JP4139577B2 - 光信号処理方法及び光信号処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光増幅器及び光信号処理装置に関し、特に、長距離大容量光通信に適し、高速動作可能な半導体光増幅器及び光信号処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、大容量光通信網で用いられる光通信方式として、波長多重（Wavelength Division Multiplexing : WDM）技術が開発された。さらに、大容量光通信を目指した光時分割多重（Optical Time Division Multiplexing : OTDM）技術や、ＷＤＭ技術とＯＴＤＭ技術とを組み合わせた時間波長分割多重（Time Wavelength Division Multiplexing : TWDM）技術が提唱され、研究が進められている。
【０００３】
図１に、大容量光通信網の概念図を示す。複数のノード１が、光伝送路（光ファイバ）２で接続されている。各ノード１は、光信号の再生、ドロップ、アド（追加）、及びルーティングを行う。光信号の再生は、通常、増幅（Regenerating）、整形（Reshaping）、及びリタイミング（Retiming）の機能から構成され、３Ｒ再生と呼ばれる。
【０００４】
従来の光通信方式では、各ノードで、光信号を一旦電気信号に変換し、電気信号の状態で信号処理を行い、処理された電気信号を光信号に再変換していた。しかし、電気信号の応答速度は、電子素子のキャリア移動度やＣＲ時定数によって制限されるため、光信号の応答速度に比べて遅い。例えば、光信号を電気信号に変換する方式の信号処理の速度限界は、１０〜４０Ｇｂ／ｓである。これ以上の速度で信号処理を行うためには、ＯＴＤＭ信号を光のままで信号処理する全光信号処理技術が不可欠である。
【０００５】
図２に、ＯＴＤＭ信号を光のままで処理する光ノードのブロック図の一例を示す。光ノード１は、再生機能ブロック５、ドロップ機能ブロック１０、アド機能ブロック２０、及びルーティング機能ブロック２５により構成される。
【０００６】
複数のチャンネルが時分割多重された光信号が、再生機能ブロック５の増幅器６に入力される。増幅器６は、光信号を増幅する。整形器７が、増幅された光信号の波形を整形する。リタイミング装置８が、波形整形された光信号のパルスの時間的なずれを補正し、パルスを時間軸上の正規の位置に戻す。クロック抽出器９が、増幅された光信号からクロック信号を抽出し、光ノード内の各装置にクロック信号を供給する。
【０００７】
リタイミング処理された光信号が、ドロップ機能ブロック１０内のパルス分岐装置１１及びアド機能ブロック２０内の光ゲート２１に入力される。パルス分岐装置１１で分岐された光信号が、ヘッダ解読器１２及び遅延メモリ１３に入力される。ヘッダ解読器１２は、チャンネルごとに光信号のヘッダ情報を解読する。遅延メモリ１３は、光信号を所定の時間だけ遅延させる。デマルチプレクサ１４が、遅延された光信号をチャンネルごとに分離（デマルチプレクス）し、当該ノードでドロップさせるべきチャンネルの光信号を取り出す。
【０００８】
アド機能ブロック２０の光ゲート２１は、リタイミング処理された光信号から、当該ノードでドロップされたチャンネルのタイムスロットを空き状態にする。マルチプレクサ２２が、当該ノードで追加する光信号を多重化する。光ゲート２１を通過した光信号の空きタイムスロットに、多重化された光信号が追加される。さらに、ヘッダ形成器２３が、当該ノードで追加された光信号のヘッダを形成し、光ゲート２１を通過した光信号の所定のタイムスロットにヘッダ情報を追加する。
【０００９】
ヘッダ情報の追加された光信号が波長変換器２４に入力されると共に、ルーティング機能ブロック２５に入力される。波長変換器２４は、入力された光信号の波長を変換し、ルーティング機能ブロック２５に入力する。ルーティング機能ブロック２５は、入力された光信号のチャンネルごとのルーティング情報に基づいて、各チャンネルの光信号を伝送すべき次の光ノードに振り分ける。
【００１０】
光ノードのこれらの機能を実現する素子のうち、光増幅器６及び整形器７の２つの機能を有する素子（この２つの機能を有する素子は、２Ｒ素子と呼ばれる）、複数のチャンネルが時分割多重された光信号をチャンネルごとの信号に分離する光デマルチプレクサ１４、及び波長変換器２４の実現が、特に望まれている。
【００１１】
このような機能は、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier : SOA）で実現することが可能である。
【００１２】
図１５に、従来のＳＯＡの概略斜視図を示す。従来のＳＯＡは、光増幅のための利得を有する活性層２００を、ｐ型半導体層２０１とｎ型半導体層２０２とで挟んだ構造とされている。活性層２００は、例えば両側の半導体層よりもバンドギャップの小さな半導体材料で形成された半導体層、または量子井戸層で構成される。
【００１３】
活性層２００に順方向バイアスを印加すると、活性層２００内のキャリア分布が反転分布状態になる。活性層２００の１つの端面から活性層２００内に光信号２０３が入射すると、光信号が活性層２００内で増幅され、反対側の端面から出射する。次に、図１６及び図１７を参照して、半導体光増幅器を光信号処理装置に適用した場合の動作原理について説明する。
【００１４】
図１６は、半導体光増幅器を２Ｒ素子として動作させる場合の構成を示す。長距離伝送された光信号が、半導体光増幅器２１０に入力される。伝送過程での様々な要因、例えばノイズの発生、伝送システムへの外乱、分岐等により、光信号のパルス強度がばらついている。半導体光増幅器２１０の入力信号の光強度に対する出力信号の光強度の関係は、飽和特性を有する。これを利得飽和と呼ぶ。
【００１５】
このような利得飽和を有する半導体光増幅器２１０に、パルス強度のばらついた光信号が入力されると、光信号が増幅されると共に、出力信号のパルス強度が均一に近づく。すなわち、半導体光増幅器２１０は、光増幅と波形整形の機能を有する。
【００１６】
図１７は、半導体光増幅器を波長変換器として動作させる場合の構成を示す。半導体光増幅器２１０に、波長λ1の光信号ｓｉｇ1と、波長λ2の光信号ｓｉｇ2とが入力される。光信号ｓｉｇ1は光パルス列で構成されており、光信号ｓｉｇ2は連続光である。光信号ｓｉｇ1のパルス及び光信号ｓｉｇ2の双方が入力されると、半導体光増幅器２１０の利得が飽和するように、光信号の強度及び半導体光増幅器２１０の増幅特性が調整されている。
【００１７】
光信号ｓｉｇ1のパルスのオンオフによって、光信号ｓｉｇ2の利得が変動するため、光信号ｓｉｇ2の強度が変調を受ける。このため、半導体光増幅器２１０から出力される波長λ2の光信号ｓｉｇ2は、入力された光信号ｓｉｇ1の波形を反転させた波形になる。すなわち、波長λ1の光信号ｓｉｇ1は、波長λ2の光信号ｓｉｇ2に変換されたことになる。
【００１８】
上述のように、半導体光増幅器を２Ｒ素子や波長変換器として用いることができる。しかし、従来の半導体光増幅器は応答速度が遅く、処理可能な周波数は、高々１Ｇｂ／ｓ程度である。その理由について、以下に説明する。
【００１９】
半導体光増幅器中を伝搬する光パルスＳ（ｚ，Ｔ）のレート方程式は、
【００２０】
【数１】
と表される。ここで、ｚは、半導体光増幅器の導波路内の光の伝搬方向に関する座標、Ｔは時間、ｇは半導体光増幅器の活性層の利得、αlossは導波路の損失、Γは光閉込係数を表す。活性層の利得ｇは、キャリア密度によって決まる。キャリア密度Ｎのレート方程式は、
【００２１】
【数２】
と表される。ここで、τrはキャリアの再結合時間、Ｊは電流密度、ｄは活性層の厚さ、ｅは電子の持つ電荷を表す。本願発明者の行った評価実験によると、利得ｇは、
【００２２】
【数３】
ｇ＝Ａ（Ｌ−Ｌz）2＋Ｂ（Ｌ−Ｌz）3 ・・・（３）
と近似できることがわかった。ここで、Ｌは半導体光増幅器の長さを表し、各定数は下記のように定義される。
【００２３】
【数４】
Ａ＝３Ｐ／（Ｌz−Ｌp）2
Ｂ＝２Ｐ／（Ｌz−Ｌp）3
Ｌz＝Ｌz0−Ｃ0（Ｎ−Ｎ0）
Ｌp＝Ｌ0−Ｂ0（Ｎ−Ｎ0）
Ｐ＝Ａ0（Ｎ−Ｎ0）＋Ａ0Ｎ0ｅｘｐ（−Ｎ／Ｎ0）
Ａ0＝３．０×１０-16 ［ｃｍ2］
Ｂ0＝３．０×１０-20 ［μｍ・ｃｍ3］
Ｃ0＝−３．０×１０-21 ［μｍ・ｃｍ3］
Ｌz0＝１．６５ ［μｍ］
Ｌ0＝１．６０ ［μｍ］
Ｎ0＝７．０×１０17 ［ｃｍ-3］
式（３）を式（２）に代入することにより、キャリア密度Ｎに関する微分方程式が得られる。この微分方程式を解くことにより、キャリア密度Ｎの時間変動グラフが得られる。時間変動するキャリア密度Ｎを式（３）に代入することにより、利得ｇの時間変動グラフが得られる。
【００２４】
図１８は、時刻０からパルス幅１０ｐｓの光パルスを半導体光増幅器に入力したときの利得ｇの変動の計算結果を示す。横軸は時刻０からの経過時間を単位「ｐｓ」で表し、縦軸は利得ｇを単位「ｃｍ-1」で表す。なお、評価対象の半導体光増幅器の活性層は、バンドギャップ１．５５μｍ相当のＩｎＧａＡｓＰであり、動作温度は２９５Ｋである。図１８には、半導体光増幅器に流す電流密度が４ｋＡ／ｃｍ2、８ｋＡ／ｃｍ2、及び１６ｋＡ／ｃｍ2のときの利得ｇを示す。光パルスが印加されている期間は、伝導帯中の電子の光学遷移によりキャリア密度が減少するため、利得ｇも減少する。
【００２５】
図１９は、パルス幅１０ｐｓの光パルス信号を、ビット速度４０Ｇｂ／ｓで半導体光増幅器に入力したときの利得ｇの時間変動を示す。横軸は経過時間を単位「ｎｓ」で表し、縦軸は利得ｇを単位「ｃｍ-1」で表す。なお、活性層の構成及び動作温度は、図１８の場合と同様であり、電流密度は８ｋＡ／ｃｍ2である。光パルスが入力されている期間は利得ｇが減少する。光パルスが入力されていない期間は、活性層内にキャリアが補給されるため、利得ｇが上昇する。
【００２６】
ところが、利得の応答速度が遅いため、利得変動が４０Ｇｂ／ｓの光信号に追随できていないことがわかる。図１９のグラフから、利得ｇの応答時間は約０．３ｎｓ程度であることがわかる。この応答時間から、従来の半導体光増幅器の動作周波数は、高々２Ｇｂ／ｓであることがわかる。
【００２７】
図２０に、従来の半導体光増幅器にパルス幅１０ｐｓ、ビット速度４０Ｇｂ／ｓの光信号を入力したときの、入力信号と出力信号との光強度を示す。横軸は経過時間を単位「ｐｓ」で表し、縦軸は光出力を単位「ｍＷ」で表す。なお、半導体光増幅器の構成は、図１８の場合と同様であり、電流密度は８ｋＡ／ｃｍ2、動作温度は２９５Ｋ、活性層の長さは６００μｍとした。利得の応答特性が悪いため、出力信号の各パルスのピークパワーが徐々に低下し、一定になるまでに長時間を要している。このようなピークパワーの変動は、伝送エラーの原因になる。
【００２８】
次に、図２１を参照して、従来の半導体光増幅器を用いた光信号分離装置（デマルチプレクサ）の動作原理及び構成例を示す。
【００２９】
図２１（Ａ）に示すように、半導体光増幅器２１０に、制御用光信号ｓｉｇ3と光信号ｓｉｇ4とが入力される。光信号ｓｉｇ4は、例えばチャンネル＃１〜＃４が時分割多重された信号である。光信号ｓｉｇ4のチャンネル＃２のタイムスロットに合わせて制御信号ｓｉｇ3のパルスが半導体光増幅器２１０に入力される。
【００３０】
制御信号ｓｉｇ3のパルスと光信号ｓｉｇ4のパルスとが重なると、半導体光増幅器２１０の活性層内のキャリア密度が大きく減少し、屈折率が変化する。このため、光信号ｓｉｇ4のチャンネル＃２のパルスの位相が変化する。図２１（Ａ）では、位相の変化したパルスにハッチを付している。半導体光増幅器２１０は、この位相変化がちょうどπになるように調整されている。
【００３１】
ところが、半導体光増幅器の応答特性が悪いため、光信号ｓｉｇ4のチャンネル＃２のタイムスロットと同時に入力した制御信号ｓｉｇ3のパルスの影響が、光信号ｓｉｇ4のチャンネル＃３以降のタイムスロットにも及んでしまう。このため、チャンネル＃３や＃４のパルスの位相も変化してしまう。
【００３２】
図２１（Ｂ）は、この問題を解決することが可能な光信号分離装置の構成例を示す。マッハツェンダ（Mach-Zehnder）型干渉計の一方の光路に第１の半導体光増幅器２１０Ａが挿入され、他方の光路に第２の半導体光増幅器２１０Ｂが挿入されている。半導体光増幅器２１０Ａ及び２１０Ｂの双方に、４チャンネルの信号が時分割多重された光信号ｓｉｇ4が入力される。
