JPH09297286A - 光サージ抑圧回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単かつ安価な構成で光サージ等を吸収・抑
圧する。 【解決手段】 入射光の光子１個あたりのエネルギーを
Ｅinとし、半導体素子のバンドギャップエネルギーをＥ
g としたときに、 0.8 ＜Ｅin／Ｅg ＜ 1.1 となるような半導体素子に光サージを入射して抑圧す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、入射信号光の光サ
ージや急激な光パワーの増加を抑圧して出力する光サー
ジ抑圧回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】エルビウムドープファイバ型光増幅器等
では、入射光パワーの瞬断が発生するとエルビウムイオ
ンの励起上準位に過度の励起電子が蓄積し、入射信号光
が復帰する瞬間に非常に大きなピークパワーをもつ光パ
ルス（光サージ）が発生する。この光サージは、後段に
接続されているコネクタや受光器に悪影響を与えること
があるので、その対策が必要になっている。

【０００３】従来の光サージ抑圧回路としては、入射光
パワーをモニタし、その瞬断を検出したときに励起光パ
ワーの供給を停止する構成のものがある。しかし、瞬断
時間がミリ秒程度またはそれ以下に短くなると、入射光
パワーの瞬断を検出して直ちに励起光パワーを断にして
も、エルビウムイオンの励起上準位の緩和時間自体がミ
リ秒のオーダなので、物理的に光サージを抑圧すること
ができなかった。

【０００４】また、光増幅器の出力側に可変の光減衰器
または光変調器を備え、光サージの発生に合わせて減衰
量を増加させる構成のものが考えられる。しかし、この
場合にも、光検出器、光減衰器、それらを制御する回路
のすべてに高速応答のものが要求される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】入射光パワーの瞬断に
応じて光増幅器への励起光パワーを制御する構成では、
入射光パワーの瞬断時間が短くなると励起光パワーの供
給停止では間に合わず、光サージを抑圧することができ
なかった。また、光減衰器等を用いた構成では、高速の
制御系が必要となり、装置のコスト上昇が避けられなか
った。

【０００６】本発明は、簡単かつ安価な構成で光サージ
等を吸収・抑圧することができる光サージ抑圧回路を提
供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の光サージ抑圧回
路は、入射光の光子１個あたりのエネルギーをＥinと
し、半導体素子のバンドギャップエネルギーをＥg とし
たときに、 0.8 ＜Ｅin／Ｅg ＜ 1.1 となるような半導体素子を用いることを特徴とする。こ
のような半導体素子に光サージを入射したときの抑圧動
作について、図１９，２０を参照して説明する。

【０００８】図１９(a) は、半導体素子に入射される光
サージの時間波形を示す。この光パルスのエネルギーが
集光手段を介して半導体素子上に集められると、図１９
(b)に示すように半導体素子の温度上昇が起こる。この
温度上昇により、図２０に示すように半導体素子のバン
ド吸収端が長波長側へシフトし、入射光の波長の光が受
ける吸収係数が増加する。この吸収量の増加はさらに半
導体素子の温度上昇を招き、その温度上昇はさらに吸収
端のシフトを強める。この正帰還効果により図１９(c)
に示すように急激に出射光パワーが制限される。なお、
図１９(c) には、図１９(a) に示す入射光の時間波形も
重ねて示している。

【０００９】なお、Ｅin／Ｅg の値が 1.1よりも大きい
と、入射光のエネルギーが半導体素子の吸収バンドの中
に入り、入射光パワーが小さくても大きな吸収損失を受
け、入射光が遮断されてしまう。一方、Ｅin／Ｅg の値
が 0.8よりも小さいと、入射光のエネルギーが半導体素
子の吸収バンドから大きくずれてしまうので、上記の正
帰還を引き起こすのに必要な温度上場が得られず、光サ
ージの抑圧が不可能になる。

【００１０】また、本発明の光サージ抑圧回路は、集光
手段による光パワーの集中度合い、すなわち絞り込む光
ビームのスポット径に応じて感度が決まる。したがっ
て、集光手段と半導体素子の距離を制御してスポット径
を変えることにより、光サージ抑圧回路の感度を調整す
ることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】

