(57)【要約】【課題】２つの直交する偏波成分の信号光を同一経路で独立に増幅することにより、反射光の影響を従来方法に比べて大幅に低減でき、分離・増幅の間の位相変動の影響を抑制する光増幅装置を提供する。【解決手段】本発明の光増幅装置は、偏波分離多重素子と、第１及び第２の偏波回転子と、各偏波成分を有する信号光と第１及び第２の励起光との光パラメトリック増幅により第１及び第２の増幅信号光をそれぞれ生成する第１及び第２の二次非線形光学素子とを備え、第１の増幅信号光は、第１の偏波回転子、第２の二次非線形光学素子及び第２の偏波回転子を介して偏波分離多重素子に入射し、第２の増幅信号光は、第１の偏波回転子及び第１の二次非線形光学素子を介して偏波分離多重素子に入射し、偏波分離多重素子は第１及び第２の増幅信号光を合波して出力することを特徴とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の励起光を用いた光パラメトリック増幅により信号光を増幅する光増幅装置であって、
前記信号光を２つの偏波成分に分離して出力する偏波分離多重素子と、
入射した光の偏光方向を９０°回転して出力する第１及び第２の偏波回転子と、
前記偏波分離多重素子から前記２つの偏波成分のうちの一方の偏波成分を有する信号光を入力し、前記一方の偏波成分を有する信号光と前記第１の励起光との光パラメトリック増幅により第１の増幅信号光を生成する第１の二次非線形光学素子と、
前記偏波分離多重素子から前記２つの偏波成分のうちの他方の偏波成分を有する信号光を前記第２の偏波回転子を介して入力し、前記他方の偏波成分を有する信号光と前記第２の励起光との光パラメトリック増幅により第２の増幅信号光を生成する第２の二次非線形光学素子と、
を備え、
前記第１の二次非線形光学素子から出力された前記第１の増幅信号光は、前記第１の偏波回転子、前記第２の二次非線形光学素子、及び前記第２の偏波回転子を介して前記偏波分離多重素子に入射し、
前記第２の二次非線形光学素子から出力された前記第２の増幅信号光は、前記第１の偏波回転子及び前記第１の二次非線形光学素子を介して前記偏波分離多重素子に入射し、
前記偏波分離多重素子は、入射した前記第１及び第２の増幅信号光を合波して出力することを特徴とする光増幅装置。
【請求項２】
前記２つの偏波成分のうちの一方の偏波成分を有する信号光と前記第１の励起光とを合波して前記第１の二次非線形光学素子に出力する第１の合波器と、
前記２つの偏波成分のうちの他方の偏波成分を有する信号光と前記第２の励起光とを合波して前記第２の二次非線形光学素子に出力する第２の合波器と、
前記第１の二次非線形光学素子の出力のうち、前記第１の増幅信号光と前記第１の励起光を分離して、前記第１の増幅信号光を前記第１の偏波回転子に出力する第１の分波器と、
前記第２の二次非線形光学素子の出力のうち、前記第２の増幅信号光と前記第２の励起光を分離して、前記第２の増幅信号光を前記第１の偏波回転子に出力する第２の分波器と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の光増幅装置。
【請求項３】
前記第１の二次非線形光学素子から出力された前記第１の増幅信号光を２分岐して、前記第１の増幅信号光の一方を前記偏波分離多重素子に出力する第１の光分岐部と、
前記第２の二次非線形光学素子から出力された前記第２の増幅信号光を分岐して、分岐された前記第２の増幅信号光の一方を前記偏波分離多重素子に出力する第２の光分岐部と、
前記第１の光分岐部で分岐された前記第１の増幅信号光の他方を受光して前記信号光と前記第１の励起光との位相同期を行う第１の位相同期回路と、
前記第２の光分岐部で分岐された前記第２の増幅信号光の他方を受光して前記信号光と前記第３の励起光との位相同期を行う第２の位相同期回路と、
第１の基本波光を増幅する第１の光ファイバレーザ増幅器と、
当該増幅した第１の基本波光から和周波発生又は第２高調波発生過程を用いて前記第１の励起光を生成して前記第１の二次非線形光学素子に出力する第３の二次非線形光学素子と、
第２の基本波光を増幅する第２の光ファイバレーザ増幅器と、
当該増幅した第２の基本波光から和周波発生又は第２高調波発生過程を用いて前記第２の励起光を生成して前記第２の二次非線形光学素子に出力する第４の二次非線形光学素子と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光増幅装置。
【請求項４】
前記第１及び第２の二次非線形光学素子は、前記励起光と前記信号光との間で擬似位相整合を満たす周期分極反転構造を有する、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦ｘ≦１）又はＫＴｉＯＰＯ４、或いはそれらに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からなる光導波路を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光増幅装置。
【請求項５】
前記偏波分離多重素子、前記第１の二次非線形光学素子、前記第１の偏波回転子、前記第２の二次非線形光学素子及び前記第２の偏波回転子は、それぞれ光ファイバによってループ状に接続されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光増幅装置。
【請求項６】
前記偏波分離多重素子、前記第１の二次非線形光学素子、前記第１の偏波回転子、前記第２の二次非線形光学素子及び前記第２の偏波回転子は、それぞれ空間光学系によってループ状に光学的に結合されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光増幅装置。
【請求項７】
前記第１の二次非線形光学素子及び前記第２の二次非線形光学素子は、１つのチップにモノリシックに集積されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光増幅装置。
【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において用いられる光増幅装置に関する。
【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、ディ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。しかしながら、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速度に制限があることや、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などの問題があった。
【０００３】
この問題を解決する光増幅手段として、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ある。このような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ため、識別再生光中継器で問題になっていた電気的な処理速度の制限が存在しない。加えて、機器構成も比較的単純である利点を有する。
【０００４】
しかしながら、これらのレーザ増幅器は劣化した信号光波形を整形する機能は有していない。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ので、信号光のＳ／Ｎが増幅前後で少なくとも３ｄＢ低下する。これらは、ディ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。
【０００５】
このような従来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。また、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ために、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原理的に可能である。
【０００６】
図１は、従来のＰＳＡの基本的な構成を示す。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及び第２の光分岐部１０４−１及び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て、位相感応光増幅部１０１に入射する。位相感応増幅部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。
【０００７】
位相感応光増幅部１０１は、入射した信号光１１０の位相と励起光１１１の位相と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している。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ため、つまりＳ／Ｎ比を劣化させずに信号光１１０の増幅が可能になる。
【０００８】
