JPH08334800A - 光信号増幅器 - Google Patents

光信号増幅器

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JPH08334800A
JPH08334800A JP7142008A JP14200895A JPH08334800A JP H08334800 A JPH08334800 A JP H08334800A JP 7142008 A JP7142008 A JP 7142008A JP 14200895 A JP14200895 A JP 14200895A JP H08334800 A JPH08334800 A JP H08334800A
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JP
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optical
light
interferometer
signal
phase
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JP7142008A
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Atsushi Takada
篤 高田
Wataru Imayado
亙 今宿
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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    • G02F2/00Demodulating light; Transferring the modulation of modulated light; Frequency-changing of light
    • G02F2/004Transferring the modulation of modulated light, i.e. transferring the information from one optical carrier of a first wavelength to a second optical carrier of a second wavelength, e.g. all-optical wavelength converter
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35Non-linear optics
    • G02F1/3515All-optical modulation, gating, switching, e.g. control of a light beam by another light beam
    • G02F1/3517All-optical modulation, gating, switching, e.g. control of a light beam by another light beam using an interferometer
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 低雑音の光信号増幅を簡単かつ小型な構成で
実現する。 【構成】 光信号増幅器のレーザ共振器として光干渉計
を用いる。光干渉計としてはサニャック干渉計またはマ
ッハツェンダ干渉計を用いて、これらを一体に成形す
る。 【効果】 光信号増幅器本体で励起光と入力信号光との
位相同期を行うことができる。高い利得の低雑音光信号
増幅を実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光通信に利用する。本発
明は長距離光伝送システムに利用するに適する。特に、
光信号増幅器の低雑音増幅技術に関する。
【0002】
【従来の技術】従来から知られている光ファイバ伝送シ
ステムや光信号処理システムにおいて、伝送路光ファイ
バや各種光デバイスの損失を補償するために、実用化ま
たは実用化が期待されている光信号増幅器としてエルビ
ウムやプラセオジムなどの希土類を光ファイバに添加し
た希土類添加光ファイバ増幅器や半導体レーザ増幅器が
ある。
【0003】希土類添加光ファイバ増幅器では励起光に
より、半導体レーザ増幅器では電流の注入により反転分
布を生じており、信号光による誘導放出により入射信号
光の増幅を達成している(レーザ増幅)。これらのレー
ザ増幅器では入射信号光の二つの直交位相成分に対して
同一の利得を有するが、入射する信号光に無関係に出射
する自然放出光が存在するために、増幅された出射光の
信号対雑音比(S/N比)が入射信号光のそれと比較し
て劣化する。その値は最適な動作条件においても二分の
一(−3dB)である。ラマン増幅においても同様な雑
音特性がある。
【0004】これらを解決するために2次の非線形光学
