JPWO2012098911A1 - 光信号増幅装置 - Google Patents

光信号増幅装置 Download PDF

Info

Publication number
JPWO2012098911A1
JPWO2012098911A1 JP2012553644A JP2012553644A JPWO2012098911A1 JP WO2012098911 A1 JPWO2012098911 A1 JP WO2012098911A1 JP 2012553644 A JP2012553644 A JP 2012553644A JP 2012553644 A JP2012553644 A JP 2012553644A JP WO2012098911 A1 JPWO2012098911 A1 JP WO2012098911A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
phase
optical
signal
sum frequency
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2012553644A
Other languages
English (en)
Other versions
JP5856083B2 (ja
Inventor
遊部　雅生
雅生 遊部
毅伺 梅木
毅伺 梅木
圓佛　晃次
晃次 圓佛
明雄 登倉
明雄 登倉
宮本　裕
宮本　　裕
高良　秀彦
秀彦 高良
弘和 竹ノ内
弘和 竹ノ内
勲 富田
勲 富田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP2012553644A priority Critical patent/JP5856083B2/ja
Publication of JPWO2012098911A1 publication Critical patent/JPWO2012098911A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5856083B2 publication Critical patent/JP5856083B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06754—Fibre amplifiers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL 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
    • G02F1/00—Devices 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
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G02F1/3532—Arrangements of plural nonlinear devices for generating multi-colour light beams, e.g. arrangements of SHG, SFG, OPO devices for generating RGB light beams
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL 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
    • G02F1/00—Devices 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
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G02F1/3534—Three-wave interaction, e.g. sum-difference frequency generation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL 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
    • G02F1/00—Devices 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
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G02F1/3544—Particular phase matching techniques
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL 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
    • G02F1/00—Devices 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
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/39—Non-linear optics for parametric generation or amplification of light, infrared or ultraviolet waves
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0092—Nonlinear frequency conversion, e.g. second harmonic generation [SHG] or sum- or difference-frequency generation outside the laser cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/106—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
    • H01S3/108—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using non-linear optical devices, e.g. exhibiting Brillouin or Raman scattering
    • H01S3/1083—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using non-linear optical devices, e.g. exhibiting Brillouin or Raman scattering using parametric generation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL 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
    • G02F1/00—Devices 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
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G02F1/3536—Four-wave interaction
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL 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
    • G02F1/00—Devices 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
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL 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
    • G02F1/00—Devices 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
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/39—Non-linear optics for parametric generation or amplification of light, infrared or ultraviolet waves
    • G02F1/392—Parametric amplification
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2383—Parallel arrangements
    • H01S3/2391—Parallel arrangements emitting at different wavelengths

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Abstract

本発明の目的は、光通信に適用可能であり、かつ低雑音での増幅が可能な位相感応光増幅装置を提供することである。本発明に係る位相感応光増幅装置は、非線形光学効果を用いた光混合により信号光を増幅する位相感応型光増幅装置であり、第１の二次非線形光学素子（６０２−１）と、第２の二次非線形光学素子（６０２−２）とを備える。第１の二次非線形光学素子（６０２−１）は、基本波光（６２１）から励起光として用いられる第二高調波光（６２２）を発生させ、基本波光および第二高調波光から、第二高調波光のみを分離するフィルタ（６０６−１）を備える。第２の二次非線形光学素子（６０２−２）は、信号光と第二高調波光とを合波する合波器（６０６−２）を備え、合波された信号光と第二高調波光とを用いてパラメトリック増幅を行い、第二高調波光および増幅された信号光から、増幅された信号光のみを分離するフィルタ（６０６−３）を備える。

