JP7328599B2 - 光増幅装置 - Google Patents
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Description
本発明は、光通信システムやレーザ装置において用いられる光増幅装置に関する。
光通信システムでは、光ファイバを伝搬することで減衰した信号を中継するために、エルビューム添加光ファイバ増幅器(EDFA:Erbium-Doped Fiber Amplifier)が広く用いられている。EDFAでは、光ファイバにエルビュームを添加した光ファイバ(EDF)に励起光を入射し、EDF中の誘導放出により入射光を増幅する。EDFAの実用化により、光―電気―光の変換を行うことなく光信号を光のまま増幅することが可能となった。さらに複数の波長に別々の情報を載せて伝送する波長分割多重(WDM:Wavelength Division Multiplexing)の信号を、一括して増幅することができる。簡単な構成で光信号の増幅および中継を行うことが可能になり、光中継のコストを著しく減らすことができる。特に長距離を伝送する光通信ネットワークは、EDFAを使用することを前提に全体システムが設計されていると言っても過言ではない。
近年の情報通信技術サービスの多様化により、通信ネットワークのバックボーンを支える光通信システムには、伝送容量のさらなる増大が求められている。シャノンの通信理論によれば、単位周波数帯域あたりの伝送容量の比率で与えられる周波数利用効率は、信号対雑音(S/N)比に対してlog2(1+S/N)で与えられる。このためS/N比の上限が、原理的な伝送容量の上限を決定してしまう。ショット雑音が支配的になる条件下では、光通信システムの受信機におけるS/N比は光信号のパワーに比例する。従って、光通信システムの周波数利用効率を高めるためには、原理的に、できるだけ高い光パワーで伝送を行う。現実には、光通信の伝送媒体である光ファイバには非線形光学効果が存在している。非線形光学効果のため、必要以上に伝送パワーを大きくすると、かえって光信号のS/N比が劣化する。このS/N比の劣化は非線形シャノン限界と呼ばれており、光通信システムの伝送容量の上限を制限する現象として知られている。
上述の非線形シャノン限界を越えて、通信容量をさらに増やすためには、本質的に光通信に用いる周波数帯域を拡大することが求められる。
M.H. Chou, I. Brener, K.R. Parameswaran and M.M. Fejer,"Stability and bandwidth enhancement of difference frequency generation (DFGI-based wavelength conversion by pump detuning", ELECTRONICS LETTERS 10th June 1999 Vol. 35 No. 12, pp978-990
T. Umeki, O. Tadanaga, A. Takada, and M. Asobe, "Phase sensitive degenerate parametric amplification using directly-bonded PPLN ridge waveguides," Opt. Express, Vol. 19 No. 7, pp. 6326-6332 (2011)
しかしながら、EDFAを使用する光通信システムでは、実際に利用可能な光増幅器の帯域が制限される問題が存在していた。光通信システムで広く用いられているEDFAによって増幅できる波長帯域は、Cバンド(1530-1565nm)およびLバンド(1
565-1625nm)だけに限られている。このため、現在の光通信システムは、これ
らの波長帯域の利用を前提として構築されている。光ファイバ自体の透明波長帯域は非常に広いため、上述の2つのバンド以外の波長帯域で光増幅器を用いることができれば、光通信の伝送容量の大幅拡大が可能になる。
565-1625nm)だけに限られている。このため、現在の光通信システムは、これ
らの波長帯域の利用を前提として構築されている。光ファイバ自体の透明波長帯域は非常に広いため、上述の2つのバンド以外の波長帯域で光増幅器を用いることができれば、光通信の伝送容量の大幅拡大が可能になる。
EDFAに類似の光増幅技術として、イットリビュームを添加した光ファイバを用いた光増幅器(YDFA:Ytterbium Doped Fiber Amplifier)が開発されている。YDFA
