(57)【要約】【課題】２つの直交する偏波成分を増幅し、光部品点数の削減と反射光の影響の低減とを両立させる。【解決手段】位相感応光増幅器は、偏向ビームスプリッタ（１）と二次非線形光学素子（８，９）と偏波回転子（１０，１１）を備える。偏向ビームスプリッタ（１）は、信号光と基本波光を直交する偏波成分に分離し、ファイバ（２４）からの信号光のＴＭ偏光成分とファイバ（１７）からの信号光のＴＥ偏光成分を合波してファイバ（１９）に出力する。二次非線形光学素子（８）は、ファイバ（２０）からの基本波光のＴＭ偏光成分の第二高調波光を発生させると共にファイバ（２１）からの信号光のＴＭ偏光成分を増幅する。二次非線形光学素子（９）は、ファイバ（２４）からの基本波光のＴＭ偏光成分の第二高調波光を発生させると共にファイバ（２３）からの信号光のＴＭ偏光成分を増幅する。【選択図】  図１
2017219749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光が伝搬する第１の光路と、
基本波励起光が伝搬する第２の光路と、
ループ状に形成された第３の光路と、
前記第１の光路から入射した信号光と前記第２の光路から入射した基本波励起光とをそれぞれ２つの直交する偏波成分に分離して出力し、前記第３の光路の第１の周回方向から入射した信号光のＴＭ偏光成分と前記第３の光路の第１の周回方向と逆方向の第２の周回方向から入射した信号光のＴＥ偏光成分とを合波して前記第２の光路に出力する偏波分離多重素子と、
この偏波分離多重素子で分離され前記第３の光路の第１の周回方向に出力された信号光のＴＭ偏光成分および基本波励起光のＴＥ偏光成分の偏光方向をそれぞれ９０°回転させると共に、前記第３の光路の第２の周回方向から入射した信号光のＴＭ偏光成分および基本波励起光のＴＥ偏光成分の偏光方向をそれぞれ９０°回転させる第１の偏波回転子と、
前記第１の偏波回転子を通過して前記第３の光路の第１の周回方向から入射した基本波励起光のＴＭ偏光成分の第二高調波光を発生させると共に前記第３の光路の第２の周回方向から入射した信号光のＴＭ偏光成分をパラメトリック増幅するための第１の光導波路を備えた第１の二次非線形光学素子と、
前記第３の光路の第２の周回方向から入射した基本波励起光のＴＭ偏光成分の第二高調波光を発生させると共に前記第３の光路の第１の周回方向から入射した信号光のＴＭ偏光成分をパラメトリック増幅するための第２の光導波路を備えた第２の二次非線形光学素子と、
前記第１の二次非線形光学素子を出射した信号光のＴＥ偏光成分および基本波励起光のＴＭ偏光成分の偏光方向をそれぞれ９０°回転させて前記第１の周回方向から前記第２の二次非線形光学素子に入射させると共に、前記第２の二次非線形光学素子を出射した信号光のＴＥ偏光成分および基本波励起光のＴＭ偏光成分の偏光方向をそれぞれ９０°回転させて前記第２の周回方向から前記第１の二次非線形光学素子に入射させる第２の偏波回転子と、
前記第１の二次非線形光学素子で発生した第二高調波光を前記第２の二次非線形光学素子におけるパラメトリック増幅のための高調波励起光として前記第１の周回方向から前記第２の二次非線形光学素子に入射させると共に、前記第２の二次非線形光学素子で発生した第二高調波光を前記第１の二次非線形光学素子におけるパラメトリック増幅のための高調波励起光として前記第２の周回方向から前記第１の二次非線形光学素子に入射させる第４の光路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、
さらに、前記第２の光路を伝搬する基本波励起光の位相を制御することにより、前記信号光と前記高調波励起光の位相とを前記第１、第２の光導波路内において同期させる位相同期手段を備えることを特徴とする光増幅装置。
【請求項３】
請求項２記載の光増幅装置において、
前記位相同期手段は、
前記第２の光路を伝搬する基本波励起光の位相を調整する位相調整手段と、
前記第３の光路を伝搬する信号光の一部を取り出して電気信号に変換する検出手段と、
この検出手段の出力信号に基づいて、前記信号光と前記高調波励起光の位相とが同期するように前記位相調整手段への制御信号を生成する制御手段とを備え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、
さらに、前記偏波分離多重素子から前記第２の光路に出射した信号光のＴＭ偏光成分および信号光のＴＥ偏光成分と逆方向の前記基本波励起光を前記第２の光路に加えて、この基本波励起光を前記偏波分離多重素子に入射させるサーキュレータを備える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。
【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。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波形や位相信号を整形する機能を有する。また、位相感応光増幅器は、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、従来の位相感応光増幅器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、位相感応光増幅器１００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、位相感応光増幅器１００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位相感応光増幅器の構成を示すブロック図である。図４に示される位相感応光増幅器２００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、位相感応光増幅器２００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】
位相感応光増幅器においては、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】
図５に示すように、ＰＰＬＮ導波路を用いた従来の位相感応光増幅器は、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。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。
【００２２】
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４に示した従来の位相感応光増幅器は、入力される信号光の偏波に大きく依存するため、実際の光通信システムへ適用するためには課題がある。ＬｉＮｂＯ3に代表される、結晶に異方性を有する二次の非線形光学媒質は、２つの直交する偏波に対する屈折率および非線形定数が異なる。
【００２３】
通常、ＰＰＬＮ導波路は、最も高い非線形光学定数であるｄ３３を利用できる構成となっており、その構成において位相整合を取ることのできるように周期分極反転構造が設けられている。例えばＺカットのＬｉＮｂＯ3基板を用いる場合、ＴＭ（Transverse Magnetic）偏光に対して位相整合の条件が満たされる一方で、直交する偏波であるＴＥ（Transverse Electric）偏光に対しては、屈折率が異なることから同一波長で位相整合を満たすことはできない。仮に、何かしらの方法で位相整合を満たすことができたとしても、ＴＥ偏光に対する非線形定数はｄ３３よりも小さい成分を使うことになるため、効率が大幅に低下する。
【００２４】
すなわち、ＰＰＬＮに代表される二次非線形媒質を用いた光パラメトリック過程は、入射する光の偏波方向に大きく依存し、単一の偏波に対してのみ増幅が可能となる。つまり、図４に示した従来の構成では、ＰＰＬＮ導波路に入射する光の偏光状態が一定でない場合、位相感応光増幅器としての増幅特性が一定ではなくなってしまう。
【００２５】
実際の光伝送では、光送信器からの光信号の偏波の向きが常に同一になるように光送信器を構成することは可能である。しかしながら、シングルモードファイバ（Single Mode Fiber：ＳＭＦ）に代表される、伝送路として通常用いられる光ファイバは、偏波を保持しない。このため、伝送後の光信号の偏波の向きは一定していない。さらに、光ファイバに加わる温度変化等の外乱により、光信号の偏波は遂次変化する。このような光信号を増幅する場合、光信号の偏波の向きに対して利得が変化するような光増幅器では、増幅後の光信号の強度が時々刻々変化することになり、光伝送システムで使用するには不適当である。
【００２６】
