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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-12-06
(45)【発行日】2022-12-14
(54)【発明の名称】励起光生成装置
(51)【国際特許分類】
H01S 3/10 20060101AFI20221207BHJP
G02F 1/377 20060101ALI20221207BHJP
G02F 1/39 20060101ALI20221207BHJP
【ＦＩ】
H01S3/10
G02F1/377
G02F1/39
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2021521576
(86)(22)【出願日】2019-05-27
(86)【国際出願番号】 JP2019020823
(87)【国際公開番号】W WO2020240643
(87)【国際公開日】2020-12-03
【審査請求日】2021-09-15
(73)【特許権者】
【識別番号】000004226
【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001243
【氏名又は名称】弁理士法人谷・阿部特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】風間 拓志
(72)【発明者】
【氏名】柏崎 貴大
(72)【発明者】
【氏名】忠永 修
(72)【発明者】
【氏名】圓佛 晃次
(72)【発明者】
【氏名】笠原 亮一
(72)【発明者】
【氏名】梅木 毅伺
(72)【発明者】
【氏名】小勝負 信建
【審査官】村井 友和
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１９－００４２５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－００２９７５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－２０７３６２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｓ ３／１０
Ｇ０２Ｆ １／３９
Ｇ０２Ｆ １／３７７
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
信号光および当該信号光のアイドラ光の信号対を増幅する光位相感応増幅のための励起光を発生する装置であって、局部発振光を変調して生じた複数のサイドバンド光に対して、光位相同期ループ（ＯＰＬＬ）によって前記信号対の位相に同期した複数のサイドバンド光を生成する光位相同期部と、
前記同期した複数のサイドバンド光の内の１つのサイドバンド光を励起光として抽出する励起光切り出し部であって、
前記局部発振光の第二高調波を生成する第１の二次非線形光学素子と、
前記同期した複数のサイドバンド光に対して、サイドバンド光毎に位相を調整する位相調整器と、
前記位相を調整されたサイドバンド光をパラメトリック増幅する第２の二次非線形光学素子と、
前記第二高調波の位相および前記第２の二次非線形光学素子によって増幅される１つのサイドバンド光の位相を同期させる手段と、
前記１つのサイドバンド光のみを抽出する光フィルタと
を備えた励起光切り出し部と
を備えたことを特徴とする装置。
【請求項2】
前記位相調整器は、前記１つのサイドバンド光に対して、前記第２の二次非線形光学素子において増幅動作となるように、前記第二高調波との間の位相を設定し、
前記１つのサイドバンド光を除いた他のサイドバンド光および前記局部発振光に対して、前記第２の二次非線形光学素子において減衰動作となるように、前記第二高調波との間の位相を設定するよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記光位相同期部は、前記信号対から、和周波光を生成する第３の二次非線形光学素子と、
前記局部発振光を変調して、前記複数のサイドバンド光を生じる変調器と、
前記変調器からの前記サイドバンド光の第二高調波を生成する第４の二次非線形光学素子と、
前記複数のサイドバンド光の内の前記１つのサイドバンド光と、前記和周波光との位相差を検出し、前記位相差に応じて、前記変調器へフィードバックする位相同期手段と、
前記変調器の前段側で、前記局部発振光を分岐する第１の分岐器と、
前記変調器の後段側で、同期した前記複数のサイドバンド光を分岐する第２の分岐器と
を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項4】
前記１つのサイドバンド光は、前記局部発振光の高周波側の１次サイドバンド光であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の装置。【請求項5】
前記二次非線形光学素子に含まれる光導波路は、直接接合リッジ導波路であって、 前記直接接合リッジ導波路は、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１－ｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１）、またはＫＴｉＯＰＯ４のいずれかの材料、または、
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請求項１乃至４いずれかに記載の装置。
【請求項6】
請求項１乃至５いずれかに記載の装置と、前記励起光切り出し部によって生成された前記励起光から第二高調波を生成する第５の二次非線形光学素子と、
前記信号対の非縮退パラメトリック増幅を行う第６の二次非線形光学素子と、
前記信号対の位相と、前記励起光の位相を同期させる位相同期手段と
を含む位相感応増幅器と
を備えたことを特徴とする中継型光増幅装置。
【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。
【背景技術】
【0002】
従来技術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等の問題があった。
【0003】
