JP2008270399A - 光信号増幅３端子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気入力信号から光信号に変換し、ノイズの少ない光出力信号に増幅することができる、負帰還光増幅効果を利用した光信号増幅３端子装置を提供する。
【解決手段】電気入力信号ＳＥ１から変換された第１波長λ１の光入力信号ＳＰ１とその電気入力信号ＳＥ１が反転させられた反転電気入力信号ＳＥ２から変換された第２波長λ２の反転光入力信号ＳＰ２とが光カプラ１６に合波されて光信号増幅素子１８へ入力させられ、その光信号増幅素子１８から出力された光信号から選択された第１波長λ１の光出力信号ＳＰ３が電気信号に変換されて電気出力信号ＳＥ３として出力される。上記光信号増幅素子１８から出力された光出力信号およびそれから変換された電気出力信号ＳＥ３は、その基線レベルが低くて、変調度、Ｓ／Ｎ比、出入力振幅増幅比が十分に高く、誤り率が十分に低い信号である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気信号を光信号に変換して増幅し伝達する場合にその光信号を低歪みおよび低ノイズ化することができる負帰還光増幅効果を利用した光信号増幅３端子装置に関するものである。

電気信号を光信号に変換して増幅・伝達する技術分野においては、半導体レーザや発光ダイオード等の電／光変換素子の変換特性に基づいて、変換された光信号が電気信号に対して非常に歪むことが知られている。特にパルス的な電気信号を半導体レーザに入力した場合、出力される光信号のパルスの立ち上がり時に光信号強度が急激に増加してヒゲのようにオーバシュートした光信号波形が得られる。一般的には、これらの光信号波形を光増幅器で増幅した場合、その歪みが増幅して伝達され、光学的にその歪みを低減する技術は得られていない。

一方で、本発明者の前田は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）の相互利得変調現象を利用して、所定波長λ１の入力光信号に対して半導体光増幅器を透過後の周囲光( λ１を中心とするλ１以外の波長）を入力側に帰還させることにより入力光信号を低歪みに増幅可能であることを示し、負帰還光増幅効果( Negative feedback optical amplification effect) と名づけた( 非特許文献１）。本効果は、周囲光がＸＧＭ( 相互利得変調) によって入力光信号に対して強度反転を示すことから、この周囲光をフィードバックさせることにより半導体光増幅器の利得を入力光信号に応じて変調して負帰還光増幅効果が得られるものである。また、特許文献１に示されるように、本効果を利用した光増幅器をエフェクターに応用することも提案されている。
「Negative feedback optical amplification effect based on cross-gain modulation in semiconductor optical amplifiers 」（Applied Physics Letters, Volume 88, published 8 March 2006) 特開２００６−３３２３４４号公報 特開平８−１２５６０５号公報

ところで、上記従来の負帰還光増幅効果を利用した光増幅器においては、周囲光またはその周囲光を強めた光をフィードバックする方法が用いられている。このような方式は、光学的にシンプルで有用であるが、光信号を低歪み且つ低ノイズに増幅する作用を有するに過ぎず、電気信号を光信号に変換するときに電／光変換素子で生じる光信号の歪みまでは除去できない。このため、電気信号から光信号へ変換するときに発生する光信号の歪みを除去できないという不都合があった。

他方で、信号伝送中に発生する歪みのような信号波の波形劣化を低減する光変調を利用した装置が提案されている。たとえば、特許文献２に記載された光通信システムがそれである。この装置は、２値信号データに対応して強度変調された第１の信号光を生成する第１の光変調手段と、前記２値信号データを反転して反転２値信号を出力する反転手段と、第１の信号光の波長と異なる波長の光信号であって、前記反転２値信号に対応して強度変調された光信号である第２の信号光を生成する第２の光変調手段と、前記第１の信号光及び第２の信号光を合波してその合波信号光を光ファイバ伝送路に送出する光合波手段とを備える。このように構成された装置によれば、２値信号データに対応して強度変調された第１の信号光と同時に、その２値信号データの反転信号に対応して強度変調された第２の信号光を光ファイバ伝送路に送信し、第１の信号光の強度変化によるファイバの屈折率変化( 自己位相変調効果）が、第２の信号光の強度変化が第１の信号光にもたらす周波数変位で相殺され、光ファイバ伝送路を伝播する第１の信号光の波形劣化が解消される。

しかし、上記特許文献２の光変調を利用した装置においては、信号光の強度に応じて光ファイバの屈折率が変化する性質を利用して、第１の信号光の強度変化によるファイバの屈折率変化( 自己位相変調効果）が、第２の信号光の強度変化が第１の信号光にもたらす周波数変位で相殺されるようにして、信号伝送中に発生する歪みのような信号波の劣化が改善されるものの、第１の信号光と第２の信号光との合波光信号光が伝送される光ファイバ伝送路が単なる光ファイバから構成されているため、信号光は増幅されない。また、出力される信号光のＳ／Ｎ比、振幅増幅、誤り率を十分に向上させることができなかった。

本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、電気入力信号からノイズの少ない光出力信号に増幅することができる、光信号増幅３端子装置を提供することにある。

