JP4977283B2 - 光信号増幅装置 - Google Patents

Description

本発明は、高度光信号処理が必要な光通信、光画像処理、光コンピュータ、光計測などの光エレクトロニクスに好適な光信号増幅装置に関するものである。

光信号の増幅のためにはエルビウムドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）や半導体光増幅器（ＳＯＡ）が従来用いられている。しかし、たとえば光増幅器で発生した雑音を除去するためには、高速で伝送する光信号を一旦電気信号に変換し、電子回路において雑音除去および信号処理が行われ、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。すなわち、光信号を直接光信号のまま信号処理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。

したがって、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情報提供サービスや大容量の情報の高速処理などの分野において、光信号のままを信号処理する技術が期待されている。しかしながら、たとえばエレクトロニクスでいう負帰還増幅器やオペアンプに相当するような高性能な信号増幅器は光エレクトロニクスの分野では実現されていない。すなわち、低雑音でしかも種々の信号演算処理が可能な高性能な光信号増幅器が渇望されている。

これに対し、特許文献１或いは特許文献２に記載されているように、本発明者は入力光を制御光を用いて信号増幅された出力信号光を得る機能を備えた光信号増幅３端子装置を先に提案した。この特許文献１には、第１波長の第１入力光を第２波長の一定強度の第２入力光（バイアス光）と共に第１光増幅素子に入力させ、その第１光増幅素子の出力光を第１波長の制御光と共に第２光増幅素子に入力させることにより、スイッチング制御等の処理が施された出力光を第２光増幅素子から得るための光制御装置が開示されている。この光制御装置で用いられている第１光増幅素子および第２光増幅素子はいずれも相互利得変調効果を利用したものである。また、特許文献２には、第１波長の第１入力光を第２波長の一定強度の第２入力光（バイアス光）と共に第１光増幅素子に入力させ、その第１光増幅素子の出力光を第１波長の制御光と共に第２光増幅素子に入力させ、その第２光増幅素子からの出力光の一部を第１光増幅素子の入力側へ正帰還させることにより、大きく増幅された出力光を高い変調度で得るための光機能装置が開示されている。

ＷＯ０２／０６１５０２Ａ１ ＷＯ０２／０８６６１６Ａ１

ところで、一般に、従来の光増幅素子は単純な信号増幅作用を有するものに過ぎないので、雑音に対しても信号と同じように増幅する欠点ががあった。そのため、入力信号光の大きさや周波数に関連してその出力信号光のゲイン（利得）、波形、基線が安定せず、高度な信号処理が困難であった。また、場合によっては、過大な大きさの入力信号光が入力された場合にはそれがさらに増幅されて光サージとして出力されるという不都合もあった。また、上記従来の光制御装置或いは光機能装置においても、光信号を処理する上でさらにゲインの安定などの改良が必要であった。

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、ゲイン、波形、基線が安定し、或いは過大な大きさの入力信号光が入力されてもそれが抑制された出力信号光が得られる低雑音で高性能な負帰還光増幅装置を提供することにある。

発明の開示
ところで、半導体光増幅素子やエルビウム等の希土類元素添加ファイバアンプなどの相互利得変調作用を有する光増幅素子においては、所定の第１波長λ_１ の入力光の周囲波長の自然放出光が、その入力光の強度変化に応答して強度変化し、その変化は入力光の信号強度変化に対して逆の強度変化をする性質があり、それが光増幅素子の出力信号光とともに出力される性質がある。このため、上記光増幅素子からの出力光から波長選択素子を用いて上記第１波長λ_１ の出力信号光をそれ以外の波長の周囲光から分離して利用し、その周囲光は利用しないで廃棄するのが一般的である。すなわち、周囲光の自然放出光は雑音の原因となるので、フィルタでそれを除去するのが常識的であった。このような状況において、本発明者は、前記の課題を解決するために種々の検討を重ねるうち、上記分離された周囲光を上記光増幅素子に帰還させると、驚くべきことに、光増幅素子の出力光がそれまでとは急変して、そのゲインが略一定となって波形および基線が安定するという負帰還光増幅現象を見出した。本発明はこのような知見に基づいて為されたものである。

すなわち、第１発明の光信号増幅装置の要旨とするところは、入力信号光と同じ第１波長であって該入力光と同じ位相の強度を有する出力信号光を出力する光信号増幅装置であって、(a) 前記出力信号光と、該出力信号光とは異なる周辺波長であって該出力信号光とは反転した位相で強度変化する周辺光とを出力する相互利得変調作用を有する第１光増幅素子と、(b) 前記入力信号光のみを前記第１光増幅素子に入力させる信号光入力手段と、(c) その第１光増幅素子の出力光の中から前記第１波長の出力信号光と該第１波長とは異なる波長の周辺光の全部または１部とを分離する波長選択素子と、(d) 前記第１光増幅素子に負帰還増幅作用を発生させるために、該波長選択素子によって分離された周辺光の全部または１部を帰還させて該第１光増幅素子に入力させる光帰還手段とを、含むことにある。

また、第２発明の要旨とするところは、入力信号光と同じ第１波長であって該入力光と同じ位相の強度を有する出力信号光を出力する光信号増幅装置であって、(a) 前記出力信号光と、該出力信号光とは異なる周辺波長であって該出力信号光とは反転した位相の強度を有する周辺光とを出力する相互利得変調作用を有する第１光増幅素子と、(b) 前記入力信号光のみを前記第１光増幅素子に入力させる信号光入力手段と、(c) その第１光増幅素子の出力光の中から該第１波長の出力信号光と該第１波長とは異なる波長の周辺光の全部または１部とを分離する波長選択素子と、(d) その波長選択素子によって分離された周辺光を増幅する第２光増幅素子と、(e) 前記第１光増幅素子に負帰還増幅作用を発生させるために、該第２光増幅素子によって増幅された周辺光を帰還させて該第１光増幅素子に入力させる光帰還手段とを、含むことにある。

