JP6796028B2 - 光増幅装置およびそれを用いた伝送システム - 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増幅装置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。

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（光カプラ）２０３−１及び第２の光分岐部２０３−２（光カプラ）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。

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。

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。

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.6326-6332 M. Asobe, T. Umeki, H. Takenouchi, and Y. Miyamoto, "In-line phase-sensitive amplifier for QPSK signal using multiple QPM LiNbO3 waveguide," In Proceedings of the OptoElectronics and Communications Conference, OECC, ２０１３年, PDP paper PD2-3 T. Umeki, O. Tadanaga, M.Asobe, Y. Miyamoto and H. Takenouchi., "First demonstration of high-order QAM signal amplification in PPLN-based phase sensitive amplifier," Optics Express, ２０１４年２月, Vol.22, No.3, p.2473-2482 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.1727-1733

上述の従来技術のＰＳＡは、縮退パラメトリック過程に基づくものである。縮退型ＰＳＡは後述する非縮退型ＰＳＡと比較して構成が簡単であり、強度変調信号や２値位相変調信号（ＢＰＳＫ）または差動位相偏移変調（ＤＰＳＫ）信号等の増幅に適用できる。縮退型ＰＳＡは、伝送容量への要求がそれほど高くない短・中距離向けの光伝送系に適用することでＳＮ比の向上が期待できる。

縮退型ＰＳＡは、直交する位相成分を減衰させるので、直交位相成分にもデータ変調成分を含むＱＰＳＫ変調（Quadrature Phase Shift Keying）や８ＰＳＫ、ＱＡＭ等で変調された信号を増幅はできない。直交位相成分にもデータ変調成分を含む変調フォーマットに対しては、非縮退型のＰＳＡを構成できることが実証されている（非特許文献２、非特許文献３）。

光伝送システムにおける中継増幅器としてＰＳＡを用いる場合、信号光の搬送波位相と同期した励起光を生成する必要がある。図１のように信号光光源が位相感応光増幅部の近くに配置されていれば、信号光用光源の一部を分岐して励起光として利用できる。ＰＳＡを中継増幅器として用いる場合は、１スパン約８０ｋｍの光ファイバを伝送するので信号光光源の一部を分岐できない。伝送されてきた信号光から搬送波位相を抽出する方法によって、ＰＳＡを構成することが重要となる。

図４は、従来技術の搬送波位相の抽出を含む中継型ＰＳＡの構成を示す図である。図４の中継型ＰＳＡ４００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４３０および位相感応光増幅部４４０に大別される。

図５の（ａ）〜（ｄ）は、図４の従来技術の中継型ＰＳＡ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５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。以下、図５も参照しながら図４の中継型ＰＳＡの動作概要を説明する。図５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５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５では横軸のより左側の短波長側に位置することになる。

光ファイバを伝送した信号光４０１は、ＰＳＡ４００へと入力され、信号光４０１の一部は光カプラ４０２により分岐され、励起光生成部４３０に入射される。励起光生成部４３０では、分岐した信号光をＥＤＦＡ４０３によって増幅した後、第１のＰＰＬＮ導波路モジュール４０４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４３０では、局部発振光源４０７で生成された励起光（Ｌｏ１）４５１および上述の第１のＰＰＬＮ導波路モジュール４０４からのＳＨ光が、第２のＰＰＬＮモジュール４０５に入力される。第２のＰＰＬＮモジュール４０５では、励起光（Ｌｏ１）とＳＨ光との間の差周波光（Ｌｏ２）が生成される。

第２のＰＰＬＮ導波路モジュール４０５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４０６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４１３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４１１を経由して半導体レーザ４１２に入力される。半導体レーザ４１２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４１２の出力により決まるため、第２のＰＰＬＮ導波路モジュール４０５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４１１の分波側ポートから、局部発振光源４０７より光カプラ４０８で分岐していた励起光（Ｌｏ１）を波長合分波器４１１の合波側ポートへ入射し、半導体レーザ４１０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４１３から励起光出力４５２が出力される。

ここで図５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５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４１２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。

図４の中継型ＰＳＡの各場所における信号光ｓの位相φｓ、励起光（Ｌｏ１）ｐ１の位相φ_p1および差周波光（Ｌｏ２）ｐ２の位相φ_p2の間では、以下の式を満たす。
２φｓ − φ_p1− φ_p2 ＝ ０ 式（２）