によって増幅ができる波長帯域は1.06μm帯であり、この波長帯では、光通信システムで通常用いられるシングルモードファイバ(SMF:Single Mode Fiber)がシングル
モード伝搬でなくなってしまう。SMFは1.06μm帯における高速信号の伝送に適さず、YDFAを用いて光通信システムを構成するには、SMF以外の特殊な光ファイバが必要となる。結局、光通信システムでYDFAを使用すれば、既存の光ファイバ通信網との親和性に問題が生じてしまう。
によって増幅ができる波長帯域は1.06μm帯であり、この波長帯では、光通信システムで通常用いられるシングルモードファイバ(SMF:Single Mode Fiber)がシングル
モード伝搬でなくなってしまう。SMFは1.06μm帯における高速信号の伝送に適さず、YDFAを用いて光通信システムを構成するには、SMF以外の特殊な光ファイバが必要となる。結局、光通信システムでYDFAを使用すれば、既存の光ファイバ通信網との親和性に問題が生じてしまう。
本発明はこのような問題に鑑みなされたものであり、EDFAで増幅できない波長帯域を含む広い帯域幅で、光信号を増幅する光増幅装置を提供するものである。
本発明の1つの実施態様は、光増幅装置であって、信号光が入力されるラマン増幅部と、基本波光から二倍波光を生成する励起光生成部と、前記ラマン増幅部に接続されたパラメトリック増幅部であって、前記ラマン増幅部からの増幅された信号光を、前記基本波光の波長の長波長側帯域と、短波長側帯域とに分離する第1の分岐部、前記二倍波光を励起光として、前記分離された長波長側の信号光をパラメトリック増幅する第1の2次非線形素子、前記二倍波光を励起光として、前記分離された短波長側の信号光をパラメトリック増幅する第2の2次非線形素子、並びに、前記第1の2次非線形素子および前記第2の2次非線形素子からの波長変換光をそれぞれ除去し、前記第1の2次非線形素子および前記第2の2次非線形素子からの増幅された信号光を合波して出力する第2の分岐部を含むパラメトリック増幅部と、前記ラマン増幅部の励起光を生成する光源であって、前記励起光は前記第2の2次非線形素子を前記信号光と逆方向に伝搬してパラメトリック増幅され、前記ラマン増幅部に供給される、光源とを備え、前記基本波光は、前記第1の2次非線形素子および前記第2の2次非線形素子の位相整合波長よりも短波長側に離調した波長を有することを特徴とする光増幅装置であり得る。
本発明により、EDFAでは増幅できない波長帯域を含む広い帯域幅で、光信号を増幅する光増幅装置を提供できる。
本開示の光増幅装置は、ラマン増幅部と、PPLN導波路を含む二次の非線形素子で構成されたパラメトリック増幅部とから構成される。パラメトリック増幅部の二次の非線形素子の位相整合波長に対して、わずかに短波長側に離調した波長の基本波励起光から二倍波光を生成して、パラメトリック増幅部のための励起光として利用する。位相整合波長から離調した波長の基本波光に基づいた励起光を利用することで、二次の非線形素子の差周波数生成(DFG)過程において広い位相整合曲線が得られる。パラメトリック増幅部における励起光の波長付近の変換効率(ゲイン)の低下を、前置したラマン増幅部によって補い、光増幅装置全体で広い帯域幅を実現する。ラマン増幅部の励起光は、パラメトリック増幅部の短波長側の二次の非線形素子を、信号光とは逆方向に伝搬させてパラメトリック増幅し、ラマン増幅のために十分なレベルを確保できる。
上述のように本開示の光増幅装置の構成は、ラマン増幅部およびパラメトリック増幅部を組み合わせたものであるが、その動作は通常は利用されない状態を利用している。これをあきらかにするために、それぞれの増幅機構の動作についてまず簡単に述べる。
先の述べたEDFAのような希土類を用いたレーザ媒質を用いた光増幅は、希土類のもつエネルギー準位間の遷移を用いている。このため、EDFAで増幅できる波長帯域の選択肢には限りがある。増幅できる波長帯域の制限を受けない光増幅を実現するものとしては、ファイバーラマン増幅や、2次または3次の非線形光学媒質を用いたパラメトリック増幅が知られている。
