JP2019179182A - 光パラメトリック増幅器、光増幅システム、波長変換器および光通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】増幅されたシグナル光の品質の劣化を抑制できる光パラメトリック増幅器、光増幅システム、波長変換器および光通信システムを提供すること。【解決手段】光パラメトリック増幅器は、２本以上の光増幅ファイバと、前記２本以上の光増幅ファイバの間に挿入され、ポンプ光の波長およびその近傍の波長を有する光の位相をシフトさせる１つ以上の相対位相シフタと、を備え、前記相対位相シフタは、複数の高屈折率層を有してブラッグ波長を規定するグレーティング部を備えたファイバブラッググレーティングであり、前記ファイバブラッググレーティングのブラッグ波長における反射率が６０［％］以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、光パラメトリック増幅器、光増幅システム、波長変換器および光通信システムに関するものである。

光通信において、光増幅器は欠かせないものとなっている。現在の光通信システムにおいて、光通信波長帯域に対応する光増幅器または光増幅システムとして、ＥＤＦＡ（Erbium-Doped Fiber Amplifier）、Ｒａｍａｎ増幅器、またＲａｍａｎ増幅システムが実用化されている。

一方、光ファイバ中の非線形効果を利用した光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ：Optical Parametric Amplifier）は、ＥＤＦＡよりも低雑音化できることが知られている。

光通信システムの通信容量の拡大などの高性能化のために、低雑音での光増幅の要求は高い。また、光ファイバ中の非線形効果を利用した波長変換器への要求も高い。たとえば、国内通信幹線、メトロ通信網、海底通信線が相互に接続される際のように、異なる波長帯域を用いたシステムを接続する場合や、データセンタ間通信において帯域を拡大する場合などに、波長変換器が好適に利用できる。

本発明者は、２本以上の光増幅ファイバと、これらの光増幅ファイバの間に挿入され、ポンプ光の波長およびその近傍の波長を有する光の位相をシフトさせる１つ以上の相対位相シフタと、を備えるＯＰＡを開示してきた。このようなＯＰＡによれば、疑似位相整合(ＱＰＭ：Quasi-Phase-Matching)が実現され、利得スペクトルの平坦性と広帯域性とを実現できる（特許文献１〜４、非特許文献１〜５参照）。

特許第６１３３２０６号公報 米国特許第９２７００７６号明細書 特許第５８７７２８０号公報 特開２０１７−７６００８号公報

Shigehiro Takasaka; Yu Mimura; Masanori Takahashi; Ryuichi Sugizaki; Haruki Ogoshi, "Flat and broad amplification by quasi-phase-matched fiber optical parametric amplifier," OFC/NFOEC2012, OTh1C.4. Shigehiro Takasaka; Yu Mimura; Hiroshi Matsuura; Masahito Morimoto; Masanori Takahashi; Ryuichi Sugizaki, "FOPA with flat 21-dB gain and NF less than 4-dB using alternately concatenated pump-phase shifters and HNLFs," 2013 Optical Fiber Communication Conference and Exposition and the National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC2013), JTh2A.13. Shigehiro Takasaka; Yuki Taniguchi; Masanori Takahashi; Jiro Hiroshi; Masateru Tadakuma; Hiroshi Matsuura; Kohei Doi; Ryuichi Sugizaki, "Quasi phase-matched FOPA with 50 nm gain bandwidth using dispersion stable highly nonlinear fiber," OFC 2014, W3E.2. Shigehiro Takasaka; Yuki Taniguchi; Masanori Takahashi; Jiro Hiroishi; Masateru Tadakuma; Ryuichi Sugizaki, "Wideband parametric processing with 1-dB bandwidth of 40nm using dispersion stable PM-HNLF," 2014 The European Conference on Optical Communication (ECOC2014), P.1.13. Shigehiro Takasaka; Ryuichi Sugizaki, "Polarization insensitive fiber optical parametric amplifier using a SBS suppressed diversity loop," 2016 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC2016), M3D.4.

本発明者は、特許文献１などにおいて、相対位相シフタとして、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ：Fiber Bragg Grating)を用いることを開示している。ＦＢＧは、ブラッグ波長を中心とする所定の波長帯域において、入力された光の一部を反射し、一部を透過する特性を有する。そこで、ＦＢＧを位相シフタとして用いる場合は、ポンプ光の波長における反射率が小さいが、透過したポンプ光を位相シフトする波長領域にブラッグ波長を設定したＦＢＧを用いることが好ましい。このような波長領域は、たとえばブラッグ波長を中心波長とするＦＢＧの透過または反射スペクトルの３ｄＢ帯域の外側の領域に設定される。

ところが、ポンプ光は、光増幅ファイバ内でＳＢＳ(Stimulated Brillouin Scattering)が発生させることを抑制するために、スペクトル幅が広い状態で使用される場合がある。スペクトル幅が広い状態にするために、たとえばポンプ光を位相変調してスペクトル幅を広げている。この場合、ポンプ光のスペクトルの裾の一部が、ＦＢＧの反射率が比較的高い波長と重なってしまうことがある。その結果、ポンプ光の一部がＦＢＧによって反射され、その反射光に起因してＳＢＳやＯＰＯ（Optical Parametric Oscillation）が発生してしまい、これによって、増幅されたシグナル光の強度が時間的に変動するなどして、雑音特性などの品質が劣化する場合がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、増幅されたシグナル光の品質の劣化を抑制できる光パラメトリック増幅器、光増幅システム、波長変換器および光通信システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る光パラメトリック増幅器は、２本以上の光増幅ファイバと、前記２本以上の光増幅ファイバの間に挿入され、ポンプ光の波長およびその近傍の波長を有する光の位相をシフトさせる１つ以上の相対位相シフタと、を備え、前記相対位相シフタは、複数の高屈折率層を有してブラッグ波長を規定するグレーティング部を備えたファイバブラッググレーティングであり、前記ファイバブラッググレーティングのブラッグ波長における反射率が６０［％］以下であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光パラメトリック増幅器は、前記ファイバブラッググレーティングを構成する光ファイバのゼロ分散波長は、前記光増幅ファイバのゼロ分散波長の±２０［ｎｍ］の範囲内にあることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光パラメトリック増幅器は、前記光増幅ファイバは、非線形定数が１０［１／Ｗ／ｋｍ］以上であり、前記ファイバブラッググレーティングを構成する光ファイバは、非線形定数が５［１／Ｗ／ｋｍ］以上であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光パラメトリック増幅器は、前記ファイバブラッググレーティングを構成する光ファイバは、分散シフト光ファイバであることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光パラメトリック増幅器は、前記ファイバブラッググレーティングの温度を調整する温度調整機構および前記ファイバブラッググレーティングに掛かる張力を調整する張力調整機構の少なくとも一つを備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光パラメトリック増幅器は、前記光増幅ファイバの各々の長手方向で相対位相が−０．４π以上で０．５πを含む０．９π以下の範囲に収まるように前記相対位相シフタが挿入されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光パラメトリック増幅器は、位相変調されたポンプ光を、前記光増幅ファイバに出力するポンプ光源部をさらに備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光パラメトリック増幅器は、位相変調されたポンプ光を出力するポンプ光源部と、第一ポート、偏波依存型光ファイバからなる第ニポートおよび第三ポートを有し、第一ポートから入力された光を互いに直交する偏波成分に分離して第ニポートおよび第三ポートのそれぞれから出力する偏波合分波器と、前記偏波合分波器の第二ポートに接続された第一偏波依存型光増幅ファイバ部と、前記偏波合分波器の第三ポートに接続された第二偏波依存型光増幅ファイバ部と、前記ポンプ光を前記第一偏波依存型光増幅ファイバ部と前記第二偏波依存型光増幅ファイバ部とにそれぞれ入力させるように接続された光合分波器と、前記第一偏波依存型光増幅ファイバ部と前記第二偏波依存型光増幅ファイバ部との間に接続されて前記第一偏波依存型光増幅ファイバ部と前記第二偏波依存型光増幅ファイバ部とともに光ループを構成するとともに、前記第一偏波依存型光増幅ファイバ部と前記第二偏波依存型光増幅ファイバ部のそれぞれを伝搬してきた前記ポンプ光を前記光ループの外部に排出する光排出部と、光ファイバからなる第一ポート、第ニポートおよび第三ポートを有し、第一ポートから入力された、所定の波長帯域に含まれるシグナル光を、第二ポートから、該第二ポートに接続された前記偏波合分波器の第一ポートに出力するとともに、前記偏波合分波器により偏波分離され、前記光ループにおいて前記ポンプ光による前記第一偏波依存型光増幅ファイバ部と前記第二偏波依存型光増幅ファイバ部とにおける非線形光学効果によってパラメトリック増幅されて前記偏波合分波器により偏波合成されて前記偏波合分波器の第一ポートから第二ポートに出力されたシグナル光を、第三ポートから出力する光サーキュレータと、を備え、前記第一偏波依存型光増幅ファイバ部および前記第二偏波依存型光増幅ファイバ部の各々が、偏波保持型の前記２本以上の光増幅ファイバと、偏波保持型の前記１つ以上の相対位相シフタとを含んでいることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光パラメトリック増幅器は、前記ファイバブラッググレーティングにおいて、前記グレーティング部を構成する高屈折率層が、前記ファイバブラッググレーティングを構成する光ファイバの光軸に対して傾斜していることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光増幅システムは、前記光パラメトリック増幅器を備えたことを特徴とする。

