JP4771833B2 - 光パラメトリック増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、非線形光学効果を用いて、信号光をパラメトリック増幅する光パラメトリック増幅器に関し、特に、パラメトリック増幅の高利得化および広帯域化を図るための技術に関する。

現在、複数の異なった波長の信号光を多重化して１本の光ファイバにより伝送する光波長多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）伝送方式が実用化されようとしている。一方で、波長数の増大による消費電力の増大等の問題により、一波長あたりのビットレートを増加し、信号光を時分割で多重化する光時分割多重（Optical Time Division Multiplexing：ＯＴＤＭ）伝送方式が近年注目を集めている。

ＯＴＤＭ伝送方式では、ビットレートが高速となるため、電気的には処理することのできない高速の信号光を光の状態ままオン・オフ処理する光スイッチや、光パルスを測定するための光サンプリング方式などが重要な基礎要素技術となる。
近年、光ファイバの非線形性が従来に比べ向上しており、その光ファイバの非線形光学効果を積極的に用いた超高速の光スイッチや光サンプリング技術への適用が提案されている。上記の非線形光学効果とは、例えばガラス中に比較的強いパワーの光を伝搬させたときに、光強度に応じてガラスの物性が変化して、光学的な応答が線形性を失う現象のことを意味する。

特に高い非線形性を有する高非線形ファイバ内で発生するパラメトリック増幅は、非常に高速で生じる光学的物理現象のため、熱／電気光学効果によって媒質の屈折率を変化させる現象などと比べて遥かに応答速度が高速であり、ＯＴＤＭに用いられる高速光パルスに遅延なく応答することが可能である。このように光パラメトリック増幅技術は今後の超高速ネットワークを構成する上で重要な高速応答特性を備えた光増幅原理として期待されている。

上記のようなパラメトリック増幅を応用した従来の光増幅器としては、例えば下記の特許文献１において、カスケード式ラマン増幅と、光ファイバにおけるパラメトリック増幅または４波混合のいずれかとの組み合わせを使用した広帯域非線形偏光増幅器が提案されている。この従来技術では、カスケード式ラマン増幅の１つの中間次数が、増幅用ファイバの零分散波長に近接するように配置され、その波長が零分散波長より大きい場合にはパラメトリック増幅と位相整合し、零分散波長より小さい場合には４波混合と位相整合することを利用して、光増幅器の広帯域化を達成している。

また、光ファイバの非線形光学効果を利用した他の従来技術として、例えば下記の特許文献２には、それぞれ異なる零分散波長を持つ複数の分散シフト光ファイバを順次接続したものに対して、信号光と、上記それぞれ異なる零分散波長のいずれか１つと同一の波長のポンプ光とを入射することで、４光波混合により信号光の波長変換を行う装置も提案されている。
特表２００２−５０８６０１号公報 特開２０００−１８０９０７号公報

ところで、信号光をパラメトリック増幅する光パラメトリック増幅器については、上記のような従来の光増幅器がカスケード式ラマン増幅とパラメトリック増幅または４波混合との組み合わせにより広帯域化を実現していることからも分かるように、パラメトリック増幅を単独で利用して信号光の増幅を行う場合に所望の帯域幅や利得を実現することが難しいという課題がある。

ここで、光パラメトリック増幅器の基本的な動作原理について説明する。
一般的な光パラメトリック増幅器では、例えば図７の上段に示すように、信号光源１０１から出射される波長λｓの信号光パルスＳおよびポンプ光源１０２から出射される波長λｐのポンプ光パルスＰが、偏光コントローラ１０３，１０４および合波器１０５を介して非線形ファイバ１０６に与えられ、該非線形ファイバ１０６を伝搬した光が帯域通過光フィルタ１０７を通過することでパラメトリック増幅された信号光Ｓが外部に出力される。ポンプ光波長λｐは、図７の下段に示すように非線形ファイバ１０６の零分散波長λ₀に一致（λｐ＝λ₀）するように設定されており、図中のΔλは信号光波長λｓとポンプ光波長λｐの間隔（離調量）を示している。このような構成の光パラメトリック増幅器では、パラメトリック利得の発生を支配する要因として次のような事項が挙げられる。
（ｉ）４光波混合に由来する要因
（ｉｉ）信号光Ｓとポンプ光Ｐの間のウォークオフ（walk-off）に由来する要因
よって、パラメトリック利得の広帯域化および高利得化を実現するためには、上記（ｉ）および（ｉｉ）の要因を考慮した設計を行うことが必要となる。

