JP5881580B2 - 位相感応型光増幅装置 - Google Patents

Description

本発明は光増幅装置に関し、具体的には、光通信システムや光計測システムにおいて用いられる光増幅装置に関する。

従来の光伝送システムでは、光ファイバを伝搬することにより減衰した信号を再生するために、光信号を電気信号に変換し、デジタル信号を識別した後に光信号を再生する識別再生光中継器が用いられていた。しかしながら、この識別再生光中継器では、光信号を電気信号に変換する電子部品の応答速度に制限があることや、伝送する信号のスピードが速くなると、消費電力が大きくなるなどの問題があった。

この問題を解決する増幅手段として、エルビウムやプラセオジム等の希土類元素を添加した光ファイバに励起光を入射して信号光を増幅するファイバレーザ増幅器や、半導体レーザ増幅器がある。ファイバレーザ増幅器や半導体レーザ増幅器は、信号光を光のままで増幅することができるので、識別再生光中継器で問題になっていた電気的な処理速度の制限が存在しない。加えて、機器構成も比較的単純であるという利点を有する。しかし、これらのレーザ増幅器は、劣化した信号光パルス波形を整形する機能を有さない。また、これらのレーザ増幅器においては、不可避的かつランダムに発生する自然放出光が信号成分とは全く無関係に混入されるので、信号光のＳＮ比が増幅前後で少なくとも３ｄＢ低下する。これらは、デジタル信号伝送時における伝送符号誤り率の上昇につながり、伝送品質を低下させる要因になっている。

このような従来のレーザ増幅器の限界を打開する手段として、位相感応型光増幅装置（Phase Sensitive Amplifier：ＰＳＡ）が検討されている。この位相感応型光増幅装置は、伝送ファイバの分散の影響による劣化した信号光パルス波形を整形するための機能を有する。また、信号とは無関係の直交位相を持つ自然放出光を抑圧できるために、増幅前後で信号光のＳＮ比を劣化させず同一に保つことが原理的に可能である。

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特願２０１１−００９８９４号公報

しかしながら、上述した従来技術では以下に述べるような問題が存在する。

従来の位相感応型光増幅装置の基本的な構成を図１に示す。この光増幅器は、位相感応光増幅部１０１と、励起光源１０２と、励起光位相制御部１０３と、２つの光分岐部１０４−１、１０４−２とから構成される。この光増幅器は、位相感応光増幅部１０１における信号光と励起光の位相が後述する特定の関係を満たすと入力信号光１１０は増幅され、両者の位相が後述する特定の関係から９０度ずれた直交位相関係になると、入力信号光１１０は減衰する特性を有する。この特性を利用して増幅利得が最大となるように励起光―信号光間の位相を制御し、同期させると、信号光と直交位相の自然放出光を発生させずに、つまりＳＮ比を劣化させずに信号光を増幅することができる。

信号光と励起光の位相同期を達成するために、光分岐部１０４−１で分岐された入力信号光１１０の位相に同期するように励起光１１１の位相を制御する。励起光位相制御部１０３は、光分岐部１０４−２で分岐された出力信号光１１２の一部を狭帯域の検出器で検波し、出力信号が最大となるように励起光１１１の位相を制御する。その結果、位相感応光増幅部１０１において、信号光の位相と、励起光の位相とが同期するように制御され、ＳＮ比の劣化のない光増幅を実現することができる。なお、励起光位相制御部１０３は、図１に示すような励起光源１０２の出力側で励起光の位相を制御する構成の他に、励起光源１０２の位相を直接制御する構成としてもよい。また信号光を発生する光源が位相感応光増幅部の近くに配置されている場合は、信号光用光源の一部を分岐して励起光として用いることもできる。

位相感応増幅部には２次もしくは３次の非線形光学効果を有する媒質が用いられる。従来、これらの位相感応型光増幅装置は主に、光の量子状態を制御するスクィージング等の基礎研究分野で用いられてきた。しかし、近年光通信の高度化が進むにつれて、位相感応型光増幅装置の光通信への応用が注目を集めつつある。

３次の非線形光学効果を用いる場合は、光ファイバ等を非線形媒質として用い、非特許文献２に示されるように、信号光と同じ波長の１つの励起光を用い、励起光と信号光とを、非線形媒質に入射し、四光波混合を利用した縮退パラメトリック増幅を行うことにより位相感応増幅を達成することができる。しかし、光ファイバを用いた位相感応型光増幅装置においては、光通信のシステムに適用可能な構成は示されているものの、四光波混合を用いるため、信号光、励起光の波長が近接する構成となっている。非特許文献３に示されるように、光ファイバ中の非線形光学効果を利用できるようにエルビウム添加ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）などの光ファイバレーザ増幅器により必要なパワーを得る構成が選択される場合が多いが、ＥＤＦＡで光増幅を行う際に増幅自然放出光（ＡＳＥ光）が雑音として励起光に重畳してしまう。ここで、励起光の波長と信号光の波長とが接近しているために、ＡＳＥ光を取り除くことが困難であり、信号光波長にもＥＤＦＡから発生するＡＳＥ光が重畳してしまう。結果として、信号光のＳＮ比が劣化してしまい、低雑音での光増幅を行うことができないという欠点がある。

２次の非線形光学効果を用いた従来の位相感応型光増幅装置においては、主にＳＨＧやパラメトリック増幅を起こすのに十分な高い出力のパルスレーザ光源を用いて動作させる構成しか示されておらず、一般的に微弱な光を扱う光通信のシステムに適用できるような構成は、最近まで提案されていなかった。

しかし、最近になって、特許文献１により、２次の非線形光学効果を利用した、一般的に微弱な光を扱う光通信のシステムにも適用できるような構成をもつ位相感応型光増幅装置が提案された。特許文献1で提案されている発明には、光増幅に伴って発生するＡＳＥ光を信号光に重畳させずに位相感応型光増幅装置を構成することができるために、ＳＮ比の劣化を防ぎながら高品質な光信号増幅が可能になるという利点がある。

