JP2010026308A - 光信号処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信号光の偏光状態に依存することなく光信号の波形整形および雑音抑制を行うことが可能な光信号処理装置を提供する。
【解決手段】光ファイバ２１には、励起光１が入力され、信号光はパラメトリック増幅される。増幅された信号光は、光ファイバ２２に入力される。光ファイバ２２には、励起光１の偏光状態に対して直交する偏光状態を持った励起光２が入力され、信号光はパラメトリック増幅される。信号光の入力パワーは、光ファイバ２１、２２においてパラメトリック増幅の利得が飽和するように制御される。
【選択図】図３

Description

本発明は、光信号処理装置に係わり、例えば、光スイッチ、波長変換器、光ファイバ伝送により劣化した光信号の波形を整形する装置、或いは光ファイバ伝送により付加された雑音により劣化した光信号の品質（特に、光Ｓ／Ｎ）を改善する装置などに適用可能である。

光通信システムにおいては、伝送速度（データのビットレート）あるいは総データ伝送容量（１チャンネル当りの伝送速度×チャンネル数）、および伝送可能な距離の限界は、光Ｓ／Ｎ比（Optical Signal-to-Noise Ratio）および光信号の波形歪みや位相歪みに依存する。そして、光信号の波形歪および位相歪みは、伝送路光ファイバの波長分散（高次分散を含む）や非線形光学効果等に大きく依存する。また、光Ｓ／Ｎ比は、光ファイバの損失を補償するための光アンプにおいて生成される自然放出光（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission）雑音や送信機または受信機内の雑音特性等に依存する。

波長分散による光信号の波形歪みを補償する技術としては、下記が知られている。
（１）正常分散ファイバおよび異常分散ファイバを交互に配置した伝送路
（２）分散補償ファイバ等の波長分散補償器
（３）受信した光信号を電気信号に変換したのち、電気的な信号処理を行う構成
現在までに、光アンプを用いて伝送損失を補償しながら、大陸間で１０Ｇｂ／ｓのデータ伝送を行う光ファイバ伝送システムが開発されている。そして、より高速な長距離データ伝送（例えば、４０Ｇｂ／ｓ、１６０Ｇｂ／ｓ）の開発、およびフォトニックネットワークに拡張可能なシステム余裕を与える方式の開発が進められている。

しかしながら、高精度の分散補償および高品質の光アンプを組み合わせても、残留する波形歪みや、光アンプにより生成されるＡＳＥ雑音による光Ｓ／Ｎ比の劣化が厳しい。このため、実用的な伝送距離が制限されている。したがって、高速信号の長距離光ファイバ伝送を実現するためには、歪んだ光波形を整形する技術、位相歪みを補正する技術、累積したＡＳＥ雑音や位相雑音等を抑圧する技術を備える光信号再生装置の実現が望まれている。

また、将来の超大容量情報の通信バックボーンとなる光ネットワークにおいては、上述の高速信号光を柔軟に処理可能な、光スイッチや波長変換器等の要素技術を組み合わせた光ノード処理が不可欠であり、光Ｓ／Ｎ劣化の少ない光信号処理装置、および光Ｓ／Ｎを改善する装置が必要となる。

関連する技術として、偏光制御器、非線形光学媒質、偏光子を備える光スイッチが知られている。偏光制御器は、信号光の偏光方向を制御する。非線形光学媒質には、偏光制御器により偏光方向が制御された信号光が入力される。偏光子は、非線形光学媒質の出力側に設けられ、非線形光学媒質から出力される信号光の偏光方向と直交する偏光主軸を有する。信号光は、非線形光学媒質において制御光パルスによりほぼその制御光パルスの偏光方向に光パラメトリック増幅される。これにより、制御光パルスと時間的に重複する領域の光信号が偏光子を通過する。

光信号の波形を整形する技術として、第１および第２のパワー制御器、および非線形光学媒質を備える光波形整形装置が知られている。第１のパワー制御器は、信号光のパワーを制御する。第２のパワー制御器は、信号光と異なる波長を持った励起光のパワーを制御
する。非線形光学媒質は、第１のパワー制御器によりパワーが制御された信号光および第２のパワー制御器によりパワーが制御された励起光が入力される。そして、第１のパワー制御器は、非線形光学媒質において励起光による利得が飽和するように信号光のパワーを制御する。これにより光リミッタ機能が実現され、光波形が整形される。

波長変換器として、偏波ビームスプリッタおよび偏波保持ファイバを備える構成が知られている。偏波ビームスプリッタの第１ポートには、信号光および励起光が与えられる。偏波ビームスプリッタの第２ポート、第３ポート間は、偏波保持ファイバで接続されている。偏波保持ファイバ内での四光波混合により波長変換光が発生する。波長変換光は、偏波ビームスプリッタの第１ポートから出力される。
特開２００６−１８４８５１号公報 特開２００７−２６４３１９号公報 特開２０００−７５３３０号公報

光信号処理（波形整形、雑音抑制等）の特性は、信号光の偏光状態に依存する。しかし、従来技術においては、信号光の偏光状態に依存しない光学回路は、その構成が複雑であり、損失が大きかった。このため、光信号処理において効率が低かった。特に、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength-division multiplexing）により伝送される複数の光信号の波形を一括して処理する光信号処理装置においては、こうした損失の影響が大きくなる。

したがって、信号光の偏光状態に依存することなく光信号の波形整形および雑音抑制を行うことが可能な光信号処理装置の開発が望まれている。また、光学回路における効率の低下を招くことなく、光信号の波形整形および雑音抑制を行うことが可能な光信号処理装置の開発が望まれている。

実施形態の光信号処理装置は、信号光、および前記信号光と波長の異なる第１および第２の励起光が入力される非線形光学媒質と、前記非線形光学媒質の入力側に設けられ、前記非線形光学媒質において所定の利得が得られるように前記第１および第２の励起光のパワーを制御する第１および第２のパワー制御器と、前記非線形光学媒質の入力側に設けられ、前記第１および第２の励起光の偏光状態が互いに直交するように調整する偏光制御手段を備える。

上記構成の光信号処理装置において、前記非線形光学媒質は、例えば、縦続接続された第１および第２の光ファイバである。この場合、前記偏光制御手段は、互いに直交する第１の直線偏光および第２の直線偏光を生成する。そして、前記第１の直線偏光が前記第１の光ファイバに入力され、前記第２の直線偏光が前記第２の光ファイバに入力される。

他の実施形態の光信号処理装置は、第１ポートから入力される光を互いに直交する直線偏光に分離して第２ポートおよび第３ポートに導き、前記第２ポートおよび第３ポートから入力される光を偏光合成する光分離／合成器と、前記光分離／合成器の第２ポートと第３ポートとの間に設けられる非線形光学媒質と、前記非線形光学媒質に入力すべき励起光の偏光状態を制御する偏光制御手段と、信号光および前記偏光制御手段により偏光状態が制御された励起光を前記光分離／合成器の第１ポートに導く光デバイスを備える。

実施形態の光信号処理装置によれば、信号光の偏光状態に依存することなく光信号の波形整形および雑音抑制を行うことが出来る。

＜基本構成＞
図１は、実施形態の光信号処理装置の基本構成を示す図である。図１に示す光信号処理装置１００は、非線形光学媒質１、２を備える。非線形光学媒質１、２は、縦続接続されている。

非線形光学媒質１には、波長λ_s、パワーＰ_Sinの信号光（Ｅ_S）、および信号光と異なる波長λ_P1、パワーＰ_P1の励起光１（Ｅ_P1）が入力される。励起光１は、偏光制御器１１を用いて、特定の偏光状態に制御された後、非線形光学媒質1に入力される。ここでは、励起光１は、直線偏光（ｐ偏光）に制御されるものとする。そして、信号光は、非線形光学媒質１において、励起光1により非線形増幅される。このとき、非線形光学媒質１から出力される信号光の波長は、非線形光学媒質１へ入力する信号光と変わらず、「λ_S」のままである。非線形光学媒質１の出力側には（すなわち、非線形光学媒質１、２間には）、信号光の波長成分を抽出する光帯域フィルタが設けられている。よって、非線形光学媒質２に励起光１が入力されることはない。なお、信号光を抽出するための光フィルタは、例えば、信号光以外の波長成分（励起光１等）を遮断する帯域遮断フィルタ、ＷＤＭ光カプラ等である。

