JPH07104462B2

JPH07104462B2 - 半導体光増幅器

Info

Publication number: JPH07104462B2
Application number: JP63321980A
Authority: JP
Inventors: 安昭田村
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1988-12-22
Filing date: 1988-12-22
Publication date: 1995-11-13
Anticipated expiration: 2010-11-13
Also published as: JPH02168211A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、光伝送路上に設けられる、半導体光増幅器
に関する。より詳しくは、任意の偏波状態の信号光を増
幅することのできる、半導体光増幅器に関する。

（従来の技術）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ひとつとして、進行波型光増幅が
ある。しかし一般に、増幅素子の接合面の方向（以下、
最適偏波方向という）に平行な偏波を有する光（以下、
TE波という）と最適偏波方向に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７〜8dB大きい。従
って、入力する信号光の偏波状態にかかわらず、一定の
増幅度を得るための構成として、第８図に示すような技
術が提案されている。

第８図において、入力ファイバ801より入力した信号光
は、まず増幅素子802で増幅される。このとき、増幅素
子802にとってTE波として作用する成分は増幅される
が、TM波として作用する成分はわずかしか増幅されない
状態で出力されている。この出力光は、その偏波面が、
偏波保存ファイバ803の偏波主軸に沿って増幅素子804に
結合される。このとき、偏波保存ファイバ803は、その
中心軸に関して90゜のひねりを与えられているので、増
幅素子802によってTE波、TM波であった成分は、増幅素
子804にとっては、それぞれTM波、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
入力信号光について、一定の増幅度が得られる。この構
成は、「Polarization insensitiveoptical amplifier
configurations」,G.Gross Kopf他,ECOC′87Technical
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て光結合を実現させているので、以
下のような問題点を有している。

（１）増幅素子から出射した光が光球ファイバ端にて
反射し、再び増幅素子に入射するので、増幅素子が自己
発振を起こしやすい。

（２）増幅素子と光ファイバとの相対位置を、非常に
正確に保たなければならない。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、光結合の安全性に問題がある。

（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、気密効果は劣る。

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
自己発振を防止することができ、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とする手段を設け、第２の増
幅素子の出力側に偏波非依存型アイソレータを設けたも
のである。

また、第１の増幅素子の入力側、及び第２の増幅素子の
出力側に、偏波非依存型アイソレータを設けたものであ
る。

（作用）２つの増幅素子は、それらの最適偏波方向が光学的に直
交するように偏波保存ファイバにて接続されているの
で、入力された信号光がどのような偏波状態であって
も、最終的には一定の増幅度を実現する。

光ファイバと増幅素子との間の平行光手段は、増幅素子
への戻り光を防止し、増幅素子の自己発振を防止すると
ともに、増幅素子単体での気密封止を可能とし、安定な
光結合を可能とする。

そして、偏波非依存型アイソレータは、この増幅系外か
らの反射による悪影響を防止する。

（実施例）第１図に本発明の実施例の構成図を示す。増幅されるべ
き信号光は、入力側ファイバ101、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、偏波保存ファイバ107、光ファイバコリメータ
108、半導体チップコリメータ109、光ファイバコリメー
タ110、アイソレータ112を経て、出力側ファイバ113よ
り出力される。

入力側ファイバ101及び出力側ファイバ113としては、通
常の光ファイバを用いればよい。光ファイバコリメータ
104は、入力ファイバ101より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
メータよりの平行光線を受け、直接光増幅して再び平行
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105a、増幅素子105b、球レンズ105cよりなる。
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107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゜のひねりを加えてある。

半導体チップコリメータ105より出力された信号光は、
この偏波保存ファイバ107、光ファイバコリメータ108を
経て、半導体チップコリメータ109に入力する。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、信号光を直接光増幅して出力する。
光ファイバコリメータ110は、この出力された信号光を
出力側ファイバ113に結合する。この出力側ファイバ113
上に設けられているアイソレータ112は、偏波非依存型
アイソレータであり、どのような偏波状態の信号光に対
し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。

このように、増幅素子105bと、増幅素子109bとが、等価
的にみて最適偏波方向が直交するように配置されてい
る。この結果たとえば、増幅素子105bにとってのTE波
は、増幅素子109bにとってはTM波となる。逆に、増幅素
子105bにとってのTM波は、増幅素子109bにとってはTE波
となる。従って、信号光がどのような方向の偏波を有し
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）は光軸に垂直な面か
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2
03が固定されている。また、これらのスリーブホルダ20
3のほぼ中心部には、レンズホルダ204が挿入されてい
る。これらのレンズホルダ204は各々、レンズ205を保持
している。一方、チップホルダ202には、増幅素子206が
固定されている。球レンズ205は各々、それらの焦点が
増幅素子206の両端面上にあるように固定されている。
従って、外部から入射した平行光線は、球レンズ205に
より集光されて増幅素子206に結合する。逆に、増幅素
子206から出射した信号光は、球レンズ205により平行光
線に変換されて外部へと出力される。