本発明の一態様に係る波長変換器は、前記光パラメトリック増幅器を備えたことを特徴とする。

本発明の一態様に係る光通信システムは、前記光パラメトリック増幅器を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、増幅されたシグナル光の品質の劣化を抑制できるという効果を奏する。

図１は、実施形態１に係る光増幅器の模式的な構成図である。 図２は、相対位相シフタであるＦＢＧの模式的な構成図である。 図３は、作製例１のＦＢＧの反射スペクトルを示す図である。 図４は、作製例１のＦＢＧの透過スペクトルを示す図である。 図５は、作製例１のＦＢＧの群遅延スペクトルを示す図である。 図６は、作製例１のＦＢＧの位相遅延スペクトルを示す図である。 図７は、作製例２のＦＢＧの反射スペクトルを示す図である。 図８は、作製例２のＦＢＧの透過スペクトルを示す図である。 図９は、作製例２のＦＢＧの群遅延スペクトルを示す図である。 図１０は、作製例２のＦＢＧの位相遅延スペクトルを示す図である。 図１１は、作製例３のＦＢＧの反射スペクトルを示す図である。 図１２は、作製例３のＦＢＧの透過スペクトルを示す図である。 図１３は、作製例３のＦＢＧの群遅延スペクトルを示す図である。 図１４は、作製例３のＦＢＧの位相遅延スペクトルを示す図である。 図１５は、相対位相シフタであるスラントＦＢＧの模式的な構成図である。 図１６は、作製例４のスラントＦＢＧの反射スペクトルを示す図である。 図１７は、作製例４のスラントＦＢＧの透過スペクトルを示す図である。 図１８は、作製例４のスラントＦＢＧの群遅延スペクトルを示す図である。 図１９は、作製例４のスラントＦＢＧの位相遅延スペクトルを示す図である。 図２０は、実施形態２に係る光増幅器の模式的な構成図である。 図２１は、実施形態３に係る光増幅器の模式的な構成図である。 図２２は、実施形態４に係る光通信システムの模式的な構成図である。

以下に、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する構成要素には適宜同一の符号を付している。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る光増幅器の模式的な構成図である。光パラメトリック増幅器である光増幅器１００は、２本以上（本実施形態１では４本）の光増幅ファイバ１１０と、１つ以上（本実施形態１では３つ）の相対位相シフタ１２０と、ポンプ光源部１３０と、光合分波器１４０、１５０と、を備えている。

各々の相対位相シフタ１２０は、４本の光増幅ファイバ１１０の各々の間に挿入されている。ポンプ光源部１３０は、ポンプ光Ｐを出力する。光合分波器１４０は、被増幅光であるシグナル光Ｓ１と、ポンプ光Ｐとを合波し、紙面右側の光増幅ファイバ１１０に出力する。４本の光増幅ファイバ１１０は、各々の相対位相シフタ１２０を介して直列接続されており、シグナル光Ｓ１とポンプ光Ｐとを伝搬し、シグナル光Ｓ１を光パラメトリック増幅する。光合分波器１５０は、シグナル光Ｓ１が増幅されたものであるシグナル光Ｓ２と、光パラメトリック増幅に使用されなかった分のポンプ光である残留ポンプ光ＲＰおよび後述するアイドラ光とを分波して出力する。光合分波器１４０、１５０は、たとえばＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）カプラなどの公知の光カプラで構成されている。

各光増幅ファイバ１１０中では、ポンプ光Ｐとシグナル光Ｓ１との非線形効果によりアイドラ光が発生する。このアイドラ光の波長λidler［ｎｍ］は、ポンプ光Ｐの波長λpump［ｎｍ］とシグナル光Ｓ１の波長λsignal［ｎｍ］と次の式（１）で示される関係を有する。
１／λidler=２／λpump-１／λsignal ・・・ （１）

なお、本発明に係る光パラメトリック増幅器は、位相感応光増幅器（ＰＳＡ：Phase Sensitive Amplifier）としても機能する。この場合、光増幅ファイバには、ポンプ光とシグナル光とともに、たとえばシグナル光に対して１／１０倍〜１０倍のパワーを持つアイドラ光を入力する。直列接続された光増幅ファイバからは、増幅されたシグナル光と増幅されたアイドラ光とが出力される。このアイドラ光の波長も（１）で示される関係を有する。

各々の相対位相シフタ１２０は、ポンプ光Ｐの波長およびその近傍の波長を有する光の位相をシフトさせ、光増幅器１００の利得スペクトル波形を波長領域で平坦かつ広帯域にする機能を有する。相対位相φrelは、シグナル光の位相φsignal[ｒａｄｉａｎ]、アイドラ光の位相φidler[ｒａｄｉａｎ]、ポンプ光の位相φpump[ｒａｄｉａｎ]、各光の波数であるｋsignal、ｋidler、ｋpumpによって定義されるΔｋ=ｋsignal+ｋidler−２ｋpump、光増幅ファイバ１１０における各光の伝搬距離ｚを用いて、以下の式（２）で記述される量である。
φrel＝Δkｚ+φsignal+φidler-２φpump[radian] ・・・ （２）

各々の相対位相シフタ１２０は、相対位相φrelを、入力するポンプ光Ｐのパワーや光増幅ファイバ１１０などの波長分散特性などに応じて、適切な量だけシフトさせる。光増幅ファイバ１１０の長さや波長分散は、必要とされる利得スペクトル波形に応じて適切に設定する。

各々の相対位相シフタ１２０の挿入により、挿入しない場合では得られない利得スペクトルの平坦性が実現する。また、同時に各々の相対位相シフタ１２０を挿入しない場合より低い雑音指数(ＮＦ:Noise Figure)が得られる。

ここで、相対位相シフタ１２０は、図２で示されるように、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）である。すなわち、相対位相シフタ１２０は、コア部１２１と、コア部１２１の外周に形成されたクラッド部１２２とを備える光ファイバで構成されている。コア部１２１は、グレーティング部Ｇ１を備えている。グレーティング部Ｇ１は、複数の高屈折率層ＨＲで構成されている。各々の高屈折率層ＨＲは、光ファイバの光軸であるコア部１２１の中心軸に対して直交する平面状の形状を有しており、中心軸方向において互いに離間して周期的に配置されている。高屈折率層ＨＲは、たとえば公知のＦＢＧと同様に、コア部１２１に紫外光を照射して照射した部分の屈折率を高め、高屈折率層ＨＲのパターンを書き込むことで形成することができる。

グレーティング部Ｇ１はブラッグ波長λg[ｎｍ]を規定する。高屈折率層ＨＲの配置の周期をΛ[ｎｍ]とすると、λg＝２ｎΛが成り立つ。ここで、ｎは相対位相シフタ１２０を構成する光ファイバの実効屈折率である。グレーティング部Ｇ１は、ブラッグ波長λgを中心とする所定の波長帯域において、コア部１２１に入力された入力光ＩＬの一部を、入力光ＩＬの波長における反射率で反射し、入力光ＩＬの波長における透過率で透過する。透過光ＴＬは入力光ＩＬの進行方向と同じ方向に進行してコア部１２１を伝搬し、反射光ＲＬは入力光ＩＬの進行方向とは反対方向に戻るようにコア部１２１を伝搬する。

