JP6126543B2 - 光増幅装置 - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

本発明は、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、ディ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光増幅手段として、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。このような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ため、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利点を有する。
しかしながら、これらのレーザ増幅器は、劣化した信号光波形を整形する機能を有していない。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Ｓ／Ｎが増幅前後で少なくとも３ｄＢ低下する。これらは、ディ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、位相感応光増幅器（Phase Sensitive Amplifier：ＰＳＡ）が検討されている。ＰＳＡは、伝送ファイバの分散の影響による劣化した信号光波形や位相信号を整形する機能を有する。また、ＰＳＡは、信号とは無関係の直交位相をもった自然放出光を抑圧でき、同相の自然放出光も最小限で済むために、増幅前後で信号光のＳ／Ｎを劣化させず同一に保つことが原理的に可能である。
図１は、従来のＰＳＡの基本的な構成を示す。図１に示されるように、ＰＳＡ１００は、光パラメトリック増幅を用いた位相感応光増幅部１０１と、励起光源１０２と、励起光位相制御部１０３と、第１及び第２の光分岐部１０４−１及び１０４−２とを備える。図１に示されるように、ＰＳＡ１００に入力された信号光１１０は、光分岐部１０４−１で２分岐されて、一方は位相感応光増幅部１０１に入射し、他方は励起光源１０２に入射する。励起光源１０２から出射した励起光１１１は、励起光位相制御部１０３を介して位相が調整されて、位相感応光増幅部１０１に入射する。位相感応増幅部１０１は、入力した信号光１１０及び励起光１１１に基づいて出力信号光１１２を出力する。
位相感応光増幅部１０１は、入射した信号光１１０の位相と励起光１１１の位相とが一致すると信号光１１０を増幅し、両者の位相が９０度ずれた直交位相関係になると、信号光１１０を減衰する特性を有している。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１１１−信号光１１０間の位相を一致させると、信号光１１０と直交位相の自然放出光が発生せず、また同相の成分に関しても信号光のもつ雑音以上に過剰な自然放出光が発生しない。そのため、Ｓ／Ｎ比を劣化させずに信号光１１０を増幅することが可能になる。
このような信号光１１０と励起光１１１との位相同期を達成するために、励起光位相制御部１０３は、第１の光分岐部１０４−１で分岐された信号光１１０の位相と同期するように励起光１１１の位相を制御する。加えて、励起光位相制御部１０３は第２の光分岐部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、出力信号光１１２の増幅利得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１０２では、上記の原理に基づいてＳ／Ｎ比の劣化のない光増幅が実現される。
なお、励起光位相制御部１０３は、励起光源１０２の出力側で励起光１１１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１１０を発生する光源が位相感応光増幅部１０１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。
T. Umeki 他、"Phase sensitive degenerate parametric amplification using directly-bonded PPLN ridge waveguides," Optics Express、２０１１年、Vol.19、No. 7、pp. 6326-6332 J.Kakande 他、"First demonstration of all-optical QPSK signal regeneration in a novel multi-format phase sensitive amplifier," Post Deadline paper、ECOC 2010、２０１０年 M. Asobe 他、"In-line phase-sensitive amplifier for QPSK signal using multiple QPM LiNbO3 waveguide," In Proceedings of the OptoElectronics Communications Conference、Post Deadline paper、２０１０年、PD2-3
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点がある。上述のパラメトリック増幅を行う非線形光学媒質としては、周期分極反転ＬｉＮｂＯ３（ＰＰＬＮ）導波路に代表される二次非線形光学材料を用いる方法と、石英ガラスファイバに代表される三次非線形光学材料を用いる方法とがある。
図２は、非特許文献１等に開示されているＰＰＬＮ導波路を用いた従来のＰＳＡの構成を例示する。図２に示されるＰＳＡ２００は、エルビウム添加ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）２０１と、第１及び第２の二次非線形光学素子２０２及び２０４と、第１及び第２の光分岐部２０３−１及び２０３−２と、位相変調器２０５と、ＰＺＴによる光ファイバ伸長器２０６と偏波保持ファイバ２０７と、光検出器２０８と、位相同期ループ（ＰＬＬ）回路２０９とを備える。第１の二次非線形光学素子２０２は、第１の空間光学系２１１と第１のＰＰＬＮ導波路２１２と、第２の空間光学系２１３と、第１のダイクロイックミラー２１４とを備え、第２の二次非線形光学素子２０４は、第３の空間光学系２１５と、第２のＰＰＬＮ導波路２１６と、第４の空間光学系２１７と、第２のダイクロイックミラー２１８と第３のダイクロイックミラー２１９を備える。
第１の空間光学系２１１は、第１の二次非線形素子２０２の入力ポートから入力された光を第１のＰＰＬＮ導波路２１２に結合する。第２の空間光学系２１３は、第１のＰＰＬＮ導波路２１２から出力された光を第１のダイクロイックミラー２１４を介して第１の二次非線形光学素子２０２の出力ポートに結合する。第３の空間光学系２１５は、第２の二次非線形光学素子２０４の入力ポートから入力された光を第２のダイクロイックミラー２１８を介して第２のＰＰＬＮ導波路２１６に結合する。第４の空間光学系２１７は、第２のＰＰＬＮ導波路２１６から出力された光を第３のダイクロイックミラー２１９を介して第２の二次非線形光学素子２０４の出力ポートに結合する。
図２に示される例では、ＰＳＡ２００に入射した信号光２５０は、光分岐部２０３−１によって分岐されて、一方は第２の二次非線形光学素子２０４に入射し、他方は励起基本波光２５１として位相変調器２０５及び光ファイバ伸長器２０６を介して位相制御されてＥＤＦＡ２０１に入射する。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、ＥＤＦＡ２０１は、入射した励起基本波光２５１を増幅し、増幅した励起基本波光２５１を第１の二次非線形光学素子２０２−１に入射させる。第１の二次非線形光学素子２０２−１では、入射した励起基本波光２５１から第２高調波（以下、ＳＨ光）２５２が発生し、当該発生したＳＨ光２５２は偏波保持ファイバ２０７を介して第２の二次非線形光学素子２０４に入射する。第２の二次非線形光学素子２０４では、入射した信号光２５０とＳＨ光２５２とで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い、出力信号光２５３を出力する。
ＰＳＡ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、二次の非線形光学効果を用いる場合は、ＳＨ光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＝１／２（φ２ωs−φωs）＝ｎπ （ただし、ｎは整数） （式１）
図３は、従来の二次非線形光学効果を利用したＰＳＡにおける、入力信号光−励起光間の位相差Δφと利得（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は、信号光２５０と励起基本波光２５１とを位相同期させるために、位相変調器２０５を用いて微弱なパイロット信号により位相変調を励起基本波光２５１に施した後、出力信号光２５３の一部を分岐して検出器２０８で検波する。このパイロット信号成分は、図３に示される位相差Δφが最小の位相同期が取れている状態で最小となるので、パイロット信号が最小、つまり増幅出力信号が最大となるように位相同期ループ回路（ＰＬＬ）２０９を用いて、光ファイバ伸長器２０６にフィードバックを行う。励起基本波光２５１の位相を制御して信号光２５０と励起基本波光２５１の位相同期を達成することができる。
