JP2003233096A - 光信号処理装置 - Google Patents

光信号処理装置

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JP2003233096A
JP2003233096A JP2002031656A JP2002031656A JP2003233096A JP 2003233096 A JP2003233096 A JP 2003233096A JP 2002031656 A JP2002031656 A JP 2002031656A JP 2002031656 A JP2002031656 A JP 2002031656A JP 2003233096 A JP2003233096 A JP 2003233096A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 動作周波数を上げ、波長変換光のオン・オフ
比を改善する。 【解決手段】 光カップラ14は、入力端子10からの
信号光と入力端子12からのプローブ光を合波して、変
調器集積素子16の電気吸収型光変調器16Aに入力す
る。電気吸収型光変調器16Aの出力光は電気吸収型光
変調器16Bに入力する。光バンドパスフィルタ22
は、電気吸収型光変調器16Bの出力光からプローブ光
成分のみを抽出して、出力端子24に供給する。電気吸
収型光変調器16A,16Bは互いに独立に逆バイアス
されている。電気吸収型光変調器16Aの逆バイアス電
圧が、電気吸収型光変調器16Bの逆バイアス電圧以上
である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明は、光信号処理装置に
関し、より具体的には、波長変換装置、波形整形装置、
光演算装置及び光ゲート装置などとして利用可能な光信
号処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】インターネットの普及と共にネットワー
クを流れるトラヒックの需要は止まることを知らずに拡
大をしている。このような大容量ネットワークでは、ノ
ードを結ぶ伝送路に光ファイバを使った通信方式が適用
されており、伝送路の伝送速度も10Gbit/sを超
えようとしている。
【0003】伝送路の伝送速度が40Gbit/s以上
で構成されたネットワークでは、コスト低減、装置設置
スペースの節約、及び低消費電力の観点から、光信号を
電気信号に変換することなく光信号の波長を変換する機
能が望まれている。光信号と電気信号間の複雑な変換処
理を無くすことができるからである。動作上も、40G
bit/s以上で動作する電気回路を用意するのは難し
い。
【0004】各種の波長変換装置が提案されている中
で、特開平10−78595号公報及び対応する米国特
許第5959764号公報に記載される波長変換装置
は、偏波依存性が小さいことと、構成が簡単で動作が安
定していることから、有望視されている。
【0005】また、この種の波長変換装置は、劣化した
波形を整形する装置として、特定のタイムスロットの信
号光をゲートする光ゲート装置として、また、複数のパ
ルス信号光を論理演算する光演算装置としても利用でき
ること、極端なケースとして同一波長の光キャリア間で
信号を移転できることが知られている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】特開平10−7859
5号公報及び米国特許第5959764号公報に記載さ
れる波長変換装置では、波長変換時にポンプ光により吸
収型光変調器内部で発生するキャリアの排出が、吸収型
光変調器の静電容量で制限される。従って、波長変換の
動作周波数は、吸収型光変調器の静電容量で制限され
る。通常の吸収型光変調器は、素子長が200μm程度
であり、静電容量が0.4pF程度であるので、波長変
換動作が、最大、20Gbit/s程度に制限される。
また、このとき、波長変換装置の出力光(波長変換光)
のオン・オフ比は11dB程度である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】OFC2001 ME
4,”60Gbit/s WDM−OTDM Tran
smultiplexing Using an El
ectoro−Absorption Mudulat
or”で公開されている手法によると、吸収型光変調器
部分の素子長を短くし、静電容量を低減することによ
