JP2006503420A - 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、デバイス基板と、デバイス基板に埋め込まれた第一の導波路と、複数のレーザとを備える。複数のレーザは、第一の導波路を実質的に横切る複数の第一のビーム光を供給するために、設置される。

Description

本発明は、光信号の増幅に分野に関する。特に本発明は、横方向の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、光増幅器の一実施形態の上面から示した概略図である。光信号１１０は、導波路１２０の中へ入り伝播し、導波路１２０は、デバイス基板１３０の内部に埋め込まれている。基板の中に導波路を加工して埋め込む場合には、各イオン種の拡散、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、導波路１２０は、シングルモードの導波路である。複数の光源１５０のそれぞれは、例えば、レーザダイオードであり、埋め込まれた導波路１２０を実質的に横切ってポンピングビーム光を導くデバイス基板１３０に接続される。

ある形態においては、複数の光源１５０のそれぞれは、埋め込まれた導波路１２０の長さ（方向）に沿って、均等に離れて配置される。しかしながら、他の形態においては、複数の光源１５０同士の配置は、異なる配置であってもよい。ある形態においては、複数の光源１５０は、垂直共振型レーザ（ＶＣＳＥＬｓ）を有する。垂直共振型レーザは、共通の半導体基板１５５から加工されてもよく、そして、垂直共振型レーザは、デバイス基板１３０の表面に連結されてもよい。これにより、各垂直共振型レーザ同士の配置間隔を、リソグラフィー技術によって定まる間隔に、許容する。

ある形態において、垂直共振型レーザは、相対的に低い出力を用いる。例えば、１つのＶＳＣＬは、この例に限られるわけではないが、２０ｍＷ以下のパワーを放出する。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、比較的高い出力のレーザは、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。

図４は、図３におけるＡ−Ａ´線に沿った断面からみた光増幅器の概略図である。ある形態において、光源１５０からのポンピングビーム光１６０が導波路１２０を通過した後、このポンピングビーム光は、下部表面１８０に反射して、矢印１７０で示されるように、導波路１２０へと戻ってくる。ある形態において、下部表面１８０での反射は屈折率の変化に基づいており、このことは下部表面１８０を、異なる材料に隣接させるか、或いは、同じ材料ではあるが性質の異なる材料に隣接させることにより達成されても良いことは周知の通りである。ある形態において、下部表面１８０は、空気、又は、ヒートシンクに隣接する。

ある形態において、複数の光源１５０と、埋め込まれた導波路１２０との間隔は、相対的に小さく、例えば、５ミクロンである。他の形態において、レンズ、又はコリメータが、光源と基板との間に接続されてもよい。

図５は、光ポンピングに基づく光信号出力の増加を示すグラフの一例である。ある形態において、ポンピングビーム光は、出力Ｐ_PUMPを有しており、光信号２００へと与えられる。ポンピング出力Ｐ_PUMP２０２は、光源２１０の直下で最大となる。そして、光信号２００が導波路を伝播するにつれて、光信号２００は、複数の光源２１０によって、連続的にポンピングされる。

ある形態において、複数の導波路が、同一の基板内に埋め込まれていてもよい。各導波路は、導波路内の光信号を増幅するための、一連のトランスバース・ポンプを有していてもよい。ある形態において、複数のトランスバース・ポンプは、複数の垂直共振型レーザである。共通の基板内に加工された垂直共振型レーザの行列は、複数の導波路における複数の光信号を増幅させるために使用されてよい。

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。

平面の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。 光増幅器の一実施形態を上面から示した概略図である。 図３におけるＡ−Ａ´線に沿った断面からみた光増幅器の概略図である。 光ポンピングに基づく光信号出力の増加を示すグラフの一例である。

Claims (22)

1. デバイス基板と、
   前記デバイス基板に埋め込まれた第一の導波路と、
   前記第一の導波路を実質的に横切る、第一の複数のビーム光を供給するために設置された、第一の複数のレーザと、
   を備えた光増幅器。
2. 前記第一の複数のレーザのそれぞれは、前記第一の導波路の長さ方向に沿って、互いに離間して設置される請求項１に記載の光増幅器。
3. 前記第一の複数のレーザは、複数の垂直共振型レーザである請求項２に記載の光増幅器。
4. 前記第一の複数のレーザは、共通の基板を共有する請求項３に記載の光増幅器。
5. 複数の前記垂直共振型レーザは、前記デバイス基板に連結されている請求項４に記載の光増幅器。
6. 前記デバイス基板は、エリビウム元素を含むリン酸ガラスである請求項１に記載の光増幅器。
7. 前記デバイス基板に埋め込まれた第二の導波路と、
   前記第二の導波路を実質的に横切る第二の複数のビーム光を供給するために設置された、第二の複数のレーザと
   を更に備えた請求項１に記載の光増幅器。
8. 前記第一の複数のレーザは、互いに均等に配置される請求項１に記載の光増幅器。
9. 光信号を増幅するための方法であって、
   第一の伝播方向を持つ前記光信号を、導波路を通じて導く導波ステップと、
   複数のビーム光を、前記第一の伝播方向を実質的に横断する方向へと適用するビーム光適用ステップと
   を備える光信号増幅方法。
10. 複数の前記ビーム光は、複数のレーザダイオードによって供給される請求項９に記載の光信号増幅方法。
11. 前記光信号は、約１５５０ｎｍの波長を持ち、前記複数のビーム光は、約９８０ｎｍの波長を持つ請求項１０に記載の光信号増幅方法。
12. 前記ビーム光適用ステップは、５０ｍＷ以下の電力を消費する複数のレーザのそれぞれを使用するステップを更に有する請求項１１に記載の光信号増幅方法。
13. 前記ビーム光適用ステップは、２０ｍＷ以下の電力を消費する複数のレーザのそれぞれを使用するステップを更に有する請求項１１に記載の光信号増幅方法。
14. 前記導波路において、前記導波路を通過した後に、複数のビーム光を反射する反射ステップを更に備える請求項９に記載の光信号増幅方法。
15. 光信号を増幅するための方法であって、
    複数の光源を、基板の表面に取り付ける取り付けステップを備え、
    前記基板は、内部に埋め込まれた導波路を有しており、前記複数の光源は、前記導波路を実質的に横切って導かれる光信号増幅方法。
16. 前記取り付けステップは、複数の垂直共振型レーザを、前記基板の表面へ連結する連結ステップを更に有する請求項１５に記載の光信号増幅方法。
17. 前記垂直共振型レーザのそれぞれは、共通の半導体基板の上に、一列に、離れて設置される請求項１６に記載の光信号増幅方法。
18. 前記垂直共振型レーザのそれぞれは、一定の距離だけ離れて設置される請求項１６に記載の光信号増幅方法。
19. 前記垂直共振型レーザのそれぞれは、５０ｍＷ以下で動作する請求項１６に記載の光信号増幅方法。
20. 前記垂直共振型レーザのそれぞれは、２０ｍＷ以下で動作する請求項１６に記載の光信号増幅方法。
21. 基板と、
    前記基板に埋め込まれ、第一の伝播方向を持つ導波路と、
    前記第一の伝播方向を横切る、ポンピングされたビーム光を供給するために整列した複数のレーザと
    を備える光増幅器。
22. 前記複数に並べられたレーザの少なくとも１つは、２０ｍＷ以下の電力で動作する請求項２１に記載の光増幅器。

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