JPH0356944A - 光増幅方法および装置 - 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》 本発明は光通信等に用いられる光増幅方法および装置に
関するものである． 《従来の技術） 従来、光通信用の光増幅器としては、半導体増幅媒質を
用いた半導体レーザ増幅器、光ファイバの非線形効果を
利用した光ファイバラマン増幅、エルビューム・ドープ
ト・ファイバ増幅等が期待されており、研究・開発が盛
んに行われている．一般に、光増幅装器においては、ボ
ンピング《半導体レーザ増幅器では注入電流、光ファイ
バ増幅器ではボンピング光に対応）により増幅器内に反
転分布を生じさせ、この反転分布によリ光増幅作用を実
現している。

このような光増幅器では、信号光レベルがあるレベル＜
ｎｏ和レベル）以上に大きくなるとボンビングが不足し
、反転分布レベルが低下する現象が生じる．この現象を
出力パヮーの飽和現象と呼ぶ．この出力パワーの飽和が
生じると、信号光ゲインが低下してしまう．このゲイン
の低下は信号光レベルが飽和レベル以上に高いレベルの
時に生じるが、信号光を遮断するとゲインが信号光のな
いときのゲインまで回復する。この時、従来の光増幅器
においては、このゲインが回復するまでに必要とする時
間がボンピングの時定数で支配されるので、例えばエル
ビューム・ドープト・ファイバ・アンプでは数ミリセカ
ンド、半導体レーザ増幅器では数ナノセカンドと長い緩
和時間を必要とする（Ｇ．Ｅｉｓｅｎｓｔｅｉｎ　ｅｔ
　ａｔ．，”　Ｇａｉｎ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ　ｉｎｓｅ
ｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｐｕｌｓｅ
　ａｌｐｌｉｆｉｅｒ，”Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｄｉｇ
ｅｓｔ　ｏｆ　ＯＦＣ“８９，　ｔｌｏｕｓｔｏｎ，　
Ｔｅｘａｓ１９８９）　　。

（発明が解決しようとする課題） 上述したように光増幅器においては、信号光を飽和レベ
ル以上とした後、信号光レベルが低下し、ゲインが回復
するまでに必要とする緩和時間が比較的長い．このため
、Ｇ　ｂ　／　ｓ帯以上のシステムにおいてはマーク連
続後の増幅率に比較して、スペース連続後の増幅率が大
きくなり、出力光にパターン効果が現れる欠点があった
． 本発明の目的は、ゲインが回復するまでに必要とする緩
和時間が長くなる欠点を除去し、ピコセカンド以下の緩
和定数でゲインを回復する光増幅方法および装置を提供
することにある．（課題を解決ずるための手段） 前述の課題を解決するために本発明の光増幅方法は、光
発振器を楕或する光共振器内に配置された光増幅媒質に
前記光増幅媒質の増幅可能波長帯内にあり、しかも前記
光発振器の発振波長と異なる波長の信号光を入力し、前
記光増幅媒質を用いて前記信号光を光増幅して出力する
ことを特徴とした光増幅方法である． また本発明の光増幅装置の１つは、半尊体増幅媒質と外
付けの光共振器とから成る半導体レーザ発振器と、前記
半導体レーザ発振器の発振波長と異なる波長の信号光を
前記半導体増幅媒質に結合する手段と、前記半導体増幅
媒質の増幅出力光から前記信号光波長成分を取り出ず手
段を含み、前記信号光を前記半導体増幅媒質を用いて光
増幅することを特徴とした光増幅装置である．また本発
明のもう１つの光増幅装置は、半導体増幅媒質とｎ個の
共振周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３，・・・，ｆｎを有する光
共振器とから成り、共振周波数ｒ１で発振する半導体レ
ーザ発振器と、前記半導体レーザ発振器の発振周波数ｆ
１と異なる前記光共振器の共振周波数ｆ２，ｆ３，・・
・，ｆｎの周波数の信号光を前記半導体レーザ発振器に
入力し光増幅することを特徴とする光増幅装置である．
（作用〉 一般に光増幅器は、光増幅媒質にボンビングを行い反転
分布状態を作り、この反転分布を用いて信号光を増幅し
て出力する。光増幅の速度は誘導放出に支配されている
のでピコセカンド以下の高速応答が可能である．しかし
、信号光がある場合にも光の増幅率を一定に保つために
は、反転分布状態を一定値にしておく必要がある．この
ためには、反転分布へのボンピングを高速で行う必要が
ある． 本発明の光増幅方法では、光増幅器を外付けの光共振器
を用いて発振させ、その発振器の発振波長と異なる信号
光を入力して光増幅して出力している． このような光増幅器では信号光が入射されていない場合
には、光増幅器内に発振光パワーが蓄積されているので
、光増幅器内では発振光パワーに対応した反転分布密度
が保たれて定常状態となっている．この状態の光増幅器
内に、発振波長と異なる波長の信号光を入射すると信号
光は増幅され出力される．この時、光増幅器から出力さ
れる光出力パワーは、発振光パワーと信号光の増幅され
た出力光パワートとの和となる．一方レート方程式（　
ｆｇ　ＩＩＩ光一、矢島達夫著、′゛量子エレクトロニ
クス（上）゜′、裳華房、昭和４７年）に基つくと、こ
の光増幅器からの出力光パワーは光増幅器への信号光が
ない時の発振光パワーに等しいことが容易に求められる
．このことは、信号光のない場合と信号光のある場合と
で定常状態の反転分布密度が等しいことを示している。

