JP4036291B2 - 光増幅素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長多重光ネットワークにおいて、任意波長の入力信号光強度を増幅する光増幅技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複数の異なる波長の光信号を伝送する光伝送システムとして、前記複数の異なる波長の光信号を１本の光ファイバに結合して伝送する、波長多重を利用した光伝送システム(ＷＤＭシステム)がある。
更に、前記ＷＤＭシステムは、１対１の伝送のみならず、１対多、多対多などの複数の端末間の光伝送を可能とするためネットワーク化が急速に進みつつある。
【０００３】
このようなＷＤＭシステムにおいて、光信号は、波長に応じて合流・分岐されるＷＤＭ合分波回路、すべての波長を一括して合流・分岐する合分岐回路、特定の波長を抜き出し、あるいは挿入するアドドロップマルチプレクサ(Add‐dropmultiplexer,ＡＤＭ)等の光素子を通過することにより生じる強度損失のため、信号強度が劣化する。そこで光ファイバを伝送する光信号を光のまま増幅する光増幅素子の役割が重要となってくる。
【０００４】
従来の半導体光増幅素子(Semiconductor optica1 Amplifier，ＳＯＡ)をＷＤＭシステムに用いた場合、次のような問題が生じていた。すなわち、ＷＤＭシステムでは波長多重信号が入射するが、その波長多重数はＡＤＭ等を通過する毎に変動すると考えられる。いま波長多重数ｍの信号がＳＯＡに入射したとする。入射光強度はｍ波合計でＰ1(ｄＢｍ)であり、その時のＳＯＡの利得はＧ1(ｄＢ)であるとする。ここで、ＡＤＭにより信号が追加されて波長多重数がｎに増加したとすると、このとき入射光強度はｎ波合計でＰ2(ｄＢｍ)となり、ＳＯＡの飽和出力ＰsatがＰsat＜Ｇ1・Ｐ2であれば飽和が生じ、その時のＳＯＡの利得は減少してＧ2(dB)となる。
一般的に、上記したような利得と入力とのパワーの関係は、以下に示す、特許文献１及び非特許文献１の該当内容のような関係となる。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許第５２９１３２８号明細書（第４図）
【非特許文献１】
Journal of Lightwave Technology Vol.16,No.12（1998年)（２２２８頁、第２図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のＳＯＡをＷＤＭシステムで用いた場合、波長多重数により信号の利得が変動してしまうという問題があった。また、この飽和が生じた状態では利得が変化するのみならず信号パターンによって信号強度が変化するパターン効果により、波形が劣化するという問題もあった。
【０００７】
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、利得の変動がなく、パターン効果を抑圧した光増幅素子を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
また、本発明に係る請求項１記載の光増幅素子は、基板上に形成された、第１アームおよび第２アームに入力信号光の光強度を増幅する増幅手段をそれぞれ有する対称マッハツェンダ干渉回路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの入力側に形成された入力導波路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの出力側および第２アームの入力側に形成された発振光導波路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第２アームの出力側に形成された出力導波路と、
前記第１アームの出力側に形成された発振光導波路上に前記増幅手段とは独立に形成された、発振を生ずるためのキャビティを有するレーザ発振手段とを備え、
前記レーザ発振手段の発振波長を、前記増幅手段の利得媒質のバンドギャップ波長よりも短波長に設定したことを特徴としている。
【００１２】
これにより利得を一定に保ちパターン効果を抑圧する事が可能となる。
また、請求項２に係る発明は、請求項１記載の光増幅素子において、前記レーザ発振手段は、ファブリペロー形レーザ、ＤＦＢ（Distributed Feed-back）レーザあるいはＤＢＲ（Distributed Bragg reflector）レーザであることを特徴としている。
【００１３】
これにより利得を一定に保ちパターン効果を抑圧する事が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。図１乃至図５は、本発明に係る光増幅素子の実施の形態を示す図である。
まず、本発明に係る光増幅素子の第１の実施の形態を図１に基づき説明する。図１は、本発明に係る光増幅素子の第１の実施の形態を示す図である。
【００１５】
図中１０１、１０２は半導体光増幅器(Semiconductor Optica1 Amplifier,ＳＯＡ)、１０３、１０４は多モード干渉型３ｄＢ力プラ( Multi-mode Interference coupler,ＭＭＩカプラ)、１０５はＤＦＢ−ＬＤ、１０６、１０７は導波路端面、１０８、１０９は反射防止膜、１１０は入力導波路、１１１、１１２は発振光導波路、１１３は出力導波路、１１４は基板である。ＳＯＡ１０１、１０２とＭＭＩカプラ１０３、１０４は対称マッハツェンダ(Mach-Zehnder)干渉回路１１５を形成している。
【００１６】
以下、動作原理を説明する。対称マッハツェンダ干渉回路１１５の両アームに接続されたＳＯＡ１０１および１０２には、ほぼ同一の電流が注入され、両ＳＯＡはともに２０ｄＢの信号利得を有している。このとき、両ＳＯＡには、前記したようにほぼ同一の電流が注入されているため、マッハツェンダ干渉回路１１５の対称性は保存されている。
【００１７】
