JP4069110B2 - 反射型半導体光増幅器光源 - Google Patents

反射型半導体光増幅器光源 Download PDF

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Description

本発明は、光源に関し、特に、増幅された自然放出光(Amplified spontaneous emission：ＡＳＥ)を出力する広帯域光源である反射型半導体光増幅器光源に関する。
広い波長帯域で非干渉光を出力する広帯域光源として、エルビウムドープ光ファイバ増幅器(Erbium-doped fiber amplifier)光源、超発光ダイオード(super luminescent diode)、反射型半導体光増幅器(reflective semiconductor optical amplifier)光源などが提案されている。
エルビウムドープ光ファイバ増幅器は、高出力の偏光無依存光(polarization-insensitive light)を安定的に得ることはできるものの、波長帯域が限定されているために広帯域光源としては不向きである。のみならず、エルビウムドープ光ファイバ増幅器は、その大きさが半導体素子に比べて大きく、かつ、大量生産してもその価格（製造原価）を下げることは難しい。
これに対し、超発光ダイオードは、波長帯域幅が非常に広く、かつ、安価であるが、出力パワーに限界がある。また反射型半導体光増幅器光源は、一般の半導体光増幅器の第１端に高反射コーティングを施すことにより、増幅された自然放出光（自発放射光と呼ばれることもある）を一方向にのみ出力し、高出力の広帯域光源を低コストで実現することができる。しかしながら、この半導体光増幅器の第２端の反射率が極めて低くなければ、これら第１及び第２端の間にファブリ・ペロー共振器(Fabry-Perot resonator)が形成され、そのため出力光のスペクルがその波長によって変わる利得リップル(gain ripple)が生じ、均一なスペクルの非干渉光が得難い。
そこで、反射型半導体光増幅器光源の利得リップルの問題を解決すべく、半導体光増幅器の一端に高反射コーティングを施す代わりに、外部に広帯域反射器を設けた広帯域光源である反射型半導体光増幅器光源が提案されている。
図１は、従来の反射型半導体光増幅器光源１００の構成を示す図である。該反射型半導体光増幅器光源１００は、光導波路１３０を介して相互に光学的に接続された半導体光増幅器(semiconductor optical amplifier：ＳＯＡ)１１０及び外部反射器(external reflector：Ｒ)１２０を備えている。
半導体光増幅器１１０は、利得媒質(gain medium)１１２と、該利得媒質１１２の両端に夫々コーティングされた第１及び第２の無反射層(anti-reflective layers)１１４，１１６とを備えており、これら第１の無反射層１１４及び第２の無反射層１１６を介して非干渉性の増幅された自然放出光１４０を出力可能なように構成されている。
外部反射器１２０は、第１の無反射層１１４と光導波路１３０を介して光学的に連結されており、第１の無反射層１１４から出力された増幅された自然放出光１４０を反射させて半導体光増幅器１１０に戻すように構成されている。このとき、半導体光増幅器１１０と反射器１２０との間の距離（離間距離）は、第１の無反射層１１４から出力された増幅された自然放出光１４０が、可干渉距離(coherence length)以上を進行して半導体光増幅器１１０に戻るようにその離間距離が設定されている。この可干渉距離については、当該分野において公知とされているので、その詳細説明は省略する。
図１に示した反射型半導体光増幅器光源１００の構成は、利得リップル(gain ripple)を小さくするために要求される第１の無反射層１１４及び第２の無反射層１１６の反射率条件が緩和されるという特長を有する。従って、第１の無反射層１１４及び第２の無反射層１１６の反射率が極めて低くなくとも利得リップルが小さいので、これら各無反射層１１４，１１６の反射率を下げるための無反射コーティングを容易にすることができる。
