JP3429942B2 - 短光パルス波形整形装置 - Google Patents

短光パルス波形整形装置

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JP3429942B2
JP3429942B2 JP04407496A JP4407496A JP3429942B2 JP 3429942 B2 JP3429942 B2 JP 3429942B2 JP 04407496 A JP04407496 A JP 04407496A JP 4407496 A JP4407496 A JP 4407496A JP 3429942 B2 JP3429942 B2 JP 3429942B2
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
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  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光伝送システム,
光交換システムで用いる短光パルスの雑音を除去した
り、波形を整形する装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体の吸収飽和効果を用いた可飽和吸
収素子は、短光パルスの波形整形や雑音除去に用いるこ
とができる。半導体の吸収飽和効果とは、バンド端近く
のエネルギーの光を半導体に入射した場合、入射光強度
が増加すると吸収率(透過率)が非線形的に減少(増
加)する性質のことであり、これは吸収により発生した
電子正孔対がバンド内の状態占有率を上昇させ、吸収端
が高エネルギー側にシフトするバンドフィリング効果に
よって生ずる。したがって、光パルスの無い場合、微弱
な雑音成分は可飽和吸収素子に吸収されるが、ある強度
以上の光パルスが入射されると、その光パルスは可飽和
吸収素子を透過することになる。その結果、可飽和吸収
素子を短光パルスの波形整形や雑音除去に用いることが
できる。しかし、この半導体可飽和吸収素子の短光パル
スに対する透過率の時間特性を見ると、光を吸収し吸収
率が低下するパルスの立ち上がり時には、ピコ秒程度の
十分高速な応答を見せるが、光パルスの立ち下がり時、
すなわち光強度が弱くなり、吸収率が元の値まで回復す
るときに要する時間はキャリア(電子および正孔)寿命
時間程度の時間を要する。その様子を模式的に示したの
が図11である。図11(a)は光パルス強度の時間変
化を、同図(b)は可飽和吸収素子の吸収係数の時間変
化を表したものである。したがって、キャリア寿命時間
以下のパルス幅を持つ信号に対しては、波形整形や雑音
除去を完全に行なうことができない。従来のアプローチ
はキャリア寿命時間を短くする方法として、不純物,欠
陥等を吸収層に導入する方法や、また、逆バイアスを印
加しキャリアを引き抜く方法、吸収領域で生じたキャリ
アをトンネル現象により引き抜く方法、等様々な手法が
提案されているが、ピコ秒程度の光パルスに十分応答す
るような高速性は実現されていない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来の可
飽和吸収素子は一度吸収飽和状態になった後、吸収率が
元の値まで回復するのに要する時間はキャリア寿命時間
で制限されるという欠点があった。したがって、このよ
うな可飽和吸収素子ではキャリア寿命時間以下のパルス
幅を持つ信号に対しては、波形整形や雑音除去を完全に
行なうことができないという欠点があった。
【0004】本発明の目的は、上述した、光パルス幅が
キャリア寿命時間以下のピコ秒程度に短い光信号パルス
列の雑音除去や波形整形を効果的に行うことができる短
光パルス波形整形装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明による短光パルス波形整形の装置は、可飽和
吸収素子と、短光パルスよりなる入力信号パルス光を該
可飽和吸収素子に入射させる手段と、該入力信号パルス
光によって該可飽和吸収素子内に生成された励起状態に
ある電子の消滅を誘導放出により促進させるために該入
力信号パルス光の波長より長い波長の第2の光を該可飽
