JP3159377B2

JP3159377B2 - 光スイッチ

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Publication number: JP3159377B2
Application number: JP21153497A
Authority: JP
Inventors: 滋中村; 一人田島
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-08-06
Filing date: 1997-08-06
Publication date: 2001-04-23
Anticipated expiration: 2017-08-06
Also published as: JPH1152440A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光スイッチに関
し、特に光ファイバ通信や光情報処理等の分野で用いら
れる光スイッチに関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信システムや光情報処理システムに
おける情報の伝送・処理速度の飛躍的な向上のために
は、システムの全光化が必要であると考えられる。シス
テムの全光化とは、システム内の伝送路、多重／分離回
路、論理回路等を伝搬する信号が、途中で光−電気、電
気−光の変換を受けずに光のまま伝えられることを意味
する。このような全光化システムの構築には、光信号を
高速で制御する素子が要求される。従来、光制御素子と
しては、電気信号により光制御を行う方法（電気−光制
御）がとられてきたが、近年、より高速性が期待される
方法として、光により光制御を行う方法（光−光制御）
が注目されている。特に、光通信システムにおいて、超
高速の光−光制御型のスイッチ（光−光スイッチ）が光
分離回路（光デマルチプレクサ）に応用されれば、光通
信システムの高速化を実現する上で大きなブレイクスル
ーとなる。

【０００３】光−光スイッチを実用化する上で要求され
る性能は、上記のような高速性だけでなく、低スイッチ
ングエネルギー、高繰り返し動作、コンパクトなサイズ
など多岐にわたる。特に、スイッチングエネルギーに関
しては、半導体レーザ、ファイバアンプ、または半導体
光アンプによって出力可能な光パルスエネルギーの範囲
内にあることが求められる。

【０００４】これらの性能を実現する上でまず問題とな
るのは、光−光スイッチの駆動原理である非線形光学効
果のフィギュアオブメリットχ⁽³⁾／τα（χ⁽³⁾：非
線形性の大きさ、τ：応答時間、α：信号損失）が経験
的にほぼ一定という法則に従う点である。すなわち、非
線形光学効果は、非共鳴励起型と共鳴励起型に大別され
るが、どちらの場合も高効率性と高速性を同時に満足す
ることは困難であると考えられている。まず、非共鳴励
起型においては、高速性が期待されるが、効率が低い。
したがって、高いスイッチングエネルギーまたは長い相
互作用長が要求されることになる。これに対して、共鳴
励起型の場合は、高効率であるが、非線形光学媒質中に
実励起される電子の緩和が遅いという点が問題であり、
これが高速動作実現を妨げる。

【０００５】しかし、近年、共鳴励起型の高効率性は実
用上大きな魅力であることが再認識され、遅い緩和の問
題を克服し高速動作を実現する様々な方法が提案されて
きた。例えば、本出願人が平成８年１０月９日に出願し
た特願平８−２６８１９５号の明細書及び図面（以下
「従来技術」という。）には、制御光の吸収または増幅
により非線形屈折率変化を示す半導体媒質を利用した光
−光スイッチが記載されている。

【０００６】図８（ａ）は、従来技術による光スイッチ
の構成を示す図である。非線形光導波路１は、中心周波
数ω１の信号光パルスおよび中心周波数ω０の制御光パ
ルスが入力される信号光・制御光入力ポート１１を有し
ている。ω１は、非線形光導波路１の透明領域に設定さ
れている。非線形光導波路１では、制御光の吸収または
増幅により非線形屈折率変化が引き起こされ、信号光に
非線形位相シフトを与える。非線形光導波路１を出射し
た信号光は、光周波数フィルタ２を通過した後、信号光
出力ポート１２へ導かれる。光周波数フィルタ２は、中
心周波数ω２の光パルスを透過させる。

【０００７】非線形光導波路１における非線形屈折率変
化は、制御光の吸収または増幅により引き起こされる。
吸収により発現させる場合には、制御光の中心周波数ω
０は非線形光導波路１の吸収領域に設定される。この場
合、非線形光導波路１中にキャリアが励起されることに
より屈折率が変化する。非線形屈折率変化を制御光の増
幅により発現させる場合には、非線形光導波路１には半
導体利得媒質が用いられ、制御光の中心周波数ω０は非
線形光導波路１の増幅領域に設定される。この場合、非
線形光導波路１中のキャリアが減少することにより屈折
率が変化する。いずれの場合も、キャリア密度変化に伴
う屈折率変化である。したがって、立ち上がりは、制御
光パルスに追随する超高速の現象であり、これに対し
て、立ち下がりはキャリア再結合に伴う遅い現象であ
る。屈折率変化が超高速で立ち上がる際、信号光の位相
が時間的に変化し周波数がシフトする。屈折率変化の緩
和時定数は長いので、緩和する際に信号光パルスが受け
る周波数シフトは無視し得る。実際、パルス幅２ｐｓの
制御光を用いる場合、立ち上がりは２ｐｓ程度となる
が、立ち下がりは通常ｎｓオーダーである。したがっ
て、屈折率変化の緩和に伴う周波数シフト量は、立ち上
がり時の値より２桁から３桁小さくなる。

