JP6110546B1 - 位相感応光増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】送信器から主信号光群と共にパイロットトーンを同送することなしに、送信器の励起光と位相同期した励起光を生成する。【解決手段】位相感応光増幅器は、主信号光と位相共役光との複数対からなる主信号光群（４０３）の一部を分岐させる分波器（５０）と、光増幅器（５２）と、光増幅器（５２）の出力光を入力とし、主信号光と位相共役光との和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子（５４）と、和周波光を局発光源（５５）に光注入同期するサーキュレータ（５６）と、光増幅器（５８）と、光増幅器（５８）の出力光を励起光として、主信号光群（４０３）のパラメトリック増幅を行うための光導波路を備えた二次非線形光学素子（５９）とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信システムや光計測システムにおいて用いられる位相感応光増幅器に関するものである。

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光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。

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、機器の構成も比較的単純になるという利点を有する。

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するので、信号光のＳ／Ｎ（Signal to Noise ratio）が増幅前後で少なくとも３ｄＢ低下する。波形整形機能の欠如やＳ／Ｎの低下は、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。

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。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。また、ＰＳＡは、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。

図９は、従来のＰＳＡの基本的な構成を示すブロック図である。図９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９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。

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を減衰させ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と信号光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のもつ雑音以上に過剰な自然放出光が発生しない。そのため、Ｓ／Ｎを劣化させずに信号光１１０を増幅することが可能になる。

このような信号光１１０と励起光１１１と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１０１では、上記の原理に基づいてＳ／Ｎの劣化のない光増幅が実現される。

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として用いることもできる。

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、周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃（Period-ically Poled Lithium Niobate：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、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知られている。

図１０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の構成を示すブロック図である。図１０に示されるＰＳＡ２００は、エルビウム添加ファイバレーザ増幅器（Erbium-Doped Fiber Amplifier：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（チタン酸ジルコニウム酸鉛）圧電素子を用いた光ファイバ伸縮器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（Phase Locked Loop：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。

第１の空間光学系２１１は、第１の二次非線形素子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。

図１０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、一方の光は第２の二次非線形光学素子２０４に入射する。光分岐部２０３−１によって分岐された他方の光は、励起基本波光２５１として、位相変調器２０５及び光ファイバ伸縮器２０６によって位相制御されて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を第１の二次非線形光学素子２０２に入射させる。

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から第二高調波光（以下、ＳＨ光）２５２が発生する。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。

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、もしくは位相が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光に相当する波長の光である励起光の位相φ_2ωsと信号光の位相φ_ωsとが以下の式（１）の関係を満たすことが必要となる。
Δφ＝１／２（φ_2ωs−φ_ωs）＝ｎπ （ただし、ｎは整数） ・・・（１）

図１１は、従来の二次非線形光学効果を利用したＰＳＡにおける、入力信号光と励起光間の位相差Δφと、利得（ｄＢ）との関係を示すグラフである。図１１によれば、入力信号光と励起光間の位相差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分かる。

位相変調器２０５は、微弱なパイロット信号に応じて位相変調を励起基本波光２５１に施す。第２の光分岐部２０３−２は、増幅された出力信号光２５３の一部を分岐させて光検出器２０８に入射させる。光検出器２０８は、入射した信号光を電気信号に変換する。パイロット信号成分は、図１１に示される位相差Δφが最小の状態、すなわち位相同期が取れている状態で最小となる。

そこで、パイロット信号が最小、つまり光検出器２０８で検出される増幅出力信号が最大となるように位相同期ループ回路（ＰＬＬ）２０９を用いて、光ファイバ伸縮器２０６にフィードバックを行う。光ファイバ伸縮器２０６は、励起基本波光２５１が伝搬する光ファイバを、位相同期ループ回路２０９の出力に応じて伸縮させる。こうして、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の位相同期を達成することができる。

上記のＰＰＬＮ導波路を非線形媒質として用い、信号光２５０とＳＨ光２５２を第２の二次非線形光学素子２０４に入射させ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を発生させ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２１４の特性を用いて励起基本波光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させることができる。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。

上述のように、ＰＰＬＮ導波路を非線形光学媒質として用い、ＳＨ光２５２を用いて非線形媒質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。

しかしながら、図１１に示すように、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ＩＭＤＤ（Intensity Modulation Direct Detection）、ＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）、ＤＰＳＫ（Differential Phase Shift Keying）等の変調信号の増幅に適用できるものの、さらに多値の変調フォーマットであるＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）や８ＰＳＫ等の変調信号を増幅することができないという課題がある。

一方で、非特許文献２及び非特許文献３等に開示されているように、ＱＰＳＫ等の変調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。非特許文献２と非特許文献３には、それぞれ、三次の非線形光学材料である石英ガラスファイバを用いた方法と、二次の非線形光学材料であるＰＰＬＮを用いた方法とが示されている。

しかしながら、これらの非線形過程を複数回使った信号からのキャリア抽出方法では、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なくてはならず、信号からの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という課題があった。また、これらの非線形過程を複数回使った信号からのキャリア抽出方法を用いる構成では、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いという課題もあった。

これに対し、非特許文献４に開示されているように、信号光として主信号光とその位相共役光との対を用いた、非縮退のパラメトリック増幅によって、高次の多値変調フォーマットであるＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）の変調信号やマルチキャリア信号に対する位相感応光増幅が可能となることが示されている。

図１２に、信号光として主信号光とその位相共役光との対を用いた、非縮退のパラメトリック増幅によるＰＳＡの構成例を示す。図１２に示した構成では、複数の信号光源１０−１〜１０−５からの出力光に対し外部変調器１１−１〜１１−５を用いてデータを重畳した後に、合波器１２によって波長多重を行う。信号光源１０−１〜１０−５とは別の局発光源１３から出力される基本波光から、二次非線形光学素子１７により第二高調波光を発生させて励起光とする。その後、二次非線形光学素子１８により励起光と波長多重された主信号光との差周波光を発生させて、この差周波光を主信号光に対する位相共役光とする。

送信器１からは、図１３（Ａ）に示すように、主信号光と位相共役光との複数対からなる信号光群３０２と、基本波光３００の一部の２つを別々に出力する。なお、図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）の縦軸は光強度、横軸は波長である。その後、ＰＳＡ２の二次非線形光学素子２３により基本波光３００から励起光３０３を生成し（図１３（Ｂ））、二次非線形光学素子２４において励起光３０３と信号光群３０２との間のパラメトリック増幅過程を用いて位相感応光増幅を行う（図１３（Ｃ））。図１２、図１３（Ｃ）における３０４は増幅された信号光群である。

しかしながら、図１２に示した構成では、局発光源が近くにある場合は問題ないが、ＰＳＡ２を中継器内の増幅器として使用するためには、基本波光もしくは励起光に位相同期した局発光が必要になるという課題があった。

中継器内の局発光を基本波光の位相に同期させる方法としては、波長軸上で主信号光と位相共役光の対の中心にパイロットトーンを送るという方法が考えられる。この方法は、図１２の構成で送信器１から別々に出力させていた信号光群と基本波光とを合波した後に送信器１から送り出すという最も簡便な構成で実現できる。この場合の構成を図１４に示す。

図１４の構成では、二次非線形光学素子１８から出力された信号光群と二次非線形光学素子１７から取り出した基本波光とを合波器１９で合波する。これにより、送信器１ａからは信号光群と基本波光（パイロットトーン３０７）とが合波された光３０５が出力される（図１５（Ａ））。図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）と同様に、図１５（Ａ）〜図１５（Ｃ）の縦軸は光強度、横軸は波長である。

送信器１ａから出力された光３０５の一部をＰＳＡ２ａ内の分波器２８で分岐させ、フィルタ２９を通すことにより、信号光群と同送されたパイロットトーン３０７を取り出す。そして、このパイロットトーン３０７をサーキュレータ３１を通して中継器内局発光源３０に入力する光注入同期を行うことで、パイロットトーン３０７と位相同期した局発光である基本波光３０６を生成することができる。