また、第３発明の光信号増幅装置の要旨とするところは、上記第１発明や第２発明において、前記第１光増幅素子に、前記反転した位相の強度を有する周辺光を帰還させる量を制御することにより前記出力信号光の増幅度を制御する増幅度制御手段を有することにある。

また、第４発明の要旨とするところは、上記第２発明において、前記第１波長と異なる波長を有する第２入力光を前記第２光増幅素子にさらに入力させる第２入力光入力手段を備え、前記第１光増幅素子の負帰還増幅作用を増強したことにある。

また、第５発明の要旨とするところは、上記第２発明または第４発明において、前記第２光増幅素子に入力する第２入力光の強度を制御することにより前記光信号増幅装置の増幅度を制御する増幅度制御手段を有することにある。

また、第６発明の要旨とするところは、前記第１発明乃至第５発明のいずれかにおいて、前記波長選択素子は、光伝播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、屈折率が異なる一対の層が多数組積層された多層膜フィルタ、フォトニッククリスタルフィルタのいずれかから構成されたものであることにある。

また、第７発明の要旨とするところは、前記第１発明乃至第６発明のいずれかにおいて、前記信号光入力手段および／または光帰還手段は、光カプラ、光サーキュレータ、方向性結合素子、光アド・ドロップフィルタ、または波長選択素子から構成されたものであることにある。

また、第８発明の要旨とするところは、前記第１発明乃至第７発明のいずれかにおいて、前記第１光増幅素子および／または第２光増幅素子は、ｐｎ接合から成る活性層を備えた半導体光増幅素子であって、該活性層がバルク、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されたものであることにある。

また、第９発明の要旨とするところは、前記第８発明において、前記第１光増幅素子および／または第２光増幅素子は、一端部に反射手段を備えた反射型半導体光増幅素子であることにある。

また、第１０発明の要旨とするところは、前記第８発明または第９発明において、前記第１光増幅素子および第２光増幅素子、前記波長選択素子、前記信号光入力手段および／または光帰還手段は、１チップの半導体基板上に形成された光導波路においてそれぞれ設けられたものであることである。

また、第１１発明の要旨とするところは、前記第１発明乃至第１０発明のいずれかにおいて、前記光信号増幅装置は、光オペアンプ、光差動増幅器、光加減算回路、光微積分回路、光フリップフロップ回路、光リミッタ、光サージ抑制器の一部または全部を構成するものであることにある。

上記第１発明の光信号増幅装置によれば、(a) 前記出力信号光と、該出力信号光とは異なる周辺波長であって該出力信号光とは反転した位相で強度変化する周辺光とを出力する相互利得変調作用を有する第１光増幅素子と、(b) 前記入力信号光のみを前記第１光増幅素子に入力させる信号光入力手段と、(c) その第１光増幅素子の出力光の中から前記第１波長の出力信号光と該第１波長とは異なる波長の周辺光の全部または１部とを分離する波長選択素子と、(d) 前記第１光増幅素子に負帰還増幅作用を発生させるために、該波長選択素子によって分離された周辺光の全部または１部を帰還させて該第１光増幅素子に入力させる光帰還手段とが備えられていることから、第１光増幅素子の出力光中に含まれる周辺光はその出力光中に含まれる第１波長の出力信号光と強度が反転していることから、その出力光から分離されて第１光増幅素子に入力される周辺光の一部または全部は、出力信号光の強度が大きいほど小さい強度となって信号の負帰還状態となるので、出力信号光のゲイン、波形、基線が好適に安定する。

また、上記第２発明の光信号増幅装置によれば、(a) 前記出力信号光と、該出力信号光とは異なる周辺波長であって該出力信号光とは反転した位相の強度を有する周辺光とを出力する相互利得変調作用を有する第１光増幅素子と、(b) 前記入力信号光のみを前記第１光増幅素子に入力させる信号光入力手段と、(c) その第１光増幅素子の出力光の中から該第１波長の出力信号光と該第１波長とは異なる波長の周辺光の全部または１部とを分離する波長選択素子と、(d) その波長選択素子によって分離された周辺光を増幅する第２光増幅素子と、(e) 前記第１光増幅素子に負帰還増幅作用を発生させるために、該第２光増幅素子によって増幅された周辺光の一部または全部を帰還させて該第１光増幅素子に入力させる光帰還手段とが備えられていることから、第１光増幅素子の出力光中に含まれる周辺光の一部または全部はその出力光中に含まれる第１波長の出力信号光と強度が反転させられており、さらに第２光増幅素子により増幅されて第１光増幅素子に入力されるので、出力信号光の強度が大きいほど小さい強度となって信号の負帰還状態となり、その出力信号光のゲイン、波形、基線が安定する。また、第１光信号増幅素子内では入力信号光の強度変化によって相互利得変調を生じさせているが、入力光全体の強度が弱くなると相互利得変調作用が弱くなり、強度が反転した周辺光の信号が弱くなって負帰還作用が弱くなるが、本第２発明によれば、その弱くなった周辺光の反転信号を第２光増幅素子で増幅することによって負帰還作用が増強される。すなわち、入力光の全体強度が弱い場合でも第２光増幅素子で周辺光の反転信号を増幅することによって負帰還作用を安定させることが可能となる。さらに、第１波長の入力信号光の強度が大きくなるほど増幅のゲインが小さくなる特性が顕著に得られるので、過大な大きさの入力信号光が入力されてもそれが抑制された出力信号光が得られる。

