JP5883974B2

JP5883974B2 - 光信号増幅装置

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Publication number: JP5883974B2
Application number: JP2015090875A
Authority: JP
Inventors: 遊部　雅生; 雅生遊部; 毅伺梅木; 圓佛　晃次; 晃次圓佛; 明雄登倉; 宮本　裕; 宮本　　裕; 高良　秀彦; 秀彦高良; 弘和竹ノ内; 勲富田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc USA
Current assignee: NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2015-04-27
Publication date: 2016-03-15
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: JP5856083B2; CN103403616B; EP2672318B1; US9065243B2; CN103403616A; US20150036210A1; JP2015165316A; EP2672318A1; WO2012098911A1; JPWO2012098911A1; EP2672318A4

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ならびにこの光増幅装置を備えた光送信装置及び光受信装置に関する。

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ー増幅器や、半導体レーザー増幅器がある。ファイバレーザー増幅器や半導体レーザー増幅器は、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、これらのレーザー増幅器は、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、これらのレーザー増幅器においては、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Ｓ／Ｎ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ー増幅器の限界を打開する手段として、位相感応光増幅器（ＰｈａｓｅＳｅｎｓｉｔｉｖｅＡｍｐｌｉｆｉｅｒ：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Ｓ／Ｎ比を劣化させず同一に保つことが原理的に可能である。

J. A. Levenson, I. Abram, T. Rivera, and P. Grainger, "Reduction of quantum noise in optical parametric amplification," J. Opt. Soc. Am. B, vol. 10, pp. 2233-2238 (1993). W. Imajuku, and A. Takada, "Gain characteristics of coherent optical amplifiers using a Mach-Zehnder interferometer with Kerr Media," IEEE J. Quantum Electron., vol. 35, no. 11, pp. 1657-1665 (1999). R. Slavik et al., "All-optical phase and amplitude regenerator for next-generation telecommunications system," Nature Photonics., vol. 4, pp. 690-695 (2010). T. Umeki, O. Tadanaga, and M. Asobe, "Highly efficient wavelength converter using direct-bonded PPZnLN ridge waveguide," IEEE J. Quantum Electron., vol. 46, no. 8, pp. 1003-1008 (2010). R. Slavik et al., "All-optical phase-regenerative multicasting of 40 Gbit/s DPSK signal in a degenerate phase sensitive amplifier," In Proceedings of the European Conference and Exhibition on Optical Communication (ECOC 2010, Torino, Italy) MO.1.A.2. 諸橋功，坂本高秀，外林秀之，川西哲也，寳迫巌, "マッハツェンダー変調器ベース光コム発生器およびソリトン圧縮による100fs 級パルス発生," 第72 回応用物理学会学術講演会講演予稿 (応用物理学会2011 秋山形大学) 30a-P3-1 R. Tang et al., "In-line phase-sensitive amplification of multichannel CW signals based on frequency nondegenerate four-wave-mixing in fiber," Optics Express., vol. 16, pp. 9046-9053 (2008). 中川清司、他３名、「光増幅器とその応用」、オーム社、1992/05、p.26 西原他、「光集積回路」、オーム社

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。

従来の位相感応光増幅器の基本的な構成を図１に示す。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後述する特定の関係を満たすと入力信号光１１０は増幅され、両者の位相が後述する特定の関係から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―信号光間の位相を制御し、同期させると、信号光と直交位相の自然放出光を発生させずに、つまりＳ／Ｎ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、Ｓ／Ｎ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。

位相感応光増幅部には２次もしくは３次の非線形光学効果を有する媒質が用いられる。従来、これらの位相感応光増幅器は主に、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。初期の位相感応光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（ＯｐｔｉｃａｌＰａｒａｍｅｔｒｉｃＡｍｐｌｉｆｉｅｒ：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、レーザー光源２０１からの比較的高い強度を持つレーザー光を分岐し一方をＳＨＧ（Second Harmonic Generation）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非線形光学結晶２０３に入射して、位相感応増幅を行う。

位相感応光増幅器においては、信号光の位相が励起光の位相と特定の関係を満たす場合にのみ増幅作用が起こる。具体的には、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。

また、詳細は後述するが、上記で説明した縮退パラメトリック増幅は、非縮退パラメトリック増幅において、信号光とアイドラ光の波長が一致した特別な場合である。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_SHと、信号光の位相φ_S、アイドラ光の位相φ_iが以下の（式２）の関係を満たすことで、非縮退パラメトリック増幅による位相感応増幅を行うことが可能である。
Δφ＝１／２φ_SH−１／２（φ_S＋φ_i）＝ｎπ（ただし、ｎは整数）（式２）

近年光通信の高度化が進むにつれて、位相感応光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。３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。

３次の非線形媒質を用い、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３）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３）

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ω_sとするときに（式４）を満たす光周波数ω_p1，ω_p2をそれぞれ有する２つの励起光を用いてもよい。

２ω_s＝ω_p1＋ω_p2 （式４）

３次の非線形媒質を用い、２つの光周波数ω_p1，ω_p2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５）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５）

３次の非線形媒質を用いる場合でも、２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、入射する信号４１０の平均的な位相と同期した２つの励起光（４１１−１，４１１−２）をまず生成する。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ー増幅器（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では信号光４１０と２つの励起光（４１１−１，４１１−２）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と考えられる。信号光と２つの励起光との間に上述の（式５）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光増幅器においては、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ー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。

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Ｓ／Ｎ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。

本発明の目的は、上記のような従来技術の問題を鑑みて、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光増幅装置を提供することである。

ところで近年の光通信技術においては大容量の信号を高い周波数利用効率で送るための方法として、光OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)に代表されるように、高速データを複数の光キャリアに分割して変調を行うようなスーパチャネルと呼称されるデータの送受信方法が検討されている。上記のような複数の搬送波にデータ変調を行うような方式を光領域で行うためには、モード同期レーザーや光変調器を用いて等間隔で並んだ光周波数の搬送波からなる光コムを発生する。発生した光コムは分波器により分配され、それぞれの搬送波に光変調器を用いてデータ変調が行われ、再び合波されて伝送路へ導かれる。

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。一般に複数の搬送波からなる光コムを分波器で分波し変調器で変調して、合波器で合波する場合、それぞれの構成要素の挿入損失が大きいため、元の光コムに比べて光パワーが著しく減衰してしまう。また、例えば非特許文献６に示されるように単一波長の光源を変調器によって光コムを発生する方法も提案されているが、そのような構成では光コムを発生するだけでも変調器の損失や複数搬送波への変換効率の分だけ光パワーが小さくなってしまう。

近年の光通信では周波数利用効率の向上が求められており、シャノンの通信理論で知られるように高い周波数利用効率を得るためには信号のＳ／Ｎ比が大きいことが求められる。ところが、上記のような光コムの変調を行うような送信方法では光の発生、変調に伴う光パワーの損失が大きく、光信号を発生した後に通常のレーザー媒質を用いた光増幅器で光ファイバでの伝送に必要なパワーまで増幅を行うと、光増幅器への入力パワーが小さいために信号のＳ／Ｎ比を著しく劣化させてしまう。

位相感応光増幅器による低雑音な光増幅の原理は知られているものの、一般的に位相感応光増幅器では縮退パラメトリック増幅を用いるために、増幅できる信号波長は１つであり、複数の搬送波を同時に増幅することはできない。

複数波長を同時に増幅できる方法として、非特許文献７に示されるように光ファイバ中の四光波混合を用いた非縮退パラメトリック増幅を用いる位相感応光増幅器の構成が提案されている。図５に従来の光ファイバ中の四光波混合を用いた複数波長の増幅方法の概略図を示す。この方法ではまず、Copier部内の第１の光ファイバ５０１に複数の変調光と励起光を入射し四光波混合を用いた波長変換により、入力変調光と位相の反転したアイドラ光を生成する。次いで、複数の変調光群と対応するアイドラ光群を第２の光ファイバ５０２に入射し、非縮退パラメトリック増幅を行う。この構成を用いれば複数波長の信号光を位相感応増幅することができる。

しかしながら、このように光ファイバの四光波混合を用いた光増幅では、励起光と信号光の全てが同じ1.55μm帯の通信波長帯に配置される。励起光の発生・増幅に光ファイバ増幅器５０３が用いられるが、その光ファイバ増幅器から発生する増幅された自然放出光（ASE)が増幅信号光に混入してしまうために、出力のＳ／Ｎ比は入力よりも劣化してしまうという問題があった。

本発明は、非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する位相感応型光増幅装置であって、信号光の中心光周波数と同一の光周波数を持つ光波または該信号光の中心光周波数に対して対称関係にある光周波数を持つ２つの光波の対から成る基本波光を増幅する光ファイバレーザー増幅器と、周期的に分極反転された二次非線形光学材料から成る、基本波光から和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子と、基本波光と和周波光とから和周波光のみを分離するフィルタと、信号光と励起光である和周波光とを合波する合波器と、周期的に分極反転された二次非線形光学材料から成る、励起光を用いて信号光のパラメトリック増幅を行うための光導波路を備えた二次非線形光学素子と、増幅された信号光と励起光とを分離するフィルタと、合波器よりも前段において、信号光または励起光または基本波光の位相を制御することにより、信号光の位相と励起光の位相とを信号光のパラメトリック増幅を行うための光導波路内において同期する手段とを備え、パラメトリック増幅は、非縮退パラメトリック増幅であり、信号光のパラメトリック増幅を行うための光導波路により増幅される前の信号光は、和周波光の半分の光周波数を中心として対称関係にあり、かつ同一のまたは反転した位相情報を持つ、１対または複数対の光波から成ることを特徴とする。

本発明によれば、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成分だけを増幅する位相感応光増幅器において、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ながらも、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光増幅器を構成することができるために、Ｓ／Ｎ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。さらには、本発明を用いることで、複数波長の一括増幅が可能で、かつ励起光と位相相関のある信号光を選択的に増幅することで、ＡＳＥ光などの無相関な光に起因した雑音を抑制することができる。

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光増幅器により、光ファイバ中の信号のＳ／Ｎ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。さらに、長距離伝送が必要な応用において位相チャープのあるような安価あるいは簡便な光変調器を用いてチャープのない光信号を発生することが可能になる。さらに、ＡＳＥ光を抑制することにより、一度劣化した光信号のＳ／Ｎ比を改善させることができる。さらに、位相相関のある信号光を選択的に増幅することで、ＡＳＥ光と信号光のビート雑音により劣化した信号光のＳ／Ｎ比を改善することができる。

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。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の説明図である。従来の光ファイバ中の四光波混合を用いた複数波長の搬送波の増幅方法を説明するための概略図である。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の説明図である。位相感応光増幅の動作を説明するための図であり、従来技術による構成を用いた場合を示す図である。位相感応光増幅の動作を説明するための図であり、本発明の第１の実施形態に係る構成を用いた場合を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る位相感応光増幅器によって増幅された信号の時間波形の説明図であり、励起光を入射しないときの出力波形を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る位相感応光増幅器によって増幅された信号の時間波形の説明図であり、励起光と信号光との位相が同位相であるときの出力波形を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る位相感応光増幅器によって増幅された信号の時間波形の説明図であり、励起光と信号光との位相が９０度ずれたときの出力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を含んだ光送信装置の構成の説明図である。本発明の第２の実施形態によ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説明するための図である。従来のシングルモードファイバ（ＳＭＦ）中を所定距離伝送させた後の信号の時間波形を説明するための図である。本発明の位相感応光増幅器によって増幅後の信号をシングルモードファイバ（ＳＭＦ）中を所定距離伝送させた後の信号の時間波形を説明するための図である。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の説明図である。本発明の第３の実施形態に係る送信信号を生成するための送信器構成の一例を説明するための図である。本発明の第３の実施形態に係る光注入同期の動作を説明するためのスペクトル図である。本発明の第４の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。本発明の第５の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。位相感応光増幅の動作を説明するための図であり、従来技術による構成を用いた場合を示す。位相感応光増幅の動作を説明するための図であり、本発明の第５の実施形態に係る構成を用いた場合を示す。信号光の搬送波位相抽出方法を含めた、本発明の第５の実施形態に係る位相感応光増幅器の概念を説明する図である。信号光の搬送波位相抽出方法を含めた、本発明の第５の実施形態に係る位相感応光増幅器の概念を説明する図である。信号光の搬送波位相抽出方法を含めた、本発明の第５の実施形態に係る位相感応光増幅器の概念を説明する図である。信号光の搬送波位相抽出方法を含めた、本発明の第５の実施形態に係る位相感応光増幅器の概念を説明する図である。本発明の第５の実施形態に係る位相感応光増幅器の動作を説明するための光スペクトル図である。本発明の第５の実施形態に係る位相感応光増幅器の動作を説明するための光スペクトル図である。本発明の第５の実施形態に係る位相感応光増幅器の動作を説明するための光スペクトル図である。本発明の第５の実施形態に係る位相感応光増幅器の動作を説明するための光スペクトル図である。本発明の第５の実施形態に係る位相感応光増幅器の動作を説明するための光スペクトル図である。本発明の第５の実施形態に係る別の位相感応光増幅器の構成の説明図である。本発明の第５の実施形態に係るさらに別の位相感応光増幅器の構成の説明図である。本発明の第６の実施形態に係る位相感応光増幅器を含んだ光受信装置の構成の説明図である。本発明の第６の実施形態に係る位相感応光増幅器を用いて光増幅を行ったときのスペクトル図である。本発明の第６の実施形態に係る位相感応光増幅器の評価結果を表すグラフである。本発明の第６の実施形態に係る位相感応光増幅器の受信感度を評価するための誤り率特性を示すグラフである。本発明の第７の実施形態で使用する信号を表す図である。本発明の第７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。従来技術に係る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７の実施形態に係る位相感応光増幅器の動作を説明するための図である。本発明の第７の実施形態に係る位相感応光増幅器を使用したときの効果を説明するための図であり、ＥＤＦＡから発生させたＡＳＥ光を意図的に混入させた信号光群の光スペクトルを示す。本発明の第７の実施形態に係る位相感応光増幅器を使用したときの効果を説明するための図であり、ＥＤＦＡから発生させたＡＳＥ光を意図的に混入させた信号光群を本発明の第７の実施形態に係る構成を用いた位相感応光増幅器で増幅したときの出力の光スペクトルを示す。本発明の第７の実施形態に係る位相感応光増幅器の効果を説明するための図であり、位相感応光増幅器で増幅したときの入出力における信号光とＡＳＥ光のビート雑音のレベルを示す図であり、縮退点を観測した場合を示す図である。本発明の第７の実施形態に係る位相感応光増幅器の効果を説明するための図であり、位相感応光増幅器で増幅したときの入出力における信号光とＡＳＥ光のビート雑音のレベルを示す図であり、非縮退点を観測した場合を示す図である。本発明の第７の実施形態に係る構成による、データ変調を施した光コム信号に対する増幅に起因したＳ／Ｎ比改善効果を調べるために用いた構成の説明図である。本発明の第７の実施形態に係る位相感応光増幅器の効果を説明するグラフである。本発明の第８の実施形態に係る位相感応光増幅器を含んだ光送信装置の構成の説明図である。本発明の第８の実施形態に係る位相感応光増幅器を含んだ光送信装置の構成の別例を説明するための図である。本発明の第８の実施形態に係る位相感応光増幅器を含んだ光送信装置の構成の別例を説明するための図である。本発明の第８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の説明図であり、励起光を入射しないときの出力波形を示す図である。本発明の第８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の説明図であり、励起光と信号光との位相が同位相であるときの出力波形を示す図である。本発明の第８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の説明図であり、励起光と信号光との位相が９０度ずれたときの出力波形を示す図である。本発明の第８の実施形態に係る位相感応光増幅の構成の別例を説明するための図である。本発明の第９の実施形態に係る位相感応光増幅の構成の説明図である。本発明の第１０の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。本発明の第１１の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。本発明の第１１の実施形態に係る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、第二高調波の利得との関係を示すグラフである。本発明の第１１の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。本発明の第１１の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。本発明の第１１の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。本発明の第１１の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。本発明の第１２の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。本発明の第１２の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。本発明の第１２の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。本発明の第１２の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。本発明の第１２の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。本発明の第１３の実施形態に係る位相感応光増幅器を含んだ光受信信装置の構成の説明図である。本発明の第１３の実施形態に係る位相感応光増幅器による効果を説明するグラフである。本発明の第１４の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。本発明の第１５の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。本発明の第１５の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。本発明の第１５の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。本発明の第１５の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の説明図である。

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。

（第１の実施形態）
図６に本実施形態の構成を示す。本実施形態では、光通信に用いられる微弱なレーザー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、ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）６０１を用いて、基本波光６２１を増幅する。増幅した基本波光６２１を第１の二次非線形光学素子６０２−１に入射して第二高調波６２２を発生させる。第２の二次非線形光学素子６０２−２に信号光６２０と第二高調波６２２とを入射して縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応増幅を行う。斯かる位相感応光増幅装置の構成が、本願発明の基本的な特徴である。

図６に示す構成の詳細は後述するとして、このような構成をとると以下に述べるような従来技術では得られない効果が得られる。

図７Ａおよび図７Ｂは、位相感応光増幅で用いる信号光・励起光のスペクトルを模式的に示す図であり、図７Ａは、図４で示した従来のファイバレーザー増幅器および非線形媒質として光ファイバを利用した構成を用いた場合を示し、図７Ｂは、図６で示す本実施形態による構成を用いた場合を示す図である。

従来の光ファイバを用いた位相感応光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７Ａで例示するように、信号光７０１および励起光７０２が同じ１．５５μｍ帯の波長帯を有し、２つの励起光７０２−１，７０２−２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。しかしその際、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７０３が発生してしまう。信号波長帯域に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な構成にすることは一応可能である。しかしながら、励起光を信号光と合波する際に両者の波長が接近しているために、波長選択性の良い光フィルタを実現することは困難であり、ＡＳＥ光を完全にカットすることができない。この結果、信号波長帯域に発生しているＡＳＥ光が信号波長に重畳してしまい、ＡＳＥ光の混入により信号光のＳ／Ｎ比が劣化してしまうこととなる。

一方、本実施形態による構成では、信号光７０１の波長と基本波光７０４の波長とは同一である。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、基本波光７０４を光ファイバ増幅器により増幅する。このときに基本波光７０４の波長近傍にＡＳＥ光７０３が重畳する。

本実施形態に係る構成においては、光増幅を行ったのちに、ＡＳＥ光７０３が重畳された基本波光７０４を、第１の二次非線形光学素子に入射し第二高調波７０５を発生させる。このときに励起光として使用される第二高調波７０５の波長帯域には、わずかにＡＳＥ光７０３の第二高調波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。第二高調波７０５の波長は基本波光７０４の波長の半分であり、両者の波長は十分に離れている。従って、基本波光と第二高調波とから第二高調波のみを分離するような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で実現することは比較的容易である。そのようなフィルタを第１の二次非線形光学素子の出力に接続することにより、励起光波長帯域の基本波光７０４とＡＳＥ光７０３とを完全に取り除くことができる。次いで、信号光７０１と第二高調波７０５のみとを合波して第２の二次非線形光学素子に入射し、縮退パラメトリック増幅による位相感応増幅を実現することができる。

再度図６を参照しながら、本実施形態の構成を詳しく述べる。本実施形態では、１．５４μｍの信号光６２０を増幅するために、信号光６２０の一部を光分岐部６０３−１で分岐して基本波光６２１として用いている。基本波光６２１は、エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）６０１を用いて増幅される。増幅された基本波光６２１は、第１の二次非線形光学素子６０２−１に入力される。

本実施形態では、ＥＤＦＡ６０１から発生する広帯域なＡＳＥ光が第１の二次非線形光学素子６０２−１により変換されることを防ぐために、ＥＤＦＡ６０１と第１の二次非線形光学素子６０２−１との間にバンドパスフィルタ６０４を挿入し、不必要なＡＳＥ光をカットした。二次非線形光学素子６０２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６０５を備える。ＰＰＬＮ導波路６０５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ｄ３３を利用することが可能であり、かつ光導波路構造により高い光パワー密度が得られるので、図示するような構成にすることで高い波長変換効率を得ることができる。ＰＰＬＮ導波路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。

本実施形態では光損傷耐性に優れたＺｎを添加したニオブ酸リチウムを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。第１のＰＰＬＮ導波路６０５−１から出射した、第二高調波６２２と基本波光６２３とは、ダイクロイックミラー６０６−１を用いて分離した。ダイクロイックミラー６０６−１で反射された０．７７μｍの第二高調波６２２は、この波長０．７７μｍにおいてシングルモード伝搬特性をもつ偏波保持ファイバ６０７を介して、第２の二次非線形光学素子６０２−２へと導かれている。このとき、ダイクロイックミラー６０６−１で完全には取り除けなかった波長１．５４μｍ付近の基本波光およびＡＳＥ光も偏波保持ファイバ６０７に入射されることになるが、０．７７μｍにおいてシングルモードであるこのファイバは波長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。偏波保持ファイバ６０７で導かれた第二高調波６２２は、ダイクロイックミラー６０６−２を用いて波長１．５４μｍの信号光６２０と合波される。ダイクロイックミラー６０６−２は第二高調波６２２のみを反射させるので、第１のＰＰＬＮ導波路６０５−１から出射され、ダイクロイックミラー６０６−１および偏波保持ファイバ６０７を通ってくる波長１．５４μｍ付近の基本波光６２１とＡＳＥ光との残留成分を効果的に取り除くことができる。

信号光６２０と第二高調波６２２とは合波され、第２のＰＰＬＮ導波路６０５−２に入射される。第２のＰＰＬＮ導波路６０５−２は、第１のＰＰＬＮ導波路６０５−１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。

本実施形態では、２つのＰＰＬＮ導波路６０５−１，６０５−２はそれぞれ、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。第２のＰＰＬＮ導波路６０５−２から出射された光は、ダイクロイックミラー６０６−３により励起光である第二高調波と増幅された信号光とに分離される。このときも第二高調波と増幅された信号光とは、波長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。

位相感応増幅では、励起光と信号光の位相を同期させることが必要であるが、本実施形態では出力した増幅信号光の一部を光分岐部６０３−２で分岐して光検出器６０８で受光したのちに位相同期ループ回路（ＰＬＬ）６０９により位相同期を行った。ＥＤＦＡ６０１の前に配置した位相変調器６１０を用いて正弦波により微弱な位相変調を基本波光６２１に施す。光検出器６０８とＰＬＬ回路６０９でその位相変調の位相ずれを検出して、ＥＤＦＡ６０１の前に配置したＰＺＴによる光ファイバ伸長器６１１のの駆動電圧と位相変調器６１０のバイアス電圧とにフィードバックを行うことで、光ファイバ部品の振動や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した。本実施形態では、強度変調器６２４としてＬＮマッハツェンダー変調器を用い１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ信号を入力した場合の増幅特性を評価した。

図８Ａ、図８Ｂ、および図８Ｃは、本実施形態によ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説明するための図である。図８Ａに励起光が入射しないときの入射信号光の出力波形を、図８ＢにＰＬＬにより励起光と信号光の位相が（式１）の関係を満たすように設定したときの出力波形を、図８ＣにＰＬＬにより励起光と信号光の位相が（式１）の関係から９０度ずれるように設定したときの出力波形をそれぞれ示す。

本実施形態では、励起光の位相と信号光の位相とを（式１）の関係を満たすように同期させることにより、第２のＰＰＬＮ導波路６０５−２に入射した第二高調波６２２のパワーが３００ｍＷという条件下、約１１ｄＢの利得を得ることができた。本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、本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出来たため、Ｓ／Ｎ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。

なお、本実施形態では和周波の発生およびパラメトリック増幅を行う二次非線形光学素子に直接接合法により作製した光導波路を適用したが、本手法は本実施形態に限定されず、他の実施形態においても、直接接合法により作製した光導波路の適用が可能である。

励起光と信号光の位相が（式１）の関係から９０度ずれるように設定したときは、図８Ｃに示すように、ＮＲＺ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た。これはＮＲＺ信号を生成するのに使用したＬＮマッハツェンダー変調器として変調器中の片方のアームのみの位相変調を用いるタイプの変調器を用いたため、データ変調器によってチャープが生じることを反映している。すなわちＯＮとＯＦＦの間を遷移するときに変調器の出力の位相が変動し、ＯＮ状態の時を基準にすると、直交位相成分が生じる。このために信号光位相と励起光の位相とを直交させるように設定すると、位相チャープ成分のみが位相感応増幅されるという結果となる。このことはすなわち、信号光のＯＮ状態に位相を合わせた状態では、入力信号に位相チャープが含まれていた場合でも、そのチャープ成分を除去して、チャープ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、本実施形態による動作を行う中で以下のような従来技術にはない利点があることも明らかになった。従来の光ファイバ中の四光波混合を利用し２つの励起光を使って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。このために増幅信号光のパワーが散逸してしまい、所望の信号光を増幅できるパワーが制限されてしまう。それに対して本実施形態では第２のＰＰＬＮ導波路へは信号光と第二高調波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。本実施形態では出力パワーを＋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た。

