JP2014044256A - 光増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光通信に適用可能であり、かつ低雑音での増幅が可能な位相感応増幅装置を提供する。
【解決手段】信号光の一部の第二高調波と、励起光源（704）からの第１の励起光との差周波発生により差周波光を発生させる二次非線形光学素子（707）と、差周波光と同一の波長で発振する第２の励起光源（711）とを備え、差周波光を第２の励起光源に入力して光注入同期を行い、信号光の搬送波位相が抽出された第２の励起光を生成し、二次非線形光学素子（715）において第１の励起光および第２の励起光との和周波発生により主励起光を発生させ、二次非線形光学素子（717）において信号光と主励起光とにより縮退パラメトリック増幅を行う。
【選択図】図７

Description

本発明は光増幅装置に関し、具体的には、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。

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。

この問題を解決する増幅手段として、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。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ので、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、機器構成も比較的単純であるという利点を有する。しかし、これらのレーザ増幅器は、劣化した信号光パルス波形を整形する機能を有さない。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されるので、信号光のＳＮ比が増幅前後で少なくとも３ｄＢ低下する。これらは、デ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。

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パルス波形を整形するための機能を有する。また、信号とは無関係の直交位相を持つ自然放出光を抑圧できるために、増幅前後で信号光のＳＮ比を劣化させず同一に保つことが原理的に可能である。

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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が存在する。

図１に、従来の位相感応光増幅器の基本的な構成を示す。この光増幅器は、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、２つの光分岐部１０４−１、１０４−２とから構成される。この光増幅器は、位相感応光増幅部１０１における信号光と励起光の位相が一致すると入力信号光１１０が増幅され、両者の位相が９０度ずれた直交位相関係になると、入力信号光１１０は減衰する特性を有する。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と信号光との間の位相を一致させると、信号光と直交位相の自然放出光を発生させずに、つまりＳＮ比を劣化させずに信号光を増幅することができる。

信号光と励起光の位相同期を達成するために、光分岐部１０４−１で分岐された入力信号光１１０の位相に同期するように励起光１１１の位相を制御する。励起光位相制御部１０３は、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において、信号光の位相と、励起光の位相とが同期するように制御され、ＳＮ比の劣化のない光増幅を実現することができる。なお、励起光位相制御部１０３は、図１に示すような励起光源１０２の出力側で励起光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。また信号光を発生する光源が位相感応光増幅部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。

位相感応増幅部には二次もしくは三次の非線形光学効果を有する媒質が用いられる。従来、これらの位相感応増幅器は主に、光の量子状態を制御するスクィージング等の基礎研究分野で用いられてきた。初期の位相感応増幅器の研究では二次非線形光学結晶を用いた研究が報告されている。２次の非線形光学効果を利用する場合は、非特許文献１に示されるように、光学結晶等を非線形媒質として用い、信号光の第二高調波に相当する波長を励起光として用い、励起光と信号光を、非線形媒質に入射し、三光波混合を利用した縮退パラメトリック増幅（Optical Parametric Amplifier：ＯＰＡ）を行うことにより位相感応増幅が達成される。

図２に示すように、従来技術では、レーザ光源２０１からの比較的高い強度を持つレーザ光を分岐し一方を第二高調波発生（Second Harmonic Generation：ＳＨＧ）結晶２０２に入射し、他方を信号光２１０として用いる。第二高調波に変換された励起光２１１と信号光２１０とを縮退光パラメトリック増幅の可能なＯＰＡ結晶２０３に入射して、位相感応増幅を行う。

位相感応増幅器においては、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πラジアンだけずれている必要がある。すなわち２次の非線形光学効果を用いる場合は、第二高調波に相当する波長である励起光の位相φ_２ωｓと、信号光の位相φ_ωｓとが以下の（式１）の関係を満たすことが必要となる。 Δφ＝１／２φ_２ωｓ−φ_ωｓ＝ｎπ（ただし、ｎは整数） （式１）

図３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−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２に示した構成においても、図１で示したように出力信号光の一部を分岐して狭帯域の検出器で検波し、出力信号が最大となるように励起光の位相を制御して信号光と励起光の位相同期を達成することができる。

近年光通信の高度化が進むにつれて、位相感応増幅器の光通信への応用が注目を集めつつある。光通信の分野では通信用光部品との親和性が高い光ファイバの三次非線形光学効果を利用した構成の報告がある。三次の非線形光学効果を用いる場合は、光ファイバ等を非線形媒質として用い、非特許文献２に示されるように、信号光と同じ波長の１つの励起光を用い、励起光と信号光とを、非線形媒質に入射し、四光波混合を利用した縮退パラメトリック増幅を行うことにより位相感応増幅を達成することができる。

三次の非線形光学媒質を用いて、信号光と同じ波長の１つの励起光を用いる場合は、励起光の位相φ_ωｐと信号光の位相φ_ωｓとが以下の（式２）の関係を満たすことが必要となる。
Δφ＝φ_ωｐ−φ_ωｓ＝ｎπ（ただし、ｎは整数） （式２）

信号光と同じ波長の１つの励起光の代わりに、非特許文献３に示されるように、信号光の光周波数をωｓとするときに（式３）を満たす光周波数ωｐ１，ωｐ２をそれぞれ有する２つの励起光を用いてもよい。
２ωｓ＝ωｐ１＋ωｐ２ （式３）

三次の非線形光学媒質を用いて、２つの光周波数ωｐ１，ωｐ２に相当する波長の２つの励起光を用いる場合は、励起光の位相φ_ωｐ１，φ_ωｐ２と信号光の位相φ_ωｓとが以下の（式４）の関係を満たすことが必要となる。
Δφ＝１／２(φ_ωｐ１＋φ_ωｐ２)−φ_ωｓ＝ｎπ（ただし、ｎは整数） （式４）

三次の非線形光学媒質を用いる場合でも、二次の非線形光学効果を用いる場合と同様に出力信号光の一部を分岐して狭帯域の検出器で検波し、出力信号が最大となるように励起光の位相を制御して信号光と励起光の位相同期を達成することができる。

光ファイバを用いた方式には前述のように信号光と同じ波長の１つの励起光か、信号光とは異なる２つの波長の励起光を用いる方式がある。１つの励起光を用いる場合は、励起光を信号光から分離する必要があるために、非特許文献２に示されるようにループ型のファイバ干渉計を用いて、信号光と励起光を分離する。しかし、この方式では、光ファイバ中のＧＡＷＢＳ(guided acoustics wave Brillouin scattering)による位相変調がファイバをそれぞれ逆方向へ伝搬する光に相関のない形で加わるために、雑音特性が劣化してしまう。この問題を避けるために、近年は、非特許文献３に示されるような２つの励起光を用いる方法が良く研究されている。

