(57)【要約】光符号分割多元接続システムにおいて使用されるキーと共役キーを自動生成する方法および装置（１００Ａ）を提供する。上記方法は、ダウンコンバージョン処理を行って入力光をポンプすることにより、互いの複素共役である、ダウンコンバートされた広帯域の信号フィールドおよびアイドラーフィールド（Ｌｓ、Ｌｉ）を生成する工程を含む。上記信号フィールドおよびアイドラーフィールドは、キーとその共役となる。本発明によれば、光符号分割多元接続システムにおける信号の符号化／復号化に使用される方法も提供される。
2006524010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光符号分割多元接続システムにおいて使用されるキーと共役キーとを自動的に生成する方法であって、
ポンプ入力光にダウンコンバージョン処理を行い、互いの複素共役であり前記キーおよび前記キーの共役として機能する広帯域ダウンコンバート信号フィールドおよび広帯域ダウンコンバートアイドラーフィールドを生成する工程を具備する方法。
【請求項２】
前記ダウンコンバージョン処理は、
前記ポンプ光を非線形光学媒質を通過させる工程を具備する請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ダウンコンバージョン処理は、
前記ポンプ光を、少なくとも１つの非線形光学媒質により２つの反射鏡間に形成される共振空洞を有する光学的配列を通過させる工程を具備する請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記共振空洞を介して伝播する前記ダウンコンバート光フィールドのアップコンバージョンの影響を低減する工程を具備する請求項３の方法。
【請求項５】
前記アップコンバージョンの影響を低減する工程は、
前記光学的配列を介して伝播する間に前記ダウンコンバート光フィールドの少なくとも一方に対してスペクトル位相整形を行う工程を具備する請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記スペクトル位相整形は、
前記非線形媒質において発生する前記ダウンコンバート信号フィールドおよびアイドラーフィールド間に相対遅延を付与し、前記非線形媒質を通過する前の前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドの位相関係を復元する工程を具備する請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記相対遅延は、前記各ダウンコンバートフィールドのコヒーレンス時間τ＝１／Δω程度であり、Δωは、前記ダウンコンバート光のスペクトル幅である請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記ダウンコンバージョン処理はデータ送信側で行なわれる、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記ダウンコンバージョン処理はデータ受信側で行なわれる、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
光符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）システムで使用される方法であって、
互いの複素共役でありキーおよび前記キーの共役として機能する広帯域の信号光フィールドおよびアイドラー光フィールドを自動的に生成するダウンコンバージョン処理を、データ送信システムからデータ受信システムまでのデータ搬送に用いられる光チャネルに対して行い、これによって、前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドの少なくとも一方のデータ変調を行うことと、アップコンバージョン処理を行うことにより前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドを一緒に処理してデータを抽出することとを可能にする工程を具備する方法。
【請求項１１】
光符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）システムで使用される方法であって、
互いの複素共役でありキーおよび前記キーの共役として機能する広帯域の信号光フィールドおよびアイドラー光フィールドを自動的に生成するダウンコンバージョン処理を、データ送信システムからデータ受信システムまでのデータ搬送に使用される光チャネルに対して行い、これによって、前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドの少なくとも一方のデータ変調を行うことと、前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドを一緒に処理してデータを抽出することとを可能にする工程と、
光チャネルを表すダウンコンバート信号フィールドおよびダウンコンバートアイドラーフィールドを含むデータ搬送光に対してアップコンバージョン処理を行い、これによって、データ受信システムにおいてデータチャネルを示す光を復元する工程と、
の少なくともいずれかを具備する方法。
【請求項１２】
前記ダウンコンバージョン処理は、
前記データ受信システムにおいて光チャネルに対して行われ、
前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドの一方は、
前記受信システムから前記データ送信システムに対して送信され、これによって、データ送信システムにおいて前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドの一方のデータ変調を行うことを可能にする請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
前記ダウンコンバージョン処理は、
前記データ送信システムにおいて光チャネルに対して行われる請求項１０記載の方法。
【請求項１４】
前記ダウンコンバージョン処理は、
前記データ受信システムにおいて光チャネルに対して行われ、
前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドの一方は、
前記受信システムから前記データ送信システムに対して送信され、これによって、前記データ送信システムにおいて前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドの一方のデータ変調を行うことを可能にする請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
前記ダウンコンバージョン処理は、
前記データ送信システムにおいて光チャネルに対して行われる請求項１１記載の方法。
【請求項１６】
光符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）システムにおいて光チャネルを生成する方法であって、
互いの複素共役でありキーおよび前記キーの共役を表すダウンコンバート信号光フィールドおよびダウンコンバートアイドラー光フィールドを生成するダウンコンバージョン処理を、データ送信システムからデータ受信システムまでのデータ搬送に使用される入力光に対して行い、これによって、前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドの少なくとも一方のスペクトル位相へ一意的に作用して前記信号フィールドおよびアイドラーフィールド間に一意的な位相関係を規定することと、アップコンバージョン処理を行ってデータを抽出することとを可能にする工程を具備する方法。
【請求項１７】
光符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）システムにおいて光チャネルを生成する方法であって、
（ｉ）互いの複素共役でありキーおよび前記キーの共役であるダウンコンバート信号光フィールドおよびダウンコンバートアイドラー光フィールドを生成するダウンコンバージョン処理を、データ送信システムからデータ受信システムまでのデータ搬送に使用される入力光に対して行う工程と、
（ｉｉ）前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドの少なくとも一方のスペクトル位相へ一意的に作用して前記信号フィールドおよびアイドラーフィールド間に一意的な位相関係を規定し、これによって、アップコンバージョン処理を利用することによってデータの抽出を行うことを可能にする工程と、を具備する方法。
【請求項１８】
前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドの一方は、データ変調に使用され、前記スペクトル位相への一意的な作用は、
前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドの前記一方に対して適用される請求項１６記載の方法。
【請求項１９】
前記信号フィールドとアイドラーフィールドの一方は、データ変調に使用され、
前記スペクトル位相への一意的な作用は、
前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドの他方に対して適用される請求項１６記載の方法。
【請求項２０】
前記ダウンコンバージョン処理は、
前記データ変調を実行するデータ送信信号において行われる請求項１８記載の方法。
【請求項２１】
前記ダウンコンバージョン処理は、
データ受信信号において行われる請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
前記ダウンコンバージョン処理は、
データ変調を実行するデータ送信信号において行われる請求項１９記載の方法。
【請求項２３】
前記ダウンコンバージョン処理を行い、前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドの一方を前記データ送信システムに送信し、これによって、データ送信システムにおいて前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドの一方を対応データにより変調することを可能にするとともに、前記信号フィールドおよびアイドラーフィールド間の位相関係は、前記データ受信システムおよびデータ送信システム間の距離により規定され、前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドの他方のスペクトル位相へ一意的な作用を適用することを可能にする工程と、
データ変調フィールドの受信の際に、前記アップコンバージョン処理を、前記スペクトル位相作用を受けたデータ変調フィールドおよび他方のスペクトル位相作用を受けたフィールドに対して行う工程と、
を前記データ受信システムに実行させる工程を具備する請求項１６記載の方法。
【請求項２４】
前記ダウンコンバージョン処理を行う工程と、
前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドの一方を変調する工程と、
前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドの少なくとも一方のスペクトル位相へ一意的に作用して前記信号フィールドおよびアイドラーフィールド間に一意的な位相関係を規定する工程と、
前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドをデータ受信システムへ送信し、これによって、前記データ受信システムが前記一意的な位相作用値を受信フィールドの１つに対して用いて前記フィールド間の位相関係を復元し、受信フィールドに対してアップコンバージョン処理を行うことを可能にする工程と、
をデータ送信システムに実行させる工程を具備する請求項１６記載の方法。
【請求項２５】
前記位相作用は、
相対遅延、材料分散、パルス整形に基づくスペクトル位相濾過のいずれかを含む請求項１６記載の方法。
【請求項２６】
一意的な遅延値は、前記各フィールドのコヒーレンス時間τ＝１／Δω程度であり、Δωは、前記ダウンコンバート光のスペクトル幅である請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
前記光チャネルにより搬送されるデータに従って、前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドの少なくとも一方を変調する工程を具備する請求項１６記載の方法。
【請求項２８】
前記データ受信システムにおける前記データの抽出は、
一意的な位相作用値を使用して前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドの少なくとも一方のスペクトル位相へ作用し、これによって、特定チャネルの信号フィールドおよびアイドラーフィールド間の位相関係を復元する工程と、
前記位相作用を受けた信号フィールドおよびアイドラーフィールドを含む光に対してアップコンバージョン処理を行い、これによって、前記チャネルを前記光の残りの部分から分離することを可能にする工程と、
を具備する請求項１６記載の方法。
【請求項２９】
互いの複素共役でありキーおよび前記キーの共役を表すダウンコンバート信号光フィールドおよびダウンコンバートアイドラー光フィールドのペアにより表されるＮ（Ｎ≧１）個の光チャネルを生成し、これによって、前記光チャネルにより搬送される対応データに従って前記光チャネルを変調することを可能にする工程と、
同一チャネルにおける信号フィールドおよびアイドラーフィールドの少なくとも一方に対して一意的な位相作用値を適用し、これによって、前記チャネルの信号フィールドおよびアイドラーフィールド間の一意的な位相関係を規定し、これによって、それぞれの一意的な位相作用およびアップコンバージョン処理を利用することによってデータ受信システムにおいて光の多重分離を行い特定チャネルを抽出することを可能にする工程と、
を具備する光チャネル多重化方法。
【請求項３０】
前記位相作用は、相対遅延、材料分散およびパルス整形に基づくスペクトル位相濾過のいずれかを含む請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
一意的な遅延は、前記各フィールドのコヒーレンス時間τ＝１／Δω程度であり、Δωは、前記ダウンコンバート光のスペクトル幅である請求項３０記載の方法。
【請求項３２】
異なるチャネルに対応する一意的な遅延間の差は、