【０００８】図８（ｂ）は、従来技術による光スイッチ
の動作を示す波形図である。前段落で説明したように、
非線形光導波路１で生じた屈折率変化により、制御光パ
ルスと同時に入射される信号光パルスのみが中心周波数
ω２へシフトする。光周波数フィルタ２は、中心周波数
がω２へシフトした信号光パルスのみを透過させる。し
たがって、中心周波数がω２へシフトした信号光パルス
のみが出力ポート１２より出力される。これにより、簡
単な構成で高速かつ高効率の光−光スイッチが実現され
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記に説明した従来技
術においては、非線形光導波路１の後段に光分岐回路を
設け、さらにその後段に透過波長の異なる光周波数フィ
ルタを設けることにより実現される１入力２出力型の光
−光スイッチ、さらに、制御光増幅媒質から成る非線形
光導波路を用いた１入力３出力型の光−光スイッチも記
載されている。しかし、制御光パルスエネルギーを単一
の値に設定する限り出力ポート数は上記の値が限界であ
る。これに対し、例えば、光分離回路への応用において
は、多重化された信号光パルス列を分岐するために多チ
ャネルの出力ポートが必要になると予想される。出力ポ
ート数の少ない光スイッチを用いると、多数の光スイッ
チが必要となり、システムの複雑化を招く。したがっ
て、１個の光スイッチに可能な限り多数の出力ポートを
設けることが望ましい。

【００１０】また、信号光出力に対して高い消光比を得
ようとするならば、制御光と信号光の時間軸上での位置
を正確に一致させなければならない。その場合、制御光
または信号光に時間軸上の位置の揺らぎ（ジッタ）があ
ると、高い消光比が得られなくなる。

【００１１】また、非線形光導波路の後段に設けられた
光周波数フィルタとして、バンドパスフィルタが用いら
れていたが、これは、通過する信号光パルスのスペクト
ルの帯域を制限するため、出力信号光パルスに対して信
号光パルス幅広がりや信号光損失をもたらす。

【００１２】さらに、上記に説明した従来技術において
は、中心周波数ω２の信号光パルスが出力されるが、瞬
時光周波数が時間的に変化しており、トランスフォーム
リミットなパルスとはならない。すなわち、時間軸上の
パルス幅に対して周波数軸上のスペクトル幅が最小にな
っておらず、スペクトルの広いパルスとなっている。こ
のような出力信号光パルスをさらにファイバで伝送させ
る場合、ファイバ中の分散によるパルス波形の劣化が生
じやすくなる。

【００１３】すなわち、従来技術による光スイッチに対
して、多出力ポート型、ジッタ耐性の向上、帯域制限の
緩和、出力信号光パルスのファイバ伝送特性の向上が望
まれる。本発明の目的は、半導体中の共鳴励起非線形光
学効果に伴う信号光周波数シフトを利用する光スイッチ
において、上記の問題を解決することにある。

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明による光スイッチ
は、信号光および制御光を入力する手段と、前記制御光
の吸収または増幅により非線形屈折率変化を引き起こす
非線形光学媒質で成る光導波路と、前記光導波路を出射
する信号光のうち特定の光周波数のみを透過させる光周
波数フィルタとを備えた光スイッチにおいて、前記制御
光のパルスと同時に入射する信号光のパルスに周波数シ
フトを与え、前記制御光のパルスの波形をより矩形に近
づけたことを特徴とする。

【００１７】また、本発明による光スイッチは、信号光
および制御光を入力する手段と、前記制御光の吸収また
は増幅により非線形屈折率変化を引き起こす非線形光学
媒質で成る光導波路と、前記光導波路を出射する信号光
を光周波数の相違によって異なる出力ポートへ回折させ
る手段とを備えた光スイッチにおいて、前記制御光のパ
ルスと同時に入射する信号光のパルスに周波数シフトを
与え、前記制御光のパルスの波形を矩形としたことを特
徴とする光スイッチ。

【００１８】また、本発明による光スイッチは、信号光
および制御光を入力する手段と、前記制御光の吸収また
は増幅により非線形屈折率変化を引き起こす非線形光学
媒質で成る光導波路と、前記光導波路を出射する信号光
のうち特定の光周波数のみを透過させる光周波数フィル
タとを備えた光スイッチにおいて、前記制御光のパルス
と同時に入射する信号光のパルスに周波数シフトを与
え、前記周波数フィルタの透過率の光周波数依存性をハ
イパス型またはローパス型としたことを特徴とする光ス
イッチ。

【００１９】また、本発明による光スイッチは、信号光
および制御光を入力する手段と、前記制御光の吸収によ
り非線形屈折率変化を引き起こす非線形光学媒質で成る
光導波路と、前記光導波路を出射する信号光のうち特定
の光周波数のみを透過させる光周波数フィルタとを備え
た光スイッチにおいて、前記制御光のパルスと同時に入
射する信号光のパルスに周波数シフトを与え、前記周波
数フィルタの後段に半導体光アンプを設けたことを特徴
とする。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。

