JP2011145554A - 光増幅器および光増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信号光を劣化させずに増幅すること。
【解決手段】光増幅器１００は、入力された信号光１０１を光パラメトリック増幅する。光増幅器１００は、励起光源１１０と、光カプラ１２０と、増幅部１３０と、光フィルタ１４０と、を備えている。励起光源１１０は、信号光１０１とは波長が異なる励起光１０２を出力する。光カプラ１２０は、励起光源１１０によって出力された励起光１０２と信号光１０１を合波する。増幅部１３０は、光カプラ１２０によって合波された光を透過させる非線形光学媒質１３１，１３３を有し、信号光１０１と励起光１０２に起因するアイドラ光１０３を非線形光学媒質１３１，１３３の途中で除去する。光フィルタ１４０は、増幅部１３０を透過した光から信号光１０１を抽出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、信号光を増幅する光増幅器および光増幅装置に関する。

信号光を増幅する従来技術として、ＥＤＦＡ（Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：エルビウム添加ファイバ増幅器）や、非線形光学媒質を用いた光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）がある。ＥＤＦＡは、添加されている希土類元素（Ｅｒ）に依存した利得帯域を持つ。これに対して、光パラメトリック増幅器は、光ファイバの零分散波長を調整することで利得帯域が確保されるため、広い利得帯域（たとえば、下記非特許文献１参照。）と高い利得量（たとえば、下記非特許文献２参照。）が得られる。また、光パラメトリック増幅器は低い雑音指数を実現することができる（たとえば、下記非特許文献３参照。）。

また、ＥＤＦＡは、比較的遅い緩和時間を持つ誘導放出過程により信号光を増幅するため、利得飽和領域においても信号光波形に変化を与えない。これに対して、光パラメトリック増幅器においては高速なパラメトリック過程により増幅するため、利得飽和領域において信号光波形の強度に対して非線形な出力をするため波形整形器としても用いられる。

光パラメトリック増幅器は、信号光と非線形光学媒質の零分散波長付近の波長である励起光を合波し、非線形光学媒質内で光パラメトリック過程により信号光を増幅する。光パラメトリック増幅器は、たとえば、信号光と異なる波長の励起光、信号光と励起光を合波する光カプラ、非線形光学媒質および信号光を取り出す光フィルタを備える。

Ｍ−Ｃ．Ｈｏ，Ｋ．Ｕｅｓａｋａ，Ｍ．Ｍａｒｈｉｃ，Ｙ．Ａｋａｓａｋａ，ａｎｄ Ｌ．Ｇ．Ｋａｚｏｖｓｋｙ，"２００−ｎｍ−Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ａｎｄ Ｒａｍａｎ Ｇａｉｎ"Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗ．Ｔｅｃｈｎｏｌ，１９，ｐｐ．９７７−９８１，２００１ Ｔｈｏｍａｓ Ｔｏｒｏｕｎｉｄｉｓ，Ｐｅｔｅｒ Ａ．Ａｎｄｒｅｋｓｏｎ，ａｎｄ Ｂｅｎｇｔ−Ｅｒｉｋ Ｏｌｓｓｏｎ，"Ｆｉｂｅｒ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｗｉｔｈ ７０−ｄＢ Ｇａｉｎ"ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ，１８，ｐｐ．１１９４−１１９６，２００６ Ｔｏｎｇ，Ｃ． Ｌｕｎｄｓｔｒｏｍ，Ａ． Ｂｏｇｒｉｓ，Ｍ．Ｋａｒｌｓｓｏｎ，Ｐ．Ａｎｄｒｅｋｓｏｎ，ａｎｄ Ｄ．Ｓｙｖｒｉｄｉｓ，"Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｕｂ−１ｄＢ Ｎｏｉｓｅ Ｆｉｇｕｒｅ ｉｎ ａ Ｎｏｎ−Ｄｅｇｅｎｅｒａｔｅ Ｃａｓｃａｄｅｄ Ｐｈａｓｅ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｆｉｂｒｅ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，"，３５ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ｐａｐｅｒ １．１．２，２００９

しかしながら、上述した従来技術では、光パラメトリック過程で非線形光学媒質において異常分散波長の光が発生するため、変調不安定現象（非線形光学効果）により雑音が増大する。このため、信号光を増幅する際に雑音が大きくなり信号品質が劣化するという問題がある。つぎに、光パラメトリック増幅による雑音の増大について具体的に説明する。

図８−１〜図８−４は、光パラメトリック増幅による雑音の増大を示す図である。図８−１〜図８−４において、横軸は波長（λ）を示し、縦軸は光パワーを示している。図８−１に示すように、光パラメトリック増幅器においては、互いに波長が異なる信号光８０１および励起光８０２が合波されて非線形光学媒質へ入力される。波長λｓは信号光８０１の波長を示している。波長λｐは励起光８０２の波長を示している。

