JPH0732276B2 - 光信号増幅方法 - Google Patents
光信号増幅方法Info
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- JPH0732276B2 JPH0732276B2 JP60173982A JP17398285A JPH0732276B2 JP H0732276 B2 JPH0732276 B2 JP H0732276B2 JP 60173982 A JP60173982 A JP 60173982A JP 17398285 A JP17398285 A JP 17398285A JP H0732276 B2 JPH0732276 B2 JP H0732276B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光信号の増幅方法およびその装置に関する。
本発明は、半導体レーザ素子と同等の構造をもつ半導体
レーザ増幅器を用いた光信号増幅方法および装置におい
て、 微小信号に対する利得が最大となる波長と異なる動作波
長で上記半導体レーザ増幅器を動作させることにより、 増幅のダイナミックレンジを広げ、比較的大きな入力光
信号に対する線形性のよい増幅を可能にするものであ
る。
レーザ増幅器を用いた光信号増幅方法および装置におい
て、 微小信号に対する利得が最大となる波長と異なる動作波
長で上記半導体レーザ増幅器を動作させることにより、 増幅のダイナミックレンジを広げ、比較的大きな入力光
信号に対する線形性のよい増幅を可能にするものであ
る。
〔従来の技術〕 光信号の増幅は特に光通信の分野で重要である。光通信
に用いられる光は可視領域である必要はなく、ここで用
いる「光学」および「光」という用語は可視光に限定す
るものではない。実際に、伝送媒体としてシリカ製の光
ファイバを使用するときには、1.3μｍおよび1.55μｍ
の近傍でその損失が極小となるので、赤外光が特に有用
である。
に用いられる光は可視領域である必要はなく、ここで用
いる「光学」および「光」という用語は可視光に限定す
るものではない。実際に、伝送媒体としてシリカ製の光
ファイバを使用するときには、1.3μｍおよび1.55μｍ
の近傍でその損失が極小となるので、赤外光が特に有用
である。
通常の半導体レーザ素子の構造は、バンドギャップの小
さい「能動層」と、この能動層の両側に設けられたバン
ドギャップの比較的大きい「閉じ込め層」と、能動層の
近傍に設けられたpn接合とを備えている。ｐ型領域から
ｎ型領域に駆動電流が流れると、電子および正孔が能動
領域で結合して光を発生する。「レーザ発振」が始まる
しきい値電流は、例えばその終端面からの反射によりこ
の構造内に帰還される割合、能動層に沿って通過する光
子の誘導放射の（電流に依存する）利得、および他の因
子に依存する。比較的低い駆動電流では、半導体レーザ
素子は発光ダイオードとして、またはスーパールミネッ
センス放射器として動作する。終端面での反射により帰
還が行われる半導体レーザ素子は、ファブリペローレー
ザ素子として知られている。
さい「能動層」と、この能動層の両側に設けられたバン
ドギャップの比較的大きい「閉じ込め層」と、能動層の
近傍に設けられたpn接合とを備えている。ｐ型領域から
ｎ型領域に駆動電流が流れると、電子および正孔が能動
領域で結合して光を発生する。「レーザ発振」が始まる
しきい値電流は、例えばその終端面からの反射によりこ
の構造内に帰還される割合、能動層に沿って通過する光
子の誘導放射の（電流に依存する）利得、および他の因
子に依存する。比較的低い駆動電流では、半導体レーザ
素子は発光ダイオードとして、またはスーパールミネッ
センス放射器として動作する。終端面での反射により帰
還が行われる半導体レーザ素子は、ファブリペローレー
ザ素子として知られている。
このような半導体レーザ素子の構造、すなわち半導体レ
ーザ構造を光増幅器として使用できることが知られてい
る。すなわち、増幅しようとする光信号の波長に近い波
長で最大の利得が得られるように半導体レーザ構造を選
択し、しきい値より小さい駆動電流をこのレーザ構造の
ｐ型領域からｎ型領域に流したときに、光信号が能動層
に入射するとこの光信号が増幅される。以下では、「半
導体レーザ構造」という用語を、使用時に必ずしも実際
にレーザ発振を行うわけではなく、増幅器の構造が半導
体レーザ素子の構造と同じであることを示す意味に用い
る。
ーザ構造を光増幅器として使用できることが知られてい
る。すなわち、増幅しようとする光信号の波長に近い波
長で最大の利得が得られるように半導体レーザ構造を選
択し、しきい値より小さい駆動電流をこのレーザ構造の
ｐ型領域からｎ型領域に流したときに、光信号が能動層
に入射するとこの光信号が増幅される。以下では、「半
導体レーザ構造」という用語を、使用時に必ずしも実際
にレーザ発振を行うわけではなく、増幅器の構造が半導
体レーザ素子の構造と同じであることを示す意味に用い
る。
半導体レーザ構造をもつ半導体レーザ増幅器では、供給
された駆動電流に対する増幅器の利得が、入力強度が零
ないし小さい範囲では実質的に一定であり、さらに入力
強度が大きくなると減少して零になり、さらには負（全
体として吸収）になる。これは、使用される電子および
正孔の割合が増加して素子が飽和したことによる。駆動
電流を増加させると、電子および正孔の供給を増加させ
ることができ、したがって利得を増加させることができ
る。しかし、駆動電流の増加による利得の増加にも限度
がある。なぜなら、駆動電流をこの素子のレーザ発振し
きい値近くまで増加させると、インジェクションロック
・レーザ発振（injection-locked lasing）を生じ、こ
の後には、単一放射波長での出力強度の入力強度依存性
がわずかに変化し、有効な増幅を行うことができないか
らである。
された駆動電流に対する増幅器の利得が、入力強度が零
ないし小さい範囲では実質的に一定であり、さらに入力
強度が大きくなると減少して零になり、さらには負（全
体として吸収）になる。これは、使用される電子および
正孔の割合が増加して素子が飽和したことによる。駆動
電流を増加させると、電子および正孔の供給を増加させ
