(57)【要約】【課題】光増幅装置及び光増幅方法において、シグナル光の波長帯域における雑音指数を低減する。【解決手段】シグナル光Ｓ１０１とポンプ光Ｓ１０３とを含む入力光Ｓ２０１が入力され、シグナル光とポンプ光との波長に基づく波長変換光としてアイドラー光を生成し、及びシグナル光とポンプ光とアイドラー光とを含む第１出力光Ｓ３０１を出力する第１光増幅部１００と、第１出力光を、シグナル光と、ポンプ光と、アイドラー光とに分波する分波部２０１、分波部で分波されたシグナル光と、ポンプ光と、アイドラー光とを合波して、第２出力光Ｓ５０１ａを生成する合波部２１１、及び分波部と合波部との間に設けられた、アイドラー光の、互いに直交する偏波成分を交換する偏波面調整部２０９を含み、第２出力光を出力する中間部２００と、第２出力光が入力され、第２出力光に含まれるシグナル光の強度を増幅する第２光増幅部３００とを備える。【選択図】図１
2014002361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光に含まれるシグナル光とポンプ光との波長に基づく波長変換光としてアイドラー光を生成して、シグナル光、ポンプ光及びアイドラー光を含む第１出力光を出力する第１光増幅部と、
前記第１出力光に含まれるアイドラー光の、互いに直交する偏波成分を交換した第２出力光を生成する中間部と、
前記第２出力光に含まれるシグナル光の強度を増幅する第２光増幅部と
を備えることを特徴とする光増幅装置。
【請求項２】
前記第２光増幅部に入力されるシグナル光、ポンプ光、及びアイドラー光の相対位相を変更可能な位相調整部をさらに備え、
前記第２光増幅部は、前記相対位相に基づいて、シグナル光の強度を増幅する
ことを特徴とする請求項１に記載の光増幅装置。
【請求項３】
前記中間部は、分波部、偏波面調整部及び合波部を備え、
前記分波部は、前記第１出力光を、シグナル光、ポンプ光及びアイドラー光に分波して、シグナル光を前記合波部に送り、アイドラー光を前記偏波面調整部に送り、及びポンプ光を、前記位相調整部を経て前記合波部に送り、
前記偏波面調整部は、前記分波部及び前記合波部の間に設けられていて、アイドラー光の、互いに直交する偏波成分を交換して、前記合波部に送り、
前記合波部は、シグナル光、ポンプ光及びアイドラー光を合波して、前記第２出力光を生成する
ことを特徴とする請求項２に記載の光増幅装置。
【請求項４】
前記第１光増幅部の前段に、ポンプ光分波部をさらに備え、
前記中間部は、分波部、偏波面調整部及び合波部を備え、
分波部は、前記第１出力光を、シグナル光、ポンプ光及びアイドラー光に分波して、シグナル光を前記合波部に送り、アイドラー光を前記偏波面調整部に送り、及びポンプ光を遮断し、
前記偏波面調整部は、前記分波部及び前記合波部の間に設けられていて、アイドラー光の、互いに直交する偏波成分を交換して、前記合波部に送り、
前記合波部は、シグナル光、ポンプ光及びアイドラー光を合波して、前記第２出力光を生成し、
前記ポンプ光分波部は、ポンプ光を２分岐して、一方を前記第１光増幅部に送り、他方を前記位相調整部に送る
ことを特徴とする請求項２に記載の光増幅装置。
【請求項５】
前記偏波面調整部は、第１偏光ビームスプリッタ、第１半波長板、第２半波長板及び第２偏光ビームスプリッタを備え、
前記第１偏光ビームスプリッタは、アイドラー光の互いに直交する偏波成分に分波して、一方の偏波成分光を第１半波長板に送り、及び他方の偏波成分光を第２半波長板に送り、
前記第１半波長板は、一方の偏波成分光の偏波面を９０°回転させて、前記第２偏光ビームスプリッタに送り、
前記第２半波長板は、他方の偏波成分光の偏波面を−９０°回転させて、前記第２偏光ビームスプリッタに送り、
前記第２偏光ビームスプリッタは、前記第１半波長板から送られる一方の偏波成分光、及び前記第２半波長板から送られる他方の偏波成分光を合波する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光増幅装置。
【請求項６】
前記第１光増幅部及び第２光増幅部は、入力側偏波面調整部と非線形光学素子とを備え、
前記入力側偏波面調整部は、入力された光の偏波面を、前記非線形光学素子の遅相軸に平行な成分と進相軸に平行な成分との強度比が１：１となるように調整し、偏波面が調整された光を前記非線形光学素子に送る
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光増幅装置。
【請求項７】
前記第１光増幅部及び前記第２光増幅部は、第１偏波面調整部と、偏光ビームスプリッタ、第２偏波面調整部及び非線形光学素子を含むループ光路を備え、
前記第１偏波面調整部は、入力された光を前記非線形光学素子の遅相軸に平行な成分と進相軸に平行な成分との強度比が１：１となるように調整し、偏波面が調整された光を前記偏光ビームスプリッタに送り、
前記偏光ビームスプリッタは、前記第１偏波面調整部から送られた光を、互いに直交する偏波成分に分波し、一方の偏波成分光を時計回りでループ光路を伝播させ、他方の偏波成分を反時計回りで前記ループ光路を伝播させ、及び前記ループ光路を伝播した一方の偏波成分光及び他方の偏波成分光を合波し、
前記第２偏波面調整部は、前記ループ光路を伝播する一方の偏波成分光及び他方の偏波成分光の偏波面を９０°回転させ、
前記非線形光学素子はＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  Ｐｏｌｅｄ  Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｎｉｏｂａｔｅ）である
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光増幅装置。
【請求項８】
入力光に含まれるシグナル光及びポンプ光の波長に基づく波長変換光としてアイドラー光を生成して、シグナル光、ポンプ光及びアイドラー光を含む第１出力光を生成する過程と、
前記第１出力光に含まれるアイドラー光の、互いに直交する偏波成分を交換した第２出力光を生成する過程と、
前記第２出力光に含まれるシグナル光の強度を増幅する過程と
を含むことを特徴とする光増幅方法。
【請求項９】
前記第１出力光を生成した後であって、前記第２出力光を生成する前に、シグナル光、ポンプ光及びアイドラー光の相対位相を調整し、
前記シグナル光の強度を増幅する過程では、前記相対位相に基づいて、シグナル光の強度を増幅する
ことを特徴とする請求項８に記載の光増幅方法。
【請求項１０】
前記第１出力光を、シグナル光、ポンプ光及びアイドラー光に分波する過程と、
前記分波されたポンプ光の位相を調整する過程と、
前記分波されたアイドラー光の互いに直交する偏波成分を交換する過程と、
前記分波されたシグナル光、位相が調整されたポンプ光、及び偏波成分が交換されたアイドラー光を合波する過程と
を備える
ことを特徴とする請求項９に記載の光増幅方法。
【請求項１１】
前記第１出力光を生成する過程の前に行われる、ポンプ光を２分岐する過程と、
前記第１出力光を、シグナル光及びアイドラー光に分波する過程と、
ポンプ光の位相を調整する過程と、
前記分波されたアイドラー光の互いに直交する偏波成分を交換する過程と、