さらに、近年の光通信においては、直交する２つの偏波に別々の信号を重畳して周波数利用効率を高める偏波多重（Polarization Division Multiplexing：ＰＤＭ）方式が用いられている。つまり、光ファイバで伝送された信号光は、２つの偏波成分を持ち、かつ２つの偏波が互いに直交した状態で偏波が回転した状態であり、この偏波の回転の向きは常に変化する。このような光信号を増幅する場合、偏波方向の変化に無依存であるだけでは不十分であり、２つの偏波成分を増幅できる必要がある。しかしながら、従来の位相感応光増幅器においてこれらの条件を満たすことのできる構成は示されていなかった。
【００２７】
光増幅器の偏波無依存化に向けた方法として、偏波分離素子で偏波を分離し、分離した２つの偏波をＴＭ偏光に合わせ各々を位相感応増幅した後に、合波する偏波ダイバーシティ構成が考えられる。２つの偏波に対して光路を分離して偏波ダイバーシティを行うためには、少なくとも、偏波を分離してから光を増幅し偏波の合成を行うまでの間で、２つに分離した光路において遅延が一致することと、２つに分離した光路間で位相の変動がないことが必須となる。
【００２８】
非特許文献３には、直交する偏波を持つ独立の２つの信号を、それぞれ独立に位相感応増幅した後に、偏光ビームスプリッタ（Polarizing Beam Splitter：ＰＢＳ）を用いて合波し、ＰＤＭ信号を生成する構成が示されている。しかしながら、この構成では、位相感応光増幅器がファイバ部品で構成されているため、２つの独立した光路の間で位相の変動が発生してしまう。したがって、非特許文献３に開示された構成のままでは、任意の偏波を持つ信号光に対するダイバーシティを実現することはできない。このため、非特許文献３では、２つの偏波を持つ信号を独立に取り扱うことのできる送信器用の光増幅器として適用することを想定している。
【００２９】
位相感応光増幅器における偏波無依存化とは異なるが、ＰＰＬＮ導波路を用いた波長変換器においては、ＰＰＬＮ導波路の持つ偏波依存性を解消するための構成がいくつか提案されている。非特許文献４には、ＰＰＬＮ導波路内で信号光を往復させる構成が示されている。この構成では、まず２つの直交する偏波成分を含んだ信号光と片偏波の励起光とをＰＰＬＮ導波路に入射させ、ＰＰＬＮ導波路中の差周波数発生過程により、２つの直交する偏波成分の内の片方の成分の光から波長変換光を得る。
【００３０】
続いて、波長板を用いて信号光と波長変換光の偏光を回転させた後、信号光を波長変換光と励起光と共に最初の入射方向とは逆方向からＰＰＬＮ導波路に入射させる。このときも片方の偏波成分のみから波長変換光が得られるが、波長板を用いて偏光を回転させた後に入射させるため、往路で得られた偏光成分とは直交する信号光の偏波成分の波長変換光が得られる。最終的に、往路で得られた波長変換光と復路で得られた波長変換光との合成成分が出力の変換光として得られるため、偏波に無依存な波長変換を実現することができる。
【００３１】
非特許文献５には、２つの直交する偏波成分を含んだ信号光を偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）でそれぞれの偏波成分に分けた後、同一のＰＰＬＮ導波路の両側から入射させる構成が示されている。この構成では、ＰＢＳで偏波を分離した後に、分離した偏波をＰＰＬＮ導波路の両側から入射させ、再度同一のＰＢＳで偏波を合成するループ型の形態を取ることで、分離した偏波成分を持つ２つの光に対して光路を等しくできるため、偏波分離した場合に生じる位相の変動を小さく抑えることができるという特徴を有する。
【００３２】
このように、ＰＰＬＮ導波路を用いた波長変換器においては、同一のＰＰＬＮ導波路を双方向で使うことで偏波依存性を解消する構成が示されている。しかしながら、このような構成を、パラメトリック光増幅を用いた位相感応光増幅器のように、光の利得を得るための構成にそのまま適用することはできない。なぜならば、光増幅器では、利得が大きくなるほど構成部品からの光反射の影響が大きくなるからである。また、位相感応光増幅器においては、相互作用する信号光と励起光の位相を同期させる必要があり、光反射が大きくなると、この位相同期を行う機構にも影響が及ぶことになり、安定的な増幅動作を実現することは難しい。
【００３３】
以下に、ＰＰＬＮ導波路の双方向で励起した場合の光の反射の影響による課題について、概略図面を用いて説明する。図６に、ＰＰＬＮ等の２次非線形光学材料から成る導波路デバイスに、双方向から励起光を入射した場合の反射の影響の概念図を示す。
【００３４】
図６に示した構成例では、ＺカットのＰＰＬＮ導波路３００を用いて、波長１５６０ｎｍ帯の信号光を増幅すると仮定する。この場合、波長７８０ｎｍ帯の励起光を用いる。この波長の組み合わせは、ＰＰＬＮ導波路３００の分極反転周期を適当に選択すれば、いずれの波長の信号光に対しても増幅が可能である。ＰＢＳ（不図示）などを用いて信号光のそれぞれの偏波成分を分離し、互いに異なる偏波成分を含む信号光Ｉｎｐｕｔａと信号光Ｉｎｐｕｔｂを得る。
【００３５】
信号光Ｉｎｐｕｔａと励起光Ｐｕｍｐａを誘電体多層膜によるダイクロイックミラー３０１を用いて合波した後、図６の左側からＰＰＬＮ導波路３００に入射させる。このとき、信号光Ｉｎｐｕｔａと励起光Ｐｕｍｐａ共にＴＭ偏波に調整した後にダイクロイックミラー３０１に入射させる。ＰＰＬＮ導波路３００内のパラメトリック増幅過程により、増幅された信号光ＯｕｔｐｕｔＡを得る。このとき、信号光ＯｕｔｐｕｔＡの一部を分波器３０３で分岐させ、光受光器３０４で受光する。光受光器３０４で得られた電気信号を基に位相同期ループ（Phase Locked Loop：ＰＬＬ）回路（不図示）を用いて、信号光Ｉｎｐｕｔａと励起光Ｐｕｍｐａの位相を同期させる。
【００３６】
同様に、信号光Ｉｎｐｕｔｂと励起光Ｐｕｍｐｂを誘電体多層膜によるダイクロイックミラー３０２を用いて合波した後、図６の右側からＰＰＬＮ導波路３００に入射させる。このとき、信号光Ｉｎｐｕｔｂと励起光Ｐｕｍｐｂ共にＴＭ偏波に調整した後にダイクロイックミラー３０２に入射させる。ＰＰＬＮ導波路３００内のパラメトリック増幅過程により、増幅された信号光ＯｕｔｐｕｔＢを得る。信号光ＯｕｔｐｕｔＢの一部を分波器３０５で分岐させ、光受光器３０６で受光する。光受光器３０６で得られた電気信号を基に位相同期ループ回路（不図示）を用いて、信号光Ｉｎｐｕｔｂと励起光Ｐｕｍｐｂの位相を同期させる。
【００３７】
図６では、光の反射の影響を、図面中のＰＰＬＮ導波路３００の上下に示している。信号光Ｉｎｐｕｔａの反射成分（ＧＲａ，Ｇ2Ｒａ，Ｇ2Ｒ2ａ，Ｇ3Ｒ2ａ）をＰＰＬＮ導波路３００の上に、信号光Ｉｎｐｕｔｂの反射成分（ＧＲｂ，Ｇ2Ｒｂ，Ｇ2Ｒ2ｂ，Ｇ3Ｒ2ｂ）をＰＰＬＮ導波路３００の下に示している。
【００３８】
なお、図６では、光の反射の影響を簡単に説明するために、ＰＰＬＮ導波路３００の出力端での信号光の反射のみを考える。実際の構成では、ＰＰＬＮ導波路３００の入力端での反射や、ダイクロイックミラー３０１，３０２での反射光も存在する。また、図６には示していないが、実際の構成ではＰＰＬＮ導波路３００の入出力にレンズなどの光学部品を用いるため、それらの光学部品からの反射光も存在する。さらに、実際には反射された励起光と信号光の相互作用も考慮に入れる必要があるが、図６では示していない。また、信号光の反射回数はその影響を説明するために必要な回数（概ね２回）のみを示しているが、実際には多重に反射する。
【００３９】
図６中に示した、信号光Ｉｎｐｕｔａの反射の影響の様子について述べる。左側から入射した信号光ＩｎｐｕｔａはＰＰＬＮ導波路３００内でＧ倍されて出力される。増幅された信号光をＧａとする。ＰＰＬＮ導波路３００の端面ＥｄｇｅＢ（信号光Ｉｎｐｕｔａの出力端）では、反射率Ｒで信号光Ｉｎｐｕｔａが反射される。この反射光をＧＲａとする。
【００４０】
端面ＥｄｇｅＢでの反射光ＧＲａは、ＰＰＬＮ導波路３００内を伝搬する間に、励起光Ｐｕｍｐｂとの相互作用により同様にＧ倍される。実際は励起光Ｐｕｍｐａによる増幅の利得と励起光Ｐｕｍｐｂによる増幅の利得は多少異なる場合もあるが、ここでは同一の値Ｇと近似する。つまり、復路でもＧ倍の利得が得られるため、ＰＰＬＮ導波路３００の端面ＥｄｇｅＡ（信号光Ｉｎｐｕｔａの入力端）から出力される反射光が存在することになる。この端面ＥｄｇｅＢで１度反射され、端面ＥｄｇｅＡから出射する成分をＧ2Ｒａとする。
【００４１】
ＰＰＬＮ導波路３００の端面ＥｄｇｅＢで１度反射された光の一部は端面ＥｄｇｅＡで反射率Ｒで反射される。この反射光をＧ2Ｒ2ａとする。この端面ＥｄｇｅＡでの反射光Ｇ2Ｒ2ａは、ＰＰＬＮ導波路３００内を伝搬する間に、励起光Ｐｕｍｐａとの相互作用によりＧ倍され、端面ＥｄｇｅＢから出射する。この出射した光をＧ3Ｒ2ａとする。
【００４２】
