(57)【要約】【課題】位相感応型光増幅器において、励起光の光周波数と光信号の光周波数とを異なる光周波数でも利用可能とする。【解決手段】入力信号光を増幅するための位相感応型光増幅器であって、励起光源部１４と、光合分波部４１と、光パラメトリック増幅部１３と、励起光位相同期部４２とを備え、励起光位相同期部４２が、光位相同期ループ型であって、光パラメトリック増幅部１３の光パラメトリック材質が二次の光非線形媒質であって、該二次の光非線形媒質を用いた縮退光パラメトリック増幅を行うものであり、励起光の光周波数ｆpが、増幅対象の入力信号光の搬送波光の光周波数ｆsと異なる。【選択図】図１
2015169847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号光を増幅するための位相感応型光増幅器であって、
励起光源部と、
光合分波部と、
光パラメトリック増幅部と、
励起光位相同期部と
を備え、
前記励起光位相同期部は、光位相同期ループ型とし、
前記光パラメトリック増幅部は、光パラメトリック材質を、縮退光パラメトリック増幅を行う二次の光非線形媒質とし、
前記励起光源部からの励起光の光周波数ｆpは、増幅対象の前記入力信号光の搬送波光の光周波数ｆsと異ならしめたことを特徴とする位相感応型光増幅器。
【請求項２】
請求項１に記載の位相感応型光増幅器であって、
前記励起光の光周波数ｆpは、入力信号光の光周波数ｆsに対して、ｆp＝２ｆsであることを特徴とする位相感応型光増幅器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の位相感応型光増幅器であって、
前記二次の光非線形媒質は、ＰＰＬＮ結晶であることを特徴とする位相感応型光増幅器。
【請求項４】
入力信号光を増幅するための位相感応型光増幅器であって、
励起光源部と、
光合分波部と、
光パラメトリック増幅部と、
励起光位相同期部と
を備え、
前記励起光位相同期部は、光位相同期ループ型とし、
前記光パラメトリック増幅部は、光パラメトリック材質を、二波長励起型縮退光パラメトリック増幅を行う三次の光非線形媒質とし、
前記励起光源部からの励起光の光周波数ｆpは、増幅対象の前記入力信号光の搬送波光の光周波数ｆsと異ならしめたことを特徴とする位相感応型光増幅器。
【請求項５】
請求項４に記載の位相感応型光増幅器であって、
励起光の光周波数は異なる二つの光周波数ｆp1、ｆp2とし、入力信号光の光周波数ｆsに対して、
ｆp1＋ｆp2＝２ｆs
であることを特徴とする位相感応型光増幅器。
【請求項６】
入力信号光を増幅するための位相感応型光増幅器であって、
励起光源部と、
光合分波部と、
光パラメトリック増幅部と、
励起光位相同期部と
を備え、
前記励起光位相同期部は、光位相同期ループ型とし、
前記光パラメトリック増幅部は、光パラメトリック材質を、非縮退光パラメトリック増幅を行う二次又は三次の光非線形媒質とし、
前記励起光源部からの励起光の光周波数ｆpは、増幅対象の前記入力信号光の搬送波光の光周波数ｆsと異ならしめたことを特徴とする位相感応型光増幅器。
【請求項７】
請求項６に記載の位相感応型光増幅器であって、
励起光の光周波数は、二つの等しい光周波数ｆp1、ｆp2とし、これらが、シグナル−アイドラ関係にある２つの第一信号光と第二信号光の光周波数ｆs1、ｆs2（ｆs2≠ｆs1）に対して、
２ｆp1＝２ｆp2＝ｆs1＋ｆs2
であることを特徴とする位相感応型光増幅器。
【請求項８】
請求項６に記載の位相感応型光増幅器であって、
励起光の光周波数は、二つの異なる光周波数ｆp1、ｆp2とし、これらが、シグナル−アイドラ関係にある２つの第一信号光と第二信号光の光周波数ｆs1、ｆs2（ｆs2≠ｆs1）に対して、
ｆp1＋ｆp2＝ｆs1＋ｆs2
であることを特徴とする位相感応型光増幅器。
【請求項９】
請求項６に記載の位相感応型光増幅器であって、
励起光の光周波数ｆpは、シグナル−アイドラ関係にある２つの第一信号光と第二信号光の光周波数ｆs1、ｆs2（ｆs2≠ｆs1）に対して、
ｆp＝ｆs1＋ｆs2
であることを特徴とする位相感応型光増幅器。
【請求項１０】
請求項４〜９のいずれか一つに記載の位相感応型光増幅器であって、
光周波数オフセット光発生を用いて、前記信号光の搬送波と励起光の光周波数が同一の場合の光位相同期ループ回路を適用してなることを特徴とする位相感応型光増幅器。
【請求項１１】
入力信号光を増幅する位相感応型光増幅器用の励起光位相同期回路であって、
前記励起光位相同期回路は、光位相同期ループ型とし、
前記光パラメトリック増幅部は、光パラメトリック材質を、縮退光パラメトリック増幅を行う二次の光非線形媒質とし、
励起光の光周波数ｆpは、増幅対象の入力信号光の搬送波光の光周波数ｆsと異なることを特徴とする励起光位相同期回路。
【請求項１２】
請求項１１に記載の励起光位相同期回路であって、
励起光の光周波数ｆpが信号光の光周波数ｆsに対して、ｆp＝２ｆsであることを特徴とする励起光位相同期回路。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載の励起光位相同期回路であって、
前記二次の光非線形媒質は、ＰＰＬＮ結晶であることを特徴とする励起光位相同期回路。
【請求項１４】
入力信号光を増幅する位相感応型光増幅器用の励起光位相同期回路であって、
前記励起光位相同期回路は、光位相同期ループ型であって、
前記光パラメトリック増幅部は、光パラメトリック材質を、二波長励起型縮退光パラメトリック増幅を行う三次の光非線形媒質とし、
励起光の光周波数ｆpが、増幅対象の入力信号光の搬送波光の光周波数ｆsと異なることを特徴とする励起光位相同期回路。
【請求項１５】
請求項１４に記載の励起光位相同期回路であって、
励起光の光周波数は、異なる二つの光周波数ｆp1、ｆp2とし、これらが、入力信号光の光周波数ｆsに対して、
ｆp1＋ｆp2＝２ｆs
であることを特徴とする励起光位相同期回路。
【請求項１６】
入力信号光を増幅する位相感応型光増幅器用の励起光位相同期回路であって、
前記励起光位相同期回路は、光位相同期ループ型であって、
前記光パラメトリック増幅部は、光パラメトリック材質を、非縮退光パラメトリック増幅を行う二次又は三次の光非線形媒質とし、
励起光の光周波数ｆpは、増幅対象の入力信号光の搬送波光の光周波数ｆsと異なることを特徴とする励起光位相同期回路。
【請求項１７】
請求項１６に記載の励起光位相同期回路であって、
励起光の光周波数を二つの等しい光周波数ｆp1、ｆp2とし、これらがシグナル−アイドラ関係にある２つの第一信号光と第二信号光の光周波数ｆs1、ｆs2（ｆs2≠ｆs1）に対して、
