WO2024084592A1

WO2024084592A1 - 光増幅器

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Publication number: WO2024084592A1
Application number: PCT/JP2022/038806
Authority: WO
Inventors: 貴大柏崎; 毅伺梅木
Original assignee: 日本電信電話株式会社
Priority date: 2022-10-18
Filing date: 2022-10-18
Publication date: 2024-04-25

Abstract

本開示の光増幅器は、信号光の経路上において信号光の一部を取り出すことなく、ＯＰＡにおける励起光の利用率を利用して、ＯＰＡの性能を最大限かつ安定して発現させる。本開示の光増幅器は、励起光生成部および光パラメトリック増幅部の２つのブロックを備える。さらに２つのブロックのそれぞれに対して、励起光出力の安定化機構および光パラメトリック増幅器の安定化機構を備える。２つのブロックの間には、分岐比可変カプラを備え、この分岐比可変カプラの分岐比特性を利用して、上述の２つの安定化機構を制御する。それぞれの安定化機構は、温度調整器への低速の制御と、温度調整器以外の制御対象へのより高速な制御を含む。

Description

光増幅器

　本発明は、光通信システムや光制御システムにおいて用いられる光パラメトリック増幅器に関する。

　非線形光学デバイスおよび電気光学デバイスは、光通信における光信号波長変換や光変調、光計測、光加工、医療、生物工学など、幅広い分野において開発が進められている。これらデバイスの利用光周波数は、紫外域－可視域－赤外域－テラヘルツ域にわたる。光通信においても、コヒーレント光の発生と変調のために、さらに差周波発生による波長変換動作や、パラメトリック効果を利用した増幅動作などに利用されている。

　これらのデバイスに用いられる非線形光学媒質および電気光学媒質としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）などの酸化物系化合物基板が、２次非線形光学定数・電気光学定数が非常に高く有望な材料として知られている。このニオブ酸リチウムを用いた光デバイスの一例として、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ：Periodically Poled Lithium Niobate）導波路素子は、波長変換効率の高さから光源に広く使用されている。ＰＰＬＮ導波路素子などによる波長変換素子では、第二高調波発生（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）・差周波発生（ＤＦＧ：Difference Frequency Generation）・和周波発生（ＳＦＧ：Sum Frequency Generation）の過程が利用される。

　高い波長変換効率を有する波長変換素子を用いると、励起光パワーから信号光へのエネルギーの移行により光パラメトリック増幅過程によって、信号光の増幅器を実現できる。光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ：Optical Parametric Amplifier）では、励起光と信号光の位相関係に応じた増幅特性を有する位相感応増幅器が、低雑音な光増幅が可能な技術として期待されている。

　さらに縮退光パラメトリック増幅過程は、量子相関を持った光子対を生成可能であり、スクィーズド光の生成や、伝令付き単一光子状態などの非古典的状態を生成することができる。これらの非古典的状態の光は、光量子コンピュータや量子光を用いたセンシング技術等の重要リソースとして期待されている。

M. Asobe et al., "Broadband optical parametric amplification using PPLN waveguide pumped by detuned second harmonic", Vol. 30, No. 6 / 14 Mar 2022 / Optics Express 9473

　ＯＰＡが最大限の性能を発揮するには、位相整合条件を保つことが必要である。特に、ＰＰＬＮ導波路素子等を用いた導波路型ＯＰＡの場合は、導波路自体の温度を制御することで、波長変換効率が最大となるよう制御することが重要となる。またＯＰＡの利得の一定化のためには、ＯＰＡへ入力される励起光の強度を一定化する制御も重要となる。

　古典的な信号光を取り扱う従来技術のＯＰＡでは、上述の制御のために信号光の一部を取り出して利用していた。しかしながら、スクィーズド光生成等の量子的な光を生成する場合には、信号光の一部と取り出すことによる真空場の混入が、その光量子信号の品質を下げてしまう。また、環境温度の変動等による波長変換効率の変動に対しても、より安定な制御が望まれている。

