(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的に分極反転された二次非線形光学材料からなり、励起光を用いて信号光のパラメトリック増幅を行うための光導波路を備えた二次非線形光学素子と、
この二次非線形光学素子に入射する前記信号光または前記二次非線形光学素子に入射する前記励起光の位相を制御することにより、前記信号光の位相と前記励起光の位相とを前記光導波路内において同期させる位相補償制御手段とを備え、
前記位相補償制御手段は、
前記二次非線形光学素子に入射する信号光または前記二次非線形光学素子に入射する励起光が伝搬する光ファイバを機械的に伸縮させることにより、前記信号光の位相と前記励起光の位相とを前記光導波路内において同期させる第１の位相補償手段と、
この第１の位相補償手段で対象とする位相ずれよりも低周波側の領域での前記信号光と前記励起光の位相ずれを補償するための第２の位相補償手段と、
前記第１の位相補償手段で対象とする位相ずれよりも高周波側の領域での前記信号光と前記励起光の位相ずれを補償するための第３の位相補償手段とから構成され、
前記第１の位相補償手段は、
前記二次非線形光学素子に入射する信号光または前記二次非線形光学素子に入射する励起光が伝搬する光ファイバを機械的に伸縮させる光ファイバ伸縮器と、
前記二次非線形光学素子から出力される増幅された信号光の一部を取り出して復調する検出手段と、
この検出手段の出力信号に基づいて前記信号光の位相と前記励起光の位相とが同期するように前記光ファイバ伸縮器への制御信号を生成する第１の制御手段とから構成され、
前記第２の位相補償手段は、
前記二次非線形光学素子に入射する信号光または前記二次非線形光学素子に入射する励起光が伝搬する光ファイバの温度を調整する温度調整機構と、
前記検出手段と、
前記検出手段の出力信号に基づいて前記信号光の位相と前記励起光の位相とが同期するように前記温度調整機構への制御信号を生成する第２の制御手段とから構成され、
前記第３の位相補償手段は、
前記二次非線形光学素子に入射する信号光または前記二次非線形光学素子に入射する励起光の位相を変調する電気光学変調器と、
前記検出手段と、
前記検出手段の出力信号に基づいて前記信号光の位相と前記励起光の位相とが同期するように前記電気光学変調器への制御信号を生成する第３の制御手段とから構成され、
前記第１の制御手段の積分定数をＴＩａ、前記第２の制御手段の積分定数をＴＩｂ、前記第３の制御手段の積分定数をＴＩｃとしたとき、ＴＩｂ＞ＴＩａ＞ＴＩｃの関係になるように設定されていることを特徴とする位相感応光増幅器。
【請求項２】
周期的に分極反転された二次非線形光学材料からなる光導波路を備えた二次非線形光学素子により信号光のパラメトリック増幅を行う位相感応増幅ステップと、
前記二次非線形光学素子に入射する前記信号光または前記二次非線形光学素子に入射する励起光の位相を制御することにより、前記信号光の位相と前記励起光の位相とを前記光導波路内において同期させる位相補償制御ステップとを含み、
前記位相補償制御ステップは、
前記二次非線形光学素子に入射する信号光または前記二次非線形光学素子に入射する励起光が伝搬する光ファイバを機械的に伸縮させることにより、前記信号光の位相と前記励起光の位相とを前記光導波路内において同期させる第１の位相補償ステップと、
この第１の位相補償ステップで対象とする位相ずれよりも低周波側の領域での前記信号光と前記励起光の位相ずれを補償するための第２の位相補償ステップと、
前記第１の位相補償ステップで対象とする位相ずれよりも高周波側の領域での前記信号光と前記励起光の位相ずれを補償するための第３の位相補償ステップとを含み、
前記第１の位相補償ステップは、
前記二次非線形光学素子から出力される増幅された信号光の一部を取り出して復調する検出ステップと、
前記二次非線形光学素子に入射する信号光または前記二次非線形光学素子に入射する励起光が伝搬する光ファイバを機械的に伸縮させる光ファイバ伸縮器への制御信号を、前記検出ステップで得られた出力信号に基づいて前記信号光の位相と前記励起光の位相とが同期するように生成する第１の制御ステップとを含み、
前記第２の位相補償ステップは、
前記検出ステップと、
前記二次非線形光学素子に入射する信号光または前記二次非線形光学素子に入射する励起光が伝搬する光ファイバの温度を調整する温度調整機構への制御信号を、前記検出ステップで得られた出力信号に基づいて前記信号光の位相と前記励起光の位相とが同期するように生成する第２の制御ステップとを含み、
前記第３の位相補償ステップは、
前記検出ステップと、
前記二次非線形光学素子に入射する信号光または前記二次非線形光学素子に入射する励起光の位相を変調する電気光学変調器への制御信号を、前記検出ステップで得られた出力信号に基づいて前記信号光の位相と前記励起光の位相とが同期するように生成する第３の制御ステップとを含み、