り、動作周波数が向上でき、60GHzまでの波長変換
動作が確認されている。しかし、素子長を短くしたこと
に起因して、波長変換光のオン・オフ比が7.5dBま
で低下することが観測されている。伝送に必要な10d
B程度のオン・オフ比が得られないので、吸収型光変調
器部分の素子長を短くする手法は、実用には適さない。
【0008】本発明は、20Gbit/sを超えて高速
に動作可能な光信号処理装置を提示することを目的とす
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明に係る光信号処理
装置は、信号波長の信号光が入力する光変調ユニットで
あって、当該信号光の伝搬方向に直列に配置される複数
の吸収型光変調器からなる光変調ユニットと、当該複数
の吸収型光変調器のそれぞれに逆バイアス電圧を印加す
る逆バイアス回路であって、当該信号光の入力側に位置
する吸収型光変調器に、当該信号光の出力側に位置する
吸収型光変調器への逆バイアス電圧以上の逆バイアス電
圧を印加する逆バイアス回路と、当該光変調ユニット
に、当該信号光と同方向及び逆方向の何れかでプローブ
波長のプローブ光を入力するプローブ光入力装置と、当
該光変調ユニットを透過したプローブ光を取り出すプロ
ーブ光抽出手段とを具備することを特徴とする。
【0010】このように、それぞれ短くした複数の吸収
型光変調器を直列接続し、個々の吸収型光変調器を短く
することで、高速動作が可能になり、それらの逆バイア
ス電圧を上述のように設定することで、信号品質が向上
する。
【0011】当該光変調ユニットが、当該複数の吸収型
光変調器を集積した集積素子からなる。これにより、光
変調ユニットを小型化できる。当該集積素子の、当該信
号光の入力側において、光伝搬層を埋め込む第1の半絶
縁性半導体を設けることで、耐入力光パワーが向上す
る。当該集積素子の、当該信号光の出力側において、光
伝搬層を埋め込む第2の半絶縁性半導体を設けること
で、出力側の吸収型光変調器の変調領域長を精度欲制御
できる。
【0012】
【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。
【0013】(第1実施例)図1は、本発明の第1実施
例の概略構成図を示す。入力端子10には、波長153
5nmの信号光が入力し、入力端子12には波長155
8nmのCWプローブ光が入力する。光カップラ14
は、入力端子10からの信号光と入力端子12からのプ
ローブ光を合波する。変調器集積素子16には、それぞ
れ、InGaAsPからなる変調層を具備する2つの電
気吸収型光変調器16A,16Bが直列に配置されてい
る。即ち、変調器集積素子16の下の電極18はアース
に接続する。集積素子16の上には、電気的に分離され
た2つの電極20A,20Bがあり、電極20Aが光変
調器16Aの上部に位置し、電極20Bが光変調器16
Bの上部に位置する。即ち、本実施例では、光変調器1
6Aと同16Bに独立にバイアス電圧を印加できるよう
になっている。
【0014】このような集積素子16は、例えば、H.
Tanaka他,”OPTICAL SHORT P
ULSE GENERATION AND DATA
MODULATION BY A SINGLE−CH
IP InGaAsP TANDEM−INTEGRA
TED ELECTROABSORPTION MOD
ULATION (TEAM)”, Electron
ics Letters 27th May 198
3, Vol.29, No.11, pp.1002
−1003に記載されている。
【0015】光カップラ14の出力光は、変調器集積素
子16の電気吸収型光変調器16Aに入力する。電気吸
収型光変調器16Aの出力光は電気吸収型光変調器16
Bに入力する。電気吸収型光変調器16Bの出力光は、
波長λp(1558nm)を中心透過波長とする光バン
ドパスフィルタ22に入力する。光バンドパスフィルタ
22は、電気吸収型光変調器16Bの出力光から波長λ
pの成分、即ちプローブ光成分のみを抽出して、出力端
子24に供給する。
【0016】電気吸収型光変調器16A,16Bは互い
に独立に逆バイアスされている。即ち、直流電圧源26
Aは正極がアースに接続し、負極が、インダクタンス2
8A、コンデンサ30A及び、高周波信号を終端するた
めの終端抵抗32Aを介してアースに接続する。そし
て、インダクタンス28Aとコンデンサ30Aの接続点
の電圧が、逆バイアス電圧として電極20Aを介して電
気吸収型光変調器16Aに印加されている。インダクタ