　本発明の１つの態様は、基本波光の光増幅器、第１の二次非線形光学素子からなり、増幅された基本波光から励起光を生成する周波数ダブラ、および、前記第１の二次非線形光学素子の温度を調整する第１の温度調整器を含む励起光生成部と、信号光と励起光を合波する合波器、第２の二次非線形光学素子からなり、前記合波器からの前記信号光を増幅する光パラメトリック増幅器、前記光パラメトリック増幅器からの増幅された信号光と励起光とを分波する分波器、および、前記第２の二次非線形光学素子の温度を調整する第２の温度調整器を含む光パラメトリック増幅部と、前記励起光生成部からの前記励起光を、前記合波器へ励起光を供給する第１の出力ポートと、第１の光検出器に接続された第２の出力ポートに分岐し、制御電圧Ｖによって分岐比を調整できるカプラと、前記第１の光検出器からの電気信号および前記制御電圧Ｖに基づいて、前記励起光生成部からの前記励起光の強度を求め、第１の誤差信号を生成する第１の励起光演算部と、前記第１の誤差信号に基づいて、前記光増幅器への制御信号および前記第１の温度調整器への制御信号を生成し、前記励起光生成部からの前記励起光の強度を一定値に制御する周波数ダブラ制御部と、前記第１の光検出器からの電気信号および前記制御電圧Ｖに基づいて、前記合波器への入力励起光の強度を求める第２の励起光演算部と、前記分波器から分波された出力励起光の強度を検出する第２の光検出器と、前記入力励起光の前記強度および前記出力励起光の前記強度から、前記光パラメトリック増幅器における励起光の利用率を求める利用率算出部と、前記利用率に基づいて、前記制御電圧Ｖを調整して、前記入力励起光の前記強度を一定値に制御する励起光強度制御部と、前記調整された制御信号Ｖに基づいて、前記第２の温度調整器への制御信号を生成し、前記利用率を一定に制御する最適温度制御部とを備えた光増幅器である。

　本発明により、光パラメトリック増幅器を最大限の性能で安定して動作させることができる。

本開示の光増幅器の構成と動作を説明する図である。分岐比可変カプラの動作および励起光レベルの算出を説明する図である。本開示の光増幅器のより具体的な実施例の構成と動作を説明する図である。本開示の光増幅器における変換効率の安定化制御動作を説明する図である。従来技術のＯＰＡにおける位相整合条件の最適化回路を示した図である。

　本開示の光増幅器は、信号光の経路上から信号光の一部を取り出すことなく、ＯＰＡにおける励起光の利用率を利用して、ＯＰＡの性能を最大限かつ安定して発現させる。本開示の光増幅器は、励起光生成部および光パラメトリック増幅部の２つのブロックを備える。さらに、２つのブロックのそれぞれに対して、励起光出力の安定化機構および光パラメトリック増幅器の安定化機構を備える。２つのブロックの間には、分岐比可変カプラを備え、この分岐比可変カプラの分岐比特性を利用して、上述の２つの安定化機構を制御する。以下の説明では、まず従来技術のＯＰＡで光量子信号を扱う場合の問題点について概要を述べ、その後、本開示の光増幅器の構成および動作を説明する。

　図５は、従来技術のＯＰＡにおける位相整合条件の最適化制御回路を示した図である。ＯＰＡ３００は、ＯＰＡ部４の入力側に信号光および励起光の合波回路３、出力側に信号光および励起光の分波回路５を備える。増幅された信号光は、光分岐回路５１によって、例えば９９：１の割合で一部が分岐される。分岐された信号光５５は、光検出器５２によって、電気信号に変換される。光検出器５２からの電気信号は、増幅された信号光のレベルを示しており、この電気信号に基づいて、ＯＰＡ部の変換効率を算出する。さらに、最適温度調整回路５４によって、温度調整器１６（ＴＥＣ：ThermoElectric Cooler）１６を制御する。ＴＥＣ１６によって、ＯＰＡ部４の例えばＰＰＬＮ導波路素子の温度を調整して、ＯＰＡ部４の変換効率を最大化する。位相整合条件が最適状態にあるときに、変換効率は最大となり、ＯＰＡ３００から最大の信号光レベルが得られる。

　図５の構成では、増幅後の信号光の一部を光分岐回路５１で分岐している。したがって、分岐光５５の分だけ、出力される信号光に対しては損失を生じていることになる。ここで詳細は述べないが、スクィーズド光生成等の量子的な光、すなわち光量子信号に対しては、損失の発生は真空場からの雑音が付加されたことに相当する。非古典的な光を扱う際、真空場からの雑音の混入は、信号品質が低下することを意味する。通常の信号光だけでなく非古典的な光量子信号を取り扱うＯＰＡに対して、信号品質の低下を生じないで、位相整合条件を最適に安定して制御する機構が望まれている。

　図１は、本開示の光増幅器の基本構成と動作を説明する図である。光増幅器１００は、励起光生成部１０１と光パラメトリック増幅部１０２を備える。後述するように、励起光生成部１０１および光パラメトリック増幅部１０２のための制御部をそれぞれ、さらに備える。励起光生成部１０１と光パラメトリック増幅部１０２の間には、光パラメトリック増幅部１０２への励起光レベルを調整可能な分岐比可変カプラ７を備える。

　分岐比可変カプラ７は、励起光出力（レベルＰ_ＳＨＧ）を光パラメトリック増幅部１０２への入力励起光（レベルＰ_ｉｎ）と、モニタ光（レベルＰ_{Ｍｏｎｉｔｏｒ}）とに分岐し、その分岐比を制御電圧Ｖによって可変できる。分岐比可変カプラ７からの出力のうち一方は、光パラメトリック増幅部１０２に入力され、他方は、励起光波長に感度を持つ光検出器８によって電気信号に変えられる。モニタ光Ｐ_{Ｍｏｎｉｔｏｒ}は、光パラメトリック増幅部１０２の制御に利用され、その詳細は後述する。

