JP2922190B1 - Nonlinear optical semiconductor device - Google Patents

Nonlinear optical semiconductor device

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JP2922190B1
JP2922190B1 JP6657498A JP6657498A JP2922190B1 JP 2922190 B1 JP2922190 B1 JP 2922190B1 JP 6657498 A JP6657498 A JP 6657498A JP 6657498 A JP6657498 A JP 6657498A JP 2922190 B1 JP2922190 B1 JP 2922190B1
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Abstract

【要約】 【課題】 半導体のサブバンド間遷移を利用した光制御
型の超高速半導体光スイッチにおいて、簡易な構成で安
定な偏波無依存動作を実現する。 【解決手段】 半導体量子井戸のサブバンド間遷移を利
用した第1の非線形光導波路部12aと第2の非線形光
導波路部12bとが2分の1波長板14を挟んで直列に
接続されてなる非線形光半導体デバイスに、第1の非線
形光導波路部12aにTMモードとして入射するパワー
と第2の非線形光導波路部12bにTMモードとして入
射するパワーとがほぼ等しくなるように、パワーと偏波
状態が設定され、しかもサブバンド間遷移の吸収波長帯
に属する制御光パルスが、サブバンド間遷移の吸収波長
帯に属する信号光パルスに対して所定のタイミングで入
射される。
An optical control type ultra-high-speed semiconductor optical switch using transition between sub-bands of a semiconductor realizes stable polarization-independent operation with a simple configuration. SOLUTION: A first nonlinear optical waveguide portion 12a and a second nonlinear optical waveguide portion 12b utilizing a transition between subbands of a semiconductor quantum well are connected in series with a half-wave plate 14 interposed therebetween. The power and the polarization state of the nonlinear optical semiconductor device are set such that the power incident on the first nonlinear optical waveguide section 12a as the TM mode is substantially equal to the power incident on the second nonlinear optical waveguide section 12b as the TM mode. Is set, and the control light pulse belonging to the absorption wavelength band of the transition between sub-bands is incident at a predetermined timing with respect to the signal light pulse belonging to the absorption wavelength band of the transition between sub-bands.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光制御型超高速半
導体光変調器や光制御型超高速半導体光スイッチなどの
非線形光半導体デバイスに係わり、特に入射信号光の偏
波状態に依存しない非線形光半導体デバイスに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nonlinear optical semiconductor device such as an optically controlled ultra-high-speed semiconductor optical modulator or an optically controlled ultra-high-speed semiconductor optical switch, and more particularly to a nonlinear optical device which does not depend on the polarization state of incident signal light. The present invention relates to an optical semiconductor device.

【0002】[0002]

【従来の技術】来るべきマルチメディア時代の基幹伝送
系においては、毎秒数百〜数テラビットの大量の情報が
光ファイバを飛び交うことになる。このような情報を自
由に処理できる光ノードの実現には、光超短パルスで制
御される超高速光スイッチが必要である。目的が周期的
な光デマルチプレクシングであれば、デマルチプレクシ
ングの周期で内部状態が元の状態に復帰する物理現象を
利用できる。しかし、信号光をビット単位でスイッチン
グするためには、信号1スロット分の時間内に元の状態
に復帰していなければならない。このようなビット・モ
ード動作可能な超高速光スイッチの原理として、窒化物
半導体量子井戸中のサブバンド間遷移の利用が考えられ
ている(例えば、特願平6−248451号、特願平7
−42014号、特願平7−102198号、特願平8
−31534号、或いは N.Suzukiand N.Iizuka Japane
se Journal of Aplied Physics, vol.36,pp.L1006-L100
8,1997年)。
2. Description of the Related Art In a backbone transmission system in the coming multimedia age, a large amount of information of several hundreds to several terabits per second flies over an optical fiber. To realize an optical node that can freely process such information, an ultra-high-speed optical switch controlled by ultra-short optical pulses is required. If the purpose is periodic optical demultiplexing, a physical phenomenon in which the internal state returns to the original state in the cycle of demultiplexing can be used. However, in order to switch the signal light on a bit basis, it is necessary to return to the original state within the time corresponding to one slot of the signal. As a principle of such an ultra-high-speed optical switch capable of operating in a bit mode, use of transition between subbands in a nitride semiconductor quantum well is considered (for example, Japanese Patent Application Nos. Hei 6-248451 and Hei 7).
-42014, Japanese Patent Application No. 7-102198, Japanese Patent Application No. 8
No. 31534 or N. Suzukiand N. Iizuka Japane
se Journal of Aplied Physics, vol.36, pp.L1006-L100
8,1997).

【0003】サブバンド間の緩和時間は、バンド間の緩
和時間と比べると3桁程度高速である。特に、ワイドギ
ャップ材料である窒化物半導体の量子井戸を用いれば、
光通信で重要な近赤外域でのサブバンド間遷移を実現で
きる。その上、LOフォノンと電子の相互作用が大きい
ので、緩和時間をGaAs系のサブバンド間遷移と比べ
て1桁以上速くできる。GaN系量子井戸におけるサブ
バンド間緩和時間は遷移波長1.55μm、室温で約1
00fsと短いので、サブバンド間吸収の飽和等を利用
すれば、1Tb/s程度の超高速繰り返しのビット・モ
ード光スイッチング動作も可能となる。また、半導体を
利用しているので、小型,軽量,安定な光スイッチを実
現でき、量産化が可能なことは言うまでもない。さら
に、窒化物半導体は特に強靭な半導体材料であり、温度
上昇に対しても強い。
[0003] The relaxation time between subbands is about three orders of magnitude faster than the relaxation time between bands. In particular, if a quantum well of a nitride semiconductor that is a wide gap material is used,
The transition between subbands in the near infrared region, which is important in optical communication, can be realized. In addition, since the interaction between the LO phonon and the electrons is large, the relaxation time can be shortened by one digit or more compared to the GaAs-based intersubband transition. The relaxation time between subbands in a GaN quantum well is about 1.55 μm at a transition wavelength and about 1 at room temperature.
Since it is as short as 00 fs, a bit mode optical switching operation of an ultra-high-speed repetition of about 1 Tb / s can be performed by utilizing the saturation of the absorption between sub-bands. In addition, since a semiconductor is used, a small, light, and stable optical switch can be realized, and it goes without saying that mass production is possible. Furthermore, nitride semiconductors are particularly tough semiconductor materials and are resistant to temperature rise.

【0004】このように、窒化物半導体量子井戸中のサ
ブバンド間遷移は超高速光スイッチの実現に極めて魅力
的なデバイス原理である。しかし、半導体量子井戸の伝
導帯におけるサブバンド間吸収は、主として井戸層に対
して垂直な電界成分(以下、光導波構造を想定してTM
モードと記す)に対してのみ生じる。場合によっては井
戸に平行な偏波成分(以下、TEモードと記す)に対し
てもサブバンド間吸収が生じることは知られているが、
通常TMモードに対する応答よりも弱く、またTEモー
ドとTMモードでは吸収の共鳴波長がずれるのが一般的
である。サブバンド間遷移を利用した光スイッチにはこ
のような大きな偏波依存性があるので、その超高速応答
特性にもかかわらず、伝送されてくる信号光の偏波状態
が不確定な光ファイバ・ネットワークのノードでの使用
には問題があった。
As described above, transition between subbands in a nitride semiconductor quantum well is a very attractive device principle for realizing an ultrahigh-speed optical switch. However, the absorption between the subbands in the conduction band of the semiconductor quantum well is mainly caused by an electric field component perpendicular to the well layer (hereinafter referred to as TM
Mode). In some cases, it is known that inter-subband absorption also occurs for a polarization component parallel to the well (hereinafter, referred to as TE mode).
Generally, the response to the TM mode is weaker, and the resonance wavelength of the absorption is generally shifted between the TE mode and the TM mode. Optical switches that use intersubband transition have such a large polarization dependence, and despite their ultra-high-speed response characteristics, optical fibers with uncertain polarization states of transmitted signal light There were problems with using it on nodes of the network.

【0005】この問題を解決するための一方法として、
偏波ダイバーシティを利用することが考えられる。しか
し、半導体上での偏波分離や偏波回転を行うのは困難な
ので、これらの部分は半導体光導波路の外部に設けるこ
とになり、構成が複雑になってしまう。特に毎秒テラビ
ット級の超高速光信号を処理する場合、2つの偏光の分
岐に対して信号光パルスと制御光パルスのタイミングを
正確に合わせ、かつ外部環境の変動があっても安定に保
つのは至難の技である。
As one method for solving this problem,
It is conceivable to use polarization diversity. However, since it is difficult to perform polarization separation or polarization rotation on a semiconductor, these parts are provided outside the semiconductor optical waveguide, and the configuration becomes complicated. In particular, when processing ultra-high-speed optical signals of the terabit class per second, it is necessary to accurately adjust the timing of the signal light pulse and the control light pulse for the two polarization branches, and to keep the timing stable even if there is a fluctuation in the external environment. This is the most difficult technique.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】このように従来、窒化
物半導体量子井戸中のサブバンド間遷移を利用した超高
速非線形光半導体デバイスにおいては、大きな偏波依存
性があり信号光の偏波状態が不確定な光ファイバ・ネッ
トワークのノードでの使用には問題があった。また、こ
れを解決するために偏波ダイバーシティを設けること
は、構成の複雑化を招く要因となる。
As described above, in the conventional ultra-high-speed nonlinear optical semiconductor device using the intersubband transition in the nitride semiconductor quantum well, the polarization state of the signal light has a large polarization dependence. However, there is a problem with the use of fiber optic networks at nodes that are uncertain. Providing polarization diversity in order to solve this is a factor that complicates the configuration.

