(57)【要約】光増幅器（２００）が、入力光信号を受け付ける入力手段（１１７）と、ポンプビームを生成するビーム生成手段（１０１）と、入力手段からの光信号及びビーム生成手段からのポンプビームを受け付ける導波路手段（１１３）とを備え、この導波路手段（１１３）が、誘導放出を行うように導波路手段（１１３）を駆動するために使用される受信されたポンプビームを吸収して、受信された光信号を誘導放出を用いて増幅できるように配列され、ビーム生成手段（１０１）が垂直キャビティ面発光レーザであることを特徴とする。
2006505117.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された光信号を受け付ける入力手段と、
ポンプビームを生成するビーム生成手段と、
前記入力手段からの光信号と前記ビーム生成手段からのポンプビームとを受け付ける導波路手段と
を備える光増幅器であって、
前記導波路手段は、前記受信されたポンプビームを吸収するようにされて、誘導放出を利用して前記受信された光信号を増幅するように動作することができ、前記ポンプビームは、前記導波路手段を駆動して誘導放出を行うように使用され、
前記ビーム生成手段は、垂直キャビティ面発光レーザである、光増幅器。
【請求項２】
前記入力手段からの入力された光信号と前記ビーム生成手段からのポンプビームとを受信し、前記受信された入力された光信号とポンプビームとを前記導波路手段に経路指定するためのルーティング手段をさらに備える、請求項１に記載の光増幅器。
【請求項３】
前記ルーティング手段がガラス又はサファイアの基板を含む、請求項２に記載の光増幅器。
【請求項４】
前記ルーティング手段がコリメートおよび集束手段を含む、請求項２又は３に記載の光増幅器。
【請求項５】
前記コリメートおよび集束手段がマイクロレンズアレイを含む、請求項４に記載の光増幅器。
【請求項６】
前記コリメートおよび集束手段が回折光学素子を含む、請求項４に記載の光増幅器。
【請求項７】
前記光信号とポンプビームとのパワーをモニタするモニタリング手段をさらに含む、請求項１〜６のいずれかに記載の光増幅器。
【請求項８】
前記モニタリング手段が二次元の光検出器アレイである、請求項７に記載の光増幅器。
【請求項９】
前記垂直キャビティ面発光レーザが、前記光検出器アレイと一体化された集積回路である、請求項８に記載の光増幅器。
【請求項１０】
前記入力手段が多重ポート構造を有する、請求項１〜９のいずれかに記載の光増幅器。
【請求項１１】
前記入力手段が光ファイバーのアレイを含む、請求項１０に記載の光増幅器。
【請求項１２】
前記導波路手段が多重ポート構造を有する、請求項１〜１１のいずれかに記載の光増幅器。
【請求項１３】
前記導波路手段が光ファイバーのアレイを含む、請求項１２に記載の光増幅器。
【請求項１４】
前記光ファイバーのアレイの中のファイバーがコア励起又はクラッディング励起である、請求項１３に記載の光増幅器。
【請求項１５】
前記光ファイバーのアレイがエルビウムをドープしたアルミノケイ酸塩のファイバーか、プラセオジムをドープしたフッ化物のファイバーかを含む、請求項１３又は１４に記載の光増幅器。
【請求項１６】
前記垂直キャビティ面発光レーザが横方向の単一モードで動作する、請求項１〜１５のいずれかに記載の光増幅器。
【請求項１７】
前記垂直キャビティ面発光レーザがマルチモードで動作する、請求項１〜１５のいずれかに記載の光増幅器。
【請求項１８】
前記垂直キャビティ面発光レーザが外部のキャビティ共振器と配列される、請求項１〜１７のいずれかに記載の光増幅器。
【請求項１９】
ポンプビーム信号を検出する第１の検出手段と、前記検出されたポンプ信号に応答して前記第１の検出手段からポンプビームモニタリング信号が送られるプロセッサとをさらに含み、
前記プロセッサは、前記ポンプビームモニタリング信号に応答して、前記ポンプビーム生成手段を制御する制御信号を生成するように動作できる、請求項１〜１８のいずれかに記載の光増幅器。
【請求項２０】
前記第１の検出手段は、半導体のチップ上に集積された光検出器のアレイである、請求項１９に記載の光増幅器。
【請求項２１】
前記入力された信号ビームを検出する第２の検出手段をさらに含み、入力されたモニタリング信号が前記検出された入力信号に応答して、前記第２の検出手段から前記プロセッサに送られ、前記プロセッサが前記受信された入力モニタリング信号と前記ポンプビームモニタリング信号とに応答して、前記ビーム生成手段を制御する制御信号を生成するように動作できる、請求項１９又は２０に記載の光増幅器。
【請求項２２】
前記第２の検出手段が光検出器のアレイである、請求項２１に記載の光増幅器。
【請求項２３】
頂面及び底面と、前記頂面及び前記底面の間に伸びる２つの側面とを有し、基板の断面が正方形になるようされた光学基板と、
互いに位置合わせされてそれぞれ前記側面に結合された、入射ビームを与える入力用のファイバーレイ及び出力用のドープされたファイバーレイと、
