(57)【要約】【課題】パイロットトーンの高いＳ／Ｎを担保して低雑音での増幅を実現する。【解決手段】位相感応光増幅器（８）は、パイロットトーンとこのパイロットトーンの波長を中心波長として短波長側と長波長側に対称的に離調された信号光群とアイドラ光群とを含む光を入力とし、これらの光の一部を分岐させる分波器（８０）と、パイロットトーンを取り出すバンドパスフィルタ（８１）と、局発光源（８３）と、局発光の位相をパイロットトーンの位相と同期させるサーキュレータ（８４）と、局発光の第二高調波光を発生させる二次非線形光学素子（８８）と、二次非線形光学素子（８８）から出力された第二高調波光を励起光として、信号光群およびアイドラ光群の非縮退パラメトリック増幅を行い、かつパイロットトーンの縮退パラメトリック増幅を行う二次非線形光学素子（９１）とを備える。【選択図】  図１
2017219748.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パイロットトーンとこのパイロットトーンの波長を中心波長として短波長側と長波長側に対称的に離調された信号光群とアイドラ光群とを含む光を入力とし、これら信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンの一部を分岐させる第１の分波器と、
この第１の分波器の出力光から前記パイロットトーンの波長の光のみを取り出すバンドパスフィルタと、
局発光を出力する局発光源と、
前記局発光の位相を前記バンドパスフィルタによって取り出されたパイロットトーンの位相と同期させる第１の位相同期手段と、
前記パイロットトーンの位相と同期した局発光を入力とし、この局発光の第二高調波光を発生させるための第１の光導波路を備えた第１の二次非線形光学素子と、
この第１の二次非線形光学素子から出力された第二高調波光を励起光として、外部から入力された前記信号光群およびアイドラ光群の非縮退パラメトリック増幅を行い、かつ前記信号光群およびアイドラ光群と共に外部から入力された前記パイロットトーンの縮退パラメトリック増幅を行うための第２の光導波路を備えた第２の二次非線形光学素子と、
外部から入力された前記信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンの位相を制御することにより、前記信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンの位相と、前記励起光の位相とを前記第２の光導波路内において同期させる第２の位相同期手段とを備えることを特徴とする光増幅装置。
【請求項２】
請求項１記載の光増幅装置において、
前記第１、第２の光導波路は、ＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂxＴａ(1-x)Ｏ3（０≦ｘ≦１）、またはＫＴｉＯＰＯ4のいずれかの材料から構成されるか、これらの材料のいずれかに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加えた材料から構成されることを特徴とする光増幅装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の光増幅装置において、
前記局発光源は、半導体レーザであり、
前記第１の位相同期手段は、前記バンドパスフィルタによって取り出されたパイロットトーンを前記半導体レーザに光注入同期することにより、前記局発光の位相を前記パイロットトーンの位相と同期させることを特徴とする光増幅装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光増幅装置において、
前記第２の位相同期手段は、
前記第２の二次非線形光学素子に入射する前の信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンとが伝搬する光ファイバを機械的に伸縮させる第１の光ファイバ伸縮器と、
前記第２の二次非線形光学素子から出力される増幅された光の一部を取り出して電気信号に変換する第１の検出手段と、
この第１の検出手段の出力信号に基づいて、前記信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンの位相と、前記励起光の位相とが同期するように前記第１の光ファイバ伸縮器への制御信号を生成する第１の制御手段とを少なくとも含むことを特徴とする光増幅装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光増幅装置と、
前記信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンとを含む光を出力する送信器と、
前記送信器と前記光増幅装置とを接続する伝送ファイバとから構成され、
前記送信器は、
基本波光を出力する基本波光源と、
前記基本波光の一部を分岐させる第２の分波器と、
この第２の分波器の出力光をパイロットトーンとして信号光群と合波する合波器と、
前記基本波光源から出力された基本波光を入力とし、この基本波光の第二高調波光を発生させるための第３の光導波路を備えた第３の二次非線形光学素子と、
この第３の二次非線形光学素子から出力された第二高調波光を励起光として、この励起光と前記合波器から出力された信号光群との差周波光であるアイドラ光群を非縮退パラメトリック過程により発生させ、かつ前記合波器から出力されたパイロットトーンの縮退パラメトリック増幅を行うための第４の光導波路を備えた第４の二次非線形光学素子と、
この第４の二次非線形光学素子に入射する前のパイロットトーンの位相を制御することにより、このパイロットトーンの位相と前記基本波光の位相とを前記第４の光導波路内において同期させる第３の位相同期手段とを備えることを特徴とする光伝送システム。
【請求項６】
請求項５記載の光伝送システムにおいて、
前記光増幅装置が多段に接続されたことを特徴とする光伝送システム。
【請求項７】
請求項５または６記載の光伝送システムにおいて、
前記第３、第４の光導波路は、ＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂxＴａ(1-x)Ｏ3（０≦ｘ≦１）、またはＫＴｉＯＰＯ4のいずれかの材料から構成されるか、これらの材料のいずれかに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加えた材料から構成されることを特徴とする光伝送システム。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか１項に記載の光伝送システムにおいて、
前記第３の位相同期手段は、
前記第４の二次非線形光学素子に入射する前のパイロットトーンが伝搬する光ファイバを機械的に伸縮させる第２の光ファイバ伸縮器と、
前記第４の二次非線形光学素子から出力された光の一部を取り出して電気信号に変換する第２の検出手段と、
この第２の検出手段の出力信号に基づいて、前記パイロットトーンの位相と前記基本波光の位相とが同期するように前記第２の光ファイバ伸縮器への制御信号を生成する第２の制御手段とを少なくとも含む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光増幅装置を用いた光伝送システムに関するものである。
【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を再生するために、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。しかしながら、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ことや、伝送する信号のスピードが速くなると、消費電力が大きくなる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、機器の構成も比較的単純になるという利点を有する。
