JP6110547B1 - Optical amplifier - Google Patents
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Abstract
【課題】2つの直交する偏波成分を増幅し、光部品点数の削減と反射光の影響の低減とを両立させる。【解決手段】位相感応光増幅器は、偏向ビームスプリッタ(1)と二次非線形光学素子(8,9)と偏波回転子(10,11)を備える。偏向ビームスプリッタ(1)は、信号光と基本波光を直交する偏波成分に分離し、ファイバ(24)からの信号光のTM偏光成分とファイバ(17)からの信号光のTE偏光成分を合波してファイバ(19)に出力する。二次非線形光学素子(8)は、ファイバ(20)からの基本波光のTM偏光成分の第二高調波光を発生させると共にファイバ(21)からの信号光のTM偏光成分を増幅する。二次非線形光学素子(9)は、ファイバ(24)からの基本波光のTM偏光成分の第二高調波光を発生させると共にファイバ(23)からの信号光のTM偏光成分を増幅する。【選択図】 図1Amplifying two orthogonal polarization components to achieve both reduction in the number of optical components and reduction in the influence of reflected light. A phase sensitive optical amplifier includes a deflecting beam splitter (1), a second-order nonlinear optical element (8, 9), and a polarization rotator (10, 11). The deflection beam splitter (1) separates the signal light and the fundamental light into orthogonal polarization components, and combines the TM polarization component of the signal light from the fiber (24) and the TE polarization component of the signal light from the fiber (17). Wave and output to the fiber (19). The second-order nonlinear optical element (8) generates the second harmonic light of the TM polarization component of the fundamental light from the fiber (20) and amplifies the TM polarization component of the signal light from the fiber (21). The second-order nonlinear optical element (9) generates the second harmonic light of the TM polarization component of the fundamental light from the fiber (24) and amplifies the TM polarization component of the signal light from the fiber (23). [Selection] Figure 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光増幅装置に関するものである。 The present invention relates to an optical amplifying apparatus 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 limited response speed of electronic components that convert optical signals into electrical signals, and increased power consumption as the speed of transmitted signals 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、機器の構成も比較的単純になるという利点を有する。 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, there is an advantage that the configuration of the device is 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は有していない。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。 However, these laser amplifiers do not have a function of shaping a deteriorated signal light waveform. In these laser amplifiers, spontaneously emitted light that is inevitably and randomly generated is mixed regardless of the signal component, so that the S / N (Signal to Noise ratio) of the signal light is reduced by at least 3 dB before and after amplification. To do. The lack of the waveform shaping function and the decrease in S / N lead to an increase in the transmission code error rate during digital signal transmission, which is a factor of reducing the 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、位相感応光増幅器は、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。 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 the phase sensitive optical amplifier can suppress spontaneous emission light having a quadrature phase irrelevant to the signal and the in-phase spontaneous emission light can be minimized, the S / N of the signal light before and after amplification is sufficient. In principle, it is possible to maintain the same without deteriorating.
図3は、従来の位相感応光増幅器の基本的な構成を示すブロック図である。図3に示されるように、位相感応光増幅器100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3に示されるように、位相感応光増幅器100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。
FIG. 3 is a block diagram showing a basic configuration of a conventional phase sensitive optical amplifier. As shown in FIG. 3, the phase-sensitive
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。
The phase sensitive
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。
In order to achieve such phase synchronization between 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。
The pumping light
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。 As the nonlinear optical medium for performing the parametric amplification described above, a method using a second-order nonlinear optical material typified by a periodically poled LiNbO 3 (Period-ically Poled Lithium Niobate: PPLN) waveguide and a quartz glass fiber are typical. A method using a third-order nonlinear optical material is known.
図4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位相感応光増幅器の構成を示すブロック図である。図4に示される位相感応光増幅器200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。
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a conventional phase sensitive optical amplifier 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4に示される例では、位相感応光増幅器200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。
In the example shown in FIG. 4, the
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。
In the first second-order nonlinear
位相感応光増幅器においては、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φ2ωsと信号光の位相φωsとが以下の式(1)の関係を満たすことが必要となる。ここで、nは整数とする。
Δφ=1/2(φ2ωs−φωs)=nπ ・・・(1)
In the phase sensitive optical amplifier, in order to amplify only the light in phase with the signal, it is necessary that the phase of the signal light and the excitation light coincide with each other or the phase is shifted by π radians as described above. That is, when using the second-order nonlinear optical effect, and a phase phi .omega.s of the excitation light phase phi 2Omegaesu the signal light is light of a wavelength corresponding to the SH light satisfy the relationship of Equation (1) below Necessary. Here, n is an integer.
Δφ = 1/2 (φ 2ωs -φ ωs) = nπ ··· (1)
図5は、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Δφと、利得(dB)との関係を示すグラフである。図5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。 FIG. 5 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 a conventional phase sensitive optical amplifier using the second-order nonlinear optical effect. As can be seen from FIG. 5, the gain is maximized when the phase difference Δφ between the input signal light and the pump light is −π, 0, or π.
図4に示した構成において、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5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。
In the configuration shown in FIG. 4, the
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PLL回路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、PLL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。
Therefore, feedback is performed to the
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。
In the configuration in which the PPLN waveguide is used as a nonlinear medium and the
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。
As described above, the PPLN waveguide is used as a nonlinear optical medium, and the nonlinear medium is excited using the SH light 252 so that low-noise phase-sensitive amplification can be achieved without being affected by noise generated by the
図5に示すように、PPLN導波路を用いた従来の位相感応光増幅器は、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。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非縮退のパラメトリック増幅に基づく構成を用いることで、QPSKやQAM(Quadrature Amplitude Modulation)等の多値の位相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うることが知られている。
As shown in FIG. 5, a conventional phase sensitive optical amplifier using a PPLN waveguide has a characteristic of attenuating orthogonal phase components. Therefore, an IMDD (normal intensity modulation or binary phase modulation) is used. Although applicable to amplification of modulation signals such as Intensity Modulation Direct Detection (BPSK), Binary Phase Shift Keying (BPSK), and Differential Phase Shift Keying (DPSK), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), which is a multi-level modulation format, 8PSK, etc. The modulated signal cannot be amplified. On the other hand, by using a configuration based on non-degenerate parametric amplification as disclosed in
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。図4に示した従来の位相感応光増幅器は、入力される信号光の偏波に大きく依存するため、実際の光通信システムへ適用するためには課題がある。LiNbO3に代表される、結晶に異方性を有する二次の非線形光学媒質は、2つの直交する偏波に対する屈折率および非線形定数が異なる。 However, the above-described prior art has the following problems. Since the conventional phase sensitive optical amplifier shown in FIG. 4 greatly depends on the polarization of the input signal light, there is a problem in applying it to an actual optical communication system. A second-order nonlinear optical medium having a crystal anisotropy represented by LiNbO 3 has different refractive indices and nonlinear constants for two orthogonal polarizations.
通常、PPLN導波路は、最も高い非線形光学定数であるd33を利用できる構成となっており、その構成において位相整合を取ることのできるように周期分極反転構造が設けられている。例えばZカットのLiNbO3基板を用いる場合、TM(Transverse Magnetic)偏光に対して位相整合の条件が満たされる一方で、直交する偏波であるTE(Transverse Electric)偏光に対しては、屈折率が異なることから同一波長で位相整合を満たすことはできない。仮に、何かしらの方法で位相整合を満たすことができたとしても、TE偏光に対する非線形定数はd33よりも小さい成分を使うことになるため、効率が大幅に低下する。 Usually, the PPLN waveguide has a configuration in which d33, which is the highest nonlinear optical constant, can be used, and a periodically poled structure is provided so that phase matching can be achieved in the configuration. For example, when a Z-cut LiNbO 3 substrate is used, the condition of phase matching is satisfied for TM (Transverse Magnetic) polarized light, while the refractive index for TE (Transverse Electric) polarized light that is orthogonally polarized is Because of the difference, phase matching cannot be satisfied at the same wavelength. Even if the phase matching can be satisfied by any method, the nonlinear constant for the TE polarized light uses a component smaller than d33, so that the efficiency is greatly reduced.
すなわち、PPLNに代表される二次非線形媒質を用いた光パラメトリック過程は、入射する光の偏波方向に大きく依存し、単一の偏波に対してのみ増幅が可能となる。つまり、図4に示した従来の構成では、PPLN導波路に入射する光の偏光状態が一定でない場合、位相感応光増幅器としての増幅特性が一定ではなくなってしまう。 That is, an optical parametric process using a second-order nonlinear medium typified by PPLN greatly depends on the polarization direction of incident light, and can be amplified only for a single polarization. That is, in the conventional configuration shown in FIG. 4, when the polarization state of the light incident on the PPLN waveguide is not constant, the amplification characteristic as the phase sensitive optical amplifier is not constant.
実際の光伝送では、光送信器からの光信号の偏波の向きが常に同一になるように光送信器を構成することは可能である。しかしながら、シングルモードファイバ(Single Mode Fiber:SMF)に代表される、伝送路として通常用いられる光ファイバは、偏波を保持しない。このため、伝送後の光信号の偏波の向きは一定していない。さらに、光ファイバに加わる温度変化等の外乱により、光信号の偏波は遂次変化する。このような光信号を増幅する場合、光信号の偏波の向きに対して利得が変化するような光増幅器では、増幅後の光信号の強度が時々刻々変化することになり、光伝送システムで使用するには不適当である。 In actual optical transmission, it is possible to configure the optical transmitter so that the polarization directions of the optical signals from the optical transmitter are always the same. However, an optical fiber normally used as a transmission line, represented by a single mode fiber (SMF), does not maintain polarization. For this reason, the polarization direction of the optical signal after transmission is not constant. Furthermore, the polarization of the optical signal changes gradually due to a disturbance such as a temperature change applied to the optical fiber. When amplifying such an optical signal, in an optical amplifier whose gain changes with respect to the polarization direction of the optical signal, the intensity of the amplified optical signal changes from time to time. Unsuitable for use.
さらに、近年の光通信においては、直交する2つの偏波に別々の信号を重畳して周波数利用効率を高める偏波多重(Polarization Division Multiplexing:PDM)方式が用いられている。つまり、光ファイバで伝送された信号光は、2つの偏波成分を持ち、かつ2つの偏波が互いに直交した状態で偏波が回転した状態であり、この偏波の回転の向きは常に変化する。このような光信号を増幅する場合、偏波方向の変化に無依存であるだけでは不十分であり、2つの偏波成分を増幅できる必要がある。しかしながら、従来の位相感応光増幅器においてこれらの条件を満たすことのできる構成は示されていなかった。 Furthermore, in recent optical communications, a polarization division multiplexing (PDM) system is used in which separate signals are superimposed on two orthogonal polarizations to improve frequency utilization efficiency. In other words, the signal light transmitted through the optical fiber has two polarization components, and the polarization is rotated in a state where the two polarizations are orthogonal to each other, and the direction of rotation of this polarization always changes. To do. When amplifying such an optical signal, it is not sufficient to be independent of changes in the polarization direction, and it is necessary to amplify two polarization components. However, a configuration capable of satisfying these conditions in a conventional phase sensitive optical amplifier has not been shown.
光増幅器の偏波無依存化に向けた方法として、偏波分離素子で偏波を分離し、分離した2つの偏波をTM偏光に合わせ各々を位相感応増幅した後に、合波する偏波ダイバーシティ構成が考えられる。2つの偏波に対して光路を分離して偏波ダイバーシティを行うためには、少なくとも、偏波を分離してから光を増幅し偏波の合成を行うまでの間で、2つに分離した光路において遅延が一致することと、2つに分離した光路間で位相の変動がないことが必須となる。 As a method for making polarization independent of optical amplifiers, polarization diversity is performed by separating the polarization with a polarization separation element, combining the two separated polarizations with TM polarization, and then phase-amplifying each. Configuration is conceivable. In order to perform polarization diversity by separating the optical path for the two polarized waves, at least the time between separating the polarized waves and amplifying the light and combining the polarized waves is separated into two. It is essential that the delays coincide in the optical path and that there is no phase variation between the two separated optical paths.
