JP3778828B2

JP3778828B2 - Light control element

Info

Publication number: JP3778828B2
Application number: JP2001249036A
Authority: JP
Inventors: 泰夫柴田; 安弘鈴木; 義久界; 泰正須崎; 顕岡田; 一人野口; 里江子佐藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2001-08-20
Filing date: 2001-08-20
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2021-08-20
Also published as: JP2003057614A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光制御素子に関し、より具体的には、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】
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となってくる。
【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】
波長変換回路の動作原理について説明する。波長λ_ｊ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長くなるように設計されている。以下、この長さをΔＬとする。
【０００６】
ＭＭＩカプラ１０３により分岐した波長λ_ｊ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λ_ｉ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λ_ｊ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λ_ｉ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λ_ｊ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内のキャリア密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（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λ_ｊの連続光の位相変化の様子を示す図である。本図に示すように、右回りの光１０７、左回りの光１０６の位相変化量の時間依存性は、ともに同様の振る舞いを示す。
【００１１】
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。一方、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。このため、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。
【００１２】
その結果、ＭＭＩカプラ１０３に入射する波長λ_ｊ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λ_ｊ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。
【００１３】
図２（ｂ）は、図１に示したポート１１０から出射される波長λ_ｊの連続光の光強度変化の様子を示す図である。本図には、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λ_ｊの連続光の光強度Ｐの時間変化が示されている。ここで、横軸は、波長λ_ｉ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。
【００１４】
図２（ｂ）に示すように、入力した波長λ_ｉの光信号の内容は、波長λ_ｊ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。
【００１５】
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。このため、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）ので、高速な波長変換が可能となる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のループ型干渉回路１０９を有する波長変換装置を用いた場合には、ＳＯＡ１０１の長さＬ_ＳＯＡがΔＬと比較して十分に小さいことが必要である。
【００１７】
すなわち、右回りの連続光１０７は、信号光１０４と同一方向に伝播するために、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。その結果、右回りの連続光１０７は、ＳＯＡ１０１の長さＬ_ＳＯＡ全体にわたり位相変化を受けることとなる。
【００１８】
一方、左回りの連続光１０６は、信号光１０４とは逆方向に伝播するために、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、ＳＯＡ１０１内において信号光１０４と出会うまでの時間に等しい時間、すなわち、ｔ_ｒ＝２×Ｌ_ＳＯＡ／（ｃ／ｎ_ｅｑ）を要する。ここで、ｃは光速、ｎ_ｅｑはＳＯＡの等価屈折率である。
【００１９】
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。本図において、（ａ）は、ＳＯＡ１０１の長さＬ_ＳＯＡがΔＬと同程度の場合の、ＭＭＩカプラ１０３に入射する波長λ_ｊの連続光の位相変化の様子を示す。また、（ｂ）は、ポート１１０から出射される波長λ_ｊの連続光の光強度変化の様子を示す。
【００２０】
