(57)【要約】【課題】パラメトリック増幅器と誘導放出によってシグナル光を増幅する増幅器とをカスケード接続する構成において、従来と比して雑音指数を低減する。【解決手段】第１光増幅部３０と中間光増幅部４０と第２光増幅部６０とを備える。第１光増幅部は、入力されるポンプ光及びシグナル光に基づいてアイドラー光を生成し、シグナル光、ポンプ光及びアイドラー光を含む第１増幅光を出力する。中間光増幅部は、第１増幅光に含まれるシグナル光及びアイドラー光の強度を誘導放出によって増幅し、これらシグナル光及びアイドラー光を含む中間増幅光を出力する。第２光増幅部は、ポンプ光及び中間増幅光が入力され、中間増幅光に含まれるシグナル光の強度をパラメトリック増幅によって増幅し、このシグナル光を含む第２増幅光を出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力されるポンプ光及びシグナル光に基づいてアイドラー光を生成し、シグナル光、ポンプ光及びアイドラー光を含む第１増幅光を出力する第１光増幅部と、
前記第１増幅光に含まれるシグナル光及びアイドラー光の強度を誘導放出によって増幅し、該シグナル光及び該アイドラー光を含む中間増幅光を出力する中間光増幅部と、
ポンプ光及び前記中間増幅光が入力され、前記中間増幅光に含まれるシグナル光の強度をパラメトリック増幅によって増幅し、該シグナル光を含む第２増幅光を出力する第２光増幅部と
を備えることを特徴とする光増幅装置。
【請求項２】
前記第２光増幅部に入力されるシグナル光、ポンプ光、及びアイドラー光の相対位相を変更可能な光位相シフタをさらに備え、
前記第２光増幅部は、前記相対位相に基づいて、シグナル光の強度を増幅する
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】
光位相シフタ制御部をさらに備え、
前記第２増幅光は、前記第２光増幅部において増幅されたアイドラー光を含み、
前記光位相シフタ制御部は、前記第２増幅光に含まれるアイドラー光の強度を検出し、該強度に応じて生成した制御信号を前記光位相シフタへ送り、
前記光位相シフタは、該制御信号に応じて前記相対位相を変更する
ことを特徴とする請求項２に記載の光増幅装置。
【請求項４】
前記第１光増幅部の前段にポンプ光分波部、前記第１光増幅部と前記中間光増幅部との間にフィルタ部、前記中間光増幅部と前記第２光増幅部との間に合波部をさらに備え、
前記ポンプ光分波部は、ポンプ光を２分岐して、一方を前記第１光増幅部に送り、他方を前記光位相シフタに送り、
前記フィルタ部は、ポンプ光を遮断し、
前記合波部は、前記中間増幅光と、前記光位相シフタを経たポンプ光を合波する
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の光増幅装置。
【請求項５】
前記第１光増幅部と前記中間光増幅部との間にフィルタ部、前記中間光増幅部と前記第２光増幅部との間に合波部をさらに備え、
前記フィルタ部は、前記第１光増幅光を、シグナル光及びアイドラー光とポンプ光とに分波して、シグナル光及びアイドラー光を前記中間光増幅部に送り、及びポンプ光を、前記光位相シフタに送り、
前記合波部は、前記中間増幅光と、前記光位相シフタを経たポンプ光を合波する
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の光増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光増幅装置に関し、特に、増幅すべき光信号の波長帯域における雑音指数を低減できる光増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバを利用した光通信ネットワークにおいて、伝送によって減衰した光信号の強度を増幅するために、光信号の通信経路に光増幅装置が設置される。
【０００３】
光増幅装置に用いられる機器として、例えば、エルビウムイオンがコアにドープされた光ファイバを利用したＥＤＦＡ（Ｅｒｂｉｕｍ  Ｄｏｐｅｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）がある。ＥＤＦＡでは、励起光が供給された状態の光ファイバに入力された光信号が、誘導放出によって増幅される。
【０００４】
ＥＤＦＡでは、自然放出によって発生した光（自然放出光）が、雑音として光信号に加わるため、入力光の信号雑音比(ＳＮＲ：Ｓｉｇｎａｌ−Ｎｏｉｓｅ  Ｒａｔｉｏ）に比して、出力光のＳＮＲが劣化する。なお、以下の説明では、入力光のＳＮＲを出力光のＳＮＲで除した値を雑音指数とも称する。そして、自然放出光による雑音（ＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）雑音）を、量子限界未満に低減することはできない。そのため、従来のＥＤＦＡを用いた光増幅では、雑音指数を２（すなわち３ｄＢ）未満に低減することが原理的に不可能であった。