　励起光生成部１０１では、光増幅器１を用いて入力された基本波光を増幅して、高強度の基本波光を生成する。光増幅器１は、例えばエルビウム添加光ファイバ増幅器（Erbium-Doped Fiber Amplifier：ＥＤＦＡ）などの、光ファイバ増幅器であり得る。光ファイバ増幅器は注入電流値を外部制御可能なものを利用する。周波数ダブラ２は、基本波光から第２高調波（ＳＨ）を生成して、光パラメトリック増幅のための励起光（ＳＨＧ光）を出力する。周波数ダブラ２は、光パラメトリック増幅器４と同様に、二次非線形光学素子であるＰＰＬＮ導波路素子を利用したもの用いることができるが、励起光波長（ＳＨＧ光）を生成できれば導波路型でなくとも良い。周波数ダブラ２および光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）４は、内部に配置される非線形導波路の温度を制御できるように、ＴＥＣ１５、１６および図示しない温度測定器がそれぞれ配置される。

　光パラメトリック増幅部１０２は、ＯＰＡ４の前後に、信号光と励起光の合波器３、信号光と励起光の分波器５を備える。分波器３および合波器５は、それぞれ、レンズ、励起光と信号光を分波するダイクロイックミラーなどを組み合わせた空間光学部品で実現できる。他に、光ファイバ溶融方向性結合器型の波長合分波器等を利用することもできる。

　図５に示した従来技術のＯＰＡとの相違点は、光パラメトリック増幅部１０２の制御のために、信号光ではなくて分波器５からの励起光を利用している点である。分波器５は、信号光と励起光をそれぞれ異なるポートに分離するフィルタを備えており、信号光は信号光側の出力ポートに１００％導かれる。したがって、信号光には損失が生じないため、真空場からの雑音の混入も生じない。図５に示したような信号光の一部を取り出して損失を伴う構成とは異なり、光量子信号の品質低下が生じない。

　分岐比可変カプラ７で、分岐比を調整された入力励起光（レベルＰ_ｉｎ）は、ＯＰＡ４において光パラメトリック増幅過程によって信号光の増幅に利用され、利用された分だけ分波器５からの出力励起光は低下する（レベルＰ_ｏｕｔ）。本開示の光増幅器１００では、入力励起光（Ｐ_ｉｎ）に対応する、分岐比可変カプラ７のモニタ光を検出して得られる電気信号と、分波器５からの出力励起光（Ｐ_ｏｕｔ）を検出して得られる電気信号とから、励起光の比（Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ）を求める。この励起光の比の値を、後述するように、光パラメトリック増幅部１０２の制御に用いる。

　図１における励起光生成部１０１、分岐比可変カプラ７、光パラメトリック増幅部１０２を除いた構成は、光増幅器１００の制御回路であって、２つの光検出器６、８からの各電気信号に基づいて動作する。この制御回路は、電気回路によるハードウェア処理、コンピュータによるソフトウェア演算処理、または、これらの組み合わせで実施される。以下、励起光生成部１０１および光パラメトリック増幅部１０２のそれぞれの制御動作を説明する。最初に、分岐比可変カプラ７の構成および光増幅器１における役割について説明する。

　図２は、分岐比可変カプラの動作および励起光レベルの算出を説明する図である。図２の（ａ）は分岐比可変カプラ７の構成を示しており、３つの光ポートおよび制御ポートを有する。励起光生成部１０１からのレベルＰ_ＳＨＧを有する励起光（ＳＨＧ光）は入力ポート３５へ入力される。入力された励起光は、光パラメトリック増幅部１０２への第１の分岐光としてレベルＰ_ｉｎで第１の出力ポート３６－１へ、制御用の第２の分岐光としてレベルＰ_{Ｍｏｎｉｔｏｒ}で第２の出力ポート３６－２へ分岐される。２つの出力ポートへの分岐比は、制御電圧Ｖによって外部制御可能である。分岐比可変カプラは、例えば、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）内に位相変調器を挿入したＭＺＩ型可変カプラや、偏波回転子と偏波分離カプラを組み合わせた可変カプラ等で実現できる。

