JPH01501573A - 双安定光デバイス - 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】 服叉１Ｊに乙氏ヱ２ 技術分野 本発明は双安定光デバイス、より詳細には光通信システム等に有用な双安定光デ バイスに関する。

光フアイバシステムとインターフェイスすることができ且つ組み入れることがで きるデバイスがめられている。これらはスイッチング、メモリ及び再生増幅器及 びシステムに対する潜在的な応用が考えられる。

背景技術 光双安定（一つの入力状態に対応する２つの明確で安定した出力状態の存在）は 、例えば非線型分散、セルフフォーカシング及び可飽和吸収（１９８１年プレナ ム、シー、エム、ボーデン、エム、シフタン及びエッチ：アール、Ｏプルの１光 双安定”）等のいくつかの技術を使用して論証されてきた。光双安定を達成する には、光デバイスの出力はある入力パラメータの非線型関数でなければならず、 且つ充分な度合いの帰還を組み入れなければならない。必要な非線型挙動を達成 するには高い光強度が必要とされる。

可飽和アブソーバ内の非線型吸収は、例えば半導体型レーザにおいて双安定挙動 を達成するための技術として論証されており、それについては、例えば、ＩＥＥ Ｅ。

Ｊ、ｆｆｉ子電子、１９８２年、ｏｔニー１ａｐｐのシー、ハーダー等の０異質 電流注入半導体レーザの双安定性及び脈動“を参照されたい。

１に貫ｊ 本発明は従来の光ファイバ及び集積光デバイスと完全に協調し、これらの要素に 容易に接続できる双安定光デバイスを提供するものである 本発明に従って、 両端に入力及び出力反射手段を有する光キャピテイレーザと、 キャビティレーザの入力端に光学的に接続されて内部にポンピング放射を注入す るポンピングソースであって、キャピテイはある長さのドープされたシングルモ ード光ファイバを含み、従ってドーパントは希土類もしくは遷移メタルイオンで あって、このイオンは３レベルレージング遷移を示すようなポンピングソースと 、ファイバの出力端に可飽和吸収領域があるように設けられている出力反射手段 とこの長さのファイバにより行われる出力結合、 かうなる双安定光デバイスが提供される。

かなりの鑓の希土類及び他のドーパントを光ファイバのコアやクラツディングに 混合する技術が開発されている。（エレクトロニクスレターズ、２ユ、　ｐｐ７ ３７−７３８．１９８５年ニス、ビー、プール５デイ、エヌ。

ベイン及びエム、イー、バーマン）。このファイバを使えば、新型レーザ、シン グルモードファイバーレーザを作ることができる。（エレクトロニクスレターズ 、２１゜ＰＰ７３８−７４０．１９８５年７−Ａ／、　シＩ−，ミ７−ズ、エル 、リーキー、ニス、ビー、プール及びディー。

エフ。ベイン）これらのレーザはガラス塊レーザに較べていくつかの利点を有し 、すなわち、補助冷却装置が不要で、レージングスレショールドが極めて低くＣ Ｗモードで作動することができる。特に、従来冷却及びスレショールド条件によ りパルスモードでしか作動できなかった３レベルレーザによりＣＷ動作を達成す ることができる。

３レベルレーザでレージングを行うには、レージング波長においてドープされた ガラスの吸収をプリーチ（すなわち、飽和）させる必要がある。シングルモード 光ファイバの半径は小さいため（シ５μＴｒＬ）、ファイバの任意の点において 僅か数ｍＷのポンプパワーに対して容易に飽和に達することができる。ファイバ 長及び出力結合を適正に選択すれば、３レベルシングルモードフアイバレーザに 可飽和吸収領域を得ることができる。

前記デバイスは従来の光ファイバ及び集積光デバイスと完全に協調でき、且つこ れらの要素に容易に接続できる点で有利である。このようなデバイスは他の光フ ァイバ及び、例えば、方向性結合器、偏波器、露出現場デバイス及び変調器等の 集積光デバイスと一緒に使用することができる。

