JP3421341B2 - 非線形半導体光学装置 - Google Patents
非線形半導体光学装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、非線形半導体光学装置に関する。このよう
な装置は、例えば光通信システムにおいてスイッチ等に
適用される。
な装置は、例えば光通信システムにおいてスイッチ等に
適用される。
本発明の実施例は、比較的大きく速い光学的非線形性
を示し、したがって例えば高速または高いデータ速度の
光通信システムにおいて使用するのに役立つ可能性が高
い。
を示し、したがって例えば高速または高いデータ速度の
光通信システムにおいて使用するのに役立つ可能性が高
い。
高いデータ速度を搬送可能な通信リンクは、それらが
増加されたレベルの情報を伝送でき、および、または非
常に多数の顧客にサービスするリンクを単一の物理的な
接続を介して提供することができるために有効である。
例えば、通信リンク上の時分割多重化信号は、非常に多
数の時間スロットを提供することが可能であり、したが
って潜在的に非常に多数の顧客にサービスすることがで
きる。ここにおいて、リンク自身は高いデータ速度を搬
送する。その代わりとして、超高ビット速度リンクは、
顧客に大きい帯域幅のサービスを提供することを可能に
し、および、または通信企業に対してそのネットワーク
管理に多大なフレキシビリティを提供する。
増加されたレベルの情報を伝送でき、および、または非
常に多数の顧客にサービスするリンクを単一の物理的な
接続を介して提供することができるために有効である。
例えば、通信リンク上の時分割多重化信号は、非常に多
数の時間スロットを提供することが可能であり、したが
って潜在的に非常に多数の顧客にサービスすることがで
きる。ここにおいて、リンク自身は高いデータ速度を搬
送する。その代わりとして、超高ビット速度リンクは、
顧客に大きい帯域幅のサービスを提供することを可能に
し、および、または通信企業に対してそのネットワーク
管理に多大なフレキシビリティを提供する。
通信リンク上のデータにアクセスするために、リンク
上の情報を受信機に下方負荷することが必要である。こ
れを実行するために、スイッチング装置が使用されても
よく、装置のスイッチ速度は高速トラフィックを搬送す
るリンクの能力と均衡している。光通信において、デー
タ速度は近い将来100Gビット／秒以上の高さで達成され
ると考えられる。そうなれば、これは例えば10倍のスロ
ットで搬送され、10Gビット／秒で10個のチャンネルを
提供する。
上の情報を受信機に下方負荷することが必要である。こ
れを実行するために、スイッチング装置が使用されても
よく、装置のスイッチ速度は高速トラフィックを搬送す
るリンクの能力と均衡している。光通信において、デー
タ速度は近い将来100Gビット／秒以上の高さで達成され
ると考えられる。そうなれば、これは例えば10倍のスロ
ットで搬送され、10Gビット／秒で10個のチャンネルを
提供する。
100Gビット／秒以上のデータ速度は、このような速度
で動作する電子素子がないため、全光学スイッチング素
子を必要とする。本発明の実施例は、超高ビット速度リ
ンクを実現する重要な役割を果たし、例えば100Gビット
／秒の光時分割多重化（OTDM）信号から10Gビット／秒
のビット流をデマルチプレクスすることが潜在的に可能
なスイッチング装置を提供することができる。データ流
に同期された光ポンプは、10ビットごとにスイッチを切
換えるために使用されてもよい。
で動作する電子素子がないため、全光学スイッチング素
子を必要とする。本発明の実施例は、超高ビット速度リ
ンクを実現する重要な役割を果たし、例えば100Gビット
／秒の光時分割多重化（OTDM）信号から10Gビット／秒
のビット流をデマルチプレクスすることが潜在的に可能
なスイッチング装置を提供することができる。データ流
に同期された光ポンプは、10ビットごとにスイッチを切
換えるために使用されてもよい。
本発明の実施例によって提供されるような大きく速い
光学非線形性の適用は、高いデータ速度の光通信システ
ムの範囲を越える。特に、全光学処理および論理システ
ムにおいて適用が考えられる。この点において、文献
（G I Stegeman氏他によるJournal of Lightwave Techn
ology Vol 6 953乃至970頁,1988年６月）を参照され
る。これには装置および適用の範囲が記載されており、
それらの多くは本発明の実施例を使用して利用されるこ
とが可能である。
光学非線形性の適用は、高いデータ速度の光通信システ
ムの範囲を越える。特に、全光学処理および論理システ
ムにおいて適用が考えられる。この点において、文献
（G I Stegeman氏他によるJournal of Lightwave Techn
ology Vol 6 953乃至970頁,1988年６月）を参照され
る。これには装置および適用の範囲が記載されており、
それらの多くは本発明の実施例を使用して利用されるこ
とが可能である。
光学スイッチング装置のさらに望ましい特性は、スイ
ッチングのための適度な光パワー要求と動作の高速性と
の組合わせであり、光スイッチングパワーは光学伝送の
ために通常の抗原から発生されることが好ましい。
ッチングのための適度な光パワー要求と動作の高速性と
の組合わせであり、光スイッチングパワーは光学伝送の
ために通常の抗原から発生されることが好ましい。
近年、材料透明電流で駆動された能動導波体において
大きいアバブバンドギャップ超高速光学非線形性が観察
されている。アバブバンドギャップ上非線形性は、２つ
の文献（R S Grant氏およびW Sibbett氏によるApplied
Physics Letters Volume 58 1119乃至1121頁、およびC
T Hultgren氏およびE P Ippen氏によるApplied Physics
Letters Volume 59,635頁、1991年）に記載されてい
る。
大きいアバブバンドギャップ超高速光学非線形性が観察
されている。アバブバンドギャップ上非線形性は、２つ
の文献（R S Grant氏およびW Sibbett氏によるApplied
Physics Letters Volume 58 1119乃至1121頁、およびC
T Hultgren氏およびE P Ippen氏によるApplied Physics
Letters Volume 59,635頁、1991年）に記載されてい
る。
ここに記載された能動導波体においては、能動領域を
通って伝播する光放射線中の誘導放出によって利得を生
成するために駆動電流と共に使用された時に供給される
ことができる材料の光学的に制限された能動領域が存在
している。駆動電流による電気的な注入がない場合、こ
の能動領域においてバンドギャップ等価波長より短い波
長に対して光のバンド間吸収が発生する。構造は、電流
注入が能動領域において電子／正孔ポピュレーションを
生成し、バンドギャップ等価波長とある短い波長との間
の利得帯域に対応した波長の範囲にわたって、駆動電流
によって少なくとも部分的に決定された程度まで誘導放
出によるバンド間または誘導吸収を妨げるように設計さ
れる。所定の波長に対して、誘導放出および誘導吸収が
平衡にされる電流注入のレベルである“材料透明電流”
が存在し、入力光ポンプの存在によって誘導されたキャ
リアポピュレーションの純粋な変化はない。誘導吸収
は、バンド間転移以外のプロセスによる吸収を含まない
ことに留意すべきである。例えば、それは欠陥関連損
失、自由キャリア吸収または散乱光を含まない。材料透
明電流は波長の関数であり、一方透明電流は利得帯域幅
中の任意の波長に対して見出だされることが可能であ
り、所定の装置に対してこの電流の値は考慮された特定
の波長に依存する。実際に、短い波長限界は特定の装置
に供給されることができる最大電流によって決定され
る。これは、より高い電流がより短い波長で材料透明性
を達成するために必要とされるためである。
通って伝播する光放射線中の誘導放出によって利得を生
成するために駆動電流と共に使用された時に供給される
ことができる材料の光学的に制限された能動領域が存在
している。駆動電流による電気的な注入がない場合、こ
の能動領域においてバンドギャップ等価波長より短い波
長に対して光のバンド間吸収が発生する。構造は、電流
注入が能動領域において電子／正孔ポピュレーションを
生成し、バンドギャップ等価波長とある短い波長との間
の利得帯域に対応した波長の範囲にわたって、駆動電流
によって少なくとも部分的に決定された程度まで誘導放
出によるバンド間または誘導吸収を妨げるように設計さ
れる。所定の波長に対して、誘導放出および誘導吸収が
平衡にされる電流注入のレベルである“材料透明電流”
が存在し、入力光ポンプの存在によって誘導されたキャ
リアポピュレーションの純粋な変化はない。誘導吸収
は、バンド間転移以外のプロセスによる吸収を含まない
ことに留意すべきである。例えば、それは欠陥関連損
失、自由キャリア吸収または散乱光を含まない。材料透
明電流は波長の関数であり、一方透明電流は利得帯域幅
中の任意の波長に対して見出だされることが可能であ
り、所定の装置に対してこの電流の値は考慮された特定
の波長に依存する。実際に、短い波長限界は特定の装置
に供給されることができる最大電流によって決定され
る。これは、より高い電流がより短い波長で材料透明性
を達成するために必要とされるためである。
この明細書において“アバブバンドギャップ”という
用語は、非線形性をトリガーするために使用される光放
射線の光子エネルギが、放射線が伝播する装置中の能動
領域のバンドギャップエネルギより大きいシステムを示
すために使用されている。
用語は、非線形性をトリガーするために使用される光放
射線の光子エネルギが、放射線が伝播する装置中の能動
領域のバンドギャップエネルギより大きいシステムを示
すために使用されている。
非線形性は、Ｔビット／秒範囲に近付くビット速度で
動作する全光学スイッチングおよび処理装置にとって潜
在的に非常に魅力的である。これらの装置は、ビローバ
ンドギャップ光学シュタルク（stark）効果等の既知の
別の超高速効果を使用する装置によって要求されるもの
より著しく低いスイッチングパワーで動作することが可
能である。
動作する全光学スイッチングおよび処理装置にとって潜
在的に非常に魅力的である。これらの装置は、ビローバ
ンドギャップ光学シュタルク（stark）効果等の既知の
別の超高速効果を使用する装置によって要求されるもの
より著しく低いスイッチングパワーで動作することが可
能である。
新しいアバブバンドギャップ非線形性の原因は依然と
して不明である。ダイナミックキャリア効果は、高いバ
ンド間吸収のために通常受動導波体において観察不可能
である共振的に強化された光学シュタルク効果のように
作用する。透明状態の能動導波体の場合、この光学損失
は電気ポンピングによる利得によって平衡にされる。
して不明である。ダイナミックキャリア効果は、高いバ
ンド間吸収のために通常受動導波体において観察不可能
である共振的に強化された光学シュタルク効果のように
作用する。透明状態の能動導波体の場合、この光学損失
は電気ポンピングによる利得によって平衡にされる。
本発明の目的は、適度な光パワー要求と動作の高速性
との組合せを行うことができるスイッチ等の非線形半導
体光学装置を提供することである。
との組合せを行うことができるスイッチ等の非線形半導
体光学装置を提供することである。
本発明の第１の観点によると、光通信システムのデー
タ動作において使用するための非線形能動光学半導体装