図３（ａ）に示すとおり、右回りの光１０７の位相変化量は、ＭＭＩカプラ１０２とＳＯＡ１０１との間の導波路長に対応するタイムラグ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ｔ_ｒ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ｔ_ｒ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るという問題があった。
【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Ｌ_ＳＯＡ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、Ｌ_ＳＯＡ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という問題があった。
【００２２】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、上記問題に鑑み、低パワーで高速の波長変換を実現可能な光制御素子を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、第１の入力光の強度に応じて第２の入力光を変調する光制御素子であって、２つの第１のポートを有し、一方の該第１のポートから前記第２の入力光を入力して２つに分岐させて２つの第２のポートに出力する第１の合分岐手段（４０３）と、前記第２のポートの一方から出力された第２の入力光の一方を遅延させる遅延手段（４０９）と、前記第１の入力光を、前記遅延手段による遅延を受けた第２の入力光と合波させる第２の合分岐手段（４０２）と、該第２の合分岐手段により合波した入力光を伝播する媒質であって、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からなる位相変調手段（４０１）とからなり、該位相変調手段から出力される前記合波した第２の入力光を前記第２のポートの他方に入力し、前記合分岐手段により分岐した第２の入力光の他方を、前記位相変調手段、前記第２の合分岐手段、および前記遅延手段を介して前記第２のポートの一方に入力することにより、前記分岐した２つの第２の入力光を合波し、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、該媒質の断面形状が光の伝播方向に沿って変化するのに応じて該媒質の飽和特性が変化し、前記第２の合分岐手段を介して前記位相変調手段に一方向から入力する前記分岐された一方の第２の入力光と、前記第１の合分岐手段を介して前記位相変調手段に逆方向から入力する前記分岐された他方の第２の入力光との間の位相関係を制御することを特徴とする。
【００２４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光制御素子において、前記位相変調手段（４０１）は半導体光増幅器であり、前記媒質は前記半導体光増幅器の導波路であることを特徴とする。
【００２５】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の光制御素子において、前記媒質は活性層および／またはガイド層であることを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２７】
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、ＳＯＡ４０１と、ＭＭＩカプラ４０２，４０３と、ループ型干渉回路４０９とから構成される。このループ型干渉回路４０９では、ＭＭＩカプラ４０３からＳＯＡ４０１に至る一方の回路長は、ＭＭＩカプラ４０３からＳＯＡ４０１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。
【００２８】
ここで、ＳＯＡ４０１は、内部の導波路の断面形状が入力光の伝播方向に沿って変化する。従来のＳＯＡは利得媒質をコアとする導波路で形成され、利得を有する領域の断面形状は場所によらず一定である。これに対し、本発明を適用した波長変換回路のＳＯＡ４０１は、利得を有する領域の断面形状が入力光の伝播方向に沿って変化することを特徴とする。
【００２９】
（第１実施形態）
図５は、ｎ基板を用いた場合のＳＯＡ４０１の構造の一例を示す。ここで、図５（ａ）は、ＳＯＡ４０１の導波路コアに沿った断面図であり、図４中矢印Ｃ方向から示したものである。また、図５（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ同図（ａ）のＡ−Ａ′、Ｂ−Ｂ′断面における断面図である。本図に示すように、ＳＯＡ４０１は、ｎ−ＩｎＰ基板５０１、利得媒質であるＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２、ｐ−ＩｎＰ５０３および５０５、ｎ−ＩｎＰ５０４、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層５０６、ｐ側電極５０７、およびｎ側電極５０８から構成される。
【００３０】
図６は、本実施形態に係るＳＯＡ４０１の導波路幅をＳＯＡ素子の長手方向、すなわち入力光の伝播方向における位置の関数として示す。ここで、本図（ａ）は、ＳＯＡ４０１の一端からの長さがＬ１のところで導波路幅がＷ１からＷ２に不連続的に変化する場合を示している。ＳＯＡの飽和パワーはＳＯＡの利得媒質（すなわち活性層）の断面積Ｓと、利得媒質（すなわち活性層）での光電界の閉じ込め係数Γとの比Ｓ／Γに比例する。断面積Ｓおよび閉じ込め係数Γは、ともに導波路幅の変化に伴い変化する。したがって、図５および図６に示すＳＯＡの場合は、導波路の位置により飽和パワーが異なるＳＯＡであるということができる。
【００３１】
次に、本実施形態に係る波長変換回路の動作原理を説明する。図４に示す波長変換回路の基本動作は、図１に示した従来例のものに準ずる。すなわち、波長λ_ｊの連続光（ＣＷ光）４０５が、ＭＭＩカプラ４０３のポート４１１に入射し、ＭＭＩカプラ４０３により２つに分岐した後、ループ型干渉回路４０９へと導かれる。
【００３２】
