WO2022024253A1

WO2022024253A1 - 光増幅装置

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Publication number: WO2022024253A1
Application number: PCT/JP2020/029028
Authority: WO
Inventors: 拓志風間; 毅伺梅木; 貴大柏崎; 修忠永; 晃次圓佛; 信建小勝負; 飛鳥井上; 亮一笠原
Original assignee: 日本電信電話株式会社
Priority date: 2020-07-29
Filing date: 2020-07-29
Publication date: 2022-02-03
Also published as: US20230236473A1; JPWO2022024253A1; JP7328599B2

Abstract

本開示の光増幅装置（１００）は、ラマン増幅部（１０１）と、ＰＰＬＮ導波路を含む二次の非線形素子（１０４、１０６）で構成されたパラメトリック増幅部（１０２）とから構成される。本開示の光増幅装置（１００）では、パラメトリック増幅部（１０２）の二次の非線形素子（１０４、１０６）の位相整合波長に対して、わずかに短波長側に離調した波長の基本波光から二倍波光を生成し、パラメトリック増幅部（１０２）のための励起光として利用する。位相整合波長から離調した波長の基本波光に基づいた励起光を利用することで、二次の非線形素子（１０４、１０６）の差周波数生成（ＤＦＧ）過程において広い帯域で位相整合曲線が得られる。パラメトリック増幅部（１０２）における励起光の波長付近の変換効率（ゲイン）の低下を、前置したラマン増幅部（１０１）によって補い、光増幅装置（１００）全体で広い帯域幅を実現する。

Description

光増幅装置

　本発明は、光通信システムやレーザ装置において用いられる光増幅装置に関する。

　光通信システムでは、光ファイバを伝搬することで減衰した信号を中継するために、エルビューム添加光ファイバ増幅器(ＥＤＦＡ：Erbium-Doped Fiber Amplifier)が広く用いられている。ＥＤＦＡでは、光ファイバにエルビュームを添加した光ファイバ(ＥＤＦ)に励起光を入射し、ＥＤＦ中の誘導放出により入射光を増幅する。ＥＤＦＡの実用化により、光―電気―光の変換を行うことなく光信号を光のまま増幅することが可能となった。さらに複数の波長に別々の情報を載せて伝送する波長分割多重(ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing)の信号を、一括して増幅することができる。簡単な構成で光信号の増幅および中継を行うことが可能になり、光中継のコストを著しく減らすことができる。特に長距離を伝送する光通信ネットワークは、ＥＤＦＡを使用することを前提に全体システムが設計されていると言っても過言ではない。

　近年の情報通信技術サービスの多様化により、通信ネットワークのバックボーンを支える光通信システムには、伝送容量のさらなる増大が求められている。シャノンの通信理論によれば、単位周波数帯域あたりの伝送容量の比率で与えられる周波数利用効率は、信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比に対してｌｏｇ_２（１＋Ｓ／Ｎ）で与えられる。このためＳ／Ｎ比の上限が、原理的な伝送容量の上限を決定してしまう。ショット雑音が支配的になる条件下では、光通信システムの受信機におけるＳ／Ｎ比は光信号のパワーに比例する。従って、光通信システムの周波数利用効率を高めるためには、原理的に、できるだけ高い光パワーで伝送を行う。現実には、光通信の伝送媒体である光ファイバには非線形光学効果が存在している。非線形光学効果のため、必要以上に伝送パワーを大きくすると、かえって光信号のＳ／Ｎ比が劣化する。このＳ／Ｎ比の劣化は非線形シャノン限界と呼ばれており、光通信システムの伝送容量の上限を制限する現象として知られている。

　上述の非線形シャノン限界を越えて、通信容量をさらに増やすためには、本質的に光通信に用いる周波数帯域を拡大することが求められる。

M.H. Chou, I. Brener, K.R. Parameswaran and M.M. Fejer,"Stability and bandwidth enhancement of difference frequency generation (DFGI-based wavelength conversion by pump detuning", ELECTRONICS LETTERS 10th June 1999 Vol. 35 No. 12, pp978-990 T. Umeki, O. Tadanaga, A. Takada, and M. Asobe, "Phase sensitive degenerate parametric amplification using directly-bonded PPLN ridge waveguides," Opt. Express, Vol. 19 No. 7, pp. 6326-6332 (2011)

　しかしながら、ＥＤＦＡを使用する光通信システムでは、実際に利用可能な光増幅器の帯域が制限される問題が存在していた。光通信システムで広く用いられているＥＤＦＡによって増幅できる波長帯域は、Ｃバンド（１５３０－１５６５ｎｍ）およびＬバンド(１５６５－１６２５ｎｍ)だけに限られている。このため、現在の光通信システムは、これらの波長帯域の利用を前提として構築されている。光ファイバ自体の透明波長帯域は非常に広いため、上述の２つのバンド以外の波長帯域で光増幅器を用いることができれば、光通信の伝送容量の大幅拡大が可能になる。

