JP2014089253A - 光増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多値位相変調の位相感応増幅が可能で、かつ従来よりも小型、低雑音、構成が簡潔な位相・再生型光増幅装置を提供する。
【解決手段】本発明の光増幅装置は、増幅された信号光及び第１の励起光から第二高調波を発生し、複数の波長において擬似位相整合を満たす第１の二次非線形光学素子、第１の二次非線形光学素子の出力のうち、Ｍω_s−（Ｍ−１）ω_pの周波数のアイドラ光を一方の出力ポートから出力し、（Ｍ−１）ω_s−（Ｍ−２）ω_pの周波数のアイドラ光及び信号光を他方の出力ポートから出力する分波器、分波器の一方の出力をレーザに注入同期して第２の励起光を出力する光サーキュレータ、増幅された第１及び第２の励起光から和周波光を発生する第２の二次非線形光学素子、及び分波器の他方の出力と和周波光とを入射して非縮退パラメトリック増幅を行う第３の二次非線形光学素子を備える。
【選択図】図６

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に関する。

従来の光伝送システムでは、光ファイバを伝搬することにより減衰した信号を再生するために、光信号を電気信号に変換し、ディジタル信号を識別した後に光信号を再生する識別再生光中継器が用いられていた。しかしながら、この識別再生光中継器では、光信号を電気信号に変換する電子部品の応答速度に制限があることや、伝送する信号のスピードが速くなると消費電力が大きくなるなどの問題があった。

この問題を解決する光増幅手段として、エルビウムやプラセオジム等の希土類元素を添加した光ファイバに励起光を入射して信号光を増幅するファイバレーザ増幅器や半導体レーザ増幅器がある。このようなファイバレーザ増幅器や半導体レーザ増幅器は、信号光を光のままで増幅することができるため、識別再生光中継器で問題になっていた電気的な処理速度の制限が存在しない。加えて、機器構成も比較的単純である利点を有する。

しかしながら、これらのレーザ増幅器は、劣化した信号光波形を整形する機能を有していない。また、これらのレーザ増幅器においては、不可避的かつランダムに発生する自然放出光が信号成分とは全く無関係に混入されるため、信号光のＳ／Ｎ比が増幅前後で少なくとも３ｄＢ低下する。これらは、ディジタル信号伝送時における伝送符号誤り率の上昇につながり、伝送品質を低下させる要因になっている。

このような従来のレーザ増幅器の限界を打開する手段として、位相感応光増幅器（Phase Sensitive Amplifier：ＰＳＡ）が検討されている。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る劣化した信号光波形や位相信号を整形する機能を有する。また、信号とは無関係の直交位相をもった自然放出光を抑圧することができ、同相の自然放出光も最小限で済むために、増幅前後で信号光のＳ／Ｎを劣化させず同一に保つことが原理的に可能である。

図１は、従来の位相感応光増幅器の基本的な構成を示す。図１に示されるように、ＰＳＡ１００は、光パラメトリック増幅を用いた位相感応光増幅部１０１と、励起光源１０２と、励起光位相制御部１０３と、第１及び第２の光分岐部１０４−１及び１０４−２とを備える。図１に示されるように、ＰＳＡ１００に入力された信号光１１０は、光分岐部１０４−１で２分岐されて、一方は位相感応光増幅部１０１に入射し、他方は励起光源１０２に入射する。励起光源１０２から出射した励起光１１１は、励起光位相制御部１０３を介して位相が調整されて、位相感応光増幅部１０１に入射する。位相感応光増幅部１０１は、入力した信号光１１０及び励起光１１１に基づいて出力信号光１１２を出力する。

位相感応光増幅部１０１は、入射した信号光１１０の位相と励起光１１１の位相とが一致すると信号光１１０を増幅し、両者の位相が９０度ずれた直交位相関係になると信号光１１０を減衰する特性を有している。この特性を利用して増幅利得が最大となるように励起光１１１−信号光１１０間の位相を一致させると、信号光１１０と直交位相の自然放出光が発生せず、また同相の成分に関しても信号光１１０が有する雑音以上に過剰な自然放出光が発生しないため、つまりＳ／Ｎ比を劣化させずに信号光１１０の増幅が可能になる。

このような信号光１１０と励起光１１１の位相同期を達成するために、励起光位相制御部１０３は、第１の光分岐部１０４−１で分岐された信号光１１０の位相と同期するように励起光１１１の位相を制御する。加えて、励起光位相制御部１０３は、第２の光分岐部１０４−２で分岐された出力信号光１１２の一部を狭帯域の検出器で検波し、出力信号光１１２の増幅利得が最大となるように励起光１１１の位相を制御する。その結果、位相感応光増幅部１０２では、上記の原理に基づいてＳ／Ｎ比の劣化がない光増幅が実現される。

なお、励起光位相制御部１０３は、励起光源１０２の出力側で励起光１１１の位相を制御する構成の他に、励起光源１０２の位相を直接制御する構成としてもよい。また、信号光１１０を発生する信号光用光源が位相感応光増幅部１０１の近くに配置されている場合は、信号光用光源の一部を分岐して励起光１１１として用いることもできる。

T. Umeki, O. Tadanaga, A. Takada and M. Asobe, "Phase sensitive degenerate parametric amplification using directly-bonded PPLN ridge waveguides," Optics Express, vol. 19, no. 7, pp. 6326-6332 (2011). J. Kakande, A. Bogris, R. Slavik, F. Parmigiani, D. Syvridis, P. Petropoulos, and D.J. Richardson, "First demonstration of all-optical QPSK signal regeneration in a novel multi-format phase sensitive amplifier," Post Deadline paper, ECOC 2010, Torino, Italy, (2010).

しかしながら、上述した従来技術では、以下に述べるような問題点がある。上述のパラメトリック増幅を行う非線形光学媒質としては、非特許文献１に示されるように周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃（ＰＰＬＮ）導波路に代表される二次非線形光学材料を用いる方法と、非特許文献２に示されるように石英ガラスファイバに代表される三次非線形光学材料を用いる方法とがある。

図２は、非特許文献１等に開示されているＰＰＬＮ導波路を用いた従来のＰＳＡの構成を例示する。図２に示されるＰＳＡ２００は、エルビウム添加ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）２０１と、第１及び第２の二次非線形光学素子２０２及び２０４と、第１及び第２の光分岐部２０３−１及び２０３−２と、位相変調器２０５と、ＰＺＴによる光ファイバ伸長器２０６と偏波保持ファイバ２０７と、光検出器２０８と、位相同期ループ（ＰＬＬ）回路２０９とを備える。第１の二次非線形光学素子２０２は、第１の空間光学系２１１と、第１のＰＰＬＮ導波路２１２と、第２の空間光学系２１３と、第１のダイクロイックミラー２１４とを備え、第２の二次非線形光学素子２０４は、第３の空間光学系２１５と、第２のＰＰＬＮ導波路２１６と、第４の空間光学系２１７と、第２のダイクロイックミラー２１８と、第３のダイクロイックミラー２１９とを備える。

