JP2015161827A - Optical amplification device - Google Patents

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弘和 竹ノ内
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a low-noise phase sensitive optical amplifier in which deterioration in a signal SN ratio is smaller than ever before.SOLUTION: An optical amplification device comprises: a first amplifier which amplifies signal light and first fundamental wave light; a first secondary nonlinear optical element which generates a second harmonic from signal light and first fundamental wave light; a multiplexer/demultiplexer which separates only idler light having a specific frequency; a circulator which outputs second fundamental wave light from idler light and laser; a second amplifier and a third amplifier each of which amplifies branched first and second fundamental wave light; a second secondary nonlinear optical element which generates first sum frequency light from first and second fundamental wave light from the second amplifier; a third secondary nonlinear optical element which generates difference frequency light from signal light and first sum frequency light; a fourth secondary nonlinear optical element which generates second sum frequency light from first and second fundamental wave light from the third amplifier; and a fifth secondary nonlinear optical element which performs non-degeneracy parametric amplification from signal light, difference frequency light, and second sum frequency light.

Description

本発明は、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。   The present invention relates to an optical amplifying apparatus used in an optical communication system or 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。   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. .

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。   As optical amplification means for solving this problem, there are 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. Such fiber laser amplifiers and semiconductor laser amplifiers can amplify signal light as it is, so that there is no limitation on the electrical processing speed that has been a problem in the identification reproduction optical repeater. In addition, the device configuration has the advantage of being relatively simple.

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ので、信号光のS/N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。   However, these laser amplifiers do not have a function of shaping a deteriorated signal light waveform. Further, in these laser amplifiers, unavoidably and randomly generated spontaneous emission light is mixed regardless of the signal component, so that the S / N of the signal light is reduced by at least 3 dB before and after amplification. These lead to an increase in transmission code error rate at the time of digital signal transmission, which is a factor of reducing transmission quality.

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。PSA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、PSAは、信号とは無関係の直交位相をもった自然放出光を抑圧でき、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。   As means for overcoming the limitations of the conventional laser amplifier, a phase sensitive amplifier (PSA) has been studied. The PSA has a function of shaping a deteriorated signal light waveform or phase signal due to the influence of dispersion of the transmission fiber. In addition, PSA can suppress spontaneous emission light having a quadrature phase unrelated to the signal and can minimize the spontaneous emission light of the same phase, so that the S / N of the signal light is not deteriorated before and after amplification. In principle it is possible to keep.

図1は、従来のPSA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。   FIG. 1 shows a basic configuration of a conventional PSA. As shown in FIG. 1, the PSA 100 includes a phase sensitive light amplification unit 101 using optical parametric amplification, a pumping light source 102, a pumping light phase control unit 103, and first and second light branching units 104-1. And 104-2. As shown in FIG. 1, the signal light 110 input to the PSA 100 is branched into two by the optical branching unit 104-1, and one enters the phase sensitive light amplification unit 101 and the other enters the excitation light source 102. . The phase of the excitation light 111 emitted from the excitation light source 102 is adjusted via the excitation light phase control unit 103 and enters the phase sensitive light amplification unit 101. The phase sensitive amplification unit 101 outputs an output signal light 112 based on the input signal light 110 and the excitation light 111.

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のもつ雑音以上に過剰な自然放出光が発生しない。そのため、S/N比を劣化させずに信号光110を増幅することが可能になる。   The phase sensitive light amplifying unit 101 amplifies the signal light 110 when the phase of the incident signal light 110 and the phase of the excitation light 111 coincide with each other. It has a characteristic to attenuate. If the phase between the pumping light 111 and the signal light 110 is matched so that the amplification gain is maximized using this characteristic, the spontaneous emission light having the quadrature phase with the signal light 110 is not generated, and the in-phase component is also generated. Excessive spontaneous emission light beyond the noise of signal light is not generated. Therefore, the signal light 110 can be amplified without degrading the S / N ratio.

このような信号光110と励起光111と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比の劣化のない光増幅が実現される。   In order to achieve such phase synchronization between the signal light 110 and the pump light 111, the pump light phase control unit 103 is synchronized with the phase of the signal light 110 branched by the first light branching unit 104-1. The phase of the excitation light 111 is controlled. In addition, the pumping light phase control unit 103 detects a part of the output signal light 112 branched by the second optical branching unit 104-2 with a narrow-band detector, and the amplification gain of the output signal light 112 is maximized. Thus, the phase of the excitation light 111 is controlled. As a result, the phase sensitive optical amplifying unit 102 realizes optical amplification without degradation of the S / N ratio based on the above principle.

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 111 on the output side of the pumping light source 102. Further, when the light source that generates the signal light 110 is disposed near the phase-sensitive light amplification unit 101, a part of the signal light source can be branched and used as excitation light.

T. Umeki 他、"Phase sensitive degenerate parametric amplification using directly-bonded PPLN ridge waveguides," Optics Express、2011年、Vol.19、No. 7、pp. 6326-6332T. Umeki et al., “Phase sensitive degenerate parametric amplification using directly-bonded PPLN ridge waveguides,” Optics Express, 2011, Vol. 19, No. 7, pp. 6326-6332 J.Kakande 他、“First demonstration of all-optical QPSK signal regeneration in a novel multi-format phase sensitive amplifier,” Post Deadline paper、ECOC 2010、2010年J. Kakande et al., “First demonstration of all-optical QPSK signal regeneration in a novel multi-format phase sensitive amplifier,” Post Deadline paper, ECOC 2010, 2010 M. Asobe 他、“In-line phase-sensitive amplifier for QPSK signal using multiple QPM LiNbO3 waveguide,” In Proceedings of the OptoElectronics Communications Conference、Post Deadline paper、2010年、PD2-3M. Asobe et al., “In-line phase-sensitive amplifier for QPSK signal using multiple QPM LiNbO3 waveguide,” In Proceedings of the OptoElectronics Communications Conference, Post Deadline paper, 2010, PD2-3

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、周期分極反転LiNbO(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、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。 However, the above-described prior art has the following problems. As the nonlinear optical medium for performing the parametric amplification described above, a method using a second-order nonlinear optical material typified by a periodically poled LiNbO 3 (PPLN) waveguide and a method using a third-order nonlinear optical material typified by a silica glass fiber There is.

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を備える。   FIG. 2 illustrates a configuration of a conventional PSA using a PPLN waveguide disclosed in Non-Patent Document 1 and the like. 2 includes an erbium-doped fiber laser amplifier (EDFA) 201, first and second second-order nonlinear optical elements 202 and 204, and first and second optical branching sections 203-1 and 203-. 2, a phase modulator 205, an optical fiber stretcher 206 using PZT, a polarization maintaining fiber 207, a photodetector 208, and a phase locked loop (PLL) circuit 209. The first second-order nonlinear optical element 202 includes a first spatial optical system 211, a first PPLN waveguide 212, a second spatial optical system 213, and a first dichroic mirror 214. The second-order nonlinear optical element 204 includes a third spatial optical system 215, a second PPLN waveguide 216, a fourth spatial optical system 217, a second dichroic mirror 218, and a third dichroic mirror 219. .

第1の空間光学系211は、第1の二次非線形素子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。   The first spatial optical system 211 couples light input from the input port of the first second-order nonlinear element 202 to the first PPLN waveguide 212. The second spatial optical system 213 couples the light output from the first PPLN waveguide 212 to the output port of the first second-order nonlinear optical element 202 via the first dichroic mirror 214. The third spatial optical system 215 couples light input from the input port of the second second-order nonlinear optical element 204 to the second PPLN waveguide 216 via the second dichroic mirror 218. The fourth spatial optical system 217 couples the light output from the second PPLN waveguide 216 to the output port of the second second-order nonlinear optical element 204 via the third dichroic mirror 219.

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を第1の二次非線形光学素子202−1に入射させる。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2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。   In the example shown in FIG. 2, the signal light 250 incident on the PSA 200 is branched by the optical branching unit 203-1, one incident on the second second-order nonlinear optical element 204, and the other as the excitation fundamental wave light 251. The phase is controlled via the phase modulator 205 and the optical fiber expander 206 and enters the EDFA 201. In order to obtain sufficient power to obtain the nonlinear optical effect from the weak laser beam used for optical communication, the EDFA 201 amplifies the incident excitation fundamental wave light 251, and the amplified excitation fundamental wave light 251 is converted into the first secondary light. The light enters the nonlinear optical element 202-1. In the first second-order nonlinear optical element 202-1, a second harmonic (hereinafter referred to as “SH light”) 252 is generated from the incident excitation fundamental wave light 251, and the generated SH light 252 passes through the polarization maintaining fiber 207. The light enters the second second-order nonlinear optical element 204. The second second-order nonlinear optical element 204 performs phase-sensitive amplification by performing degenerate parametric amplification with the incident signal light 250 and the SH light 252, and outputs the output signal light 253.

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、二次の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φ2ωsと信号光の位相φωsとが以下の(式1)の関係を満たすことが必要となる。
Δφ=1/2(φ2ωs−φωs)=nπ (ただし、nは整数) (式1)
In PSA, in order to amplify only light in phase with a signal, it is necessary that the phase of signal light and pumping light coincide with each other or be shifted by π radians as described above. That is, when the second-order nonlinear optical effect is used, it is necessary that the phase φ 2ωs of the excitation light and the phase φ ωs of the signal light, which has a wavelength corresponding to the SH light, satisfy the following relationship (Equation 1). Become.
Δφ = 1/2 (φ 2ωs -φ ωs) = nπ ( where, n is an integer) (Equation 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。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 pump light and the gain (dB) in the conventional PSA using the second-order nonlinear optical effect. It can be seen that the gain is maximum when Δφ is −π, 0, or π.

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位相同期ループ回路(PLL)209を用いて、光ファイバ伸長器206にフィードバックを行う。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の位相同期を達成することができる。   In the configuration shown in FIG. 2, in order to phase-synchronize the signal light 250 and the excitation fundamental wave light 251, the phase modulator 205 is used to perform phase modulation on the excitation fundamental wave light 251 with a weak pilot signal, and then output. A part of the signal light 253 is branched and detected by the detector 208. Since this pilot signal component is minimized when the phase difference Δφ shown in FIG. 3 is minimized, the phase locked loop circuit ( PLL) 209 is used to provide feedback to the optical fiber stretcher 206. The phase of the excitation fundamental light 251 can be controlled to achieve phase synchronization between the signal light 250 and the excitation fundamental light 251.

上記のPPLN導波路を非線形媒質として用い、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を発生させ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の特性を用いて励起基本波光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。   In the configuration in which the PPLN waveguide is used as a nonlinear medium and the signal light 250 and the SH light 252 are incident on the second-order nonlinear optical element 204 to perform degenerate parametric amplification, the SH light 252 is generated once. When performing parametric amplification, for example, the components of the excitation fundamental light are removed using the characteristics of the dichroic mirrors 206-1 and 206-2, so that only the SH light 252 and the signal light 250 are converted into the second second-order nonlinear optical element 204. It can inject into a parametric amplification medium like. Therefore, noise due to mixing of spontaneous emission light generated by the EDFA 201 can be prevented, so that low-noise optical amplification can be performed.

上述のように、PPLN導波路を非線形光学媒質として用い、SH光252を用いて非線形媒質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。   As described above, the PPLN waveguide is used as a nonlinear optical medium, and the nonlinear medium is excited using the SH light 252 so that low-noise phase-sensitive amplification can be achieved without being affected by noise generated by the EDFA 201. In addition, the phase noise can be reduced by utilizing the characteristic of attenuating the quadrature component.

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IMDDやBPSKまたは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。   However, as shown in FIG. 3, the conventional configuration method has a characteristic of attenuating orthogonal phase components, so that an ordinary intensity-modulated signal or binary phase modulation such as IMDD, BPSK, or DPSK is used. Although it can be used to amplify the modulation signal, it is not possible to amplify signals such as QPSK (four values) and 8PSK which are multi-level modulation formats.

一方で、非特許文献2及び3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。非特許文献2及び3には、それぞれ、三次の非線形光学材料である石英ガラスファイバを用いた方法と、二次の非線形光学材料であるPPLNを用いた方法とが示されている。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。   On the other hand, as disclosed in Non-Patent Documents 2 and 3 and the like, it is known that a phase regenerative amplification can be performed by phase-sensitive amplification of a signal such as QPSK. Non-Patent Documents 2 and 3 each show a method using a quartz glass fiber which is a third-order nonlinear optical material and a method using PPLN which is a second-order nonlinear optical material. FIG. 4 illustrates a PSA using a quartz glass fiber that is performing QPSK phase reproduction amplification, which is four-level phase modulation.

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の光合分波気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。   In FIG. 4, the first and second EDFAs 401 and 408, the first excitation light source 402, the first to fifth optical multiplexing / demultiplexing cells 403-1 to 403-5, and the first optical fiber 404 are illustrated. , A demultiplexer 405, an optical circulator 406, a second pumping light source 407 made of a semiconductor laser, a second optical fiber 409, a bandpass filter 410, a PLL circuit 412, and an optical fiber stretcher 413 using PZT. A PSA 400 with is shown.

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。   In the example shown in FIG. 4, the signal light 415 input to the PSA 400 is amplified by the first EDFA 401 and then enters the first optical multiplexer / demultiplexer 403-1. The first excitation light 414 generated by the first excitation light source 402 is branched by the second optical multiplexer / demultiplexer 403-2, one of which is incident on the first optical multiplexer / demultiplexer 403-1 and the other is The light enters the third optical multiplexer / demultiplexer 403-3. A part of the first pumping light 414 incident on the first optical multiplexer / demultiplexer 403-1 and the amplified signal are multiplexed by the first optical multiplexer / demultiplexer 403-1, The light enters the optical fiber 404.

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。   FIG. 5A shows the frequency arrangement in the first optical fiber 404. When the signal combined by the first optical multiplexer / demultiplexer 403-1 enters the first optical fiber 404, as shown in FIG. 5A, four-wave mixing in the first optical fiber 404 is performed. (Hereinafter, FWM) generates a plurality of signal groups. This process is described in detail below.

