JP4812175B2 - 導波路構造を含む装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポンプ光のディプリーション（枯渇）を押さえるためのポンプレーザと共に用いられる導波路構造体に関する。この導波路構造体は、エルビウム（Ｅｒ）−ドープの導波路増幅器と非線形導波路波長コンバータデバイスと、光ファイバとを有し、特に通信システム及び、導波路変換アプリケーションで用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムは、高速で長距離にわたって光学信号を伝送するのに用いられている。一連の光パルスを含む光学信号は、光ソース、例えばレーザから導波路へ、そして最終的に検出器に送信される。光学通信システムは、通常様々なデバイス（例えば、光ソース、光検出器、スイッチ、光ファイバ、増幅器、フィルタ等を含む）を含む。増幅器とフィルタを用いて光ソースから検出器への導波路に沿って光パルスを伝搬する。近年、ハイブリッドの集積光電子デバイスを効率的、且つ大量に製造する需要が増している。特に、様々な素子を１つのチップ上に集積し、そして様々な素子を又１つのパッケージ内に混成して構成することに興味が持たれている。
【０００３】
光学導波路と光ファイバは、光信号を内部反射を利用して伝送している。基本的に光学導波路構造体は、ある屈折率の材料から形成された内側即ちコア領域とコア領域の屈折率よりも低い屈折率を有する材料から構成されてコアを包囲する外側領域とからなる。コア領域の屈折率が外側領域の屈折率よりも大きい場合には、コアを伝搬する光ビームは導波路の長さ方向に沿って導波される。平面状導波路は、光ファイバと基本的に同一の形態で光を導波する平面状の構造体である。基本的に平面状導波路構造体は、基板内に埋設された材料から成る導波路ストリップを含み、この導波路ストリップは、基板よりも大きい屈折率を有する。斯くして導波路ストリップは上部層が空気に露出している場合には、低屈折率の材料で全体が包囲されていないが光は高屈折率の導波路ストリップ内に沿って導波される。１つ或いは複数の増幅システムが、伝送された信号を増幅するために導波路伝送パスに沿って配置されている。
【０００４】
光電子デバイスの動作に内在する非効率性は、導波路増幅器のようなデバイス、及びパラメトリック波長コンバータのような光学的にポンプされた導波路内で用いられるポンプ光のディプリーション（枯渇）に関連している。増幅器或いは非線形の波長変換デバイスとして機能する導波路は、ポンプレーザが必要である。このポンプレーザにより光学信号の増幅或いは変換プロセスが可能となる。例えば、図１は光ファイバ１１を用いた増幅器を示す。弱い光学信号Ｉ_Sは左から入り、光学アイソレータ１２とフィルタ１３を通過する。フィルタ１３はポンプ光は阻止するが信号波長は通過させる。この光は光ファイバ１１に通常希土類元素をドープしたファイバに入る。増幅器は、フィルタ１３の光で照射される。このポンプレーザ１５は、ポンプ信号Ｐ_Sをファイバ内に導入して、ドーパント元素を励起して、それらを高いエネルギーレベルまで上げて弱い入力信号Ｉ_Sを導波路内を伝搬する増幅された信号Ａ_Sに増幅する。増幅器の端部にあるカプラ１６はこの増幅された信号を出力用ファイバに向けて増幅された信号をポンプ光から分離して出力信号Ｏ_Sを生成する。図１には、ポンプレーザ１５は出力に隣接する導波路増幅器の先端部に配置されているが、光は入力に隣接する増幅器内にポンピングされて、増幅された信号Ａ_Sの方向に従う。
【０００５】
何れの場合にもポンプ光が導波路内に入射されると、ポンプレーザフィールドは線形或いは非線形で伝搬距離の関数で吸収される。この吸収は、伝搬距離の関数としてポンプディプリーションを生成する。そしてこのディプレーションが増幅プロセス或いは変換プロセスに対する効率性を低下させることになるが、その原因は導波路内のポンプパワー密度がポンプレーザからの距離で減少するからである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
