(57)【要約】      （修正有）【課題】分散補償ファイバではなくシングルモードファイバー（ＳＭＦ）を伝送した後の信号に対しても、光ファイバ中の分散に伴う位相変動に起因する信号品質の劣化を防止可能な、位相感応光増幅器（ＰＳＡ）を適用した光伝送システムを提供する。【解決手段】光伝送システム４００では、送信器４０１側において、変調信号に対して伝送路内で生じる波長分散との逆の波長分散を与える前置補償を行い、前置分散補償された変調光を伝送路に送信し、伝送路内で生じる波長分散による信号品質の劣化を低減またはキャンセルする。２値位相変調（ＢＰＳＫ）信号に対して前置分散補償を行った変調信号で変調した信号光と縮退型ＰＳＡを組み合わせ、あるいは、４値位相偏移変調（ＱＰＳＫ）信号に対して前置分散補償を行った変調信号で変調した信号光群と非縮退型ＰＳＡを組み合わせ、光伝送システムを構成する。【選択図】図４
2019004253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調された信号光を発生する送信器と、
光ファイバ伝送路を介して前記送信器と接続される光増幅装置と
を備えた光伝送システムであって、
前記送信器は、
前記光ファイバ伝送路において生じる波長分散に応じた前置分散補償を加えたデジタル信号データを生成するデジタル信号生成部と、
信号光光源からの搬送波光に対し、前記デジタル信号データに基づいて、前記搬送波光の少なくとも光位相を変化させて前記データ変調された信号光を生成する光変調部と
を含み、
前記光増幅装置は、
前記光ファイバ伝送路を伝送された前記信号光に基づいて、第１の励起光を生成する励起光生成部と、
前記励起光生成部からの前記第１の励起光に基づいて、パラメトリック過程で用いる第２の励起光を生成し、前記信号光に対して縮退パラメトリック増幅を行う位相感応光増幅部と、
前記信号光の位相と、前記第２の励起光の位相を同期する手段と
を含むことを特徴とする光伝送システム。
【請求項２】
前記励起光生成部は、
前記信号光から第２高調波光を生成する第１の二次非線形光学素子と、
前記第２高調波光および局部発振光の差周波数光を生成する第２の二次非線形光学素子と、
注入同期により前記差周波数光から、前記第１の励起光を生成する半導体レーザと
を含み、
前記位相感応光増幅部は、
前記第１の励起光から前記局部発振光および前記第１の励起光の和周波数光である前記第２の励起光を生成する第３の二次非線形光学素子と、
前記第２の励起光によって縮退パラメトリック増幅を行う第４の二次非線形光学素子とを含むこと
を特徴とする請求項１に記載の光伝送システム。
【請求項３】
変調された信号光群を発生する送信器と、
光ファイバ伝送路を介して前記送信器と接続される光増幅装置と
を備えた光伝送システムであって、
前記送信器は、
前記光ファイバ伝送路において生じる波長分散に応じた前置分散補償を加えたデジタル信号データであって、位相共役の関係にある２組のデジタル信号データを生成するデジタル信号生成部と、
信号光光源からの搬送波光および局部発振光から、前記搬送波光と位相共役の関係にあるアイドラ光を生成するアイドラ光生成部と、
前記位相共役の関係にある２組のデジタル信号データの一方に基づいて、前記搬送波光の光位相および光強度を変化させて変調信号光を生成する第１の光変調部と、
前記位相共役の関係にある２組のデジタル信号データの他方に基づいて、前記アイドラ光の光位相および光強度を変化させて変調アイドラ光を生成する第２の光変調部と
を含み、
前記変調信号光、前記変調アイドラ光および前記局部発振光が同送され、
前記光増幅装置は、
前記光ファイバ伝送路を伝送された前記局部発振光に基づいて、励起光を生成する第１の二次非線形光学素子と、
前記励起光に基づいて、前記変調信号光および前記変調アイドラ光に対して非縮退パラメトリック増幅を行う第２の二次非線形光学素子と、
前記変調信号光の位相と、前記励起光の位相を同期する手段と
を含むことを特徴とする光伝送システム。
【請求項４】
前記送信器は、
前記局部発振光から、第２高調波光を生成する第３の二次非線形光学素子と、
前記第２高調波光と前記搬送波光との差周波数光である前記アイドラ光を生成する第４の二次非線形光学素子と
をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の光伝送システム。
【請求項５】
光ファイバ伝送路において生じる波長分散に応じた前置分散補償を加えた変調信号により送信器において生成された信号光であって、当該光ファイバ伝送路を伝送した前記信号光を光感応増幅する光増幅装置であって、
前記光ファイバ伝送路を伝送した前記信号光に基づいて、第１の励起光を生成する励起光生成部と、
前記励起光生成部からの前記第１の励起光に基づいて、パラメトリック過程で用いる第２の励起光を生成し、前記信号光に対して縮退パラメトリック増幅を行う位相感応光増幅部と、
前記信号光の位相と、前記第２の励起光の位相を同期する手段と
を含むことを特徴とする光増幅装置。
【請求項６】
光ファイバ伝送路において生じる波長分散に応じた前置分散補償を加えた変調信号により送信器において生成された信号光群であって、当該光ファイバ伝送路を伝送した前記信号光群を光感応増幅する光増幅装置であって、
前記信号光群は、
位相共役の関係にある２組のデジタル信号データの内の一方に基づいて、信号光光源からの搬送波光の光位相および光強度を変化させて変調された変調信号光と、
前記位相共役の関係にある２組のデジタル信号データの他方に基づいて、前記搬送波光および局部発振光から生じ、前記搬送波光と位相共役の関係にあるアイドラ光に対して、その光位相および光強度を変化させて変調されたアイドラ変調光と、
前記変調信号光および前記アイドラ変調光と同送された前記局部発振光を含み、
前記光増幅装置は、
前記光ファイバ伝送路を伝送した前記局部発振光に基づいて、励起光を生成する第１の二次非線形光学素子と、
前記励起光に基づいて、前記変調信号光および前記アイドラ変調光に対して非縮退パラメトリック増幅を行う第２の二次非線形光学素子と、
前記変調光信号の位相と、前記励起光の位相を同期する手段と
を含むことを特徴とする光増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信システムや光計測システムで用いられる光増幅装置およびそれを用いた光伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光伝送システムでは、光ファイバを伝搬して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後に光信号を再生する識別再生光中継器が用いられた。識別再生光中継器では、光−電気変換する電子部品の応答速度制限や、消費電力増大の問題があった。そこで、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光のままで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登場した。これらレーザ増幅器は、劣化した信号光波形を整形する機能を有していなかった。逆に、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全く無関係に混入され、増幅前後で信号光のＳ／Ｎが少なくとも３ｄＢ低下する。Ｓ／Ｎ低下は、デジタル信号伝送時における伝送符号誤り率を上昇させ、伝送品質を低下させる。