【０００５】
ここで、現在、光通信ネットワークのトラフィックの増加に対応するため、周波数利用効率の優れた多値変調方式を適用した大容量光伝送システムの開発が進められている。導入が検討されているチャネル伝送容量４００Ｇｂｐｓ光伝送システムでは、１６−ＱＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）等の多値度の高い変調方式が適用される。このような多値変調信号の伝送における問題点として、上述したＳＮＲの劣化に対する脆弱性が挙げられる。そのため、光信号の長距離伝送に当たり、雑音指数の小さい光増幅技術が求められている。
【０００６】
光信号を増幅するに当たり、雑音指数をより低減する技術として、パラメトリック増幅が知られている。パラメトリック増幅では、非線形光学素子に、増幅すべき光信号（以下、シグナル光とも称する）とポンプ光とを入力する。そして、非線形光学効果の一つである四光波混合を利用して、ポンプ光のエネルギーをシグナル光に付与することによって、シグナル光を増幅する。パラメトリック増幅に利用される非線形光学素子としては、例えばＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  Ｐｏｌｅｄ  Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｎｉｏｂａｔｅ）導波路や高非線形ファイバがある。
【０００７】
パラメトリック増幅を利用した機器（以下、パラメトリック増幅器とも称する）として、ＰＩＡ（Ｐｈａｓｅ  Ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）及びＰＳＡ（Ｐｈａｓｅ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）がある。ＰＩＡ及びＰＳＡは、非線形光学素子を備えていて、非線形光学素子においてパラメトリック増幅によって光信号を増幅させる。ここで、ＰＩＡでは、増幅利得が、入力光の位相に依存しない。一方、ＰＳＡでは、増幅利得が、入力光の位相に依存する。ＰＳＡでは、上述したＥＤＦＡでは実現できない２（すなわち３ｄＢ）未満の雑音指数が達成されている。そのため、光通信に用いる光増幅装置として、パラメトリック増幅器を利用した光増幅装置が注目されている（例えば非特許文献１参照）。
【０００８】
しかしながら、パラメトリック増幅器では、大きな増幅利得を得ることがＥＤＦＡと比して困難である。例えばＰＩＡにおいて、非線形光学素子としてＰＰＬＮ導波路を用いる場合には、４ｄＢ程度までの増幅利得しか得られない。
【０００９】
また、非線形光学素子として高非線形ファイバを用いる場合には、誘導ブルリアン散乱の発生を抑えるために、ポンプ光の強度を制限する必要がある。しかし、増幅利得を増加するためには、ポンプ光の強度の制限を緩和する必要がある。この手段として、ポンプ光に位相変調を付加することによって、ポンプ光のスペクトルの線幅を拡幅する方法が一般的である。しかし、高速の位相変調を施されたポンプ光は、パラメトリック増幅器にともに入力されるシグナル光に、強度揺らぎや位相揺らぎを付加するという問題がある。そして、例えば数１００ｋｍの長距離伝送において複数回の光増幅を行う場合を想定すると、強度揺らぎや位相揺らぎの蓄積によって、信号光の品質が著しく損なわれる。このため、ポンプ光に位相変調を付加することは好ましくない。
【００１０】
そこで、パラメトリック増幅器の増幅利得を補うために、パラメトリック増幅器の後段にＥＤＦＡをカスケード接続する構成がある。例えば、ＰＩＡの後段にＥＤＦＡをカスケード接続することによって、装置全体としての増幅利得を増加することができる（例えば非特許文献２及び非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｚ．Ｔｏｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｎｏｉｓ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｖｅｒ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｌｉｎｋｓ  ｔｈａｔ  ｕｓｅ  ｎｏｎ−ｄｅｇｅｎｅｒａｔｅ  ｃａｓｃａｄｅｄ  ｐｈａｓｅ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ”Ｏｐｔｉｃｓ．Ｅｘｐｒｅｓｓ．，ｖｏｌ．１８，ｎｏ．１５，ｐ．１５４２６，２０１０
