JP2004109598A - 波長変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】量子ドットを含む非線形媒質を有する波長変換装置において、広帯域の信号光を光四波混合を使って波長変換する。
【解決手段】光四波混合の励起光源として可変波長レーザを使い、可変波長レーザ、信号光の光路となる光学系および励起光の光路となる光学系を制御装置により、波長変換する信号光の波長に応じて制御する。
【選択図】 図６
【解決手段】光四波混合の励起光源として可変波長レーザを使い、可変波長レーザ、信号光の光路となる光学系および励起光の光路となる光学系を制御装置により、波長変換する信号光の波長に応じて制御する。
【選択図】 図６
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に光信号処理装置に係り、特に光四波混合を使い、広い波長範囲で高速信号光を任意の波長へ変換する波長変換装置に関する。
【０００２】
全光ネットワークあるいはフォトニックネットワークにおいては、様々な波長の信号光が使われるが、異なったチャネルの信号光どうしの衝突の回避、あるいは空いた波長の再利用、サブネットワーク相互の自由な接続を実現すべく、ある波長の信号光を他の波長に変換する技術が望まれている。
【０００３】
【従来の技術】
このような光信号の光電変換を含まない全光処理による波長変換技術として、非線形媒質を使った光四波混合技術が知られている。
【０００４】
図１は、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する進行波型の半導体光増幅器を非線形媒質として使った光四波混合による波長変換の例を示す。
【０００５】
図１を参照するに、前記半導体光増幅器はｎ＋型ＩｎＰ基板１１上に形成されており、前記基板１１上に形成されたＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ構造を有するＭＱＷ活性層１２と、前記活性層１２上に形成されたｐ＋型ＩｎＰクラッド層１３とを含んでいる。また前記ｎ＋型基板１１は接地され、前記ＩｎＰクラッド層１３には正電圧が印加され、その結果、前記活性層１２は利得状態とされている。
【０００６】
図１の例では、前記半導体光増幅器の一方の端面側から角周波数ωｓの信号光１４と角周波数ωｐの励起光１５を入射しているが、このように利得状態にバイアスされた光増幅器に信号光１４と励起光１５とを注入すると、反対側の端面から、図２に示すように前記角周波数がωｓの信号光１４及び角周波数がωｐの励起光１５の他に、四光波混合によって角周波数２ωｐ−ωｓの位相共役波１６が得られる。
【０００７】
この現象は、角周波数ωｐの励起光１５によって励起されている半導体光増幅器のＭＱＷ活性層１２に、角周波数がωｓ（≠ωｐ）の信号光１４が入射した場合、励起光１５中の２つの光子と信号光１４中の１つの光子とが相互作用し、周波数が２ωｐ−ωｓの位相共役波１６が形成されるものである。
【０００８】
そこで図１の半導体増幅器において、出射側の端面に角周波数ωｓの信号光１４及び角周波数ωｐの励起光１５を除去するフィルタを設けることにより、角周波数が２ωｐ−ωｓに波長変換された位相共役波１６のみを取り出すことが可能になる。
【０００９】
この様な半導体光増幅器を用いた四光波混合位相共役波発生装置においては、光利得媒質である半導体活性層、即ち、ＭＱＷ活性層１２を非線型媒質として用いているため、大きな非線型効果が得られ、数１００μｍの長さの活性層で変換光を得ることができる。
【００１０】
しかし、従来の四光波混合を利用した波長変換装置においては、四光波混合を起こす非線型媒質としてキャリア注入した半導体利得媒質、即ち、バルク半導体或いは量子井戸半導体を用いた場合には、キャリア密度変調（ＣＤＰ：ｃａｒｒｉｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ ｐｕｌｓａｔｉｏｎ）効果とスペクトラルホールバーニング（ＳＨＢ：ｓｐｅｃｔｒａｌ ｈｏｌｅ ｂｕｒｎｉｎｇ）効果の競合により、励起光１５と信号光１４の角周波数差（Δω＝ωｐ−ωｓ）が、正の場合が負の場合かで、換言すると信号光１４の角周波数ωｓが励起光１５の角周波数ωｐよりも短波長側にあるか長波長側にあるかかにより、変換効率が非対称になり、特に短波長側から長波長側への変換効率が悪いという問題があった。
【００１１】
なお、ここでキャリア密度変調効果とは、入射したレーザ光の波長差、即ち角周波数差により電界にビートが生じ、その結果、キャリア密度にもビートが生じてキャリア密度が変化する現象である。一方スペクトラルホールバーニング効果とは、バーチャルな光の吸収により３次の非線型分極が生ずる効果であり、半導体レーザの利得スペクトルにおいて発振波長の位置にディップが生じ、利得が低下する現象である。
【００１２】
即ち、四光波混合位相共役波発生装置における変換効率χは、上記の３次元の非線型効果による三次の非線形感受率ξ（３）と、信号光１４の感じる線形利得Ｇとを用い、λｓを入射する信号光１４の波長、Ｐｐｕｍｐを励起光１５のパワーとして、χ∝｛ξ（３）（λｓ）｝２・Ｇ（λｓ）・Ｐ２ ｐｕｍｐで表されるが、三次の非線形感受率ξ（３）は、キャリア密度変調効果に対応する項とスペクトラルホールバーニング効果に対応する項との重畳の結果、通常の量子井戸構造を有する非線形媒質では発振波長に対して信号光１４の波長が長波長側である場合（Δω＞０）に大きく、短波長側である場合（Δω＜０）に小さい性質を有しており、この性質が変換効率χに反映されてしまう。なお、上式における｛ξ（３）（λｓ）｝２は、実際にはξ（３）（λｓ）の絶対値の２乗であるが、明細書作成の便宜上、｛ξ（３）（λｓ）｝２で表す。
【００１３】
そこで、特開平１１−３２６９６４号公報では、この様な変換効率χの非対称性の問題を解決するために、半導体利得媒質として量子ドット等の０次元キャリア閉じ込め量子構造を用いることを提案している。量子ドットのような０次元キャリア閉じ込め量子構造は擬似二準位系を形成し、二準位系の場合と同様に共鳴周波数において屈折率変化が０になり、キャリア密度変調効果による屈折率変調がほとんど起こらない。
【００１４】
今日では、量子ドットを形成する様々な技術が知られている。
【００１５】
例えば特開平９−０６４４７６号公報、あるいは特開平９−３２６５０６号公報には、基板に対して歪み系を形成するヘテロエピタキシャル構造を間に中間層を挟みながら交互に繰り返して堆積し、いわゆるＳ−Ｋ（ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｗ）モードによる自己組織化により形成された島状領域を量子ドットとして使う技術が開示されている。また特開２００２−１４１５４８号公報には、半導体層中に形成した四面体上のエッチピットの頂部に量子ドットを形成する技術が記載されている。
【００１６】
【特許文献１】特開平１１−３２６９６４号公報
【特許文献２】特開平９−０６４４７６号公報
【特許文献３】特開平９−３２６５０６号公報
【特許文献４】特開２００２−１４１５４８号公報