２次の非線形光学効果を利用する場合は、非特許文献１や特許文献１に示されるように、光学結晶等を非線形媒質として用い、信号光の第２高調波に相当する波長を励起光として用い、励起光と信号光を、非線形媒質に入射し、三光波混合を利用した縮退パラメトリック増幅（Optical Parametric Amplifier：ＯＰＡ）を行うことにより位相感応増幅が達成される。この場合の最も基本的な構成は、図２に示すように、レーザ光源２０１からのレーザ光を分岐し、一方をＳＨＧ（Second Harmonic Generation）結晶２０２に入射し、他方を信号光２１０として用いる。第二高調波に変換された励起光２１１と信号光２１０とを縮退光パラメトリック増幅の可能な非線形光学結晶２０３に入射して、位相感応増幅を行う。

位相感応型光増幅装置においては、信号と位相の合った光のみを増幅するために、上述のように信号光と励起光の位相が一致、もしくはπラジアンだけずれている必要がある。すなわち２次の非線形光学効果を用いる場合は、第二高調波に相当する波長である励起光の位相φ２ωｓと、信号光の位相φωｓとが以下の（式１）の関係を満たすことが必要となる。
Δφ＝１／２φ２ωs−φωs＝ｎπ（ただし、ｎは整数） （式１）
図２は、二次非線形光学効果を利用した位相感応型光増幅装置の構成を示す図である。また図３は、従来の二次非線形光学効果を利用した位相感応型光増幅装置における、信号光‐励起光間の位相差Δφと、信号光利得（ｄＢ）との関係を示すグラフである。Δφが−π、０、またはπのときに、利得が最大となっていることがわかる。

図２に示した構成においても、図１で示したように出力信号光の一部を分岐して狭帯域の検出器で検波し、出力信号が最大となるように励起光の位相を制御して信号光と励起光の位相同期を達成することができる。

しかしながら、図１に示した構成の問題点は、励起光の位相を制御するために出力された信号光１１２の一部を分岐して検出しなくてはならない事にある。このため、増幅された光のすべてを活用することができなくなり、結果として光増幅装置の増幅効率が下がってしまう問題がある。この解決策として、増幅された信号光を使用せずに位相同期を行う手段の実現が望まれるが、安定して位相同期を行うための具体的な構成や方法は未だ公開されていない。

本発明の目的は、上記のような従来技術の問題を鑑みて、光通信に適用可能であり、かつ低雑音での増幅が可能な、従来に比してより高い増幅率を有する位相感応増幅装置を提供することである。

本発明は、非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する位相感応型光増幅装置であって、基本波光を増幅する光ファイバレーザ増幅器と、周期的に分極反転された二次非線形光学材料からなる、該基本波光から励起光を発生させるための光導波路を備えた第１の二次非線形光学素子と、該基本波光と該励起光とから該励起光のみを分離するフィルタと、該信号光と該励起光とを合波する合波器と、周期的に分極反転された二次非線形光学材料からなる、該励起光を用いて該信号光のパラメトリック増幅を行うための光導波路を備えた第２の二次非線形光学素子と、増幅された該信号光と該励起光とを分離するフィルタと、該信号光の位相と該励起光の位相とを同期する位相同期手段と、該基本波光と励起光とから励起光のみを分離するフィルタから出力される該励起光の一部を分岐する手段と、該第２の二次非線形光学素子から出力される該励起光と該分岐された励起光の一部とを検出するバランス型光検出器とを備え、該位相同期手段は、位相変調手段と、該バランス型光検出器によって検出された信号強度変化をもとに帰還を行う位相同期ループ回路とを備え、前記位相感応型光増幅装置は、前記バランス型光検出器によって検出された信号、または前記位相同期ループ回路の帰還信号を反転する手段をさらに備えることを特徴とする。

本発明の一実施形態において、前記位相同期手段は、前記位相変調手段である位相変調器と、前記位相同期ループ回路と光学長の伸長器とから構成され、該位相同期ループ回路は該位相変調器と該光学長の伸長器に帰還を行うことを特徴とする。

本発明の一実施形態において、前記位相同期手段は、前記位相同期ループ回路と、前記励起光に位相同期している光を発生し、レーザの駆動電流の制御により位相を変調する半導体レーザとから構成され、該位相同期ループ回路は該半導体レーザの駆動電流に帰還を行うことを特徴とする。

本発明の一実施形態において、前記増幅された信号光と励起光とを分離するフィルタは、誘電体膜を用いたダイクロイックミラー、またはマルチモード干渉を利用した光分波素子、または方向性結合を利用した光分波素子であることを特徴とする。

本発明によれば、非線形光学効果であるパラメトリック増幅効果を利用して信号光の特定の位相だけを増幅する位相感応型光増幅器において、光通信で用いる微弱な光パワーからパラメトリック光増幅を利用するのに十分なパワーを得るために光ファイバ増幅器を用いながらも、光増幅に伴って発生するＡＳＥ光を信号光に重畳させずに位相感応型光増幅器を構成することができるために、ＳＮ比の劣化を防ぎながら高品質な光信号増幅が可能になる。

さらに、特に優れた効果として、増幅された信号光の代わりに、従来信号処理には使用されなかった励起光である第二高調波を利用して位相制御を行うため、増幅された信号光の一部を分岐する必要がなくなり、増幅された信号光をすべて活用できるようになり、光増幅装置の増幅率を向上させることが可能になる。

この結果、光通信に適用可能かつ低雑音での増幅が可能な位相感応型光増幅装置により、光ファイバ中の信号のＳＮ比を改善できるために、従来よりも高速の信号を低いパワーで長距離まで伝送することが可能になる。