ファイバーラマン増幅は、強いポンプ光が入射されている光ファイバに、光学フォノン分だけ周波数がシフトした周波数の光を入力する時、誘導ラマン散乱による増幅現象が起こることを利用する。一般的な光ファイバを用いた場合、ファイバーラマン増幅では、ポンプ光から約12THz離れた周波数(1.5μm帯で約100nm離れた波長に相当)をピークとしてゲイン帯域が存在する。異なる波長の複数のポンプ光を光ファイバ中に入射することで、さらに広帯域な増幅器とすることができる。しかかしながら、ゲイン帯域およびポンプ光波長帯域の関係から、増幅できる帯域は80nm程度に制限されてしまう。さらに、波長によって雑音指数の差が大きく、S/N比にばらつきが出てしまう。このため、EDFAをファイバーラマン増幅で置き換えるメリットは大きくなかった。
パラメトリック増幅では、3次の非線形光学媒質として、光ファイバ中の四光波混合を利用したものがある。しかし、光ファイバの非線形光学効果は上述のように光信号のS/N比を劣化させる原因にもなり得るため、低雑音の光増幅装置として問題がある。一方、2次の非線形光学媒質として、周期分極反転ニオブ酸リチウム(PPLN:Periodically
Poled Lithium Niobate)からなる光導波路を用いる方法がある。例えば非特許文献1では、2次の非線形光学効果である差周波発生(DFG:Difference Frequency Generation)過程を用いて、PPLNを用いた広帯域な光増幅動作が可能なことが示されている。
PPLNを用いる方法では3次の非線形効果が無視できるため、非線形光学効果による信号品質の劣化はほぼ生じないと考えて良い。
Poled Lithium Niobate)からなる光導波路を用いる方法がある。例えば非特許文献1では、2次の非線形光学効果である差周波発生(DFG:Difference Frequency Generation)過程を用いて、PPLNを用いた広帯域な光増幅動作が可能なことが示されている。
PPLNを用いる方法では3次の非線形効果が無視できるため、非線形光学効果による信号品質の劣化はほぼ生じないと考えて良い。
図1は、従来技術のパラメトリック増幅器の基本構成を示した図である。図1のパラメトリック増幅器10(以下、光増幅器)は、非特許文献2に開示されたPPLN導波路等の2次非線形光学媒質を用いたものである。後述するように光増幅器1は、波長変換器としても機能する。図1の光増幅器1では、同一の擬似位相整合条件を有するPPLN導波路を用いた2つの二次非線形光学素子12、15を利用している。光通信に用いられているレーザ光源13から1550nm帯の基本波光22を生成し、非線形光学効果を得るのに十分なパワーを得るためにEDFA14を用いて基本波光を増幅する。増幅した基本波光23は、第1の二次非線形光学素子15のPPLN導波路に入射し、第二高調波発生(SHG:Second-Harmonic Generation)過程を使用して第二高調波24(SH光)を発生させる。
したがって、パラメトリック増幅器では、2つの二次非線形光学素子12、15の非線形媒質の中で生じる2次非線形光学効果によって、信号光の波長をλ1、励起光の波長をλ3とするとき、次式を満たす波長λ2の波長変換光を生じる。
第2の二次非線形光学素子12のPPLN導波路へ、光ファイバ11を経てきた信号光21および励起光としての第二高調波24を入射して、非縮退パラメトリック増幅を行う。第2の二次非線形光学素子12からは、信号光21が非縮退パラメトリック増幅された増幅光24を出力する。さらに第2の二次非線形光学素子12からは、光増幅と同時にDFG過程によって、信号光21および第二高調波24の周波数差に応じた波長変換光(アイドラ光)も出力される。第2の二次非線形光学素子12の出力側で、増幅された信号光24のみを取り出せば光増幅器として機能し、波長変換光のみを取り出せば波長変換器として機能する。
図2は、パラメトリック増幅およびDFG過程における変換効率を説明する図である。図2では、PPLN導波路において生じる各非線形過程の変換効率を示しており、横軸の波長に対して縦軸には規格化した変換効率を示している。ここでは、差周波数発生(DFG)過程について説明するが、DFG過程に基づくパラメトリック増幅過程においても、
同様の変換効率すなわち光増幅能力を示す。図2における変換効率の波長依存性は、PPLN導波路における位相整合曲線を表していることに留意されたい。
同様の変換効率すなわち光増幅能力を示す。図2における変換効率の波長依存性は、PPLN導波路における位相整合曲線を表していることに留意されたい。