前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドの相関長より長い請求項３０記載の方法。
【請求項３３】
前記Ｎ個の光チャネルは、同じペアの信号フィールドおよびアイドラーフィールドを共有する請求項２９記載の方法。
【請求項３４】
前記Ｎ個の光チャネルは、
単一の非線形光源をポンプ光でポンプすることにより互いの複素共役であるダウンコンバート広帯域信号光部およびダウンコンバート広帯域アイドラー光部を生成し、前記信号光部およびアイドラー光部の一方を空間的に分離されたＮ個の光成分に分割することにより生成される請求項３３記載の方法。
【請求項３５】
前記Ｎ個の光チャネルは、
１つの雑音源によりＮ個の光源に種光注入することにより生成され、
これにより前記光源の全てが、
同一の信号光フィールドおよびアイドラー光フィールドを生成する請求項３３記載の方法。
【請求項３６】
前記Ｎ個の光チャネルは、
それぞれ独自の信号光フィールドおよびアイドラー光フィールドを有する請求項２９記載の方法。
【請求項３７】
前記Ｎ個の光チャネルは、
Ｎ個の無相関の光源をポンプすることにより生成され、これによって、Ｎ個のペアの信号光成分およびアイドラー光成分が生成される請求項３６記載の方法。
【請求項３８】
前記チャネルの信号光フィールドとアイドラー光フィールドのいずれか一方に対してデータ変調を行う工程を具備する請求項２９記載の方法。
【請求項３９】
前記ダウンコンバートされた信号光フィールドとアイドラー光フィールドのペアにより表される光チャネルの生成と、前記フィールドの少なくとも１つに対する一意的な位相作用値の適用とは、データ送信システムにおいて行なわれる請求項２９記載の方法。
【請求項４０】
前記ダウンコンバートされた信号光フィールドとアイドラー光フィールドのペアにより表される光チャネルは、データ受信システムにおいて生成される請求項２９記載の方法。
【請求項４１】
特定データで変調される前記光フィールドへの前記一意的な位相作用値の適用は、前記データ受信システムとデータ送信システム間の所定の距離により実装され、前記一意的な位相作用値の逆の値は、前記データ受信システムにおいて他のフィールドに対して適用される請求項４０記載の方法。
【請求項４２】
前記特定チャネルを抽出するために、データ受信システムにおいて光を多重分離する工程を具備し、前記多重分離する工程は、
前記特定のチャネルに対応する前記一意的な位相作用の逆の値を使用することにより受信光における信号フィールドおよびアイドラーフィールドの少なくとも一方の位相へ作用し、これによって、前記特定チャネルの信号フィールドおよびアイドラーフィールド間の位相関係を復元しアップコンバージョン処理を可能にする工程と、
前記アップコンバージョン処理を行い、これによって、前記特定チャネルを復元および抽出する工程と、を具備する請求項２９記載の方法。
【請求項４３】
前記アップコンバート光の信号フィールドおよびアイドラーフィールドの少なくとも一方の残りの部分に対して前記一意的な位相作用値を適用する工程と、
残りのフィールドを受信システムへ送信することを可能にする工程と、
を具備する請求項４２記載の方法。
【請求項４４】
光符号分割多元接続で使用される方法であって、
各々がキーおよび前記キーの共役により提供されるＮ個の光チャネルを、互いの複素共役であるダウンコンバート信号光成分およびダウンコンバートアイドラー光成分の形態で生成し、これによって、前記チャネルにより搬送されるそれぞれのデータに従って各チャネルを変調することを可能にする工程と、
他のチャネルに適用されるものと異なる位相作用の一意的な値を使用することにより、チャネルの信号成分およびアイドラー成分の少なくとも一方に位相作用を与えることにより各チャネルを一意的に符号化し、これによって、各チャネルの信号フィールドおよびアイドラーフィールド間の一意的な位相関係を規定し、ダウンコンバートされた成分を受信システムへ送信し、これによって、信号フィールドおよびアイドラーフィールド間を分離し、特定のチャネルに対応する一意的な位相作用の逆の値を使用することにより前記信号フィールドあるいはアイドラーフィールドの少なくとも一方の位相に作用することによって、前記特定チャネルの信号フィールドおよびアイドラーフィールド間の位相関係を復元し、前記受信システムのそれぞれにおいて他のすべてのチャネルから前記特定のチャネルを抽出することを可能にする工程と、
前記受信光にアップコンバージョン処理を行い、これによって、前記特定チャネルを復元し受信光の残りの部分から分離することを可能にする工程と、
を具備する方法。
【請求項４５】
光符号分割多元接続で使用される方法であって、
データ受信システムの各々において、キーおよび前記キーの共役により表される光チャネルを、互いの複素共役であるダウンコンバート信号光成分およびダウンコンバートアイドラー光成分の形態で生成するとともに、前記フィールドの一方を対応するデータ送信システムにおいて受信される送信チャネルを介して送信し、これによって、データ送信システムにおいて、前記フィールドの一方のデータ変調を行い、変調されたフィールドをデータ受信システムへ返送し、対応するデータ受信システムとデータ送信システム間の所定の距離に応じて一意的な位相作用値を前記フィールドの一方に適用し、前記チャネルの信号フィールドおよびアイドラーフィールド間の一意的な位相関係を規定する工程と、
前記一意的な位相作用値の逆の値を他のフィールドへ適用する工程と、
変調位相作用を受け返送されたフィールドを受信するとき、アップコンバージョン処理を前記フィールドの両方へ適用し、これによって、前記データを抽出する工程と、
を具備する方法。
【請求項４６】
前記アップコンバート光の残りの部分において、前記信号フィールドとアイドラーフィールドの他方に対して前記一意的な位相作用を適用する工程と、
受信システムへ残りの光を送信する工程と、
を具備する請求項４４記載の方法。
【請求項４７】
互いの複素共役でありキーフィールドおよびその共役フィールドを表すダウンコンバート信号フィールドおよびダウンコンバートアイドラーフィールドにより各々が表されるＮ個の光チャネルを生成するための光源と、
前記キーフィールドの光路に設けられるとともに、その他のキーフィールドに適用されたものと異なる一意的な位相作用値を、各キーフィールドに対して適用するよう動作する位相作用部と、
位相作用を受けたキーフィールドおよびその共役キーフィールドを合成し、光ネットワ−クを介するそれらの送信を可能にする出力カップラと、
を具備する光多重化システム。
【請求項４８】
入力多重チャネル光を受信し、また特定の光チャネルをそこから抽出するように動作する多重分離システムであって、
前記特定の光チャネルのキーとその共役を示す、受信光内のダウンコンバート信号フィールドとダウンコンバートアイドラーフィールド間を空間的に分離するための周波数フィルタと、
前記特定の光チャネルに対応する所定の一意的な位相作用の逆の値を共役フィールドに適用することにより、共役フィールドの位相に作用するように予めプログラムされた位相作用部と、
ダウンコンバートフィールドに対してアップコンバージョン処理を適用するように動作し、その結果として前記特定の光チャネルの抽出を可能にする光源と、
を具備する多重分離システム。
【請求項４９】
ダウンコンバート光が、互いの複素共役であり特定の光チャネルのキーフィールドおよびその共役フィールドを表す信号フィールドおよびアイドラーフィールドを含むように、前記特定の光チャネルのデータを搬送する光に対してダウンコンバージョン処理を適用するように動作する光源と、
ダウンコンバートされた信号フィールドおよびアイドラーフィールド間を空間的に分離する周波数フィルタと、
光フィールドに対して一意的な位相作用値を適用するように動作する位相作用部と、
前記ダウンコンバートされたフィールドへアップコンバージョン処理を行うことにより前記特定の光チャネルを抽出するよう動作する光源と、
を具備する光多重化／多重分離システム。
【請求項５０】
符号分割多元接続システムにおいて光チャネルとして使用される広帯域のキーおよび前記キーの共役を生成する光源であって、
入力光を受信し、互いの複素共役でありキーおよび前記キーの共役を表す出力ダウンコンバート信号フィールドおよび出力ダウンコンバートアイドラーフィールドを生成するよう動作する非線形光学的配列を具備する光源。
【請求項５１】
前記配列は、
２つのミラー間の少なくとも１つの非線形媒質により形成される共振空洞と、
ダウンコンバート光フィールドの少なくとも一方のスペクトル位相に作用することにより、ダウンコンバート光フィールド間に特定の位相関係を与え、前記配列内を伝播する間に、ダウンコンバート光フィールドの広帯域発振に対するアップコンバージョンの影響を低減するよう動作する位相整形器と、
を具備する請求項５０記載の光源。
【請求項５２】
前記位相整形器は、
前記非線形媒質により放射された、ダウンコンバート光フィールド間に相対遅延を付与し、前記共振空洞内を伝播する間、前記媒質をさらに通過する前にフィールドの位相関係を復元するように構成される請求項５１記載の光源。
【請求項５３】
前記相対遅延は、ダウンコンバートされた各フィールドのコヒーレンス時間τ＝１／Δω程度であり、Δωは、ダウンコンバート光のスペクトル幅である請求項５２記載の光源。
【請求項５４】
前記単一の非線形媒質と、
前記非線形媒質の上流と下流にそれぞれ設けた２つの位相整形器ユニットと、
を具備する請求項５１記載の光源。
【請求項５５】
入力光によりポンプされ、ダウンコンバートされたフィールドを生成する第１の非線形媒質と、
ダウンコンバートされたフィールドの光路における第２の非線形媒質と、
前記第２の媒質の入出力両側に設けられた２つの位相整形器ユニットと、
を具備する請求項５１の光源。
【請求項５６】
広帯域でダウンコンバート光フィールドを生成する方法であって、
入力光を、共振する非線形光学的配列を通過させる工程と、
前記配列内を伝播する間、ダウンコンバート光フィールドの位相に作用し、ダウンコンバート光フィールドの広帯域発振に対するアップコンバージョンの影響を低減させる工程と、
を具備する方法。
【請求項５７】
スペクトル的に相関のある広帯域光の光源であって、
２つのミラー間に少なくとも１つの非線形な光学媒質を備えた空洞を有する共振非線形光学的配列と、
ダウンコンバートフィールド間に特定の位相関係を与え、前記光学的配列を通過して伝播するダウンコンバート光のアップコンバージョンの影響を低減させるよう動作する位相整形器と、
を具備する光源。
【請求項５８】
前記位相整形器は、
信号フィールドおよびアイドラーフィールド間に相対遅延または分散を与えるよう動作する請求項５７記載の光源。
【請求項５９】
前記空洞は、
入力光によりポンプされ、ダウンコンバートされた信号光フィールドおよびアイドラー光フィールドを放射する単一の非線形光学媒質と、
前記媒質の上流および下流にそれぞれ設けられた２つの位相整形器ユニットと、
を具備する請求項５７記載の配列。
【請求項６０】
前記空洞は、
入力光によりポンプされ、ダウンコンバート光フィールドを放射する第１の非線形媒質と、
ダウンコンバート光フィールドの光路における第２の非線形媒質と、
前記第２の媒質の入出力両側にそれぞれ設けられた２つの位相整形器ユニットと、
を具備する請求項５７記載の配列。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して光通信分野に属し、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）の光学的方法およびシステムに関し、また、ＣＤＭＡでの使用に好適な広帯域ダウンコンバート光（broadband down converted light）の光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１〜２０は、本発明の背景を理解する上で役立つと思われる。
【０００３】
符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）は、直接拡散方式［非特許文献１］に基づいた、通信チャネル多重化の周知の方式である。ＣＤＭＡは、電子通信ネットワーク、特にセルラー通信において多く使用されるものであり、一チャネルが短時間だけ全帯域幅を利用することができる時分割多元接続（ＴＤＭＡ）や、一チャネルが帯域幅の一部のみを常時利用することができる周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ）等の従来の多重化方式より優れているとされる。
【０００４】
ＣＤＭＡでは、全帯域幅が全チャネルに対し常時利用可能となる。各チャネルはそれぞれ一意のキーによって識別され、これにより情報受信者は各チャネルを区別することができる。このキーは、入力データの帯域幅よりはるかに広い帯域幅を有する疑似雑音系列である。電子通信では、キー系列は送信者側と受信者側の両方で既知である。
【０００５】
図１Ａ〜図１Ｃに、ＣＤＭＡの動作原理を概略的に示す。図１ＡはＣＤＭＡ送信機の方式を示す。送信機は入力データ信号にキー系列を乗算し、これにより入力データ信号をスペクトル拡散して、雑音のようにする。図１ＢはＣＤＭＡ受信機の方式を示す。受信出力は、「雑音から」データを抽出するために共役キー系列（キー系列が実成分の場合は当該キー自体）により乗算される。図１ＣはＣＤＭＡのスペクトル特性を示す。受信者キーが正しいキーでない場合、あるいは受信機が送信機と十分な同期を確立していない場合は、共役キー系列による乗算によりデータを得ることができず、広帯域ノイズ状の結果物を得るのみであることは、明らかである。
【０００６】
したがって、各チャネルに対して異なるキーを使用することにより、多くのチャネルを同じ帯域幅上で多重化することができる。任意のチャネルが他のすべてのチャネルから受ける影響は、受信機での雑音レベルにのみ反映される。従って、十分な自己相関および相互相関特性を有するキーを使用して雑音レベルを最小化する必要がある。理想的には、キーは、帯域制限された白色雑音の相関特性を模擬すべきであり、可能な限り長くなければならない。
【０００７】