【０００３】
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。ＰＳＡは、伝送ファイバの分散の影響による劣化した信号光波形や位相信号を整形する機能を有する。信号とは無関係の直交位相をもった自然放出光を抑圧でき、同相の自然放出光も最小限で済む。このために原理的に増幅前後で信号光のＳ／Ｎを劣化させず同一に保つことができる。
【０００４】
図１は、従来技術のＰＳＡの基本的な構成を示す図である。図１に示されるように、ＰＳＡ１００は、光パラメトリック増幅を用いた位相感応光増幅部１０１と励起光源１０２と励起光位相制御部１０３と、第１光分岐部１０４−１及び第２の光分岐部１０４−２とを備える。図１に示されるように、ＰＳＡ１００に入力された信号光１１０は、光分岐部１０４−１で２分岐されて、一方は位相感応光増幅部１０１に入射し、他方は励起光源１０２に入射する。励起光源１０２から出射した励起光１１１は、励起光位相制御部１０３を介して位相が調整され、位相感応光増幅部１０１に入射する。位相感応光増幅部１０１は、入力した信号光１１０及び励起光１１１に基づいて出力信号光１１２を出力する。
【０００５】
位相感応光増幅部１０１は、信号光１１０の位相および励起光１１１の位相が一致すると信号光１１０を増幅し、両者の位相が９０度ずれた直交位相関係になると信号光１１０を減衰する特性を有する。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１１１―信号光１１０間の位相を一致させると、信号光１１０と直交位相の自然放出光が発生せず、また同相の成分に関しても信号光のもつ雑音以上に過剰な自然放出光を発生しない。このため、Ｓ／Ｎ比を劣化させずに信号光１１０を増幅できる。
【０００６】
信号光１１０および励起光１１１の位相同期を達成するために、励起光位相制御部１０３は、第１の光分岐部１０４−１で分岐された信号光１１０の位相と同期するように励起光１１１の位相を制御する。励起光位相制御部１０３は、第２の光分岐部１０４−２で分岐された出力信号光１１２の一部を狭帯域の検出器で検波し、出力信号光１１２の増幅利得が最大となるように励起光１１１の位相を制御する。
【０００７】
上述のパラメトリック増幅を行う非線形光学媒質には、周期分極反転ＬｉＮｂＯ3（ＰＰＬＮ）導波路に代表される二次非線形光学材料と、石英ガラスファイバに代表される三次非線形光学材料がある。
【０００８】
図２は、ＰＰＬＮ導波路を用いた従来技術のＰＳＡの構成を示す図である（非特許文献１参照）。図２に示したＰＳＡ２００は、エルビウム添加ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）２０１と、第１の二次非線形光学素子２０２及び第２の二次非線形光学素子２０４と、第１の光分岐部２０３−１及び第２の光分岐部２０３−２と、位相変調器２０５と、光ファイバ伸長器２０６と、偏波保持ファイバ２０７と、光検出器２０８と、位相同期ループ（ＰＬＬ）回路２０９と、を備える。第１の二次非線形光学素子２０２は、第１の空間光学系２１１と、第１のＰＰＬＮ導波路２１２と、第２の空間光学系２１３と、第１のダイクロイックミラー２１４と、を備える。第２の二次非線形光学素子２０４も、同様の構成を持ち詳細は説明を省略する。
【０００９】
図２のＰＳＡ２００に入射した信号光２５０は、光分岐部２０３−１によって分岐されて、一方は第２の二次非線形光学素子２０４に入射する。分岐光の他方は励起基本波光２５１として位相変調器２０５及び光ファイバ伸長器２０６を介して、位相制御されてＥＤＦＡ２０１に入射する。ＥＤＦＡ２０１は、入射した励起基本波光２５１を十分に増幅し、第１の二次非線形光学素子２０２に入射する。ＥＤＦＡ２０１により、微弱な励起基本波光２５１から非線形光学効果を得るのに十分なパワーを得ることができる。第１の二次非線形光学素子２０２では、入射した励起基本波光２５１から第２高調波（以下、ＳＨ光）２５２が発生する。発生したＳＨ光２５２は、偏波保持ファイバ２０７を介して第２の二次非線形光学素子２０４に入射する。第２の二次非線形光学素子２０４では、入射した信号光２５０およびＳＨ光２５２によって縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応光増幅を行い、出力信号光２５３を出力する。
【００１０】
ＰＳＡ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、ＳＨ光に相当する波長である励起光の位相φ2ωsと、信号光の位相φωsとが以下の式（１）の関係を満たすことが必要となる。ここで、ｎは整数とする。
Δφ＝１／２（φ2ωs−φωs）＝ｎπ          式（１）
【００１１】
図３は、従来技術の二次非線形光学効果を利用したＰＳＡにおける、入力信号光‐励起光間の位相差Δφと利得との関係を示す図である。横軸の位相差Δφが−π、０、またはπのときに、縦軸の利得（ｄＢ）が最大となっていることがわかる。
【００１２】
信号光２５０と励起基本波光２５１との間の位相同期のために、まず位相変調器２０５で微弱なパイロット信号により位相変調を励起基本波光２５１に施し、出力信号光２５３の一部を分岐して検出器２０８で検波する。このパイロット信号成分は、図３に示した位相差Δφが最小となって、位相同期が取れている状態で最小となる。したがって、パイロット信号が最小、つまり増幅出力信号が最大となるようにＰＬＬ回路２０９を用いて、光ファイバ伸長器２０６にフィードバックを行う。励起基本波光２５１の位相を光ファイバ伸長器２０６によって制御して、信号光２５０と励起基本波光２５１との間の位相同期を達成できる。
【００１３】
図３に示したように、上述の縮退パラメトリック過程を用いた位相感応光増幅器は、直交する位相成分を減衰させる特性を持っている。このため、通常の光通信で用いられる強度変調信号（ＯＯＫ）や、２値の位相変調を用いる強度変調・直接検波（ＩＭＤＤ: Intensity Modulation-Direct Detection）方式、２値位相変調（ＢＰＳＫ）または差動位相偏移変調（ＤＰＳＫ）等の変調信号の増幅に対してのみ利用できる。また、１波長の信号光のみしか位相感応光増幅することができない。位相感応光増幅器を光通信技術に幅広く適用するためには、多値変調フォーマットや波長多重信号等の種々の光信号への対応が必要である。この対応の一例として、非特許文献３では、非縮退のパラメトリック増幅に基づく構成を用いて、任意の変調フォーマットに対応し、複数波長を一括で中継増幅可能な位相感応光増幅器が報告されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】T. Umeki, O. Tadanaga, A. Takada and M. Asobe, "Phase sensitive degenerate parametric amplification using directly-bonded PPLN ridge waveguides," Optics Express, ２０１１年, Vol.19, No.7, p.6326-6332
