JPH09222622A - 光増幅器および光増幅中継伝送システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 信号光パルス波形を整形し、入力信号光のＳ
／Ｎを改善することができる光増幅器および光増幅中継
伝送システムを実現する。 【解決手段】 入力信号光のうち励起光と同位相成分を
増幅し、直交位相成分を減衰させる位相感応光増幅手段
を有し、入力信号光位相に応じて励起光位相を制御し、
さらに位相感応光増幅手段の出力信号光の平均光強度が
最大になるように励起光位相を制御し、励起光位相と入
力信号光位相を同期させる手段を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、信号光のパルス波
形および信号対雑音比（以下、Ｓ／Ｎという）を改善し
ながら光増幅を行う光増幅器および光増幅中継伝送シス
テムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光伝送システムでは、光信号を電
気信号に変換し、ディジタル信号を識別した後に光信号
を再生する識別再生光中継器が用いられていた。この識
別再生光中継器では、光信号を電気信号に変換する電子
部品の応答速度に制限があるので、10Ｇbit/s 以上の大
容量光伝送システムに適用することが困難であった。

【０００３】この問題を解決する増幅手段として、エル
ビウムやプラセオジム等の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ある。また、光信号
処理回路においても、光分岐損失や光回路の減衰を補償
する手段として半導体レーザ増幅器を用いることが検討
されている。いずれの場合でも、媒質中の電子状態を反
転分布状態にさせ、誘導放出により信号光を増幅する構
成になっている。

【０００４】このようなファイバレーザ増幅器や半導体
レーザ増幅器は、信号光を光のままで増幅することがで
きるので、識別再生光中継器で問題になっていた電気的
な処理速度の制限が存在しない。加えて、機器構成も比
較的単純である利点を有する。しかし、劣化した信号光
パルス波形を整形する機能はもっていない。また、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は
全く無関係に混入されるので、信号光のＳ／Ｎが増幅前
後で少なくとも３dB低下する。これらは、ディジタル信
号伝送時における伝送符号誤り率の上昇につながり、伝
送品質を低下させる要因になっている。

【０００５】この伝送限界を打開する手段として、位相
感応光増幅器 ( Phase SensitiveAmplifier ：ＰＳ
Ａ）が検討されている。この位相感応光増幅器は、伝送
ファイバの分散の影響による劣化した信号光パルス波形
を整形する機能を有する。さらに、自然放出光は出力さ
れず、増幅前後で信号光のＳ／Ｎを劣化させず同一に保
つことが原理的に可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、実際に位相
感応光増幅器で信号光パルス波形を整形するには、適切
な手段で励起光位相と信号光位相を同期させる必要があ
る。また、光増幅器によるＳ／Ｎの劣化がなくても、現
実の光伝送系や光信号処理系では、光ファイバや光素子
による信号光の減衰によりＳ／Ｎが劣化する。したがっ
て、今後はＳ／Ｎの劣化が生じないだけでなく、さらに
Ｓ／Ｎの劣化を補償する光増幅器、光増幅中継伝送シス
テムが望まれる。

【０００７】本発明の目的１は、光処理型で高速動作が
可能であり、安定に励起光位相と信号光位相を同期さ
せ、信号光パルス波形を整形することができる光増幅器
を提供することにある。本発明の目的２は、光処理型で
高速動作が可能であり、入力信号光のＳ／Ｎを改善する
ことができる光増幅器を提供することにある。

【０００８】本発明の目的３は、これらの光増幅器を用
いた光増幅中継伝送システムを提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

（信号光パルス波形を整形する光増幅器…請求項１，
２）位相感応光増幅器は、入力信号光のうち励起光と同
位相成分を増幅し、直交位相成分を減衰させる機能を有
するものであり、例えば光ファイバ型非線形ループミラ
ー（以下、ＮＯＬＭという。）が用いられる（ M.E.Mar
hic and C.H.Hsia,1991年エレクトロニクス・レター
ズ，27号，210 頁に記載）。

【００１０】入力信号光Ｅ_S は、一般にコサイン成分と
サイン成分に分解され、 Ｅ_S ＝Ｅ₁ cosφ_S ＋ｉＥ₂ sinφ_S ＝ａ₁ ＋ｉａ₂ …(1) と表される。ここで、φ_S は入力信号光Ｅ_S と励起光Ｅ
_P の位相差であり、コサイン成分は励起光と同位相、サ
イン成分は励起光と直交位相の関係になっている。位相
感応光増幅器は、入力信号光のうち励起光と同位相成分
ａ₁ を増幅し、直交位相成分ａ₂ を減衰させる。すなわ
ち、出力信号光の同位相成分をｂ₁ 、直交位相成分をｂ
₂ 、利得をＧとすると、 ｂ₁ ＝Ｇ^1/2 ａ₁ …(2) ｂ₂ ＝Ｇ^-1/2ａ₂ …(3) が満足される。位相感応光増幅器の利得と、入力信号光
と励起光の位相差φ_S の関係を図５に示す。

【００１１】このような位相感応光増幅器に、伝送路フ
ァイバの分散の影響を受けてチャーピングを起こした信
号光パルスを入力すると、信号光パルス波形のピークと
裾では光位相が変化しており、利得が異なることにな
る。ここで、信号光パルスのピーク位相と励起光位相が
同期するように制御すると、図６に示すように信号光パ
ルスのピークのみが増幅され、信号光パルスの裾は逆に
減衰されて出力信号光のパルス幅が狭くなる。すなわ
ち、波形劣化の補償が可能になる。

【００１２】図１は、請求項１の光増幅器の第１の基本
構成を示す。図において、本光増幅器は、位相感応光増
幅部１２と、励起光源１３と、励起光位相制御部１４
と、光分岐部１５−１〜１５−３とにより構成され、位
相感応光増幅部１２の出力信号光の平均光強度が最大に
なるように励起光位相を制御する。すなわち、励起光源
１３は、光分岐部１５−１で分岐された入力信号光の位
相に同期するように励起光位相が制御される。励起光位
相制御部１４は、光分岐部１５−２で分岐された出力信
号光の一部を狭帯域の検波器で検波し、検波電流が最大
になるように励起光位相を制御する。なお、励起光位相
制御部１４は、励起光源１３の出力側で励起光の位相を
制御する構成の他に、励起光源１３の位相を直接制御す
る構成としてもよい。その結果、位相感応光増幅部１２
では、信号光パルスのピーク位相と励起光位相が同期す
るように制御され、上記の原理に基づいて信号光パルス
が波形整形される。

