JP2008209543A - Optical isolator apparatus and integrated semiconductor optical apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical isolator apparatus which does not use a Faraday rotator and is easily integrated with another semiconductor optical apparatus on the same semiconductor substrate. <P>SOLUTION: Frequency of signal light 14 is converted by a first frequency converter 22, is returned to the original frequency by a second frequency converter 32 and is emitted. In the procedure, a first light frequency selector 26 shields the signal light 14 while transmits second frequency converted light 28 originated from the signal light 14. However, return light 12 generated by reflection of the second frequency converted light 28 has an advancing direction reverse to that of excitation light and the frequency of the return light is not therefore converted by the second frequency converter 32. As the result, the return light 12 is shielded by the first light frequency selector 26. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、光アイソレータ装置及び集積化半導体光装置に関し、特に、他の半導体光装置と同一半導体基板上に集積化可能な光アイソレータ装置及び他の半導体光装置とその光アイソレータ装置が集積化された集積化半導体光装置に関する。   The present invention relates to an optical isolator device and an integrated semiconductor optical device, and in particular, an optical isolator device and another semiconductor optical device that can be integrated on the same semiconductor substrate as other semiconductor optical devices and the optical isolator device are integrated. The present invention relates to an integrated semiconductor optical device.

半導体レーザや半導体光増幅器等の光能動素子を具備し光信号を発生又は処理する光装置は、光装置内(又は光装置が接続された光伝送路内)で生じる僅かな反射光すなわち戻り光によっても光能動素子の動作が不安定になる。光アイソレータは、この戻り光を遮断し光能動素子の動作を安定化するためのものである。従って、光アイソレータは光装置には必須の光部品であり、特に半導体レーザや半導体光増幅器を備えた光装置では、その光出射口には必ず光アイソレータが接続されている。   An optical device that includes an optical active element such as a semiconductor laser or a semiconductor optical amplifier and generates or processes an optical signal is a small amount of reflected light, that is, return light generated in the optical device (or in the optical transmission line to which the optical device is connected) This also makes the operation of the optical active element unstable. The optical isolator is for blocking the return light and stabilizing the operation of the optical active element. Therefore, the optical isolator is an indispensable optical component for the optical device. In particular, in an optical device equipped with a semiconductor laser or a semiconductor optical amplifier, an optical isolator is always connected to the light exit port.

光アイソレータ1は、図8に示すように一対の光偏光子2,4とファラデー回転子10によって構成されている。そして、ファラデー回転子10には、光の進行方向に平行な磁界6が印加されている。   As shown in FIG. 8, the optical isolator 1 includes a pair of optical polarizers 2 and 4 and a Faraday rotator 10. A magnetic field 6 parallel to the traveling direction of light is applied to the Faraday rotator 10.

光アイソレータ1では、第1の偏光子2の透過軸3が、入射光8の偏光方向9と一致するように設定されている。このため入射光8は、第1の偏光子2を通過する。入射光8が次に通過するファラデー回転子10では、偏波回転角度が45°に設定されている。従って、ファラデー回転子10を通過した入射光8は、偏波方向が45°回転している。次に、入射光8は第2の偏光子4に入射する。第2の偏光子4の透過軸5は、45°傾けられている。このため入射光8は、第2の偏光子4を通過し光アイソレータ1から出射される。   In the optical isolator 1, the transmission axis 3 of the first polarizer 2 is set to coincide with the polarization direction 9 of the incident light 8. For this reason, the incident light 8 passes through the first polarizer 2. In the Faraday rotator 10 through which the incident light 8 passes next, the polarization rotation angle is set to 45 °. Therefore, the incident light 8 that has passed through the Faraday rotator 10 has a polarization direction rotated by 45 °. Next, the incident light 8 is incident on the second polarizer 4. The transmission axis 5 of the second polarizer 4 is inclined 45 °. Therefore, the incident light 8 passes through the second polarizer 4 and is emitted from the optical isolator 1.

光装置内(又は光装置が接続された光伝送路)で生じた戻り光12は、光アイソレータ1に入射し第2の偏光子4を通過する。戻り光12は、ファラデー回転子10に入射し偏波面が更に45°回転する。このためファラデー回転子10を通過して時点で、戻り光12の偏波面は、入射光の最初の偏波面に対して90°回転している。すなわち、戻り光12の偏波方向13は第1の偏光子2の透過軸3と直交している。このため、戻り光12は、第1の偏光子2を通過することができない。従って、戻り光12が、光アイソレータ1の入射口から出射されることはない。   The return light 12 generated in the optical device (or the optical transmission line to which the optical device is connected) enters the optical isolator 1 and passes through the second polarizer 4. The return light 12 enters the Faraday rotator 10 and the plane of polarization further rotates by 45 °. Therefore, when passing through the Faraday rotator 10, the polarization plane of the return light 12 is rotated by 90 ° with respect to the first polarization plane of the incident light. That is, the polarization direction 13 of the return light 12 is orthogonal to the transmission axis 3 of the first polarizer 2. For this reason, the return light 12 cannot pass through the first polarizer 2. Therefore, the return light 12 is not emitted from the entrance of the optical isolator 1.

このようにして光アイソレータ1は戻り光を遮断し、光アイソレータ1に接続された半導体光装置の動作を安定化する。
特開2005−315993号
In this way, the optical isolator 1 blocks the return light and stabilizes the operation of the semiconductor optical device connected to the optical isolator 1.
JP 2005-315993 A

光アイソレータ1を構成するファラデー回転子10は、YIG(イットリウム・鉄・ガーネット)等の磁性体によって構成される。このような磁性体を半導体基板上に形成し、半導体光装置と光アイソレータを集積化しようとする試みがなされている(特許文献1)。しかし、この試みは未だ研究段階に止まっている。   The Faraday rotator 10 constituting the optical isolator 1 is made of a magnetic material such as YIG (yttrium, iron, garnet). Attempts have been made to integrate such semiconductor optical devices and optical isolators by forming such a magnetic material on a semiconductor substrate (Patent Document 1). However, this attempt is still at the research stage.

しかも、ファラデー回転子10を機能させるためには、強い磁場を印加する必要がある。この磁場を発生するため、強磁性金属を半導体基板上に形成することが必要である。しかし、半導体光装置が形成された基板上に金属を形成してしまうと、光損失が大きくなり半導体光装置の機能が損なわれてしまう。   Moreover, in order to make the Faraday rotator 10 function, it is necessary to apply a strong magnetic field. In order to generate this magnetic field, it is necessary to form a ferromagnetic metal on the semiconductor substrate. However, if metal is formed on the substrate on which the semiconductor optical device is formed, the optical loss increases and the function of the semiconductor optical device is impaired.

このように、ファラデー回転子10からなる光アイソレータと半導体光装置を同一半導体基板上に集積化することは極めて困難である。   Thus, it is extremely difficult to integrate the optical isolator comprising the Faraday rotator 10 and the semiconductor optical device on the same semiconductor substrate.

そこで、本発明の目的は、ファラデー回転子を必要としない、他の半導体光装置との同一半導体基板上への集積化が容易な、光アイソレータ装置を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical isolator device that does not require a Faraday rotator and can be easily integrated on the same semiconductor substrate with other semiconductor optical devices.

上記の目的を達成するために、本発明の第1の側面は、光アイソレータ装置において、第1の周波数を有する信号光と、前記信号光と同一方向に進行し第2の周波数を有する励起光を混合し、第3の周波数を有する第1の周波数変換光を生成し、前記信号光、前記励起光、及び第1の周波数変換光からなる第1の出射光を出射する、非線形媒質からなる第1の光周波数変換器と、第1の光周波数変換器が出射する第1の出射光が入射され、前記信号光を遮断し、前記励起光および第1の周波数変換光からなる第2の出射光を出射する第1の光周波数選択器と、第1の光周波数選択器が出射する第2の出射光が入射され、同一方向に進行する前記励起光と第1の周波数変換光を混合し、第1の周波数を有する第2の周波数変換光を生成し、前記励起光と第1及び第2の周波数変換光からなる第3の出射光を出射する、非線形媒質からなる第2の光周波数変換器と、第2の光周波数変換器が出射する第3の出射光が入射され、第2の周波数変換光を出射し、前記励起光及び第1の周波数変換光を遮断する第2の光周波数選択器と、前記信号光が入射される光入射口と、第2の周波数変換光が出射される光出射口を具備し、第2の光周波数選択器が、第2の周波数変換光が反射され前記光出射口に戻った戻り光を透過し、第2の光周波数変換器が、第2の光周波数選択器が透過した前記戻り光を、前記励起光と混合せずに透過し、第1の光周波数選択器が、第2の光周波数変換器が透過した前記戻り光を遮断することを特徴とする。   In order to achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, there is provided an optical isolator device including a signal light having a first frequency and a pumping light traveling in the same direction as the signal light and having a second frequency. To generate a first frequency-converted light having a third frequency, and to emit a first output light composed of the signal light, the excitation light, and the first frequency-converted light. The first optical frequency converter and the first outgoing light emitted from the first optical frequency converter are incident, the signal light is blocked, and the second light consisting of the excitation light and the first frequency converted light A first optical frequency selector that emits outgoing light and a second outgoing light that is emitted from the first optical frequency selector are incident, and the excitation light and the first frequency converted light that travel in the same direction are mixed. Generating a second frequency-converted light having a first frequency, A second optical frequency converter made of a nonlinear medium that emits a third outgoing light consisting of an electromotive light and first and second frequency converted light; and a third output emitted by the second optical frequency converter. A second optical frequency selector that emits incident light, emits second frequency-converted light, and blocks the excitation light and the first frequency-converted light; a light entrance that receives the signal light; And a second optical frequency selector transmits the return light reflected from the second frequency converted light and returned to the light output port, and the second optical frequency selector An optical frequency converter transmits the return light transmitted by the second optical frequency selector without mixing with the pumping light, and the first optical frequency selector transmits the second optical frequency converter. The return light is blocked.

第1の側面によれば、ファラデー回転子を用いずに、半導体基板上に形成可能な半導体光装置のみによって光アイソレータを構成することができるので、半導体光装置と光アイソレータを同一半導体基板上に集積化することが可能になる。   According to the first aspect, since the optical isolator can be configured only by the semiconductor optical device that can be formed on the semiconductor substrate without using the Faraday rotator, the semiconductor optical device and the optical isolator are formed on the same semiconductor substrate. It becomes possible to integrate.

本発明の第2の側面は、第1の側面における光アイソレータ装置において、第1及び第2の光周波数変換器が、半導体光増幅器であることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the optical isolator device according to the first aspect, the first and second optical frequency converters are semiconductor optical amplifiers.

第1の側面によれば、第1及び第2の光周波数変換器が小型になるので、光アイソレータ装置全体の小型化が可能になる。   According to the first aspect, since the first and second optical frequency converters are reduced in size, the entire optical isolator device can be reduced in size.