従来の位相感応型光増幅装置の構成を示す図である。 二次非線形光学効果を利用した位相感応型光増幅装置の構成を示す図である。 二次非線形光学効果を利用した位相感応型光増幅装置における、信号光‐励起光間の位相差Δφと、信号光利得との関係を示すグラフである。 本発明における位相感応型光増幅装置の基本構成を示す図である。 本発明における位相感応型光増幅装置における、信号光‐励起光間の位相差Δφと、第二高調波強度との関係を示すグラフである。 位相同期に信号光を利用した位相感応型光増装置における、信号光‐励起光間の位相差Δφと、信号光における位相変調周波数成分の強度との関係を示すグラフである。 位相同期に励起光である第二高調波を利用し、基本波光に位相変調を施す位相感応型光増装置における、信号光‐励起光間の位相差Δφと、第二高調波における位相変調周波数の倍波成分の強度との関係を示すグラフである。 位相同期に励起光である第二高調波を利用し、励起光に位相変調を施す位相感応型光増装置における、信号光‐励起光間の位相差Δφと、第二高調波における位相変調周波数成分の強度との関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る位相感応型光増幅装置の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る位相感応型光増幅装置の応用型の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る位相感応型光増幅装置の構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る位相感応型光増幅装置の構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。

［基本的構成］
本発明の位相感応型光増幅装置の基本的な構成を図４に示す。この光増幅装置は、位相感応光増幅部４０１と、励起光源４０２と、励起光位相制御部４０３と、２つの光分岐部（光カプラ等）４０４−１、４０４−２とから構成される。この光増幅器は、位相感応光増幅部４０１における信号光と励起光の位相が（式１）の関係を満たすと入力信号光４１０は増幅され、両者の位相が（式１）の関係より９０度ずれた直交位相関係になると、入力信号光４１０は減衰する特性を有する。この特性を利用して増幅利得が最大となるように励起光―信号光間の位相を同期させると、信号光と直交位相の自然放出光を発生させずに、つまりＳＮ比を劣化させずに信号光を増幅することができる。本発明が特許文献1に記載の発明と異なる点は、以下に述べるように、主として位相同期を達成する方法である。

信号光と励起光の位相同期を達成するために、光分岐部４０４−１で分岐された入力信号光４１０の位相と、励起光４１１の位相を、（式１）の関係を満たして同期するように制御する。光分岐部４０４−２で出力信号光４１２を一部分岐する変わりに励起光である第二高調波４１３を狭帯域の検出器で検波し、第二高調波４１３の出力信号が最小となるように励起光位相制御部４０３において励起光４１１の位相を制御する。その結果、位相感応光増幅部４０１において、信号光の位相と、励起光の位相とが（式１）の関係を満たして同期するように制御され、ＳＮ比の劣化のない光増幅を実現することができる。なお、励起光位相制御部４０３は、図４に示すような励起光源４０２の出力側で励起光の位相を制御する構成の他に、励起光源４０２の位相を直接制御する構成としてもよい。また信号光を発生する光源が位相感応光増幅部の近くに配置されている場合は、信号光用光源の一部を分岐して励起光として用いることもできる。

図５は、本発明における位相感応型光増幅装置における、信号光‐励起光間の位相差Δφと、励起光である第二高調波の光強度との関係を示すグラフである。Δφが−π、０、またはπのときに、パラメトリック増幅による信号光の利得が最大となるために、増幅に利用された第二高調波の光強度が最小となっていることがわかる。

以上が本発明の位相感応型光増幅装置の基本的な構成であるが、このアイデアを実現するためには以下の問題点がある。

問題点の第一は図５で示される励起光である第二高調波の光強度の変化が非常に小さいことである。本発明では、第二高調波の光強度が最小になるように、信号光と第二高調波との位相同期を行う必要があるが、この光強度変化が小さいとノイズの影響を受けやすく、強度最小を維持することが難しい。そのため、単に通常の光検出器で第二高調波を受信し、その光強度の変化を利用しようとしても極短時間しか位相同期が得られなかった。強度変化を大きくするため、受信した光強度を増幅器によって増幅することもできるが、受信する第二高調波はベースラインとなる平均出力強度が大きいため、安定した位相同期が得られるまで増幅しようとすると、増幅した信号を受けて処理を行う位相同期ループ（ＰＬＬ）回路の入力が飽和してしまう。

問題点の第二は基本波光を増幅しているファイバレーザ増幅器のゲインの変化である。前述したように、ＰＬＬ回路の入力が飽和しない程度まで第二高調波の光強度変化を増幅するが、充分な光強度変化が得られにくいため、飽和点付近まで増幅することになる。ファイバレーザ増幅器は温度調節され、ゲインを保つように設計されているが、室温等の外部環境の影響によりゲインがいくらかは変化してしまう。飽和点ぎりぎりに合わせてしまうと、ゲインが増加した時に入力の飽和が生じることとなり、反対に飽和点から余裕を持たせると、ゲインが減少した時に第二高調波の光強度変化が所望よりもかなり小さくなってしまい、安定した位相同期が得られない。

そこで、本発明においては、第二高調波の光強度変化が小さく、平均出力強度が大きいという問題とファイバレーザ増幅器のゲインが揺らぐという問題を解決するために、2入力間の差分を検出するバランス型光検出器（Balanced Photodetector）を用いて励起光である第二高調波の光強度変化を検出する手法を採用し、差分をとるためのもう片方の入力として、光パラメトリック増幅を行う二次非線形光学素子への入力に用いる第二高調波の一部を分岐して利用する構成にした。この構成では、光パラメトリック増幅を行う二次非線形光学素子へ入力する励起光強度が減少してしまうが、実際の素子への入力強度が分岐前の値になるように、基本波光を増幅するファイバレーザ増幅器、あるいは励起光用の光増幅器のゲインを少し増やすだけで解決できるため、実用上ほとんど影響が出ることはない。本構成では、バランス型光検出器は２入力間の差分を取る検出器であるため、第二高調波のベースラインである平均出力強度を差し引くことが可能となる。この差分検出により、位相同期を得る際に利用する第二高調波の光強度変化が零点付近の強度変化に変換されるため、弱い光強度変化を増幅器によって、安定した位相同期が得られるまで充分に増幅したとしても、ＰＬＬ回路の入力が飽和することはない。入力の飽和まで余裕があるために、ファイバレーザ増幅器のゲインの変化が生じても重要な影響が生じなくなる。このように本構成を用いることにより、上述した問題が解決され、第二高調波を用いて安定した位相同期を得ることができる。

