JPH041614A

JPH041614A - 光増幅装置

Info

Publication number: JPH041614A
Application number: JP2102635A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Nakajima; 康雄中島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-04-18
Filing date: 1990-04-18
Publication date: 1992-01-07
Also published as: US5101461A

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、光通信システムに不可欠である光増幅装置
に関し、特にその高性能化及び信較性の向上に関するも
のである。

〔従来の技術〕

従来から光信号を直接増幅する光増幅器として、ファプ
リベロー型半導体光増幅器や進行波型光増幅器等の半導
体レーザを用いた半導体レーザ増幅器（以下ＬＤ増幅器
ともいう。）、および希土類元素であるエルビウム（Ｅ
ｒ）等を光ファイバのコア内にドープしたＥｒドープ光
ファイバ増幅器がある。

第３図は従来の進行波型光増幅器の説明図であり、第３
図（ａ）はその断面構造を、第３図（ｂ）〜第３図（ｇ
）はそれぞれその特性を示している。図において、３は
信号光（波長λ）１１を受け、その増幅出力光１２を出
射する進行波型光増幅器で、半導体レーザ部３１の両端
面に低反射膜３２をコーティングした構造となっている
。

上記半導体レーザ部３１は、厚さ８０μｍ程度のｎ形あ
るいはｐ形１ｎＰ基板３３上にｎ形ＩｎＰクラッド層３
５．ＩｎＧａＡｓＰ活性層３６゜２形１ｎＰクラッド層
３７及びｐ形１　ｎＧａＡｓＰコンタクト層３８を形成
し、表面側及び裏面側にｐｉ極３９ａ及びｎ電極３９ｂ
を形成した積層構造となっており、全体の厚さが１００
μｍ程度ある。ここで、活性層３６及びクラッド層３５
゜３７は上記半導体レーザ部３１の導波路３４を構成し
ている。

また上記低反射膜３２は、シリコン酸化膜やシリコン窒
化膜を上記半導体レーザ部３１の端面にλ／４の膜厚で
形成したものであり、この低反射膜３２によって上記半
導体レーザ部３１の端面での反射率を１％程度に低くし
ている。これは半導体レーザ部３１自体の端面での反射
率が３０％程度あるため、端面での反射率を低くしない
と、共振構造をなし、レーザ発振器として機能すること
となるからである。

第３図（ｂ）は光出力−電流特性を示しており、実線Ａ
はこの進行波型光増幅器３．つまり低反射膜コーティン
グをした半導体レーザ部３１の特性を、また点線Ｂは低
反射膜コーティングしない半導体レーザ部３１の特性を
示しており、ｖｔｈはレーザ発振のしきいイ直である。

次に動作について説明する。

信号光１１をレンズ系（図示せず）を用いて集光して半
導体レーザ部３１の作り付けの導波路３４に入射させる
。そして半導体レーザ部３１に低反射膜コーティング前
のしきい値電流値ｖｔｈの２〜３倍の電流を注入すると
、誘導放出が生じ、信号光１１のパワーが導波路３４に
沿ってしだいに大きくなり、信号光ＩＩの増幅が行われ
、増幅された出力光１２が得られる。ここで、半導体レ
ーザ部３１は両端面に低反射コーティングがされている
ため、実線Ａで示すような特性となっており、発振はし
ない。

なお、上記ファブリベロー型半導体光増幅器は、上記半
導体レーザ部３１と同一の構造をしており、これを上記
しきい値ｖｔｂ以下にバイアスして用いるものであるが
、利得が小さい等特性上問題が多く、現在ではあまり用
いられていない。

また第４図は○ＱＥ−８９Ｐ４９に示された進行波型半
導体光増幅器の他の例であるが、半導体レーザの活性開
城両側端部に窓領域を設けることにより、残留端面反射
率の低減を図っている。

すなわちｎ形ＴｎＰ基板４１の中央部には、ｎ形りラッ
ド層としての基板領域４１．活性層としてのＩｎＧａＡ
ｓＰ層４２及びｐ形りラッド層としてのＩｎＰ層４３か
らなる島領域４４が形成されている。また基板４１の両
端部には、ｎ形ＩｎＰ基板４１上にｐ形１ｎＰｌｉ４３
．ｎ形ＩｎＰ層４５及びｐ形ＩｎＰ４６を積層した構造
の窓領域４日が形成されている。また基板４１の両端面
には低反射膜４９が形成されている。

