(57)【要約】【課題】従来技術の位相感応光増幅器では、光導波路を含む基板と接続する個別の光部品や、信号光および励起光の間の位相同期回路が必要であった。光アイソレータや光サーキュレータも必要となり部品点数が増加し、増幅器全体の構成が複雑になる問題があった。励起光発生の際に変換し切れなかった信号光の反射光がＤＰＡ用ＰＰＬＮに戻り光として入射するため、パラメトリック増幅効率が低下して、増幅特性が劣化する問題もあった。【解決手段】本発明の位相感応光増幅器は、直接接合法により作製した２次非線形光学デバイスおよび２つのＭＭＩを１つの基板上に集積化構成し、集積化基板が端面加工されている。フィルタ機能を持つＭＭＩの反射端面が、基板端面の一部を成す。信号光および励起光の間の位相同期用の変調器を同一基板上にさらに集積化することもできる。さらに、基本波光だけでなく励起光である第二高調波に対して位相変調を施す構成も採用する。【選択図】図３
2014095780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する位相感応型光増幅装置において、
励起基本波光を増幅する光ファイバレーザ増幅器と、
周期的に分極反転された二次非線形光学材料から成り、前記励起基本波光から和周波光を発生させる光導波路を有する第１の二次非線形光学素子と、
前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路と結合され、前記第１の二次非線形光学素子からの前記和周波光を反射しかつ前記励起基本波光を透過する作用を有し、前記励起基本波光および前記和周波光から前記和周波光のみを分離し、前記分離した前記和周波光を導波する結合導波路を有する第１のフィルタと、
前記信号光が入力される入力導波路を有し、前記信号光および前記結合導波路からの前記和周波光を合波する合波器と、
周期的に分極反転された二次非線形光学材料から成り、前記励起光を用いて前記信号光のパラメトリック増幅を行う光導波路を有する第２の二次非線形光学素子と、
増幅された前記信号光および前記励起光である前記和周波光を分離する第２のフィルタと、
前記増幅された信号光の位相および記光ファイバレーザ増幅器へ入力される励起光の位相を同期する手段とを備え、
前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路、前記第１のフィルタ、前記結合導波路、前記合波器、および、前記第２の二次非線形光学素子の前記光導波路は、同一の基板上に集積化されており、
前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路、前記第１のフィルタおよび前記結合導波路は、連続する導波路上に隣接して形成され、
前記入力導波路、前記合波器および前記第２の二次非線形光学素子の前記光導波路が、連続する導波路上に隣接して形成され、
前記結合導波路、前記合波器および前記第２の二次非線形光学素子の前記光導波路が、連続する導波路上に隣接して形成されていること
を特徴とする位相感応型光増幅装置。
【請求項２】
前記第１のフィルタは、導波路に垂直な面を反射端面として、該反射端面上に、前記和周波光を反射しかつ前記励起基本波光を透過する１以上の薄膜を備えたマルチモード干渉（ＭＭＩ）型合分波器であり、
前記第１のフィルタの前記反射端面は、前記基板の１つの端面の一部を構成し、前記１つ以上の薄膜は、前記基板の前記１つの端面全体の上に形成され、
前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路および前記第２の二次非線形光導の前記光導波路は、非線形光学効果を有する第１の基板と、該第１の基板に比べ屈折率の小さい第２の基板とを直接貼り合わせることによって作製された直接接合光導波路であること
を特徴とする請求項１に記載の位相感応型光増幅装置。
【請求項３】
前記同期する手段の一部として、前記光ファイバレーザ増幅器の出力側に、直接接合法により作製された光導波路からなる位相変調器を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の位相感応型光増幅装置。
【請求項４】
前記位相変調器は、前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路の前段側において、前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路に隣接して形成され、前記基板上で、前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路と集積化されることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の位相感応型光増幅装置。
【請求項５】
前記位相変調器は、前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路および前記第１のフィルタの間に、前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路に隣接して形成され、前記基板上で、前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路に集積化されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の位相感応型光増幅装置。
【請求項６】
前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路において和周波光に変換されず残留した基本波光を除去する手段を、前記変調器および前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路の間に、または、前記第１のフィルタおよび前記合波器の間の前記結合光導波路上の少なくとも一方に備え、前記基板上で集積化されていることを特徴とする請求項５に記載の位相感応型光増幅装置。
【請求項７】
前記和周波光は、第二高調波であって、
前記基本波光を除去する手段は、前記第１の二次非線形光学素子からの前記和周波光をシングルモード化するように動作する曲げ導波路またはテーパ導波路によって構成されることを特徴とする請求項６に記載の位相感応型光増幅装置。
【請求項８】
前記第２のフィルタは、前記増幅された信号光を出力する第１の出力導波路と、前記増幅された信号光の一部を抽出して前記同期する手段への検出信号として出力する第２の出力導波路を有するマルチモード干渉型合分波器（ＭＭＩ）で構成されることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の位相感応型光増幅装置。
【請求項９】
前記合波器は、前記信号光と、前記第１のフィルタの前記結合導波路からの前記和周波光を合波するマルチモード干渉型合分波器で構成されることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の位相感応型光増幅装置。
【請求項１０】
前記位相変調器は、前記信号光が入力される入力導波路上に構成され、前記基板上で集積化されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の位相感応型光増幅装置。
【請求項１１】
前記周期的に分極反転された二次非線形光学材料は、ＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂxＴａ1-xＯ 3（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ4、または、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする請求項１乃至１０いずれかに記載の位相感応型光増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は光増幅装置に関し、具体的には、光通信システムや光計測システムにおいて用いられる位相感応型光増幅器に関する。
【０００２】
従来技術の光伝送システムでは、光ファイバを伝搬することにより減衰した信号を再生するために、光信号を電気信号に変換し、デジタル信号を識別した後に光信号を再生する識別再生光中継器が用いられていた。この識別再生光中継器では、光信号を電気信号に変換する電子部品の応答・処理速度に制限があること、伝送する信号のスピードが速くなると消費電力が大きくなることなどの問題があった。
【０００３】
この問題を解決するための信号増幅手段として、エルビウムやプラセオジム等の希土類元素を添加した光ファイバに励起光を入射して信号光を増幅するファイバレーザ増幅器や、半導体レーザ増幅器が用いられている。ファイバレーザ増幅器や半導体レーザ増幅器は、信号光を光のままで増幅することができるので、識別再生光中継器で問題になっていた電気的な応答・処理速度の制限が存在しない。加えて、ファイバレーザ増幅器や半導体レーザ増幅器は、その機器構成も比較的単純であるという利点を持っている。しかしながら、これらのレーザ増幅器は、劣化した信号光パルス波形を整形する機能を持っていない。また、これらのレーザ増幅器においては、不可避的かつランダムに発生する自然放出光が信号成分とは全く無関係に混入される。このため、信号光のＳＮ比が増幅前後で少なくとも３ｄＢ低下する。これらは、デジタル信号伝送時における伝送符号誤り率の上昇につながり、伝送品質を低下させる要因になっている。
【０００４】
このような従来技術のレーザ増幅器の限界を打開する手段として、位相感応光増幅器（Ｐｈａｓｅ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＰＳＡ）が検討されている。この位相感応光増幅器は、伝送ファイバの分散の影響によって劣化した信号光パルス波形を整形するための機能を持っている。また、信号光とは無関係の直交位相を持つ自然放出光を抑圧できるために、原理的に、増幅の前後で信号光のＳ／Ｎ比を劣化させることなく同一に保つことができる。
【０００５】
位相感応型増幅器の実現方式は、光ファイバなどの三次非線形光学媒質を用いた構成と、二次非線形光学媒質を用いた構成とに大別できる。二次非線形光学媒質を用いた構成は、光ファイバなどの三次非線形光学媒質を用いた構成と比べて、ＧＡＷＢＳ(guided acoustics wave Brillouin scattering)やＡＳＥの混入がなく、低ノイズな増幅が可能である。
【０００６】
図１、従来技術１の位相感応光増幅器の基本的な構成を示す図である。位相感応光増幅器１００は、二次非線形光学媒質として周期分極反転導波路を用いた位相感応光増幅器の基本的な構成を示している。図１以降の全ての図においては、点線の矢印は第二高調波光（波長０．７７μｍ）を表し、実線の矢印で基本波光（波長１．５４μｍ）を表している。また矢印の線の太い光は、矢印の線の細い光に比べて、そのレベルがより大きいことを示している。
