JPH09146056A - 光フューズ及び光素子保護装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光透過型の素子に入射される光の強度がある
一定レベルを越えた場合に、光の透過を不能となるよう
にして、その素子より後段の素子への高強度の光入力を
抑制する光フューズを得る。 【解決手段】 光導波構造を有する半導体素子によって
構成され、過度の大きさの光入力があるとアンドープの
ＩｎＧａＡｓＰ光導波路２０の構成材料が焼損し、この
光導波路の光透過を阻止するものであり、光導波路を構
成する材料の焼損部位は、光導波路層の光入射端面部分
であることがよく、さらに光導波路層に電界を印加する
第１電極５０及び第２電極６０を備えると共に、光導波
路層は電界印加時の光導波路層の光吸収係数が増加する
ような材料によって形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光フューズ又は光素
子保護装置に関し、特に光透過型の素子において、その
素子に入射される光の強度がある一定レベルを越えた場
合に、光の透過量が減少するかあるいは透過を不能とな
るようにして、その素子より後段の素子への高強度の光
入力を抑制する光フューズ及び光素子保護装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の超高速光通信技術の進展は目覚ま
しいものがあり、その伝送可能距離は、光ファイバ中で
の光損失ではなく、信号光の波長チャーピング（パルス
内に発生する周波数の自己位相変調効果［ＳＰＥ］によ
る時間変化）と光ファイバの波長分散の相互作用（群速
度分散：ＧＶＤという）によって制限される所となって
いる。すなわち、上述の目覚ましい超高速光通信技術の
進展は、１９８０年代後半に実現されたエルビウムをド
ープしたファイバ（以下、ＥＤＦと略称する）を用いた
光増幅装置ともいわれているが、導入した光を直接増幅
する装置（以下ＥＤＦＡ：エルビウム・ドープト・ファ
イバ・アンプリファイアと略称する）の出現による。そ
して、このＥＤＦＡを用いた１万ｋｍ以上の長距離光伝
送実験が検証されるようになってきた。

【０００３】ところで、ＥＤＦＡの出力光強度に対する
利得をプロットすると、定常状態（すなわち誘導放出遷
移の寿命よりも短い間隔で次々と光信号が入力される場
合）では周知の利得飽和現象が見られる。すなわち、小
さな強度を持つ光信号がＥＤＦＡに入力した場合には大
きな利得がられるが、大きな強度を持つ光信号がＥＤＦ
Ａに入力した場合には小さな利得しか得られない、とい
うことである。しかし、過渡状態、すなわち誘導放出遷
移の寿命と同じくらいかそれよりも長い間隔で光信号が
入力される場合には、ＥＤＦＡの利得が回復して、大き
な強度を持つ光信号がＥＤＦＡに入力した場合にも、大
きな利得が得られることになり、この場合は瞬間的に極
めて大きな光強度を持つサージ状のパルスが出力される
ようになる。以下、このようなピーク強度が極めて大き
な出力光を、光サージと呼称する。

【０００４】このような現象は、特に複数のＥＤＦＡを
伝送路中に用いた場合や、ループ状の伝送路中にＥＤＦ
Ａを挿入した場合において顕著となる。例えば、定常状
態でＧｓ［ｄＢ］の利得を持つＮ個のＥＤＦＡがＮ本の
光ファイバ（長さＬ［ｋｍ］、損失ｌｏｓｓ［ｄＢ／ｋ
ｍ］）を介して縦続された場合について、出力される光
のトータルのピーク強度Ｐout ［ｄＢｍ］は以下の
（１）式で示される。 Ｐout ＝Ｐin＋Ｎ（Ｇｓ−ｌｏｓｓＬ） ［ｄＭｍ］ （１） 但し、Ｐin［ｄＭｍ］は入力される光のピーク強度であ
る。通常、Ｇｓ−ｌｏｓｓＬ＝０、すなわち Ｇｓ＝ｌｏｓｓＬ （２） となるように各パラメータが設定される。従って、Ｐou
t 〜Ｐinとなるような設計をするのが普通である。な
お、ここで、符号〜はニヤリーイコールという意味の符
号である。例えば、一般的な値として、Ｇｓ＝２０［ｄ
Ｂ］、ｌｏｓｓ＝０．２［ｄＢ／ｋｍ］、Ｌ＝１００
［ｋｍ］を用いると、Ｇｓ−ｌｏｓｓＬ＝２０−０．２
×１００＝０［ｄＢ］となる。

