JPH04102806A - 光導波路及び光増幅器 - 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］ 本発明は、コア導波路に希土類元素を添加したカラス導
波路及びそれを用いた光増幅器に係り、特にコア導波路
を略渦巻状に形成することにより光増幅の相互作用長が
長くとり？）るようにした先導波路及び光増幅器に関す
るものである。

［従来の技術１ 光ファイバのコアに希土類元素を添加した光フアイバ増
幅器やファイバレーザーの研究か活発に行われるように
なり、光波通信用増幅器及び光波通信用ファイバレーザ
ーとして注目されるようになってきた。

従来、光フアイバ増幅器において、第５図に示すように
希土類元素を添加した光フアイバ５１内に信号光を伝搬
させ、この信号光の伝搬方向に対して励起光を光フアイ
バカプラ５２を用いて合成し、反転分布状態を形成させ
ることにより信号光を増幅させ、出力側より光フアイバ
カプラ５２で励起光を分離させる方法が検討されている
（木材。

中沢：光ファイバレーザー発振特性とその光通信への応
用、レーザー学会研究会、ＲＴＭ−８７１６、ｐｐ、３
］−〜３７，１９８８年１月）６光ファイバ増幅器及び
ファイバレーザーは、（１）コア径が１０μｍと細径で
あるため励起パワー密度か大きくなり励起効率か上がる
、（２）相互作用長が長くとれる、（３）石英系光ファ
イバの場合非常に低損失である、等の特長を有している
。

まな、小型化を目的として、カラス導波路のコアに希土
類元素を添加した光増幅器の研究も進められている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしなから、光フアイバ増幅器及びファイバレーサー
にあっては、半導体レーザー、受光素子、光変調回路、
光分岐・結合回路、光スイッヂ回路、光合分波回路等と
共に実装したシステムを構成しようとする場合に、それ
ぞれが個別部品であるので、システムの小型化、低損失
化が難しいという問題点かあった。また、これら個別部
品を個々に光軸調整して配置させなければならないので
、調整時間が膨大にかかり、コスＩ〜高、信頼性に問題
がある等の課題もあった。

一方、希土類元素を添加したカラス導波路は小形化、高
集積化等の可能性を有しているか、光ファイバのように
長い伝送路を構成する方式か見出だされていない。伝送
路が短いと光増幅の相互作用長か長くとれず、励起パワ
ーを上げることかできない。そこで、コア導波路に希土
類元素を多量に添加することにより高い利得を得ること
が試みられている。しかしながら、希土類元素を多量に
添加すると濃度消光を起こし、逆に増幅機能か得られな
いという問題が生じることかわかった。

本発明の目的は、」１記課題を解消し、高利得増幅を達
成し得る光導波路及び光増幅器を提供することにある。

〔課題を解決するための手段］ −Ｆ記目的を達成するなめ本発明の先導波路は、基板」
−に形成されたクラッド層内に希土類元素を添加したコ
ア導波路を略渦巻状に形成すると共にそのコア導波路の
入力端及び出力端を上記基板の端面位置に形成したもの
である。

また、光導波路は、」−記コア導波路がその渦巻の最も
内側部分から略Ｉ７字型に屈曲されて該コア導波路と交
差させて上記基板の端面位置まで延出されると共に、該
コア導波路の略９０度の屈曲部先端に導波方向に対して
略４５度の角度を有する反射端面を形成し、その反射端
面を空気と接触させるよう露出させて構成してもよい。

また、」１記コア導波路がその入力端近傍に方向性結合
器を有してもよい。

次に、本発明の光増幅器にあっては、基板上に形成され
たクラッド層内に希土類元素を添加したコア導波路を略
渦巻状に形成すると共にそのコア導波路の入力端近傍に
方向性結合器を形成し、その方向性結合器の入力端には
励起光源を、上記コア導波路の入力＠並びに出力端には
光ファイバをそれぞれ接続したものである。

まな、光増幅器は、上記コア導波路がその渦巻の最も内
側部分から略り字型に屈曲されて該コア導波路と交差さ
せて上記クラッド層の端面まで延出されると共に、その
コア導波路の屈曲部先端に導波方向に対して略４５度の
角度を有する反射端面を形成し、その反射端面を空気と
接触させるよう露出させさせて構成してもよい。

