図1は本発明の光ループ装置および周波数変 換方法の第1実施形態を示す説明図である。� �1において、光ループ装置1は光導波路ループ (図1では、光ファイバーループ)11と光路選択� ��12とを備えており、光導波路ループ11は周波 数シフタ13と光増幅器14とを有している。
 光ループ装置1に入射されるレーザ光パルス は、レーザ光源パルス源100により生成される 。レーザ光パルス源100からのレーザ光は、図 2(A)に示すように光強度変調器102により変調(� ��部変調)することができる。すなわち、光強 度変調器102は、レーザ101からのレーザ光(種� �)を入射し、当該入射レーザ光を光強度変調� ��てレーザ光パルスLP(単一パルスまたは複数� ��ルスからなる)として出力する。また、光強 度変調器102を用いず、図2(B)に示すように、� �ーザ光パルス源100で生成されるレーザ光を� �接強度変調するようにしてもよい。

 また、図2(A),(B)に示すように、レーザ101に� �波長ロッカ103を付属させることができ、レ� �ザ101が出射するレーザ光の波長をロックで� �る。
 光ループ制御部110は、光路選択器12および� �波数シフタ13に制御信号を送出し、光導波路 ループ11へのレーザ光パルスの導入、光導波� ��ループ11をバイパスする光路へのレーザ光� �ルスの送出、光導波路ループ11で周回する周 波数被変換レーザ光の当該光導波路ループ11� ��への閉じ込め、光導波路ループ11を周回す� �周波数被変換レーザ光のループ外への(上述� ��たバイパス光路への)送出といった制御を行 う。図1,図2(A),(B)および図3以降では、光ルー� ��制御部からの制御信号を破線で示す。また� ��図1では、光ループ制御部110は、レーザ光源 パルス源100に、強度変調のための同期制御信 号を送出している。図1、図2(A),(B)および図3� �降では、この同期信号も破線矢印で示して� �る。
 なお、レーザ光パルスLPの時間幅T _LP 、光導波路ループ11をレーザ光パルスLPが1周� ��る時間T _FL との間には、T _LP <T _FL の関係がある。

 光路選択器12は、レーザ光パルスLPを光導波 路ループ11に導入する光路、または光導波路� ��ープ11をバイパスする光路の少なくとも一� �を選択することができる。レーザ光パルスLP が光導波路ループ11に導入されると、入射し� ��レーザ光パルスLPは当該光導波路ループ11内 でN周回(Nは正の整数)され、所定周回のタイ� �ングで当該光導波路ループ11の外部に周波数 被変換レーザ光LM _N として出射される。周波数被変換レーザ光LM _N の出射も光路選択器12が行う。
 具体的には、光路選択器12は、後述する図3( A),(B)、図4(A),(B)、図5(A),(B),(C),(D)に示すように 、LNスイッチ、非線形光学効果スイッチによ� ��構成することもできるし、後述する図8(A),(B )に示すようにSOA(半導体光増幅器)を含んで構 成することもできる。

 周波数シフタ13は、光導波路ループ11内を周 回する光を周波数変換して周波数被変換レー ザ光を生成する。すなわち、まず、入射した レーザ光パルスLPを周波数変換して、第1周回 の周波数被変換レーザ光LM ₁ を生成する。
 つぎに、第1周回の周波数被変換レーザ光LM ₁ を周波数変換(所定間隔シフト)して、第2周回 の周波数被変換レーザ光LM ₂ を生成する。
 さらに、第2周回の周波数被変換レーザ光LM ₂ を周波数変換(所定間隔シフト)して、第3周回 の周波数被変換レーザ光LM ₃ を生成する。

 以下、同様して、周波数被変換レーザ光LM _N が生成されるまで、周回する周波数被変換レ ーザ光の周波数変換(所定間隔シフト)を行う� ��
 すなわち、第2周回以降、第k周回の周波数� �変換レーザ光LM _k を周波数変換(所定間隔シフト)して、第(k+1)� �回の周波数被変換レーザ光LM _k+1 (k=2,・・・,N-1)を生成する。周波数シフタ13と しては、例えば単側波帯(SSB)光変調器や音響� ��学(AO)変調器などを用いることができる。

 光増幅器14は、光導波路ループ11をレーザ 光が周回するとき、その損失を補うようにレ ーザ光を増幅する。図1に示したように、光� �幅器14は、周波数シフタ13の後段にあっても� ��いし、周波数シフタ13の前段にあってもよ� �。なお、光増幅器14は当該増幅器を出た後の 光出力レベルが常に一定となるような、利得 一定制御のモードで動作させることが、安定 な動作の観点から望ましい。