【０００５】しかし、過渡状態でのＥＤＦＡの利得Ｇｅ
は、定常状態での利得Ｇｓよりも大きい。この場合、Ｇ
ｅとＧｓの関係を次の（３）式で表わす。 Ｇｅ＝Ｇｓ＋ΔＧ （３） そうすると、過渡的に出力される光サージのトータルの
ピーク強度Ｐout,peak［ｄＢｍ］は、以下の式で表され
る。 Ｐout,peak＝Ｐin＋Ｎ（Ｇｅ−ｌｏｓｓＬ） ＝Ｐin＋Ｎ（Ｇｓ＋ΔＧ−ｌｏｓｓＬ） ＝Ｐin＋ＮΔＧ ［ｄＢｍ］ （４） 例えば、Ｇｅ＝２５［ｄＢ］、すなわちΔＧ＝５［ｄ
Ｂ］とし、Ｐin＝０［ｄＢｍ］、Ｎ＝１０とすると、Ｐ
out,peak＝５０［ｄＢｍ］（＝１００［Ｗ：ワット］）
にもなり、極めて大きなピーク強度を持つ光サージが出
力されることになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来か
らＥＤＦＡにおいて過渡的に出力される光サージは、後
段の各種光部品（例えば受信側の素子、特にフォトダイ
オードの受光面）等の次段の素子を破壊し、その結果光
通信を不能にする原因となっていた。特に、例えば光ソ
リトンによる光通信においては、ソリトンのピーク強度
が大きいので、後段の光部品等の破壊は極めて起こりや
すいことが分かってきた。このため、前述のような超高
速光通信技術の完成を阻害する不都合な光サージの発生
を防止する技術の開発が要望されていた。光サージを抑
制する方法としては、下記に示すａ），ｂ）の２通りの
方法が考えられ、実際に採用されている。 ａ）一番目として、ＥＤＦＡの接続を信号光の後段で行
う。 ｂ）光損失用の自動制御可能なアッテネータをＥＤＦＡ
の前段に配置する。つまり、初めの光損失を大きくして
おき、徐々にその損失を減らす調整をする。 しかし、それらは下記１），２）に示すような問題があ
った。 １）電気的に制御する必要がある。 ２）不測の事態等に対して対応できない。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光フューズ
は、光導波構造を有する半導体素子によって構成され、
過度の大きさの光入力があると光導波路の構成材料が焼
損し、前記光導波路の光透過を阻止するものであり、光
導波路を構成する材料の焼損部位は、光導波路層の光入
射端面部分であることが好ましい。この場合、光導波路
層に電界を印加する電極を備えると共に、光導波路層は
電界印加時の光導波路層の光吸収係数が増加するような
材料によって形成されていることがよく、さらに、電界
の印加によって光入射端面部分の端面破壊パワーを制御
できることが望ましい。

【０００８】また、本発明に係る光素子保護装置は、希
土類遷移元素をドープした光ファイバからなり、光サー
ジから保護しようとする光素子の前段に設置され、入射
する光に対する吸収係数がα［ｄＢ／ｍ］であるような
光ファイバの長さを１０／α〜３／α［ｍ］の範囲に設
定したものである。そして、ドープされる希土類遷移元
素はエルビウムであることが好ましい。

【０００９】

【発明の実施の形態】

［第１の実施形態］本実施形態の特徴は、過度の光入力
に対して、光導波路の材料自体（特に、光入射端面部分
の光導波層）が焼損することにより、光の透過を不能に
するというものである。すなわち、電気回路でいう所の
フューズに相当するものを形成することである。