【０００７】
本構成では、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、光分岐部１０１によって信号光の一部を取り出し、これを励起光として、ファイバレーザ増幅器１０４を用いて基本波光を増幅する。増幅された基本波光を第１の二次非線形光学素子１０５に入射させて第二高調波を発生させる。さらに、第２の二次非線形光学素子１０７に、信号光および第１の二次非線形光学素子１０５で生成された第二高調波１１３を入射して縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応増幅が行われる。第１の二次非線形光学素子１０５は、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）から成る光導波路１２１を備え、第２の二次非線形光学素子１０７は、ＰＰＬＮから成る光導波路１２２を備える。
【０００８】
この位相感応型光増幅器１００では、位相感応光増幅部１０７における信号光の位相および励起光の位相が一致すると入力信号光１１２が増幅され、両者の位相が９０度ずれた直交位相関係になると、入力信号光１１２が減衰する特性を有する。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の位相および信号光の位相を一致させると、信号光と直交位相の自然放出光を発生させずに、すなわちＳＮ比を劣化させずに信号光を増幅することができる。
【０００９】
具体的には、図に示した位相感応光増幅器１００では出力した増幅信号光の一部を光分岐部１０８で分岐して光検出器１１０で受光した後で、位相同期ループ回路（ＰＬＬ）１１１により位相同期を行っている。ＥＤＦＡ１０４の前段側に配置した位相変調器１０２を用いて、正弦波により微弱な位相変調を光分岐部１０１で抽出した入力励起基本波光に施す。光検出器１１０およびＰＬＬ回路１１１によって、その位相変調の位相ずれを検出して、この誤差信号が、ＥＤＦＡ１０４の前段側に配置したＰＺＴによる光ファイバ伸長器１０３の駆動電圧および位相変調器１０２のバイアス電圧にフィードバックされる。このフィードバック動作によって、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、安定的に位相感応増幅をできるようにしている。
【００１０】
図１に示した従来技術１の位相感応光増幅器では、個別の位相変調器１０２、ファイバ増幅器１０４、第二高調波生成用の二次非線形光学素子１０５、位相感応増幅（ＯＰＡ）を行う二次非線形光学素子１０７および、各二次非線形光学素子内１０５、１０７内に備えられた合分波器１２４、１２５、１２６といった種々の光学素子を、光ファイバによって接続している。このため、各部の接続により生じる損失によって、増幅光１１４のＳＮＲが低下する欠点があった。また複数の二次非線形光学デバイス１０５、１０７が必要であって、励起光源の位相および信号光の位相の２者間の位相を同期させる必要があるため、この位相同期のための部品（位相変調器１０２、光分岐部１１０、検出器１１１）が必要となる。位相感応増幅を用いない光増幅器と比べて、光増幅器１００の全体で必要な部品点数が多くなり、さらに構成が複雑になってしまうという問題があった。
【００１１】
位相感応光増幅器のこれらの問題に対しては、同一基板上に上述の各素子を集積する構成を採用することによって、素子間の接続損失が原理的に無くなり、接続損失により劣化する増幅光のＳＮ比（ＳＮＲ）を改善可能である。しかしながら、集積化する構成ではＳＮＲの劣化は改善可能であるものの、集積化後の基板サイズの拡大を避けることはできなかった。このような課題を解決する方法として、次の図２に示すようなＭＭＩを用いた従来技術２の構成が提案された。
【００１２】
図２は、従来技術２の２次非線形光学効果を用いた位相感応光増幅器の構成を示す図である。図２に示した従来技術２の位相感応光増幅器の構成は、図１に示した構成で問題であった集積化に伴う基板サイズの拡大に対応したものである。図１に示した従来技術１の構成において、第二高調波発生用のＰＰＬＮ１０５および縮退パラメトリック増幅用のＰＰＬＮ１０７を単純に同一基板上に集積しただけの場合、基板サイズの拡大は避けらない。
【００１３】
図２に示した構成においては、第二高調波の発生（ＳＨＧ）および縮退パラメトリック増幅（ＤＰＡ）の両者を行う単一のＰＰＬＮ２０９と、合分波器としてマルチモード干渉計（ＭＭＩ）２１２とを、１つのＬＮ基板上２０５に集積している。光アイソレータ２１４を通して入力された波長１．５４μｍの信号光２１４が、入力導波路２２４に入力されＭＭＩ２１２を経てＰＰＬＮ２０９で増幅される。集積化したＭＭＩ２１２は、その導波路幅、導波路長および入出力ポート位置を最適設計することによって、波長１．５４μｍの信号光を低損失にＰＰＬＮ２０９のＤＰＡ機能部分に結合している。
【００１４】
入力信号光は、分岐手段２０１によってその一部２２６が分岐されてＥＤＦＡ２０４に入力され、ＥＤＦＡ２０４によって増幅されて、基本波光の増幅光２１５が得られる。増幅された基本波光２１５は、光サーキュレータ２０６を介して、基板２０５の右端より入力され、励起光として使用される。基板２０５の右端より入力した励起光は、ＳＨＧおよびＤＰＡの機能を持つＰＰＬＮ導波路２０９のＳＨＧ機能部分の導波路を伝搬して、ＭＭＩ２１２に到達するまでに、ほぼ全てが第二高調波成分（点線の矢印）に変換される。
【００１５】
ＭＭＩ２１２は、この第二高調波を下段の出力導波路２２１に低損失で結合する。その後、第２高調波は、基板２０５の左端部において、第二高調波の波長０．７７μｍで高い反射率を有する高反射膜（光学多層膜フィルタ）２２１で高効率に反射し、同じ導波路２２１を逆方向へ伝搬する。逆方向へ伝搬する第２高調波は、再びＭＭＩ２１２を介してＳＨＧとＤＰＡを兼ねたＰＰＬＮ導波路２０９に結合・伝搬する。同様に上段の導波路２２４を経由してＭＭＩ２１２によって合波した信号光と、第二高調波とが、ＰＰＬＮ導波路２０９において光混合され、ＤＰＡ機能により信号光が増幅される。図１における位相変調器１０２の機能は、ＭＭＩの下段の導波路２２１上に形成された電極２０２に対して変調信号を印加することで実現される。
【００１６】
図２に示した構成によって、ＥＤＦＡ２０４の前段側に置かれていた単体の位相変調器を省略して、第二高調波に対して変調を施しているため駆動電圧は概ね半分で済み、既存の位相感応型増幅器に比べて低駆動で位相変調器を動作させることができる。図２に示した構成によって、光通信で用いる微弱な光パワーからパラメトリック光増幅を利用するのに十分なパワーを得るための光ファイバ増幅器を用い、光増幅に伴って発生する励起光のＳＮ比劣化を抑えながら位相感応型増幅器を構成することができる。
【００１７】
さらに光ＰＬＬ回路内の励起光発生用の第二高調波発生器、すなわちＳＨＧおよびＤＰＡの機能を兼ねたＰＰＬＮ導波路２０９と、位相変調器２０２とを１つの基板上に集積化することによって、別個の変調器１０２や、二次非線形光学素子１０５、１０７を接続した図１に示した従来技術１の構成の場合と比べ、基本波光の励起光の減衰の影響を少なくすることができる。この結果、光通信に適用可能で、かつ光ファイバ増幅が可能な位相感応型増幅器により、光ファイバ中の信号のＳＮ比を改善できる。従来技術１の構成よりも、高速の信号を低いパワーで長距離まで伝送することが可能となった。また、励起光を基板２０５の左端面の高反射膜２２１で反射することによって、励起光発生用のＰＰＬＮおよびＤＰＡ用のＰＰＬＮを１つのＰＰＬＮ２０９で共用することにより、装置サイズを小型化した。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】J. A. Levenson, I. Abram, T. Rivera, and P. Grainger, “Reduction of quantum noise in optical parametric amplification,” J. Opt. Soc. Am. B, vol. 10, pp. 2233-2238 (1993).
【非特許文献２】W. Imajuku, and A. Takada, “Gain characteristics of coherent optical amplifiers using a Mach-Zehnder interferometer with Kerr Media,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 35, no. 11, pp. 1657-1665 (1999).
【非特許文献３】R. Slavik et al., “All-optical phase and amplitude regenerator for next-generation telecommunications system,” Nature Photonics., vol. 4, pp. 690-695 (2010).
【非特許文献４】T. Umeki, O. Tadanaga, and M. Asobe, “Highly efficient wavelength converter using direct-bonded PPZnLN ridge waveguide,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 46, no. 8, pp. 1003-1008 (2010).
【非特許文献５】R. Slavik et al., “All-optical phase-regenerative multicasting of 40 Gbit/s DPSK signal in a degenerate phase sensitive amplifier,” In Proceedings of the European Conference and Exhibition on Optical Communication (ECOC 2010, Torino, Italy) MO.1.A.2.
【非特許文献６】諸橋 功，坂本 高秀，外林 秀之，川西 哲也，寳迫 巌, “マッハツェンダー変調器ベース光コム発生器およびソリトン圧縮による100fs 級パルス発生,” 第72 回応用物理学会学術講演会  講演予稿 (応用物理学会2011 秋  山形大学) 30a-P3-1
【非特許文献７】R. Tang et al., “In-line phase-sensitive amplification of multichannel CW signals based on frequency nondegenerate four-wave-mixing in fiber,” Optics Express., vol. 16, pp. 9046-9053 (2008).