また、信号光のある定常状態から信号光のない定常状態
へ移行時の緩和速度は、従来の光増幅器で７は内部に発
振光パワーがないため反転分布のボンビング速度で制限
され、数ナノセカンドと長かった．しかし発振光パワー
が光増幅器内にある場合には誘導放出によって緩和され
るためピコセカンド以下の高速応答が可能となる． 本発明の第１の光増幅装置は、半専体増幅媒質と外付け
の光増幅器とからなる半導体レーザ発振器と、半導体増
幅媒質にレーザ発振器の発振波長と異なる波長の信号光
を入力する手段と半導体増幅媒質で増幅された信号光を
取り出す手段を有する．以下の説明では半導体増幅媒質
として半導体レーザ増幅器を用いた場合について説明す
る．この時、半導体レーザ増幅器のキャリア密度Ｎ（反
転分布に相当）、レーザ発振器の発振波長に相当する光
バワーＳｌ、増幅された信号光パワーを８２とすると、
これら３つのパラメータは次の３つのレート方程式に従
う． ｄＮ ａ　ｔ一一Ｊ　　ａ　Ｎ　（　Ｓ　１　＋Ｓ　２　）　
　　’　　　（　’　）τ　１ ニレユーａＮｓ１−−”−’− ｄ　ｔ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｆ
２１τ　ｉｌ１ 」』ユーａＮｓ２−　−”− ｄ　ｊ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
ｆ３）τ　８２ Ｊ　：注入電流（ボンピング） τ．：キャリア寿命（数ｎｓ） τｓ１：共振器内でのレーザ発振波長の寿命（数ｐｓ＞ τｓ２：半導体レーザ増幅器内での信号光の寿命（＜＜
ｐｓ＞ ａ　：利得パラメータ 従来の半導体レーザ増幅器では、外付けの光共振器を備
えつけていないので８１＝０の状態で動作している．こ
のためキャリア密度Ｎはキャリア寿命τ．で緩和する．
したがって、ゲインの飽和現象が起こった後のゲインの
回復に必要な緩和時間はキャリア寿命で支配されナノセ
カンド程度となる． 本発明の光増幅器においては、半導体レーザ増幅器内に
発振光Ｓ１が存在している．この時には式（１）中でキ
ャリアの緩和時間を決定するのは誘導放出に起囚ずるａ
Ｎ　（Ｓ１＋Ｓ２）とキャリアの寿命に起囚ずるＮ／τ
．の２項であるが、発振状態では以下の関係が或り立っ
ている．ａＮ（Ｓ１＋Ｓ２）＞＞　　’　　　　　　（
４）τ したがって、キャリアの緩和は主に誘導放出に起因する
項によって支配され、ｕ！していない場合に比較して緩
和時間は１／１０００倍以下に高速化され、緩和時間と
してビコセカンド以下の高速応答を得ることができる． 本発明の第２の光増幅装置は、半導体増幅媒質とｎａの
光共振周波数ｆ１，ｆ２，・・・，ｆｎを持つ光共振器
とからなり、半導体レーザとして周波数ｆ１で発振して
いる．この半導体レーザにｆ１以外の周波数の光ｆｋ（
ｋ＝２　　３　　・・・ｎ）を入力する。この場合、こ
の半導体レーザに対するレート方程式は、第１の発明で
説明に用いた式（１）一《３）中の信号光Ｓ２の寿命τ
。を共振器内での信号光の寿命τＩ１２に代えることで
記述される．この場合にも第１の発明と同様、式（１）
中でキャリアの緩和時間を決定するのは誘専放出に起因
するａＮ　（３１＋３２）の項である。このため、キャ
リアの緩和に必要な時間はビコセカント以下とすること
ができる． また本発明においては、τｓ２はτ旧と同程度の数ピコ
セカントの寿命となっている，このため、光共振器のキ
ャビティー効果が現われ信号光に対してのゲインが第１
の光増幅装置に比較して大きくなること、また同時に光
フィルタ効果も有するので自然放出光レベルを低下させ
られる特徴を持つ。