置が提供され、その装置は、 ｉ）光信号を受信するように構成された能動領域と、 ii）前記能動領域のバンドギャップ等価波長より短い波
長を有する光ポンプを前記能動領域に入力するための光
ポンプ入力手段と、 iii）誘導放出および誘導吸収が光ポンプ放射線の波長
で実質的に平衡されるように、光ポンプに関して透明状
態に、或は実質的に透明状態に前記能動領域を設定する
ための光学利得決定手段とを具備し、 使用時に、装置中の光信号の伝送が制御されることが
できる非線形的な方法で光ポンプが前記能動領域の屈折
率に影響を与えるように構成されている。
タ動作において使用するための非線形能動光学半導体装
置が提供され、その装置は、 ｉ）光信号を受信するように構成された能動領域と、 ii）前記能動領域のバンドギャップ等価波長より短い波
長を有する光ポンプを前記能動領域に入力するための光
ポンプ入力手段と、 iii）誘導放出および誘導吸収が光ポンプ放射線の波長
で実質的に平衡されるように、光ポンプに関して透明状
態に、或は実質的に透明状態に前記能動領域を設定する
ための光学利得決定手段とを具備し、 使用時に、装置中の光信号の伝送が制御されることが
できる非線形的な方法で光ポンプが前記能動領域の屈折
率に影響を与えるように構成されている。
本発明に関連して、バルク材料装置ではなく量子ウェ
ル装置において非線形効果の著しい強化が認められるこ
とが発見された。（すなわち、これは、当業者によって
理解されるように、装置の能動領域が量子ウェル構造を
有している場合である。）比較的大きい非線形性能指数
が示されており、実際的な長高速スイッチングシステム
が将来的にかなり有望であることを示している。特に、
820mWのピーク光学パワーにおける1mmの長さの装置中５
π/2ラジアンの位相シフトが非最適化装置において観察
されており、この位相シフトは20psの時間スケールで実
効的に瞬間的であった。
ル装置において非線形効果の著しい強化が認められるこ
とが発見された。（すなわち、これは、当業者によって
理解されるように、装置の能動領域が量子ウェル構造を
有している場合である。）比較的大きい非線形性能指数
が示されており、実際的な長高速スイッチングシステム
が将来的にかなり有望であることを示している。特に、
820mWのピーク光学パワーにおける1mmの長さの装置中５
π/2ラジアンの位相シフトが非最適化装置において観察
されており、この位相シフトは20psの時間スケールで実
効的に瞬間的であった。
能動領域がバルク構造ではなく量子ウェルを含んでい
る場合、非線形効果が著しく強化され、例えば低いポン
プパワーの使用を可能にする。さらに、量子ウェル材料
が例えば連続した材料層の間の格子の不整合を含むこと
によって“歪みを与えられ”ている場合、非線形効果は
さらに強化されることが認められている。
る場合、非線形効果が著しく強化され、例えば低いポン
プパワーの使用を可能にする。さらに、量子ウェル材料
が例えば連続した材料層の間の格子の不整合を含むこと
によって“歪みを与えられ”ている場合、非線形効果は
さらに強化されることが認められている。
能動領域は、導波体構造の一部分であってもよい。し
たがって、導波体構造はリッジまたは埋設ヘテロ構造導
波体を含み、また半導体ベースの光通信システムにおけ
る別の装置と共に集積するのに適したインジウム・リン
ベース材料等の半導体材料で構成されていてもよい。
たがって、導波体構造はリッジまたは埋設ヘテロ構造導
波体を含み、また半導体ベースの光通信システムにおけ
る別の装置と共に集積するのに適したインジウム・リン
ベース材料等の半導体材料で構成されていてもよい。
本発明の第２の観点によると、能動光学半導体装置を
動作する方法が提供され、この方法は、 １）装置の能動領域に光信号を入力し、 ２）能動領域のバンドギャップ等価波長より短い波長で
光ポンプを能動領域に入力し、 ３）光ポンプの波長での誘導放出および誘導吸収が実質
的に等しいように、能動領域の光学利得を調節し、 ４）装置の能動領域の屈折率に影響を与えるために光ポ
ンプを使用することによって装置を通る光信号の伝送を
制御するステップを含んでいる。
動作する方法が提供され、この方法は、 １）装置の能動領域に光信号を入力し、 ２）能動領域のバンドギャップ等価波長より短い波長で
光ポンプを能動領域に入力し、 ３）光ポンプの波長での誘導放出および誘導吸収が実質
的に等しいように、能動領域の光学利得を調節し、 ４）装置の能動領域の屈折率に影響を与えるために光ポ
ンプを使用することによって装置を通る光信号の伝送を
制御するステップを含んでいる。
光信号は、材料が透明ではない波長を有するように選
択される、すなわちポンプおよび信号波長が異なってい
ることが有効である。これは、信号が例えばポンプより
長い波長で利得を与えられる状況で装置が動作されるこ
とを可能にする。バンドギャップにおける信号波長もま
た使用されることができる。最適な信号波長は、交差位
相（cross phase）変調状態下の特定の装置の挿入損失
と利用可能な非線形性の大きさとの間の平衡に応じて選
択される。これはポンプおよび信号波長間の離調に依存
する。さらに、ポンプ波長とバンドギャップ等価波長と
の間の関係に対する全ての依存性を考慮しなければなら
ない。したがって、動作領域は、信号波長が利得を有す
るか、或は少なくとも低い損失しか受けない大きい非線
形性を有するように選択されることが好ましい。
択される、すなわちポンプおよび信号波長が異なってい
ることが有効である。これは、信号が例えばポンプより
長い波長で利得を与えられる状況で装置が動作されるこ
とを可能にする。バンドギャップにおける信号波長もま
た使用されることができる。最適な信号波長は、交差位
相（cross phase）変調状態下の特定の装置の挿入損失
と利用可能な非線形性の大きさとの間の平衡に応じて選
択される。これはポンプおよび信号波長間の離調に依存
する。さらに、ポンプ波長とバンドギャップ等価波長と
の間の関係に対する全ての依存性を考慮しなければなら
ない。したがって、動作領域は、信号波長が利得を有す
るか、或は少なくとも低い損失しか受けない大きい非線
形性を有するように選択されることが好ましい。
本発明の全ての実施例において、光ポンプは透明電流
が設定されることができる波長を有する必要があること
は明らかである。これは、能動領域のバンドギャップ等
価波長の短い方の波長側、例えばこのバンドギャップ等
価波長の数十nm内にある。
が設定されることができる波長を有する必要があること
は明らかである。これは、能動領域のバンドギャップ等
価波長の短い方の波長側、例えばこのバンドギャップ等
価波長の数十nm内にある。
以下、添付図面の参照して例示によって本発明の実施
例をさらに詳細に説明する。
例をさらに詳細に説明する。
図１は、本発明の１実施例によるスイッチング装置の
使用を示す実験的な装置のブロック図である。
使用を示す実験的な装置のブロック図である。
図２は、TE偏光状態において本発明の実施例による能
動埋設ヘテロ構造導波体装置を通過したパルスのスペク
トルを示す。
動埋設ヘテロ構造導波体装置を通過したパルスのスペク
トルを示す。
図3aおよび3bは、図１および２の実験的な装置で示さ
れた非線形効果を使用した方向性結合装置の平面図およ
び断面図を示す。
れた非線形効果を使用した方向性結合装置の平面図およ
び断面図を示す。
図４は、図３に示されたような方向性結合器を含むデ
マルチプレクサを示す。
マルチプレクサを示す。
図５は、縦続接続された方向性結合器に基づいて多チ
ャンネルで高いビット速度のデータ流から２つの分離し
たチャンネルをデマルチプレクスする構造を示す。
ャンネルで高いビット速度のデータ流から２つの分離し
たチャンネルをデマルチプレクスする構造を示す。
図６は、図３に示されたような方向性結合器を含む２
つの波長変換器の構造を示す。
つの波長変換器の構造を示す。
図７は、本発明による透明状態に設定されたレーザ増
幅器を含む非線形ループミラーを示す。
幅器を含む非線形ループミラーを示す。
図１を参照すると、能動導波体３の非線形特性を示す
ための実験的な構造は、1/2波長プレート４および入力
対物レンズ２を介して能動導波体３に結合されたパルス
光源１を含み、この導波体３の特性が示されている。導
波体３の出力は、出力対物レンズ６によって収集され、
検出器７での検出前に小さい開口５によって空間的にフ
ィルタ処理される。
ための実験的な構造は、1/2波長プレート４および入力
対物レンズ２を介して能動導波体３に結合されたパルス
光源１を含み、この導波体３の特性が示されている。導
波体３の出力は、出力対物レンズ６によって収集され、
検出器７での検出前に小さい開口５によって空間的にフ
ィルタ処理される。
1/2波長プレート４の機能は、別の方法で提供される
ことが可能であり、それは例えばパルス光源１の一部分
と考えられる。
ことが可能であり、それは例えばパルス光源１の一部分
と考えられる。
導波体３の非線形特性は、短く高パワーの光パルスが
キャリア注入条件下で導波体３を通過した時の自己位相
変調（SPM）を観察することによって特徴付けられる。
使用されるパルスは20乃至30psの長さであり、同じ位相
でモードロックされたKCl:Tl0（１）色中心レーザを含
むパルス光源１によって供給され、このレーザは82MHz
で動作し、自己相関器を使用して監視される安定した変
形制限（transform limited）パルスを提供するように
構成されている。能動導波体３に出入する光を結合する
対物レンズ２および６は顕微鏡対物レンズで構成され、
1/2波長プレート４は入力パルスの放射された偏光を制
御する。開口５は、検出器７における検出のために導波
体３の導波モードの光だけを通過させるような寸法に形
成されている。
キャリア注入条件下で導波体３を通過した時の自己位相
変調（SPM）を観察することによって特徴付けられる。
使用されるパルスは20乃至30psの長さであり、同じ位相
でモードロックされたKCl:Tl0（１）色中心レーザを含
むパルス光源１によって供給され、このレーザは82MHz
で動作し、自己相関器を使用して監視される安定した変
形制限（transform limited）パルスを提供するように
構成されている。能動導波体３に出入する光を結合する
対物レンズ２および６は顕微鏡対物レンズで構成され、
1/2波長プレート４は入力パルスの放射された偏光を制
御する。開口５は、検出器７における検出のために導波
体３の導波モードの光だけを通過させるような寸法に形
成されている。
導波モードの光のパワーは、開口５の後方で収集され
たパワーを測定し、導波体３の瞬間的な放射の測定から
開口５の較正を使用して導波体３中のパワーにこれを関
連させることによって評価されることができる。この較
正は、使用された顕微鏡対物レンズ６の出力結合効率の
推定値と一致する。
たパワーを測定し、導波体３の瞬間的な放射の測定から
開口５の較正を使用して導波体３中のパワーにこれを関
連させることによって評価されることができる。この較
正は、使用された顕微鏡対物レンズ６の出力結合効率の
推定値と一致する。
パルス光源１（1.5μｍの範囲で同調可能な）として
使用された色中心のレーザの光波長は、導波体３の利得
スペクトル内にあるように設定された。SPM特性は、透
明電流が適切に設定されれば、この範囲にわたって同じ
であることが認められた。したがって、単一の装置は適
切な電流バイアスにより広い波長範囲（数十nm）の任意
の点で動作可能でなければならない。
使用された色中心のレーザの光波長は、導波体３の利得
スペクトル内にあるように設定された。SPM特性は、透