前記第１の制御ステップの積分定数をＴＩａ、前記第２の制御ステップの積分定数をＴＩｂ、前記第３の制御ステップの積分定数をＴＩｃとしたとき、ＴＩｂ＞ＴＩａ＞ＴＩｃの関係になるように設定されていることを特徴とする位相感応光増幅器の位相同期安定化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相感応光増幅器に係り、特に位相感応増幅の長期安定性を補償することができる位相感応光増幅器および位相同期安定化方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エルビウム添加ファイバアンプ（Erbium-Doped Fiber Amplifier：ＥＤＦＡ）を使用した光長距離通信が実用化されている。インターネットの普及とともに伝送容量の拡大が求められ、周波数利用効率の高いデジタルコヒーレント技術が開発された。一方、ファイバは非線形光学特性を示すため、ある一定以上の光パワーの信号光が入力すると非線形光学効果により信号の劣化をもたらす（非特許文献１参照）。
【０００３】
チャネルの高密度化と非線形光学効果が発生するパワー以下に入力信号を抑えることを両立させるために、１チャネルあたりの信号強度を低く抑える必要がある。１チャネルあたりの信号強度低下は長距離伝送後の信号損失のため、信号雑音比（Signal to Nosie Ratio：Ｓ／Ｎ比）の劣化を招く。また、従来のＥＤＦＡを使った増幅技術では伝送時に発生した雑音も等価に増幅するため、情報の高密度化に伴う微小信号の増幅の限界が近づいている。
【０００４】
上記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では、伝送ファイバの分散の影響によりＳ／Ｎ比が劣化した信号光パルス波形を整形することが可能である。また、ＥＤＦＡをはじめとする位相不感応光増幅器では光増幅時に発生する信号とは無関係の直交位相を持つ自然放出光が発生するが、ＰＳＡでは自然放出光を抑制できるために、増幅前後で信号光のＳ／Ｎ比を劣化させず増幅することが原理的に可能である。ＰＳＡには高非線形ファイバを使用する構成と非線形光学結晶を使用する構成がある。以下の説明では、断りがない限り非線形光学結晶を使用したＰＳＡについて記載する。
【０００５】
図７は、従来のＰＳＡの構成を示すブロック図である。ＰＳＡは、光ファイバ１，２と、ＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）圧電素子（以下、ＰＺＴと略する）３と、光パラメトリックアンプ（Optical Parametric Amplification：ＯＰＡ）用非線形光学結晶４と、位相変調器５と、ＥＤＦＡ６と、第二次高調波発生（Second Harmonic Generation：ＳＨＧ）用非線形光学結晶７と、光量分割カプラ８と、光検出器９と、正弦波信号発生器１０と、ダブルバランスドミキサー１１と、ＰＩＤ（Proportional-Integral-Derivative）回路１２とから構成される。
【０００６】
ＰＳＡには、縮退パラメトリック増幅と非縮退パラメトリック増幅の場合があり、縮退パラメトリック増幅の場合は光ファイバ１に信号光を入力する光源と光ファイバ２に励起光を入力する光源とが同一の光源であり、非縮退パラメトリック増幅の場合はＰＳＡ入力前に信号光と励起光の差周波のアイドラー光を生成しておく必要がある。
【０００７】
アイドラー光を生成するには、図８（Ａ）に示すようなアイドラー光生成装置１３を用いる。信号光＃１，＃２と励起光の周波数関係は図８（Ｂ）のようになり、このような信号光＃１，＃２と励起光をアイドラー光生成装置１３を用いて混合することにより、図８（Ｃ）に示すような差周波のアイドラー光＃１，＃２が生成される。信号光＃１，＃２，励起光のそれぞれの周波数νをνs1，νs2，νpとすると、アイドラー光＃１，＃２の周波数νi1，νi2はνi1＝νp−νs1，νi2＝νp−νs2となる。非縮退パラメトリック増幅の場合はこのような信号光とアイドラー光とを光ファイバ１に入力する。
【０００８】
位相感応増幅は、位相同期回路（Phase Locked Loop：ＰＬＬ）を構成するＰＩＤ回路１２と光検出器９とにより信号光と励起光の位相ずれを検出し、そのずれを補償することで行われる。この位相ずれの補償は、信号光の光路に配置した光ファイバ１を円筒型のＰＺＴ３に何重にも巻き付けるようにした光ファイバ伸縮器、あるいは励起光の光路に配置した光ファイバ２をＰＺＴ３に巻き付けるようにした光ファイバ伸縮器で光ファイバ１，２を伸縮させることにより行うのが一般的である（図９）。図７、図９の例では、信号光の光ファイバ１をＰＺＴ３に巻き付けている。ＰＩＤ回路１２の出力をＰＺＴ３の駆動電圧としてフィードバックすることで、光ファイバ部品の振動や温度変化による光の位相変動を吸収して、位相感応増幅を実現している（特許文献１参照）。
【０００９】
図７に示した従来のＰＳＡでは、周囲温度の変化に伴う光の位相の長期的なドリフトに追従するためにＰＺＴ３への印加電圧が大きくなりがちであり、ＰＺＴ３の電圧定格を超えることが頻繁に発生する。このため、長時間にわたって位相感応増幅を運用することが難しい。その理由は励起光と信号光の光路長に差が発生するためである。
【００１０】