同様に、右側から入射した信号光ＩｎｐｕｔｂはＰＰＬＮ導波路３００内でＧ倍されて出力される。増幅された信号光をＧｂとする。ＰＰＬＮ導波路３００の端面ＥｄｇｅＡ（信号光Ｉｎｐｕｔｂの出力端）では、反射率Ｒで信号光Ｉｎｐｕｔｂが反射される。この反射光をＧＲｂとする。
【００４３】
端面ＥｄｇｅＡでの反射光ＧＲｂは、ＰＰＬＮ導波路３００内を伝搬する間に、励起光Ｐｕｍｐａとの相互作用により同様にＧ倍される。つまり、復路でもＧ倍の利得が得られるため、ＰＰＬＮ導波路３００の端面ＥｄｇｅＢ（信号光Ｉｎｐｕｔｂの入力端）から出力される反射光が存在することになる。この端面ＥｄｇｅＡで１度反射され、端面ＥｄｇｅＢから出射する成分をＧ2Ｒｂとする。
【００４４】
ＰＰＬＮ導波路３００の端面ＥｄｇｅＡで１度反射された光の一部は端面ＥｄｇｅＢで反射率Ｒで反射される。この反射光をＧ2Ｒ2ｂとする。この端面ＥｄｇｅＢでの反射光Ｇ2Ｒ2ｂは、ＰＰＬＮ導波路３００内を伝搬する間に、励起光Ｐｕｍｐｂとの相互作用によりＧ倍され、端面ＥｄｇｅＡから出射する。この出射した光をＧ3Ｒ2ｂとする。
【００４５】
よって、信号光Ｉｎｐｕｔａ，Ｉｎｐｕｔｂ、励起光Ｐｕｍｐａ，Ｐｕｍｐｂを双方向で同一のＰＰＬＮ導波路３００に入射させた場合、信号光Ｉｎｐｕｔａ，Ｉｎｐｕｔｂのそれぞれの出力光をＯｕｔｐｕｔＡ，ＯｕｔｐｕｔＢとすると、導波路端面での２回程度の反射を考えても、出力光ＯｕｔｐｕｔＡ，ＯｕｔｐｕｔＢには、次式のような反射成分が含まれる。
ＯｕｔｐｕｔＡ＝Ｇａ＋Ｇ2Ｒｂ＋Ｇ3Ｒ2ａ＋・・・                 ・・・（２）
ＯｕｔｐｕｔＢ＝Ｇｂ＋Ｇ2Ｒａ＋Ｇ3Ｒ2ｂ＋・・・                 ・・・（３）
【００４６】
信号光ＯｕｔｐｕｔＡとしては、本来、Ｇ倍された信号光ＩｎｐｕｔａであるＧａのみが出力されることが望ましい。しかしながら、図６および式（２）に示したとおり、Ｇ2Ｒｂ＋Ｇ3Ｒ2ａから成る反射光も同時に出力されてしまうことが分かる。この反射光は、増幅された信号光Ｇａと干渉し、信号品質を劣化させる雑音となってしまう。
【００４７】
ここで仮に、信号光Ｉｎｐｕｔａ，Ｉｎｐｕｔｂのそれぞれの強度を１、ＰＰＬＮ導波路３００の増幅利得を２０ｄＢ（Ｇ＝１００倍）、ＰＰＬＮ導波路３００の端面での反射率を−３０ｄＢ（Ｒ＝０．００１）として考えると、信号光Ｉｎｐｕｔａ，Ｉｎｐｕｔｂは１００倍されるので、増幅後の信号光Ｇａ，Ｇｂのそれぞれの強度が１００となる。しかしながら、雑音成分となってしまう反射光Ｇ2Ｒｂ，Ｇ2Ｒａの強度は１０、反射光Ｇ3Ｒ2ａ，Ｇ3Ｒ2ｂの強度は１となり、この２つの成分のみを考えただけでも、増幅された主信号Ｇａ，Ｇｂに対して１０％以上の強度の雑音が発生することになる。
【００４８】
実際には多重反射のため、反射光の影響はより大きくなることは明らかである。図６および式（２）から明らかなように、単純に同一の導波路を双方向から励起すると、１度の反射で、往復の両方で光が増幅されるため、反射光の影響が大きくなることが分かる。つまり、反射率Ｒが利得Ｇに比べ小さい場合でも、反射率Ｒに掛かる乗数と利得Ｇに掛かる乗数が異なるため、増幅された主信号成分に影響を大きく及ぼすほどに反射光の強度が大きくなってしまうという問題がある。また、利得Ｇが大きくなると、場合によっては発振してしまうなどの問題もある。
【００４９】
さらに、ＰＰＬＮ導波路内で信号光を往復させる構成を位相感応光増幅に適用するためには、信号光と励起光の位相を同期させる必要がある。しかしながら、雑音成分となる反射光が、増幅された主信号とは異なる位相を持っているため、出力光の一部を受光して位相同期制御を行う場合に、安定的に位相同期を行うことができないという問題もあった。以上の理由から、非特許文献４、非特許文献５に開示された構成のままでは、偏波無依存の位相感応光増幅器を実現することはできなかった。
【００５０】
このような問題に対して、非特許文献６には、偏波分離した２つの信号光をそれぞれ別のＰＰＬＮ導波路を用いて増幅させる構成が示されている。この構成の概略図を図７に示す。ＰＢＳ（不図示）を用いて信号光の内のそれぞれの偏波成分を分離し、それぞれ縦偏波成分の信号光Ｉｎｐｕｔａおよび横偏波成分の信号光Ｉｎｐｕｔｂを得る。
【００５１】
信号光Ｉｎｐｕｔａと励起光Ｐｕｍｐａを誘電体多層膜によるダイクロイックミラー４０２を用いて合波した後、図７の左側からＰＰＬＮ導波路４００に入射させる。このとき、信号光Ｉｎｐｕｔａと励起光Ｐｕｍｐａ共にＴＭ偏波に調整した後にダイクロイックミラー４０２に入射させる。ＰＰＬＮ導波路４００内のパラメトリック増幅過程により、増幅された信号光ＯｕｔｐｕｔＡを得る。このとき、信号光ＯｕｔｐｕｔＡの一部を分波器４０４で分岐させ、偏光子４０５を介して光受光器４０６で受光する。光受光器４０６で得られた電気信号を基に位相同期ループ回路（不図示）を用いて、信号光Ｉｎｐｕｔａと励起光Ｐｕｍｐａの位相を同期させる。
【００５２】
同様に、信号光Ｉｎｐｕｔｂと励起光Ｐｕｍｐｂを誘電体多層膜によるダイクロイックミラー４０３を用いて合波した後、図７の右側からＰＰＬＮ導波路４０１に入射させる。このとき、信号光Ｉｎｐｕｔｂと励起光Ｐｕｍｐｂ共にＴＭ偏波に調整した後にダイクロイックミラー４０３に入射させる。ＰＰＬＮ導波路４０１内のパラメトリック増幅過程により、増幅された信号光ＯｕｔｐｕｔＢを得る。信号光ＯｕｔｐｕｔＢの一部を分波器４０７で分岐させ、偏光子４０８を介して光受光器４０９で受光する。光受光器４０９で得られた電気信号を基に位相同期ループ回路（不図示）を用いて、信号光Ｉｎｐｕｔｂと励起光Ｐｕｍｐｂの位相を同期させる。
【００５３】
図７では、光の反射の影響を、図面中のＰＰＬＮ導波路４００，４０１の上下に示している。縦偏波成分の信号光Ｉｎｐｕｔａの反射成分をＰＰＬＮ導波路４００，４０１の上に、横偏波成分の信号光Ｉｎｐｕｔｂの反射成分をＰＰＬＮ導波路４００，４０１の下に示している。
【００５４】
なお、図７では、光の反射の影響を簡単に説明するために、ＰＰＬＮ導波路４００，４０１の出力端での信号光の反射のみを考える。実際の構成では、ＰＰＬＮ導波路４００，４０１の入力端での反射や、ダイクロイックミラー４０２，４０３での反射光も存在する。また、図７には示していないが、実際の構成ではＰＰＬＮ導波路４００，４０１の入出力にレンズなどの光学部品を用いるため、それらの光学部品からの反射光も存在する。さらに、実際には反射された励起光と信号光の相互作用も考慮に入れる必要があるが、図７では示していない。また、信号光の反射回数はその影響を説明するために必要な回数（概ね２回）のみを示しているが、実際には多重に反射する。
【００５５】
縦偏波成分の信号光Ｉｎｐｕｔａの反射の影響様子について述べる。左側から入射した信号光ＩｎｐｕｔａはＰＰＬＮ導波路４００内でＧ倍されて出力される。この増幅された信号光をＧａ(TM)とする。ＰＰＬＮ導波路４００の端面ＥｄｇｅＢでは、反射率Ｒで信号光Ｉｎｐｕｔａが反射される。この反射光をＧＲａ(TM)とする。逆方向には励起光が存在しないため、端面ＥｄｇｅＢでの反射光ＧＲａ(TM)がＰＰＬＮ導波路４００内を伝搬する間に増幅されることはない。
【００５６】
Ｇ倍されて端面ＥｄｇｅＢから出力された縦偏波成分の信号光Ｇａ(TM)は、偏波回転子４１０を通過してＴＥ偏光に変換された後、ＰＰＬＮ導波路４０１に入射する。このときも伝搬方向と同一方向には励起光が存在しないため、ＰＰＬＮ導波路４０１内を伝搬する間に信号光Ｇａ(TM)が増幅されることはない。励起光が存在しないだけでなく、偏光が相互作用を起こさないＴＥ偏光であるため、たとえ反射された励起光などがあっても、信号光Ｇａ(TM)が増幅されることはない。これにより、ＰＰＬＮ導波路４０１内を伝搬し、単純に線形損失Ｌを受けた後にＰＰＬＮ導波路４０１の端面ＥｄｇｅＤから出射する。この端面ＥｄｇｅＤから出射する信号光をＧＬａ(TE)とする。
【００５７】
ＰＰＬＮ導波路４０１の端面ＥｄｇｅＤでは、反射率Ｒで、ＴＥ偏光の信号光が反射される。この反射光をＧＬＲａ(TE)とする。ＰＰＬＮ導波路４０１内の励起光が、反射されたＴＥ偏光の信号光と同じ向きで存在するが、偏光が直交するため相互作用を起こさず、ここでも反射光ＧＬＲａ(TE)が増幅されることはない。
【００５８】
端面ＥｄｇｅＤで反射され、ＰＰＬＮ導波路４０１を伝搬した後にＰＰＬＮ導波路４０１の端面ＥｄｇｅＣから出力された信号光ＧＬＲａ(TE)は、偏波回転子４１０を通過してＴＭ偏光に変換された後、ＰＰＬＮ導波路４００に入射する。ここでも、同一方向に励起光が存在しないため、増幅過程は起きず、線形損失Ｌを受けた後にＰＰＬＮ導波路４００の端面ＥｄｇｅＡから出射する。この端面ＥｄｇｅＡから出射する信号光をＧＬ2Ｒａ(TM)とする。