また、上記第３発明の光信号増幅装置によれば、上記第１発明や第２発明において、前記第１光増幅素子に、前記反転した位相の強度を有する周辺光を帰還させる量を制御することにより前記出力信号光の増幅度を制御する増幅度制御手段が設けられていることから、用途や光回路の特性に応じて所望の増幅度が設定され得る。

また、上記第４発明の光信号増幅装置によれば、上記第２発明において、前記第１波長と異なる波長を有する第２入力光を前記第２光増幅素子にさらに入力させる第２入力光入力手段が備えられて前記第１光増幅素子の負帰還増幅作用が増強されているので、出力信号光のゲイン、波形、基線が一層好適に安定する。

また、上記第５発明の光信号増幅装置によれば、上記第２発明または第４発明において、前記第２光増幅素子に入力する第２入力光の強度を制御することにより前記光信号増幅装置の増幅度を制御する増幅度制御手段が設けられていることから、用途や光回路の特性に応じて所望の増幅度が高速に制御され或いは設定され得る。

また、上記第６発明の光信号増幅装置によれば、前記第１発明乃至第５発明のいずれかにおいて、前記波長選択素子が、光伝播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、屈折率が異なる一対の層が多数組積層された多層膜フィルタ、フォトニッククリスタルフィルタのいずれかから構成されたものであることから、半導体によって光信号増幅装置が容易に小型化或いは１チップ化できる。

また、上記第７発明の要旨とするところは、前記第１発明乃至第６発明のいずれかにおいて、前記信号光入力手段および／または光帰還手段は、光カプラ、光サーキュレータ、方向性結合素子、光アド・ドロップフィルタ、または波長選択素子から構成されたものであることから、光信号増幅装置を容易に小型化できる利点がある。また、光アド・ドロップフィルタを用いる場合には、出力信号光と周辺光とが効率よく分離され、同時にそれぞれ光ファイバ出力される利点がある。

また、上記第８発明の要旨とするところは、前記第１発明乃至第７発明のいずれかにおいて、前記第１光増幅素子および／または第２光増幅素子は、ｐｎ接合から成る活性層を備えた半導体光増幅素子であって、その活性層がバルク、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されたものであることから、半導体によって光信号増幅装置が容易に小型化或いは１チップ化できる。上記量子井戸または量子ドットが用いられる場合は、光信号増幅装置の高速スイッチング性能が高められ、歪み超格子が用いられる場合は、光偏波依存性の小さい光信号増幅装置が得られる。

また、上記第９発明の要旨とするところは、前記第８発明において、前記第１光増幅素子および／または第２光増幅素子は、一端部に反射手段を備えた反射型半導体光増幅素子であることから、信号処理について高効率が得られる。

また、上記第１０発明の要旨とするところは、前記第８発明または第９発明において、前記第１光増幅素子および第２光増幅素子、前記波長選択素子、前記信号光入力手段および／または光帰還手段は、１チップの半導体基板上に形成された光導波路においてそれぞれ設けられたものであることから、半導体によって光信号増幅装置が容易に小型化或いは１チップ化できる。

また、上記第１１発明の要旨とするところは、前記第１発明乃至第１０発明のいずれかにおいて、前記光信号増幅装置は、光オペアンプ、光差動増幅器、光加減算回路、光微積分回路、光フリップフロップ回路、光リミッタ、光サージ抑制器の一部または全部を構成するものであることから、種々の光回路において高い汎用性が得られる。

ここで、前記光信号増幅装置を構成する光増幅素子としては、ｐｎ接合から成る活性層を備えた半導体光増幅素子が好適に用いられるが、必ずしも半導体光増幅素子でなくてもよく、たとえばエルビウム等の希土類元素が添加されたファイバアンプなどであってもよい。要するに、相互利得変調作用を有する光増幅素子であればよい。たとえば、第１波長のレーザ光の入射によってそのレーザ光を増幅して出力すると同時に、その波長を中心とする周囲波長を有してそのレーザ光の強度変調に反比例して強度が増減する自然光をも出力する。上記相互利得変調作用とは、この自然光中の波長である第２波長の一定強度のレーザ光が入力された場合には、上記入射光と反転して変調された第２波長の出力光が得られる現象を言う。

また、前記周囲光は、相互利得変調作用を有する光増幅素子内において、入力信号光の第１波長を中心としてその左右の波長帯或いは周囲の波長帯に発生する光であって、その第１波長の出力信号光の強度とは逆位相に変調されている。このため、前記波長選択素子は、第１光増幅素子からの出力光から前記第１波長の周辺光の全部を分離するものであってもよいし、１部を分離して、負帰還させるものであればよい。なお、第２光増幅素子は、単に光増幅素子として機能しているだけで、相互利得変調作用は行っていない。この点も本発明の主要な特徴の１つであり、従来のものと相違している点である。

