JPS63500756A - 誘電体光導波素子、光ファイバ増幅器および光信号波長選択方法ならびに誘電体光導波素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 誘電体光導波素子 〔技術分野〕 本発明は光共振器、特に誘電体光導波路を用いた共振器に関する。

〔背景技術〕

光システムでは、所定の波長の光を伝達または反射する波長フィルタとして、従 来、回折格子、プリズム等の直線上に配置される素子が使用されていた。また、 これとは別に、干渉の原理を利用した素子、例えばファブリベロー・エタロンが 波長フィルタまたは選択増幅器として提案されている。このような干渉フィルタ の例が、公開されたコーロッパ特許出願第ＥＰ　１４３６４５号に開示されてい る。この例では、二本の光ファイバの？：端を鏡面に仕上げ、これらのＰ：端を 適当なハウジング内で近接させ、これらの二本の光ファイバを長さ方向に一直線 に並べている。この構成によりエタロンが形成され、ファイバ終端の間隔を変化 させることにより、波長の選択が可能な波長選択フィルタとすることができる。

このような「直線配置」共振器を用いた場合には、例えばＮＮモードの不整合、 スプリアス反射、およびその他の原因により損失が生じ、これにより伝送線の連 続性が阻害される問題がある。

光フィルタを実現する他のアプローチとして、光ファイバのリングを使用するも のが提案され、例えば、ストークス他、「オールシングルモード・ファイバ・レ ヅネータ」、オプティクス・レターズ第７巻第６号１９８２年６月（ＳＬｏｒｋ ｅｓ　ｅｔ、ａｌ、、”Ａｌｌ−ｓｉｎｇＡｌｌ−５ｉｎ　ｆｉｂｅｒｒｅｓｏ ｎａｔｏｒ’、　０ｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　Ｖｏｌ、７＋　Ｎｏ、６＋ 　Ｊｕｎｅ　１９８２）に説明されている。ストークスの素子は、円周３ｍの光 ファイバのループにより構成される。多くの利用目的に対して、このような長さ のリングのスペクトル応答は非常に狭く、この大きさは多くの応用において実用 的ではない。しかし、円周の小さいリングを使用して大きさを削減し、これによ ってスペクトル応答を広げると、曲げに依存する損失が導入され、リングの曲率 半径が小さくなるにつれて全体としての性能が低下する。

本発明は、以上の問題点を解決または少なくとも緩和する改善された選択性光共 振器を提供することを目的とする。

〔発明の開示〕

本発明の誘電体光導波素子は、結合領域で第二の導波路に横方向に結合された第 一の導波路を備え、上記結合領域の対向するそれぞれのｖ！：端で選択された各 導波路の一方の終端には反射手段が設けられ、これによりファブリベロー共振器 を形成する。

双方の導波路は光ファイバであることが望ましく、さらに、単一モード光ファイ バであることが望ましい。

また、導波路をリチウム・ニオベート等の基板に作成してもよい。

反射手段は、導波路終端上に直接に堆積させることにより設けられた反射面を含 むことが便利である。

反射面は金被膜を含み、金およびアルミニウムの蒸着等の従来の技術、または銀 を成長させることにより設けることが便利である。

また、反射面は誘電体被膜でもよい。

直接に堆積させる代わりに、導波路の終端に鏡を突き合わせることにより反射手 段を設けてもよい。さらに反射手段は、当業者によって知られている他の装置を 含むか、または他の装置に連結し、素子の動作スペクトル範囲にわたって、入射 光を光学的に反射する機能を実行する構成とすることもできる。

この素子を光フィルタとして用いた場合には、反射手段は非常に高い反射率を示 すことが望ましい。この素子の動作スペクトル範囲にわたって、反射率は０．８ 以上であることが望ましく、さらには、０．９以上であることが望ましい。

素子は同調可能であることが便利であり、さらに同調を行う手段を含むことが便 利である。例えば、ファブリベロー共振器の実効長を切り替えることにより同調 を行うことができる。−例として、同調手段は圧電伸張器を含み、ファブリベロ ー共振器の一部を構成する導波路の一方の長さを調整する。

導波路の一方または双方に、屈折率を調整するために通常に用いられるドーパン トに加えて、またはこの代わりに、光特性を変化させるドーパントを添加しても よい。ドーパントとしては、光増幅媒体、例えばリチウム・ニオベートを含んで もよい。このような条件の場合には、反射手段を低反射率にする必要がある。

