JP2019161476A - 光信号送信器 - Google Patents

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Abstract

【課題】光送信器は、その動作状態や環境温度の変化によって内部温度が不均一に分布し、刻々と変化し得る。装置外の環境や運用状態によっては外部からの振動も装置内の部品間の接続光ファイバや光学部品に加わる。光送信器における２つの信号光アーム間の相対位相にゆらぎを持っていると、光ファイバを伝送した後の偏波ダイバシティ構成において、２つの偏波が混在したＰＤＭ信号の位相感応増幅動作に直接悪影響を与える。【解決手段】本発明は、安定したＰＤＭ信号を出力する新規な光送信器の構成を提供する。新規な光送信器は、ループ型構成の位相共役光生成器の中に含まれる単一の二次非線形光学素子を使って位相共役光を生成する。２つ偏波成分の間で、励起光に対する主信号光およびその位相共役光の相対位相が安定し、位相状態が安定した偏波多重信号−位相共役光対を含むＰＤＭ信号を生成し送信できる。【選択図】図７

Description

本発明は、光通信システムや光計測システムで用いられる光送信器およびそれを用いた光伝送システムに関する。
従来の光伝送システムでは、光ファイバを伝搬して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後に光信号を再生する識別再生光中継器が用いられた。識別再生光中継器では、光−電気変換する電子部品の応答速度制限や、消費電力増大の問題があった。そこで、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光のままで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登場した。これらレーザ増幅器は、劣化した信号光波形を整形する機能を有していなかった。逆に、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全く無関係に混入され、増幅前後で信号光のＳ／Ｎが少なくとも３ｄＢ低下する。Ｓ／Ｎ低下は、ディジタル信号伝送時における伝送符号誤り率を上昇させ、伝送品質を低下させていた。
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。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、信号と同相の自然放出光も最小限で済む。このために原理的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できる。
図１は、従来技術のＰＳＡの基本的な構成を示す図である。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光分岐部１０４−１及び第２の光分岐部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、位相感応光増幅部１０１に入射する。位相感応光増幅部１０１は、入力した信号光１１０および励起光１１１に基づいて出力信号光１１２を出力する。
位相感応光増幅部１０１は、信号光１１０の位相および励起光１１１の位相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する。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を発生しない。このため、Ｓ／Ｎ比を劣化させずに信号光１１０を増幅できる。
信号光１１０および励起光１１１の位相同期を達成するために、励起光位相制御部１０３は、第１の光分岐部１０４−１で分岐された信号光１１０の位相と同期するように励起光１１１の位相を制御する。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。
上述のパラメトリック増幅を行う非線形光学媒質には、周期分極反転ＬｉＮｂＯ３（ＰＰＬＮ）導波路に代表される二次非線形光学材料および石英ガラスファイバに代表される三次非線形光学材料がある。
図２は、ＰＰＬＮ導波路を用いた従来技術のＰＳＡの構成を示す図である（非特許文献１参照）。図２に示したＰＳＡ２００は、エルビウム添加ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）２０１と、第１の二次非線形光学素子２０２および第２の二次非線形光学素子２０４と、第１の光分岐部２０３−１および第２の光分岐部２０３−２と、位相変調器２０５と、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、を備える。第２の二次非線形光学素子２０４も、同様の構成を持ち詳細な説明を省略する。
図２の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に入射する。分岐光の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。ＥＤＦＡ２０１は、入射した励起基本波光２５１を十分に増幅し、第１の二次非線形光学素子２０２に入射する。第１の二次非線形光学素子２０２は、ＥＤＦＡ２０１により、微弱な励起基本波光２５１から非線形光学効果を得るのに十分なパワーを得ることができる。第１の二次非線形光学素子２０２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が発生する。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およびＳＨ光２５２によって縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応光増幅を行い、出力信号光２５３を出力する。
ＰＳＡにおいては、励起光と位相の合った信号光のみを増幅するために、上述のように信号光の位相と励起光の位相とが一致するか、または、πラジアンだけずれている必要がある。すなわち二次の非線形光学効果を用いる場合は、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。ここで、ｎは整数とする。
Δφ＝１／２（φ２ωs−φωs）＝ｎπ 式（１）
図３は、従来技術の二次非線形光学効果を利用したＰＳＡにおける、入力信号光‐励起光間の位相差Δφと利得との関係を示す図である。横軸の位相差Δφが−π、０、またはπのときに、縦軸の利得（ｄＢ）が最大となっていることがわかる。
信号光２５０と励起基本波光２５１との間の位相同期のために、まず位相変調器２０５で微弱なパイロット信号により励起基本波光２５１に位相変調を施し、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に示した位相差Δφが最小となって、位相同期が取れている状態で最小となる。したがって、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ＰＬＬ回路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の位相を光ファイバ伸長器２０６によって制御して、信号光２５０と励起基本波光２５１との間の位相同期を達成できる。
光通信の高速・大容量化の要請の中で、以下述べるように、対応する変調方式や多重化方式の点でＰＳＡの適用範囲が広がっている。図３に示したように、ＰＰＬＮ導波路を用いた従来のＰＳＡ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、通常の強度変調や二値の位相変調を用いる強度変調・直接検波（ＩＭＤＤ:Intensity Modulation-Direct Detection）、２値位相変調（ＢＰＳＫ：Binary Phase Shift Keying）、差動位相偏移変調（ＤＰＳＫ：Differential Phase Shift Keying）等の変調信号の増幅に適用できる。しかし、さらに多値の変調フォーマットであるＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）や８ＰＳＫ等の変調信号の増幅はできなかった。
