JP4719331B2 - 波長多重光信号処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に半導体装置に関し、特に量子ドットを有する半導体装置を使って構成した、光信号の処理装置に関する。
【０００２】
長距離光通信においては、光ファイバ中を長距離にわたって伝送される光信号の波形の崩壊あるいは位相のずれを補償するために適当な間隔で中継点を設け、かかる中継点において光信号の再生を行なうことが行なわれている。かかる光信号の再生には、光信号中に含まれるクロックの抽出や、抽出されたクロックを使った光信号の再変調、さらにノイズ除去等の光信号処理が含まれる。
【０００３】
【従来の技術】
図１は従来より長距離波長多重大容量光通信系の中継点において使われている波長多重光信号再生装置１０の概略的構成を示す。
【０００４】
図１を参照するに、入来波長多重光信号は波長の異なった複数のチャネルCH1〜CHNを含み、前記光信号再生装置１０は前記波長多重信号を供給され、これを各々のチャネルの光信号成分に分解する光デマルチプレクサ１０Ａと、前記各々のチャネルに対して設けられ、前記光デマルチプレクサ１０Ａで相互に分離された光信号成分に対して再生を行う光再生器１０Ｂ1〜１０ＢNと、前記各々の光再生器１０Ｂ1〜１０ＢNで再生された光信号成分を供給され、これを合成して再生された波長多重光信号を形成する光マルチプレクサ１０Ｃとよりなる。
【０００５】
図２は、前記光再生器１０Ｂ1〜１０ＢＮの構成を示す。ただし、前記光再生器１０Ｂ1〜１０ＢＮの構成はいずれも同一であるため、図２には代表的な光再生器１０Ｂ1の構成のみを示し、その他の光再生器の説明は省略する。
【０００６】
図２を参照するに、前記光再生器１０Ｂ1は入来する光信号成分から、その中に含まれるクロック信号を光信号の形で抽出するクロック抽出部１０ｂ1と、前記クロック抽出部１０ｂ1において抽出された光クロック信号を供給される光再変調部１０ｂ2とよりなり、前記光再変調部１０ｂ2は前記入来光信号成分を直接に供給され、これにより前記クロック抽出部１０ｂ1より供給される光クロック信号を変調することにより、前記入来光信号成分の波形の崩壊や位相のずれの補償、さらにはノイズ除去等の処理を行い、再生光信号成分を形成する。
【０００７】
図２に示すように、前記クロック抽出部１０ｂ1は実際には光パルス列を連続的に形成するモードロックレーザダイオード１０ｃ1よりなり、形成する光パルス列の位相を入来する光信号成分中のクロックに同期させることにより、前記光クロック信号の抽出を行う。また、前記光再変調部１０ｂ2は実際には図２に示すようにレーザダイオード増幅器１０ｃ2よりなり、前記入来光信号成分を供給され、これにより前記抽出された光クロック信号を光変調することにより、前記再生光信号成分を形成する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図１，２に示す従来の光信号再生装置１０は、このように入来する波長多重化光信号を、電気信号に変換することなく直接に再生することができ、構成が簡単である特徴を有する。しかし、それでもチャネル数が１００チャネルあるいはそれ以上になると、必要な光再生器１０Ｂ1〜１０ＢNの数が増大し、またこれに伴って複雑な多数の光導波路を形成する必要が生じる。さらにこのように多数の光導波路を使う場合、光導波路の光路長による光位相のずれを補償するために各々の光導波路に光位相補償器を設ける必要があるが、これらの光位相補償器を各々の光導波路の光路長に合わせて設計するのは非常に面倒である。
【０００９】
一方、図１，２に示す従来の光信号再生装置１０では、前記光多重化信号を個々のチャネルの光信号成分に分離せずに直接に再生した場合には、チャネル間のクロストークにより光信号が相互に干渉を受け、所望の目的を達成することはできない。
【００１０】
そこで、本発明は上記従来の課題を解決した、新規で有用な波長多重光信号処理装置を提供することを概括的課題とする。
【００１１】
本発明のより具体的な課題は、入来する波長多重光信号を、個々のチャネルに分離することなく再生できる波長多重光信号処理装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
一の側面によれば本発明は、
第１の導電型を有する化合物半導体基板上に形成された量子半導体装置と、
前記量子半導体装置に導入する波長多重光入力信号を入射する第１の光導波路と、前記量子半導体装置からの波長多重光出力信号を出射する第２の光導波路とよりなり、
前記量子半導体装置は、前記化合物半導体基板上に形成された、前記第１の導電型を有する第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上に形成された非ドープ活性層と、前記非ドープ活性層上に形成された第２の導電型を有する第２のクラッド層と、前記化合物半導体基板に電気的に接続された第１のオーミック電極と、前記第２のクラッド層に電気的に接続された第２のオーミック電極とよりなり、
前記非ドープ活性層は、前記第１および第２のクラッド層のいずれのバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する非ドープ化合物半導体層と、前記非ドープ化合物半導体層中に形成された、各々前記非ドープ化合物半導体層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する非ドープ化合物半導体材料よりなる複数の、相互に離間した量子ドットとよりなり、
前記複数の量子ドットはサイズ分布を有し、量子ドット全体として、連続的な光吸収波長帯域を有し、前記波長多重光入力信号に含まれる異なる波長の信号が異なるサイズの量子ドットに吸収飽和もしくは利得飽和を引き起こすことで前記波長多重光出力信号の異なる波長の光信号の強度を独立に制御することを特徴とする波長多重光信号処理装置、を提供する。
[作用]
本発明の発明者は、前記図１，２で説明した従来の波長多重光信号再生装置１０において直接に波長多重光信号を再生した場合に生じるクロストークの原因を究明し、以下に説明する着想を得た。
【００１３】
図１，２で説明した従来の光信号再生装置１０においては、前記レーザダイオード１０ｃ1
あるいはレーザダイオード増幅器１０ｃ2として量子井戸活性層を有する構成の素子を使っていた。
【００１４】
図３は、かかる量子井戸活性層の状態密度を示す。
【００１５】
図３を参照するに、周知のごとくかかる量子井戸活性層では状態密度は、伝導帯Ｅcおよび価電子帯Ｅvのいずれにおいても量子準位Ｌｅ1，Ｌｅ2，・・・あるいはＬｈ1，Ｌｈ2，・・・に対応して階段状に変化し、キャリアは熱平衡状態では図３中、破線で示すフェルミ-ディラック分布に従って分布する。
【００１６】
ここでエネルギがｈωの入射光が入来した場合、価電子帯の電子が伝導帯に励起されることにより吸収飽和が生じ、これに対応して一時的に吸収スペクトルに図４に示すようなディップが生じるが、これはキャリア−キャリア散乱により直ちに緩和されてしまい、当初の熱平衡分布、およびこれに対応した吸収スペクトルが、図４中破線に示すように回復する。緩和により回復した吸収スペクトルは、当初のディップをもはや含まない。この状況は、入射光の波長を変化させても同じで、従って異なった波長の光信号成分により量子井戸層中に同様な吸収スペクトルの変化が生じてしまう。
