(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチコア光ファイバから伝送される信号光を増幅する光増幅装置であって、
前記信号光を伝送するコアとは異なるコアに、前記信号光の位相に対して予め決めた位相関係になっているパイロットトーンが伝送され、
局発光源を有しており、前記パイロットトーンが入力されるとこのパイロットトーンの位相に同期した局発光を前記局発光源が発生し、この局発光を基本波光として出力する基本波光発生部と、
波長変換を行う非線形光学素子を有しており、前記基本波光が入力されることにより励起光を生成して出力する励起光発生部と、
パラメトリック光増幅による位相感応増幅を行う非線形光学素子を有しており、前記信号光と前記励起光が入力されると前記信号光を位相感応増幅して出力する信号光増幅部と、
を備えていることを特徴とする光増幅装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記基本波光発生部は、前記局発光源から発生した局発光を２分岐する光分岐回路を有しており、分岐した一方の局発光を前記基本波光として出力し、分岐した他方の局発光を新たなパイロットトーンとして出力することを特徴とする光増幅装置。
【請求項３】
請求項１において、
パラメトリック光増幅による位相感応増幅を行う非線形光学素子を有しており、前記マルチコア光ファイバにより伝送されてきたパイロットトーンを増幅して増幅されたパイロットトーンを出力するパイロットトーン増幅部を更に有することを特徴とする光増幅装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項において、
前記非線形光学素子は、二次非線形光学素子又は三次非線形光学素子であることを特徴とする光増幅装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記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）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からなる光導波路を有することを特徴とする光増幅装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項において、
前記パイロットトーンは、前記信号光の中心波長をもつ１波長の連続光、もしくは中心波長に対し短波長側と長波長側に対称的に離調された２波長の連続光であり、
このパイロットトーンを用いて前記励起光発生部の前記非線形光学素子中にて第二高調波発生もしくは和周波発生過程により励起光を生成することを特徴とする光増幅装置。
【請求項７】
信号光を伝送するコアと、前記信号光の位相に対して予め決めた位相関係になっているパイロットトーンを伝送するコアとが異なっているマルチコア光ファイバと、
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載した光増幅装置と、
前記マルチコア光ファイバのコアのうち前記信号光を伝送するコアと、前記信号光増幅部の入力部とを接続する光ファイバと、
前記マルチコア光ファイバのコアのうち前記パイロットトーンを伝送するコアと、前記基本波光発生部の入力部とを接続する光ファイバと、
を有することを特徴とする光伝送システム。
【請求項８】
信号光を伝送するコアと前記信号光の位相に対して予め決めた位相関係になっているパイロットトーンを伝送するコアとが異なっている上流側のマルチコア光ファイバと、
前記信号光を伝送するコアと前記パイロットトーンを伝送するコアとが異なっている下流側のマルチコア光ファイバと、
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載した光増幅装置と、
前記上流側のマルチコア光ファイバのコアのうち前記信号光を伝送するコアと、前記信号光増幅部の入力部とを接続する光ファイバと、
前記下流側のマルチコア光ファイバのコアのうち前記信号光を伝送するコアと、前記信号光増幅部の出力部とを接続する光ファイバと、
前記上流側のマルチコア光ファイバのコアのうち前記パイロットトーンを伝送するコアと、前記基本波光発生部の入力部とを接続する光ファイバと、
前記下流側のマルチコア光ファイバのコアのうち前記パイロットトーンを伝送するコアに、前記新たなパイロットトーンまたは前記増幅されたパイロットトーンを伝送する光ファイバと、
を有することを特徴とする光伝送システム。
【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およびそれを用いた光伝送システムに関する。
【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光を再生するために、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は、信号光を電気信号に変換し、ディジタル信号（電気信号）を識別した後に、信号光を再生するものである。
しかしながら、この識別再生光中継器では、信号光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、伝送する信号光のスピードが速くなると、消費電力が大きくなること、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４は、従来のＰＳＡの基本的な構成を示す。図４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の光分岐部１０４−１及び第２の光分岐部１０４−２とを備える。
図４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と信号光１１０との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１１０のもつ雑音以上に過剰な自然放出光を発生しないため、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の一部を狭帯域の光検出器で検波し、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１０１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】Takeshi Umeki, Masaki Asobe, and Hirokazu Takenouchi, “In-line phase sensitive amplifier based on PPLN waveguides,” Optics Express, 2013年5月, Vol.21, No.10, p.12077-12084
【非特許文献５】R. Slavik et al., “All-optical phase and amplitude regenerator for next-generation telecommunications systems,” Nature Photonics., vol. 4, pp. 690-695 (2010).