ンス28A及びコンデンサ30Aからなる部分は、いわ
ゆるバイアスティーとなる。同様に、直流電圧源26B
は正極がアースに接続し、負極が、インダクタンス28
B、コンデンサ30B及び、高周波信号を終端するため
の終端抵抗32Bを介してアースに接続する。そして、
インダクタンス28Bとコンデンサ30Bの接続点の電
圧が、逆バイアス電圧として電極20Bを介して電気吸
収型光変調器16Bに印加されている。インダクタンス
28B及びコンデンサ30Bからなる部分は、いわゆる
バイアスティーとなる。
【0017】電気吸収型光変調器16A,16B内で
は、信号光の強度変化に応じて、プローブ波長λpの吸
収損失が変化し、その結果、プローブ光の振幅が、信号
光の強度変化に応じて変化する。これにより、波長λs
の信号光で搬送される信号の波形が、プローブ光に転写
される。換言すると、信号を搬送する光キャリアの波長
がλsからλpに変化する。この動作の詳細は、特開平
10−78595号公報及び米国特許第5959764
号公報に記載されているので、これ以上の説明を省略す
る。
【0018】本実施例では、直列接続した電気吸収型光
変調器16A,16Bの内の、信号光入力側の電気吸収
型光変調器16Aの逆バイアス電圧を、信号光出力側の
電気吸収型光変調器16Bの逆バイアス電圧以上にして
いる。その理由を以下に説明する。
【0019】単一の電気吸収型光変調器を使用する場合
で、信号光の光パワー、逆バイアス電圧、素子長及び変
換光のオン・オフ比の関係を調べた。具体的には、吸収
型光変調器に入力する信号光の光パワーが+15dBm
と+10dBmのときで、逆バイアス電圧及び素子長に
対して、吸収型光変調器の出力光に含まれるプローブ光
成分(波長変換光)の最高パワーと最低パワーの比(オ
ン・オフ比)を測定した。図2は、吸収型光変調器に入
力する信号光の光パワーが+15dBmのときの、逆バ
イアス電圧、素子長及び波長変換光のオン・オフ比の関
係を示し、図3は、吸収型光変調器に入力する信号光の
光パワーが+10dBmのときの、逆バイアス電圧、素
子長及び波長変換光のオン・オフ比の関係を示す。図2
及び図3において、横軸は逆バイアス電圧Vb(V)、
縦軸は、オン・オフ比(dB)である。素子長は、25
μm、50μm、75μm及び200μmである。
【0020】波長変換光のオン・オフ比は、逆バイアス
電圧が高くなると、増加するが、ある逆バイアス電圧値
よりも高くなると、減少する傾向を示した。また、素子
長が長くなるほど、波長変換光のオン・オフ比の最高値
は大きくなり、波長変換光のオン・オフ比が最大になる
逆バイアス電圧は、低くなった。更に、信号光の入力パ
ワーが高いほど、波長変換光のオン・オフ比の最高値は
大きくなり、波長変換光のオン・オフ比が最大になる逆
バイアス電圧は、高くなった。
【0021】これらは、逆バイアス電圧が高くなるほど
波長変換光のオン・オフ比は大きくなるが、ある逆バイ
アス電圧を越すと波長変換が生じなくなることと、信号
光パワーが十分に高い領域では波長変換が生じるが、信
号光パワーが低くなると波長変換が生じなくなることを
示している。この結果、波長変換光のオン・オフ比を上
げるには、吸収型変調器内部の光の伝搬方向に沿って、
信号光のパワーが充分に高い信号光入力端面の近傍で
は、逆バイアス電圧を高くして、波長変換の効率を上
げ、信号光のパワーが低くなった信号光出力端面近傍で
はバイアス電圧を徐々に低くしていけばよいことを示し
ている。
【0022】この見解に従い、本実施例では、信号光の
伝搬方向に2つの電気吸収型光変調器16A,16Bを
配置し、後側の電気吸収型光変調器16Bの逆バイアス
電圧を、前側の電気吸収型光変調器16Aの逆バイアス
電圧以下にした。換言すると、電気吸収型光変調器を前
半部分と後半部分に分離し、後半部分の逆バイアス電圧
を、前半部分の逆バイアス電圧以下にした。
【0023】逆バイアス電圧を同じにしても、目的とす
る波長変換動作に必要な変換領域長を2つの電気吸収型
光変調器16A,16Bに分離したことにより、個々の
電気吸収型光変調器16A,16Bの素子長が短くな
る。これにより、周波数帯域が広がり、波長変換光の信
号品質が向上する。勿論、逆バイアス電圧に差をつける
ことで、更に、周波数帯域が広がり、波長変換光の信号
品質が向上する。
【0024】試作例を説明する。各電気吸収型光変調器
16A,16Bの素子長を75μmとした。発明者らの
測定によると、75μmの素子長では、静電容量が0.
