの値が3ps＜Δtin＜-1psの範囲でばらつくことになる。このようなΔtinのばらつきを有する光パルス信号が、全長30ｍｍのQPM光導波路に導入された場合において、図5(A)によれば、Δtin＝-1psのときΔtout＝-0.1ps、Δtin＝-3psのときΔtout＝-0.1ps、であるから、完全にタイミングジッタが除去されることになる。これに対して、同一の条件で10ｍｍのQPM光導波路を用いた場合には、0.3ps程度のタイミングジッタが残ってしまうことが分かる。
【０１４２】
このように、大きなタイミングジッタを伴う光パルス信号を再生しようとすると、そのタイミングジッタの大きさに応じて、この第1の発明の光信号再生方法を用いて光信号再生を実現する装置に使われるQPM光導波路は長くなければならない。
【０１４３】
図5(B)は、光クロックパルスを構成する光パルスに対する、光パルス信号を構成する光パルスの遅れ量Δtinに対する、再生される光パルス信号であるDF波の強度を表したものである。横軸は、図5(A)と同様に光クロックパルスを構成する光パルスに対する、光パルス信号を構成する光パルスの遅れ量Δtinをps単位で目盛ってある。縦軸は、QPM光導波路から出力されるDF波の強度を光パルス信号の強度に対する強度比で表したもので、すなわち変換効率を目盛ってある。
【０１４４】
図5(B)によれば、最大のDF波強度が得られるΔtinは、QPM光導波路長が30ｍｍである場合には-0.85ps程度であるが、2psのタイミングジッタを有する光パルス信号をこの条件で再生した場合、図5(A)によって、出力されるDF波の光パルスの有するタイミングジッタは、Δtout(0.15ps)-Δtout(-1.85ps)＝0.4ps-(-0.1ps)＝0.5psである。そこで、タイミングジッタをより小さくするためには、Δtinを-1.85psより小さくして、変換効率を低下させなければならない。
【０１４５】
そこで、第1波長の光パルス信号のSHGによるSH波成長を実現する第1波長変換部（第1のQPM型波長変換素子）と、光クロックパルス(被変換光)及びSH波(被変換光)からDFGによるDF波成長を実現する第2波長変換部（第2のQPM型波長変換素子）とに分割することを検討した。その結果、このように第1波長変換部と第2波長変換部とに分割する構成とする光信号再生方法（第2の光信号再生方法ということもある。）を実現する光信号再生装置（第2の光信号再生装置ということもある。）によれば、上述の問題点が解決することが判明した。
【０１４６】
第2の光信号再生方法及び第2の光信号再生装置の説明をする前に、この発明の波長変換部（実施例2では第1波長変換部及び第2波長変換部）に使われるQPM型波長変換素子の構造、QPM型波長変換素子の形成方法について説明する。
【０１４７】
＜QPM型波長変換素子の構造＞
図6を参照して、QPM型波長変換素子の構造を説明する。図6は、QPM型波長変換素子32の模式図であって、この模式図においては、QPM光導波路30あるいはドメインの存在を表示するために、該当する箇所に斜線を施してある。したがってこの斜線は、立体的な構造物の断面形状を意味するものではない。
【０１４８】
ドメイン反転構造34は、第1ドメイン34aと第2ドメイン34bとから構成されている。第1ドメイン34aと第2ドメイン34bとは、この波長変換素子を構成する素材である強誘電体結晶の自発分極の向きが互いに180°の関係となっている。波長変換素子を構成する素材には、例えばzカットされたLiNbO3基板が使われる。以後の説明において、特に断らない限り、強誘電体結晶基板としてzカットされたLiNbO3基板を対象として取り上げることとする。
【０１４９】
zカットされたLiNbO3基板とは、その表面に垂直な方向に自発分極の向きが揃えられているシングルドメイン結晶基板である。自発分極ベクトルの終端側の面を+z面、自発分極ベクトルの初端側の面を-z面と呼ぶこともある。
【０１５０】
このLiNbO3基板の+z面に周期的にドメインを反転させて、ドメイン反転領域（第2ドメイン）34bを形成する。したがって、ドメイン反転構造34は、シングルドメイン結晶基板としての自発分極が保たれているドメイン（第1ドメイン34a）と自発分極の方向が反転されたドメイン（第2ドメイン34b）とで構成される。すなわち、第1ドメイン34aの自発分極の向きは-z面から+z面に向かう方向であるのに対して、第2ドメイン34bの自発分極の向きは+z面から-z面に向かう方向である。
【０１５１】
