(57)【要約】  【課題】  大きな周波数シフト量を高効率で実現するとともに、大きな範囲に亘って所定の周波数グリッドの整数倍の位置に正確に周波数をシフトさせる。  【解決手段】入力光をＥＯＭ１１により変調周波数ｆｍ、変調指数Δθｍ１で位相変調してサイドバンド（ＳＢ）を発生させ、相対位相調整器１３により各ＳＢ間の相対位相を調整した後、ＥＯＭ１４により変調周波数ｆｍ、変調指数Δθｍ２で位相変調することで次数Δθｍ２付近の特定のＳＢにパワーを集中させる。これにより周波数がシフトする。さらに相対位相調整器１６で先の相対位相調整と逆の関係の相対位相調整を行った後に、ＥＯＭ１１による位相変調をキャンセルすべくＥＯＭ１７で位相変調することで、特定のＳＢにさらにパワーを集中させつつそれ以外のＳＢを抑圧する。周波数シフト量はｆｍとΔθｍ２との積に依存するためシフト量を格段に大きくでき、またΔθｍ２の制御により正確な可変シフトも実現できる。【選択図】  図１
2007011125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光を所定の変調周波数及び変調指数で以て位相変調を行ってサイドバンド周波数成分を生成する第１の位相変調ステップと、
前記第１の位相変調ステップにより位相変調が施された光波に対し、各サイドバンド間の相対位相を調整する第１の位相調整ステップと、
前記第１の位相調整ステップによりサイドバンド間の相対位相が調整された光波に対し、前記第１の位相変調ステップにおける位相変調と同一の変調周波数及び所定の変調指数で以て位相変調を行うことにより、特定のサイドバンド周波数成分にパワーを集中させる第２の位相変調ステップと、
前記第２の位相変調ステップにより位相変調が施された光波に対し、前記第１の位相調整ステップによる相対位相調整をキャンセルするような各サイドバンド間の相対位相調整を施す第２の位相調整ステップと、
前記第２の位相調整ステップで各サイドバンド間の相対位相が調整された光波に対し、前記第１の位相変調ステップによる位相変調をキャンセルするような位相変調を施すことにより、前記パワーを集中させたサイドバンド周波数成分へのさらなるパワーの集中を行うとともにそれ以外の成分を抑圧する第３の位相変調ステップと、
を順次実行することを特徴とする光周波数シフト方法。
【請求項２】
前記第１の位相調整ステップはサイドバンド間の相対位相の調整により光波をパルス化するものであることを特徴とする請求項１に記載の光周波数シフト方法。
【請求項３】
前記第２の位相調整ステップは前記第１の位相調整ステップの相対位相調整による光波のパルス化を元に戻すべく各サイドバンド間の相対位相を調整するものであることを特徴とする請求項２に記載の光周波数シフト方法。
【請求項４】
前記第２の位相変調ステップは、第１の位相変調ステップで生成された光パルスが、その位相が時間に対して線形に変化するタイミングで以て通過するように相対変調位相の設定がなされているものであることを特徴とする請求項２又は３に記載の光周波数シフト方法。
【請求項５】
前記第２の位相変調ステップは第１の位相変調ステップとの相対変調位相がπ／２に設定されているものであることを特徴とする請求項４に記載の光周波数シフト方法。
【請求項６】
前記第３の位相変調ステップにおける変調指数を第１の位相変調ステップにおける変調指数と同一にするとともに相対変調位相をπに設定したことを特徴とする請求項５に記載の光周波数シフト方法。
【請求項７】
第１乃至第３の位相変調ステップは電気光学位相変調器による位相変調を施すものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光周波数シフト方法。
【請求項８】
a)入力光を所定の変調周波数及び変調指数で以て位相変調を行ってサイドバンド周波数成分を生成する、電気光学位相変調器による第１の位相変調手段と、
b)前記第１の位相変調手段により位相変調が施された光波に対し、各サイドバンド間の相対位相を調整する第１の位相調整手段と、
c)前記第１の位相調整手段によりサイドバンド間の相対位相が調整された光波に対し、前記第１の位相変調手段による位相変調と同一の変調周波数及び所定の変調指数で以て位相変調を行うことにより、特定のサイドバンド周波数成分にパワーを集中させる、電気光学位相変調器による第２の位相変調手段と、
d)前記第２の位相変調手段により位相変調が施された光波に対し、前記第１の位相調整手段による相対位相調整をキャンセルするような各サイドバンド間の相対位相調整を施す第２の位相調整手段と、
