JP4485745B2 - 光機能素子および光機能装置 - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、光信号を増幅、制御、或いはスイッチングする光機能装置、特に、高度情報処理が可能な光通信、光画像処理、光コンピュータ、光計測、光集積回路などの光エレクトロニクスに好適な光機能装置に関するものである。
背景技術
広帯域且つ高速伝送が可能な光ファイバ通信を用いた動画像通信や映像の分配といった広帯域な新サービスの広範な展開が期待されている。しかしながら、たとえばエレクトロニクスで言えば３端子のトランジスタに相当するような機能（能動）素子、すなわち光信号を他の光信号で直接制御するような光機能装置は、未だ、実現されていない。
このため、せっかく、高速で伝送した光信号を一旦電気信号に変換し、電子回路において情報処理が行われ、処理後の信号を再度光に変換して伝送するというのが実情である。したがって、光を光で直接制御することができないので、信号処理の高速性に限界があった。光信号のまま信号処理ができる場合には、並列処理が可能であると言われており、一層の処理時間の短縮化が期待できるのである。
本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、光信号の処理を光で直接行うことができる光機能装置を提供することにある。
発明の開示
本発明者は、以上の事情を背景として種々の検討を重ねた結果、半導体光増幅素子において、特定波長の入力レーザ光、たとえば波長λ１の第１レーザ光および波長λ２の第２レーザ光を入射させて、その第２レーザ光の強度を変化させるとそれに応答して第１レーザ光の強度変化が発生し、その第１レーザ光の強度変化は第２レーザ光の強度変化の逆に変化するという効果を利用して光機能素子或いは光機能装置を構築可能であることを見いだした。本発明はかかる知見に基づいて為されたものである。
すなわち、請求項１に係る発明の要旨とするところは、３端子光機能装置であって、（ａ）波長が異なる２つ以上の入力レーザ光に関して、第１波長のレーザ光の強度変化に対して第２波長のレーザ光の強度を逆に変化させる第１半導体光増幅素子と、（ｂ）その第１半導体光増幅素子からの光から前記第２波長の光を選択するとともに、その第２波長の光の一部を前記第１半導体光増幅素子の入力側へ正帰還させる第１波長選択素子と、（ｃ）前記第１波長選択素子により選択された第２波長の光に、前記第１波長と同一又はそれと異なる第３波長の制御光を合波する光合波器と、(ｄ）その光合波器により合波された光を受け、前記第２波長の光を前記制御光の強度変化に反転変換したその制御光の波長の光を発生する第２半導体光増幅素子と、(ｅ）その第２半導体光増幅素子からの光のうち前記制御光の波長の光を選択し、出力光として取り出す第２波長選択素子とを、含み、(ｆ)前記第２波長選択素子は、光帰還素子としても機能し、前記第２半導体光増幅素子からの光から前記制御光の波長の光を選択して出力光として透過させ、且つ、その出力光の一部を反射させることで前記第２半導体光増幅素子の入力側へ正帰還させるものであって、前記第２半導体光増幅素子からの光を導くための光導波路の一部が導波方向において屈折率が周期的に変化させられたグレーティングフィルタ、屈折率が異なる多数組の層が積層されて成る多層膜フィルタ、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶のいずれかから構成されるものであることにある。
また、請求項２に係る発明の要旨とするところは、３端子光機能装置であって、(ａ）第１波長の入力レーザ光が入力されることによりその入力レーザ光の波長を含む増幅利得のある波長域内の光強度をその入力レーザ光に応答して逆に変化させる第１半導体光増幅素子と、（ｂ）その第１半導体光増幅素子内で発生した光のうち前記増幅利得のある波長域内の前記第１波長とは異なる光を選択するとともに、その第１波長とは異なる光の一部を前記第１半導体光増幅素子の入力側へ正帰還させる第１波長選択素子と、(ｃ)前記第１波長選択素子により選択された前記第１波長とは異なる光に、前記第１波長と同一又はそれと異なる第３波長の制御光を合波する光合波器と、（ｄ）その光合波器により合波された光を受け、前記第１波長とは異なる光を前記制御光の強度変化に反転変換したその制御光の波長の光を発生する第２半導体光増幅素子と、(ｅ)その第２半導体光増幅素子からの光のうち前記制御光の波長の光を選択し、出力光として取り出す第２波長選択素子とを、含み、(ｆ)前記第２波長選択素子は、光帰還素子としても機能し、前記第２半導体光増幅素子からの光から前記制御光の波長の光を選択して出力光として透過させ、且つ、その出力光の一部を反射させることで前記第２半導体光増幅素子の入力側へ正帰還させるものであって、前記第２半導体光増幅素子からの光を導くための光導波路の一部が導波方向において屈折率が周期的に変化させられたグレーティングフィルタ、屈折率が異なる多数組の層が積層されて成る多層膜フィルタ、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶のいずれかから構成されるものであることにある。
このように構成された請求項１に係る発明および請求項２に係る発明によれば、第１波長の入力レーザ光が入射させられる第１半導体光増幅素子内においては、１つの波長のレーザ光の強度変化に対して他の波長のレーザ光の強度が逆に強度変化させられ、その他の波長のレーザ光のみが第１波長選択素子により選択されて出力光として取り出される。同時に、その第１波長選択素子によってその出力光の一部が第１半導体光増幅素子の入力側へ正帰還させられる。また、上記第１半導体光増幅素子からの出力光と制御光とが入力される第２半導体光増幅素子内においても制御光がその出力光の強度により逆に強度変化させられ出力され、第２波長選択素子によりその制御光の波長の光が出力光として選択されるとともに、その出力光の一部が第２半導体光増幅素子へ正帰還させられる。このため、１つの波長のレーザ光を制御光の波長を用いてスイッチングなどの制御をしたり、制御光のレーザ光を増幅して一方の波長の出力光として出力させることができることから、光信号のままで情報処理ができるので、高速の情報処理が可能となると同時に、出力光信号の変調率が高くされ、高いＳ／Ｎ比が得られる。
また、第２波長選択素子は、光帰還素子としても機能し、前記半導体光増幅素子の出力光を導くための光導波路の一部が導波方向において屈折率が周期的に変化させられたグレーティングフィルタ、屈折率が異なる多数組の層が積層されて成る多層膜フィルタ、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶のいずれかから構成されたものであることから、波長選択素子が半導体光増幅素子の光導波路の一部或いは端面に設けられ得るので、光機能装置が一層小型化され得る。
ここで、好適には、前記半導体光増幅素子は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＮなどのＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体製の半導体光増幅素子である。このようにすれば、半導体光増幅素子が小型となると同時に、高い増幅率が得られる。しかも、それぞれの混晶半導体の組成比（混晶比）を変化させることによって光増幅する波長を任意に選択できる。
また、好適には、前記半導体光増幅素子は、前記レーザ光を導くための光導波路と、その光導波路内の導波路方向に沿って設けられたｐｎ接合部である活性層とを含み、その活性層内を励起するためのエネルギが注入されるものである。このようにすれば、半導体光増幅素子は、その一部に設けられた光導波路内の導波路方向に沿って設けられた活性層において光増幅が行われるので、エルビウムのような希土類元素ドープド光ファイバを用いた光増幅器に比較して、光増幅素子が小型となると同時に、高いエネルギ変換効率が得られる。
また、好適には、前記活性層は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＮなどのＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体のバルク、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されるものである。特に、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成される場合には、バルクの活性層に比較して高い応答速度および高いゲインが得られ、出力光の変調率が高められる。
