JP3778826B2 - 光制御素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光制御素子に関し、より詳細には、波長多重光ネットワークにおいて、任意波長の入力光の強度に応じて他の入力光を変調する光制御素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複数の異なる波長の光信号を伝送する光伝送システムとして、前記複数の異なる波長の光信号を１本の光ファイバに結合して伝送する、波長多重を利用した光伝送システム（ＷＤＭシステム）が知られている。このＷＤＭシステムでは、１対１の伝送のみならず、ネットワーク化に関する技術の開発が急速に進みつつある。
【０００３】
ネットワーク化に対応可能なＷＤＭシステムにおいては、光ファイバを伝送する光信号の波長を同一または異なる波長へと変換する、いわゆる波長変換を行う光制御素子が重要になってくる。
【０００４】
図１は、従来の光制御素子として採用されている波長変換回路の構成を示す。この波長変換回路は、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier、ＳＯＡ）１０１と、このＳＯＡ１０１の両側に設けられたＭＭＩカプラ（マルチモード干渉カプラ）１０２、１０３と、このＭＭＩカプラ１０２、１０３の間に設けられたループ型干渉回路１０９とから構成されている。
【０００５】
この波長変換回路の動作原理について説明する。波長λｊの連続光（ＣＷ光）１０５が、ＭＭＩカプラ１０３のポート１１１に入射し、ＭＭＩカプラ１０３により２つに分岐した後、ループ型干渉回路１０９へと導かれる。このループ型干渉回路１０９では、ＭＭＩカプラ１０３からＳＯＡ１０１に至る一方の回路長は、ＭＭＩカプラ１０３からＳＯＡ１０１に至る他方の回路長に比較して、ΔＬだけ長くなるように設計されている。
【０００６】
ＭＭＩカプラ１０３により分岐した波長λｊの２つの連続光は、各々、右回りの光１０７又は左回りの光１０６としてループ型干渉回路１０９を一周した後にＭＭＩカプラ１０３で合波され、ポート１１１から出射される。
【０００７】
一方、この波長変換回路に、波長λｉの信号光１０４をＭＭＩカプラ１０２から入射しＳＯＡ１０１へと導くと、信号光１０４による誘導放出が生じ、キャリア密度が減少する。このキャリア密度の減少に対応して、ＳＯＡ１０１内の屈折率が変化する。ループ型干渉回路１０９中を導波する波長λｊの連続光は、ＳＯＡ１０１内を通過する際に、この屈折率変化の影響を受けて位相が変化する。
【０００８】
波長λｉの信号光１０４は、ＭＭＩカプラ１０２とＳＯＡ１０１との間の導波路長に対応するタイムラグΔｔ後に、ＳＯＡ１０１中のキャリア密度の減少に伴って屈折率が変化する。
【０００９】
ループ型干渉回路１０９中を導波中に、屈折率が変化したＳＯＡ１０１内を通過する波長λｊの連続光は位相が変化し、その位相変化量は、一旦、急峻に立ち上がり、その後ＳＯＡ１０１内のキャリア濃度が熱平衡状態に回復するのに伴って、元の位相へと戻る。
【００１０】
図２は、波長変換回路の動作原理を説明するための図である。
【００１１】
ここで、図２（ａ）は、図１に示したループ型干渉回路１０９中を導波してＭＭＩカプラ１０３に入射する波長λｊの連続光の位相変化の様子を説明するための図であり、この図に示すように、この場合の位相変化量の時間依存性は、右回りの光１０７、左回りの光１０６ともに同様の振る舞いを示すが、右回りの光１０７は、ＳＯＡ１０１とＭＭＩカプラ１０３の間の導波路長に対応する伝播時間Δｔ’後にＭＭＩカプラ１０３に入射する。左回りの光１０６は、右回りの光１０７に比較して、ＳＯＡ１０１を通過してからＭＭＩカプラ１０３に入射するまでに伝播する回路長がΔＬだけ長いため、この回路長差ΔＬに対応する伝播時間差Δτだけ遅れてＭＭＩカプラ１０３へと入射することになる。その結果、ＭＭＩカプラ１０３に入射する波長λｊの連続光の、右回りの光１０７の位相変化の立上がり時刻と左回りの光１０６の位相変化の立上がり時刻が、Δτだけずれることになる。同一の波長λｊをもつこれらの２つの連続光は、ＭＭＩカプラ１０３中で干渉するが、時間間隔Δτの間だけ互いの位相が異なっており、その後は両者の位相はほぼ一致している。
【００１２】
図２（ｂ）は、図１に示したポート１１０から出射される波長λｊの連続光の光強度変化の様子を説明するための図であり、図２（ａ）に示した位相変化をなす左回りの光１０６と右回りの光１０７とがＭＭＩカプラ１０３内で干渉した後に、互いの位相が異なっている時間間隔Δτの間だけポート１１０から出射される、波長λｊの連続光の光強度Ｐの時間変化を示す図である。この図において、横軸は、波長λｉの信号光１０４が、ＭＭＩカプラ１０２に入射した時刻をゼロとした後の経過時間ｔを示している。
【００１３】
図２（ｂ）に示すように、入力した波長λｉの光信号の内容は、波長λｊの光信号へと移り、互いの位相が異なっている時間間隔Δτの間だけ、ポート１１０から出力されることとなる。
【００１４】
このようなループ型干渉回路を有する波長変換回路では、ＳＯＡ１０１中のキャリア濃度の回復に対応して光の位相変化量が漸近的に回復するまでの時間領域のうち、時間間隔Δτ以外の領域における左回りの光１０６と右回りの光１０７の位相変化量は同一であるために、相互に干渉を生じた結果、ＳＯＡ１０１内の屈折率変化の効果はキャンセルされる（キャンセルアウト）ため、高速波長変換が可能となる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１に示したループ型干渉回路を有する波長変換装置を用いた場合には、ＳＯＡ１０１の長さＬＳＯＡがΔＬに比較して充分に短いことが必要であった。
