JP6114442B1 - Optical amplification device and optical transmission system - Google Patents

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Abstract

【課題】パイロットトーンの高いS/Nを担保して低雑音での増幅を実現する。【解決手段】位相感応光増幅器(8)は、パイロットトーンとこのパイロットトーンの波長を中心波長として短波長側と長波長側に対称的に離調された信号光群とアイドラ光群とを含む光を入力とし、これらの光の一部を分岐させる分波器(80)と、パイロットトーンを取り出すバンドパスフィルタ(81)と、局発光源(83)と、局発光の位相をパイロットトーンの位相と同期させるサーキュレータ(84)と、局発光の第二高調波光を発生させる二次非線形光学素子(88)と、二次非線形光学素子(88)から出力された第二高調波光を励起光として、信号光群およびアイドラ光群の非縮退パラメトリック増幅を行い、かつパイロットトーンの縮退パラメトリック増幅を行う二次非線形光学素子(91)とを備える。【選択図】 図1Amplification with low noise is realized while ensuring a high S / N of a pilot tone. A phase sensitive optical amplifier (8) includes a pilot tone, a signal light group and an idler light group symmetrically detuned to a short wavelength side and a long wavelength side with a wavelength of the pilot tone as a center wavelength. A demultiplexer (80) for taking a part of these lights as input, a bandpass filter (81) for extracting a pilot tone, a local light source (83), and the phase of the local light from the pilot tone. A circulator (84) synchronized with the phase, a second-order nonlinear optical element (88) that generates second harmonic light of local light, and second-harmonic light output from the second-order nonlinear optical element (88) as excitation light A second-order nonlinear optical element (91) that performs non-degenerate parametric amplification of the signal light group and idler light group and performs degenerate parametric amplification of the pilot tone. [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および光増幅装置を用いた光伝送システムに関するものである。   The present invention relates to an optical amplification device used in an optical communication system and an optical measurement system, and an optical transmission system using the optical amplification device.

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。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。   As means for overcoming the limitations of the conventional laser amplifier, a phase sensitive amplifier (PSA) has been studied. The PSA has a function of shaping a deteriorated signal light waveform or phase signal due to the influence of dispersion of the transmission fiber. In addition, PSA can suppress spontaneous emission light having a quadrature phase irrelevant to the signal and can minimize in-phase spontaneous emission light. In principle, it is possible to keep them the same.

図3は、従来のPSA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、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3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。   FIG. 3 is a block diagram showing a basic configuration of a conventional PSA. As shown in FIG. 3, the PSA 100 includes a phase-sensitive optical amplification unit 101 using optical parametric amplification, a pumping light source 102, a pumping light phase control unit 103, and first and second optical branching units 104-1. And 104-2. As shown in FIG. 3, the signal light 110 input to the PSA 100 is branched into two by the optical branching unit 104-1, one incident on the phase sensitive light amplification unit 101, and the other incident on the excitation light source 102. . The phase of the excitation light 111 emitted from the excitation light source 102 is adjusted via the excitation light phase control unit 103 and enters the phase sensitive light amplification unit 101. The phase sensitive amplification unit 101 outputs an output signal light 112 based on the input signal light 110 and the excitation light 111.

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 light amplifying unit 101 amplifies the signal light 110 when the phase of the incident signal light 110 and the phase of the excitation light 111 coincide with each other. It has a characteristic to attenuate. If the phase between the pumping light 111 and the signal light 110 is matched so that the amplification gain is maximized using this characteristic, the spontaneous emission light having the quadrature phase with the signal light 110 is not generated, and the in-phase component is also generated. Excess spontaneous emission light beyond the noise of the signal light 110 is not generated. Therefore, the signal light 110 can be amplified without degrading the S / N.

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 signal light 110 and the pump light 111, the pump light phase control unit 103 is synchronized with the phase of the signal light 110 branched by the first light branching unit 104-1. The phase of the excitation light 111 is controlled. In addition, the pumping light phase control unit 103 detects a part of the output signal light 112 branched by the second optical branching unit 104-2 with a narrow-band detector, and the amplification gain of the output signal light 112 is maximized. The phase of the excitation light 111 is controlled so that As a result, the phase sensitive light amplification unit 101 realizes light amplification without S / N degradation based on the above principle.

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 phase control unit 103 may be configured to directly control the phase of the pumping light source 102 in addition to the configuration of controlling the phase of the pumping light 111 on the output side of the pumping light source 102. Further, when the light source that generates the signal light 110 is disposed near the phase-sensitive light amplification unit 101, a part of the signal light source can be branched and used as excitation 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PSAの構成を示すブロック図である。図4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。   FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a conventional PSA using a PPLN waveguide disclosed in Non-Patent Document 1 and the like. A PSA 200 shown in FIG. 4 includes an erbium-doped fiber amplifier (EDFA) 201, first and second second-order nonlinear optical elements 202 and 204, and first and second optical branching sections. 203-1 and 203-2, a phase modulator 205, an optical fiber stretcher 206 using a PZT (lead zirconate titanate) piezoelectric element, a polarization maintaining fiber 207, a photodetector 208, and phase synchronization And a loop (Phase Locked Loop: PLL) circuit 209. The first second-order nonlinear optical element 202 includes a first spatial optical system 211, a first PPLN waveguide 212, a second spatial optical system 213, and a first dichroic mirror 214. The second second-order nonlinear optical element 204 includes a third spatial optical system 215, a second PPLN waveguide 216, a fourth spatial optical system 217, a second dichroic mirror 218, and a third dichroic. And a mirror 219.

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 optical system 211 couples light input from the input port of the first second-order nonlinear element 202 to the first PPLN waveguide 212. The second spatial optical system 213 couples the light output from the first PPLN waveguide 212 to the output port of the first second-order nonlinear optical element 202 via the first dichroic mirror 214. The third spatial optical system 215 couples light input from the input port of the second second-order nonlinear optical element 204 to the second PPLN waveguide 216 via the second dichroic mirror 218. The fourth spatial optical system 217 couples the light output from the second PPLN waveguide 216 to the output port of the second second-order nonlinear optical element 204 via the third dichroic mirror 219.

図4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。   In the example shown in FIG. 4, the signal light 250 incident on the PSA 200 is branched by the optical branching unit 203-1, and one light enters the second second-order nonlinear optical element 204. The other light branched by the optical branching unit 203-1 is incident on the EDFA 201 after being phase-controlled by the phase modulator 205 and the optical fiber expander 206 as the excitation fundamental wave light 251. In order to obtain sufficient power to obtain the nonlinear optical effect from the weak laser beam used for optical communication, the EDFA 201 amplifies the incident excitation fundamental wave light 251, and the amplified excitation fundamental wave light 251 is converted into the first secondary light. The light is incident on the nonlinear optical element 202.

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 optical element 202, second harmonic light (hereinafter referred to as SH light) 252 is generated from the incident excitation fundamental wave light 251. The generated SH light 252 enters the second second-order nonlinear optical element 204 via the polarization maintaining fiber 207. The second second-order nonlinear optical element 204 performs phase-sensitive amplification by performing degenerate parametric amplification with the incident signal light 250 and the SH light 252, and outputs the output signal light 253.

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 PSA, in order to amplify only light in phase with a signal, it is necessary that the signal light and the pumping light have the same phase 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 pumping light and the gain (dB) in the conventional PSA 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 phase modulator 205 performs phase modulation on the excitation fundamental wave light 251 in accordance with a weak pilot signal. The second optical branching unit 203-2 splits a part of the amplified output signal light 253 so as to enter the photodetector 208. The photodetector 208 converts the incident signal light into an electrical signal. The pilot signal component becomes minimum when the phase difference Δφ shown in FIG.

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 optical fiber expander 206 using the PLL circuit 209 so that the pilot signal is minimized, that is, the amplified output signal detected by the photodetector 208 is maximized. The optical fiber expander 206 expands and contracts the optical fiber through which the excitation fundamental wave light 251 propagates according to the output of the PLL circuit 209. In this way, the phase of the excitation fundamental light 251 can be controlled to achieve phase synchronization between the signal light 250 and the excitation fundamental light 251.

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 signal light 250 and the SH light 252 are incident on the second second-order nonlinear optical element 204 to perform degenerate parametric amplification, the SH light 252 is generated once. When performing parametric amplification, for example, the components of the excitation fundamental light are removed by using the characteristics of the dichroic mirror 214, so that only the SH light 252 and the signal light 250 are converted into a parametric amplification medium such as the second second-order nonlinear optical element 204. Can be made incident. Therefore, noise due to mixing of spontaneous emission light generated by the EDFA 201 can be prevented, so that low-noise optical amplification can be performed.

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 EDFA 201. In addition, the phase noise can be reduced by utilizing the characteristic of attenuating the quadrature component.

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5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。   However, the above-described prior art has the following problems. As shown in FIG. 5, a conventional PSA using a PPLN waveguide has a characteristic of attenuating orthogonal phase components. Therefore, IMDD (Intensity Modulation Direct) using normal intensity modulation or binary phase modulation is used. Detection), BPSK (Binary Phase Shift Keying), DPSK (Differential Phase Shift Keying), etc., which can be applied to the amplification of modulated signals, but also QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) and 8PSK etc. There is a problem that it cannot be amplified.

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。   On the other hand, by using a configuration based on non-degenerate parametric amplification as disclosed in Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3, multi-level phase modulation signals such as QPSK and QAM (Quadrature Amplitude Modulation) It is known that phase sensitive amplification and phase reproduction amplification can be adopted.

ここで、より具体的に位相感応光増幅器を光通信技術に適用する場合の位相同期手法について着目する。例えば、位相感応光増幅器を光信号の送信器直後に用いる場合のように、信号光を発生する光源が位相感応光増幅器の近くに配置されている場合は、信号光用光源を出射する光の一部を分岐させて位相感応光増幅器の励起光として用いることができる。しかしながら、光伝送における中継増幅器として位相感応光増幅器を用いる場合には、光変調が施されている信号光から平均的な位相を抽出し、信号光の搬送波位相と同期した励起光を生成する必要がある。位相感応光増幅器を、実際の光伝送における中継増幅器として用いる場合は、この搬送波位相の抽出方法を含めて位相感応光増幅器を構成することが重要となる。   Here, attention is focused on the phase synchronization method when the phase sensitive optical amplifier is applied to the optical communication technology more specifically. For example, when the light source that generates the signal light is disposed near the phase sensitive optical amplifier as in the case where the phase sensitive optical amplifier is used immediately after the optical signal transmitter, the light emitted from the signal light source A part of the light can be branched and used as excitation light for a phase sensitive optical amplifier. However, when a phase sensitive optical amplifier is used as a repeater amplifier in optical transmission, it is necessary to extract the average phase from the optically modulated signal light and generate pump light that is synchronized with the carrier phase of the signal light. There is. When the phase sensitive optical amplifier is used as a relay amplifier in actual optical transmission, it is important to configure the phase sensitive optical amplifier including this carrier phase extraction method.

一般に、2次非線形光学効果を有する媒質を用いて信号光から第二高調波光を生成すると、励起光として使う光である、第二高調波光の波長が信号光の波長の半分になる。これにより、搬送波位相の抽出などを行うための光デバイスに通信波長帯とは異なる波長の光部品を使う必要が生じる。しかしながら、通信波長帯以外の波長の光部品を使用すると、様々な障害が生じる。例えば波長によって光部品の成熟度が異なるため、光部品の特性・スペックなど、位相感応光増幅器を実現するための仕様を満足することができない、もしくは仕様を満たすためには非常に高額な部品を使わなければならないなどの問題が生じる。より具体的には、高品質な半導体レーザなどの入手が難しく、光強度や光線幅、使用可能な波長などに制限をうける。   In general, when second harmonic light is generated from signal light using a medium having a second-order nonlinear optical effect, the wavelength of second harmonic light, which is light used as excitation light, becomes half of the wavelength of signal light. As a result, it is necessary to use an optical component having a wavelength different from the communication wavelength band for an optical device for performing carrier phase extraction or the like. However, when optical components having wavelengths other than the communication wavelength band are used, various obstacles occur. For example, because the maturity of optical components varies depending on the wavelength, the specifications for realizing phase-sensitive optical amplifiers such as the characteristics and specifications of optical components cannot be satisfied, or very expensive components are required to meet the specifications. Problems such as having to use occur. More specifically, it is difficult to obtain a high-quality semiconductor laser or the like, and the light intensity, light beam width, usable wavelength, and the like are limited.