ることができ、したがって利得を増加させることができ
る。しかし、駆動電流の増加による利得の増加にも限度
がある。なぜなら、駆動電流をこの素子のレーザ発振し
きい値近くまで増加させると、インジェクションロック
・レーザ発振（injection-locked lasing）を生じ、こ
の後には、単一放射波長での出力強度の入力強度依存性
がわずかに変化し、有効な増幅を行うことができないか
らである。
本発明は、大きな入力強度の光信号を増幅するための方
法を提供することを目的とする。
法を提供することを目的とする。
本発明の第一の発明は、動作波長の設定を特徴とする光
信号増幅方法である。
信号増幅方法である。
すなわち、駆動電流が供給されている半導体レーザ構造
の能動層に入力光信号を入射し、この能動層から入力光
信号を増幅した出力光信号を放射させる光信号増幅方法
において、その駆動電流における最小限度の入力光電力
に対して半導体レーザ構造による利得が最大となる波長
をλmaxとし、同じく利得が零となる二つの波長の長い
方の波長をλupperとするとき、増幅する動作波長λを λupper＞λ＞λmax かつ （λ−λmax）／（λupper−λmax）≧0.1 に設定することを特徴とする。
の能動層に入力光信号を入射し、この能動層から入力光
信号を増幅した出力光信号を放射させる光信号増幅方法
において、その駆動電流における最小限度の入力光電力
に対して半導体レーザ構造による利得が最大となる波長
をλmaxとし、同じく利得が零となる二つの波長の長い
方の波長をλupperとするとき、増幅する動作波長λを λupper＞λ＞λmax かつ （λ−λmax）／（λupper−λmax）≧0.1 に設定することを特徴とする。
入力光の信号レベルは、λ＝λmaxであってもその信号
に対する利得が小さくなるようなレベルとする。
に対する利得が小さくなるようなレベルとする。
動作波長λは、 （λ−λmax）／（λupper−λmax） の値が0.2以上になるように設定することがさらに望ま
しく、0.6以上とすることもできる。
しく、0.6以上とすることもできる。
波長λmaxは1.2ないし1.7μｍの範囲であることが望ま
しい。駆動電流は、能動層でレーザ発振が生じない低い
値に設定してもよく、レーザ発振が生じる値に設定して
もよい。レーザ発振が生じる値に設定したときには、光
信号の増幅が動作波長λで行われ、その一方で波長λ
maxでのレーザ発振が入力光信号パワーに影響されずに
連続して行われるように、動作波長λを波長λmaxから
十分に離して設定する。
しい。駆動電流は、能動層でレーザ発振が生じない低い
値に設定してもよく、レーザ発振が生じる値に設定して
もよい。レーザ発振が生じる値に設定したときには、光
信号の増幅が動作波長λで行われ、その一方で波長λ
maxでのレーザ発振が入力光信号パワーに影響されずに
連続して行われるように、動作波長λを波長λmaxから
十分に離して設定する。
「インジェクションロック」は電子回路の共振器でもよ
く知られた現象であり、共振器にその固有の発振波長
（周波数）に近接した波長（周波数）を注入すると、そ
の固有の発振波長（周波数）が減衰し、注入した波長
（周波数）で発振する現象をいう。半導体レーザの場合
であれば、光源から半導体レーザ増幅器に入力された入
力光信号の波長が、この半導体レーザ増幅器のレーザ発
振モードの波長に近いとき、または一致したときに生
じ、半導体レーザ増幅器の駆動電流がレーザ発振しきい
値を越えて増加させたとき、入力光信号がなければその
増幅器のレーザ発振モードでレーザ発振が生じるのに対
し、そのレーザ発振モードに近接した波長の光信号を入
力すると、その増幅器のレーザ発振波長がその入力光信
号の波長に固定される現象をいう。このような現象を利
用し、半導体レーザ増幅器の出力を光源の半導体レーザ
素子に帰還させると、一つの連結された発振器として動
作させることができる。
く知られた現象であり、共振器にその固有の発振波長
（周波数）に近接した波長（周波数）を注入すると、そ
の固有の発振波長（周波数）が減衰し、注入した波長
（周波数）で発振する現象をいう。半導体レーザの場合
であれば、光源から半導体レーザ増幅器に入力された入
力光信号の波長が、この半導体レーザ増幅器のレーザ発
振モードの波長に近いとき、または一致したときに生
じ、半導体レーザ増幅器の駆動電流がレーザ発振しきい
値を越えて増加させたとき、入力光信号がなければその
増幅器のレーザ発振モードでレーザ発振が生じるのに対
し、そのレーザ発振モードに近接した波長の光信号を入
力すると、その増幅器のレーザ発振波長がその入力光信
号の波長に固定される現象をいう。このような現象を利
用し、半導体レーザ増幅器の出力を光源の半導体レーザ
素子に帰還させると、一つの連結された発振器として動
作させることができる。
本発明は、このようなインジェクショッンロックを利用
するのではなく、そのような現象が生じることのないよ
うな波長を用いる。
するのではなく、そのような現象が生じることのないよ
うな波長を用いる。
この方法を実施するには、半導体レーザ構造と、この半
導体レーザ構造の能動層に増幅しようとする入力信号を
入射する手段と、この半導体レーザ構造に駆動電流を供
給する手段と、能動層から増幅された出力光信号を放射
させる手段とを備えた光信号増幅装置を用い、動作波長
λが、その駆動電流における最小限度の入力光電力に対
して半導体レーザ構造による利得が最大となる波長をλ
maxとし、同じく利得が零となる二つの波長の長い方の
波長をλupperとするとき、 λupper＞λ＞λmax かつ （λ−λmax）／（λupper−λmax）≧0.1 に設定された装置を用いる。
導体レーザ構造の能動層に増幅しようとする入力信号を
入射する手段と、この半導体レーザ構造に駆動電流を供
給する手段と、能動層から増幅された出力光信号を放射
させる手段とを備えた光信号増幅装置を用い、動作波長
λが、その駆動電流における最小限度の入力光電力に対
して半導体レーザ構造による利得が最大となる波長をλ
maxとし、同じく利得が零となる二つの波長の長い方の