Description

本発明は光増幅装置に関し、具体的には、光通信システムや光計測システムにおいて用いられる光増幅装置ならびにこの光増幅装置を備えた光送信装置及び光受信装置に関する。
従来の光伝送システムでは、光ファイバを伝搬することにより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。しかしながら、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ことや、伝送する信号のスピードが速くなると、消費電力が大きくなるなどの問題があった。
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ー増幅器や、半導体レーザー増幅器がある。ファイバレーザー増幅器や半導体レーザー増幅器は、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という利点を有する。しかし、これらのレーザー増幅器は、劣化した信号光パルス波形を整形する機能を有さない。また、これらのレーザー増幅器においては、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比が増幅前後で少なくとも３ｄＢ低下する。これらは、デ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。
このような従来のレーザー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。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ための機能を有する。また、信号とは無関係の直交位相を持つ自然放出光を抑圧できるために、増幅前後で信号光のＳ／Ｎ比を劣化させず同一に保つことが原理的に可能である。
J. A. Levenson, I. Abram, T. Rivera, and P. Grainger, "Reduction of quantum noise in optical parametric amplification," J. Opt. Soc. Am. B, vol. 10, pp. 2233-2238 (1993). W. Imajuku, and A. Takada, "Gain characteristics of coherent optical amplifiers using a Mach-Zehnder interferometer with Kerr Media," IEEE J. Quantum Electron., vol. 35, no. 11, pp. 1657-1665 (1999). R. Slavik et al., "All-optical phase and amplitude regenerator for next-generation telecommunications system," Nature Photonics., vol. 4, pp. 690-695 (2010). T. Umeki, O. Tadanaga, and M. Asobe, "Highly efficient wavelength converter using direct-bonded PPZnLN ridge waveguide," IEEE J. Quantum Electron., vol. 46, no. 8, pp. 1003-1008 (2010). R. Slavik et al., "All-optical phase-regenerative multicasting of 40 Gbit/s DPSK signal in a degenerate phase sensitive amplifier," In Proceedings of the European Conference and Exhibition on Optical Communication (ECOC 2010, Torino, Italy) MO.1.A.2. 諸橋 功，坂本 高秀，外林 秀之，川西 哲也，寳迫 巌, "マッハツェンダー変調器ベース光コム発生器およびソリトン圧縮による100fs 級パルス発生," 第72 回応用物理学会学術講演会 講演予稿 (応用物理学会2011 秋 山形大学) 30a-P3-1 R. Tang et al., "In-line phase-sensitive amplification of multichannel CW signals based on frequency nondegenerate four-wave-mixing in fiber," Optics Express., vol. 16, pp. 9046-9053 (2008). 中川清司、他３名、「光増幅器とその応用」、オーム社、1992/05、p.26 西原他、「光集積回路」、オーム社
しかしながら、上述した従来技術では以下に述べるような問題が存在する。
従来の位相感応光増幅器の基本的な構成を図１に示す。この光増幅器は、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、２つの光分岐部１０４−１、１０４−２とから構成される。
この光増幅器は、位相感応光増幅部１０１における信号光と励起光の位相が後述する特定の関係を満たすと入力信号光１１０は増幅され、両者の位相が後述する特定の関係から９０度ずれた直交位相関係になると、入力信号光１１０は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―信号光間の位相を制御し、同期させると、信号光と直交位相の自然放出光を発生させずに、つまりＳ／Ｎ比を劣化させずに信号光を増幅することができる。
信号光と励起光の位相同期を達成するために、光分岐部１０４−１で分岐された入力信号光１１０の位相に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、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、出力信号が最大となるように励起光１１１の位相を制御する。その結果、位相感応光増幅部１０１において、信号光の位相と、励起光の位相とが同期するように制御され、Ｓ／Ｎ比の劣化のない光増幅を実現することができる。
なお、励起光位相制御部１０３は、図１に示すような励起光源１０２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１０２の位相を直接制御する構成としてもよい。また信号光を発生する光源が位相感応光増幅部の近くに配置されている場合は、信号光用光源の一部を分岐して励起光として用いることもできる。
位相感応光増幅部には２次もしくは３次の非線形光学効果を有する媒質が用いられる。従来、これらの位相感応光増幅器は主に、光の量子状態を制御するスクィージング等の基礎研究分野で用いられてきた。初期の位相感応光増幅器の研究では二次非線形光学結晶を用いた研究が報告されている。
２次の非線形光学効果を利用する場合は、非特許文献１に示されるように、光学結晶等を非線形媒質として用い、信号光の第二高調波に相当する波長を励起光として用い、励起光と信号光を、非線形媒質に入射し、三光波混合を利用した縮退パラメトリック増幅（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＯＰＡ）を行うことにより位相感応増幅が達成される。
図２に示すように、従来技術では、レーザー光源２０１からの比較的高い強度を持つレーザー光を分岐し一方をＳＨＧ（Second Harmonic Generation）結晶２０２に入射し、他方を信号光２１０として用いる。第二高調波に変換された励起光２１１と信号光２１０とを縮退光パラメトリック増幅の可能な非線形光学結晶２０３に入射して、位相感応増幅を行う。
位相感応光増幅器においては、信号光の位相が励起光の位相と特定の関係を満たす場合にのみ増幅作用が起こる。具体的には、信号光と励起光の位相が一致、もしくはπラジアンだけずれている必要がある。すなわち２次の非線形光学効果を用いる場合は、第二高調波に相当する波長である励起光の位相φ２ωsと、信号光の位相φωsとが以下の（式１）の関係を満たすことが必要となる。
Δφ＝１／２φ２ωs−φωs＝ｎπ（ただし、ｎは整数） （式１）
図３は、従来の二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器における、入力信号光‐励起光間の位相差Δφと、利得（ｄＢ）との関係を示すグラフである。Δφが−π、０、またはπのときに、利得が最大となっていることがわかる。
図２に示した構成においても、図１で示したように出力信号光の一部を分岐して狭帯域の検出器で検波し、出力信号が最大となるように励起光の位相を制御して信号光と励起光の位相同期を達成することができる。
また、詳細は後述するが、上記で説明した縮退パラメトリック増幅は、非縮退パラメトリック増幅において、信号光とアイドラ光の波長が一致した特別な場合である。２次の非線形光学効果を用いる場合は、第二高調波に相当する波長である励起光の位相φＳＨと、信号光の位相φＳ、アイドラ光の位相φｉが以下の（式２）の関係を満たすことで、非縮退パラメトリック増幅による位相感応増幅を行うことが可能である。
Δφ＝１／２φＳＨ−１／２（φＳ＋φｉ）＝ｎπ（ただし、ｎは整数） （式２）
近年光通信の高度化が進むにつれて、位相感応光増幅器の光通信への応用が注目を集めつつある。光通信の分野では通信用光部品との親和性が高い光ファイバの三次非線形光学効果を利用した構成の報告がある。３次の非線形光学効果を用いる場合は、光ファイバ等を非線形媒質として用い、非特許文献２に示されるように、信号光と同じ波長の１つの励起光を用い、励起光と信号光とを、非線形媒質に入射し、四光波混合を利用した縮退パラメトリック増幅を行うことにより位相感応増幅を達成することができる。
３次の非線形媒質を用い、信号光と同じ波長の１つの励起光を用いる場合は、励起光の位相φωpと信号光の位相φωsとが以下の（式３）の関係を満たすことが必要となる。
Δφ＝φωｐ−φωs＝ｎπ（ただし、ｎは整数） （式３）
信号光と同じ波長の１つの励起光の代わりに、非特許文献３に示されるように、信号光の光周波数をωｓとするときに（式４）を満たす光周波数ωｐ１，ωｐ２をそれぞれ有する２つの励起光を用いてもよい。
２ωｓ＝ωｐ１＋ωｐ２ （式４）
３次の非線形媒質を用い、２つの光周波数ωｐ１，ωｐ２に相当する波長の２つの励起光を用いる場合は、励起光の位相φωp１，φωp２と信号光の位相φωsとが以下の（式５）の関係を満たすことが必要となる。
Δφ＝１／２(φωｐ１＋φωｐ２)-φωｓ＝ｎπ（ただし、ｎは整数） （式５）
３次の非線形媒質を用いる場合でも、２次の非線形光学効果を用いる場合と同様に出力信号光の一部を分岐して狭帯域の検出器で検波し、出力信号が最大となるように励起光の位相を制御して信号光と励起光の位相同期を達成することができる。
光ファイバを用いた方式には前述のように信号光と同じ波長の１つの励起光か、信号光とは異なる２つの波長の励起光を用いる方式がある。１つの励起光を用いる場合は、励起光を信号光から分離する必要があるために、非特許文献２に示されるようにループ型のファイバ干渉計を用いて、信号光と励起光を分離する。しかし、この方式では、光ファイバ中のＧＡＷＢＳ(guided acoustics wave Brillouin scattering)による位相変調がファイバをそれぞれ逆方向へ伝搬する光に相関のない形で加わるために、雑音特性が劣化してしまう。この問題を避けるために、近年は非特許文献３に示されるような２つの励起光を用いる方法が良く研究されている。
図４に、光ファイバを用い、２つの励起光を用いた場合の構成を示す。非特許文献３に示されるように、光ファイバ中の四光波混合等の手段を用いて、入射する信号４１０の平均的な位相と同期した２つの励起光（４１１−１，４１１−２）をまず生成する。次に、２つの励起光（４１１−１，４１１−２）と、信号光４１０とをエルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）４０２にて増幅し、高非線形性光ファイバ４０３に入射する。図４では信号光４１０と２つの励起光（４１１−１，４１１−２）を合波してＥＤＦＡで増幅する構成となっているが、２つの励起光だけをＥＤＦＡで増幅し、信号光と合波してから光ファイバに入射しても同様の効果が得られると考えられる。信号光と２つの励起光との間に上述の（式５）で示した関係が成立するように位相を調整することにより、四光波混合による位相感応増幅を達成することができる。しかしながら、上述してきた従来技術では以下のような問題点がある。
二次非線形光学結晶を用いた従来の位相感応光増幅器においては、主にＳＨＧやパラメトリック増幅を起こすのに十分な高い出力のパルスレーザー光源を用いて動作させることのできる構成しか示されておらず、一般的に微弱な光を扱う光通信のシステムに適用できるような構成は、未だ公開されていない。
光ファイバを用いた位相感応増幅においては、光通信のシステムに適用可能な構成は示されているものの、四光波混合を用いるため、信号光、励起光の波長が近接する構成となっている。特に図４には、光ファイバ中の非線形光学効果を利用できるようにＥＤＦＡなどの光ファイバ増幅器により必要なパワーを得る構成が示されているが、ＥＤＦＡで光増幅を行う際に増幅自然放出光(ＡＳＥ光)が雑音として励起光に重畳してしまう。ここで、励起光の波長と信号光の波長とが接近しているために、ＡＳＥ光を取り除くことが困難であり、信号光波長にもＥＤＦＡから発生するＡＳＥ光が重畳してしまう。結果として、信号光のＳ／Ｎ比が劣化してしまい、低雑音での光増幅を行うことができない。
本発明の目的は、上記のような従来技術の問題を鑑みて、光通信に適用可能であり、かつ低雑音での増幅が可能な位相感応光増幅装置を提供することである。
ところで近年の光通信技術においては大容量の信号を高い周波数利用効率で送るための方法として、光OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)に代表されるように、高速データを複数の光キャリアに分割して変調を行うようなスーパチャネルと呼称されるデータの送受信方法が検討されている。上記のような複数の搬送波にデータ変調を行うような方式を光領域で行うためには、モード同期レーザーや光変調器を用いて等間隔で並んだ光周波数の搬送波からなる光コムを発生する。発生した光コムは分波器により分配され、それぞれの搬送波に光変調器を用いてデータ変調が行われ、再び合波されて伝送路へ導かれる。
しかしながら、上述した従来技術では以下に述べるような問題点がある。一般に複数の搬送波からなる光コムを分波器で分波し変調器で変調して、合波器で合波する場合、それぞれの構成要素の挿入損失が大きいため、元の光コムに比べて光パワーが著しく減衰してしまう。また、例えば非特許文献６に示されるように単一波長の光源を変調器によって光コムを発生する方法も提案されているが、そのような構成では光コムを発生するだけでも変調器の損失や複数搬送波への変換効率の分だけ光パワーが小さくなってしまう。
近年の光通信では周波数利用効率の向上が求められており、シャノンの通信理論で知られるように高い周波数利用効率を得るためには信号のＳ／Ｎ比が大きいことが求められる。ところが、上記のような光コムの変調を行うような送信方法では光の発生、変調に伴う光パワーの損失が大きく、光信号を発生した後に通常のレーザー媒質を用いた光増幅器で光ファイバでの伝送に必要なパワーまで増幅を行うと、光増幅器への入力パワーが小さいために信号のＳ／Ｎ比を著しく劣化させてしまう。
位相感応光増幅器による低雑音な光増幅の原理は知られているものの、一般的に位相感応光増幅器では縮退パラメトリック増幅を用いるために、増幅できる信号波長は１つであり、複数の搬送波を同時に増幅することはできない。
複数波長を同時に増幅できる方法として、非特許文献７に示されるように光ファイバ中の四光波混合を用いた非縮退パラメトリック増幅を用いる位相感応光増幅器の構成が提案されている。図５に従来の光ファイバ中の四光波混合を用いた複数波長の増幅方法の概略図を示す。この方法ではまず、Copier部内の第１の光ファイバ５０１に複数の変調光と励起光を入射し四光波混合を用いた波長変換により、入力変調光と位相の反転したアイドラ光を生成する。次いで、複数の変調光群と対応するアイドラ光群を第２の光ファイバ５０２に入射し、非縮退パラメトリック増幅を行う。この構成を用いれば複数波長の信号光を位相感応増幅することができる。
しかしながら、このように光ファイバの四光波混合を用いた光増幅では、励起光と信号光の全てが同じ1.55μm帯の通信波長帯に配置される。励起光の発生・増幅に光ファイバ増幅器５０３が用いられるが、その光ファイバ増幅器から発生する増幅された自然放出光（ASE)が増幅信号光に混入してしまうために、出力のＳ／Ｎ比は入力よりも劣化してしまうという問題があった。
本発明は、非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する位相感応型光増幅装置であり、基本波光を増幅する光ファイバレーザー増幅器と、周期的に分極反転された二次非線形光学材料から成る、基本波光から和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子と、基本波光と、和周波光とから和周波光のみを分離するフィルタと、信号光と、励起光である和周波光とを合波する合波器と、周期的に分極反転された二次非線形光学材料から成る、励起光を用いて信号光のパラメトリック増幅を行うための光導波路を備えた二次非線形光学素子と、増幅された信号光と、励起光とを分離するフィルタと、信号光の位相と、励起光の位相とを同期する手段とを備えたことを特徴とする。
本発明の一実施形態において、和周波光は、第二高調波であることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、パラメトリック増幅は、縮退パラメトリック増幅であることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、パラメトリック増幅は、非縮退パラメトリック増幅であることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、信号光は、励起光である和周波光の半分の光周波数を中心として対称関係にありかつ同一のまたは反転した位相情報を持つ、１または複数の信号光の対から成ることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、信号光の位相と、励起光の位相とを同期する手段は、位相変調器および光学長の伸長器と、増幅された信号光の一部または励起光の一部を分岐する手段と、位相変調器によって変調された位相変化に対応した分岐する手段により分岐された光の強度変化の検出手段と、検出手段によって検出した光の強度変化をもとに位相変調器及び光学長の伸長器に増幅された信号光の強度を最大化するように帰還を行う位相同期ループ回路とから構成されることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、信号光の位相と、励起光の位相とを同期する手段は、基本波光を発生する半導体レーザーもしくは基本波光または励起光に位相同期している光を発生する半導体レーザーと、増幅された信号光の一部または励起光の一部を分岐する手段と、分岐する手段により分岐された光の強度変化の検出手段と、検出手段によって検出した光の強度変化をもとに増幅された信号光の強度を最大化するように、基本波光を発生する半導体レーザーもしくは基本波光または励起光に位相同期している光を発生する半導体レーザーの駆動電流に帰還を行う位相同期ループ回路とから構成されることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、信号光は、連続波光のパイロットトーンをさらに備え、位相感応型光増幅装置は、信号光の一部を分岐する手段と、半導体レーザー光源とをさらに備え、半導体レーザー光源は、連続波光のパイロットトーンにより光注入同期され、注入光に位相同期した、半導体レーザー光源から出力された連続光は、基本波光として用いられることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、信号光の一部を分岐する手段と、半導体レーザー光源とをさらに備え、半導体レーザー光源は、和周波光のみを分離するフィルタから出力された和周波光により光注入同期され、注入光に位相同期した、半導体レーザー光源から出力された連続光は、励起光として用いられることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、信号光の一部を分岐する手段と、半導体レーザー光源と、第1の基本波光を発生させるための光源と、周期的に分極反転された二次非線形光学材料から成る、信号光の第二高調波を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子と、周期的に分極反転された二次非線形光学材料から成る、発生させた第二高調波と第１の基本波光との間の差周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子とをさらに備え、半導体レーザーは、発生させた差周波光により注入同期され、注入光に位相同期した、半導体レーザー光源から出力された連続光を第２の基本波光とし、第１の基本波光と第２の基本波光とを用いて、基本波光から和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子によって、和周波光を発生させることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、信号光の一部を分岐する手段と、半導体レーザー光源と、第1の基本波光を発生させるための光源と、周期的に分極反転された二次非線形光学材料から成る、信号光の第二高調波を発生させるためのかつ発生させた第二高調波と第１の基本波光との間の差周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子とをさらに備え、発生させた差周波光を半導体レーザーに注入同期し、注入光に位相同期した、半導体レーザー光源から出力された連続光を第２の基本波光とし、第１の基本波光と第２の基本波光とを用いて、基本波光から和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子によって、和周波光を発生させることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、基本波光と、和周波光から和周波光のみを分離するフィルタは、誘電体膜を用いたダイクロイックミラーまたはマルチモード干渉を用いた光分波素子であることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、信号光と、励起光である和周波光とを合波する合波器は、誘電体膜を用いたダイクロイックミラーまたはマルチモード干渉を用いた光合波素子であることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、増幅された信号光と、励起光とを分離するフィルタは、誘電体膜を用いたダイクロイックミラーまたはマルチモード干渉を用いた光分波素子であることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、和周波光は、和周波光の波長においてシングルモードの偏波保持ファイバで伝送されることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、バンドパスフィルタを、光ファイバレーザー増幅器と和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子との間にさらに備えたことを特徴とする。
本発明の一実施形態において、和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子と、パラメトリック増幅を行うための光導波路を備えた二次非線形光学素子とは、個別に温度調整可能であることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、位相感応型光増幅装置と、フォトダイオードとから構成された光受信装置であって、位相感応型光増幅装置は、位相感応型光増幅装置に従属接続された光ファイバレーザー増幅器と、増幅された信号光の近傍の波長を透過するバンドパスフィルタとをさらに備えたことを特徴とする。
本発明の一実施形態において、位相感応型光増幅装置と、信号光を生成する光源と、光変調器と、光源からの出力の一部を分岐する手段とから構成された光送信装置であって、分岐された光源からの出力の一部を基本波光として用いることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、光ファイバレーザー増幅器よりも出力側に、位相変調器をさらに備え、位相変調器は、直接接合法により作製された光導波路からなることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、位相変調器をさらに備え、位相変調器は、和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子に集積され、位相変調器は、和周波光を発生させるための光導波路と同一導波路上に隣接して形成され、和周波光を発生させるための光導波路の前段または後段に接続されたことを特徴とする。
本発明の一実施形態において、位相変調器をさらに備え、位相変調器と、基本波光と、和周波光とから和周波光のみを分離するフィルタと、信号光と励起光とを合波する合波器とは、和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子に集積され、フィルタと、合波器とは、光導波路と同一導波路上に隣接して形成され、位相変調器は、合波器の前段に接続され、フィルタは、合波器の前段に接続され、和周波光を発生させるための光導波路は、フィルタおよび合波器の前段に接続されることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、位相変調器をさらに備え、位相変調器と、基本波光と、和周波光とから和周波光のみを分離するフィルタと、信号光と励起光とを合波する合波器とは、パラメトリック増幅を行うための光導波路を備えた二次非線形光学素子に集積され、位相変調器と、合波器とは、光導波路と同一導波路上に隣接して形成され、フィルタは、合波器の前段に接続され、光導波路は、合波器の後段に接続され、位相変調器は、合波器の前段に接続されることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、位相変調器をさらに備え、位相変調器と、基本波光と和周波光とから和周波光のみを分離するフィルタと、信号光と励起光とを合波する合波器とは、和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子に集積され、集積された和周波光を発生させるための二次非線形光学素子およびパラメトリック増幅を行うための二次非線形光学素子は、一つの光学素子として一体化され、和周波光を発生させるための光導波路と、基本波光と和周波光とから和周波光のみを分離するフィルタと、信号光と励起光とを合波する合波器と、パラメトリック増幅を行うための光導波路とは、同一導波路上に隣接して形成され、位相変調器は、信号光と励起光とを合波する合波器の前段に接続され、基本波光と和周波光とから和周波光のみを分離するフィルタは、合波器の前段に接続され、和周波光を発生させるための光導波路は、基本波光と和周波光とから和周波光のみを分離するフィルタおよび合波器の前段に接続され、パラメトリック増幅を行うための光導波路は、合波器の後段に接続されることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、位相変調器と、和周波光を反射する手段と、基本波光から和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子に、基本波光を入射し、かつ増幅された信号光を透過する光サーキュレータと、信号光の入力、および基本波光と和周波光から和周波光のみを分離するフィルタにより分離された基本波光の出力に用いられる第１の光導波路と、反射手段と合波器とを接続する第２の光導波路とをさらに備え、フィルタと合波器と第１の光導波路および第２の光導波路とは、和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子に集積され、基本波光から和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子の光導波路と、励起光を用いて信号光のパラメトリック増幅を行うための光導波路を備えた二次非線形光学素子の光導波路とは、共用され、フィルタと合波器とは、共用され、共用された光導波路と共用された合波器と第２の光導波路とは、同一導波路上に隣接して形成され、共用された光導波路と第１の光導波路と第２の光導波路とは、合波器に接続されていることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、第１の光導波路の合波器に接続された接面とは反対側の断面が、第１の光導波路の軸と０°より大きく９０°未満の角度をなすように切断され、共用された光導波路の少なくとも１つの入出力端部が共用された光導波路の軸と０°より大きく９０°未満の角度をなすように端面処理されていることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、位相変調器は、基本波から和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子に集積され、位相変調器は合波器と同一導波路上に隣接して形成されていることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、周期的に分極反転された二次非線形光学材料は、ＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂxＴａ1-xＯ3（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ４、または、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｆｅ、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ことを特徴とする。
本発明の一実施形態において、和周波光を発生させるための光導波路と、パラメトリック増幅を行うための光導波路は、非線形光学効果を有する第一の基板と、第一の基板に比べ屈折率の小さい第二の基板とを直接貼り合わせることによって作製された直接接合光導波路であることを特徴とする。
本発明によれば、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信号光の特定の位相成分だけを増幅する位相感応光増幅器において、光通信で用いる微弱な光パワーからパラメトリック光増幅を利用するのに十分なパワーを得るために光ファイバ増幅器を用いながらも、光増幅に伴って発生するＡＳＥ光を信号光に重畳させずに位相感応光増幅器を構成することができるために、Ｓ／Ｎ比の劣化を防ぎながら高品質な光信号増幅が可能になる。さらには、本発明を用いることで、複数波長の一括増幅が可能で、かつ励起光と位相相関のある信号光を選択的に増幅することで、ＡＳＥ光などの無相関な光に起因した雑音を抑制することができる。
この結果、光通信に適用可能かつ低雑音での増幅が可能な位相感応光増幅器により、光ファイバ中の信号のＳ／Ｎ比を改善できるために、従来よりも高速の信号を低いパワーで長距離まで伝送することが可能になる。また、入射される信号光の位相チャープを補正して増幅することが可能であるために、光ファイバの波長分散による信号劣化の影響が小さくなり、増幅後の信号光の伝送距離を伸ばすことが可能になる。さらに、長距離伝送が必要な応用において位相チャープのあるような安価あるいは簡便な光変調器を用いてチャープのない光信号を発生することが可能になる。さらに、ＡＳＥ光を抑制することにより、一度劣化した光信号のＳ／Ｎ比を改善させることができる。さらに、位相相関のある信号光を選択的に増幅することで、ＡＳＥ光と信号光のビート雑音により劣化した信号光のＳ／Ｎ比を改善することができる。
従来の位相感応光増幅器の構成の説明図である。 従来の二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器の構成の説明図である。 従来の二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器における、入力信号光‐励起光間の位相差Δφと、利得（ｄＢ）との関係を示すグラフである。 従来の三次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器の構成の説明図である。 従来の光ファイバ中の四光波混合を用いた複数波長の搬送波の増幅方法を説明するための概略図である。 本発明の第１の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。 位相感応光増幅の動作を説明するための図であり、従来技術による構成を用いた場合を示す図である。 位相感応光増幅の動作を説明するための図であり、本発明の第１の実施形態に係る構成を用いた場合を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る位相感応光増幅器によって増幅された信号の時間波形の説明図であり、励起光を入射しないときの出力波形を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る位相感応光増幅器によって増幅された信号の時間波形の説明図であり、励起光と信号光との位相が同位相であるときの出力波形を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る位相感応光増幅器によって増幅された信号の時間波形の説明図であり、励起光と信号光との位相が９０度ずれたときの出力波形を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る位相感応光増幅器を含んだ光送信装置の構成の説明図である。 本発明の第２の実施形態による位相感応光増幅器によって増幅された信号の時間波形を説明するための図である。 従来のシングルモードファイバ（ＳＭＦ）中を所定距離伝送させた後の信号の時間波形を説明するための図である。 本発明の位相感応光増幅器によって増幅後の信号をシングルモードファイバ（ＳＭＦ）中を所定距離伝送させた後の信号の時間波形を説明するための図である。 本発明の第３の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る送信信号を生成するための送信器構成の一例を説明するための図である。 本発明の第３の実施形態に係る光注入同期の動作を説明するためのスペクトル図である。 本発明の第４の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。 位相感応光増幅の動作を説明するための図であり、従来技術による構成を用いた場合を示す。 位相感応光増幅の動作を説明するための図であり、本発明の第５の実施形態に係る構成を用いた場合を示す。 信号光の搬送波位相抽出方法を含めた、本発明の第５の実施形態に係る位相感応光増幅器の概念を説明する図である。 信号光の搬送波位相抽出方法を含めた、本発明の第５の実施形態に係る位相感応光増幅器の概念を説明する図である。 信号光の搬送波位相抽出方法を含めた、本発明の第５の実施形態に係る位相感応光増幅器の概念を説明する図である。 信号光の搬送波位相抽出方法を含めた、本発明の第５の実施形態に係る位相感応光増幅器の概念を説明する図である。 本発明の第５の実施形態に係る位相感応光増幅器の動作を説明するための光スペクトル図である。 本発明の第５の実施形態に係る位相感応光増幅器の動作を説明するための光スペクトル図である。 本発明の第５の実施形態に係る位相感応光増幅器の動作を説明するための光スペクトル図である。 本発明の第５の実施形態に係る位相感応光増幅器の動作を説明するための光スペクトル図である。 本発明の第５の実施形態に係る位相感応光増幅器の動作を説明するための光スペクトル図である。 本発明の第５の実施形態に係る別の位相感応光増幅器の構成の説明図である。 本発明の第５の実施形態に係るさらに別の位相感応光増幅器の構成の説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る位相感応光増幅器を含んだ光受信装置の構成の説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る位相感応光増幅器を用いて光増幅を行ったときのスペクトル図である。 本発明の第６の実施形態に係る位相感応光増幅器の評価結果を表すグラフである。 本発明の第６の実施形態に係る位相感応光増幅器の受信感度を評価するための誤り率特性を示すグラフである。 本発明の第７の実施形態で使用する信号を表す図である。 本発明の第７の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成を示す図である。 従来技術に係る位相感応光増幅の動作を説明するための図である。 本発明の第７の実施形態に係る位相感応光増幅器の動作を説明するための図である。 本発明の第７の実施形態に係る位相感応光増幅器を使用したときの効果を説明するための図であり、ＥＤＦＡから発生させたＡＳＥ光を意図的に混入させた信号光群の光スペクトルを示す。 本発明の第７の実施形態に係る位相感応光増幅器を使用したときの効果を説明するための図であり、ＥＤＦＡから発生させたＡＳＥ光を意図的に混入させた信号光群を本発明の第７の実施形態に係る構成を用いた位相感応光増幅器で増幅したときの出力の光スペクトルを示す。 本発明の第７の実施形態に係る位相感応光増幅器の効果を説明するための図であり、位相感応光増幅器で増幅したときの入出力における信号光とＡＳＥ光のビート雑音のレベルを示す図であり、縮退点を観測した場合を示す図である。 本発明の第７の実施形態に係る位相感応光増幅器の効果を説明するための図であり、位相感応光増幅器で増幅したときの入出力における信号光とＡＳＥ光のビート雑音のレベルを示す図であり、非縮退点を観測した場合を示す図である。 本発明の第７の実施形態に係る構成による、データ変調を施した光コム信号に対する増幅に起因したＳ／Ｎ比改善効果を調べるために用いた構成の説明図である。 本発明の第７の実施形態に係る位相感応光増幅器の効果を説明するグラフである。 本発明の第８の実施形態に係る位相感応光増幅器を含んだ光送信装置の構成の説明図である。 本発明の第８の実施形態に係る位相感応光増幅器を含んだ光送信装置の構成の別例を説明するための図である。 本発明の第８の実施形態に係る位相感応光増幅器を含んだ光送信装置の構成の別例を説明するための図である。 本発明の第８の実施形態に係る位相感応光増幅器によって増幅された信号の時間波形の説明図であり、励起光を入射しないときの出力波形を示す図である。 本発明の第８の実施形態に係る位相感応光増幅器によって増幅された信号の時間波形の説明図であり、励起光と信号光との位相が同位相であるときの出力波形を示す図である。 本発明の第８の実施形態に係る位相感応光増幅器によって増幅された信号の時間波形の説明図であり、励起光と信号光との位相が９０度ずれたときの出力波形を示す図である。 本発明の第８の実施形態に係る位相感応光増幅の構成の別例を説明するための図である。 本発明の第９の実施形態に係る位相感応光増幅の構成の説明図である。 本発明の第１０の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。 本発明の第１１の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。 本発明の第１１の実施形態に係る位相感応光増幅器における、入力信号光‐励起光間の位相差Δφと、第二高調波の利得との関係を示すグラフである。 本発明の第１１の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。 本発明の第１１の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。 本発明の第１１の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。 本発明の第１１の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。 本発明の第１２の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。 本発明の第１２の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。 本発明の第１２の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。 本発明の第１２の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。 本発明の第１２の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。 本発明の第１３の実施形態に係る位相感応光増幅器を含んだ光受信信装置の構成の説明図である。 本発明の第１３の実施形態に係る位相感応光増幅器による効果を説明するグラフである。 本発明の第１４の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。 本発明の第１５の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。 本発明の第１５の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。 本発明の第１５の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。 本発明の第１５の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図６に本実施形態の構成を示す。本実施形態では、光通信に用いられる微弱なレーザー光から非線形光学効果を得るのに十分なパワーを得るために、ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）６０１を用いて、基本波光６２１を増幅する。増幅した基本波光６２１を第１の二次非線形光学素子６０２−１に入射して第二高調波６２２を発生させる。第２の二次非線形光学素子６０２−２に信号光６２０と第二高調波６２２とを入射して縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応増幅を行う。斯かる位相感応光増幅装置の構成が、本願発明の基本的な特徴である。
図６に示す構成の詳細は後述するとして、このような構成をとると以下に述べるような従来技術では得られない効果が得られる。
図７Ａおよび図７Ｂは、位相感応光増幅で用いる信号光・励起光のスペクトルを模式的に示す図であり、図７Ａは、図４で示した従来のファイバレーザー増幅器および非線形媒質として光ファイバを利用した構成を用いた場合を示し、図７Ｂは、図６で示す本実施形態による構成を用いた場合を示す図である。
従来の光ファイバを用いた位相感応光増幅器では四光波混合を利用する。このため、パラメトリック光増幅を行うための励起光と信号光との波長が位相整合条件を満たすためには、これらの波長は、近接した波長にならざるを得ない。
図７Ａで例示するように、信号光７０１および励起光７０２が同じ１．５５μｍ帯の波長帯を有し、２つの励起光７０２−１，７０２−２を用いる場合、全体構成を簡略化するために２つの励起光を１つの光ファイバ増幅器で増幅することが望ましい。しかしその際、励起光波長の近傍に光ファイバ増幅器により発生するＡＳＥ光７０３が発生してしまう。信号波長帯域にＡＳＥ光を発生させないために信号光が光ファイバ増幅器を通らないような構成にすることは一応可能である。しかしながら、励起光を信号光と合波する際に両者の波長が接近しているために、波長選択性の良い光フィルタを実現することは困難であり、ＡＳＥ光を完全にカットすることができない。この結果、信号波長帯域に発生しているＡＳＥ光が信号波長に重畳してしまい、ＡＳＥ光の混入により信号光のＳ／Ｎ比が劣化してしまうこととなる。
