JP6774382B2 - Optical amplifier and optical transmission system using it - Google Patents

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本発明は、光通信システムや光計測システムで用いられる光増幅装置およびそれを用いた光伝送システムに関する。 The present invention relates to an optical amplifier used in an optical communication system or an optical measurement system, and an optical transmission system using the same.

従来の光伝送システムでは、光ファイバを伝搬して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後に光信号を再生する識別再生光中継器が用いられた。識別再生光中継器では、光−電気変換する電子部品の応答速度制限や、消費電力増大の問題があった。そこで、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光のままで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登場した。これらレーザ増幅器は、劣化した信号光波形を整形する機能を有していなかった。逆に、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全く無関係に混入され、増幅前後で信号光のS/Nが少なくとも3dB低下する。S/N低下は、デジタル信号伝送時における伝送符号誤り率を上昇させ、伝送品質を低下させる。 In a conventional optical transmission system, an identification reproduction optical repeater is used to convert an optical signal into an electric signal and reproduce the optical signal after identifying the digital signal in order to reproduce the signal propagated through the optical fiber and attenuated. .. The identification / regeneration optical repeater has problems such as limitation of response speed of electronic components for optical-electric conversion and increase in power consumption. Therefore, fiber laser amplifiers and semiconductor laser amplifiers have been introduced, in which excitation light is incident on an optical fiber to which a rare earth element is added to amplify the signal light as it is. These laser amplifiers did not have the function of shaping the deteriorated signal light waveform. On the contrary, the spontaneously emitted light that is unavoidably and randomly generated is mixed completely independently of the signal component, and the S / N of the signal light is reduced by at least 3 dB before and after amplification. The decrease in S / N increases the transmission code error rate during digital signal transmission and lowers the transmission quality.

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。信号とは無関係の直交位相をもった自然放出光を抑圧でき、同相の自然放出光も最小限で済む。このために原理的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できる。 A phase sensitive amplifier (PSA) is being studied as a means of overcoming the limitations of a laser amplifier. The PSA has a function of shaping a deteriorated signal light waveform and a phase signal due to the influence of the dispersion of the transmission fiber. Naturally emitted light having a quadrature phase unrelated to the signal can be suppressed, and naturally emitted light of the same phase can be minimized. Therefore, in principle, the S / N of the signal light can be kept the same before and after amplification without deterioration.

図1は、従来技術のPSAの基本的な構成を示す図である。図1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光分岐部104−1及び第2の光分岐部104−2とを備える。図1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、位相感応光増幅部101に入射する。位相感応光増幅部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. 1 is a diagram showing a basic configuration of a PSA of the prior art. As shown in FIG. 1, the PSA100 includes a phase-sensitive optical amplification unit 101 using optical parametric amplification, an excitation light source 102, an excitation optical phase control unit 103, a first optical branching unit 104-1 and a second optical branching. A unit 104-2 is provided. As shown in FIG. 1, the signal light 110 input to the PSA 100 is bifurcated by the optical branching unit 104-1, one incident on the phase-sensitive optical amplification unit 101 and the other incident on the excitation light source 102. .. The excitation light 111 emitted from the excitation light source 102 is phase-adjusted via the excitation light phase control unit 103, and is incident on the phase-sensitive light amplification unit 101. The phase sensitive light amplification unit 101 outputs the 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、信号光110の位相および励起光111の位相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111―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のもつ雑音以上に過剰な自然放出光を発生しない。このため、S/N比を劣化させずに信号光110を増幅できる。 The phase-sensitive light amplification unit 101 has a characteristic that the signal light 110 is amplified when the phase of the signal light 110 and the phase of the excitation light 111 match, and the signal light 110 is attenuated when the two phases have an orthogonal phase relationship of 90 degrees. Have. When the phases of the excitation light 111 and the signal light 110 are matched so that the amplification gain is maximized by utilizing this characteristic, the spontaneous emission light having a phase orthogonal to the signal light 110 is not generated, and the components having the same phase are also included. It does not generate more naturally emitted light than the noise of signal light. Therefore, the signal light 110 can be amplified without deteriorating the S / N ratio.

信号光110および励起光111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。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。 In order to achieve the phase synchronization of the signal light 110 and the excitation light 111, the excitation light phase control unit 103 uses the excitation light 111 to synchronize with the phase of the signal light 110 branched by the first optical branching unit 104-1. Control the phase of. The excitation optical 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 so that the amplification gain of the output signal light 112 is maximized. The phase of the excitation light 111 is controlled.

上述のパラメトリック増幅を行う非線形光学媒質には、周期分極反転LiNbO3(PPLN)導波路に代表される二次非線形光学材料と、石英ガラスファイバに代表される三次非線形光学材料がある。 Non-linear optical media that perform parametric amplification as described above include a second-order nonlinear optical material represented by a periodic polarization inversion LiNbO 3 (PPRN) waveguide and a third-order nonlinear optical material represented by a quartz glass fiber.

図2は、PPLN導波路を用いた従来技術のPSAの構成を示す図である(非特許文献1参照)。図2に示したPSA200は、エルビウム添加ファイバレーザ増幅器(EDFA)201と、第1の二次非線形光学素子202及び第2の二次非線形光学素子204と、第1の光分岐部203−1及び第2の光分岐部203−2と、位相変調器205と、光ファイバ伸長器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(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も、同様の構成を持ち詳細は説明を省略する。 FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a PSA of a prior art using a PPLN waveguide (see Non-Patent Document 1). The PSA200 shown in FIG. 2 includes an erbium-added fiber optic laser amplifier (EDFA) 201, a first second-order nonlinear optical element 202, a second second-order nonlinear optical element 204, a first optical branching portion 203-1 and A second optical branching portion 203-2, a phase modulator 205, an optical fiber extender 206, a polarization holding fiber 207, an optical detector 208, and a phase synchronization loop (PLL) circuit 209 are provided. 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 also has a similar configuration, and details thereof will be omitted.

図2の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、一方は第2の二次非線形光学素子204に入射する。分岐光の他方は励起基本波光251として位相変調器205及び光ファイバ伸長器206を介して、位相制御されてEDFA201に入射する。EDFA201は、入射した励起基本波光251を十分に増幅し、第1の二次非線形光学素子202に入射する。EDFA201により、微弱な励起基本波光251から非線形光学効果を得るのに十分なパワーを得ることができる。第1の二次非線形光学素子202では、入射した励起基本波光251から第2高調波(以下、SH光)252が発生する。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およびSH光252によって縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応光増幅を行い、出力信号光253を出力する。 The signal light 250 incident on the PSA 200 in FIG. 2 is branched by the optical branching portion 203-1 and one is incident on the second second-order nonlinear optical element 204. The other of the branched lights is phase-controlled and incident on the EDFA 201 via the phase modulator 205 and the optical fiber extender 206 as the excitation fundamental wave light 251. The EDFA 201 sufficiently amplifies the incident excitation fundamental wave light 251 and incidents on the first second-order nonlinear optical element 202. With the EDFA201, sufficient power can be obtained from the weak excited fundamental wave light 251 to obtain a nonlinear optical effect. In the first second-order nonlinear optical element 202, a second harmonic (hereinafter referred to as SH light) 252 is generated from the incident excitation fundamental wave light 251. The generated SH light 252 is incident on the second second-order nonlinear optical element 204 via the polarization-holding fiber 207. In the second second-order nonlinear optical element 204, phase-sensitive optical amplification is performed by performing degenerate parametric amplification with the incident signal light 250 and SH light 252, and the output signal light 253 is output.

PSAにおいては、信号光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の位相と励起光の位相とが一致するか、または、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 式(1)
In the PSA, in order to amplify only the light whose phase is in phase with the signal light, it is necessary that the phase of the signal light and the phase of the excitation light match or are deviated by π radians as described above. That is, when the second-order nonlinear optical effect is used, it is necessary that the phase φ 2 ωs of the excitation light having a wavelength corresponding to the SH light and the phase φ ω s of the signal light satisfy the relationship of the following equation (1). Become. Here, n is an integer.
Δφ = 1/2 (φ 2ωs -φ ωs) = nπ formula (1)

図3は、従来技術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‐励起光間の位相差Δφと利得との関係を示す図である。横軸の位相差Δφが−π、0、またはπのときに、縦軸の利得(dB)が最大となっていることがわかる。 FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the phase difference Δφ between the input signal light and the excitation light and the gain in the PSA using the second-order nonlinear optical effect of the prior art. It can be seen that the gain (dB) on the vertical axis is maximum when the phase difference Δφ on the horizontal axis is −π, 0, or π.

信号光250と励起基本波光251との間の位相同期のために、まず位相変調器205で微弱なパイロット信号により位相変調を励起基本波光251に施し、出力信号光253の一部を分岐して検出器208で検波する。このパイロット信号成分は、図3に示した位相差Δφが最小となって、位相同期が取れている状態で最小となる。したがって、パイロット信号が最小、つまり増幅出力信号が最大となるようにPLL回路209を用いて、光ファイバ伸長器206にフィードバックを行う。励起基本波光251の位相を光ファイバ伸長器206によって制御して、信号光250と励起基本波光251との間の位相同期を達成できる。 For phase synchronization between the signal light 250 and the excitation fundamental wave light 251 first, the phase modulator 205 applies phase modulation to the excitation fundamental wave light 251 with a weak pilot signal, and a part of the output signal light 253 is branched. Detected by detector 208. This pilot signal component becomes the minimum when the phase difference Δφ shown in FIG. 3 is the minimum and the phase is synchronized. Therefore, feedback is performed to the optical fiber extender 206 by using the PLL circuit 209 so that the pilot signal is the minimum, that is, the amplified output signal is the maximum. The phase of the excitation fundamental wave light 251 can be controlled by the optical fiber extender 206 to achieve phase synchronization between the signal light 250 and the excitation fundamental wave light 251.

図3に示したように、上述の縮退パラメトリック過程を用いた位相感応光増幅器は、直交する位相成分を減衰させる特性を持っている。このため、通常の光通信で用いられる強度変調信号(OOK)や、2値の位相変調を用いる強度変調・直接検波(IMDD: Intensity Modulation-Direct Detection)方式、2値位相変調(BPSK)または差動位相偏移変調(DPSK)等の変調信号の増幅に対してのみ利用できる。また、1波長の信号光のみしか位相感応光増幅することができない。位相感応光増幅器を光通信技術に幅広く適用するためには、多値変調フォーマットや波長多重信号等の種々の光信号への対応が必要である。この対応の一例として、非特許文献3では、非縮退のパラメトリック増幅に基づく構成を用いて、任意の変調フォーマットに対応し、複数波長を一括で中継増幅可能な位相感応光増幅器が報告されている。 As shown in FIG. 3, the phase-sensitive optical amplifier using the degenerate parametric process described above has a property of attenuating orthogonal phase components. For this reason, the intensity modulation signal (OK) used in ordinary optical communication, the intensity modulation / direct detection (IMDD: Intensity Modulation-Direct Detection) method using binary phase modulation, or the binary phase modulation (BPSK) or difference. It can only be used for amplification of modulated signals such as dynamic phase shift keying (DPSK). Moreover, only the signal light of one wavelength can be amplified with phase sensitivity. In order to widely apply the phase-sensitive optical amplifier to optical communication technology, it is necessary to support various optical signals such as multi-value modulation formats and wavelength division multiplexing signals. As an example of this correspondence, Non-Patent Document 3 reports a phase-sensitive optical amplifier capable of relay-amplifying a plurality of wavelengths at once, supporting an arbitrary modulation format by using a configuration based on non-degenerate parametric amplification. ..