具体的に、（ｉ）の要因については、４光波混合発生効率と、位相整合条件とが重要になる。４光波混合効率η_Cは一般に次の（１）式により示される。

ここで、αは非線形ファイバの吸収係数、γは非線形係数、Ｐｐはポンプ光パルスＰの光強度を示す。上記の（１）式の関係より、所要の４光波混合効率を確保するためには、吸収係数αの影響を抑制し、ポンプ光パワーＰｐを増加させることが必要である。
また、位相整合条件Δβは、信号光波長λｓ、ポンプ光波長λｐ、非線形ファイバ１０６の零分散波長λ₀および分散スロープｄＤ_C／ｄλを用いて表される次の（２）式が成り立つ時に満たされる。

前述したように一般的な光パラメトリック増幅器では、非線形ファイバの零分散波長λ₀とポンプ光波長λｐを一致させる設計が行われる。しかし、実際に使用する非線形ファイバの零分散波長λ₀は長手方向についての揺らぎが避けられないため、λ₀＝λｐの状態を厳密に実現することは困難である。零分散波長λ₀に対してポンプ光波長λｐがずれた状態で上記（２）式の位相整合条件が満たされると、特定の波長において最大のパラメトリック利得がもたらされる。つまり、λ₀＝λｐの理想的な状態におけるパラメトリック利得は波長に対して広い範囲で一定になるが、実際に得られるパラメトリック利得は、零分散波長λ₀に対するポンプ光波長λｐのずれにより帯域特性にピークが発生する。このようなピークの発生は光パラメトリック増幅器の帯域を制限することになる。また、所望の信号光を高い利得で増幅するためには、その信号光波長の近傍にパラメトリック利得のピーク波長が出現するように零分散波長λ₀およびポンプ光波長λｐを設定する必要があるが、その実現は前述した零分散波長λ₀の揺らぎ等により容易なものではない。

なお、分散スロープが零（ｄＤ_C／ｄλ＝０）のときは（２）式の関係が成立しないので、位相不整合が常に残存して、利得減少をもたらすことになる。
上記（１）式および（２）式の関係を考慮すると、光パラメトリック増幅器において高利得を実現するためには、例えば２つの波長のポンプ光を用いた２波長励起が有効である。しかし、２波長励起による光パラメトリック増幅器は、文字通り２つのポンプ光源を必要とするためコスト面で不利になってしまうという問題点がある。

（ｉｉ）のウォークオフ由来の要因について、信号光Ｓとポンプ光Ｐの間のウォークオフ（遅延量）Δτは、非線形ファイバの長さＬを用いて、次の（３）式により与えられる。

図８は、パラメトリック利得と信号光Ｓおよびポンプ光Ｐの間のウォークオフΔτとの相関関係を例示したものである。この相関関係より、ウォークオフΔτがある値になるとパラメトリック利得が極大になることが分かる。パラメトリック利得が極大になる前のウォークオフΔτが比較的小さな領域における利得の減少は、位相不整合（Phase miss matching）を示している。一方、パラメトリック利得が極大に達した後の利得の減少は、信号光パルスＳおよびポンプ光パルスＰ間のウォークオフΔτが大きくなったことに起因するものである。このように、パラメトリック増幅においては、信号光Ｓおよびポンプ光Ｐの間のウォークオフΔτと位相整合条件Δβとが利得を大きく左右する要因となる。

本発明は上記の点に着目してなされたもので、高利得化および広帯域化を簡略な構成により実現できる光パラメトリック増幅器を提供することを目的とする。また、所望の波長の信号光を高いパラメトリック利得で増幅することが可能な光パラメトリック増幅器を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明による光パラメトリック増幅器の一態様は、信号光が入射される非線形増幅部と、該非線形増幅部にポンプ光を供給するポンプ光供給部と、を備え、前記非線形増幅部を伝搬する信号光をポンプ光による非線形光学効果でパラメトリック増幅して出力する光パラメトリック増幅器であって、前記非線形増幅部は、互いに異なる零分散波長および分散スロープを有する複数の非線形増幅媒体を多段接続して構成され、前記複数の非線形増幅媒体は、各々の零分散波長がポンプ光波長よりも短波長側にあり、かつ、相対的に信号光入力側に位置する非線形増幅媒体の零分散波長が、相対的に信号光出力側に位置する非線形増幅媒体の零分散波長よりも長波長側にあると共に、相対的に信号光出力側に位置する非線形増幅媒体の分散スロープが、相対的に信号光入力側に位置する非線形増幅媒体の分散スロープよりも急峻であることを特徴とする。このような光パラメトリック増幅器では、多段化された各非線形増幅媒体において波長特性の異なるパラメトリック利得が得られるようになり、各々のパラメトリック利得を足し合わせた利得帯域で信号光がパラメトリック増幅され、ポンプ光波長の付近から広帯域に亘って高いパラメトリック利得が得られるようになる。