【００１７】
これがクロストークの原因であり、従って図２のレーザダイオード１０ｃ1あるいはレーザダイオード増幅器１０ｃ２の活性層に量子井戸層を使った従来の光信号再生器は、図１に示すように各チャネル毎に設ける必要があった。
【００１８】
これに対し、図５は３次元的にキャリアを閉じ込めたいわゆる量子ドットの状態密度を示す。
【００１９】
図４を参照するに、量子ドットでは状態密度はいわゆるδ関数的な形状を有し、したがってキャリアは量子準位Ｌｅ1，Ｌｅ2，・・・あるいはＬｈ1，Ｌｈ2，・・・に対応して、離散的に分布する。そこで、量子準位Ｌｅ1，Ｌｈ１に同調された、エネルギがｈωの入射光が入来した場合、吸収飽和はその波長のみにおいて生じ、他の波長においては生じない。換言すると、図２のレーザダイオード１０ｃ1あるいはレーザダイオード増幅器１０ｃ2の活性層に量子ドットを使った場合、他の波長とクロストークを生じることなしに光信号成分の再生を行なうことができる。
【００２０】
一方、図５よりわかるように量子ドットを活性領域に使った場合、量子ドットは単一の波長に同調するため、前記活性層中に、他の波長に対しては量子準位の異なった、換言すると大きさの異なった量子ドットを形成する必要がある。
【００２１】
本発明では、かかる波長多重化光信号に対応した波長をカバーするため、図６に示す歪ヘテロ系において生じる、自己組織化量子ドットを前記量子ドットとして使う。かかる自己組織化量子ドットは歪へテロエピタキシャル界面におけるＳ−Ｋ（Stranski-Krastanow）モード成長の結果形成されるが、個々の量子ドットのサイズが制御されないため、図７に示すように自然のサイズ分布を有しており、全体として連続的な波長範囲で吸収スペクトルを有する。
【００２２】
図６を参照するに、ＧａＡｓ基板１上には、ＧａＡｓバッファ層２を介して、例えばＩｎＡｓ等、前記ＧａＡｓ基板１に対して格子整合しない組成のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が、エピタキシャルに形成される。その際、このような格子不整合系では歪エネルギの効果によりＩｎＡｓ層は島状に成長し、相互に孤立した直径が数ｎｍから数十ｎｍ、高さが数ｎｍ程度の液滴状のパターン３ｂを形成する。
【００２３】
そこで、かかる液滴状パターン３ｂ上にさらにＧａＡｓよりなる中間層３ａを堆積し、さらに前記中間層３ａ上に次の層のＩｎＡｓ液滴状パターン３ｂを形成する。このような工程を繰り返すことにより前記ＧａＡｓ基板１に格子整合したＧａＡｓ中間層３ｂ中に多数の相互に孤立したＩｎＡｓ液滴状パターン３ｂが分散した構造３が得られる。かかる構造３中において前記ＩｎＡｓ液滴状パターン３ｂは先にも説明したように数ｎｍから数十ｎｍの直径と数ｎｍの高さを有し、よりバンドギャップの大きいＧａＡｓ中間層３ａにより３次元的に囲まれ、量子準位を特徴とする量子ドットを形成する。
【００２４】
図７は、図６のＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドット構造３の概略的な光吸収スペクトルを示す。
【００２５】
図７を参照するに、かかる歪へテロ系における自己組織化量子ドットでは、各々の量子ドットは鋭い吸収スペクトルを有するものの、前記構造３中に大きさの異なった量子ドットが多数形成されるため、全体としては連続的な吸収スペクトルが得られる。
【００２６】
このようなＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドット構造３に対して、チャネルｊに相当する波長の光信号成分が供給された場合、図８に実線で示すように対応する量子ドットにおいて選択的に吸収飽和が生じ、光吸収スペクトル中に鋭いディップが出現する。その際、各々の量子ドットは先に図５で説明したような離散的な状態密度を有しているため、また各々の量子ドットが他の量子ドットから空間的に離間しているため緩和時間が非常に長くなり、図８中、実線で示す光吸収スペクトルは安定に保持される。
【００２７】
すなわち、図６で説明した歪ヘテロ系における量子ドットを含む構造３では、波長多重光信号を供給された場合、その吸収が各光信号成分で独立に生じるため、かかる構造３を図２の光再生器において、レーザダイオード１０ｃ1あるいはレーザダイオード増幅器１０ｃ２の活性層として使った場合、図１のような個々の光信号成分へのデマルチプレクシングを行うことなく、直接に波長多重光信号の再生処理が可能であることがわかる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
[第１実施例]
図９は、本発明の第１実施例による波長多重光信号再生装置２０の構成を示す。
【００２９】
図９を参照するに、光信号再生装置２０は波長多重光入力信号を直接に供給され、光クロック信号を抽出するクロック抽出部２０Ａと、前記抽出された光クロック信号を前記波長多重光入力信号で変調する再変調部２０Ｂとよりなり、前記再変調部２０Ｂは前期光クロック信号の変調の結果、再生波長多重光信号を出力する。その際、図９に示すように、本実施例ではクロック抽出部２０Ａとして活性層中に先に図６で説明した自己組織化量子ドットを含むレーザダイオード２０ａを使い、また再変調部２０Ｂとして、同様な自己組織化量子ドットを活性層中に含むレーザダイオード増幅器２０ｂを使う。
【００３０】
図１０（Ａ），（Ｂ）は、図９のレーザダイオード２０ａの構成を示す。ただし図１０（Ａ）は前記レーザダイオード２０ａの横断面図、一方図１０（Ｂ）は軸方向に沿った縦断面図である。
【００３１】
図１０（Ａ），（Ｂ）を参照するに、レーザダイオード２０ａはｎ型ＧａＡｓ基板２１上に形成されており、前記基板２１上にエピタキシャルに形成された、組成がＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓで表されるｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２２と、前記クラッド層２２状にエピタキシャルに形成された活性層２３と、前記活性層２３上にエピタキシャルに形成され前記クラッド層２２と実質的に同一の組成を有するｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２４とよりなる。前記ｐ型クラッド層２４はレーザダイオード２０ａの軸方向に延在するメサ構造を有し、前記メサ構造上にはｐ+型のＧａＡｓコンタクト層２５を介してｐ型オーミック電極２６が、また前記基板２１の下面にはｎ型オーミック電極２７が形成される。さらに図１０のレーザダイオード２０ａでは、前記クラッド層２４上、前記メサ構造の両側の位置にｎ型ＧａＡｓエピタキシャル層よりなる一対の電流狭搾領域２８Ａ，２８Ｂが形成されている。
【００３２】
図１０（Ｂ）に示すように、前記レーザダイオード２０ａは軸方向にミラー面Ｍ１，Ｍ２で画成された９００μｍの共振器長を有する光共振器を有し、また前記メサ構造（リッジ）は約３μｍの幅を有する。
【００３３】
