JPH0282226A - 半導体光増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、光伝送路中に設けられる半導体光増幅器に
関する。より詳細には、任意の偏波状態の信号光を増幅
する偏波非依存型半導体光増幅器に関する。

（従来技術） 半導体光増幅素子（以下、増幅素子という）を用いて光
直接増幅を行う方法の一つとして、進行波型光増幅があ
る。しかし一般に、増幅素子の接合面に平行な偏波を有
する光（以下、ＴＥ波という）と、接合面に対して垂直
な偏波を有する光（以下、ＴＭ波という）では増幅度が
大きく異なる。即ち、ＴＥ波の増幅度は、ＴＭ波に比べ
て７〜８　ｄＢ大きい。そのため、第８図に示すように
、２つの増幅素子を直列に配置し、これらの間を偏波保
存ファイバで接続し、これらの増幅素子の接合面の方向
（以下、最適偏波方向という）が互いに直交するように
配置した増幅器が提案されている。即ち、入力側ファイ
バ８０１より入力した信号光はまず増幅素子８０２に入
射する。

この場合、増幅素子８０２においてＴＥ波として作用す
る光成分は増幅されるが、ＴＭ波として作用する光成分
はわずかじか増幅されない状態で出力される。この出力
光は、偏波保存ファイバ８０３によって偏波状態を維持
したまま増幅素子ｒ°０４に結合される。このとき偏波
保存ファイバ８０３は、その中心軸方向に９０°のひね
りを与えて増幅素子８０４と結合しているので、増幅素
子８０２にとってＴＥ波であった光成分は増幅素子８０
４にとってはＴＭ波として作用する。また、増幅素子８
０２にとってＴＭ波であった成分は、増幅素子８０４に
とってはＴＥ波として作用することになる。

従って、この光増幅系は最終的には、任意の偏波状態の
入力信号光に一定の割合の増幅を行い、出力側ファイバ
８０５に出力する。この構成は、「ボラリゼイション　
インセンシティブ　オプティカル　アンノリファイヤー
　コンフィグレイションズ」、グロスルコフほかイージ
ーオーシー８７、テクニカル　ダイゾェスト（ｒＰｏｌ
ａｒｉｚａｔｉｏｎｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｏｐｔｉ
ｃａｌ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉ
ｏｎｓ　Ｊ　。

Ｇ、Ｇｒｏｓｓｌｃｏｐｆ他、ＥＣ０Ｃ’８７　Ｔｅｃ
ｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｇｅｓｔ　）に開示されている。

（発明の解決しようとする課題） しかしながら上記の構成では、光ファイバとして先球フ
ァイバを用い、ファイバと増幅素子とを１０〜１５μｍ
程度の近距離で対向させる必要があるので、以下のよう
な問題点を有している。

（１）増幅素子から発した自然放出光が、先球ファイバ
にて反射し、再び増幅素子に入射するので、増幅素子が
自己発振を起こす。

（２）増幅素子と光ファイ・９との相対位置を、非常に
正確に保たなくてはならない。光ファイバを用いたこの
ような光直接結合では、たとえば１μｍ程度の光ファイ
バのわずかな位置ずれによっても大幅に結合が減少する
ので、光結合の安定性に問題がある。

（３）増幅素子は、結露防止、塵埃からの保護、衝撃か
らの保護等のため気密封止する必要がある。

しかし従来のような構成では増幅素子と先球ファイバ先
端部とが近接しすぎているので、第９図に示すように、
これらを一体に気密封止せざるを得ない。即ち、増幅素
子９０１と、先球ファイバ９０２とを気密封止箱９０３
に一体に収容する。このとき、先球ファイバ９０２は、
気密封止箱９０３に設けられた貫通部９０４を貫通する
。従って気密封止は、この貫通部９０４にて行うが、こ
れは増幅素子を単体で気密封止するのに比べれば気密効
果が不完全になる。