【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するので、信号光のＳ／Ｎ（Signal to Noise ratio）が増幅前後で少なくとも３ｄＢ低下する。波形整形機能の欠如やＳ／Ｎの低下は、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。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、ＰＳＡは、信号とは無関係の直交位相をもった自然放出光を抑圧することができ、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３は、従来のＰＳＡの基本的な構成を示すブロック図である。図３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及び第２の光分岐部１０４−１及び１０４−２とを備える。図３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を減衰させ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が発生しない。そのため、Ｓ／Ｎを劣化させずに信号光１１０を増幅することが可能になる。
【０００８】
このような信号光１１０と励起光１１１と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。
【００１０】
上述の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（Period-ically Poled Lithium Niobate：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とが知られている。
【００１１】
図４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の構成を示すブロック図である。図４に示されるＰＳＡ２００は、エルビウム添加ファイバレーザ増幅器（Erbium-Doped Fiber Amplifier：ＥＤＦＡ）２０１と、第１及び第２の二次非線形光学素子２０２及び２０４と、第１及び第２の光分岐部２０３−１及び２０３−２と、位相変調器２０５と、ＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）圧電素子を用いた光ファイバ伸縮器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（Phase Locked Loop：ＰＬＬ）回路２０９とを備える。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。
【００１２】
第１の空間光学系２１１は、第１の二次非線形素子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。
【００１３】
図４に示される例では、ＰＳＡ２００に入射した信号光２５０は、光分岐部２０３−１によって分岐されて、一方の光は第２の二次非線形光学素子２０４に入射する。光分岐部２０３−１によって分岐された他方の光は、励起基本波光２５１として、位相変調器２０５及び光ファイバ伸縮器２０６によって位相制御されて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、増幅した励起基本波光２５１を第１の二次非線形光学素子２０２に入射させる。
【００１４】
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から第二高調波光（以下、ＳＨ光）２５２が発生する。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。
【００１５】
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、もしくは位相が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光に相当する波長の光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                               ・・・（１）
【００１６】
図５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間の位相差Δφと、利得（ｄＢ）との関係を示すグラフである。図５によれば、入力信号光と励起光間の位相差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分かる。
【００１７】
図４に示した構成において、位相変調器２０５は、微弱なパイロット信号に応じて位相変調を励起基本波光２５１に施す。第２の光分岐部２０３−２は、増幅された出力信号光２５３の一部を分岐させて光検出器２０８に入射させる。光検出器２０８は、入射した信号光を電気信号に変換する。パイロット信号成分は、図５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。
【００１８】
そこで、パイロット信号が最小、つまり光検出器２０８で検出される増幅出力信号が最大となるようにＰＬＬ回路２０９を用いて、光ファイバ伸縮器２０６にフィードバックを行う。光ファイバ伸縮器２０６は、励起基本波光２５１が伝搬する光ファイバを、ＰＬＬ回路２０９の出力に応じて伸縮させる。こうして、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。
【００１９】
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に入射させ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を発生させ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の特性を用いて励起基本波光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させることができる。そのため、ＥＤＦＡ２０１が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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。図５に示すように、ＰＰＬＮ導波路を用いた従来のＰＳＡ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、通常の強度変調や二値の位相変調を用いるＩＭＤＤ（Intensity Modulation Direct Detection）、ＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）、ＤＰＳＫ（Differential Phase Shift Keying）等の変調信号の増幅に適用できるものの、さらに多値の変調フォーマットであるＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）や８ＰＳＫ等の変調信号を増幅することができないという課題がある。