先に図６で説明したように、レーザダイオード２０ａにおいて前記活性層２３は、非ドープＧａＡｓエピタキシャル層よりなる複数の中間層２３ａの積層を含み、各々のＧａＡｓ中間層２３ａ上には、前記ＧａＡｓ基板２１に対して歪へテロ系を形成する非ドープＩｎＡｓよりなる自己組織化量子ドット２３ｂが多数形成されている。図１０（Ａ）中、円で囲んだ拡大図を参照。前記再変調部２０Ｂで使われるレーザダイオード増幅器２０ｂも、実質的に同一の構成を有する。
【００３４】
前記クロック抽出部２０Ａでは、図１０（Ａ），（Ｂ）のレーザダイオード２０ａをモードロックレーザとして動作するように駆動し、図１１（Ａ）にスペクトルを示す多チャンネル波長多重化光入力信号から、図１１（Ｂ）に示す多チャンネル光クロック信号を抽出する。
【００３５】
一方、前記再変調部２０においては図１０の（Ａ），（Ｂ）レーザダイオード２０をレーザダイオード増幅器として駆動し、前記図１１（Ｂ）の多チャンネル光クロック信号を図１１（Ａ）の光入力信号により変調し、その結果、図１１（Ｃ）にスペクトルを示す再生波長多重光信号が得られる。
【００３６】
図１２は、図１０のレーザダイオードを前記再変調部２０Ｂのレ-ザダイオ-ド増幅器２０ｂとして駆動した場合の利得特性を、様々な駆動条件に対して示す。ただし、図１２の特性は、波長が１１５０ｎｍでパルス幅が９７０ｆｓの光パルスを使って求めたものである。
【００３７】
図１２を参照するに、前記オーミック電極２６，２７を介して注入される駆動電流の値を０ｍＡに設定した場合には透過率は低く、前記活性層２３において光吸収が生じているが、入力光信号のエネルギが１ｐＪを超えると透過率が増加し始め、吸収飽和が生じていることがわかる。
【００３８】
これに対し、駆動電流を１４０ｍＡに設定した場合には、入力光信号が存在しない場合は透過率が高く、大きな利得が得られている（入力光信号エネルギが０．１ｐＪで利得１０ｄＢ）のに対し、０．１ｐＪを超えるエネルギの入力光信号が入来すると透過率が急激に減少し、利得飽和が生じることがわかる。例えば入力光信号エネルギが５ｐＪの場合、利得は５．３ｄＢに減少する。
【００３９】
先に図７，８で説明したように、図１０のレーザダイオード増幅器２０ｂでは、前記活性層２３中に大きさの異なった多数の自己組織化量子ドット２３ｂが形成されており、かかる吸収飽和あるいは利得飽和は前記光信号成分毎に、実質的に独立に生じる。そこで、前記図１１（Ｂ）に示す抽出された多チャンネル光クロック信号の他に、図１１（Ａ）に示す波長多重光入力信号を前記レーザダイオード増幅器２０ｂに供給することにより、各チャネル毎に、前記光クロックを対応するチャネルの光信号成分により変調し、再生光信号成分を得ることができる。実際、図１２の利得飽和特性は、先にも説明したように１１５０ｎｍの波長についてのものではあるが、１１３０から１７０ｎｍの範囲の波長に対しても、５ｎｍの波長間隔で行なった実験の結果、成立することが確認されている。
【００４０】
図１３（Ａ），（Ｂ）は、図９の波長多重光信号再生装置２０のそれぞれ平面図および図１３（Ａ）中の線Ａ−Ａ’に沿った断面図を示す。
【００４１】
図１３（Ａ）を参照するに、前記波長多重再生装置２０は前記ｎ型ＧａＡｓ基板２１上に形成されており、図１３（Ｂ）に示す層構造を有する導波路パターン２０1，２０2および２０3を含み、図１１（Ａ）に示す前記波長多重光入力信号は前記導波路パターン２０1に供給される。前記波長多重光入力信号においては、さらにこれに続く導波路パターン２０2中を導波される際に、前記活性層２３中に前記クロック再生部２０ａおよび再変調部２０ｂに対応して形成されたＩｎＡｓ量子ドット２３ｂの作用により、先に説明したクロック抽出および再生がなされ、その結果得られた図１１（Ｃ）に示す再生波長多重光信号は、前記導波路パターン２０3中をその出力端に向かって導波される。
【００４２】
前記導波路パターン２０2中には、前記クロック抽出部２０ａに対応して前記ｐ型オーミック電極２６に対応するｐ型オーミック電極２６ａが形成されており、また前記再生部２０ｂに対応して同様なｐ型オーミック電極２６ｂが形成されている。一方、前記ＧａＡｓ基板２１の下面には、前記ｎ型オーミック電極２７が一様に形成されている。また、前記クロック抽出部２０ａにおいては前記導波路２０2中にミラー面Ｍ１，Ｍ２を形成する溝が形成され、前記ミラー面Ｍ１，Ｍ２はレーザダイオードの光共振器を画成する。
【００４３】
さらに、前記導波路パターン２０1からは別の導波路パターン２０4が分岐し、供給された波長多重光入力信号を前記再生部２０Ｂを構成するレーザダイオード増幅器２０ｂに供給する。
【００４４】
かかる構成により、共通のＧａＡｓ基板２１を使い、基板２１に対して一体的な波長多重光信号再生装置２０を形成することが可能である。本実施例による波長多重光信号再生装置２０は、入来する波長多重光信号を個々のチャネルの光信号成分に分解することなく直接に再生することができるため、図１，２に示す従来の波長多重光信号再生装置１０に比べて構成が著しく簡単になる。
[第２実施例]
図１４（Ａ）は、本発明の第２実施例による、自己組織化量子ドットを使った波長多重光信号のノイズカットフィルタ３０を、また図１４（Ｂ）は前記ノイズカットフィルタ３０の透過率Ｔを示す。
【００４５】
図１４（Ａ）を参照するに、前記ノイズカットフィルタ３０は、先に図１０（Ａ），（Ｂ）で説明したレーザダイオード２０ａと同様な構造を有し、入射側導波路３０Ａを介して前記活性層２３に波長多重光入力信号を供給され、前記活性層２３中において前記波長多重光信号を処理する。処理された波長多重光信号は出射側導波路３０Ｂに出射される。その際、前記ノイズカットフィルタ３０はゼロないし非常に低い駆動電流で駆動され、その結果かかるノイズカットフィルタ３０は先に図１２で説明したように、低駆動電流条件下では吸収飽和を示す。
【００４６】
図１４（Ｂ）は、かかる低駆動電流下において前記ノイズカットフィルタ３０が示す透過率特性を示す。ただし、図１４（Ｂ）は、先の図１２よりも入射光パワーがより大きい範囲を図示している。
【００４７】
図１４（Ｂ）を参照するに、波長多重入射光信号中に含まれるノイズは光パワーが小さいため前記ノイズカットフィルタ３０を通過することができず、大きなパワーの光信号が入来した場合のみ、前記ノイズカットフィルタ３０は前記波長多重光信号を通過させる。
［第３実施例］
図１５は、本発明の第３実施例による波長多重光信号再生装置４０の構成を示す。
【００４８】
図１５を参照するに、本実施例による光信号再生装置４０は先に図１０（Ａ），（Ｂ）で説明したのと同様な吸収飽和素子４１を有し、前記吸収飽和素子４１には前記波長多重光信号の各チャネルに対応した複数の波長の各々において連続波を形成する多波長ＣＷ光源４２から、第１の光導波路４１Ａを介して多波長連続光が供給される。さらに波長多重光入力信号が光導波路４１Ｃに供給され、これが光サーキュレータ４３を介して前記吸収飽和素子４１に、別の光導波路４１Ｂを介して供給される。
【００４９】
前記吸収飽和素子４１はゼロバイアス条件あるいは低バイアス条件下で駆動されており、その結果、前記吸収飽和素子４１中においては吸収飽和の結果、前記多波長連続光が前記波長多重光入力信号により変調され、再生波長多重光信号が形成される。形成された前記再生波長多重光信号は、前記光導波路４１Ｂを逆方向に伝送され、前記光サーキュレータ４３を通った後、出力側の光導波路４１Ｄに出力される。
【００５０】