さらに第５図は従来の光増幅器のその他の例として、例
えば０ｐｌｕｓＥ　　Ｎｏ、１１３　Ｐ７５に記載のＥ
ｒドープ光ファイバ増幅器を示す図であり、第５図（ａ
）はその概略構成、第５図〜）はその光ファイバの断面
構造、第５図（Ｃ）〜第５図（ｅ）はそれぞれその特性
を示している。図において、５０はＥｒドープ光ファイ
バ増幅器で、Ｅｒドープ光ファイバ１と、上記光ファイ
バ１の励起光源としての半導体レーザ（以下ＬＤともい
う。）２と、信号光１１と励起光とをカップリングする
カプラ４と、増幅光１２と励起光１１ａとを分離するフ
ィルタとからなる。

上記光ファイバ１は、二酸化硅素（Ｓｉｎ、）の芯材に
エルビウム（Ｅｒ）をドープしたコア１ａと、ガラス繊
維等からなり該コア１ａを被覆するクラッドＪｌｉｉｌ
ｂと、該クラッドＪｉｌｂの表面を覆う保護被膜１ｃと
から構成されている。また半導体レーザ２は、上記進行
波型光増幅器の半導体レーザ部３１と同一構造となって
いる。この半導体レーザ２と上記光ファイバ１との間に
は上記カブラ４が配設されており、また上記光ファイバ
１の光出射側には上記フィルタｌｌａが配設されている
。

このような構成のＥｒドープ光ファイバ増幅器では、光
ファイバ１のコアｌａ中のＥｒ原子が半導体レーザ２の
励起光（波長１．４８μｍ）によって高いエネルギー準
位に励起された状態で、該光ファイバ１内に信号光１１
が入ってくると、誘導放出が生じ、信号光１１のパワー
が光ファイバ１に沿って次第に大きくなり、信号光１１
の増幅が行われる。

ここで、上記Ｅｒドープ光ファイバｌには第５図（ｅ）
に示すように複数の吸収帯があり、いずれも励起光の波
長として利用できるが、総合的にみて０．６７μｍ、　
０．９８μｍ、　１．４８μｍ帯が有望である。

また励起用としては半導体レーザの他に、色素レーザや
ガスレーザ等が用いられている。

またこの光ファイバ増幅器は、半導体レーザを用いたＬ
Ｄ増幅器にはない長所、例えば低雑音である、利得の偏
光依存性がない、伝送路との結合損失が少ない等の特徴
を持っている。

以下の表に半導体レーザ増幅器（ＬＤａｍｐ）の特徴と
光ファイバ増幅器（ＦＡａｍｐ）の特徴とを比較して示
す。

表このような特性の相違は、主としてＬＤ増幅器とＦＡ増
幅器の構造によるものであるが、信号光の波長λの幅や
３ｄＢ帯域幅は、活性層の組成により左右されるもので
、また利得や飽和出力は素子長や励起電流・励起光によ
り増大可能である。

また偏波面依存については、ＬＤ増幅器では第３図（Ｃ
）に示すように出力光におけるＴＭモードとＴＥモード
がズしているのに対し、ＦＡ増幅器では第５図（Ｃ）に
示すように一致している。

また結合損失については、ＬＤ増幅器では光ファイバか
らの伝送光をレンズ等で集光する必要があり、結合損失
の値が６ｄＢ程度になるのに対し、ＦＡ増幅器では、光
ファイバ同士の結合となり、損失はほとんどない。

さらにＬＤ増幅器で温度依存性があるのは、これが半導
体材料で構成されているからである（第３図（ｅ）参照
）。

この比較結果から、信号光として使用可能な波長、３ｄ
Ｂ利得帯域幅及び飽和出力を除くと、光ファイバ増幅器
が優れていることがわかる。また光ファイバにドープす
る希土類元素の種類、ドーピング量等の改善により、上
記信号光の波長及び３ｄＢ利・得帯域幅が改善され、励
起光パワーの増大により、利得及び飽和出力がさらに向
上できると言える。

なお、この励起光パワーを大きくする方法として、特開
昭６３−１１５１５４号公報には、２個のＬＤ増幅器を
偏波多重して高出力化を図ったものが示されている。

次に上記光増幅器を用いた光増幅の適用例を第６図を用
いて説明する。

まず第６図（ａ）は信号光１１を検出器６２の直前で増
幅する光装置増幅器の例を示している。信号源が遠方に
ある場合、信号光１１はその伝搬経路で減衰しており、
このため検出器６２ではこれを誤検出することがある。