更に、対称マッハツェンダ干渉回路１１５の性質により、マッハツェンダ干渉回路１１５においては、入力導波路１１０から入射した光は出力導波路１１３から出射され、また、発振光導波路１１１から入射した光は入力導波路１１２へ出射されるような交差状態となる。
また、発振光導波路１１２に接続されたＤＦＢ−ＬＤ１０５はＳＯＡ１０１、１０２とは独立に制御されており、ＳＯＡ１０１、１０２の注入電流に関わらず発振するように設定されている。
【００１８】
ここで、ＤＦＢ−ＬＤ１０５は、分布帰還型（ＤＦＢ型）の半導体レーザであり、回折型共振器構造をとったものである。つまり、活性層に隣合わせた場所（上でも下でもよい）に、ガイド層として周期的な凹凸（回折格子として機能）構造を形成し、この凹凸によって帰還させられた光を発振させようとするものである。この構造では、屈折率も周期的に変化するため、周期的に反射されてくる光の位相が合ったところの波長で、ブラッグ反射により反射率が高くなり、これによりレーザ発振が生じる。
【００１９】
図２は、ＤＦＢ−ＬＤ１０５の発振波長とＳＯＡ１０１、１０２の利得スペクトルの関係を示した図である。本実施の形態においては、ＤＦＢ−ＬＤ１０５の発振波長はＳＯＡ１０１、１０２の利得煤質のバンドギャップ波長よりも短波長側に設定してあるため、図２に示すように、利得スペクトルのピーク波長λcよりも短波長側となる。ここで、ＤＦＢ−ＬＤ１０５およびＳＯＡ１０１、１０２の電流、温度を調整すると、図２に示すように発振波長をＳＯＡ１０１、１０２の利得がゼロになる波長λ0に設定することができる。このとき、ＤＦＢ−ＬＤ１０５の発振波長λ0ではＳＯＡ１０１、１０２は透明状態となり、発振光の存在はＳＯＡ１０１、１０２の特性に影響を与えることはない。
【００２０】
入力信号光１１６の強度が大きくなった場合、ＳＯＡ１０１、１０２のキャリア密度が減少し、利得スペクトルは図２の一点鎖線の様になる。このとき、ＤＦＢ−ＬＤ１０５の発振波長λ0ではＳＯＡ１０１、１０２は利得がマイナス、すなわち吸収状態となる。そのため、ＳＯＡ１０１、１０２はＤＦＢ−ＬＤ１０５の発振光を吸収し、その結果キャリア密度は増加して急速に図２の実線で示される定常状態へと回復する。
【００２１】
一方、入力信号光強度が減少した場合、ＳＯＡ１０１、１０２のキャリア密度が増加し、利得スペクトルは図２の点線の様になる。このとき、ＤＦＢ−ＬＤ１０５の発振波長λ0ではＳＯＡ１０１、１０２は利得がプラス、すなわち増幅状態となる。そのため、ＳＯＡ１０１、１０２はＤＦＢ−ＬＤ１０５の発振光を増幅し、その結果キャリア密度が減少して急速に図２の実線で示される定常状態へと回復する。
【００２２】
このように、入力信号強度が変動してもＳＯＡ１０１、１０２のキャリア密度に変動は生じず、利得も一定に保たれる。従って、入力信号の波長多重数が変化しても利得の変動を最小限に抑えて安定に動作することが可能となる。
なお、本実施の形態において、対称マッハツェンダ干渉回路１１５の性質により、入力導波路１１２から入射したＤＦＢ−ＬＤ１０５の発振光は、マッハツェンダ干渉回路１１５を透過して発振光導波路１１１から出力されるため、発振光が信号光の入力導波路１１０及び出力導波路１１３に混入することはなく、信号光と発振光との空間的分離がなされている。そのため、発振光を除去するための外部フィルタは不要となる。
【００２３】
また、本実施の形態において用いるＳＯＡ１０１、１０２の構造に関しては、特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべてのＳＯＡについて本構成をとることにより上記説明のような効果が期待できる。すなわちＳＯＡの活性層に関してはＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等任意の材質について適用が可能であり、活性層構造に関してもバルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットを問わず、またＳＯＡの導波路構造に関してもＳＣＨ（分離閉じ込め構造）の有無によらず、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いた場合でも同様な効果が期待できる。基板に関してもｎ型基板に限定されるものではなく、ｐ型、半絶緑型等でも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００２４】
また、上記実施の形態では、３ｄＢカプラとして、ＭＭＩカプラを用いた例を示しているが、これに限らず、方向性結合器を用いても良い。
更に、上記実施の形態では、レーザ発信器としてＤＦＢ−ＬＤを用いた例を示しているが、ＤＦＢ−ＬＤに限らずレーザキャビティが信号光増幅手段である半導体増幅器１０１、１０２と独立に形成されていれば同様な効果が期待できる。例えば活性層の存在する活性領域と、活性領域一方の端に存在するブラッグ反射器、および反対側の端に存在するブラッグ反射器または反射ミラーとによりキャビティを構成するＤＢＲ−ＬＤ、活性領域とその両端に存在する反射ミラーによりキャビティを構成するファブリペローＬＤを用いた場合でも同様な効果が期待できる。発振光のスペクトルに関しては、必ずしもシングルモード発振である必要はない。ファブリペローＬＤに代表されるようなマルチピークを有する発振スペクトルレーザ発信器を用いた場合でも、λ0を挟んで発振スペクトルの短波長側が吸収、長波長側が増幅され、トータルで吸収と増幅が釣り合う点で定常状態となるため、同様な効果が期待できる。
【００２５】
更に、図３に基づき、本発明に係る光増幅素子の第２の実施の形態を説明する。図３は、本発明に係る光増幅素子の第２の実施の形態を示す図である。
図中３０１、３０２は半導体光増幅器(ＳＯＡ)、３０３、３０４は多モード干渉型３ｄＢ力プラ(ＭＭＩカプラ)、３０５はＤＦＢ−ＬＤ、３０６、３０７は導波路端面、３０８、３０９は反射防止膜、３１０は入力導波路、３１１、３１２は発振光導波路、３１３は出力導波路、３１４は基板、３１８はループ導波路である。ＳＯＡ３０１、３０２と ＭＭＩカプラ３０３、３０４は対称マッハツエンダ(Mach-Zehnder)干渉回路３１５を形成している。
