JP2018205338A - 偏波無依存化した励起光再生成装置および光中継増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】偏波多重光信号の光増幅を行う位相感応光増幅器に用いる励起光再生装置において、励起光再生を安定した励起光再生装置を提供する。【解決手段】本発明の励起光再生成装置５０は、励起光の直交する２つの偏波成分をＰＢＳ５２により分離し、励起光に注入同期するスレーブレーザ５９の発振偏光方向と同一の偏光に揃える。同一の偏光に揃えられた２つの偏波成分を選択または合成し、スレーブレーザへ注入される励起光レベル低下を最小限に抑える。一例ではＰＢＳで分離された直交する２つの偏波成分を、いずれか一方のより大きいレベルの偏波成分が選択されるように光スイッチ５７で光路を切替え、スレーブレーザへ励起光が注入されるよう動作する。【選択図】図５

Description

本発明は位相感応光増幅に関する。より具体的には、偏波無依存化構成の光中継増幅器のための励起光の再生成装置および方法に関する。

現在の高速大容量通信の実現を支えているのは、波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）伝送技術である。ＷＤＭ伝送技術の中の根幹技術の１つは光増幅である。例えば、エルビウム添加ファイバアンプ（Erbium Doped optical Fiber Amplifier：ＥＤＦＡ）を使用した光長距離通信が既に実用化されている。ＳＮＳや小型無線端末の普及などソフトハード両面のユーザ増加とともに通信伝送容量はさらに拡大し、伝送する情報密度も高まっている。これらに対応すべく周波数利用効率の高いデジタルコヒーレント技術の開発も進んでいる。

光通信の伝送媒体である光ファイバは非線形光学特性を示す。このため、ある一定以上の光パワーを持つ信号光が入力されると、非線形光学効果により信号の劣化が生じる。チャネルの高密度化の実現および上述の非線形光学効果による信号劣化の回避を両立させるためには、１チャンネルあたりの信号強度を低く抑える必要がある。しかしながら信号強の抑制は、長距離伝送後の信号損失のために信号雑音比（Signal to Nosie Ratio：Ｓ／Ｎ比)の劣化を招く。また従来技術のＥＤＦＡを使った光増幅技術では、伝送時に発生した雑音も等価に増幅してしまう。情報の高密度化にともなう微小信号の増幅の限界が近づいていた。

上述のようなＥＤＦＡ等の光増幅器の限界を打開する技術として、位相感応光増幅器（Phase Sensitive Amplifier：ＰＳＡ）が検討されている。ＰＳＡによれば、伝送ファイバの分散の影響のためにＳ／Ｎ比が劣化した信号光パルス波形を整形することできる。ＥＤＦＡをはじめとする従来技術の位相不感応光増幅器では、光増幅時に発生する信号と無関係の直交位相を持つ自然放出光が発生する。一方、ＰＳＡでは自然放出光を抑制できるために、原理的に信号光のＳ／Ｎ比を劣化させずに増幅できる。ＰＳＡとしては、高非線形ファイバを使用した方法（非特許文献１）や非線形光学結晶を使用した方法（非特許文献２）等が提案され実証が進んでいる。以降本明細書では、断りがない限り非線形光学結晶を使用した構成のＰＳＡについて説明する。

図１は、単偏波対応のインライン型のＰＳＡを含む光通信システムの構成を示す図である。概略して光通信システム１０は、送信器２０と、伝送ファイバ１と、中継増幅器３として動作するＰＳＡからなる。中継増幅器３は主な構成要素として、励起光を増幅するＥＤＦＡ５、第２高調波を生成（ＳＨＧ：Second Harmonics Generation）する第１の二次非線形光学素子モジュール７および第２高調波によって光パラメトリック増幅（Optical Parametric Amplification：ＯＰＡ）を行う第２の二次非線形光学素子モジュール６などからなる。中継増幅器３として動作するためには、伝送ファイバ１を経てきた励起光およびアイドラー光を含む信号光をファイバカプラ２で分岐し、励起光再生成装置４により励起光が再生し、中継増幅器３へ供給する。

図２は、図１の光通信システムにおける送信器の構成を示す図である。図１におけるＰＳＡを中継増幅器として動作させる場合、送信器２０は非縮退の構成をとり、送信器で信号光と励起光の差周波を持つアイドラー光を生成しておく必要がある。図２の送信器２０は、信号光の生成のために、複数の信号光光源２１、各信号光にそれぞれ変調を加える複数の外部変調器２２、ＷＤＭ信号である信号光２６を生成する光合波器２３を備える。さらに、励起光光源２５からの励起光２７および信号光２６から、アイドラー光生成装置２４において、アイドラー光２９が生成される。図２では、励起光２７および信号光２６（ｓ１、Ｓ２、・・）の関係、並びに、アイドラー光２９（ｉ１、ｉ２、・・）を含む送信器出力信号２８の関係が模式的に示されている。