明電流が適切に設定されれば、この範囲にわたって同じ
であることが認められた。したがって、単一の装置は適
切な電流バイアスにより広い波長範囲（数十nm）の任意
の点で動作可能でなければならない。
走査ファブリーペロー干渉計は、導波体３から伝送さ
れた光のスペクトルを監視するために使用され、赤外線
ビジコンは近いフィールドパターンを観察するために使
用された。
れた光のスペクトルを監視するために使用され、赤外線
ビジコンは近いフィールドパターンを観察するために使
用された。
測定は材料透明電流で行われた。これは、文献（Vu−
Van Lu'c,Eliseev,P G,Manko,M AおよびMikaelian G T
氏らによるIEEE Journal of Quantum Electronics volu
me QE19 1080乃至1083頁,1983年）に記載されているよ
うに、変調された光信号が存在する時に一定の電流源
（示されていない）により導波体３に供給される電圧を
監視することによって識別されることができる。その代
りに、変調された光信号がポンプ放射線によって置換さ
れることができる。透明性から離れる電圧変調は光変調
の放射により同位相または逆位相のいずれかにおいて観
察される。透明状態において、変調の振幅は、入射光が
導波体中のキャリアポピュレーションに影響を与えない
ためゼロを通過する。これは、材料透明電流を設定する
便利な方法であり、自動制御方式の基本を提供する。
Van Lu'c,Eliseev,P G,Manko,M AおよびMikaelian G T
氏らによるIEEE Journal of Quantum Electronics volu
me QE19 1080乃至1083頁,1983年）に記載されているよ
うに、変調された光信号が存在する時に一定の電流源
（示されていない）により導波体３に供給される電圧を
監視することによって識別されることができる。その代
りに、変調された光信号がポンプ放射線によって置換さ
れることができる。透明性から離れる電圧変調は光変調
の放射により同位相または逆位相のいずれかにおいて観
察される。透明状態において、変調の振幅は、入射光が
導波体中のキャリアポピュレーションに影響を与えない
ためゼロを通過する。これは、材料透明電流を設定する
便利な方法であり、自動制御方式の基本を提供する。
高いまたは低い光パワーにおける説明されたような透
明性の設定は異なる可能性がある。実際に、電流設定は
全ての長時間のキャリア累積または削除効果を最小にし
なければならない。
明性の設定は異なる可能性がある。実際に、電流設定は
全ての長時間のキャリア累積または削除効果を最小にし
なければならない。
透明電流より上または下のいずれかで上記の構造を使
用した結果は、導波体３における利得または吸収のいず
れかの飽和のために出力パルスのスペクトルが拡張する
ことを示した。この拡張は、スペクトル全体のシフトに
よって達成された。
用した結果は、導波体３における利得または吸収のいず
れかの飽和のために出力パルスのスペクトルが拡張する
ことを示した。この拡張は、スペクトル全体のシフトに
よって達成された。
しかしながら、図２を参照すると、透明状態におい
て、中心波長にシフトのない対照的な拡張が、スペクト
ルの形状変化と共に観察された。透明電流は15.0℃で1
2.6mAであり、伝送された波長は1526.8nmであった。図2
a中の２つのピークは単一の波長に対応しており、分光
計の隣接した重ならないスペクトル範囲から生じる。
て、中心波長にシフトのない対照的な拡張が、スペクト
ルの形状変化と共に観察された。透明電流は15.0℃で1
2.6mAであり、伝送された波長は1526.8nmであった。図2
a中の２つのピークは単一の波長に対応しており、分光
計の隣接した重ならないスペクトル範囲から生じる。
材料または構造の全体的な屈折率ｎは、種々の要因に
よって影響を与えられる可能性が高い。これらの中の１
つは、材料または構造における光放射線の強度Ｉであ
る。屈折率ｎは、例えば“ベース”屈折率n0と存在して
いる光放射線の強度に依存する成分n2Iとの和であると
考えることができる。これは、低い光強度では一定であ
るが、高い光強度で強度依存性になる非線形屈折係数n2
を導出する。
よって影響を与えられる可能性が高い。これらの中の１
つは、材料または構造における光放射線の強度Ｉであ
る。屈折率ｎは、例えば“ベース”屈折率n0と存在して
いる光放射線の強度に依存する成分n2Iとの和であると
考えることができる。これは、低い光強度では一定であ
るが、高い光強度で強度依存性になる非線形屈折係数n2
を導出する。
図２に認められるスペクトル特性は、上記の参照文献
においてGrant氏およびSibbett氏によって観察および公
表されたものに類似しており、入射したパルス期間より
かなり速い回復時間の非線形屈折率変化によるSPMの特
性であり、ガウスパルス形状を想定すると、このパルス
継続時間は21psである。スペクトルの形状によって導波
体中のピーク位相シフトを決定することができる。図2b
および2cのスペクトルは、３π/2および５π/2ラジアン
のピーク位相シフトにそれぞれ対応している。これによ
って非線形屈折率n2の大きさを評価することができる。
においてGrant氏およびSibbett氏によって観察および公
表されたものに類似しており、入射したパルス期間より
かなり速い回復時間の非線形屈折率変化によるSPMの特
性であり、ガウスパルス形状を想定すると、このパルス
継続時間は21psである。スペクトルの形状によって導波
体中のピーク位相シフトを決定することができる。図2b
および2cのスペクトルは、３π/2および５π/2ラジアン
のピーク位相シフトにそれぞれ対応している。これによ
って非線形屈折率n2の大きさを評価することができる。
導波体３から出力したパワーと考えられる誘導パワー
は、上記に説明されたように決定され、使用された最大
ピークパワーは820mWであり、モードエリアは埋設ヘテ
ロ構造導波体に対して修整された加重インデクス方法を
使用して計算された。これは、TE偏光に対して２μm2値
であった。TEに対して４×10-11cm2W-1の|n2|およびTM
に対して2.5×10-11cm2W-1の値が得られた。これは前に
報告された値に類似しているが、それより少し大きい。
エラーは±〜１×10-11cm2W-1であった。
は、上記に説明されたように決定され、使用された最大
ピークパワーは820mWであり、モードエリアは埋設ヘテ
ロ構造導波体に対して修整された加重インデクス方法を
使用して計算された。これは、TE偏光に対して２μm2値
であった。TEに対して４×10-11cm2W-1の|n2|およびTM
に対して2.5×10-11cm2W-1の値が得られた。これは前に
報告された値に類似しているが、それより少し大きい。
エラーは±〜１×10-11cm2W-1であった。
決定された値は、非線形材料ではなく導波体３に対す
るものであり、光コンファインメント係数は使用される
導波体構造中でほぼ0.04であることに留意しなければな
らない。したがって、所望された場合に大きいn2を提供
するために構造を最適化する余地がかなり存在する。
るものであり、光コンファインメント係数は使用される
導波体構造中でほぼ0.04であることに留意しなければな
らない。したがって、所望された場合に大きいn2を提供
するために構造を最適化する余地がかなり存在する。
初期の研究は非線形性が負であることを示し、これは
Grant氏およびHultgren氏により上記の参考文献の中で
述べられており、n2に対して決定された値は、文献（M
J La Gasse氏他によるApplied Physics Letters Volume
56 417乃至419頁1990年）に記載されているようにビロ
ーバンドギャップ光学シュタルク効果の〜１×10-12cm2
W-1の値と比較されることができる。
Grant氏およびHultgren氏により上記の参考文献の中で
述べられており、n2に対して決定された値は、文献（M
J La Gasse氏他によるApplied Physics Letters Volume
56 417乃至419頁1990年）に記載されているようにビロ
ーバンドギャップ光学シュタルク効果の〜１×10-12cm2
W-1の値と比較されることができる。
ピコ秒全光学スイッチングに対して考えられる別の材
料は、ガラスファイバおよび有機物を含む。シリカファ
イバは、〜３×10-16cm2W-1のn2値を有しており、した
がって大きい位相シフトを達成するためには非常に長い
装置が必要とされる。有機物材料は、原則的に透明な半
導体導波体に匹敵するn2の値を示すことができるが、そ
の材料は光学損失、安定性および装置処理の重大な問題
によって装置用として十分に開発されていない。したが
って、能動半導体導波体は完成した材料および処理技術
に基づいた小型装置に対して多大な利点をもたらし、光
・電気素子との集積の可能性を含む。
料は、ガラスファイバおよび有機物を含む。シリカファ
イバは、〜３×10-16cm2W-1のn2値を有しており、した
がって大きい位相シフトを達成するためには非常に長い
装置が必要とされる。有機物材料は、原則的に透明な半
導体導波体に匹敵するn2の値を示すことができるが、そ
の材料は光学損失、安定性および装置処理の重大な問題
によって装置用として十分に開発されていない。したが
って、能動半導体導波体は完成した材料および処理技術
に基づいた小型装置に対して多大な利点をもたらし、光
・電気素子との集積の可能性を含む。
速度が関係している限り、予備測定値は20psよりかな
り速い回復時間を示すが、しかし単にそれだけである。
上記の参考文献においてGrant氏により公表された初期
の研究は、数psの値を示唆しているが、Hultgren氏他に
よる上記の参考文献に記載されている近年解決された研
究は、彼らの実験で使用された400fsパルスより速い大
きい（負の）成分、およびキャリア加熱に関連した（正
の）遅い成分（1.7ps）を示している。Grant氏他による
上記の文献において公表されたスペクトルデータは、こ
の遅い成分によって影響を与えられると考えることがで
きる。
り速い回復時間を示すが、しかし単にそれだけである。
上記の参考文献においてGrant氏により公表された初期
の研究は、数psの値を示唆しているが、Hultgren氏他に
よる上記の参考文献に記載されている近年解決された研
究は、彼らの実験で使用された400fsパルスより速い大
きい（負の）成分、およびキャリア加熱に関連した（正
の）遅い成分（1.7ps）を示している。Grant氏他による
上記の文献において公表されたスペクトルデータは、こ
の遅い成分によって影響を与えられると考えることがで
きる。
スイッチングに対して非線形屈折率を利用するため
に、生成された位相シフトはもっと利用し易い形態に変
換されることいができる。例えば、マッハツェンダー干
渉計において、信号振幅は２つの分枝部分に分割され、
非線形位相シフトが１つの分枝部分に与えられることが
できる。２つの分枝部分が再結合されたとき、干渉計が
位相変化を信号振り幅変化に変換することができる。
に、生成された位相シフトはもっと利用し易い形態に変
換されることいができる。例えば、マッハツェンダー干
渉計において、信号振幅は２つの分枝部分に分割され、
非線形位相シフトが１つの分枝部分に与えられることが
できる。２つの分枝部分が再結合されたとき、干渉計が
位相変化を信号振り幅変化に変換することができる。
図４を参照すると、その代わりとして屈折率の変化か
ら空間スイッチングを生成するために方向性結合器40が