　ＥＤＦＡに類似の光増幅技術として、イットリビュームを添加した光ファイバを用いた光増幅器（ＹＤＦＡ：Ytterbium Doped Fiber Amplifier）が開発されている。ＹＤＦＡによって増幅ができる波長帯域は１．０６μｍ帯であり、この波長帯では、光通信システムで通常用いられるシングルモードファイバ（ＳＭＦ：Single Mode Fiber）がシングルモード伝搬でなくなってしまう。ＳＭＦは１．０６μｍ帯における高速信号の伝送に適さず、ＹＤＦＡを用いて光通信システムを構成するには、ＳＭＦ以外の特殊な光ファイバが必要となる。結局、光通信システムでＹＤＦＡを使用すれば、既存の光ファイバ通信網との親和性に問題が生じてしまう。

　本発明はこのような問題に鑑みなされたものであり、ＥＤＦＡで増幅できない波長帯域を含む広い帯域幅で、光信号を増幅する光増幅装置を提供するものである。

　本発明の１つの実施態様は、光増幅装置であって、信号光が入力されるラマン増幅部と、基本波光から二倍波光を生成する励起光生成部と、前記ラマン増幅部に接続されたパラメトリック増幅部であって、前記ラマン増幅部からの増幅された信号光を、前記基本波光の波長の長波長側帯域と、短波長側帯域とに分離する第１の分岐部、前記二倍波光を励起光として、前記分離された長波長側の信号光をパラメトリック増幅する第１の２次非線形素子、前記二倍波光を励起光として、前記分離された短波長側の信号光をパラメトリック増幅する第２の２次非線形素子、並びに、前記第１の２次非線形素子および前記第２の２次非線形素子からの波長変換光をそれぞれ除去し、前記第１の２次非線形素子および前記第２の２次非線形素子からの増幅された信号光を合波して出力する第２の分岐部を含むパラメトリック増幅部と、前記ラマン増幅部の励起光を生成する光源であって、前記励起光は前記第２の２次非線形素子を前記信号光と逆方向に伝搬してパラメトリック増幅され、前記ラマン増幅部に供給される、光源とを備え、前記基本波光は、前記第１の２次非線形素子および前記第２の２次非線形素子の位相整合波長よりも短波長側に離調した波長を有することを特徴とする光増幅装置であり得る。

　本発明により、ＥＤＦＡでは増幅できない波長帯域を含む広い帯域幅で、光信号を増幅する光増幅装置を提供できる。

従来技術のパラメトリック増幅器の基本構成を示した図である。パラメトリック増幅、ＤＦＧ過程の変換効率を説明する図である。本開示の光増幅装置の構成を示す図である。光増幅装置のパラメトリック増幅ゲインの帯域特性を示す図である。本開示の光増幅装置における各部の規格化ゲインを示す図である。開示の光増幅装置のゲインの帯域特性を示す図である。

　本開示の光増幅装置は、ラマン増幅部と、ＰＰＬＮ導波路を含む二次の非線形素子で構成されたパラメトリック増幅部とから構成される。パラメトリック増幅部の二次の非線形素子の位相整合波長に対して、わずかに短波長側に離調した波長の基本波励起光から二倍波光を生成して、パラメトリック増幅部のための励起光として利用する。位相整合波長から離調した波長の基本波光に基づいた励起光を利用することで、二次の非線形素子の差周波数生成（ＤＦＧ）過程において広い位相整合曲線が得られる。パラメトリック増幅部における励起光の波長付近の変換効率（ゲイン）の低下を、前置したラマン増幅部によって補い、光増幅装置全体で広い帯域幅を実現する。ラマン増幅部の励起光は、パラメトリック増幅部の短波長側の二次の非線形素子を、信号光とは逆方向に伝搬させてパラメトリック増幅し、ラマン増幅のために十分なレベルを確保できる。

　上述のように本開示の光増幅装置の構成は、ラマン増幅部およびパラメトリック増幅部を組み合わせたものであるが、その動作は通常は利用されない状態を利用している。これをあきらかにするために、それぞれの増幅機構の動作についてまず簡単に述べる。

　先の述べたＥＤＦＡのような希土類を用いたレーザ媒質を用いた光増幅は、希土類のもつエネルギー準位間の遷移を用いている。このため、ＥＤＦＡで増幅できる波長帯域の選択肢には限りがある。増幅できる波長帯域の制限を受けない光増幅を実現するものとしては、ファイバーラマン増幅や、２次または３次の非線形光学媒質を用いたパラメトリック増幅が知られている。