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。   In the first optical fiber 404, first the first pumping light 414 is converted into the first idler light 416 by degenerate FWM using the signal light 415 as pumping light. Next, the signal light 415 is converted into the second idler light 417 by degenerate FWM using the first idler light 416 as excitation light. Next, the first idler light 416 is converted into the third idler light 418 by degenerate FWM using the second idler light 417 as excitation light.

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。   As described above, the plurality of idler lights 416 to 418 are sequentially generated in the first optical fiber 404 by the secondary FWM because the zero dispersion wavelength of the first optical fiber 404 is distributed in the length direction. It depends. That is, in the degenerate FWM, normally, the wavelength of the first optical fiber 404 becomes the zero dispersion wavelength at the wavelength that serves as the pumping light, so that the phase matching of the FWM process is achieved and wavelength conversion is performed.

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。
φi1=2φs−φp1 (式2)
φi2=2φi1−φs=3φs−2φp1 (式3)
φi3=2φi2−φi1=4φs−3φp1 (式4)
However, since the structure of the optical fiber is not completely uniform in the length direction, the zero dispersion wavelength generally changes in the length direction. For this reason, as described above, the wavelengths of the plurality of idler lights 416 to 418 become wavelengths that act as excitation light, respectively, and cause secondary FWM. At this time, the phase of idler light 416 to 418 generated in each process is given by the following (Expression 2) to (Expression 4) from the phase matching condition in each FWM process.
φ i1 = 2φ s −φ p1 (Formula 2)
φ i2 = 2φ i1 −φ s = 3φ s −2φ p1 (Formula 3)
φ i3 = 2φ i2 −φ i1 = 4φ s -3φ p1 (Formula 4)

ここで、上記(式2)〜(式4)において、φsは信号光415の位相、φp1は第1の励起光414の位相、φi1は第1のアイドラ光416の位相、φi2は第2のアイドラ光417の位相、φi3は第3のアイドラ光418の位相を表している。 Here, in the above (Expression 2) to (Expression 4), φ s is the phase of the signal light 415, φ p1 is the phase of the first excitation light 414, φ i1 is the phase of the first idler light 416, φ i2 Represents the phase of the second idler light 417, and φ i3 represents the phase of the third idler light 418.

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。   If attention is paid to (Equation 4) assuming that the phase of the first excitation light 414 is constant, it can be seen that the phase of the third idler light 418 is four times that of the signal light 415. Therefore, it can be understood that the phase of the third idler light 418 is constant and the phase of the carrier wave can be extracted from the QPSK signal when the signal has only an integer multiple of π / 2, such as QPSK.

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。   Returning to FIG. Each signal generated by the first optical fiber 404 is routed for each wavelength by the demultiplexer 405, and the third idler light 418 enters the optical circulator 406, and the second excitation is performed in the optical circulator 406. It is injection-synchronized with the laser output from the light source 407, and the remaining intensity modulation component is removed and output as the second excitation light 419.

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。
φp2=φi3=4φs−3φp1 (式5)
φp1+φp2=φs+φi2=4φs−2φp1 (式6)
ここで、(式6)において、φp2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。
The first pumping light 414 and the second pumping light 419 are multiplexed by the third optical multiplexer / demultiplexer 403-3, amplified by the EDFA 408, and then the signal light 415 and the second optical beam output from the demultiplexer 405. The second idler light 417 and the fourth optical multiplexer / demultiplexer 403-4 are combined and incident on the second optical fiber 409. In the second optical fiber 409, phase sensitive amplification by FWM is performed. At this time, when attention is paid to the phases of the four lights incident on the second optical fiber 409, it is understood that the following (formula 5) and (formula 6) are established.
φ p2 = φ i3 = 4φ s -3φ p1 (Formula 5)
φ p1 + φ p2 = φ s + φ i2 = 4φ s -2φ p1 (Formula 6)
Here, in (Equation 6), φ p2 is the phase of the second excitation light 419. As can be seen from (Expression 6), the sum of the phases of the first pump light 414 and the second pump light 419 and the sum of the phases of the signal light 415 and the second idler light 417 coincide. Accordingly, the phase matching condition is satisfied among the four input lights in the second optical fiber 409.

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。   FIG. 5B shows the frequency arrangement in the second optical fiber 409. As shown in FIG. 5B, the energy of the first excitation light 414 and the second excitation light 415 is converted into the signal light 415 and the second idler light 417, and optical parametric amplification is performed. At this time, since (Equation 6) holds only when the phase of the signal is an integral multiple of π / 2, when a QPSK signal is incident, only signals in four phase states are phase-sensitive amplified. Phase recovery amplification of the QPSK signal is achieved.

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411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。   In the actual amplification operation, since the optical phase fluctuates due to the expansion and contraction of the optical fiber components, only the signal light amplified from the output of the second optical fiber 409 is taken out by the band pass filter 410 and a part thereof is taken as the fifth. Are detected by the optical multiplexer / demultiplexer 403-5 and the optical detector 411, and fed back to the optical fiber expander 413 made of PZT via the PLL circuit 412, thereby stabilizing the phase between the signal and the pumping light, and the phase sensitivity. Amplification is achieved.

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ル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。   However, in the configuration using the above optical fiber as a nonlinear optical medium, as can be seen from the frequency arrangement in FIGS. 5A and 5B, strong excitation light in the same wavelength region as the weak signal. In addition, since there are two of them, and their pumping light is amplified by the optical fiber amplifier, it is inevitable that the spontaneous emission light generated by the optical fiber amplifier is mixed into the signal wavelength. Furthermore, in order to obtain a sufficient gain, the length of the optical fiber is as long as several hundreds of meters, which is not practical. Further, when strong CW excitation light is incident on the optical fiber, it is caused by stimulated Brillouin scattering. Since light power above a certain level cannot be incident due to backscattering, the threshold of stimulated Brillouin scattering is lowered by intentionally adding phase modulation to increase the line width of the pumping light or by distributing the tension applied to the optical fiber. Therefore, there is a problem that a new noise is generated due to such an extra mechanism and the configuration is complicated.

上述のような従来技術の問題を鑑みて、PPLN導波路を用いて、従来よりも小型、低雑音、及び構成が簡潔なQPSK信号等に対する位相再生型光増幅器が非特許文献3に示されている。図6に、四値の位相変調であるQPSKの位相再生増幅を行っているPPLN導波路を用いたPSAを例示する。   In view of the above-described problems of the prior art, Non-Patent Document 3 discloses a phase regenerative optical amplifier using a PPLN waveguide for a QPSK signal that is smaller, lower noise, and simpler than conventional ones. Yes. FIG. 6 illustrates a PSA using a PPLN waveguide performing QPSK phase reproduction amplification, which is quaternary phase modulation.

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。   6 includes first and second EDFAs 601 and 608, first and second excitation light sources 602 and 607, first to fourth optical multiplexers / demultiplexers 603-1 to 603-4, To third-order nonlinear optical elements 604, 610, and 611, a demultiplexer 605, first and second bandpass filters 609 and 612, a photodetector 613, a PLL circuit 614, and light generated by PZT. An optical amplification device 600 comprising a fiber stretcher 615 and a polarization maintaining optical fiber 616 is shown. The first second-order nonlinear optical element 604 includes a first spatial optical system 621, a first PPLN waveguide 622, a second spatial optical system 623, and a first dichroic mirror 624. The second second-order nonlinear optical element 610 includes a third spatial optical system 625, a second PPLN waveguide 626, a fourth spatial optical system 627, and a second dichroic mirror 628. The third second-order nonlinear optical element 611 includes a fifth spatial optical system 629, a third PPLN waveguide 630, a sixth spatial optical system 631, a third dichroic mirror 632, and a fourth dichroic mirror. 633.

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。   The first spatial optical system 621 couples light input from the input port of the first second-order nonlinear optical element 604 to the first PPLN waveguide 622. The second spatial optical system 623 couples the light output from the first PPLN waveguide 622 to the output port of the first second-order nonlinear optical element 604 via the first dichroic mirror 624. The third spatial optical system 625 couples light input from the input port of the second second-order nonlinear optical element 610 to the second PPLN waveguide 626. The fourth spatial optical system 627 couples the light output from the second PPLN waveguide 626 to the output port of the second second-order nonlinear optical element 610 via the second dichroic mirror 628. The fifth spatial optical system 629 couples light input from the input port of the third second-order nonlinear optical element 611 to the third PPLN waveguide 630 via the third dichroic mirror 632. The sixth spatial optical system 631 couples the light output from the third PPLN waveguide 630 to the output port of the third second-order nonlinear optical element 611 via the fourth dichroic mirror 632.

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。   In the example shown in FIG. 6, the signal light 652 that has been QPSK modulated in the 1.55 μm band and has entered the optical amplifying apparatus 600 is incident on the first optical multiplexer / demultiplexer 603-1. The first pumping light 651 generated by the first pumping light source 602 is branched by the second optical multiplexer / demultiplexer 603-2, one of which is incident on the first optical multiplexer / demultiplexer 603-1, and the other is The light enters the third optical multiplexer / demultiplexer 603-3. A part of the first pumping light 651 and the signal light 652 incident on the first optical multiplexer / demultiplexer 603-1 are multiplexed by the first optical multiplexer / demultiplexer 603-1, and then input to the first EDFA 601. The light is incident and amplified, and is incident on the first second-order nonlinear optical element 604.

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。   Here, in order to extract a carrier wave from a QPSK signal in which the carrier wave disappears by using a compact PPLN waveguide, the first second-order nonlinear optical element 604 includes three pseudo-wires at a frequency interval of 100 GHz in a 1.55 μm band. A first PPLN waveguide 622 having a phase matching wavelength is fabricated.

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)に示すように、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。
φi1=2φs−φp1 (式7)
φi2=2φi1−φs=3φs−2φp1 (式8)
φi3=2φi2−φi1=4φs−3φp1 (式9)
Here, the wavelength conversion process in the first PPLN waveguide 622 will be described. FIG. 7A shows the frequency arrangement and phase matching characteristics in the first PPLN waveguide 622. As shown in FIG. 7A, the lowest frequency side peak among the three phase matching peaks of the first PPLN waveguide 622 is matched with the frequency of the signal light 652. The wavelength of the first excitation light 651 is set so as to be detuned to a frequency lower by 100 GHz than the signal light 652. Under the above conditions, in the first PPLN waveguide 622, the signal light 652 is first converted into SH light, and the first excitation light 651 is generated by difference frequency generation (DFG) using the SH light as excitation light. The first idler light 653 is converted. Since the frequency of the converted first idler light 653 matches the second phase matching wavelength of the first PPLN waveguide 622, the first idler light 653 is converted into SH light, and the SH light is converted into excitation light. As a result, the signal light 652 is converted into the second idler light 654. Since the frequency of the second idler light 654 matches the third phase matching wavelength of the first PPLN waveguide 622, the second idler light 654 is converted into SH light, and the SH light is used as the excitation light. One idler light 653 is converted into a third idler light 655. At this time, the phases of the first to third idler lights 653 to 655 are given by the following equations.
φ i1 = 2φ s −φ p1 (Formula 7)
φ i2 = 2φ i1 −φ s = 3φ s −2φ p1 (Equation 8)
φ i3 = 2φ i2 −φ i1 = 4φ s -3φ p1 (Equation 9)

ここで、上記(式7)〜(式9)において、φsは信号光652の位相、φp1は第1の励起光651の位相、φi1は第1のアイドラ光653の位相、φi2は第2のアイドラ光654の位相、φi3は第3のアイドラ光655の位相を表している。 Here, in the above (Expression 7) to (Expression 9), φ s is the phase of the signal light 652, φ φ1 is the phase of the first excitation light 651, φ i1 is the phase of the first idler light 653, φ i2 Represents the phase of the second idler light 654, and φ i3 represents the phase of the third idler light 655.

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。   Now, if it is assumed that the phase of the first excitation light 651 is constant, paying attention to (Equation 9), it can be seen that the phase of the third idler light 655 is four times the phase of the signal light 652. Therefore, it can be understood that the phase of the third idler light 655 is constant in a signal having only an integer multiple of π / 2, such as QPSK, and the phase of the carrier wave can be extracted from the QPSK signal.

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。   Referring to FIG. 6, the output of the first second-order nonlinear optical element 604 having the first PPLN waveguide 622 is separated into two by the wavelength demultiplexer 605, and the signal light 652 and the second light are separated. The idler light 654 enters the third second-order nonlinear optical element 611, and the third idler light 655 enters the optical circulator 606. The third idler light 655 is injection-locked to the laser output from the second excitation light source 607 (semiconductor laser) in the optical circulator 606, and the remaining intensity modulation component is removed and output as the second excitation light 656. . The first pumping light 651 and the second pumping light 656 are combined by the third optical multiplexer / demultiplexer 603-3, amplified by the second EDFA 608, and then the first pumping light 651 and the second pumping light 656. After excessive spontaneous emission light is removed by a bandpass filter 609 that transmits only the light 656, the light is incident on the second PPLN waveguide 626 of the second second-order nonlinear optical element 610.

第2のPPLN導波路626は第1のPPLN導波路622と同様の方法で作製されているが、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2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φSFは下記(式10)で与えられる。ここで、φp2は第2の励起光656の位相を示す。
φSF=φp1+φp2=−2φp1 (式10)
The second PPLN waveguide 626 is manufactured by a method similar to that of the first PPLN waveguide 622, but the second PPLN waveguide 626 is not subjected to phase modulation in a domain-inverted structure having a period of 17 μm. Therefore, the phase matching wavelength when evaluated by second harmonic generation (SHG) is the frequency arrangement in the second PPLN waveguide 626 of the second second-order nonlinear optical element 610 shown in FIG. Thus, it matches the wavelength of the first idler light 653. Both the first pumping light 651 and the second pumping light 656 are separated from each other in the opposite direction by 200 GHz from the phase matching wavelength. Therefore, the phase matching condition for the sum frequency generation of the first pumping light 651 and the second pumping light 656 is satisfied, and the second PPLN waveguide 626 corresponds to the SH light of the first idler light 653. Wavelength conversion is performed on the wavelength as sum frequency light 657. At this time, the phase φ SF of the sum frequency light 657 is given by the following (formula 10). Here, φ p2 indicates the phase of the second excitation light 656.
φ SF = φ p1 + φ p2 = −2φ p1 (Formula 10)

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。   The sum frequency light 657 is separated from the first pumping light 651 and the second pumping light 656 by the second dichroic mirror 628 built in the second second-order nonlinear optical element 610, and then, the sum frequency light 657. The light enters the third PPLN waveguide 630 of the third second-order nonlinear optical element 611 through the polarization maintaining optical fiber 616 in the 78 μm band.

