JP3709615B2

JP3709615B2 - Optical waveguide type diffraction grating and optical fiber amplifier

Info

Publication number: JP3709615B2
Application number: JP19781796A
Authority: JP
Inventors: 素貴角井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1996-07-26
Filing date: 1996-07-26
Publication date: 2005-10-26
Anticipated expiration: 2016-07-26
Also published as: JPH1039149A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の波長範囲の光を選択的に透過する波長フィルタとして使用される光導波路型回折格子と、この光導波路型回折格子素子を使用した光ファイバ増幅器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信の高度化などの光利用の進展に伴い、様々な透過特性を有し、所定の波長を選択的に透過する波長フイルタが必要とされている。こうした光学部品は、効率的な光の伝送や他の光学部品との光学的な結合の観点から、導波路型であることが好ましい。
【０００３】
光導波路型の波長フィルタとしては、光ファイバや平面型光導波路の一部で、光の進行方向に沿って屈折率を周期的（周期が同一、および、周期が僅かに変化するの双方を含む）に変化させ、回折格子を形成した光導波路型回折格子が知られている。
【０００４】
一方、導波路型の光増幅器である、希土類添加の増幅用光ファイバを使用した光増幅器では、増幅用光ファイバ中を信号光が進行すると誘導放射によって増幅されるが、同時にノイズ光であるＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光が発生する。例えば、Ｅｒ添加の増幅用光ファイバと、波長が１．４８μｍの励起光とを使用した場合、１．５５μｍ帯の信号光を増幅すると、１．５３１μｍをピーク波長としたＡＳＥ光が発生する。
【０００５】
こうしたＡＳＥ光の除去に光導波路型回折格子を利用した波長フィルタを使用することが提案されている（「M.Kakui et al. : OFC'96 Technical Digest, WF3, pp118-119」（以後、従来例１と呼ぶ）、米国特許番号：第５，３６７，５８９号（以後、従来例２と呼ぶ）など）。
【０００６】
従来例１では、Ｅｒ添加の増幅用光ファイバから出力され、光アイソレータを介した光を、光の進行方向での屈折率の変化の周期が徐々に変化する、いわゆるチャープをかけた光導波路型回折格子を経由することによって、１．５３μｍ帯のＡＳＥ光を除去している。
【０００７】
従来例２では、光の進行方向での屈折率の変化の周期が数１００μｍである、Ｅｒ添加の増幅用光ファイバの下流側に配置された光導波路型回折格子を経由させることで、１．５３μｍ帯のＡＳＥ光を除去している。
【０００８】
また、一部に回折格子が形成された光導波路型回折格子の透過特性を変化させつつ、遮断される波長の光の一部を反射光としない技術が「T.Komukai et al., ECOC '95, Proc., Mo.A.3.3, 1995」に開示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光導波路型回折格子を使用した光ファイバ増幅器は上記のように構成されるので、以下のような問題点があった。
【００１０】
従来例１では、光導波路型回折格子のＢｒａｇｇ波長を１．５３μｍ帯に設定し、非透過波長帯域の長波長側および短波長側での透過率の変化を急俊なものとしている。ところで、Ｂｒａｇｇ波長が１．５３μｍ帯に設定された光導波路型回折格子の１．５３μｍ帯の波長の光の非透過特性は、光導波路型回折格子の１．５３μｍ帯の波長の光に対する１００％に近い反射率を有するという反射特性に由来している。すらわち、従来例１で採用した光導波路型回折格子で非透過であった１．５３μｍ帯の波長の光は、この光導波路型回折格子で反射され、入射光と逆方向に進行する。
【００１１】
したがって、光アイソレータのような方向非可逆性の光部品を介さずに、増幅用光ファイバと光導波路型回折格子を光学的に接続すると、増幅用光ファイバで発生するＡＳＥ光と同一の波長の光が、増幅用光ファイバに再入射することになる。
【００１２】
ＡＳＥ光の波長の光の入射により、増幅用光ファイバでは誘導放射が発生し、入射光と同一の波長の光が増幅されるとともに、一部が光導波路型回折格子に入射して反射される。
【００１３】
こうして、増幅用光ファイバと光導波路型回折格子との間で、１．５３μｍ帯の波長の光の発振が発生する。こうした発振が発生すると、増幅用光ファイバに供給されている励起エネルギの大部分は、ＡＳＥに由来する１．５３μｍ帯の波長の光の増幅に消費され、信号光の増幅を効率的に行なうことができなくなる。
【００１４】
すなわち、従来例１で使用するような波長フィルタとしての光導波路型回折格子は、従来例１のように方向非可逆性の光部品を介した直後に配置しなければならないという、光部品の配置上の制約がある。
【００１５】
従来例２では、光導波路型回折格子が、従来例１の光導波路型回折格子の屈折率変化の周期の数１００倍の周期で屈折率が変化するので、従来例１のような発振の問題は発生しない。しかし、屈折率変化の周期が長いので、光の波長変化に対する透過率の変化が緩やかであり、１．５３μｍ帯の波長の光の遮断を目的としても、波長が１５４０ｎｍ以上の光に対しても無視できない遮断の効果を奏してしまう。したがって、信号光の波長帯域として使用できる波長範囲が狭まることになる。
【００１６】
本発明は、上記を鑑みてなされたものであり、長波長側には急俊な遮断特性を有するとともに、短波長側には緩やかな遮断特性を有するとともに、遮断する波長の光の反射を低減した光導波路型回折格子を提供することを目的とする。
【００１７】
また、本発明は、信号光を効率的に増幅するとともに、ＡＳＥ光を効率的に除去して出力する光ファイバ増幅器を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の光導波路型回折格子は、（ａ）断面積が第１の面積である第１の光導波路部と、（ｂ）断面積が第１の面積よりも小さな第２の面積であるとともに、進行方向に沿って、屈折率が周期的に変化し、Ｂｒａｇｇ波長の導波光をブラッグ反射させるための回折格子形成部を有する第２の光導波路部と、（ｃ）断面が前記第１の光導波路部の前記進行方向に垂直な断面と略同一の形状である第３の光導波路部と、（ｄ）第１の光導波路部と第２の光導波路部とを光学的に結合するとともに、第１の光導波路部から第２の光導波路部へ向かって、断面積が徐々に減少すると第１のテーパ状光導波路部と、（ｅ）第２の光導波路部と第３の光導波路部とを光学的に結合するとともに、第２の光導波路部から第３の光導波路部へ向かって、断面積が徐々に増加すると第２のテーパ状光導波路部とを備えることを特徴とする。
【００１９】
ここで、（i）第１の光導波路部、第２の光導波路部、第３の光導波路部、第１のテーパ状光導波路部、および、前記第２のテーパ状光導波路部を、同一基板上に形成された平面型光導波路とすることがも可能であるし、（ii）第１の光導波路部、第２の光導波路部、第３の光導波路部、第１のテーパ状光導波路部、および、第２のテーパ状光導波路部をファイバ型光導波路とすることも可能である。
【００２０】
なお、光導波路部とは、コアとクラッドとによる導波構造の内、主に光が存在するコアを指す。
【００２１】
請求項１の光導波路型回折格子では、光が、第１の光導波路部および第１のテーパ状光導波路部を順次介して、第２の光導波路部に入射する。第２の光導波路には回折格子形成部が存在するとともに、第２の光導波路部の断面積は、第１の光導波路部の断面積よりも小さく設定されている。
【００２２】
したがって、回折格子形成部を進行する光は、回折格子形成部における屈折率の周期的変化に応じたモードフィールド径の周期的な変化によって、屈折率の変化周期に応じたＢｒａｇｇ波長より短波長側で、放射モードと結合し、光導波路部からの漏れが発生する。
【００２３】
こうした光の漏れは、回折格子形成部の存在だけによっても発生するが、第２の光導波路部の第１の光導波路よりも断面積が小さく設定されているので、導波路部への光の閉じ込めの度合いは低減されており、断面積が第１の光導波路と略同一に設定されている場合よりも、放射モードとの結合度が強まり、漏れ光強度が高くなる。
【００２４】
この結果、回折格子形成部における屈折率の変化周期に応じたＢｒａｇｇ波長より短波長側の遮断特性が向上する。すなわち、非透過光の波長幅が屈折率の変化周期に応じたＢｒａｇｇ波長より短波長側に広がることになる。一方、漏れ光は反射光ではないので、光の進行方向とは逆方向に光導波路部を進行することもない。
【００２５】
回折格子形成部を透過した光は、第２のテーパ状光導波路部および第３の光導波路部を順次介して出力される。
【００２６】
なお、請求項１の光導波路型回折格子の光導波路部は、平面型光導波路およびファイバ型光導波路のいずれでも実現可能であるが、平面型光導波路を採用すると、エッチング時のマスクパターンの操作で実現可能なので、簡易に請求項１の光導波路型回折格子を製造できる。
【００２７】
請求項４の光導波路型回折格子は、請求項１の光導波路型回折格子において、第１のテーパ状光導波路および第２のテーパ状光導波路の進行方向の長さは、第１の光導波路部の進行方向に垂直な断面の外径の５０倍以上であることを特徴とする。
【００２８】