波長をλupperとするとき、 λupper＞λ＞λmax かつ （λ−λmax）／（λupper−λmax）≧0.1 に設定された装置を用いる。
本発明の第二の発明は、駆動電流を増加させた光信号増
幅方法である。
幅方法である。
半導体レーザ構造の能動層に増幅しようとする第一の波
長λの入力光信号が入射し、この半導体レーザ構造に第
二の波長λmaxを最大利得としてレーザ発振が行われる
ような駆動電流を供給する光信号増幅方法において、光
信号の増幅が第一の波長λで行われ、その一方で少なく
とも第二の波長λmaxでのレーザ発振が入力光信号パワ
ーに影響されずに連続して行われるように、第一の波長
λが第二の波長λmaxから十分に離れて設定されたこと
を特徴とする。
長λの入力光信号が入射し、この半導体レーザ構造に第
二の波長λmaxを最大利得としてレーザ発振が行われる
ような駆動電流を供給する光信号増幅方法において、光
信号の増幅が第一の波長λで行われ、その一方で少なく
とも第二の波長λmaxでのレーザ発振が入力光信号パワ
ーに影響されずに連続して行われるように、第一の波長
λが第二の波長λmaxから十分に離れて設定されたこと
を特徴とする。
これを実施するには、半導体レーザ構造と、この半導体
レーザ構造の能動層に増幅しようとする入力光信号を入
射する手段と、この半導体レーザ構造にレーザ発振を行
うための駆動電流を供給する手段と、増幅された出力光
信号を能動層から放射させる手段とを備え、入力光信号
の波長がインジェクションロックが生じないように設定
された光増幅装置を用いる。
レーザ構造の能動層に増幅しようとする入力光信号を入
射する手段と、この半導体レーザ構造にレーザ発振を行
うための駆動電流を供給する手段と、増幅された出力光
信号を能動層から放射させる手段とを備え、入力光信号
の波長がインジェクションロックが生じないように設定
された光増幅装置を用いる。
本発明の第三の発明は、出力光を監視して帰還制御する
光信号増幅方法である。
光信号増幅方法である。
すなわち、駆動電流が供給されている半導体レーザ構造
の能動層に入力光信号を入射し、この能動層から入力光
信号を増幅した出力光信号を放射させ、この出力光信号
とともに能動層から出力される増幅された出力光信号と
は別の波長の光を一つの波長または波長範囲で監視し、
その監視出力が光入力の増加に対して減少することを少
なくとも部分的に相殺するように駆動電流を制御するこ
とを特徴とする。
の能動層に入力光信号を入射し、この能動層から入力光
信号を増幅した出力光信号を放射させ、この出力光信号
とともに能動層から出力される増幅された出力光信号と
は別の波長の光を一つの波長または波長範囲で監視し、
その監視出力が光入力の増加に対して減少することを少
なくとも部分的に相殺するように駆動電流を制御するこ
とを特徴とする。
これを実施するには、半導体レーザ構造と、この半導体
レーザ構造の能動層に増幅しようとする入力光信号を入
射する手段と、この半導体レーザ構造にレーザ発振を行
うための駆動電流を供給する手段と、増幅された出力光
信号を能動層から放射させる手段とを備え、さらに、能
動層の出力光を増幅された光信号の波長とは別の一つの
波長または波長範囲で監視する手段と、その監視出力が
光入力の増加に対して減少することを少なくとも部分的
に相殺するように駆動電流を制御する帰還ループとを備
えた光信号増幅装置を用いる。
レーザ構造の能動層に増幅しようとする入力光信号を入
射する手段と、この半導体レーザ構造にレーザ発振を行
うための駆動電流を供給する手段と、増幅された出力光
信号を能動層から放射させる手段とを備え、さらに、能
動層の出力光を増幅された光信号の波長とは別の一つの
波長または波長範囲で監視する手段と、その監視出力が
光入力の増加に対して減少することを少なくとも部分的
に相殺するように駆動電流を制御する帰還ループとを備
えた光信号増幅装置を用いる。
入力光信号は、光電力が１μＷないし5mWの範囲である
ことが望ましく、10μＷないし5mWの範囲、より望まし
くは0.5mWないし5mWの範囲である。
ことが望ましく、10μＷないし5mWの範囲、より望まし
くは0.5mWないし5mWの範囲である。
半導体レーザ構造はファブリペロー型の構造であること
が望ましい。
が望ましい。
本発明の三つの発明は、それぞれ独立に実施してもよ
く、同時に実施してもよく、二つを組合わせて実施して
もよい。第一および第三の発明は、レーザ構造自体では
ほとんど光信号を帰還せず、どのような駆動電流を供給
してもレーザ発振を行うことができないような半導体レ
ーザ構造、すなわち進行波増幅器の場合でも実施でき
る。
く、同時に実施してもよく、二つを組合わせて実施して
もよい。第一および第三の発明は、レーザ構造自体では
ほとんど光信号を帰還せず、どのような駆動電流を供給
してもレーザ発振を行うことができないような半導体レ
ーザ構造、すなわち進行波増幅器の場合でも実施でき
る。
本発明の第一の発明は、小さい光電力に対して最大利得
が測定された波長の長波長側では飽和が生じにくいこと
を発見したことに基づいている。
が測定された波長の長波長側では飽和が生じにくいこと
を発見したことに基づいている。
この場合、最小限度の入力光電力では、当然、動作波長
λにおける利得が波長λmaxにおける利得より小さい。
しかし、入力光電力が増加すると、波長λmaxの光信号
に対する利得が飽和するのに対し、それより長波長の光
信号に対する利得は飽和しない。したがって、上述した
ような条件の動作波長λを用いれば、入力光電力が小さ
いときの利得は犠牲になるものの、入力光電力が大きく
なっても利得を維持でき、広い入力光電力範囲にわたり
利得特性の線形性を保つことができる。
λにおける利得が波長λmaxにおける利得より小さい。
しかし、入力光電力が増加すると、波長λmaxの光信号
に対する利得が飽和するのに対し、それより長波長の光
信号に対する利得は飽和しない。したがって、上述した
ような条件の動作波長λを用いれば、入力光電力が小さ
いときの利得は犠牲になるものの、入力光電力が大きく
なっても利得を維持でき、広い入力光電力範囲にわたり
利得特性の線形性を保つことができる。
この第一の発明は、入力光電力レベルが高い場合、特に
