WO2024121905A1 - 光デバイス及び光増幅装置 - Google Patents

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WO2024121905A1
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polarization
pbs
optical
linearly polarized
rotator
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真志 阿部
毅伺 梅木
拓志 風間
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日本電信電話株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to optical devices and optical amplifiers.
  • the wavelength band known as the C band which has wavelengths from 1530 nm to 1565 nm
  • the C band which has wavelengths from 1530 nm to 1565 nm
  • wavelength multiplexing technology and high-speed multi-level modulation technology have been researched, developed, and put to practical use, resulting in increased optical communications capacity.
  • This capacity increase is set to continue, but wavelength multiplexing technology has already reached a plateau, as it uses the entire wavelength range of the C band. Therefore, in order to further increase the capacity of communications beyond 5G in recent years, there have been considerations of expanding the communication wavelength band to the S band (1460 nm to 1530 nm) and L band (1565 nm to 1625 nm) next to the C band (see, for example, Non-Patent Document 1).
  • Nonlinear media include highly nonlinear fiber types and those using nonlinear crystals (e.g., periodically poled LiNbO3 (PPLN) crystals). Unless otherwise noted, this document describes wavelength converters using nonlinear optical crystals.
  • PPLN periodically poled LiNbO3
  • FIG 1 shows the schematic configuration of a wavelength converter using a nonlinear optical crystal.
  • the wavelength converter 3 shown in Figure 1 converts the wavelength of signal light input via an optical fiber 1.
  • the wavelength converter 3 includes an erbium-doped fiber amplifier (EDFA) 4 that amplifies the pump light from the pump light device 2, an SHG module 7 for second harmonic generation (SHG), and an OPA module 6 for optical parametric amplification (OPA) of the signal light using the second harmonic.
  • EDFA erbium-doped fiber amplifier
  • SHG SHG
  • OPA optical parametric amplification
  • the SHG module 7 has two lenses and a dichroic mirror arranged on the input side to transmit only the pump light of the desired wavelength and couple it to the PPLN 5. Of the pump light focused on the dichroic mirror by the first lens, only the pump light of the desired wavelength is focused by the second lens and coupled to the PPLN 5. In addition, on the output side of the SHG module 7, two lenses and a dichroic mirror are arranged to separate only the second harmonic of the desired wavelength and output it to the outside. Of the output of the PPLN 5 focused on the dichroic mirror by the first lens, only the desired second harmonic is focused by the second lens and coupled to an external optical fiber.
  • the SHG module 7 can also be configured to have only lenses that focus light on one or both of the input and output sides, that is, to have no dichroic mirror.
  • the OPA module 6 has three lenses and a dichroic mirror arranged on the input side to couple the signal light and the second harmonic from the SHG module 7 to the PPLN 5. Only the signal light of the desired wavelength collected by the first lens and transmitted through the dichroic mirror and the desired second harmonic collected by the second lens and reflected by the dichroic mirror are collected by the third lens and coupled to the PPLN 5. In addition, two lenses and a dichroic mirror are arranged on the output side of the OPA module 6 to separate and output only the signal light that has been frequency-converted to the desired frequency to the outside. Only the signal light that has been frequency-converted to the desired frequency collected by the first lens and transmitted through the dichroic mirror is collected by the second lens and coupled to an external optical fiber.
  • Polarization multiplexed signals are used to increase the capacity of optical communications.
  • the wavelength converter 3 equipped with a PPLN shown in Figure 1 is the basic configuration for amplifying polarization multiplexed signals.
  • the wavelength converter 3 is also called an optical parametric amplifier. Since wavelength converters equipped with a PPLN exhibit polarization dependency, polarization-independent optical amplification compatible with polarization multiplexed signals has been proposed and demonstrated (see, for example, Non-Patent Document 2).
  • Figures 2 and 3 show the schematic configuration of a polarization-independent optical amplifier.
  • the polarization-independent optical amplifier 20 shown in FIG. 2 separates the signal light incident through the optical fiber 1 into signal light for each polarization component using a polarizing beam splitter (PBS) 21-1, performs optical parametric amplification on the linearly polarized first polarization component (S-polarized component) in a wavelength converter 3-2, and performs optical parametric amplification independently on the linearly polarized second polarization component (P-polarized component) that is orthogonal to the first polarization component in a separate wavelength converter 3-1.
  • the two polarizations after optical parametric amplification are multiplexed again by the second PBS 21-2 and output.
  • the pump light from the pump light device 2 is branched by a one-input two-output optical coupler 22 and supplied to the SHG module 7 of the wavelength converter 3-1 and the SHG module 7 of the wavelength converter 3-2, respectively.
  • the polarization-independent optical amplifier 20 shown in Figure 2 does not cause inter-polarization interference as described in Non-Patent Document 2, but differences in the optical path length of each polarization are likely to occur, and in particular, when optical path lengths of several meters or more are used using fiber components, differences in optical path length are likely to occur due to thermal expansion and contraction of the fiber and changes in refractive index caused by temperature changes.
  • the polarization-independent optical amplifier 30 shown in FIG. 3 differs from the optical amplifier 20 shown in FIG. 2 in that the OPA module 6 of the wavelength converter 3-1 and the OPA module 6 of the wavelength converter 3-2 are connected via a polarization rotator 31.
  • the linearly polarized light of the first polarization component (S-polarized component) that has passed through the OPA module 6 of the wavelength converter 3-2 is rotated by the polarization rotator 31 by 90°, then passes through the OPA module 6 of the wavelength converter 3-1, is reflected by the PBS 21-1, and is multiplexed again and output.
  • the linearly polarized light of the second polarization component (P-polarized component) that has passed through the OPA module 6 of the wavelength converter 3-1 is rotated by the polarization rotator 31 by 90°, passes through the OPA module 6 of the wavelength converter 3-2, is multiplexed again and output.
  • This disclosure has been made in consideration of these problems, and its purpose is to provide an optical device that suppresses the reflection of the orthogonal polarization component in the optical amplifier 30 shown in Figure 3.