このような場合、検出器６２の直前に増幅器６１を配設
し、減衰した信号光１１を検出器６２の直前で増幅する
ことにより、上記誤検出を防止することができ、受信感
度の改善を図ることができる。

また第６図（ｂ）は、光ファイバ中を伝送されて減衰し
た信号光を直接増幅して再び伝送用ファイバに送出する
光増幅中継器の構成を示しており、ここでは光ファイバ
（図示せず）からなる伝送経路に所定間隔で光増幅器６
１を配置し、該光増幅器６１により伝送光を増幅して送
出することにより、再生中継間隔、つまり伝送距離を拡
大することができる。

第６図（Ｃ）は光回路中の素子挿入損失や光分岐損失を
補償するための光ブースタ増幅器であり、これにより光
損失によって規模が制限されない大規模な光信号処理シ
ステムが可能となる。すなわちここでは、信号光１１を
分岐する光分岐器（光スィッチ）６３の前段及び後段に
光増幅器６１を配設し、入力信号光１１を増幅するとと
もに、分岐出力光１１ｂを増幅するように構成している
。

そしてこれらの用途において満足できる光増幅器を得る
には、主として（１）小信号利得が２０ｄＢ以上と十分に大きいこと（２）利得帯域幅が広いこと（３）信号利得が偏波面に依存しないこと（４）飽和利
得が大きいこと（５）低雑音であることが要求される。

また、半導体レーザと同じように１０万時間程度の高い
信頼性が必要である。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、半導体レーザの両端面に低反射膜コーティン
グを行った第２図（ａ）の光増幅器では、以下のような
問題点があった。

第１に、端面反射率を０．０１％以下に抑えないと、残
留端面反射率によって、共振構造をなし、利得帯域幅が
幅Ｗ１となり、共振構造を形成しない場合の輻Ｗ０より
狭くなるという問題がある（第３図（ｄ）参照）。

第２に、温度や進行光の波長変動に対して利得が大きく
変わるという問題がある（第３図（ｅ）参照）。

第３に飽和出力光強度が小さいという問題がある。

また、第４には、反射率０．０１％以下の無反射コーテ
ィングを行うには、無反射コーティングに用いる膜の屈
折率と膜厚に関するトレランスが非常にきびしく、安定
にかつ容易に無反射膜が得られない。つまり、低反射コ
ーテイング膜の屈折率ｎは活性層の屈折率をｎ、とする
と、ｎ　＝　Ｉ　ｎ　ｓの関係を満足しなければらなず
、通常ｎよ＝３．４程度であるので、低反射コーテイン
グ膜を構成するＳｉｎ、、ＳｉＮ、のＸの値を調整して
ｎを１．８５±０．０１程度にしなければならない。ま
た低反射コーテイング膜の膜厚ｄはｄ＝λ／４ｎ土１０
λ程度にしなければならない（第３図（ｆ）参照）。

また第４図の窓領域を有する進行波型半導体光増幅器で
は、窓構造を用いることにより、端面反射率を０．０１
５以下に抑えることは可能であるが、逆に窓構造を有す
る半導体レーザを再現性よく作製することは、構造が複
雑であるため結晶成長の点で非常に難しいという問題点
があった。

さらに一方希土類、例えばＥｒをドープした光ファイバ
を用いた光ファイバ増幅器では、励起用として色素レー
ザ、ガスレーザ、半導体レーザ等が用いられているが、
半導体レーザ以外では装置が大型化するという問題があ
る。また、第５図（ｄ）に示すように、励起光パワー２
０ｍＷでは利得帯域幅はＷ！であるのに対し、励起光パ
ワー５０ｍＷでは利得帯域幅はＷｘ　　（＞Ｗｚ　）と
なっており、利得を大きく、かつ広帯域にするには励起
パワーを高くする必要がある。上記半導体レーザについ
ては、０．６７μｍ、　０．９８μｍ帯では半導体レー
ザ自体が研究段階であり、励起用光源となり得る半導体
レーザはない、　１．４Ｂ、ｃｚｍ帯では、１００ｍＷ
程度の光出力を有する半導体レーザがあるが、１００ｍ
Ｗ以上の高出力状態で使用した場合、これまで光通信に
用いてきた光出力レベル（〜１０ｍＷ）に比べ、十分な
信頼性が得られていないという問題点がある。

