JP4100797B2 - 光増幅装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信用の光増幅装置に関するもので、特に波長分割多重通信システムや伝送距離の長い光海底伝送システム等で用いられる光増幅装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、伝送距離の長い例えば光海底伝送システム等に使用される光増幅装置として、遠隔励起方式の光増幅装置を使用することが提案されている。この遠隔励起方式の光増幅装置は、励起光源を海底に沈めることなく陸上に励起光源を設置できるという利点を有する。ところがこの遠隔励起方式の光増幅装置は、励起光源とエルビウムドープ光ファイバ間の光ファイバの伝送損失によって励起光のパワーが減衰するため、励起光源の出力を大きくする必要がある。そのための一つの手段として波長の異なる複数の励起光を波長合成する方法が提案されている。
【０００３】
また、波長分割多重伝送システムにおいて、多重度を増やし伝送量を増大させようとする試みがなされている。多重度を増やす一つの方法として光ファイバの波長帯域を広げることが考えられるが、通常のエルビウムドープ光ファイバでは最大30nmの利得帯域しか持たず、光ファイバ長を長くして長波長域に帯域を広げても最大60nmしか利得を持たない。以上のことから近年、利得帯域を無限に広げられるRaman増幅への期待が高まっている。しかしながらRaman増幅で帯域を広げるためには複数の異なる波長の励起光が必要であり、励起光の波長合成が必須となる。
【０００４】
以上のように種々の光増幅装置において、複数の波長の励起光源を低い損失で合波する必要がある。従来の励起波長数が少ない場合、例えば３波長程度の場合には誘電体多層膜フィルタが使用されていたが、波長数が４つ以上になると波長数が多くなるにつれ合波損失が大きくなると言う欠点があった。
【０００５】
そこで近年、合波損失を少なくして波長数を増やす一つの方法としてマッハツェンダ合波器を使用することが提案されている。マッハツェンダ合波器は原理的に波長数がいくら増えても、合波損失を少なくできる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、波長合成をする励起波長数が増加し波長間隔が狭まるに従い、マッハツェンダ合波器の結合効率の波長依存性が大きくなり、効率よく合波するために各励起光の中心波長と光合波器の中心波長とを合わせなければならない。また更に、通常は励起光源の波長を安定化させるためのファイバブラッググレーティングやマッハツェンダのような光合波器の中心波長には、屈折率とデバイス長の積に比例しているため屈折率の温度依存性と線膨張により１℃あたり約0.01nm長波長に移動するような温度依存性があり、中心波長を合わせるために、グレーティング及び光合波器のそれぞれに温度補償や温度調節の必要があった。そのために部品点数が増加し、長期信頼性が低下したり価格が上昇したりする課題が発生していた。
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明ではグレーティング及び光合波器に温度補償や温度調節をせずに中心波長を合わせ効率よく励起光を合波でき、合波後の励起光強度の温度依存性が少ない光増幅装置を提供することを目的としている。それにより部品点数の削減が可能であり、長期信頼性が向上しかつ廉価な光増幅装置を提供できる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、以下のような構成になっている。本発明のうち請求項１記載の光増幅装置は、増幅用光ファイバと、異なる波長の励起光を発生させる複数の励起光源と、前記各励起光源と一対一に接続され前記励起光の発振波長を安定化させるための互いに反射中心波長が異なる複数のファイバブラッググレーティング光反射器と、前記各励起光源の励起光を合波するためのマッハツェンダ型の光合波器と、前記光合波器からの励起光を前記増幅用の光ファイバを透過する信号光に合波するための光カプラを有する光増幅装置であって、前記複数のファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器は、その使用波長帯域内で温度変化に対する中心波長変化の微分係数がほぼ等しい材料で形成され、さらに、前記ファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器はその中心波長が、屈折率とデバイス特性を特徴付ける特定の長さの積に比例するように形成され、かつ、前記ファイバブラッググレーティング反射器とマッハツェンダ型の合波器のすべてについて、その中心波長を使用環境温度範囲内の所定の同じ環境温度下で合わせたものを選択して構成し、さらに、複数の前記ファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器のすべてを同一パッケージ内に封入して、複数の前記ファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器がほぼ同じ温度環境で動作するようにしたことを特徴とする。
【０００９】