偏波保持型のＥＤＦＡ６の構成の概略を図１０に示す。ＥＤＦＡ６は、偏波保持ファイバ６０と、偏波保持ファイバ６０の途中に設けられたエルビウム添加ファイバ６１と、励起用レーザ６２と、励起用レーザ６２からの光をエルビウム添加ファイバ６１に入射させるためのＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）カプラ６３とから構成される。
【００１１】
ＥＤＦＡ６では、励起用レーザ６２によりエルビウム添加ファイバ６１中のエルビウムが励起され、位相変調器５から偏波保持ファイバ６０に入射した光が増幅される。高利得のＰＳＡの実現にはハイパワーのＥＤＦＡ６が使用される。このとき励起用レーザ６２の出力パワーは数ワットとなり、この励起用レーザ６２から出力される光によりＥＤＦＡ６内のファイバ温度は高温となっている。この温度はＰＳＡの周囲温度に比べて高いので、ＥＤＦＡ６は周囲温度の変化に対して鈍感である。一方、ＰＳＡの信号光が伝搬する光ファイバ１の温度は、周囲温度の変化に敏感に反応する。このように、ＰＳＡの信号光と励起光の光路に温度差ができる。
【００１２】
低ノイズのハイパワーＥＤＦＡ６はファイバ長が数十ｍとなる。そのため、信号光の経路に、図９で示したように光ファイバ１を円筒型のＰＺＴ３に巻き付けた光ファイバ伸縮器を設けることが多い。円筒型のＰＺＴ３の印加電圧に対する動径方向への伸び率ｄＬradial／ｄＶは、次式のように表すことができる（非特許文献２参照）。
【００１３】
【数１】
0006585542.tif 000002
【００１４】
式（１）におけるｒ1はＰＺＴ３の内半径、ｒ2はＰＺＴ３の外半径、ｄ31は圧電定数である。例えばｒ1＝２５ｍｍ、ｒ2＝２７ｍｍ、ｄ31＝−１００×１０-12ｍ／ＶのＰＺＴ３を考える。このときＰＩＤ回路１２からの印加電圧に対するＰＺＴ３の動径方向への伸び率は１．２５ｎｍ／Ｖとなる。積層型のＰＺＴ３の定格電圧は１００Ｖ程度であるので、ＰＺＴ３のフルストロークの伸びは０．１μｍ程度である。このＰＺＴ３に２０ｍの光ファイバ１を巻くと、１２０巻きになる。この光ファイバ１は、ＰＺＴ３のフルストロークの伸びで２πΔｒＮ＝２×３．１×０．１μｍ×１２０＝０．０７４ｍｍだけ長さが変化することになる。ここでΔｒはＰＺＴ３のフルストロークの伸び、Ｎは光ファイバ１の巻き数である。
【００１５】
一方、光ファイバを構成しているガラスの伸びの温度係数は１０-5／Ｋ程度である。ＥＤＦＡ６側の光路の長さが２０ｍとすると、０．６ｍｍの変位があることになり、光ファイバ１側にＰＺＴ３を挿入したとしても、ＥＤＦＡ６側の光路長の変化に追従することは難しく、ＰＺＴ３のみで長期の位相補償は難しいことが分かる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２０１５−１６５３１６号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】“時間反転波を用いて、波長多重信号の劣化を高密度で一括補償する原理実証に世界で初めて成功〜位相共役変換の新技術により、１／１０以下のデジタル信号処理で長距離伝送が可能に〜”，日本電信電話株式会社，インターネット＜http://www.ntt.co.jp/news2015/1510/151001b.html＞，２０１５年
【非特許文献２】“ピエゾ素子のチュートリアル”，ソーラボ社，インターネット＜http://www.thorlabs.co.jp/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=5030＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
以上のように従来のＰＳＡでは、ＰＺＴのみで信号光と励起光の位相ずれを補償することが難しく、長期の動作安定化を実現することが難しいという問題点があった。
また、ＰＺＴの応答速度は数ｋＨｚからせいぜい１００ｋＨｚ程度までである。偏波多重信号による偏光の変化速度は１００ｋＨｚ程度であるため、ＰＳＡの位相補償の制御帯域は１００ｋＨｚ以上の帯域を有する必要がある。すなわち、周囲温度の変化による低周波成分の位相ずれを抑えながら、偏光の変化による速い位相ずれ成分を抑える制御を行う必要があった。
【００１９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、位相補償制御の長期の動作安定化を実現することができる位相感応光増幅器および位相同期安定化方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、位相補償制御の帯域拡大を実現することができる位相感応光増幅器および位相同期安定化方法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】
【００２０】