【００２１】図１（ａ）は、本発明の第一実施の形態で
ある１入力３出力型の光スイッチの構成を示す図であ
る。非線形光導波路１は、中心周波数ω１の信号光パル
ス、中心周波数ω０、パルスエネルギーＥ１の第一の制
御光パルス、および中心周波数ω０、パルスエネルギー
Ｅ２の第二の制御光パルスが入力される信号光・制御光
入力ポート１１を有している。ω１は、非線形光導波路
１の光導波部の透明領域に設定される。非線形光導波路
１では、制御光の吸収または増幅により非線形屈折率変
化が引き起こされ、信号光に非線形位相シフトを与え
る。非線形光導波路１を出射した信号光は、光分岐回路
５によりアームＡ，Ｂ，Ｃに分配され、それぞれ、光周
波数フィルタ２，３，４を通過し、信号光出力ポート１
２，１３，１４へ導かれる。光周波数フィルタ２は、中
心周波数ω１の光パルスのみを透過させ、光周波数フィ
ルタ３は、中心周波数ω２の光パルスのみを透過させ、
光周波数フィルタ４は、中心周波数ω３の光パルスのみ
を透過させる。

【００２２】非線形光導波路１における非線形屈折率変
化は、制御光の吸収または増幅により引き起こされる。
吸収により発現させる場合には、制御光の中心周波数ω
０は非線形光導波路１の吸収領域に設定される。この場
合、非線形光導波路１中にキャリアが励起されることに
より屈折率が変化する。非線形屈折率変化を制御光の増
幅により発現させる場合には、非線形光導波路１には半
導体利得媒質が用いられ、制御光の中心周波数ω０は非
線形光導波路１の増幅領域に設定される。この場合、非
線形光導波路１中のキャリアが減少することにより屈折
率が変化する。いずれの場合も、キャリア密度変化に伴
う屈折率変化である。したがって、立ち上がりは、制御
光パルスに追随する超高速の現象であり、これに対し
て、立ち下がりはキャリア再結合に伴う遅い現象であ
る。屈折率変化が超高速で立ち上がる際、信号光の位相
が時間的に変化し周波数がシフトする。屈折率変化の緩
和時定数は長いので、緩和する際に信号光パルスが受け
る周波数シフトは無視し得る。実際、パルス幅２ｐｓの
制御光を用いる場合、立ち上がりは２ｐｓ程度となる
が、立ち下がりは通常ｎｓオーダーである。したがっ
て、屈折率変化の緩和に伴う周波数シフト量は、立ち上
がり時の値より２桁から３桁小さくなる。

【００２３】図１（ｂ）は、本発明の第一実施の形態の
動作を示す波形図である。エネルギーＥ１の第一の光パ
ルスと同時に入射される信号光パルスは、非線形光導波
路１において屈折率変化が超高速で立ち上がるのに伴っ
て、中心周波数ω２へシフトする。エネルギーＥ２の第
二の制御光パルスと同時に入射される信号光パルスは、
非線形光導波路１において屈折率変化が超高速で立ち上
がるのに伴って、中心周波数ω３へシフトする。光分岐
回路５で分岐された後、アームＡにおいては、光周波数
フィルタ２を通過することにより、中心周波数ω１の信
号光パルスのみが信号光出力ポート１２へ導かれる。ま
た、アームＢにおいては、光周波数フィルタ３を通過す
ることにより、中心周波数ω２の信号光パルスのみが信
号光出力ポート１３へ導かれる。さらに、アームＣにお
いては、光周波数フィルタ４を通過することにより、中
心周波数ω３の信号光パルスのみが信号光出力ポート１
４へ導かれる。これにより、高速かつ高効率の１入力３
出力型光スイッチが、簡単な構成で実現される。なお、
図１（ａ）に示した第一の実施の形態は１入力３出力型
であるが、本発明による光スイッチを用いれば、さらに
多数の信号光出力ポートを備えた光スイッチの実現も可
能である。すなわち、異なる信号光出力ポートに信号光
パルスを分配する際に、異なるパルスエネルギーの制御
光パルスを用いることにより、１個の光スイッチで多数
の信号光出力ポートへ出射することが可能である。

【００２４】ここで、本発明による光スイッチの高繰り
返し動作特性に関して、付け加える。本発明の光スイッ
チにおいて利用される非線形屈折率変化は、非線形光学
媒質中のキャリア密度変化に伴って引き起こされる。し
たがって、スイッチング動作自体は屈折率変化の立ち上
がり時で終了するが、非線形光導波路中にはキャリアが
残留しており、消滅までに通常ｎｓオーダーを要する。
しかし、これは必ずしもスイッチングの繰り返し時間を
キャリア寿命よりも長くとる必要性を意味するものでは
ない。１回のスイッチング動作に要する屈折率変化は、
非線形光学媒質が有する屈折率変化のダイナミックレン
ジに比べて小さい。すなわち、非線形光学媒質中にキャ
リアが残留している場合でも、新たな制御光吸収による
屈折率変化を引き起こすことが可能である。すなわち、
キャリア寿命の逆数よりも十分高い周波数での繰り返し
動作が可能である。