２ｆp1＝２ｆp2＝ｆs1＋ｆs2
であることを特徴とする励起光位相同期回路。
【請求項１８】
請求項１６に記載の励起光位相同期回路であって、
励起光の光周波数を二つの異なる光周波数ｆp1、ｆp2とし、これらが、シグナル−アイドラ関係にある２つの第一信号光と第二信号光の光周波数ｆs1、ｆs2（ｆs2≠ｆs1）に対して、
ｆp1＋ｆp2＝ｆs1＋ｆs2
であることを特徴とする励起光位相同期回路。
【請求項１９】
請求項１６に記載の励起光位相同期回路であって、
励起光の光周波数ｆpが、シグナル−アイドラ関係にある２つの第一信号光と第二信号光の光周波数ｆs1、ｆs2（ｆs2≠ｆs1）に対して、
ｆp＝ｆs1＋ｆs2
であることを特徴とする励起光位相同期回路。
【請求項２０】
請求項１４〜１９のいずれか一つに記載の励起光位相同期回路であって、
光周波数オフセット光発生を用いて、信号光の搬送波と励起光の光周波数が同一の場合の光位相同期ループ回路を適用してなることを特徴とする励起光位相同期回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相感応型光増幅器及び励起光位相同期回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日のネットワークトラフィックの増大により、より大容量のデータ伝送が切望されており、特に光ファイバを用いた通信の増強が求められている。光ファイバを用いた通信システムの概要を、図２４に示す。この通信システムでは、通信事業所間の通信を行う基幹系の大容量通信リンク（通信容量数１０Ｇｂｉｔ／ｓ程度以上）を実現するため、波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）伝送系を採用している。
【０００３】
このような伝送システムにおいて遠距離の地点での通信を実現するためには、光ファイバ８３の総延長距離を長くする必要があり、信号の減衰が避けられない。そこで、一定距離毎（例えば４０ｋｍ、８０ｋｍといった間隔で）に増幅中継器８４や再生中継器８７を設けることが必要となる。このような増幅中継器８４には従来、位相非感応のレーザ増幅器が利用されてきた。ここで再生中継器８７は高価であるため、再生中継器間の距離である再生中継間隔ＤＴを長くすることが求められている。
【０００４】
再生中継間隔の主な制限要因としては、符号間干渉（ＩＳＩ）と信号対雑音比（ＳＮＲ）劣化が挙げられる。符号間干渉とは、図２５に示すように、信号パルスが伝送路光ファイバの伝搬により波形が広がり、隣り合うパルスが重なってしまう現象である。また信号対雑音比とは、図２６に示すように、光増幅中継器が発生する光雑音によって、パルスの波高値が変移する現象である。このような問題があるため、従来は再生中継間隔（光伝送距離）を長くすることが困難であった。現状のシステムでは再生中継間隔は、陸上において数百ｋｍ程度に留まっている。
【０００５】
このような再生中継間隔を延伸するために、増幅中継器として従来適用されている位相非感応のレーザ増幅を原理とするものに代えて、位相感応型光増幅器（ＰＳＡ）を適用することが考えられる。ＰＳＡの一例を、図２７に示す。この図に示すＰＳＡは、励起光源部２７１４と、光結合回路２７４１と、光パラメトリック増幅回路２７１３とを備える。
【０００６】
ここで、ＰＳＡには、入力される光信号と励起光との位相を同期させるための、励起光位相同期機能が求められる。このような励起光位相同期機能を実現するための励起光位相同期回路としては、（１）光注入同期（ＩＬ）方式と、（２）光位相同期ループ（ＯＰＬＬ）方式が提案されている。
【０００７】
（１）ＩＬ方式の励起光位相同期回路のブロック図を図２８に示す。この図に示すＩＬ方式の励起光位相同期回路では、半導体レーザ光源部２８１４と、光サーキュレータ２８４７と、光搬送波回復光回路２８４８と、遅延制御回路２８４９と、光パラメトリック増幅回路２８１３と、制御回路２８５０を備えている。このＩＬ方式では、位相同期帯域幅等の調整が必要な量がレーザの材料／構造で決まるため、適応制御が困難という問題があった。また励起光と信号光搬送波は、光パラメトリック媒質の中において同期する必要がある。しかしながらＩＬ法では、励起レーザ光源の出力ミラーにおいて同期すること、定常位相誤差があること等から、遅延制御も必要となるという問題もあった。
【０００８】
（２）一方、ＯＰＬＬ方式の励起光位相同期回路のブロック図を図２９に示す。この図に示すＯＰＬＬ方式の励起光位相同期回路は、励起光源部（Ｏ−ＶＣＯ）２９１４と、光合分波回路２９４１と、光パラメトリック増幅回路２９１３と、フォトダイオード２９５１と、電気回路２９５０とを備えている。このＯＰＬＬ方式では、ＩＬでは困難な適用制御を電気回路の調整で容易に行えるという利点が得られる。またＯＰＬＬ方式では、光ハイブリッドで位相同期するため、光ハイブリッドからＯＰＡまでが同一の光路であれば、遅延制御も不要になるという利点が得られる。
【０００９】
しかしながら、ＯＰＬＬ方式では励起光の周波数と光信号の周波数を一致させる必要があった。このため、ＯＰＬＬ回路は励起光と信号光の周波数が同じである、いわゆる完全縮退型の光パラメトリック増幅回路に対してのみ適用可能であった。この形式の光パラメトリック増幅回路では、出力される出力光に対して、励起光の成分をカットする必要があるところ、励起光の周波数と光信号の周波数とが同じであることから、単純な周波数フィルタを利用できないという問題等があった。
【００１０】
さらに光パラメトリック増幅回路で用いる光パラメトリック材料として、従来、ＯＰＬＬ方式では高非線形光ファイバ(ＨＮＬＦ)等のファイバが用いられる増幅器にのみ適用が限定されることになり、このような光パラメトリック材料は長大で不安定さを増す要因となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許３５４５９７７号公報
【特許文献２】特許５２１００３５号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】A. Mizutori et al, OECC/PS 2013 WR4-4, 2013.
【非特許文献２】Y. Sakai, et al., OECC/PS, TuPR-7, 2013.
【非特許文献３】Kakande, et al, "First Demonstration of All-Optical QPSK Signal Regeneration in a Novel Multi-Format Phase Sensitive Amplifier," ECOC2010 paper  PDP 3.3.
