CN103403616A - 光信号放大器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明目的在于提供一种可适用于光通信的并且可以以低噪声进行放大的相敏光放大装置。本发明的相敏光放大装置是通过使用了非线性光学效应的光混合来放大信号光的相敏型光放大装置，其具有第一二次非线性光学元件（602-1）和第二二次非线性光学元件（602-2）。第一二次非线性光学元件（602-1）根据基波光（621）生成作为激发光使用的二次谐波（622），并具有从基波光和二次谐波中只分离出二次谐波的滤波器（606-1）。第二二次非线性光学元件（602-2）具有将信号光和二次谐波合波的合波器（606-2），使用合波后的信号光和二次谐波进行参量放大，并具有从二次谐波和放大后的信号光中只分离出放大后的信号光的滤波器（606-3）。

Description

光信号放大器装置
技术领域
本发明涉及光放大器装置，具体地，涉及在光通信系统和光测量系统中使用的光放大器装置以及具备该光放大器装置的光发送装置和光接收装置。
背景技术
在现有的光传输系统中，为了再生由于在光纤中传播而衰减的信号，使用识别再生光学中继器将光信号变换为电信号，然后在识别数字信号后使光信号再生。但是，在该识别再生光中继器中存在诸如将光信号变换为电信号的电子部件的响应速度有限、或如果传输信号的速度快则消耗功率增大等问题。
作为解决这个问题的放大装置，现有的是将激发光入射到添加了铒或镨等稀土类元素的光纤中来放大信号光的光纤激光放大器或半导体激光放大器。由于光纤激光放大器和半导体激光放大器可以使信号光保持光的形式进行放大，因此避免了在识别再生光中继器中电处理速度有限的问题。此外，光纤激光放大器和半导体激光放大器还具有设备结构比较简单的优点。但是，这些激光放大器不能对劣化后的信号光脉冲波形予以整形。另外，由于在这些激光放大器中混入了与信号成分毫无关系的自然放射光，并且该自然放射光不可避免且随机发生，因此信号光的S/N比在放大前后至少降低了3dB。这将导致数字信号传输时的传输误码率上升，传输品质下降。
作为突破上述现有激光放大器的限制的装置，人们正在研究相敏光放大器（Phase Sensitive Amplifier：PSA）。该相敏光放大器能够对传输光纤的色散所导致的信号光脉冲的波形劣化予以整形。另外，由于可以抑制具有与信号无关的正交相位的自然放射光，因此在原理上该相敏光放大器可以使信号光在放大前后的S/N（信噪）比不降低，而保持不变。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：J.A.Levenson,I.Abram,T.Rivera,and P.Grainger,“Reduction of quantum noise in optical parametric amplification,”J.Opt.Soc.Am.B,vol.10,pp.2233-2238(1993).
非专利文献2:W.Imajuku,and A.Takada,“Gain characteristics ofcoherent optical amplifiers using a Mach-Zehnder interferometer withKerr Media,”IEEE J.Quantum Electron.,vol.35,no.11,pp.1657-1665(1999).
非专利文献3:R.Slavik et al.,“All-optical phase and amplituderegenerator for next-generation telecommunications system,”NaturePhotonics.,vol.4,pp.690-695(2010).
非专利文献4:T.Umeki,O.Tadanaga,and M.Asobe,“Highlyefficient wavelength converter using direct-bonded PPZnLN ridgewaveguide,”IEEE J.Quantum Electron.,vol.46,no.8,pp.1003-1008(2010).
专利文献5:R.Slavik et al.,“All-optical phase-regenerativemulticasting of40Gbit/s DPSK signal in a degenerate phase sensitiveamplifier,”In Proceedings of the European Conference and Exhibition onOptical Communication(ECOC 2010,Torino,Italy)MO.1.A.2.
非专利文献6:諸橋 功，坂本高秀，外林秀之，川西 哲也，寳迫巌,“マッハツェンダー変調器ベース光コム発生器およびソリトン圧縮による100fs級パルス発生,”第72回応用物理学会学術講演会 講演予稿(応用物理学会2011秋 山形大学)30a-P3-1
非专利文献7:R.Tang et al.,“In-line phase-sensitive amplificationof multichannel CW signals based on frequency nondegeneratefour-wave-mixing in fiber,”Optics Express.,vol.16,pp.9046-9053(2008).
非专利文献8:中川清司、他3名、「光増幅器とその応用」、オーム社、1992/05、p.26
非专利文献9:西原他、「光集積回路」、オーム社
发明内容
然而，上述现有技术存在如下所述的问题。
图1示出现有的相敏光放大器的基本结构。该光放大器由相敏光放大部101、激发光源102、激发光相位控制部103以及两个光分支部104-1、104-2构成。
该光放大部具有以下特性，如果相敏光放大部101的信号光和激发光的相位满足特定关系（将在下文中描述），则输入信号光110被放大，而如果两者的相位是与该特定关系相差90度的正交相位关系，则输入信号光110衰减。利用这个特性可以控制激发光-信号光之间的相位以获得最大的放大增益，如果使两者同步，则不生成与信号光成正交相位的自然放射光，也就是能够使信号光在其S/N比不降低的情况下进行放大。
为了实现信号光和激发光的相位同步，对激发光111的相位进行控制，以使其与由光分支部104-1分支的输入信号光110的相位同步。在激发光相位控制部103中用窄频带的检测器对由光分支部104-2分支的输出信号光112的一部分进行检波，控制激发光111的相位以使输出信号为最大。因此，在相敏光放大部101中，按照信号光的相位和激发光的相位同步的方式进行控制，可以实现在S/N比不降低的情况下的光放大。
另外，激发光相位控制部103除了具有如图1所示的在激发光源102的输出侧控制激发光的相位的结构之外，也可以被设置成直接控制激发光源102的相位的结构。另外，当生成信号光的光源位于相敏光放大部的附近时，该光源可被部分分光，所分支出的光可作为激发光使用。
相敏光放大部中使用具有二次或三次非线性光学效应的介质。通常，这些相敏光放大器主要用于控制光的量子状态的压缩（squeezing）等基础研究领域。在初期的相敏光放大器的研究中，报告了使用二次非线性光学晶体的研究。
如非专利文献1所示，在使用二次非线性光学效应的情况下，将光学晶体等作为非线性介质使用，将与信号光的二次谐波相当的波长作为激发光使用，将激发光和信号光入射到非线性介质，通过利用三光波混合的光学参量放大器（Optical ParametricAmplifier:OPA）实现相敏放大。
如图2所示，在现有技术中，对来自激光源201的具有较高强度的激光进行分支，一部分入射到SHG（Second HarmonicGeneration，二次谐波发生器）晶体202中，另一部分作为信号光210使用。变换为二次谐波的激发光211和信号光210入射到可以进行简并光学参量放大的非线性光学晶体203，以进行相敏放大，
在相敏光放大器中，只有在信号光的相位与激发光的相位满足特定的关系时才起到放大作用。具体地，需要信号光和激发光的相位一致或相差π弧度。即，在使用二次非线性光学效应的情况下，激发光的相位φ2ωs和信号光的相位φωs需要满足以下（式1）的关系，该激发光相当于二次谐波的波长。
Δφ＝1／2φ2ωs-φωs＝nπ（其中，ｎ是整数）  （式1）
图3是表示在现有的利用二次非线性光学效应的相敏光放大器中的输入信号光-激发光之间的相位差Δφ与增益（dB）的关系的曲线图。由图可知，当Δφ是-π、0、或π时，增益为最大。
即使在图2所示的结构中，也可以如图1所示，分支输出信号光的一部分并由窄频带的检测器检波，控制激发光的相位以使输出信号最大，并实现信号光和激发光的相位同步。
另外，详细内容将在后面叙述，上述说明的简并参量放大为在非简并参量放大中，信号光与闲频光的波长一致时的特殊情况。在使用二次非线性光学效应的情况下，通过使相当于二次谐波的波长的激发光的相位φSH和信号光的相位φS以及闲频光的相位φi满足以下（式2）的关系，使得可以通过非简并参量放大进行相敏放大。
Δφ＝1／2φSH-1／2（φS+φi）＝nπ（其中，n是整数）
（式2）
近年来随着光通信的高度发展，相敏光放大器在光通信中的应用正在受到人们的高度注视。光通信领域中有如下结构的报告，该结构利用与通信用光部件的亲和性高的光纤的三次非线性光学效应。在利用三次非线性光学效应的情况下，将光纤等作为非线性介质使用，如非专利文献2所示，使用与信号光波长相同的一种激发光，将激发光和信号光入射到非线性介质，通过进行使用四光波混合的简并参量放大实现相敏放大。
在使用三次非线性介质、并且使用波长与信号光的波长相同的一个激发光的情况下，激发光的相位φωp与信号光的相位φωs需要满足以下（式3）的关系。
Δφ＝φωｐ-φωs＝nπ（其中，n是整数）（式3）
如非专利文献3所示，也可以使用分别具有光频ωp1、ωp2的两个激发光代替波长与信号光的波长相同的一个激发光，该光频ωp1、ωp2在将信号光的光频设为ωs时满足（式4）。
2ωs＝ωp1+ωp2
使用三次非线性介质，并使用与两种光频ωp1、ωp2相当的波长的两个激发光的情况下，激发光的相位φωp1、φωp2与信号光的相位φωs需要满足以下的（式5）的关系。
Δφ＝1／2(φωｐ1＋φωｐ2)-φωｓ＝ｎπ（其中，ｎ是整数）
（式5）
即使在使用三次非线性介质的情况下，也可以和使用二次非线性光学效应的情况一样，将输出信号光的一部分分支并使用窄频带的检测器检波，控制激发光的相位以使得输出信号为最大，并实现信号光和激发光的相位同步。
如前所述，在使用光纤的方式中，存在使用波长与信号光的波长相同的一种激发光或使用波长与信号光的波长不同的两种波长的激发光的方式。在使用一种激发光的情况下，由于需要从信号光分离激发光，因此如非专利文献2所示，使用环形光纤干涉仪来分离信号光和激发光。但是，在这种方式中，由于光纤中的GAWBS(guided acoustics wave Brillouin scattering，制导声学波布里渊散射)所进行的相位调制以不相关的形式施加到在光纤中分别向反方向传播的光中，因此使噪音特性劣化。为了解决这个问题，近年来人们苦心研究如非专利文献3所示的使用两种激发光的方法。
图4表示使用光纤并使用两种激发光的情况下的结构。如非专利文献3所示，使用光纤中的四光波混合等方法，首先生成与入射信号410的平均相位同步的两种激发光（411-1、411-2）。接着，使用掺铒光纤激光放大器（EDFA）402将两种激发光（411-1、411-2）和信号光410放大，入射到高非线性光纤403。图4是信号光410与两种激发光（411-1、411-2）合波并由EDFA放大的结构，不过用EDFA只将两种激发光放大，在与信号光合波后入射到光纤中也能得到同样的效果。通过调整相位以使得信号光和两种激发光之间满足上述（式5）所示的关系，可以实现通过四光波混合的相敏放大。但是，上述现有技术有以下的问题。
在使用二次非线性光学晶体的以往的相敏光放大器中，只示出主要为了实现SHG或参量放大而可以使用足够高输出的脉冲激光源使其工作的结构，但是尚未公开可以适用于一般地处理微弱光的光通信系统的结构。
在使用了光纤的相敏放大器中，虽然示出了可以适用于光通信系统的结构，但是由于使用四光波混合，因此是一种信号光、激发光的波长接近的构造。特别是图4中示出了这样的结构，为了利用光纤中的非线性光学效应，通过EDFA等光纤放大器获得必需的功率。但是用EDFA进行光放大时放大的自然放射光（ASE光）作为噪声与激发光重叠。这里，由于激发光的波长和信号光的波长接近，因此很难将ASE光去除，信号光波长也和由EDFA生成的ASE光重叠。结果，信号光的S/N比降低，无法进行低噪声下的光放大。
鉴于上述现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种可以适用于光通信，并且可以在低噪声下进行放大的相敏光放大装置。
但是，在近年来的光通信技术中，作为用于以高的频率利用率发送大容量的信号的方法，正在研究以光OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，正交频分复用)为代表，将高速数据分配到多个光载波中进行调制的称为超信道的数据发送/接收方法。为了在光学领域中进行上述的对多个载波进行数据调制的方式，使用模同步激光或光调制器生成光梳，该光梳由以等间隔排列的光频的载波组成。所生成的光梳由分波器分配，在各个载波中由光调制器进行数据调制，再合波后导入传输路径。
但是，上述现有技术存在以下的问题。通常，由多个载波组成的光梳由分波器分波并由调制器调制，由合波器进行合波时，各个结构要素的插入损耗较大，因此与原光梳相比光功率显著衰减。另外，如非专利文献6所示，提出了根据单一波长的光源利用调制器生成光梳的方法，但是用这样的结构即使只生成光梳，也会降低调制器的损耗或降低对多个载波的变换效率的大小。
在近年来的光通信中希望提高频率的利用率，由香农的通信理论可知，为了获得较高的频率利用率则希望信号的S/N比较大。但是，进行上述光梳调制的发送方法中，伴随光的生成，调制的光功率的损耗较大，如果在生成光信号之后由采用了通常的激光介质光放大器放大到光纤传输所需的功率，则由于对光放大器输入的功率较小，因此信号的S/N比显著降低。
虽然人们已知通过相敏光放大器在低噪声下进行光放大的原理，但是由于通常在相敏光放大器中使用简并参量放大，因此仅能放大信号的一种波长，而不能同时放大多个载波。
作为可以同时放大多个波长的方法，如非专利文献7所示，提出了使用非简并参量放大的相敏光放大器的结构，该非简并参量放大使用了光纤中的四光波混合。图5是传统的使用光纤中的四光波混合的多个波长的放大方法的概略图。在这个方法中，首先，通过向复制器（Copier）中的第一光纤501入射调制光和激发光而进行使用四光波混合的波长变换，生成与输入调制光的相位反相的闲频光。接着，将与多个调制光组对应的闲频光组入射到第二光纤502，进行非简并参量放大。如果使用这个构造，则可以对多个波长的信号光进行相敏放大。
然而，在这样使用了光纤的四光波混合的光放大器中，将激发光和信号光全部配置到相同的1.55μm波段的通信波段中。光纤放大器503用于激发光的生成、放大，但是由于该光纤放大器所生成的放大后的自然放射光（ASE）混入放大信号光中，因此存在输出的S/N比和输入的S/N比相比劣化的问题。
本发明的通过使用非线性光学效应的光混合来放大信号光的相敏型光放大器装置，包括：光纤激光放大器，用于放大基波光；具有用于根据基波光生成和频光的光波导的二次非线性光学元件，该二次非线性光学元件由周期性极化反转的二次非线性光学材料构成；从基波光和和频光中只分离出和频光的滤波器；将信号光与作为激发光的和频光合波的合波器；具有使用激发光进行信号光的参量放大的光波导的二次非线性光学元件，该二次非线性光学元件由周期性极化反转的二次非线性光学材料构成；分离放大后的信号光和激发光的滤波器；以及使信号光的相位和激发光的相位同步的同步装置。
在本发明的一实施方式中，其中，和频光为二次谐波。
在本发明的一实施方式中，其中，参量放大为简并参量放大。
在本发明的一实施方式中，其中，参量放大为非简并参量放大。
在本发明的一实施方式中，其中，信号光由一个或多个信号光对组成，一个或多个信号光对以激发光即和频光的一半光频为中心满足对称关系且具有相同或反转的相位信息。
在本发明的一实施方式中，其中，使信号光的相位和激发光的相位同步的同步装置包括：相位调制器和光学长度延伸器；分支装置，其将放大后的信号光的一部分或激发光的一部分分支；检测装置，其检测与相位调制器调制后的相位变化对应的由分支装置分支出的光的强度变化；以及相位同步环回路，其以检测装置所检测到的光的强度变化为基础，按照使放大后的信号光的强度最大化的方式反馈到相位调制器和光学长度延伸器。
在本发明的一实施方式中，其中，使信号光的相位和激发光的相位同步的同步装置包括：生成基波光的半导体激光器或者生成与基波光或激发光相位同步的光的半导体激光器；分支装置，其将放大后的信号光的一部分或激发光的一部分分支；检测装置，其检测由分支装置分支后的光的强度变化；以及相位同步环回路，其以检测装置所检测到的光的强度变化为基础，按照使放大后的信号光的强度最大化的方式，反馈到生成基波光的半导体激光器的驱动电流或者反馈到生成与基波光或激发光相位同步的光的半导体激光器的驱动电流。
在本发明的一实施方式中，其中，信号光还具有波长连续光的导频，相敏型光放大装置还具有分支信号光的一部分的分支装置和半导体激光光源，半导体激光光源通过波长连续光的导频进行光同步注入，与注入光相位同步的从半导体激光光源输出的连续光被用作基波光。
在本发明的一实施方式中，其中，相敏型光放大器装置还具有：还具有分支信号光的一部分的分支装置和半导体激光光源，半导体激光光源通过只分离和频光的滤波器所输出的和频光进行光同步注入，与注入光相位同步的从半导体激光光源输出的连续光被用作激发光。
在本发明的一实施方式中，其中，相敏型光放大器装置还包括：分支装置，其分支信号光的一部分；半导体激光光源；光源，其用于生成第一基波光；具有用于生成信号光的二次谐波的光波导的二次非线性光学元件，其由周期性极化反转的二次非线性光学材料构成；以及具有用于生成第一基波光与已生成的二次谐波之间的差频光的光波导的二次非线性光学元件，其由周期性极化反转的二次非线性光学材料构成，其中，半导体激光器通过已生成的差频光进行同步注入，将与注入光相位同步的从半导体激光光源输出的连续光作为第二基波光，使用第一基波光和第二基波光，通过具有用于根据基波光生成和频光的光波导的二次非线性光学元件生成和频光。
在本发明的一实施方式中，其中，相敏型光放大器装置还包括：分支装置，其分支信号光的一部分；半导体激光光源；光源，其用于生成第一基波光；以及具有用于生成信号光的二次谐波的且用于生成第一基波光与已生成的二次谐波之间的差频光的光波导的二次非线性光学元件，其由周期性极化反转的二次非线性光学材料构成，其中，将已生成的差频光向半导体激光器同步注入，将与注入光相位同步的从半导体激光光源输出的连续光作为第二基波光，使用第一基波光和第二基波光，通过具有用于根据基波光生成和频光的光波导的二次非线性光学元件生成和频光。
在本发明的一实施方式中，其中，从基波光和和频光中只分离出和频光的滤波器使用电介质膜的二向色镜或使用多模干扰的光分波元件。
在本发明的一实施方式中，其中，将信号光和作为激发光的和频光合波的合波器使用电介质膜的二向色镜或使用多模干扰的光合波元件。
在本发明的一实施方式中，其中，将放大后的信号光和激发光分离的滤波器使用电介质膜的二向色镜或使用多模干扰的光分波元件。
在本发明的一实施方式中，其中，在和频光的波长下为单模的保偏光纤中传播和频光
在本发明的一实施方式中，其中，相敏型光放大器装置还具有带通滤波器，带通滤波器位于光纤激光放大器和具有用于生成和频光的光波导的二次非线性光学元件之间。
在本发明的一实施方式中，其中，具有用于生成和频光的光波导的二次非线性光学元件和具有用于进行参量放大的光波导的二次非线性光学元件可以分别地进行温度调整。
在本发明的一实施方式中，其中，由相敏型光放大器装置和光电二极管所组成的光接收装置，相敏型光放大器装置还具有附接于相敏型光放大器装置的光纤激光放大器和使放大后的信号光附近的波长透过的带通滤波器。
在本发明的一实施方式中，其中，由相敏型放大器装置、生成信号光的光源、光调制器以及将来自光源的输出的一部分分支的分支装置构成光发送装置，将所分支出的来自光源的输出的一部分用作基波光。
在本发明的一实施方式中，其中，在比光纤激光放大器更靠近输出侧的位置相敏型光放大器装置还具有相位调制器，相位调制器由通过直接接合法制作出的光波导构成。
在本发明的一实施方式中，其中，相敏型光放大器装置还具有相位调制器，相位调制器被集成在具有用于生成和频光的光波导的二次非线性光学元件中，相位调制器与用于生成和频光的光波导在同一波导上相邻地形成，与用于生成和频光的光波导的前段或后段连接。
在本发明的一实施方式中，其中，相敏型光放大器装置还具有相位调制器，所述相位调制器、从基波光与和频光中只分离出和频光的滤波器以及将信号光和激发光合波的合波器被集成在具有用于生成和频光的光波导的二次非线性光学元件中，滤波器和合波器与光波导在同一波导上相邻地形成，相位调制器被连接在合波器的前段，滤波器被连接在合波器的前段，用于生成和频光的光波导被连接在滤波器以及合波器的前段。
在本发明的一实施方式中，其中，相敏型光放大器装置还具有相位调制器，所述相位调制器、从基波光与和频光中只分离出和频光的滤波器以及将信号光和激发光合波的合波器被集成在具有用于进行参量放大的光波导的二次非线性光学元件中，相位调制器和合波器与光波导在同一波导上相邻地形成，滤波器被连接在合波器的前段，光波导被连接在合波器的后段，相位调制器被连接在合波器的前段。
在本发明的一实施方式中，其中，相敏型光放大器装置还具有相位调制器，相位调制器、从基波光与和频光中只分离出和频光的滤波器以及将信号光和激发光合波的合波器被集成在具有用于生成和频光的光波导的二次非线性光学元件中，集成后的用于生成和频光的二次非线性光学元件和用于进行参量放大的二次非线性光学元件被一体化为一个光学元件，用于生成和频光的光波导、从基波光与和频光中只分离出和频光的滤波器、将信号光和激发光合波的合波器以及用于进行参量放大的光波导在同一波导上相邻地形成，相位调制器被连接在将信号光和激发光合波的合波器的前段，从基波光与和频光中只分离出和频光的滤波器被连接在合波器的前段，用于生成和频光的光波导被连接在从基波光与和频光中只分离出和频光的滤波器以及合波器的前段，用于进行参量放大的光波导被连接在合波器的后段。
在本发明的一实施方式中，其中，相敏型光放大器装置还包括：相位调制器；反射装置，其反射和频光；光循环器，其将基波光入射到具有用于根据基波光生成和频光的光波导的二次非线性光学元件，并且使放大后的信号光透过；第一光波导，其被用于信号光的输入及被用于由从基波光与和频光中只分离和频光的滤波器分离出的基波光的输出；以及第二光波导，其连接反射装置和合波器，其中，滤波器、合波器、第一光波导以及第二光波导被集成在具有用于生成和频光的光波导的二次非线性光学元件中，具有用于根据基波光生成和频光的光波导的二次非线性光学元件的光波导与具有用于使用激发光进行信号光的参量放大的光波导的二次非线性光学元件的光波导被共用，滤波器和合波器被共用，被共用的光波导、被共用的合波器以及第二波导在同一波导上相邻地形成，被共用的光波导、第一光波导以及第二光波导与合波器连接。
在本发明的一实施方式中，其中，按照第一光波导的与合波器连接的连接面相反侧的剖面与第一光波导的轴形成大于0°小于90°的角度的方式进行切断，并进行处理端面以使得被共用的光波导的至少一个输入输出端部与被共用的光波导的轴形成大于0°小于90°的角度。
在本发明的一实施方式中，其中，相位调制器被集成在具有用于根据基波生成和频光的光波导的二次非线性光学元件中，相位调制器与合波器在同一波导上相邻地形成。
在本发明的一实施方式中，其中，周期性极化反转的二次非线性光学材料为LiNbO3、KNbO3、LiTaO3、LiNbxTa1-xO3（0≤x≤1）、KTiOPO4、或者包含Mg、Zn、Fe、Sc、In中的至少一种作为添加物的LiNbO3、KNbO3、LiTaO3、LiNbxTa1-xO3（0≤x≤1）、KTiOPO4中的一种物质。
在本发明的一实施方式中，其中，用于生成和频光的光波导和用于进行参量放大的光波导是通过将具有非线性光学效应的第一基板和与第一基板相比折射率小的第二基板直接粘合在一起而制作成的直接接合光波导。
发明效果
根据本发明，在利用非线性光学效应即参量放大效应而仅仅使特定的相位成分放大的相敏光放大器中，为了从在光通信中所使用的微弱的光功率获得足以用于参量光放大的功率，即使使用光纤放大器，也可以构成伴随光放大但所生成的ASE光不会与信号光重叠的相敏光放大器，可以在防止S/N比降低的同时实现高品质光信号的放大。而且，通过使用本发明，可以使多个波长一起放大，并通过选择地放大与激发光的相位相关的信号光，来抑制由ASE光等不相关的光所引起的噪声。
因此，通过可适用于光通信而且可以实现低噪声下的放大的相敏光放大器，可以改善光纤中信号的S/N比，因此可以将高速信号以低功率传输比以前更远的距离。另外，由于可以修正所入射的信号光的相位啁啾声信号（chirp）并放大，因此可以减小光纤的波长色散导致的信号劣化的影响，从而增加放大后的信号光的传输距离。另外，在需要远距离传输的应用中，使用具有相位啁啾声信号之类的便宜或简单的光调制器生成没有啁啾声信号的光信号。而且，通过抑制ASE光，可以改善光信号的一度降低的S/N比。而且，通过选择地放大与相位相关的信号光，可以改善由于ASE光和信号光的差拍噪声而降低的信号光的S/N比。
附图说明
图1是现有的相敏光放大器的结构的示意图。
图2是现有的利用二次非线性光学效应的相敏光放大器的结构的示意图。
图3是表示在现有的利用二次非线性光学效应的相敏光放大器中的输入信号光-激发光之间的相位差Δφ和增益（dB）之间的关系的曲线图。
图4是现有的利用三次非线性光学效应的相敏光放大器的结构的示意图。
图5是用于示出现有的使用光纤中的四光波混合的多个波长的载波的放大方法的概略图。
图6是本发明第一实施方式的相敏光放大器的结构的示意图。