ＭＭＩカプラ４０３により分岐した波長λ_ｊの２つの連続光は、各々、右回りの光４０７又は左回りの光４０６としてループ型干渉回路４０９を一周した後にＭＭＩカプラ４０３で合波され、ポート４１１から出射される。
【００３３】
一方、この波長変換回路に、波長λ_ｉの信号光４０４をＭＭＩカプラ４０２から入射しＳＯＡ４０１へと導くと、信号光４０４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、ＳＯＡ４０１内の屈折率が変化する。ループ型干渉回路４０９中を導波する波長λ_ｊの連続光は、ＳＯＡ４０１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。
【００３４】
右回りの光４０７は、急峻に位相変化をおこし、その後ＳＯＡのキャリア変化の回復時間の速度に応じた時間で元の位相にもどり、ＭＭＩカプラ４０３に入射する。左回りの光４０６も同様の位相変化を受けるが、右回りの光４０７に比べてループ型干渉回路４０９を伝播する距離がΔＬだけ長いために遅延が生じ、伝播時間差Δτだけ遅れてＭＭＩカプラ４０３へ入射する。
【００３５】
ただし、図５および図６に示すように、ＳＯＡ４０１の利得を有する領域の断面形状が入力光の伝播方向に沿って変化する構造となっているため、以下の点において従来例と異なる。
【００３６】
すなわち、ループ内を右回りに伝播する光４０７と左回りに伝播する光４０６が、利得を有する領域の断面形状が導波路の位置に応じて変化するＳＯＡ４０１に互いに逆方向から入射し、互いに逆方向に出射される。上述したように、ＳＯＡの飽和パワーはＳＯＡの導波路幅に依存するものであるため、図６（ａ）に示す形状のＳＯＡは、飽和特性の異なる２個のＳＯＡが従属接続されたものと等価である。そのため、ＳＯＡ４０１を伝播する光はその伝播方向により飽和特性が異なることになり、ループ内を右回りに伝播する光４０７と左回りに伝播する光４０６の飽和特性が変化する。その結果、ＭＭＩカプラ４０３中で干渉効果によりポート４１０に出射される被変換光の波形が変化して、図３（ｂ）のような「すそ」を生じない図２のような出力波形を得ることができる。
【００３７】
したがって、本実施形態によれば、導波路幅が変化しさえすれば、その変化の連続、不連続、または変化率によらず、上記の効果を得ることが可能である。
【００３８】
なお、図６（ａ）では幅がＷ１およびＷ２の２種類の場合について説明したが、少なくとも２種類の幅を有していれば、何種類の幅を有していても同様の効果を期待できる。また、たとえば図６（ｂ）に示したように、ＳＯＡの全領域にわたって連続的に導波路幅が変化する場合でも同様な効果が期待できる。また、本図（ｃ）あるいは（ｄ）のように、少なくとも一部の領域で連続的に変化する場合でも、同様の効果が期待できる。
【００３９】
また、本実施形態ではＳＯＡの導波路コアが活性層のみにより構成された場合について説明してきたが、光ガイド層、光電気分離閉じ込め層（ＳＣＨ層）等が設けられている場合についても、導波路幅が変化していれば全く同様の議論が成り立ち、高速な波長変換の動作を実現することができる。
【００４０】
また、本実施形態では、ＳＯＡの導波路幅が変化する場合について説明したが、導波路コアもしくは利得媒質の厚さｄが変化する場合についても全く同様な議論が成り立ち、同様な効果が期待できることも付け加えておく。この場合は、図６における導波路幅Ｗを厚さｄと読み替えることにより、連続、不連続を問わず厚みが変化すればよいことになる。
【００４１】
また、幅と厚さが同時に変化しても全く同様な効果が期待できることは上記議論により明らかである。
【００４２】
更に、導波路コアの断面形状が変化していれば、幅、厚さのどちらか一方、あるいはその両方が変化していても、またその変化が連続的、あるいは不連続的であっても、ＳＯＡ内の導波路の位置に応じて飽和パワーを変化させることが可能である。その結果として、高速な波長変換の動作を実現することが可能となる。
【００４３】
（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態を示す図であり、図４におけるＳＯＡ４０１の構造の別の例を示している。図７（ａ）はＳＯＡ４０１の導波路コアに沿った断面図で、図４中矢印Ｃの方向から示した図である。また、本図（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ同図（ａ）のＡ−Ａ′、Ｂ−Ｂ′断面における断面図である。本実施形態に係るＳＯＡ４０１は、ｎ−ＩｎＰ基板７０１、ＩｎＧａＡｓＰ活性層７０２、ｐ−ＩｎＰ７０３および７０５、ｎ−ＩｎＰ７０４、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層７０６、ｐ側電極７０７、ｎ側電極７０８およびＩｎＧａＡｓＰガイド層７０９および７１０から構成される。なお、ＩｎＧａＡｓＰガイド層７０９および７１０は、分離閉じ込め層またはＳＣＨ層と呼ばれる場合もある。
【００４４】
本実施形態に係るＳＯＡの構造では、活性層上方のガイド層７１０の厚さが変化しており、ＳＯＡの一方の端部では厚さがｄ１であるのに対し、他方の端部では厚さが０になっている。この場合も、第１実施形態で説明したように活性層における光閉じ込め係数ΓがＳＯＡ内の導波路の位置に応じて変化することになり、前述の通りＳＯＡの飽和パワーが導波路の位置に応じて変化することになる。そのため、第１実施形態と同様に高速な波長変換の動作が可能となる。
【００４５】
ここで、上記ガイド層７１０の厚さは、連続的に変化しても、少なくとも一部が不連続的に変化しても構わない。また、厚さは変化さえしていれば０まで変化しなくても構わない。
【００４６】
また、厚さが変化する部分は上方ガイド層７１０に限定されるものではなく、活性層７０２、上方ガイド層７１０、下方ガイド層７０９の少なくとも一つの厚さが変化していれば、活性層における光閉じ込め係数Γが導波路の位置に応じて変化することになるため、上記と同様の効果が期待できる。
【００４７】