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。   On the other hand, the signal light 652 and the second idler light 654 separated by the branching filter 605 and incident on the third second-order nonlinear optical element 611 are also transmitted via the third dichroic mirror 632 to the third PPLN waveguide. 630 is incident. The third PPLN waveguide 630 has characteristics equivalent to those of the second PPLN waveguide 626, and therefore the phase matching wavelength thereof is substantially the same as that of the second PPLN waveguide 626, and the phase matching wavelengths of both are It is set to match by appropriate temperature adjustment.

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11)のように表される。
φs+φi2=4φs−2φp1 (式11)
FIG. 7 (c) shows the frequency arrangement in the third PPLN waveguide 630. As shown in FIG. 7C, the frequency of the sum frequency light 657 corresponds to the SH light having the phase matching wavelength of the third PPLN waveguide 630 in the 1.55 μm band. Therefore, the phase matching condition is satisfied between the sum frequency light 657, the signal light 652, and the second idler light 654, and when the sum of the phase of the signal light 652 and the phase of the second idler light 654 is calculated, It is expressed as (Equation 11) below.
φ s + φ i2 = 4φ s -2φ p1 (Formula 11)

(式11)を(式10)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。   Comparing (Equation 11) with (Equation 10), it can be seen that the two match only when the phase of the signal is an integral multiple of π / 2, so that the QPSK signal can be phase-sensitively amplified.

従来の光ファイバを用いたPSAと異なり、1.55μm帯には強度の強い励起光が存在せず、また励起光用に用いる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。   Unlike PSA using conventional optical fibers, there is no strong excitation light in the 1.55 μm band, and there is no spontaneous emission light generated by the EDFA used for excitation light. Phase sensitive amplification can be performed while maintaining.

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、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。   In the actual amplification operation, only the signal light amplified from the output of the third PPLN waveguide 630 is used to suppress the influence of the phase fluctuation due to the fluctuation of the optical path length due to the expansion and contraction of the optical fiber connecting each optical component. Is extracted using a bandpass filter 612, and a part of the signal is branched using a fourth optical multiplexer / demultiplexer 603-4, detected by a photodetector 613, and then phase-modulated via a PLL circuit 614. -Feedback is provided to the optical fiber stretcher 615 made of PZT to achieve stable operation.

しかしながら、上述した位相方向に多値化した変調フォーマットを有する信号光に対する従来のPSAの構成には、三次非線形光学素子及び二次非線形光学素子のどちらを使った場合においても、入力から光増幅媒質(図4に示される三次非線形光学素子の構成例では第2の光ファイバ409、図6に示される二次非線形光学素子の場合では第3のPPLN導波路630)までの間に信号光の信号−雑音比(SN比)が劣化してしまい、系全体としての特性を劣化させる要因を含むという課題があった。その主要因としては、1つの非線形光学媒質を用いて発生させた第2のアイドラ光と第3のアイドラ光を使用しなくてはならないことにある。   However, in the configuration of the conventional PSA for the signal light having the modulation format multi-valued in the phase direction described above, the optical amplifying medium from the input regardless of whether the third-order nonlinear optical element or the second-order nonlinear optical element is used. (The second optical fiber 409 in the configuration example of the third-order nonlinear optical element shown in FIG. 4 and the third PPLN waveguide 630 in the case of the second-order nonlinear optical element shown in FIG. 6). -There was a problem that the noise ratio (SN ratio) deteriorated and included factors that deteriorated the characteristics of the entire system. The main factor is that the second idler light and the third idler light generated using one nonlinear optical medium must be used.

QPSK信号に対するPSAを実現するために、第3のアイドラ光は位相変調成分をキャンセルして搬送波位相を再生することに用いられ、第2のアイドラ光は信号光と相互作用する信号光の対として用いられる。この第2のアイドラ光と第3のアイドラ光は、1つの非線形光学媒質を用いて信号光と第1の励起光から多段の非線形過程を通して生成される。しかしながら、通常の光通信で用いられる信号光のパワーは微弱であるため、非線形過程の数が増えれば増えるほど変換効率が低くなる。つまり、通常、第1のアイドラ光は信号光強度より小さく、第2のアイドラ光はその第1のアイドラ光より強度が小さく、さらに第3のアイドラ光はその第2のアイドラ光よりも強度が小さくなってしまう。   In order to realize the PSA for the QPSK signal, the third idler light is used to cancel the phase modulation component and regenerate the carrier wave phase, and the second idler light is used as a pair of signal light that interacts with the signal light. Used. The second idler light and the third idler light are generated from the signal light and the first excitation light through a multistage nonlinear process using one nonlinear optical medium. However, since the power of signal light used in normal optical communication is weak, the conversion efficiency decreases as the number of nonlinear processes increases. That is, normally, the first idler light is less than the signal light intensity, the second idler light is less intense than the first idler light, and the third idler light is stronger than the second idler light. It gets smaller.

QPSK信号に対するPSAを実現するためには、励起光とともに信号光と第2のアイドラ光を光増幅器に入力する必要がある。理想的な位相感応な増幅を実現するためには、信号光と第2のアイドラ光の光強度が同等である必要がある。このため、生成された第2のアイドラ光の光強度が信号光よりも弱い場合は、信号光のみを減衰させて第2のアイドラ光との光強度の均等化を図る必要がある。しかしながら、一般的に、光増幅器(ここでは図4の構成例では第2の光ファイバ409、図6の構成例では第3のPPLN導波路630)の入力手前で一度信号光を減衰させてから増幅させると、その減衰分だけSN比が劣化するという特性を光増幅器は有するため、第2のアイドラ光との光強度の均等化は直ちに光増幅器全体で考えた場合の信号光のSN比を劣化させることとなる。   In order to realize the PSA for the QPSK signal, it is necessary to input the signal light and the second idler light together with the excitation light to the optical amplifier. In order to realize ideal phase-sensitive amplification, the light intensity of the signal light and the second idler light needs to be equal. For this reason, when the light intensity of the generated second idler light is weaker than the signal light, it is necessary to attenuate the signal light alone and equalize the light intensity with the second idler light. However, generally, after the signal light is once attenuated before the input of the optical amplifier (here, the second optical fiber 409 in the configuration example of FIG. 4 and the third PPLN waveguide 630 in the configuration example of FIG. 6). Since the optical amplifier has a characteristic that when amplified, the SN ratio deteriorates by the amount of attenuation, the equalization of the light intensity with the second idler light immediately takes the SN ratio of the signal light as considered in the entire optical amplifier. It will be deteriorated.

第1乃至第3のアイドラ光の光強度を増大させるための1つの方法は、非線形光学媒質へ入力する信号光及び第1の励起光の強度を上げることである。このため、従来の構成では、少なくとも信号光をEDFAで増幅した後に非線形素子(図4の構成例では第1の光ファイバ404、図6の構成例では第1のPPLN導波路622)に入射する。しかしながら、EDFAに代表されるレーザ増幅器は、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するので、光増幅器の標準量子限界と呼ばれる信号光のS/Nが増幅前後で少なくとも3dB低下する問題があった。このため、信号光をEDFA等で増幅してしまうと、その時点で少なくともS/Nが3dB劣化し、低雑音な増幅器の実現が困難となる。   One method for increasing the light intensity of the first to third idler lights is to increase the intensity of the signal light and the first excitation light input to the nonlinear optical medium. For this reason, in the conventional configuration, at least the signal light is amplified by the EDFA and then enters the nonlinear element (the first optical fiber 404 in the configuration example of FIG. 4 and the first PPLN waveguide 622 in the configuration example of FIG. 6). . However, in laser amplifiers represented by EDFA, spontaneously emitted light inevitably and randomly generated is mixed regardless of the signal component, so the S / N of the signal light called the standard quantum limit of the optical amplifier is around before and after amplification. There was a problem that at least 3 dB lower. For this reason, if the signal light is amplified by an EDFA or the like, at that time, at least the S / N deteriorates by 3 dB, and it becomes difficult to realize a low-noise amplifier.

さらに、第2のアイドラ光及び第3のアイドラ光を1つの非線形光学媒質を用いて生成しているために、生成後にこれらの光を分離する分波器(図4の構成例では分波器405、図6の構成例では分波器605)が必要となる。この分波器は、信号光と第2のアイドラ光を一方のポートに出力し、第3のアイドラ光のみを他方のポートに出力し、第1のアイドラ光と第1の励起光を消光するような複雑な機能を有する必要がある。このような高機能な分波器の利用は、増幅器全体の著しいコストの増大や信頼性の低下を招いてしまう問題がある。また、複雑な分波を行うため、分波器の光損失が大きくなってしまうという問題もあった。分波器の光損失は光増幅媒質への入力の手前であるため、上述した通り、この分波器の光損失は直ちに系全体のS/Nを劣化させる要因となる。   Further, since the second idler light and the third idler light are generated by using one nonlinear optical medium, a demultiplexer that separates these lights after generation (the demultiplexer in the configuration example of FIG. 4). 405 and the configuration example of FIG. 6 require a duplexer 605). The duplexer outputs the signal light and the second idler light to one port, outputs only the third idler light to the other port, and quenches the first idler light and the first excitation light. It is necessary to have such a complicated function. The use of such a high-function duplexer has a problem that the cost of the entire amplifier is significantly increased and the reliability is lowered. Further, since complicated demultiplexing is performed, there is a problem in that the optical loss of the demultiplexer becomes large. Since the optical loss of the demultiplexer is before the input to the optical amplifying medium, as described above, the optical loss of the demultiplexer immediately causes the S / N of the entire system to deteriorate.

このように、1つの非線形光学媒質を用いてアイドラ光を順次生成していく従来の構成では、生成効率増大のためのレーザ増幅器による過剰雑音の混入、信号光と第2のアイドラ光の光強度の均等化に伴うS/Nの劣化、複雑な分波機能を持つ分波器による光損失などの課題があった。   As described above, in the conventional configuration in which idler light is sequentially generated using one nonlinear optical medium, excess noise is mixed by the laser amplifier for increasing the generation efficiency, and the light intensity of the signal light and the second idler light is increased. There have been problems such as S / N degradation due to equalization of light and optical loss due to a duplexer having a complex demultiplexing function.

上記課題を解決するために、本発明の請求項1に記載の光増幅装置は、二次非線形光学効果を用いた光混合によってM(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位相感応型光増幅装置であって、周波数ωsを有する前記信号光を分岐する第1の光合分波器と、周波数ωLO1を有する第1の基本波光を発生する第1の光源と、前記第1の基本波光を分岐する第2の光合分波器と、前記第1の光合分波器の一方の出力端子から出力された前記信号光と、前記第2の光合分波器の一方から出力された前記第1の基本波光とを入力し、増幅して出力する第1の光ファイバレーザ増幅器と、複数の波長において擬似位相整合を満たし、当該増幅された信号光及び第1の基本波光を入力し、第二高調波を発生して出力する第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Mωs−(M−1)ωLO1の周波数を有するアイドラ光のみを分離して出力する合分波器と、前記分波器から出力された前記アイドラ光に注入同期が可能なレーザを出力する第2の光源と、前記分波器から出力された前記アイドラ光を前記第2の励起光源から出力された前記レーザに注入同期して第2の基本波光を出力する光サーキュレータと、前記第2の光合分波器の他方の出力端子から出力された前記第1の基本波光と、前記光サーキュレータから出力された前記第2の基本波光を入力して合波し、当該合波した前記第1の基本波光及び前記第2の基本波光を分岐して出力する第3の光合分波器と、前記第3の光合分波器の一方の出力端子から出力された前記第1の基本波光及び前記第2の基本波光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から出力された前記第1の基本波光及び第2の基本波光から第1の和周波光を発生して出力する第2の二次非線形光学素子と、前記第1の光合分波器の他方の出力端子から出力された前記信号光と前記第1の和周波光とを入力して差周波光を発生し、前記信号光及び前記差周波光を出力する第3の二次非線形光学素子と、前記第3の光合分波器の他方の出力端子から出力された前記第1の基本波光及び前記第2の基本波光を増幅して出力する第3の光ファイバレーザ増幅器と、前記第3の光ファイバレーザ増幅器から出力された前記第1の基本波光及び第2の基本波光から第2の和周波光を発生して出力する第4の二次非線形光学素子と、前記信号光と、前記差周波光と、前記第2の和周波光とを入力して非縮退パラメトリック増幅を行う第5の二次非線形光学素子とを備えたことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, an optical amplifying device according to claim 1 of the present invention is a multi-value phase that takes M (M is an integer of 4 or more) types of values by optical mixing using a second-order nonlinear optical effect. A phase sensitive optical amplifying device for amplifying modulated signal light, wherein a first optical multiplexer / demultiplexer for branching the signal light having a frequency ω s and a first fundamental light having a frequency ω LO1 are generated. The first light source, the second optical multiplexer / demultiplexer for branching the first fundamental light, the signal light output from one output terminal of the first optical multiplexer / demultiplexer, and the second light A first optical fiber laser amplifier that inputs, amplifies and outputs the first fundamental wave light output from one of the optical multiplexer / demultiplexers, and satisfies the quasi-phase matching at a plurality of wavelengths, and is amplified A signal light and a first fundamental wave light are input, and a second harmonic is generated and output. The second-order nonlinear optical element, and the multiplexer / demultiplexer that separates and outputs only idler light having a frequency of Mω s − (M−1) ω LO1 from the output of the first second-order nonlinear optical element, A second light source that outputs a laser that can be injection-locked to the idler light output from the duplexer, and the laser that outputs the idler light output from the duplexer from the second excitation light source. An optical circulator that outputs the second fundamental wave light in synchronization with the first optical wave, the first fundamental wave light output from the other output terminal of the second optical multiplexer / demultiplexer, and the optical circulator output from the optical circulator. A third optical multiplexer / demultiplexer for inputting and multiplexing the second fundamental wave light, branching and outputting the first fundamental wave light and the second fundamental wave light, and the third optical multiplexer; The first basic output from one output terminal of the duplexer A second optical fiber laser amplifier that amplifies and outputs the light and the second fundamental wave light, and the first fundamental wave light and the second fundamental wave light that are output from the second optical fiber laser amplifier. A second second-order nonlinear optical element that generates and outputs the sum frequency light, the signal light output from the other output terminal of the first optical multiplexer / demultiplexer, and the first sum frequency light. A third-order nonlinear optical element that generates a difference frequency light by inputting and outputs the signal light and the difference frequency light, and the first output from the other output terminal of the third optical multiplexer / demultiplexer. A third optical fiber laser amplifier that amplifies and outputs the first fundamental wave light and the second fundamental wave light, and the first fundamental wave light and the second fundamental wave light output from the third optical fiber laser amplifier. 4th secondary nonlinearity that generates and outputs second sum frequency light from A fifth-order nonlinear optical element that performs non-degenerate parametric amplification by inputting the shape optical element, the signal light, the difference frequency light, and the second sum frequency light. To do.