ＣＤＭＡは従来の方式に対していくつかの利点を有する。第１に、ＣＤＭＡは同時に動作するチャネル数の動的変化に対する適応性に優れる。特に、１つのチャネルが非活動的になると、その他のチャネルは、雑音レベルの減少による恩恵を受ける。したがって、ある時間に送信をおこなっていないＣＤＭＡの割当てチャネルは、その時点で帯域幅を必要としている他のチャネルに自動的に「その空間を解放」する。第２に、ＣＤＭＡは、本質的に任意のチャネルのビットレートおよびサービス品質（信号対雑音比）の動的変化に対する柔軟性に優れ、全チャネルの総送信データ量に影響を与えない。これは、ＣＤＭＡではチャネル毎の割当てリソースが電力であるという事実による（他の方式では時間あるいは帯域幅である）。従って、あるチャネルがより多くの電力送信を許可された場合、サービス品質（Quality of Service）を向上させたり、そのチャネルのビットレートを増大させたりすることができる。その結果、共用リソース（電力）は、チャネル間での動的割り当てが可能であり、各チャネルは割り当てられた電力においてビットレートとサービス品質との動的なトレードオフを実現することができる。第３に、ＣＤＭＡでは全チャネルは同等であり、サービス品質はその平均チャネルのものであるのに対し、他方式においては、サービス品質は劣悪なチャネルのものである。
【０００８】
光通信で利用可能な光帯域幅は、今日の電子変調器によって対応できるものよりはるかに広い。したがって利用可能な帯域幅を効率的に利用するためには、いくつかの電子チャネルを光多重する必要がある。ＣＤＭＡという方式は上記目的に鑑みて最も魅力的であり、光ＣＤＭＡを光通信ネットワークに組み込む試みがこれまでにもなされた［非特許文献１４〜２０］。光ＣＤＭＡ方式に対する様々な解決策も特許文献１〜８において開示されている。
【０００９】
光ＣＤＭＡを得る上で主要な問題となるのは、擬似雑音キーの生成である。このキーがデータよりはるかに広い帯域幅を有さなければならないこと、また、光通信のデータ帯域幅が電子変調器の限界に近づいていることなどから、キーを電子的に生成することは不可能であり、よって、キーを光学的に生成する必要がある。この課題解決のための多くの試みは、コヒーレント手法とインコヒーレント手法との２つのカテゴリーに分けることができる。コヒーレント手法［非特許文献１４〜１６］は、広帯域コヒーレント光源、すなわち、すべての周波数が零位相を有することが既知であるトランスフォームリミットパルス（transform-limited pulse）を放射するモード同期レーザーから始まる。そして、パルスを変形させて疑似雑音バーストを模擬するパルス整形器を用いた一意的な方法で異なる周波数の位相を能動的に整形することにより、各チャネルのキーが生成される。受信側システムでは、整形器が逆の整形を行ない、元のトランスフォームリミットパルスを再生成する。このパルスは後に検出される。この手法では、分散とファイバー内の非線形（nonlinear）の影響とに対する感度が問題であるが、さらに重大な問題は、能動的なパルス整形により課される制約に起因してＣＤＭＡの柔軟性の多くが失われることである（例えば、チャネル総数がパルス整形器の画素数により制限され、またチャネル当たりの最低有効ビットレートは整形器のスペクトル分解能により制限される）。
【００１０】
インコヒーレント手法（多くのバージョンがある）［非特許文献１５、１７〜２０］はインコヒーレント広帯域光源を伴う。このような光源は「真の雑音」を放射するが、放射フィールド（emitted field）の位相は分からないので、強度操作のみが可能である。これにより、インコヒーレント手法では伝播の影響による位相変化が比較的起こりにくく、インコヒーレント手法を強固なものとする。しかしながら、インコヒーレント手法は本質的にユニポーラであるので、異なるキーの相互相関は零平均にならない。したがって、多くのチャネルの存在は雑音の強度だけでなくバックグラウンド直流（ＤＣ）強度にも寄与し、このため信号対雑音比およびパフォーマンスを大幅に劣化させる［非特許文献１５〜２０］。このため、インコヒーレントＣＤＭＡシステムの容量は、コヒーレントシステムより本質的に著しく小さい（Ｎの平方根個のチャネル。一方、コヒーレント手法ではＮ個のチャネルである。）。
【００１１】
公知のＣＤＭＡ技術は、複雑なアルゴリズムを利用して所望の理想的な白色雑音キーの特性を近似する実用的なキーを予め設計する。通常、これらの近似は他の設計要件（例えばキー長さおよび設計容易性のトレードオフ）により制限され、最適な結果を得ることは困難である。
【特許文献１】米国特許第４，８６６，６９９号明細書
【特許文献２】米国特許第５，１７７，７６８号明細書
【特許文献３】米国特許第５，８６７，２９０号明細書
【特許文献４】米国特許第６，２３６，４８３号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００２／０１６３６９６号明細書
【特許文献６】国際公開第００／２９８８７号パンフレット
【特許文献７】米国特許第５，７８４，５０６号明細書
【特許文献８】米国特許第６，０２５，９４４号明細書
【非特許文献１】Andrew J. Viterbi, "CDMA: Principles of Spread Spectrum Communication", Addison-Wesley Wireless Communications (1995)
【非特許文献２】Y. R. Shen, "Principles of Nonlinear Optics", John Wiley & Sons (1984)
【非特許文献３】A. Yariv, "Optical Electronics", 4th Ed., Ch. 8, pp. 258-308, Saunders College Publishing (1991)
【非特許文献４】L. Mandel and E. Wolf, "Optical Coherence and Quantum Optics", Ch. 22, pp. 1069-1108, Cambridge University Press (1995)
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【発明の開示】
【００１２】
上記技術においては、新規なキーの生成方法およびシステム、ならびにこれらを利用した多重化／多重分離システムを提供し、光ＣＤＭＡを容易にする必要がある。
【００１３】
本発明は、ＣＤＭＡキーとその共役キーの生成、ならびにデータチャネルの多重化／多重分離のための光学的方法を含む、光ＣＤＭＡの完全な方式を提供する。
【００１４】
本発明の技術によれば、理想的なＣＤＭＡキーとその共役キーは、互いの複素共役である２つの広帯域フィールドを生成する工程を含むダウンコンバージョンの物理的処理を介して自動的に生成される。このような処理は、例えばパラメトリックダウンコンバージョン、すなわち、非線形の光媒質をポンプし、互いの複素共役である２つの広帯域出力の光フィールド（信号（signal）とアイドラー（idler））を放射することであってもよい。
【００１５】
ここで使用される用語「ダウンコンバージョン」は、互いの複素共役である「信号フィールド」および「アイドラーフィールド」と呼ばれる２つの広帯域光フィールドの放射を伴うすべての物理的処理を意味する。これは周知の処理であって、各光子のエネルギーは定められないが、これらのエネルギーの和が正確に定められるよう、相関のある光子ペアが生成される。このような物理的処理の例としては、２光子放射、ならびに３波混合（パラメトリックダウンコンバージョン）および４波混合等のパラメトリック非線形相互作用が挙げられる。ダウンコンバージョン処理を実行できる媒質は、後でＣＤＭＡキーとその共役として使用可能な広帯域ノイズおよびその複素共役の両方を同時に生成する光源として機能する。従って、ここで使用される用語「アップコンバージョン」は、上記ダウンコンバージョン処理の逆の物理的処理、例えば２光子吸収、パラメトリックアップコンバージョン、あるいはより高次のパラメトリック非線形相互作用を意味する。
【００１６】
したがって、本発明は、広帯域のパラメトリックダウンコンバージョンおよびパラメトリックアップコンバージョンの相補的処理に基づいた、光直接拡散通信方式のための新規な手法を提供する。パラメトリックダウンコンバージョンにより、狭帯域連続波（ＣＷ）の光フィールドは、互いの複素共役である２つの連続波広帯域白色雑音フィールドに変換される。これらの雑音フィールドは、光直接拡散通信ではキーおよび共役キーとして利用される。次に、逆の処理であるパラメトリックアップコンバージョンが、送信データを抽出するために受信者側でキーに共役キーを乗算するために使用される。この技術によれば、理想的な白色雑音キーが自動的に生成されるので、高容量かつ汎用性のあるＣＤＭＡ構成が可能になる。広帯域白色雑音およびその複素共役は両方同時に生成される。ここで、ＣＤＭＡにおいては、キーを事前に知る必要がないことに留意されたい。キーおよび共役キーの両方が一緒に生成される限り、（帯域幅の半分を犠牲にして）データと共に共役キーを受信者へ送ることができる。次に、パラメトリックアップコンバージョン処理（和周波数生成としても知られる）は、受信者側でキーとその共役キーを光学的に乗算するために使用される。
【００１７】
パラメトリックダウンコンバージョン処理およびパラメトリックアップコンバージョン処理は、過去３５年にわたって広く研究され、またこれらの処理に基づいた光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）や光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）等の多くの装置が開発された。これら処理の理論背景は古典的枠組みおよび量子力学的枠組に示されている［非特許文献２〜１２］。非線形媒質（通常は水晶）により生成された信号周波数とアイドラー周波数は、ポンプに位相整合したものである（信号／アイドラーペアの位相速度はポンプの位相速度と等しい）。水晶の位相整合状態は、媒質の光伝播方向を調整することにより、あるいは水晶の温度を調整することにより制御可能であり、このようにして、放射される信号周波数およびアイドラー周波数を制御する。信号／アイドラー周波数ペアの広帯域幅がポンプに位相整合した状態になると、ダウンコンバージョン処理は広帯域の信号およびアイドラーを生成することができる。パラメトリックダウンコンバージョンの非線形相互作用を促すことができるため、ポンプ光によりポンプされる非線形媒質は、その信号出力周波数およびアイドラー出力周波数の両方の増幅器として機能する。
【００１８】
本発明は、ＣＤＭＡキーとその共役を光学的に生成するためのパラメトリックダウンコンバージョン処理［非特許文献２］に関与する光フィールド間の特殊な位相振幅関係を利用する。ダウンコンバート光（down converted light）は、互いの複素共役である広帯域の連続波白色雑音の信号とアイドラーから構成され、このことはＣＤＭＡキーの生成における必須条件である。よって、逆の処理であるパラメトリックアップコンバージョン（和周波数生成としても知られる）は、受信者側でキーとその共役を光学的に乗算するのに利用することができる。
【００１９】
このように、本発明の方式おけるＣＤＭＡ送信機は、複素共役である２つの広帯域フィールドの光源を利用する。従って、本発明の方式によるＣＤＭＡ受信機において必要なものは、逆の物理的処理のみである（例えば、２光子吸収あるいはより高次のパラメトリック非線形相互作用）。さらに、送信と受信に使用される処理は同一である必要はない。送信機が２光子放射に基づき受信機がパラメトリックアップコンバージョンに基づくことがあり得る。
【００２０】
本発明の光ＣＤＭＡ方式によれば、コヒーレント手法およびインコヒーレント手法の制約を幾らか緩和する、両手法のハイブリッド方式を提供する。本発明の方式は、信号成分およびアイドラー成分（キーとその共役）間のコヒーレント位相関係に依存する点においてコヒーレント手法を利用するので、その容量はコヒーレント手法に匹敵する。一方、キーは受動的に生成される真の白色雑音であるので、ＣＤＭＡの柔軟性は全て維持したまま、非線形の影響は最小になる。
【００２１】
本発明の一態様によれば、光符号分割多元接続システムにおいて使用されるキーおよび共役キーを自動的に生成する方法が提供される。本方法は、ポンプ入力光に対してダウンコンバージョン処理を行い、互いの複素共役でありキーとその共役として機能するダウンコンバージョン広帯域信号フィールドおよびアイドラーフィールドを生成する工程を含む。
【００２２】
ダウンコンバージョン処理は、ポンプ光を非線形光媒質を通過させてダウンコンバート光フィールド（down converted light fields）（信号およびアイドラー）を生成する工程を含む。この非線形の光媒質はダウンコンバート光のための空洞を備えても備えなくてもよい。
【００２３】
一般的に、好適な非線形媒質であれば（通常は水晶）、このようなキーとその共役の光源として使用することができる。この処理をより効果的にするため、非線形光媒質により２つのミラー（光パラメトリック発振器）間に形成された単独あるいは２重の共振空洞を利用することができる。発明者らにより開発された新規なＯＰＯ構成が使用されることが好ましく、本構成では、広帯域信号フィールドおよび広帯域アイドラーフィールドを提供するため、空洞におけるモード競合を抑える手段が空洞内に設けられている。
【００２４】
本発明の別の態様によれば、光符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）システムにおいて使用される方法であって、互いの複素共役でありキーとその共役として機能する広帯域信号光フィールドおよび広帯域アイドラー光フィールドを自動的に生成するダウンコンバージョン処理を、データ送信システムからデータ受信システムまでのデータ搬送に使用される光チャネルに対して行い、前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドの少なくとも一方のデータ変調を可能にする工程と、アップコンバージョン処理を行うことによってそれらを一緒に処理してデータを抽出する工程とを具備する方法が提供される。
【００２５】
チャネルの信号フィールドおよびアイドラーフィールドの生成を目的としたダウンコンバージョン処理は、データ送信システムにおいて実行することができる。この場合、これらのフィールドの１つが対応データにより変調される。あるいは、ダウンコンバージョン処理は、データ受信システムにおいて行なわれる。この場合、信号フィールドおよびアイドラーフィールドの一方は、データ変調を受けるためにデータ送信システムへ送信される。
【００２６】
さらに、本発明の別の態様によれば、光符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）システムにおいて使用される方法であって、