屈折率が同一で、断面積が変化する光導波路を光が進行すると、光の進行にともない光にとってのモードフィールド径が変化するので、モード変換による損失が発生する。こうした損失は、モードフィールド径の変化率が大きい程、大きくなる。
【００２９】
請求項４の光導波路型回折格子では、第１のテーパ状光導波路および第２のテーパ状光導波路の光の進行方向の長さを、第１の光導波路部の断面の外径の５０倍以上として、モードフィールド径の変化率を小さくしたので、モード変化による光損失が充分に低減される。
【００３０】
請求項１の光導波路型回折格子において、回折格子形成部における、屈折率変化の周期を、（i）略同一とすることも可能であるし、また、（ii）進行方向に沿って単調かつ連続的に変化させることも可能である。
【００３１】
なお、現状で一般的な、Ｅｒ添加の増幅用光ファイバと、波長が１．４８μｍの励起光とを使用し、１．５５μｍ帯の信号光を増幅する場合に、１．５３１μｍをピーク波長としたＡＳＥ光を有効に遮断し、かつ、最も発振が発生しやすい１．５３１μｍの光の反射を避けつつ、１．５４μｍ以上の波長範囲を信号光の波長帯域とするには、回折格子形成部のブラッグ波長を１５３３ｎｍから１５４０ｎｍまでの範囲内とすることが好ましい。
【００３２】
請求項７の光ファイバ増幅器は、信号光を入力し、増幅して出力する光ファイバ増幅器であって、（ａ）入力した信号光と同一の波長の光を増幅して出力するとともに、信号光の波長よりも短波長のピーク波長を有するＡＳＥ光を発生する増幅用光ファイバと、（ｂ）増幅用光ファイバの信号光の出力端より、信号光の進行方向側の光路中に配置された光導波路型回折格子とを備え、光導波路型回折格子が、（i）断面積が第１の面積である第１の光導波路部と、（ii）第１の面積よりも小さな第２の面積であるとともに、進行方向に沿って、屈折率が周期的に変化する回折格子形成部を有し、回折格子形成部でのＢｒａｇｇ波長が、信号光の波長より短く、かつ、ＡＳＥ光のピーク波長よりも長い第２の光導波路部と、（iii）断面が第１の光導波路部の進行方向に垂直な断面と略同一の形状である第３の光導波路部と、（iv）第１の光導波路部と第２の光導波路部とを光学的に結合するとともに、第１の光導波路部から第２の光導波路部へ向かって、断面積が徐々に減少すると第１のテーパ状光導波路部と、（v）第２の光導波路部と第３の光導波路部とを光学的に結合するとともに、第２の光導波路部から第３の光導波路部へ向かって、断面積が徐々に増加すると第２のテーパ状光導波路部とを備えることを特徴とする。
【００３３】
請求項７の光ファイバ増幅器では、増幅用光ファイバを介することで、増幅された信号光を含むとともに、信号光の波長よりも短波長のピーク波長を有するＡＳＥ光を含む光が、Ｂｒａｇｇ波長が信号光の波長より短く、かつ、ＡＳＥ光のピーク波長よりも長い回折格子が形成された請求項１の光導波路型回折格子に入射する。
【００３４】
波長フィルタとしての光導波路型回折格子では、入射光がＢｒａｇｇ波長より短波長側で放射モードと結合し、回折格子形成部における屈折率の変化周期に応じたＢｒａｇｇ波長より短波長側の遮断特性が向上する。すなわち、非透過光の波長幅が屈折率の変化周期に応じたＢｒａｇｇ波長より短波長側に広がることになる。この結果、ＡＳＥ光のピーク波長の光は、反射光ではなく漏れ光として遮断される。漏れ光は反射光ではないので、光の進行方向とは逆方向に光導波路部を進行しない。
【００３５】
すなわち、ＡＳＥ光のピーク波長の光を含むノイズ光のＢｒａｇｇ波長より短波長成分は反射されないので、増幅用光ファイバと光導波路型回折格子との間に、光アイソレータのような方向非可逆性の光部品を介さなくても、発振が有効に抑制されている。
【００３６】
したがって、増幅用光ファイバと光導波路型回折格子との間に、光アイソレータのような方向非可逆性の光部品を介さない構成としても、請求項７の光ファイバ増幅器では、光増幅率を確保しつつ、有効にＡＳＥ光を遮断した光増幅結果を出力する。
【００３７】
請求項８の光ファイバ増幅器は、請求項７の光ファイバ増幅器において、（i）光導波路型回折格子における、屈折率変化の周期は信号光の進行方向に沿って単調かつ連続的に変化し、（ii）屈折率変化の周期の長い側が、光導波路型回折格子から見て信号光の進行方向の上流側および下流側の光導波路型回折格子に向かっての反射率のより小さい側に向いていることを特徴とする。
【００３８】
光導波路型回折格子における放射モードとの結合は、Ｂｒａｇｇ波長よりも短波長側で発生する。したがって、光導波路型回折格子における屈折率変化の周期は信号光の進行方向に沿って単調かつ連続的に変化する場合には、回折格子形成部の各位置で、その位置におけるＢｒａｇｇ波長よりも短波長側で放射モードと結合し、漏れ光を生じさせる。すなわち、回折格子形成部を進行する光は、各位置でその位置におけるＢｒａｇｇ波長よりも短波長側の光が遮断され、その位置から先へ進行する光では、その位置におけるＢｒａｇｇ波長よりも短波長側の光の強度が低減する。
【００３９】
請求項８の光ファイバ増幅器では、屈折率変化の周期の長い側が、光導波路型回折格子から見て信号光の進行方向の上流側および下流側の光導波路型回折格子に向かっての反射率のより小さい側に向いている。したがって、反射してきた光の内の最も長波長のＢｒａｇｇ波長の光が反射されるとともに、このＢｒａｇｇ波長よりも短波長側で放射モードと結合して漏れ光となる。すなわち、最も長波長のＢｒａｇｇ波長よりも短波長の光は強度が低減されて、導波路内を進行することになる。
【００４０】
この結果、最も長波長のＢｒａｇｇ波長よりも短波長の光は、Ｂｒａｇｇ波長が一致する位置に到達したときには、反射光の入射時よりも強度が低減されている。したがって、波長がＢｒａｇｇ波長に一致して反射される光の光量は、波長が短くなるほど、反射光の入射時よりも大きく低減される。すなわち、光導波路型回折格子の全体としての反射特性は、波長が短くなるほど反射率が低減することになる。
【００４１】
したがって、請求項８の光ファイバ増幅器では、ＡＳＥ光の波長の光の波長は効率良く低減されることにより、ＡＳＥ光の波長範囲の波長の光について発振が有効に抑止されるので、光増幅率を確保しつつ、有効にＡＳＥ光を遮断した光増幅結果を出力する。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の光導波路型回折格子および光ファイバ増幅器の実施の形態を説明する。なお、図面の説明にあたって同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００４３】
（光導波路型回折格子の第１実施形態）
図１は、本発明の光導波路型回折格子の第１実施形態の構成図である。図１（ａ）は、本実施形態の光導波路型回折格子１００の全体図を、図１（ｂ）は本実施形態の光導波路型回折格子１００の光導波路部１００の平面図を示す。
【００４４】
図１（ａ）に示すように、この光導波路型回折格子１００は、（ａ）基板１３０と、（ｂ）基板１３０状に形成されたクラッド部１２０と、（ｃ）クラッド部１２０内に形成された光導波路部（コア部）１１０とを備える。
【００４５】
図１（ｂ）に示すように、光導波路部１１０は、（i）断面積が面積Ｓ１（＝ａｄ）である光導波路部１１１と、（ii）断面積が面積Ｓ１よりも小さな面積Ｓ２（＝ｂｄ）であるとともに、進行方向に沿って、屈折率が周期的に変化する回折格子形成部を有する光導波路部１１２と、（iii）断面が光導波路部１１１の前記進行方向に垂直な断面と略同一の形状である光導波路部１１３と、（iv）光導波路部１１１との境界面が面積Ｓ１を有するとともに、光導波路部１１２との境界面が面積Ｓ２を有するテーパ状光導波路部１１４と、（v）光導波路部１１２との境界面が面積Ｓ２を有するとともに、光導波路部１１３との境界面が面積Ｓ１を有するテーパ状光導波路部１１５とを備える。
【００４６】
本実施形態の光導波路型回折格子１００は、光導波路部１１０の形成にあたってのエッチング工程でのマスクパターンを操作することによって、容易に製造可能である。
【００４７】
本実施形態の光導波路型回折格子１００では、光が、光導波路部１１１およびテーパ状光導波路部１１４を順次介して、光導波路部１１２に入射する。なお、光導波路部１１１およびテーパ状光導波路部１１４中の進行によるモード変換に伴う光損失を低減するため、テーパ状光導波路部１１４の長さｃは光導波路部１１１の幅ａよりも５０倍以上の長さであることが好ましい。更に、テーパ状光導波路部１１４の長さｃは光導波路部１１１の幅ａよりも１００倍以上の長さであることがより好ましい。
【００４８】
光導波路１１２には回折格子形成部が存在するとともに、光導波路部１１２の断面積Ｓ２は、光導波路部１１１の断面積Ｓ１よりも小さく設定されている。
【００４９】
したがって、回折格子形成部を進行する光は、回折格子形成部における屈折率の周期的変化に応じたモードフィールド径の周期的な変化によって、屈折率の変化周期に応じたＢｒａｇｇ波長より短波長側で、放射モードと結合し、光導波路部１１２からの漏れが発生する。
【００５０】
こうした光の漏れは、回折格子形成部の存在だけによっても発生するが、光導波路部１１２の断面積Ｓ２は小さく設定されているので、光導波路部１１２への光の閉じ込めの度合いは低減されており、光の進行方向に垂直な断面積が面積Ｓ１に設定されている場合よりも、放射モードとの結合度が強まり、漏れ光強度が高くなる。
【００５１】
この結果、回折格子形成部における屈折率の変化周期に応じたＢｒａｇｇ波長より短波長側の遮断特性が向上する。すなわち、非透過光の波長幅が屈折率の変化周期に応じたＢｒａｇｇ波長より短波長側に広がることになる。一方、漏れ光は反射光ではないので、光の進行方向とは逆方向に光導波路部１１２および光導波路部１１１を進行することもない。
【００５２】
回折格子形成部を透過した光は、テーパ状光導波路部１１５および光導波路部１１３を順次介して出力される。
【００５３】
光導波路部１１２の回折格子形成部における屈折率変化の周期は、（i）略同一とすることも可能であるし、また、（ii）進行方向に沿って単調かつ連続的に変化させることも可能である。
