JP2013182140A - Light amplification device, optical signal generator, and signal/noise ratio improvement device - Google Patents

Light amplification device, optical signal generator, and signal/noise ratio improvement device Download PDF

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

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that, though all of excitation light and signal light are arranged in the same communication wavelength band and an optical fiber amplifier is used for generation and amplification of excitation light in light amplification using four-wave mixing of optical fibers in prior arts, an S/N ratio in output is made lower than that in input due to mixture of amplified spontaneous emission (ASE) generated from the optical fiber amplifier and a phase sensitive light amplifier for suppression of ASE can amplify only one signal wavelength because generally employing degenerate parametric amplification and cannot simultaneously amplify a plurality of carrier waves unlike an optical comb.SOLUTION: A phase sensitive light amplifier uses a fiber laser amplifier to amplify fundamental wave light in order to obtain enough power to obtain a nonlinear optical effect from a weak laser beam for use in optical communication. The amplified fundamental wave light is made incident on a first second-order nonlinear optical element to generate a secondary harmonic. Signal light and the secondary harmonic are made incident on a second second-order nonlinear optical element to perform degenerate parametric amplification. In addition, this phase sensitive light amplifier may constitute an optical signal generator.

Description

本発明は光増幅装置に関し、具体的には、光通信システムや光計測システムにおいて用いられる光増幅装置、光信号発生器および信号対雑音比改善装置に関する。   The present invention relates to an optical amplifying device, and more specifically to an optical amplifying device, an optical signal generator, and a signal-to-noise ratio improving device used in an optical communication system and an optical measurement system.

従来の光伝送システムでは、光ファイバを伝搬することにより減衰した信号を再生するために、光信号を電気信号に変換し、デジタル信号を識別した後に光信号を再生する識別再生光中継器が用いられていた。しかしながら、この識別再生光中継器では、光信号を電気信号に変換する電子部品の応答速度に制限があることや、伝送する信号のスピードが速くなると、消費電力が大きくなるなどの問題があった。   In a conventional optical transmission system, an identification regenerative optical repeater that converts an optical signal into an electrical signal and regenerates the optical signal after identifying the digital signal is used to reproduce the signal attenuated by propagating through the optical fiber. It was done. However, this identification / reproduction optical repeater has problems such as limited response speed of electronic components that convert optical signals into electrical signals, and increased power consumption as the speed of transmitted signals increases. .

上述の問題を解決する増幅手段として、エルビウムやプラセオジム等の希土類元素を添加した光ファイバに励起光を入射して信号光を増幅するファイバレーザ増幅器や、半導体レーザ増幅器が知られている。ファイバレーザ増幅器および半導体レーザ増幅器は、いずれも、信号光を光のままで増幅することができる。したがって、識別再生光中継器で問題になっていた電気的な応答速度、処理速度の制限が存在しない。加えて、機器構成も比較的単純であるという利点を持っている。しかし、これらのレーザ増幅器は、劣化した信号光パルス波形を整形する機能を持っていない。また、これらのレーザ増幅器においては、不可避的かつランダムに発生する自然放出光が、信号成分とは全く無関係に混入される。このため、信号光のS/N比が増幅の前後で少なくとも3dB低下する。   As amplifying means for solving the above-mentioned problems, fiber laser amplifiers and semiconductor laser amplifiers that amplify signal light by making excitation light incident on an optical fiber doped with rare earth elements such as erbium and praseodymium are known. Both the fiber laser amplifier and the semiconductor laser amplifier can amplify the signal light as it is. Therefore, there is no limitation on the electrical response speed and processing speed that has been a problem in the identification reproduction optical repeater. In addition, there is an advantage that the device configuration is relatively simple. However, these laser amplifiers do not have a function of shaping a deteriorated signal light pulse waveform. In these laser amplifiers, spontaneously emitted light that is inevitably and randomly generated is mixed regardless of the signal component. For this reason, the S / N ratio of the signal light decreases by at least 3 dB before and after amplification.

上述のエルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)および半導体光増幅器などは、誘導放出の原理に基づいたレーザ増幅器である。これらのレーザ増幅器では、装置内部の光部品の残留反射等が完全に抑圧され、またレーザ媒質に完全な反転分布が得られた理想的な場合であっても、入射光の信号対雑音比(S/N比)を半分に劣化(3dBの低下)させる。この劣化は、光増幅における標準量子限界と呼ばれている。標準量子限界はレーザ増幅だけではなく、ラマン増幅やブリリアン増幅なども含めて、入射光の直交する2つの光位相成分に等しい利得を与える光増幅(Phase Insensitive Amplification:PIA)すべてに共通する限界である。標準量子化限界に基づくS/N比の劣化は、デジタル信号伝送時における伝送符号誤り率の上昇につながり、伝送品質を低下させる要因になっている。   The above-described erbium-doped optical fiber amplifier (EDFA) and semiconductor optical amplifier are laser amplifiers based on the principle of stimulated emission. In these laser amplifiers, the residual reflection of the optical components inside the device is completely suppressed, and even in the ideal case where a complete inversion distribution is obtained in the laser medium, the signal-to-noise ratio ( S / N ratio) is reduced by half (3 dB reduction). This deterioration is called the standard quantum limit in optical amplification. The standard quantum limit is not limited to laser amplification, but is also the limit common to all optical amplification (Phase Insensitive Amplification: PIA) that gives equal gain to two orthogonal optical phase components of incident light, including Raman amplification and Brilliant amplification. is there. Degradation of the S / N ratio based on the standard quantization limit leads to an increase in transmission code error rate during digital signal transmission, and is a factor that degrades transmission quality.

このような従来技術のレーザ増幅器の限界を打開する手段として、位相感応光増幅器(Phase Sensitive Amplifier:PSA)が検討されている。この位相感応光増幅器は、伝送ファイバの分散の影響によって劣化した信号光パルス波形を整形するための機能を持っている。また、信号とは無関係の直交位相を持つ自然放出光を抑圧できるために、原理的に、増幅の前後で信号光のS/N比を劣化させることなく同一に保つことができる。   As means for overcoming the limitations of the conventional laser amplifier, a phase sensitive optical amplifier (PSA) has been studied. This phase-sensitive optical amplifier has a function for shaping a signal light pulse waveform that has deteriorated due to the influence of dispersion in the transmission fiber. Further, since spontaneous emission light having a quadrature phase irrelevant to the signal can be suppressed, in principle, the S / N ratio of the signal light can be kept the same before and after amplification without deteriorating.

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).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). W. Imajuku, and A. Takada, “Gain characteristics of coherent optical amplifiers using a Mach-Zehnder interferometer with Kerr Media,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 35, no. 11, pp. 1657-1665 (1999).W. Imajuku, and A. Takada, “Gain characteristics of coherent optical amplifiers using a Mach-Zehnder interferometer with Kerr Media,” IEEE J. Quantum Electron., Vol. 35, no. 11, pp. 1657-1665 (1999) . R. Slavik et al., “All-optical phase and amplitude regenerator for next-generation telecommunications system,” Nature Photonics., vol.4, pp. 690-695 (2010).R. Slavik et al., “All-optical phase and amplitude regenerator for next-generation telecommunications system,” Nature Photonics., Vol.4, pp. 690-695 (2010). T. Umeki, O. Tadanaga, and M. Asobe, “Highly efficient wavelength converter using direct-bonded PPZnLN ridge waveguide,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 46, no. 8, pp. 1206-1213 (2010).T. Umeki, O. Tadanaga, and M. Asobe, “Highly efficient wavelength converter using direct-bonded PPZnLN ridge waveguide,” IEEE J. Quantum Electron., Vol. 46, no. 8, pp. 1206-1213 (2010) . R. Slavik et al., “All-optical phase-regenerative multicasting of 40 Gbit/s DPSK signal in a degenerate phase sensitive amplifier,” In Proceedings of the European Conference and Exhibition on Optical Communication (ECOC 2010, Torino, Italy) MO.1.A.2.R. Slavik et al., “All-optical phase-regenerative multicasting of 40 Gbit / s DPSK signal in a degenerate phase sensitive amplifier,” In Proceedings of the European Conference and Exhibition on Optical Communication (ECOC 2010, Torino, Italy) MO .1.A.2. 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-P3-1Isao Morohashi, Takahide Sakamoto, Hideyuki Tonobayashi, Tetsuya Kawanishi, Satoshi Kosako, “Mach-Zehnder Modulator-Based Optical Comb Generator and 100fs-class Pulse Generation Using Soliton Compression,” Proceedings of the 72th JSAP Meeting (Physical Society 2011 Autumn Yamagata University) 30a-P3-1 R. Tang et al., “In-line phase-sensitive amplification of multichannel CW signals based on frequency nondegenerate four-wave-mixing in fiber,” Optics Express., vol. 16, pp. 9046-9053 (2008).R. Tang et al., “In-line phase-sensitive amplification of multichannel CW signals based on frequency nondegenerate four-wave-mixing in fiber,” Optics Express., Vol. 16, pp. 9046-9053 (2008).

しかしながら、上述の位相感応光増幅器を含めた従来技術の光増幅器では、以下に述べるような問題が存在していた。   However, the conventional optical amplifiers including the above-described phase sensitive optical amplifier have the following problems.

図1は、従来の位相感応光増幅器の基本的な構成を示す図である。この光増幅器は、位相感応光増幅部101と、励起光源102と、励起光位相制御部103と、2つの光分岐部104−1、104−2とから構成される。   FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a conventional phase sensitive optical amplifier. This optical amplifier includes a phase sensitive light amplification unit 101, a pumping light source 102, a pumping light phase control unit 103, and two light branching units 104-1 and 104-2.

この光増幅器は、位相感応光増幅部101における信号光の位相と励起光の位相とが一致すると入力信号光110が増幅され、両者の位相が90度ずれた直交する位相関係になると、入力信号光110が減衰する特性を持っている。この特性を利用して増幅利得が最大となるように励起光―信号光間の位相を一致させると、信号光と直交する位相の自然放出光を発生させずに、つまりS/N比を劣化させずに信号光を増幅することができる。   This optical amplifier amplifies the input signal light 110 when the phase of the signal light and the phase of the excitation light in the phase sensitive light amplification unit 101 coincide with each other. The light 110 has a characteristic to attenuate. If the phase between the pumping light and the signal light is matched so that the amplification gain is maximized using this characteristic, spontaneous emission light having a phase orthogonal to the signal light is not generated, that is, the S / N ratio is deteriorated. It is possible to amplify the signal light without doing so.

信号光および励起光の位相同期を実現するために、光分岐部104−1で分岐された入力信号光110の位相に同期するように励起光111の位相が制御される。励起光位相制御部103は、光分岐部104−2で分岐された出力信号光112の一部を狭帯域の検出器によって検波し、出力信号が最大となるように励起光111の位相を制御する。その結果、位相感応光増幅部101では、信号光の位相と、励起光の位相とが同期するように制御され、S/N比の劣化のない光増幅を実現することができる。   In order to realize the phase synchronization of the signal light and the excitation light, the phase of the excitation light 111 is controlled so as to be synchronized with the phase of the input signal light 110 branched by the optical branching unit 104-1. The pumping light phase control unit 103 detects a part of the output signal light 112 branched by the light branching unit 104-2 with a narrow-band detector, and controls the phase of the pumping light 111 so that the output signal becomes maximum. To do. As a result, the phase sensitive light amplifying unit 101 is controlled so that the phase of the signal light and the phase of the pumping light are synchronized, and it is possible to realize optical amplification without degradation of the S / N ratio.

励起光位相制御部103は、図1に示したような励起光源102の出力側で励起光の位相を制御する構成の他に、励起光源102自体の位相を直接制御する構成としても良い。また、信号光を発生する光源が位相感応光増幅部の近くに配置されている場合は、信号光用光源の一部を分岐して励起光として用いることもできる。   The pumping light phase control unit 103 may be configured to directly control the phase of the pumping light source 102 in addition to the configuration of controlling the phase of the pumping light on the output side of the pumping light source 102 as shown in FIG. In addition, when the light source that generates the signal light is arranged near the phase sensitive light amplification unit, a part of the light source for signal light can be branched and used as the excitation light.

位相感応光増幅部101には、二次または三次の非線形光学効果を有する媒質が用いられる。従来、これらの位相感応光増幅器は、光の量子状態を制御するスクィージング等の基礎研究分野で主に用いられてきた。初期の位相感応光増幅器の研究では二次非線形光学結晶を用いた研究が報告されている。   A medium having a second-order or third-order nonlinear optical effect is used for the phase sensitive light amplification unit 101. Conventionally, these phase sensitive optical amplifiers have been mainly used in basic research fields such as squeezing for controlling the quantum state of light. In the early phase-sensitive optical amplifier research, studies using second-order nonlinear optical crystals have been reported.

二次の非線形光学効果を利用する場合は、非特許文献1に示されるように、光学結晶等を非線形媒質として用い、信号光の第二高調波に相当する波長を励起光として用いる。励起光および信号光を、非線形媒質に入射し、三光波混合を利用した縮退パラメトリック増幅(Optical Parametric Amplifier:OPA)を行うことによって、位相感応光増幅が実現される。   When the second-order nonlinear optical effect is used, as shown in Non-Patent Document 1, an optical crystal or the like is used as a nonlinear medium, and a wavelength corresponding to the second harmonic of the signal light is used as excitation light. Phase-sensitive optical amplification is realized by making excitation light and signal light enter a nonlinear medium and performing degenerate parametric amplification (OPA) using three-wave mixing.

図2は、従来技術の二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器の構成を説明する図である。図2に示すように、従来技術では、レーザ光源201からの比較的高い強度を持つレーザ光を分岐する。分岐光の一方をSHG(Second Harmonic Generation)結晶202に入射し、他方を信号光210として用いる。第二高調波に変換された励起光211および信号光210を、縮退光パラメトリック増幅の可能な非線形光学結晶203に入射して、位相感応光増幅を行う。   FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of a phase sensitive optical amplifier using the second-order nonlinear optical effect of the prior art. As shown in FIG. 2, in the prior art, the laser light having a relatively high intensity from the laser light source 201 is branched. One of the branched lights is incident on an SHG (Second Harmonic Generation) crystal 202 and the other is used as the signal light 210. The excitation light 211 and the signal light 210 converted to the second harmonic are incident on the nonlinear optical crystal 203 capable of degenerate optical parametric amplification, and phase-sensitive light amplification is performed.

位相感応光増幅器においては、信号と位相の合った光のみを増幅するために、上述のように信号光および励起光の位相が一致するか、または、πラジアンだけずれている必要がある。すなわち二次の非線形光学効果を用いる場合は、第二高調波に相当する波長である励起光の位相φ2ωsと、信号光の位相φωsとが、次式(1)の関係を満たすことが必要となる。
Δφ=φ2ωs/2−φωs=nπ(ただし、nは整数) 式(1)
In the phase sensitive optical amplifier, in order to amplify only the light in phase with the signal, it is necessary that the phase of the signal light and the excitation light coincide with each other or be shifted by π radians as described above. That is, when using the second-order nonlinear optical effect, that the phase phi 2Omegaesu of the excitation light is a wavelength corresponding to the second harmonic, and the phases phi .omega.s of the signal light, satisfies the following relationship (1) Necessary.
Δφ = φ 2ωs / 2-φ ωs = nπ ( where, n is an integer) (1)

図3は、従来の二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器における、入力信号光‐励起光間の位相差Δφと、利得(dB)との関係を示すグラフである。横軸のΔφが−π、0またはπのときに、利得が最大となっていることがわかる。   FIG. 3 is a graph showing the relationship between the phase difference Δφ between the input signal light and the pumping light and the gain (dB) in the conventional phase sensitive optical amplifier using the second-order nonlinear optical effect. It can be seen that the gain is maximum when Δφ on the horizontal axis is −π, 0, or π.

図2に示した二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器の構成においても、図1で示したように出力信号光の一部を分岐して狭帯域の検出器で検波し、出力信号が最大となるように励起光の位相を制御して、信号光および励起光の位相同期を実現することができる。   Also in the configuration of the phase sensitive optical amplifier using the second-order nonlinear optical effect shown in FIG. 2, a part of the output signal light is branched and detected by a narrow-band detector as shown in FIG. By controlling the phase of the pumping light so that the maximum is obtained, phase synchronization of the signal light and the pumping light can be realized.

図1および図2で説明した位相感応光増幅器は、近年光通信の高度化が進むにつれて、光通信への応用が注目を集めつつある。光通信の分野では通信用光部品との親和性が高い光ファイバの三次非線形光学効果を利用した構成の報告がある。三次の非線形光学効果を用いる場合は、光ファイバ等を非線形媒質として用い、非特許文献2に示されるように、信号光と同じ波長の1つの励起光を用いる。励起光および信号光を、非線形媒質に入射し、四光波混合を利用した縮退パラメトリック増幅を行うことにより位相感応光増幅を実現することができる。   The phase-sensitive optical amplifier described with reference to FIGS. 1 and 2 has been attracting attention for its application to optical communication as the optical communication has advanced in recent years. In the field of optical communication, there is a report of a configuration using the third-order nonlinear optical effect of an optical fiber having high compatibility with optical components for communication. When the third-order nonlinear optical effect is used, an optical fiber or the like is used as the nonlinear medium, and as shown in Non-Patent Document 2, one excitation light having the same wavelength as the signal light is used. Phase-sensitive optical amplification can be realized by making excitation light and signal light enter a nonlinear medium and performing degenerate parametric amplification using four-wave mixing.