【００５９】
また、信号光ＧＬ2Ｒａ(TM)の端面ＥｄｇｅＡでの反射光をＧＬ2Ｒ2ａ(TM)とする。反射光ＧＬ2Ｒ2ａ(TM)は、利得Ｇで増幅され、ＰＰＬＮ導波路４００の端面ＥｄｇｅＢから出射する。この端面ＥｄｇｅＢから出射する信号光をＧ2Ｌ2Ｒ2ａ(TM)とする。信号光Ｇ2Ｌ2Ｒ2ａ(TM)は、偏波回転子４１０を通過してＴＥ偏光に変換された後、ＰＰＬＮ導波路４０１に入射し、線形損失Ｌを受けた後にＰＰＬＮ導波路４０１の端面ＥｄｇｅＤから出射する。この端面ＥｄｇｅＤから出射する信号光をＧ2Ｌ3Ｒ2ａ(TE)とする。
【００６０】
また、ＰＰＬＮ導波路４００の端面ＥｄｇｅＢでの反射光ＧＲａ(TM)は、ＰＰＬＮ導波路４００内を伝搬した後に端面ＥｄｇｅＡで反射する。この反射光をＧＲ2ａ(TM)とする。反射光ＧＲ2ａ(TM)は、利得Ｇで増幅され、ＰＰＬＮ導波路４００の端面ＥｄｇｅＢから出射する。この端面ＥｄｇｅＢから出射する信号光をＧ2Ｒ2ａ(TM)とする。信号光Ｇ2Ｒ2ａ(TM)は、偏波回転子４１０を通過してＴＥ偏光に変換された後、ＰＰＬＮ導波路４０１に入射し、線形損失Ｌを受けた後にＰＰＬＮ導波路４０１の端面ＥｄｇｅＤから出射する。この端面ＥｄｇｅＤから出射する信号光をＧ2ＬＲ2ａ(TE)とする。
【００６１】
以上の光Ｇａ(TM)，ＧＲａ(TM)，ＧＬａ(TE)，ＧＬＲａ(TE)，ＧＬ2Ｒａ(TM)，ＧＬ2Ｒ2ａ(TM)，Ｇ2Ｌ2Ｒ2ａ(TM)，Ｇ2Ｌ3Ｒ2ａ(TE)，ＧＲ2ａ(TM)，Ｇ2Ｒ2ａ(TM)，Ｇ2ＬＲ2ａ(TE)を、信号光Ｉｎｐｕｔｂの場合について定義すると、Ｇｂ(TM)，ＧＲｂ(TM)，ＧＬｂ(TE)，ＧＬＲｂ(TE)，ＧＬ2Ｒｂ(TM)，ＧＬ2Ｒ2ｂ(TM)，Ｇ2Ｌ2Ｒ2ｂ(TM)，Ｇ2Ｌ3Ｒ2ｂ(TE)，ＧＲ2ｂ(TM)，Ｇ2Ｒ2ｂ(TM)，Ｇ2ＬＲ2ｂ(TE)となる。
【００６２】
したがって、信号光Ｉｎｐｕｔａ，Ｉｎｐｕｔｂのそれぞれの出力光をＯｕｔｐｕｔＡ，ＯｕｔｐｕｔＢとすると、出力光ＯｕｔｐｕｔＡ，ＯｕｔｐｕｔＢには、次式のような反射成分が含まれる。
ＯｕｔｐｕｔＡ＝ＧＬａ(TE)＋ＧＲｂ(TM)＋ＧＬ2Ｒｂ(TM)＋Ｇ2ＬＲ2ａ(TE)
＋Ｇ2Ｌ3Ｒ2ａ(TE)＋ＧＬＲ2Ａ(TE)・・・          ・・・（４）
ＯｕｔｐｕｔＢ＝ＧＬｂ(TE)＋ＧＲａ(TM)＋ＧＬ2Ｒａ(TM)＋Ｇ2ＬＲ2ｂ(TE)
＋Ｇ2Ｌ3Ｒ2ｂ(TE)＋ＧＬＲ2ｂ(TE)・・・          ・・・（５）
【００６３】
信号光ＯｕｔｐｕｔＡとしては、本来、Ｇ倍された信号光ＩｎｐｕｔａであるＧＬａのみが出力されることが望ましい。しかしながら、図７および式（４）に示したとおり、ＧＲｂ＋ＧＬ2Ｒｂ＋Ｇ2ＬＲ2ａ＋Ｇ2Ｌ3Ｒ2ａ＋ＧＬＲ2Ａから成る反射光も同時に出力されてしまうことが分かる。ただし、これらの反射光は図７の構成を用いることで、図６のように単純に双方向で励起する場合に比べて大幅に低減することができる。
【００６４】
ここで仮に、信号光Ｉｎｐｕｔａの強度を１、ＰＰＬＮ導波路４００，４０１の増幅利得を２０ｄＢ（Ｇ＝１００倍）、ＰＰＬＮ導波路４００，４０１の端面での反射率を−３０ｄＢ（Ｒ＝０．００１）、ＰＰＬＮ導波路４００，４０１での線形損失を４ｄＢ（Ｌ＝０．４）として考えると、信号光Ｉｎｐｕｔａは４０倍されるので、増幅後の信号光ＧＬａの強度が４０となる。
【００６５】
雑音成分となってしまう反射光ＧＲｂ(TM)の強度は０．１、反射光ＧＬ2Ｒｂ(TM)の強度は０．０１６、反射光Ｇ2ＬＲ2ａ(TE)の強度は０．００４、反射光Ｇ2Ｌ3Ｒ2ａ(TE)の強度は０．０００６４、反射光ＧＬＲ2ａ(TE)の強度は０．００００４となり、この４つの成分を全て考えても、増幅された主信号ＧＬａに対して０．３％程度の強度の雑音しか発生しないことになる。その理由は、式（４）からも分かるとおり、図６に示した双方向励起の構成とは異なり、反射率Ｒに掛かる乗数よりも利得Ｇに掛かる乗数の方が大きいというようなことが無いため、反射光が大きく増幅されることがないためである。図７の構成では、２回程度の反射を考えており、実際には多重反射が存在するが、双方向励起の構成とは異なり、反射を繰り返す度に反射光の強度が低下するため、多重反射の影響は極めて小さい。
【００６６】
また、式（４）から分かるとおり、小さい雑音成分の中でも比較的大きい反射光成分である右辺第２項ＧＲｂ(TM)および右辺第３項ＧＬ2Ｒｂ(TM)は、増幅された主信号ＧＬａ(TE)とは直交する偏波成分を持っている。図７の構成においては、入力信号光の両偏波成分はＰＢＳを用いて分離され、出力光はＰＢＳによって合波される。このため、主信号光と直交した偏波を持つ反射光成分が雑音として主信号光に重畳されることはなく、ＰＢＳによってフィルタリングされる。
【００６７】
したがって、式（４）の反射光成分である右辺第２項ＧＲｂ(TM)および右辺第３項ＧＬ2Ｒｂ(TM)が除去されるため、主信号光に対する反射光の漏れ込みは、右辺第４項Ｇ2ＬＲ2ａ(TE)および右辺第５項Ｇ2Ｌ3Ｒ2ａ(TE)のような主信号光と同じ偏波成分のみとなる。これら主信号光と同じ偏波成分の合計の強度は、主信号光の強度に対して０．０１％程度であり、極めて小さい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００６８】
【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，Vol.19，No.7，p.6326-6332，2011
【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 Communications Conference (OECC 2013，Kyoto，Japan) PDP paper PD2-3，2013
【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，Vol.22，No.3，p.2473-2482，2014
【非特許文献４】Masaki Asobe，Hiroshi Miyazawa，Osamu Tadanaga，Yoshiki Nishida，and Hiroyuki Suzuki，“A Highly Damage-Resistant Zn:LiNbO3 Ridge Waveguide and its Application to a Polarization-Independent Wavelength Converter”，IEEE Journal of Quantum Electronics，Vol.39，No.10，p.1327-1333，2003
【非特許文献５】Hongbin Song，Osamu Tadanaga，Takeshi Umeki，Isao Tomita，Masaki Asobe，Shuto Yamamoto，Kunihiko Mori，and Kazushige Yonenaga，“Phase-transparent flexible waveband conversion of 43 Gb/s RZ-DQPSK signals using multiple-QPM-LN waveguides”，Optics Express，Vol.18，No.15，p.15332-15337，2010
【非特許文献６】T.Umeki，T.Kazama，O.Tadanaga，K.Enbutsu，M.Asobe，Y.Miyamoto，H.Takenouchi，“PDM signal amplification using PPLN-based polarization-independent phase-sensitive amplifier”，Journal Lightwave Technology，Vol.33，No.7，p.1326-1332，2015
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００６９】
以上のように、図４に示した構成では、入射する光信号の偏波の向きに対して利得が変化してしまうという問題があり、また２つの偏波成分を増幅することができないという問題があった。
また、非特許文献３に開示された技術では、位相感応光増幅器の偏波無依存化を実現できないという問題があった。
また、非特許文献４、非特許文献５に開示されたようなＰＰＬＮ導波路を双方向で使うことで偏波依存性を解消する構成を、位相感応光増幅器に適用すると、反射光の影響が大きくなるため、安定的な増幅動作を実現することが難しいという問題があった。
【００７０】