互いの複素共役でありキーとその共役として機能する広帯域信号光フィールドおよび広帯域アイドラー光フィールドを自動的に生成するダウンコンバージョン処理を、データ送信システムからデータ受信システムまでのデータ搬送に使用される光チャネルに対して行い、これによって、前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドの少なくとも一方のデータ変調を行うことと、前記信号フィールドおよびアイドラーフィールドを一緒に処理してデータを抽出することとを可能にする工程と、
光チャネルを表すダウンコンバート信号フィールド（down converted signal field）およびダウンコンバートアイドラーフィールド（down converted idler field）を含むデータ搬送光に対してアップコンバージョン処理を行い、これによって、データ受信システムのデータチャネルを示す光を復元する工程と、の少なくとも１つを具備する方法が提供される。
【００２７】
さらに、本発明の別の態様によれば、光符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）システムにおける光チャネルを生成する方法であって、
（ｉ）互いの複素共役でありキーとその共役を表すダウンコンバート信号光フィールドとダウンコンバートアイドラー光フィールドを生成するダウンコンバージョン処理を、データ送信システムからデータ受信システムまでのデータ搬送に使用される入力光に対して適用する工程と、
（ｉｉ）前記信号フィールドとアイドラーフィールドの少なくとも一方のスペクトル位相へ一意的に作用し、これによって、信号フィールドとアイドラーフィールド間の一意的な位相関係を規定し、これによって、アップコンバージョン処理を利用することによりデータの抽出を可能にする工程とを具備する方法が提供される。
【００２８】
この位相作用あるいは位相操作は、単純な相対遅延または材料分散、もしくはパルス整形技術の使用により信号フィールドおよび／またはアイドラーフィールドに適用される一般的なスペクトル位相濾過でよい。受信者側でのダウンコンバージョン処理を考慮すると、これらのフィールドのうち送信されたものは、データ受信システムとデータ送信システム間の所定の距離により一意的な位相作用を受ける。他方のフィールドは、受信システム側で（逆の位相作用値を使用することにより）このような一意的な位相作用を受け、そして、上記２つのフィールド（データ送信システムから戻された、データ変調フィールド（data modulated field）と、データ受信システム側で位相作用された他方のフィールド）は、アップコンバートされる。
【００２９】
信号フィールドとアイドラーフィールドのいずれか一方、あるいは両方は、光チャネルにより搬送されるデータに従って変調される。上記変調は、上記フィールドが位相作用を受ける前に、あるいは位相作用を受けた後に、対応フィールドに適用することができる。
【００３０】
受信者側でチャネルを復号化するために、スペクトル位相作用（操作）は、信号フィールドとアイドラーフィールドの少なくとも一方に適用され、これにより位相関係を復元し、かつアップコンバージョン処理を可能にする。通常、このスペクトル位相作用は光チャネルを符号化する間に加えられた作用の逆である。例えば、光チャネルを符号化する間に、相対遅延が信号フィールドとアイドラーフィールドの一方に加えられる場合、復号化は他のフィールドに加えられる逆遅延を利用する。
【００３１】
次に、その結果生じるアップコンバート光（up converted light）はデータを得るために検出される。
【００３２】
本発明のさらに別の態様によれば、
互いの複素共役でありキーとその共役を表すダウンコンバートされた１対の信号光フィールドとアイドラー光フィールドにより表現されるＮ（Ｎ＞１）個の光チャネルを生成し、これによって、前記光チャネルにより搬送される対応データに従った前記光チャネルの変調を可能にする工程と、
同チャネルの信号フィールドとアイドラーフィールドの少なくとも一方に対して一意的な位相作用値を適用することにより、当該チャネルの信号フィールドとアイドラーフィールド間の一意的な位相関係を規定し、これによって、それぞれの一意的な位相作用およびアップコンバージョン処理を利用することにより、データ受信システムにおける光の多重分離を行い特定チャネル抽出を可能にする工程と、を含む光チャネルの多重化方法が提供される。
【００３３】
遅延が、選択による位相操作の場合、異なるチャネルに伴う一意的な遅延値間の差は、広帯域の信号成分とアイドラー成分の相関時間より長い。
【００３４】
Ｎ個の光チャネルは、例えば単一光源の出力をＮ個のチャネルへ分割することにより、あるいは１つの雑音源によりＮ個の光源へ種光注入（seeding）し、その結果すべてのチャネルに同じ信号光フィールドとアイドラー光フィールドを生成させることにより、それらすべてが同じペアの信号フィールドとアイドラーフィールドを生成できる。あるいは、例えばＮ個の無相関の光源をポンプし、その結果Ｎ個のペアの信号光成分とアイドラー光成分をそれぞれ生成することにより、各チャネルが独自の一組の信号光フィールドとアイドラー光フィールドを有するようにＮ個の光チャネルを生成できる。本システムでは、光源の位相整合タイプ（共線（collinear）または非共線（non-collinear））に依存して、ダウンコンバートされた信号フィールドとアイドラーフィールド間を空間的に分離するための周波数フィルタを含んでもよいし、含まなくてもよい。データ変調は、各チャネルの信号フィールドとアイドラーフィールドの一方か、あるいは両方に適用することができる。
【００３５】
特定チャネルを抽出するための受信光の多重分離は、受信光の信号フィールドとアイドラーフィールドの少なくとも一方の位相に作用して上記特定チャネルの信号成分とアイドラー成分間の位相関係を復元する工程と、結果として生じる信号フィールドとアイドラーフィールドにアップコンバージョン処理を適用し、これにより（必要ならば、適切な周波数フィルタを用いて）上記特定チャネルの抽出を可能にする工程と、随意的であるが、さらに、後続の受信機のために状態を不変とすべく信号フィールドとアイドラーフィールドの少なくとも一方の位相に作用する工程とを含む。
【００３６】
上述のように、非線形媒質を１回通過するダウンコンバージョンの効率は通常は非常に低いので、低い閾値で高い変換効率を達するために共振空洞（ＯＰＯ）内でこの処理を実行することが好ましい。上記空洞は、単独共振性あるいは二重共振性のいずれかでよい（すなわち、ダウンコンバートフィールド（down converted fields）の一方のみ、あるいは両方を共振させる）。しかしながら、本発明の目的、すなわち光ＣＤＭＡ方式のためには、好ましくは可能な限り広い波長帯域幅の信号／アイドラーペアが提供されるべきであるにもかかわらず、共振空洞を使用するとモード競合が波長帯域幅を大幅に狭くする。本発明は、モード競合を抑制するとともにダウンコンバート広帯域光成分（broadband down converted light components）に高効率性と低い閾値を与えるために、（空洞内の損失メカニズムとして機能する）アップコンバージョンの影響を制御する能力を空洞に与えることによりこの課題を解決する。このモード競合抑制は、空洞におけるアップコンバージョン媒質内のアップコンバージョン損失の制御により達成される。空洞内のアップコンバージョン損失は、ダウンコンバート光成分（down converted light components）のスペクトル位相を整形することにより、例えば、空洞内のアップコンバージョン損失が減少されるような相対遅延あるいは材料分散を、ダウンコンバートされた信号フィールドとアイドラーフィールド間に導入し、さらに、ダウンコンバージョンが影響を受けないような信号フィールドとアイドラーフィールドの位相関係を復元することにより、制御される。空洞が単独共振空洞である場合は、この制御を可能にするために、非共振フィールドも、空洞内のアップコンバージョン媒質を通過させる必要がある。
【００３７】
上記は、線形（linear）空洞構成内に１つの非線形媒質またはリング状もしくは線形空洞構成内に２つの非線形媒質を有する空洞と、位相整形器アセンブリとを使用することにより実現できる。単一の非線形媒質が使用される場合は、位相整形器アセンブリは上記媒質の上流および下流に設けられた２つの位相整形器ユニットにより形成され、その結果、ダウンコンバート光成分が（ポンプに対して）逆方向に伝播している時に媒質内で発生するアップコンバージョン損失を制御する。２つの非線形媒質が使用される場合は、第１の非線形媒質はダウンコンバージョンを行うためにポンプされ、また第２のポンプされない媒質の入出力両側における２つのパルス整形器ユニットは第２の媒質のアップコンバージョン損失を制御するために使用される。単独共振空洞が使用される場合は、非共振フィールドもアップコンバージョン媒質へ導く必要があることを理解されたい。
【００３８】
好ましくは、二重共振空洞が使用される場合、入力ポンプ光の周波数を空洞のモードへロックするために、空洞の光学長を能動的に変化させるメカニズムが使用される。この理由は、二重共振空洞では、信号とアイドラーは両方とも離散的な等間隔のスペクトル（縦空洞モード（longitudinal cavity modes））を有するので、すべての信号／アイドラー周波数ペアの和であるポンプ周波数は、空洞のモードに一致しなくてはならないからである。
【００３９】
したがって、本発明のさらに別の態様によれば、広帯域にダウンコンバート光フィールドを生成する方法であって、入射光を、共振する非線形光学的配列内を通過させることにより、互いの複素共役であるダウンコンバートされた信号フィールドとアイドラーフィールドを生成する工程と、前記配列を伝播する間にダウンコンバート光フィールドの位相に作用し、前記ダウンコンバートフィールドの広帯域発振に対するアップコンバージョンの影響を減少させ、これによりモード競合を抑える工程と、を具備する方法が提供される。
【００４０】
本発明のさらに他の広範な態様によれば、広帯域のスペクトル的に相関のある光を放射するための新規な光源（ＣＤＭＡや他のアプリケーションに有用な光パラメトリック発振器の低閾値で高効率な構成）と、二重共振の非線形光学的配列と、光多重化システムと、光多重分離システムとが提供される。
【００４１】
本発明を理解し、それが実際にどのように実施されるかを理解するために、非限定的な例のみによって好ましい実施の形態について添付図面を参照し説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
通常、ＣＤＭＡ方式全体は、キーの生成と、データ送信側およびデータ受信側での多重化／多重分離とから構成される。
【００４３】
図２Ａおよび図２Ｂに、理想的なキー（広帯域ノイズ）とその複素共役との両方の生成が可能にする、本発明による光ＣＤＭＡキーの生成方式の基礎となる主要原理を概略的に示す。図２Ａに、データ送信システムあるいはデータ受信システム（全体として参照番号１０）においてＣＤＭＡキーの生成に使用されるパラメトリックダウンコンバージョン処理を示す。上述のように、本発明によるＣＤＭＡキーの生成技術において使用されるダウンコンバージョン処理は、互いの複素共役である２つの広帯域フィールドを放射する工程を含む、任意の周知の物理的処理である。この処理では、各光子のエネルギーは定められない（例えば、２光子放射、または３波混合（パラメトリックダウンコンバージョン）および４波混合等のパラメトリック非線形相互作用）が、これらのエネルギー和は正確に決定されるよう、相関のある光子ペアが放射される。図２Ｂに、データ受信機システム１１で実行されるキーの乗算に使用されるパラメトリックアップコンバージョン（和周波数生成）処理を示す。一般に、本発明の受信機システムで利用される物理的処理は、ダウンコンバージョン処理に対する逆処理の一種である。送信と受信に使用される処理は同一である必要がないことも留意されたい。例えば、送信は２光子放射に基づき、受信機はパラメトリックアップコンバージョンに基づいてもよい。本発明のＣＤＭＡ方式の基礎として使用可能な相互作用のいくつかのファインマンダイアグラムを、図５Ａおよび図５Ｂに示す。
【００４４】
パラメトリックダウンコンバージョン（図２Ａ）は、ポンプ光Ｌｐｕｍｐが非線形光媒質１２を通過することによりそれぞれ周波数ωｓとωｉを有する信号フィールドＬｓとアイドラーフィールドＬｉのペアである出力フィールドに変換される際に実行される。このような非線形光媒質には水晶を用いるのが好適である。この非線形媒質は、ダウンコンバージョン効率を向上させてその閾値を低下させる共振空洞内に配置され、光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を形成することができる。従来、一般的なＯＰＯは、２つのミラーより構成される光共振器内に非線形材料（定期的にポーリングされるＫＴＰ、ＢＢＯ、ＬＢＯなどの非線形水晶）を挿入して得られる構造を有する。
【００４５】
本発明の目的のためには、互いの複素共役である２つの光フィールドを生成するための光源は、スペクトル的に相関のある広帯域ダウンコンバージョン光を放射するよう構成されることが好ましい。発明者らにより開発された光源構成の例について、以下の図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ〜図７Ｃと図８を参照しさらに説明する。
【００４６】
パラメトリックダウンコンバージョンでは、ポンプエネルギーＩｐｕｍｐは、高周波フィールド（周波数ωｐと波動ベクトルｋｐを有するポンプフィールド）から非線形水晶１２を介して（それぞれ周波数ωｓ，ωｉおよび波動ベクトルｋｓ、ｋｉの）２つの低周波数フィールド、すなわち信号フィールドＬｓおよびアイドラーフィールドＬｉへ送られる。非線形媒質が厚い場合は、この変換は位相整合要件が満足される場合のみ、すなわちエネルギーが保存され（ωｐ＝ωｓ＋ωｉ）運動量が保存される（ｋｐ＝ｋｓ+ｋｉ）場合のみ可能である。本処理では、ポンプＬｉｎの位相に対する生成された信号フィールドＬｓの位相は定められないが、生成された信号フィールドＬｓの位相は対応するアイドラー周波数（ωｉ＝ωｐ−ωｓ）の反対である。すなわち、信号とアイドラーの振幅は複素共役である。このように、異なる信号（あるいはアイドラー）周波数間には位相関係はないが、対応する信号周波数およびアイドラー周波数間には特殊の位相および振幅の関係が成立することから、ダウンコンバート光は、互いの複素共役でありＣＤＭＡ方式において使用されるキーとその共役として機能する広帯域連続波白色雑音信号ＬｓおよびアイドラーＬｉの光成分から構成される。