【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。上述の光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５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５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の二次非線形光学素子２０２及び第２の二次非線形光学素子２０４と、第１の光分岐部２０３−１及び第２の光分岐部２０３−２と、位相変調器２０５と、ＰＺＴ(圧電（ピエゾ）素子)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。
【００１３】
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とを備える。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。
【００１４】
第１の空間光学系２１１は、第１の二次非線形光学素子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。
【００１５】
図５に示される例では、ＰＳＡ２００に入射した信号光２５０は、第１の光分岐部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に入射する。第１の二次非線形光学素子２０２では、入射した励起基本波光２５１から第二高調波（以下、「ＳＨ光」とも称する）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。
【００１６】
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）
図６は、従来の二次非線形光学効果を利用したＰＳＡにおける、入力信号光と励起光との間の位相差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５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の一部を分岐して光検出器２０８で検波する。このパイロット信号成分は、図６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２１４及びダイクロイックミラー２１８の特性を用いて励起基本波光２１５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６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等の信号は増幅することができない。
一方、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】
ここで、より具体的に位相感応光増幅器を光通信技術に適用する場合の位相同期手法について着目する。例えば、位相感応光増幅器を信号光の送信器直後に用いるような、信号光を発生する光源が位相感応光増幅器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ができる。
しかしながら、光伝送における中継増幅器として位相感応光増幅器を用いる場合には、光変調が施されている信号光から平均的な位相を抽出し、信号光の搬送波位相と同期した励起光を生成する必要がある。実際の光伝送における中継増幅器として用いる場合は、この搬送波位相の抽出方法を含めて位相感応光増幅器を構成することが重要となる。
【００２２】
一般に、二次非線形光学効果を有する媒質を用いた第二高調波を用いると、励起光として使う光である、第二高調波の波長が信号光の波長の半分になる。これにより、搬送波位相の抽出などを行うための光デバイスに通信波長帯とは異なる波長の光部品を使う必要が生じる。
しかしながら、通信波長帯以外の波長の部品を使用するためには、様々な障害が生じる。波長によって、デバイスの成熟度が異なるため、デバイスの特性・スペックなど位相感応光増幅器を構成するための仕様を満足することができない、もしくは仕様を満たすためには非常に高額になる部品を使わなければならないなどの問題が生じる。
【００２３】
より具体的には、高品質な半導体レーザなどの入手が難しく、光強度や光線幅、使用可能な波長などに制限をうける。
光増幅器に関しても大きな課題を擁する。第二高調波などの通信波長に比べ波長の短い領域においては、光ファイバレーザ増幅器などを用いることができない。一部に半導体の増幅器などが実用化されているものもあるが、増幅率や飽和強度などの問題から位相感応増幅に用いる励起光としては十分な光強度が得られなかったり、半導体増幅器のもつ雑音指数（ＮＦ）により位相感応光増幅器に用いる励起光のＳＮが劣化するなどの問題があった。
さらに、第二高調波などの通信波長に比べ波長の短い光用の光デバイスにおいては、部品によっては信頼性の観点から問題があることも多い。これらを用いた位相感応増幅装置を実際の光通信システムに用いる障害となっている。
このため、信号光からの搬送波抽出と局発光生成は、通信波長帯で実現することが好ましい。
【００２４】
二次非線形光学効果を有する媒質を用いた従来の位相感応増幅の研究において非特許文献４や非特許文献２に示されている通り、２値位相変調信号（ＢＰＳＫ）や４値位相変調信号（ＱＰＳＫ）信号からの搬送波位相の抽出方法を含めた位相感応増幅方法が示されている。また、非特許文献５に示されているように、３次の非線形効果を有する光ファイバ中の四光波混合を用いた搬送波位相の抽出方法も示されている。しかしながら、これらの手法は、非線形過程を用いて変調をキャンセルするため、ＱＡＭ信号のような強度方向にも多値化された信号からの搬送波抽出は難しいという課題があった。この解決手段としては、変調信号光のキャリア位相（搬送波位相）と同じ位相を持つ連続波（ＣＷ）のパイロットトーンを同送する方法がある。
