JP2005517284A - 多数の波長のポンピングを行う光増幅器 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 本発明の光増幅器は、基板と、基板に埋め込まれた光マルチプレクサと、光マルチプレクサに接続された多波長用の複数のポンプ光光源と、光マルチプレクサに接続された増幅導波路とを備える。ある実施形態において、光信号は、基板内の別の導波路へ導かれる。他の形態においては、増幅導波路には、希土類元素が添加される。

Description

本発明は、光信号の増幅に分野に関する。特に本発明は、複数の波長をもつポンピングビーム光を用いた、光信号の増幅に関する。

エリビウムのような希土類元素が複数のイオンと共に添加されることにより、導波路は、光増幅器としての役目を果すことができる。この導波路内を伝播する光信号は、ポンピングビーム光が導入された場合に、増幅される。例えば、エリビウムイオンは、約９８０ｎｍ、又は、約１４８０ｎｍの波長を持つポンピングビーム光によって、より高いエネルギー状態へと励起され、より低いエネルギー状態へ遷移するに伴い、１５３０ｎｍから１６００ｎｍ程度の広い波長帯の光信号を増幅する。この技術は、光ファイバー増幅において、広く知られている。

図１は、平面導波路２０における光信号１０を増幅する従来の方法の一例を示す概略図である。導波路２０は、基板３０内に埋め込まれ、エリビウムイオンが添加されている。光信号１０は導波路２０へと導かれ、導波路２０内を伝播する。ポンプレーザ５０は、同じ伝播方向、即ち、光信号が伝播する方向と実質的に同じ方向になるように、導波路２０にポンピングビーム光を供給する。信号１０とポンプレーザ５０とは、例えば、一時的な方向性連結器において、同じ導波路２０に対して接続される。ある形態において、約１５５０ｎｍの波長を持つ光信号１０は、ポンプレーザ５０が約９８０ｎｍの波長、又は約１４８０ｎｍの波長を持つポンピングビーム光を供給することによって、増幅される。

図２は、光信号１０を増幅する従来の方法の他の例を示す概略図である。図２において、ポンプレーザ５０は、導波路２０の反対側の端部から、反対の伝播方向、即ち、光信号が伝播する方向と実質的には反対方向に、ポンピングビーム光へと導かれる。図１と同様に、光信号は、導波路２０内で増幅され、基板３０から出力される。

現在の光ネットワークは、長距離の転送には、シングルモードの光ファイバーを用いている。これにより、色分散、つまり波長による光の速度の依存性に起因する信号の減衰を防いでいる。シングルモードファイバーを用いた効果的な通信方式のためには、ファイバーや導波路増幅器を含む全ての光学機器は、事実上、シングルモード方式である。光学において普遍的な原理である、光量保存則により、シングルモードにおける光の強さは、単に、線形な受動的（エネルギーを与えない）光学素子を用いただけでは、増すことができない。これは、ある一つのモードのみによる、ある波長の光の強さは、シングルモードの導波路へとつなぐことができるという事実に帰着する。このことは、増幅器においては、ある１つの波長を持つポンプレーザだけが、各伝播方向、および各偏光方向へと、ポンピングビーム光を供給することが許容されている、と言い換えることができる、

ポンピングビーム光の強度が、光信号の強度と光増幅器の材料特性とに依存するある閾値よりも高い場合に、光信号は、光増幅器内でゲインを獲得する。そして、十分に高い増幅率を達成するために、ポンピングビーム光の強度は、この閾値よりもずっと高い値でなければならない。この結果、通常、高出力のポンピングレーザが必要となる。

以下に述べられる本発明と比較して、上記の方法には、幾つかの欠点がある。第一に、上記で述べられた同一方向の伝播および反対方向の伝播において使用される、相対的に高い出力のレーザは、高価である。第二には、高出力レーザは高いエネルギー損失であり、それらを封止する場合における熱問題の原因となる場合がある。第三には、高出力レーザの信頼性は、低出力レーザのそれと比べて一般的に良くはない。