このような信号光１１０と励起光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。加えて、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。その結果、位相感応光増幅部１０２では、上記の原理に基づいてＳ／Ｎ比の劣化のない光増幅が実現される。
【０００９】
なお、励起光位相制御部１０３は、励起光源１０２の出力側で励起光１１１の位相を制御する構成の他に、励起光源１０２の位相を直接制御する構成としてもよい。また信号光１１０を発生する光源が位相感応光増幅部１０１の近くに配置されている場合は、信号光用光源の一部を分岐して励起光として用いることもできる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【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】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３】T. Umeki, O. Tadanaga, M.Asobe, Y. Miyamoto and H. Takenouchi., “First demonstration of high-order QAM signal amplification in PPLN-based phase sensitive amplifier,” Optics Express, 2014年2月, Vol.22, No.3, p.2473-2482
【非特許文献４】Masaki Asobe, Hiroshi Miyazawa, Osamu Tadanaga, Yoshiki Nishida, and Hiroyuki Suzuki, “A Highly Damage-Resistant Zn : LiNbO3 Ridge Waveguide and its Application to a Polarization-Independent Wavelength Converter,” IEEE Journal of Quantum Electronics, 2003年, Vol.39, No 10, p.1327-1333
【非特許文献５】Hongbin Song, Osamu Tadanaga, Takeshi Umeki, Isao Tomita, Masaki Asobe, Shuto Yamamoto, Kunihiko Mori, and Kazushige Yonenaga, “Phase-transparent flexible waveband conversion of 43 Gb/s RZ-DQPSK signals using multiple-QPM-LN waveguides,” Optics Express, 2010年, Vol.18, No.15, p.15332-15337
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述した従来技術では以下に述べるような問題点がある。上述のパラメトリック増幅を行う非線形光学媒質としては周期分極反転ＬｉＮｂＯ３（ＰＰＬＮ）導波路に代表される二次非線形光学材料を用いる方法と、石英ガラスファイバに代表される三次非線形光学材料を用いる方法がある。
【００１２】
図２は、非特許文献１等に開示されているＰＰＬＮ導波路を用いた従来のＰＳＡの構成を例示する。図２に示されるＰＳＡ２００は、エルビウム添加ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）２０１と、第１及び第２の二次非線形光学素子２０２及び２０４と、第１及び第２の光分岐部２０３−１及び２０３−２と、位相変調器２０５と、ＰＺＴによる光ファイバ伸長器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、第２の二次非線形光学素子２０４は、第３の空間光学系２１５と、第２のＰＰＬＮ導波路２１６と、第４の空間光学系２１７と、第２のダイクロイックミラー２１８と、第３のダイクロイックミラー２１９と、を備える。
【００１３】
第１の空間光学系２１１は、第１の二次非線形素子２０２の入力ポートから入力された光を第１のＰＰＬＮ導波路２１２に結合する。第２の空間光学系２１３は、第１のＰＰＬＮ導波路２１２から出力された光を第１のダイクロイックミラー２１４を介して第１の二次非線形光学素子２０２の出力ポートに結合する。第３の空間光学系２１５は、第２の二次非線形光学素子２０４の入力ポートから入力された光を第２のダイクロイックミラー２１８を介して第２のＰＰＬＮ導波路２１６に結合する。第４の空間光学系２１７は、第２のＰＰＬＮ導波路２１６から出力された光を第３のダイクロイックミラー２１９を介して第２の二次非線形光学素子２０４の出力ポートに結合する。
【００１４】
図２に示される例では、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に入射し、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。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ＥＤＦＡ２０１は、入射した励起基本波光２５１を増幅し、第１の二次非線形光学素子２０２−１に入射する。第１の二次非線形光学素子２０２−１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が発生し、当該発生した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とＳＨ光２５２とで縮退パラメトリック増幅を行うことで位相感応増幅を行い、出力信号光２５３を出力する。
【００１５】
ＰＳＡにおいては、信号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と励起光の位相が一致、もしくは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）
【００１６】
図３は、従来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（ｄＢ）との関係を示すグラフである。Δφが−π、０、またはπのときに、利得が最大となっていることがわかる。
【００１７】
図２に示した構成においては、信号光２５０と励起基本波光２５１とを位相同期させるために、位相変調器２０５を用いて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に施した後、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に示される位相差Δφが最小の位相同期が取れている状態で最小となるので、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の位相を制御して信号光２５０と励起基本波光２５１の位相同期を達成することができる。
【００１８】
上記のＰＰＬＮ導波路を非線形媒質として用い、信号光２５０とＳＨ光２５２を第２の二次非線形光学素子２０４に入射して縮退パラメトリック増幅を行う構成においては、一旦ＳＨ光２５２を発生してからパラメトリック増幅を行う際に、例えばダイクロイックミラー２０６−１及び２０６−２の特性を用いて励起基本波光の成分を取り除くことにより、ＳＨ光２５２と信号光２５０のみを第２の二次非線形光学素子２０４のようなパラメトリック増幅媒質に入射することができる。そのため、ＥＤＦＡ２０１の発生する自然放出光の混入による雑音が防げるので、低雑音な光増幅が可能になる。
【００１９】
上述のようにＰＰＬＮ導波路を非線形光学媒質として用い、ＳＨ光２５２を用いて非線形媒質を励起する構成とすることで、ＥＤＦＡ２０１が発生する雑音の影響を受けることなく低雑音な位相感応増幅を行うことができ、また直交位相成分を減衰させる特性を活かして、位相雑音を低減させることができる。
【００２０】
図３に示すように、上述した従来の構成法では、直交する位相成分を減衰させる特性を有しているため、通常の強度変調信号や二値の位相変調を用いるＩＭＤＤ、ＢＰＳＫまたはＤＰＳＫ等の変調信号の増幅に用いることができる。しかし、さらに多値の変調フォーマットであるＱＰＳＫ（４値）や８ＰＳＫやＱＡＭ等の信号を増幅することができないが、非特許文献２及び非特許文献３等に開示されているように非縮退のパラメトリック増幅に基づく構成を用いることで、ＱＰＳＫやＱＡＭ等の多値の位相変調信号を位相感応増幅し、位相再生増幅が可能な構成をとりうることが知られている。
【００２１】
