JPH041614A - 光増幅装置 - Google Patents

光増幅装置

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JPH041614A
JPH041614A JP2102635A JP10263590A JPH041614A JP H041614 A JPH041614 A JP H041614A JP 2102635 A JP2102635 A JP 2102635A JP 10263590 A JP10263590 A JP 10263590A JP H041614 A JPH041614 A JP H041614A
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amplifier
optical
semiconductor laser
optical fiber
light
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Yasuo Nakajima
康雄 中島
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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    • H01S5/00Semiconductor lasers
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    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01S3/091Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
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    • H01S3/094003Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light the pumped medium being a fibre
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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 (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (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。
JP2102635A 1990-04-18 1990-04-18 光増幅装置 Pending JPH041614A (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2102635A JPH041614A (ja) 1990-04-18 1990-04-18 光増幅装置
US07/584,774 US5101461A (en) 1990-04-18 1990-09-19 Optical fiber amplifier apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2102635A JPH041614A (ja) 1990-04-18 1990-04-18 光増幅装置

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JPH041614A true JPH041614A (ja) 1992-01-07

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ID=14332702

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JP2102635A Pending JPH041614A (ja) 1990-04-18 1990-04-18 光増幅装置

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US (1) US5101461A (ja)
JP (1) JPH041614A (ja)

Cited By (3)

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