【００２５】
ここで、位相感応増幅のための基本波生成のためにパイロットトーンを同送する手法について説明する。
【００２６】
図７に構成の一例を示す。データ変調の施された変調信号光が光ファイバ等の伝送媒質を伝搬し信号が送られる。その際、伝送媒体における光強度の損失を補償するために光増幅を行う中継増幅器として本位相感応光増幅器を用いる場合の構成例を、図７に示す。
【００２７】
信号光を発生する光源が位相感応光増幅器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基本波光として用いることができる。しかしながら、光伝送における中継増幅器として位相感応光増幅器を用いる場合には、例えば以下に述べる位相同期手段を用いて位相感応光増幅装置内の基本波光と信号光の位相を同期させる必要がある。
【００２８】
本構成例では、データ変調の施された信号光とアイドラ光に加え、無変調のＣＷ光がパイロットトーンとして同送された入力光を用いる。無変調のＣＷ光であるパイロットトーンは、周波数軸上において信号光とアイドラ光の間に配置されている。しかも、信号光，アイドラ光及びパイロットトーンは、相互に位相が同期している。
【００２９】
図７に示す位相感応光増幅器（ＰＳA）３００には、ＣＷ光のパイロットトーンを混ぜ込んだ変調信号光及びアイドラ光が光ファイバFinを通って伝送されてくる。この位相感応光増幅器３００は、信号光を増幅して光ファイバFoutに出力する。
【００３０】
位相感応光増幅器３００は、パラメトリック増幅を行うことで位相感応増幅を行う二次非線形光学素子３１０と、励起光を発生する二次非線形光学素子３２０を有している。二次非線形光学素子３１０，３２０は、周期分極反転ＬｉＮｂＯ3（ＰＰＬＮ）導波路３１１，３２１と、空間光学系３１２，３２２と、ダイクロイックミラー３１３，３２３と、空間光学系３１４，３２４と、ダイクロイックミラー３１５，３２５を備えて構成されている。
【００３１】
伝送されてきた入力光は、偏波補償器３０１を通過した後、光分岐回路３０２により分岐される。分岐された一方の光は、光遅延ライン３０３を介して二次非線形光学素子３１０に入力される。
【００３２】
光分岐回路３０２により分岐された他方の光は、バンドパスフィルタ３０４を通過することにより、パイロットトーンのみが分離される。分離されたパイロットトーンは、可変光アッテネータ（ＶＯＡ）３０５により光強度が調整された後、光サーキュレータ３０６を通して局発光源３０７に入力されて光注入同期が行われる。
【００３３】
局発光源３０７としてはＤＦＢ型の半導体レーザを用いた。半導体レーザの位相がパイロットトーンの位相に引き込まれ、これにより、局発光源３０７がパイロットトーンに位相同期する。
局発光源３０７は、パイロットトーンに位相同期した基本波光を発生し、この基本波光はＰＺＴによる光ファイバ伸長器３０８，位相変調器３０９，エルビウム添加ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）３３１及びバンドパスフィルタ３３２を介して二次非線形光学素子３２０に入力される。
二次非線形光学素子３２０は、基本波光が入力されると、励起光を発生し、この励起光が、二次非線形光学素子３１０に入力される。
【００３４】
二次非線形光学素子３１０は、信号光と励起光とでパラメトリック増幅を行うことで位相感応増幅を行い、出力信号光を光ファイバFoutに向けて出力する。出力信号光には信号光，アイドラ光及びパイロットトーンが含まれる。
【００３５】
出力信号光の一部は、光分岐回路３３３により分岐され光検出器３３４にて検波される。位相同期ループ回路３３５は、光検出器３３４にて検波した信号成分を基に、出力信号光の大きさが最大となるように、光ファイバ伸長器３０８に対してフィードバック制御を行う。
【００３６】
このように、位相感応光増幅器３００内にバンドパスフィルタ３０４，可変アッテネータ３０５，光サーキュレータ３０６及び局発光源３０７を備え、局発光源３０７から、パイロットトーンに位相同期した基本波光を得るという位相同期手段を採用することにより、基本波光と信号光の位相を同期させることができる。このため、信号光を発生する光源が位相感応光増幅部の近くに配置されていないような中継増幅においても、位相同期手段を用いることで位相感応増幅を行うことができる。
【００３７】
しかしながら、従来のパイロットトーンを同送する手法には以下の問題があった。位相同期を行うために、パイロットトーンを増幅媒質の手前で取り出す必要があるため、信号光に損失が発生する。増幅媒質の前段での信号光の損失は、直ちに位相感応光増幅器の雑音指数（ＮＦ）を劣化させてしまうため、低雑音増幅の実現を困難とする要因となっていた。
【００３８】
信号光の損失量を低減するためには、信号光成分は分岐せず、パイロットトーンのみを抜き出すような、波長分波器を用いることが考えられる。例えばパイロットトーン波長を信号光とアイドラ光の波長の間の中心波長とする場合、その中心波長のみを分岐し、信号光とアイドラ光は透過させる波長分波器を用いることで、信号全体を分岐するよりも信号光の損失を小さくすることができる場合もある。
【００３９】
しかしながらこの方法では、完全に中心波長のパイロットトーンのみを抜き出すことは難しく、中心波長に対して有限の帯域内の光を分岐してしまうため、信号光とアイドラ光の波長を十分に離しておく必要がある。このことから、信号光とアイドラ光の間には、ガードバンドと呼ばれる信号を送ることのできない帯域を設ける必要性が生じ、信号光とアイドラ光の波長帯域に制限がかかり、有限の帯域内に信号を密に詰めることができないという問題があった。
【００４０】