なお、本実施形態において、上記の説明では、入力信号光として単一の波長（１．５４μｍ）を有する信号光を用いた縮退パラメトリック増幅による位相感応増幅を行う場合について説明したが、本実施形態に係る位相感応増幅器の構成は、複数波長を持つ搬送波を入力信号とする非縮退パラメトリック増幅による位相感応増幅を行う場合に対しても適用することが可能である。また本実施形態において、周期的に分極反転された二次非線形光学材料としてＺｎを添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）を用いたが、ニオブ酸リチウムに限定されるものではなく、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの混晶（ＬｉＮｂ_(x)Ｔａ_(1-x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１））、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ₃）、チタニルリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ₄）等に代表される二次非線形光学材料であれば同様の効果が得られる。また二次非線形光学材料の添加物に関しても、Ｚｎに限定されるものではなく、Ｚｎの代わりにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｆｅを用いても良く、もしくは添加物を添加しなくてもよい。

（第２の実施形態）
図９に本実施形態の構成を示す。本発明に係る位相感応光増幅器の有する波形整形効果を利用することで、チャープを持つような変調器を用いてもチャープを除去して信号を送り出すことができる。外部共振器型の半導体ＬＤ（ＥＣＬ）９３０からの出力を電界吸収型（ＥＡ）変調器を用いて４０Ｇｂ/ｓの変調速度でＮＲＺ強度変調を施した後、第１の実施形態に係る位相感応光増幅器と同様の位相感応光増幅器により変調信号を増幅し、送信器を構成した。

電界吸収型（ＥＡ）変調器は半導体を用いて作製できるため安価に大量に生産することができる。しかしながら、電界吸収を利用することから変調信号に周波数チャープ成分が重畳し信号品質を劣化させる。すなわちＯＮとＯＦＦの間を遷移するときに変調器の出力の位相が変動し、ＯＮ状態の時を基準にすると、直交位相成分が生じてしまう。このような信号を用いると、ファイバ中の分散により波形が劣化するため長距離伝送が難しいことが知られている。

図１０は、本実施形態によ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説明するための図である。図１０（ａ）に増幅前の変調信号を、図１０（ｂ）に位相同期ループ回路（ＰＬＬ）により励起光位相と信号光位相とが（式１）の関係を満たすように設定したときの出力波形を、図１０（ｃ）にＰＬＬにより励起光位相と信号光位相とが（式１）の関係から９０度ずれるように設定したときの出力波形をそれぞれ示す。

励起光位相と信号光位相とが（式１）の関係から９０度ずれるように設定したときは、図１０（ｃ）に示すように、ＮＲＺ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た。これはＮＲＺ信号を生成するのにＥＡ変調器を用いているため、データ変調器のチャープが生じることを反映している。すなわちＯＮとＯＦＦの間を遷移するときに変調器の出力の位相が変動し、ＯＮ状態の時を基準にすると、直交位相成分が生じる。このために信号光位相と励起光位相とが（式１）の関係から９０度ずれるように設定すると、位相チャープ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、入力信号に位相チャープが含まれていた場合でも、そのチャープ成分を除去して、チャープ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。このことを確かめるために、位相感応光増幅器を通す前の信号と、位相感応光増幅器を通した後の信号をシングルモードファイバ（ＳＭＦ）中を伝送させ分散耐性を比較した。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）中を伝送させた後の信号の時間波形を説明するための図である。図１１Ａに増幅前の変調信号をそれぞれ１．２ｋｍ、２．４ｋｍ、３．６ｋｍ、４．８ｋｍの長さを持つシングルモードファイバ（ＳＭＦ）中を伝送させた後の出力波形を示す。図１１Ｂに本発明に係る位相感応光増幅器を通した後、それぞれ１．２ｋｍ、２．４ｋｍ、３．６ｋｍ、４．８ｋｍの長さを持つシングルモードファイバ（ＳＭＦ）中を伝送させた後の出力波形を示す。

分散耐性を定量的に比較するために、図１１Ａおよび図１１Ｂに示すそれぞれの条件においてビット誤り率を測定した。位相感応光増幅器を通す前の信号を２．４ｋｍよりも長いシングルモードファイバ（ＳＭＦ）中を伝送させると、ビット誤り率が非常に大きくなった。一方、本発明に係る位相感応光増幅器を通した後では、信号を４．８ｋｍのシングルモードファイバ（ＳＭＦ）中を伝送させても位相感応光増幅器を通す前の信号を２．４ｋｍ伝送させた信号と同程度のビット誤り率が得られた。つまり、本実施形態に係る送信器構成を用いることで、伝送に対する分散耐性を２倍にすることができた。

本実施形態に係る位相感応光増幅器の有する波形整形効果を利用することによって、安価な半導体ＥＡ変調器を用いたことで入力信号に位相チャープが含まれるような場合であっても、そのチャープ成分を除去して、チャープのない信号として整形し増幅可能な増幅器を実現することができる。なお、本実施形態においては、変調器として、電界吸収型（ＥＡ）変調器を用いたが、それ以外の変調器を用いてもよい。

（第３の実施形態）
図１２に本実施形態の構成を示す。データ変調の施された信号光１２４０が光ファイバ等の伝送媒質を伝搬し信号が送られる。その際、伝送媒体における光強度の損失を補償するために光増幅器を行う中継増幅器として本位相感応光増幅器を用いる場合の構成例が、図１２に示されている。

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基本波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光増幅器を用いる場合には、例えば以下に述べる位相同期手段を用いて位相感応光増幅装置内の基本波光と信号光の位相を同期させる必要がある。

本実施形態では、入力される信号光として、信号光の片方の偏波にはデータ変調の施された光信号が重畳され、もう一方の偏波には無変調のＣＷ光が合波された信号光を用いる。

図１３に、本実施形態で使用する入力信号光の生成に用いた構成を示す。外部共振器型の半導体レーザー１３００を用いてＣＷ光を生成し、光分岐器１３０１を用いて２光路に分岐する。一方の分岐経路には強度変調器としてＬＮマッハツェンダー変調器１３０２を用い１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ信号を重畳した。もう一方の分岐経路には偏光子１３０４を挿入して偏波を９０°回転させて、強度信号の重畳された光とは直交偏波になるように偏波を合わせた。２つの信号を偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１３０５を用いて合波し、直交偏波にＣＷ光のパイロットトーンを混ぜ込んだ変調信号光１３１０を生成した。

位相同期手段を得るために、図１２に示すように位相感応光増幅装置を構成したが、これは第２の実施形態と同様の構成であるので説明は省略する（図９を参照）。直交偏波にＣＷ光のパイロットトーンを混ぜ込んだ変調信号光１２４０が伝送媒体を通って伝送されてくる。伝送媒体には光ファイバを用いた。光ファイバ中の偏波回転を偏波コントローラ１２３０で補正した後、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１２３１を用いてＣＷ光のパイロットトーンのみを分離した。信号の光強度は伝送光ファイバによる光強度の損失のため、光強度が極めて小さくＳ／Ｎ比が劣化している。分岐させたＣＷ光のパイロットトーンをアッテネータ（ＡＴＴ）１２１２により光強度を調整した後、サーキュレータ１２１３を通して位相感応光増幅装置内のＣＷ光源１２１４に光注入同期を行った。ＣＷ光源にはＤＦＢ型の半導体レーザーを用いた。ＤＦＢレーザーの発振波長をＣＷ光のパイロットトーンの波長に比べ0.04nmずらしておき、アッテネータ（ＡＴＴ）１２１２を用いてＣＷ光源に入力する光強度を変化させ、光スペクトルアナライザで様子を観測した。

図１４に光強度を数百μＷとした時の動作の様子を測定した光スペクトル図を示す。図１４中において、実線はＣＷ光のパイロットトーンを注入する前の光スペクトルを表し、破線はＣＷ光のパイロットトーンを注入する後の光スペクトルを表しているので、半導体レーザーの波長がパイロットトーン波長に引き込まれている様子がわかる。これにより、位相感応光増幅装置内のＣＷ光源がパイロットトーンに位相同期されるので、Ｓ／Ｎ比の劣化した信号光のパイロットトーンからＳ／Ｎ比のよい基本波光を生成することができる。

信号光のパイロットトーンに位相同期した基本波光を用いて、第１の実施形態で説明した位相感応光増幅器の構成を用いて光増幅を試みたところ、第１の実施形態と同様の特性結果が得られた。

本実施形態による構成を採用することにより、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ないような中継増幅においても、上述の位相同期手段を用いることで位相感応増幅を行うことができた。

（第４の実施形態）
第３の実施形態においては、光通信における中継器に用いることを目的として、あらかじめ変調された信号光を位相感応増幅する場合の実施形態を示した。しかし、第３の実施形態の構成では、位相同期を行うためのパイロットトーンが変調信号光と直交する偏波を用いているため、パイロットトーン側の偏波方向には別の光信号を載せることが出来ないという課題がある。本実施形態では、この課題を解決するための構成を説明する。

図１５に本実施形態に係る構成を示す。本実施形態に係る装置は、２値の位相変調（ＢＰＳＫ）または２値差動位相変調（ＤＰＳＫ）信号もしくは通常の強度変調などの信号を、雑音を付加することなく増幅することができる。

本実施形態においては、基本波光を得るために光分岐部１５０３−１で信号光を分岐し、分岐した信号光をＥＤＦＡ１５０１で増幅させる。増幅された信号光を第１の二次非線形光学素子１５０２−１中の第１のＰＰＬＮ導波路１５０５−１に入射し、信号光の第二高調波を発生させる。第１のＰＰＬＮ導波路１５０５−１から出射される光から、第二高調波１５２２のみを分離するためにダイクロイックミラー１５０６−１を使用する。分離された第二高調波１５２２を波長０．７７μｍで発振する半導体レーザー１５１２に入射することにより注入同期が行われる。半導体レーザー１５１２の出力は、半導体レーザー１５１２と同様の波長帯域に利得を持つ半導体光増幅器１５１３により増幅され、ダイクロイックミラー１５０６−２を用いて波長１．５４μｍの信号光１５２０と合波される。信号光１５２０と、励起光として用いられる波長０．７７μｍの第二高調波１５２２とは合波された後、第２のＰＰＬＮ導波路１５０５−２に入射され、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。

位相感応増幅を行うためには増幅器に入射してくる信号光の平均位相に同期した励起光を生成する必要がある。本実施形態においては、２値の位相変調を施されたような信号を用いる場合であっても、その平均位相に同期した励起光を生成することができる。

以下、その動作原理について簡単に説明する。２値の位相変調においては信号の位相を０とπラジアンの２つの値に変調して信号を送信している。このような信号をＥＤＦＡ１５０１で増幅したのちに第１のＰＰＬＮ導波路１５０５−１に入射し、第二高調波を発生させた場合、第二高調波の位相φ_2ωは、次の（式６）で表される。

φ_2ω＝２φ_ωs （式６）

ここでφ_ωsは信号光の位相である。従って、位相が０とπの２値に変調された信号に対する第二高調波の位相は、０と２πの２値となり、位相変調による位相の変動が打ち消された光となって出力される。実際の位相変調信号においては、理想的に位相のみを変調することは困難であり、強度変調を伴った信号となる。従って、強度変調成分のない励起光を得るためには、上記の位相変調成分を取り除いた第二高調波を本実施形態のように注入同期を用いて、信号光の平均位相に同期させて、信号光の半波長の励起光とすることが望ましい。

本実施形態においては、注入同期を用いて位相変調の施された信号光から平均位相に同期した強度変調のない励起光を生成する。これにより、仮に信号光に位相雑音が付加された場合であっても、本来の信号と直交する位相成分は、位相感応増幅により減衰させることができるので、信号位相および直交位相の雑音成分を取り除くような信号再生を行うことができる。

本実施例形態においては、出力した増幅信号光の一部を光分岐部１５０３−２で分岐させて、光検出器１５０８で受光した後に、位相同期ループ回路（ＰＬＬ）１５０９から０．７７μｍで発振する半導体レーザーの駆動電流にフィードバックを行うことで光学部品の振動や温度変動による位相変動を補正し、安定的に位相感応増幅ができるようにしている。なお、半導体レーザーの出力に微弱な位相変調を施して、位相ずれを検出することで位相同期を行いやすくすることも可能である。

本実施形態においては、第１のＰＰＬＮ１５０５−１における第二高調波発生が可能となるパワーを得るためにＥＤＦＡ１５０１を用いているが、ＥＤＦＡ１５０１から発生するＡＳＥ光が位相感応増幅を行う第２のＰＰＬＮ導波路１５０５−２に入射しないために、光増幅器のＡＳＥ光に起因する信号光のＳ／Ｎ比劣化を防ぐことができる。

また、波長０．７７μｍで動作する半導体光増幅器１５１３からもＡＳＥ光は発生するが、この光は信号光と波長が全く異なるために、ダイクロイックミラー（１５０６−２，１５０６−３）によってほぼ完全に取り除くことが可能である。よって、光通信における中継器において、信号光のＳ／Ｎ比を劣化させることなく、且つ、直交偏波成分を利用することなく単一偏波内において位相感応増幅を行うことが可能である。

（第５の実施形態）
（１）第１の構成
位相感応光増幅器を光信号送信器の直後に配置するような、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、信号光用光源からの光を分岐して基本波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光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基本波光を生成する必要がある。従って、増幅器を、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手段を含めた位相感応光増幅器を構成することが重要となる。

２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場合、励起光として使う光である、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。例えば、第４の実施形態に示した構成では780nm帯のレーザーや光増幅器を用いる必要がある。

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光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ー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、光ファイバレーザー増幅器などを用いることができない。一部に半導体を用いる増幅器などによって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用に用いる励起光としては、十分な光強度を得ることができない、あるいは、半導体増幅器のもつ雑音指数（ＮＦ）により位相感応光増幅器に用いる励起光のＳ／Ｎ比が劣化するなどの問題があった。

さらに、通信波長に比べ波長の短い光（第二高調波など）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、このような部品を用いた位相感応光増幅装置を実際の光通信システムに用いることは難しい。

上記の課題を考慮して、本実施形態においては、搬送波位相の抽出手段を含めた位相感応光増幅器を通信波長帯の光部品のみを用いて構成した。

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、信号光の波長と励起光の波長とが近接する構成となってしまうこと、および、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ことなどの問題があった。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ので、結果として、信号光のＳ／Ｎ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。

本実施形態は、上記のような従来技術の問題を鑑みて、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光増幅装置を提供する。具体的には、信号の搬送波位相の抽出手段を含めた、光伝送における中継増幅器として適用可能な位相感応光増幅装置を、通信波長帯の光部品のみを用いて提供する。

図１６に本実施形態の構成を示す。本実施形態では、光通信に用いられる微弱なレーザー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、ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）１６０１−１を用いて、信号光１６４０の一部を増幅する。増幅した信号光と発振波長が１５３４ｎｍの外部共振器レーザー１６３１によって生成された第１の基本波光１６４１−１を合波し増幅した後、第３の二次非線形光学素子１６０２−３に入射する。

第３の二次非線形光学素子１６０２−３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の基本波光１６４１−１との差周波発生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の基本波光１６４１−２に注入同期された後、第１の基本波光１６４１−１と合波される。

合波された後、ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）１６０１−２を用いて、基本波光１６４１−１と基本波光１６４１−２とで構成された、基本波光光１６４２を増幅する。増幅した基本波光を第１の二次非線形光学素子１６０２−１に入射して励起光である和周波光を発生させる。第２の二次非線形光学素子１６０２−２に信号光１６４０と和周波光とを入射して縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応増幅を行う。図１６に示す構成の詳細は後述するとして、このような構成をとると以下に述べるような従来技術では得られない効果が得られる。

図１７Ａおよび図１７Ｂは、位相感応光増幅で用いる信号光・励起光・基本波光のスペクトルを模式的に示す図であり、図１７Ａは、図４で示した従来のファイバレーザー増幅器および非線形媒質として光ファイバを利用した構成を用いた場合を示し、図１７Ｂは、図１６で示す本実施形態による構成を用いた場合を示す図である。

従来の光ファイバを用いた位相感応光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１７Ａ（ａ−１）で例示するように、信号光１７０１および励起光１７０２が同じ１．５５μｍ帯の波長帯を有し、２つの励起光１７０２−１，１７０２−２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。

しかしその際、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１７０３が発生してしまう。信号波長帯域に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する構成にすることは可能である。しかしながら、励起光を信号光と励起光とを合波する際に、励起光の波長と信号光の波長とが接近しているために、波長選択性の良い光フィルタを実現することは困難であり、ＡＳＥ光を完全にカットすることができない。この結果、信号波長帯域に発生しているＡＳＥ光が信号波長に重畳してしまい、ＡＳＥ光の混入により信号光のＳ／Ｎ比が劣化してしまうこととなる（図１７Ａ（ａ−３））。

一方、本実施形態による構成では、信号光１７０１の波長と基本波光（１７０２−１，１７０２−２）の波長とは近接している（図１７Ｂ（ｂ−１）を参照）。

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、基本波光（１７０２−１，１７０２−２）を光ファイバ増幅器により増幅する。このときに基本波光の波長近傍にＡＳＥ光１７０３が重畳する（図１７Ｂ（ｂ−２）を参照）。

本実施形態に係る構成においては、光増幅を行ったのちに、ＡＳＥ光１７０３が重畳された基本波光１７０２−１，１７０２−２から励起光である和周波光１７０４を発生させる。和周波光１７０４は、縮退パラメトリック増幅において励起光として使用される。和周波光１７０４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（図１７Ｂ（ｂ−３）を参照）。

和周波光１７０４の波長は、基本波光１７０２−１，１７０２−２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、基本波光（１７０２−１，１７０２−２）と、和周波光（１７０４）とから、和周波光（１７０４）のみを分離するような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で実現することは比較的容易である。そのようなフィルタを第１の二次非線形光学素子の出力に接続することにより、縮退パラメトリック増幅において励起光として使用される和周波光（１７０４）の波長帯域に存在する、基本波光（１７０２−１，１７０２−２）とＡＳＥ光（１７０３）とを完全に取り除くことができる（図１７Ｂ（ｂ−３）を参照）。

次いで、信号光と和周波光のみとを合波して第２の二次非線形光学素子に入射し、縮退パラメトリック増幅による位相感応増幅を実現することができる（図１７Ｂ（ｂ−４）を参照）。

再度図１６を参照しながら、本実施形態の構成を詳しく述べる。本実施形態では、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、搬送波位相抽出手段まで含めた位相感応光増幅装置の構成を説明する。

信号光１６４０の一部は、偏波コントローラ１６３０を介して偏波を調整された後、光分岐部１６０３−１で分岐されて第１の基本波光１６４１−１と合波された後、エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）１６０１−１で増幅される。

増幅された信号光と第１の基本波光は、第３の二次非線形光学素子１６０２−３に入力される。本実施形態の、二次非線形光学素子１６０２−３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１６０５−３を備える。ＰＰＬＮ導波路１６０５−３において、信号光の第二高調波発生、ならびに、発生した第二高調波と第１の基本波光１６４１−１との間の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が形成されている。

信号光と第１の基本波光とが入力された第３の二次非線形光学素子１６０２−３によって、図１８Ａに示すように信号光の波長に対して半分の波長を持つ第二高調波１８０５が生成される。さらに図１８Ｂに示すように、内部で発生した第二高調波と第１の基本波光との間の差周波光が生成される。信号光の位相φ_sと第１の基本波光の位相φ_p1と差周波光の位相φ_p2との間には、以下の（式７）を満たす関係が成立する。

２φ_s−φ_p1−φ_p2＝０（式７）

従って、差周波光の位相φ_p2は以下の（式８）のように、信号光の位相φ_sと第１の基本波光の位相φ_p1を用いて表される。

φ_p2＝２φ_s−φ_p1 （式８）

第二高調波発生を用いたことにより信号光の位相φ_s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φ_sを２倍にすることで、２値の位相変調を取り除くことができる。さらに、差周波数発生を用いることで、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。この時、ファイバの四合波混合ではなく、二次非線形光学素子であるＰＰＬＮ導波路を用いることで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、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、実際に得られた差周波光には、変調の不均一性に起因した影響が残っていた。また、元々微弱な信号光をさらに分波して第３の二次非線形光学素子に入力しているため、得られた差周波光の光強度は微弱なものであった。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った。

図１６に示す通り、第３の二次非線形光学素子１６０２−３から出力された、信号光と、第１の基本波光と、差周波光とは、光サーキュレータ１６１３を通った後、それぞれの光に分波される。分波には、アレイ導波路格子(ＡＷＧ)型の波長合分波器１６１２を用いた。

分波器１６１２から出力された信号光は空間系に放出される。分波器１６１２から出力された第１の基本波光は、アイソレータ１６３４を用いて消光した。差周波光と一致した波長を持つ分波器１６１２の出力ポートには、差周波光とほぼ同じ波長で発振する半導体レーザー１６３２が接続されている。差周波光の光強度を１０μＷ乃至１００μＷになるように調整した後、半導体レーザー１６３２に入力することで光注入同期を行う。光注入同期により差周波光と同じ位相を持つ第２の基本波光１６４１−２を生成することができた。

第２の基本波光１６４１−２は、差周波光位相φ_p2と同じ位相を持つ。光強度は、半導体レーザーの出力により決まるため、数１０μＷ程度の微弱な差周波光を用いて数１０ｍＷ以上の第２の基本波光を得ることができた。

さらに、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た。ＡＷＧ型合分波器１６１２の合波側から第１の基本波光を入射し、第２の基本波光と合波したうえで、サーキュレータ１６１３を用いて取り出した。

このように、本実施形態では、非線形素子と光注入同期により信号光搬送位相を抽出した、第１の基本波光及び第２の基本波光を基本波光として用いる。

基本波光は、エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）１６０１−２を用いて増幅される。増幅された基本波光は、第１の二次非線形光学素子１６０２−１に入力される。本実施形態では、ＥＤＦＡ１６０１−２から発生する広帯域なＡＳＥ光が第１の二次非線形光学素子１６０２−１により変換されることを防ぐために、ＥＤＦＡ１６０１−１と第１の二次非線形光学素子１６０２−１との間にバンドパスフィルタ１６０４を挿入し、不必要なＡＳＥ光をカットした。

二次非線形光学素子１６０２−１、１６０２−２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１６０５−１，１６０５−２を備える。ＰＰＬＮ導波路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ｄ３３を利用することが可能であり、かつ光導波路構造により高い光パワー密度が得られるので、図示するような構成にすることで高い波長変換効率を得ることができる。ＰＰＬＮ導波路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。

本実施形態では光損傷耐性に優れたＺｎを添加したニオブ酸リチウムを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。

第１のＰＰＬＮ導波路１６０５−１から出射した、和周波光と基本波光とは、ダイクロイックミラー１６０６−２を用いて分離した。ダイクロイックミラー１６０６−２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もつ偏波保持ファイバを介して、第２の二次非線形光学素子１６０２−２へと導かれている。このとき、ダイクロイックミラー１６０６−２で完全には取り除けなかった波長１．５４μｍ付近の基本波光およびＡＳＥ光も偏波保持ファイバに入射されることになるが、０．７７μｍにおいてシングルモードであるこのファイバは波長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、これらの不要な光を効果的に減衰させることができる。

偏波保持ファイバで導かれた和周波光は、ダイクロイックミラー１６０６−３を用いて波長１．５４μｍの信号光１６４０と合波される。ダイクロイックミラー１６０６−３は、和周波光のみを反射させるために、第１のＰＰＬＮ導波路１６０５−１から出射され、ダイクロイックミラー１６０６−２および偏波保持ファイバを通ってくる波長１．５４μｍ付近の基本波光とＡＳＥ光との残留成分を効果的に取り除くことができる。

信号光と和周波光とは合波され、第２のＰＰＬＮ導波路１６０５−２に入射される。第２のＰＰＬＮ導波路１６０５−２は、第１のＰＰＬＮ導波路１６０５−１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。

本実施形態では、２つのＰＰＬＮ導波路１６０５−１、１６０５−２はそれぞれ、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。

第２のＰＰＬＮ導波路１６０５−２から出射された光は、ダイクロイックミラー１６０６−４により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。このときも和周波光と増幅された信号光とは、波長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。