　図２の（ｂ）は、分岐比可変カプラにおける制御電圧Ｖと分岐比の関係を示している。横軸に制御電圧Ｖを、縦軸に入力ポートから各出力ポートへの透過率Ｔを示している。実線の曲線３８は、入力ポート３５から第１の出力ポート３６－１への透過率（Ｐ_ｉｎ／Ｐ_ＳＨＧ）を示している。また一点鎖線の曲線３９は、入力ポート３５から第２の出力ポート３６－２への透過率（Ｐ_{Ｍｏｎｉｔｏｒ}／Ｐ_ＳＨＧ）を示している。ここで、各透過率が次式で表されるものとする。
Ｐ_{Ｍｏｎｉｔｏｒ}／Ｐ_ＳＨＧ＝Ｔ（Ｖ）　　　　　　式（１）
Ｐ_ｉｎ／Ｐ_ＳＨＧ＝１－Ｔ（Ｖ）　　　　　　　式（２）
　すなわち入力ポートから第２の出力ポートへ透過率曲線３９をＴ（Ｖ）とする。このときの式（１）および式（２）の関係は、図２の（ｂ）に示した分岐比可変カプラの透過率特性によって一意に確定する。式（１）および式（２）は、さらに次のように変形することができる。
Ｐ_ＳＨＧ＝Ｐ_{Ｍｏｎｉｔｏｒ}／Ｔ（Ｖ）　　　　　　式（３）
Ｐ_ｉｎ＝Ｐ_{Ｍｏｎｉｔｏｒ}（１－１／Ｔ（Ｖ））　　式（４）
　上の式（３）および式（４）から、光検出器の電気信号から決定できるＰ_{Ｍｏｎｉｔｏｒ}および透過率曲線Ｔ（Ｖ）を使用して、励起光生成部１０１からの出力励起光レベルＰ_ＳＨＧおよび光パラメトリック増幅部１０２への入力励起光レベルＰ_ｉｎを求めることができる。したがって、分岐比可変カプラの制御電圧Ｖと透過率特性Ｔ（Ｖ）との間の関係データが予め取得されていれば、図１における光検出器８からの電気信号と、制御電圧Ｖとによって、出力励起光レベルＰ_ＳＨＧおよび入力励起光レベルＰ_ｉｎを把握できる。

　励起光生成部１０１では、出力励起光のレベルＰ_ＳＨＧを一定に保つために、光増幅器１および周波数ダブラ２内のＴＥＣ１５に対してフィードバック制御が行われる。目標とする制御動作は、周波数ダブラ２から生成される励起光のレベルＰ_ＳＨＧを一定化することである。この制御は、まず光検出器８からの電気信号から、第１の励起光演算部１３によって式（３）の演算を実施して、波数ダブラ２から生成されている励起光のレベルＰ_ＳＨＧを求める。第１の励起光演算部１３の演算は、図示していないコンピュータのプロセッサによる演算処理として実施できる。この演算にあたっては、これも図示しないコンピュータのメモリに、予め取得された分岐比可変カプラの制御電圧Ｖと透過特性Ｔ（Ｖ）との関係データを保存しておくことができる。保存されたデータを利用して、第１の励起光演算部１３の演算を実施できる。また、制御電圧Ｖと透過特性Ｔ（Ｖ）との間の関係データを、光増幅器の外部の記憶手段から受信することもできる。

　演算された励起光のレベルＰ_ＳＨＧから、周波数ダブラ制御部１４によって、励起光のレベルＰ_ＳＨＧを一定化するように、ＴＥＣ１５への制御信号Ｓ_ＴＥＣ１および光増幅器１への制御信号Ｓ_ＡＭＰを生成する。制御信号Ｓ_ＡＭＰによって、光増幅器１のゲインを変化させることができる。光増幅器１のゲインが変われば基本波光のレベルが変化し、周波数ダブラ制御部１４からの励起光のレベルＰ_ＳＨＧを制御できる。それぞれの制御信号によって、２つの制御対象、すなわち光増幅器１に対するフィードバックと、ＴＥＣ１５に対するフィードバックとが実施される。より具体的な制御は実施例として後述する。

　本開示の光増幅器１００では、図２に示した分岐比可変カプラ７のモニタ光から得られる電気信号を用いて、光パラメトリック増幅部１０２に対しても次に述べる光増幅器１００の動作安定化のための制御が実施される。

　図１を再び参照すると、第２の励起光演算部９によって式（４）の演算を実施して、光検出器８からの電気信号から、光パラメトリック増幅部１０２への入力励起光のレベルＰ_ｉｎを求められる。前述のように、光パラメトリック増幅部１０２の分波器５からは、ＯＰＡ４から分離された出力励起光が光検出器６へ入力される。ＯＰＡ４においてパラメトリック変換に利用されなかった励起光が分波器５から出力され、そのレベルＰ_ｏｕｔに対応した電気信号が光検出器６から得られる。

　本開示の光増幅器１００では、利用率算出部１０において、ＯＰＡ４の入力側の励起光レベルおよび出力側の励起光レベルの間の比Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎを求める。この比は、ＯＰＡ４において入力された励起光に対して利用されなかった励起光の割合を表している。したがって、次式のαは、ＯＰＡへ入力された励起光が利用された割合を表している。
α＝１－（Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ）　　　　　　式（５）
　光パラメトリック増幅器が最も変換効率の良い動作をしている状態は、励起光が最も利用されている状態と対応している。式（５）で定義した励起光の利用率αは、ＯＰＡの変換効率と対応している。ＯＰＡを最適に制御することは、励起光の利用率αを最大化すること、および利用率αを一定化することになる。従来技術の光増幅器では、信号光の一部を取り出して信号光のレベルを最大化する制御を行っていた。従来技術とは対照的に本開示の光増幅器では、制御量として、信号光レベルに代えて励起光のレベル比を利用する。これによって信号光には損失が生じないため、前述の通り光量子信号の品質低下も生じない。信号光ラインに損失媒体を挿入せずに特性安定化できることから、量子光学応用に適した構成である。