（実方拒例） 次に本発明について図面を参照しながら説明する． 本発明の第ｌの光増幅装置の典型的な実施例を第１図に
示す． 本実施例においては、半導体増幅媒質として、波長１．
５μｍから１．５５μｍの波長帯でゲインを有ずる半導
体レーザ増幅器ｌを、外付けの光共振器としては光ファ
イバ端をミラーコートした端末９と、レンズ１４と回折
格子１５によりファイバ端１７から出力された光の内１
．５１μｍの光をファイバ端１７に反射して戻す波長選
択ミラーの２つのミラーによって横成される光共振器を
用いている． 信号光８の波長は１．５４μｍである．また半導体レー
ザ増幅器１へ入力する手段としては、波長選択型のファ
イバカップラ２を用いている．この波長選択型のファイ
バカップラ２は、ボート４から入力された１．５４μｍ
の光と、ボート５から入力された１．５１μｍの光を合
波し、ボート７に出力し、ボート６への出力がない波長
選択特性を有している．更に半導体増幅媒質からの増幅
出力光から信号光波長戒分を取り出す手段としては、波
長選択型ファイバカップラ３を用いている。

このファイバカツプラ３は、ボート１３に入力された光
パワーの内１．５４μｍの光をボート２２に、１．５１
μｍの光をボート２１に出力する波長選択特性を有する
ファイバカップラである．次に光増幅器の動作について
説明する．半導体レーザ増幅器１に直流電流源３０から
注入電流を加え、半導体レーザ増幅器１に１．５μｍか
ら１．５５μｍ帯でゲインを持たせる．光ファイバ端を
ミラーコートした端末９と、レンズ１４と回折格子１５
によりファイバ端１７から出力された光の内１．５１μ
ｍの光をファイバ端ｌ７に反射して戻す波長選択ミラー
１５の２つのミラーによって横成される光共振器は、そ
の共振器内にゲイン媒質としての半導体レーザ増幅器ｌ
を有する．このため、直流電流源３０からの注入電流を
上昇させて半導体レーザ増幅器の増幅率を上昇させると
１．５１μｍで発振を生じる．本実施例では光共振器の
損失は約４０ｄＢと設定してあるため半導体レーザ増幅
器の単一通過利得が２０ｄＢとなった時に１．５１μｍ
での発振を生じる．この１．５１μｍの光は光ファイバ
端をミラーコートした端末９−ボート５−ボート７一半
導体レーザ増幅器１−ボートｌ３−ボート２ｌ一回折格
子１５で構成されるレーザ発振器内で発振を生じている
．また、この発振光パワーは半導体レーザ増幅器ｌへの
注入電流を直流電流源３０を用いて調節することで２０
ｍＷに設定されている． この半導体レーザ増幅器１にボート４から１．５４，ｃ
ｚｍの信号光８として−１５ｄＢｍの５Ｇ　ｂ　／　ｓ
信号パターンを入力する実験を行った。