三次の非線形媒質を用い、信号光と同じ波長の1つの励起光を用いる場合は、励起光の位相φωpと、信号光の位相φωsとが、次式(2)の関係を満たすことが必要となる。
Δφ=φωp−φωs=nπ(ただし、nは整数) 式(2)
When a third-order nonlinear medium is used and one excitation light having the same wavelength as the signal light is used, the phase φ ωp of the excitation light and the phase φ ωs of the signal light satisfy the relationship of the following equation (2). Necessary.
Δφ = φ ωp -φ ωs = nπ ( where, n is an integer) Equation (2)

信号光と同じ波長の1つの励起光の代わりに、非特許文献3に示されるように、信号光の光周波数をωsとするときに次式(3)を満たす光周波数ωp1,ωp2をそれぞれ有する2つの励起光を用いても良い。
2ωs=ωp1+ωp2 式(3)
As shown in Non-Patent Document 3, instead of one pumping light having the same wavelength as the signal light, optical frequencies ω p1 and ω p2 satisfying the following expression (3) when the optical frequency of the signal light is ω s. You may use two excitation light which each has.
s = ω p1 + ω p2 formula (3)

三次の非線形媒質を用い、2つの光周波数ωp1,ωp2に相当する波長の2つの励起光を用いる場合は、励起光の位相φωp1,φωp2と信号光の位相φωsとが、次式(4)の関係を満たすことが必要となる。
Δφ=(φωp1+φωp2)/2−φωs=nπ(ただし、nは整数) 式(4)
When a third-order nonlinear medium is used and two pump lights having wavelengths corresponding to two optical frequencies ω p1 and ω p2 are used, the phases φ ωp1 and φ ωp2 of the pump light and the phase φ ωs of the signal light are It is necessary to satisfy the relationship of Formula (4).
Δφ = (φ ωp1 + φ ωp2 ) / 2-φ ωs = nπ ( where, n is an integer) (4)

三次の非線形媒質を用いる場合でも、二次の非線形光学効果を用いる場合と同様に出力信号光の一部を分岐して狭帯域の検出器で検波し、出力信号が最大となるように励起光の位相を制御して、信号光および励起光の位相同期を実現することができる。   Even when a third-order nonlinear medium is used, as in the case of using the second-order nonlinear optical effect, a part of the output signal light is branched and detected by a narrow-band detector, and the excitation light is used so that the output signal is maximized. The phase synchronization of the signal light and the pumping light can be realized by controlling the phase.

前述のように、光ファイバを用いた方式には、信号光と同じ波長の1つの励起光を用いる第1の方式、または、信号光とは異なる2つの波長の励起光を用いる第2の方式がある。1つの励起光を用いる第1の方式の場合は、励起光を信号光から分離する必要がある。このために、非特許文献2に示されるようにループ型のファイバ干渉計を用いて、信号光と励起光とを分離する。しかし、この方式では、光ファイバ中のGAWBS(guided acoustics wave Brillouin scattering)による位相変調がファイバをそれぞれ逆方向へ伝搬する光に相関のない形で加わる。このために、雑音特性が劣化してしまう。この問題を避けるために、近年は非特許文献3に示されるような2つの励起光を用いる第2の方式が良く研究されている。   As described above, in the method using the optical fiber, the first method using one excitation light having the same wavelength as the signal light, or the second method using excitation light having two wavelengths different from the signal light. There is. In the case of the first method using one excitation light, it is necessary to separate the excitation light from the signal light. For this purpose, as shown in Non-Patent Document 2, a loop type fiber interferometer is used to separate the signal light and the excitation light. However, in this method, phase modulation due to GAWBS (guided acoustic wave wave Brillouin scattering) in the optical fiber is added in a form having no correlation with the light propagating through the fiber in the opposite direction. For this reason, noise characteristics are degraded. In order to avoid this problem, the second method using two excitation lights as shown in Non-Patent Document 3 has been well studied in recent years.

図4は、従来技術の三次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器の構成を説明する図である。上述の第2の方式による、光ファイバおよび2つの励起光を用いた構成である。非特許文献3に示されるように、まず、光ファイバ中の四光波混合等の手段を用いて、入射する信号410の平均的な位相と同期した第1の励起光411−1および第2の励起光411−2を生成する。次に、2つの励起光(411−1,411−2)および信号光410をエルビウム添加ファイバレーザ増幅器(EDFA)402にて増幅し、高非線形性光ファイバ403に入射する。図4では信号光410および2つの励起光(411−1,411−2)を合波してEDFAで増幅する構成となっているが、2つの励起光だけをEDFAで増幅し、信号光と合波してから光ファイバ403に入射しても同様の効果が得られる。信号光と2つの励起光との間に上述の式(4)で示した関係が成立するように位相を調整することによって、四光波混合による位相感応光増幅を実現することができる。   FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration of a phase sensitive optical amplifier using the third-order nonlinear optical effect of the prior art. This is a configuration using an optical fiber and two pump lights according to the second method described above. As shown in Non-Patent Document 3, first, the first excitation light 411-1 and the second excitation light synchronized with the average phase of the incident signal 410 using means such as four-wave mixing in an optical fiber. Excitation light 411-2 is generated. Next, the two pump lights (411-1, 411-2) and the signal light 410 are amplified by an erbium-doped fiber laser amplifier (EDFA) 402 and are incident on a highly nonlinear optical fiber 403. In FIG. 4, the signal light 410 and the two pump lights (411-1, 411-2) are combined and amplified by the EDFA, but only the two pump lights are amplified by the EDFA, The same effect can be obtained even if the light enters the optical fiber 403 after being multiplexed. By adjusting the phase so that the relationship expressed by the above equation (4) is established between the signal light and the two excitation lights, phase-sensitive light amplification by four-wave mixing can be realized.

しかしながら、上述の従来技術の位相感応光増幅器では、依然として以下のような問題点がある。二次非線形光学結晶を用いた従来の位相感応光増幅器では、主にSHGまたはパラメトリック増幅を起こすのに十分な高い出力のパルスレーザ光源を用いて動作させることのできる構成しか示されていない。一般的に微弱な光を扱う光通信システムに適用できるような構成は、未だ提案されていない。   However, the above-described conventional phase sensitive optical amplifier still has the following problems. In the conventional phase sensitive optical amplifier using the second-order nonlinear optical crystal, only a configuration which can be operated using a pulse laser light source having a high output enough to cause SHG or parametric amplification is shown. A configuration that can be applied to an optical communication system that generally handles weak light has not been proposed yet.

光ファイバを用いた従来の位相感応光増幅では、光通信システムに適用可能な構成は示されているものの、四光波混合を用いるため、信号光の波長と、励起光の波長とが近接する構成となっている。特に図4に示した構成では、光ファイバ中の非線形光学効果を利用できるようにEDFAなどの光ファイバ増幅器によって必要なパワーを得る構成が示されているが、EDFAで光増幅を行う際に増幅自然放出光(ASE光)が雑音として励起光に重畳してしまう。励起光の波長と信号光の波長とが接近しているために、ASE光を取り除くことは困難であって、信号光波長にもEDFAから発生するASE光が重畳してしまう。結果として、信号光のS/N比が劣化し、低雑音での光増幅を行うことができない。また、S/N比の劣化のない位相感応光増幅器は、次の観点からも要請されている。   In conventional phase-sensitive optical amplification using optical fibers, a configuration applicable to an optical communication system is shown, but because the four-wave mixing is used, the wavelength of the signal light and the wavelength of the excitation light are close to each other. It has become. In particular, the configuration shown in FIG. 4 shows a configuration in which necessary power is obtained by an optical fiber amplifier such as an EDFA so that the nonlinear optical effect in the optical fiber can be used. Spontaneous emission light (ASE light) is superimposed on excitation light as noise. Since the wavelength of the excitation light and the wavelength of the signal light are close to each other, it is difficult to remove the ASE light, and the ASE light generated from the EDFA is also superimposed on the signal light wavelength. As a result, the S / N ratio of the signal light is deteriorated, and optical amplification with low noise cannot be performed. Further, a phase sensitive optical amplifier with no deterioration in S / N ratio is also demanded from the following viewpoint.

近年の光通信技術においては、光OFDM(orthogonal Frequency Division Multiplexing)に代表されるように、大容量の信号を高い周波数利用効率で送るために、高速データを複数の光キャリアに分割して変調を行うスーパチャネルと呼ばれるようなデータの送受信方法が検討されている。上述のように複数の搬送波にデータ変調を行うような方式を光領域で行うために、モード同期レーザや光変調器を用いて、等間隔で並んだ光周波数の搬送波からなる光コムを発生させる。発生した光コムは分波器によって分配され、それぞれの搬送波に対して光変調器を用いてデータ変調が行われ、再び合波されて伝送路へ導かれる。   In recent optical communication technologies, as represented by optical OFDM (orthogonal frequency division multiplexing), high-speed data is divided into a plurality of optical carriers and modulated in order to send a large-capacity signal with high frequency utilization efficiency. A data transmission / reception method called a super channel is being studied. As described above, in order to perform data modulation on a plurality of carriers in the optical domain, an optical comb composed of carriers of optical frequencies arranged at equal intervals is generated using a mode-locked laser or an optical modulator. . The generated optical comb is distributed by a demultiplexer, data modulation is performed on each carrier wave using an optical modulator, and the signals are combined again and guided to a transmission line.

光コムを利用する光通信において使用する場合も、上述の従来技術の位相感応光増幅器には次に述べるような問題点があった。一般に複数の搬送波からなる光コムを分波器によって分波し変調器によって変調して、合波器で合波する場合、それぞれの構成要素の挿入損失が大きい。このため、合波した光信号は、元の光コムに比べて光パワーが著しく減衰してしまう。非特許文献6に示されるように単一波長の光源および変調器によって光コムを発生する方法も提案されているが、そのような構成では光コムを発生するだけでも、変調器の損失や複数搬送波への変換効率の分だけ光パワーが小さくなってしまう。   Even when used in optical communication using an optical comb, the above-described conventional phase sensitive optical amplifier has the following problems. In general, when an optical comb composed of a plurality of carrier waves is demultiplexed by a demultiplexer, modulated by a modulator, and multiplexed by a multiplexer, the insertion loss of each component is large. For this reason, the optical power of the combined optical signal is significantly attenuated compared to the original optical comb. As shown in Non-Patent Document 6, a method for generating an optical comb by a light source and a modulator having a single wavelength has also been proposed. The optical power is reduced by the conversion efficiency to the carrier wave.

近年の光通信では周波数利用効率の向上が求められており、シャノンの通信理論で知られるように、高い周波数利用効率を得るためには信号のS/Nが大きいことが求められる。ところが、上述の光コムの変調を行うような送信方法では、光の発生および変調に伴う光パワーの損失が大きい。光信号を発生した後に、通常のレーザ媒質を用いた光増幅器で光ファイバでの伝送に必要なパワーまで増幅を行うと、光増幅器への入力パワーが小さいために信号のS/Nを著しく劣化させてしまう。位相感応光増幅器による低雑音な光増幅の原理は知られているものの、位相感応光増幅器では一般的に縮退パラメトリック増幅を用いる。このために、増幅できる信号波長は1つであり、光コムのような複数の搬送波を同時に増幅することはできない。   In recent optical communications, improvement in frequency use efficiency is required, and as known from Shannon's communication theory, in order to obtain high frequency use efficiency, it is required that the signal S / N is large. However, in the transmission method that modulates the optical comb described above, the loss of optical power accompanying the generation and modulation of light is large. After generating an optical signal, if the optical amplifier using a normal laser medium is amplified to the power required for transmission through the optical fiber, the signal S / N is significantly degraded due to the low input power to the optical amplifier. I will let you. Although the principle of low noise optical amplification by a phase sensitive optical amplifier is known, degenerate parametric amplification is generally used in a phase sensitive optical amplifier. For this reason, only one signal wavelength can be amplified, and a plurality of carrier waves such as an optical comb cannot be amplified simultaneously.

複数の波長を同時に増幅できる方法として、非特許文献7に示されるように光ファイバ中の四光波混合を用いた非縮退パラメトリック増幅を用いる位相感応光増幅器の構成が提案されている。   As a method capable of simultaneously amplifying a plurality of wavelengths, a configuration of a phase sensitive optical amplifier using non-degenerate parametric amplification using four-wave mixing in an optical fiber is proposed as shown in Non-Patent Document 7.

図5は、従来技術の光ファイバ中の四光波混合を用いた複数波長の増幅方法の概略を説明する図である。この増幅方法ではまず、Copierと呼ばれる第1の光ファイバ501に複数の変調光および励起光を入射し、四光波混合を用いた波長変換によって、入力変調光と位相の反転したアイドラ光を生成する。次に、複数の変調光群と、対応するアイドラ光群とを第2の光ファイバ502に入射し、非縮退パラメトリック増幅を行う。この構成を用いれば、複数の波長の信号光を位相感応増幅することができる。   FIG. 5 is a diagram for explaining the outline of a multi-wavelength amplification method using four-wave mixing in a conventional optical fiber. In this amplification method, first, a plurality of modulated light and pump light are incident on a first optical fiber 501 called Copier, and idler light whose phase is inverted from that of input modulated light is generated by wavelength conversion using four-wave mixing. . Next, a plurality of modulated light groups and corresponding idler light groups are incident on the second optical fiber 502, and non-degenerate parametric amplification is performed. By using this configuration, it is possible to amplify phase-sensitive signal light having a plurality of wavelengths.

しかしながら、このように光ファイバの四光波混合を用いた光増幅では、励起光および信号光の全てが同じ1.55μm帯の通信波長帯に配置される。励起光の発生および増幅に光ファイバ増幅器503が用いられるが、その光ファイバ増幅器503から発生する増幅された自然放出光(ASE)が混入してしまうために、出力におけるS/N比は入力よりも劣化してしまう。   However, in the optical amplification using the four-wave mixing of the optical fiber in this way, all of the excitation light and the signal light are arranged in the same communication wavelength band of 1.55 μm band. An optical fiber amplifier 503 is used for generating and amplifying pumping light. Since amplified spontaneous emission (ASE) generated from the optical fiber amplifier 503 is mixed, the S / N ratio at the output is greater than that at the input. Will also deteriorate.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、S/N比の劣化の少ない高品質な光信号増幅を実現することにある。さらに、複数の波長を有する信号群を一括して増幅できる位相感応光増幅器を提供する。また、位相感応光増幅器と光コム光源とを組み合わせた光信号発生器、および、光信号S/N比の改善装置も提供する。   The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to realize high-quality optical signal amplification with little deterioration in S / N ratio. Furthermore, a phase sensitive optical amplifier capable of amplifying a signal group having a plurality of wavelengths at once is provided. Also provided are an optical signal generator that combines a phase sensitive optical amplifier and an optical comb light source, and an optical signal S / N ratio improvement device.

本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する位相感応型光増幅装置において、信号光として、光周波数軸上で基本波光から同じ光周波数差だけ対称に離れ、各々が同一または反転した位相情報を持つ対となる2波長を持つ1つまたは複数の信号光の対が入力され、該基本波光を増幅する光ファイバレーザ増幅器と、該光ファイバレーザ増幅器に接続され、第二高調波を発生する第1の二次非線形光学素子と、該第1の二次非線形光学素子から出力される該基本波光および該第二高調波から、該第二高調波を分離するフィルタと、信号光の対からなる該信号光と、励起光である該第二高調波とを合波する合波器と、合波された該信号光および該励起光を入射して、該信号光の非縮退パラメトリック増幅を行う第2の二次非線形光学素子と、該第2の二次非線形光学素子から出力される該信号光および該励起光から、増幅された信号光を分離するフィルタと、該信号光の位相と、励起光の位相とを同期する手段とを備えたことを特徴とする位相感応型光増幅装置である。以下、位相感応型光増幅装置は、位相感応光増幅器とも呼ぶ。   In order to achieve such an object, the present invention provides a phase-sensitive optical amplifying apparatus that amplifies signal light by optical mixing using a nonlinear optical effect. On the frequency axis, one or a plurality of signal light pairs having two wavelengths, which are symmetrically separated from the fundamental light by the same optical frequency difference and each have the same or inverted phase information, are input, and the fundamental light is An optical fiber laser amplifier to be amplified, a first second-order nonlinear optical element that is connected to the optical fiber laser amplifier and generates a second harmonic, and the fundamental light output from the first second-order nonlinear optical element A filter that separates the second harmonic from the second harmonic, a signal light that is a pair of signal light, and a multiplexer that combines the second harmonic that is excitation light. Incident wave signal light and excitation light are incident A second second-order nonlinear optical element that performs non-degenerate parametric amplification of the signal light, and a signal light amplified from the signal light and the excitation light output from the second second-order nonlinear optical element. A phase sensitive optical amplifying apparatus comprising: a filter for separation; and means for synchronizing the phase of the signal light and the phase of the excitation light. Hereinafter, the phase sensitive optical amplifying device is also referred to as a phase sensitive optical amplifier.

請求項2に記載の発明は、請求項1の位相感応型光増幅装置であって、前記基本波光および前記第二高調波から、前記第二高調波を分離するフィルタ、ならびに、前記信号光と、前記第二高調波とを合波する合波器は、誘電体膜を用いたダイクロックミラーであることを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1の位相感応型光増幅装置であって、前記第1の二次非線形光学素子および前記第2の二次非線形光学素子は、周期分極反転構造を有する二次非線形光学材料からなる光導波路をそれぞれ有し、該二次非線形光学材料は、LiNbO3、LNbO3、LiTaO3、LiNbxTax-13(0≦x≦1)、KTiOPO4のいずれか、または、これらに、Mg、Zn、Fe、Sc、Inからなる群から選択された少なくとも1種を添加物として含有しているものであることを特徴とする。
The invention according to claim 2 is the phase sensitive optical amplifying device according to claim 1, wherein the second harmonic wave is separated from the fundamental wave light and the second harmonic wave, and the signal light and The multiplexer for combining the second harmonic is a dichroic mirror using a dielectric film.
The invention according to claim 3 is the phase sensitive optical amplifying device according to claim 1, wherein the first second-order nonlinear optical element and the second second-order nonlinear optical element have a periodically poled structure. Each of the second-order nonlinear optical materials includes LiNbO 3 , LNbO 3 , LiTaO 3 , LiNb x Ta x-1 O 3 (0 ≦ x ≦ 1), and KTiOPO 4 . One or more of them contains at least one selected from the group consisting of Mg, Zn, Fe, Sc, and In as an additive.

