JPH0335576A - 半導体レーザ増幅装置 - 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】

「産業上の利用分野」 本発明は、光逮信において光信号を市気信号に変換せず
光信号のままで増幅する半導体レーザ増幅装置に関する
ものである。 「従来の技術」 従来から、半導体レーザ素子の光信号の出力両端面に無
反射膜を設けることにより、半導体レーザ素子を光発振
器としてではなく、光信号の増幅器として使用すること
ができることが知られている。 第５図は増幅器として使用される半導体レーザ素子ｌの
簡略構成図である。半導体レーザ素子１の伝搬モードに
は、電界が活性層２の接合面３の幅方向に偏光したＴＥ
波を伝搬するモードと、磁界が活性層２の接合面３の幅
方向に偏光したＴＭ波の伝搬モードの２種類がある。一
般に、半導体レーザ素子１の活性層２は幅が厚さ　（接
合面３に垂直な方向）の数倍ある非対称な形状となって
おり、ＴＥ波とＴＭ波に対する半導体レーザ素子ｌの閉
じ込め係数Ｉ’ＴＥとＦＴＭとが異なっている。従って
、このような形状特性を持つ半導体レーザ素子ｌと用い
た半導体レーザ光増幅装置では、ＴＥ波に対する利得Ｇ
ＴＥがＴＭ波に対する利得ＧＴＭに比べて３〜１０ｄＢ
程大きくなっている。なお、この件は４、例えば、Ｊｏ
ｕｒｎａｌ　ｏｆ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｃｏｍ５ｕｎｉｃ
ａｔｉｏｎｓ１９８９年第４巻５７頁、あるいはＩＥＥ
Ｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｒＬｉｇｈｔｗａｖａ　Ｔｅｃ
ｈｎｏｌｏｇｙ　１９８８年第６巻５３６頁において説
明されている。 「発明が解決しようとする課題」 しかしながら、通常用いられている単一モード光ファイ
バでは、光フアイバ内を伝搬していく光信号の偏光状態
を一定に保持することができず、従来の半導体レーザ光
増幅装置によって単一モード光ファイバの出力光を増幅
する場合、入射する光信号の偏光状態によって増幅利得
が大きく変動。 するといった問題があった。 この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり
、非対称な形状特性が不可避な半導体レーザ素子を用い
た光増幅装置の利得の偏光依存性をなくし、通常の単一
モード光ファイバを伝搬する時に発生する任意の偏光状
態にある入力光信号に対して常に一定の利得を持つ半導
体レーザ増幅装置を提供することを目的とする。 「課題を解決するための手段」 上記課題を解決するため、第１の発明は、人力された光
信号を偏光ビーム分岐器で偏光方向が互いに直交する２
つのビームに分岐し、該一方のビームを偏光状態を保持
できる導波路により第１の偏光ビーム結合器の第１の入
射口に導き、該他方のビームを偏光状態を保持できる導
波路により第２の偏光ビーム結合器の第１の入射口に導
き、第１の偏光ビーム結合器の第２の入射口を偏光状態
を保持できる導波路により第３の偏光ビーム結合器の第
１の入射口と結び、第２の偏光ビーム結合器の第２の入
射口を偏光状態を保持できる導波路により第３の偏光ビ
ーム結合器の第２の入射口と結ぶ光回路を形成し、第１
の偏光ビーム結合器の出射口と第２の偏光ビーム結合器
の出射口の光軸を一致させると共に上記偏光ビーム分岐
器で分岐され第１の偏光ビーム結合器を通過したビーム
の偏光方向と上記偏光ビーム分岐器で分岐され第２の偏
光ビーム結合器を通過したビームの偏光方向が一致する
ように第１および第２の偏光ビーム結合器を配置し、第
１の偏光ビーム結合器の出射口と一第２の偏光ビーム結
合器の出射口の一致した光軸上に両端面に無反射膜が設
けられた半導体レーザ素子を、その接合面が上記の第１
