(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号を伝送する第一の分散媒質と、第二の分散媒質と、前記第一の分散媒質と前記第二の分散媒質との間に接続され、スペクトル反転を伴いながら光信号の位相を保持しつつ搬送波の周波数を可変に変換する第一の位相保持型波長変換器とを有する可変分散および光遅延制御装置であって、前記可変分散及び光遅延制御装置の動作周波数において、前記第二の分散媒質の少なくともひとつの奇数次の分散の値が、ゼロではなく、かつ、前記第一の分散媒質の前記と同じ次数の分散の値と絶対値が等しく符号が逆となるように構成されていることを特徴とする可変分散および光遅延制御装置。
【請求項２】
前記第二の分散媒質の少なくともひとつの偶数次の分散の値を前記第一の分散媒質の前記と同じ次数の分散の値と等しく構成したことを特徴とする請求項１記載の可変分散および光遅延制御装置。
【請求項３】
光信号を伝送する第一の分散媒質と、第二の分散媒質と、前記第一の分散媒質と前記第二の分散媒質との間に接続され、スペクトル反転を伴わずに光信号の位相を保持しつつ搬送波の周波数を可変に変換する位相保持型波長変換器とを有する可変分散および光遅延制御装置であって、前記第二の分散媒質の少なくともひとつの次数の分散の値が、ゼロではなく、かつ、前記第一の分散媒質の前記と同じ次数の分散の値と絶対値が等しく符号が逆となるように構成されていることを特徴とする可変分散および光遅延制御装置。
【請求項４】
請求項１又は３記載の可変分散および光遅延制御装置を複数段縦列接続することによって、複数の位相保持型波長変換器により前記光信号の伝搬遅延とその帯域内の群速度分散を自在にかつそれぞれ独立に制御するように構成されていることを特徴とする可変分散および光遅延制御装置。
【請求項５】
光信号を伝送する前記第一の分散媒質と、光信号の位相を保持しつつ搬送波の周波数を可変に変換する前記第一の位相保持型波長変換器と、前記第二の分散媒質と、第三の分散媒質と、前記第二の分散媒質と前記第三の分散媒質との間に接続される第二のスペクトル反転を伴う位相保持型波長変換器を有する可変分散および光遅延制御装置であって、前記可変分散及び光遅延制御装置の動作周波数において前記第二の分散媒質の３次の分散係数と前記第三の分散媒質の３次の分散係数の積の符号と前記第二の分散媒質の２次の分散係数と前記第三の分散媒質の２次の分散係数の積の符号を等しく構成したことを特長とする請求項１記載の可変分散および光遅延制御装置。
【請求項６】
前記可変分散及び光遅延制御装置の動作周波数において、前記第一の分散媒質の３次の分散と前記第二の分散媒質の３次の分散と前記第三の分散媒質の３次の分散の和がゼロとなるように構成したことを特長とする請求項５記載の可変分散および光遅延制御装置。
【請求項７】
光信号が受ける総実効分散の影響をゼロとなるように、前記第一の位相保持型波長変換器と前記第二の位相保持型波長変換器の動作周波数と前記第一の分散媒質と前記第二の分散媒質と前記第三の分散媒質の分散特性とその長さを構成したことを特長とする請求項５記載の可変分散および光遅延制御装置。
【請求項８】
請求項５記載の可変分散および光遅延制御装置であって、前記第二の分散媒質の３次の分散係数と前記第三の分散媒質の３次の分散係数の積の符号が負で、かつ、前記第二の分散媒質の２次の分散係数と前記第三の分散媒質の２次の分散係数の積の符号が負であり、分散補償を可変しても光遅延を固定となるように、前記第一の位相保持型波長変換器と前記第二の位相保持型波長変換器の動作周波数と前記第二の分散媒質と前記第三の分散媒質の分散特性とその長さを構成したことを特徴とする可変分散および光遅延制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信分野おいて、光伝送路の分散および光信号の遅延量を光の状態のままで自在に制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネット・ブロードバンドサービスの普及や、通信と放送の融合などの要因によって、光通信技術を基礎とする公衆情報通信網の大容量化は今後当分の間進展し続ける。この情報通信ネットワークの大容量化を実現するために、光信号の伝送レートは年々向上しており、近年では４０Ｇｂｉｔ／ｓシステムの実運用が始まり、数年後には１００−１６０Ｇｂｉｔ／ｓの標準化・実用化も進むと考えられている。光信号の伝送レートが１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上になると、光ファイバなど光伝送路の分散の影響が無視できなくなり、信号波形が鈍るため、分散補償を行う必要がある。
【０００３】
さらに、情報通信網の大容量化を実現するために、従来電気的に行われていた信号処理の一部は、光信号のまま行われる傾向にある。特に、情報通信網の光化の重要なステップとして、光回線交換や光ＴＤＭスイッチ、さらには光ラベルスイッチ技術の実現が望まれている。これらの技術を実現するためには、いくつかの技術革新が必要であるが、その主要なものとして、超高速光信号の可変分散および光遅延制御技術の実現がある。
【０００４】
従来の固定的な光伝送路では、固定の分散補償器を設けることで分散の影響を解消してきた。ところが、４０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高い伝送レートでの光伝送システムでは、伝送路の温度などの環境変動によって生じる群速度分散の変化でもシステム性能に影響がでることがあるため、受信側ないし中継点において、変動する分散を動的に抑制する可変分散補償器が必要となっている。
【０００５】
さらに、大容量化する情報に対応し、且つ情報ネットワーク全体の効率を向上するために、従来電気的に行われていた信号処理の一部を、光信号のまま行う技術開発が進んでいる。その結果、ネットワーク上の信号は、さまざまな光信号が光のままスイッチングされたり、ルーティングされたりする機会が増えるため、光信号は特性や距離の異なるさまざまな伝送路を伝搬することになり、光信号の受ける伝送履歴は、絶えず刻々と変化することになる。したがって、このような光ネットワークの振る舞いに応じた、ダイナミックな可変分散補償器が必要となっている。このことから、第一に、ネットワークのスイッチングによって生じる伝送路の総分散量の大きな変化を補償する必要がある。
【０００６】
また、光パス網では、波長資源を効率的に活用するために、波長群によるパス設定や伝送レートの異なる光信号などさまざまな光信号が混在することを想定しなければならない。すなわち、可変分散補償器も、伝送帯域や、波長、チャンネル数の異なる光信号に対して柔軟に動作することが望ましい。
