JP7153271B2

JP7153271B2 - 光信号処理装置

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Publication number: JP7153271B2
Application number: JP2019038551A
Authority: JP
Inventors: 雅生遊部; 毅伺梅木; 晃次圓佛; 拓志風間; 貴大柏崎; 亮一笠原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Tokai University Educational Systems
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Tokai University Educational Systems
Priority date: 2019-03-04
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2022-10-14
Anticipated expiration: 2039-03-04
Also published as: JP2020144164A

Description

本発明は、光通信システムやレーザ装置において用いられる波長変換または光増幅が可能な光信号処理装置に関する。

光通信システムにおいては、光ファイバを伝搬することにより減衰した信号を中継するために、エルビューム添加光ファイバ増幅器(ＥＤＦＡ)が広く用いられている。ＥＤＦＡは、光ファイバにエルビュームを添加した光ファイバ(ＥＤＦ：Erbium-Doped Fiber)に励起光を入射し、ＥＤＦ中の誘導放出により入射光を増幅する。ＥＤＦＡが実用化されるまでは、減衰した光を一旦電気信号へ変換して、デジタル信号を識別した後に、再び光信号に変換する方法が用いられてきた。この光―電気―光の変換を行うためには多くの光部品および電気部品が必要となり、光通信の中継コストを大きなものにしてきた。しかし、ＥＤＦＡの実用化により、光信号を光のまま増幅することが可能になり、さらには複数の波長に別々の情報を載せて伝送する波長多重(ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing)の信号を一括して、増幅することが可能である。このため、光信号の増幅・中継を簡単な構成で行うことが可能になり、光中継のコストを著しく低減することができる。特に長距離を伝送する光通信ネットワークは、ＥＤＦＡを使用することを前提に全体のシステムが設計されていると言っても過言ではない。

近年の情報通信技術サービスの多様化により、通信ネットワークのバックボーンを支える光通信システムには、伝送容量のさらなる増大が求められている。シャノンの通信理論によれば、単位周波数帯域あたりの伝送容量の比率で与えられる周波数利用効率は信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比に対してｌｏｇ₂（１＋Ｓ／Ｎ）で与えられる。このためＳ／Ｎ比の上限が、原理的な伝送容量の上限を決定してしまう。光通信の受信機におけるＳ／Ｎ比はいわゆるショット雑音が支配的になる条件下では、光信号のパワーに比例する。従って、周波数利用効率を高めるためには、高い光パワーで伝送を行うことが原理的には理にかなっている。しかしながら、現実には光通信の伝送媒体である光ファイバには非線形光学効果が存在する。非線形光学効果のため、必要以上に伝送パワーを大きくすると、非線形光学効果の影響により、かえって光信号のＳ／Ｎ比が劣化する現象が指摘されている。このＳ／Ｎ比の劣化は非線形シャノン限界と呼ばれており、光通信システムの伝送容量の上限を制限しかねない現象として議論されている。

上述のように非線形シャノン限界により、光通信システムにおける周波数利用効率には原理的な上限が見え始めている。通信容量のさらに増大させるためには、光通信に用いる周波数帯域を拡大することが本質的な課題となる。

特許第３９７１６６０号

M.H. Chou, I. Brener, K.R. Parameswaran and M.M. Fejer,"Stability and bandwidth enhancement of difference frequency generation (DFGI-based wavelength conversion by pump detuning", ELECTRONICS LETTERS 10th June 1999 Vol. 35 No. 12, pp978-990

しかしながら、上述のＥＤＦＡを使用する光通信システムでは、依然として以下のような問題が存在していた。現在の光通信システムで広く用いられているＥＤＦＡで増幅できる波長帯域は、Ｃバンド（１５３０-１５６５ｎｍ）およびＬバンド(１５６５－１６２５ｎｍ)に限られている。したがって、現在の光通信システムは、これらの波長帯域の利用を前提に構築されている。光ファイバ自体の透明波長帯域は非常に広いため、上述の波長帯以外の波長帯域を用いることができれば、光通信の伝送容量の大幅拡大が可能になる。

ＥＤＦＡに類似の技術としてイットリビュームを添加した光ファイバを用いた光増幅器（ＹＤＦＡ：Ytterbium Doped Fiber Amplifier）が開発されている。ＹＤＦＡによって増幅ができる波長帯域は１．０６μｍ帯であり、この波長帯では通常用いられるシングルモードファイバ（ＳＭＦ）がシングルモード伝搬でなくなってしまう。ＳＭＦは１．０６μｍ帯における高速信号の伝送に適さず、ＹＤＦＡを用いて通信システムを構成するには、従来とは異なる特殊な光ファイバを用いる必要がある。したがって、光通信システムにおいてＹＤＦＡを使用すると、既存の光ファイバ通信網との親和性に問題があった。現在、既存の光ファイバ通信網との親和性を維持したままで、ＣバンドおよびＬバンド以外の波長帯域で使用可能な光増幅装置は、存在していない。

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、ＣバンドおよびＬバンド以外の波長帯域において、ＥＤＦＡでは増幅できない波長域の光信号を光のまま増幅することができる光信号処理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、波長λ₁の信号光および波長λ₃の励起光の差周波に相当する波長λ₂の差周波光を発生し、波長λ₁の前記信号光をパラメトリック増幅する波長変換装置において、波長２λ₃の基本波励起光を発生する光源と、一方の端から前記基本波励起光が入射し、前記基本波励起光の第二高調波発生によって波長λ₃の励起光を発生し、他方の端から波長λ₁の信号光を入射する擬似位相整合型波長変換素子と、前記擬似位相整合型波長変換素子を伝搬した前記励起光を反射して、再び前記擬似位相整合型波長変換素子に入射し、逆方向に伝搬させる反射手段とを備え、前記擬似位相整合型波長変換素子は、前記励起光の波長λ₃における伝搬定数β (λ₃)、前記信号光の波長λ₁における伝搬定数β (λ₁)および前記差周波光の波長λ₂における伝搬定数β (λ₂)の間で、第１の擬似位相整合条件