【００１３】図２は、請求項１の光増幅器の第２の基本
構成を示す。図において、本光増幅器は、位相感応光増
幅部１２と、励起光源１３と、励起光位相制御部１４−
１，１４−２と、光分岐部１５−１，１５−２とにより
構成され、位相感応光増幅部１２の出力信号光の平均光
強度が最大になるように励起光位相を制御する。すなわ
ち、励起光位相制御部１４−１は、光分岐部１５−１で
分岐された入力信号光と励起光の位相差が０になるよう
に励起光源１３の位相を制御する。励起光位相制御部１
４−２では、光分岐部１５−２で分岐された出力信号光
の一部を狭帯域の検波器で検波し、検波電流が最大にな
るように励起光位相を制御する。なお、励起光位相制御
部１４は、励起光源１３の出力側で励起光の位相を制御
する構成の他に、励起光源１３の位相を直接制御する構
成としてもよい。その結果、位相感応光増幅部１２で
は、信号光パルスのピーク位相と励起光位相が同期する
ように制御され、上記の原理に基づいて信号光パルスが
波形整形される。

【００１４】図３は、請求項２の光増幅器の第１の基本
構成を示す。図において、本光増幅器は、図１の構成に
信号光瞬時強度検出部１６を加え、位相感応光増幅部１
２の出力信号光の平均ピーク強度が最大になるように励
起光位相を制御する。すなわち、信号光瞬時強度検出部
１６は、光分岐部１５−２で分岐された出力信号光のパ
ルスピークのみを検波し、励起光位相制御部１４はその
検波電流が最大になるように励起光位相を制御する。そ
の結果、位相感応光増幅部１２では、信号光パルスのピ
ーク位相と励起光位相が同期するように制御され、上記
の原理に基づいて信号光パルスが波形整形される。

【００１５】図４は、請求項２の光増幅器の第２の基本
構成を示す。図において、本光増幅器は、図２の構成に
信号光瞬時強度検出部１６を加え、位相感応光増幅部１
２の出力信号光の平均ピーク強度が最大になるように励
起光位相を制御する。すなわち、信号光瞬時強度検出部
１６は、光分岐部１５−２で分岐された出力信号光のパ
ルスピークのみを検波し、励起光位相制御部１４−２は
その検波電流が最大になるように励起光位相を制御す
る。その結果、位相感応光増幅部１２では、信号光パル
スのピーク位相と励起光位相が同期するように制御さ
れ、上記の原理に基づいて信号光パルスが波形整形され
る。

【００１６】（入力信号光のＳ／Ｎを改善する光増幅器
…請求項３）図７は、請求項３の光増幅器の基本構成お
よび動作原理を示す。図において、本光増幅器は、光位
相偏移手段２１と位相感応光増幅手段２２が縦続に接続
された構成である。位相感応光増幅手段２２は、図１〜
図４に示す位相感応光増幅部１２、励起光源１３、その
他を含む。光位相偏移手段２１は、強度変調された信号
光を入力し、その光強度に比例して光位相偏移した信号
光を出力する。位相感応光増幅手段２２は光位相偏移し
た信号光を入力し、その光位相偏移量に応じて“０”ま
たは“１”の２値の光強度の信号光を出力する。

【００１７】請求項３の光増幅器は、理想的には図８に
示すように、入力信号光強度Ｐ_S に対して閾値動作する
入出力特性を有するものが要求される。閾値レベルＰ_th
より大きな強度を有する信号光が入力された場合には、
出力信号光強度Ｐ_O が得られる。一方、閾値レベルＰ_th
より小さな強度を有する信号光が入力された場合には、
出力信号光強度が０となる。その結果、信号光の強度雑
音は除去され、Ｓ／Ｎが改善される。

【００１８】以下、光位相偏移手段２１および位相感応
光増幅手段２２により、図８に示す閾値動作に近い入出
力特性が得られる原理について説明する。まず、光位相
偏移手段２１の動作原理について説明する。光位相偏移
手段２１は、光強度に比例して物質中の屈折率が変化す
る光カー効果を利用するものであり、例えば石英ファイ
バなどの光カー媒質が用いられる（請求項５）。

【００１９】入力信号光強度Ｐ_S と光位相偏移手段２１
の屈折率ｎ(p) は、非線形屈折率の影響により、 ｎ(p) ＝ｎ₀ ＋ｎ₂Ｐ_S／Ｓ …(4) の関係がある。Ｓは入力信号光の有効断面積である。し
たがって、入力信号光強度Ｐ_S に対する屈折率変動δｎ
は、 δｎ＝ｎ₂Ｐ_S／Ｓ …(5) となる。ここで、光位相偏移手段２１の長さをＬ、入力
信号光の角周波数をω、光速をｃとすると、入力信号光
の光強度変化に対する光位相偏移量δφは、 δφ＝γＬＰ_S …(6) γ＝ｎ₂ω／(ｃＳ） …(7) となる。この関係により、光位相偏移手段２１では、入
力信号光に対してその光強度に比例した光位相偏移を起
こす。

【００２０】位相感応光増幅手段２２は、上述したよう
に、入力信号光のうち励起光と同位相成分ａ₁ のみを増
幅し、直交位相成分ａ₂ を減衰させる。図９は、位相感
応光増幅部１２の構成例を示す（請求項６）。図９(a)
はＮＯＬＭによる構成例を示す。図において、入力信号
光Ｅ_S (強度Ｐ_SS≒Ｐ_S ) と励起光Ｅ_P（強度Ｐ_P）は光
カプラ３１で合波され、ループ状に接続された光ファイ
バ３２に２分岐され、再度光カプラ３１で合波される。
出力信号光Ｅ_O は光カプラ３１から出力され、光サーキ
ュレータ３３を介して入力信号光Ｅ_S と分離される。

