JPH0997940A - 光増幅装置 - Google Patents

光増幅装置

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JPH0997940A
JPH0997940A JP7251594A JP25159495A JPH0997940A JP H0997940 A JPH0997940 A JP H0997940A JP 7251594 A JP7251594 A JP 7251594A JP 25159495 A JP25159495 A JP 25159495A JP H0997940 A JPH0997940 A JP H0997940A
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邦明 本島
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隆司 水落
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勝美 高野
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Abstract

(57)【要約】 【課題】光増幅器における励起用光源の冗長化構成にお
いて励起用光源のバラツキ、温度変動等に対して安定し
た波長ロックを掛けにくいという課題がある。 【解決手段】励起用光源と光カプラの間に、各励起用光
源の非飽和時レーザ増幅率の波長特性の帯域内に反射率
ピーク波長を持つ反射器を配置し、この反射器で反射さ
れるごく一部の励起光を励起光源内に戻し安定した波長
ロックをかける。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、希土類元素または
遷移金属等のレーザー活性物質を添加した光ファイバを
用いた光増幅器、特に複数の光ファイバ増幅器を複数の
励起用光源で励起する冗長化構成における励起光電力の
安定化に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバ増幅器は、従来の３Ｒ(Resha
ping, Retiming, Regenerating)機能を有する光中継器
と比較して、伝送速度に依存しない、中継器の簡素化が
可能、波長多重による大容量化が可能などの望ましい特
徴を有しており、海底光ケーブルシステムから、光カプ
ラを用いた分配型光加入者システムにいたる様々な用途
が期待されている。光ファイバ増幅器は一般にＴHz（テ
ラヘルツ）オーダーの帯域を持ち、その広帯域性を生か
すため、通常Gbit/s以上の大容量情報を光信号として増
幅する。このような大容量情報を担う通信機器には非常
に高い信頼性が要求され、特に光ファイバ増幅器に使用
される唯一の光能動素子である励起用光源の信頼性を高
めることは重要な課題である。しかし、励起用光源は通
常10mW以上の高い出力が要求され、単体の信頼性を向上
させることには限界がある。また、励起用光源が一つの
場合では、その励起用光源が停止した時回線は遮断状態
になってしまう。このような状態を避けるため、複数の
励起用光源を用いた冗長化構成が取られる。
【０００３】従来のこの種の利得制御機能付光増幅装置
としては、例えば米国特許5,173,957に示されたものが
あり、図１５は上記文献に示された従来の利得制御機能
付光増幅装置の構成を示す図である。図１５において
１、２は励起用光源、３は励起用光源の出力安定化駆動
回路、４は３dBカプラ、５、６は光合波器、７、８は希
土類添加光ファイバ、９、１２は信号入力端子、１０、
１３は光アイソレータ、１１、１４は信号出力端子であ
る。
【０００４】次に、図に基づき動作について説明する。
励起用光源１、２は、例えば励起用光源１、２に内蔵さ
れたモニタ用ホトダイオード電流が一定となるように駆
動され、温度・電源電圧の変動が発生してもほぼ一定の
光出力を３dBカプラ４に入力する。３dBカプラ４はその
入力として互いに無相関な光が入力されると所望の特性
通り入力光の電力を５０％ずつ各出力ポートに出力し、
光合波器５、６を介して希土類添加光ファイバ７、８に
励起光を供給する。希土類添加光ファイバ７、８にはこ
の励起光により反転分布が形成され、信号入力端子９、
１２から入力された微弱な光信号は所定の増幅度で増幅
され、信号出力端子１１、１４から出力される。この構
成によれば、例えば励起用光源１が劣化して発光を停止
しても励起用光源２からの励起光により正常動作時の５
０％の励起光電力で動作することが可能であり、利得の
減少をシステムの回線設計により問題とならない程度に
抑えることができる。
【０００５】 以上は、３dBカプラ４が50％の電力分配
器として理想的な動作をした場合の動作である。つま
り、本来励起用光源１、２は別個の光源であるため、そ
の周波数が等しい場合でも位相は独立に変動しており、
励起用光源１、２のコヒーレンス時間より充分長い時間
で平均化した３dBカプラ４の分岐比は一定となる。一般
に励起用光源として用いられる半導体レーザのコヒーレ
ンス時間は１ms以下であり、希土類添加光ファイバ７、
８として最も一般的に用いられるエルビウムドープ光フ
ァイバの励起光電力変動に対する応答時定数の最小値１
０msより充分小さい。したがって、希土類添加光ファイ