【００２６】
動作原理は、ＤＦＢ−ＬＤ３０５から出力される波長λ0の発振光が、発振光導波路３１１と３１２の両方から対称マッハツェンダ干渉回路３１５に入射することを除けば、上記第１の実施の形態とまったく同様である。
従って、本実施の形態の場合も、対称マッハツェンダ干渉回路３１５の性質により、発振光導波路３１２から入射したＤＦＢ−ＬＤ３０５の発振光は、マッハツェンダ干渉回路３１５を透過して発振光導波路３１１から出力され、また、発振光導波路３１１から入射したＤＦＢ−ＬＤ３０５の発振光はマッハツェンダ干渉回路３１５を透過して発振光導波路３１２から出力されるため、発振光が信号光の入力導波路３１０及び出力導波路３１３に混入することはなく、信号光と発振光との空間的分離がなされている。そのため、発振光を除去するための外部フィルタは不要となる。
【００２７】
なお、本実施の形態におけるＳＯＡの構造に関しては、上記第１の実施の形態と同様に特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべてのＳＯＡについて本構成をとることにより上記説明のような効果が期待できる。すなわちＳＯＡの活性層に関してはＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等任意の材質について適用が可能であり、活性層構造に関してもバルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットを問わず、またＳＯＡの導波路構造に関してもＳＣＨ（分離閉じ込め構造）の有無によらず、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いた場合でも同様な効果が期待できる。基板に関してもｎ型基板に限定されるものではなく、ｐ型、半絶緑型等でも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００２８】
また、３ｄＢカプラとして、ＭＭＩカプラに限らず、方向性結合器を用いてもまったく同様な効果が期待できる。
更に、レーザ発信器としてＤＦＢ−ＬＤに限らず、レーザキャビティが信号光増幅手段である半導体増幅器３０１、３０２と独立に形成されていれば同様な効果が期待できる。例えば活性層の存在する活性領域と、活性領域一方の端に存在するブラッグ反射器、および反対側の端に存在するブラッグ反射器または反射ミラーとによりキャビティを構成するＤＢＲ−ＬＤ、活性領域とその両端に存在する反射ミラーによりキャビティを構成するファブリペローＬＤを用いた場合でも同様な効果が期待できる。また、発振光のスペクトルに関しては、必ずしもシングルモード発振である必要はない。
【００２９】
更に、図４に基づき、本発明に係る光増幅素子の第３の実施の形態を説明する。図４は、本発明に係る光増幅素子の第３の実施の形態を示す図である。
図中４０１、４０２は半導体光増幅器(ＳＯＡ)、４０３、４０４、４１９は多モード干渉型３ｄＢ力プラ(ＭＭＩカプラ)、４０５はＤＦＢ−ＬＤ、４０６、４０７は導波路端面、４０８、４０９は反射防止膜、４１０は入力導波路、４１１、４１２、４１８は発振光導波路、４１３は出力導波路、４１４は基板である。ＳＯＡ４０１、４０２と ＭＭＩカプラ４０３、４０４は対称マッハツェンダ(Mach-Zehnder)干渉回路４１５を形成している。
【００３０】
動作原理は、ＤＦＢ−ＬＤ４１５から出力される波長λ0の発振光が、ＭＭＩ３ｄＢカプラ４１９で２分岐され、発振光導波路４１１と４１２の両方から対称マッハツェンダ干渉回路４１５に入射することを除けば、図１に示す第１の実施の形態および図３に示す第２の実施の形態とまったく同様である。
従って、本実施の形態の場合も、対称マッハツェンダ干渉回路４１５の性質により、発振光導波路４１２から入射したＤＦＢ−ＬＤ４０５の発振光は、マッハツェンダ干渉回路４１５を透過して発振光導波路４１１から出力され、また、発振光導波路４１１から入射したＤＦＢ−ＬＤ４０５の発振光はマッハツェンダ干渉回路４１５を透過して発振光導波路４１２から出力されるため、発振光が信号光の入力導波路４１０及び出力導波路４１３に混入することはなく、信号光と発振光との空間的分離がなされている。そのため、発振光を除去するための外部フィルタは不要となる。
【００３１】
なお、本実施の形態におけるＳＯＡの構造に関しては、上記第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様に特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべてのＳＯＡについて本構成をとることにより上記説明のような効果が期待できる。すなわちＳＯＡの活性層に関してはＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等任意の材質について適用が可能であり、活性層構造に関してもバルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットを問わず、またＳＯＡの導波路構造に関してもＳＣＨ（分離閉じ込め構造）の有無によらず、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いた場合でも同様な効果が期待できる。基板に関してもｎ型基板に限定されるものではなく、ｐ型、半絶緑型等でも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００３２】
また、３ｄＢカプラとして、ＭＭＩカプラに限らず、方向性結合器を用いてもまったく同様な効果が期待できる。
更に、レーザ発信器としてＤＦＢ−ＬＤに限らず、レーザキャビティが信号光増幅手段である半導体増幅器４０１、４０２と独立に形成されていれば同様な効果が期待できる。例えば活性層の存在する活性領域と、活性領域一方の端に存在するブラッグ反射器、および反対側の端に存在するブラッグ反射器または反射ミラーとによりキャビティを構成するＤＢＲ−ＬＤ、活性領域とその両端に存在する反射ミラーによりキャビティを構成するファブリペローＬＤを用いた場合でも同様な効果が期待できる。また、発振光のスペクトルに関しては、必ずしもシングルモード発振である必要はない。