位相感応増幅では、励起光と信号光の位相を同期させることが必要である。以下に位相同期の特徴を詳述する。位相同期では、まず位相変調器やレーザの駆動電流制御等の位相変調手段により、基本波光あるいは励起光に微弱な位相変調を施す。基本波光に位相変調を施し、増幅された信号光の一部を位相同期に利用する場合は、ＰＬＬ回路の位相比較器により位相変調周波数成分を検出すると、信号光の増幅利得が図３のようにΔφ依存性をもつために、図６のグラフのようになる。Δφが０の場合は変調成分強度が０であり、位相差が増えるほど強度が増大する。また、正負の位相差により符号に違いが生じるため、正負どちらの側に位相がずれているのか判断できる。この情報をもとにΔφが０になるように帰還を行い、位相同期を実現する。一方、基本波光に位相変調を施し、増幅に利用した第二高調波を位相同期に利用する場合は、ＰＬＬ回路の位相比較器により位相変調周波数の倍波成分を検出すると、図７のグラフのようになる。図５のように、第二高調波では、Δφ依存性が基本波光と逆符合になるために、位相変調周波数の倍波成分のΔφ依存性も、基本波光を利用する場合とは逆符号になる。第二高調波に位相変調を施し、増幅に利用した第二高調波を位相同期に利用する場合には、倍波ではなく、位相変調周波数成分を検出する必要があるが、図８のグラフのように、Δφ依存性は基本波光を利用する場合とは逆符号になる。

［第１の実施形態］
図９に本発明の第１の実施形態の位相感応型光増幅装置９００の構成を示す。本実施形態の位相感応型光増幅装置９００では、データ信号用強度変調器９０１としてＬＮマッハツェンダー変調機を用い１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ信号を入力した場合の増幅特性を評価した。本実施形態では、光通信に用いられる微弱なレーザ光から非線形光学効果を得るのに十分なパワーを得るために、ファイバレーザ増幅器を用いて、基本波光を増幅する。増幅した基本波光を第１の二次非線形光学素子に入射して励起光である第二高調波を発生させる。第２の二次非線形光学素子に信号光と第二高調波とを入射して縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応増幅を行う。

本実施形態では、１．５４μｍの信号光を増幅するために、入力信号光９２０の一部を光分岐部（光カプラ等）９２１−１で分岐して基本波光９２０−１として用いている。基本波光９２０−１は、エルビウム添加ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）９０２を用いて増幅される。増幅された基本波光９２０−１は、第１の二次非線形光学素子９０３−１に入力される。本実施形態では、ＥＤＦＡ９０２から発生する広帯域なＡＳＥ光が第１の二次非線形光学素子９０３−１により変換されることを防ぐために、ＥＤＦＡ９０２と第１の二次非線形光学素子９０３−１との間にバンドパスフィルタ９０４を挿入し、不必要なＡＳＥ光をカットした。本実施形態の、二次非線形光学素子９０３は、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）から成る光導波路（ＰＰＬＮ導波路）９０５を備える。ＰＰＬＮ導波路９０５は擬似位相整合によりニオブ酸リチウムの最も高い非線形光学定数ｄ３３を利用することが可能であり、かつ光導波路構造により高い光パワー密度が得られるので、図９に示すような構成にすることで高い波長変換効率を得ることができる。ＰＰＬＮ導波路９０５に高強度のパワーを入射した場合にフォトリフラクティブ効果による光損傷により位相整合波長が変化する場合があるが、本実施形態ではそのような問題が生じないように、非特許文献４に示される直接接合により作製された導波路を用いている。

本実施形態では光損傷耐性に優れたＺｎを添加したニオブ酸リチウムをコアに用いた直接接合導波路を使用することにより、位相整合波長の変動を抑制した。また、ドライエッチング加工によりコア径を４μｍ程度まで小さくすることにより高い波長変換効率を実現した。第１のＰＰＬＮ導波路９０５−１から出射した、励起光である第二高調波９２０−２と基本波光９２０−３とは、第１の非線形光学素子９０３−１に配置された第１のダイクロイックミラー９０６−１を用いて分離した。第１のダイクロイックミラー９０６−１で反射された０．７７μｍの第二高調波９２０−２は、この波長０．７７μｍにおいてシングルモード伝搬特性をもつ偏波保持ファイバ９０７を介して、第２の二次非線形光学素子９０３−２へと導かれている。このとき、第１のダイクロイックミラー９０６−１で完全には取り除けなかった波長１．５４μｍ付近の励起光およびＡＳＥ光も偏波保持ファイバ９０７に入射されることになるが、０．７７μｍにおいてシングルモードであるこのファイバは波長１．５４μｍの光に対しては光の閉じ込めが弱いために、１ｍ程度の長さを伝搬させることにより、これらの不用な光を効果的に減衰させることができる。偏波保持ファイバ９０７で導かれた第二高調波９２０−２は、第２の非線形光学素子９０３−２に配置された、第２のダイクロイックミラー９０６−２を用いて波長１．５４μｍの信号光９２０−４と合波される。第２のダイクロイックミラー９０６−２は第二高調波９２０−２のみを反射させるために、第１のＰＰＬＮ導波路９０５−１から出射され、第１のダイクロイックミラー９０６−１および偏波保持ファイバ９０７を通ってくる波長１．５４μｍ付近の基本波光とＡＳＥ光との残留成分を効果的に取り除くことができる。入力信号光９２０−４と励起光である第二高調波９２０−２とは合波され、第２のＰＰＬＮ導波路９０５−２に入射される。第２のＰＰＬＮ導波路９０５−２は、第１のＰＰＬＮ導波路９０５−１と同等の性能、位相整合波長を有しており、縮退パラメトリック増幅により、入力信号光９２０−４を位相感応増幅することができる。本実施形態では、２つのＰＰＬＮ導波路９０５−１、９０５−２はそれぞれ、個別の温度調節器により一定の温度となるように制御されている。２つのＰＰＬＮ導波路９０５−１、９０５−２の作製誤差のために同一温度において位相整合波長が一致しない場合が考えられるが、そのような場合でも両者を個々に温度制御することにより、両者の位相整合波長を一致させることができる。第２のＰＰＬＮ導波路９０５−２から出射された光は、第２の非線形光学素子９０３−２に配置された、第３のダイクロイックミラー９０６−３により励起光である第二高調波９２０−５と増幅された出力信号光９２０−６とに分離される。このときも第二高調波９２０−５と増幅された出力信号光９２０−６とは、波長が全く異なるために、出力において増幅された出力信号光９２０−６と第二高調波９２０−５は効果的に分離される。