この問題を解決するため、光信号を光のままで増幅するレーザ増幅器が登場し、さらに良好な伝送品質が期待できる位相感応光増幅器（Phase Sensitive Amplifier：ＰＳＡ）が検討されている。このＰＳＡは、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持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、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。
【0004】
図１は、従来のＰＳＡの基本的な構成を示す。図１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１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。
【0005】
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―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しない。また同相の成分に関しても信号光のもつ雑音以上に過剰な自然放出光を発生しないため、つまりＳ／Ｎ比を劣化させずに信号光１１０の増幅が可能になる。
【0006】
このような信号光１１０および励起光１１１の位相同期を達成するため、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１０２では、上記の原理によってＳ／Ｎ比の劣化のない光増幅が実現される。
【0007】
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良い。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。
【0008】
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（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。
【0009】
図２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技術のＰＳＡの構成を例示する。図２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及び第２の二次非線形光学素子２０２、２０４と、第１及び第２の光分岐部２０３－１、２０３－２と、位相変調器２０５と、ＰＺＴ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。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、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。
【0010】
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。
【0011】
図２に示した例では、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、一方は第２の二次非線形光学素子２０４に入射する。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２高調波（ＳＨ光：Second Harmonics）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。
【0012】
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の位相と励起光の位相とが一致するか、または、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とが次の（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。
【0013】
Δφ＝１／２（φ2ωs－φωs）＝ｎπ （式１）
図３は、二次非線形光学効果を利用したＰＳＡにおける、入力信号光‐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。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。
図３は、二次非線形光学効果を利用したＰＳＡにおける、入力信号光‐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。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。
【0014】
図２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の一部を分岐して検出器２０８で検波する。このパイロット信号成分は、図３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。したがって、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。このようなフィードバック動作により、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。
【0015】
ＰＰＬＮ導波路を非線形媒質として用い、信号光２５０および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上述の構成では、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。これにより、ＳＨ光２５２および信号光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。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。
【0016】
ＰＳＡは強度雑音が少ないだけでなく、位相雑音を低減させる効果を持つことから、光通信における中継増幅器や受信器の前置増幅器として用いると、伝送路の非線形歪等の低減が可能であり、光信号品質の改善に効果的である。非特許文献２は、縮退パラメトリック過程を用いたＰＳＡの中継増幅の構成例を開示している。