また上記特開昭６３−１１５１５４号公報記載の、２個
のＬＤ増幅器を偏波多重して高出力化を図る方法では、
１００ｍＷの出力を得るためには、１つのＬＤ増幅器で
は５０ｍＷを負担しなければならず、やはり信頼性の点
で問題がある。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、低雑音であり、利得の偏波面依存性がなく、
広帯域にわたって高い利得をもち、伝送路との結合効率
が高い等の高性能を有し、かつ作製が容易で、高い信頼
性をもった光増幅装置を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る光増幅装置は、希土類をドープした光フ
ァイバ光増幅器の励起光源を、励起光を発生する半導体
レーザと、該励起光を増幅する半導体レーザ光増幅器と
から構成したものである。

〔作用〕

この発明においては、光ファイバ光増幅器の励起光源を
、励起光を発生する半導体レーザと、該励起光を増幅す
る半導体レーザ増幅器とから構成したから、半導体レー
ザを低レベルで使用でき、その信頬性を向上することが
でき、また励起光は半導体レーザ増幅器で増幅されるた
め、励起光パワーは大きなものとなり、利得を大きくし
かつ利得帯域幅を広げることができる。

また出力光には光ファイバ増幅器の優れた特性が現れる
こととなるので、半導体レーザ増幅器に要求される性能
が少なくなり、設計、製造が容易となる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図について説明する。

第１図は本発明の一実施例による光増幅装置を示す概略
構成図であり、図において第５図（ａ）及び（ハ）と同
一符号は同一または相当部分を示し、１００は光ファイ
バ増幅装置で、該光ファイバ光増幅装置１００の励起光
源は、励起光を発生する半導体レーザ２と、該励起光を
増幅する半導体レーザ増幅器３とから構成されている。

また、上記ＬＤ増幅器３と半導体レーザ２とは第２図（
ａ）に示すようにハイブリッド構成、つまりそれぞれ別
々の部品として形成したものをマウント部材１０上に搭
載した構成となっている。

ここで上記半導体レーザ２はＬＤ増幅器３の半導体レー
ザ部３１と同一構造であり、つまりｎ形ＩｎＰ基板２３
．ｎ形１ｎＰクラッドＪｉ２５．１ｎＧａＡｓ　Ｐ層２
６．ｐ形１ｎＰクラッド層２７゜ｐ形１ｎＧａＡｓＰ２
８及びｐ電極２９ａ、ｎ電極２９ｂからなっている。ま
た、ＬＤ増幅器３の半導体レーザ部３１の両端面には二
酸化シリコン等の低反射膜３２ａが形成されており、そ
の端面での反射率は１％程度となっている。

次に作用効果について説明する。

半導体レーザ２及びＬＤ増幅器３にそれぞれ１００ｍＡ
程度の駆動電流を印加すると、該半導体レーザ２より波
長１．４８μｍの励起光（１０〜２０ｍＷ程度）が放出
される。該励起光はＬＤ増幅器３によって１００ｍＷ以
上に増幅されて、カブラ４を介して希土類ドープ光ファ
イバ１に入射する。

この時、光ファイバ１では励起光によって誘導放出が生
ずる。また信号光１１は上記カプラ４を介して上記光フ
ァイバ１に入射し、上記誘導放出により増幅される。

このように本実施例では、ＬＤ増幅器３の端面反射率を
１％程度としているので、低反射膜３２ａの屈折率と膜
厚に関するトレランスが緩く、安定かつ容易に低反射膜
を形成することができる。

