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JP2014095780A - Optical amplifier - Google Patents

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JP2014095780A
JP2014095780A JP2012246493A JP2012246493A JP2014095780A JP 2014095780 A JP2014095780 A JP 2014095780A JP 2012246493 A JP2012246493 A JP 2012246493A JP 2012246493 A JP2012246493 A JP 2012246493A JP 2014095780 A JP2014095780 A JP 2014095780A
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JP
Japan
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optical
light
waveguide
phase
order nonlinear
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Application number
JP2012246493A
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Japanese (ja)
Inventor
Kouji Enbutsu
晃次 圓佛
Masaki Asobe
雅生 遊部
Hirokazu Takenouchi
弘和 竹ノ内
Takeshi Umeki
毅伺 梅木
Akio Tokura
明雄 登倉
Takushi Kazama
拓志 風間
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NTT Inc
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

【課題】従来技術の位相感応光増幅器では、光導波路を含む基板と接続する個別の光部品や、信号光および励起光の間の位相同期回路が必要であった。光アイソレータや光サーキュレータも必要となり部品点数が増加し、増幅器全体の構成が複雑になる問題があった。励起光発生の際に変換し切れなかった信号光の反射光がDPA用PPLNに戻り光として入射するため、パラメトリック増幅効率が低下して、増幅特性が劣化する問題もあった。
【解決手段】本発明の位相感応光増幅器は、直接接合法により作製した2次非線形光学デバイスおよび2つのMMIを1つの基板上に集積化構成し、集積化基板が端面加工されている。フィルタ機能を持つMMIの反射端面が、基板端面の一部を成す。信号光および励起光の間の位相同期用の変調器を同一基板上にさらに集積化することもできる。さらに、基本波光だけでなく励起光である第二高調波に対して位相変調を施す構成も採用する。
【選択図】図3
In a phase sensitive optical amplifier of the prior art, an individual optical component connected to a substrate including an optical waveguide and a phase synchronization circuit between signal light and pump light are required. An optical isolator and an optical circulator are also required, which increases the number of parts and complicates the configuration of the entire amplifier. Since the reflected light of the signal light that could not be converted when the excitation light was generated enters the PPA PPLN as return light, there is a problem that the parametric amplification efficiency is lowered and the amplification characteristics are deteriorated.
A phase-sensitive optical amplifier according to the present invention has a second-order nonlinear optical device and two MMIs fabricated by a direct bonding method integrated on a single substrate, and the integrated substrate is end-face processed. The reflective end face of the MMI having a filter function forms part of the end face of the substrate. It is possible to further integrate a modulator for phase synchronization between the signal light and the excitation light on the same substrate. Furthermore, the structure which performs phase modulation with respect to the 2nd harmonic which is not only fundamental wave light but excitation light is also employ | adopted.
[Selection] Figure 3

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位相感応型光増幅器に関する。   The present invention relates to an optical amplifying device, and more specifically, to a phase sensitive optical amplifier used in an optical communication system and an optical measurement system.

従来技術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。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・処理速度に制限があること、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ことなどの問題があった。   In the optical transmission system of the prior art, in order to regenerate a signal attenuated by propagating through an optical fiber, an identification reproduction optical repeater that converts an optical signal into an electric signal and regenerates the optical signal after identifying the digital signal is provided. It was used. This identification and reproduction optical repeater has problems such as a limitation in response / processing speed of an electronic component that converts an optical signal into an electric signal, and an increase in power consumption as the speed of a signal to be transmitted increases.

この問題を解決するための信号増幅手段として、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用いられている。ファイバレーザ増幅器や半導体レーザ増幅器は、信号光を光のままで増幅することができるので、識別再生光中継器で問題になっていた電気的な応答・処理速度の制限が存在しない。加えて、ファイバレーザ増幅器や半導体レーザ増幅器は、その機器構成も比較的単純であるという利点を持っている。しかしながら、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SN比が増幅前後で少なくとも3dB低下する。これらは、デジタル信号伝送時における伝送符号誤り率の上昇につながり、伝送品質を低下させる要因になっている。   As a signal amplifying means for solving this problem, a fiber laser amplifier or a semiconductor laser amplifier that amplifies signal light by making excitation light incident on an optical fiber doped with a rare earth element such as erbium or praseodymium is used. Since the fiber laser amplifier and the semiconductor laser amplifier can amplify the signal light as it is, there is no limitation on the electrical response and processing speed which has been a problem in the identification reproduction optical repeater. In addition, fiber laser amplifiers and semiconductor laser amplifiers have the advantage that their device configuration is relatively simple. However, these laser amplifiers do not have a function of shaping a deteriorated signal light pulse waveform. Further, in these laser amplifiers, unavoidably and randomly generated spontaneous emission light is mixed regardless of the signal component. For this reason, the S / N ratio of the signal light decreases by at least 3 dB before and after amplification. These lead to an increase in transmission code error rate at the time of digital signal transmission, which is a factor of reducing transmission quality.

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、信号光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。   As means for overcoming the limitations of the conventional laser amplifier, a phase sensitive optical amplifier (PSA) has been studied. This phase-sensitive optical amplifier has a function for shaping a signal light pulse waveform that has deteriorated due to the influence of dispersion in the transmission fiber. Further, since spontaneous emission light having a quadrature phase irrelevant to the signal light can be suppressed, in principle, the S / N ratio of the signal light can be kept the same before and after amplification.

位相感応型増幅器の実現方式は、光ファイバなどの三次非線形光学媒質を用いた構成と、二次非線形光学媒質を用いた構成とに大別できる。二次非線形光学媒質を用いた構成は、光ファイバなどの三次非線形光学媒質を用いた構成と比べて、GAWBS(guided acoustics wave Brillouin scattering)やASEの混入がなく、低ノイズな増幅が可能である。   The implementation method of the phase sensitive amplifier can be roughly divided into a configuration using a third-order nonlinear optical medium such as an optical fiber and a configuration using a second-order nonlinear optical medium. The configuration using the second-order nonlinear optical medium is less mixed with GAWBS (guided acoustics wave Brillouin scattering) and ASE than the configuration using the third-order nonlinear optical medium such as an optical fiber, and can be amplified with low noise. .

図1、従来技術1の位相感応光増幅器の基本的な構成を示す図である。位相感応光増幅器100は、二次非線形光学媒質として周期分極反転導波路を用いた位相感応光増幅器の基本的な構成を示している。図1以降の全ての図においては、点線の矢印は第二高調波光(波長0.77μm)を表し、実線の矢印で基本波光(波長1.54μm)を表している。また矢印の線の太い光は、矢印の線の細い光に比べて、そのレベルがより大きいことを示している。   FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a phase-sensitive optical amplifier of prior art 1. The phase sensitive optical amplifier 100 shows a basic configuration of a phase sensitive optical amplifier using a periodically poled waveguide as a second-order nonlinear optical medium. In all the drawings after FIG. 1, the dotted arrow indicates the second harmonic light (wavelength 0.77 μm), and the solid arrow indicates the fundamental light (wavelength 1.54 μm). In addition, light with a thick arrow line indicates a higher level than light with a thin arrow line.

本構成では、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、光分岐部101によって信号光の一部を取り出し、これを励起光として、ファイバレーザ増幅器104を用いて基本波光を増幅する。増幅された基本波光を第1の二次非線形光学素子105に入射させて第二高調波を発生させる。さらに、第2の二次非線形光学素子107に、信号光および第1の二次非線形光学素子105で生成された第二高調波113を入射して縮退パラメトリック増幅を行うことで、位相感応増幅が行われる。第1の二次非線形光学素子105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121を備え、第2の二次非線形光学素子107は、PPLNから成る光導波路122を備える。   In this configuration, in order to obtain sufficient power to obtain a nonlinear optical effect from weak laser light used for optical communication, a part of signal light is extracted by the optical branching unit 101, and this is used as pumping light to obtain a fiber laser. The fundamental light is amplified using the amplifier 104. The amplified fundamental wave light is incident on the first second-order nonlinear optical element 105 to generate a second harmonic. Further, the signal light and the second harmonic 113 generated by the first second-order nonlinear optical element 105 are incident on the second second-order nonlinear optical element 107 and degenerate parametric amplification is performed, so that phase-sensitive amplification is achieved. Done. The first second-order nonlinear optical element 105 includes an optical waveguide 121 made of periodically polarized lithium niobate (PPLN), and the second second-order nonlinear optical element 107 has an optical waveguide 122 made of PPLN. Prepare.

この位相感応型光増幅器100では、位相感応光増幅部107における信号光の位相および励起光の位相が一致すると入力信号光112が増幅され、両者の位相が90度ずれた直交位相関係になると、入力信号光112が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の位相および信号光の位相を一致させると、信号光と直交位相の自然放出光を発生させずに、すなわちSN比を劣化させずに信号光を増幅することができる。   In this phase sensitive optical amplifier 100, when the phase of the signal light and the phase of the pumping light in the phase sensitive light amplification unit 107 coincide with each other, the input signal light 112 is amplified, and when the phase of both becomes 90 degrees shifted, The input signal light 112 has a characteristic to attenuate. Utilizing this characteristic, if the phase of the pumping light and the phase of the signal light are matched so that the amplification gain is maximized, the spontaneous emission light having the quadrature phase with the signal light is not generated, that is, the SN ratio is deteriorated. Signal light can be amplified.

具体的には、図に示した位相感応光増幅器100では出力した増幅信号光の一部を光分岐部108で分岐して光検出器110で受光した後で、位相同期ループ回路(PLL)111により位相同期を行っている。EDFA104の前段側に配置した位相変調器102を用いて、正弦波により微弱な位相変調を光分岐部101で抽出した入力励起基本波光に施す。光検出器110およびPLL回路111によって、その位相変調の位相ずれを検出して、この誤差信号が、EDFA104の前段側に配置したPZTによる光ファイバ伸長器103の駆動電圧および位相変調器102のバイアス電圧にフィードバックされる。このフィードバック動作によって、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をできるようにしている。   Specifically, in the phase sensitive optical amplifier 100 shown in the figure, a part of the output amplified signal light is branched by the optical branching unit 108 and received by the photodetector 110, and then the phase locked loop circuit (PLL) 111. The phase synchronization is performed. Using the phase modulator 102 disposed on the upstream side of the EDFA 104, weak phase modulation is applied to the input excitation fundamental wave light extracted by the optical branching unit 101 using a sine wave. The photodetector 110 and the PLL circuit 111 detect the phase shift of the phase modulation, and this error signal is used to drive the optical fiber stretcher 103 and the bias of the phase modulator 102 by the PZT disposed on the front side of the EDFA 104. Feedback to voltage. This feedback operation absorbs fluctuations in the optical phase due to vibrations of the optical fiber components and temperature fluctuations, thereby enabling stable phase sensitive amplification.

図1に示した従来技術1の位相感応光増幅器では、個別の位相変調器102、ファイバ増幅器104、第二高調波生成用の二次非線形光学素子105、位相感応増幅(OPA)を行う二次非線形光学素子107および、各二次非線形光学素子内105、107内に備えられた合分波器124、125、126といった種々の光学素子を、光ファイバによって接続している。このため、各部の接続により生じる損失によって、増幅光114のSNRが低下する欠点があった。また複数の二次非線形光学デバイス105、107が必要であって、励起光源の位相および信号光の位相の2者間の位相を同期させる必要があるため、この位相同期のための部品(位相変調器102、光分岐部110、検出器111)が必要となる。位相感応増幅を用いない光増幅器と比べて、光増幅器100の全体で必要な部品点数が多くなり、さらに構成が複雑になってしまうという問題があった。   In the phase-sensitive optical amplifier of Prior Art 1 shown in FIG. 1, the individual phase modulator 102, the fiber amplifier 104, the second-order nonlinear optical element 105 for generating the second harmonic, and the secondary that performs phase-sensitive amplification (OPA). Various optical elements such as the nonlinear optical element 107 and the multiplexers / demultiplexers 124, 125, and 126 provided in the second-order nonlinear optical elements 105 and 107 are connected by an optical fiber. For this reason, there has been a drawback that the SNR of the amplified light 114 is lowered due to the loss caused by the connection of each part. In addition, since a plurality of second-order nonlinear optical devices 105 and 107 are required and the two phases of the excitation light source and the signal light need to be synchronized, components for phase synchronization (phase modulation) Device 102, optical branching unit 110, and detector 111) are required. Compared to an optical amplifier that does not use phase-sensitive amplification, the number of parts required for the entire optical amplifier 100 is increased, and the configuration is further complicated.

位相感応光増幅器のこれらの問題に対しては、同一基板上に上述の各素子を集積する構成を採用することによって、素子間の接続損失が原理的に無くなり、接続損失により劣化する増幅光のSN比(SNR)を改善可能である。しかしながら、集積化する構成ではSNRの劣化は改善可能であるものの、集積化後の基板サイズの拡大を避けることはできなかった。このような課題を解決する方法として、次の図2に示すようなMMIを用いた従来技術2の構成が提案された。   For these problems of the phase sensitive optical amplifier, by adopting a configuration in which the above-mentioned elements are integrated on the same substrate, the connection loss between the elements is eliminated in principle, and the amplified light deteriorates due to the connection loss. The SN ratio (SNR) can be improved. However, although the SNR degradation can be improved in the integrated configuration, an increase in the substrate size after integration cannot be avoided. As a method for solving such a problem, the configuration of the prior art 2 using the MMI as shown in FIG. 2 has been proposed.

図2は、従来技術2の2次非線形光学効果を用いた位相感応光増幅器の構成を示す図である。図2に示した従来技術2の位相感応光増幅器の構成は、図1に示した構成で問題であった集積化に伴う基板サイズの拡大に対応したものである。図1に示した従来技術1の構成において、第二高調波発生用のPPLN105および縮退パラメトリック増幅用のPPLN107を単純に同一基板上に集積しただけの場合、基板サイズの拡大は避けらない。   FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a phase sensitive optical amplifier using the second-order nonlinear optical effect of Conventional Technique 2. The configuration of the phase sensitive optical amplifier of the prior art 2 shown in FIG. 2 corresponds to the increase in the substrate size accompanying the integration, which was a problem in the configuration shown in FIG. In the configuration of the prior art 1 shown in FIG. 1, when the PPLN 105 for generating the second harmonic and the PPLN 107 for degenerate parametric amplification are simply integrated on the same substrate, it is inevitable to increase the substrate size.

図2に示した構成においては、第二高調波の発生(SHG)および縮退パラメトリック増幅(DPA)の両者を行う単一のPPLN209と、合分波器としてマルチモード干渉計(MMI)212とを、1つのLN基板上205に集積している。光アイソレータ214を通して入力された波長1.54μmの信号光214が、入力導波路224に入力されMMI212を経てPPLN209で増幅される。集積化したMMI212は、その導波路幅、導波路長および入出力ポート位置を最適設計することによって、波長1.54μmの信号光を低損失にPPLN209のDPA機能部分に結合している。   In the configuration shown in FIG. 2, a single PPLN 209 that performs both second harmonic generation (SHG) and degenerate parametric amplification (DPA), and a multimode interferometer (MMI) 212 as a multiplexer / demultiplexer. One LN substrate 205 is integrated. The signal light 214 having a wavelength of 1.54 μm input through the optical isolator 214 is input to the input waveguide 224 and amplified by the PPLN 209 via the MMI 212. The integrated MMI 212 couples signal light having a wavelength of 1.54 μm to the DPA function portion of the PPLN 209 with low loss by optimizing the waveguide width, waveguide length and input / output port position.

入力信号光は、分岐手段201によってその一部226が分岐されてEDFA204に入力され、EDFA204によって増幅されて、基本波光の増幅光215が得られる。増幅された基本波光215は、光サーキュレータ206を介して、基板205の右端より入力され、励起光として使用される。基板205の右端より入力した励起光は、SHGおよびDPAの機能を持つPPLN導波路209のSHG機能部分の導波路を伝搬して、MMI212に到達するまでに、ほぼ全てが第二高調波成分(点線の矢印)に変換される。   A portion 226 of the input signal light is branched by the branching unit 201 and input to the EDFA 204 and amplified by the EDFA 204 to obtain an amplified light 215 of the fundamental light. The amplified fundamental light 215 is input from the right end of the substrate 205 via the optical circulator 206 and used as excitation light. The excitation light input from the right end of the substrate 205 propagates through the waveguide of the SHG function portion of the PPLN waveguide 209 having the functions of SHG and DPA and reaches almost all the second harmonic component ( (Dotted arrow).