本実施形態では、増幅された出力信号光９２０−６の一部を分岐し、位相同期に利用する特許文献１に記載の発明とは異なり、励起光である第二高調波９２０−５を利用して位相同期を行う。ＥＤＦＡ９０２の前に配置した位相変調器９０８を用いてｓｉｎ波により微弱な位相変調を基本波光９２０−１に施す。第３のダイクロイックミラー９０６−３により分離した励起光である第二高調波９２０−５をバランス型光検出器９０９で受光した。バランス型光検出器９０９で受ける信号のうち、一方は第３のダイクロイックミラー９０６−３により分離した第二高調波９２０−５であり、もう一方は、第２のダイクロイックミラーを用いて合波される手前で光分岐（光カプラ等）９２１−２により分岐された第二高調波９２０−２である。この光分岐９２１−２により減少した、第２の非線形光学素子９０３−２への入力はＥＤＦＡ９０２のゲインを上げることにより補償した。バランス型光検出器９０９を適切な設定で動作させることにより、第３のダイクロイックミラー９０６−３により分離した第二高調波９２０−５のベースラインである平均出力強度を差し引き、第二高調波９２０−５の微弱な光強度変化を零点付近の強度変化に変換した。変換した微弱な強度変化を電圧増幅器９１０にて適切な大きさまで増幅し、ＰＬＬ回路９１１に入力した。ＰＬＬ回路で位相ずれを検出して、ＥＤＦＡ９０１の前に配置したＰＺＴ光ファイバ伸長器９１２の駆動電圧と位相変調器９０８のバイアス電圧とに帰還（フィードバック）を行うことで、光ファイバ部品の振動や温度変動による光位相の変動を吸収して、安定的に位相感応増幅ができるようにした。前述したように、位相同期に、増幅された出力信号光９２０−６を利用するか、あるいは増幅に用いた励起光９２０−２を利用するかによって、位相変調に対応した光信号強度のΔφ依存性が異なるため、ＰＬＬ回路９１１の動作が異なる。そのため、位相同期にどちらを利用するかによってＰＬＬ回路９１１を調整すればよい。しかし、バランス型光検出器９０９で受けた信号、あるいはＰＬＬ回路９１１の帰還信号を、反転回路９１３により反転させれば、もう片方の方法と同じ動作になるため、ＰＬＬ回路９１１は変更の必要がない。このため、反転回路９１３を配置する構成を採用すれば、増幅された出力信号光９２０−６を用いる方法からの変更が容易になるというメリットがある。本実施形態では、電圧増幅器９１０の後段に反転回路９１３を配置した。本実施形態では、増幅に用いた第二高調波９２０−２を利用して（式１）の関係を満たすように位相を同期させることにより、増幅された出力信号光９２０−６をすべて活用できるようになったため、特許文献１に記載の発明のように増幅された出力信号光９２０−６を利用した場合と比較して、位相感応型光増幅装置９００の利得がおよそ０．７ｄＢほど増加した。

また、特許文献１に記載の発明と同様に、信号光のＯＮ状態に位相を合わせた状態では、入力信号に位相チャープが含まれていた場合でも、そのチャープ成分を除去して、チャープのない信号として整形して増幅可能である。

また、本実施形態では、励起光である第二高調波１０２０−５と増幅された出力信号光１０２０−６とを分離するフィルタとして、第３のダイクロイックミラー１００６−３の代わりに、図１０に示すように、第２のＰＰＬＮ導波路１００５−２の後段に配置したマルチモード干渉（ＭＭＩ：Multi-Mode Interference）を利用した光分波素子（ＭＭＩ光分波素子）１００６を用いることもできる。

第二高調波１０２０−５と増幅された信号光１０２０−６を分離するように設計したＭＭＩ光分波素子１００６を同一基板内に集積することによって、より小型な位相感応型光増幅装置１０００を得ることが可能である。また、ＭＭＩ光分波素子１００６の代わりに方向性結合を利用した光分波素子を用いても同様の小型な位相感応型光増幅装置を得ることが可能である。位相同期を行うために利用する０．７７μｍ帯の光に１．５４μｍ帯の光が含まれていると、位相同期を行う上で雑音成分となる場合があるため、図１０のようにハイパスフィルタ１０１４を挿入し、１．５４μｍ帯の光をカットしても良い。また、ＰＬＬ回路の動作を調整することで、図１０のように反転回路を配置しない構成をとることもできる。