【００３３】
第１の半導体光増幅器２１０Ａに、制御用光信号ｓｉｇ3が入力され、第２の半導体光増幅器２１０Ｂに、遅延された制御信号ｓｉｇ3が入力される。第１の半導体光増幅器２１０Ａに入力される制御信号ｓｉｇ3は、光信号ｓｉｇ4のチャンネル＃２のタイムスロットに時間的に一致するパルスを有する。第２の半導体光増幅器２１０Ｂに入力される制御信号ｓｉｇ3は遅延されており、制御信号ｓｉｇ3のパルスは、光信号ｓｉｇ4のチャンネル＃３のタイムスロットに時間的に一致する。
【００３４】
第１の半導体光増幅器２１０Ａにおいては、制御信号ｓｉｇ3のパルスの影響が、チャンネル＃２以降のチャンネルのパルスにも及ぶため、出力された光信号ｓｉｇ5のチャンネル＃２〜＃４のパルスの位相が変化する。第２の半導体光増幅器２１０Ｂにおいては、制御信号ｓｉｇ3のパルスの影響が、チャンネル＃３以降のチャンネルのパルスに及ぶ。このため、出力された光信号ｓｉｇ6のチャンネル＃３及び＃４のパルスの位相が変化する。図２１（Ｂ）において、位相の変化したパルスにハッチが付されている。
【００３５】
光信号ｓｉｇ5とｓｉｇ6とが干渉を起こすことにより、マッハツェンダ型干渉計の一方の出力導波路２１１Ａに、チャンネル＃１、＃３及び＃４のパルスが現れ、他方の出力導波路２１１Ｂに、チャンネル＃２のパルスが現れる。このようにして、時分割多重された光信号から、所望のチャンネルの信号を分離することができる。
【００３６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の半導体光増幅器を用いた光信号処理装置では、２Ｇｂ／ｓ程度以上の高速伝送に対応することが困難である。
【００３７】
図２１（Ｂ）に示した光信号分離装置においては、制御信号ｓｉｇ3を遅延させて第２の半導体光増幅器２１０Ｂに入力させることにより、半導体光増幅器２１０Ｂの応答特性の低さを補償している。ところが、この補償方法を用いた光信号分離装置は、構成が複雑である上に、微妙な調整が必要であり安定した動作を行わせることが困難である。
【００３８】
本発明の目的は、高速動作可能でかつ安定した光信号処理方法及び光信号処理装置を提供することである。
【００３９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、
キャリアを３次元的に閉じ込める複数の量子ドットが分布した半導体領域を有する半導体光増幅器の該半導体領域にバイアス電圧を印加して前記量子ドットにキャリアを注入する工程と、
前記量子ドットにキャリアが注入された状態の前記半導体光増幅器に、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まないビット速度２Ｇｂ／ｓ以上の光パルス信号を入力し、前記量子ドット内のキャリアの光学遷移による誘導放出を生じさせ、入力された光パルス信号を増幅する工程と
を有する光信号処理方法が提供される。
【００４０】
本発明の他の観点によると、
キャリアを３次元的に閉じ込める複数の量子ドットが分布した半導体領域を有する半導体光増幅器の該半導体領域にバイアス電圧を印加して前記量子ドットにキャリアを注入する工程と、
前記半導体光増幅器に、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない光パルス信号と、該光パルス信号とは波長が異なり、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない連続光を入力する工程であって、該光パルス信号の光パルスが入力されることによって該半導体光増幅器の利得の低下を生じさせ、該連続光の出力波形を、該光パルス信号の波形に応じて変化させる工程と
を有する光信号処理方法が提供される。
【００４１】
本発明のさらに他の観点によると、
キャリアを３次元的に閉じ込める複数の量子ドットが分布した半導体領域を有する第１及び第２の半導体光増幅器の該半導体領域にバイアス電圧を印加して前記量子ドットにキャリアを注入する工程と、
前記第１及び第２の半導体光増幅器に、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない複数の光パルス信号が時分割多重された同一の多重化光パルス信号を入力すると共に、前記第１の半導体光増幅器にのみ、前記多重化光パルス信号に多重化されている特定の光パルス信号のタイムスロットに同期させて、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない制御用光パルス信号を入力する工程と、
前記第１及び第２の半導体光増幅器の各々から出力された多重化光パルス信号を干渉させ、該多重化光パルス信号から前記特定の光パルス信号を分離する工程と
を有する光信号処理方法が提供される。
【００４２】
上述のように、量子ドット内のキャリアの光学遷移を利用することにより、半導体光増幅器の応答速度を高めることができる。
【００４３】
本発明のさらに他の観点によると、
キャリアを３次元的に閉じ込める複数の量子ドットが分布した半導体領域を有する半導体光増幅器と、
前記半導体光増幅器に、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない光パルス信号と、該光パルス信号とは波長が異なり、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない連続光とを入力する入力光学装置と
を有する光信号処理装置が提供される。
【００４４】
量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない光パルス信号のパルスが入力されると、利得飽和が生じ、連続光の利得が低下する。これにより、連続光の波長の光信号の出力強度が、光パルス信号の波形に応じて変動する。結果的に、光パルス信号の波長から連続光の波長に波長変換が行われる。
【００４５】
本発明のさらに他の観点によると、
キャリアを３次元的に閉じ込める複数の量子ドットが分布した半導体領域を有する第１及び第２の半導体光増幅器と、
前記第１及び第２の半導体光増幅器に、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない複数の光パルス信号が時分割多重された同一の多重化光パルス信号を入力する第１の光学装置と、
前記第１の半導体光増幅器にのみ、前記多重化光パルス信号に多重化されている光パルス信号のうち一部の光パルス信号のタイムスロットに同期させて、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない制御用光パルス信号を入力する第２の光学装置と、
前記第１及び第２の半導体光増幅器の各々から出力された多重化光パルス信号を干渉させ、該多重化光パルス信号から前記制御用光パルス信号に同期した光パルス信号を分離する干渉計と
を有する光信号処理装置が提供される。
【００４６】
本発明のさらに他の観点によると、
キャリアを３次元的に閉じ込める複数の量子ドットが分布した半導体領域を有する第１及び第２の半導体光増幅器と、
前記第１及び第２の半導体光増幅器に、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない光パルス信号を入力する第１の光学装置と、
前記第１の半導体光増幅器にのみ、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない制御用光パルス信号を入力する第２の光学装置と、
前記第１及び第２の半導体光増幅器の各々から出力された光パルス信号を干渉させ、該光パルス信号から、前記制御用光パルス信号のパルスに同期した光パルスを分離する干渉計と
を有する光信号処理装置が提供される。
【００４７】
量子ドット内のキャリアの光学遷移を利用することにより、半導体光増幅器の応答速度を高めることができる。このため、制御用光パルス信号を入力することによって、所望のタイムスロットのパルスのみの位相を変化させることができる。これにより、半導体光増幅器の応答速度の低さを補償しなくてもよいため、第２の半導体光増幅器に制御用光パルス信号を入力する必要がなく、装置構成を簡単化することができる。また、動作点の微妙な調整を行う必要がない。
【００５２】
【発明の実施の形態】
図３に、本発明の第１の実施例による半導体光増幅器の斜視図を示す。厚さ３００μのｎ型ＧａＡｓ基板３０の表面上に、ｎ型のＧａＡｓからなる厚さ１μｍのバッファ層３１が形成されている。バッファ層３１の上に、ｎ型のＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓからなる厚さ０．５μｍのクラッド層３２が形成されている。クラッド層３２の上に、下側光閉込層３３、活性層３４、及び上側光閉込層３５がこの順番に積層されている。この３層の詳細な構成については、図４を参照して後述する。
【００５３】
上側光閉込層３５の上に、ｐ型のＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓからなる厚さ１．０μｍのクラッド層３６が形成されている。クラッド層３６の上に、ｐ型のＧａＡｓからなる厚さ０．２μｍのコンタクト層３７が形成されている。ｎ型基板３０、ｎ型クラッド層３２、ｐ型クラッド層３６、ｐ型コンタクト層３７の不純物濃度はすべて約１×１０18ｃｍ-3である。
【００５４】
基板表面の法線に平行な視線で見たとき、これらの層が積層された積層構造体の形状は、ほぼ長方形である。長方形の１つの辺に対応する端面が入射端面４０を画定し、その反対側の端面が出射端面４１を画定する。
【００５５】
コンタクト層３７に、入射端面４０から出射端面４１までのびた２本の溝４２が形成されている。２本の溝４２は、ほぼ平行に配置され、ｐ型クラッド層３６の内部まで達している。２本の溝４２は、両者の間にリッジ４３を画定する。酸化シリコンからなる絶縁膜４４が、リッジ４３の上面を除くコンタクト層３７の上面、及び溝４２の内面を被覆する。
【００５６】
絶縁膜４４及びリッジ４３の上面上に、ｐ側電極４５が形成されている。ｐ側電極４５は、例えばＡｕＺｎ合金等で形成され、リッジ４３の上面においてコンタクト層３７にオーミック接触する。ｎ型基板３０の裏面上にｎ側電極４６が形成されている。ｎ側電極４６は、例えばＡｕＧｅ合金で形成され、基板３０にオーミック接触する。
【００５７】
図４（Ａ）に、下側光閉込層３３、活性層３４、及び上側光閉込層３５の断面図を示す。下側光閉込層３３及び上側光閉込層３５はＧａＡｓで形成され、その厚さは０．１μｍである。活性層３４は、１０層の量子ドット層３４Ａと９層のＧａＡｓ層３４Ｂとが交互に積層された構造を有する。量子ドット層３４Ａの各々の厚さは２５ｎｍである。ＧａＡｓ層３４Ｂの各々の厚さは２５ｎｍである。
【００５８】
量子ドット層３４Ａの各々は、下地表面上に不規則に分布したＩｎＡｓからなる多数の量子ドット３４Ｃ、及び下地表面のうち量子ドット３４Ｃの配置されていない領域を覆うＩｎＧａＡｓからなるウェッティング層３４Ｄにより構成される。各量子ドット３４Ｃの面内方向の大きさは約２０ｎｍである。量子ドット３４Ｃは、キャリアを３次元的に閉じ込める。
【００５９】
次に、図３に示した半導体増幅器の製造方法を説明する。クラッド層３２からコンタクト層３７までの各層は、成長温度５５０℃の条件で、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）により形成される。ＧａＡｓからなる下地表面上にＩｎＧａＡｓを成長させると、歪エネルギを最小にするように、図４に示したような量子ドット３４Ｃが自己形成される。
【００６０】
溝４２は、エッチャントとしてリン酸、過酸化水素水及び水の混合液を用いたエッチングにより形成される。絶縁膜４４は、化学気相成長（ＣＶＤ）またはスパッタリングにより形成される。ｐ側電極４５及びｎ側電極４６は、真空蒸着により形成される。
【００６１】
次に、図３に示した第１の実施例による半導体光増幅器の動作原理について説明する。
【００６２】