本発明の位相感応光増幅器は、周期的に分極反転された二次非線形光学材料からなり、励起光を用いて信号光のパラメトリック増幅を行うための光導波路を備えた二次非線形光学素子と、この二次非線形光学素子に入射する前記信号光または前記二次非線形光学素子に入射する前記励起光の位相を制御することにより、前記信号光の位相と前記励起光の位相とを前記光導波路内において同期させる位相補償制御手段とを備え、前記位相補償制御手段は、前記二次非線形光学素子に入射する信号光または前記二次非線形光学素子に入射する励起光が伝搬する光ファイバを機械的に伸縮させることにより、前記信号光の位相と前記励起光の位相とを前記光導波路内において同期させる第１の位相補償手段と、この第１の位相補償手段で対象とする位相ずれよりも低周波側の領域での前記信号光と前記励起光の位相ずれを補償するための第２の位相補償手段と、前記第１の位相補償手段で対象とする位相ずれよりも高周波側の領域での前記信号光と前記励起光の位相ずれを補償するための第３の位相補償手段とから構成され、前記第１の位相補償手段は、前記二次非線形光学素子に入射する信号光または前記二次非線形光学素子に入射する励起光が伝搬する光ファイバを機械的に伸縮させる光ファイバ伸縮器と、前記二次非線形光学素子から出力される増幅された信号光の一部を取り出して復調する検出手段と、この検出手段の出力信号に基づいて前記信号光の位相と前記励起光の位相とが同期するように前記光ファイバ伸縮器への制御信号を生成する第１の制御手段とから構成され、前記第２の位相補償手段は、前記二次非線形光学素子に入射する信号光または前記二次非線形光学素子に入射する励起光が伝搬する光ファイバの温度を調整する温度調整機構と、前記検出手段と、前記検出手段の出力信号に基づいて前記信号光の位相と前記励起光の位相とが同期するように前記温度調整機構への制御信号を生成する第２の制御手段とから構成され、前記第３の位相補償手段は、前記二次非線形光学素子に入射する信号光または前記二次非線形光学素子に入射する励起光の位相を変調する電気光学変調器と、前記検出手段と、前記検出手段の出力信号に基づいて前記信号光の位相と前記励起光の位相とが同期するように前記電気光学変調器への制御信号を生成する第３の制御手段とから構成され、前記第１の制御手段の積分定数をＴＩａ、前記第２の制御手段の積分定数をＴＩｂ、前記第３の制御手段の積分定数をＴＩｃとしたとき、ＴＩｂ＞ＴＩａ＞ＴＩｃの関係になるように設定されていることを特徴とするものである。
【００２３】
また、本発明の位相感応光増幅器の位相同期安定化方法は、周期的に分極反転された二次非線形光学材料からなる光導波路を備えた二次非線形光学素子により信号光のパラメトリック増幅を行う位相感応増幅ステップと、前記二次非線形光学素子に入射する前記信号光または前記二次非線形光学素子に入射する励起光の位相を制御することにより、前記信号光の位相と前記励起光の位相とを前記光導波路内において同期させる位相補償制御ステップとを含み、前記位相補償制御ステップは、前記二次非線形光学素子に入射する信号光または前記二次非線形光学素子に入射する励起光が伝搬する光ファイバを機械的に伸縮させることにより、前記信号光の位相と前記励起光の位相とを前記光導波路内において同期させる第１の位相補償ステップと、この第１の位相補償ステップで対象とする位相ずれよりも低周波側の領域での前記信号光と前記励起光の位相ずれを補償するための第２の位相補償ステップと、前記第１の位相補償ステップで対象とする位相ずれよりも高周波側の領域での前記信号光と前記励起光の位相ずれを補償するための第３の位相補償ステップとを含み、前記第１の位相補償ステップは、前記二次非線形光学素子から出力される増幅された信号光の一部を取り出して復調する検出ステップと、前記二次非線形光学素子に入射する信号光または前記二次非線形光学素子に入射する励起光が伝搬する光ファイバを機械的に伸縮させる光ファイバ伸縮器への制御信号を、前記検出ステップで得られた出力信号に基づいて前記信号光の位相と前記励起光の位相とが同期するように生成する第１の制御ステップとを含み、前記第２の位相補償ステップは、前記検出ステップと、前記二次非線形光学素子に入射する信号光または前記二次非線形光学素子に入射する励起光が伝搬する光ファイバの温度を調整する温度調整機構への制御信号を、前記検出ステップで得られた出力信号に基づいて前記信号光の位相と前記励起光の位相とが同期するように生成する第２の制御ステップとを含み、前記第３の位相補償ステップは、前記検出ステップと、前記二次非線形光学素子に入射する信号光または前記二次非線形光学素子に入射する励起光の位相を変調する電気光学変調器への制御信号を、前記検出ステップで得られた出力信号に基づいて前記信号光の位相と前記励起光の位相とが同期するように生成する第３の制御ステップとを含み、前記第１の制御ステップの積分定数をＴＩａ、前記第２の制御ステップの積分定数をＴＩｂ、前記第３の制御ステップの積分定数をＴＩｃとしたとき、ＴＩｂ＞ＴＩａ＞ＴＩｃの関係になるように設定されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、信号光の位相と励起光の位相とを光導波路内において同期させる位相補償制御手段として、二次非線形光学素子に入射する信号光または二次非線形光学素子に入射する励起光が伝搬する光ファイバを機械的に伸縮させることにより、信号光の位相と励起光の位相とを光導波路内において同期させる第１の位相補償手段と、第１の位相補償手段で対象とする位相ずれよりも低周波側の領域での信号光と励起光の位相ずれを補償するための第２の位相補償手段とを設けることにより、位相補償制御の制御帯域の低周波側への拡大と位相補償制御の長期の動作安定化とを実現することができる。