【0007】本発明は上記の課題を鑑みて成されたもの
で、その目的とするところは、毎秒数百ギガビット以上
の超高速繰り返し動作が可能な半導体中のサブバンド間
遷移を利用して、簡易な構成で安定な偏波無依存動作を
可能にする光制御型の超高速非線形光半導体デバイスを
提供することにある。
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to utilize transitions between subbands in a semiconductor capable of performing an ultra-high-speed repetition operation of several hundred gigabits per second or more. An object of the present invention is to provide an optically controlled ultra-high-speed nonlinear optical semiconductor device that enables stable polarization-independent operation with a simple configuration.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

(構成) 上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を
採用している。即ち本発明は、半導体量子井戸のサブバ
ンド間遷移を利用した第1の非線形光導波路部と第2の
非線形光導波路部が、2分の1波長板を挟んで直列に接
続され、かつ基板上に集積されてなる非線形光半導体デ
バイスであって、第1の非線形光導波路部にTMモード
として入射する制御光パワーと第2の非線形光導波路部
にTMモードとして入射する制御光パワーとがほぼ等し
くなるようにパワーと偏波状態が設定され、かつサブバ
ンド間遷移の吸収波長帯に属する制御光パルスが、同じ
くサブバンド間遷移の吸収波長帯に属する信号光パルス
に対して所定のタイミングで、2つの非線形光導波路部
の一方の端から入射されることを特徴とする。
(Configuration) In order to solve the above problem, the present invention employs the following configuration. That is, the present invention, the first nonlinear optical waveguide section and the second nonlinear optical waveguide section using the transitions between sub-bands of semiconductors quantum wells are connected in series across the half-wave plate, and the substrate Non-linear optical semiconductor device integrated on
And a TM mode in the first nonlinear optical waveguide portion.
Control light power and second nonlinear optical waveguide section incident as
And the control light power incident as TM mode
Power and polarization state are set so that
Control light pulses belonging to the absorption wavelength band of
Optical signal pulses belonging to the absorption wavelength band of intersubband transition
At a predetermined timing, the two nonlinear optical waveguide portions
The light is incident from one end .

【0009】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は次のものがあげられる。(1) 2分の1波長板の中心波長は、信号光の中心波長と
概略一致していること。(2) 半導体量子井戸は窒素を含むIII-V族半導体を井戸
層に有すること。(3) サブバンド間遷移の吸収波長帯に1.55μmが含
まれること。
Here, preferred embodiments of the present invention include the following. (1) The center wavelength of the half-wave plate should substantially match the center wavelength of the signal light. (2) The semiconductor quantum well has a group III-V semiconductor containing nitrogen in the well layer. (3) 1.55 μm is included in the absorption wavelength band of the transition between sub-bands.

【0010】[0010]

【0011】[0011]

【0012】また本発明は、非線形光半導体デバイスに
おいて、2本の光導波路が並べられた第1のインターフ
ェース部と、2本の非線形光導波路が並べられた第1の
非線形光導波路部と、途中に第1の2分の1波長板が挿
入された第1の中間光導波路と途中に第2の2分の1波
長板が挿入された第2の中間光導波路からなるモード変
換部と、2本の非線形光導波路が並べられた第2の非線
形光導波路部と、2本の光導波路が並べられた第2のイ
ンターフェース部と、前記第1のインターフェース部の
2本の光導波路と前記第1の非線形光導波路部の2本の
非線形光導波路とを結合する第1の1対1光カプラと、
前記第1の非線形光導波路部の2本の非線形光導波路と
前記第1及び第2の中間光導波路とを結合する第2の1
対1光カプラと、前記第1及び第2の中間光導波路と前
記第2の非線形光導波路部の2本の非線形光導波路とを
結合する第3の1対1光カプラと、前記第2の非線形光
導波路部の2本の非線形光導波路と前記第2のインター
フェース部の2本の光導波路とを結合する第4の1対1
光カプラとを構成要素として含み、前記第1及び第2の
非線形光導波路部を構成している各非線形光導波路には
信号光波長に対してサブバンド間吸収を有する半導体量
子井戸が用いられていることを特徴とする。
According to the present invention, in a nonlinear optical semiconductor device, there is provided a first interface section in which two optical waveguides are arranged, a first interface section in which two nonlinear optical waveguides are arranged, A mode conversion unit comprising a first intermediate optical waveguide having a first half-wave plate inserted therein and a second intermediate optical waveguide having a second half-wave plate inserted in the middle thereof; A second nonlinear optical waveguide section in which two nonlinear optical waveguides are arranged; a second interface section in which two optical waveguides are arranged; two optical waveguides in the first interface section; A first one-to-one optical coupler coupling the two nonlinear optical waveguides of the nonlinear optical waveguide section of
A second 1 coupling the two nonlinear optical waveguides of the first nonlinear optical waveguide section with the first and second intermediate optical waveguides.
A one-to-one optical coupler, a third one-to-one optical coupler that couples the first and second intermediate optical waveguides and two nonlinear optical waveguides of the second nonlinear optical waveguide section, and the second one-to-one optical coupler; A fourth one-to-one coupling two nonlinear optical waveguides of the nonlinear optical waveguide section and two optical waveguides of the second interface section.
A semiconductor quantum well having an intersubband absorption for a signal light wavelength is used for each of the nonlinear optical waveguides including an optical coupler as a constituent element and constituting the first and second nonlinear optical waveguide portions. It is characterized by being.

【0013】ここで、第1の非線形光導波路部にTMモ
ードとして入射する制御光パワーと第2の非線形光導波
路部にTMモードとして入射する制御光パワーとがほぼ
等しくなるようにパワーと偏波状態が設定され、かつサ
ブバンド間遷移の吸収波長帯に属する制御光パルスが、
信号光パルスに対して所定のタイミングで入射されるこ
とが望ましい。
Here, the power and the polarization are set so that the control light power incident on the first nonlinear optical waveguide portion as the TM mode and the control light power incident on the second nonlinear optical waveguide portion as the TM mode are substantially equal. The control light pulse whose state is set and belongs to the absorption wavelength band of the transition between sub-bands,
It is desirable that the signal light pulse is incident at a predetermined timing.

【0014】(作用)第1の非線形光導波路部で制御光
パルスのTMモード成分の有無により、信号光のTMモ
ード成分の強度や位相が所望の値になるように変調・制
御される。しかし、サブバンド間遷移の偏波依存性によ
り、信号光,制御光共にTEモード成分は殆ど変化しな
い。その後、光導波路に挿入された2分の1波長板によ
って、信号光,制御光共にTMモードはTEモードに、
TEモードはTMモードに変換される。第2の非線形光
導波路部においても、信号光のTMモード成分(2分の
1波長板を通過する前のTEモード成分)の強度や位相
が制御光のTMモード成分(2分の1波長板を通過する
前のTEモード成分)により所望の値になるように変調
・制御されるが、それぞれのTEモード成分(2分の1
波長板を通過する前のTMモード成分)は殆ど変化しな
い。この結果、入射信号光のTMモード成分とTEモー
ド成分が、それぞれ第1の非線形光導波路部と第2の非
線形光導波路部において、ほぼ独立に所望の強度、或い
は位相になるように変調・制御されることになる。
(Operation) Depending on the presence or absence of the TM mode component of the control light pulse in the first nonlinear optical waveguide portion, the intensity and phase of the TM mode component of the signal light are modulated and controlled so as to have desired values. However, the TE mode component hardly changes in both the signal light and the control light due to the polarization dependence of the transition between subbands. Thereafter, the TM mode is changed to the TE mode for both the signal light and the control light by the half-wave plate inserted into the optical waveguide.
The TE mode is converted to the TM mode. Also in the second nonlinear optical waveguide section, the intensity and phase of the TM mode component of the signal light (TE mode component before passing through the half-wave plate) are changed to the TM mode component of the control light (the half-wave plate). Is modulated and controlled to a desired value by a TE mode component before passing through, but each TE mode component (1/2)
The TM mode component before passing through the wave plate) hardly changes. As a result, the modulation and control are performed such that the TM mode component and the TE mode component of the incident signal light have a desired intensity or phase almost independently in the first nonlinear optical waveguide portion and the second nonlinear optical waveguide portion, respectively. Will be done.

【0015】従って、第1の非線形光導波路部と第2の
非線形光導波路部における非線形光学効果が等しくなる
ように、制御光パルスのTMモード成分とTEモード成
分の比を制御しておけば、一つの制御光パルスにより偏
波ダイバーシティと同様の偏波無依存の光変調・制御動
作が実現される。
Therefore, if the ratio between the TM mode component and the TE mode component of the control light pulse is controlled so that the nonlinear optical effects in the first nonlinear optical waveguide section and the second nonlinear optical waveguide section become equal, With one control light pulse, a polarization-independent optical modulation / control operation similar to the polarization diversity is realized.