【0017】
一方、上述の縮退パラメトリック過程を用いた位相感応増幅は図３に示したように、直交する位相成分を減衰させる特性を有している。このため、通常の強度変調信号や二値の位相変調を用いるＩＭＤＤ、ＢＰＳＫ、ＤＰＳＫ等の変調信号の増幅に対してのみ用いることができる。また、縮退パラメトリック過程を用いた位相感応増幅は、１波長の信号光のみしか位相感応増幅することができない。ＰＳＡを光通信技術に適用するためには、多値変調フォーマット・波長多重信号等、種々の光信号への対応が可能な構成が必要である。非特許文献３は、予め信号光の対となる位相共役光を用意し、ＰＰＬＮ等の非線形媒質への入力光とする非縮退のパラメトリック増幅に基づく構成を開示している。
【0018】
ここで、ＰＳＡを光通信に適用する場合のより具体的な位相同期の手法に着目する。図２で示した基本構成のように、ＰＳＡが光信号の送信器の直後に配置され、信号光を発生する光源が位相感応光増幅部の近くにある場合、信号光用光源の出力の一部を分岐して励起光として利用できる。しかしながら、光伝送における中継増幅器としてＰＳＡを用いる場合は、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、信号の搬送波位相と同期した励起光を生成する必要がある。ＰＳＡを光伝送における中継増幅器として用いる場合は、搬送波位相の抽出方法を含めてＰＳＡを構成することが重要となる。
【0019】
ＰＳＡを中継増幅器に適用する構成としては、変調信号のキャリア位相と同じ位相をもつ連続波（ＣＷ）のパイロットトーンを利用する構成（非特許文献４）が知られている。信号光とともにパイロットトーンを光ファイバ伝送路に送り出し、中継増幅地点に設置した局部発振光に光注入同期をすることで、信号光と位相同期した局部発振励起光を生成できる。しかいながらこの構成では、信号光と同送するパイロットトーンが信号帯域の一部を占有し、帯域利用効率を落としてしまう問題があった。ＣＷ光を同送することでファイバ中の四光波混合による不要な変換光が発生し、信号品質を劣化させる問題もあった。
【0020】
中継増幅器適用への別構成として光位相同期ループ(ＯＰＬＬ：Optical Phase Lock Loop)を用いた構成が提案されている（非特許文献５）。このＯＰＬＬの構成ではパイロットトーンを必要とせず、変調された信号光から搬送波位相の抽出を行っているため、帯域利用効率を落とさずにＰＳＡを中継増幅器へ適用できる。
【0021】
図４は、従来技術のＯＰＬＬを用いた中継型ＰＳＡの構成図である。中継型ＰＳＡ３００は、主な構成要素として、励起光３２７を生成する局部発振位相同期回路３０１およびＰＳＡ３０２を含む。信号光３０４の一部はカプラ３０６によってタップされ、ＢＰＦ３０７およびＥＤＦＡ３０８を経て、局部発振位相同期回路３０１の第１の二次非線形光学素子３０９に入力される。局部発振光源３０３からの局部発振光３２５は、ＥＤＦＡ３１５を経て、後述するＬＮ位相変調器３１４に入力される。局部発振位相同期回路３０１は、タップされた信号光から以下に述べるように、信号光３０４と位相同期した励起光３２６を生成するよう動作する。
【0022】
図５は、図４のＯＰＰＬの各部における信号光等の光周波数スペクトルを模式的に説明する図である。以下、図４および図５を交互に参照しながら、中継型ＰＳＡ３００の動作を説明する。図４における信号光３０４は、図５に示したように位相変調を受けた信号光φｓおよび位相共役光（アイドラ光）φｉの対４００からなる。信号光の送信源において、ポンプ光φｐｕｍｐを使用して信号光φｓおよび位相共役光φｉの対４００が生成されて、信号光３０４として、光伝送路へ送信される。以下の説明では、φは各信号等の光周波数を示している。
【0023】
図４に戻ると、伝搬してきた信号光３０４は光カプラ３０６によってタップされ、ＢＰＦ３０７経て、ＥＤＦＡ３０８によって強度を復元した後、第１の二次非線形光学素子３０９に入力される。第１の二次非線形光学素子３０９では、２次の非線形媒質（ここではＰＰＬＮ）内の和周波発生機構（ＳＦＧ：Sum Frequency Generation）によって上述の信号光および位相共役光の対４００から和周波光３２０（Sum Frequency:φＳＦ）を生成する。ＳＦＧ過程による信号光および位相共役光の対から和周波光の生成は、図５においてφＳＦ４０１として示されている。図５に示したように和周波光の光周波数φＳＦは、ポンプ光の光周波数φｐｕｍｐの２倍、すなわち２φｐｕｍｐとなっている。このとき、信号光φｓおよび位相共役光φｉのＳＦＧ過程により、位相変調成分がキャンセルされ、搬送波位相が再生された和周波光φＳＦ４０１が生成される。すなわち、第１の二次非線形光学素子３０９によって、データ変調された信号光３０４から得られる和周波光φＳＦ４０１では、送信源において信号光を生成するために使用された搬送波の位相情報が再生される。
【0024】
局部発振器（Ｌｏ）３０３から生成された局部発振光３２５は、以下さらに述べるＯＰＬＬにおいて、搬送波位相が抽出された和周波光φＳＦ４０１と同期した励起光を生成するために利用される。局部発振光３２５は、ＥＤＦＡ３１５で増幅された後、ＬＮ変調器３１４によって例えば位相変調を受ける。図５のスペクトルに示したように、局部発振光φＬＯには、その光周波数φＬＯの上下に、変調による複数のサイドバンド光（側波）４０３、すなわち光周波数φＬ－１、φＬ＋１、φＬ－２、φＬ＋２等の成分が生じる。
【0025】
これらのサイドバンド光の内、高周波数側の１次のサイドバンド光φＬ＋１を、第２の二次非線形光学素子３１０の２次の非線形媒質（ＰＰＬＮ）内における第二高調波発生過程（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）によって、第二高調波（ＳＨ）光に変換する。図５のスペクトルを再び参照すれば、第２の二次非線形光学素子３１０のＳＨＧ過程によって、１次のサイドバンド光φＬ＋１から、そのＳＨ光φＳＨ（＝２φＬ＋１）４０２が生成される。上述の搬送波位相の情報を有する和周波光φＳＦ４０１と、ＳＨ光φＳＨ４０２とが同じ光周波数を持つように、局部発振光３２５の光周波数およびＬＮ変調器３１４の変調周波数が選択される。
【0026】