非線形光学媒質１において励起光１により非線形増幅された信号光は、励起光２と共に非線形光学媒質２に入力される。励起光２（Ｅ_P2）は、信号光とは異なる波長λ_P2、パワーＰ_P2を有する。また、励起光２は、偏光制御器１２を用いて、励起光１と直交する偏光状態に制御された後に非線形光学媒質２に入力される。この例では、励起光２は、直線偏光（ｓ偏光）に制御される。また、励起光１は、上述したように、非線形光学媒質１、２間に設けられている光フィルタにより遮断される。したがって、信号光は、非線形光学媒質２において、励起光１の影響を受けることなく、励起光２により非線形増幅される。なお、非線形光学媒質２から出力される信号光の波長も、非線形光学媒質１へ入力する信号光と変わらず、「λ_S」のままである。非線形光学媒質２の出力側には、信号光の波長成分を抽出する光帯域フィルタが設けられる。信号光を抽出するための光フィルタは、例えば、信号光以外の波長成分（励起光２等）を遮断する帯域遮断フィルタ、ＷＤＭ光カプラ等である。

なお、励起光１の波長λ_P1および励起光２の波長λ_P2は、互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。また、励起光１、２は、互いに異なる光源を用いて生成してもよいし、１つの光源から出力される励起光を分離することによって生成するようにしてもよい。

非線形光学媒質１、２が３次または２次の非線形光学媒質である場合には、非線形光学媒質１、２において、励起光による四光波混合（ＦＷＭ：Four-Wave Mixing）あるいは三光波混合（ＴＷＭ：Three-Wave Mixing ）等の光パラメトリック効果が発生し、信号光は、光パラメトリック増幅される。この光パラメトリック増幅の利得は、励起光のパワーＰ_P（すなわち、Ｐ_P1またはＰ_P2）が信号光のパワーＰ_Sに比べて十分高いときは、Ｐ_Sに関係なく一定である。しかし、Ｐ_Sが大きくなり、Ｐ_PがＰ_Sに比べて十分大きいとみなされない場合には、光パラメトリック効果を発生させるために消耗される励起光のパワーが大きくなる。そうすると、非線形光学媒質１、２において励起光パワーＰ_Pが減衰する「Depletion」と呼ばれる現象が発生する。

図２は、光Depletionについて説明する図である。ここでは、図２（ａ）に示すように、波長λ_Sの信号光および波長λ_Pの励起光が非線形光学媒質としての光ファイバに入力されるものとする。なお、励起光波長λ_Pは、信号光波長λ_Sより長くてもよいし、短くても
よい。

信号光と励起光との間の相互作用において、信号光は、図２（ｂ）に示すように、例えば四光波混合により、信号光に対応するアイドラ光（波長：λ_I）が発生する。そして、この四光波混合において、信号光およびアイドラ光のパワーが増幅される。このとき、励起光のエネルギーの一部が、信号光およびアイドラ光にほぼ均等に与えられる。なお、信号光の周波数ω_S、励起光の周波数ω_P、アイドラ光の周波数ω_Iは、下記の関係を満足する。
ω_P −ω_I ＝ω_S −ω_P ≠０
ここで、例えば非線形光学媒質１、２として光ファイバを用いる場合において、光ファイバの長さを「Ｌ」、その損失を「α」とする。また、光ファイバにおいて、すべての光波の偏光状態が等しいものとし、励起光の入力パワーＰ_Pは、信号光のパワーおよびアイドラ光のパワーと比べて十分に大きいものと仮定する。一例として、励起光の波長λ_Pを光ファイバの零分散波長λ₀に調整する場合には、光ファイバから出力される信号光は、近似的に、下記（１）式に示す利得Ｇ_Sを得る。

なお、「φ（Ｌ）」は、非線形光位相シフトを表す。「Ｐ_P(0)」は、励起光の入力パワーを表す。

は、相互作用長を表す。「γ」は、三次非線形定数を表す。「ｎ₂」および「Ａ_eff」は、それぞれ、光ファイバ内の非線形屈折率および有効コア断面積を表す。

上述した（１）〜（３）式に示すように、光パラメトリック利得Ｇ_Sは、非線形定数、励起光の入力パワー、相互作用長の積の大きさに対して非線形的に変化する。特に、線形の位相整合条件（λ_P=λ₀）が成り立つ場合には、（1）式に示したように、利得Ｇ_Sは上記積の大きさの二乗に比例する。ここで、光パラメトリック効果の発生効率は、相互作用する光波の偏光状態に強く依存する。具体的には、光ファイバに入力される光波の偏光状態が互いに同じであるときに四光波混合の発生効率が最大となり、光波の偏光状態が互いに直交している場合には四光波混合はほとんど発生しない。したがって、励起光の入力パワーが十分に大きいときは、信号光は、励起光と同じ偏光方向に選択的に光パラメトリック増幅される。

なお、光パラメトリック増幅は、例えば、光ファイバ等の３次非線形光学媒質内の四光波混合を利用して実現される。あるいは、光パラメトリック増幅は、分極反転構造（擬似位相整合構造）を持ったLiNbO₃（Periodically-poled LN）導波路等の２次非線形媒質内の三光波混合等を利用して実現することも可能である。

上述のモデルにおいて、光ファイバに入力する信号光の入力パワーを大きくし、励起光のパワーＰ_Pが信号光のパワーＰ_Sと比べて十分に大きいとは言えない状態になると、光利得Ｇsは、次第に飽和（すなわち、低下）してくる。特に、励起光のパワーが光パラメトリック効果の発生のために費やされ、光ファイバ内で励起光のパワー自体が低下してくる「depletion」と呼ばれる状態が発生すると、光利得は急速に飽和する。

非線形光学媒質において励起光のDepletionが発生すると、非線形光学媒質における利得は飽和する。この結果、信号光の入力パワーを増加しても、非線形光学媒質から出力される信号光パワーは所定のレベルよりも大きくならず、非線形光学媒質は、いわゆる光リミッタ・アンプとして動作する。光リミッタ・アンプにおいては、入力信号光のパワーが揺らいでいても、出力パワーは一定となる。これにより、光信号の強度が変動する強度雑音を抑圧（特に、「１」レベルの雑音を抑制）する光波形整形が実現される。なお、強度雑音は、振幅雑音とも呼ばれる。したがって、実施形態の光波形整形装置においては、励起光のDepletionが発生する程度に信号光の入力パワーを大きくすることにより、光リミッタ・アンプが実現される。

このように、実施形態の光信号処理装置１００においては、信号光（またはＷＤＭ光）を増幅（例えば、光パラメトリック増幅）する際に、励起光および信号光のパワーを調整することにより、光リミッタ・アンプ動作が実現される。そして、この光リミッタ・アンプ動作により、光信号の振幅揺らぎが抑圧される。すなわち、波形整形および／または振幅雑音の抑圧が実現される。

このとき、図１に示す構成においては、信号光は、非線形光学媒質１、２において互いに直交する偏光方向（ｓ偏光およびｐ偏光）にほぼ同じ利得の光パラメトリック増幅が行われる。よって、信号光の偏光状態に依存することなく、増幅および光リミッタ・アンプ動作（波形整形を含む）が実現される。

＜第１の実施例＞
図３は、第１の実施例に係る光信号処理装置の構成を示す図である。第１の実施例に係る光信号処理装置の基本構成は、図１に示した光信号処理装置と同じである。ただし、第１の実施例では、非線形光学媒質１、２として、それぞれ光ファイバ２１、２２が使用される。

信号光（Ｅ_S）、励起光１（Ｅ_P1）、励起光２（Ｅ_P2）の入力パワーは、それぞれパワー制御器によって制御される。パワー制御器は、例えば、光アンプまたは光アテネータにより実現される。あるいは、パワー制御器は、光アンプおよび光アテネータを組み合せることにより実現するようにしてもよい。このとき、励起光１、２のパワーは、例えば、光ファイバ２１、２２において互いに同一またはほぼ同一の光パラメトリック利得を発生するように制御される。また、励起光１、２の波長は、信号光に対して十分な光パラメトリック効果を発生するように設定される。

なお、光ファイバ２１、２２から出力される信号光の波長は、「λ_S」であり、光ファイバ２１、２２へ入力する信号光と変わらない。光ファイバ２１、２２の出力側には、必要に応じて、信号光の波長成分を抽出する光フィルタが設けられる。

上記構成の光信号処理装置において、信号光は、光ファイバ２１、２２において、それぞれ励起光１、２により増幅される。励起光１、２のパワーを大きくすると、光パラメトリック効果による光パラメトリック利得が得られる。ここで、励起光１は、偏光制御器１１によりｐ偏光に制御された後に光ファイバ２１に供給される。このため、信号光は、光ファイバ２１において主にｐ偏光方向にパラメトリック増幅される。同様に、励起光２は、偏光制御器１２によりｓ偏光に制御された後に光ファイバ２２に供給される。このため、信号光は、光ファイバ２２において主にｓ偏光方向にパラメトリック増幅される。したがって、実施形態の光信号処理装置における光パラメトリック増幅は、信号光の偏光状態に依存することはない。