【００２５】次に、本発明の第一実施の形態に関する実
施例を説明する。非線形光導波路１は、ＩｎＧａＡｓＰ
をコアとしＩｎＰをクラッドとする埋め込み型の半導体
光導波路である。この半導体光導波路は、ＩｎＰ基板上
にＩｎＧａＡｓＰを有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶ
ＰＥ）法により成長し、これをリソグラフィーおよびウ
ェットエッチングによりストライプ状に加工し、再びＭ
ＯＶＰＥ法によりＩｎＧａＡｓＰを埋め込むためのＩｎ
Ｐを成長することにより作成される。さらに、この光導
波路の両端面には無反射コーティングが施される。Ｉｎ
ＧａＡｓＰで成る光導波部は、吸収端波長１．５００μ
ｍであり、厚さ０．３μｍ、幅１μｍ、長さ３００μｍ
である。光周波数フィルタ２は、透過波長１．５５００
μｍ、バンド幅３．０ｎｍ、光周波数フィルタ３は、透
過波長１．５４５５μｍ、バンド幅３．０ｎｍ、光周波
数フィルタ４は、透過波長１．５４１０μｍ、バンド幅
３．０ｎｍに設定されている。

【００２６】制御光はパルス幅２ｐｓ、波長１．５００
０μｍであり、この波長はＩｎＧａＡｓＰコアの吸収領
域に設定されている。制御光パルスは、強度Ｉの時間ｔ
への依存性がＩ（ｔ）＝ｓｅｃｈ²（１．７６ｔ／ｔｐ）ｔｐ：
パルスの半値全幅で表わされるものを用いた。また、信号光はパルス幅１
ｐｓ、スペクトル幅２．６ｎｍ、波長１．５５００μｍ
であり、この波長はＩｎＧａＡｓＰコアの透明領域に設
定されている。第一の制御光パルスと同時に入射された
信号光パルスは、波長が４．５ｎｍ短波側にシフトす
る。このとき、非線形光導波路において生じた信号光の
非線形位相シフト量は３πである。また、第二の制御光
パルスと同時に入射された信号光パルスは、波長が９．
０ｎｍ短波側にシフトする。このとき、非線形光導波路
において生じた信号光の非線形位相シフト量は６πであ
る。光分岐回路５で分岐された後、アームＡにおいて
は、中心周波数が１．５５００μｍの信号光パルスのみ
が光周波数フィルタ２を通過し、信号光出力ポート１２
へ送り出される。アームＢにおいては、中心波長１．５
４５５μｍへシフトした信号光パルスのみが光周波数フ
ィルタ３を通過し、信号光出力ポート１３へ送り出され
る。アームＣにおいては、中心波長１．５４１０μｍへ
シフトした信号光パルスのみが光周波数フィルタ４を通
過し、信号光出力ポート１４へ送り出される。これによ
り１入力３出力型の光スイッチ動作が得られる。

【００２７】図２（ａ）は、本発明の第二実施の形態で
ある１入力３出力型の光スイッチの構成を示す図であ
る。非線形光導波路１は、中心周波数ω１の信号光パル
ス、中心周波数ω０、パルスエネルギーＥ１の第一の制
御光パルス、および中心周波数ω０、パルスエネルギー
Ｅ２の第二の制御光パルスが入力される信号光・制御光
入力ポート１１を有している。ω１は、非線形光導波路
１の光導波部の透明領域に設定されている。非線形光導
波路１では、制御光の吸収または増幅により非線形屈折
率変化が引き起こされ、信号光に非線形位相シフトを与
える。吸収により発現させる場合には、ω０は非線形光
導波路１の吸収領域に設定され、増幅により発現させる
場合には、ω０は半導体利得媒質から成る非線形光導波
路１の増幅領域に設定される。非線形光導波路１を出射
した信号光は、アレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ）
６中で回折され、異なる中心周波数の信号光パルスは異
なる信号光出力ポートから出射される。

【００２８】図２（ｂ）は、本発明の第二実施の形態の
動作を示す波形図である。第一の制御光パルスと同時に
入射される信号光パルスは、中心周波数ω２にシフトす
る。第二の制御光パルスと同時に入射される信号光パル
スは、中心周波数がω３にシフトする。ＡＷＧ６におい
て、中心周波数ω１の信号光パルスは信号光出力ポート
１２より、中心周波数ω２の信号光パルスは信号光出力
ポート１３より、中心周波数ω３の信号光パルスは信号
光出力ポート１４より、それぞれ出射される。これによ
り、高速かつ高効率の１入力３出力型光スイッチが、簡
単な構成で実現される。なお、図２（ａ）に示した第二
実施の形態は１入力３出力型であるが、本発明による光
スイッチを用いれば、さらに多数の信号光出力ポートを
備えた光スイッチの実現も可能である。すなわち、異な
る信号光出力ポートに信号光パルスを分配する際に、異
なるパルスエネルギーの制御光パルスを用いることによ
り、１個の光スイッチで多数の信号光出力ポートへ出射
することが可能である。