相対位相シフタ１２０のブラッグ波長λgは、ポンプ光Ｐの波長とは異なる波長であり、かつ相対位相シフタ１２０がポンプ光Ｐの位相を所定量だけシフトさせるように設定される。たとえば、ブラッグ波長λgは、ブラッグ波長λgを中心とする反射スペクトルの３ｄＢ波長帯域の外側の波長領域にポンプ光Ｐの波長が含まれるように設定される。

本実施形態１に係る光増幅器１００では、相対位相シフタ１２０のλgにおける反射率が、６０［％］以下という、ＦＢＧとしては低い反射率である。これにより、ポンプ光Ｐのスペクトル幅が広く、そのスペクトルの裾の一部が相対位相シフタ１２０の反射波長帯域と重なってしまった場合でも、発生する反射光のパワーは比較的小さいので、増幅されたシグナル光Ｓ２の品質の劣化が抑制される。λgにおける反射率は、所望の光増幅特性を実現するために必要なポンプ光の位相シフト量が得られ、かつ発生する反射光が実用上問題にならない程度に設定することが好ましい。たとえば、λgにおける反射率は、３０［％］以下としてよく、１５［％］以下としてもよいが、５［％］以上とすることが好ましい。

以下、光増幅器１００の各構成要素について説明する。

ポンプ光源部１３０は、たとえば、レーザ光源と、位相変調器と、ＥＤＦＡなどの光ファイバ増幅器とを備えている。レーザ光源は、ＴＬＳ（Tunable Light Source)、ＤＦＢ−ＬＤ(Distributed FeedBack-Laser Diode)、外部共振器型半導体ＬＤなどであり、連続光(ＣＷ:Continuous Wave)のレーザ光を発生する。位相変調器は、レーザ光源から出力されたレーザ光を位相変調し、そのスペクトル幅を広げる。光ファイバ増幅器は、スペクトル幅を広げられたレーザ光を光増幅してポンプ光Ｐとして出力する。

光増幅ファイバ１１０は、非線形定数が、ＸＰＭ法(Cross Phase Modulation Method)により測定された値で１０［１／Ｗ／ｋｍ］以上である高非線形光ファイバであると、所望の利得を得るための各々の光増幅ファイバ１１０の長さが短くなり、実装が容易となる。光増幅ファイバ１１０の波長分散特性については、ゼロ分散波長がポンプ光波長λpump[ｎｍ]の±１０［ｎｍ］の範囲内にあり、分散スロープの絶対値が０．０５［ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍ］以下であると、増幅帯域が広帯域になり、増幅器としての機能が高まる。または、光増幅ファイバ１１０の波長分散が、シグナル光Ｓ１が含まれる波長帯域（たとえばＣバンド）において、０．０［ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］±１．０［ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］の範囲にある場合も、光増幅ファイバ１１０が前記波長分散特性の場合と同様に、増幅帯域が広帯域になり、光増幅器としての機能が高まる。シグナル光の波長がＣバンドの波長帯域内にある場合、ポンプ光波長λpumpは、その帯域端に近い波長、たとえば１５６５［ｎｍ］に設定される。この場合、光増幅ファイバ１１０のゼロ分散波長は、１５５５［ｎｍ］〜１５７５［ｎｍ］の範囲内にあることが好ましく、１５６５［ｎｍ］であることがより好ましい。

相対位相シフタ１２０は、光増幅ファイバ１１０の各々の長手方向で相対位相が−０．４π以上で０．５πを含む０．９π以下の範囲に収まるように挿入されることが、平坦な利得スペクトルを得る上で好ましい（特許文献１）。

また、相対位相シフタ１２０を構成する光ファイバのゼロ分散波長が、光増幅ファイバ１１０のゼロ分散波長の±２０［ｎｍ］の範囲内にあることが好ましく、光増幅ファイバ１１０のゼロ分散波長と一致することがより好ましい。相対位相シフタ１２０を構成する光ファイバのゼロ分散波長が、光増幅ファイバ１１０のゼロ分散波長と近いことによって、相対位相シフタ１２０を構成する光ファイバの波長分散が、光増幅器１００の増幅特性に与える影響を抑制できる。たとえば、光増幅ファイバ１１０が、非線形定数が１０［１／Ｗ／ｋｍ］以上の高非線形光ファイバであり、相対位相シフタ１２０を構成する光ファイバが、非線形定数が５［１／Ｗ／ｋｍ］以上の高非線形光ファイバであれば、両者のゼロ分散波長は近くなるので好ましい。

また、相対位相シフタ１２０を構成する光ファイバは、分散シフト光ファイバ（Dispersion Shifted fiber：ＤＳＦ）でもよい。ＤＳＦとは、ＩＴＵ−Ｔ（国際電気通信連合）Ｇ．６５３規格に準拠する、ゼロ分散波長が１５００［ｎｍ］〜１６００［ｎｍ］の範囲にある光ファイバであり、ゼロ分散波長は典型的には１５５０［ｎｍ］の近傍の波長である。したがって、相対位相シフタ１２０を構成する光ファイバをＤＳＦとすれば、そのゼロ分散波長を光増幅ファイバ１１０のゼロ分散波長の±２０［ｎｍ］の範囲内にすることが容易である。この場合、相対位相シフタ１２０を構成するＤＳＦの長さが数メートル程度の長さであっても、その波長分散が光増幅器１００の増幅特性に与える影響を抑制できる。

つぎに、相対位相シフタとして作製したＦＢＧの例について説明する。作製例１、２、３のＦＢＧは、高非線形光ファイバを用いて作製されたものである。この高非線形光ファイバは、非線形定数が１０［１／Ｗ／ｋｍ］程度であり、ゼロ分散波長が１５６５［ｎｍ］であり、長さが２ｍである。

図３は、作製例１のＦＢＧの反射スペクトルを示す図であり、図４は、作製例１のＦＢＧの透過スペクトルを示す図である。図３、４に示すように、作製例１のＦＢＧは、反射率のピーク波長（ブラッグ波長に相当）が１５６４．９［ｎｍ］、ピーク波長における反射率が約５［％］、反射スペクトルの３ｄＢ帯域が４．１［ｎｍ］であった。

作製例１のＦＢＧの群遅延を、市販の分散測定装置を用い、変調位相シフト法を用いて測定した。図５は、作製例１のＦＢＧの群遅延スペクトルを示す図である。なお、図５は、測定によって得られたスペクトルデータに対して、適正量のオフセットを加算するとともに、フロア値の変動を補正したスペクトルを示す。図５に示すように、反射率のピーク波長において、約１００［ｆｓ］の群遅延が確認された。

つづいて、図５に示す群遅延スペクトルのデータから、位相遅延スペクトルを算出した。位相遅延をτp、群遅延をτgとすると、それぞれは、以下の式（３）、（４）で表される。ここで、φは光の位相であり、ωは光の角周波数である。

τpはτgから以下の式（５）を用いて表される。なお、λは光の波長であり、ｃは光速度である。

図６は、作製例１のＦＢＧの位相遅延スペクトルを示す図である。図６に示すように、作製例１のＦＢＧでは、変化点ＰＯ１と変化点ＰＯ２との間で位相が大きく変化しており、その位相差は約０．３［ｒａｄｉａｎ］である。変化点ＰＯ１の波長と変化点ＰＯ２の波長の中間の波長は１５６４．９［ｎｍ］であり、反射率のピーク波長に相当する。

このような作製例１のＦＢＧを相対位相シフタとして用いる場合は、変化点ＰＯ１の波長と変化点ＰＯ２の波長の間の波長であって、かつ変化点ＰＯ１または変化点ＰＯ２に近い波長をポンプ光の波長に設定することによって、ポンプ光の位相シフト量を大きくすることができる。

図７は、作製例２のＦＢＧの反射スペクトルを示す図であり、図８は、作製例２のＦＢＧの透過スペクトルを示す図である。図７、８に示すように、作製例２のＦＢＧは、反射率のピーク波長が１５６５．０［ｎｍ］、ピーク波長における反射率が約１０［％］、反射スペクトルの３ｄＢ帯域が４．９［ｎｍ］であった。