本実施例の構成においても、自己組織化量子ドットを含む半導体構造４１を非線形光学素子として使うことにより、波長多重光信号中の各々のチャネルの光信号成分を、相互に分離することなく再生することができる。
［第４実施例］
図１６は本発明の第４実施例による波長多重化光信号再生装置６０の構成を示す。
【００５１】
図１６を参照するに、前記光信号再生装置６０は、共通の多波長ＣＷ光源から光導波路６１１1を介して多波長連続光をそれぞれ供給される、各々図１０（Ａ），（Ｂ）に示す活性層中に複数の自己組織化量子ドットを含む構成の第１および第２の非線形光学素子６１Ａ，６１Ｂを含み、前記非線形光学素子６１Ａにはさらに前記波長多重化光入力信号が供給され、その結果、前記非線形光学素子６１Ａ中においては、前記多波長連続光の相互位相変調が、前記非線形光学素子６１Ｂ中の多波長連続光に対して生じる。さらに、前記非線形光学素子６１Ａ，６１Ｂから出力された光信号は、共通の出力側光導波路６１2において合波され、その結果、変調された光信号、すなわち再生波長多重化光信号のみが、前記出力側光導波路６１2に出力される。
［第５実施例］
図１７は、本発明の第５実施例による波長多重光信号再生装置８０の構成を示す。
【００５２】
図１７を参照するに光信号再生装置８０は、先に図１０（Ａ），（Ｂ）で説明したのと同様な構成を有し多波長連続光と波長多重光入力信号とを供給され、その際に生じる利得飽和を使って前記多波長連続光を前記波長多重光信号により変調する量子ドットレーザダイオード増幅器８１を有する。前記量子ドットレーザダイオード増幅器８１は前記変調の結果、前記波長多重光入力信号に対応した波長多重光信号を形成し、これを多波長ＣＷ光源から多波長連続光を供給される別の量子ドットレーザダイオード増幅器８２に供給する。その結果、前記量子ドットレーザダイオード増幅器８２中においては、前記多波長連続光が前記量子ドットレーザダイオード増幅器８１の出力光信号により位相変調される。
【００５３】
前記多波長連続光は、さらに別の量子ドットレーザダイオード増幅器８３にも供給されており、前記量子量子ドットレーザダイオード増幅器８３の出力光と前記量子ドットレーザダイオード増幅器８２の出力光とを合波することにより、再生波長多重光信号が得られる。
【００５４】
本実施例において、前記量子ドットレーザダイオード増幅器８１〜８３としては、先に図１０（Ａ）、（Ｂ）に示した構成のものを使うことができる。
【００５５】
また、図１０（Ａ），（Ｂ）の構成において、前記活性層２３の構成は先に説明したＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットに限定されるものではなく、以下の表１に示す材料の組み合わせを使うことも可能である。
【００５６】
【表１】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００５７】
【発明の効果】
本発明の特徴によれば、歪へテロ系において出現する自己組織化量子ドットを使った非線形光半導体装置を使うことにより、波長多重光信号の処理を、個々のチャネルの光信号成分に分離することなく、直接に行なうことが可能になり、光信号再生装置等の波長多重光信号処理装置の構成が非常に簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の波長多重光信号再生装置の構成を示す図である。
【図２】図１の光信号再生装置中の一チャネル分の構成を示す図である。
【図３】通常の量子井戸における状態密度の概略を示す図である。
【図４】図の構成において通常の量子井戸を活性層として使った場合の光吸収特性を示す図である。
【図５】量子ドットにおける状態密度の概略を示す図である。
【図６】本発明の原理を示す図である。
【図７】図６の量子ドット構造が示す全体的な光吸収スペクトルを示す図である。
【図８】チャネルｊの入射光が入来した場合の図７の光吸収スペクトルの変化を示す図である。
【図９】本発明の第１実施例による波長多重光信号再生装置の構成を示す図である。
【図１０】（Ａ），（Ｂ）は、図９の光信号再生装置中において使われる、自己組織化量子ドットを有するレーザダイオードの構成を示す図である。
【図１１】（Ａ）〜（Ｃ）は、図９の光信号再生装置における光信号処理に伴う波長多重光信号のスペクトルを示す図である。
【図１２】図１１（Ａ），（Ｂ）の量子ドットレーザダイオードの透過率と入力光パワーとの関係を示す図である。
【図１３】（Ａ），（Ｂ）は、図９の波長多重光信号再生装置を示すそれぞれ平面図および断面図である。
【図１４】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第２実施例による光ノイズカットフィルタを示す図である。
【図１５】本発明の第３実施例による波長多重光信号再生装置の構成を示す図である。
【図１６】本発明の第４実施例による波長多重光信号再生装置の構成を示す図である。
【図１７】本発明の第５実施例による波長多重光信号再生装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ バッファ層
３ 活性層
３ａ 中間層
３ｂ 量子ドット
１０，２０，４０，６０，８０波長多重光信号再生装置
１０Ａ デマルチプレクサ
１０Ｂ，１０Ｂ1〜１０ＢN 光信号再生器
１０Ｃ マルチプレクサ
１０ｃ1，２０ａ モードロックレーザダイオード
１０ｃ2，２０ｂ 光増幅器
２０1〜２０4，３０Ａ，３０Ｂ，４１Ａ〜４１Ｄ，６１1，６１2 光導波路
２０Ａ クロック抽出部
２０Ｂ 再変換部
２１ 基板
２２，２４ クラッド層
２３ 活性層
２３ａ 中間層
２３ｂ 量子ドット
２５ コンタクト層
２６，２６ａ，２６ｂ，２７ オーミック電極
２８ 電流狭搾層
３０ 光ノイズカットフィルタ
４１．６１Ａ，６１Ｂ，８１〜８３ 量子ドット非線形光半導体装置
４２ 多波長ＣＷ光源
４３ 光サーキュレータ
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に半導体装置に関し、特に量子ドットを有する半導体装置を使って構成した、光信号の処理装置に関する。
【０００２】
長距離光通信においては、光ファイバ中を長距離にわたって伝送される光信号の波形の崩壊あるいは位相のずれを補償するために適当な間隔で中継点を設け、かかる中継点において光信号の再生を行なうことが行なわれている。かかる光信号の再生には、光信号中に含まれるクロックの抽出や、抽出されたクロックを使った光信号の再変調、さらにノイズ除去等の光信号処理が含まれる。
【０００３】
【従来の技術】
図１は従来より長距離波長多重大容量光通信系の中継点において使われている波長多重光信号再生装置１０の概略的構成を示す。
【０００４】
図１を参照するに、入来波長多重光信号は波長の異なった複数のチャネルCH1〜CHNを含み、前記光信号再生装置１０は前記波長多重信号を供給され、これを各々のチャネルの光信号成分に分解する光デマルチプレクサ１０Ａと、前記各々のチャネルに対して設けられ、前記光デマルチプレクサ１０Ａで相互に分離された光信号成分に対して再生を行う光再生器１０Ｂ1〜１０ＢNと、前記各々の光再生器１０Ｂ1〜１０ＢNで再生された光信号成分を供給され、これを合成して再生された波長多重光信号を形成する光マルチプレクサ１０Ｃとよりなる。
