JP4041361B2 - 光増輻器モジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光増幅器モジュールに関し、より詳細には、発振光の偏波間のモードホップを抑制可能で、かつ、小型化・集積化が可能なゲインクランプ型光増幅器モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光増幅器は光通信システムを構築する際の不可欠の要素部品であり、ファイバ増幅器に加え、最近では、小型化・集積化や、スイッチ、波長変換など各種の応用を目的として、半導体光増幅器や平面導波路型光増幅器の検討が進んでいる。
【０００３】
一方で、これらの光増幅器を利用する際に生じる非線形性が問題とされる場合がある。たとえば、波長ルーティング等により入力波長数がダイナミックに増減するシステムに光増幅器を適用する場合には、光増幅器の非線形性によって生じる各信号光のレベル変動が問題となる。さらに、キャリア応答速度の速い半導体光増輻器では、信号波形の劣化や複数の波長の光を増幅する際の信号成分のクロストークといった深刻な問題が指摘されている。
【０００４】
これらの問題を解決するために、ゲインクランプと呼ばれる手法が提案されている。この方法は、光増幅器を発振させてキャリア密度を一定に保つことにより、線形な増幅動作を得るものである。
【０００５】
図９は、従来検討されているゲインクランプ型光増幅器の構成例を説明するための図で、図９（ａ）はファイバ増幅器としてよく用いられる構成であり、リング状のフィードバックループ９１を付加することによって発振動作を実現している。また、図９（ｂ）は半導体光増幅器（ＳＯＡ）の構成例で、ＳＯＡ活性領域９２の両側にブラッググレーティング９３を形成した領域をモノリシックに集積して光ファイバ９４に接続することによってゲインクランプ動作を実現している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
光増幅器において安定なゲインクランプ動作を得るためには、発振モードの安定化が不可欠である。これは、入力信号光の強度や使用環境の温度などの変化によって発振モード間でモードホップが生じると雑音が発生してしまうためである。このようなモードホップを抑制して安定な発振を実現するために、図９（ａ）に示した構成のファイバ増幅器では、リング状共振器を偏波保持系とするとともに、狭帯域光フィルタ９５、偏光子９６、サーキュレータ９７を用いて、単一方向、単一偏波、単一波長による発振動作を達成している。
【０００７】
しかしながら、このようなファイバを用いたリング構成は、一般に共振器長が長くなり、フィルタの帯域幅に対して縦モード間隔が極めて狭くなるため、隣接縦モード間のモードホップが生じやすいことに加え、小型化・集積化が困難であるなどの問題がある。
【０００８】
一方、図９（ｂ）に示した構成の半導体光増幅器（ＳＯＡ）は、一般に、数１００μｍから１ｍｍ程度と小型であり、かつ、ＤＢＲ反射器による共振器構成を採用しているために共振器長が充分短い。このため、発振縦モード間のモードホップを充分に抑制することが可能であるとともに、極めて小型に構成できることから小型化・集積化にも適している。
【０００９】
しかしながら、このＳＯＡの構成でモードホップを完全に抑えることは困難である。すなわち、図９（ｂ）で示した構成では偏波モードの選択がなされていないため、偏波モード間のモードホップが発生してしまうという問題がある。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、発振光の偏波モード間のモードホップの抑制を可能とし、安定で小型化・集積化が可能なゲインクランプ型光増幅器モジュールを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、光増幅器の入力側および出力側に各々第１および第２のグレーティングが設けられたゲインクランプ型光増幅器モジュールであって、前記光増幅器と、前記光増幅器の前記入力側に接続された入力光導波路と、前記光増幅器の前記出力側に接続された出力光導波路と、前記入力光導波路の前記光増幅器の近傍の位置に配置された前記第１のグレーティングと、前記出力光導波路の前記光増幅器の近傍の位置に配置された前記第２のグレーティングとを備え、前記第１および第２のグレーティングの間の前記光増幅器、前記入力光導波路および前記出力用導波路は、前記第１および第２のグレーティングとともに共振器を構成し、前記第１および第２のグレーティングの光反射中心波長が、一方の偏波に対しては概ね等しく、かつ、他方の偏波に対しては異なるように設定されていることにより、前記一方の偏波に対する前記光反射中心波長における反射率の積は、前記他方の偏波に対する前記光反射中心波長における反射率の積に比して大きく設定されて前記一方の偏波でのみ発振することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のゲインクランプ型光増幅器モジュールにおいて、前記入力光導波路および前記出力光導波路が石英系平面光導波路であり、前記第１および第２のグレーティングの少なくとも一方が、紫外光照射によって生じる石英系平面光導波路の屈折率変化を利用したＵＶグレーティングであることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のゲインクランプ型光増幅器モジュールにおいて、前記第１および第２のグレーティングは、前記石英系平面光導波路に形成された第１および第２のＵＶグレーティングであり、当該第１および第２のＵＶグレーティングが形成される前記石英系平面光導波路の領域のコア幅が互いに異なることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のゲインクランプ型光増幅器モジュールにおいて、前記第１および第２のグレーティングの少なくとも一方は、偏波保持光ファイバに設けられており、かつ、直交する偏波に対して異なる光反射中心波長を有するＵＶグレーティングであることを特徴とする。