【００２１】図９(b) は光カー媒質を用いたマッハツェ
ンダ干渉計による構成例を示す。図において、入力信号
光Ｅ_S （強度Ｐ_SS≒Ｐ_S ）と励起光Ｅ_P（強度Ｐ_P）はビ
ームスプリッタ３４−１で２分岐され、それぞれ光カー
媒質３５−１，３５−２を通過し、ビームスプリッタ３
４−２で合波され、その一方のポートに出力信号光Ｅ ₀
が得られる。

【００２２】ここで、出力信号光Ｅ_O の強度Ｐ_O は、 Ｐ_O ＝Ｐ_SScos²(Δφ／2)＋Ｐ_P sin²(Δφ／2) −２(Ｐ_SSＰ_P)^1/2 sin(Δφ／2)cos(Δφ／2) sinφ_S …(8) Δφ＝−４π(Ｌ／λ）ｎ₂(Ｐ_SSＰ_P)^1/2 cosφ_S …(9) となる。この関係より、位相感応光増幅手段２２の入出
力信号光の関係が定まる。入力信号光Ｅ_S と励起光Ｅ_P
の位相差φ_S をパラメータとしたときの入力信号光強度
Ｐ_SSと出力信号光強度Ｐ_O の関係を図１０に示す。

【００２３】入力信号光強度Ｐ_SSが十分に小さいときの
入力信号光Ｅ_S と励起光Ｅ_P の位相差をφ_b とすると、
式(6) より位相感応光増幅手段２２に入力される入力信
号光Ｅ_S と励起光Ｅ_P の位相差φ_S は、 φ_S ＝φ_b ＋γＰ_S Ｌ …(10) となる。ただし、γは非線形光学定数であり、式(7) で
定義される。

【００２４】ここで、式(10)のφ_b を位相感応光増幅手
段２２での利得が最小値となる光位相差以下にとる。さ
らに、マーク時の信号光強度による光位相偏移手段２１
での位相偏移により、位相感応光増幅手段２２で位相差
φ_S が最大利得を与える位相差よりも小さくなるように
光位相偏移手段２１の相互作用量γＬを選択する。光位
相偏移手段２１の作用により、入力信号光強度Ｐ_S の増
大に伴い位相感応光増幅手段２２の入力信号光Ｅ_S と励
起光Ｅ_P の位相差φ_S が変化する。したがって、光位相
偏移手段２１と位相感応光増幅手段２２により構成され
る本発明の光増幅器において、入力信号光強度Ｐ_S と出
力信号光強度Ｐ_O の関係は図１１のようになる。

【００２５】これは、図８に示す閾値動作に近い入出力
特性を示している。すなわち、入力信号光が強度変調さ
れている場合には、強度雑音を伴うマーク信号は出力信
号光強度ａ（“１”）に収束し、スペース信号は出力信
号光強度が十分に小さいｂ（“０”）に収束する。これ
により、強度雑音が除去され、Ｓ／Ｎを改善することが
できる。

【００２６】図１２は、位相感応光増幅部１２の他の構
成例を示す（請求項７）。図において、入力信号光Ｅ_S
（強度Ｐ_SS，周波数ω_S ）と励起光Ｅ_P(強度Ｐ_P，周波
数２ω_S ）は、ダイクロックミラー３６−１を介して縮
退パラメトリック結晶３７に入力される。縮退パラメト
リック結晶３７から出力される周波数ω_S(＝２ω_S−
ω_S）の信号光Ｅ_O と励起光Ｅ_P は、ダイクロックミラ
ー３６−２で分離される。このような構成では、励起光
の周波数の入力信号光の周波数の２倍に設定する必要が
あるが、定性的には図１０，図１１に示す入出力特性が
得られる。

【００２７】（入力信号光のＳ／Ｎを改善する光増幅器
…請求項４）図１３は、請求項４の光増幅器の基本構成
および動作原理を示す。図において、第１の位相感応光
増幅手段２２−１と、光位相偏移手段２１と、第２の位
相感応光増幅手段２２−２が縦続に接続される。第１の
位相感応光増幅手段２２−１は、強度変調された信号光
を入力し、その位相雑音を強度雑音に変換して位相一定
の信号光を出力する。光位相偏移手段２１は、位相一定
の信号光を入力し、その光強度に比例して光位相偏移し
た信号光を出力する。第２の位相感応光増幅手段２２−
２は、光位相偏移した信号光を入力し、その光位相偏移
量に応じて“０”または“１”の２値の光強度の信号光
を出力する。

【００２８】光位相偏移手段２１と第２の位相感応光増
幅手段２２−２の機能は、図７に示す請求項３の光増幅
器のものと同じである。ここでは、入力信号光が大きな
位相雑音を有する場合でも対応できるようにしたもので
ある。第１の位相感応光増幅手段２２−１は、図１４に
示すように光位相に依存した利得を与えるので、入力信
号光の位相雑音は出力側で強度雑音に変換される。一
方、第１の位相感応光増幅手段２２−１の出力信号光の
位相は、位相雑音が少ない励起光と同一になり、入力信
号光の位相雑音が抑圧される。すなわち、第１の位相感
応光増幅手段２２−１では、入力信号光の位相雑音を除
去し、これらを強度雑音に変換して光位相偏移手段２１
に送出する。

【００２９】（光増幅中継伝送システム…請求項８）図
１５は、本発明の光増幅中継伝送システムの基本構成を
示す。図において、光増幅中継伝送システムは、強度変
調された信号光を送出する光送信器４１、光ファイバ伝
送路４２、光増幅中継器４３、受信した信号光を復調す
る光受信器４４により構成される。ここで、光ファイバ
伝送路４２を光位相偏移手段２１を構成する光カー媒質
と見なし、光増幅中継器４３を位相感応光増幅手段２２
とすると、図７に示す請求項３の光増幅器と機能的には
同一の構成となる。ただし、光位相偏移手段２１、すな
わち光ファイバ伝送路４２における損失が無視できない
ので、光送信器４１と光ファイバ伝送路４２のパラメー
タを適当に設定する必要がある。