通信システムと電子光学デバイスの分野では、依然としてデバイスの効率性及び性能を改善するために新たな設計／装置を模索している。特に導波路に沿ってポンプパワー密度の低減を少なくすること、及びほぼ一定にするような導波路構造体が求められている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ポンプ光ソースたとえばポンプレーザを使用することによりポンプパワー密度を保存する導波路構造体を提供する。本発明の導波路構造体は、第１屈折率を有する導波路領域と第２屈折率を有し前記導波路領域に隣接する第２領域等を有し、そして第２屈折率は第１屈折率よりも小さく、その結果導波路構造体に入射された光は、導波路領域に沿ってガイドされる。更にまた本発明によれば、導波路領域は、第１ポンプサイトと第２ポンプサイトとの間の距離として規定されたポンプ伝搬長さを有し、この長さに沿ってポンプ光は、信号の増幅或いは変換を行うために導波路領域内を伝搬する。導波路領域の有効面積は、第２ポンプサイトよりも第１ポンプサイトの方が大きく、その結果導波路領域はポンプ伝搬長さに沿ってテーパ状となり、それによりポンプパワー密度のディプリーションを低減する。本発明の導波路構造体は、平面状導波路或いは光学光ファイバの何れを含んでも良い。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の導波路構造体は、ポンプパワー密度の低減を押さえるものである。本発明の導波路構造体は、ポンプ光学フィールドと伝送光学フィールドとを同時にそれぞれ導波路構造体に放射するポンプソースと光学ソースと、ポンプ光学フィールドと、伝送光学フィールドとを組み合わせるカプラと、１つ或いは複数のフィルタと、増幅器と、受信機と、スペクトラムアナライザと或いは他の光学素子とから成るシステムで用いられる。本明細書で使用される伝送光学フィールドは、導波路構造体内で伝送される光を増幅或いは変換用に用いられるポンプ（レーザフィールド）とは区別するものである。本発明の導波路構造体は、ポンプ光学フィールドと伝送光学フィールドがガイドされる導波路領域を有する。更にまた、この導波路領域は、第１ポンプサイトと第２ポンプサイトとの間の選択された距離として規定されたポンプ伝搬長さを有し、この間の距離にポンプ光が信号増幅用、或いは変換用に導波路領域内で伝搬される。導波路領域の有効面積、例えば幅は第２ポンプサイトよりも第１ポンプサイトにおいて広く、このため導波路領域は、ポンプ伝搬長さに沿ってテーパ状に形成され、これによりポンプ光のディプリーションを低減する働きをする。
【０００９】
第１ポンプサイトと第２ポンプサイトとは、導波路の長さ方向に沿って様々な場所に置くことが出来る。例えば第１ポンプサイトはポンプ光が導波路領域内にポンプソースから導入される点であるが、同時に導波路領域の内側の点も含む（例えば、ポンプ光のディプリーションが起こる点）。又、第１ポンプサイトは、伝送光学フィールドが導波路構造体に導入される点、或いはその近くでもよい（即ち本明細書においては伝送入力サイトと称する）。別法として第１ポンプサイトは、伝送入力サイトの先端であり、第２ポンプサイトは第１ポンプサイトよりも伝送入力サイトに近い場所にあってもよい。多くの実施例が考えられるが重要な点としては、ポンプフィールドが増幅用或いは変換用に伝搬する導波路の長さ方向で導波路領域の有効面積が低減していること、例えばテーパが形成されていることである。このテーパ形状によりポンプパワー密度の低減は、従来システムに比較して少なくなっており、そして好ましくはポンプ伝搬長さにわたってほぼ一定で、これにより吸収と損失に起因するポンプディプリーションを押さえている。
【００１０】
図面を参照して具体的に説明すると、図２は導波路領域２１と連続する領域、即ち第２領域２２を含む本発明の導波路構造体２０の一実施例を示す。この実施例においては、導波路構造体２０は基板１０の上に堆積された平面状導波路を有し、導波路領域２１は第２領域２２によって完全には包囲されておらず構造体の上部では大気に接触している。大気の屈折率は導波路領域の屈折率（約１．４６）よりも低い屈折率（約ｎ_i＝１．０）である。導波路構造体２０は、第１ポンプサイト２４と第２ポンプサイト２６との間の距離として規定されるポンプ伝搬距離Ｌ_PPを有し、この距離に沿ってポンプ光は増幅用或いは変換用に導波路領域内を伝搬する。導波路領域２１の有効面積、例えば幅は、第２ポンプサイト２６の場所よりも第１ポンプサイト２４の場所の方が大きく、従って導波路領域２１はポンプ伝搬長さにわたってテーパ形状に形成されている。
