特許 7568982 光増幅システム、光増幅装置及び光増幅方法

(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】2024-10-08

(45)【発行日】2024-10-17

(54)【発明の名称】光増幅システム、光増幅装置及び光増幅方法

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/39 20060101AFI20241009BHJP

   H04B 10/291 20130101ALI20241009BHJP

【ＦＩ】

G02F1/39

H04B10/291

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023522175

(86)(22)【出願日】2021-05-21

(86)【国際出願番号】 JP2021019408

(87)【国際公開番号】W WO2022244255

(87)【国際公開日】2022-11-24

【審査請求日】2023-09-25

(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】110001634

【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】清水 新平

(72)【発明者】

【氏名】風間 拓志

(72)【発明者】

【氏名】小林 孝行

(72)【発明者】

【氏名】宮本 裕

(72)【発明者】

【氏名】梅木 毅伺

【審査官】野口 晃一

(56)【参考文献】

【文献】特開平０７－０６４１３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２１９７４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０１９３５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】UMEKI et al.，Simultaneous nonlinearity mitigation in 92 × 180-Gbit/s PDM-16QAM transmission over 3840 km using P-based guard-band-less optical phase conjugation，Optics Express，米国，Optical Society of America，2016年07月25日，Vol.24, No.15，pp.16945-16951

【文献】UMEKI et al.，PDM Signal Amplification Using PPLN-Based Polarization-Independent Phase-Sensitive Amplifier，Journal of Lightwave Technology，IEEE，2015年04月01日，Vol.33, No.7，pp.1326-1332

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｆ １／００－１／１２５

１／２１－７／００

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

Ｓｃｏｐｕｓ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

縦続接続された複数の光増幅部を有する光増幅システムであって、
前記光増幅部は、
光信号を異なる二つの帯域の光信号に分割する帯域分割部と、
分割された光信号を互いに直交する２つの偏波成分に分離させる偏波分波部と、
前記偏波分波部によって分離された前記光信号と励起光とを合波する励起光合波部と、
光パラメトリック増幅過程を発生させ、前記光信号を増幅させる増幅媒体と、
前記増幅媒体によって増幅された前記光信号と前記励起光とを分離させる励起光分離部と、
分離された前記二つの偏波成分を合成する偏波合成部と、
分割された前記二つの帯域を合波する帯域合波部と、
を備え、
前記複数の光増幅部は、飽和出力電力が低く、飽和出力時の利得が高いものほど、より前段に配置されるように縦続接続される
光増幅システム。

【請求項2】

前記光増幅部によって増幅された前記光信号の利得特性を平坦化させる利得等化部
をさらに有する請求項１に記載の光増幅システム。

【請求項3】

前記光パラメトリック増幅過程で生じた不要な光成分を除去する帯域通過フィルタ
をさらに有する請求項１又は２に記載の光増幅システム。

【請求項4】

縦続接続された複数の光増幅媒体を有する光増幅装置であって、
光信号を異なる二つの帯域の光信号に分割する帯域分割部と、
分割された光信号を互いに直交する２つの偏波成分に分離させる偏波分波部と、
前記偏波分波部によって分離された前記光信号と励起光とを合波する励起光合波部と、
光パラメトリック増幅過程を発生させ、前記光信号を増幅させる第１の増幅媒体と、
前記光パラメトリック増幅過程を発生させ、前記第１の増幅媒体によって増幅された前記光信号を増幅させる第２の増幅媒体と、
前記第２の増幅媒体によって増幅された前記光信号と前記励起光とを分離させる励起光分離部と、
分離された前記二つの偏波成分を合成する偏波合成部と、
分割された前記二つの帯域を合波する帯域合波部と、
を備え、
前記複数の光増幅媒体は、飽和出力電力が低く、飽和出力時の利得が高いものほど、より前段に配置されるように縦続接続される
光増幅装置。

【請求項5】

飽和出力電力が低く、飽和出力時の利得が高いものほど、より前段に配置されるように縦続接続された複数の光増幅部を有する光増幅システムによる光増幅方法であって、
前記光増幅部が、光信号を異なる二つの帯域の光信号に分割する帯域分割ステップと、
前記光増幅部が、分割された光信号を互いに直交する２つの偏波成分に分離させる偏波分波ステップと、
前記光増幅部が、前記偏波分波ステップにおいて分離された前記光信号と励起光とを合波する励起光合波ステップと、
前記光増幅部が、光パラメトリック増幅過程を発生させ、前記光信号を増幅させる増幅ステップと、
前記光増幅部が、前記増幅ステップにおいて増幅された前記光信号と前記励起光とを分離させる励起光分離ステップと、
前記光増幅部が、分離された前記二つの偏波成分を合成する偏波合成ステップと、
前記光増幅部が、分割された前記二つの帯域を合波する帯域合波ステップと、
を有する光増幅方法。

【請求項6】

飽和出力電力が低く、飽和出力時の利得が高いものほど、より前段に配置されるように縦続接続された複数の光増幅媒体を有する光増幅装置による光増幅方法であって、
光信号を異なる二つの帯域の光信号に分割する帯域分割ステップと、
分割された光信号を互いに直交する２つの偏波成分に分離させる偏波分波ステップと、
前記偏波分波ステップにおいて分離された前記光信号と励起光とを合波する励起光合波ステップと、
第１の増幅媒体により、光パラメトリック増幅過程を発生させ、前記光信号を増幅させる第１の増幅ステップと、
第２の増幅媒体により、光パラメトリック増幅過程を発生させ、前記第１の増幅ステップにおいて増幅された前記光信号を増幅させる第２の増幅ステップと、
前記第２の増幅ステップにおいて増幅された前記光信号と前記励起光とを分離させる励起光分離ステップと、
分離された前記二つの偏波成分を合成する偏波合成ステップと、
分割された前記二つの帯域を合波する帯域合波ステップと、
を有する光増幅方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光増幅システム、光増幅装置及び光増幅方法に関する。

【背景技術】

【0002】

長距離の光ファイバ伝送では、一定間隔で設けられた光増幅器によって光信号を増幅させる光増幅中継伝送方式が用いられている。光増幅器は、光信号が光ファイバ中を伝搬するときに生じる光損失を補償する。そのため、光ファイバ伝送システムの伝送帯域は、光増幅器の増幅帯域によって制限される。一般的な光増幅器の１つとして、光ファイバに希土類元素が添加された希土類添加型光増幅器がある。代表的な希土類添加型光増幅器であるエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Erbium-Doped Fiber Amplifier）の増幅帯域は、Ｃ－ｂａｎｄ（１５３０～１５６５［ｎｍ］程度）内の約４［ＴＨｚ］の帯域であり、長距離の光ファイバ伝送において一般的に使用される波長帯域である。

【0003】

上記のような光増幅器の増幅帯域に起因する伝送帯域の制限を回避し、広帯域な光増幅を実現する方法として、異種増幅器を並列させて伝送帯域を拡張させる方法が考えられる。ここでいう異種増幅器とは、例えば光ファイバに添加される希土類元素を異ならせること等によって増幅帯域がシフトされた光増幅器である。しかしながら、この方法ではＣ－ｂａｎｄ以外の帯域においては、利得が低く、かつ雑音指数が高くなってしまうという課題がある。また、光ファイバ伝送システムの装置コスト及びオペレーションコスト等の増大を抑えるためには、単一種類の光増幅器が用いられることが望ましい。

【0004】

その他、広帯域な光増幅を実現する光増幅器として、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor optical amplifier）がある。ＳＯＡは、１２［ＴＨｚ］以上の増幅帯域を実現
できることが実証されている。しかしながらＳＯＡは、信号の入力パワーの増減によって信号歪みが生じることが報告されている。波長チャネルのアドドロップ等を考慮した光ネットワークへの適用を考えた場合、このように信号の入力パワーの増減によって信号歪みが生じる特性を光増幅器が有していることは望ましくない。

【0005】

そこで近年、光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ：Optical Parametric Amplifier）が注目されている。ＯＰＡは、２次の非線形光学媒質であるニオブ酸リチウムや、３次の非線形光学媒質である光ファイバ等の非線形光学媒質中の非線形光学効果を利用して、異なる波長の光どうしを相互作用させることで、入力光を増幅させる光増幅器である。広帯域性と高利得とを共に実現するためには、特に周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ：Periodically Poled Lithium Niobate）を増幅媒体とする構成が有望である。ＰＰＬＮを増幅媒体とするＯＰＡによって、１５［ｄＢ］の増幅利得で１０［ＴＨｚ］を超える広帯域な中継増幅伝送を実現できることが実証されている（非特許文献１参照）。また、光パラメトリック増幅過程は、反応速度が非常に速い。そのため、ＯＰＡは、信号の入力パワーの増減に対しても堅牢性の高い光増幅特性を実現することができる。

