(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光の波長λｓと異なる波長λｐ（但し、λｐ＜２λｓ）に零分散を有する第１の光ファイバと、
前記波長λｐに出力光の波長が設定された第１の励起光源と、
前記第１の励起光源の出力光と前記信号光を合波して前記第１の光ファイバに入射する第１の合波手段と、
前記第１の光ファイバの出力光から前記波長λｓの成分のみを取り出す第１の光フィルタと、
前記波長λｓに零分散波長が等しく設定されている第２の光ファイバと、
波長λｃｌｋ（但し、λｃｌｋ＞λｓ／２）の光クロックを出力する光クロック発生器と、
前記光クロックと前記第１の光フィルタの出力光を合波して前記第２の光ファイバに入射する第２の合波手段と、
前記第２の光ファイバの出力光から、前記波長λｓと前記波長λｃｌｋとを用いて
２／λｓ＝１／λｃｌｋ＋１／λＦＷＭ
の関係を満たす波長λＦＷＭの成分のみを取り出す第２の光フィルタと、
前記波長λｓと前記波長λＦＷＭとを用いて
２／λｐ２＝１／λｓ＋１／λＦＷＭ
の関係を満たす波長λｐ２に零分散を有する第３の光ファイバと、
前記波長λｐ２に出力光の波長が設定された第２の励起光源と、
前記第２の励起光源の出力光と前記第２の光フィルタの出力光を合波して前記第３の光ファイバに入射する第３の合波手段と、
前記第３の光ファイバの出力光から前記波長λｓの成分のみを取り出す第３の光フィルタと、
からなることを特徴とする光増幅装置。
【請求項２】
前記第１〜第３の光ファイバに代えて、周期的に分極が反転する構造を有する強誘電体を用いたことを特徴とする請求項１に記載の光増幅装置。
【請求項３】
伝送用光ファイバを用いて光パルス信号列を伝送する光パルス伝送方式であって、所定距離ごとに請求項１または請求項２に記載の光増幅装置を配置して前記光パルス信号列を中継伝送することを特徴とする光パルス伝送方式。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光パルスを用いた超高速・超大容量伝送を可能とする光増幅装置およびそれを用いた光中継伝送方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ファイバ伝送路を伝送される光信号を増幅するための光増幅器として、光パラメトリック増幅器が知られている。この光パラメトリック増幅器による光信号の‘１'レベルの強度雑音除去の効果については下記の非特許文献１に実験結果が示され、効果が確認されている。このパラメトリック光増幅器の出力においては、光信号の‘１'レベルの雑音はパラメトリック光増幅器の非線形な飽和特性によって抑圧されるため、パラメトリック光増幅器に入力する時に光信号が有していた雑音を含まないことになる。すなわち、光パラメトリック増幅器を線形中継器の代わりに用いることで、雑音の影響は一中継区間にとどまり累積することはない。すなわち、信号のS/N比の劣化は線形中継器を用いた場合に比べて低減することが可能である。
光パラメトリック増幅器自体も雑音（自然放出光雑音：ASE）は出しており、出力信号にはこの雑音は加わることになるが、この雑音成分も光パラメトリック増幅用光ファイバ内を伝搬するうちに利得が飽和するため抑圧されることになる。
【０００３】
光パラメトリック増幅器に入力する励起光と信号光の偏波の関係について以下に述べる。パラメトリック増幅器に用いる媒質として単一モード光ファイバを用いる場合、単一モード光ファイバ内を伝搬する信号光・制御光はその偏波状態が伝搬につれて変化し、さらに主軸方向も定まらないため、信号光と制御光の偏波関係が光パラメトリック増幅器の入射端で平行であるか直交であるかによって発生する四光波混合光の強度が大きく影響を受け、信号光と制御光の偏波が直交して入射する場合には四光波混合光がほとんど発生しないことが知られている。この現象については、非特許文献２に詳細が述べられている。
【０００４】
このような光ファイバ中の偏波のゆらぎの影響を避けるためには以下の方法を用いることができる。
１）光パラメトリック増幅器に入射する励起光の偏波は固定し、信号光は偏波コントローラを用いて信号光と励起光の偏波を一致させる。
２）励起光として直交する二つの波長が異なる偏波を合成した光源を用いる。
このうち１）の方法については信号光の偏波ゆらぎの速度が遅ければ市販の偏波自動コントローラを用いることで信号光と励起光の偏波を一致させることが可能である。一方、２）の方法では、四光波混合出力の効率は信号光の偏波状態に依存しない出力であり、偏波無依存動作が実現できる。この偏波無依存動作についての詳細は、非特許文献３に述べられている。
上述した従来の光パラメトリック増幅器には、ファイバ内波形歪みが大きいことおよび大きな励起パワーが必要になるという問題がある。
【０００５】
【非特許文献１】
K.Inoue and T.Mukai, "Experimental study on noise characteristics of a gain-saturated fiber optical parametric amplifier, "IEEE Journal of Lightwave Technology, vol.20, No.6, pp.969-974, 2002.
