JP4448651B2

JP4448651B2 - 波長変換素子

Info

Publication number: JP4448651B2
Application number: JP2002328092A
Authority: JP
Inventors: 和久 ▲高▼木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2022-11-12
Also published as: JP2004163585A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信に使用される波長変換素子、特に光位相変調通信用の波長変換素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コヒーレント光通信や光クロスコネクト等の光位相変調通信に用いられる波長変換素子には、光電変換方式、光制御光ゲート方式等の種々の方式が用いられる。特に半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier：ＳＯＡ）を用いた波長変換方法が研究されており、マッハツエンダ干渉計を構成する２本のアーム（光導波路）に半導体光増幅器がそれぞれ挿入された相互位相変調型の波長変換素子がある（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照。）。その構造は、マッハツェンダ干渉計を基本としており、同一の光学長さを有する２本のアームが並列に延在し、両端でそれぞれ１本の光導波路に結合されている。２本のアームには上述のように半導体光増幅器がそれぞれ挿入されている。また、波長λ_１の入力光がもう一本の光導波路から一方のアームを介して半導体光増幅器に入力される。さらに、２本のアームの一端側の一本の光導波路から波長λ_１とは異なる波長λ_２の連続光が注入され、２本のアームの他端側の１本の光導波路から波長λ_２の出力光が出力される。
【０００３】
上記波長変換素子において波長変換が行われるしくみについて説明する。この波長変換素子では、強度変調された波長λ_１の入力光の強度変化を、波長λ_１とは異なる波長λ_２の連続光の位相変化に変換し、次いで、変換前の波長λ_２の連続光との位相差による干渉効果を用いて強度変化に変換して波長λ_２の出力光を得る。
（１）まず、２つの半導体光増幅器のうち、一方の半導体光増幅器に外部から波長λ_１の強度変調された信号光が入力される。
（２）同時に、２つの半導体光増幅器のそれぞれに波長λ_２の連続光（ＣＷ光）が入力される。
（３）半導体光増幅器には外部からの電流注入によってキャリアが注入される。一方、入力光の強度変化に応じて誘導放出によりキャリア密度が減少し、半導体光増幅器の内部の屈折率がプラズマ効果で増大する。このため、マッハツェンダ干渉計を構成する２本のアームのうち一方のアームの実効的な光路長が長くなり、強度変化が波長λ_２の連続光における位相変化へと変換される。その結果、両方のアームを通過する波長λ_２の連続光の間に位相差を生じる。
（４）２本のアームが一本の光導波路に結合される際、干渉効果によって位相差が強度変化に変換されて波長λ_２の出力光が得られる。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第６０６９７３２号
【非特許文献１】
ＩＥＥＥＰＴＬ，Ｖｏｌ．７，Ｎｏ．９（１９９５），ｐｐ９９５−９９７
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の波長変換素子では、入力光の強度が弱いとき、すなわち、強度変化が小さい場合に応答速度が遅くなるという問題があった。応答速度は入力光の強度変化に対する半導体光増幅器の内部のキャリア密度の変化の速さで決まり、キャリア寿命に反比例する。キャリア密度が１×１０^１８ｃｍ^−３程度の場合には、キャリア寿命は数ｎｓであり、波長変換素子の応答速度は数十ＧＨｚである。これに対して、キャリア密度が１×１０^１９ｃｍ^−３の場合には、キャリア寿命は数十ｐｓとなり、応答速度は１００ＧＨｚ以上となる。そこで、応答速度を１００ＧＨｚ以上にするにはキャリア密度を１×１０^１９ｃｍ^−３以上に保つ必要があり、このためには半導体光増幅器の長さが１ｍｍ程度の場合には注入電流を数百ｍＡ以上にする必要があった。このように１００ＧＨｚ以上で高速動作させるには省電力化することができないという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、入力光の強度が弱い場合にも、半導体光増幅器への注入電流を少なくして省電力化を実現すると共に、１００ＧＨｚ以上の高速動作を実現する波長変換素子を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る波長変換素子は、第１及び第２の光導波路と、
前記第１及び第２の光導波路の両端でそれぞれ結合され、該結合部からそれぞれ互いに反対方向に延在する第３及び第４の光導波路と、
前記第１及び第２の光導波路にそれぞれ挿入されている第１及び第２の半導体光増幅部と、
前記第４の光導波路と前記第１の半導体光増幅器との間の前記第１の光導波路に結合されている第５の光導波路と、
光を出力する光源と、
一方の端部が前記光源に接続され、もう一方の端部が前記第１の半導体光増幅部を挟んで前記第５の光導波路と反対側の前記第１の光導波路に結合された第６の光導波路と