使用されることができる。方向性結合器は、２つの導波
体41,42の光学モードが結合されるように近接している
２つの導波体41,42から成る。１つの導波体41中に放射
された光は別の導波体42へ周期的に交差し、その後それ
が装置を通って伝播したときに戻ってくる。したがっ
て、適切な長さの装置は交差状態で全ての出力を供給す
る。導波体41の１つの屈折率を変化する効果はクロスオ
ーバーを阻止し、したがって入射した導波体に光をとど
めることができることである。
ら空間スイッチングを生成するために方向性結合器40が
使用されることができる。方向性結合器は、２つの導波
体41,42の光学モードが結合されるように近接している
２つの導波体41,42から成る。１つの導波体41中に放射
された光は別の導波体42へ周期的に交差し、その後それ
が装置を通って伝播したときに戻ってくる。したがっ
て、適切な長さの装置は交差状態で全ての出力を供給す
る。導波体41の１つの屈折率を変化する効果はクロスオ
ーバーを阻止し、したがって入射した導波体に光をとど
めることができることである。
非線形格子装置はまた例えば双安定特性または同調可
能な波長フィルタリングに屈折率を変換するために使用
されることができる。
能な波長フィルタリングに屈折率を変換するために使用
されることができる。
この超高速屈折非線形性の全光学スイッチングに対す
る適合性は、文献（V Mizrahi氏他によるOptics Letter
s volume 14,1140乃至1142頁,1989年）に記載された非
線形材料の性能指数を考慮することによって推定でき
る。これは、導波体の長さおよび光強度にかかわらず、
全光学スイッチング装置の応用に対するいくつかの最小
の材料要求を明らかにする； |n2/βλ｜＞ｃ ここで、βはTPA係数である。
る適合性は、文献（V Mizrahi氏他によるOptics Letter
s volume 14,1140乃至1142頁,1989年）に記載された非
線形材料の性能指数を考慮することによって推定でき
る。これは、導波体の長さおよび光強度にかかわらず、
全光学スイッチング装置の応用に対するいくつかの最小
の材料要求を明らかにする； |n2/βλ｜＞ｃ ここで、βはTPA係数である。
λは導波波長である。
ｃは装置構造に依存した定数である（例えば、非線形
方向性結合器に対して２であり、マッハツェンダー干渉
計に対して１である）。
方向性結合器に対して２であり、マッハツェンダー干渉
計に対して１である）。
ここにおいて“動作波長”という用語は、装置中の非
線形効果を制御するために使用された光放射線の波長を
意味するために使用されている。
線形効果を制御するために使用された光放射線の波長を
意味するために使用されている。
この装置中での主要な非線形吸収は、コンファインメ
ント層において２光子吸収（TPA）であると仮定し、ま
た文献（Sheik−Bahae氏他によるIEEE Journal of Quan
tum Electronics volume 27 1296乃至1309頁、1991年）
を参照にすると、バルク材料ではβは〜40cmGW-1と推定
できる。これから、この装置中の導波体構造に対してほ
ぼ７の性能指数が導かれ、それは可能性のある範囲の装
置に対する最小要求より上であることが好ましい。
ント層において２光子吸収（TPA）であると仮定し、ま
た文献（Sheik−Bahae氏他によるIEEE Journal of Quan
tum Electronics volume 27 1296乃至1309頁、1991年）
を参照にすると、バルク材料ではβは〜40cmGW-1と推定
できる。これから、この装置中の導波体構造に対してほ
ぼ７の性能指数が導かれ、それは可能性のある範囲の装
置に対する最小要求より上であることが好ましい。
事実、導波体における非線形屈折率は、光コンファイ
ンメント係数（0.04）だけウェル材料のものよりも減少
され、したがって非線形屈折率がウェル材料により影響
されると仮定すると、ウェル材料中のTE偏光された光に
対してn2＝１×10-9cm2W-1値が推定できる。文献（H K
Tsang氏他によるthe Journal of Applied Physics vol
70 3992乃至3994頁）の中で公表されたInGaAsP/InP MQ
W導波体において測定されたTAPの値に一致した65cmGW-1
のTAP値を推定すると、ウェル材料に対して約100の材料
の性能指数が導出される。実際の装置における光コンフ
ァインメント係数はこの値を減少する傾向があるが、こ
の非常に魅力的な効果を使用するために装置を最適化す
る余地があることは明らかである。
ンメント係数（0.04）だけウェル材料のものよりも減少
され、したがって非線形屈折率がウェル材料により影響
されると仮定すると、ウェル材料中のTE偏光された光に
対してn2＝１×10-9cm2W-1値が推定できる。文献（H K
Tsang氏他によるthe Journal of Applied Physics vol
70 3992乃至3994頁）の中で公表されたInGaAsP/InP MQ
W導波体において測定されたTAPの値に一致した65cmGW-1
のTAP値を推定すると、ウェル材料に対して約100の材料
の性能指数が導出される。実際の装置における光コンフ
ァインメント係数はこの値を減少する傾向があるが、こ
の非常に魅力的な効果を使用するために装置を最適化す
る余地があることは明らかである。
図１および２を参照して説明された上記の構造は、能
動半導体導波体における大きい超高速光学非線形性の研
究を表している。その結果、テラビットデータ速度に近
付き、実際のパワーレベルで動作する小型の全光学スイ
ッチング装置が実現可能である。
動半導体導波体における大きい超高速光学非線形性の研
究を表している。その結果、テラビットデータ速度に近
付き、実際のパワーレベルで動作する小型の全光学スイ
ッチング装置が実現可能である。
図１を参照すると、能動導波体３として使用されたさ
らに詳細な装置は、 i. 1.29μｍのバンドギャップ等価波長のInGaAsPの４元
素材料のバリアと、 ii. GaInAs材料（InPに整合した格子）のウェルとに基
づいた埋設ヘテロ構造導波体である長さ1mmの４個の量
子ウェルGRINSCH（傾斜屈折率の分離したコンファイン
メントのヘテロ構造）を含んでいる。
らに詳細な装置は、 i. 1.29μｍのバンドギャップ等価波長のInGaAsPの４元
素材料のバリアと、 ii. GaInAs材料（InPに整合した格子）のウェルとに基
づいた埋設ヘテロ構造導波体である長さ1mmの４個の量
子ウェルGRINSCH（傾斜屈折率の分離したコンファイン
メントのヘテロ構造）を含んでいる。
GaInAsは、量子ウェルの構造中の量子化サイズ効果に
よって短くされた〜1.67μｍのバンドギャップ等価波長
を有している。この場合、この効果は能動材料を形成す
るウェルに対して1.5μｍの範囲にバンドギャップ等価
波長を与えることである。
よって短くされた〜1.67μｍのバンドギャップ等価波長
を有している。この場合、この効果は能動材料を形成す
るウェルに対して1.5μｍの範囲にバンドギャップ等価
波長を与えることである。
類似した（構造的に）装置の詳細は、文献（D M Coop
er、C P Seltzer、M Aylett、D J Elton、M Harlow、H
WickesおよびD L Murrell氏によるElectronics Letters
volume 25 1635乃至1636頁,1991年）において明らかに
されている。しかしながら、この文献に記載された装置
はレーザであり、一方図１の装置には両端面が反射防止
被覆されている。
er、C P Seltzer、M Aylett、D J Elton、M Harlow、H
WickesおよびD L Murrell氏によるElectronics Letters
volume 25 1635乃至1636頁,1991年）において明らかに
されている。しかしながら、この文献に記載された装置
はレーザであり、一方図１の装置には両端面が反射防止
被覆されている。
以下、上記に説明された効果に基づいて高速被線形光
学装置を最適化するための設計問題を詳細に示す。
学装置を最適化するための設計問題を詳細に示す。
検討される被線形効果は、主として関連した装置の能
動領域において生じる。特定の導波体構造は、その能動
領域において関連したコンファインメント係数を有する
典型的な光学フィールド分布を導波体内において生じさ
せる。能動材料中の屈折率変化は、コンファンイメント
係数だけ加重された導波された光のモード屈折率を変化
させる。モード屈折率変化は、導波体スイッチ中の重要
なパラメータであり、したがって高いコンファンイメン
ト係数が結果的に動作パワーを低下させる。
動領域において生じる。特定の導波体構造は、その能動
領域において関連したコンファインメント係数を有する
典型的な光学フィールド分布を導波体内において生じさ
せる。能動材料中の屈折率変化は、コンファンイメント
係数だけ加重された導波された光のモード屈折率を変化
させる。モード屈折率変化は、導波体スイッチ中の重要
なパラメータであり、したがって高いコンファンイメン
ト係数が結果的に動作パワーを低下させる。
上記において指摘されているように、能動材料の選択
も重要であり、非線形性が量子ウェル材料においてバル
ク材料と比較して著しく強化されることが認められる。
さらにバルク材料において、バルク能動領域の組成は装
置の要求された動作波長によって決定され、したがって
その厚さは導波構造によりサポートされた光学モードを
制御する必要によって制限される。導波体の能動領域で
の量子ウェル材料の使用により、バンドギャップ（およ
びしたがって動作波長）および屈折率（およびしたがっ
て導波特性）をある程度独立的に選択することが可能で
ある。この独立性は、バルク材料では利用できない。ウ
ェルおよびMQWを含むバリア材料の所定の組合せに対し
て、バンドギャップはウェル材料の厚さによって制御さ
れ、一方屈折率はウェルおよびバリアの厚さの比によっ
て制御されるため、これら２つのパラメータが無関係に
最適化されることができる。導波体の設計に与えられる
余分なフレキシビリティは、特に外部光学系に完全に整
合した光学モード（例えば、レンズを備えたファイバに
結合するための円対称的なモード）を提供することが可
能である。したがって、高い結合効果が得られ、低いポ
ンプパワーを使用することができる。
も重要であり、非線形性が量子ウェル材料においてバル
ク材料と比較して著しく強化されることが認められる。
さらにバルク材料において、バルク能動領域の組成は装
置の要求された動作波長によって決定され、したがって
その厚さは導波構造によりサポートされた光学モードを
制御する必要によって制限される。導波体の能動領域で
の量子ウェル材料の使用により、バンドギャップ（およ
びしたがって動作波長）および屈折率（およびしたがっ
て導波特性）をある程度独立的に選択することが可能で
ある。この独立性は、バルク材料では利用できない。ウ
ェルおよびMQWを含むバリア材料の所定の組合せに対し
て、バンドギャップはウェル材料の厚さによって制御さ
れ、一方屈折率はウェルおよびバリアの厚さの比によっ
て制御されるため、これら２つのパラメータが無関係に
最適化されることができる。導波体の設計に与えられる
余分なフレキシビリティは、特に外部光学系に完全に整
合した光学モード（例えば、レンズを備えたファイバに
結合するための円対称的なモード）を提供することが可
能である。したがって、高い結合効果が得られ、低いポ