一方、光ネットワークの光スイッチングや光ルーティングの動作が高速になるにつれて、要求される可変分散補償器の応答速度も高速になる。たとえば、光バーストスイッチや光パケットスイッチのスイッチング時間は、マイクロ秒かそれ以下であり、スイッチ毎に伝送経路が異なる光バーストや光パケットが入ってくるため、それぞれに異なる分散補償を施す必要が生じる。その結果、可変分散補償器には、マイクロ秒より短い応答時間が要求される。
【０００７】
以上まとめると、大容量化を支える光ネットワークシステムにおいて必要不可欠な可変分散補償器は、
（１）帯域制限を受けない可変分散量（１６０Ｇｂｉｔ／ｓ以上でも大きな分散量）、
（２）波長群、任意波長、多チャンネルに対応、
（３）マイクロ秒以下の応答時間、
という特性を満たす必要がある。
【０００８】
従来、可変分散補償器を実現する手段として、光導波路、多層膜フィルタ、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）などの技術を用いた、回折格子、共振器、トランスバーサルフィルタなどを構成するものが提案されている。
ところが、これらは全て、動作する光信号の帯域をあらかじめ決めておかなければならないだけでなく、帯域が広い、すなわち高い伝送レートの光信号に対しては、十分な可変幅を実現することが難しいという問題があった。
【０００９】
例えば、ＦＢＧを用いた可変分散補償器では、１６０Ｇｂｉｔ／ｓ信号に対して５０ｐｓ／ｎｍの可変分散量が達成されているが、それ以上の報告は未だ無い。
大体の目安としては、４０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号帯域に対して４００ｐｓ／ｎｍ程度が、現状市販で達成されている最高水準と考えられる。この制限は、帯域を広く取るためにＦＢＧの長さ（チャープ量）を大きくとらなければならないという製造上の問題に起因している。単純に１６０Ｇｂｉｔ／ｓの信号に外挿すると１００ｐｓ／ｎｍ程度が達成可能な水準と考えられる。さらに、ＦＢＧを用いた方式では、あらかじめ作製の際に動作波長を決める必要がある。
【００１０】
一方、回折格子や、Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｏｉｓ干渉計などの共振器、トランスバーサルフィルタなどを用いた、周期特性を有する方式では、原理的に帯域と分散量にトレードオフがあるため、１６０Ｇｂｉｔ／ｓのような広帯域な光信号に対して十分大きな分散量を実現することが難しい。さらに、周期特性によって、多チャンネル動作は可能であるが、チャンネル間隔とチャンネル毎の信号帯域がデバイスのＦＳＲ（Free Spectral Range：周波数周期的特性）によって決められてしまう。
【００１１】
このように、従来提案されている可変分散補償器は、帯域制限と分散量のトレードオフという本質的な問題があった。さらに、分散を制御する機構が、分散媒質に熱や応力を加えるものであったり、機械的な部品の移動などによっており、高速応答という点では、マイクロ秒以下の応答時間を十分に実現できるものはなかった（例えば、非特許文献１参照）。これに対して、波長変換と分散スロープ媒質を組み合わせて広帯域な光信号に対して大きな可変分散を与える方法が既に開示されている（例えば、非特許文献２、特許文献１参照）。
【００１２】
この方式では、スペクトルインバージョン（スペクトル反転）を伴うパラメトリック波長変換の前後にほぼ同じ分散で同一の分散スロープを有する２つの分散スロープ媒質を用いることで、ゼロ分散の周りに広帯域な可変分散を実現できることが報告されている。
ところが、これでは後述するように、分散スロープの成分である群速度分散と値の大きな３次の分散のうち、群速度分散は補償できても３次分散を補償することができない。その結果、十分な動作帯域を確保することが難しいという問題があった。本発明では、後に記載するように、この問題を克服し高次分散を補償し真の広帯域動作を実現する手段を提供する。
【００１３】
これに加え、本発明は、さらに、後記するように、同様の構成を用いて広帯域に分散を抑制しつつ大きな光遅延を発生する手段を提供する。
光信号の遅延を制御するには、外部から何らかの方法で、光の速度を制御する必要がある。従来技術では、媒質の利得や損失を利用し、Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇの関係を通じて、媒質の屈折率を変化させる方法が提案されているが、光信号の帯域と制御可能な遅延量に本質的なトレードオフがあり、１００Ｇｂｐｓ以上の高速光信号をナノ秒オーダーまで遅延制御することは至極難しい（例えば、非特許文献３参照）。
【００１４】
ところが、最近、光ファイバの分散と可変波長変換を組み合わせたパラメトリック遅延なる光遅延制御装置が提案されている（例えば、非特許文献４参照）。
この装置の方式は、上述のトレードオフによる制限を受けないため、原理的には１００Ｇｂｐｓ以上の光信号に対して、数百ナノ秒以上の遅延範囲が実現可能である。すでに、１０Ｇｂｐｓの伝送レートで１２ｎｓｅｃの遅延制御が実現されている（例えば、非特許文献５参照）。
【００１５】
この方式の基本原理は次のようになる。中心周波数ω１の光信号が、長さＬ、分散値ｄの伝送路を伝搬する時間をＴ１とし、中心周波数ω２の光信号が同じ媒質を伝搬する時間をＴ２とすると、その差、すなわち、遅延量ΔＴは、ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１＝Ｌ×ｄ×（ω２−ω１）の式で与えられる。このため、分散媒質の前に、波長可変な波長変換器を設置すれば、変換波長に応じた遅延制御を実現できる。
入出力で同一波長とする必要があるならば、分散媒質の後に、もう一つ可変波長変換器を設置し入力波長に戻した後に出力するようにできる。ただし、この際、遅延と同時に信号自身が分散を受けるので信号帯域をδωとすると、δτ＝ｄ×Ｌ×δω程度パルスが広がってしまう。そのため、非特許文献６では、回路上で、第一の波長変換器の前段か、第二の波長変換器の後段のいずれかに、同パルスの広がりを打ち消すように分散補償媒質を設置して、パルス広がりの問題を解決している。
【００１６】
【特許文献１】特願2007-042505号
【非特許文献１】[B.Eggleton et al.,Photon.Technol.Lett.12,1022-1024(2000).]