【００２５】
また、本発明では、位相補償制御手段として、さらに、第１の位相補償手段で対象とする位相ずれよりも高周波側の領域での信号光と励起光の位相ずれを補償するための第３の位相補償手段を設けることにより、更に広帯域な位相補償制御を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る位相感応光増幅器の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における信号光と励起光の位相同期のためのフィードバック制御系のフィードバックゲインの周波数特性を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る位相感応光増幅器の温度調整機構の構成例を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る位相感応光増幅器の温度調整機構の別の構成例を示すブロック図およびマルチコアファイバの断面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る位相感応光増幅器の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態における信号光と励起光の位相同期のためのフィードバック制御系のフィードバックゲインの周波数特性を示す図である。
【図７】従来の位相感応光増幅器の構成を示すブロック図である。
【図８】アイドラー光の生成方法、および信号光と励起光とアイドラー光の周波数関係を説明する図である。
【図９】従来の位相感応光増幅器における信号光と励起光の位相ずれ補償方法を説明する図である。
【図１０】偏波保持型のエルビウム添加ファイバアンプの構成の概略を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係るＰＳＡの構成を示すブロック図である。本実施の形態のＰＳＡは、光ファイバ１，２と、ＰＺＴ３と、光パラメトリックアンプ用二次非線形光学素子４と、位相変調器５と、ＥＤＦＡ６と、第二次高調波発生用二次非線形光学素子７と、光量分割カプラ８と、光検出器９と、正弦波信号発生器１０と、ダブルバランスドミキサー１１と、ＰＩＤ回路１２ａ，１２ｂと、温度調整機構１４とから構成される。
【００２８】
ＰＺＴ３と位相変調器５と光量分割カプラ８と光検出器９と正弦波信号発生器１０とダブルバランスドミキサー１１とＰＩＤ回路１２ａ，１２ｂと温度調整機構１４とは、位相補償制御手段を構成している。このうち、ＰＺＴ３と位相変調器５と光量分割カプラ８と光検出器９と正弦波信号発生器１０とダブルバランスドミキサー１１とＰＩＤ回路１２ａ（第１の制御手段）とは第１の位相補償手段を構成し、位相変調器５と光量分割カプラ８と光検出器９と正弦波信号発生器１０とダブルバランスドミキサー１１とＰＩＤ回路１２ｂ（第２の制御手段）と温度調整機構１４とは第２の位相補償手段を構成し、光量分割カプラ８と光検出器９と正弦波信号発生器１０とダブルバランスドミキサー１１とは検出手段を構成している。
【００２９】
信号光は、ＰＺＴ３からなる光ファイバ伸縮器と温度調整機構１４とが設けられた光ファイバ１の入力端に入射し、光ファイバ１を伝搬して光パラメトリックアンプ用二次非線形光学素子４に入射する。ＰＺＴ３からなる光ファイバ伸縮器の構成は図９に示したとおりである。光ファイバ１の温度を調整する温度調整機構１４の構成については後述する。
【００３０】
光パラメトリックアンプ用二次非線形光学素子４は、入力側のダイクロイックミラー４０と、周期分極反転ニオブ酸リチウム（Period-ically Poled Lithium Niobate：ＰＰＬＮ）導波路４１と、出力側のダイクロイックミラー４２とを含む。周期的に分極反転された二次非線形光学材料であるＰＰＬＮからなるＰＰＬＮ導波路については特許文献１に開示されているので、詳細な説明は省略する。
【００３１】
励起光は、光ファイバ２の入力端に入射する。光ファイバ２に設けられた位相変調器５には、正弦波信号発生器１０から高周波（典型的には１ＭＨｚ以上）の正弦波電気信号が印加される。位相変調器５は、入射した励起光を正弦波電気信号に応じて位相変調する。位相変調された励起光は、さらにＥＤＦＡ６により増幅されて、第二次高調波発生用二次非線形光学素子７に入射する。第二次高調波発生用二次非線形光学素子７は、ＰＰＬＮ導波路７０と、出力側のダイクロイックミラー７１とを含む。
【００３２】
第二次高調波発生用二次非線形光学素子７のＰＰＬＮ導波路７０により励起光の半分の波長の第二次高調波光が発生し、第二次高調波発生用二次非線形光学素子７のダイクロイックミラー７１により励起光と第二次高調波光とが分離され、第二次高調波光が光パラメトリックアンプ用二次非線形光学素子４のダイクロイックミラー４０に入射する。この第二次高調波光は、ダイクロイックミラー４０により信号光と合波され、ＰＰＬＮ導波路４１に入射する。ＰＰＬＮ導波路４１は、ＰＰＬＮ導波路７０と同等の性能、位相整合波長を有しており、パラメトリック増幅により、信号光を位相感応増幅することができる。
【００３３】