図４（Ｂ）に、量子ドット３４Ｃのエネルギバンド図を示す。図４（Ｂ）には、ｊ番目の量子ドット３４Ｃj及びｊ＋１番目の量子ドット３４Ｃj+1に相当するエネルギ準位が表されている。量子ドット３４Ｃの大きさは、伝導帯中の電子の波長と同程度であるため、量子ドット３４Ｃ内の電子のエネルギは量子化される。このため、量子ドット３４Ｃjの伝導帯中の電子のエネルギ準位が離散的に分布する。２次励起状態以上の各状態のエネルギ差は、基底状態Ｎjと１次励起状態Ｎｅ（ｊ）とのエネルギの差、及び１次励起状態Ｎｅjと２次励起状態とのエネルギ差に比べて十分小さい。このため、２次励起状態以上の複数の状態は連続状態Ｎｃjとみなすことができる。ウェッティング層３４Ｄの伝導帯には、連続状態Ｎｗが存在する。下記の考察では、量子ドットの大きさのばらつき（不均一広がりと呼ばれる）や量子ドットの各々の利得のばらつき（均一広がりと呼ばれる）が考慮される。
【００６３】
多数の量子ドット３４Ｃを含む活性層３４の利得Ｇは、
【００６４】
【数５】
と表される。ここで、ｇjはｊ番目の量子ドット３４Ｃjの利得であり、下記の式で表される。
【００６５】
【数６】
ｇj＝Ａj（Ｎj−ＮDＧj） ・・・（６）
Ａj＝２πｅ2／（ε0ｃｎrｍ0 2）×（｜Ｐ｜2／Ｅ0）×Ｂ（ω−ωj）
Ｇj＝Ｇ（ωj−ω0）Δω
ここで、ε0は真空の誘電率、ｃは真空中の光速、ｅは電子の持つ電荷、ｎrは半導体光増幅器中の光の導波部分の平均屈折率、ｍ0は電子の静止質量、Ｐは量子ドットの光学遷移の行列要素、Ｅ0は量子ドットの基底状態から荷電子帯の基底準位への光学遷移エネルギである。ω0は、エネルギＥ0に対応する角周波数であり、プランク定数をｈとして、
【００６６】
【数７】
ω0＝（２π）Ｅ0／ｈ
と表される。Ｇ（ωj−ω0）は量子ドットの光学遷移エネルギの分布を表す関数である。ここで、複数の量子ドットは、その光学遷移エネルギに応じてグループ分けされており、量子ドットは指数ｊで特定されている。Δωは、グループ分けされた量子ドットの各グループの角周波数幅を表す。
【００６７】
図３に示したｐ側電極４５及びｎ側電極４６に順方向バイアスを印加すると、キャリアが活性層３４内に注入される。キャリアは、まず量子箱３４Ｃを取り巻くウェッティング層３４Ｄ内に注入され、量子ドット３４Ｃの高次の励起状態に捕捉される。ｊ番目の量子ドット３４Ｃjに捕捉されたキャリアは、励起状態Ｎｅj、基底状態Ｎjへと緩和していく。
【００６８】
図４（Ｂ）に示したエネルギ準位モデルでは、量子ドット３４Ｃへのキャリアの注入過程を下記のようなレート方程式で表すことができる。
【００６９】
ウェッティング層３４Ｄ内においては、レート方程式は、
【００７０】
【数８】
と表される。ここで、１／τａ−＞ｂ，ｊはｊ番目の量子ドットの状態ａから状態ｂへの緩和レートである。添え字のｗ、ｃ、ｅ、ｇは、それぞれウェッティング層の連続状態、量子ドットの連続状態、励起状態、及び基底状態を示す。τのオーババーは、緩和レートの平均値を表す。τｗｒは、ウェッティング層内のキャリアの再結合時間を表す。Ｎｗは、ウェッティング層内の連続状態を占める電子密度を表し、Ｎａ，ｊは、ｊ番目の量子ドットの状態ａを占める電子密度を表す。
【００７１】
ｊ番目の量子ドット３４Ｃjの連続準位Ｎｃjのレート方程式は、
【００７２】
【数９】
と表される。Ｎjは、ｊ番目の量子ドットの基底状態を占める電子密度を表す。τcrは、量子ドットの連続状態を占めるキャリアの再結合時間を表す。
【００７３】
ｊ番目の量子ドット３４Ｃｊの励起準位Ｎｅjのレート方程式は、
【００７４】
【数１０】
と表される。τerは、量子ドットの励起状態を占めるキャリアの再結合時間を表す。
【００７５】
ｊ番目の量子ドット３４Ｃjの基底状態Ｎjのレート方程式は、
【００７６】
【数１１】
と表される。ここで、添え字のｍは、光の周波数を表す指数であり、ｎは、導波路の横モード（光の進行方向に垂直な面内の電磁場分布）を表す指数である。
【００７７】
上記のレート方程式において、Ｎj0は、
【００７８】
【数１２】
と表される。式（１２）中の緩和時間τの添え字の０は、キャリア密度が０の時の緩和時間を表す。光パルスＳmn（ｚ，Ｔ）の伝搬方程式は、
【００７９】
【数１３】
と表される。
【００８０】
上述のレート方程式において、各緩和レートは下記の式で表される。
【００８１】
【数１４】
【００８２】
【数１５】
【００８３】
【数１６】
【００８４】
【数１７】
【００８５】
【数１８】
【００８６】
【数１９】
【００８７】
【数２０】
【００８８】
【数２１】
【００８９】
【数２２】
と表される。Ｄwはウェッティング層の単位面積あたりの状態数、Ｄcは量子ドットの連続状態の単位面積あたりの状態数、Ｄeは励起状態の単位面積あたりの状態数、ＮDは量子ドットの密度である。
【００９０】
上記理論式を用いて、図３に示した半導体光増幅器の特性を計算した。計算に用いたパラメータは、以下の通りである。
【００９１】
【数２３】
τc->g,0＝τe->g,0＝τc->e,0＝１０ｐｓ
τw->c,0＝１ｐｓ
τg->c,0＝２０２ｐｓ
τg->e,0＝２７ｐｓ
τe->c,0＝７４ｐｓ
τc->w,0＝∞
ＮD＝５×１０10ｃｍ-2
Ｄw＝４０ＮD
Ｄc＝２０ＮD
Ｄe＝６ＮD
Γ＝１５％
緩和時間は、ジャーナルオブアプライドフィジクス（１９９７年第８１巻第７８９５頁）のウスコフらの論文（A. V. Uskov, F. Adler, H. Schweizer, and M. H. Pikuhn, J. Appl. Phys. 81(1997)7895）に記載された理論計算に基づいている。
【００９２】
図５は、第１の実施例による半導体光増幅器の利得スペクトルの電流密度依存性を示す。横軸は入射光のエネルギを、基底状態のキャリアの光学遷移波長に相当するエネルギを０ｍｅＶとした相対値で表し、縦軸は利得を単位「ｃｍ-1」で表す。基底状態及び励起状態の光学遷移波長に対応する位置に利得のピークが現れている。以下の説明では、入射光の波長が基底状態の光学遷移波長に一致する場合について説明する。
【００９３】
図６は、パルス幅１０ｐｓ、ピークパワー４０ｍＷの光パルスが、第１の実施例による半導体光増幅器に入射したときの利得の時間変化を示す。横軸は、光パルスの入射時からの経過時間を単位「ｐｓ」で表し、縦軸は利得を単位「ｃｍ-1」で表す。図６は、従来の半導体光増幅器の場合の図１８に示した利得変動特性に対応する。
【００９４】
図６に示したように、半導体光増幅器に光パルスが入射すると、利得が急激に低下し、光パルスが通過した後は、利得が急激に回復している。利得の応答時間は約１ｐｓ程度である。図６と図１８とを比較すると、第１の実施例の半導体光増幅器の利得の応答時間は、従来の半導体光増幅器のそれに比べて著しく短いことがわかる。
【００９５】
図７は、電流密度１６ｋＡ／ｃｍ2の条件下で、パルスの繰り返し周波数が４０Ｇｂ／ｓの光信号が入射したときの、第１の実施例による半導体光増幅器の利得の応答特性を示す。横軸は経過時間を単位「ｎｓ」で表し、縦軸は利得を単位「ｃｍ-1」で表す。なお、図７は、従来の半導体光増幅器の図１９の利得応答特性に対応する。
【００９６】
従来の半導体光増幅器では、図１９に示したように、利得変動が光信号の変化に追随できていなかった。これに対し、第１の実施例による半導体光増幅器の場合には、光パルスの各々について利得飽和が生じ、利得変動が光信号の変化に追随していることがわかる。
【００９７】
図８は、電流密度８ｋＡ／ｃｍ2の条件下で、パルス幅１０ｐｓ、ビット速度４０Ｇｂ／ｓ、ピークパワー１ｍＷの光信号を第１の実施例による半導体光増幅器に入射させたときの入力光信号と出力光信号との強度の時間変動を示す。横軸は経過時間を単位「ｐｓ」で表し、縦軸は光強度を単位「ｍＷ」で表す。なお、半導体光増幅器の光伝搬方向の長さは６００μｍとした。曲線Ｉｉ及びＩｏが、それぞれ入力光信号及び出力光信号の光強度を示す。
【００９８】
図２０に示した従来の半導体光増幅器の場合には、利得の応答速度が遅いため、出力光信号のパルスのピークパワーが安定しなかった。これに対し、第１の実施例による半導体光増幅器の場合には、図８に示したように、出力光信号のパルス列の各パルスのピークパワーがほぼ揃っている。これにより、エラーの生じにくい伝送を行うことが可能になる。なお、電流密度を増やせば、出力光の各パルスのピークパワーを、より均一に近づけることができるであろう。
【００９９】
次に、図９を参照して、従来の半導体光増幅器と第１の実施例による半導体光増幅器の動作原理の相違について説明する。
【０１００】
図９に示した左側の列のグラフが、従来の半導体光増幅器の利得スペクトルを表し、右側の列のグラフが、第１の実施例による半導体光増幅器の利得スペクトルを表す。最上段のグラフが、定常状態における利得スペクトルを表し、第２段目のグラフが、光パルスが入射した直後の利得スペクトルを表し、第３段目のグラフが、光パルスが通過した後の利得スペクトルを表し、第４段目のグラフが、利得が回復した後の利得スペクトルを表す。
【０１０１】
従来の半導体光増幅器の場合には、活性層内の電子のエネルギ準位は連続的に分布する。このため、利得スペクトルは、活性層のバンドギャップに対応するエネルギを含むブロードな形状を示す。光パルスが入射すると、誘導放出により、入射光のエネルギに対応するエネルギ状態を占める電子の密度が低下する。これにより、当該エネルギに対応する利得も低下する。
【０１０２】
ところが、活性層内のエネルギ準位が連続的に分布しているため、電子密度の低下したエネルギ準位に、他のエネルギ準位から瞬時に電子が補充される。連続的な状態を占める電子の緩和時間は１００ｆｓ程度であり、極めて短い。このため、利得スペクトル内にスペクトルホールが現れない。入射光のパワーが、通常の光通信で使用される数十ｍＷ程度である場合、誘導放出によって減少する電子数は僅かであるため、利得が全体的に少しだけ低下し、利得飽和は生じない。
【０１０３】
誘導放出によって減少した電子は、電極から注入されるキャリアによって補充される。キャリアが補充されるまで、利得は回復しない。このため、光パルスが通過した直後の利得は低下したままである。電子密度が定常状態の値に戻ると、利得も回復する。この利得が回復するまでの時間は、約０．５ｎｓ程度である。
【０１０４】
第１の実施例による半導体光増幅器の場合には、利得スペクトルに、量子ドット内の基底状態及び励起状態に対応するピークＰ0及びＰeが現れる。基底状態のエネルギに相当する光パルスが入射すると、誘導放出により基底状態の電子密度が低下する。減少した電子が励起状態から補充されるまでに約１０ｐｓ程度の緩和時間が必要である。このため、入射光のエネルギに対応する位置にスペクトルホールＳＨが現れる。
【０１０５】
光パルスが通過すると、励起状態や連続状態からの緩和によって、基底状態のエネルギに対応する利得が回復する。利得が回復するまでの時間は、１０ｐｓ程度である。励起状態や連続状態から基底状態へ電子が遷移することにより、励起状態や連続状態の電子密度が低下する。この電子密度の低下分は、電極から注入されるキャリアによって補充される。従って、約０．５ｎｓ後に、励起状態のエネルギに対応する利得が定常状態の値まで回復する。
【０１０６】
このように、励起状態や連続状態の電子密度の回復には、比較的長時間を必要とする。しかし、励起状態や連続状態の状態数は、基底状態の状態数に比べて多い。これらの状態に、予め、十分な数の電子を注入しておけば、励起状態や連続状態の電子密度の回復の遅さは、基底状態のエネルギの利得にほとんど影響を及ぼさない。
【０１０７】
上述のように、第１の実施例による半導体光増幅器の場合には、利得飽和がスペクトルホールの発生によって生ずるため、その応答時間は極めて短い。また、利得の回復は、励起状態や連続状態から基底状態へ電子が補充されることによって生ずる。このため、利得の回復時間も極めて短い。
【０１０８】
次に、図１０を参照して本発明の第２の実施例による２Ｒ素子について説明する。
【０１０９】
図１０に示すように、第１の実施例による半導体光増幅器と同様の構成を有する半導体光増幅器５０に、光信号が入力される。入力光信号のパルスのピークパワーには、ばらつきがある。半導体光増幅器５０が利得飽和することにより、出力光信号のパルスのピークパワーが揃う。図６を参照して説明したように、利得飽和の生ずる時間が１ｐｓ程度であるため、従来の半導体光増幅器では増幅及び整形が困難であった２Ｇｂ／ｓ以上の光信号の増幅及び整形を行うことができる。第２の実施例による２Ｒ素子は、ビットレートが１０Ｇｂ／ｓ以上、特に、４０Ｇｂ／ｓ以上の光信号の増幅及び整形に適している。
【０１１０】
次に、図１１を参照して本発明の第３の実施例による波長変換器について説明する。