したがって、差周波光（Ｌｏ２）ｐ２の位相φ_p2は次式のように、信号光ｓの位相φｓと励起光（Ｌｏ１）ｐ１の位相φ_p1を用いて表される。
φ_p2 ＝ ２φｓ − φ_p1 式（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４０４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４の励起光生成部４３０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５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４においては、信号光４０１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）４５２が得られる。

局部発振光源４０７からの励起光（Ｌｏ１）４５１および注入同期した第２の励起光（Ｌｏ２）４５２は、位相感応光増幅部４４０において、ＥＤＦＡ４１４によって増幅される。さらにＢＰＦ４１５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４１６に入力される。第３のＰＰＬＮ導波路モジュール４１６では、図５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φ_p1、第２の励起光（Ｌｏ２）ｐ２の位相φ_p2および和周波励起光ＳＦの位相φ_SFの間では、次の式を満たす。
φ_SF＝ φ_p1 ＋ φ_p2
＝ ２φｓ 式（４）

図４における第３のＰＰＬＮ導波路モジュール４１６からの和周波励起光４５３を第４のＰＰＬＮ導波路モジュール４１７に入射する。第４のＰＰＬＮ導波路モジュール４１７内で、光カプラ４０２を経由した信号光４０１と、和周波励起光４５３とのパラメトリック増幅により位相感応光増幅が行われる。位相感応光増幅のためには、図５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φ_SFの間で、次式を満たす必要がある。
ΔΦ＝φ_SF − ２φｓ ＝ ｎπ（ｎは整数） 式（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４０９を用いて微弱な信号により位相変調を励起光４５１に施す。第４のＰＰＬＮ導波路モジュール４１７を通過した出力光の一部は、光カプラ４１８により分岐される。光検出器４１９によって分岐光の光強度の変化を検出し、励起光４５１と信号光４０１との間で位相同期するように、ＰＬＬ回路４２０を用いて光ファイバ伸長器４２１にフィードバックをかける。上述の位相同期によって、図４の中継型の縮退型ＰＳＡ４００を安定動作させることができる。各信号の波長の一例を挙げれば、信号光ｓ１５３５．８ｎｍ、励起光ｐ１（Ｌｏ１）１５３４．２５ｎｍ、差周波数ｐ２（Ｌｏ２）１５３７．４ｎｍ、和周波数ＳＦ７６７．９ｎｍである。第３のＰＰＬＮ導波路モジュール４１６への入力までのすべての信号の波長は、概ね信号光ｓと同じ波長帯にあり、上述のデバイスの利用可能性の問題を回避できている。

上述の図４の中継型ＰＳＡでは、ＢＰＳＫ変調された信号光から搬送波の位相を抽出するために、第１のＰＰＬＮ導波路モジュール４０４の非線形過程（ＳＨ光発生）を用いて位相方向の変調をキャンセルしている。一方、信号光が強度方向に多値化されている変調を利用する場合、強度変調成分をキャンセルできない。このため、図４のＰＳＡの構成によって信号光から抽出した搬送波には強度変調成分が残留する。この抽出した搬送波から最終段のＰＰＬＮ導波路モジュール４１７のための励起光ＳＦ４５３を生成すれば、残留した雑音成分からのエネルギー移行によって光増幅器のＳＮ比も劣化する。

またシングルモードファイバを伝送されてきた信号光は、ファイバ中の分散や非線形光学効果の影響による位相歪を持っている。これらの位相歪も図４におけるＳＨ光の発生の段階ではキャンセルできず、最終段のＰＰＬＮ導波路モジュール４１７に対する励起光ＳＦの位相雑音として残留する。従来技術のＰＳＡのようにＳＨ光生成の非線形過程を用いたり、励起光に注入同期を用いたりするだけでは、ＳＮ比の良い励起光を生成するのは難しい。