【００１６】
すなわち、右回りの連続光１０７は、信号光１０４と同一方向に伝搬するために、信号光１０４により屈折率が変化した状態でのＳＯＡ１０１内を伝播することとなる。その結果、右回りの連続光１０７は、ＳＯＡ１０１の長さＬＳＯＡ全体にわたり位相変化を受けることとなる。
【００１７】
一方、左回りの連続光１０６は、信号光１０４とは逆方向に伝搬するために、ＳＯＡ１０１内において信号光１０４と出会うまではＳＯＡ１０１内の屈折率変化の影響を受けることがない。従って、左回りの連続光１０６がＳＯＡ１０１に入射してから位相変化量が立上がるまでには、ｔｒ＝２・ＬＳＯＡ／（ｃ／ｎｅｑ）を要する。ここで、ｃは光速、ｎｅｑはＳＯＡの等価屈折率である。
【００１８】
図３は、図１に示した波長変換回路の動作原理を説明するための図である。
【００１９】
ここで図３（ａ）は、ＳＯＡ１０１の長さＬＳＯＡがΔＬと同程度の場合の、ＭＭＩカプラ１０３に入射する波長λｊの連続光の位相変化の様子を示しており、図３（ｂ）は、ポート１１０から出射される波長λｊの連続光の光強度変化の様子を示している。
【００２０】
図３（ａ）に示す通り、右回りの光１０７の位相変化量は、ＭＭＩカプラ１０２とＳＯＡ１０１との間の導波路長、および、ＳＯＡ１０１とＭＭＩカプラ１０３との間の導波路長に対応するタイムラグΔｔ＋Δｔ’後に急峻な立上がりを示す一方、左回りの光１０６の位相変化量は、時間間隔ｔｒに亘るなだらかな立上がりとなる。そのため、右回りの光１０７と左回りの光１０６との干渉の結果としてポート１１０から出射される被変換光の波形は、図３（ｂ）のように変形してしまう。このように、Δτがｔｒよりも小さくなる条件での波長変換動作は事実上不可能であった。
【００２１】
また、Δτとして１０ｐｓ程度を実現するためには
が要求され、ＳＯＡ長ＬＳＯＡを２００μｍ程度以下にする必要があった。光の位相変化量は、伝播する媒質の屈折率変化の絶対値と長さとの積で決まるため、ＬＳＯＡの小さなＳＯＡにおいて所望の位相変化量を得るためには、媒質の屈折率変化の絶対値を大きくせざるを得ず、波長変換のための消費電力（動作パワー）が増大したり、ＳＯＡの飽和により所望の屈折率変化が得られない等の問題が生じていた。
【００２２】
また、図１に示した従来型の波長変換回路においては、入力した波長λｉの信号光が、波長λｊの波長変換出力光と同一のポート１１０から出射されることとなるため、入力光と出力光とを分離する必要が生じ、出力ポートに波長フィルタを設置しなければならなかった。
【００２３】
更に、信号光の波長λｉと被波長変換光の波長λｊとが同一の場合には、波長変換前の光と波長変換後の光を上述した波長フィルタでは分離できず、波長変換前の光が雑音となって出力光に混入してしまい、同一波長変換ができないという問題点もあった。
【００２４】
よって本発明の目的は、このような問題に鑑み、低電力動作を可能にすると共に、波長フィルタが不要であり、かつ、同一波長変換が可能な、高速波長変換機能を有する光制御素子を提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る本発明は、任意波長の第１の入力光の強度に応じて該第１の入力光の波長と同一または異なる波長の第２の入力光を変調する光制御素子として、２つの第１のポートを有し、一方の該第１のポートから入力した前記第２の入力光を第１の方向に向かう分岐光および第２の方向に向かう分岐光に分岐させ、それぞれ２つの第２のポートの一方および他方から出力する第１の光合分岐手段と、前記第１の方向に向かう分岐光を遅延させる遅延手段と、前記第１の入力光と前記遅延手段により遅延を受けた前記第１の方向に向かう分岐光とをそれぞれ入力し、２つのポートに分岐出力させる第２の光合分岐手段と、前記第２の光合分岐手段における前記２つのポートに接続されており、前記第１の入力光の光強度に応じて屈折率が変化する媒質を備えた２つの位相変調手段と、前記位相変調手段を通過した前記第１の入力光を合波処理して第１の出力ポートへ導くと共に、前記位相変調手段を通過した前記第１の方向に向かう分岐光を合波処理して第２の出力ポートに導く第３の光合分岐手段と、を備え、前記第２の出力ポートから出力された前記第１の方向に向かう分岐光を、前記第２のポートの他方に入力することにより、前記第２の方向に向かう分岐光と合波し、前記第１のポートの他方から変調された第２の入力光を出力する光制御素子において、前記位相変調手段は、該媒質の屈折率を制御する手段を備え、前記第２の光合分波手段を介して前記位相変調手段に入力する前記第１の方向に向かう分岐光と、前記第３の光合分波手段を介して前記位相変調手段に入力する前記第２の方向に向かう分岐光との間の位相関係を制御することを特徴とするものである。
請求項２に係る本発明は、請求項１に記載の光制御素子において、前記第１の入力光の光強度に応じて屈折率が変化する媒質として半導体光増幅器を用い、且つ、前記媒質の屈折率を制御する手段として該半導体光増幅器に設けた複数の電極を用いる。
請求項３に係る本発明は、請求項１または２に記載の光制御素子において、前記第２の光合分岐手段と、前記位相変調手段と、前記第３の光合分岐手段とを有する光回路は、対称型マッハツェンダ光回路である。
請求項４に係る本発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の光制御素子において、前記第１の光合分岐手段として、マルチモード干渉カプラあるいは方向性結合器を用いる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図４は、本発明を適用した波長変換回路の構成を示す。この波長変換回路は、フィルタ付き位相変調器４１５と、このフィルタ付き位相変調器４１５とループ型干渉回路４１３により接続されたＭＭＩカプラ４０５とから構成されている。
