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JP5759400B2 - 光増幅装置、光信号発生器および信号対雑音比改善装置 - Google Patents

光増幅装置、光信号発生器および信号対雑音比改善装置 Download PDF

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

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、光信号発生器および信号対雑音比改善装置に関する。
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。
上述の問題を解決する増幅手段として、エルビウムやプラセオジム等の希土類元素を添加した光ファイバに励起光を入射して信号光を増幅するファイバレーザ増幅器や、半導体レーザ増幅器が知られている。ファイバレーザ増幅器および半導体レーザ増幅器は、いずれも、信号光を光のままで増幅することができる。したがって、識別再生光中継器で問題になっていた電気的な応答速度、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持っている。しかし、これらのレーザ増幅器は、劣化した信号光パルス波形を整形する機能を持っていない。また、これらのレーザ増幅器においては、不可避的かつランダムに発生する自然放出光が、信号成分とは全く無関係に混入される。このため、信号光のＳ／Ｎ比が増幅の前後で少なくとも３ｄＢ低下する。
上述のエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）および半導体光増幅器などは、誘導放出の原理に基づいたレーザ増幅器である。これらのレーザ増幅器では、装置内部の光部品の残留反射等が完全に抑圧され、またレーザ媒質に完全な反転分布が得られた理想的な場合であっても、入射光の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を半分に劣化（３ｄＢの低下）させる。この劣化は、光増幅における標準量子限界と呼ばれている。標準量子限界はレーザ増幅だけではなく、ラマン増幅やブリリアン増幅なども含めて、入射光の直交する２つの光位相成分に等しい利得を与える光増幅（Phase Insensitive Amplification：PIA）すべてに共通する限界である。標準量子化限界に基づくＳ／Ｎ比の劣化は、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。
このような従来技術のレーザ増幅器の限界を打開する手段として、位相感応光増幅器（Ｐｈａｓｅ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＰＳＡ）が検討されている。この位相感応光増幅器は、伝送ファイバの分散の影響によって劣化した信号光パルス波形を整形するための機能を持っている。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、原理的に、増幅の前後で信号光のＳ／Ｎ比を劣化させることなく同一に保つことができる。
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. 1206-1213 (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).
しかしながら、上述の位相感応光増幅器を含めた従来技術の光増幅器では、以下に述べるような問題が存在していた。
図１は、従来の位相感応光増幅器の基本的な構成を示す図である。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における信号光の位相と励起光の位相とが一致すると入力信号光１１０が増幅され、両者の位相が９０度ずれた直交する位相関係になると、入力信号光１１０が減衰する特性を持っている。この特性を利用して増幅利得が最大となるように励起光―信号光間の位相を一致させると、信号光と直交する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。
信号光および励起光の位相同期を実現するために、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の位相が制御される。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によって検波し、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では、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。
励起光位相制御部１０３は、図１に示したような励起光源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自体の位相を直接制御する構成としても良い。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１０１には、二次または三次の非線形光学効果を有する媒質が用いられる。従来、これらの位相感応光増幅器は、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主に用いられてきた。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。
二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る。励起光および信号光を、非線形媒質に入射し、三光波混合を利用した縮退パラメトリック増幅（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＯＰＡ）を行うことによって、位相感応光増幅が実現される。
図２は、従来技術の二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器の構成を説明する図である。図２に示すように、従来技術では、レーザ光源２０１からの比較的高い強度を持つレーザ光を分岐する。分岐光の一方を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および信号光２１０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、位相感応光増幅を行う。
位相感応光増幅器においては、信号と位相の合った光のみを増幅するために、上述のように信号光および励起光の位相が一致するか、または、πラジアンだけずれている必要がある。すなわち二次の非線形光学効果を用いる場合は、第二高調波に相当する波長である励起光の位相φ2ωsと、信号光の位相φωsとが、次式（１）の関係を満たすことが必要となる。
Δφ＝φ2ωs／２−φωs＝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。横軸の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、信号光および励起光の位相同期を実現することができる。
図１および図２で説明した位相感応光増幅器は、近年光通信の高度化が進むにつれて、光通信への応用が注目を集めつつある。光通信の分野では通信用光部品との親和性が高い光ファイバの三次非線形光学効果を利用した構成の報告がある。三次の非線形光学効果を用いる場合は、光ファイバ等を非線形媒質として用い、非特許文献２に示されるように、信号光と同じ波長の１つの励起光を用いる。励起光および信号光を、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光増幅を実現することができる。
三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φωpと、信号光の位相φωsとが、次式（２）の関係を満たすことが必要となる。
Δφ＝φωp−φωs＝ｎπ（ただし、ｎは整数） 式（２）
信号光と同じ波長の１つの励起光の代わりに、非特許文献３に示されるように、信号光の光周波数をωsとするときに次式（３）を満たす光周波数ωp1，ωp2をそれぞれ有する２つの励起光を用いても良い。
２ωs＝ωp1＋ωp2 式（３）
三次の非線形媒質を用い、２つの光周波数ωp1，ωp2に相当する波長の２つの励起光を用いる場合は、励起光の位相φωp1，φωp2と信号光の位相φωsとが、次式（４）の関係を満たすことが必要となる。
Δφ＝(φωp1＋φωp2)／２−φωs＝ｎπ（ただし、ｎは整数） 式（４）
三次の非線形媒質を用いる場合でも、二次の非線形光学効果を用いる場合と同様に出力信号光の一部を分岐して狭帯域の検出器で検波し、出力信号が最大となるように励起光の位相を制御して、信号光および励起光の位相同期を実現することができる。