上記と同様に、ＰＳＡ２ａの二次非線形光学素子２３により基本波光３０６から励起光３０３を生成して（図１５（Ｂ））、二次非線形光学素子２４において励起光３０３と信号光群との間のパラメトリック増幅過程を用いて信号光群の位相感応光増幅を行う（図１５（Ｃ））。

しかしながら、図１４に示した構成では、波長軸上で主信号光と位相共役光の対の中心にパイロットトーンが存在するため、この中心波長に信号光を配置することができず、波長多重信号を密に詰めることができないという課題がある。また、波長多重信号を別の経路にルーティングした際に、パイロットトーンも常に波長多重信号と同送する必要があり、光ネットワークを構築する際に柔軟性を損なう要因となりうるという課題もあった。つまり、中継光増幅器内において、パイロットトーンを必要とせずに、信号光群もしくはその一部のみを用いて、基本波もしくは励起光と位相同期した局発光を生成可能な手段が必要であった。

また、別の問題として、局発光に要求される線幅の問題もある。ＰＳＡは、励起光と信号光の位相を一致させることで動作するため、位相揺らぎがそのまま増幅器の特性に影響を及ぼす。そのため、局発光には非常に狭い線幅が要求される。図１４に示した構成では、送信器１ａで生成する基本波光として狭い線幅の光を用い、パイロットトーンとして信号光群と同送すればよいように思える。

しかしながら、送信器１ａと同様の狭い線幅の局発光を中継器内で生成するためには、光注入同期用の局発光源３０についても線幅に対して高い精度が要求される。つまり、狭い線幅のパイロットトーンを注入同期することで、狭い線幅の基本波光を中継器内で生成するためには、注入同期前の局発光自体の線幅についても、パイロットトーンと同程度かそれ以下の線幅が要求される。このため、中継器毎（ＰＳＡ毎）に全て狭線幅の局発光源を用いなければならず、中継器のコストが高くなってしまうという課題があった。また、狭線幅の光源を用いることは中継器の長期信頼性に対しても制限を与えるといった課題もあった。

T.Umeki，et al.，"Phase sensitive degenerate parametric amplification using directly-bonded PPLN ridge waveguides"，Optics Express，2011年，Vol.19，No. 7，pp.6326-6332 J.Kakande，et al.，"First demonstration of all-optical QPSK signal regeneration in a novel multi-format phase sensitive amplifier"，Post Deadline paper，ECOC 2010，2010年 M.Asobe，et al.，"In-line phase-sensitive amplifier for QPSK signal using multiple QPM LiNbO3 waveguide"，In Proceedings of the OptoElectronics Communications Conference，Post Deadline paper，2013年，PD2-3 T.Umeki，et al.，"First demonstration of high-order QAM signal amplification in PPLN-based phase sensitive amplifier"，Optics Express，2014年，Vol.22，No.3，pp.2473-2482

以上のように、非特許文献１に開示された技術では、多値の変調フォーマットの変調信号を増幅することができないという課題があった。
非特許文献２及び非特許文献３に開示された技術では、変調信号の多値度が上がるほど、信号からのキャリア抽出によって生成した基本波光（励起光）のＳ／Ｎを保つことが難しく、またＷＤＭ信号を一括して増幅することができないという課題があった。

非特許文献４に開示された技術では、ＰＳＡを中継器内の増幅器として使用する場合に、中継器内で基本波光に位相同期した局発光が必要になるという課題があった。
図１４に示した構成では、波長軸上で波長多重信号を密に配置することができず、また信号光とパイロットトーンの同送が必要になるために光ネットワークの構成が限定されるという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、送信器から主信号光群と共にパイロットトーンを同送することなしに、送信器の励起光と位相同期した励起光を生成することができ、伝送帯域全体に主信号光群を密に詰めて伝送することを可能とし、多値の変調フォーマットの変調信号を波長多重した波長多重信号を一括して増幅することができる位相感応光増幅器を提供することを目的とする。

本発明の位相感応光増幅器は、外部から入力された主信号光と位相共役光との複数対からなる主信号光群の一部を分岐させる分波器と、この分波器の出力光を増幅する第１の光増幅器と、この第１の光増幅器の出力光を入力とし、前記主信号光と前記位相共役光との和周波光を発生させるための第１の光導波路を備えた第１の二次非線形光学素子と、局発光を出力する局発光源と、前記第１の二次非線形光学素子から出力された和周波光を前記局発光源に光注入同期するサーキュレータと、前記サーキュレータの出力光を増幅する第２の光増幅器と、この第２の光増幅器の出力光を励起光として、外部から入力された前記主信号光群のパラメトリック増幅を行うための第２の光導波路を備えた第２の二次非線形光学素子と、この第２の二次非線形光学素子に入射する前記励起光の位相を制御することにより、前記主信号光群の位相と前記励起光の位相とを前記第２の光導波路内において同期させる位相調整機構とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の位相感応光増幅器は、外部から入力された主信号光と位相共役光との複数対からなる主信号光群の一部を分岐させる第１の分波器と、この分波器の出力光を増幅する第１の光増幅器と、この第１の光増幅器の出力光を入力とし、前記主信号光と前記位相共役光との和周波光を発生させるための第１の光導波路を備えた第１の二次非線形光学素子と、第１の局発光を出力する第１の局発光源と、前記和周波光と前記第１の局発光との差周波光を発生させるための第２の光導波路を備えた第２の二次非線形光学素子と、第２の局発光を出力する第２の局発光源と、前記第２の二次非線形光学素子から出力された差周波光を前記第２の局発光源に光注入同期するサーキュレータと、前記第１の局発光の一部を分岐させる第２の分波器と、この第２の分波器によって分波された第１の局発光と前記サーキュレータから出射した第２の局発光とを合波する合波器と、この合波器の出力光を増幅する第２の光増幅器と、この第２の光増幅器の出力光に含まれる前記第１の局発光と前記第２の局発光との和周波光を発生させるための第３の光導波路を備えた第３の二次非線形光学素子と、この第３の二次非線形光学素子から出力された和周波光を励起光として、外部から入力された前記主信号光群のパラメトリック増幅を行うための第４の光導波路を備えた第４の二次非線形光学素子と、前記合波器を出射した前記第１の局発光と前記第２の局発光との合波光の位相を制御することにより、前記主信号光群の位相と前記励起光の位相とを前記第４の光導波路内において同期させる位相調整機構とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の位相感応光増幅器の１構成例は、さらに、前記第１の光増幅器の前段に、前記主信号光群から特定の主信号光と位相共役光の対のみを分離して前記第１の光増幅器に入力する波長分離フィルタを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の位相感応光増幅器の１構成例において、外部から入力される前記主信号光群は、それぞれ送信データに応じた変調が施された複数の主信号光と、これらの主信号光と送信器内励起光との差周波光として生成された複数の位相共役光とからなるものである。

また、本発明の位相感応光増幅器は、外部から入力された主信号光と位相共役光との複数対からなる主信号光群の一部を分岐させる分波器と、この分波器の出力光に含まれる、連続波の主信号光とこれに対応する連続波の位相共役光とを分離する波長分離フィルタと、第１の局発光を出力する第１の局発光源と、第２の局発光を出力する第２の局発光源と、前記連続波の主信号光を前記第１の局発光源に光注入同期する第１のサーキュレータと、前記連続波の位相共役光を前記第２の局発光源に光注入同期する第２のサーキュレータと、前記第１のサーキュレータから出射した第１の局発光と前記第２のサーキュレータから出射した第２の局発光とを合波する波長合波フィルタと、この波長合波フィルタの出力光を増幅する光増幅器と、この光増幅器の出力光を入力とし、前記第１の局発光と前記第２の局発光との和周波光を発生させるための第１の光導波路を備えた第１の二次非線形光学素子と、この第１の二次非線形光学素子から出力された和周波光を励起光として、外部から入力された前記主信号光群のパラメトリック増幅を行うための第２の光導波路を備えた第２の二次非線形光学素子と、前記波長合波フィルタを出射した前記第１の局発光と前記第２の局発光との合波光の位相を制御することにより、前記主信号光群の位相と前記励起光の位相とを前記第２の光導波路内において同期させる位相調整機構とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の位相感応光増幅器の１構成例において、外部から入力される前記主信号光群は、それぞれ送信データに応じた変調が施された複数の第１の主信号光と、これら第１の主信号光と送信器内励起光との差周波光として生成された複数の第１の位相共役光と、連続波の第２の主信号光と、この第２の主信号光と前記送信器内励起光との差周波光として生成された連続波の第２の位相共役光とからなり、前記波長分離フィルタは、前記分波器の出力光から前記連続波の第２の主信号光と前記連続波の第２の位相共役光とを分離して取り出すことを特徴とするものである。