【００１１】
次に動作について説明すると、この実施例においてはポンプ光は、第１ポンプサイトにあるポンプソースから導波路領域２１内に導入される。この第１ポンプサイトは導波路構造体の端部にある。この実施例においては、伝送光学フィールドは第１ポンプサイト２４又は第２ポンプサイト２６の何れかで導波路構造体内に導入される。図２は平面状導波路を示しているが、この本発明の概念は、図１に示されるような導波路として用いられる光ファイバにも適用可能である。この場合光ファイバのコアは導波路領域２１で、コアを包囲するクラッド層は隣接する第２領域２２となる。
【００１２】
好ましいことに、ポンプパワーは導波路のある長さに沿っては一定に維持される。即ちポンプの輝度は減衰しない。これは、Ｄ_P＝Ｐ（ｚ）／Ａ_effで表される。ここでＤ_Pはポンプ密度で、Ｐ（ｚ）は導波路に沿ったある距離ｚにおけるポンプパワーで、ｚはポンプ光が導波路領域内を伝搬する距離であり、Ａ_effはモードの有効面積である。Ｄ_Pは一定に保つのが好ましいがポンプパワーは伝搬距離の関数であり、ｚが増加すると減少する。斯くしてポンプパワーに対し一定な値を達成するためには、Ａ_effの値は、ポンプパワーＰ（ｚ）が減少すると減少しなければならず、そのため出来るだけ小さいのが好ましい。このことは一定のポンプ密度を維持するためには、導波路領域内で距離ｚに沿って極端なテーパが必要であることを意味する。言い換えると、短い距離ｚに対しては、テーパの鋭い傾斜が導波路領域の長さに沿って必要である。しかしこのような場合、光は導波路からリークしてポンプ或いは伝送光学フィールドをディプリーションして最終的に導波路は光を導波することが出来なくなる。
【００１３】
斯くしてポンプパワー密度を一定に保つ利点は、リークに対するバランスを考慮しなければならない。アディアバッティックなテーパ、即ち導波路領域に対しモードが維持出来、散乱損失が無視できるような充分になだらかな傾斜が用いられる。アディアバッティックなテーパは、導波路領域がほぼ１ｃｍの導波路に対し、好ましくは数ミクロン以下の長さに対し、数ミクロンであるような導波路のテーパの時に達成できる。例えば、第１ポンプサイトで約１０−３０μｍの幅を有する導波路は、光の伝送を可能にしながら出来るだけその幅を小さくする、例えば１−３μｍにする。別の実施例においては第１ポンプサイトの導波路の幅は２−１５μｍであり、それを１−３μｍの範囲の幅に狭める。最小の損失でポンプパワーのディプリーションを最大限押さえる好ましいテーパの角度は、使用される材料、ドーパントの種類と濃度、導波路領域の長さとポンプ伝搬長さと第１ポンプサイトと第２ポンプサイトの導波路領域の幅とポンプパワーと他のファクタに依存する。
【００１４】
図３は本発明の導波路構造体が用いられる周波数差生成（difference frequency generation;DFG）波長コンバータのブロック図である。このシステムは本発明者の１人でもあるＩ．Ｂｒｅｎｅｒ著の文献及び「1.5-μm-Band Wavelength Conversion Based on Cascaded Second Order Nonlinearity in LiNbO₃ Waveguides」IEEE PHOTONICS Tech .Letters,Vol.11,No.6(June 1999)に記載されている。このシステムにおいては、ポンプレーザ３０はエルビームドープファイバ増幅器３２により約３００ｍＷのレベルまで増幅し、バンドパスフィルタ３４でフィルタ処理され伝送パス３１内に入射される信号を放射する外部キャビティレーザである。