JP6796027B2 - 光送信器およびこれを使用した光伝送システム - Google Patents

Description

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送信器およびそれを用いた光伝送システムに関する。

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、ディ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、ディ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。

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。

図５は、従来技術のＰＳＡの基本的な構成を示す図である。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５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。

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。

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。

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。

図６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６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。

図６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。

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。ここで、ｎは整数とする。
Δφ＝１／２（φ_2ωs−φ_ωs）＝ｎπ 式（１）

図７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。

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７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。

光通信の高速・大容量化の要請の中で、ＰＳＡにおいても、以下述べるように対応する変調方式や多重化方式の点でその適用範囲が広がっている。図７に示したように、ＰＰＬＮ導波路を用いた従来のＰＳＡは、直交する位相成分を減衰させる特性を有しているため、通常の強度変調や二値の位相変調を用いる強度変調・直接検波（ＩＭＤＤ:Intensity Modulation-Direct Detection）、２値位相変調（ＢＰＳＫ：Binary Phase Shift Keying）、差動位相偏移変調（ＤＰＳＫ：Differential Phase Shift Keying）等の変調信号の増幅に適用できるものの、さらに多値の変調フォーマットであるＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）や８ＰＳＫ等の変調信号を増幅できない。

非特許文献２及び非特許文献３は、ＱＰＳＫ等の変調信号を位相感応光増幅し、位相再生増幅が可能な構成を開示している。非特許文献２は三次の非線形光学材料である石英ガラスファイバを用いた方法を、非特許文献３は二次の非線形光学材料であるＰＰＬＮを用いた方法を開示している。

多値の変調フォーマットでは、信号光からキャリア抽出するためには、変調信号の多値度が上がるほどより多くの非線形過程を用いる必要がある。その場合、信号光からキャリア抽出によって生成した基本波光のＳ／Ｎを保つことが難しい。また、非線形過程を複数回用いたキャリア抽出方法の構成では、複数の信号を波長多重したＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）信号を一括して増幅することができなかった。

非特許文献４は、信号光として主信号光およびその位相共役光からなる対を用い、非縮退パラメトリック増幅により、高次多値変調フォーマットの直交振幅変調（ＱＡＭ：Quadrature Amplitude Modulation）変調信号やマルチキャリア信号に対する位相感応光増幅器を開示している。

図８は、信号光として主信号光およびその位相共役光からなる対を用いた、従来技術の非縮退パラメトリック増幅によるＰＳＡの構成を示した図である。図８に示したＰＳＡ３００は、光送信器３０１および位相感応光増幅器３０２からなる。光送信器３０１では、複数の信号光源３０３からの出力光に対し外部変調器３０４を用いてデータ変調した後に、合波器３０５によって波長多重を行う。信号光源３０３とは別の局部発振光源３０７から出力される基本波光から、二次非線形光学素子３１１により第二高調波（ＳＨ: Second Harmonic）光を発生させて励起光３１２とする。その後、二次非線形光学素子３０６によって、励起光３１２と波長多重された主信号光３１３との差周波光を発生させ、この差周波光を主信号光に対する位相共役光とする。位相共役光は、アイドラ光とも呼ばれる。

光送信器３０１からは、多重化された主信号光３１３およびその位相共役光からなる複数対を含む信号光群３１６と、局部発振器３０７からの基本波光の一部３１４とを別々に位相感応光増幅器３０２へ出力する。位相感応光増幅器３０２では、二次非線形光学素子３２３によって基本波光３１４からＳＨ光である励起光３２９を生成する。さらに二次非線形光学素子３２４において励起光３２９と信号光群３１６との間のパラメトリック増幅過程を用いて位相感応光増幅を行う。

図９は、図８の従来技術の非縮退パラメトリック増幅によるＰＳＡにおいて、各部の光の波長軸上での関係を模式的に説明する図である。いずれの図も横軸は波長を縦軸は光強度を示している。図９の（ａ）に示すように、光送信器３０１からは、主信号光３１３とその位相共役光３１５との複数の対からなる信号光群３１６と、基本波光３１４が出力される。基本励起光３１４を中心として対称な位置関係にある主信号光と位相共光が１つの対となる。尚、対となる信号光と位相共役光は、厳密には周波数軸上において対称な位置関係にあることに留意されたい。図９の（ｂ）は、位相感応光増幅器３０２の二次非線形光学素子３２３により基本波光３１４からＳＨ光である励起光３２９を生成する過程（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）を示している。図９の（ｃ）は、二次非線形光学素子３２４において励起光３２９と信号光群３１６との間のパラメトリック増幅過程（ＯＰＡ: Optical Parametric Amplification）で得られる増幅された信号光群３３０を示している。図８では光送信器３０１から分岐した基本波光３１４を用いた構成例を示したが、長距離ファイバ伝送後の中継増幅器として用いるためには、信号光から搬送波位相を抽出し、搬送波位相に同期した局部発振光を生成する必要がある。その場合は、非特許文献６に示されているように基本波光をパイロット光として同送する方法がある。また、非特許文献７に示されているような光位相同期（光ＰＬＬ)を用いて、信号光の搬送波位相と同期した局部発振光源からの出力光を基本波として用いても良い。

近年のデジタルコヒーレント光通信システムにおいては、偏波多重分離（ＰＤＭ: Polarization Division Multiplexing）技術による偏波多重信号が用いられる。ＰＰＬＮ導波路等の非線形光学媒質は一般に偏波依存性を持つため、従来技術のＰＳＡでは偏波多重信号の増幅を行うことができなかった。これに対し、非特許文献５および非特許文献６は、２つの非線形光学媒質を用いた偏波ダイバシティ構成によって偏波多重信号に対して位相感応光増幅する構成を開示している。

図１０は、従来技術の偏波多重信号光を伝送する光伝送システムの概要を示す図である。光伝送システム３５０は、光送信器３５１と、光ファイバ伝送路３６１と、偏波ダイバシティ構成を持つ光増幅装置３５２からなる。非特許文献５および非特許文献６に開示されている偏波ダイバシティ構成は、図１０の光伝送システムの光増幅装置３５２と同構成である。偏波ダイバシティ構成３５２では、光ファイバ３６１を伝送された偏波多重信号は、偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３６２で分離される。分離した２つの偏波成分に対してそれぞれ非線形光学素子からなる位相感応光増幅器３６３、３６４で光増幅を行った後、ＰＢＳ３６５で再度合波する。後述するように、偏波多重信号光を伝送する光伝送システムの送信信号であるＰＤＭ信号は、直交する偏波間で別々の異なるデータに基づき独立に変調される。ＰＤＭ信号は、それぞれのデータに対応した光変調信号をＰＢＳで合波することで生成できる。

しかしながら、従来技術の偏波多重信号光を伝送する光伝送システムでは、以下に述べるような光送信器における偏波状態の不安定性に起因する問題があった。主信号光およびその位相共役光からなる対を用い、非縮退のパラメトリック増幅によるＰＳＡを利用するためは、すべての対に対して直交する偏波成分のそれぞれにおいて位相同期条件が満たされる必要がある。図１０のような従来技術の光伝送システムの光送信器３５１における偏波多重信号の生成方法では、偏波ダイバシティ構成の位相感応光増幅器３５２で増幅動作が不安定になる問題があった。