【００２９】次に、本発明の第二実施の形態に関する実
施例を説明する。非線形光導波路１は、第一実施の形態
の実施例と同様で、ＩｎＧａＡｓＰをコアとしＩｎＰを
クラッドとする埋め込み型の半導体光導波路である。制
御光はパルス幅２ｐｓ、波長１．５００μｍであり、こ
の波長は非線形光導波路１のコアを成すＩｎＧａＡｓＰ
の吸収領域に設定されている。また、信号光はパルス幅
１ｐｓ、スペクトル幅２．６ｎｍ、波長１．５５００μ
ｍであり、この波長は非線形光導波路１の光導波部の透
明領域に設定されている。第一の制御光パルスと同時に
入射された信号光パルスは、波長が４．５ｎｍ短波側に
シフトする。このとき、非線形光導波路において生じた
信号光の非線形位相シフト量は３πである。また、第二
の制御光パルスと同時に入射された信号光パルスは、波
長が９．０ｎｍ短波側にシフトする。このとき、非線形
光導波路において生じた信号光の非線形位相シフト量は
６πである。ＡＷＧ６において、１．５５００μｍの信
号光パルスは信号光出力ポート１２より、１．５４５５
μｍの信号光パルスは信号光出力ポート１３より、１．
５４１０μｍの信号光パルスは信号光出力ポート１４よ
り、それぞれ出射される。これにより１入力３出力型の
光スイッチ動作が得られる。

【００３０】図３（ａ）は、本発明の第三実施の形態で
あるゲート型光スイッチの構成を示す図である。非線形
光導波路１は、中心周波数ω１の信号光パルスおよび中
心周波数ω０の制御光パルスが入力される信号光・制御
光入力ポート１１を有している。ω１は、非線形光導波
路１の光導波部の透明領域に設定されている。非線形光
導波路１では、制御光の吸収または増幅により非線形屈
折率変化が引き起こされ、信号光に非線形位相シフトを
与える。吸収により発現させる場合には、ω０は非線形
光導波路１の吸収領域に設定され、増幅により発現させ
る場合には、ω０は半導体利得媒質から成る非線形光導
波路１の増幅領域に設定される。非線形光導波路１を出
射した信号光は、光周波数フィルタ２を通過した後、信
号光出力ポート１２へ導かれる。光周波数フィルタ２
は、中心周波数ω２の光パルスのみを透過させるバンド
パスフィルタである。

【００３１】図３（ｂ）は、本発明の第三実施の形態の
動作を示す波形図である。制御光パルスとしては、矩形
型の時間波形を示す光パルスが用いられる。このような
矩形光パルスを生成する方法としては、例えば、「１９
９０年、超高速光技術、矢島達夫編、第５章、１２１ペ
ージ」に記載されているように、ファイバ等を用いて自
己位相変調と正常群速度分散の二つの効果に対する適当
な動作条件を選択することにより実現する方法がある。
また、矩形光パルスを生成する別な方法としては、例え
ば、「１９８８年８月、ジャーナル・オブ・オプティカ
ル・ソサイアティ・オブ・アメリカ・Ｂ、第５巻、第８
号、１５６３〜１５７２ページ、（ＪＯＵＲＮＡＬＯ
ＦＯＰＴＩＣＡＬＳＯＣＩＥＴＹＯＦＡＭＥＲ
ＩＣＡＢ，ＶＯＬ．５，Ｎｏ．８，ｐｐ．１５６３−１
５７２，ＡＵＧＵＳＴ１９８８）」に記載されている
ように、回折格子対と空間変調器を用いて適当なスペク
トルを切り出すことにより実現する方法がある。制御光
パルスと同時に入射される信号光パルスは、非線形光導
波路１において屈折率変化が超高速で立ち上がるのに伴
い中心周波数がω２にシフトする。光周波数フィルタ２
を通過することにより、中心周波数ω２の信号光パルス
のみが信号光出力ポート１２へ導かれる。制御光パルス
に矩形パルスが用いられる場合、制御光が存在している
間は信号光パルスに対して一定の周波数シフトが生じ
る。したがって、制御光パルス・信号光パルス間のジッ
タに対する耐性が増強される。また、消光比が向上す
る。