図９は、作製例２のＦＢＧの群遅延スペクトルを示す図である。なお、図９も、測定によって得られたスペクトルデータに対して、加算や補正を行ったものである。図９に示すように、反射率のピーク波長において、約２００［ｆｓ］の群遅延が確認された。

つづいて、図９に示す群遅延スペクトルのデータから、位相遅延スペクトルを算出した。図１０は、作製例２のＦＢＧの位相遅延スペクトルを示す図である。図１０に示すように、作製例２のＦＢＧでは、変化点ＰＯ３と変化点ＰＯ４との間で位相が大きく変化しており、その位相差は約０．６［ｒａｄｉａｎ］である。変化点ＰＯ１の波長と変化点ＰＯ２の波長の中間の波長は１５６５［ｎｍ］であり、反射率のピーク波長に相当する。

このような作製例２のＦＢＧを相対位相シフタとして用いる場合は、変化点ＰＯ３の波長と変化点ＰＯ４の波長の間の波長であって、かつ変化点ＰＯ３または変化点ＰＯ４に近い波長をポンプ光の波長に設定することによって、ポンプ光の位相シフト量を大きくすることができる。

図１１は、作製例３のＦＢＧの反射スペクトルを示す図であり、図１２は、作製例３のＦＢＧの透過スペクトルを示す図である。図１１、１２に示すように、作製例３のＦＢＧは、反射率のピーク波長が１５６５．０［ｎｍ］、ピーク波長における反射率が約１５［％］、反射スペクトルの３ｄＢ帯域が４．３［ｎｍ］であった。

図１３は、作製例２のＦＢＧの群遅延スペクトルを示す図である。なお、図１３も、測定によって得られたスペクトルデータに対して、加算や補正を行ったものである。図１３に示すように、反射率のピーク波長において、約３００［ｆｓ］の群遅延が確認された。

つづいて、図１３に示す群遅延スペクトルのデータから、位相遅延スペクトルを算出した。図１４は、作製例３のＦＢＧの位相遅延スペクトルを示す図である。図１４に示すように、作製例３のＦＢＧでは、変化点ＰＯ５と変化点ＰＯ６との間で位相が大きく変化しており、その位相差は約１［ｒａｄｉａｎ］である。変化点ＰＯ５の波長と変化点ＰＯ６の波長の中間の波長は１５６５［ｎｍ］であり、反射率のピーク波長に相当する。

このような作製例３のＦＢＧを相対位相シフタとして用いる場合は、変化点ＰＯ５の波長と変化点ＰＯ６の波長の間の波長であって、かつ変化点ＰＯ５または変化点ＰＯ６に近い波長をポンプ光の波長に設定することによって、ポンプ光の位相シフト量を大きくすることができる。

作製例１〜３のＦＢＧの特性から、ピーク波長における反射率と、群遅延および位相差とは、略比例関係にあることがわかった。

なお、作製例１〜３のいずれのＦＢＧについても、相対位相シフタとして用いる場合は、ポンプ光の波長をそのブラッグ波長よりも長波長側に設定すると、利得スペクトルの平坦性を向上させる観点から好ましい（特許文献１）。

（相対位相シフタの他の態様）
光増幅器１００における相対位相シフタ１２０においては、図２に示すように、グレーティング部Ｇ１を構成する複数の高屈折率部ＨＲは、コア部１２１の中心軸に対して直交する平面状の形状を有している。しかしながら、光増幅器１００において使用できる相対位相シフタは、相対位相シフタ１２０に限られず、いわゆるスラント型のＦＢＧであってもよい。

図１５は、相対位相シフタであるスラントＦＢＧの模式的な構成図である。この相対位相シフタ１６０は、コア部１６１と、コア部１６１の外周に形成されたクラッド部１６２とを備える光ファイバで構成されている。コア部１６１は、グレーティング部Ｇ２を備えている。グレーティング部Ｇ２は、複数の高屈折率層ＨＲで構成されている。各々の高屈折率層ＨＲは、光ファイバの光軸であるコア部１６１の中心軸Ｘに対して傾斜する平面状の形状を有しており、中心軸方向において互いに離間して周期的に配置されている。ここで、コア部１６１の中心軸Ｘに対して直交する平面と、高屈折率層ＨＲとの成す角をスラント角θとする。このような傾斜した高屈折率層ＨＲは、コア部１６１に紫外光を照射して高屈折率層ＨＲのパターンを書き込む際に、パターンが傾斜するように書き込みを行うことで形成することができる。

グレーティング部Ｇ２は、相対位相シフタ１２０のグレーティング部Ｇ１と同様に、ブラッグ波長λg[ｎｍ]を規定する。コア部１６１の中心軸Ｘの方向における高屈折率層ＨＲの配置の周期をΛ[ｎｍ]とすると、λg＝２ｎΛが成り立つ。ここで、ｎは相対位相シフタ１６０を構成する光ファイバの実効屈折率である。グレーティング部Ｇ２は、ブラッグ波長λgを中心とする所定の波長帯域において、コア部１６１に入力された入力光ＩＬの一部を、入力光ＩＬの波長における反射率で反射し、入力光ＩＬの波長における透過率で透過する。ここで、相対位相シフタ１２０の場合と同様に、透過光ＴＬは入力光ＩＬの進行方向と同じ方向に進行してコア部１６１伝搬する。一方、反射光に含まれる成分である反射光ＲＬ１、ＲＬ２は、中心軸Ｘに対して傾斜した方向に進行する。

このとき、反射光ＲＬ１はコア部１６１とクラッド部１６２との界面で全反射されてコア部１６１に結合して伝搬するが、反射光ＲＬ２はコア部１６１に結合せずにクラッド部１６２へと通過していく。その結果、相対位相シフタ１６０は、増幅されたシグナル光の品質を劣化させるような、コア部１６１に結合して伝搬する反射光を低減できる。特に、スラント角θを大きくすることで、コア部１６１に結合しない反射光ＲＬ２の割合を高くすることができる。そこで、増幅されたシグナル光の品質を劣化させる反射光が、実用上問題にならないレベルとなるように、スラント角θを設定することが好ましい。

一般に、光ファイバのコア部とクラッド部との界面での全反射角は、その光ファイバの開口数（ＮＡ）と対応しており、光ファイバのＮＡが大きい程、反射光の入射角を全反射角以上にするためのスラント角θは大きくなる。ここで、高非線形光ファイバは一般的にＮＡが大きいので、スラント型のＦＢＧを構成する場合には、スラント角θを大きくする必要がある。一方、ＤＳＦは、高非線形光ファイバよりもＮＡが小さいため、高非線形光ファイバによってスラント型のＦＢＧを構成する場合よりもスラント角θを小さくできる。

つぎに、相対位相シフタとして作製したスラント型のＦＢＧの例について説明する。作製例４のＦＢＧは、ＤＳＦを用いて作製されたものである。このＤＳＦは、ゼロ分散波長が１５５０［ｎｍ］であり、長さが３ｍである。また、スラント角θは６度とし、ブラッグ波長を１５６５．５［ｎｍ］とし、ブラッグ波長における透過率が９５［％］になるようにグレーティング部を設計した。

図１６は、作製例４のＦＢＧの反射スペクトルを示す図であり、図１７は、作製例４のＦＢＧの透過スペクトルを示す図である。図１６、１７に示すように、作製例４のＦＢＧは、ブラッグ波長である１５６５．５［ｎｍ］における反射が殆どなかった。

図１８は、作製例４のＦＢＧの群遅延スペクトルを示す図である。なお、図１８も、測定によって得られたスペクトルデータに対して、加算や補正を行ったものである。図１８に示すように、反射率のピーク波長において、約２６０［ｆｓ］の群遅延が確認された。

つづいて、図１８に示す群遅延スペクトルのデータから、位相遅延スペクトルを算出した。図１９は、作製例４のＦＢＧの位相遅延スペクトルを示す図である。図１９に示すように、作製例４のＦＢＧでは、変化点ＰＯ７と変化点ＰＯ８との間で位相が大きく変化しており、その位相差は約０．０３［ｒａｄｉａｎ］である。変化点ＰＯ７の波長と変化点ＰＯ８の波長の中間の波長は約１５６５．５［ｎｍ］であり、設計したブラッグ波長に相当する。