【非特許文献２】[Shu Namiki, “Parametric Tunable Dispersion Compensation,” OFC-PD, PDP43, OFC/NFOEC 2007]
【非特許文献３】R. W. Boyd et al., PHYSICAL REVIEW A 71, 023801 (2005).
【非特許文献４】M. Burzio et al., Proc. ECOC 1994, pp. 581-584.
【非特許文献５】J. Ren et al., Proc. ECOC 2006, Th4.4.3.
【非特許文献６】J. Sharping et al., Opt. Express 13 (2005) p.1334.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上記非特許文献２、３、４記載の方式は、基本的に広帯域に亘って均一な群速度分散を有する媒質が必要であって、これが伝送速度の制限要因になっている。実際、上記非特許文献２、３で１０Ｇｂｐｓの信号が用いられているのは、１０Ｇｂｐｓ程度であれば分散媒質に要求される分散の均一性がゆるく、既存の分散媒質を用いても信号の伝送が可能であるからと推察される。分散の均一性は、ビットレートの２乗に比例して厳しくなる。すなわち、１００Ｇｂｐｓの光信号に上記非特許文献２の方式を適用するには、動作波長範囲において許される分散の誤差が、１０Ｇｂｐｓに比べ１００分の１になる。
【００１８】
具体的には、１０Ｇｂｐｓ光信号の分散耐力は、波長分散で表現すると、およそ３００ｐｓ／ｎｍであるのに対して、１００Ｇｂｐｓは、３ｐｓ／ｎｍである。十分な光遅延を生じるためには、できるだけ広い帯域において分散が均一である必要があるが、現実的に、分散値が大きく且つ広帯域に亘り波長に依存しない均一な分散を光ファイバで実現することは難しい。
特に、分散値を大きくすると分散スロープも大きくなるという本質的なトレードオフがある。仮に分散スロープを５ｐｓ／ｎｍ２とすると、分散値変動が３００ｐｓ／ｎｍ以内の波長帯域は、６０ｎｍであるが、３ｐｓ／ｎｍ以内では、０．６ｎｍしか得られない。                
ゆえに、用いる分散媒質の分散スロープを一定値より小さくできないのならば、得られる光の遅延量は、分散値と波長範囲の積に比例するのでビットレートの２乗に比例して小さくならざるを得ない。
【００１９】
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、超高速及び広帯域光信号に対して可変範囲が大きくかつ可変速度が速い可変分散補償を行い、遅延量がビットレートに依存せず大きく取れるようにした可変分散および光遅延制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、光信号を、光のままで且つ光の位相情報を保持しつつ波長変換するパラメトリック波長変換過程と光ファイバなどの低損失で大きな分散を有する分散媒質とを組み合わせることにより、帯域に制限されず高速動作可能な可変分散補償および光遅延制御を実現するものである。
図１に、本発明の最も基本的な可変分散および光遅延制御装置を示す。
可変分散および光遅延制御装置１ａは、分散スロープ媒質（以下、「分散媒質」という）Ｄａ、位相保持スペクトル反転型波長（周波数）変換器３ａ、分散スロープ媒質（以下、「分散媒質」という）Ｄｂを直列接続した構成を有する。
この構成において、光信号がどのように変化するかを以下に考える。まず、光信号の中心周波数ω１からのずれδωについて、各光周波数成分の時間遅延量を初期値からのずれδを用いて考える。図１の構成を経ると、光信号のδｔとδωの関係、すなわちチャープは、次の関係式で表せる。
【００２１】
【数１】
0004919294.tif 000002
ただし、βｉ（ｉ＝２，  ３，  ４，  ．．．）は分散媒質Ｄａのｉ次の分散係数、βｉ’は、分散媒質Ｄｂの各分散係数、ＬおよびＬ’はそれぞれＤａ、Ｄｂの長さを表す。数１の式において、ω１を可変にすることで、チャープ量、すなわち、分散量を可変にすることができる。数１の式にあるマイナス符号は、スペクトル反転による操作（δω→−δω）に対応している。その結果、δωの奇数次の項だけにマイナス符号が現れている。数１の式を元に、図１の本構成を通過することで光信号が受ける群速度分散曲線（以下、実効群速度分散曲線と呼ぶ）を、数２の式のように造ることができる。
【００２２】
【数２】
0004919294.tif 000003
非特許文献２や特許文献１では、図1におけるＤａとＤｂを波長分散（単位波長幅あたりの数値）で考えているが、スペクトル反転（スペクトルインバージョン）を伴う波長変換では光信号の周波数帯域が保存されるため、群速度分散（単位周波数幅あたりの数値）で考えるのが正確である。また、高次分散として分散スロープまでしか考慮しないのではなく、本発明では、数２の式では任意の次数の群速度分散を考慮できるためより正確な設計が可能となる。さらに、数２の式からは奇数次の分散係数が和、偶数時の分散係数が差で表される。分散スロープSと群速度分散とを対応させると、一般に、
【００２３】
【数３】
0004919294.tif 000004
と表せるから、ＤａとＤｂに同じ分散スロープを用いても、数３の式の第一項が第２項に比べて十分に大きいという限定的な条件下以外では、スロープが十分にキャンセルされないことが分かる。
【００２４】