しかしながら、従来技術を用いて構成した位相感応光増幅器は、入力される信号光の偏波に大きく依存するため、実際の光通信システムへ適用するためには課題がある。ＬｉＮｂＯ３に代表される、結晶に異方性を有する二次非線形光学媒質は、２つの直交する偏波に対する屈折率及び非線形定数が異なる。通常、ＰＰＬＮ導波路では最も高い非線形光学定数であるｄ３３を利用できる構成を取り、その構成において位相整合を取ることができるように周期分極反転構造を設ける。例えばＺカットのＬｉＮｂＯ３基板を用いる場合、ＴＭ偏光に対してこの条件が満たされる。一方で、直交する偏波であるＴＥ偏光に対しては、屈折率が異なることから同一波長で位相整合を満たすことはできない。仮に何かしらの方法で位相整合を満たすことができたとしても、ＴＥ偏光に対する非線形定数はｄ３３よりも小さい成分を使うことになるため、効率が大幅に低下する。すなわち、ＰＰＬＮに代表される二次非線形媒質を用いた光パラメトリック過程は、偏波方向に大きく依存し、単一の偏波に対してのみ増幅が可能となる。つまり、従来の構成では、ＰＰＬＮ導波路に入射される光の偏光状態が一定でない場合は、位相感応増幅器としての増幅特性が一定ではなくなってしまう。
【００２２】
実際の光伝送では、光送信機からの光信号は、その偏波の向きを常に同一に保つ構成を取ることは可能である。しかしながら、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）に代表される伝送路として通常用いられる光ファイバは、偏波を保持しないため、伝送後の光信号の偏波の向きは一定していない。さらに、光ファイバに加わる温度変化等の外乱により、光信号の偏波は遂次変化する。このような光信号を増幅する場合、光信号の偏波の向きに対して利得が変化するような光増幅器では、光増幅器より送り出される光信号の強度が時々刻々変化することになり、使用することができない。
【００２３】
さらに、近年の光通信においては、直交する２つの偏波に別々の信号を重畳して周波数利用効率を高める偏波多重（ＰＤＭ）方式が用いられている。つまり、光ファイバを伝送された信号光は、２つの偏波成分を持ちかつ２つの偏波が互いに直交した状態で偏波が回転した状態であり、この偏波の回転の向きは常に変化する。このような光信号を増幅する場合、偏波方向の変化に無依存であるだけでは不十分であり、２つの偏波成分を増幅できる必要がある。しかしながら、従来の位相感応光増幅器において、これらの条件を満たすことのできる構成は示されていなかった。
【００２４】
偏波無依存化に向けた方法として、偏波分離素子で偏波を分離して両者をＴＭ偏光に合わせ各々を位相感応増幅させた後に、合流させる偏波ダイバーシティ構成が考えられる。２つの偏波に対して光路を分離して偏波ダイバーシティを行うためには、少なくとも、偏波の分離・光の増幅・偏波の合成を行う間で、２つに分離した光路における遅延の一致と、２つに分離した光路間で位相の変動がないことが必須となる。
【００２５】
非特許文献３には、直交する偏波を持つ独立の２つの信号をそれぞれ独立に位相感応増幅した後に、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いて合波し、ＰＤＭ信号を生成する構成が示されている。しかしながら、この構成では、位相感応増幅器がファイバ部品で構成されているため、２つの独立した光路の間で位相の変動が発生してしまう。そのため、このままの構成では、任意の偏波を持つ信号光に対するダイバーシティを実現することはできない。このため、非特許文献３の中では、２つの偏波を持つ信号を独立に取り扱うことのできる送信器用の光増幅器として適用することを想定している。
【００２６】
位相感応光増幅器における偏波無依存化とは異なるが、ＰＰＬＮ導波路を用いた波長変換器においては、ＰＰＬＮ導波路の持つ偏波依存性を解消するための構成がいくつか提案されている。非特許文献４には、ＰＰＬＮ導波路内に信号光を往復させる構成が示されている。非特許文献４に示される構成では、まず２つの直交する偏波成分を含んだ信号と片偏波の励起光をＰＰＬＮ導波路に入射し、ＰＰＬＮ導波路中の差周波数発生により２つの直交する偏波成分の内の片方の成分の光から波長変換光が得られる。続いて、波長板を用いて信号光と変換光の偏光を回転させた後、同一のＰＰＬＮ導波路に信号光を変換光と励起光と共に先ほどの入射方向とは逆方向から入射する。この時も片方の偏波成分のみから波長変換光が得られるが、偏光を回転させた後入射するため、往路で得られた偏光成分とは直交する信号光の偏波成分の変換光が得られる。最終的に、往路で得られた変換光と復路で得られた変換光との合成成分が出力の変換光として得られるため、偏波に無依存な波長変換を実現することができる。
【００２７】
非特許文献５には、２つの直交する偏波成分を含んだ信号をＰＢＳでそれぞれの偏波成分に分けた後、同一のＰＰＬＮ導波路の両側から入射する構成が示されている。非特許文献５に示される構成では、ＰＢＳで信号の偏波を分離した後、分離された信号がＰＰＬＮ導波路に入射され、再度同一のＰＢＳで偏波合成されるループ型の形態を取ることで、それぞれに分離された偏波成分を持つ２つの光に対して光路を等しくすることができる。そのため、非特許文献５に示される構成では、偏波分離した場合に生じる位相の変動を小さく抑えることができる特徴を有する。
【００２８】
このように、ＰＰＬＮ導波路を用いた波長変換器においては、同一のＰＰＬＮ導波路を双方向で使うことで偏波依存性を解消する構成が示されている。しかしながら、これらの構成をそのままパラメトリック光増幅を用いた位相感応光増幅器のように、光の利得を得るための構成には適用することはできない。なぜならば、利得が大きくなるほど構成部品からの光反射の影響が大きくなるからである。また、位相感応光増幅器においては、相互作用する信号光と励起光との位相を同期させる必要があり、光反射が大きいと、この位相同期機構にも影響を及ぼし、安定的な増幅動作を実現することは難しい。
【００２９】
以下に、双方向で励起した場合の光の反射の影響による課題について、図４を用いて説明する。図４に、ＰＰＬＮ等の二次非線形光学材料から成る導波路デバイスに、双方向から励起光を入射した場合の反射の影響の概念図を示す。
【００３０】
図４に示した構成例では、ＺカットのＰＰＬＮ導波路を用いて、波長１５６０ｎｍ帯の信号光を増幅すると仮定する。この場合、波長７８０ｎｍ帯の励起光を用いる。この励起光波長によると、ＰＰＬＮ導波路の分極反転周期を適当に選択すれば、いずれの波長の信号光に対しても増幅が可能である。ＰＢＳなどを用いて信号光の内それぞれの偏波成分を分離し、偏波成分がそれぞれ異なる第１の入力信号光４０１及び第２の入力信号光４０２を得ている（この過程は図４では図示せず）。
【００３１】
図４に示されるように、第１の入力信号光４０１と第１の励起光４０３を誘電体多層膜によるダイクロイックミラー４０７を用いて合波した後、当該合波光をＰＰＬＮ導波路４０９に入射する。この時、第１の入力信号光４０１及び第１の励起光４０３共にＴＭ偏波に調整した後ＰＰＬＮ導波路４０９に入射する。その後、ＰＰＬＮ導波路４０９内のパラメトリック増幅過程により増幅された第１の出力信号光４０５を得る。この時、第１の出力信号光４０５の一部を分岐部４１０において分岐した後、光受光器で受光し、その後、ＰＬＬ回路を用いて、第１の入力信号光４０１の位相と第１の励起光４０３の位相とを同期させる。
【００３２】
同様に、第２の入力信号光４０２と第２の励起光４０４を誘電体多層膜によるダイクロイックミラー４０８を用いて合波した後、当該合波光をＰＰＬＮ導波路４０９に入射する。この時、第２の入力信号光４０２及び第２の励起光４０４共にＴＭ偏波に調整した後ＰＰＬＮ導波路４０９に入射する。ＰＰＬＮ導波路４０９内のパラメトリック増幅過程により増幅された第２の出力信号光４０６を得る。この時、第２の出力信号光４０６の一部を分岐部４１１において分岐した後、光受光器で受光し、その後、ＰＬＬ回路を用いて、第２の入力信号光４０２の位相と第２の励起光４０４の位相を同期させる。
【００３３】
図４では、光の反射の影響をＰＰＬＮ導波路４０９の上下に示しており、第１の入力信号光４０１の反射成分を上に、第２の入力信号光４０２の反射成分を下に示している。なお、図４では、影響を簡単に説明するために、ＰＰＬＮ導波路４０９の出力端での信号光の反射のみを考える。実際の構成では、導波路の入力端での反射や、ダイクロイックミラーでの反射光も存在する。また、図４中には示していないが、実際の構成では導波路の入出力にレンズなどの光学部品を用いるため、それらの光学部品からの反射光も存在する。さらに、実際には反射された励起光と信号光の相互作用も考慮に入れる必要があるが、簡略化のため図４では示していない。また、図４では、信号光の反射回数はその影響を説明するために必要な回数（概ね２回）のみを示しているが、実際には多重に反射する。
【００３４】
図４中に示した、第１の入力信号光４０１の反射の影響の様子について述べる。ＰＰＬＮ導波路４０９の入出力端４０９２側から入射した第１の入力信号光４０１は、ＰＰＬＮ導波路４０９内でＧ倍されて出力される。第１の入力信号光４０１の入力信号強度をａ１とすると、当該Ｇ倍された光の強度を図４中ではＧａ１と表記している。ＰＰＬＮ導波路４０９の入出力端４０９１では、反射率Ｒで第１の入力信号光４０１が反射される。当該反射された光の強度を図４中ではＧＲａ１と表記している。入出力端４０９１で反射された光は、ＰＰＬＮ導波路４０９内を伝搬する間に、第２の励起光４０４との相互作用により同様にＧ倍される。実際は、第１の励起光４０３による増幅と第２の励起光４０４による増幅の利得は多少異なる場合もあるが、ここでは同一と近似する。つまり、第１の入力信号光４０１の復路でもＧ倍の利得が得られるため、入出力端４０９２側から出力される反射光が存在することになる。この１度入出力端４０９１で反射され、第１の入力信号光４０１と反対向きに戻る光の強度を図４ではＧ２Ｒａ１と表記している。この反射されて戻ってきた光は、再び入出力端４０９２で反射され、その後第１の励起光４０３との相互作用によりＧ倍され、入出力端４０９１から出力される。この第１の入力信号光４０１と同一方向に出力される光の強度を図４ではＧ３Ｒ２ａ１と表記している。