【００３３】
更に、図５に基づき、本発明に係る光増幅素子の第４の実施の形態を説明する。図５は、本発明に係る光増幅素子の第４の実施の形態を示す図である。
図５に示す、第４の実施の形態は、図４に示す第３の実施の形態におけるＭＭＩ３ｄＢカプラ４１９を多モード干渉型（ＭＭＩ）１：２カプラ５１９に置き換えたものである。
【００３４】
図中５０１、５０２は半導体光増幅器(ＳＯＡ)、５０３、５０４は多モード干渉型３ｄＢ力プラ(ＭＭＩカプラ)、５０５はＤＦＢ−ＬＤ、５０６、５０７は導波路端面、５０８、５０９は反射防止膜、５１０は入力導波路、５１１、５１２、５１８は発振光導波路、５１３は出力導波路、５１４は基板、５１９は多モード干渉型（ＭＭＩ）１：２カプラである。ＳＯＡ５０１、５０２と ＭＭＩ３ｄＢカプラ５０３、５０４は対称マッハツェンダ(Mach-Ze士mder)干渉回路５１５を形成している。
【００３５】
動作原理は、ＤＦＢ−ＬＤ５１５から出力される波長λ0の発振光が、多モード干渉型１：２カプラ５１９で２分岐することを除けば、図４に示した第３の実施の形態とまったく同様である。
なお、本実施の形態におけるＳＯＡの構造に関しては、上記第１の実施の形態、第２の実施の形態及び第３の実施の形態と同様に特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべてのＳＯＡについて本構成をとることにより上記説明のような効果が期待できる。すなわちＳＯＡの活性層に関してはＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等任意の材質について適用が可能であり、活性層構造に関してもバルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットを問わず、またＳＯＡの導波路構造に関してもＳＣＨ（分離閉じ込め構造）の有無によらず、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いた場合でも同様な効果が期待できる。基板に関してもｎ型基板に限定されるものではなく、ｐ型、半絶緑型等でも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００３６】
また、３ｄＢカプラとして、ＭＭＩカプラに限らず、方向性結合器を用いてもまったく同様な効果が期待できる。更に、１×２カプラとしてはＭＭＩカプラに限らずＹ分岐を用いても同様な効果が期待できる。
更に、レーザ発信器としてＤＦＢ−ＬＤに限らず、レーザキャビティが信号光増幅手段である半導体増幅器３０１、３０２と独立に形成されていれば同様な効果が期待できる。例えば活性層の存在する活性領域と、活性領域一方の端に存在するブラッグ反射器、および反対側の端に存在するブラッグ反射器または反射ミラーとによりキャビティを構成するＤＢＲ−ＬＤ、活性領域とその両端に存在する反射ミラーによりキャビティを構成するファブリペローＬＤを用いた場合でも同様な効果が期待できる。また、発振光のスペクトルに関しては、必ずしもシングルモード発振である必要はない。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る光増幅素子によれば、入力信号強度が変動しても利得を一定に保ち、更に、飽和状態においてもパターン効果を抑圧することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す図である。
【図２】ＳＯＡの利得スペクトルと発振波長の関係を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態を示す図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
１０１、１０２ ＳＯＡ
１０３、１０４ ＭＭＩ３ｄＢカプラ
１０５ ＤＦＢ−ＬＤ
１０６、１０７ 端面
１０８、１０９ 反射防止膜
１１０ 入力導波路
１１１、１１２ 発振光導波路
１１３ 出力導波路
１１４ 基板
１１５ 対称マッハツェンダ干渉回路
１１６ 入力信号光
１１７ 出力信号光
３０１、３０２ ＳＯＡ
３０３、３０４ ＭＭＩ３ｄＢカプラ
３０５ ＤＦＢ−ＬＤ
３０６、３０７ 端面
３０８、３０９ 反射防止膜
３１０ 入力導波路
３１１、３１２ 発振光導波路
３１３ 出力導波路
３１４ 基板
３１５ 対称マッハツェンダ干渉回路
３１６ 入力信号光
３１７ 出力信号光
３１８ ループ導波路
４０１、４０２ ＳＯＡ
４０３、４０４ ＭＭＩ３ｄＢカプラ
４０５ ＤＦＢ−ＬＤ
４０６、４０７ 端面
４０８、４０９ 反射防止膜
４１０ 入力導波路
４１１、４１２ 発振光導波路
４１３ 出力導波路
４１４ 基板
４１５ 対称マッハツェンダ干渉回路
４１６ 入力信号光
４１７ 出力信号光
４１８ 発振光導波路
４１９ ＭＭＩ３ｄＢカプラ
５０１、５０２ ＳＯＡ
５０３、５０４ ＭＭＩ３ｄＢカプラ
５０５ ＤＦＢ−ＬＤ
５０６、５０７ 端面
５０８、５０９ 反射防止膜
５１０ 入力導波路
５１１、５１２ 発振光導波路
５１３ 出力導波路
５１４ 基板
５１５ 対称マッハツェンダ干渉回路
５１６ 入力信号光
５１７ 出力信号光
５１８ 発振光導波路
５１９ ＭＭＩ１：２カプラ
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長多重光ネットワークにおいて、任意波長の入力信号光強度を増幅する光増幅技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複数の異なる波長の光信号を伝送する光伝送システムとして、前記複数の異なる波長の光信号を１本の光ファイバに結合して伝送する、波長多重を利用した光伝送システム(ＷＤＭシステム)がある。
更に、前記ＷＤＭシステムは、１対１の伝送のみならず、１対多、多対多などの複数の端末間の光伝送を可能とするためネットワーク化が急速に進みつつある。