【００３０】
フィルタ付き位相変調器４１５は、２つのＳＯＡ４０１、４０２を備え、これらのＳＯＡの両側には、それぞれのＳＯＡに接続されたＭＭＩカプラ４０３、４０４が設けられている。
【００３１】
波長λｊの連続光４０７が、ポート４１２からＭＭＩカプラ４０５へと入射し、ＭＭＩカプラ４０５により２つの連続光に分割されてループ型干渉回路４１３へと導かれる。
【００３２】
ＭＭＩカプラ４０５により分割された２つの連続光は、右回りの光４０９および左回りの光４０８に別れてループ型干渉回路４１３を伝播し、フィルタ付き位相変調器４１５を経て、ループ型干渉回路４１３を一周した後、ＭＭＩカプラ４０５で合波されてポート４１２から出射される。
【００３３】
フィルタ付き位相変調器４１５には、フィルタ機能を有する素子として対称型マッハツェンダ回路を採用することとし、その回路は、ＭＭＩカプラ４０３と４０４とが、ＳＯＡ４０１と４０２とを含む２つの導波路（アーム）で結ばれた構成となっている。
【００３４】
一般に、対称型マッハツェンダ回路では、入射した光が、カップラ内で分波され、それぞれ２つの導波路（アーム）を通り、再びカップラで合波され、入射ポートとクロスの位置にある出射ポートに出力される仕組みになっている。本実施例では、マッハツェンダ回路が有するそのような性質を利用してフィルタとして使用している。
【００３５】
波長λｉの信号光４０６を、ポート４１７を介して、フィルタ付き位相変調器４１５内に備えるＭＭＩカプラ４０３に入射させる。入射された信号光４０６は、２つに分割され、各々の信号光はＳＯＡ４０１、４０２を通過し、ＭＭＩカプラ４０４で合波されて、信号光が入射するポート４１７とクロスの位置にあるポート４１４へと抜ける。すなわち、この入力信号光４０６は、マッハツェンダ回路がもつフィルタ機能により、ループ型干渉回路４１３内に入ることはない。
【００３６】
入力信号光４０６がＳＯＡ４０１およびＳＯＡ４０２内を通過する際には、上述した理由によりＳＯＡ４０１およびＳＯＡ４０２内の屈折率が変化する。ループ型干渉回路４１３内を導波している波長λｊの光は、フィルタ付き位相変調器４１５内のＳＯＡ４０１又はＳＯＡ４０２を通過する際に、これらのＳＯＡ内の屈折率変化の影響を受け、図２（ａ）に示したのと同様の位相変化が生じる。
【００３７】
右回りの光４０９は、時刻Δｔにおいて急峻な位相変化をおこし、その後はＳＯＡ内のキャリア濃度の回復速度に応じた時間で元の位相へと戻り、ＭＭＩカプラ４０５に入射する。
【００３８】
左回りの光４０８も同様の位相変化を受けるが、ループ型干渉回路４１３を伝播する回路長差ΔＬに対応する時間Δτだけ、右回りの光４０９に遅れてＭＭＩカプラ４０５へと入射する。その結果、ＭＭＩカプラ４０５中では、右回り、および左回りの光の位相変化が起きる時間が、Δτの間だけずれることになる。
【００３９】
左回りの光４０８と右回りの光４０９とが、ＭＭＩカプラ４０５中で干渉を起こす結果として、図２（ｂ）に示したのと同様に、左回りの光４０８と右回りの光４０９の位相が互いに異なっている時間間隔Δτで、光強度を有する波長λｊの光がポート４１１から出射される。
【００４０】
このように、入力した波長λｉの光信号の内容は、波長λｊの光信号へと移り、ポート４１１から出力されることとなる。
【００４１】
このようなループ型干渉回路を有する波長変換回路では、ＳＯＡ４０１，４０２中のキャリア濃度の回復に対応して光の位相変化量が漸近的に回復するまでの時間領域のうち、時間間隔Δτ以外の領域における左回りの光４０８と右回りの光４０９の位相変化量は同一であるために相互に干渉を生じた結果、ＳＯＡ４０１、４０２内の屈折率変化の効果はキャンセル（キャンセルアウト）されるため、高速波長変換が可能となる。
【００４２】
上述したように、本実施の形態による波長変換回路では、フィルタ付き位相変調器４１５に、フィルタ機能を有する対称型マッハツェンダ回路を採用することとしているので、入力光４０６はポート４１４に抜け、ポート４１１に出力されることはない。すなわち、入力光と出力光を分離するために、出力側のポート４１１に波長フィルタを設置する必要がない。このため、信号光の波長λｉと被波長変換光の波長λｊとが同一の場合でも、波長変換前の光が雑音となって出力光に混入してしまい雑音が生じてしまうという問題が回避される。
【００４３】
本実施の形態においては、高速動作を実現するために、ＳＯＡ４０１および４０２は電極分離構造を有する。従来例として知られているＳＯＡでは、ｐ側およびｎ側それぞれ１電極で構成されるのに対し、本ＳＯＡでは、ｎ基板を用いた場合にはｐ電極を、ｐ基板を用いた場合にはｎ電極を、また半絶縁性基板を用いた場合にはｐｎの電極のうち少なくとも片方を複数有している。
【００４４】
図５は、ｎ基板を用いた場合の本ＳＯＡの構造例を示す。図５中、５０１はｎ−ＩｎＰ基板、５０２はＩｎＧａＡｓＰ活性層、５０３Ａ，５０３Ｂおよび５０４はｐ−ＩｎＰ層、５０５Ａ，５０５Ｂはｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層、５０６Ａ，５０６Ｂはｐ側電極、５０７はｎ側電極、５０８Ａ，５０８Ｂはｎ−ＩｎＰ層である。
【００４５】