前述のように、光ファイバを用いた方式には、信号光と同じ波長の１つの励起光を用いる第１の方式、または、信号光とは異なる２つの波長の励起光を用いる第２の方式がある。１つの励起光を用いる第１の方式の場合は、励起光を信号光から分離する必要がある。このために、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、信号光と励起光とを分離する。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。このために、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第２の方式が良く研究されている。
図４は、従来技術の三次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器の構成を説明する図である。上述の第２の方式による、光ファイバおよび２つの励起光を用いた構成である。非特許文献３に示されるように、まず、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第１の励起光４１１−１および第２の励起光４１１−２を生成する。次に、２つの励起光（４１１−１，４１１−２）および信号光４１０をエルビウム添加ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）４０２にて増幅し、高非線形性光ファイバ４０３に入射する。図４では信号光４１０および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４０３に入射しても同様の効果が得られる。信号光と２つの励起光との間に上述の式（４）で示した関係が成立するように位相を調整することによって、四光波混合による位相感応光増幅を実現することができる。
しかしながら、上述の従来技術の位相感応光増幅器では、依然として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では、主にＳＨＧまたはパラメトリック増幅を起こすのに十分な高い出力のパルスレーザ光源を用いて動作させることのできる構成しか示されていない。一般的に微弱な光を扱う光通信システムに適用できるような構成は、未だ提案されていない。
光ファイバを用いた従来の位相感応光増幅では、光通信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、信号光の波長と、励起光の波長とが近接する構成となっている。特に図４に示した構成では、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って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。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光を取り除くことは困難であって、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、低雑音での光増幅を行うことができない。また、Ｓ／Ｎ比の劣化のない位相感応光増幅器は、次の観点からも要請されている。
近年の光通信技術においては、光ＯＦＤＭ(orthogonal Frequency Division Multiplexing)に代表されるように、大容量の信号を高い周波数利用効率で送るために、高速データを複数の光キャリアに分割して変調を行うスーパチャネルと呼ばれるようなデータの送受信方法が検討されている。上述のように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、モード同期レーザ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させる。発生した光コムは分波器によって分配され、それぞれの搬送波に対して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。
光コムを利用する光通信において使用する場合も、上述の従来技術の位相感応光増幅器には次に述べるような問題点があった。一般に複数の搬送波からなる光コムを分波器によって分波し変調器によって変調して、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。このため、合波した光信号は、元の光コムに比べて光パワーが著しく減衰してしまう。非特許文献６に示されるように単一波長の光源および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が大きいことが求められる。ところが、上述の光コムの変調を行うような送信方法では、光の発生および変調に伴う光パワーの損失が大きい。光信号を発生した後に、通常のレーザ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、位相感応光増幅器では一般的に縮退パラメトリック増幅を用いる。このために、増幅できる信号波長は１つであり、光コムのような複数の搬送波を同時に増幅することはできない。
複数の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は、従来技術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を説明する図である。この増幅方法ではまず、Copierと呼ばれる第１の光ファイバ５０１に複数の変調光および励起光を入射し、四光波混合を用いた波長変換によって、入力変調光と位相の反転したアイドラ光を生成する。次に、複数の変調光群と、対応するアイドラ光群とを第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、複数の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、励起光および信号光の全てが同じ１．５５μm帯の通信波長帯に配置される。励起光の発生および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５０３から発生する増幅された自然放出光（ＡＳＥ)が混入してしまうために、出力におけるＳ／Ｎ比は入力よりも劣化してしまう。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、Ｓ／Ｎ比の劣化の少ない高品質な光信号増幅を実現することにある。さらに、複数の波長を有する信号群を一括して増幅できる位相感応光増幅器を提供する。また、位相感応光増幅器と光コム光源とを組み合わせた光信号発生器、および、光信号Ｓ／Ｎ比の改善装置も提供する。
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、位相同期した複数の波長の光から構成される光コムを発生する光源と、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、該光コムを発生する光源から、信号光として、光周波数軸上で基本波光から同じ光周波数差だけ対称に離れ、各々が同一または反転した位相情報を持つ対となる２波長を持つ１つまたは複数の信号光の対が入力され、該光コムの該複数の波長のうちの１つの波長を基本波光とする位相感応型光増幅装置と、該位相感応型光増幅装置の出力に接続され、光コムの各波長を分離する分波器と、各々が、該分波器の各出力に接続された複数の光変調器と、該複数の光変調器からの出力を合波する合波器とを備え、該位相感応型光増幅装置は、該基本波光を増幅する光ファイバレーザ増幅器と、該光ファイバレーザ増幅器に接続され、第二高調波を発生する第１の二次非線形光学素子と、該第１の二次非線形光学素子から出力される該基本波光および該第二高調波から、該第二高調波を分離するフィルタと、信号光の対からなる該信号光と、励起光である該第二高調波とを合波する合波器と、合波された該信号光および該励起光を入射して、該信号光の非縮退パラメトリック増幅を行う第２の二次非線形光学素子と、該第２の二次非線形光学素子から出力される該信号光および該励起光から、増幅された信号光を分離するフィルタと、該位相感応型光増幅装置内の該合波器の前段側で、該基本波光の位相を制御することによって、非縮退パラメトリック増幅を行う該第２の二次非線形光学素子内における該信号光の位相と、励起光の位相とを同期する手段とを有し、該光コムを発生する光源および該第２の二次非線形光学素子の間に、少なくとも１つのレーザ増幅器を備えたことを特徴とする光信号発生器である。