　ファイバーラマン増幅は、強いポンプ光が入射されている光ファイバに、光学フォノン分だけ周波数がシフトした周波数の光を入力する時、誘導ラマン散乱による増幅現象が起こることを利用する。一般的な光ファイバを用いた場合、ファイバーラマン増幅では、ポンプ光から約１２ＴＨｚ離れた周波数（１．５μｍ帯で約１００ｎｍ離れた波長に相当）をピークとしてゲイン帯域が存在する。異なる波長の複数のポンプ光を光ファイバ中に入射することで、さらに広帯域な増幅器とすることができる。しかかしながら、ゲイン帯域およびポンプ光波長帯域の関係から、増幅できる帯域は８０ｎｍ程度に制限されてしまう。さらに、波長によって雑音指数の差が大きく、Ｓ／Ｎ比にばらつきが出てしまう。このため、ＥＤＦＡをファイバーラマン増幅で置き換えるメリットは大きくなかった。

　パラメトリック増幅では、３次の非線形光学媒質として、光ファイバ中の四光波混合を利用したものがある。しかし、光ファイバの非線形光学効果は上述のように光信号のＳ／Ｎ比を劣化させる原因にもなり得るため、低雑音の光増幅装置として問題がある。一方、２次の非線形光学媒質として、周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ：Periodically Poled Lithium Niobate）からなる光導波路を用いる方法がある。例えば非特許文献１では、２次の非線形光学効果である差周波発生（ＤＦＧ：Difference Frequency Generation）過程を用いて、ＰＰＬＮを用いた広帯域な光増幅動作が可能なことが示されている。ＰＰＬＮを用いる方法では３次の非線形効果が無視できるため、非線形光学効果による信号品質の劣化はほぼ生じないと考えて良い。

　図１は、従来技術のパラメトリック増幅器の基本構成を示した図である。図１のパラメトリック増幅器１０（以下、光増幅器）は、非特許文献２に開示されたＰＰＬＮ導波路等の２次非線形光学媒質を用いたものである。後述するように光増幅器１は、波長変換器としても機能する。図１の光増幅器１では、同一の擬似位相整合条件を有するＰＰＬＮ導波路を用いた２つの二次非線形光学素子１２、１５を利用している。光通信に用いられているレーザ光源１３から１５５０ｎｍ帯の基本波光２２を生成し、非線形光学効果を得るのに十分なパワーを得るためにＥＤＦＡ１４を用いて基本波光を増幅する。増幅した基本波光２３は、第１の二次非線形光学素子１５のＰＰＬＮ導波路に入射し、第二高調波発生（ＳＨＧ：Second-Harmonic Generation）過程を使用して第二高調波２４（ＳＨ光）を発生させる。

　したがって、パラメトリック増幅器では、２つの二次非線形光学素子１２、１５の非線形媒質の中で生じる２次非線形光学効果によって、信号光の波長をλ_１、励起光の波長をλ_３とするとき、次式を満たす波長λ_２の波長変換光を生じる。

　第２の二次非線形光学素子１２のＰＰＬＮ導波路へ、光ファイバ１１を経てきた信号光２１および励起光としての第二高調波２４を入射して、非縮退パラメトリック増幅を行う。第２の二次非線形光学素子１２からは、信号光２１が非縮退パラメトリック増幅された増幅光２４を出力する。さらに第２の二次非線形光学素子１２からは、光増幅と同時にＤＦＧ過程によって、信号光２１および第二高調波２４の周波数差に応じた波長変換光（アイドラ光）も出力される。第２の二次非線形光学素子１２の出力側で、増幅された信号光２４のみを取り出せば光増幅器として機能し、波長変換光のみを取り出せば波長変換器として機能する。

　図２は、パラメトリック増幅およびＤＦＧ過程における変換効率を説明する図である。図２では、ＰＰＬＮ導波路において生じる各非線形過程の変換効率を示しており、横軸の波長に対して縦軸には規格化した変換効率を示している。ここでは、差周波数発生（ＤＦＧ)過程について説明するが、ＤＦＧ過程に基づくパラメトリック増幅過程においても、同様の変換効率すなわち光増幅能力を示す。図２における変換効率の波長依存性は、ＰＰＬＮ導波路における位相整合曲線を表していることに留意されたい。

　ＰＰＬＮ導波路における位相整合波長は、ＳＨＧ過程において、入力光およびその第二高調波光の２つの光の位相速度が一致する入力光波長、すなわち位相整合条件を満たす入力光波長のことである。非線形定数の空間分布の変調周期をΛ、二次高調波の波長をλ_２、入力光の波長をλ_１、導波路中のλ_１における実効屈折率をｎ_λ１、導波路中のλ_２における実効屈折率をｎ_λ２とすると、位相整合条件は次の式で与えられる。

　位相整合曲線は、波長ごとの非線形過程の変換効率を示すもので、位相整合条件を満たす波長領域から外れるほどに変換効率は劣化する。したがって位相整合曲線は、位相整合条件を満たしている波長帯域を示すものとなる。図２は、ＤＦＧ過程における変換効率の波長依存性、すなわち位相整合曲線を示している。