【非特許文献２】
K.Inoue, "Polarization effect on four-wave mixing efficiency In a single-mode fiber,"IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.28, No.4, pp.883-894, 1992.
【非特許文献３】
R.M.Jopson, A.H.Gnauck, and R.M.Derosier, "Compensation of fibre chromatic dispersion by spectral inversion," Electron. Lett., vol.29, pp.57６-578, １993.
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来の光増幅器では除去できなかった信号光強度のゆらぎによるS/N劣化の影響を解消することによって短パルス・高ビットレートの光中継伝送距離の拡大を可能とする光増幅装置およびそれを用いた光中継伝送方式を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、信号光の波長λｓと異なる波長λｐ（但し、λｐ＜２λｓ）に零分散を有する第１の光ファイバと、前記波長λｐに出力光の波長が設定された第１の励起光源と、前記第１の励起光源の出力光と前記信号光を合波して前記第１の光ファイバに入射する第１の合波手段と、前記第１の光ファイバの出力光から前記波長λｓの成分のみを取り出す第１の光フィルタと、前記波長λｓに零分散波長が等しく設定されている第２の光ファイバと、波長λｃｌｋ（但し、λｃｌｋ＞λｓ／２）の光クロックを出力する光クロック発生器と、前記光クロックと前記第１の光フィルタの出力光を合波して前記第２の光ファイバに入射する第２の合波手段と、前記第２の光ファイバの出力光から、前記波長λｓと前記波長λｃｌｋとを用いて２／λｓ＝１／λｃｌｋ＋１／λＦＷＭの関係を満たす波長λＦＷＭの成分のみを取り出す第２の光フィルタと、前記波長λｓと前記波長λＦＷＭとを用いて２／λｐ２＝１／λｓ＋１／λＦＷＭの関係を満たす波長λｐ２に零分散を有する第３の光ファイバと、前記波長λｐ２に出力光の波長が設定された第２の励起光源と、前記第２の励起光源の出力光と前記第２の光フィルタの出力光を合波して前記第３の光ファイバに入射する第３の合波手段と、前記第３の光ファイバの出力光から前記波長λｓの成分のみを取り出す第３の光フィルタと、からなることを特徴とする光増幅装置である。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、前記第１〜第３の光ファイバに代えて、周期的に分極が反転する構造を有する強誘電体を用いたことを特徴とする請求項１に記載の光増幅装置である。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、伝送用光ファイバを用いて光パルス信号列を伝送する光パルス伝送方式であって、所定距離ごとに請求項１または請求項２に記載の光増幅装置を配置して前記光パルス信号列を中継伝送することを特徴とする光パルス伝送方式である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の第１の実施の形態による光パラメトリック増幅器を用いた光中継伝送システムの構成を示すブロック図である。この図において、１０１は光信号送信装置、１０２−１,１０２−２,・・・は光伝送路、１０３−１,１０３−２,・・・は光増幅器、１０４-１,１０４−２,・・・は光パラメトリック増幅器、１０５は光信号受信装置である。
【００１２】
図２は光パラメトリック増幅器１０４−1,１０４−２,・・・の構成を示す図であり、２０１は信号入力ポート、２０２は励起光源、２０３は合波器、２０４は非線形光学媒質（光ファイバ）、２０５は光学フィルタ、２０６は出力ポートである。光パラメトリック増幅器１０４−１,１０４−２.・・・としては、本実施形態では光ファイバ中の四光波混合を用いる。図３は光ファイバ２０４の波長分散特性と信号光および励起光の波長の関係を示したものである。光ファイバの零分散波長に励起光の波長λｐを設定し、信号光の波長λｓはλｐからある程度離れた波長に設定する。ここで、励起光の強度を増加していくと、図４のように波長λｐを中心としてλｓとほぼ対称の位置の波長λFWMに四光波混合光が発生する。この三者の波長には、位相整合条件
2/λp＝1/λs＋1/λFWM
が成立する。
【００１３】