ンプパワーを使用することができる。
著しい非線形効果の達成と光ポンプおよび、または信
号の損失との間で“妥協”が行われることが認められて
いる。損失の原因はまだ分かっていないが、その程度は
ポンプまたは信号が通過する能動材料の量と共に増加す
る傾向がある。量子ウェル装置が有する別の利点は、背
景損失がバルク装置より低い傾向があることである。こ
れは、特に例えば1.3μｍまたは0.98μｍではなく、1.5
5μｍのポンプまたは信号の長い波長が関与する場合に
その傾向があることが認められている。
号の損失との間で“妥協”が行われることが認められて
いる。損失の原因はまだ分かっていないが、その程度は
ポンプまたは信号が通過する能動材料の量と共に増加す
る傾向がある。量子ウェル装置が有する別の利点は、背
景損失がバルク装置より低い傾向があることである。こ
れは、特に例えば1.3μｍまたは0.98μｍではなく、1.5
5μｍのポンプまたは信号の長い波長が関与する場合に
その傾向があることが認められている。
能動領域中の高い光強度は屈折率変化を生じさせるの
で、光学パワー効率のために、外部光源からの高い効率
と共に小さいモードエリアが必要とされる。光コンファ
インメントはまた、使用される光強度により誘導された
屈折率プロフィールの変化によって発生する光学モード
の摂動が無視できるほど小さいように十分に強くなけれ
ばならない。
で、光学パワー効率のために、外部光源からの高い効率
と共に小さいモードエリアが必要とされる。光コンファ
インメントはまた、使用される光強度により誘導された
屈折率プロフィールの変化によって発生する光学モード
の摂動が無視できるほど小さいように十分に強くなけれ
ばならない。
導波体におけるトランスバースモードに対する制御
は、装置内外における良好なスイッチングコントラスト
および結合効率を達成するために重要である。これは、
装置を動作させるために必要なモードだけ（例えば、非
線形方向性結合器に対して垂直方向の単一モードおよび
水平方向の２つのモード）が確実にサポートされること
を意味する。しかしながら、少しオーバーモードの構造
でも依然として満足できる動作が実現できる。
は、装置内外における良好なスイッチングコントラスト
および結合効率を達成するために重要である。これは、
装置を動作させるために必要なモードだけ（例えば、非
線形方向性結合器に対して垂直方向の単一モードおよび
水平方向の２つのモード）が確実にサポートされること
を意味する。しかしながら、少しオーバーモードの構造
でも依然として満足できる動作が実現できる。
内部損失は、最小にされる必要がある。透明状態への
電流バイアスは、能動領域におけるバンド間転移のため
に吸収を平衡させるが、導波体は吸収に関連した散乱お
よび欠陥、並びに導波体の全ての層の中の２光子吸収
（TPA）および特に熊動領域における自由なキャリア吸
収の為に依然として残留損失を有している。欠陥関連プ
ロセスは、高品質の材料により低レベルに減少されるこ
とが可能であり、散乱は導波体設計および製造に注意を
払うことによって最小にされることができる。TPAは、
光強度を低い状態にしておくことによって低く維持され
ることが可能であり（再度、能動領域に対する高い光コ
ンファインメントおよびしたがって低いピークスイッチ
ングパワーの必要性を強調する）、また自由キャリア吸
収は避けられないが、動作波長を適切に選択する（能動
領域中の透明電流およびしたがってキャリア密度を最小
にするように選択される）ことによって最小にされるこ
とができる。キャリアポピュレーションを実際に変化さ
せるTPA等のプロセスは、このような変化が長時間（数
百ピコ秒）の効果を生じさせ、高いデューティサイクル
のパルス列のスイッチングの問題を発生させる可能性が
あるため特に重要である。
電流バイアスは、能動領域におけるバンド間転移のため
に吸収を平衡させるが、導波体は吸収に関連した散乱お
よび欠陥、並びに導波体の全ての層の中の２光子吸収
（TPA）および特に熊動領域における自由なキャリア吸
収の為に依然として残留損失を有している。欠陥関連プ
ロセスは、高品質の材料により低レベルに減少されるこ
とが可能であり、散乱は導波体設計および製造に注意を
払うことによって最小にされることができる。TPAは、
光強度を低い状態にしておくことによって低く維持され
ることが可能であり（再度、能動領域に対する高い光コ
ンファインメントおよびしたがって低いピークスイッチ
ングパワーの必要性を強調する）、また自由キャリア吸
収は避けられないが、動作波長を適切に選択する（能動
領域中の透明電流およびしたがってキャリア密度を最小
にするように選択される）ことによって最小にされるこ
とができる。キャリアポピュレーションを実際に変化さ
せるTPA等のプロセスは、このような変化が長時間（数
百ピコ秒）の効果を生じさせ、高いデューティサイクル
のパルス列のスイッチングの問題を発生させる可能性が
あるため特に重要である。
さらに、能動材料の選択時に考慮すべきことは、歪み
を与えられた量子ウェルがレーザ増幅器が透明状態のと
きに非線形屈折率をさらに強化させることである。文献
（Electronics Letters.,1992,28,pp.63−63）において
Seltzer,C.P、Perrin,S.D、Tatham,M.CおよびCooper,D.
M氏により報告されたレーザに基づいた16ウェルゼロ純
歪み増幅器が明らかにされている。この装置は、張力歪
みを与えられたInGaAsP（λ＝1.3μｍ）バリア間の圧縮
歪みを与えられたInGaAsウェルから成る能動領域を有し
ている。歪みの与えられない装置では、非線形屈折率が
光コンファインメント係数（利得媒体に重なる光強度の
比率）により変化することが認められた。しかしなが
ら、この歪みを与えられた装置により、コンファインメ
ント係数は0.7に過ぎないが、導波体に対する比線形屈
折率は、少し大きいコンファインメント係数を持つ歪み
の与えられない装置より２乃至３倍大きかった。
を与えられた量子ウェルがレーザ増幅器が透明状態のと
きに非線形屈折率をさらに強化させることである。文献
（Electronics Letters.,1992,28,pp.63−63）において
Seltzer,C.P、Perrin,S.D、Tatham,M.CおよびCooper,D.
M氏により報告されたレーザに基づいた16ウェルゼロ純
歪み増幅器が明らかにされている。この装置は、張力歪
みを与えられたInGaAsP（λ＝1.3μｍ）バリア間の圧縮
歪みを与えられたInGaAsウェルから成る能動領域を有し
ている。歪みの与えられない装置では、非線形屈折率が
光コンファインメント係数（利得媒体に重なる光強度の
比率）により変化することが認められた。しかしなが
ら、この歪みを与えられた装置により、コンファインメ
ント係数は0.7に過ぎないが、導波体に対する比線形屈
折率は、少し大きいコンファインメント係数を持つ歪み
の与えられない装置より２乃至３倍大きかった。
結果的に、レーザ増幅器の能動領域に歪みを含むこと
は、透明状態での非線形動作のために装置を最適化する
のに有効である。最適化された装置は、コンファインメ
ント係数を高め、一方で歪みを与えられた能動材料の使
用を保持するために非常に多数の歪みを与えられたウェ
ルまたはもっと浅いウェル／バリアエネルギレベル段を
有するウェルを含んでいる。
は、透明状態での非線形動作のために装置を最適化する
のに有効である。最適化された装置は、コンファインメ
ント係数を高め、一方で歪みを与えられた能動材料の使
用を保持するために非常に多数の歪みを与えられたウェ
ルまたはもっと浅いウェル／バリアエネルギレベル段を
有するウェルを含んでいる。
図３を参照すると、特定の超高速光学スイッチング装
置は、非線形方向性結合器20に基づいている。これは、
導波体中を伝播するモード間の光結合を可能にするため
に十分に近接している２つの導波体21,22を含んでい
る。
置は、非線形方向性結合器20に基づいている。これは、
導波体中を伝播するモード間の光結合を可能にするため
に十分に近接している２つの導波体21,22を含んでい
る。
図3aの平面図を参照すると、非線形方向性結合器20は
１対の平行なリッジ導波体21,22を備えた装置で構成さ
れている。図3bにはこれらの導波体の構造が断面図で示
されており、 （ｉ）InPの、〜100μｍの厚さの、ｎ型ドープされた基
体23; （ii）InPの、1.5μｍの厚さの、ｎ＝２×1018にドープ
されたバッファ層24; （iii）MQW構造で全体的な厚さが0.4μｍのドープされ
ていない能動／導波体層25; （iv）InPの、0.2μｍの厚さの、５×1017にｐ型ドープ
されたクラッド層26; （ｖ）GaInAsPの、0.03μｍの厚さの、５×1017にｐ型
ドープされたエッチング停止層27; （vi）InPの、1.0μｍの厚さの、５×1017にｐ型ドープ
された各導波体21,22のリッジ28; （vii）GaInAsの、0.1μｍの厚さの、1019にｐ型ドープ
された、各リッジ28に対する半導体コンタクト層29; （viii）シリコン酸化物の分離層30; （ix）Ti/Auの金属コンタクト層31から構成されている
ことが認められる。なお、上記の全てのドーピングレベ
ルはcm-3で与えられている。
１対の平行なリッジ導波体21,22を備えた装置で構成さ
れている。図3bにはこれらの導波体の構造が断面図で示
されており、 （ｉ）InPの、〜100μｍの厚さの、ｎ型ドープされた基
体23; （ii）InPの、1.5μｍの厚さの、ｎ＝２×1018にドープ
されたバッファ層24; （iii）MQW構造で全体的な厚さが0.4μｍのドープされ
ていない能動／導波体層25; （iv）InPの、0.2μｍの厚さの、５×1017にｐ型ドープ
されたクラッド層26; （ｖ）GaInAsPの、0.03μｍの厚さの、５×1017にｐ型
ドープされたエッチング停止層27; （vi）InPの、1.0μｍの厚さの、５×1017にｐ型ドープ
された各導波体21,22のリッジ28; （vii）GaInAsの、0.1μｍの厚さの、1019にｐ型ドープ
された、各リッジ28に対する半導体コンタクト層29; （viii）シリコン酸化物の分離層30; （ix）Ti/Auの金属コンタクト層31から構成されている
ことが認められる。なお、上記の全てのドーピングレベ
ルはcm-3で与えられている。
これらの例示された厚さおよびドーピングレベルは、
異なるパラメータの範囲が類似した装置特性を提供する
ことができるため単に説明のためのものである。
異なるパラメータの範囲が類似した装置特性を提供する
ことができるため単に説明のためのものである。
等しい幅Ｗの２つのリッジ28は距離Ｓだけ分離され、
リッジ28およびコンタクト層29を通してエッチングする
ことによって形成されて、チャンネルを生成している。
エッチング停止層27は、選択的な化学エッチングプロセ
スが使用された場合にエッチングの深さを制御するため
に使用される。
リッジ28およびコンタクト層29を通してエッチングする
ことによって形成されて、チャンネルを生成している。
エッチング停止層27は、選択的な化学エッチングプロセ
スが使用された場合にエッチングの深さを制御するため
に使用される。
能動／導波体層25は、60オングストロームのInPバリ
ア層と共に各厚さが65オングストロームの32個のGaInAs
ウェルから構成されている。
ア層と共に各厚さが65オングストロームの32個のGaInAs
ウェルから構成されている。
その代りに、能動／導波体層25はその２つの機能を分
離し、より高いコンファインメントを達成するもっと複