图7A是用于说明相敏光放大器的操作的图，示出使用现有技术的结构的情况。
图7B是用于说明相敏光放大器的操作的图，示出使用根据本发明第一实施方式的结构的情况。
图8A是由本发明第一实施方式的相敏光放大器所放大的信号的时间波形的示意图，示出激发光不入射时的输出波形。
图8B是由本发明第一实施方式的相敏光放大器所放大的信号的时间波形的示意图，示出激发光和信号光的相位是同相位时的输出波形。
图8C是由本发明第一实施方式的相敏光放大器所放大的信号的时间波形的示意图，示出激发光和信号光的相位相差90度时的输出波形。
图9是根据本发明第二实施方式的相敏光放大器的光发送装置的结构的示意图。
图10是用于说明由根据本发明第二实施方式的相敏光放大器所放大的信号的时间波形的图。
图11A是用于说明现有的在单模光纤（SMF）中传输预定距离后的信号的时间波形的图。
图11B是用于说明由本发明的相敏光放大器放大后的信号在单模光纤（SMF）中传输预定距离后的信号的时间波形的图。
图12是本发明第三实施方式的相敏光放大器的结构的示意图。
图13是说明用于生成本发明第三实施方式的发送信号的发送器结构的一个示例的图。
图14是用于说明本发明第三实施方式的光同步注入的操作的光谱图。
图15是本发明第四实施方式的相敏光放大器的结构的示意图。
图16是本发明第五实施方式的相敏光放大器的结构的示意图。
图17A是用于说明相敏光放大器的操作的图，示出使用现有技术的结构的情况。
图17B是用于说明相敏光放大器的操作的图，示出使用了本发明第五实施方式的结构的情况。
图18A是说明包括信号光的载波相位提取方法的、本发明第五实施方式的相敏光放大器的概念图。
图18B是说明包括信号光的载波相位提取方法的、本发明第五实施方式的相敏光放大器的概念图。
图18C是说明包括信号光的载波相位提取方法的、本发明第五实施方式的相敏光放大器的概念图。
图18D是说明包括信号光的载波相位提取方法的、本发明第五实施方式的相敏光放大器的概念图。
图19A是用于说明本发明第五实施方式的相敏光放大器的操作的光谱图。
图19B是用于说明本发明第五实施方式的相敏光放大器的操作的光谱图。
图20是用于说明本发明第五实施方式的相敏光放大器的操作的光谱图。
图21A是用于说明本发明第五实施方式的相敏光放大器的操作的光谱图。
图21B是用于说明本发明第五实施方式的相敏光放大器的操作的光谱图。
图22是本发明第五实施方式的另一个相敏光放大器的结构的示意图。
图23是本发明第五实施方式的再另一个相敏光放大器的结构的示意图。
图24是包括本发明第六实施方式的相敏光放大器的光接收装置的结构的示意图。
图25是使用本发明第六实施方式的相敏光放大器进行光放大后的光谱图。
图26是表示本发明第六实施方式的相敏光放大器的评价结果的曲线图。
图27是表示本发明用于评价第六实施方式的相敏光放大器的接收灵敏度的错误率特性的曲线图。
图28A是表示在本发明第七实施方式下使用的信号的图。
图28B是表示本发明第七实施方式的相敏光放大器的结构图
图29是用于说明现有技术的相敏光放大的操作的图。
图30是用于说明本发明第七实施方式的相敏光放大的操作的图。
图31A是用于说明使用本发明第七实施方式的相敏光放大器后的效果的图，示出了故意地混入根据EDFA生成的ASE光的信号光组的光谱。
图31B是用于说明使用本发明第七实施方式的相敏光放大器后的效果的图，示出使用本发明第七实施方式的结构的光放大器将信号光组放大后的输出光谱，该信号光组为故意混入由EDFA生成的ASE光的信号光组。
图32A是用于说明使用本发明第七实施方式的相敏光放大器后的效果的图，是表示用相敏光放大器放大时在输入输出中的信号光和ASE光的差拍噪声的水平的图，表示观测简并点的情况。
图32B是用于说明使用本发明第七实施方式的相敏光放大器后的效果的图，是表示用相敏光放大器放大时在非简并点处的输入输出中的信号光和ASE光的差拍噪声的水平的图。
图33是根据本发明第七实施方式的结构，用于调查由于对实施数据调制后的光梳信号进行放大所生成的S/N比改善效果的结构的示意图。
图34是说明本发明第七实施方式的相敏光放大器的效果的曲线图。
图35是包括本发明第八实施方式的相敏光放大器的光发送装置的结构的示意图。
图36是用于说明包括本发明第八实施方式的相敏光放大器的光发送装置的结构的另一个示例的图。
图37是用于说明包括本发明第八实施方式的相敏光放大器的光发送装置的结构的另一个示例的图。
图38A是由本发明第八实施方式的相敏光放大器所放大的信号的时间波形的示意图，示出不入射激发光时的输出波形。
图38B是由本发明第八实施方式的相敏光放大器所放大的信号的时间波形的示意图，示出激发光和信号光的相位是同相位时的输出波形。
图38C是由本发明第八实施方式的相敏光放大器所放大的信号的时间波形的示意图，示出激发光和信号光的相位相差90度时的输出波形。
图39是用于说明本发明第八实施方式的相敏光放大器的结构的另一个示例的图。
图40是本发明第九实施方式的相敏光放大器的结构的示意图。
图41是本发明第十实施方式的相敏光放大器的结构的示意图。
图42是本发明第十一实施方式的相敏光放大器的结构的示意图。
图43是表示在本发明的第十一实施方式的相敏光放大器中，输入信号光-激发光间的相位差Δφ和二次谐波的增益之间的关系的曲线。
图44是本发明第十一实施方式的相敏光放大器的结构的示意图。
图45是本发明第十一实施方式的相敏光放大器的结构的示意图。
图46是本发明第十一实施方式的相敏光放大器的结构的示意图。
图47是本发明第十一实施方式的相敏光放大器的结构的示意图。
图48是本发明第十二实施方式的相敏光放大器的结构的示意图。
图49是本发明第十二实施方式的相敏光放大器的结构的示意图。
图50是本发明第十二实施方式的相敏光放大器的结构的示意图。
图51是本发明第十二实施方式的相敏光放大器的结构的示意图。
图52是本发明第十二实施方式的相敏光放大器的结构的示意图。
图53是包括本发明第十三实施方式的相敏光放大器的光接收装置的结构的示意图。
图54是说明使用本发明第十三实施方式的相敏光放大器的效果的曲线。
图55是本发明第十四实施方式的相敏光放大器的结构的示意图。
图56是本发明第十五实施方式的相敏光放大器的结构的示意图。
图57是本发明第十五实施方式的相敏光放大器的结构的示意图。
图58是本发明第十五实施方式的相敏光放大器的结构的示意图。
图59是本发明第十五实施方式的相敏光放大器的结构的示意图。
具体实施方式
在下文中将参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
（第一实施方式）
图6示出本实施方式的结构。本实施方式中，为了在根据光通信中所使用的微弱的激光获得非线性光学效应中得到足够的功率，使用光纤激光放大器（EDFA）601放大基波光621。将放大后的基波光621入射到第一二次非线性光学元件602-1以发生二次谐波622。通过向第二二次非线性光学元件602-2入射信号光620和二次谐波622进行简并参量放大来进行相敏放大。该相敏光放大装置的结构是本发明的基本特征。
图6所示的结构将在后面详细说明，如果采用这样的结构则可以获得下述现有技术无法得到的效果。
图7A和图7B是示意性地表示相敏光放大中所使用的信号光、激发光的光谱的图。图7A表示使用图4示出的结构的情况，该结构利用现有的光纤激光放大器和使用光纤作为非线性介质的结构的情况，图7B表示使用图6示出的根据本实施方式的结构的情况。
在现有的使用光纤的相敏光放大器中利用四光波混合。因此，为了使用于进行参量光放大的激发光和信号光的波长满足相位匹配条件，这些波长必须是接近的波长。
如图7A所示，信号光701-1和激发光702具有相同的1.55μm的波段，在使用两种激发光702-1、702-2的情况下，优选地使用1个光纤放大器放大两种激发光以简化整体结构。但是，激发光波长的附近会生成由于光纤放大器所生成的ASE光703。为了使信号波段中不生成ASE光，姑且可以设计为信号光不通过光纤放大器的结构。但是，由于在将激发光与信号光合波时两者的波长接近，很难使用波长选择性良好的滤波器，因此不能完全去除ASE光。因此，在信号波段生成的ASE光与信号波长重叠，由于ASE光的混入而导致S/N比劣化。
另一方面，在本实施方式的结构中，信号光701的波长与基波光704的波长相同。为了根据光通信中所使用的微弱的光功率获得足以利用参量光放大的功率，使用光纤放大器放大基波光704。此时基波光704的波长附近与ASE光703重叠。
在本实施方式的结构中，在进行光放大后，将与ASE光703重叠的基波光704入射到第一二次非线性光学元件以发生二次谐波705。这时在作为激发光使用的二次谐波705的波段中，除了仅仅生成一点ASE光703的二次谐波之外，不生成成为噪声的宽频带的ASE光。二次谐波705的波长是基波光704波长的一半，两者的波长相差很大。因此，比较容易将二向色镜等实现为具有高消光比的滤波器，该滤波器从基波光和二次谐波中只分离出二次谐波。通过将上述滤波器与第一二次非线性光学元件的输出连接，可以完全去除激发光波段的基波光704和ASE光703。接着，将信号光701只与二次谐波705合波并入射到第二二次非线性光学元件，由此可以实现利用简并参量放大的相敏放大。
再次参照图6对本实施方式的结构进行详细说明。本实施方式中，为了放大1.54μm的信号光620，用光分支部603-1分支信号光620的一部分并作为基波光621使用。基波光621由掺铒光纤激光放大器（EDFA）601放大。放大后的基波光621向第一二次非线性光学元件602-1输入。
本实施方式中，为了防止由EDFA601生成的宽频带ASE光通过第一二次非线性光学元件602-1被变换，在EDFA601和第一二次非线性光学元件602-1之间插入带通滤波器604，去除不需要的ASE光。二次非线性光学元件602具有由周期性极化反转的铌酸锂（PPLN）结构的光波导605。PPLN波导605通过近似相位匹配可以使用铌酸锂的最大非线性光学常数d33，而且利用光波导构造可以获得高的光功率密度，因此通过制成如图所示的结构可以获得高的波长转换效率。在向PPLN波导入射高强度的功率时，会发生由于光折变效应生成的光损耗导致相位匹配波长变化的情况，但是本实施方式中使用如非专利文献4所示的通过直接接合制作的波导，从而防止发生这样的问题。
本实施方式中，通过使用将耐光损耗性良好的添加了Zn的铌酸锂做成纤芯的直接接合波导，来抑制相位匹配波长的变化。另外，通过利用干式蚀刻加工将纤芯直径缩小到4μm左右来实现高波长变换效率。使用二向色镜606-1将从第一PPLN波导605-1发出的二次谐波622与基波光623分离。由二向色镜606-1反射的0.77μm的二次谐波622经由在该波长0.77μm下具有单模传播特性的保偏光纤607导向第二二次非线性光学元件602-2。此时，未被二向色镜606-1完全去除的波长1.54μm附近的基波光和ASE光也入射到保偏光纤607，但是，这种在0.77μm下为单模的光纤对于波长1.54μm光的光封闭性弱，因此通过将不需要的光传播1m左右的长度可以使这些不需要的光有效地衰减。用二向色镜606-2将由保偏光纤607所引入的二次谐波622和波长1.54μm的信号光620合波。由于二向色镜606-2只反射二次谐波622，可以有效地去除波长1.54μm附近的基波光621和ASE光的残留成分，该基波光621和ASE光从第一PPLN波导605-1射出，通过二向色镜606-1和保偏光纤607。
信号光620与二次谐波622合波，入射到第二PPLN波导605-2。第二PPLN波导605-2与第一PPLN波导605-1具有相同的性能和相位匹配波长，通过简并参量放大可以使信号光相敏放大。
本实施方式中，两个PPLN波导605-1、605-2被分别通过各自的温度调节器控制以到达到恒定温度。考虑了由于两个PPLN波导的制作误差而可能出现在同一温度下相位匹配波长不一致的情况，即使在这种情况下通过分别进行温度控制也可以使两者的相位匹配波长一致。从第二PPLN波导605-2发出的光由二向色镜606-3分离为作为激发光的二次谐波和被放大后的信号光。这时由于二次谐波和被放大的信号光的波长完全不同，因此可以有效地去除输出中不需要的二次谐波成分。
在相敏放大中，必须使激发光和信号光的相位同步，而本实施方式中输出的放大信号光的一部分由光分支部603-2分支并由光检测器608接收后通过相位同步环回路（PLL）609进行相位同步。使用位于EDFA601之前的相位调制器610利用正弦波对基波光621进行微小的相位调制。利用光检测器608和PLL回路609检测该相位调制的相位差。通过反馈到位于EDFA601之前的PZT结构的光纤延伸器611的驱动电压和相位调制器610的偏压，吸收由于光纤部件的振动或温度变化所生成的光相位的变化，可以稳定地进行相敏放大。本实施方式中，作为强度调制器624使用LN马赫增德尔调制器，对在输入10Gb/s的NRZ信号的情况下的放大特性进行评价。
图8A、图8B和图8C是用于说明由本实施方式的相敏光放大器所放大的信号的时间波形的图。在图8A中示出了不入射激发光时的入射信号光的输出波形，在图8B中示出了通过PLL设定为激发光和信号光的相位满足（式1）的关系时的输出波形，在图8C中示出了通过PLL设定为使激发光和信号光的相位与（式1）的关系相差90度时的输出波形。
在本实施方式中，通过使激发光的相位和信号光的相位同步为满足（式1）的关系，在入射到第二PPLN波导605-2中的二次谐波622的功率为300mW的条件下，可以获得约11dB的增益。本实施方式中通过使用光纤放大器，可以实现对光通信应用中的必须条件即根据CW光的激发光的操作。另外，通过采用本实施方式的结构，使得即使使用光纤放大器也能防止由光纤放大器生成的ASE光的混入，因此可以防止S/N比的劣化，进行相敏放大。
另外，在本实施方式中，在进行和频光的生成以及进行参量放大的二次非线性光学元件使用通过直接接合法制作出的光波导，不过本方法并不限于本实施方式，在其他实施方式中，也可以使用通过直接接合法制作的光波导。
将激发光和信号光的相位设定为与（式1）的关系相差90度时，如图8C所示，观察到只有NRZ信号的ON和OFF水平之间的过渡部分被放大的波形。这反映出作为用于生成NRZ信号的LN马赫增德尔调制器使用了只对调制器中的单方桥臂进行相位调制类型的调制器，因此由数据调制器生成啁啾声信号的情况。也就是说，在ON和OFF之间迁移时调制器的输出相位变动，如果以ON状态时为基准，则生成正交相位成分。因此，如果把信号光相位和激发光相位设定为正交，就会产生仅有相位啁啾成分被相敏放大这样的结果。这就是说，表面在使相位与信号光的ON状态匹配的状态下，即使输入信号中包含相位啁啾的情况下，也可以去除该啁啾成分，放大整形为没有啁啾的信号。
而且，在进行本实施方式的操作中明确了在以下现有技术中没有的优点。现有的利用光纤中的四光波混合使用两种激发光进行相敏放大的结构中，如非专利文献5所示，并不是以信号光波长为中心只发生2种激发光之间的四光波混合，各种波长之间都满足相位匹配的条件。因此，也会发生例如将一种激发光作为中心而信号光变为其他波长的过程，放大后的信号光连续被复制以生成多个信号。因此，放大信号光的功率被散失，限制了信号光能够放大的期望功率。与之相对，在本实施方式中，由于只有信号光和二次谐波被输入到第二PPLN波导，因此不会出现类似于现有技术的不需要的波长变换过程。在本实施方式中即使将输出功率增大到+22dBm，也可以不出现输出饱和，进行稳定的放大。
另外，在本实施方式中，在上述的说明中，对使用具有单一波长（1.54μm）的信号光作为输入信号光的基于简并参量放大的相敏放大的情况进行了说明，但是本实施方式的相敏光放大器的结构也可以适用于将具有多个波长的载波作为输入信号的基于非简并参量放大的相敏放大的情况。另外，在本实施方式中，使用了添加Zn的铌酸锂（LiNbO3）作为周期性极化反转的二次非线性光学材料，不过并不限于铌酸锂，使用以钽酸锂（LiTaO3）、铌酸锂和钽酸锂的混合晶体（LiNb（x）Ta(1-x)O3(0≤x≤1)）、铌酸钾（KNbO3）、磷酸钛氧钾（KTiOPO4）等为代表的二次非线性光学材料也可以获得同样的效果。另外，关于二次非线性光学材料的添加物也不限于Zn，代替Zn也可以用Mg、Zn、Sc、In、Fe，或者也可以不添加有添加物。
（第二实施方式）
图9表示本实施方式的结构。通过利用本发明的相敏光放大器所具有的波形整形效果，即使是使用带有啁啾的调制器也可以在发送信号时去除啁啾。将来自外部谐振型半导体LD（ECL）930的输出使用电场吸收型（EA）调制器以40Gb/s的调制速度进行NRZ强度调制后，通过与第一实施方式的相敏光放大器类似的相敏光放大器来放大调制信号，由此构成发送器。
电场吸收型（EA）调制器由于可以使用半导体来制作，因此可以进行廉价、大批量的生产。但是，由于利用电场吸收而使调制信号中频率啁啾成分重叠导致信号品质劣化。也就是说，在ON和OFF之间迁移时调制器的输出相位变动，如果以ON状态时为基准，则生成正交相位成分。可知，如果使用这种信号，由于光纤中的色散使波形劣化所以导致远距离传输困难。
图10是用于说明由本实施方式的相敏光放大器所放大的信号的时间波形的图。在图10（a）中示出放大前的调制信号，在图10（b）中示出通过相位同步环回路（PLL）设定为使激发光和信号光的相位满足（式1）的关系时的输出波形，在图10（c）中示出通过PLL设定为使激发光和信号光的相位与（式1）的关系相差90度时的输出波形。
将激发光相位和信号光相位设定为与（式1）的关系相差90度时，如10（c）所示，观察到只有NRZ信号的ON和OFF水平之间的过渡部分被放大的波形。这反映出由于在NRZ信号的生成中使用了EA调制器，因此数据调制器生成啁啾的情况。也就是说，在ON和OFF之间迁移时调制器的输出相位变动，如果以ON状态时为基准，则生成正交相位成分。因此，如果把信号光相位与激发光相位设定为与（式1）的关系相差90度，则生成只有相位啁啾成分被相敏放大的结果。
即，示出了在相位与信号光的ON状态匹配的状态下，即使是输入信号中包含了相位啁啾，也可以去除该啁啾成分，整形为没有啁啾的信号并放大。为了证实这一点，将通过相敏光放大器之前的信号与通过相敏光放大器之后的信号在单模光纤（SMF）中传输比较两者的色散耐性。
图11A和图11B是用于说明在单模光纤（SMF）中传输后的信号的时间波形的图。图11A示出将放大前的调制信号分别在具有1.2km、2.4km、3.6km、4.8km长度的单模光纤（SMF）中传输后的输出波形。图11B示出了信号通过本发明的相敏光放大器后，分别在具有1.2km、2.4km、3.6km、4.8km长度的单模光纤（SMF）中传输后的输出波形。
为了定量地比较色散耐性，测量在图11A和图11B示出的各个条件下的误码率。如果将通过相敏光放大器之前的信号在比2.4km长的单模光纤（SMF）中传输，则误码率变得非常高。另一方面，通过本发明的相敏光放大器后，即使将信号在4.8km的单模光纤（SMF）中传输，误码率也只是与将通过相敏光放大器之前的信号传输2.4km的程度相同。也就是说，通过使用本实施方式的发送器结构，可以使相对于传输的色散耐性增大为2倍。
通过利用具有本实施方式的相敏光放大器所具有的波形整形效果，即使在使用廉价的半导体EA调制器并且输入信号中包含相位啁啾的情况下，也可以去除该啁啾成分，整波为没有啁啾的信号并放大。另外，在本实施方式中，使用电场吸收型（EA）调制器作为调制器，也可以使用其他调制器。
（第三实施方式）
图12表示本实施方式的结构。进行了数据调制的信号光1240在光纤等传输介质中传播，信号被发送。图12示出了此时作为中继放大器使用本相敏光放大器的情况的结构，该中继放大器是为了补偿在传输介质中的光强度的损耗而进行光放大的光放大器。
当生成信号光的光源配置在相敏光放大部附近时，可以将信号光用光源的一部分分支用作基波光。但是，当在光传输中将相敏光放大器用作中继放大器时，必须使用例如以下所述的相位同步装置，使相敏光放大器装置中的基波光和信号光的相位同步。
在本实施方式中，作为所输入的信号光，对信号光的单方偏振光重叠实施了数据调制后的光信号，而对另一方偏振光使用与无调制的CW光合波后的信号光。
图13表示用于生成本实施方式中所使用的输入信号光的结构。使用外部谐振型半导体激光器1300生成CW光，并使用光分支器1301分支为2条光路。在一支分支光路中作为强度调制器使用LN马赫增德尔调制器1302，并重叠10Gb/s的NRZ信号。另一支分支光路中插入偏振镜1304使偏振旋转90°，按照与强度信号被重叠后的光形成正交偏振的方式进行偏振匹配。使用偏振分光器（PBS）1305将2支信号合波，生成在正交偏振光中混入CW光的导频（pilot tone）的调制信号光1310。
为了获得相位同步装置，如图12所示，构成相敏光放大器装置，由于本结构与第二实施方式的结构相同，因此在此省略说明（参照图9）。在正交偏振光中混入CW光的导频的调制信号光1240通过传输介质被传输。使用光纤作为传输介质。使用偏振控制器1230修正光纤中的偏振旋转后，使用偏振分光器（PBS）1231只分离出CW光的导频。信号的光强度由于传输光纤而生成光强度的损耗，因此光强度变得非常小并且S/N比劣化。用衰减器（ATT）1212对分支后的CW光的导频进行光强度调整，通过循环器1213对相敏光放大装置内的CW光源1214进行光同步注入。使用DFB型的半导体激光器作为CW光源。预先使DFB激光的振荡波长与CW光的导频的波长相比错位0.04nm，使用衰减器（ATT）1212变化输入到CW光源的光强度，利用光频谱分析仪观测情况。
图14是表示测量将光强度设为数百μW时的操作状态的光谱图。在图14中，实线表示注入CW光的导频之前的光谱，虚线表示注入CW光的导频之后的光谱，因此可知将半导体激光器的波长引入导频波长的情况。因此，由于相敏光放大装置中的CW光源与导频的相位同步，所以可以根据S/N比劣化后的信号光的导频生成S/N比良好的基波光。
试着使用相位与信号光的导频同步的基波光，利用第一实施方式所说明的相敏光放大器的结构进行光放大，可以得到与第一实施方式相同的特性结果。
通过使用根据本实施方式的结构，即使在相敏光放大部附近未配置用于生成信号光的光源的中继放大器，通过使用上述相位同步装置也可以进行相敏放大。
（第四实施方式）
在第三实施方式中，示出了以用于光通信中的中继器为目的，预先将调制后的信号光进行相敏放大情况的实施方式。但是，第三实施方式的结构中，用于进行相位同步的导频使用与调制信号光正交的偏振光，因此不会出现导频的偏振光方向载有其他光信号的问题。本实施方式说明用于解决这一问题的结构。
图15表示本实施方式的结构。本实施方式的装置可以对二进制的相位调制（BPSK）或二进制差动相位调制（DPSK）信号或者通常强度调制等的信号不附带噪声地进行放大。
在本实施方式中，为了得到基波光，用光分支部1503-1分支信号光，用EDFA1501放大分支后的信号光。将放大后的信号光入射到第一二次非线性光学元件1502-1中的第一PPLN波导1505-1中，生成信号光的二次谐波。为了从由第一PPLN波导1505-1发出的光中只将二次谐波1522分离而使用二向色镜1506-1。通过将所分离出的二次谐波1522向以0.77μm振荡的半导体激光器1512入射来进行同步注入。半导体激光器1512的输出被半导体放大器1513放大，用二向色镜1506-2与波长为1.54μm的信号光1520合波，该半导体放大器1513在与半导体激光器1512相同的波段中具有增益。信号光1520与作为激发光使用的波长为0.77μm的二次谐波1522合波后，向第二PPLN波导1505-2入射，可以通过简并参量放大对信号光进行相敏放大。
为了进行相敏放大，必须生成与向放大器入射的信号光的平均相位同步的激发光。在本实施方式中，即使在使用进行了二进制相位调制的信号的情况下，也可以生成与该平均相位同步的激发光。
以下，简单地对工作原理进行说明。在二进制的相位调制中将信号的相位调制为0和π弧度两个值来发送信号。将这种信号由EDFA1501放大后入射到第一PPLN波导1505-1，在发生二次谐波的情况下，二次谐波的相位φ2w由下面的（式6）表示。
φ2w=2φws  （式6）
这里φws是信号光的相位。因此，二次谐波相对于相位被调制为0和π两个值的信号的相位为0和2π两个值，成为通过相位调制而去除了相位变化的光再输出。在实际相位调制信号中，理想地仅仅调制相位很困难，信号中还伴随有强度调制。因此，为获得没有强度调制成分的激发光，优选地对去除上述相位调制成分的二次谐波按本实施方式那样使用同步注入，使得其与信号光的平均相位同步，成为信号光的半波长的激发光。
在本实施方式中，根据被同步注入且进行了相位调制的信号光生成与平均相位同步的没有强度调制的激发光。因此，即使在假设信号光中附加了相位噪声的情况下，与原来的信号正交的相位成分也可以通过相敏放大而使其衰减，因此可以进行去除信号相位和正交相位的噪声成分的信号再生。
本实施方式中，输出的放大信号光的一部分在光分支部1503-2使其分支，用光检测器1508接收后，通过由相位同步环回路（PLL）1509反馈到以0.77μm振荡的半导体激光器的驱动电流中，由此修正由光学部件的振动或温度变化引起的相位变化，可以稳定地进行相敏放大。另外，对半导体激光器的输出进行微弱的相位调制，通过检查相位差可以容易地进行相位同步。
在本实施方式中，为了得到可以在第一PPLN1505-1中发生二次谐波的功率而使用了EDFA1501，不过从EDFA1501生成的ASE光不入射到进行相敏放大的第二PPLN波导1505-2，因此可以防止由光放大器的ASE光引起的信号光的S/N比劣化。
另外，从以波长0.77μm操作的半导体光放大器1513也生成ASE光，不过由于该光与信号光的波长完全不同，因此可以被二向色镜（1506-2、1506-3）几乎完全地去除。因此，在光通信中的中继器中，不会使信号光的S/N比劣化，而且，不使用正交偏振光成分就可以在单一偏振光中进行相敏放大。
（第五实施方式）
（1）第一结构
在将相敏光放大器配置在紧靠光信号发送器之后、并把生成信号光的光源配置在相敏光放大部附近的情况下，可以将来自信号光用光源的光分支并作为基波光使用。但是，使用相敏光放大器作为在光传输中的中继放大器的情况下，需要从进行了光调制的信号光中提取平均的相位，生成与信号的载波相位同步的基波光。因此，在将放大器作为实际光传输中的中继放大器使用的情况下，结构包括载波相位的提取装置的相敏光放大器很重要。
