JP4521793B2 - 多数波長レ−ザ源 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多数の増幅器導波管を備える光束を伝送する多数波長レーザ源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光電気通信の技術の開発から、波長の多重伝送を具体化することが有利であることが明らかになっている。このため、各々が情報の異なる内容を運ぶ働きをする異なる光束は、同一の導波管、例えば、同一の光ファイバに沿って伝送されなければならない。このため、基本的に、光ファイバから成る同一のハードウェア手段の伝送能力は、著しく向上する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
今日迄、この多重化を実現するため、各々が独自の特定の波長を伝送する幾つかのレーザ源が、一般に使用される。その接続は、増倍管を介して独自のファイバ内にて保証される。この構成は、満足し得ることがしばしばである。しかしながら、この構成は、レーザ源、従って、その構成要素の各々の数を多重化し、異なるレーザ源によって伝送された光束を集める増倍管を利用し且つこれらの構成要素を所定のファイバに接続することを含む。
【０００４】
更に、独自の後方反射装置と関係した幾つかの固体レーザを備える、光通信システムが提案されている（日本の特許要約−日本国特許第５６．０９０．６４２号）。この後方反射装置は、これらのレーザの各々を異なる角度から見て、同一の角度にて異なるキャビティを形成する。このため、このようにして形成されたレーザ源の各々は、独特な波長を伝送する。この構成は、完全に切り離れたシステムに対して、必要な構成要素の数を制限することを可能にするが、これらのレーザ源により伝送された束をファイバ内にて接続するため増倍管を使用することを必要とする。
【０００５】
英国特許出願第２．２０２．４０４号から、色々な伝送波長を独特な出力ファイバ内にて接続することを保証する、多数波長レーザ源を供給する装置が公知である。この装置は、外部キャビティと関係したレーザを備えており、該レーザの各々が異なる波長にて共鳴することを可能にし且つ発生された束を光ファイバ内にて接続することを可能にする。
【０００６】
この文献英国特許第２．２０２．４０４号には、単一導波管の外部キャビティレーザでさえ、任意の外部キャビティとしてのレーザは、幾つかの長手方向モードに亙って共鳴することが示されている。従来、基準構造体を使用することにより、この欠点を解消することが提案されている。この構造体は、出力ファイバ内に、すなわち、ビームが空間的に重ね合わされる領域内に形成される。
【０００７】
しかしながら、多数導波管の外部キャビティ源においては、必要とされる波長に加えて又はその波長に代えて、干渉波長を発生させることができる。その結果、所定の導波管がこの導波管と外部反射器との間をビームが１回、２方向に進むことに対応するキャビティにより提供された選択に加えて、かかる装置は、また、幾つかの増幅器導波管と外部反射器との間にてビームが何回か２方向に進むことに対応するキャビティも形成する。このように、１つの特別なレーザにおいて、増幅器媒質は、外部キャビティにより受け取られた幾つかの波長にて共鳴可能である。モード間のかかる相反は、明らかに有害であり、レーザ源が正確に作動することを妨げることになる。
【０００８】
本発明の１つの目的は、こうした欠点を示さず、また、その作動が全体として最適とされた、多数波長レーザ源を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的のため、本発明は、電位の伝送波長と同数の多数の増幅器導波管と、該導波管により伝送されたビームを平行にする平行化光学系と、回路網と、後方反射器であって、該回路網と共に、分散型後方反射装置を構成する後方反射器とを備え、該分散型後方反射装置が、導波管の各々と共に、外部共鳴キャビティを画定し、導波管の各々が、内面と、その関係したキャビティに対する外面とを備える、光束を伝送する多数波長レーザ源に関するものである。
【００１０】
