(57)【要約】【課題】位相変調器（７）を用いずにパルス励起によって利得飽和を可能にし、信号のビットレートに依存せず、しかも信号フォーマットにも依存しない増幅特性を有する光増幅器を提供する。【解決手段】本発明の光増幅器は、信号光（ＰＳ）を、励起光Ｐｉを用いて増幅する光増幅器である。また、励起光Ｐｉが周期Ｔ、パルス幅Ｔ／ｎ（ｎは２以上の整数）であるｎ個の励起光源（１Ａ〜１Ｎ）で構成されている。また、ｉ（ｉは１〜ｎのいずれかの整数）番目の励起光Ｐｉのパルス位相は、ｉ＋１番目の励起光Ｐｉ＋１のパルス位相よりＴ／ｎだけ遅れている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光を、励起光を用いて増幅する光増幅器において、
前記励起光が周期Ｔ、パルス幅Ｔ／ｎ（ｎは２以上の整数）であるｎ個の励起光源で構成されており、
ｉ（ｉは１〜ｎのいずれかの整数）番目の励起光のパルス位相は、ｉ＋１番目の励起光のパルス位相よりＴ／ｎだけ遅れている
ことを特徴とする光増幅器。
【請求項２】
前記励起光源は、互いに偏波が直交した周期Ｔ、パルス幅Ｔ／ｎの２つの波長を含むことを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
【請求項３】
前記励起光源は、増幅する信号波長において利得が同じになるように、波長及び光強度を定めることを特徴とする請求項１又は２に記載の光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長距離光伝送を可能とする光中継器に関する。特に、光ファイバ伝送技術における信号光を直接増幅、又は波長変換する際に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光信号を直接光励起する光増幅器として、希土類イオンを光ファイバに添加したＥＤＦＡ（Erbium-doped fiber amplifier）のような希土類添加光ファイバ増幅器や、非線形媒質中に誘起される高次の非線形効果によって光信号を増幅する光ラマン増幅器や光パラメトリック増幅器などがある。
光信号を前記光ファイバ増幅器を用いて励起をする場合、高強度の励起光をファイバ媒質中に入射する必要がある。その際、光ファイバ増幅器中では様々な非線形効果が誘起され、そのうち３次の非線形現象である誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ：Stimulated Brillouin Scattering）は入力光電力が制限されてしまうため大きな問題であった。
【０００３】
この問題点を改善するために励起光を直接位相変調しスペクトルを広げることによってＳＢＳのしきい値を上げた光増幅器が提案されている。(非特許文献１参照)
音響フォノンがｅｘｐ（−ｔ／ＴＢ）で減衰するものとすればブリルアン利得ｇＢ（ν）はローレンツ型のプロファイルをもち、以下の数１のように表せる。
【０００４】
【数１】
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【０００５】
ΔνＢはブリルアン利得の半値全幅、ｇＢ（νＢ）はブリルアン利得のピークを示す。ここで、励起光の半値全幅ΔνＰを考慮するとブリルアン利得ｇＢPeakは、以下の数２のように表せる。
【０００６】
【数２】
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【０００７】
よって、励起光のスペクトルを広げることでブリルアン利得ｇＢPeakは下がり、結果的にＳＢＳのしきい値が上がることがわかる。
【０００８】
図１１は、従来の位相変調器を用いた光ファイバ増幅器の基本構成を示す。図１１において、１は励起光源であり、ＰＰは励起光源１から照射される励起光、７は位相変調器、３は信号発生器、４は光合波器、５は光ファイバ、６は光フィルタ、ＰＳは信号光である。
従来の光ファイバ増幅器は信号光ＰＳと励起光ＰＰを光合波器４で合波して光ファイバ５に入力する構成となっており、励起光ＰＰによって信号光ＰＳは増幅され出力される。
そこで、光ファイバ５の出力段に信号光ＰＳのみを透過する光フィルタ６を備えれば、信号光ＰＳに対する光増幅器として機能する。
【０００９】
光増幅器の中でも光パラメトリック増幅器は利得の応答速度が速いことなどから、光増幅器、波長変換器、光リミッタなどの各種光機能回路への応用が可能という特徴を有している。
しかし、光ファイバ中に誘起される分極場が偏波特性を持つことから、励起光ＰＰと信号光ＰＳとの偏光状態によって四光波混合の発生効率が異なってしまう。例えば、信号光ＰＳと励起光ＰＰとの偏光状態が直交している場合は四光波混合が起きない。しかも、通常光ファイバ５中では信号光ＰＳの偏波状態は一意に定まらないために、信号光ＰＳの偏光状態を調べ、励起光ＰＰの偏光を調整するなどの大型で複雑な偏波制御装置を必要としていた。（特許文献１参照）