【００１０】図１は本発明による光フューズの第１の実
施形態を示す模式断面図であり、光の進行方向に垂直な
方向の断面構造を示している。なお、本構造は通常のあ
る１つの半導体レーザ素子の構造と同一である。第１導
電型（ｎ型）半導体基板であるところのｎ型ＩｎＰ基板
１００上に、第１導電型のクラッド層のｎ⁻型ＩｎＰク
ラッド層１０、光導波路を構成するｕｎｄｏｐｅｄ−Ｉ
ｎＧａＡｓＰ光導波路層２０、第２導電型（ｐ型）半導
体からなるｐ⁻型ＩｎＰ上側クラッド層３０、オーミッ
クコンタクト層を構成するｐ^＋ＩｎＧａＡｓコンタクト
層４０が順次積層されている。また、ｐ^＋ＩｎＧａＡｓ
コンタクト層４０の上には金属膜等からなる第１電極５
０、ｎ⁻型ＩｎＰクラッド層１０の下側には第２電極６
０が設けられている。

【００１１】また、光の入出力する端面（以下、単に端
面という場合もある）には、無反射膜７０が形成されて
いる。図１において、この無反射膜７０は図示の都合上
左下隅にのみ図示されているが、実際は端面の全面に形
成されている。なお、この無反射膜については、無反射
化技術として周知（例えば、光増幅器とその応用：平成
４年５月３０日オーム社発行、８１頁〜８４頁参照）で
ある。さらに、前述のｕｎｄｏｐｅｄ−ＩｎＧａＡｓＰ
光導波路層（活性層ともいう）２０によって構成されて
いる光導波路は、図の水平方向に屈折率差ができるよう
な構造（例えば、埋込み構造やリッジ構造等：いずれも
半導体レーザ装置における既知構造）になっている。図
１の実施形態では、ポリイミド層８０で埋め込んでいる
埋込み構造が採用されている。

【００１２】次に、動作について説明する。一般に、単
位パワーに対する温度上昇の程度を表す値として熱抵抗
が用いられているが、その値Ｒ_thは、材料や構造（活性
層幅、共振器の長さ、埋込み構造等）によって変わる。
例えばＩｎＧａＡｓＰ系の半導体レーザの場合には、Ｒ
_thは約４０〜８０［Ｋ／Ｗ］であり、このＲ_thの値に一
般的な素子長、活性層幅を乗じた値Ｒ_thO 、すなわち、
活性層幅をｗ、共振器長をＬとして、 Ｒ_thO ＝Ｒ_thｗＬ （５） で表される値は、約２０〜７０×１０^−３［ｍｍ^２Ｋ／
Ｗ］である。ここで、Ｋは温度である。以下、Ｒ_thO を
規格化熱抵抗という。

【００１３】ところで、光が入出射する素子で、かつそ
の光導波構造が吸収性である場合には、熱の発生は光が
吸収される領域でのみ生ずる。ここで、熱の発生する領
域（以下、実効吸収長という場合もある）をＬ_abs とす
ると、本実施形態の熱抵抗Ｒ_thは、 Ｒ_th＝Ｒ_thO ／（ｗＬ_abs ） （６） として見積もられる。ここで、Ｌ_abs は導波層の光吸収
係数の値に強く依存しており、その光吸収係数αは導波
層に印加される電界強度によって変化するので、Ｌ_abs
は印加電圧と導波層厚及びその組成に依存する。