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 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 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 OptoElectronics and Communications Conference, OECC, 2013, PDP paper PD2-3 Masaki Asobe, Takeshi Umeki, Kouji Enbutsu, Osamu Tadanaga, and Hirokazu Takenouchi, "Phase squeezing and dispersion tolerance of phase sensitive amplifier using periodically poled LiNbO3 waveguide," J. Opt. Soc. Am. B 31, 3164-3169 2014年Masaki Asobe, Takeshi Umeki, Kouji Enbutsu, Osamu Tadanaga, and Hirokazu Takenouchi, "Phase squeezing and dispersion tolerance of phase sensitive amplifier using periodically poled LiNbO3 waveguide," J. Opt. Soc. Am. B 31, 3164-3169 2014 D. McGhan, C. Laperle, A. Savchenko, C. Li, G. Mak, and M. O'Sullivan, "5120 km RZ-DPSK Transmission over G652 Fiber at 10Gb/s with No Optical Dispersion Compensation," in Optical Fiber Communication Conference and Exposition and The National Fiber Optic Engineers Conference, Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2005年, paper PDP27D. McGhan, C. Laperle, A. Savchenko, C. Li, G. Mak, and M. O'Sullivan, "5120 km RZ-DPSK Transmission over G652 Fiber at 10Gb / s with No Optical Dispersion Compensation," in Optical Fiber Communication Conference and Exposition and The National Fiber Optic Engineers Conference, Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2005, paper PDP27 Koji Enbutsu, Takeshi Umeki, Osamu Tadanaga, Masaki Asobe, Hirokazu Takenouchi, "PPLN-Based Low-Noise In-Line Phase Sensitive Amplifier with Highly Sensitive Carrier-Recovery System,” IEICE Transactions on Communications, vol. E99.B 2016年 No. 8 pp. 1727-1733Koji Enbutsu, Takeshi Umeki, Osamu Tadanaga, Masaki Asobe, Hirokazu Takenouchi, "PPLN-Based Low-Noise In-Line Phase Sensitive Amplifier with Highly Sensitive Carrier-Recovery System," IEICE Transactions on Communications, vol. E99.B 2016 No . 8 pp. 1727-1733

しかしながら、従来技術の位相感応光増幅器では以下に述べるような問題があった。図3に示したように、位相感応光増幅器では信号と励起光の間の位相関係によって利得が変化する。このため、信号の位相変動に対し非常に敏感な増幅特性を持つ。位相感応光増幅器を中継増幅器として用いる場合、光ファイバ中の分散の影響で信号光の周波数成分に依存した位相変動が大きいと、位相感応光増幅後の信号品質が逆に劣化してしまう(非特許文献4)。信号の変調レートによって、信号光の周波数スペクトル広がりが異なるため、分散に対する耐力も異なる。例えば40GHzのシンボルレートで変調された信号光に対しては、約40ps/nmの累積分散が加わることで、位相感応光増幅後の信号品質が劣化してしまうことが指摘されている。通常用いられるシングルモードファイバ(SMF)の分散値を1.5μm帯光に対し18ps/nm・kmとすると、40ps/nmの累積分散値は約2.2km分の長さに相当する。伝送ファイバの1スパンが通常約80kmの長さを持つことを踏まえると、位相感応光増幅器は、SMFを伝送してきた信号光の増幅をすることができない。 However, the conventional phase-sensitive optical amplifier has the following problems. As shown in FIG. 3, in the phase-sensitive optical amplifier, the gain changes depending on the phase relationship between the signal and the excitation light. Therefore, it has an amplification characteristic that is very sensitive to the phase fluctuation of the signal. When a phase-sensitive optical amplifier is used as a relay amplifier, if the phase fluctuation depending on the frequency component of the signal light is large due to the influence of dispersion in the optical fiber, the signal quality after phase-sensitive optical amplification deteriorates (non-). Patent Document 4). Since the frequency spectrum spread of the signal light differs depending on the modulation rate of the signal, the yield strength to dispersion also differs. For example, it has been pointed out that the signal quality after phase-sensitive light amplification deteriorates due to the addition of cumulative dispersion of about 40 ps / nm to the signal light modulated at a symbol rate of 40 GHz. Assuming that the dispersion value of a commonly used single mode fiber (SMF) is 18 ps / nm · km with respect to 1.5 μm band light, the cumulative dispersion value of 40 ps / nm corresponds to a length of about 2.2 km. Given that one span of a transmission fiber usually has a length of about 80 km, the phase sensitive optical amplifier cannot amplify the signal light that has transmitted the SMF.

位相感応光増幅器を使用する際の伝送用ファイバとして、分散補償ファイバを用いて伝送路の分散を光学的に抑える手法がこれまでとられてきた(非特許文献2、非特許文献3)。分散補償ファイバを用いることで、使用波長帯での分散値を数ps/nmに抑えられ、位相感応光増幅器を通しても、信号品質が劣化することなく低雑音増幅が実現できる。しかしながら、位相感応光増幅器を配置するための伝送ファイバすべてに分散補償ファイバを用いるのは、既設の光通信設備の大幅な更改を伴い、現実的では無い。 As a transmission fiber when using a phase-sensitive optical amplifier, a method of optically suppressing the dispersion of a transmission line by using a dispersion compensating fiber has been adopted (Non-Patent Documents 2 and 3). By using the dispersion compensating fiber, the dispersion value in the wavelength band used can be suppressed to several ps / nm, and low noise amplification can be realized without deteriorating the signal quality even through the phase sensitive optical amplifier. However, it is not realistic to use dispersion compensating fibers for all the transmission fibers for arranging the phase-sensitive optical amplifier, because the existing optical communication equipment is significantly renewed.

本発明は上述のような従来技術の問題に鑑みてなされたものであって、SMFを伝送した後の信号に対しても位相感応光増幅器を適用できる構成を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a configuration in which a phase-sensitive optical amplifier can be applied to a signal after transmitting an SMF.

本発明は、このような目的を達成するために、請求項に記載の発明は、変調された信号光群を発生する送信器と、光ファイバ伝送路を介して前記送信器と接続される光増幅装置とを備えた光伝送システムであって、前記送信器は、前記光ファイバ伝送路において生じる波長分散に応じた前置分散補償を加えたデジタル信号データであって、位相共役の関係にある2組のデジタル信号データを生成するデジタル信号生成部と、信号光光源からの搬送波光および局部発振光から、前記搬送波光と位相共役の関係にあるアイドラ光を生成するアイドラ光生成部と、前記位相共役の関係にある2組のデジタル信号データの一方に基づいて、前記搬送波光の光位相および光強度を変化させて変調信号光を生成する第1の光変調部と、前記位相共役の関係にある2組のデジタル信号データの他方に基づいて、前記アイドラ光の光位相および光強度を変化させて変調アイドラ光を生成する第2の光変調部とを含み、前記変調信号光、前記変調アイドラ光および前記局部発振光が同送され、前記光増幅装置は、前記光ファイバ伝送路を伝送された前記局部発振光に基づいて、励起光を生成する第1の二次非線形光学素子と、前記励起光に基づいて、前記変調信号光および前記変調アイドラ光に対して非縮退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、前記変調信号光の位相と、前記励起光の位相を同期する手段とを含むことを特徴とする光伝送システムである。この光伝送システムは実施形態2の光伝送システムに対応する。 In order to achieve such an object, the invention according to claim 1 is connected to a transmitter that generates a modulated signal light group and the transmitter via an optical fiber transmission path. An optical transmission system including an optical amplification device, wherein the transmitter is digital signal data with pre-dispersion compensation according to the wavelength dispersion generated in the optical fiber transmission line, and has a phase-conjugated relationship. A digital signal generator that generates two sets of digital signal data, an idler light generator that generates idler light that has a phase conjugate relationship with the carrier light from the carrier light and locally oscillated light from the signal light source, and A first optical modulation unit that generates modulated signal light by changing the optical phase and light intensity of the carrier light based on one of the two sets of digital signal data having a phase conjugate relationship, and the phase conjugate The modulated signal light, said to include a second optical modulator that changes the optical phase and intensity of the idler light to generate modulated idler light based on the other of the two sets of digital signal data in relation to each other. The modulated idler light and the locally oscillating light are simultaneously transmitted, and the optical amplification device is connected to a first secondary nonlinear optical element that generates excitation light based on the locally oscillating light transmitted through the optical fiber transmission path. A second second-order nonlinear optical element that performs non-reduced parametric amplification of the modulated signal light and the modulated idler light based on the excitation light, the phase of the modulated signal light, and the phase of the excitation light. It is an optical transmission system characterized by including means for synchronization. This optical transmission system corresponds to the optical transmission system of the second embodiment.

請求項に記載の発明は、請求項の光伝送システムであって、前記送信器は、前記局部発振光から、第2高調波光を生成する第3の二次非線形光学素子と、前記第2高調波光と前記搬送波光との差周波数光である前記アイドラ光を生成する第4の二次非線形光学素子とをさらに含むことを特徴とする。 The invention according to claim 2 is the optical transmission system according to claim 1 , wherein the transmitter includes a third second-order nonlinear optical element that generates second harmonic light from the locally oscillating light, and the first. It is characterized by further including a fourth second-order nonlinear optical element that generates the idler light, which is the difference frequency light between the second harmonic light and the carrier light.