図４に、光ファイバを用い、２つの励起光を用いた場合の構成を示す。非特許文献３に示されるように、光ファイバ中の四光波混合等の手段を用いて、入力信号光４１０の平均的な位相と同期した２つの励起光４１１−１，４１１−２を生成する。次に、２つの励起光４１１−１，４１１−２と、信号光４１０とをエルビウム添加ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）４０２にて増幅し、高非線形性光ファイバ４０３に入射する。図４では入力信号光４１０と２つの励起光４１１−１，４１１−２とを合波してＥＤＦＡで増幅する構成となっているが、２つの励起光だけをＥＤＦＡで増幅し、信号光と合波してから光ファイバに入射しても同様の効果が得られる。信号光と２つの励起光との間に上述の（式４）で示した関係が成立するように位相を調整することにより、四光波混合による位相感応増幅を達成することができる。

しかしながら、上述してきた従来技術では以下のような問題点がある。

二次非線形光学結晶を用いた従来の位相感応増幅器においては、主にＳＨＧやパラメトリック増幅を起こすのに十分な高い出力のパルスレーザ光源を用いて動作させることのできる構成しか示されておらず、一般的に微弱な光を扱う光通信のシステムに適用できるような構成は、未だ公開されていない。特に、実際の光通信システムにおける中継増幅器として機能させるための位相感応増幅装置を通信波長帯の光源・光増幅器のみを用いて構成する方法は未だ公開されていない。

光ファイバを用いた位相感応増幅においては、光通信のシステムに適用可能な構成は示されているものの、四光波混合を用いるため、信号光、励起光の波長が近接する構成となっている。特に図４には、光ファイバ中の非線形光学効果を利用できるようにＥＤＦＡなどの光ファイバ増幅器により必要なパワーを得る構成が示されているが、ＥＤＦＡで光増幅を行う際に増幅自然放出光(ＡＳＥ光)が雑音として励起光に重畳してしまう。ここで、励起光の波長と信号光の波長とが接近しているために、ＡＳＥ光を取り除くことが困難であり、信号光波長にもＥＤＦＡから発生するＡＳＥ光が重畳してしまう。結果として、信号光のＳＮ比が劣化してしまい、低雑音での光増幅を行うことができない。

ここで、より具体的に位相感応増幅器を光通信技術に適用する場合の位相同期手法について着目する。例えば、位相感応増幅器を光信号の送信器の直後に適用する場合、すなわち、信号光を発生する光源が位相感応光増幅部の近くに配置されている場合には、信号光用光源の一部を分岐して励起光として用いることができる。しかしながら、光伝送における中継増幅器として位相感応増幅器を用いる場合には、光変調が施されている信号光から平均的な位相を抽出し、信号の搬送波位相と同期した励起光を生成する必要がある。実際の光伝送における中継増幅器として用いる場合は、この搬送波位相の抽出方法を含めて位相感応増幅器を構成することが重要となる。

一般に、二次非線形光学効果を有する媒質を用いた第二高調波光を用いると、励起光として使う第二高調波光の波長が、信号光の波長の半分になる。これにより、搬送波位相の抽出などを行うための光デバイスに通信波長帯とは異なる波長の光部品を使う必要が生じる。しかしながら、通信波長帯以外の波長の部品を使用するためには、様々な障害が生じる。波長によって、デバイスの成熟度が異なるため、デバイスの特性、スペックなど位相感応増幅器を構成するための仕様を満足することができない、もしくは仕様を満たすためには非常に高額になる部品を使わなければならないなどの問題が生じる。

より具体的には、高品質な半導体レーザなどの入手が難しく、光強度や光線幅、使用可能な波長などに制限をうける。光増幅器に関しても大きな課題を擁する。第二高調波などの通信波長に比べ波長の短い領域においては、光ファイバレーザ増幅器などを用いることができない。一部に半導体の増幅器などが実用化されているものもあるが、増幅率や飽和強度などの問題から位相感応増幅に用いる励起光として、十分な光強度が得られなかった。また、半導体増幅器の有する雑音指数（ＮＦ）により、位相感応増幅器に用いる励起光のＳＮが劣化するなどの問題があった。

さらに、第二高調波などの通信波長に比べ波長の短い光用の光デバイスにおいては、部品によっては信頼性の観点から問題があることも多く。これらを用いた位相感応増幅装置を実際の光通信システムに用いる障害となっている。しかしながら、２次非線形光学効果を有する媒質を用いた従来の位相感応増幅の研究においては、搬送波位相の抽出方法を含めた位相感応増幅器を通信波長帯の光部品のみを用いて構成が示されたことはなかった。

また、非特許文献３に示されているように、３次の非線形効果を有する光ファイバ中の四光波混合を用いた搬送波位相の抽出方法は示されている。しかしながら、上述した通り、従来方法では四光波混合を用いるため、信号光、励起光の波長が近接する構成となってしまう。ＥＤＦＡ等での光増幅を行う際に増幅自然放出光(ＡＳＥ光)が雑音として励起光に重畳してしまう。励起光の波長と信号光の波長とが接近しているために、ＡＳＥ光を取り除くことが困難であり、信号光波長にもＥＤＦＡから発生するＡＳＥ光が重畳してしまう。結果として、信号光のＳＮ比が劣化してしまい、低雑音での光増幅を行うことができないという問題があった。

本発明の目的は、光通信に適用可能であり、かつ低雑音での増幅が可能な位相感応増幅装置を提供することである。特に、信号の搬送波位相の抽出方法を含めた光伝送における中継増幅器として適用可能な位相感応増幅装置を通信波長帯の光部品のみを用いて提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の一実施態様は、和周波発生により主励起光を発生させる第１の二次非線形光学素子（715, 1315, 1415）と、信号光と前記主励起光とにより縮退パラメトリック増幅を行う第２の二次非線形光学素子（717, 1317, 1417）とを備え、非線形光学効果を用いた光混合によって前記信号光を増幅する位相感応型の光増幅装置であって、前記信号光の一部の第二高調波と、第１の励起光源（704, 1304, 1404）からの第１の励起光との差周波発生により差周波光を発生させる第３の二次非線形光学素子（707, 1307, 1407+1426）と、前記差周波光と同一の波長で発振する第２の励起光源（711, 1311, 1411）とを備え、前記差周波光を前記第２の励起光源に入力して光注入同期を行い、前記信号光の搬送波位相が抽出された第２の励起光を生成し、前記第１の二次非線形光学素子において前記第１の励起光および前記第２の励起光との和周波発生により前記主励起光を発生させることを特徴とする。

前記信号光の一部の第二高調波を発生させる第４の二次非線形光学素子（1426）をさらに備え、前記第３の二次非線形光学素子（1407）は、前記第４の二次非線形光学素子からの前記第二高調波と、前記第１の励起光源からの前記第１の励起光との差周波発生により差周波光を発生させることもできる。

前記第１の二次非線形光学素子（715, 1315, 1415）の入力に接続され、前記第１の励起光と前記第２の励起光とを増幅する光ファイバレーザ増幅器（713, 1313, 1413）と、前記第１の二次非線形光学素子の出力に接続され、前記主励起光のみを分離する第１のフィルタと、前記第２の二次非線形光学素子（717, 1317, 1417）の入力に接続され、前記信号光および前記主励起光を合波する合波器と、前記第２の二次非線形光学素子の出力に接続され、前記第２の二次非線形光学素子において増幅された信号光のみを分離する第２のフィルタとをさらに備えることもできる。

