(57)【要約】【課題】位相感応型光増幅器の励起光の位相誤差偏差を、簡易に安価で評価する方法を実現する。【解決手段】位相感応型光増幅器において、信号光と励起光の平均光位相差に対する位相感応型光増幅器の利得の特性を測定し、または、位相感応型光増幅器の出力光をディジタルコヒーレント検波して励起光の位相誤差偏差を求める、位相感応型光増幅器の励起光の位相誤差偏差の評価方法とした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光と同一の平均光位相を有する励起光を発生し、前記励起光を前記入力光とともに光パラメトリック増幅回路に供給することにより、前記入力光を増幅する位相感応型光増幅器における前記励起光の位相誤差偏差の評価方法であって、
前記入力光と前記励起光の間の光位相差を掃引して、前記光位相差に対する前記位相感応型光増幅器の出力光の利得特性を測定するステップと、
前記利得特性における最大利得の逆数に対する最小利得の比を用いて、前記励起光の位相誤差偏差を求めるステップとを含む
ことを特徴とする位相誤差偏差の評価方法。
【請求項２】
入力光と同一の平均光位相を有する励起光を発生し、前記励起光を前記入力光とともに光パラメトリック増幅回路に供給することにより、前記入力光を増幅する位相感応型光増幅器における前記励起光の位相誤差偏差の評価方法であって、
前記位相感応型光増幅器の出力光をディジタルコヒーレント検波し、検波出力を数値演算することにより、前記位相感応型光増幅器の出力光の信号の標本点の信号空間上における複素振幅座標を求めるステップと、
前記複素振幅座標の分布から、前記位相感応型光増幅器の同相利得と、前記位相感応型光増幅器の出力信号の直交位相成分の揺らぎの圧縮比のパラメータとを求め、前記同相利得と前記圧縮比のパラメータ用いて、前記励起光の位相誤差偏差を求めるステップとを含む
ことを特徴とする位相誤差偏差の評価方法。
【請求項３】
入力光と同一の平均光位相を有する励起光を発生し、前記励起光を前記入力光とともに光パラメトリック増幅回路に供給することにより、前記入力光を増幅する位相感応型光増幅器と、  
前記入力光と前記励起光の間の光位相差を掃引する位相差掃引回路と、
前記光位相差に対する前記位相感応型光増幅器の出力光の利得特性を測定する測定回路と、
前記利得特性における最大利得の逆数に対する最小利得の比を用いて、前記励起光の位相誤差偏差を求める計算回路と
から構成されていることを特徴とする位相誤差偏差の評価回路。
【請求項４】
入力光と同一の平均光位相を有する励起光を発生し、前記励起光を前記入力光とともに光パラメトリック増幅回路に供給することにより、前記入力光を増幅する位相感応型光増幅器と、
前記位相感応型光増幅器の出力光をディジタルコヒーレント検波し、検波出力を数値演算することにより、前記位相感応型光増幅器の出力光の信号の標本点の信号空間上における複素振幅座標を求める数値演算部と、
前記複素振幅座標の分布から、前記位相感応型光増幅器の同相利得と、前記位相感応型光増幅器の出力信号の直交位相成分の揺らぎの圧縮比のパラメータとを求め、前記同相利得と前記圧縮比のパラメータ用いて、前記励起光の位相誤差偏差を求める位相誤差評価部と
から構成されていることを特徴とする位相誤差偏差の評価回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に都市間長距離多増幅中継光ファイバ伝送リンクにおける光増幅中継器などへの適用が期待される光パラメトリック位相感応型光増幅器の性能評価方法および評価回路に関する。特に本発明は、位相感応型光増幅器の雑音性能の評価方法および評価回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、位相感応型光増幅器（ＰＳＡ：Phase Sensitive Amplifier）として、図１のような構成が知られている（特許文献１参照）。図１の位相感応型光増幅器（ＰＳＡ）は、励起光位相同期機能によって励起光源部２７１４で光信号入力と位相同期した励起光を発生し、これを光結合回路２７４１で光信号入力と結合して、光パラメトリック増幅回路２７１３に入力して光パラメトリック増幅する。要すれば、位相感応型光増幅器とは、入力光と同一の平均光位相を有する励起光を発生し、入力光を励起光とともに光パラメトリック増幅回路に供給することにより、入力光を増幅するものであって、得られた光信号出力には原理的には信号品質の劣化がなく、光通信の限界に迫る超低雑音光増幅が可能となる。