【００１０】
これを改善するために、波長の異なる２つの光源を用いた信号光の偏波に依存しないパラメトリック増幅器がある。この実験の概略図を図１２に示す。図１２において、１Ａ、１Ｂは励起光源であり、Ｐ１、Ｐ２は励起光源１Ａ、１Ｂから照射される励起光である。９は偏波制御装置（９Ａと９Ｂは、励起光Ｐ１とＰ２をそれぞれに直交する偏光状態に制御する。）、４は光合波器、５は光ファイバ、６は光フィルタ、ＰＳは信号光である。
【００１１】
これは、周波数差（ｆ１−ｆ２）離れた２つの励起光Ｐ１、Ｐ２の偏波を偏波制御装置９Ａ、９Ｂで直角に配置して光合波器４で合波し、非線形媒質である光ファイバ５中で信号光ＰＳを増幅する光パラメトリック増幅器である。（特許文献１、非特許文献２〜４参照）
【特許文献１】特許第９０７８８号公報
【非特許文献１】Y. Aoki, K. Tajima, and I. Mito, “Input Power Limits of Single-Mode Optical Fibers due to Stimulated Brillouin Scattering in Optical Communication Systems” J. Lightwave Technol. 6, pp. 710-719(1988)
【非特許文献２】K. Inoue, “Polarization Independent Wavelength conversion Using Fiber Four-Wave Mixing with Two Orthogonal Pump Lights of Different Frequencies” J. Lightwave Technol. 12, pp.1916-1920(1994)
【非特許文献３】K. K. Y. Wong, M. E. Marhic, K. Uesaka, and L. G. Kazovsky, “Polarization-Independent Two-Pump Fiber Optical Parametric Amplifier” IEEE Photon. Technol. Lett. 14, pp.911-913(2002）
【非特許文献４】C. J. McKinstrie, S. Radic, and A. R. Charaplyvy, “Parametric Amplifiers Driven by Two Pump Waves” IEEE J. Select. Topics Quantum Electron. 8, pp. 538-547(2002)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前述の励起光に位相変調をした光増幅器ではＳＢＳの抑圧に効果はあるものの、より高出力な励起光を入力するためには複数段の位相変調器に異なる変調周波数で位相変調をかけるなどの複雑な処理を行う必要がある。その上、信号光や波長変換光（アイドラ光）にも位相変調がかかってしまうという問題がある。
【００１３】
これに比ベ、パルス光源を用いて励起すると、同じように励起光のスペクトルが広いことからＳＢＳを抑圧できる上、ピーク強度が高いのでＣＷ(Continuous Wave)励起と比べ非常に大きな増幅効果が得られる。しかし、パルス励起型の増幅器の場合、信号のビット位相と励起光のパルス位相とを一致させなければならず、しかもＲＺ(Return to Zero)フォーマットの光信号しか増幅することができない。これは直交する２波長の励起光源を用いた偏波無依存型パラメトリック増幅器に対しても同様の問題がある。
【００１４】
本発明の目的は、位相変調器を用いずにパルス励起によって利得飽和を可能にし、信号のビットレートに依存せず、しかも信号フォーマットにも依存しない増幅特性を有する光増幅器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、信号光を、励起光を用いて増幅する光増幅器において、前記励起光が周期Ｔ、パルス幅Ｔ／ｎ（ｎは２以上の整数）であるｎ個の励起光源で構成されており、ｉ（ｉは１〜ｎのいずれかの整数）番目の励起光のパルス位相は、ｉ＋１番目の励起光のパルス位相よりＴ／ｎだけ遅れていることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光増幅器において、前記励起光源は、互いに偏波が直交した周期Ｔ、パルス幅Ｔ／ｎの２つの波長を含むことを特徴とする。
【００１７】