前記第１のフィルタを、前記第１の励起光および前記第２の励起光を反射し、前記主励起光を透過させるダイクロイックミラー（1353）としたり、前記合波器を、前記信号光を反射し、前記主励起光を透過させるダイクロイックミラー（1354）としたり、前記第２のフィルタを7、前記信号光を透過させ、前記主励起光を反射させるダイクロイックミラー（1356）とするのが好適である。

前記光ファイバレーザ増幅器と、前記第１の二次非線形光学素子との間に、前記第１の励起光および前記第２の励起光の波長に対して近傍の波長を有する光のみを透過させるバンドパスフィルタ（714, 1314, 1414）を備えることもできる。また、前記主励起光を、前記主励起光の波長においてシングルモードの偏波保存ファイバ（716, 1316, 1416）で伝送するのが好適である。

前記第１の励起光の位相を変調する位相変調手段（721, 1421）と、前記第２の二次非線形光学素子において増幅された信号光の一部を分岐して検出する検出手段（718+719, 1418+1419）と、前記検出手段からの位相変調信号に応じて、前記位相変調手段を制御し、前記信号光と前記第１の励起光の位相同期を行う位相同期ループ回路（720, 1420）とを備えたり、前記検出手段（1318+1319）からの位相変調信号に応じて、前記第１の励起光源（1304）の駆動電流を制御し、前記信号光と前記第１の励起光の位相同期を行う位相同期ループ回路（1320）を備えてもよい。

本発明の光増幅装置は、非線形光学効果であるパラメトリック増幅効果を利用して信号光の特定の位相だけを増幅する位相感応増幅器であり、光通信で用いる微弱な光パワーからパラメトリック光増幅を利用するのに十分なパワーを得るために、光ファイバ増幅器を用いる。本発明によれば、光増幅に伴って発生するＡＳＥ光を信号光に重畳させずに位相感応増幅器を構成することができるので、ＳＮ比の劣化を防ぎながら、高品質な光信号増幅が可能になる。

本発明の光増幅装置を、光通信システムにおける中継増幅器として適応可能であり、位相感応増幅器に用いる光源、光増幅器に信頼性の高い通信波長帯でこれまで用いられてきたデバイスを用いることができるため、特性の高い増幅器を安価に構成でき、位相感応増幅装置全体の信頼性を高めることができる。

この結果、光通信に適用可能かつ低雑音での増幅が可能な位相感応増幅器により、光ファイバ中の信号のＳＮ比を改善できるために、従来よりも高速の信号を低いパワーで長距離まで伝送することが可能になる。また、入射される信号光の位相チャープを補正して増幅することが可能であるために、光ファイバの波長分散による信号劣化の影響が小さくなり、増幅後の信号光の伝送距離を伸ばすことが可能になる。

従来の位相感応光増幅器の構成の説明図である。 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図である。 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‐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。 従来の三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図である。 従来技術による構成を用いた場合の位相感応光増幅の動作を説明するための図である。 本実施形態に係る構成を用いた場合の位相感応光増幅の動作を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成を示す図である。 第１の実施形態に係る位相感応光増幅器の位相感応光増幅の動作を説明するための図である。 第１の実施形態における第二高波調波発生を示す光スペクトル図である。 第１の実施形態における差周波発生を示す光スペクトル図である。 第１の実施形態における光注入同期を示す光スペクトル図である。 第１の実施形態に係る位相感応光増幅器によって増幅された信号の時間波形を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
本実施形態では、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、エルビウム添加ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）を用いて、信号光の一部を増幅する。増幅した信号光と第１の励起光とを合波した後、二次非線形光学素子に入射する。二次非線形光学素子の内部で信号光の第二高調波が生成され、かつ生成された第二高調波と第１の励起光との差周波発生（Difference Frequency Generation：ＤＦＧ）により搬送波位相の抽出を行う。差周波光は、同じ波長で発振する第２の励起光に注入同期された後、第１の励起光と合波される。第１及び第２の励起光で構成された励起基本波光を、ＥＤＦＡにより増幅する。増幅した励起基本波光を、二次非線形光学素子に入射して和周波発生（Sum Frequency Generation：ＳＦＧ）により和周波光を発生させる。この和周波光と信号光とを、二次非線形光学素子に入射して縮退パラメトリック増幅を行うことにより、位相感応増幅を行う。

従来の位相感応光増幅と比較しながら、本実施形態の位相感応光増幅の作用効果について、以下に説明する。

図５に、従来技術による構成を用いた場合の位相感応光増幅の動作を示す。従来の光ファイバを用いた位相感応増幅器では四光波混合を利用する。このため、パラメトリック光増幅を行うための励起光と信号光との波長が位相整合条件を満たすためには、これらの波長は近接した波長にならざるを得ない。図５で例示するように、信号光５０１および励起光５０２−１，５０２−２は、同じ１．５５μｍ帯の波長帯を有している。２つの励起光５０２−１，５０２−２を用いる場合、全体構成を簡略化するために、２つの励起光を１つの光ファイバ増幅器で増幅することが望ましい（図５（ａ））。このとき、励起光波長の近傍に、光ファイバ増幅器により発生するＡＳＥ光５０３が発生してしまう（図５（ｂ））。

信号光の波長帯域にＡＳＥ光を発生させないために、信号光が光ファイバ増幅器を通らないように構成することもできる。しかしながら、両者の波長が接近しているために、信号光５０１と励起光５０２−１，５０２−２とを合波した後、両者を分離する波長選択性の良い光フィルタを実現することが困難である。この結果、信号光５０１の波長域に発生しているＡＳＥ光５０３を完全にカットすることができず、信号光５０１にＡＳＥ光５０３が重畳してしまい、信号光５０１のＳＮ比が劣化してしまうことになる（図５（ｃ））。

図６に、本実施形態に係る構成を用いた場合の位相感応光増幅の動作を示す。本実施形態による構成では、信号光６０１の波長と、励起基本波光を構成する第１及び第２の励起光６０２−１，６０２−２の波長とは近接している。光通信で用いる微弱な光パワーから、パラメトリック光増幅を利用するのに十分なパワーを得るために、励起基本波光６０４を光ファイバ増幅器により増幅する。このときに励起基本波光６０４の波長近傍にＡＳＥ光６０３が重畳する。本実施形態に係る構成においては、増幅を行った後、ＡＳＥ光６０３が重畳された励起基本波光６０４を、二次非線形光学素子に入射して、和周波（ＳＦ）光６０５を発生させる。このとき、励起光として使用されるＳＦ光６０５の波長帯域には、わずかにＡＳＥ光の和周波光が発生する以外には、雑音となる広帯域のＡＳＥ光は発生しない。ＳＦ光６０５の波長は、励起基本波光６０４の波長のほぼ半分であり、両者の波長は十分に離れている。従って、励起基本波光６０４とＳＦ光６０５の分離は、高い消光比を持ったフィルタを、ダイクロイックミラー等により実現することができる。このようなフィルタを、二次非線形光学素子の出力に接続することにより、励起基本波光６０４とＡＳＥ光６０３とを完全に取り除くことができる。次いで、信号光６０１とＳＦ光６０５のみを合波して二次非線形光学素子に入射し、縮退パラメトリック増幅を行うことにより位相感応増幅を行う。