図５に示した構造では、ｐ側電極ならびにｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層が分割されており、２つの領域に独立に電流注入することが可能である。換言すると、本実施の形態によるＳＯＡは、図５に示すような２電極構造になっていることから、２つの領域に注入電流レベルを変化させることにより、次のような動作が可能となる。すなわち、本構成ではループ内を右回りの伝搬する光４０９と、左回りに伝搬する光４０８が２電極構造のＳＯＡ４０１，４０２に互いに逆方向から入射し、互いに逆方向に出射される。そのため、２つの領域の注入電流レベルを変化させることにより、ループ内を右回りに伝搬する光４０９と左回りに伝搬する光４０８の飽和特性が変化する。その結果、右回りに伝搬する光４０９と左回りに伝搬する光４０８の位相関係が変化し、ＭＭＩ（３ｄＢ）カプラ４０５中で干渉効果によりポート４１１に出射される被変換光の波形が変化する。
【００４６】
従って、２つの電極５０６Ａ，５０６Ｂに流す電流値を調整することにより、図３（ｂ）に示したような「すそ」を生じない、図２（ｂ）のような出力波形を得ることができる。
【００４７】
なお、上述した実施の形態ではＳＯＡとして図５に示すようなＩｎＧａＡｓＰバルク活性層を用いたｐｎ埋め込み構造のＳＯＡを用いた場合について説明したが、ＳＯＡの活性層に関してはＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ等任意の材質について同様な効果が期待できる。活性層構造に関してもバルク，ＭＱＷ，量子細線，量子ドットを問わず、またＳＯＡの導波路構造に関してもｐｎ埋め込みに限定されるものではなく、リッジ構造，半絶縁埋め込み構造，ハイメサ構造等を用いた場合でも同様な効果が期待できる。
【００４８】
また、上述した実施の形態では、カプラとして、ＭＭＩカプラを用いた例を挙げたが、替わりに、方向性結合器を用いてもよい。また、第１の入力光の光強度に応じて屈折率が変化する媒質からなる構造として、ＳＯＡを用いた例を示したが、ＥＡ変調器等、光強度に応じて屈折率が変化する構造であれば、すべて適用可能である。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、入力信号光と被波長変換光とを分離するに際して、出力側のポートに波長フィルタを設置する必要がなくなる。また、入力信号光の波長λｉと被波長変換光の波長λｊとが同一の場合でも、波長変換前の光が雑音となって出力光に混入してしまい雑音が生じてしまうという問題が回避される。これにより、同一波長変換が可能な高速の波長変換機能を有する光制御素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光制御素子に採用されている波長変換回路の構成を説明するための図である。
【図２】従来の光制御素子に採用されている波長変換回路の動作原理を説明するための図であり、（ａ）は、図１に示した波長変換回路での、ループ型干渉回路１０９中を導波してＭＭＩカプラ１０３に入射する波長λｊの連続光の位相変化の様子を説明するための図、（ｂ）は、図１に示した波長変換回路での、ポート１１０から出射される波長λｊの連続光の光強度変化の様子を説明するための図である。
【図３】従来の光制御素子に採用されている波長変換回路の動作原理を説明するための図であり、（ａ）は、図１に示した波長変換回路において、ＳＯＡ１０１の長さＬＳＯＡがΔＬと同程度の場合の、ＭＭＩカプラ１０３に入射する波長λｊの連続光の位相変化の様子を説明するための図、（ｂ）は、図１に示した波長変換回路において、ポート１１０から出射される波長λｊの連続光の光強度変化の様子を説明するための図である。
【図４】本発明を適用した波長変換回路の構成を説明するための図である。
【図５】ｎ型基板を用いて作成したＳＯＡの構造を説明する図である。
【符号の説明】
１０１ ＳＯＡ
１０２ ＭＭＩカプラ
１０３ ＭＭＩカプラ
１０４ 信号光
１０５ ＣＷ光
１０６ 左回りの光
１０７ 右回りの光
１０８ 出力光（被波長変換光）
１０９ ループ型干渉回路
１１０ ポート
１１１ ポート
４０１ ＳＯＡ
４０２ ＳＯＡ
４０３ ＭＭＩカプラ
４０４ ＭＭＩカプラ
４０５ ＭＭＩカプラ
４０６ 信号光
４０７ ＣＷ光
４０８ 左回りの光
４０９ 右回りの光
４１０ 出力光（被波長変換光）
４１１ ポート
４１２ ポート
４１３ ループ型干渉回路
４１４ ポート
４１５ フィルタ付き位相変調器
４１６ ポート
４１７ ポート
５０１ ｎ−ＩｎＰ基板
５０２ ＩｎＧａＡｓＰ活性層
５０３Ａ，５０３Ｂ ｐ−ＩｎＰ層
５０４ ｐ−ＩｎＰ層
５０５Ａ，５０５Ｂ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層
５０６Ａ，５０６Ｂ ｐ側電極
５０７ ｎ側電極
５０８Ａ，５０８Ｂ ｎ−ＩｎＰ層
【発明の属する技術分野】
本発明は光制御素子に関し、より詳細には、波長多重光ネットワークにおいて、任意波長の入力光の強度に応じて他の入力光を変調する光制御素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複数の異なる波長の光信号を伝送する光伝送システムとして、前記複数の異なる波長の光信号を１本の光ファイバに結合して伝送する、波長多重を利用した光伝送システム（ＷＤＭシステム）が知られている。このＷＤＭシステムでは、１対１の伝送のみならず、ネットワーク化に関する技術の開発が急速に進みつつある。
【０００３】
ネットワーク化に対応可能なＷＤＭシステムにおいては、光ファイバを伝送する光信号の波長を同一または異なる波長へと変換する、いわゆる波長変換を行う光制御素子が重要になってくる。
【０００４】
