JP6220313B2 - 光信号増幅装置 - Google Patents

Description

本発明は、光信号増幅装置に関し、より詳細には、光通信システムや光計測システムにおいて用いられる光信号増幅装置に関する。

従来の光伝送システムでは、光ファイバを伝搬することにより減衰した信号を再生するために、光信号を電気信号に変換し、デ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課題があった。

この課題を解決する増幅手段として、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。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ので、識別再生光中継器で問題になっていた電気的な処理速度の制限が存在しない。加えて、機器構成も比較的単純であるという利点を有する。

しかし、これらのレーザ増幅器は、劣化した信号光パルス波形を整形する機能を有さない。また、これらのレーザ増幅器においては、不可避的かつランダムに発生する自然放出光が信号成分とは全く無関係に混入されるので、信号光のＳＮ比が増幅前後で少なくとも３ｄＢ低下する。これらは、デジタル信号伝送時における伝送符号誤り率の上昇につながり、伝送品質を低下させる要因になっている。

このような従来のレーザ増幅器の限界を打開する手段として、位相感応光増幅器（Ｐｈａｓｅ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＰＳＡ）が検討されている。この位相感応光増幅器は、伝送ファイバの分散の影響による劣化した信号光パルス波形を整形するための機能を有する。また、信号とは無関係の直交位相を持つ自然放出光を抑圧できるために、増幅前後で信号光のＳＮ比を劣化させず同一に保つことが原理的に可能である。

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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課題が存在する。

図１に、従来の位相感応光増幅器の基本的な構成を示す。この位相感応光増幅器１００は、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、２つの光カプラ１０４−１、１０４−２とから構成される。この光増幅器は、位相感応光増幅部１０１における信号光と励起光の位相が一致すると入力信号光１１０は増幅され、両者の位相が９０度ずれた直交位相関係になると、入力信号光１１０は減衰する特性を有する。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―信号光間の位相を一致させると、信号光と直交位相の自然放出光を発生させずに、つまりＳＮ比を劣化させずに信号光を増幅することができる。

信号光と励起光の位相同期を達成するために、光カプラ１０４−１で分岐された入力信号光１１０の位相に同期するように励起光１１１の位相を制御する。励起光位相制御部１０３は、光カプラ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において、信号光の位相と、励起光の位相とが同期するように制御され、ＳＮ比の劣化のない光増幅を実現することができる。

なお、励起光位相制御部１０３は、図１に示すような励起光源１０２の出力側で励起光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。

典型的な位相感応増幅部には２次もしくは３次の非線形光学効果を有する媒質が用いられる。従来、これらの位相感応増幅器は主に、光の量子状態を制御するスクィージング等の基礎研究分野で用いられてきた。初期の位相感応増幅器の研究では二次非線形光学結晶を用いた研究が報告されている。

２次の非線形光学効果を利用する場合は、光学結晶等を非線形媒質として用い、信号光の第２高調波に相当する波長を励起光として用い、励起光と信号光を非線形媒質に入射し、三光波混合を利用した縮退パラメトリック増幅（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＯＰＡ）を行うことにより位相感応増幅が達成される（非特許文献１参照）。

図２に、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例を示す。図２に示すように、従来の位相感応増幅器２００では、光通信に用いられる微弱なレーザ光２５０を光カプラ２０３−１で分岐し、一方を位相変調器２０５、ＰＺＴを用いたファイバ伸長器２０６を通過してエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）２０１を用いて励起基本波光２５１を増幅し、他方を信号光として用いる。増幅した基本波光をＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）結晶２１２を備えた第１の二次非線形光学素子２０２に入射して第二高調波２５２を発生させる。

信号光２５０は、遅延ファイバ２１９を通過して、縮退光パラメトリック増幅の可能な非線形光学結晶２１６を備えた第２の二次非線形光学素子２０４に入射し、第二高調波２５２は、シングルモード伝搬特性をもつ偏波保持ファイバ２０７を介して第２の二次非線形光学素子２０４に入射する。信号光２５０は、第二高調波２５２を励起光として位相感応増幅される。