非特許文献3には、直交する偏波を持つ独立の2つの信号を、それぞれ独立に位相感応増幅した後に、偏光ビームスプリッタ(Polarizing Beam Splitter:PBS)を用いて合波し、PDM信号を生成する構成が示されている。しかしながら、この構成では、位相感応光増幅器がファイバ部品で構成されているため、2つの独立した光路の間で位相の変動が発生してしまう。したがって、非特許文献3に開示された構成のままでは、任意の偏波を持つ信号光に対するダイバーシティを実現することはできない。このため、非特許文献3では、2つの偏波を持つ信号を独立に取り扱うことのできる送信器用の光増幅器として適用することを想定している。
In
位相感応光増幅器における偏波無依存化とは異なるが、PPLN導波路を用いた波長変換器においては、PPLN導波路の持つ偏波依存性を解消するための構成がいくつか提案されている。非特許文献4には、PPLN導波路内で信号光を往復させる構成が示されている。この構成では、まず2つの直交する偏波成分を含んだ信号光と片偏波の励起光とをPPLN導波路に入射させ、PPLN導波路中の差周波数発生過程により、2つの直交する偏波成分の内の片方の成分の光から波長変換光を得る。 Although different from the polarization independence in the phase sensitive optical amplifier, several configurations for eliminating the polarization dependence of the PPLN waveguide have been proposed for the wavelength converter using the PPLN waveguide. Non-Patent Document 4 shows a configuration in which signal light is reciprocated in a PPLN waveguide. In this configuration, first, signal light including two orthogonal polarization components and unipolar excitation light are incident on a PPLN waveguide, and two orthogonal polarizations are generated by a difference frequency generation process in the PPLN waveguide. Wavelength converted light is obtained from the light of one of the components.
続いて、波長板を用いて信号光と波長変換光の偏光を回転させた後、信号光を波長変換光と励起光と共に最初の入射方向とは逆方向からPPLN導波路に入射させる。このときも片方の偏波成分のみから波長変換光が得られるが、波長板を用いて偏光を回転させた後に入射させるため、往路で得られた偏光成分とは直交する信号光の偏波成分の波長変換光が得られる。最終的に、往路で得られた波長変換光と復路で得られた波長変換光との合成成分が出力の変換光として得られるため、偏波に無依存な波長変換を実現することができる。 Subsequently, after the polarization of the signal light and the wavelength converted light is rotated using the wave plate, the signal light is incident on the PPLN waveguide from the direction opposite to the initial incident direction together with the wavelength converted light and the excitation light. At this time, the wavelength-converted light can be obtained from only one polarization component. However, the polarization component of the signal light is orthogonal to the polarization component obtained in the forward path because it is incident after rotating the polarization using the wave plate. The wavelength converted light can be obtained. Finally, since a combined component of the wavelength-converted light obtained in the forward path and the wavelength-converted light obtained in the return path is obtained as output converted light, wavelength-independent wavelength conversion can be realized.
非特許文献5には、2つの直交する偏波成分を含んだ信号光を偏光ビームスプリッタ(PBS)でそれぞれの偏波成分に分けた後、同一のPPLN導波路の両側から入射させる構成が示されている。この構成では、PBSで偏波を分離した後に、分離した偏波をPPLN導波路の両側から入射させ、再度同一のPBSで偏波を合成するループ型の形態を取ることで、分離した偏波成分を持つ2つの光に対して光路を等しくできるため、偏波分離した場合に生じる位相の変動を小さく抑えることができるという特徴を有する。
このように、PPLN導波路を用いた波長変換器においては、同一のPPLN導波路を双方向で使うことで偏波依存性を解消する構成が示されている。しかしながら、このような構成を、パラメトリック光増幅を用いた位相感応光増幅器のように、光の利得を得るための構成にそのまま適用することはできない。なぜならば、光増幅器では、利得が大きくなるほど構成部品からの光反射の影響が大きくなるからである。また、位相感応光増幅器においては、相互作用する信号光と励起光の位相を同期させる必要があり、光反射が大きくなると、この位相同期を行う機構にも影響が及ぶことになり、安定的な増幅動作を実現することは難しい。 Thus, in the wavelength converter using a PPLN waveguide, the structure which eliminates polarization dependence by using the same PPLN waveguide bidirectionally is shown. However, such a configuration cannot be directly applied to a configuration for obtaining a gain of light, such as a phase sensitive optical amplifier using parametric optical amplification. This is because, in an optical amplifier, the effect of light reflection from components increases as the gain increases. Moreover, in the phase sensitive optical amplifier, it is necessary to synchronize the phase of the interacting signal light and the pumping light. When the light reflection increases, the mechanism for performing the phase synchronization is also affected, so that the stable It is difficult to realize the amplification operation.
以下に、PPLN導波路の双方向で励起した場合の光の反射の影響による課題について、概略図面を用いて説明する。図6に、PPLN等の2次非線形光学材料から成る導波路デバイスに、双方向から励起光を入射した場合の反射の影響の概念図を示す。 Hereinafter, problems due to the influence of light reflection when excited in both directions of the PPLN waveguide will be described with reference to schematic drawings. FIG. 6 shows a conceptual diagram of the influence of reflection when excitation light is incident on a waveguide device made of a second-order nonlinear optical material such as PPLN from both directions.
図6に示した構成例では、ZカットのPPLN導波路300を用いて、波長1560nm帯の信号光を増幅すると仮定する。この場合、波長780nm帯の励起光を用いる。この波長の組み合わせは、PPLN導波路300の分極反転周期を適当に選択すれば、いずれの波長の信号光に対しても増幅が可能である。PBS(不図示)などを用いて信号光のそれぞれの偏波成分を分離し、互いに異なる偏波成分を含む信号光Inputaと信号光Inputbを得る。
In the configuration example shown in FIG. 6, it is assumed that the Z-
信号光Inputaと励起光Pumpaを誘電体多層膜によるダイクロイックミラー301を用いて合波した後、図6の左側からPPLN導波路300に入射させる。このとき、信号光Inputaと励起光Pumpa共にTM偏波に調整した後にダイクロイックミラー301に入射させる。PPLN導波路300内のパラメトリック増幅過程により、増幅された信号光OutputAを得る。このとき、信号光OutputAの一部を分波器303で分岐させ、光受光器304で受光する。光受光器304で得られた電気信号を基に位相同期ループ(Phase Locked Loop:PLL)回路(不図示)を用いて、信号光Inputaと励起光Pumpaの位相を同期させる。
The signal light Inputa and the excitation light Pumpa are combined using a
同様に、信号光Inputbと励起光Pumpbを誘電体多層膜によるダイクロイックミラー302を用いて合波した後、図6の右側からPPLN導波路300に入射させる。このとき、信号光Inputbと励起光Pumpb共にTM偏波に調整した後にダイクロイックミラー302に入射させる。PPLN導波路300内のパラメトリック増幅過程により、増幅された信号光OutputBを得る。信号光OutputBの一部を分波器305で分岐させ、光受光器306で受光する。光受光器306で得られた電気信号を基に位相同期ループ回路(不図示)を用いて、信号光Inputbと励起光Pumpbの位相を同期させる。
Similarly, the signal light Inputb and the excitation light Pumpb are combined by using the
図6では、光の反射の影響を、図面中のPPLN導波路300の上下に示している。信号光Inputaの反射成分(GRa,G2Ra,G2R2a,G3R2a)をPPLN導波路300の上に、信号光Inputbの反射成分(GRb,G2Rb,G2R2b,G3R2b)をPPLN導波路300の下に示している。
In FIG. 6, the influence of light reflection is shown above and below the
なお、図6では、光の反射の影響を簡単に説明するために、PPLN導波路300の出力端での信号光の反射のみを考える。実際の構成では、PPLN導波路300の入力端での反射や、ダイクロイックミラー301,302での反射光も存在する。また、図6には示していないが、実際の構成ではPPLN導波路300の入出力にレンズなどの光学部品を用いるため、それらの光学部品からの反射光も存在する。さらに、実際には反射された励起光と信号光の相互作用も考慮に入れる必要があるが、図6では示していない。また、信号光の反射回数はその影響を説明するために必要な回数(概ね2回)のみを示しているが、実際には多重に反射する。
In FIG. 6, only the reflection of signal light at the output end of the
図6中に示した、信号光Inputaの反射の影響の様子について述べる。左側から入射した信号光InputaはPPLN導波路300内でG倍されて出力される。増幅された信号光をGaとする。PPLN導波路300の端面EdgeB(信号光Inputaの出力端)では、反射率Rで信号光Inputaが反射される。この反射光をGRaとする。
The state of the influence of the reflection of the signal light Inputa shown in FIG. 6 will be described. The signal light Inputa incident from the left side is output by being multiplied by G in the
端面EdgeBでの反射光GRaは、PPLN導波路300内を伝搬する間に、励起光Pumpbとの相互作用により同様にG倍される。実際は励起光Pumpaによる増幅の利得と励起光Pumpbによる増幅の利得は多少異なる場合もあるが、ここでは同一の値Gと近似する。つまり、復路でもG倍の利得が得られるため、PPLN導波路300の端面EdgeA(信号光Inputaの入力端)から出力される反射光が存在することになる。この端面EdgeBで1度反射され、端面EdgeAから出射する成分をG2Raとする。
The reflected light GRa at the end face EdgeB is similarly multiplied by G by the interaction with the excitation light Pumpb while propagating through the
PPLN導波路300の端面EdgeBで1度反射された光の一部は端面EdgeAで反射率Rで反射される。この反射光をG2R2aとする。この端面EdgeAでの反射光G2R2aは、PPLN導波路300内を伝搬する間に、励起光Pumpaとの相互作用によりG倍され、端面EdgeBから出射する。この出射した光をG3R2aとする。
A part of the light reflected once by the end face EdgeB of the
同様に、右側から入射した信号光InputbはPPLN導波路300内でG倍されて出力される。増幅された信号光をGbとする。PPLN導波路300の端面EdgeA(信号光Inputbの出力端)では、反射率Rで信号光Inputbが反射される。この反射光をGRbとする。
Similarly, the signal light Inputb incident from the right side is multiplied by G in the
端面EdgeAでの反射光GRbは、PPLN導波路300内を伝搬する間に、励起光Pumpaとの相互作用により同様にG倍される。つまり、復路でもG倍の利得が得られるため、PPLN導波路300の端面EdgeB(信号光Inputbの入力端)から出力される反射光が存在することになる。この端面EdgeAで1度反射され、端面EdgeBから出射する成分をG2Rbとする。
The reflected light GRb at the end face EdgeA is similarly multiplied by G by the interaction with the excitation light Pumpa while propagating through the
PPLN導波路300の端面EdgeAで1度反射された光の一部は端面EdgeBで反射率Rで反射される。この反射光をG2R2bとする。この端面EdgeBでの反射光G2R2bは、PPLN導波路300内を伝搬する間に、励起光Pumpbとの相互作用によりG倍され、端面EdgeAから出射する。この出射した光をG3R2bとする。
A part of the light reflected once by the end face EdgeA of the
よって、信号光Inputa,Inputb、励起光Pumpa,Pumpbを双方向で同一のPPLN導波路300に入射させた場合、信号光Inputa,Inputbのそれぞれの出力光をOutputA,OutputBとすると、導波路端面での2回程度の反射を考えても、出力光OutputA,OutputBには、次式のような反射成分が含まれる。
OutputA=Ga+G2Rb+G3R2a+・・・ ・・・(2)
OutputB=Gb+G2Ra+G3R2b+・・・ ・・・(3)
Therefore, when the signal lights Inputa and Inputb and the pumping lights Pumpa and Pumpb are incident on the
Output A = Ga + G 2 Rb + G 3 R 2 a + (2)
Output B = Gb + G 2 Ra + G 3 R 2 b + (3)
信号光OutputAとしては、本来、G倍された信号光InputaであるGaのみが出力されることが望ましい。しかしながら、図6および式(2)に示したとおり、G2Rb+G3R2aから成る反射光も同時に出力されてしまうことが分かる。この反射光は、増幅された信号光Gaと干渉し、信号品質を劣化させる雑音となってしまう。 As the signal light OutputA, it is originally desirable to output only Ga which is the signal light Inputa multiplied by G. However, as shown in FIG. 6 and Equation (2), it can be seen that the reflected light composed of G 2 Rb + G 3 R 2 a is also output at the same time. This reflected light interferes with the amplified signal light Ga and becomes noise that degrades the signal quality.