ポンプビームを生成する垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のアレイ及び前記頂面に最も近くなるように直列に配列されている頂部光検出器アレイと、
前記ＶＣＳＥＬのアレイと前記頂部光検出器アレイとに位置合わせされて前記底面に最も近くに配列された底部の光検出器と、
前記入射ビームの大部分を前記出力用のドープされたファイバーレイに送り、前記入射ビームの僅かな部分を前記底部光検出器アレイに反射するビーム分割用下面と、前記ポンプビームを前記出力用のドープされたファイバーレイに反射する反射性の上面とを有する側面に対して４５度の角度で前記基板内に配置されたルーティング素子と、
前記光増幅器のゲインを選択的に制御できるように、前記頂部と前記底部との光検出器アレイによって検出されたパワーレベルに応答して、前記ポンプビームのパワーレベルを調整するプロセッサと
を備えることを特徴とする光増幅器。
【請求項２４】
前記入射ビームをコリメートするために前記光学基板内にエッチングされた入力用マイクロレンズのアレイをさらに含む、請求項２３に記載の光増幅器。
【請求項２５】
前記入射ビームと前記ポンプビームとを前記出力用のドープされたファイバーレイに結合するために、前記光学基板内にエッチングされた出力用マイクロレンズのアレイをさらに含む、請求項２３又は２４に記載の光増幅器。
【請求項２６】
前記底部光検出器アレイが前記光学基板に結合されたフリップチップである、請求項２３〜２５のいずれか１つに記載の光増幅器。
【請求項２７】
前記ＶＣＳＥＬアレイが、前記頂部光検出器アレイを一体化する超薄半導体（ＵＴＳ）のチップと結合されたフリップチップである、請求項２３〜２６のいずれか１つに記載の光増幅器。
【請求項２８】
前記出力用のドープされたファイバーレイが、エルビウムがドープされたファイバーレイである、請求項２３〜２７のいずれか１つに記載の光増幅器。
【請求項２９】
前記光学基板がガラス又はサファイアの基板からなる、請求項２３〜２８のいずれか１つに記載の光増幅器。
【請求項３０】
少なくとも１つの光ファイバー増幅器とポンプソースとを含む光増幅器の光学ゲインを制御する方法であって、
前記ポンプソースが生成したポンプビームのパワーを測定し、前記パワーを示す第１の信号を得るステップと、
入力された光信号のパワーを測定し、前記パワーを示す第２の信号を得るステップと、
前記測定された入力信号のパワーと前記ポンプのパワーとに基づいて信号のゲインを評価し、前記測定された信号のゲインと望ましい信号のゲインとの間の差異を示す第３の信号を得るステップと、
前記第１、第２及び第３の信号を処理し、処理された前記第１、第２及び第３の信号に応答して、ポンプソース駆動電流のプロフィールを生成するステップと、
前記ポンプビームに対する望ましい出力のパワーを得るように駆動電流のプロフィールの生成を制御するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３１】
添付の図面を参照して上記のように十分に説明された光増幅器。
【請求項３２】
添付の図面を参照して上記のように十分に説明された光増幅器の光学ゲインを制御するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光増幅器に関し、特に、動的なポンピングを与えるために垂直キャビティ面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）（ＶＣＳＥＬ）のアレイ及び他の構成要素を用いる多重ポート式光増幅器に関する。本発明は、特に、光通信ネットワーク、フォトニックシステム、フォトニック信号プロセッサ、及び高密度光コンピュータネットワーク（dense optical computer network）における有用性を有するが、これらに限定されることはない。
【背景技術】
【０００２】
背景技術の手順の説明は、本発明の理解を円滑にすることのみを目的にしている。この説明が、参照されるどのような材料も出願の優先日にオーストラリアにおける共通の一般的な知識の一部であったことを承認又は容認するものでないことは理解されよう。
【０００３】
光通信システムの経路に沿って、光信号は、これらの光信号が通る光ファイバーと他の光学部品とによって減衰する。光増幅器は、広域ネットワーク、ローカルエリアネットワーク、ケーブルＴＶの配信、コンピュータの相互接続、及び予想される新しいファイバー・ツー・ザ・ホーム（fibre-to-the-home）の用途においては、それらの信号増幅は送信のビットレート及びデータ形式に無関係であるため、重要な素子である。
【０００４】