【非特許文献２】Ｍ．Ｅ．Ｍａｒｈｉｃ，“Ｈｙｂｒｉｄ  ｐｈａｓｅ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ａｎｄ  ｐｈａｓｅ−ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ａｍｐｌｉｆｉｒｅｓ  ｆｏｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ”ｉｎ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  １７ｔｈ  ＯＥＣＣ，  Ｂｕｓａｎ，Ｋｏｒｅａ，  Ｊｕｌｙ  ２−６  ２０１２．
【非特許文献３】Ｍ．Ｅ．Ｍａｒｈｉｃ，“Ｎｏｉｓｅ  ｆｉｇｕｒｅ  ｏｆ  ｈｙｂｒｉｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  ａｍｐｌｉｆｉｒｅｓ”，Ｏｐｔ．  Ｅｘｐｒｅｓｓ  ２０（２７），２８５７８−２８７６３（２０１２）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述したように、ＥＤＦＡでは自然放出光による雑音が付加される。そのため、パラメトリック増幅器の後段にＥＤＦＡをカスケード接続する構成では、増幅利得を増加できる反面、雑音指数についても増加するという問題がある。
【００１３】
この発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、パラメトリック増幅器と例えばＥＤＦＡ等の誘導放出によってシグナル光を増幅する増幅器とをカスケード接続する構成において、従来と比して雑音指数を低減できる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】
【００１４】
上述の目的を達成するために、この発明による光増幅装置は、以下の特徴を備えている。
【００１５】
すなわち、光増幅装置は、第１光増幅部と中間光増幅部と第２光増幅部とを備えている。第１光増幅部は、入力されるポンプ光及びシグナル光に基づいてアイドラー光を生成し、シグナル光、ポンプ光及びアイドラー光を含む第１増幅光を出力する。中間光増幅部には、第１増幅光に含まれるシグナル光及びアイドラー光の強度を誘導放出によって増幅し、これらシグナル光及びアイドラー光を含む中間増幅光を出力する。第２光増幅部には、ポンプ光及び中間増幅光が入力される。第２光増幅部は、中間増幅光に含まれるシグナル光の強度をパラメトリック増幅によって増幅し、このシグナル光を含む第２増幅光を出力する。
【発明の効果】
【００１６】
この発明の光増幅装置では、誘導放出によってシグナル光を増幅する中間光増幅部の後段に、パラメトリック増幅によってシグナル光を増幅する第２光増幅部が設けられる。中間光増幅部において付加される自然放出光による雑音は、シグナル光の波長帯域とアイドラー光の波長帯域とで無相関である。そのため、第２光増幅部では、自然放出光による雑音に対する増幅利得が、相関雑音の増幅利得の半分の値となる。従って、この発明の光増幅装置全体で付加及び増幅される雑音において、中間光増幅部において付加される自然放出光雑音の割合を低減することができる。その結果、第１光増幅部、中間光増幅部及び第２光増幅部におけるシグナル光への各増幅利得を調整することによって、シグナル光の波長帯域における最終的な雑音指数を低減しつつ、所望の増幅利得を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の光増幅装置を模式的に示した概略構成図である。
【図２】第１の光増幅装置におけるスペクトルの一例を示す図である。
【図３】第１の光増幅装置の特性を評価するシミュレーションの結果を示す図である。
【図４】第２の光増幅装置を模式的に示した概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
【００１９】
（第１の光増幅装置）
図１及び図２を参照して、この発明の第１の実施の形態による光増幅装置（以下、第１の光増幅装置）の構成について説明する。
【００２０】
図１は、第１の光増幅装置を模式的に示した概略構成図である。図１では、各構成要素が線で結ばれているが、これは信号が伝播する伝送路を模式的に示したものである。各構成要素間は、例えば光ファイバや光導波路で接続されていても良いし、いわゆる空間結合で接続されていても良い。
【００２１】
第１の光増幅装置１００は、例えば光通信ネットワークにおいて、光信号の通信経路に設置することによって、光信号の強度を増幅することができる。その場合には、増幅すべき光信号（ここでは、シグナル光とも称する）は、例えば位相偏移変調信号や振幅偏移変調信号等の、送信するべきデータで変調された周知の光信号である。