一方、非特許文献６のように、偏波分離した２つの信号光をそれぞれ別のＰＰＬＮ導波路によって増幅させる構成をとることで反射光雑音を低く抑えることが可能である。しかしながら、非特許文献６に示された構成では、二次非線形光学素子や励起光生成のための光増幅器、光フィルタ等のような光部品の点数が多くなってしまうという問題があった。また、励起光をループの外側から供給するような構成では、信号光の各偏光成分と励起光との位相同期をとる回路もそれぞれ必要になるため、構成が複雑になり、位相同期制御も困難になるという問題があった。
【００７１】
本発明の目的は上記問題を鑑みて、２つの直交する偏波成分をそれぞれ増幅することができ、光部品点数の削減と反射光の影響の低減とを両立させることが可能な偏波無依存型の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】
【００７２】
本発明の光増幅装置は、信号光が伝搬する第１の光路と、基本波励起光が伝搬する第２の光路と、ループ状に形成された第３の光路と、前記第１の光路から入射した信号光と前記第２の光路から入射した基本波励起光とをそれぞれ２つの直交する偏波成分に分離して出力し、前記第３の光路の第１の周回方向から入射した信号光のＴＭ偏光成分と前記第３の光路の第１の周回方向と逆方向の第２の周回方向から入射した信号光のＴＥ偏光成分とを合波して前記第２の光路に出力する偏波分離多重素子と、この偏波分離多重素子で分離され前記第３の光路の第１の周回方向に出力された信号光のＴＭ偏光成分および基本波励起光のＴＥ偏光成分の偏光方向をそれぞれ９０°回転させると共に、前記第３の光路の第２の周回方向から入射した信号光のＴＭ偏光成分および基本波励起光のＴＥ偏光成分の偏光方向をそれぞれ９０°回転させる第１の偏波回転子と、前記第１の偏波回転子を通過して前記第３の光路の第１の周回方向から入射した基本波励起光のＴＭ偏光成分の第二高調波光を発生させると共に前記第３の光路の第２の周回方向から入射した信号光のＴＭ偏光成分をパラメトリック増幅するための第１の光導波路を備えた第１の二次非線形光学素子と、前記第３の光路の第２の周回方向から入射した基本波励起光のＴＭ偏光成分の第二高調波光を発生させると共に前記第３の光路の第１の周回方向から入射した信号光のＴＭ偏光成分をパラメトリック増幅するための第２の光導波路を備えた第２の二次非線形光学素子と、前記第１の二次非線形光学素子を出射した信号光のＴＥ偏光成分および基本波励起光のＴＭ偏光成分の偏光方向をそれぞれ９０°回転させて前記第１の周回方向から前記第２の二次非線形光学素子に入射させると共に、前記第２の二次非線形光学素子を出射した信号光のＴＥ偏光成分および基本波励起光のＴＭ偏光成分の偏光方向をそれぞれ９０°回転させて前記第２の周回方向から前記第１の二次非線形光学素子に入射させる第２の偏波回転子と、前記第１の二次非線形光学素子で発生した第二高調波光を前記第２の二次非線形光学素子におけるパラメトリック増幅のための高調波励起光として前記第１の周回方向から前記第２の二次非線形光学素子に入射させると共に、前記第２の二次非線形光学素子で発生した第二高調波光を前記第１の二次非線形光学素子におけるパラメトリック増幅のための高調波励起光として前記第２の周回方向から前記第１の二次非線形光学素子に入射させる第４の光路とを備えることを特徴とするものである。
【００７３】
また、本発明の光増幅装置の１構成例は、さらに、前記第２の光路を伝搬する基本波励起光の位相を制御することにより、前記信号光と前記高調波励起光の位相とを前記第１、第２の光導波路内において同期させる位相同期手段を備え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、前記位相同期手段は、前記第２の光路を伝搬する基本波励起光の位相を調整する位相調整手段と、前記第３の光路を伝搬する信号光の一部を取り出して電気信号に変換する検出手段と、この検出手段の出力信号に基づいて、前記信号光と前記高調波励起光の位相とが同期するように前記位相調整手段への制御信号を生成する制御手段とを備え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構成例は、さらに、前記偏波分離多重素子から前記第２の光路に出射した信号光のＴＭ偏光成分および信号光のＴＥ偏光成分と逆方向の前記基本波励起光を前記第２の光路に加えて、この基本波励起光を前記偏波分離多重素子に入射させるサーキュレータを備え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。
【発明の効果】
【００７４】
本発明によれば、第１〜第４の光路と偏波分離多重素子と第１、第２の偏波回転子と第１、第２の二次非線形光学素子とを設けることにより、２つの直交する偏波成分をそれぞれパラメトリック増幅することが可能であり、光部品点数の削減と反射光の影響の低減とを両立させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明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】本発明の実施形態における反射光の影響を説明する図である。
【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】従来の双方向励起の構成を用いた場合の課題を説明する図である。
【図７】反射光雑音の影響を抑制する従来の位相感応光増幅器の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００７６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００７７】
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では、任意の偏波を持つ信号光入力に無依存で増幅可能な、ＰＰＬＮ導波路を用いた位相感応光増幅器の構成を示す。図１は、本発明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。本実施の形態では、任意の偏波方向に偏光した入力信号光を、偏向ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳ）を用いて２つの偏波成分に分け、それぞれの偏波成分を右回りと左回りの両方向にループ状に伝搬させ、一方で信号光増幅のための励起光を生成する基本波光を、信号光とは反対方向よりＰＢＳに入力し、２つの偏波成分を右回りと左回りに分ける構成を用いる。
【００７８】
位相感応光増幅器は、偏波分離多重素子であるＰＢＳ１と、位相変調器（Phase Modulation：ＰＭ）２と、ＰＺＴ圧電素子を用いた光ファイバ伸縮器３と、偏波コントローラ４と、ＥＤＦＡ５と、バンドパスフィルタ６と、サーキュレータ７と、二次非線形光学素子８，９と、偏波回転子１０，１１と、分波器１２と、偏光子１３と、光検出器１４と、制御手段となるＰＬＬ回路１５と、偏波保持光ファイバ１６〜２５とを備えている。
【００７９】
偏波保持光ファイバ１６は第１の光路を構成し、偏波保持光ファイバ１９は第２の光路を構成し、偏波保持光ファイバ１７，２０，２１，２３，２４はループ状の第３の光路（ループ３０）を構成し、偏波保持光ファイバ２２は第４の光路を構成している。位相変調器２と光ファイバ伸縮器３とは位相調整手段を構成している。また、分波器１２と偏光子１３と光検出器１４とは、信号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。
【００８０】
二次非線形光学素子８は、空間光学系８０と、ダイクロイックミラー８１と、ＰＰＬＮ導波路８２と、空間光学系８３と、ダイクロイックミラー８４とを備える。二次非線形光学素子９は、空間光学系９０と、ダイクロイックミラー９１と、ＰＰＬＮ導波路９２と、空間光学系９３と、ダイクロイックミラー９４とを備える。
【００８１】
空間光学系８０は、二次非線形光学素子８の端面ＥｄｇｅＡのポートとＰＰＬＮ導波路８２間をダイクロイックミラー８１を介して結合する。空間光学系９０は、二次非線形光学素子９の端面ＥｄｇｅＤのポートとＰＰＬＮ導波路９２間をダイクロイックミラー９１を介して結合する。空間光学系８３は、二次非線形光学素子８の端面ＥｄｇｅＢのポートとＰＰＬＮ導波路８２間をダイクロイックミラー８４を介して結合する。空間光学系９３は、二次非線形光学素子９の端面ＥｄｇｅＣのポートとＰＰＬＮ導波路９２間をダイクロイックミラー９４を介して結合する。
【００８２】
図１に示される例では、光増幅に用いる励起光を信号光と同じ波長帯の基本波光から第二次高調波発生により生成する。ここでは、信号波長を光ファイバ通信で用いられる１５６０ｎｍ帯として説明する。２次非線形光学効果を用いたパラメトリック増幅過程では、信号波長の概ね半分の波長（７８０ｎｍ帯）の光が励起光として必要となる。信号光と位相同期可能な同一波長帯の基本波光から、ＰＰＬＮ導波路８２，９２中の和周波発生過程もしくは第二次高調波発生過程を用いて励起光を生成する。
