JP2013530542A - 光学ネットワークのための反射型半導体光増幅器 - Google Patents

Abstract

光学ネットワークの反射型半導体光増幅器
本文書は、パッシブ光ネットワーク（ＰＯＮ）に関する。より詳細には、それだけには限らないが、本文書は、ギガビットＰＯＮ（ＧＰＯＮ）またはＷＤＭ−ＰＯＮにおいて信号を増幅するための反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）の使用に関する。光学ネットワークにおいて異なる波長の光を増幅するように構成された装置（２１）について記述する。装置（２１）は、第１の波長（２５）で光を増幅するように構成された第１の活性材料（２２’）および第２の波長（２６）で光を増幅するように構成された第２の活性材料（２３’）を含む。さらに、装置（２１）は、第１および第２の活性材料（２２’および２３’）を分離して、第１の波長（２５）の光を反射するように構成され、第２の波長（２６）の光に対して実質的に透明に構成された第１の反射器（２４）を含む。さらに、装置は、第２の波長（２６）で光を反射するように構成された第１の反射器（２４）の反対に第２の活性材料（２３’）に隣接する第２の反射器（２７）を含む。

Description

本文書は、パッシブ光ネットワーク（ＰＯＮ）に関する。より詳細には、それだけには限らないが、本文書は、ギガビットＰＯＮ（ＧＰＯＮ）またはＷＤＭ−ＰＯＮにおいて信号を増幅するための反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）の使用に関する。

効率的な「ファイバ・ツー・ザ・ホーム」アーキテクチャの初期の作業の一部は、主な電気通信サービス・プロバイダおよびシステム・ベンダによって形成されたＦｕｌｌ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ（ＦＳＡＮ）のワーキング・グループによって１９９０年代に行われた。国際電気通信連合（ＩＴＵ）は仕事をさらに進め、それ以来、２世代のパッシブ光ネットワークを標準化した。ＰＯＮは、ポイント・ツー・マルチポイントの「ファイバ・ツー・ザ・プレミス」ネットワーク・アーキテクチャであり、動力を備えていないパッシブ光学スプリッタを使用して、典型的には３２から１２８まで、単一の光ファイバで複数の建物にサービスを提供することを可能にする。ＰＯＮは、典型的には、サービス・プロバイダの中央局に光回線終端装置（ＯＬＴ）およびエンド・ユーザーの近くに多数の光端末回線装置（ＯＮＵ）または光加入者線終端装置（ＯＮＴ）を備えている。ＰＯＮ構成では、典型的には、ポイント・ツー・ポイント（ＰＴＰ）アーキテクチャと比較して、必要とされるファイバおよび中央局装置の数が減る。

ＰＯＮの下り信号は、典型的には、単一のフィーダ・ファイバ（ｆｅｅｄｅｒ ｆｉｂｅｒ）を共有する各建物に同報配信される。上り信号は、典型的には、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）に基づいて、多重アクセス制御（ＭＡＣ）プロトコルを使用して組み合わせられる。ＯＬＴは、典型的には、上り通信にタイムスロット割り当てを提供するためにサービスを提供されるＯＮＴを構成する。

ＰＯＮアーキテクチャの異なる変形形態が規定されている。ＡＰＯＮ（ＡＴＭパッシブ光ネットワーク）は、主にビジネス用途に使用され、ＡＴＭに基づいていた。ＢＰＯＮ（ブロードバンドＰＯＮ）は、ＡＰＯＮに基づいた標準である。ＢＰＯＮにより、ＷＤＭ、動的かつより高い上り帯域幅割り当て、および残存性（ｓｕｒｖｉｖａｂｉｌｉｔｙ）を通じて、個別の光チャネルで提供される追加的なＲＦ映像サービスのサポートが追加される。また、ＯＬＴとＯＮＵ／ＯＮＴとの間にＯＭＣＩと呼ばれる標準管理インターフェースを作り出すため、ベンダが混在するネットワークが可能になる。ＢＰＯＮ標準の発展形であるＧＰＯＮは、より高い通信速度、拡張されたセキュリティ、およびレイヤ２プロトコルの選択（ＧＥＭを介したＡＴＭ、ＴＤＭ、およびイーサネット）をサポートしている。さらに、ＩＥＥＥは、イーサネットのファースト・マイル・プロジェクト（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ Ｆｉｒｓｔ Ｍｉｌｅ ｐｒｏｊｅｃｔ）の一環として、２００４年にイーサネットＰＯＮ（ＥＰＯＮまたはＧＥＰＯＮ）標準を発行した。ＥＰＯＮは、典型的には、対称的な１ギガビット毎秒の上りおよび下りの通信速度を有する標準的なイーサネット・フレームを使用する。

ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．９８４ＧＰＯＮ標準は、大きな可変長パケットの使用を通じて、合計帯域幅および帯域幅効率の両方の上昇を示している。標準では、ビット伝送速度を複数の中から選択することができるが、業界は、下り帯域幅２，４８８メガビット／秒（Ｍｂｉｔ／ｓ）、および上り帯域幅１，２４４メガビット／秒に集中している。６４分岐の光学スプリッタを使用するときに２０ｋｍを超える距離でそのような帯域幅を可能にするには、２８ｄＢという厳しい光学的バジェット（ｏｐｔｉｃａｌ ｂｕｄｇｅｔ）が必要である。

ＧＰＯＮでは、単一の標準であるシングル・モード・ファイバ（ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５２）において、下りトラフィックに対して１つの波長および上りトラフィックに対して別の波長を使用する、光波長分割多重（ＷＤＭ）を利用する。仕様では、下りトラフィックを１４９０（±１０）ナノメートル（ｎｍ）の波長で伝送し、上りトラフィックを１３１０（±５０）ｎｍの波長で伝送することが求められる。１５５０ｎｍ帯域は、典型的にはＲＦビデオ（１５５０〜１５６０ｎｍの範囲）という、オプションのオーバレイ・サービスに対して割り当てられる。さらに、ＧＰＯＮは、ＯＬＴは、すべてのＯＮＴによって受信される単一ストリームの下りトラフィックを送信するという点で共有ネットワークである。各ＯＮＴは、典型的には、それを宛先とするパケットのコンテンツのみを読み取る。典型的には、下りトラフィックの盗聴を防ぐために暗号化が使用される。

以下および特許請求の範囲において、簡潔にするために、約１３１０ｎｍの波長は、１．３μｍという端数を切り捨てた値で表し、約１４９０ｎｍ波長の波長は、１．５μｍという端数を切り捨てた値によって表す。

本文書は、２つ以上の異なる光波長を下りおよび上り方向に使用して、ＰＯＮまたはＷＤＭ−ＰＯＮシステムの範囲を拡張することに関する。より一般的に言えば、本文書は、光アクセス・ネットワークにおいて光学的バジェットの拡張を提供することに関する。このバジェット拡張は、費用対効果が大きい方法で達成するべきである。さらに、バジェット拡張は、基礎をなす光学信号に対して透過的である必要がある。

したがって、ＷＤＭシステムにおいて異なる波長の光を増幅するための効率的な装置および方法を提供することが望ましい。特に、ＧＰＯＮ、１０ＧＰＯＮ、および／またはＷＤＭ−ＰＯＮなど、ＰＯＮシステムにおいて、光学的な上りおよび下りの信号を効率的に増幅することが望ましい。

一部の実施形態によると、たとえば、ＧＰＯＮ、ＷＤＭ−ＰＯＮ、またはＷＤＭネットワークなど、光通信ネットワークにおいて、異なる波長の光を増幅するように構成された装置が提供される。装置は、第１の波長の光を増幅するように構成された第１の活性材料（ａｃｔｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）を含むことができる。さらに、装置は、第２の波長の光を増幅するように構成された第２の活性材料を含むことができる。装置内の光は内部に閉じ込めることも、または第１の活性材料を含む第１の領域および第２の活性材料を含む第２の領域を含む光導波路によって運ぶこともできる。光導波路は、第１の端部および第２の端部を含むことができる。典型的には、光は、（入ってくる光の伝搬の方向に対して）第１の領域の上流である第１の端部で導波路に入ることができる。導波路の第２の端部は、第１の端部の反対にある。

第２の活性材料は、第２の波長の光を増幅できるが、たとえば第１の波長の光など、第２の波長より小さい波長を有する光を吸収する場合がある。これを考慮して、装置は、第１の活性材料および第２の活性材料を分離して、第１の波長の光を反射するように構成された第１の反射器をさらに含むことができる。さらに、第１の反射器は、第２の波長の光に対して実質的に透明に構成できるため、第２の波長の光は、第２の活性材料で増幅することができる。

したがって、たとえば、ＧＰＯＮの光学的な上りおよび下りの信号など、異なる波長の光は、第１の端部で装置の導波路に入ることができる。第１および第２の波長の光は、第１の活性材料を含む導波路の第１の領域を通して運ぶことができる。第１の領域の反対端で、第１の波長の光は、第１の反射器を使用して反射することができ、第２の波長の光は、反射器を通過して、第２の活性材料を含む導波路の第２の領域に入ることができる。

装置は、第２の活性材料に隣接し、第１の反射器の反対に提供され、第２の波長の光を反射するように構成される第２の反射器をさらに含むことができる。結果的に、第２の波長の光は、第２の領域の反対端で反射して、第２の領域、第１の反射器、および第１の領域を介して導波路の第１の端部に運び戻すことができる。