【００２２】
また、ここでは、シグナル光の偏波状態が時間的に安定している状態の構成例を示している。なお、第１光増幅部及び第２光増幅部を構成する非線形光学デバイスなど、偏波依存性のある構成部品に対して偏波ダイバーシティ方式を採用したり、偏波安定化装置を導入したりすることで、偏波無依存化することができる。
【００２３】
第１の光増幅装置１００は、ポンプ光源１５と、ポンプ光分波部２０と、第１合波部２５と、ＰＩＡとして機能する第１光増幅部３０と、フィルタ部３５と、中間光増幅部４０と、第２合波部５０と、分散補償器５５と、ＰＳＡとして機能する第２光増幅部６０と、出力側分波部６５と、光位相シフタ制御装置７５と、光位相シフタ４５とを備えて構成されている。第１光増幅部３０は、入力されたシグナル光とポンプ光との波長に基づいて、アイドラー光を生成する。中間光増幅部４０は、シグナル光及びアイドラー光の強度を誘導放出によって増幅する。第２光増幅部６０は、シグナル光の強度をパラメトリック増幅によって増幅する。
【００２４】
入力ポート１０から第１の光増幅装置１０に入力されたシグナル光Ｓ１０１は、まず、第１合波部２５に送られる。第１合波部２５は、シグナル光Ｓ１０１とポンプ光Ｓ１０３ａとを合波する。第１合波部２５として、例えばＷＤＭ合分波器（ＷＤＭ  ｃｏｕｐｌｅｒ／ｄｉｖｉｄｅｒ）を用いることができる。
【００２５】
ポンプ光Ｓ１０３ａは、ポンプ光源１５で生成される。
【００２６】
ポンプ光源１５は、例えば外部共振器光源１６、光増幅器１７及びバンドパスフィルタ１８を備えて構成されている。ポンプ光の位相雑音はシグナル光に付加される。このため、ポンプ光源１５には、周波数スペクトルの線幅が十分に細い外部共振器光源１６を用いることが望ましい。例えば、外部共振器光源１６として、シグナル光Ｓ１０１と偏波面が一致するレーザダイオード出力光を生成するレーザダイオードが用いられる。
【００２７】
なお、第１光増幅部３０及び第２光増幅部６０を構成する非線形光学デバイスにおいて、誘導ブルリアン散乱の影響が問題になる場合など、周波数スペクトルの線幅を大きくすることが必要な場合もある。この場合は、１００ＭＨｚ〜２ＧＨｚ程度の１つ以上の正弦波で駆動した光位相変調器を用いて位相変調を施せばよい。
【００２８】
ポンプ光の波長は、シグナル光の波長帯域外に設定されなければならない。例えば、シグナル光の波長帯域がＣバンド（１５３０−１５６５ｎｍ）の場合、ポンプ光の波長はＣバンドと分離が可能な波長として、例えば、１５２５ｎｍ又は１５７０ｎｍとするのが良い。
【００２９】
なお、第１光増幅部３０及び第２光増幅部６０において、少なくともパラメトリック増幅が生じる程度のポンプ光強度が必要である。このため、レーザダイオード出力光は、光増幅器１７によって強度が増幅される。光増幅器１７としては、例えばＥＤＦＡが用いられる。
【００３０】
光増幅器１７で増幅されたレーザダイオード出力光は、バンドパスフィルタ１８に送られる。バンドパスフィルタ１８では、透過波長が、ポンプ光の波長帯域と一致する波長帯域に設定される。そして、バンドパスフィルタ１８において、ポンプ光の波長帯域外に存在するＡＳＥ雑音が十分に低減された後、レーザダイオード出力光が、ポンプ光Ｓ１０３としてポンプ光源１５から出力される。
【００３１】
ポンプ光Ｓ１０３は、第１合波部２５の前段に設けられたポンプ光分波部２０に送られる。ポンプ光分波部２０は、ポンプ光Ｓ１０３を２分岐して、一方（Ｓ１０３ａ）を第１合波部２５に送り、他方（Ｓ１０３ｂ）を光位相シフタ４５に送る。第１合波部２５に入力されたポンプ光Ｓ１０３ａは、ＰＩＡとして機能する第１光増幅部３０の動力源となる。また、光位相シフタ４５に入力されたポンプ光Ｓ１０３ｂは、ＰＳＡとして機能する第２光増幅部６０の動力源となる。ポンプ光Ｓ１０３ａとポンプ光Ｓ１０３ｂとの強度比は、例えば１：１とすることができる。ただし、第１光増幅部３０及び第２光増幅部６０において所望の増幅利得を得るために、ポンプ光分波部２０の分岐比を調整することによって、適宜強度比を変更することもできる。
【００３２】
第１合波部２５は、シグナル光Ｓ１０１とポンプ光Ｓ１０３ａとを合波し、シグナル光とポンプ光とを含む第１合波光Ｓ１０５を出力する。
【００３３】
第１光増幅部３０は、ＰＩＡとして用いられ、第１合波光Ｓ１０５に含まれるシグナル光をパラメトリック増幅によって増幅するパラメトリック増幅器である。また、シグナル光の波長変換光としてアイドラー光を生成し、シグナル光、ポンプ光及びアイドラー光を含む第１増幅光Ｓ１０７ａを出力する。アイドラー光の位相は、入力したシグナル光とポンプ光の位相により決まり、シグナル光とアイドラー光は相関のある状態である。シグナル光、アイドラー光及びポンプ光の波長をλｓ、λｉ及びλｐとすると、各波長の関係は１／λｉ＝２／λｐ−１／λｓとなる。