および第２の偏光ビーム結合器を通過したビームの偏光
方向と４５度の傾きをなすように配置し、回転角が４５
度の第１および第２のファラディ回転素子を該半導体レ
ーザ素子と前記第１の偏光ビーム結合器との間及び該半
導体レーザ素子と前記第２の偏光ビーム結合器との間に
各々配置したことを特徴としている。 また、第２の発明は、前記両端面に無反射膜が設けられ
た半導体レーザ素子と前記第１のファラディ回転素子と
の間、及び該半導体レーザ素子と前記第２のファラディ
回転素子との間に、半導体レーザ素子の接合面の方向に
偏光した光のみ透過する第１および第２の検光子を、各
々配置したことを特徴としている。 「作用」 上記第１の発明によれば、偏光ビーム分岐器によって分
岐された偏光方向が直交ケる各ビームは、偏光の方向が
同じになるように回転されて半導体レーザ素子に入射さ
れ、各々増幅され、各増幅出力は偏光方向が互いに直交
するように回転されてから合波されて出力される。従っ
て、゛ト導体レーザ増幅装置に入射する光信号の偏光状
態に増幅装置の利得が依存しない。また、第２の発明の
半導体レーザ増幅装置によれば、この半導体レーザ増幅
装置を複数段縦続接続した場合、後段の増幅装置から前
段の増幅装置への戻り光があったとしても、この戻り光
に基づく光は第１および第２の検光子のよって遮られる
ので、半導体レーザ素子に入射されない。従・って、戻
り光による雑音発生が防止される。 ｒ実１１１１ＪＮ 以下、図面を参照し、本発明の詳細な説明する。

【第１実施例】 第１図は本発明の第１実施例による半導体レーザ増幅装
置のブロック図である。また、第２図は本装置において
多数使用され重要な光部品である偏、光ビーム結合器の
一例を示すものである。 まず、第２図を参照し、偏光ビーム結合器の概略を説明
する。偏光ビーム結合器は誘電体多層膜４を二個のプリ
ズム５．６で挟み、プリズム５に第１の入射口７および
出射口９を設はプリズム６に第２の入射口８を設けたし
のである。第２図において、紙面に垂直に偏光した光（
以降Ｓ波と呼ぶ）が第１の入射口７に入射されると誘電
体多層膜４によって反射され出射口９から出射される。 次に、第２図において、紙面に平行に偏光した光（以降
Ｐ波と呼ぶ）が第２の入射口８に入射されるとこのＰ波
は誘電体多層膜４を透過し、第１の入射口７に入射され
誘電体多層膜４によって反射されたＳ波と合波されて出
射口９から出射される。 ところで、逆に偏光ビーム結合器の出射口９に任意の偏
光状態を持つ光が入射されると、入射光の紙面に垂直に
偏光した成分はＳ波としてプリズム５の第１の入射口７
から出射され、入射光の紙面に平行に偏光した成分はＰ
波としてプリズム６の第２の入射口８から出射される。 このように、偏光ビーム結合器は、偏光方向が互いに直
交するＳ波とＰ波の結合器として機能するだけでなく、
任意の偏光状態を持つ光を偏光方向が互いに直交するＳ
波とＰ波に分岐する機能も有している。 次に第１図を参照し、本実施例について説明する。入力
された光信号は偏光ビーム分岐器ｌＯにより偏光が互い
に直交する二つのビームに分岐され、一方のビームは偏
波保持ファイバ１１によって第１の偏光ビーム結合器１
２に導かれる。ここで、ビームの偏光方向が偏光ビーム
結合器１２のＳ波方向になるように偏光ビーム結合器１
２の第１の入射口１３に入力される。また、他方のビー
ムＢ、は偏波保持ファイバ１４によって第２の偏光ビー
ム結合器１５に導かれる。ここで、ビームの偏光方向が
偏光ビーム結合器１５のＳ波方向になるように偏光ビー
ム結合”１５　ｌ　５の第１の入射口１６に入力される
。第１の偏光ビーム結合器１２の第２の入射口１７と第
３の偏光ビーム結合器１８の第２の入射口１９とは偏波
保持ファイバ２０によって結ばれており、この時、偏波
保持ファイバー２０は第１の偏光ビーム結合器１２のＰ