ここで仮に、信号光Inputa,Inputbのそれぞれの強度を1、PPLN導波路300の増幅利得を20dB(G=100倍)、PPLN導波路300の端面での反射率を−30dB(R=0.001)として考えると、信号光Inputa,Inputbは100倍されるので、増幅後の信号光Ga,Gbのそれぞれの強度が100となる。しかしながら、雑音成分となってしまう反射光G2Rb,G2Raの強度は10、反射光G3R2a,G3R2bの強度は1となり、この2つの成分のみを考えただけでも、増幅された主信号Ga,Gbに対して10%以上の強度の雑音が発生することになる。
Here, suppose that the intensity of each of the signal lights Inputa and Inputb is 1, the amplification gain of the
実際には多重反射のため、反射光の影響はより大きくなることは明らかである。図6および式(2)から明らかなように、単純に同一の導波路を双方向から励起すると、1度の反射で、往復の両方で光が増幅されるため、反射光の影響が大きくなることが分かる。つまり、反射率Rが利得Gに比べ小さい場合でも、反射率Rに掛かる乗数と利得Gに掛かる乗数が異なるため、増幅された主信号成分に影響を大きく及ぼすほどに反射光の強度が大きくなってしまうという問題がある。また、利得Gが大きくなると、場合によっては発振してしまうなどの問題もある。 It is clear that the influence of reflected light becomes larger due to multiple reflection in practice. As is clear from FIG. 6 and Expression (2), when the same waveguide is simply excited from both directions, the light is amplified by both reflection and reciprocation, so that the influence of the reflected light increases. I understand that. That is, even when the reflectivity R is smaller than the gain G, the multiplier applied to the reflectivity R and the multiplier applied to the gain G are different, so that the intensity of the reflected light increases so as to greatly affect the amplified main signal component. There is a problem that it ends up. In addition, when the gain G is increased, there is a problem that oscillation occurs depending on circumstances.
さらに、PPLN導波路内で信号光を往復させる構成を位相感応光増幅に適用するためには、信号光と励起光の位相を同期させる必要がある。しかしながら、雑音成分となる反射光が、増幅された主信号とは異なる位相を持っているため、出力光の一部を受光して位相同期制御を行う場合に、安定的に位相同期を行うことができないという問題もあった。以上の理由から、非特許文献4、非特許文献5に開示された構成のままでは、偏波無依存の位相感応光増幅器を実現することはできなかった。
Furthermore, in order to apply the configuration in which the signal light reciprocates in the PPLN waveguide to phase sensitive optical amplification, it is necessary to synchronize the phase of the signal light and the excitation light. However, since the reflected light, which is a noise component, has a phase different from that of the amplified main signal, stable phase synchronization is achieved when phase synchronization control is performed by receiving a part of the output light. There was also a problem that it was not possible. For the above reasons, the polarization-independent phase-sensitive optical amplifier cannot be realized with the configurations disclosed in Non-Patent Document 4 and
このような問題に対して、非特許文献6には、偏波分離した2つの信号光をそれぞれ別のPPLN導波路を用いて増幅させる構成が示されている。この構成の概略図を図7に示す。PBS(不図示)を用いて信号光の内のそれぞれの偏波成分を分離し、それぞれ縦偏波成分の信号光Inputaおよび横偏波成分の信号光Inputbを得る。 To deal with such a problem, Non-Patent Document 6 shows a configuration in which two signal lights separated by polarization are amplified using different PPLN waveguides. A schematic diagram of this configuration is shown in FIG. Each polarization component in the signal light is separated using a PBS (not shown) to obtain a signal light Inputa having a longitudinal polarization component and a signal light Inputb having a transverse polarization component, respectively.
信号光Inputaと励起光Pumpaを誘電体多層膜によるダイクロイックミラー402を用いて合波した後、図7の左側からPPLN導波路400に入射させる。このとき、信号光Inputaと励起光Pumpa共にTM偏波に調整した後にダイクロイックミラー402に入射させる。PPLN導波路400内のパラメトリック増幅過程により、増幅された信号光OutputAを得る。このとき、信号光OutputAの一部を分波器404で分岐させ、偏光子405を介して光受光器406で受光する。光受光器406で得られた電気信号を基に位相同期ループ回路(不図示)を用いて、信号光Inputaと励起光Pumpaの位相を同期させる。
The signal light Inputa and the excitation light Pumpa are combined using a
同様に、信号光Inputbと励起光Pumpbを誘電体多層膜によるダイクロイックミラー403を用いて合波した後、図7の右側からPPLN導波路401に入射させる。このとき、信号光Inputbと励起光Pumpb共にTM偏波に調整した後にダイクロイックミラー403に入射させる。PPLN導波路401内のパラメトリック増幅過程により、増幅された信号光OutputBを得る。信号光OutputBの一部を分波器407で分岐させ、偏光子408を介して光受光器409で受光する。光受光器409で得られた電気信号を基に位相同期ループ回路(不図示)を用いて、信号光Inputbと励起光Pumpbの位相を同期させる。
Similarly, the signal light Inputb and the excitation light Pumpb are combined using a
図7では、光の反射の影響を、図面中のPPLN導波路400,401の上下に示している。縦偏波成分の信号光Inputaの反射成分をPPLN導波路400,401の上に、横偏波成分の信号光Inputbの反射成分をPPLN導波路400,401の下に示している。
In FIG. 7, the influence of light reflection is shown above and below the
なお、図7では、光の反射の影響を簡単に説明するために、PPLN導波路400,401の出力端での信号光の反射のみを考える。実際の構成では、PPLN導波路400,401の入力端での反射や、ダイクロイックミラー402,403での反射光も存在する。また、図7には示していないが、実際の構成ではPPLN導波路400,401の入出力にレンズなどの光学部品を用いるため、それらの光学部品からの反射光も存在する。さらに、実際には反射された励起光と信号光の相互作用も考慮に入れる必要があるが、図7では示していない。また、信号光の反射回数はその影響を説明するために必要な回数(概ね2回)のみを示しているが、実際には多重に反射する。
In FIG. 7, only the reflection of the signal light at the output ends of the
縦偏波成分の信号光Inputaの反射の影響様子について述べる。左側から入射した信号光InputaはPPLN導波路400内でG倍されて出力される。この増幅された信号光をGa(TM)とする。PPLN導波路400の端面EdgeBでは、反射率Rで信号光Inputaが反射される。この反射光をGRa(TM)とする。逆方向には励起光が存在しないため、端面EdgeBでの反射光GRa(TM)がPPLN導波路400内を伝搬する間に増幅されることはない。
The influence state of the reflection of the signal light Inputa of the longitudinal polarization component will be described. The signal light Inputa incident from the left side is output by being multiplied by G in the
G倍されて端面EdgeBから出力された縦偏波成分の信号光Ga(TM)は、偏波回転子410を通過してTE偏光に変換された後、PPLN導波路401に入射する。このときも伝搬方向と同一方向には励起光が存在しないため、PPLN導波路401内を伝搬する間に信号光Ga(TM)が増幅されることはない。励起光が存在しないだけでなく、偏光が相互作用を起こさないTE偏光であるため、たとえ反射された励起光などがあっても、信号光Ga(TM)が増幅されることはない。これにより、PPLN導波路401内を伝搬し、単純に線形損失Lを受けた後にPPLN導波路401の端面EdgeDから出射する。この端面EdgeDから出射する信号光をGLa(TE)とする。
The longitudinally polarized component signal light Ga (TM) output from the end face EdgeB after being multiplied by G passes through the
PPLN導波路401の端面EdgeDでは、反射率Rで、TE偏光の信号光が反射される。この反射光をGLRa(TE)とする。PPLN導波路401内の励起光が、反射されたTE偏光の信号光と同じ向きで存在するが、偏光が直交するため相互作用を起こさず、ここでも反射光GLRa(TE)が増幅されることはない。
The end surface EdgeD of the
端面EdgeDで反射され、PPLN導波路401を伝搬した後にPPLN導波路401の端面EdgeCから出力された信号光GLRa(TE)は、偏波回転子410を通過してTM偏光に変換された後、PPLN導波路400に入射する。ここでも、同一方向に励起光が存在しないため、増幅過程は起きず、線形損失Lを受けた後にPPLN導波路400の端面EdgeAから出射する。この端面EdgeAから出射する信号光をGL2Ra(TM)とする。
The signal light GLRa (TE) output from the end face EdgeC of the
また、信号光GL2Ra(TM)の端面EdgeAでの反射光をGL2R2a(TM)とする。反射光GL2R2a(TM)は、利得Gで増幅され、PPLN導波路400の端面EdgeBから出射する。この端面EdgeBから出射する信号光をG2L2R2a(TM)とする。信号光G2L2R2a(TM)は、偏波回転子410を通過してTE偏光に変換された後、PPLN導波路401に入射し、線形損失Lを受けた後にPPLN導波路401の端面EdgeDから出射する。この端面EdgeDから出射する信号光をG2L3R2a(TE)とする。
Further, the reflected light of the signal light GL 2 Ra (TM) at the end face EdgeA is GL 2 R 2 a (TM) . The reflected light GL 2 R 2 a (TM) is amplified with a gain G and emitted from the end face EdgeB of the
また、PPLN導波路400の端面EdgeBでの反射光GRa(TM)は、PPLN導波路400内を伝搬した後に端面EdgeAで反射する。この反射光をGR2a(TM)とする。反射光GR2a(TM)は、利得Gで増幅され、PPLN導波路400の端面EdgeBから出射する。この端面EdgeBから出射する信号光をG2R2a(TM)とする。信号光G2R2a(TM)は、偏波回転子410を通過してTE偏光に変換された後、PPLN導波路401に入射し、線形損失Lを受けた後にPPLN導波路401の端面EdgeDから出射する。この端面EdgeDから出射する信号光をG2LR2a(TE)とする。
Further, the reflected light GRa (TM) at the end face EdgeB of the
以上の光Ga(TM),GRa(TM),GLa(TE),GLRa(TE),GL2Ra(TM),GL2R2a(TM),G2L2R2a(TM),G2L3R2a(TE),GR2a(TM),G2R2a(TM),G2LR2a(TE)を、信号光Inputbの場合について定義すると、Gb(TM),GRb(TM),GLb(TE),GLRb(TE),GL2Rb(TM),GL2R2b(TM),G2L2R2b(TM),G2L3R2b(TE),GR2b(TM),G2R2b(TM),G2LR2b(TE)となる。
More light Ga (TM), GRa (TM ), GLa (TE), GLRa (TE),
したがって、信号光Inputa,Inputbのそれぞれの出力光をOutputA,OutputBとすると、出力光OutputA,OutputBには、次式のような反射成分が含まれる。
OutputA=GLa(TE)+GRb(TM)+GL2Rb(TM)+G2LR2a(TE)
+G2L3R2a(TE)+GLR2A(TE)・・・ ・・・(4)
OutputB=GLb(TE)+GRa(TM)+GL2Ra(TM)+G2LR2b(TE)
+G2L3R2b(TE)+GLR2b(TE)・・・ ・・・(5)
Accordingly, if the output lights of the signal lights Inputa and Inputb are OutputA and OutputB, the output lights OutputA and OutputB include a reflection component as shown in the following equation.
