JP5945212B2 - Optical amplifier - Google Patents
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Description
本発明は、光増幅装置に関し、具体的には、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 device, and specifically to an optical amplifying device 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 a limited response speed of electronic components that convert an optical signal into an electrical signal, and an increase in power consumption as the speed of a transmitted signal 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ため、信号光のS/N比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 ratio 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。この位相感応光増幅器は、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、信号とは無関係の直交位相をもった自然放出光を抑圧することができ、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. This phase sensitive optical amplifier has a function of shaping a signal light waveform and a phase signal which are deteriorated due to the influence of dispersion of the transmission fiber. Further, since spontaneous emission light having a quadrature phase irrelevant to the signal can be suppressed and the spontaneous emission light having the same phase can be minimized, the S / N of the signal light is not deteriorated before and after the amplification. In principle it is possible to keep.
図1は、従来の位相感応光増幅器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。位相感応光増幅部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 phase sensitive optical amplifier. As shown in FIG. 1, the
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110が有する雑音以上に過剰な自然放出光が発生しないため、つまりS/N比を劣化させずに信号光110の増幅が可能になる。
The phase sensitive
このような信号光110と励起光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。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比の劣化がない光増幅が実現される。
In order to achieve such phase synchronization of the
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を発生する信号光用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111として用いることもできる。
The pumping light
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、非特許文献1に示されるように周期分極反転LiNbO3(PPLN)導波路に代表される二次非線形光学材料を用いる方法と、非特許文献2に示されるように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 above-mentioned parametric amplification, as shown in Non-Patent
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とを備える。
FIG. 2 illustrates a configuration of a conventional PSA using a PPLN waveguide disclosed in Non-Patent
第1の空間光学系211は、第1の二次非線形光学素子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
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は第1の二次非線形光学素子202−1に入射する。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から第二高調波(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
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、下記(式1)の関係を満たすことが必要となる。
Δφ=1/2φ2ωs−φωs=nπ(ただし、nは整数) (式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。図3に示されるように、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。
In PSA, in order to amplify only light that is in phase with a signal, it is necessary that the phase of the signal light and the excitation light match 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 (Formula 1). .
Δφ = 1 / 2φ 2ωs -φ ωs = nπ ( where, n is an integer) (Equation 1)
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. As shown in FIG. 3, 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、PLL209を用いて光ファイバ伸長器206にフィードバックを行う。それにより、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と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
上記のPPLNを非線形光学媒質として用い、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を発生し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の特性を用いて基本波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 is used as a nonlinear optical medium and the
上述のように、PPLNを非線形光学媒質として用い、SH光252を用いて信号光250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, PPLN is used as a nonlinear optical medium and the
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BPSKや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 a normal intensity modulation signal or a modulation signal such as BPSK or DPSK using binary phase modulation is used. However, it is not possible to amplify signals such as QPSK (four values) and 8PSK which are multi-level modulation formats.
一方で、石英ガラスファイバを非線形光学媒質として用いた場合、非特許文献2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。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, when a silica glass fiber is used as a nonlinear optical medium, as disclosed in
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の光合分波器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
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
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
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
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
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
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、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, φ s is the phase of the
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
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
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)
The
φ p2 = φ i3 = 4φ s -3φ p1 (Formula 5)
φ p1 + φ p2 = φ s + φ i2 = 4φ s -2φ p1 (Formula 6)
ここで、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。
Here, φ p2 is the phase of the
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
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410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
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ュリ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 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.
本発明の目的は、上記のような従来技術の問題を鑑みて、QPSK等の多値位相変調の位相感応増幅が可能で、かつ従来よりも小型、低雑音、構成が簡潔な位相再生型光増幅器を提供することにある。 In view of the above-described problems of the prior art, an object of the present invention is to enable phase-sensitive amplification of multi-level phase modulation such as QPSK, and is smaller, lower noise, and simpler in structure than conventional ones. It is to provide an amplifier.
