(57)【要約】【課題】信号光パルス波形を整形し、入力信号光のＳ／Ｎを改善することができる光増幅器を実現する。【解決手段】強度変調された信号光を入力し、その光強度に比例して光位相偏移した信号光を出力する光位相偏移手段と、光位相偏移した信号光を入力し、その光位相偏移量に応じて“０”または“１”の２値の光強度の信号光を出力する位相感応光増幅手段とを備える。【選択図】　　　　図７
2004006943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強度変調された信号光を入力し、その光強度に比例して光位相偏移した信号光を出力する光位相偏移手段と、
前記光位相偏移した信号光を入力し、その光位相偏移量に応じて“０”または“１”の２値の光強度の信号光を出力する位相感応光増幅手段と
を備えたことを特徴とする光増幅器。
【請求項２】
強度変調された信号光を入力し、その位相雑音を強度雑音に変換して位相一定の信号光を出力する第１の位相感応光増幅手段と、
前記位相一定の信号光を入力し、その光強度に比例して光位相偏移した信号光を出力する光位相偏移手段と、
前記光位相偏移した信号光を入力し、その光位相偏移量に応じて“０”または“１”の２値の光強度の信号光を出力する第２の位相感応光増幅手段と
を備えたことを特徴とする光増幅器。
【請求項３】
光位相偏移手段は、光カー媒質を用いた構成であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光増幅器。
【請求項４】
位相感応光増幅手段は、光ファイバ型非線形ループミラーまたは光カー媒質を含むマッハツェンダ干渉計を用いた構成であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光増幅器。
【請求項５】
位相感応光増幅手段は、縮退パラメトリック媒質を用いた構成であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、信号光のパルス波形および信号対雑音比（以下、Ｓ／Ｎという）を改善しながら光増幅を行う光増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光伝送システムでは、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。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ので、１０Ｇｂｉｔ／ｓ　以上の大容量光伝送システムに適用することが困難であった。
【０００３】
この問題を解決する増幅手段として、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。また、光信号処理回路においても、光分岐損失や光回路の減衰を補償する手段として半導体レーザ増幅器を用いることが検討されている。いずれの場合でも、媒質中の電子状態を反転分布状態にさせ、誘導放出により信号光を増幅する構成になっている。
【０００４】
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ので、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。しかし、劣化した信号光パルス波形を整形する機能はもっていない。また、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】
この伝送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。この位相感応光増幅器は、伝送ファイバの分散の影響による劣化した信号光パルス波形を整形する機能を有する。さらに、自然放出光は出力されず、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】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光増幅器によるＳ／Ｎの劣化がなくても、現実の光伝送系や光信号処理系では、光ファイバや光素子による信号光の減衰によりＳ／Ｎが劣化する。したがって、今後はＳ／Ｎの劣化が生じないだけでなく、さらにＳ／Ｎの劣化を補償する光増幅器が望まれる。
【０００７】
本発明は、光処理型で高速動作が可能であり、入力信号光のＳ／Ｎを改善することができる光増幅器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（信号光パルス波形を整形する光増幅器…参考例）
位相感応光増幅器は、入力信号光のうち励起光と同位相成分を増幅し、直交位相成分を減衰させる機能を有するものであり、例えば光ファイバ型非線形ループミラー（以下、ＮＯＬＭという。）が用いられる（　Ｍ．Ｅ．Ｍａｒｈｉｃ　ａｎｄ　Ｃ．Ｈ．Ｈｓｉａ，　１９９１年エレクトロニクス・レターズ，２７号，２１０　頁に記載）。
【０００９】
入力信号光ＥＳ　は、一般にコサイン成分とサイン成分に分解され、
2004006943.tif 000003