【非特許文献４】M. Asobe , et al, "In-line phase-sensitive amplifier for QPSK signal using multiple QPM LiNbO3 waveguide," OECC/PS 2013 paper PD2-1.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、従来のこのような問題点を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、位相感応型光増幅器において、励起光の周波数と光信号の周波数とを異なる周波数でも利用可能とした位相感応型光増幅器及び励起光位相同期回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明の第１の側面に係る位相感応型光増幅器によれば、入力信号光を増幅するための位相感応型光増幅器であって、励起光源部と、光合分波部と、光パラメトリック増幅部と、励起光位相同期部とを備え、前記励起光位相同期部が、光位相同期ループ型であって、前記光パラメトリック増幅部は、光パラメトリック材質を、縮退光パラメトリック増幅を行う二次の光非線形媒質とし、前記励起光源部からの励起光の光周波数ｆpを、増幅対象の前記入力信号光の搬送波光の周波数ｆsと異ならせることができる。上記構成により、搬送波位相抽出を電気的に行うため、制御系を簡易化でき、安価に構成できる利点が得られる。また位相遅延補償も不要とできる。
【００１５】
また、第２の側面に係る位相感応型光増幅器によれば、前記励起光の光周波数ｆpを、入力信号光の光周波数ｆsに対して、ｆp＝２ｆsとすることができる。
【００１６】
さらに、第３の側面に係る位相感応型光増幅器によれば、前記二次の光非線形媒質を、ＰＰＬＮ結晶とすることができる。
【００１７】
さらにまた、第４の側面に係る位相感応型光増幅器によれば、入力信号光を増幅するための位相感応型光増幅器であって、励起光源部と、光合分波部と、光パラメトリック増幅部と、励起光位相同期部とを備え、前記励起光位相同期部が、光位相同期ループ型であって、前記光パラメトリック増幅部は、光パラメトリック材質を、二波長励起型縮退光パラメトリック増幅を行う三次の光非線形媒質とし、前記励起光源部からの励起光の光周波数ｆpを、増幅対象の前記入力信号光の搬送波光の光周波数ｆsと異ならせることができる。
【００１８】
さらにまた、第５の側面に係る位相感応型光増幅器によれば、周波数の異なる励起光の周波数ｆp1、ｆp2を、入力信号光の周波数ｆsに対して、
ｆp1＋ｆp2＝２ｆs
とすることができる。
【００１９】
さらにまた、第６の側面に係る位相感応型光増幅器によれば、入力信号光を増幅するための位相感応型光増幅器であって、励起光源部と、光合分波部と、光パラメトリック増幅部と、励起光位相同期部とを備え、前記励起光位相同期部が、光位相同期ループ型であって、前記光パラメトリック増幅部は、光パラメトリック材質を、非縮退光パラメトリック増幅を行う二次又は三次の光非線形媒質とし、前記励起光源部からの励起光の光周波数ｆpを、増幅対象の入力信号光の搬送波光の周波数ｆsと異ならせることができる。
【００２０】
さらにまた、第７の側面に係る位相感応型光増幅器によれば、励起光の光周波数は、二つの等しい周波数ｆp1、ｆp2とし、これらが、シグナル−アイドラ関係にある２つの第一信号光と第二信号光の周波数ｆs1、ｆs2（ｆs2≠ｆs1）に対して、
２ｆp1＝２ｆp2＝ｆs1＋ｆs2
とできる。
【００２１】
さらにまた、第８の側面に係る位相感応型光増幅器によれば、励起光の光周波数は、二つの異なる光周波数ｆp1、ｆp2とし、これらが、シグナル−アイドラ関係にある２つの第一信号光と第二信号光の周波数ｆs1、ｆs2（ｆs2≠ｆs1）に対して、
ｆp1＋ｆp2＝ｆs1＋ｆs2
とできる。
【００２２】
さらにまた、第９の側面に係る位相感応型光増幅器によれば、励起光の周波数ｆpを、シグナル−アイドラ関係にある２つの第一信号光と第二信号光の周波数ｆs1、ｆs2（ｆs2≠ｆs1）に対して、
ｆp＝ｆs1＋ｆs2
とできる。
【００２３】
さらにまた、第１０の側面に係る位相感応型光増幅器によれば、光周波数オフセット光発生を用いて、前記信号光の搬送波と励起光の周波数が同一の場合の光位相同期ループ回路を適用することができる。
【００２４】
さらにまた、第１１の側面に係る励起光位相同期回路によれば、入力信号光を増幅する位相感応型光増幅器用の励起光位相同期回路であって、前記励起光位相同期回路が、光位相同期ループ型であり、前記光パラメトリック増幅部は、光パラメトリック材質を、縮退光パラメトリック増幅を行う二次の光非線形媒質とし、励起光の光周波数ｆpを、増幅対象の入力信号光の搬送波光の周波数ｆsと異ならせることができる。
【００２５】
さらにまた、第１２の側面に係る励起光位相同期回路によれば、励起光の周波数ｆpを信号光の周波数ｆsに対して、ｆp＝２ｆsとすることができる。
【００２６】
さらにまた、第１３の側面に係る励起光位相同期回路によれば、前記二次の光非線形媒質を、ＰＰＬＮ結晶とすることができる。
【００２７】
さらにまた、第１４の側面に係る励起光位相同期回路によれば、入力信号光を増幅する位相感応型光増幅器用の励起光位相同期回路であって、前記励起光位相同期回路が、光位相同期ループ型であって、前記光パラメトリック増幅部は、光パラメトリック材質を、二波長励起型縮退光パラメトリック増幅を行う三次の光非線形媒質とし、前記光パラメトリック増幅部の光パラメトリック材質が三次の光非線形媒質であって、該三次の光非線形媒質を用いた二波長励起型縮退光パラメトリック増幅を行うものであり、励起光の光周波数ｆpを、増幅対象の入力信号光の搬送波光の周波数ｆsと異ならせることができる。
【００２８】
さらにまた、第１５の側面に係る励起光位相同期回路によれば、励起光の光周波数は、異なる二つの光周波数ｆp1、ｆp2とし、これらを、入力信号光の光周波数ｆsに対して、
ｆp1＋ｆp2＝２ｆs
とすることができる。
【００２９】
さらにまた、第１６の側面に係る励起光位相同期回路によれば、入力信号光を増幅する位相感応型光増幅器用の励起光位相同期回路であって、前記励起光位相同期回路が、光位相同期ループ型であって、前記光パラメトリック増幅部の光パラメトリック材質が二次又は三次の光非線形媒質であって、該光非線形媒質を用いた非縮退光パラメトリック増幅を行うものであり、励起光の光周波数ｆpを、増幅対象の入力信号光の搬送波光の周波数ｆsと異ならせることができる。
【００３０】
さらにまた、第１７の側面に係る励起光位相同期回路によれば、
励起光の光周波数を二つの等しい光周波数ｆp1、ｆp2とし、これらがシグナル−アイドラ関係にある２つの第一信号光と第二信号光の周波数ｆs1、ｆs2（ｆs2≠ｆs1）に対して、