動作波長λが波長λmaxに等しくなったとしても光信号
の利得が増加しないような光電力レベルが入力される場
合に利用して特に有利である。
動作波長λが波長λmaxに等しくなったとしても光信号
の利得が増加しないような光電力レベルが入力される場
合に利用して特に有利である。
本発明の第二の発明は、駆動電流がしきい値を越えてい
る場合に、入力光信号の波長が最小限度の入力光電力に
対するレーザ利得が最大となる波長λmaxから十分に離
れ、インジェクションロックが防止されている場合に
は、長波長と短波長とのどちらでも増幅できることに基
づいている。このような場合には、同一の駆動電流に対
する利得は小さくなるものの、レーザ発振しきい値を越
えるまで駆動電流を増加させても入力光信号の増幅を有
効に行うことができ、利得が低下してしまうような大き
な強度の光信号が入力された場合でも、駆動電流をレー
ザ発振しきい値以上に増加させて利得を維持することが
できる。
る場合に、入力光信号の波長が最小限度の入力光電力に
対するレーザ利得が最大となる波長λmaxから十分に離
れ、インジェクションロックが防止されている場合に
は、長波長と短波長とのどちらでも増幅できることに基
づいている。このような場合には、同一の駆動電流に対
する利得は小さくなるものの、レーザ発振しきい値を越
えるまで駆動電流を増加させても入力光信号の増幅を有
効に行うことができ、利得が低下してしまうような大き
な強度の光信号が入力された場合でも、駆動電流をレー
ザ発振しきい値以上に増加させて利得を維持することが
できる。
入力光電力が増加すると、キャリアの飽和により、入力
光信号の波長λだけでなく、すべての放射範囲の波長に
対する利得がキャリアの飽和により減少する。そこで、
波長λ以外の波長、例えばλmaxを監視し、その波長の
出力光が低下した場合には、それを補償するように駆動
電流を帰還制御する。このとき、ここで監視している波
長は入力光信号を増幅したものではなく、その監視波長
の入力がない状態での出力である。したがって、この監
視出力が一定であれば、利得が実質的に一定であるとみ
なすことができる。
光信号の波長λだけでなく、すべての放射範囲の波長に
対する利得がキャリアの飽和により減少する。そこで、
波長λ以外の波長、例えばλmaxを監視し、その波長の
出力光が低下した場合には、それを補償するように駆動
電流を帰還制御する。このとき、ここで監視している波
長は入力光信号を増幅したものではなく、その監視波長
の入力がない状態での出力である。したがって、この監
視出力が一定であれば、利得が実質的に一定であるとみ
なすことができる。
第１図は本発明実施例光信号増幅装置の構成図である。
入力光信号は、光ファイバ１から半導体レーザ構造をも
つ半導体レーザ増幅器２の能動層３に供給される。半導
体レーザ増幅器２の電極４、５は制御回路12に接続され
る。能動層３からの出力光信号は、レンズ６、干渉フィ
ルタ７およびレンズ10を経由して光ファイバ11に入射す
る。また、出力光信号の一部は干渉フィルタ７により反
射され、レンズ８により集光されて光検出器９に入射す
る。光検出器９は制御回路12に接続される。
つ半導体レーザ増幅器２の能動層３に供給される。半導
体レーザ増幅器２の電極４、５は制御回路12に接続され
る。能動層３からの出力光信号は、レンズ６、干渉フィ
ルタ７およびレンズ10を経由して光ファイバ11に入射す
る。また、出力光信号の一部は干渉フィルタ７により反
射され、レンズ８により集光されて光検出器９に入射す
る。光検出器９は制御回路12に接続される。
この光信号増幅装置の動作原理を説明する。
第２図は半導体レーザ増幅器の共振器に沿った光子分布
Ｓを示す。光信号強度は光子分布Ｓに比例する。光子分
布Ｓは、順方向成分21と、これと反対方向の反射成分22
とを含む。共振器の長さｌに沿った光子分布Ｓの変化
は、キャリア密度および利得の変化を導く。
Ｓを示す。光信号強度は光子分布Ｓに比例する。光子分
布Ｓは、順方向成分21と、これと反対方向の反射成分22
とを含む。共振器の長さｌに沿った光子分布Ｓの変化
は、キャリア密度および利得の変化を導く。
半導体レーザ増幅器の解析的モデルとして、軸方向の総
光子分布23を共振器の長さ方向で平均されていると仮定
し、均一なキャリア密度を自己無撞着に定義したモデル
を用いる。さらに、スペクトルに依存する利得関数（そ
のピークはキャリア密度によりシフトする）の改善およ
び共振器内の屈折率に対するキャリア密度の効果を組み
込む。
光子分布23を共振器の長さ方向で平均されていると仮定
し、均一なキャリア密度を自己無撞着に定義したモデル
を用いる。さらに、スペクトルに依存する利得関数（そ
のピークはキャリア密度によりシフトする）の改善およ
び共振器内の屈折率に対するキャリア密度の効果を組み
込む。
第３図は利得特性の一例を示す。この特性は、上述の解
析的モデルを、シリカファイバの損失が極小となる1.55
μｍ近傍の波長で動作するファブリペロー型の半導体レ
ーザ増幅器に用いて得られたものである。それぞれの終
端面の反射率は0.01としている。電流密度はしきい値電
流密度の0.97倍としている。レーザのモード間隔は1nm
としている。種々の入力強度に対する計算の結果を、密
集をさけるために選択された波長についてだけ示す。計
算の結果を接続する破線は、利得特性のおおよその傾向
を示す。
析的モデルを、シリカファイバの損失が極小となる1.55
μｍ近傍の波長で動作するファブリペロー型の半導体レ
ーザ増幅器に用いて得られたものである。それぞれの終
端面の反射率は0.01としている。電流密度はしきい値電
流密度の0.97倍としている。レーザのモード間隔は1nm
としている。種々の入力強度に対する計算の結果を、密
集をさけるために選択された波長についてだけ示す。計
算の結果を接続する破線は、利得特性のおおよその傾向
を示す。
利得特性は、波長および入力光電力に依存するだけでな
く、ファブリペロー共鳴を示す。入力光電力が非常に小
さいときには、利得スペクトルの傾向は半導体レーザ増
幅器の材料により決定されて、1.5525μｍに最大利得ピ
ークが生じる。入力光電力が増加するとキャリア密度が
減少する。このため全体的な利得が減少し、キャリアに