前記分波されたシグナル光、位相が調整されたポンプ光、及び偏波成分が交換されたアイドラー光を合波する過程と
を備え、
前記第１出力光を生成する過程では、２分岐された一方のポンプ光が用いられ、
前記ポンプ光の位相を調整する過程では、２分岐された他方のポンプ光が用いられる
ことを特徴とする請求項９に記載の光増幅方法。
【請求項１２】
第２出力光を生成する過程において行われる、
アイドラー光を、互いに直交する偏波成分光に分波する過程と、
一方の偏波成分光の偏波面を９０°回転させる過程と、
他方の偏波成分光の偏波面を−９０°回転させる過程と、
偏波面を９０°回転させた一方の偏波成分光、及び偏波面を−９０°回転させた他方の偏波成分光を合波する過程と
を備えることを特徴とする請求項８〜１１に記載の光増幅方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光増幅装置及び光増幅方法に関し、特に、増幅すべき光信号の波長帯域における雑音指数を低減できる光増幅装置及び光増幅方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバを利用した光通信ネットワークにおいて、伝送によって減衰した光信号の強度を増幅するために、光信号の通信経路に光増幅装置が設置される。
【０００３】
従来の光増幅装置として、例えば、エルビウムイオンがコアにドープされた光ファイバを利用したＥＤＦＡ（Ｅｒｂｉｕｍ  Ｄｏｐｅｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）がある。ＥＤＦＡでは、励起光が供給された状態の光ファイバに入力された光信号が、誘導放出によって増幅される。
【０００４】
ＥＤＦＡでは、自然放出によって発生した光（自然放出光）が、雑音として光信号に加わる。そのため、入力光のＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ−Ｎｏｉｓｅ  Ｒａｔｉｏ：信号雑音比）に比して、出力光のＳＮＲが劣化する。なお、以下の説明では、出力光のＳＮＲに対する、入力光のＳＮＲの比を雑音指数とも称する。そして、自然放出光による雑音を、量子限界未満に低減することはできない。そのため、従来のＥＤＦＡを用いた光増幅では、雑音指数を２（すなわち３ｄＢ）未満に低減することが原理的に不可能であった。
【０００５】
光信号を増幅するに当たり、雑音指数をより低減する技術として、パラメトリック増幅が知られている。パラメトリック増幅では、非線形光学素子に、増幅すべき光信号（以下、シグナル光とも称する）とポンプ光とを入力する。そして、非線形光学効果の一つである四光波混合を利用して、ポンプ光のエネルギーをシグナル光に付与することによって、シグナル光を増幅する。
【０００６】
パラメトリック増幅を利用した光増幅装置として、ＰＩＡ（Ｐｈａｓｅ  Ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）及びＰＳＡ（Ｐｈａｓｅ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を用いる方式（以下、ＰＩＡ−ＰＳＡカスケード方式とも称する）が提案されている（例えば非特許文献１参照）。ＰＩＡ及びＰＳＡは、非線形光学素子を備えていて、非線形光学素子においてパラメトリック増幅によって光信号を増幅させる。ここで、ＰＩＡでは、増幅利得が、入力光の位相に依存しない。一方、ＰＳＡでは、増幅利得が、入力光の位相に依存する。ＰＳＡでは、従来のＥＤＦＡでは実現できない２（すなわち３ｄＢ）未満の雑音指数が達成されている。そのため、光通信に用いる光増幅装置として、ＰＳＡを利用した光増幅装置が注目されている。
【０００７】
ＰＩＡ−ＰＳＡカスケード方式では、まず、ＰＩＡにポンプ光とシグナル光とを入力する。ＰＩＡでは、シグナル光が増幅されるとともに、シグナル光の波長変換光としてアイドラー光が生成される。
【０００８】
次に、ＰＩＡから出力されたポンプ光、シグナル光、及びアイドラー光をＰＳＡに入力する。ＰＳＡが備える非線形光学素子は、ポンプ光、シグナル光、及びアイドラー光の相対位相によって増幅利得が決定されるように設定されている。ＰＳＡでは、この増幅利得でシグナル光が増幅される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｒ．Ｔａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，‘‘Ｇａｉｎ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  ａ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｎｏｎｄｅｇｅｎｅｒａｔｅ  ｐｈａｓｅ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ  ｐaｒａｍｅｔｒｉｃ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ｗｉｔｈ  ｐｈａｓｅ  ｓｅｌｆ−ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ  ｉｎｐｕｔ’’  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ．，  ｖｏｌ．１３，  ｎｏ．２６，  ｐ．１０４８３，  ２００５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述した従来のＰＩＡ−ＰＳＡカスケード方式では、ＰＩＡにおいて、シグナル光の波長帯域に存在する雑音が、アイドラー光の波長帯域にコピーされる。すなわち、シグナル光の波長帯域に存在する雑音とアイドラー光の波長帯域に存在する雑音とに相関がある状態となる。その結果、ＰＳＡにおける、相対位相によって定まるシグナル光についての増幅利得で、シグナル光の波長帯域に存在する雑音も増幅される。そのため、従来のＰＩＡ−ＰＳＡカスケード方式では、雑音指数を十分に低減することができなかった。
【００１１】
この発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、シグナル光の波長帯域における雑音指数を、従来と比して低減できる光増幅装置及び光増幅方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の目的を達成するために、この発明による光増幅装置は、以下の特徴を備えている。
【００１３】
すなわち、光増幅装置は、第１光増幅部と中間部と第２光増幅部とを備えている。
【００１４】
第１光増幅部は、入力光に含まれるシグナル光及びポンプ光の波長に基づく波長変換光としてアイドラー光を生成して、シグナル光、ポンプ光及びアイドラー光を含む第１出力光を出力する。
【００１５】
中間部は、第１出力光に含まれるアイドラー光の、互いに直交する偏波成分を交換した第２出力光を生成する。
【００１６】
第２光増幅部は、第２出力光が入力され、第２出力光に含まれるシグナル光の強度を増幅する。
【００１７】
また、この発明による光増幅方法は、以下の過程を含んでいる。
【００１８】