第3の側面は、第1乃至第2の側面における光アイソレータ装置において、第1及び第2の光周波数変換器、第1及び第2の光周波数選択器、前記光入射口および前記光出射口が同一の半導体基板上に形成されたことを特徴とする。   According to a third aspect, in the optical isolator device according to the first or second aspect, the first and second optical frequency converters, the first and second optical frequency selectors, the light incident port, and the light output port. Are formed on the same semiconductor substrate.

第3の側面によれば、ファラデー回転子を用いずに、半導体光装置と光アイソレータを同一半導体基板上に集積化することが可能になる。   According to the third aspect, the semiconductor optical device and the optical isolator can be integrated on the same semiconductor substrate without using the Faraday rotator.

第4の側面は、第1乃至3の光アイソレータ装置において、前記基板が、インジウム燐からなる基板であることを特徴とする。   According to a fourth aspect, in the first to third optical isolators, the substrate is a substrate made of indium phosphorus.

第5の側面は、第3又は第4の側面における光アイソレータ装置と、前記半導体基板上に集積化され、前記光入射口に光出射口が光学的に接続された半導体光装置を有することを特徴とする。   The fifth aspect includes an optical isolator device according to the third or fourth aspect and a semiconductor optical device integrated on the semiconductor substrate and having a light exit opening optically connected to the light entrance. Features.

本発明によれば、ファラデー回転子を用いずに、半導体基板上に形成可能な半導体光装置のみによって光アイソレータを構成することができるので、他の半導体光装置と光アイソレータを同一半導体基板上に集積化することが可能になる。   According to the present invention, since the optical isolator can be configured only by the semiconductor optical device that can be formed on the semiconductor substrate without using the Faraday rotator, the other semiconductor optical device and the optical isolator can be formed on the same semiconductor substrate. It becomes possible to integrate.

以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。尚、同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments, but extends to the matters described in the claims and equivalents thereof. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same part and the description is abbreviate | omitted.

(基本構成)
図1は、本実施の形態に係る光アイソレータ装置の概念図である。
(Basic configuration)
FIG. 1 is a conceptual diagram of an optical isolator device according to the present embodiment.

本実施の形態に係る光アイソレータ装置11は、第1の周波数fを有する信号光14と、前記信号光と同一方向に進行し第2の周波数fを有する励起光16を混合し、第3の周波数fを有する第1の周波数変換光18を生成し、信号光14、励起光16、及び第1の周波数変換光18からなる第1の出射光20を出射する、非線形媒質(例えば半導体光増幅器)からなる第1の光周波数変換器22を備えている。 The optical isolator device 11 according to the present embodiment mixes the signal light 14 having the first frequency f 1 and the pumping light 16 having the second frequency f 2 that travels in the same direction as the signal light. A non-linear medium (for example, a first frequency converted light 18 having a frequency f 3 of 3 and a first output light 20 composed of the signal light 14, the excitation light 16, and the first frequency converted light 18) A first optical frequency converter 22 comprising a semiconductor optical amplifier) is provided.

また、本実施の形態に係る光アイソレータ装置11は、第1の光周波数変換器22が出射する第1の出射光20が入射され、信号光14を遮断し、励起光16および第1の周波数変換光18からなる第2の出射光24を出射する第1の光周波数選択器26を備えている。   Further, in the optical isolator device 11 according to the present embodiment, the first outgoing light 20 emitted from the first optical frequency converter 22 is incident, the signal light 14 is blocked, the pumping light 16 and the first frequency A first optical frequency selector 26 that emits the second outgoing light 24 composed of the converted light 18 is provided.

また、本実施の形態に係る光アイソレータ装置11は、第1の光周波数選択器26が出射する第2の出射光24が入射され、励起光16と第1の周波数変換光18を混合し、第1の周波数fを有する第2の周波数変換光28を生成し、励起光16と第1および第2の周波数変換光18,28からなる第3の出射光30を出射する、非線形媒質(例えば半導体光増幅器)からなる第2の光周波数変換器32を具備している。 Further, the optical isolator device 11 according to the present embodiment receives the second emission light 24 emitted from the first optical frequency selector 26, mixes the excitation light 16 and the first frequency converted light 18, and A non-linear medium (a non-linear medium) that generates a second frequency converted light 28 having a first frequency f 1 and emits a third outgoing light 30 comprising the excitation light 16 and the first and second frequency converted lights 18 and 28; For example, a second optical frequency converter 32 composed of a semiconductor optical amplifier) is provided.

また、第2の光周波数変換器32が出射する第3の出射光30が入射され、第2の周波数変換光28を出射し、励起光16と第1の周波数変換光18を遮断する第2の光周波数選択器34を具備している。   In addition, the third outgoing light 30 emitted from the second optical frequency converter 32 is incident, the second frequency converted light 28 is emitted, and the excitation light 16 and the first frequency converted light 18 are blocked. The optical frequency selector 34 is provided.

更に、本実施の形態に係る光アイソレータ装置11は、信号光14が入射される光入射口36と、第2の周波数変換光が出射される光出射口38を具備している。   Furthermore, the optical isolator device 11 according to the present embodiment includes a light incident port 36 through which the signal light 14 is incident and a light emitting port 38 through which the second frequency converted light is emitted.

そして、本実施の形態に係る光アイソレータ装置11では、第2の光周波数選択器34が、第2の周波数変換光が反射され光出射口38に戻った戻り光12を透過し、第2の光周波数変換器32が、第2の光周波数選択器34が透過した戻り光12を、励起光16と混合せずに透過し、第1の光周波数選択器26が、第2の光周波数変換器32が透過した戻り光12を遮断する。   In the optical isolator device 11 according to the present embodiment, the second optical frequency selector 34 transmits the return light 12 that is reflected from the second frequency converted light and returned to the light exit port 38, The optical frequency converter 32 transmits the return light 12 transmitted through the second optical frequency selector 34 without being mixed with the pumping light 16, and the first optical frequency selector 26 performs the second optical frequency conversion. The return light 12 transmitted by the device 32 is blocked.

このような構成を採用することにより、本実施の形態に係る光アイソレータ装置11は、光入射口36から戻り光12が出射されることを阻止し、光アイソレータとして機能する。   By adopting such a configuration, the optical isolator device 11 according to the present embodiment prevents the return light 12 from being emitted from the light incident port 36 and functions as an optical isolator.

しかも、本実施の形態に係る光アイソレータ装置11、半導体光増幅器等の半導体基板上に形成可能な半導体光装置のみによって構成可能である。このため、本実施の形態に係る光アイソレータ装置は、半導体基板上への集積化が容易である。
図1に示した構成は、信号光14と励起光16を予め合波し、光入射口36から両者を入射する構成になっている。しかし、励起光16は、同一基板上に集積化した光発生装置、例えば半導体レーザによって供給してもよい。
In addition, the optical isolator device 11 according to the present embodiment and a semiconductor optical device that can be formed on a semiconductor substrate such as a semiconductor optical amplifier can be used. For this reason, the optical isolator device according to the present embodiment can be easily integrated on a semiconductor substrate.
The configuration shown in FIG. 1 is a configuration in which the signal light 14 and the excitation light 16 are combined in advance and both are incident from the light incident port 36. However, the excitation light 16 may be supplied by a light generating device integrated on the same substrate, for example, a semiconductor laser.

次に、上記構成によって、どうのようにして光アイソレータ機能が実現されるか、その原理を説明する。
(原理)
以下、本実施の形態における光アイソレータ装置の原理について、図1にしたがって説明する。
Next, the principle of how the optical isolator function is realized by the above configuration will be described.
(principle)
Hereinafter, the principle of the optical isolator device according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

本実施の形態における光アイソレータ装置の動作原理を、信号光14の挙動に注目して説明する。   The operation principle of the optical isolator device in the present embodiment will be described by paying attention to the behavior of the signal light 14.

(1)概 要
まず、動作原理の概要を説明する。
(1) Outline First, the outline of the operating principle will be described.

図1に示すように、信号光14の周波数は、まず第1の光周波数変換器22によってfからfに変換される(すなわち、信号光14が、第1の周波数変換光に変換される。)。更に、第2の光周波数変換器32によって、周波数がfから元の周波数fに戻され、光出射口28から出射される(すなわち、第1の周波数変換光が第2の周波数変換光に変換される。)。 As shown in FIG. 1, the frequency of the signal light 14 is first converted from f 1 to f 3 by the first optical frequency converter 22 (that is, the signal light 14 is converted to the first frequency converted light. ) Further, the frequency is returned from the frequency f 3 to the original frequency f 1 by the second optical frequency converter 32 and emitted from the light exit port 28 (that is, the first frequency converted light is converted into the second frequency converted light. Converted to.)

から周波数変換光28として出力される。   Is output as frequency-converted light 28.

この過程で、信号光14は、第1の光周波数選択器26によって除去される。また、第1の周波数変換光18及び励起光16は、第2の光周波数選択器34によって除去される。   In this process, the signal light 14 is removed by the first optical frequency selector 26. Further, the first frequency converted light 18 and the pump light 16 are removed by the second optical frequency selector 34.

一方、光アイソレータ装置11に再入射した戻り光12は、第2の周波数変換光28と同じ周波数fを有しているので、第2の光周波数選択器34は通過することができる。しかし、周波数fの信号光14を遮断する第1の光周波数選択器26は通過することができない。 On the other hand, since the return light 12 re-entering the optical isolator device 11 has the same frequency f 1 as the second frequency converted light 28, the second optical frequency selector 34 can pass therethrough. However, the first optical frequency selector 26 that blocks the signal light 14 having the frequency f 1 cannot pass therethrough.

しかも、戻り光12は励起光16と逆方向に進行するため、第2の周波数変換器32によって周波数fがfに変換されることもない。すなわち、戻り光12が、第2の周波数変換器32によって第1の光周波数選択器26を透過可能な周波数fに変換されることもない。 Moreover, since the return light 12 travels in a direction opposite to that of the excitation light 16, nor the frequency f 1 is converted to f 3 by a second frequency converter 32. That is, the return light 12 is not converted by the second frequency converter 32 into the frequency f 3 that can be transmitted through the first optical frequency selector 26.

その結果、戻り光12は第1の光周波数選択器26を透過することができず、光入射口36に到達することができない。すなわち、戻り光12(又は、戻り光12に由来する光)が、入射口36から出射されることはない。従って、図1に示す光アイソレートでは、光アイソレート機能が実現される。   As a result, the return light 12 cannot pass through the first optical frequency selector 26 and cannot reach the light incident port 36. That is, the return light 12 (or light derived from the return light 12) is not emitted from the incident port 36. Therefore, the optical isolation function shown in FIG. 1 realizes the optical isolation function.

以上が、本実施の形態における光アイソレータ装置の原理の概要である。以下、この原理を詳しく説明する。   The above is the outline of the principle of the optical isolator device in the present embodiment. Hereinafter, this principle will be described in detail.