【０００５】
図２は、前記光再生器１０Ｂ1〜１０ＢＮの構成を示す。ただし、前記光再生器１０Ｂ1〜１０ＢＮの構成はいずれも同一であるため、図２には代表的な光再生器１０Ｂ1の構成のみを示し、その他の光再生器の説明は省略する。
【０００６】
図２を参照するに、前記光再生器１０Ｂ1は入来する光信号成分から、その中に含まれるクロック信号を光信号の形で抽出するクロック抽出部１０ｂ1と、前記クロック抽出部１０ｂ1において抽出された光クロック信号を供給される光再変調部１０ｂ2とよりなり、前記光再変調部１０ｂ2は前記入来光信号成分を直接に供給され、これにより前記クロック抽出部１０ｂ1より供給される光クロック信号を変調することにより、前記入来光信号成分の波形の崩壊や位相のずれの補償、さらにはノイズ除去等の処理を行い、再生光信号成分を形成する。
【０００７】
図２に示すように、前記クロック抽出部１０ｂ1は実際には光パルス列を連続的に形成するモードロックレーザダイオード１０ｃ1よりなり、形成する光パルス列の位相を入来する光信号成分中のクロックに同期させることにより、前記光クロック信号の抽出を行う。また、前記光再変調部１０ｂ2は実際には図２に示すようにレーザダイオード増幅器１０ｃ2よりなり、前記入来光信号成分を供給され、これにより前記抽出された光クロック信号を光変調することにより、前記再生光信号成分を形成する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図１，２に示す従来の光信号再生装置１０は、このように入来する波長多重化光信号を、電気信号に変換することなく直接に再生することができ、構成が簡単である特徴を有する。しかし、それでもチャネル数が１００チャネルあるいはそれ以上になると、必要な光再生器１０Ｂ1〜１０ＢNの数が増大し、またこれに伴って複雑な多数の光導波路を形成する必要が生じる。さらにこのように多数の光導波路を使う場合、光導波路の光路長による光位相のずれを補償するために各々の光導波路に光位相補償器を設ける必要があるが、これらの光位相補償器を各々の光導波路の光路長に合わせて設計するのは非常に面倒である。
【０００９】
一方、図１，２に示す従来の光信号再生装置１０では、前記光多重化信号を個々のチャネルの光信号成分に分離せずに直接に再生した場合には、チャネル間のクロストークにより光信号が相互に干渉を受け、所望の目的を達成することはできない。
【００１０】
そこで、本発明は上記従来の課題を解決した、新規で有用な波長多重光信号処理装置を提供することを概括的課題とする。
【００１１】
本発明のより具体的な課題は、入来する波長多重光信号を、個々のチャネルに分離することなく再生できる波長多重光信号処理装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
一の側面によれば本発明は、
第１の導電型を有する化合物半導体基板上に形成された量子半導体装置と、
前記量子半導体装置に導入する波長多重光入力信号を入射する第１の光導波路と、前記量子半導体装置からの波長多重光出力信号を出射する第２の光導波路とよりなり、
前記量子半導体装置は、前記化合物半導体基板上に形成された、前記第１の導電型を有する第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上に形成された非ドープ活性層と、前記非ドープ活性層上に形成された第２の導電型を有する第２のクラッド層と、前記化合物半導体基板に電気的に接続された第１のオーミック電極と、前記第２のクラッド層に電気的に接続された第２のオーミック電極とよりなり、
前記非ドープ活性層は、前記第１および第２のクラッド層のいずれのバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する非ドープ化合物半導体層と、前記非ドープ化合物半導体層中に形成された、各々前記非ドープ化合物半導体層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する非ドープ化合物半導体材料よりなる複数の、相互に離間した量子ドットとよりなり、
前記複数の量子ドットはサイズ分布を有し、量子ドット全体として、連続的な光吸収波長帯域を有し、前記波長多重光入力信号に含まれる異なる波長の信号が異なるサイズの量子ドットに吸収飽和もしくは利得飽和を引き起こすことで前記波長多重光出力信号の異なる波長の光信号の強度を独立に制御することを特徴とする波長多重光信号処理装置、を提供する。
[作用]
本発明の発明者は、前記図１，２で説明した従来の波長多重光信号再生装置１０において直接に波長多重光信号を再生した場合に生じるクロストークの原因を究明し、以下に説明する着想を得た。
【００１３】
図１，２で説明した従来の光信号再生装置１０においては、前記レーザダイオード１０ｃ1
あるいはレーザダイオード増幅器１０ｃ2として量子井戸活性層を有する構成の素子を使っていた。
【００１４】
図３は、かかる量子井戸活性層の状態密度を示す。
【００１５】
図３を参照するに、周知のごとくかかる量子井戸活性層では状態密度は、伝導帯Ｅcおよび価電子帯Ｅvのいずれにおいても量子準位Ｌｅ1，Ｌｅ2，・・・あるいはＬｈ1，Ｌｈ2，・・・に対応して階段状に変化し、キャリアは熱平衡状態では図３中、破線で示すフェルミ-ディラック分布に従って分布する。
【００１６】
ここでエネルギがｈωの入射光が入来した場合、価電子帯の電子が伝導帯に励起されることにより吸収飽和が生じ、これに対応して一時的に吸収スペクトルに図４に示すようなディップが生じるが、これはキャリア−キャリア散乱により直ちに緩和されてしまい、当初の熱平衡分布、およびこれに対応した吸収スペクトルが、図４中破線に示すように回復する。緩和により回復した吸収スペクトルは、当初のディップをもはや含まない。この状況は、入射光の波長を変化させても同じで、従って異なった波長の光信号成分により量子井戸層中に同様な吸収スペクトルの変化が生じてしまう。
【００１７】
これがクロストークの原因であり、従って図２のレーザダイオード１０ｃ1あるいはレーザダイオード増幅器１０ｃ２の活性層に量子井戸層を使った従来の光信号再生器は、図１に示すように各チャネル毎に設ける必要があった。
【００１８】
これに対し、図５は３次元的にキャリアを閉じ込めたいわゆる量子ドットの状態密度を示す。
【００１９】
図４を参照するに、量子ドットでは状態密度はいわゆるδ関数的な形状を有し、したがってキャリアは量子準位Ｌｅ1，Ｌｅ2，・・・あるいはＬｈ1，Ｌｈ2，・・・に対応して、離散的に分布する。そこで、量子準位Ｌｅ1，Ｌｈ１に同調された、エネルギがｈωの入射光が入来した場合、吸収飽和はその波長のみにおいて生じ、他の波長においては生じない。換言すると、図２のレーザダイオード１０ｃ1あるいはレーザダイオード増幅器１０ｃ2の活性層に量子ドットを使った場合、他の波長とクロストークを生じることなしに光信号成分の再生を行なうことができる。
【００２０】
一方、図５よりわかるように量子ドットを活性領域に使った場合、量子ドットは単一の波長に同調するため、前記活性層中に、他の波長に対しては量子準位の異なった、換言すると大きさの異なった量子ドットを形成する必要がある。
【００２１】