また、好適には、前記３端子光機能装置は、３端子光スイッチ、３端子光演算増幅器または光デマックス（デマルチプレクサ）装置として機能する光機能装置が構成される。このようにすれば、多段接続された光機能素子により光機能装置が構成されるので、３端子光演算装置、３端子光スイッチング装置や光デマックス（ＤＥＭＵＸ：信号分離化回路）装置として用いられる。たとえば、一対の光機能素子毎に、１つの波長のレーザ光を用いてスイッチングなどの制御をしたり、他方の波長のレーザ光を増幅して一方の波長の出力光として出力させることができることから、１つの波長のレーザ光を用いて多段の情報処理ができるようになる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の一実施例の光機能（制御）素子１０を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、上記光機能素子の構成を概略説明する図である。図１において、第１レーザ光源１２は、たとえば１５４０ｎｍの第１波長λ１の第１レーザ光Ｌ１を出力し、第１光変調器１４が設けられた第１光ファイバＦ１を介して伝播させる。第２レーザ光源１６は、たとえば１５５０ｎｍの第２波長λ２の第２レーザ光Ｌ２を出し、第２光変調器１８が設けられた第２光ファイバＦ２を介して伝播させる。上記第１レーザ光源１２および第２レーザ光源１６はたとえば可変波長半導体レーザが用いられる。上記第１光変調器１４および第２光変調器１８は、信号発生器２０および２２からの電気信号に従って、その信号の周波数のパルス信号となるように通過光をパルス変調する。光カプラ（光合波器）２４は、上記第１光ファイバＦ１および第２光ファイバＦ２を第３光ファイバＦ３へ接続し、それら第１光ファイバＦ１および第２光ファイバＦ２を伝播してきた第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２を重畳し、第３光ファイバＦ３を介して半導体光増幅素子２６へ入力させる。波長選択素子２８は、半導体光増幅素子２６の出力側に接続され、その半導体光増幅素子２６から出力された光のうちから１５４０ｎｍの第１波長λ１の光を選択し、出力光として出力する。それら半導体光増幅素子２６および波長選択素子２８などが、第２レーザ光Ｌ２の信号をそれと反転した波長λ１の信号に変換し且つ直接的に増幅して出力する光機能素子１０に対応している。図１には、上記重畳した第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２と波長選択素子２８を透過した出力光Ｌｏｕｔとをそれぞれモニタするための一対の光検出器３０、３２と、その光検出器３０および３２により検出された光信号を観測するオシロスコープ３４とが設けられている。
上記半導体光増幅素子２６は、化合物半導体たとえばインジウム燐（ＩｎＰ）基板３６から成長させられＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体たとえばＩｎＧａＡｓＰ混晶半導体から構成されており、たとえば図２および図３に示すように、入力レーザ光を導くための光導波路３８と、その光導波路３８内の導波方向すなわち光導波路３８の長手方向に沿って設けられたｐｎ接合部分である活性層４０と、上記光導波路３８およびＩｎＰ基板３６を覆うように成長させられたキャップ層４２と、ＩｎＰ基板３６の底面およびキャップ層４２の上面にそれぞれ固着された一対の電極層４４および４６とを含み、その活性層４０を通過させる電流がそれら一対の電極層４４および４６の間で流されることによりその活性層４０内を励起するエネルギが注入されるものである。上記光導波路３８は、たとえばＩｎＰ基板３６からの成長層の両側部がエッチングによって除去されることによって光導波方向に連ねた状態でＩｎＰ基板３６の上面において凸設されている。この光導波路３８は、屈折率を高くする混晶比のＩｎＧａＡｓＰ混晶半導体が用いられることにより屈折率がＩｎＰ基板３６よりも高くされているので、光がＩｎＰ基板３６の厚み方向および幅方向において閉じ込められた状態で伝播されるようになっている。図２は光導波路３８の形状を示すための斜視図であり、キャップ層４２およびその上面に固着された電極４６が省略されている。なお、上記キャップ層４２内には、電流を活性層４０に集中させるための電流狭窄構造が必要に応じて設けられる。
上記活性層４０は、たとえば多重量子井戸から構成されており、ＩｎＰ基板３６から成長させられることによりそれに格子整合されたＩｎＧａＡｓ（１００Åの厚み）とＩｎＧａＡｓＰバリア層（１．４５μｍ組成、１００Åの厚み）との６対により構成され、その活性層４０の上には、組成（屈折率）が段階的に変化させられたグリン（ＧＲＩＮ）構造のガイド層（２０００Åの厚み）が順次設けられている。この活性層４０のデバイス長（光導波路３８の長さ）は６００μｍであり、たとえば２００ｍＡの電流値によるエネルギ注入によって励起された電子が通過する光子による誘導放射によって価電子帯へ移動させられるときに光エネルギを放出して通過光を増幅させると考えられている。この２００ｍＡの電流値によるエネルギ注入により、波長１．５５μｍの測定において２４ｄＢ程度の利得が得られる。
そして、上記光機能素子１０には、図１に示すように、波長選択素子２８を通過させられた出力光の一部がその出力側端面で反射させられて光導波路３８を通って半導体光増幅素子２６の側へ戻されるとともに入力側の端面で反射されて入力光に加えられる。このような出力光の一部の伝播過程においても活性層４０による増幅作用を受けて出力光の変調率が高くされる。すなわち、出力光の一部が正帰還させられているのである。したがって、本実施例では、上記波長選択素子２８の端面および半導体光増幅素子２６の入力側の端面が帰還素子として機能しているが、外部ミラーから構成されてもよい。
前記波長選択素子２８は、半導体光増幅素子２６の出力光を導くための光導波路３８の一部が導波方向において屈折率が周期的に変化させられたグレーティングフィルタ、半導体光増幅素子２６の出力側端面に固着された屈折率が異なる多数組の層が積層されて成る多層膜フィルタ、１５４０ｎｍの第１波長λ１の光を選択するために１５５０ｎｍの第２波長λ２の光を吸収する光吸収物質、同様に第２波長λ２の光を吸収するまたは第１波長λ１を透過するようにフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶のいずれかから一体或いは別体に構成されるものであるが、図１乃至図３に示す場合には、半導体光増幅素子２６の出力側の端面に一体的に固着された多層膜フィルタから構成される。
したがって、図１の光機能素子１０において、第２レーザ光Ｌ２に対して第２変調器１８を用いて１ｋＨｚの変調を行うとともに、その変調された第２レーザ光Ｌ２に対して変調されていない第１レーザ光Ｌ１を重畳させた光が半導体光増幅素子２６に入力されると、図４の入力光に示す変調率Ｍが３８％の１ｋＨｚの入力信号（第２レーザ光Ｌ２）から図４の波長λ１の第１レーザ光Ｌ１である出力光Ｌｏｕｔに示す信号が得られる。半導体光増幅素子２６のゲインＧが１５ｄＢである場合には変調率Ｍ４０％の反転信号が得られるが、２０ｄＢである場合には変調率Ｍが８１％の反転信号、すなわち大幅に増幅された光出力信号が得られる。上記変調率Ｍ（％）は［＝（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ）×１００］（ただし、Ｉｍａｘは信号波形の最大値、Ｉｍｉｎは信号波形の最小値）として定義されるものであり、上記半導体光増幅素子２６のゲインＧはたとえばその半導体光増幅素子２６に対するエネルギ注入量に基づいて設定される。図５は、前記半導体光増幅素子２６の出力側端面に無反射コーティングを設けて出力光Ｌｏｕｔの一部が正帰還されないようにした場合である。光増幅素子２６のゲインＧに応じて出力光Ｌｏｕｔの変調率は大きくされるけれども、その出力光の変調率Ｍは低く、３０％程度にしか得られない。
図６は、光機能素子１０のスイッチング特性を示す実験結果を示している。図６では、半導体光増幅素子２６のゲインＧが１５ｄＢであるとき、１５５０ｎｍの第２波長λ２の入力光である第２レーザ光Ｌ２を５００ＭＨｚで変調した場合に観測された出力光Ｌｏｕｔの波形変化が示されている。図６の（ａ）は１５４０ｎｍの第１波長λ１の第１レーザ光Ｌ１を１００μＷとしたときに入力波形Ｌ２に対して反転した波形を示す出力波形Ｌｏｕｔであり、（ｂ）は１５４０ｎｍの第１波長λ１の第１レーザ光Ｌ１を入力させない場合の出力波形Ｌｏｕｔであり、（ｃ）は１５５０ｎｍの第２波長λ２の入力光である第２レーザ光Ｌ２の波形を示している。図６において、（ａ）に示す出力波形は、（ｂ）に示す出力波形に比較して大幅に信号強度が増加させられている。光パワーメータで測定した結果、（ａ）は２００μＷであるのに対し、（ｂ）は１０μＷであった。１００μＷの第１波長λ１の第１レーザ光Ｌ１を入力させたことにより２０倍に増加している。図７は、第１波長λ１の第１レーザ光Ｌ１の強度に対する出力光強度Ｌｏｕｔの変化特性を、第２波長λ２の第２レーザ光Ｌ２の強度が３００μＷ、６００μＷ、９００μＷである場合についてそれぞれ示している。