【０１１１】
図１１に示すように、第１の実施例による半導体光増幅器５１に、波長λ1の光信号ｓｉｇ1及び波長λ2の光信号ｓｉｇ2が入力される。第３の実施例による波長変換器を、図１７に示した従来の波長変換器と比較すると、従来の波長変換器の半導体光増幅器２１０が、第１の実施例による半導体光増幅器５１に置き換えられただけであり、その他の基本的な構成は変わらない。
【０１１２】
光信号ｓｉｇ1が半導体光増幅器５１に入力されると、図９に示したスペクトルホールが形成される。エネルギ空間におけるスペクトルホールの広がりは、波長λ2の光信号ｓｉｇ2のエネルギまで及ぶ。このため、光信号ｓｉｇ1のパルスが入力されると、光信号ｓｉｇ2の利得が減少する。これにより、光信号ｓｉｇ2の出力強度が低下し、光信号ｓｉｇ1の波形を反転させた波形が得られる。
【０１１３】
第３の実施例の場合には、利得応答速度の速い第１の実施例による半導体光増幅器５１が用いられているため、従来は困難であった２Ｇｂ／ｓ以上の光信号の波長変換を行うことができる。第３の実施例による波長変換器は、ビットレートが１０Ｇｂ／ｓ以上、特に、４０Ｇｂ／ｓ以上の光信号の波長変換に適している。波長λ2の光信号ｓｉｇ2のエネルギが、光信号ｓｉｇ1のスペクトルホールに含まれるには、波長λ1とλ2との光のエネルギ差が、量子ドットの利得の均一幅（室温で約１０〜２０ｍｅＶ）よりも小さいことが必要になる。
【０１１４】
次に、図１２を参照して本発明の第４の実施例による光信号分離装置（デマルチプレクサ）について説明する。
【０１１５】
図１２は、第４の実施例による光信号分離装置のブロック図を示す。第４の実施例による光分離装置を、図２１に示した従来の光分離装置と比較すると、第１及び第２の半導体光増幅器２１０Ａ及び２１０Ｂが、それぞれ第１の実施例による半導体光増幅器と同様の構成を有する第１及び第２の半導体光増幅器５３Ａ及び５３Ｂに置き換えられている。
【０１１６】
第１及び第２の半導体光増幅器５３Ａ及び５３Ｂが、マッハツェンダ型干渉計５２の２本の光路内に挿入されている。図２１に示した従来の光分離装置では、制御用光信号ｓｉｇ3が、第１の半導体光増幅器２１０Ａのみならず、遅延回路を通して第２の半導体光増幅器２１０Ｂにも入力されていた。このような構成としたのは、既に説明したように、半導体光増幅器の利得の応答特性の低さを補償するためである。
【０１１７】
第４の実施例では、利得の応答特性の優れた半導体光増幅器５３Ａ及び５３Ｂが用いられているため、制御信号ｓｉｇ3を第２の半導体光増幅器５３Ｂに入力する必要がない。第４の実施例による光信号分離装置のその他の構成は、図２１に示した従来の光信号分離装置の構成と同様である。また、制御信号ｓｉｇ3及び光信号ｓｉｇ4も、図２１に示した従来の場合と同様である。
【０１１８】
第１の半導体光増幅器５３Ａから出力された光信号ｓｉｇ5のチャンネル＃２のパルスの位相がπだけずれる。第１の半導体光増幅器５３Ａの応答速度が速いため、チャンネル＃３及び＃４のパルスは、制御信号ｓｉｇ3のパルスの影響を受けない。このため、チャンネル＃３及び＃４のパルスの位相は変化しない。第２の半導体光増幅器５３Ｂから出力された光信号ｓｉｇ6の各パルスの位相も変化しない。光信号ｓｉｇ5とｓｉｇ6とが干渉することにより、一方の出力導波路５４Ａにチャンネル＃１、＃３及び＃４のパルスが現れ、他方の出力導波路５４Ｂにチャンネル＃２のパルスが現れる。
【０１１９】
第４の実施例の場合には、制御信号ｓｉｇ3を第１の半導体光増幅器５３Ａにのみ入力すればよいため、装置構成を簡単化できると共に、動作点の調整を容易に行うことができる。第４の実施例の光信号分離装置は、例えば４０Ｇｂ／ｓの４つの信号を時分割多重した１６０Ｇｂ／ｓの光信号から、任意の１つの４０Ｇｂ／ｓの光信号を分離することができる。
【０１２０】
次に、図１３を参照して、本発明の第５の実施例による２Ｒ素子について説明する。
【０１２１】
図１３（Ａ）は、第５の実施例による２Ｒ素子のブロック図を示す。図１０に示した第２の実施例による半導体光増幅器５０の前段に光吸収飽和素子５６が挿入されている。入力光信号が光吸収飽和素子５６に入力され、その出力光信号が半導体光増幅器５０に入力される。光吸収飽和素子５６は、例えば半導体で形成された活性層を含む光導波路で構成される。
【０１２２】
図１３（Ｂ）に、光吸収飽和素子５６の入出力特性を示す。横軸は入力信号の光強度を表し、縦軸は出力信号の光強度を表す。入力光の強度がしきい値Ｉth以下の時は、入力光のほとんどが吸収され、出力信号の光強度がほとんど０になる。入力信号の光強度がしきい値Ｉthを超えると吸収量が飽和するため、出力信号の光強度が急激に増加する。すなわち、光吸収飽和素子５６は、入力信号のうち強度がしきい値以下の成分を吸収し、しきい値を超えている成分を通過させる。
【０１２３】
入力光信号には、通常バックグラウンドノイズＩNが含まれる。バックグラウンドノイズＩNの強度は、光飽和吸収素子５６のしきい値Ｉth以下である。このため、バックグラウンドノイズＩNは光吸収飽和素子５６で吸収され、除去される。バックグラウンドノイズＩNの除去された光信号が半導体光増幅器５０に入力されるため、増幅及び整形された出力光信号のＳ／Ｎ比を高めることができる。
【０１２４】
図１４に示すように、複数の光吸収飽和素子５６と半導体光増幅器５０とを縦続接続してもよい。このように、複数の素子を縦続接続することにより波形整形効果を高めることができる。なお、光吸収飽和素子５６と半導体光増幅器５０とを交互に接続する必要はないが、交互に接続することにより、効果をより高めることができるであろう。
【０１２５】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【０１２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、量子ドット内の離散的に分布する状態を占めるキャリアの光学遷移を利用することにより、半導体光増幅器の応答速度を速めることができる。この半導体光増幅器を、光信号の増幅整形素子、波長変換素子、光信号分離装置に適用することにより、応答速度の速い光信号処理装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光通信網の概念図である。
【図２】光ノードの機能ブロック図である。
【図３】第１の実施例による半導体光増幅器の斜視図である。
【図４】だい１の実施例による半導体光増幅器の活性層の断面図、及び量子ドット層のエネルギバンド図である。
【図５】第1の実施例による半導体光増幅器の利得スペクトルを示すグラフである。
【図６】第1の実施例による半導体光増幅器に光パルスを入力したときの利得の時間変動を示すグラフである。
【図７】第1の実施例による半導体光増幅器に光パルス列を入力したときの利得の時間変動を示すグラフである。
【図８】第1の実施例による半導体光増幅器に光パルス列を入力したときの入力信号及び出力信号の光強度を示すグラフである。
【図９】従来の半導体光増幅器と第１の実施例による半導体光増幅器の動作原理を説明するための利得スペクトルを示すグラフである。
【図１０】第２の実施例による光増幅形成装置のブロック図である。
【図１１】第３の実施例による波長変換装置のブロック図である。
【図１２】第４の実施例による光信号分離装置のブロック図である。
【図１３】第５の実施例による光信号増幅整形装置のブロック図、及びそれに用いられている光吸収飽和素子の入出力特性を示すグラフである。
【図１４】第５の実施例の変形例による光信号増幅整形装置のブロック図である。
【図１５】従来の半導体光増幅器の斜視図である。
【図１６】従来の光増幅整形装置のブロック図である。
【図１７】従来の波長変換装置のブロック図である。
【図１８】従来の半導体光増幅器に光パルスを入力したときの利得の時間変動を示すグラフである。
【図１９】従来の半導体光増幅器に光パルス列を入力したときの利得の時間変動を示すグラフである。
【図２０】従来の半導体光増幅器に光パルス列を入力したときの入力信号及び出力信号の光強度を示すグラフである。
【図２１】従来の光信号分離装置のブロック図である。
【符号の説明】
１ 光ノード
２ 光伝送路
５ 再生機能ブロック
６ 光増幅器
７ 波形整形器
８ リタイミング装置
９ クロック抽出器
１０ ドロップ機能ブロック
１１ パルス分岐装置
１２ ヘッダ解読器
１３ 遅延メモリ
１４ デマルチプレクサ
２０ アド機能ブロック
２１ 光ゲート
２２ マルチプレクサ
２３ ヘッダ形成器
２４ 波長変換装置
２５ ルーティング機能ブロック
３０ ｎ型ＧａＡｓ基板
３１ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３２ ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
３３ 下側光閉込層
３４ 活性層
３４Ａ 量子ドット層
３４Ｂ ＧａＡｓ層
３４Ｃ 量子ドット
３４Ｄ ウェッティング層
３５ 上側光閉込層
３６ ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
３７ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
４０ 入射端面
４１ 出射端面
４２ 溝
４３ リッジ
４４ 絶縁膜
４５ ｐ側電極
４６ ｎ側電極
５０、５１、５３Ａ、５３Ｂ 半導体光増幅器
５２ マッハツェンダ型干渉計
５４Ａ、５４Ｂ 出力導波路
５６ 光吸収飽和素子
２００ 活性層
２０１ ｐ型半導体層
２０２ ｎ型半導体層
２０３ 光信号
２１０、２１０Ａ、２１０Ｂ 半導体光増幅器
２１１Ａ、２１１Ｂ 出力導波路
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光増幅器及び光信号処理装置に関し、特に、長距離大容量光通信に適し、高速動作可能な半導体光増幅器及び光信号処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、大容量光通信網で用いられる光通信方式として、波長多重（Wavelength Division Multiplexing : WDM）技術が開発された。さらに、大容量光通信を目指した光時分割多重（Optical Time Division Multiplexing : OTDM）技術や、ＷＤＭ技術とＯＴＤＭ技術とを組み合わせた時間波長分割多重（Time Wavelength Division Multiplexing : TWDM）技術が提唱され、研究が進められている。
【０００３】
図１に、大容量光通信網の概念図を示す。複数のノード１が、光伝送路（光ファイバ）２で接続されている。各ノード１は、光信号の再生、ドロップ、アド（追加）、及びルーティングを行う。光信号の再生は、通常、増幅（Regenerating）、整形（Reshaping）、及びリタイミング（Retiming）の機能から構成され、３Ｒ再生と呼ばれる。
【０００４】
従来の光通信方式では、各ノードで、光信号を一旦電気信号に変換し、電気信号の状態で信号処理を行い、処理された電気信号を光信号に再変換していた。しかし、電気信号の応答速度は、電子素子のキャリア移動度やＣＲ時定数によって制限されるため、光信号の応答速度に比べて遅い。例えば、光信号を電気信号に変換する方式の信号処理の速度限界は、１０〜４０Ｇｂ／ｓである。これ以上の速度で信号処理を行うためには、ＯＴＤＭ信号を光のままで信号処理する全光信号処理技術が不可欠である。
【０００５】
図２に、ＯＴＤＭ信号を光のままで処理する光ノードのブロック図の一例を示す。光ノード１は、再生機能ブロック５、ドロップ機能ブロック１０、アド機能ブロック２０、及びルーティング機能ブロック２５により構成される。
【０００６】
複数のチャンネルが時分割多重された光信号が、再生機能ブロック５の増幅器６に入力される。増幅器６は、光信号を増幅する。整形器７が、増幅された光信号の波形を整形する。リタイミング装置８が、波形整形された光信号のパルスの時間的なずれを補正し、パルスを時間軸上の正規の位置に戻す。クロック抽出器９が、増幅された光信号からクロック信号を抽出し、光ノード内の各装置にクロック信号を供給する。
【０００７】