第1ドメイン34aと第2ドメイン34bとで形成される周期構造の周期はΛである。第1ドメイン34aの寸法d1と第2ドメイン34bの寸法d2とを等しくとることによって、波長変換効率を最大にすることができる。すなわち、d1＝d2として、Λ＝d1+d2とするのが好適である。
【０１５２】
QPM型波長変換素子32の光導波路30へ被変換光36を入力すれば、被変換光が光導波路30を伝播する間に非線形光学効果（SHGあるいはDFG等）により変換光が発生し、出力光38として出力される。出力光38には、QPM型波長変換素子32の光導波路30へ入力された被変換光36も含まれているので、変換光だけを得るためには、出力光38を変換光だけを選択的に透過させる機能を有する波長フィルタ等を用いてフィルタリングする必要がある。このため第1光信号再生装置では、波長フィルタ24を用いて、DF波のみを選択して取り出す構成とした。
【０１５３】
＜QPM型波長変換素子の形成方法＞
自発分極の方向が反転している領域を形成するには、zカットされたLiNbO3基板の自発分極の方向を反転させる領域に、Znを高温熱拡散するかあるいは高電圧を印加することで行えることが知られている。Znを高温熱拡散するには第2ドメイン34bが形成される部分に、真空蒸着法等でZn薄膜を50 nmの厚さに形成し、1,000℃で10時間熱拡散すればよい。高電圧を印加して自発分極の方向を反転させるには、第2ドメイン34bが形成される部分に、電極を形成して高電圧を瞬間的に印加すればよい。
【０１５４】
続いて、zカットLiNbO3基板に形成された周期的ドメイン反転構造に交差するように光導波路30を形成する。光導波路は、安息香酸を交換源としたH+-Li+イオン交換法（プロトン交換法とも呼ばれる。）によって形成できることが知られている。例えば、光導波路30を形成する領域のみを空けてそのほかの領域を金属マスクで覆った状態で、200℃の安息香酸中に2時間浸して、金属マスク及び安息香酸を除去し350℃のAr雰囲気中で6時間アニール処理することで形成できる。
【実施例２】
【０１５５】
図7に示すブロック構成図を参照して、この発明の実施例である第2の光信号再生方法とそれを実現する装置の構成及びその各部の機能とを併せて説明する。
【０１５６】
第2の光信号再生装置は、分波器48、光クロック再生部52、光遅延回路54、第1波長変換部56、第1波長フィルタ58、合波器60、第2波長変換部62及び第2波長フィルタ64を具えて構成される。
【０１５７】
また、時間遅延差調整部8は、第1経路40あるいは第2経路50のいずれか一方に光遅延回路54を設置することで構成されることは、第1の光信号再生装置と同様である。したがって、実施例2の説明においても、実施例1の説明と同様に、時間遅延差調整部8を第2経路50に光遅延回路54を挿入することで構成される場合について説明するが、時間遅延差調整部8が第1経路40に光遅延回路54を挿入することで構成される場合を除外するものではない。第1経路40に光遅延回路54を挿入する場合、その挿入位置としては、分波器48と第1波長変換部56との間、あるいは第1波長変換部56と第1波長フィルタ58との間、あるいは第1波長フィルタ58と合波器60との間のいずれの位置でもよい。
【０１５８】
被再生信号である光パルス信号47は、分波器48によって第1経路40を伝播する光パルス信号49と、第2経路50を伝播する光パルス信号51とに分波される。第1経路40は、第1波長変換部56と第1波長フィルタ58とを含んでいる。また、第2経路50は、光クロック再生部52と光遅延回路54とを含んでいる。
【０１５９】
以後、実施例1と同様に、光パルス信号47の波長は、そのスペクトルの中心波長が1.56μmであるとし、この中心波長をλsで示す。また、以後便宜的に波長λsを第1波長と称することもある。
【０１６０】
第1波長の光パルス信号51から光クロックパルスを再生する過程は、実施例1と同様、以下に説明するとおりである。異なるのは、第1波長変換部56においては、光パルス信号49のSHGによるSH波の生成を行い、第2波長変換部62では、光パルス信号49のSH波と光クロックパルスとのDFGによるDF波の生成を行なう構成となっている点である。すなわち、SH波の生成とDF波の生成とを別々に行なう構成となっている点である。
【０１６１】
第1波長の光パルス信号51は、光クロック再生部52に入力されて、光クロックパルス53が再生される。光クロックパルス53は、光パルス信号51のビットレートに等しい繰返し周波数の光パルス列である。光クロックパルスが得られる理由は、実施例１において説明したとおりである。
【０１６２】