本実施例において、半導体光増幅素子２６および波長選択素子２８を含む光機能装置１０によれば、第２波長λ２の第２入力光である第２レーザ光Ｌ２が半導体光増幅素子２６に入力され、その第２波長λ２とは異なる第１波長λ１の第１入力光である第１レーザ光Ｌ１がレーザ光入力装置として機能する光カプラ２４により半導体光増幅素子２６に入力され、それら第２レーザ光Ｌ２および第１レーザ光Ｌ１が相互に重畳させられ、その半導体光増幅素子２６からの光が波長選択素子２８により第１波長λ１の光に選択されて出力光Ｌｏｕｔとされるとき、その出力光Ｌｏｕｔは、第２波長λ２の第２レーザ光Ｌ２の信号変化に応答して、その第２レーザ光Ｌ２の信号変化を増幅したものとなる。すなわち、入力信号である変調された第２レーザ光Ｌ２に対して位相は反転するものの、その第２レーザ光Ｌ２の信号強度を大きく増幅した信号強度を有する出力光Ｌｏｕｔが得られる。このため、１つの波長のレーザ光を他の波長を用いてスイッチングなどの制御をしたり、他方の波長のレーザ光を増幅して一方の波長の出力光として出力させることができることから、光信号のままで情報処理ができるので、高速の情報処理が可能となると同時に、出力光Ｌｏｕｔの一部が正帰還させられることによって出力光Ｌｏｕｔの信号変調率が高くされ、高いＳ／Ｎ比が得られる。
なお、上記増幅効果は、半導体光増幅素子２６の利得（ゲイン）Ｇが得られる波長帯においては波長λ１およびλ２を任意に設定しても得られ、また、３以上の波長を設定しても得られる。本実施例のような多重量子井戸を有する活性層４０を備えた半導体光増幅素子２６である場合には、その利得（ゲイン）Ｇが得られる波長帯は約１００ｎｍであるので、活性層４０がバルクである場合に比較して約２倍程度の広帯域特性が得られる。
また、本実施例によれば、半導体光増幅素子２６は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＮなどのＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体から構成されるので、光増幅装置が全体として小型となると同時に、高い増幅率が得られる。しかも、それぞれの混晶半導体の組成比（混晶比）を変化させることにより、光増幅する波長を任意に選択することができる。
また、本実施例によれば、半導体光増幅素子２６は、入力レーザ光Ｌ１’、Ｌ２を導くための光導波路３８と、その光導波路３８内の導波路方向に沿って設けられたｐｎ接合部である活性層４０とを含み、その活性層４０内を励起するためのエネルギが注入されるものであることから、半導体光増幅素子２６は、その一部に設けられた光導波路３８内の導波路方向に沿って設けられた活性層４０において光増幅が行われるので、光ファイバを用いたものに比較して、光機能素子１０或いは光機能装置５２が一層小型化され得る。
また、本実施例によれば、活性層４０は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＮなどのＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体のバルク、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されるものである。特に、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成される場合には、高速応答性および高いゲインＧが得られ、出力光Ｌｏｕｔの変調率が高められる。
また、本実施例によれば、波長選択素子２８は、半導体光増幅素子２６の出力光Ｌｏｕｔを導くための光導波路３８の一部たとえば表面が導波方向において屈折率が周期的に変化させられたグレーティングフィルタ、屈折率が異なる多数組の層が積層されて成る多層膜フィルタ、光吸収物質、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶のいずれかから構成されたものであることから、波長選択素子２８が半導体光増幅素子２６の光導波路３８の一部或いは端面に設けられ得るので、光機能装置が一層小型化され得る。
また、本実施例によれば、出力光Ｌｏｕｔの一部を正帰還させる光帰還素子は、半導体光増幅素子２６の出力光Ｌｏｕｔを導くための光導波路３８の一部たとえば表面が導波方向において屈折率が周期的に変化させられたグレーティングフィルタ、屈折率が異なる多数組の層が積層されて成る多層膜フィルタ、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶、端面反射抑止膜のいずれかから構成されることから、半導体光増幅素子２６の一部に設けられ得るので、光ファイバにより出力光の一部を帰還させる場合に比較して、光機能素子１０或いは光機能装置５２が一層小型化され得る。
次に本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の説明において前述の実施例と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略する。
図８および図９は、前記半導体光増幅素子２６と同様の１対の半導体光増幅素子４８、５０を有する３端子型光機能装置５２の構成を説明する図であって、図８はその３端子型光機能装置５２の具体的な構成を説明する平面図、図９はその斜視図である。これ等図８および図９においても図２と同様にキャップ層や電極が省略されている。図８乃至図９において、波長λ１（１５５０ｎｍ）の第１レーザ光Ｌ１（第１入力光：Ｉｉｎ）および波長λ２（１５４０ｎｍ）の第２レーザ光Ｌ２（第２入力光：バイアス光Ｉｂｉａｓ）が第１の光カプラ５４により重畳されて第１の半導体光増幅素子４８に入力されるとともに、その光増幅素子４８からの光のうちの第１の波長選択素子５６によって波長λ２について選択された光と、波長λ１の第３レーザ光Ｌ３（第３入力光：制御光Ｉｃ）とが第２の光カプラ５８により重畳されて第２の半導体光増幅素子５０に入力される。そして、その第２の半導体光増幅素子５０から出された光のうち第２の波長選択素子６０により波長λ１について選択された出力光Ｌｏｕｔが得られる。
上記１対の半導体光増幅素子４８、５０は、共通の化合物半導体たとえばインジウム燐（ＩｎＰ）基板６２から成長させられている他は前記半導体光増幅素子２６と同様に構成されており、光導波路３８と、その光導波路３８内の導波方向すなわち光導波路３８の長手方向に沿って設けられたｐｎ接合部分である活性層４０とを含み、その活性層４０を通過させる電流が外部から流されることによりその活性層４０内を励起するエネルギが注入されるものである。上記半導体光増幅素子４８の光導波路３８と半導体光増幅素子５０の光導波路３８との間には、たとえばゲルマニウムＧｅがドープされた珪素Ｓｉガラス（Ｇｅドープシリカ）から成る導波路６４が介在させられており、その光導波路６４の一部が導波方向において屈折率が周期的に変化させられたグレーティングフィルタによって第１波長選択素子５６が構成されている。上記Ｇｅドープシリカは紫外線レーザ光が照射された部分の屈折率が局部的に変化させられるものであることから、上記グレーティングフィルタは、波長λ１のレーザ光は反射するが波長λ２のレーザ光は通過するように、光の局部照射によって高密度で屈折率が導波方向に周期的に変化させられている。
上記半導体光増幅素子４８は、前記半導体光増幅素子２６と同様に、その波長λ２の出力光の一部が第１波長選択素子５６によって反射されるとともに半導体光増幅素子４８の入力側端面において再度反射されることにより入力光に重畳させられて、正帰還させられるようになっている。
上記Ｇｅドープシリカから成る導波路６４は、半導体光増幅素子４８、５０の導波路３８と同様の断面形状に構成されており、長手方向に連ねられている。上記導波路６４の第１波長選択素子５６が設けられている下流側部分には、Ｙ型に分岐させられた分岐路６６が形成されており、第２の半導体光増幅素子５０への入射に先立って、前記波長λ１の第３レーザ光Ｌ３（第３入力光：制御光Ｉｃ）が第１波長選択素子５６を通過させられた波長λ２の光に対して重畳させられるようになっている。上記導波路６４のうちの分岐路６６が形成された部分は前記第２の光カプラ５８に対応している。
また、前記第２波長選択素子６０は、屈折率の異なる多数組の層が積層された多層膜バンドパスフィルタにより構成されており、波長λ２（１５４０ｎｍ）の第２レーザ光は遮断し、波長λ１（１５５０ｎｍ）の第１レーザ光は通過させ且つ所定の割合たとえば５％だけ反射するように構成されている。このため、出力光のうちの一部（５％）だけ第２の半導体光増幅素子５０へ正帰還させられるので、この実施例の第２波長選択素子６０は、光帰還素子としても機能している。正帰還させられた出力光の一部は第１波長選択素子５６によって反射されて第２の半導体光増幅素子５０に再び入射させられる。
