JPH04504784A - 高利得半導体レーザ増幅器パッケージ - 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】 高利得半導体１ノーザ増幅器パッケージ本発明は、高利得半導体レーザ増幅器、 特にそのような２つのレーザ増幅器の結合に関する。

進行波半導体レーザ増幅器は多くの光通信適用に提案され、例えば、中継器、前 置増幅器、パワーブースフ、スイッチおよびフィルタとして使用されている。こ れらの多くの適用は残留ファセット反射率を最小にする高い飽和出力パワーを達 成することによって最適の特性および臨界係数を達成する高利得に依存する。現 在まで、わずか約２０ｄＢの制限された利得が報告されており、残留ファセット 反射率を減少するのが困難であるためこれを改良することはまだ可能でない。

本発明の第１の観点は、これらの問題を解決し、前に達成された利得よりも高い 利得を有するレーザ増幅器を生産することである。

パルス化された光信号が光ファイバに沿って伝播されるとき、パルスは通常分散 により広がるので、リンクに沿って間隔を隔てた中継器において信号を再生する ことが必要である。

しかしながら、パルスは光ソリトンであるならば、著しい分散を生じることなく 光ファイバに沿って光パルスを伝播することは可能であり、その場合には再生せ ず非常に長い伝送距離が可能になる。光ソリトンは比較的高いビークパワー（例 えば１００ｍＷ）であり、清めらかなプロファイルの短期間の（例えば３ｐ　ｓ ）パルスである。光ソリト：／の発生は現在低温冷却レーザを使用することによ って達成され、その装置は大きくて高価である。例えば、それは米国特許４．６ ３５．２６３号明細書に開示され、カラーセンターレーザがパルス源とし、で使 用される。

本発明の第２の観点は、半導体レーザ増幅器を使用する光ソリトンの生成に関す る。

本発明の第３の観点は、本発明の第１．および第２の観点を使用するための変調 技術に関する。

したがって、本発明の第１の観点によって、集束ビーム部分を形成する２つのレ ンズおよび光アイソレータを介して直列に結合された２つの半導体レーザ増幅器 を具備するレーザ増幅器パッケージが提供される。

第２の観点において、第１の増幅器は長い外部空洞（ＬＥＣ）または利得切換え ＤＦＢレーザ組立体の１部分としてのパルス源として駆動されることができる。

パルスは発生時にまたは圧縮および光ソリトンを生成するのに十分な増幅によっ て制限された近変換されることができる（Ａｎｊｈｏｎｙ　Ｅ、　Ｓｉｅｇｍａ ｎ氏による“レーザの第９章、オックスフォード・ユニパーシティ・プレス社、 １９８６年、３３４−３３５頁参照）。

第３の観点において、第２のレーザ増幅器はパッケージの出力を変調するために 切換えられる。

本発明の特定の実施例のより詳細な説明が添付図面を参照にして例によって以下 記載される。

第１図は、本発明の実施例の概略図を示す。

第２図は、第１図の本発明の実施例を試験するために使用された実験装置の概略 図を示す。

第３図は、ソリトンを発生するのに適した第１図のパッケージの変更図である。

非常に驚くことに、２つのレーザ増幅器が直列に整列されるとき、わずか２０ｄ Ｂの光分離は第１の増幅器に影響を与える第２の増幅器からの後方増幅波（信号 および自然発生）を阻止するのに十分であることを発見した。従来は、もし２つ の増幅器を直列に配置するならば、相互作用を阻止するために、後方自然放出の レベル（典型的に約１ｍＷである）を信号レベルの約１０％に減少することを必 要とすると信じられる。