光クロック再生部52は、モード同期半導体レーザを用いて構成され、周知の原理に基づいて光クロックパルスを再生する。このモード同期半導体レーザの周波数は、第1波長とはわずかに異なる第2波長λCであり、例えば、1.54μmである。すなわち、光クロックパルス53は、そのスペクトルの中心波長が1.54μmである。
【０１６３】
光クロックパルス53は、光遅延回路54に入力されて、時間遅延を付加される。時間遅延を付加された光クロックパルス55は、合波器60によって、第1経路40を伝播してきたSH波59と合波されて光線束61となって、第2波長変換部62に入力される。
【０１６４】
次に、光パルス信号のSH波を成長させてその成長を完了させるステップと、このステップを実施するための第1波長変換部の構成を説明する。また、成長が完了されたこのSH波と光クロックパルスとのDF波を発生させるステップと、このステップを実施するための第2波長変換部の構成を説明する。
【０１６５】
第1経路40を伝播する光パルス信号49は、第1波長変換部56に入力されてSHGによるSH波に波長変換される。したがって、第1波長変換部56からはこのSH波と、光パルス信号とが混ぜ合わさった光線束57として出力される。光線束57は、第1波長フィルタ58でフィルタリングされ、SH波のみが選択されて透過されSH波59となって、合波器60に入力されて、第2経路50を伝播してきた光クロックパルス55と合波されて光線束61となって、第2波長変換部62に入力される。
【０１６６】
したがって、第2波長変換部62に入力される光線束61は、SH波59と光クロックパルス55とが合波された光線束である。
【０１６７】
第2波長変換部62では、SH波59と光クロックパルス55とのDFGによるDF波が発生する。このDF波は、実施例1において説明したように、DF波を構成する光パルスと光クロックパルスを構成する光パルスとは位相同期しており、SH波に存在していたタイミングジッタが取り去られている。すなわち、第1波長の光パルス信号が、タイミングジッタが取り去られた波長λDFの光パルス信号として再生されたことになる。
【０１６８】
このようにして得られた再生信号であるDF波を含む光線束63を波長フィルタ64でフィルタリングして、再生信号であるDF波のみを取り出すことで、この発明の第2の光信号再生装置からこの発明の第2の光信号再生方法によって、光パルス信号47を光再生信号65として得ることができる。
【０１６９】
第1の光信号再生方法及びそれを実現する装置と第2の光信号再生方法及びそれを実現する装置との相違は、SHGを発現させる場所とDFGを発現させる場所とを分離するか否かにある。この相違によって生じる効果について以下に説明する。
【０１７０】
光クロックパルスとSH波とのDF波が発生する場所とを分離することによって、第2波長変換部を構成する波長変換素子のどの位置でDFGを発現させるかを、光遅延回路において付加する時間遅延量を調整することで自由に決めることができる。これによって、光パルス信号に大きなタイミングジッタが含まれても、光クロックパルスとSH波とのDF波が発生する場所を、着実に第2波長変換部を構成する波長変換素子内に設定することができる。
【０１７１】
この発明の第1の光信号再生装置におけるように、SHG及びDFGを発現させる場所を同一として構成した場合、光パルス信号を構成する光パルスの一つが平均よりも遅いタイミングを持った場合には次に説明する状況となる。すなわち、この場合は、SH波が十分に成長しない間に、DF波の発生も起こってしまう状況となる。すなわち、結果として、図4及び図5を参照して説明したように、再生される光パルス信号（波長はλDF）の強度を十分に大きくできない上、タイミングジッタも十分に除去することができない。
【０１７２】
そこで、次に光クロックパルス及びSH波の群速度について説明し、光クロックパルスがSH波に追いついて追い越すまでの過程について検討する。
【０１７３】
一方、波長変換部を、SHGが発現する第1波長変換部とDFGが発現する第2波長変換部とに分割した場合には、第1波長変換部におけるQPM光導波路の長さは、十分な強度のSH波が得られる長さに設定すれば良い。この長さは、被再生光パルス信号の強度等によって決まり、光信号再生装置が組み込まれる光通信システムの固有の長さに設定できる。また、第2波長変換部におけるQPM光導波路の長さは少なくとも光クロックパルスがSH波に追いついて追い越すまでに伝播する距離以上が確保されていれば良い。
【０１７４】