本実施例においては、変調された波長λ１の入力光（１５５０ｎｍの第１レーザ光Ｌ１）Ｉｉｎが、波長λ２（１５４０ｎｍ）のバイアス光（第２レーザ光Ｌ２）Ｉｂｉａｓに重畳されて第１の半導体光増幅素子４８に入力され、その入力光Ｉｉｎの強度変化がバイアス光Ｉｂｉａｓの反転した強度変化として出力され、第１波長選択素子５６により入力光Ｉｉｎがカットされる。次いで、その反転強度変化させられる波長λ２（１５４０ｎｍ）のバイアス光Ｉｂｉａｓに対して、波長λ１（１５５０ｎｍ）の制御光（第３レーザ光Ｌ３）Ｉｃが重畳されて第２の半導体光増幅素子５０に入力され、その波長λ２のバイアス光Ｉｂｉａｓの反転強度変化は波長λ１（１５５０ｎｍ）の制御光Ｉｃの強度変化にさらに反転変換され、出力光として第２波長選択素子６０を通過させられる。このとき、その第２波長選択素子６０によって出力光Ｉｏｕｔの一部が正帰還させられるので、その出力光Ｉｏｕｔの変調率が上記入力光に比較して大幅に大きくされる。図１０は、制御光Ｉｃをパラメータとする光の入出力特性を示している。制御光Ｉｃを重畳しない場合はほとんど出力光の信号が得られないのに対し、制御Ｉｃを重畳した場合は出力光Ｉｏｕｔが大きくなる。すなわち、波長λ１の制御光Ｉｃにより波長λ１の出力光Ｉｏｕｔが制御可能であることを示しており、本実施例によれば、１つの波長のレーザ光を用いて光強度制御可能且つ多段接続可能な３端子光演算増幅装置、３端子光スイッチング装置、光デマックス装置として用いられる。
また、本実施例によれば、上記出力信号光Ｉｏｕｔは、第１レーザ光Ｌ１（第１入力光：Ｉｉｎ）の第１波長λ１と同じ波長が得られると同時に、その第１波長λ１の第１入力光の信号変化と同位相且つそれを増幅した信号となるので、多段に連結される光回路において、入出力光が同一波長となるので有利となる。また、出力光Ｉｏｕｔの一部が第２の半導体光増幅素子５０へ正帰還されることにより 信号（変調率）が大きくされてＳ／Ｎが高められるので、多段増幅が安定して可能となる。
図１１は、前記図１の半導体光増幅素子２６に波長λ２の１種類の入力レーザ光Ｉｉｎが入力させられる場合の光機能素子１０’を示している。本実施例の光機能素子１０’は、前述の実施例の光機能素子１０と同様に、半導体光増幅素子２６と、その出力側端面に固着された波長選択素子２８とから構成されている。この波長選択素子２８は、たとえば導波路の一部たとえば表面の屈折率が導波方向において周期的に変化させられた回折格子或いはブラッグ反射器などから好適に構成される。本実施例の光機能素子１０’では、波長λ２の入力レーザ光Ｉｉｎが励起状態の半導体光増幅素子２６の端面に入力されると、その波長λ２を含む増幅利得のある波長域の光強度がその入力レーザ光Ｉｉｎのオンオフに応答して逆に変化させられるとともに、その変化させられる波長域から波長選択素子２８によって第１波長λ１の増幅光の一部が選択されるとともに、光共振器および帰還素子として機能する光機能素子１０’の入射側端面および波長選択素子２８の端面によって増幅されてから出力される。このため、図４と同様の変調が行われる。上記第１波長λ１の光が半導体光増幅素子２６内に入射されると、その第１波長λ１を中心としたブロードな自然放出光が発生させられるととともに、その第１波長λ１の光の強度を高めると中心波長の強度は高くなるが、その周囲波長域の光の強度は逆に低くなる現象が発生する。上記増幅利得のある波長域とは、上記自然放出光の波長域すなわち周囲波長域に対応している。
図１２は、前記図８の光機能装置５２を構成する半導体光増幅素子４８および５０のうち、入力側の半導体光増幅素子４８に波長λ１の１種類の入力レーザ光Ｉｉｎが入力させられる場合の光機能装置５２’を示している。本実施例の光機能装置５２’では、波長λ１の入力レーザ光Ｉｉｎが励起状態の半導体光増幅素子４８の端面に入力されると、その波長λ１を含む増幅利得のある波長域の光強度がその入力レーザ光Ｉｉｎのオンオフに応答して逆に変化させられるとともに、その変化させられる波長域から波長選択素子５６によって第２波長λ２の増幅光の一部が選択されるとともに、光共振器および帰還素子として機能する光機能素子１０’の入射側端面および波長選択素子５６によって増幅されてから出力される。このようにして増幅された波長λ２のレーザ光に波長λ１の制御光（第３波長）Ｉｃとが光カプラ５８により合波されて第２の半導体光増幅素子５０に入力される。そして、この第２の半導体光増幅素子５０に入力された光のうち第２の波長選択素子６０により選択された第１波長λ１の出力光Ｉｏｕｔが得られる。
以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。
たとえば、前述の実施例の波長選択素子２８、第１波長選択素子５６、第２波長選択素子６０は、導波路の一部たとえば表面が導波方向において屈折率が周期的に変化させられたグレーティングフィルタ、屈折率が異なる多数組の層が積層されて成る多層膜フィルタ、光吸収物質、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶のいずれかから構成されたものであればよい。
また、上記第１波長選択素子５６、第２の波長選択素子６０は、光帰還素子としても機能する場合においても、導波路の一部たとえば表面の屈折率が周期的に変化させられたグレーティングフィルタ、屈折率が異なる多数組の層が積層されて成る多層膜フィルタ、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶のいずれかから構成されてもよい。
また、前述の図１乃至図３の実施例では、波長λ２の第２入力光Ｌ２が変調され、波長λ１の第１入力光Ｌ１が連続光であったが、逆に、波長λ２の第２出力光Ｌ２が連続光とされ、波長λ１の第１入力光Ｌ１が変調されて入力されるものであってもよい。
また、前述の図８乃至図９の実施例において、半導体光増幅素子４８、５０は共通の化合物半導体基板６２から構成されているが、別々の基板から構成されていてもよい。
また、前述の半導体光増幅素子２６、４８、５０において、外部へ出力された出力光Ｉｏｕｔの一部を入力側へ戻すための光帰還回路を光ファイバなどによって構成してもよい。この場合には、その光ファイバが正帰還素子に対応している。
なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり、本発明はその主旨を逸脱しない範囲において種々変更が加えられ得るものである。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施例の光機能素子の構成を説明するブロック図である。
図２は、図１の実施例における半導体光増幅素子の構成を説明する斜視図である。
図３は、図１の実施例における半導体光増幅素子の構成を説明する断面図である。
図４は、図１の実施例において出力光の一部の正帰還を行った場合の入出力信号を説明するタイムチャートである。
図５は、図１の実施例において出力光の一部の正帰還を行わない場合の入出力信号を説明するタイムチャートである。
図６は、図１の実施例において波長λ１の入力光を入力させた場合とさせない場合の出力信号を説明するタイムチャートである。
図７は、図１の実施例において、波長λ１の入力光の強度をパラメータとする光機能素子の入出力特性を説明する図である。
図８は、本発明の他の実施例の３端子型の光機能装置の構成を説明する平面図である。
図９は、図８の実施例の３端子型の光機能装置の構成を説明する斜視図である。
図１０は、図８の実施例の３端子型の光機能装置における出力光の制御特性を説明する図である。
図１１は、図１の光機能素子の他の実施例を説明するブロック部である。
図１２は、図８の光機能装置の他の実施例を説明する平面図である。
本発明は、光信号を増幅、制御、或いはスイッチングする光機能装置、特に、高度情報処理が可能な光通信、光画像処理、光コンピュータ、光計測、光集積回路などの光エレクトロニクスに好適な光機能装置に関するものである。
背景技術
広帯域且つ高速伝送が可能な光ファイバ通信を用いた動画像通信や映像の分配といった広帯域な新サービスの広範な展開が期待されている。しかしながら、たとえばエレクトロニクスで言えば３端子のトランジスタに相当するような機能（能動）素子、すなわち光信号を他の光信号で直接制御するような光機能装置は、未だ、実現されていない。
このため、せっかく、高速で伝送した光信号を一旦電気信号に変換し、電子回路において情報処理が行われ、処理後の信号を再度光に変換して伝送するというのが実情である。したがって、光を光で直接制御することができないので、信号処理の高速性に限界があった。光信号のまま信号処理ができる場合には、並列処理が可能であると言われており、一層の処理時間の短縮化が期待できるのである。
本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、光信号の処理を光で直接行うことができる光機能装置を提供することにある。
発明の開示
本発明者は、以上の事情を背景として種々の検討を重ねた結果、半導体光増幅素子において、特定波長の入力レーザ光、たとえば波長λ１の第１レーザ光および波長λ２の第２レーザ光を入射させて、その第２レーザ光の強度を変化させるとそれに応答して第１レーザ光の強度変化が発生し、その第１レーザ光の強度変化は第２レーザ光の強度変化の逆に変化するという効果を利用して光機能素子或いは光機能装置を構築可能であることを見いだした。本発明はかかる知見に基づいて為されたものである。