本発明による光パラメトリック増幅器の他の態様は、信号光が入射される非線形増幅媒体と、該非線形増幅媒体にポンプ光を供給するポンプ光供給部と、を備え、前記非線形増幅媒体を伝搬する信号光をポンプ光による非線形光学効果でパラメトリック増幅して出力する光パラメトリック増幅器であって、前記非線形増幅媒体は、ポンプ光波長とは異なる零分散波長を有し、かつ、信号光波長の近傍にパラメトリック利得のピーク波長が位置するよう設定した分散スロープを有することを特徴とする。このような光パラメトリック増幅器では、信号光の波長に対応して最も大きなパラメトリック利得が得られるようになる。

上述したような本発明のパラメトリック増幅器によれば、非線形増幅媒体の零分散波長とポンプ光波長とが一致しない場合でも、多段接続した各非線形増幅媒体の零分散波長および分散スロープを最適化することによってパラメトリック増幅の高利得化および広帯域化を実現することができる。また、所望の信号光波長に対応させて非線形増幅媒体の分散スロープを設計することで構成の複雑化を招くことなくパラメトリック増幅の高利得化を図ることが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、全図を通して同一の符号は同一または相当部分を示すものとする。
図１は、本発明による光パラメトリック増幅器の第１実施形態の構成を示す図である。
図１において、本実施形態の光パラメトリック増幅器は、例えば、信号光Ｓを発生する信号光源１と、ポンプ光Ｐを発生するポンプ光源２と、偏光制御器としての偏光コントローラ３，４と、信号光Ｓおよびポンプ光Ｐを合波する合波器５と、非線形増幅部としてのｎ本の偏波保持高非線形光ファイバ（以下、ＨＮＬＦと表記する）６−１，６−２，…，６−ｎと、信号光抽出部としての帯域通過光フィルタ７と、を備えて構成される。

信号光源１は、例えばＯＴＤＭ方式に従う高速ビットレートの信号光パルスＳを発生し、該信号光Ｓを偏光コントローラ３に出力する。なお、ここでは光パラメトリック増幅器内に信号光源１を備えた一例を示したが、本発明はこれに限らず、各種光通信システムの光伝送路等を伝搬した信号光が光パラメトリック増幅器に入力されるようにしてもよい。
ポンプ光源２は、一般的な連続光源またはパルス光源が用いられ、信号光波長および各ＨＮＬＦ６−１〜６−ｎの零分散波長を考慮して予め設定した波長λｐおよび光パワーＰｐを有するポンプ光Ｐを発生し、該ポンプ光Ｐを偏光コントローラ４に出力する。

偏光コントローラ３および４は、信号光源１からの信号光Ｓおよびポンプ光源２からのポンプ光Ｐをそれぞれ直線偏光に変換するとともに、ＨＮＬＦ６−１の入力部において信号光Ｓおよびポンプ光源２が同一の偏光状態となるように各々の偏光方向を可変制御する。なお、ここでは信号光Ｓおよびポン光Ｐの双方に対応させて偏光コントローラ３，４を配置するようにしたが、信号光Ｓおよびポンプ光Ｐのいずれか一方に偏光コントローラを設けて相対的な偏光方向を制御するようにしても構わない。

合波器５は、各偏光コントローラ３，４から出力される信号光Ｓおよびポンプ光Ｐを合波し、その合波光をＨＮＬＦ６−１に与える。
各ＨＮＬＦ６−１〜６−ｎは、合波器５の出力端と帯域通過光フィルタ７の入力端の間に直列に接続されており、各々の零分散波長および分散スロープが互いに異なる値に設定されている。各ＨＮＬＦ６−１〜６−ｎは、一般的な光パラメトリック増幅器で用いられている非線形ファイバと比べて高い非線形性を有しており、非線形光学効果が実質的に得られる距離（非線形距離）が群速度分散の生じる距離（分散距離）よりも十分に短くなっている。このようなＨＮＬＦを非線形増幅媒体として用いることにより、非線形増幅媒体の短尺化が図られる。なお、ここではＨＮＬＦを使用する一例を示したが、本発明に適用可能な非線形増幅媒体はこれに限らず、例えば非線形光学結晶などを用いてもよく、零分散波長および分散スロープを適宜選択することが可能であれば媒体の形状等は問わない。