斯くしてポンプ光は、４つの異なる外部キャビティレーザ３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄでより生成された伝送光学フィールドと組み合わされ、そしてポンプフィールドと伝送フィールドは、導波路構造体２０内に入射される。導波路構造体からの出力は光ファイバで結合され、光学スペクトラムアナライザ３６とパワーメータ３８内で解析される。この構造においては同時の多重チャネル波長変換が導波路内に放射されたポンプパワーでもって行われる。しかし本発明の導波路構造が存在しない場合には、変換プロセスの効率はポンプのディプリーションにより制限される。変換効率は、ポンプのパワーが上がるにつれて、異なる動作条件（例えば、高い温度の使用、異なる種類のドーパント、或いは擬似位相マッチンググレーティング周期）でもって改善されるが、ポンプディプリーションはプロセスの効率を制限してしまう。テーパ状導波路を使用することにより効率が改善され、そしてこれがシステム構成のフレキシビリティを増す。例えば、小さなポンプパワーを用いながら、あるいはシステム設計の制約を少なくしながら、同一或いはより大きな効率を達成できる。
【００１５】
図４は導波路構造の他の実施例を示し、導波路領域２１と第２領域２２を含む平面状導波路構造体の上面図である。この実施例においては導波路の入力点（即ちポンプ光学フィールドと伝送光学フィールドは導波路内に導入される）で選択的事項として最初の外側テーパＴ_iがある。この外側テーパＴ_iは、増幅器のアプリケーションで利点がある。図４Ａにおいては、初期外側テーパが使用される場合には第１ポンプサイトは導波路のエッジ２５ではなく導波路エッジの第１ポンプサイト２４´の点にある。ポンプ光が２５で伝送パスと結合してもエッジの内側の第１ポンプサイト２４´で開始するテーパを使用することは、ポンプ光のディプリーションを減少する際に有効であり、これはポンプ光内のディプリーションは、ポンプ光が導波路内のある距離を伝搬するまでは、関心事とはならない。従って図４Ｂに示した構成は、ポンプディプリーションを減らすのに利点がある。即ち、図４Ｂにおいては導波路の直径は、初期のテーパ領域Ｔ_iにおいて増幅用に最初に外側に向けてテーパが形成されており、その後導波路の直径はある導波路中間距離Ｉ_Cの間ほぼ一定に保たれ、その後導波路の直径は、第１ポンプサイト２４´と第２ポンプサイト２６´の間のポンプ伝搬距離として定義された導波路のセクションにわたって内側にテーパが向いている。
【００１６】
テーパはアプリケーション或いは光学プロセスに応じて最適化することが出来る。例えば、図４Ａ−４Ｂの実施例を動作させる際にはポンプ光学フィールドと伝送光学フィールドの両方を導波路のシングルモード領域内に放射しても良い。その後この領域は、中間（即ち、再び広くなる領域）までテーパ状にされ、そしてこの中間領域ではエルビームドーパントが異なる濃度で導入される。この広い領域はシングルモード及びマルチモード導波路を含む。マルチモード導波路が導入された場合には、光ファイバの両端のテーパはアディアバティックなテーパを含む。即ち、アディアバティックとは、テーパの程度は散乱損失が無視でき、導波路の最低モードが伝送用に一定に使用される十分緩やかな傾斜を意味する。この広い領域は、増幅器のアプリケーションで重要であり、その結果十分なＥｒ原子が光学ゲインを得るのに存在する。このアディアバティックなテーパ（遷移）のためにポンプビームと信号ビームは、導波路のワイドゲイン領域の最低モードを励起させる。ポンプビームが導波路に沿って伝搬するにつれて、そのパワーはＥｒ原子のように引き起こされる吸収に起因して低下する。この吸収は導波路長さの関数としてポンプパワーの指数関数的減衰となる。しかしワイドゲイン領域の端部にテーパを導入することにより、例えばワイドゲイン領域の端部第１ポンプサイト２４´に導入することにより指数関数的減衰を押さえることが出来る。又マルチモード導波路の場合には、テーパはアディアバティックな遷移即ちテーパは図２Ｂに示すように端部の方向に向かって狭くなるような指数関数的テーパであり、その結果ポンプパワー密度は、マルチモード領域の長さにわたってほぼ一定に維持される。このテーパは２次元、或いは３次元のものでも良い。
【００１７】