第２の反射器は、第１の端部の反対にある、導波路の第２の端部に提供することができる。

装置は、半導体材料でもよい活性材料を含む半導体光増幅器として実装することができる。第１の活性材料および／または第２の活性材料は、ガリウム、インジウム、砒化物、および／または燐化物を含むことができる。
第２の反射器は、装置の導波路の第２の端部によって提供することができる。したがって、導波路の突然の終結および屈折率の突然の変化のために、たとえば、第２の波長の光など、特定の波長の光が反射する場合がある。あるいは、またはさらに、第２の反射器は、たとえば、銀またはアルミニウムのような金属など、反射材料の１つまたは複数のレイヤで導波路の第２の端部を覆うことによって実装することができる。

第１の反射器は、第１の活性材料と第２の活性材料との間のエアー・ギャップを含むことができる。この場合、たとえば、第１の波長の光など、特定の波長の光に関して高い反射率を提供し、たとえば、第２の波長の光など、他の波長の光に関して高い透明度を提供するのは、第１の活性材料とエアーとの間の屈折率の変化、およびエアーと第２の活性材料との間の屈折率の変化である。

異なる波長の光に関する第１の反射器の反射および透明度の特性は、エアー・ギャップの幅を調整することによって調整することができる。一実施形態では、第１の活性材料と第２の活性材料との間のエアー・ギャップは、約１．３μｍの波長に関して高い反射率、約１．５μｍの波長に関して高い透明度を提供する約０．８μｍの幅を有することができる。

第１の反射器は、第１の活性材料と第２の活性材料との間のブラッグ反射器の形で提供することができる。狭い波長幅を通じて高い反射率、および他の異なる波長幅を通じて高い透明度を用いる反射器が可能になるので、これは有利である。

第１の反射器は、また、光が第１の活性材料から第２の活性材料に伝播するとときに発生する屈折率の変化によって提供することができる。この場合、両方の活性材料は互いに接していてもよい。

第１の波長の光は、第１の反射器を指し示し、第１の反射器に実質的に垂直な伝播の方向に第１の活性材料に入ることができる。結果的に、第１の反射器に向けて移動する光の伝播の方向、および第１の反射器から離れるように移動する反射光の伝播の方向は、実質的に並列である。典型的には、光は装置の導波路によって運ばれ、導波路は第１の反射器に垂直な方向に延在する。

同様に、第２の波長の光は、第２の反射器を指し示し、第２の反射器に垂直な伝播の方向に第２の活性材料に入ることができるため、第２の波長の光は、導波路に反射して直接戻ることができる。典型的には、第１および第２の反射器は実質的に並列であるため、第１および第２の波長の光が実質的に並列である場合、第１の波長の光の伝播の方向、および第２の波長の光の伝播の方向は、第１および第２の反射器によって反射される前および後に、それぞれ実質的に並列である。典型的には、これは異なる波長の光を運ぶために導波路を提供することにより達成され、導波路は、第１および第２の反射器に垂直な方向に装置内に延在する。

第１および第２の波長の光を増幅するために、装置は、第１および第２の活性材料を電気的に送るための手段をさらに含むことができる。

装置は、複数の波長、つまり、２つ以上の異なる波長などで光を増幅するために使用できることに注意されたい。特に、装置は２つ以上の異なる光波長を使用して、ＷＤＭ通信システムの光を増幅するために使用することができる。そのような場合は、装置には、追加的な活性材料および反射器を提供することができる。たとえば、３つの異なる波長が使用される場合、装置は、第３の波長の光を増幅するように構成された第３の活性材料および第３の波長の光を反射するように構成された第２の反射器の反対の第３の活性材料に隣接する第３の反射器をさらに含むことができる。さらに、第２の反射器は、第２および第３の活性材料を分離することができ、第２の波長の光を反射するように構成し、第３の波長の光に対して実質的に透明に構成することができる。さらに、第１の反射器は、第３の波長の光に対して実質的に透明に構成することができる。

一般的には、複数の波長の光を増幅するための装置が記述される。装置は、複数の波長の光を運ぶために導波路を含む。光は、導波路の第１の端部で装置の導波路に入る。導波路は、複数の異なる活性材料を含む複数の領域をそれぞれ含む。異なる領域は、複数の反射器によって分離することができる。各活性材料は、複数の波長の特定の波長の光を増幅するように構成することができる。好ましくは、活性材料を含む領域は、隣接する領域の各対について、導波路の第１の端部からより遠い領域の活性材料と比較して導波路の第１の端部により接近している領域の活性材料がより低い波長の光を増幅するように配置される。

２つの隣接する領域の間の反射器は、典型的には、第１の端部により接近している領域内で増幅された材料の波長の光を反射するように構成される。さらに、反射器は、典型的には、反射光の波長より大きい複数の波長の光に対して透明に構成される。

一部の実施形態によると、第１の送信／受信手段、第２の送信／受信手段、および上記の実施形態のいずれかによる増幅手段を含む光学ネットワークが提供される。第１および第２の送信／受信手段は、たとえば、ＧＰＯＮまたはＷＤＭ−ＰＯＮネットワークのＯＮＵまたはＯＬＴでもよい。あるいは、またはさらに、第１および第２の送信／受信手段は、ＷＤＭ送信機および／もしくは受信機またはＷＤＭ伝送ネットワークでもよい。増幅手段は、本文書に記述するような半導体光増幅器でもよい。第１の送信／受信手段は、増幅手段を介して第２の送信／受信手段に接続できるため、光通信ネットワークの光バジェットを拡張することができる。