を満たす非線形定数の空間分布の変調周期Λ₁を有し、波長λ₃における伝搬定数β(λ₃)および波長２λ₃における伝搬定数β(２λ₃) 間で、第２の擬似位相整合条件

を満たす非線形定数の空間分布の変調周期Λ₂を有し、前記変調周期Λ₁およびΛ₂は

の関係を満たし、前記擬似位相整合型波長変換素子は、非線形媒質で構成され、周期分極反転構造を有するニオブ酸リチウムによる導波路であり、前記周期分極反転構造の非線形定数の空間分布の基本周期Λ ₀ および別の周期Λ _ph で空間的な位相変調または周波数変調が施されており、前記励起光の波長λ ₃ における伝搬定数β（λ ₃ ）と前記信号光の波長λ ₁ における伝搬定数β（λ ₁ ）と前記差周波光の波長λ ₂ における伝搬定数β（λ ₂ ）の間で第１の擬似位相整合条件

を満足し、前記擬似位相整合型波長変換素子は波長λ₃における伝搬定数β（λ₃）と波長２λ₃における伝搬定数β（２λ₃）間で、第２の擬似位相整合条件

を満足することを特徴とする光信号処理装置である。この光信号処理装置は、第２の実施形態および第３の実施形態に相当する。また、擬似位相整合型波長変換素子は、少なくともマルチＱＰＭ素子を含む。

請求項２に記載の発明は、請求項１の光信号処理装置であって、前記非線形媒質の中で生じる２次非線形光学効果によって、

を満たす前記差周波光の波長λ₂を生成す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の光信号処理装置であって、前記反射手段は、前記擬似位相整合型波長変換素子の一方の端面に形成された誘電体多層膜であることを特徴とする。この光信号処理装置は、第３の実施形態に相当する。

請求項４に記載の発明は、請求項１または２の光信号処理装置であって、前記反射手段は、前記擬似位相整合型波長変換素子から前記励起光のみを取り出す波長分離手段と、波長λ₃を反射する金属または誘電体多層膜からなることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４いずれかの光信号処理装置であって、前記光源は、波長２λ₃の単色レーザ光を出力し、前記第二高調波発生の前に、前記単色レーザ光は光ファイバ増幅器によって増幅されることを特徴とする。

上述の光信号処理装置は、いずれも光増幅装置または波長変換装置として動作することができる。

以上説明したように、本発明により従来のＥＤＦＡでは増幅できなかった波長帯域の光信号を、光のままで増幅することができる。

本発明の第１の実施形態の光増幅装置の構成を示す図である。本発明の光増幅装置のパラメトリック利得の波長依存性を示す図である。位相整合波長差とパラメトリック利得ピーク波長の関係を示した図である。本発明の第２の実施形態の光増幅装置の構成を示す図である。長周期の空間的な周期的位相変調を施したマルチＱＰＭ素子の位相変化を示した図である。マルチＱＰＭ素子の変換効率の次数ｋ依存性を示す図である。第２の実施形態の光増幅装置の光増幅動作、特性を説明する図である。本発明の第３の実施形態の光増幅装置の構成を示す図である。

本発明は、非線形光学効果であるパラメトリック増幅効果を利用して光信号を増幅する光信号処理装置である。本発明の光信号処理装置は光増幅装置として動作することができ、２つの異なる擬似位相整合条件を利用し、第１の擬似位相整合条件による第二高調波の励起光発生と、第２の擬似位相整合条件による非縮退パラメトリック増幅を行う。従来技術のＥＤＦＡを用いて高パワーを得ることが容易な１．５５μｍ帯の励起光を用いながら、１．５５μｍ帯とは異なる波長帯の光増幅を行うことが可能になる。また、第１の擬似位相整合条件および第２の擬似位相整合条件を同時に満足するマルチ擬似位相整合（ＱＰＭ：Quasi-Phase Matched）素子の往復路を利用して、第二高調波発生および非縮退パラメトリック増幅を行うことで、コンパクトな構成で光増幅が可能になる。マルチＱＰＭ素子では２つの擬似位相整合条件の関係を安定的に維持できるため、安定的に光増幅動作を実現できる。

本発明の光信号処理装置では、従来技術では実現困難であった、ＣバンドおよびＬバンド以外の波長帯域における光増幅が可能となる。このため、従来よりも多くの波長チャネル数を用いたＷＤＭ伝送および中継を行うことが可能になり、その結果より大容量の光通信システムを構築することができる。以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。

以後の各実施形態の説明では、本発明の光信号処理装置を光増幅装置として説明するが、いずれの実施形態の光増幅装置も、２次の非線形光学媒質を利用して、第二高調波の発生やアイドラ光の生成などの波長変換動作を利用するものである。したがって、本発明の光増幅装置は、波長変換装置としての側面も持っている。「光増幅装置」を「波長変換装置」と言い換えることも可能であって、２つの用語を交換可能に使用できることに留意されたい。したがって以下に説明する光増幅装置は、波長変換および光増幅を同時に行うことのできる光信号処理装置と言い換えることもできる。

前述のＥＤＦＡのような希土類を用いたレーザ媒質を用いた光増幅は、希土類のもつエネルギー準位間の遷移を用いているため、増幅できる波長域の選択肢には限りがある。このような制限を受けない光増幅を実現するものとしては、２次ないし３次の非線形光学媒質を用いたパラメトリック増幅を用いる方法がある。３次の非線形光学媒質としては、光ファイバ中の四光波混合を利用した例が代表的なものである。しかし、光ファイバの非線形光学効果は上述のように光信号のＳ／Ｎ比を劣化させる原因にもなり得るため、低雑音の光増幅装置としては問題がある。一方、２次の非線形光学媒質としては周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ：Periodically Poled Lithium Niobate）からなる光導波路を用いる方法が代表的なものである。例えば非特許文献１では、ＰＰＬＮを用いた２次の非線形光学効果である差周波発生を用いて、広帯域な光増幅動作が可能なことが示されている。また、ＰＰＬＮを用いる方法では３次の非線形効果が無視できるため、非線形光学効果による信号品質の劣化はほぼ無いと考えて良い。

本発明の光増幅装置では、ＰＰＬＮ導波路等の２次の非線形光学媒質を用い、２つの異なる擬似位相整合条件を利用して光増幅を行うことにより, １．５５μｍ帯以外における光増幅を可能にする。