【００５４】
図２は、屈折率変化の周期が略同一の場合の光導波路型回折格子１００の透過特性および反射特性の説明図である。図２（ａ）は透過率の波長依存性を示すグラフであり、図２（ｂ）は反射率の波長依存性を示すグラフである。なお、回折格子形成部でのＢｒａｇｇ波長はλ₀に設定した。
【００５５】
図２（ａ）に示すように、光導波路型回折格子１００の透過率は、波長λ₀では略０の透過率となるとともに、波長λ₀より長波長側で急俊に変化し、一方、波長λ₀より短波長側では、放射モードとの結合の結果、緩やかに変化することが確認される。
【００５６】
図２（ｂ）に示すように、光導波路型回折格子１００の反射率は、波長λ₀では略１の反射率となるとともに、波長λ₀より長波長側および短波長側で急俊に変化することが確認される。
【００５７】
すなわち、波長λ₀付近での光の遮断は、反射によるものであり、波長λ₀より短波長側での遮断は、放射モードとの結合によるものであることが確認される。
【００５８】
図３は、光導波路部１１２の回折格子形成部における屈折率変化の周期が、光の進行方向に沿って単調かつ連続的に変化する場合の光導波路型回折格子１００の透過特性および反射特性の説明図である。図３（ａ）は透過率の波長依存性を示すグラフであり、図３（ｂ）および図３（ｃ）は反射率の波長依存性を示すグラフである。なお、回折格子形成部でのＢｒａｇｇ波長はλ₁〜λ₂（λ₁＜λ₂）で連続的に変化するように設定した。
【００５９】
図３（ａ）に示すように、光導波路型回折格子１００の透過率は、波長λ₁〜λ₂では略０の透過率となるとともに、波長λ₂より長波長側で急俊に変化し、一方、波長λ₁より短波長側では、放射モードとの結合の結果、緩やかに変化することが確認される。
【００６０】
図３（ｂ）は、回折格子形成部のＢｒａｇｇ波長の短波長側（すなわち、Ｂｒａｇｇ波長がλ₁の側）から光を入射した場合における、反射率の波長依存性を示すグラフである。図３（ｂ）に示すように、光導波路型回折格子１００の反射率は、波長λ₁〜λ₂では略１の反射率となるとともに、波長λ₂より長波長側、および、波長λ₁より短波長側で急俊に変化する。光の回折格子形成部における放射モードとの結合は、各位置におけるＢｒａｇｇ波長より短波長で発生するので、進行方向に存在するより長波長のＢｒａｇｇ波長に一致する波長の光は放射モードと結合せず、入射時の強度で進行する。したがって、波長λ₁〜λ₂では略１の反射率となっている。
【００６１】
図３（ｃ）は、回折格子形成部のＢｒａｇｇ波長の長波長側（すなわち、Ｂｒａｇｇ波長がλ₂の側）から光を入射した場合における、反射率の波長依存性を示すグラフである。図３（ｃ）に示すように、光導波路型回折格子１００の反射率は、波長λ₂では略１の反射率となるとともに、波長λ₂より長波長側で急俊に変化するとともに、波長λ₂より短波長側で緩やかに変化する。光の回折格子形成部における放射モードとの結合は、各位置におけるＢｒａｇｇ波長より短波長で発生するので、進行方向に存在するより長波長のＢｒａｇｇ波長に一致する波長の光が放射モードと結合し、進行にしたがって強度が減少する。したがって、波長λ₂より短波長側では反射率が緩やかに変化する。
【００６２】
（光導波路型回折格子の第２実施形態）
図４は、本発明の光導波路型回折格子の第１実施形態の構成図である。図４（ａ）は、本実施形態の光導波路型回折格子２００の全体図を、図４（ｂ）は本実施形態の光導波路型回折格子２００の光導波路部２１０の構成を示す。
【００６３】
図４（ａ）に示すように、この光導波路型回折格子２００は、（ａ）光を導波すると光導波路部（コア部）２１０、（ｂ）光導波路部２１０の周囲に形成されたクラッド部２２０とを備える。
【００６４】
図４（ｂ）に示すように、光導波路部２１０は、（i）断面積が面積Ｓ１（＝πａ²）である光導波路部２１１と、（ii）断面積が面積Ｓ１よりも小さな面積Ｓ２（＝πｂ²）であるとともに、進行方向に沿って、屈折率が周期的に変化する回折格子形成部を有する光導波路部２１２と、（iii）断面が光導波路部２１１の前記進行方向に垂直な断面と略同一の形状である光導波路部２１３と、（iv）光導波路部２１１との境界面が面積Ｓ１を有するとともに、光導波路部２１２との境界面が面積Ｓ２を有するテーパ状光導波路部２１４と、（v）光導波路部２１２との境界面が面積Ｓ２を有するとともに、光導波路部２１３との境界面が面積Ｓ１を有するテーパ状光導波路部２１５とを備える。
【００６５】
本実施形態の光導波路型回折格子２００は、光導波路部２１０の形成にあたって、複数の光ファイバを接合したり、１つの光ファイバを加熱して延伸したりした後、紫外光の干渉縞を照射することによって容易に製造可能である。
【００６６】
本実施形態の光導波路型回折格子２００では第１実施形態と同様に、、光が、光導波路部２１１およびテーパ状光導波路部２１４を順次介して、光導波路部２１２に入射する。なお、第１実施形態と同様に、光導波路部２１１およびテーパ状光導波路部２１４中の進行によるモード変換に伴う光損失を低減するため、テーパ状光導波路部２１４の長さｃは光導波路部１１１の幅ａよりも５０倍以上の長さであることが好ましい。更に、テーパ状光導波路部１１４の長さｃは光導波路部１１１の幅ａよりも１００倍以上の長さであることがより好ましい。
【００６７】
第１実施形態と同様に、光導波路２１２には回折格子形成部が存在するとともに、光導波路部２１２の断面積Ｓ２は、光導波路部２１１の断面積Ｓ１よりも小さく設定されている。
【００６８】
したがって、回折格子形成部を進行する光は、回折格子形成部における屈折率の周期的変化に応じたモードフィールド径の周期的な変化によって、屈折率の変化周期に応じたＢｒａｇｇ波長より短波長側で、放射モードと結合し、光導波路部２１２からの漏れが発生する。
【００６９】
こうした光の漏れは、回折格子形成部の存在だけによっても発生するが、光導波路部２１２の断面積Ｓ２は小さく設定されているので、光導波路部１１２への光の閉じ込めの度合いは低減されており、光の進行方向に垂直な断面積が面積Ｓ１に設定されている場合よりも、放射モードとの結合度が強まり、漏れ光強度が高くなる。
【００７０】
この結果、第１実施形態と同様に、回折格子形成部における屈折率の変化周期に応じたＢｒａｇｇ波長より短波長側の遮断特性が向上する。すなわち、非透過光の波長幅が屈折率の変化周期に応じたＢｒａｇｇ波長より短波長側に広がることになる。一方、漏れ光は反射光ではないので、光の進行方向とは逆方向に光導波路部２１２および光導波路部２１１を進行することもない。
【００７１】
回折格子形成部を透過した光は、テーパ状光導波路部２１５および光導波路部２１３を順次介して出力される。
【００７２】
光導波路部２１２の回折格子形成部における屈折率変化の周期は、第１実施形態と同様に、（i）略同一とすることも可能であるし、また、（ii）光の進行方向に沿って単調かつ連続的に変化させることも可能である。
【００７３】
そして、屈折率変化の周期が略同一の場合には図２と同様の特性で、屈折率変化の周期が光の進行方向に沿って単調かつ連続的に変化する場合には、図３と同様の特性で、光を遮断しまたは反射する。
【００７４】
（光ファイバ増幅器の実施形態）
図５は、本発明の光ファイバ増幅器の実施形態の構成図である。図５に示すように、この装置は、（ａ）信号光を第１の端子から入力して第２の端子から出力するとともに、第２の端子から入力した光を第１の端子からは出力しない光アイソレータ３３１と、（ｂ）光アイソレータ３３１の第２の端子から出力された信号光を入力し、増幅して出力する光増幅部３１０と、（ｃ）光増幅部３１０から出力された光を第１の端子から入力して第２の端子から出力するとともに、第２の端子から入力した光を第１の端子からは出力しない光アイソレータ３３２と、（ｄ）光アイソレータ３３２から出力された光を入力し、光増幅部３１０で発生したＡＳＥ光の一部を除去して出力する、波長フィルタとしての光導波路型回折格子１００と、（ｅ）光導波路型回折格子１００から出力された信号光を入力し、増幅して出力する光増幅部３２０と、（ｆ）光増幅部３２０から出力された光を第１の端子から入力して第２の端子から出力するとともに、第２の端子から入力した光を第１の端子からは出力しない光アイソレータ３３３とを備える。
【００７５】
光増幅部３１０は、（i）エルビウムが添加された増幅用光ファイバ３１１と、（ii）増幅用光ファイバ３１１へ供給する励起光を発生する励起部３１２と、（iii）増幅用光ファイバ３１１の出力光を透過するとともに、励起光を増幅用光ファイバ３１１へ導く光カプラ３１３とを備える。
【００７６】
光増幅部３２０は、（i）エルビウムが添加された増幅用光ファイバ３２１と、（ii）増幅用光ファイバ３２１へ供給する励起光を発生する励起部３２２と、（iii）光導波路型回折格子１００を介した光を増幅用ファイバ３２１へ導くとともに、励起光を増幅用光ファイバ３２１へ導く光カプラ３２３とを備える。
【００７７】
光導波路型回折格子１００は、回折格子形成部における屈折率変化の周期が、光の進行方向に沿って単調かつ連続的に変化するものを採用するとともに、光アイソレータ３３２側を短波長側に、光増幅部３２０側を長波長側に設定した。なお、光導波路型回折格子１００のＢｒａｇｇ波長は、１５３３ｎｍから１５４０ｎｍの範囲で変化することとした。
【００７８】
なお、本実施形態での信号光は、波長が１５４０ｎｍよりも長い１．５５μｍ帯とした。
【００７９】
本実施形態の光ファイバ増幅器では、信号光が光アイソレータ３３１を介して光増幅部３１０に入力し、増幅されて出力される。図６は、光増幅部３１０から出力される光のスペクトルを示すグラフである。
【００８０】
図６に示すように、光増幅部３１０からは、１．５５μｍ帯の信号光の他に、１５３１ｎｍにピーク波長を有するＡＳＥ光を含んでいる。図６に示したスペクトルの光が、光増幅部３１０から出力され、光アイソレータ３３２を介して、光導波路型回折格子１００に入力する。