ここで、各ＨＮＬＦ６−１〜６−ｎの零分散波長および分散スロープの相対的な関係について図２を参照しながら詳しく説明する。なお、以下では各ＨＮＬＦ６−１〜６−ｎの零分散波長をλ₀₁〜λ_0n、分散スロープをＤＳ₀₁〜ＤＳ_0n、ファイバ長をＬ₀₁〜Ｌ_0nと表記することにする。上述の（２）式における分散スロープｄＤｃ／ｄλは、上記の分散スロープＤＳ₀₁〜ＤＳ_0nに対応する。

図２の中段は、各ＨＮＬＦ６−１〜６−ｎの零分散波長λ₀₁〜λ_0nおよびポンプ光波長λｐの相対的な関係を、横軸をファイバ長、縦軸を波長として示している。このように、多段化されたＨＮＬＦ６−１〜６−ｎの零分散波長λ₀₁〜λ_0nは、後段のＨＮＬＦになるほど短くなり、λ₀₁＞λ₀₂＞…＞λ_0nという相対的な関係を持つように設定されている。１段目のＨＮＬＦ６−１の零分散波長λ₀₁は、ポンプ光波長λｐよりも短波長側に配置される（λｐ＞λ₀₁）。

また、図２の下段は、各ＨＮＬＦ６−１〜６−ｎの分散スロープＤＳ₀₁〜ＤＳ_0nの相対的な関係を示している。このように、多段化されたＨＮＬＦ６−１〜６−ｎの分散スロープＤＳ₀₁〜ＤＳ_0nは、後段のＨＮＬＦになるほど急峻になり、ＤＳ₀₁＜ＤＳ₀₂＜…＜ＤＳ_0nという相対的な関係となるように設定されている。
なお、図２には各ＨＮＬＦ６−１〜６−ｎのファイバ長Ｌ₀₁〜Ｌ_0nが略同じになるような一例を示したが、本発明における非線形増幅媒体の長さは所望のパラメトリック利得帯域特性に応じて適宜に調整することが可能である。

帯域通過光フィルタ７は、信号光波長に対応した通過帯域を有し、各ＨＮＬＦ６−１〜６−ｎを通過した光より信号光成分を抽出し、それをパラメトリック増幅後の信号光Ｓとして外部に出力する。
次に、第１実施形態の動作について説明する。
上記のような構成の光パラメトリック増幅器では、信号光源１からの信号光Ｓおよびポンプ光源２からのポンプ光Ｐが、各偏光コントローラ３，４および合波器５により同一の偏光状態で合波されてＨＮＬＦ６−１の入力端に送られる。ＨＮＬＦ６−１に与えられた信号光Ｓおよびポンプ光Ｐは、多段化されたＨＮＬＦ６−１〜６−ｎを順に伝搬し、各ＨＮＬＦ６−１〜６−ｎにおけるポンプ光Ｐによる非線形光学効果で信号光Ｓがパラメトリック増幅される。

このとき、多段化されたＨＮＬＦ６−１〜６−ｎの零分散波長λ₀₁〜λ_0nが後段のＨＮＬＦになるほど短くなり、かつ、分散スロープＤＳ₀₁〜ＤＳ_0nが後段のＨＮＬＦになるほど急峻になるように設定されていることで、各ＨＮＬＦ６−１〜６−ｎにおけるパラメトリック利得のピーク波長がポンプ光波長側（長波長側）に順次シフトするため、多段化されたＨＮＬＦ６−１〜６−ｎ全体で得られるパラメトリック利得が広帯域に亘って高利得化されるようになる。

具体的には、上述したようにパラメトリック増幅における非線形増幅媒体の零分散波長λ₀とポンプ光波長λｐとにずれが生じると、パラメトリック利得の波長特性にピークが発生するようになる。上述の（２）式に示した位相整合条件Δβにおいて、２γＰｐの値を不変とした場合に、ポンプ光波長λｐに対する零分散波長λ₀のずれが大きくなって（λｐ−λ₀）の値が増加すると、その増加分が（λｐ−λｓ）の減少により相殺されることで位相整合条件が満たされる。つまり、零分散波長λ₀のずれの増大によりピーク利得が得られる信号光波長λｓが長波長側にシフトしてポンプ光波長λｐに近づくことになる。そこで、本光パラメトリック増幅器では、上記のようなポンプ光波長λｐに対する零分散波長λ₀のずれとパラメトリック利得のピーク波長との関係に注目して、各ＨＮＬＦ６−１〜６−ｎの零分散波長λ₀₁〜λ_0nが、後段のＨＮＬＦになるにつれてポンプ光波長λｐから離れ短波長側にシフトするように設定される。これにより、各ＨＮＬＦ６−１〜６−ｎにおけるパラメトリック利得のピーク波長が後段のＨＮＬＦになるほどポンプ光波長λｐに近づくようになる。