PPLN導波路における位相整合波長は、SHG過程において、入力光およびその第二高調波光の2つの光の位相速度が一致する入力光波長、すなわち位相整合条件を満たす入力光波長のことである。非線形定数の空間分布の変調周期をΛ、二次高調波の波長をλ2、入力光の波長をλ1、導波路中のλ1における実効屈折率をnλ1、導波路中のλ2における実効屈折率をnλ2とすると、位相整合条件は次の式で与えられる。
位相整合曲線は、波長ごとの非線形過程の変換効率を示すもので、位相整合条件を満たす波長領域から外れるほどに変換効率は劣化する。したがって位相整合曲線は、位相整合条件を満たしている波長帯域を示すものとなる。図2は、DFG過程における変換効率の波長依存性、すなわち位相整合曲線を示している。
図2の下側には基本波光に対する変換効率として、レーザ光源から出力された単一波長のレーザ光を示しており、PPLNの周期構造などの構成で決まる位相整合波長においてのみ線状の位相整合線201となる。PPLN導波路の第二高調波光生成過程に対する位相整合帯域は、図2の上側のSHGと示した位相整合曲線202となる。次に述べるDFG過程に対する位相整合曲線203の位相整合帯域よりも狭いものの、基本波光のレーザ光の位相整合線201の線幅はよりは十分に広い。
ここで、基本波の波長λ0(周波数:ω0)を1553nm、励起光(SH光)の波長λp(周波数:2ω0)を776.5nmとした場合の、PPLN導波路のDFG過程による波長変換効率について述べる。PPLN導波路に励起光および信号光を入力することで、PPLN導波路中のDFG過程によって、波長変換光が生成される。例えば信号光の波長λS(周波数:ωS)を1550nmとするとき、2ω0-ωSのDFG過程により、波長1556nmの波長変換光が生成される。波長変換光は、その波長が基本波の波長λ0を中心として波長軸上で信号光の波長λSを折り返した位置となるように生成される。尚、基本波に対して折り返した位置となる波長変換光の対称な位置関係は、厳密には周波数軸上において成立することに留意されたい。
PPLN導波路中においては、励起光、信号光および変換光の3波の間で擬似位相整合条件が満たされている。励起光、信号光、変換光の導波路中の実効屈折率をそれぞれnP、nS、nCとするとき、PPLN導波路は、次式を満たす反転周期Λの分極反転構造を有するものとなる。
nP/λP-nS/λS-nC/λC=1/Λ 式(3)
nP/λP-nS/λS-nC/λC=1/Λ 式(3)
ある波長において式(3)の関係を満たす反転周期Λが与えられると、信号光の波長λSを変化させても、周波数2ω0-ωSの変換光の波長λCと励起光の波長λPとの間で、式(3)を満たす限りは同じ変換効率が得られる。例えば信号光波長λS(周波数:ωs)を上述の最初の例の1550nmとは異なる1549nmとすれば、2ω0-ωSのDFG過程により、今度は波長1557nmの波長変換光が生成される。この時、信号光および波長変換光の波長は最初の例とは異なるために、実効屈折率nSおよびnCも最初の信号光波長λS=1550nmの例から変化している。しかしながらPPLN導波路の材料の分散(波長依存性)によりnSが大きくなった分だけncが小さくなれば、信号光の波長λSを変えても式(3)を満たすことができる。DFG過程における位相整合条件は広い範囲の波長の信号光および波長変換光で成立し、図2の上段にDGFと示した位相整合曲線203のような広い波長変換帯域が得られる。
上述のPPLN導波路における材料の分散は線形ではないため、nSの増加量とnCの減少量は完全に同一ではない。したがって中心波長から離れるにつれて徐々に変換効率は低下していき、位相整合条件を満たす帯域幅は一定範囲に制限されてしまう。従来技術のPPLN導波路によるパラメトリック増幅では、基本波光波長(本例で1553nm)を中心として約60nm程度の帯域幅を得ることができる。ここで帯域幅は、電力ゲインで3dBダウン点の間隔を言うものとする。この60nm程度の波長帯域は既存のEDFAでも増幅できる帯域幅であって、広く利用可能なEDFAを、わざわざPPLN導波路によるパラメトリック増幅で置き換えるメリットは少ない。
上述の従来技術のPPLN導波路によるパラメトリック増幅では、PPLN導波路の位相整合波長を基本波励起光の波長と一致させる状態で利用している。これによって、フラットで最大の波長変換効率(ゲイン)を得られるからである。出願人は、従来技術のパラメトリック増幅で通常利用されている条件とは異なる条件で、PPLN導波路を動作させることによって、より広い波長帯域をカバーする光増幅装置の構成を見出した。
