JPH01503185A - 光増幅器 - 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】 光増幅器 本発明は、光増幅器に関する。

し〒デ増幅器は光通信システムにおける要素として非常に興味深い、あいにくそ の素子は、比較的低い／４ワー、即ち平均／４’ワー１〜１０　ｍＷでの出力ａ ４ワー飽和に悩まされている。また種々の応用もあシ、そのためには高ノ９ワー の出力パルスをもつことが望まれるが、現在ではそのような／ダルスを出すに必 要な装置は高価でしかも大型である。

本発明は、レーデ増幅器から比較的高パワーの光・ぐルスを得ること、また好ま しい実施例においては携帯用の高ノ４ワー光源ｔ−提供することを目指している 。

そこで本発明は、各出カッ母ルスの開始時点において増幅器内のキャリア密度が 先行する出力・ぐルスによる枯渇から回復してそのキャリア密度に見合りたレベ ルまで出カッ４ワーを増大させるという動作をする光増幅器を提供する。

また本発明は、出力・ぐルス間隔が１元行する出カッぐルスによるキャリア枯渇 から実質的にキャリア密度が回復するに要する時間の少くとも１／′２であシ、 出力・ｆワーを回復したキャリア密度により決まるレベルまで増大させることが できるような・ぐルス出力を出すように構成された光増幅器を提供する。

望ましくは、増遍器は進行波増幅器とする。ここで用いられる１光”なる語は、 ′赤外１、可視および“紫外１と称される電磁スペクトルの部分を含むものとす る。

以下本発明は、添付図面を参照して例として述べられる。

図１は、半導体レーザ増幅器内のキャリア密度と時間の関係を示す。

図２は、進行波増幅器についての利得特性を示す。

図３は、本発明の実施例の概略構成を示す。

図４は、本発明に従って動作するレーザ増（鴫器に関する入力・母ワーと出力） 譬ワーの関係を示す。

半導体レーザはこれまで、出力パワーが１〜ｌＯｍＷに制限されるものと見られ ており、またその限界はこれまで仰られたデバイス応用においても受取られてき た。しかしながら本発明は、瞬間的なキャリア濃度が有効であるという考察、２ よびパワー出力指令の瞬間においてキャリア濃度が増大し、あるいは最大値を示 すようなデバイスの動作に基礎をおいている。

半導体レーデにおいては、光／４′ワー出力は内部キャリアー人力元信号に応答 する電子−正孔再結合によシ出力ノヤワーを作シ出すのがこれらのキャリアであ るが−の密度によシ決定される。そのキャリア密度は、供給されるバイアス電流 の関数であるが、しかし供給できる電流には限界がある。何故なら、広帯域動作 にとってレーデ増幅器はレーデ発振しきい値より低い値、平均的にはしきい値の ７０チのバイアス電流で動作させることが必要だからである。入力光信号がない 場合は、キャリア密度はバイアスによシ決まるあるレベルに安定しているが、信 号が入力されるやいなや、再結合を起こしてキャリア濃度は低下する。バイアス 電流はキャリアを再生成するが、その効果は瞬間的ではなく、従って持続的な入 力信号（それは連続的なものかもしれないし、あるいは連続するバイナリ・パル スのような高速繰返しパルスであるかもしれない）のある条件では、キャリアレ ベルは最初のレベルより低く保たれ、また安定状態動作は、そのレベル低下した キャリア濃度に基づくパワーレベルでのみ持続することができる。入力信号光が 除かれたときには、キャリア濃度は元の出発レベルにまで立上る０元の出発レベ ルまで回復するに要する時間は、一般に、平均的なキャリア再結合時間あるいは 寿命（光ポンピングあるいはバイアス変調はこれらの／ぐラメータを変化させる が）に等しい、“回復時間”なる表現はここでは、キャリア濃度が、入力信号が ない時に優勢であるバイアス電圧により決定される。枯渇しないレベルに戻るに 要する時間として定義される。典型的には回復時間は、２ｎｓのオーダーであろ う。