【0006】

ＰＰＬＮをはじめとする２次の非線形光学媒質では、特定方向の偏波状態に対してのみ非線形光学効果が発現する。そのため、光信号を、増幅させる前に偏波ビームスプリッタ等によって偏波分離し、増幅させた後に合波する偏波ダイバーシティ構成が必要となる。また、３次の非線形光学媒質であっても、励起光の偏波状態に応じた利得が生じる。そのため、偏波間利得差（ＰＤＧ：Polarization Differential Gain）を抑えるために、上記のような偏波ダイバーシティ構成が用いられることが望ましい。

【0007】

ＯＰＡでは、入力された光信号の増幅時に発現する副次的な効果として、光信号の位相共役光であるアイドラ光が生じる。信号伝送のためには、元の光信号及びアイドラ光のうちいずれか一方の光成分が伝送されればよい。信号伝送に用いられないほうの光成分は、波長フィルタによってカットされる。

【0008】

アイドラ光が信号伝送に用いられる場合、ＯＰＡは、光位相共役変換器（ＯＰＣ：Optical Phase Conjugator）として機能し、非線形位相歪みのような位相方向の光雑音を補償することができる（非特許文献２参照）。また、このような非線形位相歪み等の補償効果が利用されない場合であっても、ＯＰＡは、波長変換器として利用することが可能である（特許文献１参照）。位相共役光を新たな伝送光信号とすることで、これまでの伝送で生じた非線形位相歪みのような位相方向の雑音を、位相共役変換後の伝送で生じる雑音で相殺することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】特開２０２０－０８６０３１号公報

【非特許文献】

【0010】

【文献】T. Kobayashi et al., “Wide-band Inline-Amplified WDM Transmission Using PPLN-Based Optical Parametric Amplifier,” Journal of Lightwave Technology, Vol.39, No.3, IEEE, pp.787-794, February 2021.

【文献】T. Umeki et al., “Simultaneous nonlinearity mitigation in 92 × 180-Gbit/s PDM-16QAM transmission over 3840 km using PPLN-based guard-band-less optical phase conjugation,” Optics Express, Vol.24, No.15, pp.16945-16951, July 2016.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

アイドラ光は、増幅媒体の位相整合特性の中心周波数である基本周波数を境にして、光信号と対称な周波数に発生する。そのため、ＯＰＡでの増幅時には、アイドラ光が発生する帯域は空けておく必要があり、当該帯域には光信号を配置することができない。したがって、ＯＰＡの増幅帯域を最大限に利用するためには、基本周波数を中心として光信号を２つのバンドに分け、各光信号を互いに異なる非線形媒体によって増幅し、不要な光成分を波長フィルタでカットしてから合波する構成が必要になる。ここでいう不要な光成分とは、前述の通り、元の光信号及びアイドラ光のうち信号伝送に用いられないほうの光成分である。

【0012】

ＯＰＡの利得を上げるためには、例えば、励起光の光電力を高める、媒体長を長くする、又は、媒体の非線形定数を大きくする、等の方法が考えられる。光ファイバベースのＯＰＡでは、励起光を高パワー化するために、高出力な１．５５［μｍ］帯のＥＤＦＡを使用することができる。しかしながら、高パワーな励起光は、３次の非線形効果である、自己位相変調や相互位相変調、不要な四光波混合を誘発する。これにより、高パワーな励起光は、光信号に対するパラメトリック増幅効率の低下や、波長チャネル間のクロストークを誘発してしまう。

【0013】

２次の非線形媒体では、３次の非線形効果の影響は比較的小さいが、励起光の波長帯は１．５５［μｍ］帯の信号の２倍の周波数であり、ＥＤＦＡのような高出力の光増幅器を直接利用することができない。そこで、ＥＤＦＡを用いて１．５５［μｍ］帯の高パワーな励起光を生成した後で、生成された励起光を２次の非線形効果である第２高調波発生を用いて２倍の周波数の励起光に変換する構成が用いられる。そのため、励起光の電力は、ＥＤＦＡの出力だけでなく、第２高調波発生の効率によっても制限されてしまう。

【0014】

媒体長を長くする場合、光ファイバ中の各種分散によって位相整合関係が劣化する。そのため、効率的に利得を高めることは難しい。２次の非線形媒体では周期分極反転構造による疑似位相整合によって、位相整合を保ちつつ媒体長を長くすることできる。しかしながら、ポンプデプレッションによる利得飽和によって、利得は制限される。媒体の非線形定数を大きくすることによっても、利得を大きくすることはできるが、やはりポンプデプレッションによる利得飽和によって、利得は制限される。

【0015】

一方で、光通信においては、長距離の基幹伝送網における増幅中継器間のスパンロスは、フィルタ及び利得等化器のような構成要素の損失も含めて２０～３０［ｄＢ］程度である。光増幅器には、このスパンロスを補償する利得が求められる。また、空間光通信のようなロスの大きい無中継伝送等も考慮すると、４０［ｄＢ］以上の利得が必要になる場合も考えられる。さらに、波長多重によって光信号全体のトータルパワーが上昇すると、増幅利得だけでなく、利得飽和特性による飽和出力パワーも重要になる。利得飽和領域で光信号を増幅する場合、時間的なパワーの変動に対して線形に増幅がなされず、変調パターンが大きく歪んでしまうことが問題となる。前述の通り、光パラメトリック増幅においては、励起光のポンプデプレッションによって利得飽和が生じるため、これによって飽和出力パワーは制限される。この様子は、光の伝搬方向（ｚ方向）に対して理想的な位相整合特性をもつ２次非線形媒体の場合、以下の（１）～（３）式の連立微分方程式のように記述することができる。

【0016】

【数1】

【0017】

【数2】

【0018】

【数3】

【0019】

ここで、Ａ_ｐ、Ａ_ｓ、及びＡ_ｉは、それぞれ、励起光、信号光、及びＯＰＡに伴って成長する信号光の位相共役光（アイドラ光）の振幅である。また、κは、非線形過程の発生効率を表す定数である。これらの式から、非線形過程の発生効率が上昇した場合、増幅利得が大きくなるが、その分、励起光の消費が加速し、急速なポンプデプレッションによって飽和出力パワーは減少する傾向になることがわかる。

【0020】

このように、ＯＰＡの高利得化及び飽和出力パワーの高出力化には、様々な要因による制限がある。そのため、様々な領域においてＯＰＡを適用するためには、高利得化、及び高出力化が課題となる。

【0021】

上記事情に鑑み、本発明は、より高利得、及びより高出力のパラメトリック増幅を行うことができる光増幅システム、光増幅装置及び光増幅方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0022】

本発明の一態様は、縦続接続された複数の光増幅部を有する光増幅システムであって、前記光増幅部は、光信号を異なる二つの帯域の光信号に分割する帯域分割部と、分割された光信号を互いに直交する２つの偏波成分に分離させる偏波分波部と、前記偏波分波部によって分離された前記光信号と励起光とを合波する励起光合波部と、光パラメトリック増幅過程を発生させ、前記光信号を増幅させる増幅媒体と、前記増幅媒体によって増幅された前記光信号と前記励起光とを分離させる励起光分離部と、分離された前記二つの偏波成分を合成する偏波合成部と、分割された前記二つの帯域を合波する帯域合波部と、を備える光増幅システムである。

【0023】

本発明の一態様は、縦続接続された複数の光増幅媒体を有する光増幅装置であって、光信号を異なる二つの帯域の光信号に分割する帯域分割部と、分割された光信号を互いに直交する２つの偏波成分に分離させる偏波分波部と、前記偏波分波部によって分離された前記光信号と励起光とを合波する励起光合波部と、光パラメトリック増幅過程を発生させ、前記光信号を増幅させる第１の増幅媒体と、前記光パラメトリック増幅過程を発生させ、前記第１の増幅媒体によって増幅された前記光信号を増幅させる第２の増幅媒体と、前記第２の増幅媒体によって増幅された前記光信号と前記励起光とを分離させる励起光分離部と、分離された前記二つの偏波成分を合成する偏波合成部と、分割された前記二つの帯域を合波する帯域合波部と、を備える光増幅装置である。