【非特許文献８】中川清司、他３名、「光増幅器とその応用」、オーム社、1992/05、p.26
【非特許文献９】西原他、「光集積回路」、オーム社
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、図２に示した従来技術２の構成の位相感応光増幅器では、二次非線形光学素子を用いることによりＧＡＷＢＳやＡＳＥによる雑音を回避しながら位相感応増幅を行うことができるものの、新たな問題が生じていた。依然として、Ｐｕｍｐ（ＬＯ）と示された基本波光または第二高調波の励起光と、ｓｉｇｎａｌと表示された信号光との間の位相を同期させる回路が必要である。また、新たな単体部品として、光アイソレータ２１３や光サーキュレータ２０６が必要となって、部品点数が多くなっていた。さらに増幅器全体の構成がむしろ複雑になってしまう問題があった。さらには励起光発生の際に変換し切れなかった信号光の反射光がＤＰＡ用ＰＰＬＮに戻り光として入射することによりパラメトリック増幅の効率が低下し、増幅特性が劣化するという問題があった。
【００２０】
本発明の目的は、上述のような従来技術の問題に鑑みて、光通信に使用される微弱なレーザ光の増幅に適用可能であり、かつ低雑音での増幅が可能な位相感応型の光増幅装置の新しい集積化された構成を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１の発明は、非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する位相感応型光増幅装置において、励起基本波光を増幅する光ファイバレーザ増幅器と、周期的に分極反転された二次非線形光学材料から成り、前記励起基本波光から和周波光を発生させる光導波路を有する第１の二次非線形光学素子と、前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路と結合され、前記第１の二次非線形光学素子からの前記和周波光を反射しかつ前記励起基本波光を透過する作用を有し、前記励起基本波光および前記和周波光から前記和周波光のみを分離し、前記分離した前記和周波光を導波する結合導波路を有する第１のフィルタと、前記信号光が入力される入力導波路を有し、前記信号光および前記結合導波路からの前記和周波光を合波する合波器と、周期的に分極反転された二次非線形光学材料から成り、前記励起光を用いて前記信号光のパラメトリック増幅を行う光導波路を有する第２の二次非線形光学素子と、増幅された前記信号光および前記励起光である前記和周波光を分離する第２のフィルタと、前記増幅された信号光の位相および記光ファイバレーザ増幅器へ入力される励起光の位相を同期する手段とを備え、前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路、前記第１のフィルタ、前記結合導波路、前記合波器、および、前記第２の二次非線形光学素子の前記光導波路は、同一の基板上に集積化されており、前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路、前記第１のフィルタおよび前記結合導波路は、連続する導波路上に隣接して形成され、前記入力導波路、前記合波器および前記第２の二次非線形光学素子の前記光導波路が、連続する導波路上に隣接して形成され、前記結合導波路、前記合波器および前記第２の二次非線形光学素子の前記光導波路が、連続する導波路上に隣接して形成されていることを特徴とする位相感応型光増幅装置である。
【００２２】
第１のフィルタは、例えば実施例１の第２のＭＭＩ３１２に対応し、合波器は、例えば実施例１の第１のＭＭＩ３３０に対応する。また、結合導波路は、第２のＭＭＩ３１２の結合光導波路３３２に対応する。さらに和周波光は、第二高調波に対応する。
【００２３】
請求項２の発明は、請求項１の位相感応型光増幅装置であって、前記第１のフィルタは、導波路に垂直な面を反射端面として、該反射端面上に、前記和周波光を反射しかつ前記励起基本波光を透過する１以上の薄膜を備えたマルチモード干渉型合分波器（ＭＭＩ）であり、前記第１のフィルタの前記反射端面は、前記基板の１つの端面の一部を構成し、前記１つ以上の薄膜は、前記基板の前記１つの端面全体の上に形成され、前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路および前記第２の二次非線形光導の前記光導波路は、非線形光学効果を有する第１の基板と、該第１の基板に比べ屈折率の小さい第２の基板とを直接貼り合わせることによって作製された直接接合光導波路であることを特徴とする。１つ以上の薄膜は、例えば実施例１の反射部材３２１および反射防止部材３２０ａに対応する。
【００２４】
請求項３の発明は、請求項１または２の位相感応型光増幅装置であって、前記同期する手段の一部として、前記光ファイバレーザ増幅器の出力側に、直接接合法により作製された光導波路からなる位相変調器を備えることを特徴とする。
【００２５】
請求項４の発明は、請求項１乃至３いずれかの位相感応型光増幅装置であって、前記位相変調器は、前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路の前段側において、前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路に隣接して形成され、前記基板上で、前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路と集積化されることを特徴とする。
【００２６】
請求項５の発明は、請求項１乃至３いずれかの位相感応型光増幅装置であって、前記位相変調器は、前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路および前記第１のフィルタの間に、前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路に隣接して形成され、前記基板上で、前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路に集積化されていることを特徴とする。
【００２７】
請求項６の発明は、請求項５の位相感応型光増幅装置であって、前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路において和周波光に変換されず残留した基本波光を除去する手段を、前記変調器および前記第１の二次非線形光学素子の前記光導波路の間に、または、前記第１のフィルタおよび前記合波器の間の前記結合光導波路上の少なくとも一方に備え、前記基板上で集積化されていることを特徴とする。
【００２８】
請求項７の発明は、請求項６の位相感応型光増幅装置であって、前記和周波光は、第二高調波であって、前記基本波光を除去する手段は、前記第１の二次非線形光学素子からの前記和周波光をシングルモード化するように動作する曲げ導波路またはテーパ導波路によって構成されることを特徴とする。
【００２９】
請求項８の発明は、請求項１乃至７いずれかの位相感応型光増幅装置であって、前記第２のフィルタは、前記増幅された信号光を出力する第１の出力導波路と、前記増幅された信号光の一部を抽出して前記同期する手段への検出信号として出力する第２の出力導波路を有するマルチモード干渉型合分波器（ＭＭＩ）で構成されることを特徴とする。
【００３０】
請求項９の発明は、請求項１乃至８いずれかの位相感応型光増幅装置であって、前記合波器は、前記信号光と、前記第１のフィルタの前記結合導波路からの前記和周波光を合波するマルチモード干渉型合分波器で構成されることを特徴とする。
【００３１】
請求項１０の発明は、請求項１乃至３いずれかの位相感応型光増幅装置であって、前記位相変調器は、前記信号光が入力される入力導波路上に構成され、前記基板上で集積化されていることを特徴とする。
【００３２】
請求項１１の発明は、請求項１乃至１０いずれかの位相感応型光増幅装置であって、前記周期的に分極反転された二次非線形光学材料は、ＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂxＴａ1-xＯ 3（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ4、または、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３３】
以上説明したように、本発明の位相感応光増幅器は、直接接合法により作製した２次非線形光学デバイスおよび２つのＭＭＩを集積化して使用し、集積化された基板は端面に加工を施されている。各端面において、基本波光および第二高調波を適切に反射または無反射処理する。従来技術の位相感応光増幅器と比べて、合分波器などの個別部品を排除することで基板サイズを縮小し、さらに、光アイソレータ、光サーキュレータ等を不要とすることができる。本発明によって、別個の部品間の接続損失により生じる増幅器ＳＮＲの劣化を抑え、基板サイズの増大を抑えることができる。
【００３４】
反射端面を持つＭＭＩ（第１のフィルタ）を利用して、第二高調波および基本波光を効果的に分離しながら、コンパクトにＰＰＬＮを近接して配置することができる。また、ＭＭＩの反射端面が、集積化をした基板の端面の一部を構成しているので、１つの基板上に集積化された光回路の作製プロセスへの親和性が高い。
【００３５】
本発明の位相感応光増幅器は、光通信に適用可能で、かつ低雑音での増幅が可能な位相感応型増幅器であり、光ファイバ中の信号のＳＮ比を改善できるために、従来よりも高速の信号を低いパワーで長距離まで伝送することが可能になる。また、入射される信号光の位相チャープを補正して増幅することが可能なために、光ファイバの波長分散による信号劣化の影響を抑え、増幅後の信号光の伝送距離を伸ばすことが可能になる。また、本発明の位相感応光増幅器によれば、信号源として、長距離伝送が必要な応用において位相チャープのあるような安価あるいは簡便な光変調器を用いても、チャープのない光信号を発生することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、従来技術１の位相感応光増幅器の構成を示す図である。