【０００３】
このようなＷＤＭシステムにおいて、光信号は、波長に応じて合流・分岐されるＷＤＭ合分波回路、すべての波長を一括して合流・分岐する合分岐回路、特定の波長を抜き出し、あるいは挿入するアドドロップマルチプレクサ(Add‐dropmultiplexer,ＡＤＭ)等の光素子を通過することにより生じる強度損失のため、信号強度が劣化する。そこで光ファイバを伝送する光信号を光のまま増幅する光増幅素子の役割が重要となってくる。
【０００４】
従来の半導体光増幅素子(Semiconductor optica1 Amplifier，ＳＯＡ)をＷＤＭシステムに用いた場合、次のような問題が生じていた。すなわち、ＷＤＭシステムでは波長多重信号が入射するが、その波長多重数はＡＤＭ等を通過する毎に変動すると考えられる。いま波長多重数ｍの信号がＳＯＡに入射したとする。入射光強度はｍ波合計でＰ1(ｄＢｍ)であり、その時のＳＯＡの利得はＧ1(ｄＢ)であるとする。ここで、ＡＤＭにより信号が追加されて波長多重数がｎに増加したとすると、このとき入射光強度はｎ波合計でＰ2(ｄＢｍ)となり、ＳＯＡの飽和出力ＰsatがＰsat＜Ｇ1・Ｐ2であれば飽和が生じ、その時のＳＯＡの利得は減少してＧ2(dB)となる。
一般的に、上記したような利得と入力とのパワーの関係は、以下に示す、特許文献１及び非特許文献１の該当内容のような関係となる。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許第５２９１３２８号明細書（第４図）
【非特許文献１】
Journal of Lightwave Technology Vol.16,No.12（1998年)（２２２８頁、第２図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のＳＯＡをＷＤＭシステムで用いた場合、波長多重数により信号の利得が変動してしまうという問題があった。また、この飽和が生じた状態では利得が変化するのみならず信号パターンによって信号強度が変化するパターン効果により、波形が劣化するという問題もあった。
【０００７】
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、利得の変動がなく、パターン効果を抑圧した光増幅素子を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
また、本発明に係る請求項１記載の光増幅素子は、基板上に形成された、第１アームおよび第２アームに入力信号光の光強度を増幅する増幅手段をそれぞれ有する対称マッハツェンダ干渉回路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの入力側に形成された入力導波路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの出力側および第２アームの入力側に形成された発振光導波路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第２アームの出力側に形成された出力導波路と、
前記第１アームの出力側に形成された発振光導波路上に前記増幅手段とは独立に形成された、発振を生ずるためのキャビティを有するレーザ発振手段とを備え、
前記レーザ発振手段の発振波長を、前記増幅手段の利得媒質のバンドギャップ波長よりも短波長に設定したことを特徴としている。
【００１２】
これにより利得を一定に保ちパターン効果を抑圧する事が可能となる。
また、請求項２に係る発明は、請求項１記載の光増幅素子において、前記レーザ発振手段は、ファブリペロー形レーザ、ＤＦＢ（Distributed Feed-back）レーザあるいはＤＢＲ（Distributed Bragg reflector）レーザであることを特徴としている。
【００１３】
これにより利得を一定に保ちパターン効果を抑圧する事が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。図１乃至図５は、本発明に係る光増幅素子の実施の形態を示す図である。
まず、本発明に係る光増幅素子の第１の実施の形態を図１に基づき説明する。図１は、本発明に係る光増幅素子の第１の実施の形態を示す図である。
【００１５】
図中１０１、１０２は半導体光増幅器(Semiconductor Optica1 Amplifier,ＳＯＡ)、１０３、１０４は多モード干渉型３ｄＢ力プラ( Multi-mode Interference coupler,ＭＭＩカプラ)、１０５はＤＦＢ−ＬＤ、１０６、１０７は導波路端面、１０８、１０９は反射防止膜、１１０は入力導波路、１１１、１１２は発振光導波路、１１３は出力導波路、１１４は基板である。ＳＯＡ１０１、１０２とＭＭＩカプラ１０３、１０４は対称マッハツェンダ(Mach-Zehnder)干渉回路１１５を形成している。
【００１６】
以下、動作原理を説明する。対称マッハツェンダ干渉回路１１５の両アームに接続されたＳＯＡ１０１および１０２には、ほぼ同一の電流が注入され、両ＳＯＡはともに２０ｄＢの信号利得を有している。このとき、両ＳＯＡには、前記したようにほぼ同一の電流が注入されているため、マッハツェンダ干渉回路１１５の対称性は保存されている。
【００１７】
更に、対称マッハツェンダ干渉回路１１５の性質により、マッハツェンダ干渉回路１１５においては、入力導波路１１０から入射した光は出力導波路１１３から出射され、また、発振光導波路１１１から入射した光は入力導波路１１２へ出射されるような交差状態となる。
また、発振光導波路１１２に接続されたＤＦＢ−ＬＤ１０５はＳＯＡ１０１、１０２とは独立に制御されており、ＳＯＡ１０１、１０２の注入電流に関わらず発振するように設定されている。
【００１８】
ここで、ＤＦＢ−ＬＤ１０５は、分布帰還型（ＤＦＢ型）の半導体レーザであり、回折型共振器構造をとったものである。つまり、活性層に隣合わせた場所（上でも下でもよい）に、ガイド層として周期的な凹凸（回折格子として機能）構造を形成し、この凹凸によって帰還させられた光を発振させようとするものである。この構造では、屈折率も周期的に変化するため、周期的に反射されてくる光の位相が合ったところの波長で、ブラッグ反射により反射率が高くなり、これによりレーザ発振が生じる。