MMI212は、この第二高調波を下段の出力導波路221に低損失で結合する。その後、第2高調波は、基板205の左端部において、第二高調波の波長0.77μmで高い反射率を有する高反射膜(光学多層膜フィルタ)221で高効率に反射し、同じ導波路221を逆方向へ伝搬する。逆方向へ伝搬する第2高調波は、再びMMI212を介してSHGとDPAを兼ねたPPLN導波路209に結合・伝搬する。同様に上段の導波路224を経由してMMI212によって合波した信号光と、第二高調波とが、PPLN導波路209において光混合され、DPA機能により信号光が増幅される。図1における位相変調器102の機能は、MMIの下段の導波路221上に形成された電極202に対して変調信号を印加することで実現される。   The MMI 212 couples the second harmonic to the lower output waveguide 221 with low loss. Thereafter, the second harmonic is reflected at the left end portion of the substrate 205 with high efficiency by the high reflection film (optical multilayer filter) 221 having a high reflectance at the wavelength of the second harmonic of 0.77 μm, and the same waveguide. Propagate 221 in the reverse direction. The second harmonic propagating in the reverse direction is coupled and propagated to the PPLN waveguide 209 that also serves as SHG and DPA via the MMI 212 again. Similarly, the signal light combined by the MMI 212 via the upper waveguide 224 and the second harmonic are mixed in the PPLN waveguide 209, and the signal light is amplified by the DPA function. The function of the phase modulator 102 in FIG. 1 is realized by applying a modulation signal to the electrode 202 formed on the waveguide 221 in the lower stage of the MMI.

図2に示した構成によって、EDFA204の前段側に置かれていた単体の位相変調器を省略して、第二高調波に対して変調を施しているため駆動電圧は概ね半分で済み、既存の位相感応型増幅器に比べて低駆動で位相変調器を動作させることができる。図2に示した構成によって、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の光ファイバ増幅器を用い、光増幅に伴って発生する励起光のSN比劣化を抑えながら位相感応型増幅器を構成することができる。   With the configuration shown in FIG. 2, the single phase modulator placed on the front side of the EDFA 204 is omitted, and the second harmonic is modulated, so that the drive voltage is almost half, The phase modulator can be operated with a low drive compared to the phase sensitive amplifier. The configuration shown in FIG. 2 uses an optical fiber amplifier for obtaining sufficient power from the weak optical power used in optical communication to use parametric optical amplification, and the S / N ratio of pumping light generated along with optical amplification. A phase sensitive amplifier can be constructed while suppressing deterioration.

さらに光PLL回路内の励起光発生用の第二高調波発生器、すなわちSHGおよびDPAの機能を兼ねたPPLN導波路209と、位相変調器202とを1つの基板上に集積化することによって、別個の変調器102や、二次非線形光学素子105、107を接続した図1に示した従来技術1の構成の場合と比べ、基本波光の励起光の減衰の影響を少なくすることができる。この結果、光通信に適用可能で、かつ光ファイバ増幅が可能な位相感応型増幅器により、光ファイバ中の信号のSN比を改善できる。従来技術1の構成よりも、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となった。また、励起光を基板205の左端面の高反射膜221で反射することによって、励起光発生用のPPLNおよびDPA用のPPLNを1つのPPLN209で共用することにより、装置サイズを小型化した。   Further, by integrating the second harmonic generator for generating pumping light in the optical PLL circuit, that is, the PPLN waveguide 209 that also functions as SHG and DPA, and the phase modulator 202 on one substrate, Compared with the case of the configuration of the prior art 1 shown in FIG. 1 in which the separate modulator 102 and the second-order nonlinear optical elements 105 and 107 are connected, the influence of the attenuation of the excitation light of the fundamental light can be reduced. As a result, the signal-to-noise ratio of the signal in the optical fiber can be improved by the phase sensitive amplifier that can be applied to optical communication and can amplify the optical fiber. Compared to the configuration of the prior art 1, it has become possible to transmit a high-speed signal to a long distance with low power. Further, by reflecting the excitation light by the high reflection film 221 on the left end surface of the substrate 205, the PPLN for excitation light generation and the PPLN for DPA are shared by one PPLN 209, thereby reducing the size of the apparatus.

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).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).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).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).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.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-P3-1Isao Morohashi, Takahide Sakamoto, Hideyuki Tonobayashi, Tetsuya Kawanishi, Satoshi Hirosako, “Mach-Zehnder Modulator-Based Optical Comb Generator and 100fs-class Pulse Generation Using Soliton Compression,” Proceedings of the 72th JSAP Meeting (Applied Physics Society 2011 Autumn Yamagata University) 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).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.26Nakagawa Kiyoji and three others, "Optical Amplifiers and Their Applications", Ohmsha, 1992/05, p.26 西原他、「光集積回路」、オーム社Nishihara et al., “Optical Integrated Circuits”, Ohm Company

しかしながら、図2に示した従来技術2の構成の位相感応光増幅器では、二次非線形光学素子を用いることによりGAWBSやASEによる雑音を回避しながら位相感応増幅を行うことができるものの、新たな問題が生じていた。依然として、Pump(LO)と示された基本波光または第二高調波の励起光と、signalと表示された信号光との間の位相を同期させる回路が必要である。また、新たな単体部品として、光アイソレータ213や光サーキュレータ206が必要となって、部品点数が多くなっていた。さらに増幅器全体の構成がむしろ複雑になってしまう問題があった。さらには励起光発生の際に変換し切れなかった信号光の反射光がDPA用PPLNに戻り光として入射することによりパラメトリック増幅の効率が低下し、増幅特性が劣化するという問題があった。   However, the phase sensitive optical amplifier of the configuration of the prior art 2 shown in FIG. 2 can perform phase sensitive amplification while avoiding noise due to GAWBS or ASE by using a second-order nonlinear optical element. Has occurred. There is still a need for a circuit that synchronizes the phase between the fundamental or second harmonic excitation light labeled Pump (LO) and the signal light labeled signal. In addition, the optical isolator 213 and the optical circulator 206 are required as new single components, and the number of components is increased. Furthermore, there is a problem that the configuration of the entire amplifier becomes rather complicated. Furthermore, there is a problem that the reflected light of the signal light that cannot be completely converted when the excitation light is generated enters the PPA PPLN as return light, thereby reducing the efficiency of parametric amplification and degrading the amplification characteristics.

本発明の目的は、上述のような従来技術の問題に鑑みて、光通信に使用される微弱なレーザ光の増幅に適用可能であり、かつ低雑音での増幅が可能な位相感応型の光増幅装置の新しい集積化された構成を提供することにある。   In view of the above-described problems of the prior art, an object of the present invention is a phase-sensitive light that can be applied to amplification of weak laser light used for optical communication and can be amplified with low noise. It is to provide a new integrated configuration of the amplification device.

本発明は、このような目的を達成するために、請求項1の発明は、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において、励起基本波光を増幅する光ファイバレーザ増幅器と、周期的に分極反転された二次非線形光学材料から成り、前記励起基本波光から和周波光を発生させる光導波路を有する第1の二次非線形光学素子と、前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路と結合され、前記第1の二次非線形光学素子からの前記和周波光を反射しかつ前記励起基本波光を透過する作用を有し、前記励起基本波光および前記和周波光から前記和周波光のみを分離し、前記分離した前記和周波光を導波する結合導波路を有する第1のフィルタと、前記信号光が入力される入力導波路を有し、前記信号光および前記結合導波路からの前記和周波光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り、前記励起光を用いて前記信号光のパラメトリック増幅を行う光導波路を有する第2の二次非線形光学素子と、増幅された前記信号光および前記励起光である前記和周波光を分離する第2のフィルタと、前記増幅された信号光の位相および記光ファイバレーザ増幅器へ入力される励起光の位相を同期する手段とを備え、前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路、前記第1のフィルタ、前記結合導波路、前記合波器、および、前記第2の二次非線形光学素子の前記光導波路は、同一の基板上に集積化されており、前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路、前記第1のフィルタおよび前記結合導波路は、連続する導波路上に隣接して形成され、前記入力導波路、前記合波器および前記第2の二次非線形光学素子の前記光導波路が、連続する導波路上に隣接して形成され、前記結合導波路、前記合波器および前記第2の二次非線形光学素子の前記光導波路が、連続する導波路上に隣接して形成されていることを特徴とする位相感応型光増幅装置である。   In order to achieve such an object, the present invention provides a light that amplifies the fundamental wave light in a phase-sensitive optical amplifier that amplifies signal light by optical mixing using a nonlinear optical effect. A first second-order nonlinear optical element comprising a fiber laser amplifier, a second-order nonlinear optical material that is periodically poled and having a light waveguide that generates sum frequency light from the excitation fundamental light; and And coupled to the optical waveguide of a second-order nonlinear optical element, and has an action of reflecting the sum frequency light from the first second-order nonlinear optical element and transmitting the excitation fundamental wave light, and the excitation fundamental wave light and the sum A first filter having a coupled waveguide that separates only the sum frequency light from the frequency light and guides the separated sum frequency light; and an input waveguide to which the signal light is input. Light and front An optical waveguide composed of a multiplexer that multiplexes the sum frequency light from a coupling waveguide and a second-order nonlinear optical material that is periodically poled and that performs parametric amplification of the signal light using the excitation light. A second second-order nonlinear optical element, a second filter that separates the amplified signal light and the sum frequency light that is the excitation light, a phase of the amplified signal light, and an optical fiber laser amplifier Means for synchronizing the phase of the excitation light input to the optical waveguide of the first second-order nonlinear optical element, the first filter, the coupling waveguide, the multiplexer, and the first The optical waveguide of the second-order nonlinear optical element is integrated on the same substrate, and the optical waveguide, the first filter, and the coupling waveguide of the first second-order nonlinear optical element are: On a continuous waveguide The input waveguide, the multiplexer, and the optical waveguide of the second second-order nonlinear optical element are formed adjacent to each other on a continuous waveguide, and the coupling waveguide, the multiplexing The phase sensitive optical amplifying device is characterized in that the optical waveguides of the second and second nonlinear optical elements are formed adjacent to each other on a continuous waveguide.

第1のフィルタは、例えば実施例1の第2のMMI312に対応し、合波器は、例えば実施例1の第1のMMI330に対応する。また、結合導波路は、第2のMMI312の結合光導波路332に対応する。さらに和周波光は、第二高調波に対応する。   The first filter corresponds to, for example, the second MMI 312 of the first embodiment, and the multiplexer corresponds to, for example, the first MMI 330 of the first embodiment. The coupled waveguide corresponds to the coupled optical waveguide 332 of the second MMI 312. Furthermore, the sum frequency light corresponds to the second harmonic.

請求項2の発明は、請求項1の位相感応型光増幅装置であって、前記第1のフィルタは、導波路に垂直な面を反射端面として、該反射端面上に、前記和周波光を反射しかつ前記励起基本波光を透過する1以上の薄膜を備えたマルチモード干渉型合分波器(MMI)であり、前記第1のフィルタの前記反射端面は、前記基板の1つの端面の一部を構成し、前記1つ以上の薄膜は、前記基板の前記1つの端面全体の上に形成され、前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路および前記第2の二次非線形光導の前記光導波路は、非線形光学効果を有する第1の基板と、該第1の基板に比べ屈折率の小さい第2の基板とを直接貼り合わせることによって作製された直接接合光導波路であることを特徴とする。1つ以上の薄膜は、例えば実施例1の反射部材321および反射防止部材320aに対応する。   A second aspect of the present invention is the phase sensitive optical amplifying device according to the first aspect, wherein the first filter uses the surface perpendicular to the waveguide as a reflection end surface and the sum frequency light on the reflection end surface. A multimode interference multiplexer / demultiplexer (MMI) including one or more thin films that reflect and transmit the excitation fundamental light, wherein the reflection end face of the first filter is a single end face of the substrate. The one or more thin films are formed on the entire end surface of the substrate, and the optical waveguide of the first second-order nonlinear optical element and the second-order nonlinear optical The optical waveguide is a directly bonded optical waveguide manufactured by directly bonding a first substrate having a nonlinear optical effect and a second substrate having a refractive index smaller than that of the first substrate. And One or more thin films correspond to, for example, the reflecting member 321 and the antireflection member 320a of the first embodiment.

請求項3の発明は、請求項1または2の位相感応型光増幅装置であって、前記同期する手段の一部として、前記光ファイバレーザ増幅器の出力側に、直接接合法により作製された光導波路からなる位相変調器を備えることを特徴とする。   A third aspect of the present invention is the phase sensitive optical amplifying device according to the first or second aspect, wherein the optical fiber manufactured as a part of the synchronizing means is formed on the output side of the optical fiber laser amplifier by a direct bonding method. A phase modulator made of a waveguide is provided.

請求項4の発明は、請求項1乃至3いずれかの位相感応型光増幅装置であって、前記位相変調器は、前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路の前段側において、前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路に隣接して形成され、前記基板上で、前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路と集積化されることを特徴とする。   A fourth aspect of the present invention is the phase sensitive optical amplifying device according to any one of the first to third aspects, wherein the phase modulator is arranged on the front side of the optical waveguide of the first second-order nonlinear optical element. It is formed adjacent to the optical waveguide of the first second-order nonlinear optical element, and is integrated with the optical waveguide of the first second-order nonlinear optical element on the substrate.

請求項5の発明は、請求項1乃至3いずれかの位相感応型光増幅装置であって、前記位相変調器は、前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路および前記第1のフィルタの間に、前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路に隣接して形成され、前記基板上で、前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路に集積化されていることを特徴とする。   The invention according to claim 5 is the phase sensitive optical amplifying device according to any one of claims 1 to 3, wherein the phase modulator includes the optical waveguide of the first second-order nonlinear optical element and the first filter. And is formed adjacent to the optical waveguide of the first second-order nonlinear optical element and integrated on the optical waveguide of the first second-order nonlinear optical element on the substrate. Features.

請求項6の発明は、請求項5の位相感応型光増幅装置であって、前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路において和周波光に変換されず残留した基本波光を除去する手段を、前記変調器および前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路の間に、または、前記第1のフィルタおよび前記合波器の間の前記結合光導波路上の少なくとも一方に備え、前記基板上で集積化されていることを特徴とする。   A sixth aspect of the present invention is the phase sensitive optical amplifying device according to the fifth aspect, wherein the fundamental wave light remaining in the optical waveguide of the first second-order nonlinear optical element without being converted into sum frequency light is removed. Between the modulator and the optical waveguide of the first second-order nonlinear optical element, or at least one on the coupled optical waveguide between the first filter and the multiplexer, It is characterized by being integrated on a substrate.

請求項7の発明は、請求項6の位相感応型光増幅装置であって、前記和周波光は、第二高調波であって、前記基本波光を除去する手段は、前記第1の二次非線形光学素子からの前記和周波光をシングルモード化するように動作する曲げ導波路またはテーパ導波路によって構成されることを特徴とする。   The invention according to claim 7 is the phase sensitive optical amplifying device according to claim 6, wherein the sum frequency light is a second harmonic, and the means for removing the fundamental light is the first secondary light. The sum frequency light from the nonlinear optical element is constituted by a bending waveguide or a tapered waveguide that operates so as to be converted into a single mode.

請求項8の発明は、請求項1乃至7いずれかの位相感応型光増幅装置であって、前記第2のフィルタは、前記増幅された信号光を出力する第1の出力導波路と、前記増幅された信号光の一部を抽出して前記同期する手段への検出信号として出力する第2の出力導波路を有するマルチモード干渉型合分波器(MMI)で構成されることを特徴とする。   The invention of claim 8 is the phase sensitive optical amplifying device according to any one of claims 1 to 7, wherein the second filter includes a first output waveguide that outputs the amplified signal light, and It comprises a multi-mode interference type multiplexer / demultiplexer (MMI) having a second output waveguide that extracts a part of the amplified signal light and outputs it as a detection signal to the means for synchronizing. To do.

請求項9の発明は、請求項1乃至8いずれかの位相感応型光増幅装置であって、前記合波器は、前記信号光と、前記第1のフィルタの前記結合導波路からの前記和周波光を合波するマルチモード干渉型合分波器で構成されることを特徴とする。   The invention according to claim 9 is the phase sensitive optical amplifying device according to any one of claims 1 to 8, wherein the multiplexer includes the signal light and the sum from the coupling waveguide of the first filter. It is composed of a multimode interference multiplexer / demultiplexer that multiplexes frequency light.

請求項10の発明は、請求項1乃至3いずれかの位相感応型光増幅装置であって、前記位相変調器は、前記信号光が入力される入力導波路上に構成され、前記基板上で集積化されていることを特徴とする。   A tenth aspect of the present invention is the phase sensitive optical amplifying device according to any one of the first to third aspects, wherein the phase modulator is configured on an input waveguide to which the signal light is input, and is formed on the substrate. It is characterized by being integrated.

