Light amplifying device

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は光送受信等に使用される光増幅装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信は半導体レ−ザ等の発光素子を用いて信号光を送信し、光ファイバ等を媒体として長距離伝送を行うものである。 このような光通信システムでは、信号光を増幅し伝送距離を延ばしたり受光信号レベルを高くしたりする場合が多い。 この信号光を増幅する光増幅装置は例えば図２に示すように構成されている。
信号光を送信する光ファイバ２１は集光用レンズ２２を介して合波器２３に接続されている。 また半導体レ−ザも集光用レンズ２７を介して合波器２３に接続されている。 合波器２３の出力部分は、光ファイバにエルビウムなどの希土類元素を数１００ｐｐｍ添加した、希土類元素添加光ファイバＥＤＦ（ＥｒｂｉｕｍＤｏｐｅｄ Ｆ
ｉｂｅｒ）２４に接続されている。

【０００３】入力信号光Ｐ _inは光ファイバ２１を通過し、集光用レンズ２２を介して合波器２３に入力される。 ＥＤＦ２４の希土類元素を励起するための励起用レ−ザ光Ｐ _mは半導体レ−ザ２６より照射され、集光用レンズ２７を介して合波器２３に入力される。 上記入力信号光Ｐ _inと上記励起用レ−ザ光Ｐ _mのそれぞれの波長を合波器２３を用いて、光学的に結合させ一方向にのみ導波させる。 合波された光はＥＤＦ２４に入力される。 それらの光のうち上記励起用レ−ザ光Ｐ _mは、ＥＤＦ２４
中に添加されている希土類元素を励起する。 それにより励起した希土類元素により誘導放出が起こり、上記入力信号光Ｐ _inは利得を得て、増幅されＥＤＦ２４の他端から出力される。

【０００４】ところで従来の光増幅装置では、異なる波長の光を合波し一方向のみに出力させるための複雑な構造を有する合波器２３が必要である。 また、この合波器２３からの出力光をＥＤＦ２４に入力させるために、合波器２３の一端とＥＤＦ２４の一端をサブミクロンの精度で接続する必要があり、光ファイバ融着（スプライシング）法などの難度の高い技術が不可欠である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来、光ファイバ中の希土類元素が励起され誘導放出が起こり、信号光は利得を得て増幅され送信される。 しかしながら、希土類元素は信号光の波長のみでは励起できない。 そのために希土類元素を誘導放出するための励起光が必要であり、励起光源として半導体レ−ザを用いる。 そのため信号光と励起光を希土類元素添加光ファイバに入力するためには、
それら２つの光を合波し一方向にのみ導波する必要がある。 そのために合波器を用いるが、その合波器は複雑な構造を有しており、高価である。 また合波器と光ファイバ等とを接続するには、難度の高い技術を用いなければならない。 故に、本発明は光増幅を複雑な装置や難しい技術を用いずに、容易に行える装置を提供するのが目的である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】信号光を入力する光ファイバ等を集光用レンズを介して、半導体レ−ザの一端に対抗させる。 また上記半導体レ−ザの他端を集光用レンズを介して、希土類元素を添加した光ファイバ等に対抗させる。 希土類元素を励起させるための励起光は、上記半導体レ−ザで生成される。 信号光を半導体レ−ザの活性層中を導波させ、上記励起光の出力と重ねて、希土類元素添加光ファイバ等に入力することを特徴とするものである。

【０００７】

【作用】上記のように構成された光増幅装置では、光ファイバから出力される信号光は集光用レンズを介して半導体レ−ザの一端に入力される。 入力された上記信号光は、半導体レ−ザで生成された励起光と半導体レ−ザ中で合波する。 そして合波された光は、上記半導体レ−ザの他端から、集光用レンズを介して希土類元素を添加した光ファイバに入力される。 半導体レ−ザで生成した励起光は希土類元素を励起し誘導放出がなされ、信号光は利得を得て増幅される。

【０００８】よって光ファイバ等の精密接合技術で作られる合波器などを使用せずに、容易に異なる波長を合波できる。 そのため従来、スプライシング法などの難度の高い技術を必要とした、合波器と希土類元素を添加した光ファイバの接続を行う必要がない。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

【００１０】図１は本実施例の構成図であり、図３Ａ及び図３Ｂは半導体レ−ザの端面に被膜する誘電体膜の透過率−波長特性図であり、図４は半導体レ−ザから出射される励起光のスペクトル図である。

【００１１】図１に示されるように、本実施例の構成は以下のとおりである。 光ファイバ１１は集光用レンズ１
２を介して半導体レ−ザ１６の一端、特に活性層１５に対抗している。 上記半導体レ−ザ１６の他端は希土類元素を添加した光ファイバ１９に集光用レンズ１８を介して対抗している。 それぞれの上記集光用レンズ１２、１
８に対抗する半導体レ−ザ１６の両端は、それぞれ誘電体膜１３、１７で被膜されている。