【００１６】
さらに、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れかに記載のゲインクランプ型光増幅器モジュールにおいて、前記光増幅器が半導体光増幅器であることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ本発明の光増幅器モジュールの具体的な実施の形態について説明を行う。
（実施例１）
図１は、本発明の光増幅器モジュールの第１の構成例を説明するための図で、この光増幅器モジュールは、光増幅部である半導体光増幅器（ＳＯＡ）素子１１の両端の各々に、紫外光照射による屈折率変化を利用した第１のＵＶグレーティング１３および第２のＵＶグレーティング１４が描画された石英系の平面光導波路１２が接続されており、この石英系光導波路１２の両端の各々は光ファイバ１５に接続されている。
【００１８】
すなわち、この光増幅器モジュールでは、ＳＯＡ１１と石英系光導波路１２とでキャビティを構成し、第１および第２のＵＶグレーティング１３、１４間で構成された共振器によって発振動作を可能としてゲインクランプＳＯＡモジュールとして動作する構成がとられている。
【００１９】
このようなモジュールの構造は、例えばハイブリッド集積技術を用いることで容易に実現可能であり、Ｓｉ基板上に形成した石英系光導波路アレイの中間部にエッチングにより素子搭載領域を設け、その領域にＳＯＡ素子をフリップチップ実装すればよい。
【００２０】
本発明の光増幅器モジュールの特微は、ＵＶグレーティング１３、１４の反射中心波長にあえて大きな偏波依存性をもたせ、かつ、２つのＵＶグレーティング１３、１４の反射率の積が、所定の偏波に対しては大きく、この偏波と直交する偏波に対しては小さくなるように設定した点にある。
【００２１】
図２は、図１に示した本発明の光増幅器モジュールのＵＶグレーティング反射中心波長を説明するための図で、第１のＵＶグレーティング１３はＴＥモードに対する反射中心波長がλ１、ＴＭモードに対する反射中心波長がλ２に設定される一方、第２のＵＶグレーティング１４は、ＴＥモードに対する反射中心波長がλ１、ＴＭモードに対する反射中心波長がλ３に設定されている。
【００２２】
このようにＵＶグレーティング反射中心波長を設定すると、ＴＥモードに対しては波長λ１において第１および第２のＵＶグレーティングの反射率の積が大きくなる一方、ＴＭモードに対してはλ２、λ３のいずれの波長に対しても反射率の積が充分に小さくなるため、ＴＥモードでのみ安定に発振し、偏波モード間のモードホップを効果的に抑制することができる。
【００２３】
なお、ＴＥモードとＴＭモードに対する反射中心波長の選び方は、上述した中心波長の選択に限定されるものではなく、所定の偏波に対して２つのＵＶグレーティングの反射中心波長が概ね一致し、これと直交する偏波に対しては反射率の積が充分に小さくなるように設定すればよい。
【００２４】
このような反射中心波長の設定は、平面光導波路におけるＵＶグレーティングの偏波依存性の性質を利用することで実現できる。一般に、ＵＶグレーティングに偏波依存性をもたせるためには非等方的にＵＶ照射する等してグレーティング形成方法を工夫することが知られているが、とりわけ石英系平面光導波路の場合には、ＵＶ照射の非等方性に加え、光導波路自体の複屈析性によって大きな偏波依存性が得られることが知られている。さらに、ＵＶグレーティング形成条件を工夫することにより、ＴＥモードとＴＭモードの各々に対する反射中心波長を独立して制御することも可能である（例えば、Ｊ．Ａｌｂｅｒｔ，ｅｔ．ａｌ．，“Ｐｏｌａｒｉｓａｔｉｏｎ−ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｓｔｒｏｎｇ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｉｎ ｐｌａｎａｒ ｌｉｇｈｔｗａｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔｓ，”Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．３４，ｐｐ．４８５−４８６，１９９８．）。
【００２５】
以下に、図３を用いて図１に示した構成の本発明の光増幅器モジュールのＵＶグレーティング反射中心波長の設定方法の例を具体的に説明する。
【００２６】
図３（ａ）は第１のＵＶグレーティングにおけるＵＶ照射時間とＴＥモードおよびＴＭモードに対する反射中心波長との関係例を示す図である。各偏波に対する中心波長はＵＶ照射時間に対して異なる依存性を示し、ここに示した例では、ＵＶ照射時間Ｔ１０でＴＥモードとＴＭモードに中心波長が交差している。
【００２７】
光増幅器モジュールが偏波依存性を有することが好ましくない場合にはＵＶ照射時間をＴ１０と設定してＴＥモードとＴＭモードの中心波長を等しくして偏波無依存化を図るが、本発明の光増幅器モジュールでは、あえて、ＴＥモードの中心波長がλ１、ＴＭモードの中心波長がλ２となるＵＶ照射時間であるＴ１１を選択して偏波依存性をもたせている。
【００２８】
また、図３（ｂ）は第２のＵＶグレーティングにおけるＵＶ照射時間とＴＥモードおよびＴＭモードに対する反射中心波長との関係例を示す図で、第１のＵＶグレーティングとは中心波長の異なるフェーズマスクを用い、かつ、図中のＴ２１のＵＶ照射時間を選択してＴＥモードの中心波長がλ１、ＴＭモードの中心波長がλ３となるように偏波依存性をもたせている。
【００２９】
なお、本発明の光増幅器モジュールが備える光増幅部をＳＯＡとして説明してきたが、光増幅器はこれに限定されるものではなく、例えば希土類を添加した導波路型光増幅器であってもよい。
【００３０】
また、共振器を紫外光照射によって生じる石英系平面光導波路の屈折率変化を利用したＵＶグレーティングで構成することとして説明してきたが、他のグレーティングで共振器を構成することとしてもよい。