【００３２】次に、本発明の第三実施の形態に関する実
施例を説明する。非線形光導波路１は、第一実施の形態
の実施例と同様で、ＩｎＧａＡｓＰをコアとしＩｎＰを
クラッドとする埋め込み型の半導体光導波路である。制
御光はパルス幅３ｐｓの矩形パルスである。波長１．５
００μｍであり、この波長は非線形光導波路１のコアを
成すＩｎＧａＡｓＰの吸収領域に設定されている。ま
た、信号光パルス幅１ｐｓ、スペクトル幅２．６ｎｍ、
波長１．５５００μｍであり、この波長は非線形光導波
路１に対して透明領域に設定されている。光周波数フィ
ルタ２は、透過波長１．５４７０μｍ、バンド幅３．０
ｎｍに設定されている。

【００３３】制御光パルスと同時に入射された信号光パ
ルスは、波長が３ｎｍ短波側にシフトする。このとき、
非線形光導波路１において生じた信号光の非線形位相シ
フト量は２πである。光周波数フィルタ２を通過するこ
とにより、波長が１．５４７０μｍにシフトした信号光
パルスのみが信号光出力ポート１２より出力される。本
実施例においては、制御光パルス・信号光パルス間のジ
ッタが２ｐｓであっても、信号光出力ポート１２からの
出力にはほとんど消光比の劣化はみられなかった。

【００３４】図４（ａ）は、本発明の第四実施の形態で
あるゲート型光スイッチの構成を示す図である。非線形
光導波路１は、中心周波数ω１の信号光パルスおよび中
心周波数ω０の制御光パルスが入力される信号光・制御
光入力ポート１１を有している。ω１は、非線形光導波
路１の光導波部の透明領域に設定されている。非線形光
導波路１では、制御光の吸収または増幅により非線形屈
折率変化が引き起こされ、信号光に非線形位相シフトを
与える。吸収により発現させる場合には、ω０は非線形
光導波路１の吸収領域に設定され、増幅により発現させ
る場合には、ω０は半導体利得媒質から成る非線形光導
波路１の増幅領域に設定される。非線形光導波路１を出
射した信号光は、光周波数フィルタ２を通過した後、信
号光出力ポート１２へ導かれる。

【００３５】図４（ｂ）は、本発明の第四実施の形態の
動作を示す波形図である。制御光パルスと同時に入射さ
れる信号光パルスは、非線形光導波路１において屈折率
変化が超高速で立ち上がるのに伴い中心周波数がω２に
シフトする。

【００３６】図５は、非線形光導波路１を出射する信号
光パルスのスペクトルを示す。制御光吸収による屈折率
変化が用いられる場合、中心周波数はω２＞ω１とな
る。これに対し、光周波数フィルタ２として、図５に示
すような透過スペクトル特性を有するハイパスフィルタ
またはローパスフィルタを用いる。ハイパスフィルタの
場合、（ω１＋ω２）／２において最大透過率の１／２
であり、ω＜ω２で最大透過率を示す。また、ローパス
フィルタの場合、（ω１＋ω２）／２において最大透過
率の１／２であり、ω＜ω１で透過率を示す。なお、透
過率変化の傾きは可能な限り急峻なものが望ましい。ハ
イパスフィルタが用いられる場合、ω２の信号光パルス
のみが出力されることになり、ローパスフィルタが用い
られる場合、ω１の信号光パルスのみが出力されること
になる。ハイパスフィルタを用いる場合、中心周波数ω
２のバンドパスフィルタを用いた場合に比べて、フィル
タ通過時の信号光パルス幅広がり、信号光損失が著しく
抑制される。ローパスフィルタを用いる場合も、同様
に、中心周波数ω１のバンドパスフィルタを用いた場合
に比べて、フィルタ通過時の信号光パルス幅広がり、信
号光損失が著しく抑制される。

【００３７】次に、本発明の第四実施の形態に関する実
施例を説明する。非線形光導波路１は、第一実施の形態
の実施例と同様で、ＩｎＧａＡｓＰをコアとしＩｎＰを
クラッドとする埋め込み型の半導体光導波路である。制
御光はパルス幅１．５ｐｓ、波長１．５００μｍであ
り、この波長は非線形光導波路１のコアを成すＩｎＧａ
ＡｓＰの吸収領域に設定されている。また、信号光はパ
ルス幅１ｐｓ、スペクトル幅２．６ｎｍ、波長１．５５
００μｍであり、この波長は非線形光導波路１に対して
透明領域に設定されている。光周波数フィルタ２には、
１．５４８５μｍで最大透過率の１／２、１．５４７０
μｍより短波側で最大透過率を示すハイパスフィルタ、
または、１．５４８５μｍで最大透過率の１／２、１．
５５００μｍより長波側で最大透過率を示すローパスフ
ィルタが用いられている。

【００３８】制御光パルスと同時に入射された信号光パ
ルスは、波長が３ｎｍ短波側にシフトする。このとき、
非線形光導波路１において生じた信号光の非線形位相シ
フト量は２πである。光周波数フィルタ２として、ハイ
パスフィルタが用いられる場合、波長が１．５４７０μ
ｍにシフトした信号光パルスのみが信号光出力ポート１
２より出射される。また、光周波数フィルタ２として、
ローパスフィルタが用いられる場合、波長が１．５５０
０μｍの信号光パルスのみが信号光出力ポート１２より
出射される。