　第２の励起光演算部９により、入力励起光レベルＰ_ｉｎが求められており、さらに光検出器６で得られる出力励起光レベルＰ_ｏｕｔを利用して、利用率算出部１０において現在の比Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎおよび利用率αが求められる。これらの値に基づいて、励起光強度制御部１１によって、比Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎまたは利用率αを所定の目標値に一定化する制御を行う。

　演算された励起光強度の比Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎまたは利用率αに基づいて、励起光強度制御部１１は、２つの制御対象、すなわち分岐比可変カプラ７に対するフィードバックと、ＴＥＣ１６に対するフィードバックとが実施される。励起光強度制御部１１は、制御信号である制御電圧Ｖを生成し、分岐比を調整することで、入力励起光レベルＰ_ｉｎを一定化するように制御する。またＴＥＣ１６に対しては、最適温度制御部１２を介して制御信号Ｓ_ＴＥＣ２を生成して、ＯＰＡ４の変換効率が一定となるように、すなわち励起光の比Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎまたは利用率αを所定の目標値に一定化するための温度制御を行う。

　したがって本発明は、基本波光の光増幅器１、第１の二次非線形光学素子からなり、増幅された基本波光から励起光を生成する周波数ダブラ２、および、前記第１の二次非線形光学素子の温度を調整する第１の温度調整器１５を含む励起光生成部１０１と、信号光と励起光を合波する合波器３、第２の二次非線形光学素子からなり、前記合波器からの前記信号光を増幅する光パラメトリック増幅器４、前記光パラメトリック増幅器からの増幅された信号光と励起光とを分波する分波器５、および、前記第２の二次非線形光学素子の温度を調整する第２の温度調整器１６を含む光パラメトリック増幅部１０２と、前記励起光生成部からの前記励起光を、前記合波器へ励起光を供給する第１の出力ポートと、第１の光検出器に接続された第２の出力ポートに分岐し、制御電圧Ｖによって分岐比を調整できるカプラ７と、前記第１の光検出器からの電気信号および前記制御電圧Ｖに基づいて、前記励起光生成部からの前記励起光の強度を求め、第１の誤差信号を生成する第１の励起光演算部１３と、前記第１の誤差信号に基づいて、前記光増幅器への制御信号および前記第１の温度調整器への制御信号を生成し、前記励起光生成部からの前記励起光の強度を一定値に制御する周波数ダブラ制御部１４と、前記第１の光検出器からの電気信号および前記制御電圧Ｖに基づいて、前記合波器への入力励起光の強度を求める第２の励起光演算部９と、前記分波器から分波された出力励起光の強度を検出する第２の光検出器６と、前記入力励起光の前記強度および前記出力励起光の前記強度から、前記光パラメトリック増幅器における励起光の利用率を求める利用率算出部１０と、前記利用率に基づいて、前記制御電圧Ｖを調整して、前記入力励起光の前記強度を一定値に制御する励起光強度制御部１１と、前記調整された制御信号Ｖに基づいて、前記第２の温度調整器への制御信号を生成し、前記利用率を一定に制御する最適温度制御部１２とを備えた光増幅器として実施できる。

　上述の光パラメトリック増幅部１０２への制御は、１つの制御対象（比Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎまたは利用率α）に対して、入力励起光レベルＰ_ｉｎおよびＴＥＣ１６の温度への、２つ以上のパラメータに対して制御を行う点に特徴がある。ＯＰＡ４の温度制御をより安定して実施可能とするこの特徴については、さらに後述する。次の光増幅器の実施例では、図１に示した光増幅器１の励起光出力の安定化機構および光パラメトリック増幅器の安定化機構における制御回路のより具体的な構成および動作を提示する。

　図３は、本開示の光増幅器の具体的な実施例の構成および動作を説明する図である。光増幅器２００は、図１に示した基本構成の光増幅器１００において、電気信号の処理が実施される制御回路をより具体的な構成に置き換えたものである。したがって光増幅器２００で光信号を扱うラインは、図１の光増幅器１００の励起光生成部１０１、光パラメトリック増幅部１０２、分岐比可変カプラ７と同一の構成を持つ。これらの構成および動作の説明は省略し、具体的構成の制御回路についてのみ説明する。