これを実行するために、典型的に４０ｄＢの分離を必要とする。

臨界係数は後方自然放射でなく、反射信号レベルであることが発見された。反射 信号レベルの第２の装置により与えられた利得の量の影響によって、アイソレー タにより与えられるべき必要な損失は第２の装置の利得に関係する。第２の装置 の遠隔ファセットから反射された信号は典型的に３０ｄＢより低く、それ故、２ ０ｄＢの利得装置に関して、２０ｄＢのアイソレータは１ＯｄＢの全損失を与え る（すなわち、第２の装置において、前方信号利得は２０ｄＢであり、反射のと き３０ｄＢの損失であり、反射された信号では２０ｄＢの利得であり、全部で１ ０ｄＢの利得であり、アイソレータを通る２０ｄＢの損失は１０ｄＢの全損失を 与える）。そのような１０ｄＢの全損失は完全に満足され、実際わずか８ｄＢの 全損失を許容できることが発見された。反対に、それより大きい全損失も許容可 能であるが、これは通常過度に複雑なアイソレータを使用するか、或いはできる だけ第２の装置の利得を大きく駆動させないことを意味する。したがって、典型 的に、もし３０ｄＢのアイソレータを有するならば、できるなら第２の装置の利 得を３０ｃｌＢにする。

上記発見の結果として、２つのレーザ増幅器間の小さい、適度の特性の光アイソ レータを取付け、組立体全体をコンパクトな装置のパッケージにすることが実現 される。これは整列および反射制御を容易にするので、そのような装置を安価に し、容易に取扱うことができる。

第１図に概略的に示されたシステムは約１．５μｍの利得ピークおよび２　Ｘ　 １０’の残留ファセット反射率をそれぞれ有する２つの５００μｍの長さの埋設 へテロ構造半導体レーザ増幅器１，２に基づいている。増幅器１，２は直列に配 置されている。システムへの入力および出力の結合は約１０μ−ｍのレンズ半径 および入力３における３ｄＢおよび出力４における３ｄＢからなる６ｄＢの結合 損失を有する、反射防止被覆されたテーパを有するレンズで終端された単一モー ドファイバ３゜４によって達成される。

本実施例において、増幅器１．２は１ｍｍの直径を有するように選択され、１つ の増幅器ファセットから５乃至ｌＯμｍ離れたところにそれぞれ配置される２つ の反射防止被覆を有するガドリウム拳ガーネット（Ｇ　Ｇ　Ｇ）球体５，６を使 用して、６ｄＢの損失を有する集束ビーム部分によって共に結合される。２つの 球体の片方または両方が不整列であれば、結合損失は増加する。

シンプルな小型光アイソレータ７は集束ビーム部分に配置されている。光アイソ レータ７は２つの誘電体偏光ビームスプリッタ８，９と、サマリウム・コバルト 磁石１１に配置されたＹＩＧファラデー回転子１０と、正味単一通過偏光回転を 補正する半波プレート１２とを具備する。本発明のこの特定の実施例のこれらの 部品の寸法は、ビームスプリッタ立方体８゜９の側面が３ｍｍ、ＹＩＧファラデ ー回転子ｌＯの直径が３ｍｍ１磁石１１の直径が１．５ｍｍであるように選択さ れるのが好ましい。

この特定の実施例において、アイソレータは２ｄＢの挿入損および２０ｄＢの分 離を有する。この分離の程度は第１の増幅器に影響を与える第２の増幅器からの 後方増幅波（信号および自然発生）を阻止するのに十分である。したがって、ア イソレータはシステムの発振を阻止し、信号と増幅した反射の間の漏話の影響を 除去する。

増幅器１，２はベルチヱクーラ１３．１４上に配置された支持体を有する。

組立体全体は長さ３ｃｍ幅２ｃｍ以下の密封パッケージ内に取付けられる。

試験は第２図に概略的に示された装置を使用して第１図の実施例に基づいて実行 された。システムのピーク利得、利得飽和および利得リップルは送信機１５とし て１．５１　μｍで放射する分布フィードバック（ＤＦＢ）レーザを使用して測 定された。これは偏光制御装置１６．　１７と、光アイソレータ１８と、光減衰 器と、監視するために使用される方向性結合器２０によってシステムの人力に接 続された。増幅器システムまたはパッケージ２２の出力に接続された受信機２１ は４０ｄＢの増幅器を介してオシロスコープに接続されたＰＩＮダイオードであ った。

