1.本研究の背景と目的

　位相感応縮退パラメトリック光増幅技術は、レーザ光増幅技術と同じ線形光増幅のみならず図1に示すような光位相依存光増幅動作も実現可能であり、従来の光増幅技術には全く無い機能を提供できる。この光位相依存光増幅動作は、量子光学理論の第一原理である不確定性原理に起因した制約によりレーザ光増幅器を含む従来の線形光増幅器では不可能とされる標準量子限界(雑音指数3dB)以下の超低雑音光増幅[1]を実現すると同時に、波形劣化した信号光パルスに対して波形整形機能[2]を提供できる可能性がある。本研究は、このような位相感応縮退パラメトリック光増幅技術の優れた潜在能力に注目し、光伝送システムヘの適用効果の把握と、非線形ファイバサニャック干渉計とコヒーレント光検波技術を適用したIn-Line型位相感応縮退パラメトリック光増幅器の実現、標準量子限界以下の高利得超低雑音光増幅及び超高速波形整形動作の実証を目指す。

2.本研究の内容

　本研究の主な内容と結果を下記に列挙する。

[I]位相感応縮退パラメトリック光増幅器を用いた多中継光伝送システムの性能解析

　位相感応縮退パラメトリック光増幅器を適用した強度変調直接検波(AM-DD)多中継光伝送システムの伝送制限について理論解析を試みる。理想位相感応縮退パラメトリック光増幅器の自然放出光パワーは、理想的なレーザ光増幅器、ラマン光増幅器と比較して、同相成分で1/2に、直交位相成分は"trivial"になり、結果として1/4になることを示す。また光伝送システムにおいては、伝送ファイバの分散と非線形屈折率の影響により信号光の搬送波成分と側波帯成分の自然放出光がパラメトリック相互作用を起こすことで変パラメトリックが、図2(a)に示すように位相感応縮退パラメトリック光増幅器(PSA)はこれを抑圧する機能を有することも理論的に示す。さらに、位相感応縮退パラメトリック光増幅器は、信号光波形整形機能も有することをAM-DD多中継光伝送システムの信号光パルス伝送特性の数値解析により明らかにする。位相感応縮退パラメトリック光増幅器を40Gbit/sのAM-DD多中継光伝送システムに適用すると、前述の位相感応縮退パラメトリック光増幅器の低雑音特性、変調不安定性抑圧特性との相乗効果により、図2(b)に示すように従来の光伝送システムに対して3〜10倍まで伝送距離を拡大可能であることを示す。

[II]位相感応縮退パラメトリック光増幅器における低雑音光増幅条件の把握

　位相感応縮退パラメトリック光増幅器の光増幅媒質としての光ファイバ性能指数を導出し、高利得動作を実現する条件を理論的に明確化する。図3(a)に示すように、長さ3〜5km程度のシリカファイバを適用することにより1Wの励起光パワーで20dB以上の高利得動作を実現できることを理論的に示す。続いて、当該光増幅器が標準量子限界以下の超低雑音光増幅動作を実現する条件についても明確化する。通常、信号光の信号対雑音比は、光損失を受けるのに伴い劣化する。つまり、光増幅媒質として光損失を伴う現存の光ファイバを用いることは、位相感応縮退パラメトリック光増幅器の潜在的な雑音指数劣化を意味する。本研究は、分布光損失のある光ファイバと過剰雑音を有する励起光源を用いた位相感応縮退パラメトリック光増幅器を量子論的にモデル化し、このような点を考慮に入れた雑音指数特性の理論解析を行う。光損失を伴う光ファイバでは、図3(b)に示すように光損失係数と光ファイバ長の積(Αl)<<1.57を満足すると、3dB以上の光損失がある光ファイバでも標準量子限界を下回る低雑音光増幅が実現可能であることを理論的に明確化する。同時に、励起光の強度・位相雑音に対する要求条件も導出し、標準量子限界以下の低雑音光増幅動作を実現する光増幅器の設計に反映する。