リタイミング処理された光信号が、ドロップ機能ブロック１０内のパルス分岐装置１１及びアド機能ブロック２０内の光ゲート２１に入力される。パルス分岐装置１１で分岐された光信号が、ヘッダ解読器１２及び遅延メモリ１３に入力される。ヘッダ解読器１２は、チャンネルごとに光信号のヘッダ情報を解読する。遅延メモリ１３は、光信号を所定の時間だけ遅延させる。デマルチプレクサ１４が、遅延された光信号をチャンネルごとに分離（デマルチプレクス）し、当該ノードでドロップさせるべきチャンネルの光信号を取り出す。
【０００８】
アド機能ブロック２０の光ゲート２１は、リタイミング処理された光信号から、当該ノードでドロップされたチャンネルのタイムスロットを空き状態にする。マルチプレクサ２２が、当該ノードで追加する光信号を多重化する。光ゲート２１を通過した光信号の空きタイムスロットに、多重化された光信号が追加される。さらに、ヘッダ形成器２３が、当該ノードで追加された光信号のヘッダを形成し、光ゲート２１を通過した光信号の所定のタイムスロットにヘッダ情報を追加する。
【０００９】
ヘッダ情報の追加された光信号が波長変換器２４に入力されると共に、ルーティング機能ブロック２５に入力される。波長変換器２４は、入力された光信号の波長を変換し、ルーティング機能ブロック２５に入力する。ルーティング機能ブロック２５は、入力された光信号のチャンネルごとのルーティング情報に基づいて、各チャンネルの光信号を伝送すべき次の光ノードに振り分ける。
【００１０】
光ノードのこれらの機能を実現する素子のうち、光増幅器６及び整形器７の２つの機能を有する素子（この２つの機能を有する素子は、２Ｒ素子と呼ばれる）、複数のチャンネルが時分割多重された光信号をチャンネルごとの信号に分離する光デマルチプレクサ１４、及び波長変換器２４の実現が、特に望まれている。
【００１１】
このような機能は、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier : SOA）で実現することが可能である。
【００１２】
図１５に、従来のＳＯＡの概略斜視図を示す。従来のＳＯＡは、光増幅のための利得を有する活性層２００を、ｐ型半導体層２０１とｎ型半導体層２０２とで挟んだ構造とされている。活性層２００は、例えば両側の半導体層よりもバンドギャップの小さな半導体材料で形成された半導体層、または量子井戸層で構成される。
【００１３】
活性層２００に順方向バイアスを印加すると、活性層２００内のキャリア分布が反転分布状態になる。活性層２００の１つの端面から活性層２００内に光信号２０３が入射すると、光信号が活性層２００内で増幅され、反対側の端面から出射する。次に、図１６及び図１７を参照して、半導体光増幅器を光信号処理装置に適用した場合の動作原理について説明する。
【００１４】
図１６は、半導体光増幅器を２Ｒ素子として動作させる場合の構成を示す。長距離伝送された光信号が、半導体光増幅器２１０に入力される。伝送過程での様々な要因、例えばノイズの発生、伝送システムへの外乱、分岐等により、光信号のパルス強度がばらついている。半導体光増幅器２１０の入力信号の光強度に対する出力信号の光強度の関係は、飽和特性を有する。これを利得飽和と呼ぶ。
【００１５】
このような利得飽和を有する半導体光増幅器２１０に、パルス強度のばらついた光信号が入力されると、光信号が増幅されると共に、出力信号のパルス強度が均一に近づく。すなわち、半導体光増幅器２１０は、光増幅と波形整形の機能を有する。
【００１６】
図１７は、半導体光増幅器を波長変換器として動作させる場合の構成を示す。半導体光増幅器２１０に、波長λ1の光信号ｓｉｇ1と、波長λ2の光信号ｓｉｇ2とが入力される。光信号ｓｉｇ1は光パルス列で構成されており、光信号ｓｉｇ2は連続光である。光信号ｓｉｇ1のパルス及び光信号ｓｉｇ2の双方が入力されると、半導体光増幅器２１０の利得が飽和するように、光信号の強度及び半導体光増幅器２１０の増幅特性が調整されている。
【００１７】
光信号ｓｉｇ1のパルスのオンオフによって、光信号ｓｉｇ2の利得が変動するため、光信号ｓｉｇ2の強度が変調を受ける。このため、半導体光増幅器２１０から出力される波長λ2の光信号ｓｉｇ2は、入力された光信号ｓｉｇ1の波形を反転させた波形になる。すなわち、波長λ1の光信号ｓｉｇ1は、波長λ2の光信号ｓｉｇ2に変換されたことになる。
【００１８】
上述のように、半導体光増幅器を２Ｒ素子や波長変換器として用いることができる。しかし、従来の半導体光増幅器は応答速度が遅く、処理可能な周波数は、高々１Ｇｂ／ｓ程度である。その理由について、以下に説明する。
【００１９】
半導体光増幅器中を伝搬する光パルスＳ（ｚ，Ｔ）のレート方程式は、
【００２０】
【数１】
と表される。ここで、ｚは、半導体光増幅器の導波路内の光の伝搬方向に関する座標、Ｔは時間、ｇは半導体光増幅器の活性層の利得、αlossは導波路の損失、Γは光閉込係数を表す。活性層の利得ｇは、キャリア密度によって決まる。キャリア密度Ｎのレート方程式は、
【００２１】
【数２】
と表される。ここで、τrはキャリアの再結合時間、Ｊは電流密度、ｄは活性層の厚さ、ｅは電子の持つ電荷を表す。本願発明者の行った評価実験によると、利得ｇは、
【００２２】
【数３】
ｇ＝Ａ（Ｌ−Ｌz）2＋Ｂ（Ｌ−Ｌz）3 ・・・（３）
と近似できることがわかった。ここで、Ｌは半導体光増幅器の長さを表し、各定数は下記のように定義される。
【００２３】
【数４】
Ａ＝３Ｐ／（Ｌz−Ｌp）2
Ｂ＝２Ｐ／（Ｌz−Ｌp）3
Ｌz＝Ｌz0−Ｃ0（Ｎ−Ｎ0）
Ｌp＝Ｌ0−Ｂ0（Ｎ−Ｎ0）
Ｐ＝Ａ0（Ｎ−Ｎ0）＋Ａ0Ｎ0ｅｘｐ（−Ｎ／Ｎ0）
Ａ0＝３．０×１０-16 ［ｃｍ2］
Ｂ0＝３．０×１０-20 ［μｍ・ｃｍ3］
Ｃ0＝−３．０×１０-21 ［μｍ・ｃｍ3］
Ｌz0＝１．６５ ［μｍ］
Ｌ0＝１．６０ ［μｍ］
Ｎ0＝７．０×１０17 ［ｃｍ-3］
式（３）を式（２）に代入することにより、キャリア密度Ｎに関する微分方程式が得られる。この微分方程式を解くことにより、キャリア密度Ｎの時間変動グラフが得られる。時間変動するキャリア密度Ｎを式（３）に代入することにより、利得ｇの時間変動グラフが得られる。
【００２４】
図１８は、時刻０からパルス幅１０ｐｓの光パルスを半導体光増幅器に入力したときの利得ｇの変動の計算結果を示す。横軸は時刻０からの経過時間を単位「ｐｓ」で表し、縦軸は利得ｇを単位「ｃｍ-1」で表す。なお、評価対象の半導体光増幅器の活性層は、バンドギャップ１．５５μｍ相当のＩｎＧａＡｓＰであり、動作温度は２９５Ｋである。図１８には、半導体光増幅器に流す電流密度が４ｋＡ／ｃｍ2、８ｋＡ／ｃｍ2、及び１６ｋＡ／ｃｍ2のときの利得ｇを示す。光パルスが印加されている期間は、伝導帯中の電子の光学遷移によりキャリア密度が減少するため、利得ｇも減少する。
【００２５】
図１９は、パルス幅１０ｐｓの光パルス信号を、ビット速度４０Ｇｂ／ｓで半導体光増幅器に入力したときの利得ｇの時間変動を示す。横軸は経過時間を単位「ｎｓ」で表し、縦軸は利得ｇを単位「ｃｍ-1」で表す。なお、活性層の構成及び動作温度は、図１８の場合と同様であり、電流密度は８ｋＡ／ｃｍ2である。光パルスが入力されている期間は利得ｇが減少する。光パルスが入力されていない期間は、活性層内にキャリアが補給されるため、利得ｇが上昇する。
【００２６】
ところが、利得の応答速度が遅いため、利得変動が４０Ｇｂ／ｓの光信号に追随できていないことがわかる。図１９のグラフから、利得ｇの応答時間は約０．３ｎｓ程度であることがわかる。この応答時間から、従来の半導体光増幅器の動作周波数は、高々２Ｇｂ／ｓであることがわかる。
【００２７】
図２０に、従来の半導体光増幅器にパルス幅１０ｐｓ、ビット速度４０Ｇｂ／ｓの光信号を入力したときの、入力信号と出力信号との光強度を示す。横軸は経過時間を単位「ｐｓ」で表し、縦軸は光出力を単位「ｍＷ」で表す。なお、半導体光増幅器の構成は、図１８の場合と同様であり、電流密度は８ｋＡ／ｃｍ2、動作温度は２９５Ｋ、活性層の長さは６００μｍとした。利得の応答特性が悪いため、出力信号の各パルスのピークパワーが徐々に低下し、一定になるまでに長時間を要している。このようなピークパワーの変動は、伝送エラーの原因になる。
【００２８】
次に、図２１を参照して、従来の半導体光増幅器を用いた光信号分離装置（デマルチプレクサ）の動作原理及び構成例を示す。
【００２９】
図２１（Ａ）に示すように、半導体光増幅器２１０に、制御用光信号ｓｉｇ3と光信号ｓｉｇ4とが入力される。光信号ｓｉｇ4は、例えばチャンネル＃１〜＃４が時分割多重された信号である。光信号ｓｉｇ4のチャンネル＃２のタイムスロットに合わせて制御信号ｓｉｇ3のパルスが半導体光増幅器２１０に入力される。
【００３０】
制御信号ｓｉｇ3のパルスと光信号ｓｉｇ4のパルスとが重なると、半導体光増幅器２１０の活性層内のキャリア密度が大きく減少し、屈折率が変化する。このため、光信号ｓｉｇ4のチャンネル＃２のパルスの位相が変化する。図２１（Ａ）では、位相の変化したパルスにハッチを付している。半導体光増幅器２１０は、この位相変化がちょうどπになるように調整されている。
【００３１】
ところが、半導体光増幅器の応答特性が悪いため、光信号ｓｉｇ4のチャンネル＃２のタイムスロットと同時に入力した制御信号ｓｉｇ3のパルスの影響が、光信号ｓｉｇ4のチャンネル＃３以降のタイムスロットにも及んでしまう。このため、チャンネル＃３や＃４のパルスの位相も変化してしまう。
【００３２】
図２１（Ｂ）は、この問題を解決することが可能な光信号分離装置の構成例を示す。マッハツェンダ（Mach-Zehnder）型干渉計の一方の光路に第１の半導体光増幅器２１０Ａが挿入され、他方の光路に第２の半導体光増幅器２１０Ｂが挿入されている。半導体光増幅器２１０Ａ及び２１０Ｂの双方に、４チャンネルの信号が時分割多重された光信号ｓｉｇ4が入力される。
【００３３】
第１の半導体光増幅器２１０Ａに、制御用光信号ｓｉｇ3が入力され、第２の半導体光増幅器２１０Ｂに、遅延された制御信号ｓｉｇ3が入力される。第１の半導体光増幅器２１０Ａに入力される制御信号ｓｉｇ3は、光信号ｓｉｇ4のチャンネル＃２のタイムスロットに時間的に一致するパルスを有する。第２の半導体光増幅器２１０Ｂに入力される制御信号ｓｉｇ3は遅延されており、制御信号ｓｉｇ3のパルスは、光信号ｓｉｇ4のチャンネル＃３のタイムスロットに時間的に一致する。
【００３４】
第１の半導体光増幅器２１０Ａにおいては、制御信号ｓｉｇ3のパルスの影響が、チャンネル＃２以降のチャンネルのパルスにも及ぶため、出力された光信号ｓｉｇ5のチャンネル＃２〜＃４のパルスの位相が変化する。第２の半導体光増幅器２１０Ｂにおいては、制御信号ｓｉｇ3のパルスの影響が、チャンネル＃３以降のチャンネルのパルスに及ぶ。このため、出力された光信号ｓｉｇ6のチャンネル＃３及び＃４のパルスの位相が変化する。図２１（Ｂ）において、位相の変化したパルスにハッチが付されている。
【００３５】
光信号ｓｉｇ5とｓｉｇ6とが干渉を起こすことにより、マッハツェンダ型干渉計の一方の出力導波路２１１Ａに、チャンネル＃１、＃３及び＃４のパルスが現れ、他方の出力導波路２１１Ｂに、チャンネル＃２のパルスが現れる。このようにして、時分割多重された光信号から、所望のチャンネルの信号を分離することができる。
【００３６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の半導体光増幅器を用いた光信号処理装置では、２Ｇｂ／ｓ程度以上の高速伝送に対応することが困難である。
【００３７】
図２１（Ｂ）に示した光信号分離装置においては、制御信号ｓｉｇ3を遅延させて第２の半導体光増幅器２１０Ｂに入力させることにより、半導体光増幅器２１０Ｂの応答特性の低さを補償している。ところが、この補償方法を用いた光信号分離装置は、構成が複雑である上に、微妙な調整が必要であり安定した動作を行わせることが困難である。
【００３８】
本発明の目的は、高速動作可能でかつ安定した光信号処理方法及び光信号処理装置を提供することである。
【００３９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、
キャリアを３次元的に閉じ込める複数の量子ドットが分布した半導体領域を有する半導体光増幅器の該半導体領域にバイアス電圧を印加して前記量子ドットにキャリアを注入する工程と、