［作用コ 上記構成による本発明の光導波路によれば、コア導波路
を渦巻状に形成することにより、基板上のほぼ全面を使
用して長い伝送路を構成することかできる。これにより
、光増幅の相互作用長を長くとることかでき、少ない希
土類元素添加量で高利得の光増幅器用導波路を実現する
ことかできる。

すなわち、コア導波路の入力端より入射した入力信号Ｐ
ｉに対し、長さしの渦巻状のコア導波路を伝搬して出射
される出力光信号ＰＯは、ＰＯ＝Ｐｉ−（αｓ＋αａ）
Ｌ　　　・−（１）αＳ：単位長さ当りの散乱損失 αａ：単位長さ当りの吸収損失 で表わされる。また、コア導波路の入力端より入力信号
Ｐｉに励起光ｐｐを重畳させて入射させる場合には、 ＰＯ＝Ｐｉ−（αｓ＋αａ）Ｌ＋ＧＬ・−（２）Ｇ：コ
ア導波路の利得係数 で表わされる６式（１）、（２）から判るように、伝送
路長りを長くすることにより高利得の増刷作用か達成で
きる。尚、Ｇは希土類元素の添加量。

ｐｐの大きさ、コア導波路のサイズ及び屈折率差などに
依存する。

上記コア導波路の屈曲部先端に上記反射端面を形成し、
その反射端面を空気と接触させるよう露出させることに
より、光を反射端面で全反射させてその伝搬方向を略９
０度変えることかできるので、伝搬損失を極めて少なく
抑えることができる。

また、上記コア導波路の入力端近傍に方向性結合器を形
成することにより、光導波路の光増幅器への適用が容易
になる。

次に、本発明の光増幅器によれば、コア導波路は渦巻状
に形成されるので長い伝送路を有することになる。これ
により、光増幅の相互作用長を長くとることができ、少
ない希土類元素添加量で高利得の光増幅器を実現するこ
とができる。

［実施例］ 次に、本発明の光導波路の実施例を添付図面に従って説
明する。

第１図（ａ）、（ｂ）に示すように、光導波路は基板１
上にクラッド層２か形成され、クラッド層２内にコア導
波路３が形成されて主に構成されている。コア導波路３
は第１図（ｂ）に示すように基板１上のほぼ全面を使用
して略渦巻状に形成され、その入力端３ａ及び出力端３
ｂはクラッド層２の一方の端面しく図中、左側）に形成
されている６入力端３ａは、コア導波路３の渦巻の最も
外側部分の先端で構成される。出力端３ｂは、コア導波
路３がその渦巻の最も内側部分から略り字型に屈曲され
てクラッド層２の端面りまで延出されて形成される。そ
して、コア導波路３の交差部７においてコア導波路相互
は直交している。また、コア導波路３には、その屈曲部
光＠４か導波方向に対して略４５度の角度に切り取られ
て反射端面５が形成されている。そしてクラッド層２に
は、反射端面５を空気と接触させるよう露出させるなめ
の矩形状の渭６が形成されている。

基板１を構成する素材としては、Ｓｔ、ガラス（Ｓ　１
０２　、或いはＳｉＯ２にＴｉ、Ｇｅ、Ｐ。

Ｂ、Ｆ、Ｎａ、に、Ｚｎ、Ｓｂ、ＡＩ、等を少なくとも
一種含んだもの）、ＧａＡｓ、Ｉ　ｎＰ、磁性材料１強
誘電体材料１等を用いることができる。

クラッド層２には、ＳｉＯ□、或いはＳｉＯ□にＴｉ　
、Ｇｅ、Ｐ、Ｂ、Ｆ、Ｎ、ａ、に、Ｚｎ、Ｓｂ。

ＡＩ、等を少なくとも一種含んだものを用いることかで
きる。コア導波路３は断面が略矩形状に形成される。そ
して、コア導波路３は単一モード用導波路であるので、
その厚み及び幅は例えば１．３〜１．５μｍ帯伝送用の
導波路では数μｍから数十μｍの値に設定される。また
、コア導波路３の屈折率ｎｗはクラッド層２の屈折率ｎ
ｃよりも高く設定され、比屈折率差（Δ−（ｎｗｎ　ｃ
　）　／　ｎ　ｗ　Ｘ　１００％）は０．２〜０．９％
程度の範囲から選ばれる。コア導波路３の主成分は、５
ｉＯｚ、或いはＳ　ｉ　０２にＴｉ　、Ｇｅ、Ｐ、Ｂ。