を備えることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係る波長変換素子について添付図面を用いて説明する。なお、図面において、実質的に同一の部材には同一の符号を付している。
【０００９】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る波長変換素子について、図１から図５を用いて説明する。図１は、この波長変換素子３０の構成を示す概略図である。図２は、同一の半導体基板上にモノリシック集積された波長変換素子３０の構成を示す斜視図である。また、図３、図４及び図５は、それぞれ図２のＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線及びＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。この波長変換素子３０は、マッハツェンダ光学干渉計の構成を基本としており、同一の光学長さを有する第１及び第２の光導波路（アーム）が配置され、２本の光導波路の両端の分岐・結合部２５ａ、２５ｂでそれぞれ一本の第３及び第４の光導波路２４ｂ、２６ｂに結合されている。また、光導波路２４ｂ、２６ｂは、分岐・結合部２５ａ、２５ｂからそれぞれ反対方向に延在している。一方、２本の光導波路２７、２８には、第１及び第２の半導体光増幅部２０ａ、２０ｂがそれぞれ挿入されている。また、第１の半導体光増幅部２０ａと第４の光導波路２６ｂとの間の第１の光導波路２７に第５の光導波路２６ａが結合されている。さらに、励起光を出力する半導体レーザ部２２を備える。またさらに、一方の端部が半導体レーザ部２２に接続され、もう一方の端部が第１の半導体光増幅部２０ａを挟んで第５の光導波路２６ａと反対側の第１の光導波路２７に結合された第６の光導波路２４ａを備える。
【００１０】
なお、図１に示すように、第７及び第８の光導波路２４ｃ、２６ｃは、第３及び第４の光導波路２４ｂ、２６ｂを結ぶ直線について、入力光λ_１が入力される第５の光導波路２６ａ及び励起光λ_３が入力される第６の光導波路２４ａと対称となる位置に設けられている。各分岐・結合部におけるバランスを保つためには、第７及び第８の光導波路２４ｃ、２６ｃを設けることが好ましい。
【００１１】
この波長変換素子は、半導体光増幅部２０ａ、２０ｂ、半導体レーザ部２２及び光導波路部２４、２６が同一の半導体基板上にモノリシック集積されている。その断面構造について説明する。まず、図３に示すように、光導波路部２４ｂは、ｎ−ＩｎＰ基板１の上に、ＩｎＧａＡｓＰ光導波層２、ｐ−ＩｎＰクラッド層３、ｐ−ＩｎＰコンタクト層４及びＳｉＯ_２絶縁膜８が形成されて構成されている。さらに、該光増幅部２０ａの両サイドには、ｎ−ＩｎＰ基板１の上にｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層６、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層７が順に積層されている。
【００１２】
また、図４に示すように、半導体光増幅部２０ａは、ｎ−ＩｎＰ基板１の上にＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層１１、ｐ−ＩｎＰクラッド層３、ｐ−ＩｎＰコンタクト層４、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１４、及びアノード電極１０が順に積層されている。なお、アノード電極１０は、ＳｉＯ_２絶縁膜８によって電流を注入する領域が仕切られている。また、ｎ−ＩｎＰ１基板の裏面にはカソード電極９が形成されている。さらに、該光増幅素子２０ａの両サイドには、光導波路部分と同様に、ｎ−ＩｎＰ基板１の上にｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層６、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層７が順に積層されており、上下から挟むアノード電極１０とカソード電極９との間に流される注入電流を光増幅素子２０ａの部分に集中させることができる。
【００１３】
さらに、図５に示すように、半導体レーザ部２２ａは、ｎ−ＩｎＰ基板１の上にＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層１１、ｐ−ＩｎＰクラッド層３、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子１２、ｐ−ＩｎＰクラッド層１３、ｐ−ＩｎＰコンタクト層４、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１４及びアノード電極１０が順に積層されている。なお、アノード電極１０は、ＳｉＯ_２絶縁膜８によって電流を注入する領域が仕切られている。また、ｎ−ＩｎＰ基板１の裏面にはカソード電極９が形成されている。さらに、該光増幅素子２０ａの両サイドには、光導波路部分と同様に、ｎ−ＩｎＰ基板１の上にｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層６、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層７が順に積層されており、上下から挟むアノード電極１０とカソード電極９との間に流される注入電流を半導体レーザ部２２ａの部分に集中させることができる。なお、回折格子１２は、分布帰還型、位相シフト分布帰還型、分布反射型等のいずれであってもよい。