16pFとなる。この場合、50Ω系の高周波線路でこ
の電気吸収型光変調器16A,16Bを用いると、3d
B帯域幅が40GHzとなり、40Git/sの波長変
換動作が可能となる。変調器集積素子16における信号
光の入力パワーを+15dBmに設定し、電気吸収型光
変調器16A,16Bの逆バイアス電圧をそれぞれ−
3.5V及び−2.5Vに設定した。このとき、プロー
ブ光は、電気吸収型光変調器16Aで7.7dBのオン
・オフ比で強度変調され、更に、電気吸収型光変調器1
6Bで、2.8dBのオン・オフ比で強度変調される。
従って、変調器集積素子16から出力されるプローブ光
は、10.5dBで強度変調されている。従って、図1
に示す波長変換装置は、40Gbit/sで動作し可能
であり、しかも、波長変換光に対し10dB以上のオン
・オフ比を達成できる。
【0025】(第2実施例)図4は、本発明の第2実施
例の概略構成図を示す。図1に示す実施例と同じ構成要
素には、同じ符号を付してある。
【0026】図1に示す第1実施例では、2つの電気吸
収型光変調器16A,16Bを直列接続したが、図4に
示す実施例では、光変調器集積素子116に直列に3つ
の電気吸収光変調器116A,116B,116Cを形
成し、電気吸収光変調器116A,116B,116C
の順に低い逆バイアス電圧値を印加するように構成し
た。
【0027】即ち、集積素子116の上には、電気的に
分離された3つの電極120A,120B,120Cが
あり、電極120Aが光変調器116Aの上部に位置
し、電極120Bが光変調器116Bの上部に位置し、
電極120Cが光変調器116Cの上部に位置する。
【0028】直流電圧源126Aは正極がアースに接続
し、負極は、インダクタンス128A、コンデンサ13
0A及び、高周波信号を終端するための終端抵抗132
Aを介してアースに接続する。そして、インダクタンス
128Aとコンデンサ130Aの接続点の電圧が、逆バ
イアス電圧として電極120Aを介して電気吸収型光変
調器116Aに印加されている。インダクタンス128
A及びコンデンサ130Aからなる部分は、いわゆるバ
イアスティーとなる。
【0029】同様に、直流電圧源126Bは正極がアー
スに接続し、負極は、インダクタンス128B、コンデ
ンサ130B及び、高周波信号を終端するための終端抵
抗132Bを介してアースに接続する。そして、インダ
クタンス128Bとコンデンサ130Bの接続点の電圧
が、逆バイアス電圧として電極120Bを介して電気吸
収型光変調器116Bに印加されている。インダクタン
ス128B及びコンデンサ130Bからなる部分は、い
わゆるバイアスティーとなる。
【0030】直流電圧源126Cは正極がアースに接続
し、負極は、インダクタンス128C、コンデンサ13
0C及び、高周波信号を終端するための終端抵抗132
Cを介してアースに接続する。そして、インダクタンス
128Cとコンデンサ130Cの接続点の電圧が、逆バ
イアス電圧として電極120Cを介して電気吸収型光変
調器116Cに印加されている。インダクタンス128
C及びコンデンサ130Cからなる部分は、いわゆるバ
イアスティーとなる。
【0031】図4に示す実施例では、各電気吸収光変調
器116A,116B,116Cの素子長を、50μm
程度に短くできる。各変調器116A,116B,11
6Cの素子長が50μmの場合、静電容量は0.12p
F程度と、第1実施例の場合よりも小さくなり、3dB
帯域幅が53GHzとなり、更に高いビットレートでの
波長変換動作が可能になる。なお、電気吸収型光変調器
116A,116B,116Cへの逆バイアス電圧を、
例えば、それぞれ−4.5V、−3.5V及び−1.5
Vとする。電気吸収型光変調器116A,116B,1
16Cへの逆バイアス電圧を、それぞれの素子長と信号
光パワーに応じて最適な波長変換動作を得られる値に設
定できるので、第1実施例よりも高いオン・オフ比を達
成できる。
【0032】(その他)図5は、変調器集積素子16の