多値の変調フォーマットにおいて信号光からキャリア抽出するためには、変調信号の多値度が上がるほど、より多くの非線形過程を用いる必要がある。そのような場合、信号光からキャリア抽出によって生成した基本波光のＳ／Ｎを保つことが難しい。また、非線形過程を複数回用いたキャリア抽出方法の構成では、複数の信号を波長多重したＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）信号を一括して増幅することができなかった。
そこで非特許文献２および非特許文献３は、信号光およびその位相共役光の対を用いた非縮退のパラメトリック増幅に基づく構成をとることで、ＱＰＳＫ等の変調信号を位相感応光増幅できる構成を開示している。非特許文献２は三次の非線形光学材料の石英ガラスファイバを用いた方法を、非特許文献３は二次の非線形光学材料のＰＰＬＮを用いた方法を開示している。
図４は、信号光として主信号光およびその位相共役光からなる対を用いた、従来技術の非縮退パラメトリック増幅によるＰＳＡ４００の構成を示した図である。図４のＰＳＡ４００は、光送信器４０１および位相感応増幅器４２０から構成されている。
光送信器４０１は、波長多重化した信号光４０５を発生するために、互いに異なる波長のＣＷ光を出力する信号光源４０２（例えば１６個のＬＤ１〜１６）と、各ＬＤに対応する変調器４０３と、アレイ導波路グレーティング４０４（Array Waveguide Gratings：ＡＷＧ）とを備えている。また、励起光の生成のために、局部発振光源（ＬＯ）４０７と、光分岐４０８と、ＥＤＦＡ４０９と、ＢＰＦ４１０と、ＳＨ光発生（Second Harmonic Generation：ＳＨＧ）用の二次非線形光学素子４１１と、差周波光発生（Difference Frequency Generation：ＤＦＧ）用の二次非線形光学素子４０６とを備えている。
位相感応光増幅器４２０は、励起光の生成のために、位相変調器（ＰＭ）４３１と、ＥＤＦＡ４３２と、ＢＰＦ４３３と、ＳＨＧ用の二次非線形光学素子４３４とを備える。さらに光パラメトリック増幅および位相制御のために、固定遅延線４２４と、ＰＺＴ圧電素子を用いた光ファイバ伸縮器４２５と、光パラメトリック増幅（Optical Parametric Amplification：ＯＰＡ）用の二次非線形光学素子４２６と、光分岐４２７と、ＢＰＦ４２８３と、光検出器４２９と、ＰＬＬ回路４３０とを備えている。
光送信器４０１は、複数の信号光源４０２（ＬＤ１〜ＬＤ１６）の各々に変調器４０３でデータ信号を重畳した後に、ＡＷＧ４０４を用いて波長多重を行う。信号光源４０２とは別の局部発振光源４０７から出力される基本波励起光４４０から、ＳＨＧ用の二次非線形光学素子４１１によってＳＨ光４４１を発生させる。その後、ＤＦＧ用の二次非線形光学素子４０６を用いてＳＨ励起光４４１と主信号光群４０５との差周波光を発生させる。ここで発生した差周波光は、主信号光４０５の位相共役光（アイドラ光）である。光送信器４０１からは、主信号光群４２１およびアイドラ光群４２３の対からなる信号光群４４２と、基本波励起光の一部４４３を出力している。尚、主信号光群４２１およびアイドラ光群４２３に対して、基本波励起光の周波数（波長）は点線４２２に示した位置にある。
光送信器４０１から出力された基本波励起光４４３は、位相感応増幅器４２０において、位相変調器４３１によって位相制御され、ＥＤＦＡ４３２に入射する。ＥＤＦＡ４３２は、位相変調器４３１から出力された基本波励起光を増幅する。バンドパスフィルタ４３３は、ＥＤＦＡ４３２によって発生したノイズ光を除去し、基本波励起光のみを透過させる。ＳＨＧ用の二次非線形光学素子４３４は、バンドパスフィルタ４３３から出力された基本波励起光からＳＨ光を発生させ、このＳＨ光を励起光４４４として二次非線形光学素子４２６に入射させる。
固定遅延線４２４は、信号光群４４２と励起光４４３との遅延時間調整のため、光送信器４０１から出力された信号光群４４２を所定の時間だけ遅延させる。固定遅延線４２４を通過した信号光群は、光ファイバ伸縮器４２５によって位相制御されて、ＯＰＡ用の二次非線形光学素子４２６に入射する。二次非線形光学素子４２６は、パラメトリック増幅効果により、信号光群およびアイドラ光群を増幅する。
光分岐４２７は、増幅された信号光群の一部を分岐させる。バンドパスフィルタ４２８は、信号光群の中から任意の１波長のみを通過させて光検出器４２９に入射させる。光検出器４２９は、入射した光を電気信号に変換する。ＰＬＬ回路４３０は、光検出器４２９で検出される電気信号が最大となるように光ファイバ伸縮器４２５にフィードバックを行う。光ファイバ伸縮器４２５は、ＰＬＬ回路４３０の制御出力に応じて、信号光群４４２が伝搬する光ファイバを伸縮させる。信号光群４４２の位相を制御することで、主信号光群４２１およびアイドラ光群４４２と、励起光４４３との間の位相同期を達成できる。
近年のデジタルコヒーレント光通信システムにおいては、偏波多重分離（ＰＤＭ: Polarization Division Multiplexing）技術による偏波多重信号も用いられる。ＰＰＬＮ導波路等の非線形光学媒質は一般に偏波依存性を持つため、従来技術のＰＳＡでは偏波多重信号の増幅を行うことができなかった。これに対し、非特許文献４および非特許文献５は、次に図５で説明する２つの非線形光学媒質を用いた偏波ダイバシティ構成によって、偏波多重信号に対して位相感応光増幅する構成を開示している。
図５は、従来技術の偏波多重信号光を伝送する光伝送システムの概要を示す図である。光伝送システム５００は、光送信器５０１と、光ファイバ伝送路５０３と、偏波ダイバシティ構成５２０を持つ光増幅装置からなる。偏波ダイバシティ構成５２０では、光ファイバ５１０を伝送された偏波多重信号は、偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）５２１で分離される。分離した２つの偏波成分に対してそれぞれ非線形光学素子からなる位相感応光増幅器５２２、５２３で光増幅を行った後、ＰＢＳ５２４で再度合波する。後述するように、偏波多重信号光を伝送する光伝送システムの送信信号であるＰＤＭ信号は、直交する偏波間で独立に、別々の異なるデータによって変調される。また、送信器とＰＳＡが近接していた図４の構成と異なり、図５の光伝送システムでは光送信器５０１および偏波ダイバシティ構成５２０が離れている。このため、励起光はＰＤＭ信号とともに伝送される。
T. Umeki, O. Tadanaga, A. Takada and M. Asobe, "Phase sensitive degenerate parametric amplification using directly-bonded PPLN ridge waveguides," Optics Express, 2011年, Vol.19, No.7, p.6326-6332 M. Asobe, T. Umeki, H. Takenouchi, and Y. Miyamoto,"In-line phase-sensitive amplifier for QPSK signal using multiple QPM LiNbO3 waveguide,"In Proceedings of the OptoElectronics and Communications Conference, OECC, 2013年, PDP paper PD2-3 T. Umeki, O. Tadanaga, M.Asobe, Y. Miyamoto and H. Takenouchi., "First demonstration of high-order QAM signal amplification in PPLN-based phase sensitive amplifier," Optics Express, 2014年2月, Vol.22, No.3, p.2473-2482 T.Umeki，et al.，"PDM Signal Amplification Using PPLN-BasedPolarization-Independent Phase-Sensitive Amplifier"，JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，2015年，Vol.33，No. 7，pp.1326-1332 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、従来技術の偏波多重信号光を伝送する光伝送システムでは、以下に述べるような光送信器における偏波状態の不安定性に起因する問題があった。主信号光およびその位相共役光からなる対を用い、非縮退のパラメトリック増幅によるＰＳＡを利用するためは、異なる波長のすべての対について直交する偏波成分のそれぞれにおいて位相同期条件が満たされる必要がある。図５に示したような従来技術の光伝送システムの光送信器５０１における偏波多重信号光の生成方法では、偏波ダイバシティ構成５２０の位相感応光増幅器において増幅動作が不安定となる問題があった。