図１は、半導体レーデ増幅器中のキャリア密度対時間を種々の励起条件について 、模式的に示している。

図１１においては、まずゼロ入力信号があシ、これに一連の／ＩＦルスが続き、 その後信号のない状態から単一の長い／ぐルスが続く、このシーケンスは、一つ マタハそれ以上のゼロを表わす無信号状態、および連続的なｌの進行である単一 の長いパルスを伴う、１ト（１）二値のデータ信号に容易に対応させ得るであろ う。このような条件の下で、キャリア密度はまれに枯渇しないレベル１に戻るこ とが見られる。一般にキャリア濃度はよシ低いレベル２にあり、出カッ９ワーを 決定するのはこの低いレベルである。ｌｌｌｌ間的に現われる高キヤリア密度の 有効性は、それが予測できずに現われ（例えばゼロのシーケンスの後にのみ）、 また維持することができないため、利用することができな匹、これは、そのよう な条件でレーデ増幅器が用いられたのであシ、いかに制限を受けているかを示し ている。

これに対し５図１ｂにおいては１元のキャリア密度ｔ−実質的九回復するに十分 な間隔をもって離れた狭いノ母ルスは、各々の／中ルスにとって有効な／譬ワー がよシ高いキャリア密度に基づくものであることを意味している。これは、本発 明による原理的な動作モードで従来の動作と図１ｂに示されるそれとの間の中間 的ステップとして、従来の動作により得られるそれよシはまだ大きいが、不完全 なキャリア密度の回復という状態が、図１ｃに示されるようにあるだろう、この 場合には、中間的な・母ルス／ｆワーが得られる０図１１とｌｃを比較して明ら かなように、リターン・トウ・ゼロデータ・９ルスと狭い・譬ルス幅を用いるこ とにょシ。

従来より高いパワーを得ることができる。

レーデ増幅器から高ノ４ワー出力を得るためには、即ち従来の動作で出力／ぐワ ーを飽和に導くようなキャリア密度より実質的に大きいキャリア密度を得るには 、次のような基準に注意することが必要である。

１、入力・奢ルスは、増幅器の回復時間よシ小さい、好ましくは実質的に小さい 、パルス＠を持つべきである。

λ　・譬ルス間隔は、実質的に回復をおこさせるように、好ましくは回復時間よ り大きくとるべきである。

３、　もしデータノ母ターンが増幅したいものであるなら。

その入力はリターン・トウ・ゼロ形式として、キャリア密度の継続的な枯渇をも たらす１の連続を避けるべきである。

従来のモードでの動作時は、レーデ増幅６円のキャリア密度は動作上の考察から 事実上一定に保持されること、即ち出力はより低いレベルに枯渇したキャリア密 度によシ得られるものとなることに注意しなければならない、しかしながら１本 発明による動作モードは、キャリア密度が相当変化する期間、本質的にはキャリ ア密度が最大値から最小値まで減少する期間内に出力をとシ、そのキャリア濃度 の変化は、現在有効な材料において、増幅器スペクトルの波長シフトをもたらす 素子媒体の屈折率変化を引起す０図２は、（実線で）、７アプリ・ペロー・レー ザ増幅器につ匹ての増幅器利得対波長特性を示す、これから、波長シフトが増幅 器利得に激的な効果をもつことが見られる１図２の破１ＩｓＦｉ、波長による利 得変動が大きく減少した進行波あるいはそれに近いレーデ増幅器での特性を示し ている。多くの実際的な目的のためには、平均的な動作波長で約３　ｄＢの利得 リップル振幅が許容される（場合によっては６　ｄＢある贋はそれ以上の振幅が 許されるが）。

そこで本発明の高パワー増幅モードにおける。キャリア密度に敏感な材料での動 作の４番目の基準は１例えば−またはそれ以上のレーデ端面に反射防止膜をつけ ることにｆｂ得られる進行波またはこれに近い増幅器を用いることである。この 明細書におＡて、′進行波増幅器”は、この利得リップルが除去されあるいは抑 圧されたタイプの増幅器を示すものとして用いられ、“近（ｎｅａｒ　）進行波 増幅器２と称されるタイプの増幅器を含むものとする。

そのような拘束のなかで、／母ルス出力は、よシ高いピークツ４？ワーとより短 かい持α時間をもって、あるいはより低いノぐワーでよシ長い持続時間をもって 得られる。Ｐ、をビーク出カッぐワー、Ｐ、を平均出力飽和パワー、Ｔｒを繰返 し時間、Ｔｉパルス幅とすると、極端な値でない場合には１次の近似式がほぼ保 たれることが、明らか罠なっている。