【非特許文献１】Ｔｏｍｏｙｕｋｉ Ａｋｉｙａｍａ， Ｈａｒｕｈｉｋｏ Ｋｕｗａｔｓｕｋａ， Ｎｏｂｕａｋｉ Ｈａｔｏｒｉ， Ｙｏｓｈｉａｋｉ Ｎａｋａｄａ， Ｈｉｒｏｊｉ Ｅｂｅ， ａｎｄ Ｍｉｔｓｕｒｕ Ｓｕｇａｗａｒａ， ”Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｈｉｇｈｌｙ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ （０ ｄＢ） Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｏｕｒ−ｗａｖｅ Ｍｉｘｉｎｇ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ， ”ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ｖｏｌ．１４， ｎｏ．８， ｐｐ．１１３９−１１４１， Ａｕｇｕｓｔ ２００２．
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
一方、このような量子ドットを有する非線形媒質を使った波長変換装置を実際の広帯域フォトニックネットワークに適用しようとすると、様々な波長の信号光に対して光四波混合波長変換を行う必要がある。このためには、フォトニックネットワークで使われる信号光波長の各々に対して励起光源を設ける必要があるが、かかる構成では装置の規模が大きくなり、また費用も非常に高くなってしまう。
【００１８】
そこで、本発明は上記の課題を解決した、新規で有用な波長変換装置を提供することにある。
【００１９】
本発明のより具体的な課題は、光四波混合技術を使い、広帯域の信号光を処理可能で、信号光波長が励起光波長よりも長い場合でも、また短い場合でも同等の変換効率が得られる波長変換装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、量子ドットを含む利得媒質と、前記利得媒質に信号光を注入する第１の光学系と、波長可変レーザと、前記波長可変レーザにより形成されたレーザ光を前記利得媒質に注入する第２の光学系と、前記利得媒質中で光四波混合により生じた出力光を選択的に取り出す波長可変フィルタとよりなることを特徴とする波長変換装置により、解決する。
【００２１】
本発明によれば、量子ドットを含む利得媒質をパラメトリック発振の非線形媒質として使うことにより、信号光波長が励起光波長よりも長い場合でも短い場合でも優れた変換効率を有する、広帯域フォトニックネットワークに適した波長変換装置が得られる。特にこのような波長変換装置において、励起光の光源として波長可変レーザのような波長可変光源を使うことにより、ネットワーク上を搬送される様々な波長の信号光を処理することが可能である。その際、本発明によれば信号光波長に対応して多数の励起光源を設ける必要はなく、また波長可変光源の波長を、高い変換効率を得るために信号光波長に対して常に短波長側に維持する等の制御は必要なく、波長変換装置の構成が簡素化される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
［第１実施例］
図３（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施例による非線形媒質２０の構成を示す。ただし図３（Ａ）は前記非線形媒質２０の軸方向に沿った垂直断面図を、図３（Ｂ）は前記非線形媒質２０の端面図を示す。
【００２３】
図３（Ａ）を参照するに、非線形媒質２０は（１００）面方位を有するｎ型ＧａＡｓ基板２１上に構成されており、前記基板２１上に形成されたｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２２と、前記クラッド層２２上に形成された非ドープＧａＡｓよりなる下部ＳＣＨ層２３とを含む。
【００２４】
前記ＳＣＨ層２３上にはＭＯＶＰＥ法あるいはＭＢＥ法を使ったＳ−Ｋモード成長により形成された島状の非ドープＩｎＡｓあるいはＩｎＧａＡｓ領域が量子ドット２４として形成されており、さらに前記ＳＣＨ層２３上には非ドープＧａＡｓバリア層２５が、前記量子ドット２４を覆うように形成されている。さらに前記量子ドット２４とバリア層２５とは２０〜３０周期繰り返されて活性層２６を形成し、前記活性層２６上には非ドープＧａＡｓよりなる上部ＳＣＨ層２７が形成されている。
【００２５】
例えばＩｎＡｓ量子ドット２４を形成する場合、１．８分子層分の非ドープＩｎＡｓ層を５１０°の基板温度で前記ＳＣＨ層２３あるいはバリア層２５上に堆積する。このようにしてＧａＡｓ層２３あるいは２５上に堆積したＩｎＡｓ層はＧａＡｓ基板２１に対して格子定数差のため歪み系を形成し、液滴状ないし島状構造を形成する。
【００２６】
さらに前記上部ＳＣＨ層２７上にはｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２８が形成されており、前記クラッド２８上には図示を省略したコンタクト層を介して上部電極２９が、また前記基板２１の下面には下部電極３０が形成されている。
【００２７】
図３（Ｂ）の端面図を参照するに、前記非線形媒質２０は前記クラッド層２８に軸方向に延在するリッジ構造２８形成されており、従って前記活性層２６中に注入された光は前記リッジ構造に沿って前記媒質２０中を軸方向に導波される。
【００２８】
図３（Ａ），（Ｂ）の非線形媒質２０は、前記上部電極２９に正電圧を印加し下部電極３０に負電圧を印加することにより前記活性層２６は利得状態となり、一端に供給された光を増幅する進行波型の光増幅器として作用する。
【００２９】
ところで、このような非線形媒質における三次複素感受率χ（３）は、前記キャリア密度変調過程あるいはスペクトラルホールバーニング過程などの非線形過程の和として、
χ（３）＝Σχ（３） ｍ＝Σχ（３） ｍ， Δ ｆ＝０（１−ｉ２πΔｆ・τｍ）−１ （１）
として表される。ただしｍは非線形過程を、Δｆは前記角周波数差Δωに対応する周波数差を、τｍは非線形過程ｍの時定数を、χ（３） ｍ， Δ ｆ＝０は、Δｆ＝０の場合の非線形過程ｍに対する三次複素感受率を表す。
【００３０】
図４は、通常の量子井戸（ＱＷ）と量子ドット（ＱＤ）について、前記周波数差Δｆを様々に変化させて求めた三次感受率χ（３） ＳＨＢおよびχ（３） ＣＤＰの関係を複素平面上において示す（Ａｋｉｙａｍａ， ｅｔ ａｌ． 非特許文献１）。ただし三次感受率χ（３） ＳＨＢおよびχ（３） ＣＤＰは、それぞれスペクトラルホールバーニング過程およびキャリア密度変調過程における三次感受率χ（３）を表す。量子ドットの場合、スペクトラルホールバーニング過程およびキャリア密度変調過程は量子井戸に対応したものが存在しないため、ここでは量子ドットのスペクトラルホールバーニング過程を、ある一つの量子ドットについて基底状態のキャリアのみが枯渇している状態と定義する。この枯渇状態は同じ量子ドットの他の状態からのキャリアの補給で緩和される。また量子ドットのキャリア密度変調過程を、ある量子ドット中のキャリアの全てを枯渇させる過程と定義する。
【００３１】
図４を参照するに、周波数差Δｆがゼロの場合には量子ドットでは三次感受率χ（３） ＳＨＢおよびχ（３） ＣＤＰはどちらも虚数軸上にあるのに対し、量子井戸では三次感受率χ（３） ＳＨＢは虚数軸上に位置しているものの、三次感受率χ（３） ＣＤＰは前記三次感受率χ（３） ＳＨＢから量子井戸の線幅増大係数αに対応する偏角だけずれているのがわかる。