図１は、従来の光制御素子として採用されている波長変換回路の構成を示す。この波長変換回路は、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier、ＳＯＡ）１０１と、このＳＯＡ１０１の両側に設けられたＭＭＩカプラ（マルチモード干渉カプラ）１０２、１０３と、このＭＭＩカプラ１０２、１０３の間に設けられたループ型干渉回路１０９とから構成されている。
【０００５】
この波長変換回路の動作原理について説明する。波長λｊの連続光（ＣＷ光）１０５が、ＭＭＩカプラ１０３のポート１１１に入射し、ＭＭＩカプラ１０３により２つに分岐した後、ループ型干渉回路１０９へと導かれる。このループ型干渉回路１０９では、ＭＭＩカプラ１０３からＳＯＡ１０１に至る一方の回路長は、ＭＭＩカプラ１０３からＳＯＡ１０１に至る他方の回路長に比較して、ΔＬだけ長くなるように設計されている。
【０００６】
ＭＭＩカプラ１０３により分岐した波長λｊの２つの連続光は、各々、右回りの光１０７又は左回りの光１０６としてループ型干渉回路１０９を一周した後にＭＭＩカプラ１０３で合波され、ポート１１１から出射される。
【０００７】
一方、この波長変換回路に、波長λｉの信号光１０４をＭＭＩカプラ１０２から入射しＳＯＡ１０１へと導くと、信号光１０４による誘導放出が生じ、キャリア密度が減少する。このキャリア密度の減少に対応して、ＳＯＡ１０１内の屈折率が変化する。ループ型干渉回路１０９中を導波する波長λｊの連続光は、ＳＯＡ１０１内を通過する際に、この屈折率変化の影響を受けて位相が変化する。
【０００８】
波長λｉの信号光１０４は、ＭＭＩカプラ１０２とＳＯＡ１０１との間の導波路長に対応するタイムラグΔｔ後に、ＳＯＡ１０１中のキャリア密度の減少に伴って屈折率が変化する。
【０００９】
ループ型干渉回路１０９中を導波中に、屈折率が変化したＳＯＡ１０１内を通過する波長λｊの連続光は位相が変化し、その位相変化量は、一旦、急峻に立ち上がり、その後ＳＯＡ１０１内のキャリア濃度が熱平衡状態に回復するのに伴って、元の位相へと戻る。
【００１０】
図２は、波長変換回路の動作原理を説明するための図である。
【００１１】
ここで、図２（ａ）は、図１に示したループ型干渉回路１０９中を導波してＭＭＩカプラ１０３に入射する波長λｊの連続光の位相変化の様子を説明するための図であり、この図に示すように、この場合の位相変化量の時間依存性は、右回りの光１０７、左回りの光１０６ともに同様の振る舞いを示すが、右回りの光１０７は、ＳＯＡ１０１とＭＭＩカプラ１０３の間の導波路長に対応する伝播時間Δｔ’後にＭＭＩカプラ１０３に入射する。左回りの光１０６は、右回りの光１０７に比較して、ＳＯＡ１０１を通過してからＭＭＩカプラ１０３に入射するまでに伝播する回路長がΔＬだけ長いため、この回路長差ΔＬに対応する伝播時間差Δτだけ遅れてＭＭＩカプラ１０３へと入射することになる。その結果、ＭＭＩカプラ１０３に入射する波長λｊの連続光の、右回りの光１０７の位相変化の立上がり時刻と左回りの光１０６の位相変化の立上がり時刻が、Δτだけずれることになる。同一の波長λｊをもつこれらの２つの連続光は、ＭＭＩカプラ１０３中で干渉するが、時間間隔Δτの間だけ互いの位相が異なっており、その後は両者の位相はほぼ一致している。
【００１２】
図２（ｂ）は、図１に示したポート１１０から出射される波長λｊの連続光の光強度変化の様子を説明するための図であり、図２（ａ）に示した位相変化をなす左回りの光１０６と右回りの光１０７とがＭＭＩカプラ１０３内で干渉した後に、互いの位相が異なっている時間間隔Δτの間だけポート１１０から出射される、波長λｊの連続光の光強度Ｐの時間変化を示す図である。この図において、横軸は、波長λｉの信号光１０４が、ＭＭＩカプラ１０２に入射した時刻をゼロとした後の経過時間ｔを示している。
【００１３】
図２（ｂ）に示すように、入力した波長λｉの光信号の内容は、波長λｊの光信号へと移り、互いの位相が異なっている時間間隔Δτの間だけ、ポート１１０から出力されることとなる。
【００１４】
このようなループ型干渉回路を有する波長変換回路では、ＳＯＡ１０１中のキャリア濃度の回復に対応して光の位相変化量が漸近的に回復するまでの時間領域のうち、時間間隔Δτ以外の領域における左回りの光１０６と右回りの光１０７の位相変化量は同一であるために、相互に干渉を生じた結果、ＳＯＡ１０１内の屈折率変化の効果はキャンセルされる（キャンセルアウト）ため、高速波長変換が可能となる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１に示したループ型干渉回路を有する波長変換装置を用いた場合には、ＳＯＡ１０１の長さＬＳＯＡがΔＬに比較して充分に短いことが必要であった。
【００１６】
すなわち、右回りの連続光１０７は、信号光１０４と同一方向に伝搬するために、信号光１０４により屈折率が変化した状態でのＳＯＡ１０１内を伝播することとなる。その結果、右回りの連続光１０７は、ＳＯＡ１０１の長さＬＳＯＡ全体にわたり位相変化を受けることとなる。
【００１７】
一方、左回りの連続光１０６は、信号光１０４とは逆方向に伝搬するために、ＳＯＡ１０１内において信号光１０４と出会うまではＳＯＡ１０１内の屈折率変化の影響を受けることがない。従って、左回りの連続光１０６がＳＯＡ１０１に入射してから位相変化量が立上がるまでには、ｔｒ＝２・ＬＳＯＡ／（ｃ／ｎｅｑ）を要する。ここで、ｃは光速、ｎｅｑはＳＯＡの等価屈折率である。
【００１８】
図３は、図１に示した波長変換回路の動作原理を説明するための図である。
【００１９】
ここで図３（ａ）は、ＳＯＡ１０１の長さＬＳＯＡがΔＬと同程度の場合の、ＭＭＩカプラ１０３に入射する波長λｊの連続光の位相変化の様子を示しており、図３（ｂ）は、ポート１１０から出射される波長λｊの連続光の光強度変化の様子を示している。