また、本実施形態では、ＳＯＡとして図５または図７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等の任意の材質を用いても同様な効果が期待できる。
【００４８】
また、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、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。
【００４９】
また、基板に関してもｎ型基板に限定されるものではなく、ｐ型、半絶縁型等でも同様な効果が得られることはいうまでもない。
【００５０】
また、上述した実施形態では、カプラとしてＭＭＩカプラを用いた例を示しているが、これに代えて方向性結合器を用いることとしてもよい。
【００５１】
更に、上述した実施形態では、合波した入力光を伝播する媒質からなる構造であって、媒質の屈折率が第１の入力光の光強度に応じて変化する構造として、ＳＯＡを用いた例を示しているが、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、すべて本発明を適用することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、低動作パワーで高速の波長変換の動作を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の波長変換回路の一例を示す構成図である。
【図２】従来の波長変換回路の動作原理を示す図である。
【図３】従来の波長変換回路の動作原理を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る波長変換回路の構成図である。
【図５】図４におけるＳＯＡの構造の一例を示す図である。
【図６】ＳＯＡの導波路幅を入力光の伝播方向における位置の関数として示す図である。
【図７】図４におけるＳＯＡの構造の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０１ＳＯＡ
１０２ＭＭＩカプラ
１０３ＭＭＩカプラ
１０４信号光
１０５ＣＷ光
１０６左回りの光
１０７右回りの光
１０８出力光
１０９ループ型干渉回路
１１０ポート
１１１ポート
４０１ＳＯＡ
４０２ＭＭＩカプラ
４０３ＭＭＩカプラ
４０４信号光
４０５ＣＷ光
４０６左回りの光
４０７右回りの光
４０８出力光
４０９ループ型干渉回路
４１０ポート
４１１ポート
５０１ｎ−ＩｎＰ基板
５０２ＩｎＧａＡｓＰ活性層
５０３ｐ−ＩｎＰ
５０４ｎ−ＩｎＰ
５０５ｐ−ＩｎＰ
５０６ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層
５０７ｐ側電極
５０８ｎ側電極
７０１ｎ−ＩｎＰ基板
７０２ＩｎＧａＡｓＰ活性層
７０３ｐ−ＩｎＰ
７０４ｎ−ＩｎＰ
７０５ｐ−ＩｎＰ
７０６ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層
７０７ｐ側電極
７０８ｎ側電極
７０９ＳＣＨ層
７１０ＳＣＨ層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a light control element, and more particularly to a light control element that modulates other input light in accordance with the intensity of input light having an arbitrary wavelength in a wavelength division multiplexing optical network.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as an optical transmission system for transmitting a plurality of optical signals of different wavelengths, an optical transmission system using wavelength multiplexing (WDM system) that transmits the optical signals of different wavelengths coupled to a single optical fiber. It has been known. In this WDM system, not only one-to-one transmission but also development of technology related to networking is progressing rapidly.
[0003]
In a WDM system, an optical control element that performs so-called wavelength conversion, which converts the wavelength of an optical signal transmitted through an optical fiber into the same or different wavelength, is important.
[0004]
FIG. 1 shows a configuration of a wavelength conversion circuit employed as a conventional light control element. This wavelength conversion circuit is provided between a semiconductor optical amplifier (SOA) 101, MMI couplers (multimode interference couplers) 102 and 103 provided on both sides of the SOA 101, and the