【００３２】
一方、周波数差Δｆが正方向あるいは負方向に増大すると、周波数差Δｆの絶対値がｆＳＨＢよりも小さくｆＣＤＰよりも大きい範囲では、（ｆＳＨＢ，ｆＣＤＰはそれぞれの過程の時定数の逆数）三次感受率χ（３） ＣＤＰのベクトルが、Δｆが正の場合に反時計回り方向に、Δｆが負の場合に時計回り方向に回転し、その結果、通常の量子井戸構造では、Δｆが負の場合には三次感受率χ（３） ＳＨＢベクトルおよびχ（３ ） ＣＤＰベクトルが強めあうように作用するのに対し、Δｆが負の場合には三次感受率χ（３） ＳＨＢおよびχ（３） ＣＤＰベクトルが互いに打ち消しあうように作用する。これが従来の量子井戸を使った非線形媒質における光四波混合による波長変換の際に非対称性が現れる原因である。
【００３３】
これに対し図３（Ａ），（Ｂ）の量子ドット構造を使った場合には、Δｆ＝０の条件で前記三次感受率χ（３） ＳＨＢベクトルが虚数軸上に位置しているため、三次感受率χ（３） ＣＤＰベクトルが右回りあるいは左回りに回転しても全体の三次感受率χ（３）の変化は正および負のΔｆで対称的になる。
【００３４】
さらに前記周波数差Δｆの絶対値がｆＳＨＢを超えた場合には、Δｆが正あるいは負の場合に前記三次感受率χ（３） ＳＨＢベクトルが左回りあるいは右回りに回転するが、量子ドット構造を有する非線形媒質では、このいずれの場合においても三次感受率χ（３） ＳＨＢおよびχ（３） ＣＤＰベクトルが強めあうように作用するのがわかる。
【００３５】
図５（Ａ）は、図３（Ａ），（Ｂ）の量子ドットを含んだ非線形媒質２０において光四波混合により得られる出力光のパワーを、周波数差Δｆが正の場合および負の場合について入力信号光パワーに対して規格化して示す図である。また図５（Ｂ）は比較のため、通常のバルク構造を有する非線形媒質において光四波混合により得られた出力光のパワーを、周波数差Δｆが正の場合および負の場合について、入力信号光パワーに対して規格化して示した図である。図中、横軸は周波数差Δｆの絶対値を示す。
【００３６】
図５（Ａ）を参照するに、図中ＦＭＷと記しているのが光四波混合による波長変換された出力光を表すが、Δｆが正の場合と負の場合とで、ほとんど差がないことがわかる。また図５（Ａ）中には前記非線形媒質２０中において光増幅された信号光のパワーも示されている。ただし図５（Ａ）の実験では組成がＩｎＡｓの量子ドット２４上にバリア層２５として組成がＩｎＡｓのＩｎ０．１７Ｇａ０．８３ＡｓのＩｎＧａＡｓ層を成長した、リッジ導波路２８Ｒの幅が１０μｍで光軸方向への長さが２５ｍｍの試料が使われている。
【００３７】
これに対し、図５（Ｂ）の従来のバルク構造の場合には、Δｆが正の場合と負の場合とで得られる波長変換された光のパワーが大きく異なり、先に説明した非対称性が現れているのがわかる。
【００３８】
さらに図５（Ａ）より、周波数差Δｆに対する出力光パワーの依存性が、量子ドット含む線幅増大係数αがゼロの非線形媒質を使うことにより、図５（Ｂ）の場合よりも低減されているのがわかる。
【００３９】
このように本発明によれば、光四波混合の際に周波数差Δｆが正であっても負であっても同等な波長変換効率が得られ、広い波長範囲の入来信号光に対して波長変換を行うことが可能になる。
［第２実施例］
図６は、本発明の第２実施例による波長変換システム４０の構成を示す。ただし図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００４０】
図６を参照するに、波長変換システム４０は波長がλ１，λ２，・・・λｎの信号光のいずれかを供給され、これを増幅率αで増幅する光増幅器４１と、波長可変レーザ４２と、前記波長可変レーザ４２の出力レーザ光を増幅率βで増幅する光増幅器４３とを含み、前記光増幅器４１で増幅された信号光および光増幅器４２で増幅されたレーザ光は、光結合器４５において結合される。
【００４１】
さらに前記信号光およびレーザ光は前記光結合器４５から光サーキュレータ４６および偏光ビームスプリッタ４７を経て先に図３（Ａ），（Ｂ）で説明した量子ドット光増幅器２０に供給される。
【００４２】
偏光ビームスプリッタ４７では一方の光学ポートからはＴＥモードの透過光が、また他方の光学ポートからはＴＭモードの反射光が取り出されるため、ＴＭモードの光が取り出される光学ポートには１／２波長板４８が挿入され、ＴＭモードの光を量子ドット光増幅器２０が処理可能なＴＥモードの光に変換している。
【００４３】
先に図３（Ａ），（Ｂ）で説明した量子ドット光増幅器２０では、各々の量子ドット２４は高さがせいぜい１〜２ｎｍなのに対し径は２０〜３０ｎｍ程度あるため基板２１に垂直方向ではキャリアの閉じ込めが強く、逆に基板２１に平行な方向ではキャリアの閉じ込めはより弱くなっている。このためこのようなＳ−Ｋモードで成長した扁平な自己組織化量子ドット２４では、基板面に平行な電界を形成するＴＥモードに光のみが基板面に垂直な波動ベクトルを有する電子波と相互作用をし、基板面に垂直な電界を有するＴＭモードの光は量子ドット２４中の電子と相互作用することができない。
【００４４】
図６の構成によれば、前記偏光ビームスプリッタ４７から取り出された光はＴＥモード光として量子ドット光増幅器２０に導入され、効率よく光四波混合による波長変換が行われる。
【００４５】
前記量子ドット光増幅器２０においては、かかる光四波混合による波長変換の結果、先にも説明したように角周波数が２ωｐ−ωｓの出力光が得られるが、得られた出力光は前記光サーキュレータ４６を介して取り出され、波長可変フィルタ４９により信号光成分および励起光成分が除去され他の地、利得等化器５０を介して取り出される。
【００４６】
図６の構成では、さらに広帯域の信号光を処理できるように、前記波長可変レーザ４２および波長可変フィルタ４９を、処理する信号光の波長に応じて制御する制御装置５１が設けられている。
【００４７】
量子ドット光増幅器２０で形成される出力光のパワーは、量子ドットを非線形媒質中に形成しているため、先に説明したようにΔｆの値が正でも負でも、ほぼ同じ値が得られるが、それでも図５（Ａ）よりわかるように出力光のパワーは、前記周波数差Δｆが増大すると共に減少し、その際デシベル単位で表した出力光パワーはΔｆの絶対値が約１０００ＧＨｚの範囲内であれば略直線的に減少することがわかる。
【００４８】
そこで、このような周波数差Δｆの増大に伴う出力光パワーの低下を補償するために、図６の構成では前記制御装置５１が前記波長可変レーザ４２の発振波長を、前記周波数差Δｆの絶対値が約１０００ＧＨｚ内に収まるように制御している。その際、本発明の構成では励起光の波長が信号光の波長よりも長波長側にある必要はないため、単一のレーザ発振周波数の設定により、およそ±１０００ＧＨｚの周波数範囲がカバーされることになる。また本発明では前記制御装置５１により前記可変波長レーザ４２の発振波長を入来信号光の波長に応じて例えば２０００ＧＨｚ間隔で変化させることにより、広い帯域の入来信号光を波長変換することが可能になる。また本発明では、励起光源に要求される励起光の波長可変範囲が従来の量子井戸を使った場合に要求される波長範囲の半分ですみ、波長可変レーザ４２の構成および制御が実質的に簡素化される。