光増幅器に関しても大きな課題を擁する。第二高調波光などの、通信波長に比べ波長の短い領域においては、光ファイバレーザ増幅器などを用いることができない。一部に半導体の増幅器などが実用化されているものもあるが、増幅率や飽和強度などの問題から、これらの半導体増幅器を用いて第二高調波光を増幅したとしても、位相感応光増幅器に用いる励起光としては十分な光強度が得られないことや、半導体増幅器のもつ雑音指数(Noise Figure:NF)により位相感応光増幅器に用いる励起光のS/Nが劣化するなどの問題があった。   There are also major challenges for optical amplifiers. In a region where the wavelength is shorter than the communication wavelength, such as second harmonic light, an optical fiber laser amplifier or the like cannot be used. Some semiconductor amplifiers have been put to practical use, but due to problems such as amplification factor and saturation intensity, even if these semiconductor amplifiers are used to amplify the second harmonic light, they will become phase sensitive optical amplifiers. There is a problem that sufficient light intensity cannot be obtained as the excitation light to be used, and the S / N of the excitation light used in the phase sensitive optical amplifier is deteriorated due to the noise figure (NF) of the semiconductor amplifier. .

さらに、第二高調波光などの通信波長に比べ波長の短い光用の光部品においては、部品によって信頼性の観点から問題があることも多く、これらの光部品を用いた位相感応光増幅器を実際の光通信システムに用いる障害となっている。このため、信号光からの搬送波抽出と励起光生成は、通信波長帯で実現することが好ましい。   Furthermore, optical components for light having a shorter wavelength than the communication wavelength such as second harmonic light often have problems from the viewpoint of reliability depending on the components, and phase sensitive optical amplifiers using these optical components are actually used. This is an obstacle to use in the optical communication system. For this reason, it is preferable that the carrier wave extraction from the signal light and the excitation light generation be realized in the communication wavelength band.

2次非線形光学効果を有する媒質を用いた従来の位相感応光増幅器の研究において非特許文献4や非特許文献2に示されているとおり、2値位相変調信号(Binary Phase Shift Keying:BPSK)や4値位相変調信号(Quadrature Phase Shift Keying:QPSK)信号からの搬送波位相の抽出方法を含めた位相感応増幅方法が示されている。また、非特許文献5に示されているように、3次の非線形効果を有する光ファイバ中の四光波混合を用いた搬送波位相の抽出方法も示されている。   As shown in Non-Patent Document 4 and Non-Patent Document 2 in the study of conventional phase-sensitive optical amplifiers using a medium having a second-order nonlinear optical effect, binary phase shift keying (Binary Phase Shift Keying: BPSK) A phase sensitive amplification method including a method of extracting a carrier phase from a quaternary phase modulation signal (Quadrature Phase Shift Keying: QPSK) signal is shown. Further, as shown in Non-Patent Document 5, a carrier phase extraction method using four-wave mixing in an optical fiber having a third-order nonlinear effect is also shown.

しかしながら、これらの手法は、非線形過程を用いて変調をキャンセルするため、QAM(Quadrature Amplitude Modulation)信号のような強度方向にも多値化された信号からの搬送波抽出は難しいという課題があった。この解決手段としては、変調信号のキャリア位相と同じ位相を持つ連続波(Continuous Wave:CW)のパイロットトーン信号を信号光と共に同送する方法がある。   However, since these methods cancel the modulation using a non-linear process, there is a problem that it is difficult to extract a carrier wave from a multi-valued signal such as a QAM (Quadrature Amplitude Modulation) signal. As a solution to this problem, there is a method in which a continuous wave (CW) pilot tone signal having the same phase as the carrier phase of the modulation signal is transmitted together with the signal light.

ここで、位相感応増幅のための基本波生成のためにパイロットトーン信号を同送する手法について説明する。   Here, a method of transmitting a pilot tone signal for generating a fundamental wave for phase sensitive amplification will be described.

データ変調の施された変調信号光が光ファイバ等の伝送媒質を伝搬し信号が送られる。その際、伝送媒体における光強度の損失を補償するために光増幅を行う中継増幅器として位相感応光増幅器を用いる場合の光伝送システムの構成例を、図6に示す。光伝送システムは、送信器(Tx)1と、位相感応光増幅器(PSA)2と、送信器1と位相感応光増幅器2とを接続する光ファイバ3と、光ファイバ3の途中に設けられた分散・偏波補償器4とから構成される。   The modulated signal light subjected to data modulation propagates through a transmission medium such as an optical fiber, and a signal is sent. FIG. 6 shows a configuration example of an optical transmission system in which a phase sensitive optical amplifier is used as a relay amplifier that performs optical amplification to compensate for light intensity loss in the transmission medium. The optical transmission system is provided in the middle of the optical fiber 3, a transmitter (Tx) 1, a phase sensitive optical amplifier (PSA) 2, an optical fiber 3 that connects the transmitter 1 and the phase sensitive optical amplifier 2. And a dispersion / polarization compensator 4.

送信器1は、アレイ導波路グレーティング(Array Waveguide Gratings:AWG)10と、光源(External Cavity Laser Diode:ECLD)11と、分波器12と、EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier:エルビウム添加ファイバレーザ増幅器)13と、バンドパスフィルタ(Band Pass Filter:BPF)14と、第二高調波発生(Second Harmonic Generation:SHG)用の二次非線形光学素子15と、差周波発生(Difference Frequency Generation:DFG)用の二次非線形光学素子16と、合波器17と、波長選択型光スイッチ(Wavelength Selective Switch:WSS)18とを備えている。   The transmitter 1 includes an array waveguide grating (AWG) 10, a light source (External Cavity Laser Diode: ECLD) 11, a duplexer 12, an EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier). ) 13, a band pass filter (BPF) 14, a second-order nonlinear optical element 15 for second harmonic generation (SHG), and a difference frequency generation (DFG) The second-order nonlinear optical element 16, a multiplexer 17, and a wavelength selective optical switch (WSS) 18 are provided.

位相感応光増幅器2は、波長分波器20と、バンドパスフィルタ21と、可変光減衰器(Variable Optical Attenuator:VOA)22と、局発光源23と、サーキュレータ24と、分波器25と、位相変調器(Phase Modulation:PM)26と、EDFA27と、バンドパスフィルタ28と、第二高調波発生用の二次非線形光学素子29と、固定遅延線30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31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32と、分波器33と、バンドパスフィルタ34と、光検出器35と、PLL(Phase Locked Loop)回路36と、波長合波器37とを備えている。   The phase sensitive optical amplifier 2 includes a wavelength demultiplexer 20, a bandpass filter 21, a variable optical attenuator (VOA) 22, a local light source 23, a circulator 24, a demultiplexer 25, A phase modulator (PM) 26, an EDFA 27, a bandpass filter 28, a second-order nonlinear optical element 29 for generating a second harmonic, a fixed delay line 30, and PZT (lead zirconate titanate) An optical fiber expander 31 using a piezoelectric element, a second-order nonlinear optical element 32 for optical parametric amplification (OPA), a duplexer 33, a bandpass filter 34, a photodetector 35, A PLL (Phase Locked Loop) circuit 36 and a wavelength multiplexer 37 are provided.

上記のとおり、信号光を発生する光源が位相感応光増幅器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ができる。しかしながら、光伝送における中継増幅器として位相感応光増幅器を用いる場合には、例えば以下に述べる位相同期手段を用いて位相感応光増幅器内の励起光と信号光の位相を同期させる必要がある。   As described above, when the light source that generates the signal light is disposed near the phase-sensitive optical amplifier, a part of the signal light source can be branched and used as the excitation light. However, when a phase sensitive optical amplifier is used as a repeater amplifier in optical transmission, it is necessary to synchronize the phases of the pumping light and the signal light in the phase sensitive optical amplifier using, for example, the phase synchronization means described below.

図6に示した構成では、AWG10は、データ変調の施された複数の信号光を合波する。光源11は無変調のCW光を出力する。EDFA13は、光源11から出力されたCW光を増幅する。バンドパスフィルタ14は、EDFA13によって発生したノイズ光を除去し、CW光のみを透過させる。二次非線形光学素子15は、バンドパスフィルタ14から出力されるCW光から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16により励起光と波長多重された信号光との差周波光を発生させて、この差周波光を信号光に対するアイドラ光とする。   In the configuration shown in FIG. 6, the AWG 10 multiplexes a plurality of signal lights subjected to data modulation. The light source 11 outputs unmodulated CW light. The EDFA 13 amplifies the CW light output from the light source 11. The band pass filter 14 removes noise light generated by the EDFA 13 and transmits only CW light. The second-order nonlinear optical element 15 generates second harmonic light from the CW light output from the bandpass filter 14 and uses it as excitation light. Thereafter, the second-order nonlinear optical element 16 generates difference frequency light between the excitation light and the wavelength-multiplexed signal light, and this difference frequency light is used as idler light for the signal light.

一方、分波器12は、光源11から出力されたCW光の一部を分岐させる。合波器17は、二次非線形光学素子16から出力された信号光およびアイドラ光と分波器12から出力されたCW光とを合波する。波長選択型光スイッチ18は、信号光とアイドラ光とCW光の波長毎に異なる強度を揃えて出力する。   On the other hand, the branching filter 12 branches a part of the CW light output from the light source 11. The multiplexer 17 combines the signal light and idler light output from the second-order nonlinear optical element 16 and the CW light output from the duplexer 12. The wavelength selection type optical switch 18 outputs different intensities for each wavelength of the signal light, idler light, and CW light.

こうして、送信器1からは、データ変調の施された信号光とアイドラ光に加え、無変調のCW光がパイロットトーン信号として同送される。図7(A)に送信器1から出力される信号光群300のスペクトルを示す。なお、図7(A)〜図7(E)の縦軸は光強度、横軸は波長である。図6、図7(A)の301は信号光、302はアイドラ光、303はCW光のパイロットトーンである。   In this way, the transmitter 1 transmits unmodulated CW light as a pilot tone signal in addition to data-modulated signal light and idler light. FIG. 7A shows the spectrum of the signal light group 300 output from the transmitter 1. 7A to 7E, the vertical axis represents the light intensity, and the horizontal axis represents the wavelength. 6 and 7A, 301 is signal light, 302 is idler light, and 303 is a pilot tone of CW light.

送信器1から出力される信号光群300は、光ファイバ3を介して伝送される。送信器1から出力された信号光群300の一部を位相感応光増幅器2の波長分波器20で分岐させ、バンドパスフィルタ21を通すことにより、信号光群300と同送されたCW光のパイロットトーン303を取り出す。図7(B)は取り出されたパイロットトーン303を示し、図7(C)は波長分波器20を透過した信号光301およびアイドラ光302を示す。   The signal light group 300 output from the transmitter 1 is transmitted through the optical fiber 3. A part of the signal light group 300 output from the transmitter 1 is branched by the wavelength demultiplexer 20 of the phase sensitive optical amplifier 2 and passed through the bandpass filter 21, so that the CW light transmitted together with the signal light group 300 is transmitted. The pilot tone 303 is extracted. FIG. 7B shows the extracted pilot tone 303, and FIG. 7C shows the signal light 301 and idler light 302 that have passed through the wavelength demultiplexer 20.

可変光減衰器22は、パイロットトーン303の光強度を調整する。この光強度が調整されたパイロットトーン303をサーキュレータ24を通して局発光源23に光注入同期する。局発光源23にはファブリペロー型の半導体レーザーを用いた。半導体レーザーの位相がパイロットトーン303の位相に引き込まれ、これにより、位相感応光増幅器2内の局発光源23がパイロットトーン303に位相同期される。   The variable optical attenuator 22 adjusts the light intensity of the pilot tone 303. The light intensity adjusted pilot tone 303 is synchronized with the local light source 23 through the circulator 24. As the local light source 23, a Fabry-Perot type semiconductor laser was used. The phase of the semiconductor laser is drawn into the phase of the pilot tone 303, whereby the local light source 23 in the phase sensitive optical amplifier 2 is phase-synchronized with the pilot tone 303.