本発明のうち請求項２記載の光増幅装置は、前記マッハツェンダ型の合波器が、溶融ファイバカプラで構成されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明のうち請求項３記載の光増幅装置は、前記マッハツェンダ型の合波器が、基板上に形成されたガラス型光導波路で構成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明のうち請求項４記載の光増幅装置は、増幅用光ファイバと、異なる波長の励起光を発生させる複数の励起光源と、前記各励起光源と一対一に接続され前記励起光の発振波長を安定化させるための互いに反射中心波長が異なる複数のファイバブラッググレーティング光反射器と、前記各励起光源の励起光を合波するためのマッハツェンダ型の光合波器と、前記光合波器からの励起光を前記増幅用の光ファイバを透過する信号光に合波するための光カプラを有する光増幅装置であって、前記複数のファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器は、その使用波長帯域内で温度変化に対する中心波長変化の微分係数がほぼ等しい材料で形成され、
さらに、前記ファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器はその中心波長が、屈折率とデバイス特性を特徴付ける特定の長さの積に比例するように形成されており、かつ、前記マッハツェンダ型の合波器をすべて、同一基板上に形成した複数のガラス製導波路で構成し、前記複数のファイバブラッググレーティング光反射器を前記マッハツェンダ型の合波器と同じ前記ガラス製導波路の一部にブラッググレーティングを形成することにより、複数の前記ファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器の全てを同一基板上に形成して、複数の前記ファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器が同一温度環境下で動作するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
本発明のうち請求項５記載の光増幅装置は、増幅用光ファイバがエルビウムドープ光ファイバで構成され、励起光の発振波長は１４５０ nm から１５００ nm の間の少なくとも２以上の波長であることを特徴とする。
【００１３】
本発明のうち請求項６記載の光増幅装置は、増幅用光ファイバは誘導ラマン利得を有する光ファイバで構成され、かつ励起光の発振波長は最大のものと最小のものの周波数差を１３ TH ｚ以下にしたことを特徴とする。
【００１４】
次に本発明の光増幅装置の作用について説明する。本発明のうち請求項１記載の光増幅装置では、図１における光反射器３と光合波器４を光路長の温度依存性がほぼ同じ材料で形成され、かつ同一環境温度に保持されている。このような光増幅装置において光反射器３と光合波器４の中心波長を同じ環境温度下で合わせたものを選択することにより、図５に示すように環境温度が変化しても励起光の中心波長と光合波器の中心波長とが同じだけシフトし両者のずれは少ない。このことにより温度補償や温度調整無しで励起光を効率よく合波することが可能となる。また、この光増幅装置では、励起波長を安定化させるための光反射器と前記励起光源からの励起光を合波するための光合波器を、それぞれの中心波長が屈折率とデバイス特性を決定付ける特定の長さとの積に比例するようなデバイスで形成している。そのようなデバイスでは中心波長λと中心波長の温度依存性（微分係数） d λ／ Dt にそれぞれ次式の関係が成り立つ。
【００１５】
λ = k ・ n Ｌ ・・・ (1)
d λ／ dT = λ／ n ・ dn ／ dT + λ／ L ・ dL ／ dT
= λ／ n ・ dn ／ dT + λα ・・・ (2)
ここで
k ：比例定数
n ：屈折率
L ：デバイス特性を決定付ける特定の長さ
α：線膨張係数
【００１６】
従って、光反射器と光合波器との両者の中心波長を温度で微分した温度依存性（微分係数） d λ／ dT は、比例定数 k に関わらず同様の式で表される。さらに光反射器と光合波器との両者を SiO2 単体のガラスまたは SiO2 を主成分としたガラスで形成することにより、屈折率の温度勾配 dn/dT が約１× 10-5 ／℃、線膨張係数が 4 〜 20 × 10-7 ／℃となり、光反射器と光合波器との両者の中心波長の温度依存性 d λ／ dT がほぼ同様の値を示す。従って環境温度が変化しても励起光の中心波長と光合波器の中心波長とが同じだけシフトし両者のずれは少なくなり、従って同一の温度環境下で中心波長を一致させておけば、温度補償や温度調整をしなくても両者の中心波長は常に一致しており励起光を効率よく合波することが可能となる。
【００１７】
また、本発明の請求項１乃至６に記載の光増幅装置はすべて、前記励起波長を安定化させるための光反射器として、ブラッググレーティングを形成した光ファイバを使用している。ファイバブラッククレーティングにおける特性を決定する特定の長さとは、図２に示すグレーティングピッチΛのことである。ファイバブラッググレーティングの中心波長λは以下の式で表される。
λ = 2n ・Λ ・・・ (3)
ここで Λ：グレーティングのピッチ長
【００１８】
(3) 式は (1) 式と同じ形態の式であり、従って中心波長の温度依存性は (2) 式で表される。従って環境温度が変化しても励起光の中心波長と光合波器の中心波長とが同じだけシフトし両者のずれは少なくなり、温度補償や温度調整無しで励起光を効率よく合波することが可能となる。
【００１９】
本発明の請求項１乃至６に記載の光増幅装置はすべて、励起光を合波するための光合波器としてマッハツェンダ合波器を使用している。マッハツェンダ合成器における特性を決定する特定の長さとは、図３に示す２つのアームの光路長差ΔＬのことである。マッハツェンダ合波器の中心波長λは以下の式で表される。
λ = n ・ΔＬ／ m ・・・ (4)
ここで m ：マッハツェンダ干渉計の次数（整数または整数の 1/2 倍）
【００２０】
(4) 式は (1) 式と同じ形態の式であり、従って中心波長の温度依存性は (2) 式で表される。従って環境温度が変化しても励起光の中心波長と光合波器の中心波長とが同じだけシフトし両者のずれは少なくなり、温度補償や温度調整無しで励起光を効率よく合波することが可能となる。