本発明を添付図面を参照して詳細に説明する。

〔図面の簡単な説明〕

第１図は本発明実施例光素子を示す図。

第２図は、共振器長１０ｃｍにおける第１図の素子の出力アームの光強度と入力 アームの光強度との比を波長の関数として計算したグラフ。

第３図は第１図の素子の共振器長を２０ｃｍとしたときの第２図と同様のグラフ 。

第４図および第５図はひとつの光素子の性能を示すグラフ。

第６図は、第１図の素子について、図示された入出力構成における調節深さに対 するフィネスの計算値を示すグラフ。

第７図は、第１図の素子について、図示された入出力構成における調節深さに対 する結合パラメータにの計算値を示すグラフ。

〔発明を実施するための最良の形態〕

第１図は横方向に結合するファプリベロー干渉器１を示し、この干渉器１は波長 選択フィルタリング素子として動作し、導波路として単一モード光ファイバを用 い、方向性結合器内の結合領域６において第一のファイバ２が第二のファイバ３ に結合されている。この例では、結合領域６はファイバ２の中心点またはその近 傍に配置されている。各ファイバ２．３の一方のＰ：端、すなわち結合領域６に 対してそれぞれ反対側に配置された終端５．８には、反射面が設けられている。

これらの反射面が設けられた終端５．８の間の二つのファイバは、その長さがそ れぞれＬ２、Ｌ４であり、これらのファイバにより共振器が形成される。説明の 便利のためにファイバを曲げて示した。実用上は、適当なポツティング・コンパ ウンドを用いて、ファイバをほぼ直線的に取り付けることが普通である。結合領 域６においてファイバを結合するには、溶融または他の公知の方法で行うことが できる。

この素子を製造するには、ファイバ２．３０通適当反射面を設けようとする終端 ５．８を、最初に襞間およびまたは研磨により、ファイバ軸に対して垂直（０， ５°以下の精度）にし、平坦にし、チッピングその他の欠陥を除去する。この後 に、これらの終端を鏡面に仕上げる。反射面は、準備された反射鏡に突き当て取 り付けるか、または反射材料を膜付けする。このような鏡は、公開された英国特 許出願第ＧＢ　２１３６９５６Ａ号にに開示されているように、終端に銀を膜付 けすることにより形成される。この技術により、９５％以上の反射率を有する鏡 面を得ることが可能である。また、反射面に他の金属を膜付けしてもよく、例え ば、公知の技術を用いて、金およびアルミニウムを蒸着してもよい。さらに、反 射面は誘電体反射被膜を含んでもよい。

第一のファイバ２は、適当な技術を用いて、結合領域６において第二のファイバ ３に取り付けられる。どの技術を用いるかの選択は、例えば組立時に要求される 取扱の容易さ等の因子に依存して決定される。したがって、長いファイバを用い る場合には溶融テーパ構造が適当である。また、調節可能に研磨された結合器、 または他の手段、例えば当業者にはよく知られているＤファイバ結合により結合 させることもできる。

本発明により提供される共振器は構造的に優れている。例えば、ファイバ２．３ は双方ともに容易に取り扱うことのできる長さであり、したがって、比較的単純 に、どのような所望の長さのファブリベロー共振器でも作成することができる。

さらに、素子ｌは構造的に対称であり、二つのファイバ２．３を結合する前に、 最初に、それぞれの一方の終端５．８に反射面を設けることにより作られる。

素子１を構成する二つのファイバ２．３には、それぞれ非鏡面終端４．７が残っ ているので、必要に応じて、反射面およびまたは結合の質（結合パラメタにの制 御による。これについては後で詳細に説明する）の監視および推定を行うことが できる。

光フアイバ内の小さいフィールドが横方向に結合する割合を結合パラメタにで表 すことが便利である。結合パラメタには、一方のファイバから他方に結合するパ ワーの百分率で表される。結合パラメタには波長に依存する。与えられた波長に 対して、結合領域自体の実効長が半波長の奇数倍のときに結合が最大となり、半 波長の偶数倍のときに結合が最小となる。結合パラメタは、ファイバ・コアの間 隔と結合領域を定義する重なりの長さとを適当に調節することにより選択される 。