依存する屈折率が変化するだけでなく、利得ピークが長
波長側にシフトする。
く、ファブリペロー共鳴を示す。入力光電力が非常に小
さいときには、利得スペクトルの傾向は半導体レーザ増
幅器の材料により決定されて、1.5525μｍに最大利得ピ
ークが生じる。入力光電力が増加するとキャリア密度が
減少する。このため全体的な利得が減少し、キャリアに
依存する屈折率が変化するだけでなく、利得ピークが長
波長側にシフトする。
入力光電力に対して利得ピークが得られる波長を第１表
に示す。
に示す。
このように、入力光電力が10-10Ｗから10-6Ｗに増加す
ると、利得ピークは長い波長1.5572μｍにシフトする。
入力光電力が10-6Ｗに増加すると、波長1.5525μｍで得
られる利得が減少（13.7dBから13.0dB）するが、1.5572
μｍ以上の波長での利得により少なくとも部分的には補
償される。
ると、利得ピークは長い波長1.5572μｍにシフトする。
入力光電力が10-6Ｗに増加すると、波長1.5525μｍで得
られる利得が減少（13.7dBから13.0dB）するが、1.5572
μｍ以上の波長での利得により少なくとも部分的には補
償される。
再び第３図を参照する。入力光電力がさらに増加する
と、全体の増幅率が低下する。同時に利得ピークが長波
長側にシフトする。この結果、入力光電力が10-10Ｗか
ら10-6Ｗ、10-5Ｗそして５×10-5Ｗと増加しても、長め
の波長で動作していれば全体としての増幅率が低下しな
い利点がある。さらに、第３図には示していないが、入
力光電力が1mWのオーダ、例えば入力光電力が0.5mWない
し5mWのときには、この利点が特に顕著である。
と、全体の増幅率が低下する。同時に利得ピークが長波
長側にシフトする。この結果、入力光電力が10-10Ｗか
ら10-6Ｗ、10-5Ｗそして５×10-5Ｗと増加しても、長め
の波長で動作していれば全体としての増幅率が低下しな
い利点がある。さらに、第３図には示していないが、入
力光電力が1mWのオーダ、例えば入力光電力が0.5mWない
し5mWのときには、この利点が特に顕著である。
第４図は入力光電力に対する利得を示す図である。一定
の駆動電流が供給されるときの、三つの異なる波長に対
する半導体レーザ増幅器の利得を示す。Ｂは最大利得が
得られる波長λmaxの近傍の波長に対する利得を示し、
Ａはいくらか短波長側の波長に対する利得の正の部分を
示し、Ｃは長波長側の波長に対する正の部分を示す。入
力光電力が小さい部分では、ＡとＣとはほぼ同じ値であ
る。ファブリペロー共鳴の効果は除去した。特定の波長
で比較的高い入力光電力を増幅する場合には、この入力
光信号の波長より短い波長で小光電力での最大利得が得
られるような半導体レーザ増幅器を用いることにより、
最大の効果が得られることがわかる。これが本発明の第
一の発明である。
の駆動電流が供給されるときの、三つの異なる波長に対
する半導体レーザ増幅器の利得を示す。Ｂは最大利得が
得られる波長λmaxの近傍の波長に対する利得を示し、
Ａはいくらか短波長側の波長に対する利得の正の部分を
示し、Ｃは長波長側の波長に対する正の部分を示す。入
力光電力が小さい部分では、ＡとＣとはほぼ同じ値であ
る。ファブリペロー共鳴の効果は除去した。特定の波長
で比較的高い入力光電力を増幅する場合には、この入力
光信号の波長より短い波長で小光電力での最大利得が得
られるような半導体レーザ増幅器を用いることにより、
最大の効果が得られることがわかる。これが本発明の第
一の発明である。
再び第３図を参照すると、小光電力での最大利得が得ら
れる波長λmaxより長い入力波長で動作させることに
は、さらに別な利点がある。小光電力での最大利得が得
られる波長λmax、およびその長波長と短波長とでそれ
ぞれ選択された二つの波長について、入力光電力の増加
による利得の変化を第２表に示す。
れる波長λmaxより長い入力波長で動作させることに
は、さらに別な利点がある。小光電力での最大利得が得
られる波長λmax、およびその長波長と短波長とでそれ
ぞれ選択された二つの波長について、入力光電力の増加
による利得の変化を第２表に示す。
このように、動作波長が長い場合には、入力光電力の増
加に対する利得の変化が小さい利点がある。波長1.5525
μｍ（波長λmax）における利得は37％以上減少するの
に対して、波長1.5700μｍにおける利得の減少は27％よ
り少し小さい。このように利得の減少が小さいので、入
力光信号に対してより線形的な利得特性が得られる。こ
れに対して、波長1.5400μｍの利得の減少は47％以上に
なる。
加に対する利得の変化が小さい利点がある。波長1.5525
μｍ（波長λmax）における利得は37％以上減少するの
に対して、波長1.5700μｍにおける利得の減少は27％よ
り少し小さい。このように利得の減少が小さいので、入
力光信号に対してより線形的な利得特性が得られる。こ
れに対して、波長1.5400μｍの利得の減少は47％以上に
なる。
このような動作原理に基づいて第１図に示した光信号増
幅装置をさらに詳細に説明する。
幅装置をさらに詳細に説明する。
光ファイバ１は、光信号源（図示せず）からの波長1580
nm（1.58μｍ）の入力光信号を伝達する。この入力光信
号は、光ファイバ１の終端からファブリペロー型の半導
体レーザ増幅器２の能動層３に入射される。この半導体
レーザ増幅器２の特性は、増幅可能な最小限度の入力光
電力に対する最大利得が波長1550nm（1.55μｍ）で得ら
れ、このような入力光電力に対する利得スペクトルの正
の部分が、長波長側では1600nm（1.60μｍ）まで延びて
おり、短波長側にもほぼ同じ程度に延びている。すなわ
ち、 λmax ＝1550nm λupper ＝1600nm λ ＝1580nm である。電極４と電極５との間にしきい値レベルより大
きい駆動電流を供給すると、利得スペクトルにわたって
分布した種々のファブリペローモードでレーザ発振が生
じる。すなわち、波長1550nmを含む波長帯でレーザ発振
が生じるとともに、波長1580nmの光信号が増幅される。
能動層３から出射された出力光信号は、レンズ６を経由
して干渉フィルタ７に供給される。干渉フィルタ７は15