第３図には、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
リメータを、必要に応じて電流／熱変換素子（例えばペ
ルチェ素子）302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、この気密封止箱303
には、増幅素子と、図示しない光ファイバコリメータと
の光学結合のため、結合窓304が設けられている。

第４図に、光ファイバコリメータの断面図を示す。光フ
ァイバ401は、フェルール402に保持されており、このフ
ェルール402はスリーブ403に挿入されている。

このスリーブ403の、光ファイバ401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、第２の増幅素子の出力側
に、偏波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、10〜15μｍ程度である。これに対
し、この発明において屈折率1.8、直径0.8mmの球レンズ
を用いたとき、レンズ面と増幅素子端面との間隔は45〜
50μｍ程度である。このため、増幅素子からの出射光が
球レンズ面で反射したとしても、この反射光の増幅素子
への戻り量は、両者が直接対向している場合のそれと比
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。さらに、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出射した光が球レンズ表面
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できるのであ
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されている。即ち、気密封止箱を
光ファイバが貫通しているということがなく、増幅素子
そのものを充分に気密封止ができる。

光結合を平行光線を用いて行っているため、安定な光結
合が得られる。即ち、半導体チップコリメータと光ファ
イバコリメータとの相対位置が、光軸方向に変動したと
しても、この変動は光結合に何ら影響を及ぼさない。一
方、光軸に対して垂直方向の位置ずれ量は、数μｍに達
したとしても、これによる光結合の低下はほとんどみら
れない（「Single−Mode Fiber WDM in the1.2/1.3μm
Wavelength Region」，田村安昭他、Journal of Lightw
ave Technology vol.LT−4.No.7 1986年７月刊．参
照）。換言すれば、この光増幅器が使用される環境条件
下て生じる、機械的、微少な寸法変動は、光結合にほと
んど影響を及ぼさない。

また、これとは別に、半導体チ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てしま
った場合でも、このずれ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。即ち、この発明による半導体光増幅器は製造時
の調整も容易である。

第２の増幅素子の出力側に偏波非依存型アイソレータを
配置したので、この光増幅器の出力側外部において（例
えば光コネクタの接続部等）信号光の反射が生じたとし
ても、この反射がこの光増幅器内部に戻ることを防止で
きる。

第５図に、この発明の第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に入力した信号光は、光
ファイバコリメータ502により、平行光線に変換され、
半導体チップコリメータ504に入射する。この信号光
は、以後、光ファイバコリメータ505、偏波保存ファイ
バ506、光ファイバコリメータ507、半導体チップコリメ
ータ508、偏波非依存型アイソレータ509、光ファイバコ
リメータ510を経て、出力側ファイバ511に出力される。
これら各要素は、第１の実施例に用いられているものと
同様の機能を果たす。この第２の実施例では、入力側フ
ァイバ501に入力し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に結合さ
せている。また、半導体チップコリメータ508から出射
した平行光線を直接、出力側ファイバ511に結合させて
いる。その際、半導体チップコリメータ508の出力側空
間において、出力光の光軸上に偏波非依存型アイソレー
タ509を配置している。この構成では、第１の実施例に
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、この発明の第３の実施例を示した構成図であ
る。この実施例においては、第1,第２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。各々の増幅
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703により結合される。この実施例では、信
号光を４個の増幅素子に順次入射させるので、光増幅の
利得を増大させることができる。

尚、以上の実施例では、コリメータとして球レンズを例
にとり説明したが、他に収束性ロッドレンズを用いるこ
ともできる。

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。

また、増幅素子より発する自然放出光が、この半導体光
増幅器の入力側外部へ伝わることを防ぐために、第１の
増幅素子の入力側にも偏波非依存型アイソレータを設け
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、光コリメータ結合による光遠距離結合としたもので
ある。このため、増幅素子の自己発振を防止することが
でき、かつ、安定な光結合を実現することができる。さ
らに、増幅素子の気密封止を有効に行うことができる。

【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示す構造
図、第４図は光ファ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図は従来の半
導体増幅器の斜視図、第９図は、従来の半導体光増幅器
の気密封止構造を示す断面図である。 101……入力側ファイバ、104,106,108,110……光ファイ
バコリメータ、105,109……半導体チップコリメータ、1
07……偏波保存ファイバ、112……アイソレータ、113…
…出力側ファイバ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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、前記第１の半導体光増幅素子と前記偏波保存ファイバ、前記偏波保存ファイバと前記第２の半導体光増幅素子、前記第２の半導体光増幅素子と前記出力側ファイバ、そ
れぞれの間を平行光にて光結合する手段を有し、前記第２の半導体光増幅素子の出力側に、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。
【請求項２】請求項１記載の半導体光増幅器において、
さらに前記第１の半導体光増幅素子の入力側に、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。