WO2022215261A1 - 光増幅装置 - Google Patents

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WO2022215261A1
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light
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signal
optical
frequency
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PCT/JP2021/015052
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English (en)
French (fr)
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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
啓 渡邉
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日本電信電話株式会社
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to an optical communication system and an optical amplifier.
  • long-distance transmission systems such as long-distance backbone optical fiber communication networks
  • client signals which are increasing in speed, such as Ethernet. Improving channel speed is important in conjunction with increasing the capacity of long distance transmission systems.
  • the main cause of S/N degradation in long-distance transmission systems is the accumulation of spontaneous emission noise from optical amplifiers. Reducing the spontaneous emission noise is important for improving the SNR of the transmission line.
  • a laser amplifier such as an erbium-doped fiber laser amplifier (EDFA)
  • EDFA erbium-doped fiber laser amplifier
  • PSA Phase Sensitive Amplifier
  • Fig. 1 shows the basic configuration of a conventional PSA.
  • the PSA 100 includes a phase-sensitive optical amplifier section 101 using optical parametric amplification, an excitation light source 102, an excitation light phase control section 103, and first and second optical branching sections 104-1 and 104-1. -2.
  • signal light 110 input to PSA 100 is split into two by optical splitter 104-1, one of which enters phase sensitive optical amplifier 101 and the other enters excitation light source 102.
  • Pumping light 111 emitted from the pumping light source 102 is phase-adjusted through the pumping light phase controller 103 and enters the phase sensitive light amplifier 101 .
  • the phase sensitive optical amplifier 101 outputs an output signal light 112 based on the input signal light 110 and pumping light 111 .
  • the phase-sensitive optical amplifier 101 amplifies the signal light 110 when the phase of the incident signal light 110 and the phase of the pumping light 111 match. It has damping properties. If the pumping light 111 and the signal light 110 are matched in phase so that the amplification gain is maximized by using this characteristic, the spontaneous emission light in quadrature with the signal light 110 is not generated. In addition, the in-phase component does not generate spontaneous emission light exceeding the noise of the signal light, so that the signal light 110 can be amplified without degrading the S/N ratio.
  • pumping light phase control section 103 pumps so as to synchronize with the phase of signal light 110 branched by first optical branching section 104-1. Control the phase of the light 111 .
  • the pumping light phase control unit 103 detects a part of the output signal light 112 branched by the second optical branching unit 104-2 with a narrow band detector, and the amplification gain of the output signal light 112 is maximized.
  • the phase of the excitation light 111 is controlled so that As a result, the phase sensitive optical amplifier 102 achieves optical amplification without deterioration of the S/N ratio according to the principle described above.
  • the pumping light phase control unit 103 may be configured to directly control the phase of the pumping light source 102 instead of controlling the phase of the pumping light 111 on the output side of the pumping light source 102 . Further, when the light source for generating the signal light 110 is arranged near the phase sensitive light amplifier 101, part of the light source for signal light can be branched and used as pumping light.
  • nonlinear optical medium for performing the above parametric amplification, there are a method using a second-order nonlinear optical material typified by a periodically poled LiNbO 3 (PPLN) waveguide and a method using a third-order nonlinear optical material typified by a silica glass fiber.
  • PPLN periodically poled LiNbO 3
  • FIG. 2 illustrates the configuration of a conventional PSA using a PPLN waveguide disclosed in Non-Patent Document 1 and the like.
  • the PSA 200 shown in FIG. 2 includes an erbium-doped fiber laser amplifier (EDFA) 201, first and second second-order nonlinear optical elements 202, 204, and first and second optical splitters 203-1, 203- 2, a phase modulator 205, a PZT optical fiber stretcher 206, a polarization maintaining fiber 207, a photodetector 208, and a phase locked loop (PLL) circuit 209.
  • EDFA erbium-doped fiber laser amplifier
  • the first second-order nonlinear optical element 202 includes a first spatial optical system 211, a first PPLN waveguide 212, a second spatial optical system 213, and a first dichroic mirror 214.
  • the two second-order nonlinear optical elements 204 include a third spatial optical system 215, a second PPLN waveguide 216, a fourth spatial optical system 217, a second dichroic mirror 218, and a third dichroic mirror. 219;
  • the first spatial optical system 211 couples light input from the input port of the first second-order nonlinear element 202 to the first PPLN waveguide 212 .
  • the second spatial optical system 213 couples the light output from the first PPLN waveguide 212 to the output port of the first second-order nonlinear optical element 202 via the first dichroic mirror 214 .
  • the third spatial optical system 215 couples the light input from the input port of the second order nonlinear optical element 204 to the second PPLN waveguide 216 via the second dichroic mirror 218 .
  • a fourth spatial optical system 217 couples the light output from the second PPLN waveguide 216 to the output port of the second order nonlinear optical element 204 via a third dichroic mirror 219 .
  • the signal light 250 incident on the PSA 200 is split by the optical splitter 203-1, and one of the splits enters the second-order nonlinear optical element 204.
  • the other is phase-controlled via the phase modulator 205 and the optical fiber stretcher 206 as the excitation fundamental wave light 251 and enters the EDFA 201 .
  • the EDFA 201 amplifies the incident excitation fundamental wave light 251 and makes it enter the first second-order nonlinear optical element 202 in order to obtain sufficient power to obtain a nonlinear optical effect from weak laser light used for optical communication.
  • a second harmonic (SH light: Second Harmonics) 252 is generated from the incident excitation fundamental wave light 251 , and the generated SH light 252 passes through the polarization maintaining fiber 207 to the second harmonic.
  • 2 second-order nonlinear optical element 204 performs phase-sensitive optical amplification by performing degenerate parametric amplification on the incident signal light 250 and SH light 252 , and outputs an output signal light 253 .
  • phase of the signal light and the phase of the pump light must match or be shifted by ⁇ radians as described above. That is, when the second-order nonlinear optical effect is used, it is necessary that the phase ⁇ 2 ⁇ s of the excitation light, which is the wavelength corresponding to the SH light, and the phase ⁇ s of the signal light satisfy the following relationship (Equation 1). where n is an integer.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the phase difference ⁇ between the input signal light and the pumping light and the gain (dB) in the PSA using the second-order nonlinear optical effect. It can be seen that the gain is maximized when ⁇ is - ⁇ , 0, or ⁇ .
  • the phase modulator 205 in order to phase-synchronize the signal light 250 and the pumping fundamental wave light 251, the phase modulator 205 is used to phase-modulate the pumping fundamental wave light 251 with a weak pilot signal, and then output. A part of the signal light 253 is branched and detected by the detector 208 .
  • This pilot signal component is minimized when phase synchronization is achieved with the minimum phase difference ⁇ shown in FIG. Therefore, feedback is provided to the optical fiber extender 206 using the PLL circuit 209 so that the pilot signal is minimized, that is, the amplified output signal is maximized.
  • the phase of the fundamental excitation light 251 can be controlled to achieve phase synchronization between the signal light 250 and the fundamental excitation light 251 .
  • the characteristics of the dichroic mirror 214 are used for excitation. Remove the component of the fundamental wave light. This allows only the SH light 252 and the signal light 250 to enter the parametric amplification medium such as the second-order nonlinear optical element 204 . Since noise due to mixing of spontaneous emission light generated by the EDFA 201 can be prevented, low-noise optical amplification becomes possible.
  • Non-Patent Document 2 discloses a configuration example of repeater amplification of PSA using a degenerate parametric process.
  • the phase-sensitive optical amplification using the degenerate parametric process described above has the characteristic of attenuating orthogonal phase components, as shown in FIG. For this reason, it can be used only for amplifying normal intensity modulated signals and modulated signals such as IMDD, BPSK, and DPSK using binary phase modulation. Further, the phase sensitive optical amplification using the degenerate parametric process can only phase sensitive optically amplify signal light of one wavelength. In order to apply PSA to optical communication technology, a configuration capable of coping with various optical signals such as multilevel modulation formats and wavelength multiplexed signals is required.
  • Non-Patent Document 3 discloses a configuration based on non-degenerate parametric amplification in which phase conjugate light paired with signal light is prepared in advance and used as input light to a nonlinear medium such as PPLN.
  • Non-Patent Document 4 a configuration using a continuous wave (CW) pilot carrier having the same phase as the carrier phase of the modulated signal is known (Non-Patent Document 4).
  • CW continuous wave
  • the pilot carrier transmitted together with the signal light occupies a part of the signal band, reducing the band utilization efficiency. Simultaneous transmission of CW light generates unnecessary converted light due to four-wave mixing in the fiber, deteriorating signal quality.
  • Non-Patent Document 5 an optical amplification device using pump light extraction and optical injection locking using PPLN has been proposed. Since this optical amplifier does not require a pilot tone and extracts the carrier wave phase from the modulated signal light, it can be applied to a PSA repeater without reducing the bandwidth utilization efficiency. . However, as will be described later, there is a problem that phase noise generated in the pumping light generation process causes noise in the PSA. In order to achieve high multilevel signals, it is necessary to improve the S/N ratio on the transmission side and transmission line of the system. Even in a repeater-type optical amplifier used in the middle of a transmission line, it has been desired to ensure the low-noise inherent in the PSA without increasing the phase noise.
  • an object of the present invention is to provide a novel optical amplifier that generates local oscillation pumping light with reduced noise.
  • One embodiment of the present disclosure is an optical amplifier for a signal light pair including signal light and phase conjugate light of the signal light, wherein the phase sensitive optical amplifier performs non-degenerate parametric amplification of the signal light pair.
  • a first second-order nonlinear optical element for generating a sum frequency light of the signal light and the phase conjugate light from a part of the signal light pair; and a difference frequency light from the sum frequency light and the first excitation light.
  • an injection-locking light source for generating second excitation light synchronized with the frequency of the difference-frequency light; and the first nonlinear optical element output from the second second-order nonlinear optical element.
  • a first detection unit that acquires a first beat signal from the excitation light and the difference frequency light
  • a second detection unit that acquires a second beat signal from the first excitation light and the injection-locked second excitation light.
  • a phase error detector for generating a signal representing the phase error of the injection-locked second excitation light from the first beat signal and the second beat signal, and the signal representing the phase error
  • a pumping light generation unit having a feedback unit for controlling the phase of the second pumping light of the injection locking light source, wherein the injection-locked second pumping light is in the phase sensitive light amplifying unit It is an optical amplifier used for generating pumping light.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram of a configuration of a conventional phase sensitive optical amplifier
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a phase sensitive optical amplifier using a second-order nonlinear optical effect
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the phase difference ⁇ between input signal light and pump light and gain.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of an optical amplifying device including a pumping light regeneration unit using injection locking
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the nonlinear operation and frequency relationship in each part of the optical amplifying device
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a synchronization state of a local oscillation light source used for optical injection locking
  • 1 is a diagram showing a configuration of a repeater-type optical amplifying device of the present disclosure
  • the optical amplifying device of the present disclosure has a pumping light generator that combines extraction of the carrier wave phase from the signal light and injection locking with a new configuration that suppresses phase noise, and exhibits the low-noise inherent to the repeater-type PSA. do.