50nm近傍の波長帯の光をレンズ８および光検出器９の方
向に反射するが、1580nm波長帯の光はあまり反射しな
い。増幅された波長1580nmの光信号を含む出力光信号
は、レンズ10に集光されて光ファイバ11に入射する。
（λ−λmax）／（λupper−λmax）の値は0.6である。
nm（1.58μｍ）の入力光信号を伝達する。この入力光信
号は、光ファイバ１の終端からファブリペロー型の半導
体レーザ増幅器２の能動層３に入射される。この半導体
レーザ増幅器２の特性は、増幅可能な最小限度の入力光
電力に対する最大利得が波長1550nm（1.55μｍ）で得ら
れ、このような入力光電力に対する利得スペクトルの正
の部分が、長波長側では1600nm（1.60μｍ）まで延びて
おり、短波長側にもほぼ同じ程度に延びている。すなわ
ち、 λmax ＝1550nm λupper ＝1600nm λ ＝1580nm である。電極４と電極５との間にしきい値レベルより大
きい駆動電流を供給すると、利得スペクトルにわたって
分布した種々のファブリペローモードでレーザ発振が生
じる。すなわち、波長1550nmを含む波長帯でレーザ発振
が生じるとともに、波長1580nmの光信号が増幅される。
能動層３から出射された出力光信号は、レンズ６を経由
して干渉フィルタ７に供給される。干渉フィルタ７は15
50nm近傍の波長帯の光をレンズ８および光検出器９の方
向に反射するが、1580nm波長帯の光はあまり反射しな
い。増幅された波長1580nmの光信号を含む出力光信号
は、レンズ10に集光されて光ファイバ11に入射する。
（λ−λmax）／（λupper−λmax）の値は0.6である。
本発明の第一の発明によると、最小限度の光入力電力に
対する最大利得が波長1.58μｍで得られる（λmax＝1.5
8μｍの）半導体レーザ増幅器を用いるより、光ファイ
バ１からの大きな入力光電力に対する利得が大きくな
る。本発明の第二の発明によると、波長λと波長λmax
との差が、しきい値以上の駆動電流が供給された場合に
も増幅できるような値に設定されており、このような大
きな駆動電流を供給することにより大きな利得が得られ
る。この場合に、入力光信号の波長は短い波長、例えば
1.52μｍでもよい。すなわち、第一の発明は必ずしも必
要ではない。
対する最大利得が波長1.58μｍで得られる（λmax＝1.5
8μｍの）半導体レーザ増幅器を用いるより、光ファイ
バ１からの大きな入力光電力に対する利得が大きくな
る。本発明の第二の発明によると、波長λと波長λmax
との差が、しきい値以上の駆動電流が供給された場合に
も増幅できるような値に設定されており、このような大
きな駆動電流を供給することにより大きな利得が得られ
る。この場合に、入力光信号の波長は短い波長、例えば
1.52μｍでもよい。すなわち、第一の発明は必ずしも必
要ではない。
さらに、本発明の第三の発明は、帰還ループを備えたこ
とである。第１図を参照して説明すると、帰還ループ
は、干渉フィルタ７、レンズ８、光検出器９および光検
出器９の出力信号を受け取る制御回路12により構成され
る。駆動電流が供給されている半導体レーザ増幅器２の
能動層３に光ファイバ１から入力光信号を入射し、この
能動層３から入力光信号を増幅した出力光信号を放射さ
せ、この能動層３の出力光を、干渉フィルタ７、レンズ
８および光検出器９により、増幅された光信号の波長、
この場合には1580nm、とは別のひとつの波長または波長
範囲、この場合に1550nm近傍の波長帯、で監視する。制
御回路12は、電極４と電極５との間を流れる駆動電流を
制御し、光検出器９の出力を一定に保ち、半導体レーザ
増幅器２の利得を一定に維持する。上述したように、入
力光電力が増加すると、キャリア密度が減少し、全体的
な利得が減少する。このため、光検出器９により得られ
る監視出力もまた減少する。監視出力が一定に保たれる
ように制御すれば、監視出力が光入力の増加に対して減
少することを少なくとも部分的に相殺することができ
る。これは、レーザ発振のしきい値以下の電流での動作
の場合にも価値がある。
とである。第１図を参照して説明すると、帰還ループ
は、干渉フィルタ７、レンズ８、光検出器９および光検
出器９の出力信号を受け取る制御回路12により構成され
る。駆動電流が供給されている半導体レーザ増幅器２の
能動層３に光ファイバ１から入力光信号を入射し、この
能動層３から入力光信号を増幅した出力光信号を放射さ
せ、この能動層３の出力光を、干渉フィルタ７、レンズ
８および光検出器９により、増幅された光信号の波長、
この場合には1580nm、とは別のひとつの波長または波長
範囲、この場合に1550nm近傍の波長帯、で監視する。制
御回路12は、電極４と電極５との間を流れる駆動電流を
制御し、光検出器９の出力を一定に保ち、半導体レーザ
増幅器２の利得を一定に維持する。上述したように、入
力光電力が増加すると、キャリア密度が減少し、全体的
な利得が減少する。このため、光検出器９により得られ
る監視出力もまた減少する。監視出力が一定に保たれる
ように制御すれば、監視出力が光入力の増加に対して減
少することを少なくとも部分的に相殺することができ
る。これは、レーザ発振のしきい値以下の電流での動作
の場合にも価値がある。
最適な性能を得るためには、半導体レーザ増幅器の終端
面に、例えば0.01の反射率にするための反射防止被膜を
施すのが一般的である。
面に、例えば0.01の反射率にするための反射防止被膜を
施すのが一般的である。
半導体レーザ増幅器２は、上述の構造と異なるものを用
いても、その特性は上述の特性と同等であれば同様に本
発明を実施できる。
いても、その特性は上述の特性と同等であれば同様に本
発明を実施できる。
〔発明の効果〕 本発明の光信号増幅方法は、主に光通信装置に用いて効
果がある。光通信装置では、レーザ光源からの信号光
を、変調器や光アイソレータのような損失の多い部品を
通過させ、その後に通信リンクの光ファイバに入射す
る。このような構成は、コヒーレント光学装置では特に
重要である。したがって、本発明により、損失の多い部
品の出力した光信号を増幅することができる。このよう