e)前記第２の位相調整手段で各サイドバンド間の相対位相が調整された光波に対し、前記第１の位相変調手段による位相変調をキャンセルするような位相変調を施すことにより、前記パワーを集中させたサイドバンド周波数成へのさらなるパワーの集中を行うとともにそれ以外の成分を抑圧する、電気光学位相変調器による第３の位相変調手段と、
を備えることを特徴とする光周波数シフタ。
【請求項９】
前記第１の位相調整手段はサイドバンド間の相対位相の調整により光波をパルス化するものであることを特徴とする請求項８に記載の光周波数シフタ。
【請求項１０】
前記第２の位相調整手段は前記第１の位相調整手段の相対位相調整による光波のパルス化を元に戻すべく各サイドバンド間の相対位相を調整するものであることを特徴とする請求項９に記載の光周波数シフタ。
【請求項１１】
前記第２の位相変調手段は、第１の位相変調手段で生成された光パルスが、その位相が時間に対して線形に変化するタイミングで以て通過するように相対変調位相の設定がなされているものであることを特徴とする請求項９又は１０に記載の光周波数シフタ。
【請求項１２】
前記第２の位相変調手段は第１の位相変調手段との相対変調位相がπ／２に設定されているものであることを特徴とする請求項１１に記載の光周波数シフタ。
【請求項１３】
前記第３の位相変調手段における変調指数を第１の位相変調手段における変調指数と同一にするとともに相対変調位相をπに設定したことを特徴とする請求項１２に記載の光周波数シフタ。
【請求項１４】
入力光を所定の変調周波数及び変調指数で以て位相変調を行ってサイドバンド周波数成分を生成する第１の位相変調ステップと、
前記第１の位相変調ステップにより位相変調が施された光波に対し、各サイドバンド間の相対位相を調整する第１の位相調整ステップと、
前記第１の位相調整ステップによりサイドバンド間の相対位相が調整された光波に対し、前記第１の位相変調ステップにおける位相変調と同一の変調周波数及び所定の変調指数で以て位相変調を行うことにより、特定のサイドバンド周波数成分にパワーを集中させる第２の位相変調ステップと、
を順次実行することを特徴とする光周波数シフト方法。
【請求項１５】
a)入力光を所定の変調周波数及び変調指数で以て位相変調を行ってサイドバンド周波数成分を生成する、電気光学位相変調器による第１の位相変調手段と、
b)前記第１の位相変調手段により位相変調が施された光波に対し、各サイドバンド間の相対位相を調整する第１の位相調整手段と、
c)前記第１の位相調整手段によりサイドバンド間の相対位相が調整された光波に対し、前記第１の位相変調手段による位相変調と同一の変調周波数及び所定の変調指数で以て位相変調を行うことにより、特定のサイドバンド周波数成分にパワーを集中させる、電気光学位相変調器による第２の位相変調手段と、
を備えることを特徴とする光周波数シフタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の周波数を所定周波数だけシフトさせるための光周波数シフト方法及びこの方法を実現するための光周波数シフタに関する。
【背景技術】
【０００２】
入力光の周波数（波長）を一定量だけシフトすることが可能な光周波数シフタは、光通信システム、光計測装置、分光装置等の広範囲な光エレクトロニクスや量子エレクトロニクスなどの分野において非常に重要なデバイスの一つである。こうした光周波数シフタのために、これまで様々な光周波数シフトの手法が提案されている。
【０００３】
例えば現在市販されている光周波数シフタとして音響光学効果を利用したものがある。これは、結晶中を伝搬する音波（疎密波）による光の回折現象を利用するものであるが、この原理による光周波数シフタはその動作周波数の上限が数百ＭＨｚと低い。これは、高周波領域では結晶中での音波の伝搬損失が非常に大きくなるという問題とともに、１ＧＨｚ程度以上の高周波領域では音波の波長が光波の波長に比べて小さくなって回折が起こらなくなるという根本的な問題に起因している。したがって、こうした光周波数シフト方法では光周波数シフト量を大きくすることは不可能である。
【０００４】
また、別の原理に基づく光周波数シフト方法として、電気光学位相変調器を用いたＳＳＢ（Single Side Band）変調による方法がある。図４は特許文献１に記載のＳＳＢ変調による光周波数シフタの概略構成図である。入力光は２つの導波路に分割され、一方の光は位相変調器３０によりその位相がπ／４だけずらされる。２つの高周波位相変調器３１、３２には位相が互いにπ／２ずれた変調信号（つまりｓｉｎΩｔとｃｏｓΩｔ）がそれぞれ印加され、それにより２つの光波をそれぞれ位相変調した後に合波する。このとき、位相変調の深さを適当に選ぶと、基本周波数成分を抑圧して第１サイドバンド周波数成分のみを取り出すことができ、光周波数シフタとして機能させることができる。