図５Ａはテーパが形成されてない、即ちストレート幅が５μｍ、長さが１ｃｍのＥｒドープの導波路に対する伝搬距離とポンプ密度の関係のプロファイルを示し、そして図５Ｂは、同一の導波路に対しテーパが導入された場合のポンプ密度プロファイルを示す。各々の場合波長は９８０ｎｍでコアの屈折率は、１．６で、第２屈折率は１．４５である。図５Ａにおいては、ポンプ密度プロファイルは導波路内の吸収が伝搬光のフィールドをいかにディプリートするかを示している。この光を用いてゲインを得るためにエルビーム原子をポンプする場合には、導波路の端部に向かってゲインが小さく成る。これに対し図５Ｂにおいてはテーパが導入されているため、導波路の幅は、５μｍから２．５μｍへと線形に減少している。同図から判るようにポンプ輝度の減衰は、図５に比較すると大幅に小さくなっている。図５Ｂのプロファイルは３．５ｄＢ／ｃｍの損失を示す。すなわち、元のポンプパワーの２５％の損失を示す。同図から判るように図５Ａのプロファイルは、ポンプパワーの５０％以上の損失を示す。輝度の減衰は如何なる程度の改善でも好ましい。
【００１８】
上記の説明は、ファイバ増幅器を例に行ったが、本発明は導波路コンバータ、平面状導波路にも適用可能である。平面状光学導波路増幅器も用いることが出来る。この導波路はナトリウム、カルシウム、シリケート或いはソーダライムグラス（soda lime grasses）のようなガラスでもって製造でき、Ｅｒ³⁺のこれらのガラス内に適宜の寿命でもって最大２モル％導入できる。ソーダライムグラス内に非架橋酸素が豊富に存在することにより、クラスターが無くして高いレベルのＥｒドーピングが可能となる。これらの変形例、及び修正例も本発明の範囲内にはいる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術に関わる導波路増幅器とポンプレーザの組み立て体を表す図。
【図２】本発明の一実施例の導波路構造を表す図。
【図３】本発明の導波路構造とポンプソースと信号ソースとを具備する本発明の導波路構造の一実施例を表す図。
【図４】エルビームドープの導波路増幅器を有する本発明の導波路構造体の他の実施例を表す上面図。
【図５】Ａ：長さが１ｃｍでテーパ形状をしていないストレートの５μｍ幅のＥｒドープの導波路の伝搬距離とポンプ密度プロファイルの関係を表すグラフ。
Ｂ：Ａと同一の導波路に対し、導波路のテーパの幅が５μｍから２．５μｍに線形に減るようなテーパ状の（Ａ）と同一導波路の伝搬距離とポンプ密度プロファイルの関係を表すグラフ。
【符号の説明】
１０ 基板
１１ 光ファイバ
１２ 光学アイソレータ
１３ フィルタ
１５ ポンプレーザ
１６ カプラ
２０ 導波路構造体
２１ 導波路領域
２２ 第２領域
２４ 第１ポンプサイト
２５ 導波路エッジ
２６ 第２ポンプサイト
３０ ポンプレーザ
３１ 伝送パス
３２ エルビームドープファイバ増幅器
３４ バンドパスフィルタ
３５ 外部キャビティレーザ
３６ 光学スペクトラムアナライザ
３８ パワーメータ

Claims (17)

1. 光学フィールドを伝送するための第１ソースと増幅又は変換用にポンプ光を放射する第２ソースと共に使用される導波路構造体（２０）を含む装置において、前記導波路構造体が、
   第１屈折率の導波路領域（２１）、及び
   前記導波路領域に隣接する第２屈折率の第２領域（２２）を備え、前記第２屈折率が前記第１屈折率よりも小さく、伝送入力サイトで前記第１ソースから該導波路構造体に放射される伝送光学フィールドが該導波路領域内でガイドされ、ポンプ入力サイトで該導波路構造内に放射されるポンプ光が該伝送光学フィールドを増幅又は変換し、
   前記導波路領域が第１ポンプサイト（２４）及び第２ポンプサイト（２６）を有し、それらの間にポンプ光が増幅又は変換用に該導波路領域内で伝送されてポンプ伝搬長（Ｌpp）が規定され、該導波路に沿ってポンプパワー密度の減少を減らすために該導波路領域の有効断面積が該第２ポンプサイトよりも該第１ポンプサイトにおいて大きく、
   前記第１ポンプサイトが、前記導波路領域に沿って前記ポンプ入力サイトから所定の距離の場所に配置され、