励起光強度をさらに増加すると、四光波混合光の強度がしだいに増加し、信号光強度と同程度になると今度は四光波混合光から励起光を介して信号光強度への変換が生じ、信号光および四光波混合光強度が同時に増加するようになる。このとき信号光は増幅（パラメトリック増幅）されることになる。入力信号光強度を変えたときの出力信号光強度の変化の特性例を図５に示す。入力信号光強度を上げていくと、出力信号光強度は飽和し、さらに入力信号光強度を上げると今度は出力信号光強度が減少する特性を示す。この出力飽和特性を利用することによって光信号の‘１'レベルの強度ゆらぎを抑圧することが可能である。図６は光パラメトリック増幅器１０４−１,１０４−２,・・・を用いた光信号の強度雑音の抑圧動作を示したものである。出力光の‘１'レベルの平均を、光パラメトリック増幅器１０４−１,１０４−２,・・・の最大出力点に設定すれば、飽和特性によって信号光の強度雑音成分を抑圧することが可能である。
【００１４】
光パラメトリック増幅器１０４−１,１０４−２,・・・に用いられる光ファイバの特性としては、非線形光学係数の大きなファイバの方が励起光強度が少なくて増幅効果を発揮できるため有利である。近年、非線形光学係数の大きなフォトニック結晶ファイバ等が開発されており、このファイバを適用することも可能である。また、光パラメトリック増幅器用ファイバの分散特性としては、伝送する信号の種類によって適する分散特性がある。一波長で高速の時分割多重（ＴＤＭ）信号を伝送する場合は、図７（a）に示すように光パラメトリック増幅器用ファイバの零分散波長を励起光源の波長に設定し、また分散スロープはできるだけ小さい特性のファイバを用いると最も効率よくまた信号スペクトル内部での利得が一定の増幅ができる。一方、波長分割多重（ＷＤＭ）信号を伝送する場合は、図７（b）に示すように光パラメトリック増幅器用ファイバの零分散波長を励起光源の波長に設定し、非線形性がシングルモードファイバより大きい特性のファイバを用いるとＷＤＭ信号間のクロストークの影響を除くことができる。
【００１５】
光パラメトリック増幅器用非線形媒質としては、半導体光増幅器（ＳＯＡ）を用いることもできるが、ＳＯＡの場合、利得の帯域はキャリア寿命によって決まり、高々10GHzであるため、高速の信号に対してはＳＯＡを用いることができない。これに比べてファイバは１ps以下の高速の非線形応答を有しているため高速の光信号に対しても強度ゆらぎを抑圧することが可能である。
また、光パラメトリック増幅器１０４−１,１０４−２,・・・の利得は40dB以上であるため、出力の飽和特性が確保できる場合は、前段の光増幅器１０３−１,１０３−２,・・・を省略することも可能である。
【００１６】
（第２実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態を示す図であり、８０１は光信号送信装置、８０２−１,８０２−２,・・・は光伝送路、８０３−１,８０３−２,・・・は光増幅器、８０４−１,８０４−２,・・・は光パラメトリック増幅器、８０５−１,８０５−２,・・・は‘０'レベル整形器、８０６−１,８０６−２,・・・は光クロック発生器、８０７は光信号受信装置である。
【００１７】
本実施形態では、光信号の‘０'レベルの雑音についても抑圧する構成である。まず、光信号が光パラメトリック増幅器８０５−１,８０５−２,・・・によって‘１'レベルの強度雑音が抑圧されるところまでは第１の実施形態と同じである。この光パラメトリック増幅器８０４−１,８０４−２,・・・の出力が‘０'レベル整形器８０５−１,８０５−２,・・・によって‘０'レベルの雑音が抑圧される。この‘０'レベル整形器８０５−１,８０５−２,・・・の構成を図９に示す。９０１は信号入力ポート、９０２は光クロック入力ポート、９０３は制御光入力ポート、９０４は合波器、９０５は四光波混合光発生用光ファイバ、９０６は光フィルタ、９０７は合波器、９０８は四光波混合光発生用光ファイバ、９０９は光フィルタ、９１０は出力ポートである。
【００１８】
‘０'レベル整形器８０５−１,８０５−２,・・・は、四光波混合などを用いた波長変換器を２段縦続にしたものであり、その動作原理を図１０に示す。まず、第一段目では、光クロック発生器８０６−１,８０６−２,・・・の出力パルス（波長λclk）と信号光（波長λs）が四光波混合光発生用光ファイバ９０５に入力され（図１０（a））、四光波混合光（波長λFWM）が発生する（図１０（b））。四光波混合光発生用光ファイバ９０５の零分散波長は信号光波長λｓに等しく設定されている。従って、λclkとλｓとλFWMとの関係は、
2/λs＝1/λclk＋1/λFWM
となっている。このような構成の場合、四光波混合光の強度は信号光強度の２乗に比例する。すなわち、信号光の‘０'レベルについては、その光強度の２乗と光クロックとの強度積に比例した出力となるため、発生した四光波混合光の‘１'レベルと‘０'レベルの強度差すなわち消光比は入力信号光に比べて改善されることになる。
【００１９】
この四光波混合光発生用光ファイバ９０５の出力光は、光フィルタ９０６によって四光波混合光のみが取り出される（図１０（c））。次にこの四光波混合光とcw励起光（波長λp2）が合波されて第２の四光波混合光発生用光ファイバ９０８に入力される（図１０（d））。このとき四光波混合光の強度を増幅する光増幅器を挿入してもよい。光ファイバ９０８の零分散波長および励起光波長λp2は等しく、かつ、以下の条件を満足するように設定される。
２/λp2＝1/λsig＋1/λFWM