低雑音な位相感応光増幅器を実現するためには、信号光のＳＮＲに比べて十分にＳＮＲの高い励起光を用い、高い精度で位相同期を行う必要がある。励起光には高い品質が求められ、励起光を生成するための局部発振光等にも高いＳＮＲが求められる。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、強度方向に多値化された信号に対してもその搬送波位相抽出が可能な位相感応光増幅装置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、信号光と、当該信号光の波長を中心として短波長側に離調されたパイロット信号光および長波長側に対称的に離調された当該パイロット信号光のアイドラ光を含むパイロットトーンのペアとからなる信号光群を位相感応光増幅する光増幅装置であって、前記信号光群の一部を分岐させる光分岐器と、前記光分岐器の出力光から前記パイロット信号光および前記アイドラ光を波長毎に取り出し、分波する光分波器と、前記パイロット信号光に位相同期した、第１の局部発振光を出力する第１の局部発振光源と、前記アイドラ光に位相同期した、第２の局部発振光を出力する第２の局部発振光源と、前記第１の局部発振光および前記第２の局部発振光の和周波光を発生する第１の二次非線形光学素子と、前記第１の二次非線形光学素子から出力された前記和周波光を励起光として、前記信号光に対して縮退パラメトリック増幅を行い、前記パイロットトーンのペア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、前記信号光群の位相と、前記励起光の位相とを前記第２の二次非線形光学素子内において同期させる位相同期手段とを備えたことを特徴とする光増幅装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１の光増幅装置であって、前記第１の局部発振光源は、前記パイロット信号光に注入同期して発振し、前記パイロット信号光の位相に同期する半導体レーザであり、前記第２の局部発振光源は、前記アイドラ光に注入同期して発振し、前記アイドラ光の位相に同期する半導体レーザであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２の光増幅装置であって、前記位相同期手段は、前記第２の二次非線形光学素子に入射する前の前記信号光群が伝搬する光ファイバを伸縮させる第１の光ファイバ伸縮器と、前記第２の二次非線形光学素子から出力される増幅された光の一部を取り出して電気信号に変換する第１の検出手段と、前記第１の検出手段の出力信号に基づいて、基準位相と、前記励起光の位相とが同期するように前記第１の光ファイバ伸縮器への制御信号を生成する制御手段とを含むことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３いずれかの光増幅装置であって、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は、それぞれ光導波路を含み、当該光導波路は、ＬｉＮｂＯ₃、ＫＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂ_xＴａ_(1-x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１）、またはＫＴｉＯＰＯ₄のいずれかの材料か、または、これらの材料のいずれかにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として加えた材料から構成されることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、前記信号光群を出力する送信器と、上述のいずれかの光増幅装置と、前記送信器および前記光増幅装置を接続する伝送ファイバとから構成された光伝送システムであって、前記送信器は、前記信号光の搬送波光を出力する信号光源と、前記パイロット信号光を出力するパイロット信号光源と、一部が分岐された前記搬送波光を基本波励起光として入力し、当該基本波励起光の第二高調波光を発生させる第３の二次非線形光学素子と、前記第３の二次非線形光学素子から出力された前記第二高調波光を励起光として、前記搬送波光を変調した前記信号光を増幅し、前記パイロット信号光と前記第二高調波光との差周波光である前記アイドラ光を発生する第４の二次非線形光学素子と、前記第４の二次非線形光学素子に入射する前の前記信号光群の位相を制御することにより、前記信号光群の位相と前記基本波励起光の位相とを前記第４の二次非線形光学素子内において同期させる第２の位相同期手段とを含むことを特徴とする光伝送システムである。

請求項６に記載の発明は、請求項５の光伝送システムであって、前記第２の位相同期手段は、前記第４の二次非線形光学素子に入射する前の前記信号光群が伝搬する光ファイバを伸縮させる第２の光ファイバ伸縮器と、前記第４の二次非線形光学素子から出力された光の一部を取り出して電気信号に変換する第２の検出手段と、前記第２の検出手段の出力信号に基づいて、前記信号光群の位相と前記基本波励起光の位相とが同期するように前記第２の光ファイバ伸縮器への制御信号を生成する第２の制御手段とを含むことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項５の光伝送システムであって、前記第４の二次非線形光学素子は、前記信号光を縮退パラメトリック増幅し、前記アイドラ光を非縮退パラメトリック過程により発生することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項５乃至７いずれかの光伝送システムであって、前記光増幅装置が多段に接続されたことを特徴とする。

本発明により、変調方式によらない低雑音な位相感応光増幅を提供できる。

図１は、従来技術のＰＳＡの基本的な構成を示す図である。 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。 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。 図４は、従来技術の搬送波位相抽出を含む中継型ＰＳＡの構成図である。 図５は、中継型ＰＳＡの各信号の波長軸上の関係を説明する図である。 図６は、本発明の光伝送システムの構成を示す図である。 図７は、本発明の光伝送システムにおける送信器の構成を示す図である。