再び図１０を参照して光送信器の構成を概観すると、光送信器３５１は、２つの主信号光−位相共役光の対を生成する２つの信号アーム（ルート）から構成される。信号光源３５３からの搬送波光は光カプラ３５４等で分岐され、２つの光変調器３５５、３５６において異なるデータ信号により搬送波光を変調し、２つの主信号光を生成される。その後、２つの差周波発生器３５７、３５８においてそれぞれの位相共役光を生成する。一方の差周波発生器３５８からの主信号光−位相共役光の対の偏波を偏波回転子３５９で９０°回転し、直交した主信号光−位相共役光の対３６６が得られる。直交した偏波の２つの対が、ＰＢＳ３６０によって合波され、ＰＤＭ信号３６７が出力される。光送信器３５１からのＰＤＭ信号３６７は、伝送路である光ファイバ３６１中で偏波が回転する。偏波回転を受けたＰＤＭ信号３６８が偏波ダイバシティ構成３５２に入力されると、初段のＰＢＳ３６２の２つの偏波軸に対して射影された光電界成分に分岐される。つまり、元の２つの直交する偏波成分がそれぞれ混ざった状態で非線形光学素子３６３、３６４に入射される。

図１１は、従来技術のＰＤＭ光の光伝送システムにおける偏波の状態を概念的に説明する図である。図１１の（ａ）は、光送信器３５１の出力のＡ点におけるＰＤＭ信号３６７の直交する２つの偏波を示している。横軸をｓ偏光（偏光）状態とすれば縦軸はｐ偏光（偏光）状態を示す。図１１の（ｂ）は、光ファイバ３６１を伝送後のＢ点でのＰＤＭ信号３６８の偏波状態を示し、光送信器３５１の出力点ＡのＰＤＭ信号３６７に対して、光ファイバの全体で累積的に生じる偏波回転が加えられている。図１１の（ｃ）は、初段のＰＢＳ３６２によって偏波分離された後のＣ１点およびＣ２点での各偏波軸の電界成分を示している。Ｂ点でのＰＤＭ信号の各偏波成分が、ＰＢＳ３６２の２つの軸へ射影した成分が混ざった状態で分離される。

独立した位相感応光増幅を行う位相感応光増幅器３６３、３６４では、図６に示したような位相同期の構成により出力の一部をモニタし、その出力が最大になるように励起光と信号光の相対位相を調整するようにフィードバックを掛ける。偏波ダイバシティ構成３５２では、図１１の（ｃ）のように２つの直交する偏波成分がそれぞれ混ざった状態で入射される。２つの直交する偏波成分に対して、各位相感応光増幅器で、同時に位相感応光増幅条件が安定して満たされていないと、光増幅後のＰＤＭ信号を安定化できない。

図１１の（ｃ）のように２つの偏波の成分が混ざっている状態自体は、偏波ダイバシティ構成３５２においては問題ない。しかしながら、Ｂ点で受信されるＰＤＭ信号の偏波状態が揺らぐと、位相感応光増器の出力も不安定化してしまう。ここで、光伝送路上で生じる偏波状態のゆらぎは対象としない。問題となるのは、光送信器３５１内でＰＤＭ信号を生成する際の、２つの直交する偏波成分の偏波位相の揺らぎである。

光送信器３５１は、通常、光源、光半導体素子、光学部品、およびこれらを相互に接続する偏波保持ファイバなどから構成される。さらに、これらの要素部品を制御するための制御回路、装置内外のインタフェース回路、電源などを含んだモジュール構成が採られる。このような装置内では、装置の動作状態や環境温度の変化によって、内部温度が不均一に分布し、その分布も刻々と変化し得る。また装置外の環境や運用状態によっては、外部からの振動が装置内の部品間の接続光ファイバや光学部品に加わることもある。図１０で説明したように光送信器内では、別々の差周波発生器（二次非線形光学素子）３５７、３７８によって２つの信号アームで信号光群が生成され、ＰＢＳにより偏波多重されるが、この２つの信号アームでは、それぞれ独立して温度変化や振動などによって影響を受け得る。したがって、２つの信号アームによって信号光、位相共役光およびパイロット光の位相も異なる態様で変動し得る。さらに、２つの差周波発生器へ供給される励起光の位相も、異なる態様で変動し得る。偏波多重光を生成する２つのアーム間で位相条件が別個に変動することで、２つの偏波間の相対位相も、周期的にまたは不定期に、刻々と変動し揺らぎが生じる。このように、ＰＤＭ信号が、光送信器における２つの信号光アーム間の相対位相のゆらぎを持っていると、光ファイバ３６１を伝送した後の、偏波ダイバシティ構成において位相感応光増幅動作に直接影響を与えることになる。

図１１の（ｃ）を参照すれば、偏波ダイバシティ構成では、２つの偏波成分が混在した形態でＰＢＳにより分離され、混在した２つの偏波成分がそれぞれの光感応増幅器に入力される。したがって、ＰＤＭ信号が形成される光送信器において２つの偏波間で信号光群の相対位相が異なっていれば、１つの光感応増幅器内で図７および式（１）で示した位相感応光増幅のための位相条件を満たすことはできない。偏波多重された後では光ファイバによって受ける位相変化は、２つの偏波間で同一変化を受けることから相対位相の変化は小さい。一方、光送信器において発生する２つの偏波間の相対位相の変動・ゆらぎは、より直接的であって、光送信器３５１と偏波ダイバシティ構成３５２との間でリアルタイムに影響する。このように光送信器から出力されるＰＤＭ信号の質の揺らぎ自体が、偏波ダイバシティ構成３５２の位相感応光増器３６３，３６４からの出力を不安定化してしまう問題があった。図１０に示したようなＰＤＭ信号の光送信器３５１で、偏波多重された主信号―位相共役光の対を、従来技術の構成で安定して生成することはできなかった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものでその目的とするところは、直交する偏波間の位相の変動を抑えたＰＤＭ信号を生成する光送信器を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、連続（ＣＷ）光を出力する信号光源と、前記ＣＷ光を分岐する手段と、分岐された前記ＣＷ光の一方を変調して第１の主信号光を出力する第１の変調器と、前記第１の主信号光に対する第１の位相共役光を生成し、第１の主信号光―位相共役光の対を出力する第１の二次非線形光学素子と、分岐された前記ＣＷ光の他方を変調して第２の主信号光を出力する第２の変調器と、前記第２の主信号光に対する第２の位相共役光を生成し、第２の主信号光―位相共役光の対を出力する第２の二次非線形光学素子と、前記第１の主信号光―位相共役光の対および前記第２の主信号光―位相共役光の対を偏波多重し、偏波多重光を出力する偏波合成手段と、基本波光を出力する局部発振光源と、前記基本波光に基づいて、前記第１の二次非線形光学素子および前記第２の二次非線形光学素子で位相共役光を生成するための励起光を生成する第３の二次非線形光学素子と、前記基本波光の一部であって、前記ＣＷ光とともに前記第１の変調器に入力され、前記第１の二次非線形光学素子を透過する第１のパイロット光の位相と、前記基本波光の一部であって、前記ＣＷ光とともに前記第２の変調器に入力され、前記第２の二次非線形光学素子を透過する第２のパイロット光の位相とを同期させる位相調整機構とを備えたことを特徴とする光送信器である。