バ７、８の応答時定数以上の時間平均では励起光電力は
一定となり、利得も一定となる。しかし、図１５に示し
た冗長化構成のキーコンポーネントである３dBカプラ４
は、周波数の等しい光を入力した場合、その分岐比は入
力される２つの光の位相関係に依存して変動し、結果的
に希土類添加光ファイバ７、８の利得が変動する可能性
がある。励起用光源１、２は、３dBカプラ４の不完全な
直線性や３dBカプラ４の出力ポートに接続されたデバイ
スからの反射により結合し、一方の励起用光源が他方の
励起用光源の発振周波数に引き込まれて発振するという
注入同期状態になる可能性がある。注入同期状態になっ
た励起用光源１、２は、単体のコヒーレンス時間より長
い時間に渡って位相関係が保たれる。
【０００６】図１６は、注入同期発生時の励起用光源の
発光スペクトラムを示す図である。図中１０１は注入同
期が発生していない時の励起用光源１の発光スペクトラ
ム、１０３は注入同期が発生した時の励起用光源１の発
光スペクトラム、１０２は励起用光源２の発光スペクト
ラム、１０４は励起用光源２をマスターレーザーとした
励起用光源１の注入同期引込幅である。励起用光源２よ
り微弱な光パワーが励起用光源１に結合し、その発振周
波数ｆ2、ｆ1が充分接近した場合、例えば文献（応用物
理学会編”半導体レーザの基礎”オーム社58ページ（昭
和62年））に述べられているように、励起用光源１は周
波数ｆ1の発振を停止し、周波数ｆ2の光を出力するよう
になる。この現象は注入同期と呼ばれている。この時、
図１６に示すように励起用光源１への注入光と光出力の
周波数は一致し、位相は注入同期が起こる以前の両者の
周波数差ｆ1ーｆ2に依存して−９０度から＋９０度の位
相差が保たれる。従って注入同期が発生すると、３dBカ
プラ４の分岐比は入力される光の位相差に依存して変動
することになる。そして、注入同期は、ｆ1、ｆ2が以下
の関係を満足する場合に発生する。
【０００７】
【数１】
【０００８】ここでΔf は注入同期引込幅で、励起用光
源１に入力される励起用光源２からの注入光の電界強度
に比例する値であり、以下の式で表せる。
【０００９】
【数２】
【００１０】ここでＰi 、Ｐl はそれぞれ励起用光源１
内部での注入光パワー及び自励発振パワー、τp は励起
用光源１の共振器内の光子寿命、Ｒ1 は励起用光源１の
前面反射率である。一般に高出力半導体レーザでは光子
寿命τp は３％程度、前面反射率Ｒ1 は数％である。３
dBカプラ４の直進性を６０dB、前面反射率を３％、レー
ザとファイバの結合損失を３dBとすると、注入同期引込
幅Δf は１３８ＭHzとなる。高出力の半導体レーザの発
光スペクトラム線幅は数ＭHz程度であり、注入同期の発
生確率は大きいことが分かる。図１７は注入同期発生時
の３dBカプラ分岐比変動特性を示す図であり、図中１０
５、１０６は３dBカプラ４の２つの出力ポートの分岐比
である。励起用光源１、２から入力される光の位相差を
Φとすると、励起用光源１から見たスルーポートＡ、ク
ロスポートＢの分岐比ＬA, ＬBは以下の式で表せる。
【００１１】
【数３】
【００１２】第３式から分かるように、コヒーレンスの
取れた２つの光を入力された場合３dBカプラ４の分岐比
は光の位相差φの関数になり、φが９０度の時すべての
光パワーがポートＢから出力され、φが−９０度の時す
べての光パワーがポートＡから出力される。光の位相差
φは励起用光源１、３dBカプラ４、励起用光源２を結ぶ
ファイバ長Ｌ、及び励起用光源１、２の自励発振周波数
の差ｆ1−ｆ2で決定される。ファイバ長Ｌは一定である
が、励起用光源１、２の発振周波数ｆ1、ｆ2はランダム
に変動しており、光の位相差φの変動の主たる要因であ
る。この発振周波数ｆ1、ｆ2のランダムな変動のため出
力ポートＡ、Ｂの分岐比１０５、１０６は相補的なラン
ダムな変動特性を示す。自励発振周波数ｆ1、ｆ2のラン
ダムな変動は非常に低い周波数成分を含んでおり、この
低周波成分に希土類添加光ファイバ７、８の利得が応答
して変動する。この利得変動は希土類添加光ファイバ
７、８の利得において相補的であることが特徴である。
【００１３】この相補的利得変動を抑圧する方法として
は、励起用光源１、２のコヒーレンスを低下させ、３dB
カプラ４における相互干渉を無くす方法が考えられる。
従来この種の構成としては、例えば■Simultaneous Wav
elength -Stabilization of980nm Pump Lasers■, IEEE
Photonics Technology Letter, pp. 907ー909, VOL.6,
NO.8, 1994 に記載されたものがあり、図１８は上記文
献に示された従来の冗長化構成を示す図である。図中、
１１１は４ポート光カプラ、１０７〜１１０は励起用光
源、１１２〜１１５、１１７〜１１９は光ファイバ、１
２０は光ファイバグレーティング、１２１は無反射終端
器である。そして、カプラ１１１の出力光は光ファイバ
１１７〜１１９よりＥＤＦ１〜ＥＤＦ３（エルビウム添
加光ファイバ）へ注入される。この構成の目的は、マル
チモード発振する励起用光源の光スペクトラムを、光フ
ァイバグレーティング１２０の反射によって光ファイバ
グレーティング１２０の反射ピーク波長にロックさせ、
希土類添加光ファイバ７、８の励起効率を上げることで
ある。