（第１の実施形態）
図７に、本発明の第１の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成を示す。第１の実施形態では、２値の位相変調（ＢＰＳＫ）または２値差動位相変調（ＤＰＳＫ）が施された１．５４μｍの信号光を増幅するための、搬送波位相抽出まで含めた位相感応増幅装置の構成を説明する。

信号光７０１の偏波を、偏波コントローラ７０２を用いて調整した後、光分岐部７０３により信号光７０１の一部を分岐する。レーザ光源７０４からの第１の励起光と信号光７０１の一部とを、光合波部７０５により合波した後、エルビウム添加ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）７０６で増幅する。増幅された信号光および第１の励起光は、二次非線形光学素子７０７に入力される。

第１の実施形態の二次非線形光学素子７０７は、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）から成る光導波路７５１を備える。信号光の第二高調波発生と、発生した第二高調波と第１の励起光との間で差周波発生が可能となる擬似位相整合条件を満たす周期分極反転構造が形成されている。

図８（ａ）に示すように、増幅された信号光８０１と第１の励起光８０２とが入力された二次非線形光学素子７０７によって、信号光８０１の波長に対して半分の波長を持つ第二高調波（ＳＨ）光８０３が生成される。さらに、内部で発生したＳＨ光８０３と第１の励起光８０２との間の差周波（ＤＦ）光８０４が生成される。信号光８０１の位相φｓと、第１の励起光８０２の位相φｐ１と、ＤＦ光８０４の位相φｐ２との間には、式５を満たす関係がある。
２φｓ−φｐ１−φｐ２＝０ （式５）

つまり、ＤＦ光８０４の位相φｐ２は、式６のように、信号光８０１の位相φｓと第１の励起光８０２の位相φｐ１とを用いて表される。
φｐ２＝２φｓ−φｐ１ （式６）

第二高調波発生を用いたことにより、信号光の位相φｓを２倍とすることができる。通常データ信号には変調がかかっているため、搬送波の位相を抽出することが難しいが、信号光の位相φｓを２倍にすることにより、２値の位相変調を取り除くことができる。さらに、差周波発生を用いることにより、搬送波の位相情報を含んだ差周波光を信号光と同じ波長帯である１．５５μｍ帯で取り出すことができる。このとき、光ファイバの四光波混合ではなく、二次非線形光学素子７０７であるＰＰＬＮ導波路７５１を用いることにより、位相整合条件が一意に決まり、副次的な変換光を生ずることなく所望の光のみを取り出すことができる。

伝送されてきた信号光７０１が完全な２値の位相変調状態であれば、差周波光には変調の影響は現れない。しかしながら、光ファイバなどの伝送路を伝搬してきた光信号には、位相雑音が重畳されているため、完全な２値の位相変調状態とはならない。従って、実際に得られる差周波光には、変調の不均一性に起因した影響が残っている。また、元々微弱な信号光を分波して、二次非線形光学素子７０７に入力しているため、得られた差周波光の光強度は微弱である。これらの問題を解決するために、差周波光を用いて光注入同期を行う。

図７に戻り、二次非線形光学素子７０７から出力された、信号光、第１の励起光、差周波光は、光サーキュレータ７０８を通して、アレイ導波路格子(ＡＷＧ)型の波長合分波器７０９に入力される。波長合分波器７０９から出力された信号光は空間系に放出され、波長合分波器７０９から出力された第１の励起光は、アイソレータ７１０により消光される。波長合分波器７０９の差周波光と一致した波長を持つ出力ポートには、差周波光とほぼ同じ波長で発振するレーザ光源７１１が接続されている。

差周波光の光強度を１０μＷ〜１００μＷになるように調整した後、レーザ光源７１１に入力することにより光注入同期を行う。光注入同期により差周波光と同じ位相を持つ第２の励起光を生成することができる。第２の励起光は、差周波光の位相φｐと同じ位相を持つ。光強度は、レーザ光源７１１の出力により決まるため、数１０μＷ程度の微弱な差周波数光を用いて、数１０ｍＷ以上の励起光を得ることができる。このようにして、信号光搬送位相を抽出した第２の励起光を得ることができ、第２の励起光により、差周波光に重畳されていた信号光の変調の不均一性に起因した影響も緩和することができる（図８（ｂ）参照）。

レーザ光源７０４から光分岐部７１２と可変光減衰器（ＶＯＡ）７２３とアイソレータ７１０とを介して、第１の励起光を、波長合分波器７０９の出力ポートから入射する。ＶＯＡ７２３により、第１の励起光及び第２の励起光の光強度が等しくなるようにして、第１の励起光及び第２の励起光を合波し、励起基本波として光サーキュレータ７０８から取り出す。このようにして、非線形光学素子と光注入同期とを用いて、図８（ｂ）に示したように、信号光搬送位相を抽出した励起基本波を得る。

光サーキュレータ７０８から取り出された励起基本波光は、ＥＤＦＡ７１３を用いて増幅され、バンドパスフィルタ７１４を介して二次非線形光学素子７１５に入力される。バンドパスフィルタ７１４は、ＥＤＦＡ７１３から発生する広帯域なＡＳＥ光が、二次非線形光学素子７１５により変換されることを防ぐため、不必要なＡＳＥ光をカットする。

二次非線形光学素子７１５は、周期的に分極反転された構造を有するニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）から成る光導波路７５２を備える。ＰＰＬＮ導波路７５２は、擬似位相整合によりニオブ酸リチウムの最も高い非線形光学定数を利用することが可能である。また、光導波路構造により高い光パワー密度が得られるので、高い波長変換効率を得ることができる。ＰＰＬＮ導波路７５２に高強度のパワーを入射した場合に、フォトリフラクティブ効果による光損傷により、位相整合波長が変化する場合があるが、本実施形態ではそのような問題が生じないように、非特許文献４に示される直接接合により作製された導波路を用いている。光損傷耐性に優れたＺｎを添加したニオブ酸リチウムを、導波路コアに用いた直接接合導波路を使用することにより、位相整合波長の変動を抑制した。また、ドライエッチング加工によりコア径を４μｍ程度まで小さくすることにより高い波長変換効率を実現した。

図８（ｃ）に示すように、二次非線形光学素子７１５は、励起基本波を構成する第１の励起光８１１及び第２の励起光８１２との間の和周波発生により得られた和周波（ＳＦ）光８１３と励起基本光とを出力する。二次非線形光学素子７１５のＰＰＬＮ導波路７５２から出射した和周波光と励起基本光とは、ダイクロイックミラー７５３を用いて分離する。ダイクロイックミラー７５３で反射された０．７７μｍの和周波光は、この波長０．７７μｍにおいてシングルモード伝搬特性を有する偏波保存ファイバ７１６を介して、二次非線形光学素子７１７へと導かれる。このとき、ダイクロイックミラー７５３では、完全に取り除けなかった波長１．５４μｍ付近の励起光およびＡＳＥ光が、偏波保存ファイバ７１６に入射されることになる。しかし、０．７７μｍにおいてシングルモードである光ファイバは、波長１．５４μｍの光に対しては光の閉じ込めが弱いために、１ｍ程度の長さを伝搬させることにより、これらの不用な光を効果的に減衰させることができる。