信号光８０１および励起光８０２が非線形光学媒質へ入力されると、図８−２に示すように、高次の効果として、四光波混合によってアイドラ光８０３が発生する。波長λｉはアイドラ光８０３の波長を示している。アイドラ光８０３の波長λｉは異常分散波長となるため、図８−３に示すように、アイドラ光８０３の雑音が増大する。

このため、図８−４に示すように、雑音が増大したアイドラ光８０３は励起光８０２の強度を変調し、励起光８０２が大きな雑音を持つことになる。そして、大きな雑音を持った励起光８０２は信号光８０１の強度を変調することになるため、信号光８０１の雑音が増大する。このように、光パラメトリック増幅においては、非線形光学媒質においてアイドラ光８０３が発生するため、変調不安定（非線形光学効果）によって信号光８０１の雑音が増大する。

開示の光増幅器および光増幅装置は、上述した問題点を解消するものであり、信号光の持つ雑音を増大させず信号品質を維持しつつ増幅することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、開示技術は、入力された信号光を光パラメトリック増幅する光増幅器において、前記信号光とは波長が異なる励起光を出力する励起光源と、前記励起光源によって出力された励起光と前記信号光を合波する合波部と、前記合波部によって合波された光を透過させる非線形光学媒質を有し、前記信号光と前記励起光に起因するアイドラ光を前記非線形光学媒質の途中で除去する増幅部と、前記増幅部を透過した光から前記信号光を抽出する抽出フィルタと、を備えることを要件とする。

開示の光増幅器および光増幅装置によれば、信号光の持つ雑音を増大させずに信号品質を維持しつつ増幅することができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる光増幅器を示す図である。 実施の形態２にかかる光増幅器を示す図である。 実施の形態３にかかる光増幅器を示す図である。 実施の形態４にかかる光増幅器を示す図である。 光パラメトリック増幅による利得飽和特性を示すグラフである。 実施の形態５にかかる光増幅装置を示す図である。 実施の形態６にかかる光増幅器を示す図である。 光パラメトリック増幅による雑音の増大を示す図（その１）である。 光パラメトリック増幅による雑音の増大を示す図（その２）である。 光パラメトリック増幅による雑音の増大を示す図（その３）である。 光パラメトリック増幅による雑音の増大を示す図（その４）である。

以下に添付図面を参照して、開示の光増幅器および光増幅装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。開示の光増幅器および光増幅装置は、光パラメトリック増幅を行う非線形光学媒質の途中でアイドラ光を除去することで、非線形光学媒質によって増幅される光に含まれるアイドラ光を低減し、信号光の劣化を抑えつつ増幅する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１にかかる光増幅器を示す図である。図１において、信号光１０１および励起光１０２の横軸は時間（ｔ）を示している。図１に示すように、実施の形態１にかかる光増幅器１００は、励起光源１１０と、光カプラ１２０と、増幅部１３０と、光フィルタ１４０と、を備えている。光増幅器１００は、前段の伝送路から入力された信号光１０１を光パラメトリック増幅する。信号光１０１は、たとえば、強度変調されたＲＺ（Ｒｅｔｕｒｎ ｔｏ Ｚｅｒｏ）信号である。信号光１０１の波長を波長λｓとする。

励起光源１１０は、励起光１０２を生成して光カプラ１２０へ出力する。励起光１０２は、信号光１０１とは波長が異なる励起光である。励起光１０２の波長を波長λｐとする。また、励起光１０２は、たとえばＣＷ光（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）である。

光カプラ１２０は、信号光１０１と励起光１０２を合波して増幅部１３０へ出力する合波部である。符号１２０ａは、光カプラ１２０から出力される光を示している。符号１２０ａにおいて、横軸は波長（λ）を示し、縦軸は光パワーを示している（符号１３１ａ，１３２ａ，１３３ａにおいても同様）。符号１２０ａに示すように、光カプラ１２０から出力される光には、信号光１０１および励起光１０２が含まれている。

増幅部１３０は、光カプラ１２０から出力された光を透過させる非線形光学媒質１３１，１３３を有し、信号光１０１と励起光源１１０に起因するアイドラ光を非線形光学媒質１３１，１３３の途中で除去する増幅部である。具体的には、増幅部１３０は、非線形光学媒質１３１と、光フィルタ１３２と、非線形光学媒質１３３と、を備えている。

ここで、増幅部１３０において、光カプラ１２０から出力された光に含まれる信号光１０１を所望の利得で増幅するための非線形光学媒質の合計の長さをＬとする。この場合に、非線形光学媒質１３１，１３３の各長さを、各長さの合計がＬになるように設計する。たとえば、非線形光学媒質１３１，１３３の長さをそれぞれＬ／２とする。