(2)詳 細
まず、周波数fを有する信号光14が、入射口36を経由して、例えば半導体光増幅器等からなる光周波数変換器22に入射する。光周波数変換器22には、周波数fを有する励起光16も入射される。但し、励起光16は必ずしも外部から入射する必要はなく、例えば光アイソレータ装置11が分布帰還型半導体レーザを備え自ら生成してもよい。但し、励起光16は、信号光14と同一方向に進行するものでなければならない。
第1の光周波数変換器22は、図1及び表1に示すように、周波数fの信号光14と周波数fの励起光16を混合(四光波混合)し、周波数f(=2f-f)を有する第1の周波数変換光18を生成し、信号光14及び励起光16を一緒に第1の周波数変換光18を出射する。尚、表1は、第1及び第2の光周波数変換器22,32の動作を説明する表である。
(2) Details First, the signal light 14 having the frequency f 1 enters the optical frequency converter 22 made of, for example, a semiconductor optical amplifier or the like via the incident port 36. The pumping light 16 having the frequency f 2 is also incident on the optical frequency converter 22. However, the pumping light 16 is not necessarily incident from the outside. For example, the optical isolator device 11 may include a distributed feedback semiconductor laser and generate it itself. However, the excitation light 16 must travel in the same direction as the signal light 14.
First optical frequency converter 22, FIG. 1 and Table 1, the excitation light 16 of the signal light 14 and the frequency f 2 of the frequency f 1 by mixing (FWM), the frequency f 3 (= 2f The first frequency converted light 18 having 2 −f 1 ) is generated, and the signal light 14 and the excitation light 16 are emitted together to emit the first frequency converted light 18. Table 1 is a table for explaining the operation of the first and second optical frequency converters 22 and 32.

Figure 2008209543
信号光14、励起光16、及び第1の周波数変換光18からなる出射光20は、第1の周波数選択器26に入射する。第1の周波数選択器26は、図1及び表2に示すように、周波数fの信号光14を遮断し、周波数fの励起光16および周波数fの第1の周波数変換光18透過する。尚、表2は、第1及び第2の光周波数選択器26,34の動作を説明する表である。
Figure 2008209543
The outgoing light 20 composed of the signal light 14, the excitation light 16, and the first frequency converted light 18 enters the first frequency selector 26. As shown in FIG. 1 and Table 2, the first frequency selector 26 blocks the signal light 14 having the frequency f 1 and transmits the pump light 16 having the frequency f 2 and the first frequency converted light 18 having the frequency f 3 . To do. Table 2 is a table for explaining the operation of the first and second optical frequency selectors 26 and 34.

Figure 2008209543
第1の周波数選択器26を透過した励起光16および第1の周波数変換光18は、例えば半導体光増幅器からなる第2の光周波数変換器32に入射する。第2の光周波数変換器32は、図1及び表1に示すように、同一方向に進行する励起光16と第1の周波数変換光18を混合(四光波混合)し、周波数f(=2f-f)を有する新たな周波数変換光28を生成する。
Figure 2008209543
The pumping light 16 and the first frequency converted light 18 that have passed through the first frequency selector 26 are incident on a second optical frequency converter 32 made of, for example, a semiconductor optical amplifier. As shown in FIG. 1 and Table 1, the second optical frequency converter 32 mixes the excitation light 16 traveling in the same direction and the first frequency converted light 18 (four-wave mixing), and the frequency f 1 (= 2f 2 -f 3 ) is generated.

すなわち、周波数変換光28は、2つの光周波数変換器22,32によって、信号光14が順次周波数変換されたものである。ここで、光周波数変換器22,32で用いられる励起光が同じものなので、第2の周波数変換光28の周波数は、信号光14の周波数と同じ周波数fになる。
第2の光周波数変換器32からは、励起光16と両方の周波数変換光18,28が出射される。しかし、図1及び表2に示すように、第2の光周波数選択器34によって周波数fの第1の周波数変換光18と周波数fの励起光16は遮断され、信号光14と同じ周波数fを有する第2の周波数変換光28のみが第2の光周波数選択器34透過する。
That is, the frequency-converted light 28 is obtained by sequentially converting the signal light 14 by the two optical frequency converters 22 and 32. Here, since the pump light used in the optical frequency converters 22 and 32 is the same, the frequency of the second frequency converted light 28 is the same frequency f 1 as the frequency of the signal light 14.
From the second optical frequency converter 32, the excitation light 16 and both frequency converted lights 18, 28 are emitted. However, as shown in FIG. 1 and Table 2, the second of the first excitation light 16 of the frequency converted light 18 and the frequency f 2 of the frequency f 3 by the optical frequency selector 34 is cut off, the same frequency as the signal light 14 Only the second frequency converted light 28 having f 1 is transmitted through the second optical frequency selector 34.

第2の周波数変換光28は、光アイソレータ装置11の光出射口38から出射され、光アイソレータ装置11が備え付けられた光装置内(図示せず)に入射する。第2の周波数変換光28は、この光装置の内部又は光装置が接続された光伝送路内で反射され、光出射口38に戻り光12として再入射する。   The second frequency converted light 28 is emitted from the light exit port 38 of the optical isolator device 11 and enters the optical device (not shown) provided with the optical isolator device 11. The second frequency converted light 28 is reflected inside the optical device or in an optical transmission path to which the optical device is connected, and returns to the light exit port 38 as light 12 again.

戻り光12は、第2の周波数変換光28が反射されたものである。従って、その周波数は第2の周波数変換光28と同じfである。このため戻り光12は、第2の光周波数選択器34を透過する(図1及び表2参照)。 The return light 12 is a reflection of the second frequency converted light 28. Therefore, the frequency is the same f 1 as the second frequency converted light 28. Therefore, the return light 12 passes through the second optical frequency selector 34 (see FIG. 1 and Table 2).

次に、第2の光周波数選択器34を透過した戻り光12は、第2の光周波数変換器32に入射する。しかし、以下に説明するように、戻り光12は、励起光16とは進行方向が逆なので第2の光周波数変換器32によっては周波数変換されない。従って、第2の光周波数変換器32は、戻り光12に基づく周波数変換光は生成せずに、戻り光12のみ第1の光周波数選択器26に出射する。   Next, the return light 12 that has passed through the second optical frequency selector 34 enters the second optical frequency converter 32. However, the return light 12 is not frequency-converted by the second optical frequency converter 32 because the traveling direction of the return light 12 is opposite to that of the excitation light 16 as described below. Therefore, the second optical frequency converter 32 emits only the return light 12 to the first optical frequency selector 26 without generating the frequency converted light based on the return light 12.

第2の光周波数変換器32を出射した戻り光12は、第1の光周波数選択器26に入射する。ここで周波数fを有する戻り光12は、第1の光周波数選択器26によって遮断される(図1及び表2参照)。 The return light 12 emitted from the second optical frequency converter 32 enters the first optical frequency selector 26. Here, the return light 12 having the frequency f 1 is blocked by the first optical frequency selector 26 (see FIG. 1 and Table 2).

従って、戻り光12は、光アイソレータ装置11の光入射口36に到達することはできない。このようにして、図1に示すような構成によって、光アイソレートとしての機能が実現される。   Therefore, the return light 12 cannot reach the light incident port 36 of the optical isolator device 11. In this way, the function as the optical isolation is realized by the configuration as shown in FIG.

(3)光周波数変換器の動作
次に、第1及び第2の光周波数変換器22,32が、戻り光12を周波数変換しない理由について説明する。
(3) Operation of Optical Frequency Converter Next, the reason why the first and second optical frequency converters 22 and 32 do not frequency convert the return light 12 will be described.

第1及び第2の光周波数変換器22,32は、例えば半導体光増幅器のように、三次の非線形感受率が大きな(少なくても、零ではない)非線形媒質によって構成される。そして、第1及び第2の光周波数変換器22,32は、入射光(プローブ光)と強い励起光(ポンプ光)を、三次の非線形効果によって混合(四光波混合)し、周波数変換光を生成する。   The first and second optical frequency converters 22 and 32 are configured by a nonlinear medium having a large third-order nonlinear susceptibility (not at least zero), such as a semiconductor optical amplifier. The first and second optical frequency converters 22 and 32 mix incident light (probe light) and strong excitation light (pump light) by a third-order nonlinear effect (four-wave mixing), and convert the frequency converted light. Generate.

非線形媒質の分極は、光の電界に対して非線形に応答する。従って、非線形媒質中には、プローブ光およびポンプ光とは異なった周波数で振動する非線形分極が励起される。この様な周波数で振動する非線形分極が励起源となって、プローブ光およびポンプ光とは異なる周波数で振動する光すなわち周波数変換光が発生する。   The polarization of the nonlinear medium responds nonlinearly to the electric field of light. Therefore, nonlinear polarization that vibrates at a frequency different from that of the probe light and pump light is excited in the nonlinear medium. Nonlinear polarization that vibrates at such a frequency serves as an excitation source, and light that vibrates at a frequency different from the probe light and pump light, that is, frequency-converted light is generated.

光周波数変換器の通常の動作条件では、非線形分極は、プローブ光およびポンプ光の進行方向に沿って均一に分布している。すなわち非線形分極による周波数変換光の励起源は、プローブ光およびポンプ光の進行方向に沿って分布している。このように分布している励起源が生成する光の位相が揃うと、プローブ光の進行にしたがって周波数変換光が成長する。すなわち、周波数変換が実現される。このように、非線形分極によって生成される光の位相が揃うことは、位相整合と呼ばれている。   Under normal operating conditions of the optical frequency converter, the non-linear polarization is uniformly distributed along the traveling direction of the probe light and the pump light. That is, the excitation source of the frequency converted light by nonlinear polarization is distributed along the traveling direction of the probe light and the pump light. When the phases of the light generated by the distributed excitation sources are aligned, the frequency converted light grows as the probe light advances. That is, frequency conversion is realized. Such alignment of light generated by nonlinear polarization is called phase matching.

プローブ光およびポンプ光の周波数が接近している場合、非線形媒質の屈折率分散は無視し得る。従って、このような場合、位相整合条件は無視することができる。例えば、半導体光増幅器からなる光周波数変換器では、プローブ光とポンプ光の周波数差が、波長換算で数十nmしかない。従って、位相整合条件を考慮する必要なない。   When the frequencies of the probe light and the pump light are close, the refractive index dispersion of the nonlinear medium can be ignored. Therefore, in such a case, the phase matching condition can be ignored. For example, in an optical frequency converter composed of a semiconductor optical amplifier, the frequency difference between the probe light and the pump light is only a few tens of nm in terms of wavelength. Therefore, it is not necessary to consider the phase matching condition.