当使用二次谐波光时，作为激发光使用的二次谐波光的波长为信号光波长的一半，该二次谐波使用了具有二次非线性光学效应的介质。因此，在进行载波相位提取等的光设备中需要使用与通信波段具有不同波长的光部件。例如，需要在第四实施方式所示结构中使用780nm波段的激光器和光放大器。
但是，由于使用通信波段以外的波长的部件，所以会出现各种问题。由于设备的成熟度因波长不同，所以会出现不能满足设备的特性、规格等用于构成相敏光放大器的规范，或为满足规范必须使用非常贵的部件等问题。更具体地说，很难得到高品质的半导体激光器，受到光强度、光线宽以及可使用波长等限制。
关于光放大器也是一大课题。在与二次谐波等通信波长相比波长短的区域中，不能使用光纤激光放大器等。虽然也有一部分通过使用半导体的放大器等被实用化，但是也会出现由于放大率和饱和强度等问题作为用于相敏放大的激发光无法获得足够的光强度，或者，由于半导体放大器所具有的噪声指数（NF）造成用于相敏光放大器的激发光的S/N比降低的问题。
而且，在用于波长比通信波长短的光（二次谐波等）的光设备中，根据部件的不同而可靠性的观点也有很多问题，很难将使用了这些部件的相敏光放大装置用于实际的光通信系统中。
考虑上述课题，在本实施方式中，包含载波相位的抽出装置的相敏光放大器只由通信波段的光部件构成。
另外，如非专利文献3所示，示出了载波相位的提取方法，该载波相位使用了具有三次非线性效果的光纤中的四光波混合。但是，如上所述，由于现有方法中使用四光波混合，因此会变成信号光的波长和激发光的波长接近的结构，并出现用EDFA等进行光放大时放大自然放射光（ASE光）作为噪声与激发光重叠等的问题。由于激发光的波长和信号光的波长接近，因此很难去除ASE光，而由于信号光波长也与由EDFA生成的ASE光重叠，因此，生成信号光的S/N比劣化，不能在低噪声下进行光放大的问题。
本实施方式鉴于上述现有技术的问题，提供一种可以适用于光通信且可以进行以低噪声进行放大的相敏光放大装置。具体地，提供一种只由通信波段的光部件构成的在光传输中可以适用于作为中继放大器的相敏光放大器，该相敏光放大器包含信号的载波相位的提取装置。
图16表示本实施方式的结构。在本实施方式中为了根据光通信中所使用的微弱的激光获得足以得到非线性光学效应的功率，使用光纤激光放大器（EDFA）1601-1来放大信号光1640的一部分。将放大后的信号光和由振荡波长为1534nm的外腔谐振激光器1631生成的第一基波光1641-1合波并放大后，向第三二次非线性光学元件1602-3入射。
在第三二次非线性光学元件1602-3的内部生成信号光的二次谐波，通过所生成的二次谐波和第一基波光1641-1的差频进行载波相位的提取。差频光被同步注入到以相同波长振荡的第二基波光1641-2中后，与第一基波光1641-1合波。
在合波后，使用光纤激光放大器（EDFA）1601-2放大由基波光1641-1和基波光1641-2构成的基波光1642。将放大后的基波光向第一二次非线性光学元件1602-1入射生成作为激发光的和频光。通过将信号光1640与和频光向第二二次非线性光学元件1602-2入射，进行简并参量放大，来进行相敏放大。图16所示结构的在下文中进行详细说明，如果采用这样的结构可以得到以下所述的现有技术无法获得的效果。
图17A和图17B是示意地表示相敏光放大中所使用的信号光、激发光、基波光的光谱的图，图17A示出了使用图4所示的现有结构的情况，在该现有结构中，使用光纤激光放大器和使用光纤作为非线性介质，而图17B示出了使用根据图16所示的本实施方式的结构的情况。
现有的使用了光纤的相敏光放大器使用四光波混合。因此，为使得用于进行参量光放大的激发光和信号光的波长满足相位匹配条件，这些波长必须为接近波长。如图17A（a-1）所示例，信号光1701和激发光1702具有相同的1.55μm的波段，在使用两种激发光1702-1、1702-2的情况下，优选地用一个光纤放大器放大两种激发光以简化整体结构。
但是此时，在激发光波长的附近生成了由光纤放大器所生成的ASE光1703。为了在信号波段中不生成ASE光，可以构成为使信号光不通过光纤放大器。但是，在将信号光与激发光合波时，由于激发光的波长和信号光的波长接近，因此很难使用波长选择性良好的滤波器，无法完全地去除ASE光。因此，在信号波段生成的ASE光与信号波长重叠，由于ASE光的混入造成S/N比劣化（图17A（a-3））。
另一方面，根据本实施方式的结构，信号光1701的波长和基波光（1702-1、1702-2）的波长接近（参照图17B(b-1)）。
为了根据光通信中所使用的微弱的光功率获得足以使用参量光放大的功率，通过光纤放大器放大基波光（1702-1、1702-2）。此时ASE光1703重叠在基波光的波长附近（参照图17B(b-2)）。
在本实施方式的结构中，进行光放大之后，根据与ASE光1703重叠的基波光1702-1、1702-2生成作为激发光的和频光1704。和频光1704在简并参量放大中作为激发光使用。在和频光1704的波段中，除仅仅生成一点ASE光的和频光以外不生成成为噪声的宽频带的ASE光（参照图17B(b-3)）。
和频光1704的波长是基波光1702-1、1702-2波长的大致一半，两者的波长充分远离。因此，比较容易以二向色镜等实现具有高消光比的滤波器，该滤波器为从基波光（1702-1、1702-2）与和频光（1704）中只分离出和频光（1704）的滤波器。通过将上述滤波器与第一二次非线性光学元件的输出连接，可以完全去除在简并参量放大中存在于作为激发光使用的和频光（1704）的波段中的基波光（1702-1、1702-2）和ASE光（1703）（参照图17B(b-3)）。
接着，将信号光只与和频光合波并向第二二次非线性光学元件入射，可以通过简并参量放大实现相敏放大（参照图17B(b-4)）。
再次参照图16详细说明本实施方式的结构。在本实施方式中，说明了甚至包含载波相位提取装置的相敏光放大装置的结构，该相敏光放大装置用于放大进行了二进制相位调制（BPSK）或二进制差动相位调制（DPSK）的1.54μm的信号光。
信号光1640的一部分通过偏振控制器1630调整偏振光后，由光分支部1603-1分支并与第一基波光1641-1合波后，被掺铒光纤激光放大器1601-1放大。
放大的信号光和第一基波光被输入第三二次非线性光学元件1602-3。本实施方式的二次非线性光学元件1602-3具有由周期性极化反转的铌酸锂（PPLN）构成的光波导1602-3。在PPLN波导1605-3中，形成满足近似相位匹配条件的周期性极化反转，该近似相位匹配条件可以生成信号光的二次谐波以及在所生成的二次谐波和第一基波光1641-1之间生成差频。
如图18A所示，被输入了信号光和第一基波光的第三二次非线性光学元件1602-3，生成相对信号光波长具有一半波长的二次谐波1805。进而如图18B所示，生成在内部所生成的二次谐波和第一基波光之间的差频光。信号光的相位φs、第一基波光的相位φp1和差频光的相位φp2之间满足以下（式7）的关系。
2φs-φp1-φp2=0  （式7）
因此，差频光的相位如以下（式8），用信号光的相位φs和第一基波光的相位φp1表示。
φp2=2φs-φp1  （式8）
通过使用二次谐波发生可以使信号光的相位φs增加2倍。对通常数据信号实施调制，因此很难提取载波的相位，通过使信号光的相位φs增为2倍，可以去掉二进制相位调制。而且，通过使用差频生成，可以在与信号光相同的波段1.55μm去除包含载波相位信息的差频光。此时，并不执行光纤的四合波混合，而是通过使用二次非线性光学元件的PPLN波导唯一地决定相位匹配条件，可以只提取期望的光而不会生成附带的变换光。
如果所传输的信号光为完全二进制相位调制状态，则差频光不会出现调制的影响。但是，由于在光纤等传输线路中传播的光信号中重叠有相位噪声，因此不会成为完全的二进制相位调制状态。因此，对实际所得的差频光还有由于调制的不平均性所引起的影响。另外，本来就微弱的信号光再经过分波向第三二次非线性光学元件输入，因此所得的差频光的光强度就更微弱。为了解决这些问题使用差频光进行光同步注入。
如图16所示，从第三二次非线性光学元件1602-3输出的信号光和第一基波光、差频光通过光循环器1613后，被分波为各个光。分波使用阵列波导光栅（AWG）型波长合分波器1612。
从分波器1612输出的信号光向空间系放射出。使用隔离器1634将从分波器1612输出的第一基波光消光。具有与差频光相同波长的分波器1612的输出端口与半导体激光器1632连接，该半导体激光器以与差频光大体相同的波长振荡。调整差频光的光强度为10μw至100μw后，通过向半导体激光器1632输入进行光同步注入。通过光同步注入可以生成具有与差频光相位相同的第二基波光1641-2。
第二基波光1641-2具有与差频光相位φp2相同的相位。由于光强度取决于半导体激光器的输出，因此可以用数十μw大小的微弱的差频光获得数十mW以上的第二基波光。
而且，可以缓解由于与差频光重叠的信号光的调制的不平均性引起的影响。从AWG型合分波器1612的合波侧入射第一基波光，在与第二基波光合波的基础上使用循环器1613提取。
这样，本实施方式中，通过非线性元件和光同步注入提取信号光载波相位，将第一基波光和第二基波光作为基波光使用。
使用掺铒光纤激光放大器（EDFA）1601-2放大基波光。放大后的基波光被输入到第一二次非线性光学元件1602-1。本实施方式中，为了防止由EDFA1601-2所生成的宽频带的ASE光通过第一二次非线性光学元件1602-1被变换，在EDFA1601-1和第一二次非线性光学元件1602-1之间插入带通滤波器，去除不需要的ASE光。
二次非线性光学元件1602-1、1601-2具有由周期性极化反转的铌酸锂（PPLN）构成的光波导1605-1、1605-2。PPLN波导通过近似相位匹配可以使用铌酸锂的最大非线性光学常数d33，而且利用光波导结构可以获得更高的光功率密度，因此通过使用如图所示的结构可以获得高波长转换效率。在向PPLN波导入射高强度的功率时，会发生由于光折变效应生成的光损耗导致相位匹配波长变化的情况，但是本实施方式中使用如非专利文献4所示的通过直接接合所制作的波导以防止发生这样的问题。
本实施方式中，通过使用将耐光损耗性良好的添加了Zn的铌酸锂用于纤芯的直接接合波导，来抑制相位匹配波长的变化。另外，通过利用干式蚀刻加工将纤芯直径缩小到4μm左右来实现高波长变换效率。
使用二向色镜1606-2将从第一PPLN波导1605-1发出的和频光和基波光分离。由二向色镜1606-2反射的0.77μm和频光经由在波长0.77μm具有单模传播特性的保偏光纤被导向第二二次非线性光学元件1602-2。此时，不能由二向色镜1606-2完全去除的波长1.54μm附近的基波光和ASE光也向保偏光纤入射，但是相对于波长1.54μm的光，在0.77μm为单模的这种光纤的光封闭性弱，因此通过将不需要的光传播1m左右的长度可以使这些光有效地衰减。
用二向色镜1606-3将由保偏光纤所导入的和频光与波长1.54μm的信号光1640合波。由于二向色镜1606-3只反射和频光，所以可以有效地去除波长1.54μm附近的基波光和ASE光的残留成分，该基波光和ASE光从第一PPLN波导1605-1射出，在二向色镜1606-2和保偏光纤中通过。
信号光与和频光被合波，向第二PPLN波导1605-2入射。第二PPLN波导1605-2与第一PPLN波导1605-1具有相同的性能和相位匹配波长，通过简并参量放大可以将信号光相敏放大。
本实施方式中，两个PPLN波导1605-1、1605-2被分别通过独立的温度调节器控制以达到恒定温度。由于两个PPLN波导的制作误差而可能出现在同一温度下相位匹配波长不一致的情况，即使在这种情况下通过各自温度控制也可以使两者的相位匹配波长一致。
从第二PPLN波导1605-2发出的光由二向色镜1606-4分离为作为激发光的和频光与被放大的信号光。这时由于和频光与被放大的信号光的波长完全不同，因此可以有效地去除输出中不需要的二次谐波成分。
在相敏放大中，需要使激发光和信号光的相位同步，而本实施方式中输出的放大信号光的一部分由光分支部1603-4分支并在光检测器1608接收后通过相位同步环回路（PLL）1609进行相位同步。使用配置在AWG型合波器1612之前的相位调制器1610利用正弦波对第一基波光1641-1进行微弱的相位调制。由光检测器1608和PLL回路1609检测该相位调制的相位偏移，通过反馈到配置在AWG型合波器1612之前的由PZT构成的光纤1611的延伸器的驱动电压和相位调制器1610的偏压，去除由于光纤部件的振动或温度变化所生成的光相位的变化，可以稳定地进行相敏放大。
如图18C所示，使用第一基波光1802和第二基波光1803生成和频光1804。此时，第一基波光相位φp1、第二基波光相位φp2与和频光相位φSF之间满足以下（式9）的关系。
φSF=φp1+φp2=2φS  （式9）
如图18D所示，信号光与和频光通过参量放大进行相敏放大。此时，在信号光相位φS与和频光相位φSF之间满足以下（式10）的关系。
Δφ=φSF-2φS=nπ（这里，n是整数）  （式10）
因此，Δφ为-π、0或者π时获得最大增益。
本实施方式中，对作为相位调制器使用了LN马赫增德尔调制器并输入40Gb/s的二进制相位调制（BPSK）信号的情况下的放大特性进行了评价。信号光的波长设定为约1536nm。
首先，为了确认可提取进行了二进制相位调制后的信号光的载波相位，将信号光向第三二次非线性光学元件（参照图16，表示为符号1602-3）入射，观察在内部生成的二次谐波。
图19A表示使用光谱分析仪测量的信号光的光谱。由于进行了二进制相位调制，在波长轴上观察到的载波的中心波长中没有观测到峰值。图19B表示针对进行了二进制相位调制的信号光的二次谐波的光谱。观测到与二次谐波对应的波长中强度很强的峰值。这表示通过信号光的二次谐波的生成消除了相位调制。
接着，将进行了二进制相位调制的信号光和第一基波光合波后，向第三二次非线性光学元件入射观测图谱。第一基波光的波长约为1534nm。图20表示由光谱分析仪测量从第三二次非线性光学元件输出的光的结果。通过在第三二次非线性光学元件内部生成的信号光的二次谐波和第一基波光的差频生成，生成波长约为1538nm附近的差频光。从光谱的形状可知，差频光中相位调制没有重叠。
差频光由波长合分波器分离后，输入到以与差频光大体相同的波长进行振荡的半导体激光器。半导体激光器的输出和第一基波光通过波长合分波器进行合波后，使用光循环器提取作为基波光使用的第一基波光和第二基波光。
图21A和图21B表示用光谱分析仪测量循环器之后的输出时所得的光谱。图21A表示在使差频光不向半导体激光器入射时的基波光的光谱。图21B表示使差频光向半导体激光器入射，并使差频光进行光同步注入时的基波光的光谱。
与图21A和图21B相比，如果观察与第二基波光波长对应的大约1538nm附近的光谱，则可知原来的半导体激光器通过光同步注入而变化的情况。由于光同步注入而包含了相位信息，并且半导体激光器以与差频光相同的频率振荡。这时，向半导体激光器入射的差频光慢慢增加，当注入量到达数十μW时，由于半导体激光器的波长移向差频光波长，也能观测到进行光同步注入时的情况。
按照作为基波光使用的第一基波光的光强度与第二基波光的光强度大体相同的方式进行调整之后，使用掺铒光纤激光放大器放大。放大后的基波光向二次非线性光学元件入射生成和频光。接着，通过将信号光和生成的和频光向二次非线性光学元件入射并进行简并参量放大，由此进行相敏放大。
为了确认放大特性，调查放大后的信号增益。本实施方式中，通过利用PLL使激发光的相位与信号光的相位匹配，在向PPLN波导入射的和频光的功率为300mW的条件下，可以获得约11dB的增益。
在本实施方式中通过使用光纤放大器，可以实现在光通信的应用中作为必须条件的由CW光的激发光进行的操作。另外，通过采用本实施方式的结构，即使使用光纤放大器也能防止由光纤放大器生成的ASE光的混入，因此可以防止S/N比的劣化，进行相敏放大。
本实施方式中，为了应用于光通信，使用CW光作为激发光，不过使用CW光用作激发光并不限于本实施方式，在其他实施方式中也能有效地发挥作用。
（2）第二结构
下面对第五实施方式的其他结构（第二结构）进行说明。图22表示本实施方式的第二结构。
本结构中，为了放大1.54μm的信号而构成装置。在使用三个PPLN波导，提取信号光的传播相位后，生成和频光进行简并参量放大这些方面，与图16示出的结构相同。
不同点在于，从基波光分离和频光的方式以及对和频光与信号光进行合波的合波方式。而且，在本结构中，更简单地构成了信号光的传播相位的提取装置。
根据本发明可以抑制由光纤放大器生成的ASE光引起的信号光的S/N比的劣化，同时进行相敏放大，在本结构中可以有效地利用该效果。
在本结构中也将二向色镜用于和频光从基波光中的分离以及和频光和信号光的合波。一般地，为了使波长不同的两种光分离或合波，经常使用反射一方波长的光，让另一方波长的光透过的二向色镜，特别是在用于去除不需要的光的用途时，优选使用将想去除的特定波长的光反射的结构。
相反，通过设置成允许想要去除的特定波长的光透过、而使所需要的光反射来提取所需要的光的结构的情况下，必须将不需要的波长下的反射镜的反射率设定得非常小。与将不需要的波长下的反射镜的反射率设定得非常小的情况相比，使想去除的特定波长的光透过率降低比较容易，因此，使不需要的波长的光反射的结构可以有效地抑制不需要的光。在本结构中基于这种考虑方式来构成装置。
参照图22对本结构进行说明。信号光2240的一部分由偏振控制器2230调整偏振，并由光分支部2203-1分支，与第一基波光合波后，由掺铒光纤激光放大器（EDFA）2201-1放大。
来自外腔谐振激光器2231的第一基波光，为了相位同步通过LN相位调制器2210后被合波。
放大后的信号光和第一基波光被输入到第三二次非线性光学元件2202-3。本结构的二次非线性光学元件具有由周期性极化反转的铌酸锂（PPLN）构成的光波导。
在第三二次非线性光学元件2202-3中，生成信号光的二次谐波，通过在所生成的二次谐波和第一基波光之间的差频光发生获得差频光。
从第三二次非线性光学元件2202-3输出的信号光、第一基波光以及差频光通过光循环器后，对各个光进行分波。为了分波，使用阵列波导光栅（AWG）型的波长合分波器2212。从分波器2212输出的信号光向空间系放射。
具有与差频光一致波长的分波器的输出端口连接有半导体激光器2232，该半导体激光器2232以与差频光大体相同的波长振荡。通过调整差频光的光强度为10μw至100μw后，输入到半导体激光器2232来进行光同步注入。通过光同步注入可以生成具有与差频光相同相位的第二基波光。
从分波器2212输出的第一基波光通过光纤型的反射镜2214反射，再次折回并输入到波长合分波器2212。通过使用这种结构，第一基波光和第二基波光经过大体相同的光纤路径，因此可以将相位波动的大小抑制得很小，该相位波动是由于环境变化所生成的光纤长度的变化而引起的。
从AWG型合分波器2212的合波侧入射第一基波光，与第二基波光合波后用循环器2213提取出来。在本结构中，将通过非线性元件和光同步注入提取出信号光的载波相位的第一基波光和第二基波光被作为基波光使用。
将由EDFA2201-2放大后的基波光向第一二次非线性光学元件2202-1中的第一PPLN波导2205-1入射并生成和频光。
在本结构中，为了有效地提取从第一PPLN波导2205-1射出的基波光和从其和频光中仅提取和频光，并有效地去除由EDFA2201-1生成的ASE光，也在第一PPLN波导2205-1的后面设置了反射1.55μm波段、让0.77μm波段通过的二向色镜2206-1。
波长为0.77μm的和频光经由在该波长下具有单模传播特性的保偏光纤，被导入第二二次非线性光学元件2202-2。与（第一结构）相同，在0.77μm为单模的该光纤，对于波长1.54μm的光其光封闭性弱，因此通过传播1m左右的长度，可以有效地衰减在不需要的波长1.54μm附近的基波光和ASE光。
使用二向色镜2206-2将通过保偏光纤导入的和频光与波长1.54μm的信号光2240合波。在本结构中，为了有效地去除通过保偏光纤的波长1.54μm附近的基波光和ASE光的残留成分，使用二向色镜2206-2反射1.54μm波段、让0.77μm波段透过。
在信号光与和频光合波后，向第二PPLN波导2205-2入射，通过简并参量放大，可以对信号光进行相敏放大。从第二PPLN波导2205-2射出的光通过二向色镜2206-3分离为和频光和被放大的信号光。在本结构中，二向色镜2206-3为了有效地去除输出中不需要的和频光使用反射0.77μm波段、透过1.54μm波段的二向色镜。
本结构中，用光分支部2203-3将输出的放大信号光的一部分分支，由光检测器2208接收后通过使用相位同步环回路（PLL）（图示省略）进行相位同步可以稳定地进行相敏放大。通过将相位同步环回路（PLL）的误差信号反馈到生成第一基波光的光源的驱动电流中，进行激发光和信号光的相位同步。
在本结构中，由于将各个特性不同的二向色镜用于来自基波光的二次谐波的分离以及二次谐波和信号光的合波，因此可以构成能够获得高信号品质的相敏光放大器，特别是使对信号的S/N比带来坏影响的来自EDFA的ASE光不会混入到信号光中。另外，通过减少用于载波提取的部件数目，可以取得简单的结构。
（3）第3结构
下面，对第五实施方式的在另一结构（作为第三结构）进行说明。图23表示本实施方式的第三结构。
在本结构中，为了放大1.54μm信号而构成装置。在生成和频光进行简并参量放大的方面与（第一结构）和（第二结构）所示结构相同。（第三结构）与这些结构的不同点在于载波提取装置的结构。
光通信中的光放大器要求即使信号光的功率微弱也可以放大。当信号光的功率非常微弱时，由于是将其分支用于载波提取，因此该信号光变得极度微弱。
（第一结构）中由于同时进行二次谐波发生和差频波生成过程，因此用光纤放大器对分支后的极度微弱的信号光进行放大时所生成的ASE过多。在这种情况下，所得的差频光中重叠有ASE噪声，差频光的S/N比变差。如果S/N比足够的话，通过光同步注入可以改善S/N比，但是原来的信号光越微弱，差频光的S/N比的劣化程度越大，作为第一基波光难保证足够的S/N比。
为了进行低噪声的相敏放大，需要激发光的S/N比良好，因此确保激发光的S/N比很重要。本结构以防止差频光的S/N比劣化为目的而构成。
参照图23对本结构进行说明。
信号光2340的一部分使用偏振控制器2330来调整偏振，由光分支部2303-1分支后，被掺铒光纤激光放大器（EDFA）2301-1放大。
放大后的信号光输入到二次非线性光学元件2302-3。二次非线性光学元件2302-3具有由周期性极化反转的铌酸锂（PPLN）构成的光波导2305-3。通过向PPLN波导2305-3入射信号光，生成信号光的二次谐波。利用二向色镜2306-5分离二次谐波和信号光。
从二次非线性光学元件2302-3中提取出的二次谐波和第一基波光向二次非线性光学元件2302-4入射。二次非线性光学元件2302-4在输入输出端具有二向色镜2306-6、2306-7。
二次谐波和第一基波光由二向色镜2306-6合波，向二次非线性光学元件2302-4中的PPLN波导2305-4输入。在PPLN波导2305-4中，通过二次谐波和第一基波光之间的差频光生成得到差频光。通过使用这样的结构，在去除来自光纤激光放大器2301-1的不需要的ASE光后，可以生成二次谐波和第一基波光之间的差频光，即使使用信号光非常微弱的光也能生成具有高S/N比的差频光，该光纤激光放大器2301-1在得到二次谐波时放大所使用的信号光。
从二次非线性光学元件2302-4输出的信号光、第一基波光以及差频光通过光循环器2313之后，被分波为各个光。分波使用阵列波导光栅（AWG）型波长合分波器2312。从分波器2312输出的信号光向空间系放射。使用隔离器2315将从分波器2312输出的第一基波光消光。
具有与差频光相同波长的分波器2312的输出端口与半导体激光器2332连接，该半导体激光器2332以与差频光大体相同的波长振荡。通过光同步注入可以生成与差频光具有相同相位的第二基波光。由于使用具有高S/N比的差频光，因此可以保持高S/N比生成第二基波光。
从AWG型合分波器2312的合波侧入射第一基波光，在与第二基波光合波后使用循环器2313取出。
在本结构中，通过非线性元件和光同步注入提取了信号光载波相位后的第一基波光和第二基波光作为基波光使用。
按照作为基波光使用的第一基波光和第二基波光的光强度大体相同的方式进行调整后，使用掺铒光纤激光放大器2301-2放大。放大后的基波光被输入到二次非线性光学元件2302-1并生成和频光。通过向二次非线性光学元件2302-2入射信号光2340与和频光进行简并参量放大，可以进行相敏放大而得到良好的特性。利用本结构，即使在放大非常微弱的信号的情况下，也可以实现低噪声的相敏光放大器。
（第六实施方式）
上述的第三至第五实施方式中，对将相敏光放大器作为中继器使用时的实施方式进行了说明。在本实施方式中，对将相敏光放大器作为接收器，更具体地，是对作为接收器中的初级放大器使用时的结构及其效果进行描述。
如之前的实施方式的说明中所描述，在将PPLN作为非线性介质使用，入射信号光和二次谐波进行简并参量放大的结构中，没有由于GAWBS生成的噪声。另外，发生二次谐波后进行参量放大时，例如，如果再次利用起到合波器作用的二向色镜（例如，参照图6的606-1、606-2）的特性去除基波的成分后，只将二次谐波和信号光向参量放大介质入射，则由于可以防止ASE光的混入所生成的噪声，所以可以进行低噪声的光放大。
但是，由于现状入射300mW的二次谐波时的PPLN波导的参量增益是11dB，因此对于用PD（光电二极管）以S/N比良好地接收向光接收装置入射的微弱的信号来说增益不够。因此，上述实施方式的放大器不能作为光接收装置的放大器来使用。
现在，经常用于光接收装置的EDFA的增益是30dB至40dB左右，即使向光接收装置入射的光水平被设成-35dBm，也可以获得0dB至+5dB左右的输出。另一方面，以现在的技术从PPLN波导获得与EDFA相同的增益很困难。因此，即使假设可以制作出低噪声的相敏光放大器，也不能得到超过使用了现有激光放大器的光接收装置的高灵敏度的光接收装置。但是，在以下说明的本实施方式中，解决了这些问题。