【００３０】光送信器４１から送信される信号光のマー
ク時の平均光強度をＰ₀ 〔Ｗ〕、光ファイバ伝送路４２
の非線形係数をγ〔Ｗ^-1ｋｍ^-1〕、損失をα〔ｋ
ｍ^-1〕、区間長をＬ〔ｋｍ〕とする。光ファイバ伝送路
４２における信号光の位相回転量φは、式(6) の代わり
に、

【００３１】

【数１】

【００３２】で与えられる。図１６は、光ファイバ伝送
路における信号光の位相回転量を示す。ここで、光増幅
中継器４３の出力は次の光ファイバ伝送路４２への入力
信号光強度となるので、Ｐ₀ をパラメータとしている。
光ファイバ伝送路４２の損失α(0.2dB/km)があるので、
伝送距離が短い領域では距離に比例して位相回転が増加
するが、約50ｋｍを越えた領域では一定である。すなわ
ち、50ｋｍを越えた領域では距離に関係なく信号光強度
に比例した位相回転が生じている。

【００３３】位相感応光増幅手段２２は、図５に示すよ
うに、入力信号光と励起光の位相差φ_S がｍπ（ｍは整
数）ならば利得Ｇで増幅し、(ｍ＋1／2)πならば１／Ｇ
で減衰させる。したがって、符号がスペースの場合（信
号光強度が０に近い場合）に、位相感応光増幅手段２２
の入力信号光の位相が(ｍ＋1／2)πの近傍になるように
設定する。また、信号光の平均光強度Ｐ₀ および励起光
強度を調整することにより、符号がマークの場合に位相
感応光増幅手段２２の入力信号光の位相がｍπの近傍で
ｍπより少し大きくなるように設定する。すなわち、光
送信器４１および光ファイバ伝送路４２の各パラメータ
が π／４＜｛１−exp(αＬ)｝Ｐ₀γＬ／α＜π （ラジア
ン） となるように設定する。これにより、光ファイバ伝送路
４２（光位相偏移手段２１）と光増幅中継器４３（位相
感応光増幅手段２２）の総合入出力特性として、図８に
近い関係が得られる。

【００３４】図１７は、光増幅中継伝送システムの入出
力特性を示す。本入出力特性は、光ファイバ伝送路４２
の区間長Ｌが 100ｋｍ、中継利得が20ｄＢ、マーク時の
平均光強度Ｐ₀ が32ｍＷのときに、光ファイバ伝送路４
２の入力信号光強度と、光増幅中継器４３の出力信号光
強度の関係について計算したものである。また、２段構
成および３段構成の入出力特性も示す。伝搬段数の増加
に伴い、非線形な入出力特性が階段状になって疑似識別
的な効果が強調され、“０”または“１”の２値の光強
度の信号光が出力されることがわかる。

【００３５】ここで、従来の光増幅中継伝送システムの
符号誤り特性について説明する。図１８は、従来の光増
幅中継伝送システムの構成を示す。図において、強度変
調された信号光を送出する光送信器５１、光ファイバ伝
送路５２、光増幅中継器５３、受信した信号光を復調す
る光受信器５４により構成される。光増幅中継器５３
は、光ファイバ伝送路５２の損失Ｌを利得Ｇ₀ で補う構
成である。すなわち、 Ｇ₀ ・Ｌ＝１ …(12) である。

【００３６】一般に、レーザ増幅器は入力信号光強度が
増加すると利得が減少する利得飽和特性を示す。利得飽
和の回復時間（入力光が消滅し、飽和により減少した利
得が元の値に復帰するまでの時間）は、エルビウム添加
光ファイバでほぼ10ミリ秒と長いので、１Ｍbit/s 以上
の変調速度を有する入力信号光に対しては、光増幅中継
器５３の利得は図１９に示すように一定と見なしてよ
い。すなわち、マーク時（信号１，平均光強度ｘ_m ）の
入力信号光に対しても、スペース時（信号０，平均光強
度ｘ_S ）に対しても同一の利得で増幅する。したがっ
て、信号成分に重畳した雑音成分も信号同様に線形に増
幅され、伝搬に伴って累積する。初段の増幅器以降、増
幅器の出力光のＳＮ比は増幅器の段数ｋに反比例して劣
化する。

【００３７】符号誤り率ＢＥＲは、ＳＮ比の劣化に応じ
て増加する。ｋ段目の光増幅中継器５３の出力光のＳＮ
比を（Ｓ／Ｎ)_k、光送信器５１の出力光のＳＮ比を（Ｓ
／Ｎ)₀、光増幅中継器５３の雑音指数をＦとすると、符
号誤り率ＢＥＲ_k は、

【００３８】

【数２】

【００３９】と表される。光増幅中継器の段数と符号誤
り率の関係を図２０に示す。ここでは、（Ｓ／Ｎ)₀＝56
dB、Ｌ＝１／Ｇ₀ ＝−20dB、Ｆ＝３dBとした。すなわ
ち、初段の光増幅中継器の入力信号光のＳＮ比は36dBと
なる。段数の増加に伴い急速に符号誤り率が増加してい
ることがわかる。符号誤り率が10^-13 以下を許容する
と、光増幅中継器の段数は10段に制限される。

【００４０】次に、本発明の光増幅中継伝送システムの
符号誤り特性について説明する。本システムにおける光
増幅中継器（図１５、４３）は、信号光強度による利得
飽和特性と吸収飽和特性を有する。ここで、吸収飽和特
性とは、信号光強度が０に近いとき（スペース時の入力
信号光強度の近傍）は利得がＧ₀ （＝１／Ｌ）よりも小
さく、信号光強度が大きくなるにつれて利得がＧに近づ
く特性である。利得飽和特性とは、信号光強度が大きく
なる（マーク時の平均光強度程度）と利得が減少する特
性である。したがって、吸収飽和特性と利得飽和特性と
を有する光増幅中継器の入出力特性は、図２１の実線
で示される特性となる。横軸（ｘ）は入力信号光強度、
縦軸（ｙ）は出力信号光強度である。