【００８１】
図７は、本実施形態の光導波路型回折格子１００の透過特性を示すグラフである。図７に示すように、光導波路型回折格子１００は、１５３３〜１５４０ｎｍの波長の光について、略０の透過率を示すとともに、１５３３ｎｍより短波長側の光についても遮断特性を有する。光導波路型回折格子１００を介することにより、図８に示すような、波長が１５４０ｎｍ以下のＡＳＥ光の成分が除去されたスペクトルの光が光増幅部３２０に入力する。そして、信号光が増幅されて、光アイソレータ３３３を介して出力される。
【００８２】
ところで、光導波路型回折格子１００にとって、上流側は光アイソレータ３３２が配置されているので、反射光は少なく発振の問題が生じる懸念はない。一方、下流側では、増幅用光ファイバ３２１でのレイリ散乱が原因となって発振の生じる可能性がある。
【００８３】
本実施形態の装置では、光導波路型回折格子１００の光増幅部３２０側がＢｒａｇｇ波長の長波長側となるように設定しているので、反射特性が図３（ｃ）と同様と成る。したがって、Ｂｒａｇｇ波長の短い部分と一致する波長の光の反射は、Ｂｒａｇｇ波長の長い位置での放射モードでの光の光導波路からの漏れによって、低減される。すなわち、効果的に発振が抑制されている。
【００８４】
以上のようにして、本実施形態の光ファイバ増幅器では、ＡＳＥ光を効率的に除去しつつ、ＡＳＥ光の波長での発振を抑制して、効率的に光増幅を実行する。
【００８５】
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく変形が可能である。例えば、光ファイバ増幅器の実施形態では、光導波路型回折格子を平面型光導波路型としたが、ファイバ型光導波路型のものを採用しても同様の効果を奏する。また、Ｂｒａｇｇ波長の変化範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、遮断すべき波長と、反射としない波長に応じて都度設定することが可能である。
【００８６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明した通り、本発明の光導波路型回折格子によれば、光導波路の途中で光の進行方向での光導波路の断面積を減少させ、光の閉じ込めを低減するとともに、断面積の減少部分に、光の進行方向に沿って、屈折率を周期的に変化させて回折格子を形成したので、回折格子のＢｒａｇｇ波長よりも短波長側で効率的に放射モードとの結合が生じ、Ｂｒａｇｇ波長の長波長側で急俊であり、短波長側で緩やかな変化の遮断特性を実現することができるとともに、Ｂｒａｇｇ波長以外では反射しない波長フィルタを実現できる。
【００８７】
また、本発明の光ファイバ増幅器によれば、本発明の光導波路型回折格子をＡＳＥ光の遮断に使用するので、発振の発生が抑制されるとともに、効果的にＡＳＥ光を遮断して、効率的な光増幅を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光導波路型回折格子の第１実施形態の構成図である。
【図２】屈折率変化の周期が略一定の場合の透過特性および反射特性のグラフである。
【図３】屈折率変化の周期が単調かつ連続的に変化する場合の透過特性および反射特性のグラフである。
【図４】本発明の光導波路型回折格子の第２実施形態の構成図である。
【図５】本発明の光ファイバ増幅器の実施形態の構成図である。
【図６】増幅用光ファイバから出力される光のスペクトルのグラフである。
【図７】図５の光導波路型回折格子の透過特性のグラフである。
【図８】光導波路型回折格子を介した光のスペクトルのグラフである。
【符号の説明】
１００，２００…光導波路型回折格子、１１０，２１０…光導波路部、１２０．２２０…クラッド部、１３０…基板、１１１，１１２，１１３，２１１，２１２，２１３…光導波路部、１１４，１１５，２１４，２１５…テーパ状光導波路部、３１０，３２０…光増幅部、３３１，３３２，３３３…光アイソレータ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical waveguide type diffraction grating used as a wavelength filter that selectively transmits light in a predetermined wavelength range, and an optical fiber amplifier using this optical waveguide type diffraction grating element.
[0002]
[Prior art]
With the progress of light utilization such as the advancement of optical communication, there is a need for a wavelength filter that has various transmission characteristics and selectively transmits a predetermined wavelength. Such optical components are preferably of a waveguide type from the viewpoint of efficient light transmission and optical coupling with other optical components.
[0003]
As an optical waveguide type wavelength filter, a part of an optical fiber or a planar optical waveguide, the refractive index is periodically changed along the light traveling direction (including both the period is the same and the period is slightly changed). An optical waveguide type diffraction grating in which a diffraction grating is formed is known.
[0004]
On the other hand, in an optical amplifier using a rare earth-doped amplification optical fiber, which is a waveguide type optical amplifier, when signal light travels through the amplification optical fiber, it is amplified by stimulated radiation, but at the same time, it is noise light. (Amplified Spontaneous Emission) Light is generated. For example, when an Er-doped optical fiber and excitation light having a wavelength of 1.48 μm are used, ASE light having a peak wavelength of 1.531 μm is generated when signal light in the 1.55 μm band is amplified.
[0005]
It has been proposed to use a wavelength filter using an optical waveguide type diffraction grating to remove such ASE light ("M. Kakui et al .: OFC'96 Technical Digest, WF3, pp118-119" Example 1), US Pat. No. 5,367,589 (hereinafter referred to as Conventional Example 2), etc.).
[0006]
In the prior art example 1, a so-called chirped optical waveguide type in which the period of the refractive index change in the light traveling direction gradually changes from the light added from the Er-doped amplification optical fiber and through the optical isolator. By passing through the diffraction grating, ASE light in the 1.53 μm band is removed.
[0007]
In the second conventional example, by passing through an optical waveguide type diffraction grating disposed on the downstream side of the Er-doped amplification optical fiber whose refractive index change period in the light traveling direction is several hundred μm, The ASE light in the 53 μm band is removed.