図１を再び参照すると、伝送ファイバ１を伝搬してきた信号光、アイドラー光および励起光はファイバカプラ２によって２つに分岐され、一方は位相感応光増幅用の第２の二次非線形光学素子モジュール６に、もう一方は励起光再生成装置４に入射する。二次非線形光学素子モジュールとしては、例えば周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃（ＰＰＬＮ）導波路を持いたＰＰＬＮモジュールが利用される。また励起光再生成装置４としては、注入同期を使った方式（非特許文献３）や光ＰＬＬを使った方式（非特許文献４）などがある。位相感応光増幅条件を満たすために、信号光または励起光いずれかの光路中に配置した位相補償器によって、励起光および信号光の間の位相ずれの補償を行い、位相感応光増幅を実現している（特許文献１）。

特開２０１５−１６５３１６号 明細書

Radan Slavik 他、"All-optical phase and amplitude regenerator for next-generation telecommunications systems"， Nature Photonics 4， 690 (２０１０年) Takeshi Umeki 他，"In-line phase sensitive amplifier based on PPLN waveguides"， Optics Express 21， 12077 (２０１３年) Samuel L. I. Olsson 他， "Injection locking-based pump recovery for phase-sensitive amplified links"， Optics Express 21， 14512 (２０１３年) Yasuhiro Okamura 他，"Optical pump phase locking to a carrier wave extracted from phase-conjugated twin waves for phase-sensitive optical amplifier repeaters"， Optics Express 24， 26300 (２０１６年) Masashi Abe， et al.，"PDM-QPSK WDM Signal Amplification Using PPLN-Based Polarization-Independent In-Line Phase-Sensitive Amplifier，" Proceeding of European Conference on Optical Communication (ECOC) Dusseldorf (２０１６年)， paper W.4.P1.SC2.11

しかしながら、偏波多重信号光の位相感応光増幅器による光増幅は、偏波無依存化の点で未だ十分なものではなかった。ＷＤＭ伝送技術を用いた光通信では、直交する偏波が互いに干渉しない性質を利用した偏波多重分離技術（Polarization Division Multiplexing：ＰＤＭ）を利用することで伝送情報のさらなる大容量化を達成している。

図３は、偏波多重光信号に対応した従来技術のＰＳＡの第１の構成例を示す図である。偏波多重光対応の中継光増幅器３０は、異なる偏波に対応した２つの位相感応光増幅器を備えている。図１の単偏波対応の中継増幅器３との相違点を述べれば、ＰＳＡ３０は、偏光（偏波）ビームスプリッタ（Polarizing Beam Splitter：ＰＢＳ）３５によって偏波成分毎に信号光を分離し、それぞれの偏波成分に対して独立に別個のＰＰＬＮモジュール３６−１、３６−２で位相感応光増幅を行う。位相感応光増幅後の２つの偏波は、第２のＰＢＳ３７によって再び多重化され、偏波多重光信号のＰＳＡ出力３８として出力される。伝送路ファイバ３１からのアイドラー光、励起光および信号光は、ファイバカプラ３２によって２つに分岐され、一方の分岐光が励起光再生成装置３３に供給される。励起光再生成装置３３において励起光が再生されて、再生された励起光は分岐されて各ＰＰＬＮモジュール３６−１、３６−２に供給される。

図４は、偏波多重光信号に対応した従来技術のＰＳＡの別の構成例を示す図である。図３の構成と同様に、偏波多重光対応の中継増幅器４０も、異なる偏波に対応した２つの位相感応光増幅器を備えている。ＰＢＳ４５によって偏波成分毎に信号光を分離し、それぞれの偏波成分に対して独立に別個のＰＰＬＮモジュール４６−１−１、４６−２で位相感応光増幅を行う。図３の構成における第２のＰＢＳ３７の代わりに、図４の構成では偏波回転子４７を備え、ＰＳＡ出力４８はＰＢＳ４５の信号光の入力ポートとは異なるポートから出力される。図３および図４のような偏波多重光信号に対応したＰＳＡは、偏波ダイバシティ構成とも呼ばれている。