二次非線形光学素子７１７において、偏波保存ファイバ７１６で導かれた和周波光は、ダイクロイックミラー７５４を用いて、波長１．５４μｍの信号光７０１と合波される。このダイクロイックミラー７５４は、和周波光のみを反射させるために、二次非線形光学素子７１５から偏波保存ファイバ７１６を通ってくる波長１．５４μｍ付近の励起基本波光とＡＳＥ光との残留成分を効果的に取り除くことができる。

図８（ｄ）に示すように、信号光７０１と、主励起光としての和周波（ＳＦ）光８１３とが合波され、二次非線形光学素子７１７のＰＰＬＮ導波路７５５に入射される。ＰＰＬＮ導波路７５５は、二次非線形光学素子７１５のＰＰＬＮ導波路７５２と同等の性能、位相整合波長を有しており、縮退パラメトリック増幅により、信号光を位相感応増幅することができる。

第１の実施形態において、２つの二次非線形光学素子７１５，７１７のＰＰＬＮ導波路７５２，７５５は、個別の温度調節器により一定の温度となるように制御されている。２つのＰＰＬＮ導波路の作製誤差のために、同一温度において位相整合波長が一致しない場合が考えられるが、そのような場合でも両者を個々に温度制御することにより、両者の位相整合波長を一致させることができる。

二次非線形光学素子７１７のＰＰＬＮ導波路７５５から出射された光は、ダイクロイックミラー７５６により主励起光である和周波光と増幅された信号光とに分離される。このとき、和周波光と増幅された信号光とは、波長帯域が全く異なるために、出力において不必要な第二高調波成分を効果的に取り除くことができる（図８（ｄ）参照）。

位相感応増幅では、主励起光と信号光の位相を同期させることが必要である。第１の実施形態では、出力した信号光の一部を光分岐部７１８で分岐して、光検出器７１９で受光した後、位相同期ループ回路（ＰＬＬ）７２０により位相同期を行う。光分岐部７１２とアイソレータ７１０との間に挿入された位相変調器７２１を用いて、ｓｉｎ波により微弱な位相変調を、レーザ光源７０４から出射された第１の励起光に施す。光検出器７１９とＰＬＬ回路７２０とにより、位相変調の位相ずれを検出し、アイソレータ７１０の前に挿入されたＰＺＴによる光ファイバの伸長器７２２の駆動電圧と位相変調器７２１のバイアス電圧とにフィードバックを行う。このようにして、光ファイバ部品の振動、温度変動による光位相の変動を吸収して、安定的に位相感応増幅ができるようにする。

図８（ｃ）に示したように、第１の励起光８１１及び第２の励起光８１２を用いて和周波（ＳＦ）光８１３を生成する。このとき、第１の励起光位相φｐ１と第２の励起光位相φｐ２と和周波光位相φＳＦの間には、式７の関係がある。
φＳＦ＝φｐ１＋φｐ２ （式７）
＝２φｓ

図８（ｄ）に示したように、信号光７０１と主励起光である和周波（ＳＦ）光８１３とのパラメトリック増幅により位相感応増幅が行われる。このとき、信号光位相φｓと和周波光位相φＳＦの間には、式８の関係がある。
ΔΦ＝φＳＦ−２φｓ＝ｎπ（ただし、ｎは整数） （式８）

入力信号と励起光となる和周波光の位相差ΔΦが、−π、０、またはπの時に利得が最大になる。

図９に、第１の実施形態における第二高波調波発生を示す。位相変調器７２１として、ＬＮマッハツェンダー変調器を使用し、信号光７０１として４０Ｇｂ／ｓの２値の位相変調（ＢＰＳＫ）信号を入力した場合の増幅特性を評価した。信号光７０１は、中心波長が約１５３６ｎｍであり、図９（ａ）に光スペクトルアナライザで測定した信号光のスペクトルを示す。２値の位相変調が施されているため、波長軸上で見た時のキャリアの中心波長にはピークが観測されない。

２値の位相変調の施された信号光の搬送波位相の抽出が可能であることを確かめるために、信号光７０１を二次非線形光学素子７０７に入射し、内部で発生した第二高波調波（ＳＨ）光８０３を観測した。図９（ｂ）に、２値の位相変調の施された信号光の第二高波調波に対するスペクトルを示す。第二高波調波に対応する波長に強度の強いピークが観測されている。これは、信号光の第二高波調波発生により位相変調がキャンセルされていることを示している。

図１０に、第１の実施形態における差周波発生を示す。２値の位相変調の施された信号光と第１の励起光とを合波した後、二次非線形光学素子７０７に入射し、二次非線形光学素子７０７から出力された光を光スペクトルアナライザで測定した結果を示す。第１の励起光の波長は、約１５３４ｎｍである。二次非線形光学素子７０７の内部で生成された信号光の第二高波調波と第１の励起光との間の差周波発生により、波長約１５３８ｎｍ付近に差周波（ＤＦ）光が生成されている。スペクトルの形状から差周波光には位相変調が重畳されていないことがわかる。

図１１に、第１の実施形態における光注入同期を示す。光サーキュレータ７０９の出力をスペクトルアナライザで測定した結果を示す。差周波光を波長合分波器７０９により分離して、差周波光とほぼ同じ波長で発振するレーザ光源７１１に入力した。レーザ光源７１１の出力と第１の励起光とを、波長合分波器７０９により合波した後、光サーキュレータ７０８を用いて、励起基本波として取り出した。図１１（ａ）は、差周波光をレーザ光源７１１に入射させない場合の励起基本波光のスペクトルであり、比較のために示した。図１１（ｂ）は、差周波光をレーザ光源７１１に入射し、差周波光を光注入同期させた場合の励起基本波光のスペクトルである。

励起基本波光のうち第１の励起光は約１５３４ｎｍ付近のスペクトルであり、第２の励起光は約１５３８ｎｍ付近のスペクトルである。図１１（ａ）及び（ｂ）を比較すると、第２の励起光は、光注入同期を行ったことにより、スペクトルが変化している様子が分かる。光注入同期により、位相情報も含めて差周波光と同じ周波数でレーザ光源７１１が発振する。このとき、レーザ光源７１１に入射する差周波光のパワーを徐々に上げていき、注入量が約数十μＷになった時に、レーザ光源７１１の波長が差周波光波長にシフトすることにより、光注入同期が行われている様子を観測することができる。

図１２に、第１の実施形態に係る位相感応光増幅器によって増幅された信号の時間波形を示す。励起基本波光として用いる第１の励起光及び第２の励起光の光強度をほぼ同じになるように調整した後、ＥＤＦＡ７１３で増幅する。増幅した励起基本波光を二次非線形光学素子７１５に入射して和周波（ＳＦ）光を発生させる。二次非線形光学素子７１７に信号光と和周波（ＳＦ）光とを入射して、縮退パラメトリック増幅を行うことにより、位相感応増幅を行う。