　図２の下側には基本波光に対する変換効率として、レーザ光源から出力された単一波長のレーザ光を示しており、ＰＰＬＮの周期構造などの構成で決まる位相整合波長においてのみ線状の位相整合線２０１となる。ＰＰＬＮ導波路の第二高調波光生成過程に対する位相整合帯域は、図２の上側のＳＨＧと示した位相整合曲線２０２となる。次に述べるＤＦＧ過程に対する位相整合曲線２０３の位相整合帯域よりも狭いものの、基本波光のレーザ光の位相整合線２０１の線幅はよりは十分に広い。

　ここで、基本波の波長λ_０（周波数：ω_０）を１５５３ｎｍ、励起光（ＳＨ光）の波長λｐ（周波数：２ω_０）を７７６．５ｎｍとした場合の、ＰＰＬＮ導波路のＤＦＧ過程による波長変換効率について述べる。ＰＰＬＮ導波路に励起光および信号光を入力することで、ＰＰＬＮ導波路中のＤＦＧ過程によって、波長変換光が生成される。例えば信号光の波長λ_Ｓ（周波数：ω_Ｓ）を１５５０ｎｍとするとき、２ω_０－ω_ＳのＤＦＧ過程により、波長１５５６ｎｍの波長変換光が生成される。波長変換光は、その波長が基本波の波長λ_０を中心として波長軸上で信号光の波長λ_Ｓを折り返した位置となるように生成される。尚、基本波に対して折り返した位置となる波長変換光の対称な位置関係は、厳密には周波数軸上において成立することに留意されたい。

　ＰＰＬＮ導波路中においては、励起光、信号光および変換光の３波の間で擬似位相整合条件が満たされている。励起光、信号光、変換光の導波路中の実効屈折率をそれぞれｎ_Ｐ、ｎ_Ｓ、ｎ_Ｃとするとき、ＰＰＬＮ導波路は、次式を満たす反転周期Λの分極反転構造を有するものとなる。
ｎ_Ｐ／λ_Ｐ－ｎ_Ｓ／λ_Ｓ－ｎ_Ｃ／λ_Ｃ＝１／Λ　　　式（３）

　ある波長において式（３）の関係を満たす反転周期Λが与えられると、信号光の波長λ_Ｓを変化させても、周波数２ω_０－ω_Ｓの変換光の波長λ_Ｃと励起光の波長λ_Ｐとの間で、式（３）を満たす限りは同じ変換効率が得られる。例えば信号光波長λ_Ｓ（周波数：ωｓ）を上述の最初の例の１５５０ｎｍとは異なる１５４９ｎｍとすれば、２ω_０－ω_ＳのＤＦＧ過程により、今度は波長１５５７ｎｍの波長変換光が生成される。この時、信号光および波長変換光の波長は最初の例とは異なるために、実効屈折率ｎ_Ｓおよびｎ_Ｃも最初の信号光波長λ_Ｓ＝１５５０ｎｍの例から変化している。しかしながらＰＰＬＮ導波路の材料の分散（波長依存性）によりｎ_Ｓが大きくなった分だけｎｃが小さくなれば、信号光の波長λ_Ｓを変えても式（３）を満たすことができる。ＤＦＧ過程における位相整合条件は広い範囲の波長の信号光および波長変換光で成立し、図２の上段にＤＧＦと示した位相整合曲線２０３のような広い波長変換帯域が得られる。

　上述のＰＰＬＮ導波路における材料の分散は線形ではないため、ｎ_Ｓの増加量とｎ_Ｃの減少量は完全に同一ではない。したがって中心波長から離れるにつれて徐々に変換効率は低下していき、位相整合条件を満たす帯域幅は一定範囲に制限されてしまう。従来技術のＰＰＬＮ導波路によるパラメトリック増幅では、基本波光波長（本例で１５５３ｎｍ）を中心として約６０ｎｍ程度の帯域幅を得ることができる。ここで帯域幅は、電力ゲインで３ｄＢダウン点の間隔を言うものとする。この６０ｎｍ程度の波長帯域は既存のＥＤＦＡでも増幅できる帯域幅であって、広く利用可能なＥＤＦＡを、わざわざＰＰＬＮ導波路によるパラメトリック増幅で置き換えるメリットは少ない。

　上述の従来技術のＰＰＬＮ導波路によるパラメトリック増幅では、ＰＰＬＮ導波路の位相整合波長を基本波励起光の波長と一致させる状態で利用している。これによって、フラットで最大の波長変換効率（ゲイン）を得られるからである。出願人は、従来技術のパラメトリック増幅で通常利用されている条件とは異なる条件で、ＰＰＬＮ導波路を動作させることによって、より広い波長帯域をカバーする光増幅装置の構成を見出した。