この時、この信号光８はボート７からレンズ１０を用い
て半導体レーザ増幅器ｌへ入力され、半導体レーザ増幅
器ｌで単一通過利得に対応する２０ｄＢ増幅された後、
レンズ１１を用いてボート１３に結合された．この時の
増幅された信号光パワーは＋５ｄＢｍとなっていた． その後、この半導体レーザ増幅器１の出力光は、波長選
択型ファイバカップラ３で信号光成分である１．５４μ
ｍの光のみボート２２に出力され出力光１６となった．
第２図に半導体レーザ増幅器内の１．５１μｍの光パワ
ー　１．５４μｍの信号光パワー、キャリア密度の時間
変化が示されている．１．５４μｍの光が入射されると
キャリア密度は一時低下するが、１．５１μｍの光パワ
ーが低下すると、ともにもとの定常状態に戻る．この定
常状態に戻る緩和時間はｐｓ以下の時定数であった．こ
のため１．５４μｍＬ７）信号光に対ずる増幅率は変化
せず半導体レーザ増幅器内の１．５４μｍ光パワー１０
ｍＷ程度まで大きくしても増幅の飽和に起因するパター
ン効果は生じなかった． 本発明の第２の光増幅装置の典型的な実施例を第３図に
示す． 本実施例においては、半導体増幅媒質としては波長１．
５μｍから１．５５μｍの波長帯でゲインを有する長さ
約１００μｍの半導体レーザ発振器１０１を、両端面を
へき開してファブリーベ口型共振器としｎ個の共振周波
数を有する光共振器として用いている。

この半導体レーザ発振器１０１に直流電流源３０から電
流を印加して半導体レーザ発振器１０１を発振させ出力
光レベルを＋１５ｄＢｍに設定してある．この時の出力
光スペクトルが第４図に示されている．半導体レーザ発
振器１０１からの発振出力光周波数ｆｌ（波長１．５３
３μｍに相当）にスペクトルのピークが現れており、そ
の他に半導体レーザ増幅器１０１の持つファブリーベロ
共振器の共振周波数に対応するｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５
にスペクトルの小さなピークがｌｊｌｌ測され、ほぼ単
一縦モード発振しているのがわかる．この共振周波数間
隔は半専体レーザ発振器１０１の長さによって決定され
るファブリーベロ共振器の共振周波数間隔に対応してい
る． この半導体レーザ発振器１０１に波長選択型ファイバカ
ツブラ２０を用いて信号光４０を入力する．信号光４０
の波長は半導体レーザ発振器１０１の出力光スペクトル
のビークｆ３に対応した波長１、５０μｍの光である．
また波長選択型ファイバカップラはボート５０から入力
された１．５０μｍの光とボート５１から入力された１
．５３３μｍの光をボート５３に合波して出力する波長
選択特性を有している． このためボート５３からレンズ１０を用いて半導体レー
ザ発振器１０１に結合された信号光４０は、半桿体レー
ザ発振器１０１内で増幅された後、レンズ１１を用いて
ボート５５に結合される．その後、波長選択型ファイバ
カツブラ２１を用いて信号光４０の波長に対応した１．
５μｍの光をボート５７に出力させると出力光４１が得
られる。