  • the optical device includes a first polarizing beam splitter (PBS) and a second PBS that reflect the linearly polarized light of an incident first polarization component and transmit the linearly polarized light of a second polarization component orthogonal to the first polarization component, the first PBS being arranged so that the first PBS reflects the linearly polarized light of the first polarization component toward a first path among a first path and a second path between the first PBS and the second PBS, and the second PBS reflects the linearly polarized light of the first polarization component toward the second path, a first polarization rotator and a second polarization rotator arranged in the first path, and an optical element arranged between the first polarization rotator and the second polarization rotator that transmits only the linearly polarized light of a third polarization component.
  • PBS polarizing beam splitter
  • second PBS that reflect the linearly polarized light of an incident first polarization component and transmit the
  • the present disclosure it is possible to provide an optical device that suppresses reflection of orthogonal polarization components. Furthermore, according to one embodiment of the present disclosure, it is possible to reduce the optical path difference between polarization components that are orthogonal to each other.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a wavelength converter including a nonlinear medium with a periodically poled structure.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a repeater optical amplifier device compatible with polarization multiplexed light.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a repeater optical amplifier device compatible with polarization multiplexed light.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical device according to an embodiment of the present disclosure.
  • 1 is a schematic configuration diagram of an optical amplifier device compatible with polarization multiplexed light according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 An optical device according to a first embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. 4.
  • the optical device according to this embodiment can be used in place of the polarization rotator 31 of the optical amplifier 30 described with reference to FIG. 3.
  • the optical device 40 shown in FIG. 4 includes a first PBS 41-1 and a second PBS 41-2.
  • a mirror 44-1 and Faraday rotators (FR) 42-1 and 42-2 are arranged on a first path (path from right to left in the upper part of FIG. 4) between the first PBS 41-1 and the second PBS 41-2.
  • a polarizer 43-1 is arranged between the FR 42-1 and the FR 42-2.
  • a mirror 44-2 and FRs 42-4 and 42-3 are arranged on a second path (path from left to right in the upper part of FIG. 4) between the first PBS 41-1 and the second PBS 41-2.
  • a polarizer 43-2 is arranged between the FR 42-4 and the FR 42-3.
  • the first PBS 41-1 and the second PBS 41-2 are configured to reflect the linearly polarized light of the first polarized component (S-polarized component) that is incident and to transmit the linearly polarized light of the second polarized component (P-polarized component) that is orthogonal to the first polarized component.
  • Mirror 44-1 is positioned so as to reflect the first polarized component (S-polarized component) reflected by the first PBS 41-1 toward FR 42-1.
  • Mirror 44-2 is positioned so as to reflect the first polarized component (S-polarized component) reflected by the second PBS 41-2 toward FR 42-4.
  • FR42-1 and FR42-4 are polarization rotators configured to rotate the angle of the polarization direction of the incident linearly polarized light by 45° before outputting it.
  • the angle of the polarization direction of the linearly polarized light of the first polarized component incident from the right side of FR42-1 is 90°
  • the angle of the polarization direction of the linearly polarized light output from the left side of FR42-1 is 135°.
  • the angle of the polarization direction of the linearly polarized light of the first polarized component incident from the left side of FR42-4 is 90°
  • the angle of the polarization direction of the linearly polarized light output from the right side of FR42-4 is 135°.
  • Polarizer 43-1 and polarizer 43-2 are configured to transmit only linearly polarized light of the polarization component with a preset polarization direction angle.
  • the preset polarization direction angle is 135°, which is the sum of the polarization direction angle of the linearly polarized light of the first polarization component (90°) and the polarization direction angle rotated by FR42-1 (i.e., 45°).
  • Faraday rotators (FR) 42-2 and FR 42-3 are polarization rotators configured to rotate the polarization direction of the incident linearly polarized light by 45° before outputting it.
  • the polarization direction angle of the linearly polarized light incident from the right side of FR 42-2 i.e., the linearly polarized light transmitted through polarizer 43-1
  • the polarization direction angle of the linearly polarized light output from the left side of FR 42-2 is 180° (i.e., the linearly polarized light of the second polarized component (P-polarized component)).
  • the polarization direction angle of the linearly polarized light incident from the left side of FR 42-3 i.e., the linearly polarized light transmitted through polarizer 43-2
  • the polarization direction angle of the linearly polarized light output from the right side of FR 42-3 is 180° (i.e., the linearly polarized light of the second polarized component (P-polarized component)).
  • Linearly polarized light (S-polarized component with a polarization direction angle of 90°) polarized in the direction perpendicular to the page from the right side of the optical device 40 is reflected by PBS 41-1 and mirrored by mirror 44-1 arranged on the first path, where the polarization direction angle is rotated by 45° by FR 44-1.
  • the linearly polarized light with a polarization direction angle of 135° emitted from FR 44-1 then passes through polarizer 43-1, which has a preset polarization direction angle of 135°, and the polarization direction angle is further rotated by 45° by FR 42-2.
  • Linearly polarized light with a polarization angle of 180° i.e., linearly polarized light polarized in the horizontal direction of the paper, perpendicular to the polarization (S-polarized component) when it entered the optical device 40 (P-polarized component with a polarization angle of 180°) that exits from FR42-2 passes through PBS41-2 and is output from the left side of the optical device 40.
  • linearly polarized light polarized in the vertical direction of the paper from the left side of the optical device 40 (S-polarized component with a polarization angle of 90°) is reflected by PBS41-2, travels from left to right on the second path, passes through PBS41-1, and is output from the left side of the optical device 40.
  • the linearly polarized P-polarized component output from the left side of the optical device 40 is reflected by some optical surface and re-enters the optical device 40 as return light.
  • the return light which is linearly polarized light with a polarization direction angle of 180° (P-polarized component)
  • P-polarized component linearly polarized light with a polarization direction angle of 180°
  • the linearly polarized light with a polarization direction angle of 225° output from the FR 42-2 cannot pass through the polarizer 43-1, which has a preset polarization direction angle of 135°, and is blocked.
  • the polarized component in the return light with a polarization direction angle of 135° passes through the polarizer 43-1 (about 30 dB of the return light entering the polarizer 43-1).
  • the angle of the polarization direction is rotated by 45°.
  • the return light (linearly polarized light with a polarization direction angle of 180°) that has been output from the FR42-1 passes through the PBS41-1 and does not return to the right side of the optical device 40 (the original incident position).