また、パラメトリック利得のピーク波長は分散スロープにも依存するので、本光パラメトリック増幅器はこの特性も積極的に利用してパラメトリック利得の広帯域化および高利得化を図っている。図３は、パラメトリック利得の帯域特性（具体的には、ポンプ光波長λｐからの信号光波長λｓの離調量Δλに対するパラメトリック利得の特性）と、非線形増幅媒体の分散スロープとの関係を示したものである。このように、パラメトリック利得の帯域特性は、分散スロープが増加することでピーク波長が長波長側にシフトしてポンプ光波長λｐに近づくようになる。このような特性は、上述の（２）式に示した位相整合条件Δβにおいて、２γＰｐの値を不変とした場合に、分散スロープｄＤｃ／ｄλの増加が（λｐ−λｓ）の減少により相殺されることで、位相整合条件が満たされることに対応している。そこで、本光パラメトリック増幅器では、各ＨＮＬＦ６−１〜６−ｎの分散スロープＤＳ₀₁〜ＤＳ_0nが後段のＨＮＬＦになるにつれて急峻になるように設定される。これにより、各ＨＮＬＦ６−１〜６−ｎにおけるパラメトリック利得のピーク波長が後段のＨＮＬＦになるほどポンプ光波長λｐに近づくようになる。

図４は、多段化された各ＨＮＬＦ６−１〜６−ｎのうちのある１つのＨＮＬＦにおける波長に対するパラメトリック利得の関係を模式的に示した図である。単一のＨＮＬＦにおけるパラメトリック利得の増加特性は、ポンプ光波長λｐ、零分散波長λ₀、信号光波長λｓの相対的な配置によって決まっており、図４に示すようにポンプ光波長λｐに近い波長領域では、パラメトリック利得Ｇがファイバ長Ｌの２乗に比例し（Ｇ∝（ｇＬ）²）、ポンプ光波長λｐから離れて完全に位相整合条件が満たされるようになる波長領域では、パラメトリック利得Ｇがファイバ長Ｌの指数関数で増加する（Ｇ∝ｅｘｐ（ｇＬ））。本光パラメトリック増幅器では、この波長に対するパラメトリック利得の上昇の違いを利用してパラメトリック利得の高利得化を図っていることになる。

図５は、零分散波長および分散スロープが互いに異なる２つのＨＮＬＦを接続して多段化したときに得られるパラメトリック利得の波長特性の一例を示したものである。単一のＨＮＬＦによるパラメトリック利得Ｇ１は、ポンプ光波長λｐに対して零分散波長が近くに位置する前段側のＨＮＬＦに対応したものである。単一のＨＮＬＦによるパラメトリック利得Ｇ２は、ポンプ光波長λｐに対して零分散波長が離された後段側のＨＮＬＦに対応したものである。そして、多段化後に得られるパラメトリック利得は、上記の利得Ｇ１，Ｇ２を足し合わせたものとなり、単一のＨＮＬＦのときと比べて平坦な波長特性が実現されるようになる。本光パラメトリック増幅器では、ｎ本のＨＮＬＦが上記のようにして多段化されることになるため、ポンプ光波長λｐの付近から広い帯域に亘って高いパラメトリック利得が得られるようになる。

上記のような多段化されたＨＮＬＦ６−１〜６−ｎにおける零分散波長λ₀₁〜λ_0nおよび分散スロープＤＳ₀₁〜ＤＳ_0nの最適化によって、本光パラメトリック増幅器では、ＨＮＬＦ６−１〜６−ｎのより後段側において位相整合条件が最適化されるようになり、前段側での非線形効果による急激なパワーの上昇による信号光パルスの劣化が抑えられ、後段側で高利得が得られるようになる。

加えて、本光パラメトリック増幅器では、非線形増幅媒体としてＨＮＬＦを用いることによりファイバ長の短尺化が図られている。これにより、上述の（３）式に示した信号光Ｓおよびポンプ光Ｐの間のウォークオフΔτが抑制され、かつ、ＨＮＬＦからの群速度分散（ＧＶＤ）の影響も抑制されるようになるため、光パラメトリック増幅器のさらなる高利得化を可能にしている。