【００１４】図１９に励起用光源１０７〜１１０の発光
スペクトラムと希土類添加光ファイバ７、８の吸収波長
特性を示す。図中１２３、１２５は希土類添加光ファイ
バの吸収波長特性、１２２は光ファイバグレーティング
１２０が無い場合の励起用光源１０７〜１１０の発光ス
ペクトラム、１２４は光ファイバグレーティング１２０
が有る場合の励起用光源１０７〜１１０の発光スペクト
ラムである。希土類添加光ファイバとしてエルビウム添
加光ファイバ、その励起波長として９８０nm帯を考える
と、希土類添加光ファイバ７、８（図１５）の吸収波長
帯域は約１０nm程度である。これに対し、光ファイバグ
レーティング１２０が無い場合の励起用光源３５〜３８
の発光スペクトラムは半導体レーザでは数nmの半値幅を
持ち、数％から数十％の電力は希土類添加光ファイバ
７、８の吸収波長帯域外になる。さらにマルチモード発
振する半導体レーザではモードホッピング等の現象によ
りモード間に分配される電力は時間的に変動しているた
め、希土類添加光ファイバ７、８の吸収波長帯域内に入
る励起電力は時間的に変動する。このため、マルチモー
ド発振する半導体レーザを用いる場合、励起効率は理想
的な場合に対して低いこと、また励起効率が時間的に変
動する。即ち希土類添加光ファイバ７、８の利得が変動
するという問題がある。光ファイバグレーティング１２
０が有る場合の励起用光源１０７〜１１０の発光スペク
トラム１２４では、光ファイバグレーティング１２０の
反射特性で光電力がその反射ピーク波長に集中するため
励起効率が改善され、励起効率の変動も大幅に抑圧でき
る。
【００１５】さらに、光ファイバグレーティング１２０
のピーク反射率を励起用光源１０７〜１１０の共振器の
前面反射率と同程度に設定することにより、励起用光源
１０７〜１１０の発光スペクトラムはコヒーレントコラ
プス(coherent collapse)と呼ばれる可干渉性の低下し
た状態となり、同一波長で発振しているにも拘わらず４
ポート光カプラ１１１での干渉が無くなり、４ポート光
カプラ３４は理想的な電力分配器として動作する。この
構成の問題点は、光ファイバグレーティング１２０の反
射による励起用光源１０７〜１１０の発光スペクトラム
のロックがはずれた場合に起こる、励起用光源１０７〜
１１０の出力の変動である。励起用光源１０７〜１１０
はその出力を安定化するため、半導体レーザチップの背
面光をモニタする受光素子（以下モニタホトダイオード
と略す）を内蔵している。光ファイバグレーティング１
２０の反射による発光スペクトラムのロックが起こって
いる場合には、モニタホトダイオードに受光される光電
力は励起用光源１０７〜１１０の出力光電力ＰO 、前面
反射率Ｒ1 、光ファイバグレーティング４７のピーク反
射率ＲFPによって以下のように表せる。
【００１６】
【数４】
【００１７】ここでａは比例定数である。しかし、光フ
ァイバグレーティング１２０の反射による発光スペクト
ラムのロックが外れている場合には、
【００１８】
【数５】
【００１９】一般的に、励起用光源１０７〜１１０はモ
ニタホトダイオードに受光される光電力ＰM が一定とな
るよう駆動されるため、（５）、（６）式から、波長ロ
ックが起こる場合と外れた場合で光出力ＰO が異なるこ
とが分かる。これは希土類添加光ファイバ７、８の利得
の変化を引き起こす。光ファイバグレーティング１２０
の反射による発光スペクトラムのロックが起こるか否か
は光ファイバグレーティング１２０の反射率ＲFPと励起
用光源１０７〜１１０の増幅率で決まる。
【００２０】図２０は、励起用光源のレーザ利得と光フ
ァイバグレーティングの反射率の波長特性の関係を示す
図であり、１２６、１２７は光ファイバグレーティング
の反射率と励起用光源の前面反射率を加算した等価的前
面反射率の波長特性、１２８、１２９は励起用光源の非
飽和時レーザ増幅率、１３０、１３１は等価的前面反射
率と非飽和時レーザ増幅率の積であり、通常の半導体レ
ーザでは後面反射率がほぼ１であるため、レーザ共振器
内のラウンドトリップ利得に等しい。最大電力を有する
軸モードのレーザ発振はラウンドトリップ利得が最大の
波長において起こる。図２０（ａ）においては、非飽和
時レーザ増幅率１２８が最大となる波長λ1と等価的前
面反射率が最大となる波長λ2 が近接しており、ラウン
ドトリップ利得１３０は等価的前面反射率が最大となる
波長λ2 即ち光ファイバグレーティングの反射率が最大
となる波長において最大となる。従って図２０（ａ）に
おいては所望通り光ファイバグレーティングの反射率ピ
ーク波長において励起用光源は発振する。これに対し図
２０（ｂ）においては非飽和時レーザ増幅率１２９が最
大となる波長λ1 と等価的前面反射率が最大となる波長
λ2 が離れているため、ラウンドトリップ利得１３１は
非飽和時レーザ増幅率１２９が最大となる波長λ1 にお
いて最大となる。
【００２１】この場合の励起用光源の最大電力を有する
軸モードの発振波長は光ファイバグレーティングが無い
場合の励起用光源の発振波長と一致し、波長ロックが掛
からないことになる。このような非飽和時レーザ増幅率
１２９と等価的前面反射率１２７のピーク波長ずれは、
例えば温度変動により、非飽和時レーザ増幅率１２９の
波長特性が変動した場合に発生しうる。長波長帯の半導
体レーザを例に取ると、利得ピーク波長は０．３〜０．
４nm／℃の温度特性を有しており、非飽和時レーザ増幅