和吸収素子に入射させる手段と、該可飽和吸収素子から
波形整形された該入力信号パルス光を取り出す手段とを
備えた構成を有している。
【0006】
【発明の実施の形態】本発明では、キャリア寿命時間で
制限される可飽和吸収素子の吸収回復時間の高速化を図
り、光パルス幅がピコ秒程度に短い光信号パルス列の雑
音除去や波形整形を効果的に行なう。
【0007】次に、本発明の原理を詳細に説明する。図
1(a)は、本発明に用いる可飽和吸収素子に入射する
信号パルス光強度と信号パルス光より波長の長い別の光
(アシスト光)の強度の時間変化を、同図(b)は可飽
和吸収素子の吸収係数の時間変化を表した模式図であ
る。
【0008】図2は、本発明において信号パルス光とア
シスト光を照射することを特徴とする可飽和吸収素子の
吸収層の伝導帯の電子のエネルギー分布を時系列で示し
た模式図である。ここで、図1と図2における添字は、
それぞれ(A):信号パルス光が入射前、(B):信号
パルス光入射時、(C):信号パルス光立ち下がり直
後、(D):アシスト光入射時の様子を表している。ま
ず、信号パルス光が入射前の定常状態においては、可飽
和吸収素子の吸収層の伝導帯には電子は少なく{図2
(A)}、十分な吸収係数を持つ状態である{図1
(b)−(A)}。次に、信号パルス光が入射時には、
信号パルス光は吸収層で吸収され、信号パルス光に相当
するエネルギーの電子密度が急激に増加し{図2
(B)}、吸収係数は急激に低下する{図1(b)−
(B)}。これはスペクトルホールバーニングと呼ばれ
るが、このスペクトルホールバーニングはバンド内遷移
によって熱平衡状態の分布に100フェムト秒程度で緩
和し、図2(C)に示す分布となる。しかしこの時のキ
ャリア密度は信号パルス光が入射前のキャリア密度に比
べて増大したままで、吸収係数も低下したままである。
この増大したキャリア密度が信号パルス光が入射前の定
常キャリア密度に戻るには数100ピコ秒程度のキャリ
ア寿命時間を要する。一方、図2(C)の状態はキャリ
ア密度が定常状態より大きく増大しているため、擬フェ
ルミレベルが上昇し、擬フェルミレベル以下のエネルギ
ーの光に対しては利得を持つ。したがって、このとき信
号パルス光より波長の長い光(アシスト光)をさらに入
射すると誘導放出が生じる。この誘導放出に伴うキャリ
ア密度の減少は100フェムト秒程度の応答速度を持つ
ので、図2(D)のようにキャリア密度が急激に減少
し、さらにバンド内緩和によって定常状態の熱平衡分布
{図2(A)}に急速に戻る。このように誘導放出とバ
ンド内緩和の応答速度で、可飽和吸収素子は吸収回復を
達成することができる。
【0009】以上のように、一度吸収飽和状態になった
後、吸収率が元の値まで回復するのに要する時間は、従
来の可飽和吸収素子ではキャリア寿命時間で制限されて
いたが、本発明によればキャリア寿命時間以下にするこ
とができる。したがって、本発明により、光パルス幅が
ピコ秒程度に短い光信号パルス列の雑音除去や波形整形
を効果的に行なうことができる。
【0010】以上では、本発明の原理ならびに従来技術
との相違点を明確に説明するため、アシスト光は信号パ
ルス光の直後にパルス状に照射する場合について説明し
たが、アシスト光は連続(CW)光として常時照射して
おいても同様の効果が得られる。図3は、可飽和吸収素
子に入射する信号パルス光強度と連続したアシスト光強
度の時間変化(a)および吸収係数の時間変化(b)を
示した模式図である。
【0011】図4は、アシスト光として連続光を照射し
た場合の本発明による可飽和吸収素子の吸収層の伝導帯
の電子のエネルギー分布を示した模式図である。この場
合、定常状態{図4(A)}においてもアシスト光によ
る吸収のため、吸収層におけるキャリア密度は光を照射
しない状態{図2(A)}に比べて増加しているが、ア
シスト光のエネルギーは信号パルス光のエネルギーより
小さいため、信号パルス光に対しては吸収飽和は起こし
ていない。したがって、図4(B),(C)に示すよう
に、信号パルス光が入射時には信号パルス光が吸収さ
れ、スペクトルホールバーニングが生じ、その後、バン
ド内遷移によって熱平衡状態の分布に100フェムト秒
程度で緩和するのは、アシスト光が照射されていない場
合とほぼ同様である。このとき、擬フェルミレベルがア