【００３５】
同様に、入出力端４０９１側から入射した第２の入力信号光４０２は、ＰＰＬＮ導波路４０９内でＧ倍されて出力される。第２の入力信号光４０２の入力信号強度をｂ１とすると、当該Ｇ倍された光の強度を図４中ではＧｂ１と表記している。ＰＰＬＮ導波路４０９の入出力端４０９２では、反射率Ｒで第２の入力信号光４０２が反射される。当該反射光の強度を図４中ではＧＲｂ１と表記している。入出力端４０９２で反射された光は、ＰＰＬＮ導波路４０９内を伝搬する間に、第１の励起光４０３との相互作用により同様にＧ倍される。つまり、第２の入力信号光４０２の復路でもＧ倍の利得が得られるため、入出力端４０９１側から出力される反射光が存在することになる。この１度入出力端４０９２で反射され、第２の入力信号光４０２と反対向きに戻る光の強度を図４ではＧ２Ｒｂ１と表記している。この反射されて戻ってきた光は、再び入出力端４０９１で反射され、その後第２の励起光４０４との相互作用によりＧ倍され、出力される。この第２の入力信号光４０２と同一方向に出力される光の強度を図４ではＧ３Ｒ２ｂ１と表記している。
【００３６】
よって、第１の入力信号光４０１、第２の入力信号光４０２、第１の励起光４０３、第２の励起光４０４を双方向で同一のＰＰＬＮ導波路に入射した場合、入出力端４０９１及び４０９２からの２回程度の反射を考えても、第１の出力信号光４０５の強度ＯＡ１及び第２の出力信号光４０６の強度ＯＢ１はそれぞれ以下の（式１）、（式２）のように示される。  
ＯＡ１＝Ｇａ１＋Ｇ２Ｒｂ１＋Ｇ３Ｒ２ａ１＋・・・      （式１）
ＯＢ１＝Ｇｂ１＋Ｇ２Ｒａ１＋Ｇ３Ｒ２ｂ１＋・・・      （式２）
第１の出力信号光４０５としては、本来、第１の入力信号光４０１の強度をＧ倍した（式１）中のＧａ１の項を有する光のみが出力されることが望ましい。しかしながら、図４に示した通り、Ｇ２Ｒｂ１＋Ｇ３Ｒ２ａ１の強度を有する反射光も同時に出力されてしまうことが分かる。この反射光は、増幅された信号光と干渉し、信号品質を劣化させる雑音となってしまうという課題があることが分かる。
【００３７】
ここで仮に、第１の入力信号光の強度を１（ａ１＝１）、増幅利得を２０ｄＢ（Ｇ＝１００倍）、端面での反射率を−３０ｄＢ（Ｒ＝０．００１）として考えると、主信号は１００倍されるので強度が１００となる。しかしながら、雑音成分となってしまう反射光は、それぞれＧ２Ｒｂ１＝１０、Ｇ３Ｒ２ａ１＝１となり、この２つの成分のみを考えただけでも、増幅された主信号に対して１０％以上の強度の雑音が発生することになる。実際には、多重反射のため、より反射光の影響が大きいことは明らかである。
【００３８】
また、図４、（式１）及び（式２）から明らかなように、単純に同一導波路を双方向から励起すると、一度の反射で、往路復路の両方で光が増幅されるため、反射光の影響が大きくなることが分かる。つまり、反射率Ｒが利得Ｇに比べ小さい場合でも、反射率Ｒに掛かる乗数と利得Ｇに掛かる乗数が異なるため、反射光が増幅された主信号成分に比べて大きく影響を及ぼすほど、強度が大きくなってしまうという課題がある。利得Ｇが大きくなれば、場合によっては発振してしまうなどの問題もある。
【００３９】
さらに、位相感応光増幅器としてこの構成を適用するためには、信号光と励起光の位相を同期させる必要があるが、雑音成分となる反射光は、増幅された主信号とは異なる位相を持っているため、出力側の一部を受光して位相同期を行う場合に、安定的に位相同期を行うことができないという課題もあった。
【００４０】
これらの理由から、従来の構成を用いては、偏波無依存の位相感応光増幅器を構成することはできなかった。
【００４１】
上記問題を鑑みて、本発明の目的は、二次非線形光学材料を用いて構成した光増幅装置において、反射光の影響を従来方法に比べて大幅に低減した光増幅装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４２】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に記載の光増幅装置は、第１及び第２の励起光を用いた光パラメトリック増幅により信号光を増幅する光増幅装置であって、前記信号光を２つの偏波成分に分離して出力する偏波分離多重素子と、入射した光の偏光方向を９０°回転して出力する第１及び第２の偏波回転子と、前記偏波分離多重素子から前記２つの偏波成分のうちの一方の偏波成分を有する信号光を入力し、前記一方の偏波成分を有する信号光と前記第１の励起光との光パラメトリック増幅により第１の増幅信号光を生成する第１の二次非線形光学素子と、前記偏波分離多重素子から前記２つの偏波成分のうちの他方の偏波成分を有する信号光を前記第２の偏波回転子を介して入力し、前記他方の偏波成分を有する信号光と前記第２の励起光との光パラメトリック増幅により第２の増幅信号光を生成する第２の二次非線形光学素子と、を備え、前記第１の二次非線形光学素子から出力された前記第１の増幅信号光は、前記第１の偏波回転子、前記第２の二次非線形光学素子、及び前記第２の偏波回転子を介して前記偏波分離多重素子に入射し、前記第２の二次非線形光学素子から出力された前記第２の増幅信号光は、前記第１の偏波回転子及び前記第１の二次非線形光学素子を介して前記偏波分離多重素子に入射し、前記偏波分離多重素子は、入射した前記第１及び第２の増幅信号光を合波して出力することを特徴とする。
【００４３】
本発明の請求項２に記載の光増幅装置は、本発明の請求項１に記載の光増幅装置であって、前記２つの偏波成分のうちの一方の偏波成分を有する信号光と前記第１の励起光とを合波して前記第１の二次非線形光学素子に出力する第１の合波器と、前記２つの偏波成分のうちの他方の偏波成分を有する信号光と前記第２の励起光とを合波して前記第２の二次非線形光学素子に出力する第２の合波器と、前記第１の二次非線形光学素子の出力のうち、前記第１の増幅信号光と前記第１の励起光を分離して、前記第１の増幅信号光を前記第１の偏波回転子に出力する第１の分波器と、前記第２の二次非線形光学素子の出力のうち、前記第２の増幅信号光と前記第２の励起光を分離して、前記第２の増幅信号光を前記第１の偏波回転子に出力する第２の分波器と、をさらに備えたことを特徴とする。
【００４４】
本発明の請求項３に記載の光増幅装置は、本発明の請求項１又は２に記載の光増幅装置であって、前記第１の二次非線形光学素子から出力された前記第１の増幅信号光を２分岐して、前記第１の増幅信号光の一方を前記偏波分離多重素子に出力する第１の光分岐部と、前記第２の二次非線形光学素子から出力された前記第２の増幅信号光を分岐して、分岐された前記第２の増幅信号光の一方を前記偏波分離多重素子に出力する第２の光分岐部と、前記第１の光分岐部で分岐された前記第１の増幅信号光の他方を受光して前記信号光と前記第１の励起光との位相同期を行う第１の位相同期回路と、前記第２の光分岐部で分岐された前記第２の増幅信号光の他方を受光して前記信号光と前記第３の励起光との位相同期を行う第２の位相同期回路と、第１の基本波光を増幅する第１の光ファイバレーザ増幅器と、当該増幅した第１の基本波光から和周波発生又は第２高調波発生過程を用いて前記第１の励起光を生成して前記第１の二次非線形光学素子に出力する第３の二次非線形光学素子と、第２の基本波光を増幅する第２の光ファイバレーザ増幅器と、当該増幅した第２の基本波光から和周波発生又は第２高調波発生過程を用いて前記第２の励起光を生成して前記第２の二次非線形光学素子に出力する第４の二次非線形光学素子と、をさらに備えたことを特徴とする。
【００４５】
本発明の請求項４に記載の光増幅装置は、本発明の請求項１乃至３のいずれかに記載の光増幅装置であって、前記第１及び第２の二次非線形光学素子は、前記励起光と前記信号光との間で擬似位相整合を満たす周期分極反転構造を有する、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦ｘ≦１）又はＫＴｉＯＰＯ４、或いはそれらに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からなる光導波路を有することを特徴とする。
【００４６】
本発明の請求項５に記載の光増幅装置は、本発明の請求項１乃至４のいずれかに記載の光増幅装置であって、前記偏波分離多重素子、前記第１の二次非線形光学素子、前記第１の偏波回転子、前記第２の二次非線形光学素子及び前記第２の偏波回転子は、それぞれ光ファイバによってループ状に接続されていることを特徴とする。
【００４７】