本発明の光増幅装置および光伝送システムでは、強度方向に多値化された信号に対しても低雑音な増幅が可能な位相感応光増幅器（以下ＰＳＡ）の構成が開示される。光伝送システムで多段構成のＰＳＡの中継増幅動作も実現する。送信器からの光信号群として、信号光を中心に周波数軸上で対称に離調した２周波数を持ち、互いに位相共役関係にあるパイロットトーンのペア（パイロット信号光およびそのアイドラ光）を用いる。変調フォーマットによらず、強度方向に多値化された信号光に対してもその搬送波位相の抽出が可能である。パイロットトーンのペアの和周波光を生成することで、信号光を縮退位相感応光増幅するための第２高調波励起光を生成する。光伝送システム内でパイロットトーンのペアは信号光と同送され、信号光と同様に低雑音なＰＳＡによる中継増幅を受けて伝搬する。位相感応光増幅時にパイロットトーンのペア一部を分岐して励起光として用いるため、パイロットトーンもＳＮ比の劣化の極めて少ない光伝送システムを提供できる。以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

[実施形態]
図６は、本発明に係る光伝送システムおよび光増幅装置の構成を示す図である。図６の光伝送システム６００は、送信器７００、伝送ファイバ６０１、分散・偏波補償器６０２および中継型ＰＳＡすなわち光増幅装置６０３からなる。光伝送システム６００では、光増幅装置６０３に引き続いて、信号光は伝送ファイバ６２２によってさらに伝送される。図６における本発明の光増幅装置６０３を中継型ＰＳＡとして多段構成として用いることもできる。以下、まず送信器７００の詳細な構成並びに信号光およびパイロットトーンのペアの生成動作について説明し、次に光増幅装置６０３の構成および搬送波位相抽出の動作を説明する。

図７は、本発明の光伝送システムにおける送信器の詳細な構成を示す図である。送信器７００は、信号光およびパイロットトーンのペアを生成し送信する。送信器７００の主な構成要素を列挙すれば、信号光源７０１と、変調器７０３と、第１の局部発振光源７１４と、ＥＤＦＡ７０５と、ＰＰＬＮ導波路モジュール７０７、７０８と、光カプラ（光分岐器）７０２、７１５、７０９と、位相変調器（ＰＭ）７０４と、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）７０６、７１０と、光検出器７１１と、ＰＬＬ回路７１２と、ＰＺＴによる光ファイバ伸長器７１３を備えている。

送信器７００において、信号光の搬送波は変調器７０３によってデータ変調された後、その変調による損失を補償するために、２つのＰＰＬＮ導波路モジュール７０７、７０８によるパラメトリック過程により光増幅を受ける。すなわち励起光となる第２高調波（ＳＨ）光発生（ＳＨＧ: Second Harmonic Generation）のための第１のＰＰＬＮ導波路モジュール７０７、及びパラメトリック過程（ＯＰＡ: Optical Parametric Amplification）のための第２のＰＰＬＮ導波路モジュール７０８が用いられる。第１のＰＰＬＮ導波路モジュール７０７は、入力側の空間光学系、ＰＰＬＮ導波路、出力側の空間光学系、およびダイクロイックミラーを備える。第２のＰＰＬＮ導波路モジュール７０８は、入力側の空間光学系、ＰＰＬＮ導波路、出力側の空間光学系、および入力・出力側の双方にダイクロイックミラーを備える。

ここで、図７の送信器７００および後に詳述する図６の光増幅装置で用いるＰＰＬＮ導波路の作製方法について、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。さらに、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、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。

図７の送信器７００において、説明の簡単のため信号光の波長は１５５０ｎｍとする。信号光源７０１から出力された光は、光カプラ（光分岐器）７０２によって２つの経路に分岐される。分岐光の一方は４値パルス振幅変調（ＰＡＭ４：Pulse Amplitude Modulation 4)された信号光７２１、他方はパラメトリック過程に用いる励起光生成のための基本波励起光７２５とした。局部発振光源７１４から、信号光の波長より０．８ｎｍ短波側に離調されたパイロット信号として用いる光を出力し、光カプラ７１５によって信号光７２１に合波させた。励起光の生成のために用いる基本波励起光７２５は、ＥＤＦＡ７０５により３Ｗまで増幅し、ＢＰＦ７０６によりＥＤＦＡ７０５の自然放出光を除去した後、第１のＰＰＬＮ導波路モジュール７０７に入射した。第１のＰＰＬＮ導波路７０７中のＳＨ光発生（ＳＨＧ）機構により、基本波励起光７２５の２倍の周波数を持ち、波長換算では１５５０ｎｍの半分の７７５ｎｍの波長を持つ励起光７２６を生成した。３Ｗの基本波光７２５により、１Ｗの強度の励起光７２６が得られた。