パイロットトーン303と位相同期した局発光は、位相変調器26によって位相制御されてEDFA27に入射する。EDFA27は、位相変調器26から出力された局発光を増幅する。バンドパスフィルタ28は、EDFA27によって発生したノイズ光を除去し、局発光のみを透過させる。二次非線形光学素子29は、バンドパスフィルタ28から出力される局発光から第二高調波光を発生させ、この第二高調波光を励起光として二次非線形光学素子32に入射させる。   The local light that is phase-synchronized with the pilot tone 303 is phase-controlled by the phase modulator 26 and enters the EDFA 27. The EDFA 27 amplifies the local light output from the phase modulator 26. The band pass filter 28 removes noise light generated by the EDFA 27 and transmits only local light. The second-order nonlinear optical element 29 generates second harmonic light from the local light output from the bandpass filter 28 and makes the second harmonic light incident on the second-order nonlinear optical element 32 as excitation light.

固定遅延線30は、励起光との遅延時間調整のため、波長分波器20を透過した信号光301およびアイドラ光302を所定の時間だけ遅延させる。固定遅延線30を通過した信号光301およびアイドラ光302は、光ファイバ伸縮器31によって位相制御されて二次非線形光学素子32に入射する。二次非線形光学素子32は、パラメトリック増幅効果により、信号光301およびアイドラ光302を増幅する。   The fixed delay line 30 delays the signal light 301 and the idler light 302 transmitted through the wavelength demultiplexer 20 by a predetermined time in order to adjust the delay time with the excitation light. The signal light 301 and idler light 302 that have passed through the fixed delay line 30 are phase-controlled by the optical fiber expander 31 and enter the second-order nonlinear optical element 32. The second-order nonlinear optical element 32 amplifies the signal light 301 and the idler light 302 by a parametric amplification effect.

分波器33は、増幅された信号光およびアイドラ光の一部を分岐させる。バンドパスフィルタ34は、信号光およびアイドラ光のみを通過させて光検出器35に入射させる。光検出器35は、入射した光を電気信号に変換する。PLL回路36は、光検出器35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31にフィードバックを行う。光ファイバ伸縮器31は、信号光301およびアイドラ光302が伝搬する光ファイバを、PLL回路36の出力に応じて伸縮させる。こうして、信号光301およびアイドラ光302の位相を制御して、信号光301およびアイドラ光302と励起光との位相同期を達成することができる。   The demultiplexer 33 branches a part of the amplified signal light and idler light. The bandpass filter 34 allows only the signal light and idler light to pass through and enter the photodetector 35. The photodetector 35 converts incident light into an electrical signal. The PLL circuit 36 provides feedback to the optical fiber expander 31 so that the signal detected by the photodetector 35 is maximized. The optical fiber expander 31 expands and contracts the optical fiber through which the signal light 301 and the idler light 302 propagate according to the output of the PLL circuit 36. Thus, the phase of the signal light 301 and the idler light 302 can be controlled to achieve phase synchronization between the signal light 301 and the idler light 302 and the excitation light.

以上のような構成を採用することにより、信号光を発生する光源が位相感応光増幅器の近くに配置されていないような中継増幅器においても、信号光の位相感応増幅を行うことができる。この構成においては、多段に中継増幅器を用いることを考慮し、次の中継増幅器を動作させるために、信号光と共に新たなパイロットトーンを次の中継増幅器へ同送する。具体的には、位相感応光増幅器2の分波器25は、パイロットトーン303と位相同期した局発光の一部を分岐させる(図7(D))。図6、図7(D)の304は分波器25が分岐させた局発光である。   By adopting the above configuration, it is possible to perform phase sensitive amplification of signal light even in a relay amplifier in which a light source that generates signal light is not arranged near the phase sensitive optical amplifier. In this configuration, in consideration of using a relay amplifier in multiple stages, a new pilot tone is sent to the next relay amplifier together with the signal light in order to operate the next relay amplifier. Specifically, the duplexer 25 of the phase sensitive optical amplifier 2 branches a part of the local light that is phase-synchronized with the pilot tone 303 (FIG. 7D). Reference numeral 304 in FIGS. 6 and 7D denotes local light that is branched by the duplexer 25.

波長合波器37は、二次非線形光学素子32によって増幅された信号光およびアイドラ光と分波器25から出力された局発光とを合波する(図7(E))。図6、図7(E)の305は位相感応光増幅器2から出力される信号光群、306は信号光、307はアイドラ光、308はパイロットトーンである。   The wavelength multiplexer 37 combines the signal light and idler light amplified by the second-order nonlinear optical element 32 and the local light output from the demultiplexer 25 (FIG. 7E). In FIG. 6 and FIG. 7E, 305 is a signal light group output from the phase sensitive optical amplifier 2, 306 is signal light, 307 is idler light, and 308 is a pilot tone.

しかしながら、従来のパイロットトーンを同送する手法には以下の問題があった。図6に示した構成のように、波長分波器20を用いてパイロットトーンを分離する場合、信号光とアイドラ光の中心波長のパイロットトーンのみを完全に抜き出すことは難しく、中心波長に対して有限の帯域内の光を分岐してしまうため、信号光とアイドラ光の波長を十分に離しておく必要がある。このことから、信号光とアイドラ光の間には、ガードバンドと呼ばれる信号を送ることのできない帯域を設ける必要性が生じ、信号光とアイドラ光の波長帯域に制限がかかり、有限の帯域内に信号を密に詰めることができないという問題があった。   However, the conventional method of transmitting pilot tones has the following problems. When the pilot tones are separated using the wavelength demultiplexer 20 as in the configuration shown in FIG. 6, it is difficult to completely extract only the pilot tones of the center wavelengths of the signal light and idler light. Since the light within the finite band is branched, it is necessary to sufficiently separate the wavelengths of the signal light and the idler light. For this reason, it is necessary to provide a band that cannot transmit a signal called a guard band between the signal light and the idler light, and the wavelength band of the signal light and the idler light is limited, and within a finite band. There was a problem that the signal could not be packed closely.

また、図6に示した構成では、パイロットトーンと信号光およびアイドラ光との分波、合波に波長分波器20、波長合波器37を用いているが、この構成では波長分波器20および波長合波器37の消光特性に従って、元のパイロットトーンからの残留光が新たなパイロットトーンに混入してしまうという問題があった。パイロットトーンのみを取り出す波長分波器20により、パイロットトーンの殆どの光は分岐され、二次非線形光学素子32には入射しない。しかし、実際の波長分波器20の消光比(本来の波長分波ポートから出力される光と、本来消光されるべきポートから出力される残留光との比)は有限であるため、波長分波器20を通過した後でも、残留したパイロットトーンが二次非線形光学素子32に入射する。   In the configuration shown in FIG. 6, the wavelength demultiplexer 20 and the wavelength multiplexer 37 are used for demultiplexing and multiplexing of the pilot tone, the signal light, and the idler light. In this configuration, the wavelength demultiplexer is used. In accordance with the extinction characteristics of the optical multiplexer 20 and the wavelength multiplexer 37, there is a problem that residual light from the original pilot tone is mixed into the new pilot tone. Most of the light of the pilot tone is branched by the wavelength demultiplexer 20 that extracts only the pilot tone, and does not enter the second-order nonlinear optical element 32. However, since the actual extinction ratio of the wavelength demultiplexer 20 (the ratio of the light output from the original wavelength demultiplexing port to the residual light output from the port that should be extinguished) is finite, Even after passing through the waver 20, the remaining pilot tone enters the second-order nonlinear optical element 32.

残留パイロットトーンは、二次非線形光学素子32により縮退パラメトリック増幅(パイロットトーンは縮退波長)された後、波長合波器37へ入射する。波長合波器37でも残留パイロットトーンは消光されるが、その消光比は有限であるため、新たなパイロットトーン(合波器25からの局発光)が波長合波器37により合波される際に、残留パイロットトーンが混入する。その結果、新たなパイロットトーンと残留パイロットトーンの干渉により、雑音が生じることなる。多段に中継増幅器を用いる場合、この雑音が中継増幅の度に累積するため、励起光として用いるパイロットトーンの高いS/Nを担保することが困難になってしまう。   The residual pilot tone is degenerate parametric amplified by the second-order nonlinear optical element 32 (the pilot tone is a degenerate wavelength) and then enters the wavelength multiplexer 37. Although the residual pilot tone is also extinguished by the wavelength multiplexer 37, the extinction ratio is finite, so that a new pilot tone (local light from the multiplexer 25) is multiplexed by the wavelength multiplexer 37. Residual pilot tone is mixed. As a result, noise is generated due to interference between the new pilot tone and the residual pilot tone. When relay amplifiers are used in multiple stages, this noise accumulates every time relay amplification is performed, so that it becomes difficult to ensure a high S / N of the pilot tone used as pumping light.

低雑音な位相感応光増幅器を実現するためには、信号光のS/Nに対して、十分にS/Nの高い励起光を用い、高い精度で位相同期を行う必要がある。その理由は、S/Nの低い励起光を用いると、励起光の雑音成分からのエネルギー移行により信号光のS/Nが劣化し、さらに励起光と信号光の位相誤差は位相雑音を生じる一因となるからである。このことから、励起光には高い品質が求められる。つまり、励起光を生成するための局発光、さらに言えば局発光と信号光の位相同期を行うためのパイロットトーンにも高いS/Nが求められる。   In order to realize a low-noise phase-sensitive optical amplifier, it is necessary to perform phase synchronization with high accuracy by using excitation light having a sufficiently high S / N with respect to the S / N of signal light. The reason for this is that when pump light with a low S / N is used, the S / N of the signal light deteriorates due to energy transfer from the noise component of the pump light, and the phase error between the pump light and signal light causes phase noise. It is because it becomes a cause. For this reason, high quality is required for the excitation light. That is, a high S / N is also required for the local light for generating the excitation light, that is, the pilot tone for synchronizing the phase of the local light and the signal light.

T.Umeki,O.Tadanaga,A.Takada and M.Asobe,“Phase sensitive degenerate parametric amplification using directly-bonded PPLN ridge waveguides”,Optics Express,2011年,Vol.19,No.7,p.6326-6332T. Umeki, O. Tadanaga, A. Takada and M. Asobe, “Phase sensitive degenerate parametric amplification using directly-bonded PPLN ridge waveguides”, Optics Express, 2011, Vol. 19, No. 7, p.6326-6332 M.Asobe,T.Umeki,H.Takenouchi,and Y. Miyamoto,“In-line phase-sensitive amplifier for QPSK signal using multiple QPM LiNbO3 waveguide”,In Proceedings of the OptoElectronics and Communications Conference,OECC,2013年,PDP paper PD2-3M. Asobe, T. Umeki, H. Takenouchi, and Y. Miyamoto, “In-line phase-sensitive amplifier for QPSK signal using multiple QPM LiNbO3 waveguide”, In Proceedings of the Opto Electronics and Communications Conference, OECC, 2013, PDP paper PD2-3 T.Umeki,O.Tadanaga,M.Asobe,Y.Miyamoto and H.Takenouchi,“First demonstration of high-order QAM signal amplification in PPLN-based phase sensitive amplifier”,Optics Express,2014年2月,Vol.22,No.3,p.2473-2482T. Umeki, O. Tadanaga, M. Asobe, Y. Miyamoto and H. Takenouchi, “First demonstration of high-order QAM signal amplification in PPLN-based phase sensitive amplifier”, Optics Express, February 2014, Vol.22 , No.3, p.2473-2482 Takeshi Umeki,Masaki Asobe,and Hirokazu Takenouchi,“In-line phase sensitive amplifier based on PPLN waveguides”,Optics Express,2013年5月,Vol.21,No.10,p.12077-12084Takeshi Umeki, Masaki Asobe, and Hirokazu Takenouchi, “In-line phase sensitive amplifier based on PPLN waveguides”, Optics Express, May 2013, Vol. 21, No. 10, p.12077-12084 R.Slavik et al.,“All-optical phase and amplitude regenerator for next-generation telecommunications system”,Nature Photonics,vol.4,pp.690-695,2010R. Slavik et al., “All-optical phase and amplitude regenerator for next-generation telecommunications system”, Nature Photonics, vol.4, pp.690-695, 2010.

