JP4771833B2 - 光パラメトリック増幅器 - Google Patents
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Description
近年、光ファイバの非線形性が従来に比べ向上しており、その光ファイバの非線形光学効果を積極的に用いた超高速の光スイッチや光サンプリング技術への適用が提案されている。上記の非線形光学効果とは、例えばガラス中に比較的強いパワーの光を伝搬させたときに、光強度に応じてガラスの物性が変化して、光学的な応答が線形性を失う現象のことを意味する。
一般的な光パラメトリック増幅器では、例えば図7の上段に示すように、信号光源101から出射される波長λsの信号光パルスSおよびポンプ光源102から出射される波長λpのポンプ光パルスPが、偏光コントローラ103,104および合波器105を介して非線形ファイバ106に与えられ、該非線形ファイバ106を伝搬した光が帯域通過光フィルタ107を通過することでパラメトリック増幅された信号光Sが外部に出力される。ポンプ光波長λpは、図7の下段に示すように非線形ファイバ106の零分散波長λ0に一致(λp=λ0)するように設定されており、図中のΔλは信号光波長λsとポンプ光波長λpの間隔(離調量)を示している。このような構成の光パラメトリック増幅器では、パラメトリック利得の発生を支配する要因として次のような事項が挙げられる。
(i)4光波混合に由来する要因
(ii)信号光Sとポンプ光Pの間のウォークオフ(walk-off)に由来する要因
よって、パラメトリック利得の広帯域化および高利得化を実現するためには、上記(i)および(ii)の要因を考慮した設計を行うことが必要となる。
また、位相整合条件Δβは、信号光波長λs、ポンプ光波長λp、非線形ファイバ106の零分散波長λ0および分散スロープdDC/dλを用いて表される次の(2)式が成り立つ時に満たされる。
上記(1)式および(2)式の関係を考慮すると、光パラメトリック増幅器において高利得を実現するためには、例えば2つの波長のポンプ光を用いた2波長励起が有効である。しかし、2波長励起による光パラメトリック増幅器は、文字通り2つのポンプ光源を必要とするためコスト面で不利になってしまうという問題点がある。
図1は、本発明による光パラメトリック増幅器の第1実施形態の構成を示す図である。
図1において、本実施形態の光パラメトリック増幅器は、例えば、信号光Sを発生する信号光源1と、ポンプ光Pを発生するポンプ光源2と、偏光制御器としての偏光コントローラ3,4と、信号光Sおよびポンプ光Pを合波する合波器5と、非線形増幅部としてのn本の偏波保持高非線形光ファイバ(以下、HNLFと表記する)6−1,6−2,…,6−nと、信号光抽出部としての帯域通過光フィルタ7と、を備えて構成される。
ポンプ光源2は、一般的な連続光源またはパルス光源が用いられ、信号光波長および各HNLF6−1〜6−nの零分散波長を考慮して予め設定した波長λpおよび光パワーPpを有するポンプ光Pを発生し、該ポンプ光Pを偏光コントローラ4に出力する。
各HNLF6−1〜6−nは、合波器5の出力端と帯域通過光フィルタ7の入力端の間に直列に接続されており、各々の零分散波長および分散スロープが互いに異なる値に設定されている。各HNLF6−1〜6−nは、一般的な光パラメトリック増幅器で用いられている非線形ファイバと比べて高い非線形性を有しており、非線形光学効果が実質的に得られる距離(非線形距離)が群速度分散の生じる距離(分散距離)よりも十分に短くなっている。このようなHNLFを非線形増幅媒体として用いることにより、非線形増幅媒体の短尺化が図られる。なお、ここではHNLFを使用する一例を示したが、本発明に適用可能な非線形増幅媒体はこれに限らず、例えば非線形光学結晶などを用いてもよく、零分散波長および分散スロープを適宜選択することが可能であれば媒体の形状等は問わない。
なお、図2には各HNLF6−1〜6−nのファイバ長L01〜L0nが略同じになるような一例を示したが、本発明における非線形増幅媒体の長さは所望のパラメトリック利得帯域特性に応じて適宜に調整することが可能である。
次に、第1実施形態の動作について説明する。
上記のような構成の光パラメトリック増幅器では、信号光源1からの信号光Sおよびポンプ光源2からのポンプ光Pが、各偏光コントローラ3,4および合波器5により同一の偏光状態で合波されてHNLF6−1の入力端に送られる。HNLF6−1に与えられた信号光Sおよびポンプ光Pは、多段化されたHNLF6−1〜6−nを順に伝搬し、各HNLF6−1〜6−nにおけるポンプ光Pによる非線形光学効果で信号光Sがパラメトリック増幅される。
図6は、本発明による光パラメトリック増幅器の第2実施形態の構成を示す図である。