請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3いずれかの位相感応型光増幅装置であって、前記信号光は、連続波光のパイロットトーンをさらに備え、前記位相感応型光増幅装置は、該パイロットトーンを分離するフィルタと、半導体レーザ光源とをさらに備え、該半導体レーザ光源は、該連続波光のパイロットトーンにより光注入同期され、注入光に位相同期した、該半導体レーザ光源から出力された連続光は、前記基本波光として用いられることを特徴とする。   The invention according to claim 4 is the phase sensitive optical amplifying device according to any one of claims 1 to 3, wherein the signal light further includes a pilot tone of continuous wave light, and the phase sensitive optical amplifying device comprises: The semiconductor laser light source further includes a filter for separating the pilot tone and a semiconductor laser light source, and the semiconductor laser light source is output from the semiconductor laser light source that is light-injected and locked by the pilot tone of the continuous wave light and phase-locked to the injected light Continuous light is used as the fundamental wave light.

請求項5に記載の発明は、請求項1乃至3いずれかの位相感応型光増幅装置であって、前記信号光の内の、対となる2つの波長の光間の位相を調整するための分散補償媒質をさらに備えたことを特徴とする。   A fifth aspect of the present invention is the phase sensitive optical amplifying device according to any one of the first to third aspects, wherein the phase of the signal light between two light beams of a pair is adjusted. A dispersion compensation medium is further provided.

請求項6に記載の発明は、自然放出光雑音が重畳された対となる2つの波長を持つ前記信号光が入力される請求項1乃至3いずれかに記載の位相感応型光増幅装置を含み、前記信号光に対する利得と、該自然放出光雑音に対する利得との差異に基づいて、自然放出光雑音が重畳された信号光から、該信号光が選択的に増幅されることによって自然放出光雑音が除去されることを特徴とする信号対雑音比改善装置である。すなわち、本発明の位相感応型光増幅装置は、信号対雑音比改善装置としても動作する。   The invention according to claim 6 includes the phase sensitive optical amplifying device according to any one of claims 1 to 3, to which the signal light having two wavelengths paired with spontaneous emission light noise is input. Based on the difference between the gain with respect to the signal light and the gain with respect to the spontaneous emission light noise, the signal light is selectively amplified from the signal light on which the spontaneous emission noise is superimposed, so that the spontaneous emission noise is obtained. Is a signal-to-noise ratio improving apparatus. That is, the phase sensitive optical amplifying device of the present invention also operates as a signal-to-noise ratio improving device.

請求項7に記載の発明は、位相同期した複数の波長の光から構成される光コムを発生する光源と、該光コムの各波長を分離し、および、該光コムの該複数の波長の内の1つの波長の光から同じ光周波数差だけ対称に離れた対となる2波長の光の対を同一の光路に出力するよう構成された分波器と、各々が、該光の対の1つに対応する該分波器の出力に接続され、対応する該光の対に変調を加える複数の光変調器と、該複数の光変調器からの出力を合波する合波器とを備え、該合波器の出力が、該光コムの該複数の波長のうちの1つの波長を前記基本波光とした請求項1乃至3いずれかに記載の位相感応型光増幅装置へ入力されることを特徴とする光信号発生器である。
請求項8に記載の発明は、位相同期した複数の波長の光から構成される光コムを発生する光源と、該光コムの各波長を分離し、および、該光コムの該複数の波長の内の1つの波長の光から同じ光周波数差だけ対称に離れた対となる2波長の光の対をそれぞれ異なる光路に出力するよう構成された分波器と、各々が、対応する該分波器の各出力に接続され、該光の対に対して同一または反転した位相情報を持つ光変調を加える複数の光変調器と、該複数の光変調器からの出力を合波する合波器とを備え、該合波器の出力が、該光コムの該複数の波長のうちの1つの波長を前記基本波光とした請求項1乃至3いずれかに記載の位相感応型光増幅装置へ入力されることを特徴とする光信号発生器である。
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a light source that generates an optical comb composed of light of a plurality of wavelengths that are phase-synchronized, a wavelength of the optical comb, and a plurality of wavelengths of the optical comb. A duplexer configured to output a pair of two wavelengths of light symmetrically separated from the light of one wavelength by the same optical frequency difference to the same optical path, each of the pair of lights A plurality of optical modulators connected to one of the outputs of the duplexer for modulating the corresponding pair of light; and a multiplexer for multiplexing the outputs from the plurality of optical modulators. 4. The output of the multiplexer is input to the phase sensitive optical amplifying device according to claim 1, wherein one of the plurality of wavelengths of the optical comb is the fundamental light. This is an optical signal generator.
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a light source that generates an optical comb composed of light of a plurality of wavelengths synchronized in phase, a wavelength of the optical comb is separated, and a plurality of wavelengths of the optical comb are separated. A duplexer configured to output pairs of light of two wavelengths symmetrically separated from the light of one wavelength by the same optical frequency difference to different optical paths, respectively, A plurality of optical modulators for applying optical modulation having the same or inverted phase information to the light pair, and a multiplexer for combining outputs from the plurality of optical modulators 4. The output of the multiplexer is input to the phase sensitive optical amplifying apparatus according to claim 1, wherein one of the plurality of wavelengths of the optical comb is the fundamental light. The optical signal generator is characterized by the above.

請求項9に記載の発明は、位相同期した複数の波長の光から構成される光コムを発生する光源と、該光コムを発生する光源の出力が入力される、該光コムの該複数の波長のうちの1つの波長を前記基本波光とした請求項1乃至3いずれかに記載の位相感応型光増幅装置と、前記位相感応型光増幅装置の出力に接続され、光コムの各波長を分離する分波器と、各々が、該分波器の各出力に接続された複数の光変調器と、該複数の変調器からの出力を合波する合波器とを備えたことを特徴とする光信号発生器である。   The invention according to claim 9 is a light source that generates an optical comb composed of light of a plurality of wavelengths that are phase-synchronized, and an output of the light source that generates the optical comb is input. 4. The phase sensitive optical amplifying device according to claim 1, wherein one of the wavelengths is the fundamental wave light, and the output of the phase sensitive optical amplifying device is connected to each wavelength of the optical comb. A demultiplexer for separating, a plurality of optical modulators each connected to each output of the demultiplexer, and a multiplexer for multiplexing outputs from the plurality of modulators Is an optical signal generator.

請求項10に記載の発明は、請求項7乃至9いずれかに記載の光信号発生器であって、前記光コムの複数の波長の内の前記基本波光に用いられる1つの波長は、前記光コムの中心波長であることを特徴とする。   A tenth aspect of the present invention is the optical signal generator according to any one of the seventh to ninth aspects, wherein one wavelength used for the fundamental light among a plurality of wavelengths of the optical comb is the light. It is the center wavelength of the comb.

請求項11に記載の発明は、請求項7乃至9いずれかに記載の光信号発生器であって、前記光コムの前記位相同期した複数の波長の光は単一モードのレーザ光源を光変調器により変調することによって発生され、該レーザ光源を分岐した光が前記基本波光として前記位相感応型光増幅装置へ入力されることを特徴とする。   An eleventh aspect of the present invention is the optical signal generator according to any one of the seventh to ninth aspects, wherein the phase-locked light of the plurality of wavelengths of the optical comb modulates a single mode laser light source. The light generated by the modulation by the detector and branched from the laser light source is input as the fundamental wave light to the phase sensitive optical amplifying device.

請求項12に記載の発明は、請求項7乃至9いずれかに記載の光信号発生器であって、前記光コムを発生する光源と、前記位相感応型光増幅装置との間のいずれかの位置に少なくとも1個以上のレーザ増幅器が挿入されていることを特徴とする。   A twelfth aspect of the present invention is the optical signal generator according to any one of the seventh to ninth aspects, wherein the optical signal generator is any one between the light source that generates the optical comb and the phase-sensitive optical amplification device. At least one laser amplifier is inserted at the position.

本発明によれば、非線形光学効果であるパラメトリック増幅効果を利用して信号光の特定の位相だけを増幅する位相感応光増幅器(または位相感応型光増幅装置)において、複数波長の一括増幅が可能となる。光通信で用いる微弱な光パワーからパラメトリック光増幅を利用するのに十分なパワーを得るために光ファイバ増幅器を用いながらも、光増幅に伴って発生するASE光を信号光に重畳させずに位相感応光増幅器を構成することができる。これによって、S/N比の劣化を防ぎながら高品質な光信号増幅が可能になる。さらには、本発明を用いることで励起光と位相相関のある信号光を選択的に増幅することで、ASE光などの無相関な光に起因した雑音を抑制することができる。   According to the present invention, in a phase sensitive optical amplifier (or a phase sensitive optical amplifying apparatus) that amplifies only a specific phase of signal light using a parametric amplification effect that is a nonlinear optical effect, a plurality of wavelengths can be collectively amplified. It becomes. While using an optical fiber amplifier to obtain sufficient power from the weak optical power used in optical communication to use parametric optical amplification, the phase of the ASE light generated by optical amplification is not superimposed on the signal light. A sensitive optical amplifier can be constructed. This enables high-quality optical signal amplification while preventing deterioration of the S / N ratio. Furthermore, noise caused by uncorrelated light such as ASE light can be suppressed by selectively amplifying signal light having a phase correlation with the excitation light by using the present invention.

S/N比の劣化を抑える本発明の特徴から、光通信に適用可能で複数の波長を有する信号群を一括して増幅できる位相感応光増幅器を構成できる。低雑音での増幅が可能な位相感応光増幅器によって、従来のレーザ増幅器で増幅する場合に比べ光ファイバ伝送における信号のS/N比を改善できる。従来よりも高速の信号を低いパワーで長距離まで伝送することが可能になる。また、入射される信号光の位相雑音を除去して増幅することができるため、光ファイバの波長分散による信号劣化の影響が小さくなり、増幅後の信号光の伝送距離を伸ばすことができる。   Due to the feature of the present invention that suppresses the degradation of the S / N ratio, a phase sensitive optical amplifier that can be applied to optical communication and can amplify a signal group having a plurality of wavelengths can be configured. The phase-sensitive optical amplifier capable of amplification with low noise can improve the S / N ratio of the signal in the optical fiber transmission as compared with the case of amplification with the conventional laser amplifier. It becomes possible to transmit a high-speed signal to a long distance with low power than before. In addition, since the phase noise of the incident signal light can be removed and amplified, the influence of signal degradation due to wavelength dispersion of the optical fiber is reduced, and the transmission distance of the amplified signal light can be extended.

さらに、ASEノイズを抑制することにより、一度劣化した光信号のS/N比を改善させることができる信号対雑音比改善装置を実現することもできる。位相相関のある信号光を選択的に増幅することによって、ASE光および信号光のビート雑音により劣化した信号光のS/N比を改善することができる。   Furthermore, by suppressing the ASE noise, it is possible to realize a signal-to-noise ratio improving apparatus capable of improving the S / N ratio of an optical signal once deteriorated. By selectively amplifying the signal light having the phase correlation, the S / N ratio of the signal light deteriorated by the beat noise of the ASE light and the signal light can be improved.

図1は、従来技術の位相感応光増幅器の構成を説明する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of a conventional phase sensitive optical amplifier. 図2は、従来技術の二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器の構成を説明する図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of a phase sensitive optical amplifier using the second-order nonlinear optical effect of the prior art. 図3は、従来技術の二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器における、入力信号光‐励起光間の位相差Δφと、利得との関係を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the phase difference Δφ between the input signal light and the pump light and the gain in the phase sensitive optical amplifier using the second-order nonlinear optical effect of the prior art. 図4は、従来技術の三次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器の構成を説明する図である。FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration of a phase sensitive optical amplifier using the third-order nonlinear optical effect of the prior art. 図5は、従来技術の光ファイバ中の四光波混合を用いた複数波長の増幅方法の概略を説明する図である。FIG. 5 is a diagram for explaining the outline of a multi-wavelength amplification method using four-wave mixing in a conventional optical fiber. 図6は、本発明の第1の実施形態の位相感応光増幅器の構成を説明する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating the configuration of the phase sensitive optical amplifier according to the first embodiment of the present invention. 図7は、本発明の第1の実施形態の位相感応光増幅器の動作を説明する図である。FIG. 7 is a diagram for explaining the operation of the phase sensitive optical amplifier according to the first embodiment of the present invention. 図8は、従来技術の構成の位相感応光増幅の動作を説明する図である。FIG. 8 is a diagram for explaining the operation of phase-sensitive optical amplification with the configuration of the prior art. 図9は、本発明の第1の実施形態の位相感応光増幅の動作を説明する図である。FIG. 9 is a diagram for explaining the operation of phase sensitive light amplification according to the first embodiment of the present invention. 図10は、第1の実施形態の位相感応光増幅器における効果を説明する図であり、(a)は意図的にEDFAから発生させたASE光を混入させた信号光群の入力の光スペクトル、(b)は増幅器の出力の光スペクトルをそれぞれ示す。FIG. 10 is a diagram for explaining the effect of the phase sensitive optical amplifier according to the first embodiment. FIG. 10A is a diagram illustrating an input optical spectrum of a signal light group in which ASE light intentionally generated from an EDFA is mixed. (B) shows the optical spectrum of the output of an amplifier, respectively. 図11は、第1の実施形態の位相感応光増幅器で増幅したときの入出力における信号光およびASE光のビート雑音のレベルを示す図である。FIG. 11 is a diagram showing beat noise levels of signal light and ASE light at the input and output when amplified by the phase sensitive optical amplifier according to the first embodiment. 図12は、光コムにデータ変調を施した信号を用いたS/N比改善効果を調べるための実験構成を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing an experimental configuration for examining the effect of improving the S / N ratio using a signal obtained by performing data modulation on an optical comb. 図13は、第1の実施形態の位相感応光増幅器において、データ変調を施した光コム信号の受信パワーに対する誤り率のデータを示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating error rate data with respect to received power of an optical comb signal subjected to data modulation in the phase-sensitive optical amplifier according to the first embodiment. 図14は、本発明の第2の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a phase sensitive optical amplifier according to the second embodiment of the present invention. 図15は、本発明の第2の実施形態に係る位相感応光増幅の別の構成例を説明する図である。FIG. 15 is a diagram illustrating another configuration example of phase sensitive light amplification according to the second embodiment of the present invention. 図16は、本発明の第2の実施形態に係る位相感応光増幅のさらに別の構成例を説明する図である。FIG. 16 is a diagram illustrating still another configuration example of phase sensitive light amplification according to the second embodiment of the present invention. 図17は、第2の実施形態による位相感応光増幅器によって増幅された信号の時間波形を説明する図である。FIG. 17 is a diagram illustrating a time waveform of a signal amplified by the phase sensitive optical amplifier according to the second embodiment. 図18は、本発明の第3の実施形態に係る位相感応光増幅の構成を説明する図である。FIG. 18 is a diagram for explaining the configuration of phase-sensitive optical amplification according to the third embodiment of the present invention. 図19は、位相同期手段として中心波長信号を用いた、本発明の第4の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成を示す図である。FIG. 19 is a diagram showing a configuration of a phase sensitive optical amplifier according to the fourth embodiment of the present invention using a center wavelength signal as the phase synchronization means.

本発明は、非線形光学効果であるパラメトリック増幅効果を利用して信号光の特定の位相だけを増幅する位相感応光増幅器(または位相感応型光増幅装置とも呼ぶ)を提供し、複数波長の一括増幅が可能となる。光通信で用いる微弱な光パワーからパラメトリック光増幅を利用するのに十分なパワーを得るために、光ファイバ増幅器を利用する。光増幅に伴って発生するASE光を信号光に重畳させずに位相感応光増幅器を構成することができる。これによって、S/N比の劣化を防ぎながら高品質な光信号増幅が可能になる。さらには、本発明を用いることで励起光と位相相関のある信号光を選択的に増幅することで、ASE光などの無相関な光に起因した雑音を抑制することができる。本発明の位相感応型光増幅装置と、位相同期した複数の波長の光から構成される光コムを発生する光源とを組み合わせれば、光信号発生器を構成できる。   The present invention provides a phase-sensitive optical amplifier (or also called a phase-sensitive optical amplifying device) that amplifies only a specific phase of signal light using a parametric amplification effect that is a nonlinear optical effect, and amplifies a plurality of wavelengths at once. Is possible. An optical fiber amplifier is used in order to obtain sufficient power from the weak optical power used in optical communication to use parametric optical amplification. A phase sensitive optical amplifier can be configured without superimposing ASE light generated along with optical amplification on signal light. This enables high-quality optical signal amplification while preventing deterioration of the S / N ratio. Furthermore, noise caused by uncorrelated light such as ASE light can be suppressed by selectively amplifying signal light having a phase correlation with the excitation light by using the present invention. An optical signal generator can be configured by combining the phase sensitive optical amplifying device of the present invention with a light source that generates an optical comb composed of light of a plurality of wavelengths synchronized in phase.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図6および図7は、本発明の第1の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成および動作をそれぞれ説明する図である。図6に示すように、本実施形態では、光通信に用いられる微弱なレーザ光から非線形光学効果を得るのに十分なパワーを得るために、ファイバレーザ増幅器(EDFA)601を用いて、基本波光621を増幅する。増幅した基本波光を第1の二次非線形光学素子602−1に入射して第二高調波622を発生させる。第2の二次非線形光学素子602−2に、信号光620および第二高調波622を入射して縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応増幅を行う。   6 and 7 are diagrams illustrating the configuration and operation of the phase-sensitive optical amplifier according to the first embodiment of the present invention, respectively. As shown in FIG. 6, in this embodiment, in order to obtain sufficient power for obtaining a nonlinear optical effect from weak laser light used for optical communication, a fiber laser amplifier (EDFA) 601 is used to generate fundamental light. 621 is amplified. The amplified fundamental wave light is incident on the first second-order nonlinear optical element 602-1 to generate the second harmonic 622. The signal light 620 and the second harmonic 622 are incident on the second second-order nonlinear optical element 602-2 to perform degenerate parametric amplification, thereby performing phase sensitive amplification.