係数(入射電界の2乗に比例する分極成分の比例係数)
を有する光学結晶(以下、「2次の光学結晶」と略す)
を利用した縮退パラメトリック増幅器(原理は例えば、
C.M.Caves,1982年フィジカルレヴューD 第26巻08号1817
頁に記されている) や光ファイバの光カー(Kerr)効果を
利用した非線形ループミラー(NOLM:Nonlinear Loop Mir
ror)型光パラメトリック増幅器(以下、「ファイバNO
LM増幅器」と略す。例えば、M.E.Marhic andC.H.Hsi
a,1991年エレクトリックレタース、27号、210 頁に記さ
れている)が提案されている。前者の縮退パラメトリッ
ク増幅器では信号光の二倍の光周波数を有する励起光に
より励起され、パラメトリック利得を有する二次の光学
結晶に信号光を入射させパラメトリック作用により信号
光を増幅する。後者のファイバNOLM型光パラメトリ
ック増幅器は光ファイバの光カー(Kerr)効果を用いて縮
退パラメトリック増幅器と同様な増幅を行う。これらの
光信号増幅器は、入力する信号光の内で励起光位相に対
して定まった一つの直交位相成分のみしか増幅しない
が、レーザ増幅器やラマン増幅器における自然放出光や
自然散乱光などが無いため、原理的にはS/N比の劣化
が無い。そのため、長距離超高速光ファイバ伝送系など
に適用すれば、伝送特性の大幅な向上の可能性がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】前述した従来例の縮退
パラメトリック増幅器では入力する信号光の内で励起光
位相に対して定まった位相成分のみしか増幅しないた
め、現実の光伝送系に適用する場合には入射してくる光
信号の光位相を検出し、励起光の光位相を信号光の光位
相に合わせる必要がある。そのため、光位相同期ループ
(光Phase Looked Loop:PLL)または、励起光の位相を信
号光に合わせるための位相制御回路などが必要とされ
る。
【0006】また、現状の材料では2次または3次の光
非線形係数が非常に小さいため励起光パワーとして1W
以上が必要とされていた。現状では1W以上の外部出力
が得られる簡易で小型なレーザを実現することは困難で
ある。
【0007】本発明は、このような背景に行われたもの
であり、低雑音の光信号増幅を簡単かつ小型な構成で実
現することができる光信号増幅器を提供することを目的
とする。本発明は、励起光と入力信号光との位相同期を
行うことができる光信号増幅器を提供することを目的と
する。本発明は、高い利得の低雑音光信号増幅を実現す
ることができる光信号増幅器を提供することを目的とす
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は光信号増幅器で
あり、その特徴とするところは、レーザ発振媒質と、そ
のレーザ発振媒質を含む光共振器および光干渉計とが一
体構造をなし、この光干渉計に入力ポートおよび出力ポ
ートが設けられ、この光干渉計にはその二つの干渉光通
路に異なる位相回転を与えるように光強度に比例する位
相変位特性を有する3次の光非線形媒質が挿入されたと
ころにある。
【0009】これにより、低雑音の光信号増幅を簡単か
つ小型な構成で実現することができる。さらに、光信号
増幅器本体で励起光と入力信号光との位相同期を行うこ
とができる。
【0010】前記光干渉計は、サニャック干渉計である
ことができる。あるいは、前記光干渉計は、マッハツェ
ンダ干渉計であることができる。
【0011】
【作用】低雑音の光信号増幅を行うために用いる縮退パ
ラメトリック増幅器では、前述したように励起光の光位
相を信号光の光位相に合わせる必要がある。本発明で
は、光信号増幅器のレーザ共振器として光干渉計を用い
ることにより、光位相の整合を光信号増幅器内部で実現
している。
【0012】光干渉計としては、サニャック干渉計また
はマッハツェンダ干渉計を用いることが適している。レ
ーザ発振媒質部と、これらの光干渉計とを一体に成形す
ることにより、低雑音の光信号増幅器を簡単かつ小型な
構成で実現することができる。
【0013】
【実施例】本発明実施例の構成を図1を参照して説明す
る。図1は本発明実施例装置のブロック構成図である。
【0014】本発明は光信号増幅器であり、その特徴と
するところは、レーザ発振媒質部1と、そのレーザ発振
媒質部1が発振する光波長を定める共振器および光干渉
計2とが一体構造をなし、この光干渉計2に入力ポート
3および出力ポート4が設けられ、この光干渉計2には
位相回転を経路別に変化させるように配置された3次光
非線形媒質を含むところにある。
【0015】(第一実施例)本発明第一実施例の構成を
図2を参照して説明する。図2は本発明第一実施例装置
のブロック構成図である。本発明第一実施例では、光干
渉計2としてサニャック干渉計20を用いた。
【0016】次に、本発明第一実施例の動作を説明す
る。簡単のため、入力信号光と励起光はタイミングがと