【００３４】
第１光増幅部３０は、許容されるポンプ光強度で、十分な利得と、帯域幅が得られる必要がある。これを満たすデバイスとして、高非線形ファイバや、ＰＰＬＮ導波路を用いることができる。高非線形ファイバでは四光波混合、ＰＰＬＮ導波路ではＳＨＧ／ＤＦＧ（二次高調波光発生／差周波光発生）カスケード波長変換が、パラメトリック増幅器の動作原理となる。入力光として、シグナル光及びポンプ光が入力されると、パラメトリック増幅器は、ＰＩＡとして機能する。
【００３５】
例えば、高非線形ファイバを用いる場合においては、非線形定数が例えば１０Ｗ−１ｋｍ−１以上であり、１００ｍ〜１０００ｍ程度の長さを有し、ゼロ分散波長がポンプ光の波長付近に存在し、及び分散スロープが小さいと、十分な利得と帯域幅が得られる。また、偏波保持特性を有することが望ましい。また、ＰＰＬＮ導波路を用いる場合においては、ポンプ光の波長において疑似位相整合条件が成立することが条件となる。
【００３６】
なお、第１光増幅部３０は高非線形ファイバやＰＰＬＮ導波路を用いた構成に限定されない。十分な利得と帯域幅が得られるのであれば、シリコン細線導波路などを用いても良い。
【００３７】
第１光増幅部３０から出力された第１増幅光Ｓ１０７ａは、フィルタ部３５に送られる。フィルタ部３５は、入力される第１増幅光Ｓ１０７ａのうち、ポンプ光を遮断する。そして、シグナル光及びアイドラー光を含む第１増幅光Ｓ１０７ｂを出力する。ここで、このフィルタ部３５から出力される第１増幅光Ｓ１０７ｂを、被処理光Ｓ１０７ｂとも称する。被処理光Ｓ１０７ｂは、中間光増幅部４０に送られる。
【００３８】
中間光増幅部４０は、被処理光Ｓ１０７ｂに含まれるシグナル光及びアイドラー光の強度を誘導放出によって増幅する。そして、増幅されたシグナル光及びアイドラー光を含む中間増幅光Ｓ１０９を出力する。
【００３９】
中間光増幅部４０として、例えばＥＤＦＡ等の希土類添加ファイバ増幅器、又は半導体光増幅器等を用いることができる。なお、中間光増幅部４０においても、誘導放出による増幅を行うために、ポンプ光を入力する必要がある。ここでは、中間光増幅部４０が、ポンプ光を生成する光源を内蔵しているものとして図示を省略する。
【００４０】
中間増幅光Ｓ１０９は、第２合波部５０に入力される。第２合波部５０には、ポンプ光源１５から、ポンプ光分波部２０及び光位相シフタ４５を経て、ポンプ光Ｓ１０３ｂも入力される。なお、ポンプ光分波部２０と第２合波部５０との間における、第１合波部２５、第１光増幅部３０、フィルタ部３５及び中間光増幅部４０を含む第１の経路と、光位相シフタ４５を含む第２の経路との伝播時間の差は、ポンプ光のコヒーレンス時間と比して十分に短時間となるように調整されている。
【００４１】
光位相シフタ４５は、２φｐ−φｓ−φｉで与えられる、シグナル光、ポンプ光及びアイドラー光の相対位相が一定となるように、入力されるポンプ光Ｓ１０３ｂの位相を調整する。なお、φｐ、φｓ及びφｉは、それぞれ、ポンプ光、シグナル光及びアイドラー光の位相を示している。周辺機器の機械的な振動や環境温度の変化等に起因して、相対位相には、揺らぎが生じることがある。そこで、光位相シフタ４５において、ポンプ光Ｓ１０３ｂの位相を調整することによって、相対位相を一定にする。ここでは、後述する光位相シフタ制御装置７５から送られる制御信号Ｓ１１９に基づき、第２光増幅部６０において、シグナル光の増幅利得が最大となるように、相対位相を調整する。なお、光位相シフタ４５として、例えばピエゾ圧電素子を利用したファイバーストレッチャー等の光位相シフタを用いることができる。
【００４２】
光位相シフタ４５において位相が調整されたポンプ光Ｓ１０３ｂは第２合波部５０に送られる。
【００４３】
第２合波部５０は、中間増幅光Ｓ１０９に含まれるシグナル光及びアイドラー光と、ポンプ光Ｓ１０３ｂとを合波して、第２合波光Ｓ１１１ａを生成する。第２合波光Ｓ１１１ａは、第２合波部５０から出力されて、分散補償器５５に送られる。
【００４４】
分散補償器５５は、第２合波光Ｓ１１１ａの波長分散を補償する。分散補償器５５によって波長分散が補償された第２合波光（以下、分散補償光とも称する）Ｓ１１１ｂは、第２光増幅部６０に入力される。
【００４５】