（第１の実施形態）図１は、本発明の第１の実施形態を
示す。図において、１−１，１−２は光ファイバ、２は
単レンズ集光系や多群構成のレンズ系から構成される入
射側集光手段、３は入力光パワーの増加に応じて吸収が
増加する半導体薄膜である。

【００１２】半導体薄膜３は、図２(a) に示すように、
ＩnＰ 基板３１上にＩnＧaＡsＰ 膜３２を形成し、表面
および裏面に無反射コーティング３３−１，３３−２を
施した構成である。なお、ＩnＧaＡsＰ 膜３２は、膜厚
が厚くなると光サージ抑圧の性能が高まるが、光サージ
抑圧回路としての損失が大きくなる。ＩnＧaＡsＰ 膜３
２の厚みは、一般的には１〜20μｍ程度が適当である。
また、図２(b) に示すように、多層化したＩnＧaＡsＰ
層の間に透明層（ＩnＰ 層）を挿入したＩnＧaＡsＰ／
ＩnＰ層３４を構成してもよい。多層化することにより
吸収領域を分散し、過度の温度上昇を抑えることができ
る。

【００１３】光ファイバ１−１からの光は、入射側集光
手段２を介して半導体薄膜３に集光され、半導体薄膜３
から出射された光が光ファイバ１−２に結合される。こ
のとき、半導体薄膜３の上述した機能により入射光の光
サージが抑圧される。なお、入射側集光手段２のレンズ
系は、アクロマートやアポクロマートのような色消しレ
ンズ系であってもよく、そうでなくてもよい。

【００１４】（第２の実施形態）図３は、本発明の第２
の実施形態を示す。図において、１−１，１−２は光フ
ァイバ、２は入射側集光手段、３は入力光パワーの増加
に応じて吸収が増加する半導体薄膜、４は出射側集光手
段である。光ファイバ１−１からの光は、入射側集光手
段２を介して半導体薄膜３に集光され、半導体薄膜３か
ら出射された光が出射側集光手段４を介して光ファイバ
１−２に結合される。入射側集光手段２と出射側集光手
段４は同様の構成のものでよい。半導体薄膜３の構成は
第１の実施形態と同様であり、光サージ抑圧回路として
の機能も同様である。

【００１５】（第３の実施形態）図４は、本発明の第３
の実施形態を示す。図において、１−１，１−２は光フ
ァイバ、２は入射側集光手段、５は入力光パワーの増加
に応じて吸収が増加する半導体光導波路、４は出射側集
光手段である。光ファイバ１−１からの光は、入射側集
光手段２を介して半導体光導波路５に集光され、半導体
光導波路５から出射された光が出射側集光手段４を介し
て光ファイバ１−２に結合される。

【００１６】半導体光導波路５は、図５に示すように、
ＧaＡs基板５１上にＧaＡsコア５２およびＧaＡlＡs ク
ラッド５３のリッジ導波路を形成し、入射側および出射
側の端面に無反射コーティング５４−１，５４−２を施
した構成である。半導体光導波路５の機能は第１の実施
形態における半導体薄膜３と同様であり、光サージ抑圧
回路としての機能も同様である。

【００１７】以上示した第１〜３の実施形態において、
半導体薄膜３または半導体光導波路５の温度が過度に上
昇しないようにヒートシンクを設けてもよい。このよう
な半導体素子とヒートシンクは、例えばＡuＳn半田を用
いて固定する。また、半田部はＡu コーティングを施し
てもよい。フリップチップ実装を行うことも可能であ
る。また、半田の素材としてＰbＳnおよびＩn を使用し
てもよく、半田の代わりに接着剤を使用して固定しても
よい。

【００１８】第１および第２の実施形態における半導体
薄膜３にヒートシンクを固定する場合には、図６に示す
ように、光が透過する部分を窓として開けた構造とすれ
ばよい。図６において (a)は表面、(b) は裏面の状態を
示し、６１はヒートシンク、６２は半田、３は半導体薄
膜、６３は窓である。ヒートシンク６１の材料として
は、アルミナ、シリコン、ダイヤモンド、サファイア等
を用いることができる。

【００１９】（第４の実施形態）図７は、本発明の第４
の実施形態を示す。図において、１−１，１−２は光フ
ァイバ、６は光サーキュレータ、７は集光手段、３′は
入力光パワーの増加に応じて吸収が増加する反射型の半
導体薄膜である。