図6において、本実施形態の光パラメトリック増幅器は、上述の図1に示した第1実施形態の構成について、n個のHNLF6−1〜6−nのうちのm個(1<m<n)のHNLF6−1〜6−mを直列に接続するとともに、n−m個のHNLF6−m+1〜6−nを直列に接続し、それらHNLF6−1〜6−mとHNLF6−m+1〜6−nとを分波器8および合波器9を用いて並列に接続するようにして、n個のHNLF6−1〜6−nを多段構成としている。HNLF6−1〜6−mおよび6−m+1〜6−nの零分散波長λ01〜λ0mおよびλ0m+1〜λ0nは、第1実施形態の場合と同様に、後段のHNLFになるほど短くなり、λ01>λ02>…>λ0mおよびλ0m+1>λ0m+2>…>λ0nという相対的な関係を持つように設定されている。また、HNLF6−1〜6−mおよび6−m+1〜6−nの分散スロープDS01〜DS0mおよびDS0m+1〜DS0nも、第1実施形態の場合と同様に、後段のHNLFになるほど急峻となり、DS01<DS02<…<DS0mおよびDS0m+1<DS0m+2<…<DS0nという相対的な関係を持つように設定されている。
上記のような構成の光パラメトリック増幅器では、信号光源1からの信号光Sおよびポンプ光源2からのポンプ光Pが、各偏光コントローラ3,4および合波器5により同一の偏光状態で合波され、さらにその合波光が分波器8で2分岐されて一方の分岐光がHNLF6−1に送られ、他方の分岐光がHNLF6−m+1に送られる。HNLF6−1に与えられた信号光Sおよびポンプ光Pは、直列に接続されたHNLF6−1〜6−mを順に伝搬し、上述した第1実施形態の場合と同様の動作原理に従って、各HNLF6−1〜6−mにおけるポンプ光Pによる非線形光学効果で信号光Sがパラメトリック増幅される。HNLF6−m+1に与えられた信号光Sおよびポンプ光Pも同様にして、直列に接続されたHNLF6−m+1〜6−nを順に伝搬してパラメトリック増幅される。さらに、HNLF6−1〜6−mでパラメトリック増幅された信号光Sについては、遅延付加器10で所要の時間遅延が与えられ、HNLF6−m+1〜6−nでパラメトリック増幅された信号光Sに対する時間差が補正される。そして、遅延付加器10およびHNLF6−nからの各出力光が合波器9で合波されて帯域通過光フィルタ7に与えられ、合波光に含まれる信号光成分が抽出される。これにより、パラメトリック増幅された信号光Sが帯域通過光フィルタ7から外部に出力されるようになる。
なお、上述した第1、第2実施形態では、多段構成のHNLFを利用して光パラメトリック増幅器の高利得化と広帯域化を同時に実現する構成例を示したが、例えば上述の図7に示したような単一の非線形ファイバを利用した光パラメトリック増幅器について、図3に示したようなパラメトリック利得のピーク波長の分散スロープ依存性を応用し、非線形ファイバの分散スロープを所望の信号光波長に対応させて設定することで、信号光波長の近傍にパラメトリック利得のピーク波長を位置させることができるようになる。このため、単一の非線形ファイバを利用した光パラメトリック増幅器についても分散スロープを最適設計することで、構成を複雑にすることなく高利得化を実現することが可能になる。
前記非線形増幅部は、互いに異なる零分散波長および分散スロープを有する複数の非線形増幅媒体を多段接続して構成されたことを特徴とする光パラメトリック増幅器。
前記複数の非線形増幅媒体は、各々の零分散波長がポンプ光波長よりも短波長側にあり、かつ、相対的に信号光入力側に位置する非線形増幅媒体の零分散波長が、相対的に信号光出力側に位置する非線形増幅媒体の零分散波長よりも長波長側にあることを特徴とする光パラメトリック増幅器。
前記複数の非線形増幅媒体は、相対的に信号光出力側に位置する非線形増幅媒体の分散スロープが、相対的に信号光入力側に位置する非線形増幅媒体の分散スロープよりも急峻であることを特徴とする光パラメトリック増幅器。
前記複数の非線形増幅媒体は、非線形光学効果が実質的に得られる距離が群速度分散の生じる距離よりも短くなる高非線形性を有することを特徴とする光パラメトリック増幅器。
前記複数の非線形増幅媒体は、偏波保持高非線形光ファイバを用いたことを特徴とする光パラメトリック増幅器。
前記複数の非線形増幅媒体は、直列に接続されていることを特徴とする光パラメトリック増幅器。
前記複数の非線形増幅媒体は、並列に接続されていることを特徴とする光パラメトリック増幅器。
前記ポンプ光供給部は、ポンプ光を発生するポンプ光源と、前記非線形増幅部の信号光入射端においてポンプ光と信号光の偏光方向が同一となるように、前記ポンプ光源から出力されるポンプ光の偏光状態および信号光の偏光状態の少なくとも一方を制御する偏光制御器と、該偏光制御器で偏光状態が制御されたポンプ光および信号光を合波して前記非線形増幅部に与える合波器と、を備えたことを特徴とする光パラメトリック増幅器。