[0008]
In addition, a technology that changes the transmission characteristics of an optical waveguide type diffraction grating with a part of the diffraction grating and does not use a part of the light with the blocked wavelength as reflected light is described as "T. Komukai et al., ECOC ' 95, Proc., Mo.A.3.3, 1995 ”.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
Since the conventional optical fiber amplifier using the optical waveguide type diffraction grating is configured as described above, it has the following problems.
[0010]
In Conventional Example 1, the Bragg wavelength of the optical waveguide type diffraction grating is set to 1.53 μm band, and the change in transmittance on the long wavelength side and the short wavelength side of the non-transmission wavelength band is abrupt. By the way, the non-transmission characteristic of the 1.53 μm band light of the optical waveguide type diffraction grating whose Bragg wavelength is set to the 1.53 μm band is 100% of the light of the 1.53 μm band wavelength of the optical waveguide type diffraction grating. This is derived from the reflection characteristic of having a reflectance close to. That is, the light having a wavelength of 1.53 μm band that was not transmitted by the optical waveguide type diffraction grating employed in Conventional Example 1 is reflected by this optical waveguide type diffraction grating and travels in the opposite direction to the incident light.
[0011]
Therefore, if the optical fiber for amplification and the optical waveguide type diffraction grating are optically connected without using a directionally irreversible optical component such as an optical isolator, the same wavelength as that of the ASE light generated in the optical fiber for amplification is obtained. The light re-enters the amplification optical fiber.
[0012]
As a result of the incident light having the wavelength of the ASE light, stimulated radiation is generated in the amplification optical fiber, and the light having the same wavelength as the incident light is amplified, and a part of the light enters the optical waveguide type diffraction grating and is reflected. .
[0013]
Thus, oscillation of light having a wavelength of 1.53 μm band is generated between the amplification optical fiber and the optical waveguide type diffraction grating. When such oscillation occurs, most of the pumping energy supplied to the amplification optical fiber is consumed for amplification of light in the 1.53 μm wavelength derived from ASE, and signal light can be efficiently amplified. Can not be.
[0014]
That is, the optical waveguide type diffraction grating as the wavelength filter used in the conventional example 1 must be arranged immediately after the directionally irreversible optical component as in the conventional example 1, and the arrangement of the optical parts. There are the above restrictions.
[0015]
In Conventional Example 2, the refractive index of the optical waveguide type diffraction grating changes with a period several hundred times as long as the refractive index change period of the optical waveguide type diffraction grating of Conventional Example 1, so that the oscillation problem as in Conventional Example 1 occurs. Does not occur. However, since the period of change in refractive index is long, the change in transmittance with respect to the change in wavelength of light is gradual, and for the purpose of blocking light in the 1.53 μm band, even for light having a wavelength of 1540 nm or more It will have a blocking effect that cannot be ignored. Therefore, the wavelength range that can be used as the wavelength band of the signal light is narrowed.
[0016]
The present invention has been made in view of the above, and has a sharp cutoff characteristic on the long wavelength side and a gentle cutoff characteristic on the short wavelength side and reduces reflection of light having a cutoff wavelength. An object of the present invention is to provide an optical waveguide type diffraction grating.
[0017]
Another object of the present invention is to provide an optical fiber amplifier that efficiently amplifies signal light and efficiently removes and outputs ASE light.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The optical waveguide type diffraction grating according to claim 1 is (a) a first optical waveguide portion having a first sectional area, and (b) a second area having a smaller sectional area than the first area. In addition, the refractive index changes periodically along the direction of travel And for Bragg reflection of Bragg wavelength guided light A second optical waveguide section having a diffraction grating forming section; and (c) a third optical waveguide section whose cross section is substantially the same as the cross section perpendicular to the traveling direction of the first optical waveguide section; d) When the first optical waveguide portion and the second optical waveguide portion are optically coupled and the cross-sectional area gradually decreases from the first optical waveguide portion toward the second optical waveguide portion, (E) optically coupling the second optical waveguide portion and the third optical waveguide portion, and from the second optical waveguide portion toward the third optical waveguide portion, When the cross-sectional area gradually increases, a second tapered optical waveguide portion is provided.
[0019]
Here, (i) the first optical waveguide section, the second optical waveguide section, the third optical waveguide section, the first tapered optical waveguide section, and the second tapered optical waveguide section are the same. A planar optical waveguide formed on the substrate can be used, and (ii) a first optical waveguide section, a second optical waveguide section, a third optical waveguide section, and a first tapered optical waveguide. The waveguide portion and the second tapered optical waveguide portion may be fiber type optical waveguides.
[0020]
The optical waveguide portion refers to a core in which light mainly exists in a waveguide structure composed of a core and a clad.
[0021]
In the optical waveguide type diffraction grating according to the first aspect, the light is incident on the second optical waveguide portion sequentially through the first optical waveguide portion and the first tapered optical waveguide portion. The second optical waveguide has a diffraction grating forming portion, and the cross-sectional area of the second optical waveguide portion is set smaller than the cross-sectional area of the first optical waveguide portion.
[0022]
Therefore, the light traveling through the diffraction grating forming portion is shorter than the Bragg wavelength corresponding to the refractive index change period by the periodic change of the mode field diameter according to the periodic change of the refractive index in the diffraction grating forming portion. Thus, coupling with the radiation mode causes leakage from the optical waveguide portion.
[0023]
Such light leakage occurs only due to the presence of the diffraction grating forming portion. However, since the cross-sectional area of the second optical waveguide portion is set smaller than that of the first optical waveguide, light leakage to the waveguide portion is performed. The degree of confinement is reduced, and the degree of coupling with the radiation mode is increased and the leakage light intensity is higher than when the cross-sectional area is set to be substantially the same as that of the first optical waveguide.
[0024]
As a result, the cutoff characteristic on the shorter wavelength side than the Bragg wavelength according to the change period of the refractive index in the diffraction grating forming portion is improved. That is, the wavelength width of the non-transmitted light spreads to the shorter wavelength side than the Bragg wavelength corresponding to the refractive index change period. On the other hand, since the leaked light is not reflected light, it does not travel through the optical waveguide portion in the direction opposite to the traveling direction of the light.
[0025]
The light transmitted through the diffraction grating forming portion is output through the second tapered optical waveguide portion and the third optical waveguide portion sequentially.
[0026]
The optical waveguide portion of the optical waveguide type diffraction grating according to claim 1 can be realized by either a planar optical waveguide or a fiber type optical waveguide. However, when a planar optical waveguide is employed, the mask pattern is manipulated during etching. Therefore, the optical waveguide type diffraction grating of claim 1 can be easily manufactured.
[0027]
The optical waveguide type diffraction grating according to claim 4 is the optical waveguide type diffraction grating according to claim 1, wherein the length of the first tapered optical waveguide and the second tapered optical waveguide in the traveling direction is the first optical waveguide. It is characterized by being 50 times or more the outer diameter of the cross section perpendicular to the traveling direction of the part.
[0028]
When light travels through an optical waveguide having the same refractive index and varying cross-sectional area, the mode field diameter for the light changes as the light travels, so that loss due to mode conversion occurs. Such loss increases as the change rate of the mode field diameter increases.
[0029]
In the optical waveguide type diffraction grating according to claim 4, the length of the light travel direction of the first tapered optical waveguide and the second tapered optical waveguide is 50 times the outer diameter of the cross section of the first optical waveguide portion. As described above, since the rate of change of the mode field diameter is reduced, the optical loss due to the mode change is sufficiently reduced.
[0030]
2. The optical waveguide type diffraction grating according to claim 1, wherein the refractive index change period in the diffraction grating forming portion can be (i) substantially the same, and (ii) monotonously along the traveling direction. It is also possible to change continuously.
[0031]
In addition, when a 1.55 μm band signal light is amplified using an Er-doped amplification optical fiber and pump light having a wavelength of 1.48 μm, which is generally used at present, the peak wavelength is set to 1.531 μm. In order to effectively block the ASE light and avoid reflection of 1.531 μm light that is most likely to oscillate, the wavelength range of 1.54 μm or more is set to the wavelength band of signal light. The Bragg wavelength is preferably in the range from 1533 nm to 1540 nm.
[0032]
An optical fiber amplifier according to claim 7 is an optical fiber amplifier that inputs signal light, amplifies and outputs the signal light, and (a) amplifies and outputs light having the same wavelength as the input signal light. An optical fiber for amplification that generates ASE light having a peak wavelength shorter than the wavelength of (b), and (b) disposed in the optical path on the traveling direction side of the signal light from the output end of the signal light of the optical fiber for amplification An optical waveguide type diffraction grating, wherein the optical waveguide type diffraction grating comprises: (i) a first optical waveguide section whose cross-sectional area is a first area; and (ii) a second area smaller than the first area. And having a diffraction grating forming portion whose refractive index changes periodically along the traveling direction, the Bragg wavelength at the diffraction grating forming portion being shorter than the wavelength of the signal light, and the peak wavelength of the ASE light A second optical waveguide portion that is longer than (iii) the cross section of the first light A third optical waveguide portion having substantially the same shape as a cross section perpendicular to the traveling direction of the waveguide portion; (iv) optically coupling the first optical waveguide portion and the second optical waveguide portion; When the cross-sectional area gradually decreases from the first optical waveguide portion toward the second optical waveguide portion, the first tapered optical waveguide portion, and (v) the second optical waveguide portion and the third optical waveguide portion, And a second tapered optical waveguide portion when the cross-sectional area gradually increases from the second optical waveguide portion toward the third optical waveguide portion.