光ファイバ２１、２２における増幅について説明する。ここで、光ファイバ２１、２２における増幅は、基本的には、互いに同じである。よって、以下では、非線形光学媒質における増幅として説明する。

非線形光学媒質（すなわち、光ファイバ２１または２２）において、信号光の入力パワーを「Ｐ_Sin」、パワー利得を「Ｇ_S」とすると、信号光の出力パワーＰ_Soutは下式で表される。
P_Sout＝Ｇ_S・Ｐ_Sin
ここで、利得Ｇ_Sを「１」よりも大きくすれば、信号光のパワーは増幅される。たとえば、光ファイバ２１、２２の長さおよび励起光のパワーＰ_Pを調整することにより、十分に大きな利得Ｇ_Sを得ることが可能である。このとき、非線形光学媒質における利得Ｇ_Sを飽和させることにより、信号光の偏光状態に関係なく非線形光学媒質の出力パワーを一定にする（或いは、パワー変動を抑制する）光リミッタ・アンプが実現される。そして、この光リミッタ・アンプにより、例えば、強度雑音を抑圧する波形整形が可能となる。なお、光ファイバ内の光パラメトリック増幅の応答時間は、超高速（フェムト秒オーダー）であり、テラビットを超える超高速信号の波形整形が期待できる。

図４は、非線形光学媒質において得られる利得と信号光との関係を示す図である。図４（ａ）は、信号光の入力パワーと利得の関係を示し、図４（ｂ）は、信号光の入力パワーと出力パワーの関係を示している。図４において、励起光のパワーは一定であるものとする。信号光のパワーＰ_Sinが小さいときは、利得（例えば、光パラメトリック利得）Ｇ_Sは一定（図４では、「Ｇ_S0」）である。この場合、非線形光学媒質に入力される信号光は、線形増幅される。

これに対して、信号光のパワーＰ_Sinが閾値パワーＰ₁よりも大きい領域では、光パラメトリック利得Ｇ_Sは飽和する。すなわち、信号光のパワーＰ_Sinが閾値パワーＰ₁よりも大きい領域では、信号光のパワーＰ_Sinが閾値パワーＰ₁よりも小さい領域と比較して、非線形光学媒質において得られる利得は小さくなる。

実施形態の光信号処理装置において、線形増幅を行う場合には、非線形光学媒質は、信号光のパワーを低く保つことにより、線形増幅領域で使用される。一方、光リミッタ動作を行うばあいには、非線形光学媒質は、信号光のパワーを適切に制御することにより、利得飽和領域で使用される。この場合、非線形光学媒質に入力される信号光のパワーは、図４に示す閾値パワーＰ₁と同等かあるいはそれよりも大きなパワーに調整される。

図５は、非線形光学媒質が線形増幅領域で使用される場合の動作を説明する図である。ここでは、励起光のパワーは一定であるものとする。また、信号光のパワーは、図４に示す閾値パワーＰ₁よりも十分小さい所定の値に制御されている。この場合、信号光として入力される光信号は、線形増幅される。すなわち、光信号が利得Ｇ_Sで増幅されると、その光信号に乗っている強度雑音も同様に利得Ｇ_Sで増幅される。したがって、波形整形効果または雑音抑制効果は得られない。

図６は、非線形光学媒質が利得飽和領域で使用される場合の動作を説明する図である。ここでは、励起光のパワーは一定であるものとする。また、信号光のパワーは、図４に示す閾値パワーＰ₁と同等かあるいはそれよりも大きな所定の値に制御されている。なお、
図６において付されている数値は、光パワーを表す。ただし、これらの数値は、実施形態の光信号処理装置の動作を説明するためのものであり、厳密さまたは正確さは無視している。

図６に示す例では、信号光として入力される光パルス信号の平均パワー（あるいは、光信号の「１」レベルのパワー）が「１００」である。そして、その光パルス信号のパワーは、強度雑音により「８０」から「１２０」の範囲で揺らいでいる。すなわち、強度雑音の大きさは「４０」である。ここで、非線形光学媒質の利得は飽和している。このため、光信号のパワーが大きくなると、それに応じてその光信号が受ける利得は小さくなっていく。図６に示す例では、説明を簡単にするために、光信号の入力パワーが「８０」「１００」「１２０」であるときの利得がそれぞれ「1.15」「1.10」「1.05」であるものとしている。そうすると、非線形光学媒質から出力される光パルス信号の平均パワーは「１１０」である。ところが、入力パワーが「１００」よりも大きい信号成分の増幅率は小さく、入力パワーが「１００」よりも小さい信号成分の増幅率は大きい。この結果、非線形光学媒質から出力される光パルス信号のパワー揺らぎは、「９２」から「１２６」の範囲に納まることになる。すなわち、強度雑音の大きさは「３４」に抑圧される。全体としてパワーが1.1倍に増幅されることを考慮すれば、強度揺らぎは４０パーセントから３１パーセントに低減される。

このように、実施形態の光信号処理装置においては、信号光のパワーを調整することにより、非線形光学媒質は利得飽和状態に制御されている。すなわち、非線形光学媒質は、光リミッタ・アンプとして動作する。そして、信号光は、そのようにして利得飽和状態に制御されている非線形光学媒質に入力される。したがって、光信号の「１」に相当する時間領域において強度雑音が抑制されるので、光信号の波形が整形される。また、同様の作用によって、強度の揺らぎも抑制されるので、光Ｓ／Ｎ比が改善する。

さらに、実施形態の光信号処理装置においては、非線形光学媒質として縦続接続された光ファイバ２１、２２が使用され、光ファイバ２１、２２にそれぞれｐ偏光励起光、ｓ偏光励起光が供給される。したがって、信号光の偏光に関係なく、波形整形および／または光Ｓ／Ｎ比の改善が実現される。

＜非線形光学媒質＞
図３に示す光信号処理装置では、非線形光学媒質として光ファイバ２１、２２が使用されている。光ファイバ２１、２２は、非線形光ファイバである。また、光ファイバ２１、２２は、特に限定されるものではないが、例えば、互いに同じ特性である。さらに、光ファイバ２１、２２の長さは、所望の光パラメトリック増幅効率が得られるように、或いは光リミッタ効果が最適となるように、決定される。光パラメトリック増幅の帯域を十分広範囲に確保するためには、例えば、励起光波長（λ_P1、λ_P2）を、光ファイバ２１、２２の零分散波長（λ₀）に一致または略一致するようにして線形の位相整合を図るようにしてもよい。また、励起光波長を光ファイバ２１、２２の零分散波長よりも長波長側に設定すると共に、非線形位相シフトを用いて位相整合をとるようにしてもよい。この場合、例えば、励起光波長における波長分散と、信号光と励起光の周波数差との積の値を、光ファイバの非線形光学係数、励起光パワー、光ファイバの長さの積の値の２倍に略一致させるようにしてもよい。これらの構成によれば、光パラメトリック増幅の効率が向上する。

光ファイバ２１、２２は、たとえば、非線形光学効果を高めた高非線形ファイバ（ＨＮＬＦ）が有効である。また、光ファイバ２１、２２として、コアにゲルマニウム等をドープして非線形屈折率を高めた構成、モードフィールドを小さくすることで光パワー密度を高めた構成、ビスマスガラスファイバ、カルコゲナイドガラスファイバ、フォトニック結晶ファイバ構造を用いた構成を採用するようにしてもよい。

他の非線形光学媒質として、量子井戸構造の半導体光アンプ、量子ドット構造の半導体光アンプ、シリコンフォトニクス導波路やシリコン細線等を用いることも可能である。さらに他の非線形光学媒質として、三光波混合などの２次の非線形光学効果を発生させるデバイスを利用することもできる。この場合、これらのデバイスは、例えば、擬似位相整合構造を有するLiNbO₃導波路（ＰＰＬＮ）、GaAlAs素子、あるいは２次非線形光学結晶等を用いることもできる。２次の非線形媒質を用いる場合でも、位相整合がとれる波長配置をとる構成が好ましい。