非線形光学媒質１３１は、光カプラ１２０から出力された光を透過させて光フィルタ１３２へ出力する第一非線形光学媒質である。符号１３１ａは、非線形光学媒質１３１から出力される光を示している。符号１３１ａに示すように、非線形光学媒質１３１から出力される光には、信号光１０１、励起光１０２およびアイドラ光１０３が含まれている。アイドラ光１０３は、信号光１０１と励起光１０２に起因して非線形光学媒質１３１の四光波混合によって発生する。アイドラ光１０３の波長を波長λｉとする。波長λｉは、たとえば、波長λｓおよび波長λｐを用いて波長λｉ＝２λｐ−λｓと表すことができる。

光フィルタ１３２は、非線形光学媒質１３１から出力された光に含まれる信号光１０１および励起光１０２を透過させて非線形光学媒質１３３へ出力する。また、光フィルタ１３２は、非線形光学媒質１３１から出力された光に含まれるアイドラ光１０３を透過させずに除去する除去フィルタである。光フィルタ１３２には、たとえば多層膜フィルタなどの光帯域透過フィルタを用いることができる。

光フィルタ１３２から出力される光には、信号光１０１および励起光１０２が含まれており、アイドラ光１０３は含まれていない。光フィルタ１３２の帯域透過特性１３２Ａは、信号光１０１の波長λｓおよび励起光１０２の波長λｐを透過させ、アイドラ光１０３の波長λｉ＝２λｐ−λｓを透過させないように設計されている。

非線形光学媒質１３３は、光フィルタ１３２から出力された光を透過させて光フィルタ１４０へ出力する第二非線形光学媒質である。符号１３３ａは、非線形光学媒質１３３から出力される光を示している。符号１３３ａに示すように、非線形光学媒質１３３から出力される光には、信号光１０１、励起光１０２およびアイドラ光１０３が含まれている。

非線形光学媒質１３３から出力される光には、非線形光学媒質１３３の四光波混合によって発生したアイドラ光１０３が含まれる。ただし、このアイドラ光１０３は、長さがＬ／２の非線形光学媒質１３３において発生したアイドラ光であるため、たとえば長さがＬの非線形光学媒質において発生したアイドラ光より小さい。

増幅部１３０は、たとえば、非線形光学媒質１３１、光フィルタ１３２および非線形光学媒質１３３を別々に形成して組み合わせることによって実現される。または、増幅部１３０は、アイドラ光１０３を除去するブラッググレーティングを非線形光学媒質の途中に部分形成することによって実現してもよい。この場合は、非線形光学媒質の両端がそれぞれ非線形光学媒質１３１および非線形光学媒質１３３となり、非線形光学媒質のブラッググレーティングが形成された部分が光フィルタ１３２となる。

非線形光学媒質１３１，１３３のそれぞれは、たとえば励起光１０２の波長と一致または略一致する平均零分散波長を有する光ファイバによって実現することができる。または、非線形光学媒質１３１，１３３のそれぞれは、励起光１０２の波長と一致または略一致する平均零分散波長を有する周期分極ニオブ酸リチウムによって実現することができる。

光フィルタ１４０は、増幅部１３０から出力された光に含まれる信号光１０１を透過させて後段へ出力する抽出フィルタである。また、光フィルタ１４０は、増幅部１３０から出力された光に含まれる励起光１０２およびアイドラ光１０３は透過させない。これにより、増幅部１３０によって増幅された信号光１０１を抽出して出力することができる。

このように、実施の形態１にかかる光増幅器１００によれば、非線形光学媒質１３１と非線形光学媒質１３３の間の光フィルタ１３２によって、非線形光学媒質１３１において発生するアイドラ光１０３を除去することができる。非線形光学媒質１３１と非線形光学媒質１３３の間（非線形光学媒質の途中）でアイドラ光１０３を除去することで、非線形光学媒質１３３において、非線形光学媒質１３１で発生したアイドラ光１０３がない状態で光パラメトリック増幅を行うことができる。このため、非線形光学媒質１３３におけるアイドラ光を介した雑音の増大を抑え、信号光１０１を劣化させずに増幅することができる。

また、光フィルタ１３２によってアイドラ光１０３を除去しても信号光１０１と励起光１０２の相互作用は維持されるため、十分な利得を得ることができる。たとえば、増幅部１３０においては、長さＬの非線形光学媒質を用いる場合と同等の利得を得ることができる。また、光フィルタ１３２は信号光１０１を透過させるため、非線形光学媒質１３３における利得帯域は狭まらず、増幅部１３０において十分な利得帯域を得ることができる。