このような作製例４のＦＢＧを相対位相シフタとして用いる場合も、変化点ＰＯ７の波長と変化点ＰＯ８の波長の間の波長であって、かつ変化点ＰＯ７または変化点ＰＯ８に近い波長をポンプ光の波長に設定することによって、ポンプ光の位相シフト量を大きくすることができる。

（実施形態２）
図２０は、実施形態２に係る光増幅器の模式的な構成図である。この光増幅器２００は、光増幅部２１０と、ポンプ光源部２２０と、光合分波器２３０とを備えている。

光合分波器２３０には、波長可変レーザ装置からなるシグナル光源４１が、偏波コントローラ４２を介して接続されている。また、光増幅部２１０には、スペクトル、利得、およびＮＦの測定のための光スペクトラムアナライザ（ＯＳＡ）４４が、光減衰器（ＡＴＴ）４３を介して接続されている。

ポンプ光源部２２０は、ポンプ光源２２１と、位相変調器２２２と、光ファイバ増幅器２２３と、光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２２４と、白色雑音源２２５と、広帯域ＲＦ増幅器２２６とを備えている。ポンプ光源２２１、位相変調器２２２、光ファイバ増幅器２２３、および光バンドパスフィルタ２２４は光ファイバで接続されている。この接続に使用する光ファイバは、偏波保持光ファイバであることが好ましい。

ポンプ光源２２１は、光増幅部２１０に供給すべき所定の波長のポンプ光を出力する。ポンプ光源２２１は、たとえばＴＬＳで構成されるが、ＤＦＢレーザや、ファブリペロー（ＦＰ）レーザや、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）で構成されてもよい。白色雑音源２２５は、電気信号として、１．２ＧＨｚ広帯域の白色雑音信号を出力する。なお、白色雑音源２２５は、２ＧＨｚの白色雑音信号を出力するものでもよいし、互いに異なる周波数の複数の正弦波を白色雑音信号として出力するものでもよい。広帯域ＲＦ増幅器２２６は、白色雑音源２２５が出力する白色雑音信号を増幅して位相変調器２２２に出力する。位相変調器２２２は、ポンプ光と、増幅された白色雑音信号とが入力され、増幅された白色雑音信号でポンプ光を所定の位相変調度で位相変調し、光ファイバ増幅器２２３に出力する。なお、ポンプ光を位相変調することによって、ポンプ光のスペクトル幅が広がるので、光増幅部２１０内でのＳＢＳの発生またはその強度を抑制できる。なお、ポンプ光源２２１が、スペクトル幅が広いＦＰレーザやＶＣＳＥＬを用いたものである場合には、ＤＦＢレーザを用いた場合よりも、位相変調度が低くてもよい場合がある。

光ファイバ増幅器２２３は、たとえばＥＤＦＡまたはＥＹＤＦＡ（Erbium Ytterbium Doped Fiber Amplifier）であって、位相変調器２２２によって位相変調されたポンプ光を光増幅して光バンドパスフィルタ２２４に出力する。光バンドパスフィルタ２２４は、透過中心波長がポンプ光波長と一致しており、光ファイバ増幅器２２３によって増幅されたポンプ光から、光ファイバ増幅器２２３で発生したＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）成分を除去し、ポンプ光Ｐとして出力する。光バンドパスフィルタ２２４の透過波長帯域はたとえば１ｎｍ以下と狭いことが好ましい。

なお、ポンプ光源部２２０において、ポンプ光源２２１から先の任意の位置に、光アイソレータを挿入してもよい。

つぎに、光増幅部２１０について説明する。光増幅部２１０は、２本の光増幅ファイバ２１１と、２本の光増幅ファイバ２１１の間に挿入された１つの相対位相シフタ２１２とを備えている２段構成の光増幅部である。２本の光増幅ファイバ２１１は、実施形態１に係る光増幅器１００における光増幅ファイバ１１０と同じ特性を有する。相対位相シフタ２１２は、光増幅器１００における相対位相シフタ１２０と同じ特性を有していてもよいし、図１５に示すスラント型のＦＢＧである相対位相シフタ１６０と同じ特性を有していてもよい。

光合分波器２３０は、ポンプ光源部２２０と光増幅部２１０とシグナル光源４１とを接続している。光合分波器２３０はポンプ光とシグナル光とを合波する機能を有する。光合分波器２３０は、たとえば２０ｄＢ光カプラや光バンドパスフィルタであるが、特に限定はされない。光合分波器２３０が２０ｄＢ光カプラである場合は、ポンプ光源部２２０と光増幅部２１０とは低光損失で接続され、光増幅部２１０とシグナル光源４１とは２０ｄＢ程度の光損失で接続される。

この光増幅器２００は、実施形態１に係る光増幅器１００と同様の動作原理によって、シグナル光源４１から入力されたシグナル光Ｓ１を光パラメトリック増幅し、増幅されたシグナル光Ｓ２として出力する。光増幅器２００は、光増幅器１００と同様の作用効果を奏する。すなわち、光増幅器２００では、ポンプ光Ｐのスペクトル幅が広く、そのスペクトルの裾の一部が相対位相シフタ２１２の反射波長帯域と重なってしまった場合でも、発生する反射光は小さいので、増幅されたシグナル光Ｓ２の品質の劣化が抑制される。

（実施形態３）
図２１は、実施形態３に係る光増幅器の模式的な構成図である。この光増幅器３００は、偏波無依存の光パラメトリック増幅器として構成されており、ポンプ光源部３２０と、偏波合分波器（ＰＢＳ）３３０と、光合分波器であるＷＤＭカプラ３４１、３４２と、第一偏波依存型光増幅ファイバ部３５０と、第二偏波依存型光増幅ファイバ部３６０と、光排出部３７０と、光サーキュレータ３８０と、光熱変換モジュール３９１、３９２とを備える。なお、図２１中、太線または二重線は偏波保持光ファイバを示し、細線は偏波保持ではない光ファイバを示している。

ポンプ光源部３２０は、ポンプ光源としてのＴＬＳ３２１と、位相変調器３２２と、信号発生器３２３と、偏波保持３ｄＢカプラ３２４と、偏波保持光増幅器３２５、３２６と、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３２７、３２８とを備えている。ポンプ光源部３２０は、後述する位相変調されたポンプ光Ｐ１、Ｐ２を出力する。

ＰＢＳ３３０は、第一ポート３３１、偏波依存型光ファイバからなる第二ポート３３２および第三ポート３３３を有し、第一ポート３３１から入力された光を互いに直交する偏波成分に分離して第二ポート３３２および第三ポート３３３のそれぞれから出力する。

第一偏波依存型光増幅ファイバ部３５０は、ＰＭ−ＨＮＬＦ（偏波保持型高非線形光ファイバ）である２本の偏波保持型光増幅ファイバ３５１と、２本の偏波保持型高増幅ファイバ３５１の間に挿入された偏波保持型相対位相シフタ３５２とを備える。第二偏波依存型光増幅ファイバ部３６０は、ＰＭ−ＨＮＬＦである２本の偏波保持型光増幅ファイバ３６１と、２本の偏波保持型光増幅ファイバ３６１の間に挿入された偏波保持型相対位相シフタ３６２とを備える。

２本の偏波保持型光増幅ファイバ３５１、２本の偏波保持型光増幅ファイバ３６１は、偏波保持型である以外は、実施形態１に係る光増幅器１００における光増幅ファイバ１１０と同じ特性を有する。偏波保持型相対位相シフタ３５２、３６２は、これらを構成する光ファイバが偏波保持型である以外は、それぞれ、ＦＢＧである相対位相シフタ１２０と同じ特性を有していてもよいし、スラント型のＦＢＧである相対位相シフタ１６０と同じ特性を有していてもよい。

ＷＤＭカプラ３４１、３４２は、それぞれ、ＰＢＳ３３０と第一偏波依存型光増幅ファイバ部３５０、第二偏波依存型光増幅ファイバ部３６０との間に配置されている。ＷＤＭカプラ３４１、３４２は、ポンプ光Ｐ１、Ｐ２を第一偏波依存型光増幅ファイバ部３５０と第二偏波依存型光増幅ファイバ部３６０とにそれぞれ入力させるように接続されている。