以上のように第１実施形態の光パラメトリック増幅器によれば、非線形増幅媒体としてＨＮＬＦ６−１〜６−ｎを用いそれらを直列に接続して多段化し、かつ、各ＨＮＬＦ６−１〜６−ｎの零分散波長λ₀₁〜λ_0nおよび分散スロープＤＳ₀₁〜ＤＳ_0nの設定を最適化したことで、１台のポンプ光源２を利用した簡略な構成でもパラメトリック増幅の高利得化および広帯域化を実現することが可能になる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図６は、本発明による光パラメトリック増幅器の第２実施形態の構成を示す図である。
図６において、本実施形態の光パラメトリック増幅器は、上述の図１に示した第１実施形態の構成について、ｎ個のＨＮＬＦ６−１〜６−ｎのうちのｍ個（１＜ｍ＜ｎ）のＨＮＬＦ６−１〜６−ｍを直列に接続するとともに、ｎ−ｍ個のＨＮＬＦ６−ｍ＋１〜６−ｎを直列に接続し、それらＨＮＬＦ６−１〜６−ｍとＨＮＬＦ６−ｍ＋１〜６−ｎとを分波器８および合波器９を用いて並列に接続するようにして、ｎ個のＨＮＬＦ６−１〜６−ｎを多段構成としている。ＨＮＬＦ６−１〜６−ｍおよび６−ｍ＋１〜６−ｎの零分散波長λ₀₁〜λ_0mおよびλ_0m+1〜λ_0nは、第１実施形態の場合と同様に、後段のＨＮＬＦになるほど短くなり、λ₀₁＞λ₀₂＞…＞λ_0mおよびλ_0m+1＞λ_0m+2＞…＞λ_0nという相対的な関係を持つように設定されている。また、ＨＮＬＦ６−１〜６−ｍおよび６−ｍ＋１〜６−ｎの分散スロープＤＳ₀₁〜ＤＳ_0mおよびＤＳ_0m+1〜ＤＳ_0nも、第１実施形態の場合と同様に、後段のＨＮＬＦになるほど急峻となり、ＤＳ₀₁＜ＤＳ₀₂＜…＜ＤＳ_0mおよびＤＳ_0m+1＜ＤＳ_0m+2＜…＜ＤＳ_0nという相対的な関係を持つように設定されている。

また、本光パラメトリック増幅器は、ＨＮＬＦ６−ｍと合波器９の間に遅延付加器１０を有する。この遅延付加器１０は、ＨＮＬＦ６−１〜６−ｍを伝搬した信号光ＳとＨＮＬＦ６−ｍ＋１〜６−ｎを伝搬した信号光Ｓとの間に生じる時間差を調整するものである。
上記のような構成の光パラメトリック増幅器では、信号光源１からの信号光Ｓおよびポンプ光源２からのポンプ光Ｐが、各偏光コントローラ３，４および合波器５により同一の偏光状態で合波され、さらにその合波光が分波器８で２分岐されて一方の分岐光がＨＮＬＦ６−１に送られ、他方の分岐光がＨＮＬＦ６−ｍ＋１に送られる。ＨＮＬＦ６−１に与えられた信号光Ｓおよびポンプ光Ｐは、直列に接続されたＨＮＬＦ６−１〜６−ｍを順に伝搬し、上述した第１実施形態の場合と同様の動作原理に従って、各ＨＮＬＦ６−１〜６−ｍにおけるポンプ光Ｐによる非線形光学効果で信号光Ｓがパラメトリック増幅される。ＨＮＬＦ６−ｍ＋１に与えられた信号光Ｓおよびポンプ光Ｐも同様にして、直列に接続されたＨＮＬＦ６−ｍ＋１〜６−ｎを順に伝搬してパラメトリック増幅される。さらに、ＨＮＬＦ６−１〜６−ｍでパラメトリック増幅された信号光Ｓについては、遅延付加器１０で所要の時間遅延が与えられ、ＨＮＬＦ６−ｍ＋１〜６−ｎでパラメトリック増幅された信号光Ｓに対する時間差が補正される。そして、遅延付加器１０およびＨＮＬＦ６−ｎからの各出力光が合波器９で合波されて帯域通過光フィルタ７に与えられ、合波光に含まれる信号光成分が抽出される。これにより、パラメトリック増幅された信号光Ｓが帯域通過光フィルタ７から外部に出力されるようになる。

上記のように第２実施形態の光パラメトリック増幅器によっても、上述した第１実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。
なお、上述した第１、第２実施形態では、多段構成のＨＮＬＦを利用して光パラメトリック増幅器の高利得化と広帯域化を同時に実現する構成例を示したが、例えば上述の図７に示したような単一の非線形ファイバを利用した光パラメトリック増幅器について、図３に示したようなパラメトリック利得のピーク波長の分散スロープ依存性を応用し、非線形ファイバの分散スロープを所望の信号光波長に対応させて設定することで、信号光波長の近傍にパラメトリック利得のピーク波長を位置させることができるようになる。このため、単一の非線形ファイバを利用した光パラメトリック増幅器についても分散スロープを最適設計することで、構成を複雑にすることなく高利得化を実現することが可能になる。