【００４９】
また図６の制御装置５１は、図５（Ａ）に見られる出力光パワーの周波数差Δｆによる低下を補償するために、図７に示すように前記光増幅器４１および４３の増幅率αおよびβを、図７に示すように制御する。
【００５０】
より具体的に説明すると、制御装置５１はデシベル単位で表した前記光増幅器４１および４３の増幅率αおよびβの値を、前記周波数差Δｆの絶対値とともに略直線的に増加させる。ただし図７において前記増幅率αとβとは同一の値をとる必要はない。これにより、周波数差Δｆが大きく、例えば±１０００ＧＨｚの限界付近においても十分な波長変換光の出力強度を実現することができる。
【００５１】
本発明ではこのように励起光源として可変波長レーザ４２を使い、また制御装置５１により可変波長レーザ４２および光増幅器４１，４３を制御するが、本発明ではかかる制御装置５１の制御が簡単である好ましい特徴が得られる。
【００５２】
なお、以上の説明では、前記非線形媒質２０における量子ドットを、基板上にＳ−Ｋモード成長した自己組織化量子ドットの例で説明したが、本発明はかかる特定の量子ドットに限定されるものではなく、例えば特開２００２−１４１５４８号公報に記載の半導体層中のエッチピットを使って形成する形式の量子ドットを使うことも可能である。
【００５３】
本発明では図３（Ａ），（Ｂ）の構成において、前記基板２１にｎ型ＩｎＰを使い、前記ＳＣＨ層２３およびバリア層２５に非ドープＩｎＰを使い、前記量子ドット２４にＩｎＡｓを使うことも可能である。また前記基板２１にｎ型ＩｎＧａＡｓを使い、前記量子ドットにＩｎＡｓを使うことも可能である。
【００５４】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００５５】
（付記１） 量子ドットを含む利得媒質と、
前記利得媒質に信号光を注入する第１の光学系と、
波長可変レーザと、
前記波長可変レーザにより形成されたレーザ光を前記利得媒質に注入する第２の光学系と、
前記利得媒質中で光四波混合により生じた出力光を選択的に取り出す波長可変フィルタとよりなることを特徴とする波長変換装置。
【００５６】
（付記２） 前記第１の光学系は、前記信号光を第１の増幅率で増幅する第１の光増幅器を含み、前記第２の光学系は、前記レーザ光を第２の増幅率で増幅する第２の光増幅器を含み、
前記波長変換装置は、さらに前記第１および第２の光増幅器を制御する制御装置を含み、前記制御装置は前記信号光の波長と前記レーザ光の波長との差の絶対値に基づいて、前記第１および第２の増幅率を変化させることを特徴とする付記１記載の波長変換装置。
【００５７】
（付記３） 前記制御装置は、前記信号光の波長と前記レーザ光の波長との差の絶対値に対応して、デシベル単位で表した前記第１および第２の増幅率を略直線的に変化させることを特徴とする付記２記載の波長変換装置。
【００５８】
（付記４） 前記信号光とレーザ光とはそれぞれ前記第１および第２の光学系を通過した後、光結合器にて合波され、さらに偏光ビームスプリッタにより分波されて前記利得媒質に供給されることを特徴とする付記１〜３のうち、いずれか一項記載の波長変換装置。
【００５９】
（付記５） 前記出力光は、前記光結合器と前記偏光ビームスプリッタとの間に設けられた光サーキュレータにより取り出されることを特徴とする付記１〜４のうち、いずれか一項記載の波長変換装置。
【００６０】
（付記６） 前記偏光ビームスプリッタから前記利得媒質に至る光路のうちの一方には、前記光路を伝搬する光のモードをＴＭモードからＴＥモードに変換する光モード変換素子が設けられていることを特徴とする付記５記載の波長変換装置。
【００６１】
（付記７） 前記第２の光路には、前記レーザ光の偏波を制御する偏波コントローラが設けられていることを特徴とする付記１〜６のうち、いずれか一項記載の波長変換装置。
【００６２】
（付記８） 前記非線形媒質は半導体基板と、前記半導体基板上に形成された活性層とよりなり、前記量子ドットは、前記活性層中において、前記半導体基板に対して歪系を形成する材料により形成された島状領域よりなり、前記半導体基板に対して格子整合するバリア層により覆われていることを特徴とする付記１〜７のうち、いずれか一項記載の波長変換装置。
【００６３】
（付記９） 前記半導体基板はＧａＡｓよりなり、前記量子ドットはＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓよりなることを特徴とする付記８記載の波長変換装置。
【００６４】
（付記１０） 前記半導体基板はＩｎＧａＡｓよりなり、前記量子ドットはＩｎＡｓよりなることを特徴とする付記８記載の波長変換装置。
【００６５】
（付記１１） 前記半導体基板はＩｎＰよりなり、前記量子ドットはＩｎＡｓよりなることを特徴とする付記８記載の波長変換装置。
【００６６】
【発明の効果】
本発明によれば、量子ドットを含んだ非線形媒質を使って光四波混合により波長変換を行う波長変換装置において、波長可変レーザを励起光源として使うことにより、広帯域フォトニックネットワークで使われるような広い波長範囲の入来信号光を、簡単な構成で波長変換することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の量子井戸を使った光四波混合波長変換装置の構成を示す図である。
【図２】光四波混合による波長変換の原理を説明する図である。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施例による非線形媒質として使われる光増幅器の構成を示す図である。
【図４】図３の光増幅器の動作を、従来の量子井戸構造を有する光増幅器と比較して示す図である。
【図５】（Ａ），（Ｂ）は、図３（Ａ），（Ｂ）の光増幅器を使った光四波混合の効果を、従来のバルク構造使った場合と比較して示す図である。
【図６】本発明の第２実施例による波長変換システムの構成を示す図である。
【図７】図６の波長変換システムにおける光増幅器の制御を説明する図である。
【符号の説明】
１１ 基板
１２ 多重量子井戸活性層
１３ クラッド層
１４ 信号光
１５ 励起光
１６ 波長変換出力光
２０ 非線形媒質（光増幅器）
２１ 基板
２２ 下部クラッド層
２３ 下部ＳＣＨ層
２４ 量子ドット
２５ バリア層
２６ 量子ドット活性層
２７ 上部ＳＣＨ層
２８ 上部クラッド層
２８ 導波構造
２９ 上部電極
３０ 下部電極
４０ 波長変換システム
４１，４３ 光増幅器
４２ 波長可変レーザ
４４ 偏波コントローラ
４５ 光結合器
４６ 光サーキュレータ
４７ 偏光ビームスプリッタ
４８ １／２波長板
４９ 波長可変フィルタ
５０ 利得等化器
５１ 制御装置
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に光信号処理装置に係り、特に光四波混合を使い、広い波長範囲で高速信号光を任意の波長へ変換する波長変換装置に関する。
【０００２】
全光ネットワークあるいはフォトニックネットワークにおいては、様々な波長の信号光が使われるが、異なったチャネルの信号光どうしの衝突の回避、あるいは空いた波長の再利用、サブネットワーク相互の自由な接続を実現すべく、ある波長の信号光を他の波長に変換する技術が望まれている。