【０００５】
この方法は音響光学効果ではなく電気光学効果を利用したものであるため、原理的に高速な動作が期待できるが、位相が互いにπ／２ずれた変調信号を用意しなければならないことや、デバイスの構造が複雑になるといった問題が解決されておらず、未だ実用化に至っていない。これを解決するために、上記特許文献１では、互いに空間的配置を１／４周期ずらした周期分極反転構造を形成した電気光学結晶に、マッハツェンダー干渉計導波路と進行波電極とを組み合わせた構造を持たせたＳＳＢ光周波数シフタが提案されている。この手法を利用すれば、単一の給電回路から変調信号を供給するだけでｓｉｎ変調作用とｃｏｓ変調作用とを実現することができるため、位相が互いにπ／２ずれた変調信号を用意する必要がなく構成が簡単になるという利点がある。
【０００６】
いずれにしても上記のような電気光学ＳＳＢ光周波数シフタにおける光周波数シフト量は変調信号の周波数に依存しており、特許文献１で提案されているＳＳＢ光周波数シフタでは、音響光学効果を利用した光周波数シフタに比べて遙かに大きな、１〜１００ＧＨｚの光周波数シフト量が得られるとされている。
【０００７】
しかしながら、さらに大きな光周波数シフト量を実現するには給電回路から供給する変調信号の周波数そのものを上げるしかないが、現在の電気回路においてさらに高速化を図ることは難しく、上記のような動作原理では数十〜１００ＧＨｚ以上の光周波数シフトを実現するのは非常に困難である。またＳＳＢ光周波数シフタでは、位相変調により生成されるサイドバンド周波数成分の中で主として第１サイドバンド周波数成分のみを用いるため、変換効率（シフト効率）は理論的に最大でも３４％に留まり、それ以上の変換効率を得ることができない。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−６２５１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
即ち、現在まで、電気光学的に光の周波数を１００ＧＨｚ以上シフトできるような光周波数シフト技術は存在しない。数百ＧＨｚ〜１ＴＨｚ以上の広い周波数範囲で、変換効率が高く、且つ所定のグリッド周波数の整数倍でシフト量を精密に制御可能な光周波数シフタが得られれば、例えば波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplex）技術を利用した光通信網における波長変換器として非常に有用である。また、従来の光周波数シフタで実現できない上記のような大きな光周波数シフト量が可能となれば、光計測装置や分光装置などの性能を飛躍的に向上させることも可能である。
【００１０】
本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その主な目的は、従来技術とは異なる動作原理に基づいて従来よりも格段に大きな光周波数シフト量を高い効率で以て達成することができ、また所定のグリッド周波数の整数倍で光周波数シフト量を精密に制御することができる光周波数シフト方法及び光周波数シフタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために成された第１発明に係る光周波数シフト方法は、
入力光を所定の変調周波数及び変調指数で以て位相変調を行ってサイドバンド周波数成分を生成する第１の位相変調ステップと、
前記第１の位相変調ステップにより位相変調が施された光波に対し、各サイドバンド間の相対位相を調整する第１の位相調整ステップと、
前記第１の位相調整ステップによりサイドバンド間の相対位相が調整された光波に対し、前記第１の位相変調ステップにおける位相変調と同一の変調周波数及び所定の変調指数で以て位相変調を行うことにより、特定のサイドバンド周波数成分にパワーを集中させる第２の位相変調ステップと、
前記第２の位相変調ステップにより位相変調が施された光波に対し、前記第１の位相調整ステップによる相対位相調整をキャンセルするような各サイドバンド間の相対位相調整を施す第２の位相調整ステップと、
前記第２の位相調整ステップで各サイドバンド間の相対位相が調整された光波に対し、前記第１の位相変調ステップによる位相変調をキャンセルするような位相変調を施すことにより、前記パワーを集中させたサイドバンド周波数成分へのさらなるパワーの集中を行うとともにそれ以外の成分を抑圧する第３の位相変調ステップと、
を順次実行することを特徴としている。
【００１２】
ここで、第１乃至第３の位相変調ステップは電気光学位相変調器による位相変調を施すものとすることができる。