  • the number of FRs arranged on each path may be one, three or more.
  • the function may also be realized by an integrated device using process integration technology such as silicon photonics.
  • the optical device 40 of this embodiment can suppress reflection of orthogonal polarization components. Although an optical path difference between polarizations may occur in the optical device 40, this optical path difference can be made smaller.
  • the optical device 50 shown in FIG. 5 differs from the optical device 40 shown in FIG. 4 in that FR52-1 and FR52-1 are arranged in the first path and the second path instead of FR42-1 and FR42-4.
  • the optical device 50 shown in FIG. 5 also differs from the optical device 40 shown in FIG. 4 in that a third PBS 51-1 and a fourth PBS 51-2 are arranged in the first path and the second path instead of the polarizer 43-1 and the polarizer 43-2.
  • the optical device 50 shown in FIG. 5 differs from the optical device 40 shown in FIG. 4 in that photodetectors 53-1 and 53-2 are provided in the vicinity of the first path and the second path.
  • FR52-1 and FR52-2 are polarization rotators configured to rotate the angle of the polarization direction of the incident linearly polarized light by 43° before outputting it.
  • the angle of the polarization direction of the linearly polarized light of the first polarized component incident from the right side of FR52-1 is 90°
  • the angle of the polarization direction of the linearly polarized light output from the left side of FR52-1 is 133°.
  • the angle of the polarization direction of the linearly polarized light of the first polarized component incident from the left side of FR52-2 is 90°
  • the angle of the polarization direction of the linearly polarized light output from the right side of FR52-2 is 133°.
  • the third PBS 51-1 and the fourth PBS 51-2 are configured to transmit linearly polarized light with a polarization direction angle of 135° and to reflect polarization components with a polarization direction angle other than 135°.
  • Photodetectors 53-1 and 53-2 are disposed near the first and second paths and are configured to detect light reflected by PBS 51-1 and PBS 51-2.
  • Linearly polarized light (S-polarized component with a polarization direction angle of 90°) polarized in the direction perpendicular to the paper from the right side of the optical device 50 is reflected by PBS 41-1 and mirrored by mirror 44-1 arranged on the first path, and the polarization direction angle is rotated by 43° by FR 52-1.
  • the linearly polarized light with a polarization direction angle of 135° (99.9%) contained in the linearly polarized light with a polarization direction angle of 133° output from FR 52-1 passes through the third PBS 51-1, and the polarization components (0.1%) with a polarization direction angle other than 135° are reflected by the third PBS 51-1. Furthermore, the linearly polarized light with a polarization direction angle of 135° that passes through the third PBS 51-1 has its polarization direction angle rotated by 45° by FR 42-2.
  • Linearly polarized light with a polarization angle of 180° i.e., linearly polarized light polarized in the horizontal direction of the paper perpendicular to the polarization (S-polarized component) when it enters the optical device 50 (P-polarized component with a polarization angle of 180°) that exits from FR42-2 passes through PBS41-2 and is output from the left side of the optical device 50.
  • Polarized components with a polarization angle other than 135° that are reflected by the third PBS 51-1 enter the photodetector 53-1.
  • linearly polarized light polarized in the direction perpendicular to the paper from the left side of the optical device 50 (S-polarized component with a polarization angle of 90°) is reflected by PBS 41-2, travels from left to right along the second path, passes through PBS 41-1, and is output from the left side of the optical device 50.
  • Polarized components reflected by the third PBS 51-1 and the fourth PBS 51-2 with a polarization direction angle other than 135° enter the photodetectors 53-1 and 53-2.
  • This makes it possible to monitor the signal light (e.g., parametrically amplified components) entering the optical device 50.
  • this can be used to detect error signals when an optical parametric amplifier is configured in a polarization diversity configuration. It can also be used to monitor the gain, and can be used to monitor gain adjustment.
  • the rotation angle of the polarization direction by FR 52-1 and FR 52-2 is set to 43.0°, but the amount of monitored light can be increased or decreased by adjusting the rotation angle according to the amount of light required by the system.
  • the linearly polarized P-polarized light component output from the left side of the optical device 50 is reflected by some optical surface and re-enters the optical device 50 as return light.
  • the return light passes through the PBS 41-2, as in the optical device 40 in FIG. 4, and passes through the FR 42-2 arranged on the first path, causing the angle of the polarization direction to be rotated by 45°.
  • the linearly polarized light with a polarization direction angle of 225° output from the FR 42-2 cannot pass through the third PBS 51-1 and is reflected. Some of the return light may pass through the third PBS 51-1. When the return light that passes through the third PBS 51-1 passes through the FR 42-1, the angle of the polarization direction is rotated by 43°.
  • the return light (polarized component with a polarization direction angle of 178°) output from the FR 42-1 passes through the PBS 41-1 and does not return to the right side of the optical device 50 (the original position of incidence). Note that even here, it is not possible to completely block the light by increasing the polarization extinction ratio of PBS 41-1, but as with the optical device 40 in FIG. 4, there is almost no effect on crosstalk with the signal light entering from the left side of the optical device 50.
  • the optical device 50 of this embodiment can suppress reflection of orthogonal polarization components. Although an optical path difference between polarizations may occur in the optical device 50, this optical path difference can be made smaller.
  • the optical amplifier 60 shown in Fig. 6 is an arrangement of optical parametric amplifiers in a polarization diversity configuration.
  • the optical amplifier 60 differs from the optical amplifier 30 shown in Fig. 3 in that the optical device 40 shown in Fig. 4 and the optical device 50 shown in Fig. 5 are arranged instead of the polarization rotator 31.
  • the optical device 50 shown in Fig. 5 is used in the optical amplifier 60, as described above, the parametrically amplified components (signal light) output from the optical parametric amplifier (OPA) modules of the wavelength converters 3-1 and 3-2 can be monitored.
  • OPA optical parametric amplifier
  • the polarization-independent optical amplifier device 60 shown in Figure 5 separates the signal light incident through the optical fiber 1 into signal light for each polarization component using the fifth PBS 21-1, performs optical parametric amplification on the linearly polarized first polarization component (S-polarized component) in the wavelength converter 3-2, and performs optical parametric amplification independently on the linearly polarized second polarization component (P-polarized component) that is orthogonal to the first polarization component in a separate wavelength converter 3-1.