２ｆp1＝２ｆp2＝ｆs1＋ｆs2
とできる。
【００３１】
さらにまた、第１８の側面に係る励起光位相同期回路によれば、励起光の光周波数を二つの異なる光周波数ｆp1、ｆp2とし、これらが、シグナル−アイドラ関係にある２つの第一信号光と第二信号光の周波数ｆs1、ｆs2（ｆs2≠ｆs1）に対して、
ｆp1＋ｆp2＝ｆs1＋ｆs2
とできる。
【００３２】
さらにまた、第１９の側面に係る励起光位相同期回路によれば、励起光の周波数ｆpを、シグナル−アイドラ関係にある２つの第一信号光と第二信号光の周波数ｆs1、ｆs2（ｆs2≠ｆs1）に対して、
ｆp＝ｆs1＋ｆs2
とできる。
【００３３】
さらにまた、第２０の側面に係る励起光位相同期回路によれば、光周波数オフセット光発生を用いて、信号光の搬送波と励起光の周波数が同一の場合の光位相同期ループ回路を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は本発明の一実施の形態に係る光ファイバ伝送システムを示すブロック図である。
【図２】図２は位相同期励起光発生部の構成例を示すブロック図である。
【図３】図３は光位相調整部の構成例を示すブロック図である。
【図４】図４は光位相調整部の他の構成例を示すブロック図である。
【図５】図５は光パラメトリック増幅部の構成例を示すブロック図である。
【図６】図６は光パラメトリック増幅部の他の構成例を示すブロック図である。
【図７】図７は位相非感応型のＥＤＦＡとＰＳＡの、信号光と励起光の位相差に対する利得を示す波形図である。
【図８】図８は位相感応型のＥＤＦＡとＰＳＡの、信号光と励起光の位相差に対する出力光位相を示す波形図である。
【図９】図９は基本型直交ＰＳＡの信号光と励起光の位相差を示す波形図である。
【図１０】図１０Ａは基本型直交ＰＳＡの利得、図１０Ｂは出力光位相を示す波形図である。
【図１１】図１１はＰＳＡの基本構成を示す概念図である。
【図１２】図１２はＰＳＡの分類を示す表である。
【図１３】図１３はコスタスループを用いた信号光キャリア位相再生によるＰＳＡの基本構成を示すブロック図である。
【図１４】図１４は第二実施形態に係るＰＳＡを示すブロック図である。
【図１５】図１５はＰＰＬＮを用いたＯＰＬＬ制御ＰＳＡ光回路を示すブロック図である。
【図１６】図１６は光周波数オフセット光発生を用いた光位相同期ループ回路を適用したＰＳＡを示すブロック図である。
【図１７】図１７は入力信号光にＢＰＳＫを用いたＰＳＡを示すブロック図である。
【図１８】図１８Ａは縮退光パラメトリック増幅を用いたＰＳＡにおける信号光と励起光の波長を示す図、図１８Ｂは非縮退光パラメトリック増幅を用いたＰＳＡにおける信号光と励起光の波長を示す図である。
【図１９】図１９は従来のＩＬ方式の励起光位相同期回路を示すブロック図である。
【図２０】図２０は光位相変調を説明する概念図である。
【図２１】図２１Ａは光ファイバ伝送の過程でＰＳＡ中継器を中継する様子を示す模式図、図２１Ｂは図２１ＡのＰＳＡ中継器で与えられる利得を示す波形図、図２１Ｃは初期のパルスの位相を示す波形図、図２１Ｄは伝送の過程で拡がったパルスの位相を示す波形図、図２１Ｅは補正されたパルスの位相を示す波形図、図２１Ｆは図２１Ｃの初期のパルスを示す波形図、図２１Ｇは図２１Ｄの拡がったパルスを示す波形図、図２１Ｈは図２１Ｅの補正されたパルスを示す波形図である。
【図２２】図２２Ａは光ファイバ伝送後の光信号の分布を示す図、図２２Ｂは図２２Ａの光信号のＰＳＡを中継させた状態の分布を示す図である。
【図２３】図２３Ａは位相の相関を有する周波数ｆs1の第一入力信号光（位相θs1）と周波数ｆs2の第二入力信号光（位相θs2）と励起光の周波数スペクトルを示す図、図２３Ｂは図２３Ａにおいてθs2＝θs1の場合を示す図である。
【図２４】図２４は光ファイバを用いた通信システムを示す概略図である。
【図２５】図２５は符号間干渉の概念を示す模式図である。
【図２６】図２６は信号対雑音比の概念を示す模式図である。
【図２７】図２７はＰＳＡの一例を示すブロック図である。
【図２８】図２８はＩＬ方式の励起光位相同期回路を示すブロック図である。
【図２９】図２９はＯＰＬＬ方式の励起光位相同期回路を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための位相感応型光増幅器及び励起光位相同期回路を例示するものであって、本発明は位相感応型光増幅器及び励起光位相同期回路を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
（光ファイバ伝送システム）
【００３６】
図１に、本発明の一実施の形態に係る光ファイバ伝送システム１００のブロック図を示す。この光ファイバ伝送システム１００は、波長分割多重（ＷＤＭ）伝送系において搬送波位相同期を用いている。具体的には、光ファイバ伝送システム１００は、複数の光送信器１、１、．．．と、複数の光送信器１を入力側に接続して、搬送波位相同期させた状態にて多重化を行う多重化器２と、多重化器２の出力側に接続され、該多重化器２で多重化された波長分割多重搬送波を伝送するための光ファイバ３と、光ファイバ３の中間に接続され、波長分割多重搬送波の増幅を行うための増幅中継器４と、光ファイバ３の終端側に接続されて、増幅中継器４で増幅された波長分割多重搬送波の分波を行うための分波器５と、分波器５で分波された各光チャネル信号を受信するための複数の光受信器６、６、．．．とを備えている。尚、分波器を用いない方法もある。例えば、光受信器が光ホモダイン／光ヘテロダイン／光イントラダイン受信器であって、光電変換部及びそのフロントエンド部の帯域遮断特性を調整することにより、局発光と光電変換部等に光チャネル弁別機能を有しせしめることで、必ずしも分波器を用いないことも可能である。このような構成は、複数の光受信器を並列させる場合の光分配損等が問題にならない場合等に適用できる。また、本発明の実施の形態が想定する波長分割多重伝送系の一つとして、ある光チャネルとそれと同一の変調データを用いて変調された光チャネル（「光チャネルペア」と呼ぶ。）の光位相が位相共役の関係にあるＷＤＭシステムがある。この場合は、別の光チャネルペア間での搬送波位相同期は不要である。
（増幅中継器４）
【００３７】
増幅中継器４は、位相感応型の光増幅中継器である（詳細は後述）。この増幅中継器４は、信号光と位相を同期させた励起光を発生させるための位相同期励起光発生部１１と、位相同期励起光発生部１１の制御信号でもって、この位相同期励起光発生部１１で発生された励起光と、波長分割多重搬送波の光位相差を調整するための光位相調整部１２と、位相同期励起光発生部１１で発生された励起光でもって、波長分割多重搬送波を増幅するための光パラメトリック増幅部１３とを備えている。