第１の空間光学系２１１は、第１の二次非線形光学素子２０２の入力ポートから入力された光を第１のＰＰＬＮ導波路２１２に結合する。第２の空間光学系２１３は、第１のＰＰＬＮ導波路２１２から出力された光を第１のダイクロイックミラー２１４を介して第１の二次非線形光学素子２０２の出力ポートに結合する。第３の空間光学系２１５は、第２の二次非線形光学素子２０４の入力ポートから入力された光を第２のダイクロイックミラー２１８を介して第２のＰＰＬＮ導波路２１６に結合する。第４の空間光学系２１７は、第２のＰＰＬＮ導波路２１６から出力された光を第３のダイクロイックミラー２１９を介して第２の二次非線形光学素子２０４の出力ポートに結合する。

図２に示される例では、ＰＳＡ２００に入射した信号光２５０は、光分岐部２０３−１によって分岐されて、一方は第２の二次非線形光学素子２０４に入射し、他方は励起基本波光２５１として位相変調器２０５及び光ファイバ伸長器２０６を介して位相制御されてＥＤＦＡ２０１に入射する。光通信に用いられる微弱なレーザ光から非線形光学効果を得るのに十分なパワーを得るために、ＥＤＦＡ２０１は、入射した励起基本波光２５１を増幅し、増幅した励起基本波光２５１は第１の二次非線形光学素子２０２−１に入射する。第１の二次非線形光学素子２０２−１では、入射した励起基本波光２５１から第二高調波（以下、ＳＨ光）２５２が発生し、当該発生したＳＨ光２５２は偏波保持ファイバ２０７を介して第２の二次非線形光学素子２０４に入射する。第２の二次非線形光学素子２０４では、入射した信号光２５０とＳＨ光２５２とで縮退パラメトリック増幅を行うことで位相感応増幅を行い、出力信号光２５３を出力する。

ＰＳＡにおいては、信号と位相の合った光のみを増幅するために、上述のように信号光と励起光の位相が一致もしくはπラジアンだけずれている必要がある。すなわち、二次非線形光学効果を用いる場合は、ＳＨ光に相当する波長である励起光の位相φ_2ωsと信号光の位相φ_ωsとが、下記（式１）の関係を満たすことが必要となる。
Δφ＝１／２φ_2ωs−φ_ωs＝ｎπ（ただし、ｎは整数） （式１）
図３は、従来の二次非線形光学効果を利用したＰＳＡにおける、入力信号光−励起光間の位相差Δφと利得（ｄＢ）との関係を示すグラフである。図３に示されるように、Δφが−π、０、またはπのときに、利得が最大となっていることがわかる。

図２に示した構成においては、信号光２５０と励起基本波光２５１とを位相同期させるために、位相変調器２０５を用いて微弱なパイロット信号により位相変調を励起基本波光２５１に施した後、出力信号光２５３の一部を分岐して検出器２０８で検波する。このパイロット信号成分は、図３に示される位相差Δφが最小の位相同期が取れている状態で最小となるので、パイロット信号が最小、つまり増幅出力信号が最大となるように、ＰＬＬ２０９を用いて光ファイバ伸長器２０６にフィードバックを行う。それにより、励起基本波光２５１の位相を制御して信号光２５０と励起基本波光２５１との位相同期を達成することができる。

上記のＰＰＬＮを非線形光学媒質として用い、信号光２５０とＳＨ光２５２を第２の二次非線形光学素子２０４に入射して縮退パラメトリック増幅を行う構成においては、一旦ＳＨ光２５２を発生してからパラメトリック増幅を行う際に、例えばダイクロイックミラー２０６−１及び２０６−２の特性を用いて基本波の成分を取り除くことにより、ＳＨ光２５２と信号光２５０のみを第２の二次非線形光学素子２０４のようなパラメトリック増幅媒質に入射することができる。そのため、ＥＤＦＡ２０１が発生する自然放出光の混入による雑音が防げるので、低雑音な光増幅が可能になる。

上述のように、ＰＰＬＮを非線形光学媒質として用い、ＳＨ光２５２を用いて信号光２５０を励起する構成とすることで、ＥＤＦＡ２０１が発生する雑音の影響を受けることなく低雑音な位相感応増幅を行うことができ、また直交位相成分を減衰させる特性を活かして、位相雑音を低減させることができる。

しかしながら、図３に示すように、従来の構成法では、直交する位相成分を減衰させる特性を有しているため、通常の強度変調信号や二値の位相変調を用いるＢＰＳＫやＤＰＳＫ等の変調信号の増幅に用いることができるものの、さらに多値の変調フォーマットであるＱＰＳＫ（４値）や８ＰＳＫ等の信号を増幅することができない。

一方で、石英ガラスファイバを非線形光学媒質として用いた場合、非特許文献２等に開示されているように、ＱＰＳＫ等の信号を位相感応増幅し、位相再生増幅が可能な構成をとり得ることが知られている。図４は、四値の位相変調であるＱＰＳＫの位相再生増幅を行っている石英ガラスファイバを用いたＰＳＡを例示する。

図４には、第１及び第２のＥＤＦＡ４０１及び４０８と、第１の励起光源４０２と、第１乃至第５の光合分波器４０３−１〜４０３−５と、第１の光ファイバ４０４と、分波器４０５と、光サーキュレータ４０６と、半導体レーザからなる第２の励起光源４０７と、第２の光ファイバ４０９と、バンドパスフィルタ４１０と、ＰＬＬ回路４１２と、ＰＺＴによる光ファイバ伸長器４１３とを備えたＰＳＡ４００が示されている。

図４に示される例では、ＰＳＡ４００に入力された信号光４１５は第１のＥＤＦＡ４０１で増幅された後に、第１の光合分波器４０３−１に入射する。第１の励起光源４０２で発生する第１の励起光４１４は、第２の光合分波器４０３−２によって分岐されて、一方が第１の光合分波器４０３−１に入射し、他方は第３の光合分波器４０３−３に入射する。第１の光合分波器４０３−１に入射した第１の励起光４１４の一部と当該増幅された信号は、第１の光合分波器４０３−１で合波された後、第１の光ファイバ４０４に入射する。

図５（ａ）は第１の光ファイバ４０４中における周波数配置を示す。第１の光合分波器４０３−１で合波された信号が第１の光ファイバ４０４に入射すると、図５（ａ）中に示されるように、第１の光ファイバ４０４中の四光波混合（以下、ＦＷＭ）により、複数の信号群が生成される。この過程を以下に詳しく述べる。

第１の光ファイバ４０４においては、まず信号光４１５を励起光とした縮退ＦＷＭにより、第１の励起光４１４が第１のアイドラ光４１６に変換される。次に、第１のアイドラ光４１６を励起光とした縮退ＦＷＭにより信号光４１５が第２のアイドラ光４１７に変換される。次に、第２のアイドラ光４１７を励起光とした縮退ＦＷＭにより第１のアイドラ光４１６が第３のアイドラ光４１８に変換される。

このように、副次的なＦＷＭにより第１の光ファイバ４０４において順次複数のアイドラ光４１６〜４１８が発生するのは、第１の光ファイバ４０４の零分散波長が長さ方向に分布していることによる。すなわち、縮退ＦＷＭにおいては通常、励起光として働く波長において第１の光ファイバ４０４の零分散波長となることにより、ＦＷＭ過程の位相整合が取れ、波長変換が行われる。

しかしながら、光ファイバの構造は長さ方向に完全に均一ではないため、零分散波長が長さ方向に変化するのが一般的である。そのため、上記のように、複数のアイドラ光４１６〜４１８の波長がそれぞれ励起光として働く波長となり、副次的なＦＷＭをもたらしている。このとき、各ＦＷＭ過程における位相整合条件から、各過程で発生するアイドラ光４１６〜４１８の位相は、下記（式２）〜（式４）で与えられる。
φ_i1＝２φ_s−φ_p1 （式２）
φ_i2＝２φ_i1−φ_s＝３φ_s−２φ_p1 （式３）
φ_i3＝２φ_i2−φ_i1＝４φ_s−３φ_p1 （式４）