光ミラーを反射手段として使用すると便利であるが、端面磨きもしくは分岐帰還 反射グレーチングも本発明の一般的範囲から外れるわけではない。ボンピングソ ースの結合手段はキャピテイ自体の外部に設けてもよく内部に組み入れてもよい 。

ドーパントイオンは、例えば、エルビウムとすることができる。しかしながら、 例えば、ネオデイミウム、ブラセオディミウムもしくはクロミウムなどの他の３ レベルレーシング遷移イオンも適している。

図面の筒車な 明細書に添付された図面において、 第１図は本発明に従って双安定性を示すのに使用する実験構成を示し、 第２図は代表的なエルビウムドープされたシングルモード光ファイバの吸収スペ クトルを示し、第３図はエルビウムの３レベルレーシング遷移に対するエネルギ レベル図を示し、 第４図は第１図に示すデバイスから得られるレーザ出力のヒステリシスを示すレ ージング特性を示し、第５図は、一対の光ソースから結合された光入力信号を利 用するように修正した時の、第１図と同様の実験構成を示し、 第６図及び第７図は、それぞれ光メモリ及び再生増幅器の機能を実施するように デバイスを光学的にバイアスした場合の入出力応答波形と共に、前図のデバイス の代表的デバイス特性を示し、 第８＠図及び第８υ図は、この応用モードで作動する場合の第５図のデバイスの 動作を示すデバイス特性と共に、双安定スイッチ構成に対する入力信号及び出力 応答波形をそれぞれ示している。

実施例の説明 本発明をよく理解するために、次にその一実施例について説明し図面を参照する 。以下の説明は単なる例にすぎない。

レーザ及びソースの代表的ａｌｉを第１図に示す。このレーザのキャピテイ１は コイル状の活イオンドープされたシングルモードシリカファイバ３からなり、そ の両端は平服な光高反胴ミラー５及び７に接している。これは、図においてキャ ピテイ１外部のレンズ体１１によりキャピテイ１に光学的に結合されたポンピン グ光ソース９により軸方向にポンプされる。この実験構成において、レーザ放射 は第２のレンズ１５に°より検出器ダイオード１３上に焦点合せされフィルタ１ ７を介して通過する。

図示するファイバ３には３価エルビウムイオン（Ｅｒ”）がドープされている。

しかしながら、例えば、ネオデイミウム、ブラセオデイミウムもしくはクロミウ ム等の希土類もしくは遷移メタルドーパントを使用した他の３レベルレージング 遷移も使用できることをお判り願いたい、使用するファイバ３の長さはおよそ３ ｍであるが、一般的にこの選択はミラー反射率及び採用するキャビティ構成に依 存する。第１図の入力ミラーは５１４．５ｍｍのポンプ波長において６０％の透 過率を有し、１．５４ミクロンのレージング波長において８０％の反射率を有す る。

出力ミラーも幾分同様であり、レージング波長におい、　て２０％の出力結合を 行う。

５１４．５ｍｍで作動するＡｒ＋イオンレーザをポンプソースとして使用した。

使用したエルビウムドープファイバはおよそ１０　イオン／Ｃｍ３のドーパント 濃度に対応する、５１４．５ｍｍのポンプ波長における１０ｄｂ／ｍの吸収を示 した。

他のタイプのレーザを代用することもでき、６５０ｎｍで作動するダイレーザも 適切なポンプソースであることが証明された。（第２図） （前記し且つ第１図に示すように）ファイバ３を両端で裂いて誘電体ミラー５及 び７に突き当てるか、マイクロスコープ体１１をレーザキャピテイ１内に配置し て光をファイバ内に結合させることができる。これはハイレベルボンピング放射 に対して好ましく、フォカシング効果によるミラーの損傷が予防される。（ミラ ー５のもう一つの位！！５′を参照） （およそ１ＴｒＬの）ＭいＥ　、　＋ドープされたファイバ３を有するこの後者 の構成を使用して、１．５４μｍにおける３レベル　１１３／２−４１１５／２ １移に正規の線型レージング特性が得られる。（第３図）この長さのファイバ３ に対して、レーザスレショールドに達する前に７アイバ全長にわたって飽和に達 し、線型レージング特性を保証する。しかしながら、３ｍの長いファイバを使用 すれば、ファイバの出力端において１．５４μ兜におけるレーザレベルのブリー チングが達成されない。従って、ポンプパワーＰを前にスレショールドに３！！ するのに要した値を越えて、レーザ１の＾速ターンオンが観察される点まで高め る必要がある。さらに、ポンプパワーを高めれば正規のレーザ特性が得られる。