（位相同期励起光発生部１１）
【００３８】
位相同期励起光発生部１１は、信号光（ＷＤＭ信号光）と光位相同期した励起光を発生する。位相同期励起光発生部１１の構成例を図２に示す。この図に示す位相同期励起光発生部１１は、励起光源部１４と、波長チャネル選択器１５と、光９０°ハイブリッド１６と、バランスレシーバ１７と、乗算器１８と、ループフィルタ１９と、制御回路２０を備えている。図２の例では、ＷＤＭ信号光の各波長チャネルがＢＰＳＫ信号で、その光周波数が励起光周波数に対して対称な２波長からなる場合の構成例を示している。ＷＤＭ信号光の内、ある単一の波長チャネルのみが波長チャネル選択器１５により選択される。また励起光源部１４は、出力光の光周波数を電圧によって制御して励起光を発生させる電圧制御光源である。この信号光と励起光の光周波数差と光位相が、所定の値に安定化するように、光９０°ハイブリッド１６、バランスレシーバ１７、乗算器１８、ループフィルタ１９で構成された光位相同ループ回路により、励起光源部１４が制御される。また波長チャネル選択器１５を切り替えることにより、各波長チャネルに対して位相誤差信号が検出され、これが光位相調整部１２に送られる。なお図２では説明の簡素化のため、入力信号光は規定の偏波としているが、任意の偏波の入力の場合は、偏波ダイバーシチ構成を採用できる。
（光位相調整部１２）
【００３９】
光位相調整部１２は、入力する光位相同期したＷＤＭ光を構成する各波長チャネル間の光位相を調整する。光位相調整部の構成例を図３に示す。この図に示す光位相調整部１２Ａは、１対Ｎ光スイッチ２１と、Ｎ対１光スイッチ２２と、光スイッチ駆動制御部２３を備えている。１対Ｎ光スイッチ２１は、光スイッチ駆動制御部２３からの信号によって、入力光をＮポートある出力ポートのいずれか１つに出力する。Ｎ対１光スイッチ２２は、光スイッチ駆動制御部２３からの信号によって、Ｎ個の入力ポートのいずれか１つ（１対Ｎ光スイッチ２１の光出力ポートがｉポートなら、ｉポートから）の入力光を、１つの出力ポートに出力する。なお、後述する分散補償光ファイバ（Dispersion Compensation Fiber：ＤＣＦ）は分散値を有し、各波長チャネルの間に異なる位相シフトを与える。この場合は、外部から与えられる制御信号により、各チャネルに与える位相シフト量を調整できる。
【００４０】
さらに光位相調整部の他の構成例を図４に示す。この光位相調整部１２Ｂは、光サーキュレータ２４と、第一レンズ２５と、回折格子２６と、第二レンズ２７と、液晶空間変調素子（Liquid Crystal on Silicon：ＬＣＯＳ）２８と、ＬＣＯＳ駆動制御部２９とを備えている。光位相調整部１２Ｂに入力されたＷＤＭ信号光は、光サーキュレータ２４の右方に通過し、第一レンズ２５により空間的な平行ビームとなって、回折格子２６に入射する。また回折格子２６と第二レンズ２７により、各波長チャネル信号はＬＣＯＳ２８上の異なる位置に分散される。さらにＬＣＯＳ２８は、この素子上の異なる位置に入射される光に、任意の位相シフトを与えて反射する。この反射光は第二レンズ２７、回折格子２６、第一レンズ２５等を通過し、光サーキュレータ２４により下方に出力される。この構成においても、外部から与えられる制御信号により、各波長に与える位相シフト量を調整できる。また図４の構成を、図３の構成と組み合わせて使用することもできる。
（光パラメトリック増幅部１３）
【００４１】
光パラメトリック増幅部１３は、励起光とＷＤＭ信号光を入力し、内部に含む光パラメトリック増幅媒質である光非線形媒質における励起光とＷＤＭ信号光の相互作用により、ＷＤＭ信号光を一括増幅する。光パラメトリック増幅部の一例を図５に示す。この図に示す光パラメトリック増幅部１３Ａは、光カップラ３１と、高非線形光ファイバ（ＦＷＭ）３２と、光フィルタ３３とを備える。この光パラメトリック増幅部１３は、ＷＤＭ信号光の内少なくとも２つの信号光と位相が同期した励起光が、光カップラ３１により合波され、光パラメトリック媒質である高非線形光ファイバ３２に入力される。この高非線形光ファイバ３２中での光伝搬により生じるＦＷＭ効果によって、非縮退パラメトリック増幅が生じる。ここで励起光周波数に対して、各波長チャネルの信号光（２つの周波数成分からなる）周波数が対称の関係にあるので、位相依存利得が生じる。そして出力側に配置された光フィルタ３３により、励起光が遮断され、信号光のみが次段の伝送路光ファイバに出力される。
【００４２】
さらに光パラメトリック増幅部１３の他の構成例を図６に示す。この図に示す光パラメトリック増幅部１３Ｂは、光カップラ３１と、第一周期分極反転ニオブ酸リチウム（Periodically Poled Lithium Niobate：ＰＰＬＮ）３４と、第二ＰＰＬＮ３５と、光フィルタ３３を備える。この例では、光パラメトリック媒質にＰＰＬＮを使用している。励起光はまず、第一ＰＰＬＮ３４で第二高調波（ＳＨＧ）に変換された後、光カップラ３１で信号光と合波されて、第二ＰＰＬＮ３５を伝搬し、差周波光発生（ＤＦＧ）により、位相感応増幅される。このように、ＰＰＬＮをＤＦＧのみならず、ＳＨＧ変換デバイスとしても用いることができる。他の構成は、図５と同様のものが利用できる。
（分散補償手段）
【００４３】
また光位相調整部１２は、分散補償手段を含む。分散補償手段には、例えば分散を補償する分散補償光ファイバ（例えばカットオフシフトファイバ、分散シフトファイバ、ノンゼロ分散シフトファイバ、分散フラットファイバ、ホーリーファイバ）を挿入する、あるいは分散補償器（例えばＶＩＰＡ分散補償、ＦＢＧ分散補償、エタロン分散補償、ＰＭＤ分散補償、電気分散補償）や符号処理等を利用する等、既知の方法が利用できる。好ましくは、空間上に光波長を分散させる空間分散素子と空間位相変調素子を含む波長チャネル別光位相制御手段を分散補償手段に利用する。
【００４４】
図１に示したような光ファイバ伝送システムは、例えば通信事業者のビル間のネットワーク等、基幹光ファイバネットワークに適用される。ここで、再生中継間隔すなわち光伝送距離を延伸することが、経済的なネットワークの構築上求められている。従来、このような再生中継間隔を延伸することに対する主な制限要因として、符号間干渉（ＩＳＩ）や信号対雑音比（ＳＮＲ）の劣化等が挙げられる。本実施の形態においては、再生中継間隔を延伸するために、増幅中継器を、従来適用されている位相非感応のレーザ増幅を原理とする方式に代えて、新しい原理に基づく位相感応型光増幅器（Phase  Sensitive  Amplifier：ＰＳＡ）を適用する。
（ＰＳＡの基本構成）
【００４５】