請求項２に記載の発明は、位相同期した複数の波長の光から構成される光コムを発生する光源と、該光コムの各波長を分離し、および、該光コムの該複数の波長の内の１つの波長の光から同じ光周波数差だけ対称に離れた対となる２波長の光の対を同一の光路に出力するよう構成された分波器と、各々が、該光の対の１つに対応する該分波器の出力に接続され、対応する該光の対に変調を加える複数の光変調器と、該複数の光変調器からの出力を合波する合波器と、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、該合波器から、信号光として、光周波数軸上で基本波光から同じ光周波数差だけ対称に離れ、各々が同一または反転した位相情報を持つ対となる２波長を持つ１つまたは複数の信号光の対が入力され、該複数の波長のうちの１つの波長を基本波光とする位相感応型光増幅装置とを備え、該位相感応型光増幅装置は、該基本波光を増幅する光ファイバレーザ増幅器と、該光ファイバレーザ増幅器に接続され、第二高調波を発生する第１の二次非線形光学素子と、該第１の二次非線形光学素子から出力される該基本波光および該第二高調波から、該第二高調波を分離するフィルタと、信号光の対からなる該信号光と、励起光である該第二高調波とを合波する合波器と、合波された該信号光および該励起光を入射して、該信号光の非縮退パラメトリック増幅を行う第２の二次非線形光学素子と、該第２の二次非線形光学素子から出力される該信号光および該励起光から、増幅された信号光を分離するフィルタと、該位相感応型光増幅装置内の該合波器の前段側で、該基本波光の位相を制御することによって、非縮退パラメトリック増幅を行う該第２の二次非線形光学素子内における該信号光の位相と、励起光の位相とを同期する手段とを有し、該光コムを発生する光源および該第２の二次非線形光学素子の間に、少なくとも１つのレーザ増幅器を備えたことを特徴とする光信号発生器である。
請求項３に記載の発明は、位相同期した複数の波長の光から構成される光コムを発生する光源と、該光コムの各波長を分離し、および、該光コムの該複数の波長の内の１つの波長の光から同じ光周波数差だけ対称に離れた対となる２波長の光の対をそれぞれ異なる光路に出力するよう構成された分波器と、各々が、対応する該分波器の各出力に接続され、該光の対に対して同一または反転した位相情報を持つ光変調を加える複数の光変調器と、該複数の光変調器からの出力を合波する合波器と、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、該光合波器から、信号光として、光周波数軸上で基本波光から同じ光周波数差だけ対称に離れ、各々が同一または反転した位相情報を持つ対となる２波長を持つ１つまたは複数の信号光の対が入力され、該複数の波長のうちの１つの波長を基本波光とする位相感応型光増幅装置とを備え、該位相感応型光増幅装置は、該基本波光を増幅する光ファイバレーザ増幅器と、該光ファイバレーザ増幅器に接続され、第二高調波を発生する第１の二次非線形光学素子と、該第１の二次非線形光学素子から出力される該基本波光および該第二高調波から、該第二高調波を分離するフィルタと、信号光の対からなる該信号光と、励起光である該第二高調波とを合波する合波器と、合波された該信号光および該励起光を入射して、該信号光の非縮退パラメトリック増幅を行う第２の二次非線形光学素子と、該第２の二次非線形光学素子から出力される該信号光および該励起光から、増幅された信号光を分離するフィルタと、該位相感応型光増幅装置内の該合波器の前段側で、該基本波光の位相を制御することによって、非縮退パラメトリック増幅を行う該第２の二次非線形光学素子内における該信号光の位相と、励起光の位相とを同期する手段とを有し、該光コムを発生する光源および該第２の二次非線形光学素子の間に、少なくとも１つのレーザ増幅器を備えたことを特徴とする光信号発生器である。
以下、位相感応型光増幅装置は、位相感応光増幅器とも呼ぶ。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３いずれかの光信号発生器であって、前記光コムの複数の波長の内の前記基本波光に用いられる１つの波長は、前記光コムの中心波長であることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３いずれかの光信号発生器であって、前記光コムの前記位相同期した複数の波長の光は単一モードのレーザ光源を光変調器により変調することによって発生され、該レーザ光源を分岐した光が前記基本波光として前記位相感応型光増幅装置へ入力されることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至３いずれかの光信号発生器であって、前記基本波光および前記第二高調波から前記第二高調波を分離するフィルタ、ならびに、前記信号光と前記第二高調波とを合波する合波器は、誘電体膜を用いたダイクロックミラーであることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至３いずれかの光信号発生器であって、前記第１の二次非線形光学素子および前記第２の二次非線形光学素子は、周期分極反転構造を有する二次非線形光学材料からなる光導波路をそれぞれ有し、該二次非線形光学材料は、ＬｉＮｂＯ3、ＬＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂxＴａx-1Ｏ3（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ4のいずれか、または、これらに、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選択された少なくとも１種を添加物として含有しているものであることを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至３いずれかの光信号発生器であって、前記信号光の内の、対となる２つの波長の光間の位相を調整するための分散補償媒質をさらに備えたことを特徴とする。
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だけを増幅する位相感応光増幅器（または位相感応型光増幅装置）において、複数波長の一括増幅が可能となる。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。これによって、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。
Ｓ／Ｎ比の劣化を抑える本発明の特徴から、光通信に適用可能で複数の波長を有する信号群を一括して増幅できる位相感応光増幅器を構成できる。低雑音での増幅が可能な位相感応光増幅器によって、従来のレーザ増幅器で増幅する場合に比べ光ファイバ伝送における信号のＳ／Ｎ比を改善できる。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雑音を除去して増幅することができるため、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できる。
さらに、ＡＳＥノイズ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信号対雑音比改善装置を実現することもできる。位相相関のある信号光を選択的に増幅することによって、ＡＳＥ光および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。
図１は、従来技術の位相感応光増幅器の構成を説明する図である。 図２は、従来技術の二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器の構成を説明する図である。 図３は、従来技術の二次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器における、入力信号光‐励起光間の位相差Δφと、利得との関係を示すグラフである。 図４は、従来技術の三次非線形光学効果を利用した位相感応光増幅器の構成を説明する図である。 図５は、従来技術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を説明する図である。 図６は、本発明の第１の実施形態の位相感応光増幅器の構成を説明する図である。 図７は、本発明の第１の実施形態の位相感応光増幅器の動作を説明する図である。 図８は、従来技術の構成の位相感応光増幅の動作を説明する図である。 図９は、本発明の第１の実施形態の位相感応光増幅の動作を説明する図である。 図１０は、第１の実施形態の位相感応光増幅器における効果を説明する図であり、（ａ）は意図的にＥＤＦＡから発生させたＡＳＥ光を混入させた信号光群の入力の光スペクトル、（ｂ）は増幅器の出力の光スペクトルをそれぞれ示す。 図１１は、第１の実施形態の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およびＡＳＥ光のビート雑音のレベルを示す図である。 図１２は、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図である。 図１３は、第１の実施形態の位相感応光増幅器において、データ変調を施した光コム信号の受信パワーに対する誤り率のデータを示す図である。 図１４は、本発明の第２の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成を示す図である。 図１５は、本発明の第２の実施形態に係る位相感応光増幅の別の構成例を説明する図である。 図１６は、本発明の第２の実施形態に係る位相感応光増幅のさらに別の構成例を説明する図である。 図１７は、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図である。 図１８は、本発明の第３の実施形態に係る位相感応光増幅の構成を説明する図である。 図１９は、位相同期手段として中心波長信号を用いた、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を示す図である。