すなわち、まず、入力光に含まれるシグナル光とポンプ光との波長に基づく波長変換光としてアイドラー光を生成して、シグナル光、ポンプ光及びアイドラー光を含む第１出力光を生成する。
【００１９】
次に、第１出力光に含まれるアイドラー光の、互いに直交する偏波成分を交換した第２出力光を生成する。
【００２０】
次に、第２出力光に含まれるシグナル光の強度を増幅する。
【発明の効果】
【００２１】
この発明の光増幅装置及び光増幅方法では、中間部において、アイドラー光の、互いに直交する偏波成分が交換される。このとき、アイドラー光の波長帯域では、雑音についても、偏波成分が交換される。その結果、シグナル光の雑音とアイドラー光の雑音とが無相関となる。そのため、第２光増幅部におけるシグナル光は、所定の増幅利得で増幅されるが、雑音は、この増幅利得で増幅されない。従って、第２光増幅部において、シグナル光の波長帯域に存在する雑音の増幅利得が低減される。その結果、従来のＰＩＡ−ＰＳＡカスケード方式と比して、雑音指数を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】この発明の第１の光増幅装置を模式的に示した概略構成図である。
【図２】（Ａ）及び（Ｂ）は第１出力光、第２出力光について説明する図である。
【図３】この発明の第２の光増幅装置を模式的に示した概略構成図である。
【図４】光増幅装置の変形例に用いる光増幅部を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
【００２４】
（第１の実施の形態）
図１及び図２を参照して、この発明の第１の実施の形態による光増幅装置（以下、第１の光増幅装置）について説明する。図１は、第１の光増幅装置を模式的に示した概略構成図である。図１では、各構成要素が線で結ばれているが、これは信号が伝播する伝送路を模式的に示したものである。各構成要素間は、例えば光ファイバや光導波路で接続されていても良いし、いわゆる空間結合で接続されていても良い。
【００２５】
第１の光増幅装置１０は、例えば光通信ネットワークにおいて、光信号の通信経路に設置することによって、光信号の強度を増幅することができる。その場合には、増幅すべき光信号（ここでは、シグナル光とも称する）は、送信するべきデータで変調された、例えば位相偏移変調信号や振幅偏移変調信号等の周知の光信号である。また、シグナル光の偏波状態は、時間的に安定している。なお、この第１の光増幅装置１０を二つ用いて、偏波ダイバーシティ構成を採用することにより、偏波無依存化することもできる。
【００２６】
第１の光増幅装置１０は、ＰＩＡ−ＰＳＡカスケード方式を採用した光増幅装置であり、ポンプ光源１５０と、合波部１７０と、ＰＩＡとして用いる第１光増幅部１００と、中間部２００と、分散補償器２５０と、ＰＳＡとして用いる第２光増幅部３００と、分波部３３０と、位相シフタ制御装置３７０とを備えて構成されている。第１光増幅部１００は、入力されたシグナル光とポンプ光との波長に基づいて、アイドラー光を生成する。中間部２００は、アイドラー光の、直交する偏波成分を交換する。第２光増幅部３００は、シグナル光の強度を増幅する。
【００２７】
入力ポート１３０から第１の光増幅装置１０に入力されたシグナル光Ｓ１０１（図１に矢印Ｓ１０１で示す）は、まず、合波部１７０に送られる。合波部１７０は、シグナル光Ｓ１０１とポンプ光（図１に矢印Ｓ１０３で示す）とを合波する。合波部１７０として、例えばＷＤＭ合分波器（ＷＤＭ  ｃｏｕｐｌｅｒ／ｄｉｖｉｄｅｒ）を用いることができる。
【００２８】
ポンプ光Ｓ１０３は、ポンプ光源１５０で生成される。
【００２９】
ポンプ光源１５０は、例えばレーザダイオード１５１と光増幅器１５３とバンドパスフィルタ１５５とを備えて構成されている。ポンプ光源１５０では、まず、レーザダイオード１５１が、シグナル光Ｓ１０１と偏波面が一致するレーザダイオード出力光を生成する。次に、レーザダイオード出力光は、光増幅器１５３によって強度が増幅される。ここでは、後述する第１光増幅部１００及び第２光増幅部３００において、少なくともパラメトリック増幅が生じる程度の強度に増幅される。次に、増幅されたレーザダイオード出力光は、バンドパスフィルタ１５５に送られる。バンドパスフィルタ１５５では、透過波長が、ポンプ光Ｓ１０３の波長帯域と一致する波長帯域に設定される。シグナル光Ｓ１０１が例えば１５３０〜１５６５ｎｍの範囲内の波長帯域である場合には、ポンプ光Ｓ１０３の波長を、例えば１５２５ｎｍ又は１５７０ｎｍとするのが好ましい。そして、バンドパスフィルタ１５５において、ポンプ光の波長帯域外に存在する雑音が十分に低減された後、レーザダイオード出力光が、ポンプ光Ｓ１０３としてポンプ光源１５０から出力され、合波部１７０に送られる。
【００３０】
合波部１７０は、シグナル光Ｓ１０１とポンプ光Ｓ１０３とを合波し、シグナル光Ｓ１０１とポンプ光Ｓ１０３とを含む入力光（図１に矢印Ｓ２０１で示す）として出力する。入力光Ｓ２０１は、第１光増幅部１００に入力される。
【００３１】
第１光増幅部１００は、入力光Ｓ２０１に含まれるシグナル光の波長変換光としてアイドラー光を生成する。
【００３２】
第１光増幅部１００は、ＰＩＡとすることができる。そして、入力側偏波面調整部１０１と非線形光学素子１０３と出力側偏波面調整部１０５とを含んで構成されている。
【００３３】
入力側偏波面調整部１０１は、入力光Ｓ２０１に含まれるシグナル光及びポンプ光の偏波面を、非線形光学素子１０３の遅相軸に平行な成分と、進相軸に平行な成分との強度比が１：１となるように調整する。入力光Ｓ２０１が直線偏波である場合には、入力側偏波面調整部１０１として、例えば、半波長板を用いることができる。偏波面が調整された入力光Ｓ２０１は、非線形光学素子１０３に送られる。
【００３４】
非線形光学素子１０３は、パラメトリック増幅により、ポンプ光のエネルギーをシグナル光に付与して、シグナル光を増幅する。また、シグナル光とポンプ光との波長に基づいて、シグナル光の波長変換光としてアイドラー光を生成する。
【００３５】
アイドラー光の周波数ｆｉは、シグナル光の周波数をｆｓ及びポンプ光の周波数をｆｐとすると、四光波混合に基づき、２ｆｐ−ｆｓとなる。
【００３６】
非線形光学素子１０３は、例えば偏波保持特性を有する高非線形ファイバであるのが好ましい。そして、パラメトリック増幅による十分な増幅利得を得るために、非線形光学素子１０３は、非線形定数が例えば１０Ｗ−１ｋｍ−１以上であり、１００ｍ〜１０００ｍ程度の長さを有し、ゼロ分散波長がポンプ光の波長付近に存在し、及び分散スロープが小さいことが好ましい。また、高非線形ファイバで生じる偏波モード分散を補償するために、非線形光学素子１０３として用いる高非線形ファイバを全長の半分の長さで分割し、この分割点において、一方の高非線形ファイバを９０°回転して接続するのが好ましい。
【００３７】
シグナル光及びポンプ光、並びに非線形光学素子１０３において生成されたアイドラー光を含む混合光は、出力側偏波面調整部１０５に送られる。
【００３８】
出力側偏波面調整部１０５は、混合光に含まれるシグナル光、ポンプ光、及びアイドラー光の偏波面を、後述する分波部２０１の入力ポート（図示せず）の遅相軸と一致させる。出力側偏波面調整部１０５として、例えば、半波長板を用いることができる。
【００３９】