Ｆ、Ｎａ、に、Ｚｎ、Ｓｂ、ＡＩ　、等を少なくとも一
種含んなものから成る。そしてコア導波＆ｌＩ３には、
増幅機能を持たせるために希土類元素（Ｅｒ、　　　Ｎ
ｄ、　　　Ｔｍ、　　　Ｓｍ、　　　Ｃｅ、　　　Ｙｂ
、　　　Ｈｏ　　のうち少なくとも一種〉が数十ｐｐｍ
から数千ｐｐｍ添加されている。

次に、第１図（ａ）、（ｂ）に示した先導波路の動作に
ついて説明する。

光信号は入力端３ａよりコア導波路３内に入射し、コア
導波路３内を伝搬して出力端３ｂから取り出される。コ
ア導波１ｉ！８Ｂか基板１、−１−のほぼ全面を使用し
て渦巻状に形成されているのて、光信号は長い伝搬路（
第１図（ｂ）に示す３周の渦巻状伝搬Ｉ／８）を伝搬す
ることになる。従来技術において基板上に直線状、或い
はＵ字状に形成されていたコア導波路の長さに比べて、
３倍以上に長い伝搬路を構成することができる。従って
、光増幅の相互作用長を長くとることかでき、希土類元
素の添加量を少なくして高利得増幅器用の光導波路を実
現することができる。

コア導波路を渦巻状に形成すると、渦巻の内側はど曲率
半径か小さくなるため、渦巻の最も内側の部分において
放射損失が最も大きくなる。しかし本実施例に示ず光導
波路の場合には、上記屈曲部先端４に導波方向に対して
略４５度の角度を有する反射端面５を形成しその端面５
を空気と接触させているので放射損失を軽減し得る。ず
なわち、コア導波＃ｒ３の渦巻の最も内側部分において
、光信号を反射端面５で全反射さぜることにより伝搬方
向を略９０度変えることができるので伝搬損失が極めて
小さい。まな、交差部７においてコア導波路相互は直交
しているので、渦巻の最も内側部分から出力端３ｂ側へ
伝搬する光信号の交差した相手側の導波ｆＩＰｔ３ｃ、
３ｄへの漏れ込みはほとんどない。

第２図に本発明の先導波路の別の実施例を示す。

この実施例は屈折率差△を大きく設定することにより、
上記反射端面５並びに溝６を設けずに光導波路を構成し
たものである。すなわち、比屈折率差△を０．７〜０．
８％にとると、渦巻の曲率半径Ｒを１０ｍｍ前後に設定
してもこの曲り部での放射損失を十分に小さく抑えるこ
とかできる。第２図の光導波路の場合にはコア導波路３
の渦巻は約４周に設定されているが、５周以上の略渦巻
状に形成してもよい。尚、第１図及び第２図においてコ
ア導波路間の間隔Ｓ＋　、Ｓ２，３３　、Ｓ４・・等は
２０μｍ以上離しておけばカップリングを生ずることは
ほとんどない。従って、コア導波路３は数十層程度の巻
数の略渦巻状に形成することかでき、長尺の伝送路を実
現することかできる。

第３図はコア導波路３の入力端３ａの近傍に方向性結合
器８を形成したものである。すなわちこの光導波路は、
基板１上に形成されたクラッド層２内に、希土類元素か
添加されな略渦巻状のコア導波路３と方向性結合器８を
構成するコア導波路つとが近接して形成されている。方
向性結合器８は、これを構成するコア導波路９の入力＠
９　ａに入射さぜな励起光１０を略渦巻状のコア導波路
３へ結合させるよう構成されている。この結合により、
コア導波路３内の希土類元素に励起光１０が吸収されて
エネルギー準位が持上げられ、反転分布状態か形成され
る。この状態のコア導波路３内に入力光信号λ１か入射
し伝搬していくことによす、誘導放出により入力光信号
λ１が増幅され、コア導波路３の出力端３ｂから増幅さ
れた出力光信号λ２か取り出される。−例として、希土
類元素としてＥｒを添加したコア導波路３の場合、励起
光λ３には波長１．４８μｍ、或いは０．９８μｍの光
信号が用いられ、入力光信号λ１には波長１．５μｍ帯
が使用される。まなこの場合、方向性結合器８は波長１
．４８μｍ（或いは０．９８μｍ）の光信号を選択的に
分渡し、波長１．５μｍ帯の光信号はそのまま通過させ
るよう構成される。このようにコア導波路３がその入力
端３ａの近傍に方向性結合器８を有することにより、先
導波路の光増幅器への適用か容易になる。