本発明は、非線形光学効果であるパラメトリック増幅効果を利用して信号光の特定の位相だけを増幅する位相感応光増幅器（または位相感応型光増幅装置とも呼ぶ）を提供し、複数波長の一括増幅が可能となる。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、光ファイバ増幅器を利用する。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。これによって、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。本発明の位相感応型光増幅装置と、位相同期した複数の波長の光から構成される光コムを発生する光源とを組み合わせれば、光信号発生器を構成できる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。
図６および図７は、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および動作をそれぞれ説明する図である。図６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および第二高調波６２２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６に示した構成の詳細は後述するが、このような構成を採ることによって、以下に述べるような従来技術の位相感応光増幅器には見られない特徴的な効果が得られる。本実施形態では、基本波光として、波長が１．５４μｍの連続波光（ＣＷ光）を用いる。入力信号光としては、図７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。
信号光群および基本波光は互いに位相同期している。このような信号光および基本波光は、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によって生成することができる。
図６に示すように、基本波光６２１は、位相変調器６１０、ＰＺＴを用いたファイバ伸長器６１１を通過してエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）６０１で増幅される。増幅後、基本波光は、バンドパスフィルタ６０４を用いて、ＥＤＦＡ６０１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６０２−１内のＰＰＬＮ導波路６０５−１に入射される。ＰＰＬＮ導波路６０５−１において、基本波光６２１の第二高調波である波長０．７７μｍの光６２２に変換される。
信号光群６２０と、基本波光の第二高調波６２２とは、ダイクロイックミラー６０６−２で合波され、次いで、第２の二次非線形光学素子６０２−２内のＰＰＬＮ導波路６０５−２に入射される。ＰＰＬＮ導波路６０５−２におけるパラメトリック増幅によって、信号光群６２０が増幅される。
次に、信号光群の増幅動作について、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ものと仮定する。
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６２２）、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式（５）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。
φSH＝φS＋φi＋２ｎπ（ｎは整数） 式（５）
ここでφSH、φS、φi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。信号およびアイドラが、本実施形態の信号ｓ+１および信号ｓ-１の対のように同じ位相を有していると仮定すると、φi＝φSとして、次式（６）が成り立つ。
φS＝φSH／２＋ｎπ＝φp＋ｎπ（ｎは整数） 式（６）
ただし、ここでφpは基本波光の位相である。第二高調波の位相φSHが２φpで表されることを用いた。
式（６）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の対を入射すると、位相感応性を持つパラメトリック増幅が行われる。図６に示した本実施形態では、信号光および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技術によって吸収している。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８および図９は、位相感応光増幅で用いる複数波長の信号光および励起光のスペクトルをそれぞれ模式的に示した図である。図８は、図５で示した従来技術のファイバレーザ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９は、図６で示した本発明の第１の実施形態による構成を用いた場合を示す図である。
図８で示すように、従来技術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および複数波長の信号光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８で示すように、複数波長の信号光８０１および励起光８０２が同じ１．５５μｍ帯の波長帯を持っており、励起光８０２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８０３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な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難しく、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う。ＡＳＥ光の混入によって、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８の（ｃ））。
一方、図９で示すように、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９０２を光ファイバ増幅器によって増幅する。このときに基本波光９０２の波長近傍にＡＳＥ光９０３が重畳する（図９の（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９０３が重畳された基本波光９０２を、第１の二次非線形光学素子に入射し第二高調波９０４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９０４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９０４の波長は基本波光９０２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９０２と基本波光の第二高調波９０４とから第二高調波９０４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９の（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って、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９０１と第二高調波９０４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（ＰＳＡ）による位相感応増幅を実現することができる（図９の（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利点があることも明らかになった。
従来技術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光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、図８の（ｃ）に示すように、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８０４が生成される。