【０００３】
【従来の技術】
このような光信号の光電変換を含まない全光処理による波長変換技術として、非線形媒質を使った光四波混合技術が知られている。
【０００４】
図１は、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する進行波型の半導体光増幅器を非線形媒質として使った光四波混合による波長変換の例を示す。
【０００５】
図１を参照するに、前記半導体光増幅器はｎ＋型ＩｎＰ基板１１上に形成されており、前記基板１１上に形成されたＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ構造を有するＭＱＷ活性層１２と、前記活性層１２上に形成されたｐ＋型ＩｎＰクラッド層１３とを含んでいる。また前記ｎ＋型基板１１は接地され、前記ＩｎＰクラッド層１３には正電圧が印加され、その結果、前記活性層１２は利得状態とされている。
【０００６】
図１の例では、前記半導体光増幅器の一方の端面側から角周波数ωｓの信号光１４と角周波数ωｐの励起光１５を入射しているが、このように利得状態にバイアスされた光増幅器に信号光１４と励起光１５とを注入すると、反対側の端面から、図２に示すように前記角周波数がωｓの信号光１４及び角周波数がωｐの励起光１５の他に、四光波混合によって角周波数２ωｐ−ωｓの位相共役波１６が得られる。
【０００７】
この現象は、角周波数ωｐの励起光１５によって励起されている半導体光増幅器のＭＱＷ活性層１２に、角周波数がωｓ（≠ωｐ）の信号光１４が入射した場合、励起光１５中の２つの光子と信号光１４中の１つの光子とが相互作用し、周波数が２ωｐ−ωｓの位相共役波１６が形成されるものである。
【０００８】
そこで図１の半導体増幅器において、出射側の端面に角周波数ωｓの信号光１４及び角周波数ωｐの励起光１５を除去するフィルタを設けることにより、角周波数が２ωｐ−ωｓに波長変換された位相共役波１６のみを取り出すことが可能になる。
【０００９】
この様な半導体光増幅器を用いた四光波混合位相共役波発生装置においては、光利得媒質である半導体活性層、即ち、ＭＱＷ活性層１２を非線型媒質として用いているため、大きな非線型効果が得られ、数１００μｍの長さの活性層で変換光を得ることができる。
【００１０】
しかし、従来の四光波混合を利用した波長変換装置においては、四光波混合を起こす非線型媒質としてキャリア注入した半導体利得媒質、即ち、バルク半導体或いは量子井戸半導体を用いた場合には、キャリア密度変調（ＣＤＰ：ｃａｒｒｉｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ ｐｕｌｓａｔｉｏｎ）効果とスペクトラルホールバーニング（ＳＨＢ：ｓｐｅｃｔｒａｌ ｈｏｌｅ ｂｕｒｎｉｎｇ）効果の競合により、励起光１５と信号光１４の角周波数差（Δω＝ωｐ−ωｓ）が、正の場合が負の場合かで、換言すると信号光１４の角周波数ωｓが励起光１５の角周波数ωｐよりも短波長側にあるか長波長側にあるかかにより、変換効率が非対称になり、特に短波長側から長波長側への変換効率が悪いという問題があった。
【００１１】
なお、ここでキャリア密度変調効果とは、入射したレーザ光の波長差、即ち角周波数差により電界にビートが生じ、その結果、キャリア密度にもビートが生じてキャリア密度が変化する現象である。一方スペクトラルホールバーニング効果とは、バーチャルな光の吸収により３次の非線型分極が生ずる効果であり、半導体レーザの利得スペクトルにおいて発振波長の位置にディップが生じ、利得が低下する現象である。
【００１２】
即ち、四光波混合位相共役波発生装置における変換効率χは、上記の３次元の非線型効果による三次の非線形感受率ξ（３）と、信号光１４の感じる線形利得Ｇとを用い、λｓを入射する信号光１４の波長、Ｐｐｕｍｐを励起光１５のパワーとして、χ∝｛ξ（３）（λｓ）｝２・Ｇ（λｓ）・Ｐ２ ｐｕｍｐで表されるが、三次の非線形感受率ξ（３）は、キャリア密度変調効果に対応する項とスペクトラルホールバーニング効果に対応する項との重畳の結果、通常の量子井戸構造を有する非線形媒質では発振波長に対して信号光１４の波長が長波長側である場合（Δω＞０）に大きく、短波長側である場合（Δω＜０）に小さい性質を有しており、この性質が変換効率χに反映されてしまう。なお、上式における｛ξ（３）（λｓ）｝２は、実際にはξ（３）（λｓ）の絶対値の２乗であるが、明細書作成の便宜上、｛ξ（３）（λｓ）｝２で表す。
【００１３】
そこで、特開平１１−３２６９６４号公報では、この様な変換効率χの非対称性の問題を解決するために、半導体利得媒質として量子ドット等の０次元キャリア閉じ込め量子構造を用いることを提案している。量子ドットのような０次元キャリア閉じ込め量子構造は擬似二準位系を形成し、二準位系の場合と同様に共鳴周波数において屈折率変化が０になり、キャリア密度変調効果による屈折率変調がほとんど起こらない。
【００１４】
今日では、量子ドットを形成する様々な技術が知られている。
【００１５】
例えば特開平９−０６４４７６号公報、あるいは特開平９−３２６５０６号公報には、基板に対して歪み系を形成するヘテロエピタキシャル構造を間に中間層を挟みながら交互に繰り返して堆積し、いわゆるＳ−Ｋ（ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｗ）モードによる自己組織化により形成された島状領域を量子ドットとして使う技術が開示されている。また特開２００２−１４１５４８号公報には、半導体層中に形成した四面体上のエッチピットの頂部に量子ドットを形成する技術が記載されている。
【００１６】
【特許文献１】特開平１１−３２６９６４号公報
【特許文献２】特開平９−０６４４７６号公報
【特許文献３】特開平９−３２６５０６号公報
【特許文献４】特開２００２−１４１５４８号公報
【非特許文献１】Ｔｏｍｏｙｕｋｉ Ａｋｉｙａｍａ， Ｈａｒｕｈｉｋｏ Ｋｕｗａｔｓｕｋａ， Ｎｏｂｕａｋｉ Ｈａｔｏｒｉ， Ｙｏｓｈｉａｋｉ Ｎａｋａｄａ， Ｈｉｒｏｊｉ Ｅｂｅ， ａｎｄ Ｍｉｔｓｕｒｕ Ｓｕｇａｗａｒａ， ”Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｈｉｇｈｌｙ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ （０ ｄＢ） Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｏｕｒ−ｗａｖｅ Ｍｉｘｉｎｇ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ， ”ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ｖｏｌ．１４， ｎｏ．８， ｐｐ．１１３９−１１４１， Ａｕｇｕｓｔ ２００２．
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
一方、このような量子ドットを有する非線形媒質を使った波長変換装置を実際の広帯域フォトニックネットワークに適用しようとすると、様々な波長の信号光に対して光四波混合波長変換を行う必要がある。このためには、フォトニックネットワークで使われる信号光波長の各々に対して励起光源を設ける必要があるが、かかる構成では装置の規模が大きくなり、また費用も非常に高くなってしまう。