請求項11の発明は、請求項1乃至10いずれかの位相感応型光増幅装置であって、前記周期的に分極反転された二次非線形光学材料は、LiNbO3、KNbO3、LiTaO3、LiNbxTa1-x3(0≦x≦1)、KTiOPO4、または、それらにMg、Zn、Fe、Sc、Inからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする。 The invention according to claim 11 is the phase sensitive optical amplifying device according to any one of claims 1 to 10, wherein the second-order nonlinear optical material whose polarization is periodically inverted is LiNbO 3 , KNbO 3 , LiTaO 3 , LiNb. x Ta 1-x O 3 (0 ≦ x ≦ 1), KTiOPO 4 , or at least one selected from the group consisting of Mg, Zn, Fe, Sc, and In as an additive Features.

以上説明したように、本発明の位相感応光増幅器は、直接接合法により作製した2次非線形光学デバイスおよび2つのMMIを集積化して使用し、集積化された基板は端面に加工を施されている。各端面において、基本波光および第二高調波を適切に反射または無反射処理する。従来技術の位相感応光増幅器と比べて、合分波器などの個別部品を排除することで基板サイズを縮小し、さらに、光アイソレータ、光サーキュレータ等を不要とすることができる。本発明によって、別個の部品間の接続損失により生じる増幅器SNRの劣化を抑え、基板サイズの増大を抑えることができる。   As described above, the phase sensitive optical amplifier of the present invention uses the second-order nonlinear optical device and two MMIs fabricated by the direct bonding method in an integrated manner, and the integrated substrate is processed on the end face. Yes. At each end face, the fundamental wave light and the second harmonic are appropriately reflected or non-reflected. Compared to the phase sensitive optical amplifier of the prior art, the substrate size can be reduced by eliminating individual components such as a multiplexer / demultiplexer, and further, an optical isolator, an optical circulator, and the like can be eliminated. According to the present invention, it is possible to suppress degradation of the amplifier SNR caused by connection loss between separate components, and to suppress an increase in the board size.

反射端面を持つMMI(第1のフィルタ)を利用して、第二高調波および基本波光を効果的に分離しながら、コンパクトにPPLNを近接して配置することができる。また、MMIの反射端面が、集積化をした基板の端面の一部を構成しているので、1つの基板上に集積化された光回路の作製プロセスへの親和性が高い。   Using the MMI (first filter) having the reflection end face, the PPLN can be arranged close to the compact while effectively separating the second harmonic wave and the fundamental wave light. Further, since the reflection end face of the MMI constitutes a part of the end face of the integrated substrate, the affinity for the manufacturing process of the optical circuit integrated on one substrate is high.

本発明の位相感応光増幅器は、光通信に適用可能で、かつ低雑音での増幅が可能な位相感応型増幅器であり、光ファイバ中の信号のSN比を改善できるために、従来よりも高速の信号を低いパワーで長距離まで伝送することが可能になる。また、入射される信号光の位相チャープを補正して増幅することが可能なために、光ファイバの波長分散による信号劣化の影響を抑え、増幅後の信号光の伝送距離を伸ばすことが可能になる。また、本発明の位相感応光増幅器によれば、信号源として、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も、チャープのない光信号を発生することが可能になる。   The phase-sensitive optical amplifier of the present invention is a phase-sensitive amplifier that can be applied to optical communications and can be amplified with low noise, and can improve the signal-to-noise ratio of a signal in an optical fiber. Can be transmitted over long distances with low power. In addition, because it is possible to correct and amplify the phase chirp of the incident signal light, it is possible to suppress the influence of signal degradation due to chromatic dispersion of the optical fiber and extend the transmission distance of the amplified signal light Become. Further, according to the phase sensitive optical amplifier of the present invention, an optical signal without chirp is generated even if an inexpensive or simple optical modulator having phase chirp is used as a signal source in an application requiring a long distance transmission. It becomes possible to do.

図1は、従来技術1の位相感応光増幅器の構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a phase sensitive optical amplifier of prior art 1. 図2は、従来技術2の位相感応光増幅器の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a phase sensitive optical amplifier according to the related art 2. 図3は、実施例1の集積化位相感応光増幅器の構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of the integrated phase-sensitive optical amplifier according to the first embodiment. 図4は、本発明の第2のMMIの構成を従来技術の一般的なMMIと対比させて説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating the configuration of the second MMI of the present invention in comparison with a general MMI of the prior art. 図5は、実施例1の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。FIG. 5 is a graph showing the relationship between the phase difference Δφ between the input signal light and the pump light and the gain (dB) in the phase sensitive optical amplifier according to the first embodiment. 図6は、実施例1の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。FIG. 6 is a diagram illustrating a time waveform of a signal amplified by the phase sensitive optical amplifier according to the first embodiment. 図7は、実施例2の集積化した位相感応光増幅器の構成を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of the integrated phase-sensitive optical amplifier according to the second embodiment. 図8は、実施例3の集積化した位相感応光増幅器の構成を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of an integrated phase sensitive optical amplifier according to the third embodiment. 図9は、実施例4の集積化した位相感応光増幅器の構成を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of an integrated phase-sensitive optical amplifier according to the fourth embodiment. 図10は、実施例5の集積化位相感応光増幅器の構成を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating the configuration of the integrated phase-sensitive optical amplifier according to the fifth embodiment. 図11は、実施例6の集積化位相感応光増幅器の構成を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating the configuration of the integrated phase-sensitive optical amplifier according to the sixth embodiment. 図12は、実施例7の位相感応光増幅器の基本波光を除去する手段、曲げ導波路の構成例を示す図である。FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration example of a bending waveguide and a means for removing the fundamental wave of the phase sensitive optical amplifier according to the seventh embodiment. 図13は、実施例7の位相感応光増幅器の基本波光を除去する手段の別の構成例を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating another configuration example of the means for removing the fundamental wave light of the phase sensitive optical amplifier according to the seventh embodiment.

本発明の位相感応光増幅器は、直接接合法により作製した2次非線形光学デバイスおよび2つのMMIを1つの基板上に集積化して構成し、集積化された基板が端面加工されている。反射端面を持つMMI型合分波器(第1のフィルタ)を利用して、第二高調波および基本波光を効果的に分離しながら、コンパクトに2つのPPLNを近接して配置することができる。また、MMIの上述の反射端面が、集積化をした基板の端面の一部を構成しているので、1つの基板上に集積化された光回路の作製プロセスと親和性が高い。   The phase-sensitive optical amplifier of the present invention is configured by integrating a second-order nonlinear optical device and two MMIs manufactured by a direct bonding method on a single substrate, and the integrated substrate is end-face processed. Using an MMI type multiplexer / demultiplexer (first filter) having a reflection end face, two PPLNs can be arranged close to each other while effectively separating the second harmonic wave and the fundamental wave light. . In addition, since the above-described reflection end face of the MMI constitutes a part of the end face of the integrated substrate, it has a high affinity with the manufacturing process of the optical circuit integrated on one substrate.

信号光および励起光の間の同期用の位相変調器を同一の基板上にさらに集積化する構成とすることもできる。また、基本波光だけでなく励起光である第二高調波に対して位相変調を施す構成も採用できる。さらに、第二高調波の高次モードを効果的に放射するよう曲げ導波路の曲率半径を適切に設計することによって第二高調波の基本モードのみに位相変調を施し、かつ、信号光波長に対して急峻な曲率半径とすることによって励起光発生用のPPLNにおいて変換しきれず残留した励起用信号光を同時に除去することもできる。   A phase modulator for synchronization between the signal light and the excitation light may be further integrated on the same substrate. In addition, a configuration in which phase modulation is applied not only to the fundamental wave light but also to the second harmonic wave that is the excitation light can be employed. Furthermore, by appropriately designing the radius of curvature of the bending waveguide so that the higher harmonic modes of the second harmonic are radiated effectively, only the fundamental mode of the second harmonic is phase-modulated, and the signal light wavelength is changed. On the other hand, by making the radius of curvature steep, it is possible to simultaneously remove the excitation signal light that cannot be converted in the PPLN for generating the excitation light and remains.

従来技術の位相感応光増幅器で、部品点数が増加しさらに増幅器全体の構成がむしろ複雑になっていた問題を解決する。さらには励起光発生の際に変換し切れなかった信号光の反射光に起因するパラメトリック増幅の効率が低下、増幅特性が劣化の問題を解決する。光通信に使用される微弱なレーザ光の増幅に適用可能であり、かつ、低雑音での増幅が可能な位相感応型の光増幅装置の新しい集積化された構成を提供する。以下、図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。   The conventional phase-sensitive optical amplifier solves the problem that the number of parts is increased and the configuration of the entire amplifier is rather complicated. Further, it solves the problem that the efficiency of parametric amplification due to the reflected light of the signal light that cannot be completely converted when the excitation light is generated, and the amplification characteristic is deteriorated. Provided is a new integrated configuration of a phase sensitive optical amplifying apparatus which can be applied to amplification of weak laser light used for optical communication and can be amplified with low noise. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図3は、本発明の実施例1の集積化した位相感応光増幅器の構成を示す図である。本実施例の位相感応光増幅器300によって、従来技術1、従来技術2の各構成において問題であった(1)別個の部品間の接続損失による増幅器SNRの劣化、(2)第二高調波発生(SHG)用PPLN、信号光および第二高調波の合分波器、ならびに、縮退パラメトリック増幅(DPA)用PPLNを同一基板上に集積化した場合の基板サイズの増大を防ぐことができる。   FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the integrated phase sensitive optical amplifier according to the first embodiment of the present invention. According to the phase sensitive optical amplifier 300 of the present embodiment, (1) degradation of the amplifier SNR due to connection loss between separate parts, (2) second harmonic generation, which is a problem in the configurations of the prior art 1 and the prior art 2. (SHG) PPLN, signal light and second harmonic multiplexer / demultiplexer, and degenerate parametric amplification (DPA) PPLN can be prevented from increasing on the same substrate.

本位相感応光増幅器300の構成においては、同一のLN基板340上に第二高調波の発生を行うPPLN305および縮退パラメトリック増幅をおこなうPPLN306と、合分波器として機能する2つのマルチモード干渉型(MMI:Multi Mode Interference)合分波器、すなわち第1のMMI330、第2のMMI312とを集積化している。波長1.54μmの信号光314が増幅されて、増幅信号光316を得る。従来技術の図2の構成と比べると、大きな個別部品のアイソレータ213およびサーキュレータ206が削除されている。   In the configuration of the phase sensitive optical amplifier 300, a PPLN 305 that generates a second harmonic on the same LN substrate 340, a PPLN 306 that performs degenerate parametric amplification, and two multimode interference types that function as a multiplexer / demultiplexer ( An MMI (Multi Mode Interference) multiplexer / demultiplexer, that is, a first MMI 330 and a second MMI 312 are integrated. The signal light 314 having a wavelength of 1.54 μm is amplified to obtain an amplified signal light 316. Compared to the configuration of FIG. 2 of the prior art, the large individual parts isolator 213 and circulator 206 are eliminated.

以下の説明では、簡単のため、マルチモード干渉型(MMI)合分波器をMMIと簡略化して呼ぶ。信号光の一部は、カップラ301によって分岐し、信号光の位相および励起光の位相の同期用の位相変調器302を通じて、EDFA304に入力される。EDFA304によって基本波光を増幅した後、増幅光315を、基板右端より入力し励起光として使用する。基板の右端より入力した励起光は、第2のMMI312に到達するまでに、ほぼ全てが第二高調波成分317に変換される。   In the following description, for simplicity, a multimode interference type (MMI) multiplexer / demultiplexer is simply referred to as MMI. A part of the signal light is branched by the coupler 301 and input to the EDFA 304 through the phase modulator 302 for synchronizing the phase of the signal light and the phase of the excitation light. After the fundamental wave light is amplified by the EDFA 304, the amplified light 315 is input from the right end of the substrate and used as excitation light. The excitation light input from the right end of the substrate is almost entirely converted into the second harmonic component 317 before reaching the second MMI 312.

ここで集積化した2つのMMI330、312について、さらに詳細に説明する。第1のMMI330(請求項では合波器に対応)は、その導波路幅、導波路長ならびに入力ポートおよび出力ポートの各位置を最適設計することによって、信号光および励起光を低損失にDPA用PPLN306に結合することができる。具体的には、入力導波路333から入力される波長1.54μmの信号光を、約1.0dBの挿入損失で、DPA用PPLN306に結合できた。また、第二高調波発生用PPLN305により生成した波長0.77μmの励起光を、約1.1dBの挿入損失で、DPA用PPLN306に結合することができた。   The two MMIs 330 and 312 integrated here will be described in more detail. The first MMI 330 (corresponding to the multiplexer in the claims) is designed to optimize the waveguide width, waveguide length and positions of the input port and the output port, thereby reducing the signal light and the pump light with low loss. Can be coupled to the PPLN 306. Specifically, signal light having a wavelength of 1.54 μm input from the input waveguide 333 could be coupled to the DPL PPLN 306 with an insertion loss of about 1.0 dB. Further, the excitation light having a wavelength of 0.77 μm generated by the second harmonic generation PPLN 305 could be coupled to the DPA PPLN 306 with an insertion loss of about 1.1 dB.

図4は、本発明の位相感応光増幅器で使用される第2のMMI312の構成を従来技術の一般的なMMIの構成と対比させて説明する図である。図4の(a)は、一般的なMMI型合分波器の構成を示している。MMI導波路401に対して入力導波路404および2つの出力導波路402、403を持っている。例えば、入力導波路401から異なる波長λ1、λ2の2つの光を入力すれば、異なる2つの出力導波路402、403の一方には波長λ1の光が、他方には波長λ2の光が出力される。すなわち、入力光の波長に依存した出力ポートへ光信号が分波される。逆方向に光を伝搬させれば合波器として機能するのは言うまでも無い。入力ポートおよび出力のポート数は、いずれも複数であっても良い。 FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration of the second MMI 312 used in the phase-sensitive optical amplifier of the present invention in comparison with the general MMI configuration of the prior art. FIG. 4A shows a configuration of a general MMI type multiplexer / demultiplexer. The MMI waveguide 401 has an input waveguide 404 and two output waveguides 402 and 403. For example, input different wavelengths lambda 1 from the waveguide 401, by entering the two light lambda 2, two different light wavelengths lambda 1 to one of the output waveguides 402 and 403, the other wavelength lambda 2 Light is output. That is, the optical signal is demultiplexed to the output port depending on the wavelength of the input light. Needless to say, if light is propagated in the opposite direction, it functions as a multiplexer. There may be a plurality of input ports and output ports.

一方、本実施例の位相感応光増幅器300において使用される第2のMMIは、図4の(b)に示すように、同一基板340の上に第1のMMI330と供に形成され、光が入射および出射する入出射端面406と、反射端面405とを有する単一のマルチモード干渉型光導波路(MMI)312から構成される。MMI312は、従来型のMMIを特定の位置で、例えば半分の位置で、限定をされないが例えば切断研磨を行って作製することができる。したがって、図4の(b)のMMI312の左側端面405は、反射端面となっている。この反射端面405は、これ単独であっても、第二高調波および基本波光を反射する性質を持っている。   On the other hand, the second MMI used in the phase sensitive optical amplifier 300 of this embodiment is formed together with the first MMI 330 on the same substrate 340 as shown in FIG. It is composed of a single multimode interference optical waveguide (MMI) 312 having an incident / exit end face 406 that enters and exits and a reflection end face 405. The MMI 312 can be manufactured by performing, for example, cutting and polishing, although not limited to a conventional MMI at a specific position, for example, a half position. Therefore, the left end face 405 of the MMI 312 in FIG. 4B is a reflection end face. Even if this reflection end face 405 is used alone, it has a property of reflecting the second harmonic wave and the fundamental wave light.

本実施例の第2のMMI312は、反射端面405上に、反射部材321および反射防止部材320aをさらに備えている。反射部材321および反射防止部材320aは、それぞれ、図3における基板340の左端面に形成された高反射膜321および反射防止膜320aに対応する。第2のMMI312は、もう一方の端面406上で2つの光導波路が接続されており、一方の光導波路331は第二高調波発生用の第1のPPLN305に接続され、もう一方の結合光導波路332は、第1のMMI330を経由してDPA用の第2のPPLN306に接続されている。   The second MMI 312 of this embodiment further includes a reflection member 321 and an antireflection member 320a on the reflection end surface 405. The reflection member 321 and the antireflection member 320a correspond to the high reflection film 321 and the antireflection film 320a formed on the left end surface of the substrate 340 in FIG. 3, respectively. The second MMI 312 has two optical waveguides connected on the other end face 406, one optical waveguide 331 connected to the first PPLN 305 for generating second harmonics, and the other coupled optical waveguide. 332 is connected to the second PPLN 306 for DPA via the first MMI 330.