半導体光増幅器（ＳＯＡ）には、寸法が小さいという利点がある。しかしながら、その半導体光増幅器にはゲイン及び帯域幅が限定される、飽和出力パワーが小さいこと、ノイズ指数が大きいこと、非線形性が大きいこと、そして、性能が分極に依存することを含む幾つかの不都合がある。これに反して、エルビウムドープファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）などの希土類をドープしたファイバー増幅器は、４０ｄＢを超えるゲインと小さなノイズ指数という性能を提供することができる。それらの特徴には、分極感度が極めて小さいこと、出力パワーが大きいこと（＋３７ｄＢｍ程度の大きさ）及び帯域幅が広いこと（最大８０ｎｍ）が含まれる。
【０００５】
希土類をドープしたファイバー増幅器は、誘導放出による光増幅であるレーザと同じ原理によって動作する。このファイバー増幅器は別の光源（ポンプ）によって駆動され、その吸収帯の１つの中の活性添加物（希土類元素）を励起する。希土類イオンの電子は、励起された準安定状態にポンピングされる。希土類をドープしたファイバー増幅器の成功は、主に準安定状態の放射寿命が長いことによる。これにより、大きいゲインを得るために必要な（ほとんど全てのイオンが基底状態ではなく準安定の励起状態になるような）大きな反転分布が可能にされる。希土類をドープしたファイバー増幅器は、１．３μｍ及び１．５５μｍの両方の光通信ウィンドウに対して使用できる。例えば、希土類元素のプラセオジムをドープしたフッ化物ファイバーは、１．３μｍの信号を増幅することができるのに対して、希土類元素のエルビウムをドープしたシリカベースのファイバーは１．５５μｍの信号を増幅できる。現行のシリカベースのＥＤＦＡは、効率的なゲインの性能を得るために数メータの長い長さを必要とする。高濃度のエルビウムをドープしたリン酸塩ガラスが最近現れた。このガラスによって、プレーナー導波路技術を用いることができる程度に光増幅器を小型化することが可能になる。この新しいガラスの組成を用いると、数センチメータの導波路は長さが約１０メータの現在の増幅器と同じ程度の大きさの信号増幅を行うことができる。
【０００６】
将来の動的な光ネットワークは、相互に光信号を転送するために多数の様々な光ファイバーのリンクによって組み合わされた多数のノードから構成するであろう。動的な光ネットワークでは、各信号が異なるグループの光学部品によって方向付けられ、各信号の部品によって行われる減衰量は異なる。この問題を克服するために、多重ポート式ネットワーク内のノードに到来する光信号を費用効果的で別個に増幅する手段に対する要求が存在する。現行のＥＤＦＡは、低価格、高性能、能率的な出力管理、及び規格に関する市場の要求事項を満足させていない。離散的なファイバー増幅器は高いビットレートで動作できるが、それらは大きく高価であるため、それらの有効性は限定される。例えば、エルビウムをドープしたファイバー増幅器は、１本の光ファイバーケーブル上で大陸間及び海洋下の数千万の同時に行われる電話の会話を現在可能にしている。しかしそれらの価格が高いため、それらが経済的といえるのは長距離システムに対してのみであり、それらの寸法が大きいため、他の装置と容易に一体化することができないことを意味する。多重ポートを有する高性能の光増幅器の価格を劇的に削減すれば、設計方式並びに将来の大都市及び光ネットワークへのアクセスの実現に対して大きなインパクトを与えることになる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、入力された光信号用の増幅器が提供される。この増幅器は、
入力光信号を受け付ける入力手段と、
ポンプビームを生成するビーム生成手段と、
入力手段からの光信号及びビーム生成手段からのポンプビームを受け付けるための導波路手段と、
を備え、
導波路手段が、誘導放出を行うように導波路手段を駆動するために使用される受信したポンプビームを吸収して、受信した光信号を誘導放出を用いて増幅できるように配列され、
ビーム生成手段が垂直キャビティ面発光レーザであることを特徴とする。
【０００８】
この増幅器は、入力手段からの入力光信号及びビーム生成手段からのポンプビームを受信し、受信した入力光信号及びポンプビームを導波路手段に経路指定するためのルーティング手段をさらに備えることが好ましい。
【０００９】
このルーティング手段は、ガラス又はサファイアの基板を備えることが好ましい。
【００１０】
このルーティング手段は、コリメーティング・集束手段を含むことが好ましい。このコリメーティング・集束手段は、マイクロレンズのアレイ又は別の方法では回折光学素子から構成することが好ましい。
【００１１】
この増幅器は、光信号及びポンプビームのパワーをモニタするモニタリング手段をさらに備えることが好ましい。このモニタリング手段は、二次元の光検出器のアレイであることが好ましい。
【００１２】
垂直キャビティ面発光レーザは、光検出器のアレイと一体化された集積回路であることが好ましい。
【００１３】
入力手段は、多重ポート構成、特に光ファイバーのアレイを有することが好ましい。
【００１４】
導波路手段は、光ファイバーのアレイを備える多重ポート構成を有することが好ましい。