【００１３】
また、第２発明に係る光周波数シフタは、上記第１発明に係る光周波数シフト方法を実現するためのものであって、
a)入力光を所定の変調周波数及び変調指数で以て位相変調を行ってサイドバンド周波数成分を生成する、電気光学位相変調器による第１の位相変調手段と、
b)前記第１の位相変調手段により位相変調が施された光波に対し、各サイドバンド間の相対位相を調整する第１の位相調整手段と、
c)前記第１の位相調整手段によりサイドバンド間の相対位相が調整された光波に対し、前記第１の位相変調手段による位相変調と同一の変調周波数及び所定の変調指数で以て位相変調を行うことにより、特定のサイドバンド周波数成分にパワーを集中させる、電気光学位相変調器による第２の位相変調手段と、
d)前記第２の位相変調手段により位相変調が施された光波に対し、前記第１の位相調整手段による相対位相調整をキャンセルするような各サイドバンド間の相対位相調整を施す第２の位相調整手段と、
e)前記第２の位相調整手段で各サイドバンド間の相対位相が調整された光波に対し、前記第１の位相変調手段による位相変調をキャンセルするような位相変調を施すことにより、前記パワーを集中させたサイドバンド周波数成へのさらなるパワーの集中を行うとともにそれ以外の成分を抑圧する、電気光学位相変調器による第３の位相変調手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１４】
第１発明に係る光周波数シフト方法の一態様としては、第１の位相調整ステップはサイドバンド間の相対位相の調整により光波をパルス化するものとすることができる。一方、第２の位相調整ステップは、第１の位相調整ステップの相対位相調整による光波のパルス化を元に戻すべく各サイドバンド間の相対位相を調整するものとすることができる。また、第２の位相変調ステップは、第１の位相変調ステップで生成された光パルスが、その位相が時間に対して線形に変化するタイミングで以て通過するように相対変調位相の設定がなされているものとすることができる。具体的には、例えば、第２の位相変調ステップは第１の位相変調ステップとの相対変調位相がπ／２に設定されているものとすればよい。さらにまた、第３の位相変調ステップにおける変調指数を第１の位相変調ステップにおける変調指数と同一にするとともに相対変調位相をπに設定するとよい。
【００１５】
また、第２発明に係る光周波数シフタの一態様としては、第１の位相調整手段はサイドバンド間の相対位相の調整により光波をパルス化するものとすることができる。一方、第２の位相調整手段は、第１の位相調整手段の相対位相調整による光波のパルス化を元に戻すべく各サイドバンド間の相対位相を調整するものとすることができる。また、第２の位相変調手段は、第１の位相変調手段で生成された光パルスが、その位相が時間に対して線形に変化するタイミングで以て通過するように相対変調位相の設定がなされているものとすることができる。具体的には、例えば、第２の位相変調手段は第１の位相変調手段との相対変調位相がπ／２に設定されているものとすればよい。さらにまた、第３の位相変調手段における変調指数を第１の位相変調手段における変調指数と同一にするとともに相対変調位相をπに設定するとよい。
【００１６】
第１の位相調整ステップ及び第１の位相調整手段により達成される光波のパルス化の具体的な方法としては、例えば周波数チャープ圧縮や全サイドバンド成分の位相を同位相に揃えるといった方法が考え得る。特に前者の方法を採用する場合に、第２の位相変調ステップ（手段）における相対変調位相をπ／２に設定するとよい。
【００１７】
なお、ここで言う光波のパルス化とは、或る時間領域に光波のエネルギーを集中させることを意味しており、必ずしも光波を細いパルス状波形に整形するものではない。
【００１８】
第１発明に係る光周波数シフト方法を具現化する第２発明に係る光周波数シフタでは、第１の位相変調手段、第１の位相調整手段、第２の位相変調手段、第２の位相調整手段、及び第３の位相変調手段が直列的に接続され、この順番に光波に対する操作が実行される。即ち、第１の位相変調手段は入力光を所定の変調周波数及び変調指数で以て位相変調し、サイドバンド周波数成分を生成する。次に第１の位相調整手段は、このサイドバンド周波数成分を含む光波に対し各サイドバンド間の相対位相を調整し、例えば周波数チャープ圧縮を行って光をパルス化する。
【００１９】