MMI couplers

102 and 103. Loop-type interference circuit 109.
[0005]
The operation principle of the wavelength conversion circuit will be described. A continuous light (CW light) 105 having a wavelength λ _j is incident on the port 111 of the MMI coupler 103, branched into two by the MMI coupler 103, and then guided to the loop interference circuit 109. In the loop interference circuit 109, one circuit length from the MMI coupler 103 to the SOA 101 is designed to be longer than the other circuit length from the MMI coupler 103 to the SOA 101. Hereinafter, this length is assumed to be ΔL.
[0006]
The two continuous lights of wavelength λ _j branched by the MMI coupler 103 are combined by the MMI coupler 103 after making a round of the loop interference circuit 109 as the clockwise light 107 or the counterclockwise light 106, respectively. Emitted.
[0007]
On the other hand, when the signal light 104 having the wavelength λ _i enters the wavelength conversion circuit from the MMI coupler 102 and is guided to the SOA 101, stimulated emission due to the signal light 104 occurs, and the carrier density decreases. Corresponding to this decrease in carrier density, the refractive index in the SOA 101 changes. When the continuous light having the wavelength λ _j guided through the loop interference circuit 109 passes through the SOA 101, its phase changes due to the influence of this refractive index change.
[0008]
The refractive index of the signal light 104 having the wavelength λ _i changes as the carrier density in the SOA 101 decreases after a time lag Δt corresponding to the waveguide length between the MMI coupler 102 and the SOA 101.
[0009]
While being guided through the loop type interference circuit 109, the phase of the continuous light having the wavelength λ _j passing through the SOA 101 whose refractive index has changed, the phase change amount once rises steeply, and then the phase change amount in the SOA 101 As the carrier density recovers to the thermal equilibrium state, it returns to the original phase.
[0010]
FIG. 2A is a diagram illustrating a state of phase change of continuous light having a wavelength λ _j that is guided through the loop type interference circuit 109 illustrated in FIG. 1 and is incident on the MMI coupler 103. As shown in the figure, the time dependency of the phase change amount of the clockwise light 107 and the counterclockwise light 106 shows the same behavior.
[0011]
The clockwise light 107 enters the MMI coupler 103 after a propagation time Δt ′ corresponding to the waveguide length between the SOA 101 and the MMI coupler 103. On the other hand, the counterclockwise light 106 has a circuit length that propagates from the SOA 101 to the MMI coupler 103 by ΔL as compared with the clockwise light 107. Therefore, the light enters the MMI coupler 103 with a delay of the propagation time difference Δτ corresponding to the circuit length difference ΔL.
[0012]
As a result, the rising time of the phase change of the clockwise light 107 and the rising time of the phase change of the counterclockwise light 106 of the continuous light having the wavelength λ _j incident on the MMI coupler 103 are shifted by Δτ. These two continuous lights having the same wavelength λ _j interfere with each other in the MMI coupler 103, but are different in phase from each other only during the time interval Δτ.
[0013]
FIG. 2B is a diagram illustrating a change in light intensity of continuous light having a wavelength λ _j emitted from the port 110 illustrated in FIG. 1. This figure shows a time interval Δτ in which the phases of the counterclockwise light 106 and the clockwise light 107 that change in phase shown in FIG. A time change of the light intensity P of the continuous light having the wavelength λ _j emitted from the port 110 only during the period is shown. Here, the horizontal axis indicates the elapsed time t after the time when the signal light 104 having the wavelength λ _i is incident on the MMI coupler 102 is zero.
[0014]
As shown in FIG. 2B, the content of the input optical signal of wavelength λ _i moves to the optical signal of wavelength λ _j and is output from the port 110 only during the time interval Δτ in which the phases are different from each other. Will be.
[0015]
In the wavelength conversion circuit having such a loop type interference circuit, in the time region until the phase change amount of the light asymptotically recovers in response to the recovery of the carrier concentration in the SOA 101, in the region other than the time interval Δτ. The amount of phase change between the counterclockwise light 106 and the clockwise light 107 is the same. For this reason, as a result of mutual interference, the effect of the refractive index change in the SOA 101 is canceled (cancelled out), so that high-speed wavelength conversion becomes possible.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
However, when a wavelength conversion device having the conventional loop type interference circuit 109 is used, the length L _{SOA of the SOA} 101 needs to be sufficiently smaller than ΔL.
[0017]
That is, the clockwise continuous light 107 propagates in the SOA 101 with the refractive index changed by the signal light 104 in order to propagate in the same direction as the signal light 104. As a result, the clockwise continuous light 107 undergoes a phase change over the entire length L _{SOA of the SOA} 101.
[0018]
On the other hand, since the counterclockwise continuous light 106 propagates in the opposite direction to the signal light 104, it is not affected by the refractive index change in the SOA 101 until the signal light 104 is encountered in the SOA 101. Therefore, time is from counterclockwise continuous light 106 is incident on the SOA 101 to the phase variation rises, equal to the time until it encounters the signal light 104 at the SOA 101, _{_{i.e., t r = 2 × L SOA}} / (C / n _eq ) is required. Here, c is the speed of light and n _eq is the equivalent refractive index of the SOA.
[0019]
FIG. 3 is a diagram for explaining the operation principle of the wavelength conversion circuit shown in FIG. In this figure, (a) shows the state of phase change of continuous light of wavelength λ _j incident on the MMI coupler 103 when the length L _{SOA of the SOA} 101 is about the same as ΔL. Further, (b) shows how the light intensity of the continuous light having the wavelength λ _j emitted from the port 110 changes.
[0020]
As shown in FIG. 3A, the amount of phase change of the clockwise light 107 shows a steep rise after a time lag Δt corresponding to the waveguide length between the MMI coupler 102 and the SOA 101. On the other hand, the phase change amount of the left-handed light 106 becomes a gentle rise over time intervals t _r. Therefore, the waveform of the converted light emitted from the port 110 as a result of the interference between the clockwise light 107 and the counterclockwise light 106 is deformed as shown in FIG. Thus, .DELTA..tau there is a problem that wavelength conversion in becomes smaller conditions than t _r is virtually impossible.
[0021]
In order to realize about 10 ps as Δτ