【００３１】
さらに、入出力グレーティングの双方をＵＶグレーティングとして説明してきたが、何れか一方をＵＶグレーティングとするようにしてもよい。
【００３２】
（実施例２）
図４は、本発明の光増幅器モジュールの第２の構成例を説明するための図で、この図において、図１で示した光増幅器モジュールと同じ構成要素には同じ符号を付している。この光増幅器モジュールは第１の構成例とほぼ同様の構成となっているが、ＵＶグレーティング１３、１４を形成する光導波路１２の領域のコア１６の幅を、入力側と出力側とで異なるように設定している点が特徴である。
【００３３】
上述したように、石英系光導波路は一般に複屈折性を有するが、この値は光導波路のコア幅にも依存することが知られている（例えば、Y.Hashizume, et al., "Integrated polarization beam splitter using waveguide birefringence dependence on waveguide core width," Electron. Lett., vol. 37, no. 25, pp. 1517-1518, 2001.）。この現象を利用すれば、コア幅を適切な値に設定することによってより大きな複屈折性を得ることができるため、直交する偏波間でより大きな反射中心波長差を有するＵＶグレーティングを容易に実現することが可能である。図４に示した構成の光増幅器モジュールは石英系光導波路のこの特性を応用したものである。
【００３４】
図５は、図４に示した構成の光増幅器モジュールのＵＶグレーティング反射中心波長を説明するための図で、第１のＵＶグレーティング１３はＴＥモードに対する反射中心波長がλ１、ＴＭモードに対する反射中心波長がλ２に設定される一方、第２のＵＶグレーティング１４は、ＴＥモードに対する反射中心波長がλ１、ＴＭモードに対する反射中心波長がλ３に設定されている。
【００３５】
すなわち、図４に示した構成の光増幅器モジュールでは、第１のＵＶグレーティング１３および第２のＵＶグレーティング１４を描画する領域の光導波路のコア幅を異なるように設定することにより、一方の偏波に対してＵＶグレーティング１３、１４間で大きな中心波長差をもたせ、これにより発振モードの偏波選択性を向上させている。
【００３６】
図６は、このようなＵＶグレーティングの中心波長設定について説明するための図で、ここではＵＶグレーティング１４を描画する領域の光導波路コア幅を、ＵＶグレーティング１３に対するコア幅よりも広く設定した例を示している。
【００３７】
ここで、ＵＶグレーティング１３におけるＵＶ照射時間とＴＥおよびＴＭ偏波に対する中心波長の関係は実施例１で述べたのと同様である。一方、ＵＶグレーティング１４ではコア幅を広く設定して光導波路の複屈折性を大きくしてあるために、初期値において反射中心波長差が格段に大きい。これにより、ＵＶグレーティング１３、１４におけるＴＭ偏波に対する反射中心波長差を大きく設定することが極めて容易となる。
【００３８】
すなわち、実施例１では、主としてＵＶグレーティングに起因する複屈折性の変化（照射時間に対する傾き）を利用しているために、２つのＵＶグレーティングの反射中心波長差を充分大きくなるように設定するためには、ＵＶ照射時間に大きな差をもたせることが主たる手段となるのに対し、本実施例では２つのＵＶグレーティング間で複屈折の初期値に大きな差を設けることが可能となり、短いＵＶ照射時間でも所望の中心波長設定が実現できるという利点がある。
【００３９】
例えば、図６に示すように、ＵＶ照射時間をＵＶグレーティング１３、１４に対してそれぞれＴ１２、Ｔ２２と短い時間に設定すると、この図から明らかなように、複屈折の初期値に大きな差を設けたことによって、ＵＶ照射時間設定の自由度が実施例１の図３と比べて格段に向上する。
【００４０】
ＵＶグレーティングを実際に設計・製造するうえでは、反射中心波長のみならず反射率や透過帯域幅も重要なファクタ（特性）であり、これらはいずれもＵＶ照射量（照射時間）に依存する。したがって、本実施例のようにＵＶ照射時間設定の自由度を確保することは極めて重要であり、実用に際しては所望の特性を得るようにコア幅とＵＶ照射時間の両方を適切に設計することが望ましい。
【００４１】
本実施例のように異なるコア幅を用いる構成は、上記の他にも以下のような効果がある。例えば、ＵＶグレーティング１３、１４を形成するための位相マスクを共通化することも可能になる。実施例１の構成では、いずれか一方の偏波に対する反射中心波長を一致させて他方の偏波に対する反射中心波長に大きな差を設けるためには、ＵＶグレーティング１３、１４で異なる位相マスクを用意することが必要になる。しかしながら、本実施例２ではＵＶグレーティング１３、１４に対する光導波路の複屈折をあらかじめ大きな差を設けてあるため、同一の位相マスクを用いることが可能である。
【００４２】
コア幅を変化させると、実効屈折率やＵＶ照射時間に対する中心波長変化量にも若干の変化が生じるものの、複屈折の変化量の方がはるかに大きいために位相マスクの共通化が可能となるのである。
【００４３】
（実施例３）
図７は、本発明の光増幅器モジュールの第３の構成例を説明するための図で、図１で示した光増幅器モジュールと同じ構成要素には同じ符号を付している。この光増幅器モジュールは、半導体光増幅器１１の入出力光導波路として偏波保持光ファイバ１７、１８を用い、反射共振手段としてこの偏波保持光ファイバに形成した、直交する偏波に対して異なる光反射中心波長を有するＵＶグレーティング１３、１４を用いる構成である。
【００４４】
ここで、ＵＶグレーティング１３、１４は、偏波保持光ファイバ１７、１８の遅軸、速軸に対応する２つの偏波に対して反射中心波長を充分に離れた値に設定されている。上述したように、光ファイバにおいてもＵＶ照射方法を工夫することにより中心波長の偏波依存性を得ることができるが、偏波保持光ファイバ１７、１８を用いればもともと大きな複屈折性を有するため大きな中心波長差を得ることが容易である。