シスト光のエネルギー以上に上昇するが、アシスト光に
よる誘導放出のため、図4(D)のようにキャリア密度
が急激に減少し、さらにバンド内緩和によって定常状態
の熱平衡分布{図4(A)}に戻る。この誘導放出に伴
うキャリア密度の減少は100フェムト秒程度の応答速
度を持ち、この応答速度で、可飽和吸収素子は吸収回復
することができる。このときの可飽和吸収素子の吸収係
数の時間変化を示したのが図3(b)である。
【0012】このように、本発明により光パルス幅がピ
コ秒程度に短い光信号パルス列の雑音除去や波形整形を
効果的に行なうことができる。この様子を模式的に示し
たのが図5である。図5(a)は、実際の入力信号波形
を表したものであり、信号パルス光に雑音成分が重畳し
ている。図5(b)は従来の可飽和吸収素子の出力信号
波形を表したものであり、信号パルス光が入力する前の
雑音は除去するが、信号パルス光の直後は吸収率が回復
しないため、雑音は除去できない。一方、図5(c)は
本発明によるアシスト光を照射した可飽和吸収素子の出
力信号であり、パルスの前後の雑音は完全に除去された
ような状態になる。また、信号パルス光の裾の部分も吸
収され、波形整形をほぼ完全に行うことができる。以上
が、本発明の原理および作用である。
【0013】
【実施例1】以下に本発明の実施例を詳細に説明する。
図6は本発明の実施例である光パルス波形整形装置の構
成を模式図で示したものである。禁制帯幅が入力信号光
のエネルギーより小さい吸収層と該吸収層の禁制帯幅よ
りも大なる禁制帯幅を有する半導体層で該吸収層を挟ん
だ多重ヘテロ構造の半導体可飽和吸収素子11に、入力
信号パルス光1と半導体レーザ12から発生されたアシ
スト光2が光カップラ13で合波され入射される。可飽
和吸収素子11からの出射光は、信号パルス光のみを通
すバンドパスフィルタ14によってフィルタリングされ
出力信号パルス光3となる。信号パルス光は、波長が
1.55μm、ビットレートが10Gbps、パルス幅
が20psの光ソリトン波(平均レベル0dBm)であ
る。実際の入力信号は、入力信号パルス光1に雑音成分
が重畳しており、雑音レベルはパルス光の尖頭レベルに
対してー15dBのレベルにある。アシスト光2は信号
パルス光のエネルギーより10meV小さい波長1.5
7μmのCW光(ー7dBm)を半導体レーザ12より
発生させ、光ファイバ、光カップラ13を通して信号パ
ルス光1と合波し、可飽和吸収素子11に入力する。可
飽和吸収素子11は禁制帯幅波長が(1.58μm)の
InGaAs/InGaAsP10層の多重量子井戸で
吸収層が形成されている導波路型素子で、素子長200
μmである。両端面は反射防止膜がコーティングされて
いる。
【0014】以下に、これらの合波された光が入射され
た可飽和吸収素子11中で時間とともに変化する吸収率
について説明する。入射光の時間変化は図3に示したも
のと同一である。まず、信号パルス光1が入る前、すな
わち(A)の状態では、アシスト光2による吸収が定常
的に生じているが、アシスト光2より波長の短い信号光
に重畳されている低レベルの雑音成分は可飽和吸収素子
11によって十分吸収される。これが、雑音除去機能で
ある。次に、信号パルス光1の立ち上がりにおいては光
強度が大きくなったところ(B)で可飽和吸収素子11
の吸収係数は低下し、信号パルス光1は透過するように
なる。このとき、光強度が小さい光パルスの裾は十分吸
収されるため、透過パルスの立ち上がりは、入力信号パ
ルス光1に比べて急峻となる。これが、波形整形機能で
ある。次に、光パルスの立ち下がり直後(C)は、吸収
飽和状態になった可飽和吸収素子11の吸収係数は低下
したままであるので、パルス立ち下がり部は透過する。
その後(D)、残存キャリアがアシスト光2による誘導
放出によって急激に減少し、吸収率が回復する。その結
果、入力信号パルス光1に重畳されている雑音成分は再
び吸収されることになる。可飽和吸収素子11からは入
力信号パルス光1とアシスト光2の2波長の光が出力さ
れるため、バンドパスフィルタ14によって、信号パル
ス光のみを選択する。その結果、最終的な出力信号パル
ス3は、アシスト光成分を含まない信号パルス光が得ら
れた。また、雑音レベルは、パルス光の尖頭レベルに対