また、波長分波器によりパイロットトーンのみを取り出す場合、新たなパイロットトーンを光増幅後に再度合波する必要があることにより別の問題も生じてしまう。パイロットトーンのみを取り出す場合、その概ねほとんどの光強度を局発光生成に用いることができるが、その一方で信号光からはパイロットトーンがなくなってしまう。
中継増幅が１段のみであれば問題はないが、通常の長距離伝送では多段に中継増幅器を用いるため、次の中継増幅器を動作させるために、新たなパイロットトーンを、増幅器の出力段において再度合波する必要がある。
【００４１】
一見、増幅器の後段（増幅媒質による光増幅後）にパイロットトーンと信号光及びアイドラ光を合波する波長合波器を用いて、局発光から生成された光を新たなパイロットトーンとして合波すればよいようにも考えられる。
しかしながら、この方法では、波長分波器および波長合波器の消光特性に従って、元のパイロットトーンからの残留光が新たなパイロットトーンに混入してしまうという問題があった。
【００４２】
パイロットトーンのみを取り出す波長分波器により、ほとんどの光は分岐され、光増幅媒質には入射されないが、実際の波長分波器の消光比（本来の波長分波ポートから出力される光と、本来消光されるべきポートから出力される残留光との比）は有限であるため、波長分波器を通過した後でも、残留したパイロットトーンが光増幅媒質へ入射される。残留パイロットトーンは光増幅媒質により増幅された後、波長合波器へ入射される。波長合波器でも残留パイロットトーンは消光されるが、その消光比は有限であるため、新たなパイロットトーンが波長合波器により合波される際に、残留パイロットトーンが混入する。新たなパイロットトーンと残留パイロットトーンの干渉により、雑音が生じることとなる。
多段の中継においては、この雑音が中継増幅の度に累積するため、新たなパイロットトーンを増幅器の出力段において再度合波することは、容易ではないという課題があった。
【００４３】
さらに、従来のパイロットトーンを同送する手法では、励起光の高ＳＮＲ(Signal to Noise ratio)を担保することが難しいという課題もある。低雑音な位相感応光増幅器を実現するためには、信号光のＳＮＲに対して、十分にＳＮＲの高い励起光を用い、高い精度で位相同期を行う必要がある。これは、ＳＮＲの低い励起光を用いるとその雑音成分からのエネルギー移行により信号光のＳＮＲが劣化する、さらに励起光と信号光の位相誤差は位相雑音を生じる一因となるからである。このことから、励起光には高い品質が求められる。つまり、励起光を生成するための局発光（基本波光）、さらに言えば局発光（基本波光）と信号光の位相同期を行うためのパイロットトーンにも高いＳＮＲが求められる。
【００４４】
高いＳＮＲを得るための最も有効な手段の一つは、信号光よりも十分光強度の強いパイロットトーンを用いることである。これは、ショット雑音で決まる信号光のＳＮＲは、光強度に比例してＳＮＲを大きくすることができるからであり、ＳＮＲという観点からはパイロットトーンの光強度を強くすることが有効である。
しかしながら、光伝送路である光ファイバへ入力できる光強度は有限であるため、信号強度の大きなパイロットトーンを用いることは、伝送特性を劣化させる要因となってしまう。つまり、光ファイバへ入力できる総パワーは有限であるため、パイロットトーンの強度を上げる余地があるのであれば、信号光の強度を上げることで信号光のＳＮＲを高めた方が高い品質での伝送が可能となる。
このように伝送特性の観点からは、パイロットトーンの光強度は小さい方が良く、位相感応光増幅器の動作条件とは相反するという課題があった。
【００４５】
さらに、従来のパイロットトーンを同送した手法を用いて、複数本のファイバ伝送路を用いた伝送システムに位相感応光増幅器を適用すると、以下の問題があった。
即ち、従来技術を用いて、複数のファイバ伝送路へＰＳＡを適用するためには、全てのファイバにパイロットトーンを入れる必要があり、従来のパイロットトーン方式では伝送路の複数化をする場合に、その数に単純比例して装置数が増大し、大規模化が難しいという課題があった。
【００４６】
図８に、複数本のファイバ伝送路を用いた伝送システムに位相感応光増幅器を適用する場合の構成例を示す。この構成例は、上流側の光ファイバFin1,Fin2,Fin3,Fin4,Fin5・・・と、下流側の光ファイバFout1,Fout2,Fout3,Fout4,Fout5・・・との間に、位相感応光増幅器３００−１、３００−２、３００−３、３００−４、３００−５・・・を備えたものである。なお、位相感応光増幅器３００−１、３００−２、３００−３、３００−４、３００−５・・・の構成は、図７に示す位相感応光増幅器３００と同じである。
図８に示した構成は、それぞれに独立した伝送システムを束ねたものになるため、図７に示した単一ファイバを用いた構成を単純に複数台配置した構成となり、伝送路を複数化するにはその数に応じて装置数が増大してしまうことが分かる。
【００４７】
本発明の目的は、上記のような従来技術の問題に鑑みて、低雑音での増幅が可能な光増幅装置及び光伝送システムを提供することである。特に、信号光の搬送波位相の抽出方法を含めた光伝送における中継増幅器として適用可能な光増幅装置を複数の伝送路に対して適用可能な光伝送システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４８】
上記課題を解決する本発明の光増幅装置は、
マルチコア光ファイバから伝送される信号光を増幅する光増幅装置であって、
前記信号光を伝送するコアとは異なるコアに、前記信号光の位相に対して予め決めた位相関係になっているパイロットトーンが伝送され、
局発光源を有しており、前記パイロットトーンが入力されるとこのパイロットトーンの位相に同期した局発光を前記局発光源が発生し、この局発光を基本波光として出力する基本波光発生部と、