ここでＰＳＡについて説明する。ＰＳＡとは、利得が、入力する信号光の光位相に依存している光増幅器である。このようなＰＳＡは、光パラメトリック増幅を用いて実現することができる。なお、これに対して従来利用されている位相非感応型光増幅器（Optical Phase Insensitive Amplifier）は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）や、希土類添加光ファイバ増幅器（例えばErbium-doped fiber amplifier：ＥＤＦＡ）等のレーザ増幅器やラマン増幅器を用いて、入射光の光位相に依存せず増幅し、入射光と同相の増幅光を出力する。
【００４６】
ここで、従来の位相非感応型光増幅器であるＥＤＦＡと、本実施の形態に係る光ファイバ伝送システムで採用した位相感応型光増幅器の、信号光と励起光の位相差θin［rad］と利得Ｇ［ｄＢ］の関係の例を図７に示す。また、信号光と励起光の位相差θin［rad］を横軸に、出力光の位相θoutを縦軸に取ったグラフを、図８に示す。これらの図に示すように、従来のＥＤＦＡ（図において破線で示す）では、位相差によらず利得が一定であるのに対し、ＰＳＡ（図において実線で示す）では位相差に依存することが判る。すなわち、信号光が励起光と同位相の成分については振幅が増幅され、一方で信号光が励起光と直交する成分については振幅が減衰する。この性質を利用することで、ＰＳＡを用いて伝送路光ファイバ中で発生したＦＷＭ光を減衰できる。本実施の形態においては、信号光の同相成分と直交成分を電気的に取り出し、そこから搬送波位相を抽出する方式としている。
【００４７】
位相感応型光増幅器は、縮退及び非縮退光パラメトリック増幅を用いて実現できる。縮退光パラメトリック増幅を用いる場合は、図７に示すように、直交する２つの位相成分の片方には利得Ｇを、他方には減衰１／Ｇを与える。利得を与える光位相と、入力する信号光の平均光位相とが一致したとき、位相非感応光増幅器が被る標準量子限界（雑音指数３ｄＢ以上）を被らない無雑音（雑音指数０ｄＢ）の光増幅が原理的に可能となる。一方、非縮退パラメトリック増幅を用いる場合は、信号光として、光パラメトリック過程におけるシグナルとアイドラの関係（例えば励起光周波数に対して、信号光周波数とアイドラ光周波数が対称に配置されている）にある２波を光位相の相関を持たせて入力する。例えば、片方の信号光位相をθとすると、他方の信号光位相を（Ｎ−１）θとする。このとき、利得の入力光位相依存性がπ／Ｎ（Ｎは２以上の整数）の周期性を有せしめることも可能である。また、位相共役型のＷＤＭ光を増幅する非縮退型光パラメトリックＰＳＡの場合は、片方の信号光位相をθとすると、他方の信号光位相を−θとする。
【００４８】
ここでＰＳＡの基本構成を示す概念図を図１１に示す。この図に示すＰＳＡ４０は、励起光源部１４と、光合分波部４１と、光パラメトリック増幅部１３と、励起光位相同期部４２とを備える。ＰＳＡ多中継伝送系では、各ＰＳＡにおいて、光パラメトリック増幅部１３（ＯＰＡ）に与える励起光の光位相を、信号光の平均光位相に同期させる必要がある。このため、ＰＳＡ４０は励起光の位相を同期させる励起光位相同期部４２を備えている。
（励起光位相同期部４２）
【００４９】
本実施の形態において、励起光位相同期部４２は、光注入同期（ＩＬ）でなく、図２９に示した光位相同期ループ（ＯＰＬＬ）回路を採用する。
（第一実施形態）
【００５０】
図１３に、ＢＰＳＫに対応したコスタスループ（Costas Loop）を用いた信号光キャリア位相再生によるＰＳＡ４０Ａの基本構成を示す。この図に示すＰＳＡ４０Ａは、ＳＨＧ発生回路４４と、励起光源部１４と、ループフィルタ１９を含むコスタス型光位相同期ループ（ＰＬＬ）回路４６と、光パラメトリック増幅部１３を備える。またＰＬＬ回路４６内部のＥｘＯＲ回路の内部構成を変更することにより、ＱＰＳＫ信号にも対応可能である。
【００５１】
ＳＨＧ発生回路４４は、搬送波成分が抑圧された（多値）ＰＳＫ信号光の一部を入力とし、その第二高調波（ＳＨＧ）を発生する。
【００５２】
励起光源部１４は、信号光周波数のおよそ２倍の周波数を有し、その光周波数を可変とするレーザ光を発するレーザ光源部等が利用できる。
【００５３】
コスタス型光位相同期ループ回路４６は、ＳＨＧ発生回路４４の出力光と、励起光源部１４から出力されるレーザ光を入力とし、ＳＨＧ発生回路４４の出力光の搬送波と位相同期した励起光を励起光源１４から発生させる。
【００５４】
ループフィルタ１９は、位相誤差信号の帯域幅を限定等のために、本フィルタの通過信号の周波数特性を調整する機能がある。
【００５５】
光パラメトリック増幅部１３は、（多値）ＰＳＫ信号光と励起光源部からの出力光を入力として、位相感応型光増幅機能を発揮する。
【００５６】
コスタスループのループ長は１ｍ程度である必要がある。ループ帯域を５ＭＨｚ程度まで確保することにより、位相誤差を２°以下とできる。
【００５７】
また、図１３において破線で示した枠を、モノリシック化することで位相揺らぎを抑制する。
（光パラメトリック材質）
【００５８】
光パラメトリック増幅部１３は、光パラメトリック材質を備える。この光パラメトリック材質は、二次の光非線形媒質であり、例えば差周波光発生（ＤＦＧ）を行う誘電体結晶、例えばニオブ酸リチウム結晶等が利用できる。この二次の光非線形媒質を用いて、一波長励起型縮退光パラメトリック増幅、を行う。ここで励起光の光周波数ｆpは、増幅対象の入力信号光の搬送波光の周波数ｆsと異なる。具体的には、励起光の周波数ｆpが、入力信号光の周波数ｆsに対して、
ｆp＝２ｆs
である。
（第二実施形態）
【００５９】
また、他のＰＳＡの例を第二実施形態として図１４のブロック図に示す。この図に示すＰＳＡ４０Ｂは、励起光源部１４と、ループフィルタ１９を含むコスタス型光位相同期ループ回路４６と、ＳＨＧ発生回路４４と、光パラメトリック増幅部１３を備える。励起光源部１４は、光周波数可変のレーザ光源部が利用できる。コスタス型光位相同期ループ回路４６は、搬送波成分が抑圧されたＰＳＫ信号光の一部と、励起光源部１４から出力されるレーザ光を入力とし、ＰＳＫ信号光の元の搬送波と位相同期した光波を発生させる。ループフィルタ１９は、位相誤差信号の帯域幅を限定等のために、本フィルタの通過信号の周波数特性を調整する機能がある。ＳＨＧ発生回路４４は、励起光源部１４から出力されたレーザ光の第二次高調波（ＳＨＧ）を発生させる。光パラメトリック増幅部１３は、ＰＳＫ信号光とＳＨＧ回路からの出力光を入力として、位相感応型光増幅機能を発揮する。本回路のコスタス型光位相同期ループ４６はＢＰＳＫ信号に対応しているが、ＱＰＳＫや多値ＰＳＫ信号入力に対しては、それらに対応したループ回路とすればよい。
【００６０】