【００１９】
図２は、ＤＦＢ−ＬＤ１０５の発振波長とＳＯＡ１０１、１０２の利得スペクトルの関係を示した図である。本実施の形態においては、ＤＦＢ−ＬＤ１０５の発振波長はＳＯＡ１０１、１０２の利得煤質のバンドギャップ波長よりも短波長側に設定してあるため、図２に示すように、利得スペクトルのピーク波長λcよりも短波長側となる。ここで、ＤＦＢ−ＬＤ１０５およびＳＯＡ１０１、１０２の電流、温度を調整すると、図２に示すように発振波長をＳＯＡ１０１、１０２の利得がゼロになる波長λ0に設定することができる。このとき、ＤＦＢ−ＬＤ１０５の発振波長λ0ではＳＯＡ１０１、１０２は透明状態となり、発振光の存在はＳＯＡ１０１、１０２の特性に影響を与えることはない。
【００２０】
入力信号光１１６の強度が大きくなった場合、ＳＯＡ１０１、１０２のキャリア密度が減少し、利得スペクトルは図２の一点鎖線の様になる。このとき、ＤＦＢ−ＬＤ１０５の発振波長λ0ではＳＯＡ１０１、１０２は利得がマイナス、すなわち吸収状態となる。そのため、ＳＯＡ１０１、１０２はＤＦＢ−ＬＤ１０５の発振光を吸収し、その結果キャリア密度は増加して急速に図２の実線で示される定常状態へと回復する。
【００２１】
一方、入力信号光強度が減少した場合、ＳＯＡ１０１、１０２のキャリア密度が増加し、利得スペクトルは図２の点線の様になる。このとき、ＤＦＢ−ＬＤ１０５の発振波長λ0ではＳＯＡ１０１、１０２は利得がプラス、すなわち増幅状態となる。そのため、ＳＯＡ１０１、１０２はＤＦＢ−ＬＤ１０５の発振光を増幅し、その結果キャリア密度が減少して急速に図２の実線で示される定常状態へと回復する。
【００２２】
このように、入力信号強度が変動してもＳＯＡ１０１、１０２のキャリア密度に変動は生じず、利得も一定に保たれる。従って、入力信号の波長多重数が変化しても利得の変動を最小限に抑えて安定に動作することが可能となる。
なお、本実施の形態において、対称マッハツェンダ干渉回路１１５の性質により、入力導波路１１２から入射したＤＦＢ−ＬＤ１０５の発振光は、マッハツェンダ干渉回路１１５を透過して発振光導波路１１１から出力されるため、発振光が信号光の入力導波路１１０及び出力導波路１１３に混入することはなく、信号光と発振光との空間的分離がなされている。そのため、発振光を除去するための外部フィルタは不要となる。
【００２３】
また、本実施の形態において用いるＳＯＡ１０１、１０２の構造に関しては、特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべてのＳＯＡについて本構成をとることにより上記説明のような効果が期待できる。すなわちＳＯＡの活性層に関してはＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等任意の材質について適用が可能であり、活性層構造に関してもバルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットを問わず、またＳＯＡの導波路構造に関してもＳＣＨ（分離閉じ込め構造）の有無によらず、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いた場合でも同様な効果が期待できる。基板に関してもｎ型基板に限定されるものではなく、ｐ型、半絶緑型等でも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００２４】
また、上記実施の形態では、３ｄＢカプラとして、ＭＭＩカプラを用いた例を示しているが、これに限らず、方向性結合器を用いても良い。
更に、上記実施の形態では、レーザ発信器としてＤＦＢ−ＬＤを用いた例を示しているが、ＤＦＢ−ＬＤに限らずレーザキャビティが信号光増幅手段である半導体増幅器１０１、１０２と独立に形成されていれば同様な効果が期待できる。例えば活性層の存在する活性領域と、活性領域一方の端に存在するブラッグ反射器、および反対側の端に存在するブラッグ反射器または反射ミラーとによりキャビティを構成するＤＢＲ−ＬＤ、活性領域とその両端に存在する反射ミラーによりキャビティを構成するファブリペローＬＤを用いた場合でも同様な効果が期待できる。発振光のスペクトルに関しては、必ずしもシングルモード発振である必要はない。ファブリペローＬＤに代表されるようなマルチピークを有する発振スペクトルレーザ発信器を用いた場合でも、λ0を挟んで発振スペクトルの短波長側が吸収、長波長側が増幅され、トータルで吸収と増幅が釣り合う点で定常状態となるため、同様な効果が期待できる。
【００２５】
更に、図３に基づき、本発明に係る光増幅素子の第２の実施の形態を説明する。図３は、本発明に係る光増幅素子の第２の実施の形態を示す図である。
図中３０１、３０２は半導体光増幅器(ＳＯＡ)、３０３、３０４は多モード干渉型３ｄＢ力プラ(ＭＭＩカプラ)、３０５はＤＦＢ−ＬＤ、３０６、３０７は導波路端面、３０８、３０９は反射防止膜、３１０は入力導波路、３１１、３１２は発振光導波路、３１３は出力導波路、３１４は基板、３１８はループ導波路である。ＳＯＡ３０１、３０２と ＭＭＩカプラ３０３、３０４は対称マッハツエンダ(Mach-Zehnder)干渉回路３１５を形成している。
【００２６】
動作原理は、ＤＦＢ−ＬＤ３０５から出力される波長λ0の発振光が、発振光導波路３１１と３１２の両方から対称マッハツェンダ干渉回路３１５に入射することを除けば、上記第１の実施の形態とまったく同様である。
従って、本実施の形態の場合も、対称マッハツェンダ干渉回路３１５の性質により、発振光導波路３１２から入射したＤＦＢ−ＬＤ３０５の発振光は、マッハツェンダ干渉回路３１５を透過して発振光導波路３１１から出力され、また、発振光導波路３１１から入射したＤＦＢ−ＬＤ３０５の発振光はマッハツェンダ干渉回路３１５を透過して発振光導波路３１２から出力されるため、発振光が信号光の入力導波路３１０及び出力導波路３１３に混入することはなく、信号光と発振光との空間的分離がなされている。そのため、発振光を除去するための外部フィルタは不要となる。