＜励起光源＞
励起光は、ＣＷ光であってもよいし、光パルスであってもよい。励起光がＣＷ光である場合は、信号光により伝送される光信号に対するタイミング制御を行う必要がないので、光信号処理装置は簡易な構成で実現される。しかし、非線形光学効果の発生効率は、励起光のピークパワーに依存する。このため、十分な利得を確保するためには、例えば、十分に増幅された励起光を光ファイバ２１、２２に入力する。また、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ：Stimulated Brillouin Scattering）が生じる場合には、入力した励起光は反射されてしまい、光パラメトリック増幅の発生が制限されてしまう。誘導ブリルアン散乱は、光ファイバの長手方向に温度分布を与える構成、あるいは励起光のスペクトルを拡大する構成を導入することで抑圧することができる。励起光のスペクトルの拡大は、例えば、信号光により伝送される信号と比べて周波数の低い位相変調や周波数変調を行うことにより実現される。

励起光が光パルスである場合には、ピークパワーを容易に高めることができるので、高い利得が実現される。しかしながら、この構成では、光信号と励起光パルスのタイミングを合わせる必要があり、タイミング再生回路等が必要になる。

この課題を回避するため、励起光として、光信号のビットレートに比べて十分に高い繰返し周波数の光パルス列を用いる構成が考えられる。この場合、励起光は、例えば、所望の繰返し周波数で発振する半導体モード同期レーザまたはファイバモード同期レーザにより生成される。あるいは、励起光は、LiNBO₃強度変調器または電解吸収型（ＥＡ：Electronic Absorption）変調器により生成されるようにしてもよい。

励起光が光パルス列である場合、光信号に対して与えられる利得の時間平均がほぼ一定になることが好ましい。この場合、励起光パルスは、一定の間隔で生成されてもよいし、そうでなくてもよい。すなわち、光信号のタイミングに同期していなくても、光パラメトリック効果を発生させることは可能である。

＜第２の実施例＞
信号光のあらゆる偏光状態に対して十分な利得飽和を発生させるためには、上述した互いに直交する１組の励起光に加え、さらに別方向の偏光状態の励起光を使用するようにしてもよい。ここでは、励起光Ｅ_P1、Ｅ_P2に対して４５度の偏光方向を有する他の１組の励起光Ｅ_P3、Ｅ_P4をさらに使用する構成を示す。

図７は、第２の実施例に係る光信号処理装置の構成を示す図である。第２の実施例の光信号処理装置は、縦続接続された光ファイバ２１〜２４を備える。光ファイバ２１〜２４は、いずれも非線形光ファイバであり、この実施例では、互いに同じ特性である。

光ファイバ２１、２２、２３、２４には、不図示の励起光源によって生成される励起光１（Ｅ_P1）、励起光２（Ｅ_P2）、励起光３（Ｅ_P3）、励起光４（Ｅ_P4）がそれぞれ与えられる。励起光１〜４の波長は、互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい
。励起光１〜４は、偏光制御器１１〜１４により、例えば、図８に示す直線偏光に制御される。すなわち、励起光１、２が互いに直交し、且つ励起光３、４が互いに直交するように制御される。さらに、励起光３が励起光１に対して＋４５度の直線偏光となり、励起光４が励起光１に対して−４５度の直線偏光となるように制御される。

さらに、光ファイバ２１〜２４の出力側には、それぞれ、信号光の波長成分を抽出するための光フィルタが設けられる。したがって、信号光は、光ファイバ２１〜２４においてそれぞれ、対応する励起光の偏光方向に光パラメトリック増幅される。

第２の実施例の光信号処理装置によれば、信号光の偏光状態による特性のばらつきがさらに抑えられる。すなわち、図３に示す構成では、図８に示す１組の励起光Ｅ_P1、Ｅ_P2のみが使用されるので、信号光の偏光方向がいずれの励起光の偏光方向に対しても大きな角度を有している場合（例えば、信号光の偏光方向が励起光Ｅ_P1、Ｅ_P2双方に対して約４５度である場合）、相対的に利得飽和が弱くなる。これに対して、第２の実施例の構成においては、さらに別の１組の励起光Ｅ_P3、Ｅ_P4が使用される。したがって、最悪のケースであっても信号光の偏光方向と励起光の偏光方向との間の角度は、２２．５度であり、十分な利得飽和を実現可能である。さらに異なる偏光状態の励起光を用意すれば、あらゆる信号光に対して、より十分な利得飽和を実現可能である。

励起光Ｅ_P1〜Ｅ_P4の波長は、互いに同じあるいは互いに異なっていてもよいが、それぞれ信号光に対して十分な光パラメトリック効果を発生するように設定される。また、励起光Ｅ_P1およびＥ_P2のパワーは、互いに同一またはほぼ同一光パラメトリック利得を発生するように設定される。同様に、励起光Ｅ_P3およびＥ_P4のパワーは、互いに同一またはほぼ同一光パラメトリック利得を発生するように設定される。

なお、第１または第２の実施例の光信号処理装置を用いて、偏光依存性のない線形の光パラメトリック増幅、四光波混合、三光波混合、波長変換、光位相共役等も実現可能である。

＜第３の実施例＞
第１および第２の実施例では、光リミッタ機能を実現するために、信号光のパワーをある程度大きくする必要がある。具体的には、信号光の入力パワーＰ_Sinは、図４において、閾値パワーＰ₁よりも大きい必要がある。しかし、信号光の入力パワーは、必ずしも閾値パワーＰ₁よりも大きくできるとは限らない。特に、複数の光信号を伝送するＷＤＭシステムにおいては、各光信号のパワーは小さい。第３の実施例の構成は、この問題を解決することができる。

図９は、第３の実施例に係る光信号処理装置の構成を示す図である。この光信号処理装置は、光ファイバ２１、２２に制御光Ｅ_Contが供給される。制御光の波長λ_Contは、信号光の波長λ_S、励起光の波長λ_P1、λ_P2と異なっている。なお、図９では、光ファイバ２１に対してのみ制御光が供給されているが、実際には、光ファイバ２２に対しても制御光が供給される。この場合、光ファイバ２１、２２に入力される制御光は、例えば、互いに独立して偏光状態およびパワーが調整される。

制御光のパワーＰ_Contは、励起光１、２のDepletionが発生するようにパワー制御器によって制御される。すなわち、制御光のパワーは、図４に示す閾値パワーＰ₁を越えるように制御される。あるいは、制御光のパワーは、制御光のパワーと信号光のパワーとの和が図４に示す閾値パワーＰ₁を越えるように制御される。

第３の実施例の構成では、上述のような制御光を使用するので、光ファイバ２１、２２
は、信号光のパワーにかかわらず常に利得飽和状態を保持する。すなわち、常に、光リミッタ機能が得られる。したがって、信号光のパワーが小さい場合であっても、強度雑音が抑制され、光Ｓ／Ｎ比が改善する。また、ＷＤＭ光により伝送される複数のチャネルの光信号は、互いにパワーが異なっていても、それぞれ強度雑音が抑制される。すなわち、複数の光信号の波形が、一括して整形される。

制御光は、偏光制御器１５により、最適なリミッタ特性となるように制御される。例えば、信号光がｐ偏光あるいはｓ偏光付近に偏った偏光状態であれば、制御光は、信号光に直交するように制御される。また、信号光が偏りのない偏光状態であれば、制御光は、p偏光およびｓ偏光に対して共通に分配される偏光となるように制御される。このとき、偏光制御器１５は、例えば、信号光の偏光状態をモニタしながら制御光の偏光状態をフィードバック制御するようにしてもよい。あるいは、偏光制御器１５は、例えば、励起光１の偏光方向および励起光２の偏光方向に対して４５度となるように制御光の偏光状態を制御するようにしてもよい。なお、光ファイバ２１、２２に対して別々の制御光を供給するようにしてもよい。

制御光は、ＣＷ光であってもよいし、光パルス列であってもよい。また、励起光としてＣＷ光を用い、制御光として光パルス列を用いるようにしてもよい。あるいは、励起光として光パルス列を用い、制御光としてＣＷ光を用いるようにしてもよい。特に、励起光としてＣＷ光を用いると共に、制御光として上述のような光パルス列を用いる場合には、制御光の光パルスが存在する時間領域で光ファイバ２１、２２の利得が飽和し、強度雑音が抑圧される。

＜他の態様の基本構成＞
図１０は、他の態様の光信号処理装置の基本構成を示す図である。図１０（ａ）に示す光信号処理装置２００は、非線形光学媒質３０、偏光ビームスプリッタ４１、偏光制御器４２を備える。非線形光学媒質３０は、基本的に、図１に示す非線形光学媒質１または２と同じであり、信号光および励起光が入力される。