図6に示した構成の詳細は後述するが、このような構成を採ることによって、以下に述べるような従来技術の位相感応光増幅器には見られない特徴的な効果が得られる。本実施形態では、基本波光として、波長が1.54μmの連続波光(CW光)を用いる。入力信号光としては、図7中に示すように、基本波光波長に相当する光周波数を中心として同じ光周波数差だけ対称に離れた信号光の対(s+1とs-1、s+2とs-2、s+3とs-3、s+4とs-4、以下同様)が入力される。   The details of the configuration shown in FIG. 6 will be described later. By adopting such a configuration, it is possible to obtain characteristic effects not found in the phase sensitive optical amplifier of the prior art as described below. In this embodiment, continuous wave light (CW light) having a wavelength of 1.54 μm is used as the fundamental wave light. As the input signal light, as shown in FIG. 7, a pair of signal light (s + 1 and s-1, s + 2) symmetrically separated by the same optical frequency difference with the optical frequency corresponding to the fundamental wavelength as the center. S-2, s + 3 and s-3, s + 4 and s-4, and so on).

信号光群および基本波光は互いに位相同期している。このような信号光および基本波光は、たとえば同一の光源を分岐して、一方を光変調器により側帯波を生じさせることによって生成することができる。   The signal light group and the fundamental light are phase-synchronized with each other. Such signal light and fundamental wave light can be generated, for example, by branching the same light source and generating one sideband by an optical modulator.

図6に示すように、基本波光621は、位相変調器610、PZTを用いたファイバ伸長器611を通過してエルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)601で増幅される。増幅後、基本波光は、バンドパスフィルタ604を用いて、EDFA601から発生する余分な自然放出光を除去したのちに第1の二次非線形光学素子602−1内のPPLN導波路605−1に入射される。PPLN導波路605−1において、基本波光621の第二高調波である波長0.77μmの光622に変換される。   As shown in FIG. 6, the fundamental wave light 621 passes through a phase expander 611 using a phase modulator 610 and PZT and is amplified by an erbium-doped optical fiber amplifier (EDFA) 601. After amplification, the fundamental wave light is incident on the PPLN waveguide 605-1 in the first second-order nonlinear optical element 602-1 after removing excessive spontaneous emission light generated from the EDFA 601 using the bandpass filter 604. Is done. In the PPLN waveguide 605-1, the light is converted into light 622 having a wavelength of 0.77 μm, which is the second harmonic of the fundamental light 621.

信号光群620と、基本波光の第二高調波622とは、ダイクロイックミラー606−2で合波され、次いで、第2の二次非線形光学素子602−2内のPPLN導波路605−2に入射される。PPLN導波路605−2におけるパラメトリック増幅によって、信号光群620が増幅される。   The signal light group 620 and the second harmonic wave 622 of the fundamental light are combined by the dichroic mirror 606-2 and then incident on the PPLN waveguide 605-2 in the second second-order nonlinear optical element 602-2. Is done. The signal light group 620 is amplified by parametric amplification in the PPLN waveguide 605-2.

次に、信号光群の増幅動作について、詳細に説明する。本実施形態では、対となる信号光の2つの波長における位相が同じである光をそれぞれ入射する。例えば信号s+1とs-1は、同じ位相情報を持っているものと仮定する。   Next, the amplification operation of the signal light group will be described in detail. In the present embodiment, light having the same phase at two wavelengths of the paired signal light is respectively incident. For example, it is assumed that the signals s + 1 and s-1 have the same phase information.

二次非線形光学素子に、励起光(本実施形態では基本波光の第二高調波622)、信号光およびアイドラ光の3つの光を入射して三者の非線形相互作用により光増幅を行う、非縮退パラメトリック増幅においては、三者のそれぞれの位相が次式(5)を満たすときに、信号光、アイドラ光の両者のパラメトリック増幅が行われる。
φSH=φS+φi+2nπ(nは整数) 式(5)
A non-linear amplification is performed by entering three light beams of excitation light (second harmonic wave 622 of the fundamental wave light in this embodiment), signal light, and idler light into the second-order nonlinear optical element, and performing three-way nonlinear interaction. In degenerate parametric amplification, parametric amplification of both signal light and idler light is performed when the three phases satisfy the following equation (5).
φ SH = φ S + φ i + 2nπ (n is an integer) Equation (5)

ここでφSH、φS、φiはそれぞれ、基本波光の第二高調波、信号光、アイドラ光の位相である。信号およびアイドラが、本実施形態の信号s+1および信号s-1の対のように同じ位相を有していると仮定すると、φi=φSとして、次式(6)が成り立つ。
φS=φSH/2+nπ=φp+nπ(nは整数) 式(6)
Here, φ SH , φ S , and φ i are the phases of the second harmonic of the fundamental light, the signal light, and the idler light, respectively. Assuming that the signal and the idler have the same phase as the pair of the signal s + 1 and the signal s-1 in the present embodiment, the following equation (6) is established with φ i = φ S.
φ S = φ SH / 2 + nπ = φ p + nπ (n is an integer) Equation (6)

ただし、ここでφpは基本波光の位相である。第二高調波の位相φSHが2φpで表されることを用いた。 Here, φ p is the phase of the fundamental wave light. The second harmonic phase φ SH is expressed by 2φ p .

式(6)から分かるように信号光は、基本波光と位相が同じかπだけずれた場合、直交する2つの位相成分のうち励起光と同相の場合のみ、パラメトリック増幅が起こることがわかる。なお、基本波光と直交する位相を持つ信号対を入射した場合は、信号光は減衰されることになる。   As can be seen from equation (6), when the signal light has the same phase as that of the fundamental wave light or is shifted by π, it is understood that parametric amplification occurs only when the phase light is in phase with the excitation light among two orthogonal phase components. When a signal pair having a phase orthogonal to the fundamental wave light is incident, the signal light is attenuated.

このように、信号として、同じ位相情報をもつ信号光の対を入射すると、位相感応性を持つパラメトリック増幅が行われる。図6に示した本実施形態では、信号光および励起光をファイバ部品で接続しているために、温度変動や振動によるファイバの伸び縮みをPLL技術によって吸収している。本実施形態では、光周波数差だけ対称に離れた信号光の対はすべて位相同期しているため、複数の信号光群を増幅することが可能である。   Thus, when a pair of signal lights having the same phase information is incident as a signal, parametric amplification with phase sensitivity is performed. In the present embodiment shown in FIG. 6, since the signal light and the excitation light are connected by the fiber parts, the expansion and contraction of the fiber due to temperature fluctuation and vibration is absorbed by the PLL technology. In this embodiment, all pairs of signal light that are symmetrically separated by the optical frequency difference are phase-synchronized, so that a plurality of signal light groups can be amplified.

図8および図9は、位相感応光増幅で用いる複数波長の信号光および励起光のスペクトルをそれぞれ模式的に示した図である。図8は、図5で示した従来技術のファイバレーザ増幅器および非線形媒質として光ファイバを利用した構成を用いた場合を示し、図9は、図6で示した本発明の第1の実施形態による構成を用いた場合を示す図である。   FIG. 8 and FIG. 9 are diagrams schematically showing spectra of signal light and excitation light having a plurality of wavelengths used in phase sensitive light amplification. FIG. 8 shows a case where the conventional fiber laser amplifier shown in FIG. 5 and a configuration using an optical fiber as a nonlinear medium are used, and FIG. 9 is according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. It is a figure which shows the case where a structure is used.

図8で示すように、従来技術の光ファイバを用いた位相感応光増幅器では、四光波混合を利用する。このため、パラメトリック光増幅を行うための励起光および複数波長の信号光の波長が位相整合条件を満たすためには、これらの波長は、近接した波長にならざるを得ない。図8で示すように、複数波長の信号光801および励起光802が同じ1.55μm帯の波長帯を持っており、励起光802を光ファイバ増幅器で増幅する際、励起光波長の近傍に光ファイバ増幅器によりASE光803が発生してしまう。   As shown in FIG. 8, the phase sensitive optical amplifier using the optical fiber of the prior art uses four-wave mixing. For this reason, in order for the wavelengths of the pumping light for performing parametric light amplification and the signal light of a plurality of wavelengths to satisfy the phase matching condition, these wavelengths must be close wavelengths. As shown in FIG. 8, the signal light 801 and the pumping light 802 having a plurality of wavelengths have the same 1.55 μm wavelength band, and when the pumping light 802 is amplified by the optical fiber amplifier, the light is near The ASE light 803 is generated by the fiber amplifier.

信号波長域にASE光を発生させないために、複数波長の信号光が光ファイバ増幅器を通らないような構成にすることは可能である。しかしながら、励起光と複数波長の信号光とを合波する際に両者の波長が接近しているために、波長選択性の良い光フィルタを実現することは難しく、ASE光を完全にカットすることができない。この結果、信号波長帯域に発生しているASE光が複数波長の信号波長に重畳してしまう。ASE光の混入によって、複数波長の信号光のS/N比が劣化してしまうこととなる(図8の(c))。   In order not to generate ASE light in the signal wavelength range, it is possible to adopt a configuration in which signal light of a plurality of wavelengths does not pass through the optical fiber amplifier. However, when the excitation light and the signal light of a plurality of wavelengths are combined, it is difficult to realize an optical filter with good wavelength selectivity, and the ASE light is completely cut off. I can't. As a result, the ASE light generated in the signal wavelength band is superimposed on a plurality of signal wavelengths. By mixing ASE light, the S / N ratio of the signal light having a plurality of wavelengths is deteriorated ((c) in FIG. 8).

一方、図9で示すように、本実施形態による構成では、光通信で用いる微弱な光パワーからパラメトリック光増幅を利用するのに十分なパワーを得るために、基本波光902を光ファイバ増幅器によって増幅する。このときに基本波光902の波長近傍にASE光903が重畳する(図9の(b))。本実施形態に係る構成においては、光増幅を行ったのちに、ASE光903が重畳された基本波光902を、第1の二次非線形光学素子に入射し第二高調波904を発生させる。このときに励起光として使用される第二高調波904の波長帯域には、わずかにASE光の第二高調波が発生する以外には雑音となる広帯域のASE光は発生しない。第二高調波904の波長は基本波光902の波長の半分であり、両者の波長は十分に離れている。従って、基本波光902と基本波光の第二高調波904とから第二高調波904のみを分離するような高い消光比を持ったフィルタをダイクロイックミラー等で実現することは比較的容易である(図9の(c))。そのようなフィルタを第1の二次非線形光学素子の出力に接続することによって、励起光波長帯域の基本波光とASE光とを完全に取り除くことができる。次いで、複数波長の信号光901と第二高調波904のみとを合波して第2の二次非線形光学素子に入射し、非縮退パラメトリック増幅(PSA)による位相感応増幅を実現することができる(図9の(d))。   On the other hand, as shown in FIG. 9, in the configuration according to the present embodiment, the fundamental light 902 is amplified by an optical fiber amplifier in order to obtain sufficient power from the weak optical power used in optical communication to use parametric optical amplification. To do. At this time, the ASE light 903 is superimposed in the vicinity of the wavelength of the fundamental wave light 902 ((b) of FIG. 9). In the configuration according to this embodiment, after performing optical amplification, the fundamental wave light 902 on which the ASE light 903 is superimposed is incident on the first second-order nonlinear optical element to generate the second harmonic 904. At this time, in the wavelength band of the second harmonic 904 used as the excitation light, no broadband ASE light that causes noise other than the second harmonic of the ASE light is generated. The wavelength of the second harmonic 904 is half of the wavelength of the fundamental light 902, and the two wavelengths are sufficiently separated. Therefore, it is relatively easy to realize a filter having a high extinction ratio that separates only the second harmonic 904 from the fundamental light 902 and the second harmonic 904 of the fundamental light with a dichroic mirror or the like (FIG. 9 (c)). By connecting such a filter to the output of the first second-order nonlinear optical element, the fundamental wave light and the ASE light in the excitation light wavelength band can be completely removed. Next, the signal light 901 having a plurality of wavelengths and only the second harmonic 904 are combined and incident on the second second-order nonlinear optical element, and phase sensitive amplification by non-degenerate parametric amplification (PSA) can be realized. ((D) of FIG. 9).

さらに、本実施形態による動作を行う中で、以下のような従来技術にはない利点があることも明らかになった。   Furthermore, it has become clear that there are advantages that the following prior art does not have in performing the operation according to the present embodiment.

従来技術の光ファイバ中の四光波混合を利用して複数波長の信号光の位相感応光増幅を行う構成では、非特許文献7に示されるように、励起光波長を中心として複数波長の信号光との間の四光波混合だけが起きるわけではなく、位相整合に対する条件が様々な波長間で満たされてしまう。従って、例えば励起光を中心にして信号光が別の波長へ変換されるような副次的な過程も生じてしまい、図8の(c)に示すように、増幅された信号光がつぎつぎとコピーされて複数の信号804が生成される。   In the configuration of performing phase-sensitive amplification of signal light having a plurality of wavelengths using four-wave mixing in a conventional optical fiber, as shown in Non-Patent Document 7, a signal light having a plurality of wavelengths centering on the excitation light wavelength is used. Not only the four-wave mixing between the two, but the condition for phase matching is satisfied between various wavelengths. Therefore, for example, a secondary process in which the signal light is converted into another wavelength centering on the excitation light also occurs, and the amplified signal light is successively transmitted as shown in FIG. A plurality of signals 804 are generated by copying.

上述の副次的な過程に発生する信号のために増幅信号光のパワーが散逸してしまい、所望の信号光を増幅できるパワーが制限されてしまう。さらに、副次的に生成される信号は複数波長の信号光の波長の間等に生成されることから、副次的に生成された余分な信号を除去することには非常に難しい。分離のために超狭帯域の光フィルタなどを用いる方法も考えられるが、光フィルタの帯域を狭くすればするほどそのフィルタによる信号の損失が増大する。複数波長の信号光の波長多重数が多くなればなるほど、副次的に生成される信号の数量も増加する。この結果、副次的な信号が、元の信号光の帯域内に重畳される場合もある。このような場合は、もはや光フィルタによる分離は不可能であり、光信号のS/N比は劣化する。   The power of the amplified signal light is dissipated due to the signal generated in the above-mentioned secondary process, and the power that can amplify the desired signal light is limited. Further, since the signals generated in a secondary manner are generated between the wavelengths of the signal light having a plurality of wavelengths, it is very difficult to remove the redundant signals generated in a secondary manner. Although a method of using an ultra-narrow band optical filter or the like for separation is conceivable, the signal loss due to the filter increases as the band of the optical filter becomes narrower. As the number of multiplexed wavelengths of signal light having a plurality of wavelengths increases, the quantity of signals that are generated secondarily increases. As a result, the secondary signal may be superimposed within the band of the original signal light. In such a case, separation by an optical filter is no longer possible, and the S / N ratio of the optical signal deteriorates.

これに対し、本実施形態においては、第2のPPLN導波路へは信号光および第二高調波のみが入力されるので、従来技術のような不必要な波長変換過程が生じることがない。本実施形態では出力パワーを+22dBmまで大きくしても出力の飽和はみられず、安定的な増幅を行うことができた。また、四光波混合を用いた場合のように副次的に余計な信号が生成されることもなかった。   On the other hand, in this embodiment, since only the signal light and the second harmonic are input to the second PPLN waveguide, an unnecessary wavelength conversion process as in the prior art does not occur. In the present embodiment, even when the output power is increased to +22 dBm, output saturation is not observed, and stable amplification can be performed. In addition, unlike the case where four-wave mixing is used, a secondary extra signal is not generated.

ここで再び図6および図7を参照しながら、本実施形態の位相感応光増幅器の構成を詳しく述べる。本実施形態では、基本波光621は、エルビウム添加ファイバレーザ増幅器(EDFA)601を用いて増幅される。増幅された基本波光は、第1の二次非線形光学素子602−1に入力される。本実施形態では、EDFA601から発生する広帯域なASE光が第1の二次非線形光学素子602−1により変換されることを防ぐために、EDFA601と第1の二次非線形光学素子602−1との間にバンドパスフィルタ604を挿入し、不必要なASE光をカットした。   Here, the configuration of the phase sensitive optical amplifier according to the present embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 6 and 7 again. In this embodiment, the fundamental wave light 621 is amplified using an erbium-doped fiber laser amplifier (EDFA) 601. The amplified fundamental wave light is input to the first second-order nonlinear optical element 602-1. In the present embodiment, in order to prevent the broadband ASE light generated from the EDFA 601 from being converted by the first second-order nonlinear optical element 602-1, between the EDFA 601 and the first second-order nonlinear optical element 602-1. A band-pass filter 604 was inserted into the filter to cut unnecessary ASE light.