出力側偏波面調整部１０５において偏波面が調整されたシグナル光、ポンプ光、及びアイドラー光を含む混合光は、第１出力光（図１に矢印Ｓ３０１で示す）として第１光増幅部１００から出力される。
【００４０】
第１光増幅部１００から出力された第１出力光Ｓ３０１は、中間部２００に送られる。
【００４１】
中間部２００は、第１出力光Ｓ３０１に含まれるアイドラー光の、互いに直交する偏波成分（ここではｘ成分及びｙ成分）を交換する。また、シグナル光、ポンプ光、及びアイドラー光の相対位相を調整する。
【００４２】
中間部２００は、分波部２０１と、合波部２１１と、これら分波部２０１及び合波部２１１の間に設けられた位相調整部２０３、光増幅器２０５、バンドパスフィルタ２０７、及び偏波面調整部２０９とを含んで構成されている。ここでは、相対位相を変更可能な位相調整部２０３として、光位相シフタを備える構成について説明する。そこで、以下の説明では、位相調整部２０３を光位相シフタ２０３とも称する。
【００４３】
分波部２０１は、第１出力光Ｓ３０１を、シグナル光（図１に矢印Ｓ４０１で示す）と、ポンプ光（図１に矢印Ｓ４０３ａで示す）と、アイドラー光（図１に矢印Ｓ４０５ａで示す）とに分波する。分波部２０１として、例えばＷＤＭ合分波器を用いることができる。
【００４４】
分波されたシグナル光Ｓ４０１、ポンプ光Ｓ４０３ａ、及びアイドラー光Ｓ４０５ａは、それぞれ異なる経路を経て合波部２１１に送られる。各経路は、分波部２０１から合波部２１１への各光の伝播時間が等しくなるように設定されている。なお、ポンプ光Ｓ４０３ａは、光位相シフタ２０３、光増幅器２０５、及びバンドパスフィルタ２０７を経て、合波部２１１に送られる。また、アイドラー光Ｓ４０５ａは、偏波面調整部２０９を経て合波部２１１に送られる。合波部２１１として、例えば、ＷＤＭ合分波器を用いることができる。
【００４５】
光位相シフタ２０３は、２φｐ−φｓ−φｉで与えられる、シグナル光とポンプ光とアイドラー光との相対位相が一定となるように、ポンプ光Ｓ４０３ａの位相を調整する。なお、φｐはポンプ光の位相を、φｓはシグナル光の位相を、φｉはアイドラー光の位相を、それぞれ示している。周辺素子の機械的な振動や環境温度の変化等に起因して、相対位相には、揺らぎが生じることがある。そこで、光位相シフタ２０３において、ポンプ光Ｓ４０３ａの位相を調整することによって、相対位相を一定にする。ここでは、後述する光位相シフタ制御装置３７０から送られる制御信号（図１に矢印Ｓ８０１で示す）に基づき、第２光増幅部３００において、シグナル光の増幅利得が最大となるように、相対位相を調整する。なお、光位相シフタ２０３として、例えばピエゾ圧電素子を利用した光位相シフタを用いることができる。
【００４６】
光位相シフタ２０３において位相が調整されたポンプ光（図１に矢印Ｓ４０３ｂで示す）は、光増幅器２０５によって強度を増幅される。次いで、透過波長がポンプ光の波長と一致するように設定されたバンドパスフィルタ２０７によって、ポンプ光の波長帯域から外れる波長帯域の雑音が除去される。
【００４７】
なお、中間部２００と第２光増幅部３００との間におけるポンプ光Ｓ４０３ｂの減衰が少なく、第２光増幅部３００において、パラメトリック増幅の増幅利得を十分に得られるならば、光増幅器２０５及びバンドパスフィルタ２０７を省略することができる。
【００４８】
偏波面調整部２０９は、アイドラー光Ｓ４０５ａの、互いに直交する偏波成分（ここではｘ成分及びｙ成分）を交換する。偏波面調整部２０９は、例えば、偏光ビームスプリッタ２３１、半波長板２３３、半波長板２３５、及び偏光ビームスプリッタ２３７を備えて構成される。偏光ビームスプリッタ２３１が、アイドラー光Ｓ４０５ａのｘ成分とｙ成分とを分波する。ｘ成分及びｙ成分は、一方が、非線形光学素子１０３及び後述する非線形光学素子３０３の遅相軸に平行な成分に、他方が、これら非線形光学素子１０３及び３０３の進相軸に平行な成分に相当する。次に、半波長板２３３が、一方の偏波成分（ここではｘ成分）光に９０°の偏波回転を与える。また、半波長板２３５が、他方の偏波成分（ここではｙ成分）光に−９０°の偏波回転を与える。次に、偏光ビームスプリッタ２３７が、各偏波成分光を合波する構成とする。
【００４９】
また、他の構成として、まず、第１の半波長板を用いて、アイドラー光Ｓ４０５ａの偏波面を９０°回転させ、次に、第２の半波長板を用いて、ｘ成分及びｙ成分間に、光位相にして１８０°に相当する遅延時間を与える構成とすることができる。
【００５０】
偏波面調整部２０９においてｘ成分とｙ成分とが交換されたアイドラー光（図１に矢印Ｓ４０５ｂで示す）は、合波部２１１に送られる。
【００５１】
合波部２１１は、シグナル光Ｓ４０１と、ポンプ光Ｓ４０３ｂと、アイドラー光Ｓ４０５ｂとを合波して、第２出力光（図１に矢印Ｓ５０１ａで示す）を生成する。第２出力光Ｓ５０１ａは、合波部２１１から出力される、すなわち中間部２００から出力される。
【００５２】
中間部２００から出力された第２出力光Ｓ５０１ａは、分散補償器２５０に送られる。
【００５３】
分散補償器２５０は、第２出力光Ｓ５０１ａの分散を補償する。
【００５４】
後述する第２光増幅部３００では、第２出力光Ｓ５０１ａに含まれるシグナル光とポンプ光とアイドラー光との相対位相に基づいた増幅利得で、シグナル光を増幅する。そして、上述したように、光位相シフタ２０３でポンプ光Ｓ４０３ａの位相を調整することによって、第２光増幅部３００において、シグナル光の増幅利得が最大となるように、相対位相が調整されている。しかしながら、中間部２００において波長分散が生じた場合には、第２出力光Ｓ５０１ａに含まれるシグナル光とポンプ光とアイドラー光との相対位相は、シグナル光に依存した値となる。その結果、第２光増幅部３００におけるシグナル光の増幅利得がシグナル光の波長に依存し、平坦な利得特性が得られない。そこで、分散補償器２５０を利用して、第２出力光Ｓ５０１ａの波長分散を補償することによって、相対位相を一定に保つことができる。そして、第２光増幅部３００におけるシグナル光の増幅利得を安定化させる。
【００５５】
分散補償器２５０によって分散が補償された第２出力光（図１に矢印Ｓ５０１ｂで示す）は、第２光増幅部３００に入力される。
【００５６】
第２光増幅部３００は、第２出力光Ｓ５０１ｂに含まれるシグナル光の強度を増幅する。
【００５７】
第２光増幅部３００は、入力側偏波面調整部３０１と非線形光学素子３０３と出力側偏波面調整部３０５とを含んで構成され、ＰＳＡとすることができる。
【００５８】
入力側偏波面調整部３０１は、第２出力光Ｓ５０１ｂに含まれるシグナル光、ポンプ光、及びアイドラー光の偏波面を、非線形光学素子３０３の遅相軸に平行な成分と、進相軸に平行な成分との強度比が１：１となるように調整する。入力側偏波面調整部３０１として、例えば、半波長板を用いることができる。偏波面が調整された第２出力光Ｓ５０１ｂは、非線形光学素子３０３に送られる。
【００５９】
非線形光学素子３０３は、シグナル光とポンプ光とアイドラー光との相対位相に基づき、パラメトリック増幅によって、シグナル光を増幅する。また、非線形光学素子３０３では、シグナル光の増幅利得に対応した増幅利得で、アイドラー光も増幅される。
【００６０】