請求項２に記載の発明は、請求項１の光送信器であって、前記位相調整機構は、前記透過した第１のパイロット光のレベルを検出して、前記第１のパイロット光および前記第１の主信号光の位相を調整する第１のフィードバック回路と、前記透過した第２のパイロット光のレベルを検出して、前記第２のパイロット光および前記第２の主信号光の位相を調整する第２のフィードバック回路と、前記透過した第１のパイロット光および前記透過した第２のパイロット光のレベルを検出して、前記パイロット光の一方の位相を調整する第３のフィードバック回路とを含むことを特徴とする（実施形態１に相当）。

請求項３に記載の発明は、請求項１の光送信器であって、前記ＣＷ光を分岐する手段は、前記信号光源からの前記ＣＷ光が入力される第１の入力と、前記局部発振光源からの前記基本波光が入力される第２の入力と、前記ＣＷ光の前記一方およびこれに直交する前記第１のパイロット光を出力する第１の出力と、前記ＣＷ光の前記他方およびこれに直交する前記第２のパイロット光を出力する第２の出力とを有する偏波分離手段であり、前記位相調整機構は、前記偏波合成手段によって合成された前記透過した第１のパイロット光および前記透過した第２のパイロット光のレベルを検出して、前記励起光の一方の位相を調整するフィードバック回路を含むことを特徴とする（実施形態２に相当）。

請求項４に記載の発明は、連続（ＣＷ）光を出力する信号光源と、前記ＣＷ光を分岐する手段と、分岐された前記ＣＷ光の一方を変調して第１の主信号光を出力する第１の変調器と、前記第１の主信号光に対する第１の位相共役光を生成し、第１の主信号光―位相共役光の対を出力する第１の二次非線形光学素子と、分岐された前記ＣＷ光の他方を変調して第２の主信号光を出力する第２の変調器と、前記第２の主信号光に対する第２の位相共役光を生成し、第２の主信号光―位相共役光の対を出力する第２の二次非線形光学素子と、前記第１の主信号光―位相共役光の対および前記第２の主信号光―位相共役光の対を偏波多重し、偏波多重光を出力する偏波合成手段と、基本波光を出力する局部発振光源と、前記基本波光に基づいて、前記第１の二次非線形光学素子および前記第２の二次非線形光学素子で位相共役光を生成するための励起光を生成する第３の二次非線形光学素子と、前記第１の位相共役光を生成した前記第１の二次非線形光学素子における前記励起光の位相と、前記第２の位相共役光を生成した前記第２の二次非線形光学素子における前記励起光の位相とを同期させる位相調整機構とを備えたことを特徴とする光送信器である。

請求項５に記載の発明は、請求項４の光送信器であって、前記位相調整機構は、前記第１の二次非線形光学素子から分離された第１の励起光および前記第２の二次非線形光学素子から分離された第２の励起光を合波する光カプラと、前記光カプラの出力レベルを検出して、前記励起光の一方の位相を調整するフィードバック回路とを含むことを特徴とする（実施形態３に相当）。

請求項６に記載の発明は、請求項４の光送信器であって、前記基本波光を分岐する光カプラと、前記分岐された基本波光の一方が入力される前記第３の二次非線形光学素子に加え、前記分岐された基本波光の他方が入力され、前記第１の二次非線形光学素子および前記第２の二次非線形光学素子のいずれかで位相共役光を生成するための励起光を生成する第４の二次非線形光学素子とをさらに備え、前記位相調整機構は、前記第１の二次非線形光学素子から分離された第１の励起光および前記第２の二次非線形光学素子から分離された第２の励起光合波する光カプラと、前記光カプラの出力レベルを検出して前記基本波光の一方の位相を調整するフィードバック回路とを含むことを特徴とする（実施形態４に相当）。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至５いずれかの光送信器であって、前記第１の二次非線形光学素子、前記第２の二次非線形光学素子および前記第３の二次非線形光学素子は、それぞれ直接接合リッジ導波路を含み、前記直接接合リッジ導波路は、ＬｉＮｂＯ₃、ＫＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂ_(x)Ｔａ_(1―x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１）、またはＫＴｉＯＰＯ₄のいずれかの材料から構成されるか、または、当該材料のいずれかにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として加えた材料から構成されることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７いずれかに記載の光送信器と、前記光送信器からの前記偏波多重光の搬送波位相に同期した基本波光を出力する局部発振光源を備え、前記偏波多重光を２つの偏波成分に分離し、非線形光学素子によって前記２つの偏波成分をそれぞれ光増幅し、光増幅された２つの偏波成分を再合波する偏波ダイバシティ構成を有する位相感応光増幅器とを備えたことを特徴とする光伝送システムである。

本発明により直交する偏波間の相対位相の変動ゆらぎを抑えた光送信器を提供できる。

図１は、本発明の実施形態１の光送信器の構成を示す図である。 図２は、本発明の実施形態２の光送信器の構成を示す図である。 図３は、本発明の実施形態３の光送信器の構成を示す図である。 図４は、本発明の実施形態４の光送信器の構成を示す図である。 図５は、従来技術のＰＳＡの基本的な構成を示す図である。 図６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。 図７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。 図８は、信号光対を用いた従来技術の非縮退型ＰＳＡ構成を示す図である。 図９は、非縮退型ＰＳＡの各部の光の波長軸上での関係を示す図である。 図１０は、従来技術の偏波多重信号の光伝送システムを示す図である。 図１１は、ＰＤＭ光伝送システムの各部の偏波状態を説明する図である。

本発明の光送信器では、信号光、その位相共役光、励起光、パイロット信号などの各信号において、直交する偏波間の位相差を安定化させる構成が提示される。ＰＤＭ信号を生成する光送信器で、１つの主信号光およびその位相共役光の１対からなるＰＤＭ信号に対する構成（実施形態１、２）と、複数の対からなる波長多重化された信号群のＰＤＭ信号に対する構成（実施形態３、４）が開示される。２つの直交する偏波に対応し、各々が二次非線形光学素子を含む２つの信号アーム間で、信号光群の相対位相のドリフトを安定化させる。２つの信号アーム間の相対位相は、信号光群と同送するパイロット信号を検出して、信号光群の位相を調整する位相調整機構によって調整される。励起光の位相を調整する位相調整機構や、励起光を生成する基本波光の位相を調整する位相調整機構を採ることもできる。本発明の光送信器は、中継型の偏波ダイバシティ構成を持つ位相感応光増幅器と組み合わせた光伝送システムも提供する。以下、複数の実施形態とともに、本発明の光送信器の詳細な構成および動作を説明する。

［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１に係る光送信器の構成を示す図である。本実施形態は、主信号光およびその位相共役光の対からなる偏波多重された信号光群を生成するための光送信器の構成を示す。ここで、１つの主信号光およびその位相共役光を対（ペア）と呼ぶ。第１の偏波の第１の対に対して、１つのデータ信号による変調によって、変調された主信号光および位相共役光からなる第１の対が得られる。さらに、第１の偏波に直交する第２の偏波の第２の対に対して、別のデータ信号による変調によって、変調された主信号光および位相共役光からなる第２の対が得られる。第１の偏波の第１の対と、第２の偏波の第２の対が偏波多重化されて、偏波多重信号群が構成される。主信号光の波長および位相共役光の波長の中心位置する波長のパイロット光を重畳し、偏波多重信号光群と同時に送信する。