本実施形態の、二次非線形光学素子602−1、602−2は、それぞれ、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム(PPLN)から成る光導波路605−1、605−2を備える。二次非線形光学素子の材料は、これに限られず、例えば、LiNbO3、LNbO3、LiTaO3、LiNbxTax-13(0≦x≦1)、KTiOPO4のいずれかとすることができる。さらに、上記のいずれかの材料に、Mg、Zn、Fe、Sc、Inからなる群から選択された少なくとも1種を添加物として含有しているものであっても良い。 The second-order nonlinear optical elements 602-1 and 602-2 of this embodiment include optical waveguides 605-1 and 605-2 made of lithium niobate (PPLN) that is periodically poled. The material of the second-order nonlinear optical element is not limited to this, and can be any one of, for example, LiNbO 3 , LNbO 3 , LiTaO 3 , LiNb x Ta x-1 O 3 (0 ≦ x ≦ 1), or KTiOPO 4. . Furthermore, any one of the above materials may contain at least one selected from the group consisting of Mg, Zn, Fe, Sc, and In as an additive.

PPLN導波路に高強度のパワーを入射した場合にフォトリフラクティブ効果による光損傷により位相整合波長が変化する場合がある。本実施形態ではそのような問題が生じないように、非特許文献4に示される直接接合により作製された導波路を用いた。   When high-intensity power is incident on the PPLN waveguide, the phase matching wavelength may change due to optical damage due to the photorefractive effect. In this embodiment, a waveguide manufactured by direct bonding shown in Non-Patent Document 4 is used so that such a problem does not occur.

本実施形態では光損傷耐性に優れたZnを添加したニオブ酸リチウムをコアに用いた直接接合導波路を使用することによって、位相整合波長の変動を抑制した。また、ドライエッチング加工によってコア径を4μm程度まで小さくすることにより、高い波長変換効率を実現した。   In this embodiment, the fluctuation of the phase matching wavelength is suppressed by using a direct junction waveguide using, as a core, lithium niobate doped with Zn having excellent optical damage resistance. Moreover, high wavelength conversion efficiency was realized by reducing the core diameter to about 4 μm by dry etching.

第1のPPLN導波路605−1から出射した、第二高調波622および基本波光621は、ダイクロイックミラー606−1を用いて分離した。   The second harmonic wave 622 and the fundamental wave light 621 emitted from the first PPLN waveguide 605-1 were separated using a dichroic mirror 606-1.

ダイクロイックミラー606−1で反射された波長0.77μmの第二高調波622は、この波長0.77μmにおいてシングルモード伝搬特性をもつ偏波保持ファイバ607を介して、第2の二次非線形光学素子602−2へと導かれる。このとき、ダイクロイックミラー606−1で完全には取り除けなかった波長1.54μm付近の基本波光およびASE光も偏波保持ファイバ607に入射されることになる。しかし、0.77μmにおいてシングルモードであるこのファイバは波長1.54μmの光に対しては光の閉じ込めが弱いために、1m程度の長さを伝搬させることによって、これらの不要な光を効果的に減衰させることができる。   The second harmonic 622 having a wavelength of 0.77 μm reflected by the dichroic mirror 606-1 passes through the polarization maintaining fiber 607 having a single-mode propagation characteristic at the wavelength of 0.77 μm, and the second second-order nonlinear optical element. To 602-2. At this time, fundamental wave light and ASE light having a wavelength of about 1.54 μm that could not be completely removed by the dichroic mirror 606-1 are also incident on the polarization maintaining fiber 607. However, this fiber, which is a single mode at 0.77 μm, has a weak light confinement with respect to light having a wavelength of 1.54 μm. Therefore, it is possible to effectively transmit these unnecessary lights by propagating a length of about 1 m. Can be attenuated.

偏波保持ファイバ607で導かれた第二高調波は、ダイクロイックミラー606−2を用いて波長1.54μmの信号光620と合波される。ダイクロイックミラー606−2は第二高調波のみを反射させるために、第1のPPLN導波路605−1から出射され、ダイクロイックミラー606−1および偏波保持ファイバ607を通ってくる波長1.54μm付近の基本波光およびASE光の残留成分を効果的に取り除くことができる。   The second harmonic guided by the polarization maintaining fiber 607 is combined with the signal light 620 having a wavelength of 1.54 μm using the dichroic mirror 606-2. The dichroic mirror 606-2 is emitted from the first PPLN waveguide 605-1 to reflect only the second harmonic, and passes through the dichroic mirror 606-1 and the polarization maintaining fiber 607 and has a wavelength of about 1.54 μm. The residual component of the fundamental wave light and the ASE light can be effectively removed.

信号光620および第二高調波622は、ダイクロイックミラー606−2で合波された後、第2のPPLN導波路605−2に入射される。第2のPPLN導波路605−2は、第1のPPLN導波路605−1と同等の性能および位相整合波長を有しており、非縮退パラメトリック増幅により、信号光を位相感応光増幅することができる。   The signal light 620 and the second harmonic 622 are combined by the dichroic mirror 606-2 and then incident on the second PPLN waveguide 605-2. The second PPLN waveguide 605-2 has the same performance and phase matching wavelength as the first PPLN waveguide 605-1, and the signal light can be phase-sensitively amplified by non-degenerate parametric amplification. it can.

本実施形態では、2つのPPLN導波路(605−1,605−2)は、それぞれ、個別の温度調節器によって一定の温度となるように制御されている。2つのPPLN導波路の作製誤差のために同一温度において位相整合波長が一致しない場合が考えられるが、そのような場合でも両者を個々に温度制御することにより、両者の位相整合波長を一致させることができる。   In the present embodiment, the two PPLN waveguides (605-1, 605-2) are each controlled to have a constant temperature by individual temperature regulators. It is conceivable that the phase matching wavelengths do not match at the same temperature due to manufacturing errors of the two PPLN waveguides, but even in such a case, the phase matching wavelengths of both must be matched by individually controlling the temperatures. Can do.

第2のPPLN導波路605−2から出射された光は、ダイクロイックミラー606−3により励起光である第二高調波と増幅された信号光とに分離される。このときも第二高調波および増幅された信号光は、波長が全く異なるために、出力において不要な第二高調波成分を効果的に取り除くことができる。   The light emitted from the second PPLN waveguide 605-2 is separated by the dichroic mirror 606-3 into the second harmonic that is the excitation light and the amplified signal light. Also at this time, since the second harmonic and the amplified signal light have completely different wavelengths, unnecessary second harmonic components in the output can be effectively removed.

位相感応光増幅では、励起光の位相と信号光の位相とを同期させることが必要である。本実施形態では出力した増幅信号光の一部を光分岐部603で分岐して光検出器608で受光したのちに、位相同期ループ回路(PLL)609により位相同期を行った。EDFA601の前に配置した位相変調器610を用いて、正弦波により微弱な位相変調を基本波光621に施す。光検出器608およびPLL回路609によってその位相変調の位相ずれを検出して、EDFA601の前に配置したPZTによる光ファイバの伸長器611の駆動電圧および位相変調器610のバイアス電圧にフィードバックを行う。これによって、光ファイバ部品の振動や温度変動などによる光位相の変動を吸収して、安定的に位相感応光増幅ができるようにした。   In phase sensitive light amplification, it is necessary to synchronize the phase of the excitation light and the phase of the signal light. In the present embodiment, a part of the output amplified signal light is branched by the optical branching unit 603 and received by the photodetector 608, and then phase locked by the phase locked loop circuit (PLL) 609. Using the phase modulator 610 disposed in front of the EDFA 601, weak phase modulation is applied to the fundamental wave light 621 using a sine wave. The optical detector 608 and the PLL circuit 609 detect the phase shift of the phase modulation, and feed back to the drive voltage of the optical fiber stretcher 611 and the bias voltage of the phase modulator 610 by PZT arranged in front of the EDFA 601. As a result, the fluctuation of the optical phase due to the vibration of the optical fiber component or the temperature fluctuation is absorbed, so that the phase sensitive optical amplification can be stably performed.

光コムを分波器で信号光を分波し、各信号光を変調器で変調した後に再び合波器で合波する場合、一般的には、変調による損失が大きいためS/N比が劣化する。また、変調器を用いて光コムを発生する場合も、変調器の損失や複数搬送波への変換効率の分だけ光パワーが小さくなり、S/N比が劣化する。さらに、光パワーが減衰した光コムをEDFA等のレーザ光増幅器で増幅すると、自然放出光(ASE光)が混入してしまい、増幅に伴ってますますS/N比が劣化してしまう。   When the optical comb is demultiplexed by a demultiplexer, and each signal light is modulated by a modulator and then multiplexed by a multiplexer, generally, the S / N ratio is large because loss due to modulation is large. to degrade. Also, when an optical comb is generated using a modulator, the optical power is reduced by the loss of the modulator and the conversion efficiency to a plurality of carriers, and the S / N ratio is deteriorated. Furthermore, when an optical comb whose optical power is attenuated is amplified by a laser optical amplifier such as EDFA, spontaneous emission light (ASE light) is mixed, and the S / N ratio is further deteriorated along with the amplification.

本発明の位相感応光増幅器によって、上述のようなASE光が混入した信号光群を増幅した場合に、従来技術の光増幅器では全く得られなかった特異な振る舞いを見せることが見出された。   It has been found that when the signal light group mixed with the ASE light as described above is amplified by the phase sensitive optical amplifier of the present invention, it exhibits a unique behavior that cannot be obtained at all by the conventional optical amplifier.

図10は、本実施形態に係る位相感応光増幅器を使用したときの効果を説明する図である。図10の(a)は、EDFAから発生させたASE光を意図的に混入させた信号光群の光スペクトルを示す。図10の(b)は、前述のASE光を意図的に混入させた信号光群を、本実施形態に係る構成を用いた位相感応光増幅器で増幅したときの出力の光スペクトルを示す。   FIG. 10 is a diagram for explaining the effect when the phase-sensitive optical amplifier according to this embodiment is used. FIG. 10A shows an optical spectrum of a signal light group in which ASE light generated from the EDFA is intentionally mixed. FIG. 10B shows an output optical spectrum when the signal light group in which the above-mentioned ASE light is intentionally mixed is amplified by the phase sensitive optical amplifier using the configuration according to the present embodiment.

図10の(a)および(b)から分かるように、本実施形態に係る位相感応光増幅器によって増幅することにより、出力における増幅された信号光とASE光との差、すなわち光S/N比(OSNR)が、驚くべきことに入力のS/N比に比べて3dBほど向上している。   As can be seen from (a) and (b) of FIG. 10, the difference between the amplified signal light and the ASE light at the output, that is, the optical S / N ratio, is amplified by the phase sensitive optical amplifier according to the present embodiment. (OSNR) is surprisingly improved by about 3 dB compared to the input S / N ratio.

一例として、中心波長から対称に離れた信号対の内で、中心波長よりも短い波長を持つ1つの信号に着目する。入力光の信号光は0.01nmの分解能で測定したところ、図10の(a)に示すように23dBのOSNRを有していた。一方、図10の(b)に示すように増幅後の出力信号は26dBのOSNRを有しており、光S/N比が入力光に比べて3dBほど改善していることがわかる。なお、本実施形態に係る増幅器は偏波依存性があるため、公平なS/N比の評価を行うために、入力のスペクトルを評価する際に偏光子を挿入して、本来増幅されるはずの偏波成分のみの比較を行っている。   As an example, attention is focused on one signal having a wavelength shorter than the center wavelength among signal pairs symmetrically separated from the center wavelength. When the input signal light was measured with a resolution of 0.01 nm, it had an OSNR of 23 dB as shown in FIG. On the other hand, as shown in FIG. 10B, the amplified output signal has an OSNR of 26 dB, and it can be seen that the optical S / N ratio is improved by about 3 dB compared to the input light. Since the amplifier according to the present embodiment has polarization dependency, a polarizer should be inserted when evaluating the input spectrum in order to evaluate the S / N ratio in a fair manner. Comparison of only the polarization components.

このS/N比の改善という現象が生じる理由については、以下のように、説明することができる。まず、励起光の2倍の波長と信号光の波長とが同じになる縮退点を除外した、非縮退点における動作について考える。本実施形態では、励起光と位相関係の確定した信号光対を入力している。本実施形態のように信号光波長とアイドラ光波長とに相当する波長において同一位相を持つ信号光対を入射した場合、上述のように励起光との位相さえ同期できれば、信号光の全ての成分が増幅される。   The reason why this phenomenon of improving the S / N ratio occurs can be explained as follows. First, consider an operation at a non-degenerate point, excluding a degenerate point where the wavelength of the excitation light is twice the wavelength of the signal light. In the present embodiment, a signal light pair having a phase relationship with the excitation light is input. When a signal light pair having the same phase is incident at a wavelength corresponding to the signal light wavelength and the idler light wavelength as in the present embodiment, all components of the signal light can be obtained as long as the phase with the excitation light can be synchronized as described above. Is amplified.

また、光ファイバを用いた位相感応光増幅器(PSA)で見られるように、光ファイバやPPLNを用いた何らかの波長変換プロセスにより信号光と共役な逆位相情報φi=−φs+α(αはファイバ等の光学長で決まる位相)を持つアイドラ光を生成し、信号光およびアイドラ光を入力した場合も、SH光、信号光およびアイドラ光間の位相関係が次式(7)を満たすときには、パラメトリック増幅が行われる。
φSH=φS+φi+2nπ
=φS−φS+α+2nπ
=α+2nπ(ただし、nは整数) 式(7)
Further, as seen in a phase-sensitive optical amplifier (PSA) using an optical fiber, anti-phase information φi = −φs + α (α is a fiber or the like) conjugate with signal light by some wavelength conversion process using an optical fiber or PPLN. Even when the signal light and the idler light are input and the phase relationship among the SH light, the signal light and the idler light satisfies the following equation (7), the parametric amplification is performed. Done.
φ SH = φ S + φ i + 2nπ
= Φ S −φ S + α + 2nπ
= Α + 2nπ (where n is an integer) Equation (7)

すなわち共役な信号光およびアイドラ光を入射した場合、ファイバ等の光学長で決まる位相αを励起光と合わせれば、信号光の全ての成分が増幅される。このように位相関係が確定している信号光および励起光を入射した場合は、適切な光学長の調整により信号光の全ての成分が増幅される。   That is, when conjugate signal light and idler light are incident, all components of the signal light are amplified if the phase α determined by the optical length of the fiber or the like is combined with the excitation light. When the signal light and the excitation light whose phase relationship is determined in this way are incident, all components of the signal light are amplified by adjusting the appropriate optical length.

次にASE光の入力に対する増幅を考える。第二高調波の位相φSHからの相対的な位相を考えた場合に、ASEはランダムな位相の光を発生するため、励起光と同位相の成分と直交位相の成分とを同等に含んでいるものと考えられる。 Next, consider the amplification of the ASE light input. When considering the relative phase from the second harmonic phase φ SH , the ASE generates light having a random phase, and therefore includes the same phase component and quadrature phase component as the excitation light. It is thought that there is.

特に信号光およびアイドラ光を入射した場合のそれぞれの信号、アイドラ光と同じ波長におけるASEの増幅を考えると、信号波長に発生するASEの位相φS-ASEとし、アイドラ波長に発生するASEの位相をφi-ASEとしたとき、次式(8)を満たす成分のみがパラメトリック増幅される。
φSH=φS-ASE+φi-ASE+2nπ(ただし、nは整数) 式(8)
Considering the amplification of ASE at the same wavelength as the signal and idler light, particularly when signal light and idler light are incident, the phase of ASE generated at the signal wavelength is φ S-ASE and the phase of ASE generated at the idler wavelength Is φi -ASE , only the component satisfying the following equation (8) is parametrically amplified.
φ SH = φ S-ASE + φ i-ASE + 2nπ (where n is an integer) Equation (8)

ASEの場合、上述の位相関係が確定した信号-アイドラとは異なり、信号波長、アイドラ波長においてそれぞれ発生するASEの位相φS-ASE、φi-ASEはランダムであるので、相互に相関がない。また、φS-ASEおよびφi-ASEは、第二高調波の位相φSHとの間にも相関はない。従って、φS-ASEを固定して考えた場合に、ランダムな値を取りうるφi-ASEのうち、第二高調波の位相φSを基準にしてφS-ASEと共役な位相をもつ成分のみがパラメトリック増幅を受けることになる。 In the case of ASE, unlike the signal-idler in which the above-described phase relationship is determined, the phases S S-ASE and i i-ASE of the ASE generated at the signal wavelength and idler wavelength are random, so there is no correlation between them. . Also, φ S-ASE and φ i-ASE have no correlation with the second harmonic phase φ SH . Therefore, when φ S-ASE is fixed, out of φ i-ASE that can take a random value, it has a phase conjugate with φ S-ASE with reference to the phase φ S of the second harmonic. Only the components will undergo parametric amplification.

このようなASEの位相のランダム性を考慮すると、上述の相関のある信号光に比べれば、ASEに対する利得は信号光に対する利得の半分になることが分かる。従って、本実施形態に係る光増幅器によって増幅することで、光スペクトルで比較した場合のS/N比を改善することが可能になる。   Considering such ASE phase randomness, it can be seen that the gain for ASE is half the gain for signal light compared to the above-mentioned correlated signal light. Therefore, amplification by the optical amplifier according to this embodiment can improve the S / N ratio when compared in the optical spectrum.