位相感応増幅では、励起光と信号光の位相を同期させることが必要であるが、本実施形態では出力した増幅信号光の一部を光分岐部１６０３−４で分岐して光検出器１６０８で受光したのちに位相同期ループ回路（ＰＬＬ）１６０９により位相同期を行った。ＡＷＧ型の合波器１６１２の前に配置した位相変調器１６１０を用いてｓｉｎ波により微弱な位相変調を第１の基本波光１６４１−１に施す。光検出器１６０８とＰＬＬ回路１６０９でその位相変調の位相ずれを検出して、ＡＷＧ型の合波器１６１２の前に配置したＰＺＴによる光ファイバ１６１１の伸長器の駆動電圧と位相変調器１６１０のバイアス電圧とにフィードバックを行うことで、光ファイバ部品の振動や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した。

図１８Ｃに示すように第１の基本波光１８０２及び第２の基本波光１８０３を用いて和周波光１８０４を生成する。この時、第１の基本波光位相φ_p1と、第２の基本波光位相φ_p2と、和周波光位相φ_SFの間には以下の（式９）の関係が成立する。

φ_SF＝φ_p1＋φ_p2＝２φ_S （式９）

図１８Ｄに示すように、信号光と和周波光のパラメトリック増幅により位相感応増幅が行われる。この時、信号光位相φ_sと和周波光位相φ_SFの間には以下の（式１０）を満たす関係がある。

ΔΦ＝φ_SF−２φ_S＝ｎπ(ただし、ｎは整数) （式１０）

従って、ΔΦが、−π、０、またはπの時に利得が最大になる。

本実施形態では、位相変調器としてＬＮマッハツェンダー変調器を用い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。信号光の波長は約１５３６ｎｍに設定した。

まず、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、信号光を第３の二次非線形光学素子（図１６を参照、符号１６０２−３が示す）に入射し、内部で発生した第二高調波を観測した。

図１９Ａ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。図１９Ｂに２値の位相変調の施された信号光の第二高調波に対するスペクトルを示す。第二高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、信号光の第二高調波生成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。

次に、２値の位相変調の施された信号光と第１の基本波光を合波した後、第３の二次非線形光学素子に入射しスペクトルを観測した。第１の基本波光の波長は約１５３４ｎｍである。図２０に第３の二次非線形光学素子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３の二次非線形光学素子内部で生成された信号光の第二高調波と第１の基本波光との差周波発生により、波長は約１５３８ｎｍ付近に差周波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。

差周波光を波長合分波器により分離した後、差周波光とほぼ同じ波長で発振する半導体レーザーに入力した。半導体レーザーの出力と第１の基本波光とを波長合分波器により合波した後、光サーキュレータを用いて基本波光として用いる第１の基本波光及び第２の基本波光を取り出した。

図２１Ａ及び図２１Ｂにサーキュレータ後の出力をスペクトルアナライザで測定した時に得られたスペクトルを示す。図２１Ａは、差周波光を半導体レーザーに入射させない場合の基本波光のスペクトルを示す図である。図２１Ｂは、差周波光を半導体レーザーに入射し、差周波光を光注入同期させた場合の基本波光のスペクトルを示す図である。

図２１Ａ及び図２１Ｂを比べて第２の基本波光波長に対応する約１５３８ｎｍ付近のスペクトルをみると、光注入同期することにより元の半導体レーザー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まで含めて差周波光と同じ周波数で半導体レーザーが発振する。この時、半導体レーザーに入射する差周波光を徐々に上げていき、注入量が約数十μＷになった時に、半導体レーザーの波長が差周波光波長にシフトすることによっても、光注入同期が行われている様子を観測することができた。

基本波光として用いる第１の基本波光の光強度と、第２の基本波光の光強度とをほぼ同じになるように調整した後、エルビウム添加ファイバレーザー増幅器で増幅する。増幅した基本波光を二次非線形光学素子に入射して和周波光を発生させる。次いで、信号光と発生させた和周波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で、位相感応増幅を行った。

増幅特性を確認するために、増幅後の信号の利得を調べた。本実施形態では、ＰＬＬにより励起光の位相を信号光の位相に合わせることにより、ＰＰＬＮ導波路に入射した和周波光のパワーが３００ｍＷという条件下、約１１ｄＢの利得を得ることができた。

本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、本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出来たため、Ｓ／Ｎ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。

本実施形態では、光通信へ応用するために、励起光にＣＷ光を用いたが、励起光にＣＷ光を用いることは、本実施形態に限定されず、他の実施形態においても有効に機能する。

（２）第２の構成
次に、第５の実施形態の別構成（第２の構成）について説明する。図２２に本実施形態の第２の構成を示す。

本構成では、１．５４μｍの信号を増幅するように装置を構成した。３つのＰＰＬＮ導波路を用いて、信号光の搬送位相を抽出した後、和周波光を発生させて縮退パラメトリック増幅を行う点は、図１６に示した構成と同じである。

相違点は、基本波光から和周波光を分離する方式および和周波光と信号光とを合波する方式である。さらに、本構成では、信号光の搬送位相の抽出手段をより簡便に構成した。

本発明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Ｓ／Ｎ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、本構成ではその効果を有効に利用できるようにした。

本構成においても、基本波光からの和周波光の分離ならびに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よく使用されているが、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。本構成では、そのような考え方に基づいて装置が構成されている。

図２２を参照しながら、本構成について説明する。信号光２２４０の一部は、偏波コントローラ２２３０を用いて偏波を調整され、光分岐部２２０３−１で分岐され、第１の基本波光と合波された後、エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）２２０１−１で増幅される。

外部キャビティレーザー２２３１からの第１の基本波光は、位相同期のためにＬＮ位相変調器２２１０を介した後で合波されている。

増幅された信号光と第１の基本波光は、第３の二次非線形光学素子２２０２−３に入力される。本構成の、二次非線形光学素子は、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）から成る光導波路を備える。

第３の二次非線形光学素子２２０２−３において、信号光の第二高調波を発生させ、発生させた第二高調波と第１の基本波光との間での差周波発生により、差周波光を得る。

第３の二次非線形光学素子２２０２−３から出力された、信号光、第１の基本波光、および差周波光は光サーキュレータを通した後、それぞれの光を分波した。分波には、アレイ導波路格子(ＡＷＧ)型の波長合分波器２２１２を用いた。分波器２２１２から出力された信号光は空間系に放出される。

差周波光と一致した波長を持つ分波器出力ポートには、差周波光とほぼ同じ波長で発振する半導体レーザー２２３２が接続されている。差周波光の光強度を１０μＷ乃至１００μＷになるように調整した後、半導体レーザー２２３２に入力することで光注入同期を行う。光注入同期により差周波光と同じ位相を持つ第２の基本波光を生成することができた。

分波器２２１２から出力された第１の基本波光をファイバ型のミラー２２１４により反射させ、波長合分波器２２１２に再度折り返して入力した。この構成を用いることで、第１の基本波光と第２の基本波光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た。

ＡＷＧ型合分波器２２１２の合波側から第１の基本波光を入射し、第２の基本波光と合波しサーキュレータ２２１３を用いて取り出した。本構成では、非線形素子と光注入同期により信号光の搬送波位相を抽出した、第１の基本波光及び第２の基本波光を基本波光として用いる。

ＥＤＦＡ２２０１−２で増幅した基本波光を、第１の二次非線形光学素子２２０２−１中の第１のＰＰＬＮ導波路２２０５−１に入射し和周波光を発生させる。

本構成においても、第１のＰＰＬＮ導波路２２０５−１から出射される基本波光とその和周波光から和周波光のみを効果的に取り出し、ＥＤＦＡ２２０１−１から発生するＡＳＥ光を効果的に除去するために、第１のＰＰＬＮ導波路２２０５−１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２２０６−１を設置した。

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もつ偏波保存ファイバを介して、第２の二次非線形光学素子２２０２−２へと導かれている。（第１の構成）と同様に、０．７７μｍにおいてシングルモードであるこのファイバは波長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、不要な波長１．５４μｍ付近の基本波光およびＡＳＥ光を効果的に減衰させることができる。

偏波保持ファイバで導かれた和周波光は、ダイクロイックミラー２２０６−２を用いて波長１．５４μｍの信号光２２４０と合波される。本構成においては、偏波保持ファイバを通ってくる波長１．５４μｍ付近の基本波光およびＡＳＥ光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帯を透過するダイクロイックミラー２２０６−２を用いた。

信号光と和周波光とは合波された後、第２のＰＰＬＮ導波路２２０５−２に入射され、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２のＰＰＬＮ導波路２２０５−２から出射された光は、ダイクロイックミラー２２０６−３により和周波光と増幅された信号光とに分離される。本構成では、ダイクロイックミラー２２０６−３に、出力に不要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を用いた。

本構成においても、出力した増幅信号光の一部を光分岐部２２０３−３で分岐して光検出器２２０８で受光した後に位相同期ループ回路（ＰＬＬ）（図示省略）により位相同期を行うことで安定的に位相感応増幅ができるようにしている。位相同期ループ回路（ＰＬＬ）の誤差信号を第１の基本波光を生成する光源の駆動電流にフィードバックをかけることで、励起光と信号光の位相同期をおこなった。

本構成においては、それぞれ特性の異なるダイクロイックミラーを、基本波光からの第二高調波の分離ならびに第二高調波と信号光との合波に用いたために、特に信号のＳ／Ｎ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光増幅器を構成することができた。また、搬送波抽出に用いる部品点数を減らすことで簡便な構成を取ることができた。

（３）第３の構成
次に、第５の実施形態のさらに別の構成（第３の構成とした）について説明する。図２３に本実施形態の第３の構成を示す。

本構成では、１．５４μｍの信号を増幅するように装置を構成した。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の構成）および（第２の構成）に示した構成と同様である。（第３の構成）がこれらの構成と相違する点は、搬送波抽出手段の構成にある。

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の構成）では第二高調和発生と差周波光発生過程を同時に行うため、分岐した極度に微弱な信号光をファイバ増幅器で増幅する際に生じるＡＳＥが過剰になる。その場合、得られる差周波光にＡＳＥ雑音が重畳され差周波光のＳ／Ｎ比が悪くなる。Ｓ／Ｎ比が十分にあれば、光注入同期によりＳ／Ｎ比の改善を行うことができるが、元の信号光が微弱になればなるほど差周波光のＳ／Ｎ比劣化が増大され、第１の基本波光として十分なＳ／Ｎ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Ｓ／Ｎ比がよいことが必要なため、励起光のＳ／Ｎ比確保は重要である。本構成は、差周波光のＳ／Ｎ比劣化を防ぐ目的で構成された。

図２３を参照しながら、本構成について説明する。

信号光２３４０の一部は、偏波コントローラ２３３０を用いて偏波を調整され、光分岐部２３０３−１で分岐された後、エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）２３０１−１で増幅される。

増幅された信号光は、二次非線形光学素子２３０２−３に入力される。二次非線形光学素子２３０２−３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２３０５−３を備える。ＰＰＬＮ導波路２３０５−３に信号光を入射することで、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２３０６−５により第二高調波と信号光とが分離される。

二次非線形光学素子２３０２−３から取り出した第二高調波と、第１の基本波光とが、二次非線形光学素子２３０２−４に入射される。二次非線形光学素子２３０２−４は、入出力にダイクロイックミラー２３０６−６、２３０６−７を備えている。

第二高調波と第１の基本波光とがダイクロイックミラー２３０６−６で合波され、二次非線形光学素子２３０２−４中のＰＰＬＮ導波路２３０５−４に入力される。ＰＰＬＮ導波路２３０５−４内で、第二高調波と第１の基本波光との間の差周波発生により、差周波光を得る。このような構成を用いることで、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レーザー増幅器２３０１−１からの不要なＡＳＥ光を除去した後、第二高調波と第１の基本波光と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Ｓ／Ｎ比を持つ差周波光を生成することができた。

二次非線形光学素子２３０２−４から出力された、信号光、第１の基本波光、および差周波光は、光サーキュレータ２３１３を介した後、それぞれの光に分波された。分波には、アレイ導波路格子(ＡＷＧ)型の波長合分波器２３１２を用いた。分波器２３１２から出力された信号光は空間系に放出される。分波器２３１２から出力された第１の基本波光は、アイソレータ２３１５を用いて消光した。

差周波光と一致した波長を持つ波長合分波器２３１２の出力ポートには、差周波光とほぼ同じ波長で発振する半導体レーザー２３３２が接続されている。光注入同期により差周波光と同じ位相を持つ第２の基本波光を生成することができた。高いＳ／Ｎ比を持つ差周波光を用いたため高いＳ／Ｎ比を保ったまま第２の基本波光を生成することができた。

ＡＷＧ型合分波器２３１２の合波側から第１の基本波光を入射し、第２の基本波光と合波した後、サーキュレータ２３１３を用いて取り出した。

本構成では、非線形素子と光注入同期により信号光搬送位相を抽出した、第１の基本波光及び第２の基本波光を基本波光として用いる。

基本波光として用いる第１の基本波光及び第２の基本波光の光強度をほぼ同じになるように調整した後、エルビウム添加ファイバレーザー増幅器２３０１−２で増幅する。増幅した基本波光を二次非線形光学素子２３０２−１に入射して和周波光を発生させる。二次非線形光学素子２３０２−２に信号光２３４０と和周波光とを入射して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良好な特性を得ることができた。本構成により、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光増幅器を実現することができた。

（第６の実施形態）
上述の第３乃至第５の実施形態においては、位相感応光増幅器を中継器として用いる場合の実施形態について説明した。本実施形態では、位相感応光増幅器を受信器として用いる場合、より具体的には、受信器における初段増幅器として用いる場合の構成とその効果について述べる。

これまでの実施形態の説明で述べてきたとおり、ＰＰＬＮを非線形媒質として用い、信号光と第二高調波を入射して縮退パラメトリック増幅を行う構成においては、ＧＡＷＢＳによる雑音がない。また、第二高調波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、再度、合波器として作用するダイクロイックミラー（例えば、図６の６０６−１、６０６−２を参照）の特性を用いて基本波の成分を取り除いてから第二高調波と信号光のみをパラメトリック増幅媒質に入射すれば、ＡＳＥ光の混入による雑音も防げるので低雑音な光増幅が可能になる。

しかしながら、現状で３００ｍＷの第二高調波を入射したときのＰＰＬＮ導波路のパラメトリック利得は１１ｄＢであるので、光受信装置に入射される微弱な信号をＰＤ（フォトダイオード）でＳ／Ｎ比良く受信するためには利得が足りない。従って、上述の実施形態に係る増幅器を、光受信装置の増幅器としては利用することはできない。

現在、光受信装置によく用いられているＥＤＦＡの利得は３０ｄＢ乃至４０ｄＢ程度であり、光受信装置に入射する光レベルが−３５ｄＢｍだとしても０ｄＢ乃至＋５ｄＢｍ程度の出力が得ることが可能である。一方、現状の技術でＰＰＬＮ導波路からＥＤＦＡと同等の利得を得ることは困難である。従って、低雑音の位相感応光増幅器を実現できたとしても、従来のレーザー増幅器を用いた光受信装置を超える高感度の光受信装置を得ることは出来なかった。しかし、以下に説明する本実施形態においては、これらの問題は解消される。

図２４に本実施形態の構成を示す。本実施形態においては、図２４において「位相感応増幅器」と示した部分に記載のＰＰＬＮ導波路を用いた位相感応光増幅器を用いて微弱な入力信号２４２０を増幅する。増幅された信号光は、光ファイバレーザー増幅器２４０１−１で更に増幅され、バンドパスフィルタ２４０４−１で不要な背景光を除去される。続いて、信号光は光検出器として作動するフォトダイオード（ＰＤ）２４０８−２に入射し、電気信号へ変換される。電気信号は、最終的には、識別器２４１３に接続されてデジタル信号として再生される。本実施形態の詳細については後述する。

このような構成をとると以下に述べるような効果が得られる。本実施形態の特徴は、微弱な入力信号を位相感応光増幅器で増幅したのちに光ファイバレーザー増幅器で更に増幅し、次いで、ＰＤへ入射して光電変換を行っていることにある。

以下に本発明の実施形態に係る光受信装置の受信感度に大きな影響を与える、光信号のＳ／Ｎ比の振る舞いを説明する。微弱な入力信号を増幅する位相感応光増幅器においては増幅された信号の光子数の分散σ_PSAは以下の（式１１）で与えられる。ただし励起光と信号光は完全に位相差がなく同期が取れていると仮定する。

ここで〈ｎ_in〉は入力光平均光子数、Ｇは位相感応光増幅器の利得、Δｆは受光器に入射するパラメトリック蛍光の帯域である。Δｆは、位相感応光増幅器の後方にフィルタを配置した場合にはフィルタの帯域、フィルタを設けない場合にはパラメトリック増幅媒質の帯域となる。（式１１）の右辺第１項は増幅光のショット雑音、第２項はパラメトリック増幅効果で発生するパラメトリック蛍光のショット雑音、第３項は増幅光とパラメトリック蛍光のビート雑音、第４項はパラメトリック蛍光間のビート雑音に相当する。

（式１１）に示す光子数の分散σ_PSAを用いて、増幅光をＰＤで検出したときの雑音電力は、受信系の帯域をＢ、電流電圧変換を行うための負荷抵抗をＲ_Lとすると次の（式１２）で与えられる。ただしここでは簡単のためにＰＤの量子効率は１００％であると仮定する。

信号電力はマーク率１／２、タイムスロットＴのＮＲＺ符号を検出する場合を考えると（式１３）で与えられる。

これらの式から信号のＳ／Ｎ比は、（式１４）で与えられる。

位相感応増幅の利得Ｇが大きくなると、第３項の増幅光とパラメトリック蛍光のビート雑音が支配的となり、Ｓ／Ｎ比は（式１５）に収束する。

一方、増幅器を用いない入力光のＳ／Ｎ比は（式１６）で与えられる。

（式１５）及び（式１６）から位相感応光増幅器の雑音指数Ｆが（式１７）のように求まる。

（式１７）から分かるように、利得が大きい場合には雑音指数Ｆは１に漸近し、Ｓ／Ｎ比劣化のない増幅が可能となる。実際にこのような低雑音な増幅を行うためには、ＧＡＷＢＳ雑音や励起光の発生の際に用いるレーザー増幅器からのＡＳＥ光の混入による雑音を避ける必要がある。従って、３次非線形媒質として光ファイバを用いた従来技術ではこれらの付随的な雑音を避けることができない。

一方、２次非線形媒質としてＰＰＬＮ導波路を用いた構成ではこれらの問題を避けることができ、低雑音な増幅を行うことが可能である。しかし現状の技術では、ＰＰＬＮ導波路を用いた位相感応光増幅器だけで十分な利得を得ることは困難であった。

これらの問題点を解決する構成を鋭意検討した結果、２次非線形媒質で位相感応増幅を行った後にレーザー増幅器で更に増幅を行ってバンドパスフィルタで不要な背景光を除去するようにしても、位相感応光増幅器の低雑音性を活かしながら、従来のレーザー増幅器のみを用いた場合に比較してＳ／Ｎ比の劣化を抑制できることを見出した。以下に本実施形態に係る構成における、増幅信号光のＳ／Ｎ比の振る舞いについて説明する。

前述の位相感応光増幅器で増幅された信号を更にレーザー増幅器で増幅した場合、出力は強度の強い順に、第１の出力成分である増幅された信号光、第２の出力成分であるパラメトリック蛍光がレーザー増幅器で増幅された光、第３の出力成分であるレーザー増幅器が発生するＡＳＥ光からなると考えられる。このときの増幅器からの光子数の分散は、以下の８個の成分の総和で与えられると考えられる。
[１]第１の分散：第１の出力成分（増幅された信号光）のショット雑音
[２]第２の分散：第２の出力成分（パラメトリック蛍光がレーザー増幅器で増幅された光）のショット雑音
[３]第３の分散：第３の出力成分（レーザー増幅器が発生するＡＳＥ光）のショット雑音
[４]第４の分散：第１の出力成分と第２の出力成分とのビート雑音
[５]第５の分散：第１の出力成分と第３の出力成分とのビート雑音
[６]第６の分散：第２の出力成分と第３の出力成分とのビート雑音
[７]第７の分散：第２の出力成分同士のビート雑音
[８]第８の分散：第３の出力成分同士のビート雑音

例えば、本実施形態で用いたＰＰＬＮ導波路のパラメトリック利得の帯域は、６０ｎｍ程度と極めて広い。従って、仮に第２の出力成分（パラメトリック蛍光がレーザー増幅器で増幅された光）のスペクトル密度が成分１よりも小さいとしても、帯域全体のパラメトリック蛍光がレーザー増幅器で増幅された光を積分すると、第６乃至第７の分散のうち第７の分散である第２の出力成分同士のビート雑音の寄与が無視できなくなってしまう。

このため本実施形態に係る光受信装置では、信号成分の帯域以外の第２の出力成分（パラメトリック蛍光がレーザー増幅器で増幅された光）の寄与及び第３の出力成分（レーザー増幅器が発生するＡＳＥ光）の寄与が小さくなるようにバンドパスフィルタをレーザー増幅器の後に配置し、信号の帯域だけの光を取り出すようにした。

雑音の見積もりを容易にするために、光子数の分散を与える成分のうち強度の大きなものを考える。雑音として寄与が大きい成分は、第４の分散と第５の分散の成分であると考えられる。斯かる近似に基づいて光子数の分散への寄与が大きい成分の大きさを求めると（式１８）のとおりとなる。

ただし、ここでＧ₁は位相感応光増幅器の利得、Ｇ₂はレーザー増幅器の利得である。（式１８）から本実施形態におけるＳ／Ｎ比を計算すると、（式１９）のようになる。

（式１９）で示したＳ／Ｎ比と（式１６）で示した入力光のＳ／Ｎ比との比から本実施形態の雑音指数Ｆが（式２０）のように求まる。

ここで、Ｆ_PSAは上述した位相感応光増幅器の雑音指数、Ｆ_PIAはレーザー増幅器の雑音指数である。

Ｆ_PIAは、理想的なレーザー増幅器の場合、３ｄＢ（Ｆ_PIA＝２に相当）、通常のＥＤＦＡの場合、４ｄＢ〜５ｄＢ程度(Ｆ_PIA＝２．５〜３．２に相当)の値である。即ち、本実施形態に係る構成により、後段に接続したレーザー増幅器の雑音指数の寄与は１／Ｇ₁だけ小さくなることになり、位相感応光増幅器の利得Ｇ₁が大きい場合には全体の雑音指数は位相感応光増幅器の雑音指数に漸近することが分かる。従って、本実施形態により、位相感応光増幅器の低雑音性を活かしながら、全体としては受信装置等の前置増幅器として使用するのに十分な利得を得ることが可能になる。

また、パラメトリック蛍光やＡＳＥ光のような背景光同士のビートによる雑音（即ち、上記第６乃至第８の分散）の影響を小さく抑えるためには、信号の帯域以外の背景光を取り除くためにバンドパスフィルタを備えることが望ましい。バンドパスフィルタを配置する位置としては、位相感応光増幅器とレーザー増幅器との間や、レーザー増幅器の後段が考えられるが、特に、レーザー増幅器の後段のみに配置する構成とすると、バンドパスフィルタの挿入損失によるＳ／Ｎ比の劣化を少ない部品点数で抑えることができ、効果的である。

再度図２４を参照しながら、本実施形態の構成を詳しく述べる。本実施形態では、本発明の原理確認を行うために、信号光２４２０と基本波光２４２１とを、波長１．５４μｍの光源から発生させた。また、光受信装置の感度を検証するために、信号光のパワーを減衰させて、光受信装置に入射した。

本実施形態で使用した位相感応光増幅器の構成を説明する。本実施形態では、微弱な基本波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、ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）２４０１−２を用いて、基本波光２４２１を増幅する。増幅した基本波光を第１の二次非線形光学素子２４０２−１に入射して第二高調波２４２２を発生させる。次いで、第２の二次非線形光学素子２４０２−２に信号光２４２０と第二高調波２４２２とを入射して縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応増幅を行う。

位相感応増幅では、励起光と信号光の位相を同期させることが必要であるが、本実施形態では出力した増幅信号光２４２３の一部を光分岐部２４０３で分岐し光検出器２４０８−１で受光したのちに位相同期ループ回路（ＰＬＬ）２４０９により位相同期を行った。ＥＤＦＡ２４０１−２の前に配置した位相変調器２４１０を用いて正弦波により微弱な位相変調を基本波光２４２１に施した。光検出器２４０８−１とＰＬＬ回路２４０９とにより、その位相変調の位相ずれを検出して、ＥＤＦＡ２４０１−２の前に配置したＰＺＴによる光ファイバ２４１１の伸長器の駆動電圧と位相変調器２４１０のバイアス電圧とにフィードバックを行う。これにより、光ファイバ部品の振動や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した。

基本波光２４２１は、ＥＤＦＡ２４０１−２を用いて増幅される。増幅された基本波光２４２１は、第１の二次非線形光学素子２４０２−１に入力される。本実施形態では、ＥＤＦＡ２４０１−２から発生する広帯域なＡＳＥ光が第１の二次非線形光学素子２４０２−１により変換されることを防ぐために、ＥＤＦＡ２４０１−２と第１の二次非線形光学素子２４０２−１との間にバンドパスフィルタ２４０４−２を挿入し、不必要なＡＳＥ光をカットした。