後述する第２光増幅部６０では、第２合波光に含まれるシグナル光とポンプ光とアイドラー光との相対位相に基づいた増幅利得で、シグナル光を増幅する。そして、上述したように、光位相シフタ４５でポンプ光の位相を調整することによって、第２光増幅部６０において、シグナル光の増幅利得が最大となるように、相対位相が調整されている。しかしながら、第２光増幅部６０に至るまでに波長分散が生じた場合には、第２合波光に含まれるシグナル光とポンプ光とアイドラー光との相対位相は、シグナル光の波長に依存した値となる。その結果、第２光増幅部６０におけるシグナル光の増幅利得がシグナル光の波長に依存し、平坦な利得特性が得られない。そこで、分散補償器５５を利用して、第２合波光の波長分散を補償することによって、相対位相を一定に保つことができる。そして、第２光増幅部６０におけるシグナル光の増幅利得を安定化させる。
【００４６】
なお、利得の波長依存性が問題とならない程度であれば、分散補償器５５を設けない構成とすることもできる。
【００４７】
第２光増幅部６０は、ＰＳＡとして用いられ、分散補償光Ｓ１１１ｂに含まれるシグナル光をパラメトリック増幅によって増幅するパラメトリック増幅器である。特にこの実施の形態では、第２光増幅部６０は、シグナル光とアイドラー光が異なる波長に存在する非縮退ＰＳＡである。
【００４８】
第２光増幅部６０は、第１光増幅部３０と同様に構成することができる。入力光として、シグナル光、アイドラー光及びポンプ光が入力され、シグナル光とポンプ光とアイドラー光との相対位相が一定に制御・維持されている場合は、パラメトリック増幅器はＰＳＡとして機能する。
【００４９】
ここで、シグナル光が波長多重分割信号である場合に、四光波混合による混信が生じるのを防ぐために、第２光増幅部６０としては、上述したＰＰＬＮ導波路を用いるのが望ましい。しかし、四光波混合による混信が生じないのであれば、高非線形ファイバを用いることもできる。
【００５０】
第２光増幅部６０は、ポンプ光、並びに増幅されたシグナル光及びアイドラー光を含む第２増幅光Ｓ１１３を出力する。
【００５１】
第２光増幅部６０から出力された第２増幅光Ｓ１１３は、出力側分波部６５に送られる。
【００５２】
出力側分波部６５は、第２増幅光Ｓ１１３に含まれるシグナル光、ポンプ光、及びアイドラー光を分波する。出力側分波部６５として、例えばＷＤＭ合分波器を用いることができる。
【００５３】
分波されたシグナル光Ｓ１１５は、出力ポート７０に送られ、第１の光増幅装置１００から出力される。また、アイドラー光Ｓ１１７は、光位相シフタ制御装置７５に送られる。
【００５４】
なお、第２光増幅部６０から出力された後において、ポンプ光は不要であるため、例えば、出力側分波部６５において遮断しても良いし、出力側分波部６５から図示しない他の経路へ送って放出しても良い。
【００５５】
光位相シフタ制御装置７５は、例えば強度検出手段及び制御信号生成手段を含んで構成されている（図示せず）。
【００５６】
光位相シフタ制御装置７５は、強度検出手段において、入力されたアイドラー光Ｓ１１７の強度を検出する。アイドラー光は、第２光増幅部６０において、シグナル光の増幅利得に対応した増幅利得で増幅されている。従って、アイドラー光の増幅利得が最大となるとき、シグナル光の増幅利得も最大となるので、アイドラー光の強度が最大となるように、光位相シフタ４５を制御する。この光位相シフタ４５の制御は、従来公知のため、ここでは説明を省略する。光位相シフタ制御装置７５は、強度検出手段においてアイドラー光Ｓ１１７の強度を検出することによって、アイドラー光の強度が最大となるときの、第２増幅光Ｓ１１７の相対位相を決定する。そして、制御信号生成手段によって、アイドラー光の強度が最大となる相対位相を通知する制御信号Ｓ１１９を生成し、上述した光位相シフタ４５に送る。
【００５７】
（原理）
図２を参照して、上述した第１の光増幅装置１００によって、シグナル光の波長帯域における雑音指数を低減できる原理を説明する。図２は、第１の光増幅装置１００におけるスペクトルの一例を模式的に示す図である。図２では、横軸に波長をとって示し、縦軸に信号強度を任意単位でとって示している。
【００５８】
まず、第１合波部２５から出力される第１合波光Ｓ１０５において、シグナル光が存在する波長帯域には雑音（以下、シグナル帯雑音とも称する）８１ａが存在する（図２（Ａ））。また、後述するアイドラー光が生成される波長帯域にも雑音（以下、アイドラー帯雑音とも称する）９１ａが存在する。なお、図２では、λｓ及びλｉ付近の波長帯域に局在して雑音８１ａ及び９１ａを示しているが、実際には、雑音は局在することなく、全波長域に渡って存在する。第１合波光Ｓ１０５は、第１光増幅部３０に入力される。
【００５９】
次に、第１光増幅部３０は、パラメトリック増幅によって、入力される第１合波光Ｓ１０５に含まれるシグナル光を増幅し、かつアイドラー光を生成し、これらシグナル光及びアイドラー光を含む第１増幅光Ｓ１０７ａを出力する（図２（Ｂ））。また、第１増幅部３０では、入力される第１合波光Ｓ１０５に含まれる雑音も増幅される。
【００６０】