また、請求項３に記載の発明は、前記励起光源は、増幅する信号波長において利得が同じになるように、波長及び光強度を定めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、大幅にＳＢＳのしきい値を上げることができ、かつ、信号フォーマットやビットレートに依存しない増幅が可能な、高強度な励起光源を使った光増幅器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本願において開示される発明の概要を図１を用いて説明する。図１において、１Ａ、１Ｂはそれぞれ励起光Ｐ１、Ｐ２に対応したＣＷ光源であり、２Ａ、２Ｂはそれぞれ励起光Ｐ１、Ｐ２への強度変調器である。また、３は信号発生器、４は光合波器、５は光ファイバ、６は光フィルタ、８は位相シフタ（τ＝Ｔ／２）、ＰＳは信号光である。
【００２０】
Ｓ１は周期Ｔ、パルス幅Ｔ／２のパルスパターンの信号、Ｓ２はＳ１とはパルス位相が半周期τ＝Ｔ／２ずれた周期Ｔ、パルス幅Ｔ／２のパルスパターンの信号であり、強度変調器２（２Ａ、２Ｂ）を駆動することを表している。
図１では、ＣＷ光に強度変調器２（２Ａ、２Ｂ）を用いることによりパルス光源にしているが、パルス発振の励起光源を用いて構成しても同じことである。また、ここでは光ファイバ５を増幅媒質として用いているが光ファイバ５に限定されるものではなく、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）やＰＰＬＮ（Periodically-poled LiNbO3）のような酸化物強誘電体導波路でも同じことである。図２に前記信号光（図ではＮＲＺ（Non Return to Zero）フォーマットの例）と信号Ｓ１と信号Ｓ２のパルスパターンを示す。
【００２１】
以下に、本発明による実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
始めに、本発明における光増幅器の動作について説明する。ここでは、わかりやすくするために励起光源が２個（ｎ＝２）の場合について説明する。（ｎが２以上の場合は第３の実施形態で説明する。）パルス光源１Ａと１Ｂは、信号光の利得が同じになるように波長及び強度を設定する。
【００２２】
図３に光パラメトリック増幅器（図３（ａ））と光ラマン増幅器（図３（ｂ））の励起光Ｐ１、Ｐ２と信号光ＰＳの波長関係の概略を示す。
図３（ａ）の光パラメトリック増幅器の場合、励起光Ｐ１、Ｐ２と信号光ＰＳの波長関係は位相整合条件から、以下の数３の関係が成り立つ。
【００２３】
【数３】
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【００２４】
λＰは励起光Ｐ１、Ｐ２の波長であり、λＳは信号光ＰＳの波長、λidlerはアイドラ光の波長を示す。
励起光源１Ａ、１Ｂによるパラメトリックス利得帯域を半円で示す。点線はＰ１（Ｐ１の波長をλＰ１とする。）による利得帯域であり、実線はＰ２（Ｐ２の波長をλＰ２とする。）による利得帯域である。信号光ＰＳにとってパラメトリック利得がほぼ同じになるように励起光源１Ａ、１Ｂを配置している。
【００２５】
図３（ｂ）の光ラマン増幅器の場合、信号ラマン利得帯域は媒質の光学フォノンにより周波数シフトとして表されるので、励起光源１Ａ、１Ｂによって励起された場合のラマン利得は図３（ｂ）に示すような半円のようになる。
点線はＰ１（Ｐ１の波長をλＰ１とする。）による利得帯域であり、実線はＰ２（Ｐ２の波長をλＰ２とする。）による利得帯域である。信号光ＰＳにとってラマン利得がほぼ同じになるように励起光源１Ａ、１Ｂを配置している。
本発明の特徴はＳＢＳが抑圧できることにある。光ファイバ中に誘起されるＳＢＳの周波数シフト量νＢは、以下の数４のように与えられる。
【００２６】
【数４】
2005235928.tif 000006
【００２７】
Ｎは屈折率、λＰは励起波長、νＡは光ファイバ中を伝播する音響波の位相速度である。この式から励起光の波長λＰが異なると、ＳＢＳの周波数シフト量νＢは異なり、波長の異なる２つの光源で励起することによるＳＢＳの利得は小さいことがわかる。
これは、ＳＢＳのしきい値を上げることを意味している。それぞれの光源自体はパルス光源であることから、ＳＢＳはほとんど発生しない上、ピーク強度が高いことから強励起が可能である。
【００２８】
本発明は、希土類添加増幅器や非線形効果を使った様々な光増幅器にも適用することができる。第１及び第２の実施形態にそれぞれ光パラメトリック増幅器、ファイバラマン増幅器の例を示し、第３の実施形態にｎ個のパルス光源を使用した場合の例を示す。
【００２９】
以下に、図４〜図６を用いて、本発明の第１の実施形態に係る光パラメトリック増幅器について説明する。