Output A = GLa (TE) + GRb (TM) + GL 2 Rb (TM) + G 2 LR 2 a (TE)
+ G 2 L 3 R 2 a (TE) + GLR 2 A (TE) (4)
Output B = GLb (TE) + GRa (TM) + GL 2 Ra (TM) + G 2 LR 2 b (TE)
+ G 2 L 3 R 2 b (TE) + GLR 2 b (TE) (5)
信号光OutputAとしては、本来、G倍された信号光InputaであるGLaのみが出力されることが望ましい。しかしながら、図7および式(4)に示したとおり、GRb+GL2Rb+G2LR2a+G2L3R2a+GLR2Aから成る反射光も同時に出力されてしまうことが分かる。ただし、これらの反射光は図7の構成を用いることで、図6のように単純に双方向で励起する場合に比べて大幅に低減することができる。 As the signal light OutputA, it is originally desirable that only GLa which is the signal light Inputa multiplied by G is output. However, as shown in FIG. 7 and formula (4), it can be seen that the reflected light composed of GRb + GL 2 Rb + G 2 LR 2 a + G 2 L 3 R 2 a + GLR 2 A is also output at the same time. However, these reflected lights can be significantly reduced by using the configuration shown in FIG. 7 as compared to the case where excitation is simply bidirectional as shown in FIG.
ここで仮に、信号光Inputaの強度を1、PPLN導波路400,401の増幅利得を20dB(G=100倍)、PPLN導波路400,401の端面での反射率を−30dB(R=0.001)、PPLN導波路400,401での線形損失を4dB(L=0.4)として考えると、信号光Inputaは40倍されるので、増幅後の信号光GLaの強度が40となる。
Here, it is assumed that the intensity of the signal light Inputa is 1, the amplification gain of the
雑音成分となってしまう反射光GRb(TM)の強度は0.1、反射光GL2Rb(TM)の強度は0.016、反射光G2LR2a(TE)の強度は0.004、反射光G2L3R2a(TE)の強度は0.00064、反射光GLR2a(TE)の強度は0.00004となり、この4つの成分を全て考えても、増幅された主信号GLaに対して0.3%程度の強度の雑音しか発生しないことになる。その理由は、式(4)からも分かるとおり、図6に示した双方向励起の構成とは異なり、反射率Rに掛かる乗数よりも利得Gに掛かる乗数の方が大きいというようなことが無いため、反射光が大きく増幅されることがないためである。図7の構成では、2回程度の反射を考えており、実際には多重反射が存在するが、双方向励起の構成とは異なり、反射を繰り返す度に反射光の強度が低下するため、多重反射の影響は極めて小さい。 The intensity of the reflected light GRb (TM) that becomes a noise component is 0.1, the intensity of the reflected light GL 2 Rb (TM) is 0.016, and the intensity of the reflected light G 2 LR 2 a (TE) is 0.004. The intensity of the reflected light G 2 L 3 R 2 a (TE) is 0.00064, and the intensity of the reflected light GLR 2 a (TE) is 0.00004. Only noise having an intensity of about 0.3% with respect to the signal GLa is generated. The reason is that, as can be seen from the equation (4), unlike the bidirectional excitation configuration shown in FIG. 6, the multiplier applied to the gain G is not larger than the multiplier applied to the reflectance R. This is because the reflected light is not greatly amplified. In the configuration of FIG. 7, reflection is considered about twice. Actually, there is multiple reflection, but unlike the bidirectional excitation configuration, the intensity of reflected light decreases each time reflection is repeated. The influence of reflection is very small.
また、式(4)から分かるとおり、小さい雑音成分の中でも比較的大きい反射光成分である右辺第2項GRb(TM)および右辺第3項GL2Rb(TM)は、増幅された主信号GLa(TE)とは直交する偏波成分を持っている。図7の構成においては、入力信号光の両偏波成分はPBSを用いて分離され、出力光はPBSによって合波される。このため、主信号光と直交した偏波を持つ反射光成分が雑音として主信号光に重畳されることはなく、PBSによってフィルタリングされる。 As can be seen from Equation (4), the second term GRb (TM) on the right side and the third term GL 2 Rb (TM) on the right side, which are relatively large reflected light components among the small noise components, are amplified main signal GLa. (TE) has orthogonal polarization components. In the configuration of FIG. 7, both polarization components of the input signal light are separated using PBS, and the output light is multiplexed by PBS. For this reason, the reflected light component having a polarization orthogonal to the main signal light is not superimposed on the main signal light as noise and is filtered by the PBS.
したがって、式(4)の反射光成分である右辺第2項GRb(TM)および右辺第3項GL2Rb(TM)が除去されるため、主信号光に対する反射光の漏れ込みは、右辺第4項G2LR2a(TE)および右辺第5項G2L3R2a(TE)のような主信号光と同じ偏波成分のみとなる。これら主信号光と同じ偏波成分の合計の強度は、主信号光の強度に対して0.01%程度であり、極めて小さい。 Therefore, since the second term GRb (TM) on the right side and the third term GL 2 Rb (TM) on the right side, which are the reflected light components of Expression (4), are removed, the leakage of the reflected light with respect to the main signal light is Only the same polarization component as the main signal light such as the fourth term G 2 LR 2 a (TE) and the fifth term G 2 L 3 R 2 a (TE) on the right side is obtained. The total intensity of the same polarization components as those of the main signal light is about 0.01% of the intensity of the main signal light and is extremely small.
以上のように、図4に示した構成では、入射する光信号の偏波の向きに対して利得が変化してしまうという問題があり、また2つの偏波成分を増幅することができないという問題があった。
また、非特許文献3に開示された技術では、位相感応光増幅器の偏波無依存化を実現できないという問題があった。
また、非特許文献4、非特許文献5に開示されたようなPPLN導波路を双方向で使うことで偏波依存性を解消する構成を、位相感応光増幅器に適用すると、反射光の影響が大きくなるため、安定的な増幅動作を実現することが難しいという問題があった。
As described above, the configuration shown in FIG. 4 has a problem that the gain changes with respect to the polarization direction of the incident optical signal, and the two polarization components cannot be amplified. was there.
Further, the technique disclosed in
In addition, when a configuration that eliminates polarization dependence by using a PPLN waveguide bidirectionally disclosed in Non-Patent Document 4 and
一方、非特許文献6のように、偏波分離した2つの信号光をそれぞれ別のPPLN導波路によって増幅させる構成をとることで反射光雑音を低く抑えることが可能である。しかしながら、非特許文献6に示された構成では、二次非線形光学素子や励起光生成のための光増幅器、光フィルタ等のような光部品の点数が多くなってしまうという問題があった。また、励起光をループの外側から供給するような構成では、信号光の各偏光成分と励起光との位相同期をとる回路もそれぞれ必要になるため、構成が複雑になり、位相同期制御も困難になるという問題があった。 On the other hand, as in Non-Patent Document 6, it is possible to suppress reflected light noise by adopting a configuration in which two polarization-separated signal lights are amplified by different PPLN waveguides. However, the configuration shown in Non-Patent Document 6 has a problem that the number of optical components such as a second-order nonlinear optical element, an optical amplifier for generating pumping light, and an optical filter increases. In addition, in a configuration in which excitation light is supplied from the outside of the loop, a circuit that synchronizes the phase of each polarization component of the signal light and the excitation light is required, which complicates the configuration and makes phase synchronization control difficult. There was a problem of becoming.
本発明の目的は上記問題を鑑みて、2つの直交する偏波成分をそれぞれ増幅することができ、光部品点数の削減と反射光の影響の低減とを両立させることが可能な偏波無依存型の位相感応光増幅器を提供することにある。 In view of the above problems, the object of the present invention is to be able to amplify two orthogonal polarization components, respectively, and to reduce both the number of optical components and the influence of reflected light. It is to provide a phase sensitive optical amplifier of the type.
本発明の光増幅装置は、信号光が伝搬する第1の光路と、基本波励起光が伝搬する第2の光路と、ループ状に形成された第3の光路と、前記第1の光路から入射した信号光と前記第2の光路から入射した基本波励起光とをそれぞれ2つの直交する偏波成分に分離して出力し、前記第3の光路の第1の周回方向から入射した信号光のTM偏光成分と前記第3の光路の第1の周回方向と逆方向の第2の周回方向から入射した信号光のTE偏光成分とを合波して前記第2の光路に出力する偏波分離多重素子と、この偏波分離多重素子で分離され前記第3の光路の第1の周回方向に出力された信号光のTM偏光成分および基本波励起光のTE偏光成分の偏光方向をそれぞれ90°回転させると共に、前記第3の光路の第2の周回方向から入射した信号光のTM偏光成分および基本波励起光のTE偏光成分の偏光方向をそれぞれ90°回転させる第1の偏波回転子と、前記第1の偏波回転子を通過して前記第3の光路の第1の周回方向から入射した基本波励起光のTM偏光成分の第二高調波光を発生させると共に前記第3の光路の第2の周回方向から入射した信号光のTM偏光成分をパラメトリック増幅するための第1の光導波路を備えた第1の二次非線形光学素子と、前記第3の光路の第2の周回方向から入射した基本波励起光のTM偏光成分の第二高調波光を発生させると共に前記第3の光路の第1の周回方向から入射した信号光のTM偏光成分をパラメトリック増幅するための第2の光導波路を備えた第2の二次非線形光学素子と、前記第1の二次非線形光学素子を出射した信号光のTE偏光成分および基本波励起光のTM偏光成分の偏光方向をそれぞれ90°回転させて前記第1の周回方向から前記第2の二次非線形光学素子に入射させると共に、前記第2の二次非線形光学素子を出射した信号光のTE偏光成分および基本波励起光のTM偏光成分の偏光方向をそれぞれ90°回転させて前記第2の周回方向から前記第1の二次非線形光学素子に入射させる第2の偏波回転子と、前記第1の二次非線形光学素子で発生した第二高調波光を前記第2の二次非線形光学素子におけるパラメトリック増幅のための高調波励起光として前記第1の周回方向から前記第2の二次非線形光学素子に入射させると共に、前記第2の二次非線形光学素子で発生した第二高調波光を前記第1の二次非線形光学素子におけるパラメトリック増幅のための高調波励起光として前記第2の周回方向から前記第1の二次非線形光学素子に入射させる第4の光路とを備えることを特徴とするものである。 The optical amplifying device of the present invention includes a first optical path through which signal light propagates, a second optical path through which fundamental wave excitation light propagates, a third optical path formed in a loop shape, and the first optical path. The incident signal light and the fundamental wave excitation light incident from the second optical path are separated into two orthogonal polarization components for output, and the signal light incident from the first circulation direction of the third optical path Of the TM polarization component and the TE polarization component of the signal light incident from the second rotation direction opposite to the first rotation direction of the third optical path, and output to the second optical path The polarization direction of the TM polarization component of the signal light and the TE polarization component of the fundamental wave excitation light, which are separated by the separation multiplexing element and output by the polarization separation multiplexing element and output in the first circulation direction of the third optical path, is 90 respectively. A signal that is rotated and incident from the second direction of the third optical path A first polarization rotator for rotating the polarization directions of the TM polarization component and the TE polarization component of the fundamental wave excitation light by 90 °, and the first polarization rotator passing through the first polarization rotator. Generating second harmonic light of the TM polarization component of the fundamental excitation light incident from the first circular direction and parametrically amplifying the TM polarization component of the signal light incident from the second circular direction of the third optical path A second-order nonlinear optical element including a first optical waveguide; and a second harmonic light of a TM polarization component of the fundamental excitation light incident from the second circulation direction of the third optical path. A second second-order nonlinear optical element including a second optical waveguide for parametrically amplifying the TM polarization component of the signal light incident from the first rotation direction of the third optical path; and the first second-order nonlinear optical TE of signal light emitted from optical element The polarization direction of the TM polarization component of the light component and the fundamental wave excitation light is rotated by 90 ° to enter the second secondary nonlinear optical element from the first circumferential direction, and the second secondary nonlinear optical A second polarization direction of the TE polarization component of the signal light emitted from the element and the TM polarization component of the fundamental excitation light is rotated by 90 ° and is incident on the first second-order nonlinear optical element from the second circulation direction. And the second harmonic light generated by the first second-order nonlinear optical element as the harmonic excitation light for parametric amplification in the second second-order nonlinear optical element. For entering the second second-order nonlinear optical element from the second harmonic light generated by the second second-order nonlinear optical element for parametric amplification in the first second-order nonlinear optical element It is characterized in further comprising a fourth optical path to be incident from the second rotating direction to said first second-order nonlinear optical element as harmonic excitation light.