【００３９】図６（ａ）は、本発明の第五実施の形態で
あるゲート型光スイッチの構成を示す図である。非線形
光導波路１は、中心周波数ω１の信号光パルスおよび中
心周波数ω０の制御光パルスが入力される信号光・制御
光入力ポート１１を有している。ω１は、非線形光導波
路１の光導波部の透明領域に設定されている。また、ω
０は非線形光導波路１の吸収領域に設定されている。非
線形光導波路１では、制御光の吸収により非線形屈折率
変化が引き起こされ、信号光に非線形位相シフトを与え
る。非線形光導波路１を出射した信号光は、光周波数フ
ィルタ２を通過した後、半導体光アンプ７で増幅され、
信号光出力ポート１２へ導かれる。

【００４０】図６（ｂ）は、本発明の第五実施の形態の
動作を示す波形図である。制御光パルスと同時に入射さ
れる信号光パルスは、非線形光導波路１において屈折率
変化が超高速で立ち上がるのに伴い中心周波数がω２に
シフトする。

【００４１】図７（ａ）は、制御光と同時に入力される
信号光パルスが非線形光導波路１を出射する時の瞬時強
度および瞬時周波数の時間依存性を示す。瞬時周波数
は、制御光パルスが引き起こす非線形屈折率変化によ
り、瞬時強度のピーク付近で最も高周波となる時間変化
を示す。この瞬時周波数の時間依存性は、以下の考察か
ら導出される。制御光パルスが、Ｇ（ｔ）に比例する瞬
時強度の時間波形を有するとする。信号光の受ける位相
シフトφ（ｔ）は、一般にＧ（ｔ）と緩和時間τを用い
て、ｄφ（ｔ）／ｄｔ＝Ｇ（ｔ）−φ（ｔ）／τ なるレート方程式で表わされる。ここでは、τに比べて
十分短い時間領域を議論していることから、上式の第二
項を無視することができる。非線形屈折率変化に伴う瞬
時周波数シフトΔω（ｔ）は非線形位相シフトの時間微
分で表されることを考慮すると、信号光の瞬時周波数の
時間依存性は ω（ｔ）＝ω１＋Δω（ｔ）＝ω１＋Ｇ（ｔ）となる。

【００４２】図７（ｂ）は、図７（ａ）に示した特性を
有する信号光パルスが半導体光アンプ７を出射するとき
の瞬時強度および瞬時周波数の時間依存性を示す。信号
光パルスは、半導体光アンプ７で増幅される際、キャリ
アを減少させ、非線形屈折率変化を引き起こす。したが
って、信号光パルスの瞬時周波数も変化する。しかし、
その変化は、瞬時強度のピーク付近で最も低周波となる
ような変化を示し、非線形光導波路１で与えられる瞬時
周波数の変化と逆向きである。したがって、半導体アン
プ７を出射する信号光パルスは、瞬時周波数が時間的に
変化しないものとなる。このような信号光パルスは、さ
らにファイバ伝送させる際、ファイバ中の群速度分散に
伴うパルス波形劣化の影響を受けにくくなる。また、本
発明による光スイッチは、非線形光導波路１および光周
波数フィルタ２を通過することにより生じる信号光パル
スの損失を補償するという効果ももたらす。

【００４３】次に、本発明の第五実施の形態に関する実
施例を説明する。非線形光導波路１は、第一実施の形態
の実施例と同様で、ＩｎＧａＡｓＰをコアとしＩｎＰを
クラッドとする埋め込み型の半導体光導波路である。制
御光はパルス幅１．５ｐｓ、波長１．５００μｍであ
り、この波長は非線形光導波路１のコアを成すＩｎＧａ
ＡｓＰの吸収領域に設定されている。また、信号光はパ
ルス幅１ｐｓ、スペクトル幅２．６ｎｍ、波長１．５５
００μｍであり、この波長は非線形光導波路１に対して
透明領域に設定されている。光周波数フィルタ２は、透
過波長１．５４７０μｍ、バンド幅３．０ｎｍに設定さ
れている。また、半導体アンプ７は、ＩｎＧａＡｓＰを
コアとしＩｎＰをクラッドとする埋め込み型の半導体光
導波路であり、吸収端波長は１．７μｍ付近となってい
る。この半導体光アンプ７にはバイアス電流が印加さ
れ、１．５４７０μｍの信号光に対して利得を示す。

【００４４】制御光パルスと同時に入射された信号光パ
ルスは、波長が３ｎｍ短波側にシフトする。このとき、
非線形光導波路１において生じた信号光の非線形位相シ
フト量は２πである。光周波数フィルタ２を通過させる
ことにより、波長が１．５４７０μｍにシフトした信号
光パルスのみが半導体光アンプ７に入射される。信号光
出力ポート１２より瞬時周波数が時間的に不変となる波
長１．５５００μｍの信号光パルスが出射される。