【００２１】
本発明のうち請求項５記載の光増幅装置では、増幅用光ファイバとしてエルビウムドープ光ファイバを用い、励起光の波長としてエルビウムの吸収がある波長域 1450nm から 1500nm 間の少なくとも二つ以上の波長を選択している。複数の励起波長を用いることで励起光強度を高めることができる。
【００２２】
本発明のうち請求項９記載の光増幅装置では、増幅用光ファイバとして誘導ラマン利得を有する光ファイバを用い、励起光の波長として最大のものと最小のものの周波数差を 13 THz 以下にしている。 SiO2 を主成分とするガラスではラマン利得は励起波長から 13 THz だけ低周波側（長波長側）に得られる。従って複数の励起光の波長域を 13 THz 以上にすると励起光と信号光が重複し信号光の波形劣化が起こる。そのために本発明では励起光の波長として最大のものと最小のものの周波数差を 13 THz 以下としている。このようにラマン増幅を用いることにより波長の多重度を増加できる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
［実施形態１］
図６は本発明の第１の実施形態であり、信号入力光ファイバ17と、光アイソレータ18と、増幅用エルビウムドープ光ファイバ６と、励起光源としてのファブリペロー型の半導体レーザ101,102,103,104と、励起光の発振波長を安定化するための光反射器としてのファイバブラッググレーティング301、302、303、304と、励起光を合波するための光合波器４と、励起光と信号光を合波（または分波）するための光カプラ５で形成されている。信号光の波長帯域としてエルビウムドープ光ファイバで効率よく増幅される1530から1560nmの波長を選択した。
【００３０】
励起光源１としてファブリペロー型の半導体レーザ101,102,103,104が使用されており、波長安定化用の光反射器３としてはファイバブラッググレーティング301、302、303、304が使用され外部共振器として作用する。ここで半導体レーザの発振波長とそれに接続されたファイバグレーティングの反射中心波長はそれぞれ同じであり、半導体レーザ101とファイバグレーティング301は波長1450nmに中心を持ち、半導体レーザ102とファイバグレーティング302は1480nmに、半導体レーザ103とファイバグレーティング303は1495nmに、半導体レーザ104とファイバグレーティング304は1465nmにそれぞれ中心を持つ。なお本実施例ではグレーティング形成に使用される光ファイバとしてシングルモード光ファイバを用いている。シングルモード光ファイバはクラッドとしてSiO2を、コアとしてSiO2を主成分としGeO2を添加したガラスで形成されている。さらにブラッググレーティングは高圧水素処理と紫外線照射を併用して作製されている。
【００３１】
さらに光合波器４として、基板14上に形成された光導波路15で構成されるマッハツェンダ合波器12を３個用いている。マッハツェンダ合波器12の各入力ポートはそれぞれ1450, 1480, 1495, 1465nmに中心を持つ。なおここで光導波路は図７に示す断面図のように火炎堆積法（例えば、N.Takato et al, J.Lightwave Tech. , vol6, pp.1003-1010, 1988参照のこと）を用いて、Si基板上にクラッド層19とコア回路20を形成し、さらにクラッド層21で埋め込まれた構造を持つ。それぞれの層は全てSiO2を主成分とするガラスであり、クラッド層にはB2O3, P2O5がドーパントとして添加されており、コア層にはB2O3, P2O5, TiO2がドーパントとして添加されている。
【００３２】
以上のように光反射器３と光合波器４はSiO2を主成分とするガラスで作製されており、ほぼ同様の温度特性を持つ。従って同一パッケージ７中に両者を入れることで、同一環境温度下に保持され両者の中心波長は、温度が変化しても同じように変化し、そのずれは少なくなる。
【００３３】
光合波器の中心波長とファイバグレーティング付き半導体レーザの発振波長の温度依存性を図８に示す。この図から光合波器の中心波長と発振波長は温度に対してほぼ同じ傾きで変化していることがわかる。このことは、光合波器及びファイバグレーティングの両者を共にSiO2を主成分とするガラスで作製されていることから、両者がほぼ同じ温度特性を持つために起こる。
【００３４】
図９に光合波器から出力される光強度の温度依存性を示す。ただしこの図で使用した光合波器とファイバグレーティングは20℃の環境温度で中心波長が合うようなものを選んだ。光合波器のみの環境温度を変化させた場合に比べ、両者の環境温度を同じように変化させた方が出力強度の温度変化が少ないことがわかる。以上のことから、ある温度で両者の中心波長が合うようにすれば、環境温度の変化に関わらず効率よく合波できることがわかる。
【００３５】
［実施形態２］
図10は本発明の第２の実施形態を示す図である。光合波器４として溶融ファイバカプラ13を使用したマッハツェンダ型合波器12を用いている。溶融ファイバカプラの光ファイバとして、クラッドにSiO2のみで形成されたガラスを、コアにSiO2を主成分としGeO2を添加したガラスで形成されたシングルモード光ファイバを用いている。その他の構成は図６に示す実施形態１の光増幅装置と同様であり詳細な説明を省く。
【００３６】
本実施形態においてはファイバグレーティング１６及び光合波器４にほとんど同一組成のシングルモード光ファイバを使用しており、両者は全く同じ温度特性を持つ。従ってある温度で両者の中心波長が合うようにすれば、環境温度の変化に関わらず効率よく励起光を合波できる。
【００３７】
［実施形態３］