前記量子ドットにキャリアが注入された状態の前記半導体光増幅器に、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まないビット速度２Ｇｂ／ｓ以上の光パルス信号を入力し、前記量子ドット内のキャリアの光学遷移による誘導放出を生じさせ、入力された光パルス信号を増幅する工程と
を有する光信号処理方法が提供される。
【００４０】
本発明の他の観点によると、
キャリアを３次元的に閉じ込める複数の量子ドットが分布した半導体領域を有する半導体光増幅器の該半導体領域にバイアス電圧を印加して前記量子ドットにキャリアを注入する工程と、
前記半導体光増幅器に、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない光パルス信号と、該光パルス信号とは波長が異なり、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない連続光を入力する工程であって、該光パルス信号の光パルスが入力されることによって該半導体光増幅器の利得の低下を生じさせ、該連続光の出力波形を、該光パルス信号の波形に応じて変化させる工程と
を有する光信号処理方法が提供される。
【００４１】
本発明のさらに他の観点によると、
キャリアを３次元的に閉じ込める複数の量子ドットが分布した半導体領域を有する第１及び第２の半導体光増幅器の該半導体領域にバイアス電圧を印加して前記量子ドットにキャリアを注入する工程と、
前記第１及び第２の半導体光増幅器に、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない複数の光パルス信号が時分割多重された同一の多重化光パルス信号を入力すると共に、前記第１の半導体光増幅器にのみ、前記多重化光パルス信号に多重化されている特定の光パルス信号のタイムスロットに同期させて、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない制御用光パルス信号を入力する工程と、
前記第１及び第２の半導体光増幅器の各々から出力された多重化光パルス信号を干渉させ、該多重化光パルス信号から前記特定の光パルス信号を分離する工程と
を有する光信号処理方法が提供される。
【００４２】
上述のように、量子ドット内のキャリアの光学遷移を利用することにより、半導体光増幅器の応答速度を高めることができる。
【００４３】
本発明のさらに他の観点によると、
キャリアを３次元的に閉じ込める複数の量子ドットが分布した半導体領域を有する半導体光増幅器と、
前記半導体光増幅器に、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない光パルス信号と、該光パルス信号とは波長が異なり、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない連続光とを入力する入力光学装置と
を有する光信号処理装置が提供される。
【００４４】
量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない光パルス信号のパルスが入力されると、利得飽和が生じ、連続光の利得が低下する。これにより、連続光の波長の光信号の出力強度が、光パルス信号の波形に応じて変動する。結果的に、光パルス信号の波長から連続光の波長に波長変換が行われる。
【００４５】
本発明のさらに他の観点によると、
キャリアを３次元的に閉じ込める複数の量子ドットが分布した半導体領域を有する第１及び第２の半導体光増幅器と、
前記第１及び第２の半導体光増幅器に、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない複数の光パルス信号が時分割多重された同一の多重化光パルス信号を入力する第１の光学装置と、
前記第１の半導体光増幅器にのみ、前記多重化光パルス信号に多重化されている光パルス信号のうち一部の光パルス信号のタイムスロットに同期させて、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない制御用光パルス信号を入力する第２の光学装置と、
前記第１及び第２の半導体光増幅器の各々から出力された多重化光パルス信号を干渉させ、該多重化光パルス信号から前記制御用光パルス信号に同期した光パルス信号を分離する干渉計と
を有する光信号処理装置が提供される。
【００４６】
本発明のさらに他の観点によると、
キャリアを３次元的に閉じ込める複数の量子ドットが分布した半導体領域を有する第１及び第２の半導体光増幅器と、
前記第１及び第２の半導体光増幅器に、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない光パルス信号を入力する第１の光学装置と、
前記第１の半導体光増幅器にのみ、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない制御用光パルス信号を入力する第２の光学装置と、
前記第１及び第２の半導体光増幅器の各々から出力された光パルス信号を干渉させ、該光パルス信号から、前記制御用光パルス信号のパルスに同期した光パルスを分離する干渉計と
を有する光信号処理装置が提供される。
【００４７】
量子ドット内のキャリアの光学遷移を利用することにより、半導体光増幅器の応答速度を高めることができる。このため、制御用光パルス信号を入力することによって、所望のタイムスロットのパルスのみの位相を変化させることができる。これにより、半導体光増幅器の応答速度の低さを補償しなくてもよいため、第２の半導体光増幅器に制御用光パルス信号を入力する必要がなく、装置構成を簡単化することができる。また、動作点の微妙な調整を行う必要がない。
【００５２】
【発明の実施の形態】
図３に、本発明の第１の実施例による半導体光増幅器の斜視図を示す。厚さ３００μのｎ型ＧａＡｓ基板３０の表面上に、ｎ型のＧａＡｓからなる厚さ１μｍのバッファ層３１が形成されている。バッファ層３１の上に、ｎ型のＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓからなる厚さ０．５μｍのクラッド層３２が形成されている。クラッド層３２の上に、下側光閉込層３３、活性層３４、及び上側光閉込層３５がこの順番に積層されている。この３層の詳細な構成については、図４を参照して後述する。
【００５３】
上側光閉込層３５の上に、ｐ型のＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓからなる厚さ１．０μｍのクラッド層３６が形成されている。クラッド層３６の上に、ｐ型のＧａＡｓからなる厚さ０．２μｍのコンタクト層３７が形成されている。ｎ型基板３０、ｎ型クラッド層３２、ｐ型クラッド層３６、ｐ型コンタクト層３７の不純物濃度はすべて約１×１０18ｃｍ-3である。
【００５４】
基板表面の法線に平行な視線で見たとき、これらの層が積層された積層構造体の形状は、ほぼ長方形である。長方形の１つの辺に対応する端面が入射端面４０を画定し、その反対側の端面が出射端面４１を画定する。
【００５５】
コンタクト層３７に、入射端面４０から出射端面４１までのびた２本の溝４２が形成されている。２本の溝４２は、ほぼ平行に配置され、ｐ型クラッド層３６の内部まで達している。２本の溝４２は、両者の間にリッジ４３を画定する。酸化シリコンからなる絶縁膜４４が、リッジ４３の上面を除くコンタクト層３７の上面、及び溝４２の内面を被覆する。
【００５６】
絶縁膜４４及びリッジ４３の上面上に、ｐ側電極４５が形成されている。ｐ側電極４５は、例えばＡｕＺｎ合金等で形成され、リッジ４３の上面においてコンタクト層３７にオーミック接触する。ｎ型基板３０の裏面上にｎ側電極４６が形成されている。ｎ側電極４６は、例えばＡｕＧｅ合金で形成され、基板３０にオーミック接触する。
【００５７】
図４（Ａ）に、下側光閉込層３３、活性層３４、及び上側光閉込層３５の断面図を示す。下側光閉込層３３及び上側光閉込層３５はＧａＡｓで形成され、その厚さは０．１μｍである。活性層３４は、１０層の量子ドット層３４Ａと９層のＧａＡｓ層３４Ｂとが交互に積層された構造を有する。量子ドット層３４Ａの各々の厚さは２５ｎｍである。ＧａＡｓ層３４Ｂの各々の厚さは２５ｎｍである。
【００５８】
量子ドット層３４Ａの各々は、下地表面上に不規則に分布したＩｎＡｓからなる多数の量子ドット３４Ｃ、及び下地表面のうち量子ドット３４Ｃの配置されていない領域を覆うＩｎＧａＡｓからなるウェッティング層３４Ｄにより構成される。各量子ドット３４Ｃの面内方向の大きさは約２０ｎｍである。量子ドット３４Ｃは、キャリアを３次元的に閉じ込める。
【００５９】
次に、図３に示した半導体増幅器の製造方法を説明する。クラッド層３２からコンタクト層３７までの各層は、成長温度５５０℃の条件で、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）により形成される。ＧａＡｓからなる下地表面上にＩｎＧａＡｓを成長させると、歪エネルギを最小にするように、図４に示したような量子ドット３４Ｃが自己形成される。
【００６０】
溝４２は、エッチャントとしてリン酸、過酸化水素水及び水の混合液を用いたエッチングにより形成される。絶縁膜４４は、化学気相成長（ＣＶＤ）またはスパッタリングにより形成される。ｐ側電極４５及びｎ側電極４６は、真空蒸着により形成される。
【００６１】
次に、図３に示した第１の実施例による半導体光増幅器の動作原理について説明する。
【００６２】
図４（Ｂ）に、量子ドット３４Ｃのエネルギバンド図を示す。図４（Ｂ）には、ｊ番目の量子ドット３４Ｃj及びｊ＋１番目の量子ドット３４Ｃj+1に相当するエネルギ準位が表されている。量子ドット３４Ｃの大きさは、伝導帯中の電子の波長と同程度であるため、量子ドット３４Ｃ内の電子のエネルギは量子化される。このため、量子ドット３４Ｃjの伝導帯中の電子のエネルギ準位が離散的に分布する。２次励起状態以上の各状態のエネルギ差は、基底状態Ｎjと１次励起状態Ｎｅ（ｊ）とのエネルギの差、及び１次励起状態Ｎｅjと２次励起状態とのエネルギ差に比べて十分小さい。このため、２次励起状態以上の複数の状態は連続状態Ｎｃjとみなすことができる。ウェッティング層３４Ｄの伝導帯には、連続状態Ｎｗが存在する。下記の考察では、量子ドットの大きさのばらつき（不均一広がりと呼ばれる）や量子ドットの各々の利得のばらつき（均一広がりと呼ばれる）が考慮される。
【００６３】
多数の量子ドット３４Ｃを含む活性層３４の利得Ｇは、
【００６４】
【数５】
と表される。ここで、ｇjはｊ番目の量子ドット３４Ｃjの利得であり、下記の式で表される。
【００６５】
【数６】
ｇj＝Ａj（Ｎj−ＮDＧj） ・・・（６）
Ａj＝２πｅ2／（ε0ｃｎrｍ0 2）×（｜Ｐ｜2／Ｅ0）×Ｂ（ω−ωj）
Ｇj＝Ｇ（ωj−ω0）Δω
ここで、ε0は真空の誘電率、ｃは真空中の光速、ｅは電子の持つ電荷、ｎrは半導体光増幅器中の光の導波部分の平均屈折率、ｍ0は電子の静止質量、Ｐは量子ドットの光学遷移の行列要素、Ｅ0は量子ドットの基底状態から荷電子帯の基底準位への光学遷移エネルギである。ω0は、エネルギＥ0に対応する角周波数であり、プランク定数をｈとして、
【００６６】
【数７】
ω0＝（２π）Ｅ0／ｈ
と表される。Ｇ（ωj−ω0）は量子ドットの光学遷移エネルギの分布を表す関数である。ここで、複数の量子ドットは、その光学遷移エネルギに応じてグループ分けされており、量子ドットは指数ｊで特定されている。Δωは、グループ分けされた量子ドットの各グループの角周波数幅を表す。
【００６７】
図３に示したｐ側電極４５及びｎ側電極４６に順方向バイアスを印加すると、キャリアが活性層３４内に注入される。キャリアは、まず量子箱３４Ｃを取り巻くウェッティング層３４Ｄ内に注入され、量子ドット３４Ｃの高次の励起状態に捕捉される。ｊ番目の量子ドット３４Ｃjに捕捉されたキャリアは、励起状態Ｎｅj、基底状態Ｎjへと緩和していく。
【００６８】
図４（Ｂ）に示したエネルギ準位モデルでは、量子ドット３４Ｃへのキャリアの注入過程を下記のようなレート方程式で表すことができる。
【００６９】
ウェッティング層３４Ｄ内においては、レート方程式は、
【００７０】
【数８】
と表される。ここで、１／τａ−＞ｂ，ｊはｊ番目の量子ドットの状態ａから状態ｂへの緩和レートである。添え字のｗ、ｃ、ｅ、ｇは、それぞれウェッティング層の連続状態、量子ドットの連続状態、励起状態、及び基底状態を示す。τのオーババーは、緩和レートの平均値を表す。τｗｒは、ウェッティング層内のキャリアの再結合時間を表す。Ｎｗは、ウェッティング層内の連続状態を占める電子密度を表し、Ｎａ，ｊは、ｊ番目の量子ドットの状態ａを占める電子密度を表す。