【図２】図２は、従来技術２の位相感応光増幅器の構成を示す図である。
【図３】図３は、実施例１の集積化位相感応光増幅器の構成を示す図である。
【図４】図４は、本発明の第２のＭＭＩの構成を従来技術の一般的なＭＭＩと対比させて説明する図である。
【図５】図５は、実施例１の位相感応光増幅器における、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。
【図６】図６は、実施例１の位相感応光増幅器によって増幅された信号の時間波形を説明する図である。
【図７】図７は、実施例２の集積化した位相感応光増幅器の構成を示す図である。
【図８】図８は、実施例３の集積化した位相感応光増幅器の構成を示す図である。
【図９】図９は、実施例４の集積化した位相感応光増幅器の構成を示す図である。
【図１０】図１０は、実施例５の集積化位相感応光増幅器の構成を示す図である。
【図１１】図１１は、実施例６の集積化位相感応光増幅器の構成を示す図である。
【図１２】図１２は、実施例７の位相感応光増幅器の基本波光を除去する手段、曲げ導波路の構成例を示す図である。
【図１３】図１３は、実施例７の位相感応光増幅器の基本波光を除去する手段の別の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明の位相感応光増幅器は、直接接合法により作製した２次非線形光学デバイスおよび２つのＭＭＩを１つの基板上に集積化して構成し、集積化された基板が端面加工されている。反射端面を持つＭＭＩ型合分波器（第１のフィルタ）を利用して、第二高調波および基本波光を効果的に分離しながら、コンパクトに２つのＰＰＬＮを近接して配置することができる。また、ＭＭＩの上述の反射端面が、集積化をした基板の端面の一部を構成しているので、１つの基板上に集積化された光回路の作製プロセスと親和性が高い。
【００３８】
信号光および励起光の間の同期用の位相変調器を同一の基板上にさらに集積化する構成とすることもできる。また、基本波光だけでなく励起光である第二高調波に対して位相変調を施す構成も採用できる。さらに、第二高調波の高次モードを効果的に放射するよう曲げ導波路の曲率半径を適切に設計することによって第二高調波の基本モードのみに位相変調を施し、かつ、信号光波長に対して急峻な曲率半径とすることによって励起光発生用のＰＰＬＮにおいて変換しきれず残留した励起用信号光を同時に除去することもできる。
【００３９】
従来技術の位相感応光増幅器で、部品点数が増加しさらに増幅器全体の構成がむしろ複雑になっていた問題を解決する。さらには励起光発生の際に変換し切れなかった信号光の反射光に起因するパラメトリック増幅の効率が低下、増幅特性が劣化の問題を解決する。光通信に使用される微弱なレーザ光の増幅に適用可能であり、かつ、低雑音での増幅が可能な位相感応型の光増幅装置の新しい集積化された構成を提供する。以下、図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。
【実施例１】
【００４０】
図３は、本発明の実施例１の集積化した位相感応光増幅器の構成を示す図である。本実施例の位相感応光増幅器３００によって、従来技術１、従来技術２の各構成において問題であった（１）別個の部品間の接続損失による増幅器ＳＮＲの劣化、（２）第二高調波発生（ＳＨＧ）用ＰＰＬＮ、信号光および第二高調波の合分波器、ならびに、縮退パラメトリック増幅（ＤＰＡ）用ＰＰＬＮを同一基板上に集積化した場合の基板サイズの増大を防ぐことができる。
【００４１】
本位相感応光増幅器３００の構成においては、同一のＬＮ基板３４０上に第二高調波の発生を行うＰＰＬＮ３０５および縮退パラメトリック増幅をおこなうＰＰＬＮ３０６と、合分波器として機能する２つのマルチモード干渉型（ＭＭＩ：Multi Mode Interference）合分波器、すなわち第１のＭＭＩ３３０、第２のＭＭＩ３１２とを集積化している。波長１．５４μｍの信号光３１４が増幅されて、増幅信号光３１６を得る。従来技術の図２の構成と比べると、大きな個別部品のアイソレータ２１３およびサーキュレータ２０６が削除されている。
【００４２】
以下の説明では、簡単のため、マルチモード干渉型（ＭＭＩ）合分波器をＭＭＩと簡略化して呼ぶ。信号光の一部は、カップラ３０１によって分岐し、信号光の位相および励起光の位相の同期用の位相変調器３０２を通じて、ＥＤＦＡ３０４に入力される。ＥＤＦＡ３０４によって基本波光を増幅した後、増幅光３１５を、基板右端より入力し励起光として使用する。基板の右端より入力した励起光は、第２のＭＭＩ３１２に到達するまでに、ほぼ全てが第二高調波成分３１７に変換される。
【００４３】
ここで集積化した２つのＭＭＩ３３０、３１２について、さらに詳細に説明する。第１のＭＭＩ３３０（請求項では合波器に対応）は、その導波路幅、導波路長ならびに入力ポートおよび出力ポートの各位置を最適設計することによって、信号光および励起光を低損失にＤＰＡ用ＰＰＬＮ３０６に結合することができる。具体的には、入力導波路３３３から入力される波長１．５４μｍの信号光を、約１．０ｄＢの挿入損失で、ＤＰＡ用ＰＰＬＮ３０６に結合できた。また、第二高調波発生用ＰＰＬＮ３０５により生成した波長０．７７μｍの励起光を、約１．１ｄＢの挿入損失で、ＤＰＡ用ＰＰＬＮ３０６に結合することができた。
【００４４】
図４は、本発明の位相感応光増幅器で使用される第２のＭＭＩ３１２の構成を従来技術の一般的なＭＭＩの構成と対比させて説明する図である。図４の（ａ）は、一般的なＭＭＩ型合分波器の構成を示している。ＭＭＩ導波路４０１に対して入力導波路４０４および２つの出力導波路４０２、４０３を持っている。例えば、入力導波路４０１から異なる波長λ1、λ2の２つの光を入力すれば、異なる２つの出力導波路４０２、４０３の一方には波長λ1の光が、他方には波長λ2の光が出力される。すなわち、入力光の波長に依存した出力ポートへ光信号が分波される。逆方向に光を伝搬させれば合波器として機能するのは言うまでも無い。入力ポートおよび出力のポート数は、いずれも複数であっても良い。
【００４５】
一方、本実施例の位相感応光増幅器３００において使用される第２のＭＭＩは、図４の（ｂ）に示すように、同一基板３４０の上に第１のＭＭＩ３３０と供に形成され、光が入射および出射する入出射端面４０６と、反射端面４０５とを有する単一のマルチモード干渉型光導波路（ＭＭＩ）３１２から構成される。ＭＭＩ３１２は、従来型のＭＭＩを特定の位置で、例えば半分の位置で、限定をされないが例えば切断研磨を行って作製することができる。したがって、図４の（ｂ）のＭＭＩ３１２の左側端面４０５は、反射端面となっている。この反射端面４０５は、これ単独であっても、第二高調波および基本波光を反射する性質を持っている。
【００４６】
本実施例の第２のＭＭＩ３１２は、反射端面４０５上に、反射部材３２１および反射防止部材３２０ａをさらに備えている。反射部材３２１および反射防止部材３２０ａは、それぞれ、図３における基板３４０の左端面に形成された高反射膜３２１および反射防止膜３２０ａに対応する。第２のＭＭＩ３１２は、もう一方の端面４０６上で２つの光導波路が接続されており、一方の光導波路３３１は第二高調波発生用の第１のＰＰＬＮ３０５に接続され、もう一方の結合光導波路３３２は、第１のＭＭＩ３３０を経由してＤＰＡ用の第２のＰＰＬＮ３０６に接続されている。
【００４７】
したがって、第２のＭＭＩ３１２は、第１の二次非線形光学素子の光導波路３０５と結合され、第１の二次非線形光学素子からの第二高調波（和周波光）を反射しかつ励起基本波光を透過する作用を有し、励起基本波光および第二高調波から前第二高調波のみを分離し、この分離した第二高調波を導波する結合導波路３３２を有している。第２のＭＭＩ３１２は、請求項に記載された第１のフィルタに対応している。
【００４８】
さらに、第２のＭＭＩ３１２（第１のフィルタ）は、ＭＭＩ型導波路に垂直な面を反射端面４０５として、この反射端面４０５上に、第二高調波（和周波光）を反射しかつ励起基本波光を透過する１以上の薄膜を備えたマルチモード干渉型合分波器（ＭＭＩ）である。さらに第２のＭＭＩ３１２（第１のフィルタ）の反射端面は、基板３４０の１つの端面の一部を構成し、上述の１つ以上の薄膜３２０ａ、３２１は、基板３４０の前記１つの端面全体の上に形成されている。
【００４９】
尚、本実施例の位相感応型増幅器３００では、第二高調波３１７を例としているが、第２のＭＭＩ３１２によって分離が容易な、基本励起光に基づいた和周波光を利用する限り、第二高調波に限定されない。すなわち、第１のＰＰＬＮ導波路３０５で生成される、基本励起光に基づいた和周波光を利用できる。
【００５０】
ここで再び図３に戻ると、第２のＭＭＩ３１２も含めた基板３４０の左端に、第二高調波に対する反射処理として、波長０．７７μｍの波長において高い反射率９９．９９％を有する高反射膜３２１を備える。高反射膜３２１は、例えば光学多層膜フィルタで構成できる。図４の（ｂ）でも説明したように、第２のＭＭＩ３１２の一方の端面４０５上に備えられた誘電体多層膜などの高反射膜３２１を用いて、第二高調波を反射する。第１のＰＰＬＮ３０５から入力された第二高調波は、第２のＭＭＩ３１２内の往路におけるマルチモード干渉の途中で、端面４０５で反射し折り返され、ＭＭＩ３１２内の復路でさらにマルチモード干渉を行いながら伝搬する。
【００５１】