波方向が第３の偏光ビーム結合器１８のＰ波方向になる
ように結線されている。第２の偏光ビーム結合器１５の
第２の入射口２ｔと第３の偏光ビーム結合器１８の第１
の入射口２２とは偏波保持ファイバ２３によって結ばれ
ており、この時、偏波保持ファイバ２３は第２の偏光ビ
ーム結合６１５のＰ波方向が第３の偏光ビーム結合器１
８のＳ波方向になるように結線されている。第１の偏光
ビーム結合器１２の出射口２４と第２の偏光ビーム結合
器１５の出射口２５は同一の光軸２６上にあるとともに
、第１の偏光ビーム結合器１２のＳ波方向と第２の偏光
ビーム結合器１５のＳ波方向とが一致するように配置さ
れている。光軸２６上に、両端面に無反射膜を設けられ
光増幅器として作用する半導体レーザ素子２７と回転角
が４５度の二個のファラディ回転素子２８．２９が配置
されている。この時、半導体レーザ素子２７の接合面の
方向は、上記のように同一方向にある第１および第２の
偏光ビーム結合器１２．１５のＳ波方向に対して、４５
度の傾きを持つように置かれている。 第１の偏光ビーム結合器１２の出射口２４と第２の偏光
ビーム結合器１５の出射口２５の間のビームの伝搬状況
を第３図に示す。第３図では、光軸２６をＺ軸、第１お
よび第２の偏光ビーム結合器１２．１５のＰ波方向をＸ
軸、第１および第２の偏光ビーム結合器１２．　ｌ　５
のＳ波方向をＹ軸としている。半導体レーザ素子２７の
接合面は紙面に垂直であり、第３図では、この接合面の
向きが破線で示されている。偏光ビーム分岐器ｌＯによ
り分岐され第１の偏光ビーム結合５１２の第１の入射口
１３に入射されたビームは、偏光ビーム結合５１２の出
射口２４ではＹ軸方向に偏光している（第３図（ａ　）
の状態）。このビームがファラディ回転素子２８を通過
すると、ビームの偏光方向は４５°回転されて破線方向
となり　（第３図（ｂ）の状態）、半導体レーザ素子２
７の接合面と一致するので、このビームが半導体レーザ
素子２７の活性層内を伝搬すると利得ＧＴＥの増幅を受
ける。 半導体レーザ素子２７の活性層を伝搬したビームがファ
ラディ回転素子２９を通過すると、ビームの偏光方向は
さらに４５°回転されてＸ軸と一致した方向になる　（
第３図（Ｃ）の状態）。こうして、該ビームはＸ軸方向
、即ち、第２の偏光ビーム結合器１５のＰ波方向に偏光
した状態で第２の偏光ビーム結合器１５の出射口２５に
入射されるので、最初に説明したように、第２の偏光ビ
ーム結合器１５の第２の入射口２１からＰ波方向に偏光
した状態で出射される。一方、偏光ビーム分岐器１０に
より分岐され第２の偏光ビーム結合３１５の第１の入射
口１６に入射された他方のビームは、偏光ビーム結合器
１５の出射口２５ではＹ軸方向に偏光している　（第３
図（ａ　）の状態）。このビームがファラディ回転素子
２９を通過すると、ビームの偏光方向は破線方向となり
　（第３図（ｂ　）の状態）半導体レーザ素子２７の接
合面と一致するので、このビームが半導体レーザ素子２
７の活性層内を伝搬４°ると利得ＧＴＥの増幅を受ける
。半導体レーザ素子２７の活性層を伝搬したビームがフ
ァラディ回転素子２８を通過すると、ビームの偏光方向
はＸ　！ｄ＋となる　（第３図（ｃ　）の状態）。こう
して、他方のビームはＸ軸方向、即ち、第１の偏光ビー
ム結合器１２のＰ波方向に偏光した状態で第１の偏光ビ
ーム結合器１２の出射口２４に入射されるので、最初に
説明したように、第１の偏光ビーム結合″ａ１２の第２
の入射口１７からＰ波方向に偏光した状態で出射される
。第２の偏光ビーム結合器１５の第２の入射口２１から
Ｐ波方向に偏光した状態で出射されたビームは、偏波保
持ファイバ２３を伝搬し、その偏光方向が第３の偏光ビ
ーム結合２ＳｔｓのＳ波方向となって第３の偏光ビーム
結合器１８の第１の入射口２２に入力される。また、第