このＰＳＡ４０Ｂでも、光パラメトリック増幅部１３が光パラメトリック材質として、二次の光非線形媒質を用いる。具体的には、差周波光発生（ＤＦＧ）を用いた周期分極反転ニオブ酸リチウム（Periodically Poled Lithium Niobate：ＰＰＬＮ）結晶導波路等が利用できる。このような二次の光非線形媒質を用いて、縮退光パラメトリック増幅を行う。二次の光非線形媒質を用いた縮退光パラメトリック増幅においては、励起光の光周波数ｆpが、増幅対象の入力信号光の搬送波光の周波数ｆsと異なる。具体的には、信号光ｆsのみを入力し、またアイドラ光は、信号光と同一の周波数（ｆi＝ｆs）に発生させる。ここでは、励起光の周波数ｆpが、入力信号光の周波数ｆsに対して、ｆp＝２ｆsとする。
【００６１】
さらに光パラメトリック材質としてＰＰＬＮを用いたＯＰＬＬ制御型のＰＳＡ光回路の一例を図１５に示す。この図に示すＰＳＡ４０Ｃは、励起光源部とＳＨＧ発生部１４と、光パラメトリック増幅部１３と、コスタス型光位相同期ループ回路部と光遅延調整部を備える。コスタス型光位相同期ループ回路部においては、光パラメトリック増幅部の出力から一部分岐された信号光と励起光源部にて発生する信号光波長帯と同一の波長帯の励起光でＳＨＧ光発生部においてＳＨＧ光に変換されず通過した局発光の光位相差（位相誤差信号）が検出される。この位相誤差信号がループフィルタにより帯域制限され電圧制御発振器（ＶＣＯ）に印加され、音響光学変調器（ＡＯＭ）を駆動する。ＡＯＭを通過する局発光は誤差信号に対応して光周波数が変化し、その結果局発光位相が信号光搬送波位相に同期する。ＳＨＧ発生部において波長変換（光周波数が２倍）となった励起光は光パラメトリック増幅部１３に供給される。本回路において、位相同期ループ回路に向けて分岐された信号光光路とＳＨＧ発生部から出力され光パラメトリック増幅部に向けて分岐された励起光光路の光学長が時間的に変動する場合は、その変動を打ち消す機能を有する光遅延調整部が動作する。この方式では、二次の光パラメトリック媒質を用いた縮退光パラメトリックＰＳＡ増幅に光位相同期ループ回路を適用でき、簡易な系で時間安定な増幅が可能になる等の利点が得られる。
（第三実施形態）
【００６２】
一方、非縮退においては、シグナル−アイドラ関係にある２つの信号光である、第一信号光（光周波数ｆs1）と第二信号光（光周波数ｆs2≠ｆs1）を入力させる。例えば、二次の光非線形媒質を用いる場合は、励起光の周波数ｆp1を、第一信号光と第二信号光の周波数ｆs1、ｆs2（ｆs2≠ｆs1）に対して、
ｆp＝ｆs1＋ｆs2
とする。
【００６３】
また、三次の光非線形媒質を用いる場合は、第一信号光と第二信号光の周波数ｆs1、ｆs2（ｆs2≠ｆs1）に対して、
２ｆp1＝２ｆp2＝ｆs1＋ｆs2
とする。あるいは、第一信号光と第二信号光の周波数ｆs1、ｆs2（ｆs2≠ｆs1）に対して、
ｆp1＋ｆp2＝ｆs1＋ｆs2
とすることもできる。
（第四実施形態）
【００６４】
また、光周波数オフセット光発生を用いて、信号光の搬送波と励起光の周波数が同一の場合の光位相同期ループ回路を適用することもできる。このような例を第四実施形態として図１６のＰＳＡに示す。この図に示すＰＳＡ４０Ｄは、励起光源部１４と、光パラメトリック増幅部１３と、オフセット光発生部５２と、光合分波部４１と、搬送波を抽出するループフィルタ１９と、位相誤差検出部５４を備える。オフセット光発生部の機能は、入力光の光周波数を規定の周波数だけ偏移させて出力するものである。例えば三次の光非線形媒質を用いたＷＤＭ信号光に対する非縮退光パラメトリック位相感応型光増幅回路では、信号光バンド１と２の光周波数の丁度中間の光周波数を有する励起光を用いて光パラメトリック一括増幅を行う。この時、励起光源部１４にて発生する光が上述の中間の光周波数を有する励起光周波数となるように、オフセット光発生部では励起光と信号光バンド中のある光チャネルの信号光の光周波数の差だけ光周波数偏移を与える。このとき、励起光周波数と前記の選択された光チャネルの間の周波数差が無い場合の位相同期ループ回路を位相同期ループ回路に適用する。オフセット光発生部出力光の光周波数は信号光バンドの上記チャネル信号光の搬送波とほぼ同じ光周波数となるため、ここで用いる光位相同期ループ回路は従来の信号光と局発光が同一の光周波数の場合の光位相同期ループ構成としてよいという利点が得られる。この場合の位相誤差検出部には、アナログ回路を適用する場合と、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）とデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）を回路の前後に適用したデジタル論理回路を適用する場合が考えられる。
（第五実施形態）
【００６５】
さらに、入力信号光と励起光の光周波数差がマイクロ波領域の１００ＧＨｚ程度までの周波数差だけ異なる場合の位相同期を達成することもできる。このようなＰＳＡを第五実施形態として図１７に示す。この図に示すＰＳＡ４０Ｅは、励起光源部１４と、光合分波部４９と、ループフィルタ１９等で構成される位相同期ループ回路部と、光パラメトリック増幅部１３とを備える。励起光源部１４は位相同期回路部により抽出された搬送波と励起光の位相差を受けて、出力する励起光の光周波数を偏移させる。本方式では、図１８Ａに示す波長配置の２波長の第一励起光及び第二励起光を用いた縮退光パラメトリック増幅又は、図１８Ｂに示す、１波長の励起光を用いて同一のディジタルデータにより変調された第一信号光及び第二信号光を位相感応増幅する非縮退光パラメトリック増幅に適用することができる。この図における位相同期ループ回路部は、信号光がＢＰＳＫ信号の場合を示している。この方式では、図１８Ａ、図１８Ｂに示すように、信号光の波長と異なる励起光を用いて変調できるため、フィルタ処理による励起光の排除を容易に行える利点が得られる。また、図１８Ｂに示す波長配置を用いて、波長分割多重（ＷＤＭ）信号の一括ＰＳＡ増幅も可能となるという利点がある。
【００６６】
以上のＰＳＡにおける光パラメトリック材料と増幅原理／分類を、図１２に纏める。
【００６７】
ここで、従来のＩＬ方式の励起光位相同期回路の構成例を図１９に示す。また、一般的な回路構成を図２８に示す。この構成では、入力される光信号であるＢＰＳＫ信号やＱＰＳＫ信号から、搬送波を回復するために光非線形効果を利用していることから、光学系が複雑化するという問題があった。さらに、回復した光を半導体レーザへ光注入同期しているため、定常位相誤差が生じると共に、信号光と注入同期出力光の光パラメトリック増幅部への光路長差が変動することから、位相遅延補償が必要になるという問題もあった。また、信号変復調方式が直交振幅変調（ＱＡＭ）光である場合では、搬送波位相回復を光学的に実現することができないため、ＱＡＭ信号の光伝送系には適用できないという問題もある。