２重増幅器パッケージは３２ｄＢの「装置利得」　（人力ファセットから出力フ ァセットへの）または２６ｄＢの正味利得を有する。ＤＦＢレーザはＤＦＢレー ザ動作温度および測定されたパッケージの出力パワーの変化を調節することによ って増幅器の２つの残留ファプリー・ペロー・ピークに同調された。増幅器パッ ケージに対する入力パワーは全温度に対して一３０ｄＢｍに維持されたので、３ ２ｄＢの利得に対する利得リップルはたった３ｄＢであった。その結果は装置の 標準動作電流（４０ｍ　Ａ　）でバイアスされた両増幅器によって得られ、この 場合１つの増幅器当り２ｌ−２２ｄＢの装置利得は各装置における３ｄＢの利得 リップルと共に予想される。増幅器間のパッケージの損失は８ｄＢであるので、 第１の増幅器の自然放射による第２の増幅器の利得飽和は４ｄＢであるという結 論に達した。

第２の増幅器のバイアスが利得飽和を克服するために５５ｍＡに増加され、増幅 器が（残留ファプリー・ペロー・モードを再調整するために）再同調されたとき 、利得は３ｄＢ増加された。３５ｄＢの高利得のパッケージの全利得リップルは ６ｄＢであった。ファプリー・ペロー解析を使用して導出された実効的反射率は ２　Ｘ　１０−４であることが発見された。ファセット反射率のこの減少は２つ の増幅器間に先アイソレータを使用することにより生じる。パッケージからの後 方増幅信号は前方増幅信号よりも２０’ｄＢ小さいことが測定された。増幅器が １つ以上の中継器を必要とする送信システムに使用されるならば、これは実効的 反射率と調和し、大きな利点である。

試験はまたパッケージの利得飽和特性を決定した。３ｄＢの利得の圧縮は一２７ ｄＢｍの人力パワーに対して発生する。

これは２０ｄＢの利得を有するこの型式の単一の増幅器の形態と非常に類似して おり、上記詳細に説明された増幅器よりも良好な個々の増幅器を使用することに よってさらに改良される。３５．ｄＢの利得を有する単一の増幅器に対する３ｄ Ｂの利得圧縮は一４０ｄＢｍの入力パワーに対して発生する。

受信機前置増幅器としてパッケージを使用するために、パッケージの出力光ファ イバは取除かれ、レンズを設けたフォトダイオード（５０オームで終端される） と置換された。フォトダイオードに対する結合損失は２ｄＢであり、パッケージ の正味利得は３０ｄＢであった。この受信機の感度は２０ｄＢを超過する増幅器 利得に対して５６５Ｍビット／秒において一３５ｄＢｍであった。これは単一の 増幅器を使用して構成された類似の受信機の感度よりも３ｄＢ悪く、３ｄＢの犠 牲は実効的反射率の減少に関連するΔｆ１の増加から予想されるので、２つの増 幅器の使用に関連する雑音の不利益が超過しないことを示す。第２の増幅器とフ ォトダイオードの間の３ｎｍのバンドパスフィルタの挿入は感度を−３９，５ｄ Ｂｍに増加させた。増幅器間の類似するフィルタの挿入（アイソレータに加えて ）は感度をさらに増加させる。これは線形中継器の動作範囲を制限し、この適用 に対して、広帯域自然放射雑音は顕著でないので、この特定のパッケージはその ようなフィルタによって構成されることはできない。

このパッケージで得られた増加した利得は受信機の構成を可能にし、その感度は 増幅器の利得帯域幅内の任意のビット速度における増幅器の雑音によって制限さ れる。

高利得増幅器パッケージを構成するこの方法の主な問題は光アイソレータの使用 による３０ｄＢの高偏光感度である。しかし、偏光不感増幅器は利用でき、偏光 不感光アイソレータとそれらを結合することによって、パッケージの改良は可能 である。