【０００３】
また、このような位相感応型光増幅器に限らず、一般の増幅器の雑音性能の評価指標として雑音指数（ＮＦ：Noise Figure）と呼ばれる指数が用いられている。ＮＦは、入力する信号として、過剰雑音が無いプローブ信号を準備し、測定対象の増幅器への入力信号の信号対雑音電力比（ＳＮＲin）と測定対象の増幅器からの出力信号の信号対雑音電力比（ＳＮＲout）の比
【０００４】
【数１】
2019174550.tif 000003
【０００５】
によって定義される。ＮＦは、電気増幅器のみならず光増幅器や、その一種である位相感応型光増幅器に対しても有用な指標として用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−１６９８４７号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Yuya Sakai, Masamichi Sugamoto, Eiki Nakatani, Akira Mizutori, Atsushi Takada and Masahumi Koga, “Experiment on Phase Sensitive Amplification of BPSK Signal Using Phase-lock Costas Loop Circuit”, 18th OptoElectronics and Communications Conference held jointly with 2013 International Conference on Photonics in Switching (OECC/PS) 2016, TuPR-7, Kyoto, Japan.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、位相感応型光増幅器の場合、その雑音性能の評価指標として上記ＮＦだけでは不十分とされる。上記ＮＦが、交流信号の振幅方向（または搬送波の同相方向）の雑音性能を評価する指標であるのに対して、位相感応型光増幅器の場合には振幅方向（同相方向）の雑音性能と共に、直交方向（または位相回転方向）の雑音特性も重要となるためである。
【０００９】
この直交方向の雑音を決定づける要素が、位相感応型光増幅器の励起光の瞬時光位相の平均光位相からのずれの統計的偏差である位相誤差偏差σθpである。位相誤差偏差σθpとしては、励起光の平均光位相を中心とした、励起光の瞬時位相のずれのＲＭＳ値（Root Mean Square:二乗平均平方根、標準偏差）が用いられることが多い。
【００１０】
この励起光の位相誤差偏差により、ＰＳＡ中継伝送系において伝搬する信号光の品質が劣化し、再生中継間隔が制限されることが理論的に示されている（非特許文献１参照）。
【００１１】
したがって、位相感応型光増幅器の内部の励起光の位相誤差偏差を評価することは、中継伝送システムの構築上、極めて重要である。この位相感応型光増幅器の内部の励起光の位相誤差偏差を評価する従来技術では、直交位相雑音を評価する方法があった。この方法は、測定対象であるＰＳＡの内部の位相同期励起光源部から励起光を取り出し、測定対象の外部に準備した安定光源を光位相同期し、測定対象光と外部の安定光源からの光との干渉光から得た電気的ビート信号の位相雑音を測定する方法である。
【００１２】
しかしながらこの従来方法における測定結果は、測定に用いる外部光の位相雑音に測定結果が依存し、パラメトリック増幅器の励起光の雑音品質を反映しないという問題、外部光の位相同期を行う測定装置類が非常に煩雑で高価であるという問題があった。
【００１３】
本発明は、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、測定対象である位相感応型光増幅器の励起光の位相誤差偏差を、励起光によりパラメトリック増幅された位相感応型光増幅器の出力光を測定することにより、簡易に安価に評価する方法および回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。