図１は、本発明の一実施例の１段型の光信号増幅装置の回路構成を説明するブロック図である。 図２は、図１の実施例の光信号増幅装置を構成する光増幅素子が半導体光増幅素子により構成された場合の外形を示す斜視図である。 図３は、図１の光信号増幅装置における第１光増幅素子の出力スペクトルを示す図であって、上段は入力信号光がオン状態であるときの出力信号光を示し、下段は入力信号光がオフ状態であるときの出力信号光を示している。 図４は、図１の実施例の光信号増幅装置の入出力信号波形を示すタイムチャートである。 図５は、図１の実施例の光信号増幅装置が１チップ半導体にモノリシック化された他の例を説明する図である。 図６は、本発明の他の実施例の２段型の光信号増幅装置の回路構成を説明するブロック図であって、図１に相当する図である。 図７は、図６の実施例の増幅作動を説明する波形であって、入力信号光が０．１ＧＨｚである場合の、入力信号光の波形を上段に、負帰還がないときの１段型の光信号増幅装置の出力信号光の波形を中段に、負帰還がある図６の実施例の場合の出力信号光の波形を下段に示す図である。 図８は、図６の実施例の増幅作動を説明する波形であって、入力信号光が１ＧＨｚである場合の、負帰還がないときの１段型の光信号増幅装置の出力信号光の波形を中段に、負帰還がある図６の実施例の場合の出力信号光の波形を下段に示す図である。 図９は、図６の実施例の増幅作動を説明する波形であって、入力信号光が１０ＧＨｚである場合の、入力信号光の波形を上段に、負帰還がないときの１段型の光信号増幅装置の出力信号光の波形を中段に、負帰還がある図６の実施例の場合の出力信号光の波形を下段に示す図である。 図１０は、図１および図６の光信号増幅装置の、入力信号光強度Ｐ_ＩＮに対する変調度Ｍの変化特性を負帰還のないものと対比して示す図である。 図１１は、図１および図６の光信号増幅装置の、入力信号光強度Ｐ_ＩＮに対する増幅度Ａの変化特性を負帰還のないものと対比して示す図である。 図１２は、図１および図６の光信号増幅装置の、入力信号光の周波数に対する変調度の比の変化特性を、負帰還のないものと対比して示す図である。 図１３は、図６の実施例の光信号増幅装置が１チップ半導体にモノリシック化された例を説明する図である。 図１４は、本発明の他の実施例の２段型の光信号増幅装置の回路構成を説明するブロック図であって、図６に相当する図である。 図１５は、図１４の実施例の光信号増幅装置において、反射手段の反射率を変更した場合の入力信号光の周波数に対する増幅度Ａの変化特性を示す図である。 図１６は、本発明の他の実施例の２段型の光信号増幅装置の回路構成を説明するブロック図であって、図６に相当する図である。 図１７は、図１６の実施例の光信号増幅装置において、第２入力光の強度に対する増幅度Ａの変化特性を示す図である。 図１８は、図１６の実施例の光信号増幅装置の作動を波形を用いて説明するタイムチャートである。 図１９は、図１６の実施例の光信号増幅装置の作動を説明するために第２半導体光増幅素子から出力される周辺光のスペクトルを示す図である。 図２０は、図１４の実施例の光信号増幅装置が１チップ半導体にモノリシック化された例を説明する図である。 図２１は、図６の光信号増幅装置に増幅度可変機能を設けた例を説明する図である。 図２２は、図６の光信号増幅装置を用いた光フリプフロップ回路の構成例を説明する図である。

以下、本発明の一実施例の負帰還増幅機能を備えた光信号増幅装置１０を図面に基づいて詳細に説明する。

図１において、波長選択素子１２は、第１光増幅素子１４からの出力光中のたとえば１５５０ｎｍの第１波長λ_１ の出力信号光Ｌ_ＯＵＴ とそれ以外の波長に周囲光Ｌ_Ｓ とを分離するためのものであり、所定の波長たとえば１５４５〜１５５５ｎｍ（中心波長１５５０ｎｍ）の光を透過させ且つそれ以外の波長λ_Ｓ （λ_Ｓ ＜１５４５ｎｍ或いはλ_Ｓ ＞１５５５ｎｍの範囲における所定幅の波長帯）の全部または１部の光を反射させるものである。この波長選択素子１２は、たとえば前記所定の波長たとえば１５４５〜１５５５ｎｍの光を透過させるが、それ以外の波長λ_Ｓ の全部の光を反射させて光ファイバから成る帰還光路１８へ出力する光アド・ドロップフィルタから構成されてもよいが、屈折率が異なる一対の層が多数組積層された多層膜フィルタ、或いは光伝播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、フォトニッククリスタルフィルタのいずれかから構成されてもよい。

光カプラ１６は、入力信号光Ｌ_ＩＮを第１光増幅素子１４へ入力させるための信号光（第１）入力手段として機能するものであり、図示しないレーザ光源からのレーザ光が変調されて信号伝送路から搬送される第１波長λ_１ の入力信号光Ｌ_ＩＮを上記第１光増幅素子１４に入力させる。上記光カプラ１６は、たとえば、光ファイバにより構成された結合器或いは分波器、或いはハーフミラーによって構成される。光カプラ１６は、第１波長λ_１ の上記入力信号光Ｌ_ＩＮを波長選択的に反射させ且つ上記それ以外の波長λ_Ｓ の光を透過させる光アド・ドロップフィルタに置き換えてもよい。また、上記波長選択素子１２、第１光増幅素子１４、光カプラ１６の相互間の光の伝送路は、たとえば、光を厚み方向に閉じ込めつつ伝送する光導波路、或いは光を径方向に閉じ込めつつ伝送する光ファイバ等により構成される。