上述の励起光７２６とパイロット信号７２３を含む信号光とが、第２のＰＰＬＮ導波路モジュール７０８に入射される。図７の右端に模式的に示したスペクトラムのように、パイロット信号７２３は、第２のＰＰＬＮ導波路モジュール７０８におけるパラメトリック過程により、信号光７２１の波長１５５０ｎｍを中心として概ね対称な位置にアイドラ光７２４を発生させる。以降、パイロット信号光７２３およびそのアイドラ光７２４を合わせて、パイロットトーンのペアと呼ぶ。また、信号光７２１およびパイロットトーンのペアを合わせて、信号光群７２２と呼ぶ。送信器７００からはパイロットトーンのペアを含む信号光群７２２が出力される。図７では、パイロットトーンのペアを波長軸上で描いてあるので、パイロット信号光７２３およびアイドラ光７２４は波長軸上で厳密には対称な位置には無い。パイロットトーンのペアは、リニアの周波数軸上で表示したときに信号光７２１に対して厳密に対称な位置にあることに留意されたい。以降の説明では、簡単のため波長軸上で対称な位置にあるものとして説明する。

一方、信号光７２１については、その波長が、分岐して得られた基本波励起光７２５に一致する。このため、信号光７２１から発生するアイドラ光の波長（周波数）も信号光と同一となる。すなわち送信器７００においては、信号光７２１に対してのみ縮退パラメトリック過程となる。縮退パラメトリック過程の場合、波長が同一であるため信号光およびそのアイドラ光がコヒーレントに干渉し、信号光およびアイドラ光の位相関係により光強度が変動してしまう。このため送信器７００では、縮退パラメトリック過程の基準位相となる基本波励起光７２５の位相と、信号光群７２２の位相とが位相条件を満たすように、常に位相同期を掛けている。

図７の送信器７００においては、信号光７２１を基本波励起光７２５に同期させるために、位相変調器７０４を用いて微弱な信号により基本波励起光に位相変調を施した。第２のＰＰＬＮモジュール７０８を通過した出力光の一部を光カプラ７０９により分岐した。ＢＰＦ７１０により信号光７２１の波長のみを切り出し、光検出器７１１によって微弱な変調信号による光強度の変化を検出する。この微弱な変調信号成分は、図３に示したように信号光と基本波励起光との位相差Δφが最小の位相同期が取れている状態で最小となる。したがって、変調信号が最小であって、増幅器出力信号が最大となるようにＰＬＬ回路７１２を用いて光ファイバ伸長器７１３にフィードバックを掛ける。変調信号の位相を制御して、信号光７２１を含む信号光群７２２と基本波励起光７２５との間の位相同期を達成できる。したがって、光カプラ７０９からＰＬＬ回路７１２、光ファイバ伸長器７１３を含むループは、位相同期手段を構成する。すなわち、位相同期手段は、第２の二次非線形光学素子に入射する前の信号光群が伝搬する光ファイバを伸縮させる第１の光ファイバ伸縮器と、第２の二次非線形光学素子から出力される増幅された光の一部を取り出して電気信号に変換する第１の検出手段と、第１の検出手段の出力信号に基づいて、基準位相と、励起光の位相とが同期するように第１の光ファイバ伸縮器への制御信号を生成する制御手段とを含む。