複数の波長のポンピングビーム光を用いて光信号を増幅させるための装置と方法とが、開示される。多数の低出力光源が、ポンピングビーム光を供給する。ある実施形態においては、複数のレーザダイオードが、このポンピングビーム光を、全てのポンピングビーム光が結集する光マルチプレクサへと供給する。光マルチプレクサは、光信号が増幅される光導波路へと接続される。結集された光信号と、複数の波長のポンピングビーム光は増幅導波路へと導かれ、そこで光信号は増幅される。

図３は、多数波長のポンピングビーム光を用いた、光学増幅の一実施形態を示す概略図である。ある実施形態において、光増幅器１０８は、デバイス基板１０５を備えており、デバイス基板１０５は、非添加部１１２および添加部１１４を有する。ある実施形態において、エリビウムのような希土類元素が、添加物として使用される。しかしながら、所望の増幅器を提供するために、別の添加物が用いられてもよい。

光信号１１８は、デバイス基板１０５の内部に埋め込まれた導波路１２０を介して入力される。基板の中に導波路を加工して埋め込む場合には、各種イオンの拡散、エッチング、エピタキシャル成長法のような様々な方法がある。そして、“基板内に埋め込まれる”とは、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）を含むこれらの多様な方法を含むことを意味する。場合によっては、導波路は、実際には、基板の上部に堆積させられ、基板とは異なるクラッド材によって被覆されることもあるが、このような場合も、“基板内に埋め込まれる”という用語に含まれる。

ある実施形態においては、アレイ導波路回折格子が、光マルチプレクサ１２２としての役目を果す。他の形態においては、エッシェル回折格子が、光マルチプレクサ１２２としての役目を果す。ある実施形態において、導波路１２０と光マルチプレクサ１２２とは、一時的に、数ミクロンに至る間隔で互いに接続される。他の形態において、導波路１２０は増幅導波路１３０に接続され、増幅導波路１３０は、互いに多重化された後に、多重化されたポンピングビーム光を有する。

光信号１１８が、多波長のポンピングビーム光へと接続された場合に、増幅導波路１３０の内部には、結集した複数のビーム光が共存している。ある実施形態においては、導波路１２０と光マルチプレクサ１２２とは、デバイス基板における非添加部１１２に設けられ、増幅導波路１３０は、デバイス基板における添加部１１４に設けられる。

ある実施形態において、複数のレーザダイオード１４０は、基底の波長付近に集中した、複数の波長のポンピングビーム光を供給する。例えば、複数のレーザダイオードは、９８０ｎｍ付近に集中する、小さな変動量を持ったポンピングビーム光を供給する。ここで、２ｎｍの変動量を有する９８０ｎｍ付近に集中したポンピングビーム光は、９８０ｎｍ、９８０±２ｎｍ、９８０±４ｎｍ等の光を有する。

中央の波長からの各変動量は、周期的である必要はなく、又、同一である必要もないが、ある波長が他の波長と互いに近づき過ぎている場合、その波長の出力は、受動素子においては、光量保存則のために、増幅導波路に効率的には転送されない。例えば、出力がＰで、同一の波長を有する４つの光源が、増幅導波路へと多重化された場合、その増幅導波路に転送される出力の総量は、およそＰ（若干の損失がある）である。約３Ｐの出力は、反射あるいは散乱させられる。一方、出力がＰで、僅かに異なる波長を４つの光源が持つ場合、増幅導波路へと転送される出力の総量は、およそ４Ｐ（若干の損失がある）である。