【００４１】本発明の光増幅中継器（位相感応光増幅手
段）では、利得回復時間および吸収回復時間は信号帯域
幅の逆数よりも短いので、入力信号光の瞬時値に追随し
て図のように利得が変化すると考えてよい。マーク時の
平均光強度ｘ_m における利得はＧ₀ ＝１／Ｌに設定され
ている。したがって、図中破線で示すｙ＝Ｇ₀ ｘの直線
と増幅器の入出力特性を示す曲線の交点は、（ｘ_m , ｙ
_m ）以外に（Ｒ_Lｘ_m，Ｒ_Lｙ_m）がある。この２点で示さ
れる入力信号光は、損失Ｌの伝送路と利得Ｇの中継器の
連鎖を損失も利得もなく定常的に伝搬する。入力信号光
強度がＲ_Lｘ_mよりも小さい場合には、利得がＧ₀ よりも
小さいために次段の光増幅中継器の入力信号光強度はＲ
_Lｘ_mよりも小さくなる。これを繰り返して数段後には光
強度は０に収束する。一方、出力信号光強度がＲ_Lｘ_mと
なるｘ_m 以上の入力信号光強度をＲ_Hｘ_mとすると、入力
信号光強度がＲ_Lｘ_mからＲ_Hｘ_mまでの場合には、数段後
にｘ_m に収束する。例えば、入力信号光強度とその５中
継後の出力信号光強度の関係は、図２１の実線で示さ
れる特性となる。したがって、出力信号光のＳＮ比は、
光増幅中継器の段数に関係なく一定の値を維持すること
ができる。

【００４２】このとき、全区間の符号誤り率は、中継区
間数の増加に対して線形に増加する。すなわち、１中継
区間での符号誤り率をＥ_R1とすると、ｋ段の中継後の符
号誤り率Ｅ_R は Ｅ_R ＝ｋ・Ｅ_R1 …(14) となる。なお、１中継区間での符号誤り率Ｅ_R1は、次の
ように定めることができる。図２１において、出力信号
光強度が一定と見なせる入力信号光強度の範囲をｘ_L か
らｘ_H とする。初段の光増幅中継器の入力信号光強度が
マーク時にその範囲に収まったとき、出力信号光の雑音
状態は光送信器の出力光と同等のＳＮ比を有している。
したがって、初段の入力信号光がｘ_L からｘ_H の範囲以
外となるビットの確率をもって、図２１に示すように１
中継区間の符号誤り率Ｅ_R1とすればよい。このとき、Ｅ
_R1は

【００４３】

【数３】

【００４４】と表される。ただし、簡単のために ｘ_L ＝（１−ｒ）ｘ_m 、 ｘ_H ＝（１＋ｒ）ｘ_m …(16) とした。ｒ＝0.12、0.13、0.14としたときの符号誤り率
を図２０に示す。従来の符号誤り率の計算例と同様に、
初段の光増幅中継器の入力信号光のＳＮ比を36dB、ｒ＝
0.13とすると、１中継区間の符号誤り率Ｅ_R1は10^-15 と
なる。したがって、式(15)より、符号誤り率が10^-13 以
下であるとする制限では、光増幅中継器の段数は 100段
まで許容され、従来方式の約10倍の伝送可能距離に拡大
することができる。

【００４５】

【発明の実施の形態】

（光増幅器の第１の実施形態…請求項１，６）図２２
は、本発明の光増幅器の第１の実施形態を示す。図にお
いて、入力信号光は光カプラ６１−１で２分岐され、そ
の一方が光サーキュレータ６２を介して位相感応光増幅
部１２として用いられるＮＯＬＭ６３に入力され、他方
が励起レーザ光源６４に入力される。励起レーザ光源６
４から出力される励起光は、入力信号光の位相と同期さ
せる光路長調整器６５を介してＮＯＬＭ６３に入力さ
れ、入力信号光と合波される。ＮＯＬＭ６３の光サーキ
ュレータ６２から出力される出力信号光は、光カプラ６
１−２でその一部が分岐される。その出力信号光の一部
はフォトダイオード６６で検波され、制御回路６７で処
理して光路長調整器６５にフィードバックされる。

【００４６】本実施形態では、ＮＯＬＭ６３に入力する
励起光の位相を入力信号光の平均位相に同期させるため
に、入力信号光の一部を分岐して励起レーザ光源６４に
注入して注入同期させている。光路長調整器６５は、制
御回路６７で出力信号光の強度変化をモニタし、出力信
号光の時間平均光強度が最大になるように制御される。

【００４７】（光増幅器の第２の実施形態…請求項１，
６）図２３は、本発明の光増幅器の第２の実施形態を示
す。図において、入力信号光は光サーキュレータ６２を
通過し、光カプラ６１−１で２分岐され、その一方が位
相感応光増幅部１２として用いられるＮＯＬＭ６３に入
力され、他方がフォトダイオード６６−１に入力され
る。励起レーザ光源６４から出力される励起光は、光カ
プラ６１−２で２分岐され、その一方が光位相変調器６
８を介してＮＯＬＭ６３に入力され、他方がフォトダイ
オード６６−１に入力される。フォトダイオード６６−
１には入力信号光および励起光が入力され検波される。
制御回路６７−１は、入力信号光と励起光の位相差が０
になるように励起レーザ光源６４の位相を制御する。Ｎ
ＯＬＭ６３の光サーキュレータ６２から出力される出力
信号光は、光カプラ６１−３でその一部が分岐される。
その出力信号光の一部はフォトダイオード６６−２で検
波され、制御回路６７−２で処理して光位相変調器６８
にフィードバックされる。

【００４８】本実施形態では、ＮＯＬＭ６３に入力する
励起光の位相を入力信号光の平均位相に同期させるため
に、入力信号光と励起光の位相差をモニタする構成にな
っている。光位相変調器６８は、制御回路６７−２で出
力信号光の強度変化をモニタし、出力信号光の時間平均
光強度が最大になるように制御される。なお、制御回路
６７−１，６７−２が共に励起レーザ光源６４の位相を
制御する構成としてもよい。