ＰＰＬＮ導波路４１から出射した光は、光パラメトリックアンプ用二次非線形光学素子４のダイクロイックミラー４２により励起光と増幅された信号光とに分離されて励起光が取り除かれ、増幅された信号光が第二次高調波発生用二次非線形光学素子７から出射して光量分割カプラ８に入射するようになっている。光量分割カプラ８は、増幅された信号光の一部を取り出して光検出器９に入射させる。光検出器９は、入射した信号光を電気信号に変換する。ダブルバランスドミキサー１１は、光検出器９の出力信号と正弦波信号発生器１０から出力される正弦波信号とを乗算して復調を行う。
【００３４】
ＰＩＤ回路１２ａは、従来のＰＩＤ回路１２と同様に、ダブルバランスドミキサー１１から出力される復調信号の値が所定の目標値と一致するように、ＰＺＴ３への印加電圧を生成する。また、ＰＩＤ回路１２ｂは、ダブルバランスドミキサー１１から出力される復調信号の値が上記目標値と一致するように、温度調整機構１４への印加電圧を生成する。
【００３５】
本実施の形態では、ＰＩＤ回路１２ａの積分定数（積分時間）をＴＩａ、ＰＩＤ回路１２ｂの積分定数をＴＩｂとすると、ＴＩｂ＞ＴＩａの関係になるように設定している。本実施の形態のフィードバック制御系のフィードバックゲインの周波数特性を図２に示す。図２におけるＫａはＰＺＴ３に印加電圧をフィードバックする制御系のフィードバックゲインを示し、Ｋｂは温度調整機構１４に印加電圧をフィードバックする制御系のフィードバックゲインを示している。
【００３６】
ＰＺＴ３に印加電圧をフィードバックする制御系は、ＰＺＴ３から光パラメトリックアンプ用二次非線形光学素子４、光量分割カプラ８、光検出器９、ダブルバランスドミキサー１１、ＰＩＤ回路１２ａへと至り、ＰＺＴ３に印加電圧を出力するループを形成している。同様に、温度調整機構１４に印加電圧をフィードバックする制御系は、温度調整機構１４から光パラメトリックアンプ用二次非線形光学素子４、光量分割カプラ８、光検出器９、ダブルバランスドミキサー１１、ＰＩＤ回路１２ｂへと至り、温度調整機構１４に印加電圧を出力するループを形成している。
【００３７】
図２から明らかなように、フィードバックゲインＫａとＫｂは周波数帯域が異なり、またフィードバックゲインＫａはＰＺＴ３の共振周波数以上の周波数領域で値が０になるように設定されている。このようなフィードバックゲインＫａ，Ｋｂの設定により、光ファイバの温度変化等による信号光と励起光の低周波領域の位相ずれを、温度調整機構１４に印加電圧をフィードバックする制御系で補償し、より高い周波数領域での信号光と励起光の位相ずれを、ＰＺＴ３に印加電圧をフィードバックする制御系で補償する。
【００３８】
一般的に温度調整機構１４は温度の伝達速度から応答速度が速くとも０．１ｓ程度なので（周波数帯域１０Ｈｚ程度）、温度調整機構１４に印加電圧をフィードバックする制御系のフィードバック帯域は、ＰＺＴ３に印加電圧をフィードバックする制御系のフィードバック帯域よりも低いが、前述した周囲温度変化がある環境下ではファイバ温度へのフィードバックは有効な手段である。
図２のようなフィードバックゲインＫａ，Ｋｂが設定されるように、ＰＩＤ回路１２ａ，１２ｂの各々の制御パラメータ（比例ゲイン、積分定数、微分定数）を設定しておけばよい。
【００３９】
ＰＩＤ回路１２ａは、ダブルバランスドミキサー１１から出力される復調信号の値が、励起光に対して信号光の位相が遅れている（信号光の光路長が長い）ことを示す方向にずれている場合には、光ファイバ１を短くする方向に変化させる電圧を出力し、復調信号の値が、信号光に対して励起光の位相が遅れている（励起光の光路長が長い）ことを示す方向にずれている場合には、光ファイバ１を長くする方向に変化させる電圧を出力する。ＰＺＴ３からなる光ファイバ伸縮器は、ＰＩＤ回路１２ａから出力された印加電圧に応じて光ファイバ１を伸縮させる。
【００４０】
一方、ＰＩＤ回路１２ｂは、ダブルバランスドミキサー１１から出力される復調信号の値が、励起光に対して信号光の位相が遅れていることを示す方向にずれている場合には、光ファイバ１の温度を下降させる電圧を出力し、復調信号の値が、信号光に対して励起光の位相が遅れていることを示す方向にずれている場合には、光ファイバ１の温度を上昇させる電圧を出力する。温度調整機構１４は、ＰＩＤ回路１２ｂから出力された印加電圧に応じて光ファイバ１の温度を調整する。
【００４１】
図３は温度調整機構１４の構成例を示すブロック図である。温度調整機構１４は、光ファイバ１を複数回巻いた巻回体を覆う金属箔１４０と、この金属箔に取り付けられたヒータ１４１と、金属箔１４０に取り付けられた温度センサ（サーミスタ）１４２と、温度制御装置１４３とから構成される。
【００４２】
温度制御装置１４３は、ＰＩＤ回路１２ｂの出力電圧が指示する温度と温度センサ１４２によって計測された温度とが一致するようにヒータ１４１に印加電圧を供給して、光ファイバ１の温度を調整する。具体的には、温度制御装置１４３は、ＰＩＤ回路１２ｂの出力電圧が指示する温度が温度センサ１４２によって計測された温度よりも低い場合には、光ファイバ１の温度を下降させる電圧をヒータ１４１に出力し、ＰＩＤ回路１２ｂの出力電圧が指示する温度が温度センサ１４２によって計測された温度よりも高い場合には、光ファイバ１の温度を上昇させる電圧をヒータ１４１に出力すればよい。