【００８３】
例えば位相感応光増幅器を信号光源（不図示）の近くに設置できるような場合は、信号光源から分岐させた光を基本波光として用いてもよいし、信号光源からの出力を用いることができない場合は、信号光の一部を光注入同期などにより位相感応光増幅器内の局発光源（不図示）と同期させるような形で基本波光を生成してもよい。
【００８４】
偏波保持光ファイバ１６から、任意の偏光方向に傾いた状態の１５６０ｎｍ帯の信号光が入射すると、ＰＢＳ１は、入射した信号光を２つの直交する偏波成分に分離する。信号光の内のＴＭ偏光成分は、ＰＢＳ１で反射され、縦偏波成分の信号光として偏波保持光ファイバ１７に出力され、図１の左回り方向（第１の周回方向）でループ３０に導入される。
【００８５】
一方、ＥＤＦＡ５は、基本波光を増幅する。バンドパスフィルタ６は、ＥＤＦＡ５によって発生した不要な自然放出（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）光を除去し、基本波光のみを透過させる。バンドパスフィルタ６から出力された基本波光をサーキュレータ７および偏波保持光ファイバ１９を介して、信号光と反対側からＰＢＳ１に入力する。ＰＢＳ１は、入射した基本波光を２つの直交偏光成分に分離する。このとき、基本波光の２つの直交偏波成分のパワーが均等になるように、偏波コントローラ４によって基本波光の偏光を調整している。
【００８６】
基本波光の内、ＴＥ偏光成分は、ＰＢＳ１を透過して偏波保持光ファイバ１７に出力され、図１の左回り方向でループ３０に導入される。偏波回転子１０は、偏波保持光ファイバ１７を左回りに伝搬する信号光および基本波光の偏光方向をそれぞれ９０°回転させる。偏波回転子１０としては、λ／２波長板のように直線偏光を９０°回転させる光学素子を用いてもよいし、偏波保持ファイバを物理的に９０°回転させて接続するような機構でもよい。
【００８７】
偏波回転子１０を通過したＴＥ偏光の信号光とＴＭ偏光の基本波光は、偏波保持光ファイバ２０を伝搬して二次非線形光学素子８に入射する。ＴＭ偏光の基本波光が二次非線形光学素子８のＰＰＬＮ導波路８２に入射すると、ＰＰＬＮ導波路８２中の第二高調波発生過程により基本波光の半分の波長（７８０ｎｍ帯）の第二高調波光が発生する。この第二高調波光が二次非線形光学素子９の励起光（高調波励起光）となる。二次非線形光学素子８のダイクロイックミラー８４は、変換されずに残った基本波光を透過させると共に、励起光を反射させることにより、この２つの波長の光を分離する。基本波光は偏波保持光ファイバ２１に出力され、励起光は偏波保持光ファイバ２２に出力される。
【００８８】
ＰＰＬＮ導波路８２中では縦偏波成分の信号光はＴＥ偏光で伝搬しているため、パラメトリック増幅等の非線形過程を受けることはなく、ダイクロイックミラー８４を透過して偏波保持光ファイバ２１に出力される。つまり、二次非線形光学素子８は、ＴＥ偏光の増幅された縦偏波成分の信号光に対しては、単純に線形損失媒体となる。
【００８９】
偏波回転子１１は、ＰＰＬＮ導波路８２から出力され偏波保持光ファイバ２１を伝搬したＴＥ偏光の信号光およびＴＭ偏光の基本波光の偏光方向をそれぞれ９０°回転させる。偏波回転子１１を通過したＴＭ偏光の信号光とＴＥ偏光の基本波光は、偏波保持光ファイバ２３を伝搬して二次非線形光学素子９に入射する。
【００９０】
二次非線形光学素子９のダイクロイックミラー９４は、偏波回転子１１を通過し偏波保持光ファイバ２３を伝搬したＴＭ偏光の信号光およびＴＥ偏光の基本波光とＰＰＬＮ導波路８２から出力され偏波保持光ファイバ２２を伝搬した励起光とを合波する。二次非線形光学素子９のＰＰＬＮ導波路９２中のパラメトリック増幅過程により、励起光からのエネルギーの移行が起こり、ＴＭ偏光の信号光が増幅される。ＰＰＬＮ導波路９２中では基本波光は相互作用を起こさないＴＥ偏光で伝搬しているため、パラメトリック増幅等の非線形過程を受けることはない。
【００９１】
二次非線形光学素子９のダイクロイックミラー９１は、ＴＭ偏光の信号光およびＴＥ偏光の基本波光を透過させると共に、励起光を反射させることにより、これらの光を分離する。ＴＭ偏光の信号光およびＴＥ偏光の基本波光は、偏波保持光ファイバ２４に出力される。
【００９２】
分波器１２は、偏波保持光ファイバ２４を伝搬するＴＭ偏光の信号光およびＴＥ偏光の基本波光の一部を分岐させる。偏光子１３は、ＴＭ偏光の信号光のみを透過させて光検出器１４に入射させる。光検出器１４は、入射した信号光を電気信号に変換する。ＰＬＬ回路１５は、光検出器１４で検出される出力信号が最大となるように、位相変調器２と光ファイバ伸縮器３にフィードバックを行う。位相変調器２は、ＰＬＬ回路１５の出力に応じて基本波光に位相変調を施す。光ファイバ伸縮器３は、基本波光が伝搬する偏波保持光ファイバを、ＰＬＬ回路１５の制御信号出力に応じて伸縮させる。こうして、基本波光の位相を制御することにより、基本波光と縦偏波成分の信号光との間の位相同期、すなわち基本波光から生成する励起光と縦偏波成分の信号光との間の位相同期を達成することができる。
【００９３】
実際の位相感応な増幅動作においては、各光学部品を接続する光ファイバの伸び縮みによる光路長の変動による位相変動の影響を抑圧することが必要となる。本実施の形態では、上記のような位相同期制御を行うことにより、安定的な動作を実現することができる。
【００９４】
ＰＢＳ１は、偏波保持光ファイバ２４を伝搬したＴＭ偏光の信号光およびＴＥ偏光の基本波光の内、ＴＭ偏光の信号光を反射させて出力ポートから偏波保持光ファイバ１９に出力し、ＴＥ偏光の基本波光を透過させて入力ポートから偏波保持光ファイバ１６に出力することにより、これら２つの光を分離する。ＴＭ偏光の信号光は、偏波保持光ファイバ１９を伝搬し、サーキュレータ７を通過して偏波保持光ファイバ２５に出力される。
【００９５】
一方、ＰＢＳ１は、偏波保持光ファイバ１６から入射した信号光の内のＴＥ偏光成分を透過させる。このＴＥ偏光成分は、横偏波成分の信号光として偏波保持光ファイバ２４に出力され、図１の右回り方向（第２の周回方向）でループ３０に導入される。また、偏波保持光ファイバ１９を伝搬した基本波光の内、ＴＭ偏光成分は、ＰＢＳ１によって反射され、縦偏波成分の基本波光として偏波保持光ファイバ２４に出力され、図１の右回り方向でループ３０に導入される。
【００９６】
ＴＭ偏光の基本波光が二次非線形光学素子９のＰＰＬＮ導波路９２に入射すると、ＰＰＬＮ導波路９２中の第二高調波発生過程により基本波光の半分の波長（７８０ｎｍ帯）の第二高調波光が発生する。この第二高調波光が二次非線形光学素子８の励起光（高調波励起光）となる。二次非線形光学素子９のダイクロイックミラー９４は、変換されずに残った基本波光を透過させると共に、励起光を反射させることにより、この２つの波長の光を分離する。基本波光は偏波保持光ファイバ２３に出力され、励起光は偏波保持光ファイバ２２に出力される。
【００９７】
ＰＰＬＮ導波路９２中では横偏波成分の信号光はＴＥ偏光で伝搬しているため、パラメトリック増幅等の非線形過程を受けることはなく、ダイクロイックミラー９４を透過して偏波保持光ファイバ２３に出力される。つまり、二次非線形光学素子９は、ＴＥ偏光の信号光に対しては、単純に線形損失媒体となる。
【００９８】
偏波回転子１１は、ＰＰＬＮ導波路９２から出力され偏波保持光ファイバ２３を伝搬したＴＥ偏光の信号光およびＴＭ偏光の基本波光の偏光方向をそれぞれ９０°回転させる。偏波回転子１１を通過したＴＭ偏光の信号光とＴＥ偏光の基本波光は、偏波保持光ファイバ２１を伝搬して二次非線形光学素子８に入射する。
【００９９】
二次非線形光学素子８のダイクロイックミラー８４は、偏波回転子１１を通過し偏波保持光ファイバ２１を伝搬したＴＭ偏光の信号光およびＴＥ偏光の基本波光とＰＰＬＮ導波路９２から出力され偏波保持光ファイバ２２を伝搬した励起光とを合波する。二次非線形光学素子８のＰＰＬＮ導波路８２中のパラメトリック増幅過程により、励起光からのエネルギーの移行が起こり、ＴＭ偏光の信号光が増幅される。ＰＰＬＮ導波路８２中では基本波光は相互作用を起こさないＴＥ偏光で伝搬しているため、パラメトリック増幅等の非線形過程を受けることはない。
【０１００】
二次非線形光学素子８のダイクロイックミラー８１は、ＴＭ偏光の信号光およびＴＥ偏光の基本波光を透過させると共に、励起光を反射させることにより、これらの光を分離する。ＴＭ偏光の信号光およびＴＥ偏光の基本波光は、偏波保持光ファイバ２０に出力される。
【０１０１】