波長変換を行う非線形光学素子を有しており、前記基本波光が入力されることにより励起光を生成して出力する励起光発生部と、
パラメトリック光増幅による位相感応増幅を行う非線形光学素子を有しており、前記信号光と前記励起光が入力されると前記信号光を位相感応増幅して出力する信号光増幅部と、
を備えていることを特徴とする。
【００４９】
また本発明の光増幅装置は、
前記基本波光発生部は、前記局発光源から発生した局発光を２分岐する光分岐回路を有しており、分岐した一方の局発光を前記基本波光として出力し、分岐した他方の局発光を新たなパイロットトーンとして出力することを特徴とする。
【００５０】
また本発明の光増幅装置は、
パラメトリック光増幅による位相感応増幅を行う非線形光学素子を有しており、前記マルチコア光ファイバにより伝送されてきたパイロットトーンを増幅して増幅されたパイロットトーンを出力するパイロットトーン増幅部を更に有することを特徴とする。
【００５１】
また本発明の光増幅装置は、
前記非線形光学素子は、二次非線形光学素子又は三次非線形光学素子であることを特徴とする。
【００５２】
また本発明の光増幅装置は、
前記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）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からなる光導波路を有することを特徴とする。
【００５３】
また本発明の光増幅装置は、
前記パイロットトーンは、前記信号光の中心波長をもつ１波長の連続光、もしくは中心波長に対し短波長側と長波長側に対称的に離調された２波長の連続光であり、
このパイロットトーンを用いて前記励起光発生部の前記非線形光学素子中にて第二高調波発生もしくは和周波発生過程により励起光を生成することを特徴とする。
【００５４】
また本発明の光伝送システムは、
信号光を伝送するコアと、前記信号光の位相に対して予め決めた位相関係になっているパイロットトーンを伝送するコアとが異なっているマルチコア光ファイバと、
前記のいずれかの光増幅装置と、
前記マルチコア光ファイバのコアのうち前記信号光を伝送するコアと、前記信号光増幅部の入力部とを接続する光ファイバと、
前記マルチコア光ファイバのコアのうち前記パイロットトーンを伝送するコアと、前記基本波光発生部の入力部とを接続する光ファイバと、
を有することを特徴とする。
【００５５】
また本発明の光伝送システムは、
信号光を伝送するコアと前記信号光の位相に対して予め決めた位相関係になっているパイロットトーンを伝送するコアとが異なっている上流側のマルチコア光ファイバと、
前記信号光を伝送するコアと前記パイロットトーンを伝送するコアとが異なっている下流側のマルチコア光ファイバと、
前記のいずれかの光増幅装置と、
前記上流側のマルチコア光ファイバのコアのうち前記信号光を伝送するコアと、前記信号光増幅部の入力部とを接続する光ファイバと、
前記下流側のマルチコア光ファイバのコアのうち前記信号光を伝送するコアと、前記信号光増幅部の出力部とを接続する光ファイバと、
前記上流側のマルチコア光ファイバのコアのうち前記パイロットトーンを伝送するコアと、前記基本波光発生部の入力部とを接続する光ファイバと、
前記下流側のマルチコア光ファイバのコアのうち前記パイロットトーンを伝送するコアに、前記新たなパイロットトーンまたは前記増幅されたパイロットトーンを伝送する光ファイバと、
を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００５６】
本発明は、局発光の位相同期を行うためのパイロットトーンを複数の伝送路において共通で用いることができるため、従来方法に比べて必要装置数を大幅に低減できる。また、中継段数が増えてもＳＮＲの高い局発光を生成できるため、低雑音性に優れる位相感応光増幅装置を多段の中継増幅器として適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施例１に係る光増幅装置及び光伝送システムを示す構成図である。
【図２】本発明の実施例１で用いたマルチコア光ファイバのコア配置を示す構成図である。
【図３】本発明の実施例１で用いた各コアにおける信号光及びパイロットトーンの波長配置を示す波形図である。
【図４】従来の位相感応光増幅器を示す構成図である。
【図５】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を示す構成図である。
【図６】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特性図である。
【図７】パイロットトーンを同送し中継増幅器として位相感応光増幅器を用いる光伝送システムを示す構成図である。
【図８】複数本のファイバ伝送路を用いた伝送システムに位相感応光増幅器を適用した光伝送システムを示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００５８】
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。
【００５９】
（実施例１）
本実施例１に係る光増幅装置および光伝送システムでは、マルチコア光ファイバを光伝送路として、周期分極反転ＬｉＮｂＯ3（ＰＰＬＮ）導波路を用いた位相感応光増幅器（ＰＳＡ）の構成を示す。本実施例１に係る光増幅装置および光伝送システムでは、ＰＳＡの中継増幅動作実現のためのパイロットトーンをマルチコア光ファイバの１つのコアに伝送させることで、従来の課題を解決することができる。
【００６０】
図１は、本発明の実施例１に係る光増幅装置８００および光伝送システム１０００の構成を示す。
光伝送システム１０００は、上流側のマルチコア光ファイバFMin及び下流側のマルチコア光ファイバFMoutと、光増幅装置８００と、入力側のシングルモード光ファイバfin1〜fin7と、出力側のシングルモード光ファイバfout1〜fout7により構成されている。