一方、本実施形態による構成では、信号光７０１の波長と基本波光７０４の波長とは同一である。光通信で用いる微弱な光パワーから、パラメトリック光増幅を利用するのに十分なパワーを得るために、基本波光７０４を光ファイバ増幅器により増幅する。このときに基本波光７０４の波長近傍にＡＳＥ光７０３が重畳する。
本実施形態に係る構成においては、光増幅を行ったのちに、ＡＳＥ光７０３が重畳された基本波光７０４を、第１の二次非線形光学素子に入射し第二高調波７０５を発生させる。このときに励起光として使用される第二高調波７０５の波長帯域には、わずかにＡＳＥ光７０３の第二高調波が発生する以外には雑音となる広帯域のＡＳＥ光は発生しない。第二高調波７０５の波長は基本波光７０４の波長の半分であり、両者の波長は十分に離れている。従って、基本波光と第二高調波とから第二高調波のみを分離するような高い消光比を持ったフィルタをダイクロイックミラー等で実現することは比較的容易である。そのようなフィルタを第１の二次非線形光学素子の出力に接続することにより、励起光波長帯域の基本波光７０４とＡＳＥ光７０３とを完全に取り除くことができる。次いで、信号光７０１と第二高調波７０５のみとを合波して第２の二次非線形光学素子に入射し、縮退パラメトリック増幅による位相感応増幅を実現することができる。
再度図６を参照しながら、本実施形態の構成を詳しく述べる。本実施形態では、１．５４μｍの信号光６２０を増幅するために、信号光６２０の一部を光分岐部６０３−１で分岐して基本波光６２１として用いている。基本波光６２１は、エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）６０１を用いて増幅される。増幅された基本波光６２１は、第１の二次非線形光学素子６０２−１に入力される。
本実施形態では、ＥＤＦＡ６０１から発生する広帯域なＡＳＥ光が第１の二次非線形光学素子６０２−１により変換されることを防ぐために、ＥＤＦＡ６０１と第１の二次非線形光学素子６０２−１との間にバンドパスフィルタ６０４を挿入し、不必要なＡＳＥ光をカットした。二次非線形光学素子６０２は、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）から成る光導波路６０５を備える。ＰＰＬＮ導波路６０５は擬似位相整合によりニオブ酸リチウムの最も高い非線形光学定数ｄ３３を利用することが可能であり、かつ光導波路構造により高い光パワー密度が得られるので、図示するような構成にすることで高い波長変換効率を得ることができる。ＰＰＬＮ導波路に高強度のパワーを入射した場合にフォトリフラクティブ効果による光損傷により位相整合波長が変化する場合があるが、本実施形態ではそのような問題が生じないように、非特許文献４に示される直接接合により作製された導波路を用いている。
本実施形態では光損傷耐性に優れたＺｎを添加したニオブ酸リチウムをコアに用いた直接接合導波路を使用することにより、位相整合波長の変動を抑制した。また、ドライエッチング加工によりコア径を４μｍ程度まで小さくすることにより高い波長変換効率を実現した。第１のＰＰＬＮ導波路６０５−１から出射した、第二高調波６２２と基本波光６２３とは、ダイクロイックミラー６０６−１を用いて分離した。ダイクロイックミラー６０６−１で反射された０．７７μｍの第二高調波６２２は、この波長０．７７μｍにおいてシングルモード伝搬特性をもつ偏波保持ファイバ６０７を介して、第２の二次非線形光学素子６０２−２へと導かれている。このとき、ダイクロイックミラー６０６−１で完全には取り除けなかった波長１．５４μｍ付近の基本波光およびＡＳＥ光も偏波保持ファイバ６０７に入射されることになるが、０．７７μｍにおいてシングルモードであるこのファイバは波長１．５４μｍの光に対しては光の閉じ込めが弱いために、１ｍ程度の長さを伝搬させることにより、これらの不用な光を効果的に減衰させることができる。偏波保持ファイバ６０７で導かれた第二高調波６２２は、ダイクロイックミラー６０６−２を用いて波長１．５４μｍの信号光６２０と合波される。ダイクロイックミラー６０６−２は第二高調波６２２のみを反射させるので、第１のＰＰＬＮ導波路６０５−１から出射され、ダイクロイックミラー６０６−１および偏波保持ファイバ６０７を通ってくる波長１．５４μｍ付近の基本波光６２１とＡＳＥ光との残留成分を効果的に取り除くことができる。
信号光６２０と第二高調波６２２とは合波され、第２のＰＰＬＮ導波路６０５−２に入射される。第２のＰＰＬＮ導波路６０５−２は、第１のＰＰＬＮ導波路６０５−１と同等の性能、位相整合波長を有しており、縮退パラメトリック増幅により、信号光を位相感応増幅することができる。
本実施形態では、２つのＰＰＬＮ導波路６０５−１，６０５−２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に同一温度において位相整合波長が一致しない場合が考えられるが、そのような場合でも両者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一致させることができる。第２のＰＰＬＮ導波路６０５−２から出射された光は、ダイクロイックミラー６０６−３により励起光である第二高調波と増幅された信号光とに分離される。このときも第二高調波と増幅された信号光とは、波長が全く異なるために、出力において不必要な第二高調波成分を効果的に取り除くことができる。
位相感応増幅では、励起光と信号光の位相を同期させることが必要であるが、本実施形態では出力した増幅信号光の一部を光分岐部６０３−２で分岐して光検出器６０８で受光したのちに位相同期ループ回路（ＰＬＬ）６０９により位相同期を行った。ＥＤＦＡ６０１の前に配置した位相変調器６１０を用いて正弦波により微弱な位相変調を基本波光６２１に施す。光検出器６０８とＰＬＬ回路６０９でその位相変調の位相ずれを検出して、ＥＤＦＡ６０１の前に配置したＰＺＴによる光ファイバ伸長器６１１のの駆動電圧と位相変調器６１０のバイアス電圧とにフィードバックを行うことで、光ファイバ部品の振動や温度変動による光位相の変動を吸収して、安定的に位相感応増幅ができるようにした。本実施形態では、強度変調器６２４としてＬＮマッハツェンダー変調器を用い１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ信号を入力した場合の増幅特性を評価した。
図８Ａ、図８Ｂ、および図８Ｃは、本実施形態による位相感応光増幅器によって増幅された信号の時間波形を説明するための図である。図８Ａに励起光が入射しないときの入射信号光の出力波形を、図８ＢにＰＬＬにより励起光と信号光の位相が（式１）の関係を満たすように設定したときの出力波形を、図８ＣにＰＬＬにより励起光と信号光の位相が（式１）の関係から９０度ずれるように設定したときの出力波形をそれぞれ示す。
本実施形態では、励起光の位相と信号光の位相とを（式１）の関係を満たすように同期させることにより、第２のＰＰＬＮ導波路６０５−２に入射した第二高調波６２２のパワーが３００ｍＷという条件下、約１１ｄＢの利得を得ることができた。本実施形態では光ファイバ増幅器を用いることにより、光通信への応用では必須の条件であるＣＷ光の励起光による動作を実現することができた。また、本実施形態による構成をとることにより光ファイバ増幅器を用いながらも光ファイバ増幅器から発生するＡＳＥ光の混入を防ぐことが出来たため、Ｓ／Ｎ比の劣化を防いで位相感応増幅を行うことが可能になった。
なお、本実施形態では和周波の発生およびパラメトリック増幅を行う二次非線形光学素子に直接接合法により作製した光導波路を適用したが、本手法は本実施形態に限定されず、他の実施形態においても、直接接合法により作製した光導波路の適用が可能である。
励起光と信号光の位相が（式１）の関係から９０度ずれるように設定したときは、図８Ｃに示すように、ＮＲＺ信号のＯＮとＯＦＦレベルの間の過渡的な部分のみが増幅された波形が観測された。これはＮＲＺ信号を生成するのに使用したＬＮマッハツェンダー変調器として変調器中の片方のアームのみの位相変調を用いるタイプの変調器を用いたため、データ変調器によってチャープが生じることを反映している。すなわちＯＮとＯＦＦの間を遷移するときに変調器の出力の位相が変動し、ＯＮ状態の時を基準にすると、直交位相成分が生じる。このために信号光位相と励起光の位相とを直交させるように設定すると、位相チャープ成分のみが位相感応増幅されるという結果となる。このことはすなわち、信号光のＯＮ状態に位相を合わせた状態では、入力信号に位相チャープが含まれていた場合でも、そのチャープ成分を除去して、チャープのない信号として整形して増幅できることを示している。
さらに、本実施形態による動作を行う中で以下のような従来技術にはない利点があることも明らかになった。従来の光ファイバ中の四光波混合を利用し２つの励起光を使って位相感応増幅を行う構成では、非特許文献５に示されるように、信号光波長を中心として２つの励起光との間の四光波混合だけが起きるわけではなく、位相整合に対する条件が様々な波長間で満たされてしまう。従って、例えば一方の励起光を中心にして信号光が別の波長へ変換されるような過程も生じてしまい、増幅された信号光がつぎつぎとコピーされて複数の信号が生成されてしまう。このために増幅信号光のパワーが散逸してしまい、所望の信号光を増幅できるパワーが制限されてしまう。それに対して本実施形態では第２のＰＰＬＮ導波路へは信号光と第二高調波のみが入力されるので、従来技術のような不必要な波長変換過程が生じることがない。本実施形態では出力パワーを＋２２ｄＢｍまで大きくしても出力の飽和がみられず安定的な増幅を行うことができた。
Figure 2012098911
（第２の実施形態）
図９に本実施形態の構成を示す。本発明に係る位相感応光増幅器の有する波形整形効果を利用することで、チャープを持つような変調器を用いてもチャープを除去して信号を送り出すことができる。外部共振器型の半導体ＬＤ（ＥＣＬ）９３０からの出力を電界吸収型（ＥＡ）変調器を用いて４０Ｇｂ/ｓの変調速度でＮＲＺ強度変調を施した後、第１の実施形態に係る位相感応光増幅器と同様の位相感応光増幅器により変調信号を増幅し、送信器を構成した。
電界吸収型（ＥＡ）変調器は半導体を用いて作製できるため安価に大量に生産することができる。しかしながら、電界吸収を利用することから変調信号に周波数チャープ成分が重畳し信号品質を劣化させる。すなわちＯＮとＯＦＦの間を遷移するときに変調器の出力の位相が変動し、ＯＮ状態の時を基準にすると、直交位相成分が生じてしまう。このような信号を用いると、ファイバ中の分散により波形が劣化するため長距離伝送が難しいことが知られている。
図１０は、本実施形態による位相感応光増幅器によって増幅された信号の時間波形を説明するための図である。図１０（ａ）に増幅前の変調信号を、図１０（ｂ）に位相同期ループ回路（ＰＬＬ）により励起光位相と信号光位相とが（式１）の関係を満たすように設定したときの出力波形を、図１０（ｃ）にＰＬＬにより励起光位相と信号光位相とが（式１）の関係から９０度ずれるように設定したときの出力波形をそれぞれ示す。
励起光位相と信号光位相とが（式１）の関係から９０度ずれるように設定したときは、図１０（ｃ）に示すように、ＮＲＺ信号のＯＮとＯＦＦレベルの間の過渡的な部分のみが増幅された波形が観測された。これはＮＲＺ信号を生成するのにＥＡ変調器を用いているため、データ変調器のチャープが生じることを反映している。すなわちＯＮとＯＦＦの間を遷移するときに変調器の出力の位相が変動し、ＯＮ状態の時を基準にすると、直交位相成分が生じる。このために信号光位相と励起光位相とが（式１）の関係から９０度ずれるように設定すると、位相チャープ成分のみが位相感応増幅されるという結果となる。
すなわち、信号光のＯＮ状態に位相を合わせた状態では、入力信号に位相チャープが含まれていた場合でも、そのチャープ成分を除去して、チャープのない信号として整形して増幅できることを示している。このことを確かめるために、位相感応光増幅器を通す前の信号と、位相感応光増幅器を通した後の信号をシングルモードファイバ（ＳＭＦ）中を伝送させ分散耐性を比較した。
図１１Ａおよび図１１Ｂは、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）中を伝送させた後の信号の時間波形を説明するための図である。図１１Ａに増幅前の変調信号をそれぞれ１．２ｋｍ、２．４ｋｍ、３．６ｋｍ、４．８ｋｍの長さを持つシングルモードファイバ（ＳＭＦ）中を伝送させた後の出力波形を示す。図１１Ｂに本発明に係る位相感応光増幅器を通した後、それぞれ１．２ｋｍ、２．４ｋｍ、３．６ｋｍ、４．８ｋｍの長さを持つシングルモードファイバ（ＳＭＦ）中を伝送させた後の出力波形を示す。
分散耐性を定量的に比較するために、図１１Ａおよび図１１Ｂに示すそれぞれの条件においてビット誤り率を測定した。位相感応光増幅器を通す前の信号を２．４ｋｍよりも長いシングルモードファイバ（ＳＭＦ）中を伝送させると、ビット誤り率が非常に大きくなった。一方、本発明に係る位相感応光増幅器を通した後では、信号を４．８ｋｍのシングルモードファイバ（ＳＭＦ）中を伝送させても位相感応光増幅器を通す前の信号を２．４ｋｍ伝送させた信号と同程度のビット誤り率が得られた。つまり、本実施形態に係る送信器構成を用いることで、伝送に対する分散耐性を２倍にすることができた。
本実施形態に係る位相感応光増幅器の有する波形整形効果を利用することによって、安価な半導体ＥＡ変調器を用いたことで入力信号に位相チャープが含まれるような場合であっても、そのチャープ成分を除去して、チャープのない信号として整形し増幅可能な増幅器を実現することができる。なお、本実施形態においては、変調器として、電界吸収型（ＥＡ）変調器を用いたが、それ以外の変調器を用いてもよい。
（第３の実施形態）
図１２に本実施形態の構成を示す。データ変調の施された信号光１２４０が光ファイバ等の伝送媒質を伝搬し信号が送られる。その際、伝送媒体における光強度の損失を補償するために光増幅器を行う中継増幅器として本位相感応光増幅器を用いる場合の構成例が、図１２に示されている。
信号光を発生する光源が位相感応光増幅部の近くに配置されている場合は、信号光用光源の一部を分岐して基本波光として用いることができる。しかしながら、光伝送における中継増幅器として位相感応光増幅器を用いる場合には、例えば以下に述べる位相同期手段を用いて位相感応光増幅装置内の基本波光と信号光の位相を同期させる必要がある。
本実施形態では、入力される信号光として、信号光の片方の偏波にはデータ変調の施された光信号が重畳され、もう一方の偏波には無変調のＣＷ光が合波された信号光を用いる。
図１３に、本実施形態で使用する入力信号光の生成に用いた構成を示す。外部共振器型の半導体レーザー１３００を用いてＣＷ光を生成し、光分岐器１３０１を用いて２光路に分岐する。一方の分岐経路には強度変調器としてＬＮマッハツェンダー変調器１３０２を用い１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ信号を重畳した。もう一方の分岐経路には偏光子１３０４を挿入して偏波を９０°回転させて、強度信号の重畳された光とは直交偏波になるように偏波を合わせた。２つの信号を偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１３０５を用いて合波し、直交偏波にＣＷ光のパイロットトーンを混ぜ込んだ変調信号光１３１０を生成した。
位相同期手段を得るために、図１２に示すように位相感応光増幅装置を構成したが、これは第２の実施形態と同様の構成であるので説明は省略する（図９を参照）。直交偏波にＣＷ光のパイロットトーンを混ぜ込んだ変調信号光１２４０が伝送媒体を通って伝送されてくる。伝送媒体には光ファイバを用いた。光ファイバ中の偏波回転を偏波コントローラ１２３０で補正した後、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１２３１を用いてＣＷ光のパイロットトーンのみを分離した。信号の光強度は伝送光ファイバによる光強度の損失のため、光強度が極めて小さくＳ／Ｎ比が劣化している。分岐させたＣＷ光のパイロットトーンをアッテネータ（ＡＴＴ）１２１２により光強度を調整した後、サーキュレータ１２１３を通して位相感応光増幅装置内のＣＷ光源１２１４に光注入同期を行った。ＣＷ光源にはＤＦＢ型の半導体レーザーを用いた。ＤＦＢレーザーの発振波長をＣＷ光のパイロットトーンの波長に比べ0.04nmずらしておき、アッテネータ（ＡＴＴ）１２１２を用いてＣＷ光源に入力する光強度を変化させ、光スペクトルアナライザで様子を観測した。
図１４に光強度を数百μＷとした時の動作の様子を測定した光スペクトル図を示す。図１４中において、実線はＣＷ光のパイロットトーンを注入する前の光スペクトルを表し、破線はＣＷ光のパイロットトーンを注入する後の光スペクトルを表しているので、半導体レーザーの波長がパイロットトーン波長に引き込まれている様子がわかる。これにより、位相感応光増幅装置内のＣＷ光源がパイロットトーンに位相同期されるので、Ｓ／Ｎ比の劣化した信号光のパイロットトーンからＳ／Ｎ比のよい基本波光を生成することができる。
信号光のパイロットトーンに位相同期した基本波光を用いて、第１の実施形態で説明した位相感応光増幅器の構成を用いて光増幅を試みたところ、第１の実施形態と同様の特性結果が得られた。
本実施形態による構成を採用することにより、信号光を発生する光源が位相感応光増幅部の近くに配置されていないような中継増幅においても、上述の位相同期手段を用いることで位相感応増幅を行うことができた。
（第４の実施形態）
第３の実施形態においては、光通信における中継器に用いることを目的として、あらかじめ変調された信号光を位相感応増幅する場合の実施形態を示した。しかし、第３の実施形態の構成では、位相同期を行うためのパイロットトーンが変調信号光と直交する偏波を用いているため、パイロットトーン側の偏波方向には別の光信号を載せることが出来ないという課題がある。本実施形態では、この課題を解決するための構成を説明する。
図１５に本実施形態に係る構成を示す。本実施形態に係る装置は、２値の位相変調（ＢＰＳＫ）または２値差動位相変調（ＤＰＳＫ）信号もしくは通常の強度変調などの信号を、雑音を付加することなく増幅することができる。
本実施形態においては、基本波光を得るために光分岐部１５０３−１で信号光を分岐し、分岐した信号光をＥＤＦＡ１５０１で増幅させる。増幅された信号光を第１の二次非線形光学素子１５０２−１中の第１のＰＰＬＮ導波路１５０５−１に入射し、信号光の第二高調波を発生させる。第１のＰＰＬＮ導波路１５０５−１から出射される光から、第二高調波１５２２のみを分離するためにダイクロイックミラー１５０６−１を使用する。分離された第二高調波１５２２を波長０．７７μｍで発振する半導体レーザー１５１２に入射することにより注入同期が行われる。半導体レーザー１５１２の出力は、半導体レーザー１５１２と同様の波長帯域に利得を持つ半導体光増幅器１５１３により増幅され、ダイクロイックミラー１５０６−２を用いて波長１．５４μｍの信号光１５２０と合波される。信号光１５２０と、励起光として用いられる波長０．７７μｍの第二高調波１５２２とは合波された後、第２のＰＰＬＮ導波路１５０５−２に入射され、縮退パラメトリック増幅により、信号光を位相感応増幅することができる。
位相感応増幅を行うためには増幅器に入射してくる信号光の平均位相に同期した励起光を生成する必要がある。本実施形態においては、２値の位相変調を施されたような信号を用いる場合であっても、その平均位相に同期した励起光を生成することができる。
以下、その動作原理について簡単に説明する。２値の位相変調においては信号の位相を０とπラジアンの２つの値に変調して信号を送信している。このような信号をＥＤＦＡ１５０１で増幅したのちに第１のＰＰＬＮ導波路１５０５−１に入射し、第二高調波を発生させた場合、第二高調波の位相φ２ωは、次の（式６）で表される。
φ２ω＝２φωｓ （式６）
ここでφωｓは信号光の位相である。従って、位相が０とπの２値に変調された信号に対する第二高調波の位相は、０と２πの２値となり、位相変調による位相の変動が打ち消された光となって出力される。実際の位相変調信号においては、理想的に位相のみを変調することは困難であり、強度変調を伴った信号となる。従って、強度変調成分のない励起光を得るためには、上記の位相変調成分を取り除いた第二高調波を本実施形態のように注入同期を用いて、信号光の平均位相に同期させて、信号光の半波長の励起光とすることが望ましい。
本実施形態においては、注入同期を用いて位相変調の施された信号光から平均位相に同期した強度変調のない励起光を生成する。これにより、仮に信号光に位相雑音が付加された場合であっても、本来の信号と直交する位相成分は、位相感応増幅により減衰させることができるので、信号位相および直交位相の雑音成分を取り除くような信号再生を行うことができる。
本実施例形態においては、出力した増幅信号光の一部を光分岐部１５０３−２で分岐させて、光検出器１５０８で受光した後に、位相同期ループ回路（ＰＬＬ）１５０９から０．７７μｍで発振する半導体レーザーの駆動電流にフィードバックを行うことで光学部品の振動や温度変動による位相変動を補正し、安定的に位相感応増幅ができるようにしている。なお、半導体レーザーの出力に微弱な位相変調を施して、位相ずれを検出することで位相同期を行いやすくすることも可能である。
本実施形態においては、第１のＰＰＬＮ１５０５−１における第二高調波発生が可能となるパワーを得るためにＥＤＦＡ１５０１を用いているが、ＥＤＦＡ１５０１から発生するＡＳＥ光が位相感応増幅を行う第２のＰＰＬＮ導波路１５０５−２に入射しないために、光増幅器のＡＳＥ光に起因する信号光のＳ／Ｎ比劣化を防ぐことができる。
また、波長０．７７μｍで動作する半導体光増幅器１５１３からもＡＳＥ光は発生するが、この光は信号光と波長が全く異なるために、ダイクロイックミラー（１５０６−２，１５０６−３）によってほぼ完全に取り除くことが可能である。よって、光通信における中継器において、信号光のＳ／Ｎ比を劣化させることなく、且つ、直交偏波成分を利用することなく単一偏波内において位相感応増幅を行うことが可能である。
（第５の実施形態）
（１）第１の構成
位相感応光増幅器を光信号送信器の直後に配置するような、信号光を発生する光源が位相感応光増幅部の近くに配置されている場合は、信号光用光源からの光を分岐して基本波光として用いることができる。しかしながら、光伝送における中継増幅器として位相感応光増幅器を用いる場合には、光変調が施されている信号光から平均的な位相を抽出し、信号の搬送波位相と同期した基本波光を生成する必要がある。従って、増幅器を、実際の光伝送における中継増幅器として用いる場合は、この搬送波位相の抽出手段を含めた位相感応光増幅器を構成することが重要となる。
２次非線形光学効果を有する媒質を用いた第二高調波光を用いる場合、励起光として使う光である、第二高調波光の波長が信号光の波長の半分になる。これにより、搬送波位相の抽出などを行うための光デバイスに通信波長帯とは異なる波長の光部品を使う必要が生じる。例えば、第４の実施形態に示した構成では780nm帯のレーザーや光増幅器を用いる必要がある。
しかしながら、通信波長帯以外の波長の部品を使用するためには、様々な障害が生じる。波長によって、デバイスの成熟度が異なるため、デバイスの特性・スペックなど位相感応光増幅器を構成するための仕様を満足することができない、もしくは仕様を満たすためには非常に高額になる部品を使わなければならないなどの問題が生じる。より具体的には、高品質な半導体レーザーなどの入手が難しく、光強度や光線幅、使用可能な波長などに制限をうける。
光増幅器に関しても大きな課題を擁する。第二高調波などの通信波長に比べ波長の短い領域においては、光ファイバレーザー増幅器などを用いることができない。一部に半導体を用いる増幅器などによって実用化されているものもあるが、増幅率や飽和強度などの問題から位相感応増幅用に用いる励起光としては、十分な光強度を得ることができない、あるいは、半導体増幅器のもつ雑音指数（ＮＦ）により位相感応光増幅器に用いる励起光のＳ／Ｎ比が劣化するなどの問題があった。
さらに、通信波長に比べ波長の短い光（第二高調波など）用の光デバイスにおいては、部品によっては信頼性の観点から問題があることも多く、このような部品を用いた位相感応光増幅装置を実際の光通信システムに用いることは難しい。
上記の課題を考慮して、本実施形態においては、搬送波位相の抽出手段を含めた位相感応光増幅器を通信波長帯の光部品のみを用いて構成した。
また、非特許文献３に示されているように、３次の非線形効果を有する光ファイバ中の四光波混合を用いた搬送波位相の抽出方法は示されている。しかしながら、上述した通り、従来方法では、四光波混合を用いるため、信号光の波長と励起光の波長とが近接する構成となってしまうこと、および、ＥＤＦＡ等での光増幅を行う際に増幅自然放出光(ＡＳＥ光)が雑音として励起光に重畳してしまうことなどの問題があった。励起光の波長と信号光の波長とが接近しているために、ＡＳＥ光を取り除くことが困難であり、信号光波長にもＥＤＦＡから発生するＡＳＥ光が重畳してしまうので、結果として、信号光のＳ／Ｎ比が劣化してしまい、低雑音での光増幅を行うことができないという問題があった。
本実施形態は、上記のような従来技術の問題を鑑みて、光通信に適用可能であり、かつ低雑音での増幅が可能な位相感応光増幅装置を提供する。具体的には、信号の搬送波位相の抽出手段を含めた、光伝送における中継増幅器として適用可能な位相感応光増幅装置を、通信波長帯の光部品のみを用いて提供する。
図１６に本実施形態の構成を示す。本実施形態では、光通信に用いられる微弱なレーザー光から非線形光学効果を得るのに十分なパワーを得るために、ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）１６０１−１を用いて、信号光１６４０の一部を増幅する。増幅した信号光と発振波長が１５３４ｎｍの外部共振器レーザー１６３１によって生成された第１の基本波光１６４１−１を合波し増幅した後、第３の二次非線形光学素子１６０２−３に入射する。
第３の二次非線形光学素子１６０２−３内部で信号光の第二高調波が生成され、かつ生成された第二高調波と第１の基本波光１６４１−１との差周波発生により搬送波位相の抽出を行う。差周波光は同じ波長で発振する第２の基本波光１６４１−２に注入同期された後、第１の基本波光１６４１−１と合波される。
合波された後、ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）１６０１−２を用いて、基本波光１６４１−１と基本波光１６４１−２とで構成された、基本波光光１６４２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１６０２−１に入射して励起光である和周波光を発生させる。第２の二次非線形光学素子１６０２−２に信号光１６４０と和周波光とを入射して縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応増幅を行う。図１６に示す構成の詳細は後述するとして、このような構成をとると以下に述べるような従来技術では得られない効果が得られる。
図１７Ａおよび図１７Ｂは、位相感応光増幅で用いる信号光・励起光・基本波光のスペクトルを模式的に示す図であり、図１７Ａは、図４で示した従来のファイバレーザー増幅器および非線形媒質として光ファイバを利用した構成を用いた場合を示し、図１７Ｂは、図１６で示す本実施形態による構成を用いた場合を示す図である。
従来の光ファイバを用いた位相感応光増幅器では四光波混合を利用する。このため、パラメトリック光増幅を行うための励起光と信号光との波長が位相整合条件を満たすためには、これらの波長は、近接した波長にならざるを得ない。図１７Ａ（ａ−１）で例示するように、信号光１７０１および励起光１７０２が同じ１．５５μｍ帯の波長帯を有し、２つの励起光１７０２−１，１７０２−２を用いる場合、全体構成を簡略化するために２つの励起光を１つの光ファイバ増幅器で増幅することが望ましい。
しかしその際、励起光波長の近傍に光ファイバ増幅器により発生するＡＳＥ光１７０３が発生してしまう。信号波長帯域にＡＳＥ光を発生させないために信号光が光ファイバ増幅器を通らないようにする構成にすることは可能である。しかしながら、励起光を信号光と励起光とを合波する際に、励起光の波長と信号光の波長とが接近しているために、波長選択性の良い光フィルタを実現することは困難であり、ＡＳＥ光を完全にカットすることができない。この結果、信号波長帯域に発生しているＡＳＥ光が信号波長に重畳してしまい、ＡＳＥ光の混入により信号光のＳ／Ｎ比が劣化してしまうこととなる（図１７Ａ（ａ−３））。
一方、本実施形態による構成では、信号光１７０１の波長と基本波光（１７０２−１，１７０２−２）の波長とは近接している（図１７Ｂ（ｂ−１）を参照）。
光通信で用いる微弱な光パワーから、パラメトリック光増幅を利用するのに十分なパワーを得るために、基本波光（１７０２−１，１７０２−２）を光ファイバ増幅器により増幅する。このときに基本波光の波長近傍にＡＳＥ光１７０３が重畳する（図１７Ｂ（ｂ−２）を参照）。
本実施形態に係る構成においては、光増幅を行ったのちに、ＡＳＥ光１７０３が重畳された基本波光１７０２−１，１７０２−２から励起光である和周波光１７０４を発生させる。和周波光１７０４は、縮退パラメトリック増幅において励起光として使用される。和周波光１７０４の波長帯域には、わずかにＡＳＥ光の和周波光が発生する以外には雑音となる広帯域のＡＳＥ光は発生しない（図１７Ｂ（ｂ−３）を参照）。
和周波光１７０４の波長は、基本波光１７０２−１，１７０２−２の波長のほぼ半分であり、両者の波長は十分に離れている。従って、基本波光（１７０２−１，１７０２−２）と、和周波光（１７０４）とから、和周波光（１７０４）のみを分離するような高い消光比を持ったフィルタをダイクロイックミラー等で実現することは比較的容易である。そのようなフィルタを第１の二次非線形光学素子の出力に接続することにより、縮退パラメトリック増幅において励起光として使用される和周波光（１７０４）の波長帯域に存在する、基本波光（１７０２−１，１７０２−２）とＡＳＥ光（１７０３）とを完全に取り除くことができる（図１７Ｂ（ｂ−３）を参照）。
次いで、信号光と和周波光のみとを合波して第２の二次非線形光学素子に入射し、縮退パラメトリック増幅による位相感応増幅を実現することができる（図１７Ｂ（ｂ−４）を参照）。
再度図１６を参照しながら、本実施形態の構成を詳しく述べる。本実施形態では、２値の位相変調（ＢＰＳＫ）または２値差動位相変調（ＤＰＳＫ）が施された１．５４μｍの信号光を増幅するための、搬送波位相抽出手段まで含めた位相感応光増幅装置の構成を説明する。
信号光１６４０の一部は、偏波コントローラ１６３０を介して偏波を調整された後、光分岐部１６０３−１で分岐されて第１の基本波光１６４１−１と合波された後、エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）１６０１−１で増幅される。
増幅された信号光と第１の基本波光は、第３の二次非線形光学素子１６０２−３に入力される。本実施形態の、二次非線形光学素子１６０２−３は、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）から成る光導波路１６０５−３を備える。ＰＰＬＮ導波路１６０５−３において、信号光の第二高調波発生、ならびに、発生した第二高調波と第１の基本波光１６４１−１との間の差周波発生が可能となる擬似位相整合条件を満たす周期分極反転が形成されている。
信号光と第１の基本波光とが入力された第３の二次非線形光学素子１６０２−３によって、図１８Ａに示すように信号光の波長に対して半分の波長を持つ第二高調波１８０５が生成される。さらに図１８Ｂに示すように、内部で発生した第二高調波と第１の基本波光との間の差周波光が生成される。信号光の位相φｓと第１の基本波光の位相φｐ１と差周波光の位相φｐ２との間には、以下の（式７）を満たす関係が成立する。
２φｓ−φｐ１−φｐ２＝０ （式７）
従って、差周波光の位相φｐ２は以下の（式８）のように、信号光の位相φｓと第１の基本波光の位相φｐ１を用いて表される。
φｐ２＝２φｓ−φｐ１ （式８）
第二高調波発生を用いたことにより信号光の位相φｓを２倍とすることができる。通常データ信号には変調がかかっているため、搬送波の位相を抽出することが難しいが、信号光の位相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、差周波数発生を用いることで、搬送波の位相情報を含んだ差周波光を信号光と同じ波長帯である1.55μｍ帯で取り出すことができる。この時、ファイバの四合波混合ではなく、二次非線形光学素子であるＰＰＬＮ導波路を用いることで位相整合条件が一意に決まり、副次的な変換光を生ずることなく所望の光のみを取り出すことができる。
伝送されてきた信号光が完全な２値の位相変調状態であれば、差周波光には変調の影響は現れない。しかしながら、ファイバなどの伝送路を伝搬してきた光信号には位相雑音が重畳されているため、完全な２値の位相変調状態とはならない。従って、実際に得られた差周波光には、変調の不均一性に起因した影響が残っていた。また、元々微弱な信号光をさらに分波して第３の二次非線形光学素子に入力しているため、得られた差周波光の光強度は微弱なものであった。これらの問題を解決するために、差周波光を用いて光注入同期を行った。
図１６に示す通り、第３の二次非線形光学素子１６０２−３から出力された、信号光と、第１の基本波光と、差周波光とは、光サーキュレータ１６１３を通った後、それぞれの光に分波される。分波には、アレイ導波路格子(ＡＷＧ)型の波長合分波器１６１２を用いた。
分波器１６１２から出力された信号光は空間系に放出される。分波器１６１２から出力された第１の基本波光は、アイソレータ１６３４を用いて消光した。差周波光と一致した波長を持つ分波器１６１２の出力ポートには、差周波光とほぼ同じ波長で発振する半導体レーザー１６３２が接続されている。差周波光の光強度を１０μＷ乃至１００μＷになるように調整した後、半導体レーザー１６３２に入力することで光注入同期を行う。光注入同期により差周波光と同じ位相を持つ第２の基本波光１６４１−２を生成することができた。
第２の基本波光１６４１−２は、差周波光位相φｐ２と同じ位相を持つ。光強度は、半導体レーザーの出力により決まるため、数１０μＷ程度の微弱な差周波光を用いて数１０ｍＷ以上の第２の基本波光を得ることができた。
さらに、差周波光に重畳されていた信号光の変調の不均一性に起因した影響も緩和することができた。ＡＷＧ型合分波器１６１２の合波側から第１の基本波光を入射し、第２の基本波光と合波したうえで、サーキュレータ１６１３を用いて取り出した。
このように、本実施形態では、非線形素子と光注入同期により信号光搬送位相を抽出した、第１の基本波光及び第２の基本波光を基本波光として用いる。
基本波光は、エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）１６０１−２を用いて増幅される。増幅された基本波光は、第１の二次非線形光学素子１６０２−１に入力される。本実施形態では、ＥＤＦＡ１６０１−２から発生する広帯域なＡＳＥ光が第１の二次非線形光学素子１６０２−１により変換されることを防ぐために、ＥＤＦＡ１６０１−１と第１の二次非線形光学素子１６０２−１との間にバンドパスフィルタ１６０４を挿入し、不必要なＡＳＥ光をカットした。
二次非線形光学素子１６０２−１、１６０２−２は、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）から成る光導波路１６０５−１，１６０５−２を備える。ＰＰＬＮ導波路は擬似位相整合によりニオブ酸リチウムの最も高い非線形光学定数ｄ３３を利用することが可能であり、かつ光導波路構造により高い光パワー密度が得られるので、図示するような構成にすることで高い波長変換効率を得ることができる。ＰＰＬＮ導波路に高強度のパワーを入射した場合にフォトリフラクティブ効果による光損傷により位相整合波長が変化する場合があるが、本実施形態ではそのような問題が生じないように、非特許文献４に示される直接接合により作製された導波路を用いている。
本実施形態では光損傷耐性に優れたＺｎを添加したニオブ酸リチウムをコアに用いた直接接合導波路を使用することにより、位相整合波長の変動を抑制した。また、ドライエッチング加工によりコア径を４μｍ程度まで小さくすることにより高い波長変換効率を実現した。
第１のＰＰＬＮ導波路１６０５−１から出射した、和周波光と基本波光とは、ダイクロイックミラー１６０６−２を用いて分離した。ダイクロイックミラー１６０６−２で反射された０．７７μｍの和周波光は、この波長０．７７μｍにおいてシングルモード伝搬特性をもつ偏波保持ファイバを介して、第２の二次非線形光学素子１６０２−２へと導かれている。このとき、ダイクロイックミラー１６０６−２で完全には取り除けなかった波長１．５４μｍ付近の基本波光およびＡＳＥ光も偏波保持ファイバに入射されることになるが、０．７７μｍにおいてシングルモードであるこのファイバは波長１．５４μｍの光に対しては光の閉じ込めが弱いために、１ｍ程度の長さを伝搬させることにより、これらの不要な光を効果的に減衰させることができる。
偏波保持ファイバで導かれた和周波光は、ダイクロイックミラー１６０６−３を用いて波長１．５４μｍの信号光１６４０と合波される。ダイクロイックミラー１６０６−３は、和周波光のみを反射させるために、第１のＰＰＬＮ導波路１６０５−１から出射され、ダイクロイックミラー１６０６−２および偏波保持ファイバを通ってくる波長１．５４μｍ付近の基本波光とＡＳＥ光との残留成分を効果的に取り除くことができる。
信号光と和周波光とは合波され、第２のＰＰＬＮ導波路１６０５−２に入射される。第２のＰＰＬＮ導波路１６０５−２は、第１のＰＰＬＮ導波路１６０５−１と同等の性能、位相整合波長を有しており、縮退パラメトリック増幅により、信号光を位相感応増幅することができる。
本実施形態では、２つのＰＰＬＮ導波路１６０５−１、１６０５−２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に同一温度において位相整合波長が一致しない場合が考えられるが、そのような場合でも両者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一致させることができる。
第２のＰＰＬＮ導波路１６０５−２から出射された光は、ダイクロイックミラー１６０６−４により励起光である和周波光と増幅された信号光とに分離される。このときも和周波光と増幅された信号光とは、波長が全く異なるために、出力において不必要な第二高調波成分を効果的に取り除くことができる。
位相感応増幅では、励起光と信号光の位相を同期させることが必要であるが、本実施形態では出力した増幅信号光の一部を光分岐部１６０３−４で分岐して光検出器１６０８で受光したのちに位相同期ループ回路（ＰＬＬ）１６０９により位相同期を行った。ＡＷＧ型の合波器１６１２の前に配置した位相変調器１６１０を用いてｓｉｎ波により微弱な位相変調を第１の基本波光１６４１−１に施す。光検出器１６０８とＰＬＬ回路１６０９でその位相変調の位相ずれを検出して、ＡＷＧ型の合波器１６１２の前に配置したＰＺＴによる光ファイバ１６１１の伸長器の駆動電圧と位相変調器１６１０のバイアス電圧とにフィードバックを行うことで、光ファイバ部品の振動や温度変動による光位相の変動を吸収して、安定的に位相感応増幅ができるようにした。
図１８Ｃに示すように第１の基本波光１８０２及び第２の基本波光１８０３を用いて和周波光１８０４を生成する。この時、第１の基本波光位相φｐ１と、第２の基本波光位相φｐ２と、和周波光位相φＳＦの間には以下の（式９）の関係が成立する。
φＳＦ＝φｐ１＋φｐ２＝２φＳ （式９）
図１８Ｄに示すように、信号光と和周波光のパラメトリック増幅により位相感応増幅が行われる。この時、信号光位相φｓと和周波光位相φＳＦの間には以下の（式１０）を満たす関係がある。
ΔΦ＝φＳＦ−２φＳ＝ｎπ(ただし、ｎは整数) （式１０）
従って、ΔΦが、−π、０、またはπの時に利得が最大になる。
本実施形態では、位相変調器としてＬＮマッハツェンダー変調器を用い４０Ｇｂ／ｓの２値の位相変調（ＢＰＳＫ）信号を入力した場合の増幅特性を評価した。信号光の波長は約１５３６ｎｍに設定した。
まず、２値の位相変調の施された信号光の搬送波位相の抽出が可能であることを確かめるために、信号光を第３の二次非線形光学素子（図１６を参照、符号１６０２−３が示す）に入射し、内部で発生した第二高調波を観測した。
図１９Ａに光スペクトルアナライザで測定した信号光のスペクトルを示す。２値の位相変調が施されているため、波長軸上で見た時のキャリアの中心波長にはピークが観測されない。図１９Ｂに２値の位相変調の施された信号光の第二高調波に対するスペクトルを示す。第二高調波に対応する波長に強度の強いピークが観測されている。これは、信号光の第二高調波生成により位相変調がキャンセルされていることを示している。
次に、２値の位相変調の施された信号光と第１の基本波光を合波した後、第３の二次非線形光学素子に入射しスペクトルを観測した。第１の基本波光の波長は約１５３４ｎｍである。図２０に第３の二次非線形光学素子から出力された光を光スペクトルアナライザで測定した結果を示す。第３の二次非線形光学素子内部で生成された信号光の第二高調波と第１の基本波光との差周波発生により、波長は約１５３８ｎｍ付近に差周波光が生成されている。スペクトルの形状から差周波光には位相変調が重畳されていないことがわかる。
差周波光を波長合分波器により分離した後、差周波光とほぼ同じ波長で発振する半導体レーザーに入力した。半導体レーザーの出力と第１の基本波光とを波長合分波器により合波した後、光サーキュレータを用いて基本波光として用いる第１の基本波光及び第２の基本波光を取り出した。
図２１Ａ及び図２１Ｂにサーキュレータ後の出力をスペクトルアナライザで測定した時に得られたスペクトルを示す。図２１Ａは、差周波光を半導体レーザーに入射させない場合の基本波光のスペクトルを示す図である。図２１Ｂは、差周波光を半導体レーザーに入射し、差周波光を光注入同期させた場合の基本波光のスペクトルを示す図である。
図２１Ａ及び図２１Ｂを比べて第２の基本波光波長に対応する約１５３８ｎｍ付近のスペクトルをみると、光注入同期することにより元の半導体レーザーが変化している様子が分かる。光注入同期により位相情報まで含めて差周波光と同じ周波数で半導体レーザーが発振する。この時、半導体レーザーに入射する差周波光を徐々に上げていき、注入量が約数十μＷになった時に、半導体レーザーの波長が差周波光波長にシフトすることによっても、光注入同期が行われている様子を観測することができた。
基本波光として用いる第１の基本波光の光強度と、第２の基本波光の光強度とをほぼ同じになるように調整した後、エルビウム添加ファイバレーザー増幅器で増幅する。増幅した基本波光を二次非線形光学素子に入射して和周波光を発生させる。次いで、信号光と発生させた和周波光とを二次非線形光学素子に入射して縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応増幅を行った。
増幅特性を確認するために、増幅後の信号の利得を調べた。本実施形態では、ＰＬＬにより励起光の位相を信号光の位相に合わせることにより、ＰＰＬＮ導波路に入射した和周波光のパワーが３００ｍＷという条件下、約１１ｄＢの利得を得ることができた。
本実施形態では光ファイバ増幅器を用いることにより、光通信への応用では必須の条件であるＣＷ光の励起光による動作を実現することができた。また、本実施形態による構成をとることにより光ファイバ増幅器を用いながらも光ファイバ増幅器から発生するＡＳＥ光の混入を防ぐことが出来たため、Ｓ／Ｎ比の劣化を防いで位相感応増幅を行うことが可能になった。
本実施形態では、光通信へ応用するために、励起光にＣＷ光を用いたが、励起光にＣＷ光を用いることは、本実施形態に限定されず、他の実施形態においても有効に機能する。
（２）第２の構成
次に、第５の実施形態の別構成（第２の構成）について説明する。図２２に本実施形態の第２の構成を示す。
本構成では、１．５４μｍの信号を増幅するように装置を構成した。３つのＰＰＬＮ導波路を用いて、信号光の搬送位相を抽出した後、和周波光を発生させて縮退パラメトリック増幅を行う点は、図１６に示した構成と同じである。
相違点は、基本波光から和周波光を分離する方式および和周波光と信号光とを合波する方式である。さらに、本構成では、信号光の搬送位相の抽出手段をより簡便に構成した。
本発明によれば光ファイバ増幅器から発生するＡＳＥ光に起因する信号光のＳ／Ｎ比の劣化を抑制しながら位相感応増幅を行うことができるが、本構成ではその効果を有効に利用できるようにした。
本構成においても、基本波光からの和周波光の分離ならびに和周波光と信号光との合波にはダイクロイックミラーを用いている。一般的に、波長の異なる２つの光を分離または合波するために、一方の波長の光を反射し、他方の波長の光を透過するダイクロイックミラーがよく使用されているが、特に不必要な光をカットする用途の場合、カットしたい特定の波長光を反射させて使用する構成とすることが望ましい。