本発明者は、以上の事情を背景として、相互利得変調特性を備える光信号増幅素子を用いて光信号を増幅するに際して、所定波長の出力信号光とその所定波長の周囲波長の周囲光を含む出力光から、その所定波長の出力信号光を波長選択して出力させる一方で、その所定波長の出力信号光とは異なる波長で位相が反転している周囲光の一部或いは全部を負帰還させて光信号増幅素子に再入力させることにより、光信号のゲインや基線の安定化、或いはノイズの除去を図る研究を重ねるうち、光信号増幅素子へ再入力させる負帰還光に代えて、入力信号光を反転させた光をその光信号増幅素子へ入力させると、Ｓ／Ｎ比、出入力振幅増幅比が高く、且つ誤り率が十分に低い信号光が得られるという現象を見いだした。本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。

すなわち、請求項１に係る発明の要旨とするところは、電気入力信号を光信号に変換して増幅するための、負帰還光増幅効果を利用した光信号増幅３端子装置であって、(a) 前記電気入力信号を反転して出力する信号反転素子と、(b) 前記電気入力信号を第１波長の光入力信号に変換し、該信号反転素子から出力された反転電気入力信号を第１波長とは異なる第２波長の反転光入力信号に変換する電／光変換素子と、(c) 負帰還光増幅効果を有する光信号増幅素子と、(d) 前記電／光変換素子からそれぞれ出力された光入力信号および反転光入力信号を合波して該光信号増幅素子へ入力させる光カプラと、(e) 前記光信号増幅素子から出力された光のうち前記第１波長または第２波長の光信号を選択する波長選択素子とを、含むことにある。

請求項１に係る発明の負帰還光増幅効果を利用した光信号増幅３端子装置によれば、電気入力信号から変換された第１波長の光入力信号とその電気入力信号が反転させられた反転電気入力信号から変換された第２波長の反転光入力信号とが光カプラに合波されて光信号増幅素子へ入力させられ、その光信号増幅素子から出力された光信号から波長選択素子により選択された第１波長または第２波長の光信号が出力される。上記光信号増幅素子から出力された光信号は、その負帰還光増幅効果により基線レベルが低く、変調度、Ｓ／Ｎ比、出入力振幅増幅比が高く、且つ誤り率が十分に低い信号光であるので、Ｓ／Ｎ比、出入力振幅増幅比が十分に高く、且つ誤り率が十分に低い光出力信号が得られる。

ここで、好適には、前記光信号増幅素子から出力された光信号から波長選択素子により選択された第１波長または第２波長の光信号は、前記電気入力信号に対して、高い変調度を有している。このようにすれば、Ｓ／Ｎ比、出入力振幅増幅比が十分に高く、誤り率が十分に低い光出力信号が得られる。

また、好適には、前記光信号増幅素子は、希土類元素がドープされた光ファイバーから構成されている。このようにすれば、低パワーで信号増幅作動が可能であり、特に低周波数領域において、出入力振幅増幅比およびＳ／Ｎ比が高く且つ誤り率が低い電気出力信号が得られる。

また、好適には、前記光ファイバーは、エルビウムがドープされたものである。このようにすれば、光通信で用いられている１．５μｍ帯の波長の光信号に対して、出入力振幅増幅比およびＳ／Ｎ比が高く且つ誤り率が低い電気出力信号が得られる。

また、好適には、前記光ファイバーの母材は、フッ化物から構成されたものである。このようにすれば、希土類元素のドープ量を多くして励起準位の電子のライフタイムを短縮することが可能となり、作動周波数帯域の上限値を２０ｋＨｚ程度に高くすることができる。また、歪み率を低減することができる。

また、好適には、前記光信号増幅素子は、ｐｎ接合から成る活性層を備えた半導体光信号増幅素子である。このようにすれば、半導体によって光増幅素子が容易に小型化或いは１チップ化できるとともに、その高い応答性に基づいてＧＨｚオーダの高い周波数帯域においても、信号増幅が可能となる。

また、好適には、前記半導体光信号増幅素子の活性層は、量子井戸、歪み超格子、量子ドットのいずれかから構成されている。このようにすれば、半導体によって光信号増幅素子が容易に小型化されるとともに、上記量子井戸または量子ドットが用いられる場合は、光信号増幅素子の高速スイッチング性能が高められ、歪み超格子が用いられる場合は、波長依存性の小さい光信号増幅素子が得られる。

また、好適には、前記波長選択素子は、光アド・ドロップフィルタ、多層膜構造の光学フィルタ、グレーティングフィルタ、フォトニッククリスタルフィルタのいずれかから構成されている。このようにすれば、光信号増幅素子からの出力信号光から第１波長と第２波長が効率良く分離される。

また、好適には、前記光カプラは、光アドドロップ素子から構成されている。このようにすれば、光アド・ドロップ素子を用いることにより、光信号増幅素子へ入力される第１波長および第２波長の光信号が効率よく合波される。

また、好適には、前記電気入力信号は、音響をアナログ的に表すオーディオ入力信号である。このようにすれば、Ｓ／Ｎ比、出入力振幅増幅比が十分に高く、誤り率が十分に低い電気出力信号によってスピーカを駆動することができるので、高い音質が得られる。

また、好適には、前記電／光変換素子は、前記電気入力信号に応答して出力光が制御される半導体レーザまたは発光ダイオードである。このようにすれば、電気入力信号を容易に光信号に変換することができる。

また、好適には、前記負帰還光増幅効果を利用した光信号増幅３端子装置は、オーディオ用プリアンプまたはオーディオ用エフェクターとして用いられる。このようにすれば、ノイズがなく、奥行き感があり、余韻のある高品質の音響が得られる。