【００２２】
一方で、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（Quadrature Amplitude Modulation）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。
【００２３】
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光信号の送信器直後に用いる場合のように、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、信号光用光源を出射する光の一部を分岐させて位相感応光増幅器の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。位相感応光増幅器を、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。
【００２４】
一般に、２次非線形光学効果を有する媒質を用いて信号光から第二高調波光を生成すると、励起光として使う光である、第二高調波光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光部品を使用すると、様々な障害が生じる。例えば波長によって光部品の成熟度が異なるため、光部品の特性・スペックなど、位相感応光増幅器を実現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な部品を使わなければならないなどの問題が生じる。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。
【００２５】
光増幅器に関しても大きな課題を擁する。第二高調波光などの、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、これらの半導体増幅器を用いて第二高調波光を増幅したとしても、位相感応光増幅器に用いる励起光としては十分な光強度が得られないことや、半導体増幅器のもつ雑音指数（Noise Figure：ＮＦ）により位相感応光増幅器に用いる励起光のＳ／Ｎが劣化するなどの問題があった。
【００２６】
さらに、第二高調波光などの通信波長に比べ波長の短い光用の光部品においては、部品によって信頼性の観点から問題があることも多く、これらの光部品を用いた位相感応光増幅器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励起光生成は、通信波長帯で実現することが好ましい。
【００２７】
２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光増幅器の研究において非特許文献４や非特許文献２に示されているとおり、２値位相変調信号（Binary Phase Shift Keying：ＢＰＳＫ）や４値位相変調信号（Quadrature Phase Shift Keying：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。
【００２８】
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（Quadrature Amplitude Modulation）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、変調信号のキャリア位相と同じ位相を持つ連続波（Continuous Wave：ＣＷ）のパイロットトーン信号を信号光と共に同送する方法がある。
【００２９】
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信号を同送する手法について説明する。
【００３０】
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位相感応光増幅器を用いる場合の光伝送システムの構成例を、図６に示す。光伝送システムは、送信器（Ｔｘ）１と、位相感応光増幅器（ＰＳＡ）２と、送信器１と位相感応光増幅器２とを接続する光ファイバ３と、光ファイバ３の途中に設けられた分散・偏波補償器４とから構成される。
【００３１】
送信器１は、アレイ導波路グレーティング（Array Waveguide Gratings：ＡＷＧ）１０と、光源（External Cavity Laser Diode：ＥＣＬＤ）１１と、分波器１２と、ＥＤＦＡ（Erbium-Doped Fiber Amplifier：エルビウム添加ファイバレーザ増幅器）１３と、バンドパスフィルタ（Band Pass Filter：ＢＰＦ）１４と、第二高調波発生（Second Harmonic Generation：ＳＨＧ）用の二次非線形光学素子１５と、差周波発生（Difference Frequency Generation：ＤＦＧ）用の二次非線形光学素子１６と、合波器１７と、波長選択型光スイッチ（Wavelength Selective Switch：ＷＳＳ）１８とを備えている。
【００３２】
位相感応光増幅器２は、波長分波器２０と、バンドパスフィルタ２１と、可変光減衰器（Variable Optical Attenuator：ＶＯＡ）２２と、局発光源２３と、サーキュレータ２４と、分波器２５と、位相変調器（Phase Modulation：ＰＭ）２６と、ＥＤＦＡ２７と、バンドパスフィルタ２８と、第二高調波発生用の二次非線形光学素子２９と、固定遅延線３０と、ＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）圧電素子を用いた光ファイバ伸縮器３１と、光パラメトリック増幅（Optical Parametric Amplification：ＯＰＡ）用の二次非線形光学素子３２と、分波器３３と、バンドパスフィルタ３４と、光検出器３５と、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路３６と、波長合波器３７とを備えている。
【００３３】
上記のとおり、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、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器内の励起光と信号光の位相を同期させる必要がある。
【００３４】
図６に示した構成では、ＡＷＧ１０は、データ変調の施された複数の信号光を合波する。光源１１は無変調のＣＷ光を出力する。ＥＤＦＡ１３は、光源１１から出力されたＣＷ光を増幅する。バンドパスフィルタ１４は、ＥＤＦＡ１３によって発生したノイズ光を除去し、ＣＷ光のみを透過させる。二次非線形光学素子１５は、バンドパスフィルタ１４から出力されるＣＷ光から第二高調波光を発生させて励起光とする。その後、二次非線形光学素子１６により励起光と波長多重された信号光との差周波光を発生させて、この差周波光を信号光に対するアイドラ光とする。
【００３５】
一方、分波器１２は、光源１１から出力されたＣＷ光の一部を分岐させる。合波器１７は、二次非線形光学素子１６から出力された信号光およびアイドラ光と分波器１２から出力されたＣＷ光とを合波する。波長選択型光スイッチ１８は、信号光とアイドラ光とＣＷ光の波長毎に異なる強度を揃えて出力する。
【００３６】
こうして、送信器１からは、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信号として同送される。図７（Ａ）に送信器１から出力される信号光群３００のスペクトルを示す。なお、図７（Ａ）〜図７（Ｅ）の縦軸は光強度、横軸は波長である。図６、図７（Ａ）の３０１は信号光、３０２はアイドラ光、３０３はＣＷ光のパイロットトーンである。