再び図５を参照して光送信器の構成および動作を概観する。光送信器５０１は、異なる主信号光−位相共役光の対を生成する２つの信号アーム（ルート）から構成される。光送信器５０１の信号光光源５０２からのＣＷ光は、光変調器により２つの直交する偏波（ＴＥ偏光およびＴＭ偏光）に対して異なるデータ信号で変調を加える。偏波多重信号光５３０は、ＰＢＳ５０４を用いて２つの偏波成分に分離される。分離された一方の偏波（ＴＥ偏光）の偏波多重信号光５３１を偏波回転子５０８で９０°回転させ、それぞれの信号アームでＴＭ偏光の状態に揃える。その後、それぞれ非線形光学素子からなる位相感応光増幅器５０６、５０７で主信号光に対する位相共役光を生成する。ＴＭ偏光へ回転させ位相共役光を生成した偏波を偏波回転子５０９で元のＴＥ偏光５３２に戻した上で、ＰＢＳ５０５により合波して、偏波多重化された直交した信号-位相共役光対すなわちＰＤＭ信号５３３が出力される。
光送信器５０１からのＰＤＭ信号５３３は、伝送路である光ファイバ５１０中でその偏波が回転する。偏波回転を受けたＰＤＭ信号５３４が偏波ダイバシティ構成５２０に入力されると、初段のＰＢＳ５２１の２つの偏波軸に対して射影された光電界成分に分岐される。つまり、元の２つの直交する偏波成分がそれぞれ混ざった状態で非線形光学素子５２２、５２３に入射される。
図６は、従来技術のＰＤＭ光の光伝送システムにおける偏波の状態を概念的に説明する図である。図６の（ａ）は、光送信器５０１の出力のＡ点におけるＰＤＭ信号５５３の直交する２つの偏波を示している。横軸をｓ偏光（偏光）状態とすれば縦軸はｐ偏光（偏光）状態を示す。図６の（ｂ）は、光ファイバ５１０を伝送後のＢ点でのＰＤＭ信号５３４の偏波状態を示し、光送信器５０１の出力点ＡのＰＤＭ信号５３３に対して、光ファイバの全体で累積的に生じる偏波回転が加えられている。図６の（ｃ）は、初段のＰＢＳ５２１によって偏波分離された後のＣ１点およびＣ２点での信号光５３６、５３５の各偏波軸の電界成分を示している。Ｂ点でのＰＤＭ信号５３４の各偏波成分は、ＰＢＳ５２１の２つの軸へ射影した成分が混ざった状態で分離される。
独立して位相感応光増幅を行う位相感応光増幅器５２２、５２３では、それぞれ、図２に示したような位相同期の構成により出力の一部をモニタし、その出力が最大となるように励起光および信号光群の間の相対位相を調整するフィードバックを掛ける。偏波ダイバシティ構成５２０では、図６の（ｃ）のように２つの直交する偏波成分がそれぞれ混ざった状態で入射される。２つの直交する偏波成分に対して、各位相感応光増幅器で同時に位相感応光増幅条件が安定して満たされないと、光増幅後のＰＤＭ信号を安定化できない。
図６の（ｃ）のように２つの偏波の成分が混ざっている状態自体は、偏波ダイバシティ構成５２０において問題ではない。しかしながら、Ｂ点で受信されるＰＤＭ信号５３４の偏波状態が揺らいでいると、位相感応光増器の出力のＰＤＭ信号５３７も不安定化する。ここで、光伝送路上で生じる偏波状態のゆらぎも対象としない。問題となるのは、光送信器５０１内でＰＤＭ信号を生成する際に生じる、２つの直交する偏波成分の位相の揺らぎである。
光送信器５０１は、通常、光源、光半導体素子、光学部品、およびこれらを相互に接続する偏波保持ファイバなどから構成される。さらに、これらの要素部品を制御するための制御回路、装置内外のインタフェース回路、電源などを含んだモジュール構成が採られる。このような装置内では、光送信器の動作状態や環境温度の変化によって、内部温度が不均一に分布し、その分布も刻々と変化し得る。また装置外の環境や運用状態によっては、外部からの振動が装置内の部品間の接続光ファイバや光学部品に加わることもある。図５で説明したように光送信器５０１内では、別々の差周波光発生器（ＤＦＧ用二次非線形光学素子）５０６、５０７によって２つの信号アーム上で信号光群がそれぞれ生成され、ＰＢＳ５０５により偏波多重されている。２つの信号アームは、それぞれ独立して温度変化や振動などにより動作状態に影響を受け得る。したがって、２つの信号アームによって信号光、位相共役光およびパイロット光の位相も異なる態様で変動し得る。さらに、２つの差周波光発生器５０６、５０７へ供給される励起光の位相も、異なる態様で変動し得る。偏波多重光を生成する２つのアーム間で位相条件が別個に変動することで、２つの偏波間の相対位相も、周期的にまたは不定期に、刻々と変動し揺らぎが生じる。このように、光送信器５０１における２つの信号光アーム間の相対位相にゆらぎを持っていれば、ＰＤＭ信号５３３自体が不安定となる。光ファイバ５１０を伝送した後のＰＤＭ信号５３４は、偏波ダイバシティ構成において位相感応光増幅動作の安定性に直接影響を与えることになる。
図６の（ｃ）を参照すれば、偏波ダイバシティ構成では、２つの偏波成分が混在した形態でＰＢＳにより分離され、混在した２つの偏波成分がそれぞれの位相感応光増幅器に入力される。したがって、ＰＤＭ信号が形成される光送信器において２つの偏波間で信号光群の相対位相が異なっていれば、１つの位相感応光増幅器内で図３および式（１）で示した位相感応光増幅のための位相条件を満たすことはできない。偏波多重された後では光ファイバによって受ける位相変化は、２つの偏波間で同一の変化を受けることから相対位相の変化は小さい。一方、光送信器５０１内において発生する２つの偏波間の相対位相の変動・ゆらぎはより直接的なものであって、光送信器５０１と偏波ダイバシティ構成５２０との間でリアルタイムに影響する。
このように光送信器から出力されるＰＤＭ信号の質の揺らぎが、偏波ダイバシティ構成５２０の位相感応光増器５２２、５２３からの出力を不安定化する問題が生じていた。図５に示したような従来技術の構成による光送信器５０１で、偏波多重された主信号―位相共役光の対からなるＰＤＭ信号を安定して生成するのは難しかった。したがって、偏波ダイバシティ構成を安定動作させる、位相状態が安定した偏波多重信号-位相共役光対を含む信号光を生成できる光送信器の構成が求められていた。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものでその目的とするところは、直交する偏波間における位相の変動を抑えたＰＤＭ信号を生成する光送信器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、信号光およびその位相共役光を生成する光送信器であって、偏波多重変調された信号光を入力し、第１の偏波成分の信号光および前記第１の偏波成分に直交する第２の偏波成分の信号光を偏波分離して２つの出力ポートに出力する偏波分離器と、前記２つの出力ポートの一方から他方へ至る経路の中に、前記偏波分離器と、前記第１の偏波成分の前記信号光の偏波を９０°回転させる偏波回転子と、偏波回転された前記信号光の位相共役光および前記第２の偏波成分の前記信号光の位相共役光を生成する第１の光導波路を備えた第１の二次非線形光学素子とを有する、ループ型の位相共役光生成器と、前記偏波回転された信号光の前記位相共役光を生成する第１の励起光を前記第１の光導波路の前記半端回転子のある側の一端へ、前記第２の偏波成分の前記位相共役光を生成する第２の励起光を前記第１の光導波路の他端へ供給する励起光生成器と、前記位相共役光を生成した後の前記第１の励起光および前記第２の励起光の合成光レベルに応じて、前記第１の励起光の経路または前記第２の励起光の経路の一方の光路長を変化させるよう構成された位相調整器とを備えたことを特徴とする光送信器である。
請求項２に記載の発明は、請求項１の光送信器であって、前記励起光生成器は、基本波光から第二高調波光（ＳＨ光）を生成し、前記ＳＨ光を分岐して、前記第１の励起光である第１のＳＨ励起光および前記第２の励起光である第２のＳＨ励起光を生成し、前記位相調整器は、前記第１のＳＨ励起光の経路、または、前記第２のＳＨ励起光の経路の一方の光路長を変化させることを特徴とする。この光送信器は、第１の実施形態の光送信器に対応する。