光排出部３７０は、ＷＤＭカプラ３７１、３７２を備えている。光排出部３７０は、第一偏波依存型光増幅ファイバ部３５０と第二偏波依存型光増幅ファイバ部３６０との間に接続されて、第一偏波依存型光増幅ファイバ部３５０と第二偏波依存型光増幅ファイバ部３６０とともに光ループ３１１を構成している。光排出部３７０は、後述するように、第一偏波依存型光増幅ファイバ部３５０と第二偏波依存型光増幅ファイバ部３６０のそれぞれを伝搬してきたポンプ光Ｐ１、Ｐ２を光ループ３１１の外部に排出する機能を有する。

光サーキュレータ３８０は、光ファイバからなる第一ポート３８１、第二ポート３８２および第三ポート３８３を有する。第二ポート３８２はＰＢＳ３３０の第一ポート３３１に接続されている。また、第一ポート３８１からシグナル光Ｓ１が入力されると、光サーキュレータ３８０はシグナル光Ｓ１を第二ポート３８２からＰＢＳ３３０に出力する。また、後に詳述するように、シグナル光Ｓ１が増幅されたものであるシグナル光Ｓ２がＰＢＳ３３０の第一ポート３３１から光サーキュレータ３８０の第二ポート３８２に出力されると、シグナル光Ｓ２を第三ポート３８３から出力する。なお、光サーキュレータ３８０とＰＢＳ３３０と光ループ３１１とにより偏波ダイバーシティー構成３１２が構成されている。

光熱変換モジュール３９１、３９２は、光排出部３７０に接続されており、光排出部３７０から排出されたポンプ光Ｐ１、Ｐ２を熱に変換して放熱するためのモジュールである。

つぎに、ポンプ光源部２２０について具体的に説明する。ポンプ光Ｐ１、Ｐ２は、次のように発生し、出力される。ＴＬＳ３２１が出力する直線偏波のＣＷ光は、信号発生器３２３から出力されるＲＦ信号により駆動された位相変調器３２２にて位相変調を受ける。その後、ＣＷ光は、偏波保持３ｄＢカプラ３２４でパワーを２分岐後、偏波保持光増幅器３２５、３２６にてそれぞれ増幅され、偏波保持光増幅器３２５、３２６にて発生した不要なＡＳＥ光をＢＰＦ３２７、３２８で取り除かれ、位相変調されたポンプ光Ｐ１、Ｐ２として出力される。

偏波保持３ｄＢカプラ３２４の設置位置は、偏波保持光増幅器３２５、３２６とＴＬＳ３２１の間であればどの位置に設置してもよい。ただし、位相変調器３２２の前段に設置した場合は、分岐したＣＷ光それぞれを位相変調できるように二つの位相変調器３２２を用いる。位相変調器３２２を二つ用いる場合、駆動するＲＦ信号は、必ずしも同一である必要はなく、逆位相など任意の異なる位相関係で駆動したり、異なる周波数の正弦波を用いたり、白色雑音の帯域や周波数領域を変えたものでも良い。偏波保持光増幅器３２５、３２６は、ＣＷ光の偏波を保持したまま増幅できるのであれば、ＰＭ−ＥＤＦＡであってもＰＭ−ＥＹＤＦＡであっても、ＰＭラマン増幅器であっても良い。偏波保持３ｄＢカプラ３２４は、必ずしもその分岐比が１：１である必要はなく、例えば１０：１などの異なる分岐比をもつ偏波保持カプラに置き換えても良い。ただし、二つの偏波保持光増幅器３２５、３２６が出力するポンプ光の品質を同等にするには、各偏波保持光増幅器３２５、３２６に入力する光パワーは同等であることが望ましい。ＢＰＦ３２７、３２８は、透過帯域が、ＣＷ光のスペクトル帯域よりも大きい限りは、できる限り帯域が狭い方が不要なＡＳＥ光をより多く取り除けるため好ましい。また、ＢＰＦ３２７、３２８は、誘電体多層膜フィルタのほかに、偏波保持サーキュレータと偏波保持ＦＢＧの組み合わせや、ＡＷＧなどがその候補として挙げられる。ＢＰＦ３２７、３２８とＴＬＳ３２１との間であれば、光部品の損失の補償や偏波保持光増幅器３２５、３２６のＮＦの改善などの必要に応じて、プリアンプとして偏波保持光増幅器をどの位置に設置しても良い。

光増幅器３００の動作について説明する。光サーキュレータ３８０は第一ポート３８１から入力されたシグナル光Ｓ１を第二ポート３８２からＰＢＳ３３０に出力する。ＰＢＳ３は入力されたシグナル光Ｓ１を、互いに直交する偏波成分のシグナル光Ｓ１１、Ｓ１２に分離して第二ポート３３２および第三ポート３３３のそれぞれから出力する。

つぎに、ＷＤＭカプラ３４１は、ポンプ光Ｐ１とシグナル光Ｓ１１との偏波を一致させたまま合波し、ＷＤＭカプラ３４２は、ポンプ光Ｐ２とシグナル光Ｓ１２との偏波を一致させたまま合波し、第一偏波依存型光増幅ファイバ部３５０と第二偏波依存型光増幅ファイバ部３６０とにそれぞれ入力させる。シグナル光Ｓ１１、Ｓ１２は、光ループ３１１をそれぞれ時計回り(Clockwise)と反時計回り(Counter-Clockwise)に伝搬する。この時、伝搬方向が逆の光は、第一偏波依存型光増幅ファイバ部３５０、第二偏波依存型光増幅ファイバ部３６０の同一の偏波軸（たとえばｓｌｏｗ軸）を伝搬する。これにより、シグナル光Ｓ１１、Ｓ１２の伝搬する光学的な伝搬距離が時計回り方向と反時計回り方向とで同一となり、これらの光が再びＰＢＳ３３０中で偏波合成された際には、互いに位相差は発生しない。

また、シグナル光Ｓ１１は、第一偏波依存型光増幅ファイバ部３５０を通過する際にパラメトリック効果により増幅され、シグナル光Ｓ１２は、第二偏波依存型光増幅ファイバ部３６０を通過する際にパラメトリック効果により増幅される。なお、各偏波依存型光増幅ファイバ部３５０、３６０中では、ポンプ光とシグナル光とから、各偏波依存型光増幅ファイバ部３５０、３６０の非線形光学効果によりアイドラ光が発生する。

ここで、光排出部３７０のＷＤＭカプラ３７１は、第一偏波依存型光増幅ファイバ部３５０を伝搬してきたシグナル光Ｓ１１、ポンプ光Ｐ１、アイドラ光のうち、ポンプ光Ｐ１を光ループ３１１の外部に排出する機能を有する。具体的には、ＷＤＭカプラ３７１は、光ファイバからなる３つのポートを有し、それぞれ第一偏波依存型光増幅ファイバ部３５０、ＷＤＭカプラ３７２、光熱変換モジュール３９１に接続されている。ＷＤＭカプラ３７１は、第一偏波依存型光増幅ファイバ部３５０を伝搬してきたシグナル光Ｓ１１、ポンプ光Ｐ１、アイドラ光のうち、シグナル光Ｓ１１とアイドラ光とをＷＤＭ３７２に透過させ、ポンプ光Ｐ１を光ループ３１１の外部の光熱変換モジュール３９１に出力する波長特性を有する。

同様に、光排出部３７０のＷＤＭカプラ３７２は、第二偏波依存型光増幅ファイバ部３６０を伝搬してきたシグナル光Ｓ１２、ポンプ光Ｐ２、アイドラ光のうち、ポンプ光Ｐ２を光ループ３１１の外部に排出する機能を有する。具体的には、ＷＤＭカプラ３７２は、光ファイバからなる３つのポートを有し、それぞれ第二偏波依存型光増幅ファイバ部３６０、ＷＤＭカプラ３７１、光熱変換モジュール３９２に接続されている。ＷＤＭカプラ３７２は、第二偏波依存型光増幅ファイバ部３６０を伝搬してきたシグナル光Ｓ１２、ポンプ光Ｐ２、アイドラ光のうち、シグナル光Ｓ１２とアイドラ光とをＷＤＭカプラ３７１に透過させ、ポンプ光Ｐ２を光ループ３１１の外部の光熱変換モジュール３９２に出力する波長特性を有する。