請求項に記載の発明は、光ファイバ伝送路において生じる波長分散に応じた前置分散補償を加えた変調信号により送信器において生成された信号光群であって、当該光ファイバ伝送路を伝送した前記信号光群を光感応増幅する光増幅装置であって、前記信号光群は、位相共役の関係にある2組のデジタル信号データの内の一方に基づいて、信号光光源からの搬送波光の光位相および光強度を変化させて変調された変調信号光と、前記位相共役の関係にある2組のデジタル信号データの他方に基づいて、前記搬送波光および局部発振光から生じ、前記搬送波光と位相共役の関係にあるアイドラ光に対して、その光位相および光強度を変化させて変調されたアイドラ変調光と、前記変調信号光および前記アイドラ変調光と同送された前記局部発振光を含み、前記光増幅装置は、前記光ファイバ伝送路を伝送した前記局部発振光に基づいて、励起光を生成する第1の二次非線形光学素子と、前記励起光に基づいて、前記変調信号光および前記アイドラ変調光に対して非縮退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、前記変調信号光の位相と、前記励起光の位相を同期する手段とを含むことを特徴とする光増幅装置である。この光増幅装置は、実施形態2の光増幅装置に対応する。 The invention according to claim 3 is a signal light group generated in a transmitter by a modulated signal to which pre-dispersion compensation is added according to the wavelength dispersion generated in the optical fiber transmission line, and transmits the optical fiber transmission line. It is an optical amplification device that photosensitizes and amplifies the signal light group, and the signal light group is a carrier light from a signal light light source based on one of two sets of digital signal data having a phase conjugate relationship. Based on the modulated signal light modulated by changing the optical phase and light intensity of the above and the other of the two sets of digital signal data having a phase-coupled relationship, the carrier light is generated from the carrier light and the locally oscillated light. With respect to the idler light having a phase conjugate relationship with the idler light, the idler modulated light modulated by changing the optical phase and the light intensity, the modulated signal light, and the locally oscillating light transmitted together with the idler modulated light. Including, the optical amplification device includes a first secondary nonlinear optical element that generates excitation light based on the locally oscillating light transmitted through the optical fiber transmission path, and the modulation signal light based on the excitation light. The light includes a second secondary nonlinear optical element that performs non-reduced parametric amplification with respect to the idler-modulated light, and means for synchronizing the phase of the modulated signal light with the phase of the excitation light. It is an amplification device. This optical amplifier corresponds to the optical amplifier of the second embodiment.

本発明により、SMFを伝送後の信号に対しても、分散に起因した特性劣化のない低雑音な位相感応光増幅を実現できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to realize low-noise phase-sensitive optical amplification without characteristic deterioration due to dispersion even for a signal after transmitting SMF.

図1は、従来技術のPSAの基本的な構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a PSA of the prior art. 図2は、PPLN導波路を用いた従来技術のPSAの構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a prior art PSA using a PPLN waveguide. 図3は、PSAの入力信号光励起光間位相差−利得の関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the phase difference between the input signal photoexcited light of PSA and the gain. 図4は、本発明の実施形態1の光伝送システムの構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a configuration of an optical transmission system according to the first embodiment of the present invention. 図5は、実施形態1の光伝送システムのPSAの構成を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a configuration of PSA of the optical transmission system of the first embodiment. 図6は、中継型PSAの各信号の波長軸上での関係を説明する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship of each signal of the relay type PSA on the wavelength axis. 図7は、中継型PSAで増幅された信号光のスペクトルを示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a spectrum of signal light amplified by the relay type PSA. 図8は、光伝送システム各部の信号光コンスタレーションを示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a signal optical constellation of each part of the optical transmission system. 図9は、本発明の実施形態2の光伝送システムの構成を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a configuration of an optical transmission system according to a second embodiment of the present invention. 図10は、実施形態2の光伝送システムの送信器の構成を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a transmitter of the optical transmission system of the second embodiment.

本発明の光伝送システムでは、送信器側において、変調器に加える変調信号に対して伝送路内で生じる波長分散との逆の波長分散を与える前置分散補償を行う。前置分散補償された変調光を伝送路に送信すれば、伝送路内で生じる波長分散による信号品質の劣化を低減またはキャンセルできる。BPSK信号に対して前置分散補償を行った変調信号で変調した信号光と、縮退型のPSAを組み合わせた光伝送システムが開示される。また、QPSK信号に対して前置分散補償を行った変調信号で変調した信号光と、非縮退型のPSAを組み合わせた光伝送システムが開示される。本発明により、これまで不可能であったSMF伝送後の信号に対しても、分散に起因した特性劣化のない低雑音な位相感応光増幅を実現できる。低雑音な光増幅が可能になるだけでなく、伝送路で光信号が受けた位相雑音を光信号のままで補償することができ、大容量光伝送に必須となるSNRの向上が可能となる。以下、図面を参照しながら本発明の光伝送システムおよび光増幅装置の実施形態について詳細に説明する。 In the optical transmission system of the present invention, the transmitter side performs pre-dispersion compensation that gives the modulation signal applied to the modulator a wavelength dispersion opposite to the wavelength dispersion generated in the transmission line. By transmitting the pre-dispersion-compensated modulated light to the transmission line, the deterioration of signal quality due to the wavelength dispersion occurring in the transmission line can be reduced or canceled. An optical transmission system that combines a signal light modulated by a modulated signal with pre-dispersion compensation for a BPSK signal and a reduced PSA is disclosed. Further, an optical transmission system in which a signal light modulated by a modulated signal in which a QPSK signal is pre-distributed compensated and a non-reduced PSA are combined is disclosed. According to the present invention, it is possible to realize low-noise phase-sensitive optical amplification without characteristic deterioration due to dispersion even for a signal after SMF transmission, which has been impossible until now. Not only can low-noise optical amplification be possible, but the phase noise received by the optical signal in the transmission line can be compensated for as it is, and the SNR, which is essential for large-capacity optical transmission, can be improved. .. Hereinafter, embodiments of the optical transmission system and the optical amplifier device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[実施形態1]
図4は、本発明の実施形態1の光伝送システムの構成を示す図である。本発明に係る光増幅装置および光伝送システムでは、PPLN導波路を用いたPSAの構成を示す。本実施形態に係る光伝送システムは、前置デジタル信号処理により伝送路の分散を予め補償することで、光ファイバ伝送後の光信号に対しても低雑音な位相感応光増幅を可能とする。図4の実施形態1においては、励起光と同相成分のみを増幅する縮退型PSAにおいて、ファイバ伝送後の信号増幅を、前置分散補償を用いて実現する構成を示す。縮退型PSAは強度変調信号又は同位相成分のみが変調された信号を増幅できる。本実施形態においては、2値の位相変調(BPSK)が施された信号光を増幅するための構成例を説明する。
[Embodiment 1]
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of an optical transmission system according to the first embodiment of the present invention. In the optical amplification device and the optical transmission system according to the present invention, the configuration of PSA using the PPLN waveguide is shown. The optical transmission system according to the present embodiment enables low-noise phase-sensitive optical amplification even for an optical signal after optical fiber transmission by compensating for the dispersion of the transmission line in advance by pre-digital signal processing. In the first embodiment of FIG. 4, a degenerate PSA that amplifies only components in phase with the excitation light shows a configuration that realizes signal amplification after fiber transmission by using pre-dispersion compensation. The degenerate PSA can amplify an intensity-modulated signal or a signal in which only in-phase components are modulated. In this embodiment, a configuration example for amplifying a signal light subjected to binary phase modulation (BPSK) will be described.

図4の光伝送システム400は、大まかに、デジタル信号処理により前置分散補償された信号光を送信する送信器401、光ファイバ430と偏波補償器440、及びPSA500からなる。詳細は動作とともに後述するが、送信器401は、信号光源409と、デジタル信号生成部402と、デジタルアナログ変換器(DAC)405、406と、駆動アンプ407、408と、光変調部であるIQ変調器(IQM)410とEDFA420を備える。本実施形態の光伝送システムでは、送信器401は前置分散補償されたBPSK信号を生成する。 The optical transmission system 400 of FIG. 4 roughly includes a transmitter 401, an optical fiber 430, a polarization compensator 440, and a PSA 500 that transmit signal light pre-dispersed compensated by digital signal processing. The details will be described later together with the operation, but the transmitter 401 includes a signal light source 409, a digital signal generator 402, a digital-to-analog converter (DAC) 405 and 406, drive amplifiers 407 and 408, and an IQ which is an optical modulation unit. It is equipped with a modulator (IQM) 410 and an EDFA 420. In the optical transmission system of this embodiment, the transmitter 401 produces a pre-dispersion compensated BPSK signal.

図5は、実施形態1の光伝送システムにおける中継型PSAの構成を示す図である。図5の中継型PSA500は、BPSK信号からの搬送波位相の抽出方法を行う励起光生成部530および位相感応光増幅部540に大別される。励起光生成部530および位相感応光増幅部540は、それぞれ2つのPPLN導波路モジュールを用いて構成されている。励起光生成部530では、第1のPPLN導波路モジュール504は、励起光となる第2高調波(SH光)発生(SHG: Second Harmonic Generation)に用いられ、第2のPPLN導波路モジュール505は、差周波光生成(Difference Frequency Generation)に用いられる。第1のPPLN導波路モジュール504は入出力双方の空間光学系と、PPLN導波路と、出力側のダイクロイックミラーとを備える。第2のPPLN導波路モジュール505は、入出力の双方の空間光学系と、PPLN導波路と、入出力双方のダイクロイックミラーとを備える。位相感応光増幅部540では、第3のPPLN導波路モジュール516は、励起光となるSH光発生に用いられ、第4のPPLN導波路モジュール517は、パラメトリック増幅(OPA: Optical Parametric Amplification)に用いられる。各PPLN導波路モジュールの構成は、励起光生成部と同様である。 FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a relay type PSA in the optical transmission system of the first embodiment. The relay type PSA500 of FIG. 5 is roughly classified into an excitation light generation unit 530 and a phase-sensitive light amplification unit 540 that perform a method of extracting a carrier wave phase from a BPSK signal. The excitation light generation unit 530 and the phase sensitive light amplification unit 540 are each configured by using two PPLN waveguide modules. In the excitation light generation unit 530, the first PPLN waveguide module 504 is used for the generation of the second harmonic (SH light) (SHG) that becomes the excitation light, and the second PPLN waveguide module 505 is used. , Used for Difference Frequency Generation. The first PPLN waveguide module 504 includes a spatial optical system for both input and output, a PPLN waveguide, and a dichroic mirror on the output side. The second PPLN waveguide module 505 includes both input / output spatial optical systems, a PPLN waveguide, and both input / output dichroic mirrors. In the phase-sensitive optical amplification unit 540, the third PPLN waveguide module 516 is used to generate SH light as excitation light, and the fourth PPLN waveguide module 517 is used for parametric amplification (OPA: Optical Parametric Amplification). Be done. The configuration of each PPLN waveguide module is the same as that of the excitation light generator.

ここで、図5のPSA500で用いたPPLN導波路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。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度調整が可能である。導波路の長さを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成とした。本実施形態では、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、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を用いても良い。 Here, the method of manufacturing the PPLIN waveguide used in the PSA500 of FIG. 5 is illustrated below. First, a periodic electrode having a period of about 17 μm was formed on LiNbO3 to which Zn was added. Next, a polarization reversal grating corresponding to the above electrode pattern was formed in Zn: LiNbO3 by the electric field application method. Next, the Zn: LiNbO3 substrate having this periodic polarization inversion structure was directly bonded onto the clad LiTaO3, and the two substrates were firmly bonded by heat treatment at 500 ° C. Next, the core layer was thinned to about 5 μm by polishing, and a ridge type optical waveguide was formed by using a dry etching process. The temperature of this waveguide can be adjusted by a Peltier element. The length of the waveguide was set to 50 mm. The second-order nonlinear optical element having the PPLN waveguide formed in this way has a modular configuration in which light can be input and output with a polarization-holding fiber in the 1.5 μm band. In this embodiment, LiNbO3 to which Zn is added is used, but other non-linear materials such as KNbO3, LiTaO3, LiNbxTa1-xO3 (0 ≦ x ≦ 1) or KTIOPO4, or Mg, Zn, Sc, In to them are used. A material containing at least one selected from the group consisting of the above as an additive may be used.