本発明のこの実施例に記載されたようなパッケージは３０ｄＢの利得、２　Ｘ　 １０’の実効的反射率、および６ｄＢの利得リップルを有し、雑音の不利益を有 しない２つの増幅器パッケージである。記載された組合わせの１つの大きな利点 は必要な分離は予想されるよりも著しく少なく、４０ｄＢ必要であると予想され るとき、２０ｄＢで済む。

このパッケージは長距離伝送システムに必要な中継器数を減少させるので、線形 中継器として使用されるのが理想的である。上述の簡単な変更によって、パッケ ージは受信機前置増幅器として特に高ビツト速度時に十分に使用されることが可 能である。

パッケージの変更は第３図に概略的に示されている。この実施例において、第１ のレーザ増幅器は外部空洞を限定する制御された格子２４庖−Ｎするレーザ組立 体２３中のモ・−ドロック共振装置である。このモードロライ１１．ハーザ装置 にょっで発生されたパルスは時間領域において可能な最も狭いスベク１、ルをり 。えるように制限された近変換で構成されることかでき、Δ１：Δ１・が約０． ３１５であるときに生じ、ここで、Δｔは時間の全幅の半分の最大値であり、Δ には全幅の半分の最大レーザ線幅である。モードロ・・Ｉクレープによって発生 されるパルスは第２のレーザ増幅器に対する入力であり、ソリトンに対して増幅 される。標準単一・モードファイバに対１２て、パルス長の次の一般的な値、反 復速度、および平均出力パワーがソリトンを提供するために必要とされる。

パルスＦＷＨＭ　反復速度　平均パワー１００　ｐ　ｓ　ＩＧＨｚ　２６０　ｕ Ｗ５０ｐｓ　２ＧＨｚ　！、０ｍＷ ２Ｏｐ　ｓ　５ＧＨｚ　５．６　ｍＷ 本発明の２重し−ザ増幅器パッケージを使用して、出力ファセットにおけるｌＯ ｍＷの飽和した出力パワーを有する半導体レーザ増幅器を有することは可能であ るので、例えば５ＧＨ２の速度における２０ｐｓのソリトンを発生すると仮定す ると、ファイバに対する結合損失は３ｄＢより少ない。２０ｍＷの飽和出力パワ ーは直ぐに利用でき、結局、最大の約１００　ｍＷまで可能であり、２０ＧＨｚ の５ｐｓのソリトンを可能にし、実用上十分に利用できる。

第３図をＪ、り詳細（４′：説明ｔろ。

モードロックＬ−−ザ組立体２３のし・−ザチップは１．っのファセットに対す る多層反射防止被覆を有する５００μ口１の長さの埋設へテロ構造レーザである 。残留ファセット反射率は４×する。レーザチップからの出力は３００μｍの出 力ビーム直径を有する１　ｍ　ｍの直径の球形レンズによって８ｃｍの空洞に結 合される。格子４は１．６μｎ］に対して６００ライン／　ｍ　ｍの線を引いた 格子臘付けおよび金被覆である。格子がらのフィードバック帯域幅は３００　Ｇ Ｈｚ　（３００μｍのビームに対する格子の分解能）であり、格子角による分散 は０．５ｐｓである。

レーザは２５ｍ　Ａの直流バイアスに正弦波を重畳することによって活性的にロ ックされたモードである。モードロックが最良にされるとき、近変換の列から構 成されたこのレーザの出力は３０ｎｍにわたって同調されることが可能な１．６ ＧＨｚの反復周波数において１．５ｐｓのパルスに制限される（時間帯域幅面積 ０．３５を有する）。パルスは高調波モードロックにより８ＧＨｚまでの空洞高 調波周波数において再生されることが可能である。２０ｐｓよりも少ない幅を有 する近変換制限されたパルスは１１０ｎｍの帯域幅にわたって得られる。出力パ ルスは２ｐｓの時間分解能を有するストリークカメラを使用して測定され、２． ５ｐｓの最小測定幅を有する。パルススペクトルはモノクロメータを使用して測 定され、１．９ｎｍの最大幅を有する。レーザは１．５２μｍで放射されるよう に同調され、パルスは光アイソレータ（６０ｄＢ）を介して伝送され、１０ｍの ファイバ（０，２ｐｓの分散によって）によって光増幅器に伝送される。