　励起光生成部に対する制御回路において、周波数ダブラ２からの励起光出力レベルＰ_ＳＨＧを一定化するため、第１の励起光演算部１３の演算で取得したＰ_ＳＨＧの情報に基づいて、比例・積分・微分（ＰＩＤ）制御器２８によって、制御信号Ｓ_Ａｍｐを生成し、光増幅器１へフィードバックする。制御信号Ｓ_Ａｍｐについては、電圧、電流などの信号形態に限定が無い。光増幅器１が注入電流によってその出力レベル（ゲイン）を制御できる光ファイバ増幅器の場合であれば、注入電流に対してフィードバックを加えても良い。この場合、図３には示さない、制御信号Ｓ_Ａｍｐで駆動される電流駆動源などが追加される場合もある。

　励起光出力レベルＰ_ＳＨＧを一定化するため、ディザ信号とともにＰＩＤ制御を使用する。信号生成器２０で生成された基準周波数信号が、ＰＩＤ制御器２８からの制御信号の一部とともに周波数ミキサ３０に入力される。ＰＩＤ制御器２８からの制御信号の一部、および、信号生成器２９からの基準周波数信号から、周波数ミキサ３０を使用して、ＰＩＤ制御のための誤差信号を取り出す。すなわち周波数ミキサ３０の復調出力の高周波数成分をＬＰＦ３１でカットすることで、ＰＩＤ制御器３２に必要な誤差信号が得られる。周波数ダブラ２におけるＴＥＣ１５の温度調整を最適条件に設定するために、信号生成器２９から周波数の遅いディザ信号を、加算器３３によって、ＴＥＣ１５への制御信号Ｓ_ＴＥＣ１に印加する。

　上述の制御法では、システム内にディザ信号を生成し、応答信号に対してディザ信号で復調することで、応答関数を微分した関数を獲得する。そして、この微分関数を誤差関数として用いることで、微分関数がゼロになる点、すなわち応答関数が最大値をとる点を設定することができる。

　本開示の光増幅器２００において、ディザ信号の付加による周波数ダブラ２の変換効率の遅い揺れは、光増幅器１に対する制御信号Ｓ_ＴＥＣ１による制御で相殺される。ＴＥＣ１５を波長変換効率のピークにある状態に維持して消費電力を抑えながら、比較的高速な制御信号Ｓ_ＴＥＣ１による制御で励起光強度を安定化できる。

　光パラメトリック増幅器部のＯＰＡ４についても、以下のような制御回路によって安定化させる。図１で説明したように、第２の励起光演算部９により、入力励起光レベルＰ_ｉｎが求められ、光検出器６で得られる出力励起光レベルＰ_ｏｕｔを利用して、除算演算部１０において現在の比Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎが求められる。除算演算部１０において利用率αを求めることもできる。

　除算演算部１０で取得した励起光の現在の比Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎまたは利用率αの情報に基づいて、ＰＩＤ制御器２２によって、分岐比可変カプラ７へ制御信号をフィードバックする。この制御信号は、分岐比可変カプラ７の制御電圧Ｖであり、励起光の比Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎまたは利用率αを一定化するように動作する。

　励起光の比Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎまたは利用率αを一定に保つため、周波数ダブラ２での温度制御と同様に、ＯＰＡ４の温度を最適条件に設定する。加算器２３によって、信号生成器２４から周波数の遅いディザ信号をＴＥＣ１６への制御信号Ｓ_ＴＥＣ２に印加する。信号生成器２４で生成された基準周波数信号が、ＰＩＤ制御器２２からの制御信号とともに周波数ミキサ２３に入力される。ＰＩＤ制御器２２からの制御信号、および、信号生成器２４からの基準周波数信号から、周波数ミキサ２３を使用して、ＰＩＤ制御のための誤差信号を取り出す。すなわち周波数ミキサ２３の復調出力の高周波数成分をＬＰＦ２５でカットすることで、ＰＩＤ制御器２６に必要な誤差信号が得られる。ディザ信号の付加によるＯＰＡ４の変換効率の遅い揺れは、分岐比可変カプラ７に対する制御信号Ｖによる制御で相殺される。ＴＥＣ１６の温度を波長変換効率のピークにある状態に維持して消費電力を抑えながら、比較的高速な制御信号Ｖによる制御でＯＰＡの変換効率を安定化できる。上述の光増幅器２００の制御において、ＴＥＣ１５、１６に印加するディザ信号の周波数は、ＴＥＣ自身の性能や温度制御対象にもよるが、一般的に１０Ｈｚ以下であれば十分である。

　図４は、本開示の光増幅器における変換効率の安定化制御の動作を説明する図である。図４の（ａ）は、波長変換素子における波長λと波長変換効率の関係を示している。波長変換効率は、ある波長でピーク値を持っており、このピーク波長は素子の温度Ｔによって変動する。素子温度がＴ_１～Ｔ_４と変動すれば、波長変換特性は、ピーク位置を移動させながら曲線４０－１～４０－４のように変動する。したがって、ある動作波長に対して、波長変換素子の温度依存特性（温度－変換効率特性）も、ピークを持つことが理解できるだろう。