上記のＰＰＬＮ導波路を非線形媒質として用い、信号光２５０とＳＨ光２５２を第２の二次非線形光学素子２０４に入射して縮退パラメトリック増幅を行う構成においては、一旦ＳＨ光２５２を発生させてからパラメトリック増幅を行う際に、例えばダイクロイックミラー２０６−１及び２０６−２の特性を用いて励起基本波光の成分を取り除くことにより、ＳＨ光２５２と信号光２５０のみを第２の二次非線形光学素子２０４のようなパラメトリック増幅媒質に入射することができる。そのため、ＥＤＦＡ２０１が発生する自然放出光の混入による雑音が防げるので、低雑音な光増幅が可能になる。
上述のように、ＰＰＬＮ導波路を非線形光学媒質として用い、ＳＨ光２５２を用いて非線形媒質を励起する構成とすることで、ＥＤＦＡ２０１が発生する雑音の影響を受けることなく低雑音な位相感応増幅を行うことができ、また直交位相成分を減衰させる特性を活かして、位相雑音を低減させることができる。
しかしながら、図３に示すように、従来の構成法では、直交する位相成分を減衰させる特性を有しているため、通常の強度変調信号や二値の位相変調を用いるＩＭＤＤやＢＰＳＫまたはＤＰＳＫ等の変調信号の増幅に用いることができるものの、さらに多値の変調フォーマットであるＱＰＳＫ（４値）や８ＰＳＫ等の信号を増幅することができない。
一方で、非特許文献２及び３等に開示されているように、ＱＰＳＫ等の信号を位相感応増幅し、位相再生増幅が可能な構成をとり得ることが知られている。非特許文献２及び３には、それぞれ、三次の非線形光学材料である石英ガラスファイバを用いた方法と、二次の非線形光学材料であるＰＰＬＮを用いた方法とが示されている。図４は、四値の位相変調であるＱＰＳＫの位相再生増幅を行っている石英ガラスファイバを用いたＰＳＡを例示する。
図４には、第１及び第２のＥＤＦＡ４０１及び４０８と、第１の励起光源４０２と、第１乃至第５の光合分波気４０３−１〜４０３−５と、第１の光ファイバ４０４と、分波器４０５と、光サーキュレータ４０６と、半導体レーザからなる第２の励起光源４０７と、第２の光ファイバ４０９と、バンドパスフィルタ４１０と、ＰＬＬ回路４１２と、ＰＺＴによる光ファイバ伸長器４１３とを備えたＰＳＡ４００が示されている。
図４に示される例では、ＰＳＡ４００に入力された信号光４１５は第１のＥＤＦＡ４０１で増幅された後に、第１の光合分波器４０３−１に入射する。第１の励起光源４０２で発生する第１の励起光４１４は、第２の光合分波器４０３−２によって分岐されて、一方が第１の光合分波器４０３−１に入射し、他方は第３の光合分波器４０３−３に入射する。第１の光合分波器４０３−１に入射した第１の励起光４１４の一部と当該増幅された信号は、第１の光合分波器４０３−１で合波された後、第１の光ファイバ４０４に入射する。
図５（ａ）は第１の光ファイバ４０４中における周波数配置を示す。第１の光合分波器４０３−１で合波された信号が第１の光ファイバ４０４に入射すると、図５（ａ）中に示されるように、第１の光ファイバ４０４中の四光波混合（以下、ＦＷＭ）により、複数の信号群が生成される。この過程を以下に詳しく述べる。
第１の光ファイバ４０４においては、まず信号光４１５を励起光とした縮退ＦＷＭにより、第１の励起光４１４が第１のアイドラ光４１６に変換される。次に、第１のアイドラ光４１６を励起光とした縮退ＦＷＭにより信号光４１５が第２のアイドラ光４１７に変換される。次に、第２のアイドラ光４１７を励起光とした縮退ＦＷＭにより第１のアイドラ光４１６が第３のアイドラ光４１８に変換される。
このように、副次的なＦＷＭにより第１の光ファイバ４０４において順次複数のアイドラ光４１６〜４１８が発生するのは、第１の光ファイバ４０４の零分散波長が長さ方向に分布していることによる。すなわち、縮退ＦＷＭにおいては通常、励起光として働く波長において第１の光ファイバ４０４の零分散波長となることにより、ＦＷＭ過程の位相整合が取れ、波長変換が行われる。
しかしながら、光ファイバの構造は長さ方向に完全に均一ではないため、零分散波長が長さ方向に変化するのが一般的である。そのため、上記のように、複数のアイドラ光４１６〜４１８の波長がそれぞれ励起光として働く波長となり、副次的なＦＷＭをもたらしている。このとき、各ＦＷＭ過程における位相整合条件から、各過程で発生するアイドラ光４１６〜４１８の位相は、下記（式２）〜（式４）で与えられる。
φi1＝２φs−φp1 （式２）
φi2＝２φi1−φs＝３φs−２φp1 （式３）
φi3＝２φi2−φi1＝４φs−３φp1 （式４）
ここで、上記（式２）〜（式４）において、φsは信号光４１５の位相、φp1は第１の励起光４１４の位相、φi1は第１のアイドラ光４１６の位相、φi2は第２のアイドラ光４１７の位相、φi3は第３のアイドラ光４１８の位相を表している。
今、第１の励起光４１４の位相が一定であると仮定して（式４）に注目すると、第３のアイドラ光４１８の位相は信号光４１５の位相が４倍されていることが分かる。従って、ＱＰＳＫのようなπ／２の整数倍の位相のみを取る信号では、第３のアイドラ光４１８の位相が一定となり、ＱＰＳＫ信号から搬送波の位相が抽出できることが分かる。
図４に説明を戻す。第１の光ファイバ４０４で生成された各信号は、分波器４０５によって波長ごとに方路が決められ、第３のアイドラ光４１８は光サーキュレータ４０６に入射し、光サーキュレータ４０６において第２の励起光源４０７から出力されるレーザに注入同期され、残留する強度変調成分が取り除かれて第２の励起光４１９として出力される。
第１の励起光４１４及び第２の励起光４１９は、第３の光合分波器４０３−３で合波され、ＥＤＦＡ４０８で増幅された後、分波器４０５から出力された信号光４１５及び第２のアイドラ光４１７と第４の光合分波器４０３−４で合波され、第２の光ファイバ４０９に入射される。第２の光ファイバ４０９中では、ＦＷＭによる位相感応増幅が行われる。このとき、第２の光ファイバ４０９に入射された４つの光の位相に着目すると、下記（式５）及び（式６）が成立していることが分かる。
φp2＝φi3＝４φs−３φp1 （式５）
φp1＋φp2＝φs＋φi2＝４φs−２φp1 （式６）
ここで、（式６）において、φp2は第２の励起光４１９の位相である。（式６）から分かるように、第１の励起光４１４と第２の励起光４１９の位相の総和と、信号光４１５と第２のアイドラ光４１７の位相の総和とが一致することになる。従って、第２の光ファイバ４０９中の４つの入力光の間で位相整合条件が満たされる。
図５（ｂ）は、第２の光ファイバ４０９中における周波数配置を示す。図５（ｂ）に示されるように、第１の励起光４１４と第２の励起光４１５のエネルギーが信号光４１５と第２のアイドラ光４１７に変換されて、光パラメトリック増幅が行われる。このとき、（式６）は信号の位相がπ／２の整数倍の場合のみに成り立つため、ＱＰＳＫの信号を入射した場合、４つの位相状態の信号のみが位相感応増幅されることになり、ＱＰＳＫ信号の位相再生増幅が達成される。
実際の増幅動作では、光ファイバ部品の伸び縮みによって光位相が変動するために、第２の光ファイバ４０９の出力から増幅された信号光だけをバンドパスフィルタ４１０によって取り出し、その一部を第５の光合分波器４０３−５と光検出器４１１によって検出し、ＰＬＬ回路４１２を介してＰＺＴからなる光ファイバ伸長器４１３にフィードバックすることにより、信号−励起光間の位相を安定させ、位相感応増幅を達成している。
しかしながら、上記の光ファイバを非線形光学媒質として用いた構成では、図５（ａ）及び図５（ｂ）中の周波数配置からも分かるように、微弱な信号と同じ波長域に強度の強い励起光が２つも存在し、さらにそれらの励起光は光ファイバ増幅器で増幅されているため、光ファイバ増幅器の発生する自然放出光が信号波長に混入してしまうことが避けられない。さらには、十分な利得を得るためには光ファイバの長さが数１００ｍ以上と長く、実用性に欠けること、さらには強度の強いＣＷの励起光を光ファイバ中に入射すると、誘導ブリュリアン散乱による後方散乱により一定以上の光パワーが入射できなくなるために、励起光の線幅を広げるためにあえて位相変調を加える、あるいは光ファイバに加える張力をあえて分布させることにより誘導ブリルアン散乱の敷値を下げるなどの余分な機構が必要となり、それらによる新たな雑音が発生したり、構成が複雑になるといった問題があった。
上述のような従来技術の問題を鑑みて、ＰＰＬＮ導波路を用いて、従来よりも小型、低雑音、及び構成が簡潔なＱＰＳＫ信号等に対する位相再生型光増幅器が非特許文献３に示されている。図６に、四値の位相変調であるＱＰＳＫの位相再生増幅を行っているＰＰＬＮ導波路を用いたＰＳＡを例示する。
図６には、第１及び第２のＥＤＦＡ６０１及び６０８と、第１及び第２の励起光源６０２及び６０７と、第１乃至第４の光合分波器６０３−１〜６０３−４と、第１乃至第３の二次非線形光学素子６０４、６１０及び６１１と、分波器６０５と、第１及び第２のバンドパスフィルタ６０９及び６１２と、光検出器６１３と、ＰＬＬ回路６１４と、ＰＺＴによる光ファイバ伸長器６１５と、偏光保持光ファイバ６１６とを備えた光増幅装置６００が示されている。第１の二次非線形光学素子６０４は、第１の空間光学系６２１と、第１のＰＰＬＮ導波路６２２と、第２の空間光学系６２３と、第１のダイクロイックミラー６２４とを備える。第２の二次非線形光学素子６１０は、第３の空間光学系６２５と、第２のＰＰＬＮ導波路６２６と、第４の空間光学系６２７と、第２のダイクロイックミラー６２８とを備える。第３の二次非線形光学素子６１１は、第５の空間光学系６２９と、第３のＰＰＬＮ導波路６３０と、第６の空間光学系６３１と、第３のダイクロイックミラー６３２、第４のダイクロイックミラー６３３とを備える。