したがって、第2のMMI312は、第1の二次非線形光学素子の光導波路305と結合され、第1の二次非線形光学素子からの第二高調波(和周波光)を反射しかつ励起基本波光を透過する作用を有し、励起基本波光および第二高調波から前第二高調波のみを分離し、この分離した第二高調波を導波する結合導波路332を有している。第2のMMI312は、請求項に記載された第1のフィルタに対応している。   Accordingly, the second MMI 312 is coupled to the optical waveguide 305 of the first second-order nonlinear optical element, reflects the second harmonic (sum frequency light) from the first second-order nonlinear optical element, and is the excitation fundamental wave light. And a coupling waveguide 332 that separates only the front second harmonic from the excitation fundamental wave light and the second harmonic and guides the separated second harmonic. The second MMI 312 corresponds to the first filter recited in the claims.

さらに、第2のMMI312(第1のフィルタ)は、MMI型導波路に垂直な面を反射端面405として、この反射端面405上に、第二高調波(和周波光)を反射しかつ励起基本波光を透過する1以上の薄膜を備えたマルチモード干渉型合分波器(MMI)である。さらに第2のMMI312(第1のフィルタ)の反射端面は、基板340の1つの端面の一部を構成し、上述の1つ以上の薄膜320a、321は、基板340の前記1つの端面全体の上に形成されている。   Further, the second MMI 312 (first filter) uses a surface perpendicular to the MMI waveguide as a reflection end surface 405, reflects the second harmonic (sum frequency light) on the reflection end surface 405, and excites the fundamental. A multimode interference multiplexer / demultiplexer (MMI) including one or more thin films that transmit wave light. Further, the reflective end face of the second MMI 312 (first filter) constitutes a part of one end face of the substrate 340, and the one or more thin films 320 a and 321 described above are formed on the entire end face of the substrate 340. Formed on top.

尚、本実施例の位相感応型増幅器300では、第二高調波317を例としているが、第2のMMI312によって分離が容易な、基本励起光に基づいた和周波光を利用する限り、第二高調波に限定されない。すなわち、第1のPPLN導波路305で生成される、基本励起光に基づいた和周波光を利用できる。   In the phase sensitive amplifier 300 of this embodiment, the second harmonic 317 is taken as an example. However, as long as the sum frequency light based on the basic excitation light that is easily separated by the second MMI 312 is used, the second harmonic 317 is used. It is not limited to harmonics. That is, the sum frequency light based on the basic excitation light generated by the first PPLN waveguide 305 can be used.

ここで再び図3に戻ると、第2のMMI312も含めた基板340の左端に、第二高調波に対する反射処理として、波長0.77μmの波長において高い反射率99.99%を有する高反射膜321を備える。高反射膜321は、例えば光学多層膜フィルタで構成できる。図4の(b)でも説明したように、第2のMMI312の一方の端面405上に備えられた誘電体多層膜などの高反射膜321を用いて、第二高調波を反射する。第1のPPLN305から入力された第二高調波は、第2のMMI312内の往路におけるマルチモード干渉の途中で、端面405で反射し折り返され、MMI312内の復路でさらにマルチモード干渉を行いながら伝搬する。   Returning to FIG. 3 again, a high reflection film having a high reflectivity of 99.99% at a wavelength of 0.77 μm is applied to the left end of the substrate 340 including the second MMI 312 as a reflection treatment for the second harmonic. 321 is provided. The highly reflective film 321 can be constituted by an optical multilayer filter, for example. As described with reference to FIG. 4B, the second harmonic is reflected using the highly reflective film 321 such as a dielectric multilayer film provided on one end face 405 of the second MMI 312. The second harmonic input from the first PPLN 305 is reflected and folded at the end face 405 in the middle of the multimode interference in the forward path in the second MMI 312, and propagates while further performing multimode interference in the return path in the MMI 312. To do.

第2のMMI312内で、波長0.77μmの導波光(第二高調波)は周期的に結像を繰り返しながら端面406上に集光する。端面406上の集光位置は、導波路331の入力位置、MMI導波路の幅、長さおよび反射位置などのパラメータに依存する。したがって、これらのパラメータを最適化することによって、第二高調波発生用の第1のPPLN305で生成した第二高調波の励起光を、低損失で結合光導波路332に結合する。第二高調波の励起光318は、結合光導波路332を経て、第1のMMI330へ入力される。同時に、第2のMMI312に関して、基本波光の波長を有する残留励起光が、結合光導波路332への混入を最小化するように設計をすることによって、結合光導波路332への残留励起光の入射を極めて少なくできる。本実施例では、第二高調波317を、DPA用の第2のPPLN306へ接続する結合光導波路332に、挿入損失1.5dBで結合することができた。   Within the second MMI 312, guided light (second harmonic) having a wavelength of 0.77 μm is condensed on the end face 406 while periodically repeating image formation. The condensing position on the end face 406 depends on parameters such as the input position of the waveguide 331, the width and length of the MMI waveguide, and the reflection position. Therefore, by optimizing these parameters, the second harmonic excitation light generated by the first PPLN 305 for generating the second harmonic is coupled to the coupled optical waveguide 332 with low loss. The second harmonic excitation light 318 is input to the first MMI 330 via the coupled optical waveguide 332. At the same time, with respect to the second MMI 312, the residual excitation light having the wavelength of the fundamental wave light is designed so as to minimize mixing into the coupled optical waveguide 332, so that the residual excitation light is incident on the coupled optical waveguide 332. Can be very little. In this example, the second harmonic 317 could be coupled to the coupling optical waveguide 332 connected to the second PPLN 306 for DPA with an insertion loss of 1.5 dB.

第二高調波318は、第1のMMI330を介してDPA用の第2のPPLN導波路306に結合する。第二高調波318は、同様に第1のMMI330を介して合波した入力信号光314と光混合され、DPA用の第2のPPLN導波路306によって信号光が増幅される。   The second harmonic 318 is coupled to the second PPLN waveguide 306 for DPA via the first MMI 330. Similarly, the second harmonic 318 is optically mixed with the input signal light 314 combined via the first MMI 330, and the signal light is amplified by the second PPLN waveguide 306 for DPA.

尚、図3および後述する実施例の各図では、第2のMMIの左側で基板の外部に、実線(基本波光)および破線(第二高調波)の往復する矢印が描かれているが、これは、基板端面において各光が反射されることを概念的に示している。したがって、実際に、基板の外部で光が戻ることを意味しているわけではない。基本波光に対しても、反射を意味する往復する矢印が描かれているのは、基本波光の100%透過させることは不可能であり、わずかに反射してしまうことを示すためである。したがって、第2のMMIの反射端面が積極的に基本波光を反射させる機能を持っていることを意味しているのではない。   In FIG. 3 and each diagram of the embodiment described later, a solid line (fundamental wave light) and a broken line (second harmonic wave) reciprocating arrows are drawn on the left side of the second MMI outside the substrate. This conceptually shows that each light is reflected at the end face of the substrate. Therefore, it does not mean that light actually returns outside the substrate. The reciprocating arrow meaning reflection is also drawn for the fundamental wave light in order to show that it is impossible to transmit 100% of the fundamental wave light and it is slightly reflected. Therefore, this does not mean that the reflection end face of the second MMI has a function of actively reflecting the fundamental wave light.

上述の第2のMMI312の左端で第二高調波を反射しかつ残留励起光を透過させ、また、DPA用の第2のPPLN導波路306によってパラメトリック増幅された信号光が基板340の右端においてPPLN導波路306に反射して再び戻ることが無いように、基板340の左右の端面にはそれぞれ異なる端面処理を施した。基板340の左右の端面の加工を行った後、左端面については、まず、上述の第二高調波0.77μmの光に対する高反射(HR)膜を、さらに0.77μmの基本波光に対する反射防止(AR)膜をスパッタ法によって成膜した。また基板340の右側端面については、基本波光1.54μm対する反射防止(AR)膜320bおよび第二高調波0.77μmの光に対する反射防止(AR)膜322を、同様のスパッタ法により成膜した。   The signal light that reflects the second harmonic wave at the left end of the above-mentioned second MMI 312 and transmits the residual excitation light and is parametrically amplified by the second PPLN waveguide 306 for DPA becomes PPLN at the right end of the substrate 340. Different end surface treatments were applied to the left and right end surfaces of the substrate 340 so as not to be reflected back to the waveguide 306 and return again. After the left and right end faces of the substrate 340 are processed, the left end face is first coated with a high reflection (HR) film for the second harmonic wave 0.77 μm and further for antireflection for the 0.77 μm fundamental wave light. An (AR) film was formed by sputtering. On the right end surface of the substrate 340, an antireflection (AR) film 320b for the fundamental wave light of 1.54 μm and an antireflection (AR) film 322 for the second harmonic wave of 0.77 μm were formed by the same sputtering method. .

上述の製膜の手順から分かるように、基板340の端面処理と同時に、第2のMMI312が形成できることになる。以上の処理によって、所望の各波長の光に対して選択的に反射および/または反射防止機能を持つ導波路端面を形成した。   As can be seen from the film forming procedure described above, the second MMI 312 can be formed simultaneously with the end face processing of the substrate 340. Through the above processing, a waveguide end face having a function of selectively reflecting and / or preventing reflection with respect to light of each desired wavelength was formed.

上述の構成によって、第1の二次非線形光学素子の光導波路305、第2のMMI312(請求項では第1のフィルタに対応)および結合光導波路332は、1本の連続する導波路として隣接して形成されることになる。また、入力導波路333、第1のMMI330(請求項では合波器に対応)および第2の二次非線形光学素子の光導波路306も、1本の連続する導波路として隣接して形成される。さらに、結合光導波路332、第1のMMI330(請求項では合波器に対応)および第2の二次非線形光学素子の光導波路306も、1本の連続する導波路として隣接して形成されることになる。   With the above-described configuration, the optical waveguide 305 of the first second-order nonlinear optical element, the second MMI 312 (corresponding to the first filter in the claims), and the coupling optical waveguide 332 are adjacent as one continuous waveguide. Will be formed. Further, the input waveguide 333, the first MMI 330 (corresponding to the multiplexer in the claims), and the optical waveguide 306 of the second second-order nonlinear optical element are also formed adjacent to each other as one continuous waveguide. . Further, the coupling optical waveguide 332, the first MMI 330 (corresponding to the multiplexer in the claims) and the optical waveguide 306 of the second second-order nonlinear optical element are also formed adjacent to each other as one continuous waveguide. It will be.

本実施例の位相感応型増幅器においては、信号光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の位相と励起光の位相とが一致するか、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である。
Δφ=φ2ωs/2−φωs=nπ(ただし、nは整数) 式(1)
In the phase sensitive amplifier of this embodiment, in order to amplify only the light in phase with the signal light, the phase of the signal light and the phase of the excitation light match as described above, or only π radians It needs to be shifted. That is, when using the second-order nonlinear optical effect, that the phase phi 2Omegaesu of the excitation light is a wavelength corresponding to the second harmonic, and the phases phi .omega.s of the signal light, satisfies the following relationship (1) is necessary.
Δφ = φ 2ωs / 2-φ ωs = nπ ( where, n is an integer) (1)

図5は、本実施例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Gが最大となっていることがわかる。図5に示したような入力信号光と励起光との間の位相同期を達成するために、図3に示した本実施例の位相感応型増幅器300は、以下の構成を持っている。   FIG. 5 is a graph showing the relationship between the phase difference Δφ between the input signal light and the pump light and the gain (dB) in the phase sensitive optical amplifier using the second-order nonlinear optical effect of this embodiment. It can be seen that the gain G is maximum when Δφ on the horizontal axis is −π, 0, or π. In order to achieve the phase synchronization between the input signal light and the excitation light as shown in FIG. 5, the phase sensitive amplifier 300 of the present embodiment shown in FIG. 3 has the following configuration.

光ファイバレーザ増幅器304の前に、基本波光の励起光326の位相を一定周波数の小振幅のパイロット信号で変調するための位相変調器302を設けている。励起光326の位相を微小に変調した状態で、パラメトリック増幅された信号光316を、光分岐部308で分岐して光検出器(PD:フォトダイオード)310により受光・観測する。図5に示したように利得が最大となって位相同期が取れている状態では、位相変調による利得の変動が最小になる。これに対して、位相同期が外れている状態では、図5に示したように励起光および信号光の間の位相差が大きくなるに従って、位相変調によって利得に変調を生じる。増幅された光316にも、パイロット信号と同じ周波数の変調成分を生じることになる。   In front of the optical fiber laser amplifier 304, a phase modulator 302 for modulating the phase of the excitation light 326 of the fundamental wave light with a pilot signal having a constant frequency and a small amplitude is provided. In a state in which the phase of the excitation light 326 is minutely modulated, the parametrically amplified signal light 316 is branched by the optical branching unit 308 and received and observed by the photodetector (PD: photodiode) 310. As shown in FIG. 5, in the state where the gain is maximized and the phase synchronization is established, the fluctuation of the gain due to the phase modulation is minimized. On the other hand, in a state where the phase synchronization is lost, the gain is modulated by phase modulation as the phase difference between the pumping light and the signal light increases as shown in FIG. The amplified light 316 also generates a modulation component having the same frequency as the pilot signal.

このような増幅光316に現れる変調成分が最小になるように、PLL(Phase Lock Loop)技術を用いて励起光の位相にフィードバックをかけることによって、励起光と信号光との間で位相を同期させることができる。本実施例では、PLL回路311から、PZTを用いた光ファイバの伸長器303にフィードバックを行うことにより、光ファイバ部品の伸び縮みや温度変動による位相の変動を吸収できるようにしている。   The phase of the pump light and the signal light are synchronized by applying feedback to the phase of the pump light using PLL (Phase Lock Loop) technology so that the modulation component appearing in the amplified light 316 is minimized. Can be made. In this embodiment, feedback from the PLL circuit 311 to the optical fiber expander 303 using PZT is made possible to absorb phase fluctuations due to expansion and contraction of optical fiber parts and temperature fluctuations.

本実施例においては、図3には示されていないが、入力信号光に対する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、入力信号光として10Gb/sのNRZ信号を入力した場合の増幅特性を評価した。   In the present embodiment, although not shown in FIG. 3, an LN Mach-Zehnder modulator is used as a data signal modulator for input signal light, and amplification is performed when a 10 Gb / s NRZ signal is input as input signal light. Characteristics were evaluated.

図6は、本実施例の位相感応光増幅器300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8の(a)は位相感応光増幅器へ励起光が入射しないときの入射信号光の出力波形を、図8の(b)はPLLによって励起光および信号光の位相を式(1)の関係を満たすように設定したときの出力波形を、図8の(c)はPLLによって励起光の位相および信号光の位相を式(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している。本実施例の位相感応光増幅器では、励起光の位相を信号光の位相に合わせることによって、励起光の位相および信号光の位相が式(1)の関係を満たすように同期させることで、第2のPPLN導波路306に入射した第二高調波319のパワーが300mWという条件下で、約11dBの利得を得ることができた。   FIG. 6 is a diagram for explaining the time waveform of the signal amplified by the phase sensitive optical amplifier 300 of the present embodiment. 8A shows the output waveform of the incident signal light when the excitation light does not enter the phase-sensitive optical amplifier, and FIG. 8B shows the phase of the excitation light and the signal light by the PLL according to the equation (1). 8 (c) shows the output waveform when the phase of the excitation light and the phase of the signal light are set so as to be shifted by 90 degrees from the relationship of the expression (1). Each is shown. In the phase sensitive optical amplifier according to the present embodiment, the phase of the pumping light and the phase of the signal light are synchronized with each other so that the phase of the pumping light and the phase of the signal light satisfy the relationship of the expression (1). A gain of about 11 dB could be obtained under the condition that the power of the second harmonic 319 incident on the second PPLN waveguide 306 was 300 mW.

本実施例の位相感応光増幅器300では、1つの基板340上に集積化した2つのMMI型合分波器312、330を用いて信号光および励起光を選択し、DPA用の第2のPPLN306へ高い消光比で入射することができる。これによって、図2に示した従来技術の1つのMMI212と第二高調波の励起光に対する高反射膜221を用いた構成において問題であった増幅率の低下を抑えることができる。図2の位相感応光増幅器の構成では、励起光発生の際、第二高調波に変換し切れなかった残留信号光(基本波光)の反射光がDPA用のPPLN209に混入し増幅率を低下させていた。これに対して、本実施例の位相感応光増幅器300では、第2のMMIの反射端面および各薄膜を利用して、残留信号光の第2のPPLN306への反射光が十分に抑えられて、第2のPPLN306における増幅率の低下を生じることなく高効率な光増幅器が実現できた。   In the phase sensitive optical amplifier 300 of this embodiment, signal light and excitation light are selected using two MMI type multiplexers / demultiplexers 312 and 330 integrated on one substrate 340, and a second PPLN 306 for DPA is selected. Can be incident at a high extinction ratio. As a result, it is possible to suppress a decrease in amplification factor, which is a problem in the configuration using the high reflection film 221 with respect to one conventional MMI 212 and second harmonic excitation light shown in FIG. In the configuration of the phase sensitive optical amplifier shown in FIG. 2, the reflected light of the residual signal light (fundamental wave light) that could not be completely converted to the second harmonic when the pumping light is generated is mixed into the PPLN 209 for DPA to reduce the amplification factor. It was. On the other hand, in the phase sensitive optical amplifier 300 of the present embodiment, the reflected light of the residual signal light to the second PPLN 306 is sufficiently suppressed using the reflection end face of the second MMI and each thin film, A highly efficient optical amplifier could be realized without causing a decrease in amplification factor in the second PPLN 306.