　図４の（ｂ）は、本開示の光増幅器における変換効率の安定化を説明している。図４の（ｂ）の左側のグラフは、動作波長における波長変換素子の温度と変換効率の関係を示している。例えば、図１のＯＰＡ４の波長変換素子を例に考えると、曲線４１－１は、最適温度のピーク位置において、所要変換効率が得られることを示している。実際には、光増幅器の環境温度の変動などで、現在の素子温度が最適温度よりも低い、動作点４２－１となり得る。このような状態の場合、従来技術ではディザ信号を使って、動作点４２－１をピーク位置となるようにＴＥＣによって温度制御を実施していた。尚、制御信号に対するディザ信号の付加は、曲線４１－１上で、横軸の温度Ｔに対して小さい変動を加えることに相当する。ＴＥＣの制御信号へ付加されたディザ信号によって、曲線４１－１の波長変換効率のピーク位置に向けて、波長変換素子は比較的ゆっくりと温度制御されることになる。

　本開示の光増幅器では、上述のＴＥＣ１６への温度制御に加えて、分岐比可変カプラ７への制御電圧Ｖによって、高速の制御が行われる。制御電圧Ｖによって入力励起光のレベルＰ_ｉｎを増加させることで、図４の（ｂ）の曲線４１－１は曲線４１－２へ変化する。動作点が点４２－１から点４２－２へ移動することで、現在の温度における変換効率を所要変換効率に維持することができる。この動作は、図４の（ｂ）の右側のグラフ示した、ＯＰＡにおける入力励起光レベルと変換効率の関係でも説明できる。入力励起光のレベルをＰ_１からＰ_２へ変化させることで、動作点を点４２－１から点４２－２へ、動作波長の所要変換効率に向かって直ちに制御できる。

　再び図３を参照すれば、ＯＰＡ４に対する変換効率の安定化制御は、１つの制御対象（比Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎまたは利用率α）に対して、入力励起光レベルＰ_ｉｎおよびＴＥＣ１６の温度の２つのパラメータに対する制御で行われている。図３の信号生成器２４からのディザ信号を用いたＴＥＣ１６に対する制御は、図４の（ｂ）の点４２－１をゆっくりと低速に曲線４１－１のピーク位置へ移動させる制御に対応する。図３の分岐比可変カプラ７への制御電圧Ｖによる制御は、図４の（ｂ）において動作点を点４２－１から点４２－２へ高速に制御することに対応する。

　ディザ信号の付加による温度の変動は、分岐比可変カプラ７への制御電圧Ｖによる制御で相殺されるため、ＯＰＡ４は、一定の所要変換効率、すなわち一定の励起光の比Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎまたは利用率αに安定化されることがわかる。環境温度の大きな変動が生じても、分岐比可変カプラ７への高速の制御によって変換効率（励起光の利用率α）は常に一定値に維持されるので、光量子信号を扱う場合であっても、光増幅器において信号品質の低下が生じない。

　上述のＯＰＡ４に対する変換効率の安定化制御と同じ動作が、周波数ダブラ２における変換効率の安定化制御でも行われる。すなわち、１つの制御対象の励起光出力レベルＰ_ＳＨＧに対して、光増幅器１からの基本波光の出力レベルおよびＴＥＣ１５の温度への、２つのパラメータに対する制御で安定化が行われている。図３の信号生成器２９からのディザ信号を用いたＴＥＣ１５に対する制御は、温度－変換効率曲線の動作点を、ゆっくりと低速に曲線のピーク位置へ移動させる制御に対応する。図３の光増幅器１への制御信号Ｓ_Ａｍｐによる制御は、基本波光の出力レベルを介して、励起光出力レベルＰ_ＳＨＧを高速に増加させるよう制御することに対応する。図４の（ｂ）で説明したのと同様の、ディザ信号を用いた低速の制御と、光増幅器１に対する高速の制御とによって、励起光生成部の励起光出力レベルＰ_ＳＨＧが常に一定値に保たれる。

　上述のように本開示の光増幅器では、励起光生成部１０１と光パラメトリック増幅部１０２の各ブロックおいて、対応する安定化機構によってそれぞれの非線形素子の変換効率が安定化される。２つのブロックの間の分岐比可変カプラ７の分岐比特性を利用して、上述の２つの安定化機構を制御するための、励起光レベルの共通の制御情報（Ｐ_ＳＨＧ、Ｐ_ｉｎ）を利用する。２つの安定化機構は、光量子信号に対して品質低下を生じさせることなく、各ブロックの出力を安定化する。