また、本発明の光増幅装置の1構成例は、さらに、前記第2の光路を伝搬する基本波励起光の位相を制御することにより、前記信号光と前記高調波励起光の位相とを前記第1、第2の光導波路内において同期させる位相同期手段を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の光増幅装置の1構成例において、前記位相同期手段は、前記第2の光路を伝搬する基本波励起光の位相を調整する位相調整手段と、前記第3の光路を伝搬する信号光の一部を取り出して電気信号に変換する検出手段と、この検出手段の出力信号に基づいて、前記信号光と前記高調波励起光の位相とが同期するように前記位相調整手段への制御信号を生成する制御手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の光増幅装置の1構成例は、さらに、前記偏波分離多重素子から前記第2の光路に出射した信号光のTM偏光成分および信号光のTE偏光成分と逆方向の前記基本波励起光を前記第2の光路に加えて、この基本波励起光を前記偏波分離多重素子に入射させるサーキュレータを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の光増幅装置の1構成例において、前記第1、第2の光導波路は、LiNbO3、KNbO3、LiTaO3、LiNbxTa(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。
Further, in one configuration example of the optical amplifying device of the present invention, the phase of the signal light and the harmonic excitation light is further controlled by controlling the phase of the fundamental excitation light propagating through the second optical path. Phase synchronization means for synchronizing in the first and second optical waveguides is provided.
Further, in one configuration example of the optical amplifying device of the present invention, the phase synchronization means propagates the phase adjusting means for adjusting the phase of the fundamental pumping light propagating in the second optical path and the third optical path. Detection means for extracting a part of the signal light and converting it into an electrical signal, and based on the output signal of the detection means, the phase adjustment means is supplied to the phase adjustment means so that the phase of the signal light and the harmonic excitation light is synchronized. And a control means for generating a control signal.
In addition, in one configuration example of the optical amplifying device of the present invention, the basic polarization component in the direction opposite to the TM polarization component of the signal light and the TE polarization component of the signal light emitted from the polarization demultiplexing element to the second optical path is further provided. A circulator is provided for adding wave excitation light to the second optical path and causing the fundamental wave excitation light to enter the polarization demultiplexing multiplex element.
In one configuration example of the optical amplifying device of the present invention, the first and second optical waveguides are LiNbO 3 , KNbO 3 , LiTaO 3 , LiNb x Ta (1-x) O 3 (0 ≦ x ≦ 1). ) Or KTiOPO 4 , or a material obtained by adding at least one selected from the group consisting of Mg, Zn, Sc, and In as an additive to any of these materials It is characterized by this.
本発明によれば、第1〜第4の光路と偏波分離多重素子と第1、第2の偏波回転子と第1、第2の二次非線形光学素子とを設けることにより、2つの直交する偏波成分をそれぞれパラメトリック増幅することが可能であり、光部品点数の削減と反射光の影響の低減とを両立させることが可能となる。 According to the present invention, by providing the first to fourth optical paths, the polarization demultiplexing element, the first and second polarization rotators, and the first and second second-order nonlinear optical elements, Each orthogonal polarization component can be parametrically amplified, and both the reduction in the number of optical components and the reduction in the influence of reflected light can be achieved.
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.
本実施の形態に係る光増幅装置である位相感応光増幅器では、任意の偏波を持つ信号光入力に無依存で増幅可能な、PPLN導波路を用いた位相感応光増幅器の構成を示す。図1は、本発明の実施の形態に係る位相感応光増幅器の構成を示すブロック図である。本実施の形態では、任意の偏波方向に偏光した入力信号光を、偏向ビームスプリッタ(以下、PBS)を用いて2つの偏波成分に分け、それぞれの偏波成分を右回りと左回りの両方向にループ状に伝搬させ、一方で信号光増幅のための励起光を生成する基本波光を、信号光とは反対方向よりPBSに入力し、2つの偏波成分を右回りと左回りに分ける構成を用いる。 The phase sensitive optical amplifier which is an optical amplifying device according to the present embodiment shows a configuration of a phase sensitive optical amplifier using a PPLN waveguide that can be amplified independent of a signal light input having an arbitrary polarization. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a phase sensitive optical amplifier according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, input signal light polarized in an arbitrary polarization direction is divided into two polarization components using a deflecting beam splitter (hereinafter referred to as PBS), and each polarization component is rotated clockwise and counterclockwise. The fundamental wave light that propagates in a loop in both directions and generates excitation light for signal light amplification is input to the PBS from the opposite direction to the signal light, and the two polarization components are divided clockwise and counterclockwise. Use the configuration.
位相感応光増幅器は、偏波分離多重素子であるPBS1と、位相変調器(Phase Modulation:PM)2と、PZT圧電素子を用いた光ファイバ伸縮器3と、偏波コントローラ4と、EDFA5と、バンドパスフィルタ6と、サーキュレータ7と、二次非線形光学素子8,9と、偏波回転子10,11と、分波器12と、偏光子13と、光検出器14と、制御手段となるPLL回路15と、偏波保持光ファイバ16〜25とを備えている。
The phase sensitive optical amplifier includes a
偏波保持光ファイバ16は第1の光路を構成し、偏波保持光ファイバ19は第2の光路を構成し、偏波保持光ファイバ17,20,21,23,24はループ状の第3の光路(ループ30)を構成し、偏波保持光ファイバ22は第4の光路を構成している。位相変調器2と光ファイバ伸縮器3とは位相調整手段を構成している。また、分波器12と偏光子13と光検出器14とは、信号光の一部を取り出して電気信号に変換する検出手段を構成している。
The polarization maintaining
二次非線形光学素子8は、空間光学系80と、ダイクロイックミラー81と、PPLN導波路82と、空間光学系83と、ダイクロイックミラー84とを備える。二次非線形光学素子9は、空間光学系90と、ダイクロイックミラー91と、PPLN導波路92と、空間光学系93と、ダイクロイックミラー94とを備える。
The second-order nonlinear
空間光学系80は、二次非線形光学素子8の端面EdgeAのポートとPPLN導波路82間をダイクロイックミラー81を介して結合する。空間光学系90は、二次非線形光学素子9の端面EdgeDのポートとPPLN導波路92間をダイクロイックミラー91を介して結合する。空間光学系83は、二次非線形光学素子8の端面EdgeBのポートとPPLN導波路82間をダイクロイックミラー84を介して結合する。空間光学系93は、二次非線形光学素子9の端面EdgeCのポートとPPLN導波路92間をダイクロイックミラー94を介して結合する。
The spatial
図1に示される例では、光増幅に用いる励起光を信号光と同じ波長帯の基本波光から第二次高調波発生により生成する。ここでは、信号波長を光ファイバ通信で用いられる1560nm帯として説明する。2次非線形光学効果を用いたパラメトリック増幅過程では、信号波長の概ね半分の波長(780nm帯)の光が励起光として必要となる。信号光と位相同期可能な同一波長帯の基本波光から、PPLN導波路82,92中の和周波発生過程もしくは第二次高調波発生過程を用いて励起光を生成する。
In the example shown in FIG. 1, the excitation light used for optical amplification is generated from the fundamental wave light having the same wavelength band as the signal light by second harmonic generation. Here, the signal wavelength is described as a 1560 nm band used in optical fiber communication. In the parametric amplification process using the second-order nonlinear optical effect, light having a wavelength approximately half the signal wavelength (780 nm band) is required as excitation light. Excitation light is generated from the fundamental wave light in the same wavelength band that can be phase-synchronized with the signal light, using the sum frequency generation process or second harmonic generation process in the
例えば位相感応光増幅器を信号光源(不図示)の近くに設置できるような場合は、信号光源から分岐させた光を基本波光として用いてもよいし、信号光源からの出力を用いることができない場合は、信号光の一部を光注入同期などにより位相感応光増幅器内の局発光源(不図示)と同期させるような形で基本波光を生成してもよい。 For example, when a phase sensitive optical amplifier can be installed near a signal light source (not shown), the light branched from the signal light source may be used as the fundamental light, or the output from the signal light source cannot be used. May generate the fundamental light in such a manner that a part of the signal light is synchronized with a local light source (not shown) in the phase sensitive optical amplifier by light injection locking or the like.
偏波保持光ファイバ16から、任意の偏光方向に傾いた状態の1560nm帯の信号光が入射すると、PBS1は、入射した信号光を2つの直交する偏波成分に分離する。信号光の内のTM偏光成分は、PBS1で反射され、縦偏波成分の信号光として偏波保持光ファイバ17に出力され、図1の左回り方向(第1の周回方向)でループ30に導入される。
When signal light in the 1560 nm band tilted in an arbitrary polarization direction is incident from the polarization maintaining
一方、EDFA5は、基本波光を増幅する。バンドパスフィルタ6は、EDFA5によって発生した不要な自然放出(Amplified Spontaneous Emission:ASE)光を除去し、基本波光のみを透過させる。バンドパスフィルタ6から出力された基本波光をサーキュレータ7および偏波保持光ファイバ19を介して、信号光と反対側からPBS1に入力する。PBS1は、入射した基本波光を2つの直交偏光成分に分離する。このとき、基本波光の2つの直交偏波成分のパワーが均等になるように、偏波コントローラ4によって基本波光の偏光を調整している。
On the other hand, the
基本波光の内、TE偏光成分は、PBS1を透過して偏波保持光ファイバ17に出力され、図1の左回り方向でループ30に導入される。偏波回転子10は、偏波保持光ファイバ17を左回りに伝搬する信号光および基本波光の偏光方向をそれぞれ90°回転させる。偏波回転子10としては、λ/2波長板のように直線偏光を90°回転させる光学素子を用いてもよいし、偏波保持ファイバを物理的に90°回転させて接続するような機構でもよい。
Of the fundamental light, the TE polarization component is transmitted through the
偏波回転子10を通過したTE偏光の信号光とTM偏光の基本波光は、偏波保持光ファイバ20を伝搬して二次非線形光学素子8に入射する。TM偏光の基本波光が二次非線形光学素子8のPPLN導波路82に入射すると、PPLN導波路82中の第二高調波発生過程により基本波光の半分の波長(780nm帯)の第二高調波光が発生する。この第二高調波光が二次非線形光学素子9の励起光(高調波励起光)となる。二次非線形光学素子8のダイクロイックミラー84は、変換されずに残った基本波光を透過させると共に、励起光を反射させることにより、この2つの波長の光を分離する。基本波光は偏波保持光ファイバ21に出力され、励起光は偏波保持光ファイバ22に出力される。
The TE-polarized signal light and the TM-polarized fundamental light that have passed through the
PPLN導波路82中では縦偏波成分の信号光はTE偏光で伝搬しているため、パラメトリック増幅等の非線形過程を受けることはなく、ダイクロイックミラー84を透過して偏波保持光ファイバ21に出力される。つまり、二次非線形光学素子8は、TE偏光の増幅された縦偏波成分の信号光に対しては、単純に線形損失媒体となる。
In the
偏波回転子11は、PPLN導波路82から出力され偏波保持光ファイバ21を伝搬したTE偏光の信号光およびTM偏光の基本波光の偏光方向をそれぞれ90°回転させる。偏波回転子11を通過したTM偏光の信号光とTE偏光の基本波光は、偏波保持光ファイバ23を伝搬して二次非線形光学素子9に入射する。
The
二次非線形光学素子9のダイクロイックミラー94は、偏波回転子11を通過し偏波保持光ファイバ23を伝搬したTM偏光の信号光およびTE偏光の基本波光とPPLN導波路82から出力され偏波保持光ファイバ22を伝搬した励起光とを合波する。二次非線形光学素子9のPPLN導波路92中のパラメトリック増幅過程により、励起光からのエネルギーの移行が起こり、TM偏光の信号光が増幅される。PPLN導波路92中では基本波光は相互作用を起こさないTE偏光で伝搬しているため、パラメトリック増幅等の非線形過程を受けることはない。
The
二次非線形光学素子9のダイクロイックミラー91は、TM偏光の信号光およびTE偏光の基本波光を透過させると共に、励起光を反射させることにより、これらの光を分離する。TM偏光の信号光およびTE偏光の基本波光は、偏波保持光ファイバ24に出力される。
The
分波器12は、偏波保持光ファイバ24を伝搬するTM偏光の信号光およびTE偏光の基本波光の一部を分岐させる。偏光子13は、TM偏光の信号光のみを透過させて光検出器14に入射させる。光検出器14は、入射した信号光を電気信号に変換する。PLL回路15は、光検出器14で検出される出力信号が最大となるように、位相変調器2と光ファイバ伸縮器3にフィードバックを行う。位相変調器2は、PLL回路15の出力に応じて基本波光に位相変調を施す。光ファイバ伸縮器3は、基本波光が伝搬する偏波保持光ファイバを、PLL回路15の制御信号出力に応じて伸縮させる。こうして、基本波光の位相を制御することにより、基本波光と縦偏波成分の信号光との間の位相同期、すなわち基本波光から生成する励起光と縦偏波成分の信号光との間の位相同期を達成することができる。
The duplexer 12 branches a part of the TM-polarized signal light and the TE-polarized fundamental wave light propagating through the polarization maintaining
実際の位相感応な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ことが必要となる。本実施の形態では、上記のような位相同期制御を行うことにより、安定的な動作を実現することができる。 In an actual phase-sensitive amplification operation, it is necessary to suppress the influence of phase fluctuations due to fluctuations in the optical path length due to the expansion and contraction of the optical fibers connecting the optical components. In the present embodiment, stable operation can be realized by performing the phase synchronization control as described above.