【００３７】
送信器１から出力される信号光群３００は、光ファイバ３を介して伝送される。送信器１から出力された信号光群３００の一部を位相感応光増幅器２の波長分波器２０で分岐させ、バンドパスフィルタ２１を通すことにより、信号光群３００と同送されたＣＷ光のパイロットトーン３０３を取り出す。図７（Ｂ）は取り出されたパイロットトーン３０３を示し、図７（Ｃ）は波長分波器２０を透過した信号光３０１およびアイドラ光３０２を示す。
【００３８】
可変光減衰器２２は、パイロットトーン３０３の光強度を調整する。この光強度が調整されたパイロットトーン３０３をサーキュレータ２４を通して局発光源２３に光注入同期する。局発光源２３にはファブリペロー型の半導体レーザーを用いた。半導体レーザーの位相がパイロットトーン３０３の位相に引き込まれ、これにより、位相感応光増幅器２内の局発光源２３がパイロットトーン３０３に位相同期される。
【００３９】
パイロットトーン３０３と位相同期した局発光は、位相変調器２６によって位相制御されてＥＤＦＡ２７に入射する。ＥＤＦＡ２７は、位相変調器２６から出力された局発光を増幅する。バンドパスフィルタ２８は、ＥＤＦＡ２７によって発生したノイズ光を除去し、局発光のみを透過させる。二次非線形光学素子２９は、バンドパスフィルタ２８から出力される局発光から第二高調波光を発生させ、この第二高調波光を励起光として二次非線形光学素子３２に入射させる。
【００４０】
固定遅延線３０は、励起光との遅延時間調整のため、波長分波器２０を透過した信号光３０１およびアイドラ光３０２を所定の時間だけ遅延させる。固定遅延線３０を通過した信号光３０１およびアイドラ光３０２は、光ファイバ伸縮器３１によって位相制御されて二次非線形光学素子３２に入射する。二次非線形光学素子３２は、パラメトリック増幅効果により、信号光３０１およびアイドラ光３０２を増幅する。
【００４１】
分波器３３は、増幅された信号光およびアイドラ光の一部を分岐させる。バンドパスフィルタ３４は、信号光およびアイドラ光のみを通過させて光検出器３５に入射させる。光検出器３５は、入射した光を電気信号に変換する。ＰＬＬ回路３６は、光検出器３５で検出される信号が最大となるように光ファイバ伸縮器３１にフィードバックを行う。光ファイバ伸縮器３１は、信号光３０１およびアイドラ光３０２が伝搬する光ファイバを、ＰＬＬ回路３６の出力に応じて伸縮させる。こうして、信号光３０１およびアイドラ光３０２の位相を制御して、信号光３０１およびアイドラ光３０２と励起光との位相同期を達成することができる。
【００４２】
以上のような構成を採用することにより、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ないような中継増幅器においても、信号光の位相感応増幅を行うことができる。この構成においては、多段に中継増幅器を用いることを考慮し、次の中継増幅器を動作させるために、信号光と共に新たなパイロットトーンを次の中継増幅器へ同送する。具体的には、位相感応光増幅器２の分波器２５は、パイロットトーン３０３と位相同期した局発光の一部を分岐させる（図７（Ｄ））。図６、図７（Ｄ）の３０４は分波器２５が分岐させた局発光である。
【００４３】
波長合波器３７は、二次非線形光学素子３２によって増幅された信号光およびアイドラ光と分波器２５から出力された局発光とを合波する（図７（Ｅ））。図６、図７（Ｅ）の３０５は位相感応光増幅器２から出力される信号光群、３０６は信号光、３０７はアイドラ光、３０８はパイロットトーンである。
【００４４】
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。図６に示した構成のように、波長分波器２０を用いてパイロットトーンを分離する場合、信号光とアイドラ光の中心波長のパイロットトーンのみを完全に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。
【００４５】
また、図６に示した構成では、パイロットトーンと信号光およびアイドラ光との分波、合波に波長分波器２０、波長合波器３７を用いているが、この構成では波長分波器２０および波長合波器３７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。パイロットトーンのみを取り出す波長分波器２０により、パイロットトーンの殆どの光は分岐され、二次非線形光学素子３２には入射しない。しかし、実際の波長分波器２０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２０を通過した後でも、残留したパイロットトーンが二次非線形光学素子３２に入射する。
【００４６】
残留パイロットトーンは、二次非線形光学素子３２により縮退パラメトリック増幅（パイロットトーンは縮退波長）された後、波長合波器３７へ入射する。波長合波器３７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（合波器２５からの局発光）が波長合波器３７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。その結果、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、雑音が生じることなる。多段に中継増幅器を用いる場合、この雑音が中継増幅の度に累積するため、励起光として用いるパイロットトーンの高いＳ／Ｎを担保することが困難になってしまう。
【００４７】
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Ｓ／Ｎに対して、十分にＳ／Ｎ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。その理由は、Ｓ／Ｎの低い励起光を用いると、励起光の雑音成分からのエネルギー移行により信号光のＳ／Ｎが劣化し、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、さらに言えば局発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Ｓ／Ｎが求められる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００４８】
【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 system”，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】
【００４９】
以上のように、非特許文献１に開示された技術では、多値の変調フォーマットの変調信号を増幅することができないという問題があった。
非特許文献２、非特許文献４および非特許文献５に開示された技術では、多値化された信号から搬送波位相を抽出して励起光を生成することが難しいという問題があった。
図６に示した構成では、有限の帯域内に信号を密に配置することができず、また励起光として用いるパイロットトーンの高いＳ／Ｎを担保することが難しいために低雑音の位相感応光増幅器を実現することが難しいという問題があった。
【００５０】
本発明の目的は、上記のような従来技術の問題を鑑みて、帯域の利用効率を向上させることができ、多値の変調フォーマットの変調信号の増幅が可能で、パイロットトーンの高いＳ／Ｎを担保して低雑音での増幅が可能な位相感応光増幅器と、この位相感応光増幅器を用いた光伝送システムを提供することにある。特に、信号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位相感応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】