本発明の請求項2に記載の光増幅装置は、請求項1に記載の光増幅装置であって、前記第2の光ファイバレーザ増幅器と前記第2の二次非線形光学素子との間に、前記第1の基本波光及び前記第2の基本波光のみを透過する第1のバンドパスフィルタが設けられていることを特徴とする。   An optical amplifying device according to a second aspect of the present invention is the optical amplifying device according to the first aspect, wherein the second optical fiber laser amplifier and the second second-order nonlinear optical element are A first bandpass filter that transmits only the first fundamental wave light and the second fundamental wave light is provided.

本発明の請求項3に記載の光増幅装置は、請求項1又は2に記載の光増幅装置であって、前記第1の光合分波器の前記一方の出力端子から前記第2の二次非線形光学素子を経由して前記第3の二次非線形光学素子までの光路と、前記第1の光合分波器の前記他方の出力端子から前記第3の二次非線形光学素子までの光路とを等長化する第1の遅延制御器をさらに備えたことを特徴とする。   An optical amplifying device according to a third aspect of the present invention is the optical amplifying device according to the first or second aspect, wherein the second secondary is supplied from the one output terminal of the first optical multiplexer / demultiplexer. An optical path from the other output terminal of the first optical multiplexer / demultiplexer to the third second-order nonlinear optical element via a nonlinear optical element to the third second-order nonlinear optical element A first delay controller for equalizing the length is further provided.

本発明の請求項4に記載の光増幅装置は、請求項1乃至3のいずれかに記載の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LiNbO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、ωs、2ωs−ωLO1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。 An optical amplification device according to a fourth aspect of the present invention is the optical amplification device according to any one of the first to third aspects, wherein the first second-order nonlinear optical element has a periodically poled structure. The periodic polarization inversion structure is subjected to spatial phase modulation or period modulation with a period longer than the polarization inversion period, and the first second-order nonlinear optical element is at least The quasi phase matching wavelength matches the frequency of ω s , 2ω s −ω LO1 , and the QPSK signal is amplified.

本発明の請求項5に記載の光増幅装置は、請求項1乃至3のいずれかに記載の光増幅装置であって、前記信号光を分岐して、一方の出力端子から前記信号光を前記第1の光合分波器に出力する第4の光合分波器と、前記第4の光合分波器の他方の出力端子から出力された前記信号光を入力して、前記信号光を遅延する第2の遅延制御器と、前記第3の二次非線形光学素子から出力された前記信号光及び前記差周波光のうち、前記差周波光のみを透過する第2のバンドパスフィルタと、前記第2の遅延制御回路から出力された前記信号光と、前記第2のバンドパスフィルタから出力された前記差周波光とを合波して、前記第5の二次非線形光学素子に出力する波長合波器とをさらに備えたことを特徴とする。   An optical amplification device according to claim 5 of the present invention is the optical amplification device according to any one of claims 1 to 3, wherein the signal light is branched and the signal light is supplied from one output terminal. The fourth optical multiplexer / demultiplexer output to the first optical multiplexer / demultiplexer and the signal light output from the other output terminal of the fourth optical multiplexer / demultiplexer are input to delay the signal light A second delay controller; a second bandpass filter that transmits only the difference frequency light out of the signal light and the difference frequency light output from the third second-order nonlinear optical element; 2 to combine the signal light output from the delay control circuit 2 and the difference frequency light output from the second bandpass filter, and output the resultant to the fifth second-order nonlinear optical element. And a waver.

本発明の請求項6に記載の光増幅装置は、請求項5に記載の光増幅装置であって、前記第2の遅延制御器は、前記第4の光合分波器の前記一方の出力端子から前記第2の二次非線形光学素子及び前記第3の二次非線形光学素子を経由して前記波長合波器までの光路と、前記第4の光合分波器の他方の出力端子から前記波長合波器までの光路とを等長化するように構成されていることを特徴とする。   An optical amplification device according to a sixth aspect of the present invention is the optical amplification device according to the fifth aspect, wherein the second delay controller is the one output terminal of the fourth optical multiplexer / demultiplexer. Through the second second-order nonlinear optical element and the third second-order nonlinear optical element to the wavelength multiplexer, and the wavelength from the other output terminal of the fourth optical multiplexer / demultiplexer The optical path to the multiplexer is configured to have the same length.

本発明の請求項7に記載の光増幅装置は、請求項5又は6に記載の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LiNbO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、ωs、2ωs−ωLO1、4ωs−3ωLO1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。 An optical amplification apparatus according to a seventh aspect of the present invention is the optical amplification apparatus according to the fifth or sixth aspect, wherein the first second-order nonlinear optical element is made of LiNbO 3 having a periodically poled structure. The periodic polarization reversal structure is subjected to spatial phase modulation or periodic modulation with a period longer than the polarization reversal period, and the first second-order nonlinear optical element includes at least ω s , The quasi phase matching wavelength matches the frequency of 2ω s −ω LO1 , 4ω s −3ω LO1 , and the 8PSK signal is amplified.

本発明に係る光増幅器によれば、励起光を一旦第二高調波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励起光の分離が容易であり、信号光との相互作用に用いるアイドラ光を高効率に生成でき、SN比の劣化を抑制できるため、低雑音な増幅が可能になる。さらに、本発明に係る光増幅器によれば、信号光を増幅しないため内部で用いる光ファイバ増幅器の発生する自然放出光の混入によるSN比の劣化を抑えることができる。また、本発明に係る光増幅器によれば、本発明に係る分波器は、第3のアイドラ光のみを分離する機能を有してさえいればいいので、増幅器全体の著しいコストの増大や信頼性の低下を回避することができる。   According to the optical amplifier of the present invention, the pumping light is once converted into the second harmonic wavelength and then combined with the signal light to perform parametric amplification, so that the pumping light can be easily separated. Since idler light used for interaction can be generated with high efficiency and degradation of the SN ratio can be suppressed, low-noise amplification becomes possible. Furthermore, according to the optical amplifier according to the present invention, since the signal light is not amplified, it is possible to suppress degradation of the SN ratio due to mixing of spontaneous emission light generated by the optical fiber amplifier used internally. Further, according to the optical amplifier according to the present invention, the duplexer according to the present invention only needs to have a function of separating only the third idler light. A decline in sex can be avoided.

この結果、本発明に係る光増幅器では、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ため、位相雑音を低減して中継増幅を行うことができる。   As a result, the optical amplifier according to the present invention can perform optical amplification while suppressing the deterioration of the SN ratio and can perform amplification while reproducing phase information. Therefore, relay amplification can be performed while reducing phase noise.

従来の位相感応光増幅器の構成の説明図である。It is explanatory drawing of a structure of the conventional phase sensitive optical amplifier. 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の構成の説明図である。It is explanatory drawing of a structure of the phase sensitive optical amplifier using the conventional secondary nonlinear optical effect. 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、利得との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between phase difference (DELTA) (phi) between input signal light-excitation light, and a gain in the phase sensitive optical amplifier using the conventional secondary nonlinear optical effect. 従来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の説明図である。It is explanatory drawing of a structure of the phase sensitive optical amplifier using the conventional 3rd order nonlinear optical effect. 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。It is a figure which shows the frequency arrangement | positioning of the light in the optical fiber of the conventional PSA. 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の構成の説明図である。It is explanatory drawing of a structure of the phase sensitive optical amplifier using the conventional secondary nonlinear optical effect. 従来のPSA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を示す図である。It is a figure which shows the frequency arrangement | positioning and phase matching characteristic of the light in each secondary nonlinear optical element of the conventional PSA. 本発明の実施例1に係る光増幅器の構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the optical amplifier which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る光増幅器の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of the optical amplifier which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る光増幅装置の第3の二次非線形光学素子内で生成された第4のアイドラ光の光スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the optical spectrum of the 4th idler light produced | generated in the 3rd second-order nonlinear optical element of the optical amplifier which concerns on Example 1 of this invention. 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光及び第4のアイドラ光の光スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the optical spectrum of the signal light and the 4th idler light which were amplified by the optical amplifier which concerns on Example 1 of this invention. 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。It is a constellation map in the input / output of the signal amplified by the optical amplifier which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例2に係る光増幅器の構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the optical amplifier which concerns on Example 2 of this invention. 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。It is a constellation map in the input-output of the signal amplified by the optical amplifier which concerns on Example 2 of this invention.

以下、図面を参照しながら本発明の例示的な実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(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た後、信号光との相互作用に必要なアイドラ光を高効率に生成し、PPLN導波路を用いたPSAを構成した。
Example 1
In the optical amplifying device according to the first embodiment, a carrier wave is extracted from the QPSK signal, and after generating excitation light phase-synchronized with the carrier wave, idler light necessary for interaction with the signal light is generated with high efficiency. A PSA using a PPLN waveguide was constructed.

図8は、本発明の実施例1に係る光増幅装置の構成を示す。図8には、第1乃至第3のEDFA801、808、813と、第1及び第2の基本波光源802、807と、第1乃至第5の光合波器803−1〜803−5と、第1乃至第5の二次非線形光学素子804、810、811、814、815と、分波器805と、光サーキュレータ806と、第1乃至第3のバンドパスフィルタ809、813、816と、光検出器817と、PLL回路818と、PZTによる光ファイバ伸長器819と、遅延制御器820とを備えた光増幅装置800が示されている。   FIG. 8 shows the configuration of the optical amplifying device according to Embodiment 1 of the present invention. 8 includes first to third EDFAs 801, 808, and 813, first and second fundamental wave light sources 802 and 807, first to fifth optical multiplexers 803-1 to 803-5, First to fifth second-order nonlinear optical elements 804, 810, 811, 814, 815, a demultiplexer 805, an optical circulator 806, first to third bandpass filters 809, 813, 816, and light An optical amplifying apparatus 800 including a detector 817, a PLL circuit 818, an optical fiber stretcher 819 based on PZT, and a delay controller 820 is shown.

第1の二次非線形光学素子804は、第1及び第2の空間光学系821、823と、第1のPPLN導波路820と、第1のダイクロイックミラー824とを備える。第2の二次非線形光学素子810は、第3及び第4の空間光学系825、827と、第2のPPLN導波路826と、第2のダイクロイックミラー828とを備える。第3の二次非線形光学素子811は、第5及び第6の空間光学系829、831と、第3のPPLN導波路830と、第3及び第4のダイクロイックミラー823、833とを備える。第4の二次非線形光学素子814は、第7及び第8の空間光学系834、836と、第4のPPLN導波路835と、第5のダイクロイックミラー837とを備える。第5の二次非線形光学素子815は、第9及び第10の空間光学系838、840と、第5のPPLN導波路839と、第6及び第7のダイクロイックミラー841、842とを備える。   The first second-order nonlinear optical element 804 includes first and second spatial optical systems 821 and 823, a first PPLN waveguide 820, and a first dichroic mirror 824. The second second-order nonlinear optical element 810 includes third and fourth spatial optical systems 825 and 827, a second PPLN waveguide 826, and a second dichroic mirror 828. The third second-order nonlinear optical element 811 includes fifth and sixth spatial optical systems 829 and 831, a third PPLN waveguide 830, and third and fourth dichroic mirrors 823 and 833. The fourth second-order nonlinear optical element 814 includes seventh and eighth spatial optical systems 834 and 836, a fourth PPLN waveguide 835, and a fifth dichroic mirror 837. The fifth second-order nonlinear optical element 815 includes ninth and tenth spatial optical systems 838 and 840, a fifth PPLN waveguide 839, and sixth and seventh dichroic mirrors 841 and 842.

第1の空間光学系821は第1の二次非線形素子804の入力ポートから入力された光を第1のPPLN導波路822に結合し、第2の空間光学系823は第1のPPLN導波路822から出力された光をダイクロイックミラー824を介して第1の二次非線形素子804の出力ポートに結合する。第3の空間光学系825は第2の二次非線形素子810の入力ポートから入力された光を第2のPPLN導波路826に結合し、第4の空間光学系827は第2のPPLN導波路826から出力された光をダイクロイックミラー828を介して第2の二次非線形素子810の出力ポートに結合する。第5の空間光学系829は第3の二次非線形素子811の入力ポートから入力された光をダイクロイックミラー832を介して第3のPPLN導波路830に結合し、第6の空間光学系831は第3のPPLN導波路830から出力された光をダイクロイックミラー833を介して第3の二次非線形素子811の出力ポートに結合する。第7の空間光学系834は第4の二次非線形素子814の入力ポートから入力された光を第4のPPLN導波路835に結合し、第8の空間光学系836は第4のPPLN導波路835から出力された光をダイクロイックミラー837を介して第4の二次非線形素子814の出力ポートに結合する。第9の空間光学系838は第5の二次非線形素子815の入力ポートから入力された光をダイクロイックミラー841を介して第5のPPLN導波路839に結合し、第10の空間光学系840は第5のPPLN導波路839から出力された光をダイクロイックミラー842を介して第5の二次非線形素子815の出力ポートに結合する。   The first spatial optical system 821 couples light input from the input port of the first second-order nonlinear element 804 to the first PPLN waveguide 822, and the second spatial optical system 823 includes the first PPLN waveguide. The light output from 822 is coupled to the output port of the first second-order nonlinear element 804 via the dichroic mirror 824. The third spatial optical system 825 couples light input from the input port of the second second-order nonlinear element 810 to the second PPLN waveguide 826, and the fourth spatial optical system 827 includes the second PPLN waveguide. The light output from 826 is coupled to the output port of the second second-order nonlinear element 810 via the dichroic mirror 828. The fifth spatial optical system 829 couples the light input from the input port of the third second-order nonlinear element 811 to the third PPLN waveguide 830 via the dichroic mirror 832, and the sixth spatial optical system 831 The light output from the third PPLN waveguide 830 is coupled to the output port of the third second-order nonlinear element 811 via the dichroic mirror 833. The seventh spatial optical system 834 couples the light input from the input port of the fourth second-order nonlinear element 814 to the fourth PPLN waveguide 835, and the eighth spatial optical system 836 includes the fourth PPLN waveguide. The light output from 835 is coupled to the output port of the fourth second-order nonlinear element 814 via the dichroic mirror 837. The ninth spatial optical system 838 couples the light input from the input port of the fifth second-order nonlinear element 815 to the fifth PPLN waveguide 839 via the dichroic mirror 841, and the tenth spatial optical system 840 The light output from the fifth PPLN waveguide 839 is coupled to the output port of the fifth second-order nonlinear element 815 via the dichroic mirror 842.