[第１の実施形態]
図１は、本発明の第１の実施形態の光増幅装置の構成を示す図である。本実施形態の光増幅装置１００では非線形媒質として、２つの異なる擬似位相整合条件を有するＰＰＬＮ導波路を用いた。

擬似位相整合条件は、ＰＰＬＮ導波路の周期分極反転構造の分極反転周期を調整することで設定できる。ＰＰＬＮ導波路において擬似位相整合波長を設定するためには、例えば通常のＰＰＬＮ導波路において第二高調波発生を行う場合、基本波および第二高調波の間の伝搬定数差Δβを周期構造により補償して、擬似位相整合条件を満足するよう分極反転周期Λを設定する。具体的に擬似位相整合波長とは、ＰＰＬＮ導波路における非線形定数の空間分布の周期をΛとして、擬似位相整合波長λ_QPMにおける伝搬定数β（λ_QPM）および第二高調波波長２λ_QPMにおける伝搬定数β（２λ_QPM）の間で、次式の関係を満たす波長λ_QPMである。

光増幅装置１００では、ＤＦＢレーザ１０８からの励起光に非線形光学効果を生じさせるのに十分なパワーを得るために、ＥＤＦＡ１０１を用いて、波長１５５０ｎｍの励起基本波光１０２を増幅する。増幅した基本波光を第１の二次非線形光学素子であるＰＰＬＮ導波路１０３－１に入射して、第二高調波１０４を発生させる。第２の二次非線形光学素子であるＰＰＬＮ導波路１０３－２に、信号光１０５および第二高調波１０４を入射する。ＰＰＬＮ導波路１０３－２において非縮退パラメトリック増幅を行うことで、信号光の増幅光１０６を出力するとともに、信号光１０５と第二高調波１０４とのアイドラ光１０７を出力する。

したがって、光増幅装置１００は、波長λ₁の信号光および波長λ₃の励起光の差周波に相当する波長λ₂の差周波光（アイドラ光）を発生し、波長λ₁の前記信号光をパラメトリック増幅する波長変換装置（光増幅装置）であって、前記非線形媒質の中で生じる２次非線形光学効果によって、次式を満たす差周波光の波長λ₂を生成するよう動作する。

２つのＰＰＬＮ導波路を同一構造のもの（非線形定数の空間分布の周期がΛ）を使用すれば、第２の二次非線形光学素子であるＰＰＬＮ導波路１０３－２における非縮退パラメトリック増幅過程における波長λ₁の信号光および波長λ₃の励起光、波長λ₂の差周波光の３つの波長の間に、次の位相整合条件が成立する。すなわち、励起光の波長λ₃における伝搬定数β (λ₃)、信号光の波長λ₁における伝搬定数β (λ₁)および差周波光の波長λ₂における伝搬定数β (λ₂)の間で、次式を非縮退パラメトリック増幅の位相整合条件を満足する。

図１の光増幅装置１００のような構成をとることで、以下に述べるような従来技術では実現できなかった、ＣバンドおよびＬバンド以外の新たな波長帯域における光増幅能力と、付随した優れた効果が得られる。

図２は、第１の実施形態の光増幅装置におけるパラメトリック利得の波長依存性を示す図である。横軸に第２のＰＰＬＮ導波路１０３－２における非縮退パラメトリック増幅を行う信号光の波長を示し、縦軸にピーク値で正規化した増幅光の強度、すなわちパラメトリック利得を示している。各曲線は、第１のＰＰＬＮ導波路１０３－１の温度を変化させてその擬似位相整合条件を基準温度（例えば５０℃）から変化させ、各温度における擬似位相整合条件に対応する異なる波長の第二高調波１０４を用いて非縮退パラメトリック増幅を行ったものである。すなわち、図２のグラフの欄外の第二高調波（ｐｕｍｐ）の波長をパラメータとして、第２のＰＰＬＮ導波路１０３－２におけるパラメトリック利得の波長依存性を示している。具体的には、第二高調波波長（ｐｕｍｐ）が７７５．０ｎｍの曲線は基準温度のパラメトリック利得であって、このときの基本波励起光の波長は、２倍の１５５０．０ｎｍである。同様に、第二高調波波長が７７４．３ｎｍの曲線は別の温度（４０℃）におけるパラメトリック利得であって、このときの基本波励起光の波長は、１５４８．６ｎｍである。

従来技術では、図１の構成において第１のＰＰＬＮ導波路１０３－１および第２のＰＰＬＮ導波路１０３－２の各擬似位相整合波長を同じとし、１５５０ｎｍの基本波励起光および７７５ｎｍの第二高調波を用いて増幅を行っていた。この場合は図２でｐｕｍｐ波長７７５．０ｎｍ時のパラメトリック利得の曲線に示したように、１５５０ｎｍを中心として幅が約６０ｎｍ程度の帯域でパラメトリック増幅を行うことができる。しかしながらこの波長域は、既存のＥＤＦＡでも増幅が可能な帯域であり、他の光増幅装置によってＥＤＦＡを置き換えるメリットは小さい。

本実施形態の光増幅装置１００では、第二高調波発生のための第１のＰＰＬＮ導波路１０３－１の温度を変化させて、擬似位相整合波長を短波長側へとシフトさせている。第１のＰＰＬＮ導波路１０３－１に入射する励起基本波光１０２を、シフトした擬似位相整合波長に同調させ、第２のＰＰＬＮ導波路１０３－２の擬似位相整合波長よりも短波長となる第二高調波１０４を入射する。したがって励起光１０４の波長λ₃は擬似位相整合波長λ_QPMよりも短波長である。２つのＰＰＬＮ導波路１０３－１、１０３－２は、第二高調波の励起光発生および非縮退パラメトリック増幅のために、異なる条件の擬似位相整合波長を有することになる。