そこで、本発明は、広帯域な可変分散補償を実現するために奇数次の群速度分散係数、特に、３次の群速度分散をキャンセルするために、同じ絶対値で反対の符号の３次の分散を有するＤａとＤｂの構成方法を提供するものである。
なお、位相保持型の波長変換器にはスペクトル反転を伴わないものも可能である。その場合は、数１の式、数２の式におけるマイナス符号を全てプラスに置き換えて考えればよい。本発明は、原則どちらでも良いが、特に断らない場合はスペクトル反転を伴う波長変換器を用いることを想定して説明を行う。
【００２５】
次に、同じ図１の構成において、入力光信号のタイミング遅延について考える。ある動作周波数条件での光信号の出射タイミングに比べて、異なる動作周波数条件での光信号の出射タイミングがどれくらいずれるかを考える。以下、上記分散補償の議論と混同しないように図２の構成を用いて説明する。
図２に、本発明の他の可変分散および光遅延制御装置を示す。可変分散および光遅延制御装置１ｂは、分散スロープ媒質Ｄｂ、位相保持スペクトル反転型波長（周波数）変換器３ａ、分散スロープ媒質Ｄｃを直列接続した構成を有する。
まず、ある基準となる条件を想定し、その条件下で図２の構成を光信号が伝搬する時間を基準時間Ｔ１とする。基準条件から動作条件を変えると伝搬時間を変化させることができる。図２の構成において変更できる条件として、入力周波数と出力周波数の２つを考える。波長変換器での動作条件によるタイミングずれを無視し、基準条件から動作周波数をずらした際の伝搬時間をＴ２として、Ｔ１との差、すなわち遅延ΔTを考えると次の数４の式で表すことができる。
【００２６】
【数４】
0004919294.tif 000005
ただし、ΔΩとΔΩ’は、基準条件からの周波数シフト量を表す。すなわち、周波数ω１’＝ω１＋ΔΩ、周波数ω２’＝ω２＋ΔΩ’。また、β’とβ”は、それぞれ、分散媒質ＤｂとＤｃの分散係数を表す。Ｌ’とＬ”は、それぞれ、分散媒質ＤｂとＤｃの長さを表す。数４の式から、分散媒質ＤｂとＤｃの組み合わせ、及び、周波数ω１，  ω２，  周波数シフト量ΔΩ，  ΔΩ’をうまく選ぶと所望の可変遅延制御を実現できる。ただし、遅延を変化するに伴って、数１の式で与えられる光信号の受けるチャープ（分散量）が変動することを避けなければ、安定した光信号を伝送することができない。したがって、本発明では、数４の式にしたがって遅延を可変制御しつつ、数２の式で与えられる分散量を常に最適に補償する方法を提供する。
【００２７】
そのための基本構成を図３に示す。
図３は本発明の更に他の可変分散および光遅延制御装置の構成図である。
可変分散および光遅延制御装置１ｃは、分散スロープ媒質Ｄａ、位相保持スペクトル反転型波長（周波数）変換器３ａ、分散スロープ媒質Ｄｂ、位相保持スペクトル反転型波長（周波数）変換器３ｂ、分散スロープ媒質Ｄｃを直列接続した構成を有する。
広帯域な光信号の分散補償をしながら、同時に遅延を連続的に自在に制御するためには、図３のように３つの分散媒質Ｄａ，  Ｄｂ，  Ｄｃとそれらの間に２つの連続波長可変な波長変換器３ａ、３ｂが必要である。
【００２８】
図３の構成で光信号が受けるチャープは、数１の式と同様に考えると、以下の数５の式で表される。
【数５】
0004919294.tif 000006
【００２９】
そして、実効群速度分散は、次の数６の式で与えられる。
【数６】
0004919294.tif 000007
一方、入射周波数ω0を固定とし、ω１とω２を可変とすると、ω１とω２の変化に伴う遅延変化量は、数４の式そのもので表されるが、次のように整理しておく。
【数７】
0004919294.tif 000008
【００３０】
本発明の要旨は、用いる分散媒質と動作周波数条件を、数６の式と数７の式に基づいて最適に構成することで、高機能光ネットワークにおいて不可欠となる、広帯域光信号用可変分散補償および可変遅延制御技術を開示するものである。以下の実施例では、順に、広帯域光信号に対応するために高次分散係数を補償する広帯域で広い可変範囲を有する分散補償器の構成例、超高速光信号の大きな遅延可変量を得るために必要な分散補償と可変遅延発生を両立する構成例、そして、遅延量を固定にしたままで、連続的に分散補償量を可変にする方法について説明する。
【００３１】
ここで、四光波混合過程を利用した波長変換器について説明する。（詳細は、”Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃｓ，  Ｔｈｉｒｄ  ｅｄｉｔｉｏｎ，”  ｂｙ  Ｇ．  Ｐ．  Ａｇｒａｗａｌ，  Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓなどの教科書を参照。）群速度分散が小さい３次の非線形性を有する媒質中に、励起光と励起光とは別の周波数の信号光を同時に入射すると新たにもう１つの周波数を有する光（変換光）が生成される（信号光の強度は、励起光に比べて十分に小さいと仮定）。変換光の周波数は、エネルギー保存則により、励起光と信号光の周波数に依存する。信号光の周波数は与えられているが、励起光の周波数を連続的に変化させれば変換光の周波数もこれに応じて連続的に変化する。このような波長変換器では、励起光、信号光、変換光の組み合わせを選ぶことで、光信号の位相を正確に保持する変換や、位相情報は保持したままスペクトル反転を伴う変換などが可能である。  
【００３２】