【００１４】
なお、この波長変化素子３０は、各構成部分である半導体光増幅部２０ａ、２０ｂ、半導体レーザ部２２ａ、及び光導波路部２４、２６とを、端面結合法（バットジョイント（butt joint））を用いて一つの半導体基板上にモノリシック集積することができる。また、それぞれの構成部分は、例えば、選択ＭＯＶＰＥ法等の通常の方法で作製することができる。なお、上記方法以外の方法で作製してもよい。
【００１５】
次に、この波長変換素子３０における入出力の経路について説明する。まず、強度変調された波長λ_１の入力光が第５の光導波路２６ａを介して第１の半導体光増幅部２０ａに入力される。また、半導体レーザ部２２から第６の光導波路２４ａを介して第１の半導体光増幅部２０ａに励起光が注入される。さらに、波長λ_１と異なる波長λ_２の連続光（ＣＷ光）λ_２が、第３の光導波路２４ｂから分岐・結合部２５ａで２分岐されて２本の光導波路２７、２８を介して、半導体光増幅部２０ａ、２０ｂにそれぞれ注入される。そして、２つの半導体光増幅部２０ａ、２０ｂの出力は光導波路２７、２８から分岐・結合部２５ｂで結合されて光導波路２６ｂから波長λ_２の出力光が出力される。
【００１６】
さらに、この波長変換素子３０の波長変換動作について説明する。この波長変換素子３０はマッハツェンダ型光学干渉計を用い、強度変調された入力光λ_１の強度変化を連続光λ_２の位相変化に変換し、次いで、２つの光導波路２７、２８間を通る連続光λ_２の位相差による干渉効果で再び位相変化を強度変化に変換し、波長λ_２に波長変換された出力光λ_２を得ている。
（１）強度変調された波長λ_１の入力光が光導波路２６ａから光導波路２７を介して第１の半導体増幅部２０ａに入力される。
（２）上記入力光λ_１の入力と同時に、光導波路２４ｂから分岐・結合部２５ａを介してマッハツェンダ光学干渉計の２つの光導波路２７、２８に波長λ_１とは異なる波長λ_２の連続光（ＣＷ光）を入力する。
（３）上記連続光の入力と同時に、半導体レーザ部２２から波長λ_３のレーザ光を第１の半導体光増幅部２０ａに入力する。
（４）カソード電極９とアノード電極１０との間に注入される電流によって、それぞれの半導体光増幅部２０ａ、２０ｂにキャリアが注入される。
【００１７】
（５）さらに、上記入力光の入力と同時に、波長λ_３の励起光を半導体光増幅部２０ａに入力する。これにより、キャリアの誘導放出によりキャリア寿命は数十ｐｓと短くなる。このため、外部からの入力光の強度変化によるキャリア密度の変化の速度は、励起光λ_３を注入しない場合に比べて、１００ＧＨｚ以上と速くなる。この場合、誘導放出を生じさせるため、キャリア密度を１×１０^１８ｃｍ^−３程度となるように半導体光増幅部２０ａには約１００ｍＡ以下の電流を注入すればよい。従って、１００ＧＨｚ以上の高速応答性を実現すると共に、励起光を用いない場合に比べて省電力化が可能となる。なお、励起光の波長λ_３は、半導体光増幅部２０ａの波長可変帯域の上限λ_ｌｏｎｇ未満とする。即ち、λ_３＜λ_ｌｏｎｇを満たす。
【００１８】
（６）半導体光増幅部２０ａに入力する入力光λ_１の強度が大きくなると、半導体光増幅部２０ａにおいて誘導放出によりキャリア密度が減少し、プラズマ効果によって半導体増幅部２０ａの内部の屈折率が増大する。その結果、半導体増幅部２０ａを含む光導波路２７では、もう一方の光導波路２８に比べて実効的な光路長が長くなり、強度変化が波長λ_２の位相変化に変換される。その結果、２つの光導波路２７、２８間を通過するそれぞれの波長λ_２の連続光の間には位相差が生じる。
【００１９】
（７）２本の光導波路２７、２８が一本の光導波路２６ｂに結合される際、それぞれの連続光λ_２における位相差による干渉効果のため、位相差に対応して出力光の強度が変化する。これにより、位相差が強度変化に変換され、波長λ_２の出力光が得られる。この場合、半導体光増幅部２０ａ、２０ｂの長さ及び注入電流を調整しておくことにより、入力光λ_１と同一符号で強度変調されており、波長λ_２に波長変換された出力光が得られる。例えば、入力光の強度レベルが０の場合に２つの光導波路２７、２８間での位相差が１８０°、強度レベルが１の時に位相差が０°となるように調整する。
また、実際には光導波路２６ｂの出力には波長λ_３の光も含まれるので、所望により波長λ_２の出力光を選択的に透過させるフィルタを備えてもよい。