【００５１】
本発明の光増幅装置は、パイロットトーンとこのパイロットトーンの波長を中心波長として短波長側と長波長側に対称的に離調された信号光群とアイドラ光群とを含む光を入力とし、これら信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンの一部を分岐させる第１の分波器と、この第１の分波器の出力光から前記パイロットトーンの波長の光のみを取り出すバンドパスフィルタと、局発光を出力する局発光源と、前記局発光の位相を前記バンドパスフィルタによって取り出されたパイロットトーンの位相と同期させる第１の位相同期手段と、前記パイロットトーンの位相と同期した局発光を入力とし、この局発光の第二高調波光を発生させるための第１の光導波路を備えた第１の二次非線形光学素子と、この第１の二次非線形光学素子から出力された第二高調波光を励起光として、外部から入力された前記信号光群およびアイドラ光群の非縮退パラメトリック増幅を行い、かつ前記信号光群およびアイドラ光群と共に外部から入力された前記パイロットトーンの縮退パラメトリック増幅を行うための第２の光導波路を備えた第２の二次非線形光学素子と、外部から入力された前記信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンの位相を制御することにより、前記信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンの位相と、前記励起光の位相とを前記第２の光導波路内において同期させる第２の位相同期手段とを備えることを特徴とするものである。
【００５２】
また、本発明の光増幅装置の１構成例において、前記第１、第２の光導波路は、ＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂxＴａ(1-x)Ｏ3（０≦ｘ≦１）、またはＫＴｉＯＰＯ4のいずれかの材料から構成されるか、これらの材料のいずれかに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加えた材料から構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の光増幅装置の１構成例において、前記局発光源は、半導体レーザであり、前記第１の位相同期手段は、前記バンドパスフィルタによって取り出されたパイロットトーンを前記半導体レーザに光注入同期することにより、前記局発光の位相を前記パイロットトーンの位相と同期させることを特徴とするものである。
また、本発明の光増幅装置の１構成例において、前記第２の位相同期手段は、前記第２の二次非線形光学素子に入射する前の信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンとが伝搬する光ファイバを機械的に伸縮させる第１の光ファイバ伸縮器と、前記第２の二次非線形光学素子から出力される増幅された光の一部を取り出して電気信号に変換する第１の検出手段と、この第１の検出手段の出力信号に基づいて、前記信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンの位相と、前記励起光の位相とが同期するように前記第１の光ファイバ伸縮器への制御信号を生成する第１の制御手段とを少なくとも含むことを特徴とするものである。
【００５３】
また、本発明の光伝送システムは、前記光増幅装置と、前記信号光群とアイドラ光群とパイロットトーンとを含む光を出力する送信器と、前記送信器と前記光増幅装置とを接続する伝送ファイバとから構成され、前記送信器は、基本波光を出力する基本波光源と、前記基本波光の一部を分岐させる第２の分波器と、この第２の分波器の出力光をパイロットトーンとして信号光群と合波する合波器と、前記基本波光源から出力された基本波光を入力とし、この基本波光の第二高調波光を発生させるための第３の光導波路を備えた第３の二次非線形光学素子と、この第３の二次非線形光学素子から出力された第二高調波光を励起光として、この励起光と前記合波器から出力された信号光群との差周波光であるアイドラ光群を非縮退パラメトリック過程により発生させ、かつ前記合波器から出力されたパイロットトーンの縮退パラメトリック増幅を行うための第４の光導波路を備えた第４の二次非線形光学素子と、この第４の二次非線形光学素子に入射する前のパイロットトーンの位相を制御することにより、このパイロットトーンの位相と前記基本波光の位相とを前記第４の光導波路内において同期させる第３の位相同期手段とを備えることを特徴とするものである。
【００５４】
また、本発明の光伝送システムの１構成例は、前記光増幅装置が多段に接続されたことを特徴とするものである。
また、本発明の光伝送システムの１構成例において、前記第３、第４の光導波路は、ＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂxＴａ(1-x)Ｏ3（０≦ｘ≦１）、またはＫＴｉＯＰＯ4のいずれかの材料から構成されるか、これらの材料のいずれかに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加えた材料から構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の光伝送システムの１構成例において、前記第３の位相同期手段は、前記第４の二次非線形光学素子に入射する前のパイロットトーンが伝搬する光ファイバを機械的に伸縮させる第２の光ファイバ伸縮器と、前記第４の二次非線形光学素子から出力された光の一部を取り出して電気信号に変換する第２の検出手段と、この第２の検出手段の出力信号に基づいて、前記パイロットトーンの位相と前記基本波光の位相とが同期するように前記第２の光ファイバ伸縮器への制御信号を生成する第２の制御手段とを少なくとも含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００５５】
本発明によれば、信号光群およびアイドラ光群と一括で位相感応増幅が可能なパイロットトーンを生成することで、励起光として用いるパイロットトーンのＳ／Ｎ劣化を抑えることができ、低雑音性に優れた位相感応増幅が可能な光増幅装置を実現することができる。また、本発明では、中心波長近傍にガードバンドを設ける必要がないので、従来よりも信号を密に詰めることができ、帯域の利用効率を向上させることができる。また、本発明では、多値の変調フォーマットの変調信号を増幅することができる。また、本発明では、パイロットトーンのＳ／Ｎ劣化を抑えることができるので、中継増幅器として光増幅装置を用いる場合に、複数の中継増幅器を多段に接続したとしても、低雑音性に優れる光伝送が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態に係る光伝送システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１の光伝送システムにおける各部の光のスペクトルを示す図である。
【図３】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４】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の構成を示すブロック図である。
【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における、入力信号光と励起光間の位相差と、利得との関係を示すグラフである。