さらに、別の方法として、周期的反転構造を有する２次の非線形材料を用いるものがある。前記材料として、PPLN(Periodically Poled Lithium Niobate)などを用いる。このような材料を用いると、実効的に3次の非線形性と等価な効果が得られることが知られている。（Langrock, C.; Kumar, S.; McGeehan, J.E.; Willner, A.E.; Fejer, M.M., “All-optical signal processing using χ(2) nonlinearities in guided-wave devices,” Journal of Lightwave Technology, Volume 24,  Issue 7,  July 2006 Page(s):2579 - 2592参照）
【００３３】
これらいずれも、励起波長を連続的に変化することで、光信号の位相情報を保持したまま変換波長を連続的に変化させることができる。本発明では、この現象を用いて可変波長できる位相保持型波長（周波数）変換器を用いることを想定する。なお、ここで用いる四光波混合の応答速度はフェムト秒程度と非常に高速であり、この構成の動作速度のボトルネックは励起光の可変波長光源と変換光を切り出す可変バンドパスフィルタの応答速度といえる。可変波長光源と可変バンドパスフィルタの波長切り替え時間は早いものではナノ秒程度のものも報告され、前述した従来方法より飛躍的に高速動作が期待できる。
【実施例１】
【００３４】
この実施例は、実際光ファイバを用いた場合に主な帯域制限となる３次の分散係数を補償し、広帯域での可変分散補償を可能とする構成である。図１における分散媒質Ｄａに、拡大実効断面積分散シフトファイバ（ＬＡ−ＤＳＦ）とマッチドクラッド型分散補償ファイバ（ＭＣ−ＤＣＦ）（例えば、M. Onishi, H. Ishikawa, T. Kashiwada, K. Nakazato, A. Fukuda, H. Kanamori, M. Nishimura, “High performance dispersion compensating fiber and its application to upgrading of 1.31 mm optimized system,” in Proc. ECOC, paper WeC8.5 (1993).）を縦続接続したものを用い、分散媒質Ｄｂには、標準のシングルモードファイバ（ＳＭＦ：ＩＴＵ−Ｔ  Ｇ．６５２）の分散を広帯域に補償する分散補償ファイバ（ＤＣＦ）（例えば、Y. Akasaka, R. Sugizaki and T. Kamiya, “Dispersion compensating technique of 1300nm zero-dispersion SM fiber to get flat dispersion at 1550nm range,” Proc. ECOC, paper We.B.2.4 (1995).）を用いる。これらのファイバ長を最適化することによって、例えば、図４に示す特性を有する分散媒質を構成することができる。
図４に実施例１で用いる分散媒質の分散特性を示す。
図４の縦軸はDispersion（分散）［ｐｓ２］、横軸はWave length（波長）を表す。実線はＤＣＦ（分散補償ファイバ）８ｋｍの特性、２点鎖線はＬＡ−ＤＳＦ３０ｋｍ＋ＭＣ−ＤＣＦ１０ｋｍの特性を示す。実線の特性は波長が増加するにつれて分散がほぼ直線的に増加する特性であり、２点鎖線の特性は波長が増加するにつれて分散がほぼ直線的に減少する特性を示す。両線はほぼ１５６０ｎｍの波長付近で交差し、同じ分散を示す。
【００３５】
この図４の構成で得られる光信号内帯域の実効群速度分散プロファイルをいくつかの変換波長について描いてみると、図５のようになる。
図５に実施例１の実効群速度分散曲線を示す。縦軸はEffective Dispersion（実効群速度分散、すなわちＤｅｆｆ．）［ｐｓ２］、横軸はIn-band Frequency Shift（バンド内波長シフト量、すなわちδω）［THz］を表す。
ここで、入力信号波長は１５６０ｎｍと仮定した。図５より、実効群速度分散は、平坦な曲線、すなわち高次の分散係数（特に３次）がキャンセルされ広帯域に亘って均一な分散特性が得られている。３ＴＨｚの広帯域に亘って、３００ｐｓ２幅程度の広範な可変分散が実現されている。
【００３６】
この実施例で用いているＬＡ−ＤＳＦは、敷設された伝送路ファイバであっても、モジュールに収納されたボビンであっても良い。ＬＡ−ＤＳＦに類似した標準化されたＩＴＵ−Ｔ  Ｇ．６５５などの伝送路ファイバが多く敷設されていることを考えると本実施例の応用性は高い。
【実施例２】
【００３７】
この実施例２は、３次の分散係数を補償し、広帯域での可変分散補償を可能とする他の構成である。図１における分散媒質Ｄａに、分散シフトファイバ（ＤＳＦ）と分散補償ファイバ（ＤＣＦ）を縦続接続したものを用い、分散媒質Ｄｂには、ＤＣＦを用いる。これらのファイバ長を最適化することによって、例えば、図６に示す特性を有する分散媒質を構成することができる。
図６に実施例２で用いる分散媒質の群速度分散曲線を示す。縦軸はGroup Velocity Dispersion（群速度分散）［ｐｓ２］、横軸はWave length（波長）を表す。