  • the optical amplifying device according to Non-Patent Document 5 described above extracts the carrier wave phase from the received modulated signal light, and can apply the PSA to the repeater without lowering the band utilization efficiency.
  • the optical amplifying device of the present disclosure which will be described later, is based on this optical amplifying device including a pumping light generator that combines extraction of a carrier phase from signal light and injection locking.
  • the configuration and operation of the optical amplifying device 300 according to Non-Patent Document 5 will be described first because it is common in basic operation with the optical amplifying device of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a diagram showing the configuration of an optical amplifying device including a pumping light generator using optical injection locking.
  • the optical amplifying device 300 of FIG. 4 constitutes a repeater type optical amplifying device including a PSA section 330 that optically amplifies signal light and a pumping light generating section 340 that supplies pumping light to the PSA section 330 .
  • FIGS. 5(a) to 5(e) explain the operation of the second-order nonlinear optical device (PPLN), which is a nonlinear medium, in each part of the optical amplifier 300 shown in FIG. 4 and the relationship with each related optical frequency.
  • PPLN second-order nonlinear optical device
  • FIGS. 5(a) to 5(e) explain the operation of the second-order nonlinear optical device (PPLN), which is a nonlinear medium, in each part of the optical amplifier 300 shown in FIG. 4 and the relationship with each related optical frequency.
  • PPLN second-order nonlinear optical device
  • a signal light 401 is input to the optical amplifying device 300 via an optical fiber 301 which is a transmission line.
  • signal light 401 is composed of a pair of phase-modulated signal light of frequency ⁇ s and phase conjugate light (idler light) of frequency ⁇ i .
  • ⁇ pump indicated by a dotted line in the middle of the signal light pair on the frequency axis indicates the frequency of the pump light used to generate this signal light pair on the source side (transmitter) of the signal light, that is, the excitation light. showing.
  • the pumping light generating section 340 generates pumping light from the received signal light 401 and supplies the generated pumping light to the PSA section 330 for optical amplification.
  • the excitation light generation section 340 and the PSA section 330 each include two second-order nonlinear optical elements, for a total of four second-order nonlinear optical elements. Each nonlinear operation described below is performed in each second-order nonlinear optical element.
  • the pair of signal lights 401 is partially extracted by the tap coupler 303 and supplied to the excitation light generator 340 .
  • the tapped signal light 401 a has its intensity restored by the EDFA 304 , passes through the BPF 305 , and is input to the first second-order nonlinear optical element 306 .
  • the first second-order nonlinear optical element 306 generates a second harmonic wave 402 of the pump light (excitation light) on the transmission side from the pair of signal light and phase conjugate light by the SFG process. Referring to the nonlinear operation of (a) of FIG.
  • the phase modulation components of the signal light and the phase conjugate light are mutually canceled, and a double wave 402 (sum frequency light) obtained by extracting the phase of the carrier wave of the signal light is generated. generated. That is, the phase information of the carrier used to generate the signal light on the transmission side is reproduced.
  • the pumping light generator 340 generates the second pumping light 404 having the phase information of the double wave 402 by a difference frequency generation process (DFG) in another second second-order nonlinear optical element 307 . That is, from the first excitation light 403 supplied from the light source 308 and having a frequency different from the fundamental wave (excitation light) of the second harmonic wave 402 and the second harmonic wave 402 (sum frequency light), the second of excitation light 404 is obtained.
  • the DFG process converts the first pump light 403 of frequency ⁇ p1 and the second harmonic wave 402 of frequency 2 ⁇ pump into the second pump light of frequency ⁇ p2. of excitation light 404 is generated.
  • the second pump light 404 maintains the phase information of the second harmonic wave 402 extracted from the signal light pair 401 as it is.
  • the second harmonic 402 (sum-frequency light) generated by the SFG process of the first second-order nonlinear optical element 306 contains residual intensity noise components. Therefore, this intensity noise is also superimposed on the second excitation light 404 (difference frequency light) obtained through the DFG process of the second second-order nonlinear optical element 407 .
  • optical injection locking which will be described below, is used to supply an output having the same phase information as the second pumping light 404 and with suppressed intensity noise to the PSA section 330 .
  • second pumping light 404 with intensity noise is input to local oscillation light source 313 having the same oscillation frequency ⁇ p2 as second pumping light 404 via circulator 315 and AWG 314 .
  • the local oscillation light source 313 outputs an oscillation output having the same phase information as the second pumping light 404 and suppressed intensity noise.
  • the output light from the optical injection-locked local oscillation light source 313 passes through the AWG 314 and the circulator 315 and is supplied to the PSA section 330 as the second excitation light 404a.
  • the second pumping light 404a has the same phase information as the received signal light 401, and the intensity noise is suppressed. Referring again to the nonlinear operation of FIG.
  • intensity noise is included in the vicinity of the second pumping light 404 of frequency ⁇ p2 .
  • the intensity noise near the second pumping light 404 of frequency ⁇ p2 is largely eliminated by the optical injection locking operation for the local oscillation light source 313.
  • the first pumping light 403 from the light source 308 is branched by the 3 dB coupler 309, and one of the branched first pumping lights 403 is is given to the second-order nonlinear optical element 307 .
  • the first pumping light 403 is output from the output side of the second-order nonlinear optical element 307, but passes through the circulator 315 and is different from the port where the local oscillation light source 313 is connected on the demultiplexing side of the AWG. It is output to the port and quenched as it is.
  • first pumping light 403a is supplied to PSA section 330 for generating pumping light used for photosensitive amplification.
  • the second pumping light 404a having the phase information of the carrier on the transmission side extracted from the signal light 401 and the first pumping light 403a having the frequency ⁇ p1 are generated . will be supplied to the PSA section 330 .
  • the second-harmonic excitation light for PSA is generated from the second excitation light 404a and the first excitation light 403a by the SFG process of the third-order nonlinear optical element 307.
  • excitation light 405 (sum frequency light) is generated.
  • This pumping light 405 of frequency 2 ⁇ pump corresponds to the pumping light of frequency ⁇ pump on the transmitting side of the received signal light pair and maintains the phase of the carrier wave used to generate the signal light. .
  • a pair of received signal lights 401 are phase-sensitive optically amplified by using the pumping light 405 in which the phase information on the transmission side is maintained for the fourth second-order nonlinear optical element 319, and the amplified signal lights A pair 506 of .
  • the signal light of frequency ⁇ s and the phase conjugate light of frequency ⁇ i are converted into light by the OPA (Optical-Parametric Amplification) process of the double wave 405 having a frequency of 2 ⁇ pump .
  • Sensitive amplification and relay amplification are performed.
  • by constructing a repeater-type PSA using carrier extraction by the SFG process and the DFG process from the received signal light pair and optical injection locking Repeater amplification with reduced intensity noise and phase noise in the transmission path is realized.
  • the configuration of the repeater type optical amplifier shown in FIG. 4 still has the following problems.
  • the optical amplifying device 300 uses optical injection locking for removing residual intensity noise from the second pumping light 404 after carrier extraction from the signal light 401 .
  • intensity noise is suppressed by the operation of optical injection locking, phase noise is newly generated by optical injection locking.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the synchronization state of the local oscillation light source used for optical injection locking.
  • the synchronization state and phase noise of the local oscillation light source will be described with the horizontal axis representing frequency.
  • the local oscillation light source used for optical injection locking has a predetermined locking range in which optical injection locking is possible.
  • the locking range is determined by the ratio of the power of injection light to the output power of local oscillation light, the line width of the local oscillation light source, and the like.
  • the oscillation wavelength of the oscillation light 451 in the free-run state of the local oscillation light source is pulled into the wavelength of the injection light, locked, and synchronous oscillation is performed.
  • Such a light source that is synchronized with the wavelength (frequency) of injected light from the outside is also called an optical injection locking light source.
  • the local oscillation light source is in a state of stably synchronized oscillation light 452 .
  • the wavelength of the oscillating light fluctuates.
  • the frequency of the oscillation light that is optical injection-locked may vary by ⁇ from moment to moment.
  • FIG. 6 shows a momentary state when subjected to temperature fluctuations and noise.
  • the oscillation wavelength fluctuates around the frequency of the stable synchronous state.
  • Non-Patent Document 6 the local oscillation light has a phase shift ⁇ L expressed by the following equation. is known to occur.
  • ⁇ is called a linewidth enhancement factor and is a value unique to local oscillation light, and is determined by the material, structure, etc. of the laser.
  • the oscillation wavelength itself of the local oscillation light source drifts due to temperature fluctuations, and noise from the current driver and temperature control driver that drive the light source is added, causing the frequency difference ⁇ to fluctuate from moment to moment. .
  • Fluctuations in the frequency difference ⁇ are equivalent to adding phase modulation to the oscillating light, resulting in phase noise of the optical injection-locked local oscillating light.
  • the noise fluctuation of the phase of the excitation light causes both the phase and the intensity of the optically amplified output from the PSA to fluctuate.
  • the phase noise of the optical injection-locked local oscillation light is also a major factor that hinders the long-term stable operation of the PSA.
  • the optical amplifying device of the present disclosure described below extracts the pumping light from the received signal light and addresses the above-described phase noise problem in the pumping light generator using optical injection locking. provide a configuration for efficient excitation light generation.
  • FIG. 7 is a diagram showing the configuration of a repeater-type optical amplifying device of the present disclosure.
  • the optical amplifying device 400 is a repeater type optical amplifying device that includes a PSA section 450 that optically amplifies a pair of signal lights and a pumping light generating section 440 that supplies pumping light to the PSA section. has substantially the same configuration as the optical amplifying device 300 shown in FIG. Since the basic operation of the relay type optical amplifier as a whole is also the same as that of the optical amplifier 300, only the outline will be described below.
  • Pumping light generator 440 taps a portion of received signal light (signal light ⁇ s and phase conjugate light ⁇ i ) 501 to convert tapped received light 501a (part of signal light pair) to signal light extract the phase information of Using optical injection locking, the first pumping light 503e and the second pumping light 504e are supplied to the PSA section 450.
  • FIG. A first order nonlinear optical element 406 and a second order nonlinear optical element 407 are utilized to generate a second pumping light 504 of frequency ⁇ p2 .
  • the above-mentioned two second-order nonlinear optical elements can be PPLN, and the first second-order nonlinear optical element (PPLN-1) 406 generates the second harmonic wave 502 of the pump light on the transmission side through the SFG process.
  • a second-order nonlinear optical element (PPLN-2) 407 generates a second excitation light having phase information of the second-harmonic wave 502 from the second-harmonic wave 502 (sum-frequency light) and the first excitation light by the DFG process.