【非特許文献２】Takeshi Umeki, Masaki Asobe, and Hirokazu Takenouchi, “In-line phase sensitive amplifier based on PPLN waveguides,”Optics Express, ２０１３年５月, Vol.21, No.10, p.12077-12084
【非特許文献３】M. Asobe, T. Umeki, H. Takenouchi, and Y. Miyamoto, “In-line phase-sensitive amplifier for QPSK signal using multiple QPM LiNbO3 waveguide,” In Proceedings of the OptoElectronics and Communications Conference, OECC, ２０１３年, PDP paper PD2-3
【非特許文献４】Masaki Asobe, Takeshi Umeki, Kouji Enbutsu, Osamu Tadanaga, and Hirokazu Takenouchi, "Phase squeezing and dispersion tolerance of phase sensitive amplifier using periodically poled LiNbO3 waveguide," J. Opt. Soc. Am. B 31, 3164-3169 ２０１４年
【非特許文献５】D. McGhan, C. Laperle, A. Savchenko, C. Li, G. Mak, and M. O'Sullivan, "5120 km RZ-DPSK Transmission over G652 Fiber at 10Gb/s with No Optical Dispersion Compensation," in Optical Fiber Communication Conference and Exposition and The National Fiber Optic Engineers Conference, Technical Digest (CD) (Optical Society of America, ２００５年, paper PDP27
【非特許文献６】Koji Enbutsu,  Takeshi Umeki,  Osamu Tadanaga,  Masaki Asobe,  Hirokazu Takenouchi, "PPLN-Based Low-Noise In-Line Phase Sensitive Amplifier with Highly Sensitive Carrier-Recovery System,” IEICE Transactions on Communications, vol. E99.B ２０１６年 No. 8 pp. 1727-1733
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、従来技術の位相感応光増幅器では以下に述べるような問題があった。図３に示したように、位相感応光増幅器では信号と励起光の間の位相関係によって利得が変化する。このため、信号の位相変動に対し非常に敏感な増幅特性を持つ。位相感応光増幅器を中継増幅器として用いる場合、光ファイバ中の分散の影響で信号光の周波数成分に依存した位相変動が大きいと、位相感応光増幅後の信号品質が逆に劣化してしまう（非特許文献４）。信号の変調レートによって、信号光の周波数スペクトル広がりが異なるため、分散に対する耐力も異なる。例えば４０ＧＨｚのシンボルレートで変調された信号光に対しては、約４０ｐｓ／ｎｍの累積分散が加わることで、位相感応光増幅後の信号品質が劣化してしまうことが指摘されている。通常用いられるシングルモードファイバ（ＳＭＦ）の分散値を１．５μｍ帯光に対し１８ｐｓ／ｎｍ・ｋｍとすると、４０ｐｓ／ｎｍの累積分散値は約２．２ｋｍ分の長さに相当する。伝送ファイバの１スパンが通常約８０ｋｍの長さを持つことを踏まえると、位相感応光増幅器は、ＳＭＦを伝送してきた信号光の増幅をすることができない。
【００１６】
位相感応光増幅器を使用する際の伝送用ファイバとして、分散補償ファイバを用いて伝送路の分散を光学的に抑える手法がこれまでとられてきた(非特許文献２、非特許文献３)。分散補償ファイバを用いることで、使用波長帯での分散値を数ｐｓ／ｎｍに抑えられ、位相感応光増幅器を通しても、信号品質が劣化することなく低雑音増幅が実現できる。しかしながら、位相感応光増幅器を配置するための伝送ファイバすべてに分散補償ファイバを用いるのは、既設の光通信設備の大幅な更改を伴い、現実的では無い。
【００１７】
本発明は上述のような従来技術の問題に鑑みてなされたものであって、ＳＭＦを伝送した後の信号に対しても位相感応光増幅器を適用できる構成を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、変調された信号光を発生する送信器と、光ファイバ伝送路を介して前記送信器と接続される光増幅装置とを備えた光伝送システムであって、前記送信器は、前記光ファイバ伝送路において生じる波長分散に応じた前置分散補償を加えたデジタル信号データを生成するデジタル信号生成部と、信号光光源からの搬送波光に対し、前記デジタル信号データに基づいて、前記搬送波光の少なくとも光位相を変化させて前記データ変調された信号光を生成する光変調部とを含み、前記光増幅装置は、前記光ファイバ伝送路を伝送された前記信号光に基づいて、第１の励起光を生成する励起光生成部と、前記励起光生成部からの前記第１の励起光に基づいて、パラメトリック過程で用いる第２の励起光を生成し、前記信号光に対して縮退パラメトリック増幅を行う位相感応光増幅部と、前記信号光の位相と、前記第２の励起光の位相を同期する手段とを含むことを特徴とする光伝送システムである。この光伝送システムは実施形態１の光伝送システムに対応する。
【００１９】
請求項２に記載の発明は、請求項１の光伝送システムであって、前記励起光生成部は、前記信号光から第２高調波光を生成する第１の二次非線形光学素子と、前記第２高調波光および局部発振光の差周波数光を生成する第２の二次非線形光学素子と、注入同期により前記差周波数光から、前記第１の励起光を生成する半導体レーザとを含み、前記位相感応光増幅部は、前記第１の励起光から前記局部発振光および前記第１の励起光の和周波数光である前記第２の励起光を生成する第３の二次非線形光学素子と、前記第２の励起光によって縮退パラメトリック増幅を行う第４の二次非線形光学素子とを含むことを特徴とする。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、変調された信号光群を発生する送信器と、光ファイバ伝送路を介して前記送信器と接続される光増幅装置とを備えた光伝送システムであって、前記送信器は、前記光ファイバ伝送路において生じる波長分散に応じた前置分散補償を加えたデジタル信号データであって、位相共役の関係にある２組のデジタル信号データを生成するデジタル信号生成部と、信号光光源からの搬送波光および局部発振光から、前記搬送波光と位相共役の関係にあるアイドラ光を生成するアイドラ光生成部と、前記位相共役の関係にある２組のデジタル信号データの一方に基づいて、前記搬送波光の光位相および光強度を変化させて変調信号光を生成する第１の光変調部と、前記位相共役の関係にある２組のデジタル信号データの他方に基づいて、前記アイドラ光の光位相および光強度を変化させて変調アイドラ光を生成する第２の光変調部とを含み、前記変調信号光、前記変調アイドラ光および前記局部発振光が同送され、前記光増幅装置は、前記光ファイバ伝送路を伝送された前記局部発振光に基づいて、励起光を生成する第１の二次非線形光学素子と、前記励起光に基づいて、前記変調信号光および前記変調アイドラ光に対して非縮退パラメトリック増幅を行う第２の二次非線形光学素子と、前記変調信号光の位相と、前記励起光の位相を同期する手段とを含むことを特徴とする光伝送システムである。