バランスドディテクタ３１１によって、上述の和周波光φＳＦ４０１およびＳＨ光φＳＨ４０２の間で、周波数および位相が比較される。バランスドディテクタ３１１からは、周波数および位相差に応じた交流の検波出力３２２が得られ、さらにループフィルタ３１２によって低速の誤差信号３２３が得られる。誤差信号３２３は、ＶＣＯ３１３の制御信号として入力される。ＶＣＯ３１３からの発振出力３２４は、上述のＬＮ変調器３１４へ、サイドバンド光を生成させるための変調信号として供給される。このように、ＬＮ変調器３１４、バランスドディテクタ３１１、ループフィルタ３１２、ＶＣＯ３１３の経路によって、ＯＰＰＬのフィードバックループが形成される。和周波光φＳＦ４０１およびＳＨ光φＳＨ４０２の間の周波数差、位相差を解消するようにＶＣＯ３１３の出力周波数が調整され、１次のサイドバンド光φＬ＋１の光周波数および位相が変化する。結果として、和周波光φＳＦ４０１の光周波数および位相と同期した１次のサイドバンド光φＬ＋１が得られる。
【0027】
位相同期した１次のサイドバンド光φＬ＋１を含む変調された局部発振光は、ＬＮ変調器３１４の出力側で分岐され、分岐光３２６から、ＢＰＦ３１６によって図５に示したように１次のサイドバンド光φＬ＋１のみが切り出される。位相同期したサイドバンド光φＬ＋１は、ＥＤＦＡ３１７によって強度を回復されて、位相同期した励起光３２７として、ＰＳＡ３０２に供給される。
【0028】
上述の局部発振位相同期回路３０１の動作は、次のように要約できる。第１に、第１の二次非線形光学素子３０９のＳＦＧ過程によって、和周波光φＳＦ４０１において信号光３０４の平均位相が抽出される。第２に、和周波光φＳＦ４０１と、局部発振光３２５の１次のサイドバンド光φＬ＋１から生成したＳＨ光φＳＨとの位相差に基づいた誤差信号３２３を生成する。第３に、誤差信号３２３によってＶＣＯ３１３を制御して、１次のサイドバンド光φＬ＋１の光周波数を制御し、和周波光φＳＦ４０１と位相同期させる。第４に、位相同期した１次のサイドバンド光φＬ＋１のみをＢＰＦ３１６で切り出して、強度を回復してＰＳＡの励起光を生成する。
【0029】
上述のようにＯＰＬＬによって得られた励起光を利用することで、ＰＳＡ３０２を中継増幅器に適用できる。上述の１次のサイドバンド光φＬ＋１の切り出しの精度が十分でない場合、本来不要な基本波光φＬ０や２次のサイドバンド光φＬ＋２が発生する高調波励起光成分が、ＰＳＡ３０２における信号光増幅時に雑音となって重畳してしまう。このため、ＯＰＬＬにおける一次のサイドバンド光は、隣接する不要な基本波φＬＯおよびサイドバンド光のレベルを十分に減衰させて、十分なレベル差（コントラスト）で切り出す必要がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0030】
【文献】T. Umeki, O. Tadanaga, A. Takada and M. Asobe, "Phase sensitive degenerate parametric amplification using directly-bonded PPLN ridge waveguides," Optics Express, 2011, Vol.19, No.7, p.6326-6332
【文献】Takeshi Umeki, Masaki Asobe, and Hirokazu Takenouchi,“In-line phase sensitive amplifier based on PPLN waveguides,” Optics Express, May 2013, Vol.21, No.10, p.12077-12084
【文献】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, PDP paper PD2-3
【文献】M. Abe, T. Kazama, T. Umeki, K. Enbutsu, Y. Miyamoto, and H. Takenouchi, “PDM-QPSK WDM Signal amplification using PPLN-based polarization-independent in-line phase-sensitive amplifier,”in Proc. 42nd European Conference on Optical Communication (ECOC’16), 2016, paper W.4.P1.SC2.4
【文献】Y. Okamura et al., “Optical pump phase locking to a carrier wave extracted from phase-conjugated twin waves for phase-sensitive optical amplifier repeaters,” 2016年, Opt. Exp., vol. 24, no. 23, pp. 26300-26306
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0031】
しかしながら、図４に示したＯＰＬＬにより励起光を生成して中継増幅器としてＰＳＡを動作させる従来技術の構成では、以下に述べるような問題点があった。図４のＰＳＡにおいて低雑音性を担保するためには、信号光に対してＳＮ比の良い励起光３２７が要求される。励起光３２７のＳＮ比が悪かったり、励起光のレベルに不安定性があったりすると、増幅された信号光の品質が低下する。一例を挙げれば、励起光のパワー変動は、ＰＳＡの利得に直接影響を与える。
【0032】
図６は、ＰＳＡにおける励起光強度と利得との関係を示す図である。横軸に励起光強度を、縦軸にＰＳＡの利得を示している。ＰＳＡの増幅利得は次式のように記述され、励起光の強度によって増幅利得が決まる。
ＧPSA＝(exp(ηＰ))1/2 （式２）
ＧPSA＝(exp(ηＰ))1/2 （式２）
【0033】
上式において、ＧPSAはＰＳＡの利得、ηはＰＰＬＮの効率、Ｐは励起光強度である。増幅に用いる励起光が雑音成分を持っている場合、励起光と雑音光の間のビートにより励起光強度に揺らぎが発生する。図６に模式的に示したように、ＰＳＡの増幅利得は励起光の強度によるため、励起光強度に揺らぎがあると増幅された出力光にも揺らぎが移ってしまう。（式２）から明らかなように、増幅利得ＧPSAは励起光強度Ｐに対して指数関数状に増加するため、増幅利得ＧPSAが大きいほど出力光の揺らぎが増大されてしまう。このため、励起光のＳＮ比が十分に確保できていないと、ＰＳＡ本来の低雑音性を活かすことができない。より正確に言えば、増幅したい信号光のＳＮ比に対して励起光のＳＮ比が十分に良くないと低雑音増幅ができない。したがって、信号光の低雑音な光増幅のためには、励起光のＳＮ比を十分に小さく抑えて、励起光の品質を維持しなければならない。