再び図4を参照しながら、光伝送システム400で前置分散補償された信号光を送信する送信器401の動作についてさらに説明する。図4の送信器401において、デジタル信号生成部402は、光ファイバ伝送路で受ける分散に起因した光位相のシフトとは逆のシフトを与える演算を行って、送信データに基づく変調信号に対して補償を加える。すなわちデジタル信号生成部402、前置分散補償された第1のデータ信号404、第2のデータ信号403を出力する。これらデータ信号を、第1のDAC406、第2のDAC405へ入力してアナログ信号に変換し、さらに第1の駆動アンプ408、第2の駆動アンプ407で所要レベルまで増幅した。これにより、IQ変調器410に入力される2つの変調信号I、Qは、波長分散の前置補償が施された信号となる。信号光源409からの搬送波光は、IQ変調器410において、上述の変調信号I、Qによって強度および位相を変調され、前置分散補償の施されたシンボルレート10GHzのBPSK信号が出力される。 The operation of the transmitter 401 that transmits the pre-dispersion-compensated signal light in the optical transmission system 400 will be further described with reference to FIG. 4 again. In the transmitter 401 of FIG. 4, the digital signal generation unit 402 performs an operation of giving a shift opposite to the optical phase shift caused by the dispersion received in the optical fiber transmission line, and performs an operation on the modulated signal based on the transmission data. Add compensation. That is, the digital signal generation unit 402 outputs the pre-dispersion compensated first data signal 404 and the second data signal 403. These data signals were input to the first DAC 406 and the second DAC 405 to be converted into analog signals, and further amplified to a required level by the first drive amplifier 408 and the second drive amplifier 407. As a result, the two modulation signals I and Q input to the IQ modulator 410 become signals with pre-compensation for wavelength dispersion. The carrier light from the signal light source 409 is intensity and phase-modulated by the above-mentioned modulated signals I and Q in the IQ modulator 410, and a BPSK signal having a symbol rate of 10 GHz with pre-dispersion compensation is output.

デジタル信号生成部402で与えられる歪みは、後段の光ファイバ430を伝送後に信号光に累積される分散による信号歪を受けることで相殺されるように与えられる。IQ変調器410でのレベル低下を補うため、EDFA420を用いて信号光を増幅した後、80kmの光ファイバ430に入力した。光ファイバ430は16.7ps/nm/kmの分散特性であり、80km伝送後のトータルの分散値は1336.0psである。図4の光ファイバ430の前後の信号光コンスタレーション421、422に示したように、光ファイバ430を伝搬することで、信号光の歪は補償されてゆく。80kmの光ファイバ430を伝送して、信号光に累積される分散による信号歪を受けると、理想的なBPSKの信号光を得ることができる。前置分散補償処理では分散のスロープも考慮した補償を行うことができる。このため、決まった波長に対しては従来技術の光学的な補償手段と比較して高精度な分散補償が可能であり、光ファイバ伝送による分散に起因した歪みのない信号光を得ることができる。このようにPSAに入力される信号光の累積分散値を補償することで、光ファイバを伝送後の信号光に対しても低雑音な位相感応光増幅が可能となる。光ファイバ430を伝送した信号光は、偏波補償器440により光ファイバ内の偏波を補償した後、信号光501は、PSA500へと入力される。次に、図5とともにPSA500の動作について説明する。 The distortion given by the digital signal generation unit 402 is given so as to be offset by receiving signal distortion due to dispersion accumulated in the signal light after transmission through the optical fiber 430 in the subsequent stage. In order to compensate for the level drop in the IQ modulator 410, the signal light was amplified using the EDFA 420 and then input to the 80 km optical fiber 430. The optical fiber 430 has a dispersion characteristic of 16.7 ps / nm / km, and the total dispersion value after 80 km transmission is 1336.0 ps. As shown in the signal optical constellations 421 and 422 before and after the optical fiber 430 in FIG. 4, the distortion of the signal light is compensated by propagating through the optical fiber 430. An ideal BPSK signal light can be obtained by transmitting an 80 km optical fiber 430 and receiving signal distortion due to dispersion accumulated in the signal light. In the pre-dispersion compensation process, compensation can be performed in consideration of the slope of the dispersion. Therefore, it is possible to perform highly accurate dispersion compensation for a fixed wavelength as compared with the optical compensation means of the prior art, and it is possible to obtain signal light without distortion due to dispersion due to optical fiber transmission. .. By compensating for the cumulative dispersion value of the signal light input to the PSA in this way, it is possible to perform phase-sensitive light amplification with low noise even for the signal light after transmission through the optical fiber. The signal light transmitted through the optical fiber 430 is compensated for polarization in the optical fiber by the polarization compensator 440, and then the signal light 501 is input to the PSA 500. Next, the operation of the PSA500 will be described with reference to FIG.

図5を参照すると、PSA500において、入力された信号光501の一部は光カプラ502により分岐され、励起光生成部530に入射される。光伝送における中継増幅器として縮退型のPSAを用いる場合には、変調が施されている信号光から平均的な位相を抽出し、励起光生成部530で信号の搬送波位相と同期した励起光を生成する必要がある。以下の説明では、図6で中継型PSA500の各部の光の波長軸上での関係を参照しながらPSA500の動作について説明する。 Referring to FIG. 5, in PSA500, a part of the input signal light 501 is branched by the optical coupler 502 and incident on the excitation light generation unit 530. When a retractable PSA is used as a relay amplifier in optical transmission, the average phase is extracted from the modulated signal light, and the excitation light generator 530 generates excitation light synchronized with the carrier phase of the signal. There is a need to. In the following description, the operation of the PSA500 will be described with reference to FIG. 6 with reference to the relationship of the light of each part of the relay type PSA500 on the wavelength axis.

図6の(a)〜(d)は、図5の中継型PSA500における各信号の波長軸上での関係を説明する図である。図6のいずれの図も横軸を波長として、各信号の波長軸上の相対位置関係を概念的に示している。図6の各図では横軸を波長軸としているため、周波数のより高い光は、図6ではより短い波長の光として示されることに留意されたい。したがって、光の周波数が高いほど、図6では横軸のより左側の短波長側に位置することになる。 6 (a) to 6 (d) are diagrams for explaining the relationship of each signal on the wavelength axis in the relay type PSA500 of FIG. In each of the figures of FIG. 6, the relative positional relationship of each signal on the wavelength axis is conceptually shown with the horizontal axis as the wavelength. Note that light with a higher frequency is shown as light with a shorter wavelength in FIG. 6 because the horizontal axis is the wavelength axis in each figure of FIG. Therefore, the higher the frequency of light, the closer it is to the short wavelength side on the left side of the horizontal axis in FIG.

図5に再び戻ると、励起光生成部530では、分岐した信号光501をEDFA503によって増幅した後、第1のPPLN導波路モジュール504によって、信号光の波長に対して半分の波長を持つ第2高調波光(SH光)を生成する。一方で励起光生成部530では、局部発振光源507で生成された励起光(Lo1)551および上述の第1のPPLN導波路モジュール504からのSH光が、第2のPPLNモジュール505に入力される。第2のPPLNモジュール505では、励起光(Lo1)とSH光との間の差周波光(Lo2)が生成される。 Returning to FIG. 5 again, in the excitation light generation unit 530, after the branched signal light 501 is amplified by the EDFA 503, the second PPLN waveguide module 504 has a second wavelength that is half the wavelength of the signal light. Generates harmonic light (SH light). On the other hand, in the excitation light generation unit 530, the excitation light (Lo1) 551 generated by the local oscillation light source 507 and the SH light from the above-mentioned first PPLN waveguide module 504 are input to the second PPLN module 505. .. In the second PPLN module 505, the difference frequency light (Lo2) between the excitation light (Lo1) and the SH light is generated.

第2のPPLN導波路モジュール505から出力された信号光、励起光(Lo1)および差周波光(Lo2)は、バンドパスフィルタ506により、差周波光(Lo2)のみが取り出される。差周波光(Lo2)は、光サーキュレータ513を通過した後、例えばアレイ導波路格子(AWG)型の波長合分波器511を経由して半導体レーザ512に入力される。半導体レーザ512は、光注入同期により差周波光(Lo2)と同じ位相、同じ波長を持つ第2の励起光を生成する。第2の励起光の光強度は、半導体レーザ512の出力により決まるため、第2のPPLN導波路モジュール505からの数10μW程度の微弱な差周波数光(Lo2)を用いて、数10mW以上の第2の励起光(Lo2)を得ることができる。波長合分波器511の分波側ポートから、局部発振光源507より光カプラ508で分岐していた励起光(Lo1)を波長合分波器511の合波側ポートへ入射し、半導体レーザ510からの注入同期した第2の励起光(Lo2)と合波して、サーキュレータ513から励起光出力552が出力される。 As for the signal light, the excitation light (Lo1) and the differential frequency light (Lo2) output from the second PPLN waveguide module 505, only the differential frequency light (Lo2) is extracted by the bandpass filter 506. After passing through the optical circulator 513, the differential frequency light (Lo2) is input to the semiconductor laser 512 via, for example, an array waveguide grating (AWG) type wavelength duplexer 511. The semiconductor laser 512 generates a second excitation light having the same phase and the same wavelength as the difference frequency light (Lo2) by photoinjection synchronization. Since the light intensity of the second excitation light is determined by the output of the semiconductor laser 512, a weak difference frequency light (Lo2) of several tens of μW from the second PPLN waveguide module 505 is used to obtain a second excitation light of several tens of mW or more. The excitation light (Lo2) of 2 can be obtained. From the demultiplexing side port of the wavelength demultiplexer 511, the excitation light (Lo1) branched by the optical coupler 508 from the local oscillation light source 507 is incident on the demultiplexing side port of the wavelength demultiplexer 511, and the semiconductor laser 510 The excitation light output 552 is output from the circulator 513 by merging with the second excitation light (Lo2) synchronized with the injection from.

ここで図6の(a)を参照すると、信号光sに対して、波長軸上における短波長側に励起光(Lo1)p1が示されている。信号光sは、変調を受けているのでスペクトルが広がっている。図6の(b)を参照すると、波長軸上で信号光sに対して励起光(Lo1)p1の反対側に、差周波数光(Lo2)p2が示されている。差周波数光(Lo2)p2は、半導体レーザ512への注入同期(インジェクションロック)により強度雑音が除去される。 Here, referring to FIG. 6A, the excitation light (Lo1) p1 is shown on the short wavelength side on the wavelength axis with respect to the signal light s. Since the signal light s is modulated, its spectrum is widened. With reference to FIG. 6B, the difference frequency light (Lo2) p2 is shown on the opposite side of the excitation light (Lo1) p1 with respect to the signal light s on the wavelength axis. Intensity noise of the difference frequency light (Lo2) p2 is removed by injection synchronization (injection lock) into the semiconductor laser 512.