【0024】

本発明の一態様は、縦続接続された複数の光増幅部を有する光増幅システムによる光増幅方法であって、前記光増幅部が、光信号を異なる二つの帯域の光信号に分割する帯域分割ステップと、前記光増幅部が、分割された光信号を互いに直交する２つの偏波成分に分離させる偏波分波ステップと、前記光増幅部が、前記偏波分波ステップにおいて分離された前記光信号と励起光とを合波する励起光合波ステップと、前記光増幅部が、光パラメトリック増幅過程を発生させ、前記光信号を増幅させる増幅ステップと、前記光増幅部が、前記増幅ステップにおいて増幅された前記光信号と前記励起光とを分離させる励起光分離ステップと、前記光増幅部が、分離された前記二つの偏波成分を合成する偏波合成ステップと、前記光増幅部が、分割された前記二つの帯域を合波する帯域合波部と、を有する光増幅方法である。

【0025】

本発明の一態様は、縦続接続された複数の光増幅媒体を有する光増幅装置による光増幅方法であって、光信号を異なる二つの帯域の光信号に分割する帯域分割ステップと、分割された光信号を互いに直交する２つの偏波成分に分離させる偏波分波ステップと、前記偏波分波ステップにおいて分離された前記光信号と励起光とを合波する励起光合波ステップと、第１の増幅媒体により、光パラメトリック増幅過程を発生させ、前記光信号を増幅させる第１の増幅ステップと、第２の増幅媒体により、光パラメトリック増幅過程を発生させ、前記第１の増幅ステップにおいて増幅された光信号を増幅させる第２の増幅ステップと、前記第２の増幅ステップにおいて増幅された前記光信号と前記励起光とを分離させる励起光分離ステップと、分離された前記二つの偏波成分を合成する偏波合成ステップと、分割された前記二つの帯域を合波する帯域合波ステップと、を有する光増幅方法である。

【発明の効果】

【0026】

本発明により、より高利得、及びより高出力のパラメトリック増幅を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明の第１の実施形態における光増幅システム１の全体構成図である。

【図2】本発明の第１の実施形態における光増幅装置１１の構成を示す図である。

【図3】本発明の第１の実施形態における光増幅システム１の動作を示すフローチャートである。

【図4】本発明の第１の実施形態における光増幅装置１１の動作を示すフローチャートである。

【図5】本発明の第１の実施形態の変形例における光増幅装置１１ａの構成を示す図である。

【図6】本発明の第２の実施形態における光増幅システム１ａの全体構成図である。

【図7】二次非線形媒体の飽和出力パワーの計算結果の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。

【0029】

ＥＤＦＡを用いた伝送システムでは、低雑音かつ高出力な光増幅を実現させる方法として、複数のＥＤＦＡが縦続接続された構成が用いられることがある。ＥＤＦＡは、高利得となるように動作させると雑音指数が増加するという傾向がある。そのため、縦続接続された複数のＥＤＦＡのうち、前段のＥＤＦＡは低利得及び低雑音となるように動作させ、後段のＥＤＦＡは高利得となるように動作させる。

【0030】

増幅器において付加される過剰雑音は、入力信号パワーに依存する。そのため、例えば縦続接続された２つのＥＤＦＡでの増幅における雑音指数は、縦続接続された複数のＥＤＦＡのうち初段のＥＤＦＡでの増幅における雑音指数の影響が支配的となる。これにより、低雑音と高利得とを両立することが可能となる。

【0031】

以下に説明する各実施形態における光増幅システム及び光増幅装置では、上記のようなＥＤＦＡの構成に倣い、ＯＰＡを縦続接続する構成である。これにより、以下に説明する実施形態における光増幅システム及び光増幅装置は、高利得及び高出力なパラメトリック増幅を実現する。

【0032】

ＯＰＡでは、入力信号パワーによらず一定の増幅利得が得られるため、飽和出力パワー内であれば、光増幅システム全体の増幅利得は各ＯＰＡの利得の和と等しくなる。また前述の通り、利得の高い高効率なＯＰＡは飽和出力パワーが小さく、低効率なＯＰＡは飽和出力パワーが大きいという傾向がある。そのため、前段に高効率のＯＰＡを配置し、後段になるにつれてより低効率のＯＰＡを配置することによって、光増幅システム全体の高出力化を図ることができる。ＯＰＡは、ＥＤＦＡとは異なり、利得による雑音指数の変化は少ない。そのため、より低利得なＯＰＡを後段に配置する構成を採用することによる雑音面におけるペナルティは大きくないものと考えらえる。

【0033】

＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態について説明する。

【0034】

［光増幅システムの構成］
以下、本実施形態における光増幅システム１の構成について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態における光増幅システム１の全体構成図である。図１に示されるように、光増幅システム１は、第１光増幅装置１１－１と、利得等化器１２－１と、第２光増幅装置１１－２と、利得等化器１２－２と、を備える。

【0035】

なお、以下の説明において、第１光増幅装置１１－１と第２光増幅装置１１－２とを区別して説明する必要がない場合には、単に「光増幅装置１１」という。また、以下の説明において、利得等化器１２－１と利得等化器１２－２とを区別して説明する必要がない場合には、単に「利得等化器１２」という。

【0036】

光増幅装置１１は、例えば光増幅中継伝送方式の光ファイバ伝送システムにおいて一定間隔で設けられた光増幅器である。光増幅装置１１は、光信号が光ファイバ中を伝搬するときに生じる光損失を補償する。図１に示されるように、光増幅システム１は、縦続接続された第１光増幅装置１１－１及び第２光増幅装置１１－２の２つの光パラメトリック増幅器（以下、「ＯＰＡ」という。）によって光信号を増幅させるシステムである。

【0037】

初段のＯＰＡである第１光増幅装置１１－１には、光ファイバ伝送路から伝送信号（光信号）が入射される。第１光増幅装置１１－１は、入射された光信号を増幅し、利得等化器１２－１へ出力する。第１光増幅装置１１－１から出力された光信号は、ＯＰＡの利得スペクトルに従ってチルトがついている。

【0038】

利得等化器１２－１には、第１光増幅装置１１－１から出力された光信号が入力される。利得等化器１２－１は、例えば利得を等化させるフィルタを含んで構成される。利得等化器１２－１は、入力された（チルトがついた）光信号を平坦化（利得等化）する。利得等化器１２－１は、平坦化された光信号を第２光増幅装置１１－２へ出力する。

【0039】

後段のＯＰＡである第２光増幅装置１１－２には、利得等化器１２－１から出力された光信号が入力される。第２光増幅装置１１－２は、入射された光信号を増幅し、利得等化器１２－２へ出力する。第２光増幅装置１１－２から出力された光信号は、ＯＰＡの利得スペクトルに従ってチルトがついている。

【0040】

利得等化器１２－２には、第１光増幅装置１１－１から出力された光信号が入力される。利得等化器１２－２は、例えば利得を等化させるフィルタを含んで構成される。利得等化器１２－２は、入力された（チルトがついた）光信号を平坦化（利得等化）する。利得等化器１２－２は、平坦化された光信号を光ファイバ伝送路へ出力する。

【0041】

増幅後のスペクトルにチルトがついている場合、高利得な周波数と低利得な周波数とが生じる。高品質な増幅中継を行うためには、最終的に、低利得な周波数が所望の電力となるように光信号を増幅させ、利得等化器によって高利得な周波数成分を減衰させてスペクトルを平坦にさせる必要がある。

【0042】

初段のＯＰＡによってチルトがついた状態の光信号が後段のＯＰＡに入力されると、高利得な周波数成分のパワーがＯＰＡの出力を必要以上に消費してしまう。これにより、光増幅システム全体としての高利得化及び高出力化が困難になる。そのため、増幅の度に利得等化器を用いてスペクトルを平坦化させることが望ましい。

【0043】

一方で、ＯＰＡにおける利得の周波数依存性は、ＥＤＦＡ等における利得の周波数依存性に比べて小さい。そのため、ＯＰＡの特性、利得等化器の動作範囲、及び所望の利得等によっては、縦続接続された複数のＯＰＡのうち最終段のＯＰＡから出力された光信号のみに対して、１度だけ利得等化を行うような構成とすることも考えられる。

【0044】

なお、図１に示される光増幅システム１は、２つの光増幅装置１１（ＯＰＡ）を備える構成であるが、光増幅装置１１の個数は、これに限定されるものではない。光増幅装置１１の個数は、３つ以上であってもよい。

