JP2004103614A - Optical amplifying element - Google Patents

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JP2004103614A
JP2004103614A JP2002259214A JP2002259214A JP2004103614A JP 2004103614 A JP2004103614 A JP 2004103614A JP 2002259214 A JP2002259214 A JP 2002259214A JP 2002259214 A JP2002259214 A JP 2002259214A JP 2004103614 A JP2004103614 A JP 2004103614A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical amplifier element which possesses a stable gain and is capable of suppressing a pattern effect. <P>SOLUTION: The optical amplifier element is composed of a semiconductor optical amplifiers 101 and 102, multi-mode interference 3 dB couplers 103 and 104, a DFB-LD 105, antireflection films 108 and 109, an input waveguide 110, oscillation optical waveguides 111 and 112, an output waveguide 113, and a substrate 114. A symmetrical Mach-Zehnder interference circuit 115 is composed of the SOAs 101 and 102 and the MMI couplers 103 and 104, and the oscillation wavelength of the DFB-LD 105 is set shorter than the band gap wavelength of the gain medium of the SOAs 101 and 102. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

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P(dBm)であり、その時のSOAの利得はG(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P(dBm)となり、SOAの飽和出力PsatがPsat<G・Pであれば飽和が生じ、その時のSOAの利得は減少してG(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。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る請求項1記載の光増幅素子は、任意波長の入力信号光の光強度を増幅する光増幅素子において、
入力信号光を複数のポートに分配する光分配手段と、
前記分配された入力信号光の光強度をそれぞれ増幅する増幅手段と、
前記増幅手段からの出力光を合流させると共に複数の出力ポートに分岐させる光結合手段と、
前記分岐された複数の出力ポートのいずれか1つ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、を備えることを特徴としている。
【0009】
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。
【0010】
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3に係る発明は、請求項1又は請求項2記載の光増幅素子において、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バンドギャップ波長よりも短波長にしたことを特徴としている。
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。
【0011】
また、本発明に係る請求項4記載の光増幅素子は、基板上に形成された増幅作用を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る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5に係る発明は、請求項4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。
また、請求項6に係る発明は、請求項4又は請求項5記載の光増幅素子において、前記レーザ発振手段の発振波長を、前記マッハツェンダ回路を構成する利得媒質のバンドギャップ波長よりも短波長にしたことを特徴としている。
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λ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λに設定することができる。このとき、DFB−LD105の発振波長λ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λ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λ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、λ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λ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λ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λ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
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical amplification technique for amplifying an input signal light intensity of an arbitrary wavelength in a wavelength division multiplexing optical network.
[0002]
2. Description of the Related Art Conventionally, as an optical transmission system for transmitting optical signals of a plurality of different wavelengths, optical transmission using wavelength multiplexing, in which the optical signals of a plurality of different wavelengths are coupled to one optical fiber and transmitted. System (WDM system).
Further, the WDM system is rapidly being networked in order to enable not only one-to-one transmission but also optical transmission between a plurality of terminals such as one-to-many and many-to-many.
[0003]
In such a WDM system, an optical signal is a WDM multiplexing / demultiplexing circuit that multiplexes / branches according to a wavelength, a multiplexing / branching circuit that merges / branches all wavelengths collectively, and extracts or inserts a specific wavelength. Signal strength is degraded due to power loss caused by passing through an optical element such as an add-drop multiplexer (ADM). Therefore, the role of an optical amplifier that amplifies an optical signal transmitted through an optical fiber as light becomes important.
[0004]
When a conventional semiconductor optical amplifier (Semiconductor optica1 Amplifier, SOA) is used in a WDM system, the following problems have occurred. That is, in a WDM system, a wavelength-division multiplexed signal is incident, and the number of wavelength-division multiplexed signals is considered to change every time the signal passes through an ADM or the like. Now, it is assumed that a signal having the wavelength multiplex number m is incident on the SOA. The incident light intensity is P 1 (dBm) in total of m waves, and the gain of the SOA at that time is G 1 (dB). Here, if a signal is added by the ADM and the number of multiplexed wavelengths increases to n, then the incident light intensity becomes P 2 (dBm) in total of n waves, and the saturation output P sat of the SOA becomes P sat <G 1 saturated occurs if P 2, SOA gain at that time becomes decreased G 2 (dB).