一部の実施形態によると、光学ネットワークにおいて異なる波長の光を増幅する方法が提供される。方法は、たとえば導波路内で、第１および第２の波長の光を第１の活性材料に導くことに基づくことができ、光は、第１の活性材料の第１の端部で第１の活性材料に入る。次に、第１の波長の光は、第１の活性材料を使用して増幅し、第１の活性材料の第１の端部の反対の第１の活性材料の他の端部で導波路へと反射して戻すことができる。第１の活性材料を通して第２の活性材料に第２の波長の光を導くことによって、光は第２の活性材料の第１の端部で第２の活性材料に入ることができる。第２の活性材料において、第２の波長の光を増幅し、第２の活性材料の第１の端部の反対の第２の活性材料の他の端部で提供される反射器によって導波路へと反射して戻すことができる。

本文書に概説する実施形態では、光通信ネットワークにおける光バジェットについて効率的で波長およびビット伝送速度に透過的な拡張が提供される。特定の実施形態では、ＷＤＭ−ＰＯＮシステムの１．３μｍの上り信号および１．５μｍの下り信号を同時に増幅する反射型ＳＯＡ（ＲＳＯＡ）について記述する。

本発明の好ましい実施形態は、ＧＰＯＮに関して記述するが、特許請求の範囲の内容はそれに限定されるものではなく、異なる波長の少なくとも２つの光学信号の信号増幅が必要な任意の状況で実行できることに注意されたい。

さらに、上記の実施形態は、様々な方法で互いに組み合わせたり、または互いから抜き出したりしてもよいことに注意することは重要である。特に、すべての可能な請求項および機能の組み合わせは、本文書によって開示されるものと考えられる。さらに、システムに関連して概説する態様および機能は、対応する方法に関して等しく適用可能である。

本発明の目的および機能は、以下の例の記述から明白になるだろう。本発明は、添付の図面に概略的に示した代表的な実施形態を参照することにより以下に記述する。

半導体光増幅器（ＳＯＡ）を使用する光学ネットワークの例示的な信号増幅を概略的に示す図である。 異なる波長の光を増幅するための例示的な装置を概略的に示す図である。 図２の例示的な装置における例示的な利得および吸収の値を概略的に示す図である。 たとえば図２の装置など、信号増幅手段を備えた例示的な光学ネットワークを概略的に示す図である。

範囲を拡張して光アクセス・ネットワークの分割比を増やすために、上りおよび下りの信号の光バジェットを増やす拡張ボックスの需要が増えている。上記のように、下り信号は、今日のＧＰＯＮアクセス・ネットワークでは、約１．４９μｍで放射される。１０Ｇｂｉｔ／ｓアクセス・ネットワークの次世代の標準化は進行中であり、下り信号は、約［１．５７μｍ、１．６μｍ］の波長幅に配置される可能性が高い。上り信号は、約［１．２６μｍ、１．３μｍ］の波長幅で放射される可能性が非常に高い。

本文書は、アクセス・ネットワークの範囲を拡張するための１．３μｍおよび１．５μｍの光学信号の同時増幅に関するが、文書の教示は、ＴＤＭおよび／またはＷＤＭ−ＰＯＮに基づく１０ＧＰＯＮなど、次世代のアクセス・ネットワークに適用可能であることに注意されたい。

ＰＯＮネットワークでバジェット拡張を実行するために、光学−電子−光学（ＯＥＯ）再生を使用することができる。ＯＥＯ再生の基本原則は、光学信号を電子形式に変換することである。次に、伝送された信号のタイミングおよび形は、電気領域（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｏｍａｉｎ）において復元される。最終的に、再生成された電気信号は、再生成された光学信号を生成するために光学エミッタを変調するために使用される。ＯＥＯ再生に基づくバジェット拡張は、少なくともフォトダイオード、電子的な再生の段階、および各波長の光学エミッタを必要とする。さらに、ＯＥＯ再生は、典型的には、特定ビット伝送速度に対して設計されている。したがって、ＯＥＯ再生は、波長ごとに少なくとも３つのコンポーネントを必要とするという点で非能率的であり、伝送される光学信号の波長およびビット伝送速度に対して透過的ではない。

あるいは、固定された組の波長を用いるＰＯＮのバジェット拡張は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）によって実行することができる。信号増幅について、各ＳＯＡは、電気的に送られた利得媒体として機能する半導体を使用する。上記のように、ＧＰＯＮは、異なる波長を使用して上りおよび下りの信号を伝送する。したがって、ＧＰＯＮで伝送される上りおよび下りの信号を増幅するには、２つのＳＯＡが必要である。一般的には、典型的には、光学ＷＤＭシステムの各波長に対して個別のＳＯＡが必要である。図１は、ＧＰＯＮにおいて上りおよび下りのデータ信号の増幅に２つのＳＯＡを使用する例示的な信号増幅器の概略図である。