【００１５】
ファイバーレイの中のファイバーは、コア励起（core-pumped）又はクラッディング励起（cladding-pumped）のいずれかであることが好ましい。
【００１６】
アレイは、エルビウムをドープしたアルミノケイ酸塩のファイバー又はプラセオジムをドープしたフッ化物のファイバーから構成することが好ましい。
【００１７】
垂直キャビティ面発光レーザは、横方向の単一モードで動作することが好ましい。別の方法では、この垂直キャビティ面発光レーザは、マルチモードで動作する。
【００１８】
垂直キャビティ面発光レーザは、外部のキャビティ共振器と配列されることが好ましい。
【００１９】
この増幅器は、ポンプビーム信号を検出する第１の検出手段、及び検出されたポンプ信号に応答して第１の検出手段からポンプビームモニタリング信号が送られるプロセッサをさらに含み、このプロセッサがポンプビームモニタリング信号に応答して、ポンプビーム生成手段を制御する制御信号を生成できることが好ましい。
【００２０】
この第１の検出手段は、半導体のチップ上に集積された光検出器のアレイであることが好ましい。
【００２１】
増幅器は入力された信号ビームを検出する第２の検出手段をさらに含み、入力されたモニタリング信号が検出された入力信号に応答して、この第２の検出手段からプロセッサに送られ、プロセッサが受信された入力モニタリング信号及びポンプビームモニタリング信号に応答して、ビーム生成手段を制御する制御信号を生成するように動作できることが好ましい。
【００２２】
この第２の検出手段は、光検出器のアレイであることが好ましい。
【００２３】
好ましい実施形態では、光増幅器が、
頂面及び底面並びに基板の断面が正方形になるように頂面と底面との間に伸びる２つの側面を有する光学基板と、
互いに位置合わせされてそれぞれ側面に結合された、入射ビームを与える入力用のファイバーレイ及び出力用のドープされたファイバーレイと、
ポンプビームを生成する垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のアレイ及び頂面に最も近くなるように直列に配列された頂部光検出器アレイと、
ＶＣＳＥＬのアレイ及び頂部光検出器アレイと位置合わせされて底面に最も近くに配列された底部の光検出器と、
入射ビームの大部分を出力用のドープされたファイバーレイに送り、入射ビームの僅かな部分を底部光検出器アレイに反射するビーム分割用の下面と、ポンプビームを出力用のドープされたファイバーレイに反射する反射性の上面とを有する側面に対して４５°の角度で基板内に配置されたルーティング素子と、
光増幅器のゲインを選択的に制御できるように、頂部及び底部光検出器アレイによって検出されたパワーレベルに応答して、ポンプビームのパワーレベルを調整するプロセッサと
を備えている。
【００２４】
この好ましい実施形態により、自由空間のビームの伝搬が除かれ、光増幅器を一層小型にすることができる。
【００２５】
光増幅器は、入射ビームをコリメートするために光学基板内にエッチングされた入力用マイクロレンズのアレイをさらに含むことが好ましい。
【００２６】
光増幅器は、入射ビーム及びポンプビームを出力用のドープされたファイバーレイに結合するために、光学基板内にエッチングされた出力用マイクロレンズのアレイをさらに含むことが好ましい。
【００２７】
底部光検出器アレイは、光学基板に結合されたフリップチップであることが好ましい。
【００２８】
ＶＣＳＥＬアレイは、頂部光検出器アレイを一体化する超薄半導体（Ultra-Thin Semiconductor）（ＵＴＳ）のチップと結合されたフリップチップであることが好ましい。
【００２９】
出力用のドープされたファイバーレイは、エルビウムがドープされたファイバーレイであることが好ましい。
【００３０】
光学基板は、ガラス又はサファイアの基板から構成されることが好ましい。
【００３１】
本発明の別の態様によれば、少なくとも１つの光ファイバー増幅器及びポンプソースを含む光増幅器の光学ゲインを制御する方法が提供される。この方法には、
ポンプソースが生成したポンプビームのパワーを測定し、それを示す第１の信号を得るステップと、
入力された光信号のパワーを測定し、それを示す第２の信号を得るステップと、
測定された入力信号のパワー及びポンプのパワーに基づいて信号のゲインを評価し、測定された信号のゲインと望ましい信号のゲインとの間の差異を示す第３の信号を得るステップと、
第１、第２及び第３の信号を処理し、処理された第１、第２及び第３の信号に応答して、ポンプソース駆動電流のプロフィールを生成するステップと、
ポンプビームに対する望ましい出力のパワーを得るために駆動電流のプロフィールの生成を制御するステップと
が含まれる。
【００３２】