In general, the relationship between the gain and the power of the input as described above is a relationship as shown in the following Patent Document 1 and Non-Patent Document 1.
[0005]
[Patent Document 1]
US Pat. No. 5,291,328 (FIG. 4)
[Non-patent document 1]
Journal of Lightwave Technology Vol. 16, No. 12 (1998) (p. 2228, FIG. 2)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when the conventional SOA is used in the WDM system, there is a problem that the signal gain varies depending on the number of wavelength multiplexing. Further, in the state where the saturation occurs, not only the gain changes but also the waveform is deteriorated due to the pattern effect that the signal intensity changes according to the signal pattern.
[0007]
Accordingly, the present invention has been made in view of such unresolved problems of the conventional technology, and has as its object to provide an optical amplifying element that has no fluctuation in gain and suppresses a pattern effect. I have.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the optical amplifying device according to claim 1 of the present invention is an optical amplifying device for amplifying the light intensity of input signal light having an arbitrary wavelength,
Optical distribution means for distributing input signal light to a plurality of ports;
Amplifying means for amplifying the light intensity of the distributed input signal light,
Optical coupling means for merging output light from the amplifying means and branching to a plurality of output ports;
A laser oscillating means having a cavity for generating oscillation, which is formed independently of the amplifying means at any one of the plurality of branched output ports.
[0009]
This makes it possible to keep the gain constant and suppress the pattern effect.
According to a second aspect of the present invention, in the optical amplifying device according to the first aspect, the laser oscillation means is a Fabry-Perot type laser, a DFB (Distributed Feed-back) laser or a DBR (Distributed Bragg reflector) laser. It is characterized by.
[0010]
This makes it possible to keep the gain constant and suppress the pattern effect.
According to a third aspect of the present invention, in the optical amplifying device according to the first or second aspect, the oscillation wavelength of the laser oscillation means is set to be shorter than the band gap wavelength of the gain medium of the amplification means. Features.
This makes it possible to keep the gain constant and suppress the pattern effect.
[0011]
Further, the optical amplifying device according to claim 4 of the present invention includes a symmetric Mach-Zehnder interference circuit having an amplifying action formed on a substrate;
An input waveguide formed on an input side of a first arm of the symmetric Mach-Zehnder interference circuit;
An oscillation optical waveguide formed on the output side of the first arm and the input side of the second arm of the symmetric Mach-Zehnder interference circuit;
An output waveguide formed on the output side of the second arm of the symmetric Mach-Zehnder interference circuit;
A laser oscillation means having a cavity for generating oscillation, which is formed on the oscillation optical waveguide independently of the amplification means.
[0012]
This makes it possible to keep the gain constant and suppress the pattern effect.
According to a fifth aspect of the present invention, in the optical amplifying device according to the fourth aspect, the laser oscillation means is a Fabry-Perot laser, a DFB (Distributed Feed-back) laser, or a DBR (Distributed Bragg reflector) laser. It is characterized by.
[0013]
This makes it possible to keep the gain constant and suppress the pattern effect.
According to a sixth aspect of the present invention, in the optical amplifying device according to the fourth or fifth aspect, the oscillation wavelength of the laser oscillation means is set to a shorter wavelength than a band gap wavelength of a gain medium constituting the Mach-Zehnder circuit. It is characterized by doing.
This makes it possible to keep the gain constant and suppress the pattern effect.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 5 are views showing an embodiment of the optical amplifying device according to the present invention.
First, a first embodiment of the optical amplifier according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the optical amplifying device according to the present invention.