本発明の請求項６に記載の光増幅装置は、本発明の請求項１乃至４のいずれかに記載の光増幅装置であって、前記偏波分離多重素子、前記第１の二次非線形光学素子、前記第１の偏波回転子、前記第２の二次非線形光学素子及び前記第２の偏波回転子は、それぞれ空間光学系によってループ状に光学的に結合されていることを特徴とする。
【００４８】
本発明の請求項７に記載の光増幅装置は、本発明の請求項１乃至６のいずれかに記載の光増幅装置であって、前記第１の二次非線形光学素子及び前記第２の二次非線形光学素子は、１つのチップにモノリシックに集積されていることを特徴とする請。
【発明の効果】
【００４９】
本発明は、２つの直交する偏波成分の信号光を同一経路で独立に増幅することが可能であり、反射光の影響を従来方法に比べて大幅に低減できるため、分離・増幅の間の位相変動の影響を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】従来の位相感応光増幅器の構成の説明図である。
【図２】従来の二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器の構成の説明図である。
【図３】従来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と利得との関係を示すグラフである。
【図４】従来の双方向励起の構成を用いた場合の光の反射の影響を説明するための概念図である。
【図５】本発明の実施例１に係る光増幅装置の構成を示す図である。
【図６】本発明の実施例１に係る光増幅装置における反射光の影響を説明するための図である。
【図７】本発明の実施例２に係る光増幅装置の構成を示す図である。
【図８】本発明の実施例３に係る光増幅装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
以下、図面を参照しながら本発明の各実施例について詳細に説明する。
【００５２】
（実施例１）
本実施例１に係る光増幅装置では、任意の偏波を持つ信号光入力に無依存で増幅可能な、ＰＰＬＮ導波路を用いたＰＳＡの構成を示す。本実施例１に係る光増幅装置は、任意の偏波方向に偏光した入力信号光を、偏向ビームスプリッタ（ＰＢＳ）などの偏波分離多重素子を用いて２つの偏波成分に分け、それぞれの偏波成分を右回りと左回りの両方向について、光ファイバ部品を用いたループ上に伝搬させる構成を用いている。
【００５３】
図５は、本発明の実施例１に係る光増幅装置の構成を示す。図５には、第１及び第２のＥＤＦＡ５０１及び５０２と、第１及び第２のバンドパスフィルタ５０３及び５０４と、第１乃至第４の二次非線形光学素子５０５乃至５０８と、ＰＢＳ５０９と、偏波回転子５１０及び５１１と、第１及び第２の光分波器５１２及び５１３と、第１及び第２の偏光子５１４及び５１５と、第１及び第２の光検出器５１６及び５１７と、第１及び第２のＰＬＬ回路５１８及び５１９と、位相変調器・ＰＺＴによる第１及び第２の光ファイバ伸長器５２０及び５２１と、を備えた光増幅装置が示されている。
【００５４】
第１の二次非線形光学素子５０５は、第１及び第２の空間光学系５２２及び５２４と、第１のＰＰＬＮ導波路５２３と、第１のダイクロイックミラー５２５と、を備える。第２の二次非線形光学素子５０６は、第３及び第４の空間光学系５２６及び５２８と、第２のＰＰＬＮ導波路５２７と、第２のダイクロイックミラー５２９と、を備える。第３の二次非線形光学素子５０７は、第５及び第６の空間光学系５３０及び５３２と、第３のＰＰＬＮ導波路５３１と、第３及び第４のダイクロイックミラー５３３及び５３４と、を備える。第４の二次非線形光学素子５０８は、第７及び第８の空間光学系５３５及び５３７と、第４のＰＰＬＮ導波路５３６と、第５及び第６のダイクロイックミラー５３８及び５３９と、を備える。偏波回転子５１０及び５１１は、λ／２波長板のように直線偏光を９０°回転させる光学素子を用いてもよいし、偏波保持ファイバを物理的に９０°回転させて接続するような機構でもよい。
【００５５】
第１の空間光学系５２２は第１の二次非線形光学素子５０５に入力された光を第１のＰＰＬＮ導波路５２３に結合し、第３の空間光学系５２６は第２の二次非線形光学素子５０６に入力された光を第２のＰＰＬＮ導波路５２７に結合する。第５の空間光学系５３０は第３の二次非線形光学素子５０７に入力された光を第３のダイクロイックミラー５３３を介して第３のＰＰＬＮ導波路５３１に結合し、第７の空間光学系５３５は第４の二次非線形光学素子５０８に入力された光を第５のダイクロイックミラー５３８を介して第４のＰＰＬＮ導波路５３６に結合する。
【００５６】
第２の空間光学系５２４は第１のＰＰＬＮ導波路５２３から出力された光を第１のダイクロイックミラー５２５を介して第１の二次非線形光学素子５０５の出力ポートに結合し、第４の空間光学系５２８は第２のＰＰＬＮ導波路５２７から出力された光を第２のダイクロイックミラー５２９を介して第２の二次非線形光学素子５０６の出力ポートに結合する。第６の空間光学系５３２は第３のＰＰＬＮ導波路５３２から出力された光を第４のダイクロイックミラー５３４を介して第３の二次非線形光学素子５０７の出力ポートに結合し、第８の空間光学系５３７は第４のＰＰＬＮ導波路５３６から出力された光を第６のダイクロイックミラー５３９を介して第４の二次非線形光学素子５０８の出力ポートに結合する。
【００５７】
図５に示される例では、信号光と同じ波長帯の基本波光からの第２高調波発生により光増幅に用いる励起光を生成する。信号光波長を光ファイバ通信で用いられる１５６０ｎｍ帯として説明する。二次非線形光学効果を用いたパラメトリック増幅過程では、信号光波長の概ね半分の波長（７８０ｎｍ帯）の光が励起光として必要となる。信号光と位相同期可能な同一波長帯の基本波からＰＰＬＮ導波路中の和周波発生もしくは第２高調波発生を用いて励起光を生成する。基本波光は、例えば光増幅装置が信号光源の近くに設置できるような場合は、信号光源から分岐された光を用いてもよいし、信号光光源からの出力を用いることができない場合は信号光の一部を光注入同期などで光増幅装置内の局発光源と同期させるような形で基本波光を生成してもよい。本実施例では、基本波光を２分岐し、それぞれ第１の基本波光１及び第２の基本波光２として用いている。また、基本波光から和周波発生もしくは第２高調波発生を用いて励起光を生成し、生成された励起光を２分岐し、それぞれを第１の励起光１及び第２の励起光としてもよい。
【００５８】
第１の基本波光１は、第１のＥＤＦＡ５０１に入射して増幅されて、第１の二次非線形光学素子５０５に入射する。第１の二次非線形光学素子５０５内の第１のＰＰＬＮ導波路５２３中の第２高調波発生により第１の基本波光１が波長７８０ｎｍ帯の第１の励起光４に変換される。第１の二次非線形光学素子５０５では、第１のダイクロイックミラー５２５を用いて、変換されずに残った第１の基本波光１のみを反射して第１の励起光４のみを透過することにより、２つの波長の光を分離する。第１の二次非線形光学素子５０５から出力された第１の励起光４は、第３の二次非線形光学素子５０７に入射する。
【００５９】
同様に、第２の基本波光２は、第２のＥＤＦＡ５０２に入射して増幅されて、第２の二次非線形光学素子５０６に入射する。第２の二次非線形光学素子５０６内の第２のＰＰＬＮ導波路５２７中の第２高調波発生により第２の基本波光２が波長７８０ｎｍ帯の第２の励起光５に変換される。第２のダイクロイックミラー５２９を用いて、変換されずに残った第２の基本波光２のみを反射して第２の励起光５のみを透過することにより、２つの波長の光を分離する。第２の二次非線形光学素子５０６から出力された第２の励起光５は、第４の二次非線形光学素子５０８に入射する。
【００６０】
ここで、本実施例で用いた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調が可能であり、導波路の長さは、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は、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とした。ここで、本実施例では、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よい。
【００６１】
任意の偏光方向に傾いた状態である１５６０ｎｍ帯の信号光３は、ＰＢＳ５０９に入射され、ＰＢＳ５０９において２つの直交する偏波成分に分離される。信号光３の内のＴＭ偏光成分はＰＢＳ５０９で反射され、縦偏波成分の信号光として図５に示されるループ内の左回り方向に導入され、第３の二次非線形光学素子５０７に入射する。
【００６２】
第３の二次非線形光学素子５０７内に入射した第１の励起光４及び縦偏波成分の信号光３は、第３のダイクロイックミラー５３３により特定の波長で波長合波された後に、第３のＰＰＬＮ導波路５０７に入射される。第３のＰＰＬＮ導波路５０７中のパラメトリック増幅過程により、第１の励起光４からのエネルギーの移項が起こり、信号光３が増幅されて第１の増幅信号光６が生成される。その後、第４のダイクロイックミラー５３４を用いて、第１の励起光４のみを反射して、第１の増幅信号光６のみを透過することにより、２つの波長の光を分離する。