すなわち、請求項１に係る発明の要旨とするところは、３端子光機能装置であって、（ａ）波長が異なる２つ以上の入力レーザ光に関して、第１波長のレーザ光の強度変化に対して第２波長のレーザ光の強度を逆に変化させる第１半導体光増幅素子と、（ｂ）その第１半導体光増幅素子からの光から前記第２波長の光を選択するとともに、その第２波長の光の一部を前記第１半導体光増幅素子の入力側へ正帰還させる第１波長選択素子と、（ｃ）前記第１波長選択素子により選択された第２波長の光に、前記第１波長と同一又はそれと異なる第３波長の制御光を合波する光合波器と、(ｄ）その光合波器により合波された光を受け、前記第２波長の光を前記制御光の強度変化に反転変換したその制御光の波長の光を発生する第２半導体光増幅素子と、(ｅ）その第２半導体光増幅素子からの光のうち前記制御光の波長の光を選択し、出力光として取り出す第２波長選択素子とを、含み、(ｆ)前記第２波長選択素子は、光帰還素子としても機能し、前記第２半導体光増幅素子からの光から前記制御光の波長の光を選択して出力光として透過させ、且つ、その出力光の一部を反射させることで前記第２半導体光増幅素子の入力側へ正帰還させるものであって、前記第２半導体光増幅素子からの光を導くための光導波路の一部が導波方向において屈折率が周期的に変化させられたグレーティングフィルタ、屈折率が異なる多数組の層が積層されて成る多層膜フィルタ、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶のいずれかから構成されるものであることにある。
また、請求項２に係る発明の要旨とするところは、３端子光機能装置であって、(ａ）第１波長の入力レーザ光が入力されることによりその入力レーザ光の波長を含む増幅利得のある波長域内の光強度をその入力レーザ光に応答して逆に変化させる第１半導体光増幅素子と、（ｂ）その第１半導体光増幅素子内で発生した光のうち前記増幅利得のある波長域内の前記第１波長とは異なる光を選択するとともに、その第１波長とは異なる光の一部を前記第１半導体光増幅素子の入力側へ正帰還させる第１波長選択素子と、(ｃ)前記第１波長選択素子により選択された前記第１波長とは異なる光に、前記第１波長と同一又はそれと異なる第３波長の制御光を合波する光合波器と、（ｄ）その光合波器により合波された光を受け、前記第１波長とは異なる光を前記制御光の強度変化に反転変換したその制御光の波長の光を発生する第２半導体光増幅素子と、(ｅ)その第２半導体光増幅素子からの光のうち前記制御光の波長の光を選択し、出力光として取り出す第２波長選択素子とを、含み、(ｆ)前記第２波長選択素子は、光帰還素子としても機能し、前記第２半導体光増幅素子からの光から前記制御光の波長の光を選択して出力光として透過させ、且つ、その出力光の一部を反射させることで前記第２半導体光増幅素子の入力側へ正帰還させるものであって、前記第２半導体光増幅素子からの光を導くための光導波路の一部が導波方向において屈折率が周期的に変化させられたグレーティングフィルタ、屈折率が異なる多数組の層が積層されて成る多層膜フィルタ、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶のいずれかから構成されるものであることにある。
このように構成された請求項１に係る発明および請求項２に係る発明によれば、第１波長の入力レーザ光が入射させられる第１半導体光増幅素子内においては、１つの波長のレーザ光の強度変化に対して他の波長のレーザ光の強度が逆に強度変化させられ、その他の波長のレーザ光のみが第１波長選択素子により選択されて出力光として取り出される。同時に、その第１波長選択素子によってその出力光の一部が第１半導体光増幅素子の入力側へ正帰還させられる。また、上記第１半導体光増幅素子からの出力光と制御光とが入力される第２半導体光増幅素子内においても制御光がその出力光の強度により逆に強度変化させられ出力され、第２波長選択素子によりその制御光の波長の光が出力光として選択されるとともに、その出力光の一部が第２半導体光増幅素子へ正帰還させられる。このため、１つの波長のレーザ光を制御光の波長を用いてスイッチングなどの制御をしたり、制御光のレーザ光を増幅して一方の波長の出力光として出力させることができることから、光信号のままで情報処理ができるので、高速の情報処理が可能となると同時に、出力光信号の変調率が高くされ、高いＳ／Ｎ比が得られる。
また、第２波長選択素子は、光帰還素子としても機能し、前記半導体光増幅素子の出力光を導くための光導波路の一部が導波方向において屈折率が周期的に変化させられたグレーティングフィルタ、屈折率が異なる多数組の層が積層されて成る多層膜フィルタ、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶のいずれかから構成されたものであることから、波長選択素子が半導体光増幅素子の光導波路の一部或いは端面に設けられ得るので、光機能装置が一層小型化され得る。
ここで、好適には、前記半導体光増幅素子は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＮなどのＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体製の半導体光増幅素子である。このようにすれば、半導体光増幅素子が小型となると同時に、高い増幅率が得られる。しかも、それぞれの混晶半導体の組成比（混晶比）を変化させることによって光増幅する波長を任意に選択できる。
また、好適には、前記半導体光増幅素子は、前記レーザ光を導くための光導波路と、その光導波路内の導波路方向に沿って設けられたｐｎ接合部である活性層とを含み、その活性層内を励起するためのエネルギが注入されるものである。このようにすれば、半導体光増幅素子は、その一部に設けられた光導波路内の導波路方向に沿って設けられた活性層において光増幅が行われるので、エルビウムのような希土類元素ドープド光ファイバを用いた光増幅器に比較して、光増幅素子が小型となると同時に、高いエネルギ変換効率が得られる。
また、好適には、前記活性層は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＮなどのＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体のバルク、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されるものである。特に、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成される場合には、バルクの活性層に比較して高い応答速度および高いゲインが得られ、出力光の変調率が高められる。
また、好適には、前記３端子光機能装置は、３端子光スイッチ、３端子光演算増幅器または光デマックス（デマルチプレクサ）装置として機能する光機能装置が構成される。このようにすれば、多段接続された光機能素子により光機能装置が構成されるので、３端子光演算装置、３端子光スイッチング装置や光デマックス（ＤＥＭＵＸ：信号分離化回路）装置として用いられる。たとえば、一対の光機能素子毎に、１つの波長のレーザ光を用いてスイッチングなどの制御をしたり、他方の波長のレーザ光を増幅して一方の波長の出力光として出力させることができることから、１つの波長のレーザ光を用いて多段の情報処理ができるようになる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の一実施例の光機能（制御）素子１０を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、上記光機能素子の構成を概略説明する図である。図１において、第１レーザ光源１２は、たとえば１５４０ｎｍの第１波長λ１の第１レーザ光Ｌ１を出力し、第１光変調器１４が設けられた第１光ファイバＦ１を介して伝播させる。第２レーザ光源１６は、たとえば１５５０ｎｍの第２波長λ２の第２レーザ光Ｌ２を出し、第２光変調器１８が設けられた第２光ファイバＦ２を介して伝播させる。上記第１レーザ光源１２および第２レーザ光源１６はたとえば可変波長半導体レーザが用いられる。上記第１光変調器１４および第２光変調器１８は、信号発生器２０および２２からの電気信号に従って、その信号の周波数のパルス信号となるように通過光をパルス変調する。光カプラ（光合波器）２４は、上記第１光ファイバＦ１および第２光ファイバＦ２を第３光ファイバＦ３へ接続し、それら第１光ファイバＦ１および第２光ファイバＦ２を伝播してきた第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２を重畳し、第３光ファイバＦ３を介して半導体光増幅素子２６へ入力させる。波長選択素子２８は、半導体光増幅素子２６の出力側に接続され、その半導体光増幅素子２６から出力された光のうちから１５４０ｎｍの第１波長λ１の光を選択し、出力光として出力する。それら半導体光増幅素子２６および波長選択素子２８などが、第２レーザ光Ｌ２の信号をそれと反転した波長λ１の信号に変換し且つ直接的に増幅して出力する光機能素子１０に対応している。図１には、上記重畳した第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２と波長選択素子２８を透過した出力光Ｌｏｕｔとをそれぞれモニタするための一対の光検出器３０、３２と、その光検出器３０および３２により検出された光信号を観測するオシロスコープ３４とが設けられている。