第３図に示された別の構成において、アイソレータの出力はファイバなしで直接 光増幅器に供給される。

増幅器は両ファセットに多層反射防止被覆を有する５００μｍの長さの埋設へテ ロ構造チップである。残留ファセット反射率は８　Ｘ　１０−４であり、１００ ｍＡの動作電流における利得リップルは２５ｄＢの装置利得を有し３ｄＢである 。チップの材料分散（放射スペクトルから導出された）は０．０５ｐｓである。

出力結合は研磨テーパレンズ終端ファイバを使用して達成され、この場合、類似 のファイバが増幅器に結合するために使用され、全結合損失は９ｄＢである。増 幅器に対する最大平均入力パワーはファセットにおいて一１６ｄＢｍであり、こ れは２５ｄＢの不飽和利得から利得を３ｄＢ減少させる。増幅器の出力はストリ ークカメラおよびモノクロメータで測定される。−１６ｄＢｍの入力パワーに対 して、パルスはスペクトルシフトまたは歪みを受けず、たとえ増幅器利得が飽和 されるとしても測定システムの分散と調和するわずかな広がりが観察される。利 得および利得飽和は８ＧＨｚまでの全て利用できる周波数においてパルス反復周 波数に関係ないことが分かった。増幅器の利得回復時間は増幅後の２次パルスの 振幅圧縮（動作条件が最良でないときモードロックレーザから得られることがで きる）を測定することによって５００ｐｓであると推定される。

利得ピーク（１，５μｍ）における３ｄＢの利得圧縮に必要な平均入力パワーは 一１９ｄＢｍであり（ファセットにおいて）、１．５２μｍにおける３ｄＢの利 得圧縮に必要な平均入力パワーは一１６ｄＢｍである。増幅器の最大平均出力パ ワーは２ｍＷである。これは入力パワーを増加することによって増加されたが、 利得飽和によるパルスの歪みが生じる。しかしながら、かなりの距離に１．５ｐ ｓパルスを伝送するために、ファイバ分散は恐らくソリトン効果を使用すること によって補償されなければならず、出力パワーは１．６ＧＨｚの反復周波数と共 に２６ｍＷであることが必要である。これは半導体レーザ増幅器が任意の想像で きる線形光通信システムに有用である十分な帯域幅を有することを示しているが 、高出力パワー増幅器の開発は非線形システムの使用に対する潜在力を最大限に するために必要である。

第３図に示されたモードロックレーザ装置に代る装置は利得切換えＤＦＢレーザ である。そのようなソースは変換制限されたパルスを供給しないが、第２のレー ザ増幅器用の非線形増幅器を使用することによって、制限されたパルスを変換す るパルス圧縮は第２の増幅器の増幅と共に達成されることが可能である。パルス 圧縮は２つの方法で達成される。１つの方法は例えばパルスの前部部分を吸収し 、飽和に達した後にパルスの残りの部分を伝送する飽和可能な吸収素子と共に２ つの素子増幅器を有することによってパルスの前端部分を切取ることである。そ の代りに、パルスの後部分は利得飽和を使用することによって切離されることが できる。それにおいて、キャリアはパルスの第１の部分によって涸渇されるので 、パルスの後の部分は伝送されない。４ｉ１得切換えＤ　Ｆ　Ｂ　１．・−ザは Ｌ　Ｅ　ＣＬ、−ザよりもフ、イ・−ドパツクに対して不感であるので、２つの レーザ増幅器間の分離は恐ら＜４０ｄＢ程度に減少されることができる３、 ソリトンパルス流を得た後、それはデータ転送用にそれらパルスを使用するため に、パルスをデータで変調することが必要である。これはまた第１図または第３ 図のパッケージと類似するものを使用１．て発生されることができるソリトンで ないパルス流の場合である。本発明において、変調は第２の増幅器のバイアスを 変調することによって達成されることが可能であることが予想される。バイアス が２ＧＨｚ以下の速度でオン・オフに切換えられるならば、パルスは対応してオ フ−オンに切換えられる。しかしながら、例えば１ＯＧＨｚの高バイアス切換え 速度が使用されるならば、増幅器は完全にオフに切換えられず、その結果は利得 パルスのリップルか生じ、典型的な損失はオフパルスでは３ｄＢである。変調さ れたパルスは低い強度パルスを消去するためにさらに処理されることができる。