【００４３】
図４（Ａ）は温度調整機構１４の別の構成例を示すブロック図、図４（Ｂ）はマルチコアファイバの断面図である。この温度調整機構１４は、中心コア１４７と周辺コア１４８とを有するマルチコアファイバ１４４と、温調用レーザ１４５と、レーザドライバ１４６とから構成される。マルチコアファイバ１４４の中心コア１４７が図１の光ファイバ１のコアとなり、信号光が入力される。一方、周辺コア１４８には、温調用レーザ１４５から信号光とは無関係の高強度レーザ光が入力される。
【００４４】
レーザドライバ１４６は、ＰＩＤ回路１２ｂの出力電圧と基準電圧とを比較して温調用レーザ１４５のレーザ光の強度を調整することにより、マルチコアファイバ１４４（光ファイバ１）の温度を調整する。具体的には、レーザドライバ１４６は、ＰＩＤ回路１２ｂの出力電圧が、光ファイバ１の温度を下降させる方向にずれている場合には、温調用レーザ１４５のレーザ光の強度を低下させ、ＰＩＤ回路１２ｂの出力電圧が、光ファイバ１の温度を上昇させる方向にずれている場合には、温調用レーザ１４５のレーザ光の強度を増大させる。
【００４５】
以上のように、本実施の形態では、従来のＰＺＴ３に加えて温度調整機構１４をＰＳＡに設け、ＰＩＤ回路１２ａ，１２ｂからＰＺＴ３と温度調整機構１４の各々に印加電圧を与えることにより、信号光の位相と励起光の位相とをＰＰＬＮ導波路４１内において同期させることができる。本実施の形態では、特に周囲温度の変化に敏感な信号光の光路の光ファイバ１の温度を制御することで、信号光と励起光の位相ずれを抑制することができ、制御帯域の低周波側への拡大を実現することができる。
【００４６】
また、本実施の形態では、信号光と励起光の低周波領域の位相ずれの抑制を、ＰＺＴ３による光ファイバ長の伸縮ではなく、温度調整機構１４による光ファイバ１の温度の調整で行うことにより、ＰＺＴ３への印加電圧を下げて印加電圧のドリフト量を抑えることができるので、ＰＺＴ３からなる光ファイバ伸縮器を、突発的な音響雑音に対応させることが可能となる。これにより、ＰＺＴ３への直流電圧をほぼゼロにすることが可能となり、ＰＬＬの破たんを防ぐことができる。以上の結果、本実施の形態では、位相補償制御の長期の動作安定化を実現することができる。
【００４７】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図５は本発明の第２の実施の形態に係るＰＳＡの構成を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態のＰＳＡは、光ファイバ１，２と、ＰＺＴ３と、光パラメトリックアンプ用二次非線形光学素子４と、位相変調器５と、ＥＤＦＡ６と、第二次高調波発生用二次非線形光学素子７と、光量分割カプラ８と、光検出器９と、正弦波信号発生器１０と、ダブルバランスドミキサー１１と、ＰＩＤ回路１２ａ，１２ｂ，１２ｃと、温度調整機構１４と、電気光学変調器（Electro-Optic Modulator：ＥＯＭ）１５とから構成される。位相変調器５と光量分割カプラ８と光検出器９と正弦波信号発生器１０とダブルバランスドミキサー１１とＰＩＤ回路１２ｃ（第３の制御手段）とＥＯＭ１５とは第３の位相補償手段を構成している。
【００４８】
本実施の形態は、第１の実施の形態のＰＳＡに、ＰＩＤ回路１２ｃとＥＯＭ１５とを追加したものである。
信号光は、ＰＺＴ３からなる光ファイバ伸縮器と温度調整機構１４とＥＯＭ１５とが設けられた光ファイバ１の入力端に入射し、光ファイバ１を伝搬して光パラメトリックアンプ用二次非線形光学素子４に入射する。
【００４９】
励起光は、第１の実施の形態で説明したとおり、光ファイバ２に設けられた位相変調器５により位相変調され、さらにＥＤＦＡ６により増幅されて、第二次高調波発生用二次非線形光学素子７に入射する。第二次高調波発生用二次非線形光学素子７のＰＰＬＮ導波路７０により発生した励起光の第二次高調波光は、光パラメトリックアンプ用二次非線形光学素子４のダイクロイックミラー４０に入射し、信号光と合波されて、ＰＰＬＮ導波路４１に入射する。ＰＰＬＮ導波路４１によって増幅された信号光の一部は、光検出器９で検出される。ダブルバランスドミキサー１１は、光検出器９の出力信号と正弦波信号発生器１０から出力される正弦波信号とを乗算して復調を行う。
【００５０】
ＰＩＤ回路１２ａ，１２ｂの動作は第１の実施の形態で説明したとおりである。ＰＩＤ回路１２ｃは、ダブルバランスドミキサー１１から出力される復調信号の値が所定の目標値と一致するように、ＥＯＭ１５への印加電圧を生成する。具体的には、ＰＩＤ回路１２ｃは、ダブルバランスドミキサー１１から出力される復調信号の値が、励起光に対して信号光の位相が遅れていることを示す方向にずれている場合には、信号光の位相の遅れを減少させる電圧を出力し、復調信号の値が、信号光に対して励起光の位相が遅れていることを示す方向にずれている場合には、信号光の位相の遅れを増大させる電圧を出力する。ＥＯＭ１５は、ＰＩＤ回路１２ｃから出力された印加電圧に応じて信号光の位相を変調する。
【００５１】