また本実施例の位相感応光増幅器の構成によって、2つのMMI312、330を利用して励起光と信号光とを分離したため、図2の従来技術2の位相感応光増幅器で必要であった光アイソレータ、光サーキュレータが不要となり、これらの部品の接続によって生じていた損失の影響を回避することができる。信号光側へ伝搬する光が図2に示した従来技術2の構成と比べて原理的に存在しないため、信号光側に必要だった光アイソレータが不要となった。アイソレータの削除によって、位相感応光増幅器の前段側の損失が低下するため、入力側の雑音指数(NF)が低下する。増幅器の前段側のNF値が、増幅器全体のNF値に寄与することは良く知られており、光アイソレータの削除は増幅器全体のNF値の向上に大きな効果がある。   In addition, since the pumping light and the signal light are separated by using the two MMIs 312 and 330 according to the configuration of the phase sensitive optical amplifier of this embodiment, the optical isolator necessary for the phase sensitive optical amplifier of the prior art 2 in FIG. The optical circulator becomes unnecessary and the influence of the loss caused by the connection of these components can be avoided. Since the light propagating to the signal light side does not exist in principle as compared with the configuration of the prior art 2 shown in FIG. 2, the optical isolator necessary for the signal light side is no longer necessary. By removing the isolator, the loss on the front stage side of the phase sensitive optical amplifier is lowered, so that the noise figure (NF) on the input side is lowered. It is well known that the NF value on the front side of the amplifier contributes to the NF value of the entire amplifier, and eliminating the optical isolator has a great effect on improving the NF value of the entire amplifier.

また、光アイソレータ、光サーキュレータは、いずれも60mm×φ10mmの大きさを持っている。本実施例におけるLN基板のサイズが60mm×4mm程度の大きさなので、光アイソレータおよび光サーキュレータを削除することによる装置全体サイズの縮小効果は大きい。   Further, both the optical isolator and the optical circulator have a size of 60 mm × φ10 mm. Since the size of the LN substrate in this embodiment is about 60 mm × 4 mm, the effect of reducing the overall size of the apparatus by removing the optical isolator and the optical circulator is great.

本実施例においては、パラメトリック増幅過程における信号光および励起光の波長関係は縮退パラメトリック過程を用いたが、波長が異なる場合すなわち非縮退パラメトリック過程においても、同様に信号光を低雑音で増幅することが可能である。   In this embodiment, the wavelength relationship between the signal light and the excitation light in the parametric amplification process uses the degenerate parametric process. However, when the wavelengths are different, that is, in the non-degenerate parametric process, the signal light is similarly amplified with low noise. Is possible.

上述のように本実施例の位相感応光増幅器によって、第二高調波発生(SHG)用の励起光発生用の第1のPPLN305と、縮退パラメトリック増幅(DPA)用の第2のPPLN306と、合分波器として機能する2つのマルチモード干渉型(MMI:Multi Mode Interference)合分波器、すなわち第1のMMI330および第2のMMI312を集積化している。これによって、従来技術1(図1)のような基板内にあったダイクロックミラーなどの個別部品の合分波器を排除することで基板サイズを縮小することが可能である。ダイクロックミラーは、概ね6mm角程度のサイズを持っており、ダイクロックミラーの削除も、基板サイズの増大を抑える効果がある。別個の部品および光回路基板の間の接続損失により生じる増幅器SNRの劣化を抑え、基板サイズの増大を抑えることができる。   As described above, the phase sensitive optical amplifier according to the present embodiment combines the first PPLN 305 for generating the second harmonic generation (SHG) excitation light and the second PPLN 306 for degenerate parametric amplification (DPA). Two multi-mode interference (MMI) multiplexers / demultiplexers that function as demultiplexers, that is, a first MMI 330 and a second MMI 312 are integrated. As a result, it is possible to reduce the substrate size by eliminating the multiplexer / demultiplexer of individual components such as the dichroic mirror that existed in the substrate as in prior art 1 (FIG. 1). The dichroic mirror has a size of about 6 mm square, and the removal of the dichroic mirror has an effect of suppressing an increase in the substrate size. It is possible to suppress the deterioration of the amplifier SNR caused by the connection loss between the separate components and the optical circuit board, and to suppress the increase in the board size.

また、本発明の位相感応光増幅器の構成では、反射端面405を持つ第2のMMIを利用しているので、第二高調波発生用の第1のPPLN505と、縮退パラメトリック増幅用の第2のPPLN306を概ね上下に並行に並べた配置を取ることができる。この配置によって、2つのPPLNを一直線上に配置する構成よりも、増幅率の低下を防止する効果が得られることに注目されたい。2つのPPLNを一直線状に配置する場合、基板面内の材料特性の不均一によって、2つのPPLNの位相整合波長が異なる場合が生じる。このような場合、パラメトリック光増幅に不可欠な位相整合条件を満足することができず、位相感応光増幅器全体の増幅率が低下してしまう。   Further, in the configuration of the phase sensitive optical amplifier of the present invention, the second MMI having the reflection end face 405 is used. Therefore, the first PPLN 505 for generating the second harmonic and the second PMI for degenerate parametric amplification are used. It is possible to take an arrangement in which PPLNs 306 are arranged substantially in parallel in the vertical direction. It should be noted that this arrangement can provide an effect of preventing a decrease in amplification factor as compared with a configuration in which two PPLNs are arranged on a straight line. When two PPLNs are arranged in a straight line, the phase matching wavelengths of the two PPLNs may be different due to non-uniform material properties in the substrate surface. In such a case, the phase matching condition indispensable for parametric light amplification cannot be satisfied, and the amplification factor of the entire phase sensitive optical amplifier is lowered.

本発明のように、第2のMMI312の反射端面を利用すれば、光路を反転させれば、2つのPPLN305、306を、例えば100μm程度の距離に近接して配置することが可能であり、増幅率の低下を避けることができる。MMIを使用せずに、光路を折り返すことも可能であるが、曲げ導波路での損失を減らすためには、曲率半径を大きくする必要があり、回路全体が大きくなる欠点がある。さらに、上述のように第2のMMI312の反射端面によって、基本波光と第二高調波の分離が可能である。   If the reflection end face of the second MMI 312 is used as in the present invention, the two PPLNs 305 and 306 can be arranged close to a distance of about 100 μm, for example, if the optical path is reversed. A decrease in rate can be avoided. Although it is possible to fold the optical path without using the MMI, in order to reduce the loss in the bending waveguide, it is necessary to increase the radius of curvature, and there is a drawback that the entire circuit becomes large. Further, the fundamental light and the second harmonic can be separated by the reflection end face of the second MMI 312 as described above.

以上述べたように、本実施例の位相感応光増幅器では、励起光である第二高調波を、従来技術のMMI型導波路を中央部分で切断した構成のMMI型導波路の反射端面上に設けた高反射膜によって反射して、パラメトリック増幅用の第2のPPLNに結合できる。同時に、第二高調波に変換されなかった残留基本波成分を効率よく除去できる。第2のMMIの反射端面は、基板の端面に一部を構成しているので、1つの基板上に集積化された光回路の作製プロセスに親和性の高い構成を利用することができる。反射構成を利用しているために、単純にSHG機能おびDPA機能のPPLNを集積化する場合に比べて、基板サイズを大幅に縮小することが可能である。   As described above, in the phase sensitive optical amplifier according to the present embodiment, the second harmonic, which is the excitation light, is applied to the reflection end face of the MMI waveguide having a configuration in which the conventional MMI waveguide is cut at the center portion. It is reflected by the provided high reflection film and can be coupled to the second PPLN for parametric amplification. At the same time, the residual fundamental wave component that has not been converted to the second harmonic can be efficiently removed. Since the reflection end face of the second MMI is partly formed on the end face of the substrate, it is possible to use a configuration having high affinity for the manufacturing process of the optical circuit integrated on one substrate. Since the reflection configuration is used, the substrate size can be significantly reduced as compared with the case where the PPLN having the SHG function and the DPA function is simply integrated.

尚、本実施例において、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、これに限定されない。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)3(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だけに限定されず、Znの代わりにMg、Zn、Sc、In、Feを用いても良い。また、添加物を添加しなくても良い。 In this embodiment, lithium niobate (LiNbO 3 ) added with Zn is used as the second-order nonlinear optical material whose polarization is periodically inverted. However, the present invention is not limited to this. Lithium tantalate (LiTaO 3 ), mixed crystal of lithium niobate and lithium tantalate (LiNb (x) Ta (1-x) O 3 (0 ≦ x ≦ 1)), potassium niobate (KNbO 3 ), titanyl phosphate Similar effects can be obtained with a second-order nonlinear optical material typified by potassium (KTiOPO 4 ) or the like. Further, the additive of the second-order nonlinear optical material is not limited to Zn, and Mg, Zn, Sc, In, and Fe may be used instead of Zn. Moreover, it is not necessary to add an additive.

上述の本実施例位相感応光増幅器の構成の説明では、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。入力信号光を生成する光源および変調器の構成は、異なる波長を持つ複数の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できる。   In the above description of the configuration of the phase sensitive optical amplifier according to the present embodiment, the case where phase sensitive amplification by degenerate parametric amplification using signal light having a single wavelength (1.54 μm) as input signal light has been described. The configurations of the light source and the modulator that generate the input signal light can also be applied to the case of performing phase sensitive amplification by non-degenerate parametric amplification using a plurality of carrier waves having different wavelengths as input signals.

上述の実施例1の構成の位相感応光増幅器は、別の視点から従来技術の問題点をさらに改善することができる。位相感応型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。しかしながら、実際の動作においては、以下に述べるような付随的な雑音の影響が無視できない。例えば、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って増幅光の雑音へと変換されてしまうことを考慮する必要がある。   The phase sensitive optical amplifier having the configuration of the first embodiment described above can further improve the problems of the prior art from another viewpoint. The parametric amplification operation itself by the nonlinear optical medium in the phase sensitive amplifier can essentially perform low-noise optical amplification. However, in actual operation, the influence of incidental noise as described below cannot be ignored. For example, it is necessary to consider that noise included in the excitation light itself is converted into noise of amplified light by a parametric amplification process.

図3に示した実施例1の位相感応光増幅器300の構成では、位相同期に用いる位相変調器302をEDFA304の前段側に配置している。このため、EDFA304への入射パワーレベルは、位相変調器302の挿入損失の分だけ小さくなってしまう。非特許文献3に示されているように、EDFA等のレーザ増幅器においては、増幅器の前段側に損失があると、その損失分だけSN比が劣化してしまうことが知られている。このように位相変調器302の挿入損失によって励起光326のSN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で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くなる。以下に説明する実施例2の位相感応光増幅器にでは、この励起光の雑音の問題が解消される。   In the configuration of the phase sensitive optical amplifier 300 according to the first embodiment illustrated in FIG. 3, the phase modulator 302 used for phase synchronization is disposed on the upstream side of the EDFA 304. For this reason, the incident power level to the EDFA 304 is reduced by the insertion loss of the phase modulator 302. As shown in Non-Patent Document 3, it is known that in a laser amplifier such as an EDFA, if there is a loss on the front side of the amplifier, the SN ratio is degraded by the loss. If the SN ratio of the pumping light 326 deteriorates due to the insertion loss of the phase modulator 302 in this way, the noise component is converted into the noise of the amplified light in the parametric amplification process, and low-noise amplification is performed. Can not be. In the phase sensitive optical amplifier according to the second embodiment described below, the problem of noise of the excitation light is solved.

図7は、本発明の実施例2の集積化した位相感応光増幅器の構成を示す図である。本実施例は、実施例1で問題となっていた位相変調器302の挿入損失に起因する光ファイバレーザ増幅器におけるSN比の劣化を防ぐ構成を示す。非特許文献3に示されているように、レーザ増幅器においては、レーザ増幅器の前段側に損失がある場合にはその損失分だけSN比が劣化してしまう。一方、レーザ増幅器の後段側に損失がある場合は、損失分だけ出力レベルが低下してしまうもののSN比の劣化は生じない。本実施例では、この性質を利用して、図7に示すように、位相変調器702を光ファイバレーザ増幅器704の出力側に配置するよう構成した。   FIG. 7 is a diagram showing a configuration of an integrated phase sensitive optical amplifier according to the second embodiment of the present invention. The present embodiment shows a configuration that prevents deterioration of the S / N ratio in the optical fiber laser amplifier due to the insertion loss of the phase modulator 302, which is a problem in the first embodiment. As shown in Non-Patent Document 3, in the laser amplifier, when there is a loss on the front side of the laser amplifier, the SN ratio is degraded by the loss. On the other hand, when there is a loss on the rear stage side of the laser amplifier, the output level is reduced by the amount of the loss, but the SN ratio does not deteriorate. In this embodiment, using this property, the phase modulator 702 is arranged on the output side of the optical fiber laser amplifier 704 as shown in FIG.

ここで、従来技術の位相感応光増幅器では、図7に示すような位相変調器の配置構成を取ることができなかったことに留意されたい。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たからである。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る。このTi拡散導波路の屈折率変化によって位相変化を生じるため、同じ位相条件を得るための位相変調器への印加電圧が変化する、いわゆるドリフト現象を引き起こしてしまう。 Here, it should be noted that the phase-sensitive optical amplifier according to the prior art cannot take the phase modulator arrangement as shown in FIG. The reason is that many of the existing phase modulators are made of an optical waveguide in which Ti is diffused in a LiNbO 3 (LN) crystal. Since optical damage is significant in the Ti diffusion waveguide, a change in refractive index due to the photorefractive effect occurs when a large optical power is incident. Since the phase change is caused by the refractive index change of the Ti diffusion waveguide, a so-called drift phenomenon is caused in which the voltage applied to the phase modulator for obtaining the same phase condition is changed.

このドリフト現象を考慮すると、レーザ増幅器の後段側に配置した場合を仮定すると、位相変調器に入力可能な光パワーは20dBm(100mW)程度に制限されてしまう。このような状況下では、挿入損失の大きな位相変調器をレーザ増幅器の後段側に配置することで、増幅後の励起光のパワーが低下してしまう。結局、光パラメトリック効果を生じるのに必要十分な励起光パワーが得られず、大きな増幅率を持った位相感応増幅を実現することができない。したがって、従来技術の構成では、図7のような構成を採用できなかった。   In consideration of this drift phenomenon, assuming that the laser amplifier is disposed on the rear stage side, the optical power that can be input to the phase modulator is limited to about 20 dBm (100 mW). Under such circumstances, the power of the pumping light after amplification is reduced by arranging a phase modulator having a large insertion loss at the rear stage side of the laser amplifier. Eventually, the pumping light power necessary and sufficient for producing the optical parametric effect cannot be obtained, and phase sensitive amplification with a large amplification factor cannot be realized. Therefore, the configuration shown in FIG. 7 cannot be adopted in the configuration of the prior art.

これに対して本実施例の位相感応光増幅器700においては、位相変調器702をEDFA704より出力側に配置することが可能である。本実施例の構成は、位相変調器702の位置が異なる点を除けば、実施例1の構成と同様なので、位相変調器702に関係する部分を除いて詳細な説明は省略する。第二高調波を発生する第1のPPLN導波路705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拡散法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る。本実施例では、位相変調器702を、第二高調波を発生する第1のPPLN導波路705と同様に、直接接合法で作製した光導波路を用いて構成することによって、位相変調器702でより大きな励起光パワーを利用することが可能になる。具体的には、位相変調部702において、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した。   On the other hand, in the phase sensitive optical amplifier 700 of this embodiment, the phase modulator 702 can be arranged on the output side from the EDFA 704. The configuration of the present embodiment is the same as that of the first embodiment except that the position of the phase modulator 702 is different. Therefore, detailed description is omitted except for the portion related to the phase modulator 702. In the first PPLN waveguide 705 that generates the second harmonic, in order to handle the second harmonic in which the optical damage becomes more significant, a method of forming a waveguide that is more resistant to optical damage than the Ti diffusion method is used. Is common. In the present embodiment, similarly to the first PPLN waveguide 705 that generates the second harmonic, the phase modulator 702 is configured by using an optical waveguide manufactured by a direct bonding method. It becomes possible to use a larger excitation light power. Specifically, in the phase modulation unit 702, a direct junction waveguide using, as a core, lithium niobate added with Zn having excellent optical damage resistance was used.