図７で説明したように、本発明の光伝送システム６００の送信器７００側では、ＰＰＬＮ導波路を用いて、信号光のパラメトリック増幅およびパイロット信号光のアイドラ光生成を同時に行っている。本発明の光伝送システム６００においては、図６の中継型ＰＳＡである光増幅装置６０３を多段構成で用いることも想定している。このため、信号光とパイロットトーンのペアを含む信号光群を中継型ＰＳＡで一括増幅し、常に伝送ファイバ中を同送する。送信器７００では信号光源７０１から分岐した光をパラメトリック過程用の基本波励起光７２５として用いている。このため、パイロット信号光７２３およびそのアイドラ光７２４は、基準位相が基本波励起光７２５の位相と一致している。中継型ＰＳＡにおいて使用する励起光を、この基準位相に同期させることで、パイロット信号光およびアイドラ光の非縮退位相感応光増幅が可能となる。送信器７００は、第２のＰＰＬＮモジュール７０８内で、信号光に対しては縮退位相感応光増幅を、パイロット信号光に対しては非縮退パラメトリック変換を同時に行う構成をとっている。信号光とパイロットトーンのペアを含む信号光群を送信器７００から同送し、信号光およびパイロットトーンのペアの伝搬経路を同一にして位相が同期させることで、中継型ＰＳＡとして光増幅装置６０３を多段構成とすることも可能となる。

図６を再び参照すると、図７の送信器７００と同様、光増幅装置６０３におけるパラメトリック過程は２つのＰＰＬＮ導波路モジュールを用いて動作させる。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６１５、及び位相感応光増幅（ＯＰＡ）のための第４のＰＰＬＮ導波路モジュール６１６が用いられる。２つのＰＰＬＮ導波路モジュール６１５、６１６の構成は、送信器７００の２つのＰＰＬＮ導波路モジュール７０７、７０８とそれぞれ同様である。

送信器７００から伝送ファイバ６０１を伝送してきた信号光およびパイロットトーンのペアを含む信号光群７２２は、分散及び偏波補償器６０２により光ファイバ内の分散及び偏波を補償される。その後、光増幅装置６０３の第４のＰＰＬＮ導波路モジュール６１６へと入力される。入力された信号光群７２２の一部は、光カブラ６０４により分波される。分岐された信号光群７２２は、光分波器６０５を用いてパイロットトーンのペアをパイロット信号光７２３およびアイドラ光７２４に切り出して分波される。分波されたパイロット信号光６２２は、光サーキュレータ６０７を用いて、局部発振光源（Ｌｏ２）６０９に入力され、光注入同期を行った。局部発振光源６０９が在る経路に、送信器７００の局部発振光源から出力されたパイロット信号光７２３を伝搬させている。同様に、分波されたアイドラ光６２３は、光サーキュレータ６０６を用いて、局部発振光源（Ｌｏ３）６１０に入力され、光注入同期を行った。局部発振光源（Ｌｏ３）６１０が在る経路に、送信器７００からのアイドラ光７２４を伝搬させている。局部発振光源６０９、６１０は、例えば半導体レーザによって構成することができる。

局部発振光源（Ｌｏ２）６０９は、送信器７００におけるパイロット信号光７２３と同一波長の光を出力し、局部発振光源（Ｌｏ３）６１０はアイドラ光と同一の波長の光を出力している。それぞれ光注入同期により、パイロット信号光７２３と同一波長および同一の位相情報を持つパイロット信号光に対応する局部発振光６２４を生成する。同様に、アイドラ光７２４と同一波長および同一の位相情報を持つアイドラ光７２４に対応する局部発振光６２５を生成した。光カプラ６０８によって２つの局部発振光６２４、６２５を合波し、合波した局部発振光６１１が得られる。局部発振光６１１をＥＤＦＡ６１３により３Ｗまで増幅し、ＢＰＦ６１４によりＥＤＦＡ６１３の自然放出光を除去した後、第３のＰＰＬＮ導波路モジュール６１５に入射した。

第３のＰＰＬＮ導波路モジュール６１５内のＰＰＬＮ導波路中の和周波数生成（ＳＦＧ: Sum Frequency Generation）動作により、信号光（波長１５５０ｎｍ）から対称に離調されたパイロット信号光およびそのアイドラ光の和周波を持つ励起光６２６が生成される。すなわち、励起光の周波数＝パイロット信号光の周波数＋アイドラ光の周波数の関係が成り立つ。この励起光は信号光の２倍の周波数を持ち、信号光の波長の半分の７７５ｎｍの波長を持つ。位相共役関係にあるパイロット信号光７２３およびそのアイドラ光７２４の和周波を発生させることで、信号光と同じ位相情報を持つ励起光６２６を生成できる。第３のＰＰＬＮ導波路モジュール６１５では、トータルパワー３Ｗの合波した局部発振光６１１により、１Ｗのパワーを持つ励起光６２６が得られた。この励起光６２６を第４のＰＰＬＮ導波路モジュール６１６に入射した。