本実施の形態では、ＰＩＤ回路１２ａの積分定数（積分時間）をＴＩａ、ＰＩＤ回路１２ｂの積分定数をＴＩｂ、ＰＩＤ回路１２ｃの積分定数をＴＩｃとすると、ＴＩｂ＞ＴＩａ＞ＴＩｃの関係になるように設定している。本実施の形態のフィードバック制御系のフィードバックゲインの周波数特性を図６に示す。図６におけるＫａはＰＺＴ３に印加電圧をフィードバックする制御系のフィードバックゲインを示し、Ｋｂは温度調整機構１４に印加電圧をフィードバックする制御系のフィードバックゲインを示し、ＫｃはＥＯＭ１５に印加電圧をフィードバックする制御系のフィードバックゲインを示している。
【００５２】
ＥＯＭ１５に印加電圧をフィードバックする制御系は、ＥＯＭ１５から光パラメトリックアンプ用二次非線形光学素子４、光量分割カプラ８、光検出器９、ダブルバランスドミキサー１１、ＰＩＤ回路１２ｃへと至り、ＥＯＭ１５に印加電圧を出力するループを形成している。図６のようなフィードバックゲインＫａ，Ｋｂ，Ｋｃが設定されるように、ＰＩＤ回路１２ａ，１２ｂ，１２ｃの各々の制御パラメータ（比例ゲイン、積分定数、微分定数）を設定しておけばよい。
【００５３】
ＰＺＴ３自体の共振周波数のため、ＰＺＴ３の応答速度は数ｋＨｚからせいぜい１００ｋＨｚ程度までである。この共振周波数は、ＰＺＴ３自体の持つキャパシタンスが大きくなると低くなる性質がある。第１、第２の実施の形態で用いる光ファイバ伸縮器のように、外側に光ファイバ１を巻き付けることができるタイプの大型のＰＺＴ３では、数十ｋＨｚの共振周波数となる。一方、偏波多重信号に対応するためには１００ｋＨｚ以上の帯域が必要である。
【００５４】
第１の実施の形態の構成では、ＰＺＴ３の共振周波数がフィードバック帯域の上限となる。一方、本実施の形態では、ＥＯＭ１５を用いることにより、数百ｋＨｚから数ＭＨｚのフィードバック帯域を実現することができる。ファイバインラインタイプのＥＯＭ１５は数Ｖ程度の印加電圧でフィードバックが十分にかかるため、取扱いも容易である。
【００５５】
以上のように、本実施の形態では、第１の実施の形態の構成にＰＩＤ回路１２ｃとＥＯＭ１５を追加することにより、信号光の位相と励起光の位相とをＰＰＬＮ導波路４１内において同期させることができる。本実施の形態では、１００ｋＨｚを超える制御帯域が実現可能であり、第１の実施の形態よりも広帯域な位相補償制御を実現することができる。その結果、本実施の形態では、信号伝送時に問題となりうる偏光変化への対応も可能となる。
【００５６】
第１、第２の実施の形態では、ＰＺＴ３と温度調整機構１４とＥＯＭ１５の制御にＰＩＤ制御を採用したが、これに限るものではなく、ＰＺＴ３と温度調整機構１４の制御にＰＩ制御を採用してもよい。
【００５７】
また、第１の実施の形態では、ＰＺＴ３と温度調整機構１４とを信号光側に設けるようにしたが、励起光側に設けるようにしてもよい。この場合には、例えば位相変調器５の前段の光ファイバ２にＰＺＴ３と温度調整機構１４とを設けるようにしてもよいし、位相変調器５とＥＤＦＡ６との間の光ファイバ２にＰＺＴ３と温度調整機構１４とを設けるようにしてもよいし、ＥＤＦＡ６と第二次高調波発生用二次非線形光学素子７との間の光ファイバ２にＰＺＴ３と温度調整機構１４とを設けるようにしてもよい。
【００５８】
同様に、第２の実施の形態において、ＰＺＴ３と温度調整機構１４とＥＯＭ１５とを励起光側に設けるようにしてもよい。この場合には、例えば位相変調器５の前段の光ファイバ２にＰＺＴ３と温度調整機構１４とＥＯＭ１５とを設けるようにしてもよいし、位相変調器５とＥＤＦＡ６との間の光ファイバ２にＰＺＴ３と温度調整機構１４とＥＯＭ１５とを設けるようにしてもよいし、ＥＤＦＡ６と第二次高調波発生用二次非線形光学素子７との間の光ファイバ２にＰＺＴ３と温度調整機構１４とＥＯＭ１５とを設けるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、光信号を増幅する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１，２…光ファイバ、３…ＰＺＴ圧電素子、４…光パラメトリックアンプ用二次非線形光学素子、５…位相変調器、６…エルビウム添加ファイバアンプ、７…第二次高調波発生用二次非線形光学素子、８…光量分割カプラ、９…光検出器、１０…正弦波信号発生器、１１…ダブルバランスドミキサー、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…ＰＩＤ回路、１４…温度調整機構、１５…電気光学変調器、１４０…金属箔、１４１…ヒータ、１４２…温度センサ、１４３…温度制御装置、１４４…マルチコアファイバ、１４５…温調用レーザ、１４６…レーザドライバ、１４７…中心コア、１４８…周辺コア。
【図１】
0006585542.tif 000003
【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】
0006585542.tif 000009
【図８】
0006585542.tif 000010
【図９】
0006585542.tif 000011
【図１０】
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