JPH065954A

JPH065954A - 光ファイバ増幅器モジュール

Info

Publication number: JPH065954A
Application number: JP15785692A
Authority: JP
Inventors: Mitsushi Yamada; 光志山田; Saeko Oshiba; 小枝子大柴; Tatsuo Kunii; 達夫国井; Hiroshi Ogawa; 洋小川
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1992-06-17
Filing date: 1992-06-17
Publication date: 1994-01-14

Abstract

(57)【要約】【目的】実用的動作温度範囲内で消費電力が少ない小
形化可能の、しかも、励起光の波長安定性が高い光ファ
イバ増幅器モジュールを提供する。【構成】Ｅｒ³⁺がドープされた増幅用光ファイバ１１
に供給する励起光２４を発生する励起用レーザダイオー
ド３１として、歪み量子井戸形レーザダイオードを適用
する。励起用レーザダイオード３１に対する温度制御構
成は省略する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光ファイバ増幅器モジュ
ールに関し、特に、Ｅｒ³⁺（エルビウムイオン）がドー
プされた光ファイバを利用した増幅器（以下、ＥＤＦＡ
と呼ぶ）モジュールに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、光中継器として、入力光を電気信
号に変換して増幅し、その後光信号に変換して送出する
ものが多く適用されている。しかしながら、このような
光中継器の構成は大きく、そのため、ＥＤＦＡモジュー
ル等を備えた光直接増幅を行なう光中継器の開発が行な
われている。

【０００３】図２は、上述したような用途に適用される
ＥＤＦＡモジュールの従来の構成を示すものである。

【０００４】図２において、ＥＤＦＡモジュール１０内
に設けられている、Ｅｒ³⁺がドープされた増幅用光ファ
イバ１１の両端はそれぞれ、入射側光ファイバ１２及び
出射側光ファイバ１３の一端に接続されている。また、
増幅用光ファイバ１１には、この増幅用光ファイバ１１
に励起光を入射するための励起光入射用光ファイバ１４
が接続されている。励起光入射用光ファイバ１４の一端
には、アイソレータ及び光結合系として機能する光学部
材２５が設けられている。

【０００５】この光学部材２５には近接して、ＬＤドラ
イバ１８によって駆動される励起用のレーザダイオード
（ＬＤ）１５が設けられている。このレーザダイオード
１５には近接して光出力モニタ用のフォトダイオード
（ＰＤ）１６が設けられており、フォトダイオード１６
は、レーザダイオード１５の後端面から射出されたレー
ザ光を受光する。フォトダイオード１６によって光電変
換された受光量に応じた電気信号（受光量信号）は、自
動パワー制御（ＡＰＣ）ユニット１７に与えられる。自
動パワー制御ユニット１７は、入力された受光量信号を
基準信号と比較して、その差に応じた制御信号をＬＤド
ライバ１８に与えてレーザダイオード１５からの発光強
度を所定のものとなるように制御する。

【０００６】上述したレーザダイオード１５及びフォト
ダイオード１６は、発熱温度を電気的に制御可能なペル
チェ素子２１に取り付けられている。温度センサ１９
は、ペルチェ素子２１の温度を検出するものであり、検
出信号を自動温度制御（ＡＴＣ）ユニット２０に与え
る。自動温度制御ユニット２０は、温度検出信号を基準
信号と比較して、その差に応じた電流をペルチェ素子２
１に与えて、ペルチェ素子２１の温度、従って、レーザ
ダイオード１５及びフォトダイオード１６の動作時温度
を所定のものとなるように制御する。

【０００７】次に、以上の構成を有するＥＤＦＡモジュ
ール１０の動作を説明する。

【０００８】レーザダイオード１５がＬＤドライバ１８
によってドライブされて射出した励起光は、光学部材２
５を介して励起光入射用光ファイバ１４に入射され、こ
の光ファイバ１４を通過して増幅用光ファイバ１１に入
射される。このようにしてＥ³⁺がドープされた増幅用光
ファイバ１１に入射された励起光２４は、増幅用光ファ
イバ１１で吸収されて十分な反転分布を起こし得るもの
である。