光ファイバを用いた非縮退パラメトリック増幅では、上述のようなS/N比を改善する効果を得ることは難しい。その理由は、以下の通りである。光ファイバの四光波混合を用いた増幅では、励起光、信号光およびアイドラ光の全てが1.55μm帯にあり、通常EDFAなどを用いて励起光を発生するために、励起光波長に近接した信号光やアイドラ光の波長の帯域にEDFAから発生するASE光が混入してしまう。しかも、励起光のパワーが信号光やアイドラ光に比べて相対的に大きいことが多いので、外部から混入するASE光による雑音の影響が大きいからである。従って、本実施形態の位相感応光増幅器ように、入出力に対してS/N比を改善できるような顕著な効果を得ることができない。   In non-degenerate parametric amplification using an optical fiber, it is difficult to obtain the effect of improving the S / N ratio as described above. The reason is as follows. In the amplification using the four-wave mixing of the optical fiber, the pumping light, the signal light, and the idler light are all in the 1.55 μm band, and are usually close to the pumping light wavelength in order to generate the pumping light using EDFA or the like. The ASE light generated from the EDFA is mixed in the wavelength band of the signal light and idler light. In addition, since the power of the excitation light is often relatively higher than that of the signal light and idler light, the influence of noise due to ASE light mixed from outside is great. Therefore, unlike the phase sensitive optical amplifier of this embodiment, it is not possible to obtain a remarkable effect that can improve the S / N ratio with respect to input and output.

これに対して、本実施形態の位相感応光増幅器では、EDFAで基本波光を増幅したのちに第二高調波に変換して、1.55μm帯のASE光も除去してから、パラメトリック媒質に入射し非縮退パラメトリック増幅を行っている。したがって、励起光の発生に用いるEDFAから発生するASE光の混入を防ぐことができる。本実施形態によって、信号光およびアイドラ光に対する位相感応性を利用したS/N比の改善効果を得ることができる。   In contrast, in the phase sensitive optical amplifier according to the present embodiment, the fundamental light is amplified by the EDFA and then converted to the second harmonic, and the ASE light in the 1.55 μm band is also removed and then incident on the parametric medium. Non-degenerate parametric amplification is performed. Therefore, mixing of ASE light generated from the EDFA used for generating the excitation light can be prevented. According to the present embodiment, it is possible to obtain an effect of improving the S / N ratio using phase sensitivity to signal light and idler light.

次に、上記の説明で除外した、励起光の2倍の波長および信号光の波長が同じになる縮退点における動作について説明する。   Next, the operation at the degenerate point where the wavelength twice that of the excitation light and the wavelength of the signal light are the same, which is excluded in the above description, will be described.

図6に示したように、本実施形態では、励起光の2倍の波長と同じ波長の信号光も入射しており、この波長においても図10の(a)および(b)の光スペクトルで見る限りでは、S/N比は改善している。しかし、以下に述べるように、励起光の2倍の波長と信号光の波長とが同じになる縮退パラメトリック増幅を行う場合において、光電変換したのちの入出力を比較してS/N比が向上することはない。縮退パラメトリック増幅においては信号光位相φSと励起光位相φpとの間に次式(9)が成り立つときに増幅が行われる。
φS=φSH/2+nπ=φp+nπ(ただし、nは整数) 式(9)
As shown in FIG. 6, in the present embodiment, signal light having the same wavelength as twice the wavelength of the excitation light is also incident. Even at this wavelength, the optical spectrums of FIGS. 10 (a) and 10 (b) are used. As far as we can see, the S / N ratio has improved. However, as described below, when degenerate parametric amplification is performed in which the wavelength of the excitation light is twice the wavelength of the signal light, the S / N ratio is improved by comparing the input and output after photoelectric conversion. Never do. In the degenerate parametric amplification, amplification is performed when the following equation (9) is established between the signal light phase φ S and the excitation light phase φ p .
φ S = φ SH / 2 + nπ = φ p + nπ (where n is an integer) Equation (9)

すなわち、信号光は励起光と同相の成分のみが増幅される。ASE光が入力された場合も同様であり、ASE光の位相がランダムであることを考えると、励起光と位相同期した信号光が入射された場合に比べて、ASEに対する利得は信号光に対する利得の半分になる。従って、光のパワーで見たときのS/N比は3dB改善されることになる。この点は、非縮退点における動作と変わらない。   That is, the signal light is amplified only in the component in phase with the excitation light. The same applies to the case where the ASE light is input. Considering that the phase of the ASE light is random, the gain for the ASE is higher than that for the case where the signal light phase-synchronized with the excitation light is incident. Of half. Therefore, the S / N ratio when viewed with the light power is improved by 3 dB. This is the same as the operation at the non-degenerate point.

縮退点における動作では、入力されたASE光のうち信号光と同相の成分は増幅され、直交位相成分は減衰する。この直交位相成分が増幅されないことが光パワーで見たときの利得の違いとして現れることになるのだが、もともと信号光と直交位相をもつ成分は信号光と干渉しても強度雑音を発生することはない。一方、信号光と干渉し強度雑音の原因となる、ASE光のうちの信号光と同相の成分は、信号と同様の利得を受けて増幅される。従って、縮退点における位相感応パラメトリック増幅では、信号光と干渉するASE光の成分が減るわけではなく、光信号を光電変換したあとのS/N比は変わらない。   In the operation at the degeneracy point, in-phase components of the input ASE light are amplified, and quadrature components are attenuated. The fact that this quadrature component is not amplified will appear as a difference in gain when viewed in terms of optical power, but components that originally have quadrature phase with signal light will generate intensity noise even if it interferes with signal light. There is no. On the other hand, a component in phase with the signal light in the ASE light that interferes with the signal light and causes intensity noise is amplified by receiving the same gain as the signal. Therefore, in the phase sensitive parametric amplification at the degeneracy point, the component of the ASE light that interferes with the signal light is not reduced, and the S / N ratio after photoelectric conversion of the optical signal does not change.

続いて、本実施形態で採用する非縮退パラメトリック増幅において、光電変換後のS/N比がどのような振る舞いをするかについて述べる。上述のように非縮退パラメトリック増幅において、ASE光の受ける利得は信号光に比べて半分となる。このときの増幅されたASE光の位相に注目すると、上述のように信号光およびアイドラ光の波長にそれぞれ入力されるASE光成分のうち、次式(10)を満たす成分のみが増幅される。
φSH=φS-ASE+φi-ASE+2nπ(ただし、nは整数) 式(10)
Next, how the S / N ratio after photoelectric conversion behaves in the non-degenerate parametric amplification employed in the present embodiment will be described. As described above, in non-degenerate parametric amplification, the gain received by ASE light is half that of signal light. Focusing on the phase of the amplified ASE light at this time, only the component satisfying the following expression (10) is amplified among the ASE light components respectively input to the wavelengths of the signal light and the idler light as described above.
φ SH = φ S-ASE + φ i-ASE + 2nπ (where n is an integer) Equation (10)

縮退点での動作では、入力されたASE光のうち励起光と同相の成分のみが増幅されていたのに対して、非縮退点での動作では、信号光波長およびアイドラ光波長におけるASE光の位相が共役な関係になることのみが増幅に必要な条件になる。増幅されたASE光、信号光およびアイドラ光間の位相関係は、特に規定されない。従って、縮退点での動作とは異なり、非縮退点での動作では、増幅されたASE光は、信号光の直交位相成分と同等に信号光と同相位相の成分を含んでいると考えられる。入出力ともASE光の位相はランダムであり、かつ、ASE光の受ける利得は信号の受ける利得の半分であるので、光電変換後のASE光とのビート雑音によって決まるS/N比は、3dB増幅後に改善することになる。   In the operation at the degenerate point, only the component in phase with the pumping light is amplified among the input ASE light, whereas in the operation at the non-degenerate point, the ASE light at the signal light wavelength and the idler light wavelength is amplified. Only the phase is in a conjugate relationship is a necessary condition for amplification. The phase relationship among the amplified ASE light, signal light, and idler light is not particularly defined. Therefore, unlike the operation at the degeneracy point, the operation at the non-degeneration point is considered that the amplified ASE light includes a component having the same phase as that of the signal light as well as the quadrature phase component of the signal light. Since the phase of the ASE light is random for both input and output, and the gain received by the ASE light is half of the gain received by the signal, the S / N ratio determined by the beat noise with the ASE light after photoelectric conversion is amplified by 3 dB. It will be improved later.

縮退動作との比較で考えると、非縮退動作では強度雑音に寄与する同相のASE光の強度は、縮退動作における同相のASE光の強度の半分となり、増幅後のASE光全体のパワーは縮退動作時と同じとなる。したがって、増幅されたASE光のうち同相の成分のみが信号との干渉による強度雑音を起こすことを考えれば、非縮退動作では、縮退動作に比べてS/N比が3dB改善することになる。   In comparison with the degenerate operation, the intensity of the in-phase ASE light contributing to the intensity noise in the non-degenerate operation is half the intensity of the in-phase ASE light in the degenerate operation, and the power of the entire ASE light after amplification is the degenerate operation. Same as time. Accordingly, considering that only in-phase components of the amplified ASE light cause intensity noise due to interference with the signal, the S / N ratio is improved by 3 dB in the non-degenerate operation compared to the degenerate operation.

このことを確認するために、本発明の増幅器に入力した光コム信号と増幅後の光コム信号において、信号光とASE光のビート雑音のレベルを比較した。それぞれ所望の1つの搬送波をバンドパスフィルタで切り出し、光アッテネータで平均パワーを同じくしたのちに、O/Eコンバータを内蔵した電気スペクトラムアナライザを用いて測定した。   In order to confirm this, the beat noise levels of the signal light and the ASE light were compared between the optical comb signal input to the amplifier of the present invention and the amplified optical comb signal. Each desired carrier wave was cut out with a band-pass filter, the average power was made the same with an optical attenuator, and then measured using an electric spectrum analyzer with a built-in O / E converter.

図11は、第1の実施形態に係る構成を用いた位相感応光増幅器で増幅したときの入出力における信号光とASE光のビート雑音のレベルを示す図である。図11の(a)に示したように、縮退点のピークを観測した場合は、増幅器の入出力において、雑音レベルに違いが見られない。これに対して、図11の(b)に示したように、非縮退点のピークを観測した場合、増幅により雑音レベルが3dB低くなっている。すなわち、S/N比が3dB改善されていることが確認できた。このように本実施形態の位相感応光増幅器によれば、レーザ増幅器などでS/N比が劣化した信号を増幅することにより、出力のS/N比を入力よりも改善できるという非常に顕著な効果を得ることができる。   FIG. 11 is a diagram showing beat noise levels of signal light and ASE light at the input and output when amplified by the phase sensitive optical amplifier using the configuration according to the first embodiment. As shown in FIG. 11A, when the peak of the degeneracy point is observed, there is no difference in the noise level at the input / output of the amplifier. On the other hand, as shown in FIG. 11B, when the peak of the non-degenerate point is observed, the noise level is lowered by 3 dB due to amplification. That is, it was confirmed that the S / N ratio was improved by 3 dB. As described above, according to the phase sensitive optical amplifier of the present embodiment, the output S / N ratio can be improved more than the input by amplifying the signal whose S / N ratio is deteriorated by a laser amplifier or the like. An effect can be obtained.

本実施形態に係る位相感応光増幅器に、実際にデータ変調を施した信号を入射して、本実施形態によるS/N比の改善効果を調べた。   A signal subjected to actual data modulation was made incident on the phase sensitive optical amplifier according to the present embodiment, and the effect of improving the S / N ratio according to the present embodiment was examined.

図12は、光コムにデータ変調を施した信号を用いたS/N比改善効果を調べるための実験構成を示す図である。単一波長光源1201を光変調器1203で変調することにより発生した光コムを、LN変調器1205でBPSK変調を施し、図6に示した本実施形態の位相感応光増幅器に入射する。   FIG. 12 is a diagram showing an experimental configuration for examining the effect of improving the S / N ratio using a signal obtained by performing data modulation on an optical comb. The optical comb generated by modulating the single wavelength light source 1201 by the optical modulator 1203 is subjected to BPSK modulation by the LN modulator 1205 and is incident on the phase sensitive optical amplifier of this embodiment shown in FIG.

実際の光コムの変調では、光コム発生とデータ変調時の損失を補償するために、後にEDFA等のレーザ増幅器を用いて信号を増幅する。この時に、ASE光による信号雑音が付加されてしまう。   In actual optical comb modulation, a signal is amplified later using a laser amplifier such as an EDFA in order to compensate for optical comb generation and loss during data modulation. At this time, signal noise due to ASE light is added.

本実施形態の位相感応光増幅器を評価するためのこの実験では、S/N比の改善効果を調べるために、データ変調を施した光コム信号に対し、EDFA1206を介して意図的にASE雑音を付加している。   In this experiment for evaluating the phase sensitive optical amplifier according to the present embodiment, in order to investigate the effect of improving the S / N ratio, an ASE noise is intentionally applied to the optical comb signal subjected to data modulation via the EDFA 1206. It is added.

位相感応光増幅器の基本波光は、光コムを発生するのに用いた単一波長光源1201を分岐して用いた。増幅前後の信号から非縮退点のピークを分波器1210で分離し、光減衰器1211で受信パワーを調整して、受信装置1212で受信した。   The fundamental wave light of the phase sensitive optical amplifier was branched from the single wavelength light source 1201 used to generate the optical comb. The peak at the non-degenerate point was separated from the signal before and after amplification by the demultiplexer 1210, the reception power was adjusted by the optical attenuator 1211, and the signal was received by the reception device 1212.

図13は、測定した受信パワーに対する誤り率のデータを示す図である。光コム発生およびデータ変調時の損失により光パワーが減衰した光コムを、EDFA等のレーザ光増幅器で増幅すると、自然放出光(ASE光)が混入してしまい、増幅に伴ってS/N比が劣化してしまうという問題があった。図13に示した結果から、意図的にASE雑音を付加した場合(プロット○)、ASE雑音を付加しない場合(プロット●)と同じ誤り率を得るためには、必要な受信パワーが非常に大きくなることが分かる。   FIG. 13 is a diagram illustrating error rate data with respect to measured reception power. When an optical comb whose optical power is attenuated due to generation of an optical comb and loss during data modulation is amplified by a laser optical amplifier such as EDFA, spontaneous emission light (ASE light) is mixed, and the S / N ratio is accompanied by the amplification. There was a problem that would deteriorate. From the result shown in FIG. 13, in order to obtain the same error rate as when the ASE noise is intentionally added (plot ○) and when the ASE noise is not added (plot ●), the necessary reception power is very large. I understand that

しかしながら、本実施形態に係る位相感応光増幅器に、意図的にASE雑音を付加した信号を入射して得られた出力信号のデータ誤り率(プロット黒四角)は、元のASE雑音を付加された入力信号に比べ大幅に、必要な受信パワーに対する改善が見られた。10-9の誤り率で比べた場合、本発明の位相感応光増幅器を用いると、ASE雑音によるパワーペナルティを3dB改善するという顕著な効果が見られた。 However, the data error rate (plot black square) of the output signal obtained by intentionally injecting the signal to which the ASE noise is added to the phase sensitive optical amplifier according to this embodiment is added with the original ASE noise. Compared to the input signal, there was a significant improvement in the required received power. When compared with an error rate of 10 −9 , when the phase sensitive optical amplifier of the present invention is used, a remarkable effect of improving the power penalty due to ASE noise by 3 dB is seen.

上述のASE雑音が付加され重畳された光信号のS/N比の改善効果から分かるように、本発明の位相感応光増幅器は、信号対雑音比改善装置としても機能することが分かる。すなわち、自然放出光雑音が重畳された対となる2つの波長を持つ前記信号光が入力される本発明の位相感応型光増幅装置を備えることで、信号光に対する利得と、自然放出光雑音の利得との差異に基づいて、自然放出光雑音が重畳された信号光から、信号光が選択的に増幅されることによって自然放出光雑音が除去される信号対雑音比改善装置が実現できる。   As can be seen from the effect of improving the S / N ratio of the optical signal with the ASE noise added and superimposed, it can be seen that the phase sensitive optical amplifier of the present invention also functions as a signal-to-noise ratio improvement device. That is, by providing the phase sensitive optical amplifier of the present invention to which the signal light having two wavelengths paired with spontaneous emission light noise is input, the gain for the signal light and the spontaneous emission light noise can be reduced. Based on the difference from the gain, it is possible to realize a signal-to-noise ratio improving apparatus in which spontaneous emission light noise is removed by selectively amplifying signal light from signal light superimposed with spontaneous emission light noise.

図14は、本発明の第2の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成を示す図である。単一波長光源1401には1.54μmのCW光を用いる。変調器1403を用いて、励起光の2倍の波長に相当する光周波数を中心として同じ光周波数差だけ対称に離れた信号光の対(s+1とs-1、s+2とs-2、s+3とs-3、s+4とs-4、以下同様)を持つ光コムを生成する。本発明の位相感応光増幅装器と、位相同期した複数の波長の光から構成される光コムを発生する光源とを組み合わせれば、光信号発生器を構成できる。   FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a phase sensitive optical amplifier according to the second embodiment of the present invention. The single wavelength light source 1401 uses 1.54 μm CW light. Using a modulator 1403, a pair of signal lights (s + 1 and s-1, s + 2 and s- are symmetrically separated by the same optical frequency difference around the optical frequency corresponding to twice the wavelength of the pumping light. 2, s + 3 and s-3, s + 4 and s-4, and so on). An optical signal generator can be constructed by combining the phase sensitive optical amplifier of the present invention with a light source that generates an optical comb composed of light of a plurality of wavelengths synchronized in phase.

本実施形態では単一波長光源1401および光変調器1403から構成された光コム発生器を採用しているが、光源にモード同期レーザを用いる方法や、非線形媒質を用いる方法などの他の方法を用いて光コムを発生させても良い。   In this embodiment, an optical comb generator composed of a single wavelength light source 1401 and an optical modulator 1403 is adopted, but other methods such as a method using a mode-locked laser as a light source and a method using a nonlinear medium are used. It may be used to generate an optical comb.