【００２０】
図３（ａ）に示す通り、右回りの光１０７の位相変化量は、ＭＭＩカプラ１０２とＳＯＡ１０１との間の導波路長、および、ＳＯＡ１０１とＭＭＩカプラ１０３との間の導波路長に対応するタイムラグΔｔ＋Δｔ’後に急峻な立上がりを示す一方、左回りの光１０６の位相変化量は、時間間隔ｔｒに亘るなだらかな立上がりとなる。そのため、右回りの光１０７と左回りの光１０６との干渉の結果としてポート１１０から出射される被変換光の波形は、図３（ｂ）のように変形してしまう。このように、Δτがｔｒよりも小さくなる条件での波長変換動作は事実上不可能であった。
【００２１】
また、Δτとして１０ｐｓ程度を実現するためには
【００２２】
また、図１に示した従来型の波長変換回路においては、入力した波長λｉの信号光が、波長λｊの波長変換出力光と同一のポート１１０から出射されることとなるため、入力光と出力光とを分離する必要が生じ、出力ポートに波長フィルタを設置しなければならなかった。
【００２３】
更に、信号光の波長λｉと被波長変換光の波長λｊとが同一の場合には、波長変換前の光と波長変換後の光を上述した波長フィルタでは分離できず、波長変換前の光が雑音となって出力光に混入してしまい、同一波長変換ができないという問題点もあった。
【００２４】
よって本発明の目的は、このような問題に鑑み、低電力動作を可能にすると共に、波長フィルタが不要であり、かつ、同一波長変換が可能な、高速波長変換機能を有する光制御素子を提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る本発明は、任意波長の第１の入力光の強度に応じて該第１の入力光の波長と同一または異なる波長の第２の入力光を変調する光制御素子として、２つの第１のポートを有し、一方の該第１のポートから入力した前記第２の入力光を第１の方向に向かう分岐光および第２の方向に向かう分岐光に分岐させ、それぞれ２つの第２のポートの一方および他方から出力する第１の光合分岐手段と、前記第１の方向に向かう分岐光を遅延させる遅延手段と、前記第１の入力光と前記遅延手段により遅延を受けた前記第１の方向に向かう分岐光とをそれぞれ入力し、２つのポートに分岐出力させる第２の光合分岐手段と、前記第２の光合分岐手段における前記２つのポートに接続されており、前記第１の入力光の光強度に応じて屈折率が変化する媒質を備えた２つの位相変調手段と、前記位相変調手段を通過した前記第１の入力光を合波処理して第１の出力ポートへ導くと共に、前記位相変調手段を通過した前記第１の方向に向かう分岐光を合波処理して第２の出力ポートに導く第３の光合分岐手段と、を備え、前記第２の出力ポートから出力された前記第１の方向に向かう分岐光を、前記第２のポートの他方に入力することにより、前記第２の方向に向かう分岐光と合波し、前記第１のポートの他方から変調された第２の入力光を出力する光制御素子において、前記位相変調手段は、該媒質の屈折率を制御する手段を備え、前記第２の光合分波手段を介して前記位相変調手段に入力する前記第１の方向に向かう分岐光と、前記第３の光合分波手段を介して前記位相変調手段に入力する前記第２の方向に向かう分岐光との間の位相関係を制御することを特徴とするものである。
請求項２に係る本発明は、請求項１に記載の光制御素子において、前記第１の入力光の光強度に応じて屈折率が変化する媒質として半導体光増幅器を用い、且つ、前記媒質の屈折率を制御する手段として該半導体光増幅器に設けた複数の電極を用いる。
請求項３に係る本発明は、請求項１または２に記載の光制御素子において、前記第２の光合分岐手段と、前記位相変調手段と、前記第３の光合分岐手段とを有する光回路は、対称型マッハツェンダ光回路である。
請求項４に係る本発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の光制御素子において、前記第１の光合分岐手段として、マルチモード干渉カプラあるいは方向性結合器を用いる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図４は、本発明を適用した波長変換回路の構成を示す。この波長変換回路は、フィルタ付き位相変調器４１５と、このフィルタ付き位相変調器４１５とループ型干渉回路４１３により接続されたＭＭＩカプラ４０５とから構成されている。
【００３０】
フィルタ付き位相変調器４１５は、２つのＳＯＡ４０１、４０２を備え、これらのＳＯＡの両側には、それぞれのＳＯＡに接続されたＭＭＩカプラ４０３、４０４が設けられている。
【００３１】
波長λｊの連続光４０７が、ポート４１２からＭＭＩカプラ４０５へと入射し、ＭＭＩカプラ４０５により２つの連続光に分割されてループ型干渉回路４１３へと導かれる。
【００３２】
ＭＭＩカプラ４０５により分割された２つの連続光は、右回りの光４０９および左回りの光４０８に別れてループ型干渉回路４１３を伝播し、フィルタ付き位相変調器４１５を経て、ループ型干渉回路４１３を一周した後、ＭＭＩカプラ４０５で合波されてポート４１２から出射される。
【００３３】
フィルタ付き位相変調器４１５には、フィルタ機能を有する素子として対称型マッハツェンダ回路を採用することとし、その回路は、ＭＭＩカプラ４０３と４０４とが、ＳＯＡ４０１と４０２とを含む２つの導波路（アーム）で結ばれた構成となっている。
【００３４】
一般に、対称型マッハツェンダ回路では、入射した光が、カップラ内で分波され、それぞれ２つの導波路（アーム）を通り、再びカップラで合波され、入射ポートとクロスの位置にある出射ポートに出力される仕組みになっている。本実施例では、マッハツェンダ回路が有するそのような性質を利用してフィルタとして使用している。