[0015]
In the figure, 101 and 102 are semiconductor optical amplifiers (Semiconductor Optictor 1 Amplifier, SOA), 103 and 104 are multi-mode interference type 3 dB power plugs (Multi-mode Interference couplers, MMI couplers), 105 is a DFB-LD, and 106 and 107 are conductors. Waveguide end surfaces, 108 and 109 are antireflection films, 110 is an input waveguide, 111 and 112 are oscillation optical waveguides, 113 is an output waveguide, and 114 is a substrate. The SOAs 101 and 102 and the MMI couplers 103 and 104 form a symmetric Mach-Zehnder interference circuit 115.
[0016]
Hereinafter, the operation principle will be described. Approximately the same current is injected into the SOAs 101 and 102 connected to both arms of the symmetric Mach-Zehnder interference circuit 115, and both SOAs have a signal gain of 20 dB. At this time, since almost the same current is injected into both SOAs as described above, the symmetry of the Mach-Zehnder interference circuit 115 is preserved.
[0017]
Further, due to the properties of the symmetric Mach-Zehnder interference circuit 115, in the Mach-Zehnder interference circuit 115, light incident from the input waveguide 110 is emitted from the output waveguide 113, and light incident from the oscillation optical waveguide 111 is input to the input waveguide 112. Into an intersecting state in which the light is emitted.
The DFB-LD 105 connected to the oscillation optical waveguide 112 is controlled independently of the SOAs 101 and 102, and is set to oscillate regardless of the injection current of the SOAs 101 and 102.
[0018]
Here, the DFB-LD 105 is a distributed feedback (DFB type) semiconductor laser, and has a diffraction type resonator structure. That is, a periodic concavo-convex (functioning as a diffraction grating) structure is formed as a guide layer in a position adjacent to the active layer (which may be above or below), and light returned by the concavo-convex is oscillated. It is. In this structure, since the refractive index also changes periodically, the reflectivity increases due to Bragg reflection at the wavelength where the phase of the light reflected periodically matches, thereby causing laser oscillation.
[0019]
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the oscillation wavelength of the DFB-LD 105 and the gain spectra of the SOAs 101 and 102. In the present embodiment, the oscillation wavelength of the DFB-LD 105 is set to a shorter wavelength side than the band gap wavelength of the gain material of the SOAs 101 and 102, and therefore, as shown in FIG. It is on the shorter wavelength side than c . Here, the current of the DFB-LD 105 and SOA101,102, by adjusting the temperature, it is possible to gain SOA101,102 the oscillation wavelength as shown in FIG. 2 is set to the wavelength lambda 0 to be zero. At this time, SOA101,102 the oscillation wavelength lambda 0 of the DFB-LD 105 becomes a transparent state, the presence of the oscillation light does not affect the characteristics of SOA101,102.
[0020]
When the intensity of the input signal light 116 increases, the carrier density of the SOAs 101 and 102 decreases, and the gain spectrum becomes as shown by the dashed line in FIG. At this time, at the oscillation wavelength λ 0 of the DFB-LD 105, the gains of the SOAs 101 and 102 become minus, that is, the SOAs 101 and 102 are in an absorption state. Therefore, the SOAs 101 and 102 absorb the oscillation light of the DFB-LD 105, and as a result, the carrier density increases and quickly recovers to the steady state shown by the solid line in FIG.
[0021]
On the other hand, when the input signal light intensity decreases, the carrier densities of the SOAs 101 and 102 increase, and the gain spectrum becomes as shown by the dotted line in FIG. At this time, at the oscillation wavelength λ 0 of the DFB-LD 105, the gains of the SOAs 101 and 102 are positive, that is, the SOAs 101 and 102 are in an amplified state. Therefore, the SOAs 101 and 102 amplify the oscillation light of the DFB-LD 105, and as a result, the carrier density decreases and quickly recovers to the steady state shown by the solid line in FIG.
[0022]
As described above, even if the input signal strength changes, the carrier density of the SOAs 101 and 102 does not change, and the gain is kept constant. Therefore, even if the number of multiplexed wavelengths of the input signal changes, it is possible to minimize the fluctuation in gain and operate stably.