図8に示される例では、光増幅装置800に入射した例えば1.55μm帯でQPSK変調された信号光852は、第1の光合分波器830−1によって分岐され、一方の光が遅延制御器820を通過した後に第3の二次非線形光学素子811に入射し、他方は第3の光合分波器803−3に入射する。第1の基本波光源802で発生する第1の基本波光801は、第2の光合分波器803−2により分岐され、一方の光が第4の光合分波器803−4に入射し、他方は第3の光合分波器803−3に入射する。第3の光合分波器803−3に入射した信号光852の一部と第1の基本波光851の一部は、第3の光合分波器803−3で合波された後、第1のEDFA801に入射して増幅され、第1の二次非線形光学素子804に入射する。   In the example shown in FIG. 8, the signal light 852 incident on the optical amplifying apparatus 800, for example, QPSK modulated in the 1.55 μm band, is branched by the first optical multiplexer / demultiplexer 830-1, and one of the lights is subjected to delay control. After passing through the optical device 820, the light enters the third second-order nonlinear optical element 811 and the other light enters the third optical multiplexer / demultiplexer 803-3. The first fundamental wave light 801 generated by the first fundamental wave light source 802 is branched by the second optical multiplexer / demultiplexer 803-2, and one light is incident on the fourth optical multiplexer / demultiplexer 803-4, The other is incident on the third optical multiplexer / demultiplexer 803-3. A part of the signal light 852 incident on the third optical multiplexer / demultiplexer 803-3 and a part of the first fundamental wave light 851 are multiplexed by the third optical multiplexer / demultiplexer 803-3, Is incident on the first EDFA 801, amplified, and incident on the first second-order nonlinear optical element 804.

第1の二次非線形光学素子804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822が作製されている。第1のPPLN導波路822の作製方法を以下に例示する。まず、Znを添加したLiNbO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:LiNbO中に形成した。次に、この周期分極反転構造を有するZn:LiNbO基板をクラッドとなるLiTaO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度調節が可能で、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。 In the first second-order nonlinear optical element 804, a first PPLN waveguide 822 having three pseudo phase matching wavelengths with a frequency interval of 100 GHz in a 1.55 μm band is manufactured. A method for manufacturing the first PPLN waveguide 822 is illustrated below. First, a periodic electrode subjected to spatial phase modulation having a period of 17 μm and a phase modulation period of 16.5 mm was formed on LiNbO 3 to which Zn was added. Next, a polarization inversion grating corresponding to the above electrode pattern was formed in Zn: LiNbO 3 by an electric field application method. Next, the Zn: LiNbO 3 substrate having this periodically poled structure was directly bonded onto LiTaO 3 serving as a cladding, and heat treatment was performed at 500 ° C. to firmly bond both substrates. Next, the core layer was thinned to about 5 μm by polishing, and a ridge type optical waveguide was formed using a dry etching process. The length of the waveguide was 49.5 mm, which is three times the periodic phase modulation period. This waveguide can be adjusted in temperature by a Peltier element, and is a module capable of inputting and outputting light with a polarization maintaining fiber in a 1.55 μm band.

ここで、第1のPPLN導波路822中での波長変換プロセスについて説明する。図9(a)は、第1のPPLN導波路822中の周波数配置と位相整合特性を示す。図9(a)に示されるように、第1のPPLN導波路822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852の周波数と一致させる。そして、第1の基本波光851は、信号光852よりも100GHzだけ低周波側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822中では、まず信号光852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の基本波光851が第1のアイドラ光853に変換される。変換された第1のアイドラ光853の周波数は第1のPPLN導波路822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853はSH光に変換され、そのSH光を励起光として信号光が第2のアイドラ光854へ変換される。第2のアイドラ光854の周波数は第1のPPLN導波路の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854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853が第3のアイドラ光855へ変換される。このとき、第1乃至第3のアイドラ光の位相は次式のように与えられる。   Here, the wavelength conversion process in the first PPLN waveguide 822 will be described. FIG. 9A shows the frequency arrangement and phase matching characteristics in the first PPLN waveguide 822. As shown in FIG. 9A, the peak on the lowest frequency side among the three phase matching peaks of the first PPLN waveguide 822 is matched with the frequency of the signal light 852. Then, the wavelength of the first fundamental wave light 851 is set so as to be detuned to the lower frequency side by 100 GHz than the signal light 852. Under the above conditions, in the first PPLN waveguide 822, the signal light 852 is first converted into SH light, and the first fundamental wave light 851 is generated by difference frequency generation (DFG) using the SH light as excitation light. The first idler light 853 is converted. Since the frequency of the converted first idler light 853 matches the second phase matching wavelength of the first PPLN waveguide 822, the first idler light 853 is converted into SH light, and the SH light is converted into excitation light. As a result, the signal light is converted into the second idler light 854. Since the frequency of the second idler light 854 matches the third phase matching wavelength of the first PPLN waveguide, the second idler light 854 is converted into SH light, and the first light is pumped as the first light. The idler light 853 is converted into the third idler light 855. At this time, the phases of the first to third idler lights are given by the following equations.

φi1=2φs−φLO1 (式12)
φi2=2φi1−φs=3φs−2φLO1 (式13)
φi3=2φi2−φi1=4φs−3φLO1 (式14)
φ i1 = 2φ s −φ LO1 (Formula 12)
φ i2 = 2φ i1 −φ s = 3φ s −2φ LO1 (Formula 13)
φ i3 = 2φ i2 −φ i1 = 4φ s -3φ LO1 (Formula 14)

ここで、φsは信号光の位相、φLO1は第1の基本波光の位相、φi1は第1のアイドラ光の位相、φi2は第2のアイドラ光の位相、φi3は第3のアイドラ光の位相を表している。 Here, φ s is the phase of the signal light, φ LO1 is the phase of the first fundamental wave light, φ i1 is the phase of the first idler light, φ i2 is the phase of the second idler light, and φ i3 is the third phase. It represents the phase of idler light.

第1のPPLN導波路822を有する第1の二次非線形光学素子804の出力は、分波器805に入力される。分波器805は、第3のアイドラ光のみを分離して出力する機能を有し、分波器805では、第3のアイドラ光855のみが分離・出力されて光サーキュレータ806に入射する。ここでは分波器を用いたが、バンドバスフィルタを用いて第3のアイドラ光のみを切り出してもよい。第3のアイドラ光855は光サーキュレータ806において第2の基本波光源(半導体レーザ)807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の基本波光856として出力される。   The output of the first second-order nonlinear optical element 804 having the first PPLN waveguide 822 is input to the duplexer 805. The demultiplexer 805 has a function of separating and outputting only the third idler light. In the demultiplexer 805, only the third idler light 855 is separated and output and enters the optical circulator 806. Although a duplexer is used here, only the third idler light may be cut out using a band-pass filter. The third idler light 855 is injection-synchronized with the laser output from the second fundamental wave light source (semiconductor laser) 807 in the optical circulator 806, and the remaining intensity modulation component is removed and output as the second fundamental wave light 856. The

第1の基本波光851及び第2の基本波光856は第4の光合分波器803−4で合波された後、2つに分岐される。第4の光合分波器803−4で分岐された光のうちの一方は、第2のEDFA808で増幅された後、第1の基本波光851及び第2の基本波光856のみを透過するバンドパスフィルタ809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810の第2のPPLN導波路826に入射される。   The first fundamental wave light 851 and the second fundamental wave light 856 are multiplexed by the fourth optical multiplexer / demultiplexer 803-4 and then branched into two. One of the lights branched by the fourth optical multiplexer / demultiplexer 803-4 is amplified by the second EDFA 808 and then passes through only the first fundamental wave light 851 and the second fundamental wave light 856. After excessive spontaneous emission light is removed by the filter 809, the light is incident on the second PPLN waveguide 826 of the second second-order nonlinear optical element 810.

第2のPPLN導波路826の作製方法は第1のPPLN導波路822の作製方法とほぼ同様だが、第2のPPLN導波路826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2高調波発生(SHG)で評価したときの位相整合波長は、図9(b)に示される第2の二次非線形光学素子810の第2のPPLN導波路826中の周波数配置のように、第1のアイドラ光853の波長に一致する。第1の基本波光851及び第2の基本波光856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の基本波光851及び第2の基本波光856の和周波発生の位相整合条件を満足することになり、第1の基本波光851及び第2の基本波光856は、第2のPPLN導波路826により第1のアイドラ光853のSH光に相当する波長に波長変換され、第1の和周波光857として出力される。この第1の和周波光857の位相φSFは下記(式15)で与えられる。ここで、φLO2は第2の基本波光の位相を示す。
φSF=φLO1+φLO2=4φs−2φLO1 (式15)
The manufacturing method of the second PPLN waveguide 826 is substantially the same as the manufacturing method of the first PPLN waveguide 822, but the second PPLN waveguide 826 has no phase modulation applied to the domain-inverted structure with a period of 17 μm. Therefore, the phase matching wavelength when evaluated by the second harmonic generation (SHG) is the frequency arrangement in the second PPLN waveguide 826 of the second second-order nonlinear optical element 810 shown in FIG. 9B. Thus, it matches the wavelength of the first idler light 853. The first fundamental wave light 851 and the second fundamental wave light 856 are separated from each other in the opposite direction by 200 GHz from the phase matching wavelength. Therefore, the phase matching condition for the sum frequency generation of the first fundamental wave light 851 and the second fundamental wave light 856 is satisfied, and the first fundamental wave light 851 and the second fundamental wave light 856 are the second PPLN waveguide. Wavelength conversion is performed by the waveguide 826 to a wavelength corresponding to the SH light of the first idler light 853, and the light is output as the first sum frequency light 857. The phase φ SF of the first sum frequency light 857 is given by the following (formula 15). Here, φ LO2 indicates the phase of the second fundamental wave light.
φ SF = φ LO1 + φ LO2 = 4φ s -2φ LO1 (Formula 15)

この第1の和周波光857は、第2の二次非線形光学素子826中に内蔵された第1のダイクロイックミラー828により、第1の基本波光851と第2の基本波光856とに分離された後に、0.78μm帯の偏波保持光ファイバを介して第3の二次非線形光学素子811の第3のPPLN導波路830に入射する。   The first sum frequency light 857 was separated into the first fundamental light 851 and the second fundamental light 856 by the first dichroic mirror 828 built in the second second-order nonlinear optical element 826. Later, the light enters the third PPLN waveguide 830 of the third second-order nonlinear optical element 811 through the polarization maintaining optical fiber in the 0.78 μm band.

一方で、第1の光合分波器803−1によって分岐された信号光852も第3のダイクロイックミラー832を介して第3のPPLN導波路830に入射する。第3のPPLN導波路830は第2のPPLN導波路826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826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。   On the other hand, the signal light 852 branched by the first optical multiplexer / demultiplexer 803-1 also enters the third PPLN waveguide 830 via the third dichroic mirror 832. The third PPLN waveguide 830 has characteristics equivalent to those of the second PPLN waveguide 826, and therefore the phase matching wavelength thereof is substantially the same as that of the second PPLN waveguide 826. It is set to match by appropriate temperature adjustment.

図9(c)は、第3のPPLN導波路中の周波数配置を示す。図9(c)に示されるように、第1の和周波光858の周波数は、1.55μm帯における第3のPPLN導波路830の位相整合波長のSH光に相当する。従って、第1の和周波光858と信号光852の間では位相整合条件が満たされており、差周波数(DFG)光が生成される。この差周波光の位相φi4は、下記の(式16)のように表される。
φi4=4φs−2φLO1−φ’s (式16)
FIG. 9C shows the frequency arrangement in the third PPLN waveguide. As shown in FIG. 9C, the frequency of the first sum frequency light 858 corresponds to the SH light having the phase matching wavelength of the third PPLN waveguide 830 in the 1.55 μm band. Therefore, the phase matching condition is satisfied between the first sum frequency light 858 and the signal light 852, and difference frequency (DFG) light is generated. The phase φ i4 of the difference frequency light is expressed as shown in (Equation 16) below.
φ i4 = 4φ s -2φ LO1 -φ ' s (Formula 16)

ここで、φ’sは、第1の光合分波器803−1で分岐され、遅延制御器820を通過した後に第3の二次非線形光学素子811内の第3のPPLN導波路830に入射された信号光852の位相である。通常では、第1の合分波器803−1で分岐され、別の経路を通過してから入力された信号光852と第1の和周波光858の間では遅延が異なるため、φsとφ’sは数式上の加算減算ができない。そこで、遅延制御器820を用いて、第1の合分波器803−1から分岐された一方の光が第3のPPLN導波路830へ入射されるまでの光路長と、分岐された他方の光が第3のPPLN導波路830へ入射されるまでの光路長の実効的な差を補償するように等長化を行った。この時、φsとφ’sは数式上の加算減算が可能となり、この差周波光の位相φi4は、次式で表される。
φi4=3φs−2φLO1 (式17)
Here, φ ′ s is branched by the first optical multiplexer / demultiplexer 803-1, passes through the delay controller 820, and then enters the third PPLN waveguide 830 in the third second-order nonlinear optical element 811. The phase of the signal light 852 thus obtained. Usually, since the delay is different between the signal light 852 that is branched by the first multiplexer / demultiplexer 803-1 and passes through another path and the first sum frequency light 858, φ s and φ 's can not add subtraction on the formula. Therefore, by using the delay controller 820, the optical path length until one light branched from the first multiplexer / demultiplexer 803-1 enters the third PPLN waveguide 830 and the other branched light are used. The equal length was made so as to compensate for an effective difference in optical path length until the light enters the third PPLN waveguide 830. At this time, φ s and φ ′ s can be added and subtracted in a mathematical formula, and the phase φ i4 of the difference frequency light is expressed by the following formula.
φ i4 = 3φ s -2φ LO1 (Formula 17)

(式13)を(式17)と比較すると、この差周波数光は、第1のPPLN導波路822で生成される第2のアイドラ光854と同等の位相を持つことが分かる。つまり、4φの位相を持つ第3のアイドラ光855を用いて、1度の差周波発生過程で第2のアイドラ光854と同等の位相を持つ光を生成できることになる。ここで、これを第4のアイドラ光858と呼ぶこととする。信号光852と第4のアイドラ光858は第4のダイクロイックミラー833を介して第3の二次非線形光学素子811から出射される。 Comparing (Equation 13) with (Equation 17), it can be seen that this difference frequency light has a phase equivalent to the second idler light 854 generated by the first PPLN waveguide 822. That is, by using the third idler light 855 having a phase of 4φ s , light having a phase equivalent to that of the second idler light 854 can be generated in a single difference frequency generation process. Here, this is referred to as fourth idler light 858. The signal light 852 and the fourth idler light 858 are emitted from the third second-order nonlinear optical element 811 via the fourth dichroic mirror 833.