共振器のフィネス（ｆｉｎｅｓｓｅ）は素子の周波数選択性の基準を表し、多く の因子のうち、共振器自身に結合するパワーの割合に依存する６−ｇに、フィネ スが高いと結合の割合が低い。これに対して、本発明の素子では、Ｋの値が高い ことが高いフィネスに対応する（第６図および第７図を参照）６フイネスはまた 、共振器長を定義する反射手段の反射率により特に影響を受ける。フィネスを高 くするためには、反射率を可能な限り大きくする必要がある。したがって、フィ ルタとして使用するためには、動作スベトル範囲に対して０．９９以上の反射率 が必要であり、この値は達成可能である。反射率は０．８以上であることが望ま しく、さらには０．９以上であることが望ましい。反射手段を経由して入力また は出力する必要がある場合、例えば、共振器に光増幅媒体がドープされている場 合には、低反射率が必要である。当業者であれば、所望の素子機能のために反射 率を適当に選択できるであろう。

第１図の素子の動作時には、一方のファイバ３の非鏡面′４ｐ：端７から光入力 Ｅｌを入射すると、図示したように、同じ終端から戻って出射される光出力Ｅ４ と、他のファイバ２の非鏡面Ｐ：端４から出射されるもう一つの光出力Ｅ、とが 生成される。鏡面路＠５．８から直接に、光入力Ｅｘを共振器内に入射すること もできる（図面には、第一のファイバ２の鏡面終端５からの入射を示した）、出 力は、共振器の反射手段の反射率、共振器の長さくＬｌ＋Ｌ２）、結合領域６の 位置（すなわち長さの比Ｌ２：Ｌ４）および結合パラメタの大きさ等のパラメタ により影響を受ける。結合パラメタに自体が結合の性質および結合領域の長さ等 の因子により決定され、波長に依存するが、その変化は緩やかである。このため 、多くの目的に利用する場合において、ファブリベロー共振器のフリースベクト ルエリアにわたってＫは実質的に一定となる。

第１図の素子に対して、規格化された入力（Ｅ、−１）に対する出力の強度は、 数学的に、 Ｅａ　”　（１／　（Ｉ　Ｂｓ１ｎ”　（β（Ｌ２＋Ｌ４）］　））で表される 。ここで、βはファイバ伝搬定数であり、ＡおよびＢは、鏡面屈折率（ｒ）、本 質的なファイバ振幅伝送損失（α）および結合比（すなわち結合領域の相対的位 置および結合パラメタにの大きさ）に依存する定数である。

正弦関数で表される項は、共振器内のファイバ長の和を含むことが重要である。

第２図および第３図に示したように、強度変化の周波数依存性は、例えば鏡面に 対する結合領域の相対的位置に依存する。これに対して振幅項は、長さＬ２．、 Ｌ４と異なる関数を含み、純粋に和（Ｌ２＋Ｌ４）に依存するわけではない。し たがって、振幅の調節深さは、結合位置および入出力形態に依存する。実際には この依存性は弱く、この依存性自体が本質的ファイバ振幅伝送損失（α）に依存 する。αが雪に近づくと、ｉｊ１節深さの位置依存性が零に削減される。

第２図は、第１図の素子が理想的に１００％の鏡面反射率を有し、共振器長（Ｌ ２＋Ｌ４）が１０ｃｍの場合について、Ｋの値の変化に対するスペクトル応答の 計算値を示す。このグラフは、光強度の伝達比、すなわち入力ＥＩと出力Ｅ３と の比を波長の関数として表した。

図に示した（　Ａ、　）ないしくＥ）の曲線は、結合パラメタにの異なる値に対 応する。この例では、この素子はフィルタとして動作し、共振波長で入力Ｅ、を 反射しく出力はＥ４）、非共振波長で光を通過させる（出力はＥ３）。

第３図は、共振器長が２０ｃｍで第２図と異なるパラメタの場合の第１図の素子 のスペクトル応答の計算値を示す。

これらの計算値のグラフに示したように、このような長さく１０〜２０ｃｍ）の 共振器（この場合には第一のファイバ２）に対して、通過帯域幅は数百メガヘル ツのオーダである。通過帯域幅をギガヘルツ８Ｎ　＋１に増加させるには、共振 器長をミリメートルのオーダに制限しなければならない。