発生させた光コム信号の複数波長のうちの1波長から同じ光周波数差だけ対称に離れた対となる2波長が、同じ光路に出力するように設計された分波器1404を用いて光コムの各波長を分離した。分波器には、アレイ導波路格子(AWG:Arrayed Waveguide Grating)に代表される導波路型の合分波器を用いても良いし、MEMSを用いたWSS(Wavelength Selective Switch)に代表される空間光学系を用いた合分波器を用いても良い。   An optical comb using a duplexer 1404 designed so that two wavelengths, which are symmetrically separated from one wavelength among a plurality of wavelengths of the generated optical comb signal by the same optical frequency difference, are output to the same optical path. Each wavelength was separated. As the branching filter, a waveguide type multiplexer / demultiplexer represented by an arrayed waveguide grating (AWG) may be used, or a WSS (Wavelength Selective Switch) using MEMS is used. A multiplexer / demultiplexer using a spatial optical system may be used.

分波器1404の各出力にはそれぞれ光変調器1405が接続されており、各信号光の対にデータ変調を施す。次いで、合波器1406を用いて各信号対を合波した後、EDFA等のレーザ増幅器1407で信号を増幅する。図14に示した構成においては、データ変調信号を合波した後で一括で増幅しているが、この構成に限られない。例えばデータ変調に半導体の変調器を用いSOAなどの半導体増幅器を変調器に集積したデバイスを用いることができる場合は、図15に示した別の構成例のように各信号対をそれぞれレーザ増幅器1507で増幅した後に、合波器1506を用いて合波しても良い。図15に示したの位相感応光増幅装器と、位相同期した複数の波長の光から構成される光コムを発生する光源とを組み合わせれば、光信号発生器を構成できる。   An optical modulator 1405 is connected to each output of the demultiplexer 1404, and performs data modulation on each pair of signal lights. Next, after combining each signal pair using the multiplexer 1406, the signal is amplified by a laser amplifier 1407 such as an EDFA. In the configuration shown in FIG. 14, the data modulation signals are amplified in a lump after being combined, but the configuration is not limited to this. For example, in the case where a device in which a semiconductor modulator is used for data modulation and a semiconductor amplifier such as SOA is integrated in the modulator can be used, each pair of signals is set to a laser amplifier 1507 as in another configuration example shown in FIG. After being amplified by the above, the multiplexer 1506 may be used for multiplexing. An optical signal generator can be configured by combining the phase sensitive optical amplifying apparatus shown in FIG. 15 and a light source that generates an optical comb composed of light of a plurality of wavelengths synchronized in phase.

また、図14および図15に示した構成では、光周波数差だけ対称に離れた対となる2波長が同じ光路に出力される分波器を用いてそれぞれの信号対に同じデータ変調を施している。さらに別の構成例として、図16に示したように光コムのそれぞれの波長を分離する分波器1604と、分波器の各出力にそれぞれ接続されたそれぞれ光変調器1605を用いて、光コムのうちの、同じ光周波数差だけ対称に離れた信号対をそれぞれ同じデータData1〜Datanによって変調する構成を用いても良い。尚、図16に示した位相感応光増幅装器と、位相同期した複数の波長の光から構成される光コムを発生する光源とを組み合わせれば、光信号発生器を構成できるのは言うまでもない。   14 and FIG. 15, the same data modulation is applied to each signal pair by using a duplexer that outputs two wavelengths that are symmetrically separated by the optical frequency difference to the same optical path. Yes. As another configuration example, as shown in FIG. 16, an optical demultiplexer 1604 that separates wavelengths of optical combs and an optical modulator 1605 that is connected to each output of the demultiplexer, respectively, A configuration may be used in which signal pairs of the comb that are symmetrically separated by the same optical frequency difference are respectively modulated by the same data Data1 to Dataan. Needless to say, an optical signal generator can be constructed by combining the phase sensitive optical amplifying device shown in FIG. 16 with a light source that generates an optical comb composed of light of a plurality of wavelengths synchronized in phase. .

光コムの生成過程では、変調器における損失や複数搬送波への変換効率の分だけ光パワーが小さくなってしまう。また、光コムを分波器で分波し、変調器でデータ変調を施し、合波器で合波する場合、それぞれの構成要素の挿入損失により、元の光コムに比べて光パワーが著しく減衰してしまう。従来技術のレーザ媒質を用いた光増幅器で光ファイバでの伝送に必要なパワーまで増幅を行うと、光増幅器への入力パワーが小さいために信号のS/N比を著しく劣化させてしまう。位相感応光増幅器による低雑音な光増幅の原理は知られていたものの、一般的に位相感応光増幅器では縮退パラメトリック増幅を用いるために、増幅できる信号波長は1つであり、複数の搬送波を同時に増幅することはできなかった。   In the process of generating an optical comb, the optical power is reduced by the loss in the modulator and the conversion efficiency into a plurality of carriers. Also, when the optical comb is demultiplexed by a demultiplexer, data modulated by a modulator, and multiplexed by a multiplexer, the optical power is significantly higher than the original optical comb due to the insertion loss of each component. It will attenuate. When amplification is performed up to the power required for transmission through an optical fiber with an optical amplifier using a laser medium of the prior art, the signal S / N ratio is significantly deteriorated because the input power to the optical amplifier is small. Although the principle of low-noise optical amplification by a phase-sensitive optical amplifier is known, in general, a phase-sensitive optical amplifier uses degenerate parametric amplification. Therefore, the signal wavelength that can be amplified is one, and multiple carriers can be simultaneously transmitted. It could not be amplified.

しかしながら、本実施形態に係る位相感応光増幅器を用いることで、複数波長の光コムを低雑音で増幅することが可能となる。さらに、信号光とASE光とのビート雑音に起因するS/N比に関し、本実施形態に係る位相感応光増幅器を用いて増幅することによって、入力よりもS/N比を改善できるという顕著な効果を持つ。   However, by using the phase sensitive optical amplifier according to the present embodiment, it is possible to amplify a multi-wavelength optical comb with low noise. Further, regarding the S / N ratio caused by the beat noise between the signal light and the ASE light, the S / N ratio can be improved more than the input by amplifying using the phase sensitive optical amplifier according to the present embodiment. Has an effect.

位相感応光増幅器の基本波光は、光コムを発生するのに用いた単一波長光源を分岐して用いた。光コム信号を本実施形態による位相感応光増幅器に入射した。入出力それぞれの光S/N比(OSNR)と光電変換後のS/N比を調べた結果、入力信号のS/N比に比べて出力信号のS/N比には3dBの改善が見られた。本実施形態に係る位相感応光増幅器の構成を用いることで、強度雑音である信号光とASE光とのビート雑音によるS/N比を改善した。   The fundamental wave light of the phase sensitive optical amplifier was branched from the single wavelength light source used to generate the optical comb. The optical comb signal is incident on the phase sensitive optical amplifier according to the present embodiment. As a result of examining the optical S / N ratio (OSNR) of each input and output and the S / N ratio after photoelectric conversion, the S / N ratio of the output signal was improved by 3 dB compared to the S / N ratio of the input signal. It was. By using the configuration of the phase sensitive optical amplifier according to the present embodiment, the S / N ratio due to the beat noise between the signal light and the ASE light as intensity noise is improved.

上述のS/N比改善効果に加えて、本実施形態の構成を用いることで、直交位相を減衰させることによる位相チャープ成分の抑制効果の相乗効果が得られる。増幅特性を確認するために、増幅後の信号光を観測し時間波形を調べた。   In addition to the S / N ratio improvement effect described above, by using the configuration of the present embodiment, a synergistic effect of the effect of suppressing the phase chirp component by attenuating the quadrature phase can be obtained. In order to confirm the amplification characteristics, the signal light after amplification was observed and the time waveform was examined.

図17は、本実施形態による位相感応光増幅器によって増幅された信号の時間波形を説明する図である。図17の(a)に励起光が入射しないときの入射信号光の出力波形を、図17の(b)にPLLにより励起光位相と信号光の位相とが合うように設定したときの出力波形を、図17の(c)にPLLにより励起光位相と信号光の位相とが90度ずれるように設定したときの出力波形を、それぞれ示す。   FIG. 17 is a diagram illustrating a time waveform of a signal amplified by the phase sensitive optical amplifier according to the present embodiment. FIG. 17A shows the output waveform of the incident signal light when no excitation light is incident, and FIG. 17B shows the output waveform when the excitation light phase and the signal light phase are set by the PLL. FIG. 17C shows output waveforms when the excitation light phase and the signal light phase are set to be shifted by 90 degrees by the PLL.

励起光位相と信号光位相とが90度ずれるように設定したときは、図17の(c)に示すように、信号のONレベルが減衰されている様子から位相感応増幅が実現されていることがわかる。信号のONとOFFレベルの間の過渡的な部分のみが増幅された波形が観測された。これは信号光に位相雑音が重畳されていることを示している。   When the excitation light phase and the signal light phase are set so as to be shifted by 90 degrees, phase sensitive amplification is realized from the state in which the ON level of the signal is attenuated as shown in FIG. I understand. A waveform in which only a transitional portion between the ON and OFF levels of the signal was amplified was observed. This indicates that phase noise is superimposed on the signal light.

例えば、データを重畳する光変調器として変調器中の片方のアームのみの位相変調を用いるタイプの変調器を用いると、データ変調器によりチャープが生じる。すなわちONとOFFの間を遷移するときに変調器の出力の位相が変動し、ON状態の時を基準にすると、直交位相成分が生じる。このために信号光位相と励起光位相とを直交させるように設定すると、位相チャープ成分のみが位相感応光増幅される結果となる。このことは、信号光のON状態に位相を合わせた状態では、入力信号に位相チャープが含まれていた場合であっても、そのチャープ成分を除去して、チャープのない信号として整形して増幅できることを示している。   For example, when a modulator of the type using phase modulation of only one arm in the modulator is used as an optical modulator for superimposing data, chirp is generated by the data modulator. That is, the phase of the output of the modulator fluctuates when transitioning between ON and OFF, and a quadrature phase component is generated based on the ON state. For this reason, if the signal light phase and the excitation light phase are set to be orthogonal to each other, only the phase chirp component is phase-sensitively amplified. This means that in the state where the phase is matched to the ON state of the signal light, even if the input signal contains a phase chirp, the chirp component is removed, and the signal is shaped and amplified as a chirp-free signal. It shows what you can do.

図14に示した第2の実施形態における構成を用いて生成した信号を光ファイバに通して伝送を行った結果、強度雑音である信号光とASE光とのビート雑音の除去効果および位相チャープ成分の抑制効果により、伝送距離を3倍以上にすることができた。   As a result of transmitting the signal generated using the configuration in the second embodiment shown in FIG. 14 through the optical fiber, the effect of removing the beat noise between the signal light and the ASE light as intensity noise and the phase chirp component Due to the suppression effect, the transmission distance could be tripled or more.

次に、本発明の位相感応光増幅器の第3の実施形態の構成について説明する。   Next, the configuration of the third embodiment of the phase sensitive optical amplifier of the present invention will be described.

図18は、本発明の第3の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成を示す図である。単一波長光源1801および変調器1803を用いて、励起光の2倍の波長に相当する光周波数を中心として同じ光周波数差だけ対称に離れた信号光の対(s+1とs-1、s+2とs-2、s+3とs-3、s+4とs-4、以下同様の)を持つ光コムを生成する。光コムの生成過程における、変調器の損失や複数搬送波への変換による損失を補うために、EDFA等の通常のレーザ増幅器1804を用いて光コム信号を増幅する。位相感応光増幅器の基本波光としては、光コムを発生するのに用いた単一波長光源1801から分岐した信号を用いる。光コム信号を、本発明による位相感応光増幅器に入射して増幅した。図18に示した位相感応光増幅装器と、位相同期した複数の波長の光から構成される光コムを発生する光源とを組み合わせれば、光信号発生器を構成できる。   FIG. 18 is a diagram showing a configuration of a phase sensitive optical amplifier according to the third embodiment of the present invention. Using a single wavelength light source 1801 and a modulator 1803, a pair of signal lights (s + 1 and s-1, s + 1, s-1,..., Symmetrically separated by the same optical frequency difference around the optical frequency corresponding to twice the wavelength of the excitation light. An optical comb having s + 2 and s-2, s + 3 and s-3, s + 4 and s-4, and so on) is generated. In order to compensate for the loss of the modulator and the loss due to the conversion to a plurality of carriers in the generation process of the optical comb, the optical comb signal is amplified using a normal laser amplifier 1804 such as an EDFA. As the fundamental light of the phase sensitive optical amplifier, a signal branched from the single wavelength light source 1801 used to generate the optical comb is used. The optical comb signal was incident on a phase sensitive optical amplifier according to the present invention and amplified. An optical signal generator can be configured by combining the phase sensitive optical amplifier shown in FIG. 18 with a light source that generates an optical comb composed of light of a plurality of wavelengths synchronized in phase.

第1の実施形態で示した手法と同様の手法を用いて、入出力それぞれの光S/N比(OSNR)と、光電変換後のS/N比とを調べた結果、入力信号におけるS/N比に比べて、本実施形態の位相感応光増幅器の出力信号においてS/N比に、3dBの改善が見られた。図18に示すように、通常のレーザ増幅器1804を用いて光コム信号を増幅した後、本発明における位相感応光増幅器を用いることで、S/N比の高い光コム信号を生成できた。   Using a method similar to the method shown in the first embodiment, the optical S / N ratio (OSNR) of each input and output and the S / N ratio after photoelectric conversion are examined. Compared to the N ratio, the S / N ratio was improved by 3 dB in the output signal of the phase sensitive optical amplifier of the present embodiment. As shown in FIG. 18, an optical comb signal having a high S / N ratio can be generated by amplifying the optical comb signal using a normal laser amplifier 1804 and then using the phase sensitive optical amplifier according to the present invention.

光コムのそれぞれの波長を分離する分波器1806と、分波器1806の各出力に接続されたそれぞれ光変調器1807を用いて、各コムに個別にデータ変調(Data1〜Datan)を施した後、光合波器1808を用いて光コム信号を1本の光ファイバに入射し、信号を伝送した。   Each comb was individually subjected to data modulation (Data 1 to Data) using a demultiplexer 1806 for separating each wavelength of the optical comb and an optical modulator 1807 connected to each output of the demultiplexer 1806. Thereafter, an optical comb signal was incident on one optical fiber using an optical multiplexer 1808, and the signal was transmitted.

本実施形態に係る位相感応光増幅器を用いることにより、S/N比の高い信号を生成可能となり、伝送距離を増大させることができた。   By using the phase sensitive optical amplifier according to the present embodiment, a signal with a high S / N ratio can be generated, and the transmission distance can be increased.

さらに、本発明の位相感応光増幅器の第4の実施形態の構成について説明する
位相感応光増幅器を光信号の送信器直後に用いるように、信号光を発生する光源が位相感応光増幅部の近くに配置されている場合は、信号光用光源の一部を分岐して基本波光として用いることができる。しかしながら、光伝送における中継増幅器や受信端での前置増幅器として位相感応光増幅器を用いる場合には、位相同期手段を用いて位相感応光増幅装置内の励起光位相と信号光位相とを式(1)の関係を満たすように同期させる必要がある。
Furthermore, the configuration of the fourth embodiment of the phase sensitive optical amplifier of the present invention will be described. The light source for generating signal light is close to the phase sensitive optical amplifying unit so that the phase sensitive optical amplifier is used immediately after the optical signal transmitter. Can be used as fundamental light by branching a part of the light source for signal light. However, when a phase sensitive optical amplifier is used as a repeater amplifier in optical transmission or a preamplifier at the receiving end, the phase synchronization means is used to express the pumping light phase and the signal light phase in the phase sensitive light amplifying apparatus ( It is necessary to synchronize so as to satisfy the relationship 1).

図19は、位相同期手段として中心波長信号を用いた、本発明の第4の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成を示す図である。本実施形態では、複数波長の信号光の中心波長信号をCW光のパイロットトーンとして用いたデータ信号を、入力信号として用いる。光周波数を中心として同じ光周波数差だけ対称に離れた信号光の対(s+1とs-1、s+2とs-2、s+3とs-3、s+4とs-4、以下同様の)には2値の位相変調が加えられ、中心波長の信号は無変調でCW光のパイロットトーンとして用いることが可能な複数波長の信号を、信号光1930として用いている。   FIG. 19 is a diagram showing a configuration of a phase sensitive optical amplifier according to the fourth embodiment of the present invention using a center wavelength signal as the phase synchronization means. In the present embodiment, a data signal using a center wavelength signal of signal light having a plurality of wavelengths as a pilot tone of CW light is used as an input signal. A pair of signal lights (s + 1 and s-1, s + 2 and s-2, s + 3 and s-3, s + 4 and s-4, symmetrically separated by the same optical frequency difference around the optical frequency. Binary phase modulation is applied to the same), and a signal having a plurality of wavelengths that can be used as a pilot tone of CW light without modulation of the center wavelength signal is used as the signal light 1930.

中心波長にCW光のパイロットトーンを持つ変調信号光1930が伝送媒体を通って伝送されてくる。伝送媒体としては光ファイバを用いた。光ファイバ中の偏波回転を偏波コントローラ1920で補正した後、中心波長のみを切り出すノッチ型のフィルタ1921を用いてCW光のパイロットトーンのみを分離した。   Modulated signal light 1930 having a pilot tone of CW light at the center wavelength is transmitted through the transmission medium. An optical fiber was used as the transmission medium. After the polarization rotation in the optical fiber was corrected by the polarization controller 1920, only the pilot tone of the CW light was separated using a notch type filter 1921 that cuts out only the center wavelength.

信号の光強度は伝送光ファイバによる光強度の損失のため、光強度は極めて小さくS/N比は劣化している。分岐させたCW光のパイロットトーンをアッテネータ1911で光強度を調整した後、サーキュレータ1912を通して位相感応光増幅装置内の基本波光源1913に光注入同期を行った。基本波光源1913にはDFB型の半導体レーザを用いた。   Since the light intensity of the signal is a loss of light intensity due to the transmission optical fiber, the light intensity is extremely small and the S / N ratio is degraded. After adjusting the light intensity of the branched CW light pilot tone with the attenuator 1911, the light was synchronized with the fundamental wave light source 1913 in the phase sensitive optical amplifying device through the circulator 1912. As the fundamental light source 1913, a DFB type semiconductor laser was used.