【0016】一般的には、第1の非線形光導波路部や2
分の1波長板におけるTEモード光に対する損失がある
から、2つの非線形光導波路部で同じ非線形応答を実現
するためには、2つの非線形光導波路部の入力部におい
てTMモードとして入射する制御光パワーが等しくなる
ように、入射制御光パルスのTEモード成分をTMモー
ド成分より大きく設定する。また、2分の1波長板と制
御光の波長のずれにより生じるモード変換の不完全性
も、入射制御光パルスの各偏波モード成分の微調整によ
り補償することができる。
Generally, the first nonlinear optical waveguide section and the second
Since there is a loss for the TE mode light in the one-wavelength plate, in order to realize the same nonlinear response in the two nonlinear optical waveguide sections, the control light power incident as the TM mode at the input section of the two nonlinear optical waveguide sections Is set so that the TE mode component of the incident control light pulse is larger than the TM mode component. Further, incomplete mode conversion caused by a shift between the wavelength of the half-wave plate and the wavelength of the control light can be compensated for by fine adjustment of each polarization mode component of the incident control light pulse.

【0017】なお、受動光デバイスでは、中間に2分の
1波長板を挿入して偏波依存性を補償できることは、よ
く知られている。しかし、非線形光デバイスにおいて
は、この手法は一般的には利用できない。非線形現象は
重ね合わせの原理が成り立たないので、非線形性の異な
る第1の非線形光導波路部と第2の非線形光導波路部が
この順に直列接続されている場合と、逆の順序で直列接
続されている場合では、出力結果が異なる。従って、T
EモードとTMモードで異なる応答(いずれもゼロでは
ない)を有する非線形光導波路部の中間に2分の1波長
板を挿入したとしても、偏波無依存動作は実現されな
い。
It is well known that a passive optical device can compensate for polarization dependence by inserting a half-wave plate in the middle. However, this technique is not generally available for nonlinear optical devices. Since the principle of superposition does not hold for the non-linear phenomenon, the first non-linear optical waveguide portion and the second non-linear optical waveguide portion having different non-linearities are connected in series in this order, and are connected in series in the reverse order. The output results are different. Therefore, T
Even if a half-wave plate is inserted between the nonlinear optical waveguide portions having different responses (both are not zero) in the E mode and the TM mode, the polarization independent operation is not realized.

【0018】これに対して、TEモード光に対する応答
が殆どないサブバンド間遷移を用いれば、2分の1波長
板を挟んで線形光導波路(TEモード伝搬)と非線形光
導波路(TMモード伝搬)が直列接続されていることに
なるので、その順序を入れ替えても同一の結果が得られ
る訳である。即ち、本発明の直列接続による偏波無依存
の非線形光応答は、サブバンド間遷移の偏波依存性を逆
手に取ることによって実現されていると言える。
On the other hand, if the transition between sub-bands having little response to the TE mode light is used, a linear optical waveguide (TE mode propagation) and a nonlinear optical waveguide (TM mode propagation) sandwiching a half-wave plate. Are connected in series, so that the same result can be obtained even if the order is changed. That is, it can be said that the polarization-independent nonlinear optical response by the series connection of the present invention is realized by taking the polarization dependence of the transition between sub-bands in reverse.

【0019】窒化物半導体量子井戸を利用することで、
光通信で使われる近赤外域(波長1.55μm帯,1.
3μm帯など)のサブバンド間遷移が容易に実現され
る。また、窒化物半導体におけるサブバンド間緩和時間
は約100fsと短いので、毎秒数百ギガビット以上の
超高速の応答が可能となる。サブバンド内緩和時間が短
いのに対応して、波長帯域も広くとれる。
By using a nitride semiconductor quantum well,
Near infrared region used in optical communication (wavelength 1.55 μm band, 1.
Transition between sub-bands (for example, 3 μm band) is easily realized. In addition, since the relaxation time between sub-bands in a nitride semiconductor is as short as about 100 fs, an ultra-high-speed response of several hundred gigabits per second or more is possible. The wavelength band can be widened in response to the short intra-subband relaxation time.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。 (第1の実施形態)図1は、本発明の第1の実施形態に
係わる非線形光半導体デバイス(光スイッチ)の構成を
示す模式図である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments. (First Embodiment) FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a nonlinear optical semiconductor device (optical switch) according to a first embodiment of the present invention.

【0021】この光スイッチは、窒化物半導体量子井戸
のサブバンド間遷移を利用した非線形光導波素子1、モ
ードロック半導体レーザ2、パルス圧縮部3、光TDM
変調パターン生成部4、偏波コントローラ5、偏波無依
存光カプラ6、及びこれらを接続したり信号光の入出力
を行ったりする光ファイバ7(7a,7b,7c)を主
要構成要素としてなる。なお、実際にはこの他に、光ア
イソレータ,光フィルター,モニタPD,光増幅器,制
御回路等があるが、発明の本質には係わらないので、説
明簡略化のため記載を省略する。信号光は400Gb/
sで変調されており、波長は1.55μmである。
This optical switch comprises a nonlinear optical waveguide element 1 utilizing a transition between subbands of a nitride semiconductor quantum well, a mode-locked semiconductor laser 2, a pulse compression unit 3, an optical TDM.
The modulation pattern generator 4, the polarization controller 5, the polarization-independent optical coupler 6, and the optical fibers 7 (7a, 7b, 7c) for connecting these and inputting / outputting signal light are the main components. . Actually, there are other components such as an optical isolator, an optical filter, a monitor PD, an optical amplifier, a control circuit, and the like. The signal light is 400 Gb /
s, and the wavelength is 1.55 μm.

【0022】モードロック半導体レーザ2は、信号光の
1/10の周期である40GHzで、波長約1.54μ
m,幅2.5psの光パルス列を発生する。モードロッ
ク半導体レーザ2の繰り返し周波数は、400Gb/s
の信号光から分周した40GHzのクロックで安定化さ
れている(同期・安定化装置の記載は省略した)。その
出力は、パルス圧縮部3により、ほぼトランスフォーム
・リミットの幅100fsの超短光パルスに圧縮され
る。Si平面光波回路(PLC)と高速光変調器(ゲー
ト・スイッチ)がハイブリッド集積されてなる光TDM
変調パターン生成部4は、この超短光パルスを10分割
し、それぞれの分岐に設けられた高速光変調器で40G
b/s所定パターンの変調を行い、これらを所定時間ず
らして合波することにより、400Gb/sの任意パタ
ーンを発生する。パターン生成部4からの出力光の偏波
は、偏波コントローラ5により制御され、光カプラ6に
導かれる。なお、制御光パルスのピークパワーは、光増
幅器(図示せず)により、所定値になるように増幅・制
御されている。
The mode-locked semiconductor laser 2 has a wavelength of about 1.54 μm at 40 GHz, which is 1/10 of the period of the signal light.
An optical pulse train having a width of 2.5 ps is generated. The repetition frequency of the mode-locked semiconductor laser 2 is 400 Gb / s
(A synchronizing / stabilizing device is omitted). The output is compressed by the pulse compression unit 3 into an ultrashort light pulse having a transform limit width of about 100 fs. Optical TDM in which a Si plane lightwave circuit (PLC) and a high-speed optical modulator (gate switch) are hybrid-integrated
The modulation pattern generation unit 4 divides the ultrashort optical pulse into ten, and uses a high-speed optical modulator provided in each branch for 40G.
A predetermined pattern of 400 Gb / s is generated by modulating a predetermined pattern of b / s and combining them by shifting them by a predetermined time. The polarization of the output light from the pattern generator 4 is controlled by the polarization controller 5 and guided to the optical coupler 6. Note that the peak power of the control light pulse is amplified and controlled by an optical amplifier (not shown) so as to have a predetermined value.

【0023】一方、400Gb/sで変調された信号光
は、信号入力光ファイバ7aから入力され、光カプラ6
で制御光と合波され、光ファイバ7bを経て、非線形光
導波素子1に結合している。非線形光導波素子1の出力
は、光ファイバ7cから出力される。なお、光結合系
は、必要に応じてバットジョイントでもよいし、何らか
のレンズ系を入れてもよい。信号光パルスのピークパワ
ーは、制御光のそれと比較して十分に小さい。
On the other hand, the signal light modulated at 400 Gb / s is input from the signal input optical fiber 7a,
And is coupled to the nonlinear optical waveguide element 1 via the optical fiber 7b. The output of the nonlinear optical waveguide element 1 is output from the optical fiber 7c. It should be noted that the optical coupling system may be a butt joint or a lens system as needed. The peak power of the signal light pulse is sufficiently smaller than that of the control light.