この光伝送システムは実施形態２の光伝送システムに対応する。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、請求項３の光伝送システムであって、前記送信器は、前記局部発振光から、第２高調波光を生成する第３の二次非線形光学素子と、前記第２高調波光と前記搬送波光との差周波数光である前記アイドラ光を生成する第４の二次非線形光学素子とをさらに含むことを特徴とする。
【００２２】
請求項５に記載の発明は、光ファイバ伝送路において生じる波長分散に応じた前置分散補償を加えた変調信号により送信器において生成された信号光であって、当該光ファイバ伝送路を伝送した前記信号光を光感応増幅する光増幅装置であって、前記光ファイバ伝送路を伝送した前記信号光に基づいて、第１の励起光を生成する励起光生成部と、前記励起光生成部からの前記第１の励起光に基づいて、パラメトリック過程で用いる第２の励起光を生成し、前記信号光に対して縮退パラメトリック増幅を行う位相感応光増幅部と、前記信号光の位相と、前記第２の励起光の位相を同期する手段とを含むことを特徴とする光増幅装置である。この光増幅装置は、実施形態１の光増幅装置に対応する。
【００２３】
請求項６に記載の発明は、光ファイバ伝送路において生じる波長分散に応じた前置分散補償を加えた変調信号により送信器において生成された信号光群であって、当該光ファイバ伝送路を伝送した前記信号光群を光感応増幅する光増幅装置であって、前記信号光群は、位相共役の関係にある２組のデジタル信号データの内の一方に基づいて、信号光光源からの搬送波光の光位相および光強度を変化させて変調された変調信号光と、前記位相共役の関係にある２組のデジタル信号データの他方に基づいて、前記搬送波光および局部発振光から生じ、前記搬送波光と位相共役の関係にあるアイドラ光に対して、その光位相および光強度を変化させて変調されたアイドラ変調光と、前記変調信号光および前記アイドラ変調光と同送された前記局部発振光を含み、前記光増幅装置は、前記光ファイバ伝送路を伝送した前記局部発振光に基づいて、励起光を生成する第１の二次非線形光学素子と、前記励起光に基づいて、前記変調信号光および前記アイドラ変調光に対して非縮退パラメトリック増幅を行う第２の二次非線形光学素子と、前記変調光信号の位相と、前記励起光の位相を同期する手段とを含むことを特徴とする光増幅装置である。この光増幅装置は、実施形態２の光増幅装置に対応する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明により、ＳＭＦを伝送後の信号に対しても、分散に起因した特性劣化のない低雑音な位相感応光増幅を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、従来技術のＰＳＡの基本的な構成を示す図である。
【図２】図２は、ＰＰＬＮ導波路を用いた従来技術のＰＳＡの構成を示す図である。
【図３】図３は、ＰＳＡの入力信号光励起光間位相差−利得の関係を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態１の光伝送システムの構成を示す図である。
【図５】図５は、実施形態１の光伝送システムのＰＳＡの構成を示す図である。
【図６】図６は、中継型ＰＳＡの各信号の波長軸上での関係を説明する図である。
【図７】図７は、中継型ＰＳＡで増幅された信号光のスペクトルを示す図である。
【図８】図８は、光伝送システム各部の信号光コンスタレーションを示す図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態２の光伝送システムの構成を示す図である。
【図１０】図１０は、実施形態２の光伝送システムの送信器の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の光伝送システムでは、送信器側において、変調器に加える変調信号に対して伝送路内で生じる波長分散との逆の波長分散を与える前置分散補償を行う。前置分散補償された変調光を伝送路に送信すれば、伝送路内で生じる波長分散による信号品質の劣化を低減またはキャンセルできる。ＢＰＳＫ信号に対して前置分散補償を行った変調信号で変調した信号光と、縮退型のＰＳＡを組み合わせた光伝送システムが開示される。また、ＱＰＳＫ信号に対して前置分散補償を行った変調信号で変調した信号光と、非縮退型のＰＳＡを組み合わせた光伝送システムが開示される。本発明により、これまで不可能であったＳＭＦ伝送後の信号に対しても、分散に起因した特性劣化のない低雑音な位相感応光増幅を実現できる。低雑音な光増幅が可能になるだけでなく、伝送路で光信号が受けた位相雑音を光信号のままで補償することができ、大容量光伝送に必須となるＳＮＲの向上が可能となる。以下、図面を参照しながら本発明の光伝送システムおよび光増幅装置の実施形態について詳細に説明する。
【００２７】
[実施形態１]
図４は、本発明の実施形態１の光伝送システムの構成を示す図である。本発明に係る光増幅装置および光伝送システムでは、ＰＰＬＮ導波路を用いたＰＳＡの構成を示す。本実施形態に係る光伝送システムは、前置デジタル信号処理により伝送路の分散を予め補償することで、光ファイバ伝送後の光信号に対しても低雑音な位相感応光増幅を可能とする。図４の実施形態１においては、励起光と同相成分のみを増幅する縮退型ＰＳＡにおいて、ファイバ伝送後の信号増幅を、前置分散補償を用いて実現する構成を示す。縮退型ＰＳＡは強度変調信号又は同位相成分のみが変調された信号を増幅できる。本実施形態においては、２値の位相変調（ＢＰＳＫ）が施された信号光を増幅するための構成例を説明する。
【００２８】
図４の光伝送システム４００は、大まかに、デジタル信号処理により前置分散補償された信号光を送信する送信器４０１、光ファイバ４３０と偏波補償器４４０、及びＰＳＡ５００からなる。詳細は動作とともに後述するが、送信器４０１は、信号光源４０９と、デジタル信号生成部４０２と、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）４０５、４０６と、駆動アンプ４０７、４０８と、光変調部であるＩＱ変調器（ＩＱＭ）４１０とＥＤＦＡ４２０を備える。本実施形態の光伝送システムでは、送信器４０１は前置分散補償されたＢＰＳＫ信号を生成する。
【００２９】