上記半導体光増幅素子２６は、化合物半導体たとえばインジウム燐（ＩｎＰ）基板３６から成長させられＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体たとえばＩｎＧａＡｓＰ混晶半導体から構成されており、たとえば図２および図３に示すように、入力レーザ光を導くための光導波路３８と、その光導波路３８内の導波方向すなわち光導波路３８の長手方向に沿って設けられたｐｎ接合部分である活性層４０と、上記光導波路３８およびＩｎＰ基板３６を覆うように成長させられたキャップ層４２と、ＩｎＰ基板３６の底面およびキャップ層４２の上面にそれぞれ固着された一対の電極層４４および４６とを含み、その活性層４０を通過させる電流がそれら一対の電極層４４および４６の間で流されることによりその活性層４０内を励起するエネルギが注入されるものである。上記光導波路３８は、たとえばＩｎＰ基板３６からの成長層の両側部がエッチングによって除去されることによって光導波方向に連ねた状態でＩｎＰ基板３６の上面において凸設されている。この光導波路３８は、屈折率を高くする混晶比のＩｎＧａＡｓＰ混晶半導体が用いられることにより屈折率がＩｎＰ基板３６よりも高くされているので、光がＩｎＰ基板３６の厚み方向および幅方向において閉じ込められた状態で伝播されるようになっている。図２は光導波路３８の形状を示すための斜視図であり、キャップ層４２およびその上面に固着された電極４６が省略されている。なお、上記キャップ層４２内には、電流を活性層４０に集中させるための電流狭窄構造が必要に応じて設けられる。
上記活性層４０は、たとえば多重量子井戸から構成されており、ＩｎＰ基板３６から成長させられることによりそれに格子整合されたＩｎＧａＡｓ（１００Åの厚み）とＩｎＧａＡｓＰバリア層（１．４５μｍ組成、１００Åの厚み）との６対により構成され、その活性層４０の上には、組成（屈折率）が段階的に変化させられたグリン（ＧＲＩＮ）構造のガイド層（２０００Åの厚み）が順次設けられている。この活性層４０のデバイス長（光導波路３８の長さ）は６００μｍであり、たとえば２００ｍＡの電流値によるエネルギ注入によって励起された電子が通過する光子による誘導放射によって価電子帯へ移動させられるときに光エネルギを放出して通過光を増幅させると考えられている。この２００ｍＡの電流値によるエネルギ注入により、波長１．５５μｍの測定において２４ｄＢ程度の利得が得られる。
そして、上記光機能素子１０には、図１に示すように、波長選択素子２８を通過させられた出力光の一部がその出力側端面で反射させられて光導波路３８を通って半導体光増幅素子２６の側へ戻されるとともに入力側の端面で反射されて入力光に加えられる。このような出力光の一部の伝播過程においても活性層４０による増幅作用を受けて出力光の変調率が高くされる。すなわち、出力光の一部が正帰還させられているのである。したがって、本実施例では、上記波長選択素子２８の端面および半導体光増幅素子２６の入力側の端面が帰還素子として機能しているが、外部ミラーから構成されてもよい。
前記波長選択素子２８は、半導体光増幅素子２６の出力光を導くための光導波路３８の一部が導波方向において屈折率が周期的に変化させられたグレーティングフィルタ、半導体光増幅素子２６の出力側端面に固着された屈折率が異なる多数組の層が積層されて成る多層膜フィルタ、１５４０ｎｍの第１波長λ１の光を選択するために１５５０ｎｍの第２波長λ２の光を吸収する光吸収物質、同様に第２波長λ２の光を吸収するまたは第１波長λ１を透過するようにフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶のいずれかから一体或いは別体に構成されるものであるが、図１乃至図３に示す場合には、半導体光増幅素子２６の出力側の端面に一体的に固着された多層膜フィルタから構成される。
したがって、図１の光機能素子１０において、第２レーザ光Ｌ２に対して第２変調器１８を用いて１ｋＨｚの変調を行うとともに、その変調された第２レーザ光Ｌ２に対して変調されていない第１レーザ光Ｌ１を重畳させた光が半導体光増幅素子２６に入力されると、図４の入力光に示す変調率Ｍが３８％の１ｋＨｚの入力信号（第２レーザ光Ｌ２）から図４の波長λ１の第１レーザ光Ｌ１である出力光Ｌｏｕｔに示す信号が得られる。半導体光増幅素子２６のゲインＧが１５ｄＢである場合には変調率Ｍ４０％の反転信号が得られるが、２０ｄＢである場合には変調率Ｍが８１％の反転信号、すなわち大幅に増幅された光出力信号が得られる。上記変調率Ｍ（％）は［＝（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ）×１００］（ただし、Ｉｍａｘは信号波形の最大値、Ｉｍｉｎは信号波形の最小値）として定義されるものであり、上記半導体光増幅素子２６のゲインＧはたとえばその半導体光増幅素子２６に対するエネルギ注入量に基づいて設定される。図５は、前記半導体光増幅素子２６の出力側端面に無反射コーティングを設けて出力光Ｌｏｕｔの一部が正帰還されないようにした場合である。光増幅素子２６のゲインＧに応じて出力光Ｌｏｕｔの変調率は大きくされるけれども、その出力光の変調率Ｍは低く、３０％程度にしか得られない。
図６は、光機能素子１０のスイッチング特性を示す実験結果を示している。図６では、半導体光増幅素子２６のゲインＧが１５ｄＢであるとき、１５５０ｎｍの第２波長λ２の入力光である第２レーザ光Ｌ２を５００ＭＨｚで変調した場合に観測された出力光Ｌｏｕｔの波形変化が示されている。図６の（ａ）は１５４０ｎｍの第１波長λ１の第１レーザ光Ｌ１を１００μＷとしたときに入力波形Ｌ２に対して反転した波形を示す出力波形Ｌｏｕｔであり、（ｂ）は１５４０ｎｍの第１波長λ１の第１レーザ光Ｌ１を入力させない場合の出力波形Ｌｏｕｔであり、（ｃ）は１５５０ｎｍの第２波長λ２の入力光である第２レーザ光Ｌ２の波形を示している。図６において、（ａ）に示す出力波形は、（ｂ）に示す出力波形に比較して大幅に信号強度が増加させられている。光パワーメータで測定した結果、（ａ）は２００μＷであるのに対し、（ｂ）は１０μＷであった。１００μＷの第１波長λ１の第１レーザ光Ｌ１を入力させたことにより２０倍に増加している。図７は、第１波長λ１の第１レーザ光Ｌ１の強度に対する出力光強度Ｌｏｕｔの変化特性を、第２波長λ２の第２レーザ光Ｌ２の強度が３００μＷ、６００μＷ、９００μＷである場合についてそれぞれ示している。
本実施例において、半導体光増幅素子２６および波長選択素子２８を含む光機能装置１０によれば、第２波長λ２の第２入力光である第２レーザ光Ｌ２が半導体光増幅素子２６に入力され、その第２波長λ２とは異なる第１波長λ１の第１入力光である第１レーザ光Ｌ１がレーザ光入力装置として機能する光カプラ２４により半導体光増幅素子２６に入力され、それら第２レーザ光Ｌ２および第１レーザ光Ｌ１が相互に重畳させられ、その半導体光増幅素子２６からの光が波長選択素子２８により第１波長λ１の光に選択されて出力光Ｌｏｕｔとされるとき、その出力光Ｌｏｕｔは、第２波長λ２の第２レーザ光Ｌ２の信号変化に応答して、その第２レーザ光Ｌ２の信号変化を増幅したものとなる。すなわち、入力信号である変調された第２レーザ光Ｌ２に対して位相は反転するものの、その第２レーザ光Ｌ２の信号強度を大きく増幅した信号強度を有する出力光Ｌｏｕｔが得られる。このため、１つの波長のレーザ光を他の波長を用いてスイッチングなどの制御をしたり、他方の波長のレーザ光を増幅して一方の波長の出力光として出力させることができることから、光信号のままで情報処理ができるので、高速の情報処理が可能となると同時に、出力光Ｌｏｕｔの一部が正帰還させられることによって出力光Ｌｏｕｔの信号変調率が高くされ、高いＳ／Ｎ比が得られる。
なお、上記増幅効果は、半導体光増幅素子２６の利得（ゲイン）Ｇが得られる波長帯においては波長λ１およびλ２を任意に設定しても得られ、また、３以上の波長を設定しても得られる。本実施例のような多重量子井戸を有する活性層４０を備えた半導体光増幅素子２６である場合には、その利得（ゲイン）Ｇが得られる波長帯は約１００ｎｍであるので、活性層４０がバルクである場合に比較して約２倍程度の広帯域特性が得られる。
また、本実施例によれば、半導体光増幅素子２６は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＮなどのＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体から構成されるので、光増幅装置が全体として小型となると同時に、高い増幅率が得られる。しかも、それぞれの混晶半導体の組成比（混晶比）を変化させることにより、光増幅する波長を任意に選択することができる。