また、本発明の位相感応光増幅器の１構成例は、前記二次非線形光学素子内の光導波路として、直接接合リッジ導波路を用いることを特徴とするものである。
また、本発明の位相感応光増幅器の１構成例において、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のいずれかの材料から構成されるか、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ものである。

本発明によれば、位相感応光増幅器に、分波器と第１、第２の光増幅器と第１、第２の二次非線形光学素子と局発光源とサーキュレータと位相調整機構とを設け、主信号光と位相共役光との複数対からなる主信号光群を使って和周波光を生成し、この和周波光を局発光源に光注入同期して、位相感応増幅のための励起光を生成することにより、送信器から主信号光群と共にパイロットトーンを同送することなしに、位相感応光増幅器内において送信器の励起光と位相同期した励起光を生成することができるので、伝送帯域全体に主信号光群を密に詰めて伝送することが可能となり、またパイロットトーンの同送により光ネットワークの構成が限定されることを回避することができる。また、本発明では、多値の変調フォーマットの変調信号を増幅することができ、また複数の変調信号を波長多重した波長多重信号を一括して増幅することができる。

また、本発明では、位相感応光増幅器に、第１、第２の分波器と第１、第２の光増幅器と第１〜第４の二次非線形光学素子と第１、第２の局発光源とサーキュレータと合波器と位相調整機構とを設け、主信号光と位相共役光との複数対からなる主信号光群を使って和周波光を生成し、この和周波光と第１の局発光との差周波光を生成し、この差周波光を第２の局発光源に光注入同期し、光注入同期した第２の局発光と第１の局発光との和周波光を生成して位相感応増幅のための励起光とすることにより、信号波長と同じ波長帯の第１、第２の局発光源および第１、第２の光増幅器を用いて、送信器の励起光と位相同期した励起光を生成することができる。その結果、本発明では、信頼性の高い信号波長帯の部品を用いることができる。

また、本発明では、位相感応光増幅器に、分波器と波長分離フィルタと第１、第２の局発光源と第１、第２のサーキュレータと波長合波フィルタと光増幅器と第１、第２の二次非線形光学素子と位相調整機構とを設け、主信号光と位相共役光との複数対からなる主信号光群のうち１対の主信号光と位相共役光を連続波とし、連続波の主信号光を第１の局発光源に光注入同期し、連続波の位相共役光を第２の局発光源に光注入同期し、光注入同期した第１の局発光と光注入同期した第２の局発光との和周波光を生成して位相感応増幅のための励起光とすることにより、１６ＱＡＭ、３２ＱＡＭ，６４ＱＡＭ、１２８ＱＡＭといった強度方向にも多値度化した信号に対しても高い強度変動の無い励起光を生成することができ、マルチキャリア信号を一括で位相感応光増幅可能な位相感応光増幅器を実現することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る送信器と位相感応光増幅器の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る送信器と位相感応光増幅器における主信号光、位相共役光、主信号光群、励起光および増幅された主信号光群のスペクトルを示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る送信器と位相感応光増幅器の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る送信器と位相感応光増幅器における主信号光、位相共役光、主信号光群、励起光および増幅された主信号光群のスペクトルを示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る送信器と位相感応光増幅器の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係る送信器と位相感応光増幅器における主信号光、位相共役光、主信号光群、第１の局発光、シード光、第２の局発光、励起光および増幅された主信号光群のスペクトルを示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る送信器と位相感応光増幅器の構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施の形態に係る送信器と位相感応光増幅器における主信号光、位相共役光、主信号光群、第１の局発光、第２の局発光、励起光および増幅された主信号光群のスペクトルを示す図である。 従来の位相感応光増幅器の構成を示すブロック図である。 従来の二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器の構成を示すブロック図である。 従来の二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器における、入力信号光と励起光間の位相差と、利得との関係を示すグラフである。 従来の位相感応光増幅器の別の構成を示すブロック図である。 図１２の位相感応光増幅器における信号光群、基本波光、励起光および増幅された信号光群のスペクトルを示す図である。 従来の位相感応光増幅器の別の構成を示すブロック図である。 図１４の位相感応光増幅器における信号光群、パイロットトーン、基本波光、励起光および増幅された信号光群のスペクトルを示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の例示的な実施の形態について詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態に係る送信器とＰＳＡの構成を示すブロック図である。本実施の形態は、主信号光と位相共役光との複数対からなる主信号光群のうち１対の主信号光と位相共役光を選んで和周波光を生成し、この和周波光を波長０．７８μｍの局発光源に光注入同期することにより、励起光を生成する例である。本実施の形態に係る光増幅装置であるＰＳＡは、各信号キャリアがＱＰＳＫ変調された波長多重信号群に対し、パイロットトーンなどの付加的な信号無しに、信号光と位相同期した局発光を生成し、波長多重（ＷＤＭ）信号等の複数の搬送キャリアを有するマルチキャリア信号を一括で位相感応光増幅可能な中継光増幅器構成を提供する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＰＳＡの構成を示すブロック図である。図１には、多値変調を施した波長多重信号に対するＰＳＡを、中継光増幅器として適用するための構成が示されている。

図１の送信器４は、複数の信号光源４０−１〜４０−５と、複数の外部変調器４１−１〜４１−５と、波長多重合波器４２と、局発光源４３と、ＥＤＦＡ４４と、バンドパスフィルタ（Band Pass Filter：ＢＰＦ）４５と、第二高調波発生（Second Harmonic Generation：ＳＨＧ）用の二次非線形光学素子４６と、差周波発生（Difference Frequency Generation：ＤＦＧ）用の二次非線形光学素子４７とを備えている。

送信器４と光ファイバ６を介して接続される中継器内に設けられる本実施の形態のＰＳＡ５は、分波器５０と、波長分離フィルタ５１と、ＥＤＦＡ５２と、ＢＰＦ５３と、和周波発生（Sum Frequency Generation：ＳＦＧ）用の二次非線形光学素子５４と、局発光源５５と、サーキュレータ５６と、ＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）圧電素子を用いた光ファイバ伸縮器５７と、半導体光増幅器５８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５９と、分波器６０と、光検出器６１と、位相同期ループ（ＰＬＬ）回路６２とを備えている。これらのうち、光ファイバ伸縮器５７と分波器６０と光検出器６１と位相同期ループ回路６２とは、位相調整機構を構成している。

送信器４において、複数の信号光源４０−１〜４０−５は、互いに波長が異なる複数の連続波光（ＣＷ光）を出力する。複数の外部変調器４１−１〜４１−５は、それぞれ信号光源４０−１〜４０−５の出力光に対して送信データに応じたＱＰＳＫ変調を施す。波長多重合波器４２は、外部変調器４１−１〜４１−５の出力光を合波することで波長多重を行う。こうして、主信号光４００が生成される。

一方、局発光源４３は、基本波光４０１を出力する。ＥＤＦＡ４４は、局発光源４３から出力された基本波光４０１を増幅する。ＢＰＦ４５は、ＥＤＦＡ４４によって発生したノイズ光を排除し、基本波光４０１のみを透過させる。