外観斜視図を示し、図6は、その中央断面図を示す。光
入力側から、導波領域210、変調領域212,絶縁領
域214、変調領域216及び導波領域218からな
る。変調領域212が、電気吸収型光変調器16Aに対
応し、変調領域216が電気吸収型光変調器16Bに対
応する。
【0033】n−InP基板220の上にInGaAs
P変調層222及びInGaAsPバッファ層224を
積層する。バッファ層224の上の、変調領域212,
214に対応する部分には、n−InP層226A,2
26B及びp−InGaAsP層228A,228Bを
積層し、導波路領域210,218及び絶縁領域214
に対応する部分には、鉄をドープした半絶縁性InP層
230,232,234を積層する。
【0034】p−InGaAsP層228A,228B
の上にそれぞれ、電極236A,236Bを配置し、I
nP層230,232,234の上にはガラス(SiO
)240を配置する。また、基板220の下には、全
面に電極242を配置する。電極242は、電極18に
対応する。
【0035】図5及び図6に示す集積構成では、入力側
の導波路領域210に、鉄をドープした半絶縁性InP
層230を埋め込んだので、信号光の耐入力パワーを改
善できた。実測例では、2dB向上した。これにより、
変調器集積素子16への入力光パワーを更に上げること
ができ、その結果、波長変換光のオン・オフ比を上げる
ことができた。また、出力側の導波路領域218に、鉄
をドープした半絶縁性InP層232を埋め込んだの
で、変調領域216の長さを精度よく制御できる。
【0036】上述の実施例では、信号光の入力側の電吸
収型光変調器に印加する逆バイアス電圧を、信号光の出
力側の電吸収型光変調器に印加する逆バイアス電圧に比
べ高くしていたが、逆バイアス電圧を同じにしても、従
来例よりも高い動作周波数が可能になる。例えば、第1
実施例での二つの吸収型光変調器16A,16Bの逆バ
イアス電圧を−3.5Vに設定した場合、オン・オフ比
が0・01dB低下するものの、動作周波数は、従来例
よりも高くできる。
【0037】2つ又は3つの吸収型光変調器を同一基板
上に集積した変調器集積素子の実施例を説明したが、4
つ以上の電気吸収型光変調器を集積した変調器集積素子
を用い、信号光の入力側から逆バイアス電圧を同一又は
低くした構成でも、波長変換光のオン・オフ比の改善及
び/又は高い動作周波数を得ることができる。
【0038】信号光とプローブ光が同一方向に伝搬する
実施例を説明したが、信号光とプローブ光が逆方向に伝
搬する構成でも、同様の効果が得られる。この場合、光
バンドパスフィルタ22を省略できる。入力端子10と
素子16の間に、素子16から出力されるプローブ光を
抽出する光サーキュレータを配置すればよい。
【0039】電気吸収型光変調器16A,16B,11
6A,116B,116CとしてはInGaAsP電気
吸収型光変調器が代表的であるが、逆バイアス電圧を印
加して吸収を発生させる吸収型光変調器であれば、本発
明に利用できる。例えば、半導体の量子井戸(QW)の
量子シュタルク効果を用いる光変調器でもよい。
【0040】複数の電気吸収型光変調器を集積する実施
例を説明したが、必ずしも1つの素子として集積するこ
とは、本発明にとって必須ではない。個別素子からなる
吸収型光変調器を光学的に結合したものであってもよ
い。その場合、必要により、吸収型光変調器の間に光増
幅器を配置するのが好ましい。
【0041】波長変換装置への応用例を説明したが、波
形整形装置又はその一部としても使用できる。また、プ
ローブ光をクロックパルス光、又は別の信号を搬送する
パルス光とすることで、本実施例は、光ゲート装置又は
光演算装置としても動作し得ることは明らかである。
【0042】
【発明の効果】以上の説明から容易に理解できるよう
に、本発明によれば、出力光のオン・オフ比を高くで
き、及び/又は、動作周波数を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施例の概略構成図である。