本実施例の位相感応光増幅器700では、位相変調器702がEDFA704の入力段側に配置されていないため、EDFA704で増幅する前の励起光717のSN比を、実施例1の構成と比べて5dBほど改善することができた。   In the phase sensitive optical amplifier 700 of this embodiment, since the phase modulator 702 is not arranged on the input stage side of the EDFA 704, the SN ratio of the pump light 717 before being amplified by the EDFA 704 is compared with the configuration of the first embodiment. The improvement was about 5 dB.

第2のPPLN導波路706に入射した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EDFA704の出力パワーは約1Wであり、位相変調器702に構成された直接接合導波路への入力パワーは630mWであった。このような高パワーレベルの光を入射した場合でも、位相変調器702は、印加電圧のドリフト現象を起こすことなく動作し、安定な位相同期動作を実現することができた。   A gain of about 11 dB could be obtained under the condition that the power of the second harmonic wave incident on the second PPLN waveguide 706 was 300 mW. At this time, the output power of the EDFA 704 was about 1 W, and the input power to the direct junction waveguide formed in the phase modulator 702 was 630 mW. Even when such high power level light is incident, the phase modulator 702 operates without causing a drift phenomenon of the applied voltage, and can realize a stable phase synchronization operation.

本実施例の位相感応光増幅器によって、実施例1の構成による効果に加えて、励起光のSN比を向上させることができるため、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る影響を抑えることができる。結果として、より低雑音で光信号の増幅を行うことができる。この位相変調器702を集積化することによって、次の実施例のように、さらに部品点数を減らし低損失化をすることができる。   The phase sensitive optical amplifier of the present embodiment can improve the S / N ratio of the pumping light in addition to the effect of the configuration of the first embodiment, so that the noise contained in the pumping light itself is reduced by the parametric amplification process. It is possible to suppress the effect of being converted into As a result, optical signals can be amplified with lower noise. By integrating the phase modulator 702, the number of parts can be further reduced and the loss can be reduced as in the following embodiment.

図8は、本発明の実施例3の集積化した位相感応光増幅器の構成を示す図である。本実施例の構成は、直接接合法により作製した2次非線形光学デバイスおよび2つのMMIを集積化して使用し、集積化された基板が端面加工されている点は、実施例1および2と同様である。本実施例と実施例2との間の相違点は、信号光および励起光の同期用の位相変調器802を、2つのPPLN805、806および2つのMMI812、813を集積化した基板840と同一の非線形光学結晶基板上にさらに集積化した点である。すなわち、集積化された基板840の最も入力側に形成された位相変調部802を備えた点に特徴がある。すなわち、位相変調器802は、第1の二次非線形光学素子の光導波路805の前段側において、第1の二次非線形光学素子の光導波路805に隣接して形成され、基板840上で、第1の二次非線形光学素子の光導波路と集積化される。   FIG. 8 is a diagram showing a configuration of an integrated phase sensitive optical amplifier according to the third embodiment of the present invention. The configuration of this example uses a second-order nonlinear optical device and two MMIs fabricated by a direct bonding method in an integrated manner, and the integrated substrate is processed in the same manner as in the first and second examples. It is. The difference between the present embodiment and the second embodiment is that the phase modulator 802 for synchronizing the signal light and the pump light is the same as the substrate 840 in which two PPLNs 805 and 806 and two MMIs 812 and 813 are integrated. This is the point of further integration on the nonlinear optical crystal substrate. That is, it is characterized in that a phase modulation unit 802 formed on the most input side of the integrated substrate 840 is provided. That is, the phase modulator 802 is formed adjacent to the optical waveguide 805 of the first second-order nonlinear optical element on the front stage side of the optical waveguide 805 of the first second-order nonlinear optical element. 1 is integrated with the optical waveguide of the second-order nonlinear optical element.

PPLN導波路805、806が形成されたのと同一の基板840上に、周期分極反転構造のない位相変調部802を、PPLN導波路と同様の導波路形成法で集積化して形成した。位相変調部802には、導波路上に電界印加用電極819を形成し、発振器823から電気信号を印加して電気光学(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、EDFA804で増幅された励起基本波光815のパワーレベルが大きくなった場合でも、位相変調部802の動作電圧のドリフト現象を起こすことはない。光PLL動作のためのパイロット信号による位相変調を、励起光である基本波光815に対して施すことができる。   On the same substrate 840 on which the PPLN waveguides 805 and 806 are formed, a phase modulation unit 802 without a periodically poled structure is integrated and formed by the same waveguide formation method as the PPLN waveguide. In the phase modulation unit 802, an electric field application electrode 819 is formed on the waveguide, and an electric signal is applied from an oscillator 823 to enable phase modulation by an electro-optic (EO) effect. As described above, this waveguide formation method is excellent in optical damage resistance. Therefore, even when the power level of the excitation fundamental wave light 815 amplified by the EDFA 804 is increased, a drift phenomenon of the operating voltage of the phase modulation unit 802 occurs. There is nothing. Phase modulation by a pilot signal for optical PLL operation can be performed on the fundamental light 815 that is pumping light.

本実施例では複数の位相変調器を集積化しているため、実施例2のように、集積化した基板の外部に単独の位相変調器を置いて接続する構成に比べて、接続損失が低減される。第二高調波の発生を行う第1のPPLN805に対して、より高いパワーレベルの励起光を供給することができる、増幅信号光816のSN比が向上した。   Since a plurality of phase modulators are integrated in this embodiment, the connection loss is reduced as compared with the configuration in which a single phase modulator is placed outside the integrated substrate as in Embodiment 2. The The S / N ratio of the amplified signal light 816 that can supply pump light with a higher power level to the first PPLN 805 that generates the second harmonic is improved.

尚、本実施例においては、第2のPPLN806において増幅された信号光および第2のPPLN内に残留した第二高調波の励起光に対して、基板840上に集積した第3のMMI818によって、増幅後の信号光の出力ポート825に残留励起光を混入させなくす
るための励起光遮断フィルタとして用いた。また、このとき、出力ポート825から増幅された信号光の一部を取り出して、検出器810に入力し、PLL回路811への帰還信号として利用した。第3のMMI818によって、実施例1、2における光分岐部308、708を、さら基板840内に取り込んで、集積度を上げることができる。
In this embodiment, the third MMI 818 integrated on the substrate 840 is used for the signal light amplified in the second PPLN 806 and the second harmonic excitation light remaining in the second PPLN. It was used as an excitation light blocking filter for preventing residual excitation light from entering the amplified signal light output port 825. At this time, a part of the amplified signal light is extracted from the output port 825, input to the detector 810, and used as a feedback signal to the PLL circuit 811. With the third MMI 818, the optical branching portions 308 and 708 in the first and second embodiments can be taken into the substrate 840 to increase the degree of integration.

すなわち、本実施例では、光分岐部は(第2のフィルタ)は、増幅された信号光を出力する第1の出力導波路825と、増幅された信号光の一部を抽出して同期する手段811への検出信号を出力する第2の出力導波路824を有するマルチモード干渉型合分波器(MMI)818で構成される。第3のMMI818のマルチモード導波路部の幅、長さ、および入力位置と出力位置を最適化することによって、例えば、増幅後の光の90%を本出力として、10%をモニター用として使用することができる。同時に、残留励起光を、増幅光出力ポート825およびモニター用ポート824に混入させないことも可能となる。   That is, in this embodiment, the optical branching unit (second filter) synchronizes with the first output waveguide 825 that outputs the amplified signal light by extracting a part of the amplified signal light. It comprises a multimode interference type multiplexer / demultiplexer (MMI) 818 having a second output waveguide 824 that outputs a detection signal to the means 811. By optimizing the width, length, input position and output position of the multimode waveguide section of the third MMI 818, for example, 90% of the amplified light is used as the main output and 10% is used as the monitor can do. At the same time, it becomes possible not to mix the residual excitation light into the amplified light output port 825 and the monitor port 824.

本実施例の位相感応光増幅器によって、実施例2の構成に比べて、位相変調器で生じる接続損失を大幅に低下させることができる。これによって、さらに低雑音で光増幅を行うことができる。励起光発生用の第二高調波発生用のPPLNと位相変調器とを集積することにより、単体の位相変調器を接続した場合に比べ励起光の減衰の影響を少なくすることが可能である。SN比の劣化を防ぎながら高品質な光信号増幅が可能になる。この結果、光通信に適用可能で、かつ、低雑音での増幅が可能な位相感応型増幅器により、光ファイバ中の信号のSN比を改善できる。従来よりも高速の信号を低いパワーで、光信号を長距離まで伝送することが可能となる。   Compared with the configuration of the second embodiment, the connection loss generated in the phase modulator can be significantly reduced by the phase sensitive optical amplifier of the present embodiment. Thus, optical amplification can be performed with lower noise. By integrating the PPLN for generating the second harmonic for generating the excitation light and the phase modulator, it is possible to reduce the influence of the attenuation of the excitation light compared to the case where a single phase modulator is connected. High-quality optical signal amplification is possible while preventing degradation of the signal-to-noise ratio. As a result, the signal-to-noise ratio of the signal in the optical fiber can be improved by the phase sensitive amplifier that can be applied to optical communication and can be amplified with low noise. It becomes possible to transmit an optical signal to a long distance with a lower power than a conventional high-speed signal.

本実施例の位相感応光増幅器は、位相変調部をさらに別の構成とすることによって、次の実施例のように集積化をより効果的に行うことができる。   The phase sensitive optical amplifier of the present embodiment can be more effectively integrated as in the following embodiment by further configuring the phase modulation section.

図9は、本発明の実施例4の集積化した位相感応光増幅器の構成を示す図である。本実施例は、直接接合法により作製した2次非線形光学デバイスおよび2つのMMIを1つの基板上に集積化して構成し、集積化された基板が端面加工されている点、および、信号光と励起光との間の同期用の位相変調器を同一の基板上にさらに集積している点は、実施例3の構成と同様である。本実施例と実施例3との間の構成上の違いは、基本波光に対してではなく励起光である第2高調波に対して位相変調が施されるように位相変調部902を配置した点である。すなわち、位相変調器902は、第1の二次非線形光学素子の光導波路905および第2のMMI912(第1のフィルタ)の間に、第1の二次非線形光学素子の光導波路905に隣接して形成され、基板940上で、第1の二次非線形光学素子の光導波路905に集積化されている。したがって、図9の位相感応光増幅器900は、位相変調部902に関係する部分を除いて、実施例3の構成と同様なため、位相変調器902に関係する部分を除いて詳細な説明は省略する。   FIG. 9 is a diagram showing a configuration of an integrated phase sensitive optical amplifier according to the fourth embodiment of the present invention. In this embodiment, a second-order nonlinear optical device and two MMIs manufactured by a direct bonding method are integrated on one substrate, and the integrated substrate is processed with an end face, and signal light and The point that the phase modulator for synchronization with the excitation light is further integrated on the same substrate is the same as the configuration of the third embodiment. The difference in configuration between the present embodiment and the third embodiment is that the phase modulation unit 902 is arranged so that phase modulation is performed not on the fundamental wave light but on the second harmonic wave that is the excitation light. Is a point. That is, the phase modulator 902 is adjacent to the optical waveguide 905 of the first second-order nonlinear optical element between the optical waveguide 905 of the first second-order nonlinear optical element and the second MMI 912 (first filter). And integrated on the optical waveguide 905 of the first second-order nonlinear optical element on the substrate 940. Accordingly, the phase sensitive optical amplifier 900 of FIG. 9 is the same as the configuration of the third embodiment except for the portion related to the phase modulation unit 902, and therefore detailed description is omitted except for the portion related to the phase modulator 902. To do.

位相変調部902を、基本波用の導波路上ではなくて第二高調波用の導波路上に配置することによって生じる効果は、次のように説明できる。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る場合は、結晶への電界印加により位相を変調する。非特許文献5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結晶の電気光学係数、屈折率、印加電界および波長等に依存する。特に使用波長に着目すると、次式(2)に示すような関係が成立する。
Vπ∝λ 式(2)
The effect produced by disposing the phase modulation unit 902 on the second harmonic waveguide instead of on the fundamental wave waveguide can be explained as follows. When an external force such as an electric field or stress is applied to the optical material from the outside, a refractive index change occurs in the optical material. When the electro-optic effect of the LN crystal is used as the phase modulator, the phase is modulated by applying an electric field to the crystal. As shown in Non-Patent Document 5, the half-wave drive voltage Vπ indicating the performance of the modulator depends on the electro-optic coefficient, refractive index, applied electric field, wavelength, and the like of the LN crystal. In particular, when attention is paid to the wavelength used, the relationship shown in the following equation (2) is established.
Vπ∝λ Formula (2)

実施例1から実施例3で示した各配置の場合と比較すると、本実施例で採用した配置によって、半波長駆動電圧、即ち位相変調に必要な電圧は、実施例3の構成と比べて半分となり、電圧印加装置923からの所要電圧を大幅に低減することができる。所要電圧が下がることによって、位相感応光増幅器の周辺の機器を小型化、低電力化することができる。位相変調用電圧を一定とした場合は、必要な光路長すなわち位相変調部の長さは実施例3の構成に比べて、原理的に1/2に大幅に縮小することができる。実際に、同一レベルのPLL回路911への帰還信号を得るためには、本発明の実施例3において用いた位相変調部802内の実際の電界印加用電極819の長さが約50mm必要であるのに対し、本実施例の電界印加用電極919は約28mmに大幅に短縮することができた。   Compared with the arrangements shown in the first to third embodiments, the arrangement employed in this embodiment reduces the half-wave driving voltage, that is, the voltage required for phase modulation by half compared to the configuration of the third embodiment. Thus, the required voltage from the voltage application device 923 can be greatly reduced. By reducing the required voltage, the peripheral devices of the phase sensitive optical amplifier can be reduced in size and power consumption. If the phase modulation voltage is constant, the required optical path length, that is, the length of the phase modulation section, can be greatly reduced to ½ in principle compared to the configuration of the third embodiment. Actually, in order to obtain a feedback signal to the PLL circuit 911 of the same level, the length of the actual electric field application electrode 819 in the phase modulation unit 802 used in the third embodiment of the present invention is required to be about 50 mm. On the other hand, the electric field applying electrode 919 of this example could be significantly shortened to about 28 mm.

本実施例においても他の実施例と同様に、位相変調部902について、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できた。   Also in this embodiment, as in the other embodiments, the phase modulation section 902 is a phase modulation section using a direct junction waveguide using lithium niobate doped with Zn having excellent optical damage resistance as a core. It was possible to suppress the operating voltage drift.

本実施例の位相感応光増幅器によって、位相変調器部を第二高調波用の導波路上に構成することによって、実施例3の構成とくらべて電極面積をさらに縮小して、集積化する基板の面積の増大を抑えることができる。   A substrate that is integrated by further reducing the electrode area compared to the configuration of the third embodiment by configuring the phase modulator portion on the second harmonic waveguide by the phase sensitive optical amplifier of the present embodiment. An increase in the area can be suppressed.

図10は、本発明の実施例5の集積化した位相感応光増幅器の構成を示す図である。本実施例では、直接接合法により作製した2次非線形光学デバイスおよび2つのMMIを1つの基板上に集積化して構成し、集積化された基板が端面加工されている点、および、信号光および励起光の間の同期用の位相変調器を同一の基板上にさらに集積した点は、実施例3と同様である。本実施例と実施例3との間の構成上の違いは、基本波光や第二高調波の励起光に対してではなく位相感応光増幅器への信号光に対して位相変調が施されるように位相変調部1002を配置した点にある。したがって、図10の位相感応光増幅器1000は、位相変調部1002に関する部分を除いて、実施例3の構成と同様なため、位相変調器1002に関係する部分を除いて詳細な説明は省略する。   FIG. 10 is a diagram showing a configuration of an integrated phase sensitive optical amplifier according to the fifth embodiment of the present invention. In this example, a second-order nonlinear optical device and two MMIs manufactured by a direct bonding method are integrated on one substrate, and the integrated substrate is end-face processed, and signal light and Similar to the third embodiment, a phase modulator for synchronization between pumping lights is further integrated on the same substrate. The difference in configuration between the present embodiment and the third embodiment is that phase modulation is performed on the signal light to the phase-sensitive optical amplifier, not on the fundamental light or the second harmonic excitation light. The phase modulator 1002 is disposed at the point. Therefore, the phase-sensitive optical amplifier 1000 in FIG. 10 is the same as the configuration of the third embodiment except for the portion relating to the phase modulator 1002, and therefore detailed description thereof is omitted except for the portion related to the phase modulator 1002.