  • the pumping light from the pumping light device 2 is branched by the one-input two-output optical coupler 22 and supplied to the SHG module 7 of the wavelength converter 3-1 and the SHG module 7 of the wavelength converter 3-2, respectively.
  • the linearly polarized light of the first polarized component (S polarized component) that has passed through the OPA module 6 of the wavelength converter 3-2 has its polarization direction angle rotated by 90° by the optical device 40 shown in FIG. 4 or the optical device 50 shown in FIG. 5, then passes through the OPA module 6 of the wavelength converter 3-1, is reflected by the PBS 21-1, and is multiplexed again and output.
  • the linearly polarized light of the second polarized component (P polarized component) that has passed through the OPA module 6 of the wavelength converter 3-1 has its polarization direction angle rotated by 90° by the optical device 40 or the optical device 50, passes through the OPA module 6 of the wavelength converter 3-2, passes through the PBS 21-1, and is multiplexed again and output.
  • This disclosure provides an optical device and an optical amplifier that can be used in optical communications.

Landscapes

  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

本開示の一実施形態に係る光デバイスは、入射する第１の偏波成分の直線偏光を反射し且つ第１の偏波成分に直交する第２の偏波成分の直線偏光を透過する第１の偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）及び第２のＰＢＳであり、第１のＰＢＳが、第１の偏波成分の直線偏光を、第１のＰＢＳと前記第２のＰＢＳとの間の第１の経路及び第２の経路のうちの第１の経路に向けて反射し、第２のＰＢＳが第１の偏波成分の直線偏光を第２の経路に向けて反射するように配置されている、第１のＰＢＳ及び第２のＰＢＳと、第１の経路に配置された、第１の偏波回転子及び第２の偏波回転子と、第１の偏波回転子と第２の偏波回転子との間に配置された、第３の偏波成分の直線偏光のみを透過する光学素子と、を備えている。

Description

光デバイス及び光増幅装置
　本発明は、光デバイス及び光増幅装置に関する。
　従来、長距離光通信においては、波長１５３０ｎｍから１５６５ｎｍのＣ帯と呼ばれる波長帯が広く使われている。これまで、波長多重技術及び高速・多値変調技術が研究・開発・実用化され、光通信容量の長大化がなされてきた。この大容量化はさらに続く方向であるが、波長多重技術はＣ帯の波長帯全域をすでに使っているため、頭うちになっている。そこで、近年５Ｇ以降の通信のさらなる大容量化のために、Ｃ帯の隣のＳ帯(１４６０ｎｍから１５３０ｎｍ)及びＬ帯(１５６５ｎｍから１６２５ｎｍ)へ通信波長帯を拡大することが検討されている（たとえば非特許文献１参照）。
　このような通信波長帯の拡大には、既存の通信設備を利用する必要があり、波長変換器が必要となる。光非線形効果を用いた波長変換器が提案されている。非線形媒質としては、高非線形ファイバタイプ及び非線形結晶（たとえば周期分極反転ＬｉＮｂＯ３ (Periodically Poled Lithium Niobate：ＰＰＬＮ)結晶）を使ったものがある。本件は断りがないかぎり非線形光学結晶を使用した波長変換器について記載する。
　図１は、非線形光学結晶を使用した波長変換器の概略構成を示す図である。図１に示す波長変換器３は、光ファイバ１を介して入力される信号光の波長を変換するものである。波長変換器３は、励起光装置２から励起光を増幅するエルビウム添加ファイバアンプ（ＥＤＦＡ）４と、第二次高調波生成（ＳＨＧ：Second Harmonics Generation）のためのＳＨＧモジュール７と、第二次高調波によって信号光に対して光パラメトリック増幅（Optical Parametric Amplification：ＯＰＡ）を行うためのＯＰＡモジュール６とを備える。ＳＨＧモジュール７は、ＰＰＬＮ５をそれぞれ備えている。
　ＳＨＧモジュール７は、入力側に所望の波長の励起光のみを透過してＰＰＬＮ５に結合するための２つのレンズ及びダイクロイックミラーが配置されている。第１のレンズによりダイクロイックミラーに集光された励起光のうちの所望の波長の励起光のみが、第２のレンズにより集光されＰＰＬＮ５に結合する。また、ＳＨＧモジュール７の出力側には、所望の波長の第二次高調波のみを分離して外部に出力するための２つレンズ及びダイクロイックミラーが配置されている。第１のレンズによりダイクロイックミラーに集光されたＰＰＬＮ５の出力のうちの所望の第二次高調波のみが、第２のレンズにより集光され外部の光ファイバに結合する。ＳＨＧモジュール７は、入力側および出力側の一方または両方に、光を集光するレンズのみを有する構成とする、すなわちダイクロイックミラーを有さない構成とすることもできる。