【００２７】
なお、本実施の形態におけるＳＯＡの構造に関しては、上記第１の実施の形態と同様に特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべてのＳＯＡについて本構成をとることにより上記説明のような効果が期待できる。すなわちＳＯＡの活性層に関してはＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等任意の材質について適用が可能であり、活性層構造に関してもバルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットを問わず、またＳＯＡの導波路構造に関してもＳＣＨ（分離閉じ込め構造）の有無によらず、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いた場合でも同様な効果が期待できる。基板に関してもｎ型基板に限定されるものではなく、ｐ型、半絶緑型等でも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００２８】
また、３ｄＢカプラとして、ＭＭＩカプラに限らず、方向性結合器を用いてもまったく同様な効果が期待できる。
更に、レーザ発信器としてＤＦＢ−ＬＤに限らず、レーザキャビティが信号光増幅手段である半導体増幅器３０１、３０２と独立に形成されていれば同様な効果が期待できる。例えば活性層の存在する活性領域と、活性領域一方の端に存在するブラッグ反射器、および反対側の端に存在するブラッグ反射器または反射ミラーとによりキャビティを構成するＤＢＲ−ＬＤ、活性領域とその両端に存在する反射ミラーによりキャビティを構成するファブリペローＬＤを用いた場合でも同様な効果が期待できる。また、発振光のスペクトルに関しては、必ずしもシングルモード発振である必要はない。
【００２９】
更に、図４に基づき、本発明に係る光増幅素子の第３の実施の形態を説明する。図４は、本発明に係る光増幅素子の第３の実施の形態を示す図である。
図中４０１、４０２は半導体光増幅器(ＳＯＡ)、４０３、４０４、４１９は多モード干渉型３ｄＢ力プラ(ＭＭＩカプラ)、４０５はＤＦＢ−ＬＤ、４０６、４０７は導波路端面、４０８、４０９は反射防止膜、４１０は入力導波路、４１１、４１２、４１８は発振光導波路、４１３は出力導波路、４１４は基板である。ＳＯＡ４０１、４０２と ＭＭＩカプラ４０３、４０４は対称マッハツェンダ(Mach-Zehnder)干渉回路４１５を形成している。
【００３０】
動作原理は、ＤＦＢ−ＬＤ４１５から出力される波長λ0の発振光が、ＭＭＩ３ｄＢカプラ４１９で２分岐され、発振光導波路４１１と４１２の両方から対称マッハツェンダ干渉回路４１５に入射することを除けば、図１に示す第１の実施の形態および図３に示す第２の実施の形態とまったく同様である。
従って、本実施の形態の場合も、対称マッハツェンダ干渉回路４１５の性質により、発振光導波路４１２から入射したＤＦＢ−ＬＤ４０５の発振光は、マッハツェンダ干渉回路４１５を透過して発振光導波路４１１から出力され、また、発振光導波路４１１から入射したＤＦＢ−ＬＤ４０５の発振光はマッハツェンダ干渉回路４１５を透過して発振光導波路４１２から出力されるため、発振光が信号光の入力導波路４１０及び出力導波路４１３に混入することはなく、信号光と発振光との空間的分離がなされている。そのため、発振光を除去するための外部フィルタは不要となる。
【００３１】
なお、本実施の形態におけるＳＯＡの構造に関しては、上記第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様に特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべてのＳＯＡについて本構成をとることにより上記説明のような効果が期待できる。すなわちＳＯＡの活性層に関してはＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等任意の材質について適用が可能であり、活性層構造に関してもバルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットを問わず、またＳＯＡの導波路構造に関してもＳＣＨ（分離閉じ込め構造）の有無によらず、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いた場合でも同様な効果が期待できる。基板に関してもｎ型基板に限定されるものではなく、ｐ型、半絶緑型等でも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００３２】
また、３ｄＢカプラとして、ＭＭＩカプラに限らず、方向性結合器を用いてもまったく同様な効果が期待できる。
更に、レーザ発信器としてＤＦＢ−ＬＤに限らず、レーザキャビティが信号光増幅手段である半導体増幅器４０１、４０２と独立に形成されていれば同様な効果が期待できる。例えば活性層の存在する活性領域と、活性領域一方の端に存在するブラッグ反射器、および反対側の端に存在するブラッグ反射器または反射ミラーとによりキャビティを構成するＤＢＲ−ＬＤ、活性領域とその両端に存在する反射ミラーによりキャビティを構成するファブリペローＬＤを用いた場合でも同様な効果が期待できる。また、発振光のスペクトルに関しては、必ずしもシングルモード発振である必要はない。
【００３３】
更に、図５に基づき、本発明に係る光増幅素子の第４の実施の形態を説明する。図５は、本発明に係る光増幅素子の第４の実施の形態を示す図である。
図５に示す、第４の実施の形態は、図４に示す第３の実施の形態におけるＭＭＩ３ｄＢカプラ４１９を多モード干渉型（ＭＭＩ）１：２カプラ５１９に置き換えたものである。
【００３４】