図11は本発明の第３の実施形態を示す図である。光合波器４として基板14上に形成された光導波路15で構成されるマッハツェンダ合波器12を３個用いている。さらに光合波器それぞれの入射導波路に直接ブラッググレーティング１６が書き込まれている。その他の構成は図６に示す実施形態１の光増幅装置と同様であり詳細な説明を省く。
【００３８】
本実施形態においてはグレーティング16と光合波器４を同一の光導波路で形成しており、両者は全く同じ温度特性を持つ。さらに同一基板上に形成しているため特別なパッケージを使用することなく同一の環境温度に保持される。従ってある温度で両者の中心波長が合うようにすれば、環境温度の変化に関わらず効率よく励起光を合波できる。
【００３９】
［実施形態４］
本発明の第４の実施形態は、図６と同じであるが、増幅用光ファイバ６としてラマン利得を持つ光ファイバで構成されている。その他の構成は実施形態１の光増幅装置と同様であり詳細な説明を省く。
【００４０】
ここで半導体レーザの発振波長とそれに接続されたファイバグレーティングの反射中心波長はそれぞれ同じであり、半導体レーザ101とファイバグレーティング301は波長1420nmに中心を持ち、半導体レーザ102とファイバグレーティング302は1480nmに、半導体レーザ103とファイバグレーティング303は1510nmに、半導体レーザ104とファイバグレーティング304は1450nmにそれぞれ中心を持つように設定した。励起光の最長波長と最短波長の差が13 THz以下であるため、ラマン効果により増幅できる信号光の波長は1513nmから1615nmとなり励起光と信号光が重複することがない。このような構成により100nm以上の広帯域で光増幅が可能となる。
【００４１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の光増幅装置では、励起波長を安定化させるための光反射器と励起光を合波するための光合波器とをほぼ同一の温度特性を持つ材料で形成し、前記励起波長を安定化させるための光反射器と前記励起光源からの励起光を合波するための光合波器との両者の中心波長を同じ環境温度下で合わせ、かつ両者をほぼ同一の環境温度下で使用することにより、周囲の環境温度の変化に関わらず両者の中心波長は同じ値になるため複数の励起光を効率よく合波することが可能となる。このことにより、合波後の励起光強度の温度依存性が少ない光増幅装置を提供でき、エルビウムドープ光ファイバやラマン利得を持つ光ファイバ等の増幅用光ファイバを高強度・広帯域の励起光で励起することが可能であり、様々な光伝送システムに適応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の光増幅装置の概略を示すブロック図
【図２】 ファイバブラッググレーティングを示した説明図
【図３】 マッハツェンダ合波器を示した説明図
【図４】 ファイバカプラを示した説明図
【図５】 温度変化による中心波長のシフトを示す説明図
【図６】 本発明の実施形態1の光増幅装置を示すブロック図
【図７】 本発明の実施形態1の光導波路の断面を示す説明図
【図８】 本発明の実施形態1の光増幅装置で使用されている光合波器とレーザの中心波長が同様の温度特性を持つことを示す説明図
【図９】 本発明の実施形態1の光増幅装置において合波後の励起出力の温度依存性が小さいことを示す説明図
【図１０】 本発明の実施形態２の光増幅装置を示すブロック図
【図１１】 本発明の実施形態３の光増幅装置を示すブロック図
【符号の説明】
１ 励起光源
２ 励起光
３ 励起波長を安定化するための光反射器
４ 複数の励起光を合波するための光合波器
５ 信号光と励起光とを合波するための光カプラ
６ 増幅用光ファイバ
７ 光反射器３と光合波器４を同一環境温度に保つための同一パッケージ
18 光アイソレータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信用の光増幅装置に関するもので、特に波長分割多重通信システムや伝送距離の長い光海底伝送システム等で用いられる光増幅装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、伝送距離の長い例えば光海底伝送システム等に使用される光増幅装置として、遠隔励起方式の光増幅装置を使用することが提案されている。この遠隔励起方式の光増幅装置は、励起光源を海底に沈めることなく陸上に励起光源を設置できるという利点を有する。ところがこの遠隔励起方式の光増幅装置は、励起光源とエルビウムドープ光ファイバ間の光ファイバの伝送損失によって励起光のパワーが減衰するため、励起光源の出力を大きくする必要がある。そのための一つの手段として波長の異なる複数の励起光を波長合成する方法が提案されている。
【０００３】
また、波長分割多重伝送システムにおいて、多重度を増やし伝送量を増大させようとする試みがなされている。多重度を増やす一つの方法として光ファイバの波長帯域を広げることが考えられるが、通常のエルビウムドープ光ファイバでは最大30nmの利得帯域しか持たず、光ファイバ長を長くして長波長域に帯域を広げても最大60nmしか利得を持たない。以上のことから近年、利得帯域を無限に広げられるRaman増幅への期待が高まっている。しかしながらRaman増幅で帯域を広げるためには複数の異なる波長の励起光が必要であり、励起光の波長合成が必須となる。
【０００４】
以上のように種々の光増幅装置において、複数の波長の励起光源を低い損失で合波する必要がある。従来の励起波長数が少ない場合、例えば３波長程度の場合には誘電体多層膜フィルタが使用されていたが、波長数が４つ以上になると波長数が多くなるにつれ合波損失が大きくなると言う欠点があった。
【０００５】