その結果、ＰＢＳ３３０は、光ループ３１１を一周した、増幅されたシグナル光Ｓ１１、Ｓ１２を偏波合成して生成された増幅されたシグナル光Ｓ２を光サーキュレータ３８０に出力し、光サーキュレータ３８０はその第三ポート３８３からシグナル光Ｓ２を出力する。

すなわち、光増幅器３００では、ＳＢＳならびに高次のＳＢＳを発生させないために、各偏波依存型光増幅ファイバ部３５０、３６０のそれぞれを、ポンプ光Ｐ１、Ｐ２のそれぞれが一方光のみに伝搬し、光ループ３１１の途中で外部に排出させる。なお、たとえば一部のポンプ光Ｐ１は、パワーが著しく小さいながらも、ＷＤＭカプラ３７１をシグナル光Ｓ１１と伴に通過する。しかし、二つ目のＷＤＭカプラ３７２にて、そのパワーのほとんどが光ループ３１１外に排出される。

ここで、位相変調によるスペクトル拡大を受けているポンプ光が、光増幅ファイバ中を双方向に伝搬する場合、熱的に励起された縦波音響波（Longitudinal Acoustic-mode：ＬＡ)が反射するよりも数桁大きなポンプ光が逆方向に伝搬している状況である。そのため、双方向に伝搬するポンプ光が干渉することで、誘導的にＬＡを励起するため、ＳＢＳが、一方向だけポンプ光を伝搬させるときに比較し、著しく小さな光パワーでも発生する。そのため、ＳＢＳにより反射された光が元となるＳＢＳという高次のＳＢＳが容易に発生し、ポンプ光のスペクトル幅が大きく拡大する。そして、スペクトル幅の大きなポンプ光によりパラメトリック増幅されたシグナル光のスペクトル幅も拡大し、光通信を行う上での情報品質を劣化させる。（特許文献４）。

これに対して、光増幅器３００では、光排出部３７０の機能により、一方のポンプ光に対向して伝搬するポンプ光の強度が著しく低下するので、ポンプ光のスペクトル幅や増幅したシグナル光のスペクトル幅の拡大が抑制される。

さらに、光増幅器３００では、光増幅器１００と同様の作用効果によって、ポンプ光Ｐ１、Ｐ２のスペクトルの裾の一部が偏波保持型相対位相シフタ３５２または３６２の反射波長帯域と重なってしまった場合でも、発生する反射光は小さいので、増幅されたシグナル光Ｓ２の品質の劣化が抑制される。

光排出部３７０についてさらに具体的に説明する。光排出部３７０を構成するデバイスであるＷＤＭカプラ３７１、３７２は、ＢＰＦを用いたタイプのものや、ＳＰＦ（Short Pass Filter）やＬＰＦ(Long Pass Filter)を用いたタイプのものなど、ポンプ光とシグナル光とを分離できるデバイスであれば、どのようなデバイスを用いても良い。ポンプ光を排出する光ファイバは、温度変化によるデバイス内の軸ずれに依らずポンプ光の排出特性を維持できるように、コア径の大きなマルチモード光ファイバを用いても良い。

つぎに、光熱変換モジュール３９１、３９２について説明する。排出するポンプ光は、ＷＤＭカプラ３７１、３７２においてポンプ光に結合された光ファイバポートより出力される。安全かつ安定に光増幅器３００を動作させるためには、排出されるポンプ光を光熱変換モジュール３９１、３９２にて安全な方法で熱に変換する必要がある。光熱変換モジュール３９１、３９２は、光を熱に変換する方法として、ポンプ光を吸収する加工をした金属または非金属に光を当て、その金属または非金属をヒートシンクに熱接触させるか金属または非金属自体をヒートシンクとする構成を有することが好ましい。用いる金属の候補には、黒色アルマイト（アルマイト処理したアルミニウム：anodized aluminum）や、黒色セラミックをコーティングしたアルミニウムや銅、鉄、がある。非金属での候補としては、グラファイトなどがある。

また、排出するポンプ光を伝搬させる光ファイバの端面からの反射が光増幅器３００の動作に不安定にしたり、利得特性を変動させたりし、悪影響を与える可能性がある。それを避ける方法として、以下の方法が適用できる。

一つは、光ファイバの端面を斜めにカットする、もしくはＡＰＣ（Angled Physical Contact)コネクタを接続する方法である。もう一つは、光ファイバを曲げによる損失が発生する直径よりも小さな直径で複数回巻き、ポンプ光を光ファイバの長手方向で放出する方法である。後者では、ポンプ光は被覆樹脂を通過して光ファイバから放出されるため、光ファイバの被覆樹脂には熱に強いポリイミド樹脂を用いることも好ましい。また、光ファイバをヒートシンクにグリースなど接触断面積を増やす材料を用いて熱接触させ冷やすなどの処置をとることが好ましい。上記の二つの方法の片方もしくは両方を用いることで、排出したポンプ光が光ファイバの端面で反射され、逆方向に伝搬することを緩和することができる。

また、光増幅器３００の光学系路が光ファイバで構成される場合は、できる限り融着接続もしくは、偏波保持融着接続を用いて光ファイバを接続して構成した方が、光損失、偏波軸ずれを抑制できるため好ましい。ただし、製造の都合上、光コネクタを用いて光ファイバを接続する方が効率的である場合は、それに及ばない。光コネクタをハイパワーのポンプ光が伝搬する場所に適用する場合、ＡＰＣコネクタを用いることが、端面反射を防いだり、接続面での熱損傷などを抑制したりするうえで好ましい。

なお、ＱＰＭを実現する際に、できる限りＳＢＳの影響を抑えるには、相対位相シフタを介して接続する偏波保持型光増幅ファイバ同士（たとえば、偏波保持型光増幅ファイバ３５１同士）で互いにコア部の屈折率もしくはコアの屈折率を強く反映する特性である非線形定数が異なるようにすると、コア部の屈折率もしくは非線形定数が同一の偏波保持型光増幅ファイバを接続した際に比較し、ＳＢＳを抑圧することができる。これは、コア部の屈折率が異なる場合、ＬＡの振動数も異なるため、ＳＢＳの発生が各偏波保持型光増幅ファイバで独立となり、ＳＢＳの影響を抑制することができるからである。

なお、上記実施形態において、相対位相シフタは主にポンプ光の位相をずらす相対位相シフタである。そこで、光増幅器が平坦かつ広帯域な利得スペクトル特性を持つには、光増幅ファイバのゼロ分散波長と、ポンプ光の波長と、ポンプ光の位相をシフトさせる相対位相シフタの波長（たとえば、位相シフトの波長変化率が最大となる波長）が、±１ｎｍ程度の範囲で一致することが望ましい。

より具体的には、光増幅ファイバについては、温度調節や張力調節によりゼロ分散波長を調節できる。ポンプ光源がＤＦＢレーザやＦＰレーザやＶＣＳＥＬなどの半導体レーザ素子で構成される場合、半導体レーザ素子の温度調節や駆動電流の調節によりその発振波長を調節することができる。また、相対位相シフタがＦＢＧであるので、そのブラッグ波長を温度調節や張力調節により調節することができる。これらの３つの特性波長（ゼロ分散波長、発振波長、ブラッグ波長）の１つから３つを、任意に組み合わせて調節することにより、光増幅器において、一層平坦かつ広帯域な利得スペクトルを得ることができる。したがって、光増幅器は、光増幅ファイバに掛かる張力を調整する張力調整機構、半導体レーザ素子の温度を調整する温度調整機構または半導体レーザ素子の駆動電流を調整する駆動電流調整機構、または相対位相シフタの温度を調整する温度調整機構および相対位相シフタに掛かる張力を調整する張力調整機構の少なくとも一方、を備えることが好ましい。

たとえば、相対位相シフタとして、反射波長の温度依存性をキャンセルしたアサーマルＦＢＧを用いる場合は、上記機構により、該ＦＢＧのブラッグ波長に対して、光増幅ファイバのゼロ分散波長と、半導体レーザ素子の発振波長とを適正にするように調節することができる。また、光増幅ファイバのゼロ分散波長を固定した場合は、上記機構により、相対位相シフタのブラッグ波長と半導体レーザ素子の発振波長とを調節して、ゼロ分散波長に対して適正に合わせるようにすることができる。