  • Light 504 difference frequency light
  • the PSA section 450 generates pumping light 505 for PSA from the two pumping lights 503e and 504e by the third-order nonlinear optical element 429, and converts the signal light 501 by the fourth-order nonlinear optical element 430. Amplifies sensitivity.
  • a third-order nonlinear optical element (PPLN-3) 429 converts the second pumping light 504e of frequency ⁇ p2 and the first pumping light 503e of frequency ⁇ p1 by the SFG process to a frequency 2 ⁇ pump for PSA.
  • a fourth second-order nonlinear optical element (PPLN-4) 430 photosensitively amplifies the signal light of frequency ⁇ s and the phase conjugate light of frequency ⁇ i by the OPA process of double wave 505 .
  • the optical amplifying device 400 of the present disclosure in FIG. 7 is different from the optical amplifying device 300 in FIG. 4 in that it includes a feedback control mechanism for suppressing phase noise in optical injection locking operation.
  • the phase shift ⁇ L is generated from the frequency difference ⁇ between the frequency of the input injection light and the frequency of the optical injection-locked local oscillation light.
  • the feedback control mechanism in the optical amplifying device 400 obtains a signal representing the phase error of the optical injection-locked second pump light, and performs feedback control on the local oscillation light source (injection locking light source).
  • the feedback control mechanism compares beat signals between the first pumping light 503 and the second pumping light 504 before and after optical injection locking to determine the phase shift ⁇ L .
  • the phase noise generated in the optical injection-locked second pumping light is obtained as a phase shift ⁇ L with reference to the first pumping light 503 having a close frequency.
  • Optical injection locking in the optical amplifying device 400 of FIG. It is supplied to the PSA section 450 .
  • the basic configuration of optical injection locking for the local oscillation light source (injection locking light source) 426 described above is the same as that of the optical amplifying device 300 in FIG.
  • a unique configuration of the optical amplifier shown in FIG. 7 is a detection unit that generates beat signals of the two excitation lights before optical injection synchronization, and a detection unit that generates beat signals of the two excitation lights after optical injection synchronization. , a phase error detector that generates a signal representing the phase error, and a feedback unit that controls the local oscillation light source 426 based on the phase error. The operation of each part of the feedback control mechanism will be described in more detail below.
  • First pumping light 503 with frequency ⁇ p1 output from light source 408 is branched by 10 dB coupler 409, and part of the first pumping light 503a is input to second-order nonlinear optical element 407 to obtain frequency ⁇
  • a second excitation light 504 (difference frequency light) of p2 is generated.
  • the frequency of the first excitation light was set so that the frequency difference between the first excitation light 503 and the second excitation light 504 was 10 GHz.
  • the first pumping light and the second pumping light output from the second-order nonlinear optical element 407 are branched by the first coupler 412, and one of the branched lights is used as two pumping light parts 503c and 504c. It is input to the first photodetector 416 .
  • a path including the first photodetector 416 serves as a detection section for generating a beat signal, which will be described later.
  • the other branched light from the coupler 412 is input as injected light to the local oscillation light source 426 via the circulator 413 .
  • the optical intensity of the injection light that is, the second excitation light in the local oscillation light source 426 is -25 dBm, and the output optical intensity of the local oscillation light is 10 dBm.
  • the locking range of optical injection locking of the local oscillation light source 426 was approximately 200 MHz.
  • the temperature of the local oscillation light source 426 is set so that the frequency difference between the second excitation light, which is injection light, and the local oscillation light from the local oscillation light source 426 falls within this locking range.
  • the local oscillation light from the local oscillation light source 426 is synchronized with the second excitation light (difference frequency light) injected from the second second-order nonlinear optical element 407, and intensity noise is suppressed via the circulator 413.
  • a second pumping light 504a is output.
  • the injection light to the local oscillation light source 426 also includes the first excitation light that has passed through the second second-order nonlinear optical element 407 .
  • the first excitation light injected into the local oscillation light source 426 is not greatly amplified because it is out of the locking range.
  • the weak first excitation light reflected within the local oscillation light source 426 is also output via the circulator 413 together with the second excitation light 504a.
  • the optical amplifying device 400 of the present disclosure utilizes this weak first pumping light from the local oscillation light source 426 .
  • a second coupler 414 downstream of the circulator 413 splits the first pumping light and the second pumping light, and a part of the two pumping lights 503c and 504c is input to the second photodetector 420. .
  • the path of this second photodetector 420 becomes a detector that generates another beat signal.
  • the other branched light from the second coupler 414 is multiplexed with the other first pumping light 503a branched by the 10 dB coupler 409 at the third coupler 415 further downstream.
  • the component of the first pumping light 503e which is the output of the third coupler 415, is the output from the circulator 413 and the output from the 10 dB coupler 409 combined.
  • the first pumping light component output from circulator 413 is negligibly weaker than the first pumping light component from 10 dB coupler 409, and no intensity noise is generated due to interference between the two light components.
  • Both the first pumping light and the second pumping light are output from the third optical coupler 415 with sufficient light intensity and input to the third second-order nonlinear optical element 429 .
  • Any of the three couplers 412, 414, 415 described above may be, for example, but not limited to, 3 dB couplers.
  • the branching ratio may not be 3 dB (equal division), and each branching ratio may be different.
  • a feedback control mechanism for suppressing phase noise in optical injection locking in the optical amplifying device 400 of the present disclosure operates as follows.
  • This control mechanism operates as a phase locked loop including a local oscillator light source 426 .
  • the first branch path including the first photodetector 416 outputs the first beat signal from the first excitation light 503c and the second excitation light 504c before optical injection synchronization.
  • the frequency of the beat signal is 10 GHz.
  • the second branch path including the second photodetector 420 outputs the second beat signal from the second excitation light 504d optically injection-synchronized with the first excitation light 503d.
  • the second pump light 504d is received in the second branch path during the light injection locking operation. Due to the phase shift, the beat signals are out of phase.
  • the respective input signals E PD1 , E PD2 at the first photodetector 416 and the second photodetector 420 are expressed as follows.
  • the beat signals I PD1 and I PD2 from the first photodetector 416 and the second photodetector 420 are represented by the following equations.
  • ⁇ is the angular frequency difference between the first excitation light and the second excitation light.
  • the direct output of photodetectors 416, 420 contains the DC and high frequency components of the beat signal, which are removed by bandpass filters 417, 421 after the photodetectors. Further, they are amplified by amplifiers 418 and 422 as necessary, and finally beat signal 507 of equation (5) and beat signal 508 of equation (6) are input to mixer 423 .
  • the baseband signal of the following equation is obtained.
  • the phase of one of the beat signals can be adjusted by phase shifter 419 so that the following relationship holds for the first term in the cos term of equation (7).
  • the output signal from the mixer 423 provides information on the phase shift ⁇ L representing the phase error of the injection-locked light during the optical injection-locking operation.
  • the PID controller 425 By inputting the output signal of the mixer 423 into, for example, the PID controller 425 as a signal representing the phase error, feedback can be applied to the local oscillation light source 426 so that the phase shift amount, that is, the phase error, becomes zero.
  • the standard deviation of the amount of phase error for the injection-locked light source for the prior art configuration was about 3°.
  • the excitation light generator configured as shown in FIG. 7 can operate so that the standard deviation of the amount of phase error in the injection locking light source 426 is approximately 0°.
  • the optical amplifying device 400 of the present disclosure is an optical amplifying device for a signal light pair 501 including a signal light and a phase conjugate light of the signal light, and is a phase sensitive light that performs non-degenerate parametric amplification of the signal light pair.
  • an amplifying unit 450 for generating sum frequency light 502 of the signal light and the phase conjugate light from part of the signal light pair, the sum frequency light and the first pumping light 503b, a second-order nonlinear optical element 407 for generating difference-frequency light 504, an injection locking light source 426 for generating second excitation light synchronized with the frequency of the difference-frequency light, and the second-order nonlinear optical element 403b.
  • a signal representing the phase error of the injection-locked second excitation light is obtained from a second detection unit that acquires a second beat signal from 504d, and from the first beat signal 507 and the second beat signal 508.
  • the injection-locked second pump light 504e can be implemented as being used for pump light generation in the phase sensitive optical amplifier.
  • a phase modulator or the like is used to mix a dither signal into the signal, and an optical signal with the dither frequency component superimposed is used.
  • the optical signal containing the dither signal component is converted into an electrical signal and mixed with a reference signal having the same frequency as the dither signal to demodulate and extract the phase error signal.
  • adding a dither signal to the second excitation light whose phase noise is to be reduced may itself increase the phase noise.
  • the fact that the two pumping lights 503 and 504 of different frequencies are used in the pumping light generator 440 makes it possible to obtain two different frequencies before and after the optical injection locking.
  • a phase error signal can be extracted from the beat signal between the two excitation lights.
  • the injection-locked light source in the optical amplifier is susceptible to noise from the current driver and temperature control driver that drive the light source, so an increase in phase noise was unavoidable.
  • a feedback control mechanism for suppressing phase noise in optical amplifying device 400 utilizes two existing pump lights in states immediately before and after the light injection point (circulator 413). Beat signals are obtained from the two excitation light beams in each branch path before and after the light injection, and a signal representing the phase error of the injection locking light is obtained from the beat signals of the two branch paths. In the vicinity of the local oscillation light source 426, a compact and intensive control mechanism for suppressing phase noise can be constructed.
  • the difference between the frequency ⁇ p1 of the first pumping light and the frequency ⁇ p2 of the second pumping light must be set to the locking range of optical injection locking.
  • the frequency difference between the two excitation lights should be large, but should be smaller than the operating bands of the two photodetectors 416 and 420 .
  • the photodetectors 416, 420 which can be, for example, photodiodes (PDs), convert a mixture of the two excitation lights from light to electricity. Since the process of opto-electrical conversion is square law detection, a DC component, a difference frequency component and a sum frequency component are naturally generated.
  • the PD uses a band of about several tens of GHz, cuts the sum frequency component, and outputs only the difference frequency component as a beat signal as shown in equations (5) and (6).
  • phase-sensitive optical amplification it is necessary to synchronize the phase of the double wave excitation light 505 input to the fourth second-order nonlinear optical element 430 with the phase of the signal light 501 in the PSA section 450.
  • part of signal light 506 output from fourth-order nonlinear optical element 430 is branched by optical coupler 431, received by photodetector 432, and then phase-locked loop (PLL)
  • PLL phase-locked loop
  • a circuit 434 performs phase synchronization.
  • the first pumping light 503 is weakly phase-modulated with a sine wave using the phase modulator 411 arranged on the downstream side of the light source 408 of the first pumping light.