【００４７】
キーとその共役の生成を完了すると、それらのいずれか一方、例えばキー信号Ｌｓは特定情報により外部から変調することができる。ダウンコンバージョン処理（すなわちキーとその共役の生成）がデータ送信システムで行なわれると、データ変調フィールド（例えばキー信号Ｌ’ｓ）および共役キー（アイドラーＬｉ）を光ネットワークを介して受信機端に送信することができる。ダウンコンバージョン処理がデータ受信システムで行なわれる場合、ダウンコンバートフィールドの一方（例えばキー信号Ｌｓ）のみが、データ受信システムへ送信されてデータにより変調され、データ受信機システムに戻される。チャネルの多重化／多重分離を可能にするために、キー（あるいはその共役）は特別に符号化される。これらの機能については、図３Ａ〜図３Ｅを参照してさらに説明する。
【００４８】
図２Ｂに示すように、受信機システム１１において共役キーによる受信光の乗算が実行される。これは、アップコンバージョン処理（和周波数生成としても知られる）を信号フィールドＬｓおよびアイドラーフィールドＬｉに対して行うことにより、すなわち受信光を非線形媒質１２に通過させることにより実現される。
【００４９】
パラメトリックアップコンバージョン処理は、パラメトリックダウンコンバージョン処理に対して対称的に逆である。すなわち、２つの入力低周波フィールドＬｓおよびＬｉから高周波出力フィールドＬｕｐ−ｃｏｎｖへのエネルギー移動を含み、この高周波は２つの低周波の和に等しい。この処理においては、和周波数で生成されたフィールドＬｕｐ−ｃｏｎｖの位相は２つの低周波フィールドの位相の和に等しい。数学的には、これは和周波数での複素フィールド振幅は２つの低周波フィールドの複素振幅の積に比例するということに相当する。
【００５０】
任意のポンプ周波数に対し、非線形媒質の比分散特性とその厚みにより、広帯域にわたる位相整合要件を満たす信号／アイドラー周波数ペアがあり得ることに留意されたい。いくつかの構成では、位相整合帯域幅は、数センチメートルまでの厚みを有する水晶に対し、ほぼ赤外線（ＩＲ）である数百ナノメータに達する。
【００５１】
ＣＤＭＡのチャネルを多重化する本発明の手法は、信号フィールドおよびアイドラーフィールド間のコヒーレント位相関係を、制御された可逆的な方法、例えば一般的なパルス整形技術または信号フィールドおよびアイドラーフィールド間の相対遅延あるいは材料分散を導入する等の簡易な方法を用いて、当該周波数間の位相関係に作用する（操作する）ことにより、制御可能かつ可逆的に崩壊させることができる、という事実に基づいている。位相関係は、単に上記操作を戻すことにより、例えば逆遅延あるいは逆分散を挿入することにより、復元することができる。一意の位相作用値を特定チャネルの信号フィールドとアイドラーフィールドの一方へ割り当てることにより、すなわち特定チャネルの信号フィールドとアイドラーフィールド間に一意的な位相関係（例えば相対遅延）を割り当てることにより、当該チャネルのデータを受信機側に到来する他チャネルから抽出することができる。
【００５２】
図３Ａに、本発明の光ＣＤＭＡ多重化システム１００Ａの一例を示す。この例では、すべてのチャネルが同一の信号フィールドおよびアイドラーフィールド（キーとその共役）を共有する。すなわち、これらのチャネルは、１つの光源から放射される信号／アイドラーペアをそれぞれ使用する。あるいは、これは、１つの広帯域ノイズフィールドによるすべての光源への種光注入（seeding）を介して多くの光源を結合することで達成することができる。このように、システム１００Ａは、光源１０２により形成されるエンコーダアセンブリと、位相作用部１０４（分光ガラス基板等）と、制御装置（図示せず）に接続されたデータ変調器１０６と、出力ビームカップラ１０８とを具備する。データ変調器１０６は（システム１００Ａにおける光伝播方向に対し）位相作用部上流部に設けることができることにも留意されたい。光源１０２は非線形媒質を含み、単一の非線形水晶により構成することができる。この単一の非線形水晶は、共振器空洞（ＯＰＯ）内に含まれても含まれなくてもよい。光源１０２は、以下に説明するように、発明者らにより開発された新規なＯＰＯ配列を有することが望ましい。光源１０２は、ダウンコンバート信号フィールドＬｓおよびダウンコンバートアイドラーフィールドＬｉのいずれか一方の光路（本例では信号フィールドＬｓの光路）に設けられたビームスプリッター１０５に接続されている。位相作用部１０４は、位相作用ユニットアレイＤ１〜ＤＮから構成され、その各々は、例えば相対遅延あるいは材料分散を適用することにより、通過光の位相に一意的に作用するよう動作する。全チャネルのアイドラーフィールド成分が本システムを通過して一斉に伝播するこの例では、位相作用部１０４は、信号フィールド成分に接続されている。データ変調器１０６は変調器アレイＭ１〜ＭＮから構成され、その各々は、それぞれのチャネルにより搬送される特定の情報に従って通過光を変調する。
【００５３】
ビームスプリッター１０５上流部の光源１０２の出力側に設けられた周波数フィルタ１０９も、システム１００Ａに設けられる。周波数フィルタ１０９の設置は随意的であり、使用されるＯＰＯ光源の構成によることに留意されたい。例えば、非共線ＯＰＯ構成を用いる場合、出力される信号フィールドおよびアイドラーフィールドは互いに空間分離されており、ＯＰＯ光源の出力で周波数濾過を行う必要はない。同様の周波数フィルタ１０９’が、システム１００Ａの出力に設けられており、周波数フィルタ１０９’は、信号フィールドおよびアイドラーフィールドが受信機側に向けて送信される前に、それらを合成する。
【００５４】
システム１００Ａは次のように動作する。ＯＰＯ光源１０２は入力光Ｌｐｕｍｐによりポンプされ、この光を空間分離した（例えば周波数フィルタ１０９により）出力信号フィールドＬｓおよび出力アイドラーフィールドＬｉの整合ペアへと変換する。ビームスプリッター１０５（マスクあるいは縦列の半透明の鏡）は、信号フィールドＬｓの光路に設けられ、信号光フィールドＬｓをＮ個の空間分離された信号成分Ｌ（１）ｓ、Ｌ（２）ｓ、Ｌ（Ｎ）ｓに分割する。次に、これらの信号成分Ｌ（１）ｓ〜Ｌ（Ｎ）ｓは、通過光にそれぞれ異なる遅延値τ１〜τＮを適用するように事前にプログラミングされた位相作用部１０４の相対遅延ユニットＤ１〜ＤＮをそれぞれ通過する。遅延された（符号化された）信号成分Ｌ（１）ｓ〜Ｌ（２）ｓは、データ変調器１０６の変調器Ｍ１〜ＭＮをそれぞれ通過し、各チャネルにより搬送される特定の情報に従って振幅変調される。このようにして、ダウンコンバートされた信号フィールドおよびアイドラーフィールドのいずれか一方に位相作用が適用され、また、データ変調はこれらのフィールドの一方あるいは両方に適用される。
【００５５】
このように、多重化システム１００Ａにおいて、光源１０２により生成された様々な信号フィールドは、一意的な位相作用値、例えば信号フィールドおよびアイドラーフィールド間の一意的な遅延量により変調され、符号化される。この非限定的な例では、相対遅延という単純な場合を、可逆的制御位相操作メカニズムとして用いている。他の位相操作技術（例えば分散あるいは一般的なパルス整形）も同様に利用できることは明らかである。
【００５６】
本方式によれば、全チャネルのキーは、単一の白色雑音キーをそれぞれ一意的に遅延させたバージョンである。これらのうち２つのバージョンが無相関となるために必要な最小遅延値は、信号（あるいはアイドラー）フィールドのコヒーレンス時間τ＝１／Δω程度である。なお、Δωはダウンコンバート光のスペクトル幅であり、それぞれ異なるチャネルの一意的な遅延間の最小差である。他の位相操作技術が使用される場合は、同様な基準を計算することができる（例えば必要とされる分散値間の最小差に関して）。
【００５７】
Ｎ個の信号成分はすべて、位相作用を受けてデータ変調された後、ビームカップラ１０８により結合され、周波数フィルタ１０９’においてアイドラーフィールドＬｉと合成される。この両者は光ネットワ−クに導かれ、受信機側へ送信される。送信光においては、全チャネルの位相関係は崩壊しているので、ネットワ−クから到来するスペクトルに対して周波数アップコンバージョンを実行しようとしても、チャネルは検出されない。このことは電子式ＣＤＭＡにおける同期損失の状況（受信機が、正しいキーで、しかし正しくないタイミングで乗算を行う）と同様である。
【００５８】
図３Ｂに、本発明の別の例による光ＣＤＭＡ多重化システム１００Ｂを示す。この例では、図３Ａの例とは対照的に、各チャネルが独自のキーを有する。すなわち、各チャネルは独自の光源により生成される。理解を容易にするために、同一の参照番号が図３Ａと図３Ｂの例における共通構成要素を識別するために用いられている。本例では、データ変調器１０６は遅延部（位相作用部）１０４の上流部に配置され、この点に関しては本構造は図３Ａと同様であってもよい。よって、システム１００Ｂは、ダウンコンバート光のＮ個の複数光源（好ましくは、以下に説明する新規な広帯域ＯＰＯ配列）ＳＩ〜ＳＮを含む光源１０２と、制御ユニットにより適宜作動されるＮ個の変調器Ｍ１〜ＭＮを含むデータ変調器１０６と、Ｎ個の位相作用ユニット（通過光に対し異なる相対遅延τ１〜τＮをそれぞれ適用するよう動作する本例の相対遅延ユニットＤ１〜ＤＮ）を含む位相作用（例えば遅延あるいは材料分散）部１０４と、ビームカップラ１０８と、を具備する。本例において、位相作用部１０４は信号フィールドに対応して示されるが、通常は、信号フィールドおよびアイドラーフィールドの少なくとも一方に対応する。本例のシステム構成によれば、信号フィールドおよびアイドラーフィールドの両方が多重チャネル成分に空間分離され、位相作用部１０４は、信号フィールドおよびアイドラーフィールドの両方に対応することができる。位相作用部１０４は、各チャネルの信号フィールド成分およびアイドラーフィールド成分間に一意の位相関係を成立させる。システム１００Ｂには、光源Ｓ１〜ＳＮの出力に位置（全体として参照番号１０９）する周波数フィルタカップラ１０８に向かって伝播する、変調され位相作用された信号フィールドおよびアイドラーフィールドの光路に、それぞれ周波数フィルタ１０９’を随意的に設けることができる。上述のように、周波数フィルタの必要性はＯＰＯ空洞構成の種類による。
【００５９】
システム１００Ｂは次のように動作する。ダウンコンバート光源Ｓ１〜ＳＮはそれぞれポンプされて、信号／アイドラーフィールドペアを生成する。信号成分Ｌ（１）ｓ〜Ｌ（Ｎ）ｓは、アイドラー成分Ｌ（１）ｉ〜Ｌ（Ｎ）ｉから空間分離される。信号成分Ｌ（１）ｓ〜Ｌ（Ｎ）ｓ（またはアイドラー成分、あるいは信号およびアイドラーペア）は変調器Ｍ１〜ＭＮを通過し、そしてそれぞれのデータに従って振幅変調される。次に、変調された信号成分Ｌ（１）ｓ〜Ｌ（Ｎ）ｓは相対遅延ユニットＤ１〜ＤＮをそれぞれ通過する。あるいは信号成分は（変調されたか否かに関らず）、ユニットＤ１〜ＤＮを通過して位相作用を受けてもよい。
【００６０】
次に、変調され位相作用を受けた信号成分Ｌ（１）ｓ〜Ｌ（Ｎ）ｓと位相作用を受けなかったアイドラー成分はビームカップラ１０８により合成され、光ネットワ−クに導かれ、受信局に送信される。通常、各信号フィールドおよびアイドラーフィールドペアをデータ変調のために分離する必要はなく、両方を変調してもよいことに留意されたい。従って、符号化（位相作用）がデータ変調後の信号（あるいはアイドラー）成分に対し適用するこの例では、周波数分離を、位相作用部１０４の方へ伝播する変調光に対して行ってもよい。
【００６１】
図３Ｃに、本発明による光ＣＤＭＡチャネル受信側システム２００を概略的に示す。このシステムにおいては、当該局に到来する他の全てのチャネルから特定の１つの光チャネルを抽出するために受信光の復号化を行い、一方で、他のすべてのチャネルがネットワ−クの次の局に向けて伝播を継続できるようにする。こうして、完全なデマルチプレクサは、多くの受信機システムを接続して構成される。
【００６２】
システム２００は、入力周波数フィルタ２０９と、入力位相作用（例えば相対遅延）部２０４と、アップコンバ−タ（非線形媒質）２０２と、周波数フィルタ２０７と、随意的な周波数フィルタ２０９’および２０９’’と、位相作用（相対遅延）部２０４’と、を具備する。特定チャネルの復号化に必要とされる唯一のデータとしては、ポンプ周波数および当該特定チャネルの符号化に使用される位相作用（遅延）値が挙げられる。これら２つの条件は通信プロトコルにより事前に設定することができ、その後は当該チャネルに関連するキー雑音に依存することなく使用できる。光ネットワ−クから到来する広帯域のアイドラー部Ｌｉ（光成分Ｌｉ（１）〜Ｌｉ（Ｎ）を含む）および広帯域の信号部Ｌｓ（光成分Ｌ（１）ｓ〜Ｌ（Ｎ）ｓを含む）はシステム２００を通過する。したがって、入力フィルタ２０９（回折格子補助カップラ、あるいはダイクロイックビームスプリッター／合成器等）は、入力光を受信し、信号部Ｌｓとアイドラー部Ｌｉ間を空間的に分離する。入力位相作用部２０４は、フィルタ２０９の出力に設けられ、アイドラー部Ｌｉの光路に対応する。アップコンバ−タ２０２は、位相作用部２０４下流部のフィルタ２０９の両出力に設けられ、したがって信号光部および位相作用を受けた（遅延された）アイドラー部の光路内に設けられる。
【００６３】
一般に、デコーダシステムの入力での位相作用は、エンコーダシステムで崩壊した、ダウンコンバートされた信号フィールドとアイドラーフィールドの位相関係を復元することを目的とする。従って、位相作用としての遅延を考慮すると、位相作用部２０４は、エンコーダシステムで位相作用を受けなかったダウンコンバートフィールドの位相を操作できるよう設けられる。相対遅延部（位相作用部）２０４は、当該部を通過する光に対して一意的な遅延値を適用するよう事前にプログラミングされている。この遅延値は、送信システムにおける当該チャネルの符号化の際に加えられたものの逆の遅延である。よって、遅延された（位相作用を受けた）アイドラーの唯一の周波数成分、例えばＬ（１）ｉは、遅延整合した（delay-matching）信号成分Ｌ（１）ｓをその信号内に有し、したがって、１つのチャネルのみの位相関係が、元のポンプ周波数でパラメトリックアップコンバージョンにより復元される。これは、フィールド成分Ｌ（１）ｓ〜Ｌ（１）ｉのペアのみが効率的なアップコンバージョン要件を満たすからである。ここで、周波数フィルタ２０７（例えばダイクロイックミラー）は、そのアップコンバート光をアップコンバータ２０２のすべての出力から分離し、検出器へ導く。
【００６４】