そこで近年、合波損失を少なくして波長数を増やす一つの方法としてマッハツェンダ合波器を使用することが提案されている。マッハツェンダ合波器は原理的に波長数がいくら増えても、合波損失を少なくできる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、波長合成をする励起波長数が増加し波長間隔が狭まるに従い、マッハツェンダ合波器の結合効率の波長依存性が大きくなり、効率よく合波するために各励起光の中心波長と光合波器の中心波長とを合わせなければならない。また更に、通常は励起光源の波長を安定化させるためのファイバブラッググレーティングやマッハツェンダのような光合波器の中心波長には、屈折率とデバイス長の積に比例しているため屈折率の温度依存性と線膨張により１℃あたり約0.01nm長波長に移動するような温度依存性があり、中心波長を合わせるために、グレーティング及び光合波器のそれぞれに温度補償や温度調節の必要があった。そのために部品点数が増加し、長期信頼性が低下したり価格が上昇したりする課題が発生していた。
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明ではグレーティング及び光合波器に温度補償や温度調節をせずに中心波長を合わせ効率よく励起光を合波でき、合波後の励起光強度の温度依存性が少ない光増幅装置を提供することを目的としている。それにより部品点数の削減が可能であり、長期信頼性が向上しかつ廉価な光増幅装置を提供できる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、以下のような構成になっている。本発明のうち請求項１記載の光増幅装置は、増幅用光ファイバと、異なる波長の励起光を発生させる複数の励起光源と、前記各励起光源と一対一に接続され前記励起光の発振波長を安定化させるための互いに反射中心波長が異なる複数のファイバブラッググレーティング光反射器と、前記各励起光源の励起光を合波するためのマッハツェンダ型の光合波器と、前記光合波器からの励起光を前記増幅用の光ファイバを透過する信号光に合波するための光カプラを有する光増幅装置であって、前記複数のファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器は、その使用波長帯域内で温度変化に対する中心波長変化の微分係数がほぼ等しい材料で形成され、さらに、前記ファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器はその中心波長が、屈折率とデバイス特性を特徴付ける特定の長さの積に比例するように形成され、かつ、前記ファイバブラッググレーティング反射器とマッハツェンダ型の合波器のすべてについて、その中心波長を使用環境温度範囲内の所定の同じ環境温度下で合わせたものを選択して構成し、さらに、複数の前記ファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器のすべてを同一パッケージ内に封入して、複数の前記ファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器がほぼ同じ温度環境で動作するようにしたことを特徴とする。
【０００９】
本発明のうち請求項２記載の光増幅装置は、前記マッハツェンダ型の合波器が、溶融ファイバカプラで構成されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明のうち請求項３記載の光増幅装置は、前記マッハツェンダ型の合波器が、基板上に形成されたガラス型光導波路で構成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明のうち請求項４記載の光増幅装置は、増幅用光ファイバと、異なる波長の励起光を発生させる複数の励起光源と、前記各励起光源と一対一に接続され前記励起光の発振波長を安定化させるための互いに反射中心波長が異なる複数のファイバブラッググレーティング光反射器と、前記各励起光源の励起光を合波するためのマッハツェンダ型の光合波器と、前記光合波器からの励起光を前記増幅用の光ファイバを透過する信号光に合波するための光カプラを有する光増幅装置であって、前記複数のファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器は、その使用波長帯域内で温度変化に対する中心波長変化の微分係数がほぼ等しい材料で形成され、
さらに、前記ファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器はその中心波長が、屈折率とデバイス特性を特徴付ける特定の長さの積に比例するように形成されており、かつ、前記マッハツェンダ型の合波器をすべて、同一基板上に形成した複数のガラス製導波路で構成し、前記複数のファイバブラッググレーティング光反射器を前記マッハツェンダ型の合波器と同じ前記ガラス製導波路の一部にブラッググレーティングを形成することにより、複数の前記ファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器の全てを同一基板上に形成して、複数の前記ファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器が同一温度環境下で動作するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
本発明のうち請求項５記載の光増幅装置は、増幅用光ファイバがエルビウムドープ光ファイバで構成され、励起光の発振波長は１４５０ nm から１５００ nm の間の少なくとも２以上の波長であることを特徴とする。
【００１３】
本発明のうち請求項６記載の光増幅装置は、増幅用光ファイバは誘導ラマン利得を有する光ファイバで構成され、かつ励起光の発振波長は最大のものと最小のものの周波数差を１３ TH ｚ以下にしたことを特徴とする。
【００１４】