In the present embodiment, the oscillation light of the DFB-LD 105 incident from the input waveguide 112 is output from the oscillation optical waveguide 111 through the Mach-Zehnder interference circuit 115 due to the property of the symmetric Mach-Zehnder interference circuit 115. The oscillating light does not enter the input waveguide 110 and the output waveguide 113 of the signal light, and the signal light and the oscillating light are spatially separated. Therefore, an external filter for removing oscillation light is not required.
[0023]
Further, the structure of the SOAs 101 and 102 used in this embodiment is not particularly limited, and the effect described above can be expected by adopting this configuration for all normally used SOAs. That is, the SOA active layer can be applied to any material such as InGaAsP, GaAs, AlGaAs, InGaAs, and GaInNAs, and the active layer structure can be any of bulk, MQW, quantum wires, quantum dots, and SOA waveguides. Regarding the structure, a similar effect can be expected even when a pn buried structure, a ridge structure, a semi-insulating buried structure, a high-mesa structure, or the like is used regardless of the presence or absence of an SCH (separated confinement structure). The substrate is not limited to the n-type substrate, and it is needless to say that a similar effect can be obtained with a p-type or semi-green substrate.
[0024]
Further, in the above embodiment, an example is shown in which an MMI coupler is used as the 3 dB coupler, but the present invention is not limited to this, and a directional coupler may be used.
Further, in the above-described embodiment, an example is shown in which a DFB-LD is used as a laser oscillator. However, the laser cavity is not limited to the DFB-LD and is formed independently of the semiconductor amplifiers 101 and 102 serving as signal light amplifying means. If it does, a similar effect can be expected. For example, an active region where an active layer is present, a Bragg reflector at one end of the active region, and a DBR-LD that forms a cavity with a Bragg reflector or a reflective mirror at the opposite end, an active region and its active region. A similar effect can be expected even when a Fabry-Perot LD in which a cavity is formed by reflection mirrors existing at both ends is used. Regarding the spectrum of the oscillated light, it is not always necessary to perform single mode oscillation. Even when using an oscillation spectrum laser transmitter having a multipeak such as a Fabry-Perot LD, the short wavelength side of the oscillation spectrum is absorbed and the long wavelength side is amplified across λ 0 , and the absorption and amplification are balanced in total. Since a steady state is achieved at this point, a similar effect can be expected.
[0025]
Further, a second embodiment of the optical amplifier according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram showing a second embodiment of the optical amplifying device according to the present invention.
In the figures, 301 and 302 are semiconductor optical amplifiers (SOAs), 303 and 304 are multimode interference type 3 dB power plugs (MMI couplers), 305 is a DFB-LD, 306 and 307 are waveguide end faces, and 308 and 309 are antireflection films. , 310 are input waveguides, 311 and 312 are oscillation optical waveguides, 313 is an output waveguide, 314 is a substrate, and 318 is a loop waveguide. The SOAs 301 and 302 and the MMI couplers 303 and 304 form a symmetric Mach-Zehnder interference circuit 315.
[0026]
The operation principle is the same as that of the first embodiment except that the oscillation light of wavelength λ 0 output from the DFB-LD 305 enters the symmetric Mach-Zehnder interference circuit 315 from both the oscillation optical waveguides 311 and 312. The same is true.
Therefore, also in the case of the present embodiment, due to the property of the symmetric Mach-Zehnder interference circuit 315, the oscillation light of the DFB-LD 305 incident from the oscillation optical waveguide 312 passes through the Mach-Zehnder interference circuit 315 and is output from the oscillation optical waveguide 311. Also, the oscillating light of the DFB-LD 305 that enters from the oscillating optical waveguide 311 passes through the Mach-Zehnder interference circuit 315 and is output from the oscillating optical waveguide 312, so that the oscillating light is input to the input waveguide 310 and the output waveguide 313 of signal light. There is no mixing, and the signal light and the oscillation light are spatially separated. Therefore, an external filter for removing oscillation light is not required.