請求項３に記載の発明は、請求項１の光送信器であって、前記励起光生成器は、基本波光を分岐して、前記分岐した基本波光に基づいて、前記第１の励起光である第１の第二高調波（ＳＨ）励起光および前記第２の励起光である第２のＳＨ励起光を生成し、前記位相調整器は、前記分岐された基本波光のいずれかの経路の光路長を変化させることを特徴とする。この光送信器は、第２の実施形態の光送信器に対応する。
請求項４に記載の発明は、パイロット光を含む信号光およびその位相共役光を生成する光送信器であって、パイロット光および偏波多重変調された信号光を、第１の偏波成分の信号光および前記第１の偏波成分に直交する第２の偏波成分の信号光に偏波分離して２つの出力ポートに出力する偏波分離器と、前記２つの出力ポートの一方から他方へ至る経路の中に、前記偏波分離器と、前記第１の偏波成分の前記信号光の偏波を９０°回転させる偏波回転子と、偏波回転された前記信号光の位相共役光および前記第２の偏波成分の前記信号光の位相共役光を生成し、偏波分離された前記パイロット光に対し正反対の２つの伝搬方向の各々で縮退パラメトリック増幅を行う第１の光導波路を備えた第１の二次非線形光学素子とを有する、ループ型の位相共役光生成器と、前記偏波回転された信号光の前記位相共役光を生成する第１の励起光を前記第１の光導波路の前記半端回転子のある側の一端へ、前記第２の偏波成分の前記位相共役光を生成する第２の励起光を前記第１の光導波路の他端へ供給する励起光生成器と、前記２つの伝搬方向の第１の方向で縮退パラメトリック増幅された前記パイロット光のレベルに応じて前記パイロット光の経路の光路長を変化させ、前記２つの伝搬方向の第２の方向で縮退パラメトリック増幅された前記パイロット光のレベルに応じて前記パイロット光の経路の光路長を変化させるよう構成された位相調整器とを備えたことを特徴とする光送信器である。この光送信器は、第３の実施形態の光送信器に対応する。
請求項５に記載の発明は、請求項４の光送信器であって、前記励起光生成器は、基本波光から第二高調波光（ＳＨ光）を生成し、前記ＳＨ光を分岐して、前記第１の励起光である第１のＳＨ励起光および前記第２の励起光である第２のＳＨ励起光を生成し、前記パイロット光は、前記基本波光の一部に基づくことを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項２、３または５いずれかの光送信器であって、前記励起光生成器は、前記基本波光から前記ＳＨ光を生成する第２の光導波路を備えた１以上の第２の二次非線形光学素子を含み、前記第１のＳＨ励起光および前記第２のＳＨ励起光を生成することを特徴とする。
上述の光送信器では、好ましくは、連続波光（ＣＷ光）を出力する複数の光源と、前記複数の光源の各々からの前記ＣＷ光の両偏波に変調を施す外部変調器とを含み、偏波多重変調された信号光を生成する信号光発生器をさらに備えることができる。
上述の光送信器では、好ましくは、前記二次非線形光学素子に含まれる光導波路は直接接合リッジ導波路であって、前記直接接合リッジ導波路は、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１）、またはＫＴｉＯＰＯ４のいずれかの材料、または、これらの材料のいずれかにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として加えた材料から構成することができる。
以上説明したように本発明により、直交する偏波間における位相の変動を抑えたＰＤＭ信号を生成する光送信器を提供する。
図１は、従来技術のＰＳＡの基本的な構成を示す図である。 図２は、ＰＰＬＮ導波路を用いた従来技術のＰＳＡの構成を示す図である。 図３は、ＰＳＡ入力信号光‐励起光間の位相差と利得の関係の図である。 図４は、信号光対を用いた従来技術の非縮退型ＰＳＡ構成を示す図である。 図５は、従来技術の偏波多重信号の光伝送システムを示す図である。 図６は、ＰＤＭ光伝送システムの各部の偏波状態を説明する図である。 図７は、第１の実施形態の光送信器の構成を示す図である。 図８は、第２の実施形態の光送信器の構成を示す図である。 図９は、第３の実施形態の光送信器の構成を示す図である。
本発明は、安定したＰＤＭ信号を出力する新規な光送信器の構成を提供する。新規な光送信器は、ループ型構成の位相共役光生成器の中に含まれる単一の二次非線形光学素子を使って位相共役光を生成する。２つ偏波成分の間で、基本波励起光に対する主信号光およびその位相共役光の相対位相が安定し、位相状態が安定した偏波多重信号−位相共役光対を含む信号光を生成できる。以下、図面を参照しながら本発明の各実施形態について詳細に説明する。
[第１の実施形態]
図７は、本発明の第１の実施形態の光送信器の構成を示す図である。本実施形態の光送信器では、主信号光とその位相共役光との対からなる偏波多重された信号光群を生成するための構成例を提示する。偏波多重された信号光群の直交する２つの偏波成分のいずれにおいても、安定に位相感応増幅を実現できる。
まず主な構成要素を列挙すれば、光送信器７００は、主信号を７５０生成するために、複数の信号光源７０１（ＬＤ１〜１６）と、各信号光源に対応する変調器７０２と、アレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ）７０３とを備える。これらの要素は、偏波多重変調された信号光を生成する信号光発生器を構成する。また主信号光およびその位相共役光の対から成るＰＤＭ出力７５５を生成するための主な構成として、ＤＦＧ用の二次非線形光学素子７０６、サーキュレータ７０４、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）７０５および偏波回転子７０７を備える。二次非線形光学素子７０６、ＰＢＳ７０５、偏波回転子７０７の３つの要素はループを構成し、二次非線形光学素子７０６は２つの偏波成分に対してそれぞれ位相共役光を生成する。したがって二次非線形光学素子を含むこのループ型構成は、後述するように、位相共役光生成器として動作する。
基本波励起光を生成するために、局部発振光源（ＬＯ）７０８と、ＥＤＦＡ７０９と、ＢＰＦ７１０と、ＳＨＧ用の二次非線形光学素子７１１と、光分岐７１２と、アイソレータ７１３、７１４とを備える。これらの要素は、励起光生成器を構成する。また、励起光と信号光との間の位相同期のために、ＰＺＴ圧電素子を用いた光ファイバ伸縮器７２０、光分岐７１５、７１６、７１７、光検出器７１８および位相同期ループ（ＰＬＬ）回路７１９を備えている。これらの要素によって形成される位相同期ループ回路は、第二高調波（ＳＨ）励起光の位相調整機構（位相調整器）を構成する。
ＬＯ７０８から出力された連続波光（ＣＷ光）は、基本波励起光として用いられる。ＥＤＦＡ７０９は、ＬＯ７０８からの基本波光７６０を増幅する。ＢＰＦ７１０は、ＥＤＦＡ７０９によって発生したノイズ光を排除し、増幅された基本波光のみを透過させる。
ＳＨＧ用の二次非線形光学素子７１１は、内部にＰＰＬＮ導波路と、出力側のダイクロイックミラーとを含む。ＢＰＦ７１０を透過した基本波光が二次非線形光学素子７１１に入射すると、ＰＰＬＮ導波路により基本波光の半分の波長のＳＨ光を発生する。出力側のダイクロイックミラーによって、基本波光とＳＨ光とが分離される。二次非線形光学素子７１１から分離されたＳＨ光は、光分岐７１２によりさらに２分岐される。分岐されたＳＨ光は、それぞれアイソレータ７１３、７１４および光分岐７１５、７１６を通過した後に、第１のＳＨ光７６１および第２のＳＨ光７６３として、ＤＦＧ用の二次非線形光学素子７０６にそれぞれ入射する。
複数の信号光源７０１（例えば１６個のＬＤ）の各々は、ＬＯ７０８とは波長が異なる連続波光（ＣＷ光）を出力する。各信号光源に対応する外部変調器７０２を用いて信号光源の出力光に対してＱＰＳＫ変調を施す。外部変調器７０２からの変調光は、ＡＷＧ７０３により合波された後、ＴＥ／ＴＥとして示したように偏波多重化された主信号光群７５０が出力される。２つの直交する偏波成分を含んだ主信号光群７５０は、サーキュレータ７０４を通過し、ＰＢＳ７０５によってそれぞれの偏波成分に分離される。