【００７１】
ｊ番目の量子ドット３４Ｃjの連続準位Ｎｃjのレート方程式は、
【００７２】
【数９】
と表される。Ｎjは、ｊ番目の量子ドットの基底状態を占める電子密度を表す。τcrは、量子ドットの連続状態を占めるキャリアの再結合時間を表す。
【００７３】
ｊ番目の量子ドット３４Ｃｊの励起準位Ｎｅjのレート方程式は、
【００７４】
【数１０】
と表される。τerは、量子ドットの励起状態を占めるキャリアの再結合時間を表す。
【００７５】
ｊ番目の量子ドット３４Ｃjの基底状態Ｎjのレート方程式は、
【００７６】
【数１１】
と表される。ここで、添え字のｍは、光の周波数を表す指数であり、ｎは、導波路の横モード（光の進行方向に垂直な面内の電磁場分布）を表す指数である。
【００７７】
上記のレート方程式において、Ｎj0は、
【００７８】
【数１２】
と表される。式（１２）中の緩和時間τの添え字の０は、キャリア密度が０の時の緩和時間を表す。光パルスＳmn（ｚ，Ｔ）の伝搬方程式は、
【００７９】
【数１３】
と表される。
【００８０】
上述のレート方程式において、各緩和レートは下記の式で表される。
【００８１】
【数１４】
【００８２】
【数１５】
【００８３】
【数１６】
【００８４】
【数１７】
【００８５】
【数１８】
【００８６】
【数１９】
【００８７】
【数２０】
【００８８】
【数２１】
【００８９】
【数２２】
と表される。Ｄwはウェッティング層の単位面積あたりの状態数、Ｄcは量子ドットの連続状態の単位面積あたりの状態数、Ｄeは励起状態の単位面積あたりの状態数、ＮDは量子ドットの密度である。
【００９０】
上記理論式を用いて、図３に示した半導体光増幅器の特性を計算した。計算に用いたパラメータは、以下の通りである。
【００９１】
【数２３】
τc->g,0＝τe->g,0＝τc->e,0＝１０ｐｓ
τw->c,0＝１ｐｓ
τg->c,0＝２０２ｐｓ
τg->e,0＝２７ｐｓ
τe->c,0＝７４ｐｓ
τc->w,0＝∞
ＮD＝５×１０10ｃｍ-2
Ｄw＝４０ＮD
Ｄc＝２０ＮD
Ｄe＝６ＮD
Γ＝１５％
緩和時間は、ジャーナルオブアプライドフィジクス（１９９７年第８１巻第７８９５頁）のウスコフらの論文（A. V. Uskov, F. Adler, H. Schweizer, and M. H. Pikuhn, J. Appl. Phys. 81(1997)7895）に記載された理論計算に基づいている。
【００９２】
図５は、第１の実施例による半導体光増幅器の利得スペクトルの電流密度依存性を示す。横軸は入射光のエネルギを、基底状態のキャリアの光学遷移波長に相当するエネルギを０ｍｅＶとした相対値で表し、縦軸は利得を単位「ｃｍ-1」で表す。基底状態及び励起状態の光学遷移波長に対応する位置に利得のピークが現れている。以下の説明では、入射光の波長が基底状態の光学遷移波長に一致する場合について説明する。
【００９３】
図６は、パルス幅１０ｐｓ、ピークパワー４０ｍＷの光パルスが、第１の実施例による半導体光増幅器に入射したときの利得の時間変化を示す。横軸は、光パルスの入射時からの経過時間を単位「ｐｓ」で表し、縦軸は利得を単位「ｃｍ-1」で表す。図６は、従来の半導体光増幅器の場合の図１８に示した利得変動特性に対応する。
【００９４】
図６に示したように、半導体光増幅器に光パルスが入射すると、利得が急激に低下し、光パルスが通過した後は、利得が急激に回復している。利得の応答時間は約１ｐｓ程度である。図６と図１８とを比較すると、第１の実施例の半導体光増幅器の利得の応答時間は、従来の半導体光増幅器のそれに比べて著しく短いことがわかる。
【００９５】
図７は、電流密度１６ｋＡ／ｃｍ2の条件下で、パルスの繰り返し周波数が４０Ｇｂ／ｓの光信号が入射したときの、第１の実施例による半導体光増幅器の利得の応答特性を示す。横軸は経過時間を単位「ｎｓ」で表し、縦軸は利得を単位「ｃｍ-1」で表す。なお、図７は、従来の半導体光増幅器の図１９の利得応答特性に対応する。
【００９６】
従来の半導体光増幅器では、図１９に示したように、利得変動が光信号の変化に追随できていなかった。これに対し、第１の実施例による半導体光増幅器の場合には、光パルスの各々について利得飽和が生じ、利得変動が光信号の変化に追随していることがわかる。
【００９７】
図８は、電流密度８ｋＡ／ｃｍ2の条件下で、パルス幅１０ｐｓ、ビット速度４０Ｇｂ／ｓ、ピークパワー１ｍＷの光信号を第１の実施例による半導体光増幅器に入射させたときの入力光信号と出力光信号との強度の時間変動を示す。横軸は経過時間を単位「ｐｓ」で表し、縦軸は光強度を単位「ｍＷ」で表す。なお、半導体光増幅器の光伝搬方向の長さは６００μｍとした。曲線Ｉｉ及びＩｏが、それぞれ入力光信号及び出力光信号の光強度を示す。
【００９８】
図２０に示した従来の半導体光増幅器の場合には、利得の応答速度が遅いため、出力光信号のパルスのピークパワーが安定しなかった。これに対し、第１の実施例による半導体光増幅器の場合には、図８に示したように、出力光信号のパルス列の各パルスのピークパワーがほぼ揃っている。これにより、エラーの生じにくい伝送を行うことが可能になる。なお、電流密度を増やせば、出力光の各パルスのピークパワーを、より均一に近づけることができるであろう。
【００９９】
次に、図９を参照して、従来の半導体光増幅器と第１の実施例による半導体光増幅器の動作原理の相違について説明する。
【０１００】
図９に示した左側の列のグラフが、従来の半導体光増幅器の利得スペクトルを表し、右側の列のグラフが、第１の実施例による半導体光増幅器の利得スペクトルを表す。最上段のグラフが、定常状態における利得スペクトルを表し、第２段目のグラフが、光パルスが入射した直後の利得スペクトルを表し、第３段目のグラフが、光パルスが通過した後の利得スペクトルを表し、第４段目のグラフが、利得が回復した後の利得スペクトルを表す。
【０１０１】
従来の半導体光増幅器の場合には、活性層内の電子のエネルギ準位は連続的に分布する。このため、利得スペクトルは、活性層のバンドギャップに対応するエネルギを含むブロードな形状を示す。光パルスが入射すると、誘導放出により、入射光のエネルギに対応するエネルギ状態を占める電子の密度が低下する。これにより、当該エネルギに対応する利得も低下する。
【０１０２】
ところが、活性層内のエネルギ準位が連続的に分布しているため、電子密度の低下したエネルギ準位に、他のエネルギ準位から瞬時に電子が補充される。連続的な状態を占める電子の緩和時間は１００ｆｓ程度であり、極めて短い。このため、利得スペクトル内にスペクトルホールが現れない。入射光のパワーが、通常の光通信で使用される数十ｍＷ程度である場合、誘導放出によって減少する電子数は僅かであるため、利得が全体的に少しだけ低下し、利得飽和は生じない。
【０１０３】
誘導放出によって減少した電子は、電極から注入されるキャリアによって補充される。キャリアが補充されるまで、利得は回復しない。このため、光パルスが通過した直後の利得は低下したままである。電子密度が定常状態の値に戻ると、利得も回復する。この利得が回復するまでの時間は、約０．５ｎｓ程度である。
【０１０４】
第１の実施例による半導体光増幅器の場合には、利得スペクトルに、量子ドット内の基底状態及び励起状態に対応するピークＰ0及びＰeが現れる。基底状態のエネルギに相当する光パルスが入射すると、誘導放出により基底状態の電子密度が低下する。減少した電子が励起状態から補充されるまでに約１０ｐｓ程度の緩和時間が必要である。このため、入射光のエネルギに対応する位置にスペクトルホールＳＨが現れる。
【０１０５】
光パルスが通過すると、励起状態や連続状態からの緩和によって、基底状態のエネルギに対応する利得が回復する。利得が回復するまでの時間は、１０ｐｓ程度である。励起状態や連続状態から基底状態へ電子が遷移することにより、励起状態や連続状態の電子密度が低下する。この電子密度の低下分は、電極から注入されるキャリアによって補充される。従って、約０．５ｎｓ後に、励起状態のエネルギに対応する利得が定常状態の値まで回復する。
【０１０６】
このように、励起状態や連続状態の電子密度の回復には、比較的長時間を必要とする。しかし、励起状態や連続状態の状態数は、基底状態の状態数に比べて多い。これらの状態に、予め、十分な数の電子を注入しておけば、励起状態や連続状態の電子密度の回復の遅さは、基底状態のエネルギの利得にほとんど影響を及ぼさない。
【０１０７】
上述のように、第１の実施例による半導体光増幅器の場合には、利得飽和がスペクトルホールの発生によって生ずるため、その応答時間は極めて短い。また、利得の回復は、励起状態や連続状態から基底状態へ電子が補充されることによって生ずる。このため、利得の回復時間も極めて短い。
【０１０８】
次に、図１０を参照して本発明の第２の実施例による２Ｒ素子について説明する。
【０１０９】
図１０に示すように、第１の実施例による半導体光増幅器と同様の構成を有する半導体光増幅器５０に、光信号が入力される。入力光信号のパルスのピークパワーには、ばらつきがある。半導体光増幅器５０が利得飽和することにより、出力光信号のパルスのピークパワーが揃う。図６を参照して説明したように、利得飽和の生ずる時間が１ｐｓ程度であるため、従来の半導体光増幅器では増幅及び整形が困難であった２Ｇｂ／ｓ以上の光信号の増幅及び整形を行うことができる。第２の実施例による２Ｒ素子は、ビットレートが１０Ｇｂ／ｓ以上、特に、４０Ｇｂ／ｓ以上の光信号の増幅及び整形に適している。
【０１１０】
次に、図１１を参照して本発明の第３の実施例による波長変換器について説明する。
【０１１１】
図１１に示すように、第１の実施例による半導体光増幅器５１に、波長λ1の光信号ｓｉｇ1及び波長λ2の光信号ｓｉｇ2が入力される。第３の実施例による波長変換器を、図１７に示した従来の波長変換器と比較すると、従来の波長変換器の半導体光増幅器２１０が、第１の実施例による半導体光増幅器５１に置き換えられただけであり、その他の基本的な構成は変わらない。
【０１１２】
光信号ｓｉｇ1が半導体光増幅器５１に入力されると、図９に示したスペクトルホールが形成される。エネルギ空間におけるスペクトルホールの広がりは、波長λ2の光信号ｓｉｇ2のエネルギまで及ぶ。このため、光信号ｓｉｇ1のパルスが入力されると、光信号ｓｉｇ2の利得が減少する。これにより、光信号ｓｉｇ2の出力強度が低下し、光信号ｓｉｇ1の波形を反転させた波形が得られる。
【０１１３】
第３の実施例の場合には、利得応答速度の速い第１の実施例による半導体光増幅器５１が用いられているため、従来は困難であった２Ｇｂ／ｓ以上の光信号の波長変換を行うことができる。第３の実施例による波長変換器は、ビットレートが１０Ｇｂ／ｓ以上、特に、４０Ｇｂ／ｓ以上の光信号の波長変換に適している。波長λ2の光信号ｓｉｇ2のエネルギが、光信号ｓｉｇ1のスペクトルホールに含まれるには、波長λ1とλ2との光のエネルギ差が、量子ドットの利得の均一幅（室温で約１０〜２０ｍｅＶ）よりも小さいことが必要になる。
【０１１４】
次に、図１２を参照して本発明の第４の実施例による光信号分離装置（デマルチプレクサ）について説明する。
【０１１５】
図１２は、第４の実施例による光信号分離装置のブロック図を示す。第４の実施例による光分離装置を、図２１に示した従来の光分離装置と比較すると、第１及び第２の半導体光増幅器２１０Ａ及び２１０Ｂが、それぞれ第１の実施例による半導体光増幅器と同様の構成を有する第１及び第２の半導体光増幅器５３Ａ及び５３Ｂに置き換えられている。
【０１１６】
第１及び第２の半導体光増幅器５３Ａ及び５３Ｂが、マッハツェンダ型干渉計５２の２本の光路内に挿入されている。図２１に示した従来の光分離装置では、制御用光信号ｓｉｇ3が、第１の半導体光増幅器２１０Ａのみならず、遅延回路を通して第２の半導体光増幅器２１０Ｂにも入力されていた。このような構成としたのは、既に説明したように、半導体光増幅器の利得の応答特性の低さを補償するためである。
【０１１７】
第４の実施例では、利得の応答特性の優れた半導体光増幅器５３Ａ及び５３Ｂが用いられているため、制御信号ｓｉｇ3を第２の半導体光増幅器５３Ｂに入力する必要がない。第４の実施例による光信号分離装置のその他の構成は、図２１に示した従来の光信号分離装置の構成と同様である。また、制御信号ｓｉｇ3及び光信号ｓｉｇ4も、図２１に示した従来の場合と同様である。