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問題があった。
非特許文献2、非特許文献4および非特許文献5に開示された技術では、多値化された信号から搬送波位相を抽出して励起光を生成することが難しいという問題があった。
図6に示した構成では、有限の帯域内に信号を密に配置することができず、また励起光として用いるパイロットトーンの高いS/Nを担保することが難しいために低雑音の位相感応光増幅器を実現することが難しいという問題があった。
As described above, the technique disclosed in Non-Patent Document 1 has a problem in that it cannot amplify a modulation signal of a multilevel modulation format.
In the techniques disclosed in Non-Patent Document 2, Non-Patent Document 4 and Non-Patent Document 5, there is a problem that it is difficult to generate a pumping light by extracting a carrier wave phase from a multilevel signal.
In the configuration shown in FIG. 6, signals cannot be densely arranged in a finite band, and it is difficult to ensure a high S / N of a pilot tone used as excitation light. There was a problem that it was difficult to realize an amplifier.

本発明の目的は、上記のような従来技術の問題を鑑みて、帯域の利用効率を向上させることができ、多値の変調フォーマットの変調信号の増幅が可能で、パイロットトーンの高いS/Nを担保して低雑音での増幅が可能な位相感応光増幅器と、この位相感応光増幅器を用いた光伝送システムを提供することにある。特に、信号の搬送波位相の抽出方法を含めた光伝送における中継増幅器として適用可能な位相感応光増幅器を提供することにある。   An object of the present invention is to improve the band utilization efficiency in view of the problems of the prior art as described above, to amplify a modulation signal of a multi-level modulation format, and to have a high pilot tone S / N. Is to provide a phase sensitive optical amplifier capable of amplification with low noise and an optical transmission system using the phase sensitive optical amplifier. In particular, an object of the present invention is to provide a phase sensitive optical amplifier applicable as a relay amplifier in optical transmission including a method for extracting a carrier phase of a signal.

本発明の光増幅装置は、パイロットトーンとこのパイロットトーンの波長を中心波長として短波長側と長波長側に対称的に離調された信号光群とアイドラ光群とを含む光を入力とし、これら信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンの一部を分岐させる第1の分波器と、この第1の分波器の出力光から前記パイロットトーンの波長の光のみを取り出すバンドパスフィルタと、局発光を出力する局発光源と、前記局発光の位相を前記バンドパスフィルタによって取り出されたパイロットトーンの位相と同期させる第1の位相同期手段と、前記パイロットトーンの位相と同期した局発光を入力とし、この局発光の第二高調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第二高調波光を励起光として、外部から入力された前記信号光群およびアイドラ光群の非縮退パラメトリック増幅を行い、かつ前記信号光群およびアイドラ光群と共に外部から入力された前記パイロットトーンの縮退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、外部から入力された前記信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンの位相を制御することにより、前記信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンの位相と、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第2の位相同期手段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 receives light including a pilot tone and a signal light group and an idler light group symmetrically detuned to a short wavelength side and a long wavelength side with the wavelength of the pilot tone as a center wavelength, A first demultiplexer for branching part of the signal light group, idler light group and pilot tone; and a bandpass filter for extracting only light of the pilot tone wavelength from the output light of the first demultiplexer; A local light source that outputs local light, first phase synchronization means for synchronizing the phase of the local light with the phase of the pilot tone extracted by the band-pass filter, and local light that is synchronized with the phase of the pilot tone. And a first second-order nonlinear optical element including a first optical waveguide for generating the second harmonic light of the local light, and an output from the first second-order nonlinear optical element. The second harmonic light is used as excitation light to perform non-degenerate parametric amplification of the signal light group and idler light group input from the outside, and the pilot tone input from the outside together with the signal light group and idler light group. By controlling the phase of the second secondary nonlinear optical element having the second optical waveguide for performing degenerate parametric amplification, the signal light group input from the outside, the idler light group, and the pilot tone, And a second phase synchronization means for synchronizing the phase of the signal light group, the idler light group, the pilot tone, and the phase of the excitation light in the second optical waveguide.

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)3(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。
また、本発明の光増幅装置の1構成例において、前記局発光源は、半導体レーザであり、前記第1の位相同期手段は、前記バンドパスフィルタによって取り出されたパイロットトーンを前記半導体レーザに光注入同期することにより、前記局発光の位相を前記パイロットトーンの位相と同期させ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2の位相同期手段は、前記第2の二次非線形光学素子に入射する前の信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンとが伝搬する光ファイバを機械的に伸縮させる第1の光ファイバ伸縮器と、前記第2の二次非線形光学素子から出力される増幅された光の一部を取り出して電気信号に変換する第1の検出手段と、この第1の検出手段の出力信号に基づいて、前記信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンの位相と、前記励起光の位相とが同期するように前記第1の光ファイバ伸縮器への制御信号を生成する第1の制御手段とを少なくとも含むことを特徴とするものである。
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.
Further, in one configuration example of the optical amplifying device of the present invention, the local light source is a semiconductor laser, and the first phase synchronization means applies a pilot tone extracted by the bandpass filter to the semiconductor laser. By synchronizing the injection, the phase of the local light is synchronized with the phase of the pilot tone.
In one configuration example of the optical amplifying device of the present invention, the second phase synchronization means propagates the signal light group, the idler light group, and the pilot tone before entering the second second-order nonlinear optical element. A first optical fiber expander that mechanically expands and contracts an optical fiber to be expanded, and a first detection that extracts a part of the amplified light output from the second second-order nonlinear optical element and converts it into an electrical signal And the first optical fiber expander so that the phase of the signal light group, idler light group, pilot tone, and phase of the excitation light are synchronized with each other based on the output signal of the first detection means. And at least first control means for generating a control signal.

また、本発明の光伝送システムは、前記光増幅装置と、前記信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンとを含む光を出力する送信器と、前記送信器と前記光増幅装置とを接続する伝送ファイバとから構成され、前記送信器は、基本波光を出力する基本波光源と、前記基本波光の一部を分岐させる第2の分波器と、この第2の分波器の出力光をパイロットトーンとして信号光群と合波する合波器と、前記基本波光源から出力された基本波光を入力とし、この基本波光の第二高調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第二高調波光を励起光として、この励起光と前記合波器から出力された信号光群との差周波光であるアイドラ光群を非縮退パラメトリック過程により発生させ、かつ前記合波器から出力されたパイロットトーンの縮退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、この第4の二次非線形光学素子に入射する前のパイロットトーンの位相を制御することにより、このパイロットトーンの位相と前記基本波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第3の位相同期手段とを備えることを特徴とするものである。   The optical transmission system of the present invention connects the optical amplifier, a transmitter that outputs light including the signal light group, idler light group, and pilot tone, and the transmitter and the optical amplifier. The transmitter includes a fundamental light source that outputs fundamental light, a second duplexer that branches a part of the fundamental light, and output light from the second duplexer. A multiplexer for multiplexing with a signal light group as a pilot tone, and a third optical waveguide for generating the second harmonic light of the fundamental wave light by using the fundamental wave light output from the fundamental light source as an input. The difference between the third second-order nonlinear optical element and the second harmonic light output from the third second-order nonlinear optical element as excitation light and the signal light group output from the multiplexer Non-degenerate parametric of idler light group which is frequency light And a fourth second-order nonlinear optical element having a fourth optical waveguide for performing degenerate parametric amplification of the pilot tone output from the multiplexer and the fourth-order nonlinear optics. Third phase synchronization means for synchronizing the phase of the pilot tone and the phase of the fundamental light in the fourth optical waveguide by controlling the phase of the pilot tone before entering the element; It is a feature.

また、本発明の光伝送システムの1構成例は、前記光増幅装置が多段に接続されたことを特徴とするものである。
また、本発明の光伝送システムの1構成例において、前記第3、第4の光導波路は、LiNbO3、KNbO3、LiTaO3、LiNbxTa(1-x)3(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。
また、本発明の光伝送システムの1構成例において、前記第3の位相同期手段は、前記第4の二次非線形光学素子に入射する前のパイロットトーンが伝搬する光ファイバを機械的に伸縮させる第2の光ファイバ伸縮器と、前記第4の二次非線形光学素子から出力された光の一部を取り出して電気信号に変換する第2の検出手段と、この第2の検出手段の出力信号に基づいて、前記パイロットトーンの位相と前記基本波光の位相とが同期するように前記第2の光ファイバ伸縮器への制御信号を生成する第2の制御手段とを少なくとも含むことを特徴とするものである。
One configuration example of the optical transmission system of the present invention is characterized in that the optical amplifying devices are connected in multiple stages.
In one configuration example of the optical transmission system of the present invention, the third and fourth 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.
In the configuration example of the optical transmission system of the present invention, the third phase synchronization means mechanically expands and contracts the optical fiber through which the pilot tone before entering the fourth second-order nonlinear optical element propagates. A second optical fiber expander, a second detection means for extracting a part of the light output from the fourth second-order nonlinear optical element and converting it into an electrical signal, and an output signal of the second detection means And at least second control means for generating a control signal to the second optical fiber expander so that the phase of the pilot tone and the phase of the fundamental wave light are synchronized with each other. Is.

本発明によれば、信号光群およびアイドラ光群と一括で位相感応増幅が可能なパイロットトーンを生成することで、励起光として用いるパイロットトーンのS/N劣化を抑えることができ、低雑音性に優れた位相感応増幅が可能な光増幅装置を実現することができる。また、本発明では、中心波長近傍にガードバンドを設ける必要がないので、従来よりも信号を密に詰めることができ、帯域の利用効率を向上させることができる。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る。また、本発明では、パイロットトーンのS/N劣化を抑えることができるので、中継増幅器として光増幅装置を用いる場合に、複数の中継増幅器を多段に接続したとしても、低雑音性に優れる光伝送が可能となる。   According to the present invention, it is possible to suppress the S / N deterioration of a pilot tone used as pumping light by generating a pilot tone that can be phase-sensitively amplified together with a signal light group and an idler light group, and has low noise characteristics. An optical amplifying device capable of excellent phase sensitive amplification can be realized. In the present invention, since it is not necessary to provide a guard band in the vicinity of the center wavelength, it is possible to pack signals more densely than in the past, and to improve band utilization efficiency. In the present invention, a modulation signal of a multi-level modulation format can be amplified. Further, in the present invention, since the S / N deterioration of the pilot tone can be suppressed, even when a plurality of relay amplifiers are connected in multiple stages when using an optical amplifier as a relay amplifier, optical transmission with excellent low noise characteristics Is possible.

本発明の実施の形態に係る光伝送システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the optical transmission system which concerns on embodiment of this invention. 図1の光伝送システムにおける各部の光のスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the spectrum of the light of each part in the optical transmission system of FIG. 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。It is a block diagram which shows the structure of the conventional phase sensitive optical amplifier. 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。It is a block diagram which shows the structure of the phase sensitive optical amplifier using the conventional secondary nonlinear optical effect. 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。It is a graph which shows the relationship between the phase difference between input signal light and excitation light, and a gain in the phase sensitive optical amplifier using the conventional secondary nonlinear optical effect. 従来の光伝送システムの構成の1例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of a structure of the conventional optical transmission system. 図6の光伝送システムにおける各部の光のスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the spectrum of the light of each part in the optical transmission system of FIG.

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。   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および光伝送システムでは、PPLN導波路を用いた位相感応光増幅器の構成を示す。本実施の形態では、位相感応光増幅器の中継増幅動作実現のためのパイロットトーンを、信号光と一括で位相感応増幅させることが可能であり、波長合分波器によるパイロットトーンの切り出し及び信号光との再合波を必要としない構成となっている。パイロットトーンも信号光と同様に低雑音な位相感応光増幅器による中継増幅を行いながら伝搬させ、位相感応増幅時にパイロットトーンの一部を分岐させて励起光として用いる構成としているため、パイロットトーンのS/Nの劣化の極めて少ない光伝送システムを実現することができ、従来の課題を解決することができる。   In the phase sensitive optical amplifier and the optical transmission system which are the optical amplifying devices according to the present embodiment, the configuration of the phase sensitive optical amplifier using the PPLN waveguide is shown. In this embodiment, the pilot tone for realizing the relay amplification operation of the phase sensitive optical amplifier can be phase sensitive amplified together with the signal light, and the pilot tone is cut out by the wavelength multiplexer / demultiplexer and the signal light. It is the composition which does not need re-combining with. Similarly to the signal light, the pilot tone is propagated while being relayed and amplified by a low-noise phase-sensitive optical amplifier, and a part of the pilot tone is branched and used as excitation light at the time of phase-sensitive amplification. An optical transmission system with very little degradation of / N can be realized, and the conventional problems can be solved.