[0027]
Note that the structure of the SOA in this embodiment is not particularly limited similarly to the first embodiment, and the effect described above can be obtained by adopting this structure for all normally used SOAs. Can be expected. That is, the SOA active layer can be applied to any material such as InGaAsP, GaAs, AlGaAs, InGaAs, and GaInNAs, and the active layer structure can be any of bulk, MQW, quantum wires, quantum dots, and SOA waveguides. Regarding the structure, a similar effect can be expected even when a pn buried structure, a ridge structure, a semi-insulating buried structure, a high-mesa structure, or the like is used regardless of the presence or absence of an SCH (separated confinement structure). The substrate is not limited to the n-type substrate, and it is needless to say that a similar effect can be obtained with a p-type or semi-green substrate.
[0028]
The same effect can be expected by using a directional coupler as well as the MMI coupler as the 3 dB coupler.
Further, the same effect can be expected if the laser cavity is formed independently of the semiconductor amplifiers 301 and 302 as the signal light amplifying means, without being limited to the DFB-LD as the laser transmitter. For example, an active region where an active layer is present, a Bragg reflector at one end of the active region, and a DBR-LD that forms a cavity with a Bragg reflector or a reflective mirror at the opposite end, an active region and its active region. A similar effect can be expected even when a Fabry-Perot LD in which a cavity is formed by reflection mirrors existing at both ends is used. Further, the spectrum of the oscillated light does not necessarily have to be single mode oscillation.
[0029]
Furthermore, a third embodiment of the optical amplifying device according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram showing a third embodiment of the optical amplifier according to the present invention.
In the figure, 401 and 402 are semiconductor optical amplifiers (SOAs), 403, 404 and 419 are multimode interference type 3 dB power plugs (MMI couplers), 405 is a DFB-LD, 406 and 407 are waveguide end faces, and 408 and 409 are reflections. The prevention film, 410 is an input waveguide, 411, 412, and 418 are oscillation optical waveguides, 413 is an output waveguide, and 414 is a substrate. The SOAs 401 and 402 and the MMI couplers 403 and 404 form a symmetric Mach-Zehnder interference circuit 415.
[0030]
The operating principle is the same as that of FIG. 1 except that the oscillation light of wavelength λ 0 output from the DFB-LD 415 is branched into two by the MMI 3 dB coupler 419 and enters the symmetric Mach-Zehnder interference circuit 415 from both the oscillation optical waveguides 411 and 412. This is exactly the same as the first embodiment shown in FIG. 1 and the second embodiment shown in FIG.
Therefore, also in the case of the present embodiment, due to the property of the symmetric Mach-Zehnder interference circuit 415, the oscillation light of the DFB-LD 405 incident from the oscillation optical waveguide 412 passes through the Mach-Zehnder interference circuit 415 and is output from the oscillation optical waveguide 411. Further, the oscillating light of the DFB-LD 405 that enters from the oscillating optical waveguide 411 passes through the Mach-Zehnder interference circuit 415 and is output from the oscillating optical waveguide 412, so that the oscillating light enters the input waveguide 410 and the output waveguide 413 of the signal light. There is no mixing, and the signal light and the oscillation light are spatially separated. Therefore, an external filter for removing oscillation light is not required.
[0031]
The structure of the SOA in this embodiment is not particularly limited as in the first embodiment and the second embodiment, and the structure is applied to all SOAs that are normally used. Thus, the effect as described above can be expected. That is, the SOA active layer can be applied to any material such as InGaAsP, GaAs, AlGaAs, InGaAs, and GaInNAs, and the active layer structure can be any of bulk, MQW, quantum wires, quantum dots, and SOA waveguides. Regarding the structure, a similar effect can be expected even when a pn buried structure, a ridge structure, a semi-insulating buried structure, a high-mesa structure, or the like is used regardless of the presence or absence of an SCH (separated confinement structure). The substrate is not limited to the n-type substrate, and it is needless to say that a similar effect can be obtained with a p-type or semi-green substrate.