図３および図４のＰＳＡのいずれの構成も、信号光およびアイドラー光に関しては、偏波成分毎に独立の２つの位相感応光増幅器により光増幅されており、偏波無依存が達成されている。しかしながら、励起光再生成装置３３、４３については、未だ偏波無依存化されていない。ここで、励起光と、信号光およびアイドラー光とが伝送される励起光同送方式の場合を例に、注入同期型の励起光再生成装置を考える。一般的な光通信の伝送路はシングルモードファイバ（ＳＭＦ：Single Mode Fiber）で構成されるため、ＳＭＦを伝送した励起光の偏光（偏波）は任意に変化する。励起光再生成装置３３、３４に到達したときの励起光の偏光状態を特定することはできない。例えば非特許文献５の図１に示したような注入同期型の励起光再生成装置では、スレーブレーザは、その発振偏光方向の偏波成分のみを注入成分と感じる。ＳＭＦから励起光再生成装置３３、４３へ、発振偏光と直交した偏光状態の励起光が入射すると、発振偏光方向の偏波成分が０となり、励起光の位相同期が起こらない。スレーブレーザにおける注入同期が停止して、最悪の場合は励起光の再生が停止する。励起光再生成装置でこのような状況が一瞬でも起これば、ＰＳＡ３０、４０への励起光供給が停止し、ＰＳＡは偏波多重光信号の光増幅機能を失う。ＳＭＦを伝送した後の励起光の偏波状態によっては、励起光再生成装置で励起光の再生が全くできない状況が発生する。

本発明はこのような問題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、偏波多重光信号の励起光再生を安定化した励起光再生成装置を提供することにある。

本発明はこのような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、励起光を再生する励起光再生成装置であって、前記励起光を、直交する２つの偏波成分に分離する偏波分離手段と、前記直交する２つの偏波成分の各々の光量に基づいて、前記直交する２つの偏波成分の一方を選択する光スイッチと、前記選択された偏波成分の光の注入同期によって発振する半導体レーザとを備えたことを特徴とする励起光再生成装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１の励起光再生成装置であって、前記直交する２つの偏波成分の第１の偏波成分の光を、一方の出力へ分岐する第１の光分岐器と、前記直交する２つの偏波成分の第２の偏波成分の光、または当該第２の偏波成分を９０°偏波回転させた光を、一方の出力へ分岐する第２の光分岐器とをさらに備え、前記光スイッチは、前記第１の光分岐器からの分岐光レベルと、前記第２の光分岐器からの分岐光レベルとの比較に基づいて、前記第１の光分岐器の他方の出力からの透過光または前記第２の光分岐器の他方の出力からの透過光のいずれかを選択することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２の励起光再生成装置であって、前記第１の光分岐器からの前記分岐光レベルと、前記第２の光分岐器からの前記分岐光レベルとの差に基づいて、電気信号を出力する差動増幅光検出器と、前記電気信号に基づいて、前記光スイッチの選択信号を生成する光スイッチ駆動回路とをさらに備えたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３いずれかの励起光再生成装置であって前記偏波分離手段はファイバ結合型偏光ビームスプリッタであって、前記直交する２つの偏波成分の各電場成分が、各々のスロー軸に一致するようにその偏波軸の向きを設定した２本の偏波保持ファイバと接続されることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、励起光を再生する励起光再生成装置であって、前記励起光を、直交する２つの偏波成分に分離する偏波分離手段と、前記直交する２つの偏波成分の第１の偏波成分の光に、一定周波数の位相振動を付加するディザリング装置と、前記直交する２つの偏波成分の第２の偏波成分の光、または、当該第２の偏波成分を９０°偏波回転させた光の位相調整をする位相調整器と、前記位相振動を付加された光と、前記位相調整されかつ９０°偏波回転された光とを合波するカプラと、前記カプラからの合波光のレベルに基づいて、前記位相調整器の位相を調整する制御回路と、前記合波光の注入同期によって発振する半導体レーザとを備えたことを特徴とする励起光再生成装置である。

請求項６に記載の発明は、請求項５の励起光再生成装置であって、前記制御回路は、前記カプラからの合波光から検波信号を生成し、前記検波信号から前記一定周波数の位相振動の誤差信号を生成し、前記誤差信号に基づいて前記カプラからの前記合波光のレベルを最大化するように前記位相調整器の位相を調整するＰＩＤ制御回路であることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項５の励起光再生成装置であって、前記偏波分離手段はファイバ結合型偏光ビームスプリッタであって、前記直交する２つの偏波成分の各電場成分が、各々のスロー軸に一致するようにその偏波軸の向きを設定した２本の偏波保持ファイバと接続されることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、前記偏波多重信号光を偏波多重分離する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタからの各偏波を位相感応光増幅する２つの二次非線形光学素子モジュールとを含む偏波ダイバシティ構成と、前記偏波ダイバシティ構成の前記二次非線形光学素子モジュールの各々へ、再生した励起光を供給する上述のいずれかの励起光再生成装置とを備えたことを特徴とする光中継増幅器である。