第１の空間光学系６２１は、第１の二次非線形光学素子６０４の入力ポートから入力された光を第１のＰＰＬＮ導波路６２２に結合する。第２の空間光学系６２３は、第１のＰＰＬＮ導波路６２２から出力された光を第１のダイクロイックミラー６２４を介して第１の二次非線形光学素子６０４の出力ポートに結合する。第３の空間光学系６２５は、第２の二次非線形光学素子６１０の入力ポートから入力された光を第２のＰＰＬＮ導波路６２６に結合する。第４の空間光学系６２７は、第２のＰＰＬＮ導波路６２６から出力された光を第２のダイクロイックミラー６２８を介して第２の二次非線形光学素子６１０の出力ポートに結合する。第５の空間光学系６２９は、第３の二次非線形光学素子６１１の入力ポートから入力された光を第３のダイクロイックミラー６３２を介して第３のＰＰＬＮ導波路６３０に結合する。第６の空間光学系６３１は、第３のＰＰＬＮ導波路６３０から出力された光を第４のダイクロイックミラー６３２を介して第３の二次非線形光学素子６１１の出力ポートに結合する。
図６に示される例では、光増幅装置６００に入射した１．５５μｍ帯でＱＰＳＫ変調された信号光６５２は、第１の光合分波器６０３−１に入射する。第１の励起光源６０２で発生する第１の励起光６５１は、第２の光合分波器６０３−２によって分岐されて、一方が第１の光合分波器６０３−１に入射し、他方は第３の光合分波器６０３−３に入射する。第１の光合分波器６０３−１に入射した第１の励起光６５１の一部及び信号光６５２は、第１の光合分波器６０３−１で合波された後、第１のＥＤＦＡ６０１に入射して増幅されて、第１の二次非線形光学素子６０４に入射する。
ここで、搬送波の消失したＱＰＳＫ信号からコンパクトなＰＰＬＮ導波路を用いて搬送波を抽出するために、第１の二次非線形光学素子６０４には、１．５５μｍ帯で周波数間隔が１００ＧＨｚで３つの擬似位相整合波長を有する第１のＰＰＬＮ導波路６２２が作製されている。
ここで、第１のＰＰＬＮ導波路６２２中での波長変換プロセスについて説明する。図７（ａ）は、第１のＰＰＬＮ導波路６２２中の周波数配置と位相整合特性を示す。図７（ａ）に示すように、第１のＰＰＬＮ導波路６２２の３つの位相整合ピークのうち最も低周波側のピークを信号光６５２の周波数と一致させる。そして、第１の励起光６５１は、信号光６５２よりも１００ＧＨｚだけ低周波に離調するように波長を設定する。以上のような条件において、第１のＰＰＬＮ導波路６２２中では、まず信号光６５２がＳＨ光に変換され、そのＳＨ光を励起光とする差周波発生（ＤＦＧ）により第１の励起光６５１が第１のアイドラ光６５３に変換される。変換された第１のアイドラ光６５３の周波数は第１のＰＰＬＮ導波路６２２の２番目の位相整合波長に一致するため、第１のアイドラ光６５３はＳＨ光に変換され、そのＳＨ光を励起光として信号光６５２が第２のアイドラ光６５４へ変換される。第２のアイドラ光６５４の周波数は第１のＰＰＬＮ導波路６２２の３番目の位相整合波長に一致するために、第２のアイドラ光６５４はＳＨ光に変換され、そのＳＨ光を励起光として第１のアイドラ光６５３が第３のアイドラ光６５５へ変換される。このとき、第１乃至第３のアイドラ光６５３〜６５５の位相は次式のように与えられる。
φi1＝２φs−φp1 （式７）
φi2＝２φi1−φs＝３φs−２φp1 （式８）
φi3＝２φi2−φi1＝４φs−３φp1 （式９）
ここで、上記（式７）〜（式９）において、φsは信号光６５２の位相、φp1は第１の励起光６５１の位相、φi1は第１のアイドラ光６５３の位相、φi2は第２のアイドラ光６５４の位相、φi3は第３のアイドラ光６５５の位相を表している。
今、第１の励起光６５１の位相が一定であると仮定して（式９）に注目すると、第３のアイドラ光６５５の位相は信号光６５２の位相の４倍であることが分かる。従って、ＱＰＳＫのようなπ／２の整数倍の位相のみを取る信号では、第３のアイドラ光６５５の位相は一定となり、ＱＰＳＫ信号から搬送波の位相が抽出できることが分かる。
図６を参照すると、第１のＰＰＬＮ導波路６２２を有する第１の二次非線形光学素子６０４の出力は、分波器６０５により波長ごとに分離されて二分岐され、信号光６５２及び第２のアイドラ光６５４は第３の二次非線形光学素子６１１に入射し、第３のアイドラ光６５５は光サーキュレータ６０６に入射する。第３のアイドラ光６５５は光サーキュレータ６０６において第２の励起光源６０７（半導体レーザ）から出力されるレーザに注入同期され、残留する強度変調成分が取り除かれて第２の励起光６５６として出力される。第１の励起光６５１及び第２の励起光６５６は第３の光合分波器６０３−３で合波され、第２のＥＤＦＡ６０８で増幅された後、第１の励起光６５１及び第２の励起光６５６のみを透過するバンドパスフィルタ６０９により過剰な自然放出光を除去したのちに、第２の二次非線形光学素子６１０の第２のＰＰＬＮ導波路６２６に入射される。
第２のＰＰＬＮ導波路６２６は第１のＰＰＬＮ導波路６２２と同様の方法で作製されているが、第２のＰＰＬＮ導波路６２６は周期１７μｍの分極反転構造に位相変調は加えられていない。従って、第２高調波発生（ＳＨＧ）で評価したときの位相整合波長は、図７（ｂ）に示される第２の二次非線形光学素子６１０の第２のＰＰＬＮ導波路６２６中の周波数配置のように、第１のアイドラ光６５３の波長に一致する。第１の励起光６５１及び第２の励起光６５６は、この位相整合波長からともに２００ＧＨｚだけ互いに逆方向に周波数が離れている。従って、第１の励起光６５１及び第２の励起光６５６の和周波発生の位相整合条件を満足することになり、第２のＰＰＬＮ導波路６２６により第１のアイドラ光６５３のＳＨ光に相当する波長に和周波光６５７として波長変換が行われる。このとき、和周波光６５７の位相φSＦは下記（式１０）で与えられる。ここで、φp2は第２の励起光６５６の位相を示す。
φSＦ＝φp1＋φp2＝−２φp1 （式１０）
この和周波光６５７は、第２の二次非線形光学素子６１０中に内蔵された第２のダイクロイックミラー６２８により、第１の励起光６５１及び第２の励起光６５６と分離された後に、０．７８μｍ帯の偏波保持光ファイバ６１６を介して第３の二次非線形光学素子６１１の第３のＰＰＬＮ導波路６３０に入射する。
一方で、分波器６０５で分離されて第３の二次非線形光学素子６１１に入射した信号光６５２及び第２のアイドラ光６５４も、第３のダイクロイックミラー６３２を介して第３のＰＰＬＮ導波路６３０に入射する。第３のＰＰＬＮ導波路６３０は第２のＰＰＬＮ導波路６２６と同等の特性を有しており、従ってその位相整合波長は第２のＰＰＬＮ導波路６２６とほぼ同じであり、両者の位相整合波長は適切な温度調整により一致させるように設定されている。
図７（ｃ）は第３のＰＰＬＮ導波路６３０中の周波数配置を示す。図７（ｃ）に示されるように、和周波光６５７の周波数は１．５５μｍ帯における第３のＰＰＬＮ導波路６３０の位相整合波長のＳＨ光に相当する。従って、和周波光６５７と信号光６５２、第２のアイドラ光６５４の間では位相整合条件が満たされており、信号光６５２の位相と第２のアイドラ光６５４の位相との総和を計算すると、下記の（式１１）のように表される。
φs＋φi2＝４φs−２φp1 （式１１）
（式１１）を（式１０）と比較すると、両者は信号の位相がπ／２の整数倍のときのみ一致するため、ＱＰＳＫ信号を位相感応増幅することができることが分かる。
従来の光ファイバを用いたＰＳＡと異なり、１．５５μｍ帯には強度の強い励起光が存在せず、また励起光用に用いるＥＤＦＡが発生する自然放出光も混入しないために、高いＳＮ比を保ちながら位相感応増幅を行うことが出来る。
実際の増幅動作においては、各光学部品を接続する光ファイバの伸び縮みによる光路長の変動による位相変動の影響を抑圧するために、第３のＰＰＬＮ導波路６３０の出力から増幅された信号光だけをバンドパスフィルタ６１２を用いて取り出し、さらにその一部を第４の光合分波器６０３−４を用いて分岐し、光検出器６１３で検出したのちに、ＰＬＬ回路６１４を介して位相変調器・ＰＺＴからなる光ファイバ伸長器６１５にフィードバックを行い、安定的な動作を実現している。
しかしながら、上述した位相方向に多値化した変調フォーマットを有する信号光に対する従来のＰＳＡの構成には、三次非線形光学素子及び二次非線形光学素子のどちらを使った場合においても、入力から光増幅媒質（図４に示される三次非線形光学素子の構成例では第２の光ファイバ４０９、図６に示される二次非線形光学素子の場合では第３のＰＰＬＮ導波路６３０）までの間に信号光の信号−雑音比（ＳＮ比）が劣化してしまい、系全体としての特性を劣化させる要因を含むという課題があった。その主要因としては、１つの非線形光学媒質を用いて発生させた第２のアイドラ光と第３のアイドラ光を使用しなくてはならないことにある。
ＱＰＳＫ信号に対するＰＳＡを実現するために、第３のアイドラ光は位相変調成分をキャンセルして搬送波位相を再生することに用いられ、第２のアイドラ光は信号光と相互作用する信号光の対として用いられる。この第２のアイドラ光と第３のアイドラ光は、１つの非線形光学媒質を用いて信号光と第１の励起光から多段の非線形過程を通して生成される。しかしながら、通常の光通信で用いられる信号光のパワーは微弱であるため、非線形過程の数が増えれば増えるほど変換効率が低くなる。つまり、通常、第１のアイドラ光は信号光強度より小さく、第２のアイドラ光はその第１のアイドラ光より強度が小さく、さらに第３のアイドラ光はその第２のアイドラ光よりも強度が小さくなってしまう。