上述の副次的な過程に発生する信号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ることから、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に難しい。分離のために超狭帯域の光フィルタなどを用いる方法も考えられるが、光フィルタの帯域を狭くすればするほどその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、もはや光フィルタによる分離は不可能であり、光信号のＳ／Ｎ比は劣化する。
これに対し、本実施形態においては、第２のＰＰＬＮ導波路へは信号光および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はみられず、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こともなかった。
ここで再び図６および図７を参照しながら、本実施形態の位相感応光増幅器の構成を詳しく述べる。本実施形態では、基本波光６２１は、エルビウム添加ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）６０１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。
本実施形態の、二次非線形光学素子６０２−１、６０２−２は、それぞれ、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６０５−１、６０５−２を備える。二次非線形光学素子の材料は、これに限られず、例えば、ＬｉＮｂＯ3、ＬＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂxＴａx-1Ｏ3（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ4のいずれかとすることができる。さらに、上記のいずれかの材料に、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選択された少なくとも１種を添加物として含有しているものであっても良い。
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。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って、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ってコア径を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および基本波光６２１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で反射された波長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。しかし、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って、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６０７で導かれた第二高調波は、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は第二高調波のみを反射させるために、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。
信号光６２０および第二高調波６２２は、ダイクロイックミラー６０６−２で合波された後、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と同等の性能および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、信号光を位相感応光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って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および増幅された信号光は、波長が全く異なるために、出力において不要な第二高調波成分を効果的に取り除くことができる。
位相感応光増幅では、励起光の位相と信号光の位相と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光分岐部６０３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およびＰＬＬ回路６０９によって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による光ファイバの伸長器６１１の駆動電圧および位相変調器６１０のバイアス電圧にフィードバックを行う。これによって、光ファイバ部品の振動や温度変動などによる光位相の変動を吸収して、安定的に位相感応光増幅ができるようにした。
光コムを分波器で信号光を分波し、各信号光を変調器で変調した後に再び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比が劣化する。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り、Ｓ／Ｎ比が劣化する。さらに、光パワーが減衰した光コムをＥＤＦＡ等のレーザ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。
本発明の位相感応光増幅器によって、上述のようなＡＳＥ光が混入した信号光群を増幅した場合に、従来技術の光増幅器では全く得られなかった特異な振る舞いを見せることが見出された。
図１０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図である。図１０の（ａ）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す。図１０の（ｂ）は、前述のＡＳＥ光を意図的に混入させた信号光群を、本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１０の（ａ）および（ｂ）から分かるように、本実施形態に係る位相感応光増幅器によって増幅することにより、出力における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のＳ／Ｎ比に比べて３ｄＢほど向上している。
一例として、中心波長から対称に離れた信号対の内で、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の分解能で測定したところ、図１０の（ａ）に示すように２３ｄＢのＯＳＮＲを有していた。一方、図１０の（ｂ）に示すように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Ｓ／Ｎ比の改善という現象が生じる理由については、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位相感応光増幅器（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φｉ＝−φｓ＋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、信号光および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式（７）を満たすときには、パラメトリック増幅が行われる。
φSH＝φS＋φi＋２ｎπ
＝φS−φS＋α＋２ｎπ
＝α＋２ｎπ（ただし、ｎは整数） 式（７）
すなわち共役な信号光および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および励起光を入射した場合は、適切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。第二高調波の位相φSH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ものと考えられる。
特に信号光および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φS-ASEとし、アイドラ波長に発生するＡＳＥの位相をφi-ASEとしたとき、次式（８）を満たす成分のみがパラメトリック増幅される。
φSH＝φS-ASE＋φi-ASE＋２ｎπ（ただし、ｎは整数） 式（８）
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φS-ASE、φi-ASEはランダムであるので、相互に相関がない。また、φS-ASEおよびφi-ASEは、第二高調波の位相φSHとの間にも相関はない。従って、φS-ASEを固定して考えた場合に、ランダムな値を取りうるφi-ASEのうち、第二高調波の位相φSを基準にしてφS-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、上述の相関のある信号光に比べれば、ＡＳＥに対する利得は信号光に対する利得の半分になることが分かる。従って、本実施形態に係る光増幅器によって増幅することで、光スペクトルで比較した場合のＳ／Ｎ比を改善することが可能になる。