以下の本開示の光増幅装置では、PPLN導波路等の2次非線形光学媒質を用い、その位相整合波長から離調した基本波励起光を用いることで、パラメトリック増幅のゲイン帯域を可変できることを利用する。パラメトリック増幅において、PPLN導波路の位相整合波長から敢えて離調した、通常は使用されない状態でのDFG過程の非線形現象に基づいて、通常よりも広い帯域幅を持つ位相整合曲線を利用する。このときの位相整合曲線は、波長軸上で基本波励起光の波長から両方向に分離した2つのピークを有する形状となる。2つのピークの間の帯域中央では、変換効率が低下してパラメトリック増幅のゲインも低下してしまう。本開示の光増幅装置では、この帯域中央のゲイン低下を、パラメトリック増幅部に前置したラマン増幅部において補う。単体のラマン増幅部の帯域幅は、通常の使用状態のパラメトリック増幅器を置き換えるものではない。しかしながら、離調した基本波励起光を使用する場合、ラマン増幅部の帯域幅は位相整合曲線における帯域中央のゲインの低下分を補うために十分なものである。以下、本開示の光増幅装置の構成および動作について説明する。
図3は、本開示の光増幅装置の構成を示す図である。図3の光増幅装置100は、大別してラマン増幅部101と、長波長側帯域用および短波長側帯域用の2つの経路にそれぞれ二次非線形光学素子104、106を備えたパラメトリック増幅部102とから構成される。ラマン増幅部101は、パラメトリック増幅部102における位相整合帯域の中央部のゲイン低下を補うよう動作する。パラメトリック増幅部102に対しては、信号光用およびラマン増幅用励起光用の、異なる波長の励起光が供給される。ラマン増幅用の励起光130は、短波長側帯域用の経路の二次非線形光学素子106を、信号光とは逆に伝搬してパラメトリック増幅される。
ラマン増幅部101では、増幅すべき信号光121が光ファイバ伝送路103へ入力される。後方より1451.8nmのラマン増幅用のポンプ光134を光ファイバ伝送路103に入力し、1553nm付近にゲインピークのあるラマン増幅が実現できる。ポンプ光134の供給方法については、後述する。
パラメトリック増幅部102は、ラマン増幅部101において増幅された信号光をさらに増幅して、最終の出力信号光126を得る。パラメトリック増幅部102は、信号光を後述する基本波光の波長に対して長波長側の帯域と、短波長側の帯域とに分けて、2つの経路でそれぞれ帯域毎に非縮退パラメトリック増幅を行う。すなわちパラメトリック増幅部102は、第1の経路の長波長側帯域のための第1の二次非線形光学素子104と、第2の経路の短波長側帯域のための第2の二次非線形光学素子106とを備える。
ラマン増幅部101からの信号光は、第1のカプラ104によって、上述の基本波光の波長よりも長波長側帯域の信号光122と、短波長側帯域の信号光123とに分離される。本開示の光増幅装置100では、入力される信号光121として、波長多重された複数の波長の信号光を想定しており、第1のカプラ104によって2つの信号光122、123に分離されることになる。信号光122および基本波の第二高調波光(SH光1)である励起光128を、第1の二次非線形光学素子104のDFG用PPLN導波路に入射して非縮退パラメトリック増幅を行い、信号光122の増幅光124を出力する。同様に、信号光123および基本波の第二高調波光(SH光1)である励起光129を、第2の二次非線形光学素子106のDFG用PPLN導波路に入射して非縮退パラメトリック増幅を行い、信号光123の増幅光125を出力する。
上述の非縮退パラメトリック増幅と同時に、二次非線形光学素子104、106の各々において、DFG過程により信号光と第二高調波の周波数の差に応じた波長変換光(アイドラ光)も出力される。第2のカプラ107によって、二次非線形光学素子104、106からの不要な波長変換光を除去し、2つの経路からの増幅された信号光が合波され、最終の出力信号光126が出力される。したがって第2のカプラ107の第1の経路のフィルタ特性は、長波長側帯域(低周波側)を透過し、短波長側帯域(高周波側)を阻止するローパス特性を持つ。一方、第2のカプラ107の第2の経路のフィルタ特性は、短波長側帯域(高周波側)を透過し、長波長側帯域(低周波側)を阻止するハイパス特性を持つ。パラメトリック増幅部102全体として見れば、2つの帯域の境界にある基本波光の波長付近を除いて、単一の光増幅装置として動作する。