次に本発明の光増幅装置の作用について説明する。本発明のうち請求項１記載の光増幅装置では、図１における光反射器３と光合波器４を光路長の温度依存性がほぼ同じ材料で形成され、かつ同一環境温度に保持されている。このような光増幅装置において光反射器３と光合波器４の中心波長を同じ環境温度下で合わせたものを選択することにより、図５に示すように環境温度が変化しても励起光の中心波長と光合波器の中心波長とが同じだけシフトし両者のずれは少ない。このことにより温度補償や温度調整無しで励起光を効率よく合波することが可能となる。また、この光増幅装置では、励起波長を安定化させるための光反射器と前記励起光源からの励起光を合波するための光合波器を、それぞれの中心波長が屈折率とデバイス特性を決定付ける特定の長さとの積に比例するようなデバイスで形成している。そのようなデバイスでは中心波長λと中心波長の温度依存性（微分係数） d λ／ Dt にそれぞれ次式の関係が成り立つ。
【００１５】
λ = k ・ n Ｌ ・・・ (1)
d λ／ dT = λ／ n ・ dn ／ dT + λ／ L ・ dL ／ dT
= λ／ n ・ dn ／ dT + λα ・・・ (2)
ここで
k ：比例定数
n ：屈折率
L ：デバイス特性を決定付ける特定の長さ
α：線膨張係数
【００１６】
従って、光反射器と光合波器との両者の中心波長を温度で微分した温度依存性（微分係数） d λ／ dT は、比例定数 k に関わらず同様の式で表される。さらに光反射器と光合波器との両者を SiO2 単体のガラスまたは SiO2 を主成分としたガラスで形成することにより、屈折率の温度勾配 dn/dT が約１× 10-5 ／℃、線膨張係数が 4 〜 20 × 10-7 ／℃となり、光反射器と光合波器との両者の中心波長の温度依存性 d λ／ dT がほぼ同様の値を示す。従って環境温度が変化しても励起光の中心波長と光合波器の中心波長とが同じだけシフトし両者のずれは少なくなり、従って同一の温度環境下で中心波長を一致させておけば、温度補償や温度調整をしなくても両者の中心波長は常に一致しており励起光を効率よく合波することが可能となる。
【００１７】
また、本発明の請求項１乃至６に記載の光増幅装置はすべて、前記励起波長を安定化させるための光反射器として、ブラッググレーティングを形成した光ファイバを使用している。ファイバブラッククレーティングにおける特性を決定する特定の長さとは、図２に示すグレーティングピッチΛのことである。ファイバブラッググレーティングの中心波長λは以下の式で表される。
λ = 2n ・Λ ・・・ (3)
ここで Λ：グレーティングのピッチ長
【００１８】
(3) 式は (1) 式と同じ形態の式であり、従って中心波長の温度依存性は (2) 式で表される。従って環境温度が変化しても励起光の中心波長と光合波器の中心波長とが同じだけシフトし両者のずれは少なくなり、温度補償や温度調整無しで励起光を効率よく合波することが可能となる。
【００１９】
本発明の請求項１乃至６に記載の光増幅装置はすべて、励起光を合波するための光合波器としてマッハツェンダ合波器を使用している。マッハツェンダ合成器における特性を決定する特定の長さとは、図３に示す２つのアームの光路長差ΔＬのことである。マッハツェンダ合波器の中心波長λは以下の式で表される。
λ = n ・ΔＬ／ m ・・・ (4)
ここで m ：マッハツェンダ干渉計の次数（整数または整数の 1/2 倍）
【００２０】
(4) 式は (1) 式と同じ形態の式であり、従って中心波長の温度依存性は (2) 式で表される。従って環境温度が変化しても励起光の中心波長と光合波器の中心波長とが同じだけシフトし両者のずれは少なくなり、温度補償や温度調整無しで励起光を効率よく合波することが可能となる。
【００２１】
本発明のうち請求項５記載の光増幅装置では、増幅用光ファイバとしてエルビウムドープ光ファイバを用い、励起光の波長としてエルビウムの吸収がある波長域 1450nm から 1500nm 間の少なくとも二つ以上の波長を選択している。複数の励起波長を用いることで励起光強度を高めることができる。
【００２２】
本発明のうち請求項９記載の光増幅装置では、増幅用光ファイバとして誘導ラマン利得を有する光ファイバを用い、励起光の波長として最大のものと最小のものの周波数差を 13 THz 以下にしている。 SiO2 を主成分とするガラスではラマン利得は励起波長から 13 THz だけ低周波側（長波長側）に得られる。従って複数の励起光の波長域を 13 THz 以上にすると励起光と信号光が重複し信号光の波形劣化が起こる。そのために本発明では励起光の波長として最大のものと最小のものの周波数差を 13 THz 以下としている。このようにラマン増幅を用いることにより波長の多重度を増加できる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
［実施形態１］
図６は本発明の第１の実施形態であり、信号入力光ファイバ17と、光アイソレータ18と、増幅用エルビウムドープ光ファイバ６と、励起光源としてのファブリペロー型の半導体レーザ101,102,103,104と、励起光の発振波長を安定化するための光反射器としてのファイバブラッググレーティング301、302、303、304と、励起光を合波するための光合波器４と、励起光と信号光を合波（または分波）するための光カプラ５で形成されている。信号光の波長帯域としてエルビウムドープ光ファイバで効率よく増幅される1530から1560nmの波長を選択した。
【００３０】