次に第２の位相変調手段はサイドバンド間の相対位相が調整された、つまりパルス化された光波に対し位相変調を施す。これにより、１段目の位相変調で生成されたサイドバンド周波数成分のそれぞれが基本波となり、それらがさらにサイドバンド周波数成分を生成することになるが、第１及び第２の位相変調手段での変調周波数は同一であるため、この変調周波数の間隔で並ぶ周波数グリッド上にサイドバンド周波数成分は集約される。その結果、同一の周波数グリッド上に位置するサイドバンド周波数成分は干渉し、その強度が強め合うものと弱め合うものとが存在する。このとき、第１及び第２の位相変調手段の相対変調位相を例えばπ／２に設定しておけば、第２の位相変調手段における位相変調の変調指数に応じた次数のサイドバンド周波数成分に特にパワーを集中させることができる。この作用は、例えば周波数チャープ圧縮により作られたパルスのフーリエスペクトルのドップラーシフトであると考えることもできる。この考えの下では、第１及び第２の位相変調手段の相対変調位相がπ／２であることは、周波数チャープ圧縮により生成されたパルスがドップラーシフトとなる条件を満たすパラメータの１つであると考えられる。
【００２０】
なお、第２の位相変調手段での変調指数を変えることによりパワーを集中させるサイドバンドの次数を変えれば、周波数軸上でのそのサイドバンド周波数と基本周波数との間隔、つまりシフト量が変わることなる。したがって、大きな次数を選択すればシフト量が大きくなるし、逆に小さな次数を選択すればシフト量は小さくなる。
【００２１】
その後、第２の位相調整手段は、第１の位相調整手段による相対位相調整と逆の関係の相対位相調整を行う。これは、例えば第１の位相調整手段による光のパルス化のための周波数チャープ圧縮を元に戻すような伸張を行うものと捉えることができる。さらに第３の位相変調手段は、第１の位相変調手段による位相変調をキャンセルするように再度位相変調を施す。この第３の位相変調手段による位相変調の変調指数は第１の位相変調手段による位相変調の変調指数と同一にし、両者の相対変調位相はπに設定しておくとよい。これにより、先にパワーを集中させた特定のサイドバンド周波数成分以外の強度が抑圧されるとともに、その特定のサイドバンド周波数成分にさらにパワーが集中する。これにより、元の入力光の基本周波数がこの特定のサイドバンドの周波数にまで高い効率で以て周波数シフトした状態になる。但し、第３の位相変調手段により位相変調した状態では、特定のサイドバンド以外の成分を完全に抑圧することは困難であるため、所望のサイドバンドのスペクトルの純度を高めるにはその周波数付近の光波を抜き出すフィルタを用いるとよい。
【００２２】
なお、第２発明に係る光周波数シフタは導波路構造、バルク構造のいずれでも構わない。
【発明の効果】
【００２３】
このように本発明に係る光周波数シフト方法及び光周波数シフタによれば、入力光の周波数を所定量だけ上又は下にシフトすることができるが、そのシフト量は第２の位相変調手段による位相変調の変調周波数のみならず変調指数（変調の深さや強度）にも依存する。これは、従来のＳＳＢ変調を用いた光周波数シフト方法において、変調周波数のみにより周波数シフト量が決まっていたのと対照的である。したがって、本発明に係る光周波数シフト方法及び光周波数シフタでは、変調周波数を最大限に大きくした状態でさらに変調指数を可能な限り大きくすることで、非常に大きな周波数シフト量を達成することができる。具体的には、従来は不可能であった数百ＧＨｚ以上、さらには１ＴＨｚ以上の周波数シフト量も電気光学的に実現することができる。
【００２４】
また、変調指数により、変調周波数で決まる周波数グリッドの整数倍の位置に正確にシフト量を制御できるので、例えばＷＤＭ光通信網用の波長変換器など多様な分野に広く利用することができる。また、位相変調器として入手が容易な狭帯域動作のものを用いても広い可変周波数範囲を実現できる。
【００２５】
また、本発明に係る光周波数シフト方法及び光周波数シフタでは、周波数チャープ圧縮された光パルスを位相変調して特定のサイドバンドにパワーを集中させた後に、さらに当初の位相変調をキャンセルするように位相変調を行ってさらなるパワーの集中を図っているので、シフト効率を従来よりも高めることができる。具体的には、従来、ＳＳＢ変調光周波数シフタの場合、原理的に３４％程度に留まっていたシフト効率を、４０〜５０％程度にまで引き上げることができる。
【００２６】
さらにまた本発明に係る光周波数シフタでは、情報を保持した状態での搬送波を周波数シフトすることが可能であって、通信のトランスペアレント性を確保することができる。これにより、例えば１０ＧＨｚ程度の周波数間隔で情報を載せたまま光周波数を所望のチャンネルにシフトすることが可能であるから、例えばＷＤＭ用の波長変換素子として好適である。また、周波数シフト量の安定度は位相変調器に変調信号を供給する変調回路における変調周波数の安定度で決まり、通常、こうした電気回路における高周波信号の周波数精度の安定性は非常に良好であるため、光周波数シフト量の高い精度や安定性を容易に確保することができる。