【００４９】（光増幅器の第３の実施形態…請求項２，
６）図２４は、本発明の光増幅器の第３の実施形態を示
す。本実施形態の特徴は、出力信号光の平均ピーク強度
が最大になるように励起光位相を制御するところにあ
る。出力信号光の平均ピーク強度は、ＳＨＧ結晶６９、
タイミング抽出回路７０、短パルス光源７１、フォトダ
イオード６６−２、制御回路６７−２により観測され
る。すなわち、光カプラ６１−３で分岐された出力信号
光と、短パルス光源７１から出力される短光パルスをＳ
ＨＧ結晶６９に入力してＳＨＧ相関をとり、フォトダイ
オード６６−２で検波し、制御回路６７−２で処理して
光位相変調器６８にフィードバックされる。一方、タイ
ミング抽出回路７０は、出力信号光のタイミングを抽出
し、信号光パルスピークと同時に短パルス光源７１から
短光パルスをＳＨＧ結晶６９に入力するように制御す
る。その他の構成は、第２の実施形態と同様である。

【００５０】（光増幅器の第４の実施形態…請求項３，
６）図２５は、本発明の光増幅器の第４の実施形態を示
す。図において、入力信号光は光カプラ６１−１で２分
岐され、その一方が光位相偏移手段２１として用いられ
る光カー媒質７２に入力され、他方が励起レーザ光源６
４に入力される。光カー媒質７２の出力光は、位相感応
光増幅部１２として用いられるＮＯＬＭ６３に入力され
る。励起レーザ光源６４から出力される励起光は、入力
信号光の位相と同期させる光路長調整器６５を介してＮ
ＯＬＭ６３に入力される。ＮＯＬＭ６３の光サーキュレ
ータ６２から出力される出力信号光は、光カプラ６１−
２でその一部が分岐される。その出力信号光の一部はフ
ォトダイオード６６で検波され、制御回路６７で処理し
て光路長調整器６５にフィードバックされる。

【００５１】本実施形態では、ＮＯＬＭ６３に入力する
励起光の位相を入力信号光の平均位相に同期させるため
に、入力信号光の一部を分岐して励起レーザ光源６４に
注入して注入同期させている。また、熱膨張の影響を受
けて、光カー媒質７２の長さが数ｋHz程度の速さで変動
する。これを補償するために、制御回路６７は出力信号
光の強度変化をモニタして光路長調整器６５を調整し、
ＮＯＬＭ６３に入力される励起光の位相を制御する。

【００５２】（光増幅器の第５の実施形態…請求項４，
６）図２６は、本発明の光増幅器の第５の実施形態を示
す。図において、入力信号光は光カプラ６１−２で２分
岐され、その一方が第１の位相感応光増幅手段２２−１
として用いられるＮＯＬＭ６３−１に入力され、他方が
励起レーザ光源６４に入力される。励起レーザ光源６４
から出力される励起光は光カプラ６１−２で２分岐さ
れ、その一方が光路長調整器６５−１を介してＮＯＬＭ
６３−１に入力される。ＮＯＬＭ６３−１の光サーキュ
レータ６２−１から出力される信号光は、光カプラ６１
−３でその一部が分岐される。その出力信号光の一部は
フォトダイオード６６−１で検波され、制御回路６７−
１で処理して光路長調整器６５−１にフィードバックさ
れる。

【００５３】光カプラ６１−３で分岐された出力信号光
の残りは光カー媒質７２に入力される。光カー媒質７２
の出力光は、第２の位相感応光増幅手段２２−２として
用いられるＮＯＬＭ６３−２に入力される。光カプラ６
１−２で分岐された励起光は、光路長調整器６５−２を
介してＮＯＬＭ６３−２に入力される。ＮＯＬＭ６３−
２の光サーキュレータ６２−２から出力される出力信号
光は、光カプラ６１−４でその一部が分岐される。その
出力信号光の一部はフォトダイオード６６−２で検波さ
れ、制御回路６７−２で処理して光路長調整器６５−２
にフィードバックされる。

【００５４】本実施形態では、ＮＯＬＭ６３−１，６３
−２に入力する励起光の位相を入力信号光の平均位相に
同期させるために、入力信号光の一部を分岐して励起レ
ーザ光源６４に注入して注入同期させている。励起レー
ザ光源６４とＮＯＬＭ６３−１との間にある光路長調整
器６５−１、および励起レーザ光源６４とＮＯＬＭ６３
−２との間にある光路長調整器６５−２は、ファイバ熱
膨張による入力信号光と励起光の位相差の変化を補償す
るものであり、それぞれ制御回路６７−１，６７−２で
出力信号光の強度変化をモニタして制御される。

【００５５】（光増幅中継伝送システムの実施形態…請
求項８，９）図２７は、本発明の光増幅中継伝送システ
ムの実施形態を示す。図において、光送信器４１は、光
源８１と、送信データにより光源８１から出力されるＣ
Ｗ光の強度を変調する光変調器８２とにより構成され
る。光送信器４１から出力された信号光は、光ファイバ
伝送路４２を介して光増幅中継器４３に伝送される。こ
こで、光ファイバ伝送路４２は、信号光の伝送に用いら
れるだけでなく、図７に示す光位相偏移手段２１として
用い、光増幅中継器４３を位相感応光増幅手段２２とし
て用いることにより、Ｓ／Ｎを改善する光増幅器の縦続
接続とみなすことができる。そして、最終的に光受信器
４４まで伝送される。

【００５６】なお、図では位相感応光増幅手段２２とし
て、光増幅器の第１の実施形態（図２２）のものを示す
が、その他の実施形態の光増幅器を用いてもよい。ただ
し、本光増幅中継伝送システムでは、光位相偏移手段２
１としての光ファイバ伝送路４２を通過した信号光が位
相感応光増幅手段２２としての光増幅中継器４３に入力
されるので、狭帯域の位相同期回路を用いて平均値で位
相同期をとる構成とする。

【００５７】

【実施例】光増幅器の第１および第２の実施形態におい
て、入力信号光波長は光伝送に有利な1.55μｍとする。
ＮＯＬＭ６３には、有効コア断面積Ｓ＝50〔μｍ² 〕，
非線形光学定数ｎ₂ ＝ 2.67×10^-20〔ｍ²／Ｗ〕の分散
シフト単一モード光ファイバを用い、長さＬ＝２〔ｋ
ｍ〕とする。励起光強度を２〔Ｗ〕とすると、20dB程度
の光利得が得られる。また、信号光の位相雑音に励起光
位相が追随できるように、 100ＭHz程度の帯域をもつ位
相同期回路を用いる。フォトダイオード、光ファイバの
熱変動による光路長の微小な変動（〜数ｋHz）を補償で
きるように、十ｋHz程度の検波帯域を有するものとす
る。