【0045】

なお、第１光増幅装置１１－１及び第２光増幅装置１１－２から出力される光増幅がなされた後の光信号に対して、帯域通過フィルタを適用する構成にしてもよい。帯域通過フィルタは、信号帯域外に生じた雑音成分をカットし、信号成分のみを抽出する。

【0046】

［光増幅装置の構成］
以下、本実施形態における光増幅装置１１の構成について説明する。図２は、本発明の第１の実施形態における光増幅装置１１の構成を示す図である。

【0047】

図２に示されるように、光増幅装置１１は、帯域分波部１１１と、偏波分離部１１２－１～偏波分離部１１２－２と、励起光合波部１１３－１～励起光合波部１１３－４と、光増幅部１１５－１～光増幅部１１５－４と、励起光分離部１１７－１～励起光分離部１１７－４と、偏波合成部１１８－１～偏波合成部１１８－２と、帯域合波部１１９と、を備える。

【0048】

光増幅装置１１には、光ファイバ伝送路又は利得等化器１２から光信号が入力される。光増幅装置１１は、入力された光信号を増幅して利得等化器１２へ出力する。前述の通り、光増幅装置１１は、例えば光増幅中継伝送方式の光ファイバ伝送システムにおいて一定間隔で設けられた光増幅器である。光増幅装置１１は、光信号が光ファイバ中を伝搬するときに生じる光損失を補償する。

【0049】

帯域分波部１１１は、光増幅装置１１に入力された光信号を分波する。帯域分波部１１１は、光信号を、増幅媒体の位相整合条件の中心周波数（以下、「基本周波数」という。）を境にした二つの帯域成分である成分Ａと成分Ｂとに分波する。帯域分波部１１１は、成分Ａの光信号を偏波分離部１１２－１へ出力し、成分Ｂの光信号を偏波分離部１１２－２へ出力する。

【0050】

なお、上記のように帯域分波部１１１が光信号を２つの帯域に分割するのは、後述される光パラメトリック増幅に伴って、入力された光信号の位相共役光であるアイドラ光が、基本周波数に対して対称な周波数に発生するためである。ＯＰＡでは、入力された光信号の増幅時に発現する副次的な効果として、光信号の位相共役光であるアイドラ光が生じる。信号伝送のためには、元の光信号及びアイドラ光のうちいずれか一方の光成分が伝送されればよい。従来、信号伝送に用いられないほうの光成分は波長フィルタによってカットされるため、信号伝送用の光ファイバが励振されることはない。光信号とアイドラ光とは、互いに位相共役関係にある点を除いては互いに完全なコピーである。

【0051】

偏波分離部１１２－１は、帯域分波部１１１から出力された成分Ａの光信号を、例えば偏波ビームスプリッタ等を用いて分離する。これは、非線形媒体中での非線形現象には偏波依存性があるためである。偏波分離部１１２－１は、成分Ａの光信号を、直交する二つの偏波状態の成分である成分Ａｘと成分Ａｙとに分離する。偏波分離部１１２－１は、成分Ａｘの光信号を励起光合波部１１３－１へ出力し、成分Ａｙの光信号を励起光合波部１１３－２へ出力する。

【0052】

偏波分離部１１２－２は、帯域分波部１１１から出力された成分Ｂの光信号を、偏波ビームスプリッタ等を用いて分離する。前述の通り、これは、非線形媒体中での非線形現象には偏波依存性があるためである。偏波分離部１１２－２は、成分Ｂの光信号を、直交する二つの偏波状態の成分である成分Ｂｘと成分Ｂｙとに分離する。偏波分離部１１２－２は、成分Ｂｘの光信号を励起光合波部１１３－３へ出力し、成分Ｂｙの光信号を励起光合波部１１３－４へ出力する。

【0053】

励起光合波部１１３－１～励起光合波部１１３－４は、例えば波長多重フィルタ又はダイクロイックミラー等を含んで構成される。

【0054】

励起光合波部１１３－１には、偏波分離部１１２－１から出力された成分Ａｘの光信号と励起光とが入力される。励起光合波部１１３－１は、成分Ａｘの光信号と励起光とを合波する。励起光合波部１１３－１は、励起光と合波された光信号を光増幅部１１５－１へ出力する。

【0055】

励起光合波部１１３－２には、偏波分離部１１２－２から出力された成分Ａｙの光信号と励起光とが入力される。励起光合波部１１３－２は、成分Ａｙの光信号と励起光とを合波する。励起光合波部１１３－２は、励起光と合波された光信号を光増幅部１１５－２へ出力する。

【0056】

励起光合波部１１３－３には、偏波分離部１１２－３から出力された成分Ｂｘの光信号と励起光とが入力される。励起光合波部１１３－３は、成分Ｂｘの光信号と励起光とを合波する。励起光合波部１１３－３は、励起光と合波された光信号を光増幅部１１５－３へ出力する。

【0057】

励起光合波部１１３－４には、偏波分離部１１２－４から出力された成分Ｂｙの光信号と励起光とが入力される。励起光合波部１１３－４は、成分Ｂｙの光信号と励起光とを合波する。励起光合波部１１３－４は、励起光と合波された光信号を光増幅部１１５－４へ出力する。

【0058】

光増幅部１１５－１～光増幅部１１５－４は、２次又は３次の高非線形媒体を有する光パラメトリック増幅器を含む。

【0059】

光増幅部１１５－１には、励起光合波部１１３－１から出力された光信号が入力される。光増幅部１１５－１は、入力された光信号に対し、光パラメトリック増幅を行う。光パラメトリック増幅に伴い、成分Ａｘの光信号の位相共役成分であるアイドラ光（位相共役光）が発生する。このアイドラ光は、増幅媒体の基本周波数を境にして、成分Ａｘの光信号の周波数と対称な周波数に発生する。光増幅部１１５－１は、光パラメトリック増幅された光信号を、励起光分離部１１７－１へ出力する。

【0060】

光増幅部１１５－２には、励起光合波部１１３－２から出力された光信号が入力される。光増幅部１１５－２は、入力された光信号に対し、光パラメトリック増幅を行う。光パラメトリック増幅に伴い、成分Ａｙの光信号の位相共役成分であるアイドラ光（位相共役光）が発生する。このアイドラ光は、増幅媒体の基本周波数を境にして、成分Ａｙの光信号の周波数と対称な周波数に発生する。光増幅部１１５－２は、光パラメトリック増幅された光信号を、励起光分離部１１７－２へ出力する。

【0061】

光増幅部１１５－３には、励起光合波部１１３－３から出力された光信号が入力される。光増幅部１１５－３は、入力された光信号に対し、光パラメトリック増幅を行う。光パラメトリック増幅に伴い、成分Ｂｘの光信号の位相共役成分であるアイドラ光（位相共役光）が発生する。このアイドラ光は、増幅媒体の基本周波数を境にして、成分Ｂｘの光信号の周波数と対称な周波数に発生する。光増幅部１１５－３は、光パラメトリック増幅された光信号を、励起光分離部１１７－３へ出力する。

【0062】

光増幅部１１５－４には、励起光合波部１１３－４から出力された光信号が入力される。光増幅部１１５－４は、入力された光信号に対し、光パラメトリック増幅を行う。光パラメトリック増幅に伴い、成分Ｂｙの光信号の位相共役成分であるアイドラ光（位相共役光）が発生する。このアイドラ光は、増幅媒体の基本周波数を境にして、成分Ｂｙの光信号の周波数と対称な周波数に発生する。光増幅部１１５－４は、光パラメトリック増幅された光信号を、励起光分離部１１７－４へ出力する。

【0063】

励起光分離部１１７－１～励起光分離部１１７－４は、例えば波長多重フィルタ又はダイクロイックミラー等を含んで構成される。

【0064】

励起光分離部１１７－１には、光増幅部１１５－１から出力された光信号が入力される。励起光分離部１１７－１は、入力された光信号を、成分Ａｘの光信号と励起光とに分離する。励起光分離部１１７－１は、分離された成分Ａｘの光信号を偏波合成部１１８－１へ出力する。

【0065】

励起光分離部１１７－２には、光増幅部１１５－２から出力された光信号が入力される。励起光分離部１１７－２は、入力された光信号を、成分Ａｙの光信号と励起光とに分離する。励起光分離部１１７－２は、分離された成分Ａｙの光信号を偏波合成部１１８－１へ出力する。