ポンプ周波数でのアップコンバージョン強度が検出されると、当該チャネルは（他チャネルにより生成された）雑音に対し顕著なものとなる。各受信側システムは１つのチャネルのみを検出し、また他チャネルは全て擾乱なく通過するのみであるので、受信側システムが、特定の（濾過された）チャネルの検出を可能にした後に他チャネルに対する条件に変更のないよう位相作用（遅延）を再挿入することは必然的ではないものの合理的である。したがってアップコンバ−タ２０２の残りの出力は、信号部とアイドラー部を分離する周波数フィルタ２０９’’を通過する。残りの信号部は出力遅延部（位相作用部）２０４’を通過し、ここで遅延部（位相作用部）２０４によりアイドラー部に先に適用されたものと等しい相対遅延を受け、信号部とアイドラー部はネットワ−ク中の次局へ向け伝播する。
【００６５】
フィルタ２０９’’および出力位相作用部２０４’を設けることは随意的であり、エンコーダおよびデコーダ間の通信プロトコルを特別に設計することにより除去可能である。例えば、プロトコルはデコーダの配列順序を設定し、入力光が前段のデコーダから受けた位相作用を全て考慮に入れて、各デコーダは当該光に位相作用を適用する。
【００６６】
図３Ａと図３Ｂの送信システム構成を比較すると、図３Ｂの構成では、複数チャネル（位相符号化信号）のみならず複数キー（アイドラー）に起因して受信側で高雑音レベルが問題になる。したがって、図３Ａの構成で対応可能なチャネル数（Ｎ）と比較して少ない数（Ｎの平方根）のチャネルに対応可能である。しかし図３Ｂの方式は以下の点でより簡単である。全チャネルは独立し、相互のリソースに依存せず、変調は、広帯域信号ではなく狭帯域ポンプの直接変調により実行できる。このため、この複数光源は、チャネル数がシステムの容量と比較して比較的小さい場合に考慮することができる。
【００６７】
本発明によれば、広帯域のダウンコンバージョンが達成されると、信号フィールドがスペクトルフィルタによりアイドラーフィールドから分離される。信号フィールドはキーとして識別され、アイドラーフィールドは共役キーとして識別される。このキーは未知である。送信データの抽出を可能にするために、共役キーは何らかの形でデータ搬送キーと共にデータ受信側に到達しなければならない。
【００６８】
図２Ａ、図２Ｂおよび図３Ａ〜図３Ｃには、恐らく最も直感的に認識可能な構成例が示されている。ここでは、送信側（「話者」）が、キーおよび共役キーを生成し、その一方を変調し、その両方を受信側（「聴者」）へ送信する。聴者は、アップコンバージョンを行い、データを抽出する。
【００６９】
図３Ｄに、公開キーの暗号化に少し類似した別の構成を例示する。送信システム１００Ｄ（話者）と受信システム２００Ｄ（聴者）が概略的に示されている。この例では、キーと共役キーは聴者のシステム２００Ｄで生成され、これらのキー（信号）の一方のみが話者のシステム１００Ｄに送信される。聴者システム２００Ｄは、キー発生器（光源）１０２、フィルタ１０９、位相整形器（例えば、遅延部）１０４、アップコンバ−タ２０２、別の周波数フィルタ２０７、および検出器２１２を含む。話者システム１００Ｄは、データ生成ユニット（図示せず）に接続されるデータ変調器１０６を含む。
【００７０】
聴者システム２００Ｄにおいて、光源１０２は、フィルタ１０９により空間分離された信号光フィールドＬｓおよびアイドラー光フィールドＬｉ（キーとその共役）を生成し、その一方（例えば信号成分Ｌｓ）は話者システム１００Ｄへ送信される。一方、他方のフィールドＬｉは聴者システムに保持され、位相整形器１０４を通過し、これによって、適切に遅延されたアイドラーフィールドＬ’ｉを得て、アップコンバージョンを介したデータ抽出を可能にする。データ受信システムおよびデータ送信システム間の距離は一意的な遅延符号定数として機能することができる。話者システム１００ＤはキーＬｓを受信して（恐らくデータと共に到来する他の雑音と一緒に）変調し、変調された信号Ｌ’ｓを聴者システム２００Ｄへ返送する。聴者システム２００Ｄでは、変調された信号Ｌ’ｓは他の遅延されたキー（アイドラー）Ｌ’ｉと共に、アップコンバートされ、その結果生じた信号が検出される。
【００７１】
本発明は、データ伝送用のいかなる変調形式、すなわち振幅変調だけでなく周波数変調あるいは位相変調も利用できるということに留意されたい。この点に関連して、微小な周波数／位相遷移は広帯域のインコヒーレントキー（信号）から直接検出はできないが、アップコンバージョンは、信号位相とアイドラー位相の和である位相を有する和周波数にて出現するので、上記信号の微小な周波数／位相遷移は、狭帯域コヒーレントアップコンバートフィールド（narrowband coherent up converted field）の同じ周波数／位相遷移を引き起こす。この遷移は容易に検出される。
【００７２】
図３Ｅに、図３Ｄの技術の原理を利用する光ＣＤＭＡ多重化／多重分離システム（ここではキーの生成は「聴者」により行われる）の例を自明な様式で示す。本例では、ネットワ−クは、すべての「公開キー」（話者１および話者２にそれぞれ当てられた信号Ｌ（１）ｓおよびＬ（２）ｓ）用の順方向チャネルと、返送データ（データ変調された信号Ｌ（１）’ｓおよびＬ（２）’ｓ）用の逆方向チャネルとを含む。データ受信を望むユ−ザ（聴者）は、自身のキーＬ（１）ｓおよびＬ（１）ｉを生成し、ネットワ−クの順方向チャネルにて、自身の「公開キー」Ｌ（１）ｓを送信する。この受信者との通信を望む他ユ−ザ（話者１）は、信号Ｌ（１）ｓを受信するために順方向チャネルから一部を分離し、これをデータ変調し、さらにデータ変調された信号Ｌ（１）’ｓを逆方向チャネルに入力する。話者はスペクトル位相符号定数を加えて、特定の話者と聴者との接続を識別することができる。これは、特定の話者までの距離は一意の遅延符号定数としての役目を果たすからである。聴者は、適切な遅延および逆スペクトル位相を挿入した後、自身の共役「秘密キー」Ｌ（１）ｉを用いて、アップコンバージョンによりデータを抽出する。
【００７３】
この光ＣＤＭＡ方式では、全帯域幅Δ内に収容され帯域幅δをそれぞれ有する同時チャネル数は、式（１）で示される。
【数１】
2006524010.tif 000003
ここで、ｓ／ｎは許容される最小の信号対雑音比であり、主要な雑音源は他チャネルによる干渉である。この結果は、理想的な非同期ＣＤＭＡシステムで期待されるものに比べ、ちょうど２分の１であるが、これは、本発明のＣＤＭＡ方式ではキーを送信しなければならないためである。従って、本方式では、スペクトル効率は、０．５／（ｓ／ｎ）に達する。キーは理想的な（真の白色雑音）キーであるので、この結果は単一チャネルのビット伝送速度の下限／上限のような実際の制限に依存しないことは重要である。
【００７４】
式（１）は、同時チャネルの総数に対する単一チャネルの受信者の雑音レベルの関係を示す。図３Ｆにおいて、グラフＲ１およびＲ２は、この関係を、インコヒーレント検出によるオンオフ変調（ＯＯＫ）とコヒーレント検出による位相変調（ＰＳＫ）に対するビット誤り率（ＢＥＲ）とに、それぞれ変換したものである。この図から明らかなように、コヒーレントＰＳＫはインコヒーレントＯＯＫと比較してはるかに良好なＢＥＲ結果をもたらす。このことは、コヒーレント変調が多くの点（ＢＥＲ、パワーマネージメント、非線形性等）において優れるためである。しかし、コヒーレント変調は、受信機において、送信レーザーに位相ロックされた局部発振器を必要とするので、光学分野では非実用的であると考えられている。本発明のＣＤＭＡ手法では、基準局部発振を送信機から受信機に容易に送ることができる。全チャネルは同一のダウンコンバートフィールドおよび同一のポンプを共有するので、ポンプはすべてのチャネル用の局部発振器として機能する。ポンプはデータと共にそのまま送ることができないが（多くの場合非線形性のために）、１つのチャネルを「犠牲」にしてデータ変調を行わなければ、そのチャネルのアップコンバートフィールドは連続波ポンプフィールドのレプリカとなり、他の全チャネルに対する位相基準として用いることができる。したがって、コヒーレント検出は、データチャネルを１つ少なくして実行することができる。こうして、コヒーレント変調は、すべてのチャネルが同一のポンプ（すなわちアップコンバージョン）およびダウンコンバートフィールドを共有する点において、全チャネルが光学的に同等であることにより可能になる。この事実は、他の光学的操作を実行するのに利用することができる。例えば、多重分離（各チャネルに対し適切な遅延を有するアップコンバージョン）後にチャネルを再度ダウンコンバートしそれらの遅延を再調整することによりチャネルを異なるオーダーで再多重化することができる光スイッチ方式を構成することができる。
【００７５】
本発明による光ＣＤＭＡ方式では、全チャネルが同一のポンプ（すなわちアップコンバージョン）波長および同一のダウンコンバートスペクトルを有するという点において、全チャネルが光学的に等しいので、チャネルの光学的操作がより簡単になる。この特徴は、例えば光スイッチ方式での使用に好適である。この方式では、多重分離（各チャネルが適切な遅延を有するアップコンバージョン）後に、チャネルを再度ダウンコンバートしてそれらの位相関係を復元することにより、チャネルを異なるオーダーで再多重化することができる。加えて、本発明の光ＣＤＭＡ方式は、本質的に、ブリユアン散乱、自己位相変調、相互位相変調および４波混合等、ファイバーの非線形作用の影響を受けにくい。非線形作用は、ファイバーの強度が高い場合に発生し、通常は（信号とアイドラーの場合のように）広帯域ノイズ状のフィールドにより最小化される。これは、雑音状のフィールドが干渉を持続させる可能性を最小限にするためである。
【００７６】
発明者らは、パラメトリックダウンコンバージョンにおける信号／アイドラー相関の理解に、［非特許文献２の第６章、ｐｐ．６７−８５に示される理論的処理を利用した。無損失媒質および完全な位相整合という単純化された仮定の下では、ダウンコンバージョン処理を説明する３波混合の標準的な式は式（２）で表される。
【数２】
2006524010.tif 000004
ここで、Ａｓ、ＡｉおよびＡｐは、それぞれ信号、アイドラーおよびポンプの緩やかに変化する振幅であり、ｋは式（３）のように非線形係数ｄ（ＭＫＳ）に関する非線形結合である。
【数３】
2006524010.tif 000005
ここでｎｘは、フィールドの屈折率ｘ（ｘ＝ｓ、ｉ、ｐ）である。
【００７７】
本発明の目的のためには、上記３つの振幅間の位相相関は興味の対象であるので、極座標変換を利用して式（４）を得る。
【数４】
2006524010.tif 000006
ここでは、式
【数５】
2006524010.tif 000007
が、３波（ｘ＝ｓ、ｉ、ｐ）すべてに対して代入されている。
【００７８】
そして、式
【数６】
2006524010.tif 000008
を式（４）に代入し、実部と虚部を分離する。
【数７】
2006524010.tif 000009
【００７９】
式（５）の上側の３式を式（４）に代入し、簡単な代数操作を行うと式（６）を得る。
【数８】
2006524010.tif 000010
【００８０】
式（６）は式（７）と等価である。
【数９】
2006524010.tif 000011
これを解くと式（８）を得る。
【数１０】
2006524010.tif 000012
ここでＣ１は積分定数である。位相差Δθは実部であるので、定数Ｃ１はフィールド振幅Ｒｘ［０］の初期値により以下の式（９）に従って制限されることは明らかである。
【数１１】
2006524010.tif 000013
【００８１】
多くの実際の場合、Ａｓ、ＡｉおよびＡｐフィールドの少なくとも１つは、自然放射雑音により開始されるので、実質零である。したがって、フィールド振幅が増加するほど、式（８）の分母は分子よりはるかに大きくなるので、定数Ｃ１の値は無効になり、すべての実際的な目的に対してｃｏｓΔθ＝０を得る。従って、信号およびアイドラーの位相は以下の式（１０）に従って相関付けされる。
【数１２】
2006524010.tif 000014
【００８２】
ポンプ位相がθｐ＝π／２となるように選択された場合、式（１１）を得る。
【数１３】
2006524010.tif 000015
【００８３】
結果的に、ＯＰＯ空洞のアイドラーモードの位相は対応する信号モードの逆となる。
信号フィールドおよびアイドラーフィールド間の相関の絶対値は、これらのフィールドが式（４）においては対称であることから理解できる。したがって、初期条件が対称であればこの対称性は保持され、信号モードおよびこれに対応するアイドラーモードの複素振幅は互いの共役となる。
【００８４】
通常、信号およびアイドラーはどちらも広帯域で多くの周波数を含む。これは、最大スペクトル幅に対する制限パラメータである位相整合が１ｎｍより狭くなることが稀であり数百ナノメータ以上に広がることもあるためである。よって、信号フィールドおよびアイドラーフィールドは、通常フィールド間に位相相関のない多くのモードを含んでいるため、これらの位相はランダムである。これにより、連続波（ＣＷ）信号フィールドおよびアイドラーフィールドが発生し、各フィールドのモード間にはスペクトルコヒーレンスが存在しない。
【００８５】
和周波数生成（パラメトリックアップコンバージョン）の一般的な処理を考慮すると、周波数ωにおいてアップコンバート光（up converted light）の強度Ｒ（ω）は、式（１２）で与えられる。
【数１４】
2006524010.tif 000016
ここでＡ（ω）は周波数ωでのフィールドの緩やかに変化する振幅である。
【００８６】
ここで、周波数ωになる全振幅ペアはコヒーレントに加算される。一般的には、関与する周波数の位相は無相関（ランダム）であるので、スペクトル的にインコヒーレントの広帯域光源は変換効率に優れていない。したがって、特定のアップコンバージョン周波数まで加算された全低周波数ペアは、ほぼ完全に破壊的な干渉を及ぼす。
【００８７】
しかしながら、ダウンコンバート光がアップコンバージョン処理の入力として使用される場合は、元のポンプ周波数まで加算されたすべての周波数ペアは、信号フィールドおよびアイドラーフィールド間の位相関係により同相を有する。したがって、これらすべてのペアは強めあうように干渉し、位相相関が存在しない場合に予測されるものと比較して大きさが数桁増強された、アップコンバートされた強度をもたらす。この増強は信号とアイドラーの実際のスペクトル幅に依存する。この増強は、信号フィールドがその「双子」のアイドラーフィールドに出会う場合のみ生じるので、キーが整合する（すなわち、ＣＤＭＡにおける共役キーによる乗算から予測された通りに正確に振舞う）場合にのみ、データが雑音から抽出される。
【００８８】