また半導体レーザ２．ＬＤ増幅器３ともに駆動電流は１
００ｍＡ程度でよく、ＬＤ単体を励起光源として用いた
場合に比べ、非常に高い信顧性が得られる。

さらに、出力光の特性には光ファイバ増幅器の優れた特
性が現れ、また励起光パワーの増大により、高利得など
の高性能化を達成できる。

この高性能化について詳述すれば、ＬＤ増幅器３は端面
反射率が１％で残留反射率があるので、完全な進行波型
ではなく、共振型の特性も持つこととなる。このため帯
域が狭く、また両端面での反射に起因して利得にリップ
ルが生じる（第３図（ｇ）参照）。しかし、ＬＤ増幅器
３と半導体レーザ２は同一構造であるために高い結合が
得られ、ＬＤ増幅器３にしきい値電流ｖｔｈの３倍程度
の順バイアス（１００ｍＡ程度）を印加すると、１０ｄ
Ｂ以上の利得が得られ、光ファイバ励起用として１００
ｍＷ以上の光出力が得られる。またこのような擬進行波
型ＬＤ増幅器で増幅された光は、利得のリップル偏波依
存性、つまりＴＭモード、ＴＥモードの利得にそれぞれ
リップルが生じること等により発振スペクトルにリップ
ルを生じるが、中心波長は半導体レーザ２から放出され
た光と同じで１．４８μｍである。−力筒５図に示した
ようなＥｒドープ光ファイバ増幅器では、出力特性は励
起光のモードによらず、偏光依存性をもたない。

従って励起光としては発振スペクトルにリップルを持つ
が、出力光としては広帯域で偏波面依存性を持たず、ま
た１００ｍＷ以上の高出力であるので、２０ｄＢ以上の
高い利得を得ることができ、さらに光ファイバをベース
としているので、雑音及び伝送路との結合損失を少なく
できる。

なお、上記励起用光源は、ＬＤとＬＤ増幅器をハイブリ
ッドに構成したものを示したが、これらをモノリシック
に構成してもよい。

第２図［有］）はこのようなモノリシック構成の本発明
の他の実施例を示し、ここでは、共通基板３３ｂ上にｐ
形りラッド層３５ｂ、活性層３６ｂ、ｎ形りラッドＮ３
７　ｂ、及びコンタクト層３８ｂを順次形成し、さらに
Ｐ電極３９ｃ及びｎ電極３９ｄを形成し、所定領域をエ
ツチングして半導体レーザ側とＬＤ増幅器側に分離し、
ＬＤ増幅器側の両端面に低反射膜３２ｂを形成した構造
となっている。

この場合上記実施例の効果に加えて、より高い結合効率
及び利得が得られるとともに、集積化により光増幅器自
体を小型化できる効果がある。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明に係る光増幅装置によれば、光
増幅器本体として光ファイバ増幅器を用い、該光ファイ
バ増幅器の励起光源を、励起光を発生する半導体レーザ
と、該励起光を増幅する半導体レーザ増幅器とから構成
したので、信号光の出力特性には光ファイバ増幅器の優
れた特性が現れることとなり、信号利得の偏光依存性を
なくすとともに、雑音及び伝送線路との結合損失を低減
することができる。この結果励起光源に要求される性能
が少なくなり、ＬＤ増幅器の端面反射率は１％程度でよ
く、非常に作製が容易となる。また半導体レーザとＬＤ
増幅器とは同一構造を用いることができ、−層製造の簡
略化を図ることができる効果がある。

さらに半導体レーザ自身の光出力は低レベルで良いので
、高い信顛性を確保することができるとともに、励起光
が半導体レーザ増幅器で増幅されるため、励起光パワー
は大きなものとなり、利得及び飽和出力の増大、及び利
得帯域の拡大を図ることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による光増幅装置を示す図
、第２図（ａ）はその励起光源をハイブリッドに構成し
た場合を示す図、第２図（ｂ）は上記励起光源をモノリ
シックに構成した場合を示す図、第３図は従来の無反射
コーティングを施した進行波型光増幅器を説明するため
の図、第４図は従来の窓領域を有する進行波型光増幅器
を示す図、第５図は従来の光ファイバ増幅器を説明する
ための図、第６図は従来の光増幅器の適用例を示す図で
ある。１・・・希土類をコアにドープした光ファイバ、２・・
・半導体レーザ、３・・・ＬＤ増幅器、４・・・光カプ
ラ、１１・・・信号光、１２・・・増幅された出力光、
１００・・・光ファイバ増幅装置。なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。第　１　図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）そのコア内に希土類元素をドープした光ファイバ
と、該光ファイバへの励起光を発生する励起光源とを有
し、信号光を上記光ファイバ内で増幅して出力する光増
幅装置において、上記励起光源を、上記励起光を発生する半導体レーザと、該励起光を増幅して光ファイバに供給する、半導体レー
ザを用いた光増幅器とから構成したことを特徴とする光
増幅装置。