JP6348447B2 - 光増幅装置およびそれを用いた光伝送システム - Google Patents
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Description
しかしながら、この識別再生光中継器では、信号光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、伝送する信号光のスピードが速くなると、消費電力が大きくなること、などの問題があった。
このようなファイバレーザ増幅器や半導体レーザ増幅器は、信号光を光のままで増幅することができるため、識別再生光中継器で問題になっていた電気的な処理速度の制限が存在しない。加えて、機器構成も比較的単純である利点を有する。
図4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。
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。
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。
Δφ=(1/2)・(φ2ωs−φωs)=nπ (式1)
図6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との間の位相差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。
一方、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。
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。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。
しかしながら、通信波長帯以外の波長の部品を使用するためには、様々な障害が生じる。波長によって、デバイスの成熟度が異なるため、デバイスの特性・スペックなど位相感応光増幅器を構成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になる部品を使わなければならないなどの問題が生じる。
光増幅器に関しても大きな課題を擁する。第二高調波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位相感応増幅に用いる励起光としては十分な光強度が得られなかったり、半導体増幅器のもつ雑音指数(NF)により位相感応光増幅器に用いる励起光のSNが劣化するなどの問題があった。
さらに、第二高調波などの通信波長に比べ波長の短い光用の光デバイスにおいては、部品によっては信頼性の観点から問題があることも多い。これらを用いた位相感応増幅装置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局発光生成は、通信波長帯で実現することが好ましい。
局発光源307は、パイロットトーンに位相同期した基本波光を発生し、この基本波光はPZTによる光ファイバ伸長器308,位相変調器309,エルビウム添加ファイバレーザ増幅器(EDFA)331及びバンドパスフィルタ332を介して二次非線形光学素子320に入力される。
二次非線形光学素子320は、基本波光が入力されると、励起光を発生し、この励起光が、二次非線形光学素子310に入力される。
中継増幅が1段のみであれば問題はないが、通常の長距離伝送では多段に中継増幅器を用いるため、次の中継増幅器を動作させるために、新たなパイロットトーンを、増幅器の出力段において再度合波する必要がある。
しかしながら、この方法では、波長分波器および波長合波器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。
多段の中継においては、この雑音が中継増幅の度に累積するため、新たなパイロットトーンを増幅器の出力段において再度合波することは、容易ではないという課題があった。
しかしながら、光伝送路である光ファイバへ入力できる光強度は有限であるため、信号強度の大きなパイロットトーンを用いることは、伝送特性を劣化させる要因となってしまう。つまり、光ファイバへ入力できる総パワーは有限であるため、パイロットトーンの強度を上げる余地があるのであれば、信号光の強度を上げることで信号光のSNRを高めた方が高い品質での伝送が可能となる。
このように伝送特性の観点からは、パイロットトーンの光強度は小さい方が良く、位相感応光増幅器の動作条件とは相反するという課題があった。
即ち、従来技術を用いて、複数のファイバ伝送路へPSAを適用するためには、全てのファイバにパイロットトーンを入れる必要があり、従来のパイロットトーン方式では伝送路の複数化をする場合に、その数に単純比例して装置数が増大し、大規模化が難しいという課題があった。
図8に示した構成は、それぞれに独立した伝送システムを束ねたものになるため、図7に示した単一ファイバを用いた構成を単純に複数台配置した構成となり、伝送路を複数化するにはその数に応じて装置数が増大してしまうことが分かる。