図5の中継型PSAにおける信号光sの位相φs、励起光(Lo1)p1の位相φp1および差周波光(Lo2)p2の位相φp2の間では、以下の式を満たす。
2φs − φp1− φp2 = 0 式(2)
Phase φs of the signal light s in the relay-type PSA of FIG. 5, between the phase phi p2 of the pump light (Lo1) p1 phase phi p1 and difference frequency light (Lo2) p2, satisfies the following expression.
2φs − φ p1 − φ p2 = 0 equation (2)

したがって、差周波光(Lo2)p2の位相φp2は次式のように、信号光sの位相φsと励起光(Lo1)p1の位相φp1を用いて表される。
φp2 = 2φs − φp1 式(3)
Therefore, the phase φ p2 of the differential frequency light (Lo2) p2 is expressed by using the phase φ s of the signal light s and the phase φ p1 of the excitation light (Lo1) p1 as shown in the following equation.
φ p2 = 2 φ s − φ p1 formula (3)

式(2)および式(3)からもわかるように、第1のPPLN導波路モジュール504において信号光sからSH光を発生させることによって、信号光sの位相φsを2倍とすることができる。通常、信号光には送信する情報データによって変調が掛かっているため、搬送波位相を抽出することは難しい。しかしながら、図5の励起光生成部530のように信号光sの位相φsを2倍にすることで、2値の位相変調を取り除くことができる。さらに図6の(b)に示したように、SH光および励起光(Lo1)の差周波数光である第2の励起光(Lo2)p2は、注入同期によって強度雑音が除去される。図5のPSA500においては、信号光501の搬送波の位相情報を保持した純粋なS/N比の良い第2の励起光(Lo2)552が得られる。 As can be seen from the equations (2) and (3), the phase φs of the signal light s can be doubled by generating SH light from the signal light s in the first PPLN waveguide module 504. .. Normally, since the signal light is modulated by the information data to be transmitted, it is difficult to extract the carrier phase. However, the binary phase modulation can be removed by doubling the phase φs of the signal light s as in the excitation light generation unit 530 of FIG. Further, as shown in FIG. 6B, the intensity noise of the second excitation light (Lo2) p2, which is the difference frequency light between the SH light and the excitation light (Lo1), is removed by injection synchronization. In the PSA500 of FIG. 5, a pure second excitation light (Lo2) 552 having a good S / N ratio holding the phase information of the carrier wave of the signal light 501 is obtained.

局部発振光源507からの励起光(Lo1)551および注入同期した第2の励起光(Lo2)552は、位相感応光増幅部540において、EDFA514によって増幅される。さらにBPF515を用いて不要なASE光を除去した後に、第3のPPLN導波路モジュール516に入力される。第3のPPLN導波路モジュール516では、図6の(c)に示したように、励起光(Lo1)p1および第2の励起光(Lo2)p2の和周波(SF:Sum Frequency)を持つ励起光SFが生成される。この時、励起光(Lo1)p1の位相φp1、第2の励起光(Lo2)p2の位相φp2および和周波励起光SFの位相φSFの間では、次の式を満たす。
φSF= φp1 + φp2
= 2φs 式(4)
The excitation light (Lo1) 551 from the local oscillation light source 507 and the injection-synchronized second excitation light (Lo2) 552 are amplified by the EDFA 514 in the phase-sensitive optical amplification unit 540. Further, after removing unnecessary ASE light using BPF515, it is input to the third PPLN waveguide module 516. In the third PPLN waveguide module 516, as shown in FIG. 6 (c), excitation having a sum frequency (SF: Sum Frequency) of the excitation light (Lo1) p1 and the second excitation light (Lo2) p2. Optical SF is generated. At this time, the following equation is satisfied between the phase φ p1 of the excitation light (Lo1) p1, the phase φ p2 of the second excitation light (Lo2) p2, and the phase φ SF of the sum frequency excitation light SF.
φ SF = φ p1 + φ p2
= 2φs equation (4)

図5における第3のPPLN導波路モジュール516からの和周波励起光553を第4のPPLN導波路モジュール517に入射する。第4のPPLN導波路モジュール517内で、光カプラ502を経由した信号光501と、和周波励起光553とのパラメトリック増幅が行われる。位相感応光増幅のためには、図6の(d)に示したように、信号光sの位相φsおよび和周波光SFの位相φSFの間で、次式を満たす必要がある。
ΔΦ=φSF − 2φs = nπ(nは整数) 式(5)
The sum frequency excitation light 553 from the third PPLN waveguide module 516 in FIG. 5 is incident on the fourth PPLN waveguide module 517. Parametric amplification of the signal light 501 via the optical coupler 502 and the sum frequency excitation light 553 is performed in the fourth PPLN waveguide module 517. For phase-sensitive optical amplifier, as shown in (d) of FIG. 6, between the phase phi SF phase φs and the sum frequency light SF of the signal light s, it is necessary to satisfy the following equation.
ΔΦ = φ SF − 2φs = nπ (n is an integer) Equation (5)

すなわち入力信号光と和周波励起光との間の位相差ΔΦが、−π、0、またはπの時に利得が最大になる。信号光と各励起光との間で位相同期するために、位相変調器509を用いて微弱な信号により位相変調を励起光551に施す。第4のPPLN導波路モジュール517を通過した出力光の一部は、光カプラ518により分岐される。光検出器519によって分岐光の光強度の変化を検出し、励起光551と信号光501との間で位相同期するように、PLL回路520を用いて光ファイバ伸長器521にフィードバックをかける。上述の位相同期によって、図5の中継型のPSA500を安定動作させることができる。したがって、光カプラ518、PLL回路520および光ファイバ伸長器521を含むループは、信号光の位相と、第2の励起光の位相を同期する手段を構成する。 That is, the gain is maximized when the phase difference ΔΦ between the input signal light and the sum frequency excitation light is −π, 0, or π. In order to synchronize the phase between the signal light and each excitation light, the excitation light 551 is subjected to phase modulation with a weak signal using a phase modulator 509. A part of the output light that has passed through the fourth PPLN waveguide module 517 is branched by the optical coupler 518. The photodetector 519 detects a change in the light intensity of the branched light, and feedback is applied to the optical fiber extender 521 using the PLL circuit 520 so that the excitation light 551 and the signal light 501 are phase-synchronized. By the above-mentioned phase synchronization, the relay type PSA500 of FIG. 5 can be stably operated. Therefore, the loop including the optical coupler 518, the PLL circuit 520 and the optical fiber extender 521 constitutes a means for synchronizing the phase of the signal light with the phase of the second excitation light.

各信号の波長の一例を挙げれば、信号光sは1535.8nm、励起光p1(Lo1)は1534.25nm、差周波数p2(Lo2)は1537.4nm、和周波数SFは767.9nmである。 To give an example of the wavelength of each signal, the signal light s is 1535.8 nm, the excitation light p1 (Lo1) is 1534.25 nm, the difference frequency p2 (Lo2) is 1537.4 nm, and the sum frequency SF is 767.9 nm.

図4の光伝送システム400で、PSA500の光増幅特性を確認するため、前置分散補償の異なる条件で増幅前後の信号光周波数スペクトルおよび変調コンスタレーションを確認した。 In the optical transmission system 400 of FIG. 4, in order to confirm the optical amplification characteristics of the PSA500, the signal optical frequency spectrum and the modulation constellation before and after the amplification were confirmed under different conditions of the pre-dispersion compensation.

図7は、実施形態1の位相感応光増幅器によって増幅された信号光の周波数スペクトルを説明する図である。図7の(a)〜(c)のいずれにおいても、3種類のスペクトルが重ねて表示され、1つはPSA500の入力(Input)を、2つのPSA500の出力(図4の矢印Cの位置)であって、PSAが通常の動作状態(PSA amp)およびPSAが減衰状態(PSA deamp)を示している。PSAの減衰状態(PSA deamp)は、PSA500への入力信号光501と、和周波励起光553の位相を直交(π/2ずらす)させることによって得られる。図7の(a)には参照のため、「前置分散補償なし」のBPSK信号を、光ファイバ430を伝送させずにPSA500へ入力したときのスペクトルを示している。つまり、図4の矢印Aの位置における前置分散補償されていない(歪みの無い)BPSK信号のスペクトル(Input)およびPSAが伝送路分散の影響を全く受けない理想状態のスペクトル(PSA amp, PSA deamp)が示されている。 FIG. 7 is a diagram illustrating a frequency spectrum of signal light amplified by the phase-sensitive optical amplifier of the first embodiment. In any of FIGS. 7A to 7C, three types of spectra are superimposed and displayed, one is the input of PSA500 and the other is the output of two PSA500s (position of arrow C in FIG. 4). PSA indicates a normal operating state (PSA amp) and PSA indicates a decayed state (PSA deamp). The PSA attenuation state (PSA deamp) is obtained by making the phases of the input signal light 501 to the PSA 500 and the sum frequency excitation light 553 orthogonal (shift by π / 2). For reference, FIG. 7A shows a spectrum when a BPSK signal “without pre-dispersion compensation” is input to the PSA500 without transmitting the optical fiber 430. That is, the spectrum (Input) of the BPSK signal without pre-dispersion compensation (no distortion) at the position of arrow A in FIG. 4 and the spectrum in the ideal state (PSA amp, PSA) in which PSA is not affected by the channel dispersion at all. deamp) is shown.

図7の(b)は、「前置分散補償なし」のBPSK信号を80kmの光ファイバ伝送後にPSAに入力した時のスペクトルが示されている。すなわち、入力スペクトル(Input)は図4の矢印Bの位置のものとなる。図7の(c)は、「前置分散補償をした」BPSK信号を80kmの光ファイバ伝送後にPSAに入力した時のスペクトルが示されている。 FIG. 7B shows a spectrum when a BPSK signal “without pre-dispersion compensation” is input to the PSA after 80 km of optical fiber transmission. That is, the input spectrum (Input) is at the position of arrow B in FIG. FIG. 7 (c) shows a spectrum when a “pre-dispersion compensated” BPSK signal is input to the PSA after 80 km of optical fiber transmission.

図7の(b)に示したように、前置分散補償の無い信号では、光ファイバの分散の影響のために周波数成分毎に位相がずれてしまうことにより、周波数成分毎に同期した位相感応特性が得られていない。特に、位相誤差により敏感な減衰域におけるスペクトルが劣化して、隣接チャネル帯域における歪みが増大している。一方で、図7の(c)に示したように、前置分散補償をした信号を用いた場合は、位相感応光増幅・減衰動作にスペクトルの劣化は見られず、図7の(a)の理想状態の入力信号および理想状態で光増幅された信号光の場合と同等のスペクトルが得られた。 As shown in FIG. 7B, in a signal without pre-dispersion compensation, the phase shifts for each frequency component due to the influence of the dispersion of the optical fiber, so that the phase sensitivity synchronized for each frequency component No characteristics have been obtained. In particular, the spectrum in the sensitive attenuation region is deteriorated due to the phase error, and the distortion in the adjacent channel band is increased. On the other hand, as shown in FIG. 7 (c), when a signal with pre-dispersion compensation is used, no spectral deterioration is observed in the phase-sensitive light amplification / attenuation operation, and FIG. 7 (a) shows. The spectrum equivalent to that of the input signal in the ideal state and the signal light amplified in the ideal state was obtained.