この発明は、以上の問題点を解決し、入力信号光の偏波
状態に依存しない半導体光増幅器において、増幅素子の
自己発振が防止でき、安定な光結合と、良好な気密封止
とを得ることのできる光増幅器を提供することを目的と
する。

（課題を解決するための手段） このため本発明では、増幅素子と光ファイバとの間を、
平行光線による遠距離結合する手段を設け、入力側及び
出力側に偏波非依存をアイソレータを設けたものである
。

また第２の発明においては、増幅素子と光ファイバとの
間を平行光線による遠距離結合とする手段を設け、入力
側ファイバと第１の増幅素子との間の結合空間、及び第
２の増幅素子と出力側ファイパとの間の結合空間に、偏
波非依存型アイソレータを設けたものである。

（作用） ２つの増幅素子が、それぞれ最適偏波方向が光学的に直
交するように配置され、その間は偏波保存ファイバにて
接続されているので、入力信号光がどのような状態の偏
波を有していても最終的には一定の増幅度を実現する。

増幅素子とファイバとの間は平行光による遠距離結合で
あシ、増幅素子への戻り光がなくなり、増幅素子の自己
発振を防止するとともに、増幅素子単体の気密封止を可
能とし、安定な光結合が可能となる。そして、入力側、
出力側のアイソレータは、この光増幅系外からの反射を
防止する。

（実施例） 第１図に、第１の実施例の構成図を示す。増幅されるべ
き信号光は、入力側７アイパ１０１、アイソレータ１０
２、光ファイバ・コリメータ１０４、半導体チップ・コ
リメータ１０５、光ファイバ・コリメータ１０６、偏波
保存７アイパ１０７、光ファイバ・コリメータ１ｏ８、
−半導体チップ・コリメータ１０９、光ファイバ・コリ
メータ１１ｏ１アイソレータ１１２を経て、出力側７ア
イパ１１３よシ出力される。入力側ファイバ１０１、及
び出力側ファイバ１１３は、通常の光ファイバを用いれ
ばよい。また、アイソレータ１０２は、偏波非依存型ア
イソレータであシ、入力ファイバ１０１よシの信号光か
どの方向の偏波を有していても、光アイソレータとして
の機能を呈する光機能部品である。光ファイバ・コリメ
ータ１０４は入力ファイバ１０１よシの信号光を平行光
線に変換する。

半導体チップ・コリメータ１０５は、光ファイバ・コリ
メー　タよシの平行光線を受け、直接増幅して再び平行
光線として出力する。この半導体チップ・コリメータは
、球レンズ１０５ｍ、増幅素子ｌθ５ｂ。

球レンズ１０５ｃよシなる。これらの球レンズ１０５ａ
及び１０５ｃは増幅素子１０５ｂと一体に固定されてい
る。光ファイバ・コリメータ１０６は、半導体チップ・
コリメータ１０５よりの平行光線を偏波保存ファイバ１
０７に結合する。この偏波保存ファイバ１０７は、その
軸を中心として９０°のひねシを加えてあり、光ファイ
バ・コリメータ１０８を介して、信号光を半導体チップ
・コリメータ１０９に導く。半導体チップ・コリメータ
１０９は、半導体チップ・コリメータ１０５と同様の構
成であり、この信号光を直接増幅して出力する。光ファ
イバ・コリメータ１１０は、この出力された信号を出力
側ファイバ１１３に結合する。アイソレータ１１２は、
前記アイソレータ１０２と同様、偏波非依存型アイソレ
ータである。

ここで、増幅素子１０５ｂと、増幅素子１０９ｂとは、
最適偏波方向が光学的に直交するように配置される。こ
の結果、たとえば増幅素子１０５ｂに関してのＴＥ波は
、増幅素子１０９ｂに関してはＴＭ波となり、増幅素子
１０５ｂに関してのＴＭ波は増幅素子１０９ｂに関して
はＴＥ波となる。従って、信号光がどのような方向への
偏波を有していても、一定の増幅度が得られる。