ＱＰＳＫ信号に対するＰＳＡを実現するためには、励起光とともに信号光と第２のアイドラ光を光増幅器に入力する必要がある。理想的な位相感応な増幅を実現するためには、信号光と第２のアイドラ光の光強度が同等である必要がある。このため、生成された第２のアイドラ光の光強度が信号光よりも弱い場合は、信号光のみを減衰させて第２のアイドラ光との光強度の均等化を図る必要がある。しかしながら、一般的に、光増幅器（ここでは図４の構成例では第２の光ファイバ４０９、図６の構成例では第３のＰＰＬＮ導波路６３０）の入力手前で一度信号光を減衰させてから増幅させると、その減衰分だけＳＮ比が劣化するという特性を光増幅器は有するため、第２のアイドラ光との光強度の均等化は直ちに光増幅器全体で考えた場合の信号光のＳＮ比を劣化させることとなる。
第１乃至第３のアイドラ光の光強度を増大させるための１つの方法は、非線形光学媒質へ入力する信号光及び第１の励起光の強度を上げることである。このため、従来の構成では、少なくとも信号光をＥＤＦＡで増幅した後に非線形素子（図４の構成例では第１の光ファイバ４０４、図６の構成例では第１のＰＰＬＮ導波路６２２）に入射する。しかしながら、ＥＤＦＡに代表されるレーザ増幅器は、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するので、光増幅器の標準量子限界と呼ばれる信号光のＳ／Ｎが増幅前後で少なくとも３ｄＢ低下する問題があった。このため、信号光をＥＤＦＡ等で増幅してしまうと、その時点で少なくともＳ／Ｎが３ｄＢ劣化し、低雑音な増幅器の実現が困難となる。
さらに、第２のアイドラ光及び第３のアイドラ光を１つの非線形光学媒質を用いて生成しているために、生成後にこれらの光を分離する分波器（図４の構成例では分波器４０５、図６の構成例では分波器６０５）が必要となる。この分波器は、信号光と第２のアイドラ光を一方のポートに出力し、第３のアイドラ光のみを他方のポートに出力し、第１のアイドラ光と第１の励起光を消光するような複雑な機能を有する必要がある。このような高機能な分波器の利用は、増幅器全体の著しいコストの増大や信頼性の低下を招いてしまう問題がある。また、複雑な分波を行うため、分波器の光損失が大きくなってしまうという問題もあった。分波器の光損失は光増幅媒質への入力の手前であるため、上述した通り、この分波器の光損失は直ちに系全体のＳ／Ｎを劣化させる要因となる。
このように、１つの非線形光学媒質を用いてアイドラ光を順次生成していく従来の構成では、生成効率増大のためのレーザ増幅器による過剰雑音の混入、信号光と第２のアイドラ光の光強度の均等化に伴うＳ／Ｎの劣化、複雑な分波機能を持つ分波器による光損失などの課題があった。
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の光増幅装置は、二次非線形光学効果を用いた光混合によってＭ（Ｍは４以上の整数）種類の値を取る多値位相変調された信号光を増幅する位相感応型光増幅装置であって、周波数ωsを有する前記信号光を分岐する第１の光合分波器と、周波数ωLO1を有する第１の基本波光を発生する第１の光源と、前記第１の基本波光を分岐する第２の光合分波器と、前記第１の光合分波器の一方の出力端子から出力された前記信号光と、前記第２の光合分波器の一方から出力された前記第１の基本波光とを入力し、増幅して出力する第１の光ファイバレーザ増幅器と、複数の波長において擬似位相整合を満たし、当該増幅された信号光及び第１の基本波光を入力し、第二高調波を発生して出力する第１の二次非線形光学素子と、前記第１の二次非線形光学素子の出力からＭωs−（Ｍ−１）ωLO1の周波数を有するアイドラ光のみを分離して出力する分波器と、前記分波器から出力された前記アイドラ光に注入同期が可能なレーザを出力する第２の光源と、前記分波器から出力された前記アイドラ光を前記第２の光源から出力された前記レーザに注入同期して第２の基本波光を出力する光サーキュレータと、前記第２の光合分波器の他方の出力端子から出力された前記第１の基本波光と、前記光サーキュレータから出力された前記第２の基本波光を入力して合波し、当該合波した前記第１の基本波光及び前記第２の基本波光を分岐して出力する第３の光合分波器と、前記第３の光合分波器の一方の出力端子から出力された前記第１の基本波光及び前記第２の基本波光を増幅して出力する第２の光ファイバレーザ増幅器と、前記第２の光ファイバレーザ増幅器から出力された前記第１の基本波光及び第２の基本波光から第１の和周波光を発生して出力する第２の二次非線形光学素子と、前記第１の光合分波器の他方の出力端子から出力された前記信号光と前記第１の和周波光とを入力して差周波光を発生し、前記信号光及び前記差周波光を出力する第３の二次非線形光学素子と、前記第３の光合分波器の他方の出力端子から出力された前記第１の基本波光及び前記第２の基本波光を増幅して出力する第３の光ファイバレーザ増幅器と、前記第３の光ファイバレーザ増幅器から出力された前記第１の基本波光及び第２の基本波光から第２の和周波光を発生して出力する第４の二次非線形光学素子と、前記信号光と、前記差周波光と、前記第２の和周波光とを入力して非縮退パラメトリック増幅を行う第５の二次非線形光学素子とを備えたことを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の光増幅装置は、請求項１に記載の光増幅装置であって、前記第２の光ファイバレーザ増幅器と前記第２の二次非線形光学素子との間に、前記第１の基本波光及び前記第２の基本波光のみを透過する第１のバンドパスフィルタが設けられていることを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の光増幅装置は、請求項１又は２に記載の光増幅装置であって、前記第１の光合分波器の前記一方の出力端子から前記第２の二次非線形光学素子を経由して前記第３の二次非線形光学素子までの光路と、前記第１の光合分波器の前記他方の出力端子から前記第３の二次非線形光学素子までの光路とを等長化する第１の遅延制御器をさらに備えたことを特徴とする。
本発明の請求項４に記載の光増幅装置は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光増幅装置であって、前記第１の二次非線形光学素子は、周期分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ３からなる光導波路であり、前記周期分極反転構造は、分極反転周期よりも長い周期で空間的な位相変調あるいは周期変調が施されており、前記第１の二次非線形光学素子は、少なくとも、ωs、２ωs−ωLO1の周波数に擬似位相整合波長が一致していることを特徴とする。
本発明の請求項５に記載の光増幅装置は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光増幅装置であって、前記信号光を分岐して、一方の出力端子から前記信号光を前記第１の光合分波器に出力する第４の光合分波器と、前記第４の光合分波器の他方の出力端子から出力された前記信号光を入力して、前記信号光を遅延する第２の遅延制御器と、前記第３の二次非線形光学素子から出力された前記信号光及び前記差周波光のうち、前記差周波光のみを透過する第２のバンドパスフィルタと、前記第２の遅延制御器から出力された前記信号光と、前記第２のバンドパスフィルタから出力された前記差周波光とを合波して、前記第５の二次非線形光学素子に出力する波長合波器とをさらに備えたことを特徴とする。
本発明の請求項６に記載の光増幅装置は、請求項５に記載の光増幅装置であって、前記第２の遅延制御器は、前記第４の光合分波器の前記一方の出力端子から前記第２の二次非線形光学素子及び前記第３の二次非線形光学素子を経由して前記波長合波器までの光路と、前記第４の光合分波器の他方の出力端子から前記波長合波器までの光路とを等長化するように構成されていることを特徴とする。
本発明の請求項７に記載の光増幅装置は、請求項５又は６に記載の光増幅装置であって、前記第１の二次非線形光学素子は、周期分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ３からなる光導波路であり、前記周期分極反転構造は、分極反転周期よりも長い周期で空間的な位相変調あるいは周期変調が施されており、前記第１の二次非線形光学素子は、少なくとも、ωs、２ωs−ωLO1、４ωs−３ωLO1の周波数に擬似位相整合波長が一致していることを特徴とする。
本発明に係る光増幅器によれば、励起光を一旦第二高調波の波長に変換してから信号光と合波してパラメトリック増幅を行うため励起光の分離が容易であり、信号光との相互作用に用いるアイドラ光を高効率に生成でき、ＳＮ比の劣化を抑制できるため、低雑音な増幅が可能になる。さらに、本発明に係る光増幅器によれば、信号光を増幅しないため内部で用いる光ファイバ増幅器の発生する自然放出光の混入によるＳＮ比の劣化を抑えることができる。また、本発明に係る光増幅器によれば、本発明に係る分波器は、第３のアイドラ光のみを分離する機能を有してさえいればいいので、増幅器全体の著しいコストの増大や信頼性の低下を回避することができる。