ここで、中間部において、アイドラー光に対して直交偏波成分間の交換を行ったことより、第２出力光Ｓ５０１ｂでは、シグナル光の雑音のｘ成分とアイドラー光の雑音のｘ成分とは、無相関である。また、シグナル光の雑音のｙ成分とアイドラー光の雑音のｙ成分とは、無相関である。従って、非線形光学素子３０３におけるパラメトリック増幅では、相対位相に基づき、シグナル光は、所定の増幅利得で増幅されるが、雑音は、この増幅利得で増幅されない。その結果、シグナル光の雑音の増幅利得は、シグナル光の増幅利得に対して小さくなる。なお、シグナル光の増幅利得、及びシグナル光の雑音の増幅利得については、詳細を後述する。
【００６１】
非線形光学素子３０３は、例えば偏波保持特性を有する高非線形ファイバであるのが好ましい。そして、パラメトリック増幅による十分な増幅利得を得るために、非線形光学素子３０３は、非線形定数が例えば１０Ｗ−１ｋｍ−１以上であり、１００ｍ〜１０００ｍ程度の長さを有し、ゼロ分散波長がポンプ光の波長付近に存在し、及び分散スロープが小さいことが好ましい。また、高非線形ファイバで生じる偏波モード分散を補償するために、非線形光学素子１０３として用いる高非線形ファイバを全長の半分の長さで分割し、この分割点において、一方の高非線形ファイバを９０°回転して接続するのが好ましい。
【００６２】
非線形光学素子３０３において増幅されたシグナル光及びアイドラー光、並びにポンプ光、を含む混合光は、出力側偏波面調整部３０５に送られる。
【００６３】
出力側偏波面調整部３０５は、混合光に含まれるシグナル光、ポンプ光、及びアイドラー光の偏波面を、後述する分波部３３０の入力ポート（図示せず）の遅相軸と一致させる。出力側偏波面調整部３０５として、例えば、半波長板を用いることができる。
【００６４】
出力側偏波面調整部３０５において偏波面が調整されたシグナル光、ポンプ光、及びアイドラー光を含む混合光は、第３出力光（図１に矢印Ｓ６０１で示す）として第２光増幅部３００から出力される。
【００６５】
第２光増幅部３００から出力された第３出力光Ｓ６０１は、分波部３３０に送られる。
【００６６】
分波部３３０は、第３出力光Ｓ６０１に含まれるシグナル光、ポンプ光、及びアイドラー光を分波する。分波部３３０として、例えばＷＤＭ合分波器を用いることができる。
【００６７】
分波されたシグナル光（図１に矢印Ｓ７０１で示す）は、出力ポート３５０に送られ、第１の光増幅装置１０から出力される。
【００６８】
また、アイドラー光（図１に矢印Ｓ７０３で示す）は、位相シフタ制御装置３７０に送られる。
【００６９】
なお、第２光増幅部３００から出力された後において、ポンプ光は不要であるため、例えば、分波部３３０において遮断しても良いし、分波部３３０から図示しない他の経路へ送って放出しても良い。
【００７０】
位相シフタ制御装置３７０は、例えば強度検出手段及び制御信号生成手段を含んで構成されている（図示せず）。
【００７１】
位相シフタ制御装置３７０は、強度検出手段において、入力されたアイドラー光Ｓ７０３の強度を検出する。既に説明したように、アイドラー光は、第２光増幅部３００において、シグナル光の増幅利得に対応した増幅利得で増幅されている。従って、アイドラー光の増幅利得が最大となるとき、シグナル光の増幅利得も最大となる。位相シフタ制御装置３７０は、強度検出手段においてアイドラー光Ｓ７０３の強度を検出することによって、アイドラー光の強度が最大となるときの、第２出力光５０１ｂの相対位相を決定する。そして、制御信号生成手段によって、アイドラー光の強度が最大となる相対位相を通知する制御信号Ｓ８０１を生成し、上述した光位相シフタ２０３に送る。
【００７２】
以上に説明したように、第１の光増幅装置１０では、中間部２００の偏波面調整部２０９において、アイドラー光の、互いに直交する偏波成分（ここではｘ成分及びｙ成分）が交換される。このとき、アイドラー光の波長帯域では、雑音についても、ｘ成分とｙ成分とが交換される。シグナル光及びアイドラー光のｘ成分及びｙ成分は、互いに等価であるため、アイドラー光のｘ成分及びｙ成分が交換された後であっても、シグナル光のｘ成分とアイドラー光のｘ成分とは対応している。また、シグナル光のｙ成分とアイドラー光のｙ成分とは対応している。これに対し、シグナル光の雑音とアイドラー光の雑音とが、ｘ成分及びｙ成分ともに無相関となる。そのため、第２光増幅部３００において、相対位相に基づき、シグナル光は、所定の増幅利得で増幅されるが、雑音はこの増幅利得で増幅されない。従って、第２光増幅部３００において、シグナル光の波長帯域に存在する雑音の増幅が低減される。そのため、従来のＰＩＡ−ＰＳＡカスケード方式と比して、雑音指数を低減することができる。なお、シグナル光とアイドラー光との対応関係、及びシグナル光の雑音とアイドラー光の雑音との対応関係については、その詳細を後述する。
【００７３】
また、第１の光増幅装置１０では、第２光増幅部３００から出力された第３出力光Ｓ６０１を分波部３３０によって分波し、シグナル光Ｓ７０１のみを第１の光増幅装置１０から出力する。従って、第１の光増幅装置１０から出力されるシグナル光に、ポンプ光及びアイドラー光が付加されない。その結果、例えば光通信ネットワークにおいて、シグナル光とともにポンプ光やアイドラー光が出力された場合に生じる、周波数利用効率の低下、又は光強度の増大過多によって生じるファイバヒューズといった問題を防止することができる。
【００７４】
なお、ここでは、ＰＳＡとして機能する第２光増幅部３００を１つ備える構成例について説明したが、例えば２つの第２光増幅部を備える構成とすることもできる（図示せず）。その場合には、例えば偏光ビームスプリッタを利用して、第２光増幅部に入力する前に、第２出力光５０１ｂのｘ成分とｙ成分とを分波する。そして、分波されたｘ成分とｙ成分とを、それぞれ異なる第２光増幅部に入力し、シグナル光を増幅する。上述したように、第２光増幅部に入力される各偏波成分では、シグナル光の雑音とアイドラー光の雑音とが無相関となっている。そのため、両偏波成分ともに、シグナル光は所定の増幅利得で増幅されるが、シグナル光の雑音はこの増幅利得で増幅されない。その後、それぞれの第２光増幅部から出力される、各偏波成分の第３出力光を、例えば偏光ビームスプリッタを利用して合波する。
【００７５】
（原理）
第１の光増幅装置１０において、雑音指数が低減される原理について説明する。
【００７６】
ここでは、まず、上述した従来のＰＩＡ−ＰＳＡカスケード方式（非特許文献１参照）を利用した光増幅装置における雑音指数について説明する。
【００７７】
従来のＰＩＡ−ＰＳＡカスケード方式において、ＰＩＡにおけるシグナル光の増幅利得をＧ１とする。
【００７８】
ＰＩＡでは、シグナル光が増幅利得Ｇ１で増幅されるとともに、波長変換効率Ｅ１でアイドラー光が生成される。アイドラー光は、シグナル光の複素共役光であり、両者は相関のある状態である。
【００７９】
ここで、ＰＩＡに入力されるシグナル光の強度をＰＳｉ、ＰＩＡから出力されるシグナル光の強度をＰＳｏ、及びＰＩＡで生成されるアイドラー光の強度をＰＩｏとすると、波長変換効率Ｅ１、及びシグナル光の増幅利得Ｇ１は下式（１）及び（２）で定義される。
【００８０】
【数１】
2014002361.tif 000003
【００８１】
【数２】
2014002361.tif 000004