 光路選択器12は、周回数(周波数シフタを通� ��する回数)に対応する所定タイミングで、周 回数Nに対応する所定タイミングで、周波数� �変換レーザ光LM _N を光導波路ループ11の外部に出射する。

 光路選択器12としてメカニカル型光スイッ� �、干渉型光スイッチ、偏光制御型光スイッ� �を使用した例を図3(A),(B)、図4(A),(B)、図5(A),(B ),(C),(D)により説明する。
 図3(A),(B)では、光路選択器12として、バーモ ードとクロスモードとを有する2×2光スイッ� �を用いた例を示している。図3(A)に示すよう� ��、2×2光スイッチSW _2×2 がクロスモード(入力端子a1が出力端子b2に接� ��され、入力端子a2が出力端子b1に接続されて いる)のときは、レーザ光パルスLPを光導波路 ループ11に入射するとともに、2×2光スイッチ SW _2×2 から第N周回の周波数被変換レーザ光LM _N を出射する。また、図3(B)に示すように、2×2� ��スイッチSW _2×2 がバーモード(入力端子a1が出力端子b1に接続� ��れ、入力端子a2が出力端子b2に接続されてい る)のときは、レーザ光パルスLPを、光導波路 ループ11に入射させずに周波数被変換レーザ� ��LM _N が出射される光路に送出し、かつ周回する周 波数被変換レーザ光を光導波路ループ11内に� ��じ込める。

 2×2光スイッチSW _2×2 のスイッチング時間(スイッチング周期)は光� ��波路ループ11をレーザ光が1周する時間(たと えば、100μsec)よりも十分に短いことが望まし い。すなわち、2×2光スイッチSW _2×2 のスイッチング時間T _SW と、光導波路ループ11をレーザ光パルスLPが1� ��する時間T _FL との間には、T _SW ≪T _FL の関係があることが望ましい。

 図4(A),(B)では、光路選択器12として、カプラ CPと1×2光スイッチを用いた例を示している。 図4(A)に示すように、レーザ光パルスLPはカプ ラCPLを介して1×2光スイッチSW _1×2 に入射される。1×2光スイッチSW _1×2 が、一方のモード(入力端子aが出力端子b2に� �続されている)にあるときは、レーザ光パル� ��LPを光導波路ループに入射するように動作� �、周回する周波数被変換レーザ光は光導波� �ループ11内に閉じ込められる。また、図4(B)� �示すように、1×2光スイッチSW _1×2 が、他方のモード(入力端子aが出力端子b1に� �続されている)にあるときは、2×1光スイッチ SW _2×1 から第N周回の周波数被変換レーザ光LM _N を出射する。

 2×1光スイッチSW _2×1 のスイッチング時間(スイッチング周期)は光� ��波路ループ11をレーザ光が1周する時間より� ��十分に短いことが望ましい。すなわち、2×1 光スイッチSW _2×1 のスイッチング時間T _SW と、光導波路ループ11をレーザ光パルスLPが1� ��する時間T _FL との間には、T _SW ≪T _FL の関係があることが望ましい。

 図5(A),(B),(C),(D)では、光路選択器12として、2 ×1光スイッチSW _2×1 と1×2光スイッチSW _1×2 とを用いた例を示している。図5(A)に示すよ� �に、2×1光スイッチSW _2×1 と1×2光スイッチSW _1×2 とが第1のモード(SW _2×1 の入力端子a1が出力端子bに接続され、SW _1×2 の入力端子cが出力端子d2に接続されている)� �あるときは、レーザ光パルスLPは光導波路ル ープ11に入射する。

 図5(B)に示すように、2×1光スイッチSW _2×1 と1×2光スイッチSW _1×2 とが第2のモード(SW _2×1 の入力端子a2が出力端子bに接続され、SW _1×2 の入力端子cが出力端子d2に接続されている)� �あるときは、光導波路ループ11を周回する周 波数被変換レーザ光は光導波路ループ11内に� ��じ込められる。

 図5(C)に示すように、2×1光スイッチSW _2×1 と1×2光スイッチSW _1×2 とが第3のモード(SW _2×1 の入力端子a2が出力端子bに接続され、SW _1×2 の入力端子cが出力端子d1に接続されている)� �あるときは、光導波路ループ11を周回する周 波数被変換レーザ光は、1×2光スイッチSW _1×2 から第N周回の周波数被変換レーザ光LM _N として出射される。

 図5(D)に示すように、2×1光スイッチSW _2×1 と1×2光スイッチSW _1×2 とが第4のモード(SW _2×1 の入力端子a1が出力端子bに接続され、SW _1×2 の入力端子cが出力端子d1に接続されている)� �あるときは、レーザ光パルスLPは光導波路ル ープ11に入射されることなく素通りする。