【図2】信号光入力パワーが+15dBmであるときの
波長変換効率を示す図である。
【図3】 信号光入力パワーが+10dBmであるとき
の波長変換効率を示す図である。
【図4】 本発明の第2実施例の概略構成ブロック図で
ある。
【図5】 光変調器集積素子16の斜視図である。
【図6】 図5の中央断面図である。
【符号の説明】
10,12:入力端子 14:光カップラ 16:変調器集積素子 16A,16B:電気吸収型光変調器 18,20A,20B:電極 22:光バンドパスフィルタ 24:出力端子 26A,26B:直流電圧源 28A,28B:インダクタンス 30A,30B:コンデンサ 32A,32B:終端抵抗 116:光変調器集積素子 116A,116B,116C:電気吸収光変調器 120A,120B,120C:電極 126A,126B,126C:直流電圧源 128A,128B,128C:インダクタンス 130A,130B,130C:コンデンサ 132A,132B,132C:終端抵抗 210:導波領域 212:変調領域 214:絶縁領域 216:変調領域 218:導波領域 220:n−InP基板 222:InGaAsP変調層 224:InGaAsPバッファ層 226A,226B:n−InP層 228A,228B:p−InGaAsP層 230,232,234:鉄をドープしたInP層 236A,236B:電極 240:ガラス(SiO) 242:電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H04B 10/152 (72)発明者 林 通秋 埼玉県上福岡市大原二丁目1番15号株式会 社ケイディーディーアイ研究所内 Fターム(参考) 2K002 AA02 AB12 AB23 BA02 CA13 DA06 EA10 EB09 HA30 5K002 AA02 BA04 BA07 CA05 CA16

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 信号波長の信号光が入力する光変調ユニ
    ットであって、当該信号光の伝搬方向に直列に配置され
    る複数の吸収型光変調器(16A,16B;116A,
    116B,116C)からなる光変調ユニット(16,
    116)と、 当該複数の吸収型光変調器のそれぞれに逆バイアス電圧
    を印加する逆バイアス回路であって、当該信号光の入力
    側に位置する吸収型光変調器に、当該信号光の出力側に
    位置する吸収型光変調器への逆バイアス電圧以上の逆バ
    イアス電圧を印加する逆バイアス回路(26A〜32
    A,26B〜32B;126A〜132A,126B〜
    132B,126C〜132C)と、 当該光変調ユニットに、当該信号光と同方向及び逆方向
    の何れかでプローブ波長のプローブ光を入力するプロー
    ブ光入力装置(12,14)と、 当該光変調ユニットを透過したプローブ光を取り出すプ
    ローブ光抽出手段(22)とを具備することを特徴とす
    る光信号処理装置。
  2. 【請求項2】 当該光変調ユニット(16、116)
    が、当該複数の吸収型光変調器を集積した集積素子から
    なる請求項1に記載の光信号処理装置。
  3. 【請求項3】 当該集積素子が、当該信号光の入力側に
    おいて、光伝搬層を埋め込む第1の半絶縁性半導体(2
    30)を有する請求項2に記載の光信号処理装置。
  4. 【請求項4】 当該集積素子が、当該信号光の出力側に
    おいて、光伝搬層を埋め込む第2の半絶縁性半導体(2
    34)を有する請求項2に記載の光信号処理装置。
  5. 【請求項5】 当該プローブ光入力装置が、当該信号光
    と当該プローブ光を合波して当該光変調ユニットに印加
    する光カップラ(14)である請求項1に記載の光信号
    処理装置。
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