れたパルス光とする。まず、光信号入力が無い場合を考
える。光信号増幅器は、図2に示したレーザ発振媒質部
1と右側のサニャック干渉計20により構成されてい
る。サニャック干渉計20は光帰還を行うためのレーザ
共振器の出力結合器としても動作する。
【0017】サニャック干渉計20の入出力光分布は分
岐比が1:1と設定されているため、1:1に分岐され
てサニャック干渉計20内に入射した光は右回りと左回
りで同じ光路を一周し再び入出力光分岐で干渉するた
め、左方から入射した光は左方へ、下方から入射した光
は下方へ全反射される。したがって、サニャック干渉計
20はレーザ共振器を構成する全反射ミラーとして働く
ため、系はレーザ発振する。
【0018】次に、増幅されるべき光信号が図2の下方
より入出力光分岐へ入射した場合を考える。干渉計内に
レーザ発振光が存在しない場合では上述した原理と同様
に信号光は大部分が下方へ出力される。ところが、系が
発振している場合には、入出力光分岐部10において発
振光と信号光との干渉が生じて、右回り光と左回り光の
強度に不均衡が生じる。光干渉計の中に挿入されている
3次の光非線形媒質(光カー媒質)30および31は入
射する光強度に比例してその屈折率が変化する(光カー
効果)ために、右回り光と左回り光は同一の光路を伝搬
するにもかかわらず被る位相回転が異なる。その結果、
再び入出力光分岐にて両回り光が干渉するとき、その位
相差に応じて左方のレーザ共振器の出力結合器であるサ
ニャック干渉計20に入射する信号光成分が生ずる。一
般にはレーザ発振波長と、外部より入射する信号光の波
長は一致していないため、入出力光分岐部10における
干渉は非定常的であり、そのため干渉による信号光のサ
ニャック干渉計20内部への注入量は時間的に揺らいで
いるが、発振波長と信号光波長がある程度接近していれ
ば、比較的高い確率でサニャック干渉計20内部への光
注入が行われる。このとき、レーザの注入同期によりレ
ーザの発振が信号光波長に引き込まれ、レーザ発振光の
波長が信号光波長に一致する。また、自励発振波長が信
号光波長に近いとき、引込み後の発振光の位相も信号光
の位相と一致する。
【0019】両者の位相が一致または近いとき、サニャ
ック干渉計20内部の発振光を励起光として入力信号光
は増幅されて出力される。このことを以下で説明する。
入出力分岐部10での干渉前の入力信号光をEs exp
(jΦs )、干渉前のサニャック干渉計20内部の光
(以下励起光と呼ぶ)をEp 、Φs を励起光と信号光と
の位相差とすると、入出力光分岐部10の二つの出力E
11(右回り光)とE21(左回り光)は、 E11=(Es exp(jΦs )/√2)−(Ep /√2) …(11 ) E21=(Es exp(jΦs )/√2)+(Ep /√2) …(12 ) となる。それぞれ、サニャック干渉計20内の3次の光
非線形(光カー)媒質30および31の通過による位相
偏移を被り、再び入出力光分岐部10に到達した光電界
12(右回り光)とE22(左回り光)はそれぞれ、 E12=E11×exp(−jΦ+jΦ1 ) ={(Es exp(jΦs )/√2)−(Ep /√2)} ×〔exp(−jΦ+jΦ1 )〕 …(2) E22=E21×exp(−jΦ+jΦ2 ) ={(Es exp(jΦs )/√2)−(Ep /√2)} ×〔exp(−jΦ+jΦ2 )〕 …(3) となる。したがって、入出力光分岐部10の出力のうち
下方に出射される出力光の電界EA は、 EA =1/√2(E12+E22) =Es exp{j(Φs −φ+φ0 )}cos(Δφ/2)+ Ep exp{−j(φ+π/2−φ0 )}sin(Δφ/2)…(4) となる。ここで、 φ0 =(φ1 +φ2 )/2、Δφ=φ1 −φ2 である。したがって、出力するパワーPA は、 PA =EA A * =Ps cos2 (Δφ/2)+Pp sin2 (Δφ/2) −2Es p cos(Δφ/2)sin(Δφ/2)sin(Φs )…(5) で与えられる。ただし、Ps 、Pp はそれぞれ、光信号
増幅器へ入射する信号光パワーと励起光パワーである。
3次の非線形媒質30および31による位相偏移量は、 φ1 =2π・L/λ・n2 ・|E112 …(6) φ2 =2π・L/λ・n2 ・|E212 …(7) のように入射する光強度に比例する。ここで、Lは光カ
ー媒質の長さ、λは光の波長、n2 は非線形屈折率とよ
ばれる光カー効果の大きさを表す量であり、媒質により
決定される。また、右回り光と左回り光がサニャック干
渉計20内で衝突するとき、右回り光による屈折率変化
が左回り光の位相に、左回り光による屈折率変化が右回
り光の位相に与える影響(相互位相変調)があるが、パ
ルス列の場合、自己位相変調効果による位相変化と比較
して小さいので無視している。したがってΔφは、 Δφ=φ1 −φ2 =2π・L/λ・n2 (|E112 −|E212 ) =−4πL/λn2 ・Es ・Ep cosΦs …(8) である。利得は励起光と信号光の位相差に依存してい