第２図に、半導体チップ・コリメータの構造を示す。

第２図（ａ）は、光軸面、第２図（ｂ）は、光軸に垂直
６面から、半導体チップ・コリメータを見たものである
。

マウント２０１には、チップホルダ２０２が固定され、
さらにこのチップホルダ２０２の両側面に、スリーブホ
ルダ２０３が固定されている。また、これらのスリーブ
ホルダ２０３のほぼ中心部にはレンズホルダ２０４が挿
入されており、このレンズホルダ２０４はそれぞし球レ
ンズ２０５を保持している。また、チップホルダ２０２
には、増幅素子２０６が固定されている。それぞれの球
レンズ２０５は、焦点が増幅素子２０６の両端面となる
ように配設されている。従って、外部よシ入力された平
行光線は、球レンズ２０５によシ集光されて増幅素子２
０６に結合する。逆に、増幅素子２０６から出射する光
は球レンズ２０５によシ平行光線に変換されて外部へと
出力される。第３図には、第２図に示した半導体チップ
・コリメータを気密封止する構造を示す。第２図に示し
たものと同等の半導体チップ・コリメータ３０１を必要
に応じて電流／熱交換素子（例えば、ペルチェ素子）３
０２上に固定する。これらを気密封止箱３０３内に収容
し、気密封止を行う。尚、増幅素子と光ファイバ・コリ
メータとの間の光学結合のために、気密封止箱３０３に
は結合窓３０４が両側に設けられている。

第４図には、光ファイバ・コリメータの断面が示されて
いる。光ファイバ４０１はフェルール４０２に挿入され
ておシ、このフェルール４０２はスリーブ４θ３に挿入
されている。このスリーブ４０３の光フアイバ４０ノと
反対側端部には、球レンズ４０４が固定されている。光
ファイバ４０１の先端は、球レンズ４０４の焦点に位置
するようになっている。

以上説明したように、第１に増幅素子の入出力側に球レ
ンズを配置して半導体チップ・コリメータを構成し、第
２に光ファイバの端面に球レンズを配置して光ファイバ
・コリメータを構成し、これらの半導体チップ・コリメ
ータと光ファイバ・コリメータとを対向させる間接的な
光学結合を行っている。さらに１増幅素子の入出力側に
は、偏波非依存型アイソレータを配置している。一般に
先球ファイバと増幅素子とを直接対向させたときの両者
の間隔はｌＯ〜１５μｍ程度である。これに対し、屈折
率１．８、直径０．８　ｔｘｘｒの球レンズを使用して
半導体チップ・コリメータを構成した場合、両者の間隔
は４５〜５０μｍ程度である。このため、増幅素子から
の出射光か球レンズ入射時に反射したとしても、この反
射光が増幅素子へ戻り量は直接対向した場合の戻シ量に
比べて大幅に減少する。

球レンズ表面に反射防止コーティングを施せば、゛戻り
量はさらに低減する。また、光ファイバ・コリメータに
おいて、光ファイバの端面を斜め研磨しておけば、光フ
ァイバからの出射光が球レンズ表面で反射しても、この
反射光は光ファイバに再入射しない。従って、増幅素子
の自己発振を防止することができる。

増幅素子と光ファイバとは、球レンズを用いて平行光線
による遠距離結合としておシ、増幅素子の気密封止箱に
は光ファイバが貫通していない。

従って、増幅素子そのものの充分な気密封止を行うこと
ができる。

光結合を遠距離結合として行っているため、安定な光結
合が得られる。一般て、光コリメータを用いた光結合に
おいては、光軸に対して垂直方向の位置ずれ量が数μｍ
に達しても、それによる光結合の低下はほとんどみられ
ない（「シングルモード　ファイバーＭ）Ｍインデ１．
２／１．３μｍウェー！レングス　リージョン」田村安
昭他、ジャーナルオブ　ライトウェーブ　テクノロジー
ｖｏｌＬＴ”４、％７．１９８６年７月刊［Ｓｉｎｇｌ
ｅ−Ｍｏｄｅ　ＦｉｂａｒＷＤＭ　ｉｎ　　ｔｈｅ　　
１．２／　１．３μｍ　　Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｒｅ
ｇｉｏｎ　Ｊ　−田村安昭他、Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　
ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｖｏｌ　Ｌ
　Ｔ　−４、腐７．１９８６年７月刊、参照）。