図１においては、増幅部１３０において２つの非線形光学媒質（非線形光学媒質１３１，１３３）を用いる構成について説明したが、非線形光学媒質は３つ以上用いてもよい。この場合は、非線形光学媒質の各間にアイドラ光１０３を除去する光フィルタを設けるとよい。これにより、非線形光学媒質の途中でアイドラ光１０３をこまめに除去し、アイドラ光１０３がより少ない状態で光パラメトリック増幅を行うことができる。このため、信号光をさらに劣化させずに増幅することができる。

（実施の形態２）
図２は、実施の形態２にかかる光増幅器を示す図である。図２において、図１に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図２に示すように、実施の形態２にかかる光増幅器１００は、図１に示した増幅部１３０に代えて帯域透過性非線形光学媒質２１０を備えている。光カプラ１２０は、信号光１０１と励起光１０２を合波した光を帯域透過性非線形光学媒質２１０へ出力する。

帯域透過性非線形光学媒質２１０は、信号光１０１および励起光１０２を透過させて光フィルタ１４０へ出力し、アイドラ光１０３を透過させない帯域透過特性を有する非線形光学媒質である。帯域透過性非線形光学媒質２１０は、たとえば、非線形光学媒質の全体にブラッググレーティングを形成することで実現することができる。または、帯域透過性非線形光学媒質２１０は、フォトニック結晶ファイバなどの帯域透過特性を有する非線形光学媒質によって実現することができる。

帯域透過性非線形光学媒質２１０を透過する光２１０ａには、信号光１０１および励起光１０２が含まれている。また、帯域透過性非線形光学媒質２１０においてはアイドラ光１０３（図１参照）も発生するが、帯域透過性非線形光学媒質２１０はアイドラ光１０３を透過させない帯域透過特性２１０Ａを有する。

このため、帯域透過性非線形光学媒質２１０を透過する光にはアイドラ光１０３は含まれない。帯域透過性非線形光学媒質２１０から出力される光２１０ｂには、信号光１０１および励起光１０２が含まれ、アイドラ光１０３は含まれていない。

このように、実施の形態２にかかる光増幅器１００によれば、アイドラ光１０３を透過させない帯域透過特性を有する帯域透過性非線形光学媒質２１０を用いることで、光パラメトリック増幅の過程で発生するアイドラ光１０３を除去することができる。帯域透過性非線形光学媒質２１０（非線形光学媒質の途中）でアイドラ光１０３を除去することで、帯域透過性非線形光学媒質２１０においてアイドラ光１０３がない状態で光パラメトリック増幅を行うことができる。このため、帯域透過性非線形光学媒質２１０におけるアイドラ光を介した雑音の増大を抑え、信号光１０１を劣化させずに増幅することができる。

（実施の形態３）
図３は、実施の形態３にかかる光増幅器を示す図である。図３において、図１に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。実施の形態３にかかる光増幅器１００は、光パラメトリック増幅器を多段に接続して構成する。具体的には、実施の形態３にかかる光増幅器１００は、図３に示すように、図１に示した構成に加えて励起光源３１０および光カプラ３２０を備えている。

増幅部１３０の光フィルタ１３２は、非線形光学媒質１３１から出力された光に含まれる信号光１０１を透過させて光カプラ３２０へ出力する。また、光フィルタ１３２は、非線形光学媒質１３１から出力された光に含まれる励起光１０２およびアイドラ光１０３は透過させずに除去する。励起光源３１０は、信号光１０１とは波長が異なる励起光３０１を生成して光カプラ３２０へ出力する第二励起光源である。励起光３０１はたとえばＣＷ光である。ここでは、励起光３０１の波長を励起光１０２と同じ波長λｐとする。

光カプラ３２０は、増幅部１３０の非線形光学媒質１３１の後段に設けられている。光カプラ３２０には、光フィルタ１３２からの信号光１０１と、励起光源３１０からの励起光３０１と、が入力される。光カプラ３２０は、信号光１０１と励起光３０１を合波して非線形光学媒質１３３へ出力する第二合波部である。非線形光学媒質１３３は、光カプラ３２０から出力された光を透過させて光フィルタ１４０へ出力する。

このように、実施の形態３にかかる光増幅器１００によれば、光フィルタ１３２によって励起光１０２およびアイドラ光１０３を除去するとともに、励起光源３１０および光カプラ３２０によって励起光３０１を非線形光学媒質１３３へ入力することができる。これにより、光フィルタ１３２によって励起光１０２を除去しても非線形光学媒質１３３において光パラメトリック増幅を行うことができるため、実施の形態１にかかる光増幅器１００と同様の効果を得ることができる。

また、光フィルタ１３２は、励起光１０２およびアイドラ光１０３を透過させない帯域透過特性であるため、光フィルタ１４０と同じ帯域透過特性である。このため、光フィルタ１３２および光フィルタ１４０を効率よく製造し、製造コストを抑えることができる。なお、励起光源１１０および励起光源３１０は、それぞれ別の光源によって実現されてもよいし、一つの光源によって実現されてもよい。