以上、本明細書で開示した主な発明について以下にまとめる。

（付記１）信号光が入射される非線形増幅部と、該非線形増幅部にポンプ光を供給するポンプ光供給部と、を備え、前記非線形増幅部を伝搬する信号光をポンプ光による非線形光学効果でパラメトリック増幅して出力する光パラメトリック増幅器であって、
前記非線形増幅部は、互いに異なる零分散波長および分散スロープを有する複数の非線形増幅媒体を多段接続して構成されたことを特徴とする光パラメトリック増幅器。

（付記２）付記１に記載の光パラメトリック増幅器であって、
前記複数の非線形増幅媒体は、各々の零分散波長がポンプ光波長よりも短波長側にあり、かつ、相対的に信号光入力側に位置する非線形増幅媒体の零分散波長が、相対的に信号光出力側に位置する非線形増幅媒体の零分散波長よりも長波長側にあることを特徴とする光パラメトリック増幅器。

（付記３）付記１に記載の光パラメトリック増幅器であって、
前記複数の非線形増幅媒体は、相対的に信号光出力側に位置する非線形増幅媒体の分散スロープが、相対的に信号光入力側に位置する非線形増幅媒体の分散スロープよりも急峻であることを特徴とする光パラメトリック増幅器。

（付記４）付記１に記載の光パラメトリック増幅器であって、
前記複数の非線形増幅媒体は、非線形光学効果が実質的に得られる距離が群速度分散の生じる距離よりも短くなる高非線形性を有することを特徴とする光パラメトリック増幅器。

（付記５）付記４に記載の光パラメトリック増幅器であって、
前記複数の非線形増幅媒体は、偏波保持高非線形光ファイバを用いたことを特徴とする光パラメトリック増幅器。

（付記６）付記１に記載の光パラメトリック増幅器であって、
前記複数の非線形増幅媒体は、直列に接続されていることを特徴とする光パラメトリック増幅器。

（付記７）付記１に記載の光パラメトリック増幅器であって、
前記複数の非線形増幅媒体は、並列に接続されていることを特徴とする光パラメトリック増幅器。

（付記８）付記１に記載の光パラメトリック増幅器であって、
前記ポンプ光供給部は、ポンプ光を発生するポンプ光源と、前記非線形増幅部の信号光入射端においてポンプ光と信号光の偏光方向が同一となるように、前記ポンプ光源から出力されるポンプ光の偏光状態および信号光の偏光状態の少なくとも一方を制御する偏光制御器と、該偏光制御器で偏光状態が制御されたポンプ光および信号光を合波して前記非線形増幅部に与える合波器と、を備えたことを特徴とする光パラメトリック増幅器。

（付記９）付記１に記載の光パラメトリック増幅器であって、
前記非線形増幅部を通過した光より信号光成分を抽出する信号光抽出部を備えたことを特徴とする光パラメトリック増幅器。

（付記１０）信号光が入射される非線形増幅媒体と、該非線形増幅媒体にポンプ光を供給するポンプ光供給部と、を備え、前記非線形増幅媒体を伝搬する信号光をポンプ光による非線形光学効果でパラメトリック増幅して出力する光パラメトリック増幅器であって、
前記非線形増幅媒体は、ポンプ光波長とは異なる零分散波長を有し、かつ、信号光波長の近傍にパラメトリック利得のピーク波長が位置するよう設定した分散スロープを有することを特徴とする光パラメトリック増幅器。

（付記１１）付記１０に記載の光パラメトリック増幅器であって、
前記非線形増幅媒体は、非線形光学効果が実質的に得られる距離が群速度分散の生じる距離よりも短くなる高非線形性を有することを特徴とする光パラメトリック増幅器。

（付記１２）付記１１に記載の光パラメトリック増幅器であって、
前記非線形増幅媒体は、偏波保持高非線形光ファイバを用いたことを特徴とする光パラメトリック増幅器。

（付記１３）付記１０に記載の光パラメトリック増幅器であって、
前記ポンプ光供給部は、ポンプ光を発生するポンプ光源と、前記非線形増幅媒体の信号光入射端においてポンプ光と信号光の偏光方向が同一となるように、前記ポンプ光源から出力されるポンプ光の偏光状態および信号光の偏光状態の少なくとも一方を制御する偏光制御器と、該偏光制御器で偏光状態が制御されたポンプ光および信号光を合波して前記非線形増幅媒体に与える合波器と、を備えたことを特徴とする光パラメトリック増幅器。