ここで、φ_sは信号光４１５の位相、φ_p1は第１の励起光４１４の位相、φ_i1は第１のアイドラ光４１６の位相、φ_i2は第２のアイドラ光４１７の位相、φ_i3は第３のアイドラ光４１８の位相を表している。

今、第１の励起光４１４の位相が一定であると仮定して（式４）に注目すると、第３のアイドラ光４１８の位相は信号光４１５の位相が４倍されていることが分かる。従って、ＱＰＳＫのようなπ／２の整数倍の位相のみを取る信号では、第３のアイドラ光４１８の位相が一定となり、ＱＰＳＫ信号から搬送波の位相が抽出できることが分かる。

図４に説明を戻す。第１の光ファイバ４０４で生成された各信号は、分波器４０５によって波長ごとに方路が決められ、第３のアイドラ光４１８は光サーキュレータ４０６に入射し、光サーキュレータ４０６において第２の励起光源４０７から出力されるレーザに注入同期され、残留する強度変調成分が取り除かれて第２の励起光４１９として出力される。

第１の励起光４１４及び第２の励起光４１９は第３の光合分波器４０３−３で合波され、ＥＤＦＡ４０８で増幅された後、分波器４０５から出力された信号光４１５及び第２のアイドラ光４１７と第４の光合分波器４０３−４で合波され、第２の光ファイバ４０９に入射される。第２の光ファイバ４０９中では、ＦＷＭによる位相感応増幅が行われる。このとき、第２の光ファイバ４０９に入射された４つの光の位相に着目すると、下記（式５）及び（式６）が成立していることが分かる。
φ_p2＝φ_i3＝４φ_s−３φ_p1 （式５）
φ_p1＋φ_p2＝φ_s＋φ_i2＝４φ_s−２φ_p1 （式６）

ここで、φ_p2は第２の励起光４１９の位相である。（式６）から分かるように、第１の励起光４１４と第２の励起光４１９の位相の総和と、信号光４１５と第２のアイドラ光４１７の位相の総和とが一致することになる。従って、第２の光ファイバ４０９中の４つの入力光の間で位相整合条件が満たされる。

図５（ｂ）は、第２の光ファイバ４０９中における周波数配置を示す。図５（ｂ）に示されるように、第１の励起光４１４と第２の励起光４１５のエネルギーが信号光４１５と第２のアイドラ光４１７に変換されて、光パラメトリック増幅が行われる。このとき、（式６）は信号の位相がπ／２の整数倍の場合のみに成り立つため、ＱＰＳＫの信号を入射した場合、４つの位相状態の信号のみが位相感応増幅されることになり、ＱＰＳＫ信号の位相再生増幅が達成される。

実際の増幅動作では、光ファイバ部品の伸び縮みによって光位相が変動するために、第２の光ファイバ４０９の出力から増幅された信号光だけをバンドパスフィルタ４１０によって取り出し、その一部を第５の光合分波器４０３−５と光検出器４１０によって検出し、ＰＬＬ回路４１２を介してＰＺＴからなる光ファイバ伸長器４１３にフィードバックすることにより、信号−励起光間の位相を安定させ、位相感応増幅を達成している。

しかしながら、上記の光ファイバを非線形光学媒質として用いた構成では、図５（ａ）及び図５（ｂ）中の周波数配置からも分かるように、微弱な信号と同じ波長域に強度の強い励起光が２つも存在し、さらにそれらの励起光は光ファイバ増幅器で増幅されているため、光ファイバ増幅器の発生する自然放出光が信号波長に混入してしまうことが避けられない。さらには、十分な利得を得るためには光ファイバの長さが数１００ｍ以上と長く、実用性に欠けること、さらには強度の強いＣＷの励起光を光ファイバ中に入射すると、誘導ブリュリアン散乱による後方散乱により一定以上の光パワーが入射できなくなるために、励起光の線幅を広げるためにあえて位相変調を加える、あるいは光ファイバに加える張力をあえて分布させることにより誘導ブリュリアン散乱の敷値を下げるなどの余分な機構が必要となり、それらによる新たな雑音が発生したり、構成が複雑になるといった問題があった。

本発明の目的は、上記のような従来技術の問題を鑑みて、ＱＰＳＫ等の多値位相変調の位相感応増幅が可能で、かつ従来よりも小型、低雑音、構成が簡潔な位相再生型光増幅器を提供することにある。

二次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光増幅装置であって、第１の励起光を発生する第１の光源と、入力した信号光及び前記第１の励起光を増幅して出力する第１の光ファイバレーザ増幅器と、前記第１の光ファイバレーザ増幅器によって増幅されて出力された前記信号光及び前記第１の励起光を入力し、第二高調波を発生する第１の二次非線形光学素子であって、複数の波長において擬似位相整合を満たす、第１の二次非線形光学素子と、前記第１の二次非線形光学素子の出力から特定の波長を分離することにより前記第１の二次非線形光学素子の出力を二分岐する分波器と、前記分波器の一方の出力に注入同期が可能なレーザを出力する第２の励起光源と、前記分波器の一方の出力を、前記第２の励起光源から出力されたレーザに注入同期して第２の励起光を出力する光サーキュレータと、前記第１の励起光と前記第２の励起光とを増幅して出力する第２の光ファイバレーザ増幅器と、前記第２の光ファイバレーザ増幅器によって増幅されて出力された前記第１の励起光及び前記第２の励起光を入力し、前記第１の励起光と前記第２の励起光との和周波光を発生する第２の二次非線形光学素子と、前記分波器の他方の出力と前記和周波光とを入射して、非縮退パラメトリック増幅を行う第３の二次非線形光学素子とを備えたことを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る光増幅装置は、二次非線形光学効果を用いた光混合によってＭ種類の値を取る多値位相変調された信号光を増幅する光増幅装置であって、周波数ω_pを有する第１の励起光を発生する第１の光源と、入力した周波数ω_sを有する信号光及び前記第１の励起光を増幅して出力する第１の光ファイバレーザ増幅器と、前記第１の光ファイバレーザ増幅器によって増幅されて出力された前記信号光及び前記第１の励起光を入力し、第二高調波を発生する第１の二次非線形光学素子であって、複数の波長において擬似位相整合を満たす、第１の二次非線形光学素子と、前記第１の二次非線形光学素子の出力から、Ｍω_s−（Ｍ−１）ω_pの周波数を有するアイドラ光と、（Ｍ−１）ω_s−（Ｍ−２）ω_pの周波数を有するアイドラ光及び前記信号光とを分離することにより、前記Ｍω_s−（Ｍ−１）ω_pの周波数を有するアイドラ光を一方の出力ポートから出力し、前記（Ｍ−１）ω_s−（Ｍ−２）ω_pの周波数を有するアイドラ光及び前記信号光を他方の出力ポートから出力する分波器と、前記分波器の前記一方の出力ポートからの出力に注入同期が可能なレーザを出力する第２の励起光源と、前記分波器の前記一方の出力ポートからの出力を、前記第２の励起光源から出力されたレーザに注入同期して第２の励起光を出力する光サーキュレータと、前記第１の励起光と前記第２の励起光とを増幅して出力する第２の光ファイバレーザ増幅器と、前記第２の光ファイバレーザ増幅器によって増幅されて出力された前記第１の励起光及び前記第２の励起光を入力し、前記第１の励起光と前記第２の励起光との和周波光を発生する第２の二次非線形光学素子と、前記分波器の前記他方の出力ポートからの出力と前記和周波光とを入射して、非縮退パラメトリック増幅を行う第３の二次非線形光学素子とを備えたことを特徴とする。