率の半値全幅は４０nm程度である。したがって、光ファ
イバグレーティングの反射率ピーク波長をある温度で励
起用光源の非飽和時レーザ増幅率のピーク波長に合わせ
たとしても、５０℃程度の温度変化で利得帯域外になる
可能性がある。図１８に示した従来例では複数の励起用
光源を一つの光ファイバグレーティング１２０で波長ロ
ックする構成であるため、上述の温度変動による波長の
ずれ以外に、励起用光源１０７〜１１０の非飽和時レー
ザ増幅率の波長特性のバラツキの影響が重なり、波長ロ
ックはずれが容易に発生する。
【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
光増幅器における励起用光源の冗長化構成では一つの光
ファイバグレーティングで波長ロックを掛ける構成であ
るため、励起用光源のバラツキ、温度変動等で波長ロッ
クがはずれやすく、その結果として注入同期や励起電力
の変動、光増幅器の利得変動が起こるという問題があっ
た。
【００２２】
【課題を解決するための手段】第１の発明に係わる光増
幅装置は、レーザ活性物質を添加した複数の光ファイバ
と、前記光ファイバを励起するための励起光を発振する
複数の励起用光源と、前記励起用光源の励起光を前記光
ファイバに注入するために合波・分波する光カプラと、
前記光カプラの出力光を前記光ファイバに注入する合波
器と、前記励起用光源と前記光カプラの間に接続配置さ
れた一つまたは複数の反射率ピーク波長を有する波長特
性を持つ反射器とを備えるものである。
【００２３】第２の発明に係わる光増幅装置は、レーザ
活性物質を添加した光ファイバと、前記光ファイバを励
起するための励起光を発振する複数の励起用光源と、前
記励起用光源の励起光を前記光ファイバに注入するため
に合波・分波する光カプラと、前記光カプラの出力光を
前記光ファイバに注入する合波器と、前記光カプラの出
力光を前記光ファイバに注入する合波器と、前記光カプ
ラと前記光合波器の間に配置接続されたそれぞれが異な
る波長選択特性を有する反射器とを備えるも
【００２４】第３の発明に係わる光増幅装置は、レーザ
活性物質を添加した光ファイバと、前記光ファイバを励
起するための励起光を発振する複数の励起用光源と、前
記励起用光源の励起光を前記光ファイバに注入するため
に合波・分波する光カプラと、前記光カプラの出力光を
前記光ファイバに注入する合波器と、前記光ファイバの
入力端または出力端に接続されたそれぞれが異なる波長
選択特性を有する反射器とを備えるものである。
【００２５】第４の発明に係わる光増幅装置は、レーザ
活性物質を添加した光ファイバと、前記光ファイバを励
起するための励起光を発振する複数の励起用光源と、前
記励起用光源の励起光を合波・分波する偏波保持持性を
有する光カプラと、前記光カプラの出力光を前記光ファ
イバに注入する合波器と、前記励起光源の励起光の偏波
面を前記光カプラの偏波特性に整合させるための光ファ
イバと、前記光カプラの出力側に配置され反射率ピーク
特性が偏波依存性を有する反射器とを備えるも
【００２６】第５の発明に係わる光増幅装置は、レーザ
活性物質を添加した光ファイバと、前記光ファイバを励
起するための励起光を発振する複数の励起用光源と、前
記励起用光源の励起光を合波・分波する光カプラと、前
記光カプラの出力光を前記光ファイバに注入させる光合
波器と、前記励起用光源の背面光を受光する反射器と、
前記反射器を通過した背面光を電流に変換する光ー電気
変換素子と、前記光ー電気変換素子の出力に基づいて前
記励起用光源に安定化駆動電流を供給する安定化駆動回
路とを備えるものである。
【００２７】第６の発明に係わる光増幅装置は、上記第
１の発明乃至第３の発明の光増幅装置において、前記光
カプラに入力される励起電力を分岐する光分岐器と、前
記光分岐器の出力光を光ー電気変換する変換器と、前記
変換器の出力電流を一定に保つように励起用光源の駆動
電流を制御する制御手段を備えた励起用光源から波長選
択性を持つ反射器に到る励起光の伝搬路を偏波保持特性
を有する光ファイバで構成したものである。
【００２８】第７の発明に係わる光増幅装置は、上記第
１の発明乃至第７の発明の光増幅装置において、波長選
択性を有する反射器としてファイバグレーテイングを使
用するものである。
【００２９】第８の実施例に係わる光増幅装置は、偏光
依存性を有する反射器を、偏光面保持ファイバに光誘起
屈折率変化現象を利用してグレーティングを形成したも
のである。
【００３０】第９の発明に係わる光増幅装置は、上記第
１の発明乃至第６の発明の光増幅装置において、偏光依
存性を有する反射器を偏光面保持ファイバに光誘起屈折
率変化現象を利用してグレーティングを形成したものを
用いること
【００３１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．図１は第１の実施形態による光増幅装置
の構成を示す図であり、１５、１６はそれぞれ励起用光
源１、２の非飽和時レーザ増幅率のピーク波長にその反
射率ピーク波長を有する反射器である。従来例と同一の
部分については、同一符号を付しておく。図２は励起用
光源１、２の非飽和時レーザ増幅率の波長特性と反射器
１５、１６の反射率波長特性及び発振特性を示す図であ
る。図中、１７、１８は励起用光源１、２の等価的な前
面反射率、１９、２０は励起用光源１、２の非飽和時レ