よって、パラメトリックダウンコンバージョンにより生成された光に適用されるアップコンバージョンを考慮に入れ、全スペクトルのスペクトル位相が、ある一般的位相関数Φ（ω）により変調されるものと仮定すると、式（１３）を得る。
【数１５】
2006524010.tif 000017
ここでは、ＡＳ（ω）はランダム位相を有し、信号およびアイドラーは複素共役であることが考慮されている。式（１３）を式（１２）に入れると、式（１４）を得る。
【数１６】
2006524010.tif 000018
式（１４）は被積分関数内に４つの項を含む。Ａｓ（ω）の位相はランダムと考えられる。よって、弱め合う干渉のため、最初の２項の積分は、結果的にＲ（ω）に対して影響しない。後ろの２項の影響は、ω＝ωｐの場合には非常に重要なものとなり得る。そして式（１５）を得る。
【数１７】
2006524010.tif 000019
【００８９】
この結果生じるアップコンバージョンの強度が位相関数に大きく依存することは明らかである。上記強度は、逆対称位相関数に対して非感応的である一方、ωｐ／２あたりでは対称的な位相関数により大幅に低減される。
【００９０】
信号フィールドおよびアイドラーフィールド間に特定の閾値以上の値の相対遅延がある場合、信号／アイドラーペアのアップコンバージョンは行われない。信号フィールドとアイドラーフィールド間の相対遅延τという簡単な場合、これはスペクトルに替わる線形位相関数と等価であり、式（１６）を得る。
【数１８】
2006524010.tif 000020
【００９１】
この結果は、同じスペクトル幅および同じ相対遅延τの２つの等しいトランスフォームリミットパルスの和をアップコンバートして得られるものと等しい。相対遅延が（パルスのスペクトル幅に対し反比例する）パルスの時間幅を越える場合、アップコンバージョンは行われない。このように、干渉の強め合いは、信号フィールドτ＝１／Δω（Δωはダウンコンバート光のスペクトル幅）のコヒーレンス時間程度の遅延を適用することにより無くすことができる。
【００９２】
上述したように、パラメトリック光源より得られる時間分解能は、トランスフォームリミットパルスにより得られるものと等しい。従って、この特徴を十分に利用するには、可能な限り広いスペクトルにわたって発振するＯＰＯ／ＯＰＡが必要になる。広帯域発振に対する必要条件は、広範囲の広波長領域にわたる位相整合である。
【００９３】
信号とアイドラーが縮退（ωｉ≒ωｓ≒ωｐ／２）に近いと、タイプＩの位相整合（信号とアイドラーは同じ分極状態を有する）は広くなることが一般的に知られている。このことは図４Ａのグラフに示されており、このグラフは位相の不整合（Δｋ≡ｋｐ−ｋｓ−ｋｉ）を、５３２ｎｍでポンプされ定期的にポ−リングされるＫＴＰ水晶の縮退点の近くの波長の関数として示す。明らかなように、一次の波長までは、この点に近い波長の位相整合状態は同じである。したがって１ｃｍの水晶長に対しては、１０６４ｎｍを中心とする数十ナノメータのスペクトル幅が予測される。
【００９４】
縮退点（λ＝２λｐ＝４πｃ／ωｐの波長において）が水晶の零分散の点と一致するようにポンプが調整されると、はるかに広範の位相整合が可能になる。零分散点では波長に対する屈折率の２次導関数は零になるので、屈折率は波長に関しほぼ線形である。屈折率が線形の場合、如何なる２つの相補波長も位相整合する。奇数次の分散は位相整合に影響を与えないので、より高次の分散は位相整合の帯域幅を制限するが第４次の波長までのみである。よって、零分散により、数百ナノメータまでの超広帯域の位相整合を得ることができる。これは、７２８ｎｍでポンプされたＢＢＯ水晶の零分散の超広帯域の場合の位相不整合を、縮退点を中心とした波長の関数として示す図４Ｂに示される。
【００９５】
上記ＯＰＯは、信号フィールドおよびアイドラーフィールドが、共線（広帯域の位相整合が縮退点を中心として発生する場合）あるいは非共線（ポンプビームおよび信号ビーム間の角度等の自由度を利用して好適なポンプ波長で広帯域の位相整合を実現する）のいずれかの状態になるよう構成し、動作させることができる。
【００９６】
本発明の目的のため、すなわち完全な光ＣＤＭＡ方式を設計するには、信号／アイドラー生成光源はスペクトル的に相関のある広帯域光を放射する種類のものとなる。ここで、「スペクトル的に相関のある」とは、一次のコヒーレンスはない（すなわち、各周波数の位相が不明で、本質的に白色雑音に類似した光を生じる）が、周波数ペア間の位相相関を依然として有する光源を意味する。周波数間の位相相関は、２次あるいはより高次の非直線相互作用や２光子放射のように、２個以上の光子が放射される多くの処理において発生する。３波混合すなわちパラメトリックダウンコンバージョンとしても知られるある２次の非線形性（Ｘ２効果）に基づいた光源、ならびに他の公知のメカニズムに基づいた光源は、２つの広帯域の共役フィールド（フィールド）の生成に用いることができる。このような光源の特有のコヒーレンス特性を操作することにより、光ＣＤＭＡにおいてこれらの採用が可能となる。
【００９７】
上記処理は、図５Ａ（３波混合）および図５Ｂ（４波混合）において示されるファインマン図により説明することができる。３波混合処理は、１つの高エネルギーポンプ光子の、２つの低エネルギーの信号光子とアイドラー光子への変換として量子力学的に解釈することができる。多くの信号／アイドラーペアが存在するのでこれらのエネルギーは定められない。４波混合は、２つのポンプ光子の、２つの広帯域の信号光子とアイドラー光子への変換として解釈することができる。通常、ｎ個のポンプ光子が２光子に変換されるすべての処理は、本発明による光ＣＤＭＡ方式の基本と考えることができる。
【００９８】
広帯域ダウンコンバート光の光源を考える場合、高変換効率および低閾値は重要な要素である。上述のように、通常、非線形媒質の１回の通過におけるダウンコンバージョン効率は非常に低いため、この処理は共振空洞（ＯＰＯ）内で実行することが好ましい。この空洞は、単独あるいは二重のいずれかで共振することができる（ダウンコンバートされたフィールドの一方あるいは両方を共振させる）。しかし、共振空洞が使用される場合、モード競合により波長帯域幅が大幅に狭くなるので、モード競合を抑える特別な空洞設計が必要となる。この問題に取り組む際、空洞における発振の優勢モードは必ずしも最大利得を有するものではなく、最大利得損失差を有するものであることを念頭に置く必要がある。したがって、空洞が狭帯域発振には作用するが広帯域発振を損なわない損失メカニズムを有する場合、後者は優勢モードとなる。
【００９９】
本発明は、ＯＰＯ空洞内にアップコンバージョン損失を与えることにより、ＯＰＯ空洞におけるモード競合を抑える工程を提供する。アップコンバージョンは分散あるいは相対遅延により大幅に減少させることができるので、発振が広帯域であるということを前提に、アップコンバージョン損失の付与はモード競合を抑える選択的損失メカニズムとして機能する。アップコンバートされたスペクトルは、遅延や分散のような簡単な手段によりあるいは空間的光変調あるいは超短波パルスを整形する際に使用される手段のようにより複雑な手段により、ダウンコンバート光のスペクトル位相を整形することにより、制御することができる［非特許文献２３］。
【０１００】
図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ〜図７Ｃ、図８に示されるように、この目的のためにいくつかのＯＰＯ構成を考えることができる。この構成は共線／非共線、二重／単独共振であってよく、線形／リング状空洞として構成される１個／２個の非線形媒質を含む。最も簡単な構成は、図６Ａに示す１つの非線形媒質を有する線形二重共振空洞構成である。発明者らはこの構成の性能を詳細に解析した。他の構成に関する解析も同様に行うことができる。ＯＰＯにおける利得は、ダウンコンバート光が媒質を通過して順方向（ポンプ方向）に伝播する場合のみ存在する。逆方向伝播の間は、逆方向へ伝播するアップコンバージョンのみが生成される。一般的には、このアップコンバージョンはＯＰＯの性能を制限する主要な損失メカニズムである。例えば、この損失のために、線形二重共振ＯＰＯの変換効率は５０％を超えることができない。
【０１０１】
図６Ａと図６Ｂに、ダウンコンバージョンを実行するためのＣＤＭＡ送信機システムでの用途に好適な本発明によるＯＰＯ光源の２つの例を概略的に示す。図６ＡのＯＰＯ光源３００Ａは、２つのミラー３１１Ａおよび３１１Ｂから構成された光空洞の中へ挿入された非線形光学媒質（水晶）３１０Ａと、当該媒質３１０Ａの両側における２つの位相整形器ユニット（例えば遅延／分散ユニット）３１２および３１４、すなわち空洞（光源）３００Ａを通過するポンプ光信号Ｌｐｕｍｐの伝播方向に対して媒質３１０Ａの上流側および下流側にそれぞれ設けられた逆相対遅延／分散ユニット３１２可変相対遅延／分散ユニット３１４により形成される位相整形器と、を具備する。ここで、広帯域の発振に対するアップコンバージョン損失は、媒質３１０Ａによるポンプ光Ｌｐｕｍｐの変換の結果生じた信号光成分Ｌｓとアイドラー光成分Ｌｉを、信号成分とアイドラー成分間に小さな相対遅延／分散を与える可変の相対遅延／分散ユニット３１４を通過させることにより回避される。順方向伝搬の間の、ダウンコンバージョン処理に対するこの相対遅延／分散の影響を防ぐため、位相関係は、逆遅延／分散ユニット３１２を設けることにより媒質３１０Ａの反対側に復元される。狭帯域発振においては依然としてアップコンバージョン損失が問題になるが、必要な遅延は発振帯域幅に逆比例するので与えられた遅延を最適化し広帯域発振のみに対しアップコンバージョン損失を減少させることは可能である。従って、このような空洞では、広帯域の発振を優勢モードとすることができる。
【０１０２】
図６Ａとは対照的に図６Ｂの光源３００Ｂでは、非線形媒質は２つの同一の非線形水晶３１０Ａおよび３１０Ｂにより構成される。水晶３１０Ａは、ポンプされる水晶であって主要発振器として機能し、他の水晶３１０Ｂはポンプされない水晶であってモード競合を抑制するよう機能する。ポンプビームＬｐｕｍｐは、主要発振器水晶３１０Ａを通過した後、空洞から（補助的なミラーによる反射により）取り出される。次に、ダウンコンバート信号フィールドＬｓおよびアイドラーフィールドＬｉを、信号フィールドおよびアイドラーフィールド間に相対遅延（あるいは分散）を付与する位相整形器ユニット３１１Ａを通過させることにより、当該信号フィールドおよびアイドラーフィールドの位相波形整形が行われる。次に、信号およびアイドラーは第２の水晶３１０Ｂへ入射し、ここでポンプに戻るアップコンバージョンが発生し得る。このアップコンバージョンは、発振する信号およびアイドラーに損失を加える。既に述べたように、広帯域発振のアップコンバージョンは、信号およびアイドラー間の相対遅延に対し非常に敏感である。従って、この遅延が正確に制御されれば、広帯域発振は第２の水晶３１０Ｂによる影響を殆ど受けず、一方、狭帯域発振はアップコンバージョンにより消滅する。順方向伝搬間のダウンコンバージョン処理を可能にするため、位相関係は、逆の相対遅延／分散を付与する逆遅延／分散ユニット３１１Ｂにより復元される。
【０１０３】
上記の例では、共線と二重共振構成が使用される。しかし、空洞内にアップコンバージョン損失を与えることによりＯＰＯ空洞におけるモード競合を抑制することより成る本発明の原理は、非共線および／または、単一共振のＯＰＯ空洞構成により容易に実現できる。
【０１０４】
図７Ａと図７Ｂに、本発明による広帯域のスペクトル相関を有する光の光源のさらに２つの例を概略的に示す。図７Ａの例では、光源５００は、２つのミラー５１１Ａおよび５１１Ｂ間の単一の非共線水晶５１０と、第１および第２の両面ミラー５１２および５１４により形成された位相整形器と、を含んで構成される。両面ミラー５１２、５１４の少なくとも一方を移動させることにより、信号とアイドラー間の相対遅延は、逆方向伝播において与えられ、順方向伝搬において自動的に取り除かれる。ポンプ光Ｌｐｕｍｐは水晶５１０を通過し、互いに空間分離された信号フィールドＬｓおよびアイドラーフィールドＬｉに変換される。図７Ｂの例では、ＯＰＯ６００は、２つのミラー６１１Ａおよび６１１Ｂ間に設けられ、２つの空間的に離れた共線水晶６１０Ａおよび６１０Ｂ（水晶６１０Ａはポンプされ、水晶６１０Ｂはポンプされない）を使用し、そして水晶６１０Ｂの、入出力両側における正と負の遅延ユニット６１２と６１４の形態を有する位相整形器を含む。ＯＰＯ５００と６００を通過する光の伝播は、自明なように示されている。
【０１０５】
図７Ｂのリング状空洞構成はファイバーにおいて実現することができる。このことは、光源７００を示す図７Ｃにおいて概略的に示されており、ここでは、２つの非線形水晶７１０Ａと７１０Ｂは空間的に離れて設置され、リング状空洞を形成する２つの光ファイバーセグメントＦ１とＦ２を介してお互いに結合される。ファイバーセグメントＦ１とＦ２は、通過光に対して正と負の分散を加えるように設計される。水晶７１０Ａはポンプされ、ダウンコンバートフィールドを放射する。次に、ポンプ光Ｌｐｕｍｐは、それぞれの領域としてのファイバーの芯にブラッグ反射鏡を配置することにより、空洞から取り出すことができる。
【０１０６】
本発明による光光源の他の可能な実施の形態を図７Ｄと図７Ｅに示す。これらの例は単独共振の非共線構成を有する。図７Ｄの例では、光源７００は、２つのミラー７１１Ａおよび７１１Ｂ間の非共線水晶（非線形媒質）７１０により形成された共振空洞を含む。また、追加のミラー７１１Ｃと、２つの位相整形器ユニット７１２と７１４により形成された位相整形器とを具備する。これらはいずれも空洞外に設けられている。図示のように、ポンプ光ビームＬｐｕｍｐは水晶７１０により導かれ、交差軸に沿って伝播する信号フィールドＬｓおよびアイドラーフィールドＬｉを放射する。信号フィールドＬｓはミラー７１１Ａにより反射され水晶７１０まで伝播して戻る。アイドラーフィールドＬｉは位相整形器ユニット７１２を通過することにより信号フィールドに対して移相し、さらにミラー７１１Ｃにより反射されて水晶７１０まで伝播して戻る。信号フィールドおよびアイドラーフィールドの位相関係は、アイドラーを逆位相整形器ユニット７１４を通過させることで、水晶の他方側で復元される。
【０１０７】
図７Ｅに示す光源８００は、ミラー８１１Ａおよび８１１Ｂ間の２つの水晶８１０Ａと８１０Ｂにより形成された共振空洞を含んでおり、またミラー８１１Ｃと２つの位相整形器ユニット８１２と８１４を含む。非共線水晶８１０Ａは光ビームＬｐｕｍｐによりポンプされ、このように放射された信号フィールドＬｓおよびアイドラーフィールドＬｉはミラー８１１Ａと８１１Ｃに向けてそれぞれ伝播し、水晶８１０Ａと８１０Ｂに向けて反射される。アイドラーフィールドは、水晶８１０Ｂへ伝播する間に位相整形器ユニット８１２を通過し、こうして水晶８１０Ｂにおける信号フィールドおよびアイドラーフィールドのアップコンバージョンが回避される。アイドラーフィールドは、水晶８１０Ｂから出た後、逆位相整形器８１４を通過し、こうして出力信号フィールドおよびアイドラーフィールド間の位相関係が復元される。