すなわち、波長変換部をSHGが発現する第1波長変換部とDFGが発現する第2波長変換部とに分割した場合(第2の光信号再生方法を実施できる装置)では、それぞれのQPM光導波路の長さは、SHGが発現する第1波長変換部とDFGが発現する第2波長変換部とに分割しない場合に比べて、明らかに短くて済むという利点がある。QPM光導波路は、その長さが短いほど製作が容易であり、短くてすむということは、製作上の利点となる。
【０１７５】
そこで、DFGが発現する第2波長変換部のQPM光導波路の長さについて検討するために、光クロックパルスがSH波に追いついてから追い越すまでの伝播距離を具体的に説明する。
【０１７６】
LiNbO3の屈折率の波長依存性を与えるセルマイヤーの波長分散式は、次式(7)で与えられる。すなわち、この発明の実施例は、zカットLiNbO3基板にイオン交換法で形成した光導波路をQPM光導波路として用いているので、この導波路を伝播する光である異常光線に対する分散公式を適用するのが妥当である。
【０１７７】
n2(λ)＝4.5820+0.099169/(λ2-0.04443)-0.021950λ2      （7）
上式(7)が与える波長λに対する屈折率の自乗値n2(λ)は、バルクのLiNbO3に対する値であるが、十分によい近似で、QPM光導波路の実効屈折率に等しい。そこで、QPM光導波路の実効屈折率が上式(7)で与えられるものとして、以下説明する。
【０１７８】
既に説明した式（3）を用いて群速度を計算すると、
uS(λS＝1.56μｍ)＝1.3898×108ｍ/ｓ
uC(λC＝1.54μｍ)＝1.3899×108ｍ/ｓ
uSH(λSH＝0.78μｍ)＝1.3255×108ｍ/ｓ
uDF(λDF＝1.58μｍ)＝1.38966×108ｍ/ｓ
となる。また、ビットレートがB Gbit/sの光パルス信号の光パルス幅が、光パルスの繰返し周波数（(1/B) ns）の0.4倍であると仮定して説明する。すなわち、光パルスの1周期は(1/B) nsであり、その光パルス幅は、0.4×(1/B) nsであると仮定する。
【０１７９】
以上の仮定の下で、光クロックパルスがSH波のパルスに追いついてから追い越し終わるまでにQPM光導波路を伝播する距離LCは、
LC＝0.4×(1/B)/(1/uSH - 1/uC ）    （8）
で与えられる。
【０１８０】
すなわち、第2の光信号再生装置における場合、光クロックパルスとSH波のDFGによるDF波が発生するのに必要となるQPM光導波路の長さは、LC以上あればよいことになる。
【０１８１】
式(8)を用いて、ビットレートB Gbit/sと距離LCとの関係を計算した結果を以下の表１に示す。
【０１８２】
【表１】
2005070694.tif 000003
【０１８３】
上述の結果から、ビットレートが50 Gbit/s程度である場合は、LCが2.29cmであることが分かる。将来、光通信技術が向上して、ビットレートが200 Gbit/sあるいはこれ以上の光通信システムが実用になることが十分に予想される。そうすると、LCは、1 cm以下となる。すなわち、DF波が得られるために必要なQPM光導波路の長さはLC程度あればよいので、表1から明らかなように、ビットレートが200 Gbit/sあるいはこれ以上の光通信システムでは、5.73 mm程度である。
【０１８４】
タイミングジッタの値は、最大でも、光パルスの繰返し周期以上となることはない。言い換えると、これ以上のタイミングジッタが含まれていると、事実上、光3R再生は困難となる。したがって、タイミングジッタが光パルスの繰返し周波数程度含まれている場合を想定しても、DF波が得られるため確保しておかなければならないQPM光導波路の長さは2LC程度あればよいので、ビットレートが50 Gbit/sである光通信システムに対しては、4.6 cm（2×2.29 cm≒4.6 cm）程度あればよいことになる。
【０１８５】
一方、光パルス信号のSH波が十分な強度まで成長するために必要な長さは経験的に、5 mm以上あれば十分であることが分かっている。
【０１８６】
したがって、SHG発現部とDFG発現部とを一本のQPM光導波路で実現するこの発明の第1の光信号再生装置の波長変換部を構成するQPM光導波路の長さは、タイミングジッタが光パルスの繰返し周波数程度含まれている最悪の場合を仮定して、ビットレートが50 Gbit/sである場合には、タイミングジッタが光パルスの繰返し周波数程度含まれている場合を想定した、DF波が得られるため確保しておかなければならないQPM光導波路の長さ、2LC＝4.6 cm以上必要となる。
【０１８７】