【００６３】
第３の二次非線形光学素子５０７から出力された縦偏波成分の第１の増幅信号光６は、偏波回転子５１０により偏光方向を９０°回転されてＴＥ偏光となる。このＴＥ偏光の縦偏波成分の第１の増幅信号光６は、第４の二次非線形光学素子５０８に入力される。第１の増幅信号光６は、第２の励起光５が第１の増幅信号光６とは逆向きに伝搬していること及び第１の増幅信号光６が相互作用の起こさないＴＥ偏光で入力されていることから、第４の二次非線形光学素子５０８においてパラメトリック増幅等の非線形過程を受けることはない。第４の二次非線形光学素子５０８は、ＴＥ偏光の縦偏波成分の第１の増幅信号光６に対しては単純に線形損失媒体となるため、第１の増幅信号光６が変換されずに第４の二次非線形光学素子５０８から出力される。
【００６４】
第４の二次非線形光学素子５０８から出射されたＴＥ偏光の縦偏波成分の第１の増幅信号光６は、第１の光分波器５１２により一部が分岐され、第１の偏光子５１４を透過して、第１の光検出器５１６で受光される。その後、第１の光検出器５１６の出力に基づいて、第１のＰＬＬ回路５１８を用いて第１の励起光４と縦偏波成分の信号光３との間の位相同期を行う。これは、実際の位相感応な増幅動作においては、各光学部品を接続する光ファイバの伸び縮みによる光路長の変動による位相変動の影響を抑圧するためであり、第１のＰＬＬ回路５１８を介して位相変調器・ＰＺＴによる第１の光ファイバ伸長器５２０にフィードバックを行い、安定的な動作を実現している。
【００６５】
その後、ＴＥ偏光の縦偏波成分の第１の増幅信号光６は、偏光回転子５１１を用いて偏光方向を９０°回転されてＴＭ偏光となり、ＰＢＳ５０９に入射する。ＴＭ偏光の縦偏波成分の第１の増幅信号光６は、ＰＢＳ５０９で反射されて後述する第２の増幅信号光７と合波され、当該合波光が出力ポートから出力光８として取り出される。
【００６６】
同様に、信号光３の内のＴＥ偏光成分は、ＰＢＳ５０９を透過し、横偏波成分の信号光３として図５に示されるループ内の右回り方向に導入される。横偏波成分の信号光３は、偏波回転子５１１を用いて偏光方向を９０°回転された後、第４の二次非線形光学素子５０８に入射する。偏波回転子５１１により、横偏波成分の信号光３はＴＭ偏光となる。
【００６７】
第４の二次非線形光学素子５０８内に入射したＴＭ偏光の横偏波成分の信号光３及び第２の励起光５は、第５のダイクロイックミラー５３８により波長合波された後に第４のＰＰＬＮ導波路５３６に入射される。第４のＰＰＬＮ導波路５３６中のパラメトリック増幅過程により、第２の励起光５からのエネルギーの移項が起こり、ＴＭ偏光の横偏波成分の信号光３が増幅されて第２の増幅信号光７が生成される。その後、第６のダイクロイックミラー５３９を用いて第２の励起光５のみを反射して第２の増幅信号光７のみを透過して、２つの波長の光を分離する。
【００６８】
第４の二次非線形光学素子５０８から出力された第２の増幅信号光７は、偏波回転子５１０を用いて偏光方向を９０°回転されてＴＥ偏光となる。このＴＥ偏光の横偏波成分の第２の増幅信号光７は、第３の二次非線形光学素子５０７に入力される。第２の増幅信号光７は、第１の励起光４が第２の増幅信号光７とは逆向きに伝搬していること及び第２の増幅信号光７が相互作用の起こさないＴＥ偏光で入力されていることから、第３の二次非線形光学素子５０７においてパラメトリック増幅等の非線形過程を受けることはない。第３の二次非線形光学素子５０７は、ＴＥ偏光の横偏波成分の第２の増幅信号光７に対しては、単純に線形損失媒体となるため、第２の増幅信号光７が変換されずに第３の二次非線形光学素子５０７から出力される。
【００６９】
第３の二次非線形光学素子５０７から出射されたＴＥ偏光の横偏波成分の第２の増幅信号光７は、第２の光分波器５１３により一部が分岐され、第２の偏光子５１５を透過して、第２の光検出器５１７で受光される。その後、第２の光検出器５１７の出力に基づいて、第２のＰＬＬ回路５１９を用いて第１の励起光と横偏波成分の信号光３との間の位相同期を行う。これは、第２のＰＬＬ回路５１９を介して位相変調器・ＰＺＴによる第２の光ファイバ伸長器５２１にフィードバックを行い、安定的な動作を実現している。
【００７０】
その後、ＴＥ偏光の横偏波成分の第２の増幅信号光７は、ＰＢＳ５０９に再度入射して透過してＴＭ偏光の縦偏波成分の増幅信号光６と合波され、当該合波光が出力ポートから出力光８として取り出される。
【００７１】
図５に示した構成では、ループ状の構成とすることで２つの直交する偏波成分を同一経路で独立に増幅することが可能であり、分離・増幅の間の位相変動の影響を抑制することができる。さらに、反射光の影響も従来方法に比べて大幅に低減できる。また本実施例では、第１の光分波器５１２を第４の二次非線形光学素子５０８の出力後に設置しているが、第３の二次非線形光学素子５０７の出力後であればループ内のいずれの場所で構わない。同様に第２の光分波器５１３は第３の二次非線形光学素子５０７の出力後に設置しているが、第４の二次非線形光学素子５０８の出力後であればループ内のいずれの場所で構わない。例えば、第１の光分波器５１２および第２の光分波器５１３を第３の二次非線形光学素子５０７と第４の二次非線形光学素子５０８の間に配置してもよい。この場合、光分波器が光増幅された光の光路にしか入らないため、より増幅器としての雑音特性が向上する。さらに、第１の光分波器５１２および第２の光分波器５１３を第３の二次非線形光学素子５０７と第４の二次非線形光学素子５０８の間に配置する場合、例えば２入力２出力の光分波器を用いれば第１の光分波器５１２および第２の光分波器５１３を一つの光学素子で構成することが可能であり部品点数を減らすことができる。
【００７２】
図６に、本発明の実施例１に係る光増幅装置における反射光の影響の概念図を示す。ＰＢＳを用いて信号光３をそれぞれの偏波成分を分離し、それぞれ縦偏波成分の信号光３Ａ及び横偏波成分の信号光３Ｂの光を得ている（この過程は図示せず）。図６では、光の反射の影響をＰＰＬＮ導波路の上下に示しており、縦偏波成分の信号光３Ａの反射成分を上に、横偏波成分の信号光３Ｂの反射成分を下に示している。また、図６では、簡略化のため図５に示した空間光学系等は図示を省略している。
【００７３】
図６では、反射光の影響を簡単に説明するために、導波路の出力端での信号光の反射のみを考える。実際の構成では、導波路の入力端での反射や、ダイクロイックミラーでの反射光も存在する。また、図６中には示していないが、実際の構成では導波路の入出力にレンズなどの光学部品を用いるため、それらの光学部品からの反射光も存在する。さらに、実際には反射された励起光と信号光の相互作用も考慮に入れる必要があるが、図６では示していない。また、信号光の反射回数はその影響を説明するために必要な回数（概ね２回）のみを示しているが、実際には多重に反射する。
【００７４】
図６を用いて、本発明の実施例１に係る光増幅装置における縦偏波成分の信号光３Ａの反射の影響様子について述べる。第３のＰＰＬＮ導波路５３１の端部６０１から入射した強度ａを有する縦偏波成分の信号光３Ａは、第３のＰＰＬＮ導波路５３１内でＧ倍されて第１の増幅信号光６として出力される。図６中では、第１の増幅信号光６の強度をＧａ(ＴＭ)と表記している。
【００７５】
第３のＰＰＬＮ導波路５３１の端部６０２では、反射率Ｒで信号光３Ａが反射される。信号光３Ａの反射光の強度を図６中ではＧＲａ(ＴＭ)と表記している。逆方向には励起光が存在しないため、信号光３Ａの反射光が第３のＰＰＬＮ導波路５３１内を伝搬する間に増幅されることはない。
【００７６】
縦偏波成分の第１の増幅信号光６は、偏波回転子５１０を通過してＴＥ偏光に変換された後、第４のＰＰＬＮ導波路５３６の端部６０３から入射する。この時も伝搬方向と同一方向には励起光が存在しないため、第４のＰＰＬＮ導波路５３６中を伝搬する間に第１の増幅信号光６が増幅されることはない。励起光が存在しないだけでなく、偏光が相互作用を起こさないＴＥ偏光であるため、たとえ反射された励起光などがあっても増幅されることはない。これにより、第１の増幅信号光６は、第４のＰＰＬＮ導波路５３６中を伝搬した後には、単純に線形損失Ｌを受けた後に出力される。線形損失Ｌを受けた後の第１の増幅信号光６の強度を図６中ではＧＬａ(ＴＥ)と表記している。
【００７７】
第４のＰＰＬＮ導波路５３６の端部６０４では、反射率Ｒで、縦偏波成分の第１の増幅信号光６が反射される。第４のＰＰＬＮ導波路５３６内では、第２の励起光５が反射された縦偏波成分の第１の増幅信号光６と同じ向きで存在するが、偏光が直交するため相互作用を起こさず、ここでも反射光が増幅されることはない。端部６０４で反射され、第４のＰＰＬＮ導波路５３６を伝搬した後出力された第１の増幅信号光６の反射光は、偏波回転子５１０を通過してＴＭ偏光に変換された後、第３のＰＰＬＮ導波路５３１に端部６０２から入射する。ここでも、第１の増幅信号光６は、同一方向に励起光が存在しないため、増幅過程は起きず、線形損失Ｌを受けた後、第３のＰＰＬＮ導波路５３１から出力される。この時の第１の増幅信号光６の反射光の強度を図６中ではＧＬ２Ｒａ(ＴＥ)と表記している。