なお、ここで、相対位相シフタは、温度調整機構としてのペルチェ素子やヒータなどの上に、銅、アルミ、セラミックなどからなるヒートシンクを介して配置し、ペルチェ素子やヒータなどに熱的に接触するように固定することで、温度調節することができる。また、サーミスタなどの温度センサをヒートシンク上に設け、温度をモニタしながら温度調節をすることで、より精密に温度調節を行うことができる。

（実施形態４）
図２２は、実施形態４に係る光通信システムの模式的な構成図である。光通信システム１０００は、光送信器１００１と、光受信器１００２と、光送信器１００１と光受信器１００２とを接続する光伝送ファイバ１００３、１００４と、実施形態１に係る光増幅器１００とを備えている。

光送信器１００１は、ＷＤＭシグナル光であるシグナル光Ｓ１を光伝送ファイバ１００３に出力する。光伝送ファイバ１００３は、シグナル光Ｓ１を伝送し、光増幅器１００に入力させる。光増幅器１００は、シグナル光Ｓ１をパラメトリック増幅してシグナル光Ｓ２として出力する。光伝送ファイバ１００４は、シグナル光Ｓ２を伝送し、光受信器１００２に入力させる。光受信器１００２は、シグナル光Ｓ２を受信する。光通信システム１０００は、光増幅器１００を備えているので、高品質の信号伝送が可能となる。

なお、光通信システム１０００では、光増幅器として光増幅器１００を備えているが、光増幅器１００に代えて上記各実施形態に係る光増幅器のいずれを備えるようにしてもよい。

また、上記実施形態に係る光増幅器は、波長変換器として動作させることもできる。

また、上記実施形態に係る光増幅器を、ＥＤＦＡの前段やラマン効果を利用した光増幅システムの後段に設置して、光増幅システムを構成してもよい。

また、上記実施形態に係る光増幅器は、ＰＳＡとしても使用できる。

なお、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１００、２００、３００ 光増幅器
１１０、２１１ 光増幅ファイバ
１２０、２１２ 相対位相シフタ
１２１、１６１ コア部
１２２、１６２ クラッド部
１３０、２２０、３２０ ポンプ光源部
１４０、１５０、２３０ 光合分波器
１６０ 相対位相シフタ
２１０ 光増幅部
２２１ ポンプ光源
２２２、３２２ 位相変調器
２２３ 光ファイバ増幅器
２２４ 光バンドパスフィルタ
２２５ 白色雑音源
２２６ 広帯域ＲＦ増幅器
３１１ 光ループ
３１２ 偏波ダイバーシティー構成
３２１ ＴＬＳ
３２３ 信号発生器
３２４ 偏波保持３ｄＢカプラ
３２５、３２６ 偏波保持光増幅器
３２７、３２８ ＢＰＦ
３３０ ＰＢＳ
３３１、３８１ 第一ポート
３３２、３８２ 第二ポート
３３３、３８３ 第三ポート
３４１、３４２ ＷＤＭカプラ
３５０ 第一偏波依存型光増幅ファイバ部
３５１、３６１ 偏波保持型光増幅ファイバ
３５２、３６２ 偏波保持型相対位相シフタ
３６０ 第二偏波依存型光増幅ファイバ部
３７０ 光排出部
３７１、３７２ ＷＤＭカプラ
３８０ 光サーキュレータ
３９１、３９２ 光熱変換モジュール
１０００ 光通信システム
１００１ 光送信器
１００２ 光受信器
１００３、１００４ 光伝送ファイバ
Ｇ１、Ｇ２ グレーティング部
Ｐ、Ｐ１、Ｐ２ ポンプ光
ＲＬ、ＲＬ１、ＲＬ２ 反射光
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ１１、Ｓ１２ シグナル光

Claims (12)

1. ２本以上の光増幅ファイバと、
   前記２本以上の光増幅ファイバの間に挿入され、ポンプ光の波長およびその近傍の波長を有する光の位相をシフトさせる１つ以上の相対位相シフタと、
   を備え、
   前記相対位相シフタは、複数の高屈折率層を有してブラッグ波長を規定するグレーティング部を備えたファイバブラッググレーティングであり、前記ファイバブラッググレーティングのブラッグ波長における反射率が６０［％］以下であることを特徴とする光パラメトリック増幅器。
2. 前記ファイバブラッググレーティングを構成する光ファイバのゼロ分散波長は、前記光増幅ファイバのゼロ分散波長の±２０［ｎｍ］の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の光パラメトリック増幅器。
3. 前記光増幅ファイバは、非線形定数が１０［１／Ｗ／ｋｍ］以上であり、前記ファイバブラッググレーティングを構成する光ファイバは、非線形定数が５［１／Ｗ／ｋｍ］以上であることを特徴とする請求項１に記載の光パラメトリック増幅器。
4. 前記ファイバブラッググレーティングを構成する光ファイバは、分散シフト光ファイバであることを特徴とする請求項１または２に記載の光パラメトリック増幅器。
5. 前記ファイバブラッググレーティングの温度を調整する温度調整機構および前記ファイバブラッググレーティングに掛かる張力を調整する張力調整機構の少なくとも一つを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光パラメトリック増幅器。
6. 前記光増幅ファイバの各々の長手方向で相対位相が−０．４π以上で０．５πを含む０．９π以下の範囲に収まるように前記相対位相シフタが挿入されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の光パラメトリック増幅器。
7. 位相変調されたポンプ光を、前記光増幅ファイバに出力するポンプ光源部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の光パラメトリック増幅器。
8. 位相変調されたポンプ光を出力するポンプ光源部と、
   第一ポート、偏波依存型光ファイバからなる第ニポートおよび第三ポートを有し、第一ポートから入力された光を互いに直交する偏波成分に分離して第ニポートおよび第三ポートのそれぞれから出力する偏波合分波器と、
   前記偏波合分波器の第二ポートに接続された第一偏波依存型光増幅ファイバ部と、
   前記偏波合分波器の第三ポートに接続された第二偏波依存型光増幅ファイバ部と、
   前記ポンプ光を前記第一偏波依存型光増幅ファイバ部と前記第二偏波依存型光増幅ファイバ部とにそれぞれ入力させるように接続された光合分波器と、
   前記第一偏波依存型光増幅ファイバ部と前記第二偏波依存型光増幅ファイバ部との間に接続されて前記第一偏波依存型光増幅ファイバ部と前記第二偏波依存型光増幅ファイバ部とともに光ループを構成するとともに、前記第一偏波依存型光増幅ファイバ部と前記第二偏波依存型光増幅ファイバ部のそれぞれを伝搬してきた前記ポンプ光を前記光ループの外部に排出する光排出部と、
   光ファイバからなる第一ポート、第ニポートおよび第三ポートを有し、第一ポートから入力された、所定の波長帯域に含まれるシグナル光を、第二ポートから、該第二ポートに接続された前記偏波合分波器の第一ポートに出力するとともに、前記偏波合分波器により偏波分離され、前記光ループにおいて前記ポンプ光による前記第一偏波依存型光増幅ファイバ部と前記第二偏波依存型光増幅ファイバ部とにおける非線形光学効果によってパラメトリック増幅されて前記偏波合分波器により偏波合成されて前記偏波合分波器の第一ポートから第二ポートに出力されたシグナル光を、第三ポートから出力する光サーキュレータと、
   を備え、前記第一偏波依存型光増幅ファイバ部および前記第二偏波依存型光増幅ファイバ部の各々が、偏波保持型の前記２本以上の光増幅ファイバと、偏波保持型の前記１つ以上の相対位相シフタとを含んでいることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の光パラメトリック増幅器。
9. 前記ファイバブラッググレーティングにおいて、前記グレーティング部を構成する高屈折率層が、前記ファイバブラッググレーティングを構成する光ファイバの光軸に対して傾斜していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の光パラメトリック増幅器。
10. 請求項１〜９のいずれか一つに記載の光パラメトリック増幅器を備えたことを特徴とする光増幅システム。
11. 請求項１〜９のいずれか一つに記載の光パラメトリック増幅器を備えたことを特徴とする波長変換器。
12. 請求項１〜９のいずれか一つに記載の光パラメトリック増幅器を備えたことを特徴とする光通信システム。

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