【0024】非線形光導波素子1は、サファイヤ基板1
0上に形成された窒化物半導体層11に作製されたリッ
ジ光導波路12(12a,12b)からなり、その中央
に形成されたスロット部13には、厚さ15μmのポリ
イミド2分の1波長板14が挿入されている。2分の1
波長板14の中心波長は1.55μmに設定されてい
る。2分の1波長板14は薄いので、挿入損失は0.5
dB以下の小さな値にできる。2分の1波長板14の手
前が第1の非線形光導波路部12aであり、後ろ側が第
2の非線形光導波路部12bである。素子長は、約1m
mである。非線形光導波路部12の入出射瑞面には、反
射防止膜15が形成されている。
The nonlinear optical waveguide element 1 includes a sapphire substrate 1
And a ridge optical waveguide 12 (12a, 12b) formed on a nitride semiconductor layer 11 formed on the substrate 1. A slot 15 formed at the center of the ridge optical waveguide 12 has a 15 μm thick polyimide half-wave plate. 14 has been inserted. Half
The center wavelength of the wave plate 14 is set to 1.55 μm. Since the half-wave plate 14 is thin, the insertion loss is 0.5
It can be a small value of dB or less. The front of the half-wave plate 14 is the first nonlinear optical waveguide 12a, and the rear is the second nonlinear optical waveguide 12b. Element length is about 1m
m. An anti-reflection film 15 is formed on the entrance and exit surfaces of the nonlinear optical waveguide section 12.

【0025】図2は、非線形光導波素子1の層構造を模
式的に示す断面図である。この非線形光導波素子1は、
サファイヤ基板10上に、低温成長AlNバッファ層1
6、アンドープAlN下部クラッド層17、アンドープ
Al0.8 Ga0.2 N下部光ガイド層18、Al0.8 Ga
0.2 N/GaN多重量子井戸層19、アンドープAl
0.8 Ga0.2 N上部光ガイド層20、アンドープAlN
上部クラッド層21を積層した構造からなる。上部クラ
ッド層21をリッジ状に加工することにより、リッジ光
導波路部12が形成されている。
FIG. 2 is a sectional view schematically showing the layer structure of the nonlinear optical waveguide element 1. This nonlinear optical waveguide element 1
On a sapphire substrate 10, a low-temperature-grown AlN buffer layer 1 is formed.
6, undoped AlN lower cladding layer 17, undoped Al 0.8 Ga 0.2 N lower light guide layer 18, Al 0.8 Ga
0.2 N / GaN multiple quantum well layer 19, undoped Al
0.8 Ga 0.2 N upper light guide layer 20, undoped AlN
It has a structure in which the upper cladding layer 21 is laminated. The ridge optical waveguide 12 is formed by processing the upper cladding layer 21 into a ridge shape.

【0026】多重量子井戸層19は、厚さ約1.56n
mのn型GaN井戸層22と、厚さ約2nmのアンドー
プAl0.8 Ga0.2 N障壁層23を交互に100対積層
してなる。井戸層22におけるキャリア密度は、約1×
1019cm-3である。なお、この構造の代わりに、井戸
層22、及び障壁層23の井戸層22に接している薄い
部分をアンドープとし、障壁層23の中央部にのみn型
不純物ドーピングを行った、いわゆる変調ドープ構造を
採用してもよい。或いは、井戸層と障壁層の両者にn型
不純物ドーピングを行ってもよい。サブバンド間吸収の
共鳴ピーク波長は1.54μmである。吸収半値幅は約
0.2μmと広いので、波長1.54μmの制御光によ
る吸収飽和で波長1.55μmの信号光の透過率を変調
することができる。また、波長多重された信号光を一括
してスイッチングすることも可能である。
The multiple quantum well layer 19 has a thickness of about 1.56 n
An m-type n-type GaN well layer 22 and an undoped Al 0.8 Ga 0.2 N barrier layer 23 having a thickness of about 2 nm are alternately stacked in 100 pairs. The carrier density in the well layer 22 is about 1 ×
10 19 cm -3 . Instead of this structure, a thin portion of the well layer 22 and the barrier layer 23 that is in contact with the well layer 22 is undoped, and only a central portion of the barrier layer 23 is doped with an n-type impurity. May be adopted. Alternatively, both the well layer and the barrier layer may be doped with n-type impurities. The resonance peak wavelength of the intersubband absorption is 1.54 μm. Since the absorption half width is as wide as about 0.2 μm, the transmittance of the signal light having a wavelength of 1.55 μm can be modulated by the absorption saturation by the control light having a wavelength of 1.54 μm. It is also possible to switch the wavelength multiplexed signal light at a time.

【0027】第1の非線形光導波路部12aに制御光パ
ルスがない場合、信号光パルスのTM成分は、サブバン
ド間吸収により殆ど吸収されてしまう。信号光パルスの
パワーは小さいので、吸収の飽和は起こらない。しか
し、パワーの大きなTMモード制御光パルスが入射する
と、サブバンド間吸収で基底サブバンドにある電子の大
部分が第2サブバンドに励起され、顕著な吸収飽和が生
じる。従って、この制御光パルスが入射している間か直
後に入射した信号光パルスのTM成分は、殆ど吸収され
ずに透過する。
When there is no control light pulse in the first nonlinear optical waveguide section 12a, the TM component of the signal light pulse is almost absorbed by the inter-subband absorption. Since the power of the signal light pulse is small, saturation of absorption does not occur. However, when a TM mode control light pulse having a large power is incident, most of the electrons in the base sub-band are excited to the second sub-band by the inter-sub-band absorption, and significant absorption saturation occurs. Therefore, the TM component of the signal light pulse incident during or immediately after the control light pulse is incident is transmitted without being absorbed.

【0028】サブバンド間緩和時間は約100fsと短
いので、パルス幅100fsの制御光通過後100fs
程度の内に、第2サブバンドに励起された電子は元の基
底サブバンドに緩和している。このため、次のタイムス
ロット(1スロットは250fs)の信号光が来るまで
には、吸収は元の状態に復帰している。従って、信号光
のTM成分に対して、ビット・モードの超高速光スイッ
チングが実現される。このとき、制御光も信号光もTE
成分には吸収がなく、吸収飽和も生じない。第1の非線
形光導波路部12aの全長は500μmと短いので、パ
ルス幅に対して偏波分散は無視することができる。
Since the relaxation time between sub-bands is as short as about 100 fs, 100 fs after passing the control light having a pulse width of 100 fs.
To a degree, the electrons excited in the second subband have relaxed to the original ground subband. For this reason, the absorption has returned to the original state by the time the signal light of the next time slot (one slot is 250 fs) comes. Therefore, ultra high-speed bit mode optical switching is realized for the TM component of the signal light. At this time, both the control light and the signal light are TE
The component has no absorption and no absorption saturation occurs. Since the entire length of the first nonlinear optical waveguide section 12a is as short as 500 μm, the polarization dispersion can be ignored with respect to the pulse width.

【0029】2分の1波長板14において、TEモード
とTMモードの変換が行われる。第1の非線形光導波路
部12aで変化しなかったTEモード成分の光は第2の
非線形光導波路部12bにおいてはTMモードとなり、
強い制御光パルスが存在しないときには信号光は吸収さ
れ、制御光パルスが存在すれば信号光は透過する。制御
光パルスによる吸収飽和で第1の非線形光導波路部12
aを透過した信号光は、第2の非線形光導波路部12b
をTEモード光としてそのまま透過する。
In the half-wave plate 14, conversion between the TE mode and the TM mode is performed. The light of the TE mode component that has not changed in the first nonlinear optical waveguide section 12a becomes the TM mode in the second nonlinear optical waveguide section 12b,
When there is no strong control light pulse, the signal light is absorbed, and when there is a control light pulse, the signal light is transmitted. The first nonlinear optical waveguide portion 12 is absorbed by the control light pulse and is saturated.
a is transmitted to the second nonlinear optical waveguide 12b.
Is transmitted as it is as TE mode light.

【0030】従って、信号光のTMモード成分も、TE
モード成分も、制御光パルスが存在するスロットは透過
し、存在しないスロットでは吸収される。この結果、4
00Gb/sの超高速繰り返しで、偏波無依存の光ゲー
ト・スイッチングが実現できる。2つの非線形光導波路
部12a,12bを吸収されずに透過した制御光パルス
の残留分は、出口に設けられた1.55μm光は透過す
るが1.54μm光は遮断する光フィルター(図示せ
ず)により取り除くことができる。
Therefore, the TM mode component of the signal light is also TE
The mode component is also transmitted in the slot where the control light pulse exists, and is absorbed in the slot where no control light pulse exists. As a result, 4
Polarization-independent optical gate switching can be realized with an ultra-high speed of 00 Gb / s. The remaining portion of the control light pulse transmitted through the two nonlinear optical waveguide portions 12a and 12b without being absorbed is an optical filter (not shown) provided at the outlet, which transmits the 1.55 μm light but blocks the 1.54 μm light. ).