して−22dBとなり、入力信号パルス光1に比べて7
dB低下させることができた。
【0015】本発明の構成によれば、可飽和吸収素子の
吸収率の回復はピコ秒程度であり、光パルス幅がピコ秒
程度に短い光信号パルス列の雑音除去や波形整形を効果
的に行なうことができる。さらに、本発明による短光パ
ルス波形整形装置で、30km間隔で光増幅器を配した
全長9000kmの20Gbpsソリトン伝送実験にお
いて、各光増幅器の後ろに挿入したところ、受信端での
信号対雑音比(S/N)は短光パルス波形整形装置を用
いない場合と比べて、3dB向上した。その結果、ビッ
ト誤り率を10-15 から10-22 と飛躍的に向上させる
ことができた。
【0016】
【実施例2】図7は本発明による第2の実施例である光
パルス波形整形装置の構成を模式図で示したものであ
る。アシスト光の照射方法が異なる以外は、第1の実施
例と同一の構成である。ここで、アシスト光4は1.5
7μmの半導体レーザアレイ15を光源とし、レンズで
集光し可飽和吸収素子11の吸収層に素子上部より照射
する。この場合、実施例1のように信号パルス光と合波
する必要はなくなる。本実施例の作用や効果は第1の実
施例の場合と同じである。
【0017】
【実施例3】図8は本発明による第3の実施例における
光パルス波形整形装置の構成図を模式図的に示したもの
である。半導体可飽和吸収素子11に電流を注入できる
ように直流電源16が接続されていること以外は第1の
実施例と同一の構成である。ここで、半導体可飽和吸収
素子11には5mAの直流電流を流している。この場
合、信号光が入射していなくても電流注入によるキャリ
ア増加によりアシスト光に対して誘導放出が生じてお
り、入射信号光の吸収によって生じた過剰キャリアは第
1の実施例(電流注入を行わない例)より速く誘導再結
合により消失し、吸収回復が達成される。
【0018】本実施例で、波長1.55μm,100f
sのパルス幅をもつ光パルスを用いたポンプ・プローブ
測定を行って得られた吸収係数の時間変化を図9に示
す。アシスト光波長は1.575μmである。吸収回復
時間は少なくとも測定系の分解能で制限される500f
s以下で達成されていることがわかる。
【0019】図10は可飽和吸収素子の吸収層の伝導帯
の電子分布を示した模式図である。前述したように、信
号光パルス1が入る前、すなわち(A)の状態において
も、可飽和吸収素子11の吸収量は電流注入によるキャ
リア増加によって電子および正孔の擬フェルミレベルが
上昇する。さらに、両擬フェルミエネルギーの差がアシ
スト光のエネルギーを越えるまで上昇すると誘導放出が
生じることとなる。〔図10(A)〕。このとき、アシ
スト光2より波長の短い信号光に重畳されている低レベ
ルの雑音成分は可飽和吸収素子11によって十分吸収さ
れるのは実施例1と同様である。次に、信号パルス光1
の立ち上がりにおいては光強度が大きくなったところ
(B)で可飽和吸収素子11が吸収飽和となり、光パル
スが透過することも実施例1と同様である。ここで、信
号パルス光によって生成した過剰キャリアは信号パルス
光より低いエネルギー光であるアシスト光の誘導放出に
よって急激に減少し、吸収率が回復する。実施例1との
違いは、アシスト光の誘導放出が常時起こっているため
吸収回復が数100fs以下と非常に速く達成されるこ
とである。
【0020】以上の実施例では、可飽和吸収素子の吸収
層に一般的な多重量子井戸構造を用いたが、本発明は可
飽和吸収素子の構造に依存することなく、あらゆる種類
の可飽和吸収素子に応用することが可能である。たとえ
ば、井戸層厚を交互に変化させ積層した多重量子井戸構
造や、量子井戸構造や量子細線、量子箱といった低次元
量子構造を吸収層とした可飽和吸収素子を用いることが
できる。また、実施例では導波路型構造の例を用いた
が、面型構造を用いることもできる。さらに、可飽和吸
収素子の材料として1.5μm帯InGaAsP系半導
体を用いたが、その他のIII-V 系半導体、II-VI 系半導
体にも簡単に応用できる。これら半導体材料は格子整合
系のみならず、格子不整合の材料を用いることもでき
る。光信号波長も現在光伝送及び光交換等で広く用いら
れている0.8ミクロン帯や、1.3μm,1.5μm