２点鎖線はＤＣＦ（分散補償ファイバ）７．５ｋｍの特性、実線はＬＡ−ＤＳＦ（分散シフトファイバ）１２０ｋｍ＋ＭＣ−ＤＣＦ（分散補償ファイバ）７．５ｋｍの特性を示す。２点鎖線の特性は波長が増加するにつれて分散がほぼ直線的に増加する特性であり、実線の特性は波長が増加するにつれて分散がほぼ直線的に減少する特性を示す。両線はほぼ１５５０ｎｍの波長付近で交差し、同じ分散を示す。
この図６の特性が得られる光信号内帯域の実効群速度分散プロファイルをいくつかの変換波長について描いてみると、図７のようになる。
図７は実施例２の実効群速度分散曲線を示す。
縦軸はEffective Dispersion（実効群速度分散、すなわちＤｅｆｆ．）［ｐｓ２］、横軸はIn-band Frequency Shift（バンド内波長シフト量、すなわちδω）［ＴＨｚ］を表す。
この特性は１５６０ｎｍの入力波長における１２０ｋｍＤＳＦ＋７．５ｋｍＤＣＦ＋ＳＩ＋７．５ｋｍＤＣＦからなる光ファイバの実効分散特性を示す。
ここで、入力信号波長は１５６０ｎｍと仮定した。図７より、実効群速度分散では高次の分散係数（特に３次）がキャンセルされ広帯域に亘ってフラットなプロファイルが得られている。３ＴＨｚの広帯域に亘って、１００ｐｓ２幅以上の広範な可変分散が実現されている。
【００３８】
この実施例で用いているＤＳＦは、敷設された伝送路ファイバであっても、モジュールに収納されたボビンであっても良い。ＤＳＦはＩＴＵ−Ｔ  Ｇ．６５３として標準化され伝送路ファイバとして多く敷設されていることを考えると本実施例の応用性は高い。
【実施例３】
【００３９】
この実施例は、３次の分散係数を補償し、広帯域での可変分散補償を可能とするさらに他の構成である。分散媒質ＤａにＳＭＦ、分散媒質ＤｂにＳＭＦ用のＤＣＦを用いる。ただし、本構成では、スペクトル反転を伴わない位相保持型波長変換器を用いる。スペクトル反転を伴わない位相保持型波長変換は、四光波混合過程でそのように励起光、信号光、変換光を選ぶことで実現できるが、スペクトル反転を伴う位相保持型波長変換器を２段構成にしても実現できる。
スペクトル反転を伴わない位相保持型波長変換器を用いるので、実効群速度分散は、数２の式のマイナス符号を全てプラスに置き換えることで得られる。
ＤａとＤｂの分散媒質のプロファイル例を図８に示す。
図８は実施例３で用いる分散媒質の分散曲線を示す。縦軸はDispersion（分散）［ｐｓ２］、横軸はWave length（波長）を表す。２点鎖線はＤＣＦ（分散補償ファイバ）１５ｋｍの特性、実線はＳＭＦ（分散シフトファイバ）の特性を示す。２点鎖線の特性は波長が増加するにつれて分散がほぼ直線的に増加する特性であり、実線の特性は波長が増加するにつれて分散がほぼ直線的に減少する特性を示す。両線は分散０を略中心として対称な特性を示す。
【００４０】
入力波長１５５０ｎｍ、変換波長を１５２０  ｎｍから１５７０  ｎｍまで変化させた際の実効群速度分散スペクトルを図９に示す。
図９は実施例３で得られる実効群速度分散曲線を示す。
縦軸はEffective Dispersion（実効群速度分散）［ｐｓ２］、横軸はIn-band Frequency Shift（バンド内波長シフト量、すなわちδω）［ＴＨｚ］を表す。
ここで、入力信号波長は１５５０ｎｍと仮定した。図９より、実効群速度分散は、平坦な曲線、すなわち高次の分散係数（特に３次）がキャンセルされ広帯域に亘って均一な分散特性が得られている。３ＴＨｚの広帯域に亘って、３００ｐｓ２幅程度の広範な可変分散が実現されている。
この構成では、スペクトル反転型の波長変換を２段構成で使用することを想定したため、入力波長と出力波長が重複可能となっている。４ＴＨｚの広帯域に亘って、５００ｐｓ２程度の広範な可変分散が実現されている。
この実施例で用いられているＳＭＦは、敷設された伝送路ファイバであっても、モジュールに収納されたボビンであっても良い。ＳＭＦはＩＴＵ−Ｔ  Ｇ．６５２として古くから標準化され多く敷設されていることを考えると本実施例の応用性は高い。
【実施例４】
【００４１】
この実施例は、超高速光信号に対して大きな連続可変遅延を発生させるものである。遅延量を変化させても超高速光信号への分散が常に抑制されていることを特徴とする。これを実現するために、図２の構成において、分散媒質ＤａにＤＳＦ、分散媒質ＤｂにＤＣＦ、分散媒質ＤｃにＤＣＦを用いる。分散媒質ＤｂとＤｃの分散ＴＯＤの和が、ＤＳＦのＴＯＤと相殺するようにＤＳＦ長とＤＣＦの全長を決める。これは、数６の式において、３次の実効分散（実効ＴＯＤ）に相当する項がゼロになるようにすることに対応する。
【数８】
0004919294.tif 000009
ＤＣＦのＴＯＤが周波数によらずほぼ一定とみなせるならば、近似的に、
【数９】
0004919294.tif 000010
と考えることもできる。
【００４２】
分散媒質ＤｂとＤｃの長さの関係、つまりＬ’とＬ”は、数６の式において、２次の実効分散係数（ＳＯＤ）がキャンセルされるように選ぶ。すなわち、
【数１０】
0004919294.tif 000011
ここで重要なのは、ＤＣＦの群速度分散は高次分散により周波数に依存しているので、ω１とω２が波長変換可能な関係にある範囲内におけるすべてのω１に対して数１０の式を満たすように、ω２を決めてやれば、数９の式は常に満たされることになる。その結果、数９の式のＴＯＤは４次以上の分散係数の効果によって多少ゼロからずれることになる。ＴＯＤが大きく外れすぎるようであれば、ファイバ長や動作波長を見直したり数９の式の精度を多少犠牲にしてシステムの最適化を図ることができる。
【００４３】