图24表示本实施方式的结构。在本实施方式中，使用相敏光放大器放大微弱的输入信号2420，该相敏光放大器使用图24中表示为“相敏光放大器”部分中所记载的PPLN波导。放大后的信号光由光纤激光放大器2401-1进一步放大，用带通滤波器2404-1去除不需要的背景光。接着，信号光向作为光检测器工作的光电二极管（PD）2408-2入射，变换为电信号。电信号最终与识别器2413连接作为数字信号被再生。本实施方式的详细在后面叙述。
如果采用这种结构，可以获得以下所述的效果。本实施方式的特征在于，用相敏光放大器将微弱的输入信号放大后，再用光纤激光放大器进一步放大，接着，向PD入射进行光电变换。
以下对本发明实施方式的光接收装置的接收灵敏度带来很大影响的光信号的S/N比的变化进行说明。在放大微弱的输入信号的相敏光放大器中，放大后的信号的光子数的色散σPSA由以下的（式11）表示。但是假设激发光和信号光完全没有相位差，是同步地取得。
[数学式1]
&sigma; PSA 2 = G < n in > + 1 4 { ( G - 1 ) + ( 1 G - 1 ) } &Delta;f + { G ( G - 1 ) } < n in > + 1 8 { ( G - 1 ) 2 + ( 1 G - 1 ) 2 } &Delta;f
(式11)
这里，<nin>（n输入）是输入光平均光子数，G是相敏光放大器的增益，Δf是向受光器入射的参量荧光的频带。在相敏光放大器的后面配置了滤波器时，Δf为滤波器的频带，在未设置滤波器时，Δf为参量放大介质的频带。（式11）的右边第一项相当于放大光的散粒噪声，第二项相当于由于参量放大效应生成的参量荧光的散粒噪声，第三项相当于放大光和参量荧光的差拍噪声，第四项相当于参量荧光间的差拍噪声。
使用（式11）所示的光子数的色散σPSA，用PD检测放大光时的噪声功率在设接收系统的频带为B，用于进行电流电压变换的负载电阻为RL，则由以下的（式12）表示。不过，在这里为了简单，假设PD的量子效率为100%。
[数学式2]
N=2e2σPSA 2BRL  （式12）
如果设标定率（mark ratio）为1/2，检测时隙T的NRZ码的情况下，信号功率由（式13）表示。
[数学式3]
S=e2(G<nin>)2RL  （式13）
根据上述公式，信号的S/N比由（式14）表示。
[数学式4]
S / N out = ( G < n in > ) 2 2 B [ G < n in > + 1 4 { ( G - 1 ) + ( 1 G - 1 ) } &Delta;f + { G ( G - 1 ) } < n in > + 1 8 { ( G - 1 ) 2 + } ( 1 G - 1 ) 2 } &Delta;f ]
(式14)
如果相敏放大的增益G变大，则第三项的放大光和参量荧光的差拍噪声处于支配地位，则S/N比收敛为（式15）（S/Nout为S/N输出）。
[数学式5]
S / N out = G < n in > 2 ( G - 1 ) B (式15)
另一方面，（式16）表示不使用放大器的输入光的S/N。
[数学式6]
S / N in = < n in > 2 B (式16)
根据（式15）和（式16）（S/Nin为S/N输入），由（式17）计算相敏光放大器的噪声指数F。
[数学式7]
F = S / N in S / N out = G - 1 G (式17)
由（式17）可知，在增益大的情况下噪声指数F趋近于1，能够进行S/N没有劣化的放大。实际上为了进行这样的低噪声放大，必须避免GAWBS噪声和ASE光的混入所生成的噪声，该ASE光由生成激发光时所用的激光放大器发出。因此，在使用光纤作为三次非线性介质的现有技术中不可避免生成这些附带的噪声。
另一方面，在使用PPLN波导作为二次非线性介质的结构中，可以避免这些问题，进行低噪声的放大。但是现在的技术中，很难仅以使用PPLN波导的相敏光放大器获得足够的增益。
努力研究解决这些问题的结构，结果发现用二次非线性介质进行相敏放大后进一步用激光放大器进行放大，再用带通滤波器去除不需要的背景光，不但可以有效地利用相敏光放大器的低噪声性，而且与现有的只使用激光放大器的情况相比可以抑制S/N比的劣化。以下对在本实施方式的结构中，放大信号光的S/N比的变化进行说明。
当由所述相敏光放大器放大后的信号进一步用激光放大器放大时，按照输出强度的顺序由三部分组成：第一输出成分为放大后的信号光；第二输出成分为参量荧光由激光放大器放大后的光，第三输出成分为激光放大器所生成的ASE光。此时来自放大器的光子数的色散为用以下所示的八个成分的总和来表示。
（1）第一色散：第一输出成分（放大后的信号光）的散粒噪声
（2）第二色散：第二输出成分（参量荧光由激光放大器放大后的光）的散粒噪声
（3）第三色散：第三输出成分（激光放大器生成的ASE光）的散粒噪声
（4）第四色散：第一输出成分和第二输出成分的差拍噪声
（5）第五色散：第一输出成分和第三输出成分的差拍噪声
（6）第六色散：第二输出成分和第三输出成分的差拍噪声
（7）第七色散：第二输出成分之间的差拍噪声
（8）第八色散：第三输出成分之间的差拍噪声
例如，本实施方式中所使用的PPLN波导的参量增益的频带为60nm左右，特别宽。因此，假设即使第二输出成分（参量荧光由激光放大器放大后的光）的光谱密度比成分1还小，在对整个频带的参量荧光被激光放大器放大后的光进行积分时，则可以忽略第六至第七色散中作为第七色散成分的第二输出成分彼此的差拍噪声的影响。
因此，在本实施方式的光接收装置中，将带通滤波器配置在激光放大器之后，只提取信号频带的光，以减小信号成分频带以外的第二输出成分（参量荧光由激光放大器放大后的光）的影响和第三输出成分（激光放大器所生成的ASE光）的影响。
为了容易地估计噪声，考虑导致光子数色散的成分中强度大的成分。作为噪声的影响大的成分认为是第四色散和第五色散的成分。根据这样的近似，求得对光子数的色散影响大的成分的大小正如（式18）所示。
[数学式8]
&sigma; PSA + PIA 2 &cong; G 2 2 G 1 ( G 1 - 1 ) < n in > + 2 G 1 G 2 ( G 2 - 1 ) < n in > (式18)
不过，这里G1是相敏光放大器的增益，G2是激光放大器的增益。如果根据（式18）计算本实施方式中的S/N比，则如（式19）所示。
[数学式9]
S / N PSA + PIAout = G 1 G 2 < n in > 2 B [ G 2 ( G 1 - 1 ) + 2 ( G 2 - 1 ) ] (式19)
根据（式19）（S/NPSA+PIAout为S/NPSA+PIA输出）示出的S/N比与（式16）示出的输入光的S/N比之比，如（式20）所示求得本实施方式的噪声指数F。
[数学式10]
F PSA + PIAout = G 1 - 1 G 1 + 2 ( G 2 - 1 ) G 2 1 G 1 = F PSA + F PIA G 1 (式20)
这里，FPSA是上述相敏光放大器的噪声指数，FPIA是激光放大器的噪声指数（FPSA+PIAout为FPSA+PIA输出）。
在FPIA为理想的激光放大器情况下，其值为3dB（相当于FPIA=2），在为通常的EDFA的情况下，其值为4dB～5dB的左右（相当于FPIA=2.5～3.2）。也就是说，根据本实施方式的结构可知，与后段连接的激光放大器的噪声指数的影响减小1/G1，在相敏光放大器的增益G1大的情况下，整体的噪声指数趋近于相敏光放大器的噪声。因此，根据本实施方式，不但可以有效地利用相敏光放大器的低噪声性，而且整体来看可以获得作为接收装置等前置放大器使用所需的足够的增益。
另外，为了将由于参量荧光或ASE光等背景光之间的差拍所引起的噪声（也就是上述第六至第八色散）的影响声抑制得很小，为了去除信号的频带以外的背景光，优选配置带通滤波器。作为配置带通滤波器的位置可以考虑在相敏光放大器和激光放大器之间或激光放大器的后段，特别是设计为只配置在激光放大器的后段的结构时，则使用少量的部件就可以充分有效地抑制由带通滤波器的插入损耗所引起的S/N比的劣化。
再次参照图24对本实施方式的结构进行详细说明。在本实施方式中，为了进行本发明的原理确认，由波长1.54μm的光源生成信号光2420和基波光2421。另外，为了验证光接收装置的灵敏度，使信号光的功率衰减，入射到光接收装置。
对本实施方式中所使用的相敏光放大器的结构进行说明。在本实施方式中，为了根据微弱的基波光获得足以进行非线性光学效应的功率，使用光纤激光放大器（EDFA）2401-2放大基波光2421。将放大后的基波光向第一二次非线性光学元件2402-1入射并发生二次谐波2422。接着，通过向第二二次非线性光学元件2402-2入射信号光2420和二次谐波2422，进行简并参量放大来进行相敏放大。
在相敏放大中，必须使激发光和信号光的相位同步，但在本实施方式中用光分支部2403将输出的放大信号光2423的一部分分支，在光检测器2408-1接收后利用相位同步环回路（PLL）2409进行相位同步。使用配置在EDFA2401-2之前的相位调制器2410利用正弦波对基波光2421进行微弱的相位调制。由光检测器2408-1和PLL回路2409检测该相位调制的相位偏差，反馈到配置在EDFA2401-2之前的由PZT构成的光纤延伸器2411的延伸器的驱动电压和相位调制器2410的偏压。因此，吸收由于光纤部件的振动或温度变化所生成的光相位的变化，可以稳定地进行相敏放大。
使用EDFA2401-2放大基波光2421。放大后的基波光2421向第一二次非线性光学元件2402-1输入。在本实施方式中，为了防止由EDFA2401-2所生成的宽频带的ASE光被第一二次非线性光学元件2402-1变换，在EDFA2401-2和第一二次非线性光学元件2402-1之间插入带通滤波器2404-2，去除不需要的ASE光。
如图24所示，本实施方式的二次非线性光学元件（2402-1、2401-2）具有由周期性极化反转的铌酸锂（PPLN）构成的光波导（2405-1、2405-2）。PPLN波导（2405-1、2405-2）通过近似相位匹配可以使用铌酸锂的最大非线性光学常数d33，而且通过光波导构造可以获得高的光功率密度，因此通过使用如图所示的结构可以获得高波长转换效率。
在向PPLN波导入射高强度的功率时，会发生由于光折变效应生成的光损耗导致相位匹配波长变化的情况，但是本实施方式中使用如非专利文献4所示的通过直接接合所制作的波导以防止发生这样的问题。
在本实施方式中，通过使用将耐光损耗性良好的添加了Zn的铌酸锂用于纤芯的直接接合波导，来抑制相位匹配波长的变化。另外，通过利用干式蚀刻加工将纤芯直径缩小到4μm左右来实现更高波长变换效率。
基波光和二次谐波从第一PPLN波导2405-1发出。使用二向色镜2406-1将二次谐波2422和基波光2421分离。
通过了二向色镜2406-1的0.77μm的二次谐波2422，经由在该波长，也就是0.77μm的波长下具有单模传播特性的保偏光纤2407，被导入第二二次非线性光学元件2402-2。经由保偏光纤2407被导向第二二次非线性光学元件2402-2的二次谐波2422，通过二向色镜2406-2与波长1.54μm的信号光2420合波。由于二向色镜2406-2只让二次谐波2422通过，因此可以有效地去除波长在1.54μm附近的基波光2421和ASE光的残留成分，该基波光和ASE光从第一PPLN波导2405-1发出，并通过二向色镜2406-1和保偏光纤2407。
信号光2420和二次谐波2422合波，向第二PPLN波导2405-2入射。第二PPLN波导2405-2具有与第一PPLN波导2405-1相同的性能、相位匹配波长，可以通过简并参量放大对信号光进行相敏放大。
利用二向色镜2406-3将从第二PPLN波导2405-2发射出的光分离为作为激发光的二次谐波和放大后的信号光2423。此时，由于二次谐波和放大后的信号光的波长完全不同，因此可以有效地去除输出中不需要的二次谐波成分。
在本实施方式中，为了将波长不同的两种光分离或合波，优选使用如下结构：使用反射一种波长的光、而使另一种波长的光透过的二向色镜，特别是在去除不需要的光的用途时，构成为使想去除的特定波长的光反射。
相反，在当结构为让想去除的特定波长的光通过、反射所需要的光来提取的情况下，必须将不需要波长下反射镜的反射率设定得非常小。与将不需要波长下反射镜的反射率设定得非常小相比，降低想去除的特定波长的光透过率比较容易，因此，反射不需要波长下的光的结构可以有效地抑制不需要的光的生成。
本实施方式是基于这种想法而构成的。通过采用这种结构，特别是可以完全抑制来自EDFA的ASE光的混入，可以进行低噪声的放大，该ASE光可附带地使相敏光放大器的S/N比劣化。
在本实施方式中，在第二PPLN波导2405-2所得的参量增益是11dB，在将第二PPLN波导模块化时的光纤间的插入损耗是5dB，因此相敏光放大器的增益是6dB。这样，将相敏放大后的信号光2423向EDFA2401-1入射进一步进行放大。把来自EDFA的输出通过频带1nm的带通滤波器2404-1，去除由相敏光放大器生成的参量荧光被EDFA放大后的光和由EDFA生成的ASE光中位于信号频带外的成分。
图25表示使用本实施方式进行光放大时的光谱的示例。在图25中，实线是利用本实施方式所放大的信号的光谱，虚线是利用现有方式的放大器所放大的信号的光谱
为了与现有技术进行比较，还同时测量只使用EDFA和带通滤波器放大的情况下的光谱。输入信号为由频率15GHz的正弦波调制的信号衰减到-20dB并输入，使合计增益为18dB的信号，由此进行比较。
由图25可知，在放大后的信号光周围所观测的背景光（ASE光或参量荧光所放大的光）水平，通过由相敏光放大器放大后再由EDFA放大，被抑制得很低。这样，在本实施方式中，尽管使用了激光放大器，不过通过在其前段配置相敏光放大器，不但可以获得与以往的激光放大器相同的增益，而且还可以将噪声水平抑制得比以往更低，获得比以往更高的S/N比。
而且，在图26中表示了使用内置有市场出售的OE（光电）变换器的电光谱分析仪对上述放大后的、以频率15GHz的正弦波调制后的信号进行光电变换来评价其噪声等级的评价结果。
在图26中，实线表示对利用本实施方式所放大的信号进行光电变换的电光谱图，虚线表示对利用现有技术所放大的信号进行光电变换的电光谱图。可以确认不仅是光的S/N比升高，而且光电变换后与现有的用EDFA放大时相比从1GHz到14GHz的整个频带中噪声水平降低了1.5dB。
在使用了现有光纤的相位光放大器中，由于GAWBS的噪声使得仅在一部分频带下变为不比EDFA低的低噪声，与此相对，在本实施方式中，可以在获得足够的增益的同时实现覆盖整个宽频带的低噪声的放大。对于这样的低噪声放大特性来说，在本实施方式中不仅对光接收器而且对作为光中继器工作的光放大器也有用。
接着，为了确认作为光接收装置的有效性，由40Gb/s的NRZ信号调制信号光，评价输入情况下的接收特性。此时，后段的EDFA增益按照通过带通滤波器向PD入射的功率为0dBm的方式进行设定。由于本实施方式中的相敏光放大器的增益是6dB，因此在例如输入光的功率时-30dBm时，设定EDFA的增益是24dB。另外，为了比较，也对现有技术的只使用EDFA和带通滤波器作为前置放大器使用的情况进行评价。即使在这种情况下，由于设定为通过带通滤波器向PD入射的功率是0dBm，所以在例如输入光的功率时-30dBm时，EDFA的增益被设定在30dB。
图27中示出用光衰减器衰减输入信号，根据错误率测量来评价本实施方式的接收灵敏度的结果。图27是表示用于评价接收灵敏度的错误率特性的图。作为示例，对用于得到10-9错误率的入射功率，与使用现有的EDFA的情况的-28.8dBm相比，在本实施方式中，以降低1.5dBm的-30.3dBm就可以得到相同的错误率。这样，可以确认通过利用本实施方式的低噪声的光放大的光接收能提高接收灵敏度。该效果通过在整个宽频带中均得到低噪声的本发明的结构首次可以实现。
另外，在本实施例中，作为用于相位同步的基波光的生成方法，结构为使用从信号光直接分支的光、不使用根据调制后的光信号的相位同步装置，不过也可以使用所述第三至第五实施方式说明过的方法作为基波光的生成方法。
而且，在本实施方式中，以光接收装置为例，对兼顾低噪声性和高增益性的结构进行说明，不过也有使用线性中继器的情况，当必须延长中继间隔等需要兼顾低噪声性和高增益性的情况下，本实施方式描述的多极连接相敏光放大器和EDFA的结构极其有用。
（第七实施方式）
图28A和图28B是本发明第七实施方式的相敏光放大器的示意图。如图28B所示，在本实施方式中，为了根据光通信所用的微弱的激光获得足以进行非线性光学效应的功率，使用光纤激光放大器（EDFA）2801放大基波光2821。将放大后的基波光向第一二次非线性光学元件2802-1入射并发生二次谐波2822。通过将信号光2820和二次谐波2822向第二二次非线性光学元件2802-2入射进行简并参量放大来进行相敏放大。
后面将详细描述图28B示出的结构，如果使用本结构可以得到下述现有技术不能得到的效果。本实施方式中，使用波长1.54μm的CW光作为基波光。作为输入信号光，如图28A所示，输入以相当于基波光波长的光频率为中心，以相同光频差对称地分离的信号光对（s+1和s-1，s+2和s-2，s+3和s-3，s+4和s-4，下同）。
信号光组和基波光互相相位同步，通过例如将相同光源分支，一支通过光调制器生成边带波，可以生成这样的信号光、基波光。
如图28B所示，基波光2821通过使用相位调制器2810和由PZT构成的光纤延伸器2811由掺铒光纤放大器（EDFA）2801放大。放大后，使用带通滤波器2804将基波光去除从EDFA2801生成多余的自然放射光后，基波光向第一二次非线性光学元件2802-1中的PPLN波导2805-1入射，变换为作为基波光2821的二次谐波的波长0.77μm的光2822。
用二向色镜2806-2将信号光组2820和基波光的二次谐波2822合波，接着，向第二二次非线性光学元件2802-2中的PPLN波导2805-2入射。利用PPLN波导2805-2中的参量放大来放大信号光组。
以下详细说明信号光组的放大操作。本实施方式中，分别入射成对的信号光的两种波长下相位相同的光。例如，假设信号s+1和s-1具有相同的相位信息。
向二次非线性光学元件入射激发光（本实施方式中是基波光的二次谐波2822）、信号光和闲频光三种光，通过三者的非线性相互作用进行光放大。在非简并参量放大中，三者的相位分别满足下面（式21）时，进行信号光、闲频光两者的参量放大。
φSH=φS+φi+2nπ（n是整数）  （式21）
这里，φSH、φS、φi分别是基波光的二次谐波、信号光和闲频光的相位。如果假设信号和闲频像本实施方式的信号s+1和信号s-1对一样具有相同的相位，则φS=φi，
φS=φSH/2+nπ=φp+nπ（n是整数）  （式22）
不过，这里φp是基波光的相位。用2φp表示二次谐波的相位φSH。
由（式22）可知，只在信号光和基波光的相位相同或相差π的情况下，正交的两种相位成分中与激发光同相的情况下，发生参量放大。另外，在入射具有与基波光正交的相位的信号对时，信号光被衰减。
这样，如果作为信号入射具有相同相位信息的信号光对，则进行具有相敏性的参量放大。本实施方式中，为了使用光纤部件连接信号光和激发光，通过PLL技术消除由温度变化或振动生成的光纤伸缩。本实施方式中，由于以光频差对称地分离的信号光对均为相位同步，因此可以放大多个信号光组。
图29和图30是示意地表示在相敏光放大中所使用的多个波长的信号光、激发光的光谱。图29表示由图5示出的现有的使用光纤激光放大器且使用光纤作为非线性介质的结构的情况，图30表示使用图28B示出的本实施方式的结构的情况。
在现有的使用光纤的相敏光放大器中利用四光波混合。因此，为了使用于进行参量光放大的激发光和多个波长的信号光的波长满足相位匹配条件，必须使这些波长为接近的波长。如图29所例示，多个波长的信号光2901和激发光2902具有相同的1.55μm的波段，在使用光纤放大器对激发光2902进行放大时，在激发光波长的附近由光纤放大器生成ASE光2903。
为了不在信号波长频带生成ASE光，使用不将多个波长的信号光通过光纤放大器的结构。但是，由于激发光和多个波长的信号光合波时的两者的波长接近，因此很难实现波长选择性良好的光滤波器，不能完全去除ASE光。因此，在信号波长频带生成的ASE光与多个波长的信号波长重叠，由于ASE光的混入导致多个波长的信号光的S/N比劣化。（图29（c））。
另一方面，在本实施方式的结构中，为了根据光通信中所使用的微弱的光功率获得足以使用参量光放大的功率，利用光纤放大器放大基波光3002。此时ASE光3003在基波光3002的波长附近重叠（图30（b））。在本实施方式的结构中，进行光放大后，重叠了ASE光3003的基波光3002向第一二次非线性光学元件入射并发生二次谐波3004。此时作为激发光使用的二次谐波3004的波段中，除了仅仅生成一点ASE光的二次谐波之外，不生成成为噪声的宽频带的ASE光。二次谐波3004的波长是基波光3002波长的一半，两者的波长充分远离。因此，用二向色镜等实现从基波光3002和基波光的二次谐波3004中仅分离二次谐波3004这样的具有高消光比的滤波器比较容易（图30（c））。通过将上述滤波器与第一二次非线性光学元件的输出连接，可以完全去除激发光波段的基波光和ASE光。接着，只将多个波长的信号光3001与二次谐波3004合波并向第二二次非线性光学元件入射，可以实现利用非简并参量放大的相敏放大（图30（d））。
而且，进行本实施方式的操作中，明显具有以下现有技术中没有的优点。
在利用现有的光纤中的四光波混合进行多个波长的信号光的相敏放大的结构中，如非专利文献7所示，并不是以激发光波长为中心而只发生多个波长的信号光之间的四光波混合，各种波长之间都满足针对相位匹配的条件。因此，也会发生例如将激发光作为中心而信号光变为其他波长的附带过程，所放大的信号光连续被复制而生成多个信号（图29（c）的2904）。
因此，放大信号光的功率散失，限制了能够放大希望的信号光的功率。而且，由于附带生成的信号在多个波长的信号光的波长之间等生成，因此，去除附带生成的多余的信号伴有很大的困难。为了分离考虑了使用超窄频带的滤波器等的方法，但是滤波器的频带越窄则由于滤波器所生成的信号损耗越大。多个波长的信号光的波长重叠数越多，附带生成的信号数量也越多。因此，也有附带的信号重叠在原信号光的频带中的情况。在这种情况下，通过滤波器的分离等是不可能的，光信号的S/N比劣化。
与此相对，本实施方式中，由于只用信号光和二次谐波向第二PPLN波导输入，因此不会生成类似现有技术的不需要的波长变换过程。本实施方式中即使将输出功率增大到+22dBm也可以进行没有输出饱和的稳定的放大。另外，也不回像使用四光波混合的情况下那样附带地生成多余的信号。
再次参照图28A和图28B详细地说明本实施方式的结构。本实施方式中，使用掺铒光纤激光放大器（EDFA）2801放大基波光2821。放大后的基波光向第一二次非线性光学元件2802-1入射。本实施方式中，为了防止由EDFA2801生成的宽频带ASE光被第一二次非线性光学元件2802-1变换，在EDFA2801和第一二次非线性光学元件2802-1之间插入带通滤波器2804，去除不需要的ASE光。
本实施方式的二次非线性光学元件（2802-1、2802-2）具有由周期性极化反转的铌酸锂（PPLN）构成的光波导（2805-1、2805-2）。
在向PPLN波导入射高强度的功率时，会发生由于光折变效应生成的光损耗导致相位匹配波长变化的情况，但是本实施方式中使用如非专利文献4所示的通过直接接合所制作的波导以防止发生这样的问题。
本实施方式中，通过使用将耐光损耗性良好的添加了Zn的铌酸锂用于纤芯的直接接合波导，来抑制相位匹配波长的变化。另外，通过利用干式蚀刻加工将纤芯直径缩小到4μm左右来实现更高波长变换效率。
使用二向色镜2806-1将从第一PPLN波导2805-1发出的二次谐波2822和基波光2821分离。
由二向色镜2806-1反射的波长0.77μm的二次谐波2822经由在波长0.77μm具有单模传播特性的保偏光纤2807被导向第二二次非线性光学元件2802-2。此时，不能由二向色镜2806-1完全去除的波长1.54μm附近的基波光和ASE光也向保偏光纤2807入射，但是相对于波长1.54μm的光，这种在0.77μm中为单模的光纤的光封闭性弱，因此通过将不需要的光传播1m左右的长度可以使这些光有效地衰减。
用二向色镜2806-2将由保偏光纤2807所导入的二次谐波和波长1.54μm的信号光2820合波。由于二向色镜2806-2只反射二次谐波，可以有效地去除波长1.54μm附近的基波光和ASE光的残留成分，该基波光和ASE光从第一PPLN波导2805-1发出，通过二向色镜2806-1和保偏光纤2807。
信号光2820和二次谐波2822由二向色镜2806-2合波后，向第二PPLN波导2805-2入射。第二PPLN波导2805-2具有与第一PPLN波导2805-1相同的性能、相位匹配波长，可以通过非简并参量放大对信号光进行相敏放大。
本实施方式中，两个PPLN波导（2805-1、2805-2）被分别通过单独的温度调节器控制为恒定温度。由于两个PPLN波导的制作误差而可能出现在同一温度下相位匹配波长不一致的情况，即使在这种情况下通过对二者分别进行温度控制也可以使两者的相位匹配波长一致。
从第二PPLN波导2805-2发出的光由二向色镜2806-3分离为作为激发光的二次谐波和被放大的信号光。这时由于二次谐波和被放大的信号光的波长完全不同，因此可以有效地去除输出中不需要的二次谐波成分。
在相敏放大中，必须使激发光和信号光的相位同步，而本实施方式中输出的放大信号光的一部分由光分支部2803分支并由光检测器2808接收后通过相位同步环回路（PLL）2809进行相位同步。使用配制在EDFA2801之前的相位调制器2810利用正弦波对基波光2821进行微小的相位调制。利用光检测器2808和PLL回路2809检测该相位调制的相位差，并反馈到配置在EDFA2801之前的由PZT构成的光纤延伸器2811的驱动电压和相位调制器2810的偏压中，吸收由于光纤部件的振动或温度变化所生成的光相位的变化，可以稳定地进行相敏放大。