【００８２】
ＰＩＡから出力されるシグナル光の強度ＰＳｏは、ＰＩＡに入力されるシグナル光の強度ＰＳｉ、及びＰＩＡにおけるシグナル光の増幅分の強度の和である。従って、ＰＩＡにおいて増幅されるシグナル光の強度をＰＳａとすると、上式（２）は、下式（３）に変形できる。
【００８３】
【数３】
2014002361.tif 000005
【００８４】
ＰＩＡにおけるパラメトリック増幅では、ポンプ光の２つの光子から、シグナル光の１つの光子とアイドラー光の１つの光子とが生成される。そのため、ＰＩＡにおけるシグナル光の増幅分の強度ＰＳａとＰＩＡで生成されるアイドラー光の強度ＰＩｏとは等しい。従って、上式（１）におけるＰＩｏ／ＰＳｉと上式（３）におけるＰＳａ／ＰＳｉとは等価であるため、これら上式（１）及び（３）から、波長変換効率Ｅ１を、下式（４）で表すことができる。
【００８５】
【数４】
2014002361.tif 000006
【００８６】
また、ＰＩＡでは、シグナル光の波長帯域に存在する雑音が、シグナル光の増幅利得Ｇ１で増幅される。
【００８７】
さらに、アイドラー光の波長帯域に存在する雑音が、シグナル光の波長帯域に波長変換されることによって、雑音が発生する。この雑音の変換効率は、上式（４）で表される波長変換効率Ｅ１に対応する。
【００８８】
ＰＩＡにおける、シグナル光の雑音の総量は、上述の２つの雑音成分により決定される。ＰＩＡにおいては、シグナル光の雑音とアイドラー光の雑音とは無相関である。そのため、上述した２つの雑音成分についても無相関である。従って、ＰＩＡにおけるシグナル光の雑音の増幅利得Ａは、シグナル光の増幅利得Ｇ１及びアイドラー光の雑音の波長変換効率Ｅ１（すなわちＧ１−１）を加算することによって、下式（５）で表される。
【００８９】
【数５】
2014002361.tif 000007
【００９０】
既に説明したように、光増幅器の雑音指数は、出力光のＳＮＲに対する、入力光のＳＮＲの比である。ここでは、シグナル光の増幅利得に対する、シグナル光の雑音の増幅利得の比で表すことができる。従って、ＰＩＡにおける雑音指数ＲＮ1は、下式（６）となる。
【００９１】
【数６】
2014002361.tif 000008
【００９２】
ここで、光通信ネットワークにおけるシグナル光を増幅するに当たり、当該光増幅装置を例えば８０ｋｍ程度の間隔で配置する場合を想定する。シグナル光が８０ｋｍの光ファイバを伝播した場合に生じる強度の減衰は、１６〜２４ｄＢ程度である。この減衰分を補償するために、光増幅装置における増幅利得を１６〜２４ｄＢ程度に設定する場合、１に対してＧ１が十分大きくなる。従って、Ｇ１−１をＧ１に近似することができる。そのため、上式（６）から、ＰＩＡにおける雑音指数ＲＮ１は２（すなわち３ｄＢ）となる。
【００９３】
なお、ＰＩＡでは、アイドラー光の雑音についても、シグナル光の雑音と同様に増幅される。すなわち、ＰＩＡから出力されるアイドラー光の雑音は、入力光Ｓ２０１の、アイドラー光の波長帯域に存在する雑音が増幅利得Ｇ１で増幅された成分と、入力光Ｓ２０１（図１参照）の、シグナル光の波長帯域に存在する雑音が、波長変換効率Ｅ１（すなわちＧ１−１）で、アイドラー光の波長帯域に波長変換された成分を含む。従って、ＰＩＡから出力される第１出力光Ｓ３０１（図１参照）では、アイドラー光の雑音とシグナル光の雑音とに、相関がある状態となる。
【００９４】
一方、従来のＰＩＡ−ＰＳＡカスケード方式において、ＰＳＡにおける、アイドラー光の強度を０とした場合の、シグナル光の増幅利得をＧ２とする。
【００９５】
ＰＳＡにおいても、波長変換光としてアイドラー光が生成される。ＰＳＡにおけるアイドラー光の波長変換効率は、上述したＰＩＡにおける波長変換効率と同様であり、Ｇ２−１となる。
【００９６】
ＰＳＡから出力されるシグナル光は、ＰＳＡに入力されたシグナル光が増幅利得Ｇ２で増幅された成分と、ＰＳＡに入力されたアイドラー光が波長変換効率Ｇ２−１でシグナル光の波長帯域に波長変換された成分を含む。ＰＩＡ−ＰＳＡカスケード方式では、ＰＳＡに入力される第２出力光Ｓ５０１a（図１参照）は、ＰＩＡにおいて、波長変換光として生成されたアイドラー光を含んでいる。従って、ＰＳＡから出力されるシグナル光に含まれる、上述した２つの成分は相関がある。従って、ＰＳＡに入力されるシグナル光とアイドラー光との強度が等しいと仮定すると、ＰＳＡにおけるシグナル光の増幅利得Ｂは、最大の場合において下式（７）で表される。
【００９７】
【数７】
2014002361.tif 000009
【００９８】
また、従来のＰＩＡ−ＰＳＡカスケード方式では、ＰＳＡに入力されるアイドラー光の雑音とシグナル光の雑音とに相関がある。従って、ＰＳＡにおける、シグナル光の波長帯域に存在する雑音の増幅利得Ｃは、シグナル光の増幅利得と等しくなる。すなわち、増幅利得Ｃは、下式（８）で表される。
【００９９】
【数８】
2014002361.tif 000010
【０１００】
従って、従来のＰＩＡ−ＰＳＡカスケード方式では、ＰＳＡにおける雑音指数ＲＮ２は、下式（９）で表される。
【０１０１】
【数９】
2014002361.tif 000011
【０１０２】
ＰＳＡにおける雑音指数ＲＮ２は、１（すなわち０ｄＢ）となる。
【０１０３】
以上に説明したように、従来のＰＩＡ−ＰＳＡカスケード方式では、ＰＩＡにおける雑音指数が３ｄＢとなり、ＰＳＡにおける雑音指数が０ｄＢとなる。従って、光増幅装置全体としての雑音指数は少なくとも３ｄＢ以上となる。
【０１０４】
次に、第１の光増幅装置１０における雑音指数について説明する。
【０１０５】
図２（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、第１出力光Ｓ３０１及び第２出力光５０１ａについて説明する。
【０１０６】
図２（Ａ）は、第１出力光Ｓ３０１に含まれるシグナル光、ポンプ光、及びアイドラー光、及びそれぞれの波長帯域に含まれる雑音を示す図である。図２（Ａ）では、ｘ軸及びｙ軸は、シグナル光、ポンプ光、及びアイドラー光の、互いに直交する各偏波成分（ここではｘ成分及びｙ成分と称する）の強度を任意単位で示している。また、ｘ−ｙ平面に直交する軸に、波長を任意単位で示している。
【０１０７】
上述したように、入力側偏波面調整部１０１において、シグナル光、ポンプ光の偏波面は、非線形光学素子１０３の遅相軸に対して４５°の直線偏波に調整されている。従って、第１出力光Ｓ３０１に含まれる、シグナル光及びポンプ光の偏波成分は、ｘ成分が非線形光学素子１０３の遅相軸に、及びｙ成分が非線形光学素子１０３の進相軸に沿っている。そして、シグナル光及びポンプ光のｘ成分及びｙ成分は、互いに等価な強度を有している。また、シグナル光の波長変換光として生成されたアイドラー光の偏波成分は、シグナル光のｘ成分及びｙ成分に対応している。
【０１０８】
また、シグナル光の波長帯域に存在する雑音（以下、シグナル光の雑音とも称する）は、シグナル光のｘ成分とｙ成分との各々に、互いに相関なく存在する。
【０１０９】
また、アイドラー光の波長帯域に存在する雑音（以下、アイドラー光の雑音とも称する）は、シグナル光の雑音に対応して生成されている。従って、アイドラー光の雑音のｘ成分は、シグナル光の雑音のｘ成分に対応し、また、アイドラー光の雑音のｙ成分は、シグナル光の雑音のｙ成分に対応している。