本発明の光送信器７００では、偏波多重化された信号光群をＰＢＳ７０５によって２つの偏波成分に分離した後、各偏波成分を単一のＤＦＧ用の二次非線形光学素子７０６の両側から入射する構成をとっている。すなわち、分離された２つの偏波成分に対するそれぞれの差周波光（位相共役光）発生の動作が、共通の単一の二次非線形光学素子７０６によって成される点で、従来技術の光送信器の構成と相違している。図５に示した従来技術の光送信器５００では、二次非線形光学素子をそれぞれ含む２つの信号アーム上（ルート）で、別々に差周波光発生動作が行われていた。これに対し本発明の光送信器７００では、ＰＢＳ７０５で偏波を分離した後、共通の単一の二次非線形光学素子７０６を含むループ内で差周波光すなわち位相共役光を発生し、その後、発生した位相共役光とともに再び同じＰＢＳ７０５によって偏波合成される。
偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）７０５は、偏波分離器として機能する。通常は、１つの入力ポートと２つの出力ポートを持っており、入力ポートへの偏波多重光を、２つの異なる偏波成分に分離する。入力ポート―出力ポートを逆方向に動作させれば、偏波合成が可能となるので、偏波合成器としても動作する。ＰＢＳとしては、例えば、誘電体多層膜をコートしたプリズム型や導波路構造型などのタイプがある。本発明の光送信器では、ＰＢＳ７０５はまず２つの偏波成分に偏波分離を行って、位相共役光が生成された後で、再び、位相共役光を含む信号光の２つの偏波成分に対して偏波合成を行う。
光送信器７００では、２つの偏波に対する各位相共役光の生成は、ループ型構成の光路内の単一の構成要素によって実施される。したがって、伝搬方向の差異を除けば、２つの偏波成分に対して光路を完全に等しくできる。２つの偏波成分間の相対位相に揺らぎを引き起こすような、様々な環境変動や外部作用が光路に対して生じたとしても、それは２つの偏波成分に対して同時に同等に加わることになる。このため、２つの信号アームで偏波分離していた従来技術の場合に生じる位相の変動を無視できるレベルに抑えることができる。また、光路をループ型構成として二次非線形光学素子７０６を双方向に用いることで、従来技術のように偏波成分毎にそれぞれ二次非線形光学素子を備える必要が無く、部品点数を抑えられる。次に、ループ型構成の各位相共役光生成器としての位相共役光発生の動作について、偏波成分毎にさらに詳細に説明する。
信号光群７５０の内のＴＥ偏波成分は、ＰＢＳ７０５により分離されると、図７の点線矢印のＴＥ偏波信号光７５３で示したように、ループ内へ右回りに導入される。ＴＥ偏波信号光は偏波回転子７０７を用いて、偏光方向を９０°回転されてＴＭ偏波となる。ＴＭ偏波信号光７５６は二次非線形光学素子７０６の図面右側から左方向に二次非線形光学素子７０６へ入射される。偏波回転子７０７はλ／２波長板のように直線偏光を９０°回転させる光学素子を用いても良いし、偏波保持ファイバを物理的に９０°回転させて接続するような機構でも良い。
ＤＦＧ用の二次非線形光学素子７０６は、入出力の両側にそれぞれダイクロイックミラー７２１、７２２と、ＰＰＬＮ導波路７２３とを含む。二次非線形光学素子７０６の右側より入射したＴＭ偏波信号光７５６と、二次非線形光学素子７１１から出力され二次非線形光学素子７１１の右側から入射したＳＨ励起光７６３とは、ダイクロイックミラー７２２により合波され、ＰＰＬＮ導波路７２３に入射する。ＰＰＬＮ導波路７２３において、右回りのＴＭ偏波信号光７５６とＳＨ励起光７６３との差周波光が発生する。この差周波光は、ＰＢＳ７０５でＴＥ偏波信号光７５３として分離されその後偏波回転して、ループ内を右回りに二次非線形光学素子７０６を伝搬するＴＭ偏波信号光７５６に対する位相共役光となる。二次非線形光学素子７０６左側のダイクロイックミラー７２１を用いて、ＴＭ偏波信号光およびその位相共役光との対からなる信号光群と、ＳＨ励起光とを分離し、ＴＭ偏波信号光群７５５を出力する。その後、ＴＭ偏波信号光群７５５は、ＰＢＳ７０５で再び偏波合成され、サーキュレータ７０４を通じて光送信器７００の出力ポートへＰＤＭ信号７５５として伝搬していく。上述のように、ＰＢＳ７０５で分離される前のＴＭ偏波成分が、最終的なＰＤＭ信号ではＴＥ偏波成分として出力される。
上述のＴＥ偏波成分と同様に、信号光群７５０の内のＴＭ偏波成分はＰＢＳ７０５により分離されると、図７の実線矢印のＴＭ偏波信号光７５１で示したように、ループ内へ左回りに導入される。ＴＭ偏波信号光７５１は図面左側から右方向に二次非線形光学素子７０６へ入射される。二次非線形光学素子７０６の左側より入射したＴＭ偏波信号光と、二次非線形光学素子７１１から出力され二次非線形光学素子７１１の左側から入射したＳＨ励起光７６１とは、ダイクロイックミラー７２１により合波され、ＰＰＬＮ導波路７２３に入射する。ＰＰＬＮ導波路７２３において、左回りのＴＭ偏波信号光７５７とＳＨ励起光７６１との差周波光が発生する。この差周波光は、ＰＢＳ７０５でＴＭ偏波信号光７５１として分離されてループ内を左回りに入力され、二次非線形光学素子７０６を伝搬するＴＭ偏波信号光７５７に対する位相共役光となる。二次非線形光学素子７０６右側のダイクロイックミラー７２２を用いて、ＴＭ偏波信号光７５７およびその位相共役光との対からなる信号光群と、ＳＨ励起光７６１とを分離し、ＴＭ偏波信号光群を出力する。このＴＭ偏波信号光群は、偏波回転子７０７によって偏波回転されて、ＴＥ偏波信号光群７５２となる。その後、ＴＥ偏波信号光群７５２は、ＰＢＳ７０５で再び偏波合成され、サーキュレータ７０４を通じて光送信器７００の出力ポートへＰＤＭ信号７５５として伝搬していく。
上述のように本発明の光送信器７００では、位相共役光を生成するための光路をループ型構成として、共通の単一の二次非線形光学素子７０６を双方向に用いている。光信号の伝搬方向が逆の２つの偏波成分に対して独立に光感応増幅を行い、その後２つの偏波成分を再度ＰＢＳで合波することで、偏波多重された主信号光およびその位相共役光の対からなる信号光群が生成される。この信号光群を、偏波多重された送信器のＰＤＭ出力７５５として光ファイバに送出する。
図７のループ型構成の位相共役光生成器を持つ光送信器では、ＳＨ励起光はＳＨＧ用の二次非線形光学素子７１１で生成され、分岐された後に、ＤＦＧ用の二次非線形光学素子７０６の両端のポートへＳＨ励起光７６１、７６３として入力される。各ＳＨ励起光は、ＰＰＬＮ導波路７２３において対応する偏波成分の位相共役光を生成した後、入力された側とは反対側のポートへと出力される。出力されたＳＨ励起光７６２、７６４は、光分岐７１５、７１６を用いることでその出力の一部を分岐される。２つの分岐されたＳＨ励起光７６２、７６４を光分岐７１７によって合波した後に、光検出器７１８により電気信号に変換し、ＨＧ励起光の合成光の光強度変化を検出する。検出された電気信号は、ＰＬＬ回路７１９に供給され、ファイバ伸縮器７２０へ、検出された電気信号が最大となるようにフィードバックを行う。したがって、光分岐７１７、光検出器７１８、ＰＬＬ回路７１９、ファイバ伸縮器７２０を含むフィードバック経路は、位相調整機能を構成する。二次非線形光学素子７１１で生成されたＳＨ光は、分岐されて双方向で位相共役光を生成した後に、再度合波されたＳＨ励起光の干渉が最大になるように、一方のＳＨ励起光の光路上にある光ファイバ伸縮器７２０へフィードバックされる。
したがって本発明は、信号光およびその位相共役光を生成する光送信器７００であって、偏波多重変調された信号光７５０を入力し、第１の偏波成分の信号光７５３および前記第１の偏波成分に直交する第２の偏波成分の信号光７５１を偏波分離して２つの出力ポートに出力する偏波分離器７０５と、前記２つの出力ポートの一方から他方へ至る経路の中に、前記偏波分離器と、前記第１の偏波成分の前記信号光の偏波を９０°回転させる偏波回転子７０７と、偏波回転された前記信号光の位相共役光および前記第２の偏波成分の前記信号光の位相共役光を生成する第１の光導波路７２３を備えた第１の二次非線形光学素子７０６とを有する、ループ型の位相共役光生成器と、前記偏波回転された信号光の前記位相共役光を生成する第１の励起光７６３を前記第１の光導波路の前記半端回転子のある側の一端へ、前記第２の偏波成分の前記位相共役光を生成する第２の励起光７６１を前記第１の光導波路の他端へ供給する励起光生成器とと、前記位相共役光を生成した後の前記第１の励起光および前記第２の励起光の合成光７６５レベルに応じて、前記第１の励起光の経路または前記第２の励起光の経路の一方の光路長を変化させるよう構成された位相調整器とを備えたものとして実施できる。
本実施形態では、前記励起光生成器は、基本波光７６０から第二高調波光（ＳＨ光）を生成し、前記ＳＨ光を分岐して、第１の励起光である第１のＳＨ励起光７６１および第２の励起光である第２のＳＨ励起光７６３を生成し、前記位相調整器は、前記第１のＳＨ励起光の経路、または、前記第２のＳＨ励起光の経路の一方の光路長を変化させる。