励起光源１としてファブリペロー型の半導体レーザ101,102,103,104が使用されており、波長安定化用の光反射器３としてはファイバブラッググレーティング301、302、303、304が使用され外部共振器として作用する。ここで半導体レーザの発振波長とそれに接続されたファイバグレーティングの反射中心波長はそれぞれ同じであり、半導体レーザ101とファイバグレーティング301は波長1450nmに中心を持ち、半導体レーザ102とファイバグレーティング302は1480nmに、半導体レーザ103とファイバグレーティング303は1495nmに、半導体レーザ104とファイバグレーティング304は1465nmにそれぞれ中心を持つ。なお本実施例ではグレーティング形成に使用される光ファイバとしてシングルモード光ファイバを用いている。シングルモード光ファイバはクラッドとしてSiO2を、コアとしてSiO2を主成分としGeO2を添加したガラスで形成されている。さらにブラッググレーティングは高圧水素処理と紫外線照射を併用して作製されている。
【００３１】
さらに光合波器４として、基板14上に形成された光導波路15で構成されるマッハツェンダ合波器12を３個用いている。マッハツェンダ合波器12の各入力ポートはそれぞれ1450, 1480, 1495, 1465nmに中心を持つ。なおここで光導波路は図７に示す断面図のように火炎堆積法（例えば、N.Takato et al, J.Lightwave Tech. , vol6, pp.1003-1010, 1988参照のこと）を用いて、Si基板上にクラッド層19とコア回路20を形成し、さらにクラッド層21で埋め込まれた構造を持つ。それぞれの層は全てSiO2を主成分とするガラスであり、クラッド層にはB2O3, P2O5がドーパントとして添加されており、コア層にはB2O3, P2O5, TiO2がドーパントとして添加されている。
【００３２】
以上のように光反射器３と光合波器４はSiO2を主成分とするガラスで作製されており、ほぼ同様の温度特性を持つ。従って同一パッケージ７中に両者を入れることで、同一環境温度下に保持され両者の中心波長は、温度が変化しても同じように変化し、そのずれは少なくなる。
【００３３】
光合波器の中心波長とファイバグレーティング付き半導体レーザの発振波長の温度依存性を図８に示す。この図から光合波器の中心波長と発振波長は温度に対してほぼ同じ傾きで変化していることがわかる。このことは、光合波器及びファイバグレーティングの両者を共にSiO2を主成分とするガラスで作製されていることから、両者がほぼ同じ温度特性を持つために起こる。
【００３４】
図９に光合波器から出力される光強度の温度依存性を示す。ただしこの図で使用した光合波器とファイバグレーティングは20℃の環境温度で中心波長が合うようなものを選んだ。光合波器のみの環境温度を変化させた場合に比べ、両者の環境温度を同じように変化させた方が出力強度の温度変化が少ないことがわかる。以上のことから、ある温度で両者の中心波長が合うようにすれば、環境温度の変化に関わらず効率よく合波できることがわかる。
【００３５】
［実施形態２］
図10は本発明の第２の実施形態を示す図である。光合波器４として溶融ファイバカプラ13を使用したマッハツェンダ型合波器12を用いている。溶融ファイバカプラの光ファイバとして、クラッドにSiO2のみで形成されたガラスを、コアにSiO2を主成分としGeO2を添加したガラスで形成されたシングルモード光ファイバを用いている。その他の構成は図６に示す実施形態１の光増幅装置と同様であり詳細な説明を省く。
【００３６】
本実施形態においてはファイバグレーティング１６及び光合波器４にほとんど同一組成のシングルモード光ファイバを使用しており、両者は全く同じ温度特性を持つ。従ってある温度で両者の中心波長が合うようにすれば、環境温度の変化に関わらず効率よく励起光を合波できる。
【００３７】
［実施形態３］
図11は本発明の第３の実施形態を示す図である。光合波器４として基板14上に形成された光導波路15で構成されるマッハツェンダ合波器12を３個用いている。さらに光合波器それぞれの入射導波路に直接ブラッググレーティング１６が書き込まれている。その他の構成は図６に示す実施形態１の光増幅装置と同様であり詳細な説明を省く。
【００３８】
本実施形態においてはグレーティング16と光合波器４を同一の光導波路で形成しており、両者は全く同じ温度特性を持つ。さらに同一基板上に形成しているため特別なパッケージを使用することなく同一の環境温度に保持される。従ってある温度で両者の中心波長が合うようにすれば、環境温度の変化に関わらず効率よく励起光を合波できる。
【００３９】
［実施形態４］
本発明の第４の実施形態は、図６と同じであるが、増幅用光ファイバ６としてラマン利得を持つ光ファイバで構成されている。その他の構成は実施形態１の光増幅装置と同様であり詳細な説明を省く。
【００４０】
ここで半導体レーザの発振波長とそれに接続されたファイバグレーティングの反射中心波長はそれぞれ同じであり、半導体レーザ101とファイバグレーティング301は波長1420nmに中心を持ち、半導体レーザ102とファイバグレーティング302は1480nmに、半導体レーザ103とファイバグレーティング303は1510nmに、半導体レーザ104とファイバグレーティング304は1450nmにそれぞれ中心を持つように設定した。励起光の最長波長と最短波長の差が13 THz以下であるため、ラマン効果により増幅できる信号光の波長は1513nmから1615nmとなり励起光と信号光が重複することがない。このような構成により100nm以上の広帯域で光増幅が可能となる。