【0034】
光感応増幅において理想的には、図２に示した基本構成のように、光源から出力された光２５０をそのまま励起光として用いることが望ましい。しかしながら図４に示したようなＯＰＬＬによって励起光を生成する構成では、ＬＮ変調器３１４を通過後のサイドバンド光を励起光として用いている。このために、変調によって生じる大きな光損失だけでなく、変調器そのものの挿入損失や、サイドバンド光を切り出すためのフィルタによる損失によって、励起光のレベルは低下する（Ｓの減少）。さらには、励起光のレベルを回復するためのＥＤＦＡ３１７による過剰雑音の累積が生じる（Ｎの増加）。これらの影響により、ＰＳＡ３０２に供給される位相同期した励起光３２７のＳＮ比を十分に高く保つことができなかった。結果として、このようなＳＮ比が低下した励起光を用いても、ＳＮ比が良く信号品質の良い信号光に対しては、励起光が低品質であるがために低雑音な増幅ができない問題があった。
【0035】
本発明は、このような問題を鑑みてなされたものであって、中継型ＰＳＡにおいてＳＮ比の高い励起光を生成する構成を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0036】
本開示の１つの実施態様は、信号光および当該信号光のアイドラ光の信号対を増幅する光位相感応増幅器のための励起光を発生する装置であって、局部発振光を変調して生じた複数のサイドバンド光に対して、光位相同期ループ（ＯＰＬＬ）によって前記信号対の位相に同期した複数のサイドバンド光を生成する光位相同期部（５０１）と、前記同期した複数のサイドバンド光の内の１つのサイドバンド光を励起光として抽出する励起光切り出し部（６００）であって、前記局部発振光の第二高調波（６１０）を生成する第１の二次非線形光学素子（６０２）と、前記同期した複数のサイドバンド光に対して、サイドバンド光毎に位相を調整する位相調整器（６０６）と、前記位相を調整されたサイドバンド光をパラメトリック増幅する第２の二次非線形光学素子（６０３）と、前記第二高調波の位相および前記第２の二次非線形光学素子によって増幅される１つのサイドバンド光の位相を同期させる手段（６０４、６０５）と、前記１つのサイドバンド光のみを抽出する光フィルタとを備えた励起光切り出し部とを備えたことを特徴とする装置である。
【0037】
好ましくは、前記位相調整器は、前記１つのサイドバンド光に対して、前記第２の二次非線形光学素子において増幅動作となるように、前記第二高調波との間の位相を設定し、前記１つのサイドバンド光を除いた他のサイドバンド光および前記局部発振光に対して、前記第２の二次非線形光学素子において減衰動作となるように、前記第二高調波との間の位相を設定するよう構成される。
【0038】
前記光位相同期部（５０１）は、前記信号対から、和周波光を生成する第３の二次非線形光学素子（５０９）と、前記局部発振光を変調して、前記複数のサイドバンド光を生じる変調器（５１４）と、前記変調器からの前記サイドバンド光の第二高調波を生成する第４の二次非線形光学素子（５１０）と、前記複数のサイドバンド光の内の前記１つのサイドバンド光と、前記和周波光との位相差を検出し、前記位相差に応じて、前記変調器へフィードバックする位相同期手段（５１１、５１２、５１３）と、前記変調器の前段側で、前記局部発振光を分岐する第１の分岐器（５１６）と、前記変調器の後段側で、同期した前記複数のサイドバンド光を分岐する第２の分岐器（５１７）とを含むことができる。
【0039】
前記１つのサイドバンド光は、前記局部発振光の高周波側の１次サイドバンド光であり得る。また、低周波側の１次サイドバンド光、さらに、２次のサイドバンド光でも良い。
【0040】
好ましくは、前記二次非線形光学素子に含まれる光導波路は、直接接合リッジ導波路であって、前記直接接合リッジ導波路は、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂ（ｘ）Ｔａ（１－ｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１）、またはＫＴｉＯＰＯ４のいずれかの材料、または、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ができる。
【0041】
本開示の別の実施態様は、前記励起光切り出し部によって生成された前記励起光から第二高調波を生成する第５の二次非線形光学素子と、前記信号対の非縮退パラメトリック増幅を行う第６の二次非線形光学素子と、前記信号対の位相と、前記励起光の位相を同期させる位相同期手段とを含む位相感応増幅器とを備えたことを特徴とする中継型光増幅装置であり得る。
【発明の効果】
【0042】
中継型ＰＳＡにおいてＳＮ比の高い励起光を生成する構成を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0043】
【図1】従来技術の位相感応光増幅器の構成の説明図である。
【図2】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図である。
【図3】入力信号光－励起光間の位相差Δφと利得との関係を示すグラフである。
【図4】従来技術の光位相同期ループを用いた中継型ＰＳＡの構成図である。
【図5】ＯＰＰＬ各部における信号光等のスペクトルを模式的に説明する図である。
【図6】励起光強度とＰＳＡ利得の関係を示す図である。
【図7】本開示に係るＯＰＬＬを利用した光増幅装置の構成を示す図である。
【図8】励起光生成装置における各サイドバンド光への作用を説明する図である。
【図9】ＰＰＬＮ導波路モジュールにおける利得飽和特性を説明する図である。
【図10】入力信号光のＳＮ比と中継型ＰＳＡの雑音指数の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0044】