【００４５】
図８は、図７に示した構成の光増幅器モジュールのＵＶグレーティング反射中心波長を説明するための図で、偏波保持光ファイバ１７は遅軸、速軸について中心波長をそれぞれλ１、λ２とし、偏波保持光ファイバ１８は同様にλ２、λ３と設定されている。こうした設定は、偏波保持光ファイバ１７、１８で異なる位相マスクを用いることによって実現できる。
【００４６】
このように形成したＵＶグレーティング１３、１４付き偏波保持光ファイバ１７、１８を半導体光増幅器１２の入力側と出力側に接続する際に、２つの偏波保持光ファイバ１７、１８で速軸、遅軸が互いに直交するように９０°回転させて接続することにより、一方の偏波に（ここではＴＭモード）おいては反射中心波長がいずれもλ２であり、他方の偏波（ここではＴＥモード）に対しては偏波保持光ファイバ1７はλ１、偏波保持光ファイバ１８はλ３となる。これによって、一方の偏波においてのみ安定に発振させることが可能となる。
【００４７】
なお、光ファイバを用いた構成は本実施の形態に限定されることなく実現可能であり偏波保持光ファイバを用いない構成とすることも可能である。また、必ずしも入出力ファイバを９０°回転して接続する必要はない。
【００４８】
しかしながら、本実施例に示した構成とすれば以下の点で有効である。すなわち、偏波保持光ファイバを用いることにより大きな偏波間中心波長差を得ることが容易となり、さらに、半導体光増幅器との接続に際しても偏波軸の調整が容易となる。これは、ファイバ端面を観察することにより軸が判別・調整可能なためである。
【００４９】
また、入出力ファイバを９０°回転しない構成でも、実施例１で述べた石英系光導波路の場合と同様にＵＶ照射時間などを調節することによって実現可能である。しかしながら、そのように構成する場合には、重要な設計パラメータである照射時間の自由度が小さくなるという問題がある。これに対して、本実施例の構成では、入出力ファイバの偏波軸を直交させることにより、結果的に２つのファイバ間で大きな偏波間中心波長差を実現でき、かつ、グレーティング作製時のＵＶ照射時間の制限を大きく緩和できるという利点がある。
【００５０】
なお、本実施例では反射共振手段であるＵＶグレーティングを第１および第２の偏波保持光ファイバの双方に設ける構成として説明したが、何れか一方の偏波保持光ファイバにのみ設ける構成としてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ＳＯＡの両端の各々に設けられた２つの反射共振手段の反射率の積を、所定の偏波に対しては大きく、この偏波と直交する偏波に対しては小さく設定することとしたので、偏波モード間のモードホップの抑制を可能とし、安定で小型化・集積化が可能な光増幅器モジュールを提供することが可能となる。
【００５２】
また、共振部として石英系平面光導波路に形成されたＵＶグレーティングを用いることで大きな偏波依存性とその制御性が得られるため、偏波モード間で大きな共振器利得の差を設けることが可能となる。
【００５３】
さらに、ＳＯＡはキャリア応答速度が速いことと相俟って非線形性の問題が深刻であるため、本発明の光増幅器モジュールで採用する小型共振器の構成は極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光増幅器モジュールの構成例を説明するための図である。
【図２】図１に示した本発明の光増幅器モジュールのＵＶグレーティング反射中心波長を説明するための図である。
【図３】図１に示した本発明の光増幅器モジュールのＵＶグレーティング反射中心波長の設定方法を説明するための図である。
【図４】本発明の光増幅器モジュールの第２の構成例を説明するための図である。
【図５】図４に示した構成の光増幅器モジュールのＵＶグレーティング反射中心波長を説明するための図である。
【図６】図４に示した構成の光増幅器モジュールのＵＶグレーティングの中心波長設定について説明するための図である。
【図７】本発明の光増幅器モジュールの第３の構成例を説明するための図である。
【図８】図７に示した構成の光増幅器モジュールのＵＶグレーティング反射中心波長を説明するための図である。
【図９】従来検討されているゲインクランプ型光増幅器の構成例を説明するための図で、（ａ）はファイバ増幅器の構成例であり、（ｂ）は半導体光増幅器（ＳＯＡ）の構成例である。
【符号の説明】
１１ 半導体光増幅器
１２ 光導波路
１３ 第１のＵＶグレーティング
１４ 第２のＵＶグレーティング
１５、９４ 光ファイバ
１６ コア
１７、１８ 偏波保持光ファイバ
９１ フィードバックループ
９２ ＳＯＡ活性領域
９３ ブラッググレーティング
９５ 狭帯域光フィルタ
９６ 偏光子
９７ サーキュレータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光増幅器モジュールに関し、より詳細には、発振光の偏波間のモードホップを抑制可能で、かつ、小型化・集積化が可能なゲインクランプ型光増幅器モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光増幅器は光通信システムを構築する際の不可欠の要素部品であり、ファイバ増幅器に加え、最近では、小型化・集積化や、スイッチ、波長変換など各種の応用を目的として、半導体光増幅器や平面導波路型光増幅器の検討が進んでいる。
【０００３】
一方で、これらの光増幅器を利用する際に生じる非線形性が問題とされる場合がある。たとえば、波長ルーティング等により入力波長数がダイナミックに増減するシステムに光増幅器を適用する場合には、光増幅器の非線形性によって生じる各信号光のレベル変動が問題となる。さらに、キャリア応答速度の速い半導体光増輻器では、信号波形の劣化や複数の波長の光を増幅する際の信号成分のクロストークといった深刻な問題が指摘されている。
【０００４】