図１による配列において、ＯＮＵ１１は、第１の多重化装置／多重分離装置１３、双方向ＳＯＡ１５、および第２の多重化装置／多重分離装置１４を通じてＯＬＴ１２に接続される。ＯＮＵ１１からＯＬＴ１２の間の光学信号は、多重化装置／多重分離装置１３および１４によって、ＷＤＭシステムの異なる波長へと分割／マージされる。つまり、図に示した例において１．３μｍおよび１．５μｍである。特に、１．３μｍの上り信号は、多重分離装置１３を使用して、ＯＮＵ１１から来るファイバ１６から多重分離される。双方向ＳＯＡ１５を通過した後、上り信号は、多重化装置１４を使用して、ファイバ１７からＯＬＴ１２に多重化される。反対方向において、多重分離装置１４は、ファイバ１７から１．５μｍの光学下り信号を抽出し、これは双方向ＳＯＡ１５を通過した後、ファイバ１６からＯＮＵ１１に多重化される。双方向ＳＯＡ１５で、特定の波長に対応する各光学信号は、特定の対応するＳＯＡによって増幅される。つまり、１．３μｍの上り信号は、第１のＳＯＡによって増幅され、１．５μｍの下り信号は、第２のＳＯＡによって増幅される。

言い換えると、図１の増幅器の配列は、異なる波長を通じて運ばれる信号のビット伝送速度に関係なく、ＧＰＯＮシステムにおいて両方の波長を増幅するために使用することができる。しかし、４つのファイバ、２つの多重化装置／多重分離装置ユニット１３および１４、ならびに２つのＳＯＡの完全な配列が必要であるため、双方向ＳＯＡ１５の使用は非能率的である。両方の波長（つまり１．３μｍおよび１．５μｍ）は、ＳＯＡの同じ活性材料によって増幅するには離れすぎているため、典型的には、双方向ＳＯＡ１５内の各波長に対して２つの別個のＳＯＡを使用することが必要である。そのような活性材料は、典型的には、５０ｎｍから８０ｎｍの波長域内のみで光学信号を増幅することに限定される。上りおよび下りの信号の波長（つまり１．３μｍおよび１．５μｍ）が、共同増幅器（ｊｏｉｎｔ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）で増幅される場合、従来の半導体光増幅器は使用することができない。

図２は、異なる波長の光を増幅するため、つまり、特に、８０ｎｍを超える間隔を含む波長の光を増幅するための装置２１を概略的に示す図である。言い換えると、装置２１は、異なる光学波長の光学信号を増幅するために使用することができ、異なる光学波長は、異なる波長幅または波長域内に位置する。装置２１は、異なる領域２２および２３を含む導波路２０を含む。特に、導波路２０は、第１の領域２２内の第１の活性材料２２’および第２の領域２３内の第２の活性材料２３’を含むことができる。第１の２２および第２の２３の領域は、第１の反射器２４によって分離することができる。

第１の反射器２４は、第１の波長幅内に位置する波長の第１の信号２５の光を反射することができる。第１の反射器２４は、第１の波長幅から光を反射するように構成することができる。好ましい実施形態では、第１の信号２５には、たとえば［１．２６μｍ、１．３４μｍ］など、第１の波長幅内に位置する１．３μｍの波長がある。第１の信号２５は、ＧＰＯＮシステムにおける上り信号でもよい。

第２の波長幅内に位置する波長を有する第２の信号２６の光の高い割合（たとえば５０％超の割合）は、第１の反射器２４を通過することができる。第２の波長幅は、第１の波長幅とは異なる。特に、第２の波長幅は、第１の波長幅の波長より大きい波長を含むことができる。好ましい実施形態では、第２の波長幅のすべての波長は、第１の反射器２４を通過する。第２の波長は１．５μｍでもよく、第２の波長幅は、たとえば［１．４６μｍ、１．５４μｍ］でもよい。そのため、第２の信号２６は、ＧＰＯＮシステムの下り信号でもよい。

第２の波長幅の光および／または第２の信号２６の波長は、第２の活性材料２３に隣接し、第１の反射器２４の反対にある、第２の反射器２７によって反射することができる。

第１および第２の信号２５および２６の光は、第１の反射器２４の方向に向かって、特に、第１の反射器２４の面に垂直な方向に装置２１、つまり装置２１の導波路２０に入ることができる。第１の反射器２４および第２の反射器２７は、平行な反射面を有することができる。