この方法には、多重ポート式光ファイバーシステムにおける光学的な損失を動的に補償する可変の光学ゲインを提供するために、別々に制御されたポンプソース、駆動部品及び動作部品を一意的に一体化する集積された高出力の多重ポート式光増幅器を提供するという利点がある。本発明の好適な実施形態では、複雑性が低減されると共に、大抵の現在のシステムよりも少ない電力しか要求されない。
【００３３】
本発明をここで、単に一例として添付の図面を参照しながら説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
図１Ａ及び図１Ｂは、エルビウムをドープした光ファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）１における光増幅の原理を図解する。図１ＡはＥＤＦＡの概略図であり、図１Ｂは図１ＡのＥＤＦＡに関するエネルギー準位図である。
【００３５】
ＥＤＦＡの基本的なエネルギー線図は、３準位のレーザシステムに極めて類似している。ポンプ波長λp（通常９８０ｎｍ）の光子を与えることにより、エルビウム電子は励起準位まで励起される（すなわち電子のエネルギーが増加される）。次に、この励起された電子は、約１０ｍｓという長い放射寿命を有する準安定準位まで非発光遷移（すなわち、エネルギーの僅かな損失）を受ける。信号の波長λs（通常、約１５５０ｎｍ）における光子は誘導放出によって増幅され、レーザにおけるように、放出された光子が次に他の放射を励起して、信号光子を指数関数的に増大させる。準安定放射の寿命が長いため、高い量子効率及び低いノイズ指数が得られる。準安定放射の寿命が短い場合は、電子が極めて急速に緩和され、これはより多くの光子が自然放出されることを意味するため、自然放出ノイズ（spontaneous noise）が増加する。また、電子を準安定状態に維持するには、より多くの入力ポンプが必要とされる。
【００３６】
ＥＤＦＡ１は、８８０ｎｍのポンプ用レーザ２、ポンプ用レーザ２からのレーザビームを入力信号のレーザビーム４と結合させて１つのファイバー５に導くカップラ３、及び増幅媒体であるＥＤＦＡ１を必要とする。場合によっては、増幅された自然放出ノイズをフィルタ処理するために、ＥＤＦＡ１の後に光ファイバー（図示せず）が使用される。
【００３７】
光ファイバーは、幾つかの波長を伝搬することができる。エルビウムイオン（Ｅｒ3+）は１５５０ｎｍの帯域で放射するように励起される量子準位を有する。この帯域は、大抵のシリカベースのファイバーではパワー損失が最小になる波長である。これにより、エルビウムイオンは、高品質の増幅器が最も必要とされる波長の信号を増幅する能力が与えられる。８００ｎｍ又は９８０ｎｍのいずれかによって、ＥＤＦＡを励起することができる。その波長は両方とも、シリカベースのファイバーが大きな損失なしで伝搬することができるが、信号波長に用いられる波長ではない。これらの波長は１５５０ｎｍの信号波長から十分遠く離れているため、ポンプビーム及び信号ビーム４を容易に分離することができる。エルビウムを１４８０ｎｍの光子によって励起することもできるが、これは一般的に望ましくない。その理由は、信号によるエネルギーのポンピング工程及び誘導放出の両方が同じエネルギー帯域で起こり、これにより、ＥＤＦＡの効率を低下させ、増幅器のノイズを増加させる相互作用の原因となるためである。
【００３８】
エルビウムをＥＤＦＡで使用するための別の重要な特性は、エルビウムがシリカの中にかなり溶けやすいため、シリカベースのファイバーを作るための混合物にエルビウムをドープすることが容易であること、及びＡｌ2Ｏ3、ＧｅＯ2−Ａｌ2Ｏ3又はＰ2Ｏ5などの共添加物（co-dopant）を用いることによって、シリカの混合体におけるエルビウム化合物の溶解性を大いに増加させることができ、幾つかのＥＤＦＡの特性を向上させることができることである。例えば、ＧｅＯ2−Ａｌ2Ｏ3を使用して、励起されたエルビウムが緩和するまでの時間をほとんど２倍にすることができ、これにより、ＥＤＦＡの量子効率はほとんど２倍になる。
【００３９】
ＥＤＦＡの１つの欠点は、ＥＤＦＡのゲインが信号の波長によって変化し、これが多くの波長分割多重方式（ＷＤＭ）の用途で問題を生成することである。このことは、ＥＤＦＡのゲインの変化を補償するために設計された特別な光学受動フィルタを用いることによって解決することができる。
【００４０】
図２は、本発明の光増幅器１００の基本原理を図解する。この説明では、複数の入力及び出力が説明される。すなわち、多重ポート式増幅器が説明される。しかしながら、本発明は、１つ又は複数の入力及び／又は１つ又は複数の出力システムに当てはまることに注意されたい。
【００４１】