【0031】偏波コントローラ5では、第1の非線形光
導波路部12aと第2の非線形光導波導部12bにおけ
る吸収飽和が同じ程度になるように、制御光の偏波状態
が制御されている。即ち、第1の非線形光導波路部12
aの伝搬損失と2分の1波長板14の結合損失を補うた
めに、第1の非線形光導波路部12aでTEモードに結
合する偏波成分がTMモードに結合する偏波成分より2
dB程度大きくなるように設定されている。信号光と違
って、制御光の偏波状態は安定しているので、偏波コン
トローラ5は最初に1回設定すれば、制御状態を変える
必要はない。従って、偏波コントローラ5に代えて、制
御光変調パターン生成部4からの出力を偏波保持ファイ
バで出力し、偏波保持ファイバを所定の角度で光カプラ
に接続するだけでも、本発明の機能を実現することがで
きる。もちろん、制御光の偏波をある程度調整・制御で
きるようにしておけば、大きな温度変化等で光導波路の
TEモード光に対する損失が変化するような場合におい
ても、目的を達成することができる。
In the polarization controller 5, the polarization state of the control light is controlled so that the absorption saturation in the first nonlinear optical waveguide section 12a and the second nonlinear optical waveguide section 12b become approximately the same. That is, the first nonlinear optical waveguide section 12
In order to compensate for the propagation loss of “a” and the coupling loss of the half-wave plate 14, the polarization component coupled to the TE mode in the first nonlinear optical waveguide section 12a is two times smaller than the polarization component coupled to the TM mode.
It is set to be about dB higher. Unlike the signal light, the polarization state of the control light is stable. Therefore, if the polarization controller 5 is set once at the beginning, there is no need to change the control state. Therefore, instead of the polarization controller 5, the output from the control light modulation pattern generation unit 4 is output by the polarization maintaining fiber, and the polarization maintaining fiber is connected to the optical coupler at a predetermined angle. Can be realized. Of course, if the polarization of the control light can be adjusted and controlled to some extent, the object can be achieved even when the loss of the optical waveguide with respect to the TE mode light changes due to a large temperature change or the like.

【0032】なお、厳密には、2分の1波長板14の中
心波長は1.55μmなので、信号光はほぼ完全にモー
ド変換されるが、波長1.54μmの制御光は一部がモ
ード変換されずに残ることになる。この場合でも、この
残留成分も含めて、第2の非線形光導波路部12bにT
Mモード光として入射する総計パワーが所望の値になる
ように、最初の偏波状態を調整しておけばよい。
Strictly speaking, since the center wavelength of the half-wave plate 14 is 1.55 μm, the signal light is almost completely mode-converted, but the control light having the wavelength of 1.54 μm is partially mode-converted. It will remain without being. In this case as well, including this residual component, the second nonlinear optical waveguide portion 12b has T
The initial polarization state may be adjusted so that the total power incident as M-mode light has a desired value.

【0033】変形例として、制御光パルスを後ろ側から
入射するような配置も考えられる。制御光パルスのTM
成分は第2の非線形光導波路部12bでの信号光制御に
寄与し、TE成分は2分の1波長板14でTMモードに
変換され、第1の非線形光導波路部12aでの信号光制
御に寄与する。この場合、2つの非線形光導波路部12
a,12bにおける信号光パルスと制御光パルスの相互
作用するタイミングが若干異なることになる。しかし、
パルス幅に比べて信号光の光導波路透過時間が短いの
で、第1の非線形光導波路部12aに信号光パルスが入
射するときには制御光パルスが入射しているようにさえ
設定しておけば、上記第1の実施形態とほぼ同様の偏波
無依存高速光スイッチング動作を実現することができ
る。タイミングずれによる2つの非線形光導波路部12
a,12bの非線形応答の微妙な差異も、制御光の偏波
で調整することが可能である。この配置では、制御光パ
ルスと信号光パルスの分離には、光サーキュレー夕を利
用することができる。
As a modified example, an arrangement in which the control light pulse is incident from the rear side is also conceivable. TM of control light pulse
The component contributes to the signal light control in the second nonlinear optical waveguide section 12b, and the TE component is converted to the TM mode by the half-wave plate 14, and is used for the signal light control in the first nonlinear optical waveguide section 12a. Contribute. In this case, the two nonlinear optical waveguide sections 12
The timings at which the signal light pulse and the control light pulse interact at a and 12b are slightly different. But,
Since the signal light transmission time of the signal light is shorter than the pulse width, when the control light pulse is set to be incident when the signal light pulse is incident on the first nonlinear optical waveguide portion 12a, the above-mentioned condition is obtained. Almost the same polarization-independent high-speed optical switching operation as that of the first embodiment can be realized. Two nonlinear optical waveguide sections 12 due to timing deviation
The subtle difference in the nonlinear response between a and 12b can be adjusted by the polarization of the control light. In this arrangement, an optical circulator can be used to separate the control light pulse and the signal light pulse.

【0034】図3は、この制御光パルスと信号光パルス
を反対側から入射する光ゲート・スイッチを2つ並べ
て、光ルーチング・スイッチを構成した変形例である。
パターン生成部4bでは、10個のそれぞれの分岐をさ
らに二分し、その一方の光変調器では他方の光変調器と
逆の変調をかける。二分したそれぞれの10分岐を、別
のマルチプレクサで所定時間ずらして合波することによ
り、一方の制御光パターン出力を他方の制御光パターン
出力と反転させることができる。信号光パルスを二分し
て、それぞれ中間のスロットに2分の1波長板14bが
挿入された2つの非線形光導波路12c,12dに導
き、それぞれ逆相の制御光パルスでスイッチングするこ
とにより、出力8aと出力8bの2つの分岐に信号を振
り分けることができる。
FIG. 3 shows a modified example in which two optical gate switches for receiving the control light pulse and the signal light pulse from opposite sides are arranged to constitute an optical routing switch.
The pattern generation unit 4b further divides each of the ten branches into two, and one of the optical modulators performs modulation opposite to that of the other optical modulator. By multiplexing the divided 10 branches by shifting them by a predetermined time by another multiplexer, it is possible to invert one control light pattern output with the other control light pattern output. The signal light pulse is divided into two, guided to two nonlinear optical waveguides 12c and 12d each having a half-wave plate 14b inserted in an intermediate slot, and switched by control light pulses having opposite phases to output 8a. And the output 8b.

【0035】この例で、パターン生成部4bで2つの分
岐に同相の変調をかければ、両方の出力に同じ信号を出
力することも可能である。さらに多数の非線形光導波素
子を並べれば、複数の分岐に同一信号を分岐すること
も、特定の分岐にのみ出力することも可能である。ま
た、図4(簡単化のために制御光部分の記載を省略し
た)のように、分波器9aと合波器9bを交差させて非
線形光導波素子1をマトリクス状に配置すれば、N対N
の光スイッチを構成することもできる。但し、この場
合、合波器9bにおいて光パルスの衝突が起こらないよ
うにするためには、バッファ機能が必要になる。例え
ば、合波器9bのうちいくつかをバッファにつなげる等
の方法が考えられる。
In this example, if in-phase modulation is applied to the two branches by the pattern generation section 4b, it is possible to output the same signal to both outputs. By arranging a large number of nonlinear optical waveguide elements, it is possible to branch the same signal to a plurality of branches or to output only a specific branch. Further, as shown in FIG. 4 (the control light portion is omitted for simplicity), if the non-linear optical waveguide elements 1 are arranged in a matrix with the demultiplexer 9a and the multiplexer 9b crossing each other, N Vs. N
Can be configured. However, in this case, a buffer function is required in order to prevent collision of optical pulses in the multiplexer 9b. For example, a method of connecting some of the multiplexers 9b to a buffer can be considered.

【0036】このように本実施形態によれば、1対1の
ゲート・スイッチや1対2のルーティングのみならず、
1対Nの放送型やM対Nの交換型でも、信号光の偏波状
態によらず、超高速の任意パターンで複数の出力に信号
光を自由にスイッチングすることができる。そしてこの
場合、それぞれの光スイッチング・エレメントで偏波ダ
イバーシティ・スイッチングを行う場合と比べて、構成
は遥かに簡単化される。
As described above, according to the present embodiment, not only the one-to-one gate switch and the one-to-two routing, but also
Even in the 1: N broadcast type or the M: N exchange type, signal light can be freely switched to a plurality of outputs in an ultra-high speed arbitrary pattern regardless of the polarization state of the signal light. In this case, the configuration is much simpler than in the case where polarization diversity switching is performed by each optical switching element.

【0037】(第2の実施形態)図5は、本発明の第2
の実施形態に係わる非線形光半導体デバイス(マッハツ
ェンダー干渉計型光スイッチ)の構成を模式的に示す図
である。
(Second Embodiment) FIG. 5 shows a second embodiment of the present invention.
It is a figure which shows typically the structure of the nonlinear optical semiconductor device (Mach-Zehnder interferometer type optical switch) which concerns on embodiment.