図５は、実施形態１の光伝送システムにおける中継型ＰＳＡの構成を示す図である。図５の中継型ＰＳＡ５００は、ＢＰＳＫ信号からの搬送波位相の抽出方法を行う励起光生成部５３０および位相感応光増幅部５４０に大別される。励起光生成部５３０および位相感応光増幅部５４０は、それぞれ２つのＰＰＬＮ導波路モジュールを用いて構成されている。励起光生成部５３０では、第１のＰＰＬＮ導波路モジュール５０４は、励起光となる第２高調波（ＳＨ光）発生（ＳＨＧ: Second Harmonic Generation）に用いられ、第２のＰＰＬＮ導波路モジュール５０５は、差周波光生成（Difference Frequency Generation）に用いられる。第１のＰＰＬＮ導波路モジュール５０４は入出力双方の空間光学系と、ＰＰＬＮ導波路と、出力側のダイクロイックミラーとを備える。第２のＰＰＬＮ導波路モジュール５０５は、入出力の双方の空間光学系と、ＰＰＬＮ導波路と、入出力双方のダイクロイックミラーとを備える。位相感応光増幅部５４０では、第３のＰＰＬＮ導波路モジュール５１６は、励起光となるＳＨ光発生に用いられ、第４のＰＰＬＮ導波路モジュール５１７は、パラメトリック増幅（ＯＰＡ: Optical Parametric Amplification）に用いられる。各ＰＰＬＮ導波路モジュールの構成は、励起光生成部と同様である。
【００３０】
ここで、図５のＰＳＡ５００で用いたＰＰＬＮ導波路の作製方法を以下に例示する。まず、Ｚｎを添加したＬｉＮｂＯ３上に周期が約１７μｍの周期的な電極を形成した。次に、電界印加法により上記の電極パターンに応じた分極反転グレーティングをＺｎ：ＬｉＮｂＯ３中に形成した。次に、この周期分極反転構造を有するＺｎ：ＬｉＮｂＯ３基板をクラッドとなるＬｉＴａＯ３上に直接接合を行い、５００℃で熱処理を行うことにより両基板を強固に接合した。次に、コア層を研磨により５μｍ程度まで薄膜化し、ドライエッチングプロセスを用いてリッジ型の光導波路を形成した。この導波路はペルチェ素子により温度調整が可能である。導波路の長さを５０ｍｍとした。このようにして形成されたＰＰＬＮ導波路を有する二次非線形光学素子を、１．５μｍ帯の偏波保持ファイバで光の入出力が可能なモジュール構成とした。本実施形態では、Ｚｎを添加したＬｉＮｂＯ３を用いたが、それ以外の非線形材料である、ＫＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦ｘ≦１）若しくはＫＴｉＯＰＯ４、又はそれらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有している材料を用いても良い。
【００３１】
再び図４を参照しながら、光伝送システム４００で前置分散補償された信号光を送信する送信器４０１の動作についてさらに説明する。図４の送信器４０１において、デジタル信号生成部４０２は、光ファイバ伝送路で受ける分散に起因した光位相のシフトとは逆のシフトを与える演算を行って、送信データに基づく変調信号に対して補償を加える。すなわちデジタル信号生成部４０２、前置分散補償された第１のデータ信号４０４、第２のデータ信号４０３を出力する。これらデータ信号を、第１のＤＡＣ４０６、第２のＤＡＣ４０５へ入力してアナログ信号に変換し、さらに第１の駆動アンプ４０８、第２の駆動アンプ４０７で所要レベルまで増幅した。これにより、ＩＱ変調器４１０に入力される２つの変調信号Ｉ、Ｑは、波長分散の前置補償が施された信号となる。信号光源４０９からの搬送波光は、ＩＱ変調器４１０において、上述の変調信号Ｉ、Ｑによって強度および位相を変調され、前置分散補償の施されたシンボルレート１０ＧＨｚのＢＰＳＫ信号が出力される。
【００３２】
デジタル信号生成部４０２で与えられる歪みは、後段の光ファイバ４３０を伝送後に信号光に累積される分散による信号歪を受けることで相殺されるように与えられる。ＩＱ変調器４１０でのレベル低下を補うため、ＥＤＦＡ４２０を用いて信号光を増幅した後、８０ｋｍの光ファイバ４３０に入力した。光ファイバ４３０は１６．７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの分散特性であり、８０ｋｍ伝送後のトータルの分散値は１３３６．０ｐｓである。図４の光ファイバ４３０の前後の信号光コンスタレーション４２１、４２２に示したように、光ファイバ４３０を伝搬することで、信号光の歪は補償されてゆく。８０ｋｍの光ファイバ４３０を伝送して、信号光に累積される分散による信号歪を受けると、理想的なＢＰＳＫの信号光を得ることができる。前置分散補償処理では分散のスロープも考慮した補償を行うことができる。このため、決まった波長に対しては従来技術の光学的な補償手段と比較して高精度な分散補償が可能であり、光ファイバ伝送による分散に起因した歪みのない信号光を得ることができる。このようにＰＳＡに入力される信号光の累積分散値を補償することで、光ファイバを伝送後の信号光に対しても低雑音な位相感応光増幅が可能となる。光ファイバ４３０を伝送した信号光は、偏波補償器４４０により光ファイバ内の偏波を補償した後、信号光５０１は、ＰＳＡ５００へと入力される。次に、図５とともにＰＳＡ５００の動作について説明する。
【００３３】
図５を参照すると、ＰＳＡ５００において、入力された信号光５０１の一部は光カプラ５０２により分岐され、励起光生成部５３０に入射される。光伝送における中継増幅器として縮退型のＰＳＡを用いる場合には、変調が施されている信号光から平均的な位相を抽出し、励起光生成部５３０で信号の搬送波位相と同期した励起光を生成する必要がある。以下の説明では、図６で中継型ＰＳＡ５００の各部の光の波長軸上での関係を参照しながらＰＳＡ５００の動作について説明する。
【００３４】
図６の（ａ）〜（ｄ）は、図５の中継型ＰＳＡ５００における各信号の波長軸上での関係を説明する図である。図６のいずれの図も横軸を波長として、各信号の波長軸上の相対位置関係を概念的に示している。図６の各図では横軸を波長軸としているため、周波数のより高い光は、図６ではより短い波長の光として示されることに留意されたい。したがって、光の周波数が高いほど、図６では横軸のより左側の短波長側に位置することになる。
【００３５】
図５に再び戻ると、励起光生成部５３０では、分岐した信号光５０１をＥＤＦＡ５０３によって増幅した後、第１のＰＰＬＮ導波路モジュール５０４によって、信号光の波長に対して半分の波長を持つ第２高調波光（ＳＨ光）を生成する。一方で励起光生成部５３０では、局部発振光源５０７で生成された励起光（Ｌｏ１）５５１および上述の第１のＰＰＬＮ導波路モジュール５０４からのＳＨ光が、第２のＰＰＬＮモジュール５０５に入力される。第２のＰＰＬＮモジュール５０５では、励起光（Ｌｏ１）とＳＨ光との間の差周波光（Ｌｏ２）が生成される。
【００３６】
第２のＰＰＬＮ導波路モジュール５０５から出力された信号光、励起光（Ｌｏ１）および差周波光（Ｌｏ２）は、バンドパスフィルタ５０６により、差周波光（Ｌｏ２）のみが取り出される。差周波光（Ｌｏ２）は、光サーキュレータ５１３を通過した後、例えばアレイ導波路格子（ＡＷＧ）型の波長合分波器５１１を経由して半導体レーザ５１２に入力される。半導体レーザ５１２は、光注入同期により差周波光（Ｌｏ２）と同じ位相、同じ波長を持つ第２の励起光を生成する。第２の励起光の光強度は、半導体レーザ５１２の出力により決まるため、第２のＰＰＬＮ導波路モジュール５０５からの数１０μＷ程度の微弱な差周波数光（Ｌｏ２）を用いて、数１０ｍＷ以上の第２の励起光（Ｌｏ２）を得ることができる。波長合分波器５１１の分波側ポートから、局部発振光源５０７より光カプラ５０８で分岐していた励起光（Ｌｏ１）を波長合分波器５１１の合波側ポートへ入射し、半導体レーザ５１０からの注入同期した第２の励起光（Ｌｏ２）と合波して、サーキュレータ５１３から励起光出力５５２が出力される。