　図１および図３に示した光増幅器において、電気信号を処理する回路としては前述のようにアナログ回路またはデジタル回路によるハードウェア処理を用いても良い。２つの光検出器６、８からの電気信号をＡ／Ｄ変換器を用いてコンピュータに取り込み、コンピュータのプロセッサ（ＣＰＵ）によるソフトウェア演算処理で各制御信号（Ｓ_Ａｍｐ、Ｓ_ＴＥＣ１、Ｓ_ＴＥＣ２、Ｖ）を生成するシステムを構築しても良い。分岐比可変カプラ７の制御電圧Ｖと、第１の出力ポート３６－１および第２の出力ポート３６－２への分岐比との間の関係データをストアしたメモリも利用することができる。したがって、２つの光検出器６、８の出力点より後から、各制御信号までの間のすべての機能ブロックは、プロセッサとメモリを利用したソフトウェア処理でも実施できる。制御信号の生成には、Ｄ／Ａ変換器が含まれ得る。

　本発明によって、光量子信号に対して品質低下を生じさせることなく、安定した変換効率の光増幅器を提供することができる。

　本発明は、光通信システムに利用できる。

Claims

　　基本波光の光増幅器、
　　第１の二次非線形光学素子からなり、増幅された基本波光から励起光を生成する周波数ダブラ、および、
　　前記第１の二次非線形光学素子の温度を調整する第１の温度調整器
を含む励起光生成部と、
　信号光と励起光を合波する合波器、
　第２の二次非線形光学素子からなり、前記合波器からの前記信号光を増幅する光パラメトリック増幅器、
　前記光パラメトリック増幅器からの増幅された信号光と励起光とを分波する分波器、および、
　前記第２の二次非線形光学素子の温度を調整する第２の温度調整器
を含む光パラメトリック増幅部と、
　前記励起光生成部からの前記励起光を、前記合波器へ励起光を供給する第１の出力ポートと、第１の光検出器に接続された第２の出力ポートに分岐し、制御電圧Ｖによって分岐比を調整できるカプラと、
　前記第１の光検出器からの電気信号および前記制御電圧Ｖに基づいて、前記励起光生成部からの前記励起光の強度を求め、第１の誤差信号を生成する第１の励起光演算部と、
　前記第１の誤差信号に基づいて、前記光増幅器への制御信号および前記第１の温度調整器への制御信号を生成し、前記励起光生成部からの前記励起光の強度を一定値に制御する周波数ダブラ制御部と、
　前記第１の光検出器からの電気信号および前記制御電圧Ｖに基づいて、前記合波器への入力励起光の強度を求める第２の励起光演算部と、
　前記分波器から分波された出力励起光の強度を検出する第２の光検出器と、
　前記入力励起光の前記強度および前記出力励起光の前記強度から、前記光パラメトリック増幅器における励起光の利用率を求める利用率算出部と、
　前記利用率に基づいて、前記制御電圧Ｖを調整して、前記入力励起光の前記強度を一定値に制御する励起光強度制御部と、
　前記調整された制御信号Ｖに基づいて、前記第２の温度調整器への制御信号を生成し、前記利用率を一定に制御する最適温度制御部と
　を備えた光増幅器。
　前記周波数ダブラ制御部は、
　　前記光増幅器への前記制御信号を生成する第１の比例・積分・微分（ＰＩＤ）制御器と、
　　基準周波数信号を生成する第１の信号生成器と、
　　前記第１のＰＩＤ制御器からの前記光増幅器への前記制御信号と前記基準周波数信号を乗算する第１のミキサと、
　　前記第１のミキサからの復調信号に対する低周波数透過フィルタと、
　　前記低周波数透過フィルタからの誤差信号から、前記第１の誤差信号を生成する第２のＰＩＤ制御器と、
　前記第１の誤差信号に、前記信号生成器からのディザ信号を加算する第１の加算器と
　を含み、
　前記励起光強度制御部および前記最適温度制御部は、
　　前記カプラへの前記制御信号Ｖを生成する第３のＰＩＤ制御器と、
　　基準周波数信号を生成する第２の信号生成器と、
　　前記第３のＰＩＤ制御器からの前記制御信号Ｖと前記基準周波数信号を乗算する第２のミキサと、
　　前記第２のミキサからの復調信号に対する第２の低周波数透過フィルタと、
　　前記第２の低周波数透過フィルタからの出力から、第２の誤差信号を生成する第４のＰＩＤ制御器と、
　　前記第２の誤差信号に、前記信号生成器からのディザ信号を加算する第２の加算器と
　を含む請求項１に記載の光増幅器。
　前記第１の信号生成器および前記第２の信号生成器からの前記ディザ信号の周波数は、それぞれ１０Ｈｚ以下である請求項２に記載の光増幅器。
　プロセッサと、
　前記カプラの前記制御電圧Ｖと、前記第１の出力ポートおよび前記第２の出力ポートへの分岐比との間の関係データをストアしたメモリと
　をさらに備え、
　前記関係データに基づいて、前記第１の励起光演算部、前記周波数ダブラ制御部、前記第２の励起光演算部、前記利用率算出部、前記励起光強度制御部および前記最適温度制御部の各動作が、前記プロセッサによる演算処理によって実施される請求項１に記載の光増幅器。