図１の光送信器４００は、信号光源４０１と、光カプラ４０２、４０９と、外部変調器４０３、４０４と、２つの差周波発生（ＤＦＧ：Difference Frequency Generation）用の二次非線形光学素子４０５、４０６と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４０７と、局部発振光源４０８と、ＥＤＦＡ４１０と、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４１１と、ＳＨ光発生（ＳＨＧ）用の二次非線形光学素子４１２と、ＳＨ光の分波器４１３と、ＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）圧電素子を用いた光ファイバ伸縮器４１４〜４１６と、分波器４１７〜４１９と、光検出器４２１〜４２３と、偏光子４２８と、位相同期ループ（ＰＬＬ）回路４２５〜４２７とを備えている。これらのうち、光ファイバ伸縮器と分波器と光検出器と位相同期ループ回路かなる３つのループは、それぞれ位相調整機構を構成している。

光送信器４００において、局部発振光源４０８から出力された連続波光（ＣＷ光）は、光カプラ４０９、４０２により３つの光に分波され、それぞれ基本波光４４１、第１のパイロット光４４２、第２のパイロット光４４３として用いる。ＥＤＦＡ４１０は、基本波光４４１を増幅する。ＢＰＦ４１１は、ＥＤＦＡ４１０によって発生したノイズ光を排除し、増幅された基本波光のみを透過させる。

ＳＨ光発生用の二次非線形光学素子４１２は、ＰＰＬＮ導波路および出力側のダイクロイックミラーを含む。ＢＰＦ４１１を透過した基本波光が二次非線形光学素子４１２に入射すると、ＰＰＬＮ導波路により基本波光の半分の波長（２倍の周波数）のＳＨ光が発生し、ダイクロイックミラーにより基本波光とＳＨ光とが分離される。ＳＨ光の分波器４１３により２分岐された第１のＳＨ光４４６および第２のＳＨ光４４７を、それぞれ励起光として、第１の差周波発生差周波発生（ＤＦＧ）用の二次非線形光学素子４０５および第２のＤＦＧ用の二次非線形光学素子４０６に入射する。

信号光源４０１は、局部発振光源４０８とは波長が異なる連続波光（ＣＷ光）を出力し、分波器４０２により２つの連続波光４４４、４４５に分岐される。外部変調器４５１、４５２は、２分岐された信号光源のそれぞれの連続波光４４４、４４５に対して、送信データ４５１、４５２に応じた１６ＱＡＭ変調を施す。信号光源４０１からの２つの連続波光４４４、４４５は、光カプラ４０２により第１のパイロット光４４２、第２のパイロット光４４３とそれぞれ合波されており、ＤＦＧ用の二次非線形光学素子４０５、４０６にそれぞれに入力される。

ＤＦＧ用の二次非線形光学素子４０５、４０６は、それぞれ、入力側のダイクロイックミラーと、ＰＰＬＮ導波路と、出力側のダイクロイックミラーとを含む。外部変調器４５１から出力された主信号光４４４および第１のパイロット光４４２と、二次非線形光学素子４１２から出力された励起光４４６とは、ＤＦＧ用の二次非線形光学素子４０５のダイクロイックミラーにより合波され、ＰＰＬＮ導波路に入射する。これにより、主信号光４４４と励起光（２Ｌｏ）との差周波光が、ＤＦＧ用の二次非線形光学素子４０５内のＰＰＬＮ導波路において発生する。この差周波光が、主信号光４４４に対する位相共役光となる。励起光４４６は、基本波光４４１（Ｌｏ）の２倍の周波数となっており、第１のパイロット光４４２は縮退位相感応光増幅により増幅される。ダイクロイックミラーは、主信号光４４４およびその位相共役光の対並びに第１のパイロット光４４２からなる信号光群と、励起光（２Ｌｏ）とを分離し、信号光群４４８を出力する。

ＤＦＧ用の二次非線形光学素子４０６においても、同様の動作によって信号光群４４９を出力する。すなわち、外部変調器４５２から出力された主信号光４４５および第２のパイロット光４４３と、二次非線形光学素子４１２から出力された励起光４４７とは、ＤＦＧ用の二次非線形光学素子４０６のダイクロイックミラーにより合波され、ＰＰＬＮ導波路に入射する。これにより、主信号光４４５と励起光（２Ｌｏ）との差周波光が、ＤＦＧ用の二次非線形光学素子４０６内のＰＰＬＮ導波路において発生する。この差周波光が、主信号光４４５に対する位相共役光となる。励起光４４７は、基本波光４４１（Ｌｏ）の２倍の周波数となっており、第２のパイロット光４４３は縮退位相感応光増幅により増幅される。ダイクロイックミラーは、主信号光４４４およびその位相共役光の対並びに第２のパイロット光４４３からなる信号光群と、励起光（２Ｌｏ）とを分離し、信号光群４４８を出力する。

縮退位相感応光増幅された２つの信号光群４４８、４４９のうち、一方の信号光群４４９の偏光をλ／２板による偏波回転子４２９で偏波を回転させる。ＰＢＳ４０７によって、偏波回転された信号光群４５０は信号光群４４８と偏波多重され、偏波多重信号群４５３が得られる。本実施形態では、一方の信号光群４４９の偏波回転のためにλ／２板を用いたが、光ファイバを９０度ひねった状態でＰＢＳ４０７と接続するなどの偏波回転方法を用いても良い。偏波多重信号群４５３は、光送信器４００からのＰＤＭ出力として光ファイバ伝送路へ送出される。

ＤＦＧ用の二次非線形光学素子４０５、４０６の出力の後には、それぞれその出力の信号光群の一部を分岐する光カプラ４１７、４１８が備えられている。パイロット光のみを取り出すＢＰＦ４２３、４２４を経由して、さらに光検出器４２０、４２２によりパイロット光の光強度の変化を検出する。ＰＬＬ回路４２５により、ファイバ伸縮器４１４へフィードバックを行うことで、第１のパイロット光４４２の出力が最大となるよう、位相感応光増幅前の信号光群の位相調整を行う（第１のフィードバック回路）。同様に、ＰＬＬ回路４２７により、ファイバ伸縮器４１６へフィードバックを行うことで、第２のパイロット光４４３の出力が最大となるよう、位相感応光増幅前の信号光群の位相調整を行う（第２のフィードバック回路）。

光送信器４００は、ＰＢＳ４０７の出力の後に、偏波多重信号群４５３の一部を分岐する光カプラ４１８と、偏光子４２８がさらに備えられている。偏光子４２８は、ＰＢＳ４０７による第１のパイロット光および第２のパイロット光を偏波合成後の特定の偏波を有するパイロット光について、ある特定の偏波成分のみを透過させるよう動作する。具体的には、第１のパイロット光が縦偏波（０°）の偏光を有し第２のパイロット光が横偏波（９０°）の偏光を有する場合、偏波合成後のパイロット光は４５°の偏光を有する。偏光子４２８の角度を、この４５°の成分のみが透過するように調整しておく。第１のパイロット光および第２のパイロット光の相対位相が変動すると、偏波合成されたパイロット光の偏波回転が生じる。このため、偏光子４２８を透過できる出力光の光量が変化し、光検出器４２１により出力光の光強度の変化を検出する。ＰＬＬ回路４２６によりファイバ伸縮器４１５へフィードバックを行うことで、光送信器４００からのＰＤＭ信号４５３の出力が最大になるよう位相調整を行う（第３のフィードバック回路）。