   前記導波路領域が、前記ポンプ入力サイトで第１の幅を、該導波路領域に沿ったある点で第２の幅を有し、該第２の幅が該第１の幅よりも広く、初期テーパ状領域を画定していることを特徴とする導波路構造を含む装置。
2. 前記導波路領域は、前記ポンプ伝搬長にわたってテーパ状に形成され、該テーパは、モードが該導波路領域にわたって一定に維持されるとともに散乱損失が無視できる程度に十分緩やかな傾斜のものであることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 伝送光学フィールドを前記導波路構造体に前記伝送入力サイトで導入する前記第１ソースをさらに有することを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 前記伝送入力サイトと前記ポンプ入力サイトが前記導波路領域の同一の場所に配置されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
5. 前記伝送入力サイトと前記第２ポンプサイトが前記導波路領域の同一の場所に配置されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
6. 前記第１ポンプサイトが前記導波路領域に沿って前記第２の幅の位置から所定の距離の場所に配置されたことを特徴とする請求項１記載の装置。
7. 前記第１ポンプサイトが前記第２の幅の位置に配置されたことを特徴とする請求項１記載の装置。
8. 前記導波路構造体は平面状導波路を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
9. 前記導波路構造体は光ファイバを有することを特徴とする請求項１記載の装置。
10. 前記導波路構造体が導波路増幅器の一部であることを特徴とする請求項１記載の装置。
11. 前記導波路構造体が波長導波路変換デバイスの一部であることを特徴とする請求項１記載の装置。
12. 伝送光学フィールドを増幅或いは変換するのに用いられる装置であって、
    第１屈折率の導波路領域及び前記導波路領域に隣接する第２屈折率の第２領域を有する導波路構造体であって、該第２屈折率が該第１屈折率よりも小さい、導波路構造体、
    前記伝送光学フィールドを前記導波路構造体に伝送入力サイトで放射する第１ソースであって、該伝送光学フィールドが該第１ソースから該導波路構造体に放射されたときに、該伝送光学フィールドが該導波路領域でガイドされる、第１ソース、及び
    前記伝送光学フィールドを増幅又は変換するためにポンプ光をポンプ入力サイトで前記導波路構造体内に放射する第２ソース
    を有し、
    前記導波路領域が第１ポンプサイト及び第２ポンプサイトを有し、それらの間にポンプ光が増幅又は変換用に該導波路領域内で伝送されてポンプ伝搬長が規定され、該導波路領域に沿ってポンプパワー密度のディプリーションを減らすために前記導波路領域の有効断面積が該第２ポンプサイトよりも該第１ポンプサイトにおいて大きく、
    前記第１ポンプサイトが、前記導波路領域に沿って前記ポンプ入力サイトから所定の距離の場所に配置され、
    前記導波路領域が、前記ポンプ入力サイトで第１の幅を、該導波路領域に沿ったある点で第２の幅を有し、該第２の幅が該第１の幅よりも広く、初期テーパ状領域を画定していることを特徴とする装置。
13. 前記導波路領域が前記ポンプ伝搬長にわたってテーパ状に形成され、該テーパは、モードが該導波路領域にわたって一定に維持されるとともに散乱損失が無視できる程度に十分緩やかな傾斜のものであることを特徴とする請求項１２記載の装置。
14. 前記第２ソースは、ポンプ光を前記伝送入力サイトに近い側で前記導波路構造体内に放射することを特徴とする請求項１２記載の装置。
15. 前記第２ソースは、ポンプ光を前記伝送入力サイトから遠い側で前記導波路構造体内に放射することを特徴とする請求項１２記載の装置。
16. 請求項１の装置を含む光通信システム。
17. 請求項１２の装置を含む光通信システム。

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