【００１５】
（発明の構成１）
入力光と同一の平均光位相を有する励起光を発生し、前記励起光を前記入力光とともに光パラメトリック増幅回路に供給することにより、前記入力光を増幅する位相感応型光増幅器における前記励起光の位相誤差偏差の評価方法であって、
前記入力光と前記励起光の間の光位相差を掃引して、前記光位相差に対する前記位相感応型光増幅器の出力光の利得特性を測定するステップと、
前記利得特性における最大利得の逆数に対する最小利得の比を用いて、前記励起光の位相誤差偏差を求めるステップとを含む
ことを特徴とする位相誤差偏差の評価方法。
【００１６】
（発明の構成２）
入力光と同一の平均光位相を有する励起光を発生し、前記励起光を前記入力光とともに光パラメトリック増幅回路に供給することにより、前記入力光を増幅する位相感応型光増幅器における前記励起光の位相誤差偏差の評価方法であって、
前記位相感応型光増幅器の出力光をディジタルコヒーレント検波し、検波出力を数値演算することにより、前記位相感応型光増幅器の出力光の信号の標本点の信号空間上における複素振幅座標を求めるステップと、
前記複素振幅座標の分布から、前記位相感応型光増幅器の同相利得と、前記位相感応型光増幅器の出力信号の直交位相成分の揺らぎの圧縮比のパラメータとを求め、前記同相利得と前記圧縮比のパラメータ用いて、前記励起光の位相誤差偏差を求めるステップとを含む
ことを特徴とする位相誤差偏差の評価方法。
【００１７】
（発明の構成３）
入力光と同一の平均光位相を有する励起光を発生し、前記励起光を前記入力光とともに光パラメトリック増幅回路に供給することにより、前記入力光を増幅する位相感応型光増幅器と、  
前記入力光と前記励起光の間の光位相差を掃引する位相差掃引回路と、
前記光位相差に対する前記位相感応型光増幅器の出力光の利得特性を測定する測定回路と、
前記利得特性における最大利得の逆数に対する最小利得の比を用いて、前記励起光の位相誤差偏差を求める計算回路と
から構成されていることを特徴とする位相誤差偏差の評価回路。
【００１８】
（発明の構成項４）
入力光と同一の平均光位相を有する励起光を発生し、前記励起光を前記入力光とともに光パラメトリック増幅回路に供給することにより、前記入力光を増幅する位相感応型光増幅器と、
前記位相感応型光増幅器の出力光をディジタルコヒーレント検波し、検波出力を数値演算することにより、前記位相感応型光増幅器の出力光の信号の標本点の信号空間上における複素振幅座標を求める数値演算部と、
前記複素振幅座標の分布から、前記位相感応型光増幅器の同相利得と、前記位相感応型光増幅器の出力信号の直交位相成分の揺らぎの圧縮比のパラメータとを求め、前記同相利得と前記圧縮比のパラメータ用いて、前記励起光の位相誤差偏差を求める位相誤差評価部と
から構成されていることを特徴とする位相誤差偏差の評価回路。
【発明の効果】
【００１９】
以上記載したように、本発明によれば、位相感応型光増幅器の励起光の位相誤差を、出力光を測定することにより簡易に評価することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来の位相感応型光増幅器（ＰＳＡ）の原理構成図である。
【図２】本発明の実施例１の評価方法を実施する測定系を説明する図である。
【図３】本発明の実施例１における測定例を示す信号光位相と利得の特性のグラフ（ａ）とその最小利得近傍の拡大図（ｂ）である。
【図４】本発明の実施例２の評価方法の原理を説明する図である。
【図５】本発明の実施例２の評価方法を実施する測定系を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
（実施例１）
図２は、本発明の実施例１の評価方法を実施するための測定系を表す図である。本図を用いて本発明の原理を説明する。図２において、点線の四角で囲まれた部分は、評価対象となる位相感応型光増幅器（ＰＳＡ）２００の基本構成を示している。
【００２３】