[0032]
The same effect can be expected by using a directional coupler as well as the MMI coupler as the 3 dB coupler.
Further, the same effect can be expected if the laser cavity is formed independently of the semiconductor amplifiers 401 and 402 as the signal light amplifying means, without being limited to the DFB-LD as the laser transmitter. For example, an active region where an active layer is present, a Bragg reflector at one end of the active region, and a DBR-LD that forms a cavity with a Bragg reflector or a reflective mirror at the opposite end, an active region and its active region. A similar effect can be expected even when a Fabry-Perot LD in which a cavity is formed by reflection mirrors existing at both ends is used. Further, the spectrum of the oscillated light does not necessarily have to be single mode oscillation.
[0033]
Further, a fourth embodiment of the optical amplifier according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram showing a fourth embodiment of the optical amplifier according to the present invention.
In the fourth embodiment shown in FIG. 5, the MMI 3 dB coupler 419 in the third embodiment shown in FIG. 4 is replaced by a multimode interference (MMI) 1: 2 coupler 519.
[0034]
In the figure, 501 and 502 are semiconductor optical amplifiers (SOAs), 503 and 504 are multimode interference type 3 dB power plugs (MMI couplers), 505 is a DFB-LD, 506 and 507 are waveguide end faces, and 508 and 509 are antireflection films. Reference numeral 510 denotes an input waveguide, reference numerals 511, 512 and 518 denote oscillation optical waveguides, reference numeral 513 denotes an output waveguide, reference numeral 514 denotes a substrate, and reference numeral 519 denotes a multimode interference (MMI) 1: 2 coupler. The SOAs 501 and 502 and the MMI 3 dB couplers 503 and 504 form a symmetric Mach-Zehnder (Mach-Ze mder) interference circuit 515.
[0035]
The operating principle is exactly the same as that of the third embodiment shown in FIG. 4 except that the oscillation light of wavelength λ 0 output from the DFB-LD 515 branches into two at the multimode interference type 1: 2 coupler 519. The same is true.
Note that the structure of the SOA in this embodiment is not particularly limited as in the first, second, and third embodiments described above. By adopting this configuration for the SOA, the effect as described above can be expected. That is, the SOA active layer can be applied to any material such as InGaAsP, GaAs, AlGaAs, InGaAs, and GaInNAs, and the active layer structure can be any of bulk, MQW, quantum wires, quantum dots, and SOA waveguides. Regarding the structure, a similar effect can be expected even when a pn buried structure, a ridge structure, a semi-insulating buried structure, a high-mesa structure, or the like is used regardless of the presence or absence of an SCH (separated confinement structure). The substrate is not limited to the n-type substrate, and it is needless to say that a similar effect can be obtained with a p-type or semi-green substrate.
[0036]
The same effect can be expected by using a directional coupler as well as the MMI coupler as the 3 dB coupler. Further, a similar effect can be expected even if a Y branch is used as the 1 × 2 coupler, without being limited to the MMI coupler.
Further, the same effect can be expected if the laser cavity is formed independently of the semiconductor amplifiers 301 and 302 as the signal light amplifying means, without being limited to the DFB-LD as the laser transmitter. For example, an active region where an active layer is present, a Bragg reflector at one end of the active region, and a DBR-LD that forms a cavity with a Bragg reflector or a reflective mirror at the opposite end, an active region and its active region. A similar effect can be expected even when a Fabry-Perot LD in which a cavity is formed by reflection mirrors existing at both ends is used. Further, the spectrum of the oscillated light does not necessarily have to be single mode oscillation.
[0037]
【The invention's effect】
As described above, according to the optical amplifying device of the present invention, it is possible to keep the gain constant even when the input signal intensity fluctuates, and to suppress the pattern effect even in the saturated state.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between a gain spectrum of an SOA and an oscillation wavelength.