光ファイバを用いた非縮退パラメトリック増幅では、上述のようなＳ／Ｎ比を改善する効果を得ることは難しい。その理由は、以下の通りである。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光が混入してしまう。しかも、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、本実施形態の位相感応光増幅器ように、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、本実施形態の位相感応光増幅器では、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。したがって、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。本実施形態によって、信号光およびアイドラ光に対する位相感応性を利用したＳ／Ｎ比の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倍の波長および信号光の波長が同じになる縮退点における動作について説明する。
図６に示したように、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１０の（ａ）および（ｂ）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φSと励起光位相φpとの間に次式（９）が成り立つときに増幅が行われる。
φS＝φSH／２＋ｎπ＝φp＋ｎπ（ただし、ｎは整数） 式（９）
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、ＡＳＥに対する利得は信号光に対する利得の半分になる。従って、光のパワーで見たときのＳ／Ｎ比は３ｄＢ改善されることになる。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の成分は、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く、光信号を光電変換したあとのＳ／Ｎ比は変わらない。
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およびアイドラ光の波長にそれぞれ入力されるＡＳＥ光成分のうち、次式（１０）を満たす成分のみが増幅される。
φSH＝φS-ASE＋φi-ASE＋２ｎπ（ただし、ｎは整数） 式（１０）
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、信号光波長およびアイドラ光波長における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る。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、信号光の直交位相成分と同等に信号光と同相位相の成分を含んでいると考えられる。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Ｓ／Ｎ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。したがって、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Ｓ／Ｎ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、信号光とＡＳＥ光のビート雑音のレベルを比較した。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測定した。
図１１は、第１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る。図１１の（ａ）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。これに対して、図１１の（ｂ）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。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の位相感応光増幅器によれば、レーザ増幅器などでＳ／Ｎ比が劣化した信号を増幅することにより、出力のＳ／Ｎ比を入力よりも改善できるという非常に顕著な効果を得ることができる。
本実施形態に係る位相感応光増幅器に、実際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１２は、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図である。単一波長光源１２０１を光変調器１２０３で変調することにより発生した光コムを、ＬＮ変調器１２０５でＢＰＳＫ変調を施し、図６に示した本実施形態の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。
本実施形態の位相感応光増幅器を評価するためのこの実験では、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、ＥＤＦＡ１２０６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１２０１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１２１０で分離し、光減衰器１２１１で受信パワーを調整して、受信装置１２１２で受信した。
図１３は、測定した受信パワーに対する誤り率のデータを示す図である。光コム発生および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１３に示した結果から、意図的にＡＳＥ雑音を付加した場合（プロット○）、ＡＳＥ雑音を付加しない場合（プロット●）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（プロット黒四角）は、元のＡＳＥ雑音を付加された入力信号に比べ大幅に、必要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、本発明の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。
上述のＡＳＥ雑音が付加され重畳された光信号のＳ／Ｎ比の改善効果から分かるように、本発明の位相感応光増幅器は、信号対雑音比改善装置としても機能することが分かる。すなわち、自然放出光雑音が重畳された対となる２つの波長を持つ前記信号光が入力される本発明の位相感応型光増幅装置を備えることで、信号光に対する利得と、自然放出光雑音の利得との差異に基づいて、自然放出光雑音が重畳された信号光から、信号光が選択的に増幅されることによって自然放出光雑音が除去される信号対雑音比改善装置が実現できる。
図１４は、本発明の第２の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成を示す図である。単一波長光源１４０１には１．５４μｍのＣＷ光を用いる。変調器１４０３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。本発明の位相感応光増幅装器と、位相同期した複数の波長の光から構成される光コムを発生する光源とを組み合わせれば、光信号発生器を構成できる。
本実施形態では単一波長光源１４０１および光変調器１４０３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を用いる方法や、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良い。
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１４０４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良いし、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良い。
分波器１４０４の各出力にはそれぞれ光変調器１４０５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１４０６を用いて各信号対を合波した後、ＥＤＦＡ等のレーザ増幅器１４０７で信号を増幅する。図１４に示した構成においては、データ変調信号を合波した後で一括で増幅しているが、この構成に限られない。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１５に示した別の構成例のように各信号対をそれぞれレーザ増幅器１５０７で増幅した後に、合波器１５０６を用いて合波しても良い。図１５に示したの位相感応光増幅装器と、位相同期した複数の波長の光から構成される光コムを発生する光源とを組み合わせれば、光信号発生器を構成できる。