上記第１光増幅素子１４は、たとえば図２に示すような半導体光増幅素子（ＳＯＡ）から構成される。図２において、化合物半導体たとえばインジウム燐（ＩｎＰ）から構成される半導体基板２０ａの上に形成された光導波路２０ｂは、その半導体基板２０ａの上にエピタキシャル成長させられたIII-V 族混晶半導体の多層膜であり、たとえばホトリソグラフィーを用いて所定幅のテープ状突起となるように形成されている。この光導波路２０ｂは、半導体基板２０ａよりも屈折率が高い物質で構成されているので、光を厚み方向に閉じ込めつつ伝播させる機能を備えている。上記光導波路２０ｂ内の多層膜には、ｐｎ接合により構成された活性層２６ｃ、キャップ層などが含まれ、その上には上部電極２０ｅが固着されている。この活性層２０ｃは、半導体基板２０ａの下面に固着された下部電極２０ｆと上記電極２０ｅとの間に電圧が印加され且つ上記ｐｎ接合に電流が流されることによって電子・正孔対が形成され、その活性層２０ｃを通過する光が誘導放射作用によって増幅されるようになっている。上記活性層２０ｃは、バルク、多重量子井戸、歪み超格子、或いは量子ドットから構成されている。多重量子井戸である場合は、たとえば、ＩｎＰ半導体基板２０ａからエピタキシャル成長させられることにより格子整合されたＩｎＧａＡｓ（１００Åの厚み）とＩｎＧａＡｓＰ（１００Åの厚み）との６対により構成され、その活性層２０ｃ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）が順次設けられている。この活性層２０ｃのデバイス長（光路長さ）は６００μｍであり、たとえば２５０ｍＡの電流値によるエネルギ注入によって注入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２５０ｍＡの電流値によるエネルギ注入により、たとえば波長１５５０ｎｍにおいて単体で２０ｄＢ程度の利得が得られるものである。

上記の第１光増幅素子１４は、たとえば所定波長のレーザ光の入射によってそのレーザ光を増幅して出力すると同時に、その波長を中心とする周囲波長を有してそのレーザ光の強度変調に反比例して強度が増減する自然光をも出力する所謂相互利得変調作用を備えており、第１波長λ_１ の入力信号光Ｌ_ＩＮが入射されると、図３に示すように、その第１波長λ_１ の出力信号光Ｌ_ＯＵＴ とその第１波長λ_１ とは異なる周囲波長すなわち第２波長λ_２ を有する周囲光Ｌ_Ｓ とを含む光が出力される。図３の上段は、入力信号光Ｌ_ＩＮがオン状態のときの出力光のスペクトルを示し、下段は入力信号光Ｌ_ＩＮがオフ状態のときの出力光のスペクトルを示している。第１光増幅素子１４の出力光に含まれる、第１波長λ_１ の出力信号光Ｌ_ＯＵＴ と第２波長λ_２ を有する周囲光Ｌ_Ｓ とは強度について位相が反転させられている。前記波長選択素子１２により分離された周囲光Ｌ_Ｓ の全部または１部は、光ファイバ等により構成される帰還光路１８により光カプラ１６へ案内され、そこで入力信号光Ｌ_ＩＮと合波されて第１光増幅素子１４に入力される。本実施例では、帰還光路１８が周囲光Ｌ_Ｓ の全部または１部をして第１光増幅素子１４に入力させる光帰還手段或いは第２入力手段に対応している。

したがって、上記の光信号増幅装置１０では、その出力光に含まれる周囲波長すなわち第２波長λ_２ を有する周囲光Ｌ_Ｓ が光カプラ１６を介して入力信号光Ｌ_ＩＮと共に入力させられると、相互に光強度が反転させられていることから、エレクトロニクスで言うところの負帰還作用と同様の作用により、第１波長λ_１ の入力信号光Ｌ_ＩＮに対するゲインが安定化され、図４のタイムチャートに示すように、信号増幅率が略１程度（０ｄＢ）の第１波長λ_１ の出力信号光Ｌ_ＯＵＴ が出力される。すなわち、光信号のみによる負帰還増幅的な作用が得られるので、後述の図７乃至図１２に示すように、その出力信号光Ｌ_ＯＵＴ のゲイン（利得）、波形、基線が広範な周波数範囲において安定する。したがって、本実施例の光信号増幅装置１０は、出力信号光Ｌ_ＯＵＴ を安定にする負帰還作用を利用して、光オペアンプ、光差動増幅回路、光加減算回路、光微積分回路を構成することができる。

エレクトロニクス分野のオペアンプは、非反転と反転の２つの入力端子を有し、増幅素子の出力電圧の一部を外部抵抗などを介して入力に帰還させる負帰還回路として使用される。前記オペアンプに正弦波を入力したとき、出力の正弦波の位相が同相の場合を非反転増幅器、入力の位相と丁度１８０°違う場合を反転増幅器と呼んでいる。本実施例の光信号増幅装置１０は、出力の位相が入力と同相であることから、光版の非反転増幅器として物理的には位置付けられる。前記エレクトロニクス分野の非反転増幅器の電圧利得は１かそれ以上であり、帰還の抵抗が０、すなわち短絡の場合に利得が１となる。また、オペアンプは名前の由来からも理解できるように、加減算や微積分などのアナログ演算を非常に精度よく行うことができ、今日のアナログ電子回路の大部分を担っているといっても過言ではない。本実施例の光信号増幅装置１０によれば、光回路において、上記エレクトロニクス分野におけるオペアンプと同様な重要な役割を担うことができる。