このように光ファイバ伸縮器７２０にフィードバックを行い、２つのＳＨ励起光間で位相調整を行うことで、光送信器内の温度変動、不均一や外部からの振動による、２つのＳＨ励起光の相対位相のドリフトが補償される。ＴＥ偏波成分およびＴＭ偏波成分のそれぞれの位相共役光の生成ために使用される２つのＳＨ励起光間の相対位相を、常に同期する状態に保つことができる。主信号光および二次非線形光学素子７０６で発生するその位相共役光の基準位相、すなわちＴＥ偏波信号群７５２、ＴＭ偏波信号群７５５の基準位相は、対応するＳＨ励起光７６１、７６３の位相によって決定される。
偏波ダイバシティ構成を含め、非縮退型の位相感応増幅を行う場合、位相感応増幅器で用いるＳＨ励起光の位相を、主信号光およびその位相共役光の基準位相に合わせる必要がある。したがってその前提条件として、光送信器側で偏波多重された信号光の位相共役光を生成する場合も、２つの偏波間においてこの基準位相が同期している必要がある。上述の図7に示したループ型の位相共役光生成器の構成によって、位相共役生成に使用するＳＨ励起光の位相を２つの偏波間で同期させておくことで、両偏波で同時に位相感応増幅のための条件を満たすことができる。図７のループ型の位相共役光生成器の構成をとることで、２つの直交した偏波間で基準位相を同期した状態でＰＤＭ信号７５５を送信できる。図５に示した光ファイバを伝送後の中継器においても、偏波ダイバシティ構成５２０の位相感応光増幅器５２２、５２３を安定に動作させることができる。
本実施形態の光送信器７００では、二次非線形光学素子７０６、７１１内の非線形光学媒質として、擬似位相整合が可能なＰＰＬＮ導波路を用いている。以下に、本実施形態で用いたＰＰＬＮ導波路の作製方法を例示する。まず、Ｚｎを添加したＬｉＮｂＯ３上に周期が約１７μｍの周期的な電極を形成した。次に、電界印加法により上述の電極パターンに応じた分極反転グレーティングをＺｎ：ＬｉＮｂＯ３中に形成した。さらに、この周期分極反転構造を有するＺｎ：ＬｉＮｂＯ３基板をクラッドとなるＬｉＴａＯ３基板上に直接接合し、５００℃で熱処理を行うことによって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、長さは５０ｍｍのリッジ型の光導波路を形成した。この光導波路はペルチェ素子により温度調節が可能である。このようにして形成されたＰＰＬＮ導波路を有する二次非線形光学素子を、１．５μｍ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の構成とした。本実施形態では、Ｚｎを添加したＬｉＮｂＯ３を用いたが、それ以外の非線形材料である、ＫＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦ｘ≦１）もしくはＫＴｉＯＰＯ４、または、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有している材料を用いても良い。
以上に説明した通り、本実施形態で示した光送信器では、ループ型構成の位相共役光生成器によって、２つの偏波間の相対位相を安定化した状態で主信号光およびその位相共役光の対から成る信号光群を偏波多重した光波を送信することができる。２つの偏波間の相対位相と、信号光およびその位相共役光の基準位相が安定化されているため、中継器においても偏波ダイバシティ構成の位相感応光増幅器を安定に動作させられる。
本実施形態の光送信器では、１６ＱＡＭの信号を用いる例として説明したが、変調フォーマットは、ＩＭＤＤ、ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、６４ＱＡＭ、２５６ＱＡＭなどのより多値度の高いＱＡＭなど任意のフォーマットも利用できる。いずれのフォーマットに対しても、本実施形態で説明したループ型構成の位相共役光生成器とまったく同じ構成で偏波多重変調された信号光を生成することが可能である。本実施形態の光送信器によって、送信するＰＤＭ信号の位相状態が安定し、中継器の偏波ダイバシティ構成側においても安定に位相感応光増幅器を動作させる。多値の変調フォーマットの変調信号も送信できる。
［第２の実施形態］
上述の第１の実施形態の光送信器は、位相共役光を生成する２つの偏波間で相対位相を安定化するために、２つのＳＨ励起光の合成を検出し、一方のＳＨ励起光に対して直接フィードバックを加える構成であった。次の第２の実施形態では、ＳＨ励起光の位相を安定化する代わりに基本波励起光の位相を安定化させる光送信器の構成を示す。
図８は、本発明の第２の実施形態に係る送信器の構成を示すブロック図である。光送信器８００は、図７に示した第１の実施形態の光送信器７００の構成と類似しているので、同様の構成については繰り返しになる説明は省略し、相違点に絞って説明する。第１の実施形態との大きな相違点は、２つのＳＨ励起光の生成のために基本波励起光をまず分岐して、別個のＳＨＧ用の二次非線形光学素子８１１、８１２を用いる点である。すなわち、基本波励起光を生成局部発振光源（ＬＯ）８０８からの基本波励起光８６０を光分岐８２１でまず２つに分岐する。分岐された基本波励起光から、ＥＤＦＡ８０９ａ、ＢＰＦ８１０ａおよびＳＨＧ用の二次非線形光学素子８１１、ならびに、ＥＤＦＡ８０９ｂ、ＢＰＦ８１０ｂおよびＳＨＧ用の二次非線形光学素子８１２の２つの経路を経て、２つのＳＨ励起光８６１、８６３が得られる。これらの要素は、励起光生成器を構成する。
偏波多重化された主信号光８５０を生成するための、複数の光源８０１からＡＷＧ８０３までの構成は第１の実施形態と同じであるまた、本発明の光送信器に特有のループ型の位相共役光生成器の構成も第１の実施形態と同じである。すなわち位相共役光を生成するための光路をループ型構成として、共通の単一の二次非線形光学素子８０６を双方向に用いている。光信号の伝搬方向が逆の２つの偏波成分に対して独立に光感応増幅を行い、その後２つの偏波成分を再度ＰＢＳ８０５で合波することで、偏波多重された主信号光群およびその位相共役光群からなる対、ＰＤＭ信号８５５が生成される。
図８のループ型構成の位相共役光生成器を持つ光送信器では、ＳＨ励起光はＳＨＧ用の二次非線形光学素子８１１、８１２で生成され、ＤＦＧ用の二次非線形光学素子８０６の両端のポートへＳＨ励起光８６１、８６３として入力される。各ＳＨ励起光は、ＰＰＬＮ導波路において対応する偏波成分の位相共役光を生成した後、入力されたのとは反対側のポートへと出力される。出力されたＳＨ励起光８６２、８６４は、光分岐８１５、８１６を用いることでその出力の一部を分岐される。
２つの分岐されたＳＨ励起光８６２、８６４を光分岐８１７によって合波した後、光検出器８１８により電気信号に変換し、光強度の変化を検出する。光検出器８１８により電気信号に変換し、光強度の変化を検出する。
検出電気信号は、ＰＬＬ回路８１９に供給され、分岐した基本波励起光の一方の経路に備えたファイバ伸縮器８２０へ、検出電気信号が最大となるようにフィードバックを行う。したがって、光分岐８１７、光検出器８１８、ＰＬＬ回路８１９、ファイバ伸縮器８２０を含むフィードバック経路は、位相調整機能を構成する。二次非線形光学素子８１１、８１２で生成され、二次非線形光学素子８０６により双方向で位相共役光を生成した後に、再度合波されたＳＨ励起光の干渉が最大になるように、一方の基本波励起光の光路の光ファイバ伸縮器８２０へフィードバックされる。
したがって、本実施形態では、前記励起光生成器は、基本波光８６０を分岐して、分岐した基本波光に基づいて、第１の励起光である第１の第二高調波（ＳＨ）励起光８６１および第２の励起光である第２のＳＨ励起光８６３を生成し、前記位相調整器は、前記分岐された基本波光のいずれかの経路の光路長を変化させる。
このように光ファイバ伸縮器８２０にフィードバックを行い、２つのＳＨ励起光間で位相調整を行うことで、光送信器内の温度変動、不均一や外部からの振動による、２つのＳＨ励起光の相対位相のドリフトが補償される。これによって、ＴＥ偏波成分およびＴＭ偏波成分のそれぞれの位相共役光の生成ために使用される２つのＳＨ励起光の相対位相を、常に同期する状態に保つことができる。上述の図８に示したループ型の位相共役光生成器の構成により、位相共役生成に使用するＳＨ励起光の位相を２つの偏波間で同期させておくことで、両偏波で同時に位相感応増幅のための条件を満たすことができる。図７のループ型の位相共役光生成器の構成をとることで、ＰＤＭ信号８５５が光ファイバを伝送された後、中継器において図５の偏波ダイバシティ構成５２０の位相感応光増幅器５２２、５２３を安定に動作させることができる。