第１増幅光Ｓ１０７ａにおいて、シグナル光の波長帯域にはシグナル帯雑音１８０ａが、また、アイドラー光の波長帯域にはアイドラー帯雑音１９０ｂが存在する。
【００６１】
シグナル帯雑音１８０ａは、第１増幅部３０に入力されるシグナル帯雑音８１ａ（図２（Ａ））が、シグナル光の増幅利得と等しい増幅利得で増幅された雑音８１ｂを含む。さらに、シグナル帯雑音１８０ａは、シグナル光からアイドラー光への波長変換効率（すなわちアイドラー光の生成効率）と等しい変換効率でアイドラー帯雑音が変換された雑音８２ａを含む。
【００６２】
一方、アイドラー帯雑音１９０ａは、第１増幅部３０に入力されるアイドラー帯雑音９１ａ（図２（Ａ））が、シグナル光の増幅利得と等しい増幅利得で増幅された雑音９１ｂを含む。さらに、アイドラー帯雑音１９０ａは、波長変換効率と等しい変換効率でシグナル帯雑音が変換された雑音９２ａを含む。
【００６３】
その結果、シグナル帯雑音１８０ａ及びアイドラー帯雑音１９０ａは、互いに相関がある状態となる。なお、このような互いに相関がある雑音を、以下相関雑音とも称する。
【００６４】
次に、中間光増幅部４０は、フィルタ部３５を経て入力される第１増幅光Ｓ１０７ｂに含まれるシグナル光及びアイドラー光を誘導放出によって増幅し、これらシグナル光及びアイドラー光を含む中間増幅光Ｓ１０９を出力する（図２（Ｃ））。また、中間光増幅部４０では、入力される第１増幅光Ｓ１０７ｂに含まれる雑音も増幅される。
【００６５】
中間増幅光Ｓ１０９において、シグナル光の波長帯域にはシグナル帯雑音２８０が、また、アイドラー光の波長帯域にはアイドラー帯雑音２９０が存在する。
【００６６】
シグナル帯雑音２８０は、中間光増幅部４０に入力されるシグナル帯雑音１８０ａ（図２（Ｂ））が、シグナル光及びアイドラー光の増幅利得と等しい増幅利得で増幅された雑音１８０ｂを含む。また、アイドラー帯雑音２９０は、中間光増幅部４０に入力されるアイドラー帯雑音１９０ａ（図２（Ｂ））が、シグナル光及びアイドラー光の増幅利得と等しい増幅利得で増幅された雑音１９０ｂを含む。これら雑音１８０ｂ及び雑音１９０ｂは相関雑音であるので、以下、相関雑音１８０ｂ及び相関雑音１９０ｂとも称する。
【００６７】
さらに、シグナル帯雑音２８０は自然放出光による雑音（以下、自然放出光雑音とも称する）８３ａを含む。また、アイドラー帯雑音２９０は自然放出光雑音９３ａを含む。これら自然放出光雑音８３ａ及び９３ａは、互いに相関がない状態である。このような互いに相関がない雑音を、以下無相関雑音とも称する。
【００６８】
このように、中間増幅光Ｓ１０９において、シグナル帯雑音２８０は、相関雑音１８０ｂと無相関雑音である自然放出光雑音８３ａとを含んでいる。また、アイドラー帯雑音２９０は、相関雑音１９０ｂと、無相関雑音９３ａとを含んでいる。
【００６９】
次に、第２合波部５０は、入力される中間増幅光Ｓ１０９とポンプ光とを合波して、シグナル光、アイドラー光及びポンプ光を含む第２合波光Ｓ１１１ａを出力する（図２（Ｄ））。
【００７０】
次に、第２光増幅部６０は、パラメトリック増幅によって、入力される第２合波光Ｓ１１１ａに含まれるシグナル光及びアイドラー光を増幅し、これらシグナル光及びアイドラー光を含む第２増幅光Ｓ１１３を出力する（図２（Ｅ））。なお、図１を参照して説明した第１の光増幅装置１００では、第２光増幅部６０の前段に分散補償器５５が設けられている。そのため、上述したように、図１の構成例では、第２光増幅部６０には分散補償光Ｓ１１１ｂが入力される。第２合波光Ｓ１１１ａと分散補償光Ｓ１１１ｂとにおいて、シグナル光、アイドラー光、シグナル帯雑音及びアイドラー帯雑音の各強度の関係は共通している。ここでは、第２光増幅部６０に、第２合波光Ｓ１１１ａが入力される構成について説明する。
【００７１】
また、第２光増幅部６０では、入力される第２合波光Ｓ１１１ａに含まれる雑音も増幅される。
【００７２】
第２増幅光Ｓ１１３において、シグナル光の波長帯域にはシグナル帯雑音３８０が、また、アイドラー光の波長帯域にはアイドラー帯雑音３９０が存在する。
【００７３】
シグナル帯雑音３８０は、第２光増幅部６０に入力されるシグナル帯雑音２８０（図２（Ｄ））に含まれる相関雑音１８０ｂが増幅された相関雑音１８０ｃ、及び自然放出光雑音８３ａが増幅された自然放出光雑音８３ａを含む。また、アイドラー帯雑音３９０は、第２光増幅部６０に入力されるアイドラー帯雑音２９０（図２（Ｄ））に含まれる相関雑音１９０ｂが増幅された相関雑音１９０ｃ、及び自然放出光雑音９３ａが増幅された自然放出光雑音９３ｂを含む。
【００７４】