アッテネータ1911を用いて基本波光源1913に入力する光強度を変化させ、光スペクトルアナライザで様子を観測したところ、光強度を数十μWとした時に半導体レーザの波長がパイロットトーン波長に引き込まれている様子が観測された。位相感応光増幅装置内の基本波光源がパイロットトーンに位相同期されることが分かった。これにより、S/N比の劣化した信号光のパイロットトーンからS/N比の良い励起光を生成することができた。   When the light intensity input to the fundamental light source 1913 is changed using the attenuator 1911 and the state is observed with an optical spectrum analyzer, the wavelength of the semiconductor laser is drawn into the pilot tone wavelength when the light intensity is set to several tens of μW. The situation was observed. It has been found that the fundamental light source in the phase sensitive optical amplifier is phase locked to the pilot tone. As a result, it was possible to generate excitation light having a good S / N ratio from a pilot tone of signal light having a deteriorated S / N ratio.

光ファイバ中を伝送されてきた複数波長の信号は、光ファイバ中の分散効果により対称に離れた信号光の対の間の位相にずれが生じている。この位相のずれを補償するために分散補償(調整)媒質1922を位相感応光増幅器内に構成した。分散補償(調整)媒質には、LCOSなどの液晶を用いた位相調整器を用いた。逆分散を持つファイバを用いるなどの別の手段を用いて位相を調整しても良い。位相調整器(図示せず)により、信号光の対の間の位相を合わせた。   A signal of a plurality of wavelengths transmitted through an optical fiber has a phase shift between symmetrically separated signal light pairs due to a dispersion effect in the optical fiber. In order to compensate for this phase shift, a dispersion compensation (adjustment) medium 1922 is configured in the phase sensitive optical amplifier. As the dispersion compensation (adjustment) medium, a phase adjuster using liquid crystal such as LCOS was used. The phase may be adjusted using another means such as using a fiber having inverse dispersion. A phase adjuster (not shown) matched the phase between the signal light pair.

信号光のパイロットトーンに位相同期した基本波光を用いて、第1の実施形態で説明した位相感応増幅構成を用いて光増幅を試みた所、第1の実施形態と同様の特性結果が得られた。本実施形態の位相感応光増幅器の構成を採ることにより、信号光を発生する光源が位相感応光増幅部の近くに配置されていない中継増幅や受信端での前置増幅器においても、位相同期手段を用いることで位相感応増幅が行うことができた。   When optical amplification was attempted using the phase-sensitive amplification configuration described in the first embodiment using the fundamental wave light phase-synchronized with the pilot tone of the signal light, the same characteristic results as in the first embodiment were obtained. It was. By adopting the configuration of the phase sensitive optical amplifier of the present embodiment, the phase synchronization means can be used in the relay amplification and the preamplifier at the receiving end where the light source for generating the signal light is not arranged near the phase sensitive optical amplification unit. Phase sensitive amplification could be performed by using.

以上詳細に述べてきたように、本発明によれば、非線形光学効果であるパラメトリック増幅効果を利用して信号光の特定の位相だけを増幅する位相感応光増幅器において、複数波長の一括増幅が可能となる。さらに光コムを発生する光源と組み合わせて、光信号発生器を構成できる。S/N比の劣化を防ぎながら高品質な光信号増幅が可能になる。さらには、本発明を用いることで励起光と位相相関のある信号光を選択的に増幅することで、ASE光などの無相関な光に起因した雑音を抑制することができる。   As described above in detail, according to the present invention, a plurality of wavelengths can be collectively amplified in a phase sensitive optical amplifier that amplifies only a specific phase of signal light using a parametric amplification effect that is a nonlinear optical effect. It becomes. Further, an optical signal generator can be configured in combination with a light source that generates an optical comb. High-quality optical signal amplification is possible while preventing deterioration of the S / N ratio. Furthermore, noise caused by uncorrelated light such as ASE light can be suppressed by selectively amplifying signal light having a phase correlation with the excitation light by using the present invention.

従来技術のレーザ増幅器で増幅する場合に比べ、光ファイバ伝送における信号のS/N比を改善できるために、従来よりも高速の信号を低いパワーで長距離まで伝送することができる。入射される信号光の位相雑音を除去して増幅することができるため、光ファイバの波長分散による信号劣化の影響が抑えられ、増幅後の信号光の伝送距離を伸ばすことができる。さらに、ASEノイズを抑制することにより、一度劣化した光信号のSN比を改善させることができる。ASE光および信号光のビート雑音により劣化した信号光のSN比を改善することができる。   Compared with the case of amplification with a laser amplifier of the prior art, since the S / N ratio of the signal in optical fiber transmission can be improved, it is possible to transmit a signal at a higher speed than that of the prior art to a long distance with lower power. Since the phase noise of the incident signal light can be removed and amplified, the influence of signal deterioration due to the wavelength dispersion of the optical fiber can be suppressed, and the transmission distance of the amplified signal light can be extended. Furthermore, by suppressing ASE noise, the SN ratio of an optical signal once deteriorated can be improved. It is possible to improve the signal-to-noise ratio of signal light degraded by beat noise of ASE light and signal light.

本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。特に、光通信システムや光計測システムに利用できる。   The present invention is generally applicable to communication systems. In particular, it can be used for optical communication systems and optical measurement systems.

101 位相感応光増幅部
102 励起光源
103 励起光位相制御部
104−1、104−2、603 光分岐部
110、410 入力信号光
111、211、411−1、411−2 励起光
112、412 出力信号光
201 レーザ光源
202 SHG結晶
203 OPA結晶
210、620 信号光
401 励起光位相同期手段
402、503、601、1206、1407、1607 エルビウム添加ファイバレーザ増幅器(EDFA)
403 光ファイバ
404 信号光フィルタ
602−1、602−2 二次非線形光学素子
605−1、605−2 PPLN導波路
606−1、606−2 ダイクロイックミラー
607 偏波保持ファイバ
621 基本波光
1201、1401、1601、1801 単一波長光源
1404、1504、1604、1806 合波器
1406、1506、1606、1808 分波器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Phase sensitive light amplification part 102 Excitation light source 103 Excitation light phase control part 104-1, 104-2, 603 Optical branching part 110, 410 Input signal light 111, 211, 411-1, 411-2 Excitation light 112, 412 Output Signal light 201 Laser light source 202 SHG crystal 203 OPA crystal 210, 620 Signal light 401 Excitation light phase synchronization means 402, 503, 601, 1206, 1407, 1607 Erbium-doped fiber laser amplifier (EDFA)
403 optical fiber 404 signal light filter 602-1, 602-2 second-order nonlinear optical element 605-1, 605-2 PPLN waveguide 606-1, 606-2 dichroic mirror 607 polarization maintaining fiber 621 fundamental wave light 1201, 1401, 1601, 1801 Single wavelength light source 1404, 1504, 1604, 1806 Multiplexer 1406, 1506, 1606, 1808 Demultiplexer

Claims (12)

非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する位相感応型光増幅装置において、
信号光として、光周波数軸上で基本波光から同じ光周波数差だけ対称に離れ、各々が同一または反転した位相情報を持つ対となる2波長を持つ1つまたは複数の信号光の対が入力され、
該基本波光を増幅する光ファイバレーザ増幅器と、
該光ファイバレーザ増幅器に接続され、第二高調波を発生する第1の二次非線形光学素子と、
該第1の二次非線形光学素子から出力される該基本波光および該第二高調波から、該第二高調波を分離するフィルタと、
信号光の対からなる該信号光と、励起光である該第二高調波とを合波する合波器と、
合波された該信号光および該励起光を入射して、該信号光の非縮退パラメトリック増幅を行う第2の二次非線形光学素子と、
該第2の二次非線形光学素子から出力される該信号光および該励起光から、増幅された信号光を分離するフィルタと、
該信号光の位相と、励起光の位相とを同期する手段と
を備えたことを特徴とする位相感応型光増幅装置。
In a phase-sensitive optical amplifier that amplifies signal light by optical mixing using a nonlinear optical effect,
As signal light, one or a plurality of signal light pairs having two wavelengths that are symmetrically separated from the fundamental wave light by the same optical frequency difference on the optical frequency axis and each have the same or inverted phase information are input. ,
An optical fiber laser amplifier for amplifying the fundamental light;
A first second-order nonlinear optical element connected to the optical fiber laser amplifier and generating a second harmonic;
A filter that separates the second harmonic from the fundamental light and the second harmonic output from the first second-order nonlinear optical element;
A multiplexer that multiplexes the signal light composed of a pair of signal light and the second harmonic that is excitation light;
A second second-order nonlinear optical element that receives the combined signal light and the excitation light and performs non-degenerate parametric amplification of the signal light;
A filter that separates amplified signal light from the signal light and the excitation light output from the second second-order nonlinear optical element;
A phase sensitive optical amplifying device comprising: means for synchronizing the phase of the signal light and the phase of the pumping light.
前記基本波光および前記第二高調波から、前記第二高調波を分離するフィルタ、ならびに、前記信号光と、前記第二高調波とを合波する合波器は、誘電体膜を用いたダイクロックミラーであることを特徴とする請求項1に記載の位相感応型光増幅装置。   A filter that separates the second harmonic from the fundamental light and the second harmonic, and a multiplexer that combines the signal light and the second harmonic are a die using a dielectric film. 2. The phase sensitive optical amplifying device according to claim 1, wherein the phase sensitive optical amplifying device is a clock mirror. 前記第1の二次非線形光学素子および前記第2の二次非線形光学素子は、周期分極反転構造を有する二次非線形光学材料からなる光導波路をそれぞれ有し、
該二次非線形光学材料は、LiNbO3、LNbO3、LiTaO3、LiNbxTax-13(0≦x≦1)、KTiOPO4のいずれか、または、これらに、Mg、Zn、Fe、Sc、Inからなる群から選択された少なくとも1種を添加物として含有しているものであることを特徴とする請求項1に記載の位相感応型光増幅装置。
The first second-order nonlinear optical element and the second second-order nonlinear optical element each have an optical waveguide made of a second-order nonlinear optical material having a periodically poled structure,
The second-order nonlinear optical material is any one of LiNbO 3 , LNbO 3 , LiTaO 3 , LiNb x Ta x-1 O 3 (0 ≦ x ≦ 1), KTiOPO 4 , or Mg, Zn, Fe, 2. The phase sensitive optical amplifying device according to claim 1, wherein at least one selected from the group consisting of Sc and In is contained as an additive.
前記信号光は、連続波光のパイロットトーンをさらに備え、
前記位相感応型光増幅装置は、該パイロットトーンを分離するフィルタと、半導体レーザ光源とをさらに備え、
該半導体レーザ光源は、該連続波光のパイロットトーンにより光注入同期され、
注入光に位相同期した、該半導体レーザ光源から出力された連続光は、前記基本波光として用いられることを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の位相感応型光増幅装置。
The signal light further comprises a pilot tone of continuous wave light,
The phase sensitive optical amplification device further includes a filter for separating the pilot tone, and a semiconductor laser light source,
The semiconductor laser light source is light injection locked by a pilot tone of the continuous wave light,
4. The phase sensitive optical amplifying device according to claim 1, wherein the continuous light output from the semiconductor laser light source that is phase-locked with the injected light is used as the fundamental wave light.
前記信号光の内の、対となる2つの波長の光間の位相を調整するための分散補償媒質をさらに備えたことを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の位相感応型光増幅装置。   The phase-sensitive optical amplification according to any one of claims 1 to 3, further comprising a dispersion compensation medium for adjusting a phase between two light beams of a pair of the signal light. apparatus. 自然放出光雑音が重畳された対となる2つの波長を持つ前記信号光が入力される請求項1乃至3いずれかに記載の位相感応型光増幅装置を含み、
前記信号光に対する利得と、該自然放出光雑音に対する利得との差異に基づいて、自然放出光雑音が重畳された信号光から、該信号光が選択的に増幅されることによって自然放出光雑音が除去されることを特徴とする信号対雑音比改善装置。
The phase sensitive optical amplifying device according to any one of claims 1 to 3, wherein the signal light having two wavelengths paired with spontaneous emission light noise is input,
Based on the difference between the gain with respect to the signal light and the gain with respect to the spontaneous emission light noise, the signal light is selectively amplified from the signal light on which the spontaneous emission noise is superimposed, so that the spontaneous emission noise is reduced. An apparatus for improving a signal-to-noise ratio, characterized by being eliminated.
位相同期した複数の波長の光から構成される光コムを発生する光源と、
該光コムの各波長を分離し、および、該光コムの該複数の波長の内の1つの波長の光から同じ光周波数差だけ対称に離れた対となる2波長の光の対を同一の光路に出力するよう構成された分波器と、
各々が、該光の対の1つに対応する該分波器の出力に接続され、対応する該光の対に変調を加える複数の光変調器と、
該複数の光変調器からの出力を合波する合波器とを備え、
該合波器の出力が、該光コムの該複数の波長のうちの1つの波長を前記基本波光とした請求項1乃至3いずれかに記載の位相感応型光増幅装置へ入力されることを特徴とする光信号発生器。
A light source that generates an optical comb composed of light of a plurality of wavelengths synchronized in phase;
Separating each wavelength of the optical comb and making the same pair of two wavelength light pairs symmetrically separated from the light of one of the wavelengths of the optical comb by the same optical frequency difference A duplexer configured to output to the optical path;
A plurality of light modulators, each connected to an output of the duplexer corresponding to one of the light pairs, for modulating the corresponding light pair;
A multiplexer that multiplexes outputs from the plurality of optical modulators,
The output of the multiplexer is input to the phase sensitive optical amplifying device according to any one of claims 1 to 3, wherein one of the plurality of wavelengths of the optical comb is the fundamental wave light. A characteristic optical signal generator.
位相同期した複数の波長の光から構成される光コムを発生する光源と、
該光コムの各波長を分離し、および、該光コムの該複数の波長の内の1つの波長の光から同じ光周波数差だけ対称に離れた対となる2波長の光の対をそれぞれ異なる光路に出力するよう構成された分波器と、
各々が、対応する該分波器の各出力に接続され、該光の対に対して同一または反転した位相情報を持つ光変調を加える複数の光変調器と、
該複数の光変調器からの出力を合波する合波器とを備え、
該合波器の出力が、該光コムの該複数の波長のうちの1つの波長を前記基本波光とした請求項1乃至3いずれかに記載の位相感応型光増幅装置へ入力されることを特徴とする光信号発生器。
A light source that generates an optical comb composed of light of a plurality of wavelengths synchronized in phase;
Each wavelength of the optical comb is separated, and a pair of two wavelengths of light that is symmetrically separated from the light of one of the plurality of wavelengths of the optical comb by the same optical frequency difference is different. A duplexer configured to output to the optical path;
A plurality of optical modulators, each connected to each output of the corresponding duplexer, for applying optical modulation having the same or inverted phase information to the pair of light;
A multiplexer that multiplexes outputs from the plurality of optical modulators,
The output of the multiplexer is input to the phase sensitive optical amplifying device according to any one of claims 1 to 3, wherein one of the plurality of wavelengths of the optical comb is the fundamental wave light. A characteristic optical signal generator.
位相同期した複数の波長の光から構成される光コムを発生する光源と、
該光コムを発生する光源の出力が入力される、該光コムの該複数の波長のうちの1つの波長を前記基本波光とした請求項1乃至3いずれかに記載の位相感応型光増幅装置と、
前記位相感応型光増幅装置の出力に接続され、光コムの各波長を分離する分波器と、
各々が、該分波器の各出力に接続された複数の光変調器と、
該複数の変調器からの出力を合波する合波器と
を備えたことを特徴とする光信号発生器。
A light source that generates an optical comb composed of light of a plurality of wavelengths synchronized in phase;
4. The phase sensitive optical amplifying apparatus according to claim 1, wherein one of the plurality of wavelengths of the optical comb to which an output of a light source that generates the optical comb is input is the fundamental light. When,
A demultiplexer connected to the output of the phase sensitive optical amplifying device and separating each wavelength of the optical comb;
A plurality of optical modulators each connected to each output of the duplexer;
An optical signal generator comprising: a multiplexer for multiplexing outputs from the plurality of modulators.
前記光コムの複数の波長の内の前記基本波光に用いられる1つの波長は、前記光コムの中心波長であることを特徴とする請求項7乃至9いずれかに記載の光信号発生器。   10. The optical signal generator according to claim 7, wherein one wavelength used for the fundamental light among a plurality of wavelengths of the optical comb is a center wavelength of the optical comb. 前記光コムの前記位相同期した複数の波長の光は単一モードのレーザ光源を光変調器により変調することによって発生され、該レーザ光源を分岐した光が前記基本波光として前記位相感応型光増幅装置へ入力されることを特徴とする請求項7乃至9いずれかに記載の光信号発生器。   The phase-locked light of the optical comb is generated by modulating a single-mode laser light source by an optical modulator, and the light branched from the laser light source is used as the fundamental wave light for the phase-sensitive optical amplification. The optical signal generator according to claim 7, wherein the optical signal generator is input to a device. 前記光コムを発生する光源と、前記位相感応型光増幅装置との間のいずれかの位置に少なくとも1個以上のレーザ増幅器が挿入されていることを特徴とする請求項7乃至9いずれかに記載の光信号発生器。   10. At least one laser amplifier is inserted at any position between the light source that generates the optical comb and the phase sensitive optical amplifying device. The optical signal generator described.
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