PBS1は、偏波保持光ファイバ24を伝搬したTM偏光の信号光およびTE偏光の基本波光の内、TM偏光の信号光を反射させて出力ポートから偏波保持光ファイバ19に出力し、TE偏光の基本波光を透過させて入力ポートから偏波保持光ファイバ16に出力することにより、これら2つの光を分離する。TM偏光の信号光は、偏波保持光ファイバ19を伝搬し、サーキュレータ7を通過して偏波保持光ファイバ25に出力される。
The
一方、PBS1は、偏波保持光ファイバ16から入射した信号光の内のTE偏光成分を透過させる。このTE偏光成分は、横偏波成分の信号光として偏波保持光ファイバ24に出力され、図1の右回り方向(第2の周回方向)でループ30に導入される。また、偏波保持光ファイバ19を伝搬した基本波光の内、TM偏光成分は、PBS1によって反射され、縦偏波成分の基本波光として偏波保持光ファイバ24に出力され、図1の右回り方向でループ30に導入される。
On the other hand, the
TM偏光の基本波光が二次非線形光学素子9のPPLN導波路92に入射すると、PPLN導波路92中の第二高調波発生過程により基本波光の半分の波長(780nm帯)の第二高調波光が発生する。この第二高調波光が二次非線形光学素子8の励起光(高調波励起光)となる。二次非線形光学素子9のダイクロイックミラー94は、変換されずに残った基本波光を透過させると共に、励起光を反射させることにより、この2つの波長の光を分離する。基本波光は偏波保持光ファイバ23に出力され、励起光は偏波保持光ファイバ22に出力される。
When the TM-polarized fundamental wave light is incident on the
PPLN導波路92中では横偏波成分の信号光はTE偏光で伝搬しているため、パラメトリック増幅等の非線形過程を受けることはなく、ダイクロイックミラー94を透過して偏波保持光ファイバ23に出力される。つまり、二次非線形光学素子9は、TE偏光の信号光に対しては、単純に線形損失媒体となる。
In the
偏波回転子11は、PPLN導波路92から出力され偏波保持光ファイバ23を伝搬したTE偏光の信号光およびTM偏光の基本波光の偏光方向をそれぞれ90°回転させる。偏波回転子11を通過したTM偏光の信号光とTE偏光の基本波光は、偏波保持光ファイバ21を伝搬して二次非線形光学素子8に入射する。
The
二次非線形光学素子8のダイクロイックミラー84は、偏波回転子11を通過し偏波保持光ファイバ21を伝搬したTM偏光の信号光およびTE偏光の基本波光とPPLN導波路92から出力され偏波保持光ファイバ22を伝搬した励起光とを合波する。二次非線形光学素子8のPPLN導波路82中のパラメトリック増幅過程により、励起光からのエネルギーの移行が起こり、TM偏光の信号光が増幅される。PPLN導波路82中では基本波光は相互作用を起こさないTE偏光で伝搬しているため、パラメトリック増幅等の非線形過程を受けることはない。
The
二次非線形光学素子8のダイクロイックミラー81は、TM偏光の信号光およびTE偏光の基本波光を透過させると共に、励起光を反射させることにより、これらの光を分離する。TM偏光の信号光およびTE偏光の基本波光は、偏波保持光ファイバ20に出力される。
The
偏波回転子10は、偏波保持光ファイバ20を右回りに伝搬するTM偏光の信号光およびTE偏光の基本波光の偏光方向をそれぞれ90°回転させる。偏波回転子10を通過したTE偏光の信号光とTM偏光の基本波光は、偏波保持光ファイバ17を伝搬してPBS1に入射する。
The
PBS1は、入射したTE偏光の信号光とTM偏光の基本波光の内、TE偏光の信号光を透過させて出力ポートから偏波保持光ファイバ19に出力し、TM偏光の基本波光を反射させて入力ポートから偏波保持光ファイバ16に出力することにより、これら2つの光を分離する。TE偏光の信号光は、偏波保持光ファイバ19を伝搬し、サーキュレータ7を通過して偏波保持光ファイバ25に出力される。
The
右回りの信号光成分に関しては、左回りの信号光のように位相同期のための構成を設ける必要はない。本実施の形態の構成では、信号光と励起光のTE偏光成分・TM偏光成分のそれぞれの伝搬経路は共通となっている。このため、信号光のうち、TE偏光・TM偏光のどちらか一方で励起光との位相同期をかければ、TE偏光・TM偏光の両偏光共に位相同期がかかるため、片方の経路にのみ位相同期の構成があればよい。 With respect to the clockwise signal light component, it is not necessary to provide a configuration for phase synchronization unlike the counterclockwise signal light. In the configuration of the present embodiment, the propagation paths of the TE polarization component and the TM polarization component of the signal light and the excitation light are common. For this reason, if either TE polarization or TM polarization of the signal light is phase-synchronized with the excitation light, both TE polarization and TM polarization are phase-synchronized. If there is the composition of.
ここで、本実施の形態で用いたPPLN導波路82,92の作製方法を以下に例示する。まず、Znを添加したLiNbO3上に周期が約17μmの周期的な電極を形成した。次に、電界印加法により上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。
Here, a method for manufacturing the
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、50mmとした。この導波路はペルチェ素子により温調が可能である。このようにして形成したPPLN導波路82,92を有する二次非線形光学素子8,9を、1.5μm帯の偏波保持光ファイバで光の入出力が可能なモジュール構造とした。
Next, the core layer was thinned to about 5 μm by polishing, and a ridge type optical waveguide was formed using a dry etching process. The length of the waveguide was 50 mm. This waveguide can be temperature-controlled by a Peltier element. The second-order nonlinear
本実施の形態では、PPLN導波路82,92の材料として、Znを添加したLiNbO3を用いたが、それ以外の非線形材料である、KNbO3、LiTaO3、LiNbxTa(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。
In the present embodiment, LiNbO 3 to which Zn is added is used as the material of the
図2に、本実施の形態の構成における、反射光の影響の抑制の効果の概念図を示す。なお、ここでは、二次非線形光学素子8,9の空間光学系80,83,90,93等については図示を省略している。上記のとおり、偏波保持光ファイバ16を伝搬した信号光をPBS1を用いて2つの直交する偏波成分に分離し、それぞれ縦偏波成分の信号光Inputa(TM偏光の信号光)および横偏波成分の信号光Inputb(TE偏光の信号光)を得る。
In FIG. 2, the conceptual diagram of the effect of suppression of the influence of reflected light in the structure of this Embodiment is shown. Here, the spatial
TM偏光の信号光Inputaは、偏波回転子10によってTE偏光に調整された後、二次非線形光学素子8のPPLN導波路82を通過し、偏波回転子11によってTM偏光に変換された後に二次非線形光学素子9のPPLN導波路92に入射する。PPLN導波路82内では、基本波光による第2高調波発生により励起光Pumpaが生成され、二次非線形光学素子9のダイクロイックミラー94により信号光Inputaと励起光Pumpaとが合波され、二次非線形光学素子9のPPLN導波路92内で信号光Inputaと励起光Pumpaによるパラメトリック増幅により、増幅された信号光OutputAを得る。
After the TM polarized signal light Inputa is adjusted to TE polarized light by the
このとき、信号光OutputAの一部を分波器12で分岐させ、偏光子13を介して光受光器14で受光する。光受光器14で得られた電気信号を基にPLL回路15を用いて、信号光Inputaと励起光Pumpaの位相を同期させる。
At this time, a part of the signal light OutputA is branched by the branching
同様に、TE偏光の信号光Inputbは、二次非線形光学素子9のPPLN導波路92を通過し、偏波回転子11によってTM偏光に変換された後に二次非線形光学素子8のPPLN導波路82に入射する。PPLN導波路92内では、基本波光による第2高調波発生により励起光Pumpbが生成され、二次非線形光学素子8のダイクロイックミラー84により信号光Inputbと励起光Pumpbとが合波され、二次非線形光学素子8のPPLN導波路82内で信号光Inputbと励起光Pumpbによるパラメトリック増幅により、増幅された信号光OutputBを得る。
Similarly, the TE-polarized signal light Inputb passes through the
図2では、光の反射の影響を、図面中のPPLN導波路8,9の上下に示している。縦偏波成分の信号光の反射成分をPPLN導波路8,9の上に、横偏波成分の信号光の反射成分をPPLN導波路8,9の下に示している。
In FIG. 2, the influence of light reflection is shown above and below the
なお、図2では、光の反射の影響を簡単に説明するために、PPLN導波路8,9の出力端での信号光の反射のみを考える。実際の構成では、PPLN導波路8,9の入力端での反射や、ダイクロイックミラー81,84,91,94での反射光も存在する。また、図2には示していないが、実際の構成ではPPLN導波路8,9の入出力にレンズなどの光学部品を用いるため、それらの光学部品からの反射光も存在する。さらに、実際には反射された励起光と信号光の相互作用も考慮に入れる必要があるが、図2では示していない。また、信号光の反射回数はその影響を説明するために必要な回数(概ね2回)のみを示しているが、実際には多重に反射する。
In FIG. 2, only the reflection of the signal light at the output ends of the
縦偏波成分の信号光の反射の影響様子について述べる。図2の左側から入射したTE偏光の信号光Inputaは、PPLN導波路82内で線形損失Lを受けて、PPLN導波路82の端面EdgeBから出射する。この出射した光をLa(TE)とする。また、PPLN導波路82の端面EdgeBでは、反射率Rで信号光Inputaが反射される。この反射光をLRa(TE)とする。図2の右側から左方向への励起光は存在するが、反射光LRa(TE)はTE偏光であるために非線形相互作用が起こらず、反射光LRa(TE)がPPLN導波路82内を伝搬する間に増幅されることはない。これにより、PPLN導波路82内を伝搬し、単純に線形損失Lを受けた後にPPLN導波路82の端面EdgeAから出射する。この端面EdgeAから出射する光をL2Ra(TE)とする。
The influence of the reflection of the signal light of the longitudinal polarization component will be described. The TE-polarized signal light Inputa incident from the left side in FIG. 2 receives the linear loss L in the
PPLN導波路82の端面EdgeBを出射した信号光La(TE)は、偏波回転子11を通過してTM偏光に変換された後、PPLN導波路92に入射する。PPLN導波路92内で信号光La(TM)は、同方向に伝搬する励起光Pumpaにより利得Gのパラメトリック増幅を受けてPPLN導波路92の端面EdgeDから出射する。この出射した光をGLa(TM)とする。また、PPLN導波路92の端面EdgeDでは、反射率Rで、縦偏波成分の信号光GLa(TM)が反射される。この反射光をGLRa(TM)とする。
The signal light La (TE) emitted from the end face EdgeB of the
励起光Pumpbが、反射された縦偏波成分の信号光GLRa(TM)と同じ向きで存在するために、この反射光GLRa(TM)もパラメトリック増幅を受ける。ただし、PPLN導波路92内の励起光Pumpbは端面EdgeDから端面EdgeCに向かうにつれて光パワーが増大していく。その理由は、励起光PumpbがPPLN導波路92内での第2高調波発生により生成されているためであり、励起光生成の効率が非線形相互作用長の2乗に比例するために端面EdgeCでパワーが最大となっている。
Since the pumping light Pumpb exists in the same direction as the reflected longitudinally polarized signal light GLRa (TM) , the reflected light GLRa (TM) is also subjected to parametric amplification. However, the optical power of the excitation light Pumpb in the
このような励起光生成とパラメトリック増幅とを同時に行うような過程では、その最大パワーの励起光で常に励起した場合と比較して、パラメトリック利得が約1/4となる(文献「M.H.Chou,I.Brener,M.M.Fejer,E.E.Chaban,and S.B.Christman,“1.5-μm-band wavelength conversion based on cascaded second-order nonlinearity in LiNbO3waveguides”,IEEE Photonics Technology Letters,Vol.11,No.6,p.653-655,1999」参照)。 In the process of simultaneously performing pump light generation and parametric amplification, the parametric gain is about 1/4 as compared with the case of always pumping with the pump light having the maximum power (see “MHChou, I .Brener, MMFejer, EEChaban, and SBChristman, “1.5-μm-band wavelength conversion based on cascaded second-order nonlinearity in LiNbO3waveguides”, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 11, No. 6, p. 653-655 , 1999 ”).