この結果、本発明に係る光増幅器では、ＳＮ比の劣化を抑えた光増幅が可能になるとともに位相情報を再生しながら増幅できるため、位相雑音を低減して中継増幅を行うことができる。
従来の位相感応光増幅器の構成の説明図である。 従来の二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器の構成の説明図である。 従来の二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器における、入力信号光−励起光間の位相差Δφと、利得との関係を示すグラフである。 従来の三次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器の構成の説明図である。 従来のＰＳＡの光ファイバ中における光の周波数配置を示す図である。 従来の二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器の構成の説明図である。 従来のＰＳＡの各二次非線形光学素子における光の周波数配置と位相整合特性を示す図である。 本発明の実施例１に係る光増幅器の構成を説明するための図である。 本発明の実施例１に係る光増幅器の動作を説明するための図である。 本発明の実施例１に係る光増幅装置の第３の二次非線形光学素子内で生成された第４のアイドラ光の光スペクトルを示す図である。 本発明の実施例１に係る光増幅装置によって増幅された信号光及び第４のアイドラ光の光スペクトルを示す図である。 本発明の実施例１に係る光増幅装置によって増幅された信号の入出力におけるコンスタレーションマップである。 本発明の実施例２に係る光増幅器の構成を説明するための図である。 本発明の実施例２に係る光増幅装置によって増幅された信号の入出力におけるコンスタレーションマップである。
以下、図面を参照しながら本発明の例示的な実施形態について詳細に説明する。
（実施例１）
本実施例１に係る光増幅装置では、ＱＰＳＫ信号から搬送波を抽出し、その搬送波に位相同期した励起光を生成した後、信号光との相互作用に必要なアイドラ光を高効率に生成し、ＰＰＬＮ導波路を用いたＰＳＡを構成した。
図８は、本発明の実施例１に係る光増幅装置の構成を示す。図８には、第１乃至第３のＥＤＦＡ８０１、８０８、８１３と、第１及び第２の基本波光源８０２、８０７と、第１乃至第５の光合波器８０３−１〜８０３−５と、第１乃至第５の二次非線形光学素子８０４、８１０、８１１、８１４、８１５と、分波器８０５と、光サーキュレータ８０６と、第１乃至第３のバンドパスフィルタ８０９、８１３、８１６と、光検出器８１７と、ＰＬＬ回路８１８と、ＰＺＴによる光ファイバ伸長器８１９と、遅延制御器８２０とを備えた光増幅装置８００が示されている。
第１の二次非線形光学素子８０４は、第１及び第２の空間光学系８２１、８２３と、第１のＰＰＬＮ導波路８２０と、第１のダイクロイックミラー８２４とを備える。第２の二次非線形光学素子８１０は、第３及び第４の空間光学系８２５、８２７と、第２のＰＰＬＮ導波路８２６と、第２のダイクロイックミラー８２８とを備える。第３の二次非線形光学素子８１１は、第５及び第６の空間光学系８２９、８３１と、第３のＰＰＬＮ導波路８３０と、第３及び第４のダイクロイックミラー８２３、８３３とを備える。第４の二次非線形光学素子８１４は、第７及び第８の空間光学系８３４、８３６と、第４のＰＰＬＮ導波路８３５と、第５のダイクロイックミラー８３７とを備える。第５の二次非線形光学素子８１５は、第９及び第１０の空間光学系８３８、８４０と、第５のＰＰＬＮ導波路８３９と、第６及び第７のダイクロイックミラー８４１、８４２とを備える。
第１の空間光学系８２１は第１の二次非線形素子８０４の入力ポートから入力された光を第１のＰＰＬＮ導波路８２２に結合し、第２の空間光学系８２３は第１のＰＰＬＮ導波路８２２から出力された光をダイクロイックミラー８２４を介して第１の二次非線形素子８０４の出力ポートに結合する。第３の空間光学系８２５は第２の二次非線形素子８１０の入力ポートから入力された光を第２のＰＰＬＮ導波路８２６に結合し、第４の空間光学系８２７は第２のＰＰＬＮ導波路８２６から出力された光をダイクロイックミラー８２８を介して第２の二次非線形素子８１０の出力ポートに結合する。第５の空間光学系８２９は第３の二次非線形素子８１１の入力ポートから入力された光をダイクロイックミラー８３２を介して第３のＰＰＬＮ導波路８３０に結合し、第６の空間光学系８３１は第３のＰＰＬＮ導波路８３０から出力された光をダイクロイックミラー８３３を介して第３の二次非線形素子８１１の出力ポートに結合する。第７の空間光学系８３４は第４の二次非線形素子８１４の入力ポートから入力された光を第４のＰＰＬＮ導波路８３５に結合し、第８の空間光学系８３６は第４のＰＰＬＮ導波路８３５から出力された光をダイクロイックミラー８３７を介して第４の二次非線形素子８１４の出力ポートに結合する。第９の空間光学系８３８は第５の二次非線形素子８１５の入力ポートから入力された光をダイクロイックミラー８４１を介して第５のＰＰＬＮ導波路８３９に結合し、第１０の空間光学系８４０は第５のＰＰＬＮ導波路８３９から出力された光をダイクロイックミラー８４２を介して第５の二次非線形素子８１５の出力ポートに結合する。
図８に示される例では、光増幅装置８００に入射した例えば１．５５μｍ帯でＱＰＳＫ変調された信号光８５２は、第１の光合分波器８３０−１によって分岐され、一方の光が遅延制御器８２０を通過した後に第３の二次非線形光学素子８１１に入射し、他方は第３の光合分波器８０３−３に入射する。第１の基本波光源８０２で発生する第１の基本波光８０１は、第２の光合分波器８０３−２により分岐され、一方の光が第４の光合分波器８０３−４に入射し、他方は第３の光合分波器８０３−３に入射する。第３の光合分波器８０３−３に入射した信号光８５２の一部と第１の基本波光８５１の一部は、第３の光合分波器８０３−３で合波された後、第１のＥＤＦＡ８０１に入射して増幅され、第１の二次非線形光学素子８０４に入射する。
第１の二次非線形光学素子８０４には、１．５５μｍ帯で周波数間隔が１００ＧＨｚで３つの擬似位相整合波長を有する第１のＰＰＬＮ導波路８２２が作製されている。第１のＰＰＬＮ導波路８２２の作製方法を以下に例示する。まず、Ｚｎを添加したＬｉＮｂＯ３上に周期が１７μｍでかつ位相変調周期が１６．５ｍｍの空間的な位相変調を施した周期的な電極を形成した。次に、電界印加法により上記の電極パターンに応じた分極反転グレーティングをＺｎ：ＬｉＮｂＯ３中に形成した。次に、この周期分極反転構造を有するＺｎ：ＬｉＮｂＯ３基板をクラッドとなるＬｉＴａＯ３上に直接接合を行い、５００℃で熱処理を行うことにより両基板を強固に接合した。次に、コア層を研磨により５μｍ程度まで薄膜化し、ドライエッチングプロセスを用いてリッジ型の光導波路を形成した。導波路の長さは、上記の周期的な位相変調周期の３倍である４９．５ｍｍとした。この導波路はペルチェ素子により温度調節が可能で、１．５５μｍ帯の偏波保持ファイバで光の入出力が可能なモジュールとした。
ここで、第１のＰＰＬＮ導波路８２２中での波長変換プロセスについて説明する。図９（ａ）は、第１のＰＰＬＮ導波路８２２中の周波数配置と位相整合特性を示す。図９（ａ）に示されるように、第１のＰＰＬＮ導波路８２２の３つの位相整合ピークのうち最も低周波側のピークを信号光８５２の周波数と一致させる。そして、第１の基本波光８５１は、信号光８５２よりも１００ＧＨｚだけ低周波側に離調するように波長を設定する。以上のような条件において、第１のＰＰＬＮ導波路８２２中では、まず信号光８５２がＳＨ光に変換され、そのＳＨ光を励起光とする差周波発生（ＤＦＧ）により第１の基本波光８５１が第１のアイドラ光８５３に変換される。変換された第１のアイドラ光８５３の周波数は第１のＰＰＬＮ導波路８２２の２番目の位相整合波長に一致するため、第１のアイドラ光８５３はＳＨ光に変換され、そのＳＨ光を励起光として信号光が第２のアイドラ光８５４へ変換される。第２のアイドラ光８５４の周波数は第１のＰＰＬＮ導波路の３番目の位相整合波長に一致するために、第２のアイドラ光８５４はＳＨ光に変換され、そのＳＨ光を励起光として第１のアイドラ光８５３が第３のアイドラ光８５５へ変換される。このとき、第１乃至第３のアイドラ光の位相は次式のように与えられる。
φi1＝２φs−φLO1 （式１２）
φi2＝２φi1−φs＝３φs−２φLO1 （式１３）
φi3＝２φi2−φi1＝４φs−３φLO1 （式１４）
ここで、φsは信号光の位相、φLO1は第１の基本波光の位相、φi1は第１のアイドラ光の位相、φi2は第２のアイドラ光の位相、φi3は第３のアイドラ光の位相を表している。
第１のＰＰＬＮ導波路８２２を有する第１の二次非線形光学素子８０４の出力は、分波器８０５に入力される。分波器８０５は、第３のアイドラ光のみを分離して出力する機能を有し、分波器８０５では、第３のアイドラ光８５５のみが分離・出力されて光サーキュレータ８０６に入射する。ここでは分波器を用いたが、バンドバスフィルタを用いて第３のアイドラ光のみを切り出してもよい。第３のアイドラ光８５５は光サーキュレータ８０６において第２の基本波光源（半導体レーザ）８０７から出力されるレーザに注入同期され、残留する強度変調成分が取り除かれて第２の基本波光８５６として出力される。