【００７８】
同様に、端部６０４から第４のＰＰＬＮ導波路５３６に入射する横偏波成分の信号光３Ｂに対する反射光も考慮して、第３のＰＰＬＮ導波路５３１の端部６０１及び第４のＰＰＬＮ導波路５３６の端部６０４から出力される光の強度をそれぞれＯＡ、ＯＢとすると、以下の（式３）、（式４）で示される。  
ＯＡ＝ＧＬａ(TE)＋ＧＲｂ(TM)＋ＧＬ2Ｒｂ(TM)＋Ｇ2ＬＲ2ａ(TE)＋Ｇ2Ｌ3Ｒ2ａ(TE)＋・・・(式３)
ＯＢ＝ＧＬｂ(TE)＋ＧＲａ(TM)＋ＧＬ2Ｒａ(TM)＋Ｇ2ＬＲ2ｂ(TE)＋Ｇ2Ｌ3Ｒ2ｂ(TE)＋・・・(式４)
強度ＯＡとしては、本来Ｇ倍された信号ａ（式中でのＧＬａ）のみが出力されることが望ましいが、図６に示した通り、反射光も同時に出力されてしまう。しかし、この反射光は本発明の構成を用いていることで、従来のような二次非線形光学媒質において単純に双方向で励起する構成に比べその影響が大幅に低減できている。
【００７９】
ここで仮に、入力信号強度を１（ａ＝１）、増幅利得を２０ｄＢ（Ｇ＝１００倍）、端面での反射率を−３０ｄＢ（Ｒ＝０．００１）、線形損失４ｄＢ（Ｌ＝０．４）として考えてみる。主信号は、４０倍されるので強度が４０となる。雑音成分となってしまう反射光は、それぞれＧＲｂ(TM)＝０．１、ＧＬ２Ｒｂ(TM)＝０．０１６、Ｇ２ＬＲ２ａ(TE)＝０．００４、Ｇ２Ｌ３Ｒ２ａ(TE)＝０．０００６４となり、この４つの成分を全て考えても、増幅された主信号に対して０．３％程度の強度の雑音しか発生しないことになる。これは、（式３）からも分かる通り、従来の双方向励起の構成とは異なり、反射率Ｒに掛かる乗数よりも利得Ｇに掛かる乗数の方が大きいということがないことから、反射光が大きく増幅されることがないためである。これは、それぞれの偏波成分に対する増幅過程を独立に行う本発明の構成によるものである。図６では、２回程度の反射を考えており、実施例１に係る光増幅装置では実際には多重反射が存在するが、従来の双方向励起の構成とは異なり、反射を繰り返すたびに強度が低下するため多重反射の影響は極めて小さい。
【００８０】
さらに、本発明では、偏波依存性を利用して反射光の影響を低減できるように構成されている。（式３）から分かる通り、小さい雑音成分の中でも比較的大きい反射光成分である（式３）の第２項ＧＲｂ(TM)及び第３項ＧＬ2Ｒｂ(TM)は、増幅された主信号強度ＧＬａ(TE)とは直交する偏波を持っている。つまり、主信号が図５中の偏波回転子５１１を通過してＴＭ偏光に変換され、ＰＢＳ５０９で反射されて出力される一方で、反射光は図５中の偏波回転子５１１を通過してＴＥ偏光に変換されるため、ＰＢＳ５０９を通過し出力ポートには入射されない構成となっている。このため、雑音がＰＢＳ５０９でフィルタリングされるため、出力光８には（式３）の第２項ＧＲｂ(TM)及び第３項ＧＬ2Ｒｂ(TM)による雑音が重畳されることはない。これにより、主信号に対する反射光の漏れ込みは、（式３）の第４項Ｇ2ＬＲ2ａ(TE)及び第５項Ｇ2Ｌ3Ｒ2ａ(TE)のような主信号と同じ偏波成分のみとなり、これらの合計は主信号に対して０．０１％程度であり、極めて小さい。
【００８１】
位相同期を行うための光検出器においても反射光が存在すると、反射光が雑音として影響するが、ここでも同様に反射光のうち偏波の異なる成分に関しては、偏光子などの単一偏波成分を透過して直交位相を透過させない光学デバイスを用いてフィルタリングすれば、反射光の影響を極めて小さくすることができる。
【００８２】
図５に示した本実施例に係る光増幅装置に、偏波が４５°の直線偏光のＣＷ信号光を入力した。ループにおける右回りの信号光と左回りの信号光とで同一の利得となるように、それぞれ第１及び第２の励起光強度を調整して位相感応増幅を試みた。その結果、出力として増幅された４５°の直線偏光の信号が得られた。
【００８３】
次に、信号光を２値の位相変調（ＢＰＳＫ）フォーマットで変調した後、偏波をランダムに回転させる偏波スクランブルを施し、本実施例１に係る光増幅装置に入射した。入力と出力のビットエラーレートを測定したところ、出力信号に対するビットエラーレートは入力信号に対するビットエラーレートと同等で、パワーペナルティなく増幅されていることが確認され、本実施例１に係る光増幅装置が任意の偏波の入力に対して増幅可能で、偏波に対して無依存で動作できていることを確認した。
【００８４】
次に、２つの直交する偏波の光の両方に変調信号を用いる偏波多重信号を、本実施例１に係る光増幅装置に入力した。偏波多重信号は、同一光源から生成した光をそれぞれの偏波の光に用いた。この場合、ＰＢＳ５０９を通過及び反射した光は２つの偏波成分がそれぞれ混ざった形となる。しかしながら、同一光源から多重信号を生成しているため、励起光との位相同期が可能で、両方の偏波成分に対して増幅が可能であった。
【００８５】
本実施例では、位相同期の必要な位相感応型光増幅装置を構成した例を示したが、位相不感応な光パラメトリック増幅を用いても本発明の効果が失われることはない。本発明を用いれば位相不感応な光パラメトリック増幅器を偏波無依存の状態で動作させることもできる。
【００８６】
（実施例２）
以下、本発明の実施例２に係る光増幅装置について説明する。図７は、本発明の実施例２に係る光増幅装置を示す。図７には、第１乃至第４の空間光学系７０１乃至７０４と、第１及び第２のダイクロイックミラー７０５及び７０６と、第１及び第２のＰＰＬＮ導波路７０７及び７０８と、第１及び第２の波長分波器７０９及び７１０と、偏波回転子７１１及び７１２と、ＰＢＳ７１３とを備えた光増幅装置が示されている。
【００８７】
実施例１では、ＰＢＳで信号光を分離した後のループの構成部分に光ファイバ部品を用いていたが、光増幅装置をより小型に安定的に動作させるために、実施例２では、ループ構成部分を位相変動の少ない空間光学系で構成し、空間光学系によって各構成要素を光学的に結合した。図７では、励起光の生成部分と位相同期のための機構に関しては簡略化のため図示しないが、実施例２では実施例１と同様な方法で位相同期動作が可能である。
【００８８】
任意の偏光方向に傾いた状態である信号光１３は、第３の空間光学系７０３を介してＰＢＳ７１３に入射され、ＰＢＳ７１３において２つの直交する偏波成分に分離される。信号光１３の内のＴＭ偏光成分はＰＢＳ７１３で反射され、縦偏波成分の信号光１３は第１のダイクロイックミラー７０５に入射する。第１のダイクロイックミラー７０５内に入射した第１の励起光１１及び縦偏波成分の信号光１３は、波長合波された後に、第１のＰＰＬＮ導波路７０７に入射する。第１のＰＰＬＮ導波路７０７中のパラメトリック増幅過程により、第１の励起光１１からのエネルギーの移項が起こり、信号光１３が増幅されて第１の増幅信号光１４が生成される。その後、第１の波長分波器７０９により２つの波長の光を分離して、第１の増幅信号光１４のみを第４の空間光学系７０４に通じる出力ポートから出力する。
【００８９】
第１のＰＰＬＮ導波路７０７から出力された縦偏波成分の第１の増幅信号光１４は、偏波回転子７１１により偏光方向を９０°回転されてＴＥ偏光となる。このＴＥ偏光の縦偏波成分の第１の増幅信号光１４は、第４の空間光学系７０４を介して第２のＰＰＬＮ導波路７０８に入力される。第１の増幅信号光１４は、第２の励起光１２が第１の増幅信号光１４とは逆向きに伝搬していること及び第１の増幅信号光１４が相互作用の起こさないＴＥ偏光で入力されていることから、第２のＰＰＬＮ導波路７０８においてパラメトリック増幅等の非線形過程を受けずに出力される。第２のＰＰＬＮ導波路７０８から出射されたＴＥ偏光の縦偏波成分の第１の増幅信号光１４は、第２の空間光学系７０２を介して第２のダイクロイックミラー７０６に入射して、一部が偏波回転子７１２に入射し、他の一部が信号光１３と第１の励起光１１との位相同期に用いられる。偏光回転子７１２に入射した第１の増幅信号光１４は、偏光方向が９０°回転されてＴＭ偏光となり、ＰＢＳ７１３に入射する。ＴＭ偏光の第１の増幅信号光１４は、ＰＢＳ７１３で反射されて後述する第２の増幅信号光１５と合波され、当該合波光が第３の空間光学系７０３を介して出力光１６として取り出される。
【００９０】
同様に、信号光１３の内のＴＥ偏光成分は、空間光学系７０３を介してＰＢＳ７１３を透過し、横偏波成分の信号光１３として偏波回転子７１２に入射する。横偏波成分の信号光１３は、偏波回転子７１２により偏光方向が９０°回転されてＴＭ偏光となり、第２のダイクロイックミラー７０６に入射する。第２のダイクロイックミラー７０６内に入射したＴＭ偏光の横偏波成分の信号光１３及び第２の励起光１２は、波長合波された後、第２のＰＰＬＮ導波路７０８に入射する。第２のＰＰＬＮ導波路７０８中のパラメトリック増幅過程により、第２の励起光１２からのエネルギーの移項が起こり、ＴＭ偏光の横偏波成分の信号光１３が増幅されて第２の増幅信号光１５が生成される。その後、第６のダイクロイックミラー５３９を用いて第２の励起光１２のみを反射して第２の増幅信号光７のみを透過して、２つの波長の光を分離する。その後、第２の波長分波器７１０により２つの波長の光を分離して、第２の増幅信号光１５のみを第４の空間光学系７０４に通じる出力ポートから出力する。