増幅特性を確認するために、増幅後の信号を観測し時間波形を調べた。図１２（ａ）に、励起光を入射しないとき、二次非線形光学素子７１７からの信号光の出力波形を示す。図１２（ｂ）は、ＰＬＬ７２０により、励起光と信号光の位相が合うように設定したときの信号光の出力波形である。一方、図１２（ｃ）は、ＰＬＬ７２０により、励起光と信号光の位相が９０度ずれるように設定したときの出力波形である。第１の実施形態では、励起光の位相を信号光の位相に合わせることにより、二次非線形光学素子７１７のＰＰＬＮ導波路に入射した和周波光のパワーが３００ｍＷのとき、信号光の増幅特性は、約１１ｄＢの利得を得ることができる。

第１の実施形態では、光ファイバ増幅器を用いることにより、光通信への応用では必須の条件であるＣＷ光の励起光による動作を実現することができた。また、第１の実施形態による構成をとることにより、光ファイバ増幅器を用いながらも光ファイバ増幅器から発生するＡＳＥ光の混入を防ぐことができるため、ＳＮ比の劣化を防いで位相感応増幅を行うことが可能になった。

励起光と信号光の位相が９０度ずれるように設定したとき、図１２（ｃ）に示したように、信号のＯＮレベルが減衰されている様子から、位相感応増幅が達成されていることがわかる。また、信号のＯＮとＯＦＦレベルの間の過渡的な部分のみが増幅された波形が観測されている。これは、伝送媒質である光ファイバ中を伝搬してきた信号に、位相雑音が重畳されていることを示している。信号光と励起光の位相を直交させるように設定すると、位相雑音成分のみが位相感応増幅されるという結果となる。すなわち、信号光のＯＮ状態に位相を合わせた状態では、入力信号に位相雑音が含まれていた場合でも、その位相雑音を除去して、位相雑音のない信号として整形して増幅できることを示している。

さらに、第１の実施形態による動作によれば、以下のような従来技術にはない利点がある。従来の光ファイバ中の四光波混合を利用して２つの励起光を使い位相感応増幅を行う構成では、非特許文献５に示されるように、信号光波長を中心として２つの励起光との間の四光波混合だけが起きるわけではなく、位相整合に対する条件が様々な波長間で満たされてしまう。従って、例えば、一方の励起光を中心にして信号光が別の波長へ変換されるような過程も生じてしまい、増幅された信号光がつぎつぎとコピーされて複数の信号が生成されてしまう。このため、増幅された信号光のパワーが散逸してしまい、所望の信号光パワーが制限されてしまう。第１の実施形態では、二次非線形光学素子７１７のＰＰＬＮ導波路には、信号光と第二高調波光のみが入力されるので、従来技術のような不必要な波長変換過程が生じることがない。第１の実施形態によれば、出力パワーを２２ｄＢｍまで大きくしても出力の飽和がみられず安定的な増幅を行うことができる。

（第２の実施形態）
図１３に、本発明の第２の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成を示す。第１の実施形態と同様に１．５４μｍの信号光を増幅する。３つの二次非線形光学素子を用いて、信号光の搬送位相を抽出した後、和周波光を発生させ縮退パラメトリック増幅を行う点は、第１の実施形態と同じである。相違点は、励起基本波光から和周波光を分離する方式と和周波光と信号光とを合波する方式とにある。さらに、信号光の搬送位相の抽出手法をより簡便に構成した。第１の実施形態によれば、光ファイバ増幅器から発生するＡＳＥ光に起因する信号光のＳＮ比の劣化を抑制しながら位相感応増幅を行うことができるが、第２の実施形態においても、その効果を有効に利用できるようにした。

第２の実施形態においても、励起基本波光からの和周波光の分離、和周波光と信号光との合波には、ダイクロイックミラーを用いている。一般的に、波長の異なる２つの光を分離または合波するために、一方の波長の光を反射し、他方の波長の光を透過するダイクロイックミラーが使用される。特に、不必要な光をカットする用途の場合、カットしたい特定の波長光を反射させて使用する構成とすることが望ましい。逆に、カットしたい特定の波長の光を透過させ、必要とする光を反射させて取り出す構成の場合、不必要な波長におけるミラーの反射率を非常に小さくする必要がある。不必要な波長におけるミラーの反射率を非常に小さくすることに比べると、カットしたい特定の波長の光の透過率を下げることは比較的容易であるため、不要な波長の光を反射させる構成の方が、不必要な光を効果的に抑圧することができる。第２の実施形態では、そのような考え方に基づいて装置を構成した。

信号光１３０１の偏波を、偏波コントローラ１３０２を用いて調整した後、光分岐部１３０３により信号光１３０１の一部を分岐する。レーザ光源１３０４からの第１の励起光と信号光１３０１の一部とを、光合波部１３０５により合波した後、エルビウム添加ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）１３０６で増幅する。第１の励起光は、位相同期のための位相変調器１３２１を介した後、合波している。増幅された信号光および第１の励起光は、二次非線形光学素子１３０７に入力される。

第２の実施形態の二次非線形光学素子１３０７は、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）から成る光導波路１３５１を備える。信号光の第二高調波発生と、発生した第二高調波と第１の励起光との間の差周波発生とにより差周波（ＤＦ）光を得る。二次非線形光学素子１３０７から出力された、信号光、第１の励起光、差周波光は、光サーキュレータ１３０８を通して、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）型の波長合分波器１３０９に入力される。波長合分波器１３０９から出力された信号光は空間系に放出され、波長合分波器１３０９から出力された第１の励起光は、光ファイバ型のミラー１３２４により反射させ、波長合分波器１３０９に再度折り返して入力した。

波長合分波器１３０９の差周波光と一致した波長を持つ出力ポートには、差周波光とほぼ同じ波長で発振するレーザ光源１３１１が接続されている。差周波光の光強度を１０μＷ〜１００μＷになるように調整した後、レーザ光源１３１１に入力することにより光注入同期を行う。光注入同期により差周波光と同じ位相を持つ第２の励起光を生成することができる。この構成によれば、第１の励起光と第２の励起光とが、ほぼ同じファイバ経路を辿るため、環境変化によるファイバ長の変化に起因した位相揺らぎの大きさを小さく抑えることができる。

波長合分波器１３０９において、ミラー１３２４により反射された第１の励起光と、第２の励起光とを合波して、励起基本波として光サーキュレータ１３０８から取り出す。このようにして、非線形光学素子と光注入同期とを用いて、信号光搬送位相を抽出した励起基本波を得る。

光サーキュレータ１３０８から取り出された励起基本波光は、ＥＤＦＡ１３１３を用いて増幅され、バンドパスフィルタ１３１４を介して二次非線形光学素子１３１５に入力される。二次非線形光学素子１３１５は、周期的に分極反転された構造を有するニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）から成る光導波路１３５２を備え、励起基本波を構成する第１の励起光及び第２の励起光との間の和周波発生により得られた和周波（ＳＦ）光を発生させる。二次非線形光学素子１３１５のＰＰＬＮ導波路から出射した和周波光と励起基本光とは、ダイクロイックミラー１３５３を用いて分離する。