但是，用分波器对光梳进行分波并用调制器调制后用合波器合波时，通常，由于调制所导致的损耗大，因此S/N比劣化。另外，即使是使用调制器生成光梳的情况，光功率变小了调制器的损耗或向多个载波变换的变换效率大小，S/N比劣化。而且，如果用EDFA等激光光放大器来放大光功率衰减后的光梳，则混入了自然放射光（ASE光），S/N比随着放大而逐渐劣化。
但是，使用本实施方式的放大器放大这种混入ASE光的信号光组时，发现了之前得不到的特别效果，实现本实施方式。
图31A和图31B是用于说明使用本实施方式的相敏光放大器时的效果的图，图31A表示故意混入由EDFA生成的ASE光的信号光组的光谱，图31B表示使用本发明第七实施方式构成的相敏光放大器放大故意混入由EDFA生成的ASE光的信号光组时输出的光谱。
由图31A和图31B可知，通过使用本实施方式的相敏光放大器进行放大，放大后的信号光和ASE光之差，即，光S/N比（OSNR）与输入相比令人吃惊地提高了3dB。
举一个示例来说，着眼于一个信号，该信号具有比从中心波长对称地分离的信号对的内中心波长还短的波长。输入的信号光为0.01nm的分辨率测量后，如图31A所示具有23dB的OSNR。另一方面，可知如31B所示放大后的输出信号具有26dB的OSNR，与输入光相比光S/N比改善了3dB左右。另外，由于本实施方式的放大器有偏振依赖性，为了进行公平的S/N比的评价，在评价输入光谱时插入偏光镜，只对原来应该放大的偏振光成分进行比较。
以下，可以对产生这个令人吃惊的现象的理由进行说明。
首先，排除激发光的2倍波长和信号光的波长相同的简并点，考虑在非简并点处的操作。本实施方式中，输入与激发光的相位关系确定的信号光。如本实施方式，当入射与信号光波长和闲频光波长相当的波长下具有相同相位的信号光对时，只要与上述激发光之间的相位同步，则信号光的所有成分都放大。
另外，如使用了光纤的PSA可以发现，通过使用光纤或PPLN的若干波长变换处理，生成与信号光具有共轭的逆相位信息φi=-φs+α（α是由光纤等光学长度决定的相位）的闲频光，在输入信号光和闲频光的情况下，SH光、信号光和闲频光间的相位关系满足下面（式23）时进行参量放大。
φSH=φS+φi+2nπ=φS-φS+α+2nπ=α+2nπ
（其中，n是整数）  （式23）
也就是说，在入射了共轭的信号光和闲频光时，如果使光纤等光学长度决定的相位α与激发光匹配，则信号光的所有成分都放大。这样，在入射相位关系确定的信号光和激发光时通过适当的光学长度调整，信号光的所有成分都放大。
接着，如果考虑针对ASE光的输入的放大，则在考虑自二次谐波的相位φSH起的相对相位时，由于生成随机相位的光，因此认为ASE同等地包含与激发光同相位的成分和正交相位的成分。
特别是如果考虑在入射信号光和闲频光时的各个信号、与闲频光相同波长下的ASE的放大，则设在信号波长中生成的ASE的相位为φS-ASE，设在闲频光中生成的ASE的相位为φi-ASE时，只有满足以下的（式24）的成分被参量放大。
φSH=φS-ASE+φi-ASE+2nπ（这里，n是整数）  （式24）
在ASE的情况下，与上述相位关系确定的信号-闲频不同，由于在信号波长、闲频波长中分别生成的ASE的相位φS-ASE、φi-ASE是随机的，因此相互不相关。另外，φS-ASE和φi-ASE与二次谐波的相位φSH之间也不相关。因此，在固定φS-ASE的情况下，在可以获得随机值的φi-ASE中以二次谐波的相位φS为基准，只有具有与φS-ASE相位共轭的成分就被参量放大。
这样如果考虑ASE相位的随机性，可知与上述有相关的信号光相比，相对ASE的增益减半。因此，利用本实施方式的光放大器，可以改善用光谱比较时的S/N比。
顺便说一下，在使用光纤的非简并放大中很难得到这样的结果。其原因是在使用光纤的四光波混合的放大中，激发光、信号光和闲频光都在1.55μm波段中，由于通常使用EDFA等生成激发光，所以在与激发光波长接近的信号光或闲频光的波长频带中混入了由EDFA生成的ASE光，而且激发光的功率与信号光或闲频光相比大多相对大，因此由从外部混入的ASE光所生成的噪声的影响大。因此，不能得到如本实施方式的改善输入输出的S/N比的显著效果。
与此相对，在本实施方式中，由于用EDFA放大基波光后变换为二次谐波，再去除1.55μm波段的ASE光后，向参量介质入射进行非简并放大，因此可以防止ASE光的混入，该ASE光由用于生成激发光的EDFA生成。因此，本实施方式中可以获得利用了对于信号光和闲频光的相敏性的S/N比的改善效果。
接着，对在上述说明中所排除的在激发光的2倍波长和信号光的波长相同的简并点处的操作进行说明。
如图28A所示，本实施方式中，也入射波长与激发光的2倍波长相同的信号光，由图31A和图31B的光谱来看，S/N比在该波长下也改善。但是，如下面所述，在进行激发光的2倍波长和信号光的波长相同的简并参量放大的情况下，与光电变换后的输入输出比较，S/N比不会提高。在简并参量放大中，信号光相位φS和激发光相位φP之间满足下面（式25）时进行放大。
φS=φSH/2+nπ=φP+nπ（这里，n是整数）  （式25）
也就是说，只有信号光与激发光相位相同的成分才被放大。入射ASE光的情况也一样，如果认为ASE光的相位随机的，则和入射与激发光相位同步的信号光的情况相比增益减半。因此，以光功率观察时的S/N比改善了3dB。这一点和非简并点中的操作相同。
在简并点的操作中，输入的ASE光中与信号光相位相同的成分被放大，相位正交的成分衰减。该正交相位成分不被放大表现为以光功率观察时的增益的不同，不过原本具有与信号光正交的相位成分即使与信号光干扰也不会生成强度噪声。另一方面，ASE光中的与信号光相位相同的成分得到与信号相同的增益并被放大，该ASE光是干扰信号光生成强度噪声的原因。因此，在简并点的相敏参量放大中，由于干扰信号光的ASE光的成分并不减少，因此对光信号进行光电变换后的S/N比不变。
接着，说明在本实施方式所采用的非简并参量放大中，光电变换后的S/N比怎样变化。上述非简并参量放大中，ASE光得到的增益是信号光的一半。如果着眼于此时放大的ASE光的相位，则分别向上述信号光与闲频光的波长输入的ASE光成分中，只有满足（式26）的成分才被放大。
φSH=φS-ASE+φi-ASE+2nπ（这里，n是整数）  （式26）
在简并点的操作中，所输入的ASE光中只有与激发光相位相同的成分被放大，与此相反，在非简并点的操作中，放大所必须的条件只是与在信号光波长和闲频光波长下的ASE光的相位为共轭关系，放大后的ASE光、信号光和闲频光之间的相位关系没有特别的规定。因此，与在简并点的操作不同，认为在非简并点的操作中所含放大的ASE光同等地包含了与信号光相位相同的成分和与信号光的正交相位成分。因此，输入输出和ASE光的相位都是随机的，而且由于ASE光得到的增益是信号光得到增益的一半，因此由光电变换后的ASE光和差频噪声决定的SN比改善为放大了3dB。
提供与简并操作的比较来考虑，非简并操作下增强强度噪声的同相的ASE光的强度是简并操作下同相的ASE光的强度的一半，由于放大后的ASE光整体的功率与简并操作时相同，因此如果认为放大后的ASE光中只是同相的成分与信号的干扰而引起强度噪声，则与简并操作相比，非简并操作下的SN比改善了3dB。
为了确认上述结果，在向本发明的放大器输入的光梳信号和放大后的光梳信号中用带通滤波器分别提取所希望的一条载波，由衰减器使平均功率相同后，使用内置了O/E变换器的电光谱分析仪，比较在输入输出中的信号光和ASE光的差拍噪声等级。
图32A和图32B表示用电光谱分析仪测量输入输出中的信号光和ASE光的差拍噪声等级的结果。如图32A所示，在观测简并点的峰值时，在放大器的输入输出中，看不到噪声等级的不同，而与此相对，如图32B所示，在观测非简并点的峰值时，可以确认通过放大噪声等级降低3dB，也就是S/N比改善了3dB。如果根据本实施方式，通过用激光放大器等对S/N比劣化后的信号进行放大，可以得到S/N比相对输入有改善这样极其显著的效果。
向本实施方式的相敏光放大器入射实施了数据调制后的信号，调查利用本实施方式的S/N比的改善效果。
图33表示用于调查S/N比改善效果的结构，该S/N比使用了对光梳实施数字调制后的信号。用LN调制器3305对光梳进行BPSK调制，向图28B示出的本实施方式的相敏光放大器入射，该光梳是通过使用光调制器3303对单一波长光源3301调制而生成的。
实际的光梳调制中，为了补偿生成光梳和数据调制时的损耗，随后使用EDFA等激光放大器来放大信号。此时由于ASE光而附加了信号噪声。
在评价本实施方式的实验中，为了调查S/N比的改善效果，通过EDFA3306故意对进行数据调制后的光梳信号附加ASE噪声。
将用于生成光梳的单一波长光3301分支后，作为相敏光放大器的基波光。用分波器从放大前后的信号中分离非简并点的峰值，用光衰减器调整接收功率，由接收装置接收。
图34表示对于测量的接收功率的错误率的数据。如果用EDFA等激光光放大器放大由于生成光梳和数据调制时的损耗使光功率衰减后的光梳，则出现混入自然放射光（ASE光），伴随放大S/N比劣化的问题。根据图34所示结果可知，如果故意地附加ASE噪声，为了得到与不附加ASE噪声时相同的错误率，则所需的接收功率要非常大。
但是，故意地将附加了ASE噪声的信号向本实施方式的相敏光放大器入射所得的输出信号的数据错误率，与之前的附加了ASE噪声的输入信号相比，可以看出对于接收功率有大幅的改善。在10-9的错误率下比较时，如果使用本发明的相敏光放大器，则可以看出由于ASE噪声生成的功率损耗改善了3dB这样显著的效果。
另外，在本实施方式中，将二次谐波作为激发光使用，也可以和第五实施方式一样，将和频光作为激发光使用，构成对于非简并信号的相敏光放大器。另外，在本实施方式中，使用了添加Zn的铌酸锂（LiNbO3）作为周期性极化反转的二次非线性光学材料，不过并不限于铌酸锂，使用以钽酸锂（LiTaO3）、铌酸锂和钽酸锂的混合晶体（LiNb（x）Ta(1-x)O3(0≤x≤1)）、铌酸钾（KNbO3）、磷酸钛氧钾（KTiOPO4）等为代表的二次非线性光学材料也可以获得同样的效果。另外，关于二次非线性光学材料的添加物也不限于Zn，也可以用Mg、Zn、Sc、In、Fe代替Zn，或者也可以不添加添加物。
（第八实施方式）
图35表示本发明第八实施方式的相敏光放大器的结构。在单一波长光源3501中使用波长1.54μm的CW光，并使用调制器3503生成光梳，该光梳具有以相当于激发光2倍波长的光频率为中心，以相同光频差对称地分离的信号光对（s+1和s-1，s+2和s-2，s+3和s-3，s+4和s-4，下同）。
本实施方式中采用由单一波长光源3501和光调制器3503构成的光梳生成器，不过也可以使用其他的方法生成光梳，例如，将模同步激光用于光源的方法，或将非线性介质用于光梳生成的方法等。
使用分波器3504分离光梳的各波长，该分波器3504设计为对称地距离所生成的光梳信号的多个波长中的一个波长为相同光频差的成对的两个波长都向相同的光路输出。分波器可以使用以阵列波导光栅（AWG:Arrayed Waveguide Grating）为代表的波导型的合分波器，也可以使用以WSS（Wavelength Selective Switch,波长选择开关）为代表的空间光学系的合分波器，该WSS使用MEMS。
分波器3504的各输出分别与光调制器3505连接，对各信号光对进行数据调制。接着，使用合波器3506将各信号对合波后，用EDFA等激光放大器3507放大信号。在图35示出的结构中，将数字调制信号合波后一并放大，不过在能够使用在数据调制使用半导体调制器将SOA等半导体放大器集成到调制器中的设备的情况下，如图36所示，用激光放大器分别放大各信号对后再合波。
另外，在图35和图36示出的结构中，使用分波器对各个信号对实施相同的数据调制，该分波器中对称地分离光频差的成对的两个波长向相同的光路输出。不过还可以使用如图37所示的结构，在该结构中使用分离光梳的各个波长的分波器3704和分别与分波器的各输出连接的各个光调制器3705，对在光梳中的以相同光频差对称地分离的信号对使用相同的数据进行调制。
在光梳的生成过程中，光功率变小了调制器的损耗或向多个载波变换的变换效率的大小。另外，用分波器对光梳进行分波，用调制器进行数据调制，并用合波器进行合波时，由于各个结构要素的插入损耗，与原始的光梳相比光功率显著地衰减。如果使用通常激光介质的光放大器放大到光纤中的传输所需的功率，则由于向光放大器的输入功率较小使得信号的S/N比显著地劣化。尽管已知通过相敏光放大器进行低噪声的光放大器的原理，但是在一般的相敏光放大器中使用简并参量放大，可以放大的信号波长是一个，因此不能同时放大多个载波。
但是，通过使用本实施方式的相敏光放大器，可以在低噪声下放大多个波长的光梳。而且，对于起因于信号光和ASE光的差拍噪声的S/N比，通过使用本实施方式的相敏放大器，具有与输入相比可以改善S/N比的显著效果。
将生成光梳所用的单一波长光源分支作为相敏光放大器的基波光使用。将光梳信号入射到本实施方式的相敏光放大器中。调查输入输出各自的S/N比（OSNR）与光电变换后的S/N比的结果，可以看出与输入信号的S/N比相比，输出信号的S/N比有3dB的S/N比改善。通过使用本实施方式的结构，改善了作为强度噪声的信号光与ASE光之间的差拍噪声所引起的S/N比。
在这个S/N比改善效果的基础上，通过使用本实施方式的结构，可以得到如下叠加效果，即收到通过衰减正交相位而抑制相位啁啾成分的效果。为了确认放大特性，观察放大后的信号光并调查时间波形。
图38A、图38B和图38C是用于说明根据本实施方式的相敏光放大器所放大的信号的时间波形的图。在图38A中示出不入射激发光时的入射信号光的输出波形，在图38B中示出设定为利用PLL使激发光相位和信号光相位匹配时的输出波形，在图38C中示出设定为利用PLL使激发光相位和信号光相位相差90度时的输出波形。
如图38C所示，可知当设定为激发光相位和信号光相位相差90度时，从信号的ON水平衰减的状态达到相敏放大。另外，观察到只有信号的ON和OFF水平之间的过渡部分被放大的波形。这表示信号光与相位噪声重叠。
例如，如果使用了只对调制器中的单臂进行相位调制类型的调制器作为重叠数据的光调制器，则由于数据调制器生成啁啾。也就是说，在ON和OFF之间迁移时调制器的输出相位改变，如果以ON状态时为基准，则生成正交相位成分。因此，如果把信号光相位和激发光相位设定为正交，则就会生成只有相位啁啾成分被相敏放大的结果。这就是说，示出在使相位与信号光的ON状态对应的状态下，即使在输入信号中包含相位啁啾的情况下，也可以将该啁啾成分去除，整形为没有啁啾的信号并放大。
使用图35示出的结构，将使用第二实施方式的结构生成的信号通过光纤进行传输的结果是，通过作为强度噪声的信号光和ASE光之间的差拍噪声的去除效果和相位啁啾成分的抑制效果，可以使传输距离提高为原来的3倍以上。
下面，对第八实施方式的其他结构进行说明。图39表示本发明第八实施方式的相敏光放大器的其他结构。使用单一波长光源3901和调制器3903，以相当于激发光的2倍波长的光频为中心，生成具有以相同光频差对称地分离的信号光对（s+1和s-1，s+2和s-2，s+3和s-3，s+4和s-4，下同）的光梳。为了补偿在生成光梳的过程中由于调制器的损耗或向多个载波变换所生成的损耗，使用EDFA等通常的激光放大器3904放大光梳信号。将从用于生成光梳的单一波长光源3901分支的信号作为相敏光放大器的基波光使用，将光梳信号向本发明的相敏光放大器入射并放大。
将光梳信号向本发明的相敏光放大器入射。使用与第七实施方式示出的手法相同的手法，调查输入输出各自的光S/N比（OSNR）与光电变换后的S/N比的结果，可以看出与输入信号的S/N比相比，本实施方式的相敏光放大器的输出信号中有3dB S/N比的改善。如图39所示，使用通常的激光放大器3904放大光梳信号后，通过使用本发明的相敏光放大器，可以生成S/N比高的光梳信号。
使用分离光梳的各个波长的分波器3906和与分波器3906的各输出连接的各个光调制器3907，对各光梳分别地进行数据调制后，使用光合波器3908将光梳信号向1条光纤入射，传输信号。
通过使用本实施方式的相敏光放大器，可以生成S/N比高的信号，因此可以提高传输距离。
（第九实施方式）
在紧随光信号的发送器之后使用相敏光放大器这样的将生成信号光的光源配置在相敏光放大部附近的情况下，可以将信号光用光源的一部分分支作为基波光使用。但是，在光传输中将相敏光放大器作为中继放大器或接收端中的前置放大器时，必须使用相位同步装置以使相敏光放大装置中的激发光的相位和信号光的相位同步以满足（式1）的关系。作为相位同步装置，图40表示使用了中心波长信号的本发明第九实施方式的相敏光放大器的结构。
在本实施方式中，作为输入信号使用了将多个波长的信号光的中心波长信号作为CW光的导频使用的数据信号。对以光频为中心以相同光频差对称地分离的信号光对（s+1和s-1，s+2和s-2，s+3和s-3，s+4和s-4，下同）中实施二进制的相位调制，作为信号光4030使用了中心波长的信号没有调制的且可以作为CW光的导频使用的多个波长的信号。
中心波长中具有CW光的导频的调制信号光4030通过传输介质进行传输。传输介质使用光纤。使用偏振控制器4020补正光纤中的偏振旋转后，使用只提取中心波长的槽口滤波器4021只分离CW光的导频。
信号的光强度由于传输光纤而生成光强度损耗，因此光强度极小而S/N比劣化。用衰减器4011对分支后的CW光的导频调整光强度后，通过循环器4012对相敏光放大装置中的基波光源4013进行光同步注入。基波光源4013使用DFB型半导体激光器。
使用衰减器改变向基波光源4013输入的光强度，用光谱分析仪观察情况，观察到将光强度设为数十μW时半导体激光器的波长被拉向导频波长的情况，可知相敏光放大装置中的基波光源与导频的相位同步。因此，可以根据S/N比劣化的信号光的导频生成S/N比良好的激发光。
在光纤中传输的多个波长的信号根据光纤中的色散效应在对称地分离的信号光对之间的相位中发生偏差。为了补偿该相位偏差，在相敏光放大器内设置色散补偿（调整）介质4022。色散补偿（调整）介质使用相位调制器，该相位调制器使用了LCOS等液晶。也可以使用其他手段调制相位，如使用具有逆色散的光纤等。通过相位调整器（图中未示出），使信号光对之间的相位匹配。
使用与信号光的导频相位同步的基波光，试着使用在第七实施方式中说明过的相敏放大结构进行光放大，可以得到与第一实施方式相同的特性效果。通过采用根据本实施方式的结构，即使在生成信号光的光源没有配置在相敏光放大部的附近的中继放大或接收端的前置放大器中，也可以通过使用相位同步装置进行相敏放大。
在本实施方式中，使用导频对简并波长的信号进行相位同步，不过也可以使用其他方法。也可以使用对于简并信号的方法进行说明的第三至第五实施方式示出的方法中任一种相位同步手法和载波相位提取手法。
（第十实施方式）
图41表示本实施方式的结构。本实施方式中，与第一实施方式相同，构成放大1.54μm的信号的装置。使用两个PPLN波导4105-1、4105-2，发生二次谐波4122并进行简并参量放大的方面和第一实施方式相同。不同点是从基波光4121分离二次谐波4122的方式和将二次谐波与信号光4120合波的方式。
根据本发明，可以抑制由从光纤放大器生成的ASE光所引起的信号光的S/N比的劣化，同时进行相敏放大，不过在本实施方式中可以有效地利用该效果。本实施方式中也可以在二次谐波4122的分离中和二次谐波4122和信号光4120的合波中使用二向色镜4106-1、4106-2。
通常，为了使波长不同的两种光分离或合波，常使用反射一种波长的光，而使另一种波长的光通过的二向色镜，特别是用于去除不需要的光的用途时，优选地使用这样的结构，将想去除的特定波长的光反射。相反，在当结构为让想去除的特定波长的光通过，反射所需要的光并提取的情况下，必须将不需要波长下的反射镜的反射率设定得非常小。
与将不需要波长下反射镜的反射率设定得非常小相比，降低想去除的特定波长的光透过率比较容易，因此，反射不需要的波长的光的结构可以有效地抑制不需要的光。在本实施方式中，基于这种考虑方式构成装置。
波长1.54μm的基波光4121由光分支部4103-1从信号光4120中分支，经由用于相位同步的LN相位调制器4110和由PZT构成的光纤延伸器4111，由EDFA4101放大。放大后的基波光向第一二次非线性光学元件4102-1中的第一PPLN波导4105-1入射发生二次谐波4122。
本实施方式中，为了从第一PPLN波导4105-1发出的基波光和其二次谐波中有效地只提取二次谐波4122，并有效地去除从EDFA4101生成的ASE光，在第一PPLN波导4105-1之后设置反射1.55μm波段，而让0.77μm波段通过的二向色镜4106-1。
波长为0.77μm的二次谐波4122经由在该波长下具有单模传播特性的保偏光纤4107被导向第二二次非线性光学元件4105-2。与第一实施方式相同，相对于波长1.54μm的光，这种在0.77μm中为单模的光纤的光封闭性弱，因此通过传播1m左右的长度，可以有效地衰减不需要的波长1.54μm附近的基波光和ASE光。
用二向色镜4106-2将由保偏光纤4107导入的二次谐波4122和波长1.54μm的信号光合波。在本实施方式中，使用反射1.54μm波段，让0.77μm波段通过的二向色镜，以有效地去除通过了保偏光纤的波长1.54μm附近的基波光和ASE光的残留成分。
信号光4120和二次谐波4122合波后，向第二PPLN波导4105-2入射，通过简并参量放大可以将信号光相敏放大。
从第二PPLN波导4105-2发出的光被二向色镜4106-3分离为二次谐波和被放大的信号光。本实施方式中，为了有效地去除输出中不需要的二次谐波，二向色镜4106-3使用使0.77μm波段反射、使1.54μm波段通过的二向色镜。
本实施方式和第一实施方式相同，输出的放大信号光的一部分由光分支部4103-2分支，由光检测器4108接收后，通过由相位同步环回路（PLL）4109进行相位同步，可以稳定地进行相敏放大。
本实施方式中，由于将各个特性不同的二向色镜用于从基波光分离二次谐波以及将二次谐波和信号光合波，因此可以构成能够获得高信号品质的相敏光放大器，特别是对信号的S/N比生成坏影响的由EDFA生成的ASE光不会混入到信号光中。
另外，本实施方式与第一实施方式的结构相同，也就是说，其结构为，放大方式为简并参量方式，使用从基波光发出的二次谐波作为激发光，作为生成用于相位同步的基波光，使用从信号光直接分支的光，而不使用来自调制后的光信号的相位同步装置，不过本实施例也可以是所述第一至第九实施方式所说明的方法中的任一放大方式、激发光的种类、生成用于相位同步的基波光的方法和这些的简单组合的结构。
具体地，作为放大方式也可以采用第七至第九实施方式记载的非简并参量方式。
另外，作为得到激发光的方法，也可以采用如第五实施方式的生成不同的两种波长的和频光的方法。
另外，生成用于相位同步的基波光的方法，除了第三实施方式记载的发送信号光之外，还可以是输送导频信号的方法，或第四和第五实施方式记载的从调制的信号光中提取、复原载波信号的方法。在本实施方式中，作为周期性极化反转的二次非线性光学材料，使用了添加Zn的铌酸锂（LiNbO3），不过并不限于铌酸锂，使用以钽酸锂（LiTaO3）、铌酸锂和钽酸锂的混合晶体（LiNb（x）Ta(1-x)O3(0≤x≤1)）、铌酸钾（KNbO3）、磷酸钛氧钾（KTiOPO4）等为代表的二次非线性光学材料也可以获得同样的效果。另外，关于二次非线性光学材料的添加物也不限于Zn，也可以用Mg、Zn、Sc、In、Fe代替Zn，或者也可以不添加添加物。
（第十一实施方式）
图42表示本实施方式的相敏光放大器的基本结构。该光放大器由相敏光放大器部4201、激发光源4202、激发光相位控制部4203以及两个光分支部4204-1、4204-2构成。该光放大器具有以下特性，如果相敏光放大部4201中的信号光和激发光的相位满足上述（式1）的关系，则输入信号光4210被放大，如果两者满足与（式1）的关系相差90度的正交相位关系，则输入信号光4210衰减。如果利用这个特性使激发光-信号光之间的相位同步以使得放大增益为最大，则不生成与信号光的相位正交的自然放射光，也就是可以不使S/N比劣化而放大信号光。本实施方式与第一实施方式的不同点如后所述，主要在于实现相位同步的方法。
为了实现信号光和激发光的相位同步，按照与由光分支部4204-1分支的输入信号光4210的相位满足（式1）的关系并同步的方式控制激发光4211的相位。代替用光分支部4204-2分支输出信号光4212的一部分，用窄频带的检测器对为激发光的二次谐波4213进行检波，在激发光相位控制部4203中控制激发光4211的相位以使二次谐波4213的输出信号为最小。因此，在相敏光放大部4201中，按照信号光的相位和激发光的相位满足（式1）的关系并同步的方式进行控制，可以实现S/N比不劣化的光放大。另外，激发光相位控制部4203除了为如图42所示的在激发光源4202的输出侧控制激发光的相位的结构，也可以为直接控制激发光源4202的相位的结构。另外，生成信号光的光源配置在相敏光放大部附近时，也可以分支信号光用光源的一部分作为激发光使用。
图43是表示在本实施方式的相敏光放大器中，输入信号光-激发光间的相位差Δφ和二次谐波的增益（dB）之间的关系的曲线。可知当Δφ为-π、0或π时，由于参量放大信号光的增益最大，所以用于放大的二次谐波的增益最小。
图44表示本实施方式的结构。本实施方式中，作为强度调制器4424使用LN马赫增德尔调制器，对在输入10Gb/s的NRZ信号的情况下的放大特性进行评价。本实施方式中，为了根据光通信中所使用的微弱的激光获得足以得到非线性光学效应的功率，使用光纤激光放大器（EDFA）4401放大基波光4421。放大后的基波光向第一二次非线性光学元件4402-1入射并发生二次谐波4422。通过将信号光4420和二次谐波4422向第二二次非线性光学元件4402-2入射进行简并参量放大来进行相敏放大。
本实施方式中，为了放大波长1.54μm的信号光，由光分支部4403分支信号光的一部分作为基波光4421使用。使用掺铒光纤激光放大器（EDFA）4401放大基波光4421。放大后的基波光被输入第一二次非线性光学元件4402-1。本实施方式中，为了防止由EDFA4401生成的宽频带的ASE光被第一二次非线性光学元件4402-1变换，在EDFA4401和第一二次非线性光学元件4402-1之间插入带通滤波器4404，去除不需要的ASE光。