と表される。ここで、φＳ　は入力信号光ＥＳ　と励起光ＥＰ　の位相差であり、コサイン成分は励起光と同位相、サイン成分は励起光と直交位相の関係になっている。位相感応光増幅器は、入力信号光のうち励起光と同位相成分ａ１　を増幅し、直交位相成分ａ２　を減衰させる。すなわち、出力信号光の同位相成分をｂ１　、直交位相成分をｂ２　、利得をＧとすると、
ｂ１　＝Ｇ１／２　ａ１　　　　　　　　　　…（２）
ｂ２　＝Ｇ−１／２ａ２　　　　　　　　　　…（３）
が満足される。位相感応光増幅器の利得と、入力信号光と励起光の位相差φＳ　の関係を図５に示す。
【００１０】
このような位相感応光増幅器に、伝送路ファイバの分散の影響を受けてチャーピングを起こした信号光パルスを入力すると、信号光パルス波形のピークと裾では光位相が変化しており、利得が異なることになる。ここで、信号光パルスのピーク位相と励起光位相が同期するように制御すると、図６に示すように信号光パルスのピークのみが増幅され、信号光パルスの裾は逆に減衰されて出力信号光のパルス幅が狭くなる。すなわち、波形劣化の補償が可能になる。
【００１１】
図１は、光増幅器の第１の基本構成を示す。
図において、本光増幅器は、位相感応光増幅部１２と、励起光源１３と、励起光位相制御部１４と、光分岐部１５−１〜１５−３とにより構成され、位相感応光増幅部１２の出力信号光の平均光強度が最大になるように励起光位相を制御する。すなわち、励起光源１３は、光分岐部１５−１で分岐された入力信号光の位相に同期するように励起光位相が制御される。励起光位相制御部１４は、光分岐部１５−２で分岐された出力信号光の一部を狭帯域の検波器で検波し、検波電流が最大になるように励起光位相を制御する。なお、励起光位相制御部１４は、励起光源１３の出力側で励起光の位相を制御する構成の他に、励起光源１３の位相を直接制御する構成としてもよい。その結果、位相感応光増幅部１２では、信号光パルスのピーク位相と励起光位相が同期するように制御され、上記の原理に基づいて信号光パルスが波形整形される。
【００１２】
図２は、光増幅器の第２の基本構成を示す。
図において、本光増幅器は、位相感応光増幅部１２と、励起光源１３と、励起光位相制御部１４−１，１４−２と、光分岐部１５−１，１５−２とにより構成され、位相感応光増幅部１２の出力信号光の平均光強度が最大になるように励起光位相を制御する。すなわち、励起光位相制御部１４−１は、光分岐部１５−１で分岐された入力信号光と励起光の位相差が０になるように励起光源１３の位相を制御する。励起光位相制御部１４−２では、光分岐部１５−２で分岐された出力信号光の一部を狭帯域の検波器で検波し、検波電流が最大になるように励起光位相を制御する。なお、励起光位相制御部１４は、励起光源１３の出力側で励起光の位相を制御する構成の他に、励起光源１３の位相を直接制御する構成としてもよい。その結果、位相感応光増幅部１２では、信号光パルスのピーク位相と励起光位相が同期するように制御され、上記の原理に基づいて信号光パルスが波形整形される。
【００１３】
図３は、光増幅器の第３の基本構成を示す。
図において、本光増幅器は、図１の構成に信号光瞬時強度検出部１６を加え、位相感応光増幅部１２の出力信号光の平均ピーク強度が最大になるように励起光位相を制御する。すなわち、信号光瞬時強度検出部１６は、光分岐部１５−２で分岐された出力信号光のパルスピークのみを検波し、励起光位相制御部１４はその検波電流が最大になるように励起光位相を制御する。その結果、位相感応光増幅部１２では、信号光パルスのピーク位相と励起光位相が同期するように制御され、上記の原理に基づいて信号光パルスが波形整形される。
【００１４】
図４は、光増幅器の第４の基本構成を示す。
図において、本光増幅器は、図２の構成に信号光瞬時強度検出部１６を加え、位相感応光増幅部１２の出力信号光の平均ピーク強度が最大になるように励起光位相を制御する。すなわち、信号光瞬時強度検出部１６は、光分岐部１５−２で分岐された出力信号光のパルスピークのみを検波し、励起光位相制御部１４−２はその検波電流が最大になるように励起光位相を制御する。その結果、位相感応光増幅部１２では、信号光パルスのピーク位相と励起光位相が同期するように制御され、上記の原理に基づいて信号光パルスが波形整形される。
【００１５】
（入力信号光のＳ／Ｎを改善する光増幅器…請求項１）
図７は、請求項１の光増幅器の基本構成および動作原理を示す。図において、本光増幅器は、光位相偏移手段２１と位相感応光増幅手段２２が縦続に接続された構成である。光位相偏移手段２１は、強度変調された信号光を入力し、その光強度に比例して光位相偏移した信号光を出力する。位相感応光増幅手段２２は光位相偏移した信号光を入力し、その光位相偏移量に応じて“０”または“１”の２値の光強度の信号光を出力する。
【００１６】
本発明の光増幅器は、理想的には図８に示すように、入力信号光強度ＰＳ　に対して閾値動作する入出力特性を有するものが要求される。閾値レベルＰｔｈより大きな強度を有する信号光が入力された場合には、出力信号光強度ＰＯ　が得られる。一方、閾値レベルＰｔｈより小さな強度を有する信号光が入力された場合には、出力信号光強度が０となる。その結果、信号光の強度雑音は除去され、Ｓ／Ｎが改善される。