また、好適には、前記光信号素子は、２個以上の光信号増幅素子から構成されたものであってもよい。

また、好適には、前記光信号増幅３端子装置は、前記波長選択素子により選択された光信号を電気信号に変換し、電気出力信号として出力する光／電変換素子を、さらに含む。このようにすれば、光／電変換素子から出力された電気出力信号は、前記電気入力信号に対して、高い変調度を有しているので、Ｓ／Ｎ比、出入力振幅増幅比が十分に高く、誤り率が十分に低い電気出力信号が得られる。

また、前記光／電変換素子から出力された電気出力信号は、前記電気入力信号に対して、高い変調度を有している。このようにすれば、Ｓ／Ｎ比、出入力振幅増幅比が十分に高く、誤り率が十分に低い光出力信号が得られる。

また、好適には、前記光／電変換素子は、ホトトランジスタ素子、ホトダイオード素子、ソーラバッテリセル、光電セルなどのように、光信号をその信号に対応する強度を備えた電気信号に変換するものであればよい。

以下、本発明の一実施例の、負帰還光増幅効果を利用した光信号増幅３端子装置１０を図面に基づいて詳細に説明する。

図１において、光信号増幅３端子装置１０は、たとえば音響をアナログ波形で表すオーディオ信号である電気入力信号ＳＥ１を受けてそれを光信号に変換して負帰還光増幅効果を利用して増幅し、電気出力信号ＳＥ３として出力するものである。光信号増幅３端子装置１０は、たとえば反転増幅器として機能するオペアンプから構成され、上記電気入力信号ＳＥ１を反転させた反転電気入力信号ＳＥ２を出力する信号反転素子１２と、たとえば出力波長が異なる２種類の半導体レーザダイオード或いはＬＥＤから構成され、上記電気入力信号ＳＥ１を第１波長λ１の光入力信号ＳＰ１に変換するとともに、上記反転電気入力信号ＳＥ２を第１波長λ１とは異なる第２波長λ２の反転光入力信号ＳＰ２に変換する電／光変換素子１４と、それら光入力信号ＳＰ１および反転光入力信号ＳＰ２を合波する光カプラ１６と、その光カプラ１６により合波された光入力信号ＳＰ１および反転光入力信号ＳＰ２を受け、負帰還光増幅効果に従って光増幅し、第１波長λ１の信号光とその第１波長λ１を中心とした相互利得変調可能な第２波長λ２を含む周波数帯であってその第１波長λ１を除く周波数帯の周囲光( 自然発生光）とを出力する光信号増幅素子１８と、その光信号増幅素子１８から出力された光のうち第１波長λ１の光信号を選択し、光出力信号ＳＰ３として出力する波長選択素子２０と、たとえばホトトランジスタ素子、ホトダイオード素子、ソーラバッテリセル、光電セルなどから構成され、上記波長選択素子２０から出力された光出力信号ＳＰ３を電気信号に変換し、電気出力信号ＳＥ３として出力する光／電変換素子２２とを、備えている。上記反転光入力信号ＳＰ２の第２波長λ２は、上記周囲光の帯域内に設定されている。たとえば、光入力信号ＳＰ１の第１波長λ１が１５５０ｎｍ程度であるとすると、反転光入力信号ＳＰ２の第２波長λ２は１５３０乃至１５４５ｎｍ、或いは１５５５乃至１５７０ｎｍ程度である。

上記光信号増幅素子１８は、希土類元素たとえばエルビウムがドープされた光ファイバーや、ｐｎ接合から構成され、量子井戸、歪み超格子、或いは量子ドット構造の活性層を光導波路内に有するチップ状の半導体光増幅素子から構成される。上記光ファイバーは、ＳｉＯ₂ を母材としたシリケートガラスから構成されたものであれば、１０ｋＨｚ程度以下の周波数帯域で増幅器としての使用が可能となるが、フッ化物を母材としたガラスであれば、エルビウムのドープ量を多くすることができて応答性が高められ、２０ｋＨｚ程度まで増幅器として使用可能な周波数帯域が拡大される。

上記光信号増幅素子１８では、ドーパントにより構成された所定のエネルギ準位で決まる誘導放射可能な周波数の光、すなわち図２(a) に示す第１波長λ１の光入力信号ＳＰ１が入射されると、その光入力信号ＳＰ１が誘導放射により増幅されようとするが、周辺光の波長である図２(b) に示す第２波長λ２の反転光入力信号ＳＰ２の強度が大きくなるほど、その増幅率が低くなるという相互利得変調作用が働く。すなわち、反転光入力信号ＳＰ２は、光入力信号ＳＰ１の第１λ１の周囲光の波長帯内の第２波長λ２を備えたものであることから、光信号増幅素子１８に入射させられると図２(c) に示すように第１波長λ１の光入力信号ＳＰ１に対するそのゲイン( 増幅率）を減少させるので、光入力信号ＳＰ１に対して負帰還光として機能する。図２(c) の実線はこの様子を示したものであり、点線は負帰還光( 反転光入力信号ＳＰ２) を入力させない場合であって、ゲインは一定である。また、この反転光入力信号ＳＰ２は、入力信号変換器１２によって光入力信号ＳＰ１が反転させられたものであるため、その光入力信号ＳＰ１に対して同等の大きな振幅を有する反転光である。このため、図２(d) に示すように、第１波長λ１の光入力信号ＳＰ１と共に、それと位相が反転した第２波長λ２の反転光入力信号ＳＰ２が光信号増幅素子１８に入射されると、その光信号増幅素子１８の出力光から選択された第１波長λ１の光出力信号ＳＰ３は、安定化されるだけでなく、上記負帰還光として機能する反転光入力信号ＳＰ２は光入力信号ＳＰ１に対して同等の大きな振幅を有する反転光であるため、光信号増幅素子１８から出力された光出力信号ＳＰ３は、その基線レベルが点線で示した負帰還光を入力させない場合に比較して低く、変調度Ｍ、Ｓ／Ｎ比、出入力振幅増幅比が十分に高く、誤り率が十分に低い信号光となる。したがって、その光出力信号ＳＰ３から光／電変換素子２２により変換されることにより、Ｓ／Ｎ比、出入力振幅増幅比が十分に高く、且つ誤り率が十分に低い電気出力信号ＳＥ３が得られる。