第１の基本波光８５１及び第２の基本波光８５６は第４の光合分波器８０３−４で合波された後、２つに分岐される。第４の光合分波器８０３−４で分岐された光のうちの一方は、第２のＥＤＦＡ８０８で増幅された後、第１の基本波光８５１及び第２の基本波光８５６のみを透過するバンドパスフィルタ８０９により過剰な自然放出光を除去したのちに、第２の二次非線形光学素子８１０の第２のＰＰＬＮ導波路８２６に入射される。
第２のＰＰＬＮ導波路８２６の作製方法は第１のＰＰＬＮ導波路８２２の作製方法とほぼ同様だが、第２のＰＰＬＮ導波路８２６は周期１７μｍの分極反転構造に位相変調は加えられていない。従って、第２高調波発生（ＳＨＧ）で評価したときの位相整合波長は、図９（ｂ）に示される第２の二次非線形光学素子８１０の第２のＰＰＬＮ導波路８２６中の周波数配置のように、第１のアイドラ光８５３の波長に一致する。第１の基本波光８５１及び第２の基本波光８５６は、この位相整合波長からともに２００ＧＨｚだけ互いに逆方向に周波数が離れている。従って、第１の基本波光８５１及び第２の基本波光８５６の和周波発生の位相整合条件を満足することになり、第１の基本波光８５１及び第２の基本波光８５６は、第２のＰＰＬＮ導波路８２６により第１のアイドラ光８５３のＳＨ光に相当する波長に波長変換され、第１の和周波光８５７として出力される。この第１の和周波光８５７の位相φSFは下記（式１５）で与えられる。ここで、φLO2は第２の基本波光の位相を示す。
φSF＝φLO1＋φLO2＝４φs−２φLO1 （式１５）
この第１の和周波光８５７は、第２の二次非線形光学素子８２６中に内蔵された第１のダイクロイックミラー８２８により、第１の基本波光８５１と第２の基本波光８５６とに分離された後に、０．７８μｍ帯の偏波保持光ファイバを介して第３の二次非線形光学素子８１１の第３のＰＰＬＮ導波路８３０に入射する。
一方で、第１の光合分波器８０３−１によって分岐された信号光８５２も第３のダイクロイックミラー８３２を介して第３のＰＰＬＮ導波路８３０に入射する。第３のＰＰＬＮ導波路８３０は第２のＰＰＬＮ導波路８２６と同等の特性を有しており、従ってその位相整合波長は第２のＰＰＬＮ導波路８２６とほぼ同じであり、両者の位相整合波長は適切な温度調整により一致させるように設定されている。
図９（ｃ）は、第３のＰＰＬＮ導波路中の周波数配置を示す。図９（ｃ）に示されるように、第１の和周波光８５８の周波数は、１．５５μｍ帯における第３のＰＰＬＮ導波路８３０の位相整合波長のＳＨ光に相当する。従って、第１の和周波光８５８と信号光８５２の間では位相整合条件が満たされており、差周波数（ＤＦＧ）光が生成される。この差周波光の位相φi4は、下記の（式１６）のように表される。
φi4＝４φs−２φLO1−φ’s （式１６）
ここで、φ’sは、第１の光合分波器８０３−１で分岐され、遅延制御器８２０を通過した後に第３の二次非線形光学素子８１１内の第３のＰＰＬＮ導波路８３０に入射された信号光８５２の位相である。通常では、第１の合分波器８０３−１で分岐され、別の経路を通過してから入力された信号光８５２と第１の和周波光８５８の間では遅延が異なるため、φsとφ’sは数式上の加算減算ができない。そこで、遅延制御器８２０を用いて、第１の合分波器８０３−１から分岐された一方の光が第３のＰＰＬＮ導波路８３０へ入射されるまでの光路長と、分岐された他方の光が第３のＰＰＬＮ導波路８３０へ入射されるまでの光路長の実効的な差を補償するように等長化を行った。この時、φsとφ’sは数式上の加算減算が可能となり、この差周波光の位相φi4は、次式で表される。
φi4＝３φs−２φLO1 （式１７）
（式１３）を（式１７）と比較すると、この差周波数光は、第１のＰＰＬＮ導波路８２２で生成される第２のアイドラ光８５４と同等の位相を持つことが分かる。つまり、４φｓの位相を持つ第３のアイドラ光８５５を用いて、１度の差周波発生過程で第２のアイドラ光８５４と同等の位相を持つ光を生成できることになる。ここで、これを第４のアイドラ光８５８と呼ぶこととする。信号光８５２と第４のアイドラ光８５８は第４のダイクロイックミラー８３３を介して第３の二次非線形光学素子８１１から出射される。
図１０は、第３のＰＰＬＮ導波路の出力の光スペクトルを示す。図１０に示されるように、１０Ｇｂｉｔ／ｓのＱＰＳＫ信号光８５２と和周波光８５７を第３のＰＰＬＮ導波路８３０に入射した結果、第４のアイドラ光８５８が発生する。この第４のアイドラ光８５８については、ＱＰＳＫ信号光８５２との強度差が３ｄＢ以内で生成されていることを確認できた。
一方で、第４の光合分波器８０３−４で分岐された光のうちのもう一方は、第３のＥＤＦＡ８１２で増幅された後、第１の基本波光８５１及び第２の基本波光８５６のみを透過するバンドパスフィルタ８１３により過剰な自然放出光を除去したのちに、第４の二次非線形光学素子８１４の第４のＰＰＬＮ導波路８３５に入射される。第４のＰＰＬＮ導波路８３５は第２のＰＰＬＮ導波路８２６と同等の特性を有しており、従ってその位相整合波長は第２のＰＰＬＮ導波路８２６とほぼ同じであり、両者の位相整合波長は適切な温度調整により一致させるように設定されている。第２のＰＰＬＮ導波路８２６により生成された第１の和周波光８５７と同じように第２の和周波光８５９が生成される。このとき、第２の和周波光８５９の位相φSFは同様に（式１５）で与えられる。
第４のＰＰＬＮ導波路８３５で生成された第２の和周波光８５９は、第５のダイクロイックミラー８３７を介して第４の二次非線形光学素子８１４から出射され、第５の二次非線形光学素子８１５に入射される。また、第３の二次非線形光学素子８１１から出射された信号光８５２と第４のアイドラ光８５８は、第５の二次非線形光学素子８１５に入射される。信号光８５２と第４のアイドラ光８５８と第２の和周波光８５９は、第６のダイクロイックミラー８４１を介して第５のＰＰＬＮ導波路８３９に入射される。第５のＰＰＬＮ導波路８３９は第３のＰＰＬＮ導波路８３０と同等の特性を有しており、従ってその位相整合波長は第３のＰＰＬＮ導波路８３０とほぼ同じであり、両者の位相整合波長は適切な温度調整により一致させるように設定されている。
信号光８５２の位相と第４のアイドラ光８５８の位相との総和を計算すると、下記の（式１８）のように表される。
φs＋φi4＝４φs−２φLO1 （式１８）
位相感応増幅では、φpump−φsignal−φidlerがπ／２となる時に最大増幅−π／２となる時に最大減衰が得られるため、（式１８）の位相を持つ信号光とアイドラ光のペアの場合、励起光の位相を基準に取れば、信号の位相がπ／２の整数倍のときのみ一致するため、ＱＰＳＫ信号を位相感応増幅することができることが分かる。
図１１は、本実施例１に係る光増幅装置８００で増幅された信号光８５２及び第４のアイドラ光８５８の光スペクトルを示す。従来の光ファイバを用いたＰＳＡと異なり、図１１に示されるように１．５５μｍ帯には強度の強い励起光が存在せず、また励起光の発生に用いるＥＤＦＡが発生する自然放出光も混入しないために、高いＳＮ比を保ちながら位相感応増幅を行うことが出来ることが確認できる。
実際の増幅動作においては、各光学部品を接続する光ファイバの伸び縮みによる光路長の変動による位相変動の影響を抑圧するために、本実施例１では第５のＰＰＬＮ導波路８３９の出力から増幅された信号光だけをバンドパスフィルタ８１６を用いて取り出し、さらにその一部を第５の光合分波器８０３−５を用いて分岐し、光検出器８１７で検出したのちに、ＰＬＬ回路８１８を介して位相変調器・ＰＺＴからなる光ファイバ伸長器８１９にフィードバックを行い、安定的な動作を実現している。ＰＺＴの位置は、光パラメトリック増幅を行うＰＰＬＮ導波路（本実施例１では第５のＰＰＬＮ導波路８３９）における信号光・アイドラ光の対と励起光の間の位相を調整することができる位置であればよい。本実施例では、基本波光の位相を変化させ、励起光の位相を調整することで位相変動の抑圧を行っているが、他にも例えば信号光とアイドラ光の位相を変化させる位置や、励起光の位相を直接変化させるような配置などにしてもよい。
なお、本発明では、従来の光ファイバを用いた位相感応増幅器とは異なり、誘導ブリルアン散乱を避けるための位相変調等の機構は必要とせず、非線形媒質も高々５０ｍｍ程度の導波路で済むために、全体としてコンパクトな位相感応増幅器を構成することができる。図１２は、本実施例１に係る位相感応型の光増幅装置８００に、意図的に位相雑音を付加したＱＰＳＫ信号を入力したときの入力信号と出力信号のコンスタレーションマップを示す。図１２に示されるように、実施例１に係る位相感応光増幅装置８００では、信号の位相がπ／２の整数倍の場合にのみ増幅が行われるために、入力信号で観測される位相雑音を低減することが可能であり、位相再生型の増幅が行われていることが分かる。
なお、本実施例１では、第１の基本波光８５１を信号光８５２よりも低周波側に配置したが、この配置は逆の順番に配置しても全く同様の効果が得られることは言うまでもない。
なお、本実施例１では、第１のＰＰＬＮ導波路８２２が３つの位相整合波長を有するとしたが、同様に効果を得るために第１のＰＰＬＮ導波路８２２の位相整合波長を低周波側から２つとしても良い。この場合、第２のアイドラ光８５４は励起光としては働かなくなるが、第１のアイドラ光８５３のＳＨ光を励起光として第１の基本波光８５１がＤＦＧにより変換されると、図９中の第３のアイドラ光８５５と同一の周波数に以下の位相φi3’を有するアイドラ光が発生する。
φi3’＝２φi1−φLO1＝４φs−３φLO1 （式１９）