The SOA length L _SOA was required to be about 200 μm or less. Phase change amount of the light is determined depending on a product of the absolute value and the length of the refractive index change of the medium to propagate, in order to obtain the desired amount of phase change in small SOA of L _SOA, the absolute change in refractive index of the medium There is a problem that the value has to be increased, the operating power for wavelength conversion increases, and a desired refractive index change cannot be obtained due to the saturation of the SOA.
[0022]
The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a light control element capable of realizing high-speed wavelength conversion with low power in view of the above problems.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention described in claim 1 is a light control element that modulates the second input light in accordance with the intensity of the first input light, and has two first ports. , First combining / branching means (403) for inputting the second input light from one of the first ports , branching it into two, and outputting it to two second ports, and the second port Delay means (409) for delaying one of the second input lights output from one of the first and second input lights for combining the first input light with the second input light delayed by the delay means . and if the branch unit (402) of, a medium for propagating the input light multiplexed by said second multiplexer branching unit, the refractive index consists medium changes depending on the light intensity of the first input light It becomes because the phase modulation means (401), a second input light the combined output from the phase modulating means The input to the other of said second port, and the other of the second input light branched by the multiplexer branching unit, said phase modulating means, said second coupling branching means, and through said delay means first In the light control element for combining the two branched second input lights by inputting to one of the two ports and outputting the second input light modulated from the other of the first ports, The phase modulation means changes the saturation characteristic of the medium in accordance with the change of the cross-sectional shape of the medium along the light propagation direction, and is applied to the phase modulation means via the second merging / branching means. One branched second input light input from the direction and the other branched second input light input from the reverse direction to the phase modulation means via the first combining / branching means It is characterized by controlling the phase relationship between them.
[0024]
The invention according to claim 2 is the light control element according to claim 1, wherein the phase modulation means (401) is a semiconductor optical amplifier, and the medium is a waveguide of the semiconductor optical amplifier. To do.
[0025]
The invention according to claim 3 is the light control element according to claim 1 or 2, wherein the medium is an active layer and / or a guide layer.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0027]
FIG. 4 shows a configuration of a wavelength conversion circuit to which the present invention is applied. This wavelength conversion circuit includes an SOA 401,

MMI couplers

402 and 403, and a loop interference circuit 409. In this loop interference circuit 409, one circuit length from the MMI coupler 403 to the SOA 401 is designed to be longer by ΔL than the other circuit length from the MMI coupler 403 to the SOA 401.
[0028]
Here, in the SOA 401, the cross-sectional shape of the internal waveguide changes along the propagation direction of the input light. A conventional SOA is formed of a waveguide having a gain medium as a core, and the cross-sectional shape of a region having a gain is constant regardless of the location. On the other hand, the SOA 401 of the wavelength conversion circuit to which the present invention is applied is characterized in that the cross-sectional shape of a region having a gain changes along the propagation direction of input light.
[0029]
(First embodiment)
FIG. 5 shows an example of the structure of the SOA 401 when an n substrate is used. Here, FIG. 5A is a cross-sectional view along the waveguide core of the SOA 401, and is shown from the direction of arrow C in FIG. FIGS. 5B and 5C are cross-sectional views taken along lines AA ′ and BB ′ in FIG. 5A, respectively. As shown in the figure, the SOA 401 includes an n-InP substrate 501, an InGaAsP active layer 502 that is a gain medium, p-