しかし、これは、プローブ光とポンプ光の進行方向が一致する通常の使用状態が前提となる。プローブ光とポンプ光の進行方向が逆の場合には、たとえ屈折率差がなくても位相整合条件は満たされない。従って、このような場合には、周波数変換光は生成されない。
本実施の形態では、戻り光12と励起光16は進行方向が逆である。このため、第1および第2の光周波数変換器22,32は、戻り光12を周波数変換しない。
However, this is premised on a normal use state in which the traveling directions of the probe light and the pump light coincide. When the traveling directions of the probe light and the pump light are opposite, the phase matching condition is not satisfied even if there is no difference in refractive index. Therefore, in such a case, frequency converted light is not generated.
In the present embodiment, the traveling directions of the return light 12 and the excitation light 16 are opposite. For this reason, the first and second optical frequency converters 22 and 32 do not frequency convert the return light 12.

(3)位相整合条件
最後に、プローブ光とポンプ光の進行方向が逆の場合には、位相整合条件が満たされない理由について説明する。
(3) Phase matching condition Finally, the reason why the phase matching condition is not satisfied when the traveling directions of the probe light and the pump light are opposite will be described.

最初に、プローブ光とポンプ光の進行方向が一致する場合について、位相整合条件とはどのようなものであるか、マックスウェルの方程式に基づいて詳しく説明する。次に、プローブ光とポンプ光の進行方向が逆の場合、位相整合条件が満たされなくなる理由について説明する。   First, in the case where the traveling directions of the probe light and the pump light coincide with each other, what the phase matching condition is will be described in detail based on Maxwell's equations. Next, the reason why the phase matching condition is not satisfied when the traveling directions of the probe light and the pump light are opposite will be described.

広く知られているように、光の電界強度E(z,t)を記述する方程式は、マックスウェルの方程式に基づいて、次式のように表される。   As is widely known, an equation describing the electric field intensity E (z, t) of light is expressed as follows based on Maxwell's equation.

Figure 2008209543
ここで、zは、光の進行方向に沿った座標である。また、tは時間である。また、D(z,t)は、電束密度である。μは、真空の透磁率である。
Figure 2008209543
Here, z is a coordinate along the traveling direction of light. T is time. D (z, t) is the electric flux density. μ 0 is the vacuum permeability.

電束密度は次式で表すことができる。   The electric flux density can be expressed by the following equation.

Figure 2008209543
ここでεは、真空の誘電率である。Pは分極である。
Figure 2008209543
Here, ε 0 is the dielectric constant of vacuum. P is polarization.

この分極P(z,t)は、次式のように、電界強度E(z,t)に対する線形部分と非線形な部分に分けて表すわすことができる。   This polarization P (z, t) can be expressed separately as a linear part and a non-linear part with respect to the electric field intensity E (z, t) as shown in the following equation.

Figure 2008209543
ここで、χは電気感受率である。PNL(z,t)は、非線形分極である。式(3)を、式(1)に代入して整理すると、次式のような非線形媒質中での光の伝播方程式が得られる。
Figure 2008209543
Here, χ 1 is the electrical susceptibility. P NL (z, t) is nonlinear polarization. By substituting Equation (3) into Equation (1) and rearranging it, an equation of light propagation in a nonlinear medium is obtained as in the following equation.

Figure 2008209543
ここでεは、非線形媒質の誘電率であり、ε=ε+χである。
Figure 2008209543
Here, ε is a dielectric constant of the nonlinear medium, and ε = ε 0 + χ 1 .

更に、非線形分極PNL(z,t)は、次式で表すことができる。 Further, the nonlinear polarization P NL (z, t) can be expressed by the following equation.

Figure 2008209543
四光波混合が起きている時の電界強度E(z,t)は、ポンプ光E(z,t)、プローブ光E(z,t)、及び周波数変換光E(z,t)の和で表すことができる。すなわち、電界強度E(z,t)は、次式で表ことができる。
Figure 2008209543
The electric field intensity E (z, t) when four-wave mixing occurs is the pump light E p (z, t), the probe light E s (z, t), and the frequency converted light E c (z, t). Can be expressed as the sum of That is, the electric field strength E (z, t) can be expressed by the following equation.

Figure 2008209543
ここで、ポンプ光E(z,t)を次式で表すことがきる。
Figure 2008209543
Here, the pump light E p (z, t) can be expressed by the following equation.

Figure 2008209543
ωおよびkは、夫々ポンプ光の角振動数(=2π/振動数)および波数(=2π/波長)である。また、iは純虚数である。但し、ωおよびkは正の実数である。
Figure 2008209543
ω p and k p are the angular frequency (= 2π / frequency) and wave number (= 2π / wavelength) of the pump light, respectively. I is a pure imaginary number. However, ω p and k p are positive real numbers.

同様に、プローブ光E(z,t)を次式で表すことができる。 Similarly, the probe light E s (z, t) can be expressed by the following equation.

Figure 2008209543
ωおよびkは、夫々プローブ光の角振動数(=2π/振動数)および波数(=2π/波長)である。但し、ωおよびkは正の実数である。
Figure 2008209543
ω s and k s are the angular frequency (= 2π / frequency) and wave number (= 2π / wavelength) of the probe light, respectively. However, ω s and k s are positive real numbers.

同様に、周波数変換光E(z,t)は次式で表すことができる。 Similarly, the frequency converted light E c (z, t) can be expressed by the following equation.

Figure 2008209543
ωおよびkは、夫々プローブ光の角振動数(=2π/振動数)および波数(=2π/波長)である。但し、ωおよびkは正の実数である。
Figure 2008209543
ω c and k c are the angular frequency (= 2π / frequency) and wave number (= 2π / wavelength) of the probe light, respectively. However, ω c and k c are positive real numbers.

次に、式(6)に式(7)〜式(9)を代入し、四光波混合状態における電界強度E(z,t)を求める。次に、得られたE(z,t)を式(4)の左辺に代入する。その結果は、三つの角周波数ω,ω,ωで振動する電界成分の和になる。 Next, the formulas (7) to (9) are substituted into the formula (6) to obtain the electric field strength E (z, t) in the four-wave mixing state. Next, the obtained E (z, t) is substituted into the left side of the equation (4). The result is the sum of the electric field components oscillating at the three angular frequencies ω p , ω s and ω c .

ここで、角周波数ωで振動する成分を抽出し、次式のような仮定をおく。 Here, a component that vibrates at the angular frequency ω c is extracted, and an assumption such as the following equation is made.

Figure 2008209543
この式は、E(z)が、振動成分exp{i(ωt-kt)}+ exp{-i(ωt-kt)}に比べて穏やかに変化することを意味する。更に、k=ωμεを考慮すると、式(4)の左辺を近似する次式が得られる。
Figure 2008209543
This equation shows that E c (z) changes gently compared to the vibration component exp {i (ω c t−k c t)} + exp {−i (ω c t−k c t)}. means. Further, when k c = ω c μ 0 ε is considered, the following equation that approximates the left side of equation (4) is obtained.

Figure 2008209543
ここで、c.c.は複素共役数を表す。
Figure 2008209543
Where c. c. Represents a complex conjugate number.

次に、式(4)の右辺すなわち非線形分極PNL(z,t)について考える。 Next, consider the right side of equation (4), that is, the nonlinear polarization P NL (z, t).

非線形分極PNL(z,t)は、式(5)によって表される。四光波混合は三次の非線形効果なので、式(5)の右辺第2項に着目する。 The nonlinear polarization P NL (z, t) is expressed by the equation (5). Since four-wave mixing is a third-order nonlinear effect, attention is focused on the second term on the right side of Equation (5).

そこで、式(5)の右辺第2項に式(6)を代入する。すると、式(5)の右辺第2項(P(3) NL(z,t))は次式のようになる。 Therefore, Expression (6) is substituted into the second term on the right side of Expression (5). Then, the second term (P (3) NL (z, t)) on the right side of the equation (5) is expressed by the following equation.

Figure 2008209543
但し、以下のような仮定をおく。すなわち、式(12)では、E(z,t)は無視されている。
Figure 2008209543
However, the following assumptions are made. That is, E c (z, t) is ignored in Expression (12).

Figure 2008209543
次に、式(12)に式(7)〜(9)を代入する。ここで、三倍波E (z,t)および E (z,t)は無視する。
Figure 2008209543
Next, Expressions (7) to (9) are substituted into Expression (12). Here, the triple wave E 3 p (z, t) and E 3 s (z, t) are ignored.

またE(z,t)>> E(z,t)なので、E(z,t)・ E (z,t)は無視することができる。 Since E p (z, t) >> E s (z, t), E p (z, t) · E 2 s (z, t) can be ignored.

従って、式(12)は次式のようになる。   Therefore, the equation (12) becomes the following equation.

Figure 2008209543
第一項は、ポンプ光やプローブ光に比べて3倍近くの振動数をもっている。従って、この項によって励起される光は周波数が高く、殆ど基板や非線形媒質によって吸収してしまう。
Figure 2008209543
The first term has a frequency that is nearly three times that of pump light or probe light. Therefore, the light excited by this term has a high frequency and is almost absorbed by the substrate and the nonlinear medium.

第3項は、プローブ光と同じ周波数を有している。従って、この項には、プローブ光を増幅する作用はあるが、周波数変換光を生成する作用ない。   The third term has the same frequency as the probe light. Therefore, although this term has an effect of amplifying the probe light, it has no effect of generating the frequency converted light.

従って、式(14)で表される非線形分極P(3) NL(z,t)の内で、周波数変換光の励起源となりうるのは第2項のみである。 Therefore, in the nonlinear polarization P (3) NL (z, t) represented by the equation (14), only the second term can be the excitation source of the frequency converted light.

従って、周波数変換光が生成されている状態では、次式が成立する。   Therefore, in the state where the frequency converted light is generated, the following equation is established.

Figure 2008209543
ここで式(4)の右辺に式(14)を代入し、角周波数ω(=2ω−ω)で振動する成分を抽出する。抽出した成分は、式(4)の左辺において角周波数ω振動する項を表す式(11)に等しい。従って、次式が得られる。
Figure 2008209543
Here, Expression (14) is substituted into the right side of Expression (4), and a component that vibrates at the angular frequency ω c (= 2ω p −ω s ) is extracted. The extracted component is equal to Expression (11) representing the term that vibrates at the angular frequency ω c on the left side of Expression (4). Therefore, the following equation is obtained.

Figure 2008209543
ここで、式(16)の両辺を次式で割る。
Figure 2008209543
Here, both sides of the equation (16) are divided by the following equation.

Figure 2008209543
すると式(15)が成立するので、次式の微分方程式が得られる。
Figure 2008209543
Then, since Expression (15) is established, the following differential equation is obtained.

Figure 2008209543
但し、式(18)を導く際、次式を考慮する。
Figure 2008209543
However, the following equation is taken into account when deriving equation (18).

Figure 2008209543
ここで、Δkは次式で定義される変数である。
Figure 2008209543
Here, Δk is a variable defined by the following equation.