励起光生成とパラメトリック増幅とが同時に行われる過程を受けた反射光を1/4G2LRa(TM)とする。この光1/4G2LRa(TM)は、PPLN導波路92の端面EdgeCから出射して、偏波回転子11を通過してTE偏光に変換された後、PPLN導波路82に入射する。ここでも、同方向に伝搬する励起光が存在するが、偏波回転子11を通過した反射光1/4G2LRa(TE)はTE偏光であるために非線形相互作用が起こらず、増幅過程は起きず、線形損失Lを受けた後、PPLN導波路82の端面EdgeAから出射する。この出射する光を1/4G2L2Ra(TE)とする。
The reflected light that has undergone the process in which excitation light generation and parametric amplification are performed simultaneously is defined as 1/4 G 2 LRa (TM) . The
PPLN導波路82の端面EdgeAでは、反射率Rで、TE偏光1/4G2L2Ra(TE)が反射される。この反射光を1/4G2L2R2a(TE)とする。反射光1/4G2L2R2a(TE)は、線形損失Lを受けた後、PPLN導波路82の端面EdgeBから出射する。この出射する光を1/4G2L3R2a(TE)とする。この光1/4G2L3R2a(TE)は、偏波回転子11を通過してTM偏光に変換された後、PPLN導波路92に入射する。PPLN導波路92内で信号光1/4G2L3R2a(TM)は、同方向に伝搬する励起光Pumpaにより利得Gのパラメトリック増幅を受けてPPLN導波路92の端面EdgeDから出射する。この出射した光を1/4G3L3R2a(TM)とする。
At the end surface EdgeA of the
また、PPLN導波路82の端面EdgeAにおいて、反射率Rで、TE偏光L2Ra(TE)が反射する。この反射光をL2R2a(TE)とする。反射光L2R2a(TE)は、線形損失Lを受けた後、PPLN導波路82の端面EdgeBから出射する。この出射する光をL3R2a(TE)とする。この光L3R2a(TE)は、偏波回転子11を通過してTM偏光に変換された後、PPLN導波路92に入射する。PPLN導波路92内で信号光L3R2a(TM)は、同方向に伝搬する励起光Pumpaにより利得Gのパラメトリック増幅を受けてPPLN導波路92の端面EdgeDから出射する。この出射した光をGL3R2a(TM)とする。
Further, the TE polarized light L 2 Ra (TE) is reflected with the reflectance R at the end face EdgeA of the
以上の光La(TE),LRa(TE),L2Ra(TE),La(TM),GLa(TM),GLRa(TM),1/4G2LRa(TM),1/4G2LRa(TE),1/4G2L2Ra(TE),1/4G2L2R2a(TE),1/4G2L3R2a(TE),1/4G2L3R2a(TM),1/4G3L3R2a(TM),L2R2a(TE),L3R2a(TE),L3R2a(TM),GL3R2a(TM)を、信号光Inputbの場合について定義すると、Lb(TE),LRb(TE),L2Rb(TE),Lb(TM),GLb(TM),GLRb(TM),1/4G2LRb(TM),1/4G2LRb(TE),1/4G2L2Rb(TE),1/4G2L2R2b(TE),1/4G2L3R2b(TE),1/4G2L3R2b(TM),1/4G3L3R2b(TM),L2R2b(TE),L3R2b(TE),L3R2b(TM),GL3R2b(TM)となる。 The above optical La (TE) , LRa (TE) , L 2 Ra (TE) , La (TM) , GLa (TM) , GLRa (TM) , 1/4 G 2 LRa (TM) , 1/4 G 2 LRa ( TE), 1 / 4G 2 L 2 Ra (TE), 1 / 4G 2 L 2 R 2 a (TE), 1 / 4G 2 L 3 R 2 a (TE), 1 / 4G 2 L 3 R 2 a ( TM) , 1 / 4G 3 L 3 R 2 a (TM) , L 2 R 2 a (TE) , L 3 R 2 a (TE) , L 3 R 2 a (TM) , GL 3 R 2 a (TM ) For signal light inputb, Lb (TE) , LRb (TE) , L 2 Rb (TE) , Lb (TM) , GLb (TM) , GLRb (TM) , 1/4 G 2 LRb ( TM) , 1 / 4G 2 LRb (TE) , 1 / 4G 2 L 2 Rb (TE) , 1/4 G 2 L 2 R 2 b (TE) , 1/4 G 2 L 3 R 2 b (TE) , 1 / 4G 2 L 3 R 2 b (TM) , 1/4 G 3 L 3 R 2 b (TM) , L 2 R 2 b (TE) , L 3 R 2 b (TE) , L 3 R 2 b (TM ), GL 3 R 2 To become (TM).
したがって、信号光Inputa,Inputbのそれぞれの出力光をOutputA,OutputBとすると、出力光OutputA,OutputBには、次式のような反射成分が含まれる。
OutputA=GLa(TM)+L2Rb(TE)+1/4G3LR2a(TM)
+1/4G3L3R2a(TM)+1/4G2L2Rb(TE)
+GL3R2a(TM)・・・ ・・・(6)
OutputB=GLb(TM)+L2Ra(TE)+1/4G3LR2b(TM)
+1/4G3L3R2b(TM)+1/4G2L2Ra(TE)
+GL3R2b(TM)・・・ ・・・(7)
Accordingly, if the output lights of the signal lights Inputa and Inputb are OutputA and OutputB, the output lights OutputA and OutputB include a reflection component as shown in the following equation.
Output A = GLa (TM) + L 2 Rb (TE) + 1 / 4G 3 LR 2 a (TM)
+ 1 / 4G 3 L 3 R 2 a (TM) + 1 / 4G 2 L 2 Rb (TE)
+ GL 3 R 2 a (TM) (6)
Output B = GLb (TM) + L 2 Ra (TE) + 1 / 4G 3 LR 2 b (TM)
+ 1 / 4G 3 L 3 R 2 b (TM) + 1 / 4G 3 L 2 Ra (TE)
+ GL 3 R 2 b (TM) (7)
信号光OutputAとしては、本来、G倍された信号光であるGLaのみが出力されることが望ましい。図2および式(6)に示したとおり、L2Rb(TE)+1/4G3LR2a(TM)+1/4G3L3R2a(TM)+1/4G2L2Rb(TE)+GL3R2a(TM)からなる反射光も同時に出力されてしまうが、この反射光は本実施の形態の構成を用いることで、図6のように単純に双方向で励起する場合に比べて大幅に低減することができる。 As the signal light OutputA, it is desirable that only GLa, which is G-times signal light, is output. As shown in FIG. 2 and formula (6), L 2 Rb (TE) + 1 / 4G 3 LR 2 a (TM) + 1 / 4G 3 L 3 R 2 a (TM) + 1 / 4G 2 L 2 Rb (TE) Reflected light consisting of + GL 3 R 2 a (TM) is also output at the same time, but this reflected light uses the configuration of the present embodiment, so that compared to the case where it is simply excited bidirectionally as shown in FIG. Can be greatly reduced.
ここで仮に、信号光Inputaの強度を1、PPLN導波路8,9の増幅利得を20dB(G=100倍)、PPLN導波路8,9の端面での反射率を−30dB(R=0.001)、PPLN導波路8,9での線形損失を4dB(L=0.4)として考えると、信号光Inputaは40倍されるので、増幅後の信号光GLaの強度が40となる。
Here, it is assumed that the intensity of the signal light Inputa is 1, the amplification gain of the
雑音成分となってしまう反射光L2Rb(TE)の強度は0.00016、反射光1/4G3LR2a(TM)の強度は0.1、反射光1/4G3L3R2a(TM)の強度は0.04、反射光1/4G2L2Rb(TE)の強度は0.004、反射光GL3R2a(TM)の強度は0.0000064となり、この4つの成分を全て考えても、増幅された主信号GLaに対して0.35%程度の強度の雑音しか発生しないことになる。その理由は、本実施の形態で、それぞれの偏波成分に対する増幅過程を独立に行う構成を取ることができているからである。図2では、2回程度の反射を考えており、実際には多重反射が存在するが、従来の双方向励起の構成とは異なり、現実的な利得の範囲内(20dB前後)であれば反射を繰り返す度に反射光の強度が低下するため、多重反射の影響は極めて小さい。
The intensity of the reflected light L 2 Rb (TE) that becomes a noise component is 0.00016, the intensity of the reflected
さらに、本実施の形態では、偏波の依存性を使って反射光の影響を低減できるように構成されている。式(6)から分かるとおり、雑音成分の中でも右辺第2項のL2Rb(TE)と右辺第5項の1/4G2L2Rb(TE)は増幅された主信号GLa(TM)とは直交する偏波を持っている。つまり、TM偏光の主信号はPBS1で反射されて出力される一方で、TE偏光の反射光はPBS1を通過し出力ポートには入射されない構成となっている。このため、増幅された信号光に、これらのTE偏光の反射光が雑音として重畳されることはなく、PBS1でフィルタリングされる。これにより、反射光成分である右辺第2項のL2Rb(TE)と右辺第5項の1/4G2L2Rb(TE)が除去されるため、主信号に対する反射光の漏れ込みは極めて小さい。
Furthermore, the present embodiment is configured so that the influence of reflected light can be reduced using polarization dependency. As can be seen from Equation (6), among the noise components, L 2 Rb (TE) in the second term on the right side and ¼ G 2 L 2 Rb (TE) in the fifth term on the right side are the amplified main signal GLa (TM) and Have orthogonal polarizations. That is, the TM-polarized main signal is reflected by the
位相同期を行うための光検出器14においても、反射光が存在すると雑音として影響するが、ここでも同様に反射光の内、偏波の異なる成分に関しては、偏光子13などの、単一偏波成分を透過させ直交位相の偏波成分を透過させない光学デバイスを用いてフィルタリングすれば、反射光の影響を極めて小さくすることができる。
Even in the
以上のように、図1に示した構成では、2つの直交する偏波成分を同一経路で増幅が可能であり、分離・増幅の間の位相変動の影響を抑制することができ、かつ、信号光と基本波光の入射方向を本実施の形態のように設定することで、光部品点数を抑えながら、それぞれの偏波成分のパラメトリック増幅を実現することができ、かつ反射光の影響も低減することが可能になる。 As described above, in the configuration shown in FIG. 1, two orthogonal polarization components can be amplified by the same path, the influence of phase fluctuation during separation and amplification can be suppressed, and the signal By setting the incident directions of light and fundamental light as in this embodiment, it is possible to realize parametric amplification of each polarization component while reducing the number of optical components, and to reduce the influence of reflected light. It becomes possible.