【００２０】反射型の半導体薄膜３′は、図８(a) に示
すように、ＩnＰ 基板３１上にＩnＧaＡsＰ膜３２を形
成し、表面に無反射コーティング３３、裏面に高反射コ
ーティング３５を施した構成である。また、図８(b) に
示すように、多層化したＩnＧaＡsＰ層の間に透明層
（ＩnＰ 層）を挿入したＩnＧaＡsＰ／ＩnＰ層３４を構
成してもよい。

【００２１】光ファイバ１−１からの光は、光サーキュ
レータ６から集光手段７を介して反射型の半導体薄膜
３′に集光され、半導体薄膜３′で反射した光が集光手
段７から光サーキュレータ６を介して光ファイバ１−２
に結合される。このように、反射型の半導体薄膜３′と
光サーキュレータ６を用いることにより、第２の実施形
態における入射側集光手段２と出射側集光手段４とを共
用することができる。光サージ抑圧回路としての機能は
第１の実施形態と同様である。

【００２２】（第５の実施形態）図９は、本発明の第５
の実施形態を示す。図において、１−１，１−２は光フ
ァイバ、６は光サーキュレータ、７は集光手段、５′は
入力光パワーの増加に応じて吸収が増加する反射型の半
導体光導波路である。

【００２３】反射型の半導体光導波路５′は、図１０に
示すように、ＧaＡs基板５１上にＧaＡsコア５２および
ＧaＡlＡs クラッド５３のリッジ導波路を形成し、入射
側（出射側）端面に無反射コーティング５４、反対の端
面に高反射コーティング５５を施した構成である。光フ
ァイバ１−１からの光は、光サーキュレータ６から集光
手段７を介して反射型の半導体光導波路５′に集光さ
れ、半導体光導波路５′の高反射コーティング５５で反
射した光が集光手段７から光サーキュレータ６を介して
光ファイバ１−２に結合される。このように、反射型の
半導体光導波路５′と光サーキュレータ６を用いること
により、第３の実施形態における入射側集光手段２と出
射側集光手段４とを共用することができる。光サージ抑
圧回路としての機能は第１の実施形態と同様である。

【００２４】以上示した第４，５の実施形態においても
同様に、反射型の半導体薄膜３′または半導体光導波路
５′の温度が過度に上昇しないようにヒートシンクを設
けることができる。この場合には、図６(b) に示すよう
な窓６３は不要である。 （第６の実施形態）図１１は、本発明の第６の実施形態
を示す。

【００２５】図において、１−１，１−２は光ファイ
バ、７は集光手段、５′は入力光パワーの増加に応じて
吸収が増加する反射型の半導体光導波路である。本実施
形態の特徴は、図９に示す第５の実施形態における光サ
ーキュレータ６に代わる手段として、光ファイバ１−１
から反射型の半導体光導波路５′へ斜めに入射させ、入
射と出射の光軸を分けるように構成したところにある。
なお、反射型の半導体光導波路５′に代えて反射型の半
導体薄膜３′を用いても同様である。

【００２６】（第７の実施形態）図１２は、本発明の第
７の実施形態を示す。図において、１−１，１−２は光
ファイバ、２は入射側集光手段、３は入力光パワーの増
加に応じて吸収が増加する半導体薄膜、８は半導体薄膜
３を光軸方向に微動させる微動機構、４は出射側集光手
段である。

【００２７】光ファイバ１−１からの光は、入射側集光
手段２を介して半導体薄膜３に集光され、半導体薄膜３
から出射された光が出射側集光手段４を介して光ファイ
バ１−２に結合される。このとき、半導体薄膜３が光軸
方向に微動することにより、半導体薄膜３上の光ビーム
のスポット径を変化させることができる。このスポット
径を大きくする方向に半導体薄膜３を移動させれば、局
所的な温度上昇は小さくなり、半導体薄膜３の吸収端シ
フト量も減少するので、それによる吸収量の増加すなわ
ち光サージ抑圧効果が弱まる。一方、スポット径を小さ
くする方向に半導体薄膜３を移動させれば光サージ抑圧
効果が強まる。このように、半導体薄膜３の位置を微動
機構８を用いて微動させることにより、光サージ抑圧回
路の感度を調整することができる。