これらの問題を解決するために、ゲインクランプと呼ばれる手法が提案されている。この方法は、光増幅器を発振させてキャリア密度を一定に保つことにより、線形な増幅動作を得るものである。
【０００５】
図９は、従来検討されているゲインクランプ型光増幅器の構成例を説明するための図で、図９（ａ）はファイバ増幅器としてよく用いられる構成であり、リング状のフィードバックループ９１を付加することによって発振動作を実現している。また、図９（ｂ）は半導体光増幅器（ＳＯＡ）の構成例で、ＳＯＡ活性領域９２の両側にブラッググレーティング９３を形成した領域をモノリシックに集積して光ファイバ９４に接続することによってゲインクランプ動作を実現している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
光増幅器において安定なゲインクランプ動作を得るためには、発振モードの安定化が不可欠である。これは、入力信号光の強度や使用環境の温度などの変化によって発振モード間でモードホップが生じると雑音が発生してしまうためである。このようなモードホップを抑制して安定な発振を実現するために、図９（ａ）に示した構成のファイバ増幅器では、リング状共振器を偏波保持系とするとともに、狭帯域光フィルタ９５、偏光子９６、サーキュレータ９７を用いて、単一方向、単一偏波、単一波長による発振動作を達成している。
【０００７】
しかしながら、このようなファイバを用いたリング構成は、一般に共振器長が長くなり、フィルタの帯域幅に対して縦モード間隔が極めて狭くなるため、隣接縦モード間のモードホップが生じやすいことに加え、小型化・集積化が困難であるなどの問題がある。
【０００８】
一方、図９（ｂ）に示した構成の半導体光増幅器（ＳＯＡ）は、一般に、数１００μｍから１ｍｍ程度と小型であり、かつ、ＤＢＲ反射器による共振器構成を採用しているために共振器長が充分短い。このため、発振縦モード間のモードホップを充分に抑制することが可能であるとともに、極めて小型に構成できることから小型化・集積化にも適している。
【０００９】
しかしながら、このＳＯＡの構成でモードホップを完全に抑えることは困難である。すなわち、図９（ｂ）で示した構成では偏波モードの選択がなされていないため、偏波モード間のモードホップが発生してしまうという問題がある。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、発振光の偏波モード間のモードホップの抑制を可能とし、安定で小型化・集積化が可能なゲインクランプ型光増幅器モジュールを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、光増幅器の入力側および出力側に各々第１および第２のグレーティングが設けられたゲインクランプ型光増幅器モジュールであって、前記光増幅器と、前記光増幅器の前記入力側に接続された入力光導波路と、前記光増幅器の前記出力側に接続された出力光導波路と、前記入力光導波路の前記光増幅器の近傍の位置に配置された前記第１のグレーティングと、前記出力光導波路の前記光増幅器の近傍の位置に配置された前記第２のグレーティングとを備え、前記第１および第２のグレーティングの間の前記光増幅器、前記入力光導波路および前記出力用導波路は、前記第１および第２のグレーティングとともに共振器を構成し、前記第１および第２のグレーティングの光反射中心波長が、一方の偏波に対しては概ね等しく、かつ、他方の偏波に対しては異なるように設定されていることにより、前記一方の偏波に対する前記光反射中心波長における反射率の積は、前記他方の偏波に対する前記光反射中心波長における反射率の積に比して大きく設定されて前記一方の偏波でのみ発振することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のゲインクランプ型光増幅器モジュールにおいて、前記入力光導波路および前記出力光導波路が石英系平面光導波路であり、前記第１および第２のグレーティングの少なくとも一方が、紫外光照射によって生じる石英系平面光導波路の屈折率変化を利用したＵＶグレーティングであることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のゲインクランプ型光増幅器モジュールにおいて、前記第１および第２のグレーティングは、前記石英系平面光導波路に形成された第１および第２のＵＶグレーティングであり、当該第１および第２のＵＶグレーティングが形成される前記石英系平面光導波路の領域のコア幅が互いに異なることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のゲインクランプ型光増幅器モジュールにおいて、前記第１および第２のグレーティングの少なくとも一方は、偏波保持光ファイバに設けられており、かつ、直交する偏波に対して異なる光反射中心波長を有するＵＶグレーティングであることを特徴とする。
【００１６】
さらに、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れかに記載のゲインクランプ型光増幅器モジュールにおいて、前記光増幅器が半導体光増幅器であることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ本発明の光増幅器モジュールの具体的な実施の形態について説明を行う。
（実施例１）
図１は、本発明の光増幅器モジュールの第１の構成例を説明するための図で、この光増幅器モジュールは、光増幅部である半導体光増幅器（ＳＯＡ）素子１１の両端の各々に、紫外光照射による屈折率変化を利用した第１のＵＶグレーティング１３および第２のＵＶグレーティング１４が描画された石英系の平面光導波路１２が接続されており、この石英系光導波路１２の両端の各々は光ファイバ１５に接続されている。
【００１８】
すなわち、この光増幅器モジュールでは、ＳＯＡ１１と石英系光導波路１２とでキャビティを構成し、第１および第２のＵＶグレーティング１３、１４間で構成された共振器によって発振動作を可能としてゲインクランプＳＯＡモジュールとして動作する構成がとられている。