二次非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する光増幅装置であって、第1の励起光を発生する第1の光源と、入力した信号光及び前記第1の励起光を増幅して出力する第1の光ファイバレーザ増幅器と、前記第1の光ファイバレーザ増幅器によって増幅されて出力された前記信号光及び前記第1の励起光を入力し、第二高調波を発生する第1の二次非線形光学素子であって、複数の波長において擬似位相整合を満たす、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特定の波長を分離することにより前記第1の二次非線形光学素子の出力を二分岐する分波器と、前記分波器の一方の出力に注入同期が可能なレーザを出力する第2の励起光源と、前記分波器の一方の出力を、前記第2の励起光源から出力されたレーザに注入同期して第2の励起光を出力する光サーキュレータと、前記第1の励起光と前記第2の励起光と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によって増幅されて出力された前記第1の励起光及び前記第2の励起光を入力し、前記第1の励起光と前記第2の励起光との和周波光を発生する第2の二次非線形光学素子と、前記分波器の他方の出力と前記和周波光とを入射して、非縮退パラメトリック増幅を行う第3の二次非線形光学素子とを備えたことを特徴とする。 An optical amplification device that amplifies signal light by light mixing using a second-order nonlinear optical effect, a first light source that generates first excitation light, and amplifies the input signal light and the first excitation light The first optical fiber laser amplifier to be output and the signal light amplified and output by the first optical fiber laser amplifier and the first pumping light are input, and a second harmonic is generated. A first second-order nonlinear optical element that satisfies pseudo-phase matching at a plurality of wavelengths, and a specific wavelength is separated from an output of the first second-order nonlinear optical element A branching device that bifurcates the output of the first second-order nonlinear optical element, a second excitation light source that outputs a laser that can be injection-locked to one output of the branching filter, and the branching filter Output from the second excitation light source. An optical circulator that outputs the second pumping light in synchronization with the generated laser, a second optical fiber laser amplifier that amplifies and outputs the first pumping light and the second pumping light, The first pumping light and the second pumping light that are amplified and output by the second optical fiber laser amplifier are input, and the sum frequency light of the first pumping light and the second pumping light is input. A second second-order nonlinear optical element that is generated; and a third second-order nonlinear optical element that performs non-degenerate parametric amplification by inputting the other output of the duplexer and the sum frequency light. It is characterized by.
上記課題を解決するために、本発明の請求項1に係る光増幅装置は、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装置であって、Mは4以上の整数であり、周波数ωpを有する第1の励起光を発生する第1の光源と、入力した周波数ωsを有する信号光及び前記第1の励起光を増幅して出力する第1の光ファイバレーザ増幅器と、前記第1の光ファイバレーザ増幅器によって増幅されて出力された前記信号光及び前記第1の励起光を入力し、第二高調波を発生する第1の二次非線形光学素子であって、複数の波長において擬似位相整合を満たす、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)ωpの周波数を有するアイドラ光と、(M−1)ωs−(M−2)ωpの周波数を有するアイドラ光及び前記信号光とを分離することにより、前記Mωs−(M−1)ωpの周波数を有するアイドラ光を一方の出力ポートから出力し、前記(M−1)ωs−(M−2)ωpの周波数を有するアイドラ光及び前記信号光を他方の出力ポートから出力する分波器と、前記分波器の前記一方の出力ポートからの出力に注入同期が可能なレーザを出力する第2の励起光源と、前記分波器の前記一方の出力ポートからの出力を、前記第2の励起光源から出力されたレーザに注入同期して第2の励起光を出力する光サーキュレータと、前記第1の励起光と前記第2の励起光と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によって増幅されて出力された前記第1の励起光及び前記第2の励起光を入力し、前記第1の励起光と前記第2の励起光との和周波光を発生する第2の二次非線形光学素子と、前記分波器の前記他方の出力ポートからの出力と前記和周波光とを入射して、非縮退パラメトリック増幅を行う第3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 problems, an optical amplifying device according to
本発明の請求項2に係る光増幅装置は、本発明の請求項1に係る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LiNbO3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−ωp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 amplifying device according to a second aspect of the present invention is the optical amplifying device according to the first aspect of the present invention, wherein the first second-order nonlinear optical element is an optical light composed of LiNbO 3 having a periodically poled structure. The periodic polarization inversion structure is spatially phase-modulated or periodically modulated with a period longer than the domain inversion period, and the first second-order nonlinear optical element includes at least ω s , 2ω The quasi phase matching wavelength coincides with the frequency of s −ω p and a QPSK signal is amplified.