本実施形態の光増幅装置１００は、２つのＰＰＬＮ導波路がそれぞれの擬似位相整合波長で動作し、２つの異なる擬似位相整合条件を利用する。２つのＰＰＬＮ導波路がそれぞれの擬似位相整合波長で動作するとき、すなわちｐｕｍｐ波長が７７５．０ｎｍよりも短い場合は、パラメトリック利得の曲線は２つに分裂する。図２では、ＰＰＬＮ導波路１０３－１の温度を変化させることで、第二高調波を７７５．０ｎｍから７７４．３ｎｍに変化させると、ゲインの２つのピーク波長が次第に離れていく様子を確認できる。例えば、７７４．３ｎｍの第二高調波１０４を用いた場合は、図２において最も離れた２つのピークを有するパラメトリック利得の曲線に対応し、１４５０ｎｍ帯および１６６０ｎｍ帯において非縮退パラメトリック増幅が可能となる。

図３は、２つのＰＰＬＮ導波路の位相整合波長差とパラメトリック利得のピーク波長との関係を示した図である。図３の横軸は、第１のＰＰＬＮ導波路１０３－１の位相整合波長および第２のＰＰＬＮ導波路１０３－２の位相整合波長をそれぞれ２倍して１．５５μｍ帯に換算した上で、対応する光周波数の差の値をＧＨｚ単位で示したものである。上述のように第１のＰＰＬＮ導波路１０３－１の位相整合波長を７７４．３ｎｍ、第２のＰＰＬＮ導波路１０３－２の位相整合波長を７７５．０ｎｍとした場合、２倍した各波長および光周波数は、１５４８．６ｎｍ（１９３．５８９ＴＨｚ）、１５５０ｎｍ（１９３．４１４ＴＨｚ）となる。したがって、対応する光周波数の差の値は約１７５ＧＨｚである。この状態は、図２において最も離れた２つのピークを有するパラメトリック利得の曲線に対応し、１４５０ｎｍ帯および１６６０ｎｍ帯において非縮退パラメトリック増幅が可能となる。またこの状態は、図３において横軸の光周波数差１７５ＧＨｚの時の縦軸の信号光波長の２つのプロット点（１４５０ｎｍおよび１６６０ｎｍ）に対応している。

１．５５μｍ帯においては１００ＧＨｚの光周波数差は、位相整合波長の波長差にして約０．８ｎｍの違いに相当する。図３の縦軸は、第２のＰＰＬＮ導波路１０３－２で信号光に対して得られるパラメトリック利得のピーク波長（ｎｍ）を示している。図３において、概ね波長１５５０ｎｍを中心に、波長１６００ｎｍより上および波長１５００ｎｍより下の２つに曲線が分かれていることは、図２のパラメトリック利得の波長依存曲線が分裂した２つのピークを持っていることに対応する。図３によれば、２つのＰＰＬＮの擬似位相整合波長の光周波数差（波長差）を１００ＧＨｚ（０．８ｎｍ）から１２００ＧＨｚ（９．６ｎｍ）程度まで制御することで、１３００ｎｍから１９００ｎｍまでの波長範囲の光信号を非縮退パラメトリック増幅することができる。また非縮退パラメトリック増幅では、ＷＤＭの信号を一括して増幅することができるため、本実施形態の光増幅装置１００はＷＤＭ伝送の中継器としても好適である。

したがって本発明の光増幅装置は、波長λ₁の信号光および波長λ₃の励起光の差周波に相当する波長λ₂の差周波光を発生し、波長λ₁の前記信号光をパラメトリック増幅する波長変換装置（光増幅装置）１００において、波長２λ₃の基本波励起光を発生する光源１０８と、前記基本波励起光の第二高調波発生によって、波長λ₃の励起光を発生する第１の擬似位相整合型波長変換素子１０３－１と、波長λ₁の信号光および波長λ₃の前記励起光が入射し、前記励起光を用いて前記信号光をパラメトリック増幅する第２の擬似位相整合型波長変換素子１０３－２とを備え、前記第２の擬似位相整合型波長変換素子の非線形定数の空間分布の変調周期をΛとして、擬似位相整合波長λ_QPMにおける伝搬定数β（λ_QPM）および波長２λ_QPMにおける伝搬定数β（２λ_QPM）の間で、

を満足し、前記励起光１０４の波長λ₃は前記擬似位相整合波長λ_QPMよりも短波長であり、前記励起光の波長λ₃における伝搬定数β (λ₃)、前記信号光の波長λ₁における伝搬定数β (λ₁)および前記差周波光の波長λ₂における伝搬定数β (λ₂)の間で

を満足するものとして実施できる。

本実施形態の光増幅装置１００では、２つのＰＰＬＮ導波路１０３－１、１０３－２はそれぞれ、個別の温度調節器により一定の温度となるように制御されている。２つのＰＰＬＮ導波路の作製誤差のため、同一温度において２つのＰＰＬＮ導波路の各位相整合波長および波長差が、所望の値とならない場合が起こり得る。そのような場合でも、２つのＰＰＬＮ導波路を個々に温度制御することにより、両者の位相整合波長を所望の値に設定することができる。

本発明の光増幅装置では、位相整合波長の異なる２つの波長変換素子を用いることで、非縮退パラメトリック増幅の帯域を拡大して、広い波長範囲において光信号を増幅することができる。第二高調波の発生には様々な波長の光源を用いることが可能であるが、第二高調波発生を効率良く行うためには、高パワーの光入力が必要となる。このため具体的にはＣバンド（１５３０－１５６５ｎｍ）およびＬバンド（１５６５－１６２５ｎｍ）の光源を用い、それらの光源からの基本波励起光をＥＤＦＡによって増幅し、利用するのが好ましい。このようにＣバンドおよびＬバンドの光源を利用する構成を採ることにより、光通信分野で既に広く実用化されている光部品を用いて、従来技術では光増幅できなかった波長帯域で安価に非縮退パラメトリック増幅を実現することができる。このようなメリットは本発明の光増幅装置１００による構成によって初めて可能になる。

本発明の光増幅装置では、位相整合波長の異なる２つの波長変換素子（ＰＰＬＮ導波路）を用いることで、非縮退パラメトリック増幅の帯域を拡大して、広い波長範囲において光信号を増幅することができる。したがって、図１の２つのＰＰＬＮ導波路として全く同一の構成のものを使用し、それぞれの温度を別々に制御して、位相整合波長を所望の値に設定することができる。また導波路のコアサイズなどの変更によって周期構造の反転周期を異なるものにして、２つのＰＰＬＮ導波路に異なる構成のものを使用し、さらにそれぞれの温度を別々に制御して、両者の位相整合波長を所望の値に設定しても良い。