偏光ビームスプリッタ４１は、図１０（ｂ）に示すように、ポートａ〜ｄを備える。偏光ビームスプリッタ４１は、ポートａの入力光を互いに直交する直線偏光に分離し、ポートｂおよびポートｃに導く。また、ポートｂの入力光およびポートｃの入力光は、偏光合成されてポートｄに導かれる。非線形光学媒質３０は、偏光ビームスプリッタ４１のポートｂとポートｃとの間に設けられる。また、偏光制御器４２は、非線形光学媒質３０に入力すべき励起光の偏光状態を制御する。

上記構成の光信号処理装置２００において、信号光Ｅ_Sおよび励起光Ｅ_Pは、偏光ビームスプリッタ４１のポートａに導かれる。偏光ビームスプリッタ４１は、ポートａの入力光のｐ偏光成分をポートｃに導き、ｓ偏光成分をポートｂに導く。すなわち、信号光Ｅ_Sのｐ偏光成分および励起光Ｅ_Pのｐ偏光成分は、ポートｃから出力され、非線形光学媒質３０を介してポートｂへ伝搬される。一方、信号光Ｅ_Sのｓ偏光成分および励起光Ｅ_Pのｓ偏光成分は、ポートｂから出力され、非線形光学媒質３０を介してポートｃへ伝搬される。このように、信号光および励起光のｐ偏光成分、及び信号光および励起光のｓ偏光成分は、非線形光学媒質３０を互いに反対方向に伝搬される。

ここで、１組の励起光（すなわち、励起光のｐ偏光およびｓ偏光）は、非線形光学媒質３０の中を互いに直交した偏光状態で反対方向に透過する。このため、信号光のｐ偏光は、励起光のｓ偏光の影響をほとんど受けず、また、信号光のｓ偏光は、励起光のｐ偏光の影響をほとんど受けない。したがって、信号光のｐ偏光は、実質的に励起光のｐ偏光のみによってパラメトリック増幅される。同様に、信号光のｓ偏光は、実質的に励起光のｓ偏光のみによってパラメトリック増幅される。すなわち、図１に示す光信号処理装置１００と実質的に同じ作用が得られ、信号光の偏光状態に依存しない光パラメトリック増幅および光リミッタを実現可能である。

偏光制御器４２は、励起光が偏光ビームスプリッタ４１によって互いにほぼ等しい偏光成分（ｐ成分およびｓ成分）に分離されるように、その励起光の偏光状態を制御する。このとき、偏光制御器４２は、励起光の偏光状態を予め制御しておいてもよいし、フィードバック制御等を行ってもよい。また、励起光を生成するための光源は、１つでよい。さらに、非線形光学媒質３０は、伝搬する光の偏光状態を保持することが好ましい。この偏光状態の保持を実現するためには、必要に応じて、図示していない偏光制御器等を用いてもよい。

＜第４の実施例＞
図１１は、第４の実施例に係る光信号処理装置の構成を示す図である。第４の実施例では、図１０に示す構成において、非線形光学媒質３０が光ファイバ３１で実現されている。この場合、光ファイバ３１は、例えば、単一モードの非線形光ファイバと偏光制御器を組合せて構成してもよいし、あるいは偏波保持ファイバを使用するようにしてもよい。

第４の実施例の構成によれば、図３に示す構成と比較して、パラメトリック増幅のための光ファイバ、励起光を生成する光源、励起光の偏光状態を制御する偏光制御器、信号光を抽出する光フィルタの数を減らすことが可能である。

＜第４の実施例の変形例（１）＞
図１２は、第４の実施例の変形例を示す図である。図１２に示す構成では、ＷＤＭカプラ４３を利用して信号光および励起光が合成される。ここで、信号光は、光サーキュレータ４４を介してＷＤＭカプラ４３に導かれる。また、励起光は、偏光制御器４２により偏光状態が制御された後にＷＤＭカプラ４３に導かれる。ＷＤＭカプラ４３により得られる合波光は、偏光ビームスプリッタ４１により互いに直交する直線偏光に分離される。偏光ビームスプリッタ４１により得られる１組の偏光成分は、光ファイバ３１内を互いに反対方向に伝搬された後、偏光ビームスプリッタ４１により偏光合成される。

偏光ビームスプリッタ４１から出力される合成光は、ＷＤＭカプラ４３に導かれる。ここで、ＷＤＭカプラ４３は、信号光の波長成分λ_Sを透過し、励起光の波長成分λ_Pを反射する特性を有している。よって、ＷＤＭカプラ４３により信号光が抽出されて光サーキュレータ４４に導かれる。これにより、パラメトリック増幅された信号光が出力される。

上記構成においては、信号光と励起光とを合成するＷＤＭカプラを利用して光フィルタ機能が実現される。また、光損失の非常に小さい光サーキュレータおよびＷＤＭカプラが実用化されている。したがって、図１２に示す構成を導入すれば、光損失を抑えた光回路の簡略化を図ることができる。なお、偏光ビームスプリッタ４１により分離された１組の偏光成分がそれぞれ直交した状態で偏光ビームスプリッタ４１に戻ってくるように、図示していない偏光制御器等を用いて、信号光および励起光の偏光状態を制御する。

＜第４の実施例の変形例（２）＞
図１３は、第４の実施例の他の変形例を示す図である。図１３に示す構成では、１組の励起光１、２が用意される。ここで、励起光１、２は、異なる光源により生成される。そして、励起光１は、偏光制御器５１によってｐ偏光に制御され、励起光２は、偏光制御器５２によってｓ偏光に制御される。偏光制御された励起光１、２は、上述の実施例と同様に、光ファイバ３１に供給される。この場合、偏光制御器５１により制御された励起光１は、光ファイバ３１を反時計回りに伝搬される。また、偏光制御器５２により制御された
励起光２は、光ファイバ３１を時計回りに伝搬される。この構成によれば、各偏光成分に対する励起光のパワーを容易に大きくすることができる。なお、さらに励起光のパワーを大きくするためには、励起光１を偏光ビームスプリッタ４１のＣポートの出口から光ファイバ３１に入力し、励起光２を偏光ビームスプリッタ４１のｂポートの出口から光ファイバ３１に入力する構成を用いてもよい。この場合、ＷＤＭカプラを用いて入力する方法が有効であり、偏光制御器５１、５２を用いて、励起光１、２を各々ｐ偏光、ｓ偏光に調整する。

＜第５の実施例＞
図１４は、第５の実施例に係る光信号処理装置の構成を示す図である。第５の実施例の光信号処理装置は、図１１に示す光回路を縦続接続することによって実現される。すなわち、後段の光回路は、光ファイバ３２、偏光ビームスプリッタ４５、偏光制御器４６を備える。ただし、後段の光回路で使用される励起光の偏光は、前段の光回路で使用される励起光の偏光に対して約４５度異なっている。例えば、前段の光回路において図８に示すｐ偏光およびｓ偏光が得られる偏光ビームスプリッタ４１を設けたときは、後段の光回路には、＋４５偏光および−４５度偏光が得られる偏光ビームスプリッタ４５を設ける。この構成により、図７に示す光信号処理装置と同等の作用が実現される。なお、特に図示しないが、前段の光回路と後段の光回路との間に、信号光の偏光を制御するための偏光制御器を設けるようにしてもよい。

＜第６の実施例＞
第６の実施例では、図１５に示すように、光信号処理装置１００（２００）に、複数の信号が波長多重（ＷＤＭ）された信号光が入力される。光信号処理装置１００は、たとえば、第１〜第５の実施例に記載した通りである。

ＷＤＭ光により伝送される複数の光信号は、一般に、互いに同期しておらず、また、偏光状態もランダムである。さらに、各光信号のピークパワーの総和は、時間領域において一定でない。このため、従来技術においては、ＷＤＭ光からチャネル毎（すなわち、波長ごと）に分離した各光信号についてそれぞれ波形整形を行っていた。

これに対して、実施形態の光信号処理装置においては、信号光の入力パワーの影響を受けることなく、光信号の強度雑音が抑制され、その光信号の波形が整形される。したがって、実施形態の光信号処理装置においては、ＷＤＭ光をチャネル毎に分離することなく、各光信号の波形を整形することができる。

光信号処理装置の出力端には、ＷＤＭ信号光の各波長の中心付近に透過帯域の中心を有する光帯域フィルタを設けるようにしてもよい。この場合、例えば、インターリーバ・フィルタやファイバ・グレーティングを組み合わせたもの等が有効である。また、光信号処理装置の出力端には、ＷＤＭ信号光の波長成分以外を遮断する帯域遮断光フィルタを用いる方法も有効である。

＜第７の実施例＞
利得飽和は、ＷＤＭ信号光の全てのチャンネルの同一タイミングでのピークパワーの総和に依存する。したがって、全ての信号に対して平均的に利得飽和を発生するために、同一タイミングでのピークパワーの総和を平均化することが有効である。