第２のＭＭＩ３１２内で、波長０．７７μｍの導波光（第二高調波）は周期的に結像を繰り返しながら端面４０６上に集光する。端面４０６上の集光位置は、導波路３３１の入力位置、ＭＭＩ導波路の幅、長さおよび反射位置などのパラメータに依存する。したがって、これらのパラメータを最適化することによって、第二高調波発生用の第１のＰＰＬＮ３０５で生成した第二高調波の励起光を、低損失で結合光導波路３３２に結合する。第二高調波の励起光３１８は、結合光導波路３３２を経て、第１のＭＭＩ３３０へ入力される。同時に、第２のＭＭＩ３１２に関して、基本波光の波長を有する残留励起光が、結合光導波路３３２への混入を最小化するように設計をすることによって、結合光導波路３３２への残留励起光の入射を極めて少なくできる。本実施例では、第二高調波３１７を、ＤＰＡ用の第２のＰＰＬＮ３０６へ接続する結合光導波路３３２に、挿入損失１．５ｄＢで結合することができた。
【００５２】
第二高調波３１８は、第１のＭＭＩ３３０を介してＤＰＡ用の第２のＰＰＬＮ導波路３０６に結合する。第二高調波３１８は、同様に第１のＭＭＩ３３０を介して合波した入力信号光３１４と光混合され、ＤＰＡ用の第２のＰＰＬＮ導波路３０６によって信号光が増幅される。
【００５３】
尚、図３および後述する実施例の各図では、第２のＭＭＩの左側で基板の外部に、実線（基本波光）および破線（第二高調波）の往復する矢印が描かれているが、これは、基板端面において各光が反射されることを概念的に示している。したがって、実際に、基板の外部で光が戻ることを意味しているわけではない。基本波光に対しても、反射を意味する往復する矢印が描かれているのは、基本波光の１００％透過させることは不可能であり、わずかに反射してしまうことを示すためである。したがって、第２のＭＭＩの反射端面が積極的に基本波光を反射させる機能を持っていることを意味しているのではない。
【００５４】
上述の第２のＭＭＩ３１２の左端で第二高調波を反射しかつ残留励起光を透過させ、また、ＤＰＡ用の第２のＰＰＬＮ導波路３０６によってパラメトリック増幅された信号光が基板３４０の右端においてＰＰＬＮ導波路３０６に反射して再び戻ることが無いように、基板３４０の左右の端面にはそれぞれ異なる端面処理を施した。基板３４０の左右の端面の加工を行った後、左端面については、まず、上述の第二高調波０．７７μｍの光に対する高反射（ＨＲ）膜を、さらに０．７７μｍの基本波光に対する反射防止（ＡＲ）膜をスパッタ法によって成膜した。また基板３４０の右側端面については、基本波光１．５４μｍ対する反射防止（ＡＲ）膜３２０ｂおよび第二高調波０．７７μｍの光に対する反射防止（ＡＲ）膜３２２を、同様のスパッタ法により成膜した。
【００５５】
上述の製膜の手順から分かるように、基板３４０の端面処理と同時に、第２のＭＭＩ３１２が形成できることになる。以上の処理によって、所望の各波長の光に対して選択的に反射および/または反射防止機能を持つ導波路端面を形成した。
【００５６】
上述の構成によって、第１の二次非線形光学素子の光導波路３０５、第２のＭＭＩ３１２（請求項では第１のフィルタに対応）および結合光導波路３３２は、１本の連続する導波路として隣接して形成されることになる。また、入力導波路３３３、第１のＭＭＩ３３０（請求項では合波器に対応）および第２の二次非線形光学素子の光導波路３０６も、１本の連続する導波路として隣接して形成される。さらに、結合光導波路３３２、第１のＭＭＩ３３０（請求項では合波器に対応）および第２の二次非線形光学素子の光導波路３０６も、１本の連続する導波路として隣接して形成されることになる。
【００５７】
本実施例の位相感応型増幅器においては、信号光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、第二高調波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、次式（１）の関係を満たすことが必要である。
Δφ＝φ2ωs／２−φωs＝ｎπ（ただし、ｎは整数）      式（１）
【００５８】
図５は、本実施例の二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器における、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。横軸のΔφが−π、０またはπのときに、利得Ｇが最大となっていることがわかる。図５に示したような入力信号光と励起光との間の位相同期を達成するために、図３に示した本実施例の位相感応型増幅器３００は、以下の構成を持っている。
【００５９】
光ファイバレーザ増幅器３０４の前に、基本波光の励起光３２６の位相を一定周波数の小振幅のパイロット信号で変調するための位相変調器３０２を設けている。励起光３２６の位相を微小に変調した状態で、パラメトリック増幅された信号光３１６を、光分岐部３０８で分岐して光検出器（ＰＤ：フォトダイオード）３１０により受光・観測する。図５に示したように利得が最大となって位相同期が取れている状態では、位相変調による利得の変動が最小になる。これに対して、位相同期が外れている状態では、図５に示したように励起光および信号光の間の位相差が大きくなるに従って、位相変調によって利得に変調を生じる。増幅された光３１６にも、パイロット信号と同じ周波数の変調成分を生じることになる。
【００６０】
このような増幅光３１６に現れる変調成分が最小になるように、ＰＬＬ（Phase Lock Loop）技術を用いて励起光の位相にフィードバックをかけることによって、励起光と信号光との間で位相を同期させることができる。本実施例では、ＰＬＬ回路３１１から、ＰＺＴを用いた光ファイバの伸長器３０３にフィードバックを行うことにより、光ファイバ部品の伸び縮みや温度変動による位相の変動を吸収できるようにしている。
【００６１】
本実施例においては、図３には示されていないが、入力信号光に対するデータ信号用変調器としてＬＮマッハツェンダー変調器を用い、入力信号光として１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ信号を入力した場合の増幅特性を評価した。
【００６２】
図６は、本実施例の位相感応光増幅器３００によって増幅された信号の時間波形を説明する図である。図８の（ａ）は位相感応光増幅器へ励起光が入射しないときの入射信号光の出力波形を、図８の（ｂ）はＰＬＬによって励起光および信号光の位相を式（１）の関係を満たすように設定したときの出力波形を、図８の（ｃ）はＰＬＬによって励起光の位相および信号光の位相を式（１）の関係から９０度ずれるように設定したときの出力波形をそれぞれ示している。本実施例の位相感応光増幅器では、励起光の位相を信号光の位相に合わせることによって、励起光の位相および信号光の位相が式（１）の関係を満たすように同期させることで、第２のＰＰＬＮ導波路３０６に入射した第二高調波３１９のパワーが３００ｍＷという条件下で、約１１ｄＢの利得を得ることができた。
【００６３】
本実施例の位相感応光増幅器３００では、１つの基板３４０上に集積化した２つのＭＭＩ型合分波器３１２、３３０を用いて信号光および励起光を選択し、ＤＰＡ用の第２のＰＰＬＮ３０６へ高い消光比で入射することができる。これによって、図２に示した従来技術の１つのＭＭＩ２１２と第二高調波の励起光に対する高反射膜２２１を用いた構成において問題であった増幅率の低下を抑えることができる。図２の位相感応光増幅器の構成では、励起光発生の際、第二高調波に変換し切れなかった残留信号光（基本波光）の反射光がＤＰＡ用のＰＰＬＮ２０９に混入し増幅率を低下させていた。これに対して、本実施例の位相感応光増幅器３００では、第２のＭＭＩの反射端面および各薄膜を利用して、残留信号光の第２のＰＰＬＮ３０６への反射光が十分に抑えられて、第２のＰＰＬＮ３０６における増幅率の低下を生じることなく高効率な光増幅器が実現できた。
【００６４】
また本実施例の位相感応光増幅器の構成によって、２つのＭＭＩ３１２、３３０を利用して励起光と信号光とを分離したため、図２の従来技術２の位相感応光増幅器で必要であった光アイソレータ、光サーキュレータが不要となり、これらの部品の接続によって生じていた損失の影響を回避することができる。信号光側へ伝搬する光が図２に示した従来技術２の構成と比べて原理的に存在しないため、信号光側に必要だった光アイソレータが不要となった。アイソレータの削除によって、位相感応光増幅器の前段側の損失が低下するため、入力側の雑音指数（ＮＦ）が低下する。増幅器の前段側のＮＦ値が、増幅器全体のＮＦ値に寄与することは良く知られており、光アイソレータの削除は増幅器全体のＮＦ値の向上に大きな効果がある。
【００６５】
また、光アイソレータ、光サーキュレータは、いずれも６０ｍｍ×φ１０ｍｍの大きさを持っている。本実施例におけるＬＮ基板のサイズが６０ｍｍ×４ｍｍ程度の大きさなので、光アイソレータおよび光サーキュレータを削除することによる装置全体サイズの縮小効果は大きい。
【００６６】
本実施例においては、パラメトリック増幅過程における信号光および励起光の波長関係は縮退パラメトリック過程を用いたが、波長が異なる場合すなわち非縮退パラメトリック過程においても、同様に信号光を低雑音で増幅することが可能である。
【００６７】
上述のように本実施例の位相感応光増幅器によって、第二高調波発生（ＳＨＧ）用の励起光発生用の第１のＰＰＬＮ３０５と、縮退パラメトリック増幅（ＤＰＡ）用の第２のＰＰＬＮ３０６と、合分波器として機能する２つのマルチモード干渉型（ＭＭＩ：Multi Mode Interference）合分波器、すなわち第１のＭＭＩ３３０および第２のＭＭＩ３１２を集積化している。これによって、従来技術１（図１）のような基板内にあったダイクロックミラーなどの個別部品の合分波器を排除することで基板サイズを縮小することが可能である。ダイクロックミラーは、概ね６ｍｍ角程度のサイズを持っており、ダイクロックミラーの削除も、基板サイズの増大を抑える効果がある。別個の部品および光回路基板の間の接続損失により生じる増幅器ＳＮＲの劣化を抑え、基板サイズの増大を抑えることができる。
【００６８】