図8は、実施形態1の位相感応光増幅器によって増幅された信号光のコンスタレーションを示した図である。位相感応光増幅後の信号品質を確認するために、増幅の前後での信号光のコンスタレーション図を取得した。図8の(a)には参照として、「前置分散補償なし」で光ファイバ伝送をさせていないBPSK信号のPSA出力におけるコンスタレーションを示している。図8の(b)は、「前置分散補償なし」のBPSK信号を80kmの光ファイバ伝送後のPSA出力におけるコンスタレーションを示している。図8の(c)は、「前置分散補償した」BPSK信号を80kmのファイバ伝送後のPSA出力におけるコンスタレーションを示している。 FIG. 8 is a diagram showing a constellation of signal light amplified by the phase sensitive optical amplifier of the first embodiment. In order to confirm the signal quality after the phase-sensitive optical amplification, the constellation diagram of the signal light before and after the amplification was acquired. As a reference, FIG. 8A shows a constellation in the PSA output of a BPSK signal that is not subjected to optical fiber transmission without pre-dispersion compensation. FIG. 8B shows the constellation at the PSA output after 80 km optical fiber transmission of the BPSK signal “without pre-dispersion compensation”. FIG. 8 (c) shows the constellation of the "pre-dispersion compensated" BPSK signal at the PSA output after 80 km fiber transmission.

図7の(a)、(b)、(c)において、Q値はそれぞれ17.6dB、6.9dB、17.3dBである。ここでBPSK信号におけるQ値とは、バイナリ信号の「1」と「0」の振幅の標準偏差と平均振幅の差で定義される。前置分散補償の無い信号では、光ファイバにおける分散の影響を受けた信号光を位相感応光増幅したことで、信号光のQ値が劣化してしまっている。これに対して、前置分散補償を用いることで、シングルモードファイバを伝送させて、ファイバの分散の影響を受けた場合であっても、Q値劣化のない位相感応光増幅が実現できた。 In (a), (b), and (c) of FIG. 7, the Q values are 17.6 dB, 6.9 dB, and 17.3 dB, respectively. Here, the Q value in the BPSK signal is defined by the difference between the standard deviation and the average amplitude of the amplitudes of "1" and "0" of the binary signal. In the signal without the pre-dispersion compensation, the Q value of the signal light is deteriorated by the phase sensitive light amplification of the signal light affected by the dispersion in the optical fiber. On the other hand, by using the pre-dispersion compensation, it was possible to realize phase-sensitive optical amplification without deterioration of the Q value even when the single-mode fiber was transmitted and affected by the dispersion of the fiber.

本実施形態のPSA500では、信号光501と局部発振光551の位相同期には、光注入同期を用いたが、その他の方法を用いても良い。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部発振光源507に帰還することで位相同期を行っても良い。 In the PSA500 of the present embodiment, optical injection synchronization is used for phase synchronization between the signal light 501 and the local oscillation light 551, but other methods may be used. For example, phase synchronization may be performed by feeding back a high-speed electric signal feedback represented by a costus loop to the local oscillation light source 507.

上述の実施形態1の光伝送システムにおいては、光ファイバ伝送路の分散に起因した位相誤差を、予め送信器401デジタル信号生成部の段階で補償する。これによって、分散を有する光ファイバを伝送した後の信号光に対しても、分散に起因した特性劣化のない位相感応光増幅を実現できる。本発明の光伝送システムにより、従来技術では分散補償されたファイバで構成された伝送路にしか適用できなかったPSAを、通常のSMF伝送後の信号に対しても適用可能となる。大容量光伝送に必要なSNRの向上のキーとなるPSAの適用領域を、大幅に拡張できる。 In the optical transmission system of the first embodiment described above, the phase error caused by the dispersion of the optical fiber transmission line is compensated in advance at the stage of the transmitter 401 digital signal generation unit. As a result, it is possible to realize phase-sensitive optical amplification without characteristic deterioration due to dispersion even for signal light after transmitting an optical fiber having dispersion. The optical transmission system of the present invention makes it possible to apply PSA, which could only be applied to a transmission line composed of dispersion-compensated fibers in the prior art, to a signal after normal SMF transmission. The application area of PSA, which is the key to improving the SNR required for large-capacity optical transmission, can be significantly expanded.

[実施形態2]
以下、本発明の実施形態2の光増幅装置および光伝送システムについて説明する。先の実施形態1の光伝送システムは、BPSK変調信号に対して縮退型のPSAを用いた場合の構成であった。実施形態1の光伝送システムは、BPSK変調信号などの変調方式の使用でも十分に伝送容量が満足するシステムへの適用には問題ない。しかしながら、より大容量伝送が要求されるシステムでは、増幅可能な変調フォーマットや波長数に制限がある縮退型のPSAの適用は難しい。本実施形態の光伝送システムでは、直交位相成分にもデータ変調成分を含む直交位相振幅変調(QAM:Quadrature Amplitude Modulation)信号のような任意の変調フォーマットの信号に対応可能で、複数波長を一括増幅できる非縮退型のPSAの構成を提示する。直交位相成分にもデータ変調成分を含む変調信号に対して、前置分散補償を適用した本実施形態では、4値QAMである4位相偏移変調(QPSK:Quadrature Phase Shift Keying)信号を例として説明する。
[Embodiment 2]
Hereinafter, the optical amplifier and the optical transmission system according to the second embodiment of the present invention will be described. The optical transmission system of the first embodiment has a configuration in which a degenerate PSA is used for the BPSK modulated signal. The optical transmission system of the first embodiment has no problem in application to a system in which the transmission capacity is sufficiently satisfied even when a modulation method such as a BPSK modulated signal is used. However, in a system requiring a larger capacity transmission, it is difficult to apply a degenerate PSA having a limited amplification format and a limited number of wavelengths. The optical transmission system of the present embodiment can support signals of any modulation format such as quadrature amplitude modulation (QAM) signals including a data modulation component as well as a quadrature phase component, and collectively amplifies a plurality of wavelengths. A non-retractable PSA configuration that can be presented. In this embodiment in which pre-dispersion compensation is applied to a modulated signal including a data modulation component as well as a quadrature phase component, a quadrature phase shift keying (QPSK) signal, which is a quadrature QAM, is taken as an example. explain.

図9は、本発明の実施形態2の光伝送システムの構成を示す図である。本実施形態に係る光伝送システム900は、送信器1000におけるデジタル信号処理によって変調信号に対して伝送路の分散を予め前置補償することで、光ファイバ伝送後の光信号に対しても低雑音な位相感応光増幅を可能とする。図9の光伝送システム900は、信号光、アイドラ光及びパイロット信号を送信する送信器1000、光ファイバ(シングルモードファイバ:SMF)910と偏波補償器920、並びにパイロット信号を用いて励起光を生成する非縮退型のPSA930からなる。 FIG. 9 is a diagram showing a configuration of an optical transmission system according to a second embodiment of the present invention. The optical transmission system 900 according to the present embodiment pre-compensates the dispersion of the transmission line for the modulated signal by digital signal processing in the transmitter 1000, so that the optical signal after the optical fiber transmission is also low in noise. Enables phase-sensitive light amplification. The optical transmission system 900 of FIG. 9 uses a transmitter 1000 for transmitting signal light, idler light, and pilot signal, an optical fiber (single mode fiber: SMF) 910 and a polarization compensator 920, and a pilot signal to generate excitation light. It consists of a non-retractable PSA930 to be produced.

図10は、実施形態2の光伝送システムの送信器1000の詳細構成を示す図である。以下、まず図10によって送信器の構成および動作を、次に図9によって非縮退型のPSA930の構成および動作を説明する。図10の送信器1000は、大まかに、信号光源1001と、局部発振光源1003と、EDFA1005、1022と、PPLN導波路モジュール1002、1007と、光カプラ1004、1021、1023と、バンドパスフィルタ(BPF)1006と、波長選択型光スイッチ(WSS:Wavelength Selective Switch)1020と、を備える。前置分散補償された変調信号を生成するために、デジタル信号生成部1010、1011と、DAC1012〜1015と、駆動アンプ1016〜1019と、IQ変調器1008、1009をさらに備える。 FIG. 10 is a diagram showing a detailed configuration of the transmitter 1000 of the optical transmission system of the second embodiment. Hereinafter, the configuration and operation of the transmitter will be described with reference to FIG. 10, and then the configuration and operation of the non-degenerate PSA930 will be described with reference to FIG. The transmitter 1000 of FIG. 10 is roughly composed of a signal light source 1001, a local oscillation light source 1003, an EDFA1005, 1022, a PPLN waveguide modules 1002, 1007, an optical coupler 1004, 1021, 1023, and a bandpass filter (BPF). ) 1006 and a wavelength selection type optical switch (WSS: Wavelength Selective Switch) 1020. In order to generate a pre-dispersion compensated modulated signal, digital signal generators 1010, 1011, DACs 1012 to 1015, drive amplifiers 1016 to 1019, and IQ modulators 1008 and 1009 are further provided.

送信器1000では、PPLN導波路を用いた差周波数生成過程(DFG: Difference Frequency Generation)により、信号光1030と対となるアイドラ光を発生させる。DFG過程は、励起光となるSH光発生のための第1のPPLN導波路モジュール1007、及びアイドラ光生成のための第2のPPLN導波路モジュール1002により動作する。PPLN導波路モジュールの構成、モジュール内のPPLN導波路の作製方法は実施形態1と同様である。 In the transmitter 1000, idler light paired with the signal light 1030 is generated by a difference frequency generation process (DFG: Difference Frequency Generation) using a PPLN waveguide. The DFG process is operated by a first PPLN waveguide module 1007 for generating SH light as excitation light and a second PPLN waveguide module 1002 for idler light generation. The configuration of the PPLN waveguide module and the method of manufacturing the PPLN waveguide in the module are the same as those in the first embodiment.

局部発振光源1003からの励起光(Lo1)は、光カプラ1004、EDFA1005およびBPF1006を経由して、第1のPPLN導波路モジュール1007において、SH光1038を発生させる。SH光1038および信号光源1001からの信号光搬送波1030は、第2のPPLN導波路モジュール1002において、SH光1038および信号光の搬送波1030の差周波数に対応するアイドラ光を発生する。したがって第2のPPLN導波路モジュール1002からの出力光1031は、信号光の搬送波およびアイドラ光を含む。ここで信号光の周波数とアイドラ光の周波数は、周波数軸上において局部発振光の周波数を中心として、対称な位置関係にある。さらに、信号光の搬送波およびアイドラ光は、位相共役の関係にある。 The excitation light (Lo1) from the local oscillation light source 1003 generates SH light 1038 in the first PPLN waveguide module 1007 via the optical coupler 1004, EDFA1005 and BPF1006. The signal optical carrier 1030 from the SH light 1038 and the signal light source 1001 generates idler light corresponding to the difference frequency between the SH light 1038 and the signal light carrier 1030 in the second PPLN waveguide module 1002. Therefore, the output light 1031 from the second PPLN waveguide module 1002 includes a carrier wave of signal light and idler light. Here, the frequency of the signal light and the frequency of the idler light have a symmetrical positional relationship with respect to the frequency of the locally oscillated light on the frequency axis. Further, the carrier wave of the signal light and the idler light are in a phase conjugation relationship.