InP

503 and 505, n-InP 504, a p-InGaAsP cap layer 506, a p-side electrode 507, and an n-side The electrode 508 is configured.
[0030]
FIG. 6 shows the waveguide width of the SOA 401 according to this embodiment as a function of the position of the SOA element in the longitudinal direction, that is, the propagation direction of input light. Here, FIG. 4A shows a case where the waveguide width changes discontinuously from W1 to W2 when the length from one end of the SOA 401 is L1. The saturation power of the SOA is proportional to the ratio S / Γ between the cross-sectional area S of the SOA gain medium (ie, active layer) and the confinement factor Γ of the optical electric field in the gain medium (ie, active layer). Both the cross-sectional area S and the confinement factor Γ change as the waveguide width changes. Therefore, in the case of the SOA shown in FIGS. 5 and 6, it can be said that the saturation power differs depending on the position of the waveguide.
[0031]
Next, the operation principle of the wavelength conversion circuit according to this embodiment will be described. The basic operation of the wavelength conversion circuit shown in FIG. 4 is the same as that of the conventional example shown in FIG. That is, continuous light (CW light) 405 having a wavelength λ _j is incident on the port 411 of the MMI coupler 403 and branched into two by the MMI coupler 403 and then guided to the loop interference circuit 409.
[0032]
The two continuous lights having the wavelength λ _j branched by the MMI coupler 403 go through the loop interference circuit 409 as the clockwise light 407 or the counterclockwise light 406, and then are multiplexed by the MMI coupler 403, and are multiplexed from the port 411. Emitted.
[0033]
On the other hand, when the signal light 404 having the wavelength λ _i enters the wavelength conversion circuit from the MMI coupler 402 and is guided to the SOA 401, stimulated emission due to the signal light 404 occurs, and the carrier density decreases. Corresponding to the decrease in the carrier density, the refractive index in the SOA 401 changes. When the continuous light having the wavelength λ _j guided through the loop interference circuit 409 passes through the SOA 401, the phase changes under the influence of the refractive index change.
[0034]
The clockwise light 407 undergoes a steep phase change, then returns to the original phase in a time corresponding to the speed of the SOA carrier change recovery time, and enters the MMI coupler 403. Although the counterclockwise light 406 undergoes the same phase change, a delay occurs because the distance propagating through the loop interference circuit 409 is longer by ΔL than the clockwise light 407, and a delay occurs, and the MMI coupler 403 is delayed by a propagation time difference Δτ. Incident to
[0035]
However, as shown in FIGS. 5 and 6, since the cross-sectional shape of the region having the gain of the SOA 401 changes along the propagation direction of the input light, it differs from the conventional example in the following points.
[0036]
That is, the light 407 propagating clockwise in the loop and the light 406 propagating counterclockwise are incident on the SOA 401 in which the cross-sectional shape of the gain region changes according to the position of the waveguide from opposite directions, and are opposite to each other. Emitted in the direction. As described above, since the saturation power of the SOA depends on the waveguide width of the SOA, the SOA having the shape shown in FIG. 6A has two SOAs with different saturation characteristics connected in cascade. Is equivalent. Therefore, the light propagating through the SOA 401 has different saturation characteristics depending on the propagation direction, and the saturation characteristics of the light 407 propagating clockwise in the loop and the light 406 propagating counterclockwise change. As a result, the waveform of the converted light emitted to the port 410 changes due to the interference effect in the MMI coupler 403, and an output waveform as shown in FIG. be able to.
[0037]
Therefore, according to the present embodiment, as long as the waveguide width changes, the above-described effect can be obtained regardless of whether the change is continuous, discontinuous, or change rate.
[0038]
In FIG. 6A, two types of widths W1 and W2 have been described. However, if there are at least two types of widths, the same effect can be expected regardless of the number of types of widths. it can. Further, for example, as shown in FIG. 6B, the same effect can be expected even when the waveguide width continuously changes over the entire area of the SOA. In addition, the same effect can be expected even when continuously changing in at least a part of the region as shown in FIG.
[0039]
Further, in the present embodiment, the case where the SOA waveguide core is constituted by only the active layer has been described, but the case where a light guide layer, a photoelectric separation and confinement layer (SCH layer), and the like are provided is also introduced. If the waveguide width is changed, exactly the same argument holds, and a high-speed wavelength conversion operation can be realized.
[0040]
Further, in the present embodiment, the case where the waveguide width of the SOA is changed has been described. However, the same argument holds when the waveguide core or the gain medium thickness d changes, and the same effect can be expected. Also add. In this case, by replacing the waveguide width W in FIG. 6 with the thickness d, the thickness may be changed regardless of whether it is continuous or discontinuous.
[0041]
Also, it is clear from the above discussion that the same effect can be expected even if the width and thickness are changed simultaneously.
[0042]
Furthermore, if the cross-sectional shape of the waveguide core is changed, even if the width, thickness, or both are changed, and the change is continuous or discontinuous, It is possible to change the saturation power depending on the position of the waveguide in the SOA. As a result, high-speed wavelength conversion operation can be realized.
[0043]
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a diagram showing a second embodiment of the present invention, and shows another example of the structure of the SOA 401 in FIG. FIG. 7A is a cross-sectional view taken along the waveguide core of the SOA 401 and is a view shown from the direction of arrow C in FIG. FIGS. 7B and 7C are cross-sectional views taken along the lines AA ′ and BB ′ in FIG. The SOA 401 according to this embodiment includes an n-InP substrate 701, an InGaAsP active layer 702, p-