図２４に示すように、本実施形態に係る二次非線形光学素子（２４０２−１、２４０２−２）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（２４０５−１、２４０５−２）を備える。ＰＰＬＮ導波路（２４０５−１、２４０５−２）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ｄ３３を利用することが可能であり、かつ光導波路構造により高い光パワー密度が得られる。従って、図示するような構成にすることで高い波長変換効率を得ることができる。

ＰＰＬＮ導波路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。

第１のＰＰＬＮ導波路２４０５−１からは基本波光と第二高調波が出射される。第二高調波２４２２と基本波光２４２１とを、ダイクロイックミラー２４０６−１を用いて分離した。

ダイクロイックミラー２４０６−１を透過した０．７７μｍの第二高調波２４２２は、この波長、即ち０．７７μｍの波長においてシングルモード伝搬特性をもつ偏波保持ファイバ２４０７を介して、第２の二次非線形光学素子２４０２−２へと導かれている。偏波保持ファイバ２４０７を介して第２の二次非線形光学素子２４０２−２へ導かれた第二高調波２４２２は、ダイクロイックミラー２４０６−２により波長１．５４μｍの信号光２４２０と合波される。ダイクロイックミラー２４０６−２は第二高調波２４２２のみを透過させるので、第１のＰＰＬＮ導波路２４０５−１から出射され、ダイクロイックミラー２４０６−１及び偏波保持ファイバ２４０７を通ってくる波長１．５４μｍ付近の基本波光２４２１とＡＳＥ光との残留成分を効果的に取り除くことができる。

信号光２４２０と第二高調波２４２２とは合波され、第２のＰＰＬＮ導波路２４０５−２に入射される。第２のＰＰＬＮ導波路２４０５−２は、第１のＰＰＬＮ導波路２４０５−１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２のＰＰＬＮ導波路２４０５−２から出射された光は、ダイクロイックミラー２４０６−３により励起光である第二高調波と増幅された信号光２４２３とに分離される。このときも第二高調波と増幅された信号光とは、波長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。

本実施形態においては、波長の異なる２つの光を分離又は合波するために、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を使用しているが、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とする場合、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、不要な特定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。

本実施形態は、このような考え方に基づいて構成されている。このような構成を取ることで特に位相感応光増幅器のＳ／Ｎ比を付随的に劣化させるＥＤＦＡからのＡＳＥ光の混入を完全に抑圧することができ、低雑音の増幅が可能になる。

本実施形態では、第２のＰＰＬＮ導波路２４０５−２で得られるパラメトリック利得が１１ｄＢであり、第２のＰＰＬＮ導波路をモジュール化したときのファイバ間の挿入損失が５ｄＢであったため、位相感応光増幅器の利得は６ｄＢであった。このようにして位相感応増幅された信号光２４２３をＥＤＦＡ２４０１−１に入射して更に増幅を行った。ＥＤＦＡからの出力は帯域１ｎｍのバンドパスフィルタ２４０４−１を通し、位相感応光増幅器から発生するパラメトリック蛍光がＥＤＦＡで増幅された光とＥＤＦＡから発生するＡＳＥ光とのうち信号帯域外にある成分を除去した。

図２５に、本実施形態を用いて光増幅を行ったときの光スペクトルの例を示す。図２５において、実線は本実施形態によって増幅された信号の光スペクトルであり、点線は従来技術の光増幅器によって増幅された信号の光スペクトルを示す。

従来技術との比較を行うためにＥＤＦＡとバンドパスフィルタだけで増幅した場合の光スペクトルも同時に測定を行った。入力信号は周波数１５ＧＨｚの正弦波で変調した信号を−２０ｄＢｍまで減衰させて入射し、トータルの利得が１８ｄＢとなるようにして比較を行った。

図２５から分かるように、増幅された信号光の周りに観測される、背景光（ＡＳＥ光やパラメトリック蛍光が増幅された光）のレベルが、位相感応光増幅器で増幅してからＥＤＦＡで増幅することにより低く抑えられていることが分かる。このように、本実施形態では、レーザー増幅器を用いているのにもかかわらず、その前段に位相感応光増幅器を配置することで、従来のレーザー増幅器と同等の利得を得ながらも、従来よりも雑音レベルを低く抑えることが可能になり、従来よりも高いＳ／Ｎ比を得ることが可能になる。

更に図２６に、上述の、増幅された、周波数１５ＧＨｚの正弦波で変調した信号を、市販のＯＥコンバータ内蔵の電気のスペクトラムアナライザで光電変換しその雑音フロアを評価した結果を示す。

図２６において、実線は本実施形態によって増幅された信号を光電変換した電気スペクトルを示し、点線は従来技術の光増幅器によって増幅された信号を光電変換した電気スペクトルを示す。光のＳ／Ｎ比が向上するだけでなく、光電変換した後も従来のＥＤＦＡで増幅した場合に比べて１ＧＨｚから１４ＧＨｚのすべての帯域においてノイズレベルが１．５ｄＢ程度低く抑えられていることが確認できた。

従来の光ファイバを用いた位相感応光増幅器においてはＧＡＷＢＳによる雑音により一部の帯域でのみＥＤＦＡよりも低雑音にならないのに対して、本実施形態では、広い周波数帯域に渡っての低ノイズの増幅を十分な利得を得ながらも実現することができた。このような低雑音な増幅特性は、本実施形態が、光受信器としてだけでなく、光中継器として作動する光増幅器としても有用であることを示している。

次に、光受信装置としての有効性を確認するために、信号光を４０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ信号で変調し、入力した場合の受信特性を評価した。このとき、後段のＥＤＦＡの利得は、バンドパスフィルタを介してＰＤに入射するパワーが０ｄＢｍとなるように設定した。本実施形態における位相感応光増幅器の利得は６ｄＢであるので、入力光のパワーが例えば−３０ｄＢｍの場合、ＥＤＦＡの利得は２４ｄＢに設定していることになる。また、比較のために従来技術であるＥＤＦＡ及びバンドパスフィルタのみを前置増幅器として用いた場合についても評価を行った。この場合においてもバンドパスフィルタを介してＰＤに入射するパワーが０ｄＢｍとなるように設定したので、入力光のパワーが例えば−３０ｄＢｍの場合、ＥＤＦＡの利得は３０ｄＢに設定していることになる。

図２７に、入力信号を光アッテネータで減衰させて、誤り率測定から本実施形態の受信感度を評価した結果を示す。図２７は、受信感度を評価するための誤り率特性を示す図である。例として、１０^-9の誤り率を得るための入射パワーが、従来のＥＤＦＡを用いた場合は−２８．８ｄＢｍなのに対して、本実施形態では約１．５ｄＢｍ低い−３０．３ｄＢｍで同じ誤り率が得られた。このように、本実施形態による低雑音な光増幅を利用した光受信により、受信感度の向上が得られることが確認できた。斯かる効果は広い周波数帯域にわたって低雑音性が得られる本発明の構成によって始めて実現できるものである。

なお、本実施例では、位相同期のための基本波光の生成方法として、信号光から直接分岐した光を用い、変調された光信号からの位相同期手段を用いない構成としたが、基本波光の生成方法は、前述の第３乃至第５の実施形態で説明した方法を用いても良い。

さらに、本実施例では、光受信装置を例にとり、低雑音性と高利得性を両立できる構成について説明したが、線形中継器として用いる場合であっても、中継間隔を延ばさなければならないなど、低雑音性と高利得性を両立させる必要がある場合には、本実施形態で述べたような位相感応アンプとＥＤＦＡとを多段に接続させる構成は極めて有用である。

（第７の実施形態）
図２８Ａおよび図２８Ｂは、本発明の第７の実施形態に係る位相感応光増幅器の説明図である。図２８Ｂに示すように、本実施形態では、光通信に用いられる微弱なレーザー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、ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）２８０１を用いて、基本波光２８２１を増幅する。増幅した基本波光を第１の二次非線形光学素子２８０２−１に入射して第二高調波２８２２を発生させる。第２の二次非線形光学素子２８０２−２に信号光２８２０と第二高調波２８２２とを入射して縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応増幅を行う。

図２８Ｂに示す構成の詳細は後述するとして、このような構成をとると以下に述べるような従来技術では得られない効果が得られる。本実施形態では、基本波光として、波長が１．５４μｍのＣＷ光を用いる。入力信号光としては、図２８Ａ中に示すように、基本波光波長に相当する光周波数を中心として同じ光周波数差だけ対称に離れた信号光の対（s+1とs-1、s+2とs-2、s+3とs-3、s+4とs-4、以下同様）が入力される。

信号光群と基本波光とは互いに位相同期しており、そのような信号光、基本波光はたとえば同一の光源を分岐して、一方を光変調器により側帯波を生じさせることで生成することができる。

図２８Ｂに示すように、基本波光２８２１は、位相変調器２８１０、ＰＺＴを用いたファイバ伸長器２８１１を通過してエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）２８０１で増幅される。増幅後、基本波光は、バンドパスフィルタ２８０４を用いて、ＥＤＦＡ２８０１から発生する余分な自然放出光を除去したのちに第１の二次非線形光学素子２８０２−１内のＰＰＬＮ導波路２８０５−１に入射され、基本波光２８２１の第二高調波である波長０．７７μｍの光２８２２に変換される。

信号光群２８２０と、基本波光の第二高調波２８２２とは、ダイクロイックミラー２８０６−２で合波され、次いで、第２の二次非線形光学素子２８０２−２内のＰＰＬＮ導波路２８０５−２に入射される。ＰＰＬＮ導波路２８０５−２におけるパラメトリック増幅により信号光群が増幅される。

信号光群の増幅動作について、以下で詳細に説明する。本実施形態では、対となる信号光の２つの波長における位相が同じである光をそれぞれ入射する。例えば信号s+1とs-1は同じ位相情報を持っていると仮定する。

二次非線形光学素子に励起光（本実施形態では基本波光の第二高調波２８２２）、信号光、およびアイドラ光の３つの光を入射して三者の非線形相互作用により光増幅を行う、非縮退パラメトリック増幅においては、三者のそれぞれの位相が次の（式２１）を満たすときに、信号光、アイドラ光の両者のパラメトリック増幅が行われる。

φ_SH＝φ_S＋φ_i＋２ｎπ（ｎは整数）（式２１）

ここでφ_SH、φ_S、φ_iはそれぞれ、基本波光の第二高調波、信号光、アイドラ光の位相である。信号とアイドラが本実施形態の信号s+1と信号s-1の対のように同じ位相を有していると仮定すると、φ_i＝φ_Sとして

φ_S＝φ_SH／２＋ｎπ＝φ_p＋ｎπ（ｎは整数）（式２２）

ただし、ここでφ_pは基本波光の位相である。第二高調波の位相φ_SHが２φ_pで表されることを用いた。

（式２２）から分かるように信号光は、基本波光と位相が同じかπだけずれた場合、直交する２つの位相成分のうち励起光と同相の場合のみ、パラメトリック増幅が起こることがわかる。なお、基本波光と直交する位相を持つ信号対を入射した場合は、信号光は減衰されることになる。

このように、信号として、同じ位相情報をもつ信号光対を入射すると、位相感応性を持つパラメトリック増幅が行われる。本実施形態では信号光と励起光をファイバ部品で接続しているために、温度変動や振動によるファイバの伸び縮みをＰＬＬ技術により吸収している。本実施形態では、光周波数差だけ対称に離れた信号光の対はすべて位相同期しているため、複数の信号光群を増幅することが可能である。

図２９および図３０は、位相感応光増幅で用いる複数波長の信号光・励起光のスペクトルを模式的に示す図であり、図２９は、図５で示した従来のファイバレーザー増幅器および非線形媒質として光ファイバを利用した構成を用いた場合を示し、図３０は、図２８Ｂで示す本実施形態による構成を用いた場合を示す図である。

従来の光ファイバを用いた位相感応光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複数波長の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２９で例示するように、複数波長の信号光２９０１および励起光２９０２が同じ１．５５μｍ帯の波長帯を有し、励起光２９０２を光ファイバ増幅器で増幅する際、励起光波長の近傍に光ファイバ増幅器によりＡＳＥ光２９０３が発生してしまう。

信号波長域にＡＳＥ光を発生させないために複数波長の信号光が光ファイバ増幅器を通らないようにする構成にすることは可能である。しかしながら、励起光と複数波長の信号光とを合波する際の両者の波長が接近しているために、波長選択性の良い光フィルタを実現することは困難であり、ＡＳＥ光を完全にカットすることができない。この結果、信号波長帯域に発生しているＡＳＥ光が複数波長の信号波長に重畳してしまい、ＡＳＥ光の混入により複数波長の信号光のＳ／Ｎ比が劣化してしまうこととなる（図２９（ｃ））。

一方、本実施形態による構成では、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、基本波光３００２を光ファイバ増幅器により増幅する。このときに基本波光３００２の波長近傍にＡＳＥ光３００３が重畳する（図３０（ｂ））。本実施形態に係る構成においては、光増幅を行ったのちに、ＡＳＥ光３００３が重畳された基本波光３００２を、第１の二次非線形光学素子に入射し第二高調波３００４を発生させる。このときに励起光として使用される第二高調波３００４の波長帯域には、わずかにＡＳＥ光の第二高調波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。第二高調波３００４の波長は基本波光３００２の波長の半分であり、両者の波長は十分に離れている。従って、基本波光３００２と基本波光の第二高調波３００４とから第二高調波３００４のみを分離するような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で実現することは比較的容易である（図３０（ｃ））。そのようなフィルタを第１の二次非線形光学素子の出力に接続することにより、励起光波長帯域の基本波光とＡＳＥ光とを完全に取り除くことができる。次いで、複数波長の信号光３００１と第二高調波３００４のみとを合波して第２の二次非線形光学素子に入射し、非縮退パラメトリック増幅による位相感応増幅を実現することができる（図３０（ｄ））。

さらに、本実施形態による動作を行う中で以下のような従来技術にはない以下の利点があることも明らかになった。

従来の光ファイバ中の四光波混合を利用して複数波長の信号光の位相感応増幅を行う構成では、非特許文献７に示されるように、励起光波長を中心として複数波長の信号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副次的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（図２９（ｃ）の２９０４）。

このために増幅信号光のパワーが散逸してしまい、所望の信号光を増幅できるパワーが制限されてしまう。さらに、副次的に生成される信号は複数波長の信号光の波長の間等に生成されてしまうことから、副次的に生成された余分な信号を除去することには非常な困難が伴う。分離のために超狭帯域の光フィルタなどを用いる方法が考えられるが、光フィルタの帯域を狭くすればするほどフィルタによる信号の損失が増大する。複数波長の信号光の波長多重数が多くなればなるほど、副次的に生成される信号の数量も増加する。この結果、副次的な信号が、元の信号光の帯域内に重畳される場合もある。このような場合は、光フィルタによる分離などは不可能であり光信号のＳ／Ｎ比が劣化する。

これに対し、本実施形態では、第２のＰＰＬＮ導波路へは信号光と第二高調波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。本実施形態では出力パワーを＋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た。また、四光波混合を用いた場合のように副次的に余計な信号が生成されるようなことはなかった。

再度図２８Ａおよび図２８Ｂを参照しながら、本実施形態の構成を詳しく述べる。本実施形態では、基本波光２８２１は、エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）２８０１を用いて増幅される。増幅された基本波光は、第１の二次非線形光学素子２８０２−１に入力される。本実施形態では、ＥＤＦＡ２８０１から発生する広帯域なＡＳＥ光が第１の二次非線形光学素子２８０２−１により変換されることを防ぐために、ＥＤＦＡ２８０１と第１の二次非線形光学素子２８０２−１との間にバンドパスフィルタ２８０４を挿入し、不必要なＡＳＥ光をカットした。

本実施形態の、二次非線形光学素子（２８０２−１，２８０２−２）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（２８０５−１，２８０５−２）を備える。

第１のＰＰＬＮ導波路２８０５−１から出射した、第二高調波２８２２と基本波光２８２１とは、ダイクロイックミラー２８０６−１を用いて分離した。

ダイクロイックミラー２８０６−１で反射された波長０．７７μｍの第二高調波２８２２は、この波長０．７７μｍにおいてシングルモード伝搬特性をもつ偏波保持ファイバ２８０７を介して、第２の二次非線形光学素子２８０２−２へと導かれている。このとき、ダイクロイックミラー２８０６−１で完全には取り除けなかった波長１．５４μｍ付近の基本波光およびＡＳＥ光も偏波保持ファイバ２８０７に入射されることになるが、０．７７μｍにおいてシングルモードであるこのファイバは波長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、これらの不要な光を効果的に減衰させることができる。

偏波保持ファイバ２８０７で導かれた第二高調波は、ダイクロイックミラー２８０６−２を用いて波長１．５４μｍの信号光２８２０と合波される。ダイクロイックミラー２８０６−２は第二高調波のみを反射させるために、第１のＰＰＬＮ導波路２８０５−１から出射され、ダイクロイックミラー２８０６−１および偏波保持ファイバ２８０７を通ってくる波長１．５４μｍ付近の基本波光とＡＳＥ光との残留成分を効果的に取り除くことができる。

信号光２８２０と第二高調波２８２２とは、ダイクロイックミラー２８０６−２で合波された後、第２のＰＰＬＮ導波路２８０５−２に入射される。第２のＰＰＬＮ導波路２８０５−２は、第１のＰＰＬＮ導波路２８０５−１と同等の性能、位相整合波長を有しており、非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。

本実施形態では、２つのＰＰＬＮ導波路（２８０５−１，２８０５−２）はそれぞれ、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。

第２のＰＰＬＮ導波路２８０５−２から出射された光は、ダイクロイックミラー２８０６−３により励起光である第二高調波と増幅された信号光とに分離される。このときも第二高調波と増幅された信号光とは、波長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。

位相感応増幅では、励起光と信号光の位相を同期させることが必要であるが、本実施形態では出力した増幅信号光の一部を光分岐部２８０３で分岐して光検出器２８０８で受光したのちに位相同期ループ回路（ＰＬＬ）２８０９により位相同期を行った。ＥＤＦＡ２８０１の前に配置した位相変調器２８１０を用いて正弦波により微弱な位相変調を基本波光２８２１に施す。光検出器２８０８とＰＬＬ回路２８０９でその位相変調の位相ずれを検出して、ＥＤＦＡ２８０１の前に配置したＰＺＴによる光ファイバの伸長器２８１１の駆動電圧と位相変調器２８１０のバイアス電圧とにフィードバックを行うことで、光ファイバ部品の振動や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した。

ところで、光コムを分波器で分波し変調器で変調した後に合波器で合波する場合、一般的には、変調による損失が大きいためＳ／Ｎ比が劣化してしまう。また、変調器を用いて光コムを発生する場合も、変調器の損失や複数搬送波への変換効率の分だけ光パワーが小さくなってしまい、Ｓ／Ｎ比が劣化してしまう。さらに、光パワーが減衰した光コムをＥＤＦＡ等のレーザー光増幅器で増幅すると、自然放出光（ＡＳＥ光）が混入してしまい、増幅に伴ってますますＳ／Ｎ比が劣化してしまう。

しかしながら、そのようなＡＳＥ光が混入した信号光群を、本実施形態に係る増幅器で増幅した場合に、従来得られなかった特異な振る舞いを見せることを見出し、本実施形態を実現させるに至った。

図３１Ａおよび図３１Ｂは、本実施形態に係る位相感応光増幅器を使用したときの効果を説明するための図であり、図３１ＡはＥＤＦＡから発生させたＡＳＥ光を意図的に混入させた信号光群の光スペクトルを示し、図３１ＢはＥＤＦＡから発生させたＡＳＥ光を意図的に混入させた信号光群を本発明の第７の実施形態に係る構成を用いた位相感応光増幅器で増幅したときの出力の光スペクトルを示す。

図３１Ａおよび図３１Ｂから分かるように、本実施形態に係る位相感応光増幅器で増幅することにより、増幅された信号光とＡＳＥ光との差、すなわち光Ｓ／Ｎ比（ＯＳＮＲ）が驚くべきことに入力に比べて３ｄＢほど向上していることが分かる。

一例として、中心波長から対称に離れた信号対の内中心波長よりも短い波長を持つ１つの信号に着目する。入力光の信号光は０．０１ｎｍのレゾリューションで測定したところ、図３１Ａに示す通り２３ｄＢのＯＳＮＲを有していた。一方、図３１Ｂに示す通り増幅後の出力信号は２６ｄＢのＯＳＮＲを有しており光Ｓ／Ｎ比が入力光に比べて３ｄＢほど改善していることがわかる。なお、本実施形態に係る増幅器は偏波依存性があるため、公平なＳ／Ｎ比の評価を行うために、入力のスペクトルを評価する際に偏光子を挿入して、本来増幅されるはずの偏波成分のみの比較を行っている。

この驚くべき現象が生じる理由について、以下のように、説明することができる。

まず、励起光の２倍の波長と信号光の波長とが同じになる縮退点を除外した、非縮退点における動作について考える。本実施形態では、励起光と位相関係の確定した信号光対を入力している。本実施形態のように信号光波長とアイドラ光波長とに相当する波長において同一位相を持つ信号光対を入射した場合、上述のように励起光との位相さえ同期できれば、信号光の全ての成分が増幅される。

また、光ファイバを用いたＰＳＡで見られるように、光ファイバやＰＰＬＮを用いた何らかの波長変換プロセスにより信号光と共役な逆位相情報φ_i＝−φ_s＋α（αはファイバ等の光学長で決まる位相）を持つアイドラ光を生成し、信号光とアイドラ光を入力した場合もＳＨ光、信号光、およびアイドラ光間の位相関係が次の（式２３）を満たすときにはパラメトリック増幅が行われる。

φ_SH＝φ_S＋φ_i＋２ｎπ＝φ_S−φ_S＋α＋２ｎπ＝α＋２ｎπ（ただし、ｎは整数）（式２３）

すなわち共役な信号光とアイドラ光を入射した場合、ファイバ等の光学長で決まる位相αを励起光と合わせれば、信号光の全ての成分が増幅される。このように位相関係が確定している信号光と励起光を入射した場合は適当な光学長の調整により信号光の全ての成分が増幅される。

次にＡＳＥ光の入力に対する増幅を考えると、第二高調波の位相φ_SHからの相対的な位相を考えた場合に、ＡＳＥはランダムな位相の光を発生するため、励起光と同位相の成分と直交位相の成分とを同等に含んでいると考えられる。

特に信号光とアイドラ光を入射した場合のそれぞれの信号、アイドラ光と同じ波長におけるＡＳＥの増幅を考えると、信号波長に発生するＡＳＥの位相φ_S-ASEとし、アイドラ波長に発生するＡＳＥの位相をφ_i-ASEとしたとき、次の（式２４）を満たす成分のみがパラメトリック増幅される。

φ_SH＝φ_S-ASE＋φ_i-ASE＋２ｎπ（ただし、ｎは整数）（式２４）

ＡＳＥの場合、上述の位相関係が確定した信号-アイドラとは異なり、信号波長、アイドラ波長においてそれぞれ発生するＡＳＥの位相φ_S-ASE、φ_i-ASEはランダムであるので相互に相関がない。また、φ_S-ASEおよびφ_i-ASEは、第二高調波の位相φ_SHとの間にも相関はない。従って、φ_S-ASEを固定して考えた場合に、ランダムな値を取りうるφ_i-ASEのうち第二高調波の位相φ_Sを基準にしてφ_S-ASEと共役な位相をもつ成分のみがパラメトリック増幅を受けることになる。

このようなＡＳＥの位相のランダム性を考慮すると上記の相関のある信号光に比べると、ＡＳＥに対する利得はその半分になることが分かる。従って、光スペクトルで比較した場合のＳ／Ｎ比は、本実施形態に係る光増幅器によって改善することが可能になる。

ちなみに光ファイバを用いた非縮退パラメトリック増幅では、このような効果を得ることは難しい。その理由は、光ファイバの四光波混合を用いた増幅では、励起光、信号光、およびアイドラ光の全てが１．５５μｍ帯にあり、通常ＥＤＦＡなどを用いて励起光を発生するために、励起光波長に近接した信号光やアイドラ光の波長の帯域にＥＤＦＡから発生するＡＳＥ光が混入してしまい、かつ励起光のパワーが信号光やアイドラ光に比べて相対的に大きいことが多いので、外部から混入するＡＳＥ光による雑音の影響が大きいからである。従って、本実施形態のように、入出力に対してＳ／Ｎ比を改善できるような顕著な効果を得ることができない。