ーザ増幅率、２１、２２は励起用光源１、２のラウンド
トリップ利得、２３、２４は励起用光源１、２の発振電
力である。動作について説明する。反射器１５、１６は
この場合、３dBカプラ４と励起用光源１、２の間に挿入
される。励起用光源１の等価的な前面反射率１７は、３
dBカプラ４の直線性（入力ポート間のアイソレーショ
ン）で反射器１６の影響が通常６０dB以上抑圧されるた
め、レーザチップ前面反射率と反射器１５の反射率の和
となる。反射器１５は励起用光源１の非飽和時レーザ増
幅率のピーク波長λ1近傍にその反射率ピーク波長l2を
有している。励起用光源２の等価的な前面反射率１８も
同様に励起用光源１の非飽和時レーザ増幅率のピーク波
長近傍にその反射率ピーク波長を有している。このた
め、励起用光源１、２のラウンドトリップ利得２１、２
２はそれぞれ反射器１５、１６の反射率ピーク波長にお
いてピーク値をとり、発振電力２３、２４はそれぞれ反
射器１５、１６の反射率ピーク波長にその電力が集中し
た、安定した波長ロックが得られる。反射器１５、１６
の反射率ピーク波長は以上のように励起用光源１、２の
非飽和時レーザ増幅率のピーク波長近傍に独立に設定で
きるため、励起用光源１、２の非飽和時レーザ増幅率１
９、２０の温度、経時変化等に対しトレランスを大きく
でき、長期的に安定な波長ロックが実現できる。
【００３２】また、この例では励起用光源１、２に対
し、共に反射器を挿入する場合について説明したが、励
起用光源１のみに対して反射器１５を挿入しても良い。
即ち、反射器１５により、励起用光源１の光出力は可干
渉性を無くし、結果として励起用光源２の出力光とも干
渉せず、３dBカプラ４の分岐比は安定する。この場合に
は反射器１５の反射率ピーク波長は励起用光源１の非飽
和時レーザ増幅率のピーク波長近傍に設定し、安定した
波長ロックが達成できる。
【００３３】 また、この例では、反射器１５、１６は
単一の反射率ピーク波長を有する場合について説明した
が、複数の反射率ピーク波長を持たせることにより、波
長ロックの掛かる波長範囲が広がり、励起用光源１、２
の周囲温度範囲を広げることができるという効果を有す
る。
【００３４】実施の形態２．図３は第２の実形態による
光増幅装置の構成を示す図であり、反射器１５、１６は
３dBカプラ４と希土類添加光ファイバ７、８の間に挿入
されている。この実施形態における反射器１５、１６
は、入射される光の特定波長のごく一部を反射し大部分
の入射光を通過させる反射器で、励起用光源１、２の非
飽和時レーザ増幅率のピーク波長にその反射率ピーク波
長を有する。つぎに、動作について説明する。励起用光
源１、２からの励起光は反射器１５、１６でごく一部が
反射され、大部分の光は通過し３dBカプラ４に入射す
る。この反射された励起光は励起用光源１、２に戻り発
振波長の波長ロックを起こす。図４をもとに、この波長
ロックについて説明する。励起用光源１、２の非飽和時
レーザ増幅率のピーク波長が大きく離れた場合の励起用
光源１、２の非飽和時レーザ増幅率の波長特性と等価的
前面反射率の波長特性及び発振特性を示す図である。図
中２５、２６は励起用光源１、２の等価的な前面反射
率、２７、２８は励起用光源１、２の非飽和時レーザ増
幅率、２９、３０は励起用光源１、２のラウンドトリッ
プ利得、３１、３２は励起用光源１、２の発振電力であ
る。励起用光源１の等価的な前面反射率２５は、３dBカ
プラ４の入力光が合波・分配されるため、励起用光源１
のレーザチップ前面反射率と反射器１５、１６の反射率
の平均値の和になり、反射器１５、１６のピーク反射率
波長に対応した２つのピークを有する。励起用光源２の
等価的な前面反射率２６も同様で、レーザチップ前面反
射率が励起用光源１と同一であるとすると、励起用光源
１と同一の波長特性を有する。励起用光源１、２のラウ
ンドトリップ利得２９、３０は、励起用光源１、２の非
飽和時レーザ増幅率のピーク波長が大きく離れているた
め、それぞれ反射器１５、１６の反射率ピーク波長でピ
ーを有し、等価的な前面反射率ピークが２つある影響は
無視できる。
【００３５】従って発振電力３１、３２は、図２と同様
に励起用光源１は反射器１５の、励起用光源２は反射器
１６の反射ピーク波長にロックされた波長特性を持つ。
図５は、励起用光源１、２の非飽和時レーザ増幅率のピ
ーク波長が近接した場合の励起用光源１、２の非飽和時
レーザ増幅率の波長特性と等価的前面反射率の波長特性
及び発振特性を示す図である。図中、３３は励起用光源
１、２の等価的な前面反射率、３４、３５は励起用光源
１、２の非飽和時レーザ増幅率、３６、３７は励起用光
源１、２のラウンドトリップ利得、３８、３９は励起用
光源１、２の発振電力である。この場合は、励起用光源
１、２のラウンドトリップ利得３６、３７は非飽和時レ
ーザ増幅率３４、３５のピーク波長が近接しているた
め、双峰形状となり、spatial hole burninng等レーザ
媒質中の反転分布の空間的不均一性(spatial inhomogen
ity) の効果を考えると、発振電力３８、３９の波長分
布自体も双峰的になる可能性がある。ここで問題となる
のは、励起用光源１の発振電力３８のように２つの波長
で発振した場合の前面光と背面光の比であり、この値が
変化しなければ、出力安定化駆動回路３により励起用光
源１の出力光は一定となる。