【００１７】
以下、光位相偏移手段２１および位相感応光増幅手段２２により、図８に示す閾値動作に近い入出力特性が得られる原理について説明する。
【００１８】
まず、光位相偏移手段２１の動作原理について説明する。光位相偏移手段２１は、光強度に比例して物質中の屈折率が変化する光カー効果を利用するものであり、例えば石英ファイバなどの光カー媒質が用いられる（請求項３）。
【００１９】
入力信号光強度ＰＳ　と光位相偏移手段２１の屈折率ｎ（ｐ）　は、非線形屈折率の影響により、
ｎ（ｐ）　＝ｎ０　＋ｎ２ＰＳ／Ｓ　　　　　…（４）
の関係がある。Ｓは入力信号光の有効断面積である。したがって、入力信号光強度ＰＳ　に対する屈折率変動δｎは、
δｎ＝ｎ２ＰＳ／Ｓ　　　　　　　　　…（５）
となる。ここで、光位相偏移手段２１の長さをＬ、入力信号光の角周波数をω、光速をｃとすると、入力信号光の光強度変化に対する光位相偏移量δφは、
δφ＝γＬＰＳ　　　　　　　　　　　…（６）
γ＝ｎ２ω／（ｃＳ）　　　　　　　…（７）
となる。この関係により、光位相偏移手段２１では、入力信号光に対してその光強度に比例した光位相偏移を起こす。
【００２０】
位相感応光増幅手段２２は、上述したように、入力信号光のうち励起光と同位相成分ａ１　のみを増幅し、直交位相成分ａ２　を減衰させる。
【００２１】
図９は、位相感応光増幅部１２の構成例を示す（請求項４）。
図９（ａ）　はＮＯＬＭによる構成例を示す。図において、入力信号光ＥＳ　　（強度ＰＳＳ≒ＰＳ　）　と励起光ＥＰ（強度ＰＰ）は光カプラ３１で合波され、ループ状に接続された光ファイバ３２に２分岐され、再度光カプラ３１で合波される。出力信号光ＥＯ　は光カプラ３１から出力され、光サーキュレータ３３を介して入力信号光ＥＳ　と分離される。
【００２２】
図９（ｂ）　は光カー媒質を用いたマッハツェンダ干渉計による構成例を示す。図において、入力信号光ＥＳ　（強度ＰＳＳ≒ＰＳ　）と励起光ＥＰ（強度ＰＰ）はビームスプリッタ３４−１で２分岐され、それぞれ光カー媒質３５−１，３５−２を通過し、ビームスプリッタ３４−２で合波され、その一方のポートに出力信号光Ｅ０　が得られる。
【００２３】
ここで、出力信号光ＥＯ　の強度ＰＯ　は、
ＰＯ　＝ＰＳＳｃｏｓ２（Δφ／２）＋ＰＰ　ｓｉｎ２（Δφ／２）
−２（ＰＳＳＰＰ）１／２　ｓｉｎ（Δφ／２）ｃｏｓ（Δφ／２）　ｓｉｎφＳ　　　…（８）
Δφ＝−４π（Ｌ／λ）ｎ２（ＰＳＳＰＰ）１／２　ｃｏｓφＳ　　　　　　　　　　　…（９）
となる。この関係より、位相感応光増幅手段２２の入出力信号光の関係が定まる。入力信号光ＥＳ　と励起光ＥＰ　の位相差φＳ　をパラメータとしたときの入力信号光強度ＰＳＳと出力信号光強度ＰＯ　の関係を図１０に示す。
【００２４】
入力信号光強度ＰＳＳが十分に小さいときの入力信号光ＥＳ　と励起光ＥＰ　の位相差をφｂ　とすると、式（６）　より位相感応光増幅手段２２に入力される入力信号光ＥＳ　と励起光ＥＰ　の位相差φＳ　は、
φＳ　＝φｂ　＋γＰＳ　Ｌ　　　　　　　…（１０）
となる。ただし、γは非線形光学定数であり、式（７）　で定義される。
【００２５】
ここで、式（１０）のφｂ　を位相感応光増幅手段２２での利得が最小値となる光位相差以下にとる。さらに、マーク時の信号光強度による光位相偏移手段２１での位相偏移により、位相感応光増幅手段２２で位相差φＳ　が最大利得を与える位相差よりも小さくなるように光位相偏移手段２１の相互作用量γＬを選択する。光位相偏移手段２１の作用により、入力信号光強度ＰＳ　の増大に伴い位相感応光増幅手段２２の入力信号光ＥＳ　と励起光ＥＰ　の位相差φＳ　が変化する。したがって、光位相偏移手段２１と位相感応光増幅手段２２により構成される本発明の光増幅器において、入力信号光強度ＰＳ　と出力信号光強度ＰＯ　の関係は図１１のようになる。
【００２６】
これは、図８に示す閾値動作に近い入出力特性を示している。すなわち、入力信号光が強度変調されている場合には、強度雑音を伴うマーク信号は出力信号光強度ａ（“１”）に収束し、スペース信号は出力信号光強度が十分に小さいｂ（“０”）に収束する。これにより、強度雑音が除去され、Ｓ／Ｎを改善することができる。
【００２７】
図１２は、位相感応光増幅部１２の他の構成例を示す（請求項５）。
図において、入力信号光ＥＳ　（強度ＰＳＳ，周波数ωＳ　）と励起光ＥＰ（強度ＰＰ　，周波数２ωＳ　）は、ダイクロックミラー３６−１を介して縮退パラメトリック結晶３７に入力される。縮退パラメトリック結晶３７から出力される周波数ωＳ　（＝２ωＳ−ωＳ）の信号光ＥＯ　と励起光ＥＰ　は、ダイクロックミラー３６−２で分離される。このような構成では、励起光の周波数の入力信号光の周波数の２倍に設定する必要があるが、定性的には図１０，図１１に示す入出力特性が得られる。
【００２８】
（入力信号光のＳ／Ｎを改善する光増幅器…請求項２）
図１３は、請求項２の光増幅器の基本構成および動作原理を示す。