第４図および第５図は、第１図の素子への信号入力（Ｅ、）に対して得られた実 験結果を示す。素子を作成するために、信号源の波長における強度結合係数が９ ９．２％で、結合損失が０．０２ｄＢないし０．０４ｄＢの固定結合器を使用し た。反射手段（第１図の５．８）として、誘電体の鏡を突き合わせにより連結し た。この鏡の反射率は９９％以上である。実効共振器長（Ｌ２＋Ｌ４）はほぼ２ ．３■であった。この実験では、発振波長が１．５２３　ｐｍのｔｌ　ｅ　Ｎ　 ｅレーザ光源を使用した。したがって入力は固定波長であり、このため、素子自 体の共振選択性については、（波長の掃引ではなく）共振器の長さを調節するこ とにより測定した。圧電伸張器を使用することにより、数マイクロメータの範囲 で素子の実効共振器長を変化させた（すなわち、Ｌ２およびまたはＬ４を変化さ せた）、、反射された光（Ｅ、’）は、レーザ光源と素子との間に配置された第 二の（一般的な）結合器により取り出された。

第４図は、素子の長さを約１ミクロンにわたり変化させ、そのときに反射された 信号（Ｅ４）の変化を示す。二つの共振が明らかである。第５図は、伝送された 信号（Ｅ、）の対応する変化を示す。

第４図および第５図の測定は異なる時間に行われたので、これらが正確に一致し ているわけではないが、素子の動作は明白に示されている。この例における理論 的な反射のフィネスは１２０であり、これに対して、測定されたフィネスは５０ を越えた。フリースベクトルエリアは４５ＭＨｚと推定される。（フリースベク トルエリアは共振器内を光が往復する時間であり、共振器の長さに逆比例する。

フィネスについては、半値全幅（ＦＷＨＭ）に対するフリースベクトルエリアの 比として計算した。） 上述したように、そして例えば第２図および第３図から明らかなように、結合パ ラメタＫにより示される結合の度合が増加すると、フィネスが増加し、周波数選 択性が細かくなる。しかし、第２図および第３図から明らかなように、フィネス の増加により、変動深さが減少してしまう、この変化を第６図に直接に示す。こ の図では、異なる結合損失の値γに対して、図に詳細に示した素子の構造および パラメタの場合について、フィネスに対するｔＮ　Ｈ５深さをプロットしている 。

したがって、実用上の目的のため、その利用スペクトル範囲にわたって結合パラ メタＫを自動的に可能な限り高くするように選択することは、一般的には必要な い。特定の使用状況、周波数選択性および調節深さの相対的な重要性により、当 業者が適当な結合パラメタＫを選択することができる。しかし、通常は、当面の 問題となるスペクトル範囲の波長に対して、結合パラメタには０．７５以上と予 想される。一般に、達成できる結合損失（ｒ）が低くなるほど、結合パラメタに の望ましい値は高くなる。実際上は、結合パラメタには通常は０．８５以上であ り、例えば結合損失が非常に小さいときには、当面問題となるスペクトル範囲に わたって、結合パラメタＫを０．９５以上にすることができる。

第７図は、結合パラメタにの変化に対する調節深さの変化量のグラフを示す。こ の調節深さは、種々の結合損失（γ）の値に対して、反射率を固定し、木質的な ファイバ伝送損失を零とし、入力（Ｅｌ）および伝送された出力（Ｅ、）に対し て計算した。

図示した実施例では光ファイバを使用しているが、本発明の横方向の結合素子は 、明らかに、他の適当な誘電体光導波路、例えばリチウム・ニオベート構造によ り構成できる。このような構造は、例えば、サブミリメートルの長さの共振器を 作る場合に特に適している。

能動共振器を作成し、共振を大きくすることが便利である。これは、例えば、共 振器を形成する領域において、ファイバの一方または双方に光増幅媒体をドーピ ングすることにより達成される。ネオジムがこのタイプのひとつの通した媒体で ある。このような素子は、例えば、すべてファイバで構成されたレーザを実現す る場合に重要である。

これとは別に、共振器内に誘導ラマン散乱（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ　Ｒａｍａｎ ５ｃａｔｔｅｒｉｎｇ）または誘導プリルアン散乱（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ　Ｂ ｒｉｌｌｏｕｉｎＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を発生させ、波長シフトによるマルチ パス動作を実行させることもできる。共振器に対して、その注入波長で、誘導ラ マン散乱または誘導プリルアン散乱のしきい値を越えるパワーの光を注入するこ とにより、誘導ラマン散乱または誘導プリルアン散乱を引き起こし、長波長側へ のシフト（ストークス放射）を引き起こすことができる。