逆に、カットしたい特定の波長の光を透過させ、必要とする光を反射させて取り出す構成の場合、不必要な波長におけるミラーの反射率を非常に小さくする必要がある。不必要な波長におけるミラーの反射率を非常に小さくすることに比べると、カットしたい特定の波長の光の透過率を下げることは比較的容易であるため、不要な波長の光を反射させる構成の方が不必要な光を効果的に抑圧することができる。本構成では、そのような考え方に基づいて装置が構成されている。
図２２を参照しながら、本構成について説明する。信号光２２４０の一部は、偏波コントローラ２２３０を用いて偏波を調整され、光分岐部２２０３−１で分岐され、第１の基本波光と合波された後、エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）２２０１−１で増幅される。
外部キャビティレーザー２２３１からの第１の基本波光は、位相同期のためにＬＮ位相変調器２２１０を介した後で合波されている。
増幅された信号光と第１の基本波光は、第３の二次非線形光学素子２２０２−３に入力される。本構成の、二次非線形光学素子は、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）から成る光導波路を備える。
第３の二次非線形光学素子２２０２−３において、信号光の第二高調波を発生させ、発生させた第二高調波と第１の基本波光との間での差周波発生により、差周波光を得る。
第３の二次非線形光学素子２２０２−３から出力された、信号光、第１の基本波光、および差周波光は光サーキュレータを通した後、それぞれの光を分波した。分波には、アレイ導波路格子(ＡＷＧ)型の波長合分波器２２１２を用いた。分波器２２１２から出力された信号光は空間系に放出される。
差周波光と一致した波長を持つ分波器出力ポートには、差周波光とほぼ同じ波長で発振する半導体レーザー２２３２が接続されている。差周波光の光強度を１０μＷ乃至１００μＷになるように調整した後、半導体レーザー２２３２に入力することで光注入同期を行う。光注入同期により差周波光と同じ位相を持つ第２の基本波光を生成することができた。
分波器２２１２から出力された第１の基本波光をファイバ型のミラー２２１４により反射させ、波長合分波器２２１２に再度折り返して入力した。この構成を用いることで、第１の基本波光と第２の基本波光がほぼ同じファイバ経路を辿るため、環境変化によるファイバ長の変化に起因した位相揺らぎの大きさを小さく抑えることができた。
ＡＷＧ型合分波器２２１２の合波側から第１の基本波光を入射し、第２の基本波光と合波しサーキュレータ２２１３を用いて取り出した。本構成では、非線形素子と光注入同期により信号光の搬送波位相を抽出した、第１の基本波光及び第２の基本波光を基本波光として用いる。
ＥＤＦＡ２２０１−２で増幅した基本波光を、第１の二次非線形光学素子２２０２−１中の第１のＰＰＬＮ導波路２２０５−１に入射し和周波光を発生させる。
本構成においても、第１のＰＰＬＮ導波路２２０５−１から出射される基本波光とその和周波光から和周波光のみを効果的に取り出し、ＥＤＦＡ２２０１−１から発生するＡＳＥ光を効果的に除去するために、第１のＰＰＬＮ導波路２２０５−１の後に、１．５５μｍ帯を反射し、０．７７μｍ帯を透過するダイクロイックミラー２２０６−１を設置した。
波長が０．７７μｍである和周波光は、この波長においてシングルモード伝搬特性をもつ偏波保存ファイバを介して、第２の二次非線形光学素子２２０２−２へと導かれている。（第１の構成）と同様に、０．７７μｍにおいてシングルモードであるこのファイバは波長１．５４μｍの光に対しては光の閉じ込めが弱いために、１ｍ程度の長さを伝搬させることにより、不要な波長１．５４μｍ付近の基本波光およびＡＳＥ光を効果的に減衰させることができる。
偏波保持ファイバで導かれた和周波光は、ダイクロイックミラー２２０６−２を用いて波長１．５４μｍの信号光２２４０と合波される。本構成においては、偏波保持ファイバを通ってくる波長１．５４μｍ付近の基本波光およびＡＳＥ光の残留成分を効果的に取り除くことができるように、１．５４μｍ帯を反射し、０．７７μｍ帯を透過するダイクロイックミラー２２０６−２を用いた。
信号光と和周波光とは合波された後、第２のＰＰＬＮ導波路２２０５−２に入射され、縮退パラメトリック増幅により、信号光を位相感応増幅することができる。第２のＰＰＬＮ導波路２２０５−２から出射された光は、ダイクロイックミラー２２０６−３により和周波光と増幅された信号光とに分離される。本構成では、ダイクロイックミラー２２０６−３に、出力に不要な和周波光を効果的に取り除くために０．７７μｍ帯を反射し、１．５４μｍ帯を透過するダイクロイックミラーを用いた。
本構成においても、出力した増幅信号光の一部を光分岐部２２０３−３で分岐して光検出器２２０８で受光した後に位相同期ループ回路（ＰＬＬ）（図示省略）により位相同期を行うことで安定的に位相感応増幅ができるようにしている。位相同期ループ回路（ＰＬＬ）の誤差信号を第１の基本波光を生成する光源の駆動電流にフィードバックをかけることで、励起光と信号光の位相同期をおこなった。
本構成においては、それぞれ特性の異なるダイクロイックミラーを、基本波光からの第二高調波の分離ならびに第二高調波と信号光との合波に用いたために、特に信号のＳ／Ｎ比に悪影響を与えるＥＤＦＡからのＡＳＥ光を信号光に混入させることなく、高い信号品質が得られる位相感応光増幅器を構成することができた。また、搬送波抽出に用いる部品点数を減らすことで簡便な構成を取ることができた。
（３）第３の構成
次に、第５の実施形態のさらに別の構成（第３の構成とした）について説明する。図２３に本実施形態の第３の構成を示す。
本構成では、１．５４μｍの信号を増幅するように装置を構成した。和周波光を発生させ縮退パラメトリック増幅を行う点は、（第１の構成）および（第２の構成）に示した構成と同様である。（第３の構成）がこれらの構成と相違する点は、搬送波抽出手段の構成にある。
光通信における光増幅器には信号光の光パワーが微弱であっても増幅できることが求められる。信号光のパワーが非常に微弱な場合、それを分岐して搬送波抽出に使うため、その信号光は極度に微弱となる。
（第１の構成）では第二高調和発生と差周波光発生過程を同時に行うため、分岐した極度に微弱な信号光をファイバ増幅器で増幅する際に生じるＡＳＥが過剰になる。その場合、得られる差周波光にＡＳＥ雑音が重畳され差周波光のＳ／Ｎ比が悪くなる。Ｓ／Ｎ比が十分にあれば、光注入同期によりＳ／Ｎ比の改善を行うことができるが、元の信号光が微弱になればなるほど差周波光のＳ／Ｎ比劣化が増大され、第１の基本波光として十分なＳ／Ｎ比を保つことが難しくなる。
低雑音な位相感応増幅を動作させるためには励起光のＳ／Ｎ比がよいことが必要なため、励起光のＳ／Ｎ比確保は重要である。本構成は、差周波光のＳ／Ｎ比劣化を防ぐ目的で構成された。
図２３を参照しながら、本構成について説明する。
信号光２３４０の一部は、偏波コントローラ２３３０を用いて偏波を調整され、光分岐部２３０３−１で分岐された後、エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）２３０１−１で増幅される。
増幅された信号光は、二次非線形光学素子２３０２−３に入力される。二次非線形光学素子２３０２−３は、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）から成る光導波路２３０５−３を備える。ＰＰＬＮ導波路２３０５−３に信号光を入射することで、信号光の第二高調波を発生させる。ダイクロイックミラー２３０６−５により第二高調波と信号光とが分離される。
二次非線形光学素子２３０２−３から取り出した第二高調波と、第１の基本波光とが、二次非線形光学素子２３０２−４に入射される。二次非線形光学素子２３０２−４は、入出力にダイクロイックミラー２３０６−６、２３０６−７を備えている。
第二高調波と第１の基本波光とがダイクロイックミラー２３０６−６で合波され、二次非線形光学素子２３０２−４中のＰＰＬＮ導波路２３０５−４に入力される。ＰＰＬＮ導波路２３０５−４内で、第二高調波と第１の基本波光との間の差周波発生により、差周波光を得る。このような構成を用いることで、第二高調波を得る際に用いた信号光を増幅するファイバレーザー増幅器２３０１−１からの不要なＡＳＥ光を除去した後、第二高調波と第１の基本波光との間の差周波光を生成できるため、信号光に非常に弱い光を用いても高いＳ／Ｎ比を持つ差周波光を生成することができた。
二次非線形光学素子２３０２−４から出力された、信号光、第１の基本波光、および差周波光は、光サーキュレータ２３１３を介した後、それぞれの光に分波された。分波には、アレイ導波路格子(ＡＷＧ)型の波長合分波器２３１２を用いた。分波器２３１２から出力された信号光は空間系に放出される。分波器２３１２から出力された第１の基本波光は、アイソレータ２３１５を用いて消光した。
差周波光と一致した波長を持つ波長合分波器２３１２の出力ポートには、差周波光とほぼ同じ波長で発振する半導体レーザー２３３２が接続されている。光注入同期により差周波光と同じ位相を持つ第２の基本波光を生成することができた。高いＳ／Ｎ比を持つ差周波光を用いたため高いＳ／Ｎ比を保ったまま第２の基本波光を生成することができた。
ＡＷＧ型合分波器２３１２の合波側から第１の基本波光を入射し、第２の基本波光と合波した後、サーキュレータ２３１３を用いて取り出した。
本構成では、非線形素子と光注入同期により信号光搬送位相を抽出した、第１の基本波光及び第２の基本波光を基本波光として用いる。
基本波光として用いる第１の基本波光及び第２の基本波光の光強度をほぼ同じになるように調整した後、エルビウム添加ファイバレーザー増幅器２３０１−２で増幅する。増幅した基本波光を二次非線形光学素子２３０２−１に入射して和周波光を発生させる。二次非線形光学素子２３０２−２に信号光２３４０と和周波光とを入射して縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応増幅を行い良好な特性を得ることができた。本構成により、非常に微弱な信号を増幅する場合においても低雑音な位相感応光増幅器を実現することができた。
（第６の実施形態）
上述の第３乃至第５の実施形態においては、位相感応光増幅器を中継器として用いる場合の実施形態について説明した。本実施形態では、位相感応光増幅器を受信器として用いる場合、より具体的には、受信器における初段増幅器として用いる場合の構成とその効果について述べる。
これまでの実施形態の説明で述べてきたとおり、ＰＰＬＮを非線形媒質として用い、信号光と第二高調波を入射して縮退パラメトリック増幅を行う構成においては、ＧＡＷＢＳによる雑音がない。また、第二高調波を発生させてからパラメトリック増幅を行う際に、例えば、再度、合波器として作用するダイクロイックミラー（例えば、図６の６０６−１、６０６−２を参照）の特性を用いて基本波の成分を取り除いてから第二高調波と信号光のみをパラメトリック増幅媒質に入射すれば、ＡＳＥ光の混入による雑音も防げるので低雑音な光増幅が可能になる。
しかしながら、現状で３００ｍＷの第二高調波を入射したときのＰＰＬＮ導波路のパラメトリック利得は１１ｄＢであるので、光受信装置に入射される微弱な信号をＰＤ（フォトダイオード）でＳ／Ｎ比良く受信するためには利得が足りない。従って、上述の実施形態に係る増幅器を、光受信装置の増幅器としては利用することはできない。
現在、光受信装置によく用いられているＥＤＦＡの利得は３０ｄＢ乃至４０ｄＢ程度であり、光受信装置に入射する光レベルが−３５ｄＢｍだとしても０ｄＢ乃至＋５ｄＢｍ程度の出力が得ることが可能である。一方、現状の技術でＰＰＬＮ導波路からＥＤＦＡと同等の利得を得ることは困難である。従って、低雑音の位相感応光増幅器を実現できたとしても、従来のレーザー増幅器を用いた光受信装置を超える高感度の光受信装置を得ることは出来なかった。しかし、以下に説明する本実施形態においては、これらの問題は解消される。
図２４に本実施形態の構成を示す。本実施形態においては、図２４において「位相感応増幅器」と示した部分に記載のＰＰＬＮ導波路を用いた位相感応光増幅器を用いて微弱な入力信号２４２０を増幅する。増幅された信号光は、光ファイバレーザー増幅器２４０１−１で更に増幅され、バンドパスフィルタ２４０４−１で不要な背景光を除去される。続いて、信号光は光検出器として作動するフォトダイオード（ＰＤ）２４０８−２に入射し、電気信号へ変換される。電気信号は、最終的には、識別器２４１３に接続されてデジタル信号として再生される。本実施形態の詳細については後述する。
このような構成をとると以下に述べるような効果が得られる。本実施形態の特徴は、微弱な入力信号を位相感応光増幅器で増幅したのちに光ファイバレーザー増幅器で更に増幅し、次いで、ＰＤへ入射して光電変換を行っていることにある。
以下に本発明の実施形態に係る光受信装置の受信感度に大きな影響を与える、光信号のＳ／Ｎ比の振る舞いを説明する。微弱な入力信号を増幅する位相感応光増幅器においては増幅された信号の光子数の分散σＰＳＡは以下の（式１１）で与えられる。ただし励起光と信号光は完全に位相差がなく同期が取れていると仮定する。
Figure 2012098911
ここで〈ｎｉｎ〉は入力光平均光子数、Ｇは位相感応光増幅器の利得、Δｆは受光器に入射するパラメトリック蛍光の帯域である。Δｆは、位相感応光増幅器の後方にフィルタを配置した場合にはフィルタの帯域、フィルタを設けない場合にはパラメトリック増幅媒質の帯域となる。（式１１）の右辺第１項は増幅光のショット雑音、第２項はパラメトリック増幅効果で発生するパラメトリック蛍光のショット雑音、第３項は増幅光とパラメトリック蛍光のビート雑音、第４項はパラメトリック蛍光間のビート雑音に相当する。
（式１１）に示す光子数の分散σＰＳＡを用いて、増幅光をＰＤで検出したときの雑音電力は、受信系の帯域をＢ、電流電圧変換を行うための負荷抵抗をＲＬとすると次の（式１２）で与えられる。ただしここでは簡単のためにＰＤの量子効率は１００％であると仮定する。
Figure 2012098911
信号電力はマーク率１／２、タイムスロットＴのＮＲＺ符号を検出する場合を考えると（式１３）で与えられる。
Figure 2012098911
これらの式から信号のＳ／Ｎ比は、（式１４）で与えられる。
Figure 2012098911
位相感応増幅の利得Ｇが大きくなると、第３項の増幅光とパラメトリック蛍光のビート雑音が支配的となり、Ｓ／Ｎ比は（式１５）に収束する。
Figure 2012098911
一方、増幅器を用いない入力光のＳ／Ｎ比は（式１６）で与えられる。
Figure 2012098911
（式１５）及び（式１６）から位相感応光増幅器の雑音指数Ｆが（式１７）のように求まる。
Figure 2012098911
（式１７）から分かるように、利得が大きい場合には雑音指数Ｆは１に漸近し、Ｓ／Ｎ比劣化のない増幅が可能となる。実際にこのような低雑音な増幅を行うためには、ＧＡＷＢＳ雑音や励起光の発生の際に用いるレーザー増幅器からのＡＳＥ光の混入による雑音を避ける必要がある。従って、３次非線形媒質として光ファイバを用いた従来技術ではこれらの付随的な雑音を避けることができない。
一方、２次非線形媒質としてＰＰＬＮ導波路を用いた構成ではこれらの問題を避けることができ、低雑音な増幅を行うことが可能である。しかし現状の技術では、ＰＰＬＮ導波路を用いた位相感応光増幅器だけで十分な利得を得ることは困難であった。
これらの問題点を解決する構成を鋭意検討した結果、２次非線形媒質で位相感応増幅を行った後にレーザー増幅器で更に増幅を行ってバンドパスフィルタで不要な背景光を除去するようにしても、位相感応光増幅器の低雑音性を活かしながら、従来のレーザー増幅器のみを用いた場合に比較してＳ／Ｎ比の劣化を抑制できることを見出した。以下に本実施形態に係る構成における、増幅信号光のＳ／Ｎ比の振る舞いについて説明する。
前述の位相感応光増幅器で増幅された信号を更にレーザー増幅器で増幅した場合、出力は強度の強い順に、第１の出力成分である増幅された信号光、第２の出力成分であるパラメトリック蛍光がレーザー増幅器で増幅された光、第３の出力成分であるレーザー増幅器が発生するＡＳＥ光からなると考えられる。このときの増幅器からの光子数の分散は、以下の８個の成分の総和で与えられると考えられる。
[１]第１の分散：第１の出力成分（増幅された信号光）のショット雑音
[２]第２の分散：第２の出力成分（パラメトリック蛍光がレーザー増幅器で増幅された光）のショット雑音
[３]第３の分散：第３の出力成分（レーザー増幅器が発生するＡＳＥ光）のショット雑音
[４]第４の分散：第１の出力成分と第２の出力成分とのビート雑音
[５]第５の分散：第１の出力成分と第３の出力成分とのビート雑音
[６]第６の分散：第２の出力成分と第３の出力成分とのビート雑音
[７]第７の分散：第２の出力成分同士のビート雑音
[８]第８の分散：第３の出力成分同士のビート雑音
例えば、本実施形態で用いたＰＰＬＮ導波路のパラメトリック利得の帯域は、６０ｎｍ程度と極めて広い。従って、仮に第２の出力成分（パラメトリック蛍光がレーザー増幅器で増幅された光）のスペクトル密度が成分１よりも小さいとしても、帯域全体のパラメトリック蛍光がレーザー増幅器で増幅された光を積分すると、第６乃至第７の分散のうち第７の分散である第２の出力成分同士のビート雑音の寄与が無視できなくなってしまう。
このため本実施形態に係る光受信装置では、信号成分の帯域以外の第２の出力成分（パラメトリック蛍光がレーザー増幅器で増幅された光）の寄与及び第３の出力成分（レーザー増幅器が発生するＡＳＥ光）の寄与が小さくなるようにバンドパスフィルタをレーザー増幅器の後に配置し、信号の帯域だけの光を取り出すようにした。
雑音の見積もりを容易にするために、光子数の分散を与える成分のうち強度の大きなものを考える。雑音として寄与が大きい成分は、第４の分散と第５の分散の成分であると考えられる。斯かる近似に基づいて光子数の分散への寄与が大きい成分の大きさを求めると（式１８）のとおりとなる。
Figure 2012098911
ただし、ここでＧ１は位相感応光増幅器の利得、Ｇ２はレーザー増幅器の利得である。（式１８）から本実施形態におけるＳ／Ｎ比を計算すると、（式１９）のようになる。
Figure 2012098911
（式１９）で示したＳ／Ｎ比と（式１６）で示した入力光のＳ／Ｎ比との比から本実施形態の雑音指数Ｆが（式２０）のように求まる。
Figure 2012098911
ここで、ＦＰＳＡは上述した位相感応光増幅器の雑音指数、ＦＰＩＡはレーザー増幅器の雑音指数である。
ＦＰＩＡは、理想的なレーザー増幅器の場合、３ｄＢ（ＦＰＩＡ＝２に相当）、通常のＥＤＦＡの場合、４ｄＢ〜５ｄＢ程度(ＦＰＩＡ＝２．５〜３．２に相当)の値である。即ち、本実施形態に係る構成により、後段に接続したレーザー増幅器の雑音指数の寄与は１／Ｇ１だけ小さくなることになり、位相感応光増幅器の利得Ｇ１が大きい場合には全体の雑音指数は位相感応光増幅器の雑音指数に漸近することが分かる。従って、本実施形態により、位相感応光増幅器の低雑音性を活かしながら、全体としては受信装置等の前置増幅器として使用するのに十分な利得を得ることが可能になる。
また、パラメトリック蛍光やＡＳＥ光のような背景光同士のビートによる雑音（即ち、上記第６乃至第８の分散）の影響を小さく抑えるためには、信号の帯域以外の背景光を取り除くためにバンドパスフィルタを備えることが望ましい。バンドパスフィルタを配置する位置としては、位相感応光増幅器とレーザー増幅器との間や、レーザー増幅器の後段が考えられるが、特に、レーザー増幅器の後段のみに配置する構成とすると、バンドパスフィルタの挿入損失によるＳ／Ｎ比の劣化を少ない部品点数で抑えることができ、効果的である。
再度図２４を参照しながら、本実施形態の構成を詳しく述べる。本実施形態では、本発明の原理確認を行うために、信号光２４２０と基本波光２４２１とを、波長１．５４μｍの光源から発生させた。また、光受信装置の感度を検証するために、信号光のパワーを減衰させて、光受信装置に入射した。
本実施形態で使用した位相感応光増幅器の構成を説明する。本実施形態では、微弱な基本波光から非線形光学効果を得るのに十分なパワーを得るために、ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）２４０１−２を用いて、基本波光２４２１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２４０２−１に入射して第二高調波２４２２を発生させる。次いで、第２の二次非線形光学素子２４０２−２に信号光２４２０と第二高調波２４２２とを入射して縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応増幅を行う。
位相感応増幅では、励起光と信号光の位相を同期させることが必要であるが、本実施形態では出力した増幅信号光２４２３の一部を光分岐部２４０３で分岐し光検出器２４０８−１で受光したのちに位相同期ループ回路（ＰＬＬ）２４０９により位相同期を行った。ＥＤＦＡ２４０１−２の前に配置した位相変調器２４１０を用いて正弦波により微弱な位相変調を基本波光２４２１に施した。光検出器２４０８−１とＰＬＬ回路２４０９とにより、その位相変調の位相ずれを検出して、ＥＤＦＡ２４０１−２の前に配置したＰＺＴによる光ファイバ２４１１の伸長器の駆動電圧と位相変調器２４１０のバイアス電圧とにフィードバックを行う。これにより、光ファイバ部品の振動や温度変動による光位相の変動を吸収して、安定的に位相感応増幅ができるようにした。
基本波光２４２１は、ＥＤＦＡ２４０１−２を用いて増幅される。増幅された基本波光２４２１は、第１の二次非線形光学素子２４０２−１に入力される。本実施形態では、ＥＤＦＡ２４０１−２から発生する広帯域なＡＳＥ光が第１の二次非線形光学素子２４０２−１により変換されることを防ぐために、ＥＤＦＡ２４０１−２と第１の二次非線形光学素子２４０２−１との間にバンドパスフィルタ２４０４−２を挿入し、不必要なＡＳＥ光をカットした。
図２４に示すように、本実施形態に係る二次非線形光学素子（２４０２−１、２４０２−２）は、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）から成る光導波路（２４０５−１、２４０５−２）を備える。ＰＰＬＮ導波路（２４０５−１、２４０５−２）は擬似位相整合によりニオブ酸リチウムの最も高い非線形光学定数ｄ３３を利用することが可能であり、かつ光導波路構造により高い光パワー密度が得られる。従って、図示するような構成にすることで高い波長変換効率を得ることができる。
ＰＰＬＮ導波路に高強度のパワーを入射した場合にフォトリフラクティブ効果による光損傷により位相整合波長が変化する場合があるが、本実施形態ではそのような問題が生じないように、非特許文献４に示される直接接合により作製された導波路を用いている。
本実施形態では光損傷耐性に優れたＺｎを添加したニオブ酸リチウムをコアに用いた直接接合導波路を使用することにより、位相整合波長の変動を抑制した。また、ドライエッチング加工によりコア径を４μｍ程度まで小さくすることにより高い波長変換効率を実現した。
第１のＰＰＬＮ導波路２４０５−１からは基本波光と第二高調波が出射される。第二高調波２４２２と基本波光２４２１とを、ダイクロイックミラー２４０６−１を用いて分離した。
ダイクロイックミラー２４０６−１を透過した０．７７μｍの第二高調波２４２２は、この波長、即ち０．７７μｍの波長においてシングルモード伝搬特性をもつ偏波保持ファイバ２４０７を介して、第２の二次非線形光学素子２４０２−２へと導かれている。偏波保持ファイバ２４０７を介して第２の二次非線形光学素子２４０２−２へ導かれた第二高調波２４２２は、ダイクロイックミラー２４０６−２により波長１．５４μｍの信号光２４２０と合波される。ダイクロイックミラー２４０６−２は第二高調波２４２２のみを透過させるので、第１のＰＰＬＮ導波路２４０５−１から出射され、ダイクロイックミラー２４０６−１及び偏波保持ファイバ２４０７を通ってくる波長１．５４μｍ付近の基本波光２４２１とＡＳＥ光との残留成分を効果的に取り除くことができる。
信号光２４２０と第二高調波２４２２とは合波され、第２のＰＰＬＮ導波路２４０５−２に入射される。第２のＰＰＬＮ導波路２４０５−２は、第１のＰＰＬＮ導波路２４０５−１と同等の性能、位相整合波長を有しており、縮退パラメトリック増幅により、信号光を位相感応増幅することができる。
第２のＰＰＬＮ導波路２４０５−２から出射された光は、ダイクロイックミラー２４０６−３により励起光である第二高調波と増幅された信号光２４２３とに分離される。このときも第二高調波と増幅された信号光とは、波長が全く異なるために、出力において不必要な第二高調波成分を効果的に取り除くことができる。
本実施形態においては、波長の異なる２つの光を分離又は合波するために、一方の波長の光を反射し、他方の波長の光を透過するダイクロイックミラーを使用しているが、特に不必要な光をカットする用途の場合、カットしたい特定の波長光を反射させて使用する構成とすることが望ましい。
逆に、カットしたい特定の波長の光を透過させ、必要とする光を反射させて取り出す構成とする場合、不必要な波長におけるミラーの反射率を非常に小さくする必要がある。不必要な波長におけるミラーの反射率を非常に小さくすることに比べると、カットしたい特定の波長の光の透過率を下げることは比較的容易であるため、不要な特定波長の光を反射させる構成の方が不必要な光を効果的に抑圧することができる。
本実施形態は、このような考え方に基づいて構成されている。このような構成を取ることで特に位相感応光増幅器のＳ／Ｎ比を付随的に劣化させるＥＤＦＡからのＡＳＥ光の混入を完全に抑圧することができ、低雑音の増幅が可能になる。
本実施形態では、第２のＰＰＬＮ導波路２４０５−２で得られるパラメトリック利得が１１ｄＢであり、第２のＰＰＬＮ導波路をモジュール化したときのファイバ間の挿入損失が５ｄＢであったため、位相感応光増幅器の利得は６ｄＢであった。このようにして位相感応増幅された信号光２４２３をＥＤＦＡ２４０１−１に入射して更に増幅を行った。ＥＤＦＡからの出力は帯域１ｎｍのバンドパスフィルタ２４０４−１を通し、位相感応光増幅器から発生するパラメトリック蛍光がＥＤＦＡで増幅された光とＥＤＦＡから発生するＡＳＥ光とのうち信号帯域外にある成分を除去した。
図２５に、本実施形態を用いて光増幅を行ったときの光スペクトルの例を示す。図２５において、実線は本実施形態によって増幅された信号の光スペクトルであり、点線は従来技術の光増幅器によって増幅された信号の光スペクトルを示す。
従来技術との比較を行うためにＥＤＦＡとバンドパスフィルタだけで増幅した場合の光スペクトルも同時に測定を行った。入力信号は周波数１５ＧＨｚの正弦波で変調した信号を−２０ｄＢｍまで減衰させて入射し、トータルの利得が１８ｄＢとなるようにして比較を行った。
図２５から分かるように、増幅された信号光の周りに観測される、背景光（ＡＳＥ光やパラメトリック蛍光が増幅された光）のレベルが、位相感応光増幅器で増幅してからＥＤＦＡで増幅することにより低く抑えられていることが分かる。このように、本実施形態では、レーザー増幅器を用いているのにもかかわらず、その前段に位相感応光増幅器を配置することで、従来のレーザー増幅器と同等の利得を得ながらも、従来よりも雑音レベルを低く抑えることが可能になり、従来よりも高いＳ／Ｎ比を得ることが可能になる。
更に図２６に、上述の、増幅された、周波数１５ＧＨｚの正弦波で変調した信号を、市販のＯＥコンバータ内蔵の電気のスペクトラムアナライザで光電変換しその雑音フロアを評価した結果を示す。
図２６において、実線は本実施形態によって増幅された信号を光電変換した電気スペクトルを示し、点線は従来技術の光増幅器によって増幅された信号を光電変換した電気スペクトルを示す。光のＳ／Ｎ比が向上するだけでなく、光電変換した後も従来のＥＤＦＡで増幅した場合に比べて１ＧＨｚから１４ＧＨｚのすべての帯域においてノイズレベルが１．５ｄＢ程度低く抑えられていることが確認できた。
従来の光ファイバを用いた位相感応光増幅器においてはＧＡＷＢＳによる雑音により一部の帯域でのみＥＤＦＡよりも低雑音にならないのに対して、本実施形態では、広い周波数帯域に渡っての低ノイズの増幅を十分な利得を得ながらも実現することができた。このような低雑音な増幅特性は、本実施形態が、光受信器としてだけでなく、光中継器として作動する光増幅器としても有用であることを示している。
次に、光受信装置としての有効性を確認するために、信号光を４０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ信号で変調し、入力した場合の受信特性を評価した。このとき、後段のＥＤＦＡの利得は、バンドパスフィルタを介してＰＤに入射するパワーが０ｄＢｍとなるように設定した。本実施形態における位相感応光増幅器の利得は６ｄＢであるので、入力光のパワーが例えば−３０ｄＢｍの場合、ＥＤＦＡの利得は２４ｄＢに設定していることになる。また、比較のために従来技術であるＥＤＦＡ及びバンドパスフィルタのみを前置増幅器として用いた場合についても評価を行った。この場合においてもバンドパスフィルタを介してＰＤに入射するパワーが０ｄＢｍとなるように設定したので、入力光のパワーが例えば−３０ｄＢｍの場合、ＥＤＦＡの利得は３０ｄＢに設定していることになる。
図２７に、入力信号を光アッテネータで減衰させて、誤り率測定から本実施形態の受信感度を評価した結果を示す。図２７は、受信感度を評価するための誤り率特性を示す図である。例として、１０−９の誤り率を得るための入射パワーが、従来のＥＤＦＡを用いた場合は−２８．８ｄＢｍなのに対して、本実施形態では約１．５ｄＢｍ低い−３０．３ｄＢｍで同じ誤り率が得られた。このように、本実施形態による低雑音な光増幅を利用した光受信により、受信感度の向上が得られることが確認できた。斯かる効果は広い周波数帯域にわたって低雑音性が得られる本発明の構成によって始めて実現できるものである。
なお、本実施例では、位相同期のための基本波光の生成方法として、信号光から直接分岐した光を用い、変調された光信号からの位相同期手段を用いない構成としたが、基本波光の生成方法は、前述の第３乃至第５の実施形態で説明した方法を用いても良い。
さらに、本実施例では、光受信装置を例にとり、低雑音性と高利得性を両立できる構成について説明したが、線形中継器として用いる場合であっても、中継間隔を延ばさなければならないなど、低雑音性と高利得性を両立させる必要がある場合には、本実施形態で述べたような位相感応アンプとＥＤＦＡとを多段に接続させる構成は極めて有用である。
（第７の実施形態）
図２８Ａおよび図２８Ｂは、本発明の第７の実施形態に係る位相感応光増幅器の説明図である。図２８Ｂに示すように、本実施形態では、光通信に用いられる微弱なレーザー光から非線形光学効果を得るのに十分なパワーを得るために、ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）２８０１を用いて、基本波光２８２１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２８０２−１に入射して第二高調波２８２２を発生させる。第２の二次非線形光学素子２８０２−２に信号光２８２０と第二高調波２８２２とを入射して縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応増幅を行う。
図２８Ｂに示す構成の詳細は後述するとして、このような構成をとると以下に述べるような従来技術では得られない効果が得られる。本実施形態では、基本波光として、波長が１．５４μｍのＣＷ光を用いる。入力信号光としては、図２８Ａ中に示すように、基本波光波長に相当する光周波数を中心として同じ光周波数差だけ対称に離れた信号光の対（s+1とs-1、s+2とs-2、s+3とs-3、s+4とs-4、以下同様）が入力される。
信号光群と基本波光とは互いに位相同期しており、そのような信号光、基本波光はたとえば同一の光源を分岐して、一方を光変調器により側帯波を生じさせることで生成することができる。
図２８Ｂに示すように、基本波光２８２１は、位相変調器２８１０、ＰＺＴを用いたファイバ伸長器２８１１を通過してエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）２８０１で増幅される。増幅後、基本波光は、バンドパスフィルタ２８０４を用いて、ＥＤＦＡ２８０１から発生する余分な自然放出光を除去したのちに第１の二次非線形光学素子２８０２−１内のＰＰＬＮ導波路２８０５−１に入射され、基本波光２８２１の第二高調波である波長０．７７μｍの光２８２２に変換される。
信号光群２８２０と、基本波光の第二高調波２８２２とは、ダイクロイックミラー２８０６−２で合波され、次いで、第２の二次非線形光学素子２８０２−２内のＰＰＬＮ導波路２８０５−２に入射される。ＰＰＬＮ導波路２８０５−２におけるパラメトリック増幅により信号光群が増幅される。
信号光群の増幅動作について、以下で詳細に説明する。本実施形態では、対となる信号光の２つの波長における位相が同じである光をそれぞれ入射する。例えば信号s+1とs-1は同じ位相情報を持っていると仮定する。
二次非線形光学素子に励起光（本実施形態では基本波光の第二高調波２８２２）、信号光、およびアイドラ光の３つの光を入射して三者の非線形相互作用により光増幅を行う、非縮退パラメトリック増幅においては、三者のそれぞれの位相が次の（式２１）を満たすときに、信号光、アイドラ光の両者のパラメトリック増幅が行われる。
φＳＨ＝φＳ＋φｉ＋２ｎπ（ｎは整数） （式２１）
ここでφＳＨ、φＳ、φｉはそれぞれ、基本波光の第二高調波、信号光、アイドラ光の位相である。信号とアイドラが本実施形態の信号s+1と信号s-1の対のように同じ位相を有していると仮定すると、φｉ＝φＳとして
φＳ＝φＳＨ／２＋ｎπ＝φｐ＋ｎπ（ｎは整数） （式２２）
ただし、ここでφｐは基本波光の位相である。第二高調波の位相φＳＨが２φｐで表されることを用いた。
（式２２）から分かるように信号光は、基本波光と位相が同じかπだけずれた場合、直交する２つの位相成分のうち励起光と同相の場合のみ、パラメトリック増幅が起こることがわかる。なお、基本波光と直交する位相を持つ信号対を入射した場合は、信号光は減衰されることになる。
このように、信号として、同じ位相情報をもつ信号光対を入射すると、位相感応性を持つパラメトリック増幅が行われる。本実施形態では信号光と励起光をファイバ部品で接続しているために、温度変動や振動によるファイバの伸び縮みをＰＬＬ技術により吸収している。本実施形態では、光周波数差だけ対称に離れた信号光の対はすべて位相同期しているため、複数の信号光群を増幅することが可能である。
図２９および図３０は、位相感応光増幅で用いる複数波長の信号光・励起光のスペクトルを模式的に示す図であり、図２９は、図５で示した従来のファイバレーザー増幅器および非線形媒質として光ファイバを利用した構成を用いた場合を示し、図３０は、図２８Ｂで示す本実施形態による構成を用いた場合を示す図である。
従来の光ファイバを用いた位相感応光増幅器では四光波混合を利用する。このため、パラメトリック光増幅を行うための励起光と複数波長の信号光との波長が位相整合条件を満たすためには、これらの波長は、近接した波長にならざるを得ない。図２９で例示するように、複数波長の信号光２９０１および励起光２９０２が同じ１．５５μｍ帯の波長帯を有し、励起光２９０２を光ファイバ増幅器で増幅する際、励起光波長の近傍に光ファイバ増幅器によりＡＳＥ光２９０３が発生してしまう。
信号波長域にＡＳＥ光を発生させないために複数波長の信号光が光ファイバ増幅器を通らないようにする構成にすることは可能である。しかしながら、励起光と複数波長の信号光とを合波する際の両者の波長が接近しているために、波長選択性の良い光フィルタを実現することは困難であり、ＡＳＥ光を完全にカットすることができない。この結果、信号波長帯域に発生しているＡＳＥ光が複数波長の信号波長に重畳してしまい、ＡＳＥ光の混入により複数波長の信号光のＳ／Ｎ比が劣化してしまうこととなる（図２９（ｃ））。
一方、本実施形態による構成では、光通信で用いる微弱な光パワーから、パラメトリック光増幅を利用するのに十分なパワーを得るために、基本波光３００２を光ファイバ増幅器により増幅する。このときに基本波光３００２の波長近傍にＡＳＥ光３００３が重畳する（図３０（ｂ））。本実施形態に係る構成においては、光増幅を行ったのちに、ＡＳＥ光３００３が重畳された基本波光３００２を、第１の二次非線形光学素子に入射し第二高調波３００４を発生させる。このときに励起光として使用される第二高調波３００４の波長帯域には、わずかにＡＳＥ光の第二高調波が発生する以外には雑音となる広帯域のＡＳＥ光は発生しない。第二高調波３００４の波長は基本波光３００２の波長の半分であり、両者の波長は十分に離れている。従って、基本波光３００２と基本波光の第二高調波３００４とから第二高調波３００４のみを分離するような高い消光比を持ったフィルタをダイクロイックミラー等で実現することは比較的容易である（図３０（ｃ））。そのようなフィルタを第１の二次非線形光学素子の出力に接続することにより、励起光波長帯域の基本波光とＡＳＥ光とを完全に取り除くことができる。次いで、複数波長の信号光３００１と第二高調波３００４のみとを合波して第２の二次非線形光学素子に入射し、非縮退パラメトリック増幅による位相感応増幅を実現することができる（図３０（ｄ））。
さらに、本実施形態による動作を行う中で以下のような従来技術にはない以下の利点があることも明らかになった。
従来の光ファイバ中の四光波混合を利用して複数波長の信号光の位相感応増幅を行う構成では、非特許文献７に示されるように、励起光波長を中心として複数波長の信号光との間の四光波混合だけが起きるわけではなく、位相整合に対する条件が様々な波長間で満たされてしまう。従って、例えば励起光を中心にして信号光が別の波長へ変換されるような副次的な過程も生じてしまい、増幅された信号光がつぎつぎとコピーされて複数の信号が生成されてしまう（図２９（ｃ）の２９０４）。
このために増幅信号光のパワーが散逸してしまい、所望の信号光を増幅できるパワーが制限されてしまう。さらに、副次的に生成される信号は複数波長の信号光の波長の間等に生成されてしまうことから、副次的に生成された余分な信号を除去することには非常な困難が伴う。分離のために超狭帯域の光フィルタなどを用いる方法が考えられるが、光フィルタの帯域を狭くすればするほどフィルタによる信号の損失が増大する。複数波長の信号光の波長多重数が多くなればなるほど、副次的に生成される信号の数量も増加する。この結果、副次的な信号が、元の信号光の帯域内に重畳される場合もある。このような場合は、光フィルタによる分離などは不可能であり光信号のＳ／Ｎ比が劣化する。
これに対し、本実施形態では、第２のＰＰＬＮ導波路へは信号光と第二高調波のみが入力されるので、従来技術のような不必要な波長変換過程が生じることがない。本実施形態では出力パワーを＋２２ｄＢｍまで大きくしても出力の飽和がみられず安定的な増幅を行うことができた。また、四光波混合を用いた場合のように副次的に余計な信号が生成されるようなことはなかった。
再度図２８Ａおよび図２８Ｂを参照しながら、本実施形態の構成を詳しく述べる。本実施形態では、基本波光２８２１は、エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）２８０１を用いて増幅される。増幅された基本波光は、第１の二次非線形光学素子２８０２−１に入力される。本実施形態では、ＥＤＦＡ２８０１から発生する広帯域なＡＳＥ光が第１の二次非線形光学素子２８０２−１により変換されることを防ぐために、ＥＤＦＡ２８０１と第１の二次非線形光学素子２８０２−１との間にバンドパスフィルタ２８０４を挿入し、不必要なＡＳＥ光をカットした。
本実施形態の、二次非線形光学素子（２８０２−１，２８０２−２）は、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）から成る光導波路（２８０５−１，２８０５−２）を備える。
ＰＰＬＮ導波路に高強度のパワーを入射した場合にフォトリフラクティブ効果による光損傷により位相整合波長が変化する場合があるが、本実施形態ではそのような問題が生じないように、非特許文献４に示される直接接合により作製された導波路を用いている。
本実施形態では光損傷耐性に優れたＺｎを添加したニオブ酸リチウムをコアに用いた直接接合導波路を使用することにより、位相整合波長の変動を抑制した。また、ドライエッチング加工によりコア径を４μｍ程度まで小さくすることにより高い波長変換効率を実現した。
第１のＰＰＬＮ導波路２８０５−１から出射した、第二高調波２８２２と基本波光２８２１とは、ダイクロイックミラー２８０６−１を用いて分離した。
ダイクロイックミラー２８０６−１で反射された波長０．７７μｍの第二高調波２８２２は、この波長０．７７μｍにおいてシングルモード伝搬特性をもつ偏波保持ファイバ２８０７を介して、第２の二次非線形光学素子２８０２−２へと導かれている。このとき、ダイクロイックミラー２８０６−１で完全には取り除けなかった波長１．５４μｍ付近の基本波光およびＡＳＥ光も偏波保持ファイバ２８０７に入射されることになるが、０．７７μｍにおいてシングルモードであるこのファイバは波長１．５４μｍの光に対しては光の閉じ込めが弱いために、１ｍ程度の長さを伝搬させることにより、これらの不要な光を効果的に減衰させることができる。
偏波保持ファイバ２８０７で導かれた第二高調波は、ダイクロイックミラー２８０６−２を用いて波長１．５４μｍの信号光２８２０と合波される。ダイクロイックミラー２８０６−２は第二高調波のみを反射させるために、第１のＰＰＬＮ導波路２８０５−１から出射され、ダイクロイックミラー２８０６−１および偏波保持ファイバ２８０７を通ってくる波長１．５４μｍ付近の基本波光とＡＳＥ光との残留成分を効果的に取り除くことができる。
信号光２８２０と第二高調波２８２２とは、ダイクロイックミラー２８０６−２で合波された後、第２のＰＰＬＮ導波路２８０５−２に入射される。第２のＰＰＬＮ導波路２８０５−２は、第１のＰＰＬＮ導波路２８０５−１と同等の性能、位相整合波長を有しており、非縮退パラメトリック増幅により、信号光を位相感応増幅することができる。
本実施形態では、２つのＰＰＬＮ導波路（２８０５−１，２８０５−２）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に同一温度において位相整合波長が一致しない場合が考えられるが、そのような場合でも両者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一致させることができる。
第２のＰＰＬＮ導波路２８０５−２から出射された光は、ダイクロイックミラー２８０６−３により励起光である第二高調波と増幅された信号光とに分離される。このときも第二高調波と増幅された信号光とは、波長が全く異なるために、出力において不必要な第二高調波成分を効果的に取り除くことができる。
位相感応増幅では、励起光と信号光の位相を同期させることが必要であるが、本実施形態では出力した増幅信号光の一部を光分岐部２８０３で分岐して光検出器２８０８で受光したのちに位相同期ループ回路（ＰＬＬ）２８０９により位相同期を行った。ＥＤＦＡ２８０１の前に配置した位相変調器２８１０を用いて正弦波により微弱な位相変調を基本波光２８２１に施す。光検出器２８０８とＰＬＬ回路２８０９でその位相変調の位相ずれを検出して、ＥＤＦＡ２８０１の前に配置したＰＺＴによる光ファイバの伸長器２８１１の駆動電圧と位相変調器２８１０のバイアス電圧とにフィードバックを行うことで、光ファイバ部品の振動や温度変動による光位相の変動を吸収して、安定的に位相感応増幅ができるようにした。
ところで、光コムを分波器で分波し変調器で変調した後に合波器で合波する場合、一般的には、変調による損失が大きいためＳ／Ｎ比が劣化してしまう。また、変調器を用いて光コムを発生する場合も、変調器の損失や複数搬送波への変換効率の分だけ光パワーが小さくなってしまい、Ｓ／Ｎ比が劣化してしまう。さらに、光パワーが減衰した光コムをＥＤＦＡ等のレーザー光増幅器で増幅すると、自然放出光（ＡＳＥ光）が混入してしまい、増幅に伴ってますますＳ／Ｎ比が劣化してしまう。
しかしながら、そのようなＡＳＥ光が混入した信号光群を、本実施形態に係る増幅器で増幅した場合に、従来得られなかった特異な振る舞いを見せることを見出し、本実施形態を実現させるに至った。
図３１Ａおよび図３１Ｂは、本実施形態に係る位相感応光増幅器を使用したときの効果を説明するための図であり、図３１ＡはＥＤＦＡから発生させたＡＳＥ光を意図的に混入させた信号光群の光スペクトルを示し、図３１ＢはＥＤＦＡから発生させたＡＳＥ光を意図的に混入させた信号光群を本発明の第７の実施形態に係る構成を用いた位相感応光増幅器で増幅したときの出力の光スペクトルを示す。
図３１Ａおよび図３１Ｂから分かるように、本実施形態に係る位相感応光増幅器で増幅することにより、増幅された信号光とＡＳＥ光との差、すなわち光Ｓ／Ｎ比（ＯＳＮＲ）が驚くべきことに入力に比べて３ｄＢほど向上していることが分かる。