しかしながら、上述の反射型半導体光増幅器光源１００は、例えばエルビウムドープ光ファイバ増幅器光源に比べて未だ出力パワーが弱いという問題点を抱えている。従って、反射型半導体光増幅器光源の出力パワーを増加させ、より高い出力パワーを有する反射型半導体光増幅器光源の実現が望まれている。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は高い出力パワーを有する反射型半導体光増幅器光源を提供することにある。
上記の目的を達成するために、本発明の反射型半導体光増幅器光源は、増幅された自然放出光を生成及び増幅するための透過型の半導体光増幅器と、該半導体光増幅器から出力された、増幅された自然放出光を反射させて前記半導体光増幅器に戻すための反射器と、前記半導体光増幅器と前記反射器との間に配置され、通過する増幅された自然放出光の波長帯域を制限して前記半導体光増幅器の利得曲線により決定される出力パワーよりも増加された出力パワーを前記半導体光増幅器から得るための、所定の通過波長帯域を有する帯域通過フィルターと、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、半導体光増幅器と反射器との間に設けた帯域通過フィルターにより半導体光増幅器に戻す自然放出光の波長帯域を制限する構成としたことにより、従来に比べて出力パワーが高い反射型半導体光増幅器光源を得ること可能となる。
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。図面中、同一の構成要素には、可能な限り同一の参照符号及び番号を共通使用するものとする。なお、本発明を説明するにあたり、関連する公知機能や構成についての具体的な説明が、本発明の要旨を曖昧にすると判断される場合には、その詳細説明は省略される。
図２は、本発明の原理に従う反射型半導体光増幅器光源２００の概念を説明するための図であり、また図３は、反射型半導体光増幅器光源２００に含まれる帯域通過フィルター(bandpass filter：ＢＰＦ)の配置位置に基づく当該反射型半導体光増幅器光源２００の出力パワー特性の変化を示すグラフである。
反射型半導体光増幅器光源２００は、図２に示すように、透過型の半導体光増幅器(semiconductor optical amplifier：ＳＯＡ)２１０と、反射器(reflector：Ｒ)２２０と、光アイソレーター(optical isolator：ＩＳＯ)２３０とを備えており、これらは光導波路２４０を介して光学的に接続され、増幅された自然放出光２５０を出力可能なように構成されている。また光アイソレーター２３０は、外部からの半導体光増幅器光源２００への光入射に起因する利得リップル現象を抑制するために、つまり入射する光を遮断するために半導体光増幅器光源２００の出力端側に配置されている。
図３は、反射型半導体光増幅器光源２００に帯域通過フィルター（ＢＰＦ）を設けない第１の場合の出力パワースペクトラル３１０と、図２の「Ａ」の位置に帯域通過フィルター（ＢＰＦ）が設けられた第２の場合の出力パワースペクトラル３２０と、図２の「Ｂ」の位置に帯域通過フィルター（ＢＰＦ）が設けられた第３の場合の出力パワースペクトラル３３０と、図２の「Ｃ」の位置に帯域通過フィルター（ＢＰＦ）が設けられた第４の場合の出力パワースペクトラル３４０を併せて示している。
第１の場合においては、出力パワースペクトラル３１０は、半導体光増幅器２１０の利得曲線(gain curve)により決定され、広い波長帯域に亘って不規則な分布を有している。第２の場合においては、出力パワースペクトラル３２０は、帯域通過フィルター（ＢＰＦ）の通過帯域内にその分布が制限され、さらに第１の場合における出力パワースペクトラル３１０に比して出力パワーが大きい。第３の場合においては、出力パワースペクトラル３３０は、帯域通過フィルター（ＢＰＦ）自体の挿入損失によって、第１の場合の出力パワースペクトラル３１０に比べて出力パワーが小さくなっている。第４の場合においては、出力パワースペクトラル３４０は、帯域通過フィルター（ＢＰＦ）の通過帯域内において第１の場合の出力パワースペクトラル３１０と略同じの大きさの出力パワーを有している。これは、帯域通過フィルター（ＢＰＦ）が反射を起こし、通過帯域内における出力パワーを増加させたためである。