また、本実施例によれば、半導体光増幅素子２６は、入力レーザ光Ｌ１’、Ｌ２を導くための光導波路３８と、その光導波路３８内の導波路方向に沿って設けられたｐｎ接合部である活性層４０とを含み、その活性層４０内を励起するためのエネルギが注入されるものであることから、半導体光増幅素子２６は、その一部に設けられた光導波路３８内の導波路方向に沿って設けられた活性層４０において光増幅が行われるので、光ファイバを用いたものに比較して、光機能素子１０或いは光機能装置５２が一層小型化され得る。
また、本実施例によれば、活性層４０は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＮなどのＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体のバルク、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されるものである。特に、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成される場合には、高速応答性および高いゲインＧが得られ、出力光Ｌｏｕｔの変調率が高められる。
また、本実施例によれば、波長選択素子２８は、半導体光増幅素子２６の出力光Ｌｏｕｔを導くための光導波路３８の一部たとえば表面が導波方向において屈折率が周期的に変化させられたグレーティングフィルタ、屈折率が異なる多数組の層が積層されて成る多層膜フィルタ、光吸収物質、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶のいずれかから構成されたものであることから、波長選択素子２８が半導体光増幅素子２６の光導波路３８の一部或いは端面に設けられ得るので、光機能装置が一層小型化され得る。
また、本実施例によれば、出力光Ｌｏｕｔの一部を正帰還させる光帰還素子は、半導体光増幅素子２６の出力光Ｌｏｕｔを導くための光導波路３８の一部たとえば表面が導波方向において屈折率が周期的に変化させられたグレーティングフィルタ、屈折率が異なる多数組の層が積層されて成る多層膜フィルタ、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶、端面反射抑止膜のいずれかから構成されることから、半導体光増幅素子２６の一部に設けられ得るので、光ファイバにより出力光の一部を帰還させる場合に比較して、光機能素子１０或いは光機能装置５２が一層小型化され得る。
次に本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の説明において前述の実施例と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略する。
図８および図９は、前記半導体光増幅素子２６と同様の１対の半導体光増幅素子４８、５０を有する３端子型光機能装置５２の構成を説明する図であって、図８はその３端子型光機能装置５２の具体的な構成を説明する平面図、図９はその斜視図である。これ等図８および図９においても図２と同様にキャップ層や電極が省略されている。図８乃至図９において、波長λ１（１５５０ｎｍ）の第１レーザ光Ｌ１（第１入力光：Ｉｉｎ）および波長λ２（１５４０ｎｍ）の第２レーザ光Ｌ２（第２入力光：バイアス光Ｉｂｉａｓ）が第１の光カプラ５４により重畳されて第１の半導体光増幅素子４８に入力されるとともに、その光増幅素子４８からの光のうちの第１の波長選択素子５６によって波長λ２について選択された光と、波長λ１の第３レーザ光Ｌ３（第３入力光：制御光Ｉｃ）とが第２の光カプラ５８により重畳されて第２の半導体光増幅素子５０に入力される。そして、その第２の半導体光増幅素子５０から出された光のうち第２の波長選択素子６０により波長λ１について選択された出力光Ｌｏｕｔが得られる。
上記１対の半導体光増幅素子４８、５０は、共通の化合物半導体たとえばインジウム燐（ＩｎＰ）基板６２から成長させられている他は前記半導体光増幅素子２６と同様に構成されており、光導波路３８と、その光導波路３８内の導波方向すなわち光導波路３８の長手方向に沿って設けられたｐｎ接合部分である活性層４０とを含み、その活性層４０を通過させる電流が外部から流されることによりその活性層４０内を励起するエネルギが注入されるものである。上記半導体光増幅素子４８の光導波路３８と半導体光増幅素子５０の光導波路３８との間には、たとえばゲルマニウムＧｅがドープされた珪素Ｓｉガラス（Ｇｅドープシリカ）から成る導波路６４が介在させられており、その光導波路６４の一部が導波方向において屈折率が周期的に変化させられたグレーティングフィルタによって第１波長選択素子５６が構成されている。上記Ｇｅドープシリカは紫外線レーザ光が照射された部分の屈折率が局部的に変化させられるものであることから、上記グレーティングフィルタは、波長λ１のレーザ光は反射するが波長λ２のレーザ光は通過するように、光の局部照射によって高密度で屈折率が導波方向に周期的に変化させられている。
上記半導体光増幅素子４８は、前記半導体光増幅素子２６と同様に、その波長λ２の出力光の一部が第１波長選択素子５６によって反射されるとともに半導体光増幅素子４８の入力側端面において再度反射されることにより入力光に重畳させられて、正帰還させられるようになっている。
上記Ｇｅドープシリカから成る導波路６４は、半導体光増幅素子４８、５０の導波路３８と同様の断面形状に構成されており、長手方向に連ねられている。上記導波路６４の第１波長選択素子５６が設けられている下流側部分には、Ｙ型に分岐させられた分岐路６６が形成されており、第２の半導体光増幅素子５０への入射に先立って、前記波長λ１の第３レーザ光Ｌ３（第３入力光：制御光Ｉｃ）が第１波長選択素子５６を通過させられた波長λ２の光に対して重畳させられるようになっている。上記導波路６４のうちの分岐路６６が形成された部分は前記第２の光カプラ５８に対応している。
また、前記第２波長選択素子６０は、屈折率の異なる多数組の層が積層された多層膜バンドパスフィルタにより構成されており、波長λ２（１５４０ｎｍ）の第２レーザ光は遮断し、波長λ１（１５５０ｎｍ）の第１レーザ光は通過させ且つ所定の割合たとえば５％だけ反射するように構成されている。このため、出力光のうちの一部（５％）だけ第２の半導体光増幅素子５０へ正帰還させられるので、この実施例の第２波長選択素子６０は、光帰還素子としても機能している。正帰還させられた出力光の一部は第１波長選択素子５６によって反射されて第２の半導体光増幅素子５０に再び入射させられる。
本実施例においては、変調された波長λ１の入力光（１５５０ｎｍの第１レーザ光Ｌ１）Ｉｉｎが、波長λ２（１５４０ｎｍ）のバイアス光（第２レーザ光Ｌ２）Ｉｂｉａｓに重畳されて第１の半導体光増幅素子４８に入力され、その入力光Ｉｉｎの強度変化がバイアス光Ｉｂｉａｓの反転した強度変化として出力され、第１波長選択素子５６により入力光Ｉｉｎがカットされる。次いで、その反転強度変化させられる波長λ２（１５４０ｎｍ）のバイアス光Ｉｂｉａｓに対して、波長λ１（１５５０ｎｍ）の制御光（第３レーザ光Ｌ３）Ｉｃが重畳されて第２の半導体光増幅素子５０に入力され、その波長λ２のバイアス光Ｉｂｉａｓの反転強度変化は波長λ１（１５５０ｎｍ）の制御光Ｉｃの強度変化にさらに反転変換され、出力光として第２波長選択素子６０を通過させられる。このとき、その第２波長選択素子６０によって出力光Ｉｏｕｔの一部が正帰還させられるので、その出力光Ｉｏｕｔの変調率が上記入力光に比較して大幅に大きくされる。図１０は、制御光Ｉｃをパラメータとする光の入出力特性を示している。制御光Ｉｃを重畳しない場合はほとんど出力光の信号が得られないのに対し、制御Ｉｃを重畳した場合は出力光Ｉｏｕｔが大きくなる。すなわち、波長λ１の制御光Ｉｃにより波長λ１の出力光Ｉｏｕｔが制御可能であることを示しており、本実施例によれば、１つの波長のレーザ光を用いて光強度制御可能且つ多段接続可能な３端子光演算増幅装置、３端子光スイッチング装置、光デマックス装置として用いられる。
また、本実施例によれば、上記出力信号光Ｉｏｕｔは、第１レーザ光Ｌ１（第１入力光：Ｉｉｎ）の第１波長λ１と同じ波長が得られると同時に、その第１波長λ１の第１入力光の信号変化と同位相且つそれを増幅した信号となるので、多段に連結される光回路において、入出力光が同一波長となるので有利となる。また、出力光Ｉｏｕｔの一部が第２の半導体光増幅素子５０へ正帰還されることにより 信号（変調率）が大きくされてＳ／Ｎが高められるので、多段増幅が安定して可能となる。