図２のＰＳＡ２００に外部から入力する入力信号光（光パワＰin）は、分岐部２０１でその一部が分岐されて、分岐された入力信号光の搬送波の平均光位相が抽出され、位相同期励起光源部２０２において、入力信号光の平均光位相と同じ平均光位相を有する、位相同期した励起光が発生する。発生した位相同期励起光は、遅延部２０３経由で遅延された入力信号光とともに光パラメトリック増幅部２０４に入力され、入力信号光は光パラメトリック増幅されて出力信号光となる。
【００２４】
評価のための測定系としては、光パワモニタ２０５が増幅された出力信号光のパワをモニタして信号「Ｙ：出力信号光パワ（Ｐout）」を生成し、遅延部２０３を制御する遅延制御部２０６が遅延制御信号に対応する信号「Ｘ：信号光位相（θs）」を生成し、計算／表示部２０７でこれらを受けて、次の図３に示すような利得特性を計算・表示する。
【００２５】
図３は、図２の測定系による本発明の実施例１における測定例を示す、信号光位相θsと利得Ｇの特性のグラフ（ａ）とその最小利得近傍の拡大図（ｂ）である。図３（ａ）には、図２の測定系により測定された、光パラメトリック増幅部を励起する励起光の光位相を基準とした信号光位相θsに対する利得Ｇ
【００２６】
【数２】
2019174550.tif 000004
【００２７】
の典型的な変化の特性を示す。図３（ａ）に示されるように、縦軸の利得Ｇは横軸の信号光位相θsに依存して周期的に変化し、その周期はπであり、最大の利得Ｇmaxを同相利得と呼ぶ。
【００２８】
信号光位相θsが最大利得となる位相から90度偏移すると、利得は1以下となる。すなわち信号光は減衰し、その減衰量は最大（利得は最小値Ｇmin）となり、励起光に位相誤差偏差が無い場合は、その最小利得値Ｇminは同相利得（最大利得Ｇmax）の逆数１／Ｇmaxとなる。図３（ａ）においては縦軸の利得Ｇはデシベル（ｄB）表示であるため、Ｇmax≒２０ｄBに対して、Ｇmin≒−２０ｄBとなっている。
【００２９】
図２のように、光パラメトリック増幅器２０４に入力する入力信号光の光位相には、遅延部２０３を用いた位相シフタによりゆっくりとした（瞬時的な位相揺らぎよりも遅い）偏移を与え、光位相差θsを掃引する。この状態で、光パラメトリック増幅器２０４からの出力信号光の平均光パワＰoutを光パワモニタ２０５を用いて測定すると、図３（ａ）のような利得特性の測定結果を得る。ここで、横軸の信号光位相θsは励起光の平均位相を基準とした入力信号光の平均光位相となり、縦軸は時間平均した利得Ｇとなる。励起光に位相の瞬時的な揺らぎである位相誤差偏差が無い場合（σθp＝０）には、図３（ａ）の利得の最小値はＧminで測定結果に変化はない。
【００３０】
一方、励起光と入力信号光の位相に瞬時的な位相誤差偏差がある場合（σθp≠０）には、利得が最大となる平均光位相の付近では平均利得はＧmaxでほとんど変化しないものの、利得が最小となる領域では、平均利得の最小値は１／Ｇmaxの値よりも大きくなる。
【００３１】
図３（ｂ）は、このような励起光に位相誤差偏差がある場合の、最小利得となる特性の領域（図３（ａ）の点線で囲った部分に対応）を拡大した図である。最小利得Ｇminの値が励起光の位相誤差偏差σθpに依存して変化しており、σθp＝０においてＧmin≒−２０ｄＢであった利得の最小値が、σθp＝0.05においては約−１２ｄＢとなり、σθp＝0.1においては−６ｄＢほどになっていることがわかる。
【００３２】
このような励起光の位相誤差偏差に対応する最小利得の値の関係を、予め測定または計算より求めておき、評価対象のＰＳＡにおいて励起光の平均光位相を基準とした信号光の平均位相θsに対する平均利得Ｇの特性を測定し、最小利得Ｇminの、最大利得Ｇmaxの逆数１／Ｇmaxに対する比を計算することにより、励起光の位相誤差偏差σθpを求めることができる。
【００３３】
（実施例１の具体例）
本発明の実施例１の具体例を図２を参照して更に詳細に説明する。入力信号光は無変調の過剰雑音が少ない連続光を準備する。評価対象である位相感応型光増幅器２００の分岐部２０１は、光ファイバ融着型光カップラ等により通常9対１程度以下の分岐比にて入力信号光の一部を位相同期励起光源部２０２に導き、残りの大部分を遅延部２０３を介して光パラメトリック増幅部２０４側に出力する。光パラメトリック増幅部２０４は、周期分極反転ニオブ酸リチウム結晶導波路からなる差周波発生を原理として、光増幅を行うことができる。