な場合の入力光電力は一般に大きな値であり、本発明は
有効である。約10dBの利得が5mWの入力強度でも到達で
きる。通信リンクに出力する強度は、中継器の間隔を決
定する最も重要な点である。
果がある。光通信装置では、レーザ光源からの信号光
を、変調器や光アイソレータのような損失の多い部品を
通過させ、その後に通信リンクの光ファイバに入射す
る。このような構成は、コヒーレント光学装置では特に
重要である。したがって、本発明により、損失の多い部
品の出力した光信号を増幅することができる。このよう
な場合の入力光電力は一般に大きな値であり、本発明は
有効である。約10dBの利得が5mWの入力強度でも到達で
きる。通信リンクに出力する強度は、中継器の間隔を決
定する最も重要な点である。
また、本発明を光通信装置に用いる場合には、同等の半
導体レーザ素子をレーザ光源と増幅器とに利用でき、製
造コストを削減することができる。ただし、増幅器とし
て用いる場合には反射防止被膜を施すことが異なる。レ
ーザ光源は、比較的低い駆動電流でレーザ発振を行い、
その波長は、増幅器として用いる半導体レーザ素子を発
振させた場合の波長より長く、しかもこの増幅器が小入
力電力に対して最大利得を示す波長より長い。このよう
にして、本発明の第一の発明の利点を比較的容易に得る
ことができる。
導体レーザ素子をレーザ光源と増幅器とに利用でき、製
造コストを削減することができる。ただし、増幅器とし
て用いる場合には反射防止被膜を施すことが異なる。レ
ーザ光源は、比較的低い駆動電流でレーザ発振を行い、
その波長は、増幅器として用いる半導体レーザ素子を発
振させた場合の波長より長く、しかもこの増幅器が小入
力電力に対して最大利得を示す波長より長い。このよう
にして、本発明の第一の発明の利点を比較的容易に得る
ことができる。
本発明の光信号増幅方法は、例えば光信号を発生する機
器の終端の検出器の前段に配置される光プリアンプとし
て用いることもできる。
器の終端の検出器の前段に配置される光プリアンプとし
て用いることもできる。
第１図は本発明実施例光信号増幅装置の構成図。 第２図は半導体レーザ増幅器の共振器に沿った光子分布
を示す図。 第３図は利得特性の一例を示す図。 第４図は入力光電力に対する利得を示す図。 １……光ファイバ、２……半導体レーザ増幅器、３……
能動層、４、５……電極、６、８、10……レンズ、７…
…干渉フィルタ、９……光検出器、11……光ファイバ、
12……制御回路。
を示す図。 第３図は利得特性の一例を示す図。 第４図は入力光電力に対する利得を示す図。 １……光ファイバ、２……半導体レーザ増幅器、３……
能動層、４、５……電極、６、８、10……レンズ、７…
…干渉フィルタ、９……光検出器、11……光ファイバ、
12……制御回路。
Claims (11)
- 【請求項１】駆動電流が供給されている半導体レーザ構
造の能動層に入力光信号を入射し、この能動層から上記
入力光信号を増幅した出力光信号を放射させる 光信号増幅方法において、 その駆動電流における最低限の入力光電力に対して上記
半導体レーザ構造による利得が最大となる波長λmaxと
し、同じく利得が零となる二つの波長の長い方の波長を
λupperとするとき、増幅する動作波長λを λupper＞λ＞λmax かつ （λ−λmax）／（λupper−λmax）≧0.1 に設定する ことを特徴とする光信号増幅方法。 - 【請求項２】動作波長λは （λ−λmax）／（λupper−λmax）≧0.2 である特許請求の範囲第（１）項に記載の光信号増幅方
法。 - 【請求項３】動作波長λは （λ−λmax）／（λupper−λmax）≧0.6 である特許請求の範囲第（１）項に記載の光信号増幅方
法。 - 【請求項４】波長λmaxは1.2ないし1.7μｍの範囲であ
る特許請求の範囲第（１）項ないし第（３）項のいずれ
かに記載の光信号増幅方法。 - 【請求項５】駆動電流を能動層でレーザ発振が生じない
低い値に設定する特許請求の範囲第（１）項ないし第
（４）項のいずれかに記載の光信号増幅方法。 - 【請求項６】駆動電流をレーザ発振が生じる値に設定
し、 光信号の増幅が上記動作波長λ（実施例では1580nm）で
行われ、その一方で波長λmax（実施例では1550nm）で
のレーザ発振が入力光信号パワーに影響されずに連続し
て行われるように、上記動作波長λを上記波長λmaxか
ら十分に離れて設定する 特許請求の範囲第（１）項ないし第（４）項のいずれか
に記載の光信号増幅方法。 - 【請求項７】入力光信号は、その光電力が１μＷないし
5mWの範囲である特許請求の範囲第（１）項ないし第
（６）項のいずれかに記載の光信号増幅方法。 - 【請求項８】入力光信号は、その光電力が10μＷないし
5mWの範囲である特許請求の範囲第（１）項ないし第
（６）項に記載の光信号増幅方法。 - 【請求項９】入力光信号は、その光電力が0.5mWないし5
mWの範囲である特許請求の範囲第（１）項ないし第
（６）項に記載の光信号増幅方法。 - 【請求項１０】半導体レーザ構造の能動層に増幅しよう
とする第一の波長λの入力光信号を入射し、 この半導体レーザ構造に第二の波長λmaxでレーザ発振
を行うような駆動電流を供給する 光信号増幅方法において、 光信号の増幅が上記第一の波長λ（実施例では1580nm）
で行われ、その一方で上記第二の波長λmax（実施例で
は1550nm）でのレーザ発振が入力光信号パワーに影響さ
れずに連続して行われるように、上記第一の波長λが上
記第二の波長λmaxから十分に離れて設定された ことを特徴とする光信号増幅方法。 - 【請求項１１】駆動電流が供給されている半導体レーザ
構造の能動層に入力光信号を入射し、この能動層から上
記入力光信号を増幅した出力光信号を放射させ、 この出力光信号とともに上記能動層から出力される上記
出力光信号とは別の波長の光を一つの波長または波長範
囲で監視し、 その監視出力が光入力の増加に対して減少することを少
なくとも部分的に相殺するように上記駆動電流を制御す
る 光信号増幅方法。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB848420013A GB8420013D0 (en) | 1984-08-06 | 1984-08-06 | Optical amplification |