前記光カプラ１６は、光アドドロップ素子から構成されて光入力信号ＳＰ１および反転光入力信号ＳＰ２を合波する。また、前記波長選択素子２０は、光アド・ドロップフィルタ、多層膜構造の光学フィルタ、多層膜構造の反射板、グレーティングフィルタ、フォトニッククリスタルフィルタのいずれかから構成され、光増幅素子１８から出力された光のうち第１波長λ１の光信号を選択して出力する。

以下、本発明者が行った実験結果を説明する。ここで、信号の最大電圧をＶ_max 、信号の最小電圧をＶ_min とすると、変調度Ｍとは、( Ｖ_max −Ｖ_min ) ／( Ｖ_max ＋Ｖ_min ) として定義され、変調度比ＭＲとは、( 電気出力信号ＳＥ３または光出力信号ＳＰ３の変調度Ｍ３／電気入力信号ＳＥ１または光入力信号ＳＰ１の変調度Ｍ１) として定義される。また、出力入力電圧比とは、( 電気出力信号ＳＥ３または光出力信号ＳＰ３の電圧／電気入力信号ＳＥ１または光入力信号ＳＰ１の電圧) すなわち増幅率として定義される。また、歪み率( ％）とは、[ （高調波( 電圧) ／基本波( 電圧) ] ×１００として定義される。

図３乃至６は、数百ｐｐｍ程度のエルビウムがドープされたシリカ( ＳｉＯ₂ ) ガラスから成る光ファイバーから構成された光信号増幅素子１８を用いて図１に示すように光信号増幅３端子装置１０を構成し、電気入力信号ＳＥ１の周波数を変化させたときに得られる電気出力信号ＳＥ３の変調度比ＭＲ、出力入力電圧比、Ｓ／Ｎ比、ビット誤り率ＢＥＲを、反転光入力信号ＳＰ２を光信号増幅素子１８に入力させない場合と比較して示している。これらの図３乃至６では、反転光入力信号ＳＰ２を光信号増幅素子１８に入力させた場合( ＳＥ２＝５Ｖ）のデータポイントが◇印で示され、反転光入力信号ＳＰ２を光信号増幅素子１８に入力させない場合( ＳＥ２＝０Ｖ）のデータポイントが□印で示されている。図３乃至６において示されているように、特に１０ｋＨｚ以下の低周波数領域すなわち可聴周波数領域において、反転光入力信号ＳＰ２を光信号増幅素子１８に入力させた場合は、反転光入力信号ＳＰ２を光信号増幅素子１８に入力させない場合に比較して、変調度比ＭＲ、出力入力電圧比、Ｓ／Ｎ比が大幅に高く、且つ、ビット誤り率ＢＥＲが大幅に低くなる。たとえば、変調度比ＭＲについては、図３に示すように、２００Ｈｚ以下において反転光入力信号ＳＰ２を光信号増幅素子１８に入力させた場合の変調度比ＭＲに改善が見られ、信号の周波数が低くなるほど差が大きくなる。また、出力入力電圧比については、図４に示すように、２乃至３ｋＨｚ以下において反転光入力信号ＳＰ２を光信号増幅素子１８に入力させた場合の出入力電圧比の増加が見られ、特に８００Ｈｚ以下において約５倍の増幅が見られる。また、Ｓ／Ｎ比については、図５に示すように、２乃至３ｋＨｚ以下において反転光入力信号ＳＰ２を光信号増幅素子１８に入力させた場合のＳ／Ｎ比の増加が見られる。また、ビット誤り率ＢＥＲについては、図６に示すように、２０ｋＨｚ以下において反転光入力信号ＳＰ２を光信号増幅素子１８に入力させた場合のビット誤り率ＢＥＲの低下が見られ、電気入力信号ＳＥ１の周波数が低くなるほど差が大きくなる。反転光入力信号ＳＰ２を光信号増幅素子１８に入力させた場合のビット誤り率ＢＥＲは、低く、１０^-7以下であるのに対し、反転光入力信号ＳＰ２を光信号増幅素子１８に入力させない場合のビット誤り率ＢＥＲは、電気入力信号ＳＥ１の周波数が低くなるほど増加する。

図７は、上記エルビウムがドープされたシリケート( ＳｉＯ₂ ) ガラスから成る光ファイバーから構成された光信号増幅素子１８を用いて図１に示すように光信号増幅３端子装置１０を構成したときの、１００Ｈｚの電気入力信号ＳＥ１を入力させたときに得られる、光入力信号ＳＰ１、反転電気入力信号ＳＥ２、反転光入力信号ＳＰ２、および電気出力信号ＳＥ３( 光出力信号ＳＰ３）を時間軸上に示している。電／光変換素子１４を構成するレーザダイオードの特性により電気入力信号ＳＥ１の波形が歪んだ光入力信号ＳＰ１が発生させられるが、図７から明らかなように、波形歪みの少ない光出力信号ＳＰ３すなわち電気出力信号ＳＥ３が得られている。