（付記１４）付記１０に記載の光パラメトリック増幅器であって、
前記非線形増幅媒体を通過した光より信号光成分を抽出する信号光抽出部を備えたことを特徴とする光パラメトリック増幅器。

本発明による光パラメトリック増幅器の第１実施形態の構成を示す図である。 上記第１実施形態における多段化されたＨＮＬＦの零分散波長および分散スロープの相対的な関係を説明する図である。 パラメトリック利得の帯域特性と非線形増幅媒体の分散スロープとの関係を示す図である。 単一のＨＮＬＦにおけるパラメトリック利得の波長特性を模式的に示す図である。 ２つのＨＮＬＦを多段化したときのパラメトリック利得の波長特性の一例を示す図である。 本発明による光パラメトリック増幅器の第２実施形態の構成を示す図である。 一般的な光パラメトリック増幅器の構成例を示す図である。 パラメトリック利得と信号光およびポンプ光間のウォークオフとの相関関係の一例を示す図である。

符号の説明

１…信号光源
２…ポンプ光源
３，４…偏光コントローラ
５，９…合波器
６−１〜６−ｎ…偏波保持高非線形光ファイバ（ＨＮＬＦ）
７…帯域通過光フィルタ
８…分波器
１０…遅延付加器
Ｓ…信号光
Ｐ…ポンプ光
λｓ…信号光波長
λｐ…ポンプ光波長
λ₀…零分散波長
ＤＳ…分散スロープ

Claims (8)

1. 信号光が入射される非線形増幅部と、該非線形増幅部にポンプ光を供給するポンプ光供給部と、を備え、前記非線形増幅部を伝搬する信号光をポンプ光による非線形光学効果でパラメトリック増幅して出力する光パラメトリック増幅器であって、
   前記非線形増幅部は、互いに異なる零分散波長および分散スロープを有する複数の非線形増幅媒体を多段接続して構成され、
   前記複数の非線形増幅媒体は、各々の零分散波長がポンプ光波長よりも短波長側にあり、かつ、相対的に信号光入力側に位置する非線形増幅媒体の零分散波長が、相対的に信号光出力側に位置する非線形増幅媒体の零分散波長よりも長波長側にあると共に、相対的に信号光出力側に位置する非線形増幅媒体の分散スロープが、相対的に信号光入力側に位置する非線形増幅媒体の分散スロープよりも急峻であることを特徴とする光パラメトリック増幅器。
2. 請求項１に記載の光パラメトリック増幅器であって、
   前記複数の非線形増幅媒体は、非線形光学効果が実質的に得られる距離が群速度分散の生じる距離よりも短くなる高非線形性を有することを特徴とする光パラメトリック増幅器。
3. 請求項１または２に記載の光パラメトリック増幅器であって、
   前記複数の非線形増幅媒体は、直列に接続されていることを特徴とする光パラメトリック増幅器。
4. 請求項３に記載の光パラメトリック増幅器であって、
   前記複数の非線形増幅媒体は、並列に接続されていることを特徴とする光パラメトリック増幅器。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の光パラメトリック増幅器であって、
   前記ポンプ光供給部は、ポンプ光を発生するポンプ光源と、前記非線形増幅部の信号光入射端においてポンプ光と信号光の偏光方向が同一となるように、前記ポンプ光源から出力されるポンプ光の偏光状態および信号光の偏光状態の少なくとも一方を制御する偏光制御器と、該偏光制御器で偏光状態が制御されたポンプ光および信号光を合波して前記非線形増幅部に与える合波器と、を備えたことを特徴とする光パラメトリック増幅器。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の光パラメトリック増幅器であって、
   前記非線形増幅部を通過した光より信号光成分を抽出する信号光抽出部を備えたことを特徴とする光パラメトリック増幅器。
7. 信号光が入射される非線形増幅媒体と、該非線形増幅媒体にポンプ光を供給するポンプ光供給部と、を備え、前記非線形増幅媒体を伝搬する信号光をポンプ光による非線形光学効果でパラメトリック増幅して出力する光パラメトリック増幅器であって、
   前記非線形増幅媒体は、ポンプ光波長とは異なる零分散波長を有し、かつ、信号光波長の近傍にパラメトリック利得のピーク波長が位置するよう設定した分散スロープを有することを特徴とする光パラメトリック増幅器。
8. 請求項７に記載の光パラメトリック増幅器であって、
   前記非線形増幅媒体は、非線形光学効果が実質的に得られる距離が群速度分散の生じる距離よりも短くなる高非線形性を有することを特徴とする光パラメトリック増幅器。

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