　以下の本開示の光増幅装置では、ＰＰＬＮ導波路等の２次非線形光学媒質を用い、その位相整合波長から離調した基本波励起光を用いることで、パラメトリック増幅のゲイン帯域を可変できることを利用する。パラメトリック増幅において、ＰＰＬＮ導波路の位相整合波長から敢えて離調した、通常は使用されない状態でのＤＦＧ過程の非線形現象に基づいて、通常よりも広い帯域幅を持つ位相整合曲線を利用する。このときの位相整合曲線は、波長軸上で基本波励起光の波長から両方向に分離した２つのピークを有する形状となる。２つのピークの間の帯域中央では、変換効率が低下してパラメトリック増幅のゲインも低下してしまう。本開示の光増幅装置では、この帯域中央のゲイン低下を、パラメトリック増幅部に前置したラマン増幅部において補う。単体のラマン増幅部の帯域幅は、通常の使用状態のパラメトリック増幅器を置き換えるものではない。しかしながら、離調した基本波励起光を使用する場合、ラマン増幅部の帯域幅は位相整合曲線における帯域中央のゲインの低下分を補うために十分なものである。以下、本開示の光増幅装置の構成および動作について説明する。

　図３は、本開示の光増幅装置の構成を示す図である。図３の光増幅装置１００は、大別してラマン増幅部１０１と、長波長側帯域用および短波長側帯域用の２つの経路にそれぞれ二次非線形光学素子１０４、１０６を備えたパラメトリック増幅部１０２とから構成される。ラマン増幅部１０１は、パラメトリック増幅部１０２における位相整合帯域の中央部のゲイン低下を補うよう動作する。パラメトリック増幅部１０２に対しては、信号光用およびラマン増幅用励起光用の、異なる波長の励起光が供給される。ラマン増幅用の励起光１３０は、短波長側帯域用の経路の二次非線形光学素子１０６を、信号光とは逆に伝搬してパラメトリック増幅される。

　ラマン増幅部１０１では、増幅すべき信号光１２１が光ファイバ伝送路１０３へ入力される。後方より１４５１．８ｎｍのラマン増幅用のポンプ光１３４を光ファイバ伝送路１０３に入力し、１５５３ｎｍ付近にゲインピークのあるラマン増幅が実現できる。ポンプ光１３４の供給方法については、後述する。

　パラメトリック増幅部１０２は、ラマン増幅部１０１において増幅された信号光をさらに増幅して、最終の出力信号光１２６を得る。パラメトリック増幅部１０２は、信号光を後述する基本波光の波長に対して長波長側の帯域と、短波長側の帯域とに分けて、２つの経路でそれぞれ帯域毎に非縮退パラメトリック増幅を行う。すなわちパラメトリック増幅部１０２は、第１の経路の長波長側帯域のための第１の二次非線形光学素子１０４と、第２の経路の短波長側帯域のための第２の二次非線形光学素子１０６とを備える。

　ラマン増幅部１０１からの信号光は、第１のカプラ１０４によって、上述の基本波光の波長よりも長波長側帯域の信号光１２２と、短波長側帯域の信号光１２３とに分離される。本開示の光増幅装置１００では、入力される信号光１２１として、波長多重された複数の波長の信号光を想定しており、第１のカプラ１０４によって２つの信号光１２２、１２３に分離されることになる。信号光１２２および基本波の第二高調波光（ＳＨ光１）である励起光１２８を、第１の二次非線形光学素子１０４のＤＦＧ用ＰＰＬＮ導波路に入射して非縮退パラメトリック増幅を行い、信号光１２２の増幅光１２４を出力する。同様に、信号光１２３および基本波の第二高調波光（ＳＨ光１）である励起光１２９を、第２の二次非線形光学素子１０６のＤＦＧ用ＰＰＬＮ導波路に入射して非縮退パラメトリック増幅を行い、信号光１２３の増幅光１２５を出力する。

　上述の非縮退パラメトリック増幅と同時に、二次非線形光学素子１０４、１０６の各々において、ＤＦＧ過程により信号光と第二高調波の周波数の差に応じた波長変換光（アイドラ光）も出力される。第２のカプラ１０７によって、二次非線形光学素子１０４、１０６からの不要な波長変換光を除去し、２つの経路からの増幅された信号光が合波され、最終の出力信号光１２６が出力される。したがって第２のカプラ１０７の第１の経路のフィルタ特性は、長波長側帯域（低周波側）を透過し、短波長側帯域（高周波側）を阻止するローパス特性を持つ。一方、第２のカプラ１０７の第２の経路のフィルタ特性は、短波長側帯域（高周波側）を透過し、長波長側帯域（低周波側）を阻止するハイパス特性を持つ。パラメトリック増幅部１０２全体として見れば、２つの帯域の境界にある基本波光の波長付近を除いて、単一の光増幅装置として動作する。