本实施方式的二次非线性光学元件（4402-1、4401-2）具有由周期性极化反转的铌酸锂（PPLN）构成的光波导（4405-1、4405-2）。PPLN波导通过近似相位匹配可以使用铌酸锂的最大非线性光学常数d33，而且利用光波导构成可以获得更高的光功率密度，因此通过使用如图所示的结构可以获得较高的波长转换效率。
在向PPLN波导入射高强度的功率时，会发生由于光折变效应生成的光损耗导致相位匹配波长变化的情况，但是本实施方式中使用如非专利文献4所示的通过直接接合所制作的波导以防止发生这样的问题。
本实施方式中，通过使用将耐光损耗性良好的添加了Zn的铌酸锂用于纤芯的直接接合波导，来抑制相位匹配波长的变化。另外，通过利用干式蚀刻加工将纤芯直径缩小到4μm左右来实现更高波长变换效率。使用二向色镜4406-1将从第一PPLN波导4405-1发出的二次谐波4422和基波光4421分离。由二向色镜4406-1反射的0.77μm的二次谐波经由在波长0.77μm具有单模传播特性的保偏光纤4407，被导向第二二次非线性光学元件4402-2。此时，不能由二向色镜4406-1完全去除的波长1.54μm附近的基波光和ASE光也向保偏光纤4407入射，但是相对于波长1.54μm的光，在波长0.77μm为单模的这种光纤的光封闭性弱，因此通过将不需要的光传播1m左右的长度可以有效地衰减这些光。
用二向色镜4402-2将由保偏光纤4407所导入的二次谐波4422与波长1.54μm的信号光4420合波。由于二向色镜4406-2只反射二次谐波，因此可以有效地去除波长1.54μm附近的基波光和ASE光的残留成分，该基波光和ASE光从第一PPLN波导4405-1射出，通过二向色镜4406-1和保偏光纤4407。
信号光4420和二次谐波4422合波，向第二PPLN波导4405-2入射。第二PPLN波导4405-2与第一PPLN波导4405-1具有相同的性能和相位匹配波长，通过简并参量放大可以将信号光相敏放大。
本实施方式中，两个PPLN波导（4405-1、4405-2）被分别通过单独的温度调节器控制以到达恒定温度。由于两个PPLN波导的制作误差而可能出现在同一温度下相位匹配波长不一致的情况，即使在这种情况下通过各自温度控制也可以使两者的相位匹配波长一致。
从第二PPLN波导4405-2发出的光由二向色镜4406-3分离出作为激发光的二次谐波4422与被放大后的信号光。这时由于二次谐波4422与被放大后的信号光的波长完全不同，因此在输出中可以有效地分离被放大后的信号光和二次谐波。
本实施方式的相敏放大中，需要使激发光和信号光的相位同步。本实施方式中，与将输出的放大信号光的一部分分支用于相位同步的第一实施方式不同，由二向色镜4406-3分离的作为激发光的二次谐波4422由光检测器4408接收后通过相位同步环回路（PLL）4409进行相位同步。由二向色镜4406-3反射的1.54μm波段的光包含在为进行相位同步所用的0.77μm波段的光中，由于存在进行相位同步后会变为噪声成分的情况，因此也可以如图44所示插入带通滤波器4425，去除1.54μm波段的光。
使用配制在EDFA4401之前的相位调制器4410利用正弦波对基波光进行微弱的相位调制。利用光检测器4408和PLL回路4409检测该相位调制的相位偏差，通过反馈到配置在EDFA4401之前的由PZT构成的光纤延伸器4411的驱动电压和相位调制器4410的偏压，去除由于光纤部件的振动或温度变化所生成的光相位的变化，可以稳定地进行相敏放大。
本实施方式中，通过利用作为激发光的二次谐波使激发光的相位和信号光的相位同步以满足（式1）的关系，可以有效地利用所有被放大后的信号光，因此与第一实施方式相比，放大后的信号光的增益增加大约15%。
另外，与第一实施方式相同，在使相位与信号光的ON状态匹配的状态下，即使输入信号中包含相位啁啾，也可以将该啁啾成分去除，整形为没有啁啾的信号并放大。
图44示出的实施方式中将二向色镜作为分离激发光的二次谐波和放大后的信号光的滤波器使用，不过也可以如图45所示，使用配置在第二二次非线性光学元件4502-2的后段的多模干扰（MMI：Multi-Mode Interference）的光合分波器4526。
通过将MMI型合分波器4526集成在同一基板中，可以得到更小型的相敏光放大器，该MMI型合分波器4526设计为分离二次谐波4522和放大后的信号光4523。另外，也可以代替MMI型合分波器使用利用了定向耦合的光合分波器，得到同样的小型的相敏光放大器。
下面，对本实施方式的相敏光放大器的其他结构进行说明。图46表示本结构。本结构与图44示出的结构相同，构成放大1.54μm的信号的装置。在使用两个PPLN波导（4605-1、4605-2），发生二次谐波进行简并参量放大的方面与图44示出的结构相同。
图44示出的结构与图46示出的结构的不同点在于，从基波光分离二次谐波的方式和将二次谐波和信号光合波的方式。根据本发明可以抑制由光纤放大器生成的ASE光所引起的信号光的S/N比的劣化同时进行相敏放大，不过本结构可以有效地利用该效果。
图46示出的结构中，二向色镜（4606-1、4606-2）被用于从基波光4621分离二次谐波4622的分离和将二次谐波4622和信号光4620合波。一般地，为了将不同波长的两种光分离或合波，经常使用反射一种波长的光，让另一种波长的光透过的二向色镜，特别是用于去除不需要的光时，优选地使用这样的结构，即，将想去除的特定波长的光反射。相反，当结构为让想去除的特定波长的光透过，反射所需要的光以提取的情况下，必须将不需要波长下反射镜的反射率设定得非常小。与将不需要波长下的反射镜的反射率设定得非常小相比，降低想去除的特定波长的光透过率比较容易，因此，反射不需要波长的光的结构可以有效地抑制不需要的光。本结构基于这种考虑方式来构成装置。
由光分支部4603从信号光中分支出波长1.54μm的基波光4621，经由用于相位同步的LN相位调制器4610和由PZT构成的光纤延伸器4611，由EDFA4601放大。
放大后的基波光向第一二次非线性光学元件4602-1中的第一PPLN波导4605-1入射发生二次谐波4622。本实施方式中，为了从由第一PPLN波导4605-1射出的基波光和其二次谐波中有效地只提取二次谐波，并有效地去除从EDFA4601生成的ASE光，在第一PPLN波导4605-1之后设置反射1.55波段μm，而让0.77μm波段透过的二向色镜4606-1。
波长为0.77μm的二次谐波4622,通过在该波长下具有单模传播特性的保偏光纤4607，被导向第二二次非线性光学元件4602-2。与上述结构相同，相对于波长1.54μm的光，这种在0.77μm下为单模的光纤4607的光封闭性弱，因此通过传播1m左右的长度，可以有效地衰减不需要的波长1.54μm附近的基波光和ASE光。
用二向色镜4606-2将由保偏光纤4607引导的二次谐波和波长1.54μm的信号光4620合波。
在本实施方式中，使用反射1.54μm波段，让0.77μm波段透过的二向色镜4602-2，以有效地去除通过保偏光纤4607的波长1.54μm附近的基波光和ASE光的残留成分。信号光和二次谐波合波后，向第二PPLN波导4605-2入射，通过简并参量放大可以将信号光相敏放大。
从第二PPLN波导4605-2发出的光被二向色镜4606-3分离为二次谐波4622和放大后的信号光4623。本结构中，二向色镜4606-3使用反射1.54μm波段，让0.77μm波段透过的二向色镜。
本实施方式中，在分离出的作为激发光的二次谐波4622由光检测器4608接收后通过相位同步环回路（PLL）4609进行相位同步，可以稳定地进行相敏放大。利用本结构的相敏光放大器，可以有效地利用所有被放大后的信号光，因此与第十实施方式的相敏光放大器相比，被放大的信号光的增益增加大约15%。
本实施方式中，由于将各个特性不同的二向色镜（4606-1、4606-2）用于基波光和二次谐波的分离以及二次谐波和信号光的合波，因此可以构成可获得高信号品质的相敏光放大器，特别是对信号的S/N比生成坏影响的来自EDFA的ASE光不会混入到信号光中。
下面，对本实施方式的相敏光放大器的在另一结构进行说明。
在图44至图46示出的结构中，将从信号光分支的光作为基波光使用。也就是说，基波光是将放大与信号光相同的光源而得到。例如，当用于在光通信中的发送器时，将此前说明过的同一光源用于信号光和基波光，分支基波光后追加信号光所必须的调制。另一方面，本结构中，构成如图47所示的装置以便能够对预调制的信号光进行放大。
本结构的装置可以对二进制的相位调制（BPSK）或二进制差动相位调制（DPSK）信号，或者通常强度调制等的信号进行放大，且不附带噪声。
在本结构中，为了得到基波光用光分支部4703分支信号光，用EDFA4701放大分支后的信号光。将放大后的信号光向第一二次非线性光学元件4702-1中的第一PPLN波导4705-1入射，生成信号光的二次谐波4722。为了从由第一PPLN波导4705-1出射光中只分离二次谐波使用二向色镜4706-1。通过将分离出的二次谐波向以波长0.77μm振荡的半导体激光器4712入射来进行同步注入。半导体激光器4712的输出由与半导体激光器相同的波段中具有增益半导体放大器4713放大，用二向色镜4706-2与波长为1.54μm的信号光4720合波。信号光4720和作为波长0.77μm激发光的二次谐波4722合波后，向第二PPLN波导4705-2入射，可以通过简并参量放大对信号光进行相敏放大。
为了进行相敏放大必须生成与入射到放大器的信号光的平均相位同步的激发光。在本结构中，即使在使用实施了二进制相位调制之类的信号的情况下，也可以生成与该平均相位同步的激发光。其工作原理在上述第四实施方式中说明过。
在实际的相位调制信号中，为了得到没有强度调制成分的激发光，与第四实施方式同样地优选对去除上述相位调制成分的二次谐波如本结构那样使用同步注入，与信号光的平均相位同步地作为信号光的一半波长的激发光。
在本结构中，根据使用同步注入进行了相位调制的信号光生成与平均相位同步的没有强度调制的激发光。因此，即使在假设信号光中附加了相位噪声的情况下，也可以使与原来的信号正交的相位成分通过相敏放大而使其衰减，因此可以去除信号相位和正交相位的噪声成分来进行信号再生。
在本结构中，通过二向色镜4706-3分离的作为激发光的二次谐波4722在由光检测器4708接收后，由相位同步环回路（PLL）4709按照满足（式1）关系进行同步的方式反馈到0.77μm的驱动电流，由此修正由于光学部件的振动或温度变化所引起的相位变化，可以稳定地进行相敏放大。
具体地，通过驱动电流进行相位控制以使所输出的作为激发光的二次谐波4722的输出为最小。在本结构中也可以有效利用全部被放大的信号光，因此与第四实施方式相比被放大后的信号光的增益增加了15%。
在本实施方式中，为了得到可以在第一PPLN4705-1中发生二次谐波的功率使用EDFA4701，不过从EDFA4701生成的ASE光不向进行相敏放大的第二PPLN波导4705-2入射，因此在本结构中也可以防止由光放大器的ASE光引起的信号光的S/N比劣化。另外，从以波长0.77μm操作的半导体光放大器4713也生成ASE光，不过由于该光与信号光的波长完全不同，因此可以被二向色镜4706-2、4706-3几乎完全地去除，不会使信号光的S/N比降低，可以进行相敏放大。
另外，在上述第十一实施方式中，对放大方式为简并参量方式，采用根据基波光的二次谐波作为激发光的结构进行了说明，不过第十一实施方式也可以是在所述第一至第十实施方式中所说明过的方法的任一放大方式、激发光的种类、用于相位同步的基波光的生成方法以及这些的简单组合的结构。
具体地，作为放大方式，也可以采用第七至第九实施方式中记载的非简并参量方式。
另外，作为得到激发光的方法，也可以如第五实施方式那样采用作为不同的两种波长的和频光来生成的方法。在这种情况下，为了获得相位同步，进行检测反馈的激发光不是二次谐波而是和频光。
另外，对于生成用于相位同步的基波光的方法，除了第三实施方式记载的信号光之外还可以是发送导频信号的方法，或第四和第五实施方式记载的根据调制后的信号光提取、复原载波信号的方法。
另外，在本实施方式中，使用添加了Zn的铌酸锂（LiNbO3）作为周期性极化反转的二次非线性光学材料,不过并不限于铌酸锂，使用以钽酸锂（LiTaO3）、铌酸锂和钽酸锂的混合晶体（LiNb（x）Ta(1-x)O3(0≤x≤1)）、铌酸钾（KNbO3）、磷酸钛氧钾（KTiOPO4）等为代表的二次非线性光学材料也可以获得同样的效果。另外，关于二次非线性光学材料的添加物也不限于Zn，也可以用Mg、Zn、Sc、In、Fe代替Zn，或者也可以不添加添加物。
（第十二实施方式）
如使用图6所说明的那样，根据第一实施方式可以利用简单的结构实现相敏放大。但是，在第一实施方式中存在以下所述问题。再次使用图6进行说明。
将用于相位同步的相位调制器610预先配置在EDFA601的前段，向EDFA入射的功率减小了相位调制器的插入损耗大小。我们清楚地知道，在EDFA等激光放大器中，如果存在放大前的损耗，则S/N比就会降低了该损耗量（参照非专利文献8）。像这样由于相位调制器的插入损耗引起激发光的S/N比劣化时，则该噪声部分通过参量放大过程变换为放大光的噪声，无法进行低噪声的放大。但是，在以下说明的本发明第十二实施方式中，解决了这个噪声的问题。
另外，在本实施方式中使用与第一实施方式相同的结构，也就是说放大方式为简并参量方式，使用根据基波光的二次谐波作为激发光，使用从信号光直接分支的光作为用于相位同步的基波光，而不使用根据调制后的光信号的相位同步装置。
不过本实施方式也可以是从第一实施方式到第十一实施方式所说明的方法中任一放大方式、激发光的种类、用于相位同步的基波光的生成方法、相位同步方法以及这些的简单组合的结构。
具体地，也可以采用第七至第九实施方式所记载的非简并参量方式作为放大方式。如第五实施方式所述，作为激发光，也可以采用生成不同的两种波长的和频光的方法。另外，用于相位同步的基波光的生成方法，如第三实施方式记载那样也可以除了信号光之外还发送导频信号的方法，也可以如第四和第五实施方式记载的那样，使用从调制后的信号光中提取、复原载波信号的方法。另外，作为相位同步方法，也可以如第十一实施方式的记载采用用激发光进行反馈的相位同步方法。
参照图48对本实施方式的结构进行详细说明。本实施方式为了防止第一实施方式中存在的问题，即防止用于相位同步的相位调制器的损耗所引起的光纤激光放大器中的S/N比的劣化，形成图48所示的结构。
如非专利文献8所示，与在激光放大器的前段有损耗的情况下，S/N比会降低该损耗大小，与之相反，在激光放大器的后段有损耗的情况下，输出降低了该损耗大小但是S/N比不劣化。利用这个性质，如图48所示，在本实施方式中，将相位调制器4810配置得比光纤激光放大器4801更靠近输出侧。
另外，在现有技术中不能采用图48所示的结构。其理由是，大多数现有的相位调制器由向LiNbO3（LN）晶体扩散Ti的光波导所制成。由于Ti扩散波导中光损耗显著，因此如果入射的光功率大则由于光折变效应生成折射率变化，引起漂移现象，该漂移现象为由于生成相位变化所以用于得到相同的相位条件的电压发生变化。因此，被输入到相位调制器的光功率被限制为+20dBm左右。而且，通过将插入损耗大的相位调制器配置在激光放大器后段，可以使激发光的功率衰减，不能得到足以生成光参量效应的激发光功率，不能实现具有高放大率的相敏放大。
在本实施方式中，通过将用于生成作为激发光的二次谐波4822的光波导4805-1和用于相位调制的波导集成在同一基板上，可以降低元件间的连接损耗并且可以将相位调制器4810配置在与EDFA4801相比更靠近输出侧的位置。
在二次谐波发生器中，为了光损耗更显著的二次谐波，在制作二次谐波发生器时，通常使用与Ti扩散相比耐光损耗性大的波导的形成法，通过使用与二次谐波发生器相同的波导结构相位调制器，可以利用更大的激发功率。
在本结构中，为了放大1.54μm的信号光4820，由分支部4803-1分支信号光4820的一部分作为基波光4821使用。基波光4821使用掺铒光纤激光放大器（EDFA）4801放大，并输入到集成了相位调制器4810和第一二次非线性光学元件4805-1的光波导。二次非线性光学元件（4802-1、4801-2）具有由周期性极化反转的铌酸锂（PPLN）构成的光波导（4805-1、4805-2）。
PPLN波导通过近似相位匹配可以使用铌酸锂的最大非线性光学常数d33，而且利用光波导构造可以获得更高的光功率密度，因此可以获得高波长转换效率。在向PPLN波导入射高强度的功率时，会发生由于光折变效应生成的光损耗导致相位匹配波长变化的情况，但是本实施方式中使用通过直接接合所制作出的波导以防止发生这样的问题（参照非专利文献4）。
在本实施方式中，通过使用将耐光损耗性良好的添加了Zn的铌酸锂用于纤芯的直接接合波导，来抑制相位匹配波长的变化。另外，通过利用干式蚀刻加工将纤芯直径缩小到4μm左右来实现高波长变换效率。在形成了该PPLN波导4805-1的同一基板上用相同的波导形成法集成没有周期性极化反转构造的相位调制器4810。在相位调制部中在波导上形成电场施加用电极，可以进行利用电光（EO）效应的相位调制。如上所述该波导形成法由于耐光损耗性良好，因此即使在由EDFA4801放大后的基波光4821的功率增大的情况下，也不会发生工作电压的漂移现象，可以对基波光4821进行用于光相位同步环回路（PLL）的导频相位调制。
另外，本实施方式中如上所述作为相位调制器利用了电光效应的折射率变化，不过本方法并不限于本实施方式，在其他实施方式中也可以应用以电光效应为基础的相位调制器。
使用二向色镜4806-1分离从第一PPLN波导4805-1发出的基波光4821和二次谐波4822。在二向色镜中透过的波长0.77μm的二次谐波4822经由在此波长中具有单模传播特性的保偏光纤4807导向第二二次非线性光学元件4802-2。用二向色镜4806-2将由保偏光纤4807所导入的二次谐波4822和波长1.54μm的信号光4820合波。由于二向色镜4806-2只透过二次谐波4822，可以有效地去除波长1.54μm附近的基波光4821和ASE光的残留成分，该基波光4821和ASE光从第一PPLN波导4805-1射出，在二向色镜4806-1和保偏光纤4807中通过。由二向色镜4806-2合波后的信号光4820与二次谐波4822，向第二PPLN波导4805-2入射。第二PPLN波导4805-2具有与第一PPLN波导4805-1相同的性能和相位匹配波长，通过简并参量放大可以将信号光相敏放大。从第二PPLN波导4805-2射出的光由二向色镜4806-3分离为基波光的二次谐波4822和被放大后的信号光4823。这时由于二次谐波和被放大的信号光的波长完全不同，因此可以在效地去除输出中不需要的二次谐波4822。
相敏放大中必须使激发光和信号光的相位同步，本实施方式中，输出的放大信号光4823的一部分由光分支部4803-2分支并在光检测器4808接收后通过相位同步环回路（PLL）4809进行相位同步。
在本实施方式中，使用二次谐波发生用PPLN4805-1和集成在同一基板上且配置在EDFA的输出侧的LN相位调制器4810，利用正弦波对基波光进行微弱的相位调制，由光检测器4808和PLL回路4809检测该相位调制的相位偏移，反馈到配置在EDFA4801-2之前的由PZT构成的光纤延伸器4811的驱动电压和LN相位调制器4810的偏压中，由此去除由于光纤部件的振动或温度变化所生成的光相位的变化，可以稳定地进行相敏放大。
在本实施方式中，评价以下情况的放大特性，使用LN马赫增德尔调制器作为数据信号调制器4810，将10Gb/s的NRZ信号作为输入信号输入。
在本实施方式中，在向第二PPLN波导4805-2入射的二次谐波4822的功率为300mW的条件下，可以得到约11dB的增益。此时的EDFA4801的输出功率约1W，向直接接合波导的输入功率为630mW，即使在入射如此高功率的光的情况下，也不会发生电压的漂移现象，可以实现稳定的相位同步操作。
如果将本实施方式和图6示出的结构比较，则由于本实施方式中由于相位调制器4810不在EDFA4801的输入段，因此可以将基波光4821的S/N比改善5dB左右。另外，通过集成PPLN4805-1和相位调制器4810，可以使EDFA4801的输出没有过多的损耗而有效地向二次谐波4822变换。因此，与以往相比可以抑制在EDFA4801中的基波光4821的S/N比的劣化，同时进行通过相敏放大的低噪声放大操作。
下面参照图49对本实施方式的结构的其他示例进行说明。
在本结构中，与图48示出的结构相同，为了放大1.54μm的信号4920而构成装置。在使用两个PPLN波导（4905-1、4905-2）、在一个PPLN波导（4905-1）中集成有相位调制用波导以及发生二次谐波4922进行简并参量放大方面，与图48示出的结构相同。主要的不同点在于将用于发生二次谐波4922的PPLN波导4905-1配置在比同步用相位调制器4910更靠近信号输入侧的位置。
在本结构中，通过将LN相位调制器4910配置在比PPLN波导4905-1更靠近信号输出侧的位置，与图48示出的结构相比，可以成功地将相位调制所需驱动电压减半。
说明将LN相位调制器4910配置在比二次谐波发生用PPLN波导4905-1更靠近信号输出侧的位置的效果。在从外部向光学材料施加电场、应力等外力的情况下，光学材料中生成折射率变化。将LN晶体的电光效应作为相位调制器使用，通过电场施加调制相位时，如非专利文献9所示，表示调制器性能的半波长驱动电压Vπ依赖于LN的电光系数、折射率、电场施加和波长等。特别是如果着眼于使用波长，则有以下的（式27）所示关系成立。
Vπ∝λ  （式27）
根据本结构所采用的配置可以大幅度地降低半波长驱动电压即相位调制所需电压，与图48示出的结构的配置相比半波长驱动电压即相位调制所需电压为一半。因此，可以使驱动用电源小型化，减少消耗电力。在图48示出的结构中同步所需的驱动电压为大约0.1V，在本结构中通过将光PLL中相位调制器4910配置在与PPLN波导4905-1相比更靠近输出侧的位置，可以将同步所需的驱动电压大幅降低，降低到50mV。
在本结构中，也与图48示出的结构相同，通过使用将耐光损耗性良好的添加了Zn的铌酸锂用于纤芯的直接接合波导，可以抑制相位调制部的工作电压漂移。另外，由于相位调制部4910的波导与PPLN波导部相同，设计成在1.54μm的基波波长下为单模，因此虽然二次谐波在波长0.77μm下为多模，在PPLN部4905-1生成的二次谐波4922由于相位匹配条件的限制只在基础模式下传播，因此在使PPLN部4905-1与相位调制部4910的波导设计相同的简单波导中，可以得到稳定的相位同步操作。
下面参照图50对本实施方式的结构的其他示例进行说明。
在本结构中，与图48和图49示出的结构相同，为了放大1.54μm的信号5020而构成装置。在使用两个PPLN波导5005-1、5005-2，以及发生二次谐波5022进行简并参量放大的方面也与图48和图49示出的结构相同。
在本结构中，如图50所示，作为信号光5020和二次谐波5022的合波器使用多模干扰器（Multi-mode interferometer：MMI）5012。另外，在本结构中在通过直接接合法制作的同一的基板上集成了MMI5012、用于光PLL的导频用相位调制器5010以及进行简并参量放大的第二PPLN波导5005-2。
在本结构中，对直接接合LN基板而制作的波导层利用干式蚀刻加工形成脊形，该LN基板只将进行简并参量放大的区域极化反转。而且，MMI的信号光输入端口的脊上集成了电场施加用的金属电极。
对集成在基板上的合波器即MMI5012的宽度、长度和输入输出端口位置进行优化设计，具有以下特性，以信号光和激发光都以插入损耗1dB以下在第二PPLN波导5005-2中合波。
为了使得残存在激发光端口的信号成分不被合波，优化MMI形状。因此，可以将图49的结构下难以避免的相位调制器与合波器之间以及合波器与第二PPLN波导之间的连接损耗的影响抑制在最小限度。在本结构中，由于在信号光端口集成了相位调制器5010，因此可以将PPLN波导5005-2和相位调制器5010之间的连接损耗抑制在最小限度。因此，可以将相敏性光放大器的整体插入损耗抑制在最小限度。
相敏型光放大器的输入端的插入损耗直接关系到作为放大器的噪声指数的增加。在图48和图49示出的结构中，想要调制信号光的相位时，使用独立于PPLN的相位调制器，由于该连接损耗致使噪声指数增加。根据本结构相关的结构，可以防止由于这种连接损耗所造成的噪声指数的增加，同时通过相敏放大进行低噪声操作。
在本实施方式中，通过使用将耐光损耗性良好的添加了Zn的铌酸锂用于纤芯的直接接合波导，可以抑制相位匹配部的工作电压漂移。
下面参照图51对本实施方式的结构的其他示例进行说明。
在本结构中，使用集成后的MMI5112、相位调制器5110以及进行简并参量放大的第二PPLN波导5105-2的方面与图50示出的结构相同。
本结构与图50所示的结构的不同点在于，将由用于发生二次谐波的二次非线性元件5102-1生成的激发光5122输入到相位调制器5110的端口侧，将信号光5120输入到另一端口。通过将激发光5122输入到相位调制器5110，与图49所示结构同样，可以对波长变为信号的1/2的激发光进行相位调制。由此，与图50所示的结构相比，可以保持同程度的S/N比和放大率特性不变，将相位调制所需的驱动电压减半。
在本实施方式中，通过使用将耐光损耗性良好的添加了Zn的铌酸锂用于纤芯的直接接合波导，可以抑制相位匹配部的工作电压漂移。因此可以将相位调制器5110配置在用于生成基波光的EDFA5101的后方，将EDFA5101中的S/N比劣化抑制在最小限度，进行放大操作。
在本发明的图50和图51示出的结构中，为了从集成了MMI、相位调制器以及PPLN波导的元件中只分离出信号光，作为滤波器使用了二向色镜，但是也可以代替上述方式，通过将为了只分离信号而设计的MMI集成在同一基板中，得到更小型的相敏型光放大器。
下面参照图52对本实施方式的结构的其他示例进行说明。
本结构与图51示出的结构相同，为了放大1.54μm的信号5220而构成装置。在使用两个PPLN波导5205-1、5205-2方面以及发生二次谐波5222进行简并参量放大的方面也与图51示出的结构相同。