本発明の請求項２に係る光増幅装置は、本発明の請求項１に係る光増幅装置であって、前記第１の二次非線形光学素子は、周期分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ₃からなる光導波路であり、前記周期分極反転構造は、分極反転周期よりも長い周期で空間的な位相変調あるいは周期変調が施されており、前記第１の二次非線形光学素子は、少なくとも、ω_s、２ω_s−ω_pの周波数に擬似位相整合波長が一致しており、ＱＰＳＫ信号を増幅することを特徴とする。

本発明の請求項３に係る光増幅装置は、本発明の請求項１に係る光増幅装置であって、前記第１の二次非線形光学素子は周期分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ₃からなる光導波路であって、前記周期分極反転構造には分極反転周期よりも長い周期で空間的な位相変調あるいは周期変調が施されており、前記第１の二次非線形光学素子は、少なくとも、ω_s、２ω_s−ω_p、４ω_s−３ω_pの周波数に擬似位相整合波長が一致しており、８ＰＳＫ信号を増幅することを特徴とする。

本発明によれば、大幅な波長変換効率の低下を招くことなく、位相感応増幅に必要な信号光に位相同期した励起光と、アイドラ光の発生を行うことができ、その結果ＱＰＳＫ等の多値の変調フォーマット信号の位相感応増幅が可能であり、かつ励起光を一旦ＳＨ光の波長に変換してから信号光と合波してパラメトリック増幅を行うために励起光の分離が容易であり、内部で用いる光ファイバ増幅器の発生する自然放出光が混入することによるＳＮ比の劣化を抑制することができ低雑音な増幅が可能になる。さらに、第１の二次非線形光学素子の設計を適切に行うことにより効率を落とすことなく８ＰＳＫなどのさらに多値の変調フォーマットに対応させることが可能になる。また、従来の光ファイバを用いた位相感応増幅器に比べて誘導ブリュリアン散乱などの問題がないため、構成が簡潔になり、素子長も数ｃｍ程度の非線形媒質で済むので全体としてコンパクトな位相感応増幅器を構成することができる。

この結果、光ファイバ通信において伝送光ファイバ中の非線形効果等で位相雑音が増大した信号を本発明による位相感応増幅器で増幅することにより、ＳＮ比の劣化を抑えた光増幅が可能になるとともに位相情報を再生しながら増幅できるので、位相雑音を低減して中継増幅を行うことができる。

従来のＰＳＡの構成の説明図である。 従来の二次非線形光学効果を利用したＰＳＡの構成の説明図である。 従来の二次非線形光学効果を利用したＰＳＡにおける、入力信号光−励起光間の位相差Δφと利得との関係を示すグラフである。 従来の三次非線形光学効果を利用したＰＳＡの構成の説明図である。 従来のＰＳＡの光ファイバ中における光の周波数配置を示す図である。 本発明の実施例１に係る光増幅装置の構成の説明図である。 本発明の実施例１に係る光増幅装置の各二次非線形光学素子における光の周波数配置と位相整合特性の説明図である。 本発明の実施例１に係る光増幅装置中の励起光、信号光、及び第１の二次非線形光学素子内で生成された複数のアイドラ光の光スペクトルを示す図である。 本発明の実施例１に係る光増幅装置によって増幅された信号のアイドラ光の光スペクトルを示す図である。 本発明の実施例１に係る光増幅装置によって増幅された信号の入出力におけるコンスタレーションマップである。 本発明の実施例２に係る光増幅装置の構成の説明図である。 本発明の実施例２に係る光増幅装置の第１の二次非線形光学素子における光の周波数配置と位相整合特性の説明図である。 本発明の実施例２に係る光増幅装置に用いられる第１の二次非線形光学素子のＰＰＬＮ回路の設計法を説明する図である。 本発明の実施例２に係る光増幅装置によって増幅された信号の入出力におけるコンスタレーションマップである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。

（実施例１）
本実施例１に係る光増幅装置では、ＱＰＳＫ信号から搬送波を抽出し、その搬送波に位相同期した励起光を生成して、ＰＰＬＮ導波路を用いたＰＳＡを構成した。図６は、本発明の実施例１に係る光増幅装置の構成を示す。図６には、第１及び第２のＥＤＦＡ６０１及び６０８と、第１及び第２の励起光源６０２及び６０７と、第１乃至第４の光合分波器６０３−１〜６０３−４と、第１乃至第３の二次非線形光学素子６０４、６１０及び６１１と、分波器６０５と、第１及び第２のバンドパスフィルタ６０９及び６１２と、光検出器６１３と、ＰＬＬ回路６１４と、ＰＺＴによる光ファイバ伸長器６１５と、偏光保持光ファイバ６１６とを備えた光増幅装置６００が示されている。第１の二次非線形光学素子６０４は、第１の空間光学系６２１と、第１のＰＰＬＮ導波路６２２と、第２の空間光学系６２３と、第１のダイクロイックミラー６２４とを備える。第２の二次非線形光学素子６１０は、第３の空間光学系６２５と、第２のＰＰＬＮ導波路６２６と、第４の空間光学系６２７と、第２のダイクロイックミラー６２８とを備える。第３の二次非線形光学素子６１１は、第５の空間光学系６２９と、第３のＰＰＬＮ導波路６３０と、第６の空間光学系６３１と、第３のダイクロイックミラー６３２、第４のダイクロイックミラー６３３とを備える。

第１の空間光学系６２１は、第１の二次非線形光学素子６０４の入力ポートから入力された光を第１のＰＰＬＮ導波路６２２に結合する。第２の空間光学系６２３は、第１のＰＰＬＮ導波路６２２から出力された光を第１のダイクロイックミラー６２４を介して第１の二次非線形光学素子６０４の出力ポートに結合する。第３の空間光学系６２５は、第２の二次非線形光学素子６１０の入力ポートから入力された光を第２のＰＰＬＮ導波路６２６に結合する。第４の空間光学系６２７は、第２のＰＰＬＮ導波路６２６から出力された光を第２のダイクロイックミラー６２８を介して第２の二次非線形光学素子６１０の出力ポートに結合する。第５の空間光学系６２９は、第３の二次非線形光学素子６１１の入力ポートから入力された光を第３のダイクロイックミラー６３２を介して第３のＰＰＬＮ導波路６３０に結合する。第６の空間光学系６３１は、第３のＰＰＬＮ導波路６３０から出力された光を第４のダイクロイックミラー６３２を介して第３の二次非線形光学素子６１１の出力ポートに結合する。

図６に示される例では、光増幅装置６００に入射した、１．５５μｍ帯でＱＰＳＫ変調された信号光６５２は、第１の光合分波器６０３−１に入射する。第１の励起光源６０２で発生する第１の励起光６５１は、第２の光合分波器６０３−２によって分岐されて、一方が第１の光合分波器６０３−１に入射し、他方は第３の光合分波器６０３−３に入射する。第１の光合分波器６０３−１に入射した第１の励起光６５１の一部及び信号光６５２は、第１の光合分波器６０３−１で合波された後、第１のＥＤＦＡ６０１に入射して増幅されて、第１の二次非線形光学素子６０４に入射する。