以上説明したように、本発明により偏波多重光信号の励起光を安定して再生する励起光再生成装置が提供される。

図１は、単偏波対応のＰＳＡを含む光通信システムの構成を示す図である。 図２は、図１の光伝送システムにおける送信器の構成を示す図である。 図３は、偏波多重光信号対応の従来技術のＰＳＡ構成を示す図である。 図４は、偏波多重光信号対応の従来技術の別のＰＳＡ構成を示す図である。 図５は、本発明の実施形態１の励起光再生成装置のブロック図である。 図６は、本発明における励起光出力レベル入射偏光角度依存性の図である。 図７は、本発明の実施形態２の励起光再生成装置のブロック図である。 図８は、本発明における励起光出力レベル入射偏光角度依存性の図である。

本発明の励起光再生成装置は、励起光の直交する２つの偏波成分を偏波分離手段（例えばＰＢＳ）により分離し、励起光に注入同期するスレーブレーザの発振偏光方向と同一の単一の偏光状態に揃える。単一の偏光状態に揃えられた２つの偏波成分を選択または合成をして、同期注入型のスレーブレーザへ注入される励起光のレベル低下を最小限に抑える。

偏波分離手段により分離された直交する２つの偏波成分を、いずれか一方のより大きいレベルの成分が選択されるように光スイッチで光路を切替えて、スレーブレーザへ励起光が注入されるように動作させても良い（実施形態１）。また、偏波分離手段により分離された直交する２つの偏波成分を、スレーブレーザの発振偏光と同一の単一の偏光状態に揃え、位相調整器によって一方の偏波成分の位相調整を行ってから再び合波し、合波光が最大レベルとなるように動作させても良い（実施形態２）。本発明の励起光再生成装置により、スレーブレーザへの励起光注入レベルは最大でも３ｄＢの低下に止まり、励起光の入射偏光角度に関わらず注入同期動作が安定して維持される。従来技術の励起光再生成装置と比べて、ＳＭＦを伝送してきた励起光から安定して励起光を再生できる。位相感応光増幅器による偏波多重信号光の光増幅において不十分であった、励起光再生における偏波無依存化を実現できる。

本発明の励起光再生成装置によって再生した励起光を偏波ダイバシティ構成に供給し、偏波無依存化および偏波多重信号光の光増幅が実現される。以下の説明では、用語「偏波状態」および「偏光状態」、「偏波成分」および「偏光成分」は、それぞれ同じ意味を表すものとする。以下、本発明の励起光再生成装置の異なる実施形態について図面を参照しながら説明する。

［実施形態１］
図５は、本発明の実施形態１に係る励起光再生成装置の構成を示すブロック図である。励起光再生成装置５０は、図３および図４における従来技術の励起光再生成装置３０、４０に対応するものである。励起光再生成装置５０は、偏波ダイバシティ構成の中の２つの二次非線形光学素子モジュール（ＰＰＬＮモジュール）へ、それぞれ再生した励起光を供給する。

ファイバカプラ（図３の３２、図４の４２）によって伝送路から分岐した励起光を含む光波群６２は、励起光６３のみが光バンドパスフィルタ５２で取り出される。取り出された励起光６３を偏波分離手段、例えばファイバ結合型ＰＢＳ５２に入射し、直交した２つの偏波（偏光）成分６４、６５に分離する。ＰＢＳ５２を透過した、２つの偏波成分６４、６５は、それぞれ偏波保持ファイバ６０、６１のスロー軸方向に電場成分があるように調整されている。すなわち、一方の偏波保持ファイバ６１を、他方の偏波保持ファイバ６０に対して９０°捻ってＰＢＳ５２の２つの出力ファイバと接続する。このように接続することで、ＰＢＳ５２から分離した２つの偏波成分６４、６５が、注入同期スレーブレーザ５９の発振偏光に対して揃った向きの単一の偏光となるように構成される。したがってファイバ結合型ＰＢＳの場合であれば、直交する２つの偏波成分の各電場成分が、各々のスロー軸に一致するようにその偏波軸の向きを設定した２本の偏波保持ファイバ６０、６１によって、後続の２つの光分岐器５４−１、５４−２にそれぞれ接続されることになる。