上述のパラメトリック増幅部102へは、信号光のための励起光128、129を供給する第1の励起光生成部と、ラマン増幅用ポンプ光のための励起光132を供給する第2の励起光生成部を備える。第1の励起光生成部では、レーザ光源108から1550nm帯の基本波光127を生成し、非線形光学効果を得るのに十分なパワーを得るためにEDFA109を用いて基本波光を増幅する。増幅された基本波光は、SHG過程により第二高調波光を発生させる二次非線形光学素子110に入射する。生成された第二高調波光は、光分岐112で2つに分岐され、二次非線形光学素子104、106の各々に、励起光(SH光1)128、129として供給される。
同様に、ラマン増幅用ポンプ光のための第2の励起光生成部では、レーザ光源113から1550nm帯の基本波光131を生成し、非線形光学効果を得るのに十分なパワーを得るためにEDFA114を用いて基本波光を増幅する。増幅された基本波光は、SHG過程により第二高調波光を発生させる二次非線形光学素子115に入射する。生成された第二高調波光(SH光2)132は、短波長側帯域のための第2の二次非線形光学素子106の、信号光用の励起光129とは反対側のポートへ供給される。したがって、ラマン増幅用ポンプ光のための励起光132は、第2の二次非線形光学素子106の出力側から入力側に向かって、信号光用の励起光129とは逆方向に伝搬する。
したがって本開示の光増幅装置100は、信号光121が入力されるラマン増幅部101と、基本波光127から二倍波光128、129を生成する励起光生成部と、前記ラマン増幅部に接続されたパラメトリック増幅部102であって、前記ラマン増幅部からの増幅された信号光を、前記基本波光の波長の長波長側帯域と、短波長側帯域とに分離する第1の分岐部104、前記二倍波光を励起光128として、前記分離された長波長側の信号光をパラメトリック増幅する第1の2次非線形素子104、前記二倍波光を励起光129として、前記分離された短波長側の信号光をパラメトリック増幅する第2の2次非線形素子106、並びに、前記第1の2次非線形素子および前記第2の2次非線形素子からの波長変換光をそれぞれ除去し、前記第1の2次非線形素子および前記第2の2次非線形素子からの増幅された信号光を合波して出力する第2の分岐部107を含むパラメトリック増幅部と、前記ラマン増幅部の励起光(ポンプ光)を生成する光源116であって、前記励起光130は前記第2の2次非線形素子を前記信号光と逆方向に伝搬してパラメトリック増幅され、前記ラマン増幅部に供給される、光源とを備え、前記基本波光127は、前記第1の2次非線形素子および前記第2の2次非線形素子の位相整合波長よりも短波長側に離調した波長を有するものとして実施できる。
上述のSHG過程用の二次非線形光学素子110、115は、いずれも、パラメトリック増幅部102の第1の二次非線形光学素子104、第2の二次非線形光学素子106と同一の擬似位相整合条件を有するPPLN導波路を用いる。第1の2次非線形素子および第2の2次非線形素子は、非線形媒質で構成され、周期分極反転構造を有するニオブ酸リチウムによる導波路を含むものである。また非線形媒質は非線形光学結晶であって、LiNbO3、LiTaO3、もしくはLiNb(x) Ta(1-x) O3(0≦x≦1)または、それらにMg、Zn、Sc、Inからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有しているものであり得る。次に、パラメトリック増幅部102における二次非線形光学素子104、106の動作について、説明する。
図4は、本開示の光増幅装置におけるパラメトリック増幅のゲイン帯域特性を示す図である。縦軸に規格化ゲイン(a.u.)を、横軸に波長(nm)を示している。図3に示した光増幅装置100でパラメトリック増幅用に用いる二次非線形光学素子(PPLN1、PPLN2)は、45mm長のPPLN導波路を用いており、位相整合波長は1553nmに設定されている。従来技術のように、PPLN導波路に励起光として、位相整合波長と同じ1553nmの基本波光から生成された第二高調波光128、129を入射すると、規格化ゲインの帯域幅は1553nmを中心として約60nm程度となる。