【００３５】
波長λｉの信号光４０６を、ポート４１７を介して、フィルタ付き位相変調器４１５内に備えるＭＭＩカプラ４０３に入射させる。入射された信号光４０６は、２つに分割され、各々の信号光はＳＯＡ４０１、４０２を通過し、ＭＭＩカプラ４０４で合波されて、信号光が入射するポート４１７とクロスの位置にあるポート４１４へと抜ける。すなわち、この入力信号光４０６は、マッハツェンダ回路がもつフィルタ機能により、ループ型干渉回路４１３内に入ることはない。
【００３６】
入力信号光４０６がＳＯＡ４０１およびＳＯＡ４０２内を通過する際には、上述した理由によりＳＯＡ４０１およびＳＯＡ４０２内の屈折率が変化する。ループ型干渉回路４１３内を導波している波長λｊの光は、フィルタ付き位相変調器４１５内のＳＯＡ４０１又はＳＯＡ４０２を通過する際に、これらのＳＯＡ内の屈折率変化の影響を受け、図２（ａ）に示したのと同様の位相変化が生じる。
【００３７】
右回りの光４０９は、時刻Δｔにおいて急峻な位相変化をおこし、その後はＳＯＡ内のキャリア濃度の回復速度に応じた時間で元の位相へと戻り、ＭＭＩカプラ４０５に入射する。
【００３８】
左回りの光４０８も同様の位相変化を受けるが、ループ型干渉回路４１３を伝播する回路長差ΔＬに対応する時間Δτだけ、右回りの光４０９に遅れてＭＭＩカプラ４０５へと入射する。その結果、ＭＭＩカプラ４０５中では、右回り、および左回りの光の位相変化が起きる時間が、Δτの間だけずれることになる。
【００３９】
左回りの光４０８と右回りの光４０９とが、ＭＭＩカプラ４０５中で干渉を起こす結果として、図２（ｂ）に示したのと同様に、左回りの光４０８と右回りの光４０９の位相が互いに異なっている時間間隔Δτで、光強度を有する波長λｊの光がポート４１１から出射される。
【００４０】
このように、入力した波長λｉの光信号の内容は、波長λｊの光信号へと移り、ポート４１１から出力されることとなる。
【００４１】
このようなループ型干渉回路を有する波長変換回路では、ＳＯＡ４０１，４０２中のキャリア濃度の回復に対応して光の位相変化量が漸近的に回復するまでの時間領域のうち、時間間隔Δτ以外の領域における左回りの光４０８と右回りの光４０９の位相変化量は同一であるために相互に干渉を生じた結果、ＳＯＡ４０１、４０２内の屈折率変化の効果はキャンセル（キャンセルアウト）されるため、高速波長変換が可能となる。
【００４２】
上述したように、本実施の形態による波長変換回路では、フィルタ付き位相変調器４１５に、フィルタ機能を有する対称型マッハツェンダ回路を採用することとしているので、入力光４０６はポート４１４に抜け、ポート４１１に出力されることはない。すなわち、入力光と出力光を分離するために、出力側のポート４１１に波長フィルタを設置する必要がない。このため、信号光の波長λｉと被波長変換光の波長λｊとが同一の場合でも、波長変換前の光が雑音となって出力光に混入してしまい雑音が生じてしまうという問題が回避される。
【００４３】
本実施の形態においては、高速動作を実現するために、ＳＯＡ４０１および４０２は電極分離構造を有する。従来例として知られているＳＯＡでは、ｐ側およびｎ側それぞれ１電極で構成されるのに対し、本ＳＯＡでは、ｎ基板を用いた場合にはｐ電極を、ｐ基板を用いた場合にはｎ電極を、また半絶縁性基板を用いた場合にはｐｎの電極のうち少なくとも片方を複数有している。
【００４４】
図５は、ｎ基板を用いた場合の本ＳＯＡの構造例を示す。図５中、５０１はｎ−ＩｎＰ基板、５０２はＩｎＧａＡｓＰ活性層、５０３Ａ，５０３Ｂおよび５０４はｐ−ＩｎＰ層、５０５Ａ，５０５Ｂはｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層、５０６Ａ，５０６Ｂはｐ側電極、５０７はｎ側電極、５０８Ａ，５０８Ｂはｎ−ＩｎＰ層である。
【００４５】
図５に示した構造では、ｐ側電極ならびにｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層が分割されており、２つの領域に独立に電流注入することが可能である。換言すると、本実施の形態によるＳＯＡは、図５に示すような２電極構造になっていることから、２つの領域に注入電流レベルを変化させることにより、次のような動作が可能となる。すなわち、本構成ではループ内を右回りの伝搬する光４０９と、左回りに伝搬する光４０８が２電極構造のＳＯＡ４０１，４０２に互いに逆方向から入射し、互いに逆方向に出射される。そのため、２つの領域の注入電流レベルを変化させることにより、ループ内を右回りに伝搬する光４０９と左回りに伝搬する光４０８の飽和特性が変化する。その結果、右回りに伝搬する光４０９と左回りに伝搬する光４０８の位相関係が変化し、ＭＭＩ（３ｄＢ）カプラ４０５中で干渉効果によりポート４１１に出射される被変換光の波形が変化する。
【００４６】
従って、２つの電極５０６Ａ，５０６Ｂに流す電流値を調整することにより、図３（ｂ）に示したような「すそ」を生じない、図２（ｂ）のような出力波形を得ることができる。
【００４７】
なお、上述した実施の形態ではＳＯＡとして図５に示すようなＩｎＧａＡｓＰバルク活性層を用いたｐｎ埋め込み構造のＳＯＡを用いた場合について説明したが、ＳＯＡの活性層に関してはＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ等任意の材質について同様な効果が期待できる。活性層構造に関してもバルク，ＭＱＷ，量子細線，量子ドットを問わず、またＳＯＡの導波路構造に関してもｐｎ埋め込みに限定されるものではなく、リッジ構造，半絶縁埋め込み構造，ハイメサ構造等を用いた場合でも同様な効果が期待できる。
