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光パラメトリック増幅器による広帯域光増幅中継伝送に成功 ~従来光増幅器の2倍超の大容量化が可能に~

 日本電信電話株式会社(NTT)は2021年1月28日,周期的分極反転ニオブ酸リチウム(PPLN:Periodically Poled Lithium Niobate)を用いて広帯域な光増幅を可能とする光パラメトリック増幅器(OPA:Optical Parametric Amplifier)を開発し,それを光増幅中継器に適用した広帯域波長多重光伝送実験に成功したと発表した.本技術の詳細は,米国光学会と米国電気電子学会が共同出版する学術誌IEEE Journal of Lightwave Technologyに掲載された(注).

 光ファイバ伝送システムでは,伝送距離が長くなるにしたがって減衰した光信号をエルビウム(Er)添加光ファイバを用いた光増幅器(EDFA:Er Doped Fiber Amplifier)で増幅して,伝送距離を延ばしている.伝送システムの大容量化に向けては,EDFAで増幅可能な約4THzの光波長帯域に光信号を波長多重し,さらに光信号1波長あたりの伝送容量をデジタルコヒーレント技術により拡大してきた.今後は1波長あたりの大容量化とともに,利用可能な光波長帯域の拡大が求められている.NTTでは,広帯域かつ低歪みな光増幅技術として,自発分極の向きを一定の周期で強制反転させて非線形効果を高めた人工結晶のPPLN導波路での非線形光学現象を用いた光パラメトリック増幅に着目して研究開発を進めてきた.しかし,PPLN導波路による光パラメトリック増幅では,単一偏波の信号のみが増幅可能であることや,単純な光増幅にとっては不要な位相共役光が発生するため,デジタルコヒーレント方式で用いられている偏波多重光信号の光増幅中継器として使用する際の課題となっていた.

 今回これらの課題に対し,PPLN導波路モジュール(66mm×24.6mm×12mm)を8つ用いた新増幅器構成を考案した.本OPAでは,先ず波長多重光信号を波長分波器で2バンドに分割し,各波長バンドをさらに偏光ビームスプリッタでX偏波とY偏波に分割する.分割した4つの光信号夫々を4つのPPLNモジュールに入力し,別の4つのPPLNモジュールで帯域中心光:194THz(1545.32nm)の2次高調波:388THz(772.66nm)を発生させて増幅用励起光とし,光信号と増幅用励起光を同時にPPLNモジュールに入力する.この構成で,4分割した光信号毎に光パラメトリック増幅(励起光と信号光の差周波発生で信号光を増幅)した後に,偏波合波器と波長合波器(位相共役光を除去)で1本の光信号にする.本OPAで,偏波多重光信号の増幅利得15dB以上,増幅帯域10.25THz(従来のEDFA増幅器の2.5倍以上)を実現した.

 本実験では,1波長あたり800Gbpsの偏波多重PS36QAM信号(36値の直交振幅変調信号を確率整形)を用いて,低歪な信号増幅を確認した.また,従来のEDFA増幅器では入力波長数が急激に変動すると過剰応答が発生するが,OPAでは入力波長数が変動しても安定に光増幅した.さらに,OPAを,波長あたり800Gbps,波長間隔125GHzの波長多重信号伝送で,中継距離30.8km×3周回=92.4kmの光増幅中継器として適用し,帯域10.25THzの広帯域光伝送が可能なことを実証した.

 本成果は,豊富な波長資源を活用する次世代光ネットワークの大容量光増幅技術として期待される.

(注)Takayuki Kobayashi, Shimpei Shimizu, Masanori Nakamura, Takeshi Umeki, Takushi Kazama, Ryoichi Kasahara, Fukutaro Hamaoka, Munehiko Nagatani, Hiroshi Yamazaki, Hideyuki Nosaka, and Yutaka Miyamoto, "Wide-Band Inline-Amplified WDM Transmission Using PPLN-Based Optical Para-metric Amplifier," IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 39, no. 3, pp. 787-794, 2021, DOI: 10.1109/JLT.2020.3039192; Date of Publication: 19 November 2020