【００２７】
なお、シフト効率を上げるという観点では、第２の位相調整ステップ（手段）と第３の位相変調ステップ（手段）を加えることが望ましいが、シフト効率はそれほど上がらなくても大きな周波数シフト量が得られれば充分である、或いは、変調周波数で決まる周波数グリッドの整数倍の位置に変調指数により正確にシフト量を制御できれば充分である、といった用途に対しては、第２の位相調整ステップ（手段）及び第３の位相変調ステップ（手段）は省略することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明に係る光周波数シフト方法を実現する光周波数シフタの一実施形態について説明する。図１は本実施形態の光周波数シフタの概略構成図、図２はこの光周波数シフタの動作を説明するための各部のスペクトル及び相対位相調整器の特性を示す図である。
【００２９】
図１に示すように、第１電気光学位相変調器（ＥＯＭ１）１１、第１相対位相調整器１３、第２電気光学位相変調器（ＥＯＭ２）１４、第２相対位相調整器１６、第３電気光学位相変調器（ＥＯＭ３）１７、及びフィルタ１９が直列に接続されており、第１電気光学位相変調器１１に入力された光に対し、フィルタ１９より光出力が取り出される。第１〜第３電気光学位相変調器１１、１４、１７にはそれぞれ独立に第１〜第３高周波信号発生器１２、１５、１８が接続されており、これら高周波信号発生器１２、１５、１８で生成される高周波信号の周波数及びパワーにより、各電気光学位相変調器１１、１４、１７での変調周波数及び変調指数が決定される。なお、実際の構成では、第１電気光学位相変調器１１、第１相対位相調整器１３、第２電気光学位相変調器１４、第２相対位相調整器１６、第３電気光学位相変調器１７、及びフィルタ１９は、例えば結晶内に形成された光導波路に沿って設けることができるが、バルク構造であってもよい。
【００３０】
また、第１〜第３電気光学位相変調器１１、１４、１７に供給する高周波信号のパワーを独立に制御可能な構成でありさえすれば、第１〜第３高周波信号発生器１２、１５、１８は共通化することもできる。この場合、変調位相は光路長により調整することができる。
【００３１】
まず、この光周波数シフタにおける光周波数シフトの動作原理を説明する。ここでは入力光として、図２（ａ）に周波数スペクトルを示すような単一周波数（基本波）の光を考える。この単一周波数の光を第１電気光学位相変調器１１により変調周波数ｆｍ、変調指数Δθｍ１で位相変調すると、図２（ｂ）に示すように基本波の両側にサイドバンドが発生する。隣接するサイドバンドの間隔は変調周波数ｆｍにより決まり、変調周波数ｆｍを大きくするほどサイドバンドの立つ周波数グリッド間隔が広くなる。
【００３２】
このようなサイドバンド周波数成分を含む光波に対して、第１相対位相調整器１３により、図２（ｆ）に一例を示すような位相特性φ１（ｎ）に基づいて各サイドバンド間の相対位相を調整する。位相特性φ１（ｎ）は周波数が基本波から離れるほど位相ずれが大きくなるような形状となっている。これにより光波は周波数チャープ圧縮され、時間領域でみたときに光波のパワーは時間的に集中してパルス列となる。
【００３３】
このようにパルス化された光波に対し、さらに第２電気光学位相変調器１４により変調周波数ｆｍ、変調指数Δθｍ２で位相変調を施す。このとき重要なことは変調周波数ｆｍを先の第１電気光学位相変調器１４での位相変調時と同一にしておくことである。また、第１電気光学位相変調器１１と第２電気光学位相変調器１４の相対変調位相は、一例としてπ／２に設定しておく。これにより、後述する作用によって、図２（ｃ）に示すように、次数がΔθｍ２付近であるサイドバンド周波数成分のパワーが特に大きくなる。即ち、光波のパワーが全体として高い周波数に移動する。
【００３４】
第１電気光学位相変調器１１と第２電気光学位相変調器１４の相対変調位相をπ／２とした条件の下での上記作用は、第１相対位相調整器１３の相対位相調整によって周波数チャープ圧縮により作られたパルスのフーリエスペクトルのドップラーシフトであると捉えることができる。この場合、相対変調位相の符号により、アップシフト又はダウンシフトのいずれかを選択することが可能であり、おおまかに言うと、シフト範囲は２×ｆｍ×Δθｍ２程度となる。
【００３５】
次の第２相対位相調整器１６では、先の第１相対位相調整器１３で施した相対位相関係と逆の関係の相対位相制御を施すことで周波数チャープ圧縮と逆の操作、つまり伸張を行う。具体的には、図２（ｇ）に一例を示すように、次数がΔθｍ２付近であるサイドバンド（最終的に取り出したいサイドバンド）の位置を基準にしてその位置から離れるに従い位相のずれ量が大きくなるような位相特性φ２（ｎ）で以て相対位相を調整する。