Figure 2008209543
次に、式(18)の微分方程式を解き、周波数変換光の強度のE(z,t)・E (z,t)を算出すと次式が得られる。
Figure 2008209543
Next, by solving the differential equation of equation (18) and calculating E p (z, t) · E * p (z, t) of the intensity of the frequency converted light, the following equation is obtained.

Figure 2008209543
式(21)の右辺は、よく知られているようにΔk=0の場合に、著しく大きな値となる関数である。従って、k=2k-kが満たされた場合、大きな周波数変換光が得られることになる。一方、Δk=0が成立しない場合、生成される周波数変換光は極めて小さく無視することができる。
Figure 2008209543
As is well known, the right side of the equation (21) is a function that takes a remarkably large value when Δk = 0. Therefore, when k c = 2k p -k s is satisfied, a large frequency converted light can be obtained. On the other hand, if Δk = 0 does not hold, the generated frequency converted light is extremely small and can be ignored.

このΔk=0という条件が満たされることを、位相整合と呼ぶ。   Satisfying this condition of Δk = 0 is called phase matching.

ところで、式(15)に示した通りω=2ω−ωである。しかも上述したように、光周波数変換器が半導体増幅器で構成されている場合には、屈折率分散は無視できる。従って、k=2k−kも成立する。このため、Δk=0となり周波数変換光が発生する。 Incidentally, ω c = 2ω p −ω s as shown in the equation (15). Moreover, as described above, when the optical frequency converter is composed of a semiconductor amplifier, the refractive index dispersion can be ignored. Therefore, k c = 2k p -k s also established. Therefore, Δk = 0 and frequency converted light is generated.

以上が四光波混合による周波数変換の原理である。   The above is the principle of frequency conversion by four-wave mixing.

ここで、ポンプ光とプローブ光が逆方向に進行する場合について考える。この場合、式(20)に相当する条件は、kを−kで置き換えたものでなる。すなわち、プローブ光の進行方向がポンプ光と逆の場合、式(20)は次式のようになる。 Here, consider the case where the pump light and the probe light travel in opposite directions. In this case, the conditions corresponding to the formula (20) is in replaces the k s at -k s. That is, when the traveling direction of the probe light is opposite to that of the pump light, Expression (20) becomes as follows.

Figure 2008209543
従って、もはやΔk=0は成立しない。従って、プローブ光の進行方向がポンプ光と逆の場合には、周波数変換光は生成されない。
Figure 2008209543
Therefore, Δk = 0 no longer holds. Accordingly, when the traveling direction of the probe light is opposite to that of the pump light, no frequency converted light is generated.

すなわち、プローブ光とポンプ光の進行方向が逆の場合、位相整合条件は満たされない。   That is, when the traveling directions of the probe light and the pump light are opposite, the phase matching condition is not satisfied.

(実施の形態例1)
(1)構 成
本実施の形態例は、他の半導体光装置と同一半導体基板上に集積化可能な光アイソレータ装置に係るものである。図2は、本実施の形態例における光アイソレータ装置11の平面構造を表した模式図である。
(Embodiment 1)
(1) Configuration This embodiment relates to an optical isolator device that can be integrated on the same semiconductor substrate as other semiconductor optical devices. FIG. 2 is a schematic diagram showing a planar structure of the optical isolator device 11 in the present embodiment.

本実施の形態における光アイソレータ装置11は、図2に示すように、InP基板42の上に形成され複数の半導体光装置によって構成されている。   As shown in FIG. 2, the optical isolator device 11 in the present embodiment is formed on an InP substrate 42 and is constituted by a plurality of semiconductor optical devices.

光アイソレータ装置11は、第1の周波数f(波長1.55μm)を有する信号光14と、この信号光と同一方向に進行し第2の周波数f(波長1.57μm)を有する励起光16を混合し、第3の周波数f(波長1.59μm)を有する第1の周波数変換光18を生成し、信号光14、励起光16、及び第1の周波数変換光18からなる第1の出射光20を出射する、半導体光増幅器44(非線形媒質)からなる第1の光周波数変換器22を備えている。 The optical isolator device 11 includes a signal light 14 having a first frequency f 1 (wavelength 1.55 μm) and a pumping light traveling in the same direction as the signal light and having a second frequency f 2 (wavelength 1.57 μm). 16, the first frequency converted light 18 having the third frequency f 3 (wavelength 1.59 μm) is generated, and the first frequency converted light 18 including the signal light 14, the excitation light 16, and the first frequency converted light 18 is generated. The first optical frequency converter 22 composed of a semiconductor optical amplifier 44 (nonlinear medium) that emits the emitted light 20 is provided.

また、光アイソレータ装置11は、励起光16を生成する、分布帰還型(Distributed Feedback;DFB)半導体レーザ43を備えている。また、光アイソレータ装置11は、信号光14と励起光16を結合し第1の光周波数変換器22に出射する多モード干渉 (Multi Mode Interference coupler; MMI)カプラ54を備えている。   The optical isolator device 11 includes a distributed feedback (DFB) semiconductor laser 43 that generates the pumping light 16. In addition, the optical isolator device 11 includes a multi-mode interference (MMI) coupler 54 that couples the signal light 14 and the pumping light 16 and emits them to the first optical frequency converter 22.

また、光アイソレータ装置11は、第1の光周波数変換器22が出射する第1の出射光20が入射され、信号光14を遮断し、励起光16および第1の周波数変換光18からなる第2の出射光24を出射する、アレイ導波路回折格子46(Arrayed Waveguide Grating;AWG)と多モード干渉カプラ48カプラからなる第1の光周波数選択器26を備えている。   Also, the optical isolator device 11 receives the first outgoing light 20 emitted from the first optical frequency converter 22, blocks the signal light 14, and includes the pump light 16 and the first frequency converted light 18. A first optical frequency selector 26 configured by an arrayed waveguide grating (AWG) and a multimode interference coupler 48 coupler, which emits two outgoing lights 24;

また、光アイソレータ装置11は、第1の光周波数選択器26が出射する第2の出射光24が入射され、同一方向に進行する励起光16と第1の周波数変換光18を混合し、第1の周波数f(波長1.55μm)を有する第2の周波数変換光28を生成し、励起光16と第1及び第2の周波数変換光18,28からなる第3の出射光30を出射する、半導体光増幅器50(非線形媒質)からなる第2の光周波数変換器32を備えている。 Further, the optical isolator device 11 receives the second outgoing light 24 emitted from the first optical frequency selector 26, mixes the excitation light 16 and the first frequency converted light 18 traveling in the same direction, A second frequency converted light 28 having a frequency f 1 (wavelength 1.55 μm) is generated, and a third outgoing light 30 composed of the excitation light 16 and the first and second frequency converted lights 18 and 28 is emitted. The second optical frequency converter 32 made of a semiconductor optical amplifier 50 (nonlinear medium) is provided.

また、光アイソレータ装置11は、第2の光周波数変換器32が出射する第3の出射光30が入射され、第2の周波数変換光28を出射し、励起光16及び第1の周波数変換光18を遮断するアレイ導波路回折格子52からなる第2の光周波数選択器34を備えている。   Further, the optical isolator device 11 receives the third output light 30 emitted from the second optical frequency converter 32, emits the second frequency converted light 28, and the excitation light 16 and the first frequency converted light. A second optical frequency selector 34 including an arrayed waveguide diffraction grating 52 that blocks 18 is provided.

また、光アイソレータ装置11は、信号光14が入射される光入射口36と、第2の周波数変換光が出射される光出射口38を具備している。   In addition, the optical isolator device 11 includes a light incident port 36 through which the signal light 14 is incident and a light output port 38 through which the second frequency converted light is emitted.

更に、光アイソレータ装置11は、上述した各半導体光装置を光学的に接続する複数の光導波路56,59,61,63,65,67,69,71,73を備えている。   Furthermore, the optical isolator device 11 includes a plurality of optical waveguides 56, 59, 61, 63, 65, 67, 69, 71, 73 for optically connecting the semiconductor optical devices described above.

(2)動 作
次に、本実施の形態例に係る光アイソレータ装置11の動作について説明する。
(2) Operation Next, the operation of the optical isolator device 11 according to the present embodiment will be described.

まず、波長1.57μmで光強度20mWの励起光16が、分布帰還型半導体レーザ43によって生成される。生成された励起光16は、光導波路59を通って、MMIカプラ54の一方側の光入射口に入射する。   First, the pumping light 16 having a wavelength of 1.57 μm and a light intensity of 20 mW is generated by the distributed feedback semiconductor laser 43. The generated excitation light 16 passes through the optical waveguide 59 and enters the light incident port on one side of the MMI coupler 54.

一方、波長1.55μmで光強度1mWの信号光14が、光アイソレータ装置11の光入射口36に入射する。光入射口36に入射した信号光14は、光導波路56を通って、MMIカプラ54の他方側の光入射口に入射する。   On the other hand, the signal light 14 having a wavelength of 1.55 μm and a light intensity of 1 mW enters the light incident port 36 of the optical isolator device 11. The signal light 14 incident on the light incident port 36 passes through the optical waveguide 56 and enters the light incident port on the other side of the MMI coupler 54.

励起光16と信号光14は、MMIカプラ54によって結合され、光導波路61に出射される。光導波路61に出射された励起光16と信号光14は、第1の光周波数変換器22に入射する。   The excitation light 16 and the signal light 14 are combined by the MMI coupler 54 and emitted to the optical waveguide 61. The excitation light 16 and the signal light 14 emitted to the optical waveguide 61 enter the first optical frequency converter 22.

第1の光周波数変換器22に入射した信号光14と励起光16は、第1の光周波数変換器22内を同一方向に進行する。そして、信号光14と励起光16は、非線形媒質として機能する半導体増幅器44からなる光周波数変換器22によって混合(四光波混合)され、第3の周波数f(波長1.59μm)を有する第1の周波数変換光18が生成される。ここで、信号光14から第1の周波数変換光18への変換効率は、−5dBである。 The signal light 14 and the pumping light 16 incident on the first optical frequency converter 22 travel in the same direction in the first optical frequency converter 22. Then, the signal light 14 and the pumping light 16 are mixed (four-wave mixing) by the optical frequency converter 22 including the semiconductor amplifier 44 that functions as a nonlinear medium, and the third light having a third frequency f 3 (wavelength 1.59 μm). One frequency converted light 18 is generated. Here, the conversion efficiency from the signal light 14 to the first frequency converted light 18 is −5 dB.

次に、信号光14、励起光16、および第1の周波数変換光18からなる第1の出射光20が、第1の光周波数変換器22から光導波路63に出射される。   Next, the first emitted light 20 composed of the signal light 14, the excitation light 16, and the first frequency converted light 18 is emitted from the first optical frequency converter 22 to the optical waveguide 63.