本発明によれば、微調節機能を小さくしたファブリィ・ぺロ（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）干渉計が、平行化光学系と回路網との間のキャビティ内に配置され、これにより、該干渉計が、キャビティの軸線に対し傾動し且つ選択性の小さいフィルタを形成し、入射角度に対する伝送された波長の該フィルタの変化則が、分散型後方反射装置の変化則と同一である。
【００１１】
色々な実施の形態によれば、これらの実施の形態の各々は、技術的に可能な全ての組み合わせにおいて、その特別で且つ有効な利点を呈する。すなわち：
共鳴外部キャビティがリットマン−メトカフ（Ｌｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ）の形態をしていること；
伝送された光束が後方反射器を介して集められ且つ単一の出力単モードファイバ内で接続されること；
後方反射器がミラーであること；
後方反射器が自己整合系であること；
後方反射器が正二面体であること；
後方反射器が筒形レンズと部分的な後方反射ミラーとを備えること；
回路網と平行化光学装置との間に配置されたプリズムが、レーザ源により発生された光束の周波数を直線状に分配すること；
増幅器導波管が互いに同一であること；
導波管が同一の固体の基層の外側に形成されること；
各導波管の内面が反射防止被覆を有すること；
導波管の外面が１００％反射性であること。
【００１２】
【発明の実施の形態】
添付図面を参照しつつ、本発明を以下により詳細に説明する。
【００１３】
図１は、公知のリットマン−メトカフ組立体の図であり、この組立体において、回路網１は、外端３´を有し、その内端２が平行化ビーム５を発生させる平行化系４の焦点内に配置された、案内される増幅器媒質３により実現される。
【００１４】
このビームは、回路網の分散面に対し、すなわち、回路網１の線６に対し垂直な面に対し平行であり、回路網１の表面にて、法線７に対し角度θ₁を形成する。回路網に沿った回折により形成された色分散を使用して、ビーム５は、ニ次的な整合ビーム８を発生させ、この整合ビーム８は、分散面内に配置され且つ法線７に対し角度θ₂を形成する。平面ミラー９が、ビーム８に対して従来通り垂直に配置され、ビームは系の全体を通じて反射される。
【００１５】
我々は、こうした状況下にて、次式の関係にあるとき、回路網のピッチであるｐが画定されることを知っている。

ここで、θ₁は、回路網における光ビーム（その方向はガイド３の内面２の中心及び平行化光学系４の中心４´により画定される）の入射角度であり、θ₂は、ミラー９に対し垂直な方向に対応する回折角度であり、波長λのビーム５は、最初に回路網１に回折し、ミラー９に後方反射し、回路網１に２度目に回折した後、その開始点に戻る。このため、該ビームは、案内された増幅器媒質３の内端２と交わる像点を形成する。光は案内された増幅器内で再度接続され且つ波長λにてレーザを伝送することを可能にする。
【００１６】
この装置は、狭小な波長帯域に亙って伝送される光レーザ源を発生させるために使用されており、この狭小な波長帯域を変化させることを可能にする構成を提供することも提案されている（欧州特許第０．７０２．４３８号）。
【００１７】
図２乃至図４には、上述したリットマン−メトカフ形態の基本的な原理を具体化する１つの実施の形態における本発明の装置が図示されている。上述した要素に対応する要素は、上記に使用したのと同一の参照番号で表示してある。この装置において、外面３´、３１´…、３９´を有する幾つかの増幅器導波管は、光学系４の焦点面Ｆ内に配置されたその内面２、２１、２２、…、２９を有している。このように、これらの増幅器導波管３、３１、…、３９の各々は、回路網に対する特定の入射角度θ₁、θ₁₁、…、θ₁₉を画定する。これと逆に、後方反射装置９は独特であり、後方反射器に対する直角入射角度に対応する角度θ₂は、増幅器導波管３、３１、…、３９の何れを対象とするかに関係なく、一定状態である。
【００１８】
増幅器導波管３、３９のみを対象として本発明を更に説明する。増幅器導波管３１、…、３８により発生される挙動は、増幅器導波管３９の挙動と同様であると考えられる。
【００１９】
このように、波長λ_i＝λ₉に関して、導波管３９により伝送されたビーム５９は、入射角度θ_1i＝θ₁₉の下、回路網１により受け取られ、角度θ₂の下、ビーム８９の形態にて分散される。
【００２０】