【００３６】前面光と背面光の比とレーザパラメータの
関係を明確にするため、図６に示した励起用光源１の内
部での光の増幅過程を考察する。図中、３９はレーザチ
ップ、４０は前方進行波の電力分布、４１は後方進行波
の電力分布、４２は後方進行波の一部の電力Ｐout2を受
光して電流に変換し、出力安定化駆動回路３へ入力すモ
ニタホトダイオードである。レーザチップの前面反射率
はＲ1 、後面反射率はＲ2 としている。前方進行波の電
力分布Ｐ+ と後方進行波の電力分布Ｐ- は以下の微分方
程式を満たす。
【００３７】
【数６】 ここでα(z)は発振波長における利得系数(nep/m)であ
る。
【００３８】
【数７】
【００３９】（９）、（１０）式から、
【００４０】
【数８】
【００４１】 （１１）式から、ｅG ＝（Ｒ1 Ｒ2 ）
-1/2となり、通常の発振条件を表す式が導ける。以上の
式から前面光電力Ｐout1と後面光電力Ｐout2は
【００４２】
【数９】
【００４３】となる。（１２）式から前面光と背面光の
比は前面反射率Ｒ1 、後面反射率Ｒ2 のみに依存してお
り、利得係数ａ(z)には無関係であることが分かる。従
ってspatial hole burninng等レーザ媒質中の反転分布
の空間的不均一性(spatial inhomogenity) に起因した
マルチモード発振に対しても（１２）式は成り立ち、各
軸モードの前面反射率、後面反射率が分かれば前面光電
力と後面光電力の比は決定される。以上の考察から、発
振する軸モードでの等価的な前面反射率が一定であれば
前面光電力は一定に保たれる。等価的な前面反射率は、
反射器１５、１６の反射率ピーク波長においてはＲ1 ＋
ＲG ／２（ＲG は反射器１５、１６のピーク反射率）で
あり、２の軸モードの和は一定に保たれる。従って２つ
の軸モードで発振した場合の励起電力は一つの軸モード
で発振した場合の励起電力に等しい。以上のように、励
起用光源１、２の非飽和時レーザ増幅率のピーク波長が
近接した場合でも、APCエラーの無い安定した励起電力
が得られる。また、以上の説明では反射器１５、１６が
３dBカプラ４の各出力ポートに接続された場合について
行ったが、図７に示すように反射器１５、１６を同一の
出力ポートに接続しても励起用光源１、２から見た等価
的前面反射率は同一であり、同様の効果が得られる。
【００４４】実施の形態例３．図８は第３の実施例によ
る光増幅装置の構成を示す図であり、反射器１５、１６
は希土類添加光ファイバ７、８の入力点に接続される。
また反射器１５、１６の反射率ピーク波長はそれぞれ励
起用光源１、２の非飽和時レーザ増幅率のピーク波長近
傍に設定されている。動作について説明する。通常希土
類添加光ファイバ７、８に入力される励起光は１００％
吸収されず、図８のように後方励起された場合には入力
点から伝送路に漏出する。反射器１５、１６はこの漏出
される励起光を希土類添加光ファイバ７、８へ再度入力
して励起効率を改善するとともに、光合波器５、６及び
3dBカプラ４を介して励起用光源１、２に入力され、波
長ロックが達成される。反射器１５、１６の反射率ピー
ク波長はそれぞれ励起用光源１、２の非飽和時レーザ増
幅率のピーク波長近傍に独立に設定できるため、実施の
形態２で説明した通り反射器１５、１６の反射率ピーク
波長のいずれか、または両方で発振しており、安定した
光出力を希土類添加光ファイバ７、８に供給できる。反
射器１５、１６のピーク反射率については、希土類添加
光ファイバ７、８での励起光での吸収を考慮して高い値
に設定する必要があるが、反射率を高く設定することに
より、入力点から伝送路へ漏出する励起光を効率良く希
土類添加光ファイバ７、８へ戻すことが可能である。例
えば、反射器１５、１６のピーク反射率を１（全反射）
としても問題無い。 以上では後方励起される光増幅装
置について説明を行ったが、前方励起された光増幅装置
においては、信号出力点に反射器を接続すれば良く、同
様の効果が得られる。
【００４５】実施の形態４．図９は、第４の実施の形態
による光増幅装置の構成を示す図であり、３dBカプラ４
は偏波保持特性を有するものを仮定しており、励起用光
源１、２は３dBカプラ４の２つの異なる固有偏波軸に合
わせた直線偏波で入力されている。また反射器４３は反
射率の波長特性が偏波依存性を有する反射器であり、直
交する２つの直線偏波に対して異なる波長でピーク反射
率を有する。反射率ピーク波長の偏波依存量を利用し
て、第２の実施例で説明したように励起用光源１、２の
非飽和時レーザ増幅率のピーク波長にその反射率ピーク
波長を有するような構成を一つの反射器４３で実現する
ことが可能である。
【００４６】図１０は、一例として偏波保持光ファイバ
を用いた反射器の構造を示すものであり、偏波保持光フ
ァイバに波長選択性のある反射特性を持たせるため、光
誘起屈折率変化によるブラッグ反射構造を有している。
図中、４４は偏波保持光ファイバ、４５、４６は応力付
与部、４７はコア、４８はブラッグ反射部である。偏波
保持光ファイバ４４は応力付与部４５、４６によりコア
部４７に発生する応力により、応力に平行な直線偏波と
応力に垂直な直線偏波の間に等価屈折率の差を生じさ
せ、伝搬定数差Δβをつけるものである。図１１は、偏
波保持光ファイバに波長選択性のある反射特性を持たせ
た場合の２つの直交偏波に対する反射率の波長特性であ