【００３７】
ここで図６の（ａ）を参照すると、信号光ｓに対して、波長軸上における短波長側に励起光（Ｌｏ１）ｐ１が示されている。信号光ｓは、変調を受けているのでスペクトルが広がっている。図６の（ｂ）を参照すると、波長軸上で信号光ｓに対して励起光（Ｌｏ１）ｐ１の反対側に、差周波数光（Ｌｏ２）ｐ２が示されている。差周波数光（Ｌｏ２）ｐ２は、半導体レーザ５１２への注入同期（インジェクションロック）により強度雑音が除去される。
【００３８】
図５の中継型ＰＳＡにおける信号光ｓの位相φｓ、励起光（Ｌｏ１）ｐ１の位相φp1および差周波光（Ｌｏ２）ｐ２の位相φp2の間では、以下の式を満たす。
２φｓ − φp1− φp2 ＝ ０          式（２）
【００３９】
したがって、差周波光（Ｌｏ２）ｐ２の位相φp2は次式のように、信号光ｓの位相φｓと励起光（Ｌｏ１）ｐ１の位相φp1を用いて表される。
φp2 ＝ ２φｓ −  φp1              式（３）
【００４０】
式（２）および式（３）からもわかるように、第１のＰＰＬＮ導波路モジュール５０４において信号光ｓからＳＨ光を発生させることによって、信号光ｓの位相φｓを２倍とすることができる。通常、信号光には送信する情報データによって変調が掛かっているため、搬送波位相を抽出することは難しい。しかしながら、図５の励起光生成部５３０のように信号光ｓの位相φｓを２倍にすることで、２値の位相変調を取り除くことができる。さらに図６の（ｂ）に示したように、ＳＨ光および励起光（Ｌｏ１）の差周波数光である第２の励起光（Ｌｏ２）ｐ２は、注入同期によって強度雑音が除去される。図５のＰＳＡ５００においては、信号光５０１の搬送波の位相情報を保持した純粋なＳ／Ｎ比の良い第２の励起光（Ｌｏ２）５５２が得られる。
【００４１】
局部発振光源５０７からの励起光（Ｌｏ１）５５１および注入同期した第２の励起光（Ｌｏ２）５５２は、位相感応光増幅部５４０において、ＥＤＦＡ５１４によって増幅される。さらにＢＰＦ５１５を用いて不要なＡＳＥ光を除去した後に、第３のＰＰＬＮ導波路モジュール５１６に入力される。第３のＰＰＬＮ導波路モジュール５１６では、図６の（ｃ）に示したように、励起光（Ｌｏ１）ｐ１および第２の励起光（Ｌｏ２）ｐ２の和周波（ＳＦ：Sum Frequency）を持つ励起光ＳＦが生成される。この時、励起光（Ｌｏ１）ｐ１の位相φp1、第２の励起光（Ｌｏ２）ｐ２の位相φp2および和周波励起光ＳＦの位相φSFの間では、次の式を満たす。
φSF＝ φp1 ＋ φp2
＝ ２φｓ                        式（４）
【００４２】
図５における第３のＰＰＬＮ導波路モジュール５１６からの和周波励起光５５３を第４のＰＰＬＮ導波路モジュール５１７に入射する。第４のＰＰＬＮ導波路モジュール５１７内で、光カプラ５０２を経由した信号光５０１と、和周波励起光５５３とのパラメトリック増幅が行われる。位相感応光増幅のためには、図６の（ｄ）に示したように、信号光ｓの位相φｓおよび和周波光ＳＦの位相φSFの間で、次式を満たす必要がある。
ΔΦ＝φSF  −  ２φｓ ＝ ｎπ（ｎは整数）    式（５）
【００４３】
すなわち入力信号光と和周波励起光との間の位相差ΔΦが、−π、０、またはπの時に利得が最大になる。信号光と各励起光との間で位相同期するために、位相変調器５０９を用いて微弱な信号により位相変調を励起光５５１に施す。第４のＰＰＬＮ導波路モジュール５１７を通過した出力光の一部は、光カプラ５１８により分岐される。光検出器５１９によって分岐光の光強度の変化を検出し、励起光５５１と信号光５０１との間で位相同期するように、ＰＬＬ回路５２０を用いて光ファイバ伸長器５２１にフィードバックをかける。上述の位相同期によって、図５の中継型のＰＳＡ５００を安定動作させることができる。したがって、光カプラ５１８、ＰＬＬ回路５２０および光ファイバ伸長器５２１を含むループは、信号光の位相と、第２の励起光の位相を同期する手段を構成する。
【００４４】
各信号の波長の一例を挙げれば、信号光ｓは１５３５．８ｎｍ、励起光ｐ１（Ｌｏ１）は１５３４．２５ｎｍ、差周波数ｐ２（Ｌｏ２）は１５３７．４ｎｍ、和周波数ＳＦは７６７．９ｎｍである。
【００４５】
図４の光伝送システム４００で、ＰＳＡ５００の光増幅特性を確認するため、前置分散補償の異なる条件で増幅前後の信号光周波数スペクトルおよび変調コンスタレーションを確認した。
【００４６】
図７は、実施形態１の位相感応光増幅器によって増幅された信号光の周波数スペクトルを説明する図である。図７の（ａ）〜（ｃ）のいずれにおいても、３種類のスペクトルが重ねて表示され、１つはＰＳＡ５００の入力（Input）を、２つのＰＳＡ５００の出力（図４の矢印Ｃの位置）であって、ＰＳＡが通常の動作状態（PSA amp）およびＰＳＡが減衰状態（PSA deamp）を示している。ＰＳＡの減衰状態（PSA deamp）は、ＰＳＡ５００への入力信号光５０１と、和周波励起光５５３の位相を直交（π／２ずらす）させることによって得られる。図７の（ａ）には参照のため、「前置分散補償なし」のＢＰＳＫ信号を、光ファイバ４３０を伝送させずにＰＳＡ５００へ入力したときのスペクトルを示している。つまり、図４の矢印Ａの位置における前置分散補償されていない（歪みの無い）ＢＰＳＫ信号のスペクトル（Input）およびＰＳＡが伝送路分散の影響を全く受けない理想状態のスペクトル（PSA amp, PSA deamp）が示されている。
【００４７】
図７の（ｂ）は、「前置分散補償なし」のＢＰＳＫ信号を８０ｋｍの光ファイバ伝送後にＰＳＡに入力した時のスペクトルが示されている。すなわち、入力スペクトル（Input）は図４の矢印Ｂの位置のものとなる。図７の（ｃ）は、「前置分散補償をした」ＢＰＳＫ信号を８０ｋｍの光ファイバ伝送後にＰＳＡに入力した時のスペクトルが示されている。
【００４８】
図７の（ｂ）に示したように、前置分散補償の無い信号では、光ファイバの分散の影響のために周波数成分毎に位相がずれてしまうことにより、周波数成分毎に同期した位相感応特性が得られていない。特に、位相誤差により敏感な減衰域におけるスペクトルが劣化して、隣接チャネル帯域における歪みが増大している。一方で、図７の（ｃ）に示したように、前置分散補償をした信号を用いた場合は、位相感応光増幅・減衰動作にスペクトルの劣化は見られず、図７の（ａ）の理想状態の入力信号および理想状態で光増幅された信号光の場合と同等のスペクトルが得られた。
【００４９】
図８は、実施形態１の位相感応光増幅器によって増幅された信号光のコンスタレーションを示した図である。位相感応光増幅後の信号品質を確認するために、増幅の前後での信号光のコンスタレーション図を取得した。図８の（ａ）には参照として、「前置分散補償なし」で光ファイバ伝送をさせていないＢＰＳＫ信号のＰＳＡ出力におけるコンスタレーションを示している。図８の（ｂ）は、「前置分散補償なし」のＢＰＳＫ信号を８０ｋｍの光ファイバ伝送後のＰＳＡ出力におけるコンスタレーションを示している。図８の（ｃ）は、「前置分散補償した」ＢＰＳＫ信号を８０ｋｍのファイバ伝送後のＰＳＡ出力におけるコンスタレーションを示している。
【００５０】