第４のＰＰＬＮ導波路モジュール６１６内のＰＰＬＮ導波路内では信号光については縮退パラメトリック過程が、パイロットトーンのペアに対しては非縮退パラメトリック過程が引き起こされる。図７に示したように、信号光７２１およびパイロットトーンのペアは、それぞれ送信器７００における基本励起光７２５の基準位相に同期されている。図６の光増幅装置６０３には、この送信器７００から同送された信号光７２１およびパイロットトーンのペアを含む信号光群７２２が入力されている。図６の光増幅装置６０３においても、入力された信号光群から送信器７００の基準位相に同期した励起光６２６を生成し利用することで、中継型ＰＳＡである光増幅装置６０３において信号光群の全波長を一括した位相感応光増幅を実現できる。

光増幅装置６０３において位相同期をするために、位相変調器６１２を用いて微弱な信号により位相変調を合波した局部発振光６１１に施し、第４のＰＰＬＮモジュール６１６を通過した出力光７２８の一部を光カプラ６１７により分岐した。ＢＰＦ６１８により信号光の波長のみを切り出し、光検出器６１９により光強度の変化を検出する。ＰＬＬ回路６２０を用いて、励起光６２６の位相と信号光７２１の位相とが同期するように光ファイバ伸長器６２１にフィードバックをかけた。ここでは、位相同期を掛けるために信号光７２１のみを切り出しているが、他のパイロットトーンのペアのいずれか１波長を切り出しても同様に位相同期を行い、信号光７２１およびパイロットトーンのペアを含む信号光群７２２の一括ＰＳＡが可能である。

上述のように、本発明の光増幅装置６０３では、変調の掛かった信号光から励起光６２６を生成するのではなく、信号光と同送された変調の掛かっていないパイロットトーンのペアから励起光６２６を生成する。したがって、変調フォーマットによらず、強度方向に多値化された信号に対してもその搬送波位相の抽出が可能である。

本実施形態では、中継型ＰＡＳである光増幅装置６０３によって光増幅した後に、後段の光ファイバ６２２へ中継伝送する構成が示されているが、光増幅した後に受信器等に入力しても良い。第４のＰＰＬＮ導波路モジュール６１６により光増幅した後の出力光をそれぞれ受信器に入力することで、図６の光増幅装置６０３を受信器前段のプリアンプとして用いることもできる。

本発明の光増幅装置により、信号光と一括位相感応光増幅が可能なパイロットトーンのペアを同送する光伝送システムを実現できる。位相感応光増幅に用いる励起光のＳＮＲの劣化が抑えられる。中継型ＰＳＡとして使用するとき、データ変調された信号光から搬送波位相を抽出する従来技術の方法と比較して、ＰＡＭ４のような多値の強度変調信号に対しても高品質の励起光を生成し、低雑音な位相感応光増幅が可能となる。従来技術の光伝送システムと比べて、中継段数が増えてもＳＮＲの高い局部発振光を再生成可能で、低雑音な位相感応光増幅により多段構成の中継増幅を実現できる。

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。

１００、２００、４００ 位相感応光増幅器
１０２ 励起光源
１０３ 励起光位相制御部
２０１、４０３、４１４、６１３、７０５ ＥＤＦＡ
２０２、２０４、４０４、４０５、４１６、４１７、６１５、６１６、７０７、７０８ ＰＰＬＮ導波路モジュール
２０３−１、２０３−２、４０２、４０８、４１８、６０４、６０８、６１７、７０２、７０９、７１５ 光カプラ（光分岐部）
２０５、４０９、６０２ 位相変調器
２０６、２０７、４２１、６２１、７１３ 光ファイバ伸長器
２０９、４２０、６２０、７１２ ＰＬＬ回路
４０６、４１５、６１４、６１８、７０６、７１０ ＢＰＦ
４０７、７１４ 局部発振光源
４１２、６０９、６１０ 半導体レーザ（局部発振光源）
４１３、６０６、６０７ 光サーキュレータ
６００ 光伝送システム
６０１、６２８ 伝送ファイバ
６０２ 分散及び偏波補償器
６０３ 光増幅装置
６０５ 光分波器
７００ 送信器
７０１ 信号光源
７０３ 変調器