る。同一条件で励起光と信号光の位相差を変化させた場
合の最大利得と最小利得(最大の減衰)となる位相差の
差はπ/2であり、最大利得Gmax と最小利得Gmin
積Gmax ・Gmin は“1”である。このことより増幅時
の付加される雑音が無いことを保証している。
【0020】Δφ≪πの場合は、最大信号パワー利得G
は、 G=(2π・L・n2 ・cosΦs /λ)2 p 4 …(9) で与えられる。
【0021】次に、本発明第一実施例の応用例を図3を
参照して説明する。図3は本発明第一実施例の応用例の
構成図である。レーザ発振媒質部1は、利得媒質として
エルビウム(Er)が添加された光ファイバ(EDF)
12、レーザ共振器として利得部の両端のファイバ上に
作成された分布ブラッグ反射部(DBR)であるEDF
励起光透過ファイバDBR17およびEDF励起光反射
ファイバDBR14、モード同期を生じさせるための可
飽和吸収体15から構成されている。EDF12はEr
が1000ppm程度、イットルビウム(Yb)が70
00ppm程度が共添加された長さ2mのシングルモー
ドファイバ(SMF)でよい。EDF利得媒質のEDF
励起光源11は発振波長1.05μm、出力2Wの半導
体レーザ励起Nd:YLFレーザでよい。ファイバDB
R部はゲルマニウムなどを添加したファイバに紫外光の
干渉縞を照射することにより作成できる。EDF励起光
はEDF励起光透過ファイバDBR17を透過しEDF
に吸収される。EDFの右端にはEDF励起光反射ファ
イバDBR14を配置しておりEDF12に吸収されず
に残留したEDF励起光を反射しサニャック干渉計20
への漏洩を防ぐとともにEDF励起光強度を高める役割
を担っている。EDF励起光透過ファイバDBR17は
EDF12の利得波長域である1.5μm帯では全反射
するようにDBRのピッチが作成されているため、レー
ザ発振媒質部1のレーザ共振器は左端の反射面をEDF
励起光透過ファイバDBR17、右端の反射面をサニャ
ック干渉計20として構成されている。レーザ共振器内
の発振光パワーはレーザ共振器外への出力が小さいこ
と、およびEDF励起光出力が高くEDF12の飽和出
力が大きいため、高く保たれており、平均パワーは約5
00mWである。さらに、可飽和吸収体15をモードロ
ッカとした受動モード同期によりパルス発振させるた
め、ピークパワーは5W以上が可能である。可飽和吸収
体15は信号光波長帯で共鳴吸収する半導体でよい。可
飽和吸収体15をレーザ共振器内に置く位置により繰り
返し周波数を調整することができる。自走発振波長は、
EDF12の利得帯域幅が十分広いため、EDF励起光
透過ファイバDBR17のピッチで決まる高反射波長と
一致するため、ピッチを調整することにより、信号光波
長に十分近づけることができる。信号光が入射すること
により、レーザ発振波長が信号光波長に引き込まれると
同時に位相も信号光位相に同期する。サニャック干渉計
20は偏波保持ファイバカプラ24と長さ4kmの偏波
保持ファイバ26から構成される。偏波保持ファイバ2
6の非線形屈折率n2 は2×10-22 (m/V)2、偏
波保持ファイバ26の実効断面積は50μm2 であるか
ら式(4)および式(8)から、5Wの励起光パワーで
信号利得27dBが得られる。光ファイバの光カー効果
の応答速度は0.1ps以下であるので、本光増幅器の
帯域幅は10THz以上である。
【0022】(第二実施例)次に、本発明第二実施例を
図4を参照して説明する。図4は本発明第二実施例装置
のブロック構成図である。本発明第一実施例では、図2
に示したサニャック干渉計20について説明したが、本
発明第二実施例では、図4に示すようにマッハツェンダ
干渉計22を用いる。この場合には、図2のサニャック
干渉計20における右回り光および左回り光をそれぞれ
図4のマッハツェンダ干渉計22における左側の分岐お
よび右側の分岐の伝搬光と読み替えればよい。本発明第
一実施例の説明では、サニャック干渉計20における相
互位相変調効果は無視したが、マッハツェンダ干渉計2
2の場合には相互位相変調は無いので上述の原理は厳密
に適用される。増幅された出力光は図4では、出力分岐
を右上方向に出射する。
【0023】次に、本発明第二実施例の応用例を図5を
参照して説明する。図5は本発明第二実施例の応用例の
構成図である。レーザ発振媒質部1の利得媒質は本発明
第一実施例の応用例と同様にEDF12であるが、レー
ザ共振器構成は信号光との入出力結合の干渉計を内部に
非線形媒質として光ファイバ23および25を含んだマ
ッハツェンダ干渉計22としたリング共振器構成として
いる。利得媒質となるEDF12およびEDF励起光源
11は本発明第一実施例の応用例と同様な構成である。
光アイソレータ16をリング共振器内に挿入し、反時計
回りのみの発振としている。マッハツェンダ干渉計22
の内部には本発明第一実施例と同じく3次の光非線形媒
質として光ファイバ23および25が挿入されている。