一方、本開示の光増幅装置100では、位相整合波長から僅かに短波長側に0.2nmだけ離調させた1552.8nmの基本波光127をレーザ光源108から出力し、この基本波光から生成した励起光をPPLN導波路に入射している。この時に得られるパラメトリック増幅の規格化ゲインは、図4に示したようにゲインピークが2つに***した帯域特性を示す。励起光生成のために位相整合波長と一致する1553nmの基本波光を使用した場合よりも、位相整合波長付近の規格化ゲインは下がっているが、位相整合波長からより離れた波長帯域を増幅できている。したがって、PPLN導波路等の2次非線形光学媒質においてその位相整合波長から離調した基本波励起光を用いることで、パラメトリック増幅のゲイン帯域を可変できることがわかる。基本波励起光の、位相整合波長からの離調量と、ゲインピークの移動量との間には、概ね0.2nm程度の離調範囲において0.1nmの離調量に対し、約18nmのゲインピークの移動量がある。この関係が確認されており、これを使ってゲインピークの位置を制御できる。
本開示の光増幅装置100では、位相整合波長から離調した基本波光から励起光を生成し、パラメトリック増幅におけるゲインピークが***した帯域特性を積極的に利用し、ラマン増幅部と組み合わせて広帯域で平坦な増幅特性を実現する。
図5は、本開示の光増幅装置の各部における規格化ゲインを示す図である。図3を参照しながら、パラメトリック増幅部102およびラマン増幅部101の各規格化ゲインの関係を説明する。上述のように図3二次非線形光学素子104、106においては、位相整合波長が1553nmのPPLN導波路(PPLN1、PPLN2)へ、1552.8nmの基本波光から生成した励起光128、129(SH光1)が入力される。この時の規格化ゲインは、図5の(a)に示したように、中央の位相整合波長でゲインが低下し、ピークが波長軸上でシフト量501だけ両方向に移動したものである。位相整合波長付近で十分な増幅ゲインが得られないため、パラメトリック増幅部102だけでは広帯域な増幅器として用いることができない。そこで位相整合波長近傍でのゲイン低下を補うために、前段のラマン増幅部101を利用する。
ラマン増幅部101は、ラマン増幅用光源116からの1451.8nmのポンプ光130を、後述するようにパラメトリック増幅部102で増幅し、光ファイバ伝送路103の後方から供給する。図3に示したポンプ光を供給する構成によって、ラマン増幅部101で1553nm付近にゲインピークを持ったラマン増幅が実現できる。図5の(b)は、このときのラマン増幅部101の規格化ゲインを示す。
ラマン増幅用のポンプ光130は、パラメトリック増幅部102の短波長側の経路の第2の二次非線形光学素子106の出力側から入力側に向かって、サーキュレータ117を介して入力される。ラマン増幅の場合、通常は光ファイバ伝送路の直後にサーキュレータを用いてラマン増幅用のポンプ光が入力される。しかしながら、パラメトリック増幅部102の入力側にサーキュレータを設置すると、その光損失がパラメトリック増幅部102の雑音指数を直接劣化させてしまう。図3に示した本開示の光増幅装置100では、第2の経路内の第2の二次非線形光学素子106の後段側にサーキュレータ117を設置している。信号光の伝搬方向について見たときに、損失回路を、光増幅した後のパラメトリック増幅部102の後段側に配置することで、S/N比の劣化を抑えている。
サーキュレータ117を第2の二次非線形光学素子106の後段側に設置した場合、ポンプ光の伝搬方向について見たとき、ポンプ光130はPPLN導波路(PPLN2)および第1のカプラ104を通過する光損失を受ける。このため、光ファイバ伝送路103において、ラマン増幅のための十分なポンプ光パワーを確保できない場合がある。図3の光増幅装置100では、PPLN導波路を用いたパラメトリック増幅器の双方向性を活かして、信号光123とは逆方向に伝搬するポンプ光を第2の二次非線形光学素子106でパラメトリック増幅する。
ポンプ光のパラメトリック増幅用の励起光132として、前述のように1551.4nmの基本波光131を用い二次非線形光学素子115で生成した第二高調波励起光132(SH光2)を、ポンプ光130と同じ向きに入力している。図5の(c)は、位相整合波長から1.6nmだけ短波長側に離調した1551.4nmの基本波光から生成した励起光を用いた場合の、第2の二次非線形光学素子106の規格化ゲインを示す。二次非線形光学素子106は、波長軸上で位相整合波長からシフト量502(約100nm)だけ両方向に離れた位置でゲインピークを持っており、ラマン増幅用のポンプ光の波長1451.8nmにおいて増幅可能である。パラメトリック増幅器の双方向性により、信号光123の増幅およびポンプ光130を同時に光増幅し、パラメトリック増幅部102でポンプ光130が受ける光損失を補償し、十分な光パワーのポンプ光134を得ることができる。ラマン増幅部101で、十分なラマン利得を得ることができる。