【００１２】本実施例においては１．５μｍ帯の波長を用いて説明する。 また、希土類元素を添加する光学材料として、例えばコア径９μｍグラッド径１２５μｍの石英系単一モ−ド光ファイバを用いる。 希土類元素はこの光ファイバ製造時にコアの中心付近数μｍ径内に添加される。 添加する希土類元素は増幅する光の波長により選ばれ、１．５μｍ帯の場合はエルビウム元素を用いる。
エルビウム元素は石英ファイバ中で ⁴ Ｉ _23/2 ，
⁴ Ｉ _11/2 ， ⁴ Ｉ _9/2 ， ⁴ Ｆ _9/2 ， ⁴ Ｓ _3/2のエネルギ−
準位を形成し、それぞれ波長換算して、1.54，0.98，0.
8 ， 0.65 ，0.514 μｍのエネルギ−準位が形成される。 この中で ⁴ Ｉ _23/2の準位を利用し、1.54μｍ帯波長の光を放出させるためには、このエネルギ−準位以上の高いエネルギ−準位に電子を励起させる。 ⁴ Ｉ _23/2の準位は波長換算で1.48，1.535 ，1.55μｍの準安定準位からなっており、1.48μｍの波長をもつ光で励起し、1.53
5，1.55μｍの波長の光を放出させることができる。

【００１３】尚、励起光源として半導体レ−ザを用いる。 その場合、0.98と1.48μｍの波長が効率がよいが0.
98μｍ帯の半導体レ−ザは超格子歪構造を必要とする。
よって幾分効率は劣るが1.48μｍ帯の通常の半導体レ−
ザを高出力動作させて使用することで十分励起動作が可能である。 この高出力半導体レ−ザ１６はＩｎＧａＡｓ
Ｐ／ＩｎＰ系の組成をもつ埋め込みヘテロ接合で実現できる。 活性層１５はＩｎＧａＡｓＰの混晶組成をもち、
1.46〜1.5 μｍの波長の光を放出することができる。 この半導体レ−ザ１６に300 〜500 ｍＡの電流Ｉ _fを注入した場合のレ−ザ光のスペクトルを図４に示す。 ＥＤＦ
１９中の各準位は、ある一定の幅を持っているため、1.
48μｍの準位を励起するには1.46〜1.5 μｍの波長のレ−ザ光で十分可能である。 光増幅率を大きくするにはできるだけ大きなパワ−のレ−ザ光が必要であるが、5 〜
100 ｍＷの強さがあれば実用的な光増幅率が得られる。
この半導体レ−ザ１６の端面から放出された励起用レ−
ザ光Ｐ _mは半値全幅約３０度、４０度の楕円系の出力パタ−ンをもっているため、コア径９μｍのＥＤＦ１９に入力するには、集光用レンズ１８を用いる必要がある。

【００１４】ところで、入力信号光Ｐ _inは石英系ファイバの低損失波長であり、かつＥＤＦ１９のエネルギ−準位にあった1.535 や1.55μｍの波長である。 入力信号光Ｐ _inは石英系ファイバ１１を用いて半導体レ−ザ１６中の活性層１５の端面に集光用レンズ１２を用いて入力される。 活性層１５は０．２×１．５μｍの断面と長さ40
0 〜1000μｍである。 この断面寸法はレ−ザ光出力と活性層１５を伝搬する光信号のモ−ド制御を考慮して決められる。 活性層１５を伝搬した入力信号光Ｐ _inは、半導体レ−ザで生成された1.48μｍ帯波長の励起用レ−ザ光Ｐ _mと共に、半導体レ−ザ１６の他端から集光用レンズ１８を介してＥＤＦ１９の端面に入力される。

【００１５】このとき、入力信号光Ｐ _inは１．５３５や１．５５μｍの波長である。 そのため、入力信号光Ｐ _in
は活性層１５内でほとんど吸収されずにレ−ザ光と合波される。 （しかし、例えば１．４８μｍの波長であると、活性層１５内で吸収され増幅されてＥＤＦ１９に入力される。）

【００１６】半導体レ−ザ１６のＥＤＦ１９に対抗する面は高出力な励起用レ−ザ光と信号光を放出するため、
図３Ａに示す低反射率を有する誘電体多層膜１７により被覆されている。 石英系ファイバ１１に対抗する面は、
半導体レーザ１６で生成される1.48μｍ帯レ−ザ光に対し高反射率をもち、入力信号光Ｐ _inの1.53〜1.56μｍに対し低反射率をもち、図３Ｂに示す反射特性を有する誘電体多層膜１３により被覆されている。

【００１７】なお、上記実施例においては、１．５μｍ
帯波長を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、赤外から紫外領域に及ぶ波長の光にも実施し得るものである。 また、光ファイバ、空気、レンズを光伝搬の媒体として説明したが、どのような媒体、例えば半導体基板や誘電体基板上でも、同等に実施し得るものである。 加えて、半導体レ−ザの構造は活性層にＭ
ＱＷ構造や光導波路構造があっても同等に実施し得るものである。

【００１８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明では、光ファイバ中に添加された希土類元素を励起するための励起光を生成する半導体レ−ザ自体を、信号光の光導波路として用いる。 それにより、容易に異なる２つの波長をもつ光を合波できる。 したがって、これまで使用していた方向性合波器などの複雑な装置を省くことができ、さらに半導体レ−ザの活性層においても、信号光が増幅され利得を得る場合もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成図。

【図２】従来例を示す構成図。

【図３】半導体レ−ザに使用されている誘電体膜の反射率−波長特性図。

【図４】半導体レ−ザに使用されている誘電体膜の反射率−波長特性図。

【図５】図１の半導体レ−ザで生成されたレ−ザ光のスペクトル図。

【符号の説明】

１１…光ファイバ，１２…集光用レンズ，１３…誘電体膜，１５…活性層，１６…半導体レ−ザ，１７…誘電体膜，１８…集光用レンズ，１９…希土類元素添加光ファイバ。