【０００９】励起光２４が増幅用光ファイバ１１に入射
されている状態で、入射信号光２２が入射側光ファイバ
１２を介して増幅用光ファイバ１１に入射されると、入
射信号光２２は誘導放出作用によって次第に増幅され、
その増幅された信号光が出射側光ファイバ１３に介して
出射信号光２３として伝送される。

【００１０】以上のような励起光２４を継続して射出し
ている状態においては、励起光２４の強度及び波長を所
定のものとする制御動作が並行的に行われる。すなわ
ち、励起用レーザダイオード１５の後端面から射出され
たレーザ光はフォトダイオード１６によって電気信号に
変換されて自動パワー制御ユニット１７に与えられ、こ
の電気信号（受光量信号）の基準信号に対する差分に基
づいて、自動パワー制御ユニット１７は、ＬＤドライバ
１８からレーザダイオード１５に供給される電流を可変
させてレーザダイオード１５からの励起光のパワーが一
定になるように制御する。また、レーザダイオード１５
からの発振波長に影響を与える温度は、温度センサ１９
によって検出されて自動温度制御ユニット２０に与えら
れ、この温度検出信号の基準信号に対する差分に基づい
て、自動温度制御ユニット２０は、ペルチェ素子２１に
与える電流を可変させてレーザダイオード１５及びフォ
トダイオード１６での温度が一定になるように制御し、
これにより励起光２４の発振波長が周囲温度が変化して
も変動しないようにしている。

【００１１】上述したように、光ファイバ中にＥｒ³⁺を
ドーピングしたものは誘導放出作用を用いて信号光を光
直接増幅できる。ここで、誘導放出遷移波長として、石
英系光ファイバ中での損失が最も小さい波長帯である
１．５５μｍ帯に選定することが多い。誘導放出遷移波
長をこのように１．５５μｍ帯に選定した場合には、励
起光２４の波長として、１．５５μｍよりも短波長側の
増幅用光ファイバ１１の吸収帯又は吸収線である１．４
８μｍ帯、０．９８μｍ帯、０．８μｍ帯、０．５３μ
ｍ帯のいずれかに選定する。実際上、増幅用光ファイバ
１１の吸収面からみた有効波長帯の幅が広い１．４８μ
ｍ帯を選定することが多い（有効波長帯の幅は１．４７
〜１．４９μｍ程度）。

【００１２】このような長波長のしかも増幅用光ファイ
バ１１中に十分な反転分布を引き起こすパワーをもった
励起光２４を発生する既存のレーザダイオードとして
は、ＶＩＰＳ（Ｖ-grooved inner stripe on p-substra
te）形のレーザダイオードがある程度であり、従来はこ
の形式のレーザダイオードを励起用レーザダイオード１
５に適用していた。

【００１３】ところで、光中継器等に用いられる場合、
その設置状態（埋設や懸架等）を考慮するとＥＤＦＡモ
ジュールの小形化や低消費電力化が求められる。そのた
め、自動温度制御構成１９〜２１を省略することも考え
られ、ＶＩＰＳ形レーザダイオードの発振波長の温度依
存性等が検討されている。例えば、文献１及び２を挙げ
ることができる。

【００１４】文献１『K.Yamada et al.,"More than 300
0 hours stable CW operation of1.48 μm LD for EDF
A pumping source" in Technical Digest on Optical A
mplifiers and Their Applications,1990 』文献２『1990年秋季応用物理学会予稿集、28ｐ−Ｒ−
３』図３は、ＶＩＰＳ形レーザダイオードの発振波長の温度
依存性等を示すものである。なお、文献１及び２で記載
されている図では共振器長Ｌ＝７００μｍのレーザダイ
オードの特性を示しているが、図３では、Ｌ＝１０００
μｍ、１５００μｍのレーザダイオードの特性も示して
いる。