　ＯＰＡモジュール６は、入力側に信号光及びＳＨＧモジュール７からの第二次高調波をＰＰＬＮ５に結合するための３つのレンズ及びダイクロイックミラーが配置されている。第１のレンズにより集光されダイクロイックミラーを透過した所望の波長の信号光及び第２のレンズにより集光されダイクロイックミラーにより反射された所望の第二次高調波のみが第３のレンズにより集光されＰＰＬＮ５に結合する。また、ＯＰＡモジュール６出力側には、所望の周波数に周波数変換された信号光のみを分離して外部へ出力するための２つのレンズ及びダイクロイックミラーが配置されている。第１のレンズにより集光されダイクロイックミラーを透過した所望の周波数に周波数変換された信号光のみが第２のレンズにより集光して外部の光ファイバに結合される。
　光通信容量の長大化においては偏波多重信号が用いられている。図１に示したＰＰＬＮを備えた波長変換器３は、偏波多重信号を増幅する際の基本構成となる。波長変換器３は、光パラメトリック増幅器とも呼ばれる。ＰＰＬＮを備えた波長変換器は、偏波依存性を示すので、これまで、偏波多重信号に対応した偏波無依存の光増幅が提案、実証されている（たとえば非特許文献２参照）。図２及び図３に、偏波無依存の光増幅装置の概略構成を示す。
　図２に示す偏波無依存の光増幅装置２０は、光ファイバ１を介して入射する信号光を、偏光（偏波）ビームスプリッタ（Polarizing Beam Splitter：ＰＢＳ）２１－１によって偏波成分毎に信号光を分離し、第１の偏波成分（Ｓ偏光成分）の直線偏光に対して波長変換器３－２で光パラメトリック増幅を行い、第１の偏波成分に直交する第２の偏波成分（Ｐ偏光成分）の直線偏光に対して独立に別個の波長変換器３－１で光パラメトリック増幅を行う。光パラメトリック増幅が行われた後の２つの偏波は、第２のＰＢＳ２１－２によって再び多重化され出力される。励起光装置２からの励起光は、１入力２出力光カプラ２２により分岐され、波長変換器３－１のＳＨＧモジュール７及び波長変換器３－２のＳＨＧモジュール７へそれぞれ供給される。
　図２に示す偏波無依存の光増幅装置２０は、非特許文献２に挙げられているように偏波間干渉が起こらないが、各偏光の光路長に差が生じ易く、特にファイバ部品を使った数メートル以上の光路長を有するとその温度変化によりファイバの熱伸縮及び屈折率変化によって光路長の差が生じ易い。
　図３に示す偏波無依存の光増幅装置３０は、波長変換器３－１のＯＰＡモジュール６及び波長変換器３－２のＯＰＡモジュール６が偏波回転子３１を介して接続されている点で図２の光増幅装置２０と異なる。光増幅装置３０において、波長変換器３－２のＯＰＡモジュール６を透過した第１の偏波成分（Ｓ偏光成分）の直線偏光は、偏波回転子３１により偏光方向の角度が９０°だけ回転された後、波長変換装器３－１のＯＰＡモジュール６を透過して、ＰＢＳ２１－１により反射されて再び多重化され出力される。また、波長変換器３－１のＯＰＡモジュール６を透過した第２の偏波成分（Ｐ偏光成分）の直線偏光は、偏波回転子３１により偏光方向の角度が９０°だけ回転された後、波長変換器３－２のＯＰＡモジュール６を透過して、ＰＢＳ２１－１を透過して再び多重化され出力される。
特許第６１１０５４７号
Tomoyuki Kato et al.，"WDM Transmission in S-Band Using PPLN-Based Wavelength Converters and 400-Gb/s C-band Real-Time Transceivers"，OECC/PSC 2022， ２０２２年７月 Takeshi Umeki et al.，"PDM Signal Amplification Using PPLN-Based Polarization-Independent Phase-Sensitive Amplifier"，Journal of Lightwave Technology，Vol.33，No.7， pp.1326-1332，２０１５年４月
　図３に示す光増幅装置３０の構成は、同一光路を反対方向に異なる偏波成分の直線偏光が伝搬するので、光路差はない。しかし、この構成は２つの波長変換器のうちの一方の波長変換器で光パラメトリック増幅された強度の強い光がもう一方の波長変換器などで反射され、直交する偏波成分に重畳され、信号劣化をもたらすという問題があった（たとえば、特許文献１及び非特許文献２参照）。
　本開示は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、図３に示す光増幅装置３０におけるこの直交偏波成分の反射を抑制する光デバイスを提供することにある。
　本開示の一実施形態に係る光デバイスは、入射する第１の偏波成分の直線偏光を反射し且つ前記第１の偏波成分に直交する第２の偏波成分の直線偏光を透過する第１の偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）及び第２のＰＢＳであり、第１のＰＢＳが、第１の偏波成分の直線偏光を、第１のＰＢＳと第２のＰＢＳとの間の第１の経路及び第２の経路のうちの第１の経路に向けて反射し、第２のＰＢＳが第１の偏波成分の直線偏光を第２の経路に向けて反射するように配置されている、第１のＰＢＳ及び第２のＰＢＳと、第１の経路に配置された、第１の偏波回転子及び第２の偏波回転子と、第１の偏波回転子と第２の偏波回転子との間に配置された、第３の偏波成分の直線偏光のみを透過する光学素子と、を備えている。
　以上説明したように、本開示の一実施形態によれば、直交偏波成分の反射を抑制する光デバイスを提供することが可能となる。また、本開示の一実施形態によれば、互いに直交する偏波成分間の光路差を小さくすることが可能となる。
周期分極反転構造の非線形媒質を備えた波長変換器の概略構成図である。 偏波多重光対応の中継光増幅装置の概略構成図である。 偏波多重光対応の中継光増幅装置の概略構成図である。 本開示の一実施形態にかかる光デバイスの概略構成図である。 本開示の一実施形態にかかる光デバイスの概略構成図である。 本開示の一実施形態にかかる偏波多重光対応の光増幅装置の概略構成図である。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。同一または類似の参照符号は、同一または類似の要素を示し、繰り返しの説明を省略する場合がある。以下の説明における数値は例示であり、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で他の数値に替えて本開示の実施形態に係る光デバイス及び光増幅装置を実施することができる。