[III]コヒーレント光検波技術を適用したIn-Line型位相感応縮退パラメトリック光増幅器の実現

　光ファイバを用いた位相感応縮退パラメトリック光増幅器の実現課題は主に二つある。第一の課題は、同一の光周波数で入力される励起光と信号光の出力側での分離、第二の課題は励起光と信号光の光位相同期の実現である。本研究では、図4(a)に示す構成の光ファイバを用いた非線形サニャック干渉計と90度ハイブリッド型光位相同期ループ(OPLL)を融合させることにより、同一光周波数の励起光と信号光の出力側での分離、図4(b)に示すような励起光と信号光の光位相差に依存した光増幅動作、10dBを超える高利得光位相依存光増幅の連続動作を実現した。さらに本研究は、入力信号光と励起光の光位相同期の安定性を向上させる手段として光注入(OIL)-OPLL併用構成を提案した。これにより励起光と信号光の光位相同期がより安定化され、図4(c)に示すようなディジタル強度変調光信号入力に対してビット誤りの無いIn-Line型位相感応縮退パラメトリック光増幅器を実現した。

[IV]位相感応縮退パラメトリック光増幅器における低雑音光増幅・波形整形動作の実証

　試作した位相感応縮退パラメトリック光増幅器の動作特性を評価した。長さL=3km、光損失係数α=-0.7dB/km、非線形係数γ=15.8/W/kmの光ファイバを有する非線形ファイバサニャック干渉計構成を用いて、26dB(1W励起光時)の高利得動作を実証した。続いて、信号光パルスの超高速波形整形動作の実験検証も加えた。図5に示すように、85ps/nmの分散媒質によりパルス幅が50ps以上に波形劣化した信号光パルス(図5(a))を、位相感応縮退パラメトリック光増幅器の光位相依存光増幅動作によりパルス幅20psの光パルス(図5(b))に再生できることを実証した。さらに、雑音指数の実験評価も行った。光ファイバの導波性音響ブリルアン散乱(GWABS)により雑音特性が劣化するものの、図5(c)に示すようにGAWBSが支配的でない一部の変調周波数領域では雑音指数2.0dBが得られ、標準量子雑音限界以下の低雑音光増幅を実証した。

3.まとめと本研究の意義

　本研究は、非線形ファイバサニャック干渉計とコヒーレント光検波技術を用いたIn-Line型位相感応縮退パラメトリック光増幅器を実現し、入力信号光の変調速度に対する柔軟性を確保しつつ、標準量子限界以下の低雑音光増幅機能と、超高速波形整形機能を有する高利得光増幅器を初めて実証した。本研究は、通信工学と量子光学の両面から行ったものであり、両学術分野に理論・実験の両面で新たな知見を与えるものである。位相感応縮退パラメトリック光増幅技術が、将来の超高速光伝送システムの構築や光のコヒーレンスを活用した光信号処理回路において有効な信号処理機能を提供できる可能性を示すものである。

4.参考文献

[1]C.M.Caves,"Quantum limits on noise in linear amplifiers,"Phys.Rev.D.,vol.26,pp.1817-1839,Oct.1982.

[2] R.-D.Li,P.Kumar,and W.L.Kath,"Dispersion compensation with phase-sensitive optical ampliflers,"IEEE J.Lightwave Technol.,vol.LT-12,pp.541-549,July 1994.

図1:(a)位相不感応光増幅器と(b)位相感応光増幅器の動作の比較

図2:位相感応縮退パラメトリック光増幅器(PSA)による伝送可能距離拡大効果

(a)変調不安定性の抑圧効果,(b)最大再生中継間隔の増大

図3:位相感応縮退パラメトリック光増幅器(PSA)の動作解析

(a)非線形媒質の性能指数,(b)雑音指数の理論値

図4:In-Line型位相感応縮退パラメトリック光増幅器の実現

(a)製作した光増幅器の構成,(b)光位相依存光増幅動作の実証,(c)増幅信号光のビット誤り特性

図5:位相感応縮退パラメトリック光増幅器の波形整形動作と低雑音特性

(a)入力信号光波形,(b)出力信号光波形,(c)出力信号光と自然放出光のビート雑音スペクトル

　本論文は"光ファイバを用いた位相感応縮退パラメトリック光増幅技術の研究"と題し,7章からなる。

　位相感応縮退パラメトリック光増幅技術は,光位相に依存した光増幅動作を実現する技術であり,従来の光増幅技術には全く無い機能を提供できる。従来の線形光増幅器では不可能とされる標準量子限界(雑音指数3dB)以下の超低雑音光増幅,波形劣化した信号光パルスに対する波形整形機能がその例である。本論文は,このような位相感応縮退パラメトリック光増幅技術の優れた潜在能力に注目し,光伝送システムヘの適用効果を把握するとともに,非線形ファイバサニャック干渉計とコヒーレント光検波技術を適用した高利得位相感応縮退パラメトリック光増幅器の実現,標準量子限界以下の超低雑音光増幅及び超高速波形整形動作の実証を報告している。