第２の実施形態においては、和周波光のみを効果的に取り出し、ＥＤＦＡ１３１３から発生するＡＳＥ光を効果的に除去するために、ＰＰＬＮ導波路の後に、１．５５μｍ帯を反射し、０．７７μｍ帯を透過するダイクロイックミラー１３５３を設置する。波長が０．７７μｍである和周波光は、この波長においてシングルモード伝搬特性を有する偏波保存ファイバ１３１６を介して、二次非線形光学素子１３１７へと導かれる。第１の実施形態と同様に、０．７７μｍにおいてシングルモードである光ファイバは、波長１．５４μｍの光に対しては光の閉じ込めが弱いために、１ｍ程度の長さを伝搬させることにより、不用な波長１．５４μｍ付近の励起基本波光およびＡＳＥ光を効果的に減衰させることができる。

二次非線形光学素子１３１７において、偏波保存ファイバ１３１６で導かれた和周波光は、ダイクロイックミラー１３５４を用いて、波長１．５４μｍの信号光１３０１と合波される。このダイクロイックミラー１３５４は、二次非線形光学素子１３１５から偏波保存ファイバ１３１６を通ってくる波長１．５４μｍ付近の励起基本波光とＡＳＥ光との残留成分を効果的に取り除くことができるように、１．５４μｍ帯を反射し、０．７７μｍ帯を透過する。信号光１３０１と主励起光としての和周波光とが合波され、二次非線形光学素子１３１７のＰＰＬＮ導波路１３５５に入射される。ＰＰＬＮ導波路１３５５は、二次非線形光学素子１３１５のＰＰＬＮ導波路１３５２と同等の性能、位相整合波長を有しており、縮退パラメトリック増幅により、信号光を位相感応増幅することができる。

二次非線形光学素子１３１７のＰＰＬＮ導波路１３５５から出射された光は、ダイクロイックミラー１３５６により主励起光である和周波光と増幅された信号光とに分離される。第２の実施形態では、出力に不用な和周波光を効果的に取り除くために０．７７μｍ帯を反射し、１．５４μｍ帯を透過するダイクロイックミラー１３５６を用いる。第２の実施形態においても、出力した信号光の一部を光分岐部１３１８で分岐して、光検出器１３１９で受光した後、位相同期ループ回路（ＰＬＬ）１３２０により位相同期を行うことにより、励起光と信号光の位相同期を行う。光検出器１３１９とＰＬＬ回路１３２０とにより位相変調の位相ずれを検出し、ＰＬＬ回路１３２０の誤差信号を、第１の励起光を生成するレーザ光源１３０４の駆動電流と位相変調器１３２１のバイアス電圧とにフィードバックを行う。このようにして、光ファイバ部品の振動、温度変動による光位相の変動を吸収して、安定的に位相感応増幅ができるようにする。

第２の実施形態においては、それぞれ特性の異なるダイクロイックミラーを、励起基本波光からの第二高調波の分離と、第二高調波と信号光との合波に用いた。このため、ＳＮ比に悪影響を与えるＥＤＦＡからのＡＳＥ光を信号光に混入させることなく、高い信号品質が得られる位相感応増幅器を構成することができる。また、搬送波抽出に用いる部品点数を減らすことにより、簡便な構成を取ることができる。

（第３の実施形態）
図１４に、本発明の第３の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成を示す。第１の実施形態と同様に１．５４μｍの信号光を増幅する。信号光の搬送位相を抽出した後、和周波光を発生させ縮退パラメトリック増幅を行う点は、第１の実施形態と同じである。相違点は、搬送波抽出の構成にある。

光通信における光増幅器には、信号光の光パワーが微弱であっても増幅できることが求められる。信号光のパワーが非常に微弱な場合、それを分岐して搬送波抽出に使うため、その信号光は極度に微弱となる。第１の実施形態では、第二高調波発生と差周波発生とを同時に行うため、分岐した極度に微弱な信号光を、光ファイバ増幅器で増幅する。この際に生じるＡＳＥ光が過剰になり、得られる差周波光にＡＳＥ光が重畳され、差周波光のＳＮ比が悪くなる。ＳＮ比が十分にあれば、光注入同期によりＳＮ比の改善を行うことができる。しかし、元の信号光が微弱になればなるほど差周波光のＳＮ劣化が増大され、第１の励起光として十分なＳＮ比を保つことが難しくなる。低雑音な位相感応増幅を動作させるためには、励起光のＳＮ比がよいことが必要であるため、励起光のＳＮ比確保は、重要である。第３の実施形態では、差周波光のＳＮ劣化を防ぐことを目的とする。

信号光１４０１の偏波を、偏波コントローラ１４０２を用いて調整した後、光分岐部１４０３により信号光１４０１の一部を分岐する。分岐した信号光の一部をエルビウム添加ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）１４０６で増幅する。増幅された信号光は、バンドパスフィルタ１４２５を介して二次非線形光学素子１４２６に入力される。二次非線形光学素子１４２６は、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）から成る光導波路１４６１を備える。二次非線形光学素子１４２６中のＰＰＬＮ導波路１４６１に信号光を入射することにより、信号光の第二高調波を発生させる。ダイクロイックミラー１４６２により第二高調波と信号光を分離する。

二次非線形光学素子１４２６から取り出した第二高調波と、レーザ光源１４０４からの第１の励起光とを、二次非線形光学素子１４０７に入射する。二次非線形光学素子１４０７は、入力部にはダイクロイックミラー１４６３を備えており、第二高調波と第１の励起光がダイクロイックミラー１４６３で合波され、二次非線形光学素子１４０７のＰＰＬＮ導波路１４５１に入力される。このＰＰＬＮ導波路１４５１において、第二高調波と第１の励起光との間の差周波発生により、差周波（ＤＦ）光を得る。このような構成により、第二高調波を得る際に用いた信号光を増幅するファイバ幅器からの不要なＡＳＥ光を除去した後、第二高調波と第１の励起光の間の差周波光を生成できるため、信号光に非常に弱い光を用いても高いＳＮ比を持つ差周波光を生成することができる。

二次非線形光学素子１４０７から出力された、信号光、第１の励起光、差周波光は、光サーキュレータ１４０８を通して、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）型の波長合分波器１４０９に入力される。波長合分波器１４０９から出力された信号光は空間系に放出され、波長合分波器１４０９から出力された第１の励起光は、アイソレータ１４１０により消光される。波長合分波器１４０９の差周波光と一致した波長を持つ出力ポートには、差周波光とほぼ同じ波長で発振するレーザ光源１４１１が接続されている。