しかしながら、ポンプパワーＰをファイバレーザ１をオンとするのに必要なパワ ーＰト以下に低減すると、スイッチオフは即座には生ぜず（パワーレベルＰＴ− 参照）、ターンオンスレショが見つかる。これにより、レーザ１の出力のヒステ リシスが高まり、スイッチング及びメモリ効果の可能性が生じる。（第４図）。

これらの効果は共にこのデバイスを使用して証明された。例えば、レーザ１をヒ ステリシスループ内でバイアスしくＰＢ参照）５１４．５ｎｉで光パルスを加え れば、レーザを上位状態にスイッチすることができ光メモリ効果が証明される。

民五豆１ 前記したようなデバイスには、いくつかの有用な応用がある。例えば、　− （ｉ）、レアアースドープされた光フアイバレーザと共にモノリシックな光学的 にアドレス可能な光ソースとして使用できる。

（ｉｉｌ　、マルチブレクス／デマルチプレクスの目的で光フアイバ内の信号の 遠隔光スイッチングを行うことができる。

ｉ、光及びハイブリッド光電コンピュータに使用する光メモリ従って２進デジタ ル論理機能を与える光論理ゲートとして構成することができる。

１Ｍ、超高速マトリクス乗算及び否定等の多チヤネル光データ処理に使用できる 。

（Ｖ）、適正なバイアス及び帰還状態下のデバイスの動作により光制限機能が得 られる。

輔、デバイスは再生増幅器もしくは光フアイバテレコミュニケーションリンクと して使用できる。

次に、これらの応用のいくつかについて詳細に検討し、添付図第５図〜第８図を 参照する。第５図に示すように、ポンピング周波数において光パワーをさらに注 入する手段を付加することにより構成は修正されている。これは第２のパワーソ ース９′及び光パワーを組立体に結合させる手段１９と協働するフォーカスレン ズ１１′を具備している。これはファイバカップラー１９の形状とすることがで き、便宜上、双安定レーザ１の光キャピテイ内に組み入れてドープされたファイ バ３にスプライスされている。しかしながら、キャピテイ内外の他の形状のカッ プリング組立体も除外するものではない、従って、例えば、スプリットミラー、 プリズムもしくは従来タイプの他の光要素も替りの構成方法として使用できる。

カップラー１９により生じるキャピテイ損失は前記したものよりも高い反射率の ミラー５．７を使用して補償することができる。

メモリデバイス応用に対して、付加パワーソース９′は上下ヒステリシス遷移点 間にあるバイアス点においてＣＷパワーレベルを与えるように設定される。（第 ６図）。第１のパワーソース９から与えられる信号パワーが総パワーレベルを上 位ヒステリシス遷移点を越えるレベルまで高めると、双安定レーザ出力が著しく 増大する。

信号パワーが低レベルに降下すると、出力レベルは高いままでありこれはバイア スパワーが加えられている間継続的に維持される。

再生増幅器応用に対しては、下位ヒステリシス遷移点よりも下のバイアス点にＣ Ｗパワーレベルを与えるように付加パワーソース９′が設定される。このバイア スが存在する時に、信号パワーが加えられる総パワーが上位ヒステリシス遷移点 を越えると、レベルが増大された再生出力信号を生じる。この構成の利点は、上 位ヒステリシス点を越えて総パワーレベルを増大させることがない、例えばノイ ズ信号等の低レベル信号が抑制されることである。