マルチコア光ファイバから伝送される信号光を増幅する光増幅装置であって、
前記信号光を伝送するコアとは異なるコアに、前記信号光の位相に対して予め決めた位相関係になっているパイロットトーンが伝送され、
局発光源を有しており、前記パイロットトーンが入力されるとこのパイロットトーンの位相に同期した局発光を前記局発光源が発生し、この局発光を基本波光として出力する基本波光発生部と、
波長変換を行う非線形光学素子を有しており、前記基本波光が入力されることにより励起光を生成して出力する励起光発生部と、
パラメトリック光増幅による位相感応増幅を行う非線形光学素子を有しており、前記信号光と前記励起光が入力されると前記信号光を位相感応増幅して出力する信号光増幅部と、
を備えていることを特徴とする。
前記基本波光発生部は、前記局発光源から発生した局発光を2分岐する光分岐回路を有しており、分岐した一方の局発光を前記基本波光として出力し、分岐した他方の局発光を新たなパイロットトーンとして出力することを特徴とする。
パラメトリック光増幅による位相感応増幅を行う非線形光学素子を有しており、前記マルチコア光ファイバにより伝送されてきたパイロットトーンを増幅して増幅されたパイロットトーンを出力するパイロットトーン増幅部を更に有することを特徴とする。
前記非線形光学素子は、二次非線形光学素子又は三次非線形光学素子であることを特徴とする。
前記二次非線形光学素子は、前記励起光と前記信号光との間で擬似位相整合を満たす周期分極反転構造を有する、LiNbO3、KNbO3、LiTaO3、LiNbxTa1-xO3(0≦x≦1)若しくはKTiOPO4、又はそれらに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含有している材料からなる光導波路を有することを特徴とする。
前記パイロットトーンは、前記信号光の中心波長をもつ1波長の連続光、もしくは中心波長に対し短波長側と長波長側に対称的に離調された2波長の連続光であり、
このパイロットトーンを用いて前記励起光発生部の前記非線形光学素子中にて第二高調波発生もしくは和周波発生過程により励起光を生成することを特徴とする。
信号光を伝送するコアと、前記信号光の位相に対して予め決めた位相関係になっているパイロットトーンを伝送するコアとが異なっているマルチコア光ファイバと、
前記のいずれかの光増幅装置と、
前記マルチコア光ファイバのコアのうち前記信号光を伝送するコアと、前記信号光増幅部の入力部とを接続する光ファイバと、
前記マルチコア光ファイバのコアのうち前記パイロットトーンを伝送するコアと、前記基本波光発生部の入力部とを接続する光ファイバと、
を有することを特徴とする。
信号光を伝送するコアと前記信号光の位相に対して予め決めた位相関係になっているパイロットトーンを伝送するコアとが異なっている上流側のマルチコア光ファイバと、
前記信号光を伝送するコアと前記パイロットトーンを伝送するコアとが異なっている下流側のマルチコア光ファイバと、
前記のいずれかの光増幅装置と、
前記上流側のマルチコア光ファイバのコアのうち前記信号光を伝送するコアと、前記信号光増幅部の入力部とを接続する光ファイバと、
前記下流側のマルチコア光ファイバのコアのうち前記信号光を伝送するコアと、前記信号光増幅部の出力部とを接続する光ファイバと、
前記上流側のマルチコア光ファイバのコアのうち前記パイロットトーンを伝送するコアと、前記基本波光発生部の入力部とを接続する光ファイバと、
前記下流側のマルチコア光ファイバのコアのうち前記パイロットトーンを伝送するコアに、前記新たなパイロットトーンまたは前記増幅されたパイロットトーンを伝送する光ファイバと、
を有することを特徴とする。
本実施例1に係る光増幅装置および光伝送システムでは、マルチコア光ファイバを光伝送路として、周期分極反転LiNbO3(PPLN)導波路を用いた位相感応光増幅器(PSA)の構成を示す。本実施例1に係る光増幅装置および光伝送システムでは、PSAの中継増幅動作実現のためのパイロットトーンをマルチコア光ファイバの1つのコアに伝送させることで、従来の課題を解決することができる。
光伝送システム1000は、上流側のマルチコア光ファイバFMin及び下流側のマルチコア光ファイバFMoutと、光増幅装置800と、入力側のシングルモード光ファイバfin1〜fin7と、出力側のシングルモード光ファイバfout1〜fout7により構成されている。
つまり、この光伝送システム1000は、第1(上流側)のマルチコア光ファイバFMinによって伝送されてきた信号光を、光増幅装置800によって位相感応増幅をして中継増幅した後、第2(下流側)のマルチコア光ファイバFMoutに信号光を入力するものである。
なお図1に示す実施例1では、1つの中継光増幅の構成を示しているが、本構成を多段に用いることが可能である。つまり、第2のマルチコア光ファイバを伝送後に、第3、第4、第5といったマルチコア光ファイバへの多段中継伝送路を本構成を用いて構築することができる。
二次非線形光学素子410は、周期分極反転LiNbO3(PPLN)導波路411と、入力側の空間光学系412と、入力側のダイクロイックミラー413と、出力側の空間光学系414と、出力側のダイクロイックミラー415を備えて構成されている。