  • the photodetector 432 and the PLL circuit 434 detect the phase shift due to the phase modulation, and feed it back to the driving voltage of the optical fiber stretcher by the PZT 433 arranged on the front side of the fourth second-order nonlinear optical element 430 .
  • the feedback circuit for phase adjustment for the PSA described above absorbs optical phase fluctuations due to vibrations of optical fiber parts and temperature fluctuations, enabling stable phase-sensitive optical amplification.
  • the BER characteristics were obtained when the DPSK signal light of 10 Gbaud was phase sensitive optically amplified.
  • the phase error of the second pumping light 504e, which is injection locking light, in the pumping light generator 440 was suppressed, and the code error rate of the signal light 506 output from the PSA was very low and the operation was stable.
  • the quality characteristics of the received signal did not fluctuate even after continuous operation for 24 hours or more, and long-term stable operation was confirmed.
  • the optical amplifying device 400 of the present disclosure it is possible to configure a relay-type PSA that has extremely low intensity noise and phase noise and is capable of stable operation over a long period of time. Further, by using the optical amplifying device 400 of the present disclosure to perform relay amplification while suppressing SN deterioration of the transmission path, it is possible to contribute to increasing the transmission capacity. In addition, it is possible to further increase the capacity of the optical communication system in that the modulation method can be multi-valued.
  • the PPLN which is the second-order nonlinear optical element in the optical amplifying device 400 described above, is configured as follows.
  • PPLN-1 and PPLN-3 comprise first and second spatial optics and PPLN waveguides.
  • PPLN-2 and PPLN-4 comprise a third spatial optic and a fourth spatial optic.
  • the first spatial optical system couples light input to the PPLN waveguide module to the PPLN waveguide.
  • the second spatial optical system couples double-wave excitation light among the light output from the PPLN waveguide to the output port of the PPLN waveguide module, and suppresses coupling of signal wavelength band components to the output port. .
  • the third spatial optical system couples to the PPLN waveguide the second harmonic excitation light component of the light input to the PPLN waveguide module, and suppresses the coupling of the signal wavelength band component to the PPLN waveguide.
  • the fourth spatial optical system couples the signal wavelength band component to the output port and suppresses the coupling of the double wave excitation light component to the output port.
  • a method for fabricating the PPLN waveguide used in the optical amplifier 400 described above will be described below.
  • periodic electrodes with a period of about 17 ⁇ m were formed on Zn-doped LiNbO 3 .
  • a polarization-inverted grating corresponding to the electrode pattern was formed in Zn:LiNbO 3 by applying an electric field.
  • the Zn:LiNbO 3 substrate having this periodically poled structure was directly bonded onto the LiTaO 3 as a clad, and heat treatment was performed at 500° C. to firmly bond the two substrates.
  • the core layer was thinned to about 5 ⁇ m by polishing, and a ridge-type optical waveguide was formed using a dry etching process.
  • the ridge type optical waveguide can be temperature-controlled by a Peltier element, and the length of the waveguide is set to 45 mm.
  • the second-order nonlinear optical element having the PPLN waveguide formed in this way was mounted in a module form capable of inputting and outputting light with a 1.5 ⁇ m band polarization-maintaining fiber.
  • Zn-added LiNbO 3 was used in the above configuration example, other nonlinear materials such as KNbO 3 , LiTaO 3 , LiNb x Ta 1-x O 3 (0 ⁇ x ⁇ 1) or KTiOPO 4 , or A material containing at least one selected from the group consisting of Mg, Zn, Sc, and In as an additive may also be used.
  • a relay-type PSA with extremely low intensity noise and phase noise and capable of stable operation over the long term is realized. It enables repeater amplification while suppressing SN degradation in transmission lines, and enables high multi-level modulation, further increasing the capacity of optical communication systems.
  • the present invention can be used for communication. More specifically, it can be used for optical communication systems.

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Abstract

本開示の光増幅装置は、受信した信号光対から励起光を抽出し、光注入同期を用いる励起光生成部において、位相雑音の問題に対処した、光増幅装置のための新規な励起光生成の構成を提供する。光増幅装置における位相雑音を抑制するフィードバック制御機構を備える。受信した信号光から抽出した差周波光の注入点の前後の各状態における既存の２つの励起光を利用する。光注入の前後の各分岐経路において２つの励起光からビート信号を求め、さらに２つビート信号から注入同期光の位相誤差を取得する。局部発振光源の近傍にコンパクトに集約して構成され、位相雑音抑制のための制御機構を実現する。

Description

光増幅装置
　本発明は、光通信システムおよび光増幅装置に関する。
　長距離基幹光ファイバ通信網などの長距離伝送システムでは、イーサネット（Ethernet）等の高速化が進むクライアント信号を効率的に伝送信号に収用することが求められている。長距離伝送システムの容量の増加と併せてチャネル速度の向上が重要である。
　このためには変調方式の高多値化が必要になる。変調方式を高多値化する場合、信号空間ダイヤグラムにおいて、信号点同士の間隔が狭まる。隣接する信号点を安定して識別するためには、伝送路の雑音を小さく抑えなくてはならない。高多値化によるシステム容量の増加のためには、伝送路の抜本的な高Ｓ／Ｎ化が求められている。
　長距離伝送システムにおけるＳ／Ｎ劣化の主要因に、光増幅器からの自然放出光雑音の累積がある。自然放出光雑音を小さく抑えることが伝送路のＳＮＲ改善に重要となる。エルビウム添加ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）のようなレーザ増幅器では、自然放出光雑音の最小値の理論的限界が存在し、信号光のＳ／Ｎは増幅前後で少なくとも３ｄＢ低下する。これは信号伝送時における伝送符号誤り率を上昇させ、伝送品質を低下させる。