图52表示的结构与图51示出的结构的区别点在于，在形成用于发生二次谐波的第一PPLN波导5205-1的同一LN晶体基板上通过直接接合法制作、集成了用于生成激发光的PPLN波导5205-1、用于光PLL的导频用相位调制器5210以及用于将激发光和信号光合波的MMI5212。
对集成在基板上的合波器即MMI5212的宽度、长度和输入输出端口位置进行优化设计，具有以下特性，信号光和激发光都以插入损耗1dB以下进行合波。
利用本结构，可以将图49的结构下难以避免的用于发生二次谐波的二次非线性光学元件与相位调制器之间以及相位调制器和合波器之前的连接损耗的影响抑制在最小限度。
另外，在本实施方式中，使用了添加Zn的铌酸锂（LiNbO3）作为周期性极化反转的二次非线性光学材料，不过并不限于铌酸锂，使用以钽酸锂（LiTaO3）、铌酸锂和钽酸锂的混合晶体（LiNb（x）Ta(1-x)O3(0≤x≤1)）、铌酸钾（KNbO3）、磷酸钛氧钾（KTiOPO4）等为代表的二次非线性光学材料也可以获得同样的效果。另外，关于二次非线性光学材料的添加物也不限于Zn，也可以用Mg、Zn、Sc、In、Fe代替Zn，或者也可以不添加添加物。
（第十三实施方式）
图53表示本实施方式的包含相敏光放大器的光接收装置的结构。在本实施方式中，与第六实施方式的结构同样，为了放大1.54μm的信号而构成装置。在使用两个PPLN波导、发生二次谐波进行简并参量放大方面以及通过使用了相位调制器的光相位同步环回路（PLL）进行相位同步的方面，与第六实施方式相同（参照图24）。
图53表示的实施方式和图24示出的实施方式的不同点在于，在一PPLN中集成有相位调制用波导，以及为了能够接收差动相位调制（DPSK）构成接收装置整体。
本发明中使用用于相位同步的相位调制器，但是如果该相位调制器的损耗大，则向用于生成基波光的第一EDFA的输入变小，这部分激发光的S/N比降低。在为了抑制该效果而在激光放大器的后段出现损耗的情况下，虽然使输出降低了损耗的大小，但是S/N比未劣化。
本实施方式中，为了利用上述性质，将相位调制器5310配置在比光纤激光放大器5301-2更靠近输出侧的位置。
在通常的通过Ti扩散而构成的LN调制器中，如果入射了由EDFA放大后的基波光，则由于光折变效应生成工作点的漂移，因此不能采用如本实施方式的结构。而且，通过将插入损耗大的相位调制器配置在激光放大器后段，由此使基波光的功率衰减，不能得到足以生成光参量效果的激发光功率，不能实现具有高放大率的相敏放大。
因此，在本实施方式中，将用于发生作为激发光的二次谐波的光波导5305-1和用于相位调制器5310的波导集成在同一基板上降低元件间的连接损耗。而且，相位调制器5310配置在比光纤激光放大器5301-2更靠近输出侧的位置。
在本实施方式中，通过使用将耐光损耗性良好的添加了Zn的铌酸锂用于纤芯的直接接合波导，来抑制相位匹配波长的变化。另外，通过利用干式蚀刻加工将纤芯直径缩小到4μm左右来实现高波长变换效率。用相同的波导形成法在形成了PPLN波导的同一基板上集成没有周期性极化反转构造的相位调制器。在相位调制部中在波导上形成电场施加用电极，可以利用EO效应进行相位调制。如上所述该波导形成方法由于耐光损耗性良好，因此即使在由EDFA放大后的基波光的功率变大的情况下也不会发生工作电压的漂移现象，可以对基波光进行用于光相位同步环回路（PLL）的导频的相位调制。
相敏放大的操作与第六实施方式相同。使用第一光纤激光放大器（EDFA）5301-2放大基波光5321。放大后的基波光向第一二次非线性光学元件5302-1入射并发生二次谐波5322。通过向第二二次非线性光学元件5302-2入射信号光5320和二次谐波5322进行简并参量放大，由此来进行相敏放大。
在EDFA5301-2和第一二次非线性光学元件5302-1之间插入带通滤波器5304-2，去除不需要的ASE光。
在本实施方式中，用光分支部5303将输出的放大信号光的一部分分支，在光检测器5308接收后利用相位同步环回路（PLL）5309进行相位同步。
使用集成在第一PPLN波导5305-1中的相位调制器5310利用正弦波对基波光5321进行微弱的相位调制。由光检测器5308和PLL回路5309检测该相位调制的相位偏移，反馈到配置在EDFA5301-2之前的由PZT构成的光纤延伸器5311的扩展器的驱动电压和相位调制器5310的偏压中，来吸收由于光纤部件的振动或温度变化所生成的光相位的变化，可以稳定地进行相敏放大。
相敏光放大器的输出与EDFA5301-1连接进一步进行放大后，由带通滤波器5304-1去除信号光的频带外的背景光。另外，第六实施方式中为了接收NRZ信号而构成装置，而本实施方式中，在前置放大器之后配置迟延干涉仪5314、平衡器PD5315以及限幅放大器5312，可以接收差动相位调制的信号。
向本实施方式的光接收装置中入射40Gbit/s的DPSK信号来评价接收特性。图54表示根据错误率测量来评价本实施方式的光接收装置的接收灵敏度的结果。
参照图54，例如用于得到10-9的错误率的入射功率，相对于使用以往的EDFA的情况下的-32.9dBm，使用本实施方式的情况下以降低了约1.6dB的-34.5dBm可以得到相同的错误率，由此可知根据利用了本实施方式低噪音的光放大的光接收，能够提高接收灵敏度。
另外，在本实施方式中，为了接收DPSK而构成装置，不过接收的信号格式并不限于此，即使是对于例如光双二进制（Duobinary）等其他信号格式，如果是使用前置光放大器的装置则通过改变接收器的结构来应用本发明可以提高接收灵敏度。
另外，在本实施方式中，接收灵敏度的提高量为1.6dB，还有进一步提高的空间。在相敏光放大器的进行参量增大的第二PPLN波导和输入光纤之间存在耦合损耗时，则整体噪声指数降低了该损耗的量。在本实施方式中，输入光纤和PPLN波导的耦合损耗为2dB。如果对用于光耦合的光学系统优化，则接收灵敏度可以提高由于该耦合损耗而降低的量。
另外，本实施方式中，将同步用相位调制器（图53的5310）配置在用于发生二次谐波的PPLN波导（图53的5305-1）之前，但是颠倒该顺序时，变为调制二次谐波的相位，可以将相位调制所需电压减半。另外，在之前示出的实施方式中二向色镜被组合在各个PPLN波导中，进行基波和二次谐波的合波、分波，也可以使用通过波导回路构成的合波器、分波器，在与PPLN相同的基板上集成这些合波、分波功能。通过这样的集成可以降低信号光和激发光的损耗，可以进一步提高整体的S/N比。
另外，通过将这些合波、分波功能，相位调制的功能，发生二次谐波的功能，放大光参量的功能按照需要集成在同一基板上，如果进一步减少实现各个功能的部分之间的耦合损耗，则可以进一步提高S/N比，而且可以增大相敏光放大器的增益。
所述（式20）中的相敏光放大器的增益G1被增大时，则由于对后段的激光放大器的噪声指数的影响进一步减小，可以减小整体的噪声指数，可以在更低的噪声下进行光放大。由此，如果用作光中继器用的光放大器，则可以延长中继间隔，如果用于光接收器则可以进一步提高接收灵敏度。
另外，在本实施方式中也与第一实施方式的结构相同，即放大方式为简并参量方式，激发光为来自基波光的二次谐波，作为用于相位同步的基波光的生成方法，使用从信号光中直接分支的光，而不使用来自调制后的光信号的相位同步装置。
不过，本实施方式也可以采用从上述的第一实施方式到第十一实施方式所说明过的方法中的任一放大方式、激发光的种类、用于相位同步的基波光的生成方法、相位同步方法和这些的简单组合的结构。
具体地说，作为放大方式，也可以采用第七至第九实施方式所述的非简并参量方式；如第五实施方式所记载，作为激发光，也可以采生成不同的两种波长的和频光的方法。另外，对于用于相位同步的基波光的生成方法，也可以如第三实施方式的记载采用在信号光之外发送导频信号的方法，也可以如第四实施方式和第五实施方式的记载，采用从调制后的信号光中提取、复原载波信号的方法。另外，对于相位同步方法，也可以如第十一实施方式的记载采用用激发光进行反馈的相位同步方法。
在本实施方式中，使用了添加Zn的铌酸锂（LiNbO3）作为周期性极化反转的二次非线性光学材料，不过并不限于铌酸锂，使用以钽酸锂（LiTaO3）、铌酸锂和钽酸锂的混合晶体（LiNb（x）Ta(1-x)O3(0≤x≤1)）、铌酸钾（KNbO3）、磷酸钛氧钾（KTiOPO4）等为代表的二次非线性光学材料也可以获得同样的效果。另外，关于二次非线性光学材料的添加物也不限于Zn，也可以用Mg、Zn、Sc、In、Fe代替Zn，或者也可以不添加添加物。
（第十四实施方式）
图55表示本实施方式的相敏光放大器的结构。本实施方式与第十二实施方式相同，为了放大1.54μm的信号5520而构成装置（参照图52）。在使用两个PPLN波导5505-1、5505-2方面、发生二次谐波5522进行简并参量放大方面，与第十二实施方式相同。
图55表示的实施方式和图52示出的实施方式的不同点在于，在同一基板上利用直接接合法制作、集成用于生成激发光的第一PPLN波导5505-1、用于光PLL的导频用相位调制器5510、用于对激发光和信号光进行合波的MMI5512以及进行简并参量放大的第二PPLN波导5505-2。
如图55所示，在本实施方式中，在同一LN晶体波导上集成了几乎所有的相敏放大所需模块。因此，由于在用于发生二次谐波的二次非线性光学元件与相位调制器之间、相位调制器与合波器之间以及合波器与第二二次非线性光学元件之间没有连接损耗，因此可以抑制噪声指数的增加和激发光的损耗，同时通过相敏放大进行低噪声操作。
由图55可知，本实施方式也和第十二实施方式或第十三实施方式相同，为了从第二PPLN波导5505-2输出的信号中只分离出信号光，使用二向色镜5506，如果将为了只分离信号光而设计的MMI集成在同一基板中，则可以实现更小型的相敏型光放大器。
另外，本实施方式也与第一实施方式为相同的结构，即，放大方式为简并参量方式，激发光使用来自基波光的二次谐波，作为用于相位同步的基波光的生成方法，使用从信号光中直接分支的光，而不使用根据调制后的光信号的相位同步装置。
不过，本实施方式也可以是从第一实施方式到第十一实施方式所说明的方法中的任一放大方式、激发光的种类、用于相位同步的基波光的生成方法、相位同步方法和这些的简单组合的结构。
具体地说，作为放大方式，也可以采用第七至第九实施方式所记载的非简并参量方式。作为激发光，也可以如第五实施方式的记载采用生成不同的两种波长的和频光的方式。另外，用于相位同步的基波光的生成方法，也可以如第三实施方式的记载采用在信号光之外发送导频信号的方法，或如第四和第五实施方式的记载，采取从调制后的信号光中提取、复原载波信号的方法。另外，作为相位同步方法，也可以如第十一实施方式的记载采用用激发光进行反馈的相位同步方法。
在本实施方式中，使用了添加Zn的铌酸锂（LiNbO3）作为周期性极化反转的二次非线性光学材料，不过并不限于铌酸锂，使用以钽酸锂（LiTaO3）、铌酸锂和钽酸锂的混合晶体（LiNb（x）Ta(1-x)O3(0≤x≤1)）、铌酸钾（KNbO3）、磷酸钛氧钾（KTiOPO4）等为代表的二次非线性光学材料也可以获得同样的效果。另外，关于二次非线性光学材料的添加物也不限于Zn，也可以用Mg、Zn、Sc、In、Fe代替Zn，或者也可以不添加添加物。
（第十五实施方式）
参照图56对本实施方式的相敏光放大器的结构的一个示例进行说明。设计为图56所示的放大器的结构的目的在于，防止发生现有技术中称为问题的、将二次谐波发生（SHG）用PPLN、信号光和二次谐波的合分波器以及简并参量放大（DPA）用PPLN集成在同一基板上时无法避免的基板尺寸增大的情况。
在同一LN基板5620上集成用于进行二次谐波的发生和简并参量放大的PPLN5621和作为合分波器的多模干扰器（MMI）5622，成为对通过光隔离器5623而输入的波长1.56μm的信号光5615进行放大的结构。
对集成后的MMI5622的波导宽度、波导长度以及输入输出端口位置进行优化设计，具有波长1.56μm的信号光以插入损耗约为1.0dB的低损耗与简并参量放大用PPLN5621耦合的特性。
信号光的一部分被耦合器5603分支作为基波光5616使用。基波光5616通过信号光和激发光相位同步用相位调制器5604输入到EDFA5605。基波光5616通过EDFA5605放大后，经由光循环器5625从基板右端输入。从右端输入的放大后的基波光5618在PPLN波导5621中传播，在到达MMI5622之前几乎全变换为二次谐波成分，该PPLN波导5621一起进行二次谐波的发生和简并参量放大。MMI5622具有将该二次谐波以插入损耗1.0dB与下段的输出波导5628耦合的低损耗。
之后，二次谐波5617在基板左端被在波长0.78μm下具有高反射率99.99%的光学多层膜滤波器高效地反射。
接着，二次谐波5617再次经由MMI与PPLN波导5621耦合，在PPLN波导5621中传播，该PPLN波导5621一起进行二次谐波发生和简并参量放大。在PPLN波导5621中传播期间，二次谐波5617通过MMI与合波后的信号光5615光混合，利用简并参量放大来放大信号光。
对基板的端面处理进行说明。本实施方式中，左侧的两个波导5627、5628形成不同的形状。具体地，波长1.56μm的信号光用的光波导5627形成为弯曲形状，波长0.78μm的激发光（二次谐波）用的波导5328形成直线形状。决定这两个波导的输入部共同的一个端面，通过沿着这个端面切除两个波导来进行端面处理。在1.56μm信号光用波导5627相对于端面倾斜，相对于0.78μm激发光用波导5638为垂直的位置设置输出端的形状并进行端面加工。因此，可以将1.56μm信号光用波导5627的端面加工为具有6°角度的形状。另外，在输入基波光的右端，与左端相同，进行相对于PPLN波导成为6°角度的端面加工。
而且，在左右的基板端面加工后，对左右基板端面分别进行不同的端面处理。在左右的基板端面加工后，通过溅射在左端形成对于1.56μm的光的防止反射（AR）膜5629以及对于0.78μm的光的高反射（HR）膜5630。
另外，对基板右端，与左端同样，通过溅射形成对于1.56μm和0.78μm的光的防止反射（AR）膜5629、5631。通过以上处理，实现对于所希望波长的光具有反射功能或无反射功能的波导端面。
在本实施方式中，与第一实施方式同样，将LN马赫增德尔调制器作为数据信号用调制器使用，评价将10Gb/s的NRZ信号作为输入信号输入时的放大特性，可以得到约11dB的增益。但是，本结构有以下所述的问题点。
在相敏型光放大器中的通过非线性光学介质进行的参量放大作用自身本质上可以进行低噪声光放大。但是，本结构的实际操作中有下述附带的噪声影响。激发光本身所包含的噪声通过参量放大过程变换为放大光的噪声。
在图56示出的结构中，将用于相位同步的相位调制器5604配置在EDFA5605的前段，向EDFA入射的功率减小了相位调制器的插入损耗的大小。我们清楚地知道，在EDFA等的激光放大器中，如果存在放大器前的损耗，则由于S/N比就会劣化该部分大小（参照非专利文献8）。由此，由于相位调制器的插入损耗使激发光的S/N比劣化时，该噪声成分通过参量放大过程变换为放大光的噪声，无法进行低噪声的放大。但是，以下说明的本施方式的其他结构的相敏光放大器中解决了这个噪声的问题。
参照图57对本实施方式的相敏光放大器的结构的另一示例进行说明。为了防止发生图56示出的结构中的问题，即由于用于相位同步的相位调制器的损耗致使光纤激光放大器中S/N比劣化，做出图57所示的结构。
如非专利文献8所示，激光放大器中，在激光放大器的前段有损耗的情况下，S/N比劣化了该损失量，与此相对，在激光放大器的后段有损耗的情况下，虽然输出降低了该损失量，但是S/N比也不劣化。因此，利用这个性质，如图57所示，本结构中，将相位调制器5704配置在比起光纤激光放大器5705更靠近输出侧的位置。
另外，现有技术不能采用图57所示的结构。其理由是，大多数现有的相位调制器是由向LiNbO3（LN）晶体扩散Ti后的光波导所制成的。由于在Ti扩散波导中光损耗显著，因此入射大光功率则由于光折变效应生成折射率变化，会发生用于得到相同相位变化量的电压变化的漂移现象。因此，可以输入到相位调制器的光功率被限制为+20dBm左右。而且，通过将插入损耗大的相位调制器配置在激光放大器的后段，会使基波光的功率衰减，无法得到足以生成光参量效应的激发光功率，不能实现具有高放大率的相敏放大。
因此，在图57所示的结构中，将相位调制器5704配置在比起EDFA5705更靠近输出侧的位置。在二次谐波发生器中为了处理光损耗更显著的二次谐波，比Ti扩散相比通常使用耐光损耗性大的波导形成法，通过使用与二次谐波发生器相同的波导构成相位调制器，可以利用更大的激发功率。
在图57所示的结构中，由于相位调制器5704不在EDFA5705的输入段，因此可以将激发光的S/N比改善5dB。
在向PPLN波导入射的二次谐波的功率为300mW的条件下，可以得到约11dB的增益。此时的EDFA4801的输出功率约1W，向直接接合波导的输入功率为630mW，即使在入射如此高功率的光时也不发生工作电压的漂移现象，可以实现稳定的相位同步操作。
另外，在向PPLN波导入射高强度的功率时，有时相位匹配波长会由于光折变效应导致的光损耗而变化。为了防止该相位匹配波长的变化，替代图57所示结构中所使用的相位调制器5704，也可以使用通过直接接合法制作的二次非线性光学器件，该直接接合法为耐光损耗性大的波导形成法。现已知道通过使用将耐光损耗性良好的添加了Zn的铌酸锂用于纤芯的直接接合波导，可以抑制相位匹配波长的变化。另外，通过利用干式蚀刻加工将纤芯直径缩小到4μm左右来实现更高的波长变换效率。
参照图58对本实施方式的相敏光放大器结构的再另一个示例进行说明。图58所示的结构中，使用了通过端面加工和直接接合法制作的二次非线性光学器件。图58所示结构和上述结构的不同点在于将信号光和激发光的同步用相位调制器集成在与非线性光学晶体相同的一基板上。配置成在该集成化二次非线性光学器件中的基波光的二次谐波折回用波导中进行相位调制。
用与上述相同的波导形成法在形成了PPLN波导的同一基板上集成没有周期性极化反转构造的相位调制器5834。在相位调制部中在波导上形成电场施加用电极5835，可以利用电光（EO）效应进行相位调制。
如上所述该波导形成方法的耐光损耗性良好，因此即使在由EDFA5805放大后的基波光的功率增大的情况下，也不会发生工作电压的漂移现象，可以对基波光实施用于光PLL的导频的相位调制。
在本结构中，由于集成了相位调制器，与如图56及图57示出的在外部连接单独的装置的结构相比连接损耗降低。因此，由于可以得到高强度的激发光，所以S/N比提高。
另外，通过在激发光的二次谐波的折回用波导上形成相位调制器用电极，大幅成功地降低了装置尺寸。
这里，对相位调制器配置在二次谐波折回用波导上的效果进行了说明。在从外部向光学材料施加电场、应力等外力的情况下，光学材料中生成折射率变化。将LN晶体的电光效应作为相位调制器使用，通过电场施加调制相位时，如非专利文献9所示，表示调制器性能的半波长驱动电压Vπ依赖于LN的电光系数、折射率、施加电场和波长等。其中，特别关注波长时，则以下的（式28）所示关系成立。
Vπ∝λ  （式28）
半波长驱动电压即相位调制所需的电压，根据图58所示结构中所采用的配置，与第一实施方式示出的配置的情况相比大幅地降低，为一半。而且，通过左端的端面处理，该二次谐波被有效地反射再次通过相同的相位调制器时，由于添加了与去路的相位变化量等量的相位变化，所以全相位变化量成为2倍。因此，根据这些叠加效果，在相位调制用电压恒定的情况下，可以大幅缩小必要的光路长度即相位调制部的长度。
在本实施方式中，也如前所述，通过使用将耐光损耗性良好的添加了Zn的铌酸锂用于纤芯的直接接合波导，可以抑制相位匹配部的工作电压漂移。另外，由于相位调制部的波导与PPLN波导部相同，设计为在1.54μm的基波波长下为单模，因此虽然二次谐波的波长0.77μm下为多模，在PPLN部生成的二次谐波由于相位匹配条件的限制只以基础模式传播，因此在使PPLN部与相位调制部的波导设计相同的简单波导中，可以得到稳定的相位同步操作。
参照图59对本实施方式的相敏光放大器结构的另一个示例进行说明。
再图59所示的结构中，在使用通过端面加工且通过直接接合法制作的二次非线性光学器件的方面、将信号光和激发光的同步用相位调制器集成在与非线性光学晶体同一基板上的方面与图58所示的结构相同。
图59所示的结构和图58示出的结构的不同点在于，信号光和激发光的同步用相位调制器5934被配置为，在集成化二次非线性光学器件中的信号光波导中对信号光实施相位调制。在图56至图58所示的结构中，采用使光PLL用相位调制器对激发光发挥作用的配置，不过即使如图59所示采用相位调制器对信号光发挥作用的配置，也可以实现完全相同的相位同步。
在信号光侧插入市场出售的相位调制器以构成相敏光放大装置的情况下，相位调制器的插入损耗的影响比较大，到达简并参量变换（DPA）部之前信号光衰减。因此，放大器的S/N比的劣化不可避免。因此为了解决这个问题，如图59所示，在同一基板中集成对信号光的相位调制的功能。可以发现根据图59表示的结构与在信号光侧插入市场出售的相位调制器的情况相比，S/N比提高了3dB。
另外，本实施方式与第一实施方式也为相同结构，即，放大方式为简并参量方式，激发光为来自基波光的二次谐波，作为用于相位同步的基波光的生成方法使用从信号光直接分支出的光，而不使用根据调制后的光信号的相位同步装置。
但是，本实施方式也可以采用从上述第一实施方式到第十一实施方式所说明的方法中的任一放大方式、激发光的种类、用于相位同步的基波光的生成方法、相位同步方法和这些的简单组合的结构。
具体地说，作为放大方式，也可以采用第七至第九实施方式的非简并参量方式。作为激发光，也可以如第五实施方式所记载采用生成不同的两种波长的和频光的方法。另外，用于相位同步的基波光的生成方法，也可以如第三实施方式的记载采用除信号光之外发送导频信号的方法，或如第四和第五实施方式的记载采用从调制后的信号光中提取、复原载波信号的方法。另外，作为相位同步方法，也可以如第十一实施方式所记载采用用激发光进行反馈的相位同步方法。
在本实施方式中，使用了添加Zn的铌酸锂（LiNbO3）作为周期性极化反转的二次非线性光学材料，不过并不限于铌酸锂，使用以钽酸锂（LiTaO3）、铌酸锂和钽酸锂的混合晶体（LiNb（x）Ta(1-x)O3(0≤x≤1)）、铌酸钾（KNbO3）、磷酸钛氧钾（KTiOPO4）等为代表的二次非线性光学材料也可以获得同样的效果。另外，关于二次非线性光学材料的添加物也不限于Zn，也可以用Mg、Zn、Sc、In、Fe代替Zn，或者也可以不添加添加物。
符号说明
101 相敏光放大器
102 激发光源
103 激发光移送控制部
104-1、104-2 光分支部
110 输入信号光
111 激发光
112 输出信号光
201 激光光源
202 SHG晶体
203 OPA晶体
210 信号光
211 激发光
401 激发光相位同步装置
402 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
403 光纤
404 滤波器
410 输入信号光
411-1、411-2 激发光
412 输出信号光
501 第一光纤
502 第二光纤
503 光纤放大器
601 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
602-1、602-2 二次非线性光学元件
603-1、603-2 光分支部
604 带通滤波器
605-1、605-2 PPLN波导
606-1、606-2、606-3 二向色镜
607 保偏光纤
608 光检测器
609 相位同步环回路（PLL）
610 相位调制器
611 由PZT构成的光纤延伸器
620 信号光
621 基波光
622 二次谐波
623 激发光
624 强度调制器
701 信号光
702-1、702-2 激发光
703 ASE光
704 基波光
705 二次谐波
901-1、901-2 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
902-1、902-2、902-3 二次非线性光学元件
903-1、903-2 光分支部
904-1、904-2 带通滤波器
905-1、905-2 PPLN波导
906-1、906-2、906-3、906-4 二向色镜
907 单模光纤
908 光检测器（光电二极管）
909 相位同步环回路（PLL）
910 相位调制器
911 由PZT构成的光纤延伸器
912 衰减器
922 二次谐波
930 外部谐振型半导体LD（ECL）
931 电场吸收型（EA）调制器
932 脉冲图形发生器（PPG）
933 光电二极管
934 限幅放大器
935 时钟数据恢复（CDR）电路
936 错误检测器（ED）
1201 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
1202-1、1202-2 二次非线性光学元件
1203 光分支部
1204 带通滤波器
1206-1、1206-2、1206-3、1206-4 二向色镜
1208 光检测器（光电二极管）
1209 相位同步环回路（PLL）
1210 调制器
1211 由PZT构成的光纤延伸器
1212 衰减器
1213 循环器
1214 光源
1230 偏振控制器
1231 偏振分光镜（PBS）
1240 调制信号光
1241 放大信号光
1300 外部谐振型半导体激光器
1301 光分支器
1302 LN马赫增德尔调制器
1303 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
1304 偏振光镜
1305 偏振分光镜（PBS）
1310 调制信号光
1501 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
1502-1、1502-2 二次非线性光学元件
1503-1、1503-2 光分支部
1505-1、1505-2 PPLN波导
1506-1、1506-2、1506-3 二向色镜
1508 光检测器
1509 相位同步环回路（PLL）
1512 半导体激光器
1513 半导体光放大器
1520 信号光
1522 二次谐波
1601-1、1601-2 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