【００９１】
第２のＰＰＬＮ導波路７０８から出力された横偏波成分の第２の増幅信号光１５は偏波回転子７１１により偏光方向を９０°回転されてＴＥ偏光となる。このＴＥ偏光の横偏波成分の第２の増幅信号光１５は、第４の空間光学系７０４を介して第１のＰＰＬＮ導波路７０７に入力される。第２の増幅信号光１５は、第１の励起光１１が第２の増幅信号光１５とは逆向きに伝搬していること及び第２の増幅信号光１５が相互作用の起こさないＴＥ偏光で入力されていることから、第１のＰＰＬＮ導波路７０７においてパラメトリック増幅等の非線形過程を受けずに出力される。第１のＰＰＬＮ導波路７０７から出射されたＴＥ偏光の横偏波成分の第２の増幅信号光１５は、第１の空間光学系７０１を介して第１のダイクロイックミラー７０５に入射して、一部がＰＢＳ７１３に入射し、他の一部が信号光１３と第１の励起光１１との位相同期に用いられる。ＰＢＳ７１３に入射した第２の増幅信号光１５は、ＰＢＳ７１３を透過して第１の増幅信号光１４と合波され、当該合波光が第３の空間光学系７０３を介して出力光１６として取り出される。
【００９２】
図７に示した構成は、実施例１に示した構成と同様に、２つのＰＰＬＮ導波路７０７及び７０８を用いてその間で偏波回転子７１１により増幅信号光に偏波回転を加えることで、同一のループ内を伝搬する２つの直交した偏波成分に対する増幅を独立に行うことができる。ＰＢＳ７１３で信号光１３の２つの偏波成分を分離した後は、全て空間光学系のレンズや偏波回転子（例えばλ／２板）などを用いているため、より安定的に動作可能である。本実施例では、信号光と励起光との分離のための第１及び第２の波長分波器７０９及び７１０として、多モード干渉（ＭＭＩ）を用いた導波路型デバイスを用いた。このＭＭＩ波長分波器は、ＰＰＬＮ導波路にモノリシックに集積されているため、光学部品点数を減らすことができている。
【００９３】
（実施例３）
以下、本発明の実施例３に係る光増幅装置について説明する。図８は、本発明の実施例３に係る光増幅装置を示す。図８には、空間光学系８０１乃至８０８と、ダイクロイックミラー８０９乃至８１２と、ＰＢＳ８１３と、λ／２板などの偏波回転子８１４及び８１５と、二次非線形光学素子８２０とを備えた光増幅装置が示されている。二次非線形光学素子８２０は、第１及び第２のＰＰＬＮ導波路８２１及び８２２を含む。
【００９４】
実施例１及び２では、２つの別々のチップ上に形成されたＰＰＬＮ導波路を用いていたが、位相整合波長は個別の温調により制御することで調整可能であるが、素子の変換効率や導波路の損失などにはバラツキがあった。実施例３では、よりそれぞれのＰＰＬＮ導波路中での光パラメトリック増幅特性を同一化するために、２つのＰＰＬＮ導波路が１つのチップにモノリシックに集積した。さらに、安定性を考慮して、ＰＢＳで分離した後の光路を全て空間光学系で構築した。また、図８では、図７と同様に、励起光生成部分と位相同期機構は簡略化のため図示していない。
【００９５】
信号光２３は、空間光学系８０２を介してＰＢＳ８１３に入射し、ＰＢＳ８１３で２つの偏波成分に分離される。その後、ＰＢＳ８１３で分離された縦偏波成分の信号光２３は、ダイクロイックミラー８０９に入射して反射される。この時、第１の励起光２１も空間光学系８０１を介してダイクロイックミラー８０９に入射して透過し、縦偏波成分の信号光１３と合波されて二次非線形光学素子８２０の第１のＰＰＬＮ導波路８２１に入射する。第１のＰＰＬＮ導波路８２１に入射した縦偏波成分の信号光２３は、ＴＭ偏光であるため、第１のＰＰＬＮ導波路８２１中の光パラメトリック増幅過程により増幅されて第１の増幅信号光２４が生成される。第１のＰＰＬＮ導波路８２１からの出力光は、空間光学系８０８を介してダイクロイックミラー８１２に入射して、第１の増幅信号光２４と第１の励起光２１とに分離され、第１の増幅信号光２４のみが偏波回転子８１５に入射する。縦偏波成分の第１の増幅信号光２４は、偏波回転子８１５を通過することでＴＥ偏光に変換されて、ダイクロイックミラー８１１及び空間光学系８０７を介して二次非線形光学素子８２０の第２のＰＰＬＮ導波路８２２に入射する。第２のＰＰＬＮ導波路８２２では、第２のＰＰＬＮ導波路８２２を透過する間に縦偏波成分の第１の増幅信号光２４が増幅されることはない。第２のＰＰＬＮ導波路８２２から出力された第１の増幅信号光２４は、空間光学系８０５及びダイクロイックミラー８１０を介して偏波回転子８１４に入射し、偏波回転子８１４により再度偏波を回転されてＰＢＳ８１３に入射する。第１の増幅信号光２４は、ＰＢＳ８１３によって反射されて後述する第２の増幅信号光２５と合波され、当該合波光が空間光学系８０３を介して出力ポートから出力光２６として出射される。
【００９６】
同様に、ＰＢＳ８１３で２つの偏波成分に分離された信号光２３の内、ＰＢＳ８１３を透過した横偏波成分の信号光２３は、偏波回転子８１４により偏波が回転されてＴＭ偏光となり、ダイクロイックミラー８１０に入射する。横偏波成分の信号光２３は、ダイクロイックミラー８１０を透過する際に、空間光学系８０４を介してダイクロイックミラーに入射した第２の励起光２２と合波されて、空間光学系８０５を介して二次非線形光学素子８２０の第２のＰＰＬＮ導波路８２２に入射する。第２のＰＰＬＮ導波路８２２に入射した横偏波成分の信号光２３はＴＭ偏光であるため、第２のＰＰＬＮ導波路８２２中の光パラメトリック増幅過程により増幅されて第２の増幅信号光２５が生成される。第２のＰＰＬＮ導波路８２２からの出力光は、空間光学系８０７を介してダイクロイックミラー８１１に入射して、第２の増幅信号光２５と第２の励起光２２とに分離され、第２の増幅信号光２５のみが偏波回転子８１５に入射する。横偏波成分の第２の増幅信号光２５は、偏波回転子８１５を通過することでＴＥ偏光に変換されて、ダイクロイックミラー８１２及び空間光学系８０７を介して二次非線形光学素子８２０の第１のＰＰＬＮ導波路８２１に入射する。第１のＰＰＬＮ導波路８２１では、第１のＰＰＬＮ導波路８２１を透過する間に横偏波成分の第２の増幅信号光２５が増幅されることはない。第１のＰＰＬＮ導波路８２１から出力された第２の増幅信号光２５は、空間光学系８０６及びダイクロイックミラー８０９を介してＰＢＳ８１３に入射して透過して第１の増幅信号光２４と合波され、当該合波光が空間光学系８０３を介して出力ポートから出力光２６として出射される。
【００９７】
このように、ＰＢＳ８１３で分離された信号光２３における２つの直交する偏波成分は、ループ状に同じ光路を伝搬した後、再度ＰＢＳ８１３を通過して出力ポートから出射される。つまり、２つの光路の間の位相や時間遅延はまったく同一になる。それゆえ、実施例３では、構成内に２つの光路の間の遅延などを調整するような機構なしで動作が可能となる。
【００９８】
実施例１で示した構成では、位相同期のための光検出器を２つ用意し、それぞれの偏波成分を独立に受光して位相同期を行っていたが、本実施例の構成では、光路長の変動が極めて小さいため、ＰＢＳ８１３で合波された後の出力光の一部を受光し、その光強度が最大になるようにフィードバックを行うだけで、両方の偏波成分に対して位相同期を行うことが可能である。これにより、本実施例では、受光部分の光学部品点数が減るのと同時に、ループ構成内に光分波器を設置しなくてよいため、信号光の損失を小さく抑えることができた。もちろん、実施例１と同様の手法でも位相同期動作が可能である。
【００９９】
また、実施例３では、空間光学系を用いて各構成要素を光学的に結合した構成としたが、実施例１のように、光ファイバを用いて各構成要素を接続するように構成してもよい。
【符号の説明】
【０１００】
ＰＳＡ  １００、２００
位相感応光増幅部  １０１
励起光源  １０２
励起光位相制御部  １０３
光分岐部  １０４−１、１０４−２、２０３−１、２０３−２
ＥＤＦＡ  ２０１、５０１、５０２
二次非線形光学素子  ２０２、２０４、５０５、５０６、５０７、５０８、８２０
位相変調器  ２０５
光ファイバ伸長器  ２０６、５２０、５２１
偏波保持ファイバ  ２０７
光検出器  ２０８、５１６、５１７
ＰＬＬ回路  ２０９、５１８、５１９
空間光学系  ２１１、２１３、２１５、２１７、５２２、５２４、５２６、５２８、５３０、５３２、５３５、５３７、７０１、７０２、７０３、７０４、８０１、８０２、８０３、８０４、８０５、８０６、８０７、８０８
ＰＰＬＮ導波路  ２１２、２１６、５２３、５２７、５３１、５３６、７０７、７０８、８２１、８２２
ダイクロイックミラー  ２１４、２１８、２１９、５２５、５２９、５３３、５３４、５３８、５３９、７０５、７０６、８０９８１０、８１１、８１２
バンドパスフィルタ  ５０３、５０４
ＰＢＳ  ５０９、７１３、８１３
偏波回転子  ５１０、５１１、７１１、７１２、８１４、８１５
光分波器  ５１２、５１３
偏光子  ５１４、５１５
波長分波器  ７０９、７１０
【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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