また、本発明の位相感応光増幅器の構成では、反射端面４０５を持つ第２のＭＭＩを利用しているので、第二高調波発生用の第１のＰＰＬＮ５０５と、縮退パラメトリック増幅用の第２のＰＰＬＮ３０６を概ね上下に並行に並べた配置を取ることができる。この配置によって、２つのＰＰＬＮを一直線上に配置する構成よりも、増幅率の低下を防止する効果が得られることに注目されたい。２つのＰＰＬＮを一直線状に配置する場合、基板面内の材料特性の不均一によって、２つのＰＰＬＮの位相整合波長が異なる場合が生じる。このような場合、パラメトリック光増幅に不可欠な位相整合条件を満足することができず、位相感応光増幅器全体の増幅率が低下してしまう。
【００６９】
本発明のように、第２のＭＭＩ３１２の反射端面を利用すれば、光路を反転させれば、２つのＰＰＬＮ３０５、３０６を、例えば１００μｍ程度の距離に近接して配置することが可能であり、増幅率の低下を避けることができる。ＭＭＩを使用せずに、光路を折り返すことも可能であるが、曲げ導波路での損失を減らすためには、曲率半径を大きくする必要があり、回路全体が大きくなる欠点がある。さらに、上述のように第２のＭＭＩ３１２の反射端面によって、基本波光と第二高調波の分離が可能である。
【００７０】
以上述べたように、本実施例の位相感応光増幅器では、励起光である第二高調波を、従来技術のＭＭＩ型導波路を中央部分で切断した構成のＭＭＩ型導波路の反射端面上に設けた高反射膜によって反射して、パラメトリック増幅用の第２のＰＰＬＮに結合できる。同時に、第二高調波に変換されなかった残留基本波成分を効率よく除去できる。第２のＭＭＩの反射端面は、基板の端面に一部を構成しているので、１つの基板上に集積化された光回路の作製プロセスに親和性の高い構成を利用することができる。反射構成を利用しているために、単純にＳＨＧ機能おびＤＰＡ機能のＰＰＬＮを集積化する場合に比べて、基板サイズを大幅に縮小することが可能である。
【００７１】
尚、本実施例において、周期的に分極反転された二次非線形光学材料としてＺｎを添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）を用いたが、これに限定されない。タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの混晶（ＬｉＮｂ(x)Ｔａ(1-x)Ｏ3（０≦ｘ≦１））、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ3）、チタニルリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ4）等に代表される二次非線形光学材料であれば、同様の効果が得られる。また二次非線形光学材料の添加物に関しても、Ｚｎだけに限定されず、Ｚｎの代わりにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｆｅを用いても良い。また、添加物を添加しなくても良い。
【００７２】
上述の本実施例位相感応光増幅器の構成の説明では、入力信号光として単一の波長（１．５４μｍ）を有する信号光を用いた縮退パラメトリック増幅による位相感応増幅を行う場合について説明した。入力信号光を生成する光源および変調器の構成は、異なる波長を持つ複数の搬送波を入力信号とする非縮退パラメトリック増幅による位相感応増幅を行う場合に対しても適用することができる。
【実施例２】
【００７３】
上述の実施例１の構成の位相感応光増幅器は、別の視点から従来技術の問題点をさらに改善することができる。位相感応型増幅器における非線形光学媒質によるパラメトリック増幅作用自体は、本質的に低雑音な光増幅が可能である。しかしながら、実際の動作においては、以下に述べるような付随的な雑音の影響が無視できない。例えば、励起光そのものに含まれる雑音が、パラメトリック増幅過程によって増幅光の雑音へと変換されてしまうことを考慮する必要がある。
【００７４】
図３に示した実施例１の位相感応光増幅器３００の構成では、位相同期に用いる位相変調器３０２をＥＤＦＡ３０４の前段側に配置している。このため、ＥＤＦＡ３０４への入射パワーレベルは、位相変調器３０２の挿入損失の分だけ小さくなってしまう。非特許文献３に示されているように、ＥＤＦＡ等のレーザ増幅器においては、増幅器の前段側に損失があると、その損失分だけＳＮ比が劣化してしまうことが知られている。このように位相変調器３０２の挿入損失によって励起光３２６のＳＮ比が劣化してしまうと、その雑音成分がパラメトリック増幅過程で増幅光の雑音へと変換されてしまい、低雑音な増幅を行うことができなくなる。以下に説明する実施例２の位相感応光増幅器にでは、この励起光の雑音の問題が解消される。
【００７５】
図７は、本発明の実施例２の集積化した位相感応光増幅器の構成を示す図である。本実施例は、実施例１で問題となっていた位相変調器３０２の挿入損失に起因する光ファイバレーザ増幅器におけるＳＮ比の劣化を防ぐ構成を示す。非特許文献３に示されているように、レーザ増幅器においては、レーザ増幅器の前段側に損失がある場合にはその損失分だけＳＮ比が劣化してしまう。一方、レーザ増幅器の後段側に損失がある場合は、損失分だけ出力レベルが低下してしまうもののＳＮ比の劣化は生じない。本実施例では、この性質を利用して、図７に示すように、位相変調器７０２を光ファイバレーザ増幅器７０４の出力側に配置するよう構成した。
【００７６】
ここで、従来技術の位相感応光増幅器では、図７に示すような位相変調器の配置構成を取ることができなかったことに留意されたい。その理由は、既存の位相変調器の多くは、ＬｉＮｂＯ3（ＬＮ）結晶にＴｉを拡散させた光導波路で作製されていたからである。Ｔｉ拡散導波路では光損傷が顕著であるために、大きな光パワーを入射するとフォトリフラクティブ効果による屈折率変化が生じる。このＴｉ拡散導波路の屈折率変化によって位相変化を生じるため、同じ位相条件を得るための位相変調器への印加電圧が変化する、いわゆるドリフト現象を引き起こしてしまう。
【００７７】
このドリフト現象を考慮すると、レーザ増幅器の後段側に配置した場合を仮定すると、位相変調器に入力可能な光パワーは２０ｄＢｍ（１００ｍＷ）程度に制限されてしまう。このような状況下では、挿入損失の大きな位相変調器をレーザ増幅器の後段側に配置することで、増幅後の励起光のパワーが低下してしまう。結局、光パラメトリック効果を生じるのに必要十分な励起光パワーが得られず、大きな増幅率を持った位相感応増幅を実現することができない。したがって、従来技術の構成では、図７のような構成を採用できなかった。
【００７８】
これに対して本実施例の位相感応光増幅器７００においては、位相変調器７０２をＥＤＦＡ７０４より出力側に配置することが可能である。本実施例の構成は、位相変調器７０２の位置が異なる点を除けば、実施例１の構成と同様なので、位相変調器７０２に関係する部分を除いて詳細な説明は省略する。第二高調波を発生する第１のＰＰＬＮ導波路７０５では、より光損傷が顕著となる第二高調波を扱うために、Ｔｉ拡散法よりも光損傷耐性の大きな導波路の形成法を用いることが一般的である。本実施例では、位相変調器７０２を、第二高調波を発生する第１のＰＰＬＮ導波路７０５と同様に、直接接合法で作製した光導波路を用いて構成することによって、位相変調器７０２でより大きな励起光パワーを利用することが可能になる。具体的には、位相変調部７０２において、光損傷耐性に優れたＺｎを添加したニオブ酸リチウムをコアに用いた直接接合導波路を使用した。
【００７９】
本実施例の位相感応光増幅器７００では、位相変調器７０２がＥＤＦＡ７０４の入力段側に配置されていないため、ＥＤＦＡ７０４で増幅する前の励起光７１７のＳＮ比を、実施例１の構成と比べて５ｄＢほど改善することができた。
【００８０】
第２のＰＰＬＮ導波路７０６に入射した第二高調波のパワーが３００ｍＷの条件において、約１１ｄＢの利得を得ることができた。このときのＥＤＦＡ７０４の出力パワーは約１Ｗであり、位相変調器７０２に構成された直接接合導波路への入力パワーは６３０ｍＷであった。このような高パワーレベルの光を入射した場合でも、位相変調器７０２は、印加電圧のドリフト現象を起こすことなく動作し、安定な位相同期動作を実現することができた。
【００８１】
本実施例の位相感応光増幅器によって、実施例１の構成による効果に加えて、励起光のＳＮ比を向上させることができるため、励起光そのものに含まれる雑音がパラメトリック増幅過程により増幅光の雑音へと変換される影響を抑えることができる。結果として、より低雑音で光信号の増幅を行うことができる。この位相変調器７０２を集積化することによって、次の実施例のように、さらに部品点数を減らし低損失化をすることができる。
【実施例３】
【００８２】
図８は、本発明の実施例３の集積化した位相感応光増幅器の構成を示す図である。本実施例の構成は、直接接合法により作製した２次非線形光学デバイスおよび２つのＭＭＩを集積化して使用し、集積化された基板が端面加工されている点は、実施例１および２と同様である。本実施例と実施例２との間の相違点は、信号光および励起光の同期用の位相変調器８０２を、２つのＰＰＬＮ８０５、８０６および２つのＭＭＩ８１２、８１３を集積化した基板８４０と同一の非線形光学結晶基板上にさらに集積化した点である。すなわち、集積化された基板８４０の最も入力側に形成された位相変調部８０２を備えた点に特徴がある。すなわち、位相変調器８０２は、第１の二次非線形光学素子の光導波路８０５の前段側において、第１の二次非線形光学素子の光導波路８０５に隣接して形成され、基板８４０上で、第１の二次非線形光学素子の光導波路と集積化される。
【００８３】
ＰＰＬＮ導波路８０５、８０６が形成されたのと同一の基板８４０上に、周期分極反転構造のない位相変調部８０２を、ＰＰＬＮ導波路と同様の導波路形成法で集積化して形成した。位相変調部８０２には、導波路上に電界印加用電極８１９を形成し、発振器８２３から電気信号を印加して電気光学（ＥＯ）効果による位相変調を可能にした。上述のようにこの導波路形成法は光損傷耐性に優れているため、ＥＤＦＡ８０４で増幅された励起基本波光８１５のパワーレベルが大きくなった場合でも、位相変調部８０２の動作電圧のドリフト現象を起こすことはない。光ＰＬＬ動作のためのパイロット信号による位相変調を、励起光である基本波光８１５に対して施すことができる。