多重ポート式光増幅器１００は、入力ファイバー用コリメータアレイ１１に接続された入力信号ビームを伝搬するための入力ファイバー用アレイ１０を含む。この入力ファイバー用コリメータアレイ１１は、入力信号ビームをコリメートされたビーム１２に変換する。ＶＣＳＥＬアレイ１４は、信号ビームの方向に垂直にポンプビーム１５のアレイを生成する。このポンプビーム１５とコリメートされた信号ビーム１２とは、ＷＤＭビームコンバイナ１３を用いて結合される。次に、コンバイナ１３から出力された結合されたビーム１６は、ファイバー集光器アレイ（fibre focuser array）１７を介して、希土類がドープされたファイバーの出力アレイ１８に結合される。ファイバーレイ１８の各出力ポートのゲインは、その特定のポートに結合されたＶＣＳＥＬのポンプビーム１５の大きさによって制御される。出力ポートに結合されたポンプパワーの大きさは、その特定の出力ポートに関連したＶＣＳＥＬアレイ１４の適切な部分を駆動する電流を調整することによって調整することができる。
【００４２】
自由空間多重ポート式光プロセッサ（例えば、光スイッチ）において、光信号は並列処理を行うために自由空間ビームに本質的に変換されることにも注意されたい。処理の後で、光ビームは各種の減衰を受ける。このことは、後に光増幅及び均等化することを必要とする。図２から、コンバイナ１３、ＶＣＳＥＬアレイ１４、ファイバーレイ１８を自由空間多重ポート式光プロセッサと一体化して、ポンプビーム１５及び信号ビーム１２を結合することができ、これによって、多重ポート増幅及び（ＶＣＳＥＬのパワーを制御することにより）ゲインの制御ができることが分かる。
【００４３】
本発明の光増幅器の基本原理を説明してきたが、ポンプソースとしてＶＣＳＥＬを用いてＥＤＦＡをポンピングする考え方を、図３を参照してここで説明する。
【００４４】
図３から分かるように、ＶＣＳＥＬ２０をポンプとして使用する。このＶＣＳＥＬ２０は発散する光ビーム２１を生成する。実際には、発散角度は５°よりも小さい。ＶＣＳＥＬ用マイクロレンズ２２がＶＣＳＥＬ２０と一体化されて、ＶＣＳＥＬのビーム２１をコリメートする。ＶＣＳＥＬ２０は、超薄半導体（ＵＴＳ:Ultra-Thin Semiconductor）のチップ２４と結合されたフリップチップである。この超薄半導体のチップ２４は、光検出器モニタ２３と一体化されてＶＣＳＥＬ２０からのポンプビームのパワーをモニタする。ＵＴＳのチップ２４は、ガラス基板２５に結合され、このガラス基板２５の１つのエッジ２９は、ＶＣＳＥＬのビーム２１の方向に対して４５°で劈開されている。このエッジ２９により、ＶＣＳＥＬのビーム２１はエッジ２９に入射した後で内部全反射を受けることができる。エッジ２９の外面には、反射防止コーティングがコートされている。反射防止コーティングの波長は、水平方向（すなわち、ＶＣＳＥＬのビーム２１に対して垂直）からエッジ２９に入射する自由空間入力信号ビーム２６がガラス基板２５の中に通過してＶＣＳＥＬのビーム２１と結合するように選択される。マイクロレンズ２７がガラス基板２５の中に直接エッチングされ、またマイクロレンズ２７の焦点距離及び位置が最適化されるため、ＶＣＳＥＬのビーム２１及び入力信号ビーム２６がＥＤＦＡ２８のコアの中に入射する。このＥＤＦＡ２８では、ポンプビームが吸収されて信号ビームが増幅される。
【００４５】
ＶＣＳＥＬ２０から放射されるＶＣＳＥＬのビーム２１は、ドープされた光ファイバー２８に効率よく結合される。ＥＤＦＡ２８に対するＶＣＳＥＬ２０の結合効率は、一体化されたＶＣＳＥＬのマイクロレンズ２２の位置及び焦点距離を最適にすることによって最大にされる。入力信号ビーム２６のＥＤＦＡ２８に対する結合効率は、一体化されたガラスのマイクロレンズ２７の位置及び焦点距離を最適にすることによって最大にされる。
【００４６】
幾つかのレンズの製造業者（例えば、Edmund Scientific, Newport）は、光通信における様々な波長に対して反射損失を著しく減少させた反射防止コーティングを現在売り出している。ＥＤＦＡのゲインは、ＥＤＦＡ２４の中に結合されたポンプビームのパワーの強さに比例する。このため、ＥＤＦＡ２８に結合されたＶＣＳＥＬのビーム２１の強さを、ＥＤＦＡ２８に結合されたポンプビームの強さを制御することによって任意のゲインが得られるように調整することが可能である。最大のポンピング効率を実現するために、ドープされたファイバーの長さは、最大の利用可能なＶＣＳＥＬのポンプパワーにおいて最大の可能な小信号ゲインを提供するように最適化される。１つのＶＣＳＥＬ２０及びＥＤＦＡ２８が、図３に関して上記のように説明された。しかしながら、本発明の好ましい実施形態では、ＶＣＳＥＬアレイ及びＥＤＦＡアレイを使用できる。
【００４７】
現在では、９８０ｎｍのＶＣＳＥＬアレイは、ＶＣＳＥＬの素子ごとに１００ｍＷ以上の光パワーを生成することができる。６４ポートのドープされたＥＤＦＡのファイバーレイに対して、ポンプの結合効率が７０％の場合、７０ｍＷのポンプ出力を各出力ポートに（すなわち、ＥＤＦＡアレイのポートに）結合することができる。アレイ内のドープされたファイバーの長さが最適化され、また光信号の出力が小さい（＜−１０ｄＢｍ）場合は、光通信のＣ帯域（１５３０〜１５６０ｎｍ）にわたって１３ｄＢｍ以上の光信号出力を得ることができる。市販されているような、ゲインを平坦にしたＥＤＦＡとゲインをクランプしたＥＤＦＡとを、本発明の中で使用することができる。