図1は、本実施の形態に係る光伝送システムの構成を示すブロック図である。光伝送システムは、送信器(Tx)5と、光ファイバ6と、分散・偏波補償器7と、位相感応光増幅器(PSA)8とから構成される。   FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the optical transmission system according to the present embodiment. The optical transmission system includes a transmitter (Tx) 5, an optical fiber 6, a dispersion / polarization compensator 7, and a phase sensitive optical amplifier (PSA) 8.

送信器5は、AWG50と、基本波光源となる波長可変光源51と、分波器52と、位相変調器(PM)53と、PZT圧電素子を用いた光ファイバ伸縮器54と、合波器55と、EDFA56と、バンドパスフィルタ57と、第二高調波発生用の二次非線形光学素子58と、差周波発生用の二次非線形光学素子59と、分波器60と、バンドパスフィルタ61と、光検出器62と、制御手段となるPLL回路63と、波長選択型光スイッチ64とを備えている。分波器60とバンドパスフィルタ61と光検出器62とは、二次非線形光学素子59から出力された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 transmitter 5 includes an AWG 50, a wavelength tunable light source 51 serving as a fundamental light source, a demultiplexer 52, a phase modulator (PM) 53, an optical fiber expander 54 using a PZT piezoelectric element, and a multiplexer. 55, an EDFA 56, a bandpass filter 57, a second-order nonlinear optical element 58 for generating a second harmonic, a second-order nonlinear optical element 59 for generating a difference frequency, a duplexer 60, and a bandpass filter 61 And a photodetector 62, a PLL circuit 63 serving as control means, and a wavelength selective optical switch 64. The duplexer 60, the bandpass filter 61, and the photodetector 62 constitute detection means that extracts a part of the light output from the second-order nonlinear optical element 59 and converts it into an electrical signal.

光増幅装置である位相感応光増幅器8は、分波器80と、バンドパスフィルタ81と、可変光減衰器82と、局発光源83と、位相同期手段となるサーキュレータ84と、位相変調器85と、EDFA86と、バンドパスフィルタ87と、第二高調波発生用の二次非線形光学素子88と、固定遅延線89と、PZT圧電素子を用いた光ファイバ伸縮器90と、光パラメトリック増幅用の二次非線形光学素子91と、分波器92と、バンドパスフィルタ93と、光検出器94と、制御手段となるPLL回路95とを備えている。分波器92とバンドパスフィルタ93と光検出器94とは、二次非線形光学素子91から出力される増幅された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 phase sensitive optical amplifier 8 which is an optical amplifying device includes a demultiplexer 80, a band pass filter 81, a variable optical attenuator 82, a local light source 83, a circulator 84 serving as a phase synchronization means, and a phase modulator 85. An EDFA 86, a bandpass filter 87, a second-order nonlinear optical element 88 for generating a second harmonic, a fixed delay line 89, an optical fiber stretcher 90 using a PZT piezoelectric element, and an optical parametric amplification A second-order nonlinear optical element 91, a duplexer 92, a bandpass filter 93, a photodetector 94, and a PLL circuit 95 serving as control means are provided. The duplexer 92, the bandpass filter 93, and the photodetector 94 constitute detection means for taking out part of the amplified light output from the second-order nonlinear optical element 91 and converting it into an electrical signal.

図1は、送信器5から光ファイバ6を介して伝送された光信号を、中継器の位相感応光増幅器8により増幅した後、増幅した光信号を後段の光ファイバ9へ出力するための構成を示している。この例では、1つの中継増幅器の構成を示しているが、図1の位相感応光増幅器8を用いた中継増幅器を多段に接続して用いることが可能である。   FIG. 1 shows a configuration for amplifying an optical signal transmitted from a transmitter 5 through an optical fiber 6 by a phase sensitive optical amplifier 8 of a repeater, and then outputting the amplified optical signal to an optical fiber 9 in the subsequent stage. Is shown. In this example, the configuration of one relay amplifier is shown, but a relay amplifier using the phase sensitive optical amplifier 8 of FIG. 1 can be connected in multiple stages.

以下、本実施の形態の光伝送システムの動作を説明する。送信器5のAWG50は、データ変調の施された複数の信号光を合波する。波長可変光源51は、DFG過程に用いる励起光生成のための波長1550nmの連続波(CW)の基本波光を発生する。EDFA56は、波長可変光源51から出力された基本波光を3W程度の光パワーまで増幅する。バンドパスフィルタ57は、EDFA56によって発生したノイズ光(自然放出光)を除去し、基本波光のみを透過させる。   The operation of the optical transmission system according to this embodiment will be described below. The AWG 50 of the transmitter 5 combines a plurality of signal lights subjected to data modulation. The wavelength tunable light source 51 generates continuous wave (CW) fundamental light having a wavelength of 1550 nm for generating excitation light used in the DFG process. The EDFA 56 amplifies the fundamental light output from the wavelength variable light source 51 to an optical power of about 3W. The band pass filter 57 removes noise light (spontaneously emitted light) generated by the EDFA 56 and transmits only the fundamental light.

二次非線形光学素子58は、空間光学系580と、PPLN導波路581と、空間光学系582と、ダイクロイックミラー583とを備える。空間光学系580は、バンドパスフィルタ57から出力された基本波光をPPLN導波路581に結合する。基本波光がPPLN導波路581に入射すると、PPLN導波路581により基本波光の半分の波長の第二高調波光が発生する。空間光学系582は、PPLN導波路581から出力された光をダイクロイックミラー583を介して二次非線形光学素子58の出力ポートに結合する。このとき、ダイクロイックミラー583により基本波光と第二高調波光とが分離され、第二高調波光が励起光504として二次非線形光学素子59に入射する。   The second-order nonlinear optical element 58 includes a spatial optical system 580, a PPLN waveguide 581, a spatial optical system 582, and a dichroic mirror 583. The spatial optical system 580 couples the fundamental light output from the bandpass filter 57 to the PPLN waveguide 581. When the fundamental light enters the PPLN waveguide 581, second harmonic light having a wavelength half that of the fundamental light is generated by the PPLN waveguide 581. The spatial optical system 582 couples the light output from the PPLN waveguide 581 to the output port of the second-order nonlinear optical element 58 via the dichroic mirror 583. At this time, the fundamental wave light and the second harmonic light are separated by the dichroic mirror 583, and the second harmonic light enters the second-order nonlinear optical element 59 as the excitation light 504.

ここで、本実施の形態で用いたPPLN導波路581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 PPLN waveguide 581 used in this embodiment will be described below. First, a periodic electrode having a period of about 17 μm was formed on LiNbO 3 to which Zn was added. Next, a polarization inversion grating corresponding to the above electrode pattern was formed in Zn: LiNbO 3 by an electric field application method. Next, the Zn: LiNbO 3 substrate having this periodic domain-inverted structure was directly bonded onto the LiTaO 3 serving as the cladding, and heat treatment was performed at 500 ° C. to firmly bond both substrates.

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。この導波路はペルチェ素子により温調が可能であり、導波路の長さは、50mmとした。このようにして形成したPPLN導波路581を有する二次非線形光学素子58を、1.5μm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. This waveguide can be temperature-controlled by a Peltier element, and the length of the waveguide is 50 mm. The second-order nonlinear optical element 58 having the PPLN waveguide 581 formed as described above has a module structure capable of inputting and outputting light using a 1.5 μm band polarization maintaining fiber.

ここでは、PPLN導波路581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)3(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。なお、二次非線形光学素子59,88,91を構成する後述のPPLN導波路についても、PPLN導波路581と同様に作製することができる。 Here, LiNbO 3 doped with Zn is used as the material of the PPLN waveguide 581, but other nonlinear materials such as KNbO 3 , LiTaO 3 , LiNb x Ta (1-x) O 3 (0 ≦ x ≦ 1) or KTiOPO 4 may be used, and at least one selected from the group consisting of Mg, Zn, Sc, and In may be added thereto as an additive. Note that a PPLN waveguide, which will be described later, constituting the second-order nonlinear optical elements 59, 88, 91 can also be manufactured in the same manner as the PPLN waveguide 581.

一方、送信器5の分波器52は、波長可変光源52から出力された基本波光の一部を分岐させる。分波器52によって分岐された基本波光がパイロットトーン503となる。信号光との位相同期のため、位相変調器53は、分波器52から出力されたパイロットトーン503に所定の位相変調を施す。合波器55は、AWG50から出力された信号光群501と位相変調器53から出力されたパイロットトーン503光とを合波する。   On the other hand, the demultiplexer 52 of the transmitter 5 branches a part of the fundamental light output from the wavelength variable light source 52. The fundamental light branched by the demultiplexer 52 becomes a pilot tone 503. In order to synchronize the phase with the signal light, the phase modulator 53 performs predetermined phase modulation on the pilot tone 503 output from the duplexer 52. The multiplexer 55 multiplexes the signal light group 501 output from the AWG 50 and the pilot tone 503 light output from the phase modulator 53.

二次非線形光学素子59は、空間光学系590と、ダイクロイックミラー591と、PPLN導波路592と、空間光学系593と、ダイクロイックミラー594とを備える。空間光学系590は、合波器55から出力された光(信号光群501とパイロットトーン503との合波光)と二次非線形光学素子58から出力された励起光504とをダイクロイックミラー591を介してPPLN導波路592に結合する。PPLN導波路592により励起光504と信号光群501との差周波光であるアイドラ光群を発生させる。   The second-order nonlinear optical element 59 includes a spatial optical system 590, a dichroic mirror 591, a PPLN waveguide 592, a spatial optical system 593, and a dichroic mirror 594. The spatial optical system 590 transmits the light output from the multiplexer 55 (the combined light of the signal light group 501 and the pilot tone 503) and the excitation light 504 output from the secondary nonlinear optical element 58 via the dichroic mirror 591. To the PPLN waveguide 592. An idler light group that is a difference frequency light between the excitation light 504 and the signal light group 501 is generated by the PPLN waveguide 592.

空間光学系593は、PPLN導波路592からの光をダイクロイックミラー594を介して二次非線形光学素子59の出力ポートに結合する。このとき、ダイクロイックミラー594により信号光群501、アイドラ光群およびパイロットトーン503と励起光504とが分離され、信号光群501、アイドラ光群およびパイロットトーン503が二次非線形光学素子59から分波器60および波長選択型光スイッチ64へ出力される。   The spatial optical system 593 couples light from the PPLN waveguide 592 to the output port of the second-order nonlinear optical element 59 via the dichroic mirror 594. At this time, the signal light group 501, the idler light group and pilot tone 503 and the excitation light 504 are separated by the dichroic mirror 594, and the signal light group 501, idler light group and pilot tone 503 are demultiplexed from the second-order nonlinear optical element 59. Is output to the optical device 60 and the wavelength selective optical switch 64.

波長選択型光スイッチ64は、信号光群501とアイドラ光群とパイロットトーン503の波長毎に異なる強度を揃えて出力する。図2(A)に送信器5から出力される信号500のスペクトルを示す。なお、図2(A)〜図2(D)の縦軸は光強度、横軸は波長である。図2(A)の502はアイドラ光群である。このように信号光群501とアイドラ光群502とは、パイロットトーン503の波長を中心波長として短波長側と長波長側に対称的に配置される。   The wavelength selective optical switch 64 outputs the signal light group 501, idler light group, and pilot tone 503 with different intensities for each wavelength. FIG. 2A shows the spectrum of the signal 500 output from the transmitter 5. 2A to 2D, the vertical axis represents light intensity, and the horizontal axis represents wavelength. Reference numeral 502 in FIG. 2A denotes an idler light group. Thus, the signal light group 501 and the idler light group 502 are symmetrically arranged on the short wavelength side and the long wavelength side with the wavelength of the pilot tone 503 as the center wavelength.