１の偏光ビーム結合器１２の第２の入射口１７からＰ波
方向に偏光した状態で出射されたビームは、偏波保持フ
ァイバ２０を伝搬し、その偏光方向が第３の偏光ビーム
結合器１８のＰ波方向となって第３の偏光ビーム結合器
１８の第２の入射口１９に入力される。このようにして
、偏光ビーム分岐器１０により分岐された偏光方向が互
いに直交する二つのビームは、両端面に無反射膜を設け
られ光増幅器として作用する半導体レーザ素子２７から
同一の利得ＧＴＥの増幅を受け、第３の偏光ビーム結合
器１８で合成され出力される。 偏光ビーム分岐器ｌＯに入力された光信号のパワーをＰ
ｉｎ、偏光ビーム分岐器１０により偏波保持ファイバ１
１側に分岐された光信号のパワーをＰ３、偏光ビーム分
岐Ｂｔｏにより偏波保持ファイバ１４側に分岐された光
信号のパワーをＰ、とすると、 Ｐｉｎ＝Ｐｌ＋Ｐ、・・・・・・（１）となる。上記の
ように、偏光ビーム分岐器１０により偏波保持ファイバ
１１側に分岐された光信号も偏波保持ファイバ１４側に
分岐された光信号も共に、半導体レーザ素子２７から同
一の利得ＧＴＥの増幅を受けるので、第３の偏光ビーム
結合器１８から出力される光信号のパワーＰ　ｏｕｔは
、Ｐｏｕｔ＝　Ｇ’ｒＥＸ　Ｐ　、＋　ＧＴＥ　Ｘ　Ｐ
　２−〇ＴＥＸ　（Ｐ　、＋　Ｐ　り ＝ＧＴＥｘＰｉｎ　　　　−・・・（２）となる。偏光
ビーム分岐器ｌＯに入力される光信号の種々の偏光状態
に応じて、偏波保持ファイバ１！側に分岐される光信号
のパワーＰ、＆び、偏波保持ファイバ１４側に分岐され
る光信号のパワＰｔの値は変化するが、入力される光信
号のパワーＰｉｎは一定であり、従って、式（２）より
第３の偏光ビーム結合器　１８から出力される光信号の
パワーＰ　ｏｕｔは、入力信号パワーＰｉｎのＧＴＥ倍
で、偏光ビーム分岐器ｌＯに入力される光信号の偏光状
態に依存せず、常に一定している。

【第２実施例】 第４図はこの発明の第２実施例であって、半導体レーザ
素子２７の接合面方向に偏光した光のみを透過する２個
の検光子３０．３１が、半導体レーザ素子２７とファラ
ディ回転素子２８．２９の間に、それぞれ、配置された
ことを除くと他の構成は第１図に示した実施例と同じ構
成である。半導体レーザ増幅装置を縦列に多段に接続し
て使用した場合、ある半導体レーザ増幅装置において、
次段以降の半導体レーザ増幅装置から反射により戻って
くる信号光の戻り光および次段以降の半導体−レーザ増
幅装置の半導体レーザ素子が発生する増幅された自然数
出先が、該半導体レーザ増幅装置の半導体レーザ素子に
注入され雑音を発生することが指摘されている。上記の
ような次段以降の半導体レーザ増幅装置からの光が、第
４図の実施例の半導体レーザ増幅装置に入射した場合、
この光は第３の偏光ビーム結合器１８より偏光方向が互
いに直交する第１の光（Ｐ波）と第２の光（Ｓ波）に分
岐され、それぞれ、偏波保持ファイバ２０と偏波保持フ
ァイバ２３内を伝搬して、第１の偏光ビーム結合器１２
と第２の偏光ビーム結合器１５に入射される。この時、
第１の偏光ビーム結合５１２に入射された第１の光は、
偏光ビーム結合器１２に対してＰ波として、また、第２
の偏光ビーム結合器１５に入射された第２の光は、偏光
ビーム結合器１５に対してＰ波として入射される。 偏光ビーム結合器１２に対してＰ波として入射された第
１の光は、偏光ビーム結合器１２から第３図（ｃ　）の
偏光状態で出射され、ファラデイ回転素子２８で４５度
回転されるので、検光子３０には半導体レーザ素子２７
の接合面に垂直に偏光して入射されるの、て検光子３０
により遮断され、半導体レーザ素子２７には達しない。 偏光ビーム結合器１２に対してｌ〕波として入射された
第２の光は、上述した第１の光の場合と同様に検光子３
Ｉによって遮断され、半導体レーザ素子２７には達しな