【００１９】
このようなモジュールの構造は、例えばハイブリッド集積技術を用いることで容易に実現可能であり、Ｓｉ基板上に形成した石英系光導波路アレイの中間部にエッチングにより素子搭載領域を設け、その領域にＳＯＡ素子をフリップチップ実装すればよい。
【００２０】
本発明の光増幅器モジュールの特微は、ＵＶグレーティング１３、１４の反射中心波長にあえて大きな偏波依存性をもたせ、かつ、２つのＵＶグレーティング１３、１４の反射率の積が、所定の偏波に対しては大きく、この偏波と直交する偏波に対しては小さくなるように設定した点にある。
【００２１】
図２は、図１に示した本発明の光増幅器モジュールのＵＶグレーティング反射中心波長を説明するための図で、第１のＵＶグレーティング１３はＴＥモードに対する反射中心波長がλ１、ＴＭモードに対する反射中心波長がλ２に設定される一方、第２のＵＶグレーティング１４は、ＴＥモードに対する反射中心波長がλ１、ＴＭモードに対する反射中心波長がλ３に設定されている。
【００２２】
このようにＵＶグレーティング反射中心波長を設定すると、ＴＥモードに対しては波長λ１において第１および第２のＵＶグレーティングの反射率の積が大きくなる一方、ＴＭモードに対してはλ２、λ３のいずれの波長に対しても反射率の積が充分に小さくなるため、ＴＥモードでのみ安定に発振し、偏波モード間のモードホップを効果的に抑制することができる。
【００２３】
なお、ＴＥモードとＴＭモードに対する反射中心波長の選び方は、上述した中心波長の選択に限定されるものではなく、所定の偏波に対して２つのＵＶグレーティングの反射中心波長が概ね一致し、これと直交する偏波に対しては反射率の積が充分に小さくなるように設定すればよい。
【００２４】
このような反射中心波長の設定は、平面光導波路におけるＵＶグレーティングの偏波依存性の性質を利用することで実現できる。一般に、ＵＶグレーティングに偏波依存性をもたせるためには非等方的にＵＶ照射する等してグレーティング形成方法を工夫することが知られているが、とりわけ石英系平面光導波路の場合には、ＵＶ照射の非等方性に加え、光導波路自体の複屈析性によって大きな偏波依存性が得られることが知られている。さらに、ＵＶグレーティング形成条件を工夫することにより、ＴＥモードとＴＭモードの各々に対する反射中心波長を独立して制御することも可能である（例えば、Ｊ．Ａｌｂｅｒｔ，ｅｔ．ａｌ．，“Ｐｏｌａｒｉｓａｔｉｏｎ−ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｓｔｒｏｎｇ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｉｎ ｐｌａｎａｒ ｌｉｇｈｔｗａｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔｓ，”Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．３４，ｐｐ．４８５−４８６，１９９８．）。
【００２５】
以下に、図３を用いて図１に示した構成の本発明の光増幅器モジュールのＵＶグレーティング反射中心波長の設定方法の例を具体的に説明する。
【００２６】
図３（ａ）は第１のＵＶグレーティングにおけるＵＶ照射時間とＴＥモードおよびＴＭモードに対する反射中心波長との関係例を示す図である。各偏波に対する中心波長はＵＶ照射時間に対して異なる依存性を示し、ここに示した例では、ＵＶ照射時間Ｔ１０でＴＥモードとＴＭモードに中心波長が交差している。
【００２７】
光増幅器モジュールが偏波依存性を有することが好ましくない場合にはＵＶ照射時間をＴ１０と設定してＴＥモードとＴＭモードの中心波長を等しくして偏波無依存化を図るが、本発明の光増幅器モジュールでは、あえて、ＴＥモードの中心波長がλ１、ＴＭモードの中心波長がλ２となるＵＶ照射時間であるＴ１１を選択して偏波依存性をもたせている。
【００２８】
また、図３（ｂ）は第２のＵＶグレーティングにおけるＵＶ照射時間とＴＥモードおよびＴＭモードに対する反射中心波長との関係例を示す図で、第１のＵＶグレーティングとは中心波長の異なるフェーズマスクを用い、かつ、図中のＴ２１のＵＶ照射時間を選択してＴＥモードの中心波長がλ１、ＴＭモードの中心波長がλ３となるように偏波依存性をもたせている。
【００２９】
なお、本発明の光増幅器モジュールが備える光増幅部をＳＯＡとして説明してきたが、光増幅器はこれに限定されるものではなく、例えば希土類を添加した導波路型光増幅器であってもよい。
【００３０】
また、共振器を紫外光照射によって生じる石英系平面光導波路の屈折率変化を利用したＵＶグレーティングで構成することとして説明してきたが、他のグレーティングで共振器を構成することとしてもよい。
【００３１】
さらに、入出力グレーティングの双方をＵＶグレーティングとして説明してきたが、何れか一方をＵＶグレーティングとするようにしてもよい。
【００３２】
（実施例２）
図４は、本発明の光増幅器モジュールの第２の構成例を説明するための図で、この図において、図１で示した光増幅器モジュールと同じ構成要素には同じ符号を付している。この光増幅器モジュールは第１の構成例とほぼ同様の構成となっているが、ＵＶグレーティング１３、１４を形成する光導波路１２の領域のコア１６の幅を、入力側と出力側とで異なるように設定している点が特徴である。
【００３３】
上述したように、石英系光導波路は一般に複屈折性を有するが、この値は光導波路のコア幅にも依存することが知られている（例えば、Y.Hashizume, et al., "Integrated polarization beam splitter using waveguide birefringence dependence on waveguide core width," Electron. Lett., vol. 37, no. 25, pp. 1517-1518, 2001.）。この現象を利用すれば、コア幅を適切な値に設定することによってより大きな複屈折性を得ることができるため、直交する偏波間でより大きな反射中心波長差を有するＵＶグレーティングを容易に実現することが可能である。図４に示した構成の光増幅器モジュールは石英系光導波路のこの特性を応用したものである。