こうして決められた動作周波数（波長）を連続的に変化させることで、分散を抑制しつつ遅延を変化することができる。遅延は、数７の式で与えられる。ここで重要なのは、動作範囲における分散媒質Ｄｂ，Ｄｃの群速度分散の符号が同一であることから、大きな遅延を得るために、ΔΩとΔΩ’の符号も同じであるように選ぶことである。この実施例では、分散媒質ＤｂとＤｃに同種のファイバ（ＤＣＦ）を用いており、ＴＯＤの符号も同じであるため、分散抑制の条件から自動的にΔΩとΔΩ’の符号が等しくなるように考案されている。
図１０は、最適化の一例であり、実施例４の実効ＳＯＤとＴＯＤ、および相対遅延量と第一変換波長との関係を示す。図中縦軸は残留SOD/TOD［ｐｓ２／ｐｓ３］とRelative Delay（相対遅延）［ｎｓ］,横軸はFirst Converted Wavelength［ｎｍ］を表す。この図１０の特性は、入力波長は１５６０ｎｍ、光伝送路はＧ−６５３ＤＳＦが１２２．２ｋｍ、ＤＣＦ―１が７．２５７ｋｍ、ＤＣＦ−２が６．４８ｋｍからなる。
点線のRalative Delay（相対遅延）［ns］は、波長が増加するにつれて、減少する。実線の残留SODは波長が増加するにつれて増大する。２点鎖線の残留ＴＯＤ［ｐｓ３］は波長が増加するにつれて、漸次減少する。
図中横軸のＦｉｒｓｔ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈとは、ω１に対応した波長を意味する。この例では残留ＳＯＤ（Ｔｏｔａｌ  Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  ＳＯＤ）がやや大きいが、それぞれのω１に対してω２を最適化してＳＯＤを完全に抑制することは容易である。
この実施例の動作原理を、図１１を用いて説明する。
図１１は実施例４の周波数配置と分散曲線の関係を示す。
【００４４】
考え方としては、まず、分散媒質Ｄａで主に３次分散を光信号に付与する。これは、後に分散媒質ＤｂとＤｃから受ける３次分散を予め補償する役割がある。したがって、分散媒質Ｄａの３次分散を分散媒質ＤｂとＤｃの３次分散の和を打ち消すように相対長を決めることになる。次に光信号は、第一の波長変換器で第一の基準周波数ω１に変換される。ここで分散媒質Ｄｂの分散を受けたのちに、スペクトル反転を伴う第二の波長変換器によって第２の基準周波数ω２に変換され、分散媒質Ｄｃの分散を受け出射する。総実効ＳＯＤは分散媒質ＤａのＳＯＤがゼロならばスペクトル反転により分散媒質ＤｂとＤｃの差で与えられるので、分散媒質Ｄｂで受けた群速度分散と同じ群速度分散になるようにω２を調整すれば完全に補償される。その結果、分散媒質Ｄａとの関係で総実効ＴＯＤがキャンセルされれば、ＳＯＤとＴＯＤが同時にゼロの、広帯域な動作が可能となる。次に、第一の変換周波数をΔΩだけずらし（ω１’）、総実効ＳＯＤがキャンセルされるようにΔΩ’（ω２’）を決める。３次分散がＤｂとＤｃでほぼ同じならば、ΔΩ≒ΔΩ’となる。こうして、動作周波数範囲全域においてω１’とω２’を関係付けることができ、分散が抑制された連続な遅延制御動作条件が得られる。そして、各変換周波数に対応した遅延は、数７の式から計算される。
なお、ω０、ω１、ω２の相対関係は、図１１の通りでなくてもよい。例えば、図１２に示すような構成でも良い。波長変換可能な構成であれば良い。
【実施例５】
【００４５】
この実施例は、超高速光信号に対して大きな連続可変遅延を発生させるものである。遅延量を変化させても超高速光信号への分散が常に抑制されていることを特徴とする。これを実現するために、例えば、図２の構成において、分散媒質ＤａにＤＳＦとＤＣＦのカスケード接続、分散媒質ＤｂにＤＣＦ、分散媒質ＤｃにＳＭＦを用いる。実施例４と異なる特徴として、分散媒質ＤｂとＤｃのＳＯＤとＴＯＤの符号が共に反対であることが挙げられる。光信号への全実効ＴＯＤの影響を抑制するには、数８を満たすように決めればよい。この実施例では、一例として、分散媒質ＤｂとＤｃのＴＯＤがほぼ同じ絶対値で符号が反対になるように分散媒質ＤｂとＤｃの長さ関係を決めた。その結果両者の実効ＴＯＤは相殺されることになり、ＤａのＴＯＤはゼロになるように構成する。
【００４６】
スペクトル反転によって、分散媒質ＤｂとＤｃの実効ＳＯＤは、両者のＳＯＤの絶対値の和で与えられる。すべての動作周波数条件において、総実効ＳＯＤをゼロに保つ、すなわち数１０の式を常に満たすには、分散媒質ＤｂとＤｃのＳＯＤの絶対値の和が常に一定になるようにω１とω２の相対関係を決め、これを分散媒質Ｄａがキャンセルするように構成すれば良い。この際、分散媒質ＤｂとＤｃのＴＯＤの符号が互いに逆で分散媒質ＤａのＳＯＤは固定なので、ΔΩとΔΩ’が常に逆の符号を取ることになる。対応する遅延変化を数７の式に従って計算すると、分散媒質ＤｂとＤｃのＳＯＤの符号も互いに逆なので、本実施例は、分散媒質ＤｂとＤｃで生じる遅延が互いに打ち消されることなく、大きな遅延変化が得られるように考案されている。
【００４７】
本実施例では、分散媒質ＤｂとＤｃのＴＯＤがほぼ同じ絶対値で反対の符号を持つように設計したため、常に、ΔΩ≒−ΔΩ’が成立する様にできる。その結果、２段目の波長変換器の励起光は、単一励起波長による縮退四光波子混合を用いれば、可変ではなく固定とすることが可能となり、簡素なシステム構成が可能となるメリットがある。
図１３は実施例５の周波数配置と分散曲線の関係を示す。周波数配置は、実施例４と同様に、図１３に限らない。ω０をω１とω２の間に構成することもできる。