次に、光導波路63に出射された第1の出射光20は、第1の光周波数選択器26を構成するアレイ導波路回折格子46に入射する。第1の出射光20を構成する励起光16は、アレイ導波路回折格子46の第1の光出射口から出射され、光導波路67を通って、第1の光周波数選択器26を構成するMMIカプラ48の一方側の光入射口に入射する。   Next, the first outgoing light 20 emitted to the optical waveguide 63 enters the arrayed waveguide diffraction grating 46 that constitutes the first optical frequency selector 26. The excitation light 16 constituting the first emitted light 20 is emitted from the first light exit of the arrayed waveguide diffraction grating 46, passes through the optical waveguide 67, and forms the first optical frequency selector 26. The light enters the light entrance on one side of the coupler 48.

また、第1の出射光20を構成する第1の周波数変換光18は、アレイ導波路回折格子46の第2の光出射口から出射され、光導波路65を通って、第1の光周波数選択器26を構成するMMIカプラ48の他方側の光入射口に入射する。   The first frequency converted light 18 constituting the first emitted light 20 is emitted from the second light exit of the arrayed waveguide grating 46 and passes through the optical waveguide 65 to select the first optical frequency. Is incident on the light incident port on the other side of the MMI coupler 48 that constitutes the detector 26.

一方、第1の出射光20を構成する信号光14は、アレイ導波路回折格子46の図示されていない第3の光出射口から出射される。しかし、アレイ導波路回折格子46の第3の光出射口は、MMIカプラ48には接続されていない。従って、信号光14はInP基板中に廃棄される。   On the other hand, the signal light 14 constituting the first emitted light 20 is emitted from a third light emitting port (not shown) of the arrayed waveguide diffraction grating 46. However, the third light exit of the arrayed waveguide grating 46 is not connected to the MMI coupler 48. Therefore, the signal light 14 is discarded in the InP substrate.

MMIカプラ48の一方側および他方側の光入射口に入射した励起光16及び第1の光周波数変換光18は、このようにしてMMIカプラ48によって結合される。そして、励起光16と第1の周波数変換光18からなる第2の出射光24が、第1の光周波数選択器26から光導波路69に出射される。   The pumping light 16 and the first optical frequency converted light 18 that have entered the light incident ports on one side and the other side of the MMI coupler 48 are thus combined by the MMI coupler 48. Then, the second emitted light 24 composed of the excitation light 16 and the first frequency converted light 18 is emitted from the first optical frequency selector 26 to the optical waveguide 69.

すなわち、第1の光周波数選択器26によって、第1の光周波数変換器22が出射する第1の出射光20中の信号光14は遮断され、励起光16および第1の周波数変換光18は第2の出射光24として光導波路69に出射される。   That is, the signal light 14 in the first outgoing light 20 emitted from the first optical frequency converter 22 is blocked by the first optical frequency selector 26, and the excitation light 16 and the first frequency converted light 18 are The second outgoing light 24 is emitted to the optical waveguide 69.

次に、光導波路69に出射された第2の出射光24は、半導体光増幅器50からなる第2の光周波数変換器32に入射する。   Next, the second emitted light 24 emitted to the optical waveguide 69 is incident on the second optical frequency converter 32 including the semiconductor optical amplifier 50.

第2の光周波数変換器32に入射した励起光16と第1の周波数変換光18は、光周波数変換器32内を同一方向に進行する。そして、励起光16と第1の周波数変換光18は、非線形媒質として機能する半導体増幅器50からなる第2の光周波数変換器32によって混合(四光波混合)され、第1の周波数f(波長1.55μm)を有する第2の周波数変換光28が生成される。ここで、第1の周波数変換光18から第2の周波数変換光28への変換効率は、−5dBである。 The excitation light 16 and the first frequency converted light 18 incident on the second optical frequency converter 32 travel in the same direction in the optical frequency converter 32. The pumping light 16 and the first frequency converted light 18 are mixed (four-wave mixing) by the second optical frequency converter 32 including the semiconductor amplifier 50 that functions as a nonlinear medium, and the first frequency f 1 (wavelength). A second frequency converted light 28 having 1.55 μm) is generated. Here, the conversion efficiency from the first frequency converted light 18 to the second frequency converted light 28 is −5 dB.

次に、励起光16と第1及び第2の周波数変換光18,28からなる第3の出射光30が、第2の光周波数変換器32から光導波路71に出射される。   Next, the third emitted light 30 composed of the excitation light 16 and the first and second frequency converted lights 18 and 28 is emitted from the second optical frequency converter 32 to the optical waveguide 71.

次に、光導波路71に出射された第2の出射光30は、アレイ導波路回折格子52からなる第2の光周波数選択器34に入射する。第3の出射光30を構成する第2の周波数変換光28(波長1.55μm)は、アレイ導波路回折格子52の第1の光出射口から出射され、光導波路73を通って、光アイソレータ装置11の光出射口38から出射される。   Next, the second emitted light 30 emitted to the optical waveguide 71 is incident on the second optical frequency selector 34 including the arrayed waveguide diffraction grating 52. The second frequency converted light 28 (wavelength 1.55 μm) constituting the third output light 30 is output from the first light output port of the arrayed waveguide diffraction grating 52, passes through the optical waveguide 73, and passes through the optical isolator. The light is emitted from the light exit port 38 of the device 11.

一方、第3の出射光30を構成する励起光16(波長1.57μm)及び第1の周波数変換光18(波長1.59μm)は、アレイ導波路回折格子52の図示しない第2及び3の光出射口から出射される。しかし、アレイ導波路回折格子52の第2及び3の光出射口は、光アイソレータ装置1の光出射口38には接続されていない。このため、励起光16及び第1の周波数変換光18は、InP基板中に廃棄される。   On the other hand, the excitation light 16 (wavelength 1.57 μm) and the first frequency converted light 18 (wavelength 1.59 μm) constituting the third outgoing light 30 are the second and third (not shown) of the arrayed waveguide grating 52. It is emitted from the light exit. However, the second and third light exit ports of the arrayed waveguide grating 52 are not connected to the light exit port 38 of the optical isolator device 1. For this reason, the excitation light 16 and the first frequency converted light 18 are discarded in the InP substrate.

すなわち、第2の光周波数変換器32が出射する第3の出射光30は、第2の光周波数選択器34に入射される。そして、第3の出射光30を構成する第2の周波数変換光28は、第2の光周波数選択器34から出射され、光アイソレータ装置11の光出射口38から出射される。一方、第3の出射光30を構成する励起光16及び第1の周波数変換光18は、第2の光周波数選択器34によって遮断される。   That is, the third outgoing light 30 emitted from the second optical frequency converter 32 is incident on the second optical frequency selector 34. Then, the second frequency converted light 28 constituting the third emitted light 30 is emitted from the second optical frequency selector 34 and emitted from the light emitting port 38 of the optical isolator device 11. On the other hand, the excitation light 16 and the first frequency converted light 18 constituting the third outgoing light 30 are blocked by the second optical frequency selector 34.

光出射口38から出射された第2の周波数変換光28は、図示されていない光装置内に送出される。その後、第2の周波数変換光28は、その伝播経路上に存在する光学部材等の接続点で反射され、光出射口38に戻り光12として再入射する。   The second frequency converted light 28 emitted from the light emission port 38 is sent out into an optical device (not shown). Thereafter, the second frequency converted light 28 is reflected at a connection point of an optical member or the like existing on the propagation path, and returns to the light exit 38 as light 12 again.

光出射口38に入射した戻り光12は、光導波路73を通って、第2の光周波数選択器34を構成するアレイ導波路回折格子52の第1の光出射口に入射する。アレイ導波路回折格子52の第1の光出射口に入射した戻り光は、アレイ導波路回折格子52内を同じ周波数fを有する第2の周波数変換光28とは逆の経路を辿り、アレイ導波路回折格子52の光入射口から光導波路71に出射される。すなわち、戻り光12は、第2の光周波数選択器34を透過する。但し、アレイ導波路回折格子52の透過率は、あまり高くなく−13dBである。 The return light 12 that has entered the light exit port 38 passes through the optical waveguide 73 and enters the first light exit port of the arrayed waveguide grating 52 that constitutes the second optical frequency selector 34. The return light incident on the first light exit of the arrayed waveguide grating 52 follows the opposite path to the second frequency converted light 28 having the same frequency f 1 in the arrayed waveguide grating 52, The light is emitted from the light incident port of the waveguide diffraction grating 52 to the optical waveguide 71. That is, the return light 12 passes through the second optical frequency selector 34. However, the transmittance of the arrayed waveguide diffraction grating 52 is not so high and is -13 dB.

光導波路71に出射された戻り光12は、光増幅器50からなる第2の光周波数変換器32に入射する。   The return light 12 emitted to the optical waveguide 71 is incident on the second optical frequency converter 32 including the optical amplifier 50.

光導波路71から入射した戻り光12は、光周波数変換器32内を、光導波路71とは反対側に接続された光導波路69から入射する励起光16と逆方向に進行する。このため、戻り光12は励起光16とは混合されず、光周波数変換器32を透過し、光導波路69に出射される。   The return light 12 incident from the optical waveguide 71 travels in the optical frequency converter 32 in the opposite direction to the excitation light 16 incident from the optical waveguide 69 connected to the side opposite to the optical waveguide 71. For this reason, the return light 12 is not mixed with the excitation light 16, passes through the optical frequency converter 32, and is emitted to the optical waveguide 69.

光導波路69に出射された戻り光12は、第1の光周波数選択器26を構成するMMIカプラ48に入射する。MMIカプラ48に入射した戻り光12は、光導波路65および光導波路67に出射される。   The return light 12 emitted to the optical waveguide 69 enters the MMI coupler 48 that constitutes the first optical frequency selector 26. The return light 12 that has entered the MMI coupler 48 is emitted to the optical waveguide 65 and the optical waveguide 67.

光導波路65および光導波路67に出射された戻り光12は、第1の光周波数選択器26を構成するアレイ導波路回折格子46の第1及ぶ第2の光出射口に入射する。アレイ導波路回折格46の第1及ぶ第2の光出射口に入射した戻り光12は、アレイ導波路回折格子内を導波路63の接続された光入射口に向かって進む。   The return light 12 emitted to the optical waveguide 65 and the optical waveguide 67 is incident on the first and second light exit ports of the arrayed waveguide diffraction grating 46 constituting the first optical frequency selector 26. The return light 12 incident on the first and second light exit ports of the arrayed waveguide diffraction grating 46 travels in the arrayed waveguide diffraction grating toward the light entrance port connected to the waveguide 63.