【図６】従来の光伝送システムの構成の１例を示すブロック図である。
【図７】図６の光伝送システムにおける各部の光のスペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００５８】
本実施の形態に係る光増幅装置である位相感応光増幅器および光伝送システムでは、ＰＰＬＮ導波路を用いた位相感応光増幅器の構成を示す。本実施の形態では、位相感応光増幅器の中継増幅動作実現のためのパイロットトーンを、信号光と一括で位相感応増幅させることが可能であり、波長合分波器によるパイロットトーンの切り出し及び信号光との再合波を必要としない構成となっている。パイロットトーンも信号光と同様に低雑音な位相感応光増幅器による中継増幅を行いながら伝搬させ、位相感応増幅時にパイロットトーンの一部を分岐させて励起光として用いる構成としているため、パイロットトーンのＳ／Ｎの劣化の極めて少ない光伝送システムを実現することができ、従来の課題を解決することができる。
【００５９】
図１は、本実施の形態に係る光伝送システムの構成を示すブロック図である。光伝送システムは、送信器（Ｔｘ）５と、光ファイバ６と、分散・偏波補償器７と、位相感応光増幅器（ＰＳＡ）８とから構成される。
【００６０】
送信器５は、ＡＷＧ５０と、基本波光源となる波長可変光源５１と、分波器５２と、位相変調器（ＰＭ）５３と、ＰＺＴ圧電素子を用いた光ファイバ伸縮器５４と、合波器５５と、ＥＤＦＡ５６と、バンドパスフィルタ５７と、第二高調波発生用の二次非線形光学素子５８と、差周波発生用の二次非線形光学素子５９と、分波器６０と、バンドパスフィルタ６１と、光検出器６２と、制御手段となるＰＬＬ回路６３と、波長選択型光スイッチ６４とを備えている。分波器６０とバンドパスフィルタ６１と光検出器６２とは、二次非線形光学素子５９から出力された光の一部を取り出して電気信号に変換する検出手段を構成している。
【００６１】
光増幅装置である位相感応光増幅器８は、分波器８０と、バンドパスフィルタ８１と、可変光減衰器８２と、局発光源８３と、位相同期手段となるサーキュレータ８４と、位相変調器８５と、ＥＤＦＡ８６と、バンドパスフィルタ８７と、第二高調波発生用の二次非線形光学素子８８と、固定遅延線８９と、ＰＺＴ圧電素子を用いた光ファイバ伸縮器９０と、光パラメトリック増幅用の二次非線形光学素子９１と、分波器９２と、バンドパスフィルタ９３と、光検出器９４と、制御手段となるＰＬＬ回路９５とを備えている。分波器９２とバンドパスフィルタ９３と光検出器９４とは、二次非線形光学素子９１から出力される増幅された光の一部を取り出して電気信号に変換する検出手段を構成している。
【００６２】
図１は、送信器５から光ファイバ６を介して伝送された光信号を、中継器の位相感応光増幅器８により増幅した後、増幅した光信号を後段の光ファイバ９へ出力するための構成を示している。この例では、１つの中継増幅器の構成を示しているが、図１の位相感応光増幅器８を用いた中継増幅器を多段に接続して用いることが可能である。
【００６３】
以下、本実施の形態の光伝送システムの動作を説明する。送信器５のＡＷＧ５０は、データ変調の施された複数の信号光を合波する。波長可変光源５１は、ＤＦＧ過程に用いる励起光生成のための波長１５５０ｎｍの連続波（ＣＷ）の基本波光を発生する。ＥＤＦＡ５６は、波長可変光源５１から出力された基本波光を３Ｗ程度の光パワーまで増幅する。バンドパスフィルタ５７は、ＥＤＦＡ５６によって発生したノイズ光（自然放出光）を除去し、基本波光のみを透過させる。
【００６４】
二次非線形光学素子５８は、空間光学系５８０と、ＰＰＬＮ導波路５８１と、空間光学系５８２と、ダイクロイックミラー５８３とを備える。空間光学系５８０は、バンドパスフィルタ５７から出力された基本波光をＰＰＬＮ導波路５８１に結合する。基本波光がＰＰＬＮ導波路５８１に入射すると、ＰＰＬＮ導波路５８１により基本波光の半分の波長の第二高調波光が発生する。空間光学系５８２は、ＰＰＬＮ導波路５８１から出力された光をダイクロイックミラー５８３を介して二次非線形光学素子５８の出力ポートに結合する。このとき、ダイクロイックミラー５８３により基本波光と第二高調波光とが分離され、第二高調波光が励起光５０４として二次非線形光学素子５９に入射する。
【００６５】
ここで、本実施の形態で用いたＰＰＬＮ導波路５８１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。
【００６６】
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したＰＰＬＮ導波路５８１を有する二次非線形光学素子５８を、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構造とした。
【００６７】
ここでは、ＰＰＬＮ導波路５８１の材料として、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、ＬｉＮｂxＴａ(1-x)Ｏ3（０≦ｘ≦１）、またはＫＴｉＯＰＯ4のいずれかを用いて構成してもよく、これらに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加えてもよい。なお、二次非線形光学素子５９，８８，９１を構成する後述のＰＰＬＮ導波路についても、ＰＰＬＮ導波路５８１と同様に作製することができる。
【００６８】
一方、送信器５の分波器５２は、波長可変光源５２から出力された基本波光の一部を分岐させる。分波器５２によって分岐された基本波光がパイロットトーン５０３となる。信号光との位相同期のため、位相変調器５３は、分波器５２から出力されたパイロットトーン５０３に所定の位相変調を施す。合波器５５は、ＡＷＧ５０から出力された信号光群５０１と位相変調器５３から出力されたパイロットトーン５０３光とを合波する。
【００６９】
二次非線形光学素子５９は、空間光学系５９０と、ダイクロイックミラー５９１と、ＰＰＬＮ導波路５９２と、空間光学系５９３と、ダイクロイックミラー５９４とを備える。空間光学系５９０は、合波器５５から出力された光（信号光群５０１とパイロットトーン５０３との合波光）と二次非線形光学素子５８から出力された励起光５０４とをダイクロイックミラー５９１を介してＰＰＬＮ導波路５９２に結合する。ＰＰＬＮ導波路５９２により励起光５０４と信号光群５０１との差周波光であるアイドラ光群を発生させる。
【００７０】
空間光学系５９３は、ＰＰＬＮ導波路５９２からの光をダイクロイックミラー５９４を介して二次非線形光学素子５９の出力ポートに結合する。このとき、ダイクロイックミラー５９４により信号光群５０１、アイドラ光群およびパイロットトーン５０３と励起光５０４とが分離され、信号光群５０１、アイドラ光群およびパイロットトーン５０３が二次非線形光学素子５９から分波器６０および波長選択型光スイッチ６４へ出力される。
【００７１】
波長選択型光スイッチ６４は、信号光群５０１とアイドラ光群とパイロットトーン５０３の波長毎に異なる強度を揃えて出力する。図２（Ａ）に送信器５から出力される信号５００のスペクトルを示す。なお、図２（Ａ）〜図２（Ｄ）の縦軸は光強度、横軸は波長である。図２（Ａ）の５０２はアイドラ光群である。このように信号光群５０１とアイドラ光群５０２とは、パイロットトーン５０３の波長を中心波長として短波長側と長波長側に対称的に配置される。
【００７２】
本実施の形態では、パイロットトーン５０３の波長は、１５５０ｎｍである。送信器５において、データ変調された信号光群５０１は、１５５０ｎｍよりも短波側に等間隔に配置されている。上記のとおり、波長可変光源５１を用いて、ＤＦＧ過程に用いる励起光生成のための波長１５５０ｎｍの基本波光を発生させた。この基本波光の一部が分波器５２によりパイロットトーン５０３として取り出され、合波器５５によって信号光群５０１と合波される。ＥＤＦＡ５６によって３Ｗまで増幅した基本波光を二次非線形光学素子５８に入力することにより、１５５０ｎｍの２倍波である７７５ｎｍの波長を持つ励起光５０４を生成した。３Ｗの基本波光により、１Ｗの励起光強度が得られた。