る。図中、４９、５０はそれぞれslow軸, fast軸に平行
な直線偏波に対する反射率である。伝搬定数差Dbによる
ブラッグ反射部における反射率ピーク波長の偏波依存性
Δλg は以下の式で表せる。
【００４７】
【数１０】
【００４８】ここでΔn 、d 、ｋ0 はそれぞれ２つの直
行する偏波に対する等価屈折率、ブラッグ反射部のグレ
ーティングピッチ、反射波長の真空中の波数である。
（１３）式はｄ＝λg ／２ｎ、ｋ0 ＝２π／λg からさ
らに以下のようにまとめられる。
【００４９】
【数１１】
【００５０】ここでλg を励起波長として一般的な１４
８０nm、ｎとして光ファイバの典型値１．５、伝搬定数
差Δβとして１００，０００rad/mとすると反射率ピー
ク波長の偏波依存性Δλg は２４nmとなる。従来例で述
べたように半導体レーザの非飽和時レーザ増幅率の半値
全幅は４０nm程度であり、反射率ピーク波長の偏波依存
性Δλg ＝２４nmで非飽和時レーザ増幅率の３dB帯域の
重ならない励起用光源１、２の波長ロックが可能とな
る。
【００５１】実施の形態５．図１２は、第５の実施形態
による光増幅装置の構成を示す図であり、図中５１、５
２は受光素子である。反射器１５、１６は励起用光源
１、２の背面光が入射される構成である。動作について
説明する。通常、励起用光源１、２の半導体チップ背面
は９０％程度の高い反射率を有し、わずかに漏出する光
をモニタして出力安定化駆動回路３により一定の励起光
を出力するよう駆動される。図１２では、半導体チップ
背面の光反射率を反射器１５、１６で実現する方式であ
り、その反射率ピーク波長に波長ロックされた安定な発
振が可能となる。反射器１５、１６からわずかに漏出す
る光を受光素子５１、５２で電流に変換し、出力安定化
駆動回路３に出力し、通常のＡＰＣ駆動が可能となる。
【００５２】実施の形態６．図１３は、第６の実施形態
による光増幅装置の構成を示す図であり、図中５３、５
４はモニタ用光カプラ、５５、５６は受光素子である。
動作について説明する。励起用光源１、２はそれぞれ反
射器１５、１６の反射率ピーク波長に発振波長がロック
た低コヒーレンスな励起光を出力する。モニタ用光カプ
ラ５３、５４はそれぞれ３dBカプラ４に入力される励起
光の一部を受光素子５５、５６に入力する。出力安定化
駆動回路３は受光素子５５、５６から出力される電流が
一定となるよう励起用光源１、２の駆動電流を制御す
る。この構成では、通常の背面光モニタ方式で問題とな
る前面光・背面光比の温度特性や、前面光結合損失の変
動によるＡＰＣ制御誤差を原理的に無くすことが可能で
あり、光増幅装置の利得の高安定化が可能である。
【００５３】実施の形態７．図１４は、第７の実施形態
による光増幅装置の構成を示す図であり、励起用光源
１、２と反射器１５、１６で構成される共振器の偏波変
動を抑えることを目的としている。図中５７、５８は偏
波保持光ファイバである。動作について説明する。励起
用光源１、２の出力はそれぞれ偏波保持光ファイバ５
７、５８の固有偏波軸に平行に入射される。これによ
り、例えば、光増幅装置が振動した場合でも励起用光源
１、２の出力は安定な直線偏波の状態で反射器１５、１
６に入射される。反射器１５、１６は入射された光の偏
波状態を保存してその一部を反射し、励起用光源１、２
に入射させる。これにより励起用光源１、２の出射光と
入射光は同一の直線偏波状態となり、反射器１５、１６
と励起用光源１、２の背面で構成される共振器内を伝搬
する光の偏波状態を一定にでき、ラウンドトリップ利得
をその最大値に安定化することができる。以上により、
励起用光源の発振波長、光出力電力を安定化できる。図
１４では反射器１５、１６が３dBカプラ４と励起用光源
１、２の間に挿入された場合について述べたが、第３図
のように希土類添加光ファイバ７、８と３dBカプラ４の
間に接続された場合にはさらに３dBカプラ４を偏波保持
特性を有する構造のものを用いれば同様の効果が得られ
る。
【００５４】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、冗長
化構成をなす複数の励起用光源にマッチした反射率ピー
ク波長を有する複数の反射器を励起光の通過路に挿入す
ることにより、可干渉性の低下と励起電力の安定化が同
時に達成できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施例による光増幅装置の構成を示す
図である。
【図２】 第１の実施例における励起用光源１、２の非
飽和時レーザ増幅率の波長特性と反射器１５、１６の反
射率波長特性及び発振特性を示す図である。
【図３】 第２の実施例による光増幅装置の構成を示す
図である。
【図４】 第２の実施例における励起用光源１、２の非
飽和時レーザ増幅率の波長特性と反射器１５、１６の反
射率波長特性及び発振特性を示す図である。
【図５】 第２の実施例における励起用光源１、２の非
飽和時レーザ増幅率の波長特性と反射器１５、１６の反
射率波長特性及び発振特性を示す図である。
【図６】 励起用光源１の内部での光の増幅過程を示す
図である。
【図７】 第２の実施例による光増幅装置の構成の他の
一例を示す図である。
【図８】 第３の実施例による光増幅装置の構成を示す
図である。
【図９】 第４の実施例による光増幅装置の構成を示す
図である。