［第１の実施形態］
　図４を参照して、本開示の第１の実施形態に係る光デバイスを説明する。本実施形態に係る光デバイスは、図３を参照して説明した光増幅装置３０の偏波回転子３１に替えて使用することができる。図４に示す光デバイス４０は、第１のＰＢＳ４１－１及び第２のＰＢＳ４１－２を備えている。第１のＰＢＳ４１－１と第２のＰＢＳ４１－２との間の第１の経路（図４の上側の右から左に向かう経路）には、ミラー４４－１と、ファラデーローテーター（ＦＲ）４２－１及び４２－２が配置されている。ＦＲ４２－１とＦＲ４２－２との間には、偏光子４３－１が配置されている。第１のＰＢＳ４１－１と第２のＰＢＳ４１－２との間の第２の経路（図４の上側の左から右に向かう経路）には、ミラー４４－２と、ＦＲ４２－４及び４２－３が配置されている。ＦＲ４２－４とＦＲ４２－３との間には、偏光子４３－２が配置されている。
　第１のＰＢＳ４１－１及び第２のＰＢＳ４１－２は、入射する第１の偏波成分（Ｓ偏光成分）の直線偏光を反射し且つ第１の偏波成分に直交する第２の偏波成分（Ｐ偏光成分）の直線偏光を透過するように構成されている。
　ミラー４４－１は、第１のＰＢＳ４１－１により反射された第１の偏波成分（Ｓ偏光成分）をＦＲ４２－１に向けて反射するように配置されている。ミラー４４－２は、第２のＰＢＳ４１－２により反射された第１の偏波成分（Ｓ偏光成分）をＦＲ４２－４に向けて反射するように配置されている。
　ＦＲ４２－１及びＦＲ４２－４は、入射した直線偏光の偏光方向の角度を４５°だけ回転して出射するように構成された偏波回転子である。図４において、ＦＲ４２－１の右側から入射する第１の偏波成分の直線偏光の偏光方向の角度は９０°であり、ＦＲ４２－１の左側から出射する直線偏光の偏光方向の角度は１３５°である。また、ＦＲ４２－４の左側から入射する第１の偏波成分の直線偏光の偏光方向の角度は９０°であり、ＦＲ４２－４の右側から出射する直線偏光の偏光方向の角度は１３５°である。
　偏光子４３－１及び偏光子４３－２は、予め設定された偏光方向の角度の偏波成分の直線偏光のみを透過するように構成されている。本実施形態において、予め設定された偏光方向の角度は、第１の偏波成分の直線偏光の偏光方向の角度である９０°にＦＲ４２－１により回転される偏光方向の角度（すなわち４５°）を加えた角度である１３５°である。
　ファラデーローテーター（ＦＲ）４２－２及びＦＲ４２－３は、入射した直線偏光の偏光方向の角度を４５°だけ回転して出射するように構成された偏波回転子である。図４において、ＦＲ４２－２の右側から入射する直線偏光（すなわち偏光子４３－１を透過した直線偏光）の偏光方向の角度は１３５°であり、ＦＲ４２－２の左側から出射する直線偏光の偏光方向の角度は１８０°（すなわち第２の偏波成分の直線偏光（Ｐ偏光成分））である。また、ＦＲ４２－３の左側から入射する直線偏光（すなわち偏光子４３－２を透過した直線偏光）の偏光方向の角度は１３５°であり、ＦＲ４２－３右側から出射する直線偏光の偏光方向の角度は１８０°（すなわち第２の偏波成分の直線偏光（Ｐ偏光成分））である。
　本実施形態の光デバイス４０の作用を説明する。光デバイス４０の右側から紙面垂直方向に偏光した（偏光方向の角度が９０°のＳ偏光成分の）直線偏光は、ＰＢＳ４１－１により反射され、第１の経路に配置されたミラー４４－１でされ、ＦＲ４４－１により偏光方向の角度が４５°だけ回転される。その後、ＦＲ４４－１から出射した偏光方向の角度が１３５°の直線偏光は、予め設定された偏光方向の角度が１３５°である偏光子４３－１を透過し、さらにＦＲ４２－２により偏光方向の角度が４５°だけ回転される。ＦＲ４２－２から出射した偏光方向の角度が１８０°の直線偏光（すなわち光デバイス４０へ入射したときの偏光（Ｓ偏光成分）と直交した紙面水平方向に偏光した（偏光方向の角度が１８０°のＰ偏光成分の）直線偏光は、ＰＢＳ４１－２を透過し、光デバイス４０の左側から出力される。同様に、光デバイス４０の左側から紙面垂直方向に偏光した（偏光方向の角度が９０°のＳ偏光成分の）直線偏光は、ＰＢＳ４１－２により反射され、第２の経路を左から右方向に進み、ＰＢＳ４１－１を透過し、光デバイス４０の左側から出力される。
　光デバイス４０の左側から出力されたＰ偏光成分の直線偏光がなんらかの光学面により反射され、戻り光として光デバイス４０に再入射する。このとき、偏光方向の角度が１８０°（Ｐ偏光成分）の直線偏光である戻り光は、ＰＢＳ４１－２を透過し、第１の経路に配置されたＦＲ４２－２を透過して偏光方向の角度が４５°だけ回転される。ＦＲ４２－２から出射した偏光方向の角度が２２５°の直線偏光は、予め設定された偏光方向の角度が１３５°である偏光子４３－１を透過できず、遮られる。ただし、実際にはＰＢＳや偏光子における偏波消光比を高くして完全に遮断することができない。戻り光における偏光方向の角度が１３５°の偏波成分が偏光子４３－１を透過する（偏光子４３－１へ入射する戻り光の３０ｄＢ程度）。偏光子４３－１を透過した戻り光がＦＲ４２－１を透過すると、偏光方向の角度が４５°だけ回転される。ＦＲ４２－１から出射した戻り光（偏光方向の角度が１８０°の直線偏光）は、ＰＢＳ４１－１を透過し、光デバイス４０の右側（元の入射した位置）に戻らないことになる。なお、ここでもＰＢＳ４１－１における偏波消光比を高くして完全に遮断することができない。ＰＢＳ４１－１へ入射する戻り光の３０ｄＢ程度はＰＢＳ４１－１により反射されて元の入射位置に達する。光デバイス４０の左側から出力された出射光の１％（２０ｄＢ）が戻り光であると仮定すると、元の入射位置に達する反射光は、出射光に対して、２０ｄＢ＋３０ｄＢ＋３０ｄＢ＝８０ｄＢ程度となる。仮に反射光が２０ｄＢ程度の増幅を受けたとしても信号に対して６０ｄＢの差があり、光デバイス４０の左側から入射する信号光へのクロストークへの影響はほとんどない。