図10は、第3のPPLN導波路の出力の光スペクトルを示す。図10に示されるように、10Gbit/sのQPSK信号光852と和周波光857を第3のPPLN導波路830に入射した結果、第4のアイドラ光858が発生する。この第4のアイドラ光858については、QPSK信号光852との強度差が3dB以内で生成されていることを確認できた。   FIG. 10 shows the optical spectrum of the output of the third PPLN waveguide. As shown in FIG. 10, the fourth idler light 858 is generated as a result of the 10 Gbit / s QPSK signal light 852 and the sum frequency light 857 entering the third PPLN waveguide 830. Regarding the fourth idler light 858, it was confirmed that the intensity difference from the QPSK signal light 852 was generated within 3 dB.

一方で、第4の光合分波器803−4で分岐された光のうちのもう一方は、第3のEDFA812で増幅された後、第1の基本波光851及び第2の基本波光856のみを透過するバンドパスフィルタ813により過剰な自然放出光を除去したのちに、第4の二次非線形光学素子814の第4のPPLN導波路835に入射される。第4のPPLN導波路835は第2のPPLN導波路826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826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。第2のPPLN導波路826により生成された第1の和周波光857と同じように第2の和周波光859が生成される。このとき、第2の和周波光859の位相φSFは同様に(式15)で与えられる。 On the other hand, after the other of the lights branched by the fourth optical multiplexer / demultiplexer 803-4 is amplified by the third EDFA 812, only the first fundamental wave light 851 and the second fundamental wave light 856 are used. After excessive spontaneous emission light is removed by the band-pass filter 813 that passes through, the light is incident on the fourth PPLN waveguide 835 of the fourth second-order nonlinear optical element 814. The fourth PPLN waveguide 835 has characteristics equivalent to those of the second PPLN waveguide 826, and therefore the phase matching wavelength thereof is almost the same as that of the second PPLN waveguide 826, and the phase matching wavelengths of both are It is set to match by appropriate temperature adjustment. The second sum frequency light 859 is generated in the same manner as the first sum frequency light 857 generated by the second PPLN waveguide 826. At this time, the phase φ SF of the second sum frequency light 859 is similarly given by (Equation 15).

第4のPPLN導波路835で生成された第2の和周波光859は、第5のダイクロイックミラー837を介して第4の二次非線形光学素子814から出射され、第5の二次非線形光学素子815に入射される。また、第3の二次非線形光学素子811から出射された信号光852と第4のアイドラ光858は、第5の二次非線形光学素子815に入射される。信号光852と第4のアイドラ光858と第2の和周波光859は、第6のダイクロイックミラー841を介して第5のPPLN導波路839に入射される。第5のPPLN導波路839は第3のPPLN導波路830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3のPPLN導波路830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。   The second sum frequency light 859 generated by the fourth PPLN waveguide 835 is emitted from the fourth second-order nonlinear optical element 814 via the fifth dichroic mirror 837, and the fifth second-order nonlinear optical element. 815 is incident. Further, the signal light 852 and the fourth idler light 858 emitted from the third second-order nonlinear optical element 811 are incident on the fifth second-order nonlinear optical element 815. The signal light 852, the fourth idler light 858, and the second sum frequency light 859 are incident on the fifth PPLN waveguide 839 via the sixth dichroic mirror 841. The fifth PPLN waveguide 839 has the same characteristics as the third PPLN waveguide 830, and therefore the phase matching wavelength thereof is almost the same as that of the third PPLN waveguide 830. It is set to match by appropriate temperature adjustment.

信号光852の位相と第4のアイドラ光858の位相との総和を計算すると、下記の(式18)のように表される。
φs+φi4=4φs−2φLO1 (式18)
When the sum of the phase of the signal light 852 and the phase of the fourth idler light 858 is calculated, it is expressed as (Equation 18) below.
φ s + φ i4 = 4φ s -2φ LO1 (Formula 18)

位相感応増幅では、φpump−φsignal−φidlerがπ/2となる時に最大増幅−π/2となる時に最大減衰が得られるため、(式18)の位相を持つ信号光とアイドラ光のペアの場合、励起光の位相を基準に取れば、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。 In the phase sensitive amplification, when φ pump −φ signal −φ idler becomes π / 2, maximum amplification is obtained when −p / 2, so that maximum attenuation is obtained. In the case of a pair, it can be seen that if the phase of the pumping light is taken as a reference, the signal phase is matched only when it is an integer multiple of π / 2, so that the QPSK signal can be phase-sensitively amplified.

図11は、本実施例1に係る光増幅装置800で増幅された信号光852及び第4のアイドラ光858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11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。   FIG. 11 shows optical spectra of the signal light 852 and the fourth idler light 858 amplified by the optical amplifying apparatus 800 according to the first embodiment. Unlike the conventional PSA using an optical fiber, there is no strong excitation light in the 1.55 μm band as shown in FIG. 11, and spontaneous emission light generated by the EDFA used for generating the excitation light is also mixed. Therefore, it can be confirmed that phase sensitive amplification can be performed while maintaining a high S / N ratio.

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5のPPLN導波路839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816を用いて取り出し、さらにその一部を第5の光合分波器803−5を用いて分岐し、光検出器817で検出したのちに、PLL回路818を介して位相変調器・PZTからなる光ファイバ伸長器819にフィードバックを行い、安定的な動作を実現している。PZTの位置は、光パラメトリック増幅を行うPPLN導波路(本実施例1では第5のPPLN導波路839)における信号光・アイドラ光の対と励起光の間の位相を調整することができる位置であればよい。本実施例では、基本波光の位相を変化させ、励起光の位相を調整することで位相変動の抑圧を行っているが、他にも例えば信号光とアイドラ光の位相を変化させる位置や、励起光の位相を直接変化させるような配置などにしてもよい。   In the actual amplification operation, in order to suppress the influence of the phase fluctuation due to the fluctuation of the optical path length due to the expansion and contraction of the optical fiber connecting each optical component, the first embodiment amplifies the output from the output of the fifth PPLN waveguide 839. Only the signal light that has been output is extracted using the bandpass filter 816, and a part of the signal light is branched using the fifth optical multiplexer / demultiplexer 803-5, detected by the photodetector 817, and then the PLL circuit 818 is used. Through this, feedback is provided to an optical fiber expander 819 comprising a phase modulator / PZT to realize stable operation. The position of the PZT is a position at which the phase between the signal light / idler light pair and the excitation light in the PPLN waveguide (the fifth PPLN waveguide 839 in the first embodiment) that performs optical parametric amplification can be adjusted. I just need it. In this embodiment, the phase fluctuation is suppressed by changing the phase of the fundamental wave light and adjusting the phase of the excitation light. However, for example, the position where the phase of the signal light and the idler light is changed, An arrangement that directly changes the phase of light may be used.

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、誘導ブリル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12は、本実施例1に係る位相感応型の光増幅装置800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示す。図12に示されるように、実施例1に係る位相感応光増幅装置800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。   In the present invention, unlike a phase sensitive amplifier using a conventional optical fiber, a mechanism such as phase modulation for avoiding stimulated Brillouin scattering is not required, and a nonlinear medium can be a waveguide of about 50 mm at most. As a whole, a compact phase sensitive amplifier can be constructed. FIG. 12 shows a constellation map of an input signal and an output signal when a QPSK signal intentionally added with phase noise is input to the phase sensitive optical amplifying apparatus 800 according to the first embodiment. As shown in FIG. 12, in the phase sensitive optical amplifying apparatus 800 according to the first embodiment, amplification is performed only when the phase of the signal is an integral multiple of π / 2. It can be seen that the phase reproduction type amplification is performed.

なお、本実施例1では、第1の基本波光851を信号光852よりも低周波側に配置したが、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。   In the first embodiment, the first fundamental wave light 851 is arranged on the lower frequency side than the signal light 852, but it goes without saying that the same effect can be obtained even if this arrangement is arranged in the reverse order. .

なお、本実施例1では、第1のPPLN導波路822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822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854は励起光としては働かなくなるが、第1のアイドラ光853のSH光を励起光として第1の基本波光851がDFGにより変換されると、図9中の第3のアイドラ光855と同一の周波数に以下の位相φi3’を有するアイドラ光が発生する。
φi3’=2φi1−φLO1=4φs−3φLO1 (式19)
In the first embodiment, the first PPLN waveguide 822 has three phase matching wavelengths, but in order to obtain the same effect, the phase matching wavelength of the first PPLN waveguide 822 is changed from the low frequency side. Two may be used. In this case, the second idler light 854 does not work as excitation light, but when the first fundamental wave light 851 is converted by DFG using the SH light of the first idler light 853 as excitation light, the second idler light 854 in FIG. 3 idler light having the following phase φ i3 ′ is generated at the same frequency as the idler light 855 of 3.
φ i3 ′ = 2φ i1 −φ LO1 = 4φ s −3φ LO1 (Formula 19)

(式15)と(式19)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822の擬似位相整合の波長が、第1の基本波光851の周波数ωLO1と信号光852の周波数ωsに対して、少なくとも、ωs、2ωs−ωLO1の周波数に一致していれば良い。 As is clear from the comparison of (Equation 15) and (Equation 19), it can be seen that the phases of both are the same, and the third phase matching peak is not necessarily essential. Therefore, in order to obtain the same effect as in the first embodiment, the quasi phase matching wavelength of the first PPLN waveguide 822 is set to the frequency ω LO1 of the first fundamental wave light 851 and the frequency ω s of the signal light 852. On the other hand, it is only necessary to match the frequency of at least ω s , 2ω s −ω LO1 .

(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。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に係る光増幅装置は、8値の位相をと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。さらに、実施例1では、主信号ライン上で差周波数発生により信号光から第4のアイドラ光を生成したが、実施例2では信号光と対をなすアイドラ光を主信号ラインとは別の経路で生成している。これにより、光パラメトリック増幅部へ入射される前段で非線形過程を用いる必要がなくなるため、より雑音特性の良い光増幅装置が構成可能となる。
(Example 2)
Hereinafter, an optical amplification apparatus according to Embodiment 2 of the present invention will be described. In the first embodiment, the phase reproduction amplification of the QPSK signal is performed using the PPLN waveguide having two to three phase matching wavelengths. However, the second embodiment further supports the 8PSK signal which is a multilevel signal format. A PPLN waveguide was configured as described above. The optical amplifying device according to the second embodiment is characterized in that a carrier wave is extracted from a modulation signal having an eight-level phase. Further, in the first embodiment, the fourth idler light is generated from the signal light by the difference frequency generation on the main signal line, but in the second embodiment, the idler light that makes a pair with the signal light is separated from the main signal line. It is generated with. As a result, it is not necessary to use a non-linear process in the previous stage that is incident on the optical parametric amplifier, so that an optical amplifier having better noise characteristics can be configured.

図13は、本発明の実施例2に係る光増幅装置の構成を示す。図13には、第1乃至第3のEDFA1301、1308、1313と、第1及び第2の基本波光源1302、1307と、第1乃至第6の光合波器1303−1〜1303−6と、第1乃至第5の二次非線形光学素子1304、1310、1311、1314、1315と、分波器1305と、光サーキュレータ1306と、第1乃至第4のバンドパスフィルタ1309、1313、1316,1343と、光検出器1317と、PLL回路1318と、PZTによる光ファイバ伸長器1319と、第1及び第2の遅延制御器1320、1344と、波長合波器1345とを備えた光増幅装置1300が示されている。   FIG. 13 shows a configuration of an optical amplifying device according to Embodiment 2 of the present invention. 13 includes first to third EDFAs 1301, 1308, and 1313, first and second fundamental wave light sources 1302 and 1307, first to sixth optical multiplexers 1303-1 to 1303-6, First to fifth second-order nonlinear optical elements 1304, 1310, 1311, 1314, 1315, a demultiplexer 1305, an optical circulator 1306, first to fourth bandpass filters 1309, 1313, 1316, 1343 , An optical amplifying apparatus 1300 including a photodetector 1317, a PLL circuit 1318, an optical fiber stretcher 1319 by PZT, first and second delay controllers 1320 and 1344, and a wavelength multiplexer 1345 is shown. Has been.