図３においては、増幅部１３０において２つの非線形光学媒質（非線形光学媒質１３１，１３３）を用いる構成について説明したが、非線形光学媒質は３つ以上用いてもよい。この場合は、非線形光学媒質の各間に、光フィルタ１３２、励起光源３１０および光カプラ３２０を設ける。これにより、非線形光学媒質の途中でアイドラ光１０３をこまめに除去し、アイドラ光１０３がより少ない状態で光パラメトリック増幅を行うことができる。このため、信号光をさらに劣化させずに増幅することができる。

また、励起光３０１の波長を励起光１０２と同じ波長λｐにする構成について説明したが、励起光３０１の波長は信号光１０１の波長λｓと異なる波長であればよい。たとえば、励起光３０１の波長を波長λｐ２（≠λｓ，λｐ）とする場合は、光フィルタ１４０において、波長λｐ２およびアイドラ光１０３を除去するように帯域透過特性を設定する。これにより、励起光３０１の波長を波長λｐ２としても、光フィルタ１４０において信号光１０１を抽出することができる。

（実施の形態４）
図４は、実施の形態４にかかる光増幅器を示す図である。図４において、図１に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図４に示すように、実施の形態４にかかる光増幅器１００は、図１に示した構成に加えて偏波ビームスプリッタ４１０および偏波制御器４２０を備えている。光カプラ１２０は、信号光１０１と励起光１０２を合波した光を偏波ビームスプリッタ４１０へ出力する。

偏波ビームスプリッタ４１０は、光カプラ１２０から出力された光を偏波ごとに分離する。たとえば、偏波ビームスプリッタ４１０は、光を水平偏波と垂直偏波に分離する。そして、偏波ビームスプリッタ４１０は、分離した水平偏波の光を増幅部１３０へ出力するとともに、分離した垂直偏波の光を偏波制御器４２０へ出力する。また、偏波ビームスプリッタ４１０は、偏波制御器４２０から出力された垂直偏波の光と、増幅部１３０から出力された水平偏波の光と、を合波して光フィルタ１４０へ出力する。

増幅部１３０は、たとえば図１に示した増幅部１３０である。増幅部１３０は、偏波ビームスプリッタ４１０から出力された水平偏波の光を透過させて増幅し、増幅した光を偏波制御器４２０へ出力する。また、増幅部１３０は、偏波制御器４２０から出力された垂直偏波の光を透過させて増幅し、増幅した光を偏波ビームスプリッタ４１０へ出力する。

このように、増幅部１３０において、偏波ごとに分離された各光が逆方向に透過する偏波ダイバーシティループとすることで、信号光１０１の偏波状態によらずに増幅部１３０において光パラメトリック増幅を行うことができる。光増幅器１００は、図１に示した増幅部１３０に限らず、図２に示した帯域透過性非線形光学媒質２１０や、図３に示した増幅部１３０および励起光源３１０を用いてもよい。

偏波ダイバーシティループの具体的な構成については、たとえば非特許文献（Ｋ．Ｋ．Ｙ．Ｗｏｎｇ，Ｍ．Ｅ．Ｍａｒｈｉｃ，Ｋａｔｓｕｍｉ Ｕｅｓａｋａ，ａｎｄ Ｌ．Ｇ．Ｋａｚｏｖｓｋｙ，“Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｏｎｅ−Ｐｕｍｐ Ｆｉｂｅｒ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ”ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ，１４，ｐｐ．１５０６−１５０９，２００２）を適用することができる。

偏波制御器４２０は、増幅部１３０から出力された水平偏波の光の偏波を一定に制御し、偏波を制御した光を偏波ビームスプリッタ４１０へ出力する。また、偏波制御器４２０は、偏波ビームスプリッタ４１０から出力された垂直偏波の光の偏波を一定に制御し、偏波を制御した光を増幅部１３０へ出力する。

これにより、増幅部１３０および偏波制御器４２０から偏波ビームスプリッタ４１０へ入力される各光の偏波を一定に制御し、偏波ビームスプリッタ４１０において合波された光を精度よく光フィルタ１４０へ出力することができる。

このように、実施の形態４にかかる光増幅器１００によれば、偏波ビームスプリッタ４１０を用いて偏波ダイバーシティループとすることで、増幅部１３０における光パラメトリック増幅を偏波無依存化することができる。このため、入力される信号光１０１の偏波状態を制御しなくても、信号光１０１を劣化させずに増幅することができる。

また、偏波制御器４２０によって偏波ごとの各光の偏波を一定に制御することで、偏波ビームスプリッタ４１０において合波された光を精度よく光フィルタ１４０へ出力することができる。これにより、偏波ビームスプリッタ４１０における光損失を抑えつつ、信号光１０１を劣化させずに増幅することができる。