雑な層構造を有していてもよい。ウェルの厚さは、所望
の動作波長を提供するように選択され、一方バリアの厚
さは、隣接したウェル中のキャリア境界状態間で結合を
生ぜずにできるだけ薄く選択される。したがって、全体
的なMQWの厚さは、所望の導波特性を提供するように選
択される。
離し、より高いコンファインメントを達成するもっと複
雑な層構造を有していてもよい。ウェルの厚さは、所望
の動作波長を提供するように選択され、一方バリアの厚
さは、隣接したウェル中のキャリア境界状態間で結合を
生ぜずにできるだけ薄く選択される。したがって、全体
的なMQWの厚さは、所望の導波特性を提供するように選
択される。
能動／導波体層25において、もっと少ない個数のウェ
ル等の異なる個数のウェルが使用されることができるこ
とに留意しなければならない。しかしながら、これは装
置における結合長（Lc）に影響を与え、能動／導波体層
の厚さを調節することが必要がある。
ル等の異なる個数のウェルが使用されることができるこ
とに留意しなければならない。しかしながら、これは装
置における結合長（Lc）に影響を与え、能動／導波体層
の厚さを調節することが必要がある。
分離層30は、典型的にTi/AuまたはTi/Pt/Auであるオ
ーミックコンタクト31が導波体21,22の上部に形成され
ることを可能にするためにリッジの上方にウインドウを
付けられたシリコン酸化物の絶縁体層である。オーミッ
クコンタクトは要求される長さに装置を剪断する前に基
体23の底部にも形成される。
ーミックコンタクト31が導波体21,22の上部に形成され
ることを可能にするためにリッジの上方にウインドウを
付けられたシリコン酸化物の絶縁体層である。オーミッ
クコンタクトは要求される長さに装置を剪断する前に基
体23の底部にも形成される。
共振空洞効果を最小にするために低い反射率の被覆が
装置20の剪断面上に必要とされる。
装置20の剪断面上に必要とされる。
説明され、図３に示された構造は能動材料に対して〜
0.3の垂直方向のコンファインメント係数を提供し、ま
た各リッジ導波体21,22に対して1.55μｍで単一モード
動作を与える。低いパワーにおいて、導波体21の１つの
中に放射された光は、結合長である長さLcにおいて別の
導波体22に交差し、その後スルー（through）状態に戻
り、周期的に連続する。このタイプの方向性結合器に対
する結合長は、リッジ28が２μｍ乃至３μｍのギャップ
Ｓによって分離された２μｍ乃至３μｍの幅Ｗを有する
場合、0.5乃至4mmである。導波体21、22が摂動された場
合、クロスオーバーは阻止され、光が元の導波体21にと
どまることができる。
0.3の垂直方向のコンファインメント係数を提供し、ま
た各リッジ導波体21,22に対して1.55μｍで単一モード
動作を与える。低いパワーにおいて、導波体21の１つの
中に放射された光は、結合長である長さLcにおいて別の
導波体22に交差し、その後スルー（through）状態に戻
り、周期的に連続する。このタイプの方向性結合器に対
する結合長は、リッジ28が２μｍ乃至３μｍのギャップ
Ｓによって分離された２μｍ乃至３μｍの幅Ｗを有する
場合、0.5乃至4mmである。導波体21、22が摂動された場
合、クロスオーバーは阻止され、光が元の導波体21にと
どまることができる。
図４を参照すると、上記のようにデマルチプレクサは
次のように実現されることができる。多数の光学TDMチ
ャンネルから成る高いビット速度のデータ流は、長さLc
の方向性結合器を通過して、交差状態で出力する。単一
チャンネルのデータ速度および所望のチャンネルと同期
された“ポンプ”として高パワーパルスを供給すること
によって、そのチャンネルのクロスオーバーが阻止さ
れ、したがってこれは要求された場合にやはり回復され
ることができるビット流の残りのものから空間的に分離
されたスルー状態で現れる。
次のように実現されることができる。多数の光学TDMチ
ャンネルから成る高いビット速度のデータ流は、長さLc
の方向性結合器を通過して、交差状態で出力する。単一
チャンネルのデータ速度および所望のチャンネルと同期
された“ポンプ”として高パワーパルスを供給すること
によって、そのチャンネルのクロスオーバーが阻止さ
れ、したがってこれは要求された場合にやはり回復され
ることができるビット流の残りのものから空間的に分離
されたスルー状態で現れる。
図５を参照すると、スイッチされたおよびスイッチさ
れていないチャンネルの分離は広い空間分離（例えば出
力ファイバ出力に対して）を達成するために例えば湾曲
した導波体の集積によって行われ、これを実現する適切
な技術が既に開発されており、文献（D A O Davies,P S
Mudhar,M A Fisher,D A H Mace,M J Adams氏によるa p
ost−deadline paper（PD10）at the Topical Meeting
on Optical Amplifiers and Applications、Santa Fe,N
ew Mexico,1992年６月24乃至26日）に記載されている。
れていないチャンネルの分離は広い空間分離（例えば出
力ファイバ出力に対して）を達成するために例えば湾曲
した導波体の集積によって行われ、これを実現する適切
な技術が既に開発されており、文献（D A O Davies,P S
Mudhar,M A Fisher,D A H Mace,M J Adams氏によるa p
ost−deadline paper（PD10）at the Topical Meeting
on Optical Amplifiers and Applications、Santa Fe,N
ew Mexico,1992年６月24乃至26日）に記載されている。
図５において、２つの方向性結合器51、52は縦続接続
されている。高いデータ速度リンクの多数のチャンネル
を搬送する入力53および３個の出力54,55,56が設けられ
ている。多数のチャンネルは、入力53から空間的に最も
離れた出力56（示されているように）上でその構造を離
れるように各方向性結合器51、52でクロスオーバーす
る。しかしながら、ポンプは単一のチャンネルに対して
各結合器51、52におけるクロスオーバーを阻止するため
に使用されている。したがって、単一のチャンネルは残
りの（空間的に分離された）各出力54,55において出力
される。
されている。高いデータ速度リンクの多数のチャンネル
を搬送する入力53および３個の出力54,55,56が設けられ
ている。多数のチャンネルは、入力53から空間的に最も
離れた出力56（示されているように）上でその構造を離
れるように各方向性結合器51、52でクロスオーバーす
る。しかしながら、ポンプは単一のチャンネルに対して
各結合器51、52におけるクロスオーバーを阻止するため
に使用されている。したがって、単一のチャンネルは残
りの（空間的に分離された）各出力54,55において出力
される。
ポンプおよびデータは出力でデータを回復するために
分離されなければならず、これを行うために使用できる
方法は多数存在する。同方向のポンプおよびデータは交
差した偏光を有するか、或は異なる波長である。ポララ
イザまたはフィルタをそれぞれ使用して分離を行う。い
ずれの場合も分散および異なる結合特性によるパルスの
“ウォークオフ”が考慮される必要がある。これらの効
果は、適切な導波体設計によって最小にされることがで
きる。
分離されなければならず、これを行うために使用できる
方法は多数存在する。同方向のポンプおよびデータは交
差した偏光を有するか、或は異なる波長である。ポララ
イザまたはフィルタをそれぞれ使用して分離を行う。い
ずれの場合も分散および異なる結合特性によるパルスの
“ウォークオフ”が考慮される必要がある。これらの効
果は、適切な導波体設計によって最小にされることがで
きる。
その代りとして、逆方向のポンプおよびデータが使用
可能である。ここにおいて信号出力における分離は不要
であるが、ポンプパルスは装置20において良好な重複を
達成するために装置20におけるデータパルス走行時間と
同じ長さであることが可能なデータパルスより長いこと
が必要とされる。パイプラインモードで（一時に装置中
で１以上のパルスにより）装置を使用する能力は失わ
れ、装置の走行時間に多重化されたチャンネル間隔を制
限する。これは、1mmの長さの装置に対してほぼ10psで
ある。これは、いくつかの適用に対して適用可能であ
る。
可能である。ここにおいて信号出力における分離は不要
であるが、ポンプパルスは装置20において良好な重複を
達成するために装置20におけるデータパルス走行時間と
同じ長さであることが可能なデータパルスより長いこと
が必要とされる。パイプラインモードで（一時に装置中
で１以上のパルスにより）装置を使用する能力は失わ
れ、装置の走行時間に多重化されたチャンネル間隔を制
限する。これは、1mmの長さの装置に対してほぼ10psで
ある。これは、いくつかの適用に対して適用可能であ
る。
本発明の実施例は、透明状態の非線形能動導波体に基
づいた機能的なスイッチング、処理または論理装置を提
供できることが認められるであろう。この方法の利点に
は低い光パワー要求だけでなく、コンパクト化、完成し
た装置処理技術の使用および他の素子との集積の明確な
可能性も含まれる。上記の非線形方向性結合器およびマ
ッハツェンダー干渉計、ファブリーペローエタロン、並
びに透明状態でバイアスされた格子構造等が適用に含ま
れる。
づいた機能的なスイッチング、処理または論理装置を提
供できることが認められるであろう。この方法の利点に
は低い光パワー要求だけでなく、コンパクト化、完成し
た装置処理技術の使用および他の素子との集積の明確な
可能性も含まれる。上記の非線形方向性結合器およびマ
ッハツェンダー干渉計、ファブリーペローエタロン、並
びに透明状態でバイアスされた格子構造等が適用に含ま
れる。
例えば、図３に示されたものに類似した方向性結合器
は、非常に高いビット速度で波長変換装置として動作す
るように設計されることができる。これを達成するため
に、共通の電流コンタクトを備えている近接した２つの
並列な増幅器から成る方向性結合器は、重要な目標波長
範囲に対して１結合長の長さである。図６はこのような
波長変換器の２つの構造を示し、図6aは第１のものがデ
ータ信号であり、第２のものがクロック信号（データ信
号と同期された）である２つの光入力を１つの入力ポー
トに有する構造を示している。クロックの波長は、増幅
器の利得スペクトル内のどこか、またはこのスペクトル
の下方または上方の波長の範囲に存在している。データ
信号ピークパルスパワーは、透明状態で速い非線形性に
アクセスするために十分でなければならず、一方クロッ
クパワーはこれよりかなり低くてもよい。クロックおよ
び信号パルスが一致したとき、信号波長からクロック波
長に情報が伝送され、同時に結果的な情報パルスが装置
の適切な出力ポートから放射される。この一致が発生し
ない場合には、クロックパルスは別の出力ポートから放
射される。このようにして、装置は波長変換およびクロ
ックと情報出力との分離という二重の機能を実行する。
図6aに示された構造に対して、変換されたデータの波長
以外のものを排除するために出力においてフィルタが必
要とされる。低損失（高い吸光率）の装置に対して、こ
のフィルタに対する要求は緩和されることが可能であ
り、或いは理想的な装置に対して、異なる入力ポートに
入射するようにクロックおよび信号入力を配列すること
によってこの要求は不要になる。この場合、最初のおよ
び変換されたデータは、図6bに示されているように異な