帯の他、それらの半導体で吸収及び増幅が可能な波長帯
であれば任意の波長帯で、本発明を適用することが可能
である。また、アシスト光の波長は、入力信号パルス光
より波長が長く、かつ入力信号パルス光により可飽和吸
収素子内に発生した伝導帯の電子および価電子帯の正孔
によって上昇した電子および正孔の擬フェルミレベル間
のエネルギーに対応する光の波長より長く、さらに禁制
帯幅で規定されるバンド端のエネルギー波長より短い波
長であるようにすることができる。さらに、アシスト光
の強度は、このアシスト光の入射によって該可飽和吸収
素子の励起状態にある電子および正孔の擬フェルミレベ
ルを下降させる光強度であるようにすることができる。
また、第2の実施例で示したようにアシスト光は信号パ
ルス光と独立に照射することが可能で、可飽和吸収素子
の出力側や、横から照射してもよい。
【0021】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、一度吸収飽
和状態になった後、吸収率が元の値まで回復するのに要
する時間は、従来の可飽和吸収素子ではキャリア寿命時
間で制限され、数100ピコ秒程度であった。本発明に
よればキャリア寿命時間を大きく下まわる100フェム
ト秒程度にすることができる。したがって、本発明によ
り光パルス幅がピコ秒程度に短い光信号パルス列の雑音
除去や波形整形を完全に行なうことができ、実用的効果
は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明により可飽和吸収素子に入射する信号パ
ルス光強度と信号パルス光より波長の長い別の光(アシ
スト光)の強度の時間変化(a)および可飽和吸収素子
の吸収係数の時間変化(b)を示した模式図である。
【図2】本発明により信号パルス光とアシスト光を照射
する可飽和吸収素子の吸収層の伝導帯の電子のエネルギ
ー分布を時系列で示した模式図である。
【図3】本発明によりCWアシスト光を照射した場合の
可飽和吸収素子に入射する信号パルス光強度とアシスト
光強度の時間変化(a)および可飽和吸収素子の吸収係
数の時間変化(b)を示した模式図である。
【図4】本発明によりCWアシスト光を照射した場合の
可飽和吸収素子の吸収層の伝導帯の電子のエネルギー分
布を時系列で示した模式図である。
【図5】雑音の重畳した信号を従来の可飽和吸収素子と
本発明による可飽和吸収素子に入力したときの出力信号
波形を示した模式図である。
【図6】本発明による第1の実施例の構成を示す模式図
である。
【図7】本発明による第2の実施例の構成を示す模式図
である。
【図8】本発明による第3の実施例の構成を示す模式図
である。
【図9】図8の実施例における吸収係数の時間変化を示
す波形図である。
【図10】図8の実施例における吸収層の伝導帯の電子
分布を示した模式図である。
【図11】従来の可飽和吸収素子に入射する信号パルス
光強度の時間変化特性図(a)、および吸収係数の時間
変化特性図(b)である。
【符号の説明】
1 入力信号パルス 2 アシスト光 3 出力信号パルス 4 アシスト光 5 出力信号パルス 11 可飽和吸収素子 12 半導体レーザ 13 光カップラ 14 バンドパスフィルタ 15 半導体レーザアレイ 16 直流電源
フロントページの続き (56)参考文献 J.Dubard et al,Ul trafast absorption recovery due to s timulated emission in GaAs/AiGaAs mu ltiple quantum wel ls,Applied Physics Letters,1987年 3月30日, vo.150,no.13,P821−823 N.N Ageeva et al, The Reversible Thr eshold Bleaching i n Gallium Arsenide Crystals under Ir radiation,ICONO’91 Mode−Locked Lasers and Ultrafast Phe nomena,1991年 9月24日,vo l.1842,P.70−82 N.Peyghambarian, S.W.Koch,Femtoseco nd and coherent ef fects in bulk