二次非線形光学素子510は、周期分極反転LiNbO3(PPLN)導波路511と、入力側の空間光学系512と、入力側のダイクロイックミラー513と、出力側の空間光学系514と、出力側のダイクロイックミラー515を備えて構成されている。
下流側のマルチコア光ファイバFMoutは7つのコアを有しており、その第1〜第6のコアは、光ファイバfout1〜fout6により、信号光増幅部400−1〜400−6の出力部である光分岐回路404に接続されており、その第7のコアは、光ファイバfout7により、基本波光発生部600の出力部である光分岐回路606に接続されている。
次に、電界印加法により上記の電極パターンに応じた分極反転グレーティングをZn:LiNbO3中に形成した。次に、この周期分極反転構造を有するZn:LiNbO3基板をクラッドとなるLiTaO3上に直接接合を行い、500℃で熱処理を行うことにより両基板を強固に接合した。
次に、コア層を研磨により5μm程度まで薄膜化し、ドライエッチングプロセスを用いてリッジ型の光導波路を形成した。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されたPPLN導波路を有する二次非線形光学素子は、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とした。
本実施例では、パイロットトーンの波長は、1550nmである。第1から第6のコアに入力した変調信号は、1550nmを中心として対称に信号光とアイドラ光を配置した。伝送帯域としては、C帯1535nmから1565nmである。つまり、中心波長1550nmを中心に±15nmの帯域に密に変調信号光を配置した。第1から第6のコアには、パイロットトーンを入力する必要がないため、中心波長の近辺にガードバンドを設ける必要がないため、伝送帯域の全てを用いることができる。
各信号光増幅部400−1〜400−6では、変調信号光は、分散・偏波補償器401により、マルチコア光ファイバFMin内の分散及び偏波が補償された後、光ファイバ伸長器402及び位相変調器403を介して、二次非線形光学素子410に入力される。
基本波光発生部600では、分散・偏波補償器601によりマルチコア光ファイバFMin内の分散及び偏波が補償された後、バンドパスフィルタ602によりパイロットトーンに重畳した自然放出雑音が除去される。その後、可変アッテネータ(VOA)603により光強度を調整し、光サーキュレータ604を用いて、局発光源605に光注入同期を行った。
二次非線形光学素子510内のPPLN導波路511中の第二高調波発生(SHG)により、1550nmの2倍波である775nmの波長を持つ励起光を生成した。10Wの局発光(基本波光)により、6Wの励起光強度が得られた。この励起光はダイクロイックミラー515により取りだされて励起光分岐部700に送られる。
第1乃至第6の信号光増幅部400−1〜400−6の二次非線形光学素子410の出力光を、光分波回路404により一部を分岐し、光検出器405により光強度の変化を検出した後、位相同期ループ回路406を用いて励起光と信号光との位相が同期するように光ファイバ伸長器402にフィードバックをかけることで安定的な位相感応光増幅動作を実現した。
なお、本実施例では二次非線形光学素子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三次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。
上記実施例における発明の効果について述べる。
まず、複数の伝送路におけるトータルの伝送帯域が広く確保できることが挙げられる。例えば、伝送帯域が30nmであって7つの伝送路を用いれば、理想的にはトータルで210nmの帯域が確保できる。しかしながら、パイロットトーンを設けるために10nm程度のガードバンドを設ける場合、伝送帯域は、20nmとなり、かつ従来の方式では全ての伝送路においてパイロットトーンを設ける必要があるため、トータルの伝送帯域としては、140nm程度となってしまう。
これに対し、本発明は、パイロットトーンを入力するコア以外のコアでの伝送帯域はまったく制限を受けないため、7コア中の6コア全ての帯域を伝送に用いることができるため、トータルの帯域としては180nmを確保することができる。従来方式との差は、伝送路の数、つまりマルチコアのコア数を多くなるほど顕著となる。
つまり、マルチコア光ファイバのコア配置において、全てのコアが対称的に配置されていれば、どのコアにパイロットトーンを入れてもよいが、対称配置ではなく隣接コア数に差がある場合には、最も隣接コア数が多い、つまりクロストークの大きいコアにパイロットトーンを入れることがより望ましい。これにより、マルチコア光ファイバ全体で、より伝送特性の劣化を抑えた伝送が可能となる。
従来方法では、全ての伝送路内のパイロットトーンに対して、局発光源及び励起光生成用の構成部品が必要であったため、伝送路の数が増えるほどそれに比例して部品点数が増えてしまうという課題があった。