【００１４】ここで、入射光のパワーＰin、端面での光
結合効率η、光閉じ込め係数Γ、素子長Ｌが与えられた
ときの出射光のパワーＰout は、 Ｐout ＝Ｐinη^２ｅｘｐ（−ΓαＬ） （７） で表され、これより導波構造内での光吸収は、 Ｐout ／（Ｐinη^２）＝ｅｘｐ（−ΓαＬ） （８） また、一般に電界によって光吸収係数αが増大する効果
を利用した導波構造の消光比Ｅ_R の経験式は、 Ｅ_R ＝ｅｘｐ｛−（Ｖ／Ｖo ）ⁿ ｝ （９） で表される。（８）式と（９）式は等しいので、これよ
り、印加電圧Ｖに対する光吸収係数αが（１０）式のよ
うに求められる。 α＝（Ｖ／Ｖo ）ⁿ ／（ΓＬ） （１０） なお、上記のＶo は導波構造の消光率が本実施形態の場
合は１／ｅの値になった時の印加電圧であり、装置のサ
イズ，構造によって決まるが、本発明の場合はＶo が小
さければ小さいほど好都合となる。

【００１５】ここで、（８）式で導波構造内での光吸収
率が５０％及び９０％になるときの光の伝搬長Ｌ
_abs と、その値を用いて求められる熱抵抗Ｒ_thを図２に
示した。なお、（９）式中の値Ｖo 及びｎは、図１に示
した構造の消光特性から見積もった値を用いた。また、
規格化熱抵抗Ｒ_thO は、半導体レーザの場合のそれより
も大きいと考えられ、１００×１０_−３［ｍｍ^２Ｋ／
Ｗ］を用いた。そして、温度上昇ΔＴは次の（１１）式
で示される。 ΔＴ＝Ｒ_thＰinηΓ ［Ｋ］ （１１） また、周囲温度をＴ_a ［℃］とすると、結局、光入射端
面近傍（端面から実効吸収長Ｌ_abs 程度の距離の領域）
における温度Ｔ［℃］は、 Ｔ＝ΔＴ＋Ｔ_a ＝Ｒ_thＰinηΓ＋Ｔ_a ［℃］ （１２） で表される。

【００１６】このＴの値が光導波層の融点Ｔ_m と等しく
なるときの入射光パワーＰinを、素子の端面が焼損して
破壊に至るパワーＰin,criとすると、 Ｐin,cri＝（Ｔ_m −Ｔ_a ）／（Ｒ_thＰinηΓ） （１３） となる。以下、Ｐin,criを端面破壊パワーと言う。Ｔ_m
＝約６５０［℃］（図１中の光導波層のｕｎｄｏｐｅｄ
−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層２０の場合）としたときの
端面破壊パワーＰin,criの印加電圧依存性を、図２から
見積もられる熱抵抗Ｒ_thを用いて計算した結果を図３に
示す。また、図においてプロットした点（黒丸）は実験
値である。

【００１７】図３より、定性的には、印加電圧が大きく
なると端面破壊を引き起こす入射光パワーＰinが小さく
なることがわかる。ただし、実験値が計算値よりも小さ
いのは、端面での界面レベルを介した吸収の増大や、非
発光再結合による温度上昇などの効果によるものと考え
られる。いずれにしても、端面破壊パワーが印加電圧に
よって制御可能であることが示されている。そして、端
面破壊が生ずれば、もはや、光の導波機能は失われるの
で、光は次段の光素子にはほとんど入射されないことに
なり、光のフューズとして機能するようになる。

【００１８】以上のように第１の実施形態によれば、半
導体レーザ素子と同じ構造の素子の端面破壊パワーのレ
ベルを印加電圧によって制御可能であることが分かり、
これを利用することによって光フューズを構成すること
が可能である。そして、この光フューズを光伝送回路に
挿入することによって、ワット級のピークパワーを持つ
光サージから次段の光素子を保護することができる。

【００１９】［第２の実施形態］本発明の第２の実施形
態の特徴は、吸収性の光導波構造によって構成され、か
つその光導波構造内での光吸収によって生ずるフォトキ
ャリアの発光再結合時間がＥＤＦＡの利得回復時間にほ
ぼ等しいような性質を併せもっている光導波構造体を用
いて形成した光素子保護回路である、ことにある。以
下、その構成及び動作を詳細に説明する。