図6は、本開示の光増幅装置のゲインの帯域特性を示す図である。縦軸にゲイン(dB)を横軸に波長(nm)を示している。ラマン増幅部を含まずにパラメトリック増幅部のみの場合は、ゲインの帯域特性は点線で示したように2つのピークを持ち、狭い波長範囲でのみ高いゲインが得られている。一方、ラマン増幅およびパラメトリック増幅を組みわせた本開示の光増幅装置の構成によれば、ゲインの帯域特性は実線で示したようにフラットで、約100nmの波長帯域で18dBを超えるゲインが得ることができた。本開示の光増幅装置100では、従来技術の光増幅器では実現できなかったC帯、L帯、S帯も含めた広い波長帯域を一括して増幅することができた。
上述の説明では、パラメトリック増幅部の信号光増幅用の励起光として、位相整合波長の1553nmから0.2nmだけ短波長側に離調した1552.8nmの基本波から生成した第二高調波の例を示した。しかしながら励起光の波長はこれに限られず、パラメトリック増幅部のPPLN導波路の位相整合波長から離調する量を変更することで、パラメトリック増幅部のゲインピーク位置を制御できる。また、ラマン増幅部に対するポンプ光の波長およびその数を変えても良い。これに伴って、ポンプ光増幅のための基本波励起光の波長および数を変えることになる。例えば、ラマン増幅部に対して2つの異なる波長のポンプ光を利用する場合は、対応した励起光生成部を備えることになる。またパラメトリック増幅部のPPLN導波路の位相整合波長は、図3の構成例で説明した1553nmだけに限らず、他の波長に変更し、その位相整合波長に適合したPPLN導波路を準備すればよい。
以上詳細に述べてきたように、本開示の光増幅装置によって、EDFAでは増幅できない波長帯域を含む広い帯域幅で、光信号を増幅できる光増幅を実現できる。
本発明は、通信に利用可能であり、とりわけ光通信に有効に利用できる。
Claims (5)
- 光増幅装置であって、
信号光が入力されるラマン増幅部と、
基本波光から二倍波光を生成する励起光生成部と、
前記ラマン増幅部に接続されたパラメトリック増幅部であって、
前記ラマン増幅部からの増幅された信号光を、前記基本波光の波長の長波長側帯域と、短波長側帯域とに分離する第1の分岐部、
前記二倍波光を励起光として、前記分離された長波長側の信号光をパラメトリック増幅する第1の2次非線形素子、
前記二倍波光を励起光として、前記分離された短波長側の信号光をパラメトリック増幅する第2の2次非線形素子、並びに、
前記第1の2次非線形素子および前記第2の2次非線形素子からの波長変換光をそれぞれ除去し、前記第1の2次非線形素子および前記第2の2次非線形素子からの増幅された信号光を合波して出力する第2の分岐部
を含むパラメトリック増幅部と、
前記ラマン増幅部の励起光を生成する光源であって、前記励起光は前記第2の2次非線形素子を前記信号光と逆方向に伝搬してパラメトリック増幅され、前記ラマン増幅部に供給される、光源と
を備え、
前記基本波光は、前記第1の2次非線形素子および前記第2の2次非線形素子の位相整合波長よりも短波長側に離調した波長を有することを特徴とする光増幅装置。 - 前記位相整合波長を有する第3の2次非線形素子を含み、前記ラマン増幅部の前記励起光の波長においてパラメトリック増幅を行うための第2の励起光を生成する第2の励起光生成部をさらに備え、
前記第2の励起光は、第2の基本波光の二倍波であって、前記第2の基本波光は、前記基本波光よりもさらに短波長側に離調した波長を有することを特徴とする請求項1に記載の光増幅装置。 - 前記励起光生成部は、前記位相整合波長を有し、前記基本波光の前記二倍波光を生成する第4の2次非線形素子を含むことを特徴とする請求項1に記載の光増幅装置。
- 前記非線形媒質は非線形光学結晶であって、LiNbO3、LiTaO3、もしくはLiNb(x) Ta(1-x) O3(0≦x≦1)または、それらにMg、Zn、Sc、Inからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする請求項4に記載の光増幅装置。
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