本発明の請求項3に係る光増幅装置は、本発明の請求項1に係る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LiNbO3からなる光導波路であって、前記周期分極反転構造に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−ωp、4ωs−3ωp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 amplifying device according to a third aspect of the present invention is the optical amplifying device according to the first aspect of the present invention, wherein 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, and the first second-order nonlinear optical element includes at least ω s , 2ω The quasi phase matching wavelength matches the frequency of s −ω p , 4ω s −3ω p , and the 8PSK signal is amplified.
本発明によれば、大幅な波長変換効率の低下を招くことなく、位相感応増幅に必要な信号光に位相同期した励起光と、アイドラ光の発生を行うことができ、その結果QPSK等の多値の変調フォーマット信号の位相感応増幅が可能であり、かつ励起光を一旦SH光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に励起光の分離が容易であり、内部で用いる光ファイバ増幅器の発生する自然放出光が混入することによるSN比の劣化を抑制することができ低雑音な増幅が可能になる。さらに、第1の二次非線形光学素子の設計を適切に行うことにより効率を落とすことなく8PSKなどのさらに多値の変調フォーマットに対応させることが可能になる。また、従来の光ファイバを用いた位相感応増幅器に比べて誘導ブリュリアン散乱などの問題がないため、構成が簡潔になり、素子長も数cm程度の非線形媒質で済むので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。 According to the present invention, it is possible to generate pump light and idler light that are phase-synchronized with signal light necessary for phase sensitive amplification without causing a significant decrease in wavelength conversion efficiency. Phase-sensitive amplification of the modulation format signal of the value is possible, and separation of the excitation light is easy because the excitation light is once converted into the wavelength of the SH light and then combined with the signal light to perform parametric amplification, The degradation of the S / N ratio due to the mixing of spontaneously emitted light generated by the optical fiber amplifier used inside can be suppressed, and low-noise amplification becomes possible. Furthermore, by appropriately designing the first second-order nonlinear optical element, it is possible to cope with a multi-value modulation format such as 8PSK without reducing efficiency. In addition, since there is no problem such as stimulated Brillouin scattering compared to a phase sensitive amplifier using a conventional optical fiber, the configuration is simplified, and a nonlinear medium having an element length of about several centimeters is sufficient, so that the phase sensitive amplifier is compact as a whole. Can be configured.
この結果、光ファイバ通信において伝送光ファイバ中の非線形効果等で位相雑音が増大した信号を本発明による位相感応増幅器で増幅することにより、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ので、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, in a fiber optic communication, a signal whose phase noise has increased due to a nonlinear effect or the like in the transmission optical fiber is amplified by the phase sensitive amplifier according to the present invention, so that optical amplification with suppressed deterioration of the S / N ratio becomes possible. Since it is possible to amplify while reproducing information, it is possible to reduce phase noise and perform relay amplification.