［第３の実施形態］
上述の２つの実施形態の光送信器は、主信号およびその位相共役光の対からなる信号光群をＰＤＭ信号として送出する構成であった。本実施形態では、上述のＰＤＭ信号にさらにパイロット信号を重畳して信号群と同時に送信するための構成例を示す。
図８は、本発明の第３の実施形態に係る送信器の構成を示すブロック図である。図９の光送信器９００は、図７の第１の実施形態の光送信器７００と概ね同一の構成を持っているが、次の２点で相違する。第１に、パイロット信号をＰＤＭ信号に含めるために、光分岐９１５、９２５および偏波コントローラ９２４を備えている。第２に、第１および第２の実施形態とは異なり、位相調整のためにＳＨ励起光に代えてパイロット光を検出するとともに、２つの偏波成分に対して別個に独立した２つの位相調整機構を備える。以下、第１の実施形態の構成との相違点に絞って説明する。
複数の信号光源９０１（ＬＤ１〜ＬＤ１６）は、局部発振光源９０８とは波長が異なる連続波光（ＣＷ光）を出力し、対応する外部変調器９０２を用いて信号光源からのそれぞれの出力光に対してＱＰＳＫ変調を施す。各変調光がＡＷＧ９０３により合波される。これらの要素は、信号光発生器を構成する。光分岐９１５で分岐された基本波励起光９６１は、偏波コントローラ９２４により４５°偏波を傾けたパイロット光９７１を出力する。ＡＷＧ９０３からの主信号光群およびパイロット光９７１は、光分岐９２５によって合波され、偏波多重化された主信号群９５０が得られる。ここで、主信号群９５０を周波数（波長）軸上で見れば、主信号群９６６とパイロット光９６７から成る。
本発明の光送信器に特有のループ型の位相共役光生成器の構成は第１の実施形態と同じである。位相共役光を生成するために、光路をループ型構成として、共通の単一の二次非線形光学素子９０６を双方向に用いている。伝搬方向が逆の２つの偏波成分に対して独立に光感応増幅を行い、その後２つの偏波成分を再度ＰＢＳ９０５で合波することで、偏波多重された主信号光群９６８およびその位相共役光群９７０の対およびパイロット光９６９を含む、ＰＤＭ信号９５５が生成される。
上述の２つの実施形態と同様に、光送信器９００では、２つの偏波に対する各位相共役光の生成は、伝搬方向が相互に逆なことを除いて、ループ型構成の光路内の単一の構成要素によって実施される。したがって、２つの偏波成分に対して光路および構成要素を完全に等しくできる。２つの偏波成分間の相対位相に揺らぎを引き起こすような、様々な環境変動や外部作用が光路に対して生じたとしても、それは２つの偏波成分に対して同時に同等に加わる。このため、２つの信号アームで偏波分離していた従来技術の場合に生じる位相の変動を、無視できる程度に抑えられる。また、光路をループ型構成として単一の二次非線形光学素子７０６を双方向に用いることで、部品点数を抑えることもできる。
ＤＦＧ用の二次非線形光学素子９０６の動作は、第１および第２の実施形態の場合と同じだが、ＴＭ偏波信号光７５１およびＴＥ偏波信号光７５３は、パイロット光を含んでいる。ＳＨＧ用の二次非線形光学素子９１１からのＳＨ励起光９６２、９６３の周波数は、パイロット光の周波数の２倍となっているので、パイロット光は二次非線形光学素子９０６によって縮退位相感応光増幅により増幅される。ＴＥ偏波信号光９５３については、二次非線形光学素子９０６の左側のダイクロイックミラーを用いて、信号光および位相共役光の対からなる信号光群ならびにパイロット光と、ＳＨ励起光とを分離し、信号光群およびパイロット光のＴＭ偏波信号光９５５を出力する。また、ＴＭ偏波信号光９５１については、二次非線形光学素子９０６の右側のダイクロイックミラーを用いて、信号光および位相共役光の対からなる信号光群ならびにパイロット光と、ＳＨ励起光とを分離し、偏波変換後、信号光群およびパイロット光のＴＥ偏波信号光９５２を出力する。
２つの偏波のそれぞれについてＤＦＧ用の二次非線形光学素子９０６の出力側には、位相共役光が生成された各々の偏波成分のその出力の一部を分岐する光分岐９１６、９２０が備えられている。すなわち、ループに左回りに入力されたＴＭ偏波信号光９５１については、光分岐９１６によって信号光の一部が分岐され、さらにＢＰＦ９２６によってパイロット光のみが抽出され、光検出器９１７によってパイロット光の光強度の変化を検出する。検出されたパイロット光の電気信号は、ＰＬＬ回路９１８に与えられ、パイロット光の出力が最大となるようにファイバ伸縮器９１９へフィードバックが行われる。同様に、ループに右回りに入力されたＴＥ偏波信号光９５３については、光分岐９２０によって信号光の一部が分岐され、さらにＢＰＦ９２７によってパイロット光のみが抽出され、光検出器９２１によってパイロット光の光強度の変化を検出する。検出されたパイロット光の電気信号は、ＰＬＬ回路９２２に与えられ、パイロット光の出力が最大となるようにファイバ伸縮器９２３へフィードバックが行われる。
本実施形態の光送信器９００では、二次非線形光学素子９０６内の光導波路における信号光群の伝搬方向に対応した、２つの位相調整機構が独立して動作する。フィードバック動作により調整をする制御対象に着目すれば、第１の実施形態ではＳＨ励起光の位相が、第２の実施形態では基本波励起光の位相がファイバ伸縮器によって制御・調整されていた。これに対し、本実施形態の光送信器では、各々主信号および位相共役光の対からなる信号群ならびにパイロット光に対して、２つの偏波成分毎にフィードバック動作が行われる。これらの２つ位相調整機構によって、励起光と信号光の位相調整と同時に、２つの偏波間の相対位相の変動、位相ドリフトを光ファイバ伸縮器により補償する。
図９に示した構成では、光分岐９１６、ＢＰＦ９２６、光検出器９１７、ＰＬＬ回路９１８、ファイバ伸縮器９１９を含むフィードバック経路が、左回りのＴＭ偏波信号光９５１に対する第１の位相調整機構を構成する。また、光分岐９２０、ＢＰＦ９２７、光検出器９１７、ＰＬＬ回路９２２、ファイバ伸縮器９２３を含むフィードバック経路が、右回りのＴＥ偏波信号光９５３に対する第２の位相調整機構を構成する。いずれのフィードバック動作においても、検出される対象はパイロット光のレベルである。したがって、ＴＥ偏波成分とＴＭ偏波成分との間で、２つのパイロット光の位相が常に同期している状態を保つことができる。主信号光および二次非線形光学素子９０６で発生する位相共役光の基準位相は、ＳＨ励起光の位相で決定される。
図５に示した偏波ダイバシティ構成５２０を含め、非縮退型の位相感応増幅を行う場合は、位相感応増幅器で用いられるＳＨ励起光の位相をこの信号光および位相共役光の基準位相に合わせる必要がある。この前提条件として、光送信器５０１側で偏波多重された信号光およびその位相共役光を生成する場合には、２つの偏波間でもこの基準位相が同期している必要がある。本実施形態の光送信器９００において、上述のように２つの偏波間で２つのパイロット光の位相が常に同期している状態を保つことは、すなわち２つの偏波間でのＳＨ励起光位相が同期することを意味している。左回りのＴＭ偏波信号光９５１に対するＳＨ励起光９２６を一定の状態で、第１の位相調整機構が動作すれば、ＴＭ偏波信号光９５１について、ＳＨ励起光９２６の位相と基準位相が同期することになる。同様に、右回りのＴＥ偏波信号光９５３に対するＳＨ励起光９２２を一定の状態で、第２の位相調整機構が動作すれば、ＴＥ偏波信号光９５３について、ＳＨ励起光９２２の位相と基準位相が同期する。したがって、２つの位相調整機構によって、２つの偏波において同時に位相感応増幅をする条件を満たすことになる。図９の光送信器９００の構成をとることで、２つの直交した偏波間の基準位相を同期した状態で偏波多重信号を送信できるため、中継器で偏波ダイバシティされた位相感応光増幅器を安定動作させることができる。
本実施形態のループ型構成の位相共役光生成器によって、偏波間の相対位相を安定化した状態で主信号光およびその位相共役光の対から成る信号群を偏波多重した光波を送信することができる。２つの偏波間の相対位相と、信号光およびその位相共役光の基準位相が安定化されているため、中継器においても偏波ダイバシティ構成の位相感応光増幅器を安定に動作させられる。