図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、Ｑ値はそれぞれ１７．６ｄＢ、６．９ｄＢ、１７．３ｄＢである。ここでＢＰＳＫ信号におけるＱ値とは、バイナリ信号の「１」と「０」の振幅の標準偏差と平均振幅の差で定義される。前置分散補償の無い信号では、光ファイバにおける分散の影響を受けた信号光を位相感応光増幅したことで、信号光のＱ値が劣化してしまっている。これに対して、前置分散補償を用いることで、シングルモードファイバを伝送させて、ファイバの分散の影響を受けた場合であっても、Ｑ値劣化のない位相感応光増幅が実現できた。
【００５１】
本実施形態のＰＳＡ５００では、信号光５０１と局部発振光５５１の位相同期には、光注入同期を用いたが、その他の方法を用いても良い。例えば、コスタスループに代表される高速な電気信号のフィードバックを局部発振光源５０７に帰還することで位相同期を行っても良い。
【００５２】
上述の実施形態１の光伝送システムにおいては、光ファイバ伝送路の分散に起因した位相誤差を、予め送信器４０１デジタル信号生成部の段階で補償する。これによって、分散を有する光ファイバを伝送した後の信号光に対しても、分散に起因した特性劣化のない位相感応光増幅を実現できる。本発明の光伝送システムにより、従来技術では分散補償されたファイバで構成された伝送路にしか適用できなかったＰＳＡを、通常のＳＭＦ伝送後の信号に対しても適用可能となる。大容量光伝送に必要なＳＮＲの向上のキーとなるＰＳＡの適用領域を、大幅に拡張できる。
【００５３】
[実施形態２]
以下、本発明の実施形態２の光増幅装置および光伝送システムについて説明する。先の実施形態１の光伝送システムは、ＢＰＳＫ変調信号に対して縮退型のＰＳＡを用いた場合の構成であった。実施形態１の光伝送システムは、ＢＰＳＫ変調信号などの変調方式の使用でも十分に伝送容量が満足するシステムへの適用には問題ない。しかしながら、より大容量伝送が要求されるシステムでは、増幅可能な変調フォーマットや波長数に制限がある縮退型のＰＳＡの適用は難しい。本実施形態の光伝送システムでは、直交位相成分にもデータ変調成分を含む直交位相振幅変調（ＱＡＭ：Quadrature Amplitude Modulation）信号のような任意の変調フォーマットの信号に対応可能で、複数波長を一括増幅できる非縮退型のＰＳＡの構成を提示する。直交位相成分にもデータ変調成分を含む変調信号に対して、前置分散補償を適用した本実施形態では、４値ＱＡＭである４位相偏移変調（ＱＰＳＫ：Quadrature Phase Shift Keying）信号を例として説明する。
【００５４】
図９は、本発明の実施形態２の光伝送システムの構成を示す図である。本実施形態に係る光伝送システム９００は、送信器１０００におけるデジタル信号処理によって変調信号に対して伝送路の分散を予め前置補償することで、光ファイバ伝送後の光信号に対しても低雑音な位相感応光増幅を可能とする。図９の光伝送システム９００は、信号光、アイドラ光及びパイロット信号を送信する送信器１０００、光ファイバ（シングルモードファイバ：ＳＭＦ）９１０と偏波補償器９２０、並びにパイロット信号を用いて励起光を生成する非縮退型のＰＳＡ９３０からなる。
【００５５】
図１０は、実施形態２の光伝送システムの送信器１０００の詳細構成を示す図である。以下、まず図１０によって送信器の構成および動作を、次に図９によって非縮退型のＰＳＡ９３０の構成および動作を説明する。図１０の送信器１０００は、大まかに、信号光源１００１と、局部発振光源１００３と、ＥＤＦＡ１００５、１０２２と、ＰＰＬＮ導波路モジュール１００２、１００７と、光カプラ１００４、１０２１、１０２３と、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１００６と、波長選択型光スイッチ（ＷＳＳ：Wavelength Selective Switch）１０２０と、を備える。前置分散補償された変調信号を生成するために、デジタル信号生成部１０１０、１０１１と、ＤＡＣ１０１２〜１０１５と、駆動アンプ１０１６〜１０１９と、ＩＱ変調器１００８、１００９をさらに備える。
【００５６】
送信器１０００では、ＰＰＬＮ導波路を用いた差周波数生成過程（ＤＦＧ: Difference Frequency Generation）により、信号光１０３０と対となるアイドラ光を発生させる。ＤＦＧ過程は、励起光となるＳＨ光発生のための第１のＰＰＬＮ導波路モジュール１００７、及びアイドラ光生成のための第２のＰＰＬＮ導波路モジュール１００２により動作する。ＰＰＬＮ導波路モジュールの構成、モジュール内のＰＰＬＮ導波路の作製方法は実施形態１と同様である。
【００５７】
局部発振光源１００３からの励起光（Ｌｏ１）は、光カプラ１００４、ＥＤＦＡ１００５およびＢＰＦ１００６を経由して、第１のＰＰＬＮ導波路モジュール１００７において、ＳＨ光１０３８を発生させる。ＳＨ光１０３８および信号光源１００１からの信号光搬送波１０３０は、第２のＰＰＬＮ導波路モジュール１００２において、ＳＨ光１０３８および信号光の搬送波１０３０の差周波数に対応するアイドラ光を発生する。したがって第２のＰＰＬＮ導波路モジュール１００２からの出力光１０３１は、信号光の搬送波およびアイドラ光を含む。ここで信号光の周波数とアイドラ光の周波数は、周波数軸上において局部発振光の周波数を中心として、対称な位置関係にある。さらに、信号光の搬送波およびアイドラ光は、位相共役の関係にある。
【００５８】
第１のデジタル信号生成部１０１０および第２のデジタル信号生成部１０１１により、光ファイバ伝送路で受ける分散に起因した光位相のシフトとは逆のシフトを与える演算を行って、送信データに基づいた変調信号に対して補償を加える。第１のデジタル信号生成部１０１０からの第１のデータ信号１０３４および第２のデータ信号１０３５は、信号光に対する変調信号を生成する。同様に、第２のデジタル信号生成部１０１１からの第３のデータ信号１０３６および第４のデータ信号１０３７は、アイドラ光に対する変調信号を生成する。データ信号１０３４〜１０３７は、それぞれ、ＤＡＣ１０１２〜１０１５へ入力してアナログ信号に変換し、さらに駆動アンプ１０１６〜１０１９で所要レベルまで増幅した。光変調部である第１のＩＱ変調器１００８に入力される２つの変調信号Ｉ、Ｑは、波長分散の前置補償が施された信号光に対する変調信号となる。同様に、光変調部である第２のＩＱ変調器１００９に入力される２つの変調信号Ｉ、Ｑは、波長分散の前置補償が施されたアイドラ光に対する変調信号となる。デジタル信号生成部１０１０、１０１１で与えられる前置分散補償による歪みは、後段の光ファイバ９１０を伝送後に信号光およびアイドラ光に累積される分散による信号歪を受けることで相殺される。また、第１のデータ信号１０３４および第２のデータ信号１０３５と、第３のデータ信号１０３６および第４のデータ信号１０３７とは、互いに位相共役の関係にあるデータ信号となっている。
【００５９】