図において、第１の位相感応光増幅手段２２−１と、光位相偏移手段２１と、第２の位相感応光増幅手段２２−２が縦続に接続される。第１の位相感応光増幅手段２２−１は、強度変調された信号光を入力し、その位相雑音を強度雑音に変換して位相一定の信号光を出力する。光位相偏移手段２１は、位相一定の信号光を入力し、その光強度に比例して光位相偏移した信号光を出力する。第２の位相感応光増幅手段２２−２は、光位相偏移した信号光を入力し、その光位相偏移量に応じて“０”または“１”の２値の光強度の信号光を出力する。
【００２９】
光位相偏移手段２１と第２の位相感応光増幅手段２２−２の機能は、図７に示す請求項１の光増幅器のものと同じである。ここでは、入力信号光が大きな位相雑音を有する場合でも対応できるようにしたものである。第１の位相感応光増幅手段２２−１は、図１４に示すように光位相に依存した利得を与えるので、入力信号光の位相雑音は出力側で強度雑音に変換される。一方、第１の位相感応光増幅手段２２−１の出力信号光の位相は、位相雑音が少ない励起光と同一になり、入力信号光の位相雑音が抑圧される。すなわち、第１の位相感応光増幅手段２２−１では、入力信号光の位相雑音を除去し、これらを強度雑音に変換して光位相偏移手段２１に送出する。
【００３０】
（光増幅中継伝送システム…参考例）
図１５は、光増幅中継伝送システムの基本構成を示す。図において、光増幅中継伝送システムは、強度変調された信号光を送出する光送信器４１、光ファイバ伝送路４２、光増幅中継器４３、受信した信号光を復調する光受信器４４により構成される。ここで、光ファイバ伝送路４２を光位相偏移手段２１を構成する光カー媒質と見なし、光増幅中継器４３を位相感応光増幅手段２２とすると、図７に示す請求項１の光増幅器と機能的には同一の構成となる。ただし、光位相偏移手段２１、すなわち光ファイバ伝送路４２における損失が無視できないので、光送信器４１と光ファイバ伝送路４２のパラメータを適当に設定する必要がある。
【００３１】
光送信器４１から送信される信号光のマーク時の平均光強度をＰ０　〔Ｗ〕、光ファイバ伝送路４２の非線形係数をγ〔Ｗ−１ｋｍ−１〕、損失をα〔ｋｍ−１〕、区間長をＬ〔ｋｍ〕とする。光ファイバ伝送路４２における信号光の位相回転量φは、式（６）　の代わりに、
【００３２】
【数１】
2004006943.tif 000004
【００３３】
で与えられる。
図１６は、光ファイバ伝送路における信号光の位相回転量を示す。ここで、光増幅中継器４３の出力は次の光ファイバ伝送路４２への入力信号光強度となるので、Ｐ０　をパラメータとしている。光ファイバ伝送路４２の損失α（０．２ｄＢ／ｋｍ）があるので、伝送距離が短い領域では距離に比例して位相回転が増加するが、約５０ｋｍを越えた領域では一定である。すなわち、５０ｋｍを越えた領域では距離に関係なく信号光強度に比例した位相回転が生じている。
【００３４】
位相感応光増幅手段２２は、図５に示すように、入力信号光と励起光の位相差φＳ　がｍπ（ｍは整数）ならば利得Ｇで増幅し、（ｍ＋１／２）πならば１／Ｇで減衰させる。したがって、符号がスペースの場合（信号光強度が０に近い場合）に、位相感応光増幅手段２２の入力信号光の位相が（ｍ＋１／２）πの近傍になるように設定する。また、信号光の平均光強度Ｐ０　および励起光強度を調整することにより、符号がマークの場合に位相感応光増幅手段２２の入力信号光の位相がｍπの近傍でｍπより少し大きくなるように設定する。すなわち、光送信器４１および光ファイバ伝送路４２の各パラメータが
π／４＜｛１−ｅｘｐ（αＬ）｝Ｐ０γＬ／α＜π　（ラジアン）
となるように設定する。これにより、光ファイバ伝送路４２（光位相偏移手段２１）と光増幅中継器４３（位相感応光増幅手段２２）の総合入出力特性として、図８に近い関係が得られる。
【００３５】
図１７は、光増幅中継伝送システムの入出力特性を示す。本入出力特性は、光ファイバ伝送路４２の区間長Ｌが　１００ｋｍ、中継利得が２０ｄＢ、マーク時の平均光強度Ｐ０　が３２ｍＷのときに、光ファイバ伝送路４２の入力信号光強度と、光増幅中継器４３の出力信号光強度の関係について計算したものである。また、２段構成および３段構成の入出力特性も示す。伝搬段数の増加に伴い、非線形な入出力特性が階段状になって疑似識別的な効果が強調され、“０”または“１”の２値の光強度の信号光が出力されることがわかる。
【００３６】
ここで、従来の光増幅中継伝送システムの符号誤り特性について説明する。
図１８は、従来の光増幅中継伝送システムの構成を示す。図において、強度変調された信号光を送出する光送信器５１、光ファイバ伝送路５２、光増幅中継器５３、受信した信号光を復調する光受信器５４により構成される。光増幅中継器５３は、光ファイバ伝送路５２の損失Ｌを利得Ｇ０　で補う構成である。すなわち、
Ｇ０　・Ｌ＝１　　　　　　　　　　　　　…（１２）
である。
【００３７】