（式１５）と（式１９）とを比べると明らかなように、両者の位相は同一であり、３番目の位相整合ピークは必ずしも必須ではないことが分かる。従って、本実施例１と同様の効果を得るためには、第１のＰＰＬＮ導波路８２２の擬似位相整合の波長が、第１の基本波光８５１の周波数ωLO1と信号光８５２の周波数ωsに対して、少なくとも、ωs、２ωs−ωLO1の周波数に一致していれば良い。
（実施例２）
以下、本発明の実施例２に係る光増幅装置について説明する。実施例１では、２つないし３つの位相整合波長を有するＰＰＬＮ導波路を用いてＱＰＳＫ信号の位相再生増幅を行ったが、本実施例２では、さらに多値の信号フォーマットである８ＰＳＫ信号に対応するようにＰＰＬＮ導波路を構成した。本実施例２に係る光増幅装置は、８値の位相をとる変調信号からいかにして搬送波を抽出するかという点に特徴を有する。さらに、実施例１では、主信号ライン上で差周波数発生により信号光から第４のアイドラ光を生成したが、実施例２では信号光と対をなすアイドラ光を主信号ラインとは別の経路で生成している。これにより、光パラメトリック増幅部へ入射される前段で非線形過程を用いる必要がなくなるため、より雑音特性の良い光増幅装置が構成可能となる。
図１３は、本発明の実施例２に係る光増幅装置の構成を示す。図１３には、第１乃至第３のＥＤＦＡ１３０１、１３０８、１３１３と、第１及び第２の基本波光源１３０２、１３０７と、第１乃至第６の光合波器１３０３−１〜１３０３−６と、第１乃至第５の二次非線形光学素子１３０４、１３１０、１３１１、１３１４、１３１５と、分波器１３０５と、光サーキュレータ１３０６と、第１乃至第４のバンドパスフィルタ１３０９、１３１３、１３１６，１３４３と、光検出器１３１７と、ＰＬＬ回路１３１８と、ＰＺＴによる光ファイバ伸長器１３１９と、第１及び第２の遅延制御器１３２０、１３４４と、波長合波器１３４５とを備えた光増幅装置１３００が示されている。
第１の二次非線形光学素子１３０４は、第１及び第２の空間光学系１３２１、１３２３と、第１のＰＰＬＮ導波路１３２２と、第１のダイクロイックミラー１３２４とを備える。第２の二次非線形光学素子１３１０は、第３及び第４の空間光学系１３２５、１３２７と、第２のＰＰＬＮ導波路１３２６と、第２のダイクロイックミラー１３２８とを備える。第３の二次非線形光学素子１３１１は、第５及び第６の空間光学系１３２９、１３３１と、第３のＰＰＬＮ導波路１３３０と、第３及び第４のダイクロイックミラー１３２３、１３３３とを備える。第４の二次非線形光学素子１３１４は、第７及び第８の空間光学系１３３４、１３３６と、第４のＰＰＬＮ導波路１３３５と、第５のダイクロイックミラー１３３７とを備える。第５の二次非線形光学素子１３１５は、第９及び第１０の空間光学系１３３８、１３４０と、第５のＰＰＬＮ導波路１３３９と、第６及び第７のダイクロイックミラー１３４１、１３４２とを備える。
図１３に示されるように、実施例２に係る光増幅装置１３００の全体構成は、図８で示される実施例１に係る光増幅装置８００の構成に対して、第６の光合分波器１３０３−６、第２の遅延制御器１３４４、第４のバンドパスフィルタ１３４３、波長合波器１３４５が増えているが、ほぼ同様であるため、特に注記しない限り同様の機能を有するものとして、その詳細な記述は省略する。
まず、実施例２の光増幅装置１３００に係る、第１のＰＰＬＮ導波路１３２２を利用した搬送波抽出について説明する。図１３に示されるように、信号光及び第１の基本波光は、第１のＥＤＦＡ１３０１で増幅された後に、複数の位相整合波長を有する第１のＰＰＬＮ導波路１３２２に入射する。第１の基本波光は、信号光よりも１００ＧＨｚだけ低周波側に離調して設定されている。第１のＰＰＬＮ導波路１３２２は、信号光波長と、１００ＧＨｚ高周波側に離れた波長と、３００ＧＨｚ高周波側に離れた波長との３つの波長において位相整合ピークがあるように設計されている。この第１のＰＰＬＮ導波路１３２２は、例えば、周期が１６．９２μｍでかつ位相変調周期が１６．５ｍｍの空間的な位相変調を施してある。
第１のＰＰＬＮ導波路１３２２中での波長変換プロセスについて説明する。第１のＰＰＬＮ導波路１３２２中では、まず信号光がＳＨ光に変換され、そのＳＨ光を励起光とする差周波発生（ＤＦＧ）により第１の基本波光が第１のアイドラ光に変換される。変換された第１のアイドラ光の周波数は、第１のＰＰＬＮ導波路１３２２の２番目の位相整合波長に一致するため、第１のアイドラ光はＳＨ光に変換され、そのＳＨ光を励起光として信号光が第２のアイドラ光へ変換される。さらに、第１のアイドラ光のＳＨ光を励起光として第１の基本波光がＤＦＧにより変換されると、第３のアイドラ光が発生する。変換された第１のアイドラ光の周波数は、第１のＰＰＬＮ導波路１３２２の２番目の位相整合波長に一致するため、第３のアイドラ光はＳＨ光に変換され、そのＳＨ光を励起光として、第２のアイドラ光は第４のアイドラ光へ、第１のアイドラ光は第５のアイドラ光へ、信号光は第６のアイドラ光へ、第１の基本波光は第７のアイドラ光へそれぞれ変換される。このとき、第１のアイドラ光、第３のアイドラ光、第６のアイドラ光、及び第７のアイドラ光の位相に着目すると、これらのアイドラ光の位相は、以下の（式２０）〜（式２３）で表される。
φi1＝２φs−φLO1 （式２０）
φi3＝２φi2−φLO1＝４φs−３φLO1 （式２１）
φi6＝２φi3−φs＝７φs−６φLO1 （式２２）
φi7＝２φi3−φLO1＝８φs−７φLO1 （式２３）
ここで、φi6は第６のアイドラ光の位相を示し、φi7は第７のアイドラ光の位相を示す。このように、３つの位相整合波長を設定するだけで、順次第１から第７までのアイドラ光を生成することができる。すなわち、第１のＰＰＬＮ導波路１３２０の擬似位相整合波長が、第１の基本波光の周波数ωLO1と信号光の周波数ωsとに対して、少なくとも、ωs、２ωs−ωLO1、４ωs−３ωLO1の周波数に一致していれば良い。
（式２３）で示される第７のアイドラ光の位相に注目すると、信号光の位相が８倍されているために、８ＰＳＫのπ／４の整数倍の位相のみを取る信号に対しては第７のアイドラ光の位相が一定となり、搬送波が抽出できることが分かる。
再び図１３を参照する。実施例１と同様に、実際の位相変調信号は強度変化を伴うので、第１の二次非線形光学素子１３０４の出力の内、第７のアイドラ光のみを取り出した後、光サーキュレータ１３０６において光注入同期を行うことで、第２の基本波光を得る。その後、第１の基本波光と第２の基本波光の間の第１の和周波光を第２の二次非線形光学素子１３１０で発生させる。発生させた第１の和周波光と第１及び第６の合分波器１３０３−１、１３０３−６で分岐した信号光の一部とを用いて、第３の二次非線形光学素子１３１１での差周波発生により、第８のアイドラ光を生成させる。この時、第８のアイドラ光の位相は、次式のように表される。
φi8＝７φs−６φLO1 （式２４）
（式２３）に示されるように、第８のアイドラ光の位相は、第６のアイドラ光の位相と同等となる。第１の遅延制御器１３２０により、第１の合分波器１３０３−１で分岐された２つの経路の実効的な光路長が調整されている。
実施例１の構成との違いは、光パラメトリック増幅過程において信号と対で相互作用させるアイドラ光（実施例１では第４のアイドラ光、実施例２では第８のアイドラ光）を主信号ライン上には配置していないことにある。実施例１では、主信号から第４のアイドラ光を生成し、信号光とアイドラ光の対を第５の二次非線形光学素子に入射したが、差周波発生過程で発生する雑音分だけ、光増幅器の特性を劣化させる。このため、本実施例２では、さらに雑音特性を良くするために、第８のアイドラ光の生成過程を主信号ラインとは別の経路で行った。
第３の二次非線形光学素子１３１１の出力の内、第４のバンドパスフィルタ１３４３を用いて、第８のアイドラ光のみを取り出し、波長合分波器１３４５により、主信号ラインを通過した信号光と合波した。ここで、第６の合分波器１３０３−６で分岐された２つの光のうち、第２の遅延制御器１３４４を通過した後に波長合分波器１３４５に入射されるまでの光路長と、第１の合分波器１３０３−１、第１の遅延制御器１３２０、第３の二次非線形光学素子１３１１、第４のバンドパスフィルタ１３４３を通過した後に波長合分波器１３４５に入射されるまでの光路長は、第２の遅延制御器１３４４により完全に等長化されている。波長合分波器１３４５により合波された信号光と第８のアイドラ光は、第５の二次非線形光学素子１３１５に入射される。
一方で、第４の合分波器１３０３−４で分岐された他方の第１の基本波光と第２の基本波光は、実施例１と同様に、ＥＤＦＡ１３１２で増幅された後、第４の二次非線形光学素子１３１４に入射され、第２の和周波光が生成される。この第２の和周波光も第５の二次非線形光学素子１３１５に入射される。
第２の和周波光と信号光と第８のアイドラ光を用いた光パラメトリック増幅過程では、信号光の位相がπ／４の整数倍のときのみ増幅するため、８ＰＳＫの信号を位相感応増幅することができる。本実施例２による位相感応増幅器に意図的に位相雑音を付加したＱＰＳＫ信号を入力したときの入力信号と出力信号のコンスタレーションマップを図１４に示す。図１４に示されるように、本実施例２では、信号の位相がπ／４の整数倍の場合にのみ増幅が行われるために、入力信号で観測される位相雑音を低減することが可能であり、位相再生型の増幅が行われていることが分かる。