第１の実施形態と同様に、光注入同期により差周波光と同じ位相を持つ第２の励起光を生成することができる。高いＳＮ比を持つ差周波光を用いたため、高いＳＮを保ったまま第２の励起光を生成することができる。レーザ光源１４０４から光分岐部１４１２と可変光減衰器（ＶＯＡ）１４２３とアイソレータ１４１０とを介して、第１の励起光を、波長合分波器１４０９の出力ポートから入射する。ＶＯＡ７２３により、第１の励起光及び第２の励起光の光強度が等しくなるようにして、第１の励起光及び第２の励起光を合波し、励起基本波として光サーキュレータ１４０８から取り出す。このようにして、非線形光学素子と光注入同期とを用いて、信号光搬送位相を抽出した励起基本波を得る。

光サーキュレータ１４０８から取り出された励起基本波光は、ＥＤＦＡ１４１３を用いて増幅され、バンドパスフィルタ１４１４を介して二次非線形光学素子１４１５に入力される。二次非線形光学素子１４１５は、励起基本波を構成する第１の励起光及び第２の励起光との間の和周波発生により得られた和周波（ＳＦ）光を発生させる。偏波保存ファイバ１４１６で導かれた主励起光としての和周波光と信号光１４０１とを、二次非線形光学素子１４１７に入射して、縮退パラメトリック増幅を行うことにより、位相感応増幅を行い良好な特性を得ることができる。第３の実施形態によれば、非常に微弱な信号を増幅する場合においても、低雑音な位相感応増幅器を構成することができる。

１０１ 位相感応光増幅部
１０２ 励起光源
１０３ 励起光位相制御部
１０４，７０３，７１２，７１８，１３０３，１３１８，１４０３，１４１２，１４１８ 光分岐部
１１０，４１０ 入力信号光
１１１，２１１，４１１，５０２，６０２ 励起光
１１２，４１２ 出力信号光
２０１，７０４，７１１，１３０４，１３１１，１４０４，１４１１ レーザ光源
２０２ ＳＨＧ結晶
２０３ ＯＰＡ結晶
２１０，５０１，６０１，７０１，１３０１，１４０１ 信号光
４０１ 励起光位相同期手段
４０２，７０６，７１３，１３０６，１３１３，１４０６，１４１３ エルビウム添加ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）
４０３ 光ファイバ
４０４ 信号光フィルタ
５０３，６０３ ＡＳＥ光
６０４ 励起基本波光
６０５ 和周波（ＳＦ）光
７０２，１３０２，１４０２ 偏波コントローラ
７０５，１３０５ 光合波部
７０７，７１５，７１７，１３０７，１３１５，１３１７，１４０７，１４１５，１４１７，１４２６ 二次非線形光学素子
７０８，１３０８，１４０８ 光サーキュレータ
７０９，１３０９，１４０９ 波長合分波器
７１０，１４１０ アイソレータ
７１４，１３１４，１４１４，１４２５ バンドパスフィルタ
７１６，１３１６，１４１６ 偏波保存ファイバ
７１９，１３１９，１４１９ 光検出器
７２０，１３２０，１４２０ 位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
７２１，１３２１，１４２１ 位相変調器
７２２，１４２２ ＰＺＴによる光ファイバ
７２３，１４２３ 可変光減衰器（ＶＯＡ）
７５１，７５２，７５５，１３５１，１３５２，１３５５，１４６１ ＰＰＬＮ導波路
７５３，７５４，７５６，１３５３，１３５４，１３５６，１４６２，１４６３ ダイクロイックミラー
１３２４ ミラー

Claims (11)

1. 和周波発生により主励起光を発生させる第１の二次非線形光学素子と、信号光と前記主励起光とにより縮退パラメトリック増幅を行う第２の二次非線形光学素子とを備え、非線形光学効果を用いた光混合によって前記信号光を増幅する位相感応型の光増幅装置であって、
   前記信号光の一部の第二高調波と、第１の励起光源からの第１の励起光との差周波発生により差周波光を発生させる第３の二次非線形光学素子と、
   前記差周波光と同一の波長で発振する第２の励起光源とを備え、
   前記差周波光を前記第２の励起光源に入力して光注入同期を行い、前記信号光の搬送波位相が抽出された第２の励起光を生成し、前記第１の二次非線形光学素子において前記第１の励起光および前記第２の励起光との和周波発生により前記主励起光を発生させることを特徴とする光増幅装置。
2. 前記信号光の一部の第二高調波を発生させる第４の二次非線形光学素子をさらに備え、
   前記第３の二次非線形光学素子は、前記第４の二次非線形光学素子からの前記第二高調波と、前記第１の励起光源からの前記第１の励起光との差周波発生により差周波光を発生させることを特徴とする請求項１に記載の光増幅装置。
3. 前記第１の二次非線形光学素子の入力に接続され、前記第１の励起光と前記第２の励起光とを増幅する光ファイバレーザ増幅器と、
   前記第１の二次非線形光学素子の出力に接続され、前記主励起光のみを分離する第１のフィルタと、
   前記第２の二次非線形光学素子の入力に接続され、前記信号光および前記主励起光を合波する合波器と、
   前記第２の二次非線形光学素子の出力に接続され、前記第２の二次非線形光学素子において増幅された信号光のみを分離する第２のフィルタと
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の光増幅装置。
4. 前記第１のフィルタは、前記第１の励起光および前記第２の励起光を反射し、前記主励起光を透過させるダイクロイックミラーであることを特徴とする請求項３に記載の光増幅装置。
5. 前記合波器は、前記信号光を反射し、前記主励起光を透過させるダイクロイックミラーであることを特徴とする請求項３に記載の光増幅装置。
6. 前記第２のフィルタは、前記信号光を透過させ、前記主励起光を反射させるダイクロイックミラーであることを特徴とする請求項３に記載の光増幅装置。
7. 前記光ファイバレーザ増幅器と、前記第１の二次非線形光学素子との間に、前記第１の励起光および前記第２の励起光の波長に対して近傍の波長を有する光のみを透過させるバンドパスフィルタを備えたことを特徴とする請求項３に記載の光増幅装置。
8. 前記第１の二次非線形光学素子から出力され、前記第２の二次非線形光学素子に入力される前記主励起光は、前記主励起光の波長においてシングルモードの偏波保存ファイバで伝送されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の光増幅装置。
9. 前記第１の二次非線形光学素子、前記第２の二次非線形光学素子および前記第３の二次非線形光学素子は、周期分極反転構造を有するニオブ酸リチウムからなる光導波路を含み、前記光導波路の各々は、位相整合波長が一致するように、個別に温度制御されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の光増幅装置。
10. 前記第１の励起光の位相を変調する位相変調手段と、
    前記第２の二次非線形光学素子において増幅された信号光の一部を分岐して検出する検出手段と、
    前記検出手段からの位相変調信号に応じて、前記位相変調手段を制御し、前記信号光と前記第１の励起光の位相同期を行う位相同期ループ回路と
    をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の光増幅装置。
11. 前記第２の二次非線形光学素子において増幅された信号光の一部を分岐して検出する検出手段と、
    前記検出手段からの位相変調信号に応じて、前記第１の励起光源の駆動電流を制御し、前記信号光と前記第１の励起光の位相同期を行う位相同期ループ回路と
    をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の光増幅装置。

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