これに対して、本実施形態では、ＥＤＦＡで基本波光を増幅したのちに第二高調波に変換して、１．５５μｍ帯のＡＳＥ光も除去してから、パラメトリック媒質に入射し非縮退パラメトリック増幅を行っているので、励起光の発生に用いるＥＤＦＡから発生するＡＳＥ光の混入を防ぐことができる。よって、本実施形態では、信号光と、アイドラ光とに対する位相感応性を利用したＳ／Ｎ比改善効果を得ることができる。

次に、上記の説明で除外した励起光の２倍の波長と信号光の波長とが同じになる縮退点における動作について説明する。

図２８Ａに示すように、本実施形態では、励起光の２倍の波長と同じ波長の信号光も入射しており、この波長においても図３１Ａおよび図３１Ｂの光スペクトルで見る限りでは、Ｓ／Ｎ比は改善している。しかし、以下に述べるように、励起光の２倍の波長と信号光の波長とが同じになる縮退パラメトリック増幅を行う場合において、光電変換したのちの入出力を比較してＳ／Ｎ比が向上することはない。縮退パラメトリック増幅においては信号光位相φ_Sと励起光位相φ_pとの間に次の（式２５）が成り立つときに増幅が行われる。

φ_S＝φ_SH／２＋ｎπ＝φ_p＋ｎπ（ただし、ｎは整数）（式２５）

すなわち、信号光は励起光と同相の成分のみが増幅される。ＡＳＥ光が入力された場合も同様であり、ＡＳＥ光の位相がランダムであることを考えると、励起光と位相同期した信号光が入射された場合に比べて利得はその半分になる。従って、光のパワーで見たときのＳ／Ｎ比は３ｄＢ改善することになる。この点は非縮退点における動作と変わらない。

縮退点における動作では、入力されたＡＳＥ光のうち信号光と同相の成分は増幅され、直交位相成分は減衰する。この直交位相成分が増幅されないことが光パワーで見たときの利得の違いとして現れることになるのだが、もともと信号光と直交位相をもつ成分は信号光と干渉しても強度雑音を発生することはない。一方、信号光と干渉し強度雑音の原因となる、ＡＳＥ光のうちの信号光と同相成分は、信号と同様の利得を受けて増幅される。従って、縮退点における位相感応パラメトリック増幅では、信号光と干渉するＡＳＥ光の成分が減るわけではないので、光信号を光電変換したあとのＳ／Ｎ比は変わらないのである。

続いて、本実施形態で採用する非縮退パラメトリック増幅において、光電変換後のＳ／Ｎ比がどのような振る舞いをするかについて述べる。上述のように非縮退パラメトリック増幅において、ＡＳＥ光の受ける利得は信号光に比べて半分となる。このときの増幅されたＡＳＥ光の位相に注目すると、上述のように信号光とアイドラ光との波長にそれぞれ入力されるＡＳＥ光成分のうち、次の（式２６）を満たす成分のみが増幅される。

φ_SH＝φ_S-ASE＋φ_i-ASE＋２ｎπ（ただし、ｎは整数）（式２６）

縮退点での動作では、入力されたＡＳＥ光のうち励起光と同相の成分のみが増幅されていたのに対して、非縮退点での動作では、信号光波長とアイドラ光波長とにおけるＡＳＥ光の位相が共役な関係になることのみが増幅に必要な条件になっており、増幅されたＡＳＥ光、信号光、およびアイドラ光間の位相関係は特に規定されない。従って、縮退点での動作とは異なり、非縮退点での動作では増幅されたＡＳＥ光は、信号光と同相位相の成分を、信号光の直交位相成分と同等に含んでいると考えられる。よって、入出力ともＡＳＥ光の位相はランダムであり、かつＡＳＥ光の受ける利得は信号の受ける利得の半分であるので、光電変換後のＡＳＥ光とのビート雑音によって決まるＳＮ比は、３ｄＢ増幅後に改善することになる。

縮退動作との比較で考えると、非縮退動作では強度雑音に寄与する同相のＡＳＥ光の強度は，縮退動作における同相のＡＳＥ光の強度の半分となり、増幅後のＡＳＥ光全体のパワーは縮退動作時と同じとなるので、増幅されたＡＳＥ光のうち同相の成分のみが信号との干渉による強度雑音を起こすことを考えれば、非縮退動作では、縮退動作に比べてＳＮ比が３ｄＢ改善することになる。

このことを確認するために本発明の増幅器に入力した光コム信号と増幅後の光コム信号においてそれぞれ所望の１つの搬送波をバンドパスフィルタで切り出し、光アッテネータで平均パワーを同じくしたのちに、Ｏ／Ｅコンバータを内蔵した電気スペクトラムアナライザを用いて、入出力における信号光とＡＳＥ光のビート雑音のレベルを比較した。

図３２Ａおよび図３２Ｂに、入出力における信号光とASE光のビート雑音のレベルを電気スペクトラムアナライザで測定した結果を示す。図３２Ａに示したように、縮退点のピークを観測した場合は、増幅器の入出力において、雑音レベルに違いが見られないのに対して、図３２Ｂに示したように、非縮退点のピークを観測した場合、増幅により雑音レベルが３ｄＢ低くなっていること、すなわちＳ／Ｎ比が３ｄＢ改善されていることが確認できた。このように本実施形態によれば、レーザー増幅器などでＳ／Ｎ比が劣化した信号を増幅することにより、Ｓ／Ｎ比を入力よりも改善できるという極めて顕著な効果を得ることが出来る。

本実施形態に係る位相感応光増幅器に、データ変調を施した信号を入射して、本実施形態によるＳ／Ｎ比の改善効果を調べた。

図３３に、光コムにデータ変調を施した信号を用いたＳ／Ｎ比改善効果を調べるための実験構成を示す。単一波長光源３３０１を光変調器３３０３で変調することにより発生した光コムを、ＬＮ変調器３３０５でＢＰＳＫ変調を施し、図２８Ｂに示した本実施形態による位相感応光増幅器に入射する。

実際の光コムの変調では、光コム発生とデータ変調時の損失を補償するために、後にＥＤＦＡ等のレーザー増幅器を用いて信号を増幅する。この時にＡＳＥ光による信号雑音が付加されてしまう。

本実施形態を評価する実験では、Ｓ／Ｎ比の改善効果を調べるために、データ変調を施した光コム信号に対し、ＥＤＦＡ３３０６を介して意図的にＡＳＥ雑音を付加している。

位相感応光増幅器の基本波光は、光コムを発生するのに用いた単一波長光源３３０１を分岐して用いた。増幅前後の信号から非縮退点のピークを分波器で分離し、光減衰器で受信パワーを調整し、受信装置で受信した。

図３４に測定した受信パワーに対する誤り率のデータを示す。光コム発生とデータ変調時の損失により光パワーが減衰した光コムをＥＤＦＡ等のレーザー光増幅器で増幅すると、自然放出光（ＡＳＥ光）が混入してしまい、増幅に伴ってＳ／Ｎ比が劣化してしまうという問題があった。図３４に示した結果から、意図的にＡＳＥ雑音を付加すると、ＡＳＥ雑音を付加しない場合と同じ誤り率を得るためには必要な受信パワーが非常に大きくなることが分かる。

しかしながら、本実施形態に係る位相感応光増幅器に、意図的にＡＳＥ雑音を付加した信号を入射して得られた出力信号のデータ誤り率は、元のＡＳＥ雑音を付加された入力信号に比べ大幅な受信パワーに対する改善が見られた。１０^-9の誤り率で比べた場合、本発明に係る位相感応光増幅器を用いると、ＡＳＥ雑音によるパワーペナルティを３ｄＢ改善するという顕著な効果が見られた。

なお、本実施形態においては、励起光として第二高調波を用いたが、第５の実施形態と同様、励起光として和周波光を用いて非縮退信号に対する位相感応増幅器を構成してもよい。また本実施形態においては、周期的に分極反転された二次非線形光学材料としてＺｎを添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）を用いたが、ニオブ酸リチウムに限定されるものではなく、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの混晶（ＬｉＮｂ_(x)Ｔａ_(1-x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１））、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ₃）、チタニルリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ₄）等に代表される二次非線形光学材料であれば同様の効果が得られる。また二次非線形光学材料の添加物に関しても、Ｚｎに限定されるものではなく、Ｚｎの代わりにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｆｅを用いても良く、もしくは添加物を添加しなくてもよい。

（第８の実施形態）
図３５に本発明の第８の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成を示す。単一波長光源３５０１に1.54μｍのCW光を用い、変調器３５０３を用いて励起光の２倍の波長に相当する光周波数を中心として同じ光周波数差だけ対称に離れた信号光の対（s+1とs-1、s+2とs-2、s+3とs-3、s+4とs-4、以下同様）を持つ光コムを生成する。

本実施形態では単一波長光源３５０１と光変調器３５０３とから構成された光コム発生器を採用しているが、光源にモード同期レーザーを用いる方法や、光コム生成に非線形媒質を用いる方法などの他の方法を用いて光コムを発生させてもよい。

発生させた光コム信号の複数波長のうちの１波長から同じ光周波数差だけ対称に離れた対となる２波長が同じ光路に出力するように設計された分波器３５０４を用いて光コムの各波長を分離した。分波器には、アレイ導波路格子(AWG:Arrayed Waveguide Grating)に代表される導波路型の合分波器を用いてもよいし、ＭＥＭＳを用いたＷＳＳ（Wavelength Selective Switch）に代表される空間光学系を用いた合分波器を用いてもよい。

分波器３５０４の各出力にはそれぞれ光変調器３５０５が接続されており、各信号光の対にデータ変調を施す。次いで、合波器３５０６を用いて各信号対を合波した後、ＥＤＦＡ等のレーザー増幅器３５０７で信号を増幅する。図３５に示した構成においては、データ変調信号を合波した後一括で増幅しているが、例えばデータ変調に半導体の変調器を用いＳＯＡなどの半導体増幅器を変調器に集積したデバイスを用いることができる場合は、図３６に示すように各信号対をそれぞれレーザー増幅器で増幅した後、合波してもよい。

また、図３５及び図３６に示した構成では、光周波数差だけ対称に離れた対となる２波長が同じ光路に出力される分波器を用いてそれぞれの信号対に同じデータ変調を施しているが、図３７に示すように光コムのそれぞれの波長を分離する分波器３７０４と、分波器の各出力にそれぞれ接続されたそれぞれ光変調器３７０５を用いて、光コムのうちの、同じ光周波数差だけ対称に離れた信号対を同じデータで変調する構成を用いてもよい。

光コムの生成過程では、変調器の損失や複数搬送波への変換効率の分だけ光パワーが小さくなってしまう。また、光コムを分波器で分波し変調器でデータ変調を施し、合波器で合波する場合、それぞれの構成要素の挿入損失により、元の光コムに比べて光パワーが著しく減衰してしまう。通常のレーザー媒質を用いた光増幅器で光ファイバでの伝送に必要なパワーまで増幅を行うと、光増幅器への入力パワーが小さいために信号のＳ／Ｎ比を著しく劣化させてしまう。位相感応光増幅器による低雑音な光増幅の原理は知られているものの、一般的に位相感応光増幅器では縮退パラメトリック増幅を用いるために、増幅できる信号波長は１つであり、複数の搬送波を同時に増幅することはできない。

しかし、本実施形態に係る位相感応光増幅器を用いることで、複数波長の光コムを低雑音で増幅することが可能となる。さらには、信号光とＡＳＥ光とのビート雑音に起因するＳ／Ｎ比に関し、本実施形態に係る位相感応光増幅器を用いることで入力よりもＳ／Ｎ比を改善できるという顕著な効果を持つ。

位相感応光増幅器の基本波光は、光コムを発生するのに用いた単一波長光源を分岐して用いた。光コム信号を本実施形態による位相感応光増幅器に入射した。入出力それぞれの光Ｓ／Ｎ比（ＯＳＮＲ）と光電変換後のＳ／Ｎ比を調べた結果、入力信号のＳ／Ｎ比に比べて出力信号のＳ／Ｎ比は３ｄＢのＳ／Ｎ比改善が見られた。本実施形態に係る構成を用いることで、強度雑音である信号光とＡＳＥ光とのビート雑音によるＳ／Ｎ比を改善した。

このＳ／Ｎ比改善効果に加えて、本実施形態に係る構成を用いることで、直交位相を減衰させることによる位相チャープ成分の抑制効果の相乗効果が得られる。増幅特性を確認するために、増幅後の信号光を観測し時間波形を調べた。

図３８Ａ、図３８Ｂ、および図３８Ｃは、本実施形態によ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説明するための図である。図３８Ａに励起光が入射しないときの入射信号光の出力波形を、図３８ＢにＰＬＬにより励起光位相と信号光の位相とが合うように設定したときの出力波形を、図３８ＣにＰＬＬにより励起光位相と信号光の位相とが９０度ずれるように設定したときの出力波形を、それぞれ示す。

励起光位相と信号光位相とが９０度ずれるように設定したときは、図３８Ｃに示すように、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た。これは信号光に位相雑音が重畳されていることを示している。

例えば、データを重畳する光変調器として変調器中の片方のアームのみの位相変調を用いるタイプの変調器を用いると、データ変調器によりチャープが生じる。すなわちＯＮとＯＦＦの間を遷移するときに変調器の出力の位相が変動し、ＯＮ状態の時を基準にすると、直交位相成分が生じる。このために信号光位相と励起光位相とを直交させるように設定すると、位相チャープ成分のみが位相感応増幅されるという結果となる。このことはすなわち、信号光のＯＮ状態に位相を合わせた状態では、入力信号に位相チャープが含まれていた場合でも、そのチャープ成分を除去して、チャープ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。

図３５に示す構成を用いて、第２の実施形態における構成を用いて生成した信号を光ファイバに通して伝送を行った結果、強度雑音である信号光とＡＳＥ光とのビート雑音の除去効果と位相チャープ成分の抑制効果により、伝送距離を３倍以上にすることができた。

次に、第８の実施形態の別構成について説明する。図３９に、本発明の第８の実施形態に係る位相感応光増幅器の別構成を示す。単一波長光源３９０１と変調器３９０３とを用いて励起光の２倍の波長に相当する光周波数を中心として同じ光周波数差だけ対称に離れた信号光の対（s+1とs-1、s+2とs-2、s+3とs-3、s+4とs-4、以下同様の）を持つ光コムを生成する。光コムの生成過程での、変調器の損失や複数搬送波への変換による損失を補うためにＥＤＦＡ等の通常のレーザー増幅器３９０４を用いて光コム信号を増幅する。位相感応光増幅器の基本波光としては、光コムを発生するのに用いた単一波長光源３９０１から分岐した信号を用い、光コム信号を本発明による位相感応光増幅器に入射して増幅した。

光コム信号を本発明による位相感応光増幅器に入射した。第７の実施形態で示した手法と同様の手法を用いて、入出力それぞれの光Ｓ／Ｎ比（ＯＳＮＲ）と光電変換後のＳ／Ｎ比を調べた結果、入力信号におけるＳ／Ｎ比に比べて、本実施形態に係る位相感応光増幅器の出力信号において３ｄＢのＳ／Ｎ比改善が見られた。図３９に示すように、通常のレーザー増幅器３９０４を用いて光コム信号を増幅した後、本発明における位相感応光増幅器を用いることで、Ｓ／Ｎ比の高い光コム信号を生成できた。

光コムのそれぞれの波長を分離する分波器３９０６と、分波器３９０６の各出力に接続されたそれぞれ光変調器３９０７を用いて、各コムに個別にデータ変調を施した後、光合波器３９０８を用いて光コム信号を１本の光ファイバに入射し、信号を伝送した。

本実施形態に係る位相感応光増幅器を用いることにより、Ｓ／Ｎ比の高い信号を生成できたので、伝送距離を増大させることができた。

（第９の実施形態）
位相感応光増幅器を光信号の送信器直後に用いるような、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基本波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や受信端での前置増幅器として位相感応光増幅器を用いる場合には、位相同期手段を用いて位相感応光増幅装置内の励起光位相と信号光位相とを（式１）の関係を満たすように同期させる必要がある。位相同期手段として、中心波長信号を用いた本発明の第９の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成を図４０に示す。

本実施形態では、複数波長の信号光の中心波長信号をＣＷ光のパイロットトーンとして用いたデータ信号を、入力信号として用いる。光周波数を中心として同じ光周波数差だけ対称に離れた信号光の対（s+1とs-1、s+2とs-2、s+3とs-3、s+4とs-4、以下同様の）には２値の位相変調が加えられ、中心波長の信号は無変調でＣＷ光のパイロットトーンとして用いることが可能な複数波長の信号を、信号光４０３０として用いている。

中心波長にＣＷ光のパイロットトーンを持つ変調信号光４０３０が伝送媒体を通って伝送されてくる。伝送媒体には光ファイバを用いた。光ファイバ中の偏波回転を偏波コントローラ４０２０で補正した後、中心波長のみを切り出すノッチ型のフィルタ４０２１を用いてＣＷ光のパイロットトーンのみを分離した。

信号の光強度は伝送光ファイバによる光強度の損失のため、光強度が極めて小さくＳ／Ｎ比が劣化している。分岐させたＣＷ光のパイロットトーンをアッテネータ４０１１で光強度を調整した後、サーキュレータ４０１２を通して位相感応光増幅装置内の基本波光源４０１３に光注入同期を行った。基本波光源４０１３にはＤＦＢ型の半導体レーザーを用いた。

アッテネータ４０１１を用いて基本波光源４０１３に入力する光強度を変化させ、光スペクトルアナライザで様子を観測したところ、光強度を数十μＷとした時に半導体レーザーの波長がパイロットトーン波長に引き込まれている様子が観測され、位相感応光増幅装置内の基本波光源がパイロットトーンに位相同期されることが分かった。これにより、Ｓ／Ｎ比の劣化した信号光のパイロットトーンからＳ／Ｎ比のよい励起光を生成することができた。

光ファイバ中を伝送されてきた複数波長の信号は、光ファイバ中の分散効果により対称に離れた信号光の対の間の位相にずれが生じている。この位相のずれを補償するために分散補償(調整)媒質４０２２を位相感応光増幅器内に構成した。分散補償(調整)媒質には、ＬＣＯＳなどの液晶を用いた位相調整器を用いた。逆分散を持つファイバを用いるなどの別の手段を用いて位相を調整してもよい。位相調整器（図示せず）により、信号光の対の間の位相を合わせた。

信号光のパイロットトーンに位相同期した基本波光を用いて、第７の実施形態で説明した位相感応増幅構成を用いて光増幅を試みた所、第１の実施形態と同様の特性結果が得られた。本実施形態による構成をとることにより、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ない中継増幅や受信端での前置増幅器においても、位相同期手段を用いることで位相感応増幅が行うことができた。

本実施形態においては、縮退波長の信号をパイロットトーンで位相同期するが、他の方法を用いてもよい。縮退信号の増幅に関して説明した第３乃至第５の実施形態に示した手法のうちのいずれかの位相同期手法及び搬送位相抽出手法を用いてもよい。

（第１０の実施形態）
図４１に本実施形態の構成を示す。本実施形態では、第１の実施形態と同様に１．５４μｍの信号を増幅するように装置を構成した。２つのＰＰＬＮ導波路４１０５−１，４１０５−２を用いて、第二高調波４１２２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、基本波光４１２１から第二高調波４１２２を分離する方式および第二高調波４１２２と信号光４１２０とを合波する方式である。

本発明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Ｓ／Ｎ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、本実施形態ではその効果を有効に利用できるようにした。本実施形態においても、第二高調波４１２２の分離ならびに第二高調波４１２２と信号光４１２０との合波にはダイクロイックミラー４１０６−１，４１０６−２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よく使用されているが、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。本実施形態では、そのような考え方に基づいて装置を構成した。

光分岐部４１０３−１で、波長１．５４μｍの基本波光４１２１を信号光４１２０から分岐し、位相同期のためのＬＮ位相変調器４１１０、ＰＺＴによる光ファイバ伸長器４１１１を介して、ＥＤＦＡ４１０１で増幅する。増幅した基本波光を、第１の二次非線形光学素子４１０２−１中の第１のＰＰＬＮ導波路４１０５−１に入射し第二高調波４１２２を発生させる。

本実施形態においては、第１のＰＰＬＮ導波路４１０５−１から出射される基本波光とその第二高調波から第二高調波４１２２のみを効果的に取り出し、ＥＤＦＡ４１０１から発生するＡＳＥ光を効果的に除去するために、第１のＰＰＬＮ導波路４１０５−１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４１０６−１を設置した。

波長が０．７７μｍである第二高調波４１２２は、この波長においてシングルモード伝搬特性をもつ偏波保存ファイバ４１０７を介して、第２の二次非線形光学素子４１０５−２へと導かれている。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このファイバは波長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。

偏波保持ファイバ４１０７で導かれた第二高調波４１２２は、ダイクロイックミラー４１０６−２を用いて波長１．５４μｍの信号光と合波される。本実施形態においては、偏波保持ファイバを通ってくる波長１．５４μｍ付近の基本波光およびＡＳＥ光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帯を透過するダイクロイックミラーを用いた。

信号光４１２０と第二高調波４１２２とは合波された後、第２のＰＰＬＮ導波路４１０５−２に入射され、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２のＰＰＬＮ導波路４１０５−２から出射された光は、ダイクロイックミラー４１０６−３により第二高調波と増幅された信号光とに分離される。本実施形態では、ダイクロイックミラー４１０６−３に、出力に不用な第二高調波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を用いた。

本実施形態においても、第１の実施形態同様、出力した増幅信号光の一部を光分岐部４１０３−２で分岐して光検出器４１０８で受光した後に位相同期ループ回路（ＰＬＬ）４１０９により位相同期を行うことで安定的に位相感応増幅ができるようにしている。

本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、基本波光からの第二高調波の分離ならびに第二高調波と信号光との合波に用いたために、特に信号のＳ／Ｎ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光増幅器を構成することができた。

なお、本実施例では、第１の実施形態と同様の構成、つまり、増幅方式が縮退パラメトリック方式であり、励起光として基本波光からの第二高調波を利用し、位相同期のための基本波光の生成方法として、信号光から直接分岐した光を用い、変調された光信号からの位相同期手段を用いない構成としたが、本実施例は、前述の第１乃至第９の実施形態で説明した方法のいずれの増幅方式、励起光の種類、位相同期のための基本波光の生成方法、及びこれらの単純な組み合わせである構成を妨げるものではない。

具体的には、増幅方式として、第７乃至第９の実施形態に記載の非縮退パラメトリック方式を採用しても良い。

また、励起光を得る方法として、第５の実施形態のように異なる２つの波長の和周波として生成する方法を採用しても良い。

また位相同期のための基本波光の生成方法も、第３の実施形態に記載の信号光とは別にパイロットトーン信号を送る方法や、第４および第５の実施形態に記載のように変調された信号光から搬送波信号を抽出・復元する方法でも良い。本実施形態においては、周期的に分極反転された二次非線形光学材料としてＺｎを添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）を用いたが、ニオブ酸リチウムに限定されるものではなく、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの混晶（ＬｉＮｂ_(x)Ｔａ_(1-x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１））、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ₃）、チタニルリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ₄）等に代表される二次非線形光学材料であれば同様の効果が得られる。また二次非線形光学材料の添加物に関しても、Ｚｎに限定されるものではなく、Ｚｎの代わりにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｆｅを用いても良く、もしくは添加物を添加しなくてもよい。

（第１１の実施形態）
本実施形態に係る位相感応光増幅器の基本的な構成を図４２に示す。この光増幅器は、位相感応光増幅部４２０１と、励起光源４２０２と、励起光位相制御部４２０３と、２つの光分岐部４２０４−１、４２０４−２とから構成される。この光増幅器は、位相感応光増幅部４２０１における信号光と励起光の位相が上述の（式１）の関係を満たすと入力信号光４２１０は増幅され、両者の位相が（式１）の関係より９０度ずれた直交位相関係になると、入力信号光４２１０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―信号光間の位相を同期させると、信号光と直交位相の自然放出光を発生させずに、つまりＳ／Ｎ比を劣化させずに信号光を増幅することができる。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、後述するように、主として位相同期を達成する方法にある。

信号光と励起光の位相同期を達成するために、光分岐部４２０４−１で分岐された入力信号光４２１０の位相と（式１）の関係を満たして同期するように、励起光４２１１の位相を制御する。光分岐部４２０４−２で出力信号光４２１２を一部分岐する変わりに励起光である第二高調波４２１３を狭帯域の検出器で検波し、第二高調波４２１３の出力信号が最小となるように励起光位相制御部４２０３において励起光４２１１の位相を制御する。その結果、位相感応光増幅部４２０１において、信号光の位相と、励起光の位相とが（式１）の関係を満たして同期するように制御され、Ｓ／Ｎ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４２０３は、図４２に示すような励起光源４２０２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４２０２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。