【０１１０】
図２（Ｂ）は、第２出力光Ｓ５０１ａに含まれるシグナル光、ポンプ光、及びアイドラー光、及びそれぞれの波長帯域に含まれる雑音を示す図である。図２（Ｂ）では、ｘ軸及びｙ軸は、シグナル光、ポンプ光、及びアイドラー光の、互いに直交する各偏波成分（ここではｘ成分及びｙ成分と称する）の強度を任意単位で示している。また、ｘ−ｙ平面に直交する軸に、波長を任意単位で示している。
【０１１１】
上述したように、中間部２００の偏波面調整部２０９において、アイドラー光は、互いに直交する偏波成分（ここではｘ成分及びｙ成分）が交換されている。その結果、アイドラー光の波長帯域では、雑音についても、ｘ成分とｙ成分とが交換されている。
【０１１２】
中間部２００に入力される第１出力光Ｓ３０１では、アイドラー光の雑音のｘ成分は、シグナル光の雑音のｘ成分に対応し、また、アイドラー光の雑音のｙ成分は、シグナル光の雑音のｙ成分に対応している（図２（Ａ）参照）。一方、中間部２００から出力される第２出力光Ｓ５０１ａでは、アイドラー光のｘ成分とｙ成分と、及びアイドラー光のｘ成分の雑音とｙ成分の雑音とが、それぞれ交換されている。従って、第２出力光Ｓ５０１ａでは、シグナル光の雑音のｘ成分とアイドラー光の雑音のｘ成分とは、無相関となる。また、シグナル光の雑音のｙ成分とアイドラー光の雑音のｙ成分とは、無相関となる。
【０１１３】
また、上述したように、シグナル光及びアイドラー光のｘ成分及びｙ成分は、互いに等価である。従って、アイドラー光のｘ成分及びｙ成分が交換された後であっても、シグナル光のｘ成分とアイドラー光のｘ成分とは対応している。また、シグナル光のｙ成分とアイドラー光のｙ成分とは対応している。
【０１１４】
ＰＩＡとして機能する第１光増幅部１００における雑音指数は、従来のＰＩＡ−ＰＳＡカスケード方式のＰＩＡと同様であり、３ｄＢとなる。
【０１１５】
一方、ＰＳＡとして機能する第２光増幅部３００において、ポンプ光からの強度付与によるシグナル光の増幅利得をＧ２とする。
【０１１６】
既に説明したように、第１の光増幅装置１０では、中間部２００において、アイドラー光の、互いに直交する偏波成分（ここではｘ成分及びｙ成分）が交換されている。その結果、アイドラー光の波長帯域では、雑音についても、ｘ成分とｙ成分とが交換されている。シグナル光及びアイドラー光のｘ成分及びｙ成分は、互いに等価である。そのため、アイドラー光のｘ成分及びｙ成分が交換された後であっても、シグナル光のｘ成分とアイドラー光のｘ成分とは対応している（すなわち相関がある状態である）。また、シグナル光のｙ成分とアイドラー光のｙ成分とは対応している（すなわち相関がある状態である）。これに対し、シグナル光の雑音とアイドラー光の雑音とが、ｘ成分及びｙ成分ともに無相関となる。
【０１１７】
従って、第２光増幅部３００から出力されるシグナル光は、従来のＰＩＡ−ＰＳＡカスケード方式のＰＳＡと同様に、上式（７）で表される増幅利得Ｂで増幅されている。
【０１１８】
これに対して、ＰＳＡから出力されるシグナル光の雑音は、上述した増幅利得Ａと同様の増幅利得で増幅される。すなわち、ＰＳＡから出力されるシグナル光の増幅利得Ｄは、下式（１０）で表される。
【０１１９】
【数１０】
2014002361.tif 000012
【０１２０】
従って、第１の光増幅装置１０では、ＰＳＡにおける雑音指数ＲＮ３は、下式（１１）となる。
【０１２１】
【数１１】
2014002361.tif 000013
【０１２２】
従来のＰＩＡ−ＰＳＡカスケード方式と同様に、第１の光増幅装置１０における増幅利得を例えば１６〜２４ｄＢ程度に設定する場合、Ｇ２−１をＧ２に近似することができる。そのため、上式（１１）から、ＰＳＡにおける雑音指数ＲＮ３は１／２（すなわち−３ｄＢ）となる。
【０１２３】
以上に説明したように、第１の光増幅装置１０では、ＰＩＡにおける雑音指数が３ｄＢとなり、ＰＳＡにおける雑音指数が−３ｄＢとなる。従って、第１の光増幅装置１０全体としての雑音指数は、最良な場合で０ｄＢとなる。
【０１２４】
このように、第１の光増幅装置１０では、第２光増幅部３００における雑音指数を低減することができるため、第１の光増幅装置１０全体の雑音指数を、従来のＰＩＡ−ＰＳＡカスケード方式と比して低減することができる。
【０１２５】
（第２の実施の形態）
図３を参照して、この発明の第２の実施の形態による光増幅装置（以下、第２の光増幅装置）について説明する。図３は、第２の光増幅装置を模式的に示した概略構成図である。図３では、各構成要素が線で結ばれているが、これは信号が伝播する伝送路を模式的に示したものである。各構成要素間は、例えば光ファイバや光導波路で接続されていても良いし、いわゆる空間結合で接続されていても良い。
【０１２６】
第２の光増幅装置２０は、上述した第１の光増幅装置１０に追加して、ポンプ光源１５０と合波部１７０との間に、ポンプ光分波部１９０を備えている。
【０１２７】
ポンプ光分波部１９０は、ポンプ光源１５０で生成されたポンプ光Ｓ１０３を２分岐して、一方を合波部１７０に送り（Ｓ１０３ａ）、他方を光位相シフタ２０３に送る（Ｓ１０３ｂ）。
【０１２８】
光位相シフタ２０３では、上述した第１の光増幅装置１０と同様に、位相シフタ制御装置３７０から送られる制御信号Ｓ８０１に基づき、２φｐ−φｓ−φｉで与えられる、シグナル光とポンプ光とアイドラー光との相対位相が一定となるように、ポンプ光Ｓ１０３ｂの位相を調整する。なお、φｐはポンプ光の位相を、φｓはシグナル光の位相を、φｉはアイドラー光の位相を、それぞれ示している。なお、第２の光増幅装置２０におけるポンプ光Ｓ１０３ｂは、合波部１７０、第１光増幅部１００及び分波部２０１等の素子を経ずに光位相シフタ２０３に入力されるため、強度の減衰が少ない。そのため、上述した第１の光増幅装置１０とは異なり、光位相シフタ２０３の後段に光増幅器及びバンドパスフィルタを設置するのを省略することができる。これにより、第１の光増幅装置１０の場合と比較して、第２出力光Ｓ５０１ａに含まれるポンプ光の雑音を低減することができる。その結果、ポンプ光の雑音がシグナル光に転移するために生じる雑音指数の悪化を低減することが期待できる。
【０１２９】
また、第２の光増幅装置２０では、分波部２０１は、第１出力光Ｓ３０１に含まれるポンプ光を遮断し、及び互いに分波されたシグナル光Ｓ４０１とアイドラー光Ｓ４０５ａとをそれぞれ出力する。そして、合波部２１１は、光位相シフタ２０３において位相が調整されたポンプ光Ｓ４０３ｂと、シグナル光Ｓ４０１及びアイドラー光Ｓ４０５ｂとを合波して、第２出力光Ｓ５０１ａを生成する。
【０１３０】
第２の光増幅装置２０においても、第１の光増幅装置１０と同様の効果を得ることができる。上述した第１の光増幅装置１０と共通する構成要素及び信号については、重複する説明を省略する。
【０１３１】
（変形例）
図４を参照して、この発明による光増幅装置の変形例について説明する。この変形例では、上述した第１の光増幅装置１０及び第２の光増幅装置２０の第１光増幅部１００及び第２光増幅部３００を、非線形光学素子としてＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  Ｐｏｌｅｄ  Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｎｉｏｂａｔｅ）を備える構成としている。その他の構成については、上述した第１の光増幅装置１０及び第２の光増幅装置２０と同様であるため、共通する構成要素及び信号については、重複する説明を省略する。