　この問題を解決するため、位相感応光増幅器（Phase Sensitive Amplifier：ＰＳＡ）が検討されている。ＰＳＡは、信号光波形や位相信号を整形する機能を有する。また、信号とは無関係の直交位相を持った自然放出光を抑圧でき、同相の自然放出光も最小限で済むため、増幅前後で信号光のＳ／Ｎを劣化させず同一に保つことが原理的に可能である。
　図１は、従来のＰＳＡの基本的な構成を示す。図１に示されるように、ＰＳＡ１００は、光パラメトリック増幅を用いた位相感応光増幅部１０１と励起光源１０２と励起光位相制御部１０３と、第１及び第２の光分岐部１０４－１及び１０４－２とを備える。図１に示されるように、ＰＳＡ１００に入力された信号光１１０は、光分岐部１０４－１で２分岐されて、一方は位相感応光増幅部１０１に入射し、他方は励起光源１０２に入射する。励起光源１０２から出射した励起光１１１は、励起光位相制御部１０３を介して位相が調整されて、位相感応光増幅部１０１に入射する。位相感応光増幅部１０１は、入力した信号光１１０及び励起光１１１に基づいて出力信号光１１２を出力する。
　位相感応光増幅部１０１は、入射した信号光１１０の位相と励起光１１１の位相とが一致すると信号光１１０を増幅し、両者の位相が９０度ずれた直交位相関係になると、信号光１１０を減衰する特性を有している。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１１１―信号光１１０間の位相を一致させると、信号光１１０と直交位相の自然放出光が発生しない。また同相の成分に関しても信号光のもつ雑音以上に過剰な自然放出光を発生しないため、つまりＳ／Ｎ比を劣化させずに信号光１１０の増幅が可能になる。
　このような信号光１１０および励起光１１１の位相同期を達成するため、励起光位相制御部１０３は、第１の光分岐部１０４－１で分岐された信号光１１０の位相と同期するように励起光１１１の位相を制御する。加えて、励起光位相制御部１０３は第２の光分岐部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、出力信号光１１２の増幅利得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１０２では、上記の原理によってＳ／Ｎ比の劣化のない光増幅が実現される。
　なお、励起光位相制御部１０３は、励起光源１０２の出力側で励起光１１１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良い。また信号光１１０を発生する光源が位相感応光増幅部１０１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。
　上述のパラメトリック増幅を行う非線形光学媒質としては周期分極反転ＬｉＮｂＯ３（ＰＰＬＮ）導波路に代表される二次非線形光学材料を用いる方法と、石英ガラスファイバに代表される三次非線形光学材料を用いる方法がある。
　図２は、非特許文献１等に開示されているＰＰＬＮ導波路を用いた従来技術のＰＳＡの構成を例示する。図２に示されるＰＳＡ２００は、エルビウム添加ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）２０１と、第１及び第２の二次非線形光学素子２０２、２０４と、第１及び第２の光分岐部２０３－１、２０３－２と、位相変調器２０５と、ＰＺＴによる光ファイバ伸長器２０６と、偏波保持ファイバ２０７と、光検出器２０８と、位相同期ループ（ＰＬＬ）回路２０９と、を備える。第１の二次非線形光学素子２０２は、第１の空間光学系２１１と、第１のＰＰＬＮ導波路２１２と、第２の空間光学系２１３と、第１のダイクロイックミラー２１４と、を備え、第２の二次非線形光学素子２０４は、第３の空間光学系２１５と、第２のＰＰＬＮ導波路２１６と、第４の空間光学系２１７と、第２のダイクロイックミラー２１８と、第３のダイクロイックミラー２１９と、を備える。
　第１の空間光学系２１１は、第１の二次非線形素子２０２の入力ポートから入力された光を第１のＰＰＬＮ導波路２１２に結合する。第２の空間光学系２１３は、第１のＰＰＬＮ導波路２１２から出力された光を第１のダイクロイックミラー２１４を介して第１の二次非線形光学素子２０２の出力ポートに結合する。第３の空間光学系２１５は、第２の二次非線形光学素子２０４の入力ポートから入力された光を第２のダイクロイックミラー２１８を介して第２のＰＰＬＮ導波路２１６に結合する。第４の空間光学系２１７は、第２のＰＰＬＮ導波路２１６から出力された光を第３のダイクロイックミラー２１９を介して第２の二次非線形光学素子２０４の出力ポートに結合する。
　図２に示した例では、ＰＳＡ２００に入射した信号光２５０は、光分岐部２０３－１によって分岐されて、一方は第２の二次非線形光学素子２０４に入射する。他方は励起基本波光２５１として位相変調器２０５及び光ファイバ伸長器２０６を介して位相制御されてＥＤＦＡ２０１に入射する。光通信に用いられる微弱なレーザ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ＥＤＦＡ２０１は、入射した励起基本波光２５１を増幅し、第１の二次非線形光学素子２０２に入射する。第１の二次非線形光学素子２０２では、入射した励起基本波光２５１から第二高調波（ＳＨ光：Second Harmonics）２５２が発生し、当該発生したＳＨ光２５２は偏波保持ファイバ２０７を介して第２の二次非線形光学素子２０４に入射する。第２の二次非線形光学素子２０４では、入射した信号光２５０とＳＨ光２５２とで縮退パラメトリック増幅を行うことで位相感応光増幅を行い、出力信号光２５３を出力する。
　ＰＳＡにおいては、信号と位相の合った光のみを増幅するために、上述のように信号光の位相と励起光の位相とが一致するか、または、πラジアンだけずれている必要がある。すなわち二次の非線形光学効果を用いる場合は、ＳＨ光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とが次の（式１）の関係を満たすことが必要となる。ここで、ｎは整数とする。
　Δφ＝１／２（φ2ωs－φωs）＝ｎπ　　　（式１）
　図３は、二次非線形光学効果を利用したＰＳＡ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は、信号光２５０と励起基本波光２５１とを位相同期させるために、位相変調器２０５を用いて微弱なパイロット信号により位相変調を励起基本波光２５１に施した後、出力信号光２５３の一部を分岐して検出器２０８で検波する。このパイロット信号成分は、図３に示される位相差Δφが最小の位相同期が取れている状態で最小となる。したがって、パイロット信号が最小、つまり増幅出力信号が最大となるようにＰＬＬ回路２０９を用いて、光ファイバ伸長器２０６にフィードバックを行う。このようなフィードバック動作により、励起基本波光２５１の位相を制御して信号光２５０と励起基本波光２５１の位相同期を達成することができる。
　ＰＰＬＮ導波路を非線形媒質として用い、信号光２５０およびＳＨ光２５２を第２の二次非線形光学素子２０４に入射して縮退パラメトリック増幅を行う上述の構成では、例えばダイクロイックミラー２１４の特性を用いて励起基本波光の成分を取り除く。これにより、ＳＨ光２５２および信号光２５０のみを第２の二次非線形光学素子２０４のようなパラメトリック増幅媒質に入射することができる。ＥＤＦＡ２０１の発生する自然放出光の混入による雑音が防げるので、低雑音な光増幅が可能になる。
　ＰＳＡは強度雑音が少ないだけでなく、位相雑音を低減させる効果を持つことから、光通信における中継増幅器や受信器の前置増幅器として用いると、伝送路の非線形歪等の低減が可能であり、光信号品質の改善に効果的である。非特許文献２は、縮退パラメトリック過程を用いたＰＳＡの中継増幅の構成例を開示している。
　一方、上述の縮退パラメトリック過程を用いた位相感応光増幅は図３に示したように、直交する位相成分を減衰させる特性を有している。このため、通常の強度変調信号や二値の位相変調を用いるＩＭＤＤ、ＢＰＳＫ、ＤＰＳＫ等の変調信号の増幅に対してのみ用いることができる。また、縮退パラメトリック過程を用いた位相感応光増幅は、１波長の信号光のみしか位相感応光増幅することができない。ＰＳＡを光通信技術に適用するためには、多値変調フォーマット・波長多重信号等、種々の光信号への対応が可能な構成が必要である。非特許文献３は、予め信号光の対となる位相共役光を用意し、ＰＰＬＮ等の非線形媒質への入力光とする非縮退のパラメトリック増幅に基づく構成を開示している。
　ここで、ＰＳＡを光通信に適用する場合のより具体的な位相同期の手法に着目する。図２で示した基本構成のように、ＰＳＡが信号光の送信器の直後に配置され、信号光を発生する光源が位相感応光増幅部の近くにある場合、信号光用光源の出力の一部を分岐して励起光として利用できる。しかしながら、光伝送における中継増幅器としてＰＳＡを用いる場合は、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励起光を生成する必要がある。ＰＳＡを光伝送における中継増幅器として用いる場合は、搬送波位相の抽出方法を含めてＰＳＡを構成することが重要となる。
　ＰＳＡを中継増幅器に適用する構成としては、変調信号のキャリア位相と同じ位相をもつ連続波（ＣＷ）のパイロットキャリアを利用する構成（非特許文献４）が知られている。信号光とともにパイロットキャリアを光ファイバ伝送路に送り出し、中継増幅地点に設置した局部発振光に光注入同期をすることで、信号光と位相同期した局部発振励起光を生成できる。しかしながらこの構成では、信号光と同送するパイロットキャリアが信号帯域の一部を占有し、帯域利用効率を落としてしまう。ＣＷ光を同送することでファイバ中の四光波混合による不要な変換光が発生し、信号品質を劣化させる。
T. Umeki, O. Tadanaga, A. Takada and M. Asobe, "Phase sensitive degenerate parametric amplification using directly-bonded PPLN ridge waveguides," Optics Express, 2011年, Vol.19, No.7, p.6326-6332 Takeshi Umeki, Masaki Asobe, and Hirokazu Takenouchi,"In-line phase sensitive amplifier based on PPLN waveguides," Optics Express, 2013年5月, Vol.21, No.10, p.12077-12084 M. Asobe, T. Umeki, H. Takenouchi, and Y. Miyamoto,"In-line phase-sensitive amplifier for QPSK signal using multiple QPM LiNbO3 waveguide," In Proceedings of the OptoElectronics and Communications Conference, OECC, 2013年, PDP paper PD2-3 M. Abe, T. Kazama, T. Umeki, K. Enbutsu, Y. Miyamoto, and H. Takenouchi, "PDM-QPSK WDM Signal amplification using PPLN-based polarization-independent in-line phase-sensitive amplifier,"in Proc. 42nd European Conference on Optical Communication (ECOC’16), 2016年, paper W.4.P1.SC2.4 K. Enbutsu, T. Umeki, O. Tadanaga, H. Takenouchi and M. Asobe, "PPLN-based low-noise in-line phase sensitive amplifier with highly sensitive carrier-recovery system," 2015 21st Asia-Pacific Conference on Communications (APCC), Kyoto, Japan, 2015年, pp. 666-669, doi: 10.1109/APCC.2015.7412591 F. Mogensen, H. Olesen, and G. Jacobsen, "Locking conditions and　stability properties for a semiconductor-laser with external light injection,"IEEE J. Quantum Electron., 1985年7月vol. 21, no. 7, pp. 784-793