偏波回転子１０は、偏波保持光ファイバ２０を右回りに伝搬するＴＭ偏光の信号光およびＴＥ偏光の基本波光の偏光方向をそれぞれ９０°回転させる。偏波回転子１０を通過したＴＥ偏光の信号光とＴＭ偏光の基本波光は、偏波保持光ファイバ１７を伝搬してＰＢＳ１に入射する。
【０１０２】
ＰＢＳ１は、入射したＴＥ偏光の信号光とＴＭ偏光の基本波光の内、ＴＥ偏光の信号光を透過させて出力ポートから偏波保持光ファイバ１９に出力し、ＴＭ偏光の基本波光を反射させて入力ポートから偏波保持光ファイバ１６に出力することにより、これら２つの光を分離する。ＴＥ偏光の信号光は、偏波保持光ファイバ１９を伝搬し、サーキュレータ７を通過して偏波保持光ファイバ２５に出力される。
【０１０３】
右回りの信号光成分に関しては、左回りの信号光のように位相同期のための構成を設ける必要はない。本実施の形態の構成では、信号光と励起光のＴＥ偏光成分・ＴＭ偏光成分のそれぞれの伝搬経路は共通となっている。このため、信号光のうち、ＴＥ偏光・ＴＭ偏光のどちらか一方で励起光との位相同期をかければ、ＴＥ偏光・ＴＭ偏光の両偏光共に位相同期がかかるため、片方の経路にのみ位相同期の構成があればよい。
【０１０４】
ここで、本実施の形態で用いたＰＰＬＮ導波路８２，９２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。
【０１０５】
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。導波路の長さは、５０ｍｍとした。この導波路はペルチェ素子により温調が可能である。このようにして形成したＰＰＬＮ導波路８２，９２を有する二次非線形光学素子８，９を、１．５μｍ帯の偏波保持光ファイバで光の入出力が可能なモジュール構造とした。
【０１０６】
本実施の形態では、ＰＰＬＮ導波路８２，９２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。
【０１０７】
図２に、本実施の形態の構成における、反射光の影響の抑制の効果の概念図を示す。なお、ここでは、二次非線形光学素子８，９の空間光学系８０，８３，９０，９３等については図示を省略している。上記のとおり、偏波保持光ファイバ１６を伝搬した信号光をＰＢＳ１を用いて２つの直交する偏波成分に分離し、それぞれ縦偏波成分の信号光Ｉｎｐｕｔａ（ＴＭ偏光の信号光）および横偏波成分の信号光Ｉｎｐｕｔｂ（ＴＥ偏光の信号光）を得る。
【０１０８】
ＴＭ偏光の信号光Ｉｎｐｕｔａは、偏波回転子１０によってＴＥ偏光に調整された後、二次非線形光学素子８のＰＰＬＮ導波路８２を通過し、偏波回転子１１によってＴＭ偏光に変換された後に二次非線形光学素子９のＰＰＬＮ導波路９２に入射する。ＰＰＬＮ導波路８２内では、基本波光による第２高調波発生により励起光Ｐｕｍｐａが生成され、二次非線形光学素子９のダイクロイックミラー９４により信号光Ｉｎｐｕｔａと励起光Ｐｕｍｐａとが合波され、二次非線形光学素子９のＰＰＬＮ導波路９２内で信号光Ｉｎｐｕｔａと励起光Ｐｕｍｐａによるパラメトリック増幅により、増幅された信号光ＯｕｔｐｕｔＡを得る。
【０１０９】
このとき、信号光ＯｕｔｐｕｔＡの一部を分波器１２で分岐させ、偏光子１３を介して光受光器１４で受光する。光受光器１４で得られた電気信号を基にＰＬＬ回路１５を用いて、信号光Ｉｎｐｕｔａと励起光Ｐｕｍｐａの位相を同期させる。
【０１１０】
同様に、ＴＥ偏光の信号光Ｉｎｐｕｔｂは、二次非線形光学素子９のＰＰＬＮ導波路９２を通過し、偏波回転子１１によってＴＭ偏光に変換された後に二次非線形光学素子８のＰＰＬＮ導波路８２に入射する。ＰＰＬＮ導波路９２内では、基本波光による第２高調波発生により励起光Ｐｕｍｐｂが生成され、二次非線形光学素子８のダイクロイックミラー８４により信号光Ｉｎｐｕｔｂと励起光Ｐｕｍｐｂとが合波され、二次非線形光学素子８のＰＰＬＮ導波路８２内で信号光Ｉｎｐｕｔｂと励起光Ｐｕｍｐｂによるパラメトリック増幅により、増幅された信号光ＯｕｔｐｕｔＢを得る。
【０１１１】
図２では、光の反射の影響を、図面中のＰＰＬＮ導波路８，９の上下に示している。縦偏波成分の信号光の反射成分をＰＰＬＮ導波路８，９の上に、横偏波成分の信号光の反射成分をＰＰＬＮ導波路８，９の下に示している。
【０１１２】
なお、図２では、光の反射の影響を簡単に説明するために、ＰＰＬＮ導波路８，９の出力端での信号光の反射のみを考える。実際の構成では、ＰＰＬＮ導波路８，９の入力端での反射や、ダイクロイックミラー８１，８４，９１，９４での反射光も存在する。また、図２には示していないが、実際の構成ではＰＰＬＮ導波路８，９の入出力にレンズなどの光学部品を用いるため、それらの光学部品からの反射光も存在する。さらに、実際には反射された励起光と信号光の相互作用も考慮に入れる必要があるが、図２では示していない。また、信号光の反射回数はその影響を説明するために必要な回数（概ね２回）のみを示しているが、実際には多重に反射する。
【０１１３】
縦偏波成分の信号光の反射の影響様子について述べる。図２の左側から入射したＴＥ偏光の信号光Ｉｎｐｕｔａは、ＰＰＬＮ導波路８２内で線形損失Ｌを受けて、ＰＰＬＮ導波路８２の端面ＥｄｇｅＢから出射する。この出射した光をＬａ(TE)とする。また、ＰＰＬＮ導波路８２の端面ＥｄｇｅＢでは、反射率Ｒで信号光Ｉｎｐｕｔａが反射される。この反射光をＬＲａ(TE)とする。図２の右側から左方向への励起光は存在するが、反射光ＬＲａ(TE)はＴＥ偏光であるために非線形相互作用が起こらず、反射光ＬＲａ(TE)がＰＰＬＮ導波路８２内を伝搬する間に増幅されることはない。これにより、ＰＰＬＮ導波路８２内を伝搬し、単純に線形損失Ｌを受けた後にＰＰＬＮ導波路８２の端面ＥｄｇｅＡから出射する。この端面ＥｄｇｅＡから出射する光をＬ2Ｒａ(TE)とする。
【０１１４】
ＰＰＬＮ導波路８２の端面ＥｄｇｅＢを出射した信号光Ｌａ(TE)は、偏波回転子１１を通過してＴＭ偏光に変換された後、ＰＰＬＮ導波路９２に入射する。ＰＰＬＮ導波路９２内で信号光Ｌａ(TM)は、同方向に伝搬する励起光Ｐｕｍｐａにより利得Ｇのパラメトリック増幅を受けてＰＰＬＮ導波路９２の端面ＥｄｇｅＤから出射する。この出射した光をＧＬａ(TM)とする。また、ＰＰＬＮ導波路９２の端面ＥｄｇｅＤでは、反射率Ｒで、縦偏波成分の信号光ＧＬａ(TM)が反射される。この反射光をＧＬＲａ(TM)とする。
【０１１５】
励起光Ｐｕｍｐｂが、反射された縦偏波成分の信号光ＧＬＲａ(TM)と同じ向きで存在するために、この反射光ＧＬＲａ(TM)もパラメトリック増幅を受ける。ただし、ＰＰＬＮ導波路９２内の励起光Ｐｕｍｐｂは端面ＥｄｇｅＤから端面ＥｄｇｅＣに向かうにつれて光パワーが増大していく。その理由は、励起光ＰｕｍｐｂがＰＰＬＮ導波路９２内での第２高調波発生により生成されているためであり、励起光生成の効率が非線形相互作用長の２乗に比例するために端面ＥｄｇｅＣでパワーが最大となっている。
【０１１６】
このような励起光生成とパラメトリック増幅とを同時に行うような過程では、その最大パワーの励起光で常に励起した場合と比較して、パラメトリック利得が約１／４となる（文献「M.H.Chou，I.Brener，M.M.Fejer，E.E.Chaban，and S.B.Christman，“1.5-μm-band wavelength conversion based on cascaded second-order nonlinearity in LiNbO3waveguides”，IEEE Photonics Technology Letters，Vol.11，No.6，p.653-655，1999」参照）。
【０１１７】
励起光生成とパラメトリック増幅とが同時に行われる過程を受けた反射光を１／４Ｇ2ＬＲａ(TM)とする。この光１／４Ｇ2ＬＲａ(TM)は、ＰＰＬＮ導波路９２の端面ＥｄｇｅＣから出射して、偏波回転子１１を通過してＴＥ偏光に変換された後、ＰＰＬＮ導波路８２に入射する。ここでも、同方向に伝搬する励起光が存在するが、偏波回転子１１を通過した反射光１／４Ｇ2ＬＲａ(TE)はＴＥ偏光であるために非線形相互作用が起こらず、増幅過程は起きず、線形損失Ｌを受けた後、ＰＰＬＮ導波路８２の端面ＥｄｇｅＡから出射する。この出射する光を１／４Ｇ2Ｌ2Ｒａ(TE)とする。
【０１１８】
ＰＰＬＮ導波路８２の端面ＥｄｇｅＡでは、反射率Ｒで、ＴＥ偏光１／４Ｇ2Ｌ2Ｒａ(TE)が反射される。この反射光を１／４Ｇ2Ｌ2Ｒ2ａ(TE)とする。反射光１／４Ｇ2Ｌ2Ｒ2ａ(TE)は、線形損失Ｌを受けた後、ＰＰＬＮ導波路８２の端面ＥｄｇｅＢから出射する。この出射する光を１／４Ｇ2Ｌ3Ｒ2ａ(TE)とする。この光１／４Ｇ2Ｌ3Ｒ2ａ(TE)は、偏波回転子１１を通過してＴＭ偏光に変換された後、ＰＰＬＮ導波路９２に入射する。ＰＰＬＮ導波路９２内で信号光１／４Ｇ2Ｌ3Ｒ2ａ(TM)は、同方向に伝搬する励起光Ｐｕｍｐａにより利得Ｇのパラメトリック増幅を受けてＰＰＬＮ導波路９２の端面ＥｄｇｅＤから出射する。この出射した光を１／４Ｇ3Ｌ3Ｒ2ａ(TM)とする。