したがって本発明の光増幅装置では、第二高調波である励起光波長を生成するための位相整合波長と、非縮退パラメトリック増幅過程に利用される位相整合波長とを異なるように設定することが重要である。具体的には、上述のようにＰＰＬＮ導波路１０３－１における励起光１０４の波長λ₃を、ＰＰＬＮ導波路１０３－２における擬似位相整合波長λ_QPMよりも短波長にすれば良い。本発明の光増幅装置は、以降に述べるように、単一の波長変換素子を使ってさらに簡略化した構成とすることができる。

[第２の実施形態]
図４は、本発明の第２の実施形態の光増幅装置の構成を示す図である。上述の第１の実施形態の光増幅装置１００では２つのＰＰＬＮ導波路の位相整合波長の差を、それぞれのＰＰＬＮ導波路を温度制御することにより実現していた。このような温度制御による方法は、ＰＰＬＮ導波路の温度を変更することによって、増幅できる波長範囲も変更できるメリットはある。一方で、予め決められた波長帯域を増幅するには、安定性に欠けるデメリットがあり得る。本実施形態の光増幅装置４００は、増幅する波長帯域の安定性の面にも着目し、よりコンパクトで安定な増幅が可能となる構成を実現する。本実施形態の光増幅装置４００は、第二高調波発生による励起光の発生およびパラメトリック増幅を１つの素子で行う構成となっている。

光増幅装置４００では、ＤＦＢレーザ４０１からの励起光に非線形光学効果を生じさせるのに十分なパワーを得るため、ＥＤＦＡ４０３を用いて、波長１５３６．３ｎｍの励起基本波光４０２を増幅する。ＥＤＦＡ４０３により増幅された励起基本波光はアイソレータ４０４およびサーキュレータ４０５を介して、波長変換素子モジュール４０６に入射される。波長変換素子モジュール４０６には、複数の波長で擬似位相整合が得られるマルチＱＰＭ素子４０７が内蔵されている。波長変換素子モジュール４０６に入射された励起基本波光は、マルチＱＰＭ素子４０７中で波長７６８．１５ｎｍの第二高調波４１０に変換される。波長変換素子モジュール４０６は、７８０ｎｍ帯と１５５０ｎｍ帯を分波するダイクロイックミラー４０８が内蔵しており、第二高調波４１０は７８０ｎｍ帯用偏波保持ファイバ４０９より出力される。偏波保持ファイバ４０９の端部には金ミラー４１１が密着されており、第二高調波４１０は金ミラー４１１により反射されて、偏波保持ファイバ４０９を逆に伝搬して再び波長変換素子モジュール４０６に入射される。

本実施形態の光増幅装置４００では、アイソレータ４１３およびサーキュレータ４１４を介して、増幅される信号光４１２を波長変換素子モジュール４０６に励起基本波光４０２とは逆向きに入射した。波長変換素子モジュール４０６から出力される励起基本波光４１５は、サーキュレータ４１４から外部に出力される。波長変換素子モジュール４０６には、信号光４１２および第二高調波４１０が同じ向きに入射され、第二高調波４１０を励起光とした非縮退パラメトリック増幅が行われる。増幅された信号光４１６およびアイドラ光４１７が、サーキュレータ４０５から出力される。

ここで、波長変換素子モジュール４０６に内蔵されているマルチＱＰＭ素子４０７の詳細について説明する。本実施形態の光増幅装置においても、第二高調波発生を行うための位相整合条件と、非縮退パラメトリック増幅を行うための位相整合条件とは異なっている。このような２つの異なる擬似位相整合条件を同時に満足するために、マルチＱＰＭ素子４０７のＰＰＬＮ導波路の周期分極反転構造に、追加の空間的な位相変調を施している。マルチＱＰＭ素子４０７における基本的な分極反転周期Λ₀は１７μｍとした。通常のＰＰＬＮ導波路において第二高調波発生を行う場合は、基本波と第二高調波との間の伝搬定数差Δβを、周期構造で補償して擬似位相整合条件を満足するよう、次式のように分極反転周期Λ₀を設定する。

ここで、λ₃は第二高調波の波長、２λ₃は基本波の波長、ｎ(λ₃)は第二高調波の波長における導波路の実効屈折率、ｎ(２λ₃)は基本波の波長における導波路の実効屈折率である。本実施形態のマルチＱＰＭ素子４０７では、式（３）で表される基本的な周期分極反転構造に、さらに、より長周期の空間的な周期的位相変調を施した。

図５は、長周期の空間的な周期的位相変調を施したマルチＱＰＭ素子の位相変化を示した図である。ここでは、式（３）によって表されるＱＰＭ素子の周期分極反転構造に、さらに、より長周期の空間的な周期的位相変調を施した場合を説明する。図５の横軸は、素子の長さ方向の位置を示しており、縦軸は素子の周期分極反転構造による位相変化をπで割って正規化した値を示している。長周期の位相変調を施した場合、次式に示すように、複数の擬似位相整合条件を満足することが知られている。

ここで、Λ_phは長周期の位相変調の周期（次元は長さ）、ｋは任意の整数である。図５に示した位相変化を持つ構造では複数の擬似位相整合条件を満足することができるので、マルチＱＰＭ素子と呼ばれている。マルチＱＰＭ素子の設計においては、位相変調の深さを大きくするほど、ｋの値がより大きい、高次の項の位相整合ピークにおける波長変換効率も高くなる。素子長が同じ場合には、有効なピーク数が多くなるほど個々のピークにおける変換効率が小さくなる。