半導体テップ・コリメータの製造時に球レンズが最適結
合位置からずれて固定された場合でも、それによる光結
合の劣化は、次に光ファイバ・コリメータを固定する位
置を修正することで容易に回復することができる。また
、この光増幅器の使用される条件によシ、機械的に微少
な寸法変動が生しることがあるが、これも光結合にはほ
とんど影響を及ぼさない。

増幅素子の入出力側双方に偏波非保存型アイソレータを
配置したので、光増幅器外部、例えば光コネクタの接続
部等で光の反射が生じたとしても、この反射が増幅器内
部に戻ることが防止できる。

第５図に、第２の実施例の構成を示す。この構成では入
力側ファイバ５０１に入力された信号光は、光ファイバ
・コリメータ５０２により、平行光線に変換される。こ
の平行光線は、半導体チップコリメータ５０４の入力側
空間に設けられたアイソレータ５０３を通過し、半導体
チップコリメータ５０４に入射する。この半導体チップ
コリメータ５０４は、入射した信号光を直接増幅して出
力する。光ファイバ・コリメータ５０５は、この信号光
を偏波保存ファイバ５０６に結合する。この偏波保存フ
ァイバ５０６は、入力された信号光の偏波方向を９ｃｆ
′変換して光フアイバコリメータ５０７までこの信号光
を伝達する。光フアイバコリメータ５０７は、信号光を
平行光線に変換し、半導体チッゾコリメータ５０８に結
合する。半導体チップコリメータ６０Ｂは、入射した信
号光を直接増幅して出力する。この出力した光は、半導
体チップコリメータの出力側空間に設けられたアイソレ
ータ５０９を通過し、光ファイバ・コリメータ５１０に
入射し、出力側ファイバ５１１に出力される。この第２
の実施例において、入出力ファイバ、各々の光フアイバ
コリメータ、半導体テッグコリメータ、アイソレータ及
び偏波保存ファイバは、第１図に示した第１の実施例に
用いているものと同様のものである。

この第２の実施例では、入力側ファイバ５０１に入力さ
れた信号光を平行光線に変換し、この平行光線を直接半
導体チップコリメータ５０４に結合し、その際、平行光
線の光軸上にアイソレータ５０４を配置している。また
、半導体チッゾコリメータ５０８から出射された平行光
線を直接出力側ファイバ５１１に結合し、その際、平行
光線の光軸上にアイソレータ５０９を配置している。こ
の構成では、第１の実施例における光、ファイ／４１０
３．１１１を省略することができる。即ち、第１の実施
例による効果に加えてさらに、部品点数の低減を図るこ
とができ、設計上の自由度が増大するという効果を奏す
る。

第６図は第３の実施例を示したものである。即ち、２つ
の増幅素子と、これらの増幅素子の入出力側に配置され
る球レンズとをまとめて気密封止箱に収容し、単一の半
導体チップコリメータ６０１を構成したものである。

第７図は第４の実施例を示したものである。この実施例
においては、増幅素子４個およびこれらの入出力側双方
に配置された球レンズを一体として気密封止箱に収容し
、単一の半導体テップコリメータ７０１を構成したもの
である。

この半導体チップコリメータ７０１に収容される各々の
増幅素子は、最適偏波方向が光学的に順次直交するよう
に配置されている。各々の増幅素子に対向させて光ファ
イバ・コリメータ７０２を配置する。増幅素子の出力側
と、次段の増幅素子の入力側とは偏波保存ファイバ７０
３によシ結合される。この実施例では信号光を４つの増
幅素子に順次入射させるので、光増幅の利得をさらに増
大させることができる。増幅素子の数は２個、ないし４
個に限定されるものではなく偶数個であれば所望の数を
用いることができる。