【００１５】この図３は、光出力パワーＰが１００ｍＷ
で一定のもとでは、どの共振器長のレーザダイオード
も、発振波長λLDpeakはほぼリニアな温度依存性をもっ
てレッドシフト（長波長化）し、温度が２０〜６０°Ｃ
程度の範囲では増幅用光ファイバ１１の有効波長帯の幅
（３ｄＢバンド幅：１．４７〜１．４９μｍ）ΔλEDF3
dBに発振波長λLDpeakがあることを示している。また、
図３は、温度係数ｄλ／ｄＴが、共振器長Ｌが７００μ
ｍのレーザダイオードで０．３９ｎｍ／ｄｅｇ、共振器
長Ｌが１０００μｍのレーザダイオードで０．３６ｎｍ
／ｄｅｇ、共振器長Ｌが１５００μｍのレーザダイオー
ドで０．３２ｎｍ／ｄｅｇであることを示している。

【００１６】上記文献は、このようなＶＩＰＳ形レーザ
ダイオードの特性の検討から、レーザダイオードを長共
振器構造としてその発振波長の周囲温度依存性や注入電
流依存性を小さくし、かつ、温度２０°Ｃにおける発振
波長を１．４７μｍ付近に設定すれば、自動温度制御構
成１９〜２１を省略できて、ＥＤＦＡモジュール全体で
の低消費電力化、低コスト化、小型化が計れる可能性が
あることを示唆している。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たように、励起光２４の波長に１．４８μｍ帯を選び、
励起用レーザダイオード１５にＶＩＰＳ形の長共振器構
造のものを適用し、温度２０°Ｃにおける発振波長を
１．４７μｍ付近に設定することで、自動温度制御構成
１９〜２１を省略したＥＤＦＡモジュールを構成したと
しても、以下で述べるように、動作可能な温度範囲が狭
くて実用に供することが困難であり、結局、図２に示し
た構成を有するＥＤＦＡモジュールが適用されていた。

【００１８】レーザダイオードの発振波長は周囲温度が
上昇するとほぼリニアにレッドシフトするので、増幅用
光ファイバの有効波長帯の幅ΔλEDF3dBを発振波長の温
度係数ｄλ／ｄＴで割ることで、ＥＤＦＡモジュールが
有効に機能する温度の範囲が得られる。例えば、有効波
長帯の幅ΔλEDF3dBを１．４９μｍ−１．４７μｍ＝２
０ｎｍ、共振器長Ｌを１５００μｍ、光出力パワーＰを
１００ｍＷとした場合、温度係数ｄλLDpeak／ｄＴが
０．３１７ｎｍ／ｄｅｇであるので、使用可能な温度の
範囲は６３°Ｃである。しかし、実際には、励起用レー
ザダイオード１５が上記パワーを得る上限温度があるた
め、約３０°Ｃの動作範囲しか得られない。例えば、１
年を通じての気温変化がこの範囲より広い地方は多く、
ＥＤＦＡモジュールの設置方法に拘らず、自動温度制御
構成を有しないＥＤＦＡモジュールは適用することはで
きない。

【００１９】また、自動温度制御構成１９〜２１を省略
したＥＤＦＡモジュールにおいては、例えば温度２０°
Ｃで光出力パワー１００ｍＷを得るための注入電流値Ｉ
ｄが、共振器長Ｌが７００μｍのとき３５０ｍＡ、共振
器長Ｌが１０００μｍのとき４００ｍＡ、共振器長Ｌが
１５００μｍのとき６５０ｍＡのように大きく、励起用
レーザダイオードでの消費電力自体が大きくなるという
欠点もあった。使用可能な温度の範囲を考慮すると、共
振器長Ｌが長いものほど温度係数ｄλ／ｄＴが小さいの
で好ましいが、共振器長Ｌが長いものほど消費電力自体
が大きい。