【００２８】（第８の実施形態）図１３は、本発明の第
８の実施形態を示す。図において、１−１，１−２は光
ファイバ、９−１，９−２は中心部ほど屈折率が高くな
ったロッドレンズであり、その間に半導体薄膜３が挿入
された構成である。すなわち、本構成は、図３に示す第
２の実施形態における入射側集光手段２と出射側集光手
段４をロッドレンズ９−１，９−２に置き換えたものに
相当する。

【００２９】光ファイバ１−１からの光は、ロッドレン
ズ９−１を介して集光され、半導体薄膜３上で焦点を結
ぶ。半導体薄膜３を透過した光は、ロッドレンズ９−２
を介して集光され、光ファイバ１−２に結合される。こ
のようなロッドレンズ９−１，９−２を用いた構成で
は、空間レンズ系を使用するよりも簡単で小型な光サー
ジ抑圧回路を構成することができる。また、空間レンズ
系よりも機械的衝撃に強くなり、耐久性を増すことがで
きる。

【００３０】（第９の実施形態）図１４は、本発明の第
９の実施形態を示す。図において、１−１，１−２は光
ファイバ、６は光サーキュレータ、９は中心部ほど屈折
率が高くなったロッドレンズ、３′は反射型の半導体薄
膜である。すなわち、本構成は、図９に示す第５の実施
形態における集光手段７をロッドレンズ９に置き換えた
ものに相当する。光サージ抑圧回路としての機能は第８
の実施形態と同様である。

【００３１】（第１０の実施形態）図１５は、本発明の
第１０の実施形態を示す。図において、１−１，１−２
は光ファイバ、９は中心部ほど屈折率が高くなったロッ
ドレンズ、３′は反射型の半導体薄膜である。すなわ
ち、本構成は、図１１に示す第６の実施形態における集
光手段７をロッドレンズ９に置き換えたものに相当す
る。光サージ抑圧回路としての機能は第８の実施形態と
同様である。

【００３２】（第１１の実施形態）図１６は、本発明の
第１１の実施形態を示す。図において、１−１，１−２
は光ファイバ、９−１，９−２は中心部ほど屈折率が高
くなったロッドレンズであり、その間に半導体薄膜３が
挿入された構成である。ただし、半導体薄膜３の接触面
が光軸に垂直な軸から傾いて配置される。これにより、
半導体薄膜３の反射戻り光が抑圧され、その干渉効果に
よる光強度の揺らぎの発生等の悪影響を抑えることがで
きる。なお、以上示した第８〜１１の実施形態におい
て、半導体薄膜３に代えて半導体光導波路５を用いても
よい。

【００３３】（第１２の実施形態）図１７は、本発明の
第１２の実施形態を示す。図において、１は光ファイ
バ、２は入射側集光手段、３はＰＩＮフォトダイオード
１０の上層に配置された半導体薄膜である。図１７(b)
には、ＰＩＮフォトダイオード１０の上層にＩnＧaＡs
Ｐ 膜３２を配置し、表面に無反射コーティング３３を
施した構成を示す。光サージはこのＩnＧaＡsＰ 膜３２
で吸収され、光サージによるＰＩＮフォトダイオード１
０の破壊を防ぐことができる。本構成は、ＰＩＮフォト
ダイオード１０の他に、アバランシェフォトダイオー
ド、ＭＳＭ受光素子についても有効である。

【００３４】以上示した光サージ抑圧回路は、図１８
(a) に示すように、エルビウムドープファイバ型光増幅
器ＥＤＦＡの後段に配置することにより、入射光の瞬断
により発生する光サージを効果的に吸収し、後段への光
サージの伝搬を抑止することができる。また、図１８
(b) に示すように、エルビウムドープファイバ型光増幅
器が多段構成されている場合には、その初段直後に光サ
ージ抑圧回路を挿入すればよい。本光サージ抑圧回路は
ゆっくりとした回復動作をするので、これより後段での
光サージの発生を抑止することができる。また、エルビ
ウムドープファイバＥＤＦＡ内に半導体薄膜３または半
導体光導波路５を配置することにより、素子損失を補償
することができる。