ここで、搬送波の消失したＱＰＳＫ信号からコンパクトなＰＰＬＮ導波路を用いて搬送波を抽出するために、第１の二次非線形光学素子６０４には、１．５５μｍ帯で周波数間隔が１００ＧＨｚで３つの擬似位相整合波長を有する第１のＰＰＬＮ導波路６２２が作製されている。

第１のＰＰＬＮ導波路６２２の作製方法を以下に例示する。まず、Ｚｎを添加したＬｉＮｂＯ₃上に周期が１７μｍでかつ位相変調周期が１６．５ｍｍの空間的な位相変調を施した周期的な電極を形成した。次に、電界印加法により上記の電極パターンに応じた分極反転グレーティングをＺｎ：ＬｉＮｂＯ₃中に形成した。次に、この周期分極反転構造を有するＺｎ：ＬｉＮｂＯ₃基板をクラッドとなるＬｉＴａＯ₃上に直接接合を行い、５００℃で熱処理を行うことにより両基板を強固に接合した。次に、コア層を研磨により５μｍ程度まで薄膜化し、ドライエッチングプロセスを用いてリッジ型の光導波路を形成した。導波路の長さは、上記の周期的な位相変調周期の３倍である４９．５ｍｍとした。この導波路はペルチェ素子により温調が可能で、１．５５μｍ帯の偏波保持ファイバで光の入出力が可能なモジュールとした。

ここで、第１のＰＰＬＮ導波路６２２中での波長変換プロセスについて説明する。図７（ａ）は、第１のＰＰＬＮ導波路６２２中の周波数配置と位相整合特性を示す。図７（ａ）に示されるように、第１のＰＰＬＮ導波路６２２の３つの位相整合ピークのうち最も低周波側のピークを信号光６５２の周波数と一致させる。そして、第１の励起光６５１は、信号光６５２よりも１００ＧＨｚだけ低周波に離調するように波長を設定する。以上のような条件において、第１のＰＰＬＮ導波路６２２中では、まず信号光６５２がＳＨ光に変換され、そのＳＨ光を励起光とする差周波発生（ＤＦＧ）により第１の励起光６５１が第１のアイドラ光６５３に変換される。変換された第１のアイドラ光６５３の周波数は第１のＰＰＬＮ導波路６２２の２番目の位相整合波長に一致するため、第１のアイドラ光６５３はＳＨ光に変換され、そのＳＨ光を励起光として信号光６５２が第２のアイドラ光６５４へ変換される。第２のアイドラ光６５４の周波数は第１のＰＰＬＮ導波路６２２の３番目の位相整合波長に一致するために、第２のアイドラ光６５４はＳＨ光に変換され、そのＳＨ光を励起光として第１のアイドラ光６５３が第３のアイドラ光６５５へ変換される。このとき、第１乃至第３のアイドラ光６５３〜６５５の位相は次式のように与えられる。
φ_i1＝２φ_s−φ_p1 （式７）
φ_i2＝２φ_i1−φ_s＝３φ_s−２φ_p1 （式８）
φ_i3＝２φ_i2−φ_i1＝４φ_s−３φ_p1 （式９）

ここで、φ_sは信号光６５２の位相、φ_p1は第１の励起光６５１の位相、φ_i1は第１のアイドラ光６５３の位相、φ_i2は第２のアイドラ光６５４の位相、φ_i3は第３のアイドラ光６５５の位相を表している。

今、第１の励起光６５１の位相が一定であると仮定して（式９）に注目すると、第３のアイドラ光６５５の位相は信号光６５２の位相の４倍であることが分かる。従って、ＱＰＳＫのようなπ／２の整数倍の位相のみを取る信号では、第３のアイドラ光６５５の位相は一定となり、ＱＰＳＫ信号から搬送波の位相が抽出できることが分かる。

図８は、第１のＰＰＬＮ導波路６２２の出力の光スペクトルを示す。図８に示されるように、波長１５５０．１ｎｍの１０Ｇｂｉｔ／ｓＱＰＳＫ信号光６５２と１００ＧＨｚだけ低周波の波長１５５０．９ｎｍの第１の励起光６５１とを第１のＰＰＬＮ導波路６２２に入射した結果、順次複数のアイドラ光が発生し、第３のアイドラ光６５５ではＱＰＳＫ変調によるサイドバンドがキャンセルし搬送波は抽出できることが確認できた。

なお、本実施例１では、第１のＰＰＬＮ導波路６２２が３つの位相整合波長を有するとしたが、同様に効果を得るために第１のＰＰＬＮ導波路６２２の位相整合波長を低周波側から２つとしても良い。この場合、第２のアイドラ光６５４は励起光としては働かなくなるが、第１のアイドラ光６５３のＳＨ光を励起光として第１の励起光６５１がＤＦＧにより変換されると、図８中の第３のアイドラ光６５５と同一の周波数に以下の位相を有するアイドラ光が発生する。
φ_i3’＝２φ_i1−φ_p1＝４φ_s−３φ_p1 （式１０）

（式９）と（式１０）とを比べると明らかなように両者の位相は同一であり、３番目の位相整合ピークは必ずしも必須ではないことが分かる。従って、本実施例１と同様の効果を得るためには、第１のＰＰＬＮ導波路６２２の擬似位相整合の波長が、第１の励起光６５１の周波数ω_pと信号光６５２の周波数ω_sに対して、少なくとも、ω_s、２ω_s−ω_pの周波数に一致していれば良い。

また、本実施例１では、３つ目の位相整合ピークがある場合には、第３のアイドラ光６５５は正確には上記の２種類の波長変換過程が重なることにより発生していることになる。改めて（式９）と（式１０）に着目すると、第３のアイドラ光６５５の位相は信号光６５２の位相の４倍であることが分かる。従って、ＱＰＳＫのようなπ／２の整数倍の位相のみを取る信号では、第３のアイドラ光６５５の位相は一定となり、ＱＰＳＫ信号から搬送波の位相が抽出できることが分かる。このように本実施例１では、僅か５０ｍｍ弱の第１のＰＰＬＮ導波路６２２を用いてＱＰＳＫ信号の搬送波位相を抽出することができる。

再び図６を参照すると、第１のＰＰＬＮ導波路６２２を有する第１の二次非線形光学素子６０４の出力は、分波器６０５により波長ごとに分離されて二分岐され、信号光６５２及び第２のアイドラ光６５４は第３の二次非線形光学素子６１１に入射し、第３のアイドラ光６５５は光サーキュレータ６０６に入射する。第３のアイドラ光６５５は光サーキュレータ６０６において第２の励起光源６０７（半導体レーザ）から出力されるレーザに注入同期され、残留する強度変調成分が取り除かれて第２の励起光６５６として出力される。第１の励起光６５１及び第２の励起光６５６は第３の光合分波器６０３−３で合波され、第２のＥＤＦＡ６０８で増幅された後、第１の励起光６５１及び第２の励起光６５６のみを透過するバンドパスフィルタ６０９により過剰な自然放出光を除去したのちに、第２の二次非線形光学素子６１０の第２のＰＰＬＮ導波路６２６に入射される。