　上述のパラメトリック増幅部１０２へは、信号光のための励起光１２８、１２９を供給する第１の励起光生成部と、ラマン増幅用ポンプ光のための励起光１３２を供給する第２の励起光生成部を備える。第１の励起光生成部では、レーザ光源１０８から１５５０ｎｍ帯の基本波光１２７を生成し、非線形光学効果を得るのに十分なパワーを得るためにＥＤＦＡ１０９を用いて基本波光を増幅する。増幅された基本波光は、ＳＨＧ過程により第二高調波光を発生させる二次非線形光学素子１１０に入射する。生成された第二高調波光は、光分岐１１２で２つに分岐され、二次非線形光学素子１０４、１０６の各々に、励起光（ＳＨ光１）１２８、１２９として供給される。

　同様に、ラマン増幅用ポンプ光のための第２の励起光生成部では、レーザ光源１１３から１５５０ｎｍ帯の基本波光１３１を生成し、非線形光学効果を得るのに十分なパワーを得るためにＥＤＦＡ１１４を用いて基本波光を増幅する。増幅された基本波光は、ＳＨＧ過程により第二高調波光を発生させる二次非線形光学素子１１５に入射する。生成された第二高調波光（ＳＨ光２）１３２は、短波長側帯域のための第２の二次非線形光学素子１０６の、信号光用の励起光１２９とは反対側のポートへ供給される。したがって、ラマン増幅用ポンプ光のための励起光１３２は、第２の二次非線形光学素子１０６の出力側から入力側に向かって、信号光用の励起光１２９とは逆方向に伝搬する。

　したがって本開示の光増幅装置１００は、信号光１２１が入力されるラマン増幅部１０１と、基本波光１２７から二倍波光１２８、１２９を生成する励起光生成部と、前記ラマン増幅部に接続されたパラメトリック増幅部１０２であって、前記ラマン増幅部からの増幅された信号光を、前記基本波光の波長の長波長側帯域と、短波長側帯域とに分離する第１の分岐部１０４、前記二倍波光を励起光１２８として、前記分離された長波長側の信号光をパラメトリック増幅する第１の２次非線形素子１０４、前記二倍波光を励起光１２９として、前記分離された短波長側の信号光をパラメトリック増幅する第２の２次非線形素子１０６、並びに、前記第１の２次非線形素子および前記第２の２次非線形素子からの波長変換光をそれぞれ除去し、前記第１の２次非線形素子および前記第２の２次非線形素子からの増幅された信号光を合波して出力する第２の分岐部１０７を含むパラメトリック増幅部と、前記ラマン増幅部の励起光（ポンプ光）を生成する光源１１６であって、前記励起光１３０は前記第２の２次非線形素子を前記信号光と逆方向に伝搬してパラメトリック増幅され、前記ラマン増幅部に供給される、光源とを備え、前記基本波光１２７は、前記第１の２次非線形素子および前記第２の２次非線形素子の位相整合波長よりも短波長側に離調した波長を有するものとして実施できる。

　上述のＳＨＧ過程用の二次非線形光学素子１１０、１１５は、いずれも、パラメトリック増幅部１０２の第１の二次非線形光学素子１０４、第２の二次非線形光学素子１０６と同一の擬似位相整合条件を有するＰＰＬＮ導波路を用いる。第１の２次非線形素子および第２の２次非線形素子は、非線形媒質で構成され、周期分極反転構造を有するニオブ酸リチウムによる導波路を含むものである。また非線形媒質は非線形光学結晶であって、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、もしくはＬｉＮｂ_(ｘ) Ｔａ_(１－ｘ) Ｏ_３（０≦ｘ≦１）または、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有しているものであり得る。次に、パラメトリック増幅部１０２における二次非線形光学素子１０４、１０６の動作について、説明する。

　図４は、本開示の光増幅装置におけるパラメトリック増幅のゲイン帯域特性を示す図である。縦軸に規格化ゲイン（ａ.ｕ.）を、横軸に波長（ｎｍ）を示している。図３に示した光増幅装置１００でパラメトリック増幅用に用いる二次非線形光学素子（ＰＰＬＮ１、ＰＰＬＮ２）は、４５ｍｍ長のＰＰＬＮ導波路を用いており、位相整合波長は１５５３ｎｍに設定されている。従来技術のように、ＰＰＬＮ導波路に励起光として、位相整合波長と同じ１５５３ｎｍの基本波光から生成された第二高調波光１２８、１２９を入射すると、規格化ゲインの帯域幅は１５５３ｎｍを中心として約６０ｎｍ程度となる。