図４３は、本実施形態に係る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、第二高調波の利得（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、パラメトリック増幅による信号光の利得が最大となるために、増幅に利用された第二高調波の利得が最小となっていることがわかる。

図４４に本実施形態の構成を示す。本実施形態では、データ信号用強度変調器４４２４としてＬＮマッハツェンダー変調器を用い１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ信号を入力した場合の増幅特性を評価した。本実施形態では、光通信に用いられる微弱なレーザー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、ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）４４０１を用いて、基本波光４４２１を増幅する。増幅した基本波光を第１の二次非線形光学素子４４０２−１に入射して第二高調波４４２２を発生させる。第２の二次非線形光学素子４４０２−２に信号光４４２０と第二高調波４４２２とを入射して縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応増幅を行う。

本実施形態では、波長１．５４μｍの信号光を増幅するために、信号光の一部を光分岐部４４０３で分岐して基本波光４４２１として用いている。基本波光４４２１は、エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）４４０１を用いて増幅される。増幅された基本波光は、第１の二次非線形光学素子４４０２−１に入力される。本実施形態では、ＥＤＦＡ４４０１から発生する広帯域なＡＳＥ光が第１の二次非線形光学素子４４０２−１により変換されることを防ぐために、ＥＤＦＡ４４０１と第１の二次非線形光学素子４４０２−１との間にバンドパスフィルタ４４０４を挿入し、不必要なＡＳＥ光をカットした。

本実施形態の、二次非線形光学素子（４４０２−１，４４０２−２）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（４４０５−１，４４０５−２）を備える。ＰＰＬＮ導波路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ｄ３３を利用することが可能であり、かつ光導波路構造により高い光パワー密度が得られるので、図示するような構成にすることで高い波長変換効率を得ることができる。

本実施形態では光損傷耐性に優れたＺｎを添加したニオブ酸リチウムを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。第１のＰＰＬＮ導波路４４０５−１から出射した、第二高調波４４２２と基本波光４４２１とは、ダイクロイックミラー４４０６−１を用いて分離される。ダイクロイックミラー４４０６−１で反射された波長０．７７μｍの第二高調波は、この波長０．７７μｍにおいてシングルモード伝搬特性をもつ偏波保持ファイバ４４０７を介して、第２の二次非線形光学素子４４０２−２へと導かれている。このとき、ダイクロイックミラー４４０６−１で完全には取り除けなかった波長１．５４μｍ付近の基本波光およびＡＳＥ光も偏波保持ファイバ４４０７に入射されることになるが、波長０．７７μｍにおいてシングルモードであるこのファイバは波長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、これらの不要な光を効果的に減衰させることができる。

偏波保持ファイバ４４０７で導かれた第二高調波４４２２は、ダイクロイックミラー４４０６−２を用いて波長１．５４μｍの信号光４４２０と合波される。ダイクロイックミラー４４０６−２は第二高調波のみを反射させるために、第１のＰＰＬＮ導波路４４０５−１から出射され、ダイクロイックミラー４４０６−１および偏波保持ファイバ４４０７を通ってくる波長１．５４μｍ付近の基本波光とＡＳＥ光との残留成分を効果的に取り除くことができる。

信号光４４２０と第二高調波４４２２とは合波され、第２のＰＰＬＮ導波路４４０５−２に入射される。第２のＰＰＬＮ導波路４４０５−２は、第１のＰＰＬＮ導波路４４０５−１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。

本実施形態では、２つのＰＰＬＮ導波路（４４０５−１，４４０５−２）はそれぞれ、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。

第２のＰＰＬＮ導波路４４０５−２から出射された光は、ダイクロイックミラー４４０６−３により励起光である第二高調波４４２２と増幅された信号光とに分離される。このときも第二高調波４４２２と増幅された信号光とは、波長が全く異なるために、出力において増幅された信号光と第二高調波は効果的に分離される。

本実施形態に係る位相感応増幅では、励起光と信号光の位相を同期させることが必要である。本実施形態では、出力した増幅信号光の一部を分岐して位相同期に利用する第１の実施形態とは異なり、ダイクロイックミラー４４０６−３により分離した、励起光である第二高調波４４２２を光検出器４４０８で受光したのちに位相同期ループ回路（ＰＬＬ）４４０９により位相同期を行った。ダイクロイックミラー４４０６−３で反射された１．５４μｍ帯の光が、位相同期を行うために利用する０．７７μｍ帯の光に含まれてしまい、位相同期を行う上で雑音成分となる場合があるため、図４４に示すようにハイパスフィルタ４４２５を挿入し、１．５４μｍ帯の光をカットしても良い。

ＥＤＦＡ４４０１の前に配置した位相変調器４４１０を用いて正弦波により微弱な位相変調を基本波光に施す。光検出器４４０８とＰＬＬ回路４４０９でその位相変調の位相ずれを検出して、ＥＤＦＡ４４０１の前に配置したＰＺＴによる光ファイバの伸長器４４１１の駆動電圧と位相変調器４４１０のバイアス電圧とにフィードバックを行うことで、光ファイバ部品の振動や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した。

本実施形態では、励起光である第二高調波を利用して励起光の位相と信号光の位相とを（式１）の関係を満たすように同期させることにより、増幅された信号光をすべて活用できるようになったため、第１の実施形態と比較して増幅された信号光の利得がおよそ１５％増加した。

また、第１の実施形態と同様に、信号光のＯＮ状態に位相を合わせた状態では、入力信号に位相チャープが含まれていた場合でも、そのチャープ成分を除去して、チャープのない信号として整形して増幅することができる。

図４４に示した実施形態では、励起光である第二高調波と増幅された信号光とを分離するフィルターとして、ダイクロイックミラーを利用したが、図４５に示すように、第二の二次非線形光学素子４５０２−２の後段に配置したマルチモード干渉(MMI:Multi-Mode Interference)を利用した光合分波器４５２６を用いることもできる。

第二高調波４５２２と増幅された信号光４５２３とを分離するように設計したＭＭＩ型合分波器４５２６を同一基板内に集積することによって，より小型な位相感応光増幅器を得ることが可能である。また、ＭＭＩ型合分波器の代わりに方向性結合を利用した光合分波器を用いても同様の小型な位相感応光増幅器を得ることが可能である。

次に、本実施形態に係る位相感応光増幅器の別の構成について説明する。図４６に本構成を示す。本構成では、図４４に示した構成と同様に１．５４μｍの信号を増幅するように装置を構成した。２つのＰＰＬＮ導波路（４６０５−１，４６０５−２）を用いて、第二高調波を発生させ縮退パラメトリック増幅を行う点は図４４に示した構成と同じである。

図４４に示す構成と図４６に示す構成との相違点は、基本波光から第二高調波を分離する方式および第二高調波と信号光とを合波する方式である。本発明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Ｓ／Ｎ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、本構成では、その効果を有効に利用できるようにした。

図４６に示す構成においても、基本波光４６２１からの第二高調波４６２２の分離ならびに第二高調波４６２２と信号光４６２０との合波にはダイクロイックミラー（４６０６−１，４６０６−２）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よく使用されているが、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。本構成では、そのような考え方に基づいて装置が構成されている。

光分岐部４６０３で、波長１．５４μｍの基本波光４６２１を信号光から分岐し、位相同期のためのＬＮ位相変調器４６１０、ＰＺＴによる光ファイバ伸長器４６１１を介して、ＥＤＦＡ４６０１で増幅する。

増幅した基本波光を、第１の二次非線形光学素子４６０２−１中の第１のＰＰＬＮ導波路４６０５−１に入射し第二高調波４６２２を発生させる。本構成においては、第１のＰＰＬＮ導波路４６０５−１から出射される基本波光とその第二高調波とから第二高調波のみを効果的に取り出し、ＥＤＦＡ４６０１から発生するＡＳＥ光を効果的に除去するために、第１のＰＰＬＮ導波路４６０５−１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４６０６−１を設置した。

波長が０．７７μｍである第二高調波４６２２は、この波長においてシングルモード伝搬特性をもつ偏波保存ファイバ４６０７を介して、第２の二次非線形光学素子４６０２−２へと導かれている。上述の構成と同様に、０．７７μｍにおいてシングルモードであるこのファイバ４６０７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、不要な波長１．５４μｍ付近の基本波光およびＡＳＥ光を効果的に減衰させることができる。

偏波保持ファイバ４６０７で導かれた第二高調波は、ダイクロイックミラー４６０６−２により波長１．５４μｍの信号光４６２０と合波される。

本構成においては、偏波保持ファイバ４６０７を通ってくる波長１．５４μｍ付近の基本波光およびＡＳＥ光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帯を透過するダイクロイックミラー４６０６−２を用いた。信号光と第二高調波とは合波された後、第２のＰＰＬＮ導波路４６０５−２に入射され、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２のＰＰＬＮ導波路４６０５−２から出射された光は、ダイクロイックミラー４６０６−３により第二高調波４６２２と増幅された信号光４６２３とに分離される。本構成では、ダイクロイックミラー４６０６−３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を用いた。

本構成においても、分離した、励起光である第二高調波４６２２を光検出器４６０８で受光した後に位相同期ループ回路（ＰＬＬ）４６０９により位相同期を行うことで安定的に位相感応増幅ができるようにしている。本構成に係る位相感応光増幅器により、増幅された信号光をすべて活用できるようになったため、第１０の実施形態に係る位相感応光増幅器と比較して増幅された信号光の利得がおよそ１５％増加した。

本構成においては、それぞれ特性の異なるダイクロイックミラー（４６０６−１，４６０６−２）を、基本波光と第二高調波との分離、ならびに、第二高調波と信号光との合波に用いたために、特に信号のＳ／Ｎ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光増幅器を構成することができた。

次に、本実施形態に係る位相感応光増幅器のさらに別の構成について説明する。

図４４乃至図４６に示した構成においては、基本波光として信号光から分岐した光を用いた。すなわち、基本波光は、信号光と同一の光源を増幅して得ていた。例えば光通信における送信器に用いる場合には、これまでに説明したような同一の光源を信号光と基本波光に使用し、基本波光を分岐したのちに信号光に必要な変調を加えることが考えられる。一方、本構成では、あらかじめ変調された信号光の増幅ができるよう、図４７に示すように装置を構成した。

本構成に係る装置は、２値の位相変調（ＢＰＳＫ）または２値差動位相変調（ＤＰＳＫ）信号もしくは通常の強度変調などの信号を、雑音を付加することなく増幅することができる。

本構成においては、基本波光を得るために光分岐部４７０３で信号光を分岐し、分岐した信号光をＥＤＦＡ４７０１で増幅させる。増幅された信号光を第１の二次非線形光学素子４７０２−１中の第１のＰＰＬＮ導波路４７０５−１に入射し、信号光の第二高調波４７２２を発生させる。第１のＰＰＬＮ導波路４７０５−１の出射光から第二高調波のみを分離するためにダイクロイックミラー４７０６−１を使用する。分離された第二高調波を波長０．７７μｍで発振する半導体レーザー４７１２に入射することにより注入同期が行われる。半導体レーザー４７１２の出力は、半導体レーザーと同様の波長帯域に利得を持つ半導体光増幅器４７１３により増幅され、ダイクロイックミラー４７０６−２を用いて波長１．５４μｍの信号光４７２０と合波される。信号光４７２０と波長０．７７μｍの励起光である第二高調波４７２２とは合波された後、第２のＰＰＬＮ導波路４７０５−２に入射され、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。

位相感応増幅を行うためには増幅器に入射してくる信号光の平均位相に同期した励起光を生成する必要がある。本構成においては、２値の位相変調を施されたような信号を用いる場合であっても、その平均位相に同期した励起光を生成することができる。その動作原理については、上記の第４の実施形態において説明されている。

実際の位相変調信号において、強度変調成分のない励起光を得るためには、上記の位相変調成分を取り除いた第二高調波を本構成のように注入同期を用いて、信号光の平均位相に同期させて、信号光の半波長の励起光とすることが望ましいのは第４の実施形態と同様である。

本構成においては、注入同期を用いて位相変調の施された信号光から平均位相に同期した強度変調のない励起光を生成する。これにより、仮に信号光に位相雑音が付加された場合であっても、本来の信号と直交する位相成分は、位相感応増幅により減衰させることができるので、信号位相および直交位相の雑音成分を取り除くような信号再生を行うことができる。

本構成においては、ダイクロイックミラー４７０６−３により分離した、励起光である第二高調波４７２２を光検出器４７０８で受光した後に、位相同期ループ回路（ＰＬＬ）４７０９から、（式１）の関係を満たして同期するように０．７７μｍの駆動電流にフィードバックを行うことで光学部品の振動や温度変動による位相変動を補正し、安定的に位相感応増幅ができるようにしている。

具体的には出力された、励起光である第二高調波４７２２の出力が最小になるように駆動電流を通じて位相制御を行う。本構成でも増幅された信号光をすべて活用できるようになったため、第４の実施形態と比較して増幅された信号光の利得がおよそ１５％増加した。

本構成においては、第１のＰＰＬＮ４７０５−１における第二高調波発生が可能となるパワーを得るためにＥＤＦＡ４７０１を用いているが、ＥＤＦＡ４７０１から発生するＡＳＥ光が位相感応増幅を行う第２のＰＰＬＮ導波路４７０５−２に入射しないために、本構成においても、光増幅器のＡＳＥ光に起因する信号光のＳ／Ｎ比劣化を防ぐことができる。また、波長０．７７μｍで動作する半導体光増幅器４７１３からもＡＳＥ光は発生するが、この光は信号光と波長が全く異なるために、ダイクロイックミラー４７０６−２，４７０６−３によってほぼ完全に取り除くことが可能であり、信号光のＳ／Ｎ比を劣化させることなく、位相感応増幅を行うことが可能である。

なお、上述してきた第１１の実施形態では、増幅方式が縮退パラメトリック方式であり、励起光として基本波光からの第二高調波を採用する構成について説明しているが、第１１の実施形態は、前述の第１乃至第１０の実施形態で説明した方法のいずれの増幅方式、励起光の種類、位相同期のための基本波光の生成方法、及びこれらの単純な組み合わせである構成を妨げるものではない。

また、励起光を得る方法として、第５の実施形態のように異なる２つの波長の和周波として生成する方法を採用しても良い。この場合、位相同期を得るために検出し帰還を行う励起光は、第二高調波ではなく和周波となる。

また位相同期のための基本波光の生成方法も、第３の実施形態に記載の信号光とは別にパイロットトーン信号を送る方法や、第４および第５の実施形態に記載のように変調された信号光から搬送波信号を抽出・復元する方法でも良い。

また本実施形態においては、周期的に分極反転された二次非線形光学材料としてＺｎを添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）を用いたが、ニオブ酸リチウムに限定されるものではなく、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの混晶（ＬｉＮｂ_(x)Ｔａ_(1-x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１））、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ₃）、チタニルリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ₄）等に代表される二次非線形光学材料であれば同様の効果が得られる。また二次非線形光学材料の添加物に関しても、Ｚｎに限定されるものではなく、Ｚｎの代わりにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｆｅを用いても良く、もしくは添加物を添加しなくてもよい。

（第１２の実施形態）
図６を用いて説明したように、第１の実施形態により簡便な構成で位相感応増幅を実現することができる。しかしながら、第１の実施形態には以下に述べるような問題点がある。再び図６を用いて説明する。

位相同期に用いる位相変調器６１０をＥＤＦＡ６０１の前段に配置しており、位相変調器の挿入損失だけＥＤＦＡへの入射パワーが小さくなってしまう。ＥＤＦＡ等のレーザー増幅器においては、増幅器前の損失があると、その分だけＳ／Ｎ比が劣化してしまうことが良く知られている（非特許文献８を参照）。このように位相変調器の挿入損失によって励起光のＳ／Ｎ比が劣化してしまうと、その雑音成分がパラメトリック増幅過程により増幅光の雑音へと変換されてしまい、低雑音な増幅を行うことができない。しかし、以下に説明する本発明の第１２の実施形態においては、この雑音の問題は解消される。

なお、本実施形態においても、第１の実施形態と同様の構成、すなわち、増幅方式が縮退パラメトリック方式であり、励起光が基本波光からの第二高調波であり、位相同期のための基本波光として信号光から直接分岐した光を用い、変調された光信号からの位相同期手段は用いない構成とした。

しかし、本実施形態は、第１の実施形態から第１１の実施形態で説明した方法のいずれの増幅方式、励起光の種類、位相同期のための基本波光の生成方法、位相同期方法、及びこれらの単純な組み合わせである構成を妨げるものではない。

具体的には、増幅方式としては第７乃至第９の実施形態に記載の非縮退パラメトリック方式を採用しても良く、第５の実施形態に記載のように、励起光として、異なる２つの波長の和周波を生成する方法を採用しても良い。また、位相同期のための基本波光の生成方法も、第３の実施形態に記載のように信号光とは別にパイロットトーン信号を送る方法を用いてもよく、第４の実施形態及び第５の実施形態に記載のように変調された信号光から搬送波信号を抽出・復元する方法を用いても良い。また、位相同期方法として、第１１の実施形態に記載のように励起光で帰還を行う位相同期方法を用いても良い。

本実施形態の構成例を図４８を参照しながら詳細に説明する。本実施形態は、第１の実施形態で問題となっていた位相同期のための位相変調器の損失に起因する光ファイバレーザー増幅器におけるＳ／Ｎ比の劣化を防ぐために、図４８に示すような構成とした。

非特許文献８に示されているようにレーザー増幅器の前段に損失がある場合にはその損失分だけＳ／Ｎ比が劣化してしまうのに対して、レーザー増幅器の後段に損失があった場合は損失分だけ出力が低下してしまうもののＳ／Ｎ比は劣化しない。この性質を利用して、本実施形態では、図４８に示すように、位相変調器４８１０を光ファイバレーザー増幅器４８０１より出力側に配置するようにした。

なお、従来技術では図４８に示すような構成を取ることが出来ない。その理由は、既存の位相変調器の多くは、ＬｉＮｂＯ₃（ＬＮ）結晶にＴｉを拡散させた光導波路で作製されているからである。Ｔｉ拡散導波路では光損傷が顕著であるために大きな光パワーを入射するとフォトリフラクティブ効果による屈折率変化が生じ、位相変化を生じるために同じ位相条件を得るための電圧が変化するドリフト現象を引き起こしてしまう。このため、位相変調器に入力可能な光パワーは＋２０ｄＢｍ程度に制限されてしまう。さらに、挿入損失の大きな位相変調器をレーザー増幅器の後段に配置することで励起光のパワーが減衰してしまい、光パラメトリック効果を生じるのに十分な励起光パワーが得られず、大きな増幅率をもった位相感応増幅を実現することができない。

本実施形態においては、励起光である第二高調波４８２２を発生させるための光導波路４８０５−１と位相変調に用いる導波路とを同一の基板上に集積することによって、素子間の接続損失を低減するとともに位相変調器４８１０がＥＤＦＡ４８０１より出力側に配置できるようにした。

第二高調波発生器においてはより光損傷が顕著となる第二高調波を扱うために、第二高調波発生器を作成する際は、Ｔｉ拡散よりも光損傷耐性の大きな導波路の形成法を用いることが一般的であり、位相変調器を第二高調波発生器と同様な光導波路を用いて構成することにより、より大きな励起パワーを利用することが可能になる。

本構成では、１．５４μｍの信号光４８２０を増幅するために、信号光４８２０の一部を分岐部４８０３−１で分岐して基本波光４８２１として用いている。基本波光４８２１はエルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）４８０１を用いて増幅され位相変調器４８１０と第一の二次非線形光学素子４８０５−１とが集積化された光導波路に入力される。二次非線形光学素子（４８０２−１，４８０２−２）は、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）からなる光導波路（４８０５−１，４８０５−２）を備える。

ＰＰＬＮ導波路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ｄ３３を利用することが可能でありかつ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起因する光損傷により位相整合波長が変化してしまうことがあるが、本実施形態ではそのような問題が生じないように直接接合により作製された導波路を用いた（非特許文献４を参照）。

本実施形態においては、光損傷耐性に優れたＺｎを添加したニオブ酸リチウムを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。そのＰＰＬＮ導波路４８０５−１が形成された同一の基板上に周期分極反転構造のない位相変調器４８１０を同様の導波路形成法で集積化した。位相変調部には導波路上に電界印加用電極を形成し、電気光学（ＥＯ）効果による位相変調を可能にした。上述のようにこの導波路形成法は光損傷耐性に優れているため、ＥＤＦＡ４８０１で増幅された基本波光４８２１のパワーが大きくなった場合でも動作電圧のドリフト現象を起こすことなく光位相同期ループ回路（ＰＬＬ）のためのパイロットトーンの位相変調を基本波光４８２１に施すことができる。

なお、本実施形態では上述のように位相変調器として電気光学効果による屈折率変化を利用したが、本手法は本実施形態に限定されず、他の実施形態においても、電気光学効果を基本とする位相変調器の適用が可能である。

第１のＰＰＬＮ導波路４８０５−１から出射した、基本波光４８２１と第二高調波４８２２とは、ダイクロイックミラー４８０６−１を用いて分離される。ダイクロイックミラーで透過された波長０．７７μｍの第二高調波４８２２は、この波長においてシングルモード伝搬特性をもつ偏波保存ファイバ４８０７を介して、第２の二次非線形光学素子４８０２−２へと導かれている。偏波保持ファイバ４８０７で導かれた第二高調波４８２２は、ダイクロイックミラー４８０６−２を用いて波長１．５４μｍの信号光４８２０と合波される。ダイクロイックミラー４８０６−２は、第二高調波４８２２のみを透過させるために、第１のＰＰＬＮ導波路４８０５−１から出射され、ダイクロイックミラー４８０６−１及び偏波保持ファイバ４８０７を通ってくる波長１．５４μｍ付近の基本波光４８２１とＡＳＥ光との残留成分を効果的に取り除くことができる。ダイクロイックミラー４８０６−２で合波された信号光４８２０と第二高調波４８２２とは、第２のＰＰＬＮ導波路４８０５−２に入射される。第２のＰＰＬＮ導波路４８０５−２は、第１のＰＰＬＮ導波路４８０５−１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２のＰＰＬＮ導波路４８０５−２から出射された光は、ダイクロイックミラー４８０６−３により、基本波光の第二高調波４８２２と増幅された信号光４８２３とに分離される。このときも第二高調波と増幅された信号光は波長が全く異なるために、出力では不必要な第二高調波４８２２を効果的に取り除くことができる。

位相感応増幅では励起光と信号光の位相を同期させることが必要であるが、本実施形態では、出力した増幅信号光４８２３の一部を光分岐部４８０３−２で分岐して光検出器４８０８で受光したのちに位相同期ループ回路（ＰＬＬ）４８０９により位相同期を行った。

本実施形態では、第二高調波発生用ＰＰＬＮ４８０５−１と同一基板上に集積化され且つＥＤＦＡの出力側に配置されたＬＮ位相変調器４８１０を用いて正弦波で微弱な位相変調を基本波光に施し、光検出器４８０８とＰＬＬ回路４８０９とでその位相変調の位相ずれを検出して、ＥＤＦＡ４８０１の前に配置したＰＺＴによる光ファイバの伸長器４８１１の駆動電圧とＬＮ位相変調器４８１０のバイアス電圧にフィードバックを行うことにより、光ファイバ部品の振動や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した。

本実施形態において、データ信号用変調器４８１０としてＬＮマッハツェンダー変調器を用い、入力信号として１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ信号を入力した場合の増幅特性を評価した。

本実施形態では、第２のＰＰＬＮ導波路４８０５−２に入射した第二高調波４８２２のパワーが３００ｍＷの条件において、約１１ｄＢの利得を得ることができた。このときのＥＤＦＡ４８０１の出力パワーは約１Ｗであり、直接接合導波路への入力パワーは６３０ｍＷであったが、このような高パワーの光を入射した場合でも動作電圧のドリフト現象を起こすことなく安定な位相同期動作を実現することができた。

本実施形態の構成を、図６に示した構成と比較すると、本実施形態では、位相変調器４８１０がＥＤＦＡ４８０１の入力段にないために、基本波光４８２１のＳ／Ｎ比を５ｄＢほど改善することができた。またＰＰＬＮ４８０５−１と位相変調器４８１０とを集積化することにより、ＥＤＦＡ４８０１の出力を過剰な損失を経ることなく効率的に第二高調波４８２２へ変換することが可能になった。この結果、従来に比べてＥＤＦＡ４８０１における基本波光４８２１のＳ／Ｎ比劣化を抑えながら位相感応増幅による低雑音増幅動作を行うことが可能になった。