図８は、上記エルビウムがドープされたシリカ( ＳｉＯ₂ ) ガラスから成る光ファイバーから構成された光信号増幅素子１８を用いて図１に示すように光信号増幅３端子装置１０を構成したとき、上記反転電気入力信号ＳＥ２( 反転光入力信号ＳＰ２）の大きさ( Ｖ_P-P ) を変化させたときに得られる電気入力信号ＳＥ１の変調度Ｍ１と電気出力信号ＳＥ３の変調度Ｍ３との比である変調度比ＭＲ( ＝Ｍ３／Ｍ１）の変化を示している。これにより、反転電気入力信号ＳＥ２が３乃至５Ｖ_P-P において安定した変調度比ＭＲが得られるとともに、その反転電気入力信号ＳＥ２を用いて変調度比ＭＲを制御可能であることがわかる。

次に、ガラスの母材をフッ化物で構成することにより高濃度たとえば１０００乃至３０００ｐｐｍ程度のエルビウムを含有させた光ファイバーから構成された光信号増幅素子１８を用いて図１に示すように光信号増幅３端子装置１０を構成したときに得られる特性を、図９乃至図１１を用いて説明する。

図９および図１０は、上記のフッ化物ガラスにより高濃度のエルビウムを含有させた光ファイバーから構成された光信号増幅素子１８を用いて図１に示すように光信号増幅３端子装置１０を構成し、上記反転電気入力信号ＳＥ２( 反転光入力信号ＳＰ２）の大きさ( Ｖ_P-P ) を０Ｖ、１Ｖ、５Ｖとしたときに、電気入力信号ＳＥ１の周波数を変化させたときに得られる出力入力電圧比およびＳ／Ｎ比を、それぞれ示している。図９において、出力入力電圧比を、反転光入力信号ＳＰ２を光信号増幅素子１８に入力させない場合すなわち反転電気入力信号ＳＥ２が０Ｖの場合と比較して示している。２０ｋＨｚ程度以下において反転光入力信号ＳＰ２を光信号増幅素子１８に入力させた場合の出入力電圧比の増加が見られ、特に８００Ｈｚ以下において反転電気入力信号ＳＥ２大きくするほど出力入力電圧比が大きくなり、反転電気入力信号ＳＥ２が５Ｖであるときには出力入力電圧比が約２倍の増幅が見られる。また、周波数２０ｋＨｚ以上においても効果が確認される。すなわち、シリケートガラスより高い周波数まで応答する。図１０において、Ｓ／Ｎ比を、反転光入力信号ＳＰ２を光信号増幅素子１８に入力させない場合すなわち反転電気入力信号ＳＥ２が０Ｖの場合と比較して示している。２ｋＨｚ程度以下において反転光入力信号ＳＰ２を光信号増幅素子１８に入力させた場合のＳ／Ｎ比の増加が見られ、特に８００Ｈｚ以下において反転電気入力信号ＳＥ２大きくするほどＳ／Ｎ比が大きくなる。

図１１は、上記のガラスの母材をフッ化物にすることにより高濃度のエルビウムを含有させた光ファイバーから構成された光信号増幅素子１８を用いて図１に示すように光信号増幅３端子装置１０を構成した場合と、前記エルビウムがドープされたシリケートガラスから成る光ファイバーから構成された光信号増幅素子１８を用いて図１に示すように光信号増幅３端子装置１０を構成した場合とにおいて、電気入力信号ＳＥ１の周波数を変化させたときに得られる歪み率( ％）を示している。図１１に示すように、１０ｋＨｚ以下の領域において周波数が低くなるほど歪み率が大きくなり、数百Ｈｚ以下の領域においてそれが飽和状態となるが、フッ化物ガラスに高濃度のエルビウムを含有させた光ファイバーから構成された光信号増幅素子１８を用いた場合( ▽印）の方が、シリケートガラスにエルビウムを含有させた光ファイバーから構成された光信号増幅素子１８を用いた場合( ◇印）よりも、歪み率が相対的に小さい。

次に、たとえば導波路内にｐｎ接合から成るとともに量子井戸、歪み超格子、量子ドットのいずれかから構成されている活性層を有し、誘導放射を利用して光増幅を行う半導体から構成された光信号増幅素子１８を用いて図１に示すように光信号増幅３端子装置１０を構成した場合の特性について、図１２乃至図１４を用いて以下に説明する。

図１２は、上記の半導体から構成された光信号増幅素子１８を用いて図１に示すように光信号増幅３端子装置１０を構成した場合の負帰還効果を、電気入力信号ＳＥ１の周波数を変化させたときに得られる出入力電圧比で示す特性図であって、反転光入力信号ＳＰ２を光信号増幅素子１８に入力させた場合( ＳＥ２＝５Ｖ）のデータポイントが◇印で示され、反転光入力信号ＳＰ２を光信号増幅素子１８に入力させない場合( ＳＥ２＝０Ｖ）のデータポイントが□印で示されている。図１２に示されるように、反転光入力信号ＳＰ２を光信号増幅素子１８に入力させた場合は、入力させない場合に比較して、８０ｋＨｚ付近から１０Ｈｚまでの領域全般において、高い出入力電圧比が得られる。