ある実施形態において、複数の垂直共振型レーザ（ＶＣＳＥＬs）は、ポンピングビーム光を供給するために使用される。ここで、複数の低出力ＶＣＳＥＬが、増幅のために使用されてよい。例えば、１つのＶＣＳＥＬは、これに限定されるわけではないが、２０ｍＷ以下の光を放出してよい。図１および図２に示された、同一の伝播方向の構造、および反対の伝搬方向の構造のそれぞれにおいて用いられる、比較的出力の高いレーザは、これに限定されるわけではないが、例えば１００ｍＷの高出力レーザを用いている。僅かに異なる波長を持つ複数のＶＣＳＥＬを用いることにより、図６、７、８（ａ）、８（ｂ）に関連して示されるように、各ＶＣＳＥＬの出力は互いに加算される。

図４は、多数波長のポンピングビーム光を用いた、光学増幅の第二の実施形態を示す概略図である。本実施形態において、複数の光源１４２は、光信号１１８とは反対の伝播方向へポンピングビーム光を供給する。

光信号１１８は、増幅導波路１３０へと入力され、増幅導波路１３０は、デバイス基板１０５における添加部１１４内に存在する。複数の光源１４２は、既に図３において述べられたように、複数の光源１４０と同等のポンピングビーム光を供給する。ポンピングビーム光は、光マルチプレクサ１２４において集結させられ、次に増幅導波路１３０へと導かれ、そこで光信号１１８は増幅される。ある実施形態において、添加部１１４にはエリビウムが添加されており、光信号は、約１５５０ｎｍであり、ポンピングビーム光は、約９８０ｎｍ、或いは、約１４４０ｎｍの辺りに集中している。

ある形態においては、出力導波路１６０は、一時的に、増幅導波路１３０の一端へと接続され、増幅された信号は、この出力導波路１６０へと転送される。

図３と同様に、デバイス基板１０５は、非添加部１１６と、添加部１１４とを有する。ある形態において、出力導波路１６０と光マルチプレクサ１２４とは、デバイス基板１０５における非添加部１１６の内部に設置される。

図５は、図３および図４においてそれぞれ述べられた、同一の伝播方向、および反対の伝播方向における多波長ポンピングビーム光を連結した光学増幅器１１０における第三の形態を示した概略図である。本形態は、非添加部１１２および１１６と、添加部１１４とを有するデイバス基板を備える。

光学信号１１８は、導波路１２０へと入力され、導波路１２０は、増幅導波路１３０へと、一時的に接続される。複数の光源１４０は、増幅導波路１３０に接続された光マルチプレクサ１２２に、複数の波長のポンピングビーム光を供給し、複数の光源１４２は、増幅導波路１３０に接続された光マルチプレクサ１２４へ、複数の波長のポンピングビーム光を供給する。

光信号１１８は、増幅導波路１３０内で増幅され、そして導波路１６０へと接続され、出力導波路１６０を通って、デバイス基板１０５から出力される。

図３、４および５において、各種の導波路１２０、１３０、および１６０と、光マルチプレクサ１２２および光マルチプレクサ１２４（例えば、アレイ導波路回折格子やエッシェル回折格子）のそれぞれは、デバイス基板１０５内に、例えば、各種イオンの拡散、エッチング、及び／又は、エピタキシャル成長法などの周知の手法により、様々な異なる方法で形成されてもよい。例えば、ある実施形態においては、ガラス基板が用いられてよく、この場合、ガラス基板内に導波路を作る為に、イオン拡散が用いられてよい。更には、よく知られているように、拡散に先だって、デバイス基板１０５における添加部は、デバイス基板１０５における非添加部と共に溶融されてもよい。他の形態においては、シリコン基板が用いられても良い。酸化シリコンが、クラッドとして堆積させられ、この非導波路材料を除去するのに、エッチングが用いられてもよい。上方のクラッド、即ち、酸化シリコンは、導波路１２０、１３０、および１６０の上部に、堆積させられてよい。

ある形態において、複数の光源１４０および１４２は、光ファイバー（図示せず）を介して、光マルチプレクサ１２２および１２４と接続される。他の形態において、複数の光源１４０および１４２は、デバイス基板１０５へ直接接続される。