つまり、この光伝送システム１０００は、第１（上流側）のマルチコア光ファイバFMinによって伝送されてきた信号光を、光増幅装置８００によって位相感応増幅をして中継増幅した後、第２（下流側）のマルチコア光ファイバFMoutに信号光を入力するものである。
なお図１に示す実施例１では、１つの中継光増幅の構成を示しているが、本構成を多段に用いることが可能である。つまり、第２のマルチコア光ファイバを伝送後に、第３、第４、第５といったマルチコア光ファイバへの多段中継伝送路を本構成を用いて構築することができる。
【００６１】
光増幅装置８００は、パラメトリック光増幅による６個（第１〜第６）の信号光増幅部４００−１〜４００−６と、１つの励起光発生部５００と、基本波光発生部６００と、励起光分岐部７００により構成されている。
【００６２】
信号光増幅部４００−１は、分散・偏波補償器４０１と、ＰＺＴによる光ファイバ伸長器４０２と、位相変調器４０３と、光分岐回路４０４と、光検出器４０５と、位相同期ループ回路４０６と、二次非線形光学素子４１０により構成されている。
二次非線形光学素子４１０は、周期分極反転ＬｉＮｂＯ3（ＰＰＬＮ）導波路４１１と、入力側の空間光学系４１２と、入力側のダイクロイックミラー４１３と、出力側の空間光学系４１４と、出力側のダイクロイックミラー４１５を備えて構成されている。
【００６３】
入力側の空間光学系４１２は、二次非線形光学素子４１０の入力ポートから入力された光を、ダイクロイックミラー４１３を介してＰＰＬＮ導波路４１１に結合する。出力側の空間光学系４１４は、ＰＰＬＮ導波路４１１から出力された光を、出力側のダイクロイックミラー４１５を介して、二次非線形光学素子４１０の出力ポートに結合する。
【００６４】
他の信号光増幅部４００−２〜４００−６も、信号光増幅部４００−１と同じ構成になっている。
【００６５】
励起光発生部５００は、エルビウム添加ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）５０１と、バンドパスフィルタ５０２と、二次非線形光学素子５１０により構成されている。
二次非線形光学素子５１０は、周期分極反転ＬｉＮｂＯ3（ＰＰＬＮ）導波路５１１と、入力側の空間光学系５１２と、入力側のダイクロイックミラー５１３と、出力側の空間光学系５１４と、出力側のダイクロイックミラー５１５を備えて構成されている。
【００６６】
基本波光発生部６００は、分離・偏波補償器６０１と、バンドパスフィルタ６０２と、可変アッテネータ６０３と、光サーキュレータ６０４と、局発光源６０５と、光分岐回路６０６により構成されている。局発光源６０５としては、ＤＦＢ型の半導体レーザを用いた。
【００６７】
上流側のマルチコア光ファイバFMinは７つのコアを有しており、その第１〜第６のコアは、光ファイバfin1〜fin6により、信号光増幅部４００−１〜４００−６の入力部である分散・偏波補償器４０１に接続されており、その第７のコアは、光ファイバfin7により、基本波光発生部６００の入力部である分散・偏波補償器６０１に接続されている。
下流側のマルチコア光ファイバFMoutは７つのコアを有しており、その第１〜第６のコアは、光ファイバfout1〜fout6により、信号光増幅部４００−１〜４００−６の出力部である光分岐回路４０４に接続されており、その第７のコアは、光ファイバfout7により、基本波光発生部６００の出力部である光分岐回路６０６に接続されている。
【００６８】
ここで、本実施例で用いたＰＰＬＮ導波路４１１，５１１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。
【００６９】
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。
【００７０】
図２に、本実施例で用いたマルチコア光ファイバFMin，FMoutのコア数及びコア配置を示す。コアの数は７つであり、外周に第１から第６のコアである６つのコアが配置されて、中心に第７のコアとして１つのコアが配置されている。本実施例では、図２に示したコア数及びコア配置のマルチコア光ファイバを用いた場合の構成例を示すが、コア数は２つ以上であればよく、どのようなコア配置においても本発明の効果を発揮することができる。
【００７１】
第１（上流側）のマルチコア光ファイバFMinの第１から第６のコアは、データ変調した信号光を伝送するために用いた。中心コアである第７のコアは、連続光（ＣＷ光）のパイロットトーンを伝送するために用いた。
【００７２】
図３に第１から第７のコアに入力した、信号光及びパイロットトーンの波長配置を示す。第１から第６のコアには、伝送できる波長帯域内の全てに信号光とアイドラ光を密に配置した多波長信号を入力し、第７のコアには中心波長にのみＣＷ光をパイロットトーンとして伝送させる。
本実施例では、パイロットトーンの波長は、１５５０ｎｍである。第１から第６のコアに入力した変調信号は、１５５０ｎｍを中心として対称に信号光とアイドラ光を配置した。伝送帯域としては、Ｃ帯１５３５ｎｍから１５６５ｎｍである。つまり、中心波長１５５０ｎｍを中心に±１５ｎｍの帯域に密に変調信号光を配置した。第１から第６のコアには、パイロットトーンを入力する必要がないため、中心波長の近辺にガードバンドを設ける必要がないため、伝送帯域の全てを用いることができる。
【００７３】
第１のマルチコア光ファイバFMinを伝送した、データ変調信号群及びパイロットトーンは、第１のマルチコア光ファイバFMinの出口において、光ファイバfin1〜fin6により６個の信号光増幅部４００−１〜４００−６に入力される。
各信号光増幅部４００−１〜４００−６では、変調信号光は、分散・偏波補償器４０１により、マルチコア光ファイバFMin内の分散及び偏波が補償された後、光ファイバ伸長器４０２及び位相変調器４０３を介して、二次非線形光学素子４１０に入力される。