これに対し本実施例の方法では、パイロットトーンが共通なので、局発光光源が1つで済む、同様に励起光生成機構も1つで済むというメリットを有する。コア数が増えても、部品点数の大幅な増加がないため、伝送路の数を容易に増やすことができる。
410 二次非線形光学素子
411 PPLN導波路
500 励起光発生部
510 二次非線形光学素子
511 PPLN導波路
600 基本波光発生部
605 局発光源
700 励起光分岐部
800 光増幅装置
1000 光伝送システム
FMin,FMout マルチコア光ファイバ
fin1〜fin7 シングルモード光ファイバ
fout1〜fout7 シングルモード光ファイバ
Claims (8)
- マルチコア光ファイバから伝送される信号光を増幅する光増幅装置であって、
前記信号光を伝送するコアとは異なるコアに、前記信号光の位相に対して予め決めた位相関係になっているパイロットトーンが伝送され、
局発光源を有しており、前記パイロットトーンが入力されるとこのパイロットトーンの位相に同期した局発光を前記局発光源が発生し、この局発光を基本波光として出力する基本波光発生部と、
波長変換を行う非線形光学素子を有しており、前記基本波光が入力されることにより励起光を生成して出力する励起光発生部と、
パラメトリック光増幅による位相感応増幅を行う非線形光学素子を有しており、前記信号光と前記励起光が入力されると前記信号光を位相感応増幅して出力する信号光増幅部と、
を備えていることを特徴とする光増幅装置。 - 請求項1において、
前記基本波光発生部は、前記局発光源から発生した局発光を2分岐する光分岐回路を有しており、分岐した一方の局発光を前記基本波光として出力し、分岐した他方の局発光を新たなパイロットトーンとして出力することを特徴とする光増幅装置。 - 請求項1において、
パラメトリック光増幅による位相感応増幅を行う非線形光学素子を有しており、前記マルチコア光ファイバにより伝送されてきたパイロットトーンを増幅して増幅されたパイロットトーンを出力するパイロットトーン増幅部を更に有することを特徴とする光増幅装置。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項において、
前記非線形光学素子は、二次非線形光学素子又は三次非線形光学素子であることを特徴とする光増幅装置。 - 請求項4において、
前記二次非線形光学素子は、前記励起光と前記信号光との間で擬似位相整合を満たす周期分極反転構造を有する、LiNbO3、KNbO3、LiTaO3、LiNbxTa1-xO3(0≦x≦1)若しくはKTiOPO4、又はそれらに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含有している材料からなる光導波路を有することを特徴とする光増幅装置。 - 請求項1から請求項5のいずれか一項において、
前記パイロットトーンは、前記信号光の中心波長をもつ1波長の連続光、もしくは中心波長に対し短波長側と長波長側に対称的に離調された2波長の連続光であり、
このパイロットトーンを用いて前記励起光発生部の前記非線形光学素子中にて第二高調波発生もしくは和周波発生過程により励起光を生成することを特徴とする光増幅装置。 - 信号光を伝送するコアと、前記信号光の位相に対して予め決めた位相関係になっているパイロットトーンを伝送するコアとが異なっているマルチコア光ファイバと、
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載した光増幅装置と、
前記マルチコア光ファイバのコアのうち前記信号光を伝送するコアと、前記信号光増幅部の入力部とを接続する光ファイバと、
前記マルチコア光ファイバのコアのうち前記パイロットトーンを伝送するコアと、前記基本波光発生部の入力部とを接続する光ファイバと、
を有することを特徴とする光伝送システム。 - 信号光を伝送するコアと前記信号光の位相に対して予め決めた位相関係になっているパイロットトーンを伝送するコアとが異なっている上流側のマルチコア光ファイバと、
前記信号光を伝送するコアと前記パイロットトーンを伝送するコアとが異なっている下流側のマルチコア光ファイバと、
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載した光増幅装置と、
前記上流側のマルチコア光ファイバのコアのうち前記信号光を伝送するコアと、前記信号光増幅部の入力部とを接続する光ファイバと、
前記下流側のマルチコア光ファイバのコアのうち前記信号光を伝送するコアと、前記信号光増幅部の出力部とを接続する光ファイバと、
前記上流側のマルチコア光ファイバのコアのうち前記パイロットトーンを伝送するコアと、前記基本波光発生部の入力部とを接続する光ファイバと、
前記下流側のマルチコア光ファイバのコアのうち前記パイロットトーンを伝送するコアに、前記新たなパイロットトーンまたは前記増幅されたパイロットトーンを伝送する光ファイバと、
を有することを特徴とする光伝送システム。
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