偏波保持ファイバ６０、６１のそれぞれの光路には、分岐比が同じ光分岐器５４−１、５４−２が挿入され、カプラの入射に対して１０:１の比で分岐される。分岐器は、例えば光量分割カプラをはじめ、様々な実現手段がある。光分岐器５４−１、５４−２の分岐比の小さい側の出力ポートからの光６６、６７をそれぞれ差動増幅光検出器５５に入射する。差動増幅光検出器５５は、２つの光検出器５５−１、５５−２を有している。２つの光検出器５５−１、５５−２は差動動作する。具体的には、このとき図面上側の偏波保持ファイバ６０の光路を通る光量が下側の偏波保持ファイバ６１の光路を通る光量よりも大きいときは正の電圧６８を、逆に小さいときは負の電圧６８を出力する。光分岐器５４−１、５４−２の分岐比の大きい側の出力ポートからは、２つの偏波成分６４、６５の大部分の光が透過し、各透過光が光スイッチ５７の２つの入力ポートにそれぞれ接続される。本実施形態の励起光再生成装置５０では、ＰＢＳ５２後の光分岐器５４−１、５４−２の分岐比は１０：１としたが、システムの特性に応じてこの分岐比を変えても良い。また、必ずしも２つの光分岐の分岐比が同じでなくても良い。要するに、２つの直交する偏波成分の光レベルの比較ができる限りは、光分岐器５４−１、５４−２の分岐比が異なっていても良い。

差動増幅光検出器５５からの電気信号５８は、弁別回路および光スイッチドライバ５６に入力される。弁別回路および光スイッチドライバ５６は、電気信号５８として正の電圧が入力される時は＋５Ｖ（ＨＩ）を出力し負の電圧が入力される時は０Ｖ（ＬＯ）のＴＴＬ信号６９を出力する。ＴＴＬ信号６９は、光スイッチ５７の切り替え制御入力となる。光スイッチ５７は、ＴＴＬ信号６９がＨＩ状態では図面で上側の偏波保持ファイバ６０の光路の光を選択して取り出し、ＬＯ状態では下側の偏波保持ファイバ６１の光路の光を選択して取り出す。
したがって本発明は、励起光を再生する励起光再生成装置５０であって、前記励起光を、直交する２つの偏波成分に分離する偏波分離手段５２と、前記直交する２つの偏波成分の各々の光量に基づいて、前記直交する２つの偏波成分の一方を選択する光スイッチ５７と、前記選択された偏波成分の光の注入同期によって発振する半導体レーザ５９とを備えたものとして実施できる。

図６は、本実施形態の励起光再生成装置における光ＳＷの出力レベルの入射偏光角度依存性を表した図である。横軸は、直線偏光の回転のみを考えたときのＰＢＳ５２への入射励起光の偏光回転角度を示し、０°はＰＢＳ５２への入射時の偏光がｓ偏光状態、９０°はｐ偏光状態を示す。縦軸は、ＰＢＳ５２から光ＳＷ５７までの各光学素子に損失がないとした場合の、入力光パワーに対する出力光パワーの減少量を示す。したがって図６において減少量が０の時は、ＰＢＳ５２から光ＳＷ５７までで損失が無いことになる。図６のグラフからわかるように、出力光パワーの減少量は最大でも３ｄＢ（５０％の減少）である。ここで、図６の入射偏光角度が０〜４５°の範囲では、図５のＰＢＳ５２の出力における上側の偏波保持ファイバ６０の光路を通る光が選択されている。一方、図６の入射偏光角度が４５〜９０°の範囲では、図５のＰＢＳ５２の出力における下側の偏波保持ファイバ６１の光路を通る光が選択されている。

光スイッチ５７によって選択され透過した励起光は、サーキュレータ５８に入射し、スレーブレーザ５９に注入同期をする。スレーブレーザ５９において励起光のパワーおよび光信号雑音比を回復させ、再びサーキュレータ５８を経由して、再生した励起光出力６９が出力される。励起光出力６９は、例えば図３のＰＳＡ３０または図４のＰＳＡ４０に供給される。

上述の図５の構成では、ＰＢＳ５２の２つの出力に、２本の偏波保持ファイバ６１、６０を接続し、一方の偏波保持ファイバを９０°捻って接続する例を示した。したがって、２つの光分岐器５４−１、５４−２に入力される時点で、２つの偏波成分は同一方向に揃っている。本発明の励起光再生成装置では、ＰＢＳ５２で２つの偏波成分に分離した後であって、スレーブレーザ５９に各偏波成分が到達するまでに一方の偏波成分を９０°回転させて、スレーブレーザ５９で偏波成分の方向が同一に揃っていれば良い。光検出器５５−１、５５−２による各偏波成分の検出レベルは、偏波状態に関係なく可能であるので、一方の偏波成分の９０°回転は、光分岐器５４−２の後で行っても良い。このときは、光分岐器５４−２は、第２の偏波成分の光を分岐する。