図１６は、光ファイバ２１、２２間において波長毎に異なる遅延を与える構成を示す。波長の異なる信号光に対して異なる遅延を与える構成は、例えば、波長分散媒質（遅延媒質）を用いることで実現される。一例としては、分散ファイバ（あるいは、異なる波長の光に対して異なる群速度を与える光ファイバ）により実現される。例えば、１０ｎｍ離調
した２チャンネルの１００Ｇｂ／ｓ−ＷＤＭ信号であれば、２つのチャンネル間に５ｐｓだけ遅延を与えれば平均化できる。この場合、例えば、波長分散が２０ps/nm/km程度の光ファイバを２５ｍ程度用いればよい。
なお、上記の構成を利用して、偏光依存性のない線形の光パラメトリック増幅、四光波混合、三光波混合、波長変換、光位相共役等を実現可能である。

＜第８の実施例＞
実施形態の光信号処理装置においては、光ファイバ（２１〜２４、３１、３２）内での増幅過程で信号光の位相は影響を受けない。このため、上述の波形整形方法は、光強度変調、光位相変調、または光周波数変調等で変調された信号光に適用することが可能である。

光位相変調信号光については、光リミッタ・アンプにより、位相雑音自体を抑圧するわけではないが、強度揺らぎを減らすことにより、強度揺らぎが起因となって発生する位相雑音の低減に有効である。特に、光ファイバ伝送においては、光ファイバ内の非線形光学効果により、強度雑音が位相雑音に変換される（ＡＭ／ＰＭ変換）。そして、光位相変調信号光の伝送限界は、この位相雑音に依存する。よって、実施形態の光信号処理装置を利用して強度雑音を抑圧すれば、ＡＭ／ＰＭ変換により発生する位相雑音も小さくなり、光位相変調信号光の品質が向上する。さらに、本発明により光Ｓ／Ｎ比も改善できるので、信号光を高い品質で伝送することが可能となる。

なお、ゼロレベルの揺らぎは、例えば、実施形態の光信号処理装置の前段あるいは後段に、過飽和吸収装置を配置することにより抑圧することができる。過飽和吸収装置としては、半導体過飽和吸収体、半導体アンプ、マッハツェンダー干渉型光ファイバスィッチ、非線形光ループミラー（ＮＯＬＭ）型スィッチ等がある。

＜第９の実施例＞
第９の実施例では、実施形態の光信号処理装置は、光通信システムにおいて使用される。図１７（ａ）に示す実施例では、光信号処理装置１００（２００）は、送信機６１と受信機６２との間の光伝送路上に設けられている。この場合、光信号処理装置１００は、例えば、光中継装置内に設けられる。そして、光信号処理装置１００は、光伝送路Ａから受信した光信号の波形を整形して光伝送路Ｂに導く。なお、光伝送路Ａ、Ｂは、光アンプを利用してパワー増幅しながら伝送する構成、伝送路ファイバの波長分散を補償するように最適設計された構成等であってもよい。

図１７（ｂ）に示す実施例では、光信号処理装置１００は、受信機６２の近く（または受信装置内）に設けられる。この場合、受信機６２は、波形が整形された光信号を受信することができる。

第９の実施例によれば、受信感度が改善し、伝送特性が向上する。特に、光増幅中継伝送するシステムにおいては、送信パワーの低減、光アンプの中継間隔の延長、さらには光アンプ台数の削減等の効果が期待できる。

＜第１０の実施例＞
図１８は、フィードバック系を備える光信号処理装置の構成を示す図である。ここでは、図１に示す構成に基づいて制御手順を説明するが、図１０に示す構成においても実質的に同様に適用可能である。なお、非線形光学媒質１、２は、２次または３次の非線形光学媒質（χ⁽²⁾／χ⁽³⁾）であり、例えば、上述した光ファイバ２１、２２により実現される。

偏光制御器６１ａ、６１ｂは、それぞれ、励起光１、２の偏光状態を制御する。なお、偏光制御器６１ａ、６１ｂは、それぞれ、偏光制御回路６２からの指示に従って、励起光１、２の偏光状態を制御する。また、偏光制御器６１ａ、６１ｂは、例えば、波長板型偏光コントローラ、LiNbO3型偏光コントローラ、応力型偏光コントローラ、ファラデー回転子等により実現される。

パワー制御器６３は、入力信号光のパワーを調整する。また、パワー制御器６４ａおよび６４ｂは、それぞれ、偏光制御器６１ａにより偏光状態が制御された励起光１、および偏光制御器６１ｂにより偏光状態が制御された励起光２のパワーを調整する。なお、パワー制御器６３、６４ａ、６４ｂは、それぞれ、パワー制御回路６５からの指示に従って、信号光、励起光１、励起光２のパワーを制御する。また、パワー制御器６３、６４ａ、６４ｂは、例えば、光アンプまたは光アテネータ（あるいは、光アンプと光アテネータ等との組合せ）により実現される。

偏光モニタ回路６６は、非線形光学媒質１に入力する励起光１および非線形光学媒質２に入力する励起光２の偏光状態を検出する。なお、偏光モニタ回路６６は、例えば、複数（例えば、４組）の偏光子と受光素子の組み合わせより構成される。そして、各偏光子を利用して偏光状態を表現するための偏光パラメータを検出することにより、偏光状態が測定される。

比較回路６７は、励起光１、２が互いに直交状態である場合の理想値と、偏光モニタ回路６６による測定値との差分を表すフォードバック値を出力する。一例としては、励起光１の偏光方向と励起光２の偏光方向との間の角度と「９０度」との差分が算出される。そして、偏光制御回路６２は、比較回路６７から与えられるフィードバック値が最小になるように、偏光制御器６１ａ、６１ｂに対して偏光状態を調整するための指示を与える。なお、図７および図１４に示した実施例においては、前段と後段の光回路で使用される励起光が互いに約４５度異なるように偏光調整するが、各々の光回路における励起光の偏光調整手順は上記調整方法に準じ、さらに二つの光回路の間に、図示していない偏光制御器を配置して、互いに４５度の偏光差となるように調整する。

パワーモニタ回路６８は、非線形光学媒質１、２へ入力される信号光のパワー、および非線形光学媒質１、２から出力される信号光のパワーをモニタする。なお、パワーモニタ回路６８は、例えば、信号光の波長λsを抽出するフィルタ、フィルタにより抽出された信号光を受光する受光素子を含んで構成される。パワーモニタ回路６８は、さらに、受光素子により得られる電気信号を増幅するアンプ回路を含むようにしてもよい。

比較回路６９は、信号光の入力パワー及び出力パワーに基づいて、非線形光学媒質１、２における利得をそれぞれ算出する。また、比較回路６９は、必要に応じて、信号光の入力パワーおよび／または出力パワーを所定の閾値パワーと比較する。そして、パワー制御回路６５は、比較回路６９の出力を参照し、パワー制御器６３、６４ａ、６４ｂに対して光パワーを調整するための指示を与える。

励起光源８１、８２は、それぞれ、励起光１、２を生成する。励起光１、２は、連続光であってもよし、光パルスであってもよい。また、図１８に示す実施例では、励起光１、２は異なる光源により生成されるが、励起光１、２は、１つの光源から得られる励起光を分離することで生成するようにしてもよい。

なお、特に図示しないが、上記構成の光信号処理装置は、非線形光学媒質１、２の出力側に、それぞれ光帯域フィルタを備える。光帯域フィルタは、例えば、信号光の波長と同じ透過周波数を持った光波長フィルタであ。この光帯域フィルタは、非線形光学媒質１、
２の出力光からそれぞれ信号光の波長成分を抽出する。

偏光制御器６１ａ、６１ｂ、パワー制御器６３、６４ａ、６４ｂは、例えば、下記の手順に従って調整される。
まず、偏光制御器６１ａ、６１ｂの状態を調整する。ここで、励起光１、２の偏光状態は、互いに直交状態（または、ほぼ直交状態）となるように調整される。

続いて、パワー制御回路６５がパワー制御器６４ａ、６４ｂの状態を調整する。すなわち、非線形光学媒質１、２において所望のまたは十分な光パラメトリック利得が得られるように、励起光１、２のパワーが制御される。

この後、非線形光学媒質１、２における光パラメトリック利得をモニタしながら、パワー制御器６３を利用して信号光のパワーを増加させていく。ここで、信号光の入力パワーが図４に示す閾値パワーＰ₁よりも小さいうちは、光パラメトリック利得は概ね一定である。しかし、信号光のパワーをさらに増加させ、閾値パワーＰ₁よりも大きくなると、光パラメトリック利得は飽和して低下していく。そして、パワー制御回路６５は、光パラメトリック利得が所定レベルだけ低下した時点でパワー制御器６３、６４ａ、６４ｂの調整を終了する。