ソース９及び９′は共に信号ソースとし双安定スイッチ論理デバイスとして使用 された構成とすることができる。この動作モードに対して、信号パルスｉ／　ｐ 　ｎ＞及びｉ／Ｐ［２）は各々がスレショールドＰｔｈよりも小さいパルスレベ ルＰを有している。パルスが一致するため、総パワーレベルは２Ｐとなる。パル スレベルは、その時総パワーが上位ヒステリシス遷移点Ｐｕ、を越えるように選 定される。このようにして、レベルは次の不等式で与えられる値Ｐに設定される 。

１／２Ｐ　＜Ｐ＜Ｐｔｈ ｐ 従って、一致すると出力信号レベルは２Ｐの総入力レベルに対応する上位ヒステ リシス曲線上の点ｐ′へ高められる。

洋書（内容に変更なし） ：１　長　（ｎｍ） 手続補正書（自発） 昭和６３年７月　７日

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．両端にそれぞれ入力及び出力反射手段（５，７）を有する光キヤビテイレー ザ（１）と、キヤビテイレーザ（１）の入力端に光学的に接続（１）されてその 内へホンピング放射を注入するポンピングソース（９）であつて、キャビティ（ １）はある長さのドーアされたシングルモード光フアイバ（３）を含み、ドーパ ントは３レベルレージング遷移を示す希土類もしくは遷移メタルイオンであるポ ンピングソース（９）と、フアイバ（３）の出力端に可飽和吸収領域があるよう に配置された、出力反射手段（７）と前記長さのフアパ（３）により行われる出 力結合、からなる双安定光デバイス。
2. ２．請求項１記載のデバイスにおいて、前記ドーパントはエルビウムである双安 定光デバイス。
3. ３．請求項１記載のデバイスにおいて、前記ドーパントはネオデイミウム、ブラ セオデイミウムもしくはクロミウム元素の中の一つである双安定光デバイス。
4. ４．前記いずれかの請求項記載のデバイスにおいて、前記入力及び出力反射手段 （５，７）は各々が光ファイバ（３）の各端に突き当て結合された光ミラーを具 備する双安定光デバイス。
5. ５．請求項１〜３のいずれか一項記載のデバイスにおいて、デバイスは光キャビ ティレーザのキャビティ（１）内に配置されたマイクロスコーア対物レンズ（１ １）を含み、このレンズはポンピングソース（９）をレーザフアイバ（３）に結 合するように配置されている双安定光デバイス。
6. ６．前記請求項いずれか一項記載の双安定光デバイスにおいて、第２のポンピン グソース（９′）及びそれと協働する光結合手段（１１′、１９）と共に、付加 光パワーを光キヤビテイレーザ（１）に結合させる双安定光デハイス。
7. ７．請求項６記載のデバイスにおいて、前記結合手段は光フアイバカツプラー１ ９からなり、このカツプラー（１９）は前記光フアイバ（３）ヘスブライスされ 且つ前記レーザのキヤビテイ（１）内に配置されている双安定光デバイス。
8. ８．請求項６もしくは７のいずれか記載のデバイスにおいて、前記ポンピングソ ース（９，９′）の一つはパイアスパワーソース（９，９′）であり、デバイス のスイツチオフ及びターンオンスレシヨールド間のパイアス点（第６図）にパワ ーレベルを与えるように設定されている双安定光デバイス。
9. ９．請求項６もしくは７いずれか記載のデバイスにおいて、前記ポンピングソー ス（９．９′）の一つはパイアスパワーソースであり、スイツチオフスレシヨー ルドよりも低いバイアス点（第７点）にパワーレベルを与えるように設定されて いる双安定光デバイス。
10. １０．請求項６もしくは７いずれか記載のデバイスにおいて、前記ポンピングソ ース（９．９′）は共に信号パワーソースであり、各々がレージングスレシヨー ルドよりも小さいがターンオンスレシヨールドの１／２を越えるパワーレベル（ 第８（ｂ）図）に対応するパルスを供給することができる双安定光デバイス。