図６は、本実施形態の光増幅装置のマルチＱＰＭ素子における変換効率の次数ｋに対する理論的な依存性を計算した結果を示す。本実施形態のマルチＱＰＭ素子では、ｋが０次と１次の２つのピークのみで、変換効率が大きくなるように位相変調の深さ、関数の形状を調整している。本実施形態の光増幅装置のマルチＱＰＭ素子では、位相変調の周期Λ_phは１４ｍｍとした。その結果、マルチＱＰＭ素子内で生じる２つの擬似位相整合波長のピークの間隔は、１．５５μｍ帯において光周波数間隔に換算して、１００ＧＨｚとなった。本実施形態の光増幅装置４００では、このマルチＱＰＭ素子の２つの擬似位相整合波長のピークのうち短波側のピーク、すなわち、ｋが１次のピークを第二高調波発生用に用いた。さらに、１５５０ｎｍ帯において短波側のピークから光周波数換算で１００ＧＨｚ分だけ長波長側に得られる擬似位相整合波長のピーク、すなわち、ｋが０次のピークを非縮退パラメトリック増幅用に用いた。このようなマルチＱＰＭ素子への２つの擬似位相整合波長のピーク設定は、第１の実施形態の光増幅装置で、２つのＰＰＬＮ導波路の温度を制御することで、ＰＰＬＮ導波路の各位相整合波長および波長差を、所望の値に設定することに対応している。

マルチＱＰＭ素子の長周期の位相変調の周期（Λ_ph）を小さくすることによって、非縮退パラメトリック増幅の２つのピークの間隔をさらに広げるように設計を変更することができる。第１の実施形態で説明したように、非縮退パラメトリック増幅の利得帯域は、第二高調波発生用の位相整合波長および励起光波長を、非縮退パラメトリック増幅用の位相整合波長から離調することで決定する。例えば１５５０ｎｍ帯では、この離調幅、すなわち２つの異なる擬似位相整合波長の波長差（光周波数差）を、図２および図３に従って設定することによって、非縮退パラメトリック増幅の利得帯域が決定される。本実施形態においても、マルチＱＰＭ素子の長周期の位相変調の周期（Λ_ph）を変更することにより、様々な信号波長を増幅できるように容易に設計を変更できる。

本実施形態のマルチＱＰＭ素子を使用する場合には、次のように２つの疑似位相整合条件を満たす。ここで一般的にマルチＱＰＭ素子４１０が、２つの異なる疑似位相整合波長を有しており、長いほうの非線形定数の空間分布の変調周期をΛ₁、短いほうの非線形定数の空間分布の変調周期をΛ₂とする。マルチＱＰＭ素子（擬似位相整合型波長変換素子）４１０は、励起光４１０の波長λ₃における伝搬定数β (λ₃)、信号光４１２の波長λ₁における伝搬定数β (λ₁)および差周波光の波長λ₂における伝搬定数β (λ₂)の間で、次の第１の擬似位相整合条件を満たす非線形定数の空間分布の変調周期Λ₁を有することになる。

さらに、波長λ₃における伝搬定数β(λ₃)および波長２λ₃における伝搬定数β(２λ₃) 間で、次の第２の擬似位相整合条件を満たす非線形定数の空間分布の変調周期Λ₂を有することになる。

さらに、変調周期Λ₁およびΛ₂の間で次式を満たすことになる。

マルチＱＰＭ素子の製造過程においては、まずＺｎを添加したＬｉＮｂＯ₃基板に位相変調を施した周期分極反転構造を電界印加により形成し、ＬｉＴａＯ₃基板上に接合を行う。その後に、ＬｉＮｂＯ₃部分の厚みを６μｍまで研磨により薄膜化し、ドライエッチングにより幅７μｍのリッジ導波路に加工している。マルチＱＰＭ素子の素子長は５６ｍｍである。

図７は、本実施形態の光増幅装置の光増幅特性を説明する図である。再び図４を参照すれば、励起基本波として波長１５３６．３ｎｍを用い、波長１４５９．１ｎｍの信号光４１２を入力した。励起光基本波はＥＤＦＡ４０３で増幅され、３３ｄＢｍまで増幅して、波長変換モジュール４０６に入射した。図７では、光増幅装置の光増幅特性としてサーキュレータ４０５からの出力の光スペクトルを示している。ＥＤＦＡ４０３の利得を最小にして、パラメトリック増幅を生じないようにしたときの、信号光の出力強度は０ｄＢｍであった。ＥＤＦＡ４０３を動作させると、図７に示すように波長１４５９．１ｎｍの信号光は＋１０ｄＢｍ程度まで増幅されている。同時に、波長１６２２．１ｎｍのアイドラ光が信号光と同程度の光強度で出力され、非縮退パラメトリック増幅が生じていることが確認された。尚１５３６．３ｎｍに見られる励起基本波は、原理的には光増幅装置の出力には現れないものであるが、実際には図７に示したように波長変換モジュール４０６やサーキュレータ４０５、４１４内から反射する光が観測される。サーキュレータ４０５出力の後段にバンドパスフィルタ等を用いることにより、増幅された信号光またはアイドラ光のみを出力として取り出すことができる。

本実施形態の光増幅装置４００では、マルチＱＰＭ素子として構成された導波路内で発生した第二高調波を、偏波保持ファイバの端部の金ミラーによって反射させ、再び導波路を逆向きに伝搬させることにより非縮退パラメトリック増幅の励起光として利用できる。単一のＰＰＬＮ導波路を第二高調波発生および縮退パラメトリック増幅の両方に用いるため、本実施形態の光増幅装置４００ではコンパクトな構成で光増幅が可能となる。上述のように、本発明の光増幅装置における非縮退パラメトリック増幅の利得波長は、第二高調波である励起光波長を生成するための位相整合波長と、非縮退パラメトリック増幅過程に利用される位相整合波長との差で決定される。本実施形態ではマルチＱＰＭ素子を備えた１つの導波路で２つの波長変換過程を行うため、両者の位相整合波長の差は常に一定である。このため、第１の実施形態に比べてパラメトリック増幅の利得波長が安定し、安定した増幅動作を実現でき、しかも第１の実施形態に比べて格段に簡素で、コンパクトな構成となる。

上述のように、第２の実施形態の光増幅装置では、異なる２つの擬似位相整合条件を満足する単一のマルチＱＰＭ素子によって、第１の実施形態の構成を大幅に簡略化している。しかしながら、２つの擬似位相整合条件を満足する単一のマルチＱＰＭ素子は、図５に示した周期分極反転構造の分極反転周期を調整し、より長周期の空間的な周期的位相変調をさらに施したものだけに限られない。例えば、波長変換素子の非線形定数の空間分布の変調周期について、素子長の前半の半分を変調周期Λ₁とし、引き続く後半の半分を変調周期Λ₂とするように、Λ₁およびΛ₂の周期構造を単に並べる構成でも２つの擬似位相整合条件を満足することができる。