尚、実施例ではコリメータとして球レンズを例にとり説
明したが、球レンズに限らず収束性ロッドレンズを用い
ることもできる。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように本発明によれば、入力される
信号光の偏波状態に依存しない、半導体光増幅器におい
て、増幅素子の気密封止を有効に行うことができ、増幅
素子の自己発振を防止することができる。さらに、光コ
リメータ結合による光速距離結合は、安定な光結合を実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、第１の実施例の構成図、第２図は、半導体チ
ップコリメータの構造図、第３図は気密封止構造を表す
構造図、第４図は光フアイバコリメータの断面図、第５
図は第２の実施例の構成図、第６図は第３の実施例の構
成図、第７図は第４の実施例の構成図、第８図は従来の
光増幅器の構成図、第９図は、従来の光増幅器の気密封
止構造を示す断面図である。 １０１・・・入力側ファイバ、１０２，１１２・・・ア
イソレータ、１０４，１０６，１０８，１１０・・・光
フアイバコリメータ、１．０５，１０９・・・半導体チ
ップコリメータ、１０７・・・偏波保存ファイバ１１３
・・・出力側ファイバ。 特許出願人　　沖電気工業株式会社 １０１　： 入力傾１１ファイバ ＋０５．１０９　：　　半導イ本チップコリメータ１ｏ
７：　イ鳥３皮イ丞存ファイバ １１３：出乃　イ副ファイバ 第１の実施例の構Ｘ図 第１ 図 気ΣミわＬａ１籠り表すオ糞壇図 第３図 ４０２：　７エルール ４０３ニスリーフ・ ４ｏ４：床レンス゛ 光７シイノてコリメータの１５り 第４図 ２０３（ｂ＞ ２０１　： ２０６　：　す言　幅　索　ヨー 半導・イ本ナンアコリメー夕のネ真遣図第２図 入η傅すファイバ ５１ド　出ｈイ！リファイノＶ 躬２の実施イ列の構成°図 第５図 （Ｇ） （ｂ） ６０１　：　半導イ本千−ノフ０コリメータ第３の突施
イ列の構成図 第６図 第８図 釆を来のデＷ暢ｆ４にでｆ１士ａｔするｊ発会で構瓜図
第９図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）入力側ファイバ、第１の半導体光増幅素子、偏波
   保存ファイバ、第２の半導体光増幅素子及び出力側ファ
   イバを直列に配置し、前記第１の半導体光増幅素子から
   出力された信号光の偏波方向が９０°変換されて前記第
   ２の半導体光増幅素子に入力され、出力側光ファイバに
   て出力される半導体光増幅器において、 前記入力側ファイバと前記第１の半導体光増幅素子、こ
   の第１の半導体光増幅素子と前記偏波保存ファイバ、こ
   の偏波保存ファイバと前記第２の半導体光増幅素子、こ
   の第２の半導体光増幅素子と前記出力側ファイバとのそ
   れぞれの間を平行光にて結合する手段を有し、前記入力
   側及び出力側ファイバ上に偏波非依存型アイソレータを
   設けたことを特徴とする半導体光増幅器。
2. （２）入力側ファイバ、第１の半導体光増幅素子、偏波
   保存ファイバ、第２の半導体光増幅素子、及び出力側フ
   ァイバを直列に配置し、前記第１の半導体光増幅素子か
   ら出力された信号光の偏波方向が９０°変換されて前記
   第２の半導体光増幅素子に入力され、出力側光ファイバ
   にて出力される半導体光増幅器において、 前記入力側ファイバと前記第１の半導体光増幅素子、こ
   の第１の半導体光増幅素子と前記偏波保存ファイバ、こ
   の偏波保存ファイバと前記第２の半導体光増幅素子、こ
   の第２の半導体光増幅素子と前記出力側ファイバとのそ
   れぞれの間を平行光にて結合する手段を有し、前記第１
   の半導体光増幅素子の入力側空間、及び前記第２の半導
   体光増幅素子の出力側空間に、偏波非依存型マイソレー
   タを設けたことを特徴とする半導体光増幅器。