第２のＰＰＬＮ導波路モジュール１００２からの信号光およびアイドラ光は、ＷＳＳ１０２０により分波され、それぞれＩＱ変調器１００８、１００９によって強度および位相を変調される。すなわち、ＩＱ変調器１００８からは、前置分散補償が施されたシンボルレート１０ＧＨｚのＱＰＳＫ変調の信号光が出力され、ＩＱ変調器１００９からは、前置分散補償が施されたシンボルレート１０ＧＨｚのＱＰＳＫ変調のアイドラ光が出力される。２つのＩＱ変調器１００８、１００９からのＱＰＳＫ信号は光合分波器（光カプラ）１０２１で合波される。上述のように２つのＩＱ変調器１００８、１００９への変調信号は互いに位相共役の関係にある信号である。また、変調を受ける搬送波としての信号光およびアイドラ光も、位相共役関係にある。すなわち、ＩＱ変調器１００８、１００９からの変調後の信号光およびアイドラ光は、変調データも搬送波の光位相も互いに位相共役関係にある。
【００６０】
ＩＱ変調器でのレベル低下を補うため、ＥＤＦＡ１０２２を用いて合波された変調信号を増幅する。その後、光カプラ１００４で分波された励起光を光カプラ１０２で信号光およびアイドラ光に合波させ、図９の８０ｋｍの光ファイバ９１０に入力した。伝送ファイバとその分散特性は実施形態１と同様である。位相感応光増幅をする際には、増幅する信号光およびアイドラ光の基準位相の情報を持つ励起光が必要である。本実施形態の光伝送システムでは、信号光およびアイドラ光の基準位相となっている局部発振光源１０３３から出力された励起光１０３２を、信号光およびアイドラ光と同送するパイロットトーンとしている。
【００６１】
再び図９を参照すると、中継型ＰＳＡ９３０は、大まかに波長合分波器９３１と、第４の光合分波器と、ＢＰＦ９３３、９３８、９４２と、サーキュレータ９３４と、局部発振光源（半導体レーザ）９３５と、位相変調器９３６と、ＥＤＦＡ９３７と、ＰＰＬＮ導波路モジュール９３９、９４０と、光検出器９４３と、ＰＬＬ回路９４４と、ＰＺＴによる光ファイバ伸長器９４５を備えている。中継型ＰＳＡ９３０においても送信器１０００と同様、位相感応光増幅過程は、励起光となるＳＨ光発生（ＳＨＧ）のための第３のＰＰＬＮ導波路モジュール９３９、及びＯＰＡのための第４のＰＰＬＮ導波路モジュール９４０により動作する。各ＰＰＬＮ導波路モジュールの構成、モジュール内のＰＰＬＮ導波路の作製方法は実施形態１と同様である。
【００６２】
信号光およびアイドラ光並びにパイロットトーンを含む光ファイバ９１０を伝送した信号光群は、偏波補償器９２０により光ファイバ内の偏波変動が補償される。ＰＳＡ９３０において、信号光群９５１の内のパイロットトーンのみが、波長合分波器９３１により分波され、信号光およびアイドラ光は第４のＰＰＬＮ導波路モジュール９４０へと入力される。パイロットトーンはＢＰＦ９３３により不要なＡＳＥ光成分を除去した後、光サーキュレータ９３４経由して、第２の局部発振光源９３５に光注入同期を行った。光注入同期により、パイロットトーンと同一波長および同一の位相情報を持つ局部発振光を生成した。局部発振光源９３５は、例えば半導体レーザによって実現できる。
【００６３】
光サーキュレータ９３４により局部発振光源９３５からの注入同期した出力を取り出し、局部発振光９５３をＥＤＦＡ９３７により３Ｗまで増幅する。さらにＢＰＦ９３８によりＥＤＦＡの自然放出光を除去した後、第３のＰＰＬＮ導波路モジュール９３９に入射した。第３のＰＰＬＮ導波路モジュール９３９内のＰＰＬＮ導波路中のＳＨＧ動作により、ＳＨ光の励起光９５４を生成した。３Ｗの局部発振光により、１Ｗの強度の励起光９５４が得られた。この励起光９５４を、第４のＰＰＬＮ導波路モジュール９４０に入射した。第４のＰＰＬＮ導波路モジュール９４０内のＰＰＬＮ導波路内では、信号光およびアイドラ光に対して非縮退パラメトリック過程が引き起こされる。
【００６４】
信号光およびアイドラ光は、送信器１０００における励起光１０３８の基準位相に同期されている。このため、中継型ＰＳＡ９３０においても励起光９５４を送信器１０００の基準位相に同期させることで、全波長で一括位相感応光増幅を実現できる。ＰＳＡ９３０において励起光と信号光の位相同期をするため、位相変調器９３６を用いて微弱な信号により局部発振光に位相変調を施す。第４のＰＰＬＮモジュール９４０を通過した出力光９５５の一部を光カプラ９４１により分岐した。ＢＰＦ９４２により、出力光９５５の信号光の波長のみを切り出し、光検出器９４３により光強度の変化を検出する。ＰＬＬ回路９４４を用いて、励起光の位相と信号光の位相が同期するように光ファイバ伸長器９４５にフィードバックを掛けた。ここでは、位相同期をかけるために出力光９５５の内の信号光のみを切り出しているが、出力光９５５のアイドラ光を切り出して光ファイバ伸長器９４５にフィードバックを掛けても、同様に位相感応光増幅が可能である。
【００６５】
本実施形態の光伝送システム９００では、送信器１０００から同送されたパイロットトーンと、ＰＳＡ９３０の局部発振光９５３との位相同期には、光注入同期を用いた。その他の方法として、例えばコスタスループに代表される高速な電気信号のフィードバックを局部発振光源９３５に帰還することで、位相同期を行っても良い。
【００６６】
上述の本実施形態の光伝送システムにおいても、光ファイバ伝送路の分散に起因した位相誤差を、予め送信器１０００のデジタル信号生成部１０１０、１０１１の段階で補償する。これによって、分散を有する光ファイバを伝送した後の信号光に対しても、分散に起因した特性劣化のない位相感応光増幅を実現できる。本発明の光伝送システムにより、従来技術では分散補償されたファイバで構成された伝送路にしか適用できなかったＰＳＡを、通常のＳＭＦ伝送後の信号に対しても適用可能となる。直交位相成分にもデータ変調成分を含むＱＡＭ信号のような変調フォーマットの信号にも対応可能で、複数波長の一括増幅もできるＰＳＡにより、大容量光伝送に必要なＰＳＡの適用領域を拡張できる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、光伝送システムに利用することができる。特に中継型の光増幅装置に利用できる。
【符号の説明】
【００６８】
１００、２００、５００、９３０  位相感応光増幅器（ＰＳＡ）
１０２  励起光源
１０３  励起光位相制御部
２０１、４２０、５０３、５１４、９３７、１００５、１０２２  ＥＤＦＡ
２０２、２０４、５０４、５０５、５１６、５１７、９３９、９４０、１００２、１００７  ＰＰＬＮ導波路モジュール
２０３−１、２０３−２、５０２、５０８、５１８、９４１、１００４、１０２１、１０２３  光カプラ（光分岐部）
２０５、９３６  位相変調器
２０６、２０７、５２１、９４５  光ファイバ伸長器
２０９、４２０、５２０、９４４  ＰＬＬ回路
４００、９００  光伝送システム
４０１、１０００  送信器
４０２、１０１０、１０１１  デジタル信号生成部
４０５、４０６、１０１２〜１０１５  デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）
４０９、１００１  信号光源
４１０、１００８、１００９  ＩＱ変調器（ＩＱＭ）
４３０、９１０  光ファイバ
４４０、９２０  分散及び偏波補償器
５０６、５１５、９３３、９３８、９４２、１００６  ＢＰＦ
５０７、１００３  局部発振光源
５１２、９３５  半導体レーザ（局部発振光源）
５１３、９３４  光サーキュレータ
５３０  励起光生成部
５４０  位相感応光増幅部
９３１  波長合分波器
１０２０  波長選択型光スイッチ
【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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