【００４８】
また、上述した実施の形態では、カプラとして、ＭＭＩカプラを用いた例を挙げたが、替わりに、方向性結合器を用いてもよい。また、第１の入力光の光強度に応じて屈折率が変化する媒質からなる構造として、ＳＯＡを用いた例を示したが、ＥＡ変調器等、光強度に応じて屈折率が変化する構造であれば、すべて適用可能である。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、入力信号光と被波長変換光とを分離するに際して、出力側のポートに波長フィルタを設置する必要がなくなる。また、入力信号光の波長λｉと被波長変換光の波長λｊとが同一の場合でも、波長変換前の光が雑音となって出力光に混入してしまい雑音が生じてしまうという問題が回避される。これにより、同一波長変換が可能な高速の波長変換機能を有する光制御素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光制御素子に採用されている波長変換回路の構成を説明するための図である。
【図２】従来の光制御素子に採用されている波長変換回路の動作原理を説明するための図であり、（ａ）は、図１に示した波長変換回路での、ループ型干渉回路１０９中を導波してＭＭＩカプラ１０３に入射する波長λｊの連続光の位相変化の様子を説明するための図、（ｂ）は、図１に示した波長変換回路での、ポート１１０から出射される波長λｊの連続光の光強度変化の様子を説明するための図である。
【図３】従来の光制御素子に採用されている波長変換回路の動作原理を説明するための図であり、（ａ）は、図１に示した波長変換回路において、ＳＯＡ１０１の長さＬＳＯＡがΔＬと同程度の場合の、ＭＭＩカプラ１０３に入射する波長λｊの連続光の位相変化の様子を説明するための図、（ｂ）は、図１に示した波長変換回路において、ポート１１０から出射される波長λｊの連続光の光強度変化の様子を説明するための図である。
【図４】本発明を適用した波長変換回路の構成を説明するための図である。
【図５】ｎ型基板を用いて作成したＳＯＡの構造を説明する図である。
【符号の説明】
１０１ ＳＯＡ
１０２ ＭＭＩカプラ
１０３ ＭＭＩカプラ
１０４ 信号光
１０５ ＣＷ光
１０６ 左回りの光
１０７ 右回りの光
１０８ 出力光（被波長変換光）
１０９ ループ型干渉回路
１１０ ポート
１１１ ポート
４０１ ＳＯＡ
４０２ ＳＯＡ
４０３ ＭＭＩカプラ
４０４ ＭＭＩカプラ
４０５ ＭＭＩカプラ
４０６ 信号光
４０７ ＣＷ光
４０８ 左回りの光
４０９ 右回りの光
４１０ 出力光（被波長変換光）
４１１ ポート
４１２ ポート
４１３ ループ型干渉回路
４１４ ポート
４１５ フィルタ付き位相変調器
４１６ ポート
４１７ ポート
５０１ ｎ−ＩｎＰ基板
５０２ ＩｎＧａＡｓＰ活性層
５０３Ａ，５０３Ｂ ｐ−ＩｎＰ層
５０４ ｐ−ＩｎＰ層
５０５Ａ，５０５Ｂ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層
５０６Ａ，５０６Ｂ ｐ側電極
５０７ ｎ側電極
５０８Ａ，５０８Ｂ ｎ−ＩｎＰ層
Claims (4)
- 任意波長の第１の入力光の強度に応じて該第１の入力光の波長と同一または異なる波長の第２の入力光を変調する光制御素子として、
２つの第１のポートを有し、一方の該第１のポートから入力した前記第２の入力光を第１の方向に向かう分岐光および第２の方向に向かう分岐光に分岐させ、それぞれ２つの第２のポートの一方および他方から出力する第１の光合分岐手段と、
前記第１の方向に向かう分岐光を遅延させる遅延手段と、
前記第１の入力光と前記遅延手段により遅延を受けた前記第１の方向に向かう分岐光とをそれぞれ入力し、２つのポートに分岐出力させる第２の光合分岐手段と、
前記第２の光合分岐手段における前記２つのポートに接続されており、前記第１の入力光の光強度に応じて屈折率が変化する媒質を備えた２つの位相変調手段と、
前記位相変調手段を通過した前記第１の入力光を合波処理して第１の出力ポートへ導くと共に、前記位相変調手段を通過した前記第１の方向に向かう分岐光を合波処理して第２の出力ポートに導く第３の光合分岐手段と、
を備え、前記第２の出力ポートから出力された前記第１の方向に向かう分岐光を、前記第２のポートの他方に入力することにより、前記第２の方向に向かう分岐光と合波し、前記第１のポートの他方から変調された第２の入力光を出力する光制御素子において、
前記位相変調手段は、該媒質の屈折率を制御する手段を備え、前記第２の光合分波手段を介して前記位相変調手段に入力する前記第１の方向に向かう分岐光と、前記第３の光合分波手段を介して前記位相変調手段に入力する前記第２の方向に向かう分岐光との間の位相関係を制御することを特徴とする光制御素子。 - 請求項１に記載の光制御素子において、
前記第１の入力光の光強度に応じて屈折率が変化する媒質として半導体光増幅器を用い、且つ、前記媒質の屈折率を制御する手段として該半導体光増幅器に設けた複数の電極を用いることを特徴とする光制御素子。 - 請求項１または２に記載の光制御素子において、前記第２の光合分岐手段と、前記位相変調手段と、前記第３の光合分岐手段とを有する光回路は、対称型マッハツェンダ光回路であることを特徴とする光制御素子。
- 請求項１〜３のいずれかに記載の光制御素子において、前記第１の光合分岐手段として、マルチモード干渉カプラあるいは方向性結合器を用いることを特徴とする光制御素子。
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