【００７３】
この励起光５０４とパイロットトーン５０３を含む信号光群５０１とを二次非線形光学素子５９に入力することにより、中心波長１５５０ｎｍを中心に信号光群５０１と対称な位置にアイドラ光群５０２を発生させた（図２（Ａ））。本実施の形態の伝送帯域は、Ｃ帯１５３５ｎｍから１５６５ｎｍである。つまり、中心波長１５５０ｎｍを中心に±１５ｎｍの帯域に密に変調光信号を配置した。
【００７４】
このとき、パイロットトーン５０３のみは波長が中心波長１５５０ｎｍと一致するため、二次非線形光学素子５９によって発生するアイドラ光の波長もパイロットトーン５０３と同一となる。すなわち、二次非線形光学素子５９において励起光５０４と信号光群５０１との差周波光は非縮退パラメトリック過程により発生するものの、パイロットトーン５０３については縮退パラメトリック過程が引き起こされる。縮退パラメトリック過程の場合、パイロットトーン５０３とそのアイドラ光とがコヒーレントに干渉するために、これらの位相関係により光強度が変動してしまう。このため、基準位相となる励起光５０４とパイロットトーン（基本波光）５０３との位相が合うように、送信器５では常に位相同期をかけている。
【００７５】
本来、パイロットトーン５０３を二次非線形光学素子５９の後段で信号光群５０１と合波させるようにすれば、縮退パラメトリック過程が発生することもないため、励起光５０４とパイロットトーン５０３の位相同期をかける必要もない。しかしながら、位相感応光増幅器８で信号光群５０１とパイロットトーン５０３の一括位相感応増幅を実現するためには、送信器５でのパイロットトーン５０３と励起光５０４との位相同期が必要になる。この理由を以下に述べる。
【００７６】
非縮退位相感応増幅を実現するために、送信器５では信号光群５０１の対となるアイドラ光群５０２をＤＦＧ過程により一括生成している。このため、信号光とこれに対応するアイドラ光の全ての対において、その基準位相はＤＦＧ過程で用いた励起光５０４の位相と一致している。このようにして生成された信号光群５０１およびアイドラ光群５０２の基準位相に、位相感応光増幅器８において使用する励起光の位相を同期させることができれば、全波長一括の位相感応増幅が実現できる。
【００７７】
しかしながら、パイロットトーン５０３も信号光群５０１と同時に一括して位相感応増幅するためには、パイロットトーン５０３自身の位相が基準位相に同期していなくてはならない。送信器５において、二次非線形光学素子５９の後段でパイロットトーン５０３と信号光群５０１およびアイドラ光群５０２とを合波させた場合、パイロットトーン５０３は、ＤＦＧ過程で利用される基本波光と光源が同じであるものの、伝搬経路が異なるため、その位相が信号光群５０１およびアイドラ光群５０２の基準位相とずれてしまう。
【００７８】
パイロットトーン５０３の位相と基準位相とがずれている場合、位相感応光増幅器８において信号光群５０１とパイロットトーン５０３とを一括して位相感応増幅することができず、基準位相からの位相ずれに応じて縮退パラメトリック利得に変動が伴ってしまう。この利得変動はパイロットトーン５０３の強度雑音となってしまうために、Ｓ／Ｎの良いパイロットトーン５０３の伝送ができない。パイロットトーン５０３の位相を基準位相に同期させることができれば、縮退パラメトリック増幅されたパイロットトーン５０３の出力光は常に最大の位相感応利得を受けることができる。このような理由から、Ｓ／Ｎの高いパイロットトーン５０３の伝送のためには、送信器５において信号光群５０１およびアイドラ光群５０２の基準位相と同期したパイロットトーン５０３を生成することが必要となる。
【００７９】
そのため本実施の形態では、二次非線形光学素子５９において、信号光群５０１はＤＦＧ過程となり、パイロットトーン５０３のみ縮退パラメトリック過程となる構成をとり、縮退パラメトリック増幅されたパイロットトーン５０３が最大出力となるように励起光５０４の基準位相にパイロットトーン５０３を位相同期させている。これにより、信号光群５０１およびアイドラ光群５０２とパイロットトーン５０３の全波長が位相同期した状態をつくることができる。
【００８０】
パイロットトーン５０３を基準位相に同期させるために、上記のとおり、位相変調器５３を用いて微弱な信号により位相変調をパイロットトーン５０３に施した後、二次非線形光学素子５９を通過した出力光の一部を分波器６０により分岐させた。バンドパスフィルタ６１は、分波器６０の出力のうちパイロットトーンの波長の光のみを通過させて光検出器６２に入射させる。光検出器６２は、入射した光を電気信号に変換する。
【００８１】
パイロットトーンの微弱な変調信号成分は、図５に示される位相差Δφが最小の状態、すなわち位相同期が取れている状態で最小となる。そこで、ＰＬＬ回路６３は、パイロットトーンの変調信号成分が最小、つまり光検出器６２で検出される増幅出力信号が最大となるように光ファイバ伸縮器５４にフィードバックを行う。光ファイバ伸縮器５４は、パイロットトーン５０３が伝搬する光ファイバを、ＰＬＬ回路６３の出力に応じて伸縮させる。こうして、パイロットトーン５０３の位相を制御して、励起光５０４とパイロットトーン５０３との位相同期を達成することができる。
【００８２】
光ファイバ６を伝搬した信号光群５０１、アイドラ光群５０２およびパイロットトーン５０３は、分散・偏波補償器７により光ファイバ６内の分散および偏波が補償された後、位相感応光増幅器８へと入力される。分波器８０は、入力された光の一部を分岐させる。バンドパスフィルタ８１は、分波器８０の出力光からパイロットトーンの波長の光のみを取り出す。図１、図２（Ｂ）の５０５はバンドパスフィルタ８１によって取り出されたパイロットトーンを示す。
【００８３】
可変光減衰器８２は、パイロットトーン５０５の光強度を調整する。なお、可変光減衰器８２の代わりに光増幅器を用いてもよい。光強度が調整されたパイロットトーン５０５をサーキュレータ８４を通して局発光源８３に光注入同期する。局発光源８３は半導体レーザからなる。局発光の波長は１５５０ｎｍである。光注入同期により、送信器５のパイロットトーン５０３と同一波長、同一の位相情報を持つ局発光を生成した。図１、図２（Ｃ）の５０６は局発光を示す。
【００８４】
信号光群５０１およびアイドラ光群５０２との位相同期のため、位相変調器８５は、局発光５０６に所定の位相変調を施す。ＥＤＦＡ８６は、位相変調器８５から出力された局発光５０６を５Ｗ程度の光パワーまで増幅する。バンドパスフィルタ８７は、ＥＤＦＡ８６によって発生したノイズ光（自然放出光）を除去し、局発光５０６のみを透過させる。
【００８５】
二次非線形光学素子８８は、空間光学系８８０と、ＰＰＬＮ導波路８８１と、空間光学系８８２と、ダイクロイックミラー８８３とを備える。空間光学系８８０は、バンドパスフィルタ８７から出力された局発光５０６をＰＰＬＮ導波路８８１に結合する。局発光５０６がＰＰＬＮ導波路８８１に入射すると、ＰＰＬＮ導波路８８１により局発光５０６の半分の波長の第二高調波光が発生する。
【００８６】
空間光学系８８２は、ＰＰＬＮ導波路８８１から出力された光をダイクロイックミラー８８３を介して二次非線形光学素子８８の出力ポートに結合する。このとき、ダイクロイックミラー８８３により局発光と第二高調波光とが分離され、第二高調波光が励起光５０７として二次非線形光学素子９１に入射する。本実施の形態では、ＰＰＬＮ導波路８８１により、１５５０ｎｍの２倍波である７７５ｎｍの波長を持つ励起光５０７を生成した。５Ｗの局発光５０６により、２Ｗの励起光強度が得られた。