以下の説明においては、ＳＮ比の良好な励起光をＰＳＡに提供する励起光生成装置の構成が開示される。さらに、励起光生成装置を含むＰＳＡの中継増幅器の構成も示される。以下の開示には、励起光生成装置、および、励起光生成装置を含む光増幅装置、光伝送システムを含む。より具体的には、ＯＰＬＬを用いて生成された励起光に対して、光感応増幅機能を利用して、励起光のＳＮ比を高い状態に保つ励起光生成装置が開示される。この励起光生成装置から供給される低雑音な励起光を使用した、中継型ＰＳＡとしての動作が開示される。
【0045】
図７は、本開示に係るＯＰＬＬを利用した光増幅装置５００の構成を示す図である。光増幅装置５００は、主な構成要素として、ＰＳＡ５０２、ＯＰＬＬによって信号光に同期した励起光を生成する光位相同期部５０１、および、励起光切り出し部６００を備える。ＰＳＡ５０２および光位相同期部５０１の構成および動作は、図４に示した従来技術の構成と概ね同じである。励起光切り出し部６００は、光位相同期部５０１から得られるＯＰＬＬによって位相同期した励起光を高いＳＮ比に保ち、低雑音の励起光をＰＳＡ５０１へ供給する。励起光切り出し部６００は、ＰＳＡの機能およびバンドパスフィルタの機能を有し、図４におけるＢＰＦ３１６が励起光切り出し部６００によって置き換えられる。光位相同期部５０１および励起光切り出し部６００は、励起光生成装置として動作することになる。
【0046】
以下、図７を参照しながら光増幅装置５００の各構成要素の構成および動作を説明する。上述のように光位相同期部５０１の構成は、図４の従来技術のＯＰＬＬ構成における局部発振位相同期回路３０１の構成と概ね同一であり、相違点について詳述する。信号光５０４は、光カプラ５０６によってタップされ、ＢＰＦ５０７、ＥＤＦＡ５０８を経て、第３の二次非線形光学素子（ＰＰＬＮ－３）５０９に入力される。局部発振光源５０３からの局部発振光５２５は、ＥＤＦＡ５１５を経由して、ＬＮ変調器５１４に入力される。ＬＮ変調器の変調された励起光は、第４の二次非線形光学素子（ＰＰＬＮ－４）５１０に入力される。
【0047】
ここで、ＬＮ変調器５１４の前後には、光カプラ５１６、５１７を備えている点で、図４の構成と相違する。前段の光カプラ５１６は、局部発振光すなわち励起光の０次成分を分岐して、０次成分光５２６を励起光切り出し部６００へ供給する。後段の光カプラ５１７は、１次のサイドバンド光を含む変調を受けた局部発振光を分岐して、変調された局部発振光５２７を励起光切り出し部６００へ供給する。これらの分岐された信号は、さらに励起光切り出し部６００の動作とともに後述する。
【0048】
バランスドディテクタ５１１からは検波出力５２２が得られ、さらに検波出力５２２からループフィルタ５１２によって低速の誤差信号５２３が得られる。誤差信号５２３は、ＶＣＯ５１３の制御信号として入力される。ＶＣＯ５１３からの発振出力５２４は、上述のＬＮ変調器５１４へ、サイドバンド信号を生成させるための変調信号として供給される。ＯＰＬＬの動作は、図４の場合と同じであり、説明は省略する。
【0049】
励起光切り出し部６００は、第１の二次非線形光学素子（ＰＰＬＮ－１）６０２および第２の二次非線形光学素子（ＰＰＬＮ－２）６０４を備えている。いずれも例えばＰＰＬＮ導波路モジュールであって、後述するように光位相同期部５０１からの１次サイドバンド光による励起光のＳＮ比を維持するように動作する。前述のＬＮ変調器５１４前段で分岐された０次成分光５２６は、ＥＤＦＡ６０１およびＢＰＦ６１４を経て、ＳＨＧ過程によりＳＨ帯の励起光を生成する第１の二次非線形光学素子（ＰＰＬＮ－１）６０２に入力される。第１の二次非線形光学素子６０２では、ＳＨＧ過程によって、０次成分光５２６のＳＨ光６１０が生成される。
【0050】
前述のＬＮ変調器５１４の後段で分岐された変調された局部発振光５２７は、ピエゾ型光ファイバ伸長器（ＰＺＴ）６０５、位相調整器６０６を経由して、第２の二次非線形光学素子（ＰＰＬＮ－２）６０３に入力される。第２の二次非線形光学素子６０３は、光パラメトリック増幅過程（ＯＰＡ：Optical Parametric Amplifier）によって、位相調整された１次のサイドバンド光６１１を位相感応増幅動作する。増幅された１次のサイドバンド光６１２は、ＢＰＦ６０８によって、１次のサイドバンド光のみが切り出されて、励起光としてＥＤＦＡ５１８に入力される。
【0051】
増幅された１次のサイドバンド光６１２は、光カプラ６０７によって分岐され、光検出器６０９によって検波信号が得られる。検波信号は、位相同期回路（ＰＬＬ）６０４にフィードバックされる。光感応増幅された出力を検波する光検出器６０９、ＰＬＬ６０４、ＰＺＴ６０５の経路は、図２で説明した位相同期回路の構成と同一である。
【0052】
励起光切り出し部６００は、ＬＮ変調器５１４の前段で分岐した励起光の０次成分光５２６すなわち励起光のキャリア成分を、第２の二次非線形光学素子６０３によるパラメトリック増幅の励起光として用いている。これによって、ＬＮ変調器５１４の後段で分岐した変調された局部発振光５２７のすべての成分を一括で位相感応増幅することが可能である。すなわち第２の二次非線形光学素子６０３において、局部発振光５２７の０次成分に対する縮退位相感応増幅および局部発振光５２７の０次以外の成分に対する非縮退位相感応増幅を同時に利用している。最終的に励起光６１３として使用される１次のサイドバンド光は、ＬＮ変調器５１４により得られたものではあるが、第２の二次非線形光学素子６０３におけるパラメトリック増幅動作によってＳＮ比劣化を最低限に抑えた状態で、ＰＡＳ５０２に供給される。
【0053】
上述のように本開示の励起光生成装置においては、光位相同期部５０１および励起光切り出し部６００で、４つの二次非線形光学素子（ＰＰＬＮ導波路モジュール）を用いている。これらの内、第３の二次非線形光学素子５０９（ＰＰＬＮ－３）、第４の二次非線形光学素子５１０（ＰＰＬＮ－４）、第１の二次非線形光学素子６０２（ＰＰＬＮ－１）は、ＳＨ光発生に用いられる。第２の二次非線形光学素子６０３（ＰＰＬＮ－２）のみがパラメトリック増幅に用いられる。ＳＨ光発生のための３つの二次非線形光学素子（ＰＰＬＮ－１、ＰＰＬＮ－３、ＰＰＬＮ－４）はそれぞれ、ＰＰＬＮ導波路、および、その前後に第１の空間光学系および第２の空間光学系を備えている。第１の空間光学系はＰＰＬＮ導波路モジュールに入力された光をＰＰＬＮ導波路に結合し、第２の空間光学系はＰＰＬＮ導波路から出力された光をＰＰＬＮ導波路モジュールの出力ポートに結合する。