【００４５】上記では、ＩｎＧａＡｓＰをコアとしＩｎ
Ｐをクラッドとする非線形光導波路を用いた光スイッチ
を例にとって説明したが、本発明によれば、ＩｎＰ基板
上に形成しうるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子
井戸構造をコアとする場合、またはＧａＡｓ基板上に形
成しうる材料を用いた場合など他の材料から成る非線形
光導波路を用いた場合においても同様の光スイッチが得
られる。また、非線形光導波路単体と光フィルタ単体ま
たはＡＷＧ単体とを組み合わせて構成した場合を例にと
って説明したが、本発明によれば、半導体基板上に形成
されたモノリシック光回路により構成した場合など他の
部品を用いて構成した場合においても同様の効果がみら
れる。さらに、信号光波長に関しては、非線形光導波路
の透明領域のみに限定されるものではない。光増幅作用
を有する非線形光導波路を用いる場合には、信号光波長
を利得領域に設定しても同様の効果がみられる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光スイッ
チによれば、信号光出力ポートの増加、ジッタ耐性の向
上、帯域制限の緩和、出力信号光パルスのファイバ伝送
特性の向上が実現可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光スイッチの第一実施の形態を示し、
（ａ）は構成図、（ｂ）は動作の波形図である。

【図２】本発明の光スイッチの第二実施の形態を示し、
（ａ）は構成図、（ｂ）は動作の波形図である。

【図３】本発明の光スイッチの第三実施の形態を示し、
（ａ）は構成図、（ｂ）は動作の波形図である。

【図４】本発明の光スイッチの第四実施の形態を示し、
（ａ）は構成図、（ｂ）は動作の波形図である。

【図５】本発明の光スイッチの第四実施の形態におい
て、非線形光導波路を出射する信号光パルスのスペクト
ルを示す図である。

【図６】本発明の光スイッチの第五実施の形態を示し、
（ａ）は構成図、（ｂ）は動作の波形図である。

【図７】本発明の光スイッチの第五実施の形態におい
て、信号光パルスと瞬時強度および瞬時周波数との関係
を示し、（ａ）は制御光と同時に入力される信号光パル
スが非線形光導波路を出射する時の瞬時強度および瞬時
周波数の時間依存性を示す図、（ｂ）は制御光と同時に
入力される信号光パルスが半導体光アンプを出射すると
きの瞬時強度および瞬時周波数の時間依存性を示す図で
ある。

【図８】従来の技術（先願の発明）の光スイッチを示
し、（ａ）は構成図、（ｂ）は動作の波形図である。

【符号の説明】

１非線形光導波路２光周波数フィルタ３光周波数フィルタ４光周波数フィルタ５光分岐回路６アレイ導波路グレーィング（ＡＷＧ）７半導体光アンプ１１信号光・制御光入力ポート１２信号光出力ポート１３信号光出力ポート１４信号光出力ポート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−19718（ＪＰ，Ａ) 特開平５−188411（ＪＰ，Ａ) 特開平４−159512（ＪＰ，Ａ) 特開平１−252928（ＪＰ，Ａ) ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．70，Ｎｏ．26 ｐｐ．3498−3500

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】信号光および制御光を入力する手段と、
前記制御光の吸収または増幅により非線形屈折率変化を
引き起こす非線形光学媒質で成る光導波路と、前記光導
波路を出射する信号光のうち特定の光周波数のみを透過
させる光周波数フィルタとを備えた光スイッチにおい
て、前記制御光のパルスと同時に入射する信号光のパル
スに周波数シフトを与え、前記制御光のパルスの波形を
より矩形に近づけたことを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】信号光および制御光を入力する手段と、
前記制御光の吸収または増幅により非線形屈折率変化を
引き起こす非線形光学媒質で成る光導波路と、前記光導
波路を出射する信号光を光周波数の相違によって異なる
出力ポートへ回折させる手段とを備えた光スイッチにお
いて、前記制御光のパルスと同時に入射する信号光のパ
ルスに周波数シフトを与え、前記制御光のパルスの波形
を矩形としたことを特徴とする光スイッチ。
【請求項３】信号光および制御光を入力する手段と、
前記制御光の吸収または増幅により非線形屈折率変化を
引き起こす非線形光学媒質で成る光導波路と、前記光導
波路を出射する信号光のうち特定の光周波数のみを透過
させる光周波数フィルタとを備えた光スイッチにおい
て、前記制御光のパルスと同時に入射する信号光のパル
スに周波数シフトを与え、前記周波数フィルタの透過率
の光周波数依存性をハイパス型またはローパス型とした
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項４】信号光および制御光を入力する手段と、
前記制御光の吸収により非線形屈折率変化を引き起こす
非線形光学媒質で成る光導波路と、前記光導波路を出射
する信号光のうち特定の光周波数のみを透過させる光周
波数フィルタとを備えた光スイッチにおいて、前記制御
光のパルスと同時に入射する信号光のパルスに周波数シ
フトを与え、前記周波数フィルタの後段に半導体光アン
プを設けたことを特徴とする光スイッチ。