一例として、中心波長から対称に離れた信号対の内中心波長よりも短い波長を持つ１つの信号に着目する。入力光の信号光は０．０１ｎｍのレゾリューションで測定したところ、図３１Ａに示す通り２３ｄＢのＯＳＮＲを有していた。一方、図３１Ｂに示す通り増幅後の出力信号は２６ｄＢのＯＳＮＲを有しており光Ｓ／Ｎ比が入力光に比べて３ｄＢほど改善していることがわかる。なお、本実施形態に係る増幅器は偏波依存性があるため、公平なＳ／Ｎ比の評価を行うために、入力のスペクトルを評価する際に偏光子を挿入して、本来増幅されるはずの偏波成分のみの比較を行っている。
この驚くべき現象が生じる理由について、以下のように、説明することができる。
まず、励起光の２倍の波長と信号光の波長とが同じになる縮退点を除外した、非縮退点における動作について考える。本実施形態では、励起光と位相関係の確定した信号光対を入力している。本実施形態のように信号光波長とアイドラ光波長とに相当する波長において同一位相を持つ信号光対を入射した場合、上述のように励起光との位相さえ同期できれば、信号光の全ての成分が増幅される。
また、光ファイバを用いたＰＳＡで見られるように、光ファイバやＰＰＬＮを用いた何らかの波長変換プロセスにより信号光と共役な逆位相情報φｉ＝−φｓ＋α（αはファイバ等の光学長で決まる位相）を持つアイドラ光を生成し、信号光とアイドラ光を入力した場合もＳＨ光、信号光、およびアイドラ光間の位相関係が次の（式２３）を満たすときにはパラメトリック増幅が行われる。
φＳＨ＝φＳ＋φｉ＋２ｎπ＝φＳ−φＳ＋α＋２ｎπ＝α＋２ｎπ（ただし、ｎは整数） （式２３）
すなわち共役な信号光とアイドラ光を入射した場合、ファイバ等の光学長で決まる位相αを励起光と合わせれば、信号光の全ての成分が増幅される。このように位相関係が確定している信号光と励起光を入射した場合は適当な光学長の調整により信号光の全ての成分が増幅される。
次にＡＳＥ光の入力に対する増幅を考えると、第二高調波の位相φＳＨからの相対的な位相を考えた場合に、ＡＳＥはランダムな位相の光を発生するため、励起光と同位相の成分と直交位相の成分とを同等に含んでいると考えられる。
特に信号光とアイドラ光を入射した場合のそれぞれの信号、アイドラ光と同じ波長におけるＡＳＥの増幅を考えると、信号波長に発生するＡＳＥの位相φＳ−ＡＳＥとし、アイドラ波長に発生するＡＳＥの位相をφｉ−ＡＳＥとしたとき、次の（式２４）を満たす成分のみがパラメトリック増幅される。
φＳＨ＝φＳ−ＡＳＥ＋φｉ−ＡＳＥ＋２ｎπ（ただし、ｎは整数） （式２４）
ＡＳＥの場合、上述の位相関係が確定した信号-アイドラとは異なり、信号波長、アイドラ波長においてそれぞれ発生するＡＳＥの位相φＳ−ＡＳＥ、φｉ−ＡＳＥはランダムであるので相互に相関がない。また、φＳ−ＡＳＥおよびφｉ−ＡＳＥは、第二高調波の位相φＳＨとの間にも相関はない。従って、φＳ−ＡＳＥを固定して考えた場合に、ランダムな値を取りうるφｉ−ＡＳＥのうち第二高調波の位相φＳを基準にしてφＳ−ＡＳＥと共役な位相をもつ成分のみがパラメトリック増幅を受けることになる。
このようなＡＳＥの位相のランダム性を考慮すると上記の相関のある信号光に比べると、ＡＳＥに対する利得はその半分になることが分かる。従って、光スペクトルで比較した場合のＳ／Ｎ比は、本実施形態に係る光増幅器によって改善することが可能になる。
ちなみに光ファイバを用いた非縮退パラメトリック増幅では、このような効果を得ることは難しい。その理由は、光ファイバの四光波混合を用いた増幅では、励起光、信号光、およびアイドラ光の全てが１．５５μｍ帯にあり、通常ＥＤＦＡなどを用いて励起光を発生するために、励起光波長に近接した信号光やアイドラ光の波長の帯域にＥＤＦＡから発生するＡＳＥ光が混入してしまい、かつ励起光のパワーが信号光やアイドラ光に比べて相対的に大きいことが多いので、外部から混入するＡＳＥ光による雑音の影響が大きいからである。従って、本実施形態のように、入出力に対してＳ／Ｎ比を改善できるような顕著な効果を得ることができない。
これに対して、本実施形態では、ＥＤＦＡで基本波光を増幅したのちに第二高調波に変換して、１．５５μｍ帯のＡＳＥ光も除去してから、パラメトリック媒質に入射し非縮退パラメトリック増幅を行っているので、励起光の発生に用いるＥＤＦＡから発生するＡＳＥ光の混入を防ぐことができる。よって、本実施形態では、信号光と、アイドラ光とに対する位相感応性を利用したＳ／Ｎ比改善効果を得ることができる。
次に、上記の説明で除外した励起光の２倍の波長と信号光の波長とが同じになる縮退点における動作について説明する。
図２８Ａに示すように、本実施形態では、励起光の２倍の波長と同じ波長の信号光も入射しており、この波長においても図３１Ａおよび図３１Ｂの光スペクトルで見る限りでは、Ｓ／Ｎ比は改善している。しかし、以下に述べるように、励起光の２倍の波長と信号光の波長とが同じになる縮退パラメトリック増幅を行う場合において、光電変換したのちの入出力を比較してＳ／Ｎ比が向上することはない。縮退パラメトリック増幅においては信号光位相φＳと励起光位相φｐとの間に次の（式２５）が成り立つときに増幅が行われる。
φＳ＝φＳＨ／２＋ｎπ＝φｐ＋ｎπ（ただし、ｎは整数） （式２５）
すなわち、信号光は励起光と同相の成分のみが増幅される。ＡＳＥ光が入力された場合も同様であり、ＡＳＥ光の位相がランダムであることを考えると、励起光と位相同期した信号光が入射された場合に比べて利得はその半分になる。従って、光のパワーで見たときのＳ／Ｎ比は３ｄＢ改善することになる。この点は非縮退点における動作と変わらない。
縮退点における動作では、入力されたＡＳＥ光のうち信号光と同相の成分は増幅され、直交位相成分は減衰する。この直交位相成分が増幅されないことが光パワーで見たときの利得の違いとして現れることになるのだが、もともと信号光と直交位相をもつ成分は信号光と干渉しても強度雑音を発生することはない。一方、信号光と干渉し強度雑音の原因となる、ＡＳＥ光のうちの信号光と同相成分は、信号と同様の利得を受けて増幅される。従って、縮退点における位相感応パラメトリック増幅では、信号光と干渉するＡＳＥ光の成分が減るわけではないので、光信号を光電変換したあとのＳ／Ｎ比は変わらないのである。
続いて、本実施形態で採用する非縮退パラメトリック増幅において、光電変換後のＳ／Ｎ比がどのような振る舞いをするかについて述べる。上述のように非縮退パラメトリック増幅において、ＡＳＥ光の受ける利得は信号光に比べて半分となる。このときの増幅されたＡＳＥ光の位相に注目すると、上述のように信号光とアイドラ光との波長にそれぞれ入力されるＡＳＥ光成分のうち、次の（式２６）を満たす成分のみが増幅される。
φＳＨ＝φＳ−ＡＳＥ＋φｉ−ＡＳＥ＋２ｎπ（ただし、ｎは整数） （式２６）
縮退点での動作では、入力されたＡＳＥ光のうち励起光と同相の成分のみが増幅されていたのに対して、非縮退点での動作では、信号光波長とアイドラ光波長とにおけるＡＳＥ光の位相が共役な関係になることのみが増幅に必要な条件になっており、増幅されたＡＳＥ光、信号光、およびアイドラ光間の位相関係は特に規定されない。従って、縮退点での動作とは異なり、非縮退点での動作では増幅されたＡＳＥ光は、信号光と同相位相の成分を、信号光の直交位相成分と同等に含んでいると考えられる。よって、入出力ともＡＳＥ光の位相はランダムであり、かつＡＳＥ光の受ける利得は信号の受ける利得の半分であるので、光電変換後のＡＳＥ光とのビート雑音によって決まるＳＮ比は、３ｄＢ増幅後に改善することになる。
縮退動作との比較で考えると、非縮退動作では強度雑音に寄与する同相のＡＳＥ光の強度は，縮退動作における同相のＡＳＥ光の強度の半分となり、増幅後のＡＳＥ光全体のパワーは縮退動作時と同じとなるので、増幅されたＡＳＥ光のうち同相の成分のみが信号との干渉による強度雑音を起こすことを考えれば、非縮退動作では、縮退動作に比べてＳＮ比が３ｄＢ改善することになる。
このことを確認するために本発明の増幅器に入力した光コム信号と増幅後の光コム信号においてそれぞれ所望の１つの搬送波をバンドパスフィルタで切り出し、光アッテネータで平均パワーを同じくしたのちに、Ｏ／Ｅコンバータを内蔵した電気スペクトラムアナライザを用いて、入出力における信号光とＡＳＥ光のビート雑音のレベルを比較した。
図３２Ａおよび図３２Ｂに、入出力における信号光とASE光のビート雑音のレベルを電気スペクトラムアナライザで測定した結果を示す。図３２Ａに示したように、縮退点のピークを観測した場合は、増幅器の入出力において、雑音レベルに違いが見られないのに対して、図３２Ｂに示したように、非縮退点のピークを観測した場合、増幅により雑音レベルが３ｄＢ低くなっていること、すなわちＳ／Ｎ比が３ｄＢ改善されていることが確認できた。このように本実施形態によれば、レーザー増幅器などでＳ／Ｎ比が劣化した信号を増幅することにより、Ｓ／Ｎ比を入力よりも改善できるという極めて顕著な効果を得ることが出来る。
本実施形態に係る位相感応光増幅器に、データ変調を施した信号を入射して、本実施形態によるＳ／Ｎ比の改善効果を調べた。
図３３に、光コムにデータ変調を施した信号を用いたＳ／Ｎ比改善効果を調べるための実験構成を示す。単一波長光源３３０１を光変調器３３０３で変調することにより発生した光コムを、ＬＮ変調器３３０５でＢＰＳＫ変調を施し、図２８Ｂに示した本実施形態による位相感応光増幅器に入射する。
実際の光コムの変調では、光コム発生とデータ変調時の損失を補償するために、後にＥＤＦＡ等のレーザー増幅器を用いて信号を増幅する。この時にＡＳＥ光による信号雑音が付加されてしまう。
本実施形態を評価する実験では、Ｓ／Ｎ比の改善効果を調べるために、データ変調を施した光コム信号に対し、ＥＤＦＡ３３０６を介して意図的にＡＳＥ雑音を付加している。
位相感応光増幅器の基本波光は、光コムを発生するのに用いた単一波長光源３３０１を分岐して用いた。増幅前後の信号から非縮退点のピークを分波器で分離し、光減衰器で受信パワーを調整し、受信装置で受信した。
図３４に測定した受信パワーに対する誤り率のデータを示す。光コム発生とデータ変調時の損失により光パワーが減衰した光コムをＥＤＦＡ等のレーザー光増幅器で増幅すると、自然放出光（ＡＳＥ光）が混入してしまい、増幅に伴ってＳ／Ｎ比が劣化してしまうという問題があった。図３４に示した結果から、意図的にＡＳＥ雑音を付加すると、ＡＳＥ雑音を付加しない場合と同じ誤り率を得るためには必要な受信パワーが非常に大きくなることが分かる。
しかしながら、本実施形態に係る位相感応光増幅器に、意図的にＡＳＥ雑音を付加した信号を入射して得られた出力信号のデータ誤り率は、元のＡＳＥ雑音を付加された入力信号に比べ大幅な受信パワーに対する改善が見られた。１０−９の誤り率で比べた場合、本発明に係る位相感応光増幅器を用いると、ＡＳＥ雑音によるパワーペナルティを３ｄＢ改善するという顕著な効果が見られた。
Figure 2012098911
（第８の実施形態）
図３５に本発明の第８の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成を示す。単一波長光源３５０１に1.54μｍのCW光を用い、変調器３５０３を用いて励起光の２倍の波長に相当する光周波数を中心として同じ光周波数差だけ対称に離れた信号光の対（s+1とs-1、s+2とs-2、s+3とs-3、s+4とs-4、以下同様）を持つ光コムを生成する。
本実施形態では単一波長光源３５０１と光変調器３５０３とから構成された光コム発生器を採用しているが、光源にモード同期レーザーを用いる方法や、光コム生成に非線形媒質を用いる方法などの他の方法を用いて光コムを発生させてもよい。
発生させた光コム信号の複数波長のうちの１波長から同じ光周波数差だけ対称に離れた対となる２波長が同じ光路に出力するように設計された分波器３５０４を用いて光コムの各波長を分離した。分波器には、アレイ導波路格子(AWG:Arrayed Waveguide Grating)に代表される導波路型の合分波器を用いてもよいし、ＭＥＭＳを用いたＷＳＳ（Wavelength Selective Switch）に代表される空間光学系を用いた合分波器を用いてもよい。
分波器３５０４の各出力にはそれぞれ光変調器３５０５が接続されており、各信号光の対にデータ変調を施す。次いで、合波器３５０６を用いて各信号対を合波した後、ＥＤＦＡ等のレーザー増幅器３５０７で信号を増幅する。図３５に示した構成においては、データ変調信号を合波した後一括で増幅しているが、例えばデータ変調に半導体の変調器を用いＳＯＡなどの半導体増幅器を変調器に集積したデバイスを用いることができる場合は、図３６に示すように各信号対をそれぞれレーザー増幅器で増幅した後、合波してもよい。
また、図３５及び図３６に示した構成では、光周波数差だけ対称に離れた対となる２波長が同じ光路に出力される分波器を用いてそれぞれの信号対に同じデータ変調を施しているが、図３７に示すように光コムのそれぞれの波長を分離する分波器３７０４と、分波器の各出力にそれぞれ接続されたそれぞれ光変調器３７０５を用いて、光コムのうちの、同じ光周波数差だけ対称に離れた信号対を同じデータで変調する構成を用いてもよい。
光コムの生成過程では、変調器の損失や複数搬送波への変換効率の分だけ光パワーが小さくなってしまう。また、光コムを分波器で分波し変調器でデータ変調を施し、合波器で合波する場合、それぞれの構成要素の挿入損失により、元の光コムに比べて光パワーが著しく減衰してしまう。通常のレーザー媒質を用いた光増幅器で光ファイバでの伝送に必要なパワーまで増幅を行うと、光増幅器への入力パワーが小さいために信号のＳ／Ｎ比を著しく劣化させてしまう。位相感応光増幅器による低雑音な光増幅の原理は知られているものの、一般的に位相感応光増幅器では縮退パラメトリック増幅を用いるために、増幅できる信号波長は１つであり、複数の搬送波を同時に増幅することはできない。
しかし、本実施形態に係る位相感応光増幅器を用いることで、複数波長の光コムを低雑音で増幅することが可能となる。さらには、信号光とＡＳＥ光とのビート雑音に起因するＳ／Ｎ比に関し、本実施形態に係る位相感応光増幅器を用いることで入力よりもＳ／Ｎ比を改善できるという顕著な効果を持つ。
位相感応光増幅器の基本波光は、光コムを発生するのに用いた単一波長光源を分岐して用いた。光コム信号を本実施形態による位相感応光増幅器に入射した。入出力それぞれの光Ｓ／Ｎ比（ＯＳＮＲ）と光電変換後のＳ／Ｎ比を調べた結果、入力信号のＳ／Ｎ比に比べて出力信号のＳ／Ｎ比は３ｄＢのＳ／Ｎ比改善が見られた。本実施形態に係る構成を用いることで、強度雑音である信号光とＡＳＥ光とのビート雑音によるＳ／Ｎ比を改善した。
このＳ／Ｎ比改善効果に加えて、本実施形態に係る構成を用いることで、直交位相を減衰させることによる位相チャープ成分の抑制効果の相乗効果が得られる。増幅特性を確認するために、増幅後の信号光を観測し時間波形を調べた。
図３８Ａ、図３８Ｂ、および図３８Ｃは、本実施形態による位相感応光増幅器によって増幅された信号の時間波形を説明するための図である。図３８Ａに励起光が入射しないときの入射信号光の出力波形を、図３８ＢにＰＬＬにより励起光位相と信号光の位相とが合うように設定したときの出力波形を、図３８ＣにＰＬＬにより励起光位相と信号光の位相とが９０度ずれるように設定したときの出力波形を、それぞれ示す。
励起光位相と信号光位相とが９０度ずれるように設定したときは、図３８Ｃに示すように、信号のＯＮレベルが減衰されている様子から位相感応増幅が達成されていることがわかる。また、信号のＯＮとＯＦＦレベルの間の過渡的な部分のみが増幅された波形が観測された。これは信号光に位相雑音が重畳されていることを示している。
例えば、データを重畳する光変調器として変調器中の片方のアームのみの位相変調を用いるタイプの変調器を用いると、データ変調器によりチャープが生じる。すなわちＯＮとＯＦＦの間を遷移するときに変調器の出力の位相が変動し、ＯＮ状態の時を基準にすると、直交位相成分が生じる。このために信号光位相と励起光位相とを直交させるように設定すると、位相チャープ成分のみが位相感応増幅されるという結果となる。このことはすなわち、信号光のＯＮ状態に位相を合わせた状態では、入力信号に位相チャープが含まれていた場合でも、そのチャープ成分を除去して、チャープのない信号として整形して増幅できることを示している。
図３５に示す構成を用いて、第２の実施形態における構成を用いて生成した信号を光ファイバに通して伝送を行った結果、強度雑音である信号光とＡＳＥ光とのビート雑音の除去効果と位相チャープ成分の抑制効果により、伝送距離を３倍以上にすることができた。
次に、第８の実施形態の別構成について説明する。図３９に、本発明の第８の実施形態に係る位相感応光増幅器の別構成を示す。単一波長光源３９０１と変調器３９０３とを用いて励起光の２倍の波長に相当する光周波数を中心として同じ光周波数差だけ対称に離れた信号光の対（s+1とs-1、s+2とs-2、s+3とs-3、s+4とs-4、以下同様の）を持つ光コムを生成する。光コムの生成過程での、変調器の損失や複数搬送波への変換による損失を補うためにＥＤＦＡ等の通常のレーザー増幅器３９０４を用いて光コム信号を増幅する。位相感応光増幅器の基本波光としては、光コムを発生するのに用いた単一波長光源３９０１から分岐した信号を用い、光コム信号を本発明による位相感応光増幅器に入射して増幅した。
光コム信号を本発明による位相感応光増幅器に入射した。第７の実施形態で示した手法と同様の手法を用いて、入出力それぞれの光Ｓ／Ｎ比（ＯＳＮＲ）と光電変換後のＳ／Ｎ比を調べた結果、入力信号におけるＳ／Ｎ比に比べて、本実施形態に係る位相感応光増幅器の出力信号において３ｄＢのＳ／Ｎ比改善が見られた。図３９に示すように、通常のレーザー増幅器３９０４を用いて光コム信号を増幅した後、本発明における位相感応光増幅器を用いることで、Ｓ／Ｎ比の高い光コム信号を生成できた。
光コムのそれぞれの波長を分離する分波器３９０６と、分波器３９０６の各出力に接続されたそれぞれ光変調器３９０７を用いて、各コムに個別にデータ変調を施した後、光合波器３９０８を用いて光コム信号を１本の光ファイバに入射し、信号を伝送した。
本実施形態に係る位相感応光増幅器を用いることにより、Ｓ／Ｎ比の高い信号を生成できたので、伝送距離を増大させることができた。
（第９の実施形態）
位相感応光増幅器を光信号の送信器直後に用いるような、信号光を発生する光源が位相感応光増幅部の近くに配置されている場合は、信号光用光源の一部を分岐して基本波光として用いることができる。しかしながら、光伝送における中継増幅器や受信端での前置増幅器として位相感応光増幅器を用いる場合には、位相同期手段を用いて位相感応光増幅装置内の励起光位相と信号光位相とを（式１）の関係を満たすように同期させる必要がある。位相同期手段として、中心波長信号を用いた本発明の第９の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成を図４０に示す。
本実施形態では、複数波長の信号光の中心波長信号をＣＷ光のパイロットトーンとして用いたデータ信号を、入力信号として用いる。光周波数を中心として同じ光周波数差だけ対称に離れた信号光の対（s+1とs-1、s+2とs-2、s+3とs-3、s+4とs-4、以下同様の）には２値の位相変調が加えられ、中心波長の信号は無変調でＣＷ光のパイロットトーンとして用いることが可能な複数波長の信号を、信号光４０３０として用いている。
中心波長にＣＷ光のパイロットトーンを持つ変調信号光４０３０が伝送媒体を通って伝送されてくる。伝送媒体には光ファイバを用いた。光ファイバ中の偏波回転を偏波コントローラ４０２０で補正した後、中心波長のみを切り出すノッチ型のフィルタ４０２１を用いてＣＷ光のパイロットトーンのみを分離した。
信号の光強度は伝送光ファイバによる光強度の損失のため、光強度が極めて小さくＳ／Ｎ比が劣化している。分岐させたＣＷ光のパイロットトーンをアッテネータ４０１１で光強度を調整した後、サーキュレータ４０１２を通して位相感応光増幅装置内の基本波光源４０１３に光注入同期を行った。基本波光源４０１３にはＤＦＢ型の半導体レーザーを用いた。
アッテネータ４０１１を用いて基本波光源４０１３に入力する光強度を変化させ、光スペクトルアナライザで様子を観測したところ、光強度を数十μＷとした時に半導体レーザーの波長がパイロットトーン波長に引き込まれている様子が観測され、位相感応光増幅装置内の基本波光源がパイロットトーンに位相同期されることが分かった。これにより、Ｓ／Ｎ比の劣化した信号光のパイロットトーンからＳ／Ｎ比のよい励起光を生成することができた。
光ファイバ中を伝送されてきた複数波長の信号は、光ファイバ中の分散効果により対称に離れた信号光の対の間の位相にずれが生じている。この位相のずれを補償するために分散補償(調整)媒質４０２２を位相感応光増幅器内に構成した。分散補償(調整)媒質には、ＬＣＯＳなどの液晶を用いた位相調整器を用いた。逆分散を持つファイバを用いるなどの別の手段を用いて位相を調整してもよい。位相調整器（図示せず）により、信号光の対の間の位相を合わせた。
信号光のパイロットトーンに位相同期した基本波光を用いて、第７の実施形態で説明した位相感応増幅構成を用いて光増幅を試みた所、第１の実施形態と同様の特性結果が得られた。本実施形態による構成をとることにより、信号光を発生する光源が位相感応光増幅部の近くに配置されていない中継増幅や受信端での前置増幅器においても、位相同期手段を用いることで位相感応増幅が行うことができた。
本実施形態においては、縮退波長の信号をパイロットトーンで位相同期するが、他の方法を用いてもよい。縮退信号の増幅に関して説明した第３乃至第５の実施形態に示した手法のうちのいずれかの位相同期手法及び搬送位相抽出手法を用いてもよい。
（第１０の実施形態）
図４１に本実施形態の構成を示す。本実施形態では、第１の実施形態と同様に１．５４μｍの信号を増幅するように装置を構成した。２つのＰＰＬＮ導波路４１０５−１，４１０５−２を用いて、第二高調波４１２２を発生させ縮退パラメトリック増幅を行う点は第１の実施形態と同じである。相違点は、基本波光４１２１から第二高調波４１２２を分離する方式および第二高調波４１２２と信号光４１２０とを合波する方式である。
本発明によれば光ファイバ増幅器から発生するＡＳＥ光に起因する信号光のＳ／Ｎ比の劣化を抑制しながら位相感応増幅を行うことができるが、本実施形態ではその効果を有効に利用できるようにした。本実施形態においても、第二高調波４１２２の分離ならびに第二高調波４１２２と信号光４１２０との合波にはダイクロイックミラー４１０６−１，４１０６−２を用いている。
一般的に、波長の異なる２つの光を分離または合波するために、一方の波長の光を反射し、他方の波長の光を透過するダイクロイックミラーがよく使用されているが、特に不必要な光をカットする用途の場合、カットしたい特定の波長光を反射させて使用する構成とすることが望ましい。逆に、カットしたい特定の波長の光を透過させ、必要とする光を反射させて取り出す構成の場合、不必要な波長におけるミラーの反射率を非常に小さくする必要がある。
不必要な波長におけるミラーの反射率を非常に小さくすることに比べると、カットしたい特定の波長の光の透過率を下げることは比較的容易であるため、不要な波長の光を反射させる構成の方が不必要な光を効果的に抑圧することができる。本実施形態では、そのような考え方に基づいて装置を構成した。
光分岐部４１０３−１で、波長１．５４μｍの基本波光４１２１を信号光４１２０から分岐し、位相同期のためのＬＮ位相変調器４１１０、ＰＺＴによる光ファイバ伸長器４１１１を介して、ＥＤＦＡ４１０１で増幅する。増幅した基本波光を、第１の二次非線形光学素子４１０２−１中の第１のＰＰＬＮ導波路４１０５−１に入射し第二高調波４１２２を発生させる。
本実施形態においては、第１のＰＰＬＮ導波路４１０５−１から出射される基本波光とその第二高調波から第二高調波４１２２のみを効果的に取り出し、ＥＤＦＡ４１０１から発生するＡＳＥ光を効果的に除去するために、第１のＰＰＬＮ導波路４１０５−１の後に、１．５５μｍ帯を反射し、０．７７μｍ帯を透過するダイクロイックミラー４１０６−１を設置した。
波長が０．７７μｍである第二高調波４１２２は、この波長においてシングルモード伝搬特性をもつ偏波保存ファイバ４１０７を介して、第２の二次非線形光学素子４１０５−２へと導かれている。第１の実施形態と同様に、０．７７μｍにおいてシングルモードであるこのファイバは波長１．５４μｍの光に対しては光の閉じ込めが弱いために、１ｍ程度の長さを伝搬させることにより、不用な波長１．５４μｍ付近の基本波光およびＡＳＥ光を効果的に減衰させることができる。
偏波保持ファイバ４１０７で導かれた第二高調波４１２２は、ダイクロイックミラー４１０６−２を用いて波長１．５４μｍの信号光と合波される。本実施形態においては、偏波保持ファイバを通ってくる波長１．５４μｍ付近の基本波光およびＡＳＥ光の残留成分を効果的に取り除くことができるように、１．５４μｍ帯を反射し、０．７７μｍ帯を透過するダイクロイックミラーを用いた。
信号光４１２０と第二高調波４１２２とは合波された後、第２のＰＰＬＮ導波路４１０５−２に入射され、縮退パラメトリック増幅により、信号光を位相感応増幅することができる。
第２のＰＰＬＮ導波路４１０５−２から出射された光は、ダイクロイックミラー４１０６−３により第二高調波と増幅された信号光とに分離される。本実施形態では、ダイクロイックミラー４１０６−３に、出力に不用な第二高調波を効果的に取り除くために０．７７μｍ帯を反射し、１．５４μｍ帯を透過するダイクロイックミラーを用いた。
本実施形態においても、第１の実施形態同様、出力した増幅信号光の一部を光分岐部４１０３−２で分岐して光検出器４１０８で受光した後に位相同期ループ回路（ＰＬＬ）４１０９により位相同期を行うことで安定的に位相感応増幅ができるようにしている。
本実施形態においては、それぞれ特性の異なるダイクロイックミラーを、基本波光からの第二高調波の分離ならびに第二高調波と信号光との合波に用いたために、特に信号のＳ／Ｎ比に悪影響を与えるＥＤＦＡからのＡＳＥ光を信号光に混入させることなく、高い信号品質が得られる位相感応光増幅器を構成することができた。
なお、本実施例では、第１の実施形態と同様の構成、つまり、増幅方式が縮退パラメトリック方式であり、励起光として基本波光からの第二高調波を利用し、位相同期のための基本波光の生成方法として、信号光から直接分岐した光を用い、変調された光信号からの位相同期手段を用いない構成としたが、本実施例は、前述の第１乃至第９の実施形態で説明した方法のいずれの増幅方式、励起光の種類、位相同期のための基本波光の生成方法、及びこれらの単純な組み合わせである構成を妨げるものではない。
具体的には、増幅方式として、第７乃至第９の実施形態に記載の非縮退パラメトリック方式を採用しても良い。
また、励起光を得る方法として、第５の実施形態のように異なる２つの波長の和周波として生成する方法を採用しても良い。
Figure 2012098911
（第１１の実施形態）
本実施形態に係る位相感応光増幅器の基本的な構成を図４２に示す。この光増幅器は、位相感応光増幅部４２０１と、励起光源４２０２と、励起光位相制御部４２０３と、２つの光分岐部４２０４−１、４２０４−２とから構成される。この光増幅器は、位相感応光増幅部４２０１における信号光と励起光の位相が上述の（式１）の関係を満たすと入力信号光４２１０は増幅され、両者の位相が（式１）の関係より９０度ずれた直交位相関係になると、入力信号光４２１０は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―信号光間の位相を同期させると、信号光と直交位相の自然放出光を発生させずに、つまりＳ／Ｎ比を劣化させずに信号光を増幅することができる。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、後述するように、主として位相同期を達成する方法にある。
信号光と励起光の位相同期を達成するために、光分岐部４２０４−１で分岐された入力信号光４２１０の位相と（式１）の関係を満たして同期するように、励起光４２１１の位相を制御する。光分岐部４２０４−２で出力信号光４２１２を一部分岐する変わりに励起光である第二高調波４２１３を狭帯域の検出器で検波し、第二高調波４２１３の出力信号が最小となるように励起光位相制御部４２０３において励起光４２１１の位相を制御する。その結果、位相感応光増幅部４２０１において、信号光の位相と、励起光の位相とが（式１）の関係を満たして同期するように制御され、Ｓ／Ｎ比の劣化のない光増幅を実現することができる。なお、励起光位相制御部４２０３は、図４２に示すような励起光源４２０２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４２０２の位相を直接制御する構成としてもよい。また信号光を発生する光源が位相感応光増幅部の近くに配置されている場合は、信号光用光源の一部を分岐して励起光として用いることもできる。
図４３は、本実施形態に係る位相感応光増幅器における、入力信号光‐励起光間の位相差Δφと、第二高調波の利得（ｄＢ）との関係を示すグラフである。Δφが−π、０、またはπのときに、パラメトリック増幅による信号光の利得が最大となるために、増幅に利用された第二高調波の利得が最小となっていることがわかる。
図４４に本実施形態の構成を示す。本実施形態では、データ信号用強度変調器４４２４としてＬＮマッハツェンダー変調器を用い１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ信号を入力した場合の増幅特性を評価した。本実施形態では、光通信に用いられる微弱なレーザー光から非線形光学効果を得るのに十分なパワーを得るために、ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）４４０１を用いて、基本波光４４２１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４４０２−１に入射して第二高調波４４２２を発生させる。第２の二次非線形光学素子４４０２−２に信号光４４２０と第二高調波４４２２とを入射して縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応増幅を行う。
本実施形態では、波長１．５４μｍの信号光を増幅するために、信号光の一部を光分岐部４４０３で分岐して基本波光４４２１として用いている。基本波光４４２１は、エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）４４０１を用いて増幅される。増幅された基本波光は、第１の二次非線形光学素子４４０２−１に入力される。本実施形態では、ＥＤＦＡ４４０１から発生する広帯域なＡＳＥ光が第１の二次非線形光学素子４４０２−１により変換されることを防ぐために、ＥＤＦＡ４４０１と第１の二次非線形光学素子４４０２−１との間にバンドパスフィルタ４４０４を挿入し、不必要なＡＳＥ光をカットした。
本実施形態の、二次非線形光学素子（４４０２−１，４４０２−２）は、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）から成る光導波路（４４０５−１，４４０５−２）を備える。ＰＰＬＮ導波路は擬似位相整合によりニオブ酸リチウムの最も高い非線形光学定数ｄ３３を利用することが可能であり、かつ光導波路構造により高い光パワー密度が得られるので、図示するような構成にすることで高い波長変換効率を得ることができる。
ＰＰＬＮ導波路に高強度のパワーを入射した場合にフォトリフラクティブ効果による光損傷により位相整合波長が変化する場合があるが、本実施形態ではそのような問題が生じないように、非特許文献４に示される直接接合により作製された導波路を用いている。
本実施形態では光損傷耐性に優れたＺｎを添加したニオブ酸リチウムをコアに用いた直接接合導波路を使用することにより、位相整合波長の変動を抑制した。また、ドライエッチング加工によりコア径を４μｍ程度まで小さくすることにより高い波長変換効率を実現した。第１のＰＰＬＮ導波路４４０５−１から出射した、第二高調波４４２２と基本波光４４２１とは、ダイクロイックミラー４４０６−１を用いて分離される。ダイクロイックミラー４４０６−１で反射された波長０．７７μｍの第二高調波は、この波長０．７７μｍにおいてシングルモード伝搬特性をもつ偏波保持ファイバ４４０７を介して、第２の二次非線形光学素子４４０２−２へと導かれている。このとき、ダイクロイックミラー４４０６−１で完全には取り除けなかった波長１．５４μｍ付近の基本波光およびＡＳＥ光も偏波保持ファイバ４４０７に入射されることになるが、波長０．７７μｍにおいてシングルモードであるこのファイバは波長１．５４μｍの光に対しては光の閉じ込めが弱いために、１ｍ程度の長さを伝搬させることにより、これらの不要な光を効果的に減衰させることができる。
偏波保持ファイバ４４０７で導かれた第二高調波４４２２は、ダイクロイックミラー４４０６−２を用いて波長１．５４μｍの信号光４４２０と合波される。ダイクロイックミラー４４０６−２は第二高調波のみを反射させるために、第１のＰＰＬＮ導波路４４０５−１から出射され、ダイクロイックミラー４４０６−１および偏波保持ファイバ４４０７を通ってくる波長１．５４μｍ付近の基本波光とＡＳＥ光との残留成分を効果的に取り除くことができる。
信号光４４２０と第二高調波４４２２とは合波され、第２のＰＰＬＮ導波路４４０５−２に入射される。第２のＰＰＬＮ導波路４４０５−２は、第１のＰＰＬＮ導波路４４０５−１と同等の性能、位相整合波長を有しており、縮退パラメトリック増幅により、信号光を位相感応増幅することができる。
本実施形態では、２つのＰＰＬＮ導波路（４４０５−１，４４０５−２）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に同一温度において位相整合波長が一致しない場合が考えられるが、そのような場合でも両者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一致させることができる。
第２のＰＰＬＮ導波路４４０５−２から出射された光は、ダイクロイックミラー４４０６−３により励起光である第二高調波４４２２と増幅された信号光とに分離される。このときも第二高調波４４２２と増幅された信号光とは、波長が全く異なるために、出力において増幅された信号光と第二高調波は効果的に分離される。
本実施形態に係る位相感応増幅では、励起光と信号光の位相を同期させることが必要である。本実施形態では、出力した増幅信号光の一部を分岐して位相同期に利用する第１の実施形態とは異なり、ダイクロイックミラー４４０６−３により分離した、励起光である第二高調波４４２２を光検出器４４０８で受光したのちに位相同期ループ回路（ＰＬＬ）４４０９により位相同期を行った。ダイクロイックミラー４４０６−３で反射された１．５４μｍ帯の光が、位相同期を行うために利用する０．７７μｍ帯の光に含まれてしまい、位相同期を行う上で雑音成分となる場合があるため、図４４に示すようにハイパスフィルタ４４２５を挿入し、１．５４μｍ帯の光をカットしても良い。
ＥＤＦＡ４４０１の前に配置した位相変調器４４１０を用いて正弦波により微弱な位相変調を基本波光に施す。光検出器４４０８とＰＬＬ回路４４０９でその位相変調の位相ずれを検出して、ＥＤＦＡ４４０１の前に配置したＰＺＴによる光ファイバの伸長器４４１１の駆動電圧と位相変調器４４１０のバイアス電圧とにフィードバックを行うことで、光ファイバ部品の振動や温度変動による光位相の変動を吸収して、安定的に位相感応増幅ができるようにした。
本実施形態では、励起光である第二高調波を利用して励起光の位相と信号光の位相とを（式１）の関係を満たすように同期させることにより、増幅された信号光をすべて活用できるようになったため、第１の実施形態と比較して増幅された信号光の利得がおよそ１５％増加した。
また、第１の実施形態と同様に、信号光のＯＮ状態に位相を合わせた状態では、入力信号に位相チャープが含まれていた場合でも、そのチャープ成分を除去して、チャープのない信号として整形して増幅することができる。
図４４に示した実施形態では、励起光である第二高調波と増幅された信号光とを分離するフィルターとして、ダイクロイックミラーを利用したが、図４５に示すように、第二の二次非線形光学素子４５０２−２の後段に配置したマルチモード干渉(MMI:Multi-Mode Interference)を利用した光合分波器４５２６を用いることもできる。
第二高調波４５２２と増幅された信号光４５２３とを分離するように設計したＭＭＩ型合分波器４５２６を同一基板内に集積することによって，より小型な位相感応光増幅器を得ることが可能である。また、ＭＭＩ型合分波器の代わりに方向性結合を利用した光合分波器を用いても同様の小型な位相感応光増幅器を得ることが可能である。
次に、本実施形態に係る位相感応光増幅器の別の構成について説明する。図４６に本構成を示す。本構成では、図４４に示した構成と同様に１．５４μｍの信号を増幅するように装置を構成した。２つのＰＰＬＮ導波路（４６０５−１，４６０５−２）を用いて、第二高調波を発生させ縮退パラメトリック増幅を行う点は図４４に示した構成と同じである。
図４４に示す構成と図４６に示す構成との相違点は、基本波光から第二高調波を分離する方式および第二高調波と信号光とを合波する方式である。本発明によれば光ファイバ増幅器から発生するＡＳＥ光に起因する信号光のＳ／Ｎ比の劣化を抑制しながら位相感応増幅を行うことができるが、本構成では、その効果を有効に利用できるようにした。
図４６に示す構成においても、基本波光４６２１からの第二高調波４６２２の分離ならびに第二高調波４６２２と信号光４６２０との合波にはダイクロイックミラー（４６０６−１，４６０６−２）を用いている。一般的に、波長の異なる２つの光を分離または合波するために、一方の波長の光を反射し、他方の波長の光を透過するダイクロイックミラーがよく使用されているが、特に不必要な光をカットする用途の場合、カットしたい特定の波長光を反射させて使用する構成とすることが望ましい。逆に、カットしたい特定の波長の光を透過させ、必要とする光を反射させて取り出す構成の場合、不必要な波長におけるミラーの反射率を非常に小さくする必要がある。不必要な波長におけるミラーの反射率を非常に小さくすることに比べると、カットしたい特定の波長の光の透過率を下げることは比較的容易であるため、不要な波長の光を反射させる構成の方が不必要な光を効果的に抑圧することができる。本構成では、そのような考え方に基づいて装置が構成されている。
光分岐部４６０３で、波長１．５４μｍの基本波光４６２１を信号光から分岐し、位相同期のためのＬＮ位相変調器４６１０、ＰＺＴによる光ファイバ伸長器４６１１を介して、ＥＤＦＡ４６０１で増幅する。
増幅した基本波光を、第１の二次非線形光学素子４６０２−１中の第１のＰＰＬＮ導波路４６０５−１に入射し第二高調波４６２２を発生させる。本構成においては、第１のＰＰＬＮ導波路４６０５−１から出射される基本波光とその第二高調波とから第二高調波のみを効果的に取り出し、ＥＤＦＡ４６０１から発生するＡＳＥ光を効果的に除去するために、第１のＰＰＬＮ導波路４６０５−１の後に、１．５５μｍ帯を反射し、０．７７μｍ帯を透過するダイクロイックミラー４６０６−１を設置した。
波長が０．７７μｍである第二高調波４６２２は、この波長においてシングルモード伝搬特性をもつ偏波保存ファイバ４６０７を介して、第２の二次非線形光学素子４６０２−２へと導かれている。上述の構成と同様に、０．７７μｍにおいてシングルモードであるこのファイバ４６０７は波長１．５４μｍの光に対しては光の閉じ込めが弱いために、１ｍ程度の長さを伝搬させることにより、不要な波長１．５４μｍ付近の基本波光およびＡＳＥ光を効果的に減衰させることができる。
偏波保持ファイバ４６０７で導かれた第二高調波は、ダイクロイックミラー４６０６−２により波長１．５４μｍの信号光４６２０と合波される。
本構成においては、偏波保持ファイバ４６０７を通ってくる波長１．５４μｍ付近の基本波光およびＡＳＥ光の残留成分を効果的に取り除くことができるように、１．５４μｍ帯を反射し、０．７７μｍ帯を透過するダイクロイックミラー４６０６−２を用いた。信号光と第二高調波とは合波された後、第２のＰＰＬＮ導波路４６０５−２に入射され、縮退パラメトリック増幅により、信号光を位相感応増幅することができる。
第２のＰＰＬＮ導波路４６０５−２から出射された光は、ダイクロイックミラー４６０６−３により第二高調波４６２２と増幅された信号光４６２３とに分離される。本構成では、ダイクロイックミラー４６０６−３に、０．７７μｍ帯を反射し、１．５４μｍ帯を透過するダイクロイックミラーを用いた。
本構成においても、分離した、励起光である第二高調波４６２２を光検出器４６０８で受光した後に位相同期ループ回路（ＰＬＬ）４６０９により位相同期を行うことで安定的に位相感応増幅ができるようにしている。本構成に係る位相感応光増幅器により、増幅された信号光をすべて活用できるようになったため、第１０の実施形態に係る位相感応光増幅器と比較して増幅された信号光の利得がおよそ１５％増加した。
本構成においては、それぞれ特性の異なるダイクロイックミラー（４６０６−１，４６０６−２）を、基本波光と第二高調波との分離、ならびに、第二高調波と信号光との合波に用いたために、特に信号のＳ／Ｎ比に悪影響を与えるＥＤＦＡからのＡＳＥ光を信号光に混入させることなく、高い信号品質が得られる位相感応光増幅器を構成することができた。
次に、本実施形態に係る位相感応光増幅器のさらに別の構成について説明する。
図４４乃至図４６に示した構成においては、基本波光として信号光から分岐した光を用いた。すなわち、基本波光は、信号光と同一の光源を増幅して得ていた。例えば光通信における送信器に用いる場合には、これまでに説明したような同一の光源を信号光と基本波光に使用し、基本波光を分岐したのちに信号光に必要な変調を加えることが考えられる。一方、本構成では、あらかじめ変調された信号光の増幅ができるよう、図４７に示すように装置を構成した。
本構成に係る装置は、２値の位相変調（ＢＰＳＫ）または２値差動位相変調（ＤＰＳＫ）信号もしくは通常の強度変調などの信号を、雑音を付加することなく増幅することができる。
本構成においては、基本波光を得るために光分岐部４７０３で信号光を分岐し、分岐した信号光をＥＤＦＡ４７０１で増幅させる。増幅された信号光を第１の二次非線形光学素子４７０２−１中の第１のＰＰＬＮ導波路４７０５−１に入射し、信号光の第二高調波４７２２を発生させる。第１のＰＰＬＮ導波路４７０５−１の出射光から第二高調波のみを分離するためにダイクロイックミラー４７０６−１を使用する。分離された第二高調波を波長０．７７μｍで発振する半導体レーザー４７１２に入射することにより注入同期が行われる。半導体レーザー４７１２の出力は、半導体レーザーと同様の波長帯域に利得を持つ半導体光増幅器４７１３により増幅され、ダイクロイックミラー４７０６−２を用いて波長１．５４μｍの信号光４７２０と合波される。信号光４７２０と波長０．７７μｍの励起光である第二高調波４７２２とは合波された後、第２のＰＰＬＮ導波路４７０５−２に入射され、縮退パラメトリック増幅により、信号光を位相感応増幅することができる。
位相感応増幅を行うためには増幅器に入射してくる信号光の平均位相に同期した励起光を生成する必要がある。本構成においては、２値の位相変調を施されたような信号を用いる場合であっても、その平均位相に同期した励起光を生成することができる。その動作原理については、上記の第４の実施形態において説明されている。
実際の位相変調信号において、強度変調成分のない励起光を得るためには、上記の位相変調成分を取り除いた第二高調波を本構成のように注入同期を用いて、信号光の平均位相に同期させて、信号光の半波長の励起光とすることが望ましいのは第４の実施形態と同様である。
本構成においては、注入同期を用いて位相変調の施された信号光から平均位相に同期した強度変調のない励起光を生成する。これにより、仮に信号光に位相雑音が付加された場合であっても、本来の信号と直交する位相成分は、位相感応増幅により減衰させることができるので、信号位相および直交位相の雑音成分を取り除くような信号再生を行うことができる。
本構成においては、ダイクロイックミラー４７０６−３により分離した、励起光である第二高調波４７２２を光検出器４７０８で受光した後に、位相同期ループ回路（ＰＬＬ）４７０９から、（式１）の関係を満たして同期するように０．７７μｍの駆動電流にフィードバックを行うことで光学部品の振動や温度変動による位相変動を補正し、安定的に位相感応増幅ができるようにしている。
具体的には出力された、励起光である第二高調波４７２２の出力が最小になるように駆動電流を通じて位相制御を行う。本構成でも増幅された信号光をすべて活用できるようになったため、第４の実施形態と比較して増幅された信号光の利得がおよそ１５％増加した。