【0066】

励起光分離部１１７－３には、光増幅部１１５－３から出力された光信号が入力される。励起光分離部１１７－３は、入力された光信号を、成分Ｂｘの光信号と励起光とに分離する。励起光分離部１１７－３は、分離された成分Ｂｘの光信号を偏波合成部１１８－２へ出力する。

【0067】

励起光分離部１１７－４には、光増幅部１１５－４から出力された光信号が入力される。励起光分離部１１７－４は、入力された光信号を、成分Ｂｙの光信号と励起光とに分離する。励起光分離部１１７－４は、分離された成分Ｂｙの光信号を偏波合成部１１８－２へ出力する。

【0068】

偏波合成部１１８－１は、励起光分離部１１７－１から出力された成分Ａｘの光信号と励起光分離部１１７－２から出力された成分Ａｙの光信号とを、例えば偏波ビームスプリッタを用いて合波する。偏波合成部１１８－１は、合波された成分Ａの光信号を帯域合波部１１９へ出力する。

【0069】

偏波合成部１１８－２は、励起光分離部１１７－３から出力された成分Ｂｘの光信号と励起光分離部１１７－４から出力された成分Ｂｙの光信号とを、例えば偏波ビームスプリッタを用いて合波する。偏波合成部１１８－２は、合波された成分Ｂの光信号を帯域合波部１１９へ出力する。

【0070】

帯域合波部１１９は、偏波合成部１１８－１から出力された成分Ａの光信号と、偏波合成部１１８－２から出力された成分Ｂの光信号とを合波する。帯域合波部１１９は、合波された光信号を利得等化器１２へ出力する。

【0071】

なお、帯域合波部１１９が有するフィルタ（不図示）によって、光信号とアイドラ光のうち信号伝送に用いられないほうの光成分はカットされる。なお通常は、帯域合波部１１９は、光信号を抽出して合波するが、アイドラ光を抽出して合波させることで、光増幅装置１１を光位相共役変換器及び波長変換器として利用することができる。

【0072】

また、非線形媒体からの反射光を抑えるため、非線形媒体の前段と後段にそれぞれアイソレータを設置してもよい。すなわち、図２に示されるように、光増幅部１１５－１の前段にアイソレータ１１４－１、及び光増幅部１１５－１の後段にアイソレータ１１６－１が備えられた構成であってもよい。また、図２に示されるように、光増幅部１１５－２の前段にアイソレータ１１４－２、及び光増幅部１１５－２の後段にアイソレータ１１６－２が備えられた構成であってもよい。図２に示されるように、光増幅部１１５－３の前段にアイソレータ１１４－３、及び光増幅部１１５－３の後段にアイソレータ１１６－３が備えられた構成であってもよい。図２に示されるように、光増幅部１１５－４の前段にアイソレータ１１４－４、及び光増幅部１１５－４の後段にアイソレータ１１６－４が備えられた構成であってもよい。

【0073】

なお、アイソレータは、図２に示されるように光増幅部（非線形媒体）の直前と直後とに設置されていてもよいし、光増幅部のほかに帯域分波部及び偏波分波部等の他の構成要素についても２つのアイソレータによって挟まれる形で設置されていてもよい。また、送信側への反射光の逆伝搬を防ぐことを目的として、光増幅部（非線形媒体）の前段にアイソレータが一つだけ配置されるような構成であってもよい。

【0074】

［光増幅システムの動作］
以下、本実施形態における光増幅システム１の動作の一例について説明する。図３は、本発明の第１の実施形態における光増幅システム１の動作を示すフローチャートである。

【0075】

初段のＯＰＡである第１光増幅装置１１－１には、光ファイバ伝送路から伝送信号が入力される（ステップＳ０１）。第１光増幅装置１１－１は、入力された光信号を増幅し、利得等化器１２－１へ出力する（ステップＳ０２）。なお、光増幅装置１１の動作の詳細については後述される。

【0076】

利得等化器１２－１には、第１光増幅装置１１－１から出力された光信号が入力される。利得等化器１２－１は、入力された（チルトがついた）光信号を平坦化（利得等化）する（ステップＳ０３）。利得等化器１２－１は、平坦化された光信号を第２光増幅装置１１－２へ出力する。

【0077】

後段のＯＰＡである第２光増幅装置１１－２には、利得等化器１２－１から出力された光信号が入力される。第２光増幅装置１１－２は、入射された光信号を増幅し、利得等化器１２－２へ出力する（ステップＳ０４）。

【0078】

利得等化器１２－２には、第１光増幅装置１１－１から出力された光信号が入力される。利得等化器１２－２は、入力された（チルトがついた）光信号を平坦化（利得等化）する（ステップＳ０５）。利得等化器１２－２は、平坦化された光信号を光ファイバ伝送路へ出力する（ステップＳ０６）。以上で、図３のフローチャートが示す光増幅システム１の動作が終了する。

【0079】

［光増幅装置の動作］
以下、本実施形態における光増幅装置１１の動作の一例について説明する。図４は、本発明の第１の実施形態における光増幅装置１１の動作を示すフローチャートである。図４に示される光増幅装置１１の動作は、前述の図３に示される光増幅システム１の動作を示すフローチャートのステップＳ０２及びステップＳ０４の動作に相当する。

【0080】

光ファイバ伝送路又は利得等化器１２から光増幅装置１１に光信号が入力される（ステップＳ２０１）。帯域分波部１１１は、光信号を、基本周波数を境にした二つの帯域成分である成分Ａと成分Ｂとに分波する（ステップＳ２０２）。帯域分波部１１１は、成分Ａの光信号を偏波分離部１１２－１へ出力し、成分Ｂの光信号を偏波分離部１１２－２へ出力する。

【0081】

偏波分離部１１２－１は、成分Ａの光信号を、直交する二つの偏波状態の成分である成分Ａｘと成分Ａｙとに分離する。偏波分離部１１２－１は、成分Ａｘの光信号を励起光合波部１１３－１へ出力し、成分Ａｙの光信号を励起光合波部１１３－２へ出力する。偏波分離部１１２－２は、成分Ｂの光信号を、直交する二つの偏波状態の成分である成分Ｂｘと成分Ｂｙとに分離する。偏波分離部１１２－２は、成分Ｂｘの光信号を励起光合波部１１３－３へ出力し、成分Ｂｙの光信号を励起光合波部１１３－４へ出力する（ステップＳ２０３）。

【0082】

励起光合波部１１３－１には、偏波分離部１１２－１から出力された成分Ａｘの光信号と励起光とが入力される。励起光合波部１１３－１は、成分Ａｘの光信号と励起光とを合波する。励起光合波部１１３－１は、励起光と合波された光信号を光増幅部１１５－１へ出力する。励起光合波部１１３－２には、偏波分離部１１２－２から出力された成分Ａｙの光信号と励起光とが入力される。励起光合波部１１３－２は、成分Ａｙの光信号と励起光とを合波する。励起光合波部１１３－２は、励起光と合波された光信号を光増幅部１１５－２へ出力する。励起光合波部１１３－３には、偏波分離部１１２－３から出力された成分Ｂｘの光信号と励起光とが入力される。励起光合波部１１３－３は、成分Ｂｘの光信号と励起光とを合波する。励起光合波部１１３－３は、励起光と合波された光信号を光増幅部１１５－３へ出力する。励起光合波部１１３－４には、偏波分離部１１２－４から出力された成分Ｂｙの光信号と励起光とが入力される。励起光合波部１１３－４は、成分Ｂｙの光信号と励起光とを合波する。励起光合波部１１３－４は、励起光と合波された光信号を光増幅部１１５－４へ出力する（ステップＳ２０４）。

【0083】

光増幅部１１５－１には、励起光合波部１１３－１から出力された光信号が入力される。光増幅部１１５－１は、入力された光信号に対し、光パラメトリック増幅を行う。光増幅部１１５－１は、光パラメトリック増幅された光信号を、励起光分離部１１７－１へ出力する。光増幅部１１５－２には、励起光合波部１１３－２から出力された光信号が入力される。光増幅部１１５－２は、入力された光信号に対し、光パラメトリック増幅を行う。光増幅部１１５－２は、光パラメトリック増幅された光信号を、励起光分離部１１７－２へ出力する。光増幅部１１５－３には、励起光合波部１１３－３から出力された光信号が入力される。光増幅部１１５－３は、入力された光信号に対し、光パラメトリック増幅を行う。光増幅部１１５－３は、光パラメトリック増幅された光信号を、励起光分離部１１７－３へ出力する。光増幅部１１５－４には、励起光合波部１１３－４から出力された光信号が入力される。光増幅部１１５－４は、入力された光信号に対し、光パラメトリック増幅を行う。光増幅部１１５－４は、光パラメトリック増幅された光信号を、励起光分離部１１７－４へ出力する（ステップＳ２０５）。