したがって、装置２１は、選択反射器２４を使用して第２の信号２６から第１の信号２５を分離するために使用することができ、第１の信号２５および第２の信号２６は、異なる波長幅内に異なる光学波長を有する。選択反射器２４により、第２の信号２６だけが、第２の活性材料２３’を含む第２の領域２３に入る。第２の活性材料２３’は、第２の波長幅の光を増幅するため、つまり、第２の信号２６を増幅するために選択することができる。

他方では、第１の２５および第２の２６の信号は、第１の領域２２において重なる。第１の活性材料２２’は、第１の波長幅の光を増幅するために選択することができ、このとき第２の波長幅の光には影響しない。言い換えると、第１の活性材料２２’は、第１の信号２５を増幅するために選択することができ、このとき第２の信号２６には影響しない。

これは、第１の２２および第２の２３の領域に対して適切な光電気的材料（ｏｐｔｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｍａｔｅｒｉａｌ）を選択することにより達成することができる。そのような光電気材料は、事前に決定された波長幅内で光を増幅するように設計することができる。さらに、事前に決定した波長幅を下回る波長の光が吸収されるように材料を設計することができ、事前に決定した波長幅を上回る波長の光は、影響されることなく光電気材料を通過する。

好ましい実施形態では、第１および第２の活性材料２２’および２３’は、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、砒化物（Ａｓ）、および／または燐化物（Ｐ）を含むことができる。第１の波長幅、具体的には第１の信号２５（たとえば１．３μｍ）の波長の光を増幅するために、第１の活性材料２２’は、Ｉｎ ｘ Ｇａ（１−ｘ）Ａｓ ｙ Ｐ（１−ｙ）、ただし、ｘ≒０．７１およびｙ≒０．６２、でもよい。第２の活性材料２３’は、第２の波長幅、具体的には第２の信号２６（たとえば１．３μｍ）の波長の光を増幅するために、Ｉｎ ｘ Ｇａ（１−ｘ）Ａｓ ｙ Ｐ（１−ｙ）、ただし、ｘ≒０．５８およびｙ≒０．９、でもよい。正確な構成は、典型的には、エピタキシャル層の歪みによって変わるため、これらの値は、近似値として解釈するべきものであることは当業者には自明であろう（入力光の偏光に対する敏感性を最適化するため）。

反射器２４および２７は、様々な光学的な反射手段によって実装することができる。特に、第１の反射器２４、つまり２つの活性材料２２’と２３’との間の反射器は、特定の幅またはブラッグ反射器のエアー・ギャップによって提供することができる。エアー・ギャップの幅（信号方向）および／またはブラッグ反射器のレイヤの設計は、第１の信号２５は反射されるが、第２の信号２６は通過を許可されるように選択される。第２の反射器２７、つまり装置２１の最後の反射器は、たとえば、導波路の端部によって、つまり導波路の急なエッジによって提供することができる。この端部またはエッジには、少なくとも１つの反射層をさらに提供することができる。少なくとも１つの反射層は、Ｓｉ／ＳｉＯ_２もしくはＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２のレイヤまたは銀もしくはアルミニウムのような金属を含むことができる。

図２の装置２１は、２つの波長の増幅のために図示するものであり、装置２１の根本原理は、たとえばＷＤＭシステムの波長など、任意の数の波長に拡張することができる。一般的には、導波路２０は、異なる波長λ_ｉ（ｉ＝１，・・・，Ｎ）で複数の信号を運ぶことができ（Ｎは、１を超える任意の整数値）、各波長λ_ｉは、異なる波長幅Ｔ_ｉ（ｉ＝１，・・・，Ｎ）に属する。一般性を失うことなく、異なる波長幅Ｔ_ｉは、波長の拡大に従って順位付けされる、つまり、Ｔ_Ｎは、最も高い波長を含み、Ｔ_１は最低の波長を含むことが想定される。

異なる波長λ_ｉを増幅するために、装置２１は、異なる活性材料Ｍ_ｉ（ｉ＝１，・・・，Ｎ）を含む一連の領域を含むことができる。異なる領域および材料は、異なる反射器Ｒ_ｉ（ｉ＝１，・・・，Ｎ）によって分離される。各反射器Ｒ_ｉは、波長幅Ｔ_ｉからの波長λ_ｉを反射するように構成される。さらに、各反射器Ｒ_ｉは、波長幅Ｔ_ｊ（ｊ＞ｉ）から波長λ_ｊを通過させるように構成される。各活性材料Ｍ_ｉは、波長幅Ｔ_ｉに属する波長λ_ｉで光を増幅するように構成される。さらに、各活性材料Ｍ_ｉは、波長幅Ｔ_ｊ（ｊ＞ｉ）に属する波長λ_ｊの影響されない光を残すように構成される。

一実施形態では、上記の条件は、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、砒化物（Ａｓ）、および／または燐化物（Ｐ）を含む半導体材料など、光電気材料Ｍ_ｉの適切な構成を選択することによって達成することができる。異なる反射器Ｒ_ｉは、適切なブラッグ屈折器および／またはエアー・ギャップ反射器を設計することによって実装することができる。