この値は、SH波が成長するのに要する伝播距離を考慮せずに、SH波が十分な強度まで成長する前に、DF波へのエネルギーの移動が行われることを容認した場合の最短のQPM光導波路長である。しかし、この場合は、SH波の強度が十分でないために、再生される光信号であるDF波の強度が十分に得られない上に、DF波を構成する光パルスの強度を一定にすることができない。
【０１８８】
この理由は、タイミングジッタは、常に揺らいでおり、その結果SH波を構成する光パルスの隣接する間隔は常に異なっている。このため、再生される光信号であるDF波を生み出す前提となるSH波の強度が、タイミングジッタの大きさに依存するためである。結果として、DF波、すなわち、再生光信号を構成する光パルスの一つ一つは、そのタイミングジッタの値の大小を反映して、その光パルス強度が一定値とならないことにある。
【０１８９】
一方、SHG発現部とDFG発現部とを第1波長変換部と第2波長変換部とに分担させるべく、分離した場合について説明する。この場合は、第1波長変換部を構成するQPM光導波路の長さは5 mmである。また、第2波長変換部を構成するQPM光導波路の長さは2LCでよい。すなわち、ビットレートが50 Gbit/sである場合には、2LC＝4.6 cmでよい。この理由は上述したように、タイミングジッタとして最大値が光パルスの繰返し周期程度含まれた場合を想定し、この場合でもDF波が得られるため確保しておかなければならないQPM光導波路の長さは2LC程度あるからである。
【０１９０】
第2の光信号再生装置によれば、タイミングジッタの大きさに係らず一定の強度の再生光信号であるDF波を得ることができる。この理由は、第1波長変換部において、必要な強度を有するSH波が得られているため、DF波が発生し始める時点（追いついた時点）におけるSH波の強度が、タイミングジッタに関係なく同一であるから、DF波の発生効率がタイミングジッタに関係なく一定となり、この結果得られるDF波の強度も一定となるからである。
【０１９１】
LiNbO3を用いて作製されるQPM光導波路は、実用上10 cm程度までは作製可能である。したがって、現在のQPM光導波路作製技術によれば、十分にこの発明の波長変換部を構成するQPM光導波路を作製することができる。
【０１９２】
以上説明したことを要約すると、光クロックパルスとSH波とのDF波が発生する場所を分離することによって、光パルス信号に含まれるタイミングジッタが大きくても十分対応できる光信号再生装置が構築できる。
【０１９３】
すなわち、時間遅延を第2波長変換器に入力する直前で付加することができるので、この時間遅延量を選択することによって、第2波長変換部を構成する波長変換素子の中央部に、DF波の発生する位置を着実に設定することができる。このことによって、光パルス信号に含まれるタイミングジッタが大きくても、第2波長変換部で確実にDF波の発生が起こるようにすることが可能となる。
【０１９４】
第2波長変換部に光パルス信号を構成する光パルスの一つであって平均よりも遅いタイミングを有する光パルスが入力されれば、第2波長変換部を構成するQPM光導波路の入射端近傍で、DF波が発生する。また、第2波長変換部に光パルス信号を構成する光パルスの一つであって平均よりも早いタイミングを有する光パルスが入力されれば、第2波長変換部を構成するQPM光導波路の出射端近傍で、DF波が発生する。
【０１９５】
光クロックパルスとSH波とのDF波が発生する場所を分離することによって、このように十分なゆとりを持って、DF波の発生位置を、第2波長変換部を構成するQPM光導波路内に設定できる。
【０１９６】
この発明の第2の光信号再生装置として、1枚のLiNbO3基板に第1波長変換部と第2波長変換部とをモノリシック一体化して構成する例を説明する。この発明の第2の光信号再生装置を構築する場合には、第1波長変換部と第2波長変換部とを別々に設けるために、第1波長変換部のQPM光導波路から出力されるSH波を第2波長変換部のQPM光導波路へ効率よく入力するための、位置調整が必要である。この調整工程は複雑な上、仮に最適な位置関係に調整がなされたとしても、波長変換装置の使用中に位置ずれが生ずる可能性もある。
【０１９７】
そこで、この問題を解決する手法として、1枚のLiNbO3基板に第1波長変換部と第2波長変換部とをモノリシック一体化して構成するのが好適である。このモノリシック一体化して構成する構成例を、光信号再生モジュールということとする。この光信号再生モジュールによれば、LiNbO3基板に、第1波長変換部のQPM光導波路と第2波長変換部のQPM光導波路とを、まず、一本の光導波路としてLiNbO3基板に構成しておいて、この一本の光導波路入射端側（光信号再生モジュールの入射端側）の一部に第1波長変換部を、またこの一本の光導波路出射端側（光信号再生モジュールの出射端側）の一部に第2波長変換部を構成する。