増幅した出力信号光２５３の一部を光カプラ２０３−２で分岐して光検出器２０８で受光したのちに、位相同期ループ（ＰＬＬ）回路２０９により位相同期を行う。ＥＤＦＡ２０１の前に配置した位相変調器２０５を用いて、正弦波により微弱な位相変調を励起基本波光２５１に施す。光検出器２０８およびＰＬＬ回路２０９によってその位相変調の位相ずれを検出して、ＥＤＦＡ２０１の前に配置したＰＺＴによる光ファイバ伸長器２０６の駆動電圧および位相変調器２０５のバイアス電圧にフィードバックを行う。これによって、光ファイバ部品の振動や温度変動などによる光位相の変動を吸収して、安定的に位相感応光増幅ができる。

位相感応増幅器２００においては、信号と位相の合った光のみを増幅するために、上述のように信号光と励起光の位相が一致、もしくはπラジアンだけずれている必要がある。すなわち２次の非線形光学効果を用いる場合は、第二高調波に相当する波長である励起光の位相φ_２ωｓと、信号光の位相φ_ωｓとが以下の式（１）の関係を満たすことが必要となる。
Δφ＝１／２φ_２ωｓ−φ_ωｓ＝ｎπ（ただし、ｎは整数） （１）

図３は、従来の二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器における、入力信号光−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。Δφが−π、０、またはπのときに、利得が最大となっていることがわかる。

図２に示した構成においても、図１で示したように出力信号光の一部を分岐して狭帯域の検出器で検波し、出力信号が最大となるように励起光の位相を制御して信号光と励起光の位相同期を達成することができる。

近年光通信の高度化が進むにつれて、位相感応増幅器の光通信への応用が注目を集めつつある。光通信の分野では通信用光部品との親和性が高い光ファイバの三次非線形光学効果を利用した構成の報告がある。３次の非線形光学効果を用いる場合は、光ファイバ等を非線形媒質として用い、信号光と同じ波長の１つの励起光を用い、励起光と信号光とを、非線形媒質に入射し、四光波混合を利用した縮退パラメトリック増幅を行うことにより位相感応増幅を達成することができる（非特許文献２参照）。

三次の非線形媒質を用い、信号光と同じ波長の１つの励起光を用いる場合は、励起光の位相φ_ωｐと信号光の位相φ_ωｓとが以下の式（２）の関係を満たすことが必要となる。
Δφ＝φ_ωｐ−φ_ωｓ＝ｎπ（ただし、ｎは整数） （２）

信号光と同じ波長の１つの励起光の代わりに、信号光の光周波数をωｓとするときに式（３）を満たす光周波数ωｐ１、ωｐ２をそれぞれ有する２つの励起光を用いてもよい（非特許文献３参照）。
２ωｓ＝ωｐ１＋ωｐ２ （３）

三次の非線形媒質を用い、２つの光周波数ωｐ１、ωｐ２に相当する波長の２つの励起光を用いる場合は、励起光の位相φ_ωｐ１、φ_ωｐ２と信号光の位相φ_ωｓとが以下の式（４）の関係を満たすことが必要となる。
Δφ＝１／２（φ_ωｐ１＋φ_ωｐ２）−φ_ωｓ＝ｎπ（ただし、ｎは整数） （４）

三次の非線形媒質を用いる場合でも、二次の非線形光学効果を用いる場合と同様に出力信号光の一部を分岐して狭帯域の検出器で検波し、出力信号が最大となるように励起光の位相を制御して信号光と励起光の位相同期を達成することができる。

ここまで述べてきたように、光ファイバを用いた縮退パラメトリック増幅方式には、信号光と同じ波長の１つの励起光か、信号光とは異なる２つの波長の励起光を用いる方式がある。１つの励起光を用いる場合は、励起光を信号光から分離する必要があるために、ループ型のファイバ干渉計を用いて信号光と励起光を分離する（非特許文献２参照）。

しかし、この方式では、光ファイバ中のＧＡＷＢＳ（ｇｕｉｄｅｄ ａｃｏｕｓｔｉｃｓ ｗａｖｅ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）による位相変調が光ファイバをそれぞれ逆方向へ伝搬する光に相関のない形で加わるために、雑音特性が劣化してしまう。この課題を解決するために、近年は２つの励起光を用いる方法が良く研究されている（非特許文献３参照）。