【００１８】
そこで、本発明は上記の課題を解決した、新規で有用な波長変換装置を提供することにある。
【００１９】
本発明のより具体的な課題は、光四波混合技術を使い、広帯域の信号光を処理可能で、信号光波長が励起光波長よりも長い場合でも、また短い場合でも同等の変換効率が得られる波長変換装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、量子ドットを含む利得媒質と、前記利得媒質に信号光を注入する第１の光学系と、波長可変レーザと、前記波長可変レーザにより形成されたレーザ光を前記利得媒質に注入する第２の光学系と、前記利得媒質中で光四波混合により生じた出力光を選択的に取り出す波長可変フィルタとよりなることを特徴とする波長変換装置により、解決する。
【００２１】
本発明によれば、量子ドットを含む利得媒質をパラメトリック発振の非線形媒質として使うことにより、信号光波長が励起光波長よりも長い場合でも短い場合でも優れた変換効率を有する、広帯域フォトニックネットワークに適した波長変換装置が得られる。特にこのような波長変換装置において、励起光の光源として波長可変レーザのような波長可変光源を使うことにより、ネットワーク上を搬送される様々な波長の信号光を処理することが可能である。その際、本発明によれば信号光波長に対応して多数の励起光源を設ける必要はなく、また波長可変光源の波長を、高い変換効率を得るために信号光波長に対して常に短波長側に維持する等の制御は必要なく、波長変換装置の構成が簡素化される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
［第１実施例］
図３（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施例による非線形媒質２０の構成を示す。ただし図３（Ａ）は前記非線形媒質２０の軸方向に沿った垂直断面図を、図３（Ｂ）は前記非線形媒質２０の端面図を示す。
【００２３】
図３（Ａ）を参照するに、非線形媒質２０は（１００）面方位を有するｎ型ＧａＡｓ基板２１上に構成されており、前記基板２１上に形成されたｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２２と、前記クラッド層２２上に形成された非ドープＧａＡｓよりなる下部ＳＣＨ層２３とを含む。
【００２４】
前記ＳＣＨ層２３上にはＭＯＶＰＥ法あるいはＭＢＥ法を使ったＳ−Ｋモード成長により形成された島状の非ドープＩｎＡｓあるいはＩｎＧａＡｓ領域が量子ドット２４として形成されており、さらに前記ＳＣＨ層２３上には非ドープＧａＡｓバリア層２５が、前記量子ドット２４を覆うように形成されている。さらに前記量子ドット２４とバリア層２５とは２０〜３０周期繰り返されて活性層２６を形成し、前記活性層２６上には非ドープＧａＡｓよりなる上部ＳＣＨ層２７が形成されている。
【００２５】
例えばＩｎＡｓ量子ドット２４を形成する場合、１．８分子層分の非ドープＩｎＡｓ層を５１０°の基板温度で前記ＳＣＨ層２３あるいはバリア層２５上に堆積する。このようにしてＧａＡｓ層２３あるいは２５上に堆積したＩｎＡｓ層はＧａＡｓ基板２１に対して格子定数差のため歪み系を形成し、液滴状ないし島状構造を形成する。
【００２６】
さらに前記上部ＳＣＨ層２７上にはｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２８が形成されており、前記クラッド２８上には図示を省略したコンタクト層を介して上部電極２９が、また前記基板２１の下面には下部電極３０が形成されている。
【００２７】
図３（Ｂ）の端面図を参照するに、前記非線形媒質２０は前記クラッド層２８に軸方向に延在するリッジ構造２８形成されており、従って前記活性層２６中に注入された光は前記リッジ構造に沿って前記媒質２０中を軸方向に導波される。
【００２８】
図３（Ａ），（Ｂ）の非線形媒質２０は、前記上部電極２９に正電圧を印加し下部電極３０に負電圧を印加することにより前記活性層２６は利得状態となり、一端に供給された光を増幅する進行波型の光増幅器として作用する。
【００２９】
ところで、このような非線形媒質における三次複素感受率χ（３）は、前記キャリア密度変調過程あるいはスペクトラルホールバーニング過程などの非線形過程の和として、
χ（３）＝Σχ（３） ｍ＝Σχ（３） ｍ， Δ ｆ＝０（１−ｉ２πΔｆ・τｍ）−１ （１）
として表される。ただしｍは非線形過程を、Δｆは前記角周波数差Δωに対応する周波数差を、τｍは非線形過程ｍの時定数を、χ（３） ｍ， Δ ｆ＝０は、Δｆ＝０の場合の非線形過程ｍに対する三次複素感受率を表す。
【００３０】
図４は、通常の量子井戸（ＱＷ）と量子ドット（ＱＤ）について、前記周波数差Δｆを様々に変化させて求めた三次感受率χ（３） ＳＨＢおよびχ（３） ＣＤＰの関係を複素平面上において示す（Ａｋｉｙａｍａ， ｅｔ ａｌ． 非特許文献１）。ただし三次感受率χ（３） ＳＨＢおよびχ（３） ＣＤＰは、それぞれスペクトラルホールバーニング過程およびキャリア密度変調過程における三次感受率χ（３）を表す。量子ドットの場合、スペクトラルホールバーニング過程およびキャリア密度変調過程は量子井戸に対応したものが存在しないため、ここでは量子ドットのスペクトラルホールバーニング過程を、ある一つの量子ドットについて基底状態のキャリアのみが枯渇している状態と定義する。この枯渇状態は同じ量子ドットの他の状態からのキャリアの補給で緩和される。また量子ドットのキャリア密度変調過程を、ある量子ドット中のキャリアの全てを枯渇させる過程と定義する。
【００３１】
図４を参照するに、周波数差Δｆがゼロの場合には量子ドットでは三次感受率χ（３） ＳＨＢおよびχ（３） ＣＤＰはどちらも虚数軸上にあるのに対し、量子井戸では三次感受率χ（３） ＳＨＢは虚数軸上に位置しているものの、三次感受率χ（３） ＣＤＰは前記三次感受率χ（３） ＳＨＢから量子井戸の線幅増大係数αに対応する偏角だけずれているのがわかる。
【００３２】
一方、周波数差Δｆが正方向あるいは負方向に増大すると、周波数差Δｆの絶対値がｆＳＨＢよりも小さくｆＣＤＰよりも大きい範囲では、（ｆＳＨＢ，ｆＣＤＰはそれぞれの過程の時定数の逆数）三次感受率χ（３） ＣＤＰのベクトルが、Δｆが正の場合に反時計回り方向に、Δｆが負の場合に時計回り方向に回転し、その結果、通常の量子井戸構造では、Δｆが負の場合には三次感受率χ（３） ＳＨＢベクトルおよびχ（３ ） ＣＤＰベクトルが強めあうように作用するのに対し、Δｆが負の場合には三次感受率χ（３） ＳＨＢおよびχ（３） ＣＤＰベクトルが互いに打ち消しあうように作用する。これが従来の量子井戸を使った非線形媒質における光四波混合による波長変換の際に非対称性が現れる原因である。
【００３３】
これに対し図３（Ａ），（Ｂ）の量子ドット構造を使った場合には、Δｆ＝０の条件で前記三次感受率χ（３） ＳＨＢベクトルが虚数軸上に位置しているため、三次感受率χ（３） ＣＤＰベクトルが右回りあるいは左回りに回転しても全体の三次感受率χ（３）の変化は正および負のΔｆで対称的になる。
【００３４】