このように光ファイバ伸縮器４１４〜４１６にフィードバックを行い、光送信器４００内の温度や振動に起因した、２つの偏波間の信号光、位相共役光、パイロット光および励起光の相対位相のドリフトを光ファイバ伸縮器４１４〜４１６により補償する。第１のループおよび第２のループによって、２つの直交した偏波のそれぞれにおける信号光、位相共役光パイロット光および励起光の間の位相同期を行い、第３のループによって、２つの直交した偏波間の相対位相を安定化した状態でＰＤＭ信号４５３を送信できる。このため、光ファイバ伝送後の中継器においても、偏波ダイバシティ構成の位相感応光増幅器を安定動作させることができる。

本実施形態の光送信器では、それぞれの二次非線形光学素子内の非線形光学媒質として、擬似位相整合が可能なＰＰＬＮ導波路を用いている。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、１．５５μｍ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、ＬｉＮｂ_xＴａ_1-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。

以上、本実施形態に示した光送信器の構成では、光送信器内の局部発振光源からの出力をパイロット光として信号光群と同送し、２つの直交する偏波の信号光群を偏波多重した偏波多重信号群４５３を送信することができる。直交する２つの偏波間の相対位相が安定化されているため、中継器での偏波ダイバシティ構成において、位相感応光増幅器を安定動作させることができる。

また、本実施形態の光送信器では、信号変調フォーマットとして１６ＱＡＭを用いた例で説明した。しかしながら変調フォーマットは、ＩＭＤＤ、ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、６４ＱＡＭ、２５６ＱＡＭ、より多値度の高いＱＡＭなど任意のフォーマットに対しても、図１の光送信器とまったく同じ構成で励起光を生成できる。本実施形態によれば、多値の変調フォーマットの変調信号を送信することができる。また、本実施形態では信号光は１波のみであったが、複数の変調信号を波長多重したＷＤＭ信号を一括して送信することもできる。

［実施形態２］
次に、本発明の実施形態２に係る光送信器について説明する。本実施形態は、主信号光およびその位相共役光との対からなる偏波多重された信号光群を、パイロット光を同送することなく生成する光送信器の構成を示す。

図２は、本発明の実施形態２に係る光送信器の構成を示すブロック図である。光送信器５００は、信号光源５０１と、偏波回転子５０２と、偏光ビームスプリッタ(ＰＢＳ)５０３と、外部変調器５０４、５０５と、差周波発生（ＤＦＧ）用の二次非線形光学素子５０６、５０７と、第２のＰＢＳ５０８と、局部発振光源５０９と、光カプラ５１０と、偏波回転子５１１と、ＥＤＦＡ５１２と、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）５１３と、ＳＨ光発生（ＳＨＧ）用の二次非線形光学素子５１４と、ＳＨ光の分波器５１５と、ＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）圧電素子を用いた光ファイバ伸縮器５２０と、分波器５１６と、偏光子５１７と、光検出器５１８と、ＰＬＬ回路５１９とを備えている。これらのうち、光ファイバ伸縮器、分波器、光検出器および位相同期ループ回路は、位相調整機構を構成している。

光送信器５００において、局部発振光源５０９から出力された連続波光（ＣＷ光）は、光カプラ５１０により２つの光路に分波され、それぞれ基本波光５４２、パイロット光５４３として用いる。ＥＤＦＡ５１２は、基本波光５４２を増幅する。ＢＰＦ５１３は、ＥＤＦＡ５１２で発生したノイズ光を排除し、増幅された基本波光のみを透過させる。

ＳＨＧ用の二次非線形光学素子５１４は、ＰＰＬＮ導波路と、出力側のダイクロイックミラーとを含む。ＢＰＦ５１３を透過した基本波光が二次非線形光学素子５１４に入射すると、ＰＰＬＮ導波路により基本波光の半分の波長（２倍の周波数）のＳＨ光が発生し、ダイクロイックミラーにより基本波光とＳＨ光とが分離される。ＳＨ光の分波器５１５により２分岐された第１のＳＨ光５４６および第２のＳＨ光５４７を、それぞれ励起光として、ＤＦＧ用の二次非線形光学素子５０６、５０７へ入射する。

信号光源５０１は、局部発振光源５０９とは波長が異なる連続波光（ＣＷ光）を出力し、偏光子５０２およびＰＢＳ５０３によって、直交する偏波の２つのＣＷ光５４０、５４１に分岐される。局部発振光源５０９からのパイロット光５４３は、偏光子５１１を通過させた後、同じＰＢＳ５０３の他方の入力ポートより入力し、直交する偏波の２のパイロット光５４４、５４５に分岐させる。これにより、波長の異なる信号光５４０およびパイロット光５４４は直交した偏波状態で合波され、外部変調器５０４へ出力される。同様に、信号光５４１およびパイロット光５４５も直交した偏波状態で合波され、外部変調器５０５へ出力される。外部変調器５０４、５０５は、２分岐された信号光源の出力光５４０、５４１に対して、それぞれ送信データ５５１、５５２に応じた１６ＱＡＭ変調を施す。外部変調器５０４、５０５は、一般に偏波依存性を有しており、信号光に対して偏波の直交しているパイロット光５４４、５４５に対しては変調が施されない。外部変調器のタイプによっては、パイロット光にも変調が施されるが、本来の信号光への駆動偏波に比べれば変調度は小さく、パイロット光のＣＷ光の成分が残存する。

外部変調器５０４、５０５で変調を施された信号光およびＣＷ光のパイロット光は、ＤＦＧ用の二次非線形光学素子５０６、５０７にそれぞれ入力される。ＤＦＧ用の二次非線形光学素子５０６、５０７は、それぞれ、入力側のダイクロイックミラーと、ＰＰＬＮ導波路と、出力側のダイクロイックミラーとを含む。信号光およびパイロット光と、二次非線形光学素子５１４から出力された励起光５４６とは、二次非線形光学素子５０６内のダイクロイックミラーにより合波され、ＰＰＬＮ導波路に入射する。これにより、主信号光５４０と励起光（２Ｌｏ）５４６との差周波光が、二次非線形光学素子５０６内のＰＰＬＮ導波路において発生する。この差周波光が、主信号光５４０に対する位相共役光となる。一方で、ＰＰＬＮ導波路は一般に偏波依存性を有しており、信号光と偏波の直交しているパイロット光５４４に対しては相互作用が起こらないため、二次非線形光学素子５０６内のＰＰＬＮ導波路中をそのまま透過する。ダイクロイックミラーは、主信号光および位相共役光の対並びにパイロット光と、励起光５４６とを分離し、信号光群５４８を出力する。

ＤＦＧ用の二次非線形光学素子５０７においても、同様の動作によって信号光群５４９を出力する。すなわち、信号光およびパイロット光と、二次非線形光学素子５１４から出力された励起光５４７とは、二次非線形光学素子５０７内のダイクロイックミラーにより合波され、ＰＰＬＮ導波路に入射する。これにより、主信号光５４１と励起光（２Ｌｏ）５４７との差周波光が、二次非線形光学素子５０７内のＰＰＬＮ導波路において発生する。この差周波光が、主信号光５４１に対する位相共役光となる。信号光５４１と偏波の直交しているパイロット光５４５に対しては相互作用が起こらないため、二次非線形光学素子５０７内のＰＰＬＮ導波路中をそのまま透過する。ダイクロイックミラーは、主信号光および位相共役光の対並びにパイロット光と、励起光５４７とを分離し、信号光群５４９を出力する。