なお、パワー制御器６３を用いて信号光の入力パワーを調整するだけでは非線形光学媒質１、２の双方を所望の利得飽和領域に制御できない場合は、パワー制御器６３による制御と並行してパワー制御器６４ａまたは６４ｂによる制御を行うようにしてもよい。あるいは、非線形光学媒質１、２間に信号光のパワーを調整するためのパワー制御器を設けてもよい。さらには、非線形光学媒質２に制御光を供給する構成を導入し、非線形光学媒質２の利得をモニタしながらその制御光のパワーを制御するようにしてもよい。

また、上記調整手順において光パラメトリック利得をどの程度低下させるのかは、要求される光リミッタ機能（すなわち、波形整形機能）のレベルに依存する。例えば、入力光信号の波形が比較的良好であることが見込まれるシステムでは、波形整形効果よりも利得を効率的に得ることを優先し、光パラメトリック利得を僅かに低下させるだけでもよい。一方、入力信号光の波形が大幅に劣化することが見込まれるシステムでは、十分な波形整形効果を得るために、光パラメトリック利得を大幅に低下させるようにしてもよい。さらに、上記手順に加えて、非線形光学媒質１、２から出力される信号光をモニタし、その品質（光Ｓ／Ｎ比、Ｑ値、ビットエラー率など）が最適になるように、信号光および／または励起光（場合によっては、制御光も）のパワーをフィードバック制御するようにしてもよい。

さらに、光信号処理装置は、図９に示すように、励起光とは別に制御光を利用する構成であってもよい。この場合、制御光のパワーを調整するためのパワー制御器が設けられる。そして、非線形光学媒質１、２における光パラメトリック利得をモニタしながら、制御光のパワーを増加させ、光パラメトリック利得が所定レベルだけ低下した時点でパワー制御器の調整を終了する。この場合、信号光の入力パワーは、固定したままでもよい。あるいは、信号光の入力パワーは、必要に応じて調整してもよい。例えば、信号光がＷＤＭ光である場合には、そのＷＤＭ光の総パワーをチャネル数で割り算した値が所定値に保持されるように、信号光を制御するためのパワー制御器に指示を与えるようにしてもよい。

＜実施形態の構成による効果＞
以上説明したように、実施形態の光信号処理装置によれば、光信号の波形をその偏光状態に関係なく光処理することができる。特に、実施形態の光信号処理装置を波形整形に用いる場合には、光信号の光Ｓ／Ｎ比が改善され、高速光通信システムに必要であった高度
の要求（例えば、高精度の分散補償など）が緩和され、光ネットワークの高性能化と低コスト化を実現可能である。また、実施形態によれば、光強度変調、光位相変調および光周波数変調された信号光の強度揺らぎおよび強度雑音を抑圧する光信号処理が可能である。さらに、光ネットワークにおける消費電力の低減に有効である。

上述の各実施例を含む実施形態に関し、さらに下記の付記を開示する。
（付記１）
信号光、および前記信号光と波長の異なる第１および第２の励起光が入力される非線形光学媒質と、
前記非線形光学媒質の入力側に設けられ、前記非線形光学媒質において所定の利得が得られるように前記第１および第２の励起光のパワーを制御する第１および第２のパワー制御器と、
前記非線形光学媒質の入力側に設けられ、前記第１および第２の励起光の偏光状態が互いに直交するように調整する偏光制御手段、
を備える光信号処理装置。
（付記２）
付記１に記載の光信号処理装置において、
前記非線形光学媒質において２次または３次の非線形光学効果により発生する信号光の利得が飽和するように、前記信号光のパワーを制御する第３のパワー制御器をさらに備える
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記３）
付記２に記載の光信号処理装置において、
前記非線形光学媒質へ入力される前記信号光の入力パワーおよび前記非線形光学媒質から出力される前記信号光の出力パワーをモニタするパワーモニタ手段をさらに備え、
前記第３のパワー制御器は、前記信号光の入力パワーおよび出力パワーから算出される前記非線形光学媒質における利得が低下するまで前記信号光のパワーを高める
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記４）
付記１に記載の光信号処理装置において、
前記非線形光学媒質へ入力される前記第１および第２の励起光の偏光状態をモニタする偏光モニタ手段をさらに備え、
前記偏光制御手段は、前記偏光モニタ手段によるモニタ結果に応じて、前記第１および第２の励起光の偏光状態を制御する
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記５）
付記１に記載の光信号処理装置において、
前記非線形光学媒質は、縦続接続された第１および第２の光ファイバであり、
前記偏光制御手段は、互いに直交する第１の直線偏光および第２の直線偏光を生成し、
前記第１の直線偏光が前記第１の光ファイバに入力され、前記第２の直線偏光が前記第２の光ファイバに入力される
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記６）
付記５に記載の光信号処理装置において、
前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバとの間に、信号光成分を抽出する光フィルタ、および前記光フィルタにより抽出された信号光と前記第２の直線偏光を合成する合波器を備える
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記７）
付記５に記載の光信号処理装置において、
前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバとの間に、波長毎に異なる時間遅延を与える遅延媒質を備えることを特徴とする光信号処理装置。
（付記８）
付記７に記載の光信号処理装置において、
前記遅延媒質として異なる波長の光に対して異なる群速度を与える光ファイバを用いることを特徴とする光信号処理装置。
（付記９）
付記１に記載の光信号処理装置において、
前記第１および第２の励起光は、前記信号光によって伝送される信号よりも狭いパルス幅の光パルス列であることを特徴とする光信号処理装置。
（付記１０）
付記１に記載の光信号処理装置において、
前記非線形光学媒質の入力側に設けられ、前記信号光、第１の励起光、第２の励起光と波長の異なる制御光のパワーを制御する第４のパワー制御器をさらに備え、
前記第４のパワー制御器は、前記非線形光学媒質において前記励起光による利得が飽和するように、前記制御光のパワーを制御する
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記１１）
付記１０に記載の光信号処理装置において、
前記非線形光学媒質へ入力される前記信号光の入力パワーおよび前記非線形光学媒質から出力される前記信号光の出力パワーをモニタするパワーモニタ手段をさらに備え、
前記第４のパワー制御器は、前記信号光の入力パワーおよび出力パワーから算出される前記非線形光学媒質における利得が低下するまで前記制御光のパワーを高める
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記１２）
付記１０に記載の光信号処理装置において、
前記非線形光学媒質へ入力される前記制御光の偏光状態をモニタする手段と、
前記モニタ結果に応じて、前記制御光の偏光状態を制御する手段をさらに備える
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記１３）
付記１に記載の光信号処理装置において、
前記非線形光学媒質は、平均零分散波長が前記第１および第２の励起光の波長と一致または略一致する光ファイバであることを特徴とする光信号処理装置。
（付記１４）
付記１に記載の光信号処理装置において、
前記非線形光学媒質は、前記第１および第２の励起光の波長よりも短波長側に平均零分散波長を有する光ファイバであり、
励起光波長における波長分散と、信号光と励起光の周波数差との積の値を、前記光ファイバの非線形光学係数、励起光パワー、前記光ファイバの長さの積の値の２倍に略一致させる
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記１５）
信号光、および前記信号光と波長の異なる第１〜第４の励起光が入力される非線形光学媒質と、
前記非線形光学媒質の入力側に設けられ、前記非線形光学媒質において所定の利得が得られるように前記第１〜第４の励起光のパワーを制御するパワー制御手段と、
前記非線形光学媒質の入力側に設けられ、前記第１〜第４の励起光の偏光状態が互いに約４５度の位相差を有するように調整する偏光制御手段を備え、
前記非線形光学媒質は、縦続接続された第１〜第４の光ファイバであり、
前記第１〜第４の励起光がそれぞれ前記第１〜第４の光ファイバに入力される
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記１６）
付記１５に記載の光信号処理装置において、
前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバとの間、前記第２の光ファイバと前記第３の光ファイバとの間、前記第３の光ファイバと前記第４の光ファイバとの間に、それぞれ、信号光成分を抽出する光フィルタ、および前記光フィルタにより抽出された信号光および対応する励起光を合成する合波器を備える
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記１７）
第１ポートから入力される光を互いに直交する直線偏光に分離して第２ポートおよび第３ポートに導き、前記第２ポートおよび第３ポートから入力される光を偏光合成する光分離／合成器と、
前記光分離／合成器の第２ポートと第３ポートとの間に設けられる非線形光学媒質と、
前記非線形光学媒質に入力すべき励起光の偏光状態を制御する偏光制御手段と、
信号光および前記偏光制御手段により偏光状態が制御された励起光を前記光分離／合成器の第１ポートに導く光デバイス、
を備える光信号処理装置。
（付記１８）
付記１７に記載の光信号処理装置において、
前記偏光制御手段は、前記励起光が前記光分離／合成器によってほぼ等しいパワーを持った互いに直交する１組の直線偏光成分に分離されるように、前記励起光の偏光状態を制御することを特徴とする光信号処理装置。
（付記１９）
付記１７に記載の光信号処理装置において、
前記偏光制御手段は、前記光分離／合成器により得られる互いに直交する１組の直線偏光と同じ偏光状態を有する第１および第２の励起光を生成し、
前記光デバイスは、前記信号光と共に前記第１および第２の励起光を前記光分離／合成器の第１ポートに導く
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記２０）
第１の光回路および前記第１の光回路の出力側に設けられる第２の光回路を備える光信号処理装置であって、
前記第１の光回路および第２の光回路は、それぞれ、
第１ポートから入力される光を互いに直交する直線偏光に分離して第２ポートおよび第３ポートに導き、前記第２ポートおよび第３ポートから入力される光を偏光合成する光分離／合成器と、
前記光分離／合成器の第２ポートと第３ポートとの間に設けられる非線形光学媒質と、
前記非線形光学媒質に入力すべき励起光の偏光状態を制御する偏光制御手段と、
信号光および前記偏光制御手段により偏光状態が制御された励起光を前記光分離／合成器の第１ポートに導く光デバイス、を備え、
前記第２の光回路で使用される励起光の偏光は、前記第１の光回路で使用される励起光の偏光に対して約４５度異なっている
ことを特徴とする光信号処理装置。
（付記２１）
付記１〜２０のいずれか１つの付記に記載の光信号処理装置において、
前記信号光は、複数の光信号を伝送する波長多重光であることを特徴とする光信号処理装置。