二次非線形光学素子４６は、ＰＰＬＮ導波路４６０と、出力側のダイクロイックミラー４６１とを含む。ＢＰＦ４５を透過した基本波光４０１が二次非線形光学素子４６に入射すると、ＰＰＬＮ導波路４６０により基本波光４０１の半分の波長の第二高調波光が発生し、ダイクロイックミラー４６１により基本波光４０１と第二高調波光とが分離される。この第二高調波光が励起光４０２として二次非線形光学素子４７に入射する。

二次非線形光学素子４７は、入力側のダイクロイックミラー４７０と、ＰＰＬＮ導波路４７１と、出力側のダイクロイックミラー４７２とを含む。波長多重合波器４２から出力された波長多重された主信号光４００と二次非線形光学素子４６から出力された励起光４０２とは、ダイクロイックミラー４７０により合波され、ＰＰＬＮ導波路４７１に入射する。これにより、主信号光４００と励起光４０２との差周波光がＰＰＬＮ導波路４７１において発生する。この差周波光が主信号光４００に対する位相共役光となる。ダイクロイックミラー４７２は、主信号光４００と位相共役光との複数対からなる主信号光群４０３と、励起光４０２とを分離し、主信号光群４０３を送信器４の出力として光ファイバ６に送出する。

図２（Ａ）に主信号光群４０３のスペクトルを示す。なお、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）の縦軸は光強度、横軸は波長である。図２（Ａ）の４０４は主信号光４００に対する位相共役光である。このように、本実施の形態では、送信器４から、基本波光、励起光あるいはパイロットトーンといった付加的な信号を同送することなく、主信号光と位相共役光のみを送出する。

送信器４から送出された主信号光群４０３は、光ファイバ６を伝搬して中継器内のＰＳＡ５に入射する。ＰＳＡ５の分波器５０は、主信号光群４０３の一部を分岐させて波長分離フィルタ５１に入射させる。波長分離フィルタ５１は、主信号光群４０３から特定の主信号光と位相共役光の対のみを分離して出力する。

ＥＤＦＡ５２は、波長分離フィルタ５１の出力光を１Ｗ程度の光パワーまで増幅する。ＢＰＦ５３は、ＥＤＦＡ５２によって発生したノイズ光を排除し、波長分離フィルタ５１によって分離された主信号光と位相共役光の対のみを透過させる。

二次非線形光学素子５４は、ＰＰＬＮ導波路５４０と、出力側のダイクロイックミラー５４１とを含む。ＢＰＦ５３を透過した主信号光と位相共役光の対が二次非線形光学素子５４に入射すると、ＰＰＬＮ導波路５４０により主信号光と位相共役光との和周波光４０７が発生し、ダイクロイックミラー５４１により和周波光４０７と、主信号光および位相共役光とが分離され、分離された和周波光４０７がサーキュレータ５６に入射する。

局発光源５５は、中継器内局発光を出力する。二次非線形光学素子５４から出力された和周波光４０７をサーキュレータ５６を通して局発光源５５に入力する光注入同期を行うことで、和周波光４０７と位相同期した局発光である中継器内励起光４０８を生成することができる。こうして、送信器４内で差周波光発生に用いた励起光４０２と同じ位相を持つ中継器内励起光４０８を中継器内のＰＳＡ５で再生することができる（図２（Ｂ））。図２（Ｂ）における４０５は波長分離フィルタ５１によって分離された主信号光、４０６は主信号光４０５の位相共役光である。

送信器４内において、励起光４０２は基本波光４０１の第二高調波発生により得られるため、基本波光４０１の位相ΦＬＯと励起光４０２の位相Φｐｕｍｐとの間には、式（２）のような関係が成り立つ。
Φｐｕｍｐ＝２ΦＬＯ ・・・（２）

また、送信器４内において、位相共役光４０４は励起光４０２と主信号光４００との間の差周波発生により得られるため、主信号光４００の位相Φｓｉｇｎａｌと位相共役光４０４の位相Φｉｄｌｅｒと基本波光４０１の位相ΦＬＯとの間には、式（３）のような関係が成り立つ。
Φｉｄｌｅｒ＝２ΦＬＯ−Φｓｉｇｎａｌ ・・・（３）

ＰＳＡ５内において、主信号光４０５と位相共役光４０６との和周波数を取ることで、和周波光４０７の位相Φｓｆｇは式（４）のように表すことができる。
Φｓｆｇ＝Φｓｉｇｎａｌ＋Φｉｄｌｅｒ
＝Φｓｉｇｎａｌ＋２ΦＬＯ−Φｓｉｇｎａｌ＝２ΦＬＯ＝Φｐｕｍｐ
・・・（４）

式（４）により、励起光４０２と同じ位相を持つ和周波光４０７をＰＳＡ５で再生できることが分かる。
また、主信号光４０５と位相共役光４０６との和周波数を取ることで、ＱＰＳＫ変調もキャンセルすることができる。ここでは、説明を簡単にするために、基本波光４０１の位相を０とする。このとき、ＱＰＳＫの４シンボルの内、主信号光４０５の位相が０の場合、位相共役光４０６の位相は−０＝０であるため、和周波光４０７の位相も０となる。

同様に、主信号光４０５の位相がπ／４の場合、位相共役光４０６の位相は−π／４であるため、和周波光４０７の位相は０となる。また、主信号光４０５の位相がπの場合、位相共役光４０６の位相は−πであるため、和周波光４０７の位相は０となる。また、主信号光４０５の位相が３π／４の場合、位相共役光４０６の位相は−３π／４であるため、和周波光４０７の位相は０となる。このように、和周波光４０７には、位相変調信号は重畳されず、連続波光（ＣＷ光）となる。

本実施の形態では、送信器４の基本波４０１の波長（信号波長）のおよそ半分の波長を有する中継器内局発光を出力する中継器内局発光源５５を用いる。つまり、基本波光４０１の波長が１．５６μｍの場合、波長０．７８μｍの中継器内局発光を出力する中継器内局発光源５５を用いる。光注入同期は、多少の波長誤差があっても位相の引き込みが可能であるため、多少の波長差は許容されるが、本実施の形態では上記のような局発光源５５を用いた。数十μＷから数百μＷの和周波光で光注入同期が可能であり、主信号光群４０３から分波した微弱な主信号光４０５と位相共役光４０６の対から生成した和周波光４０７でも光注入同期による位相同期が達成可能であった。

半導体光増幅器５８は、サーキュレータ５６から出射した中継器内励起光４０８を１Ｗ程度まで増幅する。二次非線形光学素子５９は、入力側のダイクロイックミラー５９０と、ＰＰＬＮ導波路５９１と、出力側のダイクロイックミラー５９２とを含む。送信器４から送信された主信号光群４０３と半導体光増幅器５８によって増幅された中継器内励起光４０８とは、ダイクロイックミラー５９０により合波され、ＰＰＬＮ導波路５９１に入射する。ＰＰＬＮ導波路５９１は、パラメトリック増幅効果により、主信号光と位相共役光との複数対からなる主信号光群４０３を一括して位相感応光増幅する（図２（Ｃ））。図１、図２（Ｃ）における４０９は増幅された主信号光群、４１０は主信号光、４１１は主信号光の位相共役光である。

本実施の形態では、それぞれの二次非線形光学素子４６，４７，５４，５９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４６０，４７１，５４０，５９１を用いている。

ＰＰＬＮ導波路４６０，４７１，５４０，５９１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Ｚカット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、約５０ｍｍである。この導波路はペルチェ素子により温度調節が可能で、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。以上のようにして、ＰＰＬＮ導波路４６０，４７１，５４０，５９１を作製した。

次に、ＰＳＡ５の分波器６０は、増幅された主信号光群４０９の一部を分岐させて光検出器６１に入射させる。光検出器６１は、入射した主信号光群４０９を電気信号に変換する。位相同期ループ回路６２は、光検出器６１で検出される信号が最大となるように、光ファイバ伸縮器５７に駆動信号をフィードバックする。光ファイバ伸縮器５７は、中継器内励起光４０８が伝搬する光ファイバを、位相同期ループ回路６２から出力された駆動信号に応じて伸縮させる。