本構成においては、第１のＰＰＬＮ４７０５−１における第二高調波発生が可能となるパワーを得るためにＥＤＦＡ４７０１を用いているが、ＥＤＦＡ４７０１から発生するＡＳＥ光が位相感応増幅を行う第２のＰＰＬＮ導波路４７０５−２に入射しないために、本構成においても、光増幅器のＡＳＥ光に起因する信号光のＳ／Ｎ比劣化を防ぐことができる。また、波長０．７７μｍで動作する半導体光増幅器４７１３からもＡＳＥ光は発生するが、この光は信号光と波長が全く異なるために、ダイクロイックミラー４７０６−２，４７０６−３によってほぼ完全に取り除くことが可能であり、信号光のＳ／Ｎ比を劣化させることなく、位相感応増幅を行うことが可能である。
なお、上述してきた第１１の実施形態では、増幅方式が縮退パラメトリック方式であり、励起光として基本波光からの第二高調波を採用する構成について説明しているが、第１１の実施形態は、前述の第１乃至第１０の実施形態で説明した方法のいずれの増幅方式、励起光の種類、位相同期のための基本波光の生成方法、及びこれらの単純な組み合わせである構成を妨げるものではない。
具体的には、増幅方式として、第７乃至第９の実施形態に記載の非縮退パラメトリック方式を採用しても良い。
また、励起光を得る方法として、第５の実施形態のように異なる２つの波長の和周波として生成する方法を採用しても良い。この場合、位相同期を得るために検出し帰還を行う励起光は、第二高調波ではなく和周波となる。
また位相同期のための基本波光の生成方法も、第３の実施形態に記載の信号光とは別にパイロットトーン信号を送る方法や、第４および第５の実施形態に記載のように変調された信号光から搬送波信号を抽出・復元する方法でも良い。
Figure 2012098911
（第１２の実施形態）
図６を用いて説明したように、第１の実施形態により簡便な構成で位相感応増幅を実現することができる。しかしながら、第１の実施形態には以下に述べるような問題点がある。再び図６を用いて説明する。
位相同期に用いる位相変調器６１０をＥＤＦＡ６０１の前段に配置しており、位相変調器の挿入損失だけＥＤＦＡへの入射パワーが小さくなってしまう。ＥＤＦＡ等のレーザー増幅器においては、増幅器前の損失があると、その分だけＳ／Ｎ比が劣化してしまうことが良く知られている（非特許文献８を参照）。このように位相変調器の挿入損失によって励起光のＳ／Ｎ比が劣化してしまうと、その雑音成分がパラメトリック増幅過程により増幅光の雑音へと変換されてしまい、低雑音な増幅を行うことができない。しかし、以下に説明する本発明の第１２の実施形態においては、この雑音の問題は解消される。
なお、本実施形態においても、第１の実施形態と同様の構成、すなわち、増幅方式が縮退パラメトリック方式であり、励起光が基本波光からの第二高調波であり、位相同期のための基本波光として信号光から直接分岐した光を用い、変調された光信号からの位相同期手段は用いない構成とした。
しかし、本実施形態は、第１の実施形態から第１１の実施形態で説明した方法のいずれの増幅方式、励起光の種類、位相同期のための基本波光の生成方法、位相同期方法、及びこれらの単純な組み合わせである構成を妨げるものではない。
具体的には、増幅方式としては第７乃至第９の実施形態に記載の非縮退パラメトリック方式を採用しても良く、第５の実施形態に記載のように、励起光として、異なる２つの波長の和周波を生成する方法を採用しても良い。また、位相同期のための基本波光の生成方法も、第３の実施形態に記載のように信号光とは別にパイロットトーン信号を送る方法を用いてもよく、第４の実施形態及び第５の実施形態に記載のように変調された信号光から搬送波信号を抽出・復元する方法を用いても良い。また、位相同期方法として、第１１の実施形態に記載のように励起光で帰還を行う位相同期方法を用いても良い。
本実施形態の構成例を図４８を参照しながら詳細に説明する。本実施形態は、第１の実施形態で問題となっていた位相同期のための位相変調器の損失に起因する光ファイバレーザー増幅器におけるＳ／Ｎ比の劣化を防ぐために、図４８に示すような構成とした。
非特許文献８に示されているようにレーザー増幅器の前段に損失がある場合にはその損失分だけＳ／Ｎ比が劣化してしまうのに対して、レーザー増幅器の後段に損失があった場合は損失分だけ出力が低下してしまうもののＳ／Ｎ比は劣化しない。この性質を利用して、本実施形態では、図４８に示すように、位相変調器４８１０を光ファイバレーザー増幅器４８０１より出力側に配置するようにした。
なお、従来技術では図４８に示すような構成を取ることが出来ない。その理由は、既存の位相変調器の多くは、ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）結晶にＴｉを拡散させた光導波路で作製されているからである。Ｔｉ拡散導波路では光損傷が顕著であるために大きな光パワーを入射するとフォトリフラクティブ効果による屈折率変化が生じ、位相変化を生じるために同じ位相条件を得るための電圧が変化するドリフト現象を引き起こしてしまう。このため、位相変調器に入力可能な光パワーは＋２０ｄＢｍ程度に制限されてしまう。さらに、挿入損失の大きな位相変調器をレーザー増幅器の後段に配置することで励起光のパワーが減衰してしまい、光パラメトリック効果を生じるのに十分な励起光パワーが得られず、大きな増幅率をもった位相感応増幅を実現することができない。
本実施形態においては、励起光である第二高調波４８２２を発生させるための光導波路４８０５−１と位相変調に用いる導波路とを同一の基板上に集積することによって、素子間の接続損失を低減するとともに位相変調器４８１０がＥＤＦＡ４８０１より出力側に配置できるようにした。
第二高調波発生器においてはより光損傷が顕著となる第二高調波を扱うために、第二高調波発生器を作成する際は、Ｔｉ拡散よりも光損傷耐性の大きな導波路の形成法を用いることが一般的であり、位相変調器を第二高調波発生器と同様な光導波路を用いて構成することにより、より大きな励起パワーを利用することが可能になる。
本構成では、１．５４μｍの信号光４８２０を増幅するために、信号光４８２０の一部を分岐部４８０３−１で分岐して基本波光４８２１として用いている。基本波光４８２１はエルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）４８０１を用いて増幅され位相変調器４８１０と第一の二次非線形光学素子４８０５−１とが集積化された光導波路に入力される。二次非線形光学素子（４８０２−１，４８０２−２）は、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）からなる光導波路（４８０５−１，４８０５−２）を備える。
ＰＰＬＮ導波路は擬似位相整合によりニオブ酸リチウムの最も高い非線形光学定数ｄ３３を利用することが可能でありかつ光導波路構造により高い光パワー密度が得られるので、高い波長変換効率を得ることができる。ＰＰＬＮ導波路に高強度のパワーを入射した場合に、フォトリフラクティブ効果に起因する光損傷により位相整合波長が変化してしまうことがあるが、本実施形態ではそのような問題が生じないように直接接合により作製された導波路を用いた（非特許文献４を参照）。
本実施形態においては、光損傷耐性に優れたＺｎを添加したニオブ酸リチウムをコアに用いた直接接合導波路を使用することにより、位相整合波長の変動を抑制した。また、ドライエッチング加工によりコア径を４μｍ程度まで小さくすることにより高い波長変換効率を実現した。そのＰＰＬＮ導波路４８０５−１が形成された同一の基板上に周期分極反転構造のない位相変調器４８１０を同様の導波路形成法で集積化した。位相変調部には導波路上に電界印加用電極を形成し、電気光学（ＥＯ）効果による位相変調を可能にした。上述のようにこの導波路形成法は光損傷耐性に優れているため、ＥＤＦＡ４８０１で増幅された基本波光４８２１のパワーが大きくなった場合でも動作電圧のドリフト現象を起こすことなく光位相同期ループ回路（ＰＬＬ）のためのパイロットトーンの位相変調を基本波光４８２１に施すことができる。
なお、本実施形態では上述のように位相変調器として電気光学効果による屈折率変化を利用したが、本手法は本実施形態に限定されず、他の実施形態においても、電気光学効果を基本とする位相変調器の適用が可能である。
第１のＰＰＬＮ導波路４８０５−１から出射した、基本波光４８２１と第二高調波４８２２とは、ダイクロイックミラー４８０６−１を用いて分離される。ダイクロイックミラーで透過された波長０．７７μｍの第二高調波４８２２は、この波長においてシングルモード伝搬特性をもつ偏波保存ファイバ４８０７を介して、第２の二次非線形光学素子４８０２−２へと導かれている。偏波保持ファイバ４８０７で導かれた第二高調波４８２２は、ダイクロイックミラー４８０６−２を用いて波長１．５４μｍの信号光４８２０と合波される。ダイクロイックミラー４８０６−２は、第二高調波４８２２のみを透過させるために、第１のＰＰＬＮ導波路４８０５−１から出射され、ダイクロイックミラー４８０６−１及び偏波保持ファイバ４８０７を通ってくる波長１．５４μｍ付近の基本波光４８２１とＡＳＥ光との残留成分を効果的に取り除くことができる。ダイクロイックミラー４８０６−２で合波された信号光４８２０と第二高調波４８２２とは、第２のＰＰＬＮ導波路４８０５−２に入射される。第２のＰＰＬＮ導波路４８０５−２は、第１のＰＰＬＮ導波路４８０５−１と同等の性能、位相整合波長を有しており、縮退パラメトリック増幅により、信号光を位相感応増幅することができる。第２のＰＰＬＮ導波路４８０５−２から出射された光は、ダイクロイックミラー４８０６−３により、基本波光の第二高調波４８２２と増幅された信号光４８２３とに分離される。このときも第二高調波と増幅された信号光は波長が全く異なるために、出力では不必要な第二高調波４８２２を効果的に取り除くことができる。
位相感応増幅では励起光と信号光の位相を同期させることが必要であるが、本実施形態では、出力した増幅信号光４８２３の一部を光分岐部４８０３−２で分岐して光検出器４８０８で受光したのちに位相同期ループ回路（ＰＬＬ）４８０９により位相同期を行った。
本実施形態では、第二高調波発生用ＰＰＬＮ４８０５−１と同一基板上に集積化され且つＥＤＦＡの出力側に配置されたＬＮ位相変調器４８１０を用いて正弦波で微弱な位相変調を基本波光に施し、光検出器４８０８とＰＬＬ回路４８０９とでその位相変調の位相ずれを検出して、ＥＤＦＡ４８０１の前に配置したＰＺＴによる光ファイバの伸長器４８１１の駆動電圧とＬＮ位相変調器４８１０のバイアス電圧にフィードバックを行うことにより、光ファイバ部品の振動や温度変動による光位相の変動を吸収して、安定的に位相感応増幅ができるようにした。
本実施形態において、データ信号用変調器４８１０としてＬＮマッハツェンダー変調器を用い、入力信号として１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ信号を入力した場合の増幅特性を評価した。
本実施形態では、第２のＰＰＬＮ導波路４８０５−２に入射した第二高調波４８２２のパワーが３００ｍＷの条件において、約１１ｄＢの利得を得ることができた。このときのＥＤＦＡ４８０１の出力パワーは約１Ｗであり、直接接合導波路への入力パワーは６３０ｍＷであったが、このような高パワーの光を入射した場合でも動作電圧のドリフト現象を起こすことなく安定な位相同期動作を実現することができた。
本実施形態の構成を、図６に示した構成と比較すると、本実施形態では、位相変調器４８１０がＥＤＦＡ４８０１の入力段にないために、基本波光４８２１のＳ／Ｎ比を５ｄＢほど改善することができた。またＰＰＬＮ４８０５−１と位相変調器４８１０とを集積化することにより、ＥＤＦＡ４８０１の出力を過剰な損失を経ることなく効率的に第二高調波４８２２へ変換することが可能になった。この結果、従来に比べてＥＤＦＡ４８０１における基本波光４８２１のＳ／Ｎ比劣化を抑えながら位相感応増幅による低雑音増幅動作を行うことが可能になった。
次に本実施形態の構成の別例を、図４９を参照しながら説明する。
本構成では、図４８で示した構成と同様に１．５４μｍの信号４９２０を増幅するように装置を構成した。２つのＰＰＬＮ導波路（４９０５−１，４９０５−２）を用いること、一方のＰＰＬＮ導波路（４９０５−１）に位相変調用導波路を集積化していること、第二高調波４９２２を発生させて縮退パラメトリック増幅を行う点は、図４８で示した構成と同じである。主な相違点は、第二高調波４９２２を発生させるためのＰＰＬＮ導波路４９０５−１が同期用位相変調器４９１０より信号入力側に配置されていることである。
本構成では、ＬＮ位相変調器４９１０を第二高調波発生用ＰＰＬＮ導波路４９０５−１より出力側に配置することにより、図４８で示した構成と比較して、位相変調に必要な駆動電圧を半減することに成功した。
ＬＮ位相変調器４９１０を第二高調波発生用ＰＰＬＮ導波路４９０５−１より出力側に配置する効果を説明する。光学材料に外部から電界、応力などの外力が印加された場合、光学材料に屈折率変化が生じる。位相変調器としてＬＮ結晶の電気光学効果を用い、電界印加により位相を変調する場合、非特許文献９に示されるように、変調器の性能を示す半波長駆動電圧ＶπはＬＮの電気光学係数、屈折率、印加電界、波長等に依存する。特に使用波長に着目すると、以下の（式２７）に示すような関係が成立する。
Ｖπ∝λ （式２７）
半波長駆動電圧、即ち位相変調に必要な電圧は、本構成で採用した配置によって、図４８で示した構成に係る配置の場合と比較すると半分となり大幅に低減することができる。従って、駆動用電源の小型化、消費電力の削減が可能となる。図４８で示した構成において同期に必要な駆動電圧は約０．１Ｖであったが、本構成では光ＰＬＬ内位相変調器４９１０を、ＰＰＬＮ導波路４９０５−１より出力側に配置したことにより、同期に必要な駆動電圧を５０ｍＶまで大幅に低減することができた。
本構成においても、図４８で示した構成と同様に、光損傷耐性に優れたＺｎを添加したニオブ酸リチウムをコアに用いた直接接合導波路を使用することにより、位相変調部の動作電圧ドリフトを抑圧することが可能であった。また、位相変調部４９１０の導波路は、ＰＰＬＮ導波路部と同様に１．５４μｍの基本波波長でシングルモードとなるように設計しているため、第二高調波の波長０．７７μｍにおいてはマルチモードとなるが、ＰＰＬＮ部４９０５−１で発生する第二高調波４９２２は位相整合条件による制約から基底モードのみで伝搬するため、ＰＰＬＮ部４９０５−１と位相変調部４９１０の導波路設計を同じにする簡潔な導波路においても安定な位相同期動作を得ることが可能であった。
次に本実施形態の構成の別例を、図５０を参照しながら説明する。
本構成では、図４８及び図４９で示した構成と同様、１．５４μｍの信号５０２０を増幅するように装置を構成した。２つのＰＰＬＮ導波路５００５−１，５００５−２を用いること、第二高調波５０２２を発生させて縮退パラメトリック増幅を行うことも、図４８及び図４９で示した構成と同じである。
本構成では、図５０に示すように信号光５０２０と第二高調波５０２２との合波器としてマルチモード干渉計（Multi-mode interferometer：ＭＭＩ）５０１２を用いた。また、本構成では、ＭＭＩ５０１２、光ＰＬＬのためのパイロットトーン用位相変調器５０１０、及び縮退パラメトリック増幅を行う第二のＰＰＬＮ導波路５００５−２を直接接合法によって作製した同一基板上に集積化した。
本構成では、縮退パラメトリック増幅を行う領域のみ分極反転したＬＮ基板を直接接合して作製した導波路層に対しドライエッチングによりリッジ形状を形成した。さらに、ＭＭＩの信号光入力ポートのリッジ上に電界印加用の金属電極を集積した。
基板上に集積化した合波器であるＭＭＩ５０１２は、幅、長さ、入出力ポート位置を最適に設計されて、信号光および励起光を何れも挿入損失１ｄＢ以下で、第２のＰＰＬＮ導波路５００５−２に合波する特性を有する。
ＭＭＩ形状は、励起光ポートに残存する信号光成分が合波されないように最適化される。その結果、図４９で示した構成では避けられなかった位相変調器と合波器との間ならびに合波器と第２のＰＰＬＮ導波路との間の接続損失の影響を最小限に抑えることが可能になった。本構成では、信号光ポートに位相変調器５０１０を集積化したため、ＰＰＬＮ導波路５００５−２と位相変調器５０１０との間の接続損失が最小限に抑えられる。これにより、位相感応型光増幅器全体としての挿入損失を最小限に抑えることが可能になった。
位相感応型光増幅器の入力端での挿入損失はそのまま増幅器としての雑音指数の増加につながる。図４８及び図４９で示した構成において、信号光の位相を変調しようとすると、ＰＰＬＮとは独立の位相変調器を用いることになり、その接続損失により雑音指数の増加を招いてしまう。本構成に係る構成により、このような接続損失による雑音指数の増加を防ぎながら、位相感応増幅による低雑音動作が可能になる。
本構成においても、光損傷耐性に優れたＺｎを添加したニオブ酸リチウムをコアに用いた直接接合導波路を使用することにより、位相変調部の動作電圧ドリフトを抑圧することが可能であった。
次に本実施形態の構成の別例を、図５１を参照しながら説明する。
本構成は、集積された、ＭＭＩ５１１２、位相変調器５１１０、及び縮退パラメトリック増幅を行う第２のＰＰＬＮ導波路５１０５−２を使用する点において、図５０で示した構成と同一である。
本構成が図５０で示した構成と異なる点は、第二高調波を発生させるための二次非線形光学素子５１０２−１から生じた励起光５１２２を位相変調器５１１０のポート側に入力し、信号光５１２０をもう一方のポートに入力する点である。励起光５１２２を位相変調器５１１０に入力することで、図４９で示した構成と同様に、波長が信号の１／２に変換された励起光に対して位相変調が可能となる。これにより、図５０で示した構成と比較して、同程度のＳ／Ｎ比及び増幅率特性を保持したまま、位相変調に必要な駆動電圧を半減することができた。
本構成においても、光損傷耐性に優れたＺｎを添加したニオブ酸リチウムをコアに用いた直接接合導波路を使用することにより、位相変調部の動作電圧ドリフトを抑圧することが可能であった。このため位相変調器５１１０を、基本波光を生成するためのＥＤＦＡ５１０１の後方に配置することが可能であり、ＥＤＦＡ５１０１におけるＳ／Ｎ比劣化を最小限に抑えて増幅動作を行うことが可能である。
本発明の図５０及び図５１で示した構成においては、ＭＭＩ、位相変調器、及びＰＰＬＮ導波路を集積した素子から信号光のみを分離するためにダイクロミックミラーをフィルタとして用いたが、代わりに信号光のみを分離するように設計したＭＭＩを同一基板内に集積することによって、より小型な位相感応型光増幅器を得ることも可能である。
次に本実施形態の構成の別例を、図５２を参照しながら説明する。
本構成は、図５１で示した構成と同様に、１．５４μｍの信号５２２０を増幅するように装置を構成した。２つのＰＰＬＮ導波路５２０５−１，５２０５−２を用いること、第二高調波５２２２を発生させて縮退パラメトリック増幅を行うことも、図５１で示した構成と同じである。
図５２で示す構成が、図５１で示した構成と相違する点は、励起光発生のためのＰＰＬＮ導波路５２０５−１、光ＰＬＬのためのパイロットトーン用位相変調器５２１０、及び励起光と信号光とを合波するためのＭＭＩ５２１２が、第二高調波を発生させる第１のＰＰＬＮ導波路５２０５−１を形成した同一ＬＮ結晶基板上に直接接合法により作製・集積化された点である。
基板上に集積化した合波器であるＭＭＩ５２１２は、幅、長さ、入出力ポート位置を最適に設計されて、信号光および励起光を何れも挿入損失１ｄＢ以下で合波する特性を有する。
本構成により、図４９に係る構成では避けられなかった第二高調波を発生させるための二次非線形光学素子と位相変調器との間および位相変調器と合波器との間の接続損失の影響を最小限に抑えることが可能になった。
Figure 2012098911
（第１３の実施形態）
図５３に本実施形態に係る位相感応光増幅器を含んだ光受信装置の構成を示す。本実施形態では、第６の実施形態と同様に１．５４μｍの信号を増幅するように装置を構成した。２つのＰＰＬＮ導波路を用いること、第二高調波を発生し縮退パラメトリック増幅を行うこと、位相変調器を用いた光位相同期ループ回路（ＰＬＬ）による位相同期を行う点は、第６の実施形態と同じである（図２４を参照）。
図５３に示す実施形態が図２４に示した実施形態と相違する点は、一方のPPLNに位相変調用導波路を集積化していること、差動位相変調（DPSK）信号を受信できるように、受信装置全体を構成したことにある。
本発明では位相同期のための位相変調器を用いているが、この位相変調器の損失が大きいと基本波光の発生に用いる第１のEDFAへの入力が小さくなり、その分励起光のＳ／Ｎ比が劣化してしまう。この効果を抑制するためにレーザー増幅器の後段に損失があった場合は、損失分だけ出力が低下してしまうものの、Ｓ／Ｎ比は劣化しない。
本実施形態では、この性質を利用するために、位相変調器５３１０を光ファイバレーザー増幅器５３０１−２より出力側に配置するようにした。
通常のTi拡散によるLN変調器ではEDFAで増幅された基本波光を入射するとフォトリフラクティブ効果で動作点のドリフトを生じてしまうため、本実施形態のような構成は採用することができない。さらに挿入損失の大きな位相変調器をレーザー増幅器の後段に配置することで基本波光のパワーが減衰してしまい、光パラメトリック効果を生じるのに十分な励起光パワーが得られず、大きな増幅率をもった位相感応増幅が実現できない。
そこで本実施形態では、励起光である第二高調波を発生するための光導波路５３０５−１と位相変調器５３１０に用いる導波路を同一の基板上に集積し素子間の接続損失を低減した。さらに、位相変調器５３１０が光ファイバレーザー増幅器５３０１−２より出力側に配置した。
本実施形態では、光損傷耐性に優れたZｎを添加したニオブ酸リチウムをコアに用いた直接接合導波路を使用することにより、位相整合波長の変動を抑制した。またドライエッチング加工によりコア径を４μｍ程度まで小さくすることにより高い波長変換効率を実現した。そのPPLN導波路が形成された同一の基板上に周期分極反転構造のない位相変調器を同様の導波路形成法で集積化した。位相変調部には導波路上に電界印加用電極を形成し、EO効果による位相変調を可能にした。上述のようにこの導波路形成法は光損傷耐性に優れているため、EDFAで増幅された基本波光のパワーが大きくなった場合でも動作電圧のドリフト現象を起こすことなく光位相同期ループ回路（ＰＬＬ）のためのパイロットトーンの位相変調を基本波光に施すことができる。
位相感応増幅の動作は第６の実施形態と同様である。第１のファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）５３０１−２を用いて、基本波光５３２１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５３０２−１に入射して第二高調波５３２２を発生させる。第２の二次非線形光学素子５３０２−２に信号光５３２０と第二高調波５３２２とを入射して縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応増幅を行う。
ＥＤＦＡ５３０１−２と第１の二次非線形光学素子５３０２−１との間にバンドパスフィルタ５３０４−２を挿入し、不必要なＡＳＥ光をカットした。
本実施形態では出力した増幅信号光の一部を光分岐部５３０３で分岐して光検出器５３０８で受光したのちに位相同期ループ回路（ＰＬＬ）５３０９により位相同期を行った。
第１のPPLN導波路５３０５−１に集積化した位相変調器５３１０を用いて正弦波により微弱な位相変調を基本波光５３２１に施す。光検出器５３０８とＰＬＬ回路５３０９でその位相変調の位相ずれを検出して、ＥＤＦＡ５３０１−２の前に配置したＰＺＴによる光ファイバ伸長器５３１１の伸長器の駆動電圧と位相変調器５３１０のバイアス電圧とにフィードバックを行うことで、光ファイバ部品の振動や温度変動による光位相の変動を吸収して、安定的に位相感応増幅ができるようにした。
位相感応光増幅器の出力をEDFA５３０１−１に接続してさらなる増幅を行ったのちにバンドパスフィルタ５３０４−１により信号の帯域外の背景光を除去した。また第６の実施形態ではNRZの信号を受信するように装置を構成したが、本実施形態では、前置増幅器の後に遅延干渉計５３１４とバランスドPD５３１５、リミティングアンプ５３１２を配置し、差動位相変調の信号を受信できるようにした。
本実施形態に係る光受信装置に、40Gbit/sのDPSK信号を入射し受信特性を評価した。誤り率測定から本実施形態に係る光受信装置の受信感度を評価した結果を図５４に示す。
図５４を参照すると、例えば10-9の誤り率を得るための入射パワーが従来のEDFAを用いた場合は-32.9dBmであるのに対して、本実施形態を用いた場合では約1.6dB低い−34.5dBmで同じ誤り率が得られており、本実施形態に係る低雑音な光増幅を利用した光受信により、受信感度の向上が得られることを確認することができた。
なお、本実施形態では、DPSKを受信できるように装置を構成したが、受信する信号フォーマットはこれに限定されるものではなく、例えば光duo binaryなどその他の信号フォーマットに対しても前置光増幅器を用いた装置であれば受信器の構成を変更することにより本発明を適用して受信感度の向上を図ることができる。
また、本実施形態では、受信感度の向上分は1.6dB程度であったが、これは更なる向上の余地がある。位相感応光増幅器のパラメトリック増幅を行う第２のPPLN導波路と、入力ファイバとの間に結合損失があると、その分だけ全体の雑音指数が劣化するからである。本実施形態では、入力ファイバとPPLN導波路の結合損失は2dBであった。光結合に用いる光学系の最適化を行えば、その結合損失の低減分だけ受信感度を向上することが可能である。
なお、本実施形態では、同期用位相変調器（図５３の５３１０）を第二高調波を発生するためのＰＰＬＮ導波路（図５３の５３０５−１）の前に配置したが、この順番を逆にすると、第二高調波の位相を変調することになり、位相変調に必要な電圧を半減することが可能になる。また、これまでに示した実施形態ではそれぞれのPPLN導波路にダイクロイックミラーを組み合わせて、基本波と第二高調波を合波・分波するようにしたが、これらの合波・分波の機能を導波路回路による合波器・分波器を用いてPPLNと同一基板上に集積化してもよい。そのような集積化により信号光や励起光の損失が低減できると、全体としてのＳ／Ｎ比をさらに向上することができる。
またこれらの合波・分波の機能、位相変調の機能と第二高調波発生の機能、光パラメトリック増幅の機能を必要に応じて同一基板上に集積化することにより、それぞれの機能を実現する部分間の結合損失をさらに減らすことが出来れば、Ｓ／Ｎ比をさらに向上するとともに、位相感応光増幅器としての利得を大きくすることが出来る。
前述した（式２０）の中の位相感応光増幅器の利得G1を大きくすると、後段のレーザー増幅器の雑音指数の寄与がさらに小さくなるので、全体としての雑音指数を小さくすることが可能になり、さらに低雑音での光増幅が可能になる。そのことにより光中継器用の光増幅器として用いれば中継間隔を延ばすことが可能になり、光受信器に用いるとさらに受信感度を向上させることが可能になる。
なお、本実施形態においても、第１の実施形態と同様の構成、すなわち、増幅方式が縮退パラメトリック方式であり、励起光が基本波光からの第二高調波であり、位相同期のための基本波光の生成方法として、信号光から直接分岐した光を用い、変調された光信号からの位相同期手段を用いない構成とした。
しかし、本実施形態は、前述の第１の実施形態から第１１の実施形態で説明した方法のいずれの増幅方式、励起光の種類、位相同期のための基本波光の生成方法、位相同期方法、及びこれらの単純な組み合わせである構成を妨げるものではない。
具体的には、増幅方式としては第７乃至第９の実施形態に記載の非縮退パラメトリック方式を採用しても良く、第５の実施形態に記載のように、励起光として、異なる２つの波長の和周波を生成する方式を採用しても良い。また、位相同期のための基本波光の生成方法も、第３の実施形態に記載のように信号光とは別にパイロットトーン信号を送る方法を用いてもよく、第４の実施形態及び第５の実施形態に記載のように変調された信号光から搬送波信号を抽出・復元する方法を用いても良い。また、位相同期方法として、第１１の実施形態に記載のように励起光で帰還を行う位相同期方法を用いても良い。
Figure 2012098911
（第１４の実施形態）
図５５に本実施形態に係る位相感応光増幅器の構成を示す。本実施形態は、第１２の実施形態と同様に、１．５４μｍの信号５５２０を増幅するように装置を構成した（図５２を参照）。２つのＰＰＬＮ導波路５５０５−１，５５０５−２を用いること、第二高調波５５２２を発生させて縮退パラメトリック増幅を行うことも、第１２の実施形態と同じである。
図５５に示す実施形態と、図５２で示した実施形態との相違点は、励起光発生のための第１のＰＰＬＮ導波路５５０５−１、光ＰＬＬのためのパイロットトーン用位相変調器５５１０、励起光と信号光とを合波するためのＭＭＩ５５１２、及び縮退パラメトリック増幅を行う第２のＰＰＬＮ導波路５５０５−２が、同一基板上に直接接合法により作製・集積化された点である。
図５５に示すように、本実施形態では、同一ＬＮ結晶導波路上に、位相感応増幅に必要なモジュールのほとんどが集積されている。従って、第二高調波を発生させるための二次非線形光学素子と位相変調器との間、位相変調器と合波器との間、及び合波器と第二の二次非線形光学素子との間の接続損失がないため、雑音指数の増加や励起光の損失を抑えながら位相感応増幅による低雑音動作が可能になる。
図５５から分かるように、本実施形態においても、第１２の実施形態又は第１３の実施形態と同様に、第２のＰＰＬＮ導波路５５０５−２から出力される信号のうち信号光のみを分離するために、ダイクロミックミラー５５０６を使用しているが、信号光のみを分離するように設計したＭＭＩを同一基板内に集積すれば、より小型な位相感応型光増幅器を実現することも可能である。
なお、本実施形態においても、第１の実施形態と同様の構成、すなわち、増幅方式が縮退パラメトリック方式であり、励起光が基本波光からの第二高調波であり、位相同期のための基本波光の生成方法として、信号光から直接分岐した光を用い、変調された光信号からの位相同期手段を用いない構成とした。
しかし、本実施形態は、前述の第１の実施形態から第１１の実施形態で説明した方法のいずれの増幅方式、励起光の種類、位相同期のための基本波光の生成方法、位相同期方法、及びこれらの単純な組み合わせである構成を妨げるものではない。
具体的には、増幅方式としては第７乃至第９の実施形態に記載の非縮退パラメトリック方式を採用しても良く、第５の実施形態に記載のように、励起光として、異なる２つの波長の和周波を生成する方式を採用しても良い。また、位相同期のための基本波光の生成方法も、第３の実施形態に記載のように信号光とは別にパイロットトーン信号を送る方法を用いてもよく、第４の実施形態及び第５の実施形態に記載のように変調された信号光から搬送波信号を抽出・復元する方法を用いても良い。また、位相同期方法として、第１１の実施形態に記載のように励起光で帰還を行う位相同期方法を用いても良い。
Figure 2012098911
（第１５の実施形態）
本実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の一例について図５６を参照しながら説明する。図５６に示すような増幅器の構成とする目的は、従来技術において問題であった、第二高調波発生（ＳＨＧ）用ＰＰＬＮと、信号光及び第二高調波の合分波器と、縮退パラメトリック増幅（ＤＰＡ）用ＰＰＬＮとを同一基板上に集積した場合に避けられなかった基板サイズの増大を防ぐことである。
同一ＬＮ基板５６２０上に、第二高調波の発生と縮退パラメトリック増幅の両者をおこなうＰＰＬＮ５６２１と、合分波器としてマルチモード干渉計（ＭＭＩ）５６２２とを集積し、光アイソレータ５６２３を通して入力された波長１．５６μｍの信号光５６１５を増幅する構成とする。
集積したＭＭＩ５６２２は、導波路幅、導波路長、及び入出力ポート位置を最適設計することにより、波長１．５６μｍの信号光を挿入損失約１．０ｄＢの低損失縮退パラメトリック増幅用ＰＰＬＮ５６２１に結合する特性であった。
信号光の一部をカップラ５６０３により分岐して基本波光５６１６として用いる。基本波光５６１６は、信号光と励起光との位相同期用位相変調器５６０４を通じてＥＤＦＡ５６０５に入力する。基本波光５６１６をＥＤＦＡ５６０５により増幅した後、光サーキュレータ５６２５を介して基板右端より入力する。右端より入力した増幅された基本波光５６１８は第二高調波発生と縮退パラメトリック増幅とが共に行われるＰＰＬＮ導波路５６２１を伝搬し、ＭＭＩ５６２２に到達するまでにほぼ全て第二高調波成分に変換される。ＭＭＩ５６２２は、この第二高調波を下段の出力導波路５６２８に挿入損失１．０ｄＢで結合する低損失を有する。
その後、第二高調波５６１７は、基板左端において、波長０．７８μｍにおいて高い反射率99.99％を有する光学多層膜フィルタで高効率に反射される。
次いで、第二高調波５６１７は、再びＭＭＩを介して、第二高調波発生と縮退パラメトリック増幅とが共に行われるＰＰＬＮ導波路５６２１に結合されて、ＰＰＬＮ導波路５６２１中を伝搬する。ＰＰＬＮ導波路５６２１中を伝搬する間に、第二高調波５６１７は、ＭＭＩにより合波した信号光５６１５と光混合され、縮退パラメトリック増幅により信号光が増幅される。
基板の端面処理について説明する。本実施形態において、左側の二つの導波路５６２７，５６２８は異なった形状に形成されている。具体的には、波長１．５６μｍの信号光用の光導波路５６２７は、湾曲部を有するように形成されており、波長０．７８μｍの励起光（第二高調波）用の導波路５３２８は、直線状に形成されている．これら２つの導波路の入力部に共通する一つの端面を決定し、この端面に沿って２つの導波路を切除することによって端面処理行う。端面の位置を１．５６μｍ信号光用導波路５６２７が端面に対して斜めになり、０．７８μｍ励起光用導波路５６３８に対しては垂直となる位置に出力端の形状を整えて端面加工を施す。これにより１．５６μｍ信号光用導波路５６２７の端面は６°の角度を持つ形状に加工することが出来る。また、基本波光が入力される右端においても、左端同様に、ＰＰＬＮ導波路に対して角度が６°となるように端面加工を施した。
さらに、左右の基板端面加工後に、左右の基板端面にそれぞれ異なる端面処理を施した。左右の基板端面加工後に、左端に対して１．５６μｍの光に対する反射防止（ＡＲ）膜５６２９および０．７８μｍの光に対する高反射（ＨＲ）膜５６３０をスパッタにより成膜した。
また、基板右端に対して、１．５６μｍおよび０．７８μｍの光に対する反射防止（ＡＲ）膜５６２９，５６３１を、左端と同様にスパッタにより成膜した。以上の処理により、所望の波長の光に対する、反射機能又は無反射機能を持つ導波路端面を実現した。
本実施形態において、第１の実施形態と同様に、データ信号用変調器としてＬＮマッハツェンダー変調器を用い、入力信号として１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ信号を入力した場合の増幅特性を評価したところ、約１１ｄＢの利得を得ることができた。しかしながら、本構成においては、次に述べるような問題点がある。
位相感応型光増幅器における非線形光学媒質によるパラメトリック増幅作用自体は本質的に低雑音な光増幅が可能である。しかし、本構成による実際の動作においては下記の付随的な雑音の影響がある。励起光そのものに含まれる雑音がパラメトリック増幅過程により増幅光の雑音へと変換されてしまうことが考えられる。
図５６に示した構成では、位相同期に用いる位相変調器５６０４をＥＤＦＡ５６０５の前段に配置しており、位相変調器の挿入損失だけＥＤＦＡへの入射パワーが小さくなってしまう。ＥＤＦＡ等のレーザー増幅器においては、増幅器前の損失があると、その分だけＳ／Ｎ比が劣化してしまうことが良く知られている（非特許文献８を参照）。このように位相変調器の挿入損失によって励起光のＳ／Ｎ比が劣化してしまうと、その雑音成分がパラメトリック増幅過程により増幅光の雑音へと変換されてしまい、低雑音な増幅を行うことができない。しかし、以下に説明する本実施形態に係る別構成の位相感応光増幅器においては、この雑音の問題は解消される。
本実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の別の一例について、図５７を参照しながら説明する。図５６で示した構成例で問題となっていた、位相同期のための位相変調器の損失に起因する光ファイバレーザー増幅器におけるＳ／Ｎ比の劣化を防ぐために、図５７に示すような構成とした。
レーザー増幅器においては、非特許文献８に示されているようにレーザー増幅器の前段に損失がある場合にはその損失分だけＳ／Ｎ比が劣化してしまうのに対して、レーザー増幅器の後段に損失があった場合は損失分だけ出力が低下してしまうもののＳ／Ｎ比は劣化しない。従って、この性質を利用して、本構成では、図５７に示すように、位相変調器５７０４を光ファイバレーザー増幅器５７０５より出力側に配置するようにした。
なお、従来技術では図５７に示すような構成を取ることが出来ない。その理由は、既存の位相変調器の多くは、ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）結晶にＴｉを拡散させた光導波路で作製されているからである。Ｔｉ拡散導波路では光損傷が顕著であるために大きな光パワーを入射するとフォトリフラクティブ効果による屈折率変化が生じ、同じ位相変化量を得るための電圧が変化するドリフト現象を引き起こしてしまう。このため位相変調器に入力可能な光パワーは＋２０ｄＢｍ程度に制限されてしまう。さらに挿入損失の大きな位相変調器をレーザー増幅器の後段に配置することで基本波光のパワーが減衰してしまい、光パラメトリック効果を生じるのに十分な励起光パワーが得られず、大きな増幅率をもった位相感応増幅を実現することができない。
そこで図５７に示す構成においては、位相変調器５７０４がＥＤＦＡ５７０５より出力側に配置できるようにした。第二高調波発生器ではより光損傷が顕著となる第二高調波を扱うために、Ｔｉ拡散よりも光損傷耐性の大きな導波路の形成法を用いることが一般的であり、位相変調器を第二高調波発生器と同様な光導波路を用いて構成することにより、より大きな励起パワーを利用することが可能になる。
図５７に示す構成では、位相変調器５７０４がＥＤＦＡ５７０５の入力段にないために、励起光のＳ／Ｎ比を５ｄＢほど改善することができた。
ＰＰＬＮ導波路に入射する第二高調波のパワーが３００ｍＷの条件において、約１１ｄＢの利得を得ることができた。このときのＥＤＦＡの出力パワーは約１Ｗであり、直接接合導波路への入力パワーは６３０ｍＷであったが、このような高パワーの光を入射した場合でも動作電圧のドリフト現象を起こすことなく安定な位相同期動作を実現することができた。
なお、ＰＰＬＮ導波路に高強度のパワーを入射した場合に、フォトリフラクティブ効果に起因する光損傷により位相整合波長が変化してしまうことがある。この位相整合波長の変化を防止することを目的として、図５７で示す構成で使用した位相変調器５７０４の代替として、光損傷耐性の大きな導波路の形成法である直接接合法により作製された２次非線形光学デバイスを使用することも可能である。光損傷耐性に優れたＺｎを添加したニオブ酸リチウムをコアに用いた直接接合導波路を使用することにより、位相整合波長の変動を抑制できることを確認した。また、ドライエッチング加工によりコア径を４μｍ程度まで小さくすることにより高い波長変換効率を実現することができた。
本実施形態に係る位相感応光増幅器の構成のさらに別の一例について、図５８を参照しながら説明する。図５８に示す構成では、端面加工されかつ直接接合法により作製した２次非線形光学デバイスを用いている。図５８に示す構成と、上述してきた構成との違いは、信号光と励起光の同期用位相変調器を非線形光学結晶と同一基板上に集積した点である．この集積化２次非線形光学デバイスにおける基本波光の第二高調波の折り返し用導波路において位相変調が施される配置とした。
ＰＰＬＮ導波路が形成された同一の基板上に周期分極反転構造のない位相変調器５８３４を上記同様の導波路形成法で集積化した。位相変調部には導波路上に電界印加用電極５８３５を形成し、電気光学（ＥＯ）効果による位相変調を可能にした。
上述のようにこの導波路形成法は光損傷耐性に優れているため、ＥＤＦＡ５８０５で増幅された基本波光のパワーが大きくなった場合でも動作電圧のドリフト現象を起こすことなく光ＰＬＬのためのパイロットトーンの位相変調を基本波光に施すことができる。
本構成では、位相変調器を集積化しているため、図５６及び図５７で示した構成のような外部に単独の装置を接続する構成に比べて接続損失が低減される。これにより、高強度の励起光が得られるためＳ／Ｎ比が向上した。
また、励起光の第二高調波の折り返し用導波路上に位相変調器用電極を形成することにより装置サイズを大きく低減することに成功した。
ここで、位相変調器を第二高調波折り返し用導波路上に配置する効果を説明する。光学材料に外部から電界、応力などの外力が印加された場合、光学材料に屈折率変化が生じる。位相変調器としてＬＮ結晶の電気光学効果を用い、電界印加により位相を変調する場合、非特許文献９に示されるように、変調器の性能を示す半波長駆動電圧Ｖπは、ＬＮの電気光学係数、屈折率、印加電界、及び波長等に依存する。この中の特に波長に着目すると、以下の（式２８）に示すような関係が成立する。
Ｖπ∝λ （式２８）
半波長駆動電圧、即ち位相変調に必要な電圧は、図５８で示す構成で採用した配置によって、第１の実施形態で示した配置の場合と比較すると半分となり大幅に低減することができる。さらに、この第二高調波は、左端の端面処理により効率よく反射され再び同じ位相変調器を通過する際、往路での位相変化量と同量の位相変化が加わるため全位相変化量は２倍となる。従って、これらの相乗効果により、位相変調用電圧が一定の場合、必要な光路長、即ち位相変調部の長さを、大幅に縮小することが可能である。
本構成においても、前述したように、光損傷耐性に優れたＺｎを添加したニオブ酸リチウムをコアに用いた直接接合導波路を使用することにより、位相変調部の動作電圧ドリフトを抑圧することが可能であった。また、位相変調部の導波路は、ＰＰＬＮ導波路部と同様に１．５４μｍの基本波波長でシングルモードとなるように設計しているため、第二高調波の波長０．７７μｍにおいてはマルチモードとなるが、ＰＰＬＮ部で発生する第二高調波は位相整合条件による制約から基底モードのみで伝搬するため、ＰＰＬＮ部と位相変調部の導波路設計を同じにする簡潔な導波路においても安定な位相同期動作を得ることが可能であった。
本実施形態に係る位相感応光増幅器の構成のさらに別の一例について、図５９を参照しながら説明する。
図５９に示す構成では、端面加工されかつ直接接合法により作製した２次非線形光学デバイスを用いる点、信号光と励起光との同期用位相変調器を非線形光学結晶と同一基板上に集積した点は、図５８に示した構成と同様である。
図５９に示す構成と、図５８に示した構成との違いは、信号光と励起光との同期用位相変調器５９３４が、集積化２次非線形光学デバイスにおける信号光用導波路において信号光に対して位相変調が施される配置とした点である。図５６乃至図５８に示した構成においては、光ＰＬＬ用位相変調器を励起光に対して機能させる配置を採用したが、図５９に示すように位相変調器を信号光に対して機能させる配置を取ったとしても全く同様に位相同期を実現することができる。
市販の位相変調器を信号光側に挿入して位相感応光増幅装置を構成する場合は、位相変調器の挿入損失の影響が比較的大きく縮退パラメトリック変換（ＤＰＡ）部に至る前に信号光が減衰してしまう。そのため、増幅器のＳ／Ｎ比劣化が不可避である。そこでこの問題を解決するために、図５９に示すように、信号光に対する位相変調の機能を同一基板内に集積した。図５９に示す構成により、市販の位相変調器を信号光側に挿入した場合に比べると，3dBのＳ／Ｎ比向上が見られた。
なお、本実施形態においても、第１の実施形態と同様の構成、すなわち、増幅方式が縮退パラメトリック方式であり、励起光が基本波光からの第二高調波であり、位相同期のための基本波光の生成方法として、信号光から直接分岐した光を用い、変調された光信号からの位相同期手段を用いない構成とした。
しかし、本実施形態は、前述の第１の実施形態から第１１の実施形態で説明した方法のいずれの増幅方式、励起光の種類、位相同期のための基本波光の生成方法、位相同期方法、及びこれらの単純な組み合わせである構成を妨げるものではない。
具体的には、増幅方式としては第７乃至第９の実施形態に記載の非縮退パラメトリック方式を採用しても良く、第５の実施形態に記載のように、励起光として、異なる２つの波長の和周波を生成する方式を採用しても良い。また、位相同期のための基本波光の生成方法も、第３の実施形態に記載のように信号光とは別にパイロットトーン信号を送る方法を用いてもよく、第４の実施形態及び第５の実施形態に記載のように変調された信号光から搬送波信号を抽出・復元する方法を用いても良い。また、位相同期方法として、第１１の実施形態に記載のように励起光で帰還を行う位相同期方法を用いても良い。
Figure 2012098911
１０１ 位相感応光増幅部
１０２ 励起光源
１０３ 励起光移送制御部
１０４−１，１０４−２ 光分岐部
１１０ 入力信号光
１１１ 励起光
１１２ 出力信号光