図１３は、上記の半導体から構成された光信号増幅素子１８を用いて図１に示すように光信号増幅３端子装置１０を構成した場合の負帰還効果を、電気入力信号ＳＥ１の周波数を変化させたときに得られるビット誤り率ＢＥＲで示す特性図であって、反転光入力信号ＳＰ２を光信号増幅素子１８に入力させた場合のデータポイントが◇印で示され、反転光入力信号ＳＰ２を光信号増幅素子１８に入力させない場合のデータポイントが□印で示されている。図１３において示されるように、反転光入力信号ＳＰ２を光信号増幅素子１８に入力させた場合は、入力させない場合に比較して、少なくとも２５ｋＨｚから１０Ｈｚまでの領域全般において、ビット誤り率ＢＥＲが低くなる。このビット誤り率ＢＥＲの差は、電気入力信号ＳＥ１の周波数が低くなるほど差が大きくなる。

図１４は、上記の半導体から構成された光信号増幅素子１８を用いて図１に示すように光信号増幅３端子装置１０を構成した場合の出入力電圧比( ○印) を、他の場合と比較して示している。図１４において、◇印および△印はエルビウムがドープされたシリケート( ＳｉＯ₂ ) ガラスから成る光ファイバーから構成された光信号増幅素子１８を用いて図１に示すように光信号増幅３端子装置１０を構成した場合のエルビウム濃度が高いファイバおよび低いファイバである場合の出入力電圧比をそれぞれ示している。数ｋＨｚ以下の低い周波数領域では、上記各場合では１．２以上の出入力電圧比が安定して得られ、○印に示す出入力電圧比、◇印に示す出入力電圧比、△印に示す出入力電圧比の順に大きい値が得られる。しかし、数ｋＨｚよりも高い周波数領域では、△印に示す出入力電圧比が相対的に低い値となる。また、エルビウム濃度が高い方が高い周波数まで出入力電圧比が高い値となる。

以上のようにして構成された光信号増幅３端子装置１０は、オーディオ用プリアンプ或いはオーディオ用エフェクターとして好適に用いられる。図１５は、光信号増幅３端子装置１０を、オーディオ回路に組み込んだ例を示している。図１５において、ＭＤプレーヤ、ＣＤプレーヤ、受信器等の再生装置から構成される音源３０と電力増幅器３２との間に、光信号増幅３端子装置１０がプリアンプとして介挿されている。音源３０から出力されたオーディオ入力信号である電気入力信号ＳＥ１が光信号増幅３端子装置１０に入力されると、前述の作動に従って、Ｓ／Ｎ比、出入力振幅増幅比が十分に高く、且つビット誤り率や波形歪みが十分に低い電気出力信号ＳＥ３が出力され、それが電力増幅器３２において電力増幅された後、スピーカ３４が駆動される。これにより、雑音がなく澄んだ音となり、奥行き感が広がり、響きの余韻が好適に現れる音出力が得られる。

上述のように、本実施例の負帰還光増幅効果を利用した光信号増幅３端子装置１０によれば、電気入力信号ＳＥ１から変換された第１波長λ１の光入力信号ＳＰ１とその電気入力信号ＳＥ１が反転させられた反転電気入力信号ＳＥ２から変換された第２波長λ２の反転光入力信号ＳＰ２とが光カプラ１６に合波されて光信号増幅素子１８へ入力させられ、その光信号増幅素子１８から出力された光信号から選択された第１波長λ１の光出力信号ＳＰ３が電気信号に変換されて電気出力信号ＳＥ３として出力されることから、上記光信号増幅素子１８から出力された光信号は、その基線レベルが低く、変調度、Ｓ／Ｎ比、出入力振幅増幅比が十分に高く、誤り率が十分に低い信号光であるので、その光信号が変換されることにより、Ｓ／Ｎ比、出入力振幅増幅比が十分に高く、且つ誤り率が十分に低い電気出力信号ＳＥ３が得られる。

また、本実施例の負帰還光増幅効果を利用した光信号増幅３端子装置１０によれば、光／電変換素子２２から出力された電気出力信号ＳＥ３は、電気入力信号ＳＥ１に対して、高い変調度を有していることから、Ｓ／Ｎ比、出入力振幅増幅比が十分に高く、誤り率が十分に低い電気出力信号ＳＥ３が得られる。

また、好適には、本実施例の負帰還光増幅効果を利用した光信号増幅３端子装置１０によれば、光信号増幅素子１８は、希土類元素がドープされたシリケートガラスを母材とする光ファイバーから構成されていることから、半導体型光増幅素子に比較して低パワーで信号増幅作動が可能であり、特に低周波数領域において、出入力振幅増幅比およびＳ／Ｎ比が高く且つ誤り率が低い電気出力信号ＳＥ３が得られる。

また、本実施例の負帰還光増幅効果を利用した光信号増幅３端子装置１０によれば、その光増幅素子１８を構成する光ファイバーは、エルビウムがドープされたものである。このようにすれば、光通信で用いられている１．５μｍ帯の波長の光信号に対して、出入力振幅増幅比およびＳ／Ｎ比が高く且つ誤り率が低い電気出力信号ＳＥ３が得られる。