【００７４】
第１（入力側）のマルチコア光ファイバFMinを伝送したパイロットトーンは、光ファイバfin７により基本波光発生部６００に入力される。
基本波光発生部６００では、分散・偏波補償器６０１によりマルチコア光ファイバFMin内の分散及び偏波が補償された後、バンドパスフィルタ６０２によりパイロットトーンに重畳した自然放出雑音が除去される。その後、可変アッテネータ（ＶＯＡ）６０３により光強度を調整し、光サーキュレータ６０４を用いて、局発光源６０５に光注入同期を行った。
【００７５】
局発光源６０５は、光注入同期により、パイロットトーンと同一波長、同一の位相情報を持つ局発光（基本波光）を生成する。局発光源６０５から出力された局発光を光サーキュレータ６０４により取り出した後、光分岐回路６０６により２分岐し、第１の局発光及び第２の局発光を取り出した。
【００７６】
第１の局発光は基本波光として励起光発生部５００に入力される。第２の局発光は新たなパイロットトーンとして、光ファイバfout7に入力されこの光ファイバfout7を伝送して、第２（出力側）のマルチコア光ファイバFMoutの第７のコアに入力されて伝送される。
【００７７】
励起光発生部５００では、第１の局発光である基本波光をエルビウム添加ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）５０１により１０Ｗまで増幅し、バンドパスフィルタ５０２によりＥＤＦＡ５０１の自然放出光を除去した後、二次非線形光学素子５１０に入射する。
二次非線形光学素子５１０内のＰＰＬＮ導波路５１１中の第二高調波発生（ＳＨＧ）により、１５５０ｎｍの２倍波である７７５ｎｍの波長を持つ励起光を生成した。１０Ｗの局発光（基本波光）により、６Ｗの励起光強度が得られた。この励起光はダイクロイックミラー５１５により取りだされて励起光分岐部７００に送られる。
【００７８】
励起光分岐部７００では、励起光を６等分岐し、それぞれ第１乃至第６の励起光を生成し、それぞれを、信号光増幅部４００−１〜４００−６の二次非線形光学素子４１０に入射した。つまり各信号光増幅部４００−１〜４００−６の二次非線形光学素子４１０のダイクロイックミラー４１３に入力した。
【００７９】
第１乃至第６の信号光増幅部４００−１〜４００−６の二次非線形光学素子４１０に入力された、励起光及び変調信号光は、二次非線形光学素子４１０内のダイクロイックミラー４１３により合波された後、ＰＰＬＮ導波路４１１に入射され、ＰＰＬＮ導波路４１１中のパラメトリック増幅過程により、位相感応増幅される。
第１乃至第６の信号光増幅部４００−１〜４００−６の二次非線形光学素子４１０の出力光を、光分波回路４０４により一部を分岐し、光検出器４０５により光強度の変化を検出した後、位相同期ループ回路４０６を用いて励起光と信号光との位相が同期するように光ファイバ伸長器４０２にフィードバックをかけることで安定的な位相感応光増幅動作を実現した。
【００８０】
第１乃至第６の信号光増幅部４００−１〜４００−６の二次非線形光学素子４１０により増幅されたそれぞれの出力光（信号光及びアイドラ光）は、光ファイバfout1〜fout6により第２のマルチコア光ファイバFMoutの第１〜第６の各コアに入射される。
【００８１】
これにより、マルチコア光ファイバFMin，FMout間において中継増幅器として、信号光増幅部４００−１〜４００−６や基本波光発生部６００や励起光発生部５００等を有する光増幅器８００を適用することが可能となった。
【００８２】
（変形した実施例）
なお、本実施例では二次非線形光学素子をパラメトリック増幅媒質として用いたが、高非線形ファイバや半導体レーザーなどの三次非線形光学素子を用いてもよい。その場合、局発光源より出力される局発光を、励起光として用いて信号光のパラメトリック増幅動作を行えばよい。
【００８３】
また、本実施例では、パイロットトーンと局発光の位相同期には、光注入同期を用いたが、その他の方法を用いてもよい。例えば、コスタスループに代表される高速な電気信号のフィードバックを局発光源に帰還することで位相同期を行ってもよい。
【００８４】
また、本実施例では、中継増幅後のパイロットトーンは局発光の一部を新たなパイロットトーンとして用いたが、伝送されてきたパイロットトーンも位相感応光増幅を行い中継してもよい。具体的には、実施例１の構成に更に、パイロットトーン増幅用の二次非線形光学素子を有するパイロットトーン増幅部を備え、パイロットトーン増幅部を用いて変調信号光と同様にパイロットトーンを増幅した後、増幅されたパイロットトーンを第二のマルチコア光ファイバFMoutに入力することでパイロットトーンの中継を行ってもよい。
【００８５】
また、本実施例では、光増幅後に、第二のマルチコア光ファイバFMoutへ中継伝送する構成が示されているが、増幅後に受信器等に入力してもよい。つまり、６個の信号光増幅部４００−１〜４００−６により増幅した後の出力光をそれぞれ受信器に入力することで、本実施例の光増幅装置８００を受信器前段のプリアンプとして用いることもできる。
【００８６】
ここで、マルチコア光ファイバへ入力する変調信号光及びパイロットトーンの送信器における発生方法について述べておく。変調信号光を構成する信号光とアイドラ光、そしてパイロットトーンは、光位相レベルで位相関係が予め定まっているものを使う必要がある。その発生方法の一つは、同じ光源から出力された光を変調信号光およびパイロットトーンに用いる方法である。具体的には、マスター光源からのＣＷ光を光変調器により変調することで、光コムを生成し、その中心波長の光をパイロットトーンとし、中心波長から波長軸上に短波長と長波長に対称に配置された光をそれぞれ信号光とアイドラ光として用いるものである。この場合、信号光とアイドラ光とパイロットトーンはいずれも同じ位相を持つ関係を満たすこととなる。