このようにして、常に位相感応光増幅が行われるように光ファイバ伸縮器５７にフィードバックを行い、温度や振動による、中継器内励起光４０８と主信号光群４０３との間の相対位相のドリフトを光ファイバ伸縮器５７により補償することにより、二次非線形光学素子５９のＰＰＬＮ導波路５９１内において中継器内励起光４０８の位相と主信号光群４０３の位相とを同期させることができるので、ＰＳＡ５の出力の安定化を実現することができる。

以上、本実施の形態に示した構成では、送信器４内の基本波光もしくは励起光を主信号光群４０３と同送することなしに、ＰＳＡ５内において送信器４の励起光４０２と位相同期した中継器内励起光４０８を生成することができる。その理由は、主信号光と位相共役光の間の位相関係に含まれる励起光位相を一回の二次非線形素子を使って取り出すことができるためである。これにより、本実施の形態では、送信器４から主信号光群４０３と共にパイロットトーンを同送する必要がなくなるため、伝送帯域全体に主信号光群を密に詰めて伝送することが可能となり、またパイロットトーンの同送により光ネットワークの構成が限定されることを回避することができる。

また、本実施の形態では、信号の変調フォーマットとしてＱＰＳＫを用いる例で説明したが、８ＰＳＫや１６ＰＳＫといった、位相方向に多値度を上げた変調フォーマットに対しても、より高次の非線形過程や複数の非線形過程を組み合わせたような複雑な構成は必要なく、本実施の形態で説明した構成とまったく同じ構成で励起光を生成することが可能である。したがって、本実施の形態によれば、多値の変調フォーマットの変調信号を増幅することができ、また複数の変調信号を波長多重したＷＤＭ信号を一括して増幅することができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、主信号光と位相共役光との複数対からなる主信号光群の全てを使って和周波光を生成し、この和周波光から励起光を生成する例である。第１の実施の形態では、ＷＤＭ信号等の、複数の搬送キャリアを有するマルチキャリア信号の内、特定の１対の主信号光と位相共役光を用いた構成であった。このような第１の実施の形態の構成は、ＰＳＡに到達した主信号光と位相共役光との対の光パワーが十分に強い場合は問題ないが、長距離の光ファイバ伝送後では光パワーを十分確保できない場合も考えられる。そこで、光パワーが十分でない場合においても、送信器の励起光と位相同期した局発光を生成し、マルチキャリア信号を一括で位相感応光増幅可能な中継光増幅器構成を提供する。

図３は、本発明の第２の実施の形態に係る送信器とＰＳＡの構成を示すブロック図であり、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。送信器４の構成は第１の実施の形態で説明したとおりである。

本実施の形態のＰＳＡ５ａは、分波器５０と、ＥＤＦＡ５２と、ＢＰＦ５３と、和周波発生用の二次非線形光学素子５４と、局発光源５５と、サーキュレータ５６と、光ファイバ伸縮器５７と、半導体光増幅器５８と、光パラメトリック増幅用の二次非線形光学素子５９と、分波器６０と、光検出器６１と、位相同期ループ回路６２とを備える。光ファイバ伸縮器５７と分波器６０と光検出器６１と位相同期ループ回路６２とは、位相調整機構を構成している。

送信器４の動作は第１の実施の形態で説明したとおりであり、送信器４からは主信号光群４０３が出力される。図４（Ａ）に主信号光群４０３のスペクトルを示す。図２（Ａ）〜図２（Ｃ）と同様に、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）の縦軸は光強度、横軸は波長である。このように、本実施の形態では、送信器４から、基本波光、励起光あるいはパイロットトーンといった付加的な信号を同送することなく、主信号光４００と位相共役光４０４のみを送出する。

ＰＳＡ５ａの分波器５０は、主信号光群４０３の一部を分岐させてＥＤＦＡ５２に入射させる。ここで一部とは、全ての主信号光と位相共役光の対の光パワーの一部を意味する。もちろん全てではなく、特定の主信号光と位相共役光の複数対の光パワーの一部でもよい。本実施の形態では、分波器５０で分波した主信号光群を波長分離フィルタで抜きだすことなく、主信号光と位相共役光の全ての対を用いる。

ＥＤＦＡ５２は、分波器５０の出力光を１Ｗ程度の光パワーまで増幅する。ＢＰＦ５３は、ＥＤＦＡ５２によって発生したノイズ光を排除し、分波器５０によって分波された主信号光群のみを透過させる。

ＢＰＦ５３を透過した主信号光群が二次非線形光学素子５４に入射すると、ＰＰＬＮ導波路５４０により主信号光と位相共役光との和周波光４０７が発生し、和周波光４０７がサーキュレータ５６に入射する。第１の実施の形態と同様に、和周波光４０７をサーキュレータ５６を通して局発光源５５に光注入同期することで、和周波光４０７と位相同期した局発光である中継器内励起光４０８を生成することができる（図４（Ｂ））。

本実施の形態において、和周波光は、各々の主信号光とその位相共役光との間で対毎に生成されるが、全ての和周波光の周波数が一致し、かつ全ての和周波光の位相Φｓｆｇが励起光の位相Φｐｕｍｐとなる。したがって、同位相での重ねあわせにより、第１の実施の形態のように１対の主信号光と位相共役光を用いる場合よりも高強度の和周波光４０７を生成することができる。

通常の光ファイバ伝送では、送信器４の出力パワー（または光ファイバ６への入力パワー）は０〜−１０ｄＢｍ／ｃｈ程度であるが、ここでは−１０ｄＢｍ／ｃｈで主信号光群が光ファイバ６に入射した場合を考えてみる。１００ｋｍ程度の光ファイバ伝送では２０ｄＢ程度の損失を受けるため、ＰＳＡ５ａへの入力パワーは、−３０ｄＢｍ／ｃｈほどとなる。

ＰＳＡ５ａにおいては、パラメトリック増幅媒質（ＰＰＬＮ導波路５９１）よりも前段の光損失は増幅器全体としての雑音指数（ＮＦ）を直接劣化させるため、二次非線形光学素子５９の前段に位置する分波器５０の損失は小さい方がよい。そのため、キャリア再生のために分波器５０で分波する光のパワーとしては、１％未満が望ましい。

したがって、第１の実施の形態のように１対の主信号光と位相共役光を用いる場合、キャリア再生に用いるための光パワーは−５０ｄＢｍ程度となってしまう。このように光パワーが極度に小さいと、和周波発生を用いるキャリア再生の効率が低くなり、ＰＳＡを駆動するための励起光４０８のＳ／Ｎが劣化してしまうという問題がある。

これに対して、本実施の形態では、マルチキャリア信号の全ての主信号光と位相共役光との対を用いることができる。例えば、１００波多重のＷＤＭ信号を用いる場合では、１％の分波であっても、キャリア再生に用いるための光パワーを−３０ｄＢｍまで高めることができる。−３０ｄＢｍ程度の光パワーがあれば、通常市販されているＥＤＦＡ等で容易に増幅可能であり、中継器内励起光４０８のＳ／Ｎの劣化も大幅に緩和することができる。

このように、本実施の形態では、送信器４内で差周波発生に用いた励起光４０２と同じ位相を持つ中継器内励起光４０８を高感度にＰＳＡ５ａ内で再生することができ、位相同期したＳ／Ｎの高い中継器内励起光４０８を用いて位相感応増幅が実現できる（図４（Ｃ））。その他の構成は第１の実施の形態で説明したとおりである。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、主信号光と位相共役光との複数対からなる主信号光群のうち１対の主信号光と位相共役光を選んで和周波光を生成し、この和周波光と第１の局発光との差周波光を生成し、この差周波光を波長１．５６μｍ帯の第２の局発光源に光注入同期し、光注入同期した第２の局発光と第１の局発光との和周波光を生成することにより、励起光を生成する例である。