る出力ポートから放出される。
は、非常に高いビット速度で波長変換装置として動作す
るように設計されることができる。これを達成するため
に、共通の電流コンタクトを備えている近接した２つの
並列な増幅器から成る方向性結合器は、重要な目標波長
範囲に対して１結合長の長さである。図６はこのような
波長変換器の２つの構造を示し、図6aは第１のものがデ
ータ信号であり、第２のものがクロック信号（データ信
号と同期された）である２つの光入力を１つの入力ポー
トに有する構造を示している。クロックの波長は、増幅
器の利得スペクトル内のどこか、またはこのスペクトル
の下方または上方の波長の範囲に存在している。データ
信号ピークパルスパワーは、透明状態で速い非線形性に
アクセスするために十分でなければならず、一方クロッ
クパワーはこれよりかなり低くてもよい。クロックおよ
び信号パルスが一致したとき、信号波長からクロック波
長に情報が伝送され、同時に結果的な情報パルスが装置
の適切な出力ポートから放射される。この一致が発生し
ない場合には、クロックパルスは別の出力ポートから放
射される。このようにして、装置は波長変換およびクロ
ックと情報出力との分離という二重の機能を実行する。
図6aに示された構造に対して、変換されたデータの波長
以外のものを排除するために出力においてフィルタが必
要とされる。低損失（高い吸光率）の装置に対して、こ
のフィルタに対する要求は緩和されることが可能であ
り、或いは理想的な装置に対して、異なる入力ポートに
入射するようにクロックおよび信号入力を配列すること
によってこの要求は不要になる。この場合、最初のおよ
び変換されたデータは、図6bに示されているように異な
る出力ポートから放出される。
本発明による装置の別の例は、非線形ループミラーに
おける透明状態に基づいたレーザ増幅器を含む（図７参
照）。この装置において、入力（信号）パルスは、結合
器CPLR1によって半分に分割され、この半分のパルスは
ループをまわって逆方向に伝播する。ポンプパルスがな
い場合は、信号は結合器CPLR1で再結合し、出力ポート
から出力される信号はない。強いポンプパルス（透明状
態で使用される増幅器バイアスに対する波長）は波長分
割多重化結合器CPLR2を通って導入され、ループをまわ
って伝搬し、同じ方向に伝播した信号パルスの半分のも
のに時間的および空間的に重複する。逆方向に伝播する
ビームに関してポンプと同方向に伝播する信号ビームに
おいて導入された位相シフトは、ビームが結合器CPLR1
に戻ったときにスイッチングを誘導し、干渉して、出力
ゼロでない信号を出力させる。
おける透明状態に基づいたレーザ増幅器を含む（図７参
照）。この装置において、入力（信号）パルスは、結合
器CPLR1によって半分に分割され、この半分のパルスは
ループをまわって逆方向に伝播する。ポンプパルスがな
い場合は、信号は結合器CPLR1で再結合し、出力ポート
から出力される信号はない。強いポンプパルス（透明状
態で使用される増幅器バイアスに対する波長）は波長分
割多重化結合器CPLR2を通って導入され、ループをまわ
って伝搬し、同じ方向に伝播した信号パルスの半分のも
のに時間的および空間的に重複する。逆方向に伝播する
ビームに関してポンプと同方向に伝播する信号ビームに
おいて導入された位相シフトは、ビームが結合器CPLR1
に戻ったときにスイッチングを誘導し、干渉して、出力
ゼロでない信号を出力させる。
このような装置は、デマルチプレクス、時分割多重化
システムにおける一般的なスイッチング、光学論理動作
に適用され、並びにポンプおよびブローブが異なる波長
であるため波長変換に適用されることができる。方向性
結合器を含む波長変換装置に関して、データ信号は高い
パワーであることが必要であり、この例において結合器
CPLR2中に放射され、クロック信号は非線形性にアクセ
スするほど高いパワーである必要はなく、この例におい
て結合器CPLR1中に放射される。波長変換されたデータ
信号は結合器CPLR1から出力する。
システムにおける一般的なスイッチング、光学論理動作
に適用され、並びにポンプおよびブローブが異なる波長
であるため波長変換に適用されることができる。方向性
結合器を含む波長変換装置に関して、データ信号は高い
パワーであることが必要であり、この例において結合器
CPLR2中に放射され、クロック信号は非線形性にアクセ
スするほど高いパワーである必要はなく、この例におい
て結合器CPLR1中に放射される。波長変換されたデータ
信号は結合器CPLR1から出力する。
この構造は、走行時間が大幅に減少されるため既知の
ファイバ非線形ベースのループミラーを改良したもので
あり（ファイバループミラーは10kmの長さであることが
できる）、グループ速度分散は、装置の長さが小さい大
きさのオーダーなのでほとんど重要ではない。
ファイバ非線形ベースのループミラーを改良したもので
あり（ファイバループミラーは10kmの長さであることが
できる）、グループ速度分散は、装置の長さが小さい大
きさのオーダーなのでほとんど重要ではない。
この構造はまた、増幅器が透明状態でバイアスされな
い前に公表された装置を改良したものであり、スイッチ
ングは例えば文献（O'Neill,A.W.およびWebb,R.P.氏に
よるElectronics Lett.,1990,24,pp.2008−2009およびE
iselt,M.氏によるElectronics Lett.,1992,28,pp.1505
−1507）に記載されている長寿命バンド間転移を使用し
て行われる。Eiselt氏により記載されたSLALOM装置（ル
ープミラーにおける半導体レーザ増幅器）等の長寿命効
果を使用するいくつかの装置は、マルチギガビットデー
タ流からのデータスイッチングを達成できるが、ポンプ
パルス反復速度が約1GHzより下に維持されない場合に、
比較的長いキャリア再結合時間がパターン化を発生させ
る。対照的に、本発明による装置は、パターン化効果な
しに100Gビット／秒のオーダーまでのデータ速度でポン
プ信号に擬似瞬間的に応答することが可能であり、既に
明らかにされたものと比較して、装置が著しくフレキシ
ブルに適用されることを可能にする。
い前に公表された装置を改良したものであり、スイッチ
ングは例えば文献（O'Neill,A.W.およびWebb,R.P.氏に
よるElectronics Lett.,1990,24,pp.2008−2009およびE
iselt,M.氏によるElectronics Lett.,1992,28,pp.1505
−1507）に記載されている長寿命バンド間転移を使用し
て行われる。Eiselt氏により記載されたSLALOM装置（ル
ープミラーにおける半導体レーザ増幅器）等の長寿命効
果を使用するいくつかの装置は、マルチギガビットデー
タ流からのデータスイッチングを達成できるが、ポンプ
パルス反復速度が約1GHzより下に維持されない場合に、
比較的長いキャリア再結合時間がパターン化を発生させ
る。対照的に、本発明による装置は、パターン化効果な
しに100Gビット／秒のオーダーまでのデータ速度でポン
プ信号に擬似瞬間的に応答することが可能であり、既に
明らかにされたものと比較して、装置が著しくフレキシ
ブルに適用されることを可能にする。
本発明による装置のさらに別の例は、透明状態でバイ
アスされるレーザ増幅器を使用する全光学クロック回復
装置を含んでいる。モードロックされたレーザを使用し
てデータ流からクロック信号を全光学的に回復すること
は、文献（Smith ＆ Lucek氏によるElectronics Letter
s.,Vol 28,No.19,pp1814−1815,1992）に記載されてい
る。ここにおいて、データ流は、レーザ空洞と伝送ファ
イバとの間で共有された非線形光学変調器を介してファ
イバレーザをモードロックするために使用された。非線
形光学変調器は、モードロッキングがデータ流によるレ
ーザ流の交差位相変調によって達成された9Kmの光ファ
イバを含んでいた。本発明によると、ファイバの長さ
は、非線形光学変調器として動作する透明状態でバイア
スされた半導体光学増幅器によって置換されている。減
少された大きさおよび低下された温度感応性に関するこ
の装置の利点は明瞭であるが、モードロッキングを行う
ために空洞を数回通過する必要があるため、空洞長の減
少が結果的にロックが生じる前に遅延時間を大幅に短縮
させることが非常に重要である。
アスされるレーザ増幅器を使用する全光学クロック回復
装置を含んでいる。モードロックされたレーザを使用し
てデータ流からクロック信号を全光学的に回復すること
は、文献（Smith ＆ Lucek氏によるElectronics Letter
s.,Vol 28,No.19,pp1814−1815,1992）に記載されてい
る。ここにおいて、データ流は、レーザ空洞と伝送ファ
イバとの間で共有された非線形光学変調器を介してファ
イバレーザをモードロックするために使用された。非線
形光学変調器は、モードロッキングがデータ流によるレ
ーザ流の交差位相変調によって達成された9Kmの光ファ
イバを含んでいた。本発明によると、ファイバの長さ
は、非線形光学変調器として動作する透明状態でバイア
スされた半導体光学増幅器によって置換されている。減
少された大きさおよび低下された温度感応性に関するこ
の装置の利点は明瞭であるが、モードロッキングを行う
ために空洞を数回通過する必要があるため、空洞長の減
少が結果的にロックが生じる前に遅延時間を大幅に短縮
させることが非常に重要である。
本発明の実施例が導波領域を有していることは必須で
はい。導波領域は、光ポンプの使用によって達成される
重要な効果に対して十分に長い相互作用通路を提供する
ために使用されるが、別の構造は例えば共振器構造を含
んでいてもよく、その場合に放射線が適切な長さの相互
作用通路を達成するために前後に進行する。したがっ
て、本発明の実施例は導波体の代わりにファブリーペロ
ー構造またはコンフォーマル構造を含んでいてもよい。
はい。導波領域は、光ポンプの使用によって達成される
重要な効果に対して十分に長い相互作用通路を提供する
ために使用されるが、別の構造は例えば共振器構造を含
んでいてもよく、その場合に放射線が適切な長さの相互
作用通路を達成するために前後に進行する。したがっ
て、本発明の実施例は導波体の代わりにファブリーペロ
ー構造またはコンフォーマル構造を含んでいてもよい。
論理装置において、１以上の信号（データ）入力が存
在する。これらのうちの１以上のものが光ポンプとして
動作し、分離した光ポンプ入力は不要である。装置に対
する全入力の効果は、レベルが関連した１以上の光出力
を提供することであり、それは入力のレベルによって決
定される。このようにしてカバーされた機能は以下のも
のを含んでいる： しきい値化：単一の入力ビームは入力レベルが臨界値を
越えた場合にのみ高い出力を生成する； 制限：出力レベルは入力に関係なく、ある設定値より低
く制限されている； ２進（またはそれより高い）論理動作：多数の入力は異
なるデータチャンネル上の信号間の関係によって決定さ
れた出力を供給する； 双安定化：入力信号の最も新しいヒストリィは出力を決
定する役目を果たす。
在する。これらのうちの１以上のものが光ポンプとして
動作し、分離した光ポンプ入力は不要である。装置に対
する全入力の効果は、レベルが関連した１以上の光出力
を提供することであり、それは入力のレベルによって決
定される。このようにしてカバーされた機能は以下のも
のを含んでいる： しきい値化：単一の入力ビームは入力レベルが臨界値を
越えた場合にのみ高い出力を生成する； 制限：出力レベルは入力に関係なく、ある設定値より低