【0084】

励起光分離部１１７－１には、光増幅部１１５－１から出力された光信号が入力される。励起光分離部１１７－１は、入力された光信号を、成分Ａｘの光信号と励起光とに分離する。励起光分離部１１７－１は、分離された成分Ａｘの光信号を偏波合成部１１８－１へ出力する。励起光分離部１１７－２には、光増幅部１１５－２から出力された光信号が入力される。励起光分離部１１７－２は、入力された光信号を、成分Ａｙの光信号と励起光とに分離する。励起光分離部１１７－２は、分離された成分Ａｙの光信号を偏波合成部１１８－１へ出力する。励起光分離部１１７－３には、光増幅部１１５－３から出力された光信号が入力される。励起光分離部１１７－３は、入力された光信号を、成分Ｂｘの光信号と励起光とに分離する。励起光分離部１１７－３は、分離された成分Ｂｘの光信号を偏波合成部１１８－２へ出力する。励起光分離部１１７－４には、光増幅部１１５－４から出力された光信号が入力される。励起光分離部１１７－４は、入力された光信号を、成分Ｂｙの光信号と励起光とに分離する。励起光分離部１１７－４は、分離された成分Ｂｙの光信号を偏波合成部１１８－２へ出力する（ステップＳ２０６）。

【0085】

偏波合成部１１８－１は、励起光分離部１１７－１から出力された成分Ａｘの光信号と励起光分離部１１７－２から出力された成分Ａｙの光信号とを合波する。偏波合成部１１８－１は、合波された成分Ａの光信号を帯域合波部１１９へ出力する。偏波合成部１１８－２は、励起光分離部１１７－３から出力された成分Ｂｘの光信号と励起光分離部１１７－４から出力された成分Ｂｙの光信号とを合波する。偏波合成部１１８－２は、合波された成分Ｂの光信号を帯域合波部１１９へ出力する（ステップS２０７）。

【0086】

帯域合波部１１９は、偏波合成部１１８－１から出力された成分Ａの光信号と、偏波合成部１１８－２から出力された成分Ｂの光信号とを合波する（ステップＳ０８）。帯域合波部１１９は、フィルタにより光信号とアイドラ光のうち信号伝送に用いられないほうの光成分を除去する（ステップＳ２０９）。帯域合波部１１９は、合波された光信号を利得等化器１２へ出力する（ステップＳ２１０）。以上で、図４のフローチャートが示す光増幅装置１１の動作が終了する。

【0087】

以上説明したように、第１の実施形態における光増幅システム１では、複数のＯＰＡが縦続接続される。これにより、光増幅システム１は、光パラメトリック増幅において高利得化を実現することができる。

【0088】

＜第１の実施形態の変形例＞
前述の第１の実施形態における光増幅システム１は、偏波分離から偏波合成までの偏波ダイバーシティにの構成を有するＯＰＡ（光増幅装置１１）が複数個、従属接続されている構成であった。これに対し、以下に説明する第１の実施形態の変形例における光増幅装置１１ａは、偏波分離後の経路に増幅媒体（光増幅部１１５）が複数個、従属接続されている構成である。

【0089】

［光増幅装置の構成］
以下、本変形例における光増幅装置１１ａの構成について説明する。図５は、本発明の第１の実施形態の変形例における光増幅装置１１ａの構成を示す図である。なお、図５に示される光増幅装置１１ａの構成要素のうち、前述の図２に示される第１の実施形態における光増幅装置１１の構成要素と同一の構成を有する構成要素については、第１の実施形態と同一の符号を付し、説明を省略する。

【0090】

図５に示されるように、光増幅装置１１ａは、帯域分波部１１１と、偏波分離部１１２－１～偏波分離部１１２－２と、励起光合波部１１３－１～励起光合波部１１３－４と、光増幅部１１５－１～光増幅部１１５－４と、励起光分離部１１７－１～励起光分離部１１７－４と、不要帯域分離部１２０－１～不要帯域分離部１２０－４と、励起光合波部１１３ａ－１～励起光合波部１１３ａ－４と、光増幅部１１５ａ－１～光増幅部１１５ａ－４と、励起光分離部１１７ａ－１～励起光分離部１１７ａ－４と、偏波合成部１１８－１～偏波合成部１１８－２と、帯域合波部１１９と、を備える。

【0091】

不要帯域分離部１２０－１～不要帯域分離部１２０－４は、光信号とアイドラ光とを分離し、いずれか一方の光成分を除去するフィルタを含んで構成される。

【0092】

不要帯域分離部１２０－１には、励起光分離部１１７－１から出力された光信号が入力される。不要帯域分離部１２０－１は、光信号とアイドラ光とを分離し、いずれか一方の光成分を除去する。不要帯域分離部１２０－１は、一方の光成分が除去された光信号を、励起光合波部１１３ａ－１へ出力する。

【0093】

不要帯域分離部１２０－２には、励起光分離部１１７－２から出力された光信号が入力される。不要帯域分離部１２０－２は、光信号とアイドラ光とを分離し、いずれか一方の光成分を除去する。不要帯域分離部１２０－２は、一方の光成分が除去された光信号を、励起光合波部１１３ａ－２へ出力する。

【0094】

不要帯域分離部１２０－３には、励起光分離部１１７－３から出力された光信号が入力される。不要帯域分離部１２０－３は、光信号とアイドラ光とを分離し、いずれか一方の光成分を除去する。不要帯域分離部１２０－３は、一方の光成分が除去された光信号を、励起光合波部１１３ａ－３へ出力する。

【0095】

不要帯域分離部１２０－４には、励起光分離部１１７－４から出力された光信号が入力される。不要帯域分離部１２０－４は、光信号とアイドラ光とを分離し、いずれか一方の光成分を除去する。不要帯域分離部１２０－３は、一方の光成分が除去された光信号を、励起光合波部１１３ａ－４へ出力する。

【0096】

励起光合波部１１３ａ－１～励起光合波部１１３ａ－４は、例えば波長多重フィルタ又はダイクロイックミラー等を含んで構成される。

【0097】

励起光合波部１１３ａ－１には、不要帯域分離部１２０－１から出力された成分Ａｘの光信号と励起光とが入力される。励起光合波部１１３ａ－１は、成分Ａｘの光信号と励起光とを合波する。励起光合波部１１３ａ－１は、励起光と合波された光信号を光増幅部１１５ａ－１へ出力する。

【0098】

励起光合波部１１３ａ－２には、不要帯域分離部１２０－２から出力された成分Ａｙの光信号と励起光とが入力される。励起光合波部１１３ａ－２は、成分Ａｙの光信号と励起光とを合波する。励起光合波部１１３ａ－２は、励起光と合波された光信号を光増幅部１１５ａ－２へ出力する。

【0099】

励起光合波部１１３ａ－３には、不要帯域分離部１２０－３から出力された成分Ｂｘの光信号と励起光とが入力される。励起光合波部１１３ａ－３は、成分Ｂｘの光信号と励起光とを合波する。励起光合波部１１３ａ－３は、励起光と合波された光信号を光増幅部１１５ａ－３へ出力する。

【0100】

励起光合波部１１３ａ－４には、不要帯域分離部１２０－４から出力された成分Ｂｙの光信号と励起光とが入力される。励起光合波部１１３ａ－４は、成分Ｂｙの光信号と励起光とを合波する。励起光合波部１１３ａ－４は、励起光と合波された光信号を光増幅部１１５ａ－４へ出力する。

【0101】

光増幅部１１５ａ－１～光増幅部１１５ａ－４は、２次又は３次の高非線形媒体を有する光パラメトリック増幅器を含む。

【0102】

光増幅部１１５ａ－１には、励起光合波部１１３ａ－１から出力された光信号が入力される。光増幅部１１５ａ－１は、入力された光信号に対し、光パラメトリック増幅を行う。光パラメトリック増幅に伴い、成分Ａｘの光信号の位相共役成分であるアイドラ光（位相共役光）が発生する。このアイドラ光は、増幅媒体の基本周波数を境にして、成分Ａｘの光信号の周波数と対称な周波数に発生する。光増幅部１１５ａ－１は、光パラメトリック増幅された光信号を、励起光分離部１１７ａ－１へ出力する。