また、本実施例の負帰還光増幅効果を利用した光信号増幅３端子装置１０によれば、その光増幅素子１８を構成する光ファイバーの母材は、フッ化物から構成されたものである。このようにすれば、希土類元素のドープ量を多くして励起準位の電子のライフタイムを短縮することが可能となり、作動周波数帯域の上限値を２０ｋＨｚ程度に高くすることができるとともに、歪み率の低減ができる。

また、本実施例の負帰還光増幅効果を利用した光信号増幅３端子装置１０によれば、その光増幅素子１８は、ｐｎ接合から成る活性層を備えた半導体光信号増幅素子であることから、半導体によって光増幅素子が容易に小型化或いは１チップ化できるとともに、その高い応答性に基づいてＧＨｚオーダの高い周波数帯域においても、低ノイズの信号増幅が可能となる。

また、本実施例の負帰還光増幅効果を利用した光信号増幅３端子装置１０によれば、その光増幅素子１８を構成する半導体光信号増幅素子の活性層は、量子井戸、歪み超格子、量子ドットのいずれかから構成されていることから、半導体によって光信号増幅素子が容易に小型化されるとともに、上記量子井戸または量子ドットが用いられる場合は、光信号増幅素子の高速スイッチング性能が高められ、歪み超格子が用いられる場合は、波長依存性の小さい光信号増幅素子が得られる。

また、本実施例の負帰還光増幅効果を利用した光信号増幅３端子装置１０によれば、その波長選択素子２０は、光アド・ドロップフィルタ、多層膜構造の光学フィルタ、グレーティングフィルタ、フォトニッククリスタルフィルタのいずれかから構成されているので、光信号増幅素子からの出力信号光と周辺光とが効率よく分離され、同時にそれぞれ光ファイバ或いは導波路へ出力される利点がある。

また、本実施例の負帰還光増幅効果を利用した光信号増幅３端子装置１０によれば、その光カプラ１６は、光アドドロップ素子から構成されているので、光信号増幅素子１８へ入力される第１波長λ１および第２波長λ２の光信号が効率よく合波される利点がある。

また、本実施例の負帰還光増幅効果を利用した光信号増幅３端子装置１０によれば、電気入力信号ＳＥ１は、音響をアナログ的に表すオーディオ入力信号である。このようにすれば、Ｓ／Ｎ比、出入力振幅増幅比が十分に高く、誤り率が十分に低い電気出力信号によってスピーカを駆動することができるので、高い音質が得られる。

また、本実施例の負帰還光増幅効果を利用した光信号増幅３端子装置１０によれば、その電／光変換素子１４は、電気入力信号ＳＥ１に応答して出力光が制御される半導体レーザまたは発光ダイオードであるので、電気入力信号を容易に光信号に変換することができる。

また、本実施例の負帰還光増幅効果を利用した光信号増幅３端子装置１０は、オーディオ用プリアンプまたはオーディオ用エフェクターとして用いられるので、ノイズがなく、奥行き感があり、余韻のある高品質の音響が得られる。

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。

たとえば、前述の実施例の波長選択素子２０は、光増幅素子１８から出力された光のうち第１波長λ１の光信号を選択し、その第１波長λ１の光信号を光出力信号ＳＰ３として出力するものであったが、光増幅素子１８から出力された光のうち第２波長λ２の光信号を選択し、その第２波長λ２の光信号を光出力信号ＳＰ３として出力するものであってもよい。上記光増幅素子１８から出力された光のうちの第１波長λ１の光信号と第２波長λ２の光信号とは相互に位相が反転いているだけであるので、用途によっては相互に互換可能であるからである。

また、前述の実施例の光信号増幅３端子装置１０に設けられた光増幅素子１８は、１段の光増幅素子から構成されていたが、２段の光増幅素子を備えたものであってもよいし、３個以上の光増幅素子を備えたものであってもよい。

また、前述の実施例の光信号増幅３端子装置１０に設けられた光増幅素子１８は、エルビウム元素を含む光ファイバから構成されたもの（ＥＤＦＡ）であったが、希土類元素としてプラセオジウムが添加（ドープ）された光ファイバ増幅器であってもよい。

なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり、本発明はその主旨を逸脱しない範囲において種々変更が加えられ得るものである。