 第1のモードから第2のモードに移行する時� �は光導波路ループ11をレーザ光が1周する時� �よりも十分に短いことが望ましい。すなわ� �、第1のモードと第2のモードの時間T _M1-M2 と、光導波路ループ11をレーザ光パルスLPが1� ��する時間T _FL との間には、T _M1-M2 ≪T _FL の関係があることが望ましい。

 ところで、図3から図5に示したスイッチは� �高速動作ができる干渉型光スイッチや偏光� �御型光スイッチである。しかし、これらの� �イッチでは、消光比が不十分であり、光導� �路ループ11に残存した光がノイズとなるSN比� ��悪くなるという問題がある。
 この不都合を解消するために、図6に示すよ うに、光ゲートスイッチ15を光導波路ループ1 1内に設けることができる。図6では、光ゲー� ��スイッチ15は周波数シフタ13および光増幅器 14の前段に設けてある。周波数被変換レーザ� ��LM _N が光導波路ループ11から出射するタイミング� ��同期して、光ゲートスイッチ15をオフし再� �ループしようとする光成分を消光すること� �、光路選択器12の消光比を補うことができる 。図6のレーザ光パルス源100でも、レーザ光LP の光強度を外部変調することもできるし直接 変調することもできる。

 図7に、光路選択器として2×2光スイッチSW _2×2 を用いたときの図6の光ループ装置1のタイム� ��ャートを示す。図7にけるS1,S2,S3は、図6に示 した光ループ制御部110がレーザ光パルス源100 ,光路選択器12,光ゲートスイッチ15に送出する 制御信号の状態を示している。1回目周回に� �いてS1がON(Hレベル)となりレーザ光パルスLP� �生成されると同時に、SW _2×2 がクロスモードになる(S2がCROSS)。これにより 、レーザ光パルスLPが光導波路ループ11に導� �される。このとき、光ゲートスイッチ15はOFF (S3がOFF)となる。この後、ただちにSW _2×2 がバーモード(S2がBAR)になるとともに、光ゲ� �トスイッチ15がON(S3がON)となり、レーザ光パ� ��スLPは光導波路ループ11内で周回する。周回 する間レーザ光パルスは周波数変換される。 周回するレーザ光(周波数被変換レーザ光)がN 周回するときに、SW _2×2 がクロスモードになる(S2がCROSS)とともに、光 ゲートスイッチ15がOFF(S3がOFF)となり、周波数 被変換レーザ光LM _N が出射される。なお、図6において、光ルー� �制御部110が周波数シフタ13に送出する信号S4� ��、周波数のシフト量を決めるプリセット信� ��である。

 上記の実施形態では、光路選択器12と光増� �器14とを別構成とした例を説明したが、図8(A ),(B)に示すように、光路選択器12と光増幅器14 との機能を1つの部材とした光増幅器内蔵光� �選択器12’が設けられている。
 図8(B)に示すように、光増幅器内蔵光路選択 器12’はカプラ(3dBカプラ)121と、半導体光増� �器(SOA)122,123とからなる。カプラ(3dBカプラ)121 は、入射したレーザ光パルスLPをSOA122,123に分 波できる。
 SOA122は、アクティブまたはインアクティブ� ��されることでスイッチとして機能すること� ��でき、アクティブとなったときにだけレー� ��光パルスLPを光導波路ループ11に出射するこ とができる。なお、SOA123は、3dBカプラ121から 分波したレーザ光パルスLPを増幅して出力す� ��。
 SOA123は、SOA122と同様(アクティブまたはイン アクティブとすることで)、スイッチとして� �作をさせてもよい。図8(B)では、SOA123は、常� ��アクティブとされる。

 図9により、上記の光ループ装置1をスペク� �ル計測装置として使用した実施形態を説明� �る。図9のスペクトル計測装置2においては、 レーザ光パルス源100および光ループ装置1は� �上述した構成と同一である。光ループ装置1� ��は、光導波路ループ11,光路選択器12,周波数� ��フタ13,光増幅器14,光ゲートスイッチ15およ� �微調用の周波数シフタ13が形成されている。
 スペクトル計測装置2は、図1の光ループ装� �1の出力である周波数被変換レーザ光LM _N の出力を、さらに微調用の周波数シフタ16を� ��してさらに細かく光周波数を変換、掃引し� ��試料21に照射し、光検出器22により試料21を� ��過(あるいは反射)した光の強度を検出する� �

 本実施形態では、光検出器22が出力する� �出信号はコンピュータ23に送られ、コンピュ ータ23はこの信号に基づきスペクトル解析を� ��う。なお、コンピュータ23は、本発明にお� �る制御処理装置であり、周波数シフタ16の掃 引を制御している。なお、図9でも、光ゲー� �スイッチ15は周波数シフタ13および光増幅器1 4の前段に設けられている。光増幅器14は、周 波数シフタ13の後段にあってもよいし、前段� ��あってもよい。また、光路選択器12および� �増幅器14に代えて、図8(A),(B)に示した光増幅� ��内蔵光路選択器12’を用いてもよい。

 図10,図11,図12および図13に、ハイブリッド集 積した本発明の光ループ装置の実施形態を説 明する。
 図10では、光ループ装置1(光導波路ループ11� ��光路選択器12、周波数シフタ13、光増幅器14) が、基板17上に集積されている。図11では、� �強度変調器102と光ループ装置1(光導波路ルー プ11、光路選択器12、周波数シフタ13、光増幅 器14)とが、基板17上に集積されている。図12� �は、レーザ光パルス源100と光ループ装置1(光 導波路ループ11、光路選択器12、周波数シフ� �13、光増幅器14)とが、基板17上に集積されて� ��る。
 図10,図11,図12では、光導波路ループ11は、基 板17上に渦巻き状にパターン形成されている� ��光導波路ループ11はガラス基板上またはガ� �ス基板内に形成される。また、図示はしな� �が、たとえば、基板17上に光導波路ループ11� ��みを形成し、この基板17と、光路選択器12と 、周波数シフタ13と、光増幅器14と、光強度� �調器102とを結合するように構成できる。ま� �、基板17上に、光導波路ループ11と、光路選� ��器12,周波数シフタ13,光増幅器14,光強度変調� ��102の少なくとも1つとを集積するようにもで きる。もちろん、図9で説明した微調用の周� �数シフタ16を基板17に集積することもできる� ��
 図13では、光増幅器内蔵光路選択器12’(図8( A),(B)参照)を用いて光ループ装置1が構成され� ��いる。

 図14は、光信号遅延回路として使用される� �発明の光ループ装置の実施形態を示す説明� �である。図14では光信号遅延回路(光ループ� �置)3は、通信回線36に接続されている。光信� ��遅延回路3は、光導波路ループ31を備え、光� ��波路ループ31は、光路選択器32と、光増幅器 33と、フィルタ34と、光ゲートスイッチ35とを 有している。
 光路選択器32は、レーザ光パルス(光パケッ� ��LP)を入射し、入射した光パケットLPを光導� �路ループ31内で少なくとも1回周回させる。� �増幅器33は、光導波路ループ31を周回する光� ��ケットLPを増幅し、ループ内での減衰を防� �する。この光増幅器33は、光導波路ループ31� ��であればどこにあってもよい。

 フィルタ34は、周回するレーザパケットLPの 波形を元の形状に整形する。そして、光導波 路ループ31を周回する光パケットLPは、周回� �Nに対応する所定タイミングで、光路選択器3 2により、光導波路ループ31の外部に出射され る。
 光ゲートスイッチ35は光増幅器33の前段に設 けてあり、周回する光パケットLPが光導波路� ��ープ31から出射するタイミングに同期して� �光ゲートスイッチ35をオフし再びループしよ うとする光成分を消光することで、光路選択 器32の消光比を補うことができる。

 以上のようにして、光信号遅延回路3は、レ ーザ光パルス群からなる光パケットLPを所定� ��離散時間だけ遅延させることができる。
 たとえば、将来のフォトニックネットワー� ��においては、パケットを光信号のままルー� ��ィング処理することが予想されるが、その� ��合には、光信号を可変な時間遅延するため� ��光メモリとして、図14の光信号遅延回路3を� ��用することができる。図14の光信号遅延回� �3でも、光路選択器32を、図3、図4および図5� �説明した光スイッチにより構成できる。
 また、光路選択器を図8(A),(B)に示した光増� �器内蔵光路選択器12’と同様に構成でき、こ の場合には光増幅器33を省略することができ� ��。

 さらに、図15に示すように、光導波路ル� �プ31を基板上にパターン形成し、光路選択器 32,光増幅器33,フィルタ34と一体に形成するこ� ��もできる。また、図8(B)に示した光増幅器内 蔵光路選択器12’と同様の構成の光増幅器内� ��光路選択器32’を使用する場合には、図16に 示すように光増幅器33を省略することができ� ��。なお、図示はしないが、図14,図15および� �16の光信号遅延回路3には、他の光学要素(カ� ��ラ等)を設けることもできる。