【0103】

光増幅部１１５ａ－２には、励起光合波部１１３ａ－２から出力された光信号が入力される。光増幅部１１５ａ－２は、入力された光信号に対し、光パラメトリック増幅を行う。光パラメトリック増幅に伴い、成分Ａｙの光信号の位相共役成分であるアイドラ光（位相共役光）が発生する。このアイドラ光は、増幅媒体の基本周波数を境にして、成分Ａｙの光信号の周波数と対称な周波数に発生する。光増幅部１１５ａ－２は、光パラメトリック増幅された光信号を、励起光分離部１１７ａ－２へ出力する。

【0104】

光増幅部１１５ａ－３には、励起光合波部１１３ａ－３から出力された光信号が入力される。光増幅部１１５ａ－３は、入力された光信号に対し、光パラメトリック増幅を行う。光パラメトリック増幅に伴い、成分Ｂｘの光信号の位相共役成分であるアイドラ光（位相共役光）が発生する。このアイドラ光は、増幅媒体の基本周波数を境にして、成分Ｂｘの光信号の周波数と対称な周波数に発生する。光増幅部１１５ａ－３は、光パラメトリック増幅された光信号を、励起光分離部１１７ａ－３へ出力する。

【0105】

光増幅部１１５ａ－４には、励起光合波部１１３ａ－４から出力された光信号が入力される。光増幅部１１５ａ－４は、入力された光信号に対し、光パラメトリック増幅を行う。光パラメトリック増幅に伴い、成分Ｂｙの光信号の位相共役成分であるアイドラ光（位相共役光）が発生する。このアイドラ光は、増幅媒体の基本周波数を境にして、成分Ｂｙの光信号の周波数と対称な周波数に発生する。光増幅部１１５ａ－４は、光パラメトリック増幅された光信号を、励起光分離部１１７ａ－４へ出力する。

【0106】

励起光分離部１１７ａ－１～励起光分離部１１７ａ－４は、例えば波長多重フィルタ又はダイクロイックミラー等を含んで構成される。

【0107】

励起光分離部１１７ａ－１には、光増幅部１１５ａ－１から出力された光信号が入力される。励起光分離部１１７ａ－１は、入力された光信号を、成分Ａｘの光信号と励起光とに分離する。励起光分離部１１７ａ－１は、分離された成分Ａｘの光信号を偏波合成部１１８－１へ出力する。

【0108】

励起光分離部１１７ａ－２には、光増幅部１１５ａ－２から出力された光信号が入力される。励起光分離部１１７ａ－２は、入力された光信号を、成分Ａｙの光信号と励起光とに分離する。励起光分離部１１７ａ－２は、分離された成分Ａｙの光信号を偏波合成部１１８－１へ出力する。

【0109】

励起光分離部１１７－３ａには、光増幅部１１５ａ－３から出力された光信号が入力される。励起光分離部１１７ａ－３は、入力された光信号を、成分Ｂｘの光信号と励起光とに分離する。励起光分離部１１７ａ－３は、分離された成分Ｂｘの光信号を偏波合成部１１８－２へ出力する。

【0110】

励起光分離部１１７ａ－４には、光増幅部１１５ａ－４から出力された光信号が入力される。励起光分離部１１７ａ－４は、入力された光信号を、成分Ｂｙの光信号と励起光とに分離する。励起光分離部１１７ａ－４は、分離された成分Ｂｙの光信号を偏波合成部１１８－２へ出力する。

【0111】

以上説明したように、第１の実施形態の変形例における光増幅装置１１ａでは、当該光増幅装置１１ａが備える複数の光増幅部が縦続接続される。これにより、光増幅装置１１ａは、光パラメトリック増幅において高利得化を実現することができる。

【0112】

なお、前段のＯＰＡにおいて増幅に使用され、非線形媒体を通過してきた励起光が、後段のＯＰＡにおいて増幅に用いられる構成であってもよい。また同様に、後段のＯＰＡにおいて増幅に使用された励起光が、前段のＯＰＡにおいて増幅に用いられる構成であってもよい。

【0113】

なお、前述の図１に示される第１の実施形態における光増幅システム１の構成と、図５に示される第１の実施形態の変形例における光増幅装置１１ａの構成とが組み合わされた構成であってもよい。すなわち、複数の光増幅装置が縦続接続され、さらに光増幅装置内において複数の光増幅部が縦続接続された構成であってもよい。

【0114】

＜第２の実施形態＞
以下、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態における光増幅システムでは、高効率なＯＰＡを前段に、低効率なＯＰＡを後段に配置される。このような構成を有することで、本実施形態における光増幅システムは、低効率なＯＰＡの高い飽和出力パワーで光信号を出力することができる。

【0115】

［光増幅システムの構成］
以下、本実施形態における光増幅システム１ａの構成について説明する。図６は、本発明の第２の実施形態における光増幅システム１ａの全体構成図である。なお、図６に示される光増幅システム１ａの構成要素のうち、前述の図１に示される第１の実施形態における光増幅システム１の構成要素と同一の構成を有する構成要素については、第１の実施形態と同一の符号を付し、説明を省略する。

【0116】

図６に示されるように、光増幅システム１ａは、高効率光増幅装置１３と、低効率光増幅装置１４と、利得等化器１２と、を備える。

【0117】

高効率光増幅装置１３及び低効率光増幅装置１４は、例えば光増幅中継伝送方式の光ファイバ伝送システムにおいて一定間隔で設けられた光増幅器である。高効率光増幅装置１３及び低効率光増幅装置１４は、光信号が光ファイバ中を伝搬するときに生じる光損失を補償する。図６に示されるように、光増幅システム１ａは、縦続接続された高効率光増幅装置１３及び低効率光増幅装置１４の２つのＯＰＡ（光パラメトリック増幅器）によって光信号を増幅させるシステムである。

【0118】

初段のＯＰＡである高効率光増幅装置１３には、光ファイバ伝送路から伝送信号（光信号）が入射される。高効率光増幅装置１３は、入射された光信号を増幅し、低効率光増幅装置１４へ出力する。高効率光増幅装置１３は、低効率光増幅装置１４と比べて、より高効率なＯＰＡである。

【0119】

後段のＯＰＡである低効率光増幅装置１４には、高効率光増幅装置１３から出力された光信号が入力される。低効率光増幅装置１４は、入射された光信号を増幅し、利得等化器１２へ出力する。低効率光増幅装置１４は、高効率光増幅装置１３と比べて、より低効率なＯＰＡである。

【0120】

利得等化器１２は、入力された（チルトがついた）光信号を平坦化（利得等化）する。

【0121】

なお、前述の通り、初段のＯＰＡによってチルトがついた状態の光信号が後段のＯＰＡに入力されると、高利得な周波数成分のパワーがＯＰＡの出力を必要以上に消費してしまう。これにより、光増幅システム全体としての高利得化及び高出力化が困難になる。そのため、前述の第１の実施形態における光増幅システム１のように、本実施形態における光増幅システム１ａにおいても、増幅の度に利得等化器を用いてスペクトルを平坦化させる構成にしてもよい。

【0122】

なお、図６に示される光増幅システム１ａは、２つの光増幅器（ＯＰＡ）を備える構成であるが、光増幅器の個数は、これに限定されるものではない。ＯＰＡの個数は、３つ以上であってもよい。その場合であっても、高効率なＯＰＡであるほど、より前段に配置され、低効率なＯＰＡであるほど、より後段に配置される。

【0123】

なお、高効率光増幅装置１３及び低効率光増幅装置１４から出力される光増幅がなされた後の光信号に対して帯域通過フィルタを適用する構成にしてもよい。帯域通過フィルタは、信号帯域外に生じた雑音成分をカットし、信号成分のみを抽出する。

【0124】

なお、前述の第１実施形態における光増幅システム１と同様に、本実施形態における光増幅システム１ａにおいても、元の光信号の光成分ではなくアイドラ光の光成分を抽出することによって、光増幅装置を位相共役変換器及び波長変換器として利用することができる。

【0125】

図７は、前述の（１）～（３）式の連立微分方程式を用いて計算された二次非線形媒体の飽和出力パワーの計算結果の一例を示す図である。図７において、横軸の「効率」は、非線形過程の発生効率を表す。縦軸（左側）の「飽和出力パワー」は、小信号入力時の媒体の増幅利得を最大として入力パワーを大きくしていき、利得が１［ｄＢ］減少したときの出力パワーと定義した。