| GB8424860 | 1984-10-02 | ||
| GB8420013 | 1984-10-02 | ||
| GB848424860A GB8424860D0 (en) | 1984-10-02 | 1984-10-02 | Optical amplification |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61105887A JPS61105887A (ja) | 1986-05-23 |
| JPH0732276B2 true JPH0732276B2 (ja) | 1995-04-10 |
Family
ID=26288082
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60173982A Expired - Fee Related JPH0732276B2 (ja) | 1984-08-06 | 1985-08-06 | 光信号増幅方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4736164A (ja) |
| EP (1) | EP0174729B2 (ja) |
| JP (1) | JPH0732276B2 (ja) |
| CA (1) | CA1251845A (ja) |
| DE (1) | DE3566937D1 (ja) |
Families Citing this family (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5017885A (en) * | 1984-05-10 | 1991-05-21 | At&T Bell Laboratories | Optical amplifier with reduced nonlinearity |
| US5089787A (en) * | 1985-05-05 | 1992-02-18 | California Institute Of Technology | Optically-coupled high frequency amplifier |
| GB8611241D0 (en) * | 1986-05-08 | 1986-06-18 | British Telecomm | Optical amplifiers |
| GB8709224D0 (en) * | 1987-04-16 | 1987-06-10 | British Telecomm | Optical amplifier |
| US4947134A (en) * | 1987-10-30 | 1990-08-07 | American Telephone And Telegraph Company | Lightwave systems using optical amplifiers |
| JPH01287426A (ja) * | 1988-05-13 | 1989-11-20 | Hamamatsu Photonics Kk | 光信号サンプリング装置 |
| JPH07109916B2 (ja) * | 1988-05-26 | 1995-11-22 | 浜松ホトニクス株式会社 | 光強度安定化装置 |
| DE68909704T2 (de) * | 1988-07-20 | 1994-02-03 | American Telephone & Telegraph | Optischer Verstärker mit reduzierter Nichtlinearität. |
| GB2230912B (en) | 1989-04-22 | 1993-10-20 | Stc Plc | Optical amplifier gain control |
| JPH0357288A (ja) * | 1989-07-17 | 1991-03-12 | Siemens Ag | 半導体レーザーを有するデバイスおよびその使用方法 |
| JPH04355986A (ja) * | 1990-06-26 | 1992-12-09 | Canon Inc | 光源駆動装置及びこの光源駆動装置を使用する装置 |
| US5119039A (en) * | 1990-12-31 | 1992-06-02 | Gte Laboratories Incorporated | Semiconductor optical amplifier with wideband electrical response |
| JP3162410B2 (ja) * | 1991-03-20 | 2001-04-25 | 富士通株式会社 | 光波長フィルタの駆動方法 |
| US5128800A (en) * | 1991-06-19 | 1992-07-07 | At&T Bell Laboratories | Gain switchable optical fiber amplifier |
| US5331455A (en) * | 1991-10-31 | 1994-07-19 | The Research Foundation Of State University Of New York | Electrical pulse operated laser sampling light amplifier |
| DE69315949T2 (de) * | 1992-10-13 | 1998-04-16 | Nec Corp | Optischer Halbleiterverstärker |
| FR2785730B1 (fr) * | 1998-11-05 | 2001-10-12 | Cit Alcatel | Amplificateur optique a semi-conducteur a gain stabilise reglable et systeme optique utilisant un tel amplificateur |
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