【００４８】
図１４は、実施例５で得られる遅延変化量と第一変換波長の関係を示す図であり、この構成で得られる遅延変化を示す。縦軸はRelative Delay（遅延変化量）［ｐｓ］で、横軸はThe First Converted Wavelength（第一変換波長）［ｎｍ］を表す。この特性はＤＣＦ−２が６．４８ｋｍでＳＩ  ＳＭＦが５３．４８ｋｍの遅延変化量特性である。この特性は第一変換波長の増加に伴って遅延変化量が直線的に増加する特性になっている。
また、図１５は、実施例５の残留群速度分散（実効ＳＯＤ）と実効ＴＯＤの関係を示す。
縦軸はResidual Dispersion（残留群速度分散）［ｐｓ２］とEffective（実効）TOD［ｐｓ３］で、横軸はThe First Converted Wavelength（第一変換波長）［ｎｍ］を表す。この特性はＤＣＦ−２が６．４８ｋｍでＳＩ  ＳＭＦが５３．４８ｋｍの残留群速度分散量特性とである。実線の残留群速度分散特性は第一変換波長の増加に伴ってなだらかに飽和する特性であり、一転鎖線の実効ＴＯＤ特性は第一変換波長の増加に伴って直線的に下降する特性となる。
（実効）ＴＯＤ
非常に小さい残留分散でありながら大きな遅延制御が可能となっている。残留分散は、第２の波長変換器を可変としてω１に対して常に最適なω２となるように微調整すれば原理的に常にゼロにできる。
【実施例６】
【００４９】
実施例５と同一の構成において動作波長の組み合わせを変え基準周波数で
【数１１】
0004919294.tif 000012
が成立するように配置すると、遅延を固定にしたまま可変分散補償を実現することができる。上の可変遅延構成において変換周波数シフトの関係をΔΩ≒−ΔΩ’としたが、この目的では、ΔΩ≒ΔΩ’となるように第一の変換周波数と第二の変換周波数を選ぶ。これに伴い、基準周波数の位置関係も図１６に示すように変える。図１６は実施例６の周波数配置と分散曲線の関係を示す図である。
さらに、すべての動作周波数に対して
【数１２】
0004919294.tif 000013
とみなせる分散媒質を用いて、４次以上の分散係数を無視する。この条件では、所望の動作を得るのにΔΩ＝ΔΩ’とすればよい。実効ＳＯＤは、
【数１３】
0004919294.tif 000014
となり、基準周波数ω１とω２からのずれ量ΔΩの関数となる。実効ＴＯＤは、数８にしたがってゼロとなるため、広帯域動作が実現される。一方、遅延を数７より計算すると、ΔΩによらず常にΔＴ＝０となることが分かる。このように、この実施例は、広帯域な可変分散補償を実現しつつタイミング遅延が一定な動作を実現することが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明における可変分散保障の原理説明図である。
【図２】本発明における可変分散保障の他の原理説明図である。
【図３】本発明の基本構成図である。
【図４】本発明の実施例１で用いる分散媒質の分散特性図である。
【図５】本発明の実施例１の実効群速度分散曲線図である。
【図６】本発明の実施例２で用いる分散媒質の群速度分散曲線図である。
【図７】本発明の実施例２の実効群速度分散曲線図である。
【図８】本発明の実施例３で用いる分散媒質の分散特性図である。
【図９】本発明の実施例３の実効群速度分散曲線図である。
【図１０】本発明の実施例４の実効ＳＯＤとＴＯＤ、および相対遅延量と第一変換波長との関係を示す図である。
【図１１】本発明の実施例４の周波数配置と分散曲線の関係を示す図である。
【図１２】本発明の実施例４の別の周波数配置図である。
【図１３】本発明の実施例５の周波数配置と分散曲線の関係を示す図である。
【図１４】本発明の実施例５で得られる遅延変化量と第一変換波長の関係を示す図である。
【図１５】本発明の実施例５の残留群速度分散（実効ＳＯＤ）と実行ＴＯＤを示す図である。
【図１６】本発明の実施例６の周波数配置と分散曲線の関係を説明する図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ａ、１ｂ、１ｃ    可変分散および光遅延制御装置
Ｄａ、Ｄｂ、Ｄｃ    分散スロープ媒質
３ａ、３ｂ          位相保持スペクトル反転型波長（周波数）変換器
【図１】
0004919294.tif 000015
【図２】
0004919294.tif 000016
【図３】
0004919294.tif 000017
【図４】
0004919294.tif 000018
【図５】
0004919294.tif 000019
【図６】
0004919294.tif 000020
【図７】
0004919294.tif 000021
【図８】
0004919294.tif 000022
【図９】
0004919294.tif 000023
【図１０】
0004919294.tif 000024
【図１１】
0004919294.tif 000025
【図１２】
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【図１３】
0004919294.tif 000027
【図１４】
0004919294.tif 000028
【図１５】
0004919294.tif 000029
【図１６】
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