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, 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て、PPLN導波路を用いたPSAを構成した。図6は、本発明の実施例1に係る光増幅装置の構成を示す。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。
Example 1
In the optical amplifying apparatus according to the first embodiment, a carrier wave is extracted from the QPSK signal, and pumping light phase-synchronized with the carrier wave is generated to configure a PSA using a PPLN waveguide. FIG. 6 shows the configuration of the optical amplifying device according to
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
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
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
第1のPPLN導波路622の作製方法を以下に例示する。まず、Znを添加したLiNbO3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:LiNbO3中に形成した。次に、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調が可能で、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。
A method for manufacturing the
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)に示されるように、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
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、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, φ s is the phase of the
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
図8は、第1のPPLN導波路622の出力の光スペクトルを示す。図8に示されるように、波長1550.1nmの10Gbit/sQPSK信号光652と100GHzだけ低周波の波長1550.9nmの第1の励起光651とを第1のPPLN導波路622に入射した結果、順次複数のアイドラ光が発生し、第3のアイドラ光655ではQPSK変調によるサイドバンドがキャンセルし搬送波は抽出できることが確認できた。
FIG. 8 shows the optical spectrum of the output of the
なお、本実施例1では、第1のPPLN導波路622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622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654は励起光としては働かなくなるが、第1のアイドラ光653のSH光を励起光として第1の励起光651がDFGにより変換されると、図8中の第3のアイドラ光655と同一の周波数に以下の位相を有するアイドラ光が発生する。
φi3’=2φi1−φp1=4φs−3φp1 (式10)
In the first embodiment, the
φ i3 ′ = 2φ i1 −φ p1 = 4φ s −3φ p1 (Equation 10)
(式9)と(式10)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622の擬似位相整合の波長が、第1の励起光651の周波数ωpと信号光652の周波数ωsに対して、少なくとも、ωs、2ωs−ωpの周波数に一致していれば良い。
As is clear from the comparison of (Equation 9) and (Equation 10), 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
また、本実施例1では、3つ目の位相整合ピークがある場合には、第3のアイドラ光655は正確には上記の2種類の波長変換過程が重なることにより発生していることになる。改めて(式9)と(式10)に着目すると、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。このように本実施例1では、僅か50mm弱の第1のPPLN導波路622を用いてQPSK信号の搬送波位相を抽出することができる。
Further, in the first embodiment, when there is a third phase matching peak, the third
再び図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 again, the output of the first second-order nonlinear
第2のPPLN導波路626の作製方法は第1のPPLN導波路622の作製方法とほぼ同様だが、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、第二高調波発生(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11)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11)
The manufacturing method of the
φ s F = φ p1 + φ p2 = −2φ p1 (Formula 11)
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
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
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12)のように表される。
FIG. 7 (c) shows the frequency arrangement in the third PPLN waveguide 630. As shown in FIG. 7C, the frequency of the
φs+φi2=4φs−2φp1 (式12)
(式12)を(式11)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。
φ s + φ i2 = 4φ s -2φ p1 (Formula 12)
Comparing (Equation 12) with (Equation 11), 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.
図9は、本実施例1に係る光増幅装置600で増幅された信号光652及び第2のアイドラ光654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9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. 9 shows optical spectra of the