【０１１８】
第１の半導体光増幅器５３Ａから出力された光信号ｓｉｇ5のチャンネル＃２のパルスの位相がπだけずれる。第１の半導体光増幅器５３Ａの応答速度が速いため、チャンネル＃３及び＃４のパルスは、制御信号ｓｉｇ3のパルスの影響を受けない。このため、チャンネル＃３及び＃４のパルスの位相は変化しない。第２の半導体光増幅器５３Ｂから出力された光信号ｓｉｇ6の各パルスの位相も変化しない。光信号ｓｉｇ5とｓｉｇ6とが干渉することにより、一方の出力導波路５４Ａにチャンネル＃１、＃３及び＃４のパルスが現れ、他方の出力導波路５４Ｂにチャンネル＃２のパルスが現れる。
【０１１９】
第４の実施例の場合には、制御信号ｓｉｇ3を第１の半導体光増幅器５３Ａにのみ入力すればよいため、装置構成を簡単化できると共に、動作点の調整を容易に行うことができる。第４の実施例の光信号分離装置は、例えば４０Ｇｂ／ｓの４つの信号を時分割多重した１６０Ｇｂ／ｓの光信号から、任意の１つの４０Ｇｂ／ｓの光信号を分離することができる。
【０１２０】
次に、図１３を参照して、本発明の第５の実施例による２Ｒ素子について説明する。
【０１２１】
図１３（Ａ）は、第５の実施例による２Ｒ素子のブロック図を示す。図１０に示した第２の実施例による半導体光増幅器５０の前段に光吸収飽和素子５６が挿入されている。入力光信号が光吸収飽和素子５６に入力され、その出力光信号が半導体光増幅器５０に入力される。光吸収飽和素子５６は、例えば半導体で形成された活性層を含む光導波路で構成される。
【０１２２】
図１３（Ｂ）に、光吸収飽和素子５６の入出力特性を示す。横軸は入力信号の光強度を表し、縦軸は出力信号の光強度を表す。入力光の強度がしきい値Ｉth以下の時は、入力光のほとんどが吸収され、出力信号の光強度がほとんど０になる。入力信号の光強度がしきい値Ｉthを超えると吸収量が飽和するため、出力信号の光強度が急激に増加する。すなわち、光吸収飽和素子５６は、入力信号のうち強度がしきい値以下の成分を吸収し、しきい値を超えている成分を通過させる。
【０１２３】
入力光信号には、通常バックグラウンドノイズＩNが含まれる。バックグラウンドノイズＩNの強度は、光飽和吸収素子５６のしきい値Ｉth以下である。このため、バックグラウンドノイズＩNは光吸収飽和素子５６で吸収され、除去される。バックグラウンドノイズＩNの除去された光信号が半導体光増幅器５０に入力されるため、増幅及び整形された出力光信号のＳ／Ｎ比を高めることができる。
【０１２４】
図１４に示すように、複数の光吸収飽和素子５６と半導体光増幅器５０とを縦続接続してもよい。このように、複数の素子を縦続接続することにより波形整形効果を高めることができる。なお、光吸収飽和素子５６と半導体光増幅器５０とを交互に接続する必要はないが、交互に接続することにより、効果をより高めることができるであろう。
【０１２５】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【０１２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、量子ドット内の離散的に分布する状態を占めるキャリアの光学遷移を利用することにより、半導体光増幅器の応答速度を速めることができる。この半導体光増幅器を、光信号の増幅整形素子、波長変換素子、光信号分離装置に適用することにより、応答速度の速い光信号処理装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光通信網の概念図である。
【図２】光ノードの機能ブロック図である。
【図３】第１の実施例による半導体光増幅器の斜視図である。
【図４】だい１の実施例による半導体光増幅器の活性層の断面図、及び量子ドット層のエネルギバンド図である。
【図５】第1の実施例による半導体光増幅器の利得スペクトルを示すグラフである。
【図６】第1の実施例による半導体光増幅器に光パルスを入力したときの利得の時間変動を示すグラフである。
【図７】第1の実施例による半導体光増幅器に光パルス列を入力したときの利得の時間変動を示すグラフである。
【図８】第1の実施例による半導体光増幅器に光パルス列を入力したときの入力信号及び出力信号の光強度を示すグラフである。
【図９】従来の半導体光増幅器と第１の実施例による半導体光増幅器の動作原理を説明するための利得スペクトルを示すグラフである。
【図１０】第２の実施例による光増幅形成装置のブロック図である。
【図１１】第３の実施例による波長変換装置のブロック図である。
【図１２】第４の実施例による光信号分離装置のブロック図である。
【図１３】第５の実施例による光信号増幅整形装置のブロック図、及びそれに用いられている光吸収飽和素子の入出力特性を示すグラフである。
【図１４】第５の実施例の変形例による光信号増幅整形装置のブロック図である。
【図１５】従来の半導体光増幅器の斜視図である。
【図１６】従来の光増幅整形装置のブロック図である。
【図１７】従来の波長変換装置のブロック図である。
【図１８】従来の半導体光増幅器に光パルスを入力したときの利得の時間変動を示すグラフである。
【図１９】従来の半導体光増幅器に光パルス列を入力したときの利得の時間変動を示すグラフである。
【図２０】従来の半導体光増幅器に光パルス列を入力したときの入力信号及び出力信号の光強度を示すグラフである。
【図２１】従来の光信号分離装置のブロック図である。
【符号の説明】
１ 光ノード
２ 光伝送路
５ 再生機能ブロック
６ 光増幅器
７ 波形整形器
８ リタイミング装置
９ クロック抽出器
１０ ドロップ機能ブロック
１１ パルス分岐装置
１２ ヘッダ解読器
１３ 遅延メモリ
１４ デマルチプレクサ
２０ アド機能ブロック
２１ 光ゲート
２２ マルチプレクサ
２３ ヘッダ形成器
２４ 波長変換装置
２５ ルーティング機能ブロック
３０ ｎ型ＧａＡｓ基板
３１ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３２ ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
３３ 下側光閉込層
３４ 活性層
３４Ａ 量子ドット層
３４Ｂ ＧａＡｓ層
３４Ｃ 量子ドット
３４Ｄ ウェッティング層
３５ 上側光閉込層
３６ ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
３７ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
４０ 入射端面
４１ 出射端面
４２ 溝
４３ リッジ
４４ 絶縁膜
４５ ｐ側電極
４６ ｎ側電極
５０、５１、５３Ａ、５３Ｂ 半導体光増幅器
５２ マッハツェンダ型干渉計
５４Ａ、５４Ｂ 出力導波路
５６ 光吸収飽和素子
２００ 活性層
２０１ ｐ型半導体層
２０２ ｎ型半導体層
２０３ 光信号
２１０、２１０Ａ、２１０Ｂ 半導体光増幅器
２１１Ａ、２１１Ｂ 出力導波路
Claims (8)
- キャリアを３次元的に閉じ込める複数の量子ドットが分布した半導体領域を有する半導体光増幅器の該半導体領域にバイアス電圧を印加して前記量子ドットにキャリアを注入する工程と、
前記量子ドットにキャリアが注入された状態の前記半導体光増幅器に、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まないビット速度２Ｇｂ／ｓ以上の光パルス信号を入力し、前記量子ドット内のキャリアの光学遷移による誘導放出を生じさせ、入力された光パルス信号を増幅する工程と
を有する光信号処理方法。 - さらに、光パルス信号の、強度がしきい値以下の成分を吸収し、該しきい値以上の成分を通過させる光吸収飽和素子に、光パルス信号を入力し、該光吸収飽和素子により一部の光が吸収された光パルス信号を出力する工程を有し、
前記光パルス信号を増幅する工程において、前記光吸収飽和素子から出力された光パルス信号を前記半導体光増幅器に入力する請求項１に記載の光信号処理方法。 - キャリアを３次元的に閉じ込める複数の量子ドットが分布した半導体領域を有する半導体光増幅器の該半導体領域にバイアス電圧を印加して前記量子ドットにキャリアを注入する工程と、
前記半導体光増幅器に、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない光パルス信号と、該光パルス信号とは波長が異なり、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない連続光を入力する工程であって、該光パルス信号の光パルスが入力されることによって該半導体光増幅器の利得の低下を生じさせ、該連続光の出力波形を、該光パルス信号の波形に応じて変化させる工程と
を有する光信号処理方法。 - キャリアを３次元的に閉じ込める複数の量子ドットが分布した半導体領域を有する第１及び第２の半導体光増幅器の該半導体領域にバイアス電圧を印加して前記量子ドットにキャリアを注入する工程と、
前記第１及び第２の半導体光増幅器に、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない複数の光パルス信号が時分割多重された同一の多重化光パルス信号を入力すると共に、前記第１の半導体光増幅器にのみ、前記多重化光パルス信号に多重化されている特定の光パルス信号のタイムスロットに同期させて、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない制御用光パルス信号を入力する工程と、
前記第１及び第２の半導体光増幅器の各々から出力された多重化光パルス信号を干渉させ、該多重化光パルス信号から前記特定の光パルス信号を分離する工程と
を有する光信号処理方法。 - キャリアを３次元的に閉じ込める複数の量子ドットが分布した半導体領域を有する半導体光増幅器と、
前記半導体光増幅器に、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない光パルス信号と、該光パルス信号とは波長が異なり、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない連続光とを入力する入力光学装置と
を有する光信号処理装置。 - 前記光パルス信号のパルスが入力されると、前記半導体光増幅器の利得飽和によって、前記連続光の利得が低下し、該連続光の波長の出力光の強度が低下するように、前記光パルス信号のピークパワーと前記連続光のパワーが選択されている請求項５に記載の光信号処理装置。
- キャリアを３次元的に閉じ込める複数の量子ドットが分布した半導体領域を有する第１及び第２の半導体光増幅器と、
前記第１及び第２の半導体光増幅器に、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない複数の光パルス信号が時分割多重された同一の多重化光パルス信号を入力する第１の光学装置と、
前記第１の半導体光増幅器にのみ、前記多重化光パルス信号に多重化されている光パルス信号のうち一部の光パルス信号のタイムスロットに同期させて、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない制御用光パルス信号を入力する第２の光学装置と、
前記第１及び第２の半導体光増幅器の各々から出力された多重化光パルス信号を干渉させ、該多重化光パルス信号から前記制御用光パルス信号に同期した光パルス信号を分離する干渉計と
を有する光信号処理装置。 - キャリアを３次元的に閉じ込める複数の量子ドットが分布した半導体領域を有する第１及び第２の半導体光増幅器と、
前記第１及び第２の半導体光増幅器に、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない光パルス信号を入力する第１の光学装置と、
前記第１の半導体光増幅器にのみ、前記量子ドットの基底状態の光学遷移波長を含み、励起状態の光学遷移波長を含まない制御用光パルス信号を入力する第２の光学装置と、
前記第１及び第２の半導体光増幅器の各々から出力された光パルス信号を干渉させ、該光パルス信号から、前記制御用光パルス信号のパルスに同期した光パルスを分離する干渉計と
を有する光信号処理装置。
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