Ｐ＝（Ｔ／Ｔ）Ｐ。

ｐ　ｒ 上述したレーデ増幅器の動作モードを利用した実用的な実施例は、図３に模式的 に示されている。最初の光パルス源３はその出力がノクルス・プロセッサ４に入 り、ノクルス・プロセッサ出力はレーザ増幅器５０入カドなる。ノ母ルス源３と ／＃ルス・プロセッサは、適当な長さと繰返し周波数のパルスを出すものであれ ばどのような素子でもよい。例えば、・母ルス源は、比較的速い繰返し速度の連 続ノ４ルスが得られ、その／ｆルスの多く２＞ｆ／”ルス・プロセッサのブロッ キングにより１目の・ぐルスだけが選択されてレーデ増幅器に達するような、モ ードロックされた他のレーザでもよい、あるいはまた、圧縮されたメサ・レーデ のように、パルス源は、電気的にノ’ｅルス駆動されて適当な繰返し速度の・臂 ルスを出力してもよいが、しかしこの場合は／４ルスの長さが余シに長くなり、 従ってノぐルス・プロセッサは／ぐルス・コンプレッサになる。適当な／中ルス 源を得る他の方法は、レーデ源を利得切換えすることである。

この方法での出力は通常、・９ルスの１０ツキングまたは選択と、／ＩＰルス抑 圧の両方を必要とする。他の可能なノｆルス源は、光スィッチを備えたブス・レ ーデ、ヨウ素レーデのような固体レーデおよびモードロックできる、あるいはＱ スイッチできるファイバ・レーデである。

適当なレーデ増幅器５は１例えば、共振器長５００ミクロンの１両端面に反射防 止膜を有する１、５ミクロンＤＣＰＢＨレーザである０反射防止膜は、例えば０ ．０８チオーダーあるいはそれ以下の低い反射率を与える単層の耐火物酸化膜が よいａ　１０　ｎａ　（Ｄｚ４ルｘ　繰返ＬＴ　ｔ−与よるパルス源とプロセッ サにより、ピークの飽和パワー１　ｍＷの素子が、パルス幅４０　ｐｍでピーク の／ぐルス／”　７−２５０．　ｍＷ　ｔ−達成した。ピークの飽和）母ワーカ ｌ０ｍｗの素子では、同じノ？ルス周期で２．５Ｗであった。　ノールス繰返し 時間Ｔ、を増すと、ピークの−ぐワーはレーザ端面のダメージなどの他の要因に より制限されるまで増大する。ノクルス幅の増大は、／母ワーが十分なノ４ルス を維持できないときに、パルスのすそを引く部分で減衰をおこし、この効果はノ クルス幅１−２ｎ廊のオーダで明瞭になる。図４は、レーデ発振しきい１直の７ ０チにバイアスされた１、５ミクロｙ　ＤＣＰＢＨレーデについテノ。

ピーク入力・やワ一対ピーク出カッ臂ワーを示す、一般に、レーデ発振しきい１ 直の約７０１で進行波レーザーＪＲ幅器を動作させることが好ましい、よシ高い バイアスでは増幅のリップルが増大する順向を示しく例えば、レーデ発振しきい 値の７０チで３　ｄＢであるのに対し、９５チのバイアスでは６　ｄＢである） 、また増幅器のバンド幅が減少する。

データに関してリターン・トウ・ゼロ形式が用いられるデータ応用については、 好ましくは、・ｆルスがビット期間の微小部分のみを占める二値の１を表わすよ うな標準的でない形式が採用される。