一般に、レーザ増幅器は入力信号光強度が増加すると利得が減少する利得飽和特性を示す。利得飽和の回復時間（入力光が消滅し、飽和により減少した利得が元の値に復帰するまでの時間）は、エルビウム添加光ファイバでほぼ１０ミリ秒と長いので、１Ｍｂｉｔ／ｓ　以上の変調速度を有する入力信号光に対しては、光増幅中継器５３の利得は図１９に示すように一定と見なしてよい。すなわち、マーク時（信号１，平均光強度ｘｍ　）の入力信号光に対しても、スペース時（信号０，平均光強度ｘＳ　）に対しても同一の利得で増幅する。したがって、信号成分に重畳した雑音成分も信号同様に線形に増幅され、伝搬に伴って累積する。初段の増幅器以降、増幅器の出力光のＳＮ比は増幅器の段数ｋに反比例して劣化する。
【００３８】
符号誤り率ＢＥＲは、ＳＮ比の劣化に応じて増加する。ｋ段目の光増幅中継器５３の出力光のＳＮ比を（Ｓ／Ｎ）ｋ、光送信器５１の出力光のＳＮ比を（Ｓ／Ｎ）０、光増幅中継器５３の雑音指数をＦとすると、符号誤り率ＢＥＲｋ　は、
【００３９】
【数２】
2004006943.tif 000005
【００４０】
と表される。光増幅中継器の段数と符号誤り率の関係を図２０に示す。ここでは、（Ｓ／Ｎ）０＝５６ｄＢ、Ｌ＝１／Ｇ０　＝−２０ｄＢ、Ｆ＝３ｄＢとした。すなわち、初段の光増幅中継器の入力信号光のＳＮ比は３６ｄＢとなる。段数の増加に伴い急速に符号誤り率が増加していることがわかる。符号誤り率が１０−１３　以下を許容すると、光増幅中継器の段数は１０段に制限される。
【００４１】
次に、光増幅中継伝送システムの符号誤り特性について説明する。
本システムにおける光増幅中継器（図１５、４３）は、信号光強度による利得飽和特性と吸収飽和特性を有する。ここで、吸収飽和特性とは、信号光強度が０に近いとき（スペース時の入力信号光強度の近傍）は利得がＧ０　（＝１／Ｌ）よりも小さく、信号光強度が大きくなるにつれて利得がＧに近づく特性である。利得飽和特性とは、信号光強度が大きくなる（マーク時の平均光強度程度）と利得が減少する特性である。したがって、吸収飽和特性と利得飽和特性とを有する光増幅中継器の入出力特性は、図２１の実線Ａで示される特性となる。横軸（ｘ）は入力信号光強度、縦軸（ｙ）は出力信号光強度である。
【００４２】
光増幅中継器（位相感応光増幅手段）では、利得回復時間および吸収回復時間は信号帯域幅の逆数よりも短いので、入力信号光の瞬時値に追随して図のように利得が変化すると考えてよい。マーク時の平均光強度ｘｍ　における利得はＧ０　＝１／Ｌに設定されている。したがって、図中破線で示すｙ＝Ｇ０　ｘの直線と増幅器の入出力特性を示す曲線の交点は、（ｘｍ　，　ｙｍ　）以外に（ＲＬｘｍ，ＲＬｙｍ）がある。この２点で示される入力信号光は、損失Ｌの伝送路と利得Ｇの中継器の連鎖を損失も利得もなく定常的に伝搬する。入力信号光強度がＲＬｘｍよりも小さい場合には、利得がＧ０　よりも小さいために次段の光増幅中継器の入力信号光強度はＲＬｘｍよりも小さくなる。これを繰り返して数段後には光強度は０に収束する。一方、出力信号光強度がＲＬｘｍとなるｘｍ　以上の入力信号光強度をＲＨｘｍとすると、入力信号光強度がＲＬｘｍからＲＨｘｍまでの場合には、数段後にｘｍ　に収束する。例えば、入力信号光強度とその５中継後の出力信号光強度の関係は、図２１の実線Ｂで示される特性となる。したがって、出力信号光のＳＮ比は、光増幅中継器の段数に関係なく一定の値を維持することができる。
【００４３】
このとき、全区間の符号誤り率は、中継区間数の増加に対して線形に増加する。すなわち、１中継区間での符号誤り率をＥＲ１とすると、ｋ段の中継後の符号誤り率ＥＲ　は
ＥＲ　＝ｋ・ＥＲ１　　　　　　　　　　　　　　　　…（１４）
となる。なお、１中継区間での符号誤り率ＥＲ１は、次のように定めることができる。図２１において、出力信号光強度が一定と見なせる入力信号光強度の範囲をｘＬ　からｘＨ　とする。初段の光増幅中継器の入力信号光強度がマーク時にその範囲に収まったとき、出力信号光の雑音状態は光送信器の出力光と同等のＳＮ比を有している。したがって、初段の入力信号光がｘＬ　からｘＨ　の範囲以外となるビットの確率をもって、図２１に示すように１中継区間の符号誤り率ＥＲ１とすればよい。このとき、ＥＲ１は
【００４４】
【数３】
2004006943.tif 000006
【００４５】
と表される。ただし、簡単のために
ｘＬ　＝（１−ｒ）ｘｍ　、　ｘＨ　＝（１＋ｒ）ｘｍ　　　　　　…（１６）
とした。ｒ＝０．１２、０．１３、０．１４としたときの符号誤り率を図２０に示す。従来の符号誤り率の計算例と同様に、初段の光増幅中継器の入力信号光のＳＮ比を３６ｄＢ、ｒ＝０．１３とすると、１中継区間の符号誤り率ＥＲ１は１０−１５　となる。したがって、式（１５）より、符号誤り率が１０−１３　以下であるとする制限では、光増幅中継器の段数は　１００段まで許容され、従来方式の約１０倍の伝送可能距離に拡大することができる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
図２２は、光増幅器の第１の参考例を示す。