図３は、装置２１内の２つの異なる波長の信号によって引き起こされる利得および吸収を示す図である。利得／吸収表３１は、第１の活性材料２２’を通過するときに、第１の波長幅（たとえば１．３μｍの信号）内の波長を有する第１の信号２５を増幅することができ、第２の活性材料２３’を通過するときに吸収することができることを示している。さらに、利得／吸収表３２は、第２の波長幅（たとえば１．５μｍの信号）内の波長を有する第２の信号２６は、吸収されることなく第１の活性材料２２’を通過し、反射器２４によって軽く反射されるだけであることを示している。利得／吸収表３１および３２に見られるように、第２の信号２６だけが第２の領域２３に入るため、第２の活性材料２３’は、第２の信号２６を増幅するために選択することができる。

図３の反射率を示す図３３に示すように、約０．８μｍの幅を有するエアー・ギャップは、１．３μｍの波長の大きな反射率とともに、１．５μｍの波長の低い反射率へとつながる。したがって、装置２１の反射器２４は、第１の活性材料２２’と第２の活性材料２３’との間にエアー・ギャップを含み、エアー・ギャップは、約０．７５から約０．８５μｍの幅（信号の伝播の方向）を有する。好ましい実施形態では、エアー・ギャップは、約０．８μｍの幅を有することができる。反射率を示す図３３に見られるように、波長選択セレクタ２４の反射率／透明度を特定の信号波長に調整するために、エアー・ギャップの幅は調整することができる。

図４は、たとえばＯＮＵなど、第１の送信機／受信機４１、たとえばＯＬＴなど、第２の送信機／受信機４２、およびたとえば図２に示す装置２１、つまり反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）など信号増幅手段２１を含む光学ネットワークの概略図である。

ＯＮＵ４１は、第１のデータ伝送手段４３によってＲＳＯＡ２１に接続することができる。前述の第１のデータ伝送手段は、たとえば特定の波長の光など、１つまたは複数の信号を伝送するように動作可能でもよい。好ましい実施形態では、特定の波長は、１００ＴＨｚ領域、つまり電磁スペクトルの近赤外線または可視領域にあってもよい。したがって、データ伝送手段は、光ファイバなどの光コネクタでもよい。

ＲＳＯＡ２１は、第１のデータ伝送手段４３と同じ特性を有する可能性がある第２のデータ伝送手段４４によってＯＬＴ４２に接続することができる。好ましい実施形態では、図４による光学ネットワークは、たとえば、ＷＤＭ−ＰＯＮおよび／またはＧＰＯＮなど、ＰＯＮでもよい。

ＲＳＯＡ２１は、図２に関して記述した信号増幅手段でもよい。この目的のために、第１および第２のデータ伝送手段４３および４４は、ＲＳＯＡ２１の導波路２０に接続される。この接続は、たとえば、ファイバ、およびＲＳＯＡ２１の導波路２０など、データ伝送手段４３および４４の突合せ結合（Ｂｕｔｔ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）によって実行することができる。

本文書では、光学信号のための波長選択性増幅器（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）について記述した。特に、ＧＰＯＮシステムの波長選択的な反射型半導体光増幅器について記述した。増幅器は、複数の波長を運ぶ光ファイバに直接接続することができる。したがって、個別の多重化装置／多重分離装置ユニット１３および１４が必要なくなる。さらに、異なる光学波長の増幅を単一の半導体光増幅器で実行できるため、異なる波長のために個別のＳＯＡの必要性、および数が増えた光ファイバを位置合わせする必要性がなくなる。全体として、単一の半導体光増幅器内で複数の光学波長を増幅するための、効率的で費用対効果が大きいソリューションについて記述した。光増幅器は、ＧＰＯＮ、１０ＧＰＯＮ、ＷＤＭ−ＰＯＮのアクセス・ネットワークまたはＷＤＭ伝送ネットワークに適用することができる。

記述および図は、提案された方法およびシステムの原理を示しているに過ぎないことに注意されたい。したがって、本明細書に明示的に記述または図示していないが、当業者なら、本発明の原理を具体化し、本明細書に請求する精神および範囲に含まれる様々な配置を考案きるだろうことを理解されたい。さらに、本明細書に詳述したすべての例は、原則として、読者が提案された方法およびシステムの原理、ならびにその技術を推進する発明者らによって提供された概念を理解するのを支援するために、教育のみを目的とすることを明確に意図するものであり、そのような具体的に詳述された例および条件に限定しないものとして解釈するべきである。さらに、本明細書において、本発明の原理、態様、および実施形態を詳述するすべての記述、およびその特定の例は、その等価物を包含することを意図するものである。

Claims (15)