図1に示した本実施の形態の位相感応光増幅器に、まず偏波が45°の直線偏光のCW(Continuous Wave)の信号光を入力した。図1の右回りと左回りで同一の利得となるように、二次非線形光学素子8から出力される励起光の強度と二次非線形光学素子9から出力される励起光の強度とをそれぞれ調整し位相感応増幅を試みた。その結果、出力として増幅された45°の直線偏光の信号が得られた。
First, linearly polarized CW (Continuous Wave) signal light having a polarization of 45 ° was input to the phase sensitive optical amplifier of the present embodiment shown in FIG. The intensity of the excitation light output from the second-order nonlinear
次に、信号光を2値の位相変調(BPSK)フォーマットで変調した後、偏波をランダムに回転させる偏波スクランブルを施し、本実施の形態の位相感応光増幅器に入力した。入力と出力のビットエラーレートを測定した所、出力信号に対するビットエラーレートは入力信号に対するビットエラーレートと同等で、パワーペナルティなく増幅されていることが確認され、本実施の形態の位相感応光増幅器が任意の偏波の入力に対して増幅可能で、偏波に対して無依存で動作できていることを確認できた。 Next, after the signal light was modulated in a binary phase modulation (BPSK) format, polarization scrambling for randomly rotating the polarization was performed and input to the phase sensitive optical amplifier of the present embodiment. When the bit error rate of the input and output was measured, it was confirmed that the bit error rate for the output signal was the same as the bit error rate for the input signal and was amplified without a power penalty, and the phase sensitive optical amplifier of this embodiment Was able to amplify the input of any polarization, and was confirmed to be able to operate independently of the polarization.
次に、2つの直交する偏波の光の両方に変調信号を用いる偏波多重信号を、本実施の形態の位相感応光増幅器に入力した。偏波多重信号は、同一光源から生成した光をそれぞれの偏波の光に用いた。この場合、PBS1を通過する光およびPBS1で反射する光は、2つの偏波成分がそれぞれ混ざった形となる。しかしながら、同一光源から多重信号を生成しているため、励起光との位相同期が可能で、両方の偏波成分に対して増幅が可能であった。
Next, a polarization multiplexed signal using a modulation signal for both two orthogonally polarized lights was input to the phase sensitive optical amplifier of the present embodiment. For the polarization multiplexed signal, light generated from the same light source was used for each polarized light. In this case, the light passing through the
本実施の形態では、位相同期の必要な位相感応な光増幅器を構成した例を示したが、位相不感応な光パラメトリック増幅を用いても本発明の効果が失われることはない。本発明を用いれば位相不感応な光パラメトリック増幅器を偏波無依存の状態で動作させることもできる。 In the present embodiment, an example is shown in which a phase-sensitive optical amplifier that requires phase synchronization is configured. However, the effect of the present invention is not lost even if phase-insensitive optical parametric amplification is used. By using the present invention, a phase insensitive optical parametric amplifier can be operated in a polarization independent state.
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。 The present invention can be applied to a technique for amplifying an optical signal.
1…偏光ビームスプリッタ、2…位相変調器、3…光ファイバ伸縮器、4…偏波コントローラ、5…EDFA、6…バンドパスフィルタ、7…サーキュレータ、8,9…二次非線形光学素子、10,11…偏波回転子、12…分波器、13…偏光子、14…光検出器、15…PLL回路、16〜25…偏波保持光ファイバ、30…ループ、80,83,90,93…空間光学系、81,84,91,94…ダイクロイックミラー、82,92…PPLN導波路。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
基本波励起光が伝搬する第2の光路と、
ループ状に形成された第3の光路と、
前記第1の光路から入射した信号光と前記第2の光路から入射した基本波励起光とをそれぞれ2つの直交する偏波成分に分離して出力し、前記第3の光路の第1の周回方向から入射した信号光のTM偏光成分と前記第3の光路の第1の周回方向と逆方向の第2の周回方向から入射した信号光のTE偏光成分とを合波して前記第2の光路に出力する偏波分離多重素子と、
この偏波分離多重素子で分離され前記第3の光路の第1の周回方向に出力された信号光のTM偏光成分および基本波励起光のTE偏光成分の偏光方向をそれぞれ90°回転させると共に、前記第3の光路の第2の周回方向から入射した信号光のTM偏光成分および基本波励起光のTE偏光成分の偏光方向をそれぞれ90°回転させる第1の偏波回転子と、
前記第1の偏波回転子を通過して前記第3の光路の第1の周回方向から入射した基本波励起光のTM偏光成分の第二高調波光を発生させると共に前記第3の光路の第2の周回方向から入射した信号光のTM偏光成分をパラメトリック増幅するための第1の光導波路を備えた第1の二次非線形光学素子と、
前記第3の光路の第2の周回方向から入射した基本波励起光のTM偏光成分の第二高調波光を発生させると共に前記第3の光路の第1の周回方向から入射した信号光のTM偏光成分をパラメトリック増幅するための第2の光導波路を備えた第2の二次非線形光学素子と、
前記第1の二次非線形光学素子を出射した信号光のTE偏光成分および基本波励起光のTM偏光成分の偏光方向をそれぞれ90°回転させて前記第1の周回方向から前記第2の二次非線形光学素子に入射させると共に、前記第2の二次非線形光学素子を出射した信号光のTE偏光成分および基本波励起光のTM偏光成分の偏光方向をそれぞれ90°回転させて前記第2の周回方向から前記第1の二次非線形光学素子に入射させる第2の偏波回転子と、
前記第1の二次非線形光学素子で発生した第二高調波光を前記第2の二次非線形光学素子におけるパラメトリック増幅のための高調波励起光として前記第1の周回方向から前記第2の二次非線形光学素子に入射させると共に、前記第2の二次非線形光学素子で発生した第二高調波光を前記第1の二次非線形光学素子におけるパラメトリック増幅のための高調波励起光として前記第2の周回方向から前記第1の二次非線形光学素子に入射させる第4の光路とを備えることを特徴とする光増幅装置。 A first optical path through which signal light propagates;
A second optical path through which the fundamental excitation light propagates;
A third optical path formed in a loop;
The signal light incident from the first optical path and the fundamental wave excitation light incident from the second optical path are each separated into two orthogonal polarization components and output, and the first round of the third optical path is output. The TM polarization component of the signal light incident from the direction and the TE polarization component of the signal light incident from the second rotation direction opposite to the first rotation direction of the third optical path are combined to generate the second light beam. A polarization demultiplexing element that outputs to the optical path;
The polarization direction of the TM polarization component of the signal light and the TE polarization component of the fundamental wave excitation light, which are separated by the polarization demultiplexing element and output in the first circulation direction of the third optical path, is rotated by 90 °, respectively. A first polarization rotator that rotates the polarization directions of the TM polarization component of the signal light and the TE polarization component of the fundamental wave excitation light incident from the second rotation direction of the third optical path by 90 °, respectively;
Second harmonic light of the TM-polarized component of the fundamental excitation light that has passed through the first polarization rotator and entered from the first circulation direction of the third optical path is generated, and the second harmonic light of the third optical path is generated. A first second-order nonlinear optical element including a first optical waveguide for parametrically amplifying the TM polarization component of the signal light incident from the two circulation directions;
The second harmonic light of the TM polarization component of the fundamental wave excitation light incident from the second circulation direction of the third optical path is generated and the TM polarization of the signal light incident from the first circulation direction of the third optical path is generated. A second second-order nonlinear optical element comprising a second optical waveguide for parametric amplification of the component;
The polarization direction of the TE polarization component of the signal light emitted from the first second-order nonlinear optical element and the TM polarization component of the fundamental wave excitation light are each rotated by 90 °, and the second secondary from the first circulation direction. While making it enter into the nonlinear optical element, the polarization direction of the TE polarization component of the signal light emitted from the second secondary nonlinear optical element and the TM polarization component of the fundamental wave excitation light are respectively rotated by 90 °, and the second circulation A second polarization rotator incident on the first second-order nonlinear optical element from a direction;
The second harmonic light generated from the first second-order nonlinear optical element is used as harmonic excitation light for parametric amplification in the second second-order nonlinear optical element from the first circumferential direction. A second harmonic light generated by the second second-order nonlinear optical element is made incident on the nonlinear optical element and is used as a harmonic excitation light for parametric amplification in the first second-order nonlinear optical element. And a fourth optical path incident on the first second-order nonlinear optical element from the direction.
さらに、前記第2の光路を伝搬する基本波励起光の位相を制御することにより、前記信号光と前記高調波励起光の位相とを前記第1、第2の光導波路内において同期させる位相同期手段を備えることを特徴とする光増幅装置。 The optical amplification device according to claim 1,
Further, by controlling the phase of the fundamental pumping light propagating in the second optical path, the phase synchronization for synchronizing the signal light and the phase of the harmonic pumping light in the first and second optical waveguides. An optical amplification device comprising means.
前記位相同期手段は、
前記第2の光路を伝搬する基本波励起光の位相を調整する位相調整手段と、
前記第3の光路を伝搬する信号光の一部を取り出して電気信号に変換する検出手段と、
この検出手段の出力信号に基づいて、前記信号光と前記高調波励起光の位相とが同期するように前記位相調整手段への制御信号を生成する制御手段とを備えることを特徴とする光増幅装置。 The optical amplification device according to claim 2,
The phase synchronization means includes
Phase adjusting means for adjusting the phase of the fundamental wave excitation light propagating in the second optical path;
Detecting means for taking out a part of the signal light propagating in the third optical path and converting it into an electrical signal;
And a control means for generating a control signal to the phase adjustment means so that the signal light and the phase of the harmonic excitation light are synchronized based on an output signal of the detection means. apparatus.
さらに、前記偏波分離多重素子から前記第2の光路に出射した信号光のTM偏光成分および信号光のTE偏光成分と逆方向の前記基本波励起光を前記第2の光路に加えて、この基本波励起光を前記偏波分離多重素子に入射させるサーキュレータを備えることを特徴とする光増幅装置。 In the optical amplification device according to any one of claims 1 to 3,
Further, the fundamental excitation light in the direction opposite to the TM polarization component of the signal light and the TE polarization component of the signal light emitted from the polarization demultiplexing element to the second optical path is added to the second optical path. An optical amplifying apparatus comprising: a circulator that makes fundamental wave excitation light incident on the polarization splitting multiplexer.
前記第1、第2の光導波路は、LiNbO3、KNbO3、LiTaO3、LiNbxTa(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光増幅装置。 In the optical amplification device according to any one of claims 1 to 4,
The first and second optical waveguides are made of any one of LiNbO 3 , KNbO 3 , LiTaO 3 , LiNb x Ta (1-x) O 3 (0 ≦ x ≦ 1), or KTiOPO 4. An optical amplifying apparatus comprising: a material obtained by adding at least one selected from the group consisting of Mg, Zn, Sc, and In as an additive to any of these materials.
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---|---|---|---|---|
JP2011075889A (en) * | 2009-09-30 | 2011-04-14 | Oki Electric Industry Co Ltd | Quantum entangled photon pair generating device |
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---|---|---|---|---|
JP2011075889A (en) * | 2009-09-30 | 2011-04-14 | Oki Electric Industry Co Ltd | Quantum entangled photon pair generating device |
JP2015222314A (en) * | 2014-05-22 | 2015-12-10 | 日本電信電話株式会社 | Light amplification device |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018207362A (en) * | 2017-06-07 | 2018-12-27 | 日本電信電話株式会社 | Optical transmitter and optical transmission system using the same |
JP2019004253A (en) * | 2017-06-13 | 2019-01-10 | 日本電信電話株式会社 | Optical amplification device and optical transmission system employing the same |
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