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には同一の符号を付して説明を省略する。

図５は、上記光信号増幅装置１０を１個の半導体チップに搭載してモノリシック化した他の例を示している。図５において、半導体基板２８ａ上には、直線部とその中央に重ねた状態で連結された楕円部とから成る導波路２８ｂが形成されており、その導波路２８ｂの直線部の中央であって楕円部の一部となる部分に上部電極２８ｃが設けられることにより前記第１光増幅素子１４として機能させられている。上記導波路２８ｂの直線部の出力側には、屈折率が周期的に変化させられることにより構成された波長選択素子３０が設けられている。この波長選択素子３０は、前述の波長選択素子１２と同様に、第１光増幅素子１４からの出力光中のたとえば１５５０ｎｍの第１波長λ_１ の出力信号光Ｌ_ＯＵＴ を透過させて出力し、それ以外の波長の周囲光Ｌ_Ｓ を反射させて第１光増幅素子１４側すなわち入力側へ帰還させ、上記導波路２８ｂの楕円部を循環させる。本実施例では、上記導波路２８ｂの直線部が入力信号光Ｌ_ＩＮを第１光増幅素子１４に入力させる信号光入力手段（第１入力手段）として機能し、上記導波路２８ｂの楕円部が波長選択素子３０によって分離された周辺光Ｌ_Ｓ を帰還させて第１光増幅素子１４に入力させる光帰還手段（第２入力手段）として機能している。

図６は、本発明の他の実施例の光信号増幅装置４２の構成を説明する図である。図６において、波長選択素子１２によって分離された周囲光Ｌ_Ｓ は、帰還光路１８を介して第２光増幅素子４４へ入力されてそこで増幅された後、光カプラ４６によって入力信号光Ｌ_ＩＮと合波され、その入力信号光Ｌ_ＩＮとともに第１光増幅素子１４に入力されるように構成されている。この光カプラ４６は第２光増幅素子４４の出力光と入力信号光Ｌ_ＩＮと単に合波するものであればよく、前述の波長選択素子１２のようなフィルタである必要はない。しかし、前述の光アド・ドロップフィルタなどを用いてもよい。前述のように、第１光増幅素子１４の出力光中に含まれる周辺光Ｌ_Ｓ の一部または全部はその出力光中に含まれる第１波長λ_１ の出力信号光Ｌ_ＯＵＴ と強度が反転させられており、さらに第２光増幅素子４４により増幅されて第１光増幅素子１４に入力されるので、負帰還機能が増強され、その出力信号光Ｌ_ＯＵＴ のゲイン、波形、基線が安定する。すなわち、低雑音化が実現されている。また、第１波長λ_１ の入力信号光Ｌ_ＩＮの強度が大きくなるほど増幅のゲインが小さくなる特性が得られるので、過大な大きさの入力信号光Ｌ_ＩＮが入力されてもそれが抑制された出力信号光が得られる。本実施例では、光カプラ４６が入力信号光Ｌ_ＩＮを第１光増幅素子１４へ入力させる信号光入力手段（第１入力手段）として機能し、帰還光路１８が周辺光Ｌ_Ｓ の一部または全部を帰還させて第２光増幅素子４４へ入力させる光帰還手段（第２入力手段）として機能している。

以下において、本発明者が行った実験の一部であって、周囲光Ｌ_Ｓ を帰還させないで単一の光増幅素子１４を用いた場合と、周囲光Ｌ_Ｓ を帰還させる上記光信号増幅装置４２を用いた場合の入力信号光Ｌ_ＩＮと出力信号光Ｌ_ＯＵＴ の波形を説明する。図７は０．１ＧＨｚの入力信号光Ｌ_ＩＮを入力させた場合の波形を、図８は１ＧＨｚの入力信号光Ｌ_ＩＮを入力させた場合の波形を、図９は１０ＧＨｚの入力信号光Ｌ_ＩＮを入力させた場合の波形であって、上段は入力信号光Ｌ_ＩＮを、中段は周囲光Ｌ_Ｓ を帰還させないで単一の光増幅素子１４を用いた場合の出力波形を、下段は周囲光Ｌ_Ｓ を帰還させる上記光信号増幅装置４２を用いた場合の出力波形Ｌ_ＯＵＴ をそれぞれ示している。各図７、図８、図９において明らかなように、周囲光Ｌ_Ｓ を帰還させる上記光信号増幅装置４２を用いた場合は、周囲光Ｌ_Ｓ を帰還させないで単一の光増幅素子１４を用いた場合に比較して、入力信号光Ｌ_ＩＮに対して、安定したゲインと、変調度Ｍが高く且つ忠実な波形と、安定した基線とが得られる。なお、変調度Ｍ（％）は、信号波形の上ピークの値（極大値の信号電圧値）をＶ_１ 、下ピークの値（極小値の信号電圧値）をＶ_２ としたとき、Ｍ＝１００×（Ｖ_１ −Ｖ_２ ）／（Ｖ_１ ＋Ｖ_２ ）にて定義される。また、増幅度（率）Ａ（デシベル：ｄＢ）は、入力信号光Ｌ_ＩＮの信号パワー（電力）をＰ_ＩＮ、出力信号光Ｌ_ＯＵＴ の信号パワー（電力）をＰ_ＯＵＴ としたとき、Ａ＝１０log_１０ （Ｐ_ＯＵＴ ／Ｐ_ＩＮ）で定義される。