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, in order to suppress the influence of the phase variation due to the variation in 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 third PPLN waveguide 630. Only the processed signal light is extracted using the
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、誘導ブルリ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10は、本実施例1に係る位相感応型の光増幅装置600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に示す。図10に示されるように、実施例1に係る位相感応光増幅装置600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. 10 is 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
なお、本実施例1では、信号光652よりも低周波数側に配置したが、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, it is arranged on the lower frequency side than the
また、本実施例1と同様の効果は、第1のPPLN導波路622の分極反転周期をチャープさせて位相整合波長を分布させることで広帯域化することでも実現できるが、その場合、励起光として用いない波長にまで位相整合帯域が分配されるため、全体として必要な波長における変換効率が低下してしまう。本実施例1で示したように、周期分極反転構造を適切に設計して必要な波長のみに周期的に位相整合ピークが配置される構成を取ることにより、効率良く波長変換と搬送波抽出を行うことができる。
The same effect as in the first embodiment can also be realized by widening the band by distributing the phase matching wavelength by chirping the polarization inversion period of the
(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。図11は、本発明の実施例2に係る光増幅装置1100を示す。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1100は、8値の位相を取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。
(Example 2)
Hereinafter, an optical amplification apparatus according to
図11には、第1及び第2のEDFA1101及び1108と、第1及び第2の励起光源1102及び1107と、第1乃至第4の光合分波器1103−1〜1103−4と、第1乃至第3の二次非線形光学素子1104、1110及び1111と、分波器1105と、第1及び第2のバンドパスフィルタ1109及び1112と、光検出器1113と、PLL回路1114と、PZTによる光ファイバ伸長器1115と、偏光保持光ファイバ1116とを備えた光増幅装置1100が示されている。第1の二次非線形光学素子1104は、第1の空間光学系1121と、第1のPPLN導波路1122と、第2の空間光学系1123と、第1のダイクロイックミラー1124とを備える。第2の二次非線形光学素子1110は、第3の空間光学系1125と、第2のPPLN導波路1126と、第4の空間光学系1127と、第2のダイクロイックミラー1128とを備える。第3の二次非線形光学素子1111は、第5の空間光学系1129と、第3のPPLN導波路1130と、第6の空間光学系1131と、第3のダイクロイックミラー1132、第4のダイクロイックミラー1133とを備える。図11に示されるように、実施例2に係る光増幅装置1100の全体構成は、図6で示される実施例1に係る光増幅装置600の構成と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。実施例2に係る、搬送波抽出に用いる第1のPPLN導波路1122を利用した光増幅装置1100の詳細を説明する。
11 includes first and
図11に示されるように、信号光1152及び第1の励起光1151は、EDFA1101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1122に入射する。信号光1152及び第1の励起光1151は、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1122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1122は、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。
As shown in FIG. 11, the
第1のPPLN導波路1122中での波長変換プロセスについて説明する。図12(a)は、実施例2に係る光増幅装置に関する、第1の二次非線形光学素子1104の第1のPPLN導波路1122中での光の位相整合特性を示し、図2(b)は第1のPPLN導波路1122中での光の周波数配置を示す。本実施例2では、図12(a)に示されるような不等間隔の3つのピークを得るために、図13に示すような、位相変調周期が16.5mmの非対称な位相変調を周期分極反転構造に付与して、このような位相整合曲線を実現している。図12(b)に示される位相整合波長、信号光1152、及び第1の励起光1151の波長を配置すると、以下に述べるような波長変換プロセスが順次発生することになる。
A wavelength conversion process in the
以上のような条件において、第1のPPLN導波路1122中では、まず信号光1152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1151が第1のアイドラ光1153に変換される。変換された第1のアイドラ光1153の周波数は、第1のPPLN導波路1122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1153はSH光に変換され、そのSH光を励起光として信号光1152が第2のアイドラ光1154へ変換される。さらに、第1のアイドラ光1153のSH光を励起光として第1の励起光1151がDFGにより変換されると、第3のアイドラ光1155が発生する。変換された第1のアイドラ光1153の周波数は、第1のPPLN導波路1122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1155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1154は第4のアイドラ光1156へ、第1のアイドラ光53は第5のアイドラ光1157へ、信号光1152は第6のアイドラ光1158へ、第1の励起光1151は第7のアイドラ光1159へそれぞれ変換される。このとき、第1のアイドラ光1153、第3のアイドラ光1155、第6のアイドラ光1158、及び第7のアイドラ光1159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13)〜(式16)で表される。
φi1=2φs−φp1 (式13)
φi3=2φi2−φp1=4φs−3φp1 (式14)
φi6=2φi3−φs=7φs−6φp1 (式15)
φi7=2φi3−φp1=8φs−7φp1 (式16)
Under the above conditions, in the