【図１０】 偏波保持光ファイバを用いた反射器の構造
を示す図である。
【図１１】 偏波保持光ファイバに波長選択性のある反
射特性を持たせた場合の２つの直交偏波に対する反射率
の波長特性を示す図である。
【図１２】 第５の実施例による光増幅装置の構成を示
す図である。
【図１３】 第６の実施例による光増幅装置の構成を示
す図である。
【図１４】 第７の実施例による光増幅装置の構成を示
す図である。
【図１５】 従来の光増幅装置の構成を示す図である。
【図１６】 注入同期を説明する図である。
【図１７】 カプラの分岐比を示す図である。
【図１８】 従来の他の光増幅装置の構成を示す図であ
る。
【図１９】 励起用光源のスぺクトラムと光ファイバの
波長吸収特性を示す図である。
【図２０】 励起用光源のレーザ利得と光ファイバグレ
ーティングの反射率の波長特性の関係を示す図である。
【符号の説明】
１、２ 励起用光源、３ 出力安定化駆動回路、４ ３
dBカプラ、５、６ 光合波器、７、８ 希土類添加光フ
ァイバ、９、１２ 信号入力端子 １０、１３ 光アイソレータ、１１、１４ 信号出力端
子、１５、１６ 反射器。
フロントページの続き (72)発明者 北山 忠善 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザ活性物質を添加した光ファイバ
    と、前記光ファイバを励起するための励起光を発振する
    複数の励起用光源と、前記励起用光源の励起光を前記光
    ファイバに注入するために合波・分波する光カプラと、
    前記光カプラの出力光を前記光ファイバに注入する合波
    器と、前記励起用光源と前記光カプラの間に接続配置さ
    れた一つまたは複数の反射率ピーク波長を有する波長特
    性を持つ反射器とを備えたことを特徴とする光増幅装
    置。
  2. 【請求項２】 レーザ活性物質を添加した光ファイバ
    と、前記光ファイバを励起するための励起光を発振する
    複数の励起用光源と、前記励起用光源の励起光を前記光
    ファイバに注入するために合波・分波する光カプラと、
    前記光カプラの出力光を前記光ファイバに注入する合波
    器と、前記光カプラと前記光合波器の間に配置接続され
    たそれぞれが異なる波長選択特性を有する複数の反射器
    とを備えることを特徴とする光増幅装置。
  3. 【請求項３】 レーザ活性物質を添加した光ファイバ
    と、前記光ファイバを励起するための励起光を発振する
    複数の励起用光源と、前記励起用光源の励起光を前記光
    ファイバに注入するために合波・分波する光カプラと、
    前記光カプラの出力光を前記光ファイバに注入する合波
    器と、前記光ファイバの入力端または出力端に接続され
    たそれぞれが異なる波長選択特性を有する複数の反射器
    とを備えることを特徴とする光増幅装置。
  4. 【請求項４】 レーザ活性物質を添加した光ファイバ
    と、前記光ファイバを励起するための励起光を発振する
    複数の励起用光源と、前記励起用光源の励起光を合波・
    分波する偏波保持持性を有する光カプラと、前記励起光
    源の励起光の偏波面を前記光カプラの偏波特性に整合さ
    せるための光ファイバと、前記光カプラの出力側に配置
    され反射率ピーク特性が偏波依存性を有する反射器とを
    備えたことを特徴とする光増幅装置。
  5. 【請求項５】 レーザ活性物質を添加した光ファイバ
    と、前記光ファイバを励起するための励起光を発振する
    複数の励起用光源と、前記励起用光源の励起光を合波・
    分波する光カプラと、前記光カプラの出力光を前記光フ
    ァイバに注入させる光合波器と、前記励起用光源の背面
    光を受光する反射器と、前記反射器を通過した背面光を
    電流に変換する光ー電気変換素子と、前記光ー電気変換
    素子の出力に基づいて前記励起用光源に安定化駆動電流
    を供給する安定化駆動回路とを備えたことを特徴とする
    光増幅装置。
  6. 【請求項６】 特許請求の範囲第１項乃至第３項記載の
    光増幅装置において、前記光カプラに入力される励起電
    力を分岐する光分岐器と、前記光分岐器の出力光を光ー
    電気変換する変換器と、前記変換器の出力電流を一定に
    保つように励起用光源の駆動電流を制御する制御手段を
    備えたことを特徴とする光増幅装置。
  7. 【請求項７】 特許請求の範囲第１項乃至第６項記載の
    光増幅装置において、励起用光源から波長選択特性を有
    する反射器に至る励起光の伝搬路を偏波保持特性を有す
    る光ファイバで構成することを特徴とする光増幅装置。
  8. 【請求項８】 特許請求の範囲第１項乃至第７項記載の
    光増幅装置において、波長選択特性を有する反射器とし
    てファイバグレーティングを用いることを特徴とする光
    増幅装置。
  9. 【請求項９】 特許請求の範囲第４項記載の光増幅装置
    において、偏光依存性を有する反射器を偏光面保持ファ
    イバに光誘起屈折率変化現象を利用してグレーティング
    を形成したものを用いることを特徴とする光増幅装置。
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