また、本発明者が行った実験の一部であって、上述の１段型の光信号増幅装置１０および２段型の光信号増幅装置４２における０．５ＧＨｚで変調された入力信号光Ｌ_ＩＮの強度に対する変調度特性を図１０に、上述の１段型の光信号増幅装置１０および２段型の光信号増幅装置４２における入力信号光Ｌ_ＩＮの強度に対する増幅度特性を図１１に、上述の１段型の光信号増幅装置１０および２段型の光信号増幅装置４２における入力信号光Ｌ_ＩＮの周波数に対する変調度の比（Ｍ_ＯＵＴ ／Ｍ_ＩＮ）を図１２に、それぞれ示す。図１０において、破線は周囲光Ｌ_Ｓ を帰還させない単一の光増幅素子１４を用いた場合を示し、実線は１段型の光信号増幅装置１０を用いた場合を示し、１点鎖線は２段型の光信号増幅装置４２を用いた場合を示している。図１０から明らかなように、１段型の光信号増幅装置１０および２段型の光信号増幅装置４２における変調度Ｍは、周囲光Ｌ_Ｓ を帰還させない単一の光増幅素子１４を用いた場合に比較して格段に向上している。この場合、１段型の光信号増幅装置１０を用いた場合を示す実線は、入力信号光Ｌ_ＩＮの強度が１００μＷ付近に至るまで周囲光Ｌ_Ｓ を帰還させないで単一の光増幅素子１４を用いた場合と差異がない。つまり、負帰還作用の効果がほとんど見られない。一方、第１光増幅素子１４に入力される周囲光Ｌ_Ｓ の強度が第２光増幅素子で増幅されている光信号増幅装置４２が用いられる場合は、負帰還作用の効果が顕著である。この原因は、帰還させられる周囲光Ｌ_Ｓ の強度が低すぎるために第１光増幅素子１４において負帰還作用が十分に得られないないからである。なぜなら、相互利得変調という現象は、本来入力光の強度の強い場合に生じるものであり、入力信号光Ｌ_ＩＮの強度が１００μＷ以下においては、十分に信号反転した周囲光Ｌ_Ｓ の強度が得られないためであると考えられる。その欠点を補うために、２段型の光信号増幅装置４２では、反転した周囲光Ｌ_Ｓ の強度を第２の光増幅素子で増幅している。その結果、図１０に示したように、１００μＷ以下の弱い入力信号光Ｌ_ＩＮの強度においても十分な負帰還作用が得られ、１００％近い出力光の変調度が得られている。なお、一般の光通信においては１００μＷ以下の光信号を用いることが多いことから、１段型の光信号増幅装置１０では不十分である可能性がある場合には、本実施例のような２段型の光信号増幅装置４２を用いることによって十分な性能が得られる。

また、図１１において破線は周囲光Ｌ_Ｓ を帰還させない単一の光増幅素子１４を用いた場合を示し、実線は１段型の光信号増幅装置１０を用いた場合を示し、１点鎖線は２段型の光信号増幅装置４２を用いた場合を示している。図１１から明らかなように、１段型の光信号増幅装置１０および２段型の光信号増幅装置４２における増幅度Ａは、周囲光Ｌ_Ｓ を帰還させない単一の光増幅素子１４を用いた場合に比較して低く抑えられているが、これまでの波形の特性より格段に信号波形が改善されている。すなわち、低雑音化が実現されている。また、入力信号光Ｌ_ＩＮの強度の増加とともに増幅度が抑制される特性を備えている。これにより、比較的過大な強度Ｐ_ＩＮ（１０００μＷ以上）を有する入力信号光Ｌ_ＩＮが入力されたときには、出力信号光Ｌ_ＯＵＴ の強度Ｐ_ＯＵＴ が急速に低下させられる。したがって、光信号増幅装置１０および４２は、光リミッタ、光サージ抑制器を構成することができる。

また、図１２において、点線は周囲光Ｌ_Ｓ の帰還（負帰還）が行われない１段型の光信号増幅装置を用いた場合を示し、実線は負帰還を行った１段型の光信号増幅装置１０を用いた場合を示し、１点鎖線は２段型の光信号増幅装置４２を用いた場合を示している。この図１２から明らかなように、入力信号光Ｌ_ＩＮの変調度Ｍ_ＩＮと出力信号光Ｌ_ＯＵＴ の変調度Ｍ_ＯＵＴ との間の比である変調度の比（Ｍ_ＯＵＴ ／Ｍ_ＩＮ）は、周囲光Ｌ_Ｓ の帰還（負帰還）が行われない１段型の光信号増幅装置では、比較して低く且つ入力信号光Ｌ_ＩＮの周波数が３ＧＨｚ以上となると急に低下するが、１段型の光信号増幅装置１０、および２段型の光信号増幅装置４２の場合の変調度の比（Ｍ_ＯＵＴ ／Ｍ_ＩＮ）は、全周波数帯域において略１付近の値を示す。０．１ＧＨｚ乃至１０ＧＨｚの高周波数且つ広帯域において、波形の歪みが極めて小さいこと、および２段型の光信号増幅装置４２の特性が格段によいことが明らかである。

図１３は、上記光信号増幅装置４２を１個の半導体チップに搭載してモノリシック化した他の例を示している。図１３において、半導体基板２８ａ上には、直線部とその中央に重ねた状態で連結された楕円部とから成る導波路２８ｂが形成されており、その導波路２８ｂの直線部の中央であって楕円部の一部となる部分に上部電極２８ｃおよび２８ｄが設けられることにより前記第１光増幅素子１４および第２光増幅素子４４として機能させられている。上記導波路２８ｂの直線部の出力側には、屈折率が周期的に変化させられることにより構成された波長選択素子３０が設けられている。この波長選択素子３０は、前述の波長選択素子１２と同様に、第１光増幅素子１４からの出力光中のたとえば１５５０ｎｍの第１波長λ_１ の出力信号光Ｌ_ＯＵＴ を透過させて出力し、それ以外の波長の周囲光Ｌ_Ｓ を反射させて第１光増幅素子１４側すなわち入力側へ帰還させ、上記導波路２８ｂの楕円部を循環させ、さらに第２光増幅素子４４に入力させて周囲光Ｌ_Ｓ を増幅し、第１光増幅素子１４に帰還させる。本実施例では、上記導波路２８ｂの直線部が入力信号光Ｌ_ＩＮを第１光増幅素子１４に入力させる信号光入力手段（第１入力手段）として機能し、上記導波路２８ｂの楕円部が波長選択素子３０によって分離された周辺光Ｌ_Ｓ を帰還させて第１光増幅素子１４に入力させる光帰還手段（第２入力手段）として機能している。