InP

703 and 705, n-InP 704, a p-InGaAsP cap layer 706, a p-side electrode 707, an n-side electrode 708, and an InGaAsP guide layer 709. And 710. Note that the InGaAsP guide layers 709 and 710 are sometimes called separation confinement layers or SCH layers.
[0044]
In the SOA structure according to the present embodiment, the thickness of the guide layer 710 above the active layer changes, and the thickness is d1 at one end of the SOA, whereas the thickness is at the other end. Is 0. Also in this case, as described in the first embodiment, the optical confinement coefficient Γ in the active layer changes according to the position of the waveguide in the SOA, and as described above, the saturation power of the SOA becomes the position of the waveguide. It will change accordingly. Therefore, high-speed wavelength conversion operation is possible as in the first embodiment.
[0045]
Here, the thickness of the guide layer 710 may change continuously or at least partially discontinuously. Further, as long as the thickness changes, it does not need to change to 0.
[0046]
Further, the portion where the thickness changes is not limited to the upper guide layer 710. If the thickness of at least one of the active layer 702, the upper guide layer 710, and the lower guide layer 709 is changed, Since the optical confinement coefficient Γ varies depending on the position of the waveguide, the same effect as described above can be expected.
[0047]
In the present embodiment, the case where an SOA having a pn buried structure using an InGaAsP bulk active layer as shown in FIG. 5 or FIG. 7 is used as the SOA has been described. However, the active layer of the SOA is composed of GaAs, AlGaAs, InGaAs. The same effect can be expected even when an arbitrary material such as GaInNAs is used.
[0048]
In addition, the active layer structure is not limited to pn embedding regardless of whether it is bulk, MQW, quantum wire, or quantum dot, and the SOA waveguide structure is not limited to pn embedding, but uses a ridge structure, semi-insulating embedding structure, high mesa structure, etc. The same effect can be expected even if there is.
[0049]
Further, the substrate is not limited to the n-type substrate, and it goes without saying that the same effect can be obtained even in a p-type, a semi-insulating type or the like.
[0050]
In the above-described embodiment, an example is shown in which an MMI coupler is used as a coupler, but a directional coupler may be used instead.
[0051]
Further, in the above-described embodiment, an example in which an SOA is used as a structure including a medium that propagates the combined input light and the refractive index of the medium changes according to the light intensity of the first input light. However, the present invention can be applied to any structure that has a refractive index that changes according to the light intensity, such as an EA modulator.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, high-speed wavelength conversion operation can be realized with low operating power.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an example of a conventional wavelength conversion circuit.
FIG. 2 is a diagram illustrating an operation principle of a conventional wavelength conversion circuit.
FIG. 3 is a diagram illustrating an operation principle of a conventional wavelength conversion circuit.
FIG. 4 is a configuration diagram of a wavelength conversion circuit according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the structure of the SOA in FIG. 4;
FIG. 6 is a diagram illustrating the waveguide width of the SOA as a function of position in the propagation direction of input light.
7 is a diagram showing an example of the structure of the SOA in FIG. 4;
[Explanation of symbols]
101 SOA
102 MMI coupler 103 MMI coupler 104 Signal light 105 CW light 106 Left-handed light 107 Right-handed light 108 Output light 109 Loop interference circuit 110 Port 111 Port 401 SOA
402 MMI coupler 403 MMI coupler 404 Signal light 405 CW light 406 Left-handed light 407 Right-handed light 408 Output light 409 Loop interference circuit 410 Port 411 Port 501 n-InP substrate 502 InGaAsP active layer 503 p-InP
504 n-InP
505 p-InP
506 p-InGaAsP cap layer 507 p-side electrode 508 n-side electrode 701 n-InP substrate 702 InGaAsP active layer 703 p-InP
704 n-InP
705 p-InP
706 p-InGaAsP cap layer 707 p-side electrode 708 n-side electrode 709 SCH layer 710 SCH layer

Claims

A light control element for modulating the second input light in accordance with the intensity of the first input light,
A first combining / branching unit that has two first ports , inputs the second input light from one of the first ports , branches the two into two, and outputs them to the two second ports ; ,
Delay means for delaying one of the second input lights output from one of the second ports ;
Second combining / branching means for combining the first input light with the second input light subjected to the delay by the delay means;
A medium for propagating the input light multiplexed by said second multiplexer branching unit, a phase modulating means consisting of a medium whose refractive index changes according to the light intensity of the first input light
The combined second input light output from the phase modulating means is input to the other of the second ports, and the other of the second input lights branched by the combining and branching means is changed to the phase. By inputting to one of the second ports via the modulation means, the second combining / branching means, and the delaying means, the two second input lights branched are combined, and the first In the light control element that outputs the second input light modulated from the other of the ports,
The phase modulation means changes the saturation characteristic of the medium in accordance with the change of the cross-sectional shape of the medium along the light propagation direction, and is applied to the phase modulation means via the second merging / branching means. One branched second input light input from the direction and the other branched second input light input from the reverse direction to the phase modulation means via the first combining / branching means A light control element that controls a phase relationship between the light control elements.

2. The light control element according to claim 1, wherein the phase modulation means is a semiconductor optical amplifier, and the medium is a waveguide of the semiconductor optical amplifier.

The light control element according to claim 1, wherein the medium is an active layer and / or a guide layer.