なお、図１０に記載の位相感応形光増幅装置１０００は、図９に記載の第三のダイクロイックミラー９０６−３を光分波素子１００６に変更した点、及びハイパスフィルタ１０１４を挿入した点以外は、図９に記載の第１の実施形態である位相感応方光増幅装置９００と構成は同一である。具体的には、入力・出力信号光１０２０、１０２０−４、１０２０−６、基本光波１０２０−１、第２高調波１０２０−２、１０２０−５、光分岐部１０２１−１、１０２１−２、データ信号用強度変調器１００１、ＥＤＦＡ１００２、非線形光学素子１００３−１、１００３−２、バンドパスフィルタ１００４、ＰＰＬＮ導波路１００５−１、１００５−２、ダイクロイックミラー１００６−１、１００６−２、偏波保持フィルタ１００７、位相変調器１００８、バランス型光検出器１００９、電圧増幅器１０１０、ＰＬＬ回路１０１１、ＰＺＴ光ファイバ伸長器１０１２、反転回路１０１３は、図９に記載の位相感応形光増幅装置９００の、入力・出力信号光９２０、９２０−４、９２０−６、基本光波９２０−１、第２高調波９２０−２、９２０−５、光分岐部９２１−１、９２１−２、データ信号用強度変調器９０１、ＥＤＦＡ９０２、非線形光学素子９０３−１、９０３−２、バンドパスフィルタ９０４、ＰＰＬＮ導波路９０５−１、９０５−２、ダイクロイックミラー９０６−１、９０６−２、偏波保持フィルタ９０７、位相変調器９０８、バランス型光検出器９０９、電圧増幅器９１０、ＰＬＬ回路９１１、ＰＺＴ光ファイバ伸長器９１２、反転回路９１３に対応する。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態の位相感応型光増幅装置１１００について説明する。図１１に本実施形態の位相感応型光増幅装置１１００の構成を示す。本実施形態では、第１の実施形態と同様に１．５４μｍの信号を増幅するように装置を構成した。２つのＰＰＬＮ導波路１１０５−１、１１０５−２を用いて、第二高調波を発生させ縮退パラメトリック増幅を行う点は第１の実施形態と同じである。相違点は、基本波光１１２０−１から第二高調波１１２０−２を分離する方式および第二高調波１１２０−２と信号光１１２０−４とを合波する方式である。本発明によれば光ファイバレーザ増幅器から発生するＡＳＥ光に起因する信号光のＳＮ比の劣化を抑制しながら位相感応増幅を行うことができるが、本実施形態ではその効果を有効に利用できるようにした。本実施形態においても、基本波光１１２０−１からの第二高調波１１２０−２の分離ならびに第二高調波１１２０−２と信号光１１２０−４との合波にはダイクロイックミラー１１０６−１、１１０６−２を用いている。一般的に、波長の異なる２つの光を分離または合波するために、一方の波長の光を反射し、他方の波長の光を透過するダイクロイックミラーがよく使用されているが、特に不必要な光をカットする用途の場合、カットしたい特定の波長光を反射させて使用する構成とすることが望ましい。逆に、カットしたい特定の波長の光を透過させ、必要とする光を反射させて取り出す構成の場合、不必要な波長におけるミラーの反射率を非常に小さくする必要がある。不必要な波長におけるミラーの反射率を非常に小さくすることに比べると、カットしたい特定の波長の光の透過率を下げることは比較的容易であるため、不要な波長の光を反射させる構成の方が不必要な光を効果的に抑圧することができる。本実施形態では、そのような考え方に基づいて装置を構成した。

光分岐部１１２１−１で、波長１．５４μｍの基本波光１１２０−１を入力信号光１１２０から分岐して用い、位相同期のためのＬＮ位相変調器１１０８、ＰＺＴ光ファイバ伸長器１１１２による光ファイバを介して、ＥＤＦＡ１１０２で増幅する。増幅した基本波光１１２０−１を、第１の二次非線形光学素子１１０３−１中の第１のＰＰＬＮ導波路１１０５−１に入射し第二高調波１１２０−２を発生させる。本実施形態においては、第１のＰＰＬＮ導波路１１０５−１から出射される基本波光１１２０−１から第二高調波１１２０−３のみを効果的に取り出し、ＥＤＦＡ１１０２から発生するＡＳＥ光を効果的に除去するために、第１のＰＰＬＮ導波路１１０５−１の後に、１．５５μｍ帯を反射し、０．７７μｍ帯を透過する第１のダイクロイックミラー１１０６−１を設置した。波長が０．７７μｍである第二高調波１１２０−２は、この波長においてシングルモード伝搬特性をもつ偏波保存ファイバ１１０７を介して、第２の二次非線形光学素子１１０３−２へと導かれている。第１の実施形態と同様に、０．７７μｍにおいてシングルモードであるこのファイバは波長１．５４μｍの光に対しては光の閉じ込めが弱いために、１ｍ程度の長さを伝搬させることにより、不用な波長１．５４μｍ付近の基本波光およびＡＳＥ光を効果的に減衰させることができる。偏波保持ファイバ１１０７で導かれた第二高調波１１２０−２は、第２のダイクロイックミラー１１０６−２用いて波長１．５４μｍの入力信号光１１２０−４と合波される。本実施形態においては、偏波保持ファイバ１１０７を通ってくる波長１．５４μｍ付近の基本波光およびＡＳＥ光の残留成分を効果的に取り除くことができるように、１．５４μｍ帯を反射し、０．７７μｍ帯を透過するダイクロイックミラーを用いた。入力信号光１１２０−４と第二高調波１１２０−２とは合波された後、第２のＰＰＬＮ導波路１１０５−２に入射され、縮退パラメトリック増幅により、信号光を位相感応増幅することができる。第２のＰＰＬＮ導波路１１０５−２から出射された光は、第３のダイクロイックミラー１１０６−３により第二高調波１１２０−５と増幅された出力信号光１１２０−６とに分離される。本実施形態では、第３のダイクロイックミラー１１０６−３に、０．７７μｍ帯を反射し、１．５４μｍ帯を透過するダイクロイックミラーを用いた。本実施形態においても、第３のダイクロイックミラー１１０６−３により分離した第二高調波１１２０−５と、第２のダイクロイックミラー１１２０−６を用いて合波される手前で光分岐１１２１−２により分岐された第二高調波１１２０−２をバランス型光検出器１１０９で受光した後にＰＬＬ回路１１１１により位相同期を行うことで安定的に位相感応増幅ができるようにしている。本実施形態では、ＰＬＬ回路１１１１の帰還信号に反転回路１１１３を作用させている。また、増幅器を内蔵するバランス型光検出器を採用したため、光検出器１１０９の後段に電圧増幅器は配置していない。本実施例でも増幅された出力信号光１１２０−６をすべて活用できるようになったため、増幅された出力信号光１１２０−６を利用した場合と比較して位相感応型光増幅装置１１００の利得がおよそ０．７ｄＢほど増加した。