【０１３２】
図４は、光増幅装置の変形例に用いる光増幅部を示す概略構成図である。なお、図４では、各構成要素が線で結ばれているが、これは信号が伝播する伝送路を模式的に示したものである。各構成要素間は、例えば光ファイバや光導波路で接続されていても良いし、いわゆる空間結合で接続されていても良い。
【０１３３】
ここでは、変形例に係る光増幅部４００を、上述した第１の光増幅装置１０及び第２の光増幅装置２０の第１光増幅部１００に変えて用いる場合について説明する。
【０１３４】
光増幅部４００は、サーキュレータ４０１と、第１偏波面調整部４０３と、偏光ビームスプリッタ４０５、第２偏波面調整部４０７及び非線形光学素子４０９を含むループ光路４１１を備えて構成されている。
【０１３５】
上述した合波部１７０から出力された入力光Ｓ２０１は、光増幅部４００に入力されると、サーキュレータ４０１を経て、第１偏波面調整部４０３に送られる。
【０１３６】
第１偏波面調整部４０３は、入力光Ｓ２０１に含まれるシグナル光及びポンプ光の偏波面を、偏光ビームスプリッタ４０５における強度分岐比が１：１となるように調整する。この結果、非線形光学素子４０９の遅相軸に平行な成分と、進相軸に平行な成分との強度比が１：１となる。第１偏波面調整部４０３として、例えば、半波長板を用いることができる。第１偏波面調整部４０３によって偏波面が調整された入力光（図４にＳ２０３で示す）は、偏光ビームスプリッタ４０５に送られる。
【０１３７】
偏光ビームスプリッタ４０５は、入力光Ｓ２０３に含まれるシグナル光及びポンプ光の、互いに直交する偏波成分を、１：１の強度比で分波する。そして、偏光ビームスプリッタ４０５は、分波した偏波成分光の一方（図４にＳ２０５ａで示す）を、時計回りでループ光路４１１を伝播させ、他方（図４にＳ２０５ｂで示す）を、反時計回りでループ光路４１１を伝播させる。
【０１３８】
まず、一方の偏波成分光Ｓ２０５ａの経路について説明する。
【０１３９】
偏光ビームスプリッタ４０５によって分波された一方の偏波成分光Ｓ２０５ａは、時計回りでループ光路４１１を伝播して、非線形光学素子４０９に入力される。偏波成分光Ｓ２０５ａは、ＰＰＬＮで構成されている非線形光学素子４０９において、ＳＨＧ／ＤＦＧ（二次高長波光発生／差周波光発生）カスケード波長変換効率が最大となる偏波状態となっている。
【０１４０】
非線形光学素子４０９は、パラメトリック増幅により、偏波成分光Ｓ２０５ａに含まれるシグナル光を増幅する。また、シグナル光とポンプ光との波長に基づき、波長変換光としてアイドラー光を生成する。既に説明したように、ここでは、非線形光学素子４０９として、ＰＰＬＮを用いる。シグナル光及びポンプ光、並びに非線形光学素子４０９において生成されたアイドラー光を含む混合光（図４にＳ２０７ａで示す）は、第２偏波面調整部４０７に送られる。
【０１４１】
第２偏波面調整部４０７は、混合光Ｓ２０７ａの偏波面を９０°回転させる。第２偏波面調整部４０７として、例えば、半波長板を用いることができる。第２偏波面調整部４０７を経た混合光Ｓ２０７ａは、偏光ビームスプリッタ４０５に送られる。
【０１４２】
次に、他方の偏波成分光Ｓ２０５ｂの経路について説明する。
【０１４３】
偏光ビームスプリッタ４０５によって分波された他方の偏波成分光Ｓ２０５ｂは、反時計回りでループ光路４１１を伝播して、第２偏波面調整部４０７に入力される。第２偏波面調整部４０７は、偏波成分光Ｓ２０５ｂの偏波面を９０°回転させる。その結果、偏波成分光Ｓ２０５ｂは、非線形光学素子４０９において、ＳＨＧ／ＤＦＧカスケード波長変換効率が最大となる偏波状態となる。第２偏波面調整部４０７を経た偏波成分光Ｓ２０５ｂは、非線形光学素子４０９に送られる。
【０１４４】
非線形光学素子４０９は、パラメトリック増幅により、偏波成分光Ｓ２０５ｂに含まれるシグナル光を増幅する。また、シグナル光とポンプ光との波長に基づき、波長変換光としてアイドラー光を生成する。シグナル光及びポンプ光、並びに非線形光学素子４０９において生成されたアイドラー光を含む混合光（図４にＳ２０７ｂで示す）は、偏光ビームスプリッタ４０５に送られる。
【０１４５】
偏光ビームスプリッタ４０５は、ループ光路４１１を伝播した混合光Ｓ２０７ａ及びＳ２０７ｂを合波して、第１出力光Ｓ２０９を生成する。生成された第１出力光Ｓ２０９は、第１偏波面調整部４０３に送られる。
【０１４６】
第１偏波面調整部４０３は、第１出力光Ｓ２０９に含まれるシグナル光、ポンプ光、及びアイドラー光の偏波面を、４５°回転させる。この偏波面の回転によって、第１出力光Ｓ２０９の偏波面を、上述した分波部２０１の入力ポート（図示せず）の遅相軸と一致させる。第１偏波面調整部４０３によって偏波が回転された第１出力光（図４にＳ３０１で示す）は、サーキュレータ４０１を経て、光増幅部４００から出力される。この第１出力光Ｓ３０１は、上述した第１の光増幅装置１０及び第２の光増幅装置２０において、第１光増幅部１００から出力される第１出力光Ｓ３０１に対応する。
【０１４７】
この変形例における光増幅部４００では、パラメトリック増幅を行う非線形光学素子４０９として、ＰＰＬＮを利用する。その結果、非線形光学素子として例えば高非線形ファイバを用いる場合とは異なり、自然ラマン放出による雑音が付加されない。従って、シグナル光の雑音を低減するに当たり有利である。また、ＰＰＬＮを利用する場合には、誘導ブルリアン散乱が発生しない。そのため、誘導ブルリアン散乱低減のための位相変調手段が不要である。
【０１４８】
なお、この変形例における光増幅部４００を、上述した第１の光増幅装置１０及び第２の光増幅装置２０における第２光増幅部３００に変えて用いることもできる。その場合には、光増幅部４００をＰＳＡとして機能させるために、非線形光学素子４０９の非線形定数を、シグナル光とポンプ光とアイドラー光との相対位相に応じて、シグナル光の増幅利得が決定するように調整する。
【符号の説明】
【０１４９】
１０：第１の光増幅装置
２０：第２の光増幅装置
１００：第１光増幅部
１０１、３０１：入力側偏波面調整部
１０３、３０３、４０９：非線形光学素子
１０５、３０５：出力側偏波面調整部
１５０：ポンプ光源
１５１：レーザダイオード
１５３、２０５：光増幅器
１５５、２０７：バンドパスフィルタ
１７０、２１１：合波部
１９０：ポンプ光分波部
２００：中間部
２０１、３３０：分波部
２０３：光位相シフタ（位相調整部）
２０９：偏波面調整部
２３１、２３７、４０５：偏光ビームスプリッタ
２３３、２３５：半波長板
２５０：分散補償器
３００：第２光増幅部
３７０：位相シフタ制御装置
４００：光増幅部
４０１：サーキュレータ
４０３：第１偏波面調整部
４０７：第２偏波面調整部
４１１：ループ光路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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