本実施の形態では、パイロットトーン503の波長は、1550nmである。送信器5において、データ変調された信号光群501は、1550nmよりも短波側に等間隔に配置されている。上記のとおり、波長可変光源51を用いて、DFG過程に用いる励起光生成のための波長1550nmの基本波光を発生させた。この基本波光の一部が分波器52によりパイロットトーン503として取り出され、合波器55によって信号光群501と合波される。EDFA56によって3Wまで増幅した基本波光を二次非線形光学素子58に入力することにより、1550nmの2倍波である775nmの波長を持つ励起光504を生成した。3Wの基本波光により、1Wの励起光強度が得られた。   In the present embodiment, the wavelength of pilot tone 503 is 1550 nm. In the transmitter 5, the data-modulated signal light groups 501 are arranged at equal intervals on the short wave side from 1550 nm. As described above, the wavelength tunable light source 51 was used to generate fundamental light having a wavelength of 1550 nm for generating excitation light used in the DFG process. A part of the fundamental light is extracted as a pilot tone 503 by the demultiplexer 52 and is combined with the signal light group 501 by the multiplexer 55. By inputting the fundamental wave light amplified to 3 W by the EDFA 56 to the second-order nonlinear optical element 58, the excitation light 504 having a wavelength of 775 nm, which is a second harmonic of 1550 nm, was generated. An excitation light intensity of 1 W was obtained by 3 W fundamental wave light.

この励起光504とパイロットトーン503を含む信号光群501とを二次非線形光学素子59に入力することにより、中心波長1550nmを中心に信号光群501と対称な位置にアイドラ光群502を発生させた(図2(A))。本実施の形態の伝送帯域は、C帯1535nmから1565nmである。つまり、中心波長1550nmを中心に±15nmの帯域に密に変調光信号を配置した。   By inputting the excitation light 504 and the signal light group 501 including the pilot tone 503 to the second-order nonlinear optical element 59, an idler light group 502 is generated at a position symmetrical to the signal light group 501 with a center wavelength of 1550 nm as the center. (FIG. 2A). The transmission band of the present embodiment is C band 1535 nm to 1565 nm. That is, the modulated optical signal is densely arranged in a band of ± 15 nm with the center wavelength of 1550 nm as the center.

このとき、パイロットトーン503のみは波長が中心波長1550nmと一致するため、二次非線形光学素子59によって発生するアイドラ光の波長もパイロットトーン503と同一となる。すなわち、二次非線形光学素子59において励起光504と信号光群501との差周波光は非縮退パラメトリック過程により発生するものの、パイロットトーン503については縮退パラメトリック過程が引き起こされる。縮退パラメトリック過程の場合、パイロットトーン503とそのアイドラ光とがコヒーレントに干渉するために、これらの位相関係により光強度が変動してしまう。このため、基準位相となる励起光504とパイロットトーン(基本波光)503との位相が合うように、送信器5では常に位相同期をかけている。   At this time, since only the pilot tone 503 has the same wavelength as the center wavelength 1550 nm, the wavelength of idler light generated by the second-order nonlinear optical element 59 is also the same as that of the pilot tone 503. That is, although the difference frequency light between the excitation light 504 and the signal light group 501 is generated by the non-degenerate parametric process in the second-order nonlinear optical element 59, the degenerate parametric process is caused for the pilot tone 503. In the degenerate parametric process, the pilot tone 503 and its idler light interfere coherently, so that the light intensity fluctuates due to the phase relationship between them. For this reason, the transmitter 5 is always phase-synchronized so that the phases of the excitation light 504 and the pilot tone (fundamental wave light) 503 as the reference phase are matched.

本来、パイロットトーン503を二次非線形光学素子59の後段で信号光群501と合波させるようにすれば、縮退パラメトリック過程が発生することもないため、励起光504とパイロットトーン503の位相同期をかける必要もない。しかしながら、位相感応光増幅器8で信号光群501とパイロットトーン503の一括位相感応増幅を実現するためには、送信器5でのパイロットトーン503と励起光504との位相同期が必要になる。この理由を以下に述べる。   Originally, if the pilot tone 503 is combined with the signal light group 501 after the second-order nonlinear optical element 59, a degenerate parametric process does not occur. Therefore, the phase synchronization between the excitation light 504 and the pilot tone 503 is achieved. There is no need to call. However, in order to realize the collective phase sensitive amplification of the signal light group 501 and the pilot tone 503 by the phase sensitive optical amplifier 8, the phase synchronization of the pilot tone 503 and the pump light 504 in the transmitter 5 is necessary. The reason for this will be described below.

非縮退位相感応増幅を実現するために、送信器5では信号光群501の対となるアイドラ光群502をDFG過程により一括生成している。このため、信号光とこれに対応するアイドラ光の全ての対において、その基準位相はDFG過程で用いた励起光504の位相と一致している。このようにして生成された信号光群501およびアイドラ光群502の基準位相に、位相感応光増幅器8において使用する励起光の位相を同期させることができれば、全波長一括の位相感応増幅が実現できる。   In order to realize non-degenerate phase-sensitive amplification, the transmitter 5 collectively generates idler light groups 502 to be paired with signal light groups 501 by the DFG process. For this reason, the reference phase of all pairs of the signal light and the corresponding idler light coincides with the phase of the excitation light 504 used in the DFG process. If the phase of the pumping light used in the phase sensitive optical amplifier 8 can be synchronized with the reference phases of the signal light group 501 and the idler light group 502 generated in this way, phase sensitive amplification for all wavelengths can be realized. .

しかしながら、パイロットトーン503も信号光群501と同時に一括して位相感応増幅するためには、パイロットトーン503自身の位相が基準位相に同期していなくてはならない。送信器5において、二次非線形光学素子59の後段でパイロットトーン503と信号光群501およびアイドラ光群502とを合波させた場合、パイロットトーン503は、DFG過程で利用される基本波光と光源が同じであるものの、伝搬経路が異なるため、その位相が信号光群501およびアイドラ光群502の基準位相とずれてしまう。   However, in order for the pilot tone 503 to simultaneously perform phase sensitive amplification simultaneously with the signal light group 501, the phase of the pilot tone 503 itself must be synchronized with the reference phase. In the transmitter 5, when the pilot tone 503, the signal light group 501, and the idler light group 502 are combined after the second-order nonlinear optical element 59, the pilot tone 503 uses the fundamental light and the light source used in the DFG process. However, since the propagation paths are different, the phases thereof are shifted from the reference phases of the signal light group 501 and the idler light group 502.

パイロットトーン503の位相と基準位相とがずれている場合、位相感応光増幅器8において信号光群501とパイロットトーン503とを一括して位相感応増幅することができず、基準位相からの位相ずれに応じて縮退パラメトリック利得に変動が伴ってしまう。この利得変動はパイロットトーン503の強度雑音となってしまうために、S/Nの良いパイロットトーン503の伝送ができない。パイロットトーン503の位相を基準位相に同期させることができれば、縮退パラメトリック増幅されたパイロットトーン503の出力光は常に最大の位相感応利得を受けることができる。このような理由から、S/Nの高いパイロットトーン503の伝送のためには、送信器5において信号光群501およびアイドラ光群502の基準位相と同期したパイロットトーン503を生成することが必要となる。   When the phase of the pilot tone 503 is out of phase with the reference phase, the phase sensitive optical amplifier 8 cannot collectively amplify the phase of the signal light group 501 and the pilot tone 503, resulting in a phase shift from the reference phase. Accordingly, the degenerate parametric gain varies. Since this gain fluctuation becomes intensity noise of the pilot tone 503, the pilot tone 503 having a good S / N cannot be transmitted. If the phase of pilot tone 503 can be synchronized with the reference phase, the output light of degenerate parametric amplified pilot tone 503 can always receive the maximum phase sensitive gain. For this reason, in order to transmit the pilot tone 503 having a high S / N, it is necessary to generate the pilot tone 503 synchronized with the reference phase of the signal light group 501 and the idler light group 502 in the transmitter 5. Become.

そのため本実施の形態では、二次非線形光学素子59において、信号光群501はDFG過程となり、パイロットトーン503のみ縮退パラメトリック過程となる構成をとり、縮退パラメトリック増幅されたパイロットトーン503が最大出力となるように励起光504の基準位相にパイロットトーン503を位相同期させている。これにより、信号光群501およびアイドラ光群502とパイロットトーン503の全波長が位相同期した状態をつくることができる。   Therefore, in the present embodiment, in the second-order nonlinear optical element 59, the signal light group 501 is a DFG process, and only the pilot tone 503 is a degenerate parametric process, and the degenerate parametric amplified pilot tone 503 has a maximum output. Thus, the phase of the pilot tone 503 is synchronized with the reference phase of the excitation light 504. As a result, it is possible to create a state in which all wavelengths of the signal light group 501, idler light group 502 and pilot tone 503 are phase-synchronized.

パイロットトーン503を基準位相に同期させるために、上記のとおり、位相変調器53を用いて微弱な信号により位相変調をパイロットトーン503に施した後、二次非線形光学素子59を通過した出力光の一部を分波器60により分岐させた。バンドパスフィルタ61は、分波器60の出力のうちパイロットトーンの波長の光のみを通過させて光検出器62に入射させる。光検出器62は、入射した光を電気信号に変換する。   In order to synchronize the pilot tone 503 with the reference phase, as described above, the phase modulator 53 is used to perform phase modulation on the pilot tone 503 with a weak signal, and then the output light that has passed through the second-order nonlinear optical element 59 A part was branched by the duplexer 60. The band-pass filter 61 allows only the light of the pilot tone wavelength out of the output of the duplexer 60 to pass through and enter the photodetector 62. The photodetector 62 converts the incident light into an electrical signal.

パイロットトーンの微弱な変調信号成分は、図5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、PLL回路63は、パイロットトーンの変調信号成分が最小、つまり光検出器62で検出される増幅出力信号が最大となるように光ファイバ伸縮器54にフィードバックを行う。光ファイバ伸縮器54は、パイロットトーン503が伝搬する光ファイバを、PLL回路63の出力に応じて伸縮させる。こうして、パイロットトーン503の位相を制御して、励起光504とパイロットトーン503との位相同期を達成することができる。   The weak modulation signal component of the pilot tone is minimum when the phase difference Δφ shown in FIG. 5 is minimum, that is, when phase synchronization is achieved. Therefore, the PLL circuit 63 provides feedback to the optical fiber expander 54 so that the modulation signal component of the pilot tone is minimized, that is, the amplified output signal detected by the photodetector 62 is maximized. The optical fiber expander 54 expands and contracts the optical fiber through which the pilot tone 503 propagates according to the output of the PLL circuit 63. In this way, the phase of the pilot tone 503 can be controlled to achieve phase synchronization between the excitation light 504 and the pilot tone 503.

光ファイバ6を伝搬した信号光群501、アイドラ光群502およびパイロットトーン503は、分散・偏波補償器7により光ファイバ6内の分散および偏波が補償された後、位相感応光増幅器8へと入力される。分波器80は、入力された光の一部を分岐させる。バンドパスフィルタ81は、分波器80の出力光からパイロットトーンの波長の光のみを取り出す。図1、図2(B)の505はバンドパスフィルタ81によって取り出されたパイロットトーンを示す。   The signal light group 501, idler light group 502, and pilot tone 503 propagated through the optical fiber 6 are compensated for dispersion and polarization in the optical fiber 6 by the dispersion / polarization compensator 7, and then to the phase sensitive optical amplifier 8. Is entered. The duplexer 80 branches a part of the input light. The band pass filter 81 extracts only light having a pilot tone wavelength from the output light of the duplexer 80. Reference numeral 505 in FIGS. 1 and 2B denotes a pilot tone extracted by the band pass filter 81.