【００３４】
位相同期励起光源部２０２は内部に半導体レーザなどのレーザ光源を含み、何らかの光位相同期方式を用いて、位相同期励起光源部２０２の出力の励起光の平均光位相を入力信号光の平均光位相と同期させて発生する。
【００３５】
光位相同期方式としてこれまでに2つの方式が提案されている。1つは光注入同期方式であり、半導体レーザなどのレーザ共振器に外部光を光注入すると、発振光位相が外部注入光の位相に同期する現象を利用している。もう1つの方式は、光位相同期ループ回路方式であり、光電圧制御発振器、光位相比較器、ループフィルタからなり、位相比較結果が零となるように、光電圧制御発振器を駆動する電圧を制御することにより、光位相同期を達成する。
【００３６】
どちらの方式においても、位相同期励起光の平均光位相は、入力信号光の平均光位相に同期（一致）させることができるが、入力信号光のショット雑音による位相揺らぎ、励起光源のショット雑音による位相揺らぎなどにより、瞬時的には入力信号光と位相同期励起光の光位相には誤差（偏差）が生じている。
【００３７】
遅延部２０３は、例えばピエゾ素子等により構成され、光路長を遅延制御部２０６からの制御電圧により物理的に変化させることで、入力信号光を遅延する。これにより、光パラメトリック増幅部２０４に入射する励起光の平均光位相に対して、入力信号光の平均光位相を変化させることができ、信号光と励起光の間の光位相差を掃引変化する位相差掃引回路として機能させて、励起光の平均光位相を基準とした信号光位相θsに対する位相感応型光増幅器の利得Gの特性を測定することができる。遅延部２０３における遅延時間の掃引速度は位相揺らぎの速度より十分に遅くするため、ミリ秒程度の周期で掃引変化させる。
【００３８】
遅延制御部２０６の制御電圧を掃引変化させて、位相感応型光増幅器２００の出力信号光の光パワＰoutを、光パワモニタ２０５により測定し、計算／表示部２０７にて記録、計算、表示する。計算／表示部２０７では、利得を計算するために、必要に応じて入力信号光の光パワＰinもモニタしてもよい。
【００３９】
これにより、図３（ａ）、３（ｂ）に示した、入力信号光の平均位相θsに対応する出力光の平均利得Ｇの変化の特性を得ることができる。この利得特性から最大利得Ｇmaxと最小利得Ｇminを求めて、図３に示した事前測定結果あるいは理論計算結果と対比させることにより、励起光の位相誤差偏差σθpを求めることができる。
【００４０】
（実施例２）
本発明の実施例２の位相誤差偏差評価方法では、光増幅器の出力光信号をコヒーレント検波することにより、同相成分と直交成分を弁別することができることを利用する。図４は、これを利用した本発明の実施例２の原理を説明する図である。図４の実施例２の評価方法では、位相感応型光増幅器の出力光信号の標本点の直交位相空間上における複素振幅座標の測定値の分布を利用して、励起光の位相誤差偏差を評価する。
【００４１】
図４には、位相感応型光増幅器の入力光信号と出力光信号の位相揺らぎを、位相空間（同相成分と直交成分を、それぞれ図４の横軸、縦軸として表示したもの）上の分布として左右に分けて表示したものを示す。図４の左側の小さな円が入力光信号の分布であり、入力信号はショット雑音による揺らぎσinを有している。
【００４２】
入力信号光を平均光位相に同期した励起光により増幅（振幅で√Ｇ倍）した位相感応型光増幅器（ＰＳＡ）からの出力信号光は、図４の右側の二重円の内部の、幅の異なる２つの横長の楕円状分布で表されている。出力信号光は入力信号と同じ同相方向に増幅されるとともに、直交成分の揺らぎは圧縮される。同相利得をＧとすると、励起光に位相誤差偏差が無い場合は、出力光の直交方向の揺らぎの圧縮率Ｃqは
【００４３】
【数３】
2019174550.tif 000005
【００４４】
となり、出力信号光の位相空間上における分布は、図４の右の二重円内の、内側の幅の狭い方の楕円状分布となる。
【００４５】