　ＰＳＡを中継増幅器に適用した別の例としてＰＰＬＮを用いた励起光抽出と光注入同期を用いた光増幅装置が提案されている（非特許文献５）。この光増幅装置は、パイロットトーンを必要とせず、変調された信号光から搬送波位相の抽出を行っているため、帯域の利用効率を落とさずにＰＳＡの中継器への適用が可能な構成である。しかしながら後述するように、励起光生成過程で生じる位相雑音が、ＰＳＡにおいて雑音を生じさせる問題があった。信号の高多値化を実現するには、システムの送信側および伝送路におけるＳ／Ｎ比の向上が必要である。伝送路の途中で使用される中継型の光増幅装置においても、位相雑音を増やさずにＰＳＡ本来の低雑音性を確実にすることが望まれていた。
　上述の問題に鑑みて本発明の目的は、雑音を抑えた局部発振励起光を生成する新規な光増幅装置を提供することにある。
　本開示の１つの実施態様は、信号光および当該信号光の位相共役光を含む信号光対のための光増幅装置であって、前記信号光対の非縮退パラメトリック増幅を行う位相感応光増幅部と、前記信号光対の一部から、前記信号光と前記位相共役光の和周波光を発生させる第１の二次非線形光学素子、前記和周波光および第１の励起光から、差周波光を発生させる第２の二次非線形光学素子、前記差周波光の周波数に同期した第２の励起光を生成する注入同期光源、前記第２の二次非線形光学素子から出力された前記第１の励起光および前記差周波光から、第１のビート信号を取得する第１の検出部、前記第１の励起光および注入同期した第２の励起光から、第２のビート信号を取得する第２の検出部、前記第１のビート信号および前記第２のビート信号から、前記注入同期した第２の励起光の位相誤差を表す信号を生成する位相誤差検出部、および、位相誤差を表す前記信号に基づいて、前記注入同期光源の前記第２の励起光の位相を制御するフィードバック部を有する励起光生成部とを備え、前記注入同期した第２の励起光が、前記位相感応光増幅部における励起光生成のために利用される光増幅装置である。
　高多値化された信号を精度良く効率的に伝送する光増幅装置を提供できる。
従来技術の位相感応光増幅器の構成の説明図である。 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図である。 入力信号光－励起光間の位相差Δφと利得との関係を示すグラフである。 注入同期を利用した励起光再生部を含む光増幅装置の構成を示す図である。 光増幅装置の各部における非線形動作、周波数関係を説明する図である。 光注入同期に用いる局部発振光源の同期状態を説明する図である。 本開示の中継型の光増幅装置の構成を示す図である。
　本開示の光増幅装置は、信号光からの搬送波位相の抽出と、位相雑音を抑えた新規な構成の注入同期とを組み合わせた励起光生成部を備え、中継型ＰＳＡ本来の低雑音性を発揮する。上述の非特許文献５による光増幅装置は、受信された変調された信号光から搬送波位相の抽出を行い、帯域の利用効率を落とさずにＰＳＡを中継器へ適用できる。後述する本開示の光増幅装置は、信号光からの搬送波位相の抽出と注入同期とを組み合わせた励起光生成部を含むこの光増幅装置をベースとしている。本開示の光増幅装置と基本的な動作の点で共通しているので、最初に非特許文献５による光増幅装置３００の構成および動作について説明する。
　図４は、光注入同期を利用した励起光生成部を含む光増幅装置の構成を示す図である。図４の光増幅装置３００は、信号光を光増幅するＰＳＡ部３３０と、これに対して励起光を供給する励起光生成部３４０を備えた、中継型の光増幅装置を構成している。
　図５の（ａ）～（ｅ）は、図４に示した光増幅装置３００の各部における非線形媒質である二次非線形光学素子（ＰＰＬＮ）の動作と関連する各光周波数との関係を説明する図である。各図とも横軸を光角周波数ωとして、矢印で示した各信号の角周波数軸上での位置関係を説明している。また本明細書では、φは位相を表すものであるが、図５の各図において、また以下の図４の光増幅装置３００の動作説明でφを含む数式では、φはそれぞれの光の光周波数を表しているものとする。また簡単のため、図４の以下の動作説明では光角周波数を単に「周波数」と呼ぶ。図４の光増幅装置の構成および動作について、図５の各図のＰＰＬＮによる非線形動作を参照しながら説明する。
　伝送路である光ファイバ３０１を経由して、光増幅装置３００へ、信号光４０１が入力される。図５の（ａ）に示したように、信号光４０１は、位相変調を受けた周波数φｓの信号光および周波数φｉの位相共役光（アイドラ光）の対からなる。周波数軸上で信号光対の中間に点線示したφpumpは、信号光のソース側（送信器）において、この信号光の対を生成するために使用されたポンプ光、すなわち励起光の周波数を示している。図４の光増幅装置３００では、励起光生成部３４０において、受信した信号光４０１から励起光を生成して、生成された励起光を光増幅のためにＰＳＡ部３３０へ供給する。
　励起光生成部３４０およびＰＳＡ部３３０は、それぞれ、２つの二次非線形光学素子を含み、合計４つの二次非線形光学素子を備えている。それぞれの二次非線形光学素子において、以下に説明する各非線形動作が実施される。
　信号光の対４０１は、偏波コントローラ３０２を経由した後で、タップカプラ３０３によって一部を取り出され、励起光生成部３４０へ供給される。タップされた信号光４０１ａは、ＥＤＦＡ３０４により強度を復元し、ＢＰＦ３０５を経て、第１の二次非線形光学素子３０６に入力される。第１の二次非線形光学素子３０６は、ＳＦＧ過程によって信号光のペアである信号光と位相共役光から、送信側のポンプ光（励起光）の２倍波４０２を生成する。図５の（ａ）の非線形動作を参照すると、和周波（φＳＦ＝φｓ＋φｉ）は、送信側の周波数φｉの位相共役光の生成の定義から、周波数２φpumpとなり、ポンプ光の２倍波４０２となる。第１の二次非線形光学素子３０６におけるＳＦＧ過程によって、信号光および位相共役光の位相変調成分が相互にキャンセルされ、信号光の搬送波の位相が抽出された２倍波４０２（和周波光）が生成される。すなわち、送信側において信号光を生成するために使用された搬送波の位相情報が再生される。
　励起光生成部３４０では、もう１つの第２の二次非線形光学素子３０７における差周波発生過程（ＤＦＧ）によって、２倍波４０２の位相情報を持つ第２の励起光４０４を生成する。すなわち光源３０８から供給され、２倍波４０２の基本波（励起光）とは異なる周波数を持つ第１の励起光４０３と、２倍波４０２（和周波光）とから、ＤＦＧ過程によって、第２の励起光４０４が得られる。ここで図５の（ｂ）の非線形動作を参照すれば、ＤＦＧ過程によって、周波数φｐ１の第１の励起光４０３と、周波数２φpumpを有する２倍波４０２とから、周波数φｐ２の第２の励起光４０４が生成されていることがわかる。ここで第２の励起光４０４は、信号光の対４０１から抽出された２倍波４０２の位相情報をそのまま維持している。
　第１の二次非線形光学素子３０６のＳＦＧ過程によって生成された２倍波４０２（和周波光）には、残留する強度雑音成分が含まれている。したがって、第２の二次非線形光学素子４０７のＤＦＧ過程を通じて得られた第２の励起光４０４（差周波光）にもこの強度雑音が重畳されている。この強度雑音を取り除くために、次に述べる光注入同期を利用して、第２の励起光４０４と同じ位相情報を持ち、強度雑音が抑制された出力を、ＰＳＡ部３３０へ供給する。
　具体的には、強度雑音を持った第２の励起光４０４を、サーキュレータ３１５およびＡＷＧ３１４を経由して、第２の励起光４０４と同じ発振周波数φｐ２を有する局部発振光源３１３に入力する。光注入同期動作の結果、局部発振光源３１３から、第２の励起光４０４と同じ位相情報を持ち、強度雑音が抑制された発振出力が出力される。光注入同期した局部発振光源３１３からの出力光は、ＡＷＧ３１４およびサーキュレータ３１５を経て、第２の励起光４０４ａとしてＰＳＡ部３３０へ供給される。第２の励起光４０４ａは、受信した信号光４０１と同じ位相情報を持ち、強度雑音が抑制されたものとなる。再び図５の（ｂ）の非線形動作を参照すれば、周波数φｐ２の第２の励起光４０４の近傍には、強度雑音が含まれている。図５の（ｃ）を参照すれば、局部発振光源３１３に対する光注入同期動作によって、周波数φｐ２の第２の励起光４０４の近傍の強度雑音は大幅に除去される。
　周波数φｐ１の第１の励起光４０３に再び着目すると、光源３０８からの第１の励起光４０３は、３ｄＢカプラ３０９で分岐され、分岐された第１の励起光４０３の一方は、上述のように第２の二次非線形光学素子３０７に与えられる。第１の励起光４０３は、第２の二次非線形光学素子３０７の出力側から出力されるが、サーキュレータ３１５を経て、ＡＷＧの分波側において、局部発振光源３１３が接続されたとポートとは異なるポートに出力され、そのまま消光する。
　分岐された第１の励起光４０３の他方は、ＶＯＡ３１０、位相変調器（ＰＭ）３１１、アイソレータ３１２を経由して、ＡＷＧ３１４の合波側ポートに到達する。さらにサーキュレータ３１５を経由して、第１の励起光４０３ａが、光感応増幅に使用する励起光を生成するためにＰＳＡ部３３０へ供給される。上述のように励起光生成部３４０では、信号光４０１から抽出された送信側のキャリアの位相情報を持つ周波数φｐ２の第２の励起光４０４ａと、周波数φｐ１の第１の励起光４０３ａとが、ＰＳＡ部３３０へ供給されることになる。
　ＰＳＡ部３３０では、第３の二次非線形光学素子３０７のＳＦＧ過程によって、第２の励起光４０４ａおよび第１の励起光４０３ａから、ＰＳＡのための２倍波励起光を生成する。ここで図５の（ｄ）の非線形動作を参照すれば、周波数φｐ２の第２の励起光４０４ａおよび周波数φｐ１の第１の励起光４０３ａの和周波発生（ＳＦＧ）によって、周波数２φpumpの励起光４０５（和周波光）が生じることがわかる。周波数２φpumpのこの励起光４０５は、受信した信号光の対の送信側における周波数φpumpの励起光に対応しており、信号光の生成のために使用された搬送波の位相を維持している。
　第４の二次非線形光学素子３１９に対して、送信側の位相情報が維持された励起光４０５を利用することで、受信した信号光の対４０１が位相感応光増幅され、増幅された信号光の対５０６が得られる。図５の（ｅ）の非線形動作を参照すれば、周波数２φpumpを有する２倍波４０５のＯＰＡ（Optical-Parametric Amplification）過程によって、周波数φｓの信号光および周波数φｉの位相共役光が光感応増幅され、中継増幅が実施される。図５の（ａ）～（ｃ）に示したように、受信した信号光対からのＳＦＧ過程およびＤＦＧ過程によるキャリア抽出と、光注入同期とを用いて中継型のＰＳＡを構成することで、伝送路の強度雑音と位相雑音を低減した中継増幅が実現される。
　しかしながら図４の中継型の光増幅装置の構成には、依然として以下に述べる問題点がある。上述のように光増幅装置３００では、信号光４０１からキャリア抽出した後の第２の励起光４０４に対して、残留強度雑音の除去のために光注入同期を利用している。ところが、光注入同期の動作により強度雑音は抑制されるものの、光注入同期によって新たに位相雑音が発生してしまう。
　図６は、光注入同期に用いる局部発振光源の同期状態を説明する図である。横軸を周波数として、局部発振光源の同期状態と位相雑音について説明する。図６に概念的に示したように、光注入同期に用いる局部発振光源には光注入同期可能なロッキングレンジが決まっている。ロッキングレンジは、注入光のパワーと局部発振光の出力パワーとの比、局部発振光源の線幅などで決定される。光源の外部からロッキングレンジ内の周波数の光が注入された場合、局部発振光源のフリーラン状態にある発振光４５１は、その発振波長が注入光の波長に引き込まれ、ロックされて、同期発振が生じる。このように外部からの注入光の波長（周波数）に同期する光源は、光注入同期光源とも呼ばれている。光注入同期の結果として、局部発振光源は、安定に同期した発振光４５２の状態となる。