図４に、光ファイバを用い、２つの励起光を用いた、従来の三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。非特許文献３に示されるように、先ず、光ファイバ中の四光波混合等の手段を用いて、入射する信号光４１０の位相に対して式（４）の関係を満たすよう同期した２つの励起光４１１−１、４１１−２を半導体レーザ４０２−１、４０２−２で生成する。すなわち、信号光４１０を光カプラ４２０−１で分岐し、一方を励起光位相同期手段４０１に入射し、他方を信号光として用いる。次に、励起光位相同期手段４０１を用いて、信号光４１０に対して式（４）の関係を満たすように同期した２つの励起光４１１−１、４１１−２を合波してエルビウム添加ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）４０３にて増幅する。増幅した励起光（４１１−１、４１１−２）を光カプラ４２０−２で遅延ファイバ４１９を通過した信号光４１０と合波した後、高非線形性光ファイバ４０４に入射する。高非線形性光ファイバ４０４で増幅された信号光からバンドパスフィルタ４０５を用いて余分な自然放出光を除去し、増幅信号光４１２として出力する。このとき、信号光と２つの励起光（４１１−１、４１１−２）との間に上述の式（４）で示した関係が成立するように位相を調整することにより、四光波混合による位相感応増幅を達成することができる。

しかしながら、上述してきた従来技術では以下のような課題がある。

位相感応増幅を実現には十分に高いパワーの励起光を生成する必要があるが、レーザ光源単体では出力的に不十分であるため、上述のように光ファイバ増幅器を用いて高いパワーの励起光を生成しなければならない。しかしながら高いパワーの励起光生成に必要となる飽和出力の高い光ファイバ増幅器は、増幅ファイバ長が長くなってしまい、結果として入出力間の典型的なファイバ長が数十メートル程度になってしまう。

位相感応増幅を実現するためには、励起光用の光路と信号光用の光路のファイバ長をほぼ一致させる必要があるが、励起光用の光路にファイバ長の長い光ファイバ増幅器が挿入されてしまっているため、信号光用の光路にも図２における２１９や図４における４１９のようにＥＤＦＡ長を保証するための遅延用光ファイバを挿入する必要がある。

そして、励起光用の光路と信号光用の光路の長さが長くなってしまうと外部の振動や温度変動の影響による励起光と信号光の位相差の変動が大きくなり、励起光位相同期手段で十分に位相安定化が図れなくなり、安定な位相感応増幅動作が出来なくなってしまうという課題がある。

一方、励起光用の光路と信号光用の光路の長さを短くすることができれば外部の振動や温度変動の影響を受けにくくなり位相感応増幅動作の安定化が図れるが、そのためには励起光用の光路長の支配要因である光ファイバ増幅器の増幅ファイバ長を短くする必要がある。しかし、単に光ファイバ増幅器の増幅ファイバ長を短くすると、励起光のパワーが低下してしまい、光通信で用いる微弱な光パワーからパラメトリック光増幅を利用するのに十分な高利得の位相感応増幅が出来なくなってしまうという課題がある。