【００６８】
これに対して本実施の形態に係るＯＰＬＬによれば、搬送波位相抽出を電気的に行うことから、系を簡易化して経済化できる利点が得られる。また位相遅延補償を不要とできる。さらに、デジタル論理回路を用いることによりＱＡＭ信号の光伝送系にも適用できるといった利点もある。
（光位相変調）
【００６９】
次に光位相変調について説明する。図２０に示すようにレーザ光源等の搬送波を発生させ、一定振幅、一定周波数ｆcで光位相変調器においてデータを変調し、四値位相偏移信号とする方式では、受信感度が向上し、また多値化することにより大容量化できる利点が得られる。その一方、光搬送波成分は消失する。同様に、ＱＡＭ変調された信号光も光搬送波成分が消失する。したがって、これらの信号光を中継増幅するＰＳＡにおいては、搬送波成分を含まない多値光信号光から搬送波成分と励起光の位相差を検出する位相同期回路が必要となる。
【００７０】
このようなＰＳＡの効果として、符号間干渉に対する波形整形効果や、ＳＮＲ劣化に対する位相識別効果が挙げられ、これらの効果によって再生中継間隔を延伸できる。符号間干渉に対する波形整形効果は、図２１に示すように、増幅中継器を介することで、広がったパルスの裾では位相偏移発生がするものの、位相偏移部分には減衰を付加することで、ＰＩＡに比べＰＳＡではパルスの拡がりを抑制できる。具体的には、図２１Ｆに示すようなパルス波形が光ファイバ伝搬すると（図２１Ａ）、図２１Ｇのように広がったパルスの裾では、位相が図２１Ｃから図２１Ｄのように変化してしまう。このパルスをＰＳＡに入力し、パルスの中央部分の位相に最大利得Ｇ（図２１Ｂ）を与えるように励起光位相を設定することで、位相が変異した裾部分には減衰効果を付加することができる。この結果、パルスの中央は増幅され、裾では減衰されるので、図２１Ｅに示すようにパルスが細くなり符号間干渉が発生し難くなる。
【００７１】
またＳＮＲ劣化に対する位相識別効果は、光ファイバ伝送後の光信号の分布が図２２Ａに示すような状態から、図２２Ｂに示すように抑制され、対応した位相に「張り付く」ことで雑音を低減できる。具体的には、ＰＳＡの入出力特性は、図２２Ｂに示したように階段状となっている。図２２Ａに示すように、π／２から３π／２のピンクの領域では、入力信号の位相に関係なく出力信号の位相はπになる。同じように青の領域では出力信号の位相はすべて０になる。このように対応した位相へと「張り付かせる」効果が雑音を抑圧し、ＳＮＲ劣化を防ぐ。これらのＰＳＡの効果によって、再生中継間隔延伸が期待される。
【００７２】
また、信号光変復調方式としてＰＳＫやＱＡＭ等の搬送波が抑圧された方式を利用できる。さらに信号光の同相成分と直交成分を電気的に取り出し、そこから搬送波位相を抽出することができる。
（四光波混合）
【００７３】
ここで、四光波混合の場合の非縮退光パラメトリック増幅過程を、図２３Ａ、図２３Ｂに基づいて説明する。図２３Ａに示すように、周波数ｆpの励起光（光位相θp＝０としても一般性を失わない）に対し、位相の相関を有する２つの光波、すなわち周波数ｆs1の第一入力信号光（光位相θs1）と、周波数ｆs2の第二入力信号光（光位相θs2）を入力する。これらは同じデジタルデータを元に変調され、光位相に相関を持たせている。すなわちθs2＝ｎθs1（ｎ＝−１，１，２，・・）としている。ここで、ｆs2＝２ｆp−ｆs1の関係がある。ｎ＝Ｍ−１とするとＭ値ＰＳＫに対応する。
【００７４】
この場合において、θs2＝θs1の場合はＢＰＳＫ信号に対応し、図２３Ｂのようになる。すなわち第一信号光のＦＷＭ光と第二信号光が干渉し、また第二信号光のＦＷＭ光と第一信号光が干渉する。この場合、基本型ＰＳＡ（利得の位相依存周期：π）の動作となる。またθsはθpと同期している必要がある。また、ｎ＝−１の場合は、２つの信号光は互いに光位相共役光となり、２つの信号光の両方を光伝送することにより、伝送路で生じる雑音増加や信号劣化をＰＳＡ増幅により抑圧する。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の位相感応型光増幅器及び励起光位相同期回路は、次世代の大容量光通信ネットワークの増幅中継器、例えば通信事業者間用の増幅中継器として好適に利用できる。
【符号の説明】
【００７６】
１００…光ファイバ伝送システム
１…光送信器
２…多重化器
３…光ファイバ
４…増幅中継器
５…分波器
６…光受信器
１１…位相同期励起光発生部
１２、１２Ａ、１２Ｂ…光位相調整部
１３、１３Ａ、１３Ｂ…光パラメトリック増幅部
１４…励起光源部
１５…波長チャネル選択器
１６…光９０°ハイブリッド
１７…バランスレシーバ
１８…乗算器
１９…ループフィルタ
２０…制御回路
２１…１対Ｎ光スイッチ
２２…Ｎ対１光スイッチ
２３…光スイッチ駆動制御部
２４…光サーキュレータ
２５…第一レンズ
２６…回折格子
２７…第二レンズ
２８…液晶空間変調素子（ＬＣＯＳ）
２９…ＬＣＯＳ駆動制御部
３１…光カップラ
３２…高非線形光ファイバ（ＦＷＭ）
３３…光フィルタ
３４…第一周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）
３５…第二ＰＰＬＮ
４０、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄ、４０Ｅ…位相感応型光増幅器（ＰＳＡ）
４１…光合分波部
４２…励起光位相同期部
４４…ＳＨＧ発生回路
４６…コスタス型光位相同期ループ回路
４９…光合分波部
５２…オフセット光発生部
５４…位相誤差検出部
８３…光ファイバ
８４…増幅中継器
８７…再生中継器
２７１３…光パラメトリック増幅回路
２７１４…励起光源部
２７４１…光結合回路
２８１３…光パラメトリック増幅回路
２８１４…半導体レーザ光源部
２８４７…光サーキュレータ
２８４８…光搬送波回復光回路
２８４９…遅延制御回路
２８５０…制御回路
２９１３…光パラメトリック増幅回路
２９１４…励起光源部（Ｏ−ＶＣＯ）
２９４１…光合分波回路
２９５０…電気回路
２９５１…フォトダイオード
ＤＴ…再生中継間隔
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２１】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２９】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２２】
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【図２８】
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