【0038】この実施形態では、サファイヤ基板上に形
成された窒化物半導体積層構造101に、AlGaN/
GaN量子井戸のサブバンド間遷移を利用した第1の非
線形光導波路部112aと第2の非線形光導波路部11
2bが2分の1波長板114を挟んで直列に接続されて
なる第1の分岐と、同じくAlGaN/GaN量子井戸
のサブバンド間遷移を利用した第3の非線形光導波路部
112cと第4の非線形光導波路部112dが2分の1
波長板114を挟んで直列に接続されてなる第2の分岐
と、入射信号光を導入するための光導波路102と、入
射信号光を第1の分岐と第2の分岐に等分する入力光カ
プラ103と、第1の分岐に入射される信号光と制御光
を合波する第1の光合波部104aと、第1の分岐との
対称性を保つために第2の分岐の入力側に設けられた第
2の光合波部104bと、第1の分岐及び第2の分岐を
伝搬してくる信号光の位相差に応じて2つの出力導波路
105a,105bへの出力強度が変化する出力光カプ
ラ106と、制御光パルス入射光導波路107a、対称
性を保つためのダミー導波路107bとが、集積されて
なる。第1の分岐と第2の分岐は対称であり、光カプラ
103,106は偏波依存性や波長依存性が小さくなる
ように設計されている。制御光パルスの生成部、偏波制
御部、その他周辺部等は、第1の実施形態とほぼ同様で
あるので記載を省略した。
In this embodiment, the nitride semiconductor laminated structure 101 formed on a sapphire substrate has
First nonlinear optical waveguide portion 112a and second nonlinear optical waveguide portion 11 utilizing intersubband transition of GaN quantum well
2b are connected in series with a half-wave plate 114 interposed therebetween, and a third nonlinear optical waveguide portion 112c using the intersubband transition of the AlGaN / GaN quantum well, and a fourth branch. The nonlinear optical waveguide portion 112d has a half
A second branch connected in series across the wavelength plate 114, an optical waveguide 102 for introducing incident signal light, and input light for equally dividing the incident signal light into a first branch and a second branch A coupler 103, a first optical multiplexing unit 104a that multiplexes the signal light and the control light incident on the first branch, and an input side of the second branch in order to maintain symmetry with the first branch. The output in which the output intensity to the two output waveguides 105a and 105b changes according to the phase difference between the provided second optical multiplexing unit 104b and the signal light propagating through the first branch and the second branch. An optical coupler 106, a control light pulse incident optical waveguide 107a, and a dummy waveguide 107b for maintaining symmetry are integrated. The first branch and the second branch are symmetrical, and the optical couplers 103 and 106 are designed so that the polarization dependence and the wavelength dependence are reduced. The control light pulse generation unit, the polarization control unit, and other peripheral units are substantially the same as those in the first embodiment, and thus description thereof is omitted.

【0039】非線形光導波路部112の吸収ピーク波長
は1.5μm、制御光波長は1.52μm、信号光波長
は比較的吸収の小さい1.55μmに設定されている。
窒化物半導体のサブバンド間遷移の吸収スペクトルは広
いので、制御光パルスの吸収飽和により信号光波長に対
する屈折率が変化し、信号光に対する位相変調がかか
る。2分の1波長板114の中心波長は、信号光のピー
ク波長である1.55μmに設定されている。また、制
御光パルスのない状態では、信号光は出力導波路105
aに出力されるように設定されている。
The absorption peak wavelength of the nonlinear optical waveguide section 112 is set to 1.5 μm, the control light wavelength is set to 1.52 μm, and the signal light wavelength is set to 1.55 μm, which has relatively small absorption.
Since the absorption spectrum of the intersubband transition of the nitride semiconductor is wide, the refractive index with respect to the signal light wavelength changes due to the absorption saturation of the control light pulse, and the signal light undergoes phase modulation. The center wavelength of the half-wave plate 114 is set to 1.55 μm, which is the peak wavelength of the signal light. In the absence of the control light pulse, the signal light is output from the output waveguide 105.
a.

【0040】信号光パルスは、光導波路102、入力光
カプラ103、2つの光合波部104a,104bを介
して、第1の分岐の第1の非線形光導波路部112a、
及び第2の分岐の第3の非線形光導波路部112cに入
射する。また、制御光パルス入射光導波路107aと第
1の光合波部104aを介して、前記信号光の所望スロ
ットの光パルスに同期した制御光パルスが、第1の分岐
の非線形光導波路部112aに入射する。信号光も制御
光も、2分の1波長板114においてTM/TEモード
変換が行われ、非線形光導波路部112b,112dを
伝搬する。
The signal light pulse passes through the optical waveguide 102, the input optical coupler 103, and the two optical multiplexing sections 104a and 104b, and the first non-linear optical waveguide section 112a of the first branch.
And the light enters the third nonlinear optical waveguide portion 112c of the second branch. Also, a control light pulse synchronized with the light pulse of the desired slot of the signal light enters the first branched nonlinear optical waveguide portion 112a via the control light pulse incident light waveguide 107a and the first optical multiplexing portion 104a. I do. Both the signal light and the control light undergo TM / TE mode conversion in the half-wave plate 114 and propagate through the nonlinear optical waveguide portions 112b and 112d.

【0041】入射制御光パルスのTMモード成分のパワ
ーは、第1の非線形光導波路部112aでのTM信号光
に対する位相変化が(1+2n)π(但し、nは整数)
になるように制御されている。入射制御光パルスのTE
モード成分のパワーは、第2の非線形光導波路部112
bでのTM信号光に対する位相変化が(1+2n)π
(但し、nは整数)になるように設定されている。この
とき、2分の1波長板114と制御光の波長のずれ、各
分岐の2分の1波長板114までの部分の損失、光カプ
ラの波長や偏波による不完全性等も、制御光のパワーと
偏波の微調により概ね補償することができる。従って、
入力信号光の偏波によらず、制御光パルスにより出力光
カプラ106に入射する2つの分岐の位相差がπ変調さ
れ、出力先を105aから105bに切り替えることが
できる。その他の詳細は、第1の実施形態に準じる。
The power of the TM mode component of the incident control light pulse is such that the phase change with respect to the TM signal light in the first nonlinear optical waveguide portion 112a is (1 + 2n) π (where n is an integer).
It is controlled to become. TE of incident control light pulse
The power of the mode component is adjusted by the second nonlinear optical waveguide 112.
The phase change with respect to the TM signal light at b is (1 + 2n) π
(Where n is an integer). At this time, the deviation of the wavelength of the control light from the half-wave plate 114, the loss of the portion of each branch up to the half-wave plate 114, imperfections due to the wavelength and polarization of the optical coupler, etc. And the fine adjustment of the polarization. Therefore,
Regardless of the polarization of the input signal light, the phase difference between the two branches incident on the output optical coupler 106 is π-modulated by the control light pulse, and the output destination can be switched from 105a to 105b. Other details are in accordance with the first embodiment.

【0042】このように本実施形態においても、高速,
偏波無依存の光スイッチングが実現される。さらに、本
実施形態に対しても、例えば干渉計の中に半導体光増幅
器をハイブリッド集積化して損失を補償するなど、種々
の変形が可能であることは言うまでもない。
As described above, also in this embodiment, the high speed,
Polarization-independent optical switching is realized. Further, it goes without saying that various modifications can be made to the present embodiment, for example, to compensate for loss by hybridly integrating a semiconductor optical amplifier in an interferometer.

【0043】(第3の実施形態)光制御型の非線形光ス
イッチでは、信号光と制御光の分離を計るために、信号
光と制御光の波長をずらすことが多い。前記した第2の
実施形態の干渉計型光スイッチのように、信号光に対す
る吸収係数変化より屈折率変化を利用したい場合には、
信号光波長は吸収スペクトルの裾近辺に設定するのが好
ましいのに対し、制御光波長はスイッチングエネルギー
の観点から吸収ピーク近辺に設定するのが好ましい。窒
化物半導体量子井戸のサブバンド間遷移の吸収スペクト
ルは広いから、制御光と信号光の波長をかなりずらした
い場合も出てくる。
Third Embodiment In an optical control type nonlinear optical switch, the wavelengths of the signal light and the control light are often shifted in order to separate the signal light and the control light. As in the case of the interferometer-type optical switch according to the second embodiment, when it is desired to use the refractive index change rather than the absorption coefficient change for the signal light,
The signal light wavelength is preferably set near the bottom of the absorption spectrum, whereas the control light wavelength is preferably set near the absorption peak from the viewpoint of switching energy. Since the absorption spectrum of the intersubband transition of the nitride semiconductor quantum well is broad, there are cases where the wavelengths of the control light and the signal light need to be considerably shifted.

【0044】本発明ではモード変換に2分の1波長板を
用いているが、信号光波長でちょうど2分の1波長にな
るように選んだとすると、制御光に対してはずれが生じ
る。前述のように、ずれが小さければ入射制御光の偏光
を傾けることで微調整できるが、ずれが大きくなると偏
波依存性を完全に補償することができなくなってしま
う。
In the present invention, a half-wave plate is used for mode conversion. However, if the signal light is selected so as to have a half wavelength, the control light deviates. As described above, if the shift is small, fine adjustment can be performed by inclining the polarization of the incident control light. However, if the shift is large, the polarization dependency cannot be completely compensated.

【0045】図6は、制御光と信号光の波長が大きく異
なっていても偏波無依存の超高速光変調・制御ができる
ように工夫した、本発明の第3の実施形態に係わる非線
形光半導体デバイスの構成を模式的に示す図である。こ
の光導波路を一要素として第1の実施形態のような吸収
制御型の光スイッチや、第2の実施形態のような位相制
御型の光スイッチを構成することができる。
FIG. 6 shows a non-linear light according to the third embodiment of the present invention, which is designed so that polarization-independent ultra-high-speed optical modulation and control can be performed even if the wavelengths of the control light and the signal light are largely different. It is a figure which shows the structure of a semiconductor device typically. Using this optical waveguide as an element, an absorption-controlled optical switch as in the first embodiment or a phase-controlled optical switch as in the second embodiment can be configured.