　しかしながら、局部発振光源に対して様々な雑音や環境変動が加わると、発振光の波長に変動が生じる。図６で不安定状態の発振光４５２として示したように、光注入同期している発振光には、その周波数に刻々とΔωの変動が生じ得る。図６では、温度変動やノイズを受けているときのある一瞬の状態を示しており、実際の光増幅装置においては、安定同期状態の周波数の前後で発振波長が揺れ動くことになる。
　入力される注入光の周波数と、光注入同期している局部発振光との周波数差をΔω、ロッキングレンジをΔωＬとすると、局部発振光には次式で表されるような位相シフトΔφＬが発生することが知られている（非特許文献６）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
上式において、αは線幅増大係数と呼ばれ局部発振光固有の値であって、レーザの材料や構造等で決定される。実際の光増幅装置においては、温度変動により局部発振光源の発振波長そのものがドリフトしたり、光源を駆動する電流ドライバ、温調ドライバからの雑音が加わったりして、周波数差Δωが刻々と変動する。周波数差Δωの変動は、発振光に対して位相変調が加わるのと等価であり、光注入同期している局部発振光の位相雑音となってしまう。このような位相雑音が重畳された局部発振光をＰＳＡの励起光として用いれば、励起光の位相の雑音変動によって、ＰＳＡによる光増幅出力の位相および強度のいずれも変動してしまう。光注入同期している局部発振光の位相雑音は、ＰＳＡの長期的な安定動作を阻害する大きな要因ともなる。
　以下に説明する本開示の光増幅装置は、受信した信号光から励起光を抽出し、光注入同期を用いる励起光生成部における上述の位相雑音の問題に対処する、光増幅装置のための新規な励起光生成の構成を提供する。
　図７は、本開示の中継型の光増幅装置の構成を示した図である。光増幅装置４００は、信号光の対を光増幅するＰＳＡ部４５０と、ＰＳＡ部に対して励起光を供給する励起光生成部４４０を備えた、中継型の光増幅装置であって、図４に示した光増幅装置３００と概ね同じ構成を持つ。中継型の光増幅装置全体としての基本的な動作も、光増幅装置３００と同じであるため、概要のみ以下に述べる。
　励起光生成部４４０は、受信された信号光（信号光φｓおよび位相共役光φｉ）５０１の一部をタップして、タップされた受信光５０１ａ（信号光対の一部）から信号光の位相情報を抽出する。光注入同期を利用して、第１の励起光５０３ｅおよび第２の励起光５０４ｅをＰＳＡ部４５０に供給する。周波数φｐ２の第２の励起光５０４を生成するために、第１の二次非線形光学素子４０６および第２の二次非線形光学素子４０７が利用される。上述の２つの二次非線形光学素子は、ＰＰＬＮとすることができ、第１の二次非線形光学素子（ＰＰＬＮ－１）４０６は、ＳＦＧ過程によって、送信側のポンプ光の２倍波５０２を生成する（２φpump＝φＳＦ＝φｓ＋φｉ：和周波光）。第２の二次非線形光学素子（ＰＰＬＮ－２）４０７は、ＤＦＧ過程によって、２倍波５０２（和周波光）および第１の励起光から、２倍波５０２の位相情報を持つ第２の励起光５０４（差周波光）を生成する。
　ＰＳＡ部４５０は、２つの励起光５０３ｅ、５０４ｅから、第３の二次非線形光学素子４２９によってＰＳＡのための励起光５０５を生成し、第４の二次非線形光学素子４３０によって信号光５０１を光感応増幅する。第３の二次非線形光学素子（ＰＰＬＮ－３）４２９は、ＳＦＧ過程によって、周波数φｐ２の第２の励起光５０４ｅおよび周波数φｐ１の第１の励起光５０３ｅから、ＰＳＡのための周波数２φpumpを有する２倍波励起光５０５を生成する。第４の二次非線形光学素子（ＰＰＬＮ－４）４３０は、２倍波５０５のＯＰＡ過程によって、周波数φｓの信号光および周波数φｉの位相共役光を光感応増幅する。
　上述の４つの二次非線形光学素子の動作は、図４に示した光増幅装置３００の動作と同じであるので、図４の光増幅装置の構成および図５の二次非線形光学素子の動作説明を参照されたい。二次非線形光学素子であるＰＰＬＮの詳細については、最後に述べる。
　図７の本開示の光増幅装置４００は、光注入同期動作における位相雑音を抑制するためのフィードバック制御機構を備えている点で、図４の光増幅装置３００と相違している。図６で説明したように、入力される注入光の周波数と、光注入同期している局部発振光との周波数との間の周波数差Δωから、位相シフトΔφＬが発生する。光増幅装置４００におけるフィードバック制御機構は、光注入同期している第２の励起光の位相誤差を表す信号を求め、局部発振光源（注入同期光源）にフィードバック制御を行う。フィードバック制御機構は、光注入同期の前後の状態において、第１の励起光５０３と第２の励起光５０４と間のビート信号を比較して、位相シフトΔφＬを求める。図５の（ｃ）からも明らかなように、光注入同期する第２の励起光で生じる位相雑音は、近接した周波数の第１の励起光５０３を基準として、位相シフトΔφＬとして求められる。
　図７の光増幅装置４００における光注入同期は、第２の励起光５０４（差周波光）がサーキュレータ４１３を経由して局部発振光源４２６に入力され、光注入同期した第２の励起光５０４ａがＰＳＡ部４５０に供給される。上述の局部発振光源（注入同期光源）４２６に対する光注入同期の基本的な構成は、図４の光増幅装置３００と同じである。図７の光増幅装置における特有の構成は、光注入同期する前の２つの励起光のビート信号を生成する検出部と、光注入同期した後の２つの励起光のビート信号を生成する検出と、位相誤差を表す信号を生成する位相誤差検出部と、位相誤差に基づいて局部発振光源４２６を制御するフィードバック部である。以下、より詳細にフィードバック制御機構の各部の動作について説明する。
　光源４０８から出力される周波数φｐ１の第１の励起光５０３は、１０ｄＢカプラ４０９で分岐され、第１の励起光の一部５０３ａを第２の二次非線形光学素子４０７に入力して周波数φｐ２の第２の励起光５０４（差周波光）を生成している。第１の励起光５０３と第２の励起５０４の周波数差は、１０ＧＨｚとなるように第１の励起光の周波数を設定した。
　第２の二次非線形光学素子４０７から出力された第１の励起光および第２の励起光は第１のカプラ４１２で分岐され、分岐光の一方は２つの励起光の一部５０３ｃ、５０４ｃとして第１の光検出器４１６に入力される。この第１の光検出器４１６を含む経路は、ビート信号を生成する検出部となり、後述する。カプラ４１２からの分岐光のもう一方は、サーキュレータ４１３を介して局部発振光源４２６に注入光として入力される。局部発振光源４２６における注入光すなわち第２の励起光の光強度は－２５ｄＢｍ、局部発振光の出力光強度は１０ｄＢｍとしている。この条件において、局部発振光源４２６の光注入同期のロッキングレンジは約２００ＭＨｚであった。注入光である第２の励起光と、局部発振光源４２６からの局部発振光の周波数差が、このロッキングレンジ内に入るように局部発振光源４２６は温度設定されている。
　局部発振光源４２６からの局部発振光は、第２の二次非線形光学素子４０７から注入された第２の励起光（差周波光）に対して同期し、サーキュレータ４１３を介して強度雑音が抑制された第２の励起光５０４ａが出力される。局部発振光源４２６への注入光には第２の二次非線形光学素子４０７を経由した第１の励起光も含まれる。局部発振光源４２６へ注入される第１の励起光は、ロッキングレンジからは外れているために大きく増幅されることはない。しかしながら、局部発振光源４２６内で反射された微弱な第１の励起光も、第２の励起光５０４ａとともにサーキュレータ４１３を介して出力される。本開示の光増幅装置４００では、局部発振光源４２６からのこの微弱な第１の励起光を利用する。
　サーキュレータ４１３より後段側の第２のカプラ４１４において、第１の励起光および第２の励起光は分岐され、２つの励起光の一部５０３ｃ、５０４ｃが第２の光検出器４２０に入力される。この第２の光検出器４２０の経路は、もう１つのビート信号を生成する検出部となる。第２のカプラ４１４からの分岐光のもう一方は、さらに後段側にある第３のカプラ４１５にて、１０ｄＢカプラ４０９で分岐されたもう一方の第１の励起光５０３ａと合波される。
　このとき第３のカプラ４１５の出力である第１の励起光５０３ｅの成分は、サーキュレータ４１３から出力と、１０ｄＢカプラ４０９からの出力とが合波されたものになる。サーキュレータ４１３から出力された第１の励起光成分は、１０ｄＢカプラ４０９からの第１の励起光成分に比べて無視できるほど弱く、２つの光成分の干渉による強度雑音が生じることはない。また第３の光カプラ４１５からは、第１の励起光および第２の励起光ともに、十分な光強度を持って出力され、第３の二次非線形光学素子４２９へと入力される。上述の３つカプラ４１２、４１４、４１５はいずれも例えば３ｄＢカプラとすることができるが、これだけに限定されない。分岐比が３ｄＢ（等分）でなくても良いし、それぞれの分岐比が異なっていても良い。
　本開示の光増幅装置４００における、光注入同期における位相雑音を抑制するためのフィードバック制御機構は以下のように動作する。この制御機構は、局部発振光源４２６を含む位相同期ループとして動作する。上述のように、第１の光検出器４１６を含む第１の分岐経路は、第１の励起光５０３ｃと光注入同期前の第２の励起光５０４ｃから第１のビート信号を出力する。ビート信号の周波数は１０ＧＨｚである。一方で、第２の光検出器４２０を含む第２の分岐経路は、第１の励起光５０３ｄと光注入同期した第２の励起光５０４ｄから第２のビート信号を出力する。２つのビート信号は、第１の分岐経路と第２の分岐経路との間で伝搬光路長が異なることに加えて、第２の分岐経路では第２の励起光５０４ｄが光注入同期動作時に受ける位相シフトにより、ビート信号間で位相が異なっている。
　第１の光検出器４１６および第２の光検出器４２０におけるそれぞれの入力信号ＥＰＤ１、ＥＰＤ２は、以下のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
ｊ＝１，２は光検出器の経路番号とすると、ωjはそれぞれの励起光の角周波数、ＫｊＬＰＤｊは伝搬に伴う位相変化、φｊは初期位相を示している。このとき、第１の光検出器４１６および第２の光検出器４２０それぞれからのビート信号ＩＰＤ１、ＩＰＤ２は次式となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
上式において、Δωは第１の励起光および第２の励起光の間の角周波数差である。光検出器４１６、４２０の直接出力は、ビート信号のＤＣ成分および高周波成分が含まれており、光検出器の後段側のバンドパスフィルタ４１７、４２１で除去される。さらに、それぞれ必要に応じて増幅器４１８、４２２で増幅され、最終的に式（５）のビート信号５０７および式（６）のビート信号５０８が、ミキサー４２３に入力される。２つのビート信号をミキサー４２３に入力することで、次式のベースバンド信号が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
ここで式（７）のｃｏｓ項内の最初の項に対して次の関係が成立するように、位相シフタ４１９で一方のビート信号の位相を調整することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
式（８）が成立するように位相シフタ４１９のある第１の分岐経路の長さ、すなわち位相を調整すると、ミキサー４２３の出力として次式が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
　式（９）を参照すれば、ミキサー４２３からの出力信号から、光注入同期動作時の注入同期光の位相誤差を表している位相シフトΔφＬの情報を得られることがわかる。ミキサー４２３の出力信号を、位相誤差を表す信号として例えばＰＩＤ制御器４２５に入力することで、位相シフト量すなわち位相誤差が０となるように局部発振光源４２６にフィードバックを掛けることができる。一例を挙げれば、局部発振光源４２６の注入電流にフィードバックすることで、位相誤差がほぼ０となるように動作できることが確認できた。具体的には、従来技術の構成の場合の注入同期光源の位相誤差量の標準偏差は、約３°であった。これに対し図７の構成による励起光生成部によれば、注入同期光源４２６における位相誤差量の標準偏差は、ほぼ０°となるように動作できることを確認できた。