[0033]
In the optical fiber amplifier according to claim 7, the light including the amplified signal light and including the ASE light having a peak wavelength shorter than the wavelength of the signal light through the amplification optical fiber has a Bragg wavelength. The light enters the optical waveguide type diffraction grating according to claim 1 in which a diffraction grating shorter than the wavelength of the signal light and longer than the peak wavelength of the ASE light is formed.
[0034]
In an optical waveguide type diffraction grating as a wavelength filter, incident light is coupled to a radiation mode on a shorter wavelength side than the Bragg wavelength, and has a cutoff characteristic on a shorter wavelength side than the Bragg wavelength according to the change period of the refractive index in the diffraction grating forming portion. improves. That is, the wavelength width of the non-transmitted light spreads to the shorter wavelength side than the Bragg wavelength corresponding to the refractive index change period. As a result, the light having the peak wavelength of the ASE light is blocked not as reflected light but as leakage light. Since the leaked light is not reflected light, it does not travel through the optical waveguide portion in the direction opposite to the traveling direction of the light.
[0035]
That is, since the wavelength component shorter than the Bragg wavelength of the noise light including the light of the peak wavelength of the ASE light is not reflected, the direction irreversible like an optical isolator is provided between the amplification optical fiber and the optical waveguide type diffraction grating. Oscillation is effectively suppressed without using optical components.
[0036]
Therefore, the optical fiber amplifier according to claim 7 can ensure the optical amplification factor even if the optical fiber for amplification and the optical waveguide type diffraction grating are not provided with a irreversible optical component such as an optical isolator. However, the optical amplification result obtained by effectively blocking the ASE light is output.
[0037]
The optical fiber amplifier according to claim 8 is the optical fiber amplifier according to claim 7, wherein (i) the period of refractive index change in the optical waveguide type diffraction grating changes monotonously and continuously along the traveling direction of the signal light, (Ii) The side with the longer period of refractive index change is directed toward the lower side of the reflectance with respect to the upstream and downstream optical waveguide diffraction gratings in the signal light traveling direction as viewed from the optical waveguide diffraction grating. It is characterized by being.
[0038]
The coupling with the radiation mode in the optical waveguide type diffraction grating occurs on the shorter wavelength side than the Bragg wavelength. Therefore, when the refractive index change period in the optical waveguide type diffraction grating changes monotonously and continuously along the traveling direction of the signal light, it is shorter than the Bragg wavelength at each position of the diffraction grating forming portion. Combines with the radiation mode on the wavelength side, causing leakage light. In other words, the light traveling through the diffraction grating forming portion is blocked from light on the shorter wavelength side than the Bragg wavelength at that position, and the light traveling forward from that position is shorter than the Bragg wavelength at that position. The light intensity on the side is reduced.
[0039]
In the optical fiber amplifier according to the eighth aspect, the side having a long period of refractive index change has a reflectivity toward the upstream and downstream optical waveguide diffraction gratings in the traveling direction of the signal light as viewed from the optical waveguide diffraction grating. It faces the smaller side. Therefore, the light having the longest Bragg wavelength among the reflected light is reflected and combined with the radiation mode on the shorter wavelength side than the Bragg wavelength to become leaked light. That is, light having a shorter wavelength than the longest Bragg wavelength is reduced in intensity and travels through the waveguide.
[0040]
As a result, when the light having a shorter wavelength than the Bragg wavelength, which is the longest wavelength, reaches a position where the Bragg wavelengths coincide with each other, the intensity is reduced compared to when the reflected light is incident. Therefore, the amount of light reflected with the wavelength matching the Bragg wavelength is greatly reduced as the wavelength becomes shorter than when the reflected light is incident. In other words, the reflectance of the optical waveguide type diffraction grating as a whole decreases as the wavelength becomes shorter.
[0041]
Therefore, in the optical fiber amplifier according to the eighth aspect, since the wavelength of the light having the wavelength of the ASE light is efficiently reduced, the oscillation is effectively suppressed for the light having the wavelength in the wavelength range of the ASE light. The optical amplification result obtained by effectively blocking the ASE light is output while ensuring the above.
[0042]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of an optical waveguide type diffraction grating and an optical fiber amplifier according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0043]
(First embodiment of optical waveguide type diffraction grating)
FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment of an optical waveguide type diffraction grating according to the present invention. 1A is an overall view of the optical waveguide type diffraction grating 100 of the present embodiment, and FIG. 1B is a plan view of the optical waveguide portion 100 of the optical waveguide type diffraction grating 100 of the present embodiment.
[0044]
As shown in FIG. 1A, the optical waveguide type diffraction grating 100 includes (a) a substrate 130, (b) a clad portion 120 formed in the shape of the substrate 130, and (c) formed in the clad portion 120. The optical waveguide part (core part) 110 is provided.
[0045]
As shown in FIG. 1B, the optical waveguide section 110 includes (i) an optical waveguide section 111 having a cross-sectional area of area S1 (= ad), and (ii) an area S2 having a cross-sectional area smaller than the area S1 ( = Bd), and an optical waveguide portion 112 having a diffraction grating forming portion whose refractive index periodically changes along the traveling direction, and (iii) a cross section whose cross section is perpendicular to the traveling direction of the optical waveguide portion 111 And (iv) a tapered optical waveguide portion 114 having an area S1 at the boundary surface with the optical waveguide portion 111 and an area S2 at the boundary surface with the optical waveguide portion 112. And (v) a tapered optical waveguide portion 115 having an area S2 at the boundary surface with the optical waveguide portion 112 and an area S1 at the boundary surface with the optical waveguide portion 113.
[0046]
The optical waveguide type diffraction grating 100 of this embodiment can be easily manufactured by manipulating the mask pattern in the etching process for forming the optical waveguide portion 110.
[0047]
In the optical waveguide type diffraction grating 100 of this embodiment, light is incident on the optical waveguide unit 112 through the optical waveguide unit 111 and the tapered optical waveguide unit 114 in order. Note that the length c of the tapered optical waveguide portion 114 is 50 times the width a of the optical waveguide portion 111 in order to reduce optical loss due to mode conversion due to progress in the optical waveguide portion 111 and the tapered optical waveguide portion 114. It is preferable that it is the above length. Furthermore, the length c of the tapered optical waveguide portion 114 is more preferably 100 times longer than the width a of the optical waveguide portion 111.
[0048]
The optical waveguide 112 has a diffraction grating forming portion, and the cross-sectional area S2 of the optical waveguide portion 112 is set smaller than the cross-sectional area S1 of the optical waveguide portion 111.
[0049]
Therefore, the light traveling through the diffraction grating forming portion is shorter than the Bragg wavelength corresponding to the refractive index change period by the periodic change of the mode field diameter according to the periodic change of the refractive index in the diffraction grating forming portion. Thus, coupling with the radiation mode causes leakage from the optical waveguide portion 112.
[0050]
Such light leakage occurs only due to the presence of the diffraction grating forming portion, but since the cross-sectional area S2 of the optical waveguide portion 112 is set small, the degree of confinement of light in the optical waveguide portion 112 is reduced. In addition, the degree of coupling with the radiation mode becomes stronger and the leakage light intensity becomes higher than when the cross-sectional area perpendicular to the light traveling direction is set to the area S1.
[0051]
As a result, the cutoff characteristic on the shorter wavelength side than the Bragg wavelength according to the change period of the refractive index in the diffraction grating forming portion is improved. That is, the wavelength width of the non-transmitted light spreads to the shorter wavelength side than the Bragg wavelength corresponding to the refractive index change period. On the other hand, since the leaked light is not reflected light, it does not travel through the optical waveguide 112 and the optical waveguide 111 in the direction opposite to the traveling direction of the light.
[0052]
The light transmitted through the diffraction grating forming portion is output through the tapered optical waveguide portion 115 and the optical waveguide portion 113 in order.
[0053]
The period of refractive index change in the diffraction grating forming part of the optical waveguide part 112 can be (i) substantially the same, or (ii) can be changed monotonously and continuously along the traveling direction. Is possible.
[0054]
FIG. 2 is an explanatory diagram of transmission characteristics and reflection characteristics of the optical waveguide type diffraction grating 100 when the periods of refractive index change are substantially the same. FIG. 2A is a graph showing the wavelength dependence of transmittance, and FIG. 2B is a graph showing the wavelength dependence of reflectance. The Bragg wavelength at the diffraction grating forming part is λ ₀ Set to.
[0055]
As shown in FIG. 2A, the transmittance of the optical waveguide type diffraction grating 100 has a wavelength λ. ₀ Then, the transmittance becomes substantially zero and the wavelength λ ₀ The wavelength changes rapidly on the longer wavelength side, while the wavelength λ ₀ On the shorter wavelength side, it is confirmed that it changes gradually as a result of coupling with the radiation mode.