本実施形態の光送信器では、ＱＰＳＫの信号を用いる例として説明したが、変調フォーマットは、ＩＭＤＤ、ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、６４ＱＡＭ、２５６ＱＡＭなどのより多値度の高いＱＡＭなど任意のフォーマットも利用できる。いずれのフォーマットに対しても、本実施形態で説明したループ型構成の位相共役光生成器とまったく同じ構成で偏波多重変調された信号光を生成することが可能である。本実施形態の光送信器によって、位相状態が安定し偏波ダイバシティ構成を安定動作させる、多値の変調フォーマットの変調信号を送信できる。
また、上述の各実施例の光送信器における位相共役光生成器では、単一のＤＦＧ用の二次非線形光学素子として、ＴＭ偏波信号光に対して位相共役光を生成する例を示した。しかしながら、ＴＥ偏波信号光に対して位相共役光を生成可能な二次非線形光学素子であれば、ループ内における偏波回転子の位置を、図７〜図９に示したような二次非線形光学素子の右側の位置から左側へ変更すれば良い。上述の実施形態と同様に動作できることに留意されたい。
また、上述の各実施例の光送信器では、励起光の発生のために、ＳＨＧ用の二次非線形光学素子を用いているが、所定のＳＨ励起光を供給できれば、必ずしも図７〜図９の構成だけには限定されない。ただし、位相共役光の生成のためにＤＦＧ用の二次非線形光学素子を用いるので、ＳＨ励起光の生成のためにＳＨＧ用の二次非線形光学素子を使用するのが合理的である。
以上詳細に述べたように、本発明によって、直交する偏波間における位相の変動を抑えたＰＤＭ信号を生成する光送信器を提供することができる。光送信器側において、ＰＤＭ送信信号の質を安定化することで、偏波ダイバシティ構成における位相感応光増幅器を安定に動作させることができる。
本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。特に、光通信システムの光送信器に利用することができる。
１００、２００ ＰＳＡ
２０１、４０９、４３２、７０９、８０９ａ８０９ｂ、９０９ ＥＤＦＡ
２０２、２０４、４０６、４１１、４３６、４３４、７０６、８０６、８１１、８１２、９０６、９１１ 二次非線形光学素子
２０３−１、２０３−２、４０８、４２７、７１２、７１５、７１６、７１７、８１５、８１６、８１７、９１５、９１６、９２０、９２５ 光分岐
２０６、４２５、７２０、８２０、９１９、９２３ ＰＺＴ
２０９、４３０、７１９、８１９、９１８、９２２ ＰＬＬ回路
４０１、５０１、７００、８００、９００ 光送信器
４０２、７０１、８０１、９０１ 信号光源
４０３、７０２、８０２、９０２ 変調器
４０４、７０３、８０３、９０３ ＡＷＧ
４０７、７０８、８０８、９０８ 局部発振光源（ＬＯ）
４１０、４２８、４３３、７１０、８１０ａ、８１０ｂ、９１０、９２６、９２７ ＢＰＦ
４２０ 位相感応増幅器
５０４、５０５、５２１、５２４、７０５、８０５、９０５ ＰＢＳ
７０４、８０４、９０４ サーキュレータ
５０８、５０９、７０７、８０７、９０７ 偏波回転子
５２１ 偏波ダイバシティ構成
７１３、７１４、８１３、８１４、８１３、９１４ アイソレータ
９２４ 偏波コントローラ

Claims (8)

  1. 信号光およびその位相共役光を生成する光送信器であって、
    偏波多重変調された信号光を入力し、第１の偏波成分の信号光および前記第１の偏波成分に直交する第２の偏波成分の信号光を偏波分離して２つの出力ポートに出力する偏波分離器と、
    前記２つの出力ポートの一方から他方へ至る経路の中に、
    前記偏波分離器と、
    前記第１の偏波成分の前記信号光の偏波を９０°回転させる偏波回転子と、
    偏波回転された前記信号光の位相共役光および前記第２の偏波成分の前記信号光の位相共役光を生成する第１の光導波路を備えた第１の二次非線形光学素子とを有する、ループ型の位相共役光生成器と、
    前記偏波回転された信号光の前記位相共役光を生成する第１の励起光を前記第１の光導波路の前記半端回転子のある側の一端へ、前記第２の偏波成分の前記位相共役光を生成する第２の励起光を前記第１の光導波路の他端へ供給する励起光生成器と、
    前記位相共役光を生成した後の前記第１の励起光および前記第２の励起光の合成光レベルに応じて、前記第１の励起光の経路または前記第２の励起光の経路の一方の光路長を変化させるよう構成された位相調整器と
    を備えたことを特徴とする光送信器。
  2. 前記励起光生成器は、基本波光から第二高調波光（ＳＨ光）を生成し、前記ＳＨ光を分岐して、前記第１の励起光である第１のＳＨ励起光および前記第２の励起光である第２のＳＨ励起光を生成し、
    前記位相調整器は、前記第１のＳＨ励起光の経路、または、前記第２のＳＨ励起光の経路の一方の光路長を変化させることを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
  3. 前記励起光生成器は、基本波光を分岐して、前記分岐した基本波光に基づいて、前記第１の励起光である第１の第二高調波（ＳＨ）励起光および前記第２の励起光である第２のＳＨ励起光を生成し、
    前記位相調整器は、前記分岐された基本波光のいずれかの経路の光路長を変化させることを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
  4. パイロット光を含む信号光およびその位相共役光を生成する光送信器であって、
    パイロット光および偏波多重変調された信号光を、第１の偏波成分の信号光および前記第１の偏波成分に直交する第２の偏波成分の信号光に偏波分離して２つの出力ポートに出力する偏波分離器と、
    前記２つの出力ポートの一方から他方へ至る経路の中に、
    前記偏波分離器と、
    前記第１の偏波成分の前記信号光の偏波を９０°回転させる偏波回転子と、
    偏波回転された前記信号光の位相共役光および前記第２の偏波成分の前記信号光の位相共役光を生成し、偏波分離された前記パイロット光に対し正反対の２つの伝搬方向の各々で縮退パラメトリック増幅を行う第１の光導波路を備えた第１の二次非線形光学素子とを有する、ループ型の位相共役光生成器と、
    前記偏波回転された信号光の前記位相共役光を生成する第１の励起光を前記第１の光導波路の前記半端回転子のある側の一端へ、前記第２の偏波成分の前記位相共役光を生成する第２の励起光を前記第１の光導波路の他端へ供給する励起光生成器と、
    前記２つの伝搬方向の第１の方向で縮退パラメトリック増幅された前記パイロット光のレベルに応じて前記パイロット光の経路の光路長を変化させ、前記２つの伝搬方向の第２の方向で縮退パラメトリック増幅された前記パイロット光のレベルに応じて前記パイロット光の経路の光路長を変化させるよう構成された位相調整器と
    を備えたことを特徴とする光送信器。
  5. 前記励起光生成器は、基本波光から第二高調波光（ＳＨ光）を生成し、前記ＳＨ光を分岐して、前記第１の励起光である第１のＳＨ励起光および前記第２の励起光である第２のＳＨ励起光を生成し、
    前記パイロット光は、前記基本波光の一部に基づくことを特徴とする請求項４に記載の光送信器。
  6. 前記励起光生成器は、前記基本波光から前記ＳＨ光を生成する第２の光導波路を備えた１以上の第２の二次非線形光学素子を含み、前記第１のＳＨ励起光および前記第２のＳＨ励起光を生成することを特徴とする請求項２、３または５いずれかに記載の光送信器。
  7. 連続波光（ＣＷ光）を出力する複数の光源と、
    前記複数の光源の各々からの前記ＣＷ光の両偏波に変調を施す外部変調器と
    を含み、偏波多重変調された信号光を生成する信号光発生器をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の光送信器。
  8. 前記二次非線形光学素子に含まれる光導波路は直接接合リッジ導波路であって、
    前記直接接合リッジ導波路は、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１）、またはＫＴｉＯＰＯ４のいずれかの材料、または、
    これらの材料のいずれかにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として加えた材料から構成されることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の光送信器。
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