第２のＰＰＬＮ導波路６２６の作製方法は第１のＰＰＬＮ導波路６２２の作製方法とほぼ同様だが、第２のＰＰＬＮ導波路６２６は周期１７μｍの分極反転構造に位相変調は加えられていない。従って、第二高調波発生（ＳＨＧ）で評価したときの位相整合波長は、図７（ｂ）に示される第２の二次非線形光学素子６１０の第２のＰＰＬＮ導波路６２６中の周波数配置のように、第１のアイドラ光６５３の波長に一致する。第１の励起光６５１及び第２の励起光６５６は、この位相整合波長からともに２００ＧＨｚだけ互いに逆方向に周波数が離れている。従って、第１の励起光６５１及び第２の励起光６５６の和周波発生の位相整合条件を満足することになり、第２のＰＰＬＮ導波路６２６により第１のアイドラ光６５３のＳＨ光に相当する波長に和周波光６５７として波長変換が行われる。このとき、和周波光６５７の位相φ_sＦは下記（式１１）で与えられる。ここで、φ_p2は第２の励起光６５６の位相を示す。
φ_sＦ＝φ_p1＋φ_p2＝−２φ_p1 （式１１）

この和周波光６５７は、第２の二次非線形光学素子６１０中に内蔵された第２のダイクロイックミラー６２８により、第１の励起光６５１及び第２の励起光６５６と分離された後に、０．７８μｍ帯の偏波保持光ファイバ６１６を介して第３の二次非線形光学素子６１１の第３のＰＰＬＮ導波路６３０に入射する。

一方で、分波器６０５で分離されて第３の二次非線形光学素子６１１に入射した信号光６５２及び第２のアイドラ光６５４も、第３のダイクロイックミラー６３２を介して第３のＰＰＬＮ導波路６３０に入射する。第３のＰＰＬＮ導波路６３０は第２のＰＰＬＮ導波路６２６と同等の特性を有しており、従ってその位相整合波長は第２のＰＰＬＮ導波路６２６とほぼ同じであり、両者の位相整合波長は適切な温度調整により一致させるように設定されている。

図７（ｃ）は、第３のＰＰＬＮ導波路６３０中の周波数配置を示す。図７（ｃ）に示されるように、和周波光６５７の周波数は１．５５μｍ帯における第３のＰＰＬＮ導波路６３０の位相整合波長のＳＨ光に相当する。従って、和周波光６５７と信号光６５２、第２のアイドラ光６５４の間では位相整合条件が満たされており、信号光６５２の位相と第２のアイドラ光６５４の位相との総和を計算すると、下記の（式１２）のように表される。

φ_s＋φ_i2＝４φ_s−２φ_p1 （式１２）
（式１２）を（式１１）と比較すると、両者は信号の位相がπ／２の整数倍のときのみ一致するため、ＱＰＳＫ信号を位相感応増幅することができることが分かる。

図９は、本実施例１に係る光増幅装置６００で増幅された信号光６５２及び第２のアイドラ光６５４の光スペクトルを示す。従来の光ファイバを用いたＰＳＡと異なり、図９に示されるように１．５５μｍ帯には強度の強い励起光が存在せず、また励起光の発生に用いるＥＤＦＡが発生する自然放出光も混入しないために、高いＳＮ比を保ちながら位相感応増幅を行うことが出来ることが確認できる。

実際の増幅動作においては、各光学部品を接続する光ファイバの伸び縮みによる光路長の変動による位相変動の影響を抑圧するために、本実施例１では第３のＰＰＬＮ導波路６３０の出力から増幅された信号光だけをバンドパスフィルタ６１２を用いて取り出し、さらにその一部を第４の光合分波器６０３−４を用いて分岐し、光検出器６１３で検出したのちに、ＰＬＬ回路６１４を介して位相変調器・ＰＺＴからなる光ファイバ伸長器６１５にフィードバックを行い、安定的な動作を実現している。

なお、本発明では、従来の光ファイバを用いた位相感応増幅器とは異なり、誘導ブルリアン散乱を避けるための位相変調等の機構は必要とせず、非線形媒質も高々５０ｍｍ程度の導波路で済むために、全体としてコンパクトな位相感応増幅器を構成することができる。図１０は、本実施例１に係る位相感応型の光増幅装置６００に、意図的に位相雑音を付加したＱＰＳＫ信号を入力したときの入力信号と出力信号のコンスタレーションマップに示す。図１０に示されるように、実施例１に係る位相感応光増幅装置６００では、信号の位相がπ／２の整数倍の場合にのみ増幅が行われるために、入力信号で観測される位相雑音を低減することが可能であり、位相再生型の増幅が行われていることが分かる。

なお、本実施例１では、信号光６５２よりも低周波数側に配置したが、この配置は逆の順番に配置しても全く同様の効果が得られることは言うまでもない。

また、本実施例１と同様の効果は、第１のＰＰＬＮ導波路６２２の分極反転周期をチャープさせて位相整合波長を分布させることで広帯域化することでも実現できるが、その場合、励起光として用いない波長にまで位相整合帯域が分配されるため、全体として必要な波長における変換効率が低下してしまう。本実施例１で示したように、周期分極反転構造を適切に設計して必要な波長のみに周期的に位相整合ピークが配置される構成を取ることにより、効率良く波長変換と搬送波抽出を行うことができる。

（実施例２）
以下、本発明の実施例２に係る光増幅装置について説明する。図１１は、本発明の実施例２に係る光増幅装置１１００を示す。実施例１では、２つないし３つの位相整合波長を有するＰＰＬＮ導波路を用いてＱＰＳＫ信号の位相再生増幅を行ったが、本実施例２では、さらに多値の信号フォーマットである８ＰＳＫ信号に対応するようにＰＰＬＮ導波路を構成した。本実施例２に係る光増幅装置１１００は、８値の位相を取る変調信号からいかにして搬送波を抽出するかという点に特徴を有する。

図１１には、第１及び第２のＥＤＦＡ１１０１及び１１０８と、第１及び第２の励起光源１１０２及び１１０７と、第１乃至第４の光合分波器１１０３−１〜１１０３−４と、第１乃至第３の二次非線形光学素子１１０４、１１１０及び１１１１と、分波器１１０５と、第１及び第２のバンドパスフィルタ１１０９及び１１１２と、光検出器１１１３と、ＰＬＬ回路１１１４と、ＰＺＴによる光ファイバ伸長器１１１５と、偏光保持光ファイバ１１１６とを備えた光増幅装置１１００が示されている。第１の二次非線形光学素子１１０４は、第１の空間光学系１１２１と、第１のＰＰＬＮ導波路１１２２と、第２の空間光学系１１２３と、第１のダイクロイックミラー１１２４とを備える。第２の二次非線形光学素子１１１０は、第３の空間光学系１１２５と、第２のＰＰＬＮ導波路１１２６と、第４の空間光学系１１２７と、第２のダイクロイックミラー１１２８とを備える。第３の二次非線形光学素子１１１１は、第５の空間光学系１１２９と、第３のＰＰＬＮ導波路１１３０と、第６の空間光学系１１３１と、第３のダイクロイックミラー１１３２、第４のダイクロイックミラー１１３３とを備える。図１１に示されるように、実施例２に係る光増幅装置１１００の全体構成は、図６で示される実施例１に係る光増幅装置６００の構成とほぼ同様であるため、特に注記しない限り同様の機能を有するものとして、その詳細な記述は省略する。実施例２に係る、搬送波抽出に用いる第１のＰＰＬＮ導波路１１２２を利用した光増幅装置１１００の詳細を説明する。