【００３４】
図５は、図４に示した構成の光増幅器モジュールのＵＶグレーティング反射中心波長を説明するための図で、第１のＵＶグレーティング１３はＴＥモードに対する反射中心波長がλ１、ＴＭモードに対する反射中心波長がλ２に設定される一方、第２のＵＶグレーティング１４は、ＴＥモードに対する反射中心波長がλ１、ＴＭモードに対する反射中心波長がλ３に設定されている。
【００３５】
すなわち、図４に示した構成の光増幅器モジュールでは、第１のＵＶグレーティング１３および第２のＵＶグレーティング１４を描画する領域の光導波路のコア幅を異なるように設定することにより、一方の偏波に対してＵＶグレーティング１３、１４間で大きな中心波長差をもたせ、これにより発振モードの偏波選択性を向上させている。
【００３６】
図６は、このようなＵＶグレーティングの中心波長設定について説明するための図で、ここではＵＶグレーティング１４を描画する領域の光導波路コア幅を、ＵＶグレーティング１３に対するコア幅よりも広く設定した例を示している。
【００３７】
ここで、ＵＶグレーティング１３におけるＵＶ照射時間とＴＥおよびＴＭ偏波に対する中心波長の関係は実施例１で述べたのと同様である。一方、ＵＶグレーティング１４ではコア幅を広く設定して光導波路の複屈折性を大きくしてあるために、初期値において反射中心波長差が格段に大きい。これにより、ＵＶグレーティング１３、１４におけるＴＭ偏波に対する反射中心波長差を大きく設定することが極めて容易となる。
【００３８】
すなわち、実施例１では、主としてＵＶグレーティングに起因する複屈折性の変化（照射時間に対する傾き）を利用しているために、２つのＵＶグレーティングの反射中心波長差を充分大きくなるように設定するためには、ＵＶ照射時間に大きな差をもたせることが主たる手段となるのに対し、本実施例では２つのＵＶグレーティング間で複屈折の初期値に大きな差を設けることが可能となり、短いＵＶ照射時間でも所望の中心波長設定が実現できるという利点がある。
【００３９】
例えば、図６に示すように、ＵＶ照射時間をＵＶグレーティング１３、１４に対してそれぞれＴ１２、Ｔ２２と短い時間に設定すると、この図から明らかなように、複屈折の初期値に大きな差を設けたことによって、ＵＶ照射時間設定の自由度が実施例１の図３と比べて格段に向上する。
【００４０】
ＵＶグレーティングを実際に設計・製造するうえでは、反射中心波長のみならず反射率や透過帯域幅も重要なファクタ（特性）であり、これらはいずれもＵＶ照射量（照射時間）に依存する。したがって、本実施例のようにＵＶ照射時間設定の自由度を確保することは極めて重要であり、実用に際しては所望の特性を得るようにコア幅とＵＶ照射時間の両方を適切に設計することが望ましい。
【００４１】
本実施例のように異なるコア幅を用いる構成は、上記の他にも以下のような効果がある。例えば、ＵＶグレーティング１３、１４を形成するための位相マスクを共通化することも可能になる。実施例１の構成では、いずれか一方の偏波に対する反射中心波長を一致させて他方の偏波に対する反射中心波長に大きな差を設けるためには、ＵＶグレーティング１３、１４で異なる位相マスクを用意することが必要になる。しかしながら、本実施例２ではＵＶグレーティング１３、１４に対する光導波路の複屈折をあらかじめ大きな差を設けてあるため、同一の位相マスクを用いることが可能である。
【００４２】
コア幅を変化させると、実効屈折率やＵＶ照射時間に対する中心波長変化量にも若干の変化が生じるものの、複屈折の変化量の方がはるかに大きいために位相マスクの共通化が可能となるのである。
【００４３】
（実施例３）
図７は、本発明の光増幅器モジュールの第３の構成例を説明するための図で、図１で示した光増幅器モジュールと同じ構成要素には同じ符号を付している。この光増幅器モジュールは、半導体光増幅器１１の入出力光導波路として偏波保持光ファイバ１７、１８を用い、反射共振手段としてこの偏波保持光ファイバに形成した、直交する偏波に対して異なる光反射中心波長を有するＵＶグレーティング１３、１４を用いる構成である。
【００４４】
ここで、ＵＶグレーティング１３、１４は、偏波保持光ファイバ１７、１８の遅軸、速軸に対応する２つの偏波に対して反射中心波長を充分に離れた値に設定されている。上述したように、光ファイバにおいてもＵＶ照射方法を工夫することにより中心波長の偏波依存性を得ることができるが、偏波保持光ファイバ１７、１８を用いればもともと大きな複屈折性を有するため大きな中心波長差を得ることが容易である。
【００４５】
図８は、図７に示した構成の光増幅器モジュールのＵＶグレーティング反射中心波長を説明するための図で、偏波保持光ファイバ１７は遅軸、速軸について中心波長をそれぞれλ１、λ２とし、偏波保持光ファイバ１８は同様にλ２、λ３と設定されている。こうした設定は、偏波保持光ファイバ１７、１８で異なる位相マスクを用いることによって実現できる。
【００４６】
このように形成したＵＶグレーティング１３、１４付き偏波保持光ファイバ１７、１８を半導体光増幅器１２の入力側と出力側に接続する際に、２つの偏波保持光ファイバ１７、１８で速軸、遅軸が互いに直交するように９０°回転させて接続することにより、一方の偏波に（ここではＴＭモード）おいては反射中心波長がいずれもλ２であり、他方の偏波（ここではＴＥモード）に対しては偏波保持光ファイバ1７はλ１、偏波保持光ファイバ１８はλ３となる。これによって、一方の偏波においてのみ安定に発振させることが可能となる。
【００４７】
なお、光ファイバを用いた構成は本実施の形態に限定されることなく実現可能であり偏波保持光ファイバを用いない構成とすることも可能である。また、必ずしも入出力ファイバを９０°回転して接続する必要はない。