【００８４】
本実施例では複数の位相変調器を集積化しているため、実施例２のように、集積化した基板の外部に単独の位相変調器を置いて接続する構成に比べて、接続損失が低減される。第二高調波の発生を行う第１のＰＰＬＮ８０５に対して、より高いパワーレベルの励起光を供給することができる、増幅信号光８１６のＳＮ比が向上した。
【００８５】
尚、本実施例においては、第２のＰＰＬＮ８０６において増幅された信号光および第２のＰＰＬＮ内に残留した第二高調波の励起光に対して、基板８４０上に集積した第３のＭＭＩ８１８によって、増幅後の信号光の出力ポート８２５に残留励起光を混入させなくす
るための励起光遮断フィルタとして用いた。また、このとき、出力ポート８２５から増幅された信号光の一部を取り出して、検出器８１０に入力し、ＰＬＬ回路８１１への帰還信号として利用した。第３のＭＭＩ８１８によって、実施例１、２における光分岐部３０８、７０８を、さら基板８４０内に取り込んで、集積度を上げることができる。
【００８６】
すなわち、本実施例では、光分岐部は（第２のフィルタ）は、増幅された信号光を出力する第１の出力導波路８２５と、増幅された信号光の一部を抽出して同期する手段８１１への検出信号を出力する第２の出力導波路８２４を有するマルチモード干渉型合分波器（ＭＭＩ）８１８で構成される。第３のＭＭＩ８１８のマルチモード導波路部の幅、長さ、および入力位置と出力位置を最適化することによって、例えば、増幅後の光の９０％を本出力として、１０％をモニター用として使用することができる。同時に、残留励起光を、増幅光出力ポート８２５およびモニター用ポート８２４に混入させないことも可能となる。
【００８７】
本実施例の位相感応光増幅器によって、実施例２の構成に比べて、位相変調器で生じる接続損失を大幅に低下させることができる。これによって、さらに低雑音で光増幅を行うことができる。励起光発生用の第二高調波発生用のＰＰＬＮと位相変調器とを集積することにより、単体の位相変調器を接続した場合に比べ励起光の減衰の影響を少なくすることが可能である。ＳＮ比の劣化を防ぎながら高品質な光信号増幅が可能になる。この結果、光通信に適用可能で、かつ、低雑音での増幅が可能な位相感応型増幅器により、光ファイバ中の信号のＳＮ比を改善できる。従来よりも高速の信号を低いパワーで、光信号を長距離まで伝送することが可能となる。
【００８８】
本実施例の位相感応光増幅器は、位相変調部をさらに別の構成とすることによって、次の実施例のように集積化をより効果的に行うことができる。
【実施例４】
【００８９】
図９は、本発明の実施例４の集積化した位相感応光増幅器の構成を示す図である。本実施例は、直接接合法により作製した２次非線形光学デバイスおよび２つのＭＭＩを１つの基板上に集積化して構成し、集積化された基板が端面加工されている点、および、信号光と励起光との間の同期用の位相変調器を同一の基板上にさらに集積している点は、実施例３の構成と同様である。本実施例と実施例３との間の構成上の違いは、基本波光に対してではなく励起光である第２高調波に対して位相変調が施されるように位相変調部９０２を配置した点である。すなわち、位相変調器９０２は、第１の二次非線形光学素子の光導波路９０５および第２のＭＭＩ９１２（第１のフィルタ）の間に、第１の二次非線形光学素子の光導波路９０５に隣接して形成され、基板９４０上で、第１の二次非線形光学素子の光導波路９０５に集積化されている。したがって、図９の位相感応光増幅器９００は、位相変調部９０２に関係する部分を除いて、実施例３の構成と同様なため、位相変調器９０２に関係する部分を除いて詳細な説明は省略する。
【００９０】
位相変調部９０２を、基本波用の導波路上ではなくて第二高調波用の導波路上に配置することによって生じる効果は、次のように説明できる。光学材料に外部から電界、応力などの外力が印加された場合、光学材料に屈折率変化が生じる。位相変調器としてＬＮ結晶の電気光学効果を用いる場合は、結晶への電界印加により位相を変調する。非特許文献５に示されるように、変調器の性能を示す半波長駆動電圧Ｖπは、ＬＮ結晶の電気光学係数、屈折率、印加電界および波長等に依存する。特に使用波長に着目すると、次式（２）に示すような関係が成立する。
Ｖπ∝λ      式（２）
【００９１】
実施例１から実施例３で示した各配置の場合と比較すると、本実施例で採用した配置によって、半波長駆動電圧、即ち位相変調に必要な電圧は、実施例３の構成と比べて半分となり、電圧印加装置９２３からの所要電圧を大幅に低減することができる。所要電圧が下がることによって、位相感応光増幅器の周辺の機器を小型化、低電力化することができる。位相変調用電圧を一定とした場合は、必要な光路長すなわち位相変調部の長さは実施例３の構成に比べて、原理的に１／２に大幅に縮小することができる。実際に、同一レベルのＰＬＬ回路９１１への帰還信号を得るためには、本発明の実施例３において用いた位相変調部８０２内の実際の電界印加用電極８１９の長さが約５０ｍｍ必要であるのに対し、本実施例の電界印加用電極９１９は約２８ｍｍに大幅に短縮することができた。
【００９２】
本実施例においても他の実施例と同様に、位相変調部９０２について、光損傷耐性に優れたＺｎを添加したニオブ酸リチウムをコアに用いた直接接合導波路を使用することにより、位相変調部の動作電圧ドリフトを抑圧することができた。
【００９３】
本実施例の位相感応光増幅器によって、位相変調器部を第二高調波用の導波路上に構成することによって、実施例３の構成とくらべて電極面積をさらに縮小して、集積化する基板の面積の増大を抑えることができる。
【実施例５】
【００９４】
図１０は、本発明の実施例５の集積化した位相感応光増幅器の構成を示す図である。本実施例では、直接接合法により作製した２次非線形光学デバイスおよび２つのＭＭＩを１つの基板上に集積化して構成し、集積化された基板が端面加工されている点、および、信号光および励起光の間の同期用の位相変調器を同一の基板上にさらに集積した点は、実施例３と同様である。本実施例と実施例３との間の構成上の違いは、基本波光や第二高調波の励起光に対してではなく位相感応光増幅器への信号光に対して位相変調が施されるように位相変調部１００２を配置した点にある。したがって、図１０の位相感応光増幅器１０００は、位相変調部１００２に関する部分を除いて、実施例３の構成と同様なため、位相変調器１００２に関係する部分を除いて詳細な説明は省略する。
【００９５】
これまでに示した実施形例においては、位相同期用の光ＰＬＬにおける位相変調を励起光に対して機能させる配置を示してきた。この位相変調を信号光に対して機能させる配置を取ったとしても、全く同様に位相同期を実現することができる。一般に入手可能な単体の位相変調器を信号光側に挿入し、位相感応増幅装置を構成しようとする場合、位相変調器の挿入損失の影響が比較的大きく、縮退パラメトリック増幅（ＤＰＡ）部の第２のＰＰＬＮ導波路１００６に至る前に、信号光が減衰してしまう。そのため位相感応光増幅器１０００全体のＳＮＲの劣化を避けることができない。この問題を解決するため、図１０に示したように信号光１０１４に対して変調を施す位相変調部１００２を、集積化した基板１０４０内にさらに集積した。 本実施例の構成によって、別個の単体の位相変調器を基板外の信号光側に挿入した場合と比べて、ＳＮＲを３ｄＢ向上させることができた。
【００９６】
本実施例の位相感応光増幅器によって、実施例３の構成と同様に、位相変調器で生じる接続損失を大幅に低下させることができる。これによって、さらに低雑音で光増幅を行うことができる。ＳＮ比の劣化を防ぎながら高品質な光信号増幅が可能になる。この結果、光通信に適用可能で、かつ、低雑音での増幅が可能な位相感応型増幅器により、光ファイバ中の信号のＳＮ比を改善できる。従来よりも高速の信号を低いパワーで、光信号を長距離まで伝送することが可能となる。
【実施例６】
【００９７】
上述の第二高調波に対して変調を施す実施例４の位相感応型増幅器では、位相変調部９０２の導波路は、第１のＰＰＬＮ導波路９０５と同様に１．５４μｍの基本波光の波長でシングルモードとなるように設計されている。このため、第二高調波の波長０．７７μｍにおいては、マルチモードとなる。第２のＰＰＬＮ導波路９０５で発生する第二高調波は、位相整合条件による制約から基本的に基底モードのみで伝搬する。しかしながら、導波路加工プロセス精度の変動に関連して、第二高調波用ＰＰＬＮより後段側にある導波路における導波路幅の揺らぎによる不均一性などによって、高次モードを励起してしまうという問題がある。したがって、実施例４の位相感応型増幅器の構成では、電極を小型化できるものの、高次モードを含む第二高調波に対して変調が加わるため、ＰＬＬ動作が不安定になる課題がある。本実施例では、この高次モードに起因する問題点を改善する。
【００９８】
図１１は、本発明の実施例６の集積化した位相感応光増幅器の構成を示す図である。本実施例は、（１）直接接合法により作製した２次非線形光学デバイスおよび２つのＭＭＩを１つの基板上に集積化して構成し、集積化された基板が端面加工されている点、（２）信号光および励起光の間の同期用の位相変調器を同一の基板上にさらに集積した点、および（３）励起光である第二高調波に対して位相変調を施す点は、実施例４の構成と同様である。本実施例と実施例４との間の構成上の違いは、励起光発生用の第１のＰＰＬＮ１１０５と位相変調部１１０２との間の導波路１１２４に曲げを加えた点にある。図１１の位相感応光増幅器１１００は、位相変調部１１０２に関係する部分を除いて、実施例４の構成と同様なため、位相変調器１１０２に関係する部分を除いて詳細な説明は省略する。
【００９９】