可変光減衰器82は、パイロットトーン505の光強度を調整する。なお、可変光減衰器82の代わりに光増幅器を用いてもよい。光強度が調整されたパイロットトーン505をサーキュレータ84を通して局発光源83に光注入同期する。局発光源83は半導体レーザからなる。局発光の波長は1550nmである。光注入同期により、送信器5のパイロットトーン503と同一波長、同一の位相情報を持つ局発光を生成した。図1、図2(C)の506は局発光を示す。   The variable optical attenuator 82 adjusts the light intensity of the pilot tone 505. An optical amplifier may be used instead of the variable optical attenuator 82. The pilot tone 505 having the adjusted light intensity is synchronized with the local light source 83 through the circulator 84. The local light source 83 is composed of a semiconductor laser. The wavelength of local light is 1550 nm. The local light having the same wavelength and the same phase information as the pilot tone 503 of the transmitter 5 was generated by the light injection locking. 506 in FIGS. 1 and 2C indicates local light emission.

信号光群501およびアイドラ光群502との位相同期のため、位相変調器85は、局発光506に所定の位相変調を施す。EDFA86は、位相変調器85から出力された局発光506を5W程度の光パワーまで増幅する。バンドパスフィルタ87は、EDFA86によって発生したノイズ光(自然放出光)を除去し、局発光506のみを透過させる。   In order to synchronize the phase between the signal light group 501 and the idler light group 502, the phase modulator 85 performs predetermined phase modulation on the local light 506. The EDFA 86 amplifies the local light 506 output from the phase modulator 85 to an optical power of about 5 W. The band pass filter 87 removes noise light (spontaneously emitted light) generated by the EDFA 86 and transmits only the local light 506.

二次非線形光学素子88は、空間光学系880と、PPLN導波路881と、空間光学系882と、ダイクロイックミラー883とを備える。空間光学系880は、バンドパスフィルタ87から出力された局発光506をPPLN導波路881に結合する。局発光506がPPLN導波路881に入射すると、PPLN導波路881により局発光506の半分の波長の第二高調波光が発生する。   The second-order nonlinear optical element 88 includes a spatial optical system 880, a PPLN waveguide 881, a spatial optical system 882, and a dichroic mirror 883. The spatial optical system 880 couples the local light 506 output from the bandpass filter 87 to the PPLN waveguide 881. When the local light 506 enters the PPLN waveguide 881, the PPLN waveguide 881 generates second harmonic light having a half wavelength of the local light 506.

空間光学系882は、PPLN導波路881から出力された光をダイクロイックミラー883を介して二次非線形光学素子88の出力ポートに結合する。このとき、ダイクロイックミラー883により局発光と第二高調波光とが分離され、第二高調波光が励起光507として二次非線形光学素子91に入射する。本実施の形態では、PPLN導波路881により、1550nmの2倍波である775nmの波長を持つ励起光507を生成した。5Wの局発光506により、2Wの励起光強度が得られた。   The spatial optical system 882 couples the light output from the PPLN waveguide 881 to the output port of the second-order nonlinear optical element 88 via the dichroic mirror 883. At this time, local light and second harmonic light are separated by the dichroic mirror 883, and the second harmonic light is incident on the second-order nonlinear optical element 91 as excitation light 507. In the present embodiment, the PPLN waveguide 881 generates excitation light 507 having a wavelength of 775 nm, which is a double wave of 1550 nm. An excitation light intensity of 2 W was obtained by local light 506 of 5 W.

次に、固定遅延線89は、励起光507との遅延時間調整のため、分波器80を透過した信号光群501とアイドラ光群502とパイロットトーン503とを所定の時間だけ遅延させる。固定遅延線89を通過した信号光群501とアイドラ光群502とパイロットトーン503とは、二次非線形光学素子91に入射する。   Next, the fixed delay line 89 delays the signal light group 501, the idler light group 502 and the pilot tone 503 transmitted through the duplexer 80 by a predetermined time in order to adjust the delay time with respect to the excitation light 507. The signal light group 501, idler light group 502, and pilot tone 503 that have passed through the fixed delay line 89 are incident on the second-order nonlinear optical element 91.

二次非線形光学素子91は、空間光学系910と、ダイクロイックミラー911と、PPLN導波路912と、空間光学系913と、ダイクロイックミラー914とを備える。空間光学系910は、固定遅延線89を通過した信号光群501とアイドラ光群502とパイロットトーン503と、二次非線形光学素子88から出力された励起光507とをダイクロイックミラー911を介してPPLN導波路912に結合する。   The second-order nonlinear optical element 91 includes a spatial optical system 910, a dichroic mirror 911, a PPLN waveguide 912, a spatial optical system 913, and a dichroic mirror 914. The spatial optical system 910 passes the signal light group 501, idler light group 502, pilot tone 503, and excitation light 507 output from the second-order nonlinear optical element 88 through the fixed delay line 89 through the dichroic mirror 911 to PPLN. Coupled to waveguide 912.

PPLN導波路912は、パラメトリック増幅効果により、信号光群501とアイドラ光群502とパイロットトーン503とを一括して位相感応増幅する。このとき、PPLN導波路912内では、信号光群501およびアイドラ光群502には非縮退パラメトリック過程、パイロットトーン503には縮退パラメトリック過程が引き起こされる。   The PPLN waveguide 912 collectively amplifies the phase of the signal light group 501, idler light group 502, and pilot tone 503 by a parametric amplification effect. At this time, in the PPLN waveguide 912, a non-degenerate parametric process is caused in the signal light group 501 and the idler light group 502, and a degenerate parametric process is caused in the pilot tone 503.

送信器5内での位相制御によりパイロットトーン503は送信器5の励起光504の基準位相(基本波光の位相)と同期し、またサーキュレータ84による光注入同期により励起光507も励起光504(パイロットトーン503)の基準位相と同期しており、分波器80を透過した信号光群501とアイドラ光群502とパイロットトーン503の位相を、PPLN導波路912内において励起光507と同期するように制御するので、全波長一括の位相感応増幅を実現することができる。   The pilot tone 503 is synchronized with the reference phase (phase of the fundamental wave light) of the pumping light 504 of the transmitter 5 by the phase control in the transmitter 5, and the pumping light 507 is also pumped by the pumping light 504 (pilot) by the light injection synchronization by the circulator 84. The phase of the signal light group 501, idler light group 502, and pilot tone 503 transmitted through the duplexer 80 is synchronized with the excitation light 507 in the PPLN waveguide 912. Since the control is performed, it is possible to realize phase-sensitive amplification for all wavelengths at once.

信号光群501とアイドラ光群502とパイロットトーン503とを励起光507に同期させるために、上記のとおり、位相変調器85を用いて微弱な信号により位相変調を局発光506に施している。分波器92は、二次非線形光学素子91を通過した出力光の一部を分岐させる。バンドパスフィルタ93は、分波器92の出力のうちパイロットトーンの波長の光のみを通過させて光検出器94に入射させる。光検出器94は、入射した光を電気信号に変換する。   In order to synchronize the signal light group 501, idler light group 502, and pilot tone 503 with the excitation light 507, as described above, phase modulation is applied to the local light 506 using the phase modulator 85 with a weak signal. The demultiplexer 92 branches a part of the output light that has passed through the second-order nonlinear optical element 91. The band-pass filter 93 allows only the light of the pilot tone wavelength out of the output of the duplexer 92 to pass through and enter the photodetector 94. The photodetector 94 converts the incident light into an electrical signal.

二次非線形光学素子91のダイクロイックミラー911により、信号光群501とアイドラ光群502とパイロットトーン503と励起光507とを合波することにより、局発光506の微弱な変調信号成分は、パイロットトーン503に重畳する。光検出器94の出力に現れる、パイロットトーンの微弱な変調信号成分は、図5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。   By combining the signal light group 501, idler light group 502, pilot tone 503, and excitation light 507 by the dichroic mirror 911 of the second-order nonlinear optical element 91, the weak modulated signal component of the local light 506 is converted into the pilot tone. 503 is superimposed. The weak modulated signal component of the pilot tone that appears at the output of the photodetector 94 becomes minimum when the phase difference Δφ shown in FIG. 5 is minimum, that is, when phase synchronization is achieved.

PLL回路95は、パイロットトーンの変調信号成分が最小、つまり光検出器94で検出される増幅出力信号が最大となるように光ファイバ伸縮器90にフィードバックを行う。光ファイバ伸縮器90は、信号光群501とアイドラ光群502とパイロットトーン503とが伝搬する光ファイバを、PLL回路95の出力に応じて伸縮させる。こうして、信号光群501とアイドラ光群502とパイロットトーン503の位相を制御することにより、二次非線形光学素子91のPPLN導波路912内において信号光群501とアイドラ光群502とパイロットトーン503の位相と励起光507の位相とを同期させることができる。   The PLL circuit 95 provides feedback to the optical fiber expander 90 so that the modulation signal component of the pilot tone is minimum, that is, the amplified output signal detected by the photodetector 94 is maximum. The optical fiber expander 90 expands and contracts the optical fiber through which the signal light group 501, idler light group 502 and pilot tone 503 propagate according to the output of the PLL circuit 95. In this way, by controlling the phases of the signal light group 501, the idler light group 502 and the pilot tone 503, the signal light group 501, the idler light group 502 and the pilot tone 503 are within the PPLN waveguide 912 of the second-order nonlinear optical element 91. The phase and the phase of the excitation light 507 can be synchronized.

図2(D)は位相感応光増幅器8から出力される信号508のスペクトルを示している。509は増幅された信号光群、510は増幅されたアイドラ光群、511は増幅されたパイロットトーンである。   FIG. 2D shows the spectrum of the signal 508 output from the phase sensitive optical amplifier 8. 509 is an amplified signal light group, 510 is an amplified idler light group, and 511 is an amplified pilot tone.

なお、本実施の形態では、位相同期を実現するために、バンドパスフィルタ93でパイロットトーンのみを取り出しているが、これに限るものではなく、信号光群のうちの1波長の光、またはアイドラ光群のうちの1波長の光を取り出すようにしても、全波長一括の位相感応増幅は可能である。   In the present embodiment, in order to realize phase synchronization, only the pilot tone is extracted by the bandpass filter 93, but the present invention is not limited to this, and light of one wavelength in the signal light group or idler Even if light of one wavelength in the light group is extracted, phase sensitive amplification of all wavelengths can be performed.

また、本実施の形態では、二次非線形光学素子であるPPLN導波路をパラメトリック増幅媒質として用いたが、高非線形ファイバや半導体レーザーなどの3次の非線形光学素子を用いてもよい。その場合、局発光源より出力される局発光を、励起光507として用いて信号光のパラメトリック増幅動作を行えばよい。   In this embodiment, the PPLN waveguide, which is a second-order nonlinear optical element, is used as a parametric amplification medium. However, a third-order nonlinear optical element such as a highly nonlinear fiber or a semiconductor laser may be used. In that case, the local light output from the local light source may be used as the excitation light 507 to perform a parametric amplification operation of the signal light.

また、本実施の形態では、パイロットトーンと局発光の位相同期に光注入同期を用いたが、その他の方法を用いてもよい。例えば、コスタスループに代表される高速な電気信号のフィードバックを局発光源に帰還することで位相同期を行ってもよい。   In this embodiment, light injection locking is used for phase synchronization of pilot tone and local light, but other methods may be used. For example, phase synchronization may be performed by feeding back a high-speed electric signal represented by a Costas loop to a local light source.

また、本実施の形態では、光増幅後に、後段の光ファイバ9へ中継伝送する構成が示されているが、増幅後に受信器等に入力してもよい。つまり、二次非線形光学素子91により増幅した後の出力光をそれぞれ受信器に入力することで、本実施の形態の位相感応光増幅器8を受信器前段のプリアンプとして用いることもできる。   Further, in the present embodiment, a configuration in which relay transmission is performed to the optical fiber 9 at the subsequent stage after optical amplification is shown, but it may be input to a receiver or the like after amplification. In other words, the output light after being amplified by the second-order nonlinear optical element 91 is input to the receiver, so that the phase sensitive optical amplifier 8 of the present embodiment can be used as a preamplifier in front of the receiver.