図において、入力信号光は光カプラ６１−１で２分岐され、その一方が光サーキュレータ６２を介して位相感応光増幅部１２として用いられるＮＯＬＭ６３に入力され、他方が励起レーザ光源６４に入力される。励起レーザ光源６４から出力される励起光は、入力信号光の位相と同期させる光路長調整器６５を介してＮＯＬＭ６３に入力され、入力信号光と合波される。ＮＯＬＭ６３の光サーキュレータ６２から出力される出力信号光は、光カプラ６１−２でその一部が分岐される。その出力信号光の一部はフォトダイオード６６で検波され、制御回路６７で処理して光路長調整器６５にフィードバックされる。
【００４７】
本参考例では、ＮＯＬＭ６３に入力する励起光の位相を入力信号光の平均位相に同期させるために、入力信号光の一部を分岐して励起レーザ光源６４に注入して注入同期させている。光路長調整器６５は、制御回路６７で出力信号光の強度変化をモニタし、出力信号光の時間平均光強度が最大になるように制御される。
【００４８】
図２３は、光増幅器の第２の参考例を示す。
図において、入力信号光は光サーキュレータ６２を通過し、光カプラ６１−１で２分岐され、その一方が位相感応光増幅部１２として用いられるＮＯＬＭ６３に入力され、他方がフォトダイオード６６−１に入力される。励起レーザ光源６４から出力される励起光は、光カプラ６１−２で２分岐され、その一方が光位相変調器６８を介してＮＯＬＭ６３に入力され、他方がフォトダイオード６６−１に入力される。フォトダイオード６６−１には入力信号光および励起光が入力され検波される。制御回路６７−１は、入力信号光と励起光の位相差が０になるように励起レーザ光源６４の位相を制御する。ＮＯＬＭ６３の光サーキュレータ６２から出力される出力信号光は、光カプラ６１−３でその一部が分岐される。その出力信号光の一部はフォトダイオード６６−２で検波され、制御回路６７−２で処理して光位相変調器６８にフィードバックされる。
【００４９】
本参考例では、ＮＯＬＭ６３に入力する励起光の位相を入力信号光の平均位相に同期させるために、入力信号光と励起光の位相差をモニタする構成になっている。光位相変調器６８は、制御回路６７−２で出力信号光の強度変化をモニタし、出力信号光の時間平均光強度が最大になるように制御される。なお、制御回路６７−１，６７−２が共に励起レーザ光源６４の位相を制御する構成としてもよい。
【００５０】
図２４は、光増幅器の第３の参考例を示す。
本実施形態の特徴は、出力信号光の平均ピーク強度が最大になるように励起光位相を制御するところにある。出力信号光の平均ピーク強度は、ＳＨＧ結晶６９、タイミング抽出回路７０、短パルス光源７１、フォトダイオード６６−２、制御回路６７−２により観測される。すなわち、光カプラ６１−３で分岐された出力信号光と、短パルス光源７１から出力される短光パルスをＳＨＧ結晶６９に入力してＳＨＧ相関をとり、フォトダイオード６６−２で検波し、制御回路６７−２で処理して光位相変調器６８にフィードバックされる。一方、タイミング抽出回路７０は、出力信号光のタイミングを抽出し、信号光パルスピークと同時に短パルス光源７１から短光パルスをＳＨＧ結晶６９に入力するように制御する。その他の構成は、第２の実施形態と同様である。
【００５１】
（光増幅器の第１の実施形態…請求項１，４）
図２５は、本発明の光増幅器の第１の実施形態を示す。
図において、入力信号光は光カプラ６１−１で２分岐され、その一方が光位相偏移手段２１として用いられる光カー媒質７２に入力され、他方が励起レーザ光源６４に入力される。光カー媒質７２の出力光は、位相感応光増幅部１２として用いられるＮＯＬＭ６３に入力される。励起レーザ光源６４から出力される励起光は、入力信号光の位相と同期させる光路長調整器６５を介してＮＯＬＭ６３に入力される。ＮＯＬＭ６３の光サーキュレータ６２から出力される出力信号光は、光カプラ６１−２でその一部が分岐される。その出力信号光の一部はフォトダイオード６６で検波され、制御回路６７で処理して光路長調整器６５にフィードバックされる。
【００５２】
本実施形態では、ＮＯＬＭ６３に入力する励起光の位相を入力信号光の平均位相に同期させるために、入力信号光の一部を分岐して励起レーザ光源６４に注入して注入同期させている。また、熱膨張の影響を受けて、光カー媒質７２の長さが数ｋＨｚ程度の速さで変動する。これを補償するために、制御回路６７は出力信号光の強度変化をモニタして光路長調整器６５を調整し、ＮＯＬＭ６３に入力される励起光の位相を制御する。
【００５３】
（光増幅器の第２の実施形態…請求項２，４）
図２６は、本発明の光増幅器の第２の実施形態を示す。
図において、入力信号光は光カプラ６１−２で２分岐され、その一方が第１の位相感応光増幅手段２２−１として用いられるＮＯＬＭ６３−１に入力され、他方が励起レーザ光源６４に入力される。励起レーザ光源６４から出力される励起光は光カプラ６１−２で２分岐され、その一方が光路長調整器６５−１を介してＮＯＬＭ６３−１に入力される。ＮＯＬＭ６３−１の光サーキュレータ６２−１から出力される信号光は、光カプラ６１−３でその一部が分岐される。その出力信号光の一部はフォトダイオード６６−１で検波され、制御回路６７−１で処理して光路長調整器６５−１にフィードバックされる。
【００５４】