（光増幅器の光リミッタ装置への適用）
図５は、光パラメトリック増幅による利得飽和特性を示すグラフである。図５において、横軸は、光増幅器１００に対する入力パワーを示している。縦軸は、光増幅器１００からの出力パワーを示している。入力光パルス５０１は、光増幅器１００へ入力される光パルスの一例を示している。出力光パルス５０２は、光増幅器１００から出力される光パルスの一例を示している。

光増幅器１００は、光パラメトリック増幅を利用して信号光１０１を増幅する。このため、光増幅器１００は、入力パワーに出力パワーが比例する線形利得特性５０３ではなく、入力パワーが大きくなると出力パワーが飽和する利得飽和特性５０４を有する。このため、光増幅器１００は、利得飽和特性５０４を用いて光リミッタ増幅を行う光リミッタ装置に適用することもできる。光増幅器１００を適用した光リミッタ装置によれば、信号光１０１を劣化させずに増幅して整形することができる。

（実施の形態５）
図６は、実施の形態５にかかる光増幅装置を示す図である。図６の信号光６０１〜６０４において、横軸は時間（ｔ）を示している。図６に示すように、実施の形態６にかかる光増幅装置６００は、分散媒質６１０と、光増幅器１００と、逆分散媒質６２０と、を備えている。分散媒質６１０には、前段の伝送路から出力された信号光６０１が入力される。分散媒質６１０は、所定の分散特性を有する分散媒質である。分散媒質６１０は、信号光６０１を透過させて光増幅器１００へ出力する。

分散媒質６１０から出力される信号光６０２は、分散媒質６１０の分散特性によって、信号光６０１よりもパルスの時間幅が広がりピークが低くなっている。光増幅器１００は、分散媒質６１０から出力された信号光６０２を増幅する。光増幅器１００は、増幅した信号光６０３を逆分散媒質６２０へ出力する。光増幅器１００には、上述した各実施の形態にかかる光増幅器１００を適用することができる。

逆分散媒質６２０は、分散媒質６１０の分散特性に対して逆の分散特性を有する分散媒質である。逆分散媒質６２０は、光増幅器１００から出力された信号光６０３を透過させて後段へ出力する。逆分散媒質６２０から出力される信号光６０４は、逆分散媒質６２０の分散特性によって、パルスの時間幅が狭くなりピークが高くなる。

このように、分散媒質６１０で信号光６０１のパルス幅を拡大し、パルス幅を拡大した信号光６０２を光増幅器１００によって増幅し、増幅した信号光６０３を逆分散媒質６２０によってパルス幅を狭め元に戻す光チャープパルス増幅を行うことができる。これにより、信号光６０１をさらに劣化させずに増幅することができる。

光チャープパルス増幅の具体例については、たとえば非特許文献（Ａ．Ｄｕｂｉｅｔｉｓ，Ｒ．Ｂｕｔｋｕｓ，ａｎｄ Ａ．Ｐ．Ｐｉｓｋａｒｓｋａｓ，“Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｐｕｌｓｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ”ＩＥＥＥ Ｊ．Ｓｅｌ．Ｔｏｐｉｃｓ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ，１２，ｐｐ．１６３−１７２，２００６）を適用することができる。

このように、実施の形態５にかかる光増幅器１００によれば、上述した各実施の形態にかかる光増幅器１００の効果を得ることができるとともに、光チャープパルス増幅によって信号光６０１をさらに劣化させずに増幅することができる。

（実施の形態６）
図７は、実施の形態６にかかる光増幅器を示す図である。図７において、図１に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図７に示すように、実施の形態６にかかる光増幅器１００の励起光源１１０は、信号光１０１とは異なる波長λｐのパルス状の励起光７０１を生成して光カプラ１２０へ出力する。励起光７０１は、信号光１０１のパルスより狭いパルス幅の励起光である。

また、励起光７０１は、信号光１０１と異なるサンプリング周期を有する励起光である。たとえば、励起光７０１は、信号光１０１のビットレートに対して遅いサンプリング周期を有する。光カプラ１２０には、信号光１０１と励起光７０１が入力される。光カプラ１２０は、信号光１０１と励起光７０１を合波して増幅部１３０へ出力する。これにより、増幅部１３０において信号光１０１を励起光７０１でサンプリングし、サンプリングによって得られた信号光７０２を後段へ出力することができる。

このように、実施の形態６にかかる光増幅器１００によれば、信号光１０１のパルスより狭いパルス幅で、信号光１０１と異なるサンプリング周期を有する励起光７０１を用いることで、光サンプリングを行うことができる。光増幅器１００は光パラメトリック増幅を雑音の増大を抑えて行うことができるため、光サンプリングの雑音による劣化を抑えることができる。