励起光を含む信号光は、励起光再生成装置に到達するまでにＳＭＦを数１０ｋｍ以上に及ぶ長距離伝送をする間に、振動や温度変化などによってその偏波状態が刻々と変化する。本発明の励起光再生成装置５０において、光スイッチ５７および差動増幅光検出器５５から光スイッチドライバ５６までの電気信号の応答時間は１０μｓ以下である。伝送路ファイバを経て得られた励起光に偏波状態の突然の変化があっても、本発明の励起光再生成装置では、瞬時にこの変化に応答できる。スレーブレーザへの励起光の注入レベル低下を抑えて、スレーブレーザで安定に注入同期を達成できる。偏波ダイバシティ構成を持つ偏波多重光信号に対応したＰＳＡにおいて、データ変調信号の位相感応光増幅中も、励起光の消失によるデータ欠落を最小限に止められる。

従来技術の励起光再生成装置では、励起光をＢＰＦで取り出した後、直ちにスレーブレーザに入力していた。ＳＭＦで偏波回転が励起光に与えられると、スレーブレーザにおいて励起光は発振偏光方向に直交する状態となり、注入同期を停止し励起光の供給が停止する場合があった。これに対して本実施形態の励起光再生成装置５０では、光ＳＷによって励起光の一方の偏波成分を選択するだけの簡単な構成によって、スレーブレーザにおける励起光のレベル低下量を３ｄＢまでに抑えられる。励起光の偏波状態の変動の影響を抑えて、励起光を安定に再生し、励起光再生成装置の偏波無依存動作を実現できる。本実施形態の励起光再生成装置では、ＰＢＳ５２からアイソレータ５８に至るまでにおいてファイバモジュールタイプの光学素子を組み合わせた例を示した。しかし、ファイバモジュールタイプのデバイスだけに限られず、シリコンフォトニクスをはじめとするプロセス集積技術による集積デバイスを使用しても良い。

［実施形態２］
図７は、本発明の実施形態２に係る励起光再生成装置の構成を示すブロック図である。実施形態１では、ＰＢＳからの２つの偏波成分の一方を選択することによって励起光の低下を抑えていたが、本実施形態の励起光再生成装置７０の構成では、ＰＢＳ７２からの２つの偏波成分を合成する。

ファイバカプラ（図３の３２、図４の４２）によって伝送路から分岐した励起光を含む光波群８３は、励起光８４のみが光バンドパスフィルタ７１で取り出される。取り出された励起光８４をファイバ結合型ＰＢＳ７２に入射し、直交した２つの偏波成分８５、８６に励起光を分離する。ＰＢＳ７２を透過した、２つの偏波成分６４、６５は、それぞれ偏波保持ファイバ８１、８２のスロー軸方向に電場成分があるように調整されている。すなわち、一方の偏波保持ファイバ８２を、他方の偏波保持ファイバ８１に対して９０°捻ってＰＢＳ７２の２つの出力ファイバと接続する。このように接続することで、ＰＢＳ７２から分離した２つの偏波成分８１、８２が、注入同期スレーブレーザ７８の発振偏光方向に対して揃った向きの単一の偏波（偏光）となるように構成される。

ＰＢＳ７２によって分離される２つの出力の一方の光路（偏波保持ファイバ８１側の光路）には位相検出用のディザを加えるディザリング装置７３が配置される。ディザリング装置７３は、ＰＢＳ７２から分離した偏波成分８５に一定周波数（周期）の位相振動を付加することができる。もう一方の光路（偏波保持ファイバ８２側の光路）には位相調整器７４が配置されている。位相調整器７４は、ファイバストレッチャーと呼ばれるような圧電素子（ＰＺＴ）など物理的にファイバを伸び縮みさせるもの、励起光を空間に飛ばしてＰＺＴなどで光路長を変えるもの、ＬＮに代表される位相変調器などを含む。

ディザリング印加装置７３を透過した位相振動を付加された光および位相調整器７４を透過した位相調整された光は、３ｄＢカプラ７５によって合波される。光量分割カプラ（光分岐器）７６によって、合波光の一部を取り出し、分割された光８８を光検出器７９によって検波する。位相比較およびＰＩＤ制御部８０において、検波された光電変換後の信号８９をディザリング周波数で復調することで位相比較された誤差信号が得られる。この誤差信号に基づいてＰＩＤコントローラによってＰＩＤ信号９０を生成し、位相調整器８６にフィードバックする。位相比較およびＰＩＤ制御部８０は、３ｄＢカプラ７５の後の合波光の光量が最大になるように、位相調整器８６によって位相調整を行う。