本発明の共振素子は、光伝送ｇＷのフィルタとして用いることができる。第１図 により形成された共振器は容易に伝送線に重ね継ぐことができ（終端４．７で） 、例えば伝送特性を適当に修正することができる。曲げ損失は除去され、このよ うな構造における伝送線に必要なまたは導入される空隙はないことが明らかであ る。

本発明はまた、さらに新規な共振素子の作成を可能にする。例えば、本発明の素 子を異なるまたは適当に一致する性質のものを二以上用いて、例えば−線に接続 する。他の新規な例として、例えば、付加的な反射手段を導波路の他の終端（４ ，７）の一方または双方に設け（すわなち第１図において、反射手段無しで示さ れた終端）で素子の応答をさらに修正することもできる。このような素子は、特 に、すべてファイバで構成されたレーザの出力線幅を狭めるため利用できる。

浪炙〔ｐｍ〕 （Ｆｉｇｓ　４＆Ｓ　＋３オシロ又フープ・トレースの接写マーある）国際調査 報告 ””−”””””””””’１ＩＰＣＴ／ＧＢ８６１００４３０Ａ＋’ＪｔＪＥ Ｘ　τＯ−ｒ：Ｅ　ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　ＳＥＡ：’ＩｃＨＲＥ？ＯＲ τ０ＮＩＮτ三Ｒ−ＮＡＴＩＯＮＡＬ　Ａ？？ＬＩＣｋＴＩＯＮ　Ｎｏ、　ＰＣ Ｔ／ＣＢ　８６１００４３０　（ＳＡ　１３９４９）ＧＢ−Ａ−１３６９５６Ｎ ｏｒｓｅ

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．結合領域（６）て第二の導波路（３）に横方向に結合された第一の導波路（ ２）を備え、 上記結合領域（６）の対向するそれぞれの終端で選択された各導波路（２、３） の一方の終端（５、８）には反射手段が設けられ、これによりファブリベロー共 振器を形成する誘電体光導波素子（１）。
2. ２．上記導波路（２、３）は単一モード光ファイバである請求の範囲第１項に記 載の誘電体光導波素子。
3. ３．上記導波路（２、３）はプレーナ基板内に形成される請求の範囲第１項に記 載の誘電体光導波素子。
4. ４．反射手段は金属被膜が設けられた高反射率表面を含む請求の範囲第１項に記 載の誘電体光導波素子。
5. ５．反射手段は誘電体被膜が設けられた高反射率表面を含む請求の範囲第１項に 記載の誘電体光導波素子。
6. ６．ファブリペロー共振器内の少なくとも一つの導波路（２、３）は、屈折率を 調整するために用いられているドーパントに加えて、またはこの代わりに、ドー パントが添加された請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載の誘電体光 導波素子。
7. ７．上記ドーパントは光増幅媒体である請求の範囲第６項に記載の誘電体光導波 素子。
8. ８．ファブリペロー共振器の長さ（Ｌ２＋Ｌ４）を変化させて素子を同調させる 同調手段を含む請求の範囲第１項ないし第７項のいずれかに記載の誘電体光導波 素子。
9. ９．同調手段は圧電伸張器を含む請求の範囲第８項に記載の誘電体光導波素子。
10. １０．結合パラメタＫは、素子の動作スペクトル範囲にわたって少なくとも０． ７５である請求の範囲第１項ないし第９項に記載の誘電体光導波素子。
11. １１．請求の範囲第１項ないし第１０項のいずれかに記載の誘電体光導波素子を 含む光ファイバ光増幅器。
12. １２．請求の範囲第１項ないし第１０項のいずれかに記載の誘電体光導波素子を 用い、 光信号（Ｅ１、Ｅ２）が上記素子に入力され、選択された光信号（Ｅ３、Ｅ４） が上記素子から出力される光信号の波長を選択する方法。
13. １３．光信号（Ｅ１、Ｅ２）は、その信号の波長におけるファブリペロー共振器 のための誘導ブリルアン散乱または誘導ラマン散乱のしきい値を越えるパワーで 入力され、 これにより、異なる波長で光出力（Ｅ３、Ｅ４）が得られる請求の範囲第１２項 に記載の方法。
14. １４．二つの誘電体光導波路のそれぞれの一方の終端に反射面を設ける工程と、 上記二つの誘電体光導波路を結合領域で結合し、反射面を有する上記二つの誘電 体光導波路が結合領域のそれぞれ対向する終端とする工程と を含む 請求の範囲第１項ないし第１１項のいずれかに記載の誘電体光導波素子を製造す る方法。