第1のデジタル信号生成部1010および第2のデジタル信号生成部1011により、光ファイバ伝送路で受ける分散に起因した光位相のシフトとは逆のシフトを与える演算を行って、送信データに基づいた変調信号に対して補償を加える。第1のデジタル信号生成部1010からの第1のデータ信号1034および第2のデータ信号1035は、信号光に対する変調信号を生成する。同様に、第2のデジタル信号生成部1011からの第3のデータ信号1036および第4のデータ信号1037は、アイドラ光に対する変調信号を生成する。データ信号1034〜1037は、それぞれ、DAC1012〜1015へ入力してアナログ信号に変換し、さらに駆動アンプ1016〜1019で所要レベルまで増幅した。光変調部である第1のIQ変調器1008に入力される2つの変調信号I、Qは、波長分散の前置補償が施された信号光に対する変調信号となる。同様に、光変調部である第2のIQ変調器1009に入力される2つの変調信号I、Qは、波長分散の前置補償が施されたアイドラ光に対する変調信号となる。デジタル信号生成部1010、1011で与えられる前置分散補償による歪みは、後段の光ファイバ910を伝送後に信号光およびアイドラ光に累積される分散による信号歪を受けることで相殺される。また、第1のデータ信号1034および第2のデータ信号1035と、第3のデータ信号1036および第4のデータ信号1037とは、互いに位相共役の関係にあるデータ信号となっている。 The first digital signal generation unit 1010 and the second digital signal generation unit 1011 perform an operation to give a shift opposite to the optical phase shift caused by the dispersion received in the optical fiber transmission line, and are based on the transmission data. Compensate for the modulated signal. The first data signal 1034 and the second data signal 1035 from the first digital signal generation unit 1010 generate a modulated signal for the signal light. Similarly, the third data signal 1036 and the fourth data signal 1037 from the second digital signal generator 1011 generate a modulated signal for idler light. The data signals 1034 to 1037 were input to the DACs 1012 to 1015, converted into analog signals, and further amplified to the required level by the drive amplifiers 1016 to 1019. The two modulation signals I and Q input to the first IQ modulator 1008, which is an optical modulation unit, are modulation signals for the signal light to which the wavelength dispersion is pre-compensated. Similarly, the two modulation signals I and Q input to the second IQ modulator 1009, which is the optical modulation unit, are modulation signals for the idler light to which the wavelength dispersion is pre-compensated. The distortion due to the pre-dispersion compensation given by the digital signal generation units 1010 and 1011 is offset by receiving the signal distortion due to the dispersion accumulated in the signal light and the idler light after transmission through the optical fiber 910 in the subsequent stage. Further, the first data signal 1034 and the second data signal 1035 and the third data signal 1036 and the fourth data signal 1037 are data signals having a phase conjugation relationship with each other.

第2のPPLN導波路モジュール1002からの信号光およびアイドラ光は、WSS1020により分波され、それぞれIQ変調器1008、1009によって強度および位相を変調される。すなわち、IQ変調器1008からは、前置分散補償が施されたシンボルレート10GHzのQPSK変調の信号光が出力され、IQ変調器1009からは、前置分散補償が施されたシンボルレート10GHzのQPSK変調のアイドラ光が出力される。2つのIQ変調器1008、1009からのQPSK信号は光合分波器(光カプラ)1021で合波される。上述のように2つのIQ変調器1008、1009への変調信号は互いに位相共役の関係にある信号である。また、変調を受ける搬送波としての信号光およびアイドラ光も、位相共役関係にある。すなわち、IQ変調器1008、1009からの変調後の信号光およびアイドラ光は、変調データも搬送波の光位相も互いに位相共役関係にある。 The signal light and idler light from the second PPLN waveguide module 1002 are demultiplexed by WSS1020 and their intensity and phase are modulated by IQ modulators 1008 and 1009, respectively. That is, the IQ modulator 1008 outputs a signal light of QPSK modulation with a symbol rate of 10 GHz with pre-dispersion compensation, and the IQ modulator 1009 outputs a QPSK with a symbol rate of 10 GHz with pre-dispersion compensation. Modulated idler light is output. The QPSK signals from the two IQ modulators 1008 and 1009 are combined by the optical duplexer (optical coupler) 1021. As described above, the modulation signals to the two IQ modulators 1008 and 1009 are signals that are in phase conjugation with each other. Further, the signal light and the idler light as the carrier waves to be modulated also have a phase conjugation relationship. That is, the modulated signal light and idler light from the IQ modulators 1008 and 1009 have a phase conjugation relationship with each other in both the modulation data and the optical phase of the carrier wave.

IQ変調器でのレベル低下を補うため、EDFA1022を用いて合波された変調信号を増幅する。その後、光カプラ1004で分波された励起光を光カプラ102で信号光およびアイドラ光に合波させ、図9の80kmの光ファイバ910に入力した。伝送ファイバとその分散特性は実施形態1と同様である。位相感応光増幅をする際には、増幅する信号光およびアイドラ光の基準位相の情報を持つ励起光が必要である。本実施形態の光伝送システムでは、信号光およびアイドラ光の基準位相となっている局部発振光源1033から出力された励起光1032を、信号光およびアイドラ光と同送するパイロットトーンとしている。 To compensate for the level drop in the IQ modulator, the EDFA1022 is used to amplify the modulated signal. Then, the excitation light demultiplexed by the optical coupler 1004 was combined with the signal light and the idler light by the optical coupler 102, and input to the 80 km optical fiber 910 of FIG. The transmission fiber and its dispersion characteristics are the same as those in the first embodiment. When performing phase-sensitive light amplification, excitation light having information on the reference phase of the signal light to be amplified and the idler light is required. In the optical transmission system of the present embodiment, the excitation light 1032 output from the local oscillation light source 1033, which is the reference phase of the signal light and the idler light, is used as a pilot tone that is simultaneously transmitted with the signal light and the idler light.

再び図9を参照すると、中継型PSA930は、大まかに波長合分波器931と、第4の光合分波器と、BPF933、938、942と、サーキュレータ934と、局部発振光源(半導体レーザ)935と、位相変調器936と、EDFA937と、PPLN導波路モジュール939、940と、光検出器943と、PLL回路944と、PZTによる光ファイバ伸長器945を備えている。中継型PSA930においても送信器1000と同様、位相感応光増幅過程は、励起光となるSH光発生(SHG)のための第3のPPLN導波路モジュール939、及びOPAのための第4のPPLN導波路モジュール940により動作する。各PPLN導波路モジュールの構成、モジュール内のPPLN導波路の作製方法は実施形態1と同様である。 Referencing FIG. 9 again, the relay type PSA930 roughly includes a wavelength duplexer 931, a fourth optical loop duplexer, BPF933, 938, 942, a circulator 934, and a local oscillation light source (semiconductor laser) 935. The phase modulator 936, the EDFA937, the PPLN waveguide modules 939 and 940, the photodetector 943, the PLL circuit 944, and the optical fiber extender 945 by the PZT are provided. In the relay type PSA930, as in the transmitter 1000, the phase sensitive light amplification process involves a third PPLN waveguide module 939 for SH light generation (SHG), which is the excitation light, and a fourth PPLN lead for OPA. It is operated by the waveguide module 940. The configuration of each PPLN waveguide module and the method of manufacturing the PPLN waveguide in the module are the same as those in the first embodiment.

信号光およびアイドラ光並びにパイロットトーンを含む光ファイバ910を伝送した信号光群は、偏波補償器920により光ファイバ内の偏波変動が補償される。PSA930において、信号光群951の内のパイロットトーンのみが、波長合分波器931により分波され、信号光およびアイドラ光は第4のPPLN導波路モジュール940へと入力される。パイロットトーンはBPF933により不要なASE光成分を除去した後、光サーキュレータ934経由して、第2の局部発振光源935に光注入同期を行った。光注入同期により、パイロットトーンと同一波長および同一の位相情報を持つ局部発振光を生成した。局部発振光源935は、例えば半導体レーザによって実現できる。 The polarization compensator 920 compensates for the polarization fluctuation in the optical fiber of the signal light group that has transmitted the optical fiber 910 including the signal light, the idler light, and the pilot tone. In the PSA930, only the pilot tone in the signal light group 951 is demultiplexed by the wavelength duplexer 931 and the signal light and idler light are input to the fourth PPLN waveguide module 940. The pilot tone was subjected to light injection synchronization to the second local oscillation light source 935 via the optical circulator 934 after removing unnecessary ASE optical components by BPF933. By optical injection synchronization, locally oscillated light having the same wavelength and the same phase information as the pilot tone was generated. The local oscillation light source 935 can be realized by, for example, a semiconductor laser.

光サーキュレータ934により局部発振光源935からの注入同期した出力を取り出し、局部発振光953をEDFA937により3Wまで増幅する。さらにBPF938によりEDFAの自然放出光を除去した後、第3のPPLN導波路モジュール939に入射した。第3のPPLN導波路モジュール939内のPPLN導波路中のSHG動作により、SH光の励起光954を生成した。3Wの局部発振光により、1Wの強度の励起光954が得られた。この励起光954を、第4のPPLN導波路モジュール940に入射した。第4のPPLN導波路モジュール940内のPPLN導波路内では、信号光およびアイドラ光に対して非縮退パラメトリック過程が引き起こされる。 The injection-synchronized output from the local oscillation light source 935 is taken out by the optical circulator 934, and the local oscillation light 953 is amplified to 3W by the EDFA937. Further, after removing the naturally emitted light of EDFA by BPF938, the light was incident on the third PPLN waveguide module 939. The excitation light 954 of the SH light was generated by the SHG operation in the PPLN waveguide in the third PPLN waveguide module 939. Excitation light 954 with an intensity of 1 W was obtained by locally oscillating light of 3 W. This excitation light 954 was incident on the fourth PPLN waveguide module 940. In the PPLN waveguide in the fourth PPLN waveguide module 940, a non-degenerate parametric process is caused for the signal light and the idler light.