第１、第２の実施の形態では、中継器内局発光源５５、サーキュレータ５６、半導体光増幅器５８等の、信号波長のおよそ半分の波長で動作する光部品を用いる必要があった。具体的には、信号波長が１．５６μｍ帯の場合、局発光の光部品としては０．７８μｍ帯で動作する光部品が必要となる。しかしながら、０．７８μｍ帯は通常の伝送システムでは用いられていないため、光部品の信頼性や価格、入手の容易性を考えると、これらの光部品を信号波長と同じ１．５６μｍ帯で構成できることが望ましい。特に、信頼性確保の難しい局発光源や半導体光増幅器は、信頼性の高い１．５６μｍ帯の部品を用いることが望ましい。

図５は、本発明の第３の実施の形態に係る送信器とＰＳＡの構成を示すブロック図であり、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。送信器４の構成は第１の実施の形態で説明したとおりである。

本実施の形態のＰＳＡ５ｂは、分波器５０と、波長分離フィルタ５１と、ＥＤＦＡ５２と、ＢＰＦ５３と、和周波発生用の二次非線形光学素子５４と、光パラメトリック増幅用の二次非線形光学素子５９と、分波器６０と、光検出器６１と、位相同期ループ回路６２と、局発光源６３と、分波器６４と、差周波発生用の二次非線形光学素子６５と、ＢＰＦ６６と、局発光源６７と、サーキュレータ６８と、合波器６９と、ＰＺＴ圧電素子を用いた光ファイバ伸縮器７０と、ＥＤＦＡ７１と、ＢＰＦ７２と、和周波発生用の二次非線形光学素子７３とを備えている。これらのうち、分波器６０と光検出器６１と位相同期ループ回路６２と光ファイバ伸縮器７０とは、位相調整機構を構成している。

送信器４の動作は第１の実施の形態で説明したとおりであり、送信器４からは主信号光群４０３が出力される。図６（Ａ）に主信号光群４０３のスペクトルを示す。図２（Ａ）〜図２（Ｃ）と同様に、図６（Ａ）〜図６（Ｅ）の縦軸は光強度、横軸は波長である。このように、送信器４からは、基本波光、励起光あるいはパイロットトーンといった付加的な信号を同送することなく、主信号光４００と位相共役光４０４のみを送出する。

ＰＳＡ５ｂ内の分波器５０と波長分離フィルタ５１とＥＤＦＡ５２とＢＰＦ５３と二次非線形光学素子５４の動作は第１の実施の形態で説明したとおりであり、送信器４の励起光４０２と位相同期した和周波光４０７を生成することができる（図６（Ｂ））。図６（Ｂ）における４０５は波長分離フィルタ５１によって分離された主信号光、４０６は主信号光４０５の位相共役光である。

局発光源６３は、第１の局発光４１２を出力する。二次非線形光学素子６５は、入力側のダイクロイックミラー６５０と、ＰＰＬＮ導波路６５１とを含む。二次非線形光学素子５４から出力された和周波光４０７と局発光源６３から出力された第１の局発光４１２とは、ダイクロイックミラー６５０により合波され、ＰＰＬＮ導波路６５１に入射する。これにより、和周波光４０７と第１の局発光４１２との差周波光がＰＰＬＮ導波路６５１において発生する。この差周波光がシード光４１３となる（図６（Ｃ））。

シード光４１３の位相Φｓｅｅｄは、励起光４０２と位相同期した和周波光４０７の位相Φｐｕｍｐと、第１の局発光４１２の位相ΦＬＯ１とを用いて、式（５）のように表すことができる。
Φｓｅｅｄ＝Φｐｕｍｐ−ΦＬＯ１ ・・・（５）

ＢＰＦ６６は、二次非線形光学素子６５の出力から和周波光４０７と第１の局発光４１２とを排除し、シード光４１３のみを透過させる。局発光源６７は、第２の局発光４１４を出力する。ＢＰＦ６６から出力されたシード光４１３をサーキュレータ６８を通して局発光源６７に光注入同期することで、第２の局発光４１４をシード光４１３と位相同期させる。

分波器６４は、局発光源６３から出力された第１の局発光４１２の一部を分岐させる。合波器６９は、分波器６４によって分波された第１の局発光４１２とサーキュレータ６８から出射した第２の局発光４１４とを合波する。ＥＤＦＡ７１は、第１の局発光４１２と第２の局発光４１４との合波光を１Ｗ程度まで増幅する。ＢＰＦ７２は、ＥＤＦＡ７１によって発生したノイズ光を排除し、第１の局発光４１２と第２の局発光４１４との合波光のみを透過させる。

二次非線形光学素子７３は、ＰＰＬＮ導波路７３０と、出力側のダイクロイックミラー７３１とを含む。ＢＰＦ７２を透過した光が二次非線形光学素子７３に入射すると、ＰＰＬＮ導波路７３０により第１の局発光４１２と第２の局発光４１４との和周波光が発生し、ダイクロイックミラー７３１により和周波光と、第１の局発光４１２および第２の局発光４１４とが分離され、分離された和周波光が二次非線形光学素子５９に入射する。この和周波光が位相感応増幅のための中継器内励起光４１５となる（図６（Ｄ））。

このとき、励起光４１５の位相Φｓｆｇは式（６）のように表すことができる。
Φｓｆｇ＝ΦＬＯ１＋ΦＬＯ２＝ΦＬＯ１＋Φｐｕｍｐ−ΦＬＯ１＝Φｐｕｍｐ
・・・（６）

式（６）によれば、送信器４内で差周波光発生に用いた励起光４０２と同じ位相を持つ中継器内励起光４１５を中継器内のＰＳＡ５ｂで再生できることが分かる。
第１の実施の形態と同様に、送信器４から送信された主信号光群４０３と二次非線形光学素子７３から出射した中継器内励起光４１５とは、二次非線形光学素子５９のダイクロイックミラー５９０により合波され、ＰＰＬＮ導波路５９１に入射する。ＰＰＬＮ導波路５９１は、パラメトリック増幅効果により、主信号光群４０３を一括して位相感応光増幅する（図６（Ｅ））。図５、図６（Ｅ）における４０９は増幅された主信号光群である。

第１の実施の形態と同様に、ＰＳＡ５ｂの分波器６０は、増幅された主信号光群４０９の一部を分岐させて光検出器６１に入射させる。位相同期ループ回路６２は、光検出器６１で検出される信号が最大となるように、光ファイバ伸縮器７０に駆動信号をフィードバックする。光ファイバ伸縮器７０は、第１の局発光４１２と第２の局発光４１４との合波光が伝搬する光ファイバを、位相同期ループ回路６２から出力された駆動信号に応じて伸縮させる。

以上のように、本実施の形態では、信号波長と同じ波長帯の局発光源６３，６６およびＥＤＦＡ７１を用いて、送信器４の励起光４０２と同じ位相を持つ中継器内励起光４１５を中継器内のＰＳＡ５ｂで再生することができる。その結果、本実施の形態では、信頼性の高い信号波長帯の部品を用いることができる。

また、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、特定の１対の主信号光と位相共役光とを用いて中継器内励起光４１５を再生したが、これに限るものではなく、第２の実施の形態のように複数対の主信号光と位相共役光とを用いて中継器内励起光４１５を再生するようにしてもよい。この場合は、第２の実施の形態と同様に、図５に示した構成から波長分離フィルタ５１を削除して、分波器５０の分波出力をＥＤＦＡ５２に入力すればよい。

なお、本実施の形態の例では、第１の局発光４１２と第２の局発光４１４とは同じ信号波長１．５６μｍ帯に属するが、波長が異なり、第２の局発光４１４の方が第１の局発光４１２よりも波長が長い。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、主信号光と位相共役光との複数対からなる主信号光群のうち１対の主信号光と位相共役光をＣＷ光とし、ＣＷの主信号光を第１の局発光に光注入同期し、ＣＷの位相共役光を第２の局発光に光注入同期し、光注入同期した第１の局発光と光注入同期した第２の局発光との和周波光を生成することにより、励起光を生成する例である。