光カプラ６１−３で分岐された出力信号光の残りは光カー媒質７２に入力される。光カー媒質７２の出力光は、第２の位相感応光増幅手段２２−２として用いられるＮＯＬＭ６３−２に入力される。光カプラ６１−２で分岐された励起光は、光路長調整器６５−２を介してＮＯＬＭ６３−２に入力される。ＮＯＬＭ６３−２の光サーキュレータ６２−２から出力される出力信号光は、光カプラ６１−４でその一部が分岐される。その出力信号光の一部はフォトダイオード６６−２で検波され、制御回路６７−２で処理して光路長調整器６５−２にフィードバックされる。
【００５５】
本実施形態では、ＮＯＬＭ６３−１，６３−２に入力する励起光の位相を入力信号光の平均位相に同期させるために、入力信号光の一部を分岐して励起レーザ光源６４に注入して注入同期させている。励起レーザ光源６４とＮＯＬＭ６３−１との間にある光路長調整器６５−１、および励起レーザ光源６４とＮＯＬＭ６３−２との間にある光路長調整器６５−２は、ファイバ熱膨張による入力信号光と励起光の位相差の変化を補償するものであり、それぞれ制御回路６７−１，６７−２で出力信号光の強度変化をモニタして制御される。
【００５６】
（光増幅中継伝送システムの構成例）
図２７は、光増幅中継伝送システムの構成例を示す。
図において、光送信器４１は、光源８１と、送信データにより光源８１から出力されるＣＷ光の強度を変調する光変調器８２とにより構成される。光送信器４１から出力された信号光は、光ファイバ伝送路４２を介して光増幅中継器４３に伝送される。ここで、光ファイバ伝送路４２は、信号光の伝送に用いられるだけでなく、図７に示す光位相偏移手段２１として用い、光増幅中継器４３を位相感応光増幅手段２２として用いることにより、Ｓ／Ｎを改善する光増幅器の縦続接続とみなすことができる。そして、最終的に光受信器４４まで伝送される。
【００５７】
なお、図では位相感応光増幅手段２２として、光増幅器の第１の参考例（図２２）のものを示すが、その他の実施形態の光増幅器を用いてもよい。ただし、本光増幅中継伝送システムでは、光位相偏移手段２１としての光ファイバ伝送路４２を通過した信号光が位相感応光増幅手段２２としての光増幅中継器４３に入力されるので、狭帯域の位相同期回路を用いて平均値で位相同期をとる構成とする。
【００５８】
【実施例】
光増幅器の第１および第２の参考例において、入力信号光波長は光伝送に有利な１．５５μｍとする。ＮＯＬＭ６３には、有効コア断面積Ｓ＝５０〔μｍ２　〕，非線形光学定数ｎ２　＝　２．６７×１０−２０〔ｍ２／Ｗ〕の分散シフト単一モード光ファイバを用い、長さＬ＝２〔ｋｍ〕とする。励起光強度を２〔Ｗ〕とすると、２０ｄＢ程度の光利得が得られる。また、信号光の位相雑音に励起光位相が追随できるように、　１００ＭＨｚ程度の帯域をもつ位相同期回路を用いる。フォトダイオード、光ファイバの熱変動による光路長の微小な変動（〜数ｋＨｚ）を補償できるように、十ｋＨｚ程度の検波帯域を有するものとする。
【００５９】
光増幅器の第３の参考例において、ＳＨＧ結晶６９としてＡＡＮＰ結晶を用いる。短パルス光源７１から出力された短光パルスのパルス幅は、信号光のパルス幅の１／１０程度であり、プリスケール位相同期技術を用いて出力信号光パルス列に同期してＡＡＮＰ結晶に入力する。フォトダイオード、光ファイバの熱変動による光路長の微小な変動（〜数ｋＨｚ）を補償できるように、十ｋＨｚ程度の検波帯域を有するものとする。
【００６０】
光増幅器の第１の実施形態において、入力信号光波長は光伝送に有利な１．５５μｍとする。光カー媒質７２には石英ファイバを用いる。石英ファイバの諸元は、有効コア断面積Ｓ＝５０〔μｍ２　〕，非線形光学定数ｎ２　＝２．６７×１０−２０　〔ｍ２　／Ｗ〕の分散シフト単一モード光ファイバを用い、長さＬ＝６〔ｋｍ〕とする。式（６），（７）　より入力信号光強度ＰＳ＝１５０〔ｍＷ〕のときに　１．８〔ｒａｄ　〕の位相偏移が得られる。励起光強度ＰＰ　＝４〔Ｗ〕とする。ＮＯＬＭ６３の光ファイバには、光カー媒質と同様の諸元をもつ石英ファイバを用い、相互作用長を１〔ｋｍ〕とする。
【００６１】
以上の構成および諸元により、入力信号光がマークのときには出力信号光強度が４〔Ｗ〕となる。このときの入出力特性は図２８のようになる。なお、式（９）　におけるバイアス位相φｂ　を０．４５π〔ｒａｄ　〕とした。この結果、十分なＳ／Ｎの回復が得られることがわかる。
【００６２】
光増幅器の第２の実施形態において、入力信号光波長および光カー媒質７２の諸元は第１の実施形態のものと同様とする。励起光強度ＰＰ　＝６〔Ｗ〕とし、その内の２〔Ｗ〕をＮＯＬＭ６３−１に入力し、４〔Ｗ〕をＮＯＬＭ２３−２に入力する。励起光位相の制御系の応答速度は、熱膨張によるＮＯＬＭの長さの変化に十分に追随でき、かつ最大で数ＭＨｚの線幅を有する信号光の位相変化に追随できるようにする。ＮＯＬＭ６３−１の光ファイバとして２〔ｋｍ〕の石英ファイバを用いる。
【００６３】
ＮＯＬＭ６３−１に入力する信号光ピーク強度を　１．５〔ｍＷ〕とすると、２０〔ｄＢ〕の利得が得られる。その結果、ＮＯＬＭ６３−１で増幅された信号光のピーク強度は　１５０〔ｍＷ〕となる。ＮＯＬＭ６３−１の出力信号光の位相は励起光位相と同期しており、入力信号光の位相雑音が強度雑音に変換されている。このときの入出力特性は、図２９のようになる。図中には、入力信号光の位相偏移φｄ　＝０．２，　０，　−０．２に対する出力信号光強度の変化についても示されている。このように、微小な位相雑音が入力信号光に付加されていても、マーク時の出力信号光強度に大きな変化は見られない。マーク時利得は３０〔ｄＢ〕であり、十分なＳＮ比の回復が得られることがわかる。