以上説明したように、光増幅器および光増幅装置によれば、光パラメトリック増幅を行う非線形光学媒質において発生するアイドラ光を非線形光学媒質の途中で除去することで、非線形光学媒質によって増幅される光に含まれるアイドラ光を低減することができる。これにより、信号光を劣化させずに増幅することができる。

なお、上述した実施の形態１〜３，５，６において、光カプラ１２０へ入力される信号光１０１（信号光６０１）と励起光１０２（励起光７０１）の相対的な偏波状態を制御する偏波制御部を備えてもよい。偏波制御部は、信号光１０１の偏波状態を制御してもよいし、励起光１０２の偏波状態を制御してもよいし、信号光１０１と励起光１０２の両方の偏波状態を制御してもよい。これにより、増幅部１３０や帯域透過性非線形光学媒質２１０における光パラメトリック増幅をさらに効率よく行うことができる。

また、上述した各実施の形態においては、増幅対象の信号光１０１や信号光６０１が強度変調されたＲＺ信号である場合について説明した。ただし、増幅対象の信号光１０１や信号光６０１はＲＺ信号に限らず、たとえば位相変調された信号光であってもよい。

また、上述した実施の形態１〜５においては、励起光１０２をＣＷ光とする構成について説明したが、励起光１０２はＣＷ光に限らず、たとえばクロックの励起光であってもよい。この場合は、励起光源１１０によって出力された励起光１０２のクロックを信号光１０１と同期させる同期部を設けるとよい。これにより、励起光１０２がクロックであっても信号光１０１を劣化させずに増幅することができる。

また、上述した各実施の形態において、光カプラ１２０へ入力される励起光１０２（励起光７０１）を位相変調する変調部を設けてもよい。これにより、誘導ブリユアン散乱による信号光１０１（信号光６０１）の劣化を低減することができる。このため、信号光１０１をさらに劣化させずに増幅することができる。

上述した各実施の形態に関し、さらに以下の付記を開示する。

（付記１）入力された信号光を増幅する光増幅器において、
前記信号光とは波長が異なる励起光を出力する励起光源と、
前記励起光源によって出力された励起光と前記信号光を合波する合波部と、
前記合波部によって合波された光を透過させ前記信号光を増幅する非線形光学媒質を有し、前記信号光と前記励起光に起因するアイドラ光を前記非線形光学媒質の途中で除去する増幅部と、
前記増幅部を透過した光から前記信号光を抽出する抽出フィルタと、
を備えることを特徴とする光増幅器。

（付記２）前記増幅部は、
前記合波部によって合波された光を透過させ前記信号光を増幅する第一非線形光学媒質と、
前記第一非線形光学媒質を透過した光から前記アイドラ光を除去する除去フィルタと、
前記除去フィルタを透過した光を透過させ前記信号光を増幅する第二非線形光学媒質と、
を備えることを特徴とする付記１に記載の光増幅器。

（付記３）前記非線形光学媒質は、前記アイドラ光を透過させない帯域透過特性を有することを特徴とする付記１に記載の光増幅器。

（付記４）前記非線形光学媒質には、前記アイドラ光を透過させないブラッググレーティングが形成されていることを特徴とする付記１に記載の光増幅器。

（付記５）前記除去フィルタは、前記アイドラ光および前記励起光を除去し、
前記信号光とは波長が異なる励起光を出力する第二励起光源と、
前記除去フィルタを透過した光と、前記第二励起光源によって出力された励起光と、を合波する第二合波部と、
を備え、前記第二非線形光学媒質は、前記第二合波部によって合波された光を透過させ前記信号光を増幅することを特徴とする付記２に記載の光増幅器。

（付記６）前記合波部によって合波された光を偏波ごとに分離するとともに、入力された偏波ごとの各光を合波する偏波ビームスプリッタを備え、
前記増幅部は、前記偏波ビームスプリッタによって分離された偏波ごとの各光をそれぞれ逆方向に透過させて前記偏波ビームスプリッタへ入力し、
前記抽出フィルタは、前記偏波ビームスプリッタによって合波された光から前記信号光を抽出することを特徴とする付記１に記載の光増幅器。

（付記７）前記偏波ごとの各光の偏波を一定に制御する偏波制御器を備えることを特徴とする付記６に記載の光増幅器。

（付記８）前記増幅部による光パラメトリック増幅の利得飽和特性を用いて前記信号光を光リミッタ増幅することを特徴とする付記１〜７のいずれか一つに記載の光増幅器。

（付記９）前記励起光源は、前記信号光のパルスより狭いパルス幅で、前記信号光と異なるサンプリング周期を有するパルス状の励起光を出力することを特徴とする付記１〜８のいずれか一つに記載の光増幅器。

（付記１０）前記非線形光学媒質は、前記励起光の波長と一致または略一致する平均零分散波長を有する光ファイバ、または前記平均零分散波長を有する周期分極ニオブ酸リチウムであることを特徴とする付記１〜９のいずれか一つに記載の光増幅器。