【００３６】
その後に、第３電気光学位相変調器１７において第１電気光学位相変調器１１と同じ変調周波数ｆｍ、変調指数Δθｍ１で、さらに相対変調位相がπとなるように設定して位相変調を行う。これにより、第１電気光学位相変調器１１による位相変調がキャンセルされ、図２（ｄ）に示すように、先にパワーを集中させた次数がΔθｍ２付近であるサイドバンド成分により一層パワーが集中し、それ以外のサイドバンド成分は抑圧されて強度が低下する。そして、こうしたパワー集中により大きな強度を持つ、次数がΔθｍ２付近であるサイドバンドを狭帯域のフィルタ１９により選択することで、図２（ｅ）に示すように単一スペクトルを有する光波を得る。このようにして、元の入力光からみたときに所定の周波数Δｆだけ光周波数がシフトした出力光が得られる。
【００３７】
上記第２電気光学位相変調器１４の動作を周波数領域で考えると、第１電気光学位相変調器１１で生成された各サイドバンド周波数成分がそれぞれ搬送波となり、第２電気光学位相変調器１４により再度、位相変調を受けた結果、各搬送波がさらにサイドバンドを生が同一であるため、それぞれの位相変調により生成されるサイドバンドはその変調周波数の間隔を保って並ぶ周波数グリッド上に集約的に生成され、その結果、干渉し合うことになる。この干渉に際して、同一の周波数グリッド上で複数のサイドバンドが強め合う場合には強度は上がり、逆に同一の周波数グリッド上で複数のサイドバンドが弱め合う場合には強度は打ち消されて下がることになる。上記のように所定の条件が満たされていれば、変調指数Δθｍ２付近の周波数グリッド上のサイドバンドに特にパワーが集中し、全体として周波数がシフトした状態となる。
【００３８】
いま入力光をｅ（ｔ）＝ｅｘｐ（ｊω０ｔ）とすると、第１電気光学位相変調器１１の出力端における光の振幅は、
ｅ１（ｔ）＝ΣＪｎ（Δθｍ１）ｅｘｐ｛ｊ（ω０＋ｎωｍ）ｔ｝    …（１）
となる。但し、Σはｎ＝−∞〜∞の総和である。
ｎ番目のサイドバンド成分に対して、第１相対位相調整器１３によりｅｘｐ｛−ｊ（α／２Δθｍ１）ｎ２｝なる位相変化を与えると、周波数チャープ圧縮によりパルス列が生成される。ここでαはバウンチングパラメータであって、ここではα＝１．８としている。第１電気光学位相変調器１１と第２電気光学位相変調器１２との間の相対変調位相も含めて、位相項を、
Ａｎ＝ｅｘｐ｛−ｊ（α／２Δθｍ１）ｎ２｝ｅｘｐ｛−ｊ（π／２）ｎ｝    …（２）
とまとめて書くと、第２電気光学位相変調器１４の出力端における光の振幅は、
ｅ２（ｔ）＝Σ［ΣＪｎ（Δθｍ１）ＡｎＪ−（ｎ−ｍ）（Δθｍ２）ｅｘｐ｛ｊ（ω０＋ｍωｍ）ｔ｝］    …（３）
となる。但し、最初のΣはｍ＝−∞〜∞の総和であり、二番目のΣはｎ＝−∞〜∞の総和である。
【００３９】
この状態で最もパワーが集中するΔθｍ２番目付近のサイドバンド成分を切り出すことも可能であり、それで所望の動作、つまり光周波数のシフトが達成されるわけであるが、この状態では充分に高いシフト効率を得ることができない。そこで、上述したように、第２相対位相調整器１６により第１相対位相調整器１３と逆の相対位相制御を行った後に、第１電気光学位相変調器１１での位相変調をキャンセルするように第３電気光学位相変調器１７で位相変調を行わせることにより、さらなる高効率化を図った上で、所望のサイドバンド成分を切り出すようにしている。これによって、後述するように４０〜５０％程度の高いシフト効率を達成することができる。
【００４０】
上述したように、サイドバンドが発生する周波数間隔は第１及び第２電気光学位相変調器１１、１４における変調周波数ｆｍに依存するから、変調周波数ｆｍを高くすればサイドバンドの間隔が広くなって基本波から所定次数のサイドバンドまでの周波数は大きくなる。したがって、周波数シフト量を決める一つの要素はこの変調周波数ｆｍである。さらに、この光周波数シフタの特徴として、第２電気光学位相変調器１４における位相変調の変調指数Δθｍ２に応じて、最終的に取り出されるサイドバンドの次数が決まる。次数が大きなサイドバンドを選択すれば基本波からの周波数シフト量はそれだけ大きくなるから、周波数シフト量を決めるもう一つの要素がこの変調指数Δθｍ２である。したがって、この構成では、周波数シフト量は第２電気光学位相変調器１４での位相変調のパラメータである変調周波数ｆｍと変調指数Δθｍ２との積で決まり、たとえ変調周波数ｆｍが小さくても変調指数Δθｍ２を大きくすることで大きな周波数シフト量を実現することができる。