これは３次の非線形効果である４光波混合を用いた光増幅器であり、光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ：Optical Parametric Amplifier）と呼ばれている。本発明によるＯＰＡの励起方法は図３に示したような２波長の励起光を用いて励起してもよいが、光中継器としてＯＰＡを用いるためには偏波無依存、かつ、波長多重(ＷＤＭ：Wavelength-Division Multiplexing)信号に対して平坦な利得を持つことが必要とされている。
【００３０】
信号光に対して偏波無依存にするためには、本実施形態で説明する直交する偏波を持つ２波長の光源を使う他に、偏波スクランブラを使って無依存化する方法なども考えられている。しかし、ここではビットレートに無依存にするため、直交する偏波を持つ２波長の光源を使う方法で説明することにする。
よって、本発明はこの励起方法に限定されるものではない。この場合、周期Ｔのパルス変調された光源１Ａと、１Ａとはパルス位相が半周期Ｔ／２ずれた光源１Ｂとがあり、４波長を用いた励起法となる。
【００３１】
図４は、本発明の第１の実施形態に係る光パラメトリック増幅器である。１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄは励起光源であり、Ｐ１ａ、Ｐ２ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ２ｂは励起光源１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄから照射される励起光である。２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄはそれぞれ励起光Ｐ１ａ、Ｐ２ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ２ｂへの強度変調器である。また、３は信号発生器、４は光合波器、５は光ファイバ、６は光フィルタ、８は位相シフタ（τ＝Ｔ／２）、ＰＳは信号光である。
【００３２】
Ｓ１は周期Ｔ、パルス幅Ｔ／２のパルスパターンの信号で、Ｓ２はＳ１とはパルス位相が半周期τ＝Ｔ／２ずれた周期Ｔ、パルス幅Ｔ／２のパルスパターンの信号で、強度変調器２（２Ａ〜２Ｄ）を駆動することを表している。
図４では、ＣＷ光に強度変調器２を用いることによりパルス光源にしているが、パルス発振の励起光源を用いて構成しても同じことである。
【００３３】
信号光ＰＳと励起光（Ｐ１ａ、Ｐ２ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ２ｂ）の波長関係は、図５及び図６に示すような励起パターンが考えられる。
図５（ａ）〜（ｅ）は、信号光ＰＳを挟んで励起するように配置した場合を表しており、図６（ａ）〜（ｅ）は、信号光ＰＳと波長変換光の間に励起光がくるように配置した場合を表している。図において、斜線部は信号光ＰＳの利得帯域を表している。
λ１ａ、λ２ａ、λ１ｂ、λ２ｂはそれぞれ励起光Ｐ１ａ、Ｐ２ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ２ｂの波長である（偏光方向を示すａ、ｂは逆も可とする)。
【００３４】
図５に示した場合では広帯域な利得を得ることができ、図６に示した場合では波長変換光を取り出しやすい特徴がある。図５（ｅ）と図６（ｅ）は、他の励起配置の場合と比べて励起波長を同じにしているのでＳＢＳは発生しやすいが、ＳＢＳは偏波依存性を持っていることから、普通の２波長励起の場合よりも効果があると考えられる。
しかもこの場合は、１つの光源から偏光が交互に切り替わるような光源を用いればよいので、光源が２つだけあればよい。このような励起配置を用いることにより、ＳＢＳを抑圧でき、偏波無依存かつ広帯域平坦な利得を得ることができる。
【００３５】
次に、図７及び図８を用いて、本発明の第２の実施形態に係る光増幅器について説明する。
本発明による励起方法はファイバラマン増幅器（ＦＲＡ：Fiber Raman Amplifier）にも応用できる。ＦＲＡはＷＤＭネットワークで期待されている増幅器の１つで、信号の波長に依らず広帯域に増幅することができる。しかし、より大きな利得を得るためには高強度の励起が必要である。そのため、本発明の励起方法を用いれば信号フォーマットやビットレートに依存せずに高強度な励起が可能となる。
【００３６】
図７は、本発明の第２の実施形態におけるファイバラマン増幅器の説明図である。図７において、１Ａ、１Ｂは励起光源であり、Ｐ１、Ｐ２は励起光源１Ａ、１Ｂから照射される励起光である。２Ａ、２Ｂはそれぞれ励起光Ｐ１、Ｐ２への強度変調器である。また、３は信号発生器、４は光合波器、５は光ファイバ、６は光フィルタ、８は位相シフタ（τ＝Ｔ／２）、ＰＳは信号光である。
【００３７】
Ｓ１は周期Ｔ、パルス幅Ｔ／２のパルスパターンの信号で、Ｓ２はＳ１とはパルス位相が半周期τ＝Ｔ／２ずれた周期Ｔ、パルス幅Ｔ／２のパルスパターンの信号で、強度変調器２（２Ａ、２Ｂ）を駆動することを表している。