本実施形態においては、それぞれ特性の異なるダイクロイックミラー１１０６−１、１１０６−２及び１１０６−３を、基本波光１１２０−１からの第二高調波１１２０−２の分離ならびに第二高調波１１２０−２と入力信号光１１２０−４との合波に用いたために、特に信号のＳＮ比に悪影響を与えるＥＤＦＡ１１０２からのＡＳＥ光を信号光に混入させることなく、高い信号品質が得られる位相感応型光増幅器を構成することができた。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態の位相感応型光増幅装置１２００について説明する。図１２に本実施形態の位相感応型光増幅装置１２００の構成を示す。

上述の第１及び第２の実施形態においては、基本波光として入力信号光１２２０から分岐した光１２２０−１を用いた。すなわち、基本波光１２２０−１は、入力信号光１２２０と同一の光源を増幅して得ていた。例えば光通信における送信器に用いる場合には、これまでに説明したような同一の光源を信号光と基本波光に使用し、基本波光を分岐したのちに信号光に必要な変調を加えることが考えられる。一方、第３の実施形態では、あらかじめ変調された信号光の増幅ができるよう、図１２に示すように装置を構成した。本実施形態に係る装置１２００は、２値の位相変調（ＢＰＳＫ）または２値差動位相変調（ＤＰＳＫ）信号もしくは通常の強度変調などの信号を、雑音を付加することなく増幅することができる。

本実施形態においては、基本波光１２２０−１を得るために光分岐部１２２１−１で入力信号光１２２０を分岐し、分岐した基本波光１２２０−１をＥＤＦＡ１２０２で増幅させる。増幅された基本波光１２２０−１を第１の二次非線形光学素子１２０３−１中の第１のＰＰＬＮ導波路１２０５−１に入射し、信号光の第二高調波１２２０−２を発生させる。第１のＰＰＬＮ導波路１２０５−１の出射光から第二高調波１２２０−２のみを分離するために第１のダイクロイックミラー１２０６−１を使用する。分離された第二高調波１２２０−１を、波長０．７７μｍで発振し、駆動電流の制御により位相変調が可能である半導体レーザ１２０７−１に入射することにより注入同期が行われる。半導体レーザ１２０７−１の出力は、半導体レーザと同様の波長帯域に利得を持つ半導体光増幅器１２０７−２により増幅され、励起光である第二高調波１２２０−７として、第２のダイクロイックミラー１２０６−２を用いて波長１．５４μｍの入力信号光１２２０−４と合波される。入力信号光１２２０−４と波長０．７７μｍの第二高調波１２２０−７とは合波された後、第２のＰＰＬＮ導波路１２０５−２に入射され、縮退パラメトリック増幅により、信号光を位相感応増幅することができる。

位相感応増幅を行うためには半導体光増幅器１２０７−２に入射してくる信号光の平均位相に同期した励起光を生成する必要がある。本実施形態においては、２値の位相変調を施されたような信号を用いる場合であっても、その平均位相に同期した励起光を生成することができる。以下、その動作原理について簡単に説明する。２値の位相変調においては信号の位相を０とπラジアンの２つの値に変調して信号を送信している。このような信号をＥＤＦＡ１２０２で増幅したのちに第１のＰＰＬＮ導波路１２０５−１に入射し、第二高調波１２２０−２を発生させた場合、第二高調波の位相φ２ωは、次の（式２）で表される。
φ２ω＝２φωｓ （式２）
ここでφωｓは信号光の位相である。従って、位相が０とπの２値に変調された信号に対する第二高調波の位相は、０と２πの２値となり、位相変調による位相の変動が打ち消された光となって出力される。実際の位相変調信号においては、理想的に位相のみを変調することは困難であり、強度変調を伴った信号となる。従って、強度変調成分のない励起光を得るためには、上記の位相変調成分を取り除いた第二高調波を本実施形態のように注入同期を用いて、信号光の平均位相に同期させて、励起光とすることが望ましい。

本実施形態においては、注入同期を用いて位相変調の施された信号光から平均位相に同期した強度変調のない励起光を生成する。これにより、仮に信号光に位相雑音が付加された場合であっても、本来の信号と直交する位相成分は、位相感応増幅により減衰させることができるので、信号位相および直交位相の雑音成分を取り除くような信号再生を行うことができる。