図８は、本実施形態の励起光再生成装置の３ｄＢカプラの出力における励起光レベルの入射偏光角度依存性を表した図である。図６と同様に、横軸は直線偏光の回転のみを考えたときのＰＢＳ７２への入射励起光の偏光回転角度を示し、０°はＰＢＳ７２への入射時の偏光がｓ偏光状態、９０°はｐ偏光状態を示す。縦軸は、ＰＢＳ７２から３ｄＢカプラ７５までの各光学素子に損失がないとした場合の、入力光パワーに対する出力光パワーの減少量を示す。したがって図８において減少量が０の時は、ＰＢＳ７２から３ｄＢカプラ７５までで損失が無いことになる。ＰＢＳ７２から、ディザリング装置７３および位相調整器７４をそれぞれ含む２つの光路を経て３ｄＢカプラ７５に至る構成は、マッハツエンダ干渉計（Mach-Zehnder Interferometer：ＭＺＩ）と同様の構成を持つ。このため、ＭＺＩの２つのアームの光パワーが均等になる時、すなわち励起光の入射偏光回転角度が４５°となる時に、位相調整器７４によって位相調整を行えば、３ｄＢカプラ７５で合成した励起光は損失無く出力される。

光量分割カプラ７６透過した２つの偏波成分の合波光は、サーキュレータ７７に入射し、スレーブレーザ７８に注入同期をする。スレーブレーザ７８において励起光のパワーおよび光信号雑音比を回復させ、再びサーキュレータ７７を経由して、再生した励起光出力８７が出力される。再生した励起光出力は、例えば図３のＰＳＡ３０または図４のＰＳＡ４０に供給される。

したがって本発明は、励起光を再生する励起光再生成装置７０であって、前記励起光を、直交する２つの偏波成分に分離する偏波分離手段７２と、前記直交する２つの偏波成分の第１の偏波成分の光に、一定周波数の位相振動を付加するディザリング装置７３と、前記直交する２つの偏波成分の第２の偏波成分の光、または、当該第２の偏波成分を９０°偏波回転させた光の位相調整をする位相調整器７４と、前記位相振動を付加された光と、前記位相調整されかつ９０°偏波回転された光とを合波するカプラ７５と、前記カプラからの合波光のレベルに基づいて、前記位相調整器の位相を調整する制御回路と、前記合波光の注入同期によって発振する半導体レーザ７８とを備えたものとして実施できる。

上述の図７の構成では、ＰＢＳ７２の２つの出力に、２本の偏波保持ファイバ８１、８２を接続し、一方の偏波保持ファイバを９０°捻って接続する例を示した。したがって、ディザリング装置７３および位相調整器７４に入力される時点で、２つの偏波成分は同一に揃っている。本発明の励起光再生成装置では、ＰＢＳ５２で２つの偏波成分に分離した後であって３ｄＢカプラ７５で合波する前に一方の偏波成分を９０°回転させて、スレーブレーザ５９で偏波成分が同一に揃っていれば良い。位相調整器７４による位相調整は偏波状態に関係なく可能であるので、一方の偏波成分の９０°回転は、位相調整器７４の後で行っても良い。

本実施形態の励起光再生成装置７０においては、ディザリング周波数は一例として１ＭＨｚとした。使用する光ファイバの種類や伝送路の環境に応じ、偏波変化に対応するのに必要な応答速度によって、または使用するＰＩＤ制御部品の性能によって、ディザリング周波数は１ＭＨｚより低くても高くても良い。光検出器７９における検波出力電圧８９から誤差信号を経てＰＩＤ制御信号９０までの信号帯域は、１００ｋＨｚ以上である。この信号帯域についても同様に限定されない。伝送路ファイバ（ＳＭＦ）を経て得られる励起光の偏波に突然の変化があっても、本発明の励起光再生成装置では、瞬時にこの偏波の変化に応答できる。スレーブレーザへの励起光注入レベルの低下を抑えて、安定に注入同期を達成できる。偏波ダイバシティ構成を持つ偏波多重光信号に対応したＰＳＡにおいて、データ変調信号の位相感応光増幅中も、励起光の消失によるデータ欠落を最小限に止められる。

従来技術の励起光再生成装置では、励起光をＢＰＦで取り出した後、直ちにスレーブレーザに入力していた。励起光にＳＭＦで偏波回転が与えられると、スレーブレーザにおいて励起光は発振偏光方向に直交する状態となり、注入同期が停止し励起光の供給が停止する場合があった。これに対して本発明の励起光再生成装置７０では、位相調整器７４を用いて位相調整を行い、ＭＺＩと同様の簡単な構成によって、励起光のレベル低下量を３ｄＢまでに抑えられる。偏波多重光信号からの励起光の偏波状態変動の影響を抑えて、励起光を安定して再生し、偏波無依存動作を実現できる。

本実施形態の励起光再生成装置では、ＰＢＳ７２からアイソレータ７７に至るまでにおいてファイバモジュールタイプの光学素子を組み合わせているが、シリコンフォトニクスをはじめとするプロセス集積技術による集積デバイスを使用しても良い。