実施形態の光信号処理装置の基本構成を示す図である。 光Depletionについて説明する図である。 第１の実施例に係る光信号処理装置の構成を示す図である。 非線形光学媒質の利得と信号光との関係を示す図である。 非線形光学媒質が線形増幅領域で使用される場合の動作を説明する図である。 非線形光学媒質が利得飽和領域で使用される場合の動作を説明する図である。 第２の実施例に係る光信号処理装置の構成を示す図である。 第２の実施例における励起光の偏光を示す図である。 第３の実施例に係る光信号処理装置の構成を示す図である。 他の態様の光信号処理装置の基本構成を示す図である。 第４の実施例に係る光信号処理装置の構成を示す図である。 第４の実施例の変形例を示す図である。 第４の実施例の他の変形例を示す図である。 第５の実施例に係る光信号処理装置の構成を示す図である。 ＷＤＭ光を処理する構成を示す図である。 波長ごとに異なる遅延を与える構成を示す図である。 通信システムにおいて光信号処理装置を使用する構成を示す図である。 フィードバック系を備える光信号処理装置の構成を示す図である。

符号の説明

１、２ 非線形光学媒質
１１〜１５ 偏光制御器
２１〜２４ 光ファイバ
３０ 非線形光学媒質
３１、３２ 光ファイバ
４１、４５ 光ビームスプリッタ
４２、４６ 偏光制御器
４３ ＷＤＭカプラ
４４ 光サーキュレータ
５１、５２ 偏光制御器
６１ａ、６１ｂ 偏光制御器
６２ 偏光制御回路
６３ パワー制御器
６４ａ、６４ｂ パワー制御器
６５ パワー制御回路
６６ 偏光モニタ回路
６７、６９ 比較回路
６８ パワーモニタ回路
８１、８２ 励起光源

Claims (10)

1. 信号光、および前記信号光と波長の異なる第１および第２の励起光が入力される非線形光学媒質と、
   前記非線形光学媒質の入力側に設けられ、前記非線形光学媒質において所定の利得が得られるように前記第１および第２の励起光のパワーを制御する第１および第２のパワー制御器と、
   前記非線形光学媒質の入力側に設けられ、前記第１および第２の励起光の偏光状態が互いに直交するように調整する偏光制御手段、
   を備える光信号処理装置。
2. 請求項１に記載の光信号処理装置において、
   前記非線形光学媒質において２次または３次の非線形光学効果により発生する信号光の利得が飽和するように、前記信号光のパワーを制御する第３のパワー制御器をさらに備える
   ことを特徴とする光信号処理装置。
3. 請求項２に記載の光信号処理装置において、
   前記非線形光学媒質へ入力される前記信号光の入力パワーおよび前記非線形光学媒質から出力される前記信号光の出力パワーをモニタするパワーモニタ手段をさらに備え、
   前記第３のパワー制御器は、前記信号光の入力パワーおよび出力パワーから算出される前記非線形光学媒質における利得が低下するまで前記信号光のパワーを高める
   ことを特徴とする光信号処理装置。
4. 請求項１に記載の光信号処理装置において、
   前記非線形光学媒質へ入力される前記第１および第２の励起光の偏光状態をモニタする偏光モニタ手段をさらに備え、
   前記偏光制御手段は、前記偏光モニタ手段によるモニタ結果に応じて、前記第１および第２の励起光の偏光状態を制御する
   ことを特徴とする光信号処理装置。
5. 請求項１に記載の光信号処理装置において、
   前記非線形光学媒質は、縦続接続された第１および第２の光ファイバであり、
   前記偏光制御手段は、互いに直交する第１の直線偏光および第２の直線偏光を生成し、
   前記第１の直線偏光が前記第１の光ファイバに入力され、前記第２の直線偏光が前記第２の光ファイバに入力される
   ことを特徴とする光信号処理装置。
6. 請求項１に記載の光信号処理装置において、
   前記非線形光学媒質の入力側に設けられ、前記信号光、第１の励起光、第２の励起光と波長の異なる制御光のパワーを制御する第４のパワー制御器をさらに備え、
   前記第４のパワー制御器は、前記非線形光学媒質において前記励起光による利得が飽和するように、前記制御光のパワーを制御する
   ことを特徴とする光信号処理装置。
7. 信号光、および前記信号光と波長の異なる第１〜第４の励起光が入力される非線形光学媒質と、
   前記非線形光学媒質の入力側に設けられ、前記非線形光学媒質において所定の利得が得られるように前記第１〜第４の励起光のパワーを制御するパワー制御手段と、
   前記非線形光学媒質の入力側に設けられ、前記第１〜第４の励起光の偏光状態が互いに
   約４５度の位相差を有するように調整する偏光制御手段を備え、
   前記非線形光学媒質は、縦続接続された第１〜第４の光ファイバであり、
   前記第１〜第４の励起光がそれぞれ前記第１〜第４の光ファイバに入力される
   ことを特徴とする光信号処理装置。
8. 第１ポートから入力される光を互いに直交する直線偏光に分離して第２ポートおよび第３ポートに導き、前記第２ポートおよび第３ポートから入力される光を偏光合成する光分離／合成器と、
   前記光分離／合成器の第２ポートと第３ポートとの間に設けられる非線形光学媒質と、
   前記非線形光学媒質に入力すべき励起光の偏光状態を制御する偏光制御手段と、
   信号光および前記偏光制御手段により偏光状態が制御された励起光を前記光分離／合成器の第１ポートに導く光デバイス、
   を備える光信号処理装置。
9. 請求項８に記載の光信号処理装置において、
   前記偏光制御手段は、前記励起光が前記光分離／合成器によってほぼ等しいパワーを持った互いに直交する１組の直線偏光成分に分離されるように、前記励起光の偏光状態を制御することを特徴とする光信号処理装置。
10. 第１の光回路および前記第１の光回路の出力側に設けられる第２の光回路を備える光信号処理装置であって、
    前記第１の光回路および第２の光回路は、それぞれ、
    第１ポートから入力される光を互いに直交する直線偏光に分離して第２ポートおよび第３ポートに導き、前記第２ポートおよび第３ポートから入力される光を偏光合成する光分離／合成器と、
    前記光分離／合成器の第２ポートと第３ポートとの間に設けられる非線形光学媒質と、
    前記非線形光学媒質に入力すべき励起光の偏光状態を制御する偏光制御手段と、
    信号光および前記偏光制御手段により偏光状態が制御された励起光を前記光分離／合成器の第１ポートに導く光デバイス、を備え、
    前記第２の光回路で使用される励起光の偏光は、前記第１の光回路で使用される励起光の偏光に対して約４５度異なっている
    ことを特徴とする光信号処理装置。

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