FIG. 3 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
101, 102 SOA
103, 104 MMI 3 dB coupler 105 DFB-LD
106, 107 End faces 108, 109 Antireflection film 110 Input waveguide 111, 112 Oscillation optical waveguide 113 Output waveguide 114 Substrate 115 Symmetric Mach-Zehnder interference circuit 116 Input signal light 117 Output signal light 301, 302 SOA
303, 304 MMI 3 dB coupler 305 DFB-LD
306, 307 End faces 308, 309 Antireflection film 310 Input waveguides 311, 312 Oscillation optical waveguide 313 Output waveguide 314 Substrate 315 Symmetric Mach-Zehnder interference circuit 316 Input signal light 317 Output signal light 318 Loop waveguide 401, 402 SOA
403, 404 MMI 3dB coupler 405 DFB-LD
406, 407 End faces 408, 409 Antireflection film 410 Input waveguides 411, 412 Oscillating optical waveguide 413 Output waveguide 414 Substrate 415 Symmetric Mach-Zehnder interference circuit 416 Input signal light 417 Output signal light 418 Oscillating optical waveguide 419 MMI 3 dB coupler 501, 502 SOA
503, 504 MMI 3dB coupler 505 DFB-LD
506, 507 End faces 508, 509 Antireflection film 510 Input waveguide 511, 512 Oscillating optical waveguide 513 Output waveguide 514 Substrate 515 Symmetric Mach-Zehnder interference circuit 516 Input signal light 517 Output signal light 518 Oscillating optical waveguide 519 MMI 1: 2 coupler

Claims (6)

任意波長の入力信号光の光強度を増幅する光増幅素子において、
入力信号光を複数のポートに分配する光分配手段と、
前記分配された入力信号光の光強度をそれぞれ増幅する増幅手段と、
前記増幅手段からの出力光を合流させると共に複数の出力ポートに分岐させる光結合手段と、
前記分岐された複数の出力ポートのいずれか1つ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、を備えることを特徴とする光増幅素子。
In an optical amplifying element for amplifying the light intensity of an input signal light having an arbitrary wavelength,
Optical distribution means for distributing input signal light to a plurality of ports;
Amplifying means for amplifying the light intensity of the distributed input signal light,
Optical coupling means for merging output light from the amplifying means and branching to a plurality of output ports;
An optical amplifying element comprising: a laser oscillation unit having a cavity for generating oscillation, which is formed independently of the amplification unit at any one of the plurality of branched output ports.
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。2. The optical amplifying device according to claim 1, wherein said laser oscillation means is a Fabry-Perot laser, a DFB (Distributed Feed-back) laser or a DBR (Distributed Bragg reflector) laser. 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したことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の光増幅素子。3. The optical amplifying device according to claim 1, wherein an oscillation wavelength of said laser oscillation means is shorter than a band gap wavelength of a gain medium of said amplification means. 基板上に形成された増幅作用を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ることを特徴とする光増幅素子。
A symmetric Mach-Zehnder interferometer having an amplifying action formed on the substrate,
An input waveguide formed on an input side of a first arm of the symmetric Mach-Zehnder interference circuit;
An oscillation optical waveguide formed on the output side of the first arm and the input side of the second arm of the symmetric Mach-Zehnder interference circuit;
An output waveguide formed on the output side of the second arm of the symmetric Mach-Zehnder interference circuit;
An optical amplifying device, comprising: a laser oscillation unit having a cavity for generating oscillation, formed independently of the amplification unit on the oscillation optical waveguide.
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4記載の光増幅素子。5. The optical amplifying device according to claim 4, wherein said laser oscillation means is a Fabry-Perot type laser, a DFB (Distributed Feed-back) laser or a DBR (Distributed Bragg reflector) laser. 前記レーザ発振手段の発振波長を、前記マッハツェンダ回路を構成する利得媒質のバンドギャップ波長よりも短波長にしたことを特徴とする請求項4又は請求項5記載の光増幅素子。6. The optical amplifying device according to claim 4, wherein an oscillation wavelength of the laser oscillation means is shorter than a band gap wavelength of a gain medium constituting the Mach-Zehnder circuit.
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