第１〜第３の実施の形態では、信号の変調方式として、ＱＰＳＫ、８ＰＳＫ、１６ＰＳＫといった、位相方向に多値度を上げた変調フォーマットを使用していた。さらに強度方向にも多値度化した、１６ＱＡＭ、３２ＱＡＭ，６４ＱＡＭ、１２８ＱＡＭといった信号に対しても、動作可能であるが、和周波光生成によるキャリア再生時に強度変動が残留し、注入同期により強度変動は緩和するものの、微小な強度変動が励起光に重畳してしまうという問題があった。

図７は、本発明の第４の実施の形態に係る送信器とＰＳＡの構成を示すブロック図であり、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態の送信器４ｃは、複数の信号光源４０−１〜４０−５と、複数の外部変調器４１−１，４１−２，４１−４，４１−５と、波長多重合波器４２と、局発光源４３と、ＥＤＦＡ４４と、ＢＰＦ４５と、第二高調波発生用の二次非線形光学素子４６と、差周波発生用の二次非線形光学素子４７とを備えている。

本実施の形態のＰＳＡ５ｃは、分波器５０と、光パラメトリック増幅用の二次非線形光学素子５９と、分波器６０と、光検出器６１と、位相同期ループ回路６２と、波長分離フィルタ７４と、局発光源７５，７６と、サーキュレータ７７，７８と、波長合波フィルタ７９と、ＰＺＴ圧電素子を用いた光ファイバ伸縮器８０と、ＢＰＦ８２と、和周波発生用の二次非線形光学素子８３とを備えている。これらのうち、分波器６０と光検出器６１と位相同期ループ回路６２と光ファイバ伸縮器８０とは、位相調整機構を構成している。

本実施の形態では、送信器４ｃにおける多波長の光源もしくは複数キャリアの内の１波に変調をかけない連続波光（ＣＷ光）を用いる。図７の例では、複数の信号光源４０−１〜４０−５は、互いに波長が異なる複数の光を出力する。外部変調器４１−１，４１−２，４１−４，４１−５は、それぞれ信号光源４０−１，４０−２，４０−４，４０−５の出力光に対して送信データに応じたＱＰＳＫ変調を施す。

一方、信号光源４０−３については変調を施すことなく、信号光源４０−３からのＣＷ光が波長多重合波器４２に入力される。波長多重合波器４２は、外部変調器４１−１，４１−２，４１−４，４１−５および信号光源４０−３の出力光を合波することで波長多重を行う。こうして、主信号光４１６が生成される。

局発光源４３とＥＤＦＡ４４とＢＰＦ４５と二次非線形光学素子４６の動作は、第１の実施の形態で説明したとおりである。波長多重合波器４２から出力された波長多重された主信号光４１６と二次非線形光学素子４６から出力された励起光４０２とは、二次非線形光学素子４７のダイクロイックミラー４７０により合波され、ＰＰＬＮ導波路４７１に入射する。これにより、主信号光４１６と励起光４０２との差周波光がＰＰＬＮ導波路４７１において発生する。この差周波光が主信号光４１６に対する位相共役光となる。ダイクロイックミラー４７２は、主信号光４１６と位相共役光との複数対からなる主信号光群４１７と、励起光４０２とを分離し、主信号光群４１７を送信器４ｃの出力として光ファイバ６に送出する。

図８（Ａ）に主信号光群４１７のスペクトルを示す。図２（Ａ）〜図２（Ｃ）と同様に、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）の縦軸は光強度、横軸は波長である。図８（Ａ）の４１８は主信号光４１６に対する位相共役光である。このように、１波の信号光にＣＷ光（図８（Ａ）の４１９）を用いることで、差周波発生によりＣＷ光の位相共役光（図８（Ａ）の４２０）が生成される。これにより、１対のＣＷの主信号光と位相共役光の対をマルチキャリア信号の内の任意の位置に生成することができる。

ＰＳＡでは、ＣＷの主信号光と位相共役光の対の全てもしくは一部を分波し、第１、第３の実施の形態で示した構成を用いれば、強度方向にも多値度化した信号に対しても位相感応増幅が実現できる。しかしながら、第２の実施の形態でも述べたように１対の主信号光と位相共役光では、光パワーが弱い場合があるため、本実施の形態では別の形態を示す。

本実施の形態のＰＳＡ５ｃの分波器５０は、主信号光群４１７の一部を分岐させて波長分離フィルタ７４に入射させる。波長分離フィルタ７４は、主信号光群４１７からＣＷの主信号光４１９とＣＷの位相共役光４２０とを分離し、ＣＷの主信号光４１９をサーキュレータ７７に入射させると共に、ＣＷの位相共役光４２０をサーキュレータ７８に入射させる。

局発光源７５は第１の局発光を出力し、局発光源７６は第２の局発光を出力する。波長分離フィルタ７４から出力されたＣＷの主信号光４１９をサーキュレータ７７を通して局発光源７５に光注入同期することで、第１の局発光をＣＷの主信号光４１９と位相同期させる。同様に、波長分離フィルタ７４から出力されたＣＷの位相共役光４２０をサーキュレータ７８を通して局発光源７６に光注入同期することで、第２の局発光をＣＷの位相共役光４２０と位相同期させる。

波長合波フィルタ７９は、サーキュレータ７７から出射した第１の局発光とサーキュレータ７８から出射した第２の局発光とを合波する。ＥＤＦＡ８１は、第１の局発光と第２の局発光との合波光を１Ｗ程度まで増幅する。ＢＰＦ８２は、ＥＤＦＡ８１によって発生したノイズ光を排除し、第１の局発光と第２の局発光との合波光のみを透過させる。

二次非線形光学素子８３は、ＰＰＬＮ導波路８３０と、出力側のダイクロイックミラー８３１とを含む。ＢＰＦ８２を透過した光が二次非線形光学素子８３に入射すると、ＰＰＬＮ導波路８３０により第１の局発光と第２の局発光との和周波光が発生し、ダイクロイックミラー８３１により和周波光と、第１の局発光および第２の局発光とが分離され、分離された和周波光が二次非線形光学素子５９に入射する。この和周波光が位相感応増幅のための中継器内励起光４２１となる（図８（Ｂ））。図８（Ｂ）における４２２は第１の局発光、４２３は第２の局発光である。

第１の実施の形態と同様に、送信器４ｃから送信された主信号光群４１７と二次非線形光学素子８３から出射した中継器内励起光４２１とは、二次非線形光学素子５９のダイクロイックミラー５９０により合波され、ＰＰＬＮ導波路５９１に入射する。ＰＰＬＮ導波路５９１は、パラメトリック増幅効果により、主信号光群４１７を一括して位相感応光増幅する（図８（Ｃ））。図７、図８（Ｃ）における４０９は増幅された主信号光群である。

第１の実施の形態と同様に、ＰＳＡ５ｃの分波器６０は、増幅された主信号光群４０９の一部を分岐させて光検出器６１に入射させる。位相同期ループ回路６２は、光検出器６１で検出される信号が最大となるように、光ファイバ伸縮器８０に駆動信号をフィードバックする。光ファイバ伸縮器８０は、第１の局発光と第２の局発光との合波光が伝搬する光ファイバを、位相同期ループ回路６２から出力された駆動信号に応じて伸縮させる。

本実施の形態で示した構成により、１６ＱＡＭ、３２ＱＡＭ，６４ＱＡＭ、１２８ＱＡＭといった強度方向にも多値度化した信号に対しても高い強度変動の無い中継器内励起光４２１を生成することができ、マルチキャリア信号を一括で位相感応光増幅可能なＰＳＡを実現することができる。