このため、増幅器導波管３９は、θ₁と異なる角度θ₁₉を画定し、この増幅器導波管３９の外端３９´及び後方反射系９により形成されたキャビティ９乃至３９´により波長λ₉が選択され、このため、波長λ₉は、状態λ₉＝ｐ ｓｉｎ θ₁₉＋ｐ ｓｉｎ θ₂に適合する。
【００２１】
後方反射系９は部分的に後方反射するため、キャビティ９乃至３´及び９乃至３９´内で共鳴する光束の一部分は、この部分的な反射系９により抽出される。全ての共鳴ビームはキャビティ内のミラー９に対し垂直であるため、これらの共鳴ビームは、出力部にて互いに平行状態を保ち、このため、同一の単モード光ファイバ１１内で光学系１０と接続することができる。
【００２２】
実際上、増幅器導波管３９は、部分的な反射系９と共に、共鳴キャビティを形成し、該共鳴キャビティは、増幅器導波管３９の伝送スペクトル内にて、波長λ₉を選択し、それぞれの波長λ、λ₉を有する光束が回路網１と部分的な反射系９との間に包み込まれたキャビティの部分内にて重ね合わされ、このため、これらの光束は、部分的な後方反射系９を介して同一の方向に沿って伝送されることを認識すべきである。このため、接続する光学系１０は、波長λの光束及び波長λ₉の光束を単モードファイバ１１内にて同時に接続することを可能にする。
【００２３】
その内端が平行化光学系４の焦点面内に配置された増幅器媒質３、３１、…又は３９の各々は、キャビティ９乃至３´、９乃至３１´、…又は９乃至３９´を形成し、同様に処理された光束を発生させ、このため、出力ファイバ１１内で接続される。
【００２４】
増幅器媒質３、３１、…、３９は、ダイオードのような固体状増幅器であることが好ましい。電気制御信号を付与すれば、これらのダイオードの各々、すなわち、ファイバにより伝送されるチャネルの各々を独立的に調節しつつ、色々な電気的制御信号に対して対応する情報の内容を送ることを可能にする。
【００２５】
例えば、部分的な反射系９を有する増幅器導波管３９により形成された共鳴キャビティを別にして、部分的な反射系９に反射させ、次に、例えば、導波管３１のような第二の導波管内で再度接続し、次に、部分的な反射系９に更に反射させ、最後に、増幅器導波管３９に戻るようにすることにより、増幅器導波管３９を使用して、共鳴キャビティを形成することも可能であることが判明した。
【００２６】
このため、この二重の共鳴キャビティは、干渉効果を発生させる可能性がある。この干渉効果は、特定の状態下にて、増幅器導波管３９の伝送スペクトル内にて、波長λ_i＝λ₉を選択する、第一の主キャビティにより発生された効果を妨げ又はそれら効果を支配することさえもある。この場合、この波長λ_i＝λ₉の伝送が妨害され、このことは、明らかに、このレーザ源の作動にとって有害である。
【００２７】
これらの干渉は、幾つかの増幅器導波管を使用するレーザ伝送を回避する更なるろ過を行うことにより防止することができる。
【００２８】
実際上、簡単なキャビティ９乃至３_j´（ｉ＝Ｊ乃至９）内での波長の選択則が、次のようなものであることが分かった。

ここで、ｉ＝１乃至９。
【００２９】
それ自体として、ファブリィ・ぺロ干渉計は、また、角度が伝送された波長λ_tに依存することも示す。

ここで、λ_nは、直角の入射角度にて伝送された波長であり、θ_FPiは、ファブリィ・ぺロ干渉計に対する法線とビームｉの方向との間の角度である。
【００３０】
双方の変化則が同一であるように、ファブリィ・ぺロ干渉計の傾動程度を選択することが可能であることが判明した。
【００３１】
本発明の範囲内において、上述したリットマン−メトカフ形態に代えて、具体化可能であるリトロー（Ｌｉｔｔｒｏｗ）形態の場合、λ_i＝２ ｐ ｓｉｎ θ_1iのとき、ファブリィ・ぺロ干渉計は、回路網に対して垂直であり、λ_n＝２ｐ、次に、θ_1i＝９０°−θ_FPi、及びｓｉｎ θ_1i＝ｃｏｓ θ_FPiとなるようにすれば十分である。
【００３２】
図５に図示したリットマン−メトカフ形態の場合、この則はより複雑であるが、分散角度、すなわち、回路則及びファブリィ・ぺロ則の偏倚程度を等しくすれば十分である。情報の目的のため、平均入射角度θ_FPi（ビームがファブリィ・ぺロ干渉計に入射する角度）を８°程度とし、回路網への平均入射角度を７５°程度とした場合、良好な結果が得られた。このため、我々は、ファブリィ・ぺロ干渉計による角度が８３°であるのに対し、回路網の面により形成された角度θ_R-FPを得ることができる。