図８に示した実施例４の構成の位相感応型増幅器では、第二高調波に対して位相変調を施すため、低電圧で位相変調が可能である。しかしながら、基本波光である信号光の波長に対して第１のＰＰＬＮ導波路１１０５はシングルモードで動作するが、第二高調波に対しては高次モードが励起される可能性がある。第１のＰＰＬＮ導波路１１０５からの、高次モードを含んだ第二高調波の導波光に対して位相変調を施した場合、複数の伝搬モードの位相が変調される。このためシングルモードである増幅後の信号光１１１６と位相を同期することが不安定で困難となる。
【０１００】
そこで、発生させた第二高調波から不要な高次モードを除去し、シングルモード化するために、図１０に示したように、励起光発生用の第１のＰＰＬＮ１１０５と位相変調部１１０２との間の導波路１１２４に曲げを加えた構成とした。第二高調波の高次モードを効果的に導波路外に放射するよう、曲げ導波路１１２４の曲率半径を適切に設計することによって、第二高調波の基本モードのみに位相変調を施すことが可能となる。信号光および励起光の間の位相同期を安定して実現可能となった。さらにこの曲げ導波路１１２４は、信号光波長に対して急峻な曲率半径としたため、励起光発生用の第１のＰＰＬＮ１１０５において第二高調波光へ変換し切れずに残留した基本波光の波長の励起用信号光も同時に除去することができる。
【０１０１】
本実施例の位相感応型増幅器の構成によって、高効率かつ安定した位相感応増幅が可能であった。尚、曲げ導波路１１２４の代わりにテーパ導波路を適用しても同様の効果が得られ、高効率で安定した位相感応増幅が実現できることも確認できた。
【実施例７】
【０１０２】
実施例６に示した曲げ導波路を備えた構成では、位相同期動作がより安定化された位相感応光増幅器を実現できるが、基板サイズの増大を抑える点で改善の余地がある。本実施例では、さらに基板サイズを抑えて、集積度を上げる構成を提示する。
【０１０３】
図１２は、本発明の実施例７の集積化した位相感応光増幅器の構成を示す図である。本実施は、（１）直接接合法により作製した２次非線形光学デバイスおよび２つのＭＭＩを１つの基板上に集積化して構成し、集積化された基板が端面加工されている点、（２）信号光および励起光の間の同期用の位相変調器を同一の基板上にさらに集積した点、（３）励起光である第二高調波に対して位相変調を施す点、および、（４）第二高調波の高次モードを効果的に放射するよう曲げ導波路の曲率半径を適切に設計することによって第二高調波の基本モードのみに位相変調を施し、かつ、信号光波長に対して急峻な曲率半径とすることによって励起光発生用のＰＰＬＮにおいて変換しきれず残留した励起用信号光を同時に除去する点も、実施例６の構成と同じである。本実施例と実施例６との間の構成上の違いは、励起光発生用の第１のＰＰＬＮと位相変調部との間ではなくて、２つのＭＭＩの間を接続する導波路に曲げを加えた点である。
【０１０４】
図１１に示した実施例６の位相感応光増幅器では、励起光を発生させた直後に曲げ導波路１１２４を利用し、残留基本波および励起光の第二高調波の高次モードを除去する構成としていた。図１１の構成では、励起光用光導波路１１２４とパラメトリック増幅用のＰＰＬＮ光導波路１１０６との間隔が狭まり、また曲げによって放射する残留基本波光成分がパラメトリック増幅領域１１０６に伝搬しやすくなり、不要な成分の光がパラメトリック増幅領域１１０６に混入しやすくなる。したがって、このような曲げ導波路１１２４とパラメトリック増幅用光導波路１１０６との間の干渉を防ぐため、十分にこれらの光導波路の間隔を広げる必要がある。このため、基板１１４０上で、回路要素を密に集積できず素子サイズが大きくなる欠点がある。
【０１０５】
本実施例では、励起光を反射および分離するフィルタすなわち第２のＭＭＩ１１１２と、合波器すなわち第１のＭＭＩ１１１３との間に、曲げ導波路を設置した。実施例１〜実施例６の各位相感応光増幅器における入力光および出力光の流れから、第２のＭＭＩ１１１２および第１のＭＭＩ１１１３を、同一直線状に配置することは困難である。したがって、図３、図７〜１１の各図に示したように必然的に曲げ導波路などで２つのＭＭＩを接続することになる。この曲げ導波路の導波路幅および曲率半径を最適化することによって、残留基本波光および励起光の第二高調波の高次モードを除去することが可能となる。
【０１０６】
図１２は、実施例７の位相感応光増幅器の曲げ導波路の構成例を示す図である。図１２は、第２のＭＭＩ１２１２および第１のＭＭＩ１２１３の近傍のみを示している。第２のＭＭＩ１２１２で反射された第二高調波１２１９は、第１のＭＭＩ１２１３に向かって曲げ導波路１２２４を進むが、基本波光１２１６ａ、１２１６ｂが導波路外に放射される。励起光の第二高調波の高次モードも、曲げ導波路１２２４を伝搬中に除去される。本構成を用いると励起光発生用の第１のＰＰＬＮと、パラメトリック増幅用の第２のＰＰＬＮとを十分に近接して集積できるため、図１１に示した実施例６の構成に比べて、基板サイズを、約１／３に削減してレイアウトができることを確認した。
【０１０７】
したがって、実施例６および実施例７に示すように、第１の二次非線形光学素子の光導波路１１０５、１２０５において第二高調波（和周波光）に変換されず残留した基本波光を除去する手段（曲げ導波路）を、変調器１１０２、１２０２および第１の二次非線形光学素子の光導波路１１０５、１２０５の間に、または、第２のＭＭＩ１１１２、１２１２（第１のフィルタ）および第１のＭＭＩ１１１３、１２１３（合波器）の間の結合光導波路上の少なくとも一方に備えることができる。
【０１０８】
図１３は、実施例７の位相感応光増幅器の基本波光を除去する手段の別の構成例を示す図である。図１３は、第２のＭＭＩ１３１２および第１のＭＭＩ１３１３の近傍のみを示している。第２のＭＭＩ１３１２で反射された第二高調波１３１９は、第１のＭＭＩ１３１３に向かってテーパ導波路１３２４を進むが、基本波光１３１６ａ、１３１６ｂが導波路外に放射される。同様に、励起光の第二高調波の高次モードも、テーパ導波路１３２４を伝搬中に除去される。図１２に示した曲げ導波路に代わって、適切に設計・作製されたテーパ型光導波路１３２４で置き換えても、同様に、残留基本波および第二高調波の高次モードを除去する効果が得られる。
【０１０９】
本実施例により、励起光の第二高調波の高次モードを除去して、実施例６と同様の高効率で安定した位相感応増幅が実現できるとともに、基板サイズをさらに縮小して集積度を上げた位相感応光増幅器を構成できる。
【０１１０】
以上、詳細に述べてきたように、本発明の位相感応光増幅器は、直接接合法により作製した２次非線形光学デバイスおよび２つのＭＭＩを集積化して使用し、集積化された基板が端面加工を施されている。各端面において、基本波光および第二高調波を適切に反射または無反射処理する。従来技術の位相感応光増幅器と比べて、合分波器などの個別部品を排除することで基板サイズを縮小し、さらに、光アイソレータ、光サーキュレータを不要とした。これによって、別個の部品間の接続損失により生じる増幅器ＳＮＲの劣化を抑え、基板サイズの増大を抑えることができる。また、位相変調器をレーザ増幅器の後段側に配置し、励起光のＳＮ比を向上させることができるため、励起光そのものに含まれる雑音がパラメトリック増幅過程により増幅光の雑音へ変換されて生じる、増幅器全体のＳＮＲ劣化を抑えることができる。
【０１１１】
さらに、位相変調器を基板上に集積化して、基本波光に対して位相変調を施す構成として、個別の位相変調器を備える場合に生じる接続損失を大幅に低下させることができる。また、第二高調波に対して位相変調を施すことにより、実効的な変調光路長を倍増すること、または、光ＰＬＬ位相変調用の駆動電極の長さを、基本波光に対して位相変調を施す従来の構成に比べて大幅に短くすることができる。
【０１１２】
２つのＭＭＩの間の導波路によって、第二高調波から不要な高次モードを除去しさらに、励起光発生用のＰＰＬＮにおいて第二高調波光へ変換し切れずに残留した基本波光の波長の励起用信号光も同時に除去することができる。信号光と同一の波長を有した基本波光の励起光の混入によって生じる、増幅特性の劣化を効果的に抑制できる。
【０１１３】
本発明の位相感応光増幅器は、光通信に適用可能で、かつ低雑音での増幅が可能であり、光ファイバ中の信号のＳＮ比を改善できるため、従来よりも高速の信号を低いパワーで長距離まで伝送することが可能になる。また、入射される信号光の位相チャープを補正して増幅することが可能なため、光ファイバの波長分散による信号劣化の影響を抑え、増幅後の信号光の伝送距離を伸ばすことが可能になる。また、本発明の位相感応光増幅器によれば、長距離伝送が必要な応用において位相チャープのあるような安価または簡便な光変調器を用いても、チャープのない光信号を発生することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明は、一般的に光通信システムに利用することができる。
【符号の説明】
【０１１５】
１００、２００、３００、７００、８００、９００、１０００、１１００  位相感応光増幅器
１０１、１０８、２０１、２０８、３０１、３０８、７０１、７０８、８０１、８０８、９０１、９０８、１００１、１００８、１１０１、１１０８  カプラ
１０２、２０２、３０２、７０２、８０２、９０２、１００２、１１０２  位相変調器
１０４、２０４、３０４、７０４、８０４、９０４、１００４、１１０４  ファイバレーザ増幅器
１０５、１０７、２０９、３０５、３０６、７０５、７０６、８０５、８０６、９０５、９０６、１００５、１００６、１１０５、１１０６  ＰＰＬＮ導波路
２１２、３１２、３３０、７１２、７３０、８１２、８１３、９１２、９１３、１０１２、１０１３、１１１２、１１１３  ＭＭＩ
３２０ａ、３２０ｂ、７２０ａ、７２０ｂ、８２０ａ、８２０ｂ、９２０ａ、９２０ｂ、１０２０ａ、１０２０ｂ、１１２０ａ、１１２０ｂ  高反射（ＨＲ）膜
１１２４、１２２４  曲げ導波路
１３２４  テーパ導波路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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