また、図１４および図１５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。さらに別の構成例として、図１６に示したように光コムのそれぞれの波長を分離する分波器１６０４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１６０５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それぞれ同じデータＤａｔａ１〜Ｄａｔａｎによって変調する構成を用いても良い。尚、図１６に示した位相感応光増幅装器と、位相同期した複数の波長の光から構成される光コムを発生する光源とを組み合わせれば、光信号発生器を構成できるのは言うまでもない。
光コムの生成過程では、変調器における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。従来技術のレーザ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たものの、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かった。
しかしながら、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、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て増幅することによって、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比には３ｄＢの改善が見られた。本実施形態に係る位相感応光増幅器の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。
上述のＳ／Ｎ比改善効果に加えて、本実施形態の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１７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図である。図１７の（ａ）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１７の（ｂ）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１７の（ｃ）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１７の（ｃ）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実現されていることがわかる。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光増幅される結果となる。このことは、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て増幅できることを示している。
図１４に示した第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および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、本発明の位相感応光増幅器の第３の実施形態の構成について説明する。
図１８は、本発明の第３の実施形態に係る位相感応光増幅器の構成を示す図である。単一波長光源１８０１および変調器１８０３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。光コムの生成過程における、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等の通常のレーザ増幅器１８０４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１８０１から分岐した信号を用いる。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。図１８に示した位相感応光増幅装器と、位相同期した複数の波長の光から構成される光コムを発生する光源とを組み合わせれば、光信号発生器を構成できる。
第１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比とを調べた結果、入力信号におけるＳ／Ｎ比に比べて、本実施形態の位相感応光増幅器の出力信号においてＳ／Ｎ比に、３ｄＢの改善が見られた。図１８に示すように、通常のレーザ増幅器１８０４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１８０６と、分波器１８０６の各出力に接続されたそれぞれ光変調器１８０７を用いて、各コムに個別にデータ変調（Ｄａｔａ１〜Ｄａｔａｎ）を施した後、光合波器１８０８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可能となり、伝送距離を増大させることができた。
さらに、本発明の位相感応光増幅器の第４の実施形態の構成について説明する
位相感応光増幅器を光信号の送信器直後に用いるように、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。
図１９は、位相同期手段として中心波長信号を用いた、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を示す図である。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１９３０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１９３０が伝送媒体を通って伝送されてくる。伝送媒体として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１９２０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１９２１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、光強度は極めて小さくＳ／Ｎ比は劣化している。分岐させたＣＷ光のパイロットトーンをアッテネータ１９１１で光強度を調整した後、サーキュレータ１９１２を通して位相感応光増幅装置内の基本波光源１９１３に光注入同期を行った。基本波光源１９１３にはＤＦＢ型の半導体レーザを用いた。
アッテネータ１９１１を用いて基本波光源１９１３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た。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比の良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１９２２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良い。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１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。本実施形態の位相感応光増幅器の構成を採ることにより、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。
以上詳細に述べてきたように、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だけを増幅する位相感応光増幅器において、複数波長の一括増幅が可能となる。さらに光コムを発生する光源と組み合わせて、光信号発生器を構成できる。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。
従来技術のレーザ増幅器で増幅する場合に比べ、光ファイバ伝送における信号の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できる。入射される信号光の位相雑音を除去して増幅することができるため、光ファイバの波長分散による信号劣化の影響が抑えられ、増幅後の信号光の伝送距離を伸ばすことができる。さらに、ＡＳＥノイズを抑制することにより、一度劣化した光信号のＳＮ比を改善させることができる。ＡＳＥ光および信号光のビート雑音により劣化した信号光のＳＮ比を改善することができる。
本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。特に、光通信システムや光計測システムに利用できる。
１０１ 位相感応光増幅部
１０２ 励起光源
１０３ 励起光位相制御部
１０４−１、１０４−２、６０３ 光分岐部