したがって本発明は、波長λ₁の信号光および波長λ₃の励起光の差周波に相当する波長λ₂の差周波光を発生し、波長λ₁の前記信号光をパラメトリック増幅する波長変換装置４００において、波長２λ₃の基本波励起光を発生する光源４０１と、一方の端から前記基本波励起光が入射し、前記基本波励起光の第二高調波発生によって波長λ₃の励起光を発生し、他方の端から波長λ₁の信号光を入射する擬似位相整合型波長変換素子４０７と、前記擬似位相整合型波長変換素子を伝搬した前記励起光を反射して、再び前記擬似位相整合型波長変換素子に入射し、逆方向に伝搬させる反射手段４１１とを備え、前記擬似位相整合型波長変換素子４１０は、前記励起光４１０の波長λ₃における伝搬定数β (λ₃)、前記信号光４１２の波長λ₁における伝搬定数β (λ₁)および前記差周波光の波長λ₂における伝搬定数β (λ₂)の間で、第１の擬似位相整合条件

の関係を満たすものとして実施できる。

上述のようにΛ₁およびΛ₂の周期構造を単に並べる構成でも２つの擬似位相整合条件を満足できるが、このように異なる周期構造のＱＰＭ素子を単に並べただけでは、波長変換効率が十分ではない。図５および図６で説明したような長周期の空間的な周期的位相変調を施したマルチＱＰＭ素子がより好ましい。

したがって、図５および図６に示したようなマルチＱＰＭ素子を利用して、本発明は、擬似位相整合型波長変換素子が非線形媒質で構成され、周期分極反転構造を有するニオブ酸リチウムによる導波路であり、前記周期分極反転構造の非線形定数の空間分布の基本周期Λ₀および別の周期Λ_phで空間的な位相変調または周波数変調が施されており、前記励起光の波長λ₃における伝搬定数β（λ₃）と前記信号光の波長λ₁における伝搬定数β（λ₁）と前記差周波光の波長λ₂における伝搬定数β（λ₂）の間で第１の擬似位相整合条件を満足し

前記擬似位相整合型波長変換素子は波長λ₃における伝搬定数β（λ₃）と波長２λ₃における伝搬定数β（２λ₃）間で、第２の擬似位相整合条件

を満足するものとして実施できる。

ここで、マルチＱＰＭ素子における２つの異なる長さの変調周期について、一般的な例として、長いほうの非線形定数の空間分布の変調周期Λ₁、短いほうの非線形定数の空間分布の変調周期Λ₂を持つものを、式（５）および式（６）で示した。上述の図５で示したような追加の空間的な位相変調を施した単一のマルチＱＰＭ素子を利用した場合には、式（７）および式（８）で表され、長いほうの変調周期Λ₁は式（７）ではΛ₀に対応し、Λ₂は式（８）における１／（１／Λ₀＋１／Λ_ph）に対応する。

[第３の実施形態]
図８は、本発明の第３の実施形態の光増幅装置の構成を示す図である。上述の第２の実施形態の光増幅装置では、波長変換モジュールの外の偏波保持ファイバ端部に配置した金ミラーにより第二高調波を反射し、非縮退パラメトリック増幅の励起光として利用した。この方法では波長変換モジュールの構成が容易であるものの、第二高調波の損失が大きいデメリットがあった。第２の実施形態では、マルチＱＰＭ素子から出射された第二高調波を一旦外部の光ファイバへ結合し、再び光ファイバから導波路に結合する過程を経る。このため、第二高調波の損失は光ファイバと導波路間の結合損失の２倍となる。本実施形態では、この励起光の損失に着目し、第二高調波の損失がより少なく、波長変換効率の高い構成を実現するものである。

図８の光増幅装置８００では、第二高調波発生による励起光の発生および非縮退パラメトリック増幅を１つのマルチＱＰＭ素子で行い、ＱＰＭ素子外部ではなく、マルチＱＰＭ素子端面に設けられた誘電体多層膜ミラーによって第二高調波を反射する。本実施形態の光増幅装置８００では、ＤＦＢレーザ８０１からの励起光に非線形光学効果を生じさせるのに十分なパワーを得るために、ＥＤＦＡ８０３を用いて、波長１５５０ｎｍの励起基本波光８０２を増幅する。ＥＤＦＡ８０３により増幅された励起基本波光はアイソレータ８０４、サーキュレータ８０５を介して、波長変換素子モジュール８０６に入射される。波長変換素子モジュール８０６には、複数の波長において擬似位相整合が得られるマルチＱＰＭ素子８０７が内蔵されている。波長変換素子モジュール８０６に入射された励起基本波光は、マルチＱＰＭ素子８０７中で波長７７５ｎｍの第二高調波８１０に変換される。マルチＱＰＭ素子８０７の端面に設けられた誘電体多層膜ミラー８１１によって第二高調波８１０は反射され、マルチＱＰＭ素子中を入射方向とは逆向きに伝搬する。波長変換素子モジュール８０６には７８０ｎｍ帯および１５５０ｎｍ帯を分波するダイクロイックミラー８０８が内蔵されている。非縮退パラメトリック増幅を行った第二高調波８１０は、ダイクロイックミラー８０８によって７８０ｎｍ帯用偏波保持ファイバ８０９より外部へ出力される。

光増幅装置８００では、増幅される信号光８１２は、アイソレータ８１３およびサーキュレータ８１４を介して、励起基本波光８０２とは逆向きに波長変換素子モジュール８０６へ入射した。波長変換素子モジュール８０６から出力される励起基本波光８１５は、サーキュレータ８１４から外部に出力される。波長変換素子モジュール８０６において、信号光８１２は反射された第二高調波８１０と同じ向きに入射され、第二高調波８１０を励起光とした非縮退パラメトリック増幅が生じる。増幅された信号光８１６およびアイドラ光８１７が、サーキュレータ８０５から出力される。