次に本実施形態の構成の別例を、図４９を参照しながら説明する。

本構成では、図４８で示した構成と同様に１．５４μｍの信号４９２０を増幅するように装置を構成した。２つのＰＰＬＮ導波路（４９０５−１，４９０５−２）を用いること、一方のＰＰＬＮ導波路（４９０５−１）に位相変調用導波路を集積化していること、第二高調波４９２２を発生させて縮退パラメトリック増幅を行う点は、図４８で示した構成と同じである。主な相違点は、第二高調波４９２２を発生させるためのＰＰＬＮ導波路４９０５−１が同期用位相変調器４９１０より信号入力側に配置されていることである。

本構成では、ＬＮ位相変調器４９１０を第二高調波発生用ＰＰＬＮ導波路４９０５−１より出力側に配置することにより、図４８で示した構成と比較して、位相変調に必要な駆動電圧を半減することに成功した。

ＬＮ位相変調器４９１０を第二高調波発生用ＰＰＬＮ導波路４９０５−１より出力側に配置する効果を説明する。光学材料に外部から電界、応力などの外力が印加された場合、光学材料に屈折率変化が生じる。位相変調器としてＬＮ結晶の電気光学効果を用い、電界印加により位相を変調する場合、非特許文献９に示されるように、変調器の性能を示す半波長駆動電圧ＶπはＬＮの電気光学係数、屈折率、印加電界、波長等に依存する。特に使用波長に着目すると、以下の（式２７）に示すような関係が成立する。

Ｖπ∝λ （式２７）

半波長駆動電圧、即ち位相変調に必要な電圧は、本構成で採用した配置によって、図４８で示した構成に係る配置の場合と比較すると半分となり大幅に低減することができる。従って、駆動用電源の小型化、消費電力の削減が可能となる。図４８で示した構成において同期に必要な駆動電圧は約０．１Ｖであったが、本構成では光ＰＬＬ内位相変調器４９１０を、ＰＰＬＮ導波路４９０５−１より出力側に配置したことにより、同期に必要な駆動電圧を５０ｍＶまで大幅に低減することができた。

本構成においても、図４８で示した構成と同様に、光損傷耐性に優れたＺｎを添加したニオブ酸リチウムをコアに用いた直接接合導波路を使用することにより、位相変調部の動作電圧ドリフトを抑圧することが可能であった。また、位相変調部４９１０の導波路は、ＰＰＬＮ導波路部と同様に１．５４μｍの基本波波長でシングルモードとなるように設計しているため、第二高調波の波長０．７７μｍにおいてはマルチモードとなるが、ＰＰＬＮ部４９０５−１で発生する第二高調波４９２２は位相整合条件による制約から基底モードのみで伝搬するため、ＰＰＬＮ部４９０５−１と位相変調部４９１０の導波路設計を同じにする簡潔な導波路においても安定な位相同期動作を得ることが可能であった。

次に本実施形態の構成の別例を、図５０を参照しながら説明する。

本構成では、図４８及び図４９で示した構成と同様、１．５４μｍの信号５０２０を増幅するように装置を構成した。２つのＰＰＬＮ導波路５００５−１，５００５−２を用いること、第二高調波５０２２を発生させて縮退パラメトリック増幅を行うことも、図４８及び図４９で示した構成と同じである。

本構成では、図５０に示すように信号光５０２０と第二高調波５０２２との合波器としてマルチモード干渉計（Multi-mode interferometer：ＭＭＩ）５０１２を用いた。また、本構成では、ＭＭＩ５０１２、光ＰＬＬのためのパイロットトーン用位相変調器５０１０、及び縮退パラメトリック増幅を行う第二のＰＰＬＮ導波路５００５−２を直接接合法によって作製した同一基板上に集積化した。

本構成では、縮退パラメトリック増幅を行う領域のみ分極反転したＬＮ基板を直接接合して作製した導波路層に対しドライエッチングによりリッジ形状を形成した。さらに、ＭＭＩの信号光入力ポートのリッジ上に電界印加用の金属電極を集積した。

基板上に集積化した合波器であるＭＭＩ５０１２は、幅、長さ、入出力ポート位置を最適に設計されて、信号光および励起光を何れも挿入損失１ｄＢ以下で、第２のＰＰＬＮ導波路５００５−２に合波する特性を有する。

ＭＭＩ形状は、励起光ポートに残存する信号光成分が合波されないように最適化される。その結果、図４９で示した構成では避けられなかった位相変調器と合波器との間ならびに合波器と第２のＰＰＬＮ導波路との間の接続損失の影響を最小限に抑えることが可能になった。本構成では、信号光ポートに位相変調器５０１０を集積化したため、ＰＰＬＮ導波路５００５−２と位相変調器５０１０との間の接続損失が最小限に抑えられる。これにより、位相感応型光増幅器全体としての挿入損失を最小限に抑えることが可能になった。

位相感応型光増幅器の入力端での挿入損失はそのまま増幅器としての雑音指数の増加につながる。図４８及び図４９で示した構成において、信号光の位相を変調しようとすると、ＰＰＬＮとは独立の位相変調器を用いることになり、その接続損失により雑音指数の増加を招いてしまう。本構成に係る構成により、このような接続損失による雑音指数の増加を防ぎながら、位相感応増幅による低雑音動作が可能になる。

本構成においても、光損傷耐性に優れたＺｎを添加したニオブ酸リチウムをコアに用いた直接接合導波路を使用することにより、位相変調部の動作電圧ドリフトを抑圧することが可能であった。

次に本実施形態の構成の別例を、図５１を参照しながら説明する。

本構成は、集積された、ＭＭＩ５１１２、位相変調器５１１０、及び縮退パラメトリック増幅を行う第２のＰＰＬＮ導波路５１０５−２を使用する点において、図５０で示した構成と同一である。

本構成が図５０で示した構成と異なる点は、第二高調波を発生させるための二次非線形光学素子５１０２−１から生じた励起光５１２２を位相変調器５１１０のポート側に入力し、信号光５１２０をもう一方のポートに入力する点である。励起光５１２２を位相変調器５１１０に入力することで、図４９で示した構成と同様に、波長が信号の１／２に変換された励起光に対して位相変調が可能となる。これにより、図５０で示した構成と比較して、同程度のＳ／Ｎ比及び増幅率特性を保持したまま、位相変調に必要な駆動電圧を半減することができた。

本構成においても、光損傷耐性に優れたＺｎを添加したニオブ酸リチウムをコアに用いた直接接合導波路を使用することにより、位相変調部の動作電圧ドリフトを抑圧することが可能であった。このため位相変調器５１１０を、基本波光を生成するためのＥＤＦＡ５１０１の後方に配置することが可能であり、ＥＤＦＡ５１０１におけるＳ／Ｎ比劣化を最小限に抑えて増幅動作を行うことが可能である。

本発明の図５０及び図５１で示した構成においては、ＭＭＩ、位相変調器、及びＰＰＬＮ導波路を集積した素子から信号光のみを分離するためにダイクロミックミラーをフィルタとして用いたが、代わりに信号光のみを分離するように設計したＭＭＩを同一基板内に集積することによって、より小型な位相感応型光増幅器を得ることも可能である。

次に本実施形態の構成の別例を、図５２を参照しながら説明する。

本構成は、図５１で示した構成と同様に、１．５４μｍの信号５２２０を増幅するように装置を構成した。２つのＰＰＬＮ導波路５２０５−１，５２０５−２を用いること、第二高調波５２２２を発生させて縮退パラメトリック増幅を行うことも、図５１で示した構成と同じである。

図５２で示す構成が、図５１で示した構成と相違する点は、励起光発生のためのＰＰＬＮ導波路５２０５−１、光ＰＬＬのためのパイロットトーン用位相変調器５２１０、及び励起光と信号光とを合波するためのＭＭＩ５２１２が、第二高調波を発生させる第１のＰＰＬＮ導波路５２０５−１を形成した同一ＬＮ結晶基板上に直接接合法により作製・集積化された点である。

基板上に集積化した合波器であるＭＭＩ５２１２は、幅、長さ、入出力ポート位置を最適に設計されて、信号光および励起光を何れも挿入損失１ｄＢ以下で合波する特性を有する。

本構成により、図４９に係る構成では避けられなかった第二高調波を発生させるための二次非線形光学素子と位相変調器との間および位相変調器と合波器との間の接続損失の影響を最小限に抑えることが可能になった。

なお、本実施形態においては、周期的に分極反転された二次非線形光学材料としてＺｎを添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）を用いたが、ニオブ酸リチウムに限定されるものではなく、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの混晶（ＬｉＮｂ_(x)Ｔａ_(1-x)Ｏ₃（０≦ｘ≦１））、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ₃）、チタニルリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ₄）等に代表される二次非線形光学材料であれば同様の効果が得られる。また二次非線形光学材料の添加物に関しても、Ｚｎに限定されるものではなく、Ｚｎの代わりにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｆｅを用いても良く、もしくは添加物を添加しなくてもよい。

（第１３の実施形態）
図５３に本実施形態に係る位相感応光増幅器を含んだ光受信装置の構成を示す。本実施形態では、第６の実施形態と同様に１．５４μｍの信号を増幅するように装置を構成した。２つのＰＰＬＮ導波路を用いること、第二高調波を発生し縮退パラメトリック増幅を行うこと、位相変調器を用いた光位相同期ループ回路（ＰＬＬ）による位相同期を行う点は、第６の実施形態と同じである（図２４を参照）。

図５３に示す実施形態が図２４に示した実施形態と相違する点は、一方のPPLNに位相変調用導波路を集積化していること、差動位相変調（DPSK）信号を受信できるように、受信装置全体を構成したことにある。

本発明では位相同期のための位相変調器を用いているが、この位相変調器の損失が大きいと基本波光の発生に用いる第１のEDFAへの入力が小さくなり、その分励起光のＳ／Ｎ比が劣化してしまう。この効果を抑制するためにレーザー増幅器の後段に損失があった場合は、損失分だけ出力が低下してしまうものの、Ｓ／Ｎ比は劣化しない。

本実施形態では、この性質を利用するために、位相変調器５３１０を光ファイバレーザー増幅器５３０１−２より出力側に配置するようにした。

通常のTi拡散によるLN変調器ではEDFAで増幅された基本波光を入射するとフォトリフラクティブ効果で動作点のドリフトを生じてしまうため、本実施形態のような構成は採用することができない。さらに挿入損失の大きな位相変調器をレーザー増幅器の後段に配置することで基本波光のパワーが減衰してしまい、光パラメトリック効果を生じるのに十分な励起光パワーが得られず、大きな増幅率をもった位相感応増幅が実現できない。

そこで本実施形態では、励起光である第二高調波を発生するための光導波路５３０５−１と位相変調器５３１０に用いる導波路を同一の基板上に集積し素子間の接続損失を低減した。さらに、位相変調器５３１０が光ファイバレーザー増幅器５３０１−２より出力側に配置した。

本実施形態では、光損傷耐性に優れたZｎを添加したニオブ酸リチウムを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。そのPPLN導波路が形成された同一の基板上に周期分極反転構造のない位相変調器を同様の導波路形成法で集積化した。位相変調部には導波路上に電界印加用電極を形成し、EO効果による位相変調を可能にした。上述のようにこの導波路形成法は光損傷耐性に優れているため、EDFAで増幅された基本波光のパワーが大きくなった場合でも動作電圧のドリフト現象を起こすことなく光位相同期ループ回路（ＰＬＬ）のためのパイロットトーンの位相変調を基本波光に施すことができる。

位相感応増幅の動作は第６の実施形態と同様である。第１のファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）５３０１−２を用いて、基本波光５３２１を増幅する。増幅した基本波光を第１の二次非線形光学素子５３０２−１に入射して第二高調波５３２２を発生させる。第２の二次非線形光学素子５３０２−２に信号光５３２０と第二高調波５３２２とを入射して縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応増幅を行う。

ＥＤＦＡ５３０１−２と第１の二次非線形光学素子５３０２−１との間にバンドパスフィルタ５３０４−２を挿入し、不必要なＡＳＥ光をカットした。

本実施形態では出力した増幅信号光の一部を光分岐部５３０３で分岐して光検出器５３０８で受光したのちに位相同期ループ回路（ＰＬＬ）５３０９により位相同期を行った。

第１のPPLN導波路５３０５−１に集積化した位相変調器５３１０を用いて正弦波により微弱な位相変調を基本波光５３２１に施す。光検出器５３０８とＰＬＬ回路５３０９でその位相変調の位相ずれを検出して、ＥＤＦＡ５３０１−２の前に配置したＰＺＴによる光ファイバ伸長器５３１１の伸長器の駆動電圧と位相変調器５３１０のバイアス電圧とにフィードバックを行うことで、光ファイバ部品の振動や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した。

位相感応光増幅器の出力をEDFA５３０１−１に接続してさらなる増幅を行ったのちにバンドパスフィルタ５３０４−１により信号の帯域外の背景光を除去した。また第６の実施形態ではNRZの信号を受信するように装置を構成したが、本実施形態では、前置増幅器の後に遅延干渉計５３１４とバランスドPD５３１５、リミティングアンプ５３１２を配置し、差動位相変調の信号を受信できるようにした。

本実施形態に係る光受信装置に、40Gbit/sのDPSK信号を入射し受信特性を評価した。誤り率測定から本実施形態に係る光受信装置の受信感度を評価した結果を図５４に示す。

図５４を参照すると、例えば10^-9の誤り率を得るための入射パワーが従来のEDFAを用いた場合は-32.9dBmであるのに対して、本実施形態を用いた場合では約1.6dB低い−34.5dBmで同じ誤り率が得られており、本実施形態に係る低雑音な光増幅を利用した光受信により、受信感度の向上が得られることを確認することができた。

なお、本実施形態では、DPSKを受信できるように装置を構成したが、受信する信号フォーマットはこれに限定されるものではなく、例えば光duo binaryなどその他の信号フォーマットに対しても前置光増幅器を用いた装置であれば受信器の構成を変更することにより本発明を適用して受信感度の向上を図ることができる。

また、本実施形態では、受信感度の向上分は1.6dB程度であったが、これは更なる向上の余地がある。位相感応光増幅器のパラメトリック増幅を行う第２のPPLN導波路と、入力ファイバとの間に結合損失があると、その分だけ全体の雑音指数が劣化するからである。本実施形態では、入力ファイバとPPLN導波路の結合損失は2dBであった。光結合に用いる光学系の最適化を行えば、その結合損失の低減分だけ受信感度を向上することが可能である。

なお、本実施形態では、同期用位相変調器（図５３の５３１０）を第二高調波を発生するためのＰＰＬＮ導波路（図５３の５３０５−１）の前に配置したが、この順番を逆にすると、第二高調波の位相を変調することになり、位相変調に必要な電圧を半減することが可能になる。また、これまでに示した実施形態ではそれぞれのPPLN導波路にダイクロイックミラーを組み合わせて、基本波と第二高調波を合波・分波するようにしたが、これらの合波・分波の機能を導波路回路による合波器・分波器を用いてPPLNと同一基板上に集積化してもよい。そのような集積化により信号光や励起光の損失が低減できると、全体としてのＳ／Ｎ比をさらに向上することができる。

またこれらの合波・分波の機能、位相変調の機能と第二高調波発生の機能、光パラメトリック増幅の機能を必要に応じて同一基板上に集積化することにより、それぞれの機能を実現する部分間の結合損失をさらに減らすことが出来れば、Ｓ／Ｎ比をさらに向上するとともに、位相感応光増幅器としての利得を大きくすることが出来る。

前述した（式２０）の中の位相感応光増幅器の利得G₁を大きくすると、後段のレーザー増幅器の雑音指数の寄与がさらに小さくなるので、全体としての雑音指数を小さくすることが可能になり、さらに低雑音での光増幅が可能になる。そのことにより光中継器用の光増幅器として用いれば中継間隔を延ばすことが可能になり、光受信器に用いるとさらに受信感度を向上させることが可能になる。

なお、本実施形態においても、第１の実施形態と同様の構成、すなわち、増幅方式が縮退パラメトリック方式であり、励起光が基本波光からの第二高調波であり、位相同期のための基本波光の生成方法として、信号光から直接分岐した光を用い、変調された光信号からの位相同期手段を用いない構成とした。

しかし、本実施形態は、前述の第１の実施形態から第１１の実施形態で説明した方法のいずれの増幅方式、励起光の種類、位相同期のための基本波光の生成方法、位相同期方法、及びこれらの単純な組み合わせである構成を妨げるものではない。

具体的には、増幅方式としては第７乃至第９の実施形態に記載の非縮退パラメトリック方式を採用しても良く、第５の実施形態に記載のように、励起光として、異なる２つの波長の和周波を生成する方式を採用しても良い。また、位相同期のための基本波光の生成方法も、第３の実施形態に記載のように信号光とは別にパイロットトーン信号を送る方法を用いてもよく、第４の実施形態及び第５の実施形態に記載のように変調された信号光から搬送波信号を抽出・復元する方法を用いても良い。また、位相同期方法として、第１１の実施形態に記載のように励起光で帰還を行う位相同期方法を用いても良い。

（第１４の実施形態）
図５５に本実施形態に係る位相感応光増幅器の構成を示す。本実施形態は、第１２の実施形態と同様に、１．５４μｍの信号５５２０を増幅するように装置を構成した（図５２を参照）。２つのＰＰＬＮ導波路５５０５−１，５５０５−２を用いること、第二高調波５５２２を発生させて縮退パラメトリック増幅を行うことも、第１２の実施形態と同じである。

図５５に示す実施形態と、図５２で示した実施形態との相違点は、励起光発生のための第１のＰＰＬＮ導波路５５０５−１、光ＰＬＬのためのパイロットトーン用位相変調器５５１０、励起光と信号光とを合波するためのＭＭＩ５５１２、及び縮退パラメトリック増幅を行う第２のＰＰＬＮ導波路５５０５−２が、同一基板上に直接接合法により作製・集積化された点である。

図５５に示すように、本実施形態では、同一ＬＮ結晶導波路上に、位相感応増幅に必要なモジュールのほとんどが集積されている。従って、第二高調波を発生させるための二次非線形光学素子と位相変調器との間、位相変調器と合波器との間、及び合波器と第二の二次非線形光学素子との間の接続損失がないため、雑音指数の増加や励起光の損失を抑えながら位相感応増幅による低雑音動作が可能になる。

図５５から分かるように、本実施形態においても、第１２の実施形態又は第１３の実施形態と同様に、第２のＰＰＬＮ導波路５５０５−２から出力される信号のうち信号光のみを分離するために、ダイクロミックミラー５５０６を使用しているが、信号光のみを分離するように設計したＭＭＩを同一基板内に集積すれば、より小型な位相感応型光増幅器を実現することも可能である。

（第１５の実施形態）
本実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の一例について図５６を参照しながら説明する。図５６に示すような増幅器の構成とする目的は、従来技術において問題であった、第二高調波発生（ＳＨＧ）用ＰＰＬＮと、信号光及び第二高調波の合分波器と、縮退パラメトリック増幅（ＤＰＡ）用ＰＰＬＮとを同一基板上に集積した場合に避けられなかった基板サイズの増大を防ぐことである。

同一ＬＮ基板５６２０上に、第二高調波の発生と縮退パラメトリック増幅の両者をおこなうＰＰＬＮ５６２１と、合分波器としてマルチモード干渉計（ＭＭＩ）５６２２とを集積し、光アイソレータ５６２３を通して入力された波長１．５６μｍの信号光５６１５を増幅する構成とする。

集積したＭＭＩ５６２２は、導波路幅、導波路長、及び入出力ポート位置を最適設計することにより、波長１．５６μｍの信号光を挿入損失約１．０ｄＢの低損失縮退パラメトリック増幅用ＰＰＬＮ５６２１に結合する特性であった。

信号光の一部をカップラ５６０３により分岐して基本波光５６１６として用いる。基本波光５６１６は、信号光と励起光との位相同期用位相変調器５６０４を通じてＥＤＦＡ５６０５に入力する。基本波光５６１６をＥＤＦＡ５６０５により増幅した後、光サーキュレータ５６２５を介して基板右端より入力する。右端より入力した増幅された基本波光５６１８は第二高調波発生と縮退パラメトリック増幅とが共に行われるＰＰＬＮ導波路５６２１を伝搬し、ＭＭＩ５６２２に到達するまでにほぼ全て第二高調波成分に変換される。ＭＭＩ５６２２は、この第二高調波を下段の出力導波路５６２８に挿入損失１．０ｄＢで結合する低損失を有する。

その後、第二高調波５６１７は、基板左端において、波長０．７８μｍにおいて高い反射率99.99％を有する光学多層膜フィルタで高効率に反射される。

次いで、第二高調波５６１７は、再びＭＭＩを介して、第二高調波発生と縮退パラメトリック増幅とが共に行われるＰＰＬＮ導波路５６２１に結合されて、ＰＰＬＮ導波路５６２１中を伝搬する。ＰＰＬＮ導波路５６２１中を伝搬する間に、第二高調波５６１７は、ＭＭＩにより合波した信号光５６１５と光混合され、縮退パラメトリック増幅により信号光が増幅される。

基板の端面処理について説明する。本実施形態において、左側の二つの導波路５６２７，５６２８は異なった形状に形成されている。具体的には、波長１．５６μｍの信号光用の光導波路５６２７は、湾曲部を有するように形成されており、波長０．７８μｍの励起光（第二高調波）用の導波路５３２８は、直線状に形成されている．これら２つの導波路の入力部に共通する一つの端面を決定し、この端面に沿って２つの導波路を切除することによって端面処理行う。端面の位置を１．５６μｍ信号光用導波路５６２７が端面に対して斜めになり、０．７８μｍ励起光用導波路５６３８に対しては垂直となる位置に出力端の形状を整えて端面加工を施す。これにより１．５６μｍ信号光用導波路５６２７の端面は６°の角度を持つ形状に加工することが出来る。また、基本波光が入力される右端においても、左端同様に、ＰＰＬＮ導波路に対して角度が６°となるように端面加工を施した。

さらに、左右の基板端面加工後に、左右の基板端面にそれぞれ異なる端面処理を施した。左右の基板端面加工後に、左端に対して１．５６μｍの光に対する反射防止（ＡＲ）膜５６２９および０．７８μｍの光に対する高反射（ＨＲ）膜５６３０をスパッタにより成膜した。

また、基板右端に対して、１．５６μｍおよび０．７８μｍの光に対する反射防止（ＡＲ）膜５６２９，５６３１を、左端と同様にスパッタにより成膜した。以上の処理により、所望の波長の光に対する、反射機能又は無反射機能を持つ導波路端面を実現した。

本実施形態において、第１の実施形態と同様に、データ信号用変調器としてＬＮマッハツェンダー変調器を用い、入力信号として１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ信号を入力した場合の増幅特性を評価したところ、約１１ｄＢの利得を得ることができた。しかしながら、本構成においては、次に述べるような問題点がある。

位相感応型光増幅器における非線形光学媒質によるパラメトリック増幅作用自体は本質的に低雑音な光増幅が可能である。しかし、本構成による実際の動作においては下記の付随的な雑音の影響がある。励起光そのものに含まれる雑音がパラメトリック増幅過程により増幅光の雑音へと変換されてしまうことが考えられる。

図５６に示した構成では、位相同期に用いる位相変調器５６０４をＥＤＦＡ５６０５の前段に配置しており、位相変調器の挿入損失だけＥＤＦＡへの入射パワーが小さくなってしまう。ＥＤＦＡ等のレーザー増幅器においては、増幅器前の損失があると、その分だけＳ／Ｎ比が劣化してしまうことが良く知られている（非特許文献８を参照）。このように位相変調器の挿入損失によって励起光のＳ／Ｎ比が劣化してしまうと、その雑音成分がパラメトリック増幅過程により増幅光の雑音へと変換されてしまい、低雑音な増幅を行うことができない。しかし、以下に説明する本実施形態に係る別構成の位相感応光増幅器においては、この雑音の問題は解消される。

本実施形態に係る位相感応光増幅器の構成の別の一例について、図５７を参照しながら説明する。図５６で示した構成例で問題となっていた、位相同期のための位相変調器の損失に起因する光ファイバレーザー増幅器におけるＳ／Ｎ比の劣化を防ぐために、図５７に示すような構成とした。

レーザー増幅器においては、非特許文献８に示されているようにレーザー増幅器の前段に損失がある場合にはその損失分だけＳ／Ｎ比が劣化してしまうのに対して、レーザー増幅器の後段に損失があった場合は損失分だけ出力が低下してしまうもののＳ／Ｎ比は劣化しない。従って、この性質を利用して、本構成では、図５７に示すように、位相変調器５７０４を光ファイバレーザー増幅器５７０５より出力側に配置するようにした。