２つの信号光群５４８、５４９の内、一方の信号光群５４９の偏光をλ／２板等の偏波回転子５２２を用いて再度９０°偏波回転させる。ＰＢＳ５０８によって、信号光群５４８および偏波回転した信号光群５５０を偏波多重する。偏波多重された偏波多重信号光群５５４が生成され、光送信器のＰＤＭ出力として、光ファイバに送出される。

前述のように主信号光５４０とパイロット光５４４とは偏波が直交している。同様に、主信号光５４１とパイロット光５４５とは偏波が直交している。したがって、パイロット光５４４、５４５は、主信号光および位相共役光の対を出力したＰＢＳ５０８のポートとは別のポートから合成されたパイロット信号５５３として出力される。光送信器のＰＤＭ出力５５４にはパイロット信号は含まれておらず、これによって本実施形態の光送信器５００はパイロット信号を同送しない構成となる。合成されたパイロット信号５５３の後には、光検出器５１６および偏光子５１７がさらに備えられている。偏光子５１７は、実施形態１と同様に、第１のパイロット光および第２のパイロット光の位相変動に応じて、偏光子５１７の透過できる光量を変化させるように動作する。光検出器５１８によりパイロット信号の光強度の変化を検出する。ＰＬＬ回路５１９によりファイバ伸縮器５４９へフィードバックを行うことによって、光検出器５１８の検出強度が最大となるように位相調整を行う。

このように一方の信号光群５４９の経路に配置された光ファイバ伸縮器５２０にフィードバックを掛けて、温度や振動による光送信器内の２つの偏波間のパイロット光の相対位相のドリフトを、光ファイバ伸縮器５４９により補償することができる。パイロット光を検出して、偏波多重する信号光群の一方の信号アームの位相を調整することで、２つの直交した偏波間の相対位相を安定化した状態で偏波多重信号を送信できる。光ファイバ伝送後の中継器においても、偏波ダイバシティ構成の位相感応光増幅器を安定動作させることができる。

本実施形態に示した光送信器では、光送信器内の局部発振光源からのパイロット光を同送することなく偏波多重した信号光群を送信することができる。光送信器側において、偏波間の位相が安定化されているため、中継器での偏波ダイバシティ構成の位相感応光増幅器を安定動作させることができる。

本実施形態では、信号変調フォーマットとして１６ＱＡＭを用いた例を説明した。変調フォーマットは、ＩＭＤＤ、ＢＰＳＫ，ＱＰＳＫ、６４ＱＡＭ，２５６ＱＡＭ、より多値度の高いＱＡＭなど、任意のフォーマットに対しても、本実施形態の光送信器とまったく同じ構成で励起光を生成できる。本実施形態の光送信器によれば、多値の変調フォーマットの変調信号を送信することができる。また、本実施形態では信号光は１波のみであったが、複数の変調信号を波長多重したＷＤＭ信号を一括して送信することもできる。

［実施形態３］
次に、本発明の実施形態３に係る光送信器について説明する。本実施形態は、位相共役光を生成するための励起光の位相を安定化させることによって、主信号光および位相共役光の複数の対からなる信号光群を偏波多重した偏波多重信号光群に対し、偏波間の位相を安定化させる構成を示す。実施形態１〜２では、主信号およびその位相共役光からなる１対（主信号光―位相共役光対）を送信する光送信器の構成例を示した。実施形態３および次の実施形態４では、波長多重（ＷＤＭ）された主信号光およびそれぞれの位相共役光からなる複数の対を含む信号光群を、さらに偏波多重した偏波多重信号を送信する光送信器の構成例を示す。

図３は、本発明の実施形態３に係る光送信器の構成を示すブロック図である。光送信器６００は、複数の信号光源６０１と、複数の光カプラ６０２と、複数の外部変調器６０３と、波長合波器６０５、６０６と、差周波発生（ＤＦＧ）用の二次非線形光学素子６０７、６０８と、偏波回転子６０９と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）６１０と、を備える。光送信器６００は、局部発振光源６１１と、ＥＤＦＡ６１２と、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）６１３と、ＳＨ光発生（ＳＨＧ）用の二次非線形光学素子６１４と、光分岐６１５と、ＰＺＴ圧電素子を用いた光ファイバ伸縮器６２０と、第二高調波光の光カプラ６１６と、光検出器６１７と、ＰＬＬ回路６１９とをさらに備えている。これらのうち、光ファイバ伸縮器６２０、光カプラ６１６、光検出器６１８およびＰＬＬ回路６２０は、位相調整機構を構成している。

局部発振光源６１１から出力された連続波光（ＣＷ光）は、基本波光として用いる。ＥＤＦＡ６１２は、基本波光を増幅する。ＢＰＦ６１３は、ＥＤＦＡ６１２によって発生したノイズ光を排除し、増幅された基本波光のみを透過させる。

ＳＨＧ用の二次非線形光学素子６１４は、ＰＰＬＮ導波路と、出力側のダイクロイックミラーとを含む。ＢＰＦ６１３を透過した基本波光が二次非線形光学素子６１４に入射すると、ＰＰＬＮ導波路により基本波光の半分の波長（２倍の周波数）のＳＨ光が発生し、ダイクロイックミラーにより基本波光およびＳＨ光が分離される。ＳＨ光は、光カプラ６１６により２分岐され、一方のＳＨ光を第１の励起光６４２として、他方のＳＨ光を第２の励起光６４３として、ＤＦＧ用の二次非線形光学素子６０７、６０８へそれぞれに入射する。

複数の信号光源６０１は、それぞれ波長異なる連続波光（ＣＷ光）を出力し、複数の光カプラ６０２により光パワーをほぼ半分にして分岐される。複数の外部変調器６０３により、２分岐された複数の信号光源６０１からのそれぞれの出力光の一方に対して送信データ６５０に応じた変調を施す。ここで、送信データ６５０は簡略化して描いているが、各変調器において、対応するＣＷ光に対して、異なるデータによって独立に変調することができる。波長合波器６０５によって、複数の外部変調器６０３の各々から出力された変調光の波長多重化を行い、波長多重された主信号光６４０が得られる。２分岐された複数の信号光源６０１からのそれぞれの出力光の他方に対しても、同様に、波長多重された主信号光６４１が得られる。

波長多重された主信号光６４０は、ＤＦＧ用の二次非線形光学素子６０７に入力される。ＤＦＧ用の二次非線形光学素子６０７は、入力側のダイクロイックミラーと、ＰＰＬＮ導波路と、出力側のダイクロイックミラーとを含む。主信号光６４０および二次非線形光学素子６１４から出力された励起光６４２は、ダイクロイックミラーにより合波され、ＰＰＬＮ導波路に入射する。二次非線形光学素子６０７のＰＰＬＮ導波路において、主信号光６４０と励起光６４２との差周波光が発生する。この差周波光は、主信号光６４０に対する位相共役光となる。二次非線形光学素子６０７の出力側のダイクロイックミラーにより、主信号光および各々の位相共役光からなる複数の対（主信号光―位相共役光）からなる信号光群６４６と、二次非線形光学素子６１４からの励起光が分離され、励起光６４４が出力される。