本発明の目的は、上記のような従来技術の問題を鑑みて、位相感応増幅に必要な十分に強い励起光を生成するための光ファイバ増幅器の増幅ファイバ長を維持しながら、安定に位相感応増幅可能な光信号増幅装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する光信号増幅装置であって、入力された信号光の一部を励起基本波光として分岐する光分岐器と、前記信号光が入射される遅延ファイバのコア部と、前記励起基本波光が入射される増幅ファイバのコア部とが同一のクラッド内に配置されたマルチコアファイバを有するマルチコア光増幅器と、前記マルチコア光増幅器で増幅された前記励起基本波光が入射され、第二高調波を発生する第１の二次非線形光学素子と、前記第１の二次非線形光学素子から出力される前記励起基本波光および前記第二高調波から、前記第二高調波を分離する第１のフィルタと、前記遅延ファイバのコア部を透過して遅延された前記信号光と、前記第二高調波とを合波する合波器と、前記合波器で合波された合波光が入射され、前記第二高調波を励起光として前記信号光に対しパラメトリック増幅を行う第２の二次非線形光学素子と、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前記合波光から、増幅された前記信号光を分離する第２のフィルタと、前記増幅された信号光に基づき、前記信号光の位相と前記励起基本波光の位相とを同期する位相同期手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する光信号増幅装置であって、励起基本波光を発生させる半導体レーザと、前記信号光が入射される遅延ファイバのコア部と、前記励起基本波光が入射される増幅ファイバのコア部とが同一のクラッド内に配置されたマルチコアファイバを有するマルチコア光増幅器と、前記マルチコア光増幅器で増幅された前記励起基本波光が入射され、第二高調波を発生する第１の二次非線形光学素子と、前記第１の二次非線形光学素子から出力される前記励起基本波光および前記第二高調波から、前記第二高調波を分離する第１のフィルタと、前記遅延ファイバのコア部を透過して遅延された前記信号光と、前記第二高調波とを合波する合波器と、前記合波器で合波された合波光が入射され、前記第二高調波を励起光として前記信号光に対しパラメトリック増幅を行う第２の二次非線形光学素子と、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前記合波光から、増幅された前記信号光を分離する第２のフィルタと、前記増幅された信号光に基づき、前記信号光の位相と前記励起基本波光の位相とを同期する位相同期手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光信号増幅装置において、前記位相同期手段は、前記増幅された信号光の一部を分岐する第２の光分岐器と、前記第２の光分岐器で分岐された前記増幅された信号光の一部を受光して光電変換する光検出器と、出力の変動を検出して、前記半導体レーザの駆動電流に帰還を行う位相同期ループ回路と、前記励起基本波光の位相を、印加されたバイアス電圧に基づき変調する位相変調器と、前記光検出器からの出力された電気信号を検出して、前記電気信号に基づき出力電気前記位相変調器のバイアス電圧および前記半導体レーザの駆動電流を調節する位相同期ループ回路と、を備えたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する光信号増幅装置であって、入力された信号光の一部を励起基本波光として分岐する光分岐器と、前記励起基本波光から、第１の励起光と第２の励起光とを生成する第１および第２の半導体レーザと、前記第１および第２の励起光の位相を信号光の位相と一定の関係に調整する位相同期手段と、前記第１および第２の励起光を合波する第１の合波器と、前記信号光が入射される遅延ファイバのコア部と、前記第１の合波器で合波された合波光が入射される増幅ファイバのコア部とが同一のクラッド内に配置されたマルチコアファイバを有するマルチコア光増幅器と、前記遅延ファイバのコア部を透過して遅延された前記信号光と、前記増幅ファイバのコア部を透過して増幅された前記合波光とを合波する第２の合波器と、前記第２の合波器で合波された合波光が入射され、前記第１および第２の励起光により前記信号光に対してパラメトリック増幅を行う三次非線形光学素子と、前記三次非線形光学素子から出力される増幅された前記合波光から、増幅された前記信号光を分離するフィルタと、を備えたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の光信号増幅装置において、前記位相同期手段は、前記増幅された信号光の一部を分岐する第２の光分岐器と、前記第２の光分岐器で分岐された前記増幅された信号光の一部を受光して光電変換する光検出器と、出力の変動を検出して、前記第１および第２の半導体レーザの少なくとも一方の駆動電流に帰還を行う位相同期ループ回路と、を備えたことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の光信号増幅装置において、前記マルチコアファイバの増幅ファイバのコア部は、希土類元素を添加物として含むことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の光信号増幅装置において、前記マルチコア光増幅器は、前記増幅ファイバのコア部に入射され、前記増幅ファイバのコア部に入射された光を増幅するための励起光を発生させる励起光源と、前記増幅ファイバのコア部を透過した、前記励起光源から出射された励起光を遮る光アイソレータと、を含むことを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の光信号増幅装置において、前記マルチコアファイバは、前記増幅ファイバのコア部と、前記遅延ファイバのコア部との双方に対して偏波保持型であることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項１、２、４のいずれかに記載の光信号増幅装置において、前記位相同期手段は、前記増幅された信号光の一部を分岐する第２の光分岐器と、前記第２の光分岐器で分岐された前記増幅された信号光の一部を受光して光電変換する光検出器と、前記励起基本波光の位相を、印加されたバイアス電圧に基づき変調する位相変調器と、前記位相変調器と前記マルチコア光増幅器との光路長を、印加されたバイアス電圧に基づき調節する光学長伸長器と、前記光検出器からの出力された電気信号を検出して、前記電気信号に基づき出力電気前記位相変調器および前記光学長伸長器のバイアス電圧を調節する位相同期ループ回路と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、非線形光学効果であるパラメトリック増幅効果を利用して信号光の特定の位相だけを増幅する位相感応増幅器において、位相感応増幅に必要な十分に強い励起光を生成できる光ファイバ増幅器の増幅ファイバ長を維持しながら励起光と信号光の位相変動を小さくすることが可能になる。励起光の増幅ラインと信号光の遅延ラインの光学長差を小さく、かつ、近接させて配置することにより、振動や音、温度変化等に関する伝搬定数の揺らぎ、すなわち、信号光とその位相感応増幅に用いる励起光との位相差揺らぎを著しく減少させることができる。また、このような特性の高い位相感応増幅器を安価に構成でき、位相感応増幅装置全体の信頼性を高めることができる。