【００４８】
上述したように、ＶＣＳＥＬ及びＥＤＦＡのアレイを使用することができる。図４は、こうしたアレイを使用する本発明の光増幅器１００の実施形態を例示する。
【００４９】
光増幅器１００”は、２Ｄ入力用マイクロレンズアレイ３１が付いた２Ｄ入力用ファイバーレイ３０を含む。このマイクロレンズアレイ３１は、入力用ファイバーレイ３０からの入力信号ビーム３４をコリメートするために、ガラス基板３２に直接エッチングされている。ガラス基板３２は、左側エッジ３３が４５°に劈開され反射防止コーティングがコートされたＶ溝形状４１を有して、大部分の入力信号ビーム３４をガラス基板３２の中を通過させ、一方入力信号ビームをモニタするために、低パワーのモニタリング用信号ビーム３５をフリップチップ式光検出器アレイ４０に向かって反射させる。このことは、後でさらに詳細に説明される。光検出器アレイ４０は、ポンプビームのパワーをモニタするためのポンプ用光検出器アレイ（図示せず）を一体化し、ガラス基板３２に取り付けられたＵＴＳチップ６０に結合される。Ｖ溝４１の右側エッジ３６も、左側エッジ３３に垂直に４５°で劈開される。この右側エッジ３６も反射防止コーティングでコートされて、信号ビーム３４を反射を最小限にして通過させる。Ｖ溝４１は、自由空間又は任意の屈折率整合ガラスとすることができる。
【００５０】
別の方法では、ガラス基板３２は、サファイアの基板で置き換えることができる。サファイアは、精密な寸法公差及び特別な表面処理を行うレンズのエッチングを含む、任意の形状に加工できる要求にかなった材料となる魅力的な特性を有する。
【００５１】
ガラス基板３２の出力部には、マイクロレンズアレイ３７が備わっている。このマイクロレンズアレイ３７は信号ビーム３４を集束させて、それらをＥＤＦＡアレイ３８の出力ポートの中に結合するために使用され、またガラス基板３２上に直接エッチングされる。別の実施形態では、マイクロレンズアレイ３１，３７は、回折光学素子形リレーに置き換えることができる。ＥＤＦＡアレイ３８は、希土類ドープのファイバーコリメータ式導波路（エルビウムをドープしたアルミノケイ酸塩又はプラセオジムをドープしたフッ化物のいずれか）から構成する。ファイバーは、コア励起又はクラッディング励起のいずれかとすることができる。
【００５２】
２ＤのＶＣＳＥＬアレイ５０は、ポンプビーム３９をＥＤＦＡアレイ３８の様々なポートに入力するために使用される。ＶＣＳＥＬアレイ５０、入力用マイクロレンズアレイ３１、光検出器アレイ、出力用マイクロレンズアレイ３７、入力用ファイバーレイ３０、及びＥＤＦＡアレイ３８のピッチは同一にする必要がある。
【００５３】
ＶＣＳＥＬアレイ５０は横方向の単一モードで動作することができ、ここでＥＤＦＡアレイのファイバーはコア励起形である。別の実施形態では、ＶＣＳＥＬアレイ５０は、クラッディング励起ＥＤＦＡアレイのファイバーに対してマルチモードで動作することができる。
【００５４】
別の実施形態では、外部のキャビティ共振器（図示せず）をＶＣＳＥＬアレイ５０と共に使用することにより、有効な直径の効率をより高くして、横方向のモード間の損失弁別力を高めることができる。
【００５５】
検出された信号ビーム及びポンプビームのパワーは、それぞれの光検出器アレイから電子プロセッサ４６に検出信号パワー用バス４２及び検出ポンプ出力用バス４４を介して送られる。このプロセッサ４６は、必要なポンプ出力（ＥＤＦＡの望ましいゲインを得るため）を予測して、ＶＣＳＥＬアレイ５０の様々なＶＣＳＥＬ素子に対する駆動電流４８を生成するように動作できる。ＶＣＳＥＬアレイ５０が活性領域において動作する場合、出力されるポンプパワーと入力される駆動電流との間の関係は線形である。このことは、必要なＶＣＳＥＬ用の駆動電流を予測するには１つの乗算演算及び加算演算を必要とすることを意味する。信号パワーが小さい場合、ＥＤＦＡのゲインはポンプパワーから簡単な式により計算することができる。しかしながら、信号が大きい状況では、ＥＤＦＡのゲインは入力信号の出力及びポンプビームの出力に非線形的に依存する。これは、ＥＤＦＡのゲインの目標に対して必要なＶＣＳＥＬの駆動電流を正確に予測するには、複雑な反復アルゴリズム及び記憶媒体を必要とする。
【００５６】
特に、ゲインを制御する方法には、ＶＣＳＥＬアレイ５０が生成したポンプビームのパワーをＵＴＳチップ６０の中に一体化された光検出器アレイを用いて測定し、それを示す第１の信号を得るステップと、光検出器アレイ４０を用いて入力された光信号の出力を測定し、それを示す第２の信号を得るステップとが含まれる。次に、プロセッサ４６は、測定された入力信号のパワー及びポンプパワーに基づいて信号のゲインを評価し、測定された信号のゲインと望ましいゲインとの間の差異を示す第３の信号を得るように動作することができる。このため、測定された信号のゲインと望ましいゲインとの間に差異がある場合、この対応する第３の信号の値はゼロ以外の値になり、望ましい信号のゲインを維持するために必要なＶＣＳＥＬ電流の増加を計算することができる。すなわち、入力信号のパワーが△Ｓだけ変化する場合、対応する第３の信号は、望ましいゲインと測定されたゲインとの間の差異となる、すなわち、△G = Gdesired - Gmeasuredとなる。このアルゴリズムでは、対応する第３の信号を使用して、ゲインを望ましい値に戻すために必要な対応するＶＣＳＥＬ電流の増加△Ｉを計算する。