　第1章は"序論"であり,まず光増幅技術がこれまで光ファイバ通信にはたした役割と次世代光増幅技術に課せられる要件について述べている。次に,これに応える新技術としての縮退パラメトリック光増幅技術の可能性について述べ,これを実現するための課題をまとめている。

　第2章は"位相感応縮退パラメトリック光増幅器の動作原理と雑音特性"と題し,光位相感応光増幅の原理と実現手段をまとめた後,光位相感応光増幅器の量子雑音特性について論じている。

　第3章は"位相感応光増幅多中継光伝送システムの最大再生中継間隔"と題し,位相感応縮退パラメトリック光増幅器を適用した強度変調直接検波(AM-DD)多中継光伝送システムの伝送制限について理論解析を行なっている。光伝送システムにおいては,伝送ファイバの分散と非線形屈折率の相互作用により信号光の搬送波成分と側波帯成分の自然放出光がパラメトリック相互作用を起こし,いわゆる変調不安定性が生ずる。位相感応縮退パラメトリック光増幅器はこれを抑圧する機能を有することを理論的に示している。さらに,AM-DD多中継光伝送システムの信号光パルス伝送特性の数値解析により,位相感応縮退パラメトリック光増幅器は,信号光波形整形機能も有することを明らかにしている。

　第4章は"位相感応縮退パラメトリック光増幅の低雑音光増幅条件""と題し,非線形マッハツェンダ干渉計構成の光ファイバを用いた位相感応縮退パラメトリック光増幅器が,標準量子限界以下の超低雑音光増幅動作を実現するのに必要とされる条件を明確にする。光信号の信号対雑音比は,光損失を受けるのに伴い劣化する。つまり,光損失を伴う光ファイバを光増幅媒質に用いることは,位相感応縮退パラメトリック光増幅器の雑音指数劣化を意味する。ところがこれまでの位相感応縮退パラメトリック光増幅器に関する理論研究では,このような現実的な問題に関する検討が行われていない。本研究では,分布光損失のある光ファイバと過剰雑音を有する励起光源を用いた位相感応縮退パラメトリック光増幅器を量子論的にモデル化し,雑音特性を理論的に解析している。光損失を伴う光ファイバを用いても,標準量子限界を下回る低雑音光増幅が実現可能であることを理論的に明確化すると同時に,励起光の強度・位相雑音に対する要求条件も導出している。

　第5章は"位相感応縮退パラメトリック光増幅器の製作"と題し,試作した増幅器の構成を詳述している。光ファイバを用いた位相感応縮退パラメトリック光増幅器を実現する上での課題は,主に二つある。第一の課題は,高利得動作を実現する光増幅回路の実現である。第二の課題は,位相感応縮退パラメトリック光増幅器で必須となる励起光と信号光の光位相同期の実現である。本研究では,長さ3kmの光ファイバを用いた非線形サニャック干渉計と,90度ハイブリッド型光位相同期ループ(OPLL)を融合させ,高利得光位相依存光増幅の連続動作を実現している。さらに本研究では,入力信号光と励起光の光位相同期の安定性を向上させる手段として,光注入(OIL)-OPLL併用構成を提案している。これにより励起光と信号光の光位相同期がより安定化され,ディジタル強度変調光信号入力に対してビット誤りの無い位相感応縮退パラメトリック光増幅器の実現に成功した。

　第6章は"位相感応パラメトリック光増幅器の動作特性"と題し,試作した位相感応縮退パラメトリック光増幅器の動作特性を評価している。長さ3km、光損失係数-0.7dB/km、非線形係数15.8/W/kmの光ファイバを有する非線形ファイバサニャック干渉計構成を用いて,26dB(1W励起光時)の高利得動作を実現した。次に,信号光パルスの超高速波形整形動作の実験的検証を行なうとともに,標準量子雑音限界以下の低雑音光増幅が実現可能であることを実証した。

　第7章は"結論"であり,本研究の成果を要約している。

　以上のように本研究では,非線形ファイバサニャック干渉計とコヒーレント光検波技術を用いた位相感応縮退パラメトリック光増幅器を設計・試作し,標準量子限界以下の低雑音光増幅と超高速波形整形機能を有する高利得光増幅を=実現している。位相感応縮退パラメトリック光増幅器を用いた超高速光伝送システムの構築や,光のコヒーレンスを活用した新しい光信号処理機能の実現の可能性を示すものであり,電子工学への貢献が大きい。

　よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。