【００４１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の光増幅装置では、励起波長を安定化させるための光反射器と励起光を合波するための光合波器とをほぼ同一の温度特性を持つ材料で形成し、前記励起波長を安定化させるための光反射器と前記励起光源からの励起光を合波するための光合波器との両者の中心波長を同じ環境温度下で合わせ、かつ両者をほぼ同一の環境温度下で使用することにより、周囲の環境温度の変化に関わらず両者の中心波長は同じ値になるため複数の励起光を効率よく合波することが可能となる。このことにより、合波後の励起光強度の温度依存性が少ない光増幅装置を提供でき、エルビウムドープ光ファイバやラマン利得を持つ光ファイバ等の増幅用光ファイバを高強度・広帯域の励起光で励起することが可能であり、様々な光伝送システムに適応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の光増幅装置の概略を示すブロック図
【図２】 ファイバブラッググレーティングを示した説明図
【図３】 マッハツェンダ合波器を示した説明図
【図４】 ファイバカプラを示した説明図
【図５】 温度変化による中心波長のシフトを示す説明図
【図６】 本発明の実施形態1の光増幅装置を示すブロック図
【図７】 本発明の実施形態1の光導波路の断面を示す説明図
【図８】 本発明の実施形態1の光増幅装置で使用されている光合波器とレーザの中心波長が同様の温度特性を持つことを示す説明図
【図９】 本発明の実施形態1の光増幅装置において合波後の励起出力の温度依存性が小さいことを示す説明図
【図１０】 本発明の実施形態２の光増幅装置を示すブロック図
【図１１】 本発明の実施形態３の光増幅装置を示すブロック図
【符号の説明】
１ 励起光源
２ 励起光
３ 励起波長を安定化するための光反射器
４ 複数の励起光を合波するための光合波器
５ 信号光と励起光とを合波するための光カプラ
６ 増幅用光ファイバ
７ 光反射器３と光合波器４を同一環境温度に保つための同一パッケージ
18 光アイソレータ
Claims (6)
- 増幅用光ファイバと、異なる波長の励起光を発生させる複数の励起光源と、前記各励起光源と一対一に接続され前記励起光の発振波長を安定化させるための互いに反射中心波長が異なる複数のファイバブラッググレーティング光反射器と、前記各励起光源の励起光を合波するためのマッハツェンダ型の光合波器と、前記光合波器からの励起光を前記増幅用の光ファイバを透過する信号光に合波するための光カプラを有する光増幅装置であって、
前記複数のファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器は、その使用波長帯域内で温度変化に対する中心波長変化の微分係数がほぼ等しい材料で形成され、
さらに、前記ファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器はその中心波長が、屈折率とデバイス特性を特徴付ける特定の長さの積に比例するように形成され、
かつ、前記ファイバブラッググレーティング反射器とマッハツェンダ型の合波器のすべてについて、その中心波長を使用環境温度範囲内の所定の同じ環境温度下で合わせたものを選択して構成し、
さらに、複数の前記ファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器のすべてを同一パッケージ内に封入して、複数の前記ファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器がほぼ同じ温度環境で動作するようにしたことを特徴とする光増幅装置。 - 前記マッハツェンダ型の合波器は、溶融ファイバカプラで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光増幅装置。
- 前記マッハツェンダ型の合波器は、基板上に形成されたガラス型光導波路で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光増幅装置。
- 増幅用光ファイバと、異なる波長の励起光を発生させる複数の励起光源と、前記各励起光源と一対一に接続され前記励起光の発振波長を安定化させるための互いに反射中心波長が異なる複数のファイバブラッググレーティング光反射器と、前記各励起光源の励起光を合波するためのマッハツェンダ型の光合波器と、前記光合波器からの励起光を前記増幅用の光ファイバを透過する信号光に合波するための光カプラを有する光増幅装置であって、
前記複数のファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器は、その使用波長帯域内で温度変化に対する中心波長変化の微分係数がほぼ等しい材料で形成され、
さらに、前記ファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器はその中心波長が、屈折率とデバイス特性を特徴付ける特定の長さの積に比例するように形成されており、
かつ、前記マッハツェンダ型の合波器をすべて、同一基板上に形成した複数のガラス製導波路で構成し、前記複数のファイバブラッググレーティング光反射器を前記マッハツェンダ型の合波器と同じ前記ガラス製導波路の一部にブラッググレーティングを形成することにより、複数の前記ファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器の全てを同一基板上に形成して、複数の前記ファイバブラッググレーティング光反射器と前記マッハツェンダ型の光合波器が同一温度環境下で動作するようにしたことを特徴とする光増幅装置。 - 増幅用光ファイバはエルビウムドープ光ファイバで構成され、励起光の発振波長は１４５０ nm から１５００ nm の間の少なくとも２以上の波長であることを特徴とする請求項１または４に記載の光増幅装置。
- 増幅用光ファイバは誘導ラマン利得を有する光ファイバで構成され、かつ励起光の発振波長は最大のものと最小のものの周波数差を１３ TH ｚ以下にしたことを特徴とする請求項１または４に記載の光増幅装置。
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