[0056]
As shown in FIG. 2B, the reflectance of the optical waveguide type diffraction grating 100 has a wavelength λ. ₀ Then, the reflectance is approximately 1, and the wavelength λ ₀ It is confirmed that the wavelength changes rapidly on the longer wavelength side and the shorter wavelength side.
[0057]
That is, the wavelength λ ₀ The blocking of light in the vicinity is due to reflection, and the wavelength λ ₀ It is confirmed that the cutoff on the shorter wavelength side is due to the coupling with the radiation mode.
[0058]
FIG. 3 shows the transmission characteristics and reflection characteristics of the optical waveguide type diffraction grating 100 when the period of refractive index change in the diffraction grating forming part of the optical waveguide part 112 changes monotonously and continuously along the light traveling direction. It is explanatory drawing. FIG. 3A is a graph showing the wavelength dependence of transmittance, and FIGS. 3B and 3C are graphs showing the wavelength dependence of reflectance. The Bragg wavelength at the diffraction grating forming part is λ ₁ ~ Λ ₂ (Λ ₁ <Λ ₂ ) To change continuously.
[0059]
As shown in FIG. 3A, the transmittance of the optical waveguide type diffraction grating 100 has a wavelength λ. ₁ ~ Λ ₂ Then, the transmittance becomes substantially zero and the wavelength λ ₂ The wavelength changes rapidly on the longer wavelength side, while the wavelength λ ₁ On the shorter wavelength side, it is confirmed that it changes gradually as a result of coupling with the radiation mode.
[0060]
FIG. 3B shows the short wavelength side of the Bragg wavelength of the diffraction grating forming portion (that is, the Bragg wavelength is λ). ₁ It is a graph which shows the wavelength dependence of a reflectance in the case where light injects from this side. As shown in FIG. 3B, the reflectance of the optical waveguide type diffraction grating 100 has a wavelength λ. ₁ ~ Λ ₂ Then, the reflectance is approximately 1, and the wavelength λ ₂ Longer wavelength side and wavelength λ ₁ It changes abruptly on the shorter wavelength side. Since the coupling with the radiation mode in the diffraction grating forming part of light occurs at a wavelength shorter than the Bragg wavelength at each position, the light having a wavelength matching the longer Bragg wavelength existing in the traveling direction is coupled with the radiation mode. It progresses with the intensity at the time of incidence. Therefore, the wavelength λ ₁ ~ Λ ₂ Then, the reflectivity is about 1.
[0061]
FIG. 3 (c) shows the long wavelength side of the Bragg wavelength of the diffraction grating forming part (that is, the Bragg wavelength is λ). ₂ It is a graph which shows the wavelength dependence of a reflectance in the case where light injects from this side. As shown in FIG. 3C, the reflectance of the optical waveguide type diffraction grating 100 has a wavelength λ. ₂ Then, the reflectance is approximately 1, and the wavelength λ ₂ As the wavelength changes more rapidly on the longer wavelength side, the wavelength λ ₂ It changes gradually on the shorter wavelength side. Since the coupling with the radiation mode in the diffraction grating forming part of the light occurs at a wavelength shorter than the Bragg wavelength at each position, the light having a wavelength matching the longer Bragg wavelength existing in the traveling direction is coupled with the radiation mode. The intensity decreases with progress. Therefore, the wavelength λ ₂ On the shorter wavelength side, the reflectance changes gradually.
[0062]
(Second Embodiment of Optical Waveguide Diffraction Grating)
FIG. 4 is a configuration diagram of the first embodiment of the optical waveguide type diffraction grating of the present invention. FIG. 4A shows an overall view of the optical waveguide type diffraction grating 200 of the present embodiment, and FIG. 4B shows a configuration of the optical waveguide section 210 of the optical waveguide type diffraction grating 200 of the present embodiment.
[0063]
As shown in FIG. 4A, this optical waveguide type diffraction grating 200 includes (a) an optical waveguide part (core part) 210 that guides light, and (b) a clad formed around the optical waveguide part 210. Part 220.
[0064]
As shown in FIG. 4B, the optical waveguide section 210 has (i) a cross-sectional area of area S1 (= πa ² ) And (ii) an area S2 (= πb) whose cross-sectional area is smaller than the area S1. ² ) And an optical waveguide part 212 having a diffraction grating forming part whose refractive index changes periodically along the traveling direction, and (iii) a cross-section that is substantially the same as the cross section perpendicular to the traveling direction of the optical waveguide part 211. An optical waveguide portion 213 having the same shape; and (iv) a tapered optical waveguide portion 214 having an area S1 at the boundary surface with the optical waveguide portion 211 and an area S2 at the boundary surface with the optical waveguide portion 212; (V) The boundary surface with the optical waveguide portion 212 has an area S2, and the boundary surface with the optical waveguide portion 213 includes a tapered optical waveguide portion 215 having an area S1.
[0065]
The optical waveguide type diffraction grating 200 of the present embodiment irradiates the interference fringes of ultraviolet light after joining a plurality of optical fibers or heating and stretching one optical fiber when forming the optical waveguide section 210. Can be easily manufactured.
[0066]
In the optical waveguide type diffraction grating 200 of the present embodiment, light is incident on the optical waveguide section 212 through the optical waveguide section 211 and the tapered optical waveguide section 214 sequentially, as in the first embodiment. As in the first embodiment, the length c of the tapered optical waveguide section 214 is set to be equal to the optical waveguide section in order to reduce optical loss due to mode conversion due to the progress in the optical waveguide section 211 and the tapered optical waveguide section 214. The length is preferably 50 times longer than the width a of 111. Furthermore, the length c of the tapered optical waveguide portion 114 is more preferably 100 times longer than the width a of the optical waveguide portion 111.
[0067]
As in the first embodiment, the optical waveguide 212 has a diffraction grating forming portion, and the cross-sectional area S2 of the optical waveguide portion 212 is set smaller than the cross-sectional area S1 of the optical waveguide portion 211.
[0068]
Therefore, the light traveling through the diffraction grating forming portion is shorter than the Bragg wavelength corresponding to the refractive index change period by the periodic change of the mode field diameter according to the periodic change of the refractive index in the diffraction grating forming portion. Thus, coupling with the radiation mode causes leakage from the optical waveguide section 212.
[0069]
Such light leakage occurs only due to the presence of the diffraction grating forming portion, but since the cross-sectional area S2 of the optical waveguide portion 212 is set small, the degree of light confinement in the optical waveguide portion 112 is reduced. Thus, the degree of coupling with the radiation mode is increased and the leakage light intensity is higher than when the cross-sectional area perpendicular to the light traveling direction is set to the area S1.
[0070]
As a result, as in the first embodiment, the cutoff characteristic on the shorter wavelength side than the Bragg wavelength according to the refractive index change period in the diffraction grating forming portion is improved. That is, the wavelength width of the non-transmitted light spreads to the shorter wavelength side than the Bragg wavelength corresponding to the refractive index change period. On the other hand, since the leaked light is not reflected light, it does not travel through the optical waveguide section 212 and the optical waveguide section 211 in the direction opposite to the traveling direction of the light.
[0071]
The light transmitted through the diffraction grating forming portion is output sequentially through the tapered optical waveguide portion 215 and the optical waveguide portion 213.
[0072]
The period of the refractive index change in the diffraction grating forming part of the optical waveguide part 212 can be (i) substantially the same as in the first embodiment, and (ii) along the light traveling direction. It is also possible to change monotonically and continuously.
[0073]
When the refractive index change period is substantially the same, the characteristics are the same as in FIG. 2. When the refractive index change period changes monotonously and continuously along the light traveling direction, the same as in FIG. With the characteristic of blocking or reflecting light.
[0074]
(Embodiment of optical fiber amplifier)
FIG. 5 is a configuration diagram of an embodiment of the optical fiber amplifier of the present invention. As shown in FIG. 5, this apparatus (a) inputs signal light from the first terminal and outputs it from the second terminal, and outputs light input from the second terminal from the first terminal. Optical isolator 331, (b) optical amplifying unit 310 for inputting and amplifying signal light output from the second terminal of optical isolator 331, and (c) light output from optical amplifying unit 310 Is input from the first terminal and output from the second terminal, and light input from the second terminal is not output from the first terminal, and (d) is output from the optical isolator 332 An optical waveguide type diffraction grating 100 as a wavelength filter that inputs light and removes and outputs a part of the ASE light generated in the optical amplification unit 310; and (e) a signal output from the optical waveguide type diffraction grating 100 Light input and amplification And (f) the light output from the optical amplifier 320 is input from the first terminal and output from the second terminal, and the light input from the second terminal is the first And an optical isolator 333 that does not output from the terminal.
[0075]
The optical amplification unit 310 includes (i) an amplification optical fiber 311 to which erbium is added, (ii) a pumping unit 312 that generates pumping light to be supplied to the amplification optical fiber 311, and (iii) an amplification optical fiber 311. And an optical coupler 313 that guides the pumping light to the amplification optical fiber 311.