【００５７】
このように、プロセッサ４０は、第１、第２及び第３の信号を処理し、処理された第１、第２及び第３の信号に応じてＶＣＳＥＬアレイ５０用の駆動電流プロフィールを生成するように、またさらに、駆動電流プロフィールの生成を制御してポンプビームに対して望ましい出力のパワーを実現するように動作することができる。
【００５８】
図５に示す別の実施形態では、信号モニタリング用光検出器アレイ１２５が、ＶＣＳＥＬアレイ１０１に平行にできるように光学基板に結合されたフリップチップであることを除いて、図４で使用された同じ考え方が使用されている。この方式は自由空間のビームの伝搬を取り除き、装置を一層実用的にすることができる。ファイバー内の光信号は、光学基板の中に直接エッチングされたマイクロレンズアレイ１１９によってコリメートされる。コートされた信号ビーム１２１の僅かな部分（＜５％）は、４５°のコートされたエッジ１２２によって反射され、信号モニタリング用光検出器アレイ１２５に結合されたフリップチップによって光検出される。信号ビームの大部分は、光学基板の中に直接エッチングされた出力用のマイクロレンズアレイ１１５を介して、出力用のエルビウムをドープしたファイバーポートに結合される。ポンプビームを出力用ＥＦＤポートの中に結合及びモニタする方式は、前節で説明され図４で消滅された方式と同様である。
【００５９】
この光増幅器２００は出力パワーが大きくノイズが小さいため、高いビットレートでチャネル数が大きい多数の光増幅器をカスケード接続することができる。さらに、ソフトウェアによる効率的な自動ゲイン制御を行うための高レベルの電子的及び光学的な一体化を行うことができる。使い易いインターフェース及びコマンドセットを特徴とするディジタル制御システムを実現することができる。増幅器の集積化は、標準的な＋５ＶＤＣ及びＧＮＤ電源線並びにＲＳ−２３２Ｃインターフェースを用いて達成される。
【００６０】
上述した多重ポート式光増幅器２００の好ましい実施形態の特徴及び利点は、下記のように要約することができる。
・ポート数が多い：６４以上の入力／出力用増幅器のポート
・出力パワーが高い：７０ｍＷ以上のポンプパワーを各出力用のドープされたファイバーのコアの中に結合して、これにより、３０ｍＷを超える信号パワーをもたらすことができる。
・ノイズ指数が小さい：適当なポンプ波長（９８０ｎｍ）を使用することにより、結果としてノイズ指数を小さく（約３〜６ｄＢ）できる。
・ゲインの平坦化が可能：ゲイン平坦化フィルタをドープされたファイバーと一体化して、全帯域にわたってゲインを平坦にすることができる。
・可変のゲイン：個々のポートのゲインを別個に調整して、広範囲のファイバーの径間長及び光ネットワークの素子の損失に対応することができる。前述した方法を用いて、単純なソフトウェアの命令によって増幅器を設定することができる。
・信号及びポンプのモニタリング：組み込みのモニタリングを、結合された光検出器アレイ１２５及びＵＴＳチップ１０８の中に一体化されたポンプビーム用光検出器アレイによって行うことができる。
【００６１】
大量生産：本発明の好ましい実施形態による増幅器は、大量生産に好適である。
【００６２】
この明細書の全体にわたって、文脈が別の意味を要求しない場合は、「含む」という用語又はその変形例は、提示された完全体又は完全体のグループを含むことを意味するが、何らかの他の完全体又は完全体のグループを除外することを意味するものではないことを理解されたい。
【００６３】
本発明の範囲の中では、様々な変形を実行できる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】図１Ａ及び図１Ｂは、希土類をドープしたファイバー増幅器の考え方を概略的に説明する図である。
【図２】多重ポート式光増幅器を概略的に説明する図である。
【図３】本発明によるＶＣＳＥＬを用いてＥＤＦＡのポンピングを概略的に説明する図である。
【図４】本発明の増幅器に用いる二次元（２Ｄ）の光増幅器の構造を説明する図である。
【図５】１つの４５°のエッジが信号及びポンプビームを経路指定するために用いられる２Ｄの光増幅器の構造の第２の実施形態を概略的に説明する図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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