【００２０】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る波長変換素子について、図６及び図７を用いて説明する。図６は、この波長変換素子３０ａの構成を示す概略図である。この波長変換素子３０ａは、実施の形態１に係る波長変換素子と比較すると、２つの半導体光増幅部２０ａ、２０ｂの両方に波長λ_３、λ_４の励起光をそれぞれ注入する第１及び第２の半導体レーザ部２２ａ、２２ｂがそれぞれ光導波路２４ａ、２４ｃを介して接続されている点で相違する。両方の半導体光増幅部２０ａ、２０ｂに励起光を注入することで様々な条件に合わせて波長変換の調整を容易にすることができる。なお、第２の光源２２ｂから出力される励起光の波長λ_４は、第２の半導体光増幅部２０ｂの波長可変帯域の上限λ_ｌｏｎｇ’未満とする。即ち、λ_４＜λ_ｌｏｎｇ’を満たす。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の波長変換素子によれば、強度変調された入力光λ_１を半導体光増幅部に入力すると同時に、光源から波長λ_３の励起光を入力する。励起光の注入により、半導体光増幅部において、キャリアの誘導放出によりキャリア寿命は数十ｐｓと短くなる。このため、外部からの入力光λ_１の強度変化に対するキャリア密度の変化の速度は、励起光λ_３を注入しない場合に比べて、１００ＧＨｚ以上と速くなる。この場合、誘導放出を生じさせるため、キャリア密度を１×１０^１８ｃｍ^−３程度となるように半導体光増幅部には約１００ｍＡ以下の電流を注入すればよい。従って、１００ＧＨｚ以上の高速応答性を実現すると共に、励起光を用いない場合に比べて省電力化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る波長変換素子の構成を示す概略図である。
【図２】同一半導体基板上にモノリシック集積された図１の波長変換素子の構成を示す斜視図である。
【図３】図２のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。
【図５】図２のＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る波長変換素子の構成を示す概略図である。
【図７】同一半導体基板上にモノリシック集積された図６の波長変換素子の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ＩｎＰ基板、２ＩｎＧａＡｓＰ光導波層、３、１３ＩｎＰクラッド層、４ｐ−ＩｎＰコンタクト層、５、７ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層、６ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層、８ＳｉＯ_２絶縁層、９カソード電極、１０アノード電極、１１活性層（ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸層）、１２ＩｎＧａＡｓＰ回折格子、１４ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層、２０ａ、２０ｂ半導体光増幅部、２２、２２ａ、２２ｂ半導体レーザ部、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ光導波路部、２５ａ、２５ｂ分岐・結合部、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ光導波路部、２７第１の光導波路（アーム）、２８第２の光導波路（アーム）、３０、３０ａ波長変換素子

Claims

第１及び第２の光導波路と、
前記第１及び第２の光導波路の両端でそれぞれ結合され、該結合部からそれぞれ互いに反対方向に延在する第３及び第４の光導波路と、
前記第１及び第２の光導波路にそれぞれ挿入されている第１及び第２の半導体光増幅部と、
前記第４の光導波路と前記第１の半導体光増幅器との間の前記第１の光導波路に結合されている第５の光導波路と、
励起光を出力する光源と、
一方の端部が前記光源に接続され、もう一方の端部が前記第１の半導体光増幅部を挟んで前記第５の光導波路と反対側の前記第１の光導波路に結合された第６の光導波路と
を備え、
前記第５の光導波路から強度変調された波長λ１の入力光を入力すると共に、
前記第６の光導波路から前記光源からの励起光を入力し、
前記第３の光導波路から波長λ２の連続光を入力し、
前記強度変調された入力項の強度変化を、前記波長λ２の連続光の位相変化に変換した後、
前記第１及び第２の光導波路を通る連続光の互いの位相差による干渉効果で、再び前記位相変化を強度変化に変換して、強度変調されていると共に、波長λ２に波長変換された出力光を前記第４の光導波路から出力することを特徴とする波長変換素子。
励起光を出力する前記光源を第１の光源として、励起光を出力する、前記第１の光源とは別の第２の光源と、
一方の端部が前記第２の光源に接続され、もう一方の端部が前記第３の光導波路と前記第２の半導体光増幅部との間の前記第２の光導波路に結合されている第７の光導波路と、
をさらに備え、
前記第１の半導体光増幅部には、前記第１の光源から前記第６の光導波路及び前記第１の光導波路を介して励起光が注入され、
前記第２の半導体光増幅部には、前記第２の光源から前記第７の光導波路及び前記第２の光導波路を介して励起光が注入される、請求項１に記載の波長変換素子。
前記第１及び第２の半導体光増幅部、前記光源及び前記光導波路が同一の半導体基板上にモノリシック集積されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長変換素子。
前記光源は、回折格子を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の波長変換素子。
前記第４の光導波路からの出力から所定波長の出力光を選択的に透過させるフィルタをさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の波長変換素子。