【００３３】
次に、ファブリィ・ぺロ干渉計は、波長λ_i、回路網への入射角度θ_1i及びファブリィ・ぺロ干渉計への入射角度θ_FPiのにて作動する異なる簡単なキャビティに対して透過性がある。
【００３４】
ここで、導波管３ｉ、３ｊ間の二重のキャビティの作用の結果、常に、回路網に対する入射角度θ_1i、θ_1jとなり、また、ファブリィ・ぺロ干渉計への入射角度θ_FPi、θ_FPjとなる。しかしながら、この場合、伝送波長は、（λ_i＋λ_j）／２となり、この波長は、入射角度θ_FPi、θ_FPjにてファブリィ・ぺロ干渉計により減衰されるため、この二重キャビティに対して何らレーザ効果を得ることができない。
【００３５】
波長（λ_i＋λ_j）／２は、実際上、λ_i、λ_jからある距離にあり、二重キャビティは、ファブリィ・ぺロ干渉計内の４つの通路に達しているため、二重キャビティに対するレーザ効果を抑制するためには、僅かな調節機能があれば十分である。
【００３６】
本発明によれば、このように、単一の構成要素に対し、全ての伝送波長に亙って必要なろ過を行うことが可能であることが判明した。
【００３７】
この手段は、平行化光学系４と回路網１との間に配置されたファブリィ・ペロ干渉計１２から成っており、この場合、色々なビームの入射角度は、互いに相違し、この手段は、キャビティの平均軸線に対し傾斜している。
【００３８】
図６には、外部キャビティにより受け入れられる可能性がある長手方向モードの波長を半点線で示し、連続線ｃは回路網のろ過機能を示し、点線Ｆ₀Ｐ₀はファブリィ・ペロ干渉計１２のパス帯域を示す。このため、簡単な外部キャビティは、回路網の最小減衰程度に対応する波長λ_iにて伝送する。
【００３９】
ファブリィ・ペロ干渉計１２により解消する必要のある波長（λ_i＋λ_j-1）／２、（λ_i＋λ_j+1）／２における電位の伝送は、その伝送が望まれる波長λ_iに対して全くずらしてあり、ファブリィ・ペロ干渉計１２が極めて選択的である必要はなく、比較的小さい反射率の面を有する選択性の小さいファブリィ・ペロ干渉計は最良の結果を提供する。
【００４０】
例えば、３０ｎｍの自由なスペクトル間隔について５乃至１０の微調節が可能であることは全く許容できる。
【００４１】
かかる系において、電気制御信号により発生された光束の変調周波数は、キャビティの光学的長さに依存するモードロック周波数を超えることができず、この周波数の高さは、キャビティの光学的長さに逆比例する。
【００４２】
本発明によれば、１５ｍｍ程度の長さのキャビティを形成することが可能であり、この長さは、１０ＧＨｚの程度のロック周波数を画定し、２．５ＧＨｚの周波数に達することのできる変調を可能にする。
【００４３】
光束は部分的な反射系９により抽出されるため、増幅器媒質の外面３´、３１´…、３９´は全反射性であることが有利である。
【００４４】
図７、図８に図示した１つの好適な実施の形態において、系の安定性及びその調節は、筒形レンズ１４の使用により容易となり、該筒形レンズは、横方向に見たとき、ビームを回路網の分散面に対し垂直な方向に沿って収斂させる一方、該筒形レンズは平行な方向にはビームに影響しない。該筒形レンズ１４は、その焦点線を含む半反射性ミラー９の前方に配置され、また、半反射性９の後方に配置された筒形レンズ１５は、ビームを平行な軸線に戻し、次に、該ビームは、出力ファイバ１１内にて光学系１０と接続される。
【００４５】
色々な増幅器導波管は、互いに同一又は同様であり、同一の固体状態の物質に形成されることが好ましく、また、例えば、１５３０ｎｍ乃至１５６５ｎｍのような一般に、光電気通信に使用されるスペクトル帯域ににて伝送することができる。選択された波長又は周波数は、光学系４の焦点、回路網１のピッチ、増幅器導波管３、３１、…、３９のコアの間の間隔、回路網及び後方反射器の方向に依存する。
【００４６】
回路網の入射角度及び反射角度と波長との間に存在する、本明細書の最初に記載した関係は、導波管のコアの間の間隔が等しいならば、周波数が非直線状に分配されることになることを示す。図９、図１０に関して記載したように、上流部分、すなわち、平行化レンズ４と回路網１との間（好ましくは、平行化光学系４とファブリィ・ペロ干渉計１２との間）に配置されたプリズム５２は、分散及び選択可能性を増し、また、屈折効果により回路網及びファブリィ・ペロ干渉計の角度の選択則の非直線性を補正する非直線性を付与する非結晶効果を発生させる。周波数の等距離的な配分が望まれるとき、かかる構成が有効に使用される。