第1の二次非線形光学素子1304は、第1及び第2の空間光学系1321、1323と、第1のPPLN導波路1322と、第1のダイクロイックミラー1324とを備える。第2の二次非線形光学素子1310は、第3及び第4の空間光学系1325、1327と、第2のPPLN導波路1326と、第2のダイクロイックミラー1328とを備える。第3の二次非線形光学素子1311は、第5及び第6の空間光学系1329、1331と、第3のPPLN導波路1330と、第3及び第4のダイクロイックミラー1323、1333とを備える。第4の二次非線形光学素子1314は、第7及び第8の空間光学系1334、1336と、第4のPPLN導波路1335と、第5のダイクロイックミラー1337とを備える。第5の二次非線形光学素子1315は、第9及び第10の空間光学系1338、1340と、第5のPPLN導波路1339と、第6及び第7のダイクロイックミラー1341、1342とを備える。   The first second-order nonlinear optical element 1304 includes first and second spatial optical systems 1321 and 1323, a first PPLN waveguide 1322, and a first dichroic mirror 1324. The second second-order nonlinear optical element 1310 includes third and fourth spatial optical systems 1325 and 1327, a second PPLN waveguide 1326, and a second dichroic mirror 1328. The third second-order nonlinear optical element 1311 includes fifth and sixth spatial optical systems 1329 and 1331, a third PPLN waveguide 1330, and third and fourth dichroic mirrors 1323 and 1333. The fourth second-order nonlinear optical element 1314 includes seventh and eighth spatial optical systems 1334 and 1336, a fourth PPLN waveguide 1335, and a fifth dichroic mirror 1337. The fifth second-order nonlinear optical element 1315 includes ninth and tenth spatial optical systems 1338 and 1340, a fifth PPLN waveguide 1339, and sixth and seventh dichroic mirrors 1341 and 1342.

図13に示されるように、実施例2に係る光増幅装置1300の全体構成は、図8で示される実施例1に係る光増幅装置800の構成に対して、第6の光合分波器1303−6、第2の遅延制御器1344、第4のバンドパスフィルタ1343、波長合波器1345が増えているが、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。   As shown in FIG. 13, the overall configuration of the optical amplifying apparatus 1300 according to the second embodiment is the same as that of the optical amplifying apparatus 800 according to the first embodiment shown in FIG. −6, the second delay controller 1344, the fourth bandpass filter 1343, and the wavelength multiplexer 1345 are increased, but since they are almost the same, the details thereof are assumed to have the same functions unless otherwise noted. Such description is omitted.

まず、実施例2の光増幅装置1300に係る、第1のPPLN導波路1322を利用した搬送波抽出について説明する。図13に示されるように、信号光及び第1の基本波光は、第1のEDFA1301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1322に入射する。第1の基本波光は、信号光よりも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1322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1322は、例えば、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。   First, carrier wave extraction using the first PPLN waveguide 1322 according to the optical amplification device 1300 of the second embodiment will be described. As shown in FIG. 13, the signal light and the first fundamental wave light are amplified by the first EDFA 1301 and then enter the first PPLN waveguide 1322 having a plurality of phase matching wavelengths. The first fundamental wave light is set to be detuned to the lower frequency side by 100 GHz than the signal light. The first PPLN waveguide 1322 is designed so as to have a phase matching peak at three wavelengths: a signal light wavelength, a wavelength far from the 100 GHz high frequency side, and a wavelength far from the 300 GHz high frequency side. For example, the first PPLN waveguide 1322 is subjected to spatial phase modulation with a period of 16.92 μm and a phase modulation period of 16.5 mm.

第1のPPLN導波路1322中での波長変換プロセスについて説明する。第1のPPLN導波路1322中では、まず信号光が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の基本波光が第1のアイドラ光に変換される。変換された第1のアイドラ光の周波数は、第1のPPLN導波路1322の2番目の位相整合波長に一致するため、第1のアイドラ光はSH光に変換され、そのSH光を励起光として信号光が第2のアイドラ光へ変換される。さらに、第1のアイドラ光のSH光を励起光として第1の基本波光がDFGにより変換されると、第3のアイドラ光が発生する。変換された第1のアイドラ光の周波数は、第1のPPLN導波路1322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のアイドラ光は第4のアイドラ光へ、第1のアイドラ光は第5のアイドラ光へ、信号光は第6のアイドラ光へ、第1の基本波光は第7のアイドラ光へそれぞれ変換される。このとき、第1のアイドラ光、第3のアイドラ光、第6のアイドラ光、及び第7のアイドラ光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20)〜(式23)で表される。
φi1=2φs−φLO1 (式20)
φi3=2φi2−φLO1=4φs−3φLO1 (式21)
φi6=2φi3−φs=7φs−6φLO1 (式22)
φi7=2φi3−φLO1=8φs−7φLO1 (式23)
A wavelength conversion process in the first PPLN waveguide 1322 will be described. In the first PPLN waveguide 1322, the signal light is first converted into SH light, and the first fundamental light is converted into first idler light by difference frequency generation (DFG) using the SH light as excitation light. . Since the frequency of the converted first idler light matches the second phase matching wavelength of the first PPLN waveguide 1322, the first idler light is converted into SH light, and the SH light is used as excitation light. The signal light is converted into second idler light. Furthermore, when the first fundamental wave light is converted by the DFG using the SH light of the first idler light as excitation light, third idler light is generated. Since the frequency of the converted first idler light matches the second phase matching wavelength of the first PPLN waveguide 1322, the third idler light is converted into SH light, and the SH light is used as excitation light. The second idler light to the fourth idler light, the first idler light to the fifth idler light, the signal light to the sixth idler light, and the first fundamental light to the seventh idler light, respectively. Converted. At this time, when attention is paid to the phases of the first idler light, the third idler light, the sixth idler light, and the seventh idler light, the phases of these idler lights are expressed by the following (Expression 20) to (Expression). 23).
φ i1 = 2φ s −φ LO1 (Formula 20)
φ i3 = 2φ i2 −φ LO1 = 4φ s -3φ LO1 (Formula 21)
φ i6 = 2φ i3 −φ s = 7φ s −6φ LO1 (Formula 22)
φ i7 = 2φ i3 −φ LO1 = 8φ s −7φ LO1 (Equation 23)

ここで、φi6は第6のアイドラ光の位相を示し、φi7は第7のアイドラ光の位相を示す。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までのアイドラ光を生成することができる。すなわち、第1のPPLN導波路1320の擬似位相整合波長が、第1の基本波光の周波数ωLO1と信号光の周波数ωsとに対して、少なくとも、ωs、2ωs−ωLO1、4ωs−3ωLO1の周波数に一致していれば良い。 Here, φ i6 indicates the phase of the sixth idler light, and φ i7 indicates the phase of the seventh idler light. As described above, the first to seventh idler lights can be sequentially generated only by setting the three phase matching wavelengths. That is, the quasi phase matching wavelength of the first PPLN waveguide 1320 is at least ω s , 2ω s −ω LO1 , 4ω s with respect to the frequency ω LO1 of the first fundamental wave light and the frequency ω s of the signal light. It only needs to match the frequency of −3ω LO1 .

(式23)で示される第7のアイドラ光の位相に注目すると、信号光の位相が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のアイドラ光の位相が一定となり、搬送波が抽出できることが分かる。   Paying attention to the phase of the seventh idler light expressed by (Equation 23), since the phase of the signal light is multiplied by 8, the signal having the phase that is an integer multiple of π / 4 of 8PSK is the first. It can be seen that the phase of the idler light 7 becomes constant and the carrier wave can be extracted.

再び図13を参照する。実施例1と同様に、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1304の出力の内、第7のアイドラ光のみを取り出した後、光サーキュレータ1306において光注入同期を行うことで、第2の基本波光を得る。その後、第1の基本波光と第2の基本波光の間の第1の和周波光を第2の二次非線形光学素子1310で発生させる。発生させた第1の和周波光と第1及び第6の合分波器1303−1、1303−6で分岐した信号光の一部とを用いて、第3の二次非線形光学素子1311での差周波発生により、第8のアイドラ光を生成させる。この時、第8のアイドラ光の位相は、次式のように表される。
φi8=7φs−6φLO1 (式24)
Refer to FIG. 13 again. As in the first embodiment, since the actual phase modulation signal is accompanied by a change in intensity, only the seventh idler light is extracted from the output of the first second-order nonlinear optical element 1304, and then light is injected by the optical circulator 1306. By performing the synchronization, the second fundamental wave light is obtained. Thereafter, a first sum frequency light between the first fundamental wave light and the second fundamental wave light is generated by the second second-order nonlinear optical element 1310. A third second-order nonlinear optical element 1311 uses the generated first sum frequency light and part of the signal light branched by the first and sixth multiplexers / demultiplexers 1303-1 and 1303-6. The eighth idler light is generated by generating the difference frequency. At this time, the phase of the eighth idler light is expressed by the following equation.
φ i8 = 7φ s -6φ LO1 (Formula 24)

(式23)に示されるように、第8のアイドラ光の位相は、第6のアイドラ光の位相と同等となる。第1の遅延制御器1320により、第1の合分波器1303−1で分岐された2つの経路の実効的な光路長が調整されている。   As shown in (Equation 23), the phase of the eighth idler light is equivalent to the phase of the sixth idler light. The effective optical path length of the two paths branched by the first multiplexer / demultiplexer 1303-1 is adjusted by the first delay controller 1320.

実施例1の構成との違いは、光パラメトリック増幅過程において信号と対で相互作用させるアイドラ光(実施例1では第4のアイドラ光、実施例2では第8のアイドラ光)を主信号ライン上には配置していないことにある。実施例1では、主信号から第4のアイドラ光を生成し、信号光とアイドラ光の対を第5の二次非線形光学素子に入射したが、差周波発生過程で発生する雑音分だけ、光増幅器の特性を劣化させる。このため、本実施例2では、さらに雑音特性を良くするために、第8のアイドラ光の生成過程を主信号ラインとは別の経路で行った。   The difference from the configuration of the first embodiment is that idler light (fourth idler light in the first embodiment and eighth idler light in the second embodiment) that interacts with the signal in a pair in the optical parametric amplification process on the main signal line. There is that it is not arranged. In the first embodiment, the fourth idler light is generated from the main signal, and the pair of the signal light and the idler light is incident on the fifth second-order nonlinear optical element. However, the light is generated by the noise generated in the difference frequency generation process. Degrading the characteristics of the amplifier. For this reason, in Example 2, in order to further improve the noise characteristics, the generation process of the eighth idler light is performed through a path different from the main signal line.

第3の二次非線形光学素子1311の出力の内、第4のバンドパスフィルタ1343を用いて、第8のアイドラ光のみを取り出し、波長合分波器1345により、主信号ラインを通過した信号光と合波した。ここで、第6の合分波器1303−6で分岐された2つの光のうち、第2の遅延制御器1344を通過した後に波長合分波器1345に入射されるまでの光路長と、第1の合分波器1303−1、第1の遅延制御器1320、第3の二次非線形光学素子1311、第4のバンドパスフィルタ1343を通過した後に波長合分波器1345に入射されるまでの光路長は、第2の遅延制御器1344により完全に等長化されている。波長合分波器1345により合波された信号光と第8のアイドラ光は、第5の二次非線形光学素子1315に入射される。   Of the output of the third second-order nonlinear optical element 1311, only the eighth idler light is extracted using the fourth bandpass filter 1343, and the signal light that has passed through the main signal line by the wavelength multiplexer / demultiplexer 1345. And combined. Here, of the two lights branched by the sixth multiplexer / demultiplexer 1303-6, the optical path length until the light enters the wavelength multiplexer / demultiplexer 1345 after passing through the second delay controller 1344, After passing through the first multiplexer / demultiplexer 1303-1, the first delay controller 1320, the third second-order nonlinear optical element 1311, and the fourth bandpass filter 1343, the light enters the wavelength multiplexer / demultiplexer 1345. The optical path length up to is completely equalized by the second delay controller 1344. The signal light combined with the wavelength multiplexer / demultiplexer 1345 and the eighth idler light are incident on the fifth second-order nonlinear optical element 1315.

一方で、第4の合分波器1303−4で分岐された他方の第1の基本波光と第2の基本波光は、実施例1と同様に、EDFA1312で増幅された後、第4の二次非線形光学素子1314に入射され、第2の和周波光が生成される。この第2の和周波光も第5の二次非線形光学素子1315に入射される。   On the other hand, the other first fundamental wave light and second fundamental wave light branched by the fourth multiplexer / demultiplexer 1303-4 are amplified by the EDFA 1312 and then the second second fundamental wave light, as in the first embodiment. The light enters the next nonlinear optical element 1314 to generate second sum frequency light. This second sum frequency light is also incident on the fifth second-order nonlinear optical element 1315.

第2の和周波光と信号光と第8のアイドラ光を用いた光パラメトリック増幅過程では、信号光の位相がπ/4の整数倍のときのみ増幅するため、8PSKの信号を位相感応増幅することができる。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。   In the optical parametric amplification process using the second sum frequency light, the signal light, and the eighth idler light, the signal light is amplified only when the phase of the signal light is an integral multiple of π / 4. Therefore, the 8PSK signal is phase-sensitive amplified. be able to. FIG. 14 shows a constellation map of an input signal and an output signal when a QPSK signal intentionally added with phase noise is input to the phase sensitive amplifier according to the second embodiment. As shown in FIG. 14, in the second embodiment, amplification is performed only when the phase of the signal is an integer multiple of π / 4, so that the phase noise observed in the input signal can be reduced. It can be seen that phase reproduction type amplification is performed.

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、第1の二次非線形光学素子の出力から、分波器によりMωs−(M−1)ωLO1の周波数を有するアイドラ光のみを取り出し、その光を用いて差周波過程により、新たに(M−1)ωs−(M−2)ωLO1の周波数を有するアイドラ光を生成し、信号光との間で光パラメトリック増幅を行えばよい。 Here, when the configuration of the present invention is applied to an optical amplifier that amplifies multilevel phase-modulated signal light that takes M (M is an integer of 4 or more) kinds of values, the first second-order nonlinear optics is used. Only the idler light having the frequency of Mω s − (M−1) ω LO1 is extracted from the output of the element by the duplexer, and newly (M−1) ω s − ( M-2) It is only necessary to generate idler light having a frequency of ω LO1 and perform optical parametric amplification with the signal light.