く制限されている； ２進（またはそれより高い）論理動作：多数の入力は異
なるデータチャンネル上の信号間の関係によって決定さ
れた出力を供給する； 双安定化：入力信号の最も新しいヒストリィは出力を決
定する役目を果たす。
上記の本発明の特定の実施例の説明において、InP材
料系が使用されている。これおよびAlGaAs/GaAs材料系
は、現在光・電気装置に対する最進のものであり、本発
明はいずれの材料系において実現できることが有効であ
る。しかしながら、本発明が基礎とする透明状態での非
線形性は、全ての直接バンドギャップ半導体材料で観察
可能である。
料系が使用されている。これおよびAlGaAs/GaAs材料系
は、現在光・電気装置に対する最進のものであり、本発
明はいずれの材料系において実現できることが有効であ
る。しかしながら、本発明が基礎とする透明状態での非
線形性は、全ての直接バンドギャップ半導体材料で観察
可能である。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平３−154031（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−5027（ＪＰ，Ａ)
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．,
1991年，Ｖｏｌ．59，Ｎｏ．６，635−
637
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G02F 1/35
H01S 5/00
Claims (12)
- 【請求項１】光通信システムのデータ動作において使用
するための非線形能動光半導体スイッチング装置におい
て、 光パルスを受信するための入力と、 該受信したパルスの少くとも一部の出力用の出力と、 該入力と該出力との間にあって、光学的長さを有する能
動領域と、 前記能動領域のバンドギャップ等価波長より短い光ポン
プ放射を前記能動領域に入力する光ポンプ入力手段と、 使用時に該能動領域に電気的バイアスをかけて該能動領
域を該光ポンプ放射に関して実質的に透明に設定するよ
うにして、誘導放出と誘導吸収とが該光ポンプ放射の波
長で実質的に平衡がとれるようにし、該光ポンプが該能
動領域と、該関係している光学的長さとに影響を与える
結果をもたらすよう構成されている光利得制御手段とを
備えており、 該光半導体装置は、受信した光パルスが装置出力で出力
される第一の状態と、受信した光パルスが装置出力で出
力されないか、第一の状態にあるときよりも小さな振幅
で出力される第二の状態とを有しており、また、 該能動領域は、使用時に該光ポンプ放射に起因する光学
的長さの変化が該半導体スイッチング装置か第一と第二
との状態の一方から他方へ切替るようにさせることがで
きるようにされている装置。 - 【請求項２】前記能動領域は、量子井戸（ウェル）能動
領域を含んでいる請求項１記載の装置。 - 【請求項３】前記量子井戸能動領域は、歪みを与えられ
た材料を含んでいる請求項２記載の装置。 - 【請求項４】光学利得制御手段は、前記能動領域に入力
された駆動電流を含んでいる請求項１記載の装置。 - 【請求項５】装置中の前記光信号の伝送は、装置中の光
信号の通った光路の位置に関して制御される請求項１記
載の装置。 - 【請求項６】さらに導波体構造を含み、能動領域が前記
導波体構造に含まれており、前記導波体構造は１以上の
入力および２以上の出力を有する方向性結合器を具備
し、前記結合器に入力されたデータ搬送光信号が前記出
力のうちの選択された１つから出力するように２以上の
光路のうちの１つを通過し、前記通路の１つは前記能動
領域を含み、前記光ポンプ放射線は光信号が出力するの
が前記出力のどれかを決定するように能動領域に選択的
に供給される請求項１記載の装置。 - 【請求項７】前記データ搬送光信号は多数の時分割多重
化データチャンネルを含んでおり、光信号の光路から１
以上の前記多数のデータチャンネルをそらして、そらさ
れたチャンネルが光信号のそらされていないチャンネル
に関して方向性結合器の異なる出力から出力されるよう
に光ポンプ放射線を間欠的に供給する手段をさらに具備
している請求項６記載の装置。 - 【請求項８】前記供給手段はデータ搬送光信号のクロッ
ク速度で光ポンプ放射線を変調するように構成されてお
り、その波長が前記信号の波長と異なっているため、デ
ータ搬送光信号は光ポンプ放射線の波長に変換され、変
換されたデータ搬送光信号および光ポンプ放射線が前記
方向性結合器の異なる出力から出力される請求項７記載
の装置。 - 【請求項９】装置中の前記光信号の伝送は、装置中の光
信号の位相に関して制御される請求項１記載の装置。 - 【請求項１０】前記位相制御は、制御された位相の変化
を干渉計からの光信号の振幅の変化に変換するように干
渉計において使用される請求項９記載の装置。 - 【請求項１１】能動光学半導体スイッチング装置を動作
する方法であって、該スイッチング装置は光パルスを受
信するための入力と、該受信したパルスの少なくとも一
部の出力用の出力と、該入力と該出力との間にあって、
光学的長さを有する能動領域とを有するものであり、 １）装置の能動領域に光信号を入力 ２）該能動領域のバンドギャップ等価波長より短い波長
で能動領域に光ポンプ放射を入力し、 ３）光ポンプ放射線の波長での誘導放出および誘導吸収
が実質的に等しいように、電気的バイアスを加えること
によって該能動領域の光学利得を調節し、 ４）該装置の能動領域の屈折率と光学的長さとに影響を
与えるために光ポンプ放射を利用することによって、該
装置出力で出力される受信した光パルスで、振幅を制御
するステップを含んでいる方法。 - 【請求項１２】光データ流からクロック信号を抽出する
ためのクロック抽出装置であって、 （１）該抽出装置は非線形光変調器を組入れた共振空洞
を有する光ファイバレーザと、 （２）使用時には、該光データ流が該光変調器を通って
進み、該光空洞に接続されることができるようにする入
力手段とを備えていて、該レーザが、使用時には、該デ
ータ流によってモードロックされることができるような
構成をとり、さらに、 （３）該モードロックされたレーザにより作られたパル
スが該空洞から取出されることを可能にする出力手段を
備え、該非線形光変調器は、使用時に、増幅器の能動領
域のバンドギャップ等価波長より短い波長を有する光デ
ータ流の放射に対して透明状態にバイアスされる半導体
光増幅器であることを特徴とするクロック抽出装置。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP92308104 | 1992-09-08 | ||
| EP92308104.6 | 1992-09-08 | ||
| PCT/GB1993/001897 WO1994006054A1 (en) | 1992-09-08 | 1993-09-08 | Non-linear semiconductor optical device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08501160A JPH08501160A (ja) | 1996-02-06 |
| JP3421341B2 true JP3421341B2 (ja) | 2003-06-30 |
Family
ID=8211477
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP50702194A Expired - Fee Related JP3421341B2 (ja) | 1992-09-08 | 1993-09-08 | 非線形半導体光学装置 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US5673140A (ja) |
| EP (1) | EP0659284B1 (ja) |
| JP (1) | JP3421341B2 (ja) |
| AU (1) | AU4976593A (ja) |
| CA (1) | CA2143846C (ja) |
| DE (1) | DE69316375T2 (ja) |
| ES (1) | ES2111913T3 (ja) |
| WO (1) | WO1994006054A1 (ja) |
Families Citing this family (38)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU4976593A (en) * | 1992-09-08 | 1994-03-29 | British Telecommunications Public Limited Company | Non-linear semiconductor optical device |
| US5754714A (en) * | 1994-09-17 | 1998-05-19 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor optical waveguide device, optical control type optical switch, and wavelength conversion device |
| FR2759790B1 (fr) * | 1997-02-14 | 1999-03-26 | Alsthom Cge Alcatel | Convertisseur de longueur d'onde de signaux optiques binaires |
| FR2762105B1 (fr) * | 1997-04-10 | 1999-06-11 | Alsthom Cge Alcatel | Convertisseur de longueur d'onde de signaux optiques binaires |
| EP0988578A1 (en) * | 1997-06-13 | 2000-03-29 | Maier Optical Research And Technologies Gmbh | Method and device for switching, amplification, controlling and modulation of optical radiation |
| EP0901245B1 (en) * | 1997-08-27 | 2006-05-17 | Interuniversitair Micro-Elektronica Centrum Vzw | Optical decision circuit and use thereof |
| EP1064750A4 (en) * | 1998-02-25 | 2004-12-08 | Auckland Uniservices Ltd | DEMULTIPLEXING SYSTEM AND METHOD IN OPTICAL COMMUNICATION SYSTEMS |
| JP2996225B2 (ja) * | 1998-03-13 | 1999-12-27 | 日本電気株式会社 | 可飽和吸収型光スイッチ及びその制御方法 |
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| JPWO2002025367A1 (ja) * | 2000-09-21 | 2004-01-29 | 昭和電線電纜株式会社 | 定出力光減衰器及び定出力光減衰方法 |
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