【００８７】
信号生成の別の方法としては、非線形光学効果を用いる方法がある。例えば二次非線形光学効果における差周波発生過程（ＤＦＧ）を用いれば、信号光から位相関係の定まったアイドラ光を生成することができる。具体的には、信号光とは別のマスター光源からの出力を二次非線形光学結晶中の第二高調波発生により励起光を生成し、励起光と信号光を別の二次非線形光学結晶に入力し、励起光と信号光の間の差周波としてアイドラ光を生成することができる。この場合、位相情報も差の関係を満たす。つまり、アイドラ光の位相は、励起光の位相から信号光の位相を引いたものとなる。これは、励起光の位相を基準とすれば、アイドラ光は信号光の位相共役光となっている。この信号光とアイドラ光を変調信号光として用い、マスター光源からの出力をパイロットトーンとして用いることができる。
【００８８】
この例では、励起光の生成に第二高調波発生を用いたが、マスター光源として２つの光源を用いて、２波の間の和周波発生により励起光を生成し、差周波発生を行ってもよい。この場合、２つのマスター光源からの出力光をパイロットトーンとして用いればよい。
【００８９】
結局、パイロットトーンは、信号光の中心波長をもつ１波長の連続光、もしくは、中心波長に対し短波長側と長波長側に対称的に離調された２波長の連続光とすることができる。
【００９０】
上述した各種の変形した実施例の光増幅装置を、図１に示したのと同様に、マルチコア光ファイバFMin，FMoutに接続して光伝送システムを構成したり、上述した各種の変形した実施例の光増幅装置を上流側のマルチコア光ファイバFMinに接続して受信器前段のプリアンプとして構成したりすることができる。
【００９１】
（実施例の効果）
上記実施例における発明の効果について述べる。
まず、複数の伝送路におけるトータルの伝送帯域が広く確保できることが挙げられる。例えば、伝送帯域が３０ｎｍであって７つの伝送路を用いれば、理想的にはトータルで２１０ｎｍの帯域が確保できる。しかしながら、パイロットトーンを設けるために１０ｎｍ程度のガードバンドを設ける場合、伝送帯域は、２０ｎｍとなり、かつ従来の方式では全ての伝送路においてパイロットトーンを設ける必要があるため、トータルの伝送帯域としては、１４０ｎｍ程度となってしまう。
これに対し、本発明は、パイロットトーンを入力するコア以外のコアでの伝送帯域はまったく制限を受けないため、７コア中の６コア全ての帯域を伝送に用いることができるため、トータルの帯域としては１８０ｎｍを確保することができる。従来方式との差は、伝送路の数、つまりマルチコアのコア数を多くなるほど顕著となる。
【００９２】
また、実施例で示した７つのコアを持つマルチコア光ファイバにおいて、中心コアは隣接しているコアの数が外周のコアに比べて多いため、外周のコアからのクロストークの影響を大きく受ける。しかしながら、中心コアをパイロットトーンの伝送に用いる場合は、これらのクロストークは、実施例の構成における、バンドパスフィルタや光注入同期により低減できるため、影響はほとんど無視できる程度であった。
つまり、マルチコア光ファイバのコア配置において、全てのコアが対称的に配置されていれば、どのコアにパイロットトーンを入れてもよいが、対称配置ではなく隣接コア数に差がある場合には、最も隣接コア数が多い、つまりクロストークの大きいコアにパイロットトーンを入れることがより望ましい。これにより、マルチコア光ファイバ全体で、より伝送特性の劣化を抑えた伝送が可能となる。
【００９３】
また、本実施例の別の効果として、パイロットトーンの光強度を大きくすることができるということも挙げられる。これは、同じコア内に変調信号がなく、パイロットトーンを伝送するためのコアには、パイロットトーンのみを伝送するため、そのコアに入れられる最大値までパイロットトーンの光強度を強くすることができる。これにより、ＳＮＲの高いパイロットトーンを伝送することができ、位相感応光増幅に必要な高いＳＮＲを持つ励起光の生成が可能となる。
【００９４】
また、本実施例に示した通り、パイロットトーンを中継の度に入れ替えられることも大きな効果を生み出す。フィルタなどでパイロットトーンを取り出す従来の構成と違うため、従来手法では課題となっていた残留パイロットトーンによる干渉等なく、局発光を新たなパイロットトーンとして用いることができる。これにより、中継段数が増えてもパイロットトーンから生成した局発光のＳＮＲが劣化しないため、中継段数に依存することなく位相感応光増幅器を動作することができる。
【００９５】
また、本実施例に示した通り、中継増幅に用いる部品点数を大幅に低減できる。
従来方法では、全ての伝送路内のパイロットトーンに対して、局発光源及び励起光生成用の構成部品が必要であったため、伝送路の数が増えるほどそれに比例して部品点数が増えてしまうという課題があった。
これに対し本実施例の方法では、パイロットトーンが共通なので、局発光光源が１つで済む、同様に励起光生成機構も１つで済むというメリットを有する。コア数が増えても、部品点数の大幅な増加がないため、伝送路の数を容易に増やすことができる。
【符号の説明】
【００９６】
４００−１〜４００−６  信号光増幅部
４１０  二次非線形光学素子
４１１  PPLN導波路
５００  励起光発生部
５１０  二次非線形光学素子
５１１  PPLN導波路
６００  基本波光発生部
６０５  局発光源
７００  励起光分岐部
８００  光増幅装置
１０００  光伝送システム
FMin,FMout  マルチコア光ファイバ
fin1〜fin7  シングルモード光ファイバ
fout1〜fout7  シングルモード光ファイバ
【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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