本発明の一実施例の光信号増幅３端子装置の構成を説明するブロック図である。 図１の実施例の光信号増幅３端子装置の作動を説明するタイムチャートである。 図１の実施例の光信号増幅３端子装置に備えられた光信号増幅素子がエルビウムドープド光ファイバにより構成された場合の、電気入力信号の周波数と変調度比との間の関係を示す特性図であって、反転電気入力信号のある場合と無い場合とについて対比して示す図である。 図１の実施例の光信号増幅３端子装置に備えられた光信号増幅素子がエルビウムドープド光ファイバにより構成された場合の、電気入力信号の周波数と出入力電圧比との間の関係を示す特性図であって、反転電気入力信号のある場合と無い場合とについて対比して示す図である。 図１の実施例の光信号増幅３端子装置に備えられた光信号増幅素子がエルビウムドープド光ファイバにより構成された場合の、電気入力信号の周波数と電気出力信号のＳ／Ｎ比との間の関係を示す特性図であって、反転電気入力信号のある場合と無い場合とについて対比して示す図である。 図１の実施例の光信号増幅３端子装置に備えられた光信号増幅素子がエルビウムドープド光ファイバにより構成された場合の、電気入力信号の周波数と電気出力信号のビット誤り率ＢＥＲとの間の関係を示す特性図である。 図１の実施例の光信号増幅３端子装置に備えられた光信号増幅素子がエルビウムドープド光ファイバにより構成された場合の作動を示すために、１００Ｈｚの電気入力信号、光入力信号、反転電気入力信号、反転光入力信号、電気出力信号の波形をそれぞれ示す図である。 図１の実施例の光信号増幅３端子装置に備えられた光信号増幅素子がエルビウムドープド光ファイバにより構成された場合の、反転電気入力信号の大きさと変調度比との関係を示す特性図である。 図１の実施例の光信号増幅３端子装置に備えられた光信号増幅素子がフッ化物を母材とするエルビウムドープド光ファイバにより構成された場合の、電気入力信号の周波数と電気出力信号の出入力電圧比との関係を示す特性図であって、反転電気入力信号が０Ｖ、１Ｖ、５Ｖである場合について対比して示す図である。 図１の実施例の光信号増幅３端子装置に備えられた光信号増幅素子がフッ化物を母材とするエルビウムドープド光ファイバにより構成された場合の、電気入力信号の周波数と電気出力信号のＳ／Ｎ比との関係を示す特性図であって、反転電気入力信号が０Ｖ、１Ｖ、５Ｖである場合について対比して示す図である。 図１の実施例の光信号増幅３端子装置に備えられた光信号増幅素子がフッ化物を母材とするエルビウムドープド光ファイバにより構成された場合と、前記エルビウムがドープされたシリケートガラスで光ファイバが構成された場合の、電気入力信号の周波数と電気出力信号の歪み率との関係を示す特性図である。 図１の実施例の光信号増幅３端子装置に備えられた光信号増幅素子が半導体光増幅素子により構成された場合の、電気入力信号の周波数と出入力電圧比との関係を示す特性図であって、反転電気入力信号のある場合と無い場合とについて対比して示す図である。 図１の実施例の光信号増幅３端子装置に備えられた光信号増幅素子が半導体光増幅素子により構成された場合の、電気入力信号の周波数とビット誤り率ＢＥＲとの関係を示す特性図であって、反転電気入力信号のある場合と無い場合とについて対比して示す図である。 図１の実施例の光信号増幅３端子装置に備えられた光信号増幅素子が半導体光増幅素子により構成された場合の、電気入力信号の周波数と出入力電圧比との関係を示す特性図を、他の形式の光信号増幅素子と対比して示す図である。 図１の実施例の光信号増幅３端子装置が、オーディオ回路に組入れられた状態を説明する図である。

符号の説明

１０：光信号増幅３端子装置
１２：信号反転素子
１４：電／光変換素子
１６：光カプラ
１８：光信号増幅素子
２０：波長選択素子
２２：光／電変換素子

Claims (13)

1. 電気入力信号を光信号に変換して増幅するための、負帰還光増幅効果を利用した光信号増幅３端子装置であって、
   前記電気入力信号を反転して出力する信号反転素子と、
   前記電気入力信号を第１波長の光入力信号に変換し、該信号反転素子から出力された反転電気入力信号を第１波長とは異なる第２波長の反転光入力信号に変換する電／光変換素子と、
   負帰還光増幅効果を有する光信号増幅素子と、
   前記電／光変換素子からそれぞれ出力された光入力信号および反転光入力信号を合波して該光信号増幅素子へ入力させる光カプラと、
   前記光信号増幅素子から出力された光のうち前記第１波長または第２波長の光信号を選択する波長選択素子と、
   を、含むことを特徴とする光信号増幅３端子装置。
2. 前記光信号増幅素子は、希土類元素がドープされた光ファイバーから構成されていることを特徴とする請求項１の光信号増幅３端子装置。
3. 前記光ファイバーは、エルビウムがドープされたものであることを特徴とする請求項２の光信号増幅３端子装置。
4. 前記光ファイバーの母材は、フッ化物から構成されたものであることを特徴とする請求項２または３の光信号増幅３端子装置。
5. 前記光信号増幅素子は、ｐｎ接合から成る活性層を備えた半導体光信号増幅素子であることを特徴とする請求項１の光信号増幅３端子装置。
6. 前記半導体光信号増幅素子の活性層は、量子井戸、歪み超格子、量子ドットのいずれかから構成されていることを特徴とする請求項５の光信号増幅３端子装置。
7. 前記波長選択素子は、光アドドロップフィルタ、多層膜構造の光学フィルタ、グレーティングフィルタ、フォトニッククリスタルフィルタのいずれかから構成されていることを特徴とする請求項１乃至６の光信号増幅３端子装置。
8. 前記光カプラは、光アドドロップ素子から構成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかの光信号増幅３端子装置。
9. 前記電気入力信号は、音響をアナログ的に表すオーディオ入力信号であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかの光信号増幅３端子装置。
10. 前記電／光変換素子は、前記電気入力信号に応答して出力光が制御される半導体レーザまたは発光ダイオードであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかの光信号増幅３端子装置。
11. オーディオ用プリアンプまたはオーディオ用エフェクターとして用いられるものである請求項１乃至１０のいずれかの光信号増幅３端子装置。
12. 前記波長選択素子により選択された光信号を電気信号に変換し、電気出力信号として出力する光／電変換素子を、さらに含むことを特徴とする請求光１乃至１１のいずれかの光信号増幅３端子装置。
13. 前記光／電変換素子から出力された電気出力信号は、前記電気入力信号に対して、高い変調度を有していることを特徴とする請求項１２の光信号増幅３端子装置。

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