波長選択型ファイバカップラ２１は、ボート５５から入
力された光の内１．５０μｍの光をボート５７に１．５
３３μｍの光をボート４３に出力する波長選択特性を有
するものが用いられる。また半導体レーザ発振器１０ｌ
から出力された発振光は波長選択型ファイバカツプラ２
０．２１によりボート５１．５６から出力され、発振光
出力４２．４３となる． この光増幅装置に１．５０μｍの光を外部変調器を用い
て５　Ｇ　ｂ　／　ｓ信号パターンで変調し、これをパ
ワー−１０ｄＢｍの信号光４ｏとして入力する．実験を
行ったところ、この信号光４ｏの波長に対する半導体レ
ーザ増幅器１の増幅率は２０ｄＢ、帯域は約１人であっ
た．このため半導体レーザ増幅器１の出力光レベルは＋
１０ｄＢｍであった．このときの半導体レーザ増幅器ｌ
中の発振波長光パワー、増幅された信号光パワー、キャ
リア密度の時間変化の様子が第５図に示されている．信
号光がオフの状態から信号光オンの状態に変化する時お
よび信号光オンの状態がらオフの状態に変化する時に、
キャリア密度が変化するが、定常状態に緩和する時間は
ｐｓ以下と高遠であった．また出力光４１は、へき開面
１０２で梢成されるファブリーベ口共振器で１人の帯域
に制限されて｝１６ため、自然放出光レベルの低い出力
光を得ることができた． 上述の実施例は本発明の例であり、本発明には様々な変
形例が考えられる． 例えば、第１の発明の光増幅装置においては、半導体レ
ーザ増幅器の増幅可能波長帯は１．５μｍ帯に限ること
なく、１．３μｍ帯でも０．８μｍ帯でも良い。また、
外付けの光共振器としてはファイバｆＩ／Ａ１７にファ
イバ端をミラーコートした端末を用いてファブリーベ口
型共振器を楕成しても良いし、回折格子を活性層付近に
付加して波長選択性を持たせたＤＩ”Ｂ楕造のレーザを
波長選択ミラーの代用とすることもできる．更に、波長
選択型ファイバカツブラの代わりに回折格子型の波長選
択素子を用いることもできる．入力信号のビットレート
も５　Ｇ　ｂ　／　ｓに限らすＩ　Ｇ　ｂ　／　ｓでも
良いし、１　０　Ｇ　ｂ　／　ｓでも良い．第２の発明
の光増幅装置においても、半導体レーザ増幅器の増幅可
能波長帯は１．５μｍ帯に限ることなく、１．３μｍ帯
でも０．８μｍ帯でも良いし、光共振器としてはフｒブ
リーベロ共振器に限ることなく、回折格子を活性層付近
に付加して波長選択性を持たせたＤＦＢ横逍の光共振器
を用いることも可能である．また、入力１則の波長選択
型ファイバカツプラ２０は入力側に光アイソレー夕を用
いることで省略することが可能であるし、波長選択型フ
ァイバカップラの代わりに回折格子型の波長選択素子を
用いることもできる．更に、入力信号のビートレートも
５　Ｇ　ｂ　／　ｓに限らす１Ｇ　ｂ　／　ｓでも良い
し、１　０　Ｇ　ｂ　／　ｓでも良い。

（発明の効果） 以上に説明した様に、本発明によれば、光増幅κにおい
て信号光レベルが大きくなり増幅の飽和が起こった状態
から信号光レベルが下がってもとの状態に戻る緩和速度
を緩和時間としてビコセカンド以下に高速化することが
できる．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す楕或図、第２図は
本発明の第１の実施例における光パワーとキャリア密度
の時間変化を示す図、第３図は本発明の第２の実施例を
示す横成図、第４図は第３図における半導体レーザ発振
器１０ｌの出力スベクトルを示す図、第５図は本発明の
第２の実施例における発振光、入力光およびキャリア密
度、時間変化を示す図である。 １・・・半導体レーザ増幅器、１０１・・・半導体レー
ザ発振器、２，３，２０．２１・・・波長選択型ファイ
バカップラ、１０，１１．１４・・・レンズ、８４０・
・・信号光、１６．４１・・・出力光、３０・・・直流
電流源．

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）光発振器を構成する光共振器内に配置された光増
   幅媒質に、前記光増幅媒質の増幅可能波長帯内にあり、
   しかも前記光発振器の発振波長と異なる波長の信号光を
   入力し、出力として前記信号光の増幅光を得ることを特
   徴とする光増幅方法。
2. （２）半導体増幅媒質と外付けの光共振器とから成る半
   導体レーザ発振器と、前記半導体レーザ発振器の発振波
   長と異なる波長の信号光を前記半導体増幅媒質に結合す
   る手段と、前記半導体増幅媒質により増幅された出力光
   から前記信号光の波長成分を取り出す手段とを含み、前
   記信号光を前記半導体増幅媒質を用いて光増幅すること
   を特徴とする光増幅装置。
3. （３）半導体増幅媒質とｎ個の共振周波数ｆ１，ｆ２，
   ｆ３，・・・，ｆｎを有する光共振器とから成り、共振
   周波数ｆ１で発振する半導体レーザ発振器と、前記半導
   体レーザ発振器の発振周波数ｆ１と異なる前記光共振器
   の共振周波数ｆ２，ｆ３，・・・，ｆｎの周波数の信号
   光を前記半導体レーザ発振器に入力し光増幅することを
   特徴とする光増幅装置。