【００５８】光増幅器の第３の実施形態において、ＳＨ
Ｇ結晶６９としてＡＡＮＰ結晶を用いる。短パルス光源
７１から出力された短光パルスのパルス幅は、信号光の
パルス幅の１／10程度であり、プリスケール位相同期技
術を用いて出力信号光パルス列に同期してＡＡＮＰ結晶
に入力する。フォトダイオード、光ファイバの熱変動に
よる光路長の微小な変動（〜数ｋHz）を補償できるよう
に、十ｋHz程度の検波帯域を有するものとする。

【００５９】光増幅器の第４の実施形態において、入力
信号光波長は光伝送に有利な1.55μｍとする。光カー媒
質７２には石英ファイバを用いる。石英ファイバの諸元
は、有効コア断面積Ｓ＝50〔μｍ² 〕，非線形光学定数
ｎ₂ ＝2.67×10^-20 〔ｍ² ／Ｗ〕の分散シフト単一モー
ド光ファイバを用い、長さＬ＝６〔ｋｍ〕とする。式
(6),(7) より入力信号光強度Ｐ_S＝150〔ｍＷ〕のときに
1.8〔rad 〕の位相偏移が得られる。励起光強度Ｐ_P ＝
４〔Ｗ〕とする。ＮＯＬＭ６３の光ファイバには、光カ
ー媒質と同様の諸元をもつ石英ファイバを用い、相互作
用長を１〔ｋｍ〕とする。

【００６０】以上の構成および諸元により、入力信号光
がマークのときには出力信号光強度が４〔Ｗ〕となる。
このときの入出力特性は図２８のようになる。なお、式
(9)におけるバイアス位相φ_b を0.45π〔rad 〕とし
た。この結果、十分なＳ／Ｎの回復が得られることがわ
かる。光増幅器の第５の実施形態において、入力信号光
波長および光カー媒質７２の諸元は第４の実施形態のも
のと同様とする。励起光強度Ｐ_P ＝６〔Ｗ〕とし、その
内の２〔Ｗ〕をＮＯＬＭ６３−１に入力し、４〔Ｗ〕を
ＮＯＬＭ２３−２に入力する。励起光位相の制御系の応
答速度は、熱膨張によるＮＯＬＭの長さの変化に十分に
追随でき、かつ最大で数ＭHzの線幅を有する信号光の位
相変化に追随できるようにする。ＮＯＬＭ６３−１の光
ファイバとして２〔ｋｍ〕の石英ファイバを用いる。

【００６１】ＮＯＬＭ６３−１に入力する信号光ピーク
強度を 1.5〔ｍＷ〕とすると、20〔dB〕の利得が得られ
る。その結果、ＮＯＬＭ６３−１で増幅された信号光の
ピーク強度は 150〔ｍＷ〕となる。ＮＯＬＭ６３−１の
出力信号光の位相は励起光位相と同期しており、入力信
号光の位相雑音が強度雑音に変換されている。このとき
の入出力特性は、図２９のようになる。図中には、入力
信号光の位相偏移φ_d＝0.2, 0, -0.2に対する出力信号
光強度の変化についても示されている。このように、微
小な位相雑音が入力信号光に付加されていても、マーク
時の出力信号光強度に大きな変化は見られない。マーク
時利得は30〔dB〕であり、十分なＳＮ比の回復が得られ
ることがわかる。

【００６２】光増幅中継伝送システムの実施形態におい
て、光送信器４１の光源８１は、発振線幅１ＭHz、波長
1.55μｍのＣＷ光を出力する。光位相偏移手段２１とし
て機能する光ファイバ伝送路４２は、実効断面積Ｓ＝50
×10^-8〔ｃｍ² 〕，非線形光学定数ｎ₂ ＝ 3.3×10^-16
〔ｃｍ²／Ｗ〕の零分散シフトファイバを用いる。この
非線形係数γは2.6 Ｗ^-1ｋｍ^-1、損失は 0.2dB／ｋｍで
ある。ファイバ損失は、100ｋｍの間隔に配置された位
相感応光増幅器を用いた光増幅中継器４３で補償され
る。この光増幅中継器４３における入力信号光のマーク
時の利得を20dBに設定し、励起光との位相同期を実現す
ると、図２８に示す閾値特性を有する入出力特性が得ら
れる。ここで用いられる光位相同期回路の帯域幅は、従
来の光ホモダイン検波の理論と実験より10ＭHz程度で十
分である。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光増幅器
は、入力信号光を電気信号に変換することなく、入力信
号光の波形整形と強度雑音を抑圧することができる。し
たがって、本発明の光増幅器を光増幅中継伝送システム
に導入することにより、光信号のままで連続的に長距離
光伝送を行うことができる。また、光信号のままで信号
再生を行うことができるので、大容量伝送にも適用する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１の光増幅器の第１の基本構成を示すブ
ロック図。