以上詳細に述べたように本発明の励起光再生成装置によって、励起光の偏波状態のいかんに関わらず、注入同期によって発振する半導体レーザへの励起光レベル低下を抑え、安定した励起光再生が実現できる。ＰＢＳで分離した励起光の２つの偏波成分を選択または合成処理する簡単な構成によって、励起光再生成装置における偏波無依存化が効果的に実現される。

本発明は、光通信システムに利用できる。具体的には、偏光状態が変化する伝送路を透過した後の光増幅技術に利用できる。

１、３１、４１ ＳＭＦ
２、３２、４２、５４−１、５４−２、７６ 光分岐器
３ 光中継増幅器
４、３３、４３、５０、７０ 励起光再生成装置
５ ＥＤＦＡ
２０ 送信器
３０ 偏波ダイバシティ構成
３５、３７、４６、５２、７２ 偏波分離スプリッタ（偏波分離手段）
５１、７１ バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
５５ 差動光検出器
５７ 光スイッチ
５８、７７ 光アイソレータ
５９、７８ スレーブレーザ
６０、６１、８１、８２ 偏波保持ファイバ
７３ ディザリング装置
７４ 位相調整器
７５ ３ｄＢカプラ

Claims (8)

1. 励起光を再生する励起光再生成装置であって、
   前記励起光を、直交する２つの偏波成分に分離する偏波分離手段と、
   前記直交する２つの偏波成分の各々の光量に基づいて、前記直交する２つの偏波成分の一方を選択する光スイッチと、
   前記選択された偏波成分の光の注入同期によって発振する半導体レーザと
   を備えたことを特徴とする励起光再生成装置。
2. 前記直交する２つの偏波成分の第１の偏波成分の光を、一方の出力へ分岐する第１の光分岐器と、
   前記直交する２つの偏波成分の第２の偏波成分の光、または当該第２の偏波成分を９０°偏波回転させた光を、一方の出力へ分岐する第２の光分岐器と
   をさらに備え、
   前記光スイッチは、前記第１の光分岐器からの分岐光レベルと、前記第２の光分岐器からの分岐光レベルとの比較に基づいて、前記第１の光分岐器の他方の出力からの透過光または前記第２の光分岐器の他方の出力からの透過光のいずれかを選択することを特徴とする請求項１に記載の励起光再生成装置。
3. 前記第１の光分岐器からの前記分岐光レベルと、前記第２の光分岐器からの前記分岐光レベルとの差に基づいて、電気信号を出力する差動増幅光検出器と、
   前記電気信号に基づいて、前記光スイッチの選択信号を生成する光スイッチ駆動回路と
   をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の励起光再生成装置。
4. 前記偏波分離手段はファイバ結合型偏光ビームスプリッタであって、前記直交する２つの偏波成分の各電場成分が、各々のスロー軸に一致するようにその偏波軸の向きを設定した２本の偏波保持ファイバと接続されることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の励起光再生成装置。
5. 励起光を再生する励起光再生成装置であって、
   前記励起光を、直交する２つの偏波成分に分離する偏波分離手段と、
   前記直交する２つの偏波成分の第１の偏波成分の光に、一定周波数の位相振動を付加するディザリング装置と、
   前記直交する２つの偏波成分の第２の偏波成分の光、または、当該第２の偏波成分を９０°偏波回転させた光の位相調整をする位相調整器と、
   前記位相振動を付加された光と、前記位相調整されかつ９０°偏波回転された光とを合波するカプラと、
   前記カプラからの合波光のレベルに基づいて、前記位相調整器の位相を調整する制御回路と、
   前記合波光の注入同期によって発振する半導体レーザと
   を備えたことを特徴とする励起光再生成装置。
6. 前記制御回路は、前記カプラからの合波光から検波信号を生成し、前記検波信号から前記一定周波数の位相振動の誤差信号を生成し、前記誤差信号に基づいて前記カプラからの前記合波光のレベルを最大化するように前記位相調整器の位相を調整するＰＩＤ制御回路であることを特徴とする請求項５に記載の励起光再生成装置。
7. 前記偏波分離手段はファイバ結合型偏光ビームスプリッタであって、前記直交する２つの偏波成分の各電場成分が、各々のスロー軸に一致するようにその偏波軸の向きを設定した２本の偏波保持ファイバと接続されることを特徴とする請求項５に記載の励起光再生成装置。
8. 前記偏波多重信号光を偏波多重分離する偏光ビームスプリッタと、
   前記偏光ビームスプリッタからの各偏波を位相感応光増幅する２つの二次非線形光学素子モジュールと
   を含む偏波ダイバシティ構成と、
   前記偏波ダイバシティ構成の前記二次非線形光学素子モジュールの各々へ、再生した励起光を供給する請求項１乃至７いずれかに記載の励起光再生成装置と
   を備えたことを特徴とする光中継増幅器。

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