図１１に示されるように、信号光１１５２及び第１の励起光１１５１は、ＥＤＦＡ１１０１で増幅された後に、複数の位相整合波長を有する第１のＰＰＬＮ導波路１１２２に入射する。信号光１１５２及び第１の励起光１１５１は、１００ＧＨｚだけ低周波側に離調して設定されている。第１のＰＰＬＮ導波路１１２２は、信号光波長と、１００ＧＨｚ高周波側に離れた波長と、３００ＧＨｚ高周波側に離れた波長との３つの波長において位相整合ピークがあるように設計されている。この第１のＰＰＬＮ導波路１１２２は、周期が１６．９２μｍでかつ位相変調周期が１６．５ｍｍの空間的な位相変調を施してある。

第１のＰＰＬＮ導波路１１２２中での波長変換プロセスについて説明する。図１２（ａ）は、実施例２に係る光増幅装置に関する、第１の二次非線形光学素子１１０４の第１のＰＰＬＮ導波路１１２２中での光の位相整合特性を示し、図２（ｂ）は第１のＰＰＬＮ導波路１１２２中での光の周波数配置を示す。本実施例２では、図１２（ａ）に示されるような不等間隔の３つのピークを得るために、図１３に示すような、位相変調周期が１６．５ｍｍの非対称な位相変調を周期分極反転構造に付与して、このような位相整合曲線を実現している。図１２（ｂ）に示される位相整合波長、信号光１１５２、及び第１の励起光１１５１の波長を配置すると、以下に述べるような波長変換プロセスが順次発生することになる。

以上のような条件において、第１のＰＰＬＮ導波路１１２２中では、まず信号光１１５２がＳＨ光に変換され、そのＳＨ光を励起光とする差周波発生（ＤＦＧ）により第１の励起光１１５１が第１のアイドラ光１１５３に変換される。変換された第１のアイドラ光１１５３の周波数は、第１のＰＰＬＮ導波路１１２２の２番目の位相整合波長に一致するため、第１のアイドラ光１１５３はＳＨ光に変換され、そのＳＨ光を励起光として信号光１１５２が第２のアイドラ光１１５４へ変換される。さらに、第１のアイドラ光１１５３のＳＨ光を励起光として第１の励起光１１５１がＤＦＧにより変換されると、第３のアイドラ光１１５５が発生する。変換された第１のアイドラ光１１５３の周波数は、第１のＰＰＬＮ導波路１１２２の２番目の位相整合波長に一致するため、第３のアイドラ光１１５５はＳＨ光に変換され、そのＳＨ光を励起光として、第２のアイドラ光１１５４は第４のアイドラ光１１５６へ、第１のアイドラ光５３は第５のアイドラ光１１５７へ、信号光１１５２は第６のアイドラ光１１５８へ、第１の励起光１１５１は第７のアイドラ光１１５９へそれぞれ変換される。このとき、第１のアイドラ光１１５３、第３のアイドラ光１１５５、第６のアイドラ光１１５８、及び第７のアイドラ光１１５９の位相に着目すると、これらのアイドラ光の位相は、以下の（式１３）〜（式１６）で表される。
φ_i1＝２φ_s−φ_p1 （式１３）
φ_i3＝２φ_i2−φ_p1＝４φ_s−３φ_p1 （式１４）
φ_i6＝２φ_i3−φ_s＝７φ_s−６φ_p1 （式１５）
φ_i7＝２φ_i3−φ_p1＝８φ_s−７φ_p1 （式１６）

ここで、φ_i6は第６のアイドラ光１１５８の位相を示し、φ_i7は第７のアイドラ光１１５９の位相を示す。このように、３つの位相整合波長を設定するだけで、順次第１から第７までのアイドラ光１１５３〜１１５９を生成することができる。すなわち、第１のＰＰＬＮ導波路６２２の擬似位相整合波長が、第１の励起光１１５１の周波数ω_pと信号光１１５２の周波数ω_sとに対して、少なくとも、ω_s、２ω_s−ω_p、４ω_s−３ω_pの周波数に一致していれば良い。

（式１６）で示される第７のアイドラ光１１５９の位相に注目すると、信号光１１５２の位相が８倍されているために、８ＰＳＫのπ／４の整数倍の位相のみを取る信号に対しては第７のアイドラ光１１５９の位相が一定となり、搬送波が抽出できることが分かる。

再び図１１を参照すると、実際の位相変調信号は強度変化を伴うので、第１の二次非線形光学素子１１０４の出力は分波器１１０５で分波されて二分岐され、信号光１１５２及び第６のアイドラ光１１５８は第３の二次非線形光学素子１１１１に入射し、第７のアイドラ光１１５９は光サーキュレータ１１０６に入射する。第７のアイドラ光１１５９は光サーキュレータ１１０６において第２の励起光源１１０７（半導体レーザ）から出力されるレーザに注入同期され、残留する強度変調成分が取り除かれて第２の励起光１１６０として出力される。第１の励起光１１５１及び第２の励起光１１６０は第３の光合分波器１１０３−３で合波され、第２のＥＤＦＡ１１０８で増幅された後、第１の励起光１１５１及び第２の励起光１１６０のみを透過するバンドパスフィルタ１１０９により過剰な自然放出光を除去したのちに、第２の二次非線形光学素子１１１０の第２のＰＰＬＮ導波路１１２６に入射される。第２のＰＰＬＮ導波路１１２６では、第１の励起光１１５１及び第２の励起光１１６０により和周波発生がなされ、それにより信号波位相に同期した和周波光１１６１を生成することができる。

なお、このときの第２のＰＰＬＮ導波路１１２６の位相整合波長は、図１２で示される第３のアイドラ光１１５５と一致するように設計しておくことが必要となる。これにより、第１の励起光１１５１、第２の励起光１１６０、及び位相整合波長の離調はともに４００ＧＨｚとなり、和周波発生の位相整合条件を満たすことになる。このときの和周波光の位相φ_sＦは、下記の（式１７）で与えられる。
φ_sＦ＝φ_p1＋φ_p2＝−６φ_p1 （式１７）

この和周波光１１６１は、第２の二次非線形光学素子１１１０中に内蔵された第２のダイクロイックミラー１１２８により、第１の励起光１１５１及び第２の励起光１１６０と分離された後に、０．７８μｍ帯の偏波保持光ファイバ１１１６を介して第３の二次非線形光学素子１１１１の第３のＰＰＬＮ導波路１１３０に入射する。

一方で、分波器１１０５で分離されて第３の二次非線形光学素子１１１１に入射した信号光１１５２及び第６のアイドラ光１１５８も、第３のダイクロイックミラー１１３２を介して第３のＰＰＬＮ導波路１１３０に入射する。

信号光１１５２、第６のアイドラ光１１５８、及び和周波光１１６１が第３のＰＰＬＮ導波路１１３０に入射すると、以下に述べるように位相感応型の増幅が可能になる。信号光１１５１の位相と第６のアイドラ光１１５８の位相との和は、下記の（式１８）で与えられる。
φ_s＋φ_i6＝８φ_s−６φ_p1 （式１８）