従来の位相感応光増幅器の構成の説明図である。 従来の二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器の構成の説明図である。 従来の二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器における、入力信号光‐励起光間の位相差Δφと、利得との関係を示すグラフである。 従来の三次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器の構成の説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る二次非線形光学効果を利用した光信号増幅装置の構成の説明図である。 本発明の一実施形態に係るマルチコア光増幅器の構成の説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る光信号増幅装置と従来の位相感応増幅器との出力時間波形の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る三次非線形光学効果を利用した光信号増幅装置の構成の説明図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図５に、本発明の第１の実施形態に係る二次非線形光学効果を利用した光信号増幅装置の構成を示す。本実施形態では、光通信に用いられる微弱なレーザ光である信号光５５０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、信号光５５０を光カプラ５０３−１で分岐し、一方を位相変調器５０５、ＰＺＴを用いたファイバ伸長器５０６を通過してマルチコア光増幅器５０１に入射して増幅し、他方を直接マルチコア光増幅器５０１に入射する。

図６に、本発明の一実施形態に係るマルチコア光増幅器の構成の構成を示す。本実施形態では、マルチコア光増幅器５０１が備えるマルチコアファイバ６０１を、シングルモードファイバと同じ組成からなる信号光遅延用コア６０２とエルビウムが添加された励起光増幅用コア６０３を同一のクラッド内に配置する。信号光遅延用コアコア６０２と励起光増幅用コア６０３は共に偏波が保持されるようクラッドに応力付与部６０４が備わっている。マルチコアファイバ６０１は、ファンインファンアウト６０５−１、６０５−２を介して信号光用、励起光用の光ファイバと接続され、信号光５５０、励起基本波光５５１がそれぞれ入射されている。

励起光増幅用コア６０３には、６０５−１の手前にアイソレータ６０６、６０５−２の直後にはＷＤＭカプラ６０７を介して励起レーザ６０８が接続されている。本実施形態では励起光の光路は通常の励起光の偏波多重を行わない片方向のコア励起方式を用いているが、偏波多重した励起光、双方向励起、クラッド励起等をそれぞれ組み合わせて用いても同様の効果が得られる。

ここで図５に戻る。マルチコア光増幅器５０１で増幅された励起基本波光５５１は、第１の二次非線形光学素子５０２に入射されて第二高調波５５２を発生させる。第１の二次非線形光学素子５０２は、非線形光学結晶５１２から出射された増幅された励起基本波光５５１および第二高調波５５２をダイクロイックミラー５１４で分離し、第二高調波５５２のみシングルモード伝搬特性をもつ偏波保持ファイバ５０７に入射する。マルチコア光増幅器５０１を通過した信号光５５０と偏波保持ファイバ５０７を通過した第二高調波５５２とを合波し、第２の二次非線形光学素子５０４に入射する。第２の二次非線形光学素子５０４は、第二高調波５５２を励起光として信号光５５０の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う。第２の二次非線形光学素子５０４は、非線形光学結晶５１６から出射された増幅された信号光および第二高調波をダイクロイックミラー５１４で分離し、増幅された信号光５５３のみを出射する。

二次非線形光学素子５０２、５０４は、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）から成る光導波路を備える。ＰＰＬＮ導波路に高強度のパワーを入射した場合にフォトリフラクティブ効果によって導波路が損傷する場合があるが、本実施形態ではそのような問題が生じないように、非特許文献４に示される直接接合により作製された導波路を用いている。

位相感応増幅では、励起光と信号光の位相を同期させることが必要であるが、本実施形態では出力した増幅信号光５５３の一部を光カプラ５０３−２で分岐して光検出器５０８で受光した後に位相同期ループ（ＰＬＬ）回路５０９によりフィードバックを行う。位相変調器５０５を用いてｓｉｎ波により微弱な位相変調を第１の励起光に施す。光検出器５０８とＰＬＬ回路５０９で出力変動を検出して、ＰＺＴ５０６による光ファイバ伸長器の駆動電圧と位相変調器５０５のバイアス電圧とにフィードバックを行うことで、光ファイバ部品の振動や温度変動による光位相の変動を吸収して位相同期し、安定的に位相感応増幅ができるようにしている。