【０１０８】
定期的にポ−リングされるＫＴＰを非線形媒質として選択することができる。これは、主としてその高い非線形定数および商用的に入手が容易であること、また、位相整合を微小な温度変化（数摂氏度）により水晶内で容易に制御が可能であるためである。位相整形ユニットは、適切に設計されたガラス板、光ファイバー、空間光変調器でよい。
【０１０９】
その光源は、空洞の光学長を活発に変化させることができるようなメカニズムを有してもよい。これは、ポンプレーザーの周波数がＯＰＯ空洞のモードと一致する場合のみ広帯域ダウンコンバージョンはＯＰＯ空洞において発生する、という事実に関連する。（広帯域出力の必要性のない）従来のＯＰＯでは、ＯＰＯ出力モードは空洞内素子の未補償分散により不均一に離間配置されるので、その結果、任意のポンプ周波数において、少なくとも１ペアの信号成分とアイドラー成分とが常に存在する。しかしながら、本発明のＯＰＯ構成においては、可能な限り多くの信号／アイドラーペア、すなわち略零の全体分散と、結果的に均等間隔を有する出力モードとが必要である。従って、空洞モードのスペクトル構成は、ポンプ周波数が空洞モードの周波数に合致するものでなければならない。この目的のため、ポンプが適切に調整されるか、あるいはＯＰＯ空洞の光学長がポンプ周波数と整合するようにロックされる。この空洞のロックのためのフィ−ドバック入力は出力ビームの強度である。例えば、空洞内の電気光学変調器（ＥＯＭ）は、その広帯域幅雑音補正能力により、この目的に用いることができる。
【０１１０】
図８に、空洞内の位相関係を制御するメカニズムとして分散を利用した本発明のＯＰＯ空洞構成４００の詳細なレイアウトを例示する。これは、低損失を有する正負の分散は対称なブルースター角構成を有するプリズムペアを使用することに基づく。構成４００は、利得媒質（非線形水晶）４１０と、ＥＯＭユニット４１１と、ミラー４１６Ａおよび４１６Ｂと、高反射性素子４１７と、調整可能な負の分散素子（プリズム）Ｐ１、Ｐ２と、調整可能な正の分散プリズムＰ３、Ｐ４と、出力ビームカップラ４１８とを具備する。プリズムＰ５、Ｐ６は、出力ビームが空洞内の分散されないビームと一致するように再配置されるように使用される。この構成により、１０６４ｎｍを中心とした約５０ｎｍ波長帯域幅の発振を得ることができる。
【０１１１】
上記光源により減少損失量を制御できる。従って、モード競合抑制のないＯＰＯと比較して、広帯域発振用ＯＰＯの効率を約２倍にすることができる。
【０１１２】
発明者らは、低閾値かつ高効率の広帯域ＯＰＯの実現可能性を明らかにする詳細な理論的および実験的な解析を行った。変換効率の、図６ＡのＯＰＯ構成の発振の帯域幅への依存性（定常状態動作を仮定する）を非特許文献２の９章、ｐｐ．１１７〜１４０に示された「単色信号とアイドラーの場合に関する閾値ポンプ強度と変換効率の解析」に基づいて解析した。より具体的には、図６Ａのモード競合抑制方式の場合と同様の解析を広帯域信号およびアイドラーに対して行った。
【０１１３】
ポンプの減損は低いものとして、長さｌの非線形媒質を通過した後のポンプ振幅は式（１７）のようになる。
【数１９】
2006524010.tif 000021
ここで、
【数２０】
2006524010.tif 000022
は、周波数ω（「＋」は順方向伝播を表わす）での信号フィールドの順方向伝播成分を表し、
【数２１】
2006524010.tif 000023
は、媒質への入射ポンプ振幅を表し、そして、非線形結合定数ｋは周波数に依存しないものとする。これは、その縮退点に近い周波数については合理的な仮定である。
【０１１４】
同様に、逆方向伝播するアップコンバージョンの振幅は式（１８）のようになる。
【数２２】
2006524010.tif 000024
【０１１５】
出力カップラの反射率が信号およびアイドラーの両方に対して同一である場合、空洞条件は両者において対称である。これらの条件下では、順方向伝播するアイドラーフィールドは信号フィールドの複素共役であるが、一方、逆方向伝播するアイドラーは空洞内の相対遅延τから結果として生じる付加的な位相を有している。
【数２３】
2006524010.tif 000025
【０１１６】
分散等の他の位相制御メカニズムが使用される場合、式（１９）は（解析に影響を及ぼすことなく）適宜変更される。
【０１１７】
式（１７）および（１８）へ式（１９）を組み込むと、それぞれ式（２０）および（２１）を得る。
【数２４】
2006524010.tif 000026
【数２５】
2006524010.tif 000027
空洞の利得があまり高くない場合、信号フィールドおよびアイドラーフィールドは任意の周波数において一定強度
【数２６】
2006524010.tif 000028
の定在波に近似することができ、従って、上付き符号＋／−を省略することができる。
【０１１８】
関数Ｆ（τ）を式（２２）のように定義すると、
【数２７】
2006524010.tif 000029
式（２３）および（２４）を得る。
【数２８】
2006524010.tif 000030
【数２９】
2006524010.tif 000031
これは、従来の二重共振ＯＰＯ構成から得られるものである。
【０１１９】
【数３０】
2006524010.tif 000032
は、空洞内の信号光子数に比例し、これはダウンコンバート光子ペア数と等しいことに留意されたい。
【０１２０】
ここで、定常状態でポンプから失われる毎秒当たりの光子数は毎秒当たり空洞を出る信号／アイドラー光子ペア数に等しいということに基づき、エネルギー保存方程式を式（２５）のように表すことができる。
【数３１】
2006524010.tif 000033
ここで、Ｔは空洞内における損失であり、理想空洞における出力カップラの透過に等しい。
【０１２１】
式（２５）に式（２３）および（２４）を代入して若干の代数演算をすると、式（２６）が得られる。
【数３２】
2006524010.tif 000034
変換効率は、毎秒当たり空洞を出るダウンコンバート信号／アイドラー光子ペア数を毎秒当たりの入射ポンプ光子数で単純に割ったものであるので、式（２６）の左辺は変換効率ηであると確認することができる。完全な位相整合を想定するのでポンプフィールドは実数と考えられ、そして閾値ポンプ強度［非特許文献２、３］の式、つまり、
【数３３】
2006524010.tif 000035
を想起すると、式（２６）は式（２７）のように表すことができる。
【数３４】
2006524010.tif 000036
【数３５】
2006524010.tif 000037
を実際のポンプ強度（Ｉｐ）および閾値ポンプ強度（Ｉｔｈ）間の比と定義すると、式（２８）を得る。
【数３６】
2006524010.tif 000038
【０１２２】
相対遅延がない（τ＝０）場合、式（２８）は式（２９）のようになることに留意されたい。
【数３７】
2006524010.tif 000039
【０１２３】
上記は、モード競合抑制のない２倍共振ＯＰＯで得られる従来の結果である。
【０１２４】
空洞内における相対遅延加算の影響を判定するために、以下の考察を行った。同じ閾値（同じＮ）を有する２つの発振に関する式（２８）から、主要発振は任意のポンプ電力に対する（任意のＮに対する）ものより小さなＦ（τ）の発振となる。Ｆ（τ）の時間幅は発振のスペクトル幅に反比例するので、より広帯域の発振が主となる。非常に狭帯域の発振（Ｆ（τ）は本質的にτに依存しない）および非常に広帯域の発振（Ｆ（τ）は信号フィールドのコヒーレンス時間より大きなτに対しては零となりやすい）の２つの限界的可能性を比較すると、変換効率は約２倍まで向上する。これは非常に大きな改善である。
【０１２５】
実際には、広帯域の発振はより高い閾値を有すると予測される。したがってポンプ電力が低い場合は狭帯域発振が主となる。しかし、ポンプ電力が閾値を超えて増加するにつれ、広帯域の発振により好適な状態になる。
【０１２６】
図９に、Ｎ（Ｎ＝Ｉｐ／Ｉｔｈ）の関数として計算された非常に狭帯域の発振（グラフＧ１）、理想的な広帯域発振（グラフＧ２）、および実際的な広帯域発振（グラフＧ３）に対する変換効率を示す。強度Ｉｔｈは、すべての発振の最小閾値強度であると考えられる。Ｆ（τ）が無視できるようにτを調整することができる非常に広帯域の発振に対しては、変換効率はＮ＝４辺りで１００％に漸近することができるが、多くの用途においてこれは最適である。したがって、広帯域発振を得るには、広帯域発振の閾値は狭帯域発振の最小閾値と等しくなることが望ましいことが明らかである。換言すれば、広帯域発振は多くの信号／アイドラー周波数ペアに分解できるので、これらのペアがすべて同じ閾値を有すること、すなわち閾値強度が波長に依存しないことが望まれる。
【０１２７】
上記の要件は、高レベルで満たすことができる。このことは、広帯域の位相整合の２つの場合において、信号波長の関数として閾値ポンプ強度（Ｉｔｈ）の計算を示した図１０Ａおよび１０Ｂに図示される。この２つの事例としては、広帯域の位相整合構成（図１０Ａ）において５３２ｎｍでポンプされた２％の空洞内損失を有する１ｃｍ長のＰＰＫＴＰ水晶に対する場合と、零分散・超広範囲位相整合構成（図１０Ｂ）において７２８ｎｍでポンプされた１％の空洞内損失を有する１．４ｃｍ長のＢＢＯ水晶の場合が挙げられる。閾値強度が位相整合帯域幅全体にわたって一定の１５％以内であることが明らかである。
【０１２８】
上記考察は、本発明による新規なＯＰＯ構成の実現可能性に対する要件を実証している。一般に、本発明の光源はその一意のスペクトルおよび時間特性により様々な用途に用いることができる。これらの用途には、例えば超短波パルスの約１ミクロンの空間分解能を低い連続波強度で得てダメージを及ぼすピ−ク強度を回避する、非線形の顕微鏡検査や断層写真術が含まれる。あるいは、光通信、特に光ＣＤＭＡにおけるキー生成光源として用いることができる。本発明のキーの符号化／復号化方式は、光ＣＤＭＡマルチプレクサ／デマルチプレクサに適用して良好である。
【０１２９】
当業者は、添付した特許請求の範囲に記載された要旨を逸脱することなく、これまで例示された本発明の実施の形態に様々な修正と変更を加えることができることを容易に理解できる。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】図１Ａ〜図１Ｃは、ＣＤＭＡ技術の一般的な原理を概略的に示す。図１ＡはＣＤＭＡ送信機の方式を示し、図１ＢはＣＤＭＡ受信機の方式を示し、また図１ＣはＣＤＭＡのスペクトル特性を示す。
【図２Ａ】本発明の例による光ＣＤＭＡキーの生成方式の基礎となる主要原理を示し、送信機側で実行されるＣＤＭＡキーの生成を示す。
【図２Ｂ】本発明の例による光ＣＤＭＡキーの生成方式の基礎となる主要原理を示し、受信者側で実行されるキーの乗算を示す。
【図３Ａ】本発明による、キーが生成される光ＣＤＭＡ送信機システム（マルチプレクサ）の一例を示す。
【図３Ｂ】本発明による、キーが生成される光ＣＤＭＡ送信機システム（デマルチプレクサ）の別の例を示す。
【図３Ｃ】本発明による光ＣＤＭＡチャネルの受信機システム（デマルチプレクサ）を示す。
【図３Ｄ】本発明の別の例による、キーがデータ受信システムで生成される光ＣＤＭＡキー生成方式の基礎となる主要原理を示す。
【図３Ｅ】図３Ｄの例の原理を利用する光ＣＤＭＡ送信機および受信機システムを示す。
【図３Ｆ】インコヒーレント検出を含むオンオフ変調（ＯＯＫ）およびコヒーレント検出を含む位相変調（ＰＳＫ）のために同時送信するＣＤＭＡチャネルの数の関数として計算されたビット誤り率（ＢＥＲ）をグラフで示す。
【図４Ａ】定期的にポーリングされ５３２ｎｍでポンプされたＫＴＰ水晶の縮退点近くの波長の関数としての信号／アイドラー位相不整合を示す。
【図４Ｂ】７２８ｎｍでポンプされたＢＢＯ水晶の、零分散超広帯域の場合の縮退点あたりの波長の関数としての信号／アイドラーの位相不整合を示す。
【図５】図５Ａおよび図５Ｂは、２つの広帯域の共役フィールドを生成するメカニズムとしての光ＣＤＭＡ方式において使用できる３波混合処理と４波混合処理をそれぞれ説明するファインマンダイアグラムを示す。
【図６Ａ】本発明による光ＣＤＭＡ方式に用いるのに好適な、共線位相整合を有する線形空洞二重共振ＯＰＯ光源の一例を概略的に示す。
【図６Ｂ】本発明による光ＣＤＭＡ方式に用いるのに好適な、共線位相整合を有する線形空洞二重共振ＯＰＯ光源の別の例を概略的に示す。
【図７Ａ】非共線位相整合を有する線形空洞二重共振ＯＰＯ光源の例を概略的に示す。
【図７Ｂ】共線位相整合を有するリング状空洞二重共振ＯＰＯ光源の例を示し、自由空間内での実装を示す。
【図７Ｃ】共線位相整合を有するリング状空洞二重共振ＯＰＯ光源の例を示し、ファイバー内での実装を示す。
【図７Ｄ】本発明による線形空洞単一共振ＯＰＯ光源の例を概略的に示す。
【図７Ｅ】本発明による線形空洞単一共振ＯＰＯ光源の例を概略的に示す。
【図８】本発明による、空洞内の位相関係を制御するメカニズムとして分散を利用する共線二重共振ＯＰＯ空洞構成のレイアウトをより具体的に例示する。
【図９】非常に狭い波長帯域の発振と、理想的な広帯域発振と、実用的な広帯域発振とに対する、Ｎ＝Ｉp／Ｉｔｈ（Ｉpは実際のポンプ強度であり、Ｉｔｈは閾値ポンプ強度である）の関数として計算された変換効率を示す。
【図１０Ａ】広い位相整合の事例の、すなわち広範囲位相整合構成における５３２ｎｍによりポンプされた空洞内の２％損失を有する１ｃｍ長のＰＰＫＴＰ水晶に対する事例の、信号波長の関数としての閾値ポンプ強度（Ｉｔｈ）を示す。
【図１０Ｂ】広い位相整合の２つの事例の、すなわち零分散超広範囲位相整合構成における７２８ｎｍによりポンプされた空洞内の１％損失を有する１．４ｃｍ長のＢＢＯ水晶に対する事例の、信号波長の関数としての閾値ポンプ強度（Ｉｔｈ）を示す。
【図１】
2006524010.tif 000040
【図２Ａ】
2006524010.tif 000041
【図２Ｂ】
2006524010.tif 000042
【図３Ａ】
2006524010.tif 000043
【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【国際調査報告】
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