このように設定すると光ファイバ９０８から出力される第２の四光波混合光の波長λsigはもとの信号光波長λsに等しくなり（図１０（e））、この第２の四光波混合光を光フィルタ９０９で取り出すことによって消光比の改善された信号を取り出すことができる。
【００２０】
（第３の実施形態）
図１１は本発明の第３の実施形態のうち、光パラメトリック増幅器を構成する非線形光学素子を示したものである。本実施形態の動作は第１の実施例と同一であるが、非線形光学素子として光ファイバの代わりに、周期的に分極が反転する強誘電体としてドメイン反転LiNbO3素子を示している。本素子は、図１１（a）に示すように、周期的に分極が反転する構造によって、擬似位相整合（Quasi Phase Matching: QPM）が実現されて高効率のパラメトリック光増幅が可能となる。本素子では、まず入射した励起光（波長λp）の第２高調波光が発生する（Second Harmonic Generation: SHG）。このとき、入射した信号光と発生したSH光の位相速度差がドメイン反転構造によって周期的に補償される。これはドメイン反転によって分極の極性が反転し、位相速度の関係が逆転するためである。
【００２１】
図１１（b）のグラフは、ドメイン反転素子内を伝搬するSH光の伝搬距離と発生するSH光強度の関係を示しており、グラフ内の曲線Ａはドメイン反転構造がない場合、曲線Ｂはドメイン反転構造を有する場合の伝搬距離−SH光強度の関係を示すグラフである。ドメイン反転構造を有する場合、曲線Ｂに示すように伝搬距離とともに単調にSH光強度が増加する。このSH光と信号光（波長λs）の差周波発生（Difference Frequency Mixing: DFG）によって出力光（波長λout）が発生する。このとき、励起光、信号光、および出力光の波長の関係は、
1/λout=2/λp−1/λs
から、
2/λp＝1/λs＋1/λout
となり、図１１（c）に示すように、これは四光波混合の場合の波長の関係と同じである。ただし、QPM素子の場合、単位長さ当たりの波長変換効率が極めて高くなるため、素子長１cm程度でも十分な効率を得ることが可能であり、装置の小型化や安定動作が可能となる。
なお、図１１においてはドメイン反転LiNbO3素子として導波路構造の素子が示されているが、導波路の代わりにバルク結晶を用いてもよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、従来の光増幅装置では取り除くことができなかった光信号の強度雑音を抑圧し、雑音の累積を防ぐことができるため、多段の中継伝送システムに用いれば中継距離の拡大が可能となるため、システムの動作余裕の拡大ならびに経済化に大きな効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の第１の実施の形態による光パラメトリック増幅器を用いた光中継伝送システムの構成を示すブロック図である。
【図２】  同実施形態における光パラメトリック増幅器１０４の構成を示すブロック図である。
【図３】  同光パラメトリック増幅器１０４の光ファイバ２０４の作用を説明するための波形図である。
【図４】  同光パラメトリック増幅器１０４の光ファイバ２０４の作用を説明するための波形図である。
【図５】  同光パラメトリック増幅器１０４の入出力特性を示す図である。
【図６】  同光パラメトリック増幅器１０４の雑音抑圧動作を説明するための波形図である。
【図７】  同光パラメトリック増幅器１０４の光ファイバ２０４の特性を示す図である。
【図８】  この発明の第２の実施の形態による光パラメトリック増幅器および'０'レベル整形器を用いた光中継伝送システムの構成を示すブロック図である。
【図９】  同実施形態による'０'レベル整形器の構成を示すブロック図である。
【図１０】  同実施形態による'０'レベル整形器の動作を説明するための波形図である。
【図１１】  この発明の第３の実施形態を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１０４−１、１０４−２、８０４−１、８０４−２…光パラメトリック増幅器
２０２…励起光源
２０３、９０４、９０７…合波器
２０４、９０５、９０８…光ファイバ
２０５、９０６、９０９…光フィルタ
８０５−１、８０５−２…'０'レベル整形器
８０６−１、８０６−２…光クロック発生器
【図１】
0004131833.tif 000002
【図２】
0004131833.tif 000003
【図３】
0004131833.tif 000004
【図４】
0004131833.tif 000005
【図５】
0004131833.tif 000006
【図６】
0004131833.tif 000007
【図７】
0004131833.tif 000008
【図８】
0004131833.tif 000009
【図９】
0004131833.tif 000010
【図１０】
0004131833.tif 000011
【図１１】
0004131833.tif 000012