ここで、ＰＳＡとして機能する第２光増幅部６０では、相関雑音１８０ｂ及び１９０ｂは、シグナル光と等しい増幅利得で増幅される。従って、シグナル光の増幅利得をＧとすると、相関雑音１８０ｂ及び１９０ｂに対する増幅利得もＧとなる。一方、自然放出光雑音８３ａ及び９３ａは無相関である。そのため、自然放出光雑音８３ａ及び９３ａは、シグナル光の増幅利得Ｇに対して、Ｇ／２の増幅利得で増幅される。そのため、第２光増幅部６０では、中間光増幅部４０で付加された自然放出光雑音への増幅利得が、相関雑音１８０ｂ及び１９０ｂへの増幅利得に対して１／２となる。従って、シグナル帯雑音３８０における自然放出光雑音８３ｂの割合、及びアイドラー帯雑音３９０における自然放出光雑音９３ｂの割合が低減される。
【００７５】
このように、第１の光増幅装置１００では、ＰＩＡとして機能する第１光増幅部３０とＰＳＡとして機能する第２光増幅部６０との間に中間光増幅部４０を配置することによって、シグナル光の波長帯域に存在する最終的なシグナル帯雑音３８０における自然放出光雑音８３ｂの増幅利得を半減することができる。従って、第１の光増幅装置１００全体で付加及び増幅される雑音において、中間光増幅部４０において付加される自然放出光雑音の割合を低減することができる。そのため、第１光増幅部３０、中間光増幅部４０及び第２光増幅部６０におけるシグナル光への各増幅利得を調整することによって、自然放出光雑音８３ｂの雑音指数を低減しつつ、所望の増幅利得を得ることができる。
【００７６】
（特性評価）
発明者は、第１の光増幅装置１００の特性を評価するためにシミュレーションを行った。このシミュレーションでは、シグナル光に対して、第１の光増幅装置１００全体で与えられる（すなわち第１光増幅部３０、中間光増幅部４０及び第２光増幅部６０の３つの増幅部で与えられるトータルの）増幅利得及び雑音指数の関係を確認した。ここでは、第１光増幅部３０の増幅利得を４ｄＢ、及び第２光増幅部６０の増幅利得を８ｄＢの一定とし、中間光増幅部４０の増幅利得を変化させることによって、第１の光増幅装置１００全体で与えられる増幅利得を変化させた。また、中間光増幅部４０としてはＥＤＦＡを想定し、自然放出光係数を２とした。
【００７７】
また、ここでは、第１の光増幅装置１００と比較するために、ＰＩＡ及びＥＤＦＡをこの順にカスケード接続した従来の光増幅装置についても、同様のシミュレーションを行った。従来の光増幅装置におけるＰＩＡの増幅利得及びＥＤＦＡの自然放出光係数は、第１の光増幅装置１００と同様の条件とした。
【００７８】
結果を図３に示す。図３は、第１の光増幅装置１００及び従来の光増幅装置における、装置全体の増幅利得と雑音指数との関係を示す図である。図３では、縦軸に雑音指数をｄＢ目盛りで、また、横軸に増幅利得をｄＢ目盛りでそれぞれとって示してある。
【００７９】
図３に示すように、シグナル光に同程度の増幅利得を与えるに際して、第１の光増幅装置１００では、装置全体の雑音指数が従来と比して低減されている。この結果から、第１の光増幅装置１００では、ＥＤＦＡを利用して増幅利得を増大することができ、かつ従来と比して雑音指数を低減できることが確認された。
【００８０】
（第２の光増幅装置）
図４を参照して、この発明の第２実施形態の光増幅装置（以下、第２の光増幅装置）について説明する。図４は、第２の光増幅装置を説明するための概略構成図である。なお、上述した第１の光増幅装置と共通する構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００８１】
第２の光増幅装置２００は、ポンプ光源１５で生成されたポンプ光Ｓ１０３が分岐されずに、第１合波部２５に送られる点が第１の光増幅装置と異なっている。このため、フィルタ部３５では、第１増幅光Ｓ１０７ａからポンプ光を分岐して光位相シフタ４５に送る。なお、ポンプ光は、光位相シフタ４５に送られるまでに減衰する。このため、光増幅部８０として例えばＥＤＦＡを用いてポンプ光を増幅し、さらに、バンドパスフィルタ８５を用いてＡＳＥ雑音を除去した後、第２合波部５０に送る。この構成においても、第１の光増幅装置と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００８２】
１０：入力ポート
１５：ポンプ光源
１６：外部共振器光源
１７：光増幅器
１８、８５：バンドパスフィルタ
２０：ポンプ光分波部
２５：第１合波部
３０：第１光増幅部
３５：フィルタ部
４０：中間光増幅部
４５：光位相シフタ
５０：第２合波部
５５：分散補償器
６０：第２光増幅部
６５：出力側分波部
７０：出力ポート
７５：位相シフタ制御装置
８０：光増幅部
１００：第１の光増幅装置
２００：第２の光増幅装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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