図７では、ＣＷ光に強度変調器２（２Ａ、２Ｂ）を用いることによりパルス光源にしているが、パルス発振の励起光源を用いて構成しても同じことである。信号光ＰＳと励起光Ｐ１、Ｐ２の波長関係は図８に示すような励起パターンが考えられる。
以上により、ＦＲＡに関しても本実施形態で説明した励起方法を用いることにより、高強度な励起光源によって発生するＳＢＳを抑圧することができる。
【００３８】
次に、図９及び図１０を用いて、本発明の第３の実施形態に係る光増幅器について説明する。
上記の第１及び第２の実施形態では、パルス光源のパターンがＳ１と、Ｓ１とはビット位相が半周期Ｔ／２ずれたＳ２の２種類であった。一方、ｎを３以上の整数とした場合、周期Ｔ、パルス幅Ｔ／ｎの励起光Ｐｉ（ｉは、１〜ｎのいずれかの整数）を照射するｎ個の励起光源で構成されてもよい。
ここで、ｉ番目の励起光Ｐｉのパルス位相は、ｉ＋１番目の励起光Ｐｉ＋１のパルス位相よりＴ／ｎだけ遅れており、ｎ番目の励起光Ｐｎのパルス位相は１番目の励起光Ｐ１よりＴ／ｎだけ遅れていることとする。
【００３９】
図９は、本発明の第３の実施形態における光増幅器の構成を示すブロック図である。１（１Ａ〜１Ｎ）は励起光源であり、Ｐｉ（Ｐ１〜Ｐｎ）は励起光源１（１Ａ〜１Ｎ）から照射される励起光である。２（２Ａ〜２Ｎ）はそれぞれ励起光Ｐｉ（Ｐ１〜Ｐｎ）への強度変調器である。また、３は信号発生器、４は光合波器、５は光ファイバ、６は光フィルタ、８は位相シフタ（τ＝Ｔ／２）、ＰＳは信号光である。
【００４０】
図９では、ＣＷ光に強度変調器２を用いることによりパルス光源にしているが、パルス発振の励起光源を用いて構成しても同じことである。図１０は、信号Ｓ１〜Ｓｎと信号光ＰＳのパルス幅と位相の関係を示している。
本実施形態で説明した光増幅器によれば、励起光源のデューティー比が小さくなることからピーク強度を高くすることができるので、ＳＢＳのしきい値は高いまま、より高強度に励起することができる。
【００４１】
以上、第１〜第３の実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、大幅にＳＢＳのしきい値を上げることができ、かつ、信号フォーマットやビットレートに依存しない増幅が可能な、高強度な励起光源を使った光増幅器に利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の光増幅器の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の光増幅器の動作原理を説明するための図である。
【図３】本発明の光増幅器の動作原理を説明するための図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における光増幅器の概略構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における光増幅器の動作原理を説明するための図である。
【図６】本発明の第１の実施形態における光増幅器の動作原理を説明するための図である。
【図７】本発明の第２の実施形態における光増幅器の概略構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第２の実施形態における光増幅器の動作原理を説明するための図である。
【図９】本発明の第３の実施形態における光増幅器の概略構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態における光増幅器の動作原理を説明するための図である。
【図１１】従来の位相変調器を用いた光増幅器の概略構成を示すブロック図である
【図１２】従来のパラメトリック増幅器の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４４】
１Ａ〜１Ｎ・・・励起光源
２Ａ〜２Ｎ・・・強度変調器
３・・・信号発生器
４・・・光合波器
５・・・光ファイバ
６・・・光フィルタ
７・・・位相変調器
８・・・位相シフタ
９Ａ、９Ｂ・・・偏波制御装置
Ｐｉ（ｉ＝１〜ｎ）・・・励起光
ＰＳ・・・信号光
【図１】
2005235928.tif 000007
【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】
2005235928.tif 000013
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2005235928.tif 000016
【図１１】
2005235928.tif 000017
【図１２】
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