　一方、本開示の光増幅装置１００では、位相整合波長から僅かに短波長側に０．２ｎｍだけ離調させた１５５２．８ｎｍの基本波光１２７をレーザ光源１０８から出力し、この基本波光から生成した励起光をＰＰＬＮ導波路に入射している。この時に得られるパラメトリック増幅の規格化ゲインは、図４に示したようにゲインピークが２つに分裂した帯域特性を示す。励起光生成のために位相整合波長と一致する１５５３ｎｍの基本波光を使用した場合よりも、位相整合波長付近の規格化ゲインは下がっているが、位相整合波長からより離れた波長帯域を増幅できている。したがって、ＰＰＬＮ導波路等の２次非線形光学媒質においてその位相整合波長から離調した基本波励起光を用いることで、パラメトリック増幅のゲイン帯域を可変できることがわかる。基本波励起光の、位相整合波長からの離調量と、ゲインピークの移動量との間には、概ね０．２ｎｍ程度の離調範囲において０．１ｎｍの離調量に対し、約１８ｎｍのゲインピークの移動量がある。この関係が確認されており、これを使ってゲインピークの位置を制御できる。

　本開示の光増幅装置１００では、位相整合波長から離調した基本波光から励起光を生成し、パラメトリック増幅におけるゲインピークが分裂した帯域特性を積極的に利用し、ラマン増幅部と組み合わせて広帯域で平坦な増幅特性を実現する。

　図５は、本開示の光増幅装置の各部における規格化ゲインを示す図である。図３を参照しながら、パラメトリック増幅部１０２およびラマン増幅部１０１の各規格化ゲインの関係を説明する。上述のように図３二次非線形光学素子１０４、１０６においては、位相整合波長が１５５３ｎｍのＰＰＬＮ導波路（ＰＰＬＮ１、ＰＰＬＮ２）へ、１５５２．８ｎｍの基本波光から生成した励起光１２８、１２９（ＳＨ光１）が入力される。この時の規格化ゲインは、図５の（ａ）に示したように、中央の位相整合波長でゲインが低下し、ピークが波長軸上でシフト量５０１だけ両方向に移動したものである。位相整合波長付近で十分な増幅ゲインが得られないため、パラメトリック増幅部１０２だけでは広帯域な増幅器として用いることができない。そこで位相整合波長近傍でのゲイン低下を補うために、前段のラマン増幅部１０１を利用する。

　ラマン増幅部１０１は、ラマン増幅用光源１１６からの１４５１．８ｎｍのポンプ光１３０を、後述するようにパラメトリック増幅部１０２で増幅し、光ファイバ伝送路１０３の後方から供給する。図３に示したポンプ光を供給する構成によって、ラマン増幅部１０１で１５５３ｎｍ付近にゲインピークを持ったラマン増幅が実現できる。図５の（ｂ）は、このときのラマン増幅部１０１の規格化ゲインを示す。

　ラマン増幅用のポンプ光１３０は、パラメトリック増幅部１０２の短波長側の経路の第２の二次非線形光学素子１０６の出力側から入力側に向かって、サーキュレータ１１７を介して入力される。ラマン増幅の場合、通常は光ファイバ伝送路の直後にサーキュレータを用いてラマン増幅用のポンプ光が入力される。しかしながら、パラメトリック増幅部１０２の入力側にサーキュレータを設置すると、その光損失がパラメトリック増幅部１０２の雑音指数を直接劣化させてしまう。図３に示した本開示の光増幅装置１００では、第２の経路内の第２の二次非線形光学素子１０６の後段側にサーキュレータ１１７を設置している。信号光の伝搬方向について見たときに、損失回路を、光増幅した後のパラメトリック増幅部１０２の後段側に配置することで、Ｓ／Ｎ比の劣化を抑えている。

　サーキュレータ１１７を第２の二次非線形光学素子１０６の後段側に設置した場合、ポンプ光の伝搬方向について見たとき、ポンプ光１３０はＰＰＬＮ導波路（ＰＰＬＮ２）および第１のカプラ１０４を通過する光損失を受ける。このため、光ファイバ伝送路１０３において、ラマン増幅のための十分なポンプ光パワーを確保できない場合がある。図３の光増幅装置１００では、ＰＰＬＮ導波路を用いたパラメトリック増幅器の双方向性を活かして、信号光１２３とは逆方向に伝搬するポンプ光を第２の二次非線形光学素子１０６でパラメトリック増幅する。

　ポンプ光のパラメトリック増幅用の励起光１３２として、前述のように１５５１．４ｎｍの基本波光１３１を用い二次非線形光学素子１１５で生成した第二高調波励起光１３２（ＳＨ光２）を、ポンプ光１３０と同じ向きに入力している。図５の（ｃ）は、位相整合波長から１．６ｎｍだけ短波長側に離調した１５５１．４ｎｍの基本波光から生成した励起光を用いた場合の、第２の二次非線形光学素子１０６の規格化ゲインを示す。二次非線形光学素子１０６は、波長軸上で位相整合波長からシフト量５０２（約１００ｎｍ）だけ両方向に離れた位置でゲインピークを持っており、ラマン増幅用のポンプ光の波長１４５１．８ｎｍにおいて増幅可能である。パラメトリック増幅器の双方向性により、信号光１２３の増幅およびポンプ光１３０を同時に光増幅し、パラメトリック増幅部１０２でポンプ光１３０が受ける光損失を補償し、十分な光パワーのポンプ光１３４を得ることができる。ラマン増幅部１０１で、十分なラマン利得を得ることができる。