　したがって本開示の光増幅装置４００は、信号光および当該信号光の位相共役光を含む信号光対５０１のための光増幅装置であって、前記信号光対の非縮退パラメトリック増幅を行う位相感応光増幅部４５０と、前記信号光対の一部から、前記信号光と前記位相共役光の和周波光５０２を発生させる第１の二次非線形光学素子４０６、前記和周波光および第１の励起光５０３ｂから、差周波光５０４を発生させる第２の二次非線形光学素子４０７、前記差周波光の周波数に同期した第２の励起光を生成する注入同期光源４２６、前記第２の二次非線形光学素子から出力された前記第１の励起光５０３ｃおよび前記差周波光５０４ｃから、第１のビート信号を取得する第１の検出部、前記第１の励起光５０３ｄおよび注入同期した第２の励起光５０４ｄから、第２のビート信号を取得する第２の検出部、前記第１のビート信号５０７および前記第２のビート信号５０８から、前記注入同期した第２の励起光の位相誤差を表す信号を生成する位相誤差検出部４２３、および、位相誤差を表す前記信号に基づいて、前記注入同期光源の前記第２の励起光の位相を制御するフィードバック部４２５を有する励起光生成部とを備え、前記注入同期した第２の励起光５０４ｅが、前記位相感応光増幅部における励起光生成のために利用されるものとして実施できる。
　通常、位相誤差を抽出しようとする場合は、位相変調器などを用いて信号にディザー信号を混ぜ、ディザー周波数成分が重畳された光信号を利用する。ディザー信号成分を含むこの光信号を電気信号に変換し、ディザー信号と同じ周波数の参照信号と混ぜ合わせることで位相誤差信号を復調・抽出するのが一般的な構成である。このような構成は複雑であるだけでなく、位相雑音を低減したい第２の励起光に対して、ディザー信号を加えることそれ自体が位相雑音をかえって増やす原因となり得る。
　これに対して本開示の光増幅装置４００の構成では、励起光生成部４４０において異なる周波数の２つの励起光５０３、５０４を用いていることを利用して、光注入同期の前後の状態における２つの励起光の間のビート信号から位相誤差信号を取り出すことができる。
　光増幅装置における注入同期光源は、光源を駆動する電流ドライバ、温調ドライバからの雑音の影響を受けやすいため、位相雑音の増加が避けられなかった。光増幅装置４００における位相雑音を抑制するフィードバック制御機構は、光注入点（サーキュレータ４１３）の直前および直後の状態における既存の２つの励起光を利用する。光注入の前後の状態からの各分岐経路において、２つの励起光からビート信号を求め、さらに２つ分岐経路のビート信号から、注入同期光の位相誤差を表す信号を取得している。局部発振光源４２６の近傍において、コンパクトに集約的に位相雑音を抑制のための制御機構を構成できる。
　光増幅装置４００において、フィードバック制御機構を安定して動作させるためには、第１の励起光の周波数φｐ１と第２の励起光の周波数φｐ２との間の差を光注入同期のロッキングレンジよりも大きくとる必要がある。上述の構成例の場合は、ロッキングレンジ２００ＭＨｚに対して、２つの励起光の周波数差を１０ＧＨｚと十分大きくとっているため問題はない。２つの励起光の周波数差がロッキングレンジ内に入る場合、局部発振光源４２６は、第１の励起光および第２の励起光のいずれにも引き込まれてしまい、フィードバック制御動作が不安定になってしまう。２つの励起光の周波数差を大きくとった方が良いが、２つの光検出器４１６、４２０の動作帯域よりも小さい必要がある。
　光検出器４１６、４２０は、例えばフォトダイオード（ＰＤ）とすることができ、２つの励起光が混ざったものを光－電気変換する。光電気変換の過程は２乗検波になるので、自然とＤＣ成分、差周波成分、和周波成分が生じる。ＰＤの帯域は数十ＧＨｚ程度のものを用いており、和周波成分はカットされ、ビート信号として式（５）、式（６）のよう差周波成分のみが出力される。
　位相感応光増幅のためには、ＰＳＡ部４５０において、第４の二次非線形光学素子４３０へ入力される２倍波励起光５０５の位相と信号光５０１の位相とを同期させることが必要である。光増幅装置４００においては、第４の二次非線形光学素子４３０から出力された信号光５０６の一部を光カプラ４３１で分岐して、光検出器４３２で受光した後、位相同期ループ（ＰＬＬ）回路４３４により位相同期を行う。第１の励起光の光源４０８の後段側に配置された位相変調器４１１を用いて、第１の励起光５０３にｓｉｎ波により微弱な位相変調を施す。光検出器４３２およびＰＬＬ回路４３４でその位相変調による位相ずれを検出して、第４の二次非線形光学素子４３０の前段側に配置したＰＺＴ４３３による光ファイバ伸長器の駆動電圧にフィードバックを行う。位相変調により光検出器４３２で検出される交流振幅は、図３から明らかなように、位相整合している状態（φ＝０）で最小となる。上述のＰＳＡのための位相調整用フィードバック回路によって、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、安定的に位相感応光増幅ができるようにした。
　図７に示した光増幅装置４００を用いて、１０ＧｂａｕｄのＤＰＳＫ信号光を位相感応光増幅した際のＢＥＲ特性を取得した。励起光生成部４４０における注入同期光である第２の励起光５０４ｅの位相誤差が抑えられ、ＰＳＡから出力された信号光５０６の符号誤り率は非常に低い値で安定して動作した。２４時間以上の連続動作をしても受信信号の品質特性が変動することはなく、長期的な安定動作も確認できた。
　具体的には、従来技術の光増幅装置の場合と比較すると、１０－３の符号誤り率を閾値とした場合に、試験受信機において１～３ｄＢの受信感度の改善が確認された。本開示の光増幅装置を中継増幅に使用すれば、この感度改善の効果が得られる。また従来技術の光増幅装置の構成の場合、位相誤差が時々刻々と変動し、１０分程度でも受信信号の品質特性が変動し安定しなかった。一方、図７の本開示の光増幅装置の構成では２４時間以上の連続動作をしても受信信号の品質特性は変動せず、長期的にも安定な動作を確認できた。
　本開示の光増幅装置４００により、強度雑音および位相雑音が極めて少なく、長期的に安定動作が可能な中継型のＰＳＡを構成することができる。また本開示の光増幅装置４００用いて、伝送路のＳＮ劣化を抑えながら中継増幅することで、伝送容量の大容量化に貢献できる。また、変調方式の高多値化が可能な点でも、光通信システムのさらなる大容量化を進めることができる。
　上述の光増幅装置４００における、二次非線形光学素子であるＰＰＬＮは、以下のように構成される。ＰＰＬＮ－１およびＰＰＬＮ－３は、第１の空間光学および第２の空間光学系と、ＰＰＬＮ導波路を備える。ＰＰＬＮ－２およびＰＰＬＮ－４は、第３の空間光学および第４の空間光学系を備える。第１の空間光学系は、ＰＰＬＮ導波路モジュールに入力された光をＰＰＬＮ導波路に結合する。第２の空間光学系は、ＰＰＬＮ導波路から出力された光のうち２倍波励起光をＰＰＬＮ導波路モジュールの出力ポートに結合し、信号波長帯成分の出力ポ－トへの結合を抑制する。第３の空間光学系は、ＰＰＬＮ導波路モジュールに入力された光のうち２倍波励起光成分をＰＰＬＮ導波路に結合させ、信号波長帯成分のＰＰＬＮ導波路への結合を抑制する。第４の空間光学系は信号波長帯成分を出力ポートへ結合させ、２倍波励起光成分の出力ポートへの結合を抑制する。
　以下に、上述の光増幅装置４００で用いたＰＰＬＮ導波路の作製方法を説明する。まず、Ｚｎを添加したＬｉＮｂＯ３上に、周期が約１７μｍの周期的な電極を形成した。次に、電界印加法により上述の電極パターンに応じた分極反転グレーティングをＺｎ：ＬｉＮｂＯ３中に形成した。次に、この周期分極反転構造を有するＺｎ：ＬｉＮｂＯ３基板をクラッドとなるＬｉＴａＯ３上に直接接合して、５００℃で熱処理を行うことにより両基板を強固に接合した。次に、コア層を研磨により５μｍ程度まで薄膜化し、ドライエッチングプロセスを用いてリッジ型の光導波路を形成した。リッジ型の光導波路はペルチェ素子により温調が可能であり、導波路の長さを４５ｍｍとした。
　このようにして形成されたＰＰＬＮ導波路を有する二次非線形光学素子は、１．５μｍ帯の偏波保持ファイバで光の入出力が可能なモジュール形態で実装された。上述の構成例では、Ｚｎを添加したＬｉＮｂＯ３を用いたが、それ以外の非線形材料であるＫＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂｘＴａ１－ｘＯ３（０≦ｘ≦１）もしくはＫＴｉＯＰＯ４、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材料を用いても良い。
　以上詳細に述べたように、強度雑音および位相雑音が極めて少なく、長期的に安定動作が可能な中継型のＰＳＡを実現する。伝送路のＳＮ劣化を抑えながら中継増幅を可能とし、変調方式の高多値化も可能となり、光通信システムのさらなる大容量化を進める。
　本発明は、通信に利用できる。より具体的には光通信システムに利用できる。

Claims (7)

  1. 　信号光および当該信号光の位相共役光を含む信号光対のための光増幅装置であって、
    　前記信号光対の非縮退パラメトリック増幅を行う位相感応光増幅部と、
    　　前記信号光対の一部から、前記信号光と前記位相共役光の和周波光を発生させる第１の二次非線形光学素子、
    　　前記和周波光および第１の励起光から、差周波光を発生させる第２の二次非線形光学素子、
    　　前記差周波光の周波数に同期した第２の励起光を生成する注入同期光源、
    　　前記第２の二次非線形光学素子から出力された前記第１の励起光および前記差周波光から、第１のビート信号を取得する第１の検出部、
    　　前記第１の励起光および注入同期した第２の励起光から、第２のビート信号を取得する第２の検出部、
    　　前記第１のビート信号および前記第２のビート信号から、前記注入同期した第２の励起光の位相誤差を表す信号を生成する位相誤差検出部、および、
    　　位相誤差を表す前記信号に基づいて、前記注入同期光源の前記第２の励起光の位相を制御するフィードバック部
    　を有する励起光生成部と
    　を備え、
    　前記注入同期した第２の励起光が、前記位相感応光増幅部における励起光生成のために利用される光増幅装置。
  2. 　前記位相感応光増幅部は、
    　　前記励起光生成部からの前記第１の励起光および前記注入同期した第２の励起光から、前記信号光対を生成するために使用された送信側励起光の２倍波光に対応する和周波光を生成する第３の二次非線形光学素子、
    　前記２倍波光を励起光として、非縮退パラメトリック増幅を行う第４の二次非線形光学素子
    　を含む請求項１に記載の光増幅装置。
  3. 　前記励起光生成部は、前記第１の励起光を生成する光源をさらに含み、
    　前記第１の励起光の周波数と、前記差周波光の周波数との間の周波数差は、前記注入同期光源のロッキングレンジよりも大きく設定された請求項２に記載の光増幅装置。
  4. 　前記第１の検出部および前記第２の検出部は、それぞれのビート信号を生成する光検出器、および、前記ビート信号より他の成分を除去するフィルタを含み、
    　前記第１の検出部および前記第２の検出部の少なくとも一方は、前記ビート信号に対する位相調整器を含む、請求項１乃至３いずれかに記載の光増幅装置。
  5. 　前記フィードバック部は、位相誤差を表す前記信号に基づいて、ＰＩＤ制御によって、前記注入同期光源の注入電流にフィードバックするよう構成された請求項１乃至３いずれかに記載の光増幅装置。
  6. 　前記第１の励起光を変調する位相変調部と、前記第４の二次非線形光学素子において増幅された信号光対の一部を分岐して振幅を検出する検出器と、前記検出器からの振幅信号に応じて、前記第４の二次非線形光学素子の前段側に配置された光学長伸長器を制御し、前記信号光および前記位相共役光と、前記２倍波光との間の位相同期を行う位相同期ループ回路とをさらに備えた請求項２または３に記載の光増幅装置。
  7. 　前記第１の二次非線形光学素子、前記第２の二次非線形光学素子、前記第３の二次非線形光学素子および前記第４の二次非線形光学素子は、それぞれ直接接合リッジ導波路を含み、
    　前記直接接合リッジ導波路は、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１－ｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１）、またはＫＴｉＯＰＯ４のいずれかの材料、または、これらの材料のいずれかに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加えた材料から構成される請求項２、３または６いずれかに記載の光増幅装置。
    　
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