なお、波長分離したＣＷの主信号光とＣＷの位相共役光は、合波までの間は光路が異なるため、独立の位相変動が生じる。このため、波長分離フィルタ７４と波長合波フィルタ７９までの間は、空間光学系や光導波路回路を用いて位相変動の少ない光路とすることがより望ましい。

また、波長分離フィルタ７４から波長合波フィルタ７９までの間を光ファイバで接続する場合は、ＣＷの主信号光が伝搬する光路とＣＷの位相共役光が伝搬する光路の差を小さくし、光路内にファイバ伸縮器などの位相調整機構を設け、波長合波フィルタ７９の出力の一部をモニタして、位相調整機構へフィードバックを行い、光ファイバの環境温度や音響振動等により位相変動を打ち消す構成としてもよい。

本実施の形態の例では、第１の局発光と第２の局発光とは同じ信号波長１．５６μｍ帯に属するが、波長が異なり、第１の局発光の方が第２の局発光よりも波長が長い。

第１〜第４の実施の形態で用いた二次非線形光学素子４６，４７，５４，５９，６５，７３，８３を構成するリッジ導波路の材料は一例にすぎない。すなわち、リッジ導波路は、ＬｉＮｂＯ₃、ＫＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂ_(x)Ｔａ_(1-x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１）、またはＫＴｉＯＰＯ₄のいずれかを用いて構成してもよく、これらに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加えてもよい。

本発明は、光信号を増幅する技術に適用することができる。

４，４ｃ…送信器、５，５ａ，５ｂ，５ｃ…位相感応光増幅器、６…光ファイバ、４０−１〜４０−５…信号光源、４１−１〜４１−５…外部変調器、４２…波長多重合波器、４３，５５，６３，６７，７５，７６…局発光源、４４，５２，７１…エルビウム添加ファイバレーザ増幅器、４５，５３，６６，７２，８２…バンドパスフィルタ、４６，４７，５４，５９，６５，７３，８３…二次非線形光学素子、５０，６０，６４…分波器、５１…波長分離フィルタ、５６，６８，７７，７８…サーキュレータ、５７，７０，８０…光ファイバ伸縮器、５８…半導体光増幅器、６１…光検出器、６２…位相同期ループ回路、６９…合波器、７４…波長分離フィルタ、７９…波長合波フィルタ、４６０，４７１，５４０，５９１，６５１，７３０，８３０…ＰＰＬＮ導波路、４６１，４７０，４７２，５４１，５９０，５９１、６５０，７３１，８３１…ダイクロイックミラー。

Claims (8)

1. 外部から入力された主信号光と位相共役光との複数対からなる主信号光群の一部を分岐させる分波器と、
   この分波器の出力光を増幅する第１の光増幅器と、
   この第１の光増幅器の出力光を入力とし、前記主信号光と前記位相共役光との和周波光を発生させるための第１の光導波路を備えた第１の二次非線形光学素子と、
   局発光を出力する局発光源と、
   前記第１の二次非線形光学素子から出力された和周波光を前記局発光源に光注入同期するサーキュレータと、
   前記サーキュレータの出力光を増幅する第２の光増幅器と、
   この第２の光増幅器の出力光を励起光として、外部から入力された前記主信号光群のパラメトリック増幅を行うための第２の光導波路を備えた第２の二次非線形光学素子と、
   この第２の二次非線形光学素子に入射する前記励起光の位相を制御することにより、前記主信号光群の位相と前記励起光の位相とを前記第２の光導波路内において同期させる位相調整機構とを備えることを特徴とする位相感応光増幅器。
2. 外部から入力された主信号光と位相共役光との複数対からなる主信号光群の一部を分岐させる第１の分波器と、
   この分波器の出力光を増幅する第１の光増幅器と、
   この第１の光増幅器の出力光を入力とし、前記主信号光と前記位相共役光との和周波光を発生させるための第１の光導波路を備えた第１の二次非線形光学素子と、
   第１の局発光を出力する第１の局発光源と、
   前記和周波光と前記第１の局発光との差周波光を発生させるための第２の光導波路を備えた第２の二次非線形光学素子と、
   第２の局発光を出力する第２の局発光源と、
   前記第２の二次非線形光学素子から出力された差周波光を前記第２の局発光源に光注入同期するサーキュレータと、
   前記第１の局発光の一部を分岐させる第２の分波器と、
   この第２の分波器によって分波された第１の局発光と前記サーキュレータから出射した第２の局発光とを合波する合波器と、
   この合波器の出力光を増幅する第２の光増幅器と、
   この第２の光増幅器の出力光に含まれる前記第１の局発光と前記第２の局発光との和周波光を発生させるための第３の光導波路を備えた第３の二次非線形光学素子と、
   この第３の二次非線形光学素子から出力された和周波光を励起光として、外部から入力された前記主信号光群のパラメトリック増幅を行うための第４の光導波路を備えた第４の二次非線形光学素子と、
   前記合波器を出射した前記第１の局発光と前記第２の局発光との合波光の位相を制御することにより、前記主信号光群の位相と前記励起光の位相とを前記第４の光導波路内において同期させる位相調整機構とを備えることを特徴とする位相感応光増幅器。
3. 請求項１または２記載の位相感応光増幅器において、
   さらに、前記第１の光増幅器の前段に、前記主信号光群から特定の主信号光と位相共役光の対のみを分離して前記第１の光増幅器に入力する波長分離フィルタを備えることを特徴とする位相感応光増幅器。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の位相感応光増幅器において、
   外部から入力される前記主信号光群は、それぞれ送信データに応じた変調が施された複数の主信号光と、これらの主信号光と送信器内励起光との差周波光として生成された複数の位相共役光とからなることを特徴とする位相感応光増幅器。
5. 外部から入力された主信号光と位相共役光との複数対からなる主信号光群の一部を分岐させる分波器と、
   この分波器の出力光に含まれる、連続波の主信号光とこれに対応する連続波の位相共役光とを分離する波長分離フィルタと、
   第１の局発光を出力する第１の局発光源と、
   第２の局発光を出力する第２の局発光源と、
   前記連続波の主信号光を前記第１の局発光源に光注入同期する第１のサーキュレータと、
   前記連続波の位相共役光を前記第２の局発光源に光注入同期する第２のサーキュレータと、
   前記第１のサーキュレータから出射した第１の局発光と前記第２のサーキュレータから出射した第２の局発光とを合波する波長合波フィルタと、
   この波長合波フィルタの出力光を増幅する光増幅器と、
   この光増幅器の出力光を入力とし、前記第１の局発光と前記第２の局発光との和周波光を発生させるための第１の光導波路を備えた第１の二次非線形光学素子と、
   この第１の二次非線形光学素子から出力された和周波光を励起光として、外部から入力された前記主信号光群のパラメトリック増幅を行うための第２の光導波路を備えた第２の二次非線形光学素子と、
   前記波長合波フィルタを出射した前記第１の局発光と前記第２の局発光との合波光の位相を制御することにより、前記主信号光群の位相と前記励起光の位相とを前記第２の光導波路内において同期させる位相調整機構とを備えることを特徴とする位相感応光増幅器。
6. 請求項５記載の位相感応光増幅器において、
   外部から入力される前記主信号光群は、それぞれ送信データに応じた変調が施された複数の第１の主信号光と、これら第１の主信号光と送信器内励起光との差周波光として生成された複数の第１の位相共役光と、連続波の第２の主信号光と、この第２の主信号光と前記送信器内励起光との差周波光として生成された連続波の第２の位相共役光とからなり、
   前記波長分離フィルタは、前記分波器の出力光から前記連続波の第２の主信号光と前記連続波の第２の位相共役光とを分離して取り出すことを特徴とする位相感応光増幅器。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の位相感応光増幅器において、
   前記二次非線形光学素子内の光導波路として、直接接合リッジ導波路を用いることを特徴とする位相感応光増幅器。
8. 請求項７記載の位相感応光増幅器において、
   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のいずれかの材料から構成されるか、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位相感応光増幅器。