【００４８】
しかしながら、本実施例に示した構成とすれば以下の点で有効である。すなわち、偏波保持光ファイバを用いることにより大きな偏波間中心波長差を得ることが容易となり、さらに、半導体光増幅器との接続に際しても偏波軸の調整が容易となる。これは、ファイバ端面を観察することにより軸が判別・調整可能なためである。
【００４９】
また、入出力ファイバを９０°回転しない構成でも、実施例１で述べた石英系光導波路の場合と同様にＵＶ照射時間などを調節することによって実現可能である。しかしながら、そのように構成する場合には、重要な設計パラメータである照射時間の自由度が小さくなるという問題がある。これに対して、本実施例の構成では、入出力ファイバの偏波軸を直交させることにより、結果的に２つのファイバ間で大きな偏波間中心波長差を実現でき、かつ、グレーティング作製時のＵＶ照射時間の制限を大きく緩和できるという利点がある。
【００５０】
なお、本実施例では反射共振手段であるＵＶグレーティングを第１および第２の偏波保持光ファイバの双方に設ける構成として説明したが、何れか一方の偏波保持光ファイバにのみ設ける構成としてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ＳＯＡの両端の各々に設けられた２つの反射共振手段の反射率の積を、所定の偏波に対しては大きく、この偏波と直交する偏波に対しては小さく設定することとしたので、偏波モード間のモードホップの抑制を可能とし、安定で小型化・集積化が可能な光増幅器モジュールを提供することが可能となる。
【００５２】
また、共振部として石英系平面光導波路に形成されたＵＶグレーティングを用いることで大きな偏波依存性とその制御性が得られるため、偏波モード間で大きな共振器利得の差を設けることが可能となる。
【００５３】
さらに、ＳＯＡはキャリア応答速度が速いことと相俟って非線形性の問題が深刻であるため、本発明の光増幅器モジュールで採用する小型共振器の構成は極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光増幅器モジュールの構成例を説明するための図である。
【図２】図１に示した本発明の光増幅器モジュールのＵＶグレーティング反射中心波長を説明するための図である。
【図３】図１に示した本発明の光増幅器モジュールのＵＶグレーティング反射中心波長の設定方法を説明するための図である。
【図４】本発明の光増幅器モジュールの第２の構成例を説明するための図である。
【図５】図４に示した構成の光増幅器モジュールのＵＶグレーティング反射中心波長を説明するための図である。
【図６】図４に示した構成の光増幅器モジュールのＵＶグレーティングの中心波長設定について説明するための図である。
【図７】本発明の光増幅器モジュールの第３の構成例を説明するための図である。
【図８】図７に示した構成の光増幅器モジュールのＵＶグレーティング反射中心波長を説明するための図である。
【図９】従来検討されているゲインクランプ型光増幅器の構成例を説明するための図で、（ａ）はファイバ増幅器の構成例であり、（ｂ）は半導体光増幅器（ＳＯＡ）の構成例である。
【符号の説明】
１１ 半導体光増幅器
１２ 光導波路
１３ 第１のＵＶグレーティング
１４ 第２のＵＶグレーティング
１５、９４ 光ファイバ
１６ コア
１７、１８ 偏波保持光ファイバ
９１ フィードバックループ
９２ ＳＯＡ活性領域
９３ ブラッググレーティング
９５ 狭帯域光フィルタ
９６ 偏光子
９７ サーキュレータ
Claims (5)
- 光増幅器の入力側および出力側に各々第１および第２のグレーティングが設けられたゲインクランプ型光増幅器モジュールであって、
前記光増幅器と、
前記光増幅器の前記入力側に接続された入力光導波路と、
前記光増幅器の前記出力側に接続された出力光導波路と、
前記入力光導波路の前記光増幅器の近傍の位置に配置された前記第１のグレーティングと、
前記出力光導波路の前記光増幅器の近傍の位置に配置された前記第２のグレーティングと
を備え、
前記第１および第２のグレーティングの間の前記光増幅器、前記入力光導波路および前記出力用導波路は、前記第１および第２のグレーティングとともに共振器を構成し、
前記第１および第２のグレーティングの光反射中心波長が、一方の偏波に対しては概ね等しく、かつ、他方の偏波に対しては異なるように設定されていることにより、前記一方の偏波に対する前記光反射中心波長における反射率の積は、前記他方の偏波に対する前記光反射中心波長における反射率の積に比して大きく設定されて前記一方の偏波でのみ発振することを特徴とするゲインクランプ型光増幅器モジュール。 - 前記入力光導波路および前記出力光導波路が石英系平面光導波路であり、前記第１および第２のグレーティングの少なくとも一方が、紫外光照射によって生じる石英系平面光導波路の屈折率変化を利用したＵＶグレーティングであることを特徴とする請求項１に記載のゲインクランプ型光増幅器モジュール。
- 前記第１および第２のグレーティングは、前記石英系平面光導波路に形成された第１および第２のＵＶグレーティングであり、当該第１および第２のＵＶグレーティングが形成される前記石英系平面光導波路の領域のコア幅が互いに異なることを特徴とする請求項２に記載のゲインクランプ型光増幅器モジュール。
- 前記第１および第２のグレーティングの少なくとも一方は、偏波保持光ファイバに設けられており、かつ、直交する偏波に対して異なる光反射中心波長を有するＵＶグレーティングであることを特徴とする請求項１に記載のゲインクランプ型光増幅器モジュール。
- 前記光増幅器が半導体光増幅器であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のゲインクランプ型光増幅器モジュール。
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