PSA 100、400
位相感応光増幅部 101
励起光源 102
励起光位相制御部 103
第1の光分岐部 104−1、203−1
第2の光分岐部 104−2、203−2
EDFA 201
第1の二次非線形光学素子 202、604、804、1304
第2の二次非線形光学素子 204、610、810、1310
位相変調器 205
PZTによる光ファイバ伸長器 206、413、615、819、1319
偏波保持ファイバ 207、616
光検出器 208、411、613、817、1317
位相同期ループ回路(PLL) 209、412、614、818、1318
第1の空間光学系 211、621、821、1321
第1のPPLN導波路 212、622、822、1322
第2の空間光学系 213、623、823、1323
第1のダイクロイックミラー 214、624、824、1324
第3の空間光学系 215、625、825、1325
第2のPPLN導波路 216、626、826、1326
第4の空間光学系 217、627、827、1327
第2のダイクロイックミラー 218、628、828、1328
第3のダイクロイックミラー 219、632、832、1332
第1のEDFA 401、601、801、1301
第1の励起光源 402、602
第1の光合分波器 403−1、603−1、803−1、1303−1
第2の光合分波器 403−2、603−2、803−2、1303−2
第3の光合分波器 403−3、603−3、803−3、1303−3
第4の光合分波器 403−4、603−4、803−4、1303−4
第5の光合分波器 403−5、803−5、1303−5
第1の光ファイバ 404
分波器 405、605、805、1305
光サーキュレータ 406、606、806、1306
半導体レーザ 407、607、807、1307
第2のEDFA 408、608、808、1308
第2の光ファイバ 409
バンドパスフィルタ 410
光増幅装置 600、800、1300
第1のバンドパスフィルタ 609、809、1309
第3の二次非線形光学素子 611、811、1311
第2のバンドパスフィルタ 612、813、1313
第5の空間光学系 629、829、1329
第3のPPLN導波路 630、830、1330
第6の空間光学系 631、831、1331
第4のダイクロイックミラー 633、833、1333
第1の基本波光源 802
第3のEDFA 812、1312
第4の二次非線形光学素子 814、1314
第5の二次非線形光学素子 815、1315
第3のバンドパスフィルタ 816、1316
遅延制御器 820、1320、1344
第7の空間光学系 834、1334
第4のPPLN導波路 835、1335
第8の空間光学系 836、1336
第5のダイクロイックミラー 837、1337
第9の空間光学系 838、1338
第5のPPLN導波路 839、1339
第10の空間光学系 840、1340
第6のダイクロイックミラー 841、1341
第7のダイクロイックミラー 842、1342
第6の光合分波器 1303−6
第4のバンドパスフィルタ 1343
波長合波器 1345
PSA 100, 400
Phase sensitive optical amplifier 101
Excitation light source 102
Excitation light phase controller 103
1st optical branching part 104-1, 203-1
Second optical branching sections 104-2 and 203-2
EDFA 201
First second-order nonlinear optical element 202, 604, 804, 1304
Second second-order nonlinear optical element 204, 610, 810, 1310
Phase modulator 205
Optical fiber stretcher 206, 413, 615, 819, 1319 by PZT
Polarization maintaining fiber 207, 616
Photodetector 208, 411, 613, 817, 1317
Phase-locked loop circuit (PLL) 209, 412, 614, 818, 1318
First spatial optical system 211, 621, 821, 1321
First PPLN waveguide 212, 622, 822, 1322
Second spatial optical system 213, 623, 823, 1323
First dichroic mirror 214, 624, 824, 1324
Third spatial optical system 215, 625, 825, 1325
Second PPLN waveguides 216, 626, 826, 1326
Fourth spatial optical system 217, 627, 827, 1327
Second dichroic mirror 218, 628, 828, 1328
Third dichroic mirror 219, 632, 832, 1332
First EDFA 401, 601, 801, 1301
First excitation light source 402, 602
First optical multiplexer / demultiplexer 403-1, 603-1, 803-1, 1303-1
Second optical multiplexer / demultiplexer 403-2, 603-2, 803-2, 1303-2
Third optical multiplexer / demultiplexer 403-3, 603-3, 803-3, 1303-3
Fourth optical multiplexer / demultiplexer 403-4, 603-4, 803-4, 1303-4
Fifth optical multiplexer / demultiplexer 403-5, 803-5, 1303-5
First optical fiber 404
Demultiplexer 405, 605, 805, 1305
Optical circulator 406, 606, 806, 1306
Semiconductor lasers 407, 607, 807, 1307
Second EDFA 408, 608, 808, 1308
Second optical fiber 409
Band pass filter 410
Optical amplification device 600, 800, 1300
First band pass filter 609, 809, 1309
Third second-order nonlinear optical elements 611, 811 and 1311
Second band pass filter 612, 813, 1313
Fifth spatial optical system 629, 829, 1329
Third PPLN waveguide 630, 830, 1330
Sixth spatial optical system 631, 831, 1331
Fourth dichroic mirror 633, 833, 1333
First fundamental wave light source 802
Third EDFA 812, 1312
Fourth second-order nonlinear optical elements 814 and 1314
Fifth second-order nonlinear optical elements 815 and 1315
Third band pass filters 816, 1316
Delay controller 820, 1320, 1344
Seventh spatial optical system 834, 1334
Fourth PPLN waveguides 835, 1335
Eighth spatial optical system 836, 1336
Fifth dichroic mirror 837, 1337
Ninth spatial optical system 838, 1338
Fifth PPLN waveguide 839, 1339
Tenth spatial optical system 840, 1340
Sixth dichroic mirror 841, 1341
Seventh dichroic mirror 842, 1342
Sixth optical multiplexer / demultiplexer 1303-6
Fourth band pass filter 1343
Wavelength multiplexer 1345

Claims (7)

二次非線形光学効果を用いた光混合によって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位相感応型光増幅装置であって、
周波数ωsを有する前記信号光を分岐する第1の光合分波器と、
周波数ωLO1を有する第1の基本波光を発生する第1の光源と、
前記第1の基本波光を分岐する第2の光合分波器と、
前記第1の光合分波器の一方の出力端子から出力された前記信号光と、前記第2の光合分波器の一方から出力された前記第1の基本波光とを入力し、増幅して出力する第1の光ファイバレーザ増幅器と、
複数の波長において擬似位相整合を満たし、当該増幅された信号光及び第1の基本波光を入力し、第二高調波を発生して出力する第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Mωs−(M−1)ωLO1の周波数を有するアイドラ光のみを分離して出力する合分波器と、
前記分波器から出力された前記アイドラ光に注入同期が可能なレーザを出力する第2の光源と、
前記分波器から出力された前記アイドラ光を前記第2の励起光源から出力された前記レーザに注入同期して第2の基本波光を出力する光サーキュレータと、
前記第2の光合分波器の他方の出力端子から出力された前記第1の基本波光と、前記光サーキュレータから出力された前記第2の基本波光を入力して合波し、当該合波した前記第1の基本波光及び前記第2の基本波光を分岐して出力する第3の光合分波器と、
前記第3の光合分波器の一方の出力端子から出力された前記第1の基本波光及び前記第2の基本波光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から出力された前記第1の基本波光及び第2の基本波光から第1の和周波光を発生して出力する第2の二次非線形光学素子と、
前記第1の光合分波器の他方の出力端子から出力された前記信号光と前記第1の和周波光とを入力して差周波光を発生し、前記信号光及び前記差周波光を出力する第3の二次非線形光学素子と、
前記第3の光合分波器の他方の出力端子から出力された前記第1の基本波光及び前記第2の基本波光を増幅して出力する第3の光ファイバレーザ増幅器と、
前記第3の光ファイバレーザ増幅器から出力された前記第1の基本波光及び第2の基本波光から第2の和周波光を発生して出力する第4の二次非線形光学素子と、
前記信号光と、前記差周波光と、前記第2の和周波光とを入力して非縮退パラメトリック増幅を行う第5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。
A phase-sensitive optical amplifying device that amplifies multilevel phase-modulated signal light that takes M (M is an integer of 4 or more) kinds of light mixing using a second-order nonlinear optical effect,
A first optical multiplexer / demultiplexer for branching the signal light having a frequency ω s ;
A first light source for generating a first fundamental light having a frequency ω LO1 ;
A second optical multiplexer / demultiplexer for branching the first fundamental wave light;
The signal light output from one output terminal of the first optical multiplexer / demultiplexer and the first fundamental wave light output from one of the second optical multiplexer / demultiplexers are input and amplified. A first optical fiber laser amplifier for outputting;
A first second-order nonlinear optical element that satisfies quasi-phase matching at a plurality of wavelengths, inputs the amplified signal light and the first fundamental light, generates a second harmonic, and outputs the second harmonic;
A multiplexer / demultiplexer for separating and outputting only idler light having a frequency of Mω s − (M−1) ω LO1 from the output of the first second-order nonlinear optical element;
A second light source that outputs a laser capable of injection locking to the idler light output from the duplexer;
An optical circulator that outputs the second fundamental wave light in synchronization with injection of the idler light output from the duplexer into the laser output from the second excitation light source;
The first fundamental wave light output from the other output terminal of the second optical multiplexer / demultiplexer and the second fundamental wave light output from the optical circulator are input and combined, and the combined signals are combined. A third optical multiplexer / demultiplexer for branching and outputting the first fundamental wave light and the second fundamental wave light;
A second optical fiber laser amplifier that amplifies and outputs the first fundamental wave light and the second fundamental wave light output from one output terminal of the third optical multiplexer / demultiplexer;
A second second-order nonlinear optical element that generates and outputs a first sum frequency light from the first fundamental wave light and the second fundamental wave light output from the second optical fiber laser amplifier;
The signal light output from the other output terminal of the first optical multiplexer / demultiplexer and the first sum frequency light are input to generate a difference frequency light, and the signal light and the difference frequency light are output. A third second-order nonlinear optical element,
A third optical fiber laser amplifier that amplifies and outputs the first fundamental wave light and the second fundamental wave light output from the other output terminal of the third optical multiplexer / demultiplexer;
A fourth second-order nonlinear optical element that generates and outputs a second sum frequency light from the first fundamental wave light and the second fundamental wave light output from the third optical fiber laser amplifier;
An optical amplification apparatus comprising: a fifth second-order nonlinear optical element that inputs the signal light, the difference frequency light, and the second sum frequency light and performs non-degenerate parametric amplification.
前記第2の光ファイバレーザ増幅器と前記第2の二次非線形光学素子との間に、前記第1の基本波光及び前記第2の基本波光のみを透過する第1のバンドパスフィルタが設けられていることを特徴とする請求項1に記載の光増幅装置。   A first bandpass filter that transmits only the first fundamental wave light and the second fundamental wave light is provided between the second optical fiber laser amplifier and the second second-order nonlinear optical element. The optical amplifying device according to claim 1, wherein: 前記第1の光合分波器の前記一方の出力端子から前記第2の二次非線形光学素子を経由して前記第3の二次非線形光学素子までの光路と、前記第1の光合分波器の前記他方の出力端子から前記第3の二次非線形光学素子までの光路とを等長化する第1の遅延制御器をさらに備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載の光増幅装置。   An optical path from the one output terminal of the first optical multiplexer / demultiplexer to the third secondary nonlinear optical element via the second secondary nonlinear optical element, and the first optical multiplexer / demultiplexer 3. The optical amplification according to claim 1, further comprising a first delay controller that equalizes an optical path from the other output terminal to the third second-order nonlinear optical element. apparatus. 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LiNbO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、ωs、2ωs−ωLO1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乃至3のいずれかに記載の光増幅装置。
The first second-order nonlinear optical element is an optical waveguide made of LiNbO 3 having a periodically poled structure,
The periodic polarization reversal structure is subjected to spatial phase modulation or periodic modulation with a period longer than the polarization reversal period,
The first second-order nonlinear optical element has a quasi-phase matching wavelength that matches at least the frequency of ω s , 2ω sLO1 , and amplifies a QPSK signal. The optical amplification device according to any one of the above.
前記信号光を分岐して、一方の出力端子から前記信号光を前記第1の光合分波器に出力する第4の光合分波器と、
前記第4の光合分波器の他方の出力端子から出力された前記信号光を入力して、前記信号光を遅延する第2の遅延制御器と、
前記第3の二次非線形光学素子から出力された前記信号光及び前記差周波光のうち、前記差周波光のみを透過する第2のバンドパスフィルタと、
前記第2の遅延制御回路から出力された前記信号光と、前記第2のバンドパスフィルタから出力された前記差周波光とを合波して、前記第5の二次非線形光学素子に出力する波長合波器と
をさらに備えたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の光増幅装置。
A fourth optical multiplexer / demultiplexer for branching the signal light and outputting the signal light from one output terminal to the first optical multiplexer / demultiplexer;
A second delay controller that inputs the signal light output from the other output terminal of the fourth optical multiplexer / demultiplexer and delays the signal light;
A second bandpass filter that transmits only the difference frequency light out of the signal light and the difference frequency light output from the third second-order nonlinear optical element;
The signal light output from the second delay control circuit and the difference frequency light output from the second bandpass filter are combined and output to the fifth second-order nonlinear optical element. The optical amplifier according to claim 1, further comprising: a wavelength multiplexer.
前記第2の遅延制御器は、前記第4の光合分波器の前記一方の出力端子から前記第2の二次非線形光学素子及び前記第3の二次非線形光学素子を経由して前記波長合波器までの光路と、前記第4の光合分波器の他方の出力端子から前記波長合波器までの光路とを等長化するように構成されていることを特徴とする請求項5に記載の光増幅装置。   The second delay controller transmits the wavelength combining from the one output terminal of the fourth optical multiplexer / demultiplexer via the second second-order nonlinear optical element and the third second-order nonlinear optical element. The optical path to the optical multiplexer and the optical path from the other output terminal of the fourth optical multiplexer / demultiplexer to the wavelength multiplexer are configured to be equal in length. The optical amplifying device described. 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LiNbO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、ωs、2ωs−ωLO1、4ωs−3ωLO1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5又は6に記載の光増幅装置。
The first second-order nonlinear optical element is an optical waveguide made of LiNbO 3 having a periodically poled structure,
The periodic polarization reversal structure is subjected to spatial phase modulation or periodic modulation with a period longer than the polarization reversal period,
The first second-order nonlinear optical element has a quasi phase matching wavelength that matches at least the frequencies of ω s , 2ω s −ω LO1 , 4ω s −3ω LO1 , and amplifies an 8PSK signal. The optical amplification device according to claim 5 or 6.
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