Claims (8)

1. 信号光と、当該信号光の波長を中心として短波長側に離調されたパイロット信号光および長波長側に対称的に離調された当該パイロット信号光のアイドラ光を含むパイロットトーンのペアとからなる信号光群を位相感応光増幅する光増幅装置であって、
   前記信号光群の一部を分岐させる光分岐器と、
   前記光分岐器の出力光から前記パイロット信号光および前記アイドラ光を波長毎に取り出し、分波する光分波器と、
   前記パイロット信号光に位相同期した、第１の局部発振光を出力する第１の局部発振光源と、
   前記アイドラ光に位相同期した、第２の局部発振光を出力する第２の局部発振光源と、
   前記第１の局部発振光および前記第２の局部発振光の和周波光を発生する第１の二次非線形光学素子と、
   前記第１の二次非線形光学素子から出力された前記和周波光を励起光として、前記信号光に対して縮退パラメトリック増幅を行い、前記パイロットトーンのペア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、
   前記信号光群の位相と、前記励起光の位相とを前記第２の二次非線形光学素子内において同期させる位相同期手段と
   を備えたことを特徴とする光増幅装置。
2. 前記第１の局部発振光源は、前記パイロット信号光に注入同期して発振し、前記パイロット信号光の位相に同期する半導体レーザであり、前記第２の局部発振光源は、前記アイドラ光に注入同期して発振し、前記アイドラ光の位相に同期する半導体レーザであることを特徴とする請求項１に記載の光増幅装置。
3. 前記位相同期手段は、
   前記第２の二次非線形光学素子に入射する前の前記信号光群が伝搬する光ファイバを伸縮させる第１の光ファイバ伸縮器と、
   前記第２の二次非線形光学素子から出力される増幅された光の一部を取り出して電気信号に変換する第１の検出手段と、
   前記第１の検出手段の出力信号に基づいて、基準位相と、前記励起光の位相とが同期するように前記第１の光ファイバ伸縮器への制御信号を生成する制御手段とを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光増幅装置。
4. 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は、それぞれ光導波路を含み、当該光導波路は、ＬｉＮｂＯ₃、ＫＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂ_xＴａ_(1-x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１）、またはＫＴｉＯＰＯ₄のいずれかの材料か、または、これらの材料のいずれかにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として加えた材料から構成されることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光増幅装置。
5. 前記信号光群を出力する送信器と、
   請求項１乃至４のいずれかに記載の光増幅装置と、
   前記送信器および前記光増幅装置を接続する伝送ファイバとから構成された光伝送システムであって、
   前記送信器は、
   前記信号光の搬送波光を出力する信号光源と、
   前記パイロット信号光を出力するパイロット信号光源と、
   一部が分岐された前記搬送波光を基本波励起光として入力し、当該基本波励起光の第二高調波光を発生させる第３の二次非線形光学素子と、
   前記第３の二次非線形光学素子から出力された前記第二高調波光を励起光として、前記搬送波光を変調した前記信号光を増幅し、前記パイロット信号光と前記第二高調波光との差周波光である前記アイドラ光を発生する第４の二次非線形光学素子と、
   前記第４の二次非線形光学素子に入射する前の前記信号光群の位相を制御することにより、前記信号光群の位相と前記基本波励起光の位相とを前記第４の二次非線形光学素子内において同期させる第２の位相同期手段とを含むこと
   を特徴とする光伝送システム。
6. 前記第２の位相同期手段は、
   前記第４の二次非線形光学素子に入射する前の前記信号光群が伝搬する光ファイバを伸縮させる第２の光ファイバ伸縮器と、
   前記第４の二次非線形光学素子から出力された光の一部を取り出して電気信号に変換する第２の検出手段と、
   前記第２の検出手段の出力信号に基づいて、前記信号光群の位相と前記基本波励起光の位相とが同期するように前記第２の光ファイバ伸縮器への制御信号を生成する第２の制御手段と
   を含むことを特徴とする請求項５に記載の光伝送システム。
7. 前記第４の二次非線形光学素子は、前記信号光を縮退パラメトリック増幅し、前記アイドラ光を非縮退パラメトリック過程により発生することを特徴とする請求項５に記載の光伝送システム。
8. 前記光増幅装置が多段に接続されたことを特徴とする請求項５乃至７いずれかに記載の光伝送システム。

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