φ i1 = 2φ s −φ p1 (Formula 13)
φ i3 = 2φ i2 −φ p1 = 4φ s −3φ p1 (Formula 14)
φ i6 = 2φ i3 −φ s = 7φ s −6φ p1 (Formula 15)
φ i7 = 2φ i3 −φ p1 = 8φ s −7φ p1 (Formula 16)
ここで、φi6は第6のアイドラ光1158の位相を示し、φi7は第7のアイドラ光1159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1153〜1159を生成することができる。すなわち、第1のPPLN導波路622の擬似位相整合波長が、第1の励起光1151の周波数ωpと信号光1152の周波数ωsとに対して、少なくとも、ωs、2ωs−ωp、4ωs−3ωpの周波数に一致していれば良い。
Here, φ i6 indicates the phase of the
(式16)で示される第7のアイドラ光1159の位相に注目すると、信号光1152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1159の位相が一定となり、搬送波が抽出できることが分かる。
When attention is paid to the phase of the seventh idler light 1159 expressed by (Equation 16), since the phase of the
再び図11を参照すると、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1104の出力は分波器1105で分波されて二分岐され、信号光1152及び第6のアイドラ光1158は第3の二次非線形光学素子1111に入射し、第7のアイドラ光1159は光サーキュレータ1106に入射する。第7のアイドラ光1159は光サーキュレータ1106において第2の励起光源1107(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1160として出力される。第1の励起光1151及び第2の励起光1160は第3の光合分波器1103−3で合波され、第2のEDFA1108で増幅された後、第1の励起光1151及び第2の励起光1160のみを透過するバンドパスフィルタ1109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1110の第2のPPLN導波路1126に入射される。第2のPPLN導波路1126では、第1の励起光1151及び第2の励起光1160により和周波発生がなされ、それにより信号波位相に同期した和周波光1161を生成することができる。
Referring to FIG. 11 again, since the actual phase modulation signal is accompanied by a change in intensity, the output of the first second-order nonlinear
なお、このときの第2のPPLN導波路1126の位相整合波長は、図12で示される第3のアイドラ光1155と一致するように設計しておくことが必要となる。これにより、第1の励起光1151、第2の励起光1160、及び位相整合波長の離調はともに400GHzとなり、和周波発生の位相整合条件を満たすことになる。このときの和周波光の位相φsFは、下記の(式17)で与えられる。
φsF=φp1+φp2=−6φp1 (式17)
Note that the phase matching wavelength of the
φ s F = φ p1 + φ p2 = −6φ p1 (Formula 17)
この和周波光1161は、第2の二次非線形光学素子1110中に内蔵された第2のダイクロイックミラー1128により、第1の励起光1151及び第2の励起光1160と分離された後に、0.78μm帯の偏波保持光ファイバ1116を介して第3の二次非線形光学素子1111の第3のPPLN導波路1130に入射する。
The
一方で、分波器1105で分離されて第3の二次非線形光学素子1111に入射した信号光1152及び第6のアイドラ光1158も、第3のダイクロイックミラー1132を介して第3のPPLN導波路1130に入射する。
On the other hand, the
信号光1152、第6のアイドラ光1158、及び和周波光1161が第3のPPLN導波路1130に入射すると、以下に述べるように位相感応型の増幅が可能になる。信号光1151の位相と第6のアイドラ光1158の位相との和は、下記の(式18)で与えられる。
φs+φi6=8φs−6φp1 (式18)
When the
φ s + φ i6 = 8φ s −6φ p1 (Formula 18)
(式18)を(式17)と比較すると、両者は信号の位相がπ/4の整数倍のときのみ一致するため、8PSKの信号を位相感応増幅することができることが分かる。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。 Comparing (Equation 18) with (Equation 17), it can be seen that since both coincide only when the phase of the signal is an integral multiple of π / 4, an 8PSK signal can be phase-sensitively amplified. 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.
このように、8PSKのようなさらに多値の信号フォーマットであっても、第1のPPLN導波路の設計を変更するだけで、大幅な波長変換効率の低下を招くことなく、位相感応増幅に必要な信号光に位相同期した励起光と、アイドラ光の発生を行うことができる。また、第1の実施例と同様に励起光を光ファイバ増幅器で増幅したとしても、一旦和周波光に変換してから第3のPPLN導波路に入射してパラメトリック増幅を行うため、光ファイバ増幅器の発生する自然放出光に埋もれることなく、微弱な信号光をSN比の劣化を起こすことなく、位相再生増幅を実現することができる。 In this way, even with a multi-value signal format such as 8PSK, it is necessary for phase-sensitive amplification without causing a significant decrease in wavelength conversion efficiency by simply changing the design of the first PPLN waveguide. It is possible to generate excitation light and idler light that are phase-synchronized with simple signal light. Further, even if the pumping light is amplified by the optical fiber amplifier as in the first embodiment, it is converted into the sum frequency light and then incident on the third PPLN waveguide to perform parametric amplification. Therefore, phase reproduction amplification can be realized without being buried in the spontaneous emission light generated and without causing the signal-to-noise ratio to deteriorate the weak signal light.