【０１９８】
このようにすれば、第1波長変換部と第2波長変換部とを別々に製作してハイブリット一体化して光信号再生装置を構築する場合のように、第1波長変換部のQPM光導波路から出力されるSH波を第2波長変換部のQPM光導波路へ効率よく入力するための位置調整は必要でない。また光信号再生装置を使用中に、第1波長変換部のQPM光導波路と第2波長変換部のQPM光導波路との位置ずれが生ずることもない。
【０１９９】
第1波長変換部と第2波長変換部との間に、第1波長フィルタを挿入するために溝を構成して、その溝に第１波長フィルタを挿入する構成とすれば、第1波長フィルタの装着も可能である。
【０２００】
また、光クロックパルスと、第1波長変換部から出力されたSH波とを合波する合波器も、第1波長フィルタの後段に、双方向性光結合器を構成することで実現できる。この双方向性光結合器をLiNbO3基板に構成する技術は、周知の技術である。
【０２０１】
次に光信号再生モジュールを製作する方法を以下に説明する。LiNbO3基板に、第1波長変換部及び第2波長変換部を構成するドメイン反転領域を形成する。この構成法は既に述べたので省略する。次にこのドメイン反転領域を縦断する形に光導波路をイオン交換法で形成する。この光導波路製作法も既に述べたとおりである。
【０２０２】
ドメイン反転構造及び光導波路を構成した後、ダイシングソー等によって、第1波長フィルタを装着するための溝を構成し、この溝に第1波長フィルタを装着すれば良い。また、光クロックパルスと、第1波長変換部から出力されたSH波とを合波する合波器は、双方向性結合器とすればよい。双方向性結合器はその構成も、設計法も周知の方法で容易に構成できる。
【０２０３】
なお、光遅延回路を第2経路に挿入する場合、実施例1、実施例２では、光クロック再生部の後段に光遅延回路を設けた例を示したが、これに代えて、光クロック再生部の前段に光遅延回路を設けた構成とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【０２０４】
この発明の光信号再生方法は、光パルス信号から抽出された光クロックパルス用いて、QPM光導波路中で発現する非線形光学効果であるDFGによるDF波発生を利用して、光パルス信号と光クロックパルスとのAND処理（ゲーティング）を行なう。そのため、従来の光信号再生方法のように、光パルス信号の時間軸上でのパルス幅を広げたり、光パルス信号の品質を一旦劣化させる必要がないという利点がある。
【０２０５】
更に、波長変換部を、光パルス信号のSH波を生成しその成長を完了させるための第1波長変換部と、光クロックパルスと成長が完了したSH波とのDF波を発生させるための第2波長変部とに分離することによって、光パルス信号に含まれるタイミングジッタが大きくても十分対応できる光信号再生装置が構築できる。また、これによって、光パルス信号に含まれるタイミングジッタに起因する、再生された光パルス信号の振幅のばらつきを小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【０２０６】
【図１】実施例1の光信号再生装置のブロック構成図である。
【図２】群速度不整合の説明に供する図である。
【図３】光クロックパルスと、SH波と、DF波との位相関係を表す図である。
【図４】SH波及びDF波の成長の過程の説明に供する図である。
【図５】光パルス信号のタイミングジッタを除去するタイミング再生機能の説明に供する図である。
【図６】QPM型波長変換素子の模式図である。
【図７】実施例2の光信号再生装置のブロック構成図である。
【符号の説明】
【０２０７】
6、8：時間遅延差調整部
12、52：光クロック再生部
14、54：光遅延回路
16：波長変換部
18、48：分波器
22、60：合波器
24：波長フィルタ
30：QPM光導波路
32：QPM型波長変換素子
34：ドメイン反転構造
56：第1波長変換部
58：第1波長フィルタ
62：第2波長変換部
64：第2波長フィルタ
【図１】
2005070694.tif 000004
【図２】
2005070694.tif 000005
【図３】
2005070694.tif 000006
【図４】
2005070694.tif 000007
【図５】
2005070694.tif 000008
【図６】
2005070694.tif 000009
【図７】
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