さらに前記周波数差Δｆの絶対値がｆＳＨＢを超えた場合には、Δｆが正あるいは負の場合に前記三次感受率χ（３） ＳＨＢベクトルが左回りあるいは右回りに回転するが、量子ドット構造を有する非線形媒質では、このいずれの場合においても三次感受率χ（３） ＳＨＢおよびχ（３） ＣＤＰベクトルが強めあうように作用するのがわかる。
【００３５】
図５（Ａ）は、図３（Ａ），（Ｂ）の量子ドットを含んだ非線形媒質２０において光四波混合により得られる出力光のパワーを、周波数差Δｆが正の場合および負の場合について入力信号光パワーに対して規格化して示す図である。また図５（Ｂ）は比較のため、通常のバルク構造を有する非線形媒質において光四波混合により得られた出力光のパワーを、周波数差Δｆが正の場合および負の場合について、入力信号光パワーに対して規格化して示した図である。図中、横軸は周波数差Δｆの絶対値を示す。
【００３６】
図５（Ａ）を参照するに、図中ＦＭＷと記しているのが光四波混合による波長変換された出力光を表すが、Δｆが正の場合と負の場合とで、ほとんど差がないことがわかる。また図５（Ａ）中には前記非線形媒質２０中において光増幅された信号光のパワーも示されている。ただし図５（Ａ）の実験では組成がＩｎＡｓの量子ドット２４上にバリア層２５として組成がＩｎＡｓのＩｎ０．１７Ｇａ０．８３ＡｓのＩｎＧａＡｓ層を成長した、リッジ導波路２８Ｒの幅が１０μｍで光軸方向への長さが２５ｍｍの試料が使われている。
【００３７】
これに対し、図５（Ｂ）の従来のバルク構造の場合には、Δｆが正の場合と負の場合とで得られる波長変換された光のパワーが大きく異なり、先に説明した非対称性が現れているのがわかる。
【００３８】
さらに図５（Ａ）より、周波数差Δｆに対する出力光パワーの依存性が、量子ドット含む線幅増大係数αがゼロの非線形媒質を使うことにより、図５（Ｂ）の場合よりも低減されているのがわかる。
【００３９】
このように本発明によれば、光四波混合の際に周波数差Δｆが正であっても負であっても同等な波長変換効率が得られ、広い波長範囲の入来信号光に対して波長変換を行うことが可能になる。
［第２実施例］
図６は、本発明の第２実施例による波長変換システム４０の構成を示す。ただし図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００４０】
図６を参照するに、波長変換システム４０は波長がλ１，λ２，・・・λｎの信号光のいずれかを供給され、これを増幅率αで増幅する光増幅器４１と、波長可変レーザ４２と、前記波長可変レーザ４２の出力レーザ光を増幅率βで増幅する光増幅器４３とを含み、前記光増幅器４１で増幅された信号光および光増幅器４２で増幅されたレーザ光は、光結合器４５において結合される。
【００４１】
さらに前記信号光およびレーザ光は前記光結合器４５から光サーキュレータ４６および偏光ビームスプリッタ４７を経て先に図３（Ａ），（Ｂ）で説明した量子ドット光増幅器２０に供給される。
【００４２】
偏光ビームスプリッタ４７では一方の光学ポートからはＴＥモードの透過光が、また他方の光学ポートからはＴＭモードの反射光が取り出されるため、ＴＭモードの光が取り出される光学ポートには１／２波長板４８が挿入され、ＴＭモードの光を量子ドット光増幅器２０が処理可能なＴＥモードの光に変換している。
【００４３】
先に図３（Ａ），（Ｂ）で説明した量子ドット光増幅器２０では、各々の量子ドット２４は高さがせいぜい１〜２ｎｍなのに対し径は２０〜３０ｎｍ程度あるため基板２１に垂直方向ではキャリアの閉じ込めが強く、逆に基板２１に平行な方向ではキャリアの閉じ込めはより弱くなっている。このためこのようなＳ−Ｋモードで成長した扁平な自己組織化量子ドット２４では、基板面に平行な電界を形成するＴＥモードに光のみが基板面に垂直な波動ベクトルを有する電子波と相互作用をし、基板面に垂直な電界を有するＴＭモードの光は量子ドット２４中の電子と相互作用することができない。
【００４４】
図６の構成によれば、前記偏光ビームスプリッタ４７から取り出された光はＴＥモード光として量子ドット光増幅器２０に導入され、効率よく光四波混合による波長変換が行われる。
【００４５】
前記量子ドット光増幅器２０においては、かかる光四波混合による波長変換の結果、先にも説明したように角周波数が２ωｐ−ωｓの出力光が得られるが、得られた出力光は前記光サーキュレータ４６を介して取り出され、波長可変フィルタ４９により信号光成分および励起光成分が除去され他の地、利得等化器５０を介して取り出される。
【００４６】
図６の構成では、さらに広帯域の信号光を処理できるように、前記波長可変レーザ４２および波長可変フィルタ４９を、処理する信号光の波長に応じて制御する制御装置５１が設けられている。
【００４７】
量子ドット光増幅器２０で形成される出力光のパワーは、量子ドットを非線形媒質中に形成しているため、先に説明したようにΔｆの値が正でも負でも、ほぼ同じ値が得られるが、それでも図５（Ａ）よりわかるように出力光のパワーは、前記周波数差Δｆが増大すると共に減少し、その際デシベル単位で表した出力光パワーはΔｆの絶対値が約１０００ＧＨｚの範囲内であれば略直線的に減少することがわかる。
【００４８】
そこで、このような周波数差Δｆの増大に伴う出力光パワーの低下を補償するために、図６の構成では前記制御装置５１が前記波長可変レーザ４２の発振波長を、前記周波数差Δｆの絶対値が約１０００ＧＨｚ内に収まるように制御している。その際、本発明の構成では励起光の波長が信号光の波長よりも長波長側にある必要はないため、単一のレーザ発振周波数の設定により、およそ±１０００ＧＨｚの周波数範囲がカバーされることになる。また本発明では前記制御装置５１により前記可変波長レーザ４２の発振波長を入来信号光の波長に応じて例えば２０００ＧＨｚ間隔で変化させることにより、広い帯域の入来信号光を波長変換することが可能になる。また本発明では、励起光源に要求される励起光の波長可変範囲が従来の量子井戸を使った場合に要求される波長範囲の半分ですみ、波長可変レーザ４２の構成および制御が実質的に簡素化される。
【００４９】
また図６の制御装置５１は、図５（Ａ）に見られる出力光パワーの周波数差Δｆによる低下を補償するために、図７に示すように前記光増幅器４１および４３の増幅率αおよびβを、図７に示すように制御する。
【００５０】
より具体的に説明すると、制御装置５１はデシベル単位で表した前記光増幅器４１および４３の増幅率αおよびβの値を、前記周波数差Δｆの絶対値とともに略直線的に増加させる。ただし図７において前記増幅率αとβとは同一の値をとる必要はない。これにより、周波数差Δｆが大きく、例えば±１０００ＧＨｚの限界付近においても十分な波長変換光の出力強度を実現することができる。
【００５１】
本発明ではこのように励起光源として可変波長レーザ４２を使い、また制御装置５１により可変波長レーザ４２および光増幅器４１，４３を制御するが、本発明ではかかる制御装置５１の制御が簡単である好ましい特徴が得られる。
【００５２】
なお、以上の説明では、前記非線形媒質２０における量子ドットを、基板上にＳ−Ｋモード成長した自己組織化量子ドットの例で説明したが、本発明はかかる特定の量子ドットに限定されるものではなく、例えば特開２００２−１４１５４８号公報に記載の半導体層中のエッチピットを使って形成する形式の量子ドットを使うことも可能である。