また、方向性結合器８を入力端３ａ側以外に出力端３ｂ
側にも設けて励起光を分離するようにずれば、出力端３
ｂから増幅された信号のみを取り出すことができる。

次に、本発明の光増幅器の一実施例を第４図に基いて説
明する。

この光増幅器１１は、第３図の光導波路をモジュール化
したものである。すなわち、方向性結合器８を構成する
コア導波路９の入力端９ａには結合レンズ付きの励起光
源（半導体レーザー）１２が、略渦巻状のコア導波路３
の入力端３ａ並びに出力端３ｂには光ファイバ１３．１
４がそれぞれ接続されている。ただし、コア導波路３の
出力端３ｂに接続された光ファイバ１４には希土類元素
を添加したものが用いられ、光フアイバ１４内でも光信
号は増幅される。この光増幅器１１によれは、渦巻状の
長い伝送路を有しているので、希土類元素の添加量を少
なくして高利得の光増幅が達成できる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、略
渦巻状のコア導波路は円形状、楕円状等でもよい。

［発明の効果］ 以上要するに、本発明によれば希土類元素を添加したコ
ア導波路を略渦巻状に形成したことにより光増幅の相互
作用長が長くとれるので、少ない希土類元素添加量で励
起効率を高くすることかでき、濃度消光の生じにくい高
利得の光導波路及び光増幅器を実現することかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の光導波路の一実施例を示す側面
図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）のＩ−Ｉ線断面図、第
２図〜第３図は本発明の光導波路の他の実施例を示す図
、第４図は本発明の光増幅器を示す図、第５図は従来の
光フアイバ増幅器を示す図である。 図中、１は基板、２はクラッド層、３はコア導波路、３
ａは入力端、３ｂは出力端、４は屈曲部先端、５は反射
端面、８は方向性結合器、９ａは入力端、１１は光増幅
器、１２は励起光源、１３及び１４は光ファイバである
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上に形成されたクラッド層内に希土類元素を添
   加したコア導波路を略渦巻状に形成すると共に該コア導
   波路の入力端及び出力端を上記基板の端面位置に形成し
   たことを特徴とする光導波路。 ２、上記コア導波路がその渦巻の最も内側部分から略Ｌ
   字型に屈曲されて該コア導波路と交差させて上記基板の
   端面位置まで延出されると共に、該コア導波路の屈曲部
   先端に導波方向に対して略４５度の角度を有する反射端
   面を形成し、該反射端面を空気と接触させるよう露出さ
   せたことを特徴とする請求項１記載の光導波路。 ３、上記コア導波路がその入力端近傍に方向性結合器を
   有したことを特徴とする請求項１及び２記載の光導波路
   。 ４、基板上に形成されたクラッド層内に希土類元素を添
   加したコア導波路を略渦巻状に形成すると共に該コア導
   波路の入力端及び出力端を上記クラッド層の端面に形成
   し、該コア導波路の入力端近傍に方向性結合器を形成す
   ると共に該方向性結合器の入力端に励起光源を接続し、
   上記コア導波路の入力端並びに出力端には光ファイバを
   それぞれ接続したことを特徴とする光増幅器。 ５、上記コア導波路がその渦巻の最も内側部分から略Ｌ
   字型に屈曲されて該コア導波路と交差させて上記クラッ
   ド層の端面まで延出されると共に、該コア導波路の屈曲
   部先端に導波方向に対して略４５度の角度を有する反射
   端面を形成し、該反射端面を空気と接触させるよう露出
   させたことを特徴とする請求項４記載の光増幅器。