【0126】

図７に示される計算結果から、効率の良い増幅媒体ほど飽和出力時の利得が大きいことが分かる。また、飽和出力パワーはある程度の効率までは単調増加であるが、その後は減少傾向にあることが分かる。一方で、飽和出力パワーが最も大きい付近では、飽和出力時の利得は小さくなっている、そのため、初段に高効率かつ高利得なＯＰＡが配置され、より後段になるにつれて低効率かつ低利得なＯＰＡが配置されることで、高利得と高出力との両立を実現することができる。

【0127】

一般的に、光増幅システムでは、システムの立ち上げ時、及び所望の利得が変化した時等に、光増幅システム全体の利得を制御する自動利得制御（ＡＧＣ：Automatic gain control）が用いられる。そのため、ＯＰＡにおいても、ＡＧＣが用いられることが想定される。本実施形態における光増幅システム１ａの場合には、先に前段のＯＰＡが飽和出力となるようにＡＧＣを適用し、その後に後段のＯＰＡにＡＧＣを適用することで、光増幅システム全体で所望の利得となるように利得を制御する方法が考えられる。

【0128】

以上説明したように、第２の実施形態における光増幅システム１ａによれば、複数のＯＰＡ（高効率光増幅装置１３及び低効率光増幅装置１４）が縦続接続されることによって、光パラメトリック増幅による光増幅の高利得化を実現することができる。また、高効率な増幅媒体であるほどより前段に、低効率な増幅媒体であるほどより後段に縦続接続される構成であるため、本実施形態における光増幅システム１ａは、光パラメトリック増幅による光増幅の高出力化を実現することができる。

【0129】

上述した実施形態によれば、光増幅システムは、縦続接続された複数の光増幅部を有する。光増幅部は、帯域分割部と、偏波分波部と、励起光合波部と、増幅媒体と、励起光分離部と、偏波合成部と、帯域合波部と、を備える。例えば、光増幅システムは、実施形態における光増幅システム１１ａであり、光増幅部は、実施形態における第１光増幅装置１１－１及び第１光増幅装置１１－２であり、帯域分割部は、実施形態における帯域分割部１１１であり、偏波分波部は、実施形態における偏波分波部１１２－１及び偏波分波部１１２－２であり、励起光合波部は、実施形態における励起光合波部１１３－１～励起光合波部１１３－４であり、増幅媒体は、実施形態における光増幅部１１５－１～光増幅部１１５－４であり、励起光分離部は、実施形態における励起光分離部１１７－１～１１７－４であり、偏波合成部は、実施形態における偏波合成部１１９であり、帯域合波部は、実施形態における帯域合波部１１９である。

【0130】

帯域分割部は、光信号を異なる二つの帯域の光信号に分割する。例えば、異なる二つの帯域の光信号は、実施形態における増幅媒体の位相整合条件の中心周波数（基本周波数）を境にした二つの帯域成分である成分Ａ及び成分Ｂの光信号である。偏波分波部は、分割された光信号を互いに直交する２つの偏波成分に分離させる。例えば、互いに直交する２つの偏波成分は、実施形態における、互いに直交する二つの偏波状態の成分である成分Ａｘ及び成分Ａｙ、互いに直交する二つの偏波状態の成分である成分Ｂｘ及び成分Ｂｙである。励起光合波部は、偏波分波部によって分離された光信号と励起光とを合波する。増幅媒体は、光パラメトリック増幅過程を発生させ、光信号を増幅させる。励起光分離部は、増幅媒体によって増幅された光信号と励起光とを分離させる。偏波合成部は、分離された二つの偏波成分を合成する。例えば、分離された二つの偏波成分は、実施形態における、成分Ａｘ及び成分Ａｙの偏波成分、成分Ｂｘ及び成分Ｂｙの偏波成分である。帯域合波部は、分割された二つの帯域を合波する。例えば、分割された二つの帯域は、実施形態における成分Ａ及び成分Ｂの帯域である。

【0131】

なお、上記の光増幅システムにおいて、複数の光増幅部は、飽和出力電力（飽和出力パワー）が低く、飽和出力時の利得が高いものほど、より前段に配置されるように縦続接続されてもよい。例えば、複数の光増幅部は、実施形態における、高効率光増幅装置１３及び低効率光増幅装置１４である。

【0132】

なお、上記の光増幅システムは、利得等化部をさらに有していてもよい。例えば、利得等化部は、実施形態における利得等化器１２－１及び利得等化器１２－２である。利得等化部は、光増幅部によって増幅された光信号の利得特性を平坦化させる。

【0133】

なお、上記の光増幅システムは、帯域通過フィルタをさらに有していてもよい。帯域通過フィルタは、光パラメトリック増幅過程で生じた不要な光成分を除去する。

【0134】

また、上述した実施形態によれば、光増幅装置は、縦続接続された複数の光増幅媒体を有する。光増幅装置は、帯域分割部と、偏波分波部と、励起光合波部と、第１の増幅媒体と、第２の増幅媒体と、励起光分離部と、偏波合成部と、帯域合波部と、を備える。例えば、光増幅装置は、実施形態における光増幅装置１１ａであり、帯域分割部は、実施形態における帯域分割部１１１であり、偏波分波部は、実施形態における偏波分波部１１２－１及び偏波分波部１１２－２であり、励起光合波部は、実施形態における励起光合波部１１３－１～励起光合波部１１３－４及び励起光合波部１１３ａ－１～励起光合波部１１３ａ－４であり、第１の増幅媒体は、実施形態における光増幅部１１５－１～１１５－４であり、第２の増幅媒体は、実施形態における光増幅部１１５ａ－１～１１５ａ－４であり、励起光分離部は、励起光分離部１１７－１～励起光分離部１１７－４及び励起光分離部１１７ａ－１～励起光分離部１１７ａ－４であり、偏波合成部は、実施形態における偏波合成部１１８－１及び偏波合成部１１８－２であり、帯域合波部は、実施形態における帯域合波部１１９である。

【0135】

帯域分割部は、光信号を異なる二つの帯域の光信号に分割する。例えば、異なる二つの帯域の光信号は、実施形態における増幅媒体の位相整合条件の中心周波数（基本周波数）を境にした二つの帯域成分である成分Ａ及び成分Ｂの光信号である。偏波分波部は、分割された光信号を互いに直交する２つの偏波成分に分離させる。例えば、互いに直交する２つの偏波成分は、実施形態における、互いに直交する二つの偏波状態の成分である成分Ａｘ及び成分Ａｙ、互いに直交する二つの偏波状態の成分である成分Ｂｘ及び成分Ｂｙである。励起光合波部は、偏波分波部によって分離された光信号と励起光とを合波する。第１の増幅媒体は、光パラメトリック増幅過程を発生させ、光信号を増幅させる。第２の増幅媒体は、光パラメトリック増幅過程を発生させ、第１の増幅媒体によって増幅された光信号を増幅させる。励起光分離部は、第２の増幅媒体によって増幅された光信号と励起光とを分離させる。偏波合成部は、分離された二つの偏波成分を合成する。例えば、分離された二つの偏波成分は、実施形態における、成分Ａｘ及び成分Ａｙの偏波成分、成分Ｂｘ及び成分Ｂｙの偏波成分である。帯域合波部は、分割された二つの帯域を合波する。例えば、分割された二つの帯域は、実施形態における成分Ａ及び成分Ｂの帯域である。

【0136】

なお、上記の光増幅装置において、複数の増幅媒体は、飽和出力電力が低く、飽和出力時の利得が高いものほど、より前段に配置されるように縦続接続されてもよい。

【0137】

上述した各実施形態における光増幅システム及び光増幅装置の一部又は全部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイス
を用いて実現されるものであってもよい。

【0138】

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

【符号の説明】

【0139】

１，１ａ…光増幅システム，１１，１１ａ…光増幅装置，１１－１…第１光増幅装置，１１－２…第２光増幅装置，１２，１２－１～１２－２…利得等化器，１３…高効率光増幅装置，１４…低効率光増幅装置，１１１…帯域分波部，１１２－１～１１２－４…偏波分離部，１１３－１～１１３－４，１１３ａ－１～１１３ａ－４…励起光合波部，１１４－１～１１４－４，１１６－１～１１６－４…アイソレータ，１１５，１１５－１～１１５－４，１１５ａ－１～１１５ａ－４…光増幅部，１１７－１～１１７－４，１１７ａ－１～１１７ａ－４…励起光分離部，１１８－１～１１８－２…偏波合成部，１１９…帯域合波部，１２０－１～１２０－４…不要帯域分離部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】