信号光およびアイドラ光は、送信器1000における励起光1038の基準位相に同期されている。このため、中継型PSA930においても励起光954を送信器1000の基準位相に同期させることで、全波長で一括位相感応光増幅を実現できる。PSA930において励起光と信号光の位相同期をするため、位相変調器936を用いて微弱な信号により局部発振光に位相変調を施す。第4のPPLNモジュール940を通過した出力光955の一部を光カプラ941により分岐した。BPF942により、出力光955の信号光の波長のみを切り出し、光検出器943により光強度の変化を検出する。PLL回路944を用いて、励起光の位相と信号光の位相が同期するように光ファイバ伸長器945にフィードバックを掛けた。ここでは、位相同期をかけるために出力光955の内の信号光のみを切り出しているが、出力光955のアイドラ光を切り出して光ファイバ伸長器945にフィードバックを掛けても、同様に位相感応光増幅が可能である。 The signal light and idler light are synchronized with the reference phase of the excitation light 1038 in the transmitter 1000. Therefore, even in the relay type PSA930, by synchronizing the excitation light 954 with the reference phase of the transmitter 1000, batch phase sensitive light amplification can be realized at all wavelengths. In order to synchronize the phase of the excitation light and the signal light in the PSA930, the phase modulator 936 is used to perform phase modulation on the locally oscillated light with a weak signal. A part of the output light 955 that passed through the fourth PPLN module 940 was branched by the optical coupler 941. Only the wavelength of the signal light of the output light 955 is cut out by the BPF 942, and the change in the light intensity is detected by the photodetector 943. Using the PLL circuit 944, feedback was applied to the optical fiber extender 945 so that the phase of the excitation light and the phase of the signal light were synchronized. Here, only the signal light of the output light 955 is cut out in order to apply phase synchronization, but even if the idler light of the output light 955 is cut out and feedback is applied to the optical fiber extender 945, the phase sensitive light is similarly cut out. Amplification is possible.

本実施形態の光伝送システム900では、送信器1000から同送されたパイロットトーンと、PSA930の局部発振光953との位相同期には、光注入同期を用いた。その他の方法として、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部発振光源935に帰還することで、位相同期を行っても良い。 In the optical transmission system 900 of the present embodiment, optical injection synchronization is used for phase synchronization between the pilot tone transmitted from the transmitter 1000 and the locally oscillated light 953 of the PSA930. As another method, phase synchronization may be performed by feeding back the feedback of a high-speed electric signal represented by a costus loop to the local oscillation light source 935, for example.

上述の本実施形態の光伝送システムにおいても、光ファイバ伝送路の分散に起因した位相誤差を、予め送信器1000のデジタル信号生成部1010、1011の段階で補償する。これによって、分散を有する光ファイバを伝送した後の信号光に対しても、分散に起因した特性劣化のない位相感応光増幅を実現できる。本発明の光伝送システムにより、従来技術では分散補償されたファイバで構成された伝送路にしか適用できなかったPSAを、通常のSMF伝送後の信号に対しても適用可能となる。直交位相成分にもデータ変調成分を含むQAM信号のような変調フォーマットの信号にも対応可能で、複数波長の一括増幅もできるPSAにより、大容量光伝送に必要なPSAの適用領域を拡張できる。 Also in the above-described optical transmission system of the present embodiment, the phase error caused by the dispersion of the optical fiber transmission line is compensated in advance at the stage of the digital signal generation units 1010 and 1011 of the transmitter 1000. As a result, it is possible to realize phase-sensitive optical amplification without characteristic deterioration due to dispersion even for signal light after transmitting an optical fiber having dispersion. The optical transmission system of the present invention makes it possible to apply PSA, which could only be applied to a transmission line composed of dispersion-compensated fibers in the prior art, to a signal after normal SMF transmission. It is possible to support signals in modulation formats such as QAM signals containing both quadrature phase components and data modulation components, and PSA capable of batch amplification of multiple wavelengths can expand the application range of PSA required for large-capacity optical transmission.

本発明は、光伝送システムに利用することができる。特に中継型の光増幅装置に利用できる。 The present invention can be used in an optical transmission system. In particular, it can be used for relay-type optical amplifiers.

100、200、500、930 位相感応光増幅器(PSA)
102 励起光源
103 励起光位相制御部
201、420、503、514、937、1005、1022 EDFA
202、204、504、505、516、517、939、940、1002、1007 PPLN導波路モジュール
203−1、203−2、502、508、518、941、1004、1021、1023 光カプラ(光分岐部)
205、936 位相変調器
206、207、521、945 光ファイバ伸長器
209、420、520、944 PLL回路
400、900 光伝送システム
401、1000 送信器
402、1010、1011 デジタル信号生成部
405、406、1012〜1015 デジタルアナログ変換器(DAC)
409、1001 信号光源
410、1008、1009 IQ変調器(IQM)
430、910 光ファイバ
440、920 分散及び偏波補償器
506、515、933、938、942、1006 BPF
507、1003 局部発振光源
512、935 半導体レーザ(局部発振光源)
513、934 光サーキュレータ
530 励起光生成部
540 位相感応光増幅部
931 波長合分波器
1020 波長選択型光スイッチ
100, 200, 500, 930 Phase Sensitive Optical Amplifier (PSA)
102 Excitation light source 103 Excitation light phase control unit 201, 420, 503, 514, 937, 1005, 1022 EDFA
202, 204, 504, 505, 516, 517, 939, 940, 1002, 1007 PPLN waveguide module 203-1, 203-2, 502, 508, 518, 941, 1004, 1021, 1023 Optical coupler (optical branch) )
205, 936 Phase Modulators 206, 207, 521, 945 Optical Fiber Elongers 209, 420, 520, 944 PLL Circuits 400, 900 Optical Transmission Systems 401, 1000 Transmitters 402, 1010, 1011 Digital Signal Generators 405, 406, 1012-1015 Digital-to-analog converter (DAC)
409, 1001 Signal light source 410, 1008, 1009 IQ modulator (IQM)
430, 910 Optical Fiber 440, 920 Dispersion and Polarization Compensator 506, 515, 933, 938, 942, 1006 BPF
507, 1003 Local oscillation light source 512, 935 Semiconductor laser (local oscillation light source)
513, 934 Optical circulator 530 Excitation light generator 540 Phase sensitive optical amplifier 931 Wavelength duplexer 1020 Wavelength selection type optical switch

Claims (3)

変調された信号光群を発生する送信器と、
光ファイバ伝送路を介して前記送信器と接続される光増幅装置と
を備えた光伝送システムであって、
前記送信器は、
前記光ファイバ伝送路において生じる波長分散に応じた前置分散補償を加えたデジタル信号データであって、位相共役の関係にある2組のデジタル信号データを生成するデジタル信号生成部と、
信号光光源からの搬送波光および局部発振光から、前記搬送波光と位相共役の関係にあるアイドラ光を生成するアイドラ光生成部と、
前記位相共役の関係にある2組のデジタル信号データの一方に基づいて、前記搬送波光の光位相および光強度を変化させて変調信号光を生成する第1の光変調部と、
前記位相共役の関係にある2組のデジタル信号データの他方に基づいて、前記アイドラ光の光位相および光強度を変化させて変調アイドラ光を生成する第2の光変調部と
を含み、
前記変調信号光、前記変調アイドラ光および前記局部発振光が同送され、
前記光増幅装置は、
前記光ファイバ伝送路を伝送された前記局部発振光に基づいて、励起光を生成する第1の二次非線形光学素子と、
前記励起光に基づいて、前記変調信号光および前記変調アイドラ光に対して非縮退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、
前記変調信号光の位相と、前記励起光の位相を同期する手段と
を含むことを特徴とする光伝送システム。
A transmitter that produces a modulated signal light group,
An optical transmission system including an optical amplifier connected to the transmitter via an optical fiber transmission line.
The transmitter
A digital signal generator that generates two sets of digital signal data having a phase conjugate relationship, which is digital signal data to which pre-dispersion compensation is added according to the wavelength dispersion generated in the optical fiber transmission line.
An idler light generator that generates idler light that has a phase conjugate relationship with the carrier light from the carrier light and locally oscillated light from the signal light source.
A first optical modulation unit that generates modulated signal light by changing the optical phase and light intensity of the carrier wave light based on one of the two sets of digital signal data having a phase conjugation relationship.
It includes a second optical modulation section that generates modulated idler light by changing the optical phase and light intensity of the idler light based on the other of the two sets of digital signal data having a phase conjugation relationship.
The modulated signal light, the modulated idler light, and the locally oscillated light are simultaneously transmitted.
The optical amplifier
A first second-order nonlinear optical element that generates excitation light based on the locally oscillating light transmitted through the optical fiber transmission line.
A second second-order nonlinear optical element that performs non-degenerate parametric amplification on the modulated signal light and the modulated idler light based on the excitation light.
An optical transmission system comprising a means for synchronizing the phase of the modulated signal light with the phase of the excitation light.
前記送信器は、
前記局部発振光から、第2高調波光を生成する第3の二次非線形光学素子と、
前記第2高調波光と前記搬送波光との差周波数光である前記アイドラ光を生成する第4の二次非線形光学素子と
をさらに含むことを特徴とする請求項に記載の光伝送システム。
The transmitter
A third second-order nonlinear optical element that generates second harmonic light from the locally oscillated light,
The optical transmission system according to claim 1 , further comprising a fourth second-order nonlinear optical element that generates the idler light, which is the difference frequency light between the second harmonic light and the carrier light.
光ファイバ伝送路において生じる波長分散に応じた前置分散補償を加えた変調信号により送信器において生成された信号光群であって、当該光ファイバ伝送路を伝送した前記信号光群を光感応増幅する光増幅装置であって、
前記信号光群は、
位相共役の関係にある2組のデジタル信号データの内の一方に基づいて、信号光光源からの搬送波光の光位相および光強度を変化させて変調された変調信号光と、
前記位相共役の関係にある2組のデジタル信号データの他方に基づいて、前記搬送波光および局部発振光から生じ、前記搬送波光と位相共役の関係にあるアイドラ光に対して、その光位相および光強度を変化させて変調されたアイドラ変調光と、
前記変調信号光および前記アイドラ変調光と同送された前記局部発振光を含み、
前記光増幅装置は、
前記光ファイバ伝送路を伝送した前記局部発振光に基づいて、励起光を生成する第1の二次非線形光学素子と、
前記励起光に基づいて、前記変調信号光および前記アイドラ変調光に対して非縮退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、
前記変調信号光の位相と、前記励起光の位相を同期する手段と
を含むことを特徴とする光増幅装置。
A signal light group generated in the transmitter by a modulated signal with pre-dispersion compensation according to the wavelength dispersion generated in the optical fiber transmission line, and the signal light group transmitted through the optical fiber transmission line is photosensitively amplified. It is an optical amplification device that
The signal light group is
Modulated signal light modulated by changing the optical phase and intensity of carrier light from a signal light source based on one of two sets of digital signal data in a phase-conjugated relationship.
Based on the other of the two sets of digital signal data having a phase conjugation relationship, the optical phase and light of the idler light generated from the carrier wave light and the locally oscillating light and having a phase conjugation relationship with the carrier wave light. Idler-modulated light modulated by changing the intensity,
Including the modulated signal light and the locally oscillated light transmitted together with the idler modulated light.
The optical amplifier
A first second-order nonlinear optical element that generates excitation light based on the locally oscillating light transmitted through the optical fiber transmission line, and
A second second-order nonlinear optical element that performs non-degenerate parametric amplification of the modulated signal light and the idler-modulated light based on the excitation light.
An optical amplifier that includes means for synchronizing the phase of the modulated signal light with the phase of the excitation light.
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