半導体レーデのような簡便な一次パルス源を用いた場合には、本発明によるレー ザ増幅器は携帯用の比較的安価な高ノ母ワー・ぐルス源を提供することが理解さ れるであろう、そのようなパルス源の特に重要な用途は、オグティカル・タイム ・ドメイン・リフレクトメト　リ　（０ｐｔｉｃａｌ　ｔｉｍｅ　ｄｏｉ”ｉｎ 　ｒｅｆｌｓｃＬｏｍｓｔｒｙ（ＯＴＤＲ）　）であり、これにおいては、欠陥 の検査に供されるファイバに光／母ルスが入射され、欠陥での反射によるいかな る光も欠陥位置をめるために解析される。この技術においては、検査できるファ イバの要式は検知器の感度および入射されるパルスのエネルギーによシ決定され る。高解像度の測定のためには、即ちセンチメータの範囲内で正確に検査するた めには、ｔｏｏｐｓオーダ（より一般的には、１０乃至２００　ｐｓの範囲）の ／母ルス幅が必要でるる。不発明は、入射エネルギーの２０ｄＢの増大を可能と し、従ってより低感度の検知器の使用、あるいはよす長匹ファイバの検査を可能 とする。

そのような分野の用途にとって、装置の携帯性ｒｉ重要な価値をもつ。

る、現在開発中のひとつの技術は、赤外波長での高ノ母ワー・ｆルスを用いた未 熟児の脳内酸素濃度のモニタリングである。１．３あるいは１．５ミクコンでは 、組織（主要には水）による光の吸収は低いが、他の物質（酸素分子のような） による吸収は高いので、そのような検査が、一部を取出すことを要せず、全器官 を通して行うことができる。しかしながら、ｆけどをおこすことなく、測定に供 する十分なノやワーを得るためには、その〆やルス源は高速のパルスでなければ ならない。

現在のところ、有効なパルス源（ダイ・レーザ）は携帯用ではないが、本発明に よるノぐルス源は容易に携帯用となり、ベッドサイドの装置や手術も可能とし、 匹適するパワーを供することができる。

特に好ましいパルス形式は、その／４’ルスの占有が多くてもノ９ルス間隔の１ ７１Ｏであること、またノ４ルス間隔が少くとも回復時間の２〜３倍のオーダで あることである。

ＦＩＧ、ｌａ 国際調査報告　。

国際調査報告 ＧＢ　８８００２８０ ＳＡ　２１６１９

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．端々の出力パルスの開始点で増幅器内のキャリア密度が先行する出力パルス による枯渇から実質的に回復して、出力パワーをそのキャリア密度に見合ったレ ベルまで増大させることを可能とするような光増幅器。
2. ２．パルス間隔が、先行する出力パルスによる枯渇からキャリア密度が実質的に 回復するに要する時間の少くとも１／２であり、かつ出力パワーを回復したキャ リア密度で決まるレベルまで増大させることを可能とするパルス化出力を供する ように構成された光増幅器。
3. ３．増幅器が進行波増幅器である請求項１または２に記載の光増幅器。
4. ４．利得リップルが多くても３ｄＢである請求項３に記載の光増幅器。
5. ５．出力パルスの持続時間が、大きくてもキャリア密度の回復に要する時間の１ ／２である先行するいずれかの請求項に記載の光増幅器。
6. ６．出力パスの持続時間が、大きくてもキャリア密度の回復に要する時間の１／ ３である先行するいずれかの請求項に記載の光増幅器。
7. ７．出力パルスの間隔が、少くともキャリア密度の回復に要する時間と等しい先 行するいずれかの請求項に記載の光増幅器。
8. ８．リターン・トウ・ゼロ形式の出力データを受けるように構成された先行する いずれかの請求項に記載の光増幅器。
9. ９．増幅された出力パルスがリターン・トウ・ゼロ形式のデータの流れを構成す る先行するいずれかの請求項に記載の光増幅器。
10. １０．リターン・トウ・ゼロのデータ形式は、持続時間がビット期間の１／２よ り小さい信号パルスを構成する請求項８または９に記載の光増幅器。
11. １１．パルスがビット期間の先端部にある請求項１０に記載の光増幅器。
12. １２．ビット期間が少くともキャリア密度の回復に要する時間と等しい時間であ る請求項８乃至１１のいずれかに記載の光増幅器。
13. １３．先行する請求項のいずれかに記載の光増幅器に光パルス源とパルス・プロ セッサを組合せて構成され、その増幅器への入力パルスは持続期間が増幅器のキ ャ　リア密反回複時間より実質的に短かく、パルス間隔が少くとも実質的に増幅 器のキャリア密度回復時間と等しい光パルス源。