【００２０】本発明の第２の実施形態による光素子保護
装置の構造体は所定の長さからなるエルビウム・ドープ
ト・ファイバ（以下、ＥＤＦという）である。すなわ
ち、コアとクラッドとを有するファイバ型の光導波路構
造であり、かつコアには希土類元素のＥｒ（エルビウ
ム）イオンがドープされたものである。従って、本実施
形態による装置として特に図面による説明は省略した。

【００２１】次に、動作について説明する。上述のＥＤ
Ｆの光導波路構造に、ＥＤＦの吸収波長域でありかつ光
通信に用いられる波長が１．５５μｍ付近の光が入射す
る場合について説明する。上述の構造になるＥＤＦにお
いて、光の閉じ込めを含む吸収係数をα［ｄＢ・
ｍ_−１］、長さをＬ［ｍ］とした場合、光の減衰率η
_abs ［ｄＢ］は、 η_abs ＝αＬ （１４） で表される。この減衰率はＥＤＦの吸収係数の入射光波
長に強く依存しているが、波長１．５５μｍ付近では、
おおよそ５［ｄＢ・ｍ_−１］である。本実施例のＥＤＦ
では、Ｌを２［ｍ］とし、減衰率η_abs ＝１０［ｄＢ］
（吸収率としては、９０％）を得ている。従って、光が
ＥＤＦへ入射し始めてから数ｍｓｅｃの間、すなわち過
渡状態においては、励起レベルは十分には占有されてい
ないから、（１４）式に従って、ＥＤＦ内で光は吸収さ
れ、その後段に接続される光部品には光はほとんど到達
しないようになる。これに対して、定常状態において
は、光吸収で生成されるフォトキャリアが発光再結合す
る時間よりも十分に短い時間間隔で次々と光が入射して
くるので、励起レベルは常に占有されていると考えられ
る。従って、ＥＤＦ内で光はほとんど吸収されずに、そ
の後に接続される光部品に正常に光信号が伝達される。

【００２２】上述のように、用いるファイバの光吸収係
数が判れば、減衰率η_abs に応じたファイバ長を設定す
ればよいことが分かる。また、光は２［ｍ］で１０［ｄ
Ｂ］、４［ｍ］で２０［ｄＢ］の消光が得られるので、
例えば、ファイバ長を１０［ｍ］以上に設定しても意味
がなく、逆にファイバ長の後部に到達する光が小さくな
るので、定常状態においても励起レベルは十分に占有さ
れずに、光の透過が不能になるので望ましくない。従っ
て、実用的な光ファイバの長さＬ_eff は、光吸収が５０
〜９０［％］になる長さとして十分と考えられる。よっ
て、 Ｌ_eff ＝１０／α〜３／α ［ｍ］ （１５） を満足するようなファイバの長さＬ_eff を設定すれば、
上述のような光素子保護装置としての機能を十分に達成
できる。

【００２３】以上のように第２の実施形態によれば、本
実施形態による光素子保護装置は、ＥＤＦを使用するも
のであるが、光ファイバ型であるからコネクタ部分での
光の結合損失を極めて小さく構成できる。また、用いる
材料、すなわち光ファイバは石英系のものであるため、
第１の実施形態の光ヒューズの材料の半導体に比べ融点
が非常に高いので、光サージが入射した場合でも、溶融
することがないから、装置自体が破壊してしまって使用
不能になる等のことがない利点がある。

【００２４】まず、上述の第１の実施形態で示した光ヒ
ューズの構造及びその寸法は、本発明を説明するために
例として用いたものであり、その形状及び寸法値に限定
されるものではない。また同時に、基板結晶の面方位あ
るいはストライプの形成方向及びそれぞれの領域の光導
波層（活性層や吸収層などのこと）の形成及び成長方法
には限定されない。また、その光導波層の構造は、多重
量子井戸構造であってもよい。さらに、レーザ領域のス
トライプの脇の埋め込み層には、実施形態に示したポリ
イミドの代わりにＦｅ−ＩｎＰ等の半絶縁性のＩｎＰを
用いることもできる。また、製造工程において使用する
マスクや形成される前述の無反射膜の材料等は、上述の
材料に限定されず、例えば、ＳｉＯｘ、ＳｉＮ等の誘電
体と組合わせて用いることもできる。