本実施例では、励起光と信号光の位相を同期させる手段として、ＰＺＴ５０６にフィードバックを行う方法を用いたが、信号光を光カプラ５０３−１で分岐して位相変調器に入力して励起光をとする代わりに、別途半導体レーザ光源を用意し、その光を位相変調器５０５に入力して励起光をとし、ＰＬＬ回路５０９によって半導体レーザ光源の駆動電流にフィードバックを与える方法でも位相同期を行うことができる。その場合は、ＰＺＴ５０６は不要になる。

従来構成の図２に示した励起基本波光２５１を増幅するためにＥＤＦＡ２０１を用い、ＥＤＦＡ２０１の増幅ファイバ長を補償するために遅延ファイバ２１９によって、信号光２５０と第二高調波２５２の遅延時間を合わせていた。図２において、信号光と励起光とは、光カプラ２０３−１とダイクロイックミラー２１８の間の区間で別の経路を通ることになるが、その経路長の大部分が、ＥＤＦＡ２０１、および２０１の増幅ファイバ長を補償するための遅延ファイバ２１９で占められており、信号光と励起光とが別の経路を通る長さが長いほど、振動や音、温度変化等の影響を受けてしまい、安定な位相感応増幅を妨げていた。そこで、本実施形態では、図２におけるＥＤＦＡ２０１と遅延ファイバ２１９とをマルチコアファイバを用いて一体構成とした。

励起光増幅用のコアと信号光遅延用のコアとを近接させ、それらの光学長差を小さくして一本のマルチコアファイバとすることで、両光路における振動や音、温度変化等に関する伝搬定数の揺らぎは両者でほぼ一致するため、励起光と信号光の位相差揺らぎは著しく減少させることが出来る。

実際に本実施形態の効果を確認するため、図５に記載の光信号増幅装置５００と図２に記載の従来構成の位相感応増幅器２００とで振動に対する安定性を比較した。増幅ファイバ長は両構成とも３５ｍと同一にした。

位相感応増幅器２００、光信号増幅装置５００をそれぞれ振とう器上に載せて、振動を与えながら波形の安定性を確認した。半導体レーザからのＣＷ光を強度変調器によって変調した１０Ｇｂｉｔ／ｓのＮＲＺ光信号を入力光に用いた。図７に、従来構成と本発明の構成それぞれで位相感応増幅を行い、その出力波形をサンプリングオシロスコープで確認した波形を示す。従来構成では激しい振動で信号光と励起光の光路に大きな位相差が発生してしまったため位相同期ループが十分に追従できず、波形が乱れてしまっている。これに対して本発明の構成では、入力した光信号が安定に位相感応増幅できていることが実験的に確認できた。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、パラメトリック媒質として、二次の非線形媒質であるＰＰＬＮを用いたが、高非線形ファイバ等、三次の非線形媒質を用いた光信号増幅装置でも同様の効果が得られる。

図８に、本発明の第２の実施形態に係る三次の非線形媒質を利用した光信号増幅装置の構成を示す。非特許文献３に示されるように、先ず、光ファイバ中の四光波混合等の手段を用いて、入射する信号光８１０の位相に対して式（４）の関係を満たすよう同期した２つの励起光８１１−１、８１１−２を半導体レーザ８０２−１、８０２−２で生成する。すなわち、信号光８１０を光カプラ８２０−１で分岐し、一方を励起光位相同期手段８０１に入射して励起光８１１−１、８１１−２生成用の信号光として用い、他方を増幅用の信号光として用いる。

次に、信号光と励起光位相同期手段８０１を用いて信号光８１０と同期した２つの励起光８１１−１、８１１−２とを合波して、マルチコア光増幅器８０３の信号光用のコアとエルビウムが添加された励起光増幅用のコアに入射して増幅する。マルチコア光増幅器８０３の構成は、図６に示すマルチコアファイバ光増幅器５０１と同じ構成のものとする。

マルチコア光増幅器８０３の増幅用コアで増幅した、合波された励起光（８１１−１、８１１−２）を光カプラ８２０−２でマルチコア光増幅器８０３の遅延用コアを通過した信号光８１０と合波した後、高非線形性光ファイバ８０４に入射する。高非線形性光ファイバ８０４で増幅された信号光からバンドパスフィルタ８０５を用いて余分な自然放出光を除去し、増幅信号光８１２として出力する。