【００２０】本発明は、以上の点を考慮してなされたも
のであり、実用的動作温度範囲内で消費電力が少ない小
型の、しかも、励起光の波長安定性が高い光ファイバ増
幅器モジュールを提供しようとしたものである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め、本発明においては、Ｅｒ³⁺がドープされた光ファイ
バを増幅用光ファイバとして利用した光ファイバ増幅器
モジュールにおいて、増幅用光ファイバに供給する励起
光を発生する励起用レーザダイオードとして、歪み量子
井戸形レーザダイオードを適用した。

【００２２】ここで、温度制御構成を設けないことが好
ましい。

【００２３】

【作用】Ｅｒ³⁺がドープされた増幅用光ファイバの有効
な吸収波長帯の幅に属する波長を有する励起光を励起用
レーザダイオードが、実用的動作温度範囲において、安
定に供給することが好ましい。本発明者は、歪み量子井
戸形レーザダイオードは、このような要件を満足するレ
ーザダイオードであることを発見し、そこで、励起用レ
ーザダイオードとして、歪み量子井戸形レーザダイオー
ドを適用することとした。なお、歪み量子井戸形レーザ
ダイオードを適用した場合、消費電力面での改善も見ら
れた。

【００２４】因に、励起用レーザダイオードは、Ｅｒ³⁺
がドープされた増幅用光ファイバの吸収帯を考慮した波
長の励起光を励起に必要なパワーで射出するものであ
り、そのため、従来適用されていたものは、ＶＩＰＳ形
レーザダイオード等の種類のものに限定されていた。

【００２５】励起用レーザダイオードとして、実用的動
作温度範囲において、安定な発振を行なう歪み量子井戸
形レーザダイオードを適用したので、温度制御構成を省
略することもでき、このようにすると小形化を発生する
ことができる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照しなが
ら詳述する。ここで、図１がこの実施例の構成を示すブ
ロック図であり、図２との対応、同一部分には同一符号
を付して示している。

【００２７】この実施例も、増幅用光ファイバ１１から
の誘導放出遷移波長を、石英系光ファイバ中での損失が
最も小さい波長帯である１．５５μｍ帯に選定したもの
であり、励起光２４の波長を、増幅用光ファイバ１１の
吸収面からみた有効波長帯の幅が広い１．４８μｍ帯に
選定したものである。

【００２８】この実施例は、図２に示した従来構成と
は、励起用レーザダイオード３１に、図４に示す活性層
構造を有する歪み量子井戸形のレーザダイオードを適用
した点が大きく異なり、また、歪み量子井戸形レーザダ
イオードを適用したことにより温度制御構成を設けてい
ない点が異なる。

【００２９】従って、温度制御動作を除き、このＥＤＦ
Ａモジュール３０の基本的な動作は従来と同様である。

【００３０】すなわち、レーザダイオード３１がＬＤド
ライバ１８によってドライブされて射出した励起光は、
光学部材２５を介して励起光入射用光ファイバ１４に入
射され、この光ファイバ１４を通過して増幅用光ファイ
バ１１に入射される。励起光２４が増幅用光ファイバ１
１に入射されている状態で、入射信号光２２が入射側光
ファイバ１２を介して増幅用光ファイバ１１に入射され
ると、入射信号光２２は誘導放出作用によって次第に増
幅され、その増幅された信号光が出射側光ファイバ１３
に介して出射信号光２３として伝送される。また、励起
用レーザダイオード３１の後端面から射出されたレーザ
光はフォトダイオード１６によって電気信号に変換され
て自動パワー制御ユニット１７に与えられ、この電気信
号（受光量信号）の基準信号に対する差分に基づいて、
自動パワー制御ユニット１７は、ＬＤドライバ１８から
レーザダイオード３１に供給される電流を可変させてレ
ーザダイオード３１からの励起光のパワーが一定になる
ように制御する。