【００３５】以上示した各実施形態の光サージ抑圧回路
に用いられる半導体薄膜３または半導体光導波路５のコ
アは、バルクのＩnＧaＡsＰまたはＧaＡs で構成されて
いるが、InGaAs/InAlAs 、InGaAs/InP、InGaAsP/InP 等
のＭＱＷ（多重量子井戸構造）でもよい。さらに、歪み
超格子や半導体ドープガラスでもよい。また、効率はや
や劣るがアモルファス材料でもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光サージ
抑圧回路は、半導体素子（半導体薄膜または半導体光導
波路）により光サージを直接抑圧する構成であるので、
簡単かつ高速に動作させることができる。また、本発明
の光サージ抑圧回路は、ＰＩＮフォトダイオードなどの
受光素子と一体化することにより、光サージの抑圧機能
を有する受光素子を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示す図。

【図２】半導体薄膜３の構成例を示す図。

【図３】本発明の第２の実施形態を示す図。

【図４】本発明の第３の実施形態を示す図。

【図５】半導体光導波路５の構成例を示す図。

【図６】半導体薄膜３にヒートシンクを固定した例を示
す図。

【図７】本発明の第４の実施形態を示す図。

【図８】反射型の半導体薄膜３′の構成例を示す図。

【図９】本発明の第５の実施形態を示す図。

【図１０】反射型の半導体光導波路５′の構成例を示す
図。

【図１１】本発明の第６の実施形態を示す図。

【図１２】本発明の第７の実施形態を示す図。

【図１３】本発明の第８の実施形態を示す図。

【図１４】本発明の第９の実施形態を示す図。

【図１５】本発明の第１０の実施形態を示す図。

【図１６】本発明の第１１の実施形態を示す図。

【図１７】本発明の第１２の実施形態を示す図。

【図１８】本発明の光サージ抑圧回路の配置例を示す
図。

【図１９】本発明の光サージ抑圧回路の動作例を説明す
る図。

【図２０】本発明の光サージ抑圧回路におけるバンド吸
収端のシフト動作を説明する図。

【符号の説明】

１ 光ファイバ ２ 入射側集光手段 ３ 半導体薄膜 ３′ 反射型の半導体薄膜 ４ 出射側集光手段 ５ 半導体光導波路 ５′ 反射型の半導体光導波路 ６ 光サーキュレータ ７ 集光手段 ８ 微動機構 ９ ロッドレンズ １０ ＰＩＮフォトダイオード ３１ ＩnＰ基板 ３２ ＩnＧaＡsＰ膜 ３３，５４ 無反射コーティング ３４ ＩnＧaＡsＰ／ＩnＰ層 ３５，５５ 高反射コーティング ５１ ＧaＡs基板 ５２ ＧaＡsコア ５３ ＧaＡlＡsクラッド ６１ ヒートシンク ６２ 半田 ６３ 窓

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松村 和之 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射光の光子１個あたりのエネルギーを
   Ｅinとし、半導体素子のバンドギャップエネルギーをＥ
   g としたときに 0.8 ＜Ｅin／Ｅg ＜ 1.1 を満たす半導体素子と、 入射信号光を前記半導体素子に導く入射側集光手段と、 前記半導体素子を透過した光を出射信号光として取り出
   す出射側集光手段とを備えたことを特徴とする光サージ
   抑圧回路。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の光サージ抑圧回路にお
   いて、 半導体素子の位置を光軸方向に微動させる微動機構を備
   えたことを特徴とする光サージ抑圧回路。
3. 【請求項３】 入射光の光子１個あたりのエネルギーを
   Ｅinとし、半導体素子のバンドギャップエネルギーをＥ
   g としたときに 0.8 ＜Ｅin／Ｅg ＜ 1.1 を満たし、透過した入射光を折り返す手段を含む半導体
   素子と、 入射信号光を前記半導体素子に導き、前記半導体素子を
   透過および反射した光を出射信号光として取り出す集光
   手段とを備えたことを特徴とする光サージ抑圧回路。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の光サージ抑圧回路にお
   いて、 集光手段は、入射信号光と出射信号光とを分離する光サ
   ーキュレータを含むことを特徴とする光サージ抑圧回
   路。
5. 【請求項５】 受光素子の光入射面に、入射光の光子１
   個あたりのエネルギーをＥinとし、半導体素子のバンド
   ギャップエネルギーをＥg としたときに 0.8 ＜Ｅin／Ｅg ＜ 1.1 を満たす半導体薄膜および無反射コーティング層を備え
   たことを特徴とする光サージ抑圧回路。