【0054】
パラメトリック増幅のための二次非線形光学素子（ＰＰＬＮ－２）は、ＰＰＬＮ導波路、および、その一方に第３の空間光学系と第１のダイクロイックミラー、他方に第４の空間光学系と第２のダイクロイックミラーを備える。第３の空間光学系はＰＰＬＮ導波路モジュールに入力された光を第１のダイクロイックミラーを介してＰＰＬＮ導波路に結合し、第４の空間光学系はＰＰＬＮ導波路から出力された光を第２のダイクロイックミラーを介してＰＰＬＮ導波路モジュールの出力ポートに結合する。
【0055】
本開示の励起光生成装置で用いたＰＰＬＮ導波路の作製方法を以下に例示的に説明する。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℃の熱処理によって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。この光導波路はペルチェ素子により温度調整が可能であり、光導波路の長さは、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の形態として構成した。本開示では、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）もしくはＫＴｉＯＰＯ４、またはそれらに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良い。
【0056】
次に、図７に示した励起光生成装置を含む光増幅装置５００の動作について、さらに詳細に説明する。光位相同期部５０１については、図４に示した従来技術のＯＰＬＬ構成における局部発振位相同期回路３０１の動作と同じである。具体的な動作条件を述べれば、ＬＮ変調器５１４に対して約２０ＧＨｚのＳｉｎ波状の電気信号によって局部発振光５２５の変調を行った。すなわちＶＣＯ５１３は、入力誤差電圧（ＶＣＯ制御電圧）５２３の中央値近辺で、約２０ＧＨｚの電気信号５２４を出力する。
【0057】
ＬＮ変調器５１４は、ＬｉＮｂＯ３結晶のポッケルス効果による屈折率変化を利用した光変調器であり、ＤＦＢレーザなどのＣＷ光を変調する外部変調器として広く使用されている。本開示ではＬＮ変調器５１４として強度変調器を用いているが、位相変調器を用いても良い。光増幅装置５００の各部の光周波数の一例を挙げれば、データ変調を受けた信号光の光周波数は１９３．１ＴＨｚ、アイドラ光の光周波数は１９２．９ＴＨｚ、局部発振光の光周波数は１９３ＴＨｚであり得る。
【0058】
図４に示した従来技術の構成では、位相同期した励起光として１次のサイドバンド光φＬ＋１をＢＰＦ３１６によって切り出して利用していた。変調後に得られる各サイドバンド光の強度は、変調器損失のために低下していた。さらに、サイドバンド光のうちの１次のサイドバンド光φＬ＋１のみを励起光として用いるために、フィルタ３１６により切り出していた。十分な不要光の減衰を得るためには、サイドバンド光φＬ＋１を含む透過域の損失が大きくなり、励起光の強度が低下していた。励起光の強度の補償のためにＥＤＦＡ１７で増幅をしていたため、最終的な励起光３２７のＳＮ比を大きく劣化させていた。
【0059】
これとは対照的に、図７の本開示の励起光生成装置の構成では、ＬＮ変調器３０４を介した生成された励起光（１次のサイドバンド光）を、励起光切り出し部６００の第２の二次非線形光学素子６０３により位相感応増幅することで過剰なＳＮ比劣化を回避できる。ＬＮ変調器５１４の前段側から、局部発振光、すなわち励起光のキャリア成分である０次成分光を分岐して、分岐された０次成分光５２６をパラメトリック増幅の励起光として用いる。これによって、ＬＮ変調器５１４の後段側から分岐された、変調された局部発振光５２７のすべての成分を一括で位相感応増幅している。励起光を第２の二次非線形光学素子６０３によって位相感応増幅することの意義は、２つある。
【0060】
第１の意義は、位相感応増幅の増幅動作および減衰動作を利用することで、二次非線形光学素子６０４にアンプおよびフィルタの両方の機能を担わせることができる点である。ＬＮ変調器３１４を介して生成されるサイドバンド光では、例えば図５を参照すれば、φＬ－１およびφＬ＋１、φＬ－２およびＬ＋２などの対となるサイドバンド光同士が位相同期している。このために、キャリア成分およびサイドバンド成分ともに位相感応増幅が可能である。ここで、図７の励起光生成装置では、位相感応増幅を実施する第２の二次非線形光学素子６０３（ＰＰＬＮ－２）の前段側に位相調整器６０６を備えている。
【0061】
図８は、本開示の励起光生成装置における各サイドバンド光に対する作用を模式的に説明する図である。図８の（ａ）は、励起光切り出し部６００の位相調整器６０６の直前における、変調された励起光のスペクトルを示している。０と表示された励起光の基本波成分が最大レベルを持ち、その両側に一次のサイドバンド光（＋１、－１）、二次のサイドバンド光（＋２、－２）が存在している。尚、カッコ内の数字は、サイドバンドの次数を示している。ここで、位相調整器６０６によって、一次のサイドバンド光（＋１、－１）については、第２の二次非線形光学素子６０３における利得が最大となるように、励起光であるＳＨ光６１０との関係で位相を調整する。図３のＰＳＡにおける利得および位相の関係を参照されたい。一方で、基本波成分および二次のサイドバンド光（＋２、－２）については、第２の二次非線形光学素子６０３における利得最小、すなわち減衰最大となるように、ＳＨ光６１０との関係で位相を調整する。
【0062】
位相調整器６０６は、様々なものを利用できるが、一例を挙げれば、ＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）を用いた波長選択性のあるフィルタを利用できる。ＬＣＯＳによるフィルタでは、波長ごとに減衰量と位相回転量の調整ができる。他に、位相調整器として波長合分波器と位相変調器を組み合わせたものも利用できる。
【0063】