レーザ増幅器がソリトンを生成するために設置されるならば、オフパルスに対す る３ｄＢの損失はソリトンレベルより低くパワーを減少させ、パルス列はソリト ンループミラースイッチによってフィルタされることができるので、ソリトンパ ルスおよびゼロ間隔（切換えられた低い強度パルスに対応する）のみがファイバ に入射される。

第１および第２の両実施例において、第２のレーザ増幅器における変調はまた管 理或いは応答チャンネルを設けるために使用され？）、′：、ｌができる１、例 えば、第１図のパッケージの第１のレーザ増幅器に到来するデータパルスか読取 られ（装置の電圧を監視することによって）、データが読み取られたことを示す 第２の増幅器において変調される。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成３年１０月２５　日（ｐｉ ｔ

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．集束ビーム部分を形成する２つのレンズおよび光アイソレータを介して直列 に結合された２個の半導体レーザ増幅器を具備するレーザ増幅器パッケージ。
2. ２．第１のレーザ増幅器はパルス源として駆動される請求項１記載のレーザ増幅 器パッケージ。
3. ３．第１のレーザ増幅器はＬＥＣレーザ組立体の１部分を構成する請求項２記載 のレーザ増幅器パッケージ。
4. ４．ＬＥＣレーザ増幅器組立体からのパルスは近変換制限され、第２のレーザ増 幅器によって光ソリトンに増幅される請求項３記載のレーザ増幅器パッケージ。
5. ５．第１のレーザ増幅器は利得切換えＤＦＢレーザの１部分を構成する請求項２ 記載のレーザ増幅器パッケージ。
6. ６．利得切換えＤＦＢレーザからのパルスは近変換制限されたパルスに圧縮され 、第２のレーザ増幅器によって光ソリトン増幅される請求項５記載のレーザ増幅 器パッケージ。
7. ７．変調は第２のレーザ増幅器を切換えることによって出力に対して行われる請 求項１乃至６のいずれか１項記載のレーザ増幅器パッケージ。
8. ８．第２のレーザ増幅器は完全にオフに切換えられないような速度で切換えられ る請求項７記載のレーザ増幅器パッケージ。
9. ９．第２のレーザ増幅器がオフに切換えられるとき、低い強度パルス出力をフィ ルタする手段をさらに含む請求項７または８記載のレーザ増幅器パッケージ。
10. １０．モードロックソースとして請求項１乃至９のいずれか１項記載の第１の半 導体レーザ増幅器を使用し、前記第１のレーザ増幅器によって発生された短い光 パルス用の増幅器として請求項１乃至６のいずれか１項記載の第２のレーザ増幅 器を使用する光ソリトンを発生する方法。
11. １１．光ファイバによって直列に配置された第１および第２の半導体レーザ増幅 器を具備する密封パッケージに入力光パルスを供給し、 前記第１のレーザ増幅器において前記入力光パルスを増幅し、 この増幅された光パルスを前記第１の増幅器の出力から前記第２のレーザ増幅器 に供給し、 前記第２のレーザ増幅器において光パルスをさらに増幅し、光ファイバによって 生成された別の増幅された光パルスを出力することを含み、 光アイソレータが前記第１のレーザ増幅器と前記第２のレーザ増幅器の間に設け られ、この光アイソレータは第２の半導体レーザ増幅器を前方向に通過する信号 の往復信号損失が遠隔ファセットによって反射され、第２のレーザ増幅器を逆方 向に通過するように８乃至１５ｄＢの範囲にある分離ファクターを有する方法。