（付記１１）前記合波部に合波される前記信号光および前記励起光の相対的な偏波状態を制御する偏波制御部を備えることを特徴とする付記１〜１０のいずれか一つに記載の光増幅器。

（付記１２）前記励起光を位相変調する変調部を備え、
前記合波部は、前記変調部によって変調された励起光と前記信号光とを合波することを特徴とする付記１〜１１のいずれか一つに記載の光増幅器。

（付記１３）前記励起光源は、前記励起光としてクロックの励起光を出力し、
前記励起光源から前記合波部へ出力される励起光のクロックを前記信号光と同期させる同期部を備えることを特徴とする付記１〜１２のいずれか一つに記載の光増幅器。

（付記１４）前記増幅部は、前記信号光の波長を波長λｓとし、前記励起光の波長を波長λｐとした場合に、波長２λｐ−λｓを除去することによって前記アイドラ光を除去することを特徴とする付記１〜１３のいずれか一つに記載の光増幅器。

（付記１５）前記信号光のパルス幅を拡大する分散特性を有する分散媒質と、
付記１〜１４のいずれか一つに記載の光増幅器であって、前記分散媒質によってパルス幅を拡大された信号光を増幅する光増幅器と、
前記分散特性の逆の分散特性を有し、前記光増幅器によって光パラメトリック増幅された信号光のパルス幅を狭める逆分散媒質と、
を備えることを特徴とする光増幅装置。

１００ 光増幅器
１０１，６０１〜６０４，７０２ 信号光
１０２，３０１，７０１ 励起光
１０３ アイドラ光
１１０，３１０ 励起光源
１３２Ａ，２１０Ａ 帯域透過特性
５０１ 入力光パルス
５０２ 出力光パルス
５０３ 線形利得特性
５０４ 利得飽和特性
６００ 光増幅装置

Claims (10)

1. 入力された信号光を増幅する光増幅器において、
   前記信号光とは波長が異なる励起光を出力する励起光源と、
   前記励起光源によって出力された励起光と前記信号光を合波する合波部と、
   前記合波部によって合波された光を透過させ前記信号光を増幅する非線形光学媒質を有し、前記信号光と前記励起光に起因するアイドラ光を前記非線形光学媒質の途中で除去する増幅部と、
   前記増幅部を透過した光から前記信号光を抽出する抽出フィルタと、
   を備えることを特徴とする光増幅器。
2. 前記増幅部は、
   前記合波部によって合波された光を透過させ前記信号光を増幅する第一非線形光学媒質と、
   前記第一非線形光学媒質を透過した光から前記アイドラ光を除去する除去フィルタと、
   前記除去フィルタを透過した光を透過させ前記信号光を増幅する第二非線形光学媒質と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
3. 前記非線形光学媒質は、前記アイドラ光を透過させない帯域透過特性を有することを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
4. 前記非線形光学媒質には、前記アイドラ光を透過させないブラッググレーティングが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
5. 前記除去フィルタは、前記アイドラ光および前記励起光を除去し、
   前記信号光とは波長が異なる励起光を出力する第二励起光源と、
   前記除去フィルタを透過した光と、前記第二励起光源によって出力された励起光と、を合波する第二合波部と、
   を備え、前記第二非線形光学媒質は、前記第二合波部によって合波された光を透過させ前記信号光を増幅することを特徴とする請求項２に記載の光増幅器。
6. 前記合波部によって合波された光を偏波ごとに分離するとともに、入力された偏波ごとの各光を合波する偏波ビームスプリッタを備え、
   前記増幅部は、前記偏波ビームスプリッタによって分離された偏波ごとの各光をそれぞれ逆方向に透過させて前記偏波ビームスプリッタへ入力し、
   前記抽出フィルタは、前記偏波ビームスプリッタによって合波された光から前記信号光を抽出することを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
7. 前記偏波ごとの各光の偏波を一定に制御する偏波制御器を備えることを特徴とする請求項６に記載の光増幅器。
8. 前記増幅部による光パラメトリック増幅の利得飽和特性を用いて前記信号光を光リミッタ増幅することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の光増幅器。
9. 前記励起光源は、前記信号光のパルスより狭いパルス幅で、前記信号光と異なるサンプリング周期を有するパルス状の励起光を出力することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の光増幅器。
10. 前記信号光のパルス幅を拡大する分散特性を有する分散媒質と、
    請求項１〜９のいずれか一つに記載の光増幅器であって、前記分散媒質によってパルス幅を拡大された信号光を増幅する光増幅器と、
    前記分散特性の逆の分散特性を有し、前記光増幅器によって光パラメトリック増幅された信号光のパルス幅を狭める逆分散媒質と、
    を備えることを特徴とする光増幅装置。

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