【００８７】
次に、固定遅延線８９は、励起光５０７との遅延時間調整のため、分波器８０を透過した信号光群５０１とアイドラ光群５０２とパイロットトーン５０３とを所定の時間だけ遅延させる。固定遅延線８９を通過した信号光群５０１とアイドラ光群５０２とパイロットトーン５０３とは、二次非線形光学素子９１に入射する。
【００８８】
二次非線形光学素子９１は、空間光学系９１０と、ダイクロイックミラー９１１と、ＰＰＬＮ導波路９１２と、空間光学系９１３と、ダイクロイックミラー９１４とを備える。空間光学系９１０は、固定遅延線８９を通過した信号光群５０１とアイドラ光群５０２とパイロットトーン５０３と、二次非線形光学素子８８から出力された励起光５０７とをダイクロイックミラー９１１を介してＰＰＬＮ導波路９１２に結合する。
【００８９】
ＰＰＬＮ導波路９１２は、パラメトリック増幅効果により、信号光群５０１とアイドラ光群５０２とパイロットトーン５０３とを一括して位相感応増幅する。このとき、ＰＰＬＮ導波路９１２内では、信号光群５０１およびアイドラ光群５０２には非縮退パラメトリック過程、パイロットトーン５０３には縮退パラメトリック過程が引き起こされる。
【００９０】
送信器５内での位相制御によりパイロットトーン５０３は送信器５の励起光５０４の基準位相（基本波光の位相）と同期し、またサーキュレータ８４による光注入同期により励起光５０７も励起光５０４（パイロットトーン５０３）の基準位相と同期しており、分波器８０を透過した信号光群５０１とアイドラ光群５０２とパイロットトーン５０３の位相を、ＰＰＬＮ導波路９１２内において励起光５０７と同期するように制御するので、全波長一括の位相感応増幅を実現することができる。
【００９１】
信号光群５０１とアイドラ光群５０２とパイロットトーン５０３とを励起光５０７に同期させるために、上記のとおり、位相変調器８５を用いて微弱な信号により位相変調を局発光５０６に施している。分波器９２は、二次非線形光学素子９１を通過した出力光の一部を分岐させる。バンドパスフィルタ９３は、分波器９２の出力のうちパイロットトーンの波長の光のみを通過させて光検出器９４に入射させる。光検出器９４は、入射した光を電気信号に変換する。
【００９２】
二次非線形光学素子９１のダイクロイックミラー９１１により、信号光群５０１とアイドラ光群５０２とパイロットトーン５０３と励起光５０７とを合波することにより、局発光５０６の微弱な変調信号成分は、パイロットトーン５０３に重畳する。光検出器９４の出力に現れる、パイロットトーンの微弱な変調信号成分は、図５に示される位相差Δφが最小の状態、すなわち位相同期が取れている状態で最小となる。
【００９３】
ＰＬＬ回路９５は、パイロットトーンの変調信号成分が最小、つまり光検出器９４で検出される増幅出力信号が最大となるように光ファイバ伸縮器９０にフィードバックを行う。光ファイバ伸縮器９０は、信号光群５０１とアイドラ光群５０２とパイロットトーン５０３とが伝搬する光ファイバを、ＰＬＬ回路９５の出力に応じて伸縮させる。こうして、信号光群５０１とアイドラ光群５０２とパイロットトーン５０３の位相を制御することにより、二次非線形光学素子９１のＰＰＬＮ導波路９１２内において信号光群５０１とアイドラ光群５０２とパイロットトーン５０３の位相と励起光５０７の位相とを同期させることができる。
【００９４】
図２（Ｄ）は位相感応光増幅器８から出力される信号５０８のスペクトルを示している。５０９は増幅された信号光群、５１０は増幅されたアイドラ光群、５１１は増幅されたパイロットトーンである。
【００９５】
なお、本実施の形態では、位相同期を実現するために、バンドパスフィルタ９３でパイロットトーンのみを取り出しているが、これに限るものではなく、信号光群のうちの１波長の光、またはアイドラ光群のうちの１波長の光を取り出すようにしても、全波長一括の位相感応増幅は可能である。
【００９６】
また、本実施の形態では、二次非線形光学素子であるＰＰＬＮ導波路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３次の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５０７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。
【００９７】
また、本実施の形態では、パイロットトーンと局発光の位相同期に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。
【００９８】
また、本実施の形態では、光増幅後に、後段の光ファイバ９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、二次非線形光学素子９１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、本実施の形態の位相感応光増幅器８を受信器前段のプリアンプとして用いることもできる。
【００９９】
また、本実施の形態では、パイロットトーン５０３の波長を中心波長として信号光群５０１を短波長側に配置し、アイドラ光群５０２を長波長側に配置しているが、信号光群５０１を長波長側に配置し、アイドラ光群５０２を短波長側に配置してもよい。
【０１００】
本実施の形態の効果について述べる。本実施の形態は、信号光群およびアイドラ光群と一括で位相感応増幅が可能なパイロットトーンを生成することを特徴とした位相感応光増幅器の構成を提供するものであり、ＷＤＭ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異なるため、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がなく、励起光として用いるパイロットトーンのＳ／Ｎ劣化を抑えることが可能である。従来方法に比べて中継段数が増えてもＳ／Ｎ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器を多段の中継増幅器として適用できる。また、位相感応増幅の励起光生成時にＷＤＭフィルタによるパイロットトーンの切り出しを必要としないため、中心波長近傍に不要なガードバンドを設ける必要がない。これにより、帯域の利用効率を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
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】
【０１０２】
５…送信器、６，９…光ファイバ、７…分散・偏波補償器、８…位相感応光増幅器、５０…アレイ導波路グレーティング、５１…波長可変光源、５２，６０，８０，９２…分波器、５３，８５…位相変調器、５４，９０…光ファイバ伸縮器、５５…合波器、５６，８６…エルビウム添加ファイバレーザ増幅器、５７，６１，８１，８７，９３…バンドパスフィルタ、５８，５９，８８，９１…二次非線形光学素子、６２…光検出器、６３，９５…ＰＬＬ回路、６４…波長選択型光スイッチ、８２…可変光減衰器、８３…局発光源、８４…サーキュレータ、８９…固定遅延線、９４…光検出器、５８０，５８２，５９０，５９３，８８０，８８２，９１０，９１３…空間光学系、５８１，５９２，８８１，９１２…ＰＰＬＮ導波路、５８３，５９１，５９４，８８３，９１１，９１４…ダイクロイックミラー。
【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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