ちなみに、通常の位相非感応型光増幅器（ＰＩＡ）による光増幅の場合は、このような圧縮は起こらず、出力光の位相分布は図4の右の二重円の分布において、外側のＰＩＡと表示した円の分布となる。
【００４６】
一方、位相感応型光増幅器（ＰＳＡ）の励起光に位相揺らぎがある場合には、出力信号光の圧縮率は上記（式３）のk倍になり、出力信号光の位相分布は図４の右の二重円内の、幅の広い方の楕円状分布（図４でＰＳＡと表示）となる。ここで、圧縮比のパラメータkと励起光の位相誤差偏差σθpの間に次式が成り立つことを理論的に示すことができる。
【００４７】
【数４】
2019174550.tif 000006
【００４８】
但し、
【００４９】
【数５】
2019174550.tif 000007
【００５０】
ここで、σinは入力光の振幅揺らぎの標準偏差であって、入力光の測定または設定により既知とすることができ、σoutは出力光の振幅揺らぎの標準偏差であって、出力光の位相分布から測定されて既知とでき、
【００５１】
【数６】
2019174550.tif 000008
【００５２】
は入力光の平均振幅であって同様に既知である。
【００５３】
したがって、位相感応型光増幅器２００の出力信号光をコヒーレント検波して、まず同相利得Ｇを求め、ついで信号空間上で出力信号点の直交位相成分の揺らぎσoutから式５で圧縮比のパラメータkを求めることにより、式４に基づいて励起光の位相誤差偏差σθpを推定することができる。
【００５４】
（実施例２の具体例）
図５に本発明の実施例２の評価方法を実施するための測定系の例を示す。図５の実施例２の測定系では、図２の実施例１の測定系と同じ要素は同じ符号で示す。図５の実施例２のの測定系の図２の実施例１と異なる点は、遅延部２０３および遅延制御部２０６がない点と、評価対象の位相感応型光増幅器２００の出力信号光はデジタルコヒーレント受信器５０５に入力され、その出力を計算／表示部２０７で計算・表示する点である。
【００５５】
入力信号光は無変調光でもデジタル変調されていても良い。この入力信号光を評価対象の位相感応型光増幅器２００に入力し、その出力光をデジタルコヒーレント受信器５０５に入力する。デジタルコヒーレント受信器５０５は、位相感応型光増幅器２００の出力光をディジタルコヒーレント検波し、検波出力の電気信号を数値演算して、入力される増幅器出力光の信号の標本点の複素振幅の同相成分と直交成分を得ることができる。
【００５６】
つまり、位相感応型光増幅器の出力光の信号の標本点の信号空間（コンスタレーションマップ）上における複素振幅座標を求めることができ、図４に示した出力光の直交位相成分の分布のヒストグラムデータ（σout）を得ることができる。デジタルコヒーレント受信器５０５では、評価対象に入力する信号光のパワ（σin）等を必要に応じて予め得ておくことにより、式５の利得Ｇと圧縮比のパラメータkを得ることができる。更に、式４を用いて励起光の位相誤差偏差σθpを求めることができる。
【００５７】
実施例２の測定系では、実施例１の測定系にあった遅延部２０３および遅延制御部２０６は不要であり、出力信号光をそのまま光受信機としてのデジタルコヒーレント受信器５０５に入力して計算・表示すればよいので、より簡易な構成で励起光の位相誤差偏差を測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
以上のように本発明により、簡易に位相感応型光増幅器の励起光の位相誤差偏差を測定することができ、位相感応型光増幅器の設計、評価、生産工程の管理等に用いることができる。
【符号の説明】
【００５９】
２００  位相感応型光増幅器（ＰＳＡ）
２０１  分岐部
２０２、２７１４  位相同期励起光源部
２０３  遅延部
２０４、２７１３  光パラメトリック増幅部
２０５  光パワモニタ
２０６  遅延制御部
２０７  計算／表示部
５０５  デジタルコヒーレント受信器
２７４１  光結合回路
【図１】
2019174550.tif 000009
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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