図１４の２段型の光信号増幅装置５４は、図６の２段型の光信号増幅装置４２の変形例であって、第１光増幅素子１４の出力光中の第１波長λ_１ の出力信号光Ｌ_ＯＵＴ を透過させるがその出力光中から分離した周囲光Ｌ_Ｓ を第１光増幅素子１４に向かって反射する特性を備えた波長選択素子５６が波長選択素子１２に替えて設けられ、帰還用の光路が除去され、第２光増幅素子４４の入力側にミラー等の反射手段５８が一体的に設けられている点において、上記図６の２段型の光信号増幅装置４２と相違する。本実施例では、入力された入力信号光Ｌ_ＩＮは第１光増幅素子１４の相互利得変調によって発生させられた強度反転された周囲光Ｌ_Ｓ が波長選択素子５６によって反射されて光路を逆進させられ、反射手段５８により反射させられて再び第１光増幅素子１４へ到達する過程で第２光増幅素子４４により増幅され、第１光増幅素子１４へ入射させられることにより負帰還作用が発生させられる。本実施例では、図６の２段型の光信号増幅装置４２と同様の効果が得られるとともに、上記反射手段５８の反射率を調整することによって周囲光Ｌ_Ｓ の負帰還量すなわち負帰還効果が変更され得る。たとえば図１５に示すように入力信号光Ｌ_ＩＮの周波数に対しては一定であるが所望の大きさの増幅度Ａが得られるようになる。図１５では、反射手段５８の３段階の反射率値、ＲＲ１（＝５０％）、ＲＲ２（＝８０％）、ＲＲ３（＝１００％）がパラメータとして用いられており、ＲＲ１＜ＲＲ２＜ＲＲ３である。反射手段５８の反射率ＲＲが高い程負帰還量が多くなって増幅率が小さく設置される。本実施例では、光カプラ４６が入力信号光Ｌ_ＩＮを第１光増幅素子１４へ入力させる信号光入力手段（第１入力手段）として機能し、反射手段５８が波長選択素子５６によって反射された周辺光Ｌ_Ｓ の一部または全部を反射することにより帰還させて第１光増幅素子１４へ入力させる光帰還手段（第２入力手段）として機能している。なお、本実施例では、上記第２光増幅素子４４と反射手段５８とが一体化された反射型増幅器が用いられていたが別体に構成されたものでもよい。

図１６の２段型の光信号増幅装置６０は、図１４の２段型の光信号増幅装置５４の変形例であって、図１７は光信号増幅装置６０の増幅度特性を示している。本実施例の光信号増幅装置６０は、第１波長λ_１ とは異なる波長λ_２ すなわち周囲光Ｌ_Ｓ の波長帯内で設定された例えば１５３５ｎｍの単色レーザ光である第２入力光Ｌ_ＩＮ２ が上記第２光増幅素子４４に入力させられる点、第２光増幅素子４４の入力側端面５９がミラー等の前記反射手段５８に替わる反射手段である点において、上記２段型の光信号増幅装置５４と相違している。本実施例では、第２光増幅素子４４において、波長選択素子５６によって反射されて光路を逆進させられることにより帰還された周囲光Ｌ_Ｓ の反転信号が上記第２入力光Ｌ_ＩＮ２ により増幅されることによって高強度の負帰還光が第１光増幅素子１４へ入射されるので、高い負帰還効果が得られる。本実施例では、図６の２段型の光信号増幅装置４２と同様の効果が得られる。すなわち、本実施例では、図１８に示すように、一定強度の第２入力光Ｌ_ＩＮ２ が第２半導体光増幅素子４４に入力させられると、第１波長λ_１ の出力信号光Ｌ_ＯＵＴ に対して強度が反転した比較的高強度の周囲光Ｌ_Ｓ が第２光増幅素子４４から出力され、その比較的高強度の周囲光Ｌ_Ｓ と第１波長λ_１ の入力信号光Ｌ_ＩＮとが第１半導体光増幅素子１４に入力され、第２出力信号光Ｌ_ＯＵＴ２および帰還用の周囲光Ｌ_Ｓ１が得られる。本実施例では、光カプラ４６が入力信号光Ｌ_ＩＮおよび第２出力信号光Ｌ_ＯＵＴ２が第１半導体光増幅素子１４に入力させられることによって十分に負帰還作用が行われ、出力信号光Ｌ_ＯＵＴ が出力される。本実施例の光信号増幅装置６０では、上記のように、一定強度であって第１波長λ_１ とは異なる波長λ_２ すなわち周囲光Ｌ_Ｓ の波長帯内で設定されたたとえば１５３５ｎｍの単色レーザ光である一定強度の第２入力光Ｌ_ＩＮ２ が上記第２光増幅素子４４に入力させられる結果、上記周囲光Ｌ_Ｓ 、すなわち第２出力信号光Ｌ_ＯＵＴ２および周囲光Ｌ_Ｓ１は図１９のスペクトルに示す強度および波長を備えるので、比較的高強度の周囲光Ｌ_Ｓ が帰還させられて、安定した負帰還作用が得られるとともに、比較的高強度の反転出力として利用できる第２出力信号光Ｌ_ＯＵＴ２が出力される利点がある。

また、図１７に示すように、光信号増幅装置