１１０、４１０ 入力信号光
１１１、２１１、４１１−１、４１１−２ 励起光
１１２、４１２ 出力信号光
２０１ レーザ光源
２０２ ＳＨＧ結晶
２０３ ＯＰＡ結晶
２１０、６２０ 信号光
４０１ 励起光位相同期手段
４０２、５０３、６０１、１２０６、１４０７、１６０７ エルビウム添加ファイバレーザ増幅器（ＥＤＦＡ）
４０３ 光ファイバ
４０４ 信号光フィルタ
６０２−1、６０２−２ 二次非線形光学素子
６０５−１、６０５−２ ＰＰＬＮ導波路
６０６−１、６０６−２ ダイクロイックミラー
６０７ 偏波保持ファイバ
６２１ 基本波光
１２０１、１４０１、１６０１、１８０１ 単一波長光源
１４０４、１５０４、１６０４、１８０６ 合波器
１４０６、１５０６、１６０６、１８０８ 分波器

Claims (8)

  1. 位相同期した複数の波長の光から構成される光コムを発生する光源と、
    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、該光コムを発生する光源から、信号光として、光周波数軸上で基本波光から同じ光周波数差だけ対称に離れ、各々が同一または反転した位相情報を持つ対となる２波長を持つ１つまたは複数の信号光の対が入力され、該光コムの該複数の波長のうちの１つの波長を基本波光とする位相感応型光増幅装置と、
    該位相感応型光増幅装置の出力に接続され、光コムの各波長を分離する分波器と、
    各々が、該分波器の各出力に接続された複数の光変調器と、
    該複数の光変調器からの出力を合波する合波器と
    を備え、
    該位相感応型光増幅装置は、
    該基本波光を増幅する光ファイバレーザ増幅器と、
    該光ファイバレーザ増幅器に接続され、第二高調波を発生する第１の二次非線形光学素子と、
    該第１の二次非線形光学素子から出力される該基本波光および該第二高調波から、該第二高調波を分離するフィルタと、
    信号光の対からなる該信号光と、励起光である該第二高調波とを合波する合波器と、
    合波された該信号光および該励起光を入射して、該信号光の非縮退パラメトリック増幅を行う第２の二次非線形光学素子と、
    該第２の二次非線形光学素子から出力される該信号光および該励起光から、増幅された信号光を分離するフィルタと、
    該位相感応型光増幅装置内の該合波器の前段側で、該基本波光の位相を制御することによって、非縮退パラメトリック増幅を行う該第２の二次非線形光学素子内における該信号光の位相と、励起光の位相とを同期する手段と
    を有し、
    該光コムを発生する光源および該第２の二次非線形光学素子の間に、少なくとも１つのレーザ増幅器を備えたことを特徴とする光信号発生器。
  2. 位相同期した複数の波長の光から構成される光コムを発生する光源と、
    該光コムの各波長を分離し、および、該光コムの該複数の波長の内の１つの波長の光から同じ光周波数差だけ対称に離れた対となる２波長の光の対を同一の光路に出力するよう構成された分波器と、
    各々が、該光の対の１つに対応する該分波器の出力に接続され、対応する該光の対に変調を加える複数の光変調器と、
    該複数の光変調器からの出力を合波する合波器と、
    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、該合波器から、信号光として、光周波数軸上で基本波光から同じ光周波数差だけ対称に離れ、各々が同一または反転した位相情報を持つ対となる２波長を持つ１つまたは複数の信号光の対が入力され、該複数の波長のうちの１つの波長を基本波光とする位相感応型光増幅装置と
    を備え、
    該位相感応型光増幅装置は、
    該基本波光を増幅する光ファイバレーザ増幅器と、
    該光ファイバレーザ増幅器に接続され、第二高調波を発生する第１の二次非線形光学素子と、
    該第１の二次非線形光学素子から出力される該基本波光および該第二高調波から、該第二高調波を分離するフィルタと、
    信号光の対からなる該信号光と、励起光である該第二高調波とを合波する合波器と、
    合波された該信号光および該励起光を入射して、該信号光の非縮退パラメトリック増幅を行う第２の二次非線形光学素子と、
    該第２の二次非線形光学素子から出力される該信号光および該励起光から、増幅された信号光を分離するフィルタと、
    該位相感応型光増幅装置内の該合波器の前段側で、該基本波光の位相を制御することによって、非縮退パラメトリック増幅を行う該第２の二次非線形光学素子内における該信号光の位相と、励起光の位相とを同期する手段と
    を有し、
    該光コムを発生する光源および該第２の二次非線形光学素子の間に、少なくとも１つのレーザ増幅器を備えたことを特徴とする光信号発生器。
  3. 位相同期した複数の波長の光から構成される光コムを発生する光源と、
    該光コムの各波長を分離し、および、該光コムの該複数の波長の内の１つの波長の光から同じ光周波数差だけ対称に離れた対となる２波長の光の対をそれぞれ異なる光路に出力するよう構成された分波器と、
    各々が、対応する該分波器の各出力に接続され、該光の対に対して同一または反転した位相情報を持つ光変調を加える複数の光変調器と、
    該複数の光変調器からの出力を合波する合波器と、
    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、該光合波器から、信号光として、光周波数軸上で基本波光から同じ光周波数差だけ対称に離れ、各々が同一または反転した位相情報を持つ対となる２波長を持つ１つまたは複数の信号光の対が入力され、該複数の波長のうちの１つの波長を基本波光とする位相感応型光増幅装置と
    を備え、
    該位相感応型光増幅装置は、
    該基本波光を増幅する光ファイバレーザ増幅器と、
    該光ファイバレーザ増幅器に接続され、第二高調波を発生する第１の二次非線形光学素子と、
    該第１の二次非線形光学素子から出力される該基本波光および該第二高調波から、該第二高調波を分離するフィルタと、
    信号光の対からなる該信号光と、励起光である該第二高調波とを合波する合波器と、
    合波された該信号光および該励起光を入射して、該信号光の非縮退パラメトリック増幅を行う第２の二次非線形光学素子と、
    該第２の二次非線形光学素子から出力される該信号光および該励起光から、増幅された信号光を分離するフィルタと、
    該位相感応型光増幅装置内の該合波器の前段側で、該基本波光の位相を制御することによって、非縮退パラメトリック増幅を行う該第２の二次非線形光学素子内における該信号光の位相と、励起光の位相とを同期する手段と
    を有し、
    該光コムを発生する光源および該第２の二次非線形光学素子の間に、少なくとも１つのレーザ増幅器を備えたことを特徴とする光信号発生器。
  4. 前記光コムの複数の波長の内の前記基本波光に用いられる１つの波長は、前記光コムの中心波長であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光信号発生器。
  5. 前記光コムの前記位相同期した複数の波長の光は単一モードのレーザ光源を光変調器により変調することによって発生され、該レーザ光源を分岐した光が前記基本波光として前記位相感応型光増幅装置へ入力されることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光信号発生器。
  6. 前記基本波光および前記第二高調波から前記第二高調波を分離するフィルタ、ならびに、前記信号光と前記第二高調波とを合波する合波器は、誘電体膜を用いたダイクロックミラーであることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光信号発生器。
  7. 前記第１の二次非線形光学素子および前記第２の二次非線形光学素子は、周期分極反転構造を有する二次非線形光学材料からなる光導波路をそれぞれ有し、
    該二次非線形光学材料は、ＬｉＮｂＯ3、ＬＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂxＴａx-1Ｏ3（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ4のいずれか、または、これらに、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選択された少なくとも１種を添加物として含有しているものであることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光信号発生器。
  8. 前記信号光の内の、対となる２つの波長の光間の位相を調整するための分散補償媒質をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光信号発生器。
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