[0076]
The optical amplification unit 320 includes (i) an amplification optical fiber 321 to which erbium is added, (ii) an excitation unit 322 that generates excitation light to be supplied to the amplification optical fiber 321, and (iii) an optical waveguide type diffraction grating. An optical coupler 323 that guides the light through 100 to the amplification fiber 321 and guides the excitation light to the amplification optical fiber 321 is provided.
[0077]
The optical waveguide type diffraction grating 100 employs a structure in which the period of refractive index change in the diffraction grating forming portion changes monotonously and continuously along the traveling direction of light, and the optical isolator 332 side to the short wavelength side, The optical amplification unit 320 side was set to the long wavelength side. Note that the Bragg wavelength of the optical waveguide type diffraction grating 100 is changed in the range of 1533 nm to 1540 nm.
[0078]
Note that the signal light in this embodiment is in the 1.55 μm band whose wavelength is longer than 1540 nm.
[0079]
In the optical fiber amplifier of the present embodiment, signal light is input to the optical amplifying unit 310 via the optical isolator 331, amplified and output. FIG. 6 is a graph showing a spectrum of light output from the optical amplification unit 310.
[0080]
As shown in FIG. 6, the optical amplifying unit 310 includes ASE light having a peak wavelength at 1531 nm in addition to 1.55 μm band signal light. The light having the spectrum shown in FIG. 6 is output from the optical amplification unit 310 and input to the optical waveguide type diffraction grating 100 via the optical isolator 332.
[0081]
FIG. 7 is a graph showing the transmission characteristics of the optical waveguide type diffraction grating 100 of the present embodiment. As shown in FIG. 7, the optical waveguide type diffraction grating 100 exhibits substantially zero transmittance for light having a wavelength of 1533 to 1540 nm, and also has a blocking characteristic for light having a wavelength shorter than 1533 nm. By passing through the optical waveguide type diffraction grating 100, the light of the spectrum from which the component of the ASE light having a wavelength of 1540 nm or less as shown in FIG. Then, the signal light is amplified and output via the optical isolator 333.
[0082]
By the way, since the optical isolator 332 is arranged on the upstream side of the optical waveguide type diffraction grating 100, the reflected light is small and there is no fear of causing an oscillation problem. On the other hand, on the downstream side, oscillation may occur due to Rayleigh scattering in the amplification optical fiber 321.
[0083]
In the apparatus of the present embodiment, since the optical amplification unit 320 side of the optical waveguide type diffraction grating 100 is set to be the long wavelength side of the Bragg wavelength, the reflection characteristics are the same as in FIG. Therefore, the reflection of light having a wavelength corresponding to the short portion of the Bragg wavelength is reduced by leakage of light from the optical waveguide in the radiation mode at a position where the Bragg wavelength is long. That is, oscillation is effectively suppressed.
[0084]
As described above, in the optical fiber amplifier of this embodiment, while efficiently removing ASE light, oscillation at the wavelength of ASE light is suppressed, and optical amplification is efficiently performed.
[0085]
The present invention is not limited to the above-described embodiment and can be modified. For example, in the embodiment of the optical fiber amplifier, the optical waveguide type diffraction grating is a planar optical waveguide type, but the same effect can be obtained even if a fiber type optical waveguide type is adopted. The range of change of the Bragg wavelength is not limited to the above embodiment, and can be set each time depending on the wavelength to be blocked and the wavelength that is not reflected.
[0086]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the optical waveguide type diffraction grating of the present invention, the cross-sectional area of the optical waveguide in the traveling direction of light is reduced in the middle of the optical waveguide to reduce the light confinement and the cross-sectional area. Since the diffraction grating is formed by periodically changing the refractive index along the light traveling direction, the coupling with the radiation mode is efficiently generated on the shorter wavelength side than the Bragg wavelength of the diffraction grating. In addition, it is possible to realize a wavelength filter that is sharp on the long wavelength side of the Bragg wavelength and has a gradual change cutoff characteristic on the short wavelength side and that does not reflect other than the Bragg wavelength.
[0087]
Further, according to the optical fiber amplifier of the present invention, since the optical waveguide type diffraction grating of the present invention is used for blocking ASE light, generation of oscillation is suppressed, and the ASE light is effectively blocked, thereby improving efficiency. Optical amplification can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment of an optical waveguide type diffraction grating according to the present invention.
FIG. 2 is a graph of transmission characteristics and reflection characteristics when the period of refractive index change is substantially constant.
FIG. 3 is a graph of transmission characteristics and reflection characteristics when the period of refractive index change changes monotonously and continuously.
FIG. 4 is a configuration diagram of a second embodiment of the optical waveguide type diffraction grating of the present invention.
FIG. 5 is a configuration diagram of an embodiment of an optical fiber amplifier of the present invention.
FIG. 6 is a graph of a spectrum of light output from an amplification optical fiber.
7 is a graph of transmission characteristics of the optical waveguide type diffraction grating of FIG.
FIG. 8 is a graph of light spectrum through an optical waveguide type diffraction grating.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100,200 ... Optical waveguide type diffraction grating, 110, 210 ... Optical waveguide part, 120.220 ... Cladding part, 130 ... Substrate, 111, 112, 113, 211, 212, 213 ... Optical waveguide part, 114, 115, 214 , 215... Tapered optical waveguide section, 310, 320... Optical amplification section, 331, 332, 333.

Claims

A first optical waveguide portion having a cross-sectional area of a first area;
With the cross-sectional area is smaller second area than the first area, along the light traveling direction, is periodically changed refractive index, have a Bragg wavelength, the Bragg reflected guided light of Bragg wavelength A second optical waveguide portion having a diffraction grating forming portion for
A third optical waveguide portion whose cross section is substantially the same shape as the cross section perpendicular to the traveling direction of the first optical waveguide portion;
The first optical waveguide portion and the second optical waveguide portion are optically coupled, and the cross-sectional area gradually decreases from the first optical waveguide portion toward the second optical waveguide portion. A first tapered optical waveguide portion;
The second optical waveguide portion and the third optical waveguide portion are optically coupled, and a cross-sectional area gradually increases from the second optical waveguide portion toward the third optical waveguide portion. A second tapered optical waveguide portion;
An optical waveguide type diffraction grating comprising:

The first optical waveguide section, the second optical waveguide section, the third optical waveguide section, the first tapered optical waveguide section, and the second tapered optical waveguide section are on the same substrate. The optical waveguide type diffraction grating according to claim 1, wherein the optical waveguide type diffraction grating is a planar optical waveguide formed on the surface.

The first optical waveguide portion, the second optical waveguide portion, the third optical waveguide portion, the first tapered optical waveguide portion, and the second tapered optical waveguide portion are made of fiber type light. 2. The optical waveguide type diffraction grating according to claim 1, wherein the optical waveguide type diffraction grating is a waveguide.

The length of the first tapered optical waveguide portion and the second tapered optical waveguide portion in the traveling direction is at least 50 times the outer diameter of the cross section perpendicular to the traveling direction of the first optical waveguide portion. The optical waveguide type diffraction grating according to claim 1, wherein:

2. The period of refractive index change in the diffraction grating forming portion is either substantially the same or monotonically and continuously changing along the traveling direction. Optical waveguide type diffraction grating.

6. The optical waveguide type diffraction grating according to claim 5, wherein the Bragg wavelength of the diffraction grating forming portion is not less than 1533 nm and not more than 1540 nm.

An optical fiber amplifier that inputs, amplifies and outputs signal light,
An amplification optical fiber that amplifies and outputs light having the same wavelength as the input signal light and generates ASE light having a peak wavelength shorter than the wavelength of the signal light;
An optical waveguide type diffraction grating disposed in the optical path on the traveling direction side of the signal light from the signal light output end of the amplification optical fiber;
The optical waveguide type diffraction grating is:
A first optical waveguide portion having a cross-sectional area of a first area;
A cross-sectional area is a second area smaller than the first area, and has a diffraction grating forming portion whose refractive index periodically changes along the light traveling direction, and Bragg in the diffraction grating forming portion. A second optical waveguide portion having a wavelength shorter than the wavelength of the signal light and longer than the peak wavelength of the ASE light;
A third optical waveguide portion whose cross section is substantially the same shape as the cross section perpendicular to the traveling direction of the first optical waveguide portion;
The first optical waveguide portion and the second optical waveguide portion are optically coupled, and the cross-sectional area gradually decreases from the first optical waveguide portion toward the second optical waveguide portion. A first tapered optical waveguide portion;
The second optical waveguide portion and the third optical waveguide portion are optically coupled, and a cross-sectional area gradually increases from the second optical waveguide portion toward the third optical waveguide portion. A second tapered optical waveguide portion;
An optical fiber amplifier comprising:

In the optical waveguide type diffraction grating, the period of refractive index change varies monotonously and continuously along the traveling direction,
The side where the period of the refractive index change is long is directed to the upstream side in the traveling direction of the signal light and the downstream side where the reflectance toward the optical waveguide type diffraction grating is smaller as viewed from the optical waveguide type diffraction grating. Yes,
The optical fiber amplifier according to claim 7.