しかし、戻り光12の周波数(波長1.55μm)は、アレイ導波路回折格子46の第3の光出射口に出射される信号光14の周波数(波長1.55μm)と同じである。従って、第1および第2の光出射口に入射された戻り光14は、光導波路63の接続された(アレイ導波路回折格46の)光入射口に到達することはない。すなわち、戻り光12は、第1の光周波数選択器26によって遮断される。この時、戻り光12は−40dB減衰する。   However, the frequency (wavelength 1.55 μm) of the return light 12 is the same as the frequency (wavelength 1.55 μm) of the signal light 14 emitted to the third light exit of the arrayed waveguide grating 46. Therefore, the return light 14 that has entered the first and second light exit ports does not reach the light entrance to which the optical waveguide 63 is connected (of the arrayed waveguide diffraction grating 46). That is, the return light 12 is blocked by the first optical frequency selector 26. At this time, the return light 12 is attenuated by -40 dB.

このため、戻り光12は、光アイソレータ装置11内を、これ以上進行することはない。すなわち、戻り光12は、光入射口36には到達しない。このようにして、光アイソレートとしての動作が実現される。なお、光アイソレータ装置11の分離比は、以上の説明から明らかなように、−53dB(=−13dB−40dB)である。   For this reason, the return light 12 does not travel further in the optical isolator device 11. That is, the return light 12 does not reach the light incident port 36. In this way, operation as an optical isolation is realized. Note that the separation ratio of the optical isolator device 11 is −53 dB (= −13 dB−40 dB), as is apparent from the above description.

本実施の形態例における光アイソレータ装置11は、総て半導体基板上に形成可能な半導体光装置によって構成されている。従って、本実施の形態例における光アイソレータ装置11は、他の半導体光装置と共に半導体基板上に集積化可能である。   The optical isolator device 11 in the present embodiment is composed of a semiconductor optical device that can be formed on a semiconductor substrate. Therefore, the optical isolator device 11 in this embodiment can be integrated on a semiconductor substrate together with other semiconductor optical devices.

(実施の形態例2)
本実施の形態例は、上述した光アイソレータ装置11と他の半導体光装置が集積化された集積化半導体光装置58に係るものである。
(Embodiment 2)
The present embodiment relates to an integrated semiconductor optical device 58 in which the above-described optical isolator device 11 and another semiconductor optical device are integrated.

(1)装置構成
図3は、本実施の形態例における集積化半導体光装置58の斜視図である。
(1) Device Configuration FIG. 3 is a perspective view of an integrated semiconductor optical device 58 in the present embodiment.

集積化半導体光装置58は、実施の形態例1で説明した光アイソレータ装置11と、光アイソレータ装置11が形成された半導体基板(n型InP基板42)上に形成された半導体モードロックレーザ60によって構成されている。更に、光アイソレータ装置11の光入射口には、半導体モードロックレーザ60の光出射口36が、光導波路56を介して光学的に接続されている。   The integrated semiconductor optical device 58 includes the optical isolator device 11 described in the first embodiment and the semiconductor mode-locked laser 60 formed on the semiconductor substrate (n-type InP substrate 42) on which the optical isolator device 11 is formed. It is configured. Further, the light exit port 36 of the semiconductor mode-locked laser 60 is optically connected to the light entrance port of the optical isolator device 11 via the optical waveguide 56.

光アイソレータ装置11の構成は、実施の形態例1に示したものと同じである。ここで、分布帰還型半導体レーザ43及び半導体光増幅器44、50の活性層は、InGaAs/InGaAs多重量井戸活性層によって構成されている。また、MMI48,54、AWG(アレイ導波路回折格子)46,52、及び光導波路56,59,61,63,65,67,69,71,73は、InGaAsコア層とi−InPクラッド層によって構成されている。また、半導体光増幅器44、50の長さは1mmである。   The configuration of the optical isolator device 11 is the same as that shown in the first embodiment. Here, the active layers of the distributed feedback semiconductor laser 43 and the semiconductor optical amplifiers 44 and 50 are composed of InGaAs / InGaAs multi-quantity well active layers. Further, the MMI 48, 54, the AWG (arrayed waveguide diffraction grating) 46, 52, and the optical waveguides 56, 59, 61, 63, 65, 67, 69, 71, 73 are composed of an InGaAs core layer and an i-InP cladding layer. It is configured. The length of the semiconductor optical amplifiers 44 and 50 is 1 mm.

一方、半導体モードロックレーザ60は、利得部62と可飽和吸収部64によって構成されている。利得部62の活性層及び可飽和吸収部64の光吸収層は、分布帰還型半導体レーザ43及び半導体光増幅器44、50の活性層と同じInGaAs/InGaAs多重量井戸活性層によって構成されている。   On the other hand, the semiconductor mode-locked laser 60 is composed of a gain unit 62 and a saturable absorber unit 64. The active layer of the gain unit 62 and the light absorption layer of the saturable absorption unit 64 are composed of the same InGaAs / InGaAs multi-quantum well active layer as the active layers of the distributed feedback semiconductor laser 43 and the semiconductor optical amplifiers 44 and 50.

なお、光アイソレータ装置11及び半導体モードロックレーザ60は、鉄(Fe)がドーピングされた高抵抗InP66によって埋め込まれている。   The optical isolator device 11 and the semiconductor mode-locked laser 60 are embedded with high resistance InP 66 doped with iron (Fe).

(2)使用方法
次に、本実施の形態例における集積化半導体光装置58の使用方法について説明する。
(2) Usage Method Next, a usage method of the integrated semiconductor optical device 58 in the present embodiment will be described.

集積化半導体光装置58は、従来の光アイソレータ(図8)を介することなく、例えば高速光時分割多重(OTDM)光通信システムに直接接続して、光源として使用することができる。   The integrated semiconductor optical device 58 can be directly connected to, for example, a high-speed optical time division multiplexing (OTDM) optical communication system without using a conventional optical isolator (FIG. 8), and can be used as a light source.

高速光時分割多重(OTDM)光通信システムは、半導体モードロックレーザ60のような光パルス光源が生成する光パルス列を、信号光として使用する。しかし、半導体モードロックレーザ60から出射される光パルス列を、OTDM光通信システムに直接入射すると、システム内で発生した戻り光によって、半導体モードロックレーザ60が出射する光パルス列にジッターが生じてしまう。   A high-speed optical time division multiplexing (OTDM) optical communication system uses an optical pulse train generated by an optical pulse light source such as a semiconductor mode-locked laser 60 as signal light. However, when the optical pulse train emitted from the semiconductor mode-locked laser 60 is directly incident on the OTDM optical communication system, jitter occurs in the optical pulse train emitted from the semiconductor mode-locked laser 60 due to the return light generated in the system.

本実施の形態例における集積化半導体光装置58は、半導体モードロックレーザ60が生成した光パルス列を、同一基板上に集積化した光アイソレータ装置11を介して出射する。従って、戻り光は光アイソレータ装置11によって遮断され、半導体モードロックレーザ60には入射しない。このため、半導体モードロックレーザ60の生成する光パルス列にジッターは発生しない。   The integrated semiconductor optical device 58 in the present embodiment emits the optical pulse train generated by the semiconductor mode-locked laser 60 via the optical isolator device 11 integrated on the same substrate. Accordingly, the return light is blocked by the optical isolator device 11 and does not enter the semiconductor mode-locked laser 60. For this reason, jitter does not occur in the optical pulse train generated by the semiconductor mode-locked laser 60.

すなわち、本実施の形態例における集積化半導体光装置58は、半導体モードロックレーザ60と光アイソレータ装置11が集積化されているので、OTDM光通信システムに直接接続しても、パルス列にジッターが生じることはない。   That is, in the integrated semiconductor optical device 58 in the present embodiment, since the semiconductor mode-locked laser 60 and the optical isolator device 11 are integrated, jitter occurs in the pulse train even when directly connected to the OTDM optical communication system. There is nothing.

(3)製造方法
最後に、図4〜図7に示す断面工程図にしたがって、図3に示した集積化半導体光装置58の製造方法を説明する。
ここで、図4及び図5は、図3に示したA−A´線における断面を矢印の方向から見て模式的に示したものでる。また、図6及び図7は、図3に示したB−B´線における断面を矢印の方向から見て模式的に示したものでる。
(3) Manufacturing Method Finally, a method for manufacturing the integrated semiconductor optical device 58 shown in FIG. 3 will be described according to the sectional process diagrams shown in FIGS.
Here, FIG. 4 and FIG. 5 schematically show the cross section taken along the line AA ′ shown in FIG. 3 from the direction of the arrow. 6 and 7 schematically show a cross section taken along the line BB ′ shown in FIG. 3 when viewed from the direction of the arrow.

まず、図4(a)及ぶ図6(a)のように、n型InP基板42上に、有機金属化学気相法(MO−CVD法)を用いて、n型InPクラッド層68、InGaAsP/InGaAs多重量子井戸(λg=1.55μm)からなる活性層70、p型InPクラッド層72、p型コンタクト層74を順次平坦に成長する(第1の工程)。   First, as shown in FIG. 4A and FIG. 6A, an n-type InP clad layer 68, an InGaAsP / P on the n-type InP substrate 42 using a metal organic chemical vapor deposition method (MO-CVD method). An active layer 70 made of an InGaAs multiple quantum well (λg = 1.55 μm), a p-type InP clad layer 72, and a p-type contact layer 74 are sequentially grown flat (first step).

これらの成長層は、以下の工程によって、モードロックレーザ60、分布帰還型半導体レーザ43、及び半導体光増幅器44,50に加工される。尚、λgは、バンドギャップを波長に換算した値である。   These growth layers are processed into the mode-locked laser 60, the distributed feedback semiconductor laser 43, and the semiconductor optical amplifiers 44 and 50 by the following steps. Note that λg is a value obtained by converting the band gap into a wavelength.

次に、図4(b)及ぶ図6(b)のように、誘導結合プラズマエッチング(Inductively Coupled Plasma:ICP)技術とフォトリソグラフィ技術を用いて、MMI48,54、AWG46,52、及び光導波路56,59,61,63,65,67,69,71,73を形成する予定部分をエッチングし、第1の工程で成長した層を除去する(第2の工程)。   Next, as shown in FIG. 4B and FIG. 6B, using the Inductively Coupled Plasma (ICP) technique and the photolithography technique, the MMI 48, 54, the AWGs 46, 52, and the optical waveguide 56 are used. , 59, 61, 63, 65, 67, 69, 71, 73 are etched to remove the layer grown in the first step (second step).

次に、図4(c)及ぶ図6(c)のように、第2の工程によって除去した部分に、MO−CVD法を用いて、i−InP下部クラッド層76、InGaAsP/InGaAs多重量子井戸(λg=1.35μm)からなるコア層78、i−InP上部クラッド層80を成長する(第3の工程)。   Next, as shown in FIG. 4C and FIG. 6C, the i-InP lower cladding layer 76, the InGaAsP / InGaAs multiple quantum well are formed on the portion removed by the second step by using MO-CVD. A core layer 78 and an i-InP upper cladding layer 80 made of (λg = 1.35 μm) are grown (third step).