い。 「発明の効果」 以上説明したように、第１の発明の半導体レーザ増幅装
置は、入力される光信号の偏光状態に依存せず一定の利
得を持っている。したがって、光信号の偏光状態を保持
できない通常の単一モード光ファイバを用い、た光通信
方式に適用できるという大きな効果がある。 さらに、第２の発明によれば、半導体レーザ増幅装置を
多段に接続した場合に雑音の原因となる次段以降の半導
体レーザ増幅装置からの戻り光を遮断できるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例による半導体レーザ増幅装
置の構成を示すブロソク図、 −第２図は同実施例において使用される偏光ビーム結合
器の簡略化された構成を示す図、第３図は同実施例にお
ける第１と第２の偏光ビーム結合器間のビームの伝搬状
況を説明する図、第４図は本発明の第２実施例による半
導体レーザ増幅装置の構成を示すブロック図、 第５図は半導体レーザ増幅装置に使用される半導体レー
ザ素子の簡略化された構成を示す図である。 １．２７・・・半導体レーザ素子、 ２・・・半導体レーザ素子の活性層、 ３・・・半導体レーザ素子の活性の接合面、４・・・誘
電体多層膜、５．６・・・プリズム、７．１３，１６．
２２・・・偏光ビーム結合器の第１の入射口、 ８．１７．１９．２１・・・偏光ビーム結合器の第２の
入射口、 ９　２４．２５・・・偏光ビーム結合器の出射口、ｌＯ
・・・偏光ビーム分岐器、 １１　１４　２０．２３・・・偏波保持ファイバ、１２
．１５．１８・・・偏光ヒーム結合器、２６・・光軸、
２８．２９・・・ファラディ回転素子、３０３１・・・
検光子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）入力された光信号を偏光ビーム分岐器で偏光方向
   が互いに直交する２つのビームに分岐し、該一方のビー
   ムを偏光状態を保持できる導波路により第１の偏光ビー
   ム結合器の第１の入射口に導き、該他方のビームを偏光
   状態を保持できる導波路により第２の偏光ビーム結合器
   の第１の入射口に導き、第１の偏光ビーム結合器の第２
   の入射口を偏光状態を保持できる導波路により第３の偏
   光ビーム結合器の第１の入射口と結び、第２の偏光ビー
   ム結合器の第２の入射口を偏光状態を保持できる導波路
   により第３の偏光ビーム結合器の第２の入射口と結ぶ光
   回路を形成し、第１の偏光ビーム結合器の出射口と第２
   の偏光ビーム結合器の出射口の光軸を一致させると共に
   上記偏光ビーム分岐器で分岐され第１の偏光ビーム結合
   器を通過したビームの偏光方向と上記偏光ビーム分岐器
   で分岐され第２の偏光ビーム結合器を通過したビームの
   偏光方向が一致するように第１および第２の偏光ビーム
   結合器を配置し、第１の偏光ビーム結合器の出射口と第
   ２の偏光ビーム結合器の出射口の一致した光軸上に両端
   面に無反射膜が設けられた半導体レーザ素子を、その接
   合面が上記の第１および第２の偏光ビーム結合器を通過
   したビームの偏光方向と４５度の傾きをなすように配置
   し、回転角が４５度の第１および第２のファラディ回転
   素子を該半導体レーザ素子と前記第１の偏光ビーム結合
   器との間及び該半導体レーザ素子と前記第２の偏光ビー
   ム結合器との間に各々配置したことを特徴とする半導体
   レーザ増幅装置。
2. （２）前記両端面に無反射膜が設けられた半導体レーザ
   素子と前記第１のファラディ回転素子との間、及び該半
   導体レーザ素子と前記第２のファラディ回転素子との間
   に、半導体レーザ素子の接合面の方向に偏光した光のみ
   透過する第１および第２の検光子を、各々配置したこと
   を特徴とする請求項第１記載の半導体レーザ増幅装置。