更には、ある形態において、複数の光源１４０は、第一の波長の周辺に集中した、第一の一組のポンピングビーム光を供給し、複数の光源１４２は、第一の波長とは異なる第二の波長に周辺に集中した第二の一組のポンピングビーム光を、供給してもよい。

図６は、光ポンピング２２０に基づき増幅導波路１３０の長さに沿って光学信号出力２１０が増加する様子を示した、図３に対応するグラフの一例である。ある形態において、複数の光源１４０は、ゲインを取得するために、ある特別な閾値Ｐｔｈ以上の出力を供給する。複数の光源１４０の数と出力とは、増幅導波路の端部における総ポンプ出力が、閾値Ｐｔｈ以上であって、かつ、増幅導波路１３０の総延長を通じての増幅が達成されるように、設定される。たとえ複数の低出力のレーザダイオードのそれぞれが、ゲインの閾値Ｐｔｈよりも著しく劣るポンピングビーム光を供給する場合であっても、複数の波長のポンピングビーム光を集結させることにより、光信号の出力は、高い出力を得る。低出力のレーザダイオードは、高出力のレーザダイオードと比べて、一般的に、安価で信頼性が高いという利点を持つことは、先に述べた通りである。

図７は、光ポンピング２４０に基づき増幅導波路１３０の長さに沿って光学信号出力２３０が増加する様子を示した、図４に対応するグラフの一例である。光信号１１８は、ポンピングビーム光が、反伝播方向に供給された場合であっても、増幅される。

図８（ａ）および図８（ｂ）は、増幅導波路１３０の長さに沿って光信号が増加する様子を示した、図５５に対応するグラフの一例である。図８（ａ）は、増幅導波路１３０の各端部において供給された、複数のポンプ１４０および１４２の出力２５０および２５２および、増幅導波路におけるそれぞれの減少の様子を示す。図８（ｂ）は、光信号２６０の出力の増加の様子を示す。グラフから判るように、ポンピングビーム光の出力が最大となる増幅導波路の各端部に、より高い増幅率が生じる。

これにより、光信号を増幅するための装置とその方法とが開示された。しかしながら、ここでは、特別な構成と方法とが示されたにすぎない。例えば、イオン種の拡散、エッチング、およびエピタキシャル成長法など、基板内の導波路を加工するためには様々な方法がある。当業者は、例えば埋め込まれた導波路を加工するために、様々な手法のいずれを用いてもよい。そして、特許請求の範囲により定まる本発明の範囲から離れない限りにおいて、形状や細部における多様な変更をおこなうことができる。本発明は、付記された特許請求の範囲によってのみ限定される。

平面導波路における光信号を増幅する従来の方法の一例を示す概略図である。 光信号を増幅する従来の方法の他の例を示す概略図である。 多数波長のポンピングビーム光を用いた、光学増幅の一実施形態を示す概略図である。 多数波長のポンピングビーム光を用いた、光学増幅の第二の実施形態を示す概略図である。 同一の伝播方向、および反対の伝播方向における多波長ポンピングビーム光を連結した光学増幅器１１０における第三の形態を示した概略図である。 光ポンピングに基づき光学信号出力が増加する様子を示したグラフの一例である。 光ポンピングに基づき増幅導波路の長さに沿って光学信号出力が増加する様子を示した、図４に対応するグラフの一例である。 増幅導波路の長さに沿って光信号が増加する様子を示した、図５に対応するグラフの一例である。（ａ）は、増幅導波路の各端部において供給された複数のポンプの出力および、増幅導波路内の出力の減少を示す。（ｂ）は、光信号の出力の増加を示す。

Claims (25)