（式１８）を（式１７）と比較すると、両者は信号の位相がπ／４の整数倍のときのみ一致するため、８ＰＳＫの信号を位相感応増幅することができることが分かる。本実施例２による位相感応増幅器に意図的に位相雑音を付加したＱＰＳＫ信号を入力したときの入力信号と出力信号のコンスタレーションマップを図１４に示す。図１４に示されるように、本実施例２では、信号の位相がπ／４の整数倍の場合にのみ増幅が行われるために、入力信号で観測される位相雑音を低減することが可能であり、位相再生型の増幅が行われていることが分かる。

このように、８ＰＳＫのようなさらに多値の信号フォーマットであっても、第１のＰＰＬＮ導波路の設計を変更するだけで、大幅な波長変換効率の低下を招くことなく、位相感応増幅に必要な信号光に位相同期した励起光と、アイドラ光の発生を行うことができる。また、第１の実施例と同様に励起光を光ファイバ増幅器で増幅したとしても、一旦和周波光に変換してから第３のＰＰＬＮ導波路に入射してパラメトリック増幅を行うため、光ファイバ増幅器の発生する自然放出光に埋もれることなく、微弱な信号光をＳＮ比の劣化を起こすことなく、位相再生増幅を実現することができる。

なお、本実施例では、信号光よりも低周波数側に配置したが、この配置は逆の順番に配置しても全く同様の効果が得られることは言うまでもない。

ここで、本発明の構成を、Ｍ（Ｍは４以上の整数）種類の値を取る多値位相変調された信号光を増幅する光増幅器に適用する場合には、分波器を、第１の二次非線形光学素子の出力から、Ｍω_s−（Ｍ−１）ω_pの周波数を有するアイドラ光と、（Ｍ−１）ω_s−（Ｍ−２）ω_pの周波数を有するアイドラ光及び信号光とを分離することにより、Ｍω_s−（Ｍ−１）ω_pの周波数を有するアイドラ光を光サーキュレータに接続された一方の出力ポートから出力し、（Ｍ−１）ω_s−（Ｍ−２）ω_pの周波数を有するアイドラ光及び信号光を第３の二次非線形光学素子に接続された他方の出力ポートから出力するように構成するとよい。

１００、４００ 従来のＰＳＡ
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、２０３−１ 第１の光分岐部
１０４−２、２０３−２ 第２の光分岐部
２０１ ＥＤＦＡ
２０２、６０４、１１０４ 第１の二次非線形光学素子
２０４、６１０、１１１０ 第２の二次非線形光学素子
２０５ 位相変調器
２０６、４１３、６１５、１１１５ ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
２０７、６１６、１１１６ 偏波保持ファイバ
２０８、４１１、６１３、１１１３ 光検出器
２０９、４１２、６１４、１１１４ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
２１１、６２１、１１２１ 第１の空間光学系
２１２、６２２、１１１２ 第１のＰＰＬＮ導波路
２１３、６２３、１１２３ 第２の空間光学系
２１４、６２４、１１２４ 第１のダイクロイックミラー
２１５、６２５、１１２５ 第３の空間光学系
２１６、６２６、１１２６ 第２のＰＰＬＮ導波路
２１７、６２７、１１２７ 第４の空間光学系
２１８、６２８、１１２８ 第２のダイクロイックミラー
２１９、６３２、１１３２ 第３のダイクロイックミラー
４０１、６０１、１１０１ 第１のＥＤＦＡ
４０２、６０２、１１０２ 第１の励起光源
４０３−１、６０３−１、１１０３−１ 第１の光合分波器
４０３−２、６０３−２、１１０３−２ 第２の光合分波器
４０３−３、６０３−３、１１０３−３ 第３の光合分波器
４０３−４、６０３−４、１１０３−４ 第４の光合分波器
４０３−５ 第５の光合分波器
４０４ 第１の光ファイバ
４０５、６０５、１１０５ 分波器
４０６、６０６、１１０６ 光サーキュレータ
４０７、６０７、１１０７ 第２の励起光源（半導体レーザ）
４０８、６０８、１１０８ 第２のＥＤＦＡ
４０９ 第２の光ファイバ
４１０ バンドパスフィルタ
６００、１１００ 本発明の光増幅装置
６０９、１１０９ 第１のバンドパスフィルタ
６１１、１１１１ 第３の二次非線形光学素子
６１２、１１１２ 第２のバンドパスフィルタ
６２９、１１２９ 第５の空間光学系
６３０ 第３のＰＰＬＮ導波路
６３１、１１３１ 第６の空間光学系
６３３、１１３３ 第４のダイクロイックミラー６３３

Claims (3)

1. 二次非線形光学効果を用いた光混合によってＭ種類の値を取る多値位相変調された信号光を増幅する光増幅装置であって、
   周波数ω_pを有する第１の励起光を発生する第１の光源と、
   入力した周波数ω_sを有する信号光及び前記第１の励起光を増幅して出力する第１の光ファイバレーザ増幅器と、
   前記第１の光ファイバレーザ増幅器によって増幅されて出力された前記信号光及び前記第１の励起光を入力し、第二高調波を発生する第１の二次非線形光学素子であって、複数の波長において擬似位相整合を満たす、第１の二次非線形光学素子と、
   前記第１の二次非線形光学素子の出力から、Ｍω_s−（Ｍ−１）ω_pの周波数を有するアイドラ光と、（Ｍ−１）ω_s−（Ｍ−２）ω_pの周波数を有するアイドラ光及び前記信号光とを分離することにより、前記Ｍω_s−（Ｍ−１）ω_pの周波数を有するアイドラ光を一方の出力ポートから出力し、前記（Ｍ−１）ω_s−（Ｍ−２）ω_pの周波数を有するアイドラ光及び前記信号光を他方の出力ポートから出力する分波器と、
   前記分波器の前記一方の出力ポートからの出力に注入同期が可能なレーザを出力する第２の励起光源と、
   前記分波器の前記一方の出力ポートからの出力を、前記第２の励起光源から出力されたレーザに注入同期して第２の励起光を出力する光サーキュレータと、
   前記第１の励起光と前記第２の励起光とを増幅して出力する第２の光ファイバレーザ増幅器と、
   前記第２の光ファイバレーザ増幅器によって増幅されて出力された前記第１の励起光及び前記第２の励起光を入力し、前記第１の励起光と前記第２の励起光との和周波光を発生する第２の二次非線形光学素子と、
   前記分波器の前記他方の出力ポートからの出力と前記和周波光とを入射して、非縮退パラメトリック増幅を行う第３の二次非線形光学素子と
   を備えたことを特徴とする光増幅装置。
2. 前記第１の二次非線形光学素子は、周期分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ₃からなる光導波路であり、
   前記周期分極反転構造は、分極反転周期よりも長い周期で空間的な位相変調あるいは周期変調が施されており、
   前記第１の二次非線形光学素子は、少なくとも、ω_s、２ω_s−ω_pの周波数に擬似位相整合波長が一致しており、ＱＰＳＫ信号を増幅することを特徴とする請求項１に記載の光増幅装置。
3. 前記第１の二次非線形光学素子は周期分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ₃からなる光導波路であって、
   前記周期分極反転構造には分極反転周期よりも長い周期で空間的な位相変調あるいは周期変調が施されており、
   前記第１の二次非線形光学素子は、少なくとも、ω_s、２ω_s−ω_p、４ω_s−３ω_pの周波数に擬似位相整合波長が一致しており、８ＰＳＫ信号を増幅することを特徴とする請求項１に記載の光増幅装置。

Images