1602-1、1602-2、1602-3 二次非线性光学元件
1603-1、1603-2、1603-3、1603-4 光分支部
1604-带通滤波器
1605-1、1605-2、1605-3 PPLN波导
1606-1、1606-2、1606-3、1606-4 二向色镜
1608 光检测器（光电二极管）
1609 相位同步环回路（PLL）
1610 相位调制器
1611 由PZT构成的光纤延伸器
1612 波长合分波器
1613 光循环器
1630 偏振控制器
1631 外腔谐振激光器
1632 半导体激光器
1633 PM-VOA
1634 隔离器
1640 输入信号光
1641-1、1641-2 基波光
1642 基波光
1701 信号光
1702-1、1702-2 基波光
1703 ASE光
1704 和频光
1801 信号光
1802 第一基波光
1803 第二基波光
1804 和频光
1805 二次谐波
2201-1、2201-2、2201-3 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
2202-1、2202-2、2202-3 二次非线性光学元件
2203-1、2203-2、2203-3 光分支部
2204 带通滤波器
2205-1、2205-2、2205-3 PPLN波导
2206-1、2206-2、2206-3 二向色镜
2208 光检测器（光电二极管）
2210 相位调制器
2212 波长合分波器
2213 光循环器
2214 反射镜
2230 偏振控制器
2231 外腔谐振激光器
2232 半导体激光器
2240 输入信号光
2301-1、2301-2 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
2302-1、2302-2、2302-3、2302-4 二次非线性光学元件
2303-1、2303-2、2303-3 光分支部
2304-1、2304-2 带通滤波器
2305-1、2305-2、2305-3、2305-4 PPLN波导
2306-1、2306-2、2306-3、2306-4、2306-5、2306-6 2306-7 二向色镜
2308 光检测器（光电二极管）
2309 相位同步环回路（PLL）
2310 相位调制器
2311 由PZT构成的光纤延伸器
2312 波长合分波器
2313 光循环器
2315 隔离器
2330 偏振控制器
2331 外腔谐振激光器
2332 半导体激光器
2333 PM-VOA
2340 输入信号光
2401-1、2401-2 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
2402-1、2402-2 二次非线性光学元件
2403 光分支部
2404-1、2404-2 带通滤波器
2405-1、2405-2 PPLN波导
2406-1、2406-2、2406-3 二向色镜
2407 保偏光纤
2408-1、2408-2 光检测器
2409 相位同步环回路（PLL）
2410 相位调制器
2411 由PZT构成的光纤延伸器
2412 限幅放大器
2413 识别器
2420、2423 信号光
2421 基波光
2422 二次谐波
2801 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
2802-1、2802-2 二次非线性光学元件
2803 光分支部
2804 带通滤波器
2805-1、2805-2 PPLN波导
2806-1、2806-2、2806-3 二向色镜
2807 保偏光纤
2808 光检测器
2809 相位同步环回路（PLL）
2810 相位调制器
2811 由PZT构成的光纤延伸器
2820 信号光
2821 基波光
2822 二次谐波
2901 信号光
2902 激发光
2903 ASE光
2904 附带的变换光
3001 信号光
3002 基波光
3003 ASE光
3004 二次谐波（SH光）
3301 单一波长光源
3302 光分支部
3303 光调制器
3304 图形生成器
3305 LN调制器
3306 EDFA
3307 光分支部
3501 单一波长光源
3502 光分支部
3503 调制器
3504 分波器
3505 光调制器
3506 合波器
3507 EDFA
3508 相位调制器
3601 单一波长光源
3602 光分支部
3603 调制器
3604 分波器
3605 光调制器
3606 合波器
3607 EDFA
3608 相位调制器
3701 单一波长光源
3702 光分支部
3703 调制器
3704 分波器
3705 光调制器
3706 合波器
3707 EDFA
3708 相位调制器
3901 单一波长光源
3902 光分支部
3903 调制器
3904 EDFA
3905 相位调制器
3906 分波器
3907 光调制器
3908 合波器
4001 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
4002-1、4002-2 二次非线性光学元件
4003 光分支部
4004 带通滤波器
4005-1、4005-2 PPLN波导
4006 二向色镜
4007 光检测器
4008 相位同步环回路（PLL）
4009 相位调制器
4010 由PZT构成的光纤延伸器
4011 衰减器
4012 循环器
4013 激发光源（半导体激光器）
4020 偏振控制器
4021 中心波长分离滤波器
4022 色散补偿（调整）介质
4030 信号光
4031 放大后的信号光
4101 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
4102-1、4102-2 二次非线性光学元件
4103-1、4103-2 光分支部
4105-1、4105-2 PPLN波导
4106-1、4106-2、4106-3 二向色镜
4107 保偏光纤
4108 光检测器
4109 相位同步环回路（PLL）
4110 相位调制器
4111 由PZT构成的光纤延伸器
4120 信号光
4121 基波光
4122 二次谐波
4201 相敏光放大器
4202 激发光源
4203 激发光相位制御部
4204-1、4204-2 光分支部
4210 输入信号光
4211 激发光
4212 输出信号光
4213 二次谐波
4401 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
4402-1、4402-2 二次非线性光学元件
4403 光分支部
4404 带通滤波器
4405-1、4405-2 PPLN波导
4406-1、4406-2、4406-3 二向色镜
4407 保偏光纤
4408 光检测器
4409 相位同步环回路（PLL）
4410 相位调制器
4411 由PZT构成的光纤延伸器
4420 信号光
4421 基波光
4422 二次谐波
4424 数据信号用调制器
4425 旁路滤波器
4501 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
4502-1、4502-2 二次非线性光学元件
4503 光分支部
4504 带通滤波器
4505-1、4505-2 PPLN波导
4506-1、4506-2 二向色镜
4507 保偏光纤
4508 光检测器
4509 相位同步环回路（PLL）
4510 相位调制器
4511 由PZT构成的光纤延伸器
4520 信号光
4521 基波光
4522 二次谐波
4523 放大后的信号光
4524 数据信号用调制器
4526 MMI型光合分波器
4601 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
4602-1、4602-2 二次非线性光学元件
4603 光分支部
4605-1、4605-2 PPLN波导
4606-1、4606-2、4606-3 二向色镜
4607 保偏光纤
4608 光检测器
4609 相位同步环回路（PLL）
4610 相位调制器
4611 由PZT构成的光纤延伸器
4620 信号光
4621 基波光
4622 二次谐波
4623 放大后的信号光
4701 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
4702-1、4702-2 二次非线性光学元件
4703 光分支部
4705-1、4705-2 PPLN波导
4706-1、4706-2、4706-3 二向色镜
4708 光检测器
4709 相位同步环回路（PLL）
4712 半导体激光器
4713 半导体光放大器
4720 信号光
4722 二次谐波
4723 放大后的信号光
4801 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
4802-1、4802-2 二次非线性光学元件
4803-1、4803-2 光分支部
4805-1、4805-2 PPLN波导
4806-1、4806-2、4806-3 二向色镜
4807 保偏光纤
4808 光检测器
4809 相位同步环回路（PLL）
4810 相位调制器
4811 由PZT构成的光纤延伸器
4820 输入信号光
4821 基波光
4822 二次谐波
4823 输出信号光
4901 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
4902-1、4902-2 二次非线性光学元件
4903-1、4903-2 光分支部
4905-1、4905-2 PPLN波导
4906-1、4906-2、4906-3 二向色镜
4907 保偏光纤
4908 光检测器
4909 相位同步环回路（PLL）
4910 相位调制器
4911 由PZT构成的光纤延伸器
4920 输入信号光
4921 基波光
4922 二次谐波
4923 输出信号光
5001 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
5002-1、5002-2 二次非线性光学元件
5003-1、5003-2 光分支部
5005-1、5005-2 PPLN波导
5006-1、5006-2 二向色镜
5008 光检测器
5009 相位同步环回路（PLL）
5010 相位调制器
5011 由PZT构成的光纤延伸器
5012 MMI
5020 输入信号光
5021 基波光
5022 二次谐波
5023 输出信号光
5101 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
5102-1、5102-2 二次非线性光学元件
5103-1、5103-2 光分支部
5105-1、5105-2 PPLN波导
5106-1、5106-2 二向色镜
5108 光检测器
5109 相位同步环回路（PLL）
5110 相位调制器
5111 由PZT构成的光纤延伸器
5112 MMI
5120 输入信号光
5121 基波光
5122 二次谐波
5123 输出信号光
5201 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
5202-1、5202-2 二次非线性光学元件
5203-1、5203-2 光分支部
5205-1、5205-2 PPLN波导
5206 二向色镜
5208 光检测器
5209 相位同步环回路（PLL）
5210 相位调制器
5211 由PZT构成的光纤延伸器
5212 MMI
5220 输入信号光
5221 基波光
5222 二次谐波
5223 输出信号
5301-1、5301-2 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
5302-1、5302-2 二次非线性光学元件
5303 光分支部
5304-1、5304-2 带通滤波器
5305-1、5305-2 PPLN波导
5306-1、5306-2、5306-3 二向色镜
5307 保偏光纤
5308 光检测器
5309 相位同步环回路（PLL）
5310 相位调制器
5311 由PZT构成的光纤延伸器
5312 限幅放大器
5313 识别器
5314 迟延干涉仪
5315 平衡器PD
5320 信号光
5321 基波光
5322 二次谐波
5501 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
5502 二次非线性光学元件
5503-1、5503-2 光分支部
5505-1、5505-2 PPLN波导
5506 二向色镜
5508 光检测器
5509 相位同步环回路（PLL）
5510 相位调制器
5511 由PZT构成的光纤延伸器
5512 MMI
5520 输入信号光
5521 基波光
5522 二次谐波
5523 输出信号光
5603、5609 耦合器
5604 相位调制器
5605 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
5606 相位同步环回路（PLL）
5607 光检测器
5615 信号光
5616 基波光
5617 二次谐波
5618 放大后的基波光
5619 输出光
5620 LiNbO3基板
5621 PPLN波导
5622 多模干扰器（MMI）
5623 光隔离器
5624 光纤延伸器
5625 光循环器
5626 低通滤波器
5627 信号光用波导
5628 激发光（二次谐波）用波导
5629 信号光波段反射防止用光学薄膜
5630 二次谐波波段反射用光学薄膜
5631 二次谐波波段反射防止用光学薄膜
5632、5633 LN基板端面
5635 电场施加用电极
5703、5709 耦合器
5704 相位调制器
5705 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
5706 相位同步环回路（PLL）
5707 光检测器
5715 信号光
5716 基波光
5717 二次谐波
5718 放大后的基波光
5719 输出光
5720 LiNbO3基板
5721 PPLN波导
5722 多模干扰器（MMI）
5723 光隔离器
5724 光纤延伸器
5725 光循环器
5726 低通滤波器
5735 电场施加用电极
5803、5809 耦合器
5805 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
5806 相位同步环回路（PLL）
5807 光检测器
5815 信号光
5816 基波光
5817 二次谐波
5818 放大后的基波光
5819 输出光
5820 LiNbO3基板
5821 PPLN波导
5822 多模干扰器（MMI）
5823 光隔离器
5824 光纤延伸器
5825 光循环器
5826 低通滤波器
5834 使用直接接合LiNbO3脊形波导的相位调制器
5835 电场施加用电极
5903、5909 耦合器
5905 掺铒光纤激光放大器（EDFA）
5906 相位同步环回路（PLL）
5907 光检测器
5915 信号光
5916 基波光
5917 二次谐波
5918 放大后的基波光
5919 输出光
5920 LiNbO3基板
5921 PPLN波导
5922 多模干扰器（MMI）
5923 光隔离器
5924 光纤延伸器
5925 光循环器
5926 低通滤波器
5934 相位调制器
5935 电场施加用电

Claims (29)

1.一种相敏型光放大装置，通过使用非线性光学效应的光混合来放大信号光，其中，所述相敏型光放大装置包括：
光纤激光放大器，用于放大基波光；
二次非线性光学元件，具有用于根据所述基波光生成和频光的光波导并由周期性极化反转的二次非线性光学材料构成；
用于从所述基波光和所述和频光中分离出所述和频光的滤波器；
将所述信号光与作为激发光的所述和频光进行合波操作的合波器；
具有使用所述激发光对所述信号光执行参量放大的光波导的二次非线性光学元件，该二次非线性光学元件由周期性极化反转的二次非线性光学材料构成；
以光谱的方式从所述激发光分离放大后的所述信号光的滤波器；以及
使所述信号光的相位和所述激发光的相位同步的同步装置。
2.如权利要求1所述的相敏型光放大装置，其中，
所述和频光是二次谐波。
3.如权利要求1所述的相敏型光放大装置，其中，
所述参量放大是简并参量放大。
4.如权利要求1所述的相敏型光放大装置，其中，
所述参量放大是非简并参量放大。
5.如权利要求4所述的相敏型光放大装置，其中，
所述信号光由一个或多个信号光对构成，所述一个或多个信号光对中的每一对关于所述激发光即所述和频光的一半光频为对称，并具有相同或反转的相位信息。
6.如权利要求1所述的相敏型光放大装置，其中，
使所述信号光的相位和所述激发光的相位同步的同步装置包括：
相位调制器和光学长度延伸器；
分支装置，用于将所述放大后的信号光的一部分或所述激发光的一部分分支；
检测装置，用于检测与所述相位调制器调制后的相位变化对应的由所述分支装置分出的光的强度变化；以及
相位同步环回路，用于以所述检测装置所检测到的光的强度变化为基础对所述相位调制器和所述光学长度延伸器进行反馈，以使所述放大后的信号光的强度最大化。
7.如权利要求1所述的相敏型光放大装置，其中，
使所述信号光的相位和所述激发光的相位同步的同步装置包括：
生成所述基波光的半导体激光器或者生成与所述基波光或所述激发光相位同步的光的半导体激光器；
分支装置，用于将所述放大后的信号光的一部分或所述激发光的一部分分支；
检测装置，用于检测由所述分支装置分支后的光的强度变化；以及
相位同步环回路，用于以所述检测装置所检测到的光的强度变化为基础，对生成所述基波光的半导体激光器的驱动电流进行反馈或者对生成与所述基波光或所述激发光相位同步的光的半导体激光器进行反馈，以使所述放大后的信号光的强度最大化。
8.如权利要求1所述的相敏型光放大装置，其中，
所述信号光还具有波长连续光的导频，
所述相敏型光放大装置还具有分支所述信号光的一部分的分支装置和半导体激光光源，
所述半导体激光光源通过所述波长连续光的导频进行光同步注入，
与注入光相位同步的从所述半导体激光光源输出的波长连续光被用作所述基波光。
9.如权利要求1所述的相敏型光放大装置，其中，
所述相敏型光放大装置还具有半导体激光光源和分支所述信号光的一部分的分支装置，
所述半导体激光光源通过只分离所述和频光的滤波器所输出的所述和频光进行光同步注入，
与注入光相位同步的从所述半导体激光光源输出的波长连续光被用作所述激发光。
10.如权利要求1所述的相敏型光放大装置，其中，还包括：
分支装置，其分支所述信号光的一部分；
半导体激光光源；
光源，其用于生成第一基波光；
具有用于生成所述信号光的二次谐波的光波导的二次非线性光学元件，其由周期性极化反转的二次非线性光学材料构成；以及
具有用于生成第一基波光与已生成的二次谐波之间的差频光的光波导的二次非线性光学元件，其由周期性极化反转的二次非线性光学材料构成，
其中，所述半导体激光器通过已生成的差频光进行同步注入，将与注入光相位同步的从所述半导体激光光源输出的连续光作为第二基波光，使用所述第一基波光和所述第二基波光，通过具有用于根据基波光生成和频光的光波导的二次非线性光学元件生成所述和频光。
11.如权利要求1所述的相敏型光放大装置，还包括：
分支装置，用于分支所述信号光的一部分；
半导体激光光源；
光源，其用于生成第一基波光；以及
具有用于生成所述信号光的二次谐波的且用于生成所述第一基波光与已生成的二次谐波之间的差频光的光波导的二次非线性光学元件，其由周期性极化反转的二次非线性光学材料构成，
其中，将已生成的差频光向所述半导体激光器同步注入，将与注入光相位同步的从所述半导体激光光源输出的连续光作为第二基波光，使用所述第一基波光和所述第二基波光，通过具有用于根据基波光生成和频光的光波导的二次非线性光学元件生成所述和频光。
12.如权利要求1所述的相敏型光放大装置，其中，
从所述基波光和所述和频光中只分离出所述和频光的滤波器是使用电介质膜的二向色镜或使用多模干扰的光分波元件。
13.如权利要求1所述的相敏型光放大装置，其中，
将所述信号光和作为所述激发光的所述和频光合波的合波器是使用电介质膜的二向色镜或使用多模干扰的光合波元件。
14.如权利要求1所述的相敏型光放大装置，其中，
将所述放大后的信号光和所述激发光分离的滤波器是使用了电介质膜的二向色镜或使用了多模干扰的光分波元件。
15.如权利要求1所述的相敏型光放大装置，其中，
在所述和频光的波长下为单模的保偏光纤中传播所述和频光。
16.如权利要求1所述的相敏型光放大装置，其中还包括带通滤波器，所述带通滤波器位于所述光纤激光放大器和所述具有用于生成和频光的光波导的二次非线性光学元件之间。
17.如权利要求1所述的相敏型光放大装置，其中，
所述具有用于生成和频光的光波导的二次非线性光学元件和所述具有用于进行参量放大的光波导的二次非线性光学元件能够分别进行温度调整。
18.一种光接收装置，其中，
由权利要求1所述的相敏型光放大装置和光电二极管构成，
所述相敏型光放大装置还具有附接于所述相敏型光放大装置的光纤激光放大器和使所述放大后的信号光附近的波长透过的带通滤波器。
19.一种光发送装置，其中，
由权利要求1所述的相敏型放大装置、生成信号光的光源、光调制器以及将来自所述光源的输出的一部分分支的分支装置构成，将所分支出的来自所述光源的输出的一部分用作所述基波光。
20.如权利要求1所述的相敏型光放大装置，其中，
所述相敏型光放大装置在比所述光纤激光放大器更靠近输出侧的位置还具有相位调制器，
所述相位调制器由通过直接接合法制作出的光波导构成。
21.如权利要求1所述的相敏型光放大装置，还具有相位调制器，其中，
所述相位调制器被集成在所述具有用于生成和频光的光波导的二次非线性光学元件中，
所述相位调制器与所述用于生成和频光的光波导在同一波导上相邻地形成，与所述用于生成和频光的光波导的前段或后段连接。
22.如权利要求1所述的相敏型光放大装置，还具有相位调制器，
其中，
所述相位调制器、所述从基波光与和频光中只分离出和频光的滤波器以及所述将信号光和激发光合波的合波器被集成在所述具有用于生成和频光的光波导的二次非线性光学元件中，
所述滤波器和所述合波器与所述光波导在同一波导上相邻地形成，
所述相位调制器连接至所述合波器的前段，
所述滤波器连接至所述合波器的前段，
所述用于生成和频光的光波导连接至所述滤波器以及所述合波器的前段。
23.如权利要求1所述的相敏型光放大装置，还具有相位调制器，其中，
所述相位调制器、所述从基波光与和频光中只分离出和频光的滤波器以及所述将信号光和激发光合波的合波器被集成在所述具有用于进行参量放大的光波导的二次非线性光学元件中，
所述相位调制器和所述合波器与所述光波导在同一波导上相邻地形成，
所述滤波器连接至所述合波器的前段，
所述光波导连接至所述合波器的后段，
所述相位调制器连接至所述合波器的前段。
24.如权利要求1所述的相敏型光放大装置，还具有相位调制器，其中，
所述相位调制器、所述从基波光与和频光中只分离出和频光的滤波器以及所述将信号光和激发光合波的合波器被集成在所述具有用于生成和频光的光波导的二次非线性光学元件中，
集成后的所述用于生成和频光的二次非线性光学元件和所述用于进行参量放大的二次非线性光学元件被一体化为一个光学元件，
所述用于生成和频光的光波导、所述从基波光与和频光中只分离出和频光的滤波器、所述将信号光和激发光合波的合波器以及所述用于进行参量放大的光波导在同一波导上相邻地形成，
所述相位调制器连接至所述将信号光和激发光合波的合波器的前段，
所述从基波光与和频光中只分离出和频光的滤波器连接至所述合波器的前段，
所述用于生成和频光的光波导连接至所述从基波光与和频光中只分离出和频光的滤波器以及所述合波器的前段，
所述用于进行参量放大的光波导连接至所述合波器的后段。
25.如权利要求1所述的相敏型光放大装置，其中还包括：
相位调制器；
反射装置，用于反射所述和频光；
光循环器，用于将所述基波光入射到所述具有用于根据基波光生成和频光的光波导的二次非线性光学元件，并且使所述放大后的信号光透过；
第一光波导，用于输入所述信号光及用于输出由所述从基波光与和频光中只分离和频光的滤波器分离出的基波光；以及
第二光波导，用于连接所述反射装置和所述合波器，
其中，所述滤波器、所述合波器、所述第一光波导以及所述第二光波导被集成在所述具有用于生成和频光的光波导的二次非线性光学元件中，
所述具有用于根据基波光生成和频光的光波导的二次非线性光学元件的光波导与所述具有用于使用激发光进行信号光的参量放大的光波导的二次非线性光学元件的光波导被共用，
所述滤波器和所述合波器被共用，
被共用的光波导、被共用的合波器以及所述第二波导在同一波导上相邻地形成，
被共用的光波导、所述第一光波导以及所述第二光波导与所述合波器连接。
26.如权利要求25所述的相敏型光放大装置，其中，
切割所述第一光波导的与所述合波器连接的连接面的相反侧的剖面以使得所述剖面与所述第一光波导的轴形成大于0°小于90°的角度，被共用的光波导的输入/输出端面中的至少一个端面被处理成与被共用的光波导的轴形成大于0°小于90°的角度。
27.如权利要求25所述的相敏型光放大装置，其中，
所述相位调制器被集成在所述具有用于根据基波生成和频光的光波导的二次非线性光学元件中，所述相位调制器与所述合波器在同一波导上相邻地形成。
28.如权利要求1所述的相敏型光放大装置，其中，
所述周期性极化反转的二次非线性光学材料包括LiNbO3、KNbO3、LiTaO3、LiNbxTa1-xO3（0≤x≤1）、KTiOPO4、或者包含选自Mg、Zn、Fe、Sc、In中的至少一种作为添加物的所述LiNbO3、KNbO3、LiTaO3、LiNbxTa1-xO3（0≤x≤1）、KTiOPO4中的一种光学材料。
29.如权利要求1所述的相敏型光放大装置，其中，
所述用于生成和频光的光波导和所述用于进行参量放大的光波导为通过将具有非线性光学效应的第一基板和与第一基板相比折射率小的第二基板直接粘合在一起而制作成的直接接合光波导。
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