本実施形態においては、注入同期に用いる半導体レーザ１２０７−１の駆動電流の制御により微弱な位相変調を行っている。第３のダイクロイックミラー１２０６−３により分離した第二高調波１２２０−５と、第２のダイクロイックミラー１２０６−２を用いて合波される手前で光分岐１２２１−２により分岐された第二高調波１２２０−７をバランス型光検出器１２０９で受光した後に、ＰＬＬ回路１２１１で位相ずれを検出し、（式１）の関係を満たして同期するように０．７７μｍの駆動電流に帰還を行うことで光学部品の振動や温度変動による位相変動を補正し、安定的に位相感応増幅ができるようにしている。なお、本実施形態では反転出力機能を有するバランス型光検出器１２０９を用いたため、反転回路は配置していない。また、本実施形態の場合、第二高調波に位相変調を施しているので、前述の実施形態とは異なり、位相変調周波数成分を検出して位相同期を行う。光分岐により減少した、第２の非線形光学素子１２０３−２への入力は半導体光増幅器１２０７−２のゲインを上げることにより補償した。本実施例でも増幅された信号光１２２０−６をすべて活用できるようになったため、増幅された信号光１２２０−６を利用した場合と比較して位相感応型光増幅装置１２００の利得がおよそ０．７ｄＢほど増加した。本実施形態においては、第１のＰＰＬＮ導波路１２０５−１における第二高調波発生１２２０−２が可能となるパワーを得るためにＥＤＦＡ１２０２を用いているが、ＥＤＦＡ１２０２から発生するＡＳＥ光が位相感応増幅を行う第２のＰＰＬＮ導波路１２０５−２に入射しないために、光増幅器１２０７−２のＡＳＥ光に起因する信号光のＳＮ比劣化を防ぐことができる。また、波長０．７７μｍで動作する半導体光増幅器１２０７−２からもＡＳＥ光は発生するが、この光は信号光と波長が全く異なるために、第２と第３のダイクロイックミラー１２０６−２、１２０６−３によってほぼ完全に取り除くことが可能であり、信号光のＳＮ比を劣化させることなく、位相感応増幅を行うことが可能である。

１０１、４０１ 位相感応光増幅部
１０２、４０２ 励起光源
１０３、４０３ 励起光位相制御部
１０４−１、１０４−２、４０４−１、４０４−２、９２１−１、９２１−２、１０２１−１、１０２１−２、１１２１−１、１１２１−２ 光分岐部
１１０、４１０、９２０、９２０−４、１０２０、１０２０−４１１２０、１１２０−４、１２２０、１２２０−４ 入力信号光
１１１、２１１、４１１ 励起光
１１２、４１２、９２０−６、１０２０−６、１１２０−６、１１２０−６ 出力信号光
２０１ レーザ光源
２０２ ＳＨＧ結晶
２０３ ＯＰＡ結晶
２１０ 信号光
４１３、９２０−２、９２０−５、１０２０−２、１０２０−５、１１２０−２、１１２０−５、１２２０−２、１１２０−５、１１２０−７ 第２高調波
９００、１０００、１１００、１２００ 位相感応型光増幅装置
９０１，１００１ データ信号用強度変調器
９０２、１００２、１１０２、１２０２ ＥＤＦＡ
９０３−１、１００３−１、１１０３−１、１２０３−１ 第１の非線形光学素子
９０３−２、１００３−２、１１０３−２、１２０３−２ 第２の非線形光学素子
９０４、１００４ バンドパスフィルタ
９０５−１、１００５−１、１１０５−１、１２０５−１ 第１のＰＰＬＮ導波路
９０５−２、１００５−２、１１０５−２、１２０５−２ 第２のＰＰＬＮ導波路
９０６−１、１００６−１、１１０６−１、１２０６−１ 第１のダイクロイックミラー
９０６−２、１００６−２、１１０６−２、１２０６−２ 第２のダイクロイックミラー
９０６−３、１１０６−３、１２０６−３ 第３のダイクロイックミラー
９０７、１００７、１１０７ 偏波保持フィルタ
９０８、１００８、１１０８ 位相変調器
９０９、１００９、１１０９、１２０９ バランス型光検出器
９１０、１０１０、１１１０、１２１０ 電圧増幅器
９１１、１０１１、１１１１、１２１１ ＰＬＬ回路
９１２、１０１２、１１１２ ＰＺＴ光ファイバ伸長器
９１３、１０１３、１１１３ 反転回路
９２０−１、９２０−３、１０２０−１、１０２０−３、１１２０−２、１１２０−５、１２２０−１ 基本光波
１００６ 光分波素子
１０１４ ハイパスフィルタ
１２０７−１ 半導体レーザ
１２０７−２ 半導体光増幅器

Claims (4)

1. 非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する位相感応型光増幅装置であって、
   基本波光を増幅する光ファイバレーザ増幅器と、
   周期的に分極反転された二次非線形光学材料からなる、該基本波光から励起光を発生させるための光導波路を備えた第１の二次非線形光学素子と、
   該基本波光と該励起光とから該励起光のみを分離するフィルタと、
   該信号光と該励起光とを合波する合波器と、
   周期的に分極反転された二次非線形光学材料からなる、該励起光を用いて該信号光のパラメトリック増幅を行うための光導波路を備えた第２の二次非線形光学素子と、
   増幅された該信号光と該励起光とを分離するフィルタと、
   該信号光の位相と該励起光の位相とを同期する位相同期手段と、
   該基本波光と励起光とから励起光のみを分離するフィルタから出力される該励起光の一部を分岐する手段と、
   該第２の二次非線形光学素子から出力される該励起光と該分岐された励起光の一部とを検出するバランス型光検出器とを備え、
   該位相同期手段は、位相変調手段と、該バランス型光検出器によって検出された信号強度変化をもとに帰還を行う位相同期ループ回路とを備え、
   前記位相感応型光増幅装置は、前記バランス型光検出器によって検出された信号、または前記位相同期ループ回路の帰還信号を反転する手段をさらに備えることを特徴とする位相感応型光増幅装置。
2. 前記位相同期手段は、前記位相変調手段である位相変調器と、前記位相同期ループ回路と光学長の伸長器とから構成され、該位相同期ループ回路は該位相変調器と該光学長の伸長器に帰還を行うことを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
3. 前記位相同期手段は、前記位相同期ループ回路と、前記励起光に位相同期している光を発生し、レーザの駆動電流の制御により位相を変調する半導体レーザとから構成され、該位相同期ループ回路は該半導体レーザの駆動電流に帰還を行うことを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
4. 前記増幅された信号光と励起光とを分離するフィルタは、誘電体膜を用いたダイクロイックミラー、またはマルチモード干渉を利用した光分波素子、または方向性結合を利用した光分波素子であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の位相感応型光増幅装置。

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