【００４７】
また、光学増幅器の励起パワーを増すために波長増倍管も使用される。かかる多数波長レーザ源は、エルビウムドープしたファイバ増幅器にて励起すべく、特に、約９８０ｎｍ又は約１４８０ｎｍにてこの適用例に使用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】リットマン−メトカフ形態を示すために使用される従来技術の図である。
【図２】本発明の第一の実施の形態による多数波長レーザ源の平面図である。
【図３】同一のレーザ源の正面図である。
【図４】同一のレーザ源の側面図である。
【図５】回路網及びファブリィ・ぺロ干渉計に対するビームの中心半径の入射角度を示す図である。
【図６】一方にて、ファブリィ・ぺロ干渉計が存在しない外部キャビティにより行われ、他方にて、このキャビティ内に配置されたファブリィ・ぺロ干渉計により行われる波長選択の図である。
【図７】本発明の第二の実施の形態における多数波長レーザ源の平面図である。
【図８】その第二の実施の形態におけるレーザ源の側面図である。
【図９】周波数直線化プリズムを概略図的に示す部分正面図である。
【図１０】周波数直線化プリズムが設けられたレーザ源を示す平面図である。
【符号の説明】
１ 回路網 ２、２１、…、２９ 内端／ガイドの内面
３、３１、…、３９ 増幅器媒質／ガイド／増幅器導波管
３´、３１´…、３９´ 回路網の外端
４ 平行化系 ４´ 平行化系の中心
５ 平行ビーム ６ 回路網の線
８ 整合ビーム
９ 平面ミラー／後方反射装置／キャビティ
１０ 光学系 １１ 単一モード光ファイバ
１２ ファブリィ・ペロ干渉計 ５９ ビーム
８９ ビーム

Claims (12)

1. 伝送波長と同数の多数の増幅器導波路と、該導波路により伝送されたビ−ムを平行にする平行化光学系と、回折格子と、該回折格子と共に分散型後方反射装置を構成する後方反射器とを備え、該分散型後方反射装置が導波路の各々と共に外部共鳴キャビティを画定し、導波路の各々が該キャビティに対して内面と外面とを備える、光束を伝送する多数波長レ−ザ源において、
   ファブリィ・ぺロ干渉計が、前記平行化光学系と前記回折格子との間の前記キャビティ内に該キャビティの軸線に対して傾いて配置され、
   前記干渉計は、伝送された波長の入射角度に応じた変化が前記分散型後方反射装置の波長変化と同一であるようにフィルタを形成する、多数波長レ−ザ源。
2. 請求項１に記載の多数波長レ−ザ源において、前記外部共鳴キャビティが、リットマン−メトカフ形態である、多数波長レ−ザ源。
3. 請求項２に記載の多数波長レ−ザ源において、伝送された光束が、部分的に透明な後方反射器を介して集められ且つ単一の出力単モードファイバ内で接続される、多数波長レ−ザ源。
4. 請求項２に記載の多数波長レ−ザ源において、前記後方反射器がミラーである、多数波長レ−ザ源。
5. 請求項２に記載の多数波長レ−ザ源において、前記後方反射器が自己整合系である、多数波長レ−ザ源。
6. 請求項５に記載の多数波長レ−ザ源において、前記後方反射器が同一形状の二つの反射面からなる二面反射体である、多数波長レ−ザ源。
7. 請求項５に記載の多数波長レ−ザ源において、前記後方反射器が、円筒形レンズと、部分的な反射性ミラーとを備える、多数波長レ−ザ源。
8. 請求項１に記載の多数波長レ−ザ源において、前記回折格子と前記整合化光学系との間に配置されたプリズムが、該レ−ザ源により発生された光束の周波数を直線状に分配する、多数波長レ−ザ源。
9. 請求項１に記載の多数波長レ−ザ源において、前記増幅器導波路が互いに同一である、多数波長レ−ザ源。
10. 請求項１に記載の多数波長レ−ザ源において、前記導波路が同一の半導体基板上に形成される、多数波長レ−ザ源。
11. 請求項１に記載の多数波長レ−ザ源において、前記導波路の各々の内面が反射防止性被覆を有する、多数波長レ−ザ源。
12. 請求項１に記載の多数波長レ−ザ源において、前記導波路の外面が１００％反射性である、多数波長レ−ザ源。

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