1. 光学ネットワークにおいて異なる波長の光を増幅するように構成された装置（２１）であって、前記装置（２１）は導波路（２０）を有し、前記導波路は、
   −前記導波路（２０）の第１の端部で受信される第１の波長（２５）の光を増幅するように構成された第１の活性材料（２２’）と、
   −第２の波長（２６）の光を増幅するように構成された第２の活性材料（２３’）と、
   −前記第１の活性材料（２２’）と前記第２の活性材料（２３’）との間に位置し、前記第１の端部に向かう方向に前記第１の波長（２５）の光を反射するように構成され、前記第２の波長（２６）の光に対して実質的に透明に構成されている第１の反射器（２４）と、
   −前記第１の端部に向かう方向に前記第２の波長（２６）の光を反射するように構成された前記第２の活性材料（２３’）に隣接する第２の反射器（２７）と
   を含む装置（２１）。
2. 前記第１の活性材料（２２’）および／または前記第２の活性材料（２３’）は、ガリウム、インジウム、砒化物、および／または燐化物を含む、請求項１に記載の装置（２１）。
3. −前記装置（２１）は、異なる波長の光を運ぶ導波路（２０）を含み、
   −前記第２の反射器（２７）は、前記装置（２１）の前記導波路（２０）の前記端部に提供される、
   請求項１乃至２のいずれか１項に記載の装置（２１）。
4. 前記第１の反射器（２４）は、前記第１（２２’）の活性材料と前記第２（２３’）の活性材料との間にエアー・ギャップを含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置（２１）。
5. −前記第１（２２’）の活性材料と前記第２（２３’）の活性材料との間の前記エアー・ギャップは、約０．８μｍの幅を有し、
   −前記第１の波長は、約１．３μｍであり、
   −前記第２の波長は、約１．５μｍである、
   請求項４に記載の装置（２１）。
6. 前記第１の反射器（２４）は、前記第１（２２’）の活性材料と前記第２（２３’）の活性材料との間にブラッグ反射器を含む、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置（２１）。
7. 前記第１の波長（２５）の前記光は、前記第１の反射器（２４）を指し示す伝搬の方向、且つ前記第１の反射器（２４）の面に垂直な伝播の方向に前記第１の活性材料（２２’）に入る、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置（２１）。
8. 前記第２の波長（２６）の前記光は、前記第２の反射器（２７）を指し示す伝搬の方向、且つ前記第２の反射器（２７）の面に垂直な伝播の方向に前記第２の活性材料（２３’）に入る、請求項７に記載の装置（２１）。
9. 前記第１の波長（２５）の光および前記第２の波長（２６）の前記光の伝播の前記方向は、実質的に並列である請求項８に記載の装置（２１）。
10. 前記装置（２１）は、前記第１（２２’）の活性材料と前記第２（２３’）の活性材料を電気的に送るための手段をさらに含む、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の装置（２１）。
11. 前記装置（２１）は、
    −第３の波長の光を増幅するように構成された第３の活性材料と、
    −前記第３の波長の光を反射するように構成された前記第３の活性材料に隣接する第３の反射器と
    をさらに含み、
    前記第２の反射器（２７）は、前記第２（２３’）の活性材料と前記第３の活性材料との間に配置され、前記第１（２４）および第２（２７）の反射器は、前記第３の波長の光に対して実質的に透明に構成される、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の装置（２１）。
12. 前記第１の反射器（２４）は、光が前記第１の活性材料（２２’）から前記第２の活性材料（２３’）に伝播するときに発生する屈折率の変化によって提供される、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の装置（２１）。
13. 前記第１の波長は、前記第２の波長より小さい、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の装置（２１）。
14. −第１の送信／受信手段（４１）と、
    −第２の送信／受信手段（４２）と、
    −請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の増幅手段（２１）と
    を含み、
    前記第１の送信／受信手段（４１）は、前記増幅手段（２１）を介して前記第２の送信／受信手段（４２）に接続される、光学ネットワーク。
15. 光学ネットワークにおいて異なる波長の光を増幅する方法であって、
    −第１の波長および第２の波長（２５および２６）の光を第１の活性材料（２２’）に導くステップであって、前記光は、前記第１の活性材料（２２’）の第１の端部で前記第１の活性材料（２２’）に入るステップと、
    −前記第１の活性材料（２２’）を使用して前記第１の波長（２５）の前記光を増幅するステップと、
    −前記第１の活性材料の前記第１の端部に向かう方向に前記第１の活性材料（２２’）の他の端部で前記第１の波長（２５）の前記光を反射するステップと、
    −前記第１の活性材料（２２’）を通して前記第２の活性材料（２３’）に前記第２の波長（２６）の前記光を導くステップであって、前記光は、前記第２の活性材料（２３’）の第１の端部で前記第２の活性材料（２３’）に入るステップと、
    −前記第２の活性材料（２３’）を使用して前記第２の波長（２６）の前記光を増幅するステップと、
    −前記第１の活性材料の前記第１の端部に向かう方向に前記第２の活性材料（２３’）の他の端部で前記第２の波長（２６）の前記光を反射するステップと
    を含む方法。

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