【００３１】次に、この実施例における励起用レーザダ
イオード（歪み量子井戸形レーザダイオード）３１の活
性層構造を図４に基づいて説明する。

【００３２】図４において、レーザダイオード３１は、
少なくとも１以上の圧縮歪み（歪み量１〜２％）の量子
井戸層４０と、量子井戸層４０間に設けられた量子障壁
層４１と、両端の量子井戸層４０に隣接した光閉じ込め
層４２と、光閉じ込め層４２に隣接したクラッド層４３
とから構成されている。量子井戸層４０は、例えば、エ
ネルギーギャップＥｇが０．７３ｅＶであるようにＩｎ
ＧａＡｓＰで形成されたものであり、厚さは３．５ｎｍ
である。量子障壁層４１は、例えば、エネルギーギャッ
プＥｇが０．９３ｅＶであるようにＩｎＧａＡｓＰで形
成されたものであり、厚さは１７ｎｍである。光閉じ込
め層４２は、例えば、エネルギーギャップＥｇが０．９
３ｅＶであるようにＩｎＧａＡｓＰで形成されたもので
あり、厚さは２５ｎｍである。クラッド層４３は、例え
ば、エネルギーギャップＥｇが１．３５ｅＶであるよう
にＩｎＰで形成されたものである。

【００３３】このような励起用レーザダイオード（歪み
量子井戸形レーザダイオード）３１の活性層構造は、Ｍ
Ｏ−ＣＶＤ法などによって形成することができる。ま
た、通常の埋め込み型レーザダイオードやリッジ型レー
ザダイオードの作成方法と同様の技術でレーザダイオー
ドとして完成することができる。

【００３４】図５は、このような活性層構造を有する励
起用レーザダイオード３１の発振波長の温度依存特性等
を示したものである。この図５から分かるように、レー
ザダイオード３１は、例えば共振器長Ｌが１０００μｍ
のものを、光出力パワーＰ＝５０ｍＷ又は１００ｍＷで
温度を変えた場合に、ある温度で波長が最大値を持つと
いう特性を有している。これにより、光出力パワーＰが
５０ｍＷのものでは１０〜７０°Ｃの温度範囲で発振波
長の変化が５ｎｍ程度となり、また、光出力パワーＰが
１００ｍＷのものでは１０〜５０°Ｃの温度範囲で発振
波長の変化が３ｎｍ程度となる。すなわち、発振波長に
ついて非常に安定な温度依存性を示している。従って、
上述のように、従来とは異なって、温度制御構成を省略
することが可能となる。

【００３５】次に、図４に示す活性層構造を有する励起
用レーザダイオード３１によって、図５に示したような
実用動作温度範囲で波長が安定な励起光２４を発振でき
る理由について図６を参照して説明する。

【００３６】まず、レーザダイオードのピーク波長の変
化メカニズムを一般的に述べる。自動パワー制御構成
（１６〜１８）を有する場合、周囲温度Ｔa が一定と仮
定した連続発振時（ＣＷ動作時）において、駆動電流Ｉ
ｄが増加すると、注入キャリヤ密度ｎが増加してバンド
フィリングによって発振波長λLDpeakは短波長へシフト
（ブルーシフト）しようとすると共に、ジャンクション
温度Ｔj が上昇してバンドギャップ波長の温度依存性に
よって（バンドギャップの縮小によって）発振波長λLD
peakは長波長へシフト（レッドシフト）しようとする。
一般的なレーザダイオード（例えば従来用いられていた
ＶＩＰＳ形レーザダイオード）は短波長シフト量より長
波長シフト量が大きく、このような状況で周囲温度Ｔａ
が上昇し、ジャンクション温度Ｔj の上昇度合いが高ま
ると、その結果、発振波長は長波長へずれることにな
る。このことは、上述した図３に示した従来のレーザダ
イオードの温度依存性と一致している。

【００３７】なお、量子井戸層４０を形成しているＩｎ
ＧａＡｓＰの場合、ジャンクション温度Ｔj が１°Ｃ上
がると、エネルギーギャップＥｇは−４×１０^-4縮小さ
れ、その結果０．７ｎｍ短波長へシフトする。

【００３８】上述したピーク波長の変化メカニズムを検
討すると、短波長シフトと長波長シフトとバランスさせ
れば、発振波長はあまり変化しないことになる。

【００３９】図４に示す活性層構造を有する励起用レー
ザダイオード３１は、圧縮歪みを内在しており、キャリ
ヤの状態密度は小さくなる。このことは、注入キャリヤ
密度ｎが増加したときにバンドフィリングによる短波長
シフト量が増加することを意味する。