２０１ レーザー光源
２０２ ＳＨＧ結晶
２０３ ＯＰＡ結晶
２１０ 信号光
２１１ 励起光

４０１ 励起光位相同期手段
４０２ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
４０３ 光ファイバ
４０４ フィルタ
４１０ 入力信号光
４１１−１，４１１−２ 励起光
４１２ 出力信号光

５０１ 第１の光ファイバ
５０２ 第２の光ファイバ
５０３ 光ファイバ増幅器

６０１ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
６０２−１，６０２−２ 二次非線形光学素子
６０３−１，６０３−２ 光分岐部
６０４ バンドパスフィルタ
６０５−１，６０５−２ ＰＰＬＮ導波路
６０６−１，６０６−２，６０６−３ ダイクロイックミラー
６０７ 偏波保持ファイバ
６０８ 光検出器
６０９ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
６１０ 位相変調器
６１１ ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
６２０ 信号光
６２１ 基本波光
６２２ 第二高調波
６２３ 励起光
６２４ 強度変調器

７０１ 信号光
７０２−１，７０２−２ 励起光
７０３ ＡＳＥ光
７０４ 基本波光
７０５ 第二高調波

９０１−１，９０１−２ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
９０２−１，９０２−２，９０３−３ 二次非線形光学素子
９０３−１，９０３−２ 光分岐部
９０４−１，９０４−２ バンドパスフィルタ
９０５−１，９０５−２ ＰＰＬＮ導波路
９０６−１，９０６−２，９０６−３，９０６−４ ダイクロイックミラー
９０７ シングルモードファイバ
９０８ 光検出器（フォトダイオード）
９０９ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
９１０ 位相変調器
９１１ ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
９１２ アッテネータ
９２２ 第二高調波
９３０ 外部共振器型の半導体ＬＤ（ＥＣＬ）
９３１ 電界吸収型（ＥＡ）変調器
９３２ パルスパターン発生器（ＰＰＧ）
９３３ フォトダイオード
９３４ リミティングアンプ
９３５ クロックデータリカバリ（ＣＤＲ）回路
９３６ 誤り検出器（ＥＤ）

１２０１ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
１２０２−１，１２０２−２ 二次非線形光学素子
１２０３ 光分岐部
１２０４ バンドパスフィルタ
１２０６−１，１２０６−２，１２０６−３，１２０６−４ ダイクロイックミラー
１２０８ 光検出器（フォトダイオード）
１２０９ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
１２１０ 変調器
１２１１ ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
１２１２ アッテネータ
１２１３ サーキュレータ
１２１４ 光源
１２３０ 偏波コントローラ
１２３１ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
１２４０ 変調信号光
１２４１ 増幅信号光

１３００ 外部共振器型の半導体レーザー
１３０１ 光分岐器
１３０２ ＬＮマッハツェンダー変調器
１３０３ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
１３０４ 偏光子
１３０５ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
１３１０ 変調信号光

１５０１ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
１５０２−１，１５０２−２ 二次非線形光学素子
１５０３−１，１５０３−２ 光分岐部
１５０５−１，１５０５−２ ＰＰＬＮ導波路
１５０６−１，１５０６−２，１５０６−３ ダイクロイックミラー
１５０８ 光検出器
１５０９ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
１５１２ 半導体レーザー
１５１３ 半導体光増幅器
１５２０ 信号光
１５２２ 第二高調波

１６０１−１，１６０１−２ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
１６０２−１，１６０２−２，１６０２−３ 二次非線形光学素子
１６０３−１，１６０３−２，１６０３−３，１６０３−４ 光分岐部
１６０４ バンドパスフィルタ
１６０５−１，１６０５−２，１６０５−３ ＰＰＬＮ導波路
１６０６−１，１６０６−２，１６０６−３，１６０６−４ ダイクロイックミラー
１６０８ 光検出器（フォトダイオード）
１６０９ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
１６１０ 位相変調器
１６１１ ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
１６１２ 波長合分波器
１６１３ 光サーキュレータ
１６３０ 偏波コントローラ
１６３１ 外部キャビティレーザー
１６３２ 半導体レーザー
１６３３ ＰＭ−ＶＯＡ
１６３４ アイソレータ
１６４０ 入力信号光
１６４１−１，１６４１−２ 基本波光
１６４２ 基本波光

１７０１ 信号光
１７０２−１，１７０２−２ 基本波光
１７０３ ＡＳＥ光
１７０４ 和周波光

１８０１ 信号光
１８０２ 第１の基本波光
１８０３ 第２の基本波光
１８０４ 和周波光
１８０５ 第二高調波

２２０１−１，２２０１−２ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
２２０２−１，２２０２−２，２２０２−３ 二次非線形光学素子
２２０３−１，２２０３−２，２２０３−３ 光分岐部
２２０４ バンドパスフィルタ
２２０５−１，２２０５−２，２２０５−３ ＰＰＬＮ導波路
２２０６−１，２２０６−２，２２０６−３ ダイクロイックミラー
２２０８ 光検出器（フォトダイオード）
２２１０ 位相変調器
２２１２ 波長合分波器
２２１３ 光サーキュレータ
２２１４ ミラー
２２３０ 偏波コントローラ
２２３１ 外部キャビティレーザー
２２３２ 半導体レーザー
２２４０ 入力信号光

２３０１−１，２３０１−２ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
２３０２−１，２３０２−２，２３０２−３，２３０２−４ 二次非線形光学素子
２３０３−１，２３０３−２，２３０３−３ 光分岐部
２３０４−１，２３０４−２ バンドパスフィルタ
２３０５−１，２３０５−２，２３０５−３，２３０５−４ ＰＰＬＮ導波路
２３０６−１，２３０６−２，２３０６−３，２３０６−４，２３０６−５，２３０６−６，２３０６−７ ダイクロイックミラー
２３０８ 光検出器（フォトダイオード）
２３０９ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
２３１０ 位相変調器
２３１１ ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
２３１２ 波長合分波器
２３１３ 光サーキュレータ
２３１５ アイソレータ
２３３０ 偏波コントローラ
２３３１ 外部キャビティレーザー
２３３２ 半導体レーザー
２３３３ ＰＭ−ＶＯＡ
２３４０ 入力信号光

２４０１−１，２４０１−２ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
２４０２−１，２４０２−２ 二次非線形光学素子
２４０３ 光分岐部
２４０４−１，２４０４−２ バンドパスフィルタ
２４０５−１，２４０５−２ ＰＰＬＮ導波路
２４０６−１，２４０６−２，２４０６−３ ダイクロイックミラー
２４０７ 偏波保持ファイバ
２４０８−１、２４０８−２ 光検出器
２４０９ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
２４１０ 位相変調器
２４１１ ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
２４１２ リミティングアンプ
２４１３ 識別器
２４２０，２４２３ 信号光
２４２１ 基本波光
２４２２ 第二高調波

２８０１ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
２８０２−１，２８０２−２ 二次非線形光学素子
２８０３ 光分岐部
２８０４ バンドパスフィルタ
２８０５−１，２８０５−２ ＰＰＬＮ導波路
２８０６−１，２８０６−２，２８０６−３ ダイクロイックミラー
２８０７ 偏波保持ファイバ
２８０８ 光検出器
２８０９ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
２８１０ 位相変調器
２８１１ ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
２８２０ 信号光
２８２１ 基本波光
２８２２ 第二高調波

２９０１ 信号光
２９０２ 励起光
２９０３ ＡＳＥ光
２９０４ 副次的な変換光

３００１ 信号光
３００２ 基本波光
３００３ ＡＳＥ光
３００４ 第二高調波（ＳＨ光）

３３０１ 単一波長光源
３３０２ 光分岐部
３３０３ 光変調器
３３０４ パターン発生器
３３０５ ＬＮ変調器
３３０６ ＥＤＦＡ
３３０７ 光分岐部

３５０１ 単一波長光源
３５０２ 光分岐部
３５０３ 変調器
３５０４ 分波器
３５０５ 光変調器
３５０６ 合波器
３５０７ ＥＤＦＡ
３５０８ 位相変調器

３６０１ 単一波長光源
３６０２ 光分岐部
３６０３ 変調器
３６０４ 分波器
３６０５ 光変調器
３６０６ 合波器
３６０７ ＥＤＦＡ
３６０８ 位相変調器

３７０１ 単一波長光源
３７０２ 光分岐部
３７０３ 変調器
３７０４ 分波器
３７０５ 光変調器
３７０６ 合波器
３７０７ ＥＤＦＡ
３７０８ 位相変調器

３９０１ 単一波長光源
３９０２ 光分岐部
３９０３ 変調器
３９０４ ＥＤＦＡ
３９０５ 位相変調器
３９０６ 分波器
３９０７ 光変調器
３９０８ 合波器

４００１ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
４００２−１，４００２−２ 二次非線形光学素子
４００３ 光分岐部
４００４ バンドパスフィルタ
４００５−１，４００５−２ ＰＰＬＮ導波路
４００６ ダイクロイックミラー
４００７ 光検出器
４００８ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
４００９ 位相変調器
４０１０ ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
４０１１ アッテネータ
４０１２ サーキュレータ
４０１３ 励起光源（半導体レーザー）
４０２０ 偏波コントローラ
４０２１ 中心波長分離フィルタ
４０２２ 分散補償（調整）媒質
４０３０ 信号光
４０３１ 増幅された信号光

４１０１ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
４１０２−１，４１０２−２ 二次非線形光学素子
４１０３−１，４１０３−２ 光分岐部
４１０５−１，４１０５−２ ＰＰＬＮ導波路
４１０６−１，４１０６−２，４１０６−３ ダイクロイックミラー
４１０７ 偏波保持ファイバ
４１０８ 光検出器
４１０９ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
４１１０ 位相変調器
４１１１ ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
４１２０ 信号光
４１２１ 基本波光
４１２２ 第二高調波

４２０１ 位相感応光増幅部
４２０２ 励起光源
４２０３ 励起光位相制御部
４２０４−１、４２０４−２ 光分岐部
４２１０ 入力信号光
４２１１ 励起光
４２１２ 出力信号光
４２１３ 第二高調波

４４０１ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
４４０２−１，４４０２−２ 二次非線形光学素子
４４０３ 光分岐部
４４０４ バンドパスフィルタ
４４０５−１，４４０５−２ ＰＰＬＮ導波路
４４０６−１，４４０６−２，４４０６−３ ダイクロイックミラー
４４０７ 偏波保持ファイバ
４４０８ 光検出器
４４０９ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
４４１０ 位相変調器
４４１１ ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
４４２０ 信号光
４４２１ 基本波光
４４２２ 第二高調波
４４２４ データ信号用変調器
４４２５ ハイパスフィルタ

４５０１ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
４５０２−１，４５０２−２ 二次非線形光学素子
４５０３ 光分岐部
４５０４ バンドパスフィルタ
４５０５−１，４５０５−２ ＰＰＬＮ導波路
４５０６−１，４５０６−２ ダイクロイックミラー
４５０７ 偏波保持ファイバ
４５０８ 光検出器
４５０９ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
４５１０ 位相変調器
４５１１ ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
４５２０ 信号光
４５２１ 基本波光
４５２２ 第二高調波
４５２３ 増幅された信号光
４５２４ データ信号用変調器
４５２６ ＭＭＩ型光合分波器

４６０１ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
４６０２−１，４６０２−２ 二次非線形光学素子
４６０３ 光分岐部
４６０５−１，４６０５−２ ＰＰＬＮ導波路
４６０６−１，４６０６−２，４６０６−３ ダイクロイックミラー
４６０７ 偏波保持ファイバ
４６０８ 光検出器
４６０９ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
４６１０ 位相変調器
４６１１ ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
４６２０ 信号光
４６２１ 基本波光
４６２２ 第二高調波
４６２３ 増幅された信号光

４７０１ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
４７０２−１，４７０２−２ 二次非線形光学素子
４７０３ 光分岐部
４７０５−１，４７０５−２ ＰＰＬＮ導波路
４７０６−１，４７０６−２，４７０６−３ ダイクロイックミラー
４７０８ 光検出器
４７０９ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
４７１２ 半導体レーザー
４７１３ 半導体光増幅器
４７２０ 信号光
４７２２ 第二高調波
４７２３ 増幅された信号光

４８０１ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
４８０２−１，４８０２−２ 二次非線形光学素子
４８０３−１，４８０３−２ 光分岐部
４８０５−１，４８０５−２ ＰＰＬＮ導波路
４８０６−１，４８０６−２，４８０６−３ ダイクロイックミラー
４８０７ 偏波保持ファイバ
４８０８ 光検出器
４８０９ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
４８１０ 位相変調器
４８１１ ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
４８２０ 入力信号光
４８２１ 基本波光
４８２２ 第二高調波
４８２３ 出力信号光

４９０１ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
４９０２−１，４９０２−２ 二次非線形光学素子
４９０３−１，４９０３−２ 光分岐部
４９０５−１，４９０５−２ ＰＰＬＮ導波路
４９０６−１，４９０６−２，４９０６−３ ダイクロイックミラー
４９０７ 偏波保持ファイバ
４９０８ 光検出器
４９０９ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
４９１０ 位相変調器
４９１１ ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
４９２０ 入力信号光
４９２１ 基本波光
４９２２ 第二高調波
４９２３ 出力信号光

５００１ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
５００２−１，５００２−２ 二次非線形光学素子
５００３−１，５００３−２ 光分岐部
５００５−１，５００５−２ ＰＰＬＮ導波路
５００６−１，５００６−２ ダイクロイックミラー
５００８ 光検出器
５００９ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
５０１０ 位相変調器
５０１１ ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
５０１２ ＭＭＩ
５０２０ 入力信号光
５０２１ 基本波光
５０２２ 第二高調波
５０２３ 出力信号光

５１０１ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
５１０２−１，５１０２−２ 二次非線形光学素子
５１０３−１，５１０３−２ 光分岐部
５１０５−１，５１０５−２ ＰＰＬＮ導波路
５１０６−１，５１０６−２ ダイクロイックミラー
５１０８ 光検出器
５１０９ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
５１１０ 位相変調器
５１１１ ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
５１１２ ＭＭＩ
５１２０ 入力信号光
５１２１ 基本波光
５１２２ 第二高調波
５１２３ 出力信号光

５２０１ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
５２０２−１，５２０２−２ 二次非線形光学素子
５２０３−１，５２０３−２ 光分岐部
５２０５−１，５２０５−２ ＰＰＬＮ導波路
５２０６ ダイクロイックミラー
５２０８ 光検出器
５２０９ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
５２１０ 位相変調器
５２１１ ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
５２１２ ＭＭＩ
５２２０ 入力信号光
５２２１ 基本波光
５２２２ 第二高調波
５２２３ 出力信号