図８の（ｂ）は、第２の二次非線形光学素子６０３の出力におけるスペクトルを示している。本開示では、１次のサイドバンド光を中継増幅用のＰＳＡ５０２の励起光として利用するので、励起光切り出し部６００では、１次のサイドバンド光（＋１、－１）のみを増幅動作させ、励起光として切り出す。第２の二次非線形光学素子６０３によって切り出したいサイドバンド光のみを増幅動作させ、残りのサイドバンド光等を減衰動作させるように、位相調整器６０６を用いて、変調された局部発振光５２７のサイドバンド光の成分毎に位相調整する。これによって、過剰な光損失を生じることなく、所望のサイドバンド光と他の成分との間で強度差を大きく取ることができる。
【0064】
具体的には、第２の二次非線形光学素子６０３による位相感応増幅の増幅利得は２０ｄＢであり、一方で減衰動作時は第２の二次非線形光学素子６０３で－１５ｄＢの減衰が得られる。したがって、所望の１次のサイドバンド光と、不要な他のサイドバンド成分との間で約３５ｄＢ以上の強度差（コントラスト）を取ることができた。光パワーのコントラストをさらに大きくとるため、第２の二次非線形光学素子６０３の後段にバンドパスフィルタ６０８を設置した。この結果、図８の（ｃ）に示したように励起光切り出し部６００の全体で、所望の励起光の光強度と不要なサイドバンド成分光強度とのレベル差は５０ｄＢであった。
【0065】
励起光を二次非線形光学素子によって位相感応増幅する第２の意義は、パラメトリック増幅の利得飽和現象を利用できる点である。パラメトリック増幅においては、増幅するためのエネルギー源となる励起光の光強度以上の増幅出力は得られない。このため、増幅したい光が励起光の光強度に近づくと利得飽和が発生する。
【0066】
図９は、ＰＰＬＮ導波路モジュールにおける利得飽和特性を説明する図である。図７における第２の二次非線形光学素子６０３について、位相整合状態における光周波数１９３．１ＴＨｚの光に対する入出力特性を示している。増幅する光の入力パワーが０ｄＢｍ付近で、出力パワーの増加が止まり、利得が飽和している。利得飽和領域では、入力光パワーに対して、出力される光パワーが一定となるため、図６において説明したポンプ光の時間揺らぎを大幅に減らすことができる。一般にレーザ光出力の時間変動は、強度雑音としても知られている。図７の励起光切り出し部６００において、利得飽和領域で１次のサイドバンド光を増幅することで、強度雑音が圧縮され、第２の二次非線形光学素子出力における増幅された１次のサイドバンド光６１２のＳＮ比、すなわち励起光のＳＮ比を改善する。すなわち、利得飽和領域では、入力光パワーに対して、出力される光パワーが一定となるため、強度揺らぎが圧縮されて励起光の品質を改善する。この利得飽和領域を用いるため、第２の二次非線形光学素子６０３へ入力させる励起光のパワーが０ｄＢｍ以上となるように、局部発振光源５０３の直後のＥＤＦＡ５１５にて局部発振光の出力パワーを調整している。
【0067】
以上述べたように、励起光を二次非線形光学素子によって位相感応増幅する励起光切り出し部６００は、位相感応増幅の増幅動作および減衰動作の２つの作用を利用することで、過剰な損失なく励起光の１次のサイドバンド光を切り出すことができる。変調器５１４による強度の低下（Ｓの低下）やＥＤＦＡによる雑音増加（Ｎの上昇）で生じる励起光のＳＮ比を抑えることができる。さらに、位相感応増幅の得飽和領域を用いることで、励起光強度の時間変動を圧縮し、励起光のＳＮ比および品質を改善することができる。
【0068】
励起光切り出し部６００において、第２の二次非線形光学素子６０３による位相感応増幅動作を安定化させるために、第２の二次非線形光学素子６０３の後段側に光カプラ６０７を設置し、一部の出力光を取り出す。第２の二次非線形光学素子のパラメトリック増幅の観点からは、ＳＨ光６１０が励起光であり、位相調整された１次のサイドバンド光６１１が増幅の対象となる光となる。光検出器６０９により光強度の変化を検出して、ＰＬＬ回路６０４を用いて、励起光であるＳＨ光６１０の位相と、増幅対象である１次のサイドバンド光６１１の位相とが同期するようにＰＺＴ６０５にフィードバックを掛けた。
【0069】
図１０は、入力信号光のＳＮ比と、中継型ＰＳＡの雑音指数の関係を示す図である。図４に示した従来技術の構成による励起光をＰＳＡに供給した場合を〇（白丸）、図７に示した本開示の励起光生成装置によって励起光をＰＳＡに供給した場合を●（黒丸）で示す。横軸には、入力信号光３０４、５０４のＳＮ比を示し、横軸は中継型ＳＡＥ３０２、５０２の雑音指数を示した。従来構成の構成で中継型ＰＳＡに励起光を供給した場合は、入力信号光のＳＮ比が３０ｄＢを越える辺りで、雑音指数が次第に劣化していくことがわかる。中継型ＰＳＡへの入力信号光の品質が向上しているにもかかわらず、ＰＳＡにおいて雑音が生じていることを意味している。これは、信号光のＳＮ比と比較して励起光のＳＮ比が十分に良くない結果である。言い換えれば、ＰＡＳを動作させるための励起光のＳＮ比が増幅する信号光のＳＮ比よりも常に良い状態でないと、ＰＳＡの低雑音性の特徴が十分に得られないことを意味している。
【0070】
一方、本開示の励起光生成装置によって励起光をＰＳＡに供給した場合は、入力信号光のＳＮ比が３８ｄＢに至るまで、ＳＮ比の値の如何にかかわらず、雑音指数は１ｄＢ余りの一定値を維持している。入力信号光の品質が良い場合も、その品質を維持したままで光感応増幅が可能となり、ＰＳＡを中継増幅器として使用する場合の雑音特性を大幅に改善していることが確認できる。
【0071】
上述の開示においては、ＬＮ変調器において励起光を生成するために局部発振光の高周波数側の１次のサイドバンド光を利用する例について説明してきた。これは１次のサイドバンド光の発生強度が大きく、扱いやすいからである。しかしながら、サイドバンド光として、低周波数側の１次のサイドバンド光を利用することもできるし、２次以上のサイドバンド光を利用することもできる。また、ＯＰＬＬにおけるＬＮ変調器に変調信号を供給するＶＣＯの中心発振周波数を２０ＧＨｚとしたが、これに限られない。
【0072】
以上、詳細に述べてきたように、本開示の励起光生成装置によって、ＯＰＬＬを用いたＳＮ比の十分に高い局部発振励起光を生成することで、中継型ＰＳＡにおいて、ＳＮ比の高い信号光に対してもＰＳＡ本来の低雑音動作が可能となる。本開示の励起光生成装置により大容量光伝送に必要なＳＮ比の向上のキーとなるＰＳＡの適用領域を拡げることができる。
【産業上の利用可能性】
【0073】
本発明は、通信に利用できる。より具体的には光通信システムに利用できる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】