また、本実施の形態では、パイロットトーン503の波長を中心波長として信号光群501を短波長側に配置し、アイドラ光群502を長波長側に配置しているが、信号光群501を長波長側に配置し、アイドラ光群502を短波長側に配置してもよい。   In this embodiment, the signal light group 501 is arranged on the short wavelength side and the idler light group 502 is arranged on the long wavelength side with the wavelength of the pilot tone 503 as the center wavelength, but the signal light group 501 is long. It may be arranged on the wavelength side, and the idler light group 502 may be arranged on the short wavelength side.

本実施の形態の効果について述べる。本実施の形態は、信号光群およびアイドラ光群と一括で位相感応増幅が可能なパイロットトーンを生成することを特徴とした位相感応光増幅器の構成を提供するものであり、WDMフィルタなどでパイロットトーンを取り出す従来の構成と異なるため、従来手法では課題となっていた残留パイロットトーンによる干渉がなく、励起光として用いるパイロットトーンのS/N劣化を抑えることが可能である。従来方法に比べて中継段数が増えてもS/Nの高い局発光を生成できるため、低雑音性に優れる位相感応光増幅器を多段の中継増幅器として適用できる。また、位相感応増幅の励起光生成時にWDMフィルタによるパイロットトーンの切り出しを必要としないため、中心波長近傍に不要なガードバンドを設ける必要がない。これにより、帯域の利用効率を向上させることができる。   The effect of this embodiment will be described. The present embodiment provides a configuration of a phase sensitive optical amplifier characterized by generating a pilot tone capable of performing phase sensitive amplification together with a signal light group and an idler light group. Since this is different from the conventional configuration for extracting the tone, there is no interference due to the residual pilot tone, which is a problem in the conventional method, and it is possible to suppress the S / N deterioration of the pilot tone used as the excitation light. Since local light with a high S / N can be generated even when the number of relay stages is increased as compared with the conventional method, a phase sensitive optical amplifier excellent in low noise can be applied as a multistage relay amplifier. Further, since it is not necessary to cut out a pilot tone by a WDM filter when generating pumping light for phase sensitive amplification, it is not necessary to provide an unnecessary guard band near the center wavelength. Thereby, the utilization efficiency of a band can be improved.

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.

5…送信器、6,9…光ファイバ、7…分散・偏波補償器、8…位相感応光増幅器、50…アレイ導波路グレーティング、51…波長可変光源、52,60,80,92…分波器、53,85…位相変調器、54,90…光ファイバ伸縮器、55…合波器、56,86…エルビウム添加ファイバレーザ増幅器、57,61,81,87,93…バンドパスフィルタ、58,59,88,91…二次非線形光学素子、62…光検出器、63,95…PLL回路、64…波長選択型光スイッチ、82…可変光減衰器、83…局発光源、84…サーキュレータ、89…固定遅延線、94…光検出器、580,582,590,593,880,882,910,913…空間光学系、581,592,881,912…PPLN導波路、583,591,594,883,911,914…ダイクロイックミラー。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 ... Transmitter, 6 and 9 ... Optical fiber, 7 ... Dispersion and polarization compensator, 8 ... Phase sensitive optical amplifier, 50 ... Array waveguide grating, 51 ... Wavelength variable light source, 52, 60, 80, 92 ... minute 55, 85 ... phase modulator, 54, 90 ... optical fiber expander, 55 ... multiplexer, 56, 86 ... erbium-doped fiber laser amplifier, 57, 61, 81, 87, 93 ... band pass filter, 58, 59, 88, 91 ... second-order nonlinear optical element, 62 ... photodetector, 63, 95 ... PLL circuit, 64 ... wavelength selective optical switch, 82 ... variable optical attenuator, 83 ... local light source, 84 ... Circulator 89 ... Fixed delay line 94 ... Photo detector 580, 582, 590, 593, 880, 882, 910, 913 ... Spatial optical system, 581, 592, 881, 912 ... PPLN waveguide, 583, 5 1,594,883,911,914 ... dichroic mirror.

Claims (8)

パイロットトーンとこのパイロットトーンの波長を中心波長として短波長側と長波長側に対称的に離調された信号光群とアイドラ光群とを含む光を入力とし、これら信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンの一部を分岐させる第1の分波器と、
この第1の分波器の出力光から前記パイロットトーンの波長の光のみを取り出すバンドパスフィルタと、
局発光を出力する局発光源と、
前記局発光の位相を前記バンドパスフィルタによって取り出されたパイロットトーンの位相と同期させる第1の位相同期手段と、
前記パイロットトーンの位相と同期した局発光を入力とし、この局発光の第二高調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第二高調波光を励起光として、外部から入力された前記信号光群およびアイドラ光群の非縮退パラメトリック増幅を行い、かつ前記信号光群およびアイドラ光群と共に外部から入力された前記パイロットトーンの縮退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、
外部から入力された前記信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンの位相を制御することにより、前記信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンの位相と、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第2の位相同期手段とを備えることを特徴とする光増幅装置。
The light including the pilot tone and the signal light group and the idler light group symmetrically detuned to the short wavelength side and the long wavelength side with the pilot tone wavelength as the center wavelength is input, and the signal light group and the idler light group are input. And a first duplexer for branching a part of the pilot tone,
A bandpass filter for extracting only light of the wavelength of the pilot tone from the output light of the first duplexer;
A local light source that outputs the local light,
First phase synchronization means for synchronizing the phase of the local light with the phase of the pilot tone extracted by the bandpass filter;
A first second-order nonlinear optical element including a first optical waveguide for receiving local light synchronized with the phase of the pilot tone and generating second harmonic light of the local light;
The second harmonic light output from the first second-order nonlinear optical element is used as excitation light to perform non-degenerate parametric amplification of the signal light group and idler light group input from the outside, and the signal light group and idler A second second-order nonlinear optical element including a second optical waveguide for performing degenerate parametric amplification of the pilot tone input from the outside together with a light group;
By controlling the phase of the signal light group, idler light group, and pilot tone input from the outside, the phase of the signal light group, idler light group, pilot tone, and phase of the excitation light are changed to the second phase. An optical amplifying device comprising: second phase synchronization means for synchronizing in the optical waveguide.
請求項1記載の光増幅装置において、
前記第1、第2の光導波路は、LiNbO3、KNbO3、LiTaO3、LiNbxTa(1-x)3(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。
The optical amplification device according to claim 1,
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.
請求項1または2記載の光増幅装置において、
前記局発光源は、半導体レーザであり、
前記第1の位相同期手段は、前記バンドパスフィルタによって取り出されたパイロットトーンを前記半導体レーザに光注入同期することにより、前記局発光の位相を前記パイロットトーンの位相と同期させることを特徴とする光増幅装置。
The optical amplification device according to claim 1 or 2,
The local light source is a semiconductor laser;
The first phase synchronization means synchronizes the phase of the local light with the phase of the pilot tone by performing light injection synchronization of the pilot tone extracted by the bandpass filter with the semiconductor laser. Optical amplification device.
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光増幅装置において、
前記第2の位相同期手段は、
前記第2の二次非線形光学素子に入射する前の信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンとが伝搬する光ファイバを機械的に伸縮させる第1の光ファイバ伸縮器と、
前記第2の二次非線形光学素子から出力される増幅された光の一部を取り出して電気信号に変換する第1の検出手段と、
この第1の検出手段の出力信号に基づいて、前記信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンの位相と、前記励起光の位相とが同期するように前記第1の光ファイバ伸縮器への制御信号を生成する第1の制御手段とを少なくとも含む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,
The second phase synchronization means includes
A first optical fiber expander that mechanically expands and contracts an optical fiber through which a signal light group, an idler light group, and a pilot tone that are not incident on the second second-order nonlinear optical element propagate;
First detection means for extracting a part of the amplified light output from the second second-order nonlinear optical element and converting it into an electrical signal;
Based on the output signal of the first detection means, the control to the first optical fiber expander is performed so that the phase of the signal light group, idler light group, pilot tone and the phase of the excitation light are synchronized. An optical amplifying apparatus comprising at least first control means for generating a signal.
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光増幅装置と、
前記信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンとを含む光を出力する送信器と、
前記送信器と前記光増幅装置とを接続する伝送ファイバとから構成され、
前記送信器は、
基本波光を出力する基本波光源と、
前記基本波光の一部を分岐させる第2の分波器と、
この第2の分波器の出力光をパイロットトーンとして信号光群と合波する合波器と、
前記基本波光源から出力された基本波光を入力とし、この基本波光の第二高調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第二高調波光を励起光として、この励起光と前記合波器から出力された信号光群との差周波光であるアイドラ光群を非縮退パラメトリック過程により発生させ、かつ前記合波器から出力されたパイロットトーンの縮退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、
この第4の二次非線形光学素子に入射する前のパイロットトーンの位相を制御することにより、このパイロットトーンの位相と前記基本波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第3の位相同期手段とを備えることを特徴とする光伝送システム。
An optical amplification device according to any one of claims 1 to 4,
A transmitter that outputs light including the signal light group, the idler light group, and a pilot tone;
A transmission fiber connecting the transmitter and the optical amplification device;
The transmitter is
A fundamental light source that outputs fundamental light;
A second duplexer for branching a part of the fundamental light;
A multiplexer that combines the output light of the second duplexer with the signal light group as a pilot tone;
A third second-order nonlinear optical element including a third optical waveguide for receiving the fundamental light output from the fundamental light source and generating second harmonic light of the fundamental light;
The second harmonic light output from the third second-order nonlinear optical element is used as excitation light, and the idler light group that is the difference frequency light between the excitation light and the signal light group output from the multiplexer is non-degenerate. A fourth second-order nonlinear optical element comprising a fourth optical waveguide for performing degenerate parametric amplification of a pilot tone generated by a parametric process and output from the multiplexer;
By controlling the phase of the pilot tone before entering the fourth second-order nonlinear optical element, a phase of the pilot tone and the phase of the fundamental light are synchronized in the fourth optical waveguide. An optical transmission system comprising phase synchronization means.
請求項5記載の光伝送システムにおいて、
前記光増幅装置が多段に接続されたことを特徴とする光伝送システム。
The optical transmission system according to claim 5, wherein
An optical transmission system, wherein the optical amplifying devices are connected in multiple stages.
請求項5または6記載の光伝送システムにおいて、
前記第3、第4の光導波路は、LiNbO3、KNbO3、LiTaO3、LiNbxTa(1-x)3(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伝送システム。
The optical transmission system according to claim 5 or 6,
The third and fourth 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 transmission system 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.
請求項5乃至7のいずれか1項に記載の光伝送システムにおいて、
前記第3の位相同期手段は、
前記第4の二次非線形光学素子に入射する前のパイロットトーンが伝搬する光ファイバを機械的に伸縮させる第2の光ファイバ伸縮器と、
前記第4の二次非線形光学素子から出力された光の一部を取り出して電気信号に変換する第2の検出手段と、
この第2の検出手段の出力信号に基づいて、前記パイロットトーンの位相と前記基本波光の位相とが同期するように前記第2の光ファイバ伸縮器への制御信号を生成する第2の制御手段とを少なくとも含むことを特徴とする光伝送システム。
The optical transmission system according to any one of claims 5 to 7,
The third phase synchronization means includes
A second optical fiber expander that mechanically expands and contracts an optical fiber through which a pilot tone before entering the fourth second-order nonlinear optical element propagates;
Second detection means for extracting a part of the light output from the fourth second-order nonlinear optical element and converting it into an electrical signal;
Second control means for generating a control signal to the second optical fiber expander based on the output signal of the second detection means so that the phase of the pilot tone and the phase of the fundamental wave light are synchronized. An optical transmission system comprising at least:
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018205595A (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
JP2019002975A (en) * 2017-06-13 2019-01-10 日本電信電話株式会社 Light amplifier and transmission system using the same

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012098911A1 (en) * 2011-01-20 2012-07-26 日本電信電話株式会社 Optical amplifier device
JP2015161827A (en) * 2014-02-27 2015-09-07 日本電信電話株式会社 Optical amplification device

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012098911A1 (en) * 2011-01-20 2012-07-26 日本電信電話株式会社 Optical amplifier device
JP2015161827A (en) * 2014-02-27 2015-09-07 日本電信電話株式会社 Optical amplification device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018205595A (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
JP2019002975A (en) * 2017-06-13 2019-01-10 日本電信電話株式会社 Light amplifier and transmission system using the same

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