なお、本実施例では、信号光よりも低周波数側に配置したが、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 this embodiment, the signal light is arranged on the lower frequency side, but it goes without saying that the same effect can be obtained even if this arrangement is arranged in the reverse order.
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、分波器を、第1の二次非線形光学素子の出力から、Mωs−(M−1)ωpの周波数を有するアイドラ光と、(M−1)ωs−(M−2)ωpの周波数を有するアイドラ光及び信号光とを分離することにより、Mωs−(M−1)ωpの周波数を有するアイドラ光を光サーキュレータに接続された一方の出力ポートから出力し、(M−1)ωs−(M−2)ωpの周波数を有するアイドラ光及び信号光を第3の二次非線形光学素子に接続された他方の出力ポートから出力するように構成するとよい。 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) types of values, From the output of the second-order nonlinear optical element, idler light having a frequency of Mω s − (M−1) ω p , idler light having a frequency of (M−1) ω s − (M−2) ω p , and By separating the signal light, idler light having a frequency of Mω s − (M−1) ω p is output from one output port connected to the optical circulator, and (M−1) ω s − (M -2) It may be configured to output idler light and signal light having a frequency of ω p from the other output port connected to the third second-order nonlinear optical element.
100、400 従来のPSA
101 位相感応光増幅部
102 励起光源
103 励起光位相制御部
104−1、203−1 第1の光分岐部
104−2、203−2 第2の光分岐部
201 EDFA
202、604、1104 第1の二次非線形光学素子
204、610、1110 第2の二次非線形光学素子
205 位相変調器
206、413、615、1115 PZTによる光ファイバ伸長器
207、616、1116 偏波保持ファイバ
208、411、613、1113 光検出器
209、412、614、1114 位相同期ループ回路(PLL)
211、621、1121 第1の空間光学系
212、622、1112 第1のPPLN導波路
213、623、1123 第2の空間光学系
214、624、1124 第1のダイクロイックミラー
215、625、1125 第3の空間光学系
216、626、1126 第2のPPLN導波路
217、627、1127 第4の空間光学系
218、628、1128 第2のダイクロイックミラー
219、632、1132 第3のダイクロイックミラー
401、601、1101 第1のEDFA
402、602、1102 第1の励起光源
403−1、603−1、1103−1 第1の光合分波器
403−2、603−2、1103−2 第2の光合分波器
403−3、603−3、1103−3 第3の光合分波器
403−4、603−4、1103−4 第4の光合分波器
403−5 第5の光合分波器
404 第1の光ファイバ
405、605、1105 分波器
406、606、1106 光サーキュレータ
407、607、1107 第2の励起光源(半導体レーザ)
408、608、1108 第2のEDFA
409 第2の光ファイバ
410 バンドパスフィルタ
600、1100 本発明の光増幅装置
609、1109 第1のバンドパスフィルタ
611、1111 第3の二次非線形光学素子
612、1112 第2のバンドパスフィルタ
629、1129 第5の空間光学系
630 第3のPPLN導波路
631、1131 第6の空間光学系
633、1133 第4のダイクロイックミラー633
100, 400 Conventional PSA
DESCRIPTION OF
202, 604, 1104 First second-order nonlinear
211, 621, 1121 First spatial
402, 602, 1102 First pump light source 403-1, 603-1, 1103-1 First optical multiplexer / demultiplexer 403-2, 603-2, 1103-2 Second optical multiplexer / demultiplexer 403-3, 603-3, 1103-3 Third optical multiplexer / demultiplexer 403-4, 603-4, 1103-4 Fourth optical multiplexer / demultiplexer 403-5 Fifth optical multiplexer /
408, 608, 1108 Second EDFA
409 Second
Claims (3)
周波数ωpを有する第1の励起光を発生する第1の光源と、
入力した周波数ωsを有する信号光及び前記第1の励起光を増幅して出力する第1の光ファイバレーザ増幅器と、
前記第1の光ファイバレーザ増幅器によって増幅されて出力された前記信号光及び前記第1の励起光を入力し、第二高調波を発生する第1の二次非線形光学素子であって、複数の波長において擬似位相整合を満たす、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)ωpの周波数を有するアイドラ光と、(M−1)ωs−(M−2)ωpの周波数を有するアイドラ光及び前記信号光とを分離することにより、前記Mωs−(M−1)ωpの周波数を有するアイドラ光を一方の出力ポートから出力し、前記(M−1)ωs−(M−2)ωpの周波数を有するアイドラ光及び前記信号光を他方の出力ポートから出力する分波器と、
前記分波器の前記一方の出力ポートからの出力に注入同期が可能なレーザを出力する第2の励起光源と、
前記分波器の前記一方の出力ポートからの出力を、前記第2の励起光源から出力されたレーザに注入同期して第2の励起光を出力する光サーキュレータと、