このとき、信号光と２つの励起光（８１１−１、８１１−２）との間に上述の式（４）で示した関係が常に成立するように位相を調整することにより、四光波混合による位相感応増幅を安定的に達成することができる。増幅光信号８１２の一部を光カプラ８２０−３で分岐して光検出器８０６で受光した後に位相同期ループ（ＰＬＬ）回路８０７によりフィードバックを行う。光検出器８０６とＰＬＬ回路８０７で出力変動を検出して、半導体レーザ８０２−１の駆動電流にフィードバックを行うことで、光ファイバ部品の振動や温度変動による光位相の変動を吸収して位相同期し、位相感応増幅ができるようにしている。位相同期方法としては、実施形態１と同様に、光カプラ８２０−１と励起光位相同期手段８０１との間に別途用意した位相変調器およびＰＺＴにフィードバックを行う方法を用いてもよい。

このように、本実施形態においても、ＰＰＬＮをパラメトリック媒質として用いた図５の構成と同様に励起光の増幅ファイバ部と信号光の遅延線部とをマルチコアファイバで構成されたマルチコア光増幅器８０３によって一体化させた。

これにより、励起光経路と信号光経路が分離している光カプラ８２０−１から８２０−２までの経路のほとんどがマルチコアファイバで構成することが出来るため、高非線形ファイバ型の光信号増幅装置においても極めて安定に位相感応増幅が実現出来る。

本実施形態では、１５５０ｎｍ帯の増幅を行うため、マルチコア光増幅器８０３の励起光増幅用のコアにはエルビウムを添加したが、増幅したい波長に応じて、イッテルビウムやプラセオジム等の希土類元素を添加してもよい。

１００、２００、４００ 位相感応光増幅器
５００、８００ 光信号増幅装置
１０１ 位相感応光増幅部
１０２ 励起光源
１０３ 励起光位相制御部
１０４、２０３、４２０、５０３、６０７、８２０ 光カプラ
１１０、２５０、４１０、５５０ 入力信号光
１１１ 励起光
１１２、２５３、４１２、５５３、８１２ 出力信号光
２０１、４０２ エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）
２０２、５０２ 第１の二次非線形光学素子
２０４、５０４ 第２の二次非線形光学素子
２０５、５０５ 位相変調器
２０６、５０６ 光ファイバ伸長器
２０７、５０７ 偏波保持ファイバ
２０８、５０８、８０６ 光検出器
２０９、５０９、８０７ 位相同期ループ（ＰＬＬ）回路
２１９、４１９ 遅延ファイバ
２１１、２１３、２１５、２１７、５１１、５１３、５１５、５１７ レンズ
２１４、２１８、２２０、５１４、５１８、５１９ ダイクロイックミラー
２５１、５５１ 励起基本波光
２５２、５５２ 第二高調波
４０１、８０１ 励起光位相同期手段
４０２、８０２ 半導体レーザ
４０４、８０４ 高非線形性光ファイバ
４０５、８０５ バンドパスフィルタ
４１１、８１１ 励起光
５０１、８０３ マルチコア光増幅器

Claims (9)