次に、図5(a)及ぶ図7(a)のように、ICP技術とフォトリソグラフィ技術を用いて、モードロックレーザ60、分布帰還型半導体レーザ43、半導体光増幅器44,50、MMI48,54、AWG46,52、及び光導波路59,61,63,65,66,69,71,73となる部分を除いて、第1及び第2の工程で成長した層をエッチングし除去する(第4の工程)。   Next, as shown in FIG. 5A and FIG. 7A, using the ICP technique and the photolithography technique, the mode-locked laser 60, the distributed feedback semiconductor laser 43, the semiconductor optical amplifiers 44 and 50, and the MMI 48 and 54 are used. The layers grown in the first and second steps are removed by etching except the portions that become the AWGs 46 and 52 and the optical waveguides 59, 61, 63, 65, 66, 69, 71, and 73 (fourth). Process).

次に、図5(b)及ぶ図7(b)に示すように、第4の工程で除去した部分に、MO−CVD法を用いて、Feをドープした高抵抗InP66を成長する(第5の工程)。   Next, as shown in FIG. 5B and FIG. 7B, Fe-doped high-resistance InP 66 is grown on the portion removed in the fourth step by MO-CVD (fifth). Process).

最後に、図5(c)及ぶ図7(c)のように、モードロックレーザ60、分布帰還型半導体レーザ43、及び半導体光増幅器44,50となる予定部分のp型コンタクト層74にp型電極82(Ti/Pt/Au)を形成する。更に、n型InP基板の裏面に、n型電極84(AuGe/Au)を形成する。   Finally, as shown in FIG. 5C and FIG. 7C, the p-type contact layer 74 in the portions to be the mode-locked laser 60, the distributed feedback semiconductor laser 43, and the semiconductor optical amplifiers 44 and 50 is p-type. An electrode 82 (Ti / Pt / Au) is formed. Further, an n-type electrode 84 (AuGe / Au) is formed on the back surface of the n-type InP substrate.

以上説明した通り、本実施の形態では、第1および第2の光周波数変換器22、32は3次の非線形効果による四光波混合を利用して周波数変換を行っている。しかし、周波数変換に利用できる現象は四光波混合に限られるものではない。例えば、光周波数変換器22、32は、2次の非線形効果による差周波生成を利用するものであってもよい。   As described above, in the present embodiment, the first and second optical frequency converters 22 and 32 perform frequency conversion using four-wave mixing based on the third-order nonlinear effect. However, the phenomenon that can be used for frequency conversion is not limited to four-wave mixing. For example, the optical frequency converters 22 and 32 may use difference frequency generation by a second-order nonlinear effect.

また、第1および第2の周波数変換器を構成する非線形媒質は、SOAの活性層のような利得媒質に限定されるものでない。InxGa1-xAsyP1-yをコア層とするパッシブな光導波路であってもよい。 Further, the nonlinear medium constituting the first and second frequency converters is not limited to a gain medium such as an SOA active layer. It may be a passive optical waveguide having In x Ga 1-x As y P 1-y as a core layer.

本発明は、半導体光装置の製造業、特に、半導体光装置の製造業において利用可能である。   The present invention can be used in the semiconductor optical device manufacturing industry, particularly in the semiconductor optical device manufacturing industry.

実施の形態に係る光アイソレータ装置の概念図である。It is a conceptual diagram of the optical isolator apparatus which concerns on embodiment. 実施の形態例1における光アイソレータ装置の平面構造を表した模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing a planar structure of the optical isolator device in the first embodiment. 実施の形態例2における集積化半導体光装置の斜視図である。It is a perspective view of the integrated semiconductor optical device in Embodiment 2. FIG. 実施の形態例2における集積化半導体光装置の製造工程を、断面で表した図(その1)である。FIG. 16 is a first cross-sectional view showing a manufacturing process of the integrated semiconductor optical device in the second embodiment. 実施の形態例2における集積化半導体光装置の製造工程を、断面で表した図図(その2)である。FIG. 22 is a second diagram illustrating a manufacturing process of the integrated semiconductor optical device according to the second embodiment in cross section. 実施の形態例2における集積化半導体光装置の製造工程を、断面で表した図(その3)である。FIG. 11 is a third diagram illustrating a manufacturing process of the integrated semiconductor optical device according to the second embodiment in cross section. 実施の形態例2における集積化半導体光装置の製造工程を、断面で表した図(その4)である。FIG. 14 is a fourth diagram illustrating a manufacturing process of the integrated semiconductor optical device according to the second embodiment in cross section. 従来のアイソレータ装置の構成を説明する図であるIt is a figure explaining the structure of the conventional isolator apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1 従来の光アイソレータ装置
2 第1の偏光子
3 第1の偏光子の透過軸
4 第2の偏光子
5 第2の偏光子の透過軸
6 磁界
8 入射光
9 入射光の偏光方向
10 ファラデー回転子
11 光アイソレータ装置
12 戻り光
13 戻り光の偏光方向
14 信号光
16 励起光
18 第1の周波数変換光
20,24,30 出射光
22 第1の光周波数変換器
26 第1の光周波数選択器
28 第2の周波数変換光
32 第2の光周波数変換器
34 第2の光周波数選択器
36 光入射口
38 光出射口
42 n型InP基板
43 分布帰還型半導体レーザ
44,50 半導体光増幅器
46,52 アレイ導波路回折格子
48,54 多モード干渉カプラ
56,59,61,63,65,67,69,71,73,80 光導波路
58 集積化半導体光装置
60 半導体モードロックレーザ
62 利得部
64 可飽和吸収部
66 鉄(Fe)がドーピングされた高抵抗InP
68 n型InPクラッド層
70 活性層
72 p型InPクラッド層
74 p型コンタクト層
76 i−InP下部クラッド
78 コア層
80 i−InP上部クラッド層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Conventional optical isolator apparatus 2 1st polarizer 3 Transmission axis 4 of 1st polarizer 2nd polarizer 5 Transmission axis 6 of 2nd polarizer Magnetic field 8 Incident light 9 Polarization direction 10 of incident light Faraday rotation Element 11 Optical isolator device 12 Return light 13 Polarization direction 14 of return light Signal light 16 Excitation light 18 First frequency conversion light 20, 24, 30 Emission light 22 First optical frequency converter 26 First optical frequency selector 28 Second frequency converted light 32 Second optical frequency converter 34 Second optical frequency selector 36 Light entrance port 38 Light exit port 42 n-type InP substrate 43 Distributed feedback semiconductor laser 44, 50 Semiconductor optical amplifier 46, 52 Arrayed waveguide diffraction grating 48, 54 Multimode interference coupler 56, 59, 61, 63, 65, 67, 69, 71, 73, 80 Optical waveguide 58 Integrated semiconductor optical device 60 Semiconductor mode lockless User 62 Gain section 64 Saturable absorption section 66 High resistance InP doped with iron (Fe)
68 n-type InP cladding layer 70 active layer 72 p-type InP cladding layer 74 p-type contact layer 76 i-InP lower cladding 78 core layer 80 i-InP upper cladding layer

Claims (5)

第1の周波数を有する信号光と、前記信号光と同一方向に進行し第2の周波数を有する励起光を混合し、第3の周波数を有する第1の周波数変換光を生成し、前記信号光、前記励起光、及び第1の周波数変換光からなる第1の出射光を出射する、非線形媒質からなる第1の光周波数変換器と、
第1の光周波数変換器が出射する第1の出射光が入射され、前記信号光を遮断し、前記励起光および第1の周波数変換光からなる第2の出射光を出射する第1の光周波数選択器と、
第1の光周波数選択器が出射する第2の出射光が入射され、同一方向に進行する前記励起光と第1の周波数変換光を混合し、第1の周波数を有する第2の周波数変換光を生成し、前記励起光と第1及び第2の周波数変換光からなる第3の出射光を出射する、非線形媒質からなる第2の光周波数変換器と、
第2の光周波数変換器が出射する第3の出射光が入射され、第2の周波数変換光を出射し、前記励起光及び第1の周波数変換光を遮断する第2の光周波数選択器と、
前記信号光が入射される光入射口と、
第2の周波数変換光が出射される光出射口を具備し、
第2の光周波数選択器が、第2の周波数変換光が反射され前記光出射口に戻った戻り光を透過し、
第2の光周波数変換器が、第2の光周波数選択器が透過した前記戻り光を、前記励起光と混合せずに透過し、
第1の光周波数選択器が、第2の光周波数変換器が透過した前記戻り光を遮断する光アイソレータ装置。
The signal light having the first frequency and the pumping light having the second frequency traveling in the same direction as the signal light are mixed to generate the first frequency converted light having the third frequency, and the signal light A first optical frequency converter made of a nonlinear medium that emits first emitted light made of the excitation light and the first frequency converted light;
The first light emitted from the first optical frequency converter is incident, blocks the signal light, and emits the second emitted light composed of the excitation light and the first frequency converted light. A frequency selector;
The second outgoing light emitted from the first optical frequency selector is incident, the pumping light traveling in the same direction and the first frequency converted light are mixed, and the second frequency converted light having the first frequency is mixed. A second optical frequency converter made of a nonlinear medium that emits a third outgoing light consisting of the excitation light and the first and second frequency converted lights,
A second optical frequency selector that receives the third emitted light emitted from the second optical frequency converter, emits the second frequency converted light, and blocks the excitation light and the first frequency converted light; ,
A light entrance through which the signal light is incident;
Comprising a light exit through which the second frequency converted light is emitted;
A second optical frequency selector transmits the return light reflected by the second frequency converted light and returned to the light exit;
A second optical frequency converter transmits the return light transmitted by the second optical frequency selector without being mixed with the excitation light;
An optical isolator device in which a first optical frequency selector blocks the return light transmitted by a second optical frequency converter.
第1及び第2の光周波数変換器が、半導体光増幅器であることを特徴とする請求項1に記載の光アイソレータ装置。   2. The optical isolator device according to claim 1, wherein the first and second optical frequency converters are semiconductor optical amplifiers. 第1及び第2の光周波数変換器、第1及び第2の光周波数選択器、前記光入射口および前記光出射口が同一の半導体基板上に形成されたことを特徴とする請求項1又は2に記載の光アイソレータ装置。   The first and second optical frequency converters, the first and second optical frequency selectors, the light entrance and the light exit are formed on the same semiconductor substrate. 3. The optical isolator device according to 2. 前記基板が、インジウム燐からなる基板であることを特徴とする請求項1乃至3に記載の光アイソレータ装置。   4. The optical isolator device according to claim 1, wherein the substrate is a substrate made of indium phosphorus. 請求項3又は4に記載の光アイソレータ装置と、
前記半導体基板上に集積化され、前記光入射口に光出射口が光学的に接続された半導体光装置を有することを特徴とする集積化半導体光装置。
An optical isolator device according to claim 3 or 4,
An integrated semiconductor optical device comprising a semiconductor optical device integrated on the semiconductor substrate and having a light exit opening optically connected to the light entrance opening.
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