CdSe and CdSexS1−x dop ed glasses,Revue d e Physique Appliqu ee,1987年12月,vol.22,no. 12,P1711−1715 A.P.Alvisatos et al,Electronic stat es of semiconducto r clusters:Homogen eous and inhoogene ous broadening,Jou rnal of Chemical P hysics,1988年10月 1日,vo l89,no.7,P4001−4011 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/29 - 7/00

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 可飽和吸収素子と、短光パルスよりなる
    入力信号パルス光を該可飽和吸収素子に入射させる手段
    と、該入力信号パルス光によって該可飽和吸収素子内に
    生成された励起状態にある電子の消滅を誘導放出により
    促進させるために該入力信号パルス光の波長より長い波
    長の第2の光を該可飽和吸収素子に入射させる手段と、
    該可飽和吸収素子から波形整形された該入力信号パルス
    光を取り出す手段とを備えた短光パルス波形整形装置。
  2. 【請求項2】 前記第2の光がパルス光であることを特
    徴とする請求項1に記載の短光パルス波形整形装置。
  3. 【請求項3】 前記第2の光が連続光であることを特徴
    とする請求項1に記載の短光パルス波形整形装置。
  4. 【請求項4】 該可飽和吸収素子が半導体可飽和吸収素
    子であることを特徴とする請求項1に記載の短光パルス
    波形整形装置。
  5. 【請求項5】 該可飽和吸収素子が半導体可飽和吸収素
    子であり、前記第2の光の波長が、該入力信号パルス光
    より波長が長く、かつ該入力信号パルス光により該可飽
    和吸収素子内に発生した伝導帯の電子および価電子帯の
    正孔によって上昇した電子および正孔の擬フェルミレベ
    ル間のエネルギーに対応する光の波長より長く、さらに
    禁制帯幅で規定されるバンド端のエネルギー波長より短
    い波長であることを特徴とする請求項1に記載の短光パ
    ルス波形整形装置。
  6. 【請求項6】 該可飽和吸収素子が半導体可飽和吸収素
    子であり、 前記第2の光の強度が、該第2の光の入射によって該可
    飽和吸収素子の励起状態にある電子および正孔の擬フェ
    ルミレベルを下降させる光強度であることを特徴とする
    請求項1に記載の短光パルス波形整形装置。
  7. 【請求項7】 該可飽和吸収素子が半導体可飽和吸収素
    子であり、 該入力信号パルス光を該可飽和吸収素子に入射させる手
    段および該第2の光を該可飽和吸収素子に入射させる手
    段とが一つの光カップラにより構成され、該カップラに
    該入力信号と該第2の光を入射し、該カップラの出射光
    を該可飽和吸収素子に入射させるように構成されている
    ことを特徴とする請求項1に記載の短光パルス波形整形
    装置。
  8. 【請求項8】 該可飽和吸収素子が面型の半導体可飽和
    吸収素子であり、該入力信号パルス光と該第2の光が2
    方向から該可飽和吸収素子へ入射されるように構成され
    たことを特徴とする請求項1に記載の短光パルス波形整
    形装置。
  9. 【請求項9】 該可飽和吸収素子から波形整形された該
    入力信号パルス光を取り出す手段には、該可飽和吸収素
    子から出射する該入力信号パルス光と該第2の光とから
    該入力信号パルス光のみを分離して取り出すための光フ
    ィルタを有することを特徴とする請求項1に記載の短光
    パルス波形整形装置。
  10. 【請求項10】 前記可飽和吸収素子に電流を注入させ
    る手段を備えたことを特徴とする請求項1乃至9のいず
    れかに記載の短光パルス波形整形装置。
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