【００４１】
また、最終的に取り出されるサイドバンドの次数を非常に広い範囲に亘って変調指数Δθｍ２により制御することができ、変調指数Δθｍ２は電気光学位相変調器に加える変調信号（高周波信号）のパワーにより容易に制御可能であるから、この光周波数シフタでの波長変換の行き先（例えば或る波長帯域内に多数のチャンネルが設定されている場合の変換後のチャンネル）を簡単に且つ正確に制御することができるという利点もある。
【実施例】
【００４２】
上記説明は本発明による光周波数シフタの動作原理であるが、上述した実施形態の構成による光周波数シフタは次のようにして実現することができる。即ち、第１電気光学位相変調器１１及び第３電気光学位相変調器１７は比較的浅い変調でよい（後述するシミュレーションでは変調指数Δθｍ１は３π／４[rad]と設定している）ため、従来、一般的に入手可能な位相変調器を利用することができる。第１相対位相調整器１３としては、回折格子対、プリズム対、分散ファイバ、回折格子対と液晶とを４ｆ系で配置する周波数数シンセサイザなどを利用することができる。また、第２相対位相調整器１６では前段で周波数シフトさせた次数（Δθｍ２付近の次数）をオフセットとした上で第１相対位相調整器１３による位相変化をキャンセルする必要があるため、第２相対位相調整器１６を第１相対位相調整器１３と同様の周波数シンセサイザ相当の構成とすれば調整が容易になる。なお、本光周波数シフタを導波路構造とする場合には、回折格子の代わりにＡＷＧ（Array Waveguide Gratings：アレイ導波路グレーティング）を利用することができる。
【００４３】
一方、上述した如く、周波数シフト量は本質的に変調周波数ｆｍと第２電気光学位相変調器１４の変調指数Δθｍ２とにより決まるため、第２電気光学位相変調器１４は高速で且つ大振幅（深い変調が可能である）のものを使用することが望ましい。この目的のために、例えば特開平１０−８３００１号公報に記載の、疑似速度整合型の電気光学位相変調器を利用することができる。本発明者らはこの文献に記載の原理に基づき、変調周波数ｆｍ＝１６ＧＨｚにおいて変調指数Δθｍ２＝１００[rad]という非常に大きな変調指数を実現している。
【００４４】
本願発明者は上記実施形態の構成による光周波数シフタについて、第２電気光学位相変調器１４として上述した疑似速度整合型の電気光学位相変調器を用いるという条件の下で、その動作及び効果をシミュレーション計算により確認した。その結果、±１．６ＴＨｚに亘る可変周波数シフトが達成できることが確認できた。これは従来の音響光学周波数シフタの１０００倍以上、電気光学ＳＳＢ変調器による光周波数シフタと比べても１００倍以上の周波数シフト量であり、格段に大きな光周波数シフト量を実現できることが分かる。
【００４５】
また、原理的に位相変調はパワー損失を生じないが、第２電気光学位相変調器１４で行う周波数シフトのための位相変調では変調指数Δθｍ２を高くすると多少効率が悪化する。図３は第２電気光学位相変調器１４での変調指数Δθｍ２とシフト効率及びシフトするサイドバンド次数との関係のシミュレーション結果を示す図である。変調指数Δθｍ２を大きくしてゆけばシフトされるサイドバンド次数が高くなり、それだけ周波数シフト量が大きくなることが分かる。一方、シフト効率は変調指数Δθｍ２を大きくしてゆくと若干低下するが、例えばΔθｍ２＝５０[rad]でも４０％以上のシフト効率を達成しており、従来の電気光学ＳＳＢ変調光周波数シフタのシフト効率（最大３４％）に比べて高いシフト効率が得られることが分かる。
【００４６】
なお、上記実施形態及び実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加等を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態による光周波数シフタの概略構成図。
【図２】図１の光周波数シフタの動作を説明するための各部のスペクトル及び相対位相調整器の特性を示す図。
【図３】第２電気光学位相変調器での変調指数Δθｍ２とシフト効率及びシフトするサイドバンド次数との関係のシミュレーション結果を示す図。
【図４】従来のＳＳＢ変調による光周波数シフタの概略構成図。
【符号の説明】
【００４８】
１１、１４、１７…電気光学位相変調器
１２、１５、１８…高周波信号発生器
１３、１６…相対位相調整器
１９…フィルタ
【図１】
2007011125.tif 000003
【図２】
2007011125.tif 000004
【図３】
2007011125.tif 000005
【図４】
2007011125.tif 000006