これまでに示した実施形例においては、位相同期用の光PLLにおける位相変調を励起光に対して機能させる配置を示してきた。この位相変調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。一般に入手可能な単体の位相変調器を信号光側に挿入し、位相感応増幅装置を構成しようとする場合、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増幅(DPA)部の第2のPPLN導波路1006に至る前に、信号光が減衰してしまう。そのため位相感応光増幅器1000全体のSNRの劣化を避けることができない。この問題を解決するため、図10に示したように信号光1014に対して変調を施す位相変調部1002を、集積化した基板1040内にさらに集積した。 本実施例の構成によって、別個の単体の位相変調器を基板外の信号光側に挿入した場合と比べて、SNRを3dB向上させることができた。   In the embodiments described so far, the arrangement for causing the phase modulation in the phase-locking optical PLL to function with respect to the pumping light has been shown. Even if an arrangement is made to make this phase modulation function for signal light, phase synchronization can be realized in exactly the same way. When a generally available single phase modulator is inserted on the signal light side to form a phase sensitive amplifier, the influence of the insertion loss of the phase modulator is relatively large, and the degenerate parametric amplification (DPA) section first The signal light is attenuated before reaching the second PPLN waveguide 1006. Therefore, the deterioration of the SNR of the entire phase sensitive optical amplifier 1000 cannot be avoided. In order to solve this problem, a phase modulation unit 1002 that modulates the signal light 1014 as shown in FIG. 10 is further integrated in an integrated substrate 1040. With the configuration of this example, it was possible to improve the SNR by 3 dB compared to the case where a separate single phase modulator was inserted on the signal light side outside the substrate.

本実施例の位相感応光増幅器によって、実施例3の構成と同様に、位相変調器で生じる接続損失を大幅に低下させることができる。これによって、さらに低雑音で光増幅を行うことができる。SN比の劣化を防ぎながら高品質な光信号増幅が可能になる。この結果、光通信に適用可能で、かつ、低雑音での増幅が可能な位相感応型増幅器により、光ファイバ中の信号のSN比を改善できる。従来よりも高速の信号を低いパワーで、光信号を長距離まで伝送することが可能となる。   With the phase sensitive optical amplifier according to the present embodiment, the connection loss generated in the phase modulator can be significantly reduced as in the configuration of the third embodiment. Thus, optical amplification can be performed with lower noise. High-quality optical signal amplification is possible while preventing degradation of the signal-to-noise ratio. As a result, the signal-to-noise ratio of the signal in the optical fiber can be improved by the phase sensitive amplifier that can be applied to optical communication and can be amplified with low noise. It becomes possible to transmit an optical signal to a long distance with a lower power than a conventional high-speed signal.

上述の第二高調波に対して変調を施す実施例4の位相感応型増幅器では、位相変調部902の導波路は、第1のPPLN導波路905と同様に1.54μmの基本波光の波長でシングルモードとなるように設計されている。このため、第二高調波の波長0.77μmにおいては、マルチモードとなる。第2のPPLN導波路905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本的に基底モードのみで伝搬する。しかしながら、導波路加工プロセス精度の変動に関連して、第二高調波用PPLNより後段側にある導波路における導波路幅の揺らぎによる不均一性などによって、高次モードを励起してしまうという問題がある。したがって、実施例4の位相感応型増幅器の構成では、電極を小型化できるものの、高次モードを含む第二高調波に対して変調が加わるため、PLL動作が不安定になる課題がある。本実施例では、この高次モードに起因する問題点を改善する。   In the phase-sensitive amplifier according to the fourth embodiment that modulates the second harmonic described above, the waveguide of the phase modulation unit 902 has a fundamental light wavelength of 1.54 μm, similar to the first PPLN waveguide 905. Designed to be single mode. For this reason, in the second harmonic wavelength of 0.77 μm, the multimode is set. The second harmonic generated in the second PPLN waveguide 905 propagates basically only in the fundamental mode due to restrictions due to the phase matching condition. However, there is a problem in that higher-order modes are excited by non-uniformity due to fluctuations in the waveguide width in the waveguide on the rear stage side of the second harmonic PPLN in relation to fluctuations in the waveguide processing process accuracy. There is. Therefore, in the configuration of the phase sensitive amplifier according to the fourth embodiment, although the electrode can be reduced in size, there is a problem that the PLL operation becomes unstable because modulation is applied to the second harmonic including the higher order mode. In this embodiment, problems caused by this higher order mode are improved.

図11は、本発明の実施例6の集積化した位相感応光増幅器の構成を示す図である。本実施例は、(1)直接接合法により作製した2次非線形光学デバイスおよび2つのMMIを1つの基板上に集積化して構成し、集積化された基板が端面加工されている点、(2)信号光および励起光の間の同期用の位相変調器を同一の基板上にさらに集積した点、および(3)励起光である第二高調波に対して位相変調を施す点は、実施例4の構成と同様である。本実施例と実施例4との間の構成上の違いは、励起光発生用の第1のPPLN1105と位相変調部1102との間の導波路1124に曲げを加えた点にある。図11の位相感応光増幅器1100は、位相変調部1102に関係する部分を除いて、実施例4の構成と同様なため、位相変調器1102に関係する部分を除いて詳細な説明は省略する。   FIG. 11 is a diagram showing a configuration of an integrated phase sensitive optical amplifier according to the sixth embodiment of the present invention. In this embodiment, (1) a second-order nonlinear optical device and two MMIs manufactured by a direct bonding method are integrated on one substrate, and the integrated substrate is processed with an end face. (2 The point that the phase modulator for synchronization between the signal light and the pumping light is further integrated on the same substrate, and (3) the phase modulation is performed on the second harmonic wave that is the pumping light is an example. This is the same as the configuration of FIG. The difference in configuration between the present embodiment and the fourth embodiment is that the waveguide 1124 between the first PPLN 1105 for generating the excitation light and the phase modulator 1102 is bent. The phase-sensitive optical amplifier 1100 in FIG. 11 is the same as the configuration of the fourth embodiment except for the portion related to the phase modulation unit 1102, and thus detailed description is omitted except for the portion related to the phase modulator 1102.

図8に示した実施例4の構成の位相感応型増幅器では、第二高調波に対して位相変調を施すため、低電圧で位相変調が可能である。しかしながら、基本波光である信号光の波長に対して第1のPPLN導波路1105はシングルモードで動作するが、第二高調波に対しては高次モードが励起される可能性がある。第1のPPLN導波路1105からの、高次モードを含んだ第二高調波の導波光に対して位相変調を施した場合、複数の伝搬モードの位相が変調される。このためシングルモードである増幅後の信号光1116と位相を同期することが不安定で困難となる。   In the phase sensitive amplifier having the configuration of the fourth embodiment shown in FIG. 8, phase modulation is possible with a low voltage because phase modulation is applied to the second harmonic. However, although the first PPLN waveguide 1105 operates in a single mode with respect to the wavelength of the signal light that is the fundamental light, a higher-order mode may be excited with respect to the second harmonic. When the phase modulation is applied to the second harmonic guided light including the higher order mode from the first PPLN waveguide 1105, the phases of the plurality of propagation modes are modulated. For this reason, it becomes unstable and difficult to synchronize the phase with the amplified signal light 1116 which is a single mode.

そこで、発生させた第二高調波から不要な高次モードを除去し、シングルモード化するために、図10に示したように、励起光発生用の第1のPPLN1105と位相変調部1102との間の導波路1124に曲げを加えた構成とした。第二高調波の高次モードを効果的に導波路外に放射するよう、曲げ導波路1124の曲率半径を適切に設計することによって、第二高調波の基本モードのみに位相変調を施すことが可能となる。信号光および励起光の間の位相同期を安定して実現可能となった。さらにこの曲げ導波路1124は、信号光波長に対して急峻な曲率半径としたため、励起光発生用の第1のPPLN1105において第二高調波光へ変換し切れずに残留した基本波光の波長の励起用信号光も同時に除去することができる。   Therefore, in order to remove unnecessary higher-order modes from the generated second harmonic and to make a single mode, as shown in FIG. 10, the first PPLN 1105 for generating the excitation light and the phase modulation unit 1102 The waveguide 1124 between them was bent. By appropriately designing the radius of curvature of the bending waveguide 1124 so as to effectively radiate the higher harmonic mode of the second harmonic out of the waveguide, only the fundamental mode of the second harmonic can be phase-modulated. It becomes possible. The phase synchronization between the signal light and the pump light can be realized stably. Further, since this bending waveguide 1124 has a steep radius of curvature with respect to the wavelength of the signal light, it is used for exciting the wavelength of the fundamental wave light that remains in the first PPLN 1105 for generating the excitation light without being completely converted to the second harmonic light. Signal light can also be removed simultaneously.

本実施例の位相感応型増幅器の構成によって、高効率かつ安定した位相感応増幅が可能であった。尚、曲げ導波路1124の代わりにテーパ導波路を適用しても同様の効果が得られ、高効率で安定した位相感応増幅が実現できることも確認できた。   With the configuration of the phase sensitive amplifier of this embodiment, highly efficient and stable phase sensitive amplification was possible. It has been confirmed that the same effect can be obtained even when a tapered waveguide is applied instead of the bent waveguide 1124, and that a highly efficient and stable phase sensitive amplification can be realized.

実施例6に示した曲げ導波路を備えた構成では、位相同期動作がより安定化された位相感応光増幅器を実現できるが、基板サイズの増大を抑える点で改善の余地がある。本実施例では、さらに基板サイズを抑えて、集積度を上げる構成を提示する。   In the configuration including the bending waveguide shown in the sixth embodiment, a phase sensitive optical amplifier in which the phase synchronization operation is further stabilized can be realized, but there is room for improvement in terms of suppressing an increase in the substrate size. In this embodiment, a configuration in which the substrate size is further suppressed and the degree of integration is increased is presented.

図12は、本発明の実施例7の集積化した位相感応光増幅器の構成を示す図である。本実施は、(1)直接接合法により作製した2次非線形光学デバイスおよび2つのMMIを1つの基板上に集積化して構成し、集積化された基板が端面加工されている点、(2)信号光および励起光の間の同期用の位相変調器を同一の基板上にさらに集積した点、(3)励起光である第二高調波に対して位相変調を施す点、および、(4)第二高調波の高次モードを効果的に放射するよう曲げ導波路の曲率半径を適切に設計することによって第二高調波の基本モードのみに位相変調を施し、かつ、信号光波長に対して急峻な曲率半径とすることによって励起光発生用のPPLNにおいて変換しきれず残留した励起用信号光を同時に除去する点も、実施例6の構成と同じである。本実施例と実施例6との間の構成上の違いは、励起光発生用の第1のPPLNと位相変調部との間ではなくて、2つのMMIの間を接続する導波路に曲げを加えた点である。   FIG. 12 is a diagram showing a configuration of an integrated phase sensitive optical amplifier according to the seventh embodiment of the present invention. In this embodiment, (1) a second-order nonlinear optical device and two MMIs manufactured by a direct bonding method are integrated on a single substrate, and the integrated substrate is end-face processed, (2) A point where a phase modulator for synchronization between the signal light and the pumping light is further integrated on the same substrate, (3) a point where phase modulation is applied to the second harmonic wave which is the pumping light, and (4) By appropriately designing the radius of curvature of the bending waveguide to effectively radiate higher-order modes of the second harmonic, only the fundamental mode of the second harmonic is phase-modulated, and with respect to the signal light wavelength Similar to the configuration of the sixth embodiment, the steep radius of curvature allows simultaneous removal of the remaining excitation signal light that could not be converted by the PPLN for generating the excitation light. The difference in configuration between the present embodiment and the sixth embodiment is that the waveguide connecting the two MMIs is not bent between the first PPLN for generating the excitation light and the phase modulation unit. This is an added point.

図11に示した実施例6の位相感応光増幅器では、励起光を発生させた直後に曲げ導波路1124を利用し、残留基本波および励起光の第二高調波の高次モードを除去する構成としていた。図11の構成では、励起光用光導波路1124とパラメトリック増幅用のPPLN光導波路1106との間隔が狭まり、また曲げによって放射する残留基本波光成分がパラメトリック増幅領域1106に伝搬しやすくなり、不要な成分の光がパラメトリック増幅領域1106に混入しやすくなる。したがって、このような曲げ導波路1124とパラメトリック増幅用光導波路1106との間の干渉を防ぐため、十分にこれらの光導波路の間隔を広げる必要がある。このため、基板1140上で、回路要素を密に集積できず素子サイズが大きくなる欠点がある。   In the phase-sensitive optical amplifier according to the sixth embodiment shown in FIG. 11, a configuration in which a bending waveguide 1124 is used immediately after generating pumping light to remove higher-order modes of the residual fundamental wave and the second harmonic of the pumping light. I was trying. In the configuration of FIG. 11, the interval between the excitation light optical waveguide 1124 and the PPLN optical waveguide 1106 for parametric amplification is narrowed, and the residual fundamental wave light component radiated by bending is easily propagated to the parametric amplification region 1106, which is an unnecessary component. Light easily enters the parametric amplification region 1106. Therefore, in order to prevent such interference between the bending waveguide 1124 and the parametric amplification optical waveguide 1106, it is necessary to sufficiently widen the interval between these optical waveguides. For this reason, there is a drawback that circuit elements cannot be densely integrated on the substrate 1140 and the element size becomes large.

本実施例では、励起光を反射および分離するフィルタすなわち第2のMMI1112と、合波器すなわち第1のMMI1113との間に、曲げ導波路を設置した。実施例1〜実施例6の各位相感応光増幅器における入力光および出力光の流れから、第2のMMI1112および第1のMMI1113を、同一直線状に配置することは困難である。したがって、図3、図7〜11の各図に示したように必然的に曲げ導波路などで2つのMMIを接続することになる。この曲げ導波路の導波路幅および曲率半径を最適化することによって、残留基本波光および励起光の第二高調波の高次モードを除去することが可能となる。   In this embodiment, a bending waveguide is provided between a filter that reflects and separates excitation light, that is, the second MMI 1112, and a multiplexer, that is, the first MMI 1113. It is difficult to arrange the second MMI 1112 and the first MMI 1113 in the same straight line from the flow of the input light and the output light in each phase sensitive optical amplifier of the first to sixth embodiments. Therefore, as shown in FIGS. 3 and 7 to 11, two MMIs are inevitably connected by a bent waveguide or the like. By optimizing the waveguide width and the radius of curvature of the bent waveguide, it is possible to remove the higher order modes of the residual fundamental wave light and the second harmonic of the excitation light.

図12は、実施例7の位相感応光増幅器の曲げ導波路の構成例を示す図である。図12は、第2のMMI1212および第1のMMI1213の近傍のみを示している。第2のMMI1212で反射された第二高調波1219は、第1のMMI1213に向かって曲げ導波路1224を進むが、基本波光1216a、1216bが導波路外に放射される。励起光の第二高調波の高次モードも、曲げ導波路1224を伝搬中に除去される。本構成を用いると励起光発生用の第1のPPLNと、パラメトリック増幅用の第2のPPLNとを十分に近接して集積できるため、図11に示した実施例6の構成に比べて、基板サイズを、約1/3に削減してレイアウトができることを確認した。   FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration example of a bending waveguide of the phase sensitive optical amplifier according to the seventh embodiment. FIG. 12 shows only the vicinity of the second MMI 1212 and the first MMI 1213. The second harmonic 1219 reflected by the second MMI 1212 travels through the bending waveguide 1224 toward the first MMI 1213, but the fundamental wave lights 1216a and 1216b are radiated out of the waveguide. Higher order modes of the second harmonic of the excitation light are also removed during propagation through the bending waveguide 1224. When this configuration is used, the first PPLN for generating the excitation light and the second PPLN for parametric amplification can be integrated sufficiently close to each other, so that the substrate can be compared with the configuration of the sixth embodiment shown in FIG. It was confirmed that the layout can be reduced by reducing the size to about 1/3.

したがって、実施例6および実施例7に示すように、第1の二次非線形光学素子の光導波路1105、1205において第二高調波(和周波光)に変換されず残留した基本波光を除去する手段(曲げ導波路)を、変調器1102、1202および第1の二次非線形光学素子の光導波路1105、1205の間に、または、第2のMMI1112、1212(第1のフィルタ)および第1のMMI1113、1213(合波器)の間の結合光導波路上の少なくとも一方に備えることができる。   Therefore, as shown in the sixth and seventh embodiments, the means for removing the fundamental wave light that is not converted into the second harmonic (sum frequency light) in the optical waveguides 1105 and 1205 of the first second-order nonlinear optical element. (Bending waveguide) between the modulators 1102 and 1202 and the optical waveguides 1105 and 1205 of the first second-order nonlinear optical element, or the second MMI 1112 and 1212 (first filter) and the first MMI 1113 , 1213 (multiplexer) on at least one of the coupled optical waveguides.