なお、従来技術では図５７に示すような構成を取ることが出来ない。その理由は、既存の位相変調器の多くは、ＬｉＮｂＯ₃（ＬＮ）結晶にＴｉを拡散させた光導波路で作製されているからである。Ｔｉ拡散導波路では光損傷が顕著であるために大きな光パワーを入射するとフォトリフラクティブ効果による屈折率変化が生じ、同じ位相変化量を得るための電圧が変化するドリフト現象を引き起こしてしまう。このため位相変調器に入力可能な光パワーは＋２０ｄＢｍ程度に制限されてしまう。さらに挿入損失の大きな位相変調器をレーザー増幅器の後段に配置することで基本波光のパワーが減衰してしまい、光パラメトリック効果を生じるのに十分な励起光パワーが得られず、大きな増幅率をもった位相感応増幅を実現することができない。

そこで図５７に示す構成においては、位相変調器５７０４がＥＤＦＡ５７０５より出力側に配置できるようにした。第二高調波発生器ではより光損傷が顕著となる第二高調波を扱うために、Ｔｉ拡散よりも光損傷耐性の大きな導波路の形成法を用いることが一般的であり、位相変調器を第二高調波発生器と同様な光導波路を用いて構成することにより、より大きな励起パワーを利用することが可能になる。

図５７に示す構成では、位相変調器５７０４がＥＤＦＡ５７０５の入力段にないために、励起光のＳ／Ｎ比を５ｄＢほど改善することができた。

ＰＰＬＮ導波路に入射する第二高調波のパワーが３００ｍＷの条件において、約１１ｄＢの利得を得ることができた。このときのＥＤＦＡの出力パワーは約１Ｗであり、直接接合導波路への入力パワーは６３０ｍＷであったが、このような高パワーの光を入射した場合でも動作電圧のドリフト現象を起こすことなく安定な位相同期動作を実現することができた。

なお、ＰＰＬＮ導波路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起因する光損傷により位相整合波長が変化してしまうことがある。この位相整合波長の変化を防止することを目的として、図５７で示す構成で使用した位相変調器５７０４の代替として、光損傷耐性の大きな導波路の形成法である直接接合法により作製された２次非線形光学デバイスを使用することも可能である。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できることを確認した。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することができた。

本実施形態に係る位相感応光増幅器の構成のさらに別の一例について、図５８を参照しながら説明する。図５８に示す構成では、端面加工されかつ直接接合法により作製した２次非線形光学デバイスを用いている。図５８に示す構成と、上述してきた構成との違いは、信号光と励起光の同期用位相変調器を非線形光学結晶と同一基板上に集積した点である．この集積化２次非線形光学デバイスにおける基本波光の第二高調波の折り返し用導波路において位相変調が施される配置とした。

ＰＰＬＮ導波路が形成された同一の基板上に周期分極反転構造のない位相変調器５８３４を上記同様の導波路形成法で集積化した。位相変調部には導波路上に電界印加用電極５８３５を形成し、電気光学（ＥＯ）効果による位相変調を可能にした。

上述のようにこの導波路形成法は光損傷耐性に優れているため、ＥＤＦＡ５８０５で増幅された基本波光のパワーが大きくなった場合でも動作電圧のドリフト現象を起こすことなく光ＰＬＬのためのパイロットトーンの位相変調を基本波光に施すことができる。

本構成では、位相変調器を集積化しているため、図５６及び図５７で示した構成のような外部に単独の装置を接続する構成に比べて接続損失が低減される。これにより、高強度の励起光が得られるためＳ／Ｎ比が向上した。

また、励起光の第二高調波の折り返し用導波路上に位相変調器用電極を形成することにより装置サイズを大きく低減することに成功した。

ここで、位相変調器を第二高調波折り返し用導波路上に配置する効果を説明する。光学材料に外部から電界、応力などの外力が印加された場合、光学材料に屈折率変化が生じる。位相変調器としてＬＮ結晶の電気光学効果を用い、電界印加により位相を変調する場合、非特許文献９に示されるように、変調器の性能を示す半波長駆動電圧Ｖπは、ＬＮの電気光学係数、屈折率、印加電界、及び波長等に依存する。この中の特に波長に着目すると、以下の（式２８）に示すような関係が成立する。

Ｖπ∝λ （式２８）

半波長駆動電圧、即ち位相変調に必要な電圧は、図５８で示す構成で採用した配置によって、第１の実施形態で示した配置の場合と比較すると半分となり大幅に低減することができる。さらに、この第二高調波は、左端の端面処理により効率よく反射され再び同じ位相変調器を通過する際、往路での位相変化量と同量の位相変化が加わるため全位相変化量は２倍となる。従って、これらの相乗効果により、位相変調用電圧が一定の場合、必要な光路長、即ち位相変調部の長さを、大幅に縮小することが可能である。

本構成においても、前述したように、光損傷耐性に優れたＺｎを添加したニオブ酸リチウムをコアに用いた直接接合導波路を使用することにより、位相変調部の動作電圧ドリフトを抑圧することが可能であった。また、位相変調部の導波路は、ＰＰＬＮ導波路部と同様に１．５４μｍの基本波波長でシングルモードとなるように設計しているため、第二高調波の波長０．７７μｍにおいてはマルチモードとなるが、ＰＰＬＮ部で発生する第二高調波は位相整合条件による制約から基底モードのみで伝搬するため、ＰＰＬＮ部と位相変調部の導波路設計を同じにする簡潔な導波路においても安定な位相同期動作を得ることが可能であった。

本実施形態に係る位相感応光増幅器の構成のさらに別の一例について、図５９を参照しながら説明する。

図５９に示す構成では、端面加工されかつ直接接合法により作製した２次非線形光学デバイスを用いる点、信号光と励起光との同期用位相変調器を非線形光学結晶と同一基板上に集積した点は、図５８に示した構成と同様である。

図５９に示す構成と、図５８に示した構成との違いは、信号光と励起光との同期用位相変調器５９３４が、集積化２次非線形光学デバイスにおける信号光用導波路において信号光に対して位相変調が施される配置とした点である。図５６乃至図５８に示した構成においては、光ＰＬＬ用位相変調器を励起光に対して機能させる配置を採用したが、図５９に示すように位相変調器を信号光に対して機能させる配置を取ったとしても全く同様に位相同期を実現することができる。

市販の位相変調器を信号光側に挿入して位相感応光増幅装置を構成する場合は、位相変調器の挿入損失の影響が比較的大きく縮退パラメトリック変換（ＤＰＡ）部に至る前に信号光が減衰してしまう。そのため、増幅器のＳ／Ｎ比劣化が不可避である。そこでこの問題を解決するために、図５９に示すように、信号光に対する位相変調の機能を同一基板内に集積した。図５９に示す構成により、市販の位相変調器を信号光側に挿入した場合に比べると，3dBのＳ／Ｎ比向上が見られた。

１０１位相感応光増幅部
１０２励起光源
１０３励起光移送制御部
１０４−１，１０４−２光分岐部
１１０入力信号光
１１１励起光
１１２出力信号光
２０１レーザー光源
２０２ＳＨＧ結晶
２０３ＯＰＡ結晶
２１０信号光
２１１励起光
４０１励起光位相同期手段
４０２エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
４０３光ファイバ
４０４フィルタ
４１０入力信号光
４１１−１，４１１−２励起光
４１２出力信号光
５０１第１の光ファイバ
５０２第２の光ファイバ
５０３光ファイバ増幅器
６０１エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
６０２−１，６０２−２二次非線形光学素子
６０３−１，６０３−２光分岐部
６０４バンドパスフィルタ
６０５−１，６０５−２ＰＰＬＮ導波路
６０６−１，６０６−２，６０６−３ダイクロイックミラー
６０７偏波保持ファイバ
６０８光検出器
６０９位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
６１０位相変調器
６１１ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
６２０信号光
６２１基本波光
６２２第二高調波
６２３励起光
６２４強度変調器
７０１信号光
７０２−１，７０２−２励起光
７０３ＡＳＥ光
７０４基本波光
７０５第二高調波
９０１−１，９０１−２エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
９０２−１，９０２−２，９０３−３二次非線形光学素子
９０３−１，９０３−２光分岐部
９０４−１，９０４−２バンドパスフィルタ
９０５−１，９０５−２ＰＰＬＮ導波路
９０６−１，９０６−２，９０６−３，９０６−４ダイクロイックミラー
９０７シングルモードファイバ
９０８光検出器（フォトダイオード）
９０９位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
９１０位相変調器
９１１ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
９１２アッテネータ
９２２第二高調波
９３０外部共振器型の半導体ＬＤ（ＥＣＬ）
９３１電界吸収型（ＥＡ）変調器
９３２パルスパターン発生器（ＰＰＧ）
９３３フォトダイオード
９３４リミティングアンプ
９３５クロックデータリカバリ（ＣＤＲ）回路
９３６誤り検出器（ＥＤ）
１２０１エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
１２０２−１，１２０２−２二次非線形光学素子
１２０３光分岐部
１２０４バンドパスフィルタ
１２０６−１，１２０６−２，１２０６−３，１２０６−４ダイクロイックミラー
１２０８光検出器（フォトダイオード）
１２０９位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
１２１０変調器
１２１１ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
１２１２アッテネータ
１２１３サーキュレータ
１２１４光源
１２３０偏波コントローラ
１２３１偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
１２４０変調信号光
１２４１増幅信号光
１３００外部共振器型の半導体レーザー
１３０１光分岐器
１３０２ＬＮマッハツェンダー変調器
１３０３エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
１３０４偏光子
１３０５偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
１３１０変調信号光
１５０１エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
１５０２−１，１５０２−２二次非線形光学素子
１５０３−１，１５０３−２光分岐部
１５０５−１，１５０５−２ＰＰＬＮ導波路
１５０６−１，１５０６−２，１５０６−３ダイクロイックミラー
１５０８光検出器
１５０９位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
１５１２半導体レーザー
１５１３半導体光増幅器
１５２０信号光
１５２２第二高調波
１６０１−１，１６０１−２エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
１６０２−１，１６０２−２，１６０２−３二次非線形光学素子
１６０３−１，１６０３−２，１６０３−３，１６０３−４光分岐部
１６０４バンドパスフィルタ
１６０５−１，１６０５−２，１６０５−３ＰＰＬＮ導波路
１６０６−１，１６０６−２，１６０６−３，１６０６−４ダイクロイックミラー
１６０８光検出器（フォトダイオード）
１６０９位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
１６１０位相変調器
１６１１ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
１６１２波長合分波器
１６１３光サーキュレータ
１６３０偏波コントローラ
１６３１外部キャビティレーザー
１６３２半導体レーザー
１６３３ＰＭ−ＶＯＡ
１６３４アイソレータ
１６４０入力信号光
１６４１−１，１６４１−２基本波光
１６４２基本波光
１７０１信号光
１７０２−１，１７０２−２基本波光
１７０３ＡＳＥ光
１７０４和周波光
１８０１信号光
１８０２第１の基本波光
１８０３第２の基本波光
１８０４和周波光
１８０５第二高調波
２２０１−１，２２０１−２エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
２２０２−１，２２０２−２，２２０２−３二次非線形光学素子
２２０３−１，２２０３−２，２２０３−３光分岐部
２２０４バンドパスフィルタ
２２０５−１，２２０５−２，２２０５−３ＰＰＬＮ導波路
２２０６−１，２２０６−２，２２０６−３ダイクロイックミラー
２２０８光検出器（フォトダイオード）
２２１０位相変調器
２２１２波長合分波器
２２１３光サーキュレータ
２２１４ミラー
２２３０偏波コントローラ
２２３１外部キャビティレーザー
２２３２半導体レーザー
２２４０入力信号光
２３０１−１，２３０１−２エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
２３０２−１，２３０２−２，２３０２−３，２３０２−４二次非線形光学素子
２３０３−１，２３０３−２，２３０３−３光分岐部
２３０４−１，２３０４−２バンドパスフィルタ
２３０５−１，２３０５−２，２３０５−３，２３０５−４ＰＰＬＮ導波路
２３０６−１，２３０６−２，２３０６−３，２３０６−４，２３０６−５，２３０６−６，２３０６−７ダイクロイックミラー
２３０８光検出器（フォトダイオード）
２３０９位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
２３１０位相変調器
２３１１ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
２３１２波長合分波器
２３１３光サーキュレータ
２３１５アイソレータ
２３３０偏波コントローラ
２３３１外部キャビティレーザー
２３３２半導体レーザー
２３３３ＰＭ−ＶＯＡ
２３４０入力信号光
２４０１−１，２４０１−２エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
２４０２−１，２４０２−２二次非線形光学素子
２４０３光分岐部
２４０４−１，２４０４−２バンドパスフィルタ
２４０５−１，２４０５−２ＰＰＬＮ導波路
２４０６−１，２４０６−２，２４０６−３ダイクロイックミラー
２４０７偏波保持ファイバ
２４０８−１、２４０８−２光検出器
２４０９位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
２４１０位相変調器
２４１１ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
２４１２リミティングアンプ
２４１３識別器
２４２０，２４２３信号光
２４２１基本波光
２４２２第二高調波
２８０１エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
２８０２−１，２８０２−２二次非線形光学素子
２８０３光分岐部
２８０４バンドパスフィルタ
２８０５−１，２８０５−２ＰＰＬＮ導波路
２８０６−１，２８０６−２，２８０６−３ダイクロイックミラー
２８０７偏波保持ファイバ
２８０８光検出器
２８０９位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
２８１０位相変調器
２８１１ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
２８２０信号光
２８２１基本波光
２８２２第二高調波
２９０１信号光
２９０２励起光
２９０３ＡＳＥ光
２９０４副次的な変換光
３００１信号光
３００２基本波光
３００３ＡＳＥ光
３００４第二高調波（ＳＨ光）
３３０１単一波長光源
３３０２光分岐部
３３０３光変調器
３３０４パターン発生器
３３０５ＬＮ変調器
３３０６ＥＤＦＡ
３３０７光分岐部
３５０１単一波長光源
３５０２光分岐部
３５０３変調器
３５０４分波器
３５０５光変調器
３５０６合波器
３５０７ＥＤＦＡ
３５０８位相変調器
３６０１単一波長光源
３６０２光分岐部
３６０３変調器
３６０４分波器
３６０５光変調器
３６０６合波器
３６０７ＥＤＦＡ
３６０８位相変調器
３７０１単一波長光源
３７０２光分岐部
３７０３変調器
３７０４分波器
３７０５光変調器
３７０６合波器
３７０７ＥＤＦＡ
３７０８位相変調器
３９０１単一波長光源
３９０２光分岐部
３９０３変調器
３９０４ＥＤＦＡ
３９０５位相変調器
３９０６分波器
３９０７光変調器
３９０８合波器
４００１エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
４００２−１，４００２−２二次非線形光学素子
４００３光分岐部
４００４バンドパスフィルタ
４００５−１，４００５−２ＰＰＬＮ導波路
４００６ダイクロイックミラー
４００７光検出器
４００８位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
４００９位相変調器
４０１０ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
４０１１アッテネータ
４０１２サーキュレータ
４０１３励起光源（半導体レーザー）
４０２０偏波コントローラ
４０２１中心波長分離フィルタ
４０２２分散補償（調整）媒質
４０３０信号光
４０３１増幅された信号光
４１０１エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
４１０２−１，４１０２−２二次非線形光学素子
４１０３−１，４１０３−２光分岐部
４１０５−１，４１０５−２ＰＰＬＮ導波路
４１０６−１，４１０６−２，４１０６−３ダイクロイックミラー
４１０７偏波保持ファイバ
４１０８光検出器
４１０９位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
４１１０位相変調器
４１１１ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
４１２０信号光
４１２１基本波光
４１２２第二高調波
４２０１位相感応光増幅部
４２０２励起光源
４２０３励起光位相制御部
４２０４−１、４２０４−２光分岐部
４２１０入力信号光
４２１１励起光
４２１２出力信号光
４２１３第二高調波
４４０１エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
４４０２−１，４４０２−２二次非線形光学素子
４４０３光分岐部
４４０４バンドパスフィルタ
４４０５−１，４４０５−２ＰＰＬＮ導波路
４４０６−１，４４０６−２，４４０６−３ダイクロイックミラー
４４０７偏波保持ファイバ
４４０８光検出器
４４０９位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
４４１０位相変調器
４４１１ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
４４２０信号光
４４２１基本波光
４４２２第二高調波
４４２４データ信号用変調器
４４２５ハイパスフィルタ
４５０１エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
４５０２−１，４５０２−２二次非線形光学素子
４５０３光分岐部
４５０４バンドパスフィルタ
４５０５−１，４５０５−２ＰＰＬＮ導波路
４５０６−１，４５０６−２ダイクロイックミラー
４５０７偏波保持ファイバ
４５０８光検出器
４５０９位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
４５１０位相変調器
４５１１ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
４５２０信号光
４５２１基本波光
４５２２第二高調波
４５２３増幅された信号光
４５２４データ信号用変調器
４５２６ＭＭＩ型光合分波器
４６０１エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
４６０２−１，４６０２−２二次非線形光学素子
４６０３光分岐部
４６０５−１，４６０５−２ＰＰＬＮ導波路
４６０６−１，４６０６−２，４６０６−３ダイクロイックミラー
４６０７偏波保持ファイバ
４６０８光検出器
４６０９位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
４６１０位相変調器
４６１１ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
４６２０信号光
４６２１基本波光
４６２２第二高調波
４６２３増幅された信号光
４７０１エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
４７０２−１，４７０２−２二次非線形光学素子
４７０３光分岐部
４７０５−１，４７０５−２ＰＰＬＮ導波路
４７０６−１，４７０６−２，４７０６−３ダイクロイックミラー
４７０８光検出器
４７０９位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
４７１２半導体レーザー
４７１３半導体光増幅器
４７２０信号光
４７２２第二高調波
４７２３増幅された信号光
４８０１エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
４８０２−１，４８０２−２二次非線形光学素子
４８０３−１，４８０３−２光分岐部
４８０５−１，４８０５−２ＰＰＬＮ導波路
４８０６−１，４８０６−２，４８０６−３ダイクロイックミラー
４８０７偏波保持ファイバ
４８０８光検出器
４８０９位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
４８１０位相変調器
４８１１ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
４８２０入力信号光
４８２１基本波光
４８２２第二高調波
４８２３出力信号光
４９０１エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
４９０２−１，４９０２−２二次非線形光学素子
４９０３−１，４９０３−２光分岐部
４９０５−１，４９０５−２ＰＰＬＮ導波路
４９０６−１，４９０６−２，４９０６−３ダイクロイックミラー
４９０７偏波保持ファイバ
４９０８光検出器
４９０９位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
４９１０位相変調器
４９１１ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
４９２０入力信号光
４９２１基本波光
４９２２第二高調波
４９２３出力信号光
５００１エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
５００２−１，５００２−２二次非線形光学素子
５００３−１，５００３−２光分岐部
５００５−１，５００５−２ＰＰＬＮ導波路
５００６−１，５００６−２ダイクロイックミラー
５００８光検出器
５００９位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
５０１０位相変調器
５０１１ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
５０１２ＭＭＩ
５０２０入力信号光
５０２１基本波光
５０２２第二高調波
５０２３出力信号光
５１０１エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
５１０２−１，５１０２−２二次非線形光学素子
５１０３−１，５１０３−２光分岐部
５１０５−１，５１０５−２ＰＰＬＮ導波路
５１０６−１，５１０６−２ダイクロイックミラー
５１０８光検出器
５１０９位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
５１１０位相変調器
５１１１ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
５１１２ＭＭＩ
５１２０入力信号光
５１２１基本波光
５１２２第二高調波
５１２３出力信号光
５２０１エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
５２０２−１，５２０２−２二次非線形光学素子
５２０３−１，５２０３−２光分岐部
５２０５−１，５２０５−２ＰＰＬＮ導波路
５２０６ダイクロイックミラー
５２０８光検出器
５２０９位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
５２１０位相変調器
５２１１ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
５２１２ＭＭＩ
５２２０入力信号光
５２２１基本波光
５２２２第二高調波
５２２３出力信号
５３０１−１、５３０１−２エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
５３０２−１、５３０２−２二次非線形光学素子
５３０３光分岐部
５３０４−１，５３０４−２バンドパスフィルタ
５３０５−１，５３０５−２ＰＰＬＮ導波路
５３０６−１，５３０６−２，５３０６−３ダイクロイックミラー
５３０７偏波保持ファイバ
５３０８光検出器
５３０９位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
５３１０位相変調器
５３１１ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
５３１２リミティングアンプ
５３１３識別器
５３１４遅延干渉計
５３１５バランスドPD
５３２０信号光
５３２１基本波光
５３２２第二高調波
５５０１エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
５５０２二次非線形光学素子
５５０３−１，５５０３−２光分岐部
５５０５−１，５５０５−２ＰＰＬＮ導波路
５５０６ダイクロイックミラー
５５０８光検出器
５５０９位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
５５１０位相変調器
５５１１ＰＺＴによる光ファイバ伸長器
５５１２ＭＭＩ
５５２０入力信号光
５５２１基本波光
５５２２第二高調波
５５２３出力信号光
５６０３，５６０９カップラ
５６０４位相変調器
５６０５エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
５６０６位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
５６０７光検出器
５６１５信号光
５６１６基本波光
５６１７第二高調波
５６１８増幅された基本波光
５６１９出力光
５６２０ＬｉＮｂＯ３基板
５６２１ＰＰＬＮ導波路
５６２２マルチモード干渉計（ＭＭＩ）
５６２３光アイソレータ
５６２４光ファイバ伸長器
５６２５光サーキュレータ
５６２６ローパスフィルタ
５６２７信号光用導波路
５６２８励起光（第二高調波）用導波路
５６２９信号光波長帯反射防止用光学薄膜
５６３０第二高調波波長帯反射用光学薄膜
５６３１第二高調波波長帯反射防止用光学薄膜
５６３２，５６３３ＬＮ基板端面
５６３５電界印加用電極
５７０３，５７０９カップラ
５７０４位相変調器
５７０５エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
５７０６位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
５７０７光検出器
５７１５信号光
５７１６基本波光
５７１７第二高調波
５７１８増幅された基本波光
５７１９出力光
５７２０ＬｉＮｂＯ３基板
５７２１ＰＰＬＮ導波路
５７２２マルチモード干渉計（ＭＭＩ）
５７２３光アイソレータ
５７２４光ファイバ伸長器
５７２５光サーキュレータ
５７２６ローパスフィルタ
５７３５電界印加用電極
５８０３，５８０９カップラ
５８０５エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
５８０６位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
５８０７光検出器
５８１５信号光
５８１６基本波光
５８１７第二高調波
５８１８増幅された基本波光
５８１９出力光
５８２０ＬｉＮｂＯ₃基板
５８２１ＰＰＬＮ導波路
５８２２マルチモード干渉計（ＭＭＩ）
５８２３光アイソレータ
５８２４光ファイバ伸長器
５８２５光サーキュレータ
５８２６ローパスフィルタ
５８３４直接接合ＬｉＮｂＯ₃リッジ導波路を用いた位相変調器
５８３５電界印加用電極
５９０３，５９０９カップラ
５９０５エルビウム添加ファイバレーザー増幅器（ＥＤＦＡ）
５９０６位相同期ループ回路（ＰＬＬ）
５９０７光検出器
５９１５信号光
５９１６基本波光
５９１７第二高調波
５９１８増幅された基本波光
５９１９出力光
５９２０ＬｉＮｂＯ₃基板
５９２１ＰＰＬＮ導波路
５９２２マルチモード干渉計（ＭＭＩ）
５９２３光アイソレータ
５９２４光ファイバ伸長器
５９２５光サーキュレータ
５９２６ローパスフィルタ
５９３４位相変調器
５９３５電界印加用電極

Claims

非線形光学効果を用いた光混合によって信号光を増幅する位相感応型光増幅装置であって、
該信号光の中心光周波数と同一の光周波数を持つ光波または該信号光の中心光周波数に対して対称関係にある光周波数を持つ２つの光波の対から成る基本波光を増幅する光ファイバレーザー増幅器と、
周期的に分極反転された二次非線形光学材料から成る、該基本波光から和周波光を発生させるための光導波路を備えた二次非線形光学素子と、
該基本波光と該和周波光とから該和周波光のみを分離するフィルタと、
該信号光と励起光である該和周波光とを合波する合波器と、
周期的に分極反転された二次非線形光学材料から成る、該励起光を用いて該信号光のパラメトリック増幅を行うための光導波路を備えた二次非線形光学素子と、
増幅された該信号光と該励起光とを分離するフィルタと、
該合波器よりも前段において、該信号光または該励起光または該基本波光の位相を制御することにより、該信号光の位相と該励起光の位相とを該信号光のパラメトリック増幅を行うための光導波路内において同期する手段と
を備え、
該パラメトリック増幅は、非縮退パラメトリック増幅であり、
該信号光のパラメトリック増幅を行うための光導波路により増幅される前の該信号光は、該和周波光の半分の光周波数を中心として対称関係にあり、かつ同一のまたは反転した位相情報を持つ、１対または複数対の光波から成ることを特徴とする位相感応型光増幅装置。