本発明では、かかる波長多重化光信号に対応した波長をカバーするため、図６に示す歪ヘテロ系において生じる、自己組織化量子ドットを前記量子ドットとして使う。かかる自己組織化量子ドットは歪へテロエピタキシャル界面におけるＳ−Ｋ（Stranski-Krastanow）モード成長の結果形成されるが、個々の量子ドットのサイズが制御されないため、図７に示すように自然のサイズ分布を有しており、全体として連続的な波長範囲で吸収スペクトルを有する。
【００２２】
図６を参照するに、ＧａＡｓ基板１上には、ＧａＡｓバッファ層２を介して、例えばＩｎＡｓ等、前記ＧａＡｓ基板１に対して格子整合しない組成のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が、エピタキシャルに形成される。その際、このような格子不整合系では歪エネルギの効果によりＩｎＡｓ層は島状に成長し、相互に孤立した直径が数ｎｍから数十ｎｍ、高さが数ｎｍ程度の液滴状のパターン３ｂを形成する。
【００２３】
そこで、かかる液滴状パターン３ｂ上にさらにＧａＡｓよりなる中間層３ａを堆積し、さらに前記中間層３ａ上に次の層のＩｎＡｓ液滴状パターン３ｂを形成する。このような工程を繰り返すことにより前記ＧａＡｓ基板１に格子整合したＧａＡｓ中間層３ｂ中に多数の相互に孤立したＩｎＡｓ液滴状パターン３ｂが分散した構造３が得られる。かかる構造３中において前記ＩｎＡｓ液滴状パターン３ｂは先にも説明したように数ｎｍから数十ｎｍの直径と数ｎｍの高さを有し、よりバンドギャップの大きいＧａＡｓ中間層３ａにより３次元的に囲まれ、量子準位を特徴とする量子ドットを形成する。
【００２４】
図７は、図６のＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドット構造３の概略的な光吸収スペクトルを示す。
【００２５】
図７を参照するに、かかる歪へテロ系における自己組織化量子ドットでは、各々の量子ドットは鋭い吸収スペクトルを有するものの、前記構造３中に大きさの異なった量子ドットが多数形成されるため、全体としては連続的な吸収スペクトルが得られる。
【００２６】
このようなＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドット構造３に対して、チャネルｊに相当する波長の光信号成分が供給された場合、図８に実線で示すように対応する量子ドットにおいて選択的に吸収飽和が生じ、光吸収スペクトル中に鋭いディップが出現する。その際、各々の量子ドットは先に図５で説明したような離散的な状態密度を有しているため、また各々の量子ドットが他の量子ドットから空間的に離間しているため緩和時間が非常に長くなり、図８中、実線で示す光吸収スペクトルは安定に保持される。
【００２７】
すなわち、図６で説明した歪ヘテロ系における量子ドットを含む構造３では、波長多重光信号を供給された場合、その吸収が各光信号成分で独立に生じるため、かかる構造３を図２の光再生器において、レーザダイオード１０ｃ1あるいはレーザダイオード増幅器１０ｃ２の活性層として使った場合、図１のような個々の光信号成分へのデマルチプレクシングを行うことなく、直接に波長多重光信号の再生処理が可能であることがわかる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
[第１実施例]
図９は、本発明の第１実施例による波長多重光信号再生装置２０の構成を示す。
【００２９】
図９を参照するに、光信号再生装置２０は波長多重光入力信号を直接に供給され、光クロック信号を抽出するクロック抽出部２０Ａと、前記抽出された光クロック信号を前記波長多重光入力信号で変調する再変調部２０Ｂとよりなり、前記再変調部２０Ｂは前期光クロック信号の変調の結果、再生波長多重光信号を出力する。その際、図９に示すように、本実施例ではクロック抽出部２０Ａとして活性層中に先に図６で説明した自己組織化量子ドットを含むレーザダイオード２０ａを使い、また再変調部２０Ｂとして、同様な自己組織化量子ドットを活性層中に含むレーザダイオード増幅器２０ｂを使う。
【００３０】
図１０（Ａ），（Ｂ）は、図９のレーザダイオード２０ａの構成を示す。ただし図１０（Ａ）は前記レーザダイオード２０ａの横断面図、一方図１０（Ｂ）は軸方向に沿った縦断面図である。
【００３１】
図１０（Ａ），（Ｂ）を参照するに、レーザダイオード２０ａはｎ型ＧａＡｓ基板２１上に形成されており、前記基板２１上にエピタキシャルに形成された、組成がＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓで表されるｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２２と、前記クラッド層２２状にエピタキシャルに形成された活性層２３と、前記活性層２３上にエピタキシャルに形成され前記クラッド層２２と実質的に同一の組成を有するｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２４とよりなる。前記ｐ型クラッド層２４はレーザダイオード２０ａの軸方向に延在するメサ構造を有し、前記メサ構造上にはｐ+型のＧａＡｓコンタクト層２５を介してｐ型オーミック電極２６が、また前記基板２１の下面にはｎ型オーミック電極２７が形成される。さらに図１０のレーザダイオード２０ａでは、前記クラッド層２４上、前記メサ構造の両側の位置にｎ型ＧａＡｓエピタキシャル層よりなる一対の電流狭搾領域２８Ａ，２８Ｂが形成されている。
【００３２】
図１０（Ｂ）に示すように、前記レーザダイオード２０ａは軸方向にミラー面Ｍ１，Ｍ２で画成された９００μｍの共振器長を有する光共振器を有し、また前記メサ構造（リッジ）は約３μｍの幅を有する。
【００３３】
先に図６で説明したように、レーザダイオード２０ａにおいて前記活性層２３は、非ドープＧａＡｓエピタキシャル層よりなる複数の中間層２３ａの積層を含み、各々のＧａＡｓ中間層２３ａ上には、前記ＧａＡｓ基板２１に対して歪へテロ系を形成する非ドープＩｎＡｓよりなる自己組織化量子ドット２３ｂが多数形成されている。図１０（Ａ）中、円で囲んだ拡大図を参照。前記再変調部２０Ｂで使われるレーザダイオード増幅器２０ｂも、実質的に同一の構成を有する。
【００３４】
前記クロック抽出部２０Ａでは、図１０（Ａ），（Ｂ）のレーザダイオード２０ａをモードロックレーザとして動作するように駆動し、図１１（Ａ）にスペクトルを示す多チャンネル波長多重化光入力信号から、図１１（Ｂ）に示す多チャンネル光クロック信号を抽出する。
【００３５】
一方、前記再変調部２０においては図１０の（Ａ），（Ｂ）レーザダイオード２０をレーザダイオード増幅器として駆動し、前記図１１（Ｂ）の多チャンネル光クロック信号を図１１（Ａ）の光入力信号により変調し、その結果、図１１（Ｃ）にスペクトルを示す再生波長多重光信号が得られる。
【００３６】
図１２は、図１０のレーザダイオードを前記再変調部２０Ｂのレ-ザダイオ-ド増幅器２０ｂとして駆動した場合の利得特性を、様々な駆動条件に対して示す。ただし、図１２の特性は、波長が１１５０ｎｍでパルス幅が９７０ｆｓの光パルスを使って求めたものである。
【００３７】
図１２を参照するに、前記オーミック電極２６，２７を介して注入される駆動電流の値を０ｍＡに設定した場合には透過率は低く、前記活性層２３において光吸収が生じているが、入力光信号のエネルギが１ｐＪを超えると透過率が増加し始め、吸収飽和が生じていることがわかる。