【0046】本実施形態の非線形光半導体デバイスは、
順番に、信号光入力光導波路61aと制御光入力光導波
路61bを有する入力部61、2本の非線形光導波路6
2a,62bが平行に並べられた第1の非線形光導波路
部62、途中に第1の2分の1波長板64aが挿入され
た第1の中間光導波路63aと途中に第2の2分の1波
長板64bが挿入された第2の中間光導波路63bから
なるモード変換部63、2本の非線形光導波路65a,
65bが平行に並べられた第2の非線形光導波路部6
5、及び信号光出力光導波路66aと制御光出力光導波
路66bからなる出力部66の計五つの部分から構成さ
れ、それぞれの部分は第1の1対1光カプラ67a、第
2の1対1光カプラ67b、第3の1対1光カプラ67
c、及び第4の1対1光カプラ67bにより接続されて
いる。
The nonlinear optical semiconductor device of this embodiment is
In order, an input portion 61 having a signal light input optical waveguide 61a and a control light input optical waveguide 61b, and two nonlinear optical waveguides 6
A first nonlinear optical waveguide portion 62 in which 2a and 62b are arranged in parallel, a first intermediate optical waveguide 63a in which a first half-wave plate 64a is inserted in the middle, and a second half optical waveguide 63a in the middle. The mode converter 63 including the second intermediate optical waveguide 63b into which the one-wavelength plate 64b is inserted, two nonlinear optical waveguides 65a,
65b are arranged in parallel with the second nonlinear optical waveguide section 6
5 and an output section 66 comprising a signal light output optical waveguide 66a and a control light output optical waveguide 66b, each of which comprises a first one-to-one optical coupler 67a and a second one-to-one. Optical coupler 67b, third one-to-one optical coupler 67
c and a fourth one-to-one optical coupler 67b.

【0047】信号光パルスの波長は1.65μm、制御
光パルスの波長は1.48μmである。第1の2分の1
波長板64aと第2の2分の1波長板64bの中心波長
は、それぞれ制御光波長と信号光波長に概略一致してい
る。非線形光導波路62a,62b,65a,65b
は、窒化物半導体量子井戸のサブバンド間吸収による非
線形光学特性を利用したもので、吸収ピーク波長は1.
48μmである。4本の非線形光導波路62a,62
b,65a,65bは、伝搬特性や長さが同じになるよ
うに形成されている。光カプラ67a,67b,67
c,67dは、制御光波長と信号光波長の両者に対して
ほぼ偏波無依存の1対1分岐が実現されるように設計さ
れている。
The wavelength of the signal light pulse is 1.65 μm, and the wavelength of the control light pulse is 1.48 μm. The first half
The center wavelengths of the wave plate 64a and the second half-wave plate 64b substantially match the control light wavelength and the signal light wavelength, respectively. Nonlinear optical waveguides 62a, 62b, 65a, 65b
Utilizes the nonlinear optical characteristics of nitride semiconductor quantum wells due to intersubband absorption, and the absorption peak wavelength is 1.
48 μm. Four nonlinear optical waveguides 62a, 62
b, 65a, and 65b are formed so that the propagation characteristics and the length are the same. Optical couplers 67a, 67b, 67
c and 67d are designed so that one-to-one branching substantially independent of polarization is realized for both the control light wavelength and the signal light wavelength.

【0048】最初に、制御光パルスがない場合の信号光
の伝搬について説明する。信号光入力光導波路61aか
ら入射された信号光は、第1の1対1光カプラ67aで
2本の対称な非線形光導波路62a,62bに分離され
る。分岐された2つの信号光のパワーは等しく、位相は
π/2ずれている。非線形光導波路62aと62bが対
称なので、この位相関係は第2の1対1光カプラ67b
の入り口でも維持されている。その結果、第2の1対1
光カプラ67bにおける干渉により、信号光は第2の2
分の1波長板64bが挿入された光導波路63bへ分岐
される。第2の2分の1波長板64bの中心波長と信号
光波長が一致しているので、信号光に対してほぼ完全な
TE/TMモード変換が行われる。次いで、信号光は第
3の1対1光カプラ67cで、対称な2本の非線形光導
波路65a,65bに分岐される。同様にして、非線形
光導波路65a,65bを伝搬してきた信号光の第4の
1対1光カプラ67dでの干渉により、信号光は信号光
出力光導波路66aに出力される。
First, the propagation of signal light when there is no control light pulse will be described. The signal light input from the signal light input optical waveguide 61a is split by the first one-to-one optical coupler 67a into two symmetric nonlinear optical waveguides 62a and 62b. The powers of the two split signal lights are equal and the phases are shifted by π / 2. Since the nonlinear optical waveguides 62a and 62b are symmetric, this phase relationship is equal to the second one-to-one optical coupler 67b.
At the entrance. As a result, the second one-to-one
Due to the interference in the optical coupler 67b, the signal light is changed to the second 2
The light is branched into the optical waveguide 63b into which the half-wave plate 64b is inserted. Since the center wavelength of the second half-wave plate 64b matches the signal light wavelength, almost complete TE / TM mode conversion is performed on the signal light. Next, the signal light is split by the third one-to-one optical coupler 67c into two symmetric nonlinear optical waveguides 65a and 65b. Similarly, the signal light propagated through the nonlinear optical waveguides 65a and 65b is output to the signal light output optical waveguide 66a by the interference at the fourth one-to-one optical coupler 67d.

【0049】制御光入力光導波路61bから入力される
制御光パルスの伝搬もまったく同様である。第1の1対
1光カプラ67aで2分された制御光の第2の1対1光
カプラ67bにおける干渉により、制御光パルスは第1
の2分の1波長板64aの挿入された光導波路63aへ
出力される。
The propagation of the control light pulse input from the control light input optical waveguide 61b is exactly the same. Due to the interference of the control light split into two by the first one-to-one optical coupler 67a at the second one-to-one optical coupler 67b, the control light pulse is changed to the first one.
Is output to the optical waveguide 63a in which the half-wave plate 64a is inserted.

【0050】制御光波長と第1の2分の1波長板64a
の中心波長が一致しているので、制御光もほぼ完全にT
EモードとTMモードの入れ替えが行われる。さらに、
第3の1対1光カプラ67cで2分された制御光の第4
の1対1光カプラ67dにおける干渉により、制御光パ
ルスは制御光出力光導波路66bへ出力される。
Control light wavelength and first half-wave plate 64a
, The control light is also almost completely T
The switching between the E mode and the TM mode is performed. further,
The fourth control light divided into two by the third one-to-one optical coupler 67c
The control light pulse is output to the control light output optical waveguide 66b due to the interference in the one-to-one optical coupler 67d.

【0051】制御光パルスのTMモード成分のパワー
は、非線形光導波路62a,62bにおけるサブバンド
間吸収により信号光位相がπ変調されるように設定され
ている。制御光パルスのTEモード成分のパワーは、第
1の2分の1波長板64aでTMモードに変換された
後、非線形光導波路65a,65bで信号光にπの位相
変調がかかるように設定されている。非線形導波路部6
2,65における2つの分岐は対称であり、制御光パル
スで同相の位相変調がかかるので、信号光の光路自体は
変化しない。また、非線形光導波路部62,65をTE
モードとして伝搬する偏波成分に対しては変調がかから
ない。信号光のピークパワーは制御光のピークパワーよ
り三桁程度小さいので、信号光自身による位相変調も無
視できる。従って、制御光パルスにより、信号光には偏
波によらずπの位相変調がかけられることになる。この
構成では、信号光と制御光が異なる2分の1波長板を透
過するので、両者の波長が異なっていても構わない。
The power of the TM mode component of the control light pulse is set so that the phase of the signal light is π-modulated by the absorption between the sub-bands in the nonlinear optical waveguides 62a and 62b. The power of the TE mode component of the control light pulse is set so that the signal light is subjected to π phase modulation in the nonlinear optical waveguides 65a and 65b after being converted into the TM mode by the first half-wave plate 64a. ing. Nonlinear waveguide 6
The two branches at 2, 65 are symmetric, and the control light pulse is subjected to in-phase phase modulation, so that the optical path itself of the signal light does not change. Also, the nonlinear optical waveguides 62 and 65 are
No modulation is applied to the polarization component propagating as a mode. Since the peak power of the signal light is about three orders of magnitude lower than the peak power of the control light, phase modulation by the signal light itself can be ignored. Therefore, the control light pulse causes the signal light to undergo π phase modulation regardless of the polarization. In this configuration, since the signal light and the control light pass through different half-wave plates, the wavelengths of both may be different.

【0052】このような光導波路を2つ用意し、それぞ
れを干渉計の2つの分岐に用いてマッハツェンダー干渉
計を構成し、一方の分岐のみに制御光を入射すれば、制
御光の有無により2つの分岐の信号光にπの位相差を付
けられるので、偏波無依存の光スイッチングが行える。
しかも、窒化物半導体のサブバンド間遷移を利用してい
るので、前述の2つの実施形態で説明したように、室温
で超高速動作可能である。
A Mach-Zehnder interferometer is formed by preparing two such optical waveguides and using them for each of the two branches of the interferometer. If control light is incident on only one of the branches, the presence or absence of the control light is determined. Since a phase difference of π can be given to the two branched signal lights, polarization-independent optical switching can be performed.
In addition, since the transition between sub-bands of the nitride semiconductor is used, ultra-high-speed operation can be performed at room temperature as described in the above two embodiments.