ここで、本発明の構成を、Ｍ（Ｍは４以上の整数）種類の値を取る多値位相変調された信号光を増幅する光増幅器に適用する場合には、第１の二次非線形光学素子の出力から、分波器によりＭωs−（Ｍ−１）ωLO1の周波数を有するアイドラ光のみを取り出し、その光を用いて差周波過程により、新たに（Ｍ−１）ωs−（Ｍ−２）ωLO1の周波数を有するアイドラ光を生成し、信号光との間で光パラメトリック増幅を行えばよい。
ＰＳＡ １００、４００
位相感応光増幅部 １０１
励起光源 １０２
励起光位相制御部 １０３
第１の光分岐部 １０４−１、２０３−１
第２の光分岐部 １０４−２、２０３−２
ＥＤＦＡ ２０１
第１の二次非線形光学素子 ２０２、６０４、８０４、１３０４
第２の二次非線形光学素子 ２０４、６１０、８１０、１３１０
位相変調器 ２０５
ＰＺＴによる光ファイバ伸長器 ２０６、４１３、６１５、８１９、１３１９
偏波保持ファイバ ２０７、６１６
光検出器 ２０８、４１１、６１３、８１７、１３１７
位相同期ループ回路（ＰＬＬ） ２０９、４１２、６１４、８１８、１３１８
第１の空間光学系 ２１１、６２１、８２１、１３２１
第１のＰＰＬＮ導波路 ２１２、６２２、８２２、１３２２
第２の空間光学系 ２１３、６２３、８２３、１３２３
第１のダイクロイックミラー ２１４、６２４、８２４、１３２４
第３の空間光学系 ２１５、６２５、８２５、１３２５
第２のＰＰＬＮ導波路 ２１６、６２６、８２６、１３２６
第４の空間光学系 ２１７、６２７、８２７、１３２７
第２のダイクロイックミラー ２１８、６２８、８２８、１３２８
第３のダイクロイックミラー ２１９、６３２、８３２、１３３２
第１のＥＤＦＡ ４０１、６０１、８０１、１３０１
第１の励起光源 ４０２、６０２
第１の光合分波器 ４０３−１、６０３−１、８０３−１、１３０３−１
第２の光合分波器 ４０３−２、６０３−２、８０３−２、１３０３−２
第３の光合分波器 ４０３−３、６０３−３、８０３−３、１３０３−３
第４の光合分波器 ４０３−４、６０３−４、８０３−４、１３０３−４
第５の光合分波器 ４０３−５、８０３−５、１３０３−５
第１の光ファイバ ４０４
分波器 ４０５、６０５、８０５、１３０５
光サーキュレータ ４０６、６０６、８０６、１３０６
半導体レーザ ４０７、６０７、８０７、１３０７
第２のＥＤＦＡ ４０８、６０８、８０８、１３０８
第２の光ファイバ ４０９
バンドパスフィルタ ４１０
光増幅装置 ６００、８００、１３００
第１のバンドパスフィルタ ６０９、８０９、１３０９
第３の二次非線形光学素子 ６１１、８１１、１３１１
第２のバンドパスフィルタ ６１２、８１３、１３１３
第５の空間光学系 ６２９、８２９、１３２９
第３のＰＰＬＮ導波路 ６３０、８３０、１３３０
第６の空間光学系 ６３１、８３１、１３３１
第４のダイクロイックミラー ６３３、８３３、１３３３
第１の基本波光源 ８０２
第３のＥＤＦＡ ８１２、１３１２
第４の二次非線形光学素子 ８１４、１３１４
第５の二次非線形光学素子 ８１５、１３１５
第３のバンドパスフィルタ ８１６、１３１６
遅延制御器 ８２０、１３２０、１３４４
第７の空間光学系 ８３４、１３３４
第４のＰＰＬＮ導波路 ８３５、１３３５
第８の空間光学系 ８３６、１３３６
第５のダイクロイックミラー ８３７、１３３７
第９の空間光学系 ８３８、１３３８
第５のＰＰＬＮ導波路 ８３９、１３３９
第１０の空間光学系 ８４０、１３４０
第６のダイクロイックミラー ８４１、１３４１
第７のダイクロイックミラー ８４２、１３４２
第６の光合分波器 １３０３−６
第４のバンドパスフィルタ １３４３
波長合波器 １３４５

Claims (7)

  1. 二次非線形光学効果を用いた光混合によってＭ（Ｍは４以上の整数）種類の値を取る多値位相変調された信号光を増幅する位相感応型光増幅装置であって、
    周波数ωsを有する前記信号光を分岐する第１の光合分波器と、
    周波数ωLO1を有する第１の基本波光を発生する第１の光源と、
    前記第１の基本波光を分岐する第２の光合分波器と、
    前記第１の光合分波器の一方の出力端子から出力された前記信号光と、前記第２の光合分波器の一方から出力された前記第１の基本波光とを入力し、増幅して出力する第１の光ファイバレーザ増幅器と、
    複数の波長において擬似位相整合を満たし、当該増幅された信号光及び第１の基本波光を入力し、第二高調波を発生して出力する第１の二次非線形光学素子と、
    前記第１の二次非線形光学素子の出力からＭωs−（Ｍ−１）ωLO1の周波数を有するアイドラ光のみを分離して出力する分波器と、
    前記分波器から出力された前記アイドラ光に注入同期が可能なレーザを出力する第２の光源と、
    前記分波器から出力された前記アイドラ光を前記第２の光源から出力された前記レーザに注入同期して第２の基本波光を出力する光サーキュレータと、
    前記第２の光合分波器の他方の出力端子から出力された前記第１の基本波光と、前記光サーキュレータから出力された前記第２の基本波光を入力して合波し、当該合波した前記第１の基本波光及び前記第２の基本波光を分岐して出力する第３の光合分波器と、
    前記第３の光合分波器の一方の出力端子から出力された前記第１の基本波光及び前記第２の基本波光を増幅して出力する第２の光ファイバレーザ増幅器と、
    前記第２の光ファイバレーザ増幅器から出力された前記第１の基本波光及び第２の基本波光から第１の和周波光を発生して出力する第２の二次非線形光学素子と、
    前記第１の光合分波器の他方の出力端子から出力された前記信号光と前記第１の和周波光とを入力して差周波光を発生し、前記信号光及び前記差周波光を出力する第３の二次非線形光学素子と、
    前記第３の光合分波器の他方の出力端子から出力された前記第１の基本波光及び前記第２の基本波光を増幅して出力する第３の光ファイバレーザ増幅器と、
    前記第３の光ファイバレーザ増幅器から出力された前記第１の基本波光及び第２の基本波光から第２の和周波光を発生して出力する第４の二次非線形光学素子と、
    前記信号光と、前記差周波光と、前記第２の和周波光とを入力して非縮退パラメトリック増幅を行う第５の二次非線形光学素子と
    を備えたことを特徴とする光増幅装置。
  2. 前記第２の光ファイバレーザ増幅器と前記第２の二次非線形光学素子との間に、前記第１の基本波光及び前記第２の基本波光のみを透過する第１のバンドパスフィルタが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光増幅装置。
  3. 前記第１の光合分波器の前記一方の出力端子から前記第２の二次非線形光学素子を経由して前記第３の二次非線形光学素子までの光路と、前記第１の光合分波器の前記他方の出力端子から前記第３の二次非線形光学素子までの光路とを等長化する第１の遅延制御器をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光増幅装置。
  4. 前記第１の二次非線形光学素子は、周期分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ３からなる光導波路であり、
    前記周期分極反転構造は、分極反転周期よりも長い周期で空間的な位相変調あるいは周期変調が施されており、
    前記第１の二次非線形光学素子は、少なくとも、ωs、２ωs−ωLO1の周波数に擬似位相整合波長が一致していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光増幅装置。
  5. 前記信号光を分岐して、一方の出力端子から前記信号光を前記第１の光合分波器に出力する第４の光合分波器と、
    前記第４の光合分波器の他方の出力端子から出力された前記信号光を入力して、前記信号光を遅延する第２の遅延制御器と、
    前記第３の二次非線形光学素子から出力された前記信号光及び前記差周波光のうち、前記差周波光のみを透過する第２のバンドパスフィルタと、
    前記第２の遅延制御器から出力された前記信号光と、前記第２のバンドパスフィルタから出力された前記差周波光とを合波して、前記第５の二次非線形光学素子に出力する波長合波器と
    をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光増幅装置。
  6. 前記第２の遅延制御器は、前記第４の光合分波器の前記一方の出力端子から前記第２の二次非線形光学素子及び前記第３の二次非線形光学素子を経由して前記波長合波器までの光路と、前記第４の光合分波器の他方の出力端子から前記波長合波器までの光路とを等長化するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の光増幅装置。
  7. 前記第１の二次非線形光学素子は、周期分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ３からなる光導波路であり、
    前記周期分極反転構造は、分極反転周期よりも長い周期で空間的な位相変調あるいは周期変調が施されており、
    前記第１の二次非線形光学素子は、少なくとも、s、２ωs−ωLO1、４ωs−３ωLO1の周波数に擬似位相整合波長が一致していることを特徴とする請求項５又は６に記載の光増幅装置。
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