５３０１−１、５３０１−２ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
５３０２−１、５３０２−２ 二次非線形光学素子
５３０３ 光分岐部
５３０４−１，５３０４−２ バンドパスフィルタ
５３０５−１，５３０５−２ ＰＰＬＮ導波路
５３０６−１，５３０６−２，５３０６−３ ダイクロイックミラー
５３０７ 偏波保持ファイバ
５３０８ 光検出器
５３０９ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
５３１０ 位相変調器
５３１１ ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
５３１２ リミティングアンプ
５３１３ 識別器
５３１４ 遅延干渉計
５３１５ バランスドPD
５３２０ 信号光
５３２１ 基本波光
５３２２ 第二高調波

５５０１ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
５５０２ 二次非線形光学素子
５５０３−１，５５０３−２ 光分岐部
５５０５−１，５５０５−２ ＰＰＬＮ導波路
５５０６ ダイクロイックミラー
５５０８ 光検出器
５５０９ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
５５１０ 位相変調器
５５１１ ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
５５１２ ＭＭＩ
５５２０ 入力信号光
５５２１ 基本波光
５５２２ 第二高調波
５５２３ 出力信号光

５６０３，５６０９ カップラ
５６０４ 位相変調器
５６０５ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
５６０６ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
５６０７ 光検出器
５６１５ 信号光
５６１６ 基本波光
５６１７ 第二高調波
５６１８ 増幅された基本波光
５６１９ 出力光
５６２０ ＬｉＮｂＯ３基板
５６２１ ＰＰＬＮ導波路
５６２２ マルチモード干渉計（ＭＭＩ）
５６２３ 光アイソレータ
５６２４ 光ファイバ伸長器
５６２５ 光サーキュレータ
５６２６ ローパスフィルタ
５６２７ 信号光用導波路
５６２８ 励起光（第二高調波）用導波路
５６２９ 信号光波長帯反射防止用光学薄膜
５６３０ 第二高調波波長帯反射用光学薄膜
５６３１ 第二高調波波長帯反射防止用光学薄膜
５６３２，５６３３ ＬＮ基板端面
５６３５ 電界印加用電極

５７０３，５７０９ カップラ
５７０４ 位相変調器
５７０５ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
５７０６ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
５７０７ 光検出器
５７１５ 信号光
５７１６ 基本波光
５７１７ 第二高調波
５７１８ 増幅された基本波光
５７１９ 出力光
５７２０ ＬｉＮｂＯ３基板
５７２１ ＰＰＬＮ導波路
５７２２ マルチモード干渉計（ＭＭＩ）
５７２３ 光アイソレータ
５７２４ 光ファイバ伸長器
５７２５ 光サーキュレータ
５７２６ ローパスフィルタ
５７３５ 電界印加用電極

５８０３，５８０９ カップラ
５８０５ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
５８０６ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
５８０７ 光検出器
５８１５ 信号光
５８１６ 基本波光
５８１７ 第二高調波
５８１８ 増幅された基本波光
５８１９ 出力光
５８２０ ＬｉＮｂＯ３基板
５８２１ ＰＰＬＮ導波路
５８２２ マルチモード干渉計（ＭＭＩ）
５８２３ 光アイソレータ
５８２４ 光ファイバ伸長器
５８２５ 光サーキュレータ
５８２６ ローパスフィルタ
５８３４ 直接接合ＬｉＮｂＯ３リッジ導波路を用いた位相変調器
５８３５ 電界印加用電極

５９０３，５９０９ カップラ
５９０５ エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
５９０６ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
５９０７ 光検出器
５９１５ 信号光
５９１６ 基本波光
５９１７ 第二高調波
５９１８ 増幅された基本波光
５９１９ 出力光
５９２０ ＬｉＮｂＯ３基板
５９２１ ＰＰＬＮ導波路
５９２２ マルチモード干渉計（ＭＭＩ）
５９２３ 光アイソレータ
５９２４ 光ファイバ伸長器
５９２５ 光サーキュレータ
５９２６ ローパスフィルタ
５９３４ 位相変調器
５９３５ 電界印加用電極
本発明は、非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する位相感応型光増幅装置であり、基本波光を増幅する光ファイバレーザー増幅器と、周期的に分極反転された二次非線形光学材料から成る、基本波光から和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子と、基本波光と和周波光とから和周波光のみを分離するフィルタと、信号光と励起光である和周波光とを合波する合波器と、周期的に分極反転された二次非線形光学材料から成る、励起光を用いて信号光のパラメトリック増幅を行うための光導波路を備えた二次非線形光学素子と、増幅された信号光と励起光とを分離するフィルタと、信号光の位相と励起光の位相とを同期する手段とを備えたことを特徴とする。
本発明の一実施形態において、信号光は、和周波光の半分の光周波数を中心として対称関係にあり、かつ同一のまたは反転した位相情報を持つ、１または複数の信号光の対から成ることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、信号光の位相と励起光の位相とを同期する手段は、位相変調器および光学長の伸長器と、増幅された信号光の一部または励起光の一部を分岐する手段と、分岐する手段により分岐された、位相変調器によって変調された位相変化に対応した光の強度変化の検出手段と、検出手段によって検出した光の強度変化をもとに位相変調器及び光学長の伸長器に増幅された信号光の強度を最大化するように帰還を行う位相同期ループ回路とから構成されることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、信号光の位相と励起光の位相とを同期する手段は、基本波光を発生する半導体レーザーもしくは基本波光または励起光に位相同期している光を発生する半導体レーザーと、増幅された信号光の一部または励起光の一部を分岐する手段と、分岐する手段により分岐された光の強度変化の検出手段と、検出手段によって検出した光の強度変化をもとに増幅された信号光の強度を最大化するように、基本波光を発生する半導体レーザーもしくは基本波光または励起光に位相同期している光を発生する半導体レーザーの駆動電流に帰還を行う位相同期ループ回路とから構成されることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、基本波光と和周波光から和周波光のみを分離するフィルタは、誘電体膜を用いたダイクロイックミラーまたはマルチモード干渉を用いた光分波素子であることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、信号光と励起光である和周波光とを合波する合波器は、誘電体膜を用いたダイクロイックミラーまたはマルチモード干渉を用いた光合波素子であることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、増幅された信号光と励起光とを分離するフィルタは、誘電体膜を用いたダイクロイックミラーまたはマルチモード干渉を用いた光分波素子であることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子と光ファイバレーザー増幅器との間に、バンドパスフィルタをさらに備えたことを特徴とする。
本発明の一実施形態において、位相変調器をさらに備え、位相変調器と、基本波光と和周波光とから和周波光のみを分離するフィルタと、信号光と励起光とを合波する合波器とは、和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子に集積され、フィルタと合波器とは、光導波路と同一導波路上に隣接して形成され、位相変調器は、合波器の前段に接続され、フィルタは、合波器の前段に接続され、和周波光を発生させるための光導波路は、フィルタおよび合波器の前段に接続されることを特徴とする。
本発明の一実施形態において、位相変調器をさらに備え、位相変調器と、基本波光と和周波光とから和周波光のみを分離するフィルタと、信号光と励起光とを合波する合波器とは、パラメトリック増幅を行うための光導波路を備えた二次非線形光学素子に集積され、位相変調器と合波器とは、光導波路と同一導波路上に隣接して形成され、フィルタは、合波器の前段に接続され、光導波路は、合波器の後段に接続され、位相変調器は、合波器の前段に接続されることを特徴とする。

Claims (29)

  1. 非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する位相感応型光増幅装置であって、
    基本波光を増幅する光ファイバレーザー増幅器と、
    周期的に分極反転された二次非線形光学材料から成る、該基本波光から和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子と、
    該基本波光と、該和周波光とから該和周波光のみを分離するフィルタと、
    該信号光と、励起光である該和周波光とを合波する合波器と、
    周期的に分極反転された二次非線形光学材料から成る、該励起光を用いて該信号光のパラメトリック増幅を行うための光導波路を備えた二次非線形光学素子と、
    増幅された該信号光と、該励起光とを分離するフィルタと、
    該信号光の位相と、該励起光の位相とを同期する手段と
    を備えたことを特徴とする位相感応型光増幅装置。
  2. 前記和周波光は、第二高調波であることを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
  3. 前記パラメトリック増幅は、縮退パラメトリック増幅であることを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
  4. 前記パラメトリック増幅は、非縮退パラメトリック増幅であることを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
  5. 前記信号光は、前記励起光である前記和周波光の半分の光周波数を中心として対称関係にありかつ同一のまたは反転した位相情報を持つ、１または複数の信号光の対から成ることを特徴とする請求項４に記載の位相感応型光増幅装置。
  6. 前記信号光の位相と、前記励起光の位相とを同期する手段は、
    位相変調器および光学長の伸長器と、
    前記増幅された信号光の一部または前記励起光の一部を分岐する手段と、
    該位相変調器によって変調された位相変化に対応した該分岐する手段により分岐された光の強度変化の検出手段と、
    該検出手段によって検出した光の強度変化をもとに該位相変調器及び該光学長の伸長器に前記増幅された信号光の強度を最大化するように帰還を行う位相同期ループ回路と
    から構成されることを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
  7. 前記信号光の位相と、前記励起光の位相とを同期する手段は、
    前記基本波光を発生する半導体レーザーもしくは前記基本波光または前記励起光に位相同期している光を発生する半導体レーザーと、
    前記増幅された信号光の一部または前記励起光の一部を分岐する手段と、
    該分岐する手段により分岐された光の強度変化の検出手段と、
    該検出手段によって検出した光の強度変化をもとに前記増幅された信号光の強度を最大化するように、前記基本波光を発生する半導体レーザーもしくは前記基本波光または前記励起光に位相同期している光を発生する半導体レーザーの駆動電流に帰還を行う位相同期ループ回路と
    から構成されることを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
  8. 前記信号光は、連続波光のパイロットトーンをさらに備え、
    前記位相感応型光増幅装置は、前記信号光の一部を分岐する手段と、半導体レーザー光源とをさらに備え、
    該半導体レーザー光源は、該連続波光のパイロットトーンにより光注入同期され、
    注入光に位相同期した、該半導体レーザー光源から出力された連続光は、前記基本波光として用いられることを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
  9. 前記信号光の一部を分岐する手段と、半導体レーザー光源とをさらに備え、
    該半導体レーザー光源は、前記和周波光のみを分離するフィルタから出力された前記和周波光により光注入同期され、
    注入光に位相同期した、該半導体レーザー光源から出力された連続光は、前記励起光として用いられることを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
  10. 前記信号光の一部を分岐する手段と、
    半導体レーザー光源と、
    第1の基本波光を発生させるための光源と、
    周期的に分極反転された二次非線形光学材料から成る、前記信号光の第二高調波を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子と、
    周期的に分極反転された二次非線形光学材料から成る、発生させた該第二高調波と該第１の基本波光との間の差周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子と
    をさらに備え、
    該半導体レーザーは、発生させた該差周波光により注入同期され、注入光に位相同期した、該半導体レーザー光源から出力された連続光を第２の基本波光とし、該第１の基本波光と該第２の基本波光とを用いて、前記基本波光から和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子によって、前記和周波光を発生させることを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
  11. 前記信号光の一部を分岐する手段と、
    半導体レーザー光源と、
    第1の基本波光を発生させるための光源と、
    周期的に分極反転された二次非線形光学材料から成る、前記信号光の第二高調波を発生させるためのかつ発生させた該第二高調波と該第１の基本波光との間の差周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子と
    をさらに備え、
    発生させた該差周波光を該半導体レーザーに注入同期し、注入光に位相同期した、該半導体レーザー光源から出力された連続光を第２の基本波光とし、該第１の基本波光と該第２の基本波光とを用いて、前記基本波光から和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子によって、前記和周波光を発生させることを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
  12. 前記基本波光と、前記和周波光から前記和周波光のみを分離するフィルタは、誘電体膜を用いたダイクロイックミラーまたはマルチモード干渉を用いた光分波素子であることを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
  13. 前記信号光と、前記励起光である前記和周波光とを合波する合波器は、誘電体膜を用いたダイクロイックミラーまたはマルチモード干渉を用いた光合波素子であることを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
  14. 前記増幅された信号光と、前記励起光とを分離するフィルタは、誘電体膜を用いたダイクロイックミラーまたはマルチモード干渉を用いた光分波素子であることを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
  15. 前記和周波光は、前記和周波光の波長においてシングルモードの偏波保持ファイバで伝送されることを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
  16. バンドパスフィルタを、前記光ファイバレーザー増幅器と前記和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子との間にさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
  17. 前記和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子と、前記パラメトリック増幅を行うための光導波路を備えた二次非線形光学素子とは、個別に温度調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
  18. 請求項１に記載の位相感応型光増幅装置と、フォトダイオードとから構成された光受信装置であって、
    前記位相感応型光増幅装置は、前記位相感応型光増幅装置に従属接続された光ファイバレーザー増幅器と、前記増幅された信号光の近傍の波長を透過するバンドパスフィルタとをさらに備えたことを特徴とする光受信装置。
  19. 請求項１に記載の位相感応型光増幅装置と、前記信号光を生成する光源と、光変調器と、該光源からの出力の一部を分岐する手段とから構成された光送信装置であって、分岐された該光源からの出力の一部を前記基本波光として用いることを特徴とする光送信装置。
  20. 前記光ファイバレーザー増幅器よりも出力側に、位相変調器をさらに備え、
    前記位相変調器は、直接接合法により作製された光導波路からなることを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
  21. 位相変調器をさらに備え、前記位相変調器は、前記和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子に集積され、
    前記位相変調器は、前記和周波光を発生させるための光導波路と同一導波路上に隣接して形成され、前記和周波光を発生させるための光導波路の前段または後段に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
  22. 位相変調器をさらに備え、
    前記位相変調器と、前記基本波光と、和周波光とから和周波光のみを分離するフィルタと、前記信号光と励起光とを合波する合波器とは、前記和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子に集積され、
    該フィルタと、該合波器とは、該光導波路と同一導波路上に隣接して形成され、
    該位相変調器は、該合波器の前段に接続され、
    該フィルタは、該合波器の前段に接続され、
    前記和周波光を発生させるための光導波路は、該フィルタおよび該合波器の前段に接続されることを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
  23. 位相変調器をさらに備え、
    前記位相変調器と、前記基本波光と、和周波光とから和周波光のみを分離するフィルタと、前記信号光と励起光とを合波する合波器とは、前記パラメトリック増幅を行うための光導波路を備えた二次非線形光学素子に集積され、
    前記位相変調器と、前記合波器とは、該光導波路と同一導波路上に隣接して形成され、
    該フィルタは、前記合波器の前段に接続され、
    該光導波路は、前記合波器の後段に接続され、
    前記位相変調器は、前記合波器の前段に接続されることを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
  24. 位相変調器をさらに備え、
    前記位相変調器と、前記基本波光と和周波光とから和周波光のみを分離するフィルタと、前記信号光と励起光とを合波する合波器とは、前記和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子に集積され、
    集積された該和周波光を発生させるための二次非線形光学素子および前記パラメトリック増幅を行うための二次非線形光学素子は、一つの光学素子として一体化され、
    前記和周波光を発生させるための光導波路と、前記基本波光と和周波光とから和周波光のみを分離するフィルタと、前記信号光と励起光とを合波する合波器と、前記パラメトリック増幅を行うための光導波路とは、同一導波路上に隣接して形成され、
    前記位相変調器は、前記信号光と励起光とを合波する合波器の前段に接続され、
    前記基本波光と和周波光とから和周波光のみを分離するフィルタは、前記合波器の前段に接続され、
    前記和周波光を発生させるための光導波路は、前記基本波光と和周波光とから和周波光のみを分離するフィルタおよび前記合波器の前段に接続され、
    前記パラメトリック増幅を行うための光導波路は、前記合波器の後段に接続されることを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
  25. 位相変調器と、
    前記和周波光を反射する手段と、
    前記基本波光から和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子に、前記基本波光を入射し、かつ前記増幅された信号光を透過する光サーキュレータと、
    前記信号光の入力、および前記基本波光と和周波光から和周波光のみを分離するフィルタにより分離された該基本波光の出力に用いられる第１の光導波路と、
    該反射手段と前記合波器とを接続する第２の光導波路と
    をさらに備え、
    該フィルタと該合波器と該第１の光導波路および該第２の光導波路とは、該和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子に集積され、
    該基本波光から和周波光を発生させるための光導波路を備えた該二次非線形光学素子の前記光導波路と、前記励起光を用いて信号光のパラメトリック増幅を行うための光導波路を備えた二次非線形光学素子の前記光導波路とは、共用され、
    該フィルタと該合波器とは、共用され、
    該共用された光導波路と該共用された合波器と該第２の光導波路とは、同一導波路上に隣接して形成され、
    該共用された光導波路と該第１の光導波路と該第２の光導波路とは、該合波器に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
  26. 前記第１の光導波路の前記合波器に接続された接面とは反対側の断面が、該第１の光導波路の軸と０°より大きく９０°未満の角度をなすように切断され、前記共用された光導波路の少なくとも１つの入出力端部が該共用された光導波路の軸と０°より大きく９０°未満の角度をなすように端面処理されていることを特徴とする請求項２５に記載の位相感応型光増幅装置。
  27. 前記位相変調器は、前記基本波から和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子に集積され、該位相変調器は前記合波器と同一導波路上に隣接して形成されていることを特徴とする請求項２５に記載の位相感応型光増幅装置。
  28. 前記周期的に分極反転された二次非線形光学材料は、ＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂxＴａ1-xＯ3（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ４、または、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｆｅ、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ことを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
  29. 前記和周波光を発生させるための光導波路と、前記パラメトリック増幅を行うための光導波路は、非線形光学効果を有する第一の基板と、第一の基板に比べ屈折率の小さい第二の基板とを直接貼り合わせることによって作製された直接接合光導波路であることを特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
JP2012553644A 2011-01-20 2012-01-20 光信号増幅装置 Active JP5856083B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012553644A JP5856083B2 (ja) 2011-01-20 2012-01-20 光信号増幅装置

Applications Claiming Priority (10)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011009894 2011-01-20
JP2011009894 2011-01-20
JP2011046976 2011-03-03
JP2011046976 2011-03-03
JP2011046975 2011-03-03
JP2011046975 2011-03-03
JP2011136297 2011-06-20
JP2011136297 2011-06-20
JP2012553644A JP5856083B2 (ja) 2011-01-20 2012-01-20 光信号増幅装置
PCT/JP2012/000360 WO2012098911A1 (ja) 2011-01-20 2012-01-20 光信号増幅装置

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015090875A Division JP5883974B2 (ja) 2011-01-20 2015-04-27 光信号増幅装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2012098911A1 true JPWO2012098911A1 (ja) 2014-06-09
JP5856083B2 JP5856083B2 (ja) 2016-02-09

Family

ID=46515544

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012553644A Active JP5856083B2 (ja) 2011-01-20 2012-01-20 光信号増幅装置
JP2015090875A Active JP5883974B2 (ja) 2011-01-20 2015-04-27 光信号増幅装置

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015090875A Active JP5883974B2 (ja) 2011-01-20 2015-04-27 光信号増幅装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9065243B2 (ja)
EP (1) EP2672318B1 (ja)
JP (2) JP5856083B2 (ja)
CN (1) CN103403616B (ja)
WO (1) WO2012098911A1 (ja)

Families Citing this family (85)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11609336B1 (en) 2018-08-21 2023-03-21 Innovusion, Inc. Refraction compensation for use in LiDAR systems
JP5759400B2 (ja) * 2012-03-02 2015-08-05 日本電信電話株式会社 光増幅装置、光信号発生器および信号対雑音比改善装置
JP2014044256A (ja) * 2012-08-24 2014-03-13 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光増幅装置
JP2014081578A (ja) * 2012-10-18 2014-05-08 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光送信装置
JP5945212B2 (ja) * 2012-10-29 2016-07-05 日本電信電話株式会社 光増幅装置
JP5881580B2 (ja) * 2012-10-29 2016-03-09 日本電信電話株式会社 位相感応型光増幅装置
US8909063B2 (en) * 2012-10-31 2014-12-09 Fujitsu Limited Optical QPSK signal regeneration and amplification
JP2014095780A (ja) * 2012-11-08 2014-05-22 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光増幅装置
JP2014179916A (ja) * 2013-03-15 2014-09-25 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 周波数伝送システム
JP6072593B2 (ja) * 2013-04-12 2017-02-01 日本電信電話株式会社 光増幅装置
JP2014211539A (ja) * 2013-04-18 2014-11-13 日本電信電話株式会社 波長変換素子
US9506858B2 (en) * 2013-05-09 2016-11-29 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Optical parametric amplification of weak signals for imaging biological tissue
JP6204064B2 (ja) * 2013-05-21 2017-09-27 日本電信電話株式会社 光増幅装置
ES2528327B1 (es) * 2013-07-05 2015-12-18 Universidad De Alcalá Sistema de detección diferencial para sensores distribuidos sobre fibra óptica basados en scattering brillouin estimulado
JP6126543B2 (ja) * 2014-02-27 2017-05-10 日本電信電話株式会社 光増幅装置
EP3115840B1 (en) * 2014-03-04 2020-05-06 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology Optical phase regeneration method and device
JP6220313B2 (ja) * 2014-05-08 2017-10-25 日本電信電話株式会社 光信号増幅装置
JP6280440B2 (ja) * 2014-05-19 2018-02-14 日本電信電話株式会社 光パルス試験装置
JP6220314B2 (ja) * 2014-05-22 2017-10-25 日本電信電話株式会社 光増幅装置
JP6280445B2 (ja) * 2014-05-23 2018-02-14 日本電信電話株式会社 コヒーレント光周波数領域リフレクトメトリ測定装置
JP6285805B2 (ja) * 2014-06-02 2018-02-28 日本電信電話株式会社 ベクトル光変調器および光送信器
WO2016134332A1 (en) * 2015-02-20 2016-08-25 Hrl Laboratories, Llc Chip-scale power scalable ultraviolet optical source
JP6348447B2 (ja) * 2015-04-22 2018-06-27 日本電信電話株式会社 光増幅装置およびそれを用いた光伝送システム
JP6039744B1 (ja) * 2015-05-18 2016-12-07 日本電信電話株式会社 雑音指数測定方法、雑音指数測定装置、および測定システム
US9571200B2 (en) * 2015-07-09 2017-02-14 Elenion Technologies, Llc Transmitter optical signal to noise ratio improvement through receiver amplification in single laser coherent systems
US9843410B2 (en) * 2015-11-18 2017-12-12 Fujitsu Limited Low-noise optical phase sensitive amplifier using a semiconductor nonlinear optical device
US9979484B2 (en) * 2016-02-01 2018-05-22 Vencore Labs, Inc. Photonics-based channelization enabled by phase-sensitive amplification
JP6585542B2 (ja) * 2016-04-26 2019-10-02 日本電信電話株式会社 位相感応光増幅器および位相同期安定化方法
JP2017207687A (ja) * 2016-05-20 2017-11-24 日本電信電話株式会社 広帯域安定化光源
JP6114442B1 (ja) * 2016-06-09 2017-04-12 日本電信電話株式会社 光増幅装置および光伝送システム
US10536218B2 (en) * 2016-09-23 2020-01-14 Peter Avo Andrekson Free-space optical communication links with improved sensitivity
US10673530B2 (en) 2016-10-05 2020-06-02 LGS Innovations LLC Inc. Free space optical communication system and method
CN106647099B (zh) * 2016-12-16 2019-08-16 北京邮电大学 一种基于多光波干涉的高精度光相位量化方法
JP7088937B2 (ja) 2016-12-30 2022-06-21 イノビュージョン インコーポレイテッド 多波長ライダー設計
US10942257B2 (en) 2016-12-31 2021-03-09 Innovusion Ireland Limited 2D scanning high precision LiDAR using combination of rotating concave mirror and beam steering devices
CN110573900A (zh) 2017-01-05 2019-12-13 图达通爱尔兰有限公司 用于编码和译码LiDAR的方法和系统
US11009605B2 (en) 2017-01-05 2021-05-18 Innovusion Ireland Limited MEMS beam steering and fisheye receiving lens for LiDAR system
US10050738B1 (en) * 2017-01-23 2018-08-14 Fujitsu Limited Low noise colorless, directionless, contentionless reconfigurable optical add/drop multiplexer
CN106840420A (zh) * 2017-02-23 2017-06-13 北京邮电大学 一种红外单光子探测设备
FR3063395B1 (fr) * 2017-02-28 2021-05-28 Centre Nat Rech Scient Source laser pour l'emission d'un groupe d'impulsions
IL251841A0 (en) * 2017-04-20 2017-07-31 Univ Bar Ilan Distributed sensing by optical fiber using guided acoustic patterns
JP2018205546A (ja) * 2017-06-05 2018-12-27 日本電信電話株式会社 広帯域光発生装置
JP6796027B2 (ja) * 2017-06-07 2020-12-02 日本電信電話株式会社 光送信器およびこれを使用した光伝送システム
JP6796028B2 (ja) * 2017-06-13 2020-12-02 日本電信電話株式会社 光増幅装置およびそれを用いた伝送システム
JP6774382B2 (ja) * 2017-06-13 2020-10-21 日本電信電話株式会社 光増幅装置およびそれを用いた光伝送システム
JP7106835B2 (ja) * 2017-10-06 2022-07-27 富士通株式会社 光伝送装置、波長変換装置、光伝送方法、および波長変換方法
JP6907917B2 (ja) * 2017-12-14 2021-07-21 日本電信電話株式会社 波長変換装置
US11675050B2 (en) 2018-01-09 2023-06-13 Innovusion, Inc. LiDAR detection systems and methods
WO2019139895A1 (en) 2018-01-09 2019-07-18 Innovusion Ireland Limited Lidar detection systems and methods that use multi-plane mirrors
WO2019164961A1 (en) 2018-02-21 2019-08-29 Innovusion Ireland Limited Lidar systems with fiber optic coupling
WO2019165130A1 (en) 2018-02-21 2019-08-29 Innovusion Ireland Limited Lidar detection systems and methods with high repetition rate to observe far objects
WO2019165294A1 (en) 2018-02-23 2019-08-29 Innovusion Ireland Limited 2-dimensional steering system for lidar systems
WO2020013890A2 (en) 2018-02-23 2020-01-16 Innovusion Ireland Limited Multi-wavelength pulse steering in lidar systems
US11289873B2 (en) 2018-04-09 2022-03-29 Innovusion Ireland Limited LiDAR systems and methods for exercising precise control of a fiber laser
CN112585492A (zh) 2018-06-15 2021-03-30 图达通爱尔兰有限公司 用于聚焦感兴趣的范围的lidar系统和方法
US11579300B1 (en) 2018-08-21 2023-02-14 Innovusion, Inc. Dual lens receive path for LiDAR system
US11614526B1 (en) 2018-08-24 2023-03-28 Innovusion, Inc. Virtual windows for LIDAR safety systems and methods
US11796645B1 (en) 2018-08-24 2023-10-24 Innovusion, Inc. Systems and methods for tuning filters for use in lidar systems
US11579258B1 (en) 2018-08-30 2023-02-14 Innovusion, Inc. Solid state pulse steering in lidar systems
WO2020102406A1 (en) 2018-11-14 2020-05-22 Innovusion Ireland Limited Lidar systems and methods that use a multi-facet mirror
US10523334B1 (en) 2018-12-07 2019-12-31 Fujitsu Limited Controlling gain modulation in optical communication networks
JP7211431B2 (ja) * 2018-12-12 2023-01-24 日本電気株式会社 光伝送装置、端局装置、光通信システム及び光通信方法
CN113302515A (zh) 2019-01-10 2021-08-24 图达通爱尔兰有限公司 具有光束转向和广角信号检测的lidar系统和方法
US11977185B1 (en) 2019-04-04 2024-05-07 Seyond, Inc. Variable angle polygon for use with a LiDAR system
US11740537B2 (en) * 2019-05-28 2023-08-29 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Optical signal processing circuit
US11604399B2 (en) 2019-10-04 2023-03-14 Cornell University Back-conversion suppressed optical parametric amplification
WO2021106147A1 (ja) * 2019-11-28 2021-06-03 日本電信電話株式会社 光伝送システム、及び光伝送方法
US11888528B2 (en) * 2019-12-19 2024-01-30 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Optical communication system
US11438086B2 (en) * 2020-01-21 2022-09-06 Fujitsu Limited Optical amplification in an optical network
WO2021161411A1 (ja) * 2020-02-12 2021-08-19 日本電信電話株式会社 波長分散補償装置及び波長分散補償方法
US20230221617A1 (en) * 2020-07-22 2023-07-13 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Wavelength Conversion Apparatus
US11422267B1 (en) 2021-02-18 2022-08-23 Innovusion, Inc. Dual shaft axial flux motor for optical scanners
EP4260086A1 (en) 2021-03-01 2023-10-18 Innovusion, Inc. Fiber-based transmitter and receiver channels of light detection and ranging systems
WO2022215261A1 (ja) * 2021-04-09 2022-10-13 日本電信電話株式会社 光増幅装置
US11555895B2 (en) 2021-04-20 2023-01-17 Innovusion, Inc. Dynamic compensation to polygon and motor tolerance using galvo control profile
US11614521B2 (en) 2021-04-21 2023-03-28 Innovusion, Inc. LiDAR scanner with pivot prism and mirror
CN117178199A (zh) 2021-04-22 2023-12-05 图达通智能美国有限公司 具有高分辨率和超宽视场的紧凑型光检测和测距设计
EP4314884A1 (en) 2021-05-21 2024-02-07 Innovusion, Inc. Movement profiles for smart scanning using galvonometer mirror inside lidar scanner
US11768294B2 (en) 2021-07-09 2023-09-26 Innovusion, Inc. Compact lidar systems for vehicle contour fitting
CN114002893B (zh) * 2021-12-31 2022-03-22 中山大学 一种同频单纤双向系统的后向散射噪声抑制光器件
US11871130B2 (en) 2022-03-25 2024-01-09 Innovusion, Inc. Compact perception device
CN115085807B (zh) * 2022-04-27 2024-04-05 苏州中科光桥空间技术有限公司 一种小型激光通信系统
CN115308844B (zh) * 2022-07-04 2023-11-24 厦门市三安集成电路有限公司 用于多信道全光信号处理的单片集成芯片及其处理方法
CN115396018A (zh) * 2022-07-26 2022-11-25 西安空间无线电技术研究所 一种光纤放大器增益和噪声系数的测试系统及方法
WO2024084592A1 (ja) * 2022-10-18 2024-04-25 日本電信電話株式会社 光増幅器

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08190112A (ja) * 1995-01-09 1996-07-23 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光増幅器および前置増幅器
JP3473811B2 (ja) * 1995-12-13 2003-12-08 日本電信電話株式会社 光増幅器および光増幅中継伝送システム
JP2008089781A (ja) * 2006-09-29 2008-04-17 Fujitsu Ltd 光パラメトリック増幅装置
US8023538B2 (en) * 2008-03-27 2011-09-20 Imra America, Inc. Ultra-high power parametric amplifier system at high repetition rates

Also Published As

Publication number Publication date
EP2672318A1 (en) 2013-12-11
JP2015165316A (ja) 2015-09-17
EP2672318B1 (en) 2017-08-23
JP5883974B2 (ja) 2016-03-15
US20150036210A1 (en) 2015-02-05
EP2672318A4 (en) 2014-05-07
WO2012098911A1 (ja) 2012-07-26
CN103403616B (zh) 2016-05-18
US9065243B2 (en) 2015-06-23
CN103403616A (zh) 2013-11-20
JP5856083B2 (ja) 2016-02-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5883974B2 (ja) 光信号増幅装置
JP5759400B2 (ja) 光増幅装置、光信号発生器および信号対雑音比改善装置
JP3920297B2 (ja) 光スイッチおよび光スイッチを利用した光波形モニタ装置
EP1328078B1 (en) Method and device for waveform shaping of an optical signal
JP5246217B2 (ja) 光スイッチおよび光スイッチを利用した光波形モニタ装置
Kazama et al. Low-parametric-crosstalk phase-sensitive amplifier for guard-band-less DWDM signal using PPLN waveguides
JP2004037985A (ja) 光ａｎｄゲート及び波形成形装置
Shimizu et al. PPLN-based optical parametric amplification for wideband WDM transmission
JP4629642B2 (ja) 光スイッチおよび光スイッチを利用した光波形モニタ装置
Wang et al. Dynamic control of phase matching in four-wave mixing wavelength conversion of amplitude-and phase-modulated signals
JP4574629B2 (ja) 光スイッチおよび光スイッチを利用した光波形モニタ装置
JP2014095780A (ja) 光増幅装置
JP5881580B2 (ja) 位相感応型光増幅装置
JP6348447B2 (ja) 光増幅装置およびそれを用いた光伝送システム
US11888528B2 (en) Optical communication system
JP6126543B2 (ja) 光増幅装置
JP2014044256A (ja) 光増幅装置
JP6114442B1 (ja) 光増幅装置および光伝送システム
JP2014081578A (ja) 光送信装置
JP2019002975A (ja) 光増幅装置およびそれを用いた伝送システム
WO2020240643A1 (ja) 励起光生成装置
Umeki et al. Phase sensitive degenerate parametric amplification using highly efficient PPLN ridge waveguides
JP6220313B2 (ja) 光信号増幅装置
Saruwatari High-speed all-optical technologies for photonics
Kurz et al. Optical frequency mixers for WDM and TDM applications

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140708

RD13 Notification of appointment of power of sub attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7433

Effective date: 20140828

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140908

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20140828

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20150224

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150427

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20150728

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150925

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20151208

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20151210

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5856083

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150