【００３８】
これに対し、駆動電流を１４０ｍＡに設定した場合には、入力光信号が存在しない場合は透過率が高く、大きな利得が得られている（入力光信号エネルギが０．１ｐＪで利得１０ｄＢ）のに対し、０．１ｐＪを超えるエネルギの入力光信号が入来すると透過率が急激に減少し、利得飽和が生じることがわかる。例えば入力光信号エネルギが５ｐＪの場合、利得は５．３ｄＢに減少する。
【００３９】
先に図７，８で説明したように、図１０のレーザダイオード増幅器２０ｂでは、前記活性層２３中に大きさの異なった多数の自己組織化量子ドット２３ｂが形成されており、かかる吸収飽和あるいは利得飽和は前記光信号成分毎に、実質的に独立に生じる。そこで、前記図１１（Ｂ）に示す抽出された多チャンネル光クロック信号の他に、図１１（Ａ）に示す波長多重光入力信号を前記レーザダイオード増幅器２０ｂに供給することにより、各チャネル毎に、前記光クロックを対応するチャネルの光信号成分により変調し、再生光信号成分を得ることができる。実際、図１２の利得飽和特性は、先にも説明したように１１５０ｎｍの波長についてのものではあるが、１１３０から１７０ｎｍの範囲の波長に対しても、５ｎｍの波長間隔で行なった実験の結果、成立することが確認されている。
【００４０】
図１３（Ａ），（Ｂ）は、図９の波長多重光信号再生装置２０のそれぞれ平面図および図１３（Ａ）中の線Ａ−Ａ’に沿った断面図を示す。
【００４１】
図１３（Ａ）を参照するに、前記波長多重再生装置２０は前記ｎ型ＧａＡｓ基板２１上に形成されており、図１３（Ｂ）に示す層構造を有する導波路パターン２０1，２０2および２０3を含み、図１１（Ａ）に示す前記波長多重光入力信号は前記導波路パターン２０1に供給される。前記波長多重光入力信号においては、さらにこれに続く導波路パターン２０2中を導波される際に、前記活性層２３中に前記クロック再生部２０ａおよび再変調部２０ｂに対応して形成されたＩｎＡｓ量子ドット２３ｂの作用により、先に説明したクロック抽出および再生がなされ、その結果得られた図１１（Ｃ）に示す再生波長多重光信号は、前記導波路パターン２０3中をその出力端に向かって導波される。
【００４２】
前記導波路パターン２０2中には、前記クロック抽出部２０ａに対応して前記ｐ型オーミック電極２６に対応するｐ型オーミック電極２６ａが形成されており、また前記再生部２０ｂに対応して同様なｐ型オーミック電極２６ｂが形成されている。一方、前記ＧａＡｓ基板２１の下面には、前記ｎ型オーミック電極２７が一様に形成されている。また、前記クロック抽出部２０ａにおいては前記導波路２０2中にミラー面Ｍ１，Ｍ２を形成する溝が形成され、前記ミラー面Ｍ１，Ｍ２はレーザダイオードの光共振器を画成する。
【００４３】
さらに、前記導波路パターン２０1からは別の導波路パターン２０4が分岐し、供給された波長多重光入力信号を前記再生部２０Ｂを構成するレーザダイオード増幅器２０ｂに供給する。
【００４４】
かかる構成により、共通のＧａＡｓ基板２１を使い、基板２１に対して一体的な波長多重光信号再生装置２０を形成することが可能である。本実施例による波長多重光信号再生装置２０は、入来する波長多重光信号を個々のチャネルの光信号成分に分解することなく直接に再生することができるため、図１，２に示す従来の波長多重光信号再生装置１０に比べて構成が著しく簡単になる。
[第２実施例]
図１４（Ａ）は、本発明の第２実施例による、自己組織化量子ドットを使った波長多重光信号のノイズカットフィルタ３０を、また図１４（Ｂ）は前記ノイズカットフィルタ３０の透過率Ｔを示す。
【００４５】
図１４（Ａ）を参照するに、前記ノイズカットフィルタ３０は、先に図１０（Ａ），（Ｂ）で説明したレーザダイオード２０ａと同様な構造を有し、入射側導波路３０Ａを介して前記活性層２３に波長多重光入力信号を供給され、前記活性層２３中において前記波長多重光信号を処理する。処理された波長多重光信号は出射側導波路３０Ｂに出射される。その際、前記ノイズカットフィルタ３０はゼロないし非常に低い駆動電流で駆動され、その結果かかるノイズカットフィルタ３０は先に図１２で説明したように、低駆動電流条件下では吸収飽和を示す。
【００４６】
図１４（Ｂ）は、かかる低駆動電流下において前記ノイズカットフィルタ３０が示す透過率特性を示す。ただし、図１４（Ｂ）は、先の図１２よりも入射光パワーがより大きい範囲を図示している。
【００４７】
図１４（Ｂ）を参照するに、波長多重入射光信号中に含まれるノイズは光パワーが小さいため前記ノイズカットフィルタ３０を通過することができず、大きなパワーの光信号が入来した場合のみ、前記ノイズカットフィルタ３０は前記波長多重光信号を通過させる。
［第３実施例］
図１５は、本発明の第３実施例による波長多重光信号再生装置４０の構成を示す。
【００４８】
図１５を参照するに、本実施例による光信号再生装置４０は先に図１０（Ａ），（Ｂ）で説明したのと同様な吸収飽和素子４１を有し、前記吸収飽和素子４１には前記波長多重光信号の各チャネルに対応した複数の波長の各々において連続波を形成する多波長ＣＷ光源４２から、第１の光導波路４１Ａを介して多波長連続光が供給される。さらに波長多重光入力信号が光導波路４１Ｃに供給され、これが光サーキュレータ４３を介して前記吸収飽和素子４１に、別の光導波路４１Ｂを介して供給される。
【００４９】
前記吸収飽和素子４１はゼロバイアス条件あるいは低バイアス条件下で駆動されており、その結果、前記吸収飽和素子４１中においては吸収飽和の結果、前記多波長連続光が前記波長多重光入力信号により変調され、再生波長多重光信号が形成される。形成された前記再生波長多重光信号は、前記光導波路４１Ｂを逆方向に伝送され、前記光サーキュレータ４３を通った後、出力側の光導波路４１Ｄに出力される。
【００５０】
本実施例の構成においても、自己組織化量子ドットを含む半導体構造４１を非線形光学素子として使うことにより、波長多重光信号中の各々のチャネルの光信号成分を、相互に分離することなく再生することができる。
［第４実施例］
図１６は本発明の第４実施例による波長多重化光信号再生装置６０の構成を示す。
【００５１】
図１６を参照するに、前記光信号再生装置６０は、共通の多波長ＣＷ光源から光導波路６１１1を介して多波長連続光をそれぞれ供給される、各々図１０（Ａ），（Ｂ）に示す活性層中に複数の自己組織化量子ドットを含む構成の第１および第２の非線形光学素子６１Ａ，６１Ｂを含み、前記非線形光学素子６１Ａにはさらに前記波長多重化光入力信号が供給され、その結果、前記非線形光学素子６１Ａ中においては、前記多波長連続光の相互位相変調が、前記非線形光学素子６１Ｂ中の多波長連続光に対して生じる。さらに、前記非線形光学素子６１Ａ，６１Ｂから出力された光信号は、共通の出力側光導波路６１2において合波され、その結果、変調された光信号、すなわち再生波長多重化光信号のみが、前記出力側光導波路６１2に出力される。
［第５実施例］
図１７は、本発明の第５実施例による波長多重光信号再生装置８０の構成を示す。
【００５２】