図１１は、前記図１の半導体光増幅素子２６に波長λ２の１種類の入力レーザ光Ｉｉｎが入力させられる場合の光機能素子１０’を示している。本実施例の光機能素子１０’は、前述の実施例の光機能素子１０と同様に、半導体光増幅素子２６と、その出力側端面に固着された波長選択素子２８とから構成されている。この波長選択素子２８は、たとえば導波路の一部たとえば表面の屈折率が導波方向において周期的に変化させられた回折格子或いはブラッグ反射器などから好適に構成される。本実施例の光機能素子１０’では、波長λ２の入力レーザ光Ｉｉｎが励起状態の半導体光増幅素子２６の端面に入力されると、その波長λ２を含む増幅利得のある波長域の光強度がその入力レーザ光Ｉｉｎのオンオフに応答して逆に変化させられるとともに、その変化させられる波長域から波長選択素子２８によって第１波長λ１の増幅光の一部が選択されるとともに、光共振器および帰還素子として機能する光機能素子１０’の入射側端面および波長選択素子２８の端面によって増幅されてから出力される。このため、図４と同様の変調が行われる。上記第１波長λ１の光が半導体光増幅素子２６内に入射されると、その第１波長λ１を中心としたブロードな自然放出光が発生させられるととともに、その第１波長λ１の光の強度を高めると中心波長の強度は高くなるが、その周囲波長域の光の強度は逆に低くなる現象が発生する。上記増幅利得のある波長域とは、上記自然放出光の波長域すなわち周囲波長域に対応している。
図１２は、前記図８の光機能装置５２を構成する半導体光増幅素子４８および５０のうち、入力側の半導体光増幅素子４８に波長λ１の１種類の入力レーザ光Ｉｉｎが入力させられる場合の光機能装置５２’を示している。本実施例の光機能装置５２’では、波長λ１の入力レーザ光Ｉｉｎが励起状態の半導体光増幅素子４８の端面に入力されると、その波長λ１を含む増幅利得のある波長域の光強度がその入力レーザ光Ｉｉｎのオンオフに応答して逆に変化させられるとともに、その変化させられる波長域から波長選択素子５６によって第２波長λ２の増幅光の一部が選択されるとともに、光共振器および帰還素子として機能する光機能素子１０’の入射側端面および波長選択素子５６によって増幅されてから出力される。このようにして増幅された波長λ２のレーザ光に波長λ１の制御光（第３波長）Ｉｃとが光カプラ５８により合波されて第２の半導体光増幅素子５０に入力される。そして、この第２の半導体光増幅素子５０に入力された光のうち第２の波長選択素子６０により選択された第１波長λ１の出力光Ｉｏｕｔが得られる。
以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。
たとえば、前述の実施例の波長選択素子２８、第１波長選択素子５６、第２波長選択素子６０は、導波路の一部たとえば表面が導波方向において屈折率が周期的に変化させられたグレーティングフィルタ、屈折率が異なる多数組の層が積層されて成る多層膜フィルタ、光吸収物質、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶のいずれかから構成されたものであればよい。
また、上記第１波長選択素子５６、第２の波長選択素子６０は、光帰還素子としても機能する場合においても、導波路の一部たとえば表面の屈折率が周期的に変化させられたグレーティングフィルタ、屈折率が異なる多数組の層が積層されて成る多層膜フィルタ、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶のいずれかから構成されてもよい。
また、前述の図１乃至図３の実施例では、波長λ２の第２入力光Ｌ２が変調され、波長λ１の第１入力光Ｌ１が連続光であったが、逆に、波長λ２の第２出力光Ｌ２が連続光とされ、波長λ１の第１入力光Ｌ１が変調されて入力されるものであってもよい。
また、前述の図８乃至図９の実施例において、半導体光増幅素子４８、５０は共通の化合物半導体基板６２から構成されているが、別々の基板から構成されていてもよい。
また、前述の半導体光増幅素子２６、４８、５０において、外部へ出力された出力光Ｉｏｕｔの一部を入力側へ戻すための光帰還回路を光ファイバなどによって構成してもよい。この場合には、その光ファイバが正帰還素子に対応している。
なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり、本発明はその主旨を逸脱しない範囲において種々変更が加えられ得るものである。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施例の光機能素子の構成を説明するブロック図である。
図２は、図１の実施例における半導体光増幅素子の構成を説明する斜視図である。
図３は、図１の実施例における半導体光増幅素子の構成を説明する断面図である。
図４は、図１の実施例において出力光の一部の正帰還を行った場合の入出力信号を説明するタイムチャートである。
図５は、図１の実施例において出力光の一部の正帰還を行わない場合の入出力信号を説明するタイムチャートである。
図６は、図１の実施例において波長λ１の入力光を入力させた場合とさせない場合の出力信号を説明するタイムチャートである。
図７は、図１の実施例において、波長λ１の入力光の強度をパラメータとする光機能素子の入出力特性を説明する図である。
図８は、本発明の他の実施例の３端子型の光機能装置の構成を説明する平面図である。
図９は、図８の実施例の３端子型の光機能装置の構成を説明する斜視図である。
図１０は、図８の実施例の３端子型の光機能装置における出力光の制御特性を説明する図である。
図１１は、図１の光機能素子の他の実施例を説明するブロック部である。
図１２は、図８の光機能装置の他の実施例を説明する平面図である。
Claims (6)
- 波長が異なる２つ以上の入力レーザ光に関して、第１波長のレーザ光の強度変化に対して第２波長のレーザ光の強度を逆に変化させる第１半導体光増幅素子と、
該第１半導体光増幅素子からの光から前記第２波長の光を選択するとともに、該第２波長の光の一部を前記第１半導体光増幅素子の入力側へ正帰還させる第１波長選択素子と、
前記第１波長選択素子により選択された第２波長の光に、前記第１波長と同一又はそれと異なる第３波長の制御光を合波する光合波器と、
該光合波器により合波された光を受け、前記第２波長の光を前記制御光の強度変化に反転変換した該制御光の波長の光を発生する第２半導体光増幅素子と、
該第２半導体光増幅素子からの光のうち前記制御光の波長の光を選択し、出力光として取り出す第２波長選択素子と
を、含み、
前記第２波長選択素子は、光帰還素子としても機能し、前記第２半導体光増幅素子からの光から前記制御光の波長の光を選択して出力光として透過させ、且つ、該出力光の一部を反射させることで前記第２半導体光増幅素子の入力側へ正帰還させるものであって、前記第２半導体光増幅素子からの光を導くための光導波路の一部が導波方向において屈折率が周期的に変化させられたグレーティングフィルタ、屈折率が異なる多数組の層が積層されて成る多層膜フィルタ、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶のいずれかから構成されるものであることを特徴とする３端子光機能装置。 - 第１波長の入力レーザ光が入力されることにより該入力レーザ光の波長を含む増幅利得のある波長域内の光強度を該入力レーザ光に応答して逆に変化させる第１半導体光増幅素子と、
該第１半導体光増幅素子内で発生した光のうち前記増幅利得のある波長域内の前記第１波長とは異なる光を選択するとともに、該第１波長とは異なる光の一部を前記第１半導体光増幅素子の入力側へ正帰還させる第１波長選択素子と、
前記第１波長選択素子により選択された前記第１波長とは異なる光に、前記第１波長と同一又はそれと異なる第３波長の制御光を合波する光合波器と、
該光合波器により合波された光を受け、前記第１波長とは異なる光を前記制御光の強度変化に反転変換した該制御光の波長の光を発生する第２半導体光増幅素子と、
該第２半導体光増幅素子からの光のうち前記制御光の波長の光を選択し、出力光として取り出す第２波長選択素子と
を、含み、
前記第２波長選択素子は、光帰還素子としても機能し、前記第２半導体光増幅素子からの光から前記制御光の波長の光を選択して出力光として透過させ、且つ、該出力光の一部を反射させることで前記第２半導体光増幅素子の入力側へ正帰還させるものであって、前記第２半導体光増幅素子からの光を導くための光導波路の一部が導波方向において屈折率が周期的に変化させられたグレーティングフィルタ、屈折率が異なる多数組の層が積層されて成る多層膜フィルタ、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶のいずれかから構成されるものであることを特徴とする３端子光機能装置。 - 前記第１および第２半導体光増幅素子は、前記レーザ光を導くための光導波路と、該光導波路内の導波路方向に沿って設けられた活性層とを含み、該活性層内を励起するためのエネルギが注入されるものである請求項１または２の３端子光機能装置。
- 前記活性層は、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されるものである請求項３の３端子光機能装置。
- 前記３端子光機能装置は、３端子光演算増幅装置、３端子光スイッチング装置、または光デマルチプレクサ装置として機能するものである請求項１乃至４のいずれか１の３端子光機能装置。
- 前記３端子光機能装置は、多端子光信号処理装置、多端子波長変換装置として機能するものである請求項１乃至４のいずれか１の３端子光機能装置。
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