この増加された出力パワーは、半導体光増幅器２１０の出力飽和により、第１の場合の出力パワースペクトラル３１０に対応する大きさで飽和される。一方、第２の場合においては、通過帯域内の出力パワーが第１の場合よりも増加しているが、これは、反射器２２０から半導体光増幅器２１０に戻される（反射される）、増幅された自然反射光２５０のスペクトルが、帯域通過フィルター（ＢＰＦ）の通過帯域内に制限されることにより、当該通過帯域内の出力パワーが選択的に増加するためである。即ち、通過帯域外の出力パワーが減少されることにより、通過帯域内のパワーが相対的に増加することになる。
また、帯域通過フィルター（ＢＰＦ）の通過帯域内のスペクトラルの分布は、半導体光増幅器２１０の利得スペクトラルの他に、帯域通過フィルター（ＢＰＦ）のスペクトラル特性により変るので、この帯域通過フィルター（ＢＰＦ）のスペクトラル特性を調節することにより、出力パワースペクトラル３２０の分布を均一にすることが可能となる。
以下、本発明の実施形態として、半導体光増幅器２１０と反射器２２０との間の光経路の途中(「Ａ」で示される位置)に帯域通過フィルター（ＢＰＦ）を配置した例を説明する。なお、「Ｂ」又は「Ｃ」の位置に配置するようにしてもよい。
図４は、第１の実施形態に従う反射型半導体光増幅器光源４００の構成を示す図である。当該半導体光増幅器光源４００は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）４１０と、反射器（Ｒ）４３０と、帯域通過フィルター(ＢＰＦ)４２０と、光アイソレーター（ＩＳＯ）４４０とを備えている。
半導体光増幅器４１０は、利得媒質４１２と、該利得媒質４１２の両端にコーティングされた第１及び第２の無反射層４１４，４１６とを備えており、該第１の無反射層４１４及び第２の無反射層４１６を介して非干渉性の増幅された自然放出光４６０を出力可能なように構成されている。
反射器４３０は、第１の無反射層４１４と光導波路４５０を介して光学的に接続されており、第１の無反射層４１４から出力された増幅された自然放出光４６０を反射させて半導体光増幅器４１０に入射する。このとき、半導体光増幅器４１０と反射器４３０との間の距離（離間距離）は、第１の無反射層４１４から出力された増幅された自然放出光４６０が、可干渉距離以上を進行してこの半導体光増幅器４１０に戻ってくる距離に設定されている。
帯域通過フィルター４２０は、半導体光増幅器４１０と反射器４３０との間に配置され、また、増幅された自然放出光４６０の波長帯域を制限するための、予め設定された所定の通過波長帯域を有している。そして、詳しくは既述したように、この帯域通過フィルター４２０のスペクトラル特性を調節することにより、半導体光増幅器光源４００の出力パワースペクトラルの分布を調節することができる。
光アイソレーター４４０は、外部からの反射型半導体光増幅器光源４００への光入射に起因する利得リップルを抑制するために、反射型半導体光増幅器光源４００の出力端側に配置される。
図５は、第２の実施形態に従う反射型半導体光増幅器光源５００の構成を示す図である。当該半導体光増幅器光源５００は、利得媒質５１２及び該利得媒質５１２の両端にコーティングされた第１及び第２の無反射層５１４，５１６を備えた半導体光増幅器（ＳＯＡ）５１０と、反射器（Ｒ）５４０と、帯域通過フィルター（ＢＰＦ）５２０と、通過する自然放出光の偏光方向を所定の角度例えば４５゜回転させる４５°偏光回転器(45゜polarization rotator：λ／８)５３０と、光アイソレーター（ＩＳＯ）５５０とを備えている。当該半導体光増幅器光源５００は、反射器５４０と帯域通過フィルター５２０との間に４５゜偏光回転器５３０がさらに設けられることを除いては、図４に記載の反射型半導体光増幅器光源４００と同様の構成を採用するので、重複する説明は省略し、ここでは４５゜偏光回転器５３０についてのみ説明するものとする。
４５゜偏光回転器５３０は、反射型半導体光増幅器光源５００の偏光特性を向上させるために設けられたものであり、半導体光増幅器５１０の利得は偏光状態によって異なってくる。また、当該反射型半導体光増幅器光源５００は、４５゜偏光回転器５３０により無作為偏光(random polarization)状態の増幅された自然放出光５７０を出力することができる。４５゜の偏光回転器５３０を備えた本実施形態の場合、帯域通過フィルター５２０から出力された、増幅された自然放出光５７０は、４５゜偏光回転器５３０を通過し、さらに反射器５４０により反射されて戻るので、つまり４５゜偏光回転器５３０を２回経由することで偏光方向が最初の偏光方向を基準として９０゜回転された状態で半導体光増幅器５１０に入力される。