図１７を参照するに光信号再生装置８０は、先に図１０（Ａ），（Ｂ）で説明したのと同様な構成を有し多波長連続光と波長多重光入力信号とを供給され、その際に生じる利得飽和を使って前記多波長連続光を前記波長多重光信号により変調する量子ドットレーザダイオード増幅器８１を有する。前記量子ドットレーザダイオード増幅器８１は前記変調の結果、前記波長多重光入力信号に対応した波長多重光信号を形成し、これを多波長ＣＷ光源から多波長連続光を供給される別の量子ドットレーザダイオード増幅器８２に供給する。その結果、前記量子ドットレーザダイオード増幅器８２中においては、前記多波長連続光が前記量子ドットレーザダイオード増幅器８１の出力光信号により位相変調される。
【００５３】
前記多波長連続光は、さらに別の量子ドットレーザダイオード増幅器８３にも供給されており、前記量子量子ドットレーザダイオード増幅器８３の出力光と前記量子ドットレーザダイオード増幅器８２の出力光とを合波することにより、再生波長多重光信号が得られる。
【００５４】
本実施例において、前記量子ドットレーザダイオード増幅器８１〜８３としては、先に図１０（Ａ）、（Ｂ）に示した構成のものを使うことができる。
【００５５】
また、図１０（Ａ），（Ｂ）の構成において、前記活性層２３の構成は先に説明したＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットに限定されるものではなく、以下の表１に示す材料の組み合わせを使うことも可能である。
【００５６】
【表１】
【００５７】
【発明の効果】
本発明の特徴によれば、歪へテロ系において出現する自己組織化量子ドットを使った非線形光半導体装置を使うことにより、波長多重光信号の処理を、個々のチャネルの光信号成分に分離することなく、直接に行なうことが可能になり、光信号再生装置等の波長多重光信号処理装置の構成が非常に簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の波長多重光信号再生装置の構成を示す図である。
【図２】図１の光信号再生装置中の一チャネル分の構成を示す図である。
【図３】通常の量子井戸における状態密度の概略を示す図である。
【図４】図の構成において通常の量子井戸を活性層として使った場合の光吸収特性を示す図である。
【図５】量子ドットにおける状態密度の概略を示す図である。
【図６】本発明の原理を示す図である。
【図７】図６の量子ドット構造が示す全体的な光吸収スペクトルを示す図である。
【図８】チャネルｊの入射光が入来した場合の図７の光吸収スペクトルの変化を示す図である。
【図９】本発明の第１実施例による波長多重光信号再生装置の構成を示す図である。
【図１０】（Ａ），（Ｂ）は、図９の光信号再生装置中において使われる、自己組織化量子ドットを有するレーザダイオードの構成を示す図である。
【図１１】（Ａ）〜（Ｃ）は、図９の光信号再生装置における光信号処理に伴う波長多重光信号のスペクトルを示す図である。
【図１２】図１１（Ａ），（Ｂ）の量子ドットレーザダイオードの透過率と入力光パワーとの関係を示す図である。
【図１３】（Ａ），（Ｂ）は、図９の波長多重光信号再生装置を示すそれぞれ平面図および断面図である。
【図１４】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第２実施例による光ノイズカットフィルタを示す図である。
【図１５】本発明の第３実施例による波長多重光信号再生装置の構成を示す図である。
【図１６】本発明の第４実施例による波長多重光信号再生装置の構成を示す図である。
【図１７】本発明の第５実施例による波長多重光信号再生装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ バッファ層
３ 活性層
３ａ 中間層
３ｂ 量子ドット
１０，２０，４０，６０，８０波長多重光信号再生装置
１０Ａ デマルチプレクサ
１０Ｂ，１０Ｂ1〜１０ＢN 光信号再生器
１０Ｃ マルチプレクサ
１０ｃ1，２０ａ モードロックレーザダイオード
１０ｃ2，２０ｂ 光増幅器
２０1〜２０4，３０Ａ，３０Ｂ，４１Ａ〜４１Ｄ，６１1，６１2 光導波路
２０Ａ クロック抽出部
２０Ｂ 再変換部
２１ 基板
２２，２４ クラッド層
２３ 活性層
２３ａ 中間層
２３ｂ 量子ドット
２５ コンタクト層
２６，２６ａ，２６ｂ，２７ オーミック電極
２８ 電流狭搾層
３０ 光ノイズカットフィルタ
４１．６１Ａ，６１Ｂ，８１〜８３ 量子ドット非線形光半導体装置
４２ 多波長ＣＷ光源
４３ 光サーキュレータ
Claims (4)
- 第１の導電型を有する化合物半導体基板上に形成された量子半導体装置と、
前記量子半導体装置に導入する波長多重光入力信号を入射する第１の光導波路と、
前記量子半導体装置からの波長多重光出力信号を出射する第２の光導波路とよりなり、
前記量子半導体装置は、前記化合物半導体基板上に形成された、前記第１の導電型を有する第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上に形成された非ドープ活性層と、前記非ドープ活性層上に形成された第２の導電型を有する第２のクラッド層と、前記化合物半導体基板に電気的に接続された第１のオーミック電極と、前記第２のクラッド層に電気的に接続された第２のオーミック電極とよりなり、
前記非ドープ活性層は、前記第１および第２のクラッド層のいずれのバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する非ドープ化合物半導体層と、前記非ドープ化合物半導体層中に形成された、各々前記非ドープ化合物半導体層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する非ドープ化合物半導体材料よりなる複数の、相互に離間した量子ドットとよりなり、
前記複数の量子ドットはサイズ分布を有し、量子ドット全体として、連続的な光吸収波長帯域を有し、前記波長多重光入力信号に含まれる異なる波長の信号が異なるサイズの量子ドットに吸収飽和もしくは利得飽和を引き起こすことで前記波長多重光出力信号の異なる波長の光信号の強度を独立に制御することを特徴とする波長多重光信号処理装置。 - 前記波長多重光入力信号とともに前記量子半導体装置に導入する波長多重光を入射する第３の光導波路を有し、前記波長多重光入力信号で異なるサイズの量子ドットに吸収飽和もしくは利得飽和を引き起こすことで、前記波長多重光の異なる波長の光を独立に変調して前記波長多重光出力信号とすることを特徴とする請求項１に記載の波長多重光信号処理装置。
- 前記複数の量子ドットの各々は、前記化合物半導体基板に対して歪ヘテロ系を形成する組成を有することを特徴とする請求項１記載の波長多重光信号処理装置。
- 波長多重光入力信号を供給され、前記波長多重光入力信号から光クロック信号を抽出するクロック抽出部と、
前記光クロック信号と前記波長多重光入力信号を供給され、前記光クロック信号を前記波長多重光入力信号で変調し、再生波長多重光入力信号を形成する光変調部とよりなる波長多重光信号処理装置において、
前記クロック抽出部は、活性層中に複数の自己組織化量子ドットを含む量子レーザダイオードよりなり、
前記光変調部は、活性層中に複数の自己組織化量子ドットを含む量子レーザダイオード増幅器よりなることを特徴とする波長多重光信号処理装置。
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