　なお、本実施形態では第１の経路及び第２の経路の各々に２つのＦＲを配置したが、光学配置やシステムに必要となる光量の問題がなければ、各経路に配置するＦＲの数は、１つであっても、３つ以上でもかまわない。また、空間光学系により説明をしてきたが、シリコンフォトニクスをはじめとするプロセス集積技術による集積デバイスにより機能を実現しても良い。
　以上説明したように、本実施形態の光デバイス４０によれば、直交偏波成分の反射を抑制することができる。なお、光デバイス４０における偏波間光路差が生じ得るが、当該光路長差はより小さくすることができる。
［第２の実施形態］
　次に、図５を参照して、本開示の第２の実施形態に係る光デバイスを説明する。本実施形態に係る光デバイスは、図３を参照して説明した光増幅装置３０の偏波回転子３１に替えて使用することができる。図５に示す光デバイス５０は、第１の経路及び第２の経路に、ＦＲ４２－１及びＦＲ４２－４に替えて、ＦＲ５２－１及びＦＲ５２－１を配置している点で、図４に示す光デバイス４０と異なる。また、図５に示す光デバイス５０は、第１の経路及び第２の経路に、偏光子４３－１及び偏光子４３－２に替えて、第３のＰＢＳ５１－１及び第４のＰＢＳ５１－２が配置されている点で、図４に示す光デバイス４０と異なる。さらに、図５に示す光デバイス５０は、第１の経路及び第２の経路の近傍に、光検出器５３－１及び５３－２を備えている点で、図４に示す光デバイス４０と異なる。
　ＦＲ５２－１及びＦＲ５２－２は、入射した直線偏光の偏光方向の角度を４３°だけ回転して出射するように構成された偏波回転子である。図５において、ＦＲ５２－１の右側から入射する第１の偏波成分の直線偏光の偏光方向の角度は９０°であり、ＦＲ５２－１の左側から出射する直線偏光の偏光方向の角度は１３３°である。また、ＦＲ５２－２の左側から入射する第１の偏波成分の直線偏光の偏光方向の角度は９０°であり、ＦＲ５２－２の右側から出射する直線偏光の偏光方向の角度は１３３°である。
　第３のＰＢＳ５１－１及び第４のＰＢＳ５１－２は、偏光方向の角度が１３５°の偏波成分の直線偏光を透過し、且つ偏光方向の角度が１３５°以外の偏波成分を反射するように構成されている。
　光検出器５３－１及び５３－２は、第１の経路及び第２の経路の近傍に配置され、ＰＢＳ５１－１及びＰＢＳ５１－２により反射された光を検出するように構成されている。
　本実施形態の光デバイス５０の作用を説明する。光デバイス５０の右側から紙面垂直方向に偏光した（偏光方向の角度が９０°のＳ偏光成分の）直線偏光は、ＰＢＳ４１－１により反射され、第１の経路に配置されたミラー４４－１でされ、ＦＲ５２－１により偏光方向の角度が４３°だけ回転される。その後、ＦＲ５２－１から出射した偏光方向の角度が１３３°の直線偏光に含まれる偏光方向の角度が１３５°の偏波成分（９９．９％）の直線偏光は、第３のＰＢＳ５１－１を透過し、偏光方向の角度が１３５°以外の偏波成分（０．１％）は、第３のＰＢＳ５１－１で反射される。さらに、第３のＰＢＳ５１－１を透過した偏光方向の角度が１３５°の偏波成分の直線偏光は、ＦＲ４２－２により偏光方向の角度が４５°だけ回転される。ＦＲ４２－２から出射した偏光方向の角度が１８０°の直線偏光（すなわち光デバイス５０へ入射したときの偏光（Ｓ偏光成分）と直交した紙面水平方向に偏光した（偏光方向の角度が１８０°のＰ偏光成分の）直線偏光は、ＰＢＳ４１－２を透過し、光デバイス５０の左側から出力される。第３のＰＢＳ５１－１で反射された偏光方向の角度が１３５°以外の偏波成分は、光検出器５３－１へ入射する。同様に、光デバイス５０の左側から紙面垂直方向に偏光した（偏光方向の角度が９０°のＳ偏光成分の）直線偏光は、ＰＢＳ４１－２により反射され、第２の経路を左から右方向に進み、ＰＢＳ４１－１を透過し、光デバイス５０の左側から出力される。
　第３のＰＢＳ５１－１及び第４のＰＢＳ５１－２で反射された偏光方向の角度が１３５°以外の偏波成分は、光検出器５３－１及び光検出器５３－２へ入射する。これにより、光デバイス５０へ入射する信号光（たとえばパラメトリック増幅成分）のモニターができる。たとえば、光パラメトリック増幅器を偏波ダイバーシティ構成にしたときに、エラーシグナルの検出に利用することができる。また、利得のモニターにもなり得るので、利得調整モニターに利用できる。本実施形態では、ＦＲ５２－１及びＦＲ５２－２による偏光方向の回転角度を４３．０°としたが、システムの必要光量に応じて回転角度を調整することで、モニター光量を増減できる。
　光デバイス５０の左側から出力されたＰ偏光成分の直線偏光がなんらかの光学面により反射され、戻り光として光デバイス５０に再入射する。このとき、戻り光は、図４の光デバイス４０と同様に、ＰＢＳ４１－２を透過し、第１の経路に配置されたＦＲ４２－２を透過して偏光方向の角度が４５°だけ回転される。ＦＲ４２－２から出射した偏光方向の角度が２２５°の直線偏光は、第３のＰＢＳ５１－１を透過できず、反射される。戻り光の一部が第３のＰＢＳ５１－１を透過する場合もある。第３のＰＢＳ５１－１を透過した戻り光は、ＦＲ４２－１を透過すると、偏光方向の角度が４３°だけ回転される。ＦＲ４２－１から出射した戻り光（偏光方向の角度が１７８°の偏波成分）は、ＰＢＳ４１－１を透過し、光デバイス５０の右側（元の入射した位置）に戻らないことになる。なお、ここでもＰＢＳ４１－１における偏波消光比を高くして完全に遮断することができないが、図４の光デバイス４０の場合と同様に、光デバイス５０の左側から入射する信号光へのクロストークへの影響はほとんどない。
　以上説明したように、本実施形態の光デバイス５０によれば、直交偏波成分の反射を抑制することができる。なお、光デバイス５０における偏波間光路差が生じ得るが、当該光路長差はより小さくすることができる。
［第３の実施形態］
　次に図６を参照して、本開示の第３の実施形態に係る光増幅装置を説明する。図６に示す光増幅装置６０は、光パラメトリック増幅器を偏波ダイバーシティ構成にした配置したものである。光増幅装置６０は、偏波回転子３１に替えて、図４に示した光デバイス４０及び図５に示した光デバイス５０を配置した点で、図３に示した光増幅装置３０と異なる。光増幅装置６０において、図５に示した光デバイス５０を用いた場合には、上述したように、波長変換器３－１及び波長変換器３－２が有する光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）モジュールから出力されるパラメトリック増幅成分（信号光）をモニターすることができる。