【図２】請求項１の光増幅器の第２の基本構成を示すブ
ロック図。

【図３】請求項２の光増幅器の第１の基本構成を示すブ
ロック図。

【図４】請求項２の光増幅器の第２の基本構成を示すブ
ロック図。

【図５】位相感応光増幅器の利得特性を示す図。

【図６】位相感応光増幅器の波形整形原理を示す図。

【図７】請求項３の光増幅器の基本構成および動作原理
を示す図。

【図８】請求項３の光増幅器の理想的な入出力特性を示
す図。

【図９】位相感応光増幅部１２の構成例を示す図。

【図１０】位相感応光増幅部の入出力特性を示す図。

【図１１】本発明の光増幅器の入出力特性を示す図。

【図１２】位相感応光増幅部１２の他の構成例を示す
図。

【図１３】請求項４の光増幅器の基本構成および動作原
理を示す図。

【図１４】第１の位相感応光増幅手段２２−１の動作原
理を示す図。

【図１５】本発明の光増幅中継伝送システムの基本構成
を示す図。

【図１６】光ファイバ伝送路における信号光の位相回転
量を示す図。

【図１７】光増幅中継伝送システムの入出力特性を示す
図。

【図１８】従来の光増幅中継伝送システムの構成を示す
図。

【図１９】光増幅中継器５３の利得を示す図。

【図２０】光増幅中継器の段数と符号誤り率の関係を示
す図。

【図２１】本発明における光増幅中継器の入出力特性を
示す図。

【図２２】本発明の光増幅器の第１の実施形態を示す
図。

【図２３】本発明の光増幅器の第２の実施形態を示す
図。

【図２４】本発明の光増幅器の第３の実施形態を示す
図。

【図２５】本発明の光増幅器の第４の実施形態を示す
図。

【図２６】本発明の光増幅器の第５の実施形態を示す
図。

【図２７】本発明の光増幅中継伝送システムの実施形態
を示す図。

【図２８】第４の実施形態の入出力特性を示す図。

【図２９】第５の実施形態の入出力特性を示す図。

【符号の説明】

１２ 位相感応光増幅部 １３ 励起光源 １４ 励起光位相制御部 １５ 光分岐部 １６ 信号光瞬時強度検出部 ２１ 光位相偏移手段 ２２ 位相感応光増幅手段 ３１ 光カプラ ３２ 光ファイバ ３３ 光サーキュレータ ３４ ビームスプリッタ ３５ 光カー媒質 ３６ ダイクロックミラー ３７ 縮退パラメトリック結晶 ４１，５１ 光送信器 ４２，５２ 光ファイバ伝送路 ４３，５３ 光増幅中継器 ４４，５４ 光受信器 ６１ 光カプラ ６２ 光サーキュレータ ６３ 光ファイバ型非線形ループミラー（ＮＯＬＭ） ６４ 励起レーザ光源 ６５ 光路長調整器 ６６ フォトダイオード ６７ 制御回路 ６８ 光位相変調器 ６９ ＳＨＧ結晶 ７０ タイミング抽出回路 ７１ 短パルス光源 ７２ 光カー媒質

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力信号光のうち励起光と同位相成分を
   増幅し、直交位相成分を減衰させる位相感応光増幅手段
   を有する光増幅器において、 前記入力信号光位相に応じて前記励起光位相を制御し、
   さらに前記位相感応光増幅手段の出力信号光の平均光強
   度が最大になるように前記励起光位相を制御し、前記励
   起光位相と前記入力信号光位相を同期させる手段を備え
   たことを特徴とする光増幅器。
2. 【請求項２】 入力信号光のうち励起光と同位相成分を
   増幅し、直交位相成分を減衰させる位相感応光増幅手段
   を有する光増幅器において、 前記入力信号光位相に応じて前記励起光位相を制御し、
   さらに前記位相感応光増幅手段の出力信号光の平均ピー
   ク強度が最大になるように前記励起光位相を制御し、前
   記励起光位相と前記入力信号光位相を同期させる手段を
   備えたことを特徴とする光増幅器。
3. 【請求項３】 強度変調された信号光を入力し、その光
   強度に比例して光位相偏移した信号光を出力する光位相
   偏移手段と、 前記光位相偏移した信号光を入力し、その光位相偏移量
   に応じて“０”または“１”の２値の光強度の信号光を
   出力する位相感応光増幅手段とを備えたことを特徴とす
   る光増幅器。
4. 【請求項４】 強度変調された信号光を入力し、その位
   相雑音を強度雑音に変換して位相一定の信号光を出力す
   る第１の位相感応光増幅手段と、 前記位相一定の信号光を入力し、その光強度に比例して
   光位相偏移した信号光を出力する光位相偏移手段と、 前記光位相偏移した信号光を入力し、その光位相偏移量
   に応じて“０”または“１”の２値の光強度の信号光を
   出力する第２の位相感応光増幅手段とを備えたことを特
   徴とする光増幅器。
5. 【請求項５】 光位相偏移手段は、光カー媒質を用いた
   構成であることを特徴とする請求項３または請求項４に
   記載の光増幅器。
6. 【請求項６】 位相感応光増幅手段は、光ファイバ型非
   線形ループミラーまたは光カー媒質を含むマッハツェン
   ダ干渉計を用いた構成であることを特徴とする請求項１
   ないし請求項４のいずれかに記載の光増幅器。
7. 【請求項７】 位相感応光増幅手段は、縮退パラメトリ
   ック媒質を用いた構成であることを特徴とする請求項１
   ないし請求項４のいずれかに記載の光増幅器。
8. 【請求項８】 マーク時の平均光強度がＰ₀ 〔Ｗ〕であ
   る強度変調された信号光を送出する光送信器と、 非線形係数がγ〔Ｗ^-1ｋｍ^-1〕、損失がα〔ｋｍ^-1〕、
   １区間長がＬ〔ｋｍ〕である光ファイバ伝送路と、 前記光ファイバ伝送路の光損失により減衰した信号光を
   直接増幅して次段の光ファイバ伝送路に送出する光増幅
   中継器と、 前記光ファイバ伝送路および前記光増幅中継器を介して
   伝送された信号光を受信して復調する光受信器とを備え
   た光増幅中継伝送システムにおいて、 前記光送信器および前記光ファイバ伝送路の各パラメー
   タが π／４＜｛１−exp(αＬ)｝Ｐ₀γＬ／α＜π （ラジア
   ン） の関係に設定され、 前記光増幅中継器は、請求項１または請求項２に記載の
   位相感応光増幅手段を用いた構成であることを特徴とす
   る光増幅中継伝送システム。
9. 【請求項９】 光増幅中継器の位相感応光増幅手段は、
   光ファイバ型非線形ループミラーまたは光カー媒質を含
   むマッハツェンダ干渉計を用いた構成であることを特徴
   とする請求項８に記載の光増幅中継伝送システム。
10. 【請求項１０】 光増幅中継器の位相感応光増幅手段
    は、縮退パラメトリック媒質を用いた構成であることを
    特徴とする請求項８に記載の光増幅中継伝送システム。