1. 基板と、
   前記基板に埋め込まれた光マルチプレクサと、
   前記光マルチプレクサに接続された多波長用の複数のポンプ光光源と、
   前記光マルチプレクサに接続された増幅導波路と、
   を備えた光増幅器。
2. 前記増幅導波路には、希土類元素が添加された請求項１に記載の光増幅器。
3. 複数の前記ポンプ光光源のそれぞれは、複数のレーザダイオードを備える請求項１に記載の光増幅器。
4. 複数の前記レーザダイオードは、約２０ｍＷ以下の出力を持つ垂直共振器型レーザである請求項３に記載の光増幅器。
5. 前記光マルチプレクサは、アレイ導波路回折格子である請求項１に記載の光増幅器。
6. 前記光マルチプレクサは、エッシェル回折格子である請求項１に記載の光増幅器。
7. 前記増幅導波路に接続され、前記基板内に埋め込まれた信号の導波路を更に備えた請求項１に記載の光増幅器。
8. 光信号を増幅させる方法であって、
   複数の波長を含むポンピングビーム光を生成するポンピングビーム光生成ステップと、
   前記光信号と前記ポンピングビーム光とを、希土類元素が添加された平面の導波路へと導く光導波ステップと、
   を備える光信号増幅方法。
9. 前記ポンピングビーム光を単一モードの導波路へ多重化するポンピングビーム光多重化ステップを更に備えた請求項８に記載の光信号増幅方法。
10. 前記光信号と前記ポンピングビーム光とを、一時的に接続する接続ステップを更に備えた請求項８に記載の光信号増幅方法。
11. 前記ポンピングビーム光は、アレイ導波路回折格子を用いることにより多重化される請求項８に記載の光信号増幅方法。
12. 前記ポンピングビーム光は、エッシェル回折格子を用いることにより多重化される請求項８に記載の光信号増幅方法。
13. 前記ポンピングビーム光は、約２０ｍＷ以下の出力を持つ垂直共振器型レーザを一つ以上用いることにより生成される請求項８に記載の光信号増幅方法。
14. 前記光導波ステップは、前記光信号と前記ポンピングビーム光とを、エルビウムが添加された平面導波路へと導くステップを更に備える請求項８に記載の光信号増幅方法。
15. 前記光信号は、約１５５０ｎｍの波長を持ち、前記ポンピングビーム光は、約９８０ｎｍの波長、又は約１４８０ｎｍの波長に集中している請求項１４に記載の光信号増幅方法。
16. 前記ポンピングビーム光は、およそ２ｎｍの間隔だけ互いに異なる波長で生成される請求項１５に記載の光信号増幅方法。
17. 前記接続ステップは、前記光信号を、前記光信号と同じ方向へ伝播する前記ポンピングビーム光に、一時的に接続する請求項８に記載の光信号増幅方法。
18. 前記接続ステップは、前記光信号を、前記光信号とは反対方向へ伝播する前記ポンピングビーム光に、一時的に接続する請求項８に記載の光信号増幅方法。
19. デバイス基板に埋め込まれた、光信号を伝達する第一の導波路と、
    前記第一の導波路に接続された光マルチプレクサと、
    異なる波長のビーム光をアレイ導波路回折格子へと供給する、２つ以上のダイオードレーザと、
    前記アレイ導波路回折格子に接続され、前記光信号を増幅する、エリビウム元素が添加された増幅導波路と
    を備えた光増幅器。
20. 複数の前記レーザダイオードのそれぞれは、約２０ｍＷ以下の出力を持つ垂直共振器型レーザである請求項１９に記載の光増幅器。
21. 複数の前記レーザダイオードのそれぞれは、約９８０ｎｍに集中したビーム光であって、互いに約２ｎｍ異なる光を供給する請求項２０に記載の光増幅器。
22. 複数の前記レーザダイオードのそれぞれは、約１４８０ｎｍに集中したビーム光であって、互いに約２ｎｍ異なる光を供給する請求項２０に記載の光増幅器。
23. 前記第一の導波路は、所定時間だけ、前記アレイ導波路回折格子へ接続される請求項１９に記載の光増幅器。
24. 前記デバイス基板は、リン酸ガラスである請求項１９に記載の光増幅器。
25. 前記デバイス基板は、二酸化ケイ素、およびケイ素を備える請求項１９に記載の光増幅器。

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