【００６４】
光増幅中継伝送システムの構成例において、光送信器４１の光源８１は、発振線幅１ＭＨｚ、波長１．５５μｍのＣＷ光を出力する。光位相偏移手段２１として機能する光ファイバ伝送路４２は、実効断面積Ｓ＝５０×１０−８〔ｃｍ２　〕，非線形光学定数ｎ２　＝　３．３×１０−１６〔ｃｍ２／Ｗ〕の零分散シフトファイバを用いる。この非線形係数γは２．６　Ｗ−１ｋｍ−１、損失は　０．２ｄＢ／ｋｍである。ファイバ損失は、　１００ｋｍの間隔に配置された位相感応光増幅器を用いた光増幅中継器４３で補償される。この光増幅中継器４３における入力信号光のマーク時の利得を２０ｄＢに設定し、励起光との位相同期を実現すると、図２８に示す閾値特性を有する入出力特性が得られる。ここで用いられる光位相同期回路の帯域幅は、従来の光ホモダイン検波の理論と実験より１０ＭＨｚ程度で十分である。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光増幅器は、入力信号光を電気信号に変換することなく、入力信号光の波形整形と強度雑音を抑圧することができる。したがって、本発明の光増幅器を光増幅中継伝送システムに導入することにより、光信号のままで連続的に長距離光伝送を行うことができる。また、光信号のままで信号再生を行うことができるので、大容量伝送にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光増幅器の第１の基本構成を示すブロック図。
【図２】光増幅器の第２の基本構成を示すブロック図。
【図３】光増幅器の第３の基本構成を示すブロック図。
【図４】光増幅器の第４の基本構成を示すブロック図。
【図５】位相感応光増幅器の利得特性を示す図。
【図６】位相感応光増幅器の波形整形原理を示す図。
【図７】請求項１の光増幅器の基本構成および動作原理を示す図。
【図８】請求項１の光増幅器の理想的な入出力特性を示す図。
【図９】位相感応光増幅部１２の構成例を示す図。
【図１０】位相感応光増幅部の入出力特性を示す図。
【図１１】本発明の光増幅器の入出力特性を示す図。
【図１２】位相感応光増幅部１２の他の構成例を示す図。
【図１３】請求項２の光増幅器の基本構成および動作原理を示す図。
【図１４】第１の位相感応光増幅手段２２−１の動作原理を示す図。
【図１５】光増幅中継伝送システムの基本構成を示す図。
【図１６】光ファイバ伝送路における信号光の位相回転量を示す図。
【図１７】光増幅中継伝送システムの入出力特性を示す図。
【図１８】従来の光増幅中継伝送システムの構成を示す図。
【図１９】光増幅中継器５３の利得を示す図。
【図２０】光増幅中継器の段数と符号誤り率の関係を示す図。
【図２１】本発明における光増幅中継器の入出力特性を示す図。
【図２２】光増幅器の第１の参考例を示す図。
【図２３】光増幅器の第２の参考例を示す図。
【図２４】光増幅器の第３の参考例を示す図。
【図２５】本発明の光増幅器の第１の実施形態を示す図。
【図２６】本発明の光増幅器の第２の実施形態を示す図。
【図２７】光増幅中継伝送システムの構成例を示す図。
【図２８】第１の実施形態の入出力特性を示す図。
【図２９】第２の実施形態の入出力特性を示す図。
【符号の説明】
１２　位相感応光増幅部
１３　励起光源
１４　励起光位相制御部
１５　光分岐部
１６　信号光瞬時強度検出部
２１　光位相偏移手段
２２　位相感応光増幅手段
３１　光カプラ
３２　光ファイバ
３３　光サーキュレータ
３４　ビームスプリッタ
３５　光カー媒質
３６　ダイクロックミラー
３７　縮退パラメトリック結晶
４１，５１　光送信器
４２，５２　光ファイバ伝送路
４３，５３　光増幅中継器
４４，５４　光受信器
６１　光カプラ
６２　光サーキュレータ
６３　光ファイバ型非線形ループミラー（ＮＯＬＭ）
６４　励起レーザ光源
６５　光路長調整器
６６　フォトダイオード
６７　制御回路
６８　光位相変調器
６９　ＳＨＧ結晶
７０　タイミング抽出回路
７１　短パルス光源
７２　光カー媒質
【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１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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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２８】
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【図２９】
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