【００２５】また、本発明の第２の実施形態では、信号
光波長１．５５μｍ帯を念頭において記述したが、信号
光の波長が１．３μｍ帯である場合には、Ｎｄ（ネオジ
ム）イオン等の適切な希土類遷移元素をドープした光フ
ァイバを使用することができる。さらに、用いるファイ
バの光吸収係数がわかれば、それに応じたファイバ長を
設定すればよいので、ファイバの詳細な寸法まで限定す
るものではない。

【００２６】

【発明の効果】以上のように本発明による光フューズに
よれば、光導波構造を有する半導体素子の光導波路に過
度の大きさの光が入力すると、前記光導波路を構成する
材料が焼損し、前記光導波路の光透過を阻止するように
なっているから、半導体レーザ素子と同じ構造の素子の
端面破壊パワーのレベルを印加電圧によって制御するこ
とが可能であり、これを利用することによって光フュー
ズを構成できる。そして、この光フューズを光伝送回路
に挿入することによって、ワット級のピークパワーを持
つ光サージから次段の光素子を保護することができる効
果がある。

【００２７】また、本発明による光素子保護装置によれ
ば、希土類遷移元素をドープした光ファイバを光サージ
から保護しようとする光素子の前段に設置し、入射する
光に対する吸収係数がαであるような光ファイバの長さ
を１０／α〜３／α［ｍ］の範囲に設定したものである
から、光ファイバ型のためコネクタ部分での光の結合損
失を極めて小さく構成できる。また、用いる材料は石英
系のものであるため、融点が非常に高いので、光サージ
が入射した場合でも、溶融することがなく、装置自体が
破壊してしまって使用不能になる等のことがない利点が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光フューズの第１の実施形態を示
す模式断面図である。

【図２】本発明の光フューズの光の伝搬長Ｌ_abs 及び熱
抵抗Ｒ_thと印加電圧との関係を示す線図である。

【図３】図２から見積もられる熱抵抗Ｒ_thを用いて計算
した結果から印加電圧と端面の破壊パワーとの関係を示
す線図である。

【符号の説明】

１０ ｎ⁻型ＩｎＰクラッド層 ２０ ｕｎｄｏｐｅｄ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層 ３０ ｐ⁻型ＩｎＰ上側クラッド層 ４０ ｐ^＋ＩｎＧａＡｓコンタクト層 ５０ 第１電極 ６０ 第２電極 ７０ 無反射膜 ８０ ポリイミド層 １００ ｎ型Ｉｎ
Ｐ基板

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光導波構造を有する半導体素子によって
   構成され、過度の大きさの光入力があると光導波路の構
   成材料が焼損し、前記光導波路の光透過を阻止すること
   を特徴とする光フューズ。
2. 【請求項２】 前記光導波路を構成する材料の焼損部位
   は、前記光導波路層の光入射端面部分であることを特徴
   とする請求項１記載の光フューズ。
3. 【請求項３】 前記光導波路層に電界を印加する電極を
   有すると共に、前記光導波路層が前記電界印加時の前記
   光導波路層の光吸収係数が増加するような材料によって
   形成されていることを特徴とする請求項１記載の光フュ
   ーズ。
4. 【請求項４】 前記電界の印加によって前記光入射端面
   部分の端面破壊パワーを制御することを特徴とする請求
   項３記載の光フューズ。
5. 【請求項５】 希土類遷移元素をドープした光ファイバ
   であって、光サージから保護しようとする光素子の前段
   に設置され、入射する光に対する吸収係数がα［ｄＢ／
   ｍ］であるような前記光ファイバの長さを１０／α〜３
   ／α［ｍ］の範囲に設定したことを特徴とする光フュー
   ズ及び光素子保護装置。
6. 【請求項６】 前記希土類遷移元素はエルビウムである
   ことを特徴とする請求項１記載の光素子保護装置。