前記第1の励起光と前記第2の励起光と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によって増幅されて出力された前記第1の励起光及び前記第2の励起光を入力し、前記第1の励起光と前記第2の励起光との和周波光を発生する第2の二次非線形光学素子と、
前記分波器の前記他方の出力ポートからの出力と前記和周波光とを入射して、非縮退パラメトリック増幅を行う第3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。 An optical amplifying device that amplifies multilevel phase-modulated signal light that takes M types of values by optical mixing using a second-order nonlinear optical effect, wherein M is an integer of 4 or more,
A first light source for generating first excitation light having a frequency ω p ;
A first optical fiber laser amplifier that amplifies and outputs the input signal light having the frequency ω s and the first pumping light;
A first second-order nonlinear optical element that receives the signal light amplified and output by the first optical fiber laser amplifier and the first pumping light, and generates a second harmonic, A first second-order nonlinear optical element that satisfies quasi-phase matching at a wavelength;
From the output of the first second-order nonlinear optical element, it has idler light having a frequency of Mω s − (M−1) ω p and a frequency of (M−1) ω s − (M−2) ω p. By separating the idler light and the signal light, the idler light having the frequency of Mω s − (M−1) ω p is output from one output port, and the (M−1) ω s − (M -2) a duplexer that outputs idler light having a frequency of ω p and the signal light from the other output port;
A second excitation light source that outputs a laser capable of injection locking to an output from the one output port of the duplexer;
An optical circulator that outputs the second pumping light in an injection-synchronized manner with the laser output from the second pumping light source, the output from the one output port of the duplexer;
A second optical fiber laser amplifier that amplifies and outputs the first pumping light and the second pumping light;
The first pumping light and the second pumping light that are amplified and output by the second optical fiber laser amplifier are input, and the sum frequency light of the first pumping light and the second pumping light is input. A second second-order nonlinear optical element that generates
An optical amplifying apparatus comprising: a third second-order nonlinear optical element that performs non-degenerate parametric amplification by allowing the output from the other output port of the duplexer and the sum frequency light to enter. .
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−ωp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,
2. The first second-order nonlinear optical element according to claim 1, wherein the quasi-phase-matching wavelength matches at least frequencies of ω s , 2ω s −ω p , and amplifies the QPSK signal. Optical amplification device.
前記周期分極反転構造に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−ωp、4ωs−3ωp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1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 frequencies of ω s , 2ω s −ω p , and 4ω s −3ω p , and amplifies an 8PSK signal. The optical amplification device according to claim 1.
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