【0053】本実施形態においても、様々な変形,応用
が可能である。例えば、上述のマッハツェンダー干渉計
の構成で、制御光を信号光と反対側から入射させたり、
2つの分岐に別々の制御光を導くことで論理動作を行わ
せる等の変形,応用も可能である。
Various modifications and applications are also possible in this embodiment. For example, in the configuration of the Mach-Zehnder interferometer described above, the control light is made to enter from the opposite side to the signal light,
Modifications and applications such as performing a logical operation by guiding different control lights to the two branches are also possible.

【0054】[0054]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、半
導体量子井戸のサブバンド間遷移を利用した第1の非線
形光導波路部と第2の非線形光導波路部を、2分の1波
長板を挟んで直列に接続した構成を採用することによ
り、偏波ダイバーシティ等を用いることなく簡易な構成
で、入射信号光パルスの偏波状態によらず、超高速繰り
返しの光スイッチング動作を実現することができる。
As described above in detail, according to the present invention, the first nonlinear optical waveguide portion and the second nonlinear optical waveguide portion utilizing the intersubband transition of the semiconductor quantum well are formed by a half wavelength. By adopting a configuration in which the plates are connected in series, an ultra-high-speed repetitive optical switching operation can be realized regardless of the polarization state of the incident signal light pulse with a simple configuration without using polarization diversity etc. be able to.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】第1の実施形態に係わる非線形光半導体デバイ
ス(光ゲート・スイッチ)の構成を模式的に示す図。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a nonlinear optical semiconductor device (optical gate switch) according to a first embodiment.

【図2】第1の実施形態に係わる光ゲート・スイッチの
非線形光導波素子1の断面層構造を模式的に示す図。
FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross-sectional layer structure of the nonlinear optical waveguide element 1 of the optical gate switch according to the first embodiment.

【図3】第1の実施形態の変形例に係わる光ルーチング
・スイッチの構成を横式的に示す図。
FIG. 3 is a diagram laterally showing a configuration of an optical routing switch according to a modification of the first embodiment.

【図4】第1の実施形態の非線形光導波素子をN対N光
マトリクス・スイッチに応用した変形例の槻念図。
FIG. 4 is a diagram showing a modified example in which the nonlinear optical waveguide element according to the first embodiment is applied to an N-to-N optical matrix switch.

【図5】第2の実施形態に係わるマッハツェンダー干渉
計型光スイッチの構成を模式的に示す図。
FIG. 5 is a diagram schematically showing a configuration of a Mach-Zehnder interferometer type optical switch according to a second embodiment.

【図6】第3の実施形態に係わる非線形光半導体デバイ
スの構成を模式的に示す図。
FIG. 6 is a diagram schematically showing a configuration of a nonlinear optical semiconductor device according to a third embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…非線形光導波素子 2…モードロック半導体レーザ 3…パルス圧縮部 4,4b…光TDM変調パターン生成部 5…偏波コントローラ 6,103,106,67a,67b,67c,67d
…光カプラ 7a,7b,7c…光ファイバ 9a,9b…分合波器 10…サファイヤ基板 11,101…窒化物半導体層 12a,1 12a,62…第1の非線形光導波路部 12b,1 12b,65…第2の非線形光導波路部 112c…第3の非線形光導波路部 112d…第4の非線形光導波路部 13…スロット部 14,14b,114,64a,64b…2分の1波長
板 16…反射防止膜 17,21…クラッド層 18,20…光ガイド層 19…Al0.8 Ga0.2 N/GaN多重量子井戸層 104a,104b…光合波部 102,105a,105b,107a,107b,6
1a,61b,63a,63b,66a,66b…光導
波路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Nonlinear optical waveguide element 2 ... Mode lock semiconductor laser 3 ... Pulse compression part 4, 4b ... Optical TDM modulation pattern generation part 5 ... Polarization controller 6, 103, 106, 67a, 67b, 67c, 67d
... optical couplers 7a, 7b, 7c ... optical fibers 9a, 9b ... multiplexer / demultiplexer 10 ... sapphire substrate 11, 101 ... nitride semiconductor layers 12a, 112a, 62 ... first nonlinear optical waveguide parts 12b, 112b, 65: second nonlinear optical waveguide section 112c: third nonlinear optical waveguide section 112d: fourth nonlinear optical waveguide section 13: slot section 14, 14, b, 114, 64a, 64b: half-wave plate 16: reflection preventing film 17 and 21 ... clad layer 18, 20 ... optical guiding layer 19 ... Al 0.8 Ga 0.2 N / GaN multiple quantum well layer 104a, 104b ... optical multiplexer 102,105a, 105b, 107a, 107b, 6
1a, 61b, 63a, 63b, 66a, 66b ... optical waveguide

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02F 1/35 G02F 1/025 JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G02F 1/35 G02F 1/025 JICST file (JOIS)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体量子井戸のサブバンド間遷移を利用
した第1の非線形光導波路部と第2の非線形光導波路部
が、2分の1波長板を挟んで直列に接続され、かつ基板
上に集積されてなる非線形光半導体デバイスであって、 前記第1の非線形光導波路部にTMモードとして入射す
る制御光パワーと前記第2の非線形光導波路部にTMモ
ードとして入射する制御光パワーとがほぼ等しくなるよ
うにパワーと偏波状態が設定され、かつ前記サブバンド
間遷移の吸収波長帯に属する制御光パルスが、前記サブ
バンド間遷移の吸収波長帯に属する信号光パルスに対し
て所定のタイミングで、前記2つの非線形光導波路部の
一方の端から入射されることを特徴とする非線形光半導
体デバイス。
A first nonlinear optical waveguide portion and a second nonlinear optical waveguide portion utilizing intersubband transition of a semiconductor quantum well are connected in series with a half-wave plate interposed therebetween, and are provided on a substrate. A control optical power incident on the first nonlinear optical waveguide as a TM mode and a control optical power incident on the second nonlinear optical waveguide as a TM mode. The power and the polarization state are set to be substantially equal, and the control light pulse belonging to the absorption wavelength band of the inter-subband transition is a predetermined control light pulse with respect to the signal light pulse belonging to the absorption wavelength band of the inter-subband transition. A nonlinear optical semiconductor device characterized by being incident at one timing from one end of the two nonlinear optical waveguide portions.
【請求項2】2本の光導波路が並べられた第1のインタ
ーフェース部と、2本の非線形光導波路が並べられた第
1の非線形光導波路部と、途中に第1の2分の1波長板
が挿入された第1の中間光導波路と途中に第2の2分の
1波長板が挿入された第2の中間光導波路からなるモー
ド変換部と、2本の非線形光導波路が並べられた第2の
非線形光導波路部と、2本の光導波路が並べられた第2
のインターフェース部と、前記第1のインターフェース
部の2本の光導波路と前記第1の非線形光導波路部の2
本の非線形光導波路とを結合する第1の1対1光カプラ
と、前記第1の非線形光導波路部の2本の非線形光導波
路と前記第1及び第2の中間光導波路とを結合する第2
の1対1光カプラと、前記第1及び第2の中間光導波路
と前記第2の非線形光導波路部の2本の非線形光導波路
とを結合する第3の1対1光カプラと、前記第2の非線
形光導波路部の2本の非線形光導波路と前記第2のイン
ターフェース部の2本の光導波路とを結合する第4の1
対1光カプラとを構成要素として含み、前記第1及び第
2の非線形光導波路部を構成している各非線形光導波路
には信号光波長に対してサブバンド間吸収を有する半導
体量子井戸が用いられていることを特徴とする非線形光
デバイス。
2. A first interface section in which two optical waveguides are arranged, a first nonlinear optical section in which two nonlinear optical waveguides are arranged, and a first half wavelength in the middle. A mode converter consisting of a first intermediate optical waveguide with a plate inserted, a second intermediate optical waveguide with a second half-wave plate inserted in the middle, and two nonlinear optical waveguides are arranged. A second nonlinear optical waveguide section and a second nonlinear optical waveguide section in which two optical waveguides are arranged.
Interface section, two optical waveguides of the first interface section, and two optical waveguides of the first nonlinear optical waveguide section.
A first one-to-one optical coupler that couples the two nonlinear optical waveguides, and a first one-to-one optical coupler that couples the two nonlinear optical waveguides of the first nonlinear optical waveguide section and the first and second intermediate optical waveguides. 2
A one-to-one optical coupler, a third one-to-one optical coupler coupling the first and second intermediate optical waveguides and two nonlinear optical waveguides of the second nonlinear optical waveguide section, Fourth one coupling the two nonlinear optical waveguides of the two nonlinear optical waveguide sections and the two optical waveguides of the second interface section.
A semiconductor quantum well having an intersubband absorption for a signal light wavelength is used for each of the nonlinear optical waveguides including the one-to-one optical coupler as a component, and forming the first and second nonlinear optical waveguide portions. A nonlinear optical device characterized in that it is used.
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