図13は、実施例7の位相感応光増幅器の基本波光を除去する手段の別の構成例を示す図である。図13は、第2のMMI1312および第1のMMI1313の近傍のみを示している。第2のMMI1312で反射された第二高調波1319は、第1のMMI1313に向かってテーパ導波路1324を進むが、基本波光1316a、1316bが導波路外に放射される。同様に、励起光の第二高調波の高次モードも、テーパ導波路1324を伝搬中に除去される。図12に示した曲げ導波路に代わって、適切に設計・作製されたテーパ型光導波路1324で置き換えても、同様に、残留基本波および第二高調波の高次モードを除去する効果が得られる。   FIG. 13 is a diagram illustrating another configuration example of the means for removing the fundamental wave light of the phase sensitive optical amplifier according to the seventh embodiment. FIG. 13 shows only the vicinity of the second MMI 1312 and the first MMI 1313. The second harmonic wave 1319 reflected by the second MMI 1312 travels through the tapered waveguide 1324 toward the first MMI 1313, but the fundamental wave lights 1316a and 1316b are radiated out of the waveguide. Similarly, the higher order mode of the second harmonic of the excitation light is also removed during propagation through the tapered waveguide 1324. In place of the bending waveguide shown in FIG. 12, a taper-type optical waveguide 1324 appropriately designed and manufactured can be replaced with an effect of removing higher fundamental modes of the residual fundamental wave and the second harmonic. It is done.

本実施例により、励起光の第二高調波の高次モードを除去して、実施例6と同様の高効率で安定した位相感応増幅が実現できるとともに、基板サイズをさらに縮小して集積度を上げた位相感応光増幅器を構成できる。   According to the present embodiment, the high-order mode of the second harmonic of the excitation light can be removed, and the high-efficiency and stable phase sensitive amplification similar to that of the sixth embodiment can be realized, and the substrate size can be further reduced to increase the degree of integration. The raised phase sensitive optical amplifier can be configured.

以上、詳細に述べてきたように、本発明の位相感応光増幅器は、直接接合法により作製した2次非線形光学デバイスおよび2つのMMIを集積化して使用し、集積化された基板が端面加工を施されている。各端面において、基本波光および第二高調波を適切に反射または無反射処理する。従来技術の位相感応光増幅器と比べて、合分波器などの個別部品を排除することで基板サイズを縮小し、さらに、光アイソレータ、光サーキュレータを不要とした。これによって、別個の部品間の接続損失により生じる増幅器SNRの劣化を抑え、基板サイズの増大を抑えることができる。また、位相変調器をレーザ増幅器の後段側に配置し、励起光のSN比を向上させることができるため、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変換されて生じる、増幅器全体のSNR劣化を抑えることができる。   As described above in detail, the phase-sensitive optical amplifier of the present invention uses a second-order nonlinear optical device and two MMIs fabricated by a direct bonding method in an integrated manner, and the integrated substrate performs end face processing. It has been subjected. At each end face, the fundamental wave light and the second harmonic are appropriately reflected or non-reflected. Compared with the phase sensitive optical amplifier of the prior art, the substrate size is reduced by eliminating individual components such as a multiplexer / demultiplexer, and further, an optical isolator and an optical circulator are not required. As a result, it is possible to suppress degradation of the amplifier SNR caused by connection loss between separate components, and to suppress an increase in the board size. Further, since the phase modulator can be arranged on the rear stage side of the laser amplifier and the S / N ratio of the pumping light can be improved, the noise included in the pumping light itself is converted into the noise of the amplified light by the parametric amplification process. SNR degradation of the entire amplifier can be suppressed.

さらに、位相変調器を基板上に集積化して、基本波光に対して位相変調を施す構成として、個別の位相変調器を備える場合に生じる接続損失を大幅に低下させることができる。また、第二高調波に対して位相変調を施すことにより、実効的な変調光路長を倍増すること、または、光PLL位相変調用の駆動電極の長さを、基本波光に対して位相変調を施す従来の構成に比べて大幅に短くすることができる。   Furthermore, as a configuration in which the phase modulator is integrated on the substrate and phase modulation is performed on the fundamental wave light, connection loss that occurs when an individual phase modulator is provided can be significantly reduced. In addition, by applying phase modulation to the second harmonic, the effective modulation optical path length is doubled, or the length of the drive electrode for optical PLL phase modulation is changed to phase modulation with respect to the fundamental light. Compared to the conventional configuration to be applied, the length can be significantly shortened.

2つのMMIの間の導波路によって、第二高調波から不要な高次モードを除去しさらに、励起光発生用のPPLNにおいて第二高調波光へ変換し切れずに残留した基本波光の波長の励起用信号光も同時に除去することができる。信号光と同一の波長を有した基本波光の励起光の混入によって生じる、増幅特性の劣化を効果的に抑制できる。   The waveguide between the two MMIs removes unnecessary higher-order modes from the second harmonic, and further pumps the wavelength of the fundamental wave light that remains without being completely converted into the second harmonic light in the PPLN for generating the excitation light. The signal light for use can also be removed at the same time. It is possible to effectively suppress deterioration of amplification characteristics caused by mixing of excitation light of fundamental light having the same wavelength as that of signal light.

本発明の位相感応光増幅器は、光通信に適用可能で、かつ低雑音での増幅が可能であり、光ファイバ中の信号のSN比を改善できるため、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なため、光ファイバの波長分散による信号劣化の影響を抑え、増幅後の信号光の伝送距離を伸ばすことが可能になる。また、本発明の位相感応光増幅器によれば、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または簡便な光変調器を用いても、チャープのない光信号を発生することが可能になる。   The phase sensitive optical amplifier of the present invention can be applied to optical communication, can be amplified with low noise, and can improve the SN ratio of a signal in an optical fiber. It is possible to transmit up to a long distance. In addition, since the phase chirp of the incident signal light can be corrected and amplified, it is possible to suppress the influence of signal deterioration due to the wavelength dispersion of the optical fiber and to extend the transmission distance of the amplified signal light. . Further, according to the phase sensitive optical amplifier of the present invention, it is possible to generate an optical signal without a chirp even if an inexpensive or simple optical modulator having a phase chirp is used in an application requiring a long distance transmission. become.

本発明は、一般的に光通信システムに利用することができる。   The present invention is generally applicable to an optical communication system.

100、200、300、700、800、900、1000、1100 位相感応光増幅器
101、108、201、208、301、308、701、708、801、808、901、908、1001、1008、1101、1108 カプラ
102、202、302、702、802、902、1002、1102 位相変調器
104、204、304、704、804、904、1004、1104 ファイバレーザ増幅器
105、107、209、305、306、705、706、805、806、905、906、1005、1006、1105、1106 PPLN導波路
212、312、330、712、730、812、813、912、913、1012、1013、1112、1113 MMI
320a、320b、720a、720b、820a、820b、920a、920b、1020a、1020b、1120a、1120b 高反射(HR)膜
1124、1224 曲げ導波路
1324 テーパ導波路
100, 200, 300, 700, 800, 900, 1000, 1100 Phase sensitive optical amplifier 101, 108, 201, 208, 301, 308, 701, 708, 801, 808, 901, 908, 1001, 1008, 1101, 1108 Couplers 102, 202, 302, 702, 802, 902, 1002, 1102 Phase modulators 104, 204, 304, 704, 804, 904, 1004, 1104 Fiber laser amplifiers 105, 107, 209, 305, 306, 705, 706 805, 806, 905, 906, 1005, 1006, 1105, 1106 PPLN waveguide 212, 312, 330, 712, 730, 812, 813, 912, 913, 1012, 1013, 1112, 1113 MMI
320a, 320b, 720a, 720b, 820a, 820b, 920a, 920b, 1020a, 1020b, 1120a, 1120b High reflection (HR) film 1124, 1224 Bending waveguide 1324 Tapered waveguide

Claims (11)

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において、
励起基本波光を増幅する光ファイバレーザ増幅器と、
周期的に分極反転された二次非線形光学材料から成り、前記励起基本波光から和周波光を発生させる光導波路を有する第1の二次非線形光学素子と、
前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路と結合され、前記第1の二次非線形光学素子からの前記和周波光を反射しかつ前記励起基本波光を透過する作用を有し、前記励起基本波光および前記和周波光から前記和周波光のみを分離し、前記分離した前記和周波光を導波する結合導波路を有する第1のフィルタと、
前記信号光が入力される入力導波路を有し、前記信号光および前記結合導波路からの前記和周波光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り、前記励起光を用いて前記信号光のパラメトリック増幅を行う光導波路を有する第2の二次非線形光学素子と、
増幅された前記信号光および前記励起光である前記和周波光を分離する第2のフィルタと、
前記増幅された信号光の位相および記光ファイバレーザ増幅器へ入力される励起光の位相を同期する手段とを備え、
前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路、前記第1のフィルタ、前記結合導波路、前記合波器、および、前記第2の二次非線形光学素子の前記光導波路は、同一の基板上に集積化されており、
前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路、前記第1のフィルタおよび前記結合導波路は、連続する導波路上に隣接して形成され、
前記入力導波路、前記合波器および前記第2の二次非線形光学素子の前記光導波路が、連続する導波路上に隣接して形成され、
前記結合導波路、前記合波器および前記第2の二次非線形光学素子の前記光導波路が、連続する導波路上に隣接して形成されていること
を特徴とする位相感応型光増幅装置。
In a phase-sensitive optical amplifier that amplifies signal light by optical mixing using a nonlinear optical effect,
An optical fiber laser amplifier for amplifying the excitation fundamental light;
A first second-order nonlinear optical element comprising a second-order nonlinear optical material periodically poled and having an optical waveguide for generating sum frequency light from the excitation fundamental wave light;
The pump is coupled to the optical waveguide of the first second-order nonlinear optical element, has a function of reflecting the sum frequency light from the first second-order nonlinear optical element and transmitting the excitation fundamental wave light, and A first filter having a coupling waveguide for separating only the sum frequency light from the fundamental wave light and the sum frequency light, and guiding the separated sum frequency light;
A multiplexer having an input waveguide to which the signal light is input, and combining the signal light and the sum frequency light from the coupling waveguide;
A second-order nonlinear optical element comprising a second-order nonlinear optical material periodically poled and having an optical waveguide that performs parametric amplification of the signal light using the excitation light;
A second filter that separates the amplified signal light and the sum frequency light that is the excitation light;
Means for synchronizing the phase of the amplified signal light and the phase of the pumping light input to the optical fiber laser amplifier,
The optical waveguide of the first second-order nonlinear optical element, the first filter, the coupling waveguide, the multiplexer, and the optical waveguide of the second second-order nonlinear optical element are on the same substrate Integrated on top,
The optical waveguide, the first filter, and the coupling waveguide of the first second-order nonlinear optical element are formed adjacent to each other on a continuous waveguide;
The input waveguide, the multiplexer and the optical waveguide of the second second-order nonlinear optical element are formed adjacent to each other on a continuous waveguide;
The phase sensitive optical amplifying apparatus, wherein the coupling waveguide, the multiplexer, and the optical waveguide of the second second-order nonlinear optical element are formed adjacent to each other on a continuous waveguide.
前記第1のフィルタは、導波路に垂直な面を反射端面として、該反射端面上に、前記和周波光を反射しかつ前記励起基本波光を透過する1以上の薄膜を備えたマルチモード干渉(MMI)型合分波器であり、
前記第1のフィルタの前記反射端面は、前記基板の1つの端面の一部を構成し、前記1つ以上の薄膜は、前記基板の前記1つの端面全体の上に形成され、
前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路および前記第2の二次非線形光導の前記光導波路は、非線形光学効果を有する第1の基板と、該第1の基板に比べ屈折率の小さい第2の基板とを直接貼り合わせることによって作製された直接接合光導波路であること
を特徴とする請求項1に記載の位相感応型光増幅装置。
The first filter includes a multi-mode interference having one or more thin films that reflect the sum frequency light and transmit the excitation fundamental wave light on the reflection end surface with a surface perpendicular to the waveguide as a reflection end surface. MMI) type multiplexer / demultiplexer,
The reflective end face of the first filter constitutes a part of one end face of the substrate, and the one or more thin films are formed on the entire end face of the substrate;
The optical waveguide of the first second-order nonlinear optical element and the optical waveguide of the second second-order nonlinear optical element have a refractive index smaller than that of the first substrate having a nonlinear optical effect and the first substrate. The phase sensitive optical amplifying device according to claim 1, wherein the phase sensitive optical amplifying device is a directly bonded optical waveguide manufactured by directly bonding to a second substrate.
前記同期する手段の一部として、前記光ファイバレーザ増幅器の出力側に、直接接合法により作製された光導波路からなる位相変調器を備えることを特徴とする請求項1または2に記載の位相感応型光増幅装置。   3. The phase sensitive device according to claim 1, further comprising a phase modulator made of an optical waveguide manufactured by a direct bonding method on an output side of the optical fiber laser amplifier as a part of the synchronizing means. Type optical amplifier. 前記位相変調器は、前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路の前段側において、前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路に隣接して形成され、前記基板上で、前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路と集積化されることを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の位相感応型光増幅装置。   The phase modulator is formed adjacent to the optical waveguide of the first second-order nonlinear optical element on the front side of the optical waveguide of the first second-order nonlinear optical element, and on the substrate, 4. The phase sensitive optical amplifying device according to claim 1, wherein the phase sensitive optical amplifying device is integrated with the optical waveguide of the first second-order nonlinear optical element. 前記位相変調器は、前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路および前記第1のフィルタの間に、前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路に隣接して形成され、前記基板上で、前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路に集積化されていることを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の位相感応型光増幅装置。   The phase modulator is formed between the optical waveguide of the first second-order nonlinear optical element and the first filter and adjacent to the optical waveguide of the first second-order nonlinear optical element, 4. The phase sensitive optical amplifying device according to claim 1, wherein the phase sensitive optical amplifying device is integrated on the optical waveguide of the first second-order nonlinear optical element on a substrate. 前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路において和周波光に変換されず残留した基本波光を除去する手段を、前記変調器および前記第1の二次非線形光学素子の前記光導波路の間に、または、前記第1のフィルタおよび前記合波器の間の前記結合光導波路上の少なくとも一方に備え、前記基板上で集積化されていることを特徴とする請求項5に記載の位相感応型光増幅装置。   Means for removing the fundamental light remaining in the optical waveguide of the first second-order nonlinear optical element that is not converted into sum frequency light is provided between the modulator and the optical waveguide of the first second-order nonlinear optical element. Or at least one on the coupled optical waveguide between the first filter and the multiplexer and integrated on the substrate. Type optical amplifier. 前記和周波光は、第二高調波であって、
前記基本波光を除去する手段は、前記第1の二次非線形光学素子からの前記和周波光をシングルモード化するように動作する曲げ導波路またはテーパ導波路によって構成されることを特徴とする請求項6に記載の位相感応型光増幅装置。
The sum frequency light is a second harmonic,
The means for removing the fundamental wave light is constituted by a bent waveguide or a tapered waveguide that operates so as to convert the sum frequency light from the first second-order nonlinear optical element into a single mode. Item 7. The phase-sensitive optical amplifier according to Item 6.
前記第2のフィルタは、前記増幅された信号光を出力する第1の出力導波路と、前記増幅された信号光の一部を抽出して前記同期する手段への検出信号として出力する第2の出力導波路を有するマルチモード干渉型合分波器(MMI)で構成されることを特徴とする請求項1乃至7いずれかに記載の位相感応型光増幅装置。   The second filter extracts a part of the amplified signal light from the first output waveguide that outputs the amplified signal light, and outputs it as a detection signal to the synchronizing means. 8. The phase sensitive optical amplifying device according to claim 1, comprising a multimode interference multiplexer / demultiplexer (MMI) having a plurality of output waveguides. 前記合波器は、前記信号光と、前記第1のフィルタの前記結合導波路からの前記和周波光を合波するマルチモード干渉型合分波器で構成されることを特徴とする請求項1乃至8いずれかに記載の位相感応型光増幅装置。   2. The multi-mode interference multiplexer / demultiplexer configured to multiplex the signal light and the sum frequency light from the coupling waveguide of the first filter. The phase sensitive optical amplifying device according to any one of 1 to 8. 前記位相変調器は、前記信号光が入力される入力導波路上に構成され、前記基板上で集積化されていることを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の位相感応型光増幅装置。   4. The phase sensitive optical amplification according to claim 1, wherein the phase modulator is configured on an input waveguide to which the signal light is input and integrated on the substrate. apparatus. 前記周期的に分極反転された二次非線形光学材料は、LiNbO3、KNbO3、LiTaO3、LiNbxTa1-x3(0≦x≦1)、KTiOPO4、または、それらにMg、Zn、Fe、Sc、Inからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする請求項1乃至10いずれかに記載の位相感応型光増幅装置。 The periodically poled second-order nonlinear optical material is LiNbO 3 , KNbO 3 , LiTaO 3 , LiNb x Ta 1-x O 3 (0 ≦ x ≦ 1), KTiOPO 4 , or Mg, Zn The phase sensitive optical amplifying device according to claim 1, wherein at least one selected from the group consisting of Fe, Sc, and In is contained as an additive.
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