本実施形態の光増幅装置８００では、２つの異なる位相整合ピークが得られるマルチＱＰＭ素子を用い、１５５０ｎｍにおいて得られる短波長側のピークを第二高調波発生に用いた（第１の疑似位相整合条件）。さらに、短波長側のピークから光周波数換算で１００ＧＨｚ分だけ長波長側に相当する１５５０．８ｎｍに得られる位相整合ピークを、非縮退パラメトリック増幅に用いた（第２の疑似位相整合条件）。この結果、１４７４ｎｍおよび１６３２ｎｍを中心とする波長の信号光を増幅し、アイドラ光を得ることができる。図５および図６とともに説明したように、マルチＱＰＭ素子の周期分極反転構造の設計を変更することにより、他の波長帯域の非縮退パラメトリック増幅に適用できるのは言うまでもない。

本実施形態の光増幅装置では、マルチＱＰＭ素子を備えた導波路内で発生した第二高調波をマルチＱＰＭ素子の導波路端面に形成した誘電体多層膜ミラー８１１を利用して、導波路中を逆方向に伝搬する第二高調波を得ている。第二高調波を外部のファイバ等に結合させることなく導波路中に反射させて、第二高調波を非縮退パラメトリック増幅の励起光として利用できる。このため励起光の損失を最小限にすることが可能である。さらに同一の導波路を第二高調波発生および縮退パラメトリック増幅に用いるため、コンパクトな構成で光増幅が可能となる。波長変換素子の外部のファイバ端面に反射用のミラーを備えた第２の実施形態と比較しても、第二高調波の反射手段（誘電体多層膜ミラー）を、マルチＱＰＭ素子に一体に作製できるので、低コストに光増幅装置を実現できる。

上述のように、本発明の光増幅装置における非縮退パラメトリック増幅の利得波長は、第二高調波である励起光波長を生成するための位相整合波長と、非縮退パラメトリック増幅過程に利用される位相整合波長との差で決定される。本実施形態でもマルチＱＰＭ素子を備えた１つの導波路で２つの波長変換過程を行うため、両者の位相整合波長の差は常に一定である。このため、パラメトリック増幅の利得波長が安定しており、安定した増幅動作を実現できる。

本発明の光増幅装置では、従来技術では実現困難であった、ＣバンドおよびＬバンド以外の波長帯域における光増幅が可能となる。このため、従来よりも多くの波長チャネル数を用いたＷＤＭ伝送および中継を行うことが可能になり、その結果より大容量の光通信システムを構築することに貢献するものである。

本発明は、一般的に光通信システムに利用することができる。

１００、４００、８００光増幅装置
１０１、４０４、８０３ＥＤＦＡ
１０２、４０２、８０２基本波励起光
１０３－１、１０３－２ＰＰＬＮ導波路
１０４、４１０、８１０励起光（第二高調波）
１０５、４１２、８１２信号光
１０６、４１６、８１６増幅された信号光
１０７、４１７、８１７アイドラ光
１０８、４０１、８０１ＤＢＦレーザ
４０４、４１３、８０４、８１３アイソレータ
４０６、８０６波長変換素子モジュール
４０５、４１４、８０５、８１４サーキュレータ
４０７、８０７マルチＱＰＭ素子
４０８、８０８ダイクロイックミラー
４０９、８０９偏波保持ファイバ
４１１ミラー
８１１誘電体多層膜ミラー

Claims

波長λ_１の信号光および波長λ_３の励起光の差周波に相当する波長λ_２の差周波光を発生し、波長λ_１の前記信号光をパラメトリック増幅する波長変換装置において、
波長２λ_３の基本波励起光を発生する光源と、
一方の端から前記基本波励起光が入射し、前記基本波励起光の第二高調波発生によって波長λ_３の励起光を発生し、他方の端から波長λ_１の信号光を入射する擬似位相整合型波長変換素子と、
前記擬似位相整合型波長変換素子を伝搬した前記励起光を反射して、再び前記擬似位相整合型波長変換素子に入射し、逆方向に伝搬させる反射手段と
を備え、
前記擬似位相整合型波長変換素子は、前記励起光の波長λ_３における伝搬定数β (λ_３)、前記信号光の波長λ_１における伝搬定数β (λ_１)および前記差周波光の波長λ_２における伝搬定数β (λ_２)の間で、第１の擬似位相整合条件

を満たす非線形定数の空間分布の変調周期Λ_１を有し、
波長λ_３における伝搬定数β(λ_３)および波長２λ_３における伝搬定数β(２λ_３) 間で、第２の擬似位相整合条件

を満たす非線形定数の空間分布の変調周期Λ_２を有し、前記変調周期Λ_１およびΛ_２は

の関係を満たし、
前記擬似位相整合型波長変換素子は、非線形媒質で構成され、周期分極反転構造を有するニオブ酸リチウムによる導波路であり、
前記周期分極反転構造の非線形定数の空間分布の基本周期Λ_０および別の周期Λ_ｐｈで空間的な位相変調または周波数変調が施されており、
前記励起光の波長λ_３における伝搬定数β（λ_３）と前記信号光の波長λ_１における伝搬定数β（λ_１）と前記差周波光の波長λ_２における伝搬定数β（λ_２）の間で第１の擬似位相整合条件

を満足し、
前記擬似位相整合型波長変換素子は波長λ_３における伝搬定数β（λ_３）と波長２λ_３における伝搬定数β（２λ_３）間で、第２の擬似位相整合条件

を満足することを特徴とする光信号処理装置。
前記非線形媒質の中で生じる２次非線形光学効果によって、

満たす前記差周波光の波長λ_２を生成することを特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
前記反射手段は、前記擬似位相整合型波長変換素子の一方の端面に形成された誘電体多層膜であることを特徴とする、請求項１または２に記載の光信号処理装置。
前記反射手段は、前記擬似位相整合型波長変換素子から前記励起光のみを取り出す波長分離手段と、波長λ_３を反射する金属または誘電体多層膜からなることを特徴とする請求項１または２に記載の光信号処理装置。
前記光源は、波長２λ_３の単色レーザ光を出力し、
前記第二高調波発生の前に、前記単色レーザ光は光ファイバ増幅器によって増幅されることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の光信号処理装置。