　図５に示す偏波無依存の光増幅装置６０は、光ファイバ１を介して入射する信号光を、第５のＰＢＳ２１－１によって偏波成分毎に信号光を分離し、第１の偏波成分（Ｓ偏光成分）の直線偏光に対して波長変換器３－２で光パラメトリック増幅を行い、第１の偏波成分に直交する第２の偏波成分（Ｐ偏光成分）の直線偏光に対して独立に別個の波長変換器３－１で光パラメトリック増幅を行う。励起光装置２からの励起光は、１入力２出力光カプラ２２により分岐され、波長変換器３－１のＳＨＧモジュール７及び波長変換器３－２のＳＨＧモジュール７へそれぞれ供給される。波長変換器３－２のＯＰＡモジュール６を透過した第１の偏波成分（Ｓ偏光成分）の直線偏光は、図４に示した光デバイス４０または図５に示した光デバイス５０により偏光方向の角度が９０°だけ回転された後、波長変換装器３－１のＯＰＡモジュール６を透過して、ＰＢＳ２１－１により反射されて再び多重化され出力される。同様に、波長変換器３－１のＯＰＡモジュール６を透過した第２の偏波成分（Ｐ偏光成分）の直線偏光は、光デバイス４０または光デバイス５０により偏光方向の角度が９０°だけ回転された後、信波長変換器３－２のＯＰＡモジュール６を透過して、ＰＢＳ２１－１を透過して再び多重化され出力される。
　本開示は、光通信において使用可能な光デバイス及び光増幅装置を提供する。
　１　光ファイバ
　２　励起光装置
　３、３－１，３－２　波長変換器
　４　エルビウム添加ファイバアンプ（ＥＤＦＡ）
　５　周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）
　６　光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）モジュール
　７　第二次高調波発生（ＳＨＧ）モジュール
　２０，３０，６０　光増幅装置
　２１－１，２１－２，４１－１，４１－２，５１－１，５１－２　偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
　２２　１入力２出力光カプラ
　３１　偏波回転子
　４０、５０　光デバイス
　４２－１，４２－２、４２－３、４２－４，５２－１，５２－４　ファラデーローテーター（ＦＲ）
　４３－１，４３－２　偏光子（Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ：Ｐｏｌ．）
　４４－１，４４－２　ミラー（Ｍ）
　５３－１，５３－２　光検出器
　６２　偏波保持ファイバ

Claims (8)

  1. 　入射する第１の偏波成分の直線偏光を反射し且つ前記第１の偏波成分に直交する第２の偏波成分の直線偏光を透過する第１の偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）及び第２のＰＢＳであり、前記第１のＰＢＳが、前記第１の偏波成分の直線偏光を、前記第１のＰＢＳと前記第２のＰＢＳとの間の第１の経路及び第２の経路のうちの前記第１の経路に向けて反射し、前記第２のＰＢＳが前記第１の偏波成分の前記直線偏光を前記第２の経路に向けて反射するように配置されている、第１のＰＢＳ及び第２のＰＢＳと、
    　前記第１の経路に配置された、第１の偏波回転子及び第２の偏波回転子と、
    　前記第１の偏波回転子と前記第２の偏波回転子との間に配置された、第３の偏波成分の直線偏光のみを透過する光学素子と、
    を備えた、光デバイス。
  2. 　前記第１の偏波回転子及び前記第２の偏波回転子は、偏光方向の角度を４５°だけ回転するように構成されたファラデーローテーター（ＦＲ）であり、
    　前記光学素子は、前記第３の偏波成分の直線偏光のみを透過するように構成された偏光子であり、前記第３の偏波成分は、前記直線偏光の前記第１の偏波成分の偏光方向の角度に前記ＦＲが回転する偏光方向の回転角度を加えた角度の偏波成分である、請求項１に記載の光デバイス。
  3. 　前記第１の偏波回転子は、偏光方向を４５°よりも小さい角度だけ回転するように構成されたファラデーローテーターであり、
    　前記第２の偏波回転子は、偏光方向を４５°だけ回転するように構成されたファラデーローテーターであり、
    　前記光学素子は、前記第１の偏波回転子を透過した偏光角が１３５°の偏波成分のみを透過するように構成された第３のＰＢＳである、請求項１に記載の光デバイス。
  4. 　前記第１のＰＢＳから入射して前記第２のＰＢＳから出射した光のうち、前記第２のＰＢＳへ再び入射した光は前記第１のＰＢＳへ入射しない、請求項１に記載の光デバイス。
  5. 　前記第２の経路に配置された、第３の偏波回転子及び第４の偏波回転子と、
    　前記第３の偏波回転子と前記第４の偏波回転子との間に配置された、前記第３の偏波成分の直線偏光のみを透過する光学素子と、
    をさらに備えた、請求項１に記載の光デバイス。
  6. 　請求項１から５のいずれか一項に記載の光デバイスと、
    　第１の光パラメトリック増幅（ＯＰＡ）モジュールを備えた第１の波長変換器と、
    　第２のＯＰＡモジュールを備えた第２の波長変換器と、
    　前記光デバイスの前記第１のＰＢＳと前記第１の波長変換器との間、及び前記光デバイスの前記第２のＰＢＳと前記第２の波長変換器との間を接続する偏波保持ファイバと、
    を備えた光増幅装置。
  7. 　前記第１の波長変換器は、第１の第二次高調波発生（ＳＨＧ）モジュールをさらに備えた光パラメトリック増幅器であり、
    　前記第２の波長変換器は、第２のＳＨＧモジュールをさらに備えた光パラメトリック増幅器である、請求項６に記載の光増幅装置。
  8. 　信号光のうちの前記第１の偏波成分を反射し且つ前記第２の偏波成分を透過する第５のＰＢＳをさらに備え、
    　前記第１の偏波成分が前記第１の波長変換器へ入射され、前記第２の偏波成分が前記第２の波長変換器へ入射され
    　前記第５のＰＢＳは、前記第１の波長変換器から出力された光信号を透過し、前記第２の波長変換器から出力された光信号を反射する、請求項６に記載の光増幅装置。
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