入力信号光が無い場合に、レーザ発振光がマッハツェン
ダ干渉計22の出力ポート4に出力しないようにリング
共振器内のレーザ発振光をタッピングし、その受光電力
が最大となるように、マッハツェンダ干渉計22の片側
の光路に挿入した光位相変調器27を帰還制御してい
る。制御帯域幅は、温度変動による干渉計内部の光ファ
イバ23および25の実効長変動を補償するためである
ので数kHz以下でよい。信号光利得は励起光の瞬時値
に比例しているため、高い利得を得るためには高い励起
光ピークパワーが必要である。そのため、本発明第二実
施例の応用例では、レーザ発振媒質部1をパルス発振さ
せる。リング共振器内に受動モード同期のモードロッカ
として可飽和吸収体15を挿入している。可飽和吸収体
15は発振光波長で共鳴吸収がある半導体媒質でよい。
そのため、入力光の波長と位相にレーザ発振光が引き込
まれると同時に、繰り返しパルスの時間位置(タイミン
グ)も引き込まれて同期する。
【0024】入力パルス列の繰り返し周波数を10GH
zとし、モード同期パルスの時間幅を10psとする
と、リング共振器内ピークパワーとして5Wを得ること
ができる。マッハツェンダ干渉計22内の光ファイバ2
3および25の長さを3kmとすれば、利得27dBの
高利得な光信号増幅器を実現することができる。
【0025】さらに、本発明第二実施例の応用例を図6
を参照して説明する。図6は本発明第二実施例の応用例
の構成図である。この応用例は、半導体の光非線形性を
用いてモノリシックに光信号増幅器を構成したものであ
る。同一基板上に利得部分としてのレーザ発振媒質部
1、マッハツェンダ干渉計22があり単一モード導波路
で形成されている。前述した本発明第二実施例の応用例
と同様にレーザ発振媒質部1はリング共振器構成となっ
ている。InGaAsP系MQWでは、非線形屈折率n
2 は1×10-12 (m2 /V2 )である。したがって、
導波路中の光ビームの有効断面積を10μm2 とする
と、マッハツェンダ干渉計22内のMQW光カー媒質の
長さを100μmとすることにより、励起光ピークパワ
ー10mWで信号利得30dBを得ることができる。
【0026】本発明第一および第二実施例によれば、レ
ーザ共振器の出力結合器を干渉計とした構成としたため
に、光位相同期発振器や位相同期回路などの特別に用意
する必要がなく簡易で安定な低雑音光信号増幅器を実現
することができるとともに、レーザ発振共振器内の高い
強度のレーザ発振光を励起光として利用できる構成とし
たため、高い利得の低雑音光信号増幅器を実現すること
ができる。
【0027】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
低雑音の光信号増幅を簡単かつ小型な構成で実現するこ
とができる。本発明の光信号増幅器は、その内部におい
て励起光と入力信号光との位相同期を行うことができ
る。さらに、高い利得の低雑音光信号増幅器を実現する
ことができる。これにより、光ファイバ伝送系その他に
適用して伝送特性を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施例装置のブロック構成図。
【図2】本発明第一実施例装置のブロック構成図。
【図3】本発明第一実施例の応用例の構成図。
【図4】本発明第二実施例装置のブロック構成図。
【図5】本発明第二実施例の応用例の構成図。
【図6】本発明第二実施例の応用例の構成図。
【符号の説明】
1 レーザ発振媒質部 2 光干渉計 3 入力ポート 4 出力ポート 10 入出力光分岐部 11 EDF励起光源 12 EDF(エルビウム添加光ファイバ) 14 EDF励起光反射ファイバDBR 15 可飽和吸収体 16 アイソレータ 17 EDF励起光透過ファイバDBR 20 サニャック干渉計 22 マッハツェンダ干渉計 23、25 光ファイバ 24 偏波保持ファイバカプラ 26 偏波保持ファイバ 27 光位相変調器 30、31 3次の光非線形媒質

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザ発振媒質と、そのレーザ発振媒質
    を含む光共振器および光干渉計とが一体構造をなし、こ
    の光干渉計に入力ポートおよび出力ポートが設けられ、
    この光干渉計にはその二つの干渉光通路に異なる位相回
    転を与えるように光強度に比例する位相変位特性を有す
    る3次の光非線形媒質が挿入されたことを特徴とする光
    信号増幅器。
  2. 【請求項2】 前記光干渉計は、サニャック干渉計であ
    る請求項1記載の光信号増幅器。
  3. 【請求項3】 前記光干渉計は、マッハツェンダ干渉計
    である請求項1記載の光信号増幅器。
JP7142008A 1995-06-08 1995-06-08 光信号増幅器 Pending JPH08334800A (ja)

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