【００５３】
本発明では図３（Ａ），（Ｂ）の構成において、前記基板２１にｎ型ＩｎＰを使い、前記ＳＣＨ層２３およびバリア層２５に非ドープＩｎＰを使い、前記量子ドット２４にＩｎＡｓを使うことも可能である。また前記基板２１にｎ型ＩｎＧａＡｓを使い、前記量子ドットにＩｎＡｓを使うことも可能である。
【００５４】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００５５】
（付記１） 量子ドットを含む利得媒質と、
前記利得媒質に信号光を注入する第１の光学系と、
波長可変レーザと、
前記波長可変レーザにより形成されたレーザ光を前記利得媒質に注入する第２の光学系と、
前記利得媒質中で光四波混合により生じた出力光を選択的に取り出す波長可変フィルタとよりなることを特徴とする波長変換装置。
【００５６】
（付記２） 前記第１の光学系は、前記信号光を第１の増幅率で増幅する第１の光増幅器を含み、前記第２の光学系は、前記レーザ光を第２の増幅率で増幅する第２の光増幅器を含み、
前記波長変換装置は、さらに前記第１および第２の光増幅器を制御する制御装置を含み、前記制御装置は前記信号光の波長と前記レーザ光の波長との差の絶対値に基づいて、前記第１および第２の増幅率を変化させることを特徴とする付記１記載の波長変換装置。
【００５７】
（付記３） 前記制御装置は、前記信号光の波長と前記レーザ光の波長との差の絶対値に対応して、デシベル単位で表した前記第１および第２の増幅率を略直線的に変化させることを特徴とする付記２記載の波長変換装置。
【００５８】
（付記４） 前記信号光とレーザ光とはそれぞれ前記第１および第２の光学系を通過した後、光結合器にて合波され、さらに偏光ビームスプリッタにより分波されて前記利得媒質に供給されることを特徴とする付記１〜３のうち、いずれか一項記載の波長変換装置。
【００５９】
（付記５） 前記出力光は、前記光結合器と前記偏光ビームスプリッタとの間に設けられた光サーキュレータにより取り出されることを特徴とする付記１〜４のうち、いずれか一項記載の波長変換装置。
【００６０】
（付記６） 前記偏光ビームスプリッタから前記利得媒質に至る光路のうちの一方には、前記光路を伝搬する光のモードをＴＭモードからＴＥモードに変換する光モード変換素子が設けられていることを特徴とする付記５記載の波長変換装置。
【００６１】
（付記７） 前記第２の光路には、前記レーザ光の偏波を制御する偏波コントローラが設けられていることを特徴とする付記１〜６のうち、いずれか一項記載の波長変換装置。
【００６２】
（付記８） 前記非線形媒質は半導体基板と、前記半導体基板上に形成された活性層とよりなり、前記量子ドットは、前記活性層中において、前記半導体基板に対して歪系を形成する材料により形成された島状領域よりなり、前記半導体基板に対して格子整合するバリア層により覆われていることを特徴とする付記１〜７のうち、いずれか一項記載の波長変換装置。
【００６３】
（付記９） 前記半導体基板はＧａＡｓよりなり、前記量子ドットはＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓよりなることを特徴とする付記８記載の波長変換装置。
【００６４】
（付記１０） 前記半導体基板はＩｎＧａＡｓよりなり、前記量子ドットはＩｎＡｓよりなることを特徴とする付記８記載の波長変換装置。
【００６５】
（付記１１） 前記半導体基板はＩｎＰよりなり、前記量子ドットはＩｎＡｓよりなることを特徴とする付記８記載の波長変換装置。
【００６６】
【発明の効果】
本発明によれば、量子ドットを含んだ非線形媒質を使って光四波混合により波長変換を行う波長変換装置において、波長可変レーザを励起光源として使うことにより、広帯域フォトニックネットワークで使われるような広い波長範囲の入来信号光を、簡単な構成で波長変換することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の量子井戸を使った光四波混合波長変換装置の構成を示す図である。
【図２】光四波混合による波長変換の原理を説明する図である。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施例による非線形媒質として使われる光増幅器の構成を示す図である。
【図４】図３の光増幅器の動作を、従来の量子井戸構造を有する光増幅器と比較して示す図である。
【図５】（Ａ），（Ｂ）は、図３（Ａ），（Ｂ）の光増幅器を使った光四波混合の効果を、従来のバルク構造使った場合と比較して示す図である。
【図６】本発明の第２実施例による波長変換システムの構成を示す図である。
【図７】図６の波長変換システムにおける光増幅器の制御を説明する図である。
【符号の説明】
１１ 基板
１２ 多重量子井戸活性層
１３ クラッド層
１４ 信号光
１５ 励起光
１６ 波長変換出力光
２０ 非線形媒質（光増幅器）
２１ 基板
２２ 下部クラッド層
２３ 下部ＳＣＨ層
２４ 量子ドット
２５ バリア層
２６ 量子ドット活性層
２７ 上部ＳＣＨ層
２８ 上部クラッド層
２８ 導波構造
２９ 上部電極
３０ 下部電極
４０ 波長変換システム
４１，４３ 光増幅器
４２ 波長可変レーザ
４４ 偏波コントローラ
４５ 光結合器
４６ 光サーキュレータ
４７ 偏光ビームスプリッタ
４８ １／２波長板
４９ 波長可変フィルタ
５０ 利得等化器
５１ 制御装置
Claims (6)
- 量子ドットを含む利得媒質と、
前記利得媒質に信号光を注入する第１の光学系と、
波長可変レーザと、
前記波長可変レーザにより形成されたレーザ光を前記利得媒質に注入する第２の光学系と、
前記利得媒質中で光四波混合により生じた出力光を選択的に取り出す波長可変フィルタとよりなることを特徴とする波長変換装置。 - 前記第１の光学系は、前記信号光を第１の増幅率で増幅する第１の光増幅器を含み、前記第２の光学系は、前記レーザ光を第２の増幅率で増幅する第２の光増幅器を含み、
前記波長変換装置は、さらに前記第１および第２の光増幅器を制御する制御装置を含み、前記制御装置は前記信号光の波長と前記レーザ光の波長との差の絶対値に基づいて、前記第１および第２の増幅率を変化させることを特徴とする請求項１記載の波長変換装置。 - 前記非線形媒質は半導体基板と、前記半導体基板上に形成された活性層とよりなり、前記量子ドットは、前記活性層中において、前記半導体基板に対して歪系を形成する材料により形成された島状領域よりなり、前記半導体基板に対して格子整合するバリア層により覆われていることを特徴とする請求項または２記載の波長変換装置。
- 前記半導体基板はＧａＡｓよりなり、前記量子ドットはＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓよりなることを特徴とする請求項３記載の波長変換装置。
- 前記半導体基板はＩｎＧａＡｓよりなり、前記量子ドットはＩｎＡｓよりなることを特徴とする請求項３記載の波長変換装置。
- 前記半導体基板はＩｎＰよりなり、前記量子ドットはＩｎＡｓよりなることを特徴とする請求項３記載の波長変換装置。
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