1. 非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する光信号増幅装置であって、
   入力された信号光の一部を励起基本波光として分岐する光分岐器と、
   前記信号光が入射される遅延ファイバのコア部と、前記励起基本波光が入射される増幅ファイバのコア部とが同一のクラッド内に配置されたマルチコアファイバを有するマルチコア光増幅器と、
   前記マルチコア光増幅器で増幅された前記励起基本波光が入射され、第二高調波を発生する第１の二次非線形光学素子と、
   前記第１の二次非線形光学素子から出力される前記励起基本波光および前記第二高調波から、前記第二高調波を分離する第１のフィルタと、
   前記遅延ファイバのコア部を透過して遅延された前記信号光と、前記第二高調波とを合波する合波器と、
   前記合波器で合波された合波光が入射され、前記第二高調波を励起光として前記信号光に対しパラメトリック増幅を行う第２の二次非線形光学素子と、
   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前記合波光から、増幅された前記信号光を分離する第２のフィルタと、
   前記増幅された信号光に基づき、前記信号光の位相と前記励起基本波光の位相とを同期する位相同期手段と、
   を備えたことを特徴とする光信号増幅装置。
2. 非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する光信号増幅装置であって、
   励起基本波光を発生させる半導体レーザと、
   前記信号光が入射される遅延ファイバのコア部と、前記励起基本波光が入射される増幅ファイバのコア部とが同一のクラッド内に配置されたマルチコアファイバを有するマルチコア光増幅器と、
   前記マルチコア光増幅器で増幅された前記励起基本波光が入射され、第二高調波を発生する第１の二次非線形光学素子と、
   前記第１の二次非線形光学素子から出力される前記励起基本波光および前記第二高調波から、前記第二高調波を分離する第１のフィルタと、
   前記遅延ファイバのコア部を透過して遅延された前記信号光と、前記第二高調波とを合波する合波器と、
   前記合波器で合波された合波光が入射され、前記第二高調波を励起光として前記信号光に対しパラメトリック増幅を行う第２の二次非線形光学素子と、
   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前記合波光から、増幅された前記信号光を分離する第２のフィルタと、
   前記増幅された信号光に基づき、前記信号光の位相と前記励起基本波光の位相とを同期する位相同期手段と、
   を備えたことを特徴とする光信号増幅装置。
3. 前記位相同期手段は、
   前記増幅された信号光の一部を分岐する第２の光分岐器と、
   前記第２の光分岐器で分岐された前記増幅された信号光の一部を受光して光電変換する光検出器と、
   出力の変動を検出して、前記半導体レーザの駆動電流に帰還を行う位相同期ループ回路と、
   前記励起基本波光の位相を、印加されたバイアス電圧に基づき変調する位相変調器と、
   前記光検出器からの出力された電気信号を検出して、前記電気信号に基づき出力電気前記位相変調器のバイアス電圧および前記半導体レーザの駆動電流を調節する位相同期ループ回路と、
   を備えたことを特徴とする請求項２に記載の光信号増幅装置。
4. 非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する光信号増幅装置であって、
   入力された信号光の一部を励起基本波光として分岐する光分岐器と、
   前記励起基本波光から、第１の励起光と第２の励起光とを生成する第１および第２の半導体レーザと、
   前記第１および第２の励起光の位相を信号光の位相と一定の関係に調整する位相同期手段と、
   前記第１および第２の励起光を合波する第１の合波器と、
   前記信号光が入射される遅延ファイバのコア部と、前記第１の合波器で合波された合波光が入射される増幅ファイバのコア部とが同一のクラッド内に配置されたマルチコアファイバを有するマルチコア光増幅器と、
   前記遅延ファイバのコア部を透過して遅延された前記信号光と、前記増幅ファイバのコア部を透過して増幅された前記合波光とを合波する第２の合波器と、
   前記第２の合波器で合波された合波光が入射され、前記第１および第２の励起光により前記信号光に対してパラメトリック増幅を行う三次非線形光学素子と、
   前記三次非線形光学素子から出力される増幅された前記合波光から、増幅された前記信号光を分離するフィルタと、
   を備えたことを特徴とする光信号増幅装置。
5. 前記位相同期手段は、
   前記増幅された信号光の一部を分岐する第２の光分岐器と、
   前記第２の光分岐器で分岐された前記増幅された信号光の一部を受光して光電変換する光検出器と、
   出力の変動を検出して、前記第１および第２の半導体レーザの少なくとも一方の駆動電流に帰還を行う位相同期ループ回路と、
   を備えたことを特徴とする請求項４に記載の光信号増幅装置。
6. 前記マルチコアファイバの増幅ファイバのコア部は、希土類元素を添加物として含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光信号増幅装置。
7. 前記マルチコア光増幅器は、
   前記増幅ファイバのコア部に入射され、前記増幅ファイバのコア部に入射された光を増幅するための励起光を発生させる励起光源と、
   前記増幅ファイバのコア部を透過した、前記励起光源から出射された励起光を遮る光アイソレータと、
   を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光信号増幅装置。
8. 前記マルチコアファイバは、前記増幅ファイバのコア部と、前記遅延ファイバのコア部との双方に対して偏波保持型であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光信号増幅装置。
9. 前記位相同期手段は、
   前記増幅された信号光の一部を分岐する第２の光分岐器と、
   前記第２の光分岐器で分岐された前記増幅された信号光の一部を受光して光電変換する光検出器と、
   前記励起基本波光の位相を、印加されたバイアス電圧に基づき変調する位相変調器と、
   前記位相変調器と前記マルチコア光増幅器との光路長を、印加されたバイアス電圧に基づき調節する光学長伸長器と、
   前記光検出器からの出力された電気信号を検出して、前記電気信号に基づき出力電気前記位相変調器および前記光学長伸長器のバイアス電圧を調節する位相同期ループ回路と、
   を備えたことを特徴とする請求項１、２、４のいずれかに記載の光信号増幅装置。