【０１１９】
また、ＰＰＬＮ導波路８２の端面ＥｄｇｅＡにおいて、反射率Ｒで、ＴＥ偏光Ｌ2Ｒａ(TE)が反射する。この反射光をＬ2Ｒ2ａ(TE)とする。反射光Ｌ2Ｒ2ａ(TE)は、線形損失Ｌを受けた後、ＰＰＬＮ導波路８２の端面ＥｄｇｅＢから出射する。この出射する光をＬ3Ｒ2ａ(TE)とする。この光Ｌ3Ｒ2ａ(TE)は、偏波回転子１１を通過してＴＭ偏光に変換された後、ＰＰＬＮ導波路９２に入射する。ＰＰＬＮ導波路９２内で信号光Ｌ3Ｒ2ａ(TM)は、同方向に伝搬する励起光Ｐｕｍｐａにより利得Ｇのパラメトリック増幅を受けてＰＰＬＮ導波路９２の端面ＥｄｇｅＤから出射する。この出射した光をＧＬ3Ｒ2ａ(TM)とする。
【０１２０】
以上の光Ｌａ(TE)，ＬＲａ(TE)，Ｌ2Ｒａ(TE)，Ｌａ(TM)，ＧＬａ(TM)，ＧＬＲａ(TM)，１／４Ｇ2ＬＲａ(TM)，１／４Ｇ2ＬＲａ(TE)，１／４Ｇ2Ｌ2Ｒａ(TE)，１／４Ｇ2Ｌ2Ｒ2ａ(TE)，１／４Ｇ2Ｌ3Ｒ2ａ(TE)，１／４Ｇ2Ｌ3Ｒ2ａ(TM)，１／４Ｇ3Ｌ3Ｒ2ａ(TM)，Ｌ2Ｒ2ａ(TE)，Ｌ3Ｒ2ａ(TE)，Ｌ3Ｒ2ａ(TM)，ＧＬ3Ｒ2ａ(TM)を、信号光Ｉｎｐｕｔｂの場合について定義すると、Ｌｂ(TE)，ＬＲｂ(TE)，Ｌ2Ｒｂ(TE)，Ｌｂ(TM)，ＧＬｂ(TM)，ＧＬＲｂ(TM)，１／４Ｇ2ＬＲｂ(TM)，１／４Ｇ2ＬＲｂ(TE)，１／４Ｇ2Ｌ2Ｒｂ(TE)，１／４Ｇ2Ｌ2Ｒ2ｂ(TE)，１／４Ｇ2Ｌ3Ｒ2ｂ(TE)，１／４Ｇ2Ｌ3Ｒ2ｂ(TM)，１／４Ｇ3Ｌ3Ｒ2ｂ(TM)，Ｌ2Ｒ2ｂ(TE)，Ｌ3Ｒ2ｂ(TE)，Ｌ3Ｒ2ｂ(TM)，ＧＬ3Ｒ2ｂ(TM)となる。
【０１２１】
したがって、信号光Ｉｎｐｕｔａ，Ｉｎｐｕｔｂのそれぞれの出力光をＯｕｔｐｕｔＡ，ＯｕｔｐｕｔＢとすると、出力光ＯｕｔｐｕｔＡ，ＯｕｔｐｕｔＢには、次式のような反射成分が含まれる。
ＯｕｔｐｕｔＡ＝ＧＬａ(TM)＋Ｌ2Ｒｂ(TE)＋１／４Ｇ3ＬＲ2ａ(TM)
＋１／４Ｇ3Ｌ3Ｒ2ａ(TM)＋１／４Ｇ2Ｌ2Ｒｂ(TE)
＋ＧＬ3Ｒ2ａ(TM)・・・                          ・・・（６）
ＯｕｔｐｕｔＢ＝ＧＬｂ(TM)＋Ｌ2Ｒａ(TE)＋１／４Ｇ3ＬＲ2ｂ(TM)
＋１／４Ｇ3Ｌ3Ｒ2ｂ(TM)＋１／４Ｇ2Ｌ2Ｒａ(TE)
＋ＧＬ3Ｒ2ｂ(TM)・・・                          ・・・（７）
【０１２２】
信号光ＯｕｔｐｕｔＡとしては、本来、Ｇ倍された信号光であるＧＬａのみが出力されることが望ましい。図２および式（６）に示したとおり、Ｌ2Ｒｂ(TE)＋１／４Ｇ3ＬＲ2ａ(TM)＋１／４Ｇ3Ｌ3Ｒ2ａ(TM)＋１／４Ｇ2Ｌ2Ｒｂ(TE)＋ＧＬ3Ｒ2ａ(TM)からなる反射光も同時に出力されてしまうが、この反射光は本実施の形態の構成を用いることで、図６のように単純に双方向で励起する場合に比べて大幅に低減することができる。
【０１２３】
ここで仮に、信号光Ｉｎｐｕｔａの強度を１、ＰＰＬＮ導波路８，９の増幅利得を２０ｄＢ（Ｇ＝１００倍）、ＰＰＬＮ導波路８，９の端面での反射率を−３０ｄＢ（Ｒ＝０．００１）、ＰＰＬＮ導波路８，９での線形損失を４ｄＢ（Ｌ＝０．４）として考えると、信号光Ｉｎｐｕｔａは４０倍されるので、増幅後の信号光ＧＬａの強度が４０となる。
【０１２４】
雑音成分となってしまう反射光Ｌ2Ｒｂ(TE)の強度は０．０００１６、反射光１／４Ｇ3ＬＲ2ａ(TM)の強度は０．１、反射光１／４Ｇ3Ｌ3Ｒ2ａ(TM)の強度は０．０４、反射光１／４Ｇ2Ｌ2Ｒｂ(TE)の強度は０．００４、反射光ＧＬ3Ｒ2ａ(TM)の強度は０．０００００６４となり、この４つの成分を全て考えても、増幅された主信号ＧＬａに対して０．３５％程度の強度の雑音しか発生しないことになる。その理由は、本実施の形態で、それぞれの偏波成分に対する増幅過程を独立に行う構成を取ることができているからである。図２では、２回程度の反射を考えており、実際には多重反射が存在するが、従来の双方向励起の構成とは異なり、現実的な利得の範囲内（２０ｄＢ前後）であれば反射を繰り返す度に反射光の強度が低下するため、多重反射の影響は極めて小さい。
【０１２５】
さらに、本実施の形態では、偏波の依存性を使って反射光の影響を低減できるように構成されている。式（６）から分かるとおり、雑音成分の中でも右辺第２項のＬ2Ｒｂ(TE)と右辺第５項の１／４Ｇ2Ｌ2Ｒｂ(TE)は増幅された主信号ＧＬａ(TM)とは直交する偏波を持っている。つまり、ＴＭ偏光の主信号はＰＢＳ１で反射されて出力される一方で、ＴＥ偏光の反射光はＰＢＳ１を通過し出力ポートには入射されない構成となっている。このため、増幅された信号光に、これらのＴＥ偏光の反射光が雑音として重畳されることはなく、ＰＢＳ１でフィルタリングされる。これにより、反射光成分である右辺第２項のＬ2Ｒｂ(TE)と右辺第５項の１／４Ｇ2Ｌ2Ｒｂ(TE)が除去されるため、主信号に対する反射光の漏れ込みは極めて小さい。
【０１２６】
位相同期を行うための光検出器１４においても、反射光が存在すると雑音として影響するが、ここでも同様に反射光の内、偏波の異なる成分に関しては、偏光子１３などの、単一偏波成分を透過させ直交位相の偏波成分を透過させない光学デバイスを用いてフィルタリングすれば、反射光の影響を極めて小さくすることができる。
【０１２７】
以上のように、図１に示した構成では、２つの直交する偏波成分を同一経路で増幅が可能であり、分離・増幅の間の位相変動の影響を抑制することができ、かつ、信号光と基本波光の入射方向を本実施の形態のように設定することで、光部品点数を抑えながら、それぞれの偏波成分のパラメトリック増幅を実現することができ、かつ反射光の影響も低減することが可能になる。
【０１２８】
図１に示した本実施の形態の位相感応光増幅器に、まず偏波が４５°の直線偏光のＣＷ（Continuous Wave）の信号光を入力した。図１の右回りと左回りで同一の利得となるように、二次非線形光学素子８から出力される励起光の強度と二次非線形光学素子９から出力される励起光の強度とをそれぞれ調整し位相感応増幅を試みた。その結果、出力として増幅された４５°の直線偏光の信号が得られた。
【０１２９】
次に、信号光を２値の位相変調（ＢＰＳＫ）フォーマットで変調した後、偏波をランダムに回転させる偏波スクランブルを施し、本実施の形態の位相感応光増幅器に入力した。入力と出力のビットエラーレートを測定した所、出力信号に対するビットエラーレートは入力信号に対するビットエラーレートと同等で、パワーペナルティなく増幅されていることが確認され、本実施の形態の位相感応光増幅器が任意の偏波の入力に対して増幅可能で、偏波に対して無依存で動作できていることを確認できた。
【０１３０】
次に、２つの直交する偏波の光の両方に変調信号を用いる偏波多重信号を、本実施の形態の位相感応光増幅器に入力した。偏波多重信号は、同一光源から生成した光をそれぞれの偏波の光に用いた。この場合、ＰＢＳ１を通過する光およびＰＢＳ１で反射する光は、２つの偏波成分がそれぞれ混ざった形となる。しかしながら、同一光源から多重信号を生成しているため、励起光との位相同期が可能で、両方の偏波成分に対して増幅が可能であった。
【０１３１】
本実施の形態では、位相同期の必要な位相感応な光増幅器を構成した例を示したが、位相不感応な光パラメトリック増幅を用いても本発明の効果が失われることはない。本発明を用いれば位相不感応な光パラメトリック増幅器を偏波無依存の状態で動作させることもできる。
【産業上の利用可能性】
【０１３２】
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】
【０１３３】
１…偏光ビームスプリッタ、２…位相変調器、３…光ファイバ伸縮器、４…偏波コントローラ、５…ＥＤＦＡ、６…バンドパスフィルタ、７…サーキュレータ、８，９…二次非線形光学素子、１０，１１…偏波回転子、１２…分波器、１３…偏光子、１４…光検出器、１５…ＰＬＬ回路、１６〜２５…偏波保持光ファイバ、３０…ループ、８０，８３，９０，９３…空間光学系、８１，８４，９１，９４…ダイクロイックミラー、８２，９２…ＰＰＬＮ導波路。
【図１】
2017219749.tif 000003
【図２】
2017219749.tif 000004
【図３】
2017219749.tif 000005
【図４】
2017219749.tif 000006
【図５】
2017219749.tif 000007
【図６】
2017219749.tif 000008
【図７】
2017219749.tif 000009