図６は、第３の実施形態に従う反射型半導体光増幅器光源６００の構成を示す図である。当該反射型半導体光増幅器光源６００は、利得媒質６１２及び該利得媒質６１２の両端にコーティングされた第１及び第２の無反射層６１４，６１６を備えた半導体光増幅器（ＳＯＡ）６１０と、反射器（Ｒ）６４０と、帯域通過フィルター（ＢＰＦ）６３０と、４５゜偏光回転器(λ／８)６２０と、光アイソレーター（ＩＳＯ）６５０とを備えている。当該反射型半導体光増幅器光源６００は、４５゜偏光回転器６２０を半導体光増幅器６１０と帯域通過フィルター６３０との間に配置したことを除いて、図５に記載の反射型半導体光増幅器光源５００と同様の構成を採用するので、重複する説明は省略し、ここでは４５゜偏光回転器６２０についてのみ説明するものとする。半導体光増幅器６１０から出力された、増幅された自然放出光６７０は、反射器６４０により４５゜偏光回転器６２０を２回経由し、よって、偏光方向が最初の偏光方向を基準として９０゜回転された状態で半導体光増幅器６１０に入力される。
従来の反射型半導体光増幅器光源の構造を示す図である。 本発明の原理に従う反射型半導体光増幅器光源の概念を説明するための図である。 図２に示した反射型半導体光増幅器光源に含まれる帯域通過フィルターの位置による出力パワー特性の変化を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に従う反射型半導体光増幅器光源の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に従う反射型半導体光増幅器光源の構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に従う反射型半導体光増幅器光源の構成を示す図である。
符号の説明
２００ 反射型半導体光増幅器光源
２１０ 半導体光増幅器
２２０ 反射器
２３０ 光アイソレーター
４００ 反射型半導体光増幅器光源
４１０ 半導体光増幅器
４２０ 帯域通過フィルター
４３０ 反射器
４４０ 光アイソレータ
５００ 反射型半導体光増幅器光源
５１０ 半導体光増幅器
５２０ 帯域通過フィルター
５４０ 反射器
５３０ ４５°偏光回転器
５５０ 光アイソレーター
６００ 反射型半導体光増幅器光源
６１０ 半導体光増幅器
６２０ ４５°偏光回転器
６３０ 帯域通過フィルター
６４０ 反射器
６５０ 光アイソレーター



Claims (6)

  1. 増幅された自然放出光を生成及び増幅するための透過型の半導体光増幅器と、
    該半導体光増幅器から出力された、増幅された自然放出光を反射させて前記半導体光増幅器に戻すための反射器と、
    前記半導体光増幅器と前記反射器との間に配置され、通過する増幅された自然放出光の波長帯域を制限して前記半導体光増幅器の利得曲線により決定される出力パワーよりも増加された出力パワーを前記半導体光増幅器から得るための、所定の通過波長帯域を持つ帯域通過フィルターと、を備えたことを特徴とする反射型半導体光増幅器光源。
  2. 前記半導体光増幅器と前記帯域通過フィルターとの間に配置され、通過する増幅された自然放出光の偏光方向を所定の角度だけ回転させる偏光回転器をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の反射型半導体光増幅器光源。
  3. 前記所定の角度は、４５゜であることを特徴とする請求項２に記載の反射型半導体光増幅器光源。
  4. 外部から前記半導体光増幅器光源に入射される光を遮断するための光アイソレーターをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の反射型半導体光増幅器光源。
  5. 前記反射器と前記帯域通過フィルターとの間に配置され、通過する増幅された自然放出光の偏光方向を所定の角度だけ回転させる偏光回転器をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の反射型半導体光増幅器光源。
  6. 前記所定の角度は、４５゜であることを特徴とする請求項５に記載の反射型半導体光増幅器光源。
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