前記非線形増幅部を通過した光より信号光成分を抽出する信号光抽出部を備えたことを特徴とする光パラメトリック増幅器。
前記非線形増幅媒体は、ポンプ光波長とは異なる零分散波長を有し、かつ、信号光波長の近傍にパラメトリック利得のピーク波長が位置するよう設定した分散スロープを有することを特徴とする光パラメトリック増幅器。
前記非線形増幅媒体は、非線形光学効果が実質的に得られる距離が群速度分散の生じる距離よりも短くなる高非線形性を有することを特徴とする光パラメトリック増幅器。
前記非線形増幅媒体は、偏波保持高非線形光ファイバを用いたことを特徴とする光パラメトリック増幅器。
前記ポンプ光供給部は、ポンプ光を発生するポンプ光源と、前記非線形増幅媒体の信号光入射端においてポンプ光と信号光の偏光方向が同一となるように、前記ポンプ光源から出力されるポンプ光の偏光状態および信号光の偏光状態の少なくとも一方を制御する偏光制御器と、該偏光制御器で偏光状態が制御されたポンプ光および信号光を合波して前記非線形増幅媒体に与える合波器と、を備えたことを特徴とする光パラメトリック増幅器。
前記非線形増幅媒体を通過した光より信号光成分を抽出する信号光抽出部を備えたことを特徴とする光パラメトリック増幅器。
2…ポンプ光源
3,4…偏光コントローラ
5,9…合波器
6−1〜6−n…偏波保持高非線形光ファイバ(HNLF)
7…帯域通過光フィルタ
8…分波器
10…遅延付加器
S…信号光
P…ポンプ光
λs…信号光波長
λp…ポンプ光波長
λ0…零分散波長
DS…分散スロープ
Claims (8)
- 信号光が入射される非線形増幅部と、該非線形増幅部にポンプ光を供給するポンプ光供給部と、を備え、前記非線形増幅部を伝搬する信号光をポンプ光による非線形光学効果でパラメトリック増幅して出力する光パラメトリック増幅器であって、
前記非線形増幅部は、互いに異なる零分散波長および分散スロープを有する複数の非線形増幅媒体を多段接続して構成され、
前記複数の非線形増幅媒体は、各々の零分散波長がポンプ光波長よりも短波長側にあり、かつ、相対的に信号光入力側に位置する非線形増幅媒体の零分散波長が、相対的に信号光出力側に位置する非線形増幅媒体の零分散波長よりも長波長側にあると共に、相対的に信号光出力側に位置する非線形増幅媒体の分散スロープが、相対的に信号光入力側に位置する非線形増幅媒体の分散スロープよりも急峻であることを特徴とする光パラメトリック増幅器。 - 請求項1に記載の光パラメトリック増幅器であって、
前記複数の非線形増幅媒体は、非線形光学効果が実質的に得られる距離が群速度分散の生じる距離よりも短くなる高非線形性を有することを特徴とする光パラメトリック増幅器。 - 請求項1または2に記載の光パラメトリック増幅器であって、
前記複数の非線形増幅媒体は、直列に接続されていることを特徴とする光パラメトリック増幅器。 - 請求項3に記載の光パラメトリック増幅器であって、
前記複数の非線形増幅媒体は、並列に接続されていることを特徴とする光パラメトリック増幅器。 - 請求項1〜4のいずれか1つに記載の光パラメトリック増幅器であって、
前記ポンプ光供給部は、ポンプ光を発生するポンプ光源と、前記非線形増幅部の信号光入射端においてポンプ光と信号光の偏光方向が同一となるように、前記ポンプ光源から出力されるポンプ光の偏光状態および信号光の偏光状態の少なくとも一方を制御する偏光制御器と、該偏光制御器で偏光状態が制御されたポンプ光および信号光を合波して前記非線形増幅部に与える合波器と、を備えたことを特徴とする光パラメトリック増幅器。 - 請求項1〜5のいずれか1つに記載の光パラメトリック増幅器であって、
前記非線形増幅部を通過した光より信号光成分を抽出する信号光抽出部を備えたことを特徴とする光パラメトリック増幅器。 - 信号光が入射される非線形増幅媒体と、該非線形増幅媒体にポンプ光を供給するポンプ光供給部と、を備え、前記非線形増幅媒体を伝搬する信号光をポンプ光による非線形光学効果でパラメトリック増幅して出力する光パラメトリック増幅器であって、
前記非線形増幅媒体は、ポンプ光波長とは異なる零分散波長を有し、かつ、信号光波長の近傍にパラメトリック利得のピーク波長が位置するよう設定した分散スロープを有することを特徴とする光パラメトリック増幅器。 - 請求項7に記載の光パラメトリック増幅器であって、
前記非線形増幅媒体は、非線形光学効果が実質的に得られる距離が群速度分散の生じる距離よりも短くなる高非線形性を有することを特徴とする光パラメトリック増幅器。
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