波長多重された主信号光６４１について、ＤＦＧ用の二次非線形光学素子６０８に入力される。主信号光６４１および二次非線形光学素子６１４から出力された励起光６４３は、ダイクロイックミラーにより合波され、ＰＰＬＮ導波路に入射する。二次非線形光学素子６０８のＰＰＬＮ導波路において、主信号光６４１と励起光６４３との差周波光が発生する。この差周波光は、主信号光６４１に対する位相共役光となる。二次非線形光学素子６０６の出力側のダイクロイックミラーにより、主信号光６４１および各々の位相共役光からなる複数の対（主信号光―位相共役光）を含む信号光群６４７と、二次非線形光学素子６１４からの励起光が分離され、励起光６４５が出力される。

ＤＦＧ用の二次非線形光学素子６０７、６０８から出力された２つの信号光群６４６、６４７の内、一方の信号光群６４７の偏光をλ／２板等の偏波回転子６０９を用いて偏波回転させる。偏波回転された信号光群６４８は、ＰＢＳ６１０によって、信号光群６４６と偏波多重される。偏波多重された信号光群は、光送信器６００のＰＤＭ出力６４９として光ファイバへ送出される。

ＤＦＧ用の二次非線形光学素子６０７、６０８から分離された励起光６４４、６４５は、励起光（ＳＨ光）用の光カプラ６１６により合波される。２つの励起光６４４、６４５の位相差に応じて、光カプラ６１６からの出力は変動し、光検出器６１８によりその変動を検出する。ＰＬＬ回路６１９によりファイバ伸縮器６２０へフィードバックを行うことで、励起光用の光カプラ６１６からの出力が最大になるように励起光の位相調整を行う。

このように光ファイバ伸縮器６２０にフィードバックを行い、温度や振動による、光送信器内の２つの励起光６４２、６４３の間の相対位相のドリフトを光ファイバ伸縮器６２０により補償できる。光送信器側において２つの偏波間の相対位相が安定化されているため、中継器においても、偏波ダイバシティ構成の位相感応光増幅器を安定動作させることができる。

上述のように、図３の本実施形態の光送信器では、パイロット光を同送することなく波長多重化された複数の主信号光（ＷＤＭ信号）をさらに偏波多重したＰＤＭ信号を送信することができる。光送信器内の直交する２つの偏波間の励起光の位相が調整され、光送信器の２つの信号光アーム間で相対位相が安定化されているため、中継器においても、偏波ダイバシティ構成の位相感応光増幅器を安定動作させることができる。

［実施形態４］
最後に本発明の実施形態４に係る光送信器について説明する。本実施形態は、実施形態３のように位相共役光を生成するための励起光の位相を安定化させる代わりに、基本波光の位相を安定化させる構成を提示する。実施形態３と同様に、主信号光および位相共役光の複数の対からなる信号光群を、さらに偏波多重した偏波多重信号光に対し、偏波間の位相を安定化させる構成の光送信器を提示する。

図４は、本発明の実施形態４に係る光送信器の構成を示すブロック図である。図４の光送信器７００は、偏波多重光を生成する基本的な構成については図３の実施形態３の光送信器６００と概ね同一であって、相違点のみを説明する。図３の光送信器と比較すれば、局部発振光源７１１から出力された連続波光（ＣＷ光）から、第１のＤＦＧ用の二次非線形光学素子７０７および第２のＤＦＧ用の二次非線形光学素子７０８へ供給する励起光７４２、７４３の生成方法において相違する。また、分離した励起光に基づいてフィードバックを掛ける、ファイバ伸縮器７２３の位置も相違する。

図４の光送信器７００では、局部発振光源７１１からのＣＷ光は、光カプラ７１２によって２つに分岐され、分岐されたＣＷ光をそれぞれ基本波光として用いる。したがって、各ＣＷ光に対して、ＥＤＦＡ７１３、７１４、ＢＰＦ７１５、７１６を備え、増幅された２つの基本波光はＳＨ光発生（ＳＨＧ）用の二次非線形光学素子７１７、７１８にそれぞれ入射する。ＳＨＧ用の二次非線形光学素子７１７、７１８から、それぞれ、ＤＦＧ用の二次非線形光学素子７０７、７０８へ励起光７４２、７４３が供給される。

位相共役光を生成した後でＤＦＧ用の二次非線形光学素子７０７、７０８から分離された励起光７４４、７４５は、ＳＨ光用の光カプラ７１９で合波される。２つの励起光７４４、７４５の位相差に応じて、光カプラ７１６からの出力は変動し、光検出器７２１によりその変動を検出する。ＰＬＬ回路７２２により、光カプラ７１２出力一方の分岐経路上にあるファイバ伸縮器６２３へフィードバックを行うことで、励起光用の光カプラ７１９からの出力が最大になるように２つの偏波間の基本波光で位相調整を行う。すなわち、光ファイバ伸縮器７２３、光カプラ７１９、光検出器７２０およびＰＬＬ回路７２２は、位相調整機構を構成している。

このように光ファイバ伸縮器７２３にフィードバックを行い、温度変動や振動による、光送信器内の２つの励起光７４４、７４５の間の相対位相のドリフトを光ファイバ伸縮器により補償できる。光送信器側において、直交する２つの偏波間の相対位相のドリフトが安定化されているため、中継器での偏波ダイバシティ構成の位相感応光増幅器を安定動作させることができる。

上述のように、図４の本実施形態の光送信器では、パイロット光を同送することなく波長多重化された複数の主信号光（ＷＤＭ信号）をさらに偏波多重したＰＤＭ信号を送信することができる。光送信器内において、直交する２つの偏波間で励起光の位相調整が行われ、光送信器の２つの信号光アーム間で相対位相が安定化されているため、中継器においても偏波ダイバシティ構成の位相感応光増幅器を安定動作させることができる。

上述の実施形態１〜実施形態４で用いた二次非線形光学素子を構成するリッジ導波路の材料は一例にすぎない。すなわち、リッジ導波路は、ＬｉＮｂＯ₃、ＫＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂ_(x)Ｔａ_(1―x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１）、またはＫＴｉＯＰＯ₄のいずれかの材料から構成されるか、または、当該材料のいずれかにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として加えた材料から構成されても良い。

上述の各実施形態の光送信器と、偏波ダイバシティ構成を持つ位相感応光増幅器とを組み合わせれば、光伝システムを構成できる。例えば、図１０や、非特許文献５〜７等に示されたような偏波ダイバシティ構成を有する位相感応光増幅器と組み合わせることができる。すなわち位相感応光増幅器は、実施形態１〜４いずれかの光送信器からの偏波多重光の搬送波位相に同期した基本波光を出力する局部発振光源を備え、偏波多重光の偏波成分を２つに分離し、非線形光学素子によって前記２つの偏波成分をそれぞれ光増幅し、光増幅された２つの偏波成分を再合波する偏波ダイバシティ構成を有するものであれば良い。