図中５０１、５０２は半導体光増幅器(ＳＯＡ)、５０３、５０４は多モード干渉型３ｄＢ力プラ(ＭＭＩカプラ)、５０５はＤＦＢ−ＬＤ、５０６、５０７は導波路端面、５０８、５０９は反射防止膜、５１０は入力導波路、５１１、５１２、５１８は発振光導波路、５１３は出力導波路、５１４は基板、５１９は多モード干渉型（ＭＭＩ）１：２カプラである。ＳＯＡ５０１、５０２と ＭＭＩ３ｄＢカプラ５０３、５０４は対称マッハツェンダ(Mach-Ze士mder)干渉回路５１５を形成している。
【００３５】
動作原理は、ＤＦＢ−ＬＤ５１５から出力される波長λ0の発振光が、多モード干渉型１：２カプラ５１９で２分岐することを除けば、図４に示した第３の実施の形態とまったく同様である。
なお、本実施の形態におけるＳＯＡの構造に関しては、上記第１の実施の形態、第２の実施の形態及び第３の実施の形態と同様に特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべてのＳＯＡについて本構成をとることにより上記説明のような効果が期待できる。すなわちＳＯＡの活性層に関してはＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等任意の材質について適用が可能であり、活性層構造に関してもバルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットを問わず、またＳＯＡの導波路構造に関してもＳＣＨ（分離閉じ込め構造）の有無によらず、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いた場合でも同様な効果が期待できる。基板に関してもｎ型基板に限定されるものではなく、ｐ型、半絶緑型等でも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００３６】
また、３ｄＢカプラとして、ＭＭＩカプラに限らず、方向性結合器を用いてもまったく同様な効果が期待できる。更に、１×２カプラとしてはＭＭＩカプラに限らずＹ分岐を用いても同様な効果が期待できる。
更に、レーザ発信器としてＤＦＢ−ＬＤに限らず、レーザキャビティが信号光増幅手段である半導体増幅器３０１、３０２と独立に形成されていれば同様な効果が期待できる。例えば活性層の存在する活性領域と、活性領域一方の端に存在するブラッグ反射器、および反対側の端に存在するブラッグ反射器または反射ミラーとによりキャビティを構成するＤＢＲ−ＬＤ、活性領域とその両端に存在する反射ミラーによりキャビティを構成するファブリペローＬＤを用いた場合でも同様な効果が期待できる。また、発振光のスペクトルに関しては、必ずしもシングルモード発振である必要はない。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る光増幅素子によれば、入力信号強度が変動しても利得を一定に保ち、更に、飽和状態においてもパターン効果を抑圧することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す図である。
【図２】ＳＯＡの利得スペクトルと発振波長の関係を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態を示す図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
１０１、１０２ ＳＯＡ
１０３、１０４ ＭＭＩ３ｄＢカプラ
１０５ ＤＦＢ−ＬＤ
１０６、１０７ 端面
１０８、１０９ 反射防止膜
１１０ 入力導波路
１１１、１１２ 発振光導波路
１１３ 出力導波路
１１４ 基板
１１５ 対称マッハツェンダ干渉回路
１１６ 入力信号光
１１７ 出力信号光
３０１、３０２ ＳＯＡ
３０３、３０４ ＭＭＩ３ｄＢカプラ
３０５ ＤＦＢ−ＬＤ
３０６、３０７ 端面
３０８、３０９ 反射防止膜
３１０ 入力導波路
３１１、３１２ 発振光導波路
３１３ 出力導波路
３１４ 基板
３１５ 対称マッハツェンダ干渉回路
３１６ 入力信号光
３１７ 出力信号光
３１８ ループ導波路
４０１、４０２ ＳＯＡ
４０３、４０４ ＭＭＩ３ｄＢカプラ
４０５ ＤＦＢ−ＬＤ
４０６、４０７ 端面
４０８、４０９ 反射防止膜
４１０ 入力導波路
４１１、４１２ 発振光導波路
４１３ 出力導波路
４１４ 基板
４１５ 対称マッハツェンダ干渉回路
４１６ 入力信号光
４１７ 出力信号光
４１８ 発振光導波路
４１９ ＭＭＩ３ｄＢカプラ
５０１、５０２ ＳＯＡ
５０３、５０４ ＭＭＩ３ｄＢカプラ
５０５ ＤＦＢ−ＬＤ
５０６、５０７ 端面
５０８、５０９ 反射防止膜
５１０ 入力導波路
５１１、５１２ 発振光導波路
５１３ 出力導波路
５１４ 基板
５１５ 対称マッハツェンダ干渉回路
５１６ 入力信号光
５１７ 出力信号光
５１８ 発振光導波路
５１９ ＭＭＩ１：２カプラ
Claims (2)
- 基板上に形成された、第１アームおよび第２アームに入力信号光の光強度を増幅する増幅手段をそれぞれ有する対称マッハツェンダ干渉回路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの入力側に形成された入力導波路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの出力側および第２アームの入力側に形成された発振光導波路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第２アームの出力側に形成された出力導波路と、
前記第１アームの出力側に形成された発振光導波路上に前記増幅手段とは独立に形成された、発振を生ずるためのキャビティを有するレーザ発振手段とを備え、
前記レーザ発振手段の発振波長を、前記増幅手段の利得媒質のバンドギャップ波長よりも短波長に設定したことを特徴とする光増幅素子。 - 前記レーザ発振手段は、ファブリペロー形レーザ、ＤＦＢ（Distributed Feed-back）レーザあるいはＤＢＲ（Distributed Bragg reflector）レーザであることを特徴とする請求項１記載の光増幅素子。
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