【００４０】従って、歪み量を調整することで、発振ピ
ーク波長λLDpeakがブルーシフトするか、レッドシフト
するか、一定となるかをコントロールすることができ
る。上述した圧縮歪み（歪み量１〜２％）の量子井戸層
４０を有する励起光レーザダイオード３１は、発振ピー
ク波長λLDpeakがほぼ一定となるような構造となってい
る。

【００４１】上記実施例によれば、励起用レーザダイオ
ード３１として歪み量子井戸形レーザダイオードを適用
したので、温度調整構成を省略しても、実用動作温度範
囲で安定した増幅動作を実行させることができる。例え
ば、レーザダイオード３１の発振波長の３ｄＢ幅ΔλLD
3dB が１０ｎｍ（λLDpeakの両サイドに５ｎｍずつ）と
しかつ光出力パワーＰが１００ｍＷで一定であるとした
場合、動作温度の範囲は、この本実施例では４０°Ｃ以
上にできるが、従来例では、波長変化が小さい共振器長
Ｌが１５００μｍを用いた場合でも約３０°Ｃ程度であ
る。

【００４２】勿論、温度調整構成を省略しているので、
ＥＤＦＡモジュールの構成を小形なものとすることがで
きる。

【００４３】また、注入電流を書き入れている図３及び
図５に示すように、実施例に係る歪み量子井戸形レーザ
ダイオード３１では注入電流が４００〜７００ｍＡ程
度、従来例に係るＶＩＰＳ形レーザダイオードでは６０
０〜１０００ｍＡであり、上記実施例によれば消費電力
を低減することもできる。

【００４４】なお、増幅用光ファイバからの誘導放出遷
移波長や励起光の波長は、上記実施例のものに限定され
るものではない。また、歪み量子井戸形レーザダイオー
ドの組成元素やエネルギーギャップや厚さも図４に示し
たものに限定されるものではない。

【００４５】また、励起光の波長によっては、励起用レ
ーザダイオードに歪み量子井戸形レーザダイオードを適
用しても温度制御構成を設けて、発振波長の安定性をよ
り高めるようにしても良い。

【００４６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、励起用
レーザダイオードにＬＤに波長安定な歪み量子井戸形レ
ーザダイオードを適用したので、実用的動作温度範囲内
で消費電力が少ない小型化が可能の、しかも、励起光の
波長安定性が高い光ファイバ増幅器モジュールを実現で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の構成を示すブロック図である。

【図２】従来の構成を示すブロック図である。

【図３】従来適用されていた励起用レーザダイオードの
発振波長の温度依存性を示す特性図である。

【図４】実施例の励起用レーザダイオード（歪み量子井
戸形レーザダイオード）の活性層構造を示す説明図であ
る。

【図５】実施例の励起用レーザダイオード（歪み量子井
戸形レーザダイオード）の発振波長の温度依存性を示す
特性図である。

【図６】レーザダイオードのピーク波長の変化メカニズ
ムの説明図である。

【符号の説明】

１１…増幅用光ファイバ（Ｅｒ³⁺ドープ光ファイバ）、
３１…励起用レーザダイオード（歪み量子井戸形レーザ
ダイオード）、４０…量子井戸層、４１…量子障壁層、
４２…光閉じ込め層、４３…クラッド層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小川洋東京都港区虎ノ門１丁目７番12号沖電気工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｅｒ³⁺がドープされた光ファイバを増幅
用光ファイバとして利用した光ファイバ増幅器モジュー
ルにおいて、上記増幅用光ファイバに供給する励起光を発生する励起
用レーザダイオードとして、歪み量子井戸形レーザダイ
オードを適用したことを特徴とする光ファイバ増幅器モ
ジュール。
【請求項２】温度制御構成を有しないことを特徴とし
た請求項１に記載の光ファイバ増幅器モジュール。