本発明は、一般に通信システムに利用することができる。特に、光伝送システムにおける光送信器に利用できる。

１００、２００、３０２、３５２ 位相感応光増幅器（ＰＳＡ）
１０２ 励起光源
１０３ 励起光位相制御部
２０１、３０８、３２１、４１０、５１２、６１２、７１３、７１４ ＥＤＦＡ
２０２、２０４、３０６、３１１、３２３、３２４、３６３、３６４、４０５、４０６、４１２、４０６、５０７、５１４、６０７、６０８、６１４、７０７、７０８、７１７、７１８ 二次非線形光学素子
２０６、３２８、４１４〜４１６、５２０、６２０、７２３ 光ファイバ伸長器
２０７、３６１ 光ファイバ
２０８、３２６、４２１〜４２３、５１８、６１８、７２１ 光検出器
２０９、３２７、４２５〜４２７、５１９、６１９、７２２ ＰＬＬ回路
３０１、３５１、４００、５００、６００、７００ 光送信器
３０３、３５３、４０１、５０１、６０１、７０１ 信号光源
３０４、３５５、３５６、４０３、４０４、５０４、５０５、６０３、６０４、７０３、７０４ 外部変調器
３０５、６０５、６０６、７０５、７０６ 波長合波器
３０７、４０８、５０９、６１１、７１１ 局部発振光源
３０９、３２２、４１１、４２３、４３４、５１３、６１３、７１５、７１６ ＢＰＦ
３６０、３６２、３６５、４０７、５０３、５０８、６１０、７１０ ＰＢＳ
４２８、５０２、５１１、５１７ 偏光子
４２９、５２２、６０９、７０９ 偏波回転子

Claims (8)

1. 連続（ＣＷ）光を出力する信号光源と、
   前記ＣＷ光を分岐する手段と、
   分岐された前記ＣＷ光の一方を変調して第１の主信号光を出力する第１の変調器と、
   前記第１の主信号光に対する第１の位相共役光を生成し、第１の主信号光―位相共役光の対を出力する第１の二次非線形光学素子と、
   分岐された前記ＣＷ光の他方を変調して第２の主信号光を出力する第２の変調器と、
   前記第２の主信号光に対する第２の位相共役光を生成し、第２の主信号光―位相共役光の対を出力する第２の二次非線形光学素子と、
   前記第１の主信号光―位相共役光の対および前記第２の主信号光―位相共役光の対を偏波多重し、偏波多重光を出力する偏波合成手段と、
   基本波光を出力する局部発振光源と、
   前記基本波光に基づいて、前記第１の二次非線形光学素子および前記第２の二次非線形光学素子で位相共役光を生成するための励起光を生成する第３の二次非線形光学素子と、
   前記基本波光の一部であって、前記ＣＷ光とともに前記第１の変調器に入力され、前記第１の二次非線形光学素子を透過する第１のパイロット光の位相と、前記基本波光の一部であって、前記ＣＷ光とともに前記第２の変調器に入力され、前記第２の二次非線形光学素子を透過する第２のパイロット光の位相とを同期させる位相調整機構と
   を備えたことを特徴とする光送信器。
2. 前記位相調整機構は、
   前記透過した第１のパイロット光のレベルを検出して、前記第１のパイロット光および前記第１の主信号光の位相を調整する第１のフィードバック回路と、
   前記透過した第２のパイロット光のレベルを検出して、前記第２のパイロット光および前記第２の主信号光の位相を調整する第２のフィードバック回路と、
   前記透過した第１のパイロット光および前記透過した第２のパイロット光のレベルを検出して、前記パイロット光の一方の位相を調整する第３のフィードバック回路と
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
3. 前記ＣＷ光を分岐する手段は、
   前記信号光源からの前記ＣＷ光が入力される第１の入力と、
   前記局部発振光源からの前記基本波光が入力される第２の入力と、
   前記ＣＷ光の前記一方およびこれに直交する前記第１のパイロット光を出力する第１の出力と、
   前記ＣＷ光の前記他方およびこれに直交する前記第２のパイロット光を出力する第２の出力と
   を有する偏波分離手段であり、
   前記位相調整機構は、
   前記偏波合成手段によって合成された前記透過した第１のパイロット光および前記透過した第２のパイロット光のレベルを検出して、前記励起光の一方の位相を調整するフィードバック回路を含むこと
   を特徴とする請求項１に記載の光送信器。
4. 連続（ＣＷ）光を出力する信号光源と、
   前記ＣＷ光を分岐する手段と、
   分岐された前記ＣＷ光の一方を変調して第１の主信号光を出力する第１の変調器と、
   前記第１の主信号光に対する第１の位相共役光を生成し、第１の主信号光―位相共役光の対を出力する第１の二次非線形光学素子と、
   分岐された前記ＣＷ光の他方を変調して第２の主信号光を出力する第２の変調器と、
   前記第２の主信号光に対する第２の位相共役光を生成し、第２の主信号光―位相共役光の対を出力する第２の二次非線形光学素子と、
   前記第１の主信号光―位相共役光の対および前記第２の主信号光―位相共役光の対を偏波多重し、偏波多重光を出力する偏波合成手段と、
   基本波光を出力する局部発振光源と、
   前記基本波光に基づいて、前記第１の二次非線形光学素子および前記第２の二次非線形光学素子で位相共役光を生成するための励起光を生成する第３の二次非線形光学素子と、
   前記第１の位相共役光を生成した前記第１の二次非線形光学素子における前記励起光の位相と、前記第２の位相共役光を生成した前記第２の二次非線形光学素子における前記励起光の位相とを同期させる位相調整機構と
   を備えたことを特徴とする光送信器。
5. 前記位相調整機構は、
   前記第１の二次非線形光学素子から分離された第１の励起光および前記第２の二次非線形光学素子から分離された第２の励起光を合波する光カプラと、
   前記光カプラの出力レベルを検出して、前記励起光の一方の位相を調整するフィードバック回路と
   を含むことを特徴とする請求項４に記載の光送信器。
6. 前記基本波光を分岐する光カプラと、
   前記分岐された基本波光の一方が入力される前記第３の二次非線形光学素子に加え、前記分岐された基本波光の他方が入力され、前記第１の二次非線形光学素子および前記第２の二次非線形光学素子のいずれかで位相共役光を生成するための励起光を生成する第４の二次非線形光学素子と
   をさらに備え、
   前記位相調整機構は、
   前記第１の二次非線形光学素子から分離された第１の励起光および前記第２の二次非線形光学素子から分離された第２の励起光を合波する光カプラと、
   前記光カプラの出力レベルを検出して前記基本波光の一方の位相を調整するフィードバック回路と
   を含むことを特徴とする請求項４に記載の光送信器。
7. 前記第１の二次非線形光学素子、前記第２の二次非線形光学素子および前記第３の二次非線形光学素子は、それぞれ直接接合リッジ導波路を含み、
   前記直接接合リッジ導波路は、ＬｉＮｂＯ₃、ＫＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂ_(x)Ｔａ_(1―x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１）、またはＫＴｉＯＰＯ₄のいずれかの材料から構成されるか、または、当該材料のいずれかにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として加えた材料から構成されること
   を特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の光送信器。
8. 請求項１乃至７いずれかに記載の光送信器と、
   前記光送信器からの前記偏波多重光の搬送波位相に同期した基本波光を出力する局部発振光源を備え、前記偏波多重光を２つの偏波成分に分離し、非線形光学素子によって前記２つの偏波成分をそれぞれ光増幅し、光増幅された２つの偏波成分を再合波する偏波ダイバシティ構成を有する位相感応光増幅器と
   を備えたことを特徴とする光伝送システム。

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