　図６は、本開示の光増幅装置のゲインの帯域特性を示す図である。縦軸にゲイン（ｄＢ）を横軸に波長（ｎｍ）を示している。ラマン増幅部を含まずにパラメトリック増幅部のみの場合は、ゲインの帯域特性は点線で示したように２つのピークを持ち、狭い波長範囲でのみ高いゲインが得られている。一方、ラマン増幅およびパラメトリック増幅を組みわせた本開示の光増幅装置の構成によれば、ゲインの帯域特性は実線で示したようにフラットで、約１００ｎｍの波長帯域で１８ｄＢを超えるゲインが得ることができた。本開示の光増幅装置１００では、従来技術の光増幅器では実現できなかったＣ帯、Ｌ帯、Ｓ帯も含めた広い波長帯域を一括して増幅することができた。

　上述の説明では、パラメトリック増幅部の信号光増幅用の励起光として、位相整合波長の１５５３ｎｍから０．２ｎｍだけ短波長側に離調した１５５２．８ｎｍの基本波から生成した第二高調波の例を示した。しかしながら励起光の波長はこれに限られず、パラメトリック増幅部のＰＰＬＮ導波路の位相整合波長から離調する量を変更することで、パラメトリック増幅部のゲインピーク位置を制御できる。また、ラマン増幅部に対するポンプ光の波長およびその数を変えても良い。これに伴って、ポンプ光増幅のための基本波励起光の波長および数を変えることになる。例えば、ラマン増幅部に対して２つの異なる波長のポンプ光を利用する場合は、対応した励起光生成部を備えることになる。またパラメトリック増幅部のＰＰＬＮ導波路の位相整合波長は、図３の構成例で説明した１５５３ｎｍだけに限らず、他の波長に変更し、その位相整合波長に適合したＰＰＬＮ導波路を準備すればよい。

　以上詳細に述べてきたように、本開示の光増幅装置によって、ＥＤＦＡでは増幅できない波長帯域を含む広い帯域幅で、光信号を増幅できる光増幅を実現できる。

　本発明は、通信に利用可能であり、とりわけ光通信に有効に利用できる。

Claims

　光増幅装置であって、
　信号光が入力されるラマン増幅部と、
　基本波光から二倍波光を生成する励起光生成部と、
　前記ラマン増幅部に接続されたパラメトリック増幅部であって、
　　前記ラマン増幅部からの増幅された信号光を、前記基本波光の波長の長波長側帯域と、短波長側帯域とに分離する第１の分岐部、
　　前記二倍波光を励起光として、前記分離された長波長側の信号光をパラメトリック増幅する第１の２次非線形素子、
　　前記二倍波光を励起光として、前記分離された短波長側の信号光をパラメトリック増幅する第２の２次非線形素子、並びに、
　　前記第１の２次非線形素子および前記第２の２次非線形素子からの波長変換光をそれぞれ除去し、前記第１の２次非線形素子および前記第２の２次非線形素子からの増幅された信号光を合波して出力する第２の分岐部
　を含むパラメトリック増幅部と、
　前記ラマン増幅部の励起光を生成する光源であって、前記励起光は前記第２の２次非線形素子を前記信号光と逆方向に伝搬してパラメトリック増幅され、前記ラマン増幅部に供給される、光源と
　を備え、
　前記基本波光は、前記第１の２次非線形素子および前記第２の２次非線形素子の位相整合波長よりも短波長側に離調した波長を有することを特徴とする光増幅装置。
　前記位相整合波長を有する第３の２次非線形素子を含み、前記ラマン増幅部の前記励起光の波長においてパラメトリック増幅を行うための第２の励起光を生成する第２の励起光生成部をさらに備え、
　前記第２の励起光は、第２の基本波光の二倍波であって、前記第２の基本波光は、前記基本波光よりもさらに短波長側に離調した波長を有することを特徴とする請求項１に記載の光増幅装置。　
　前記励起光生成部は、前記位相整合波長を有し、前記基本波光の前記二倍波光を生成する第４の２次非線形素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の光増幅装置。
　前記第１の２次非線形素子および前記第２の２次非線形素子は、非線形媒質で構成され、周期分極反転構造を有するニオブ酸リチウムによる導波路を含み、
　前記非線形媒質の中で生じる２次非線形光学効果によって、信号光の波長をλ_１、励起光の波長をλ_３とするとき、

を満たす波長λ_２の波長変換光を生じることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光増幅装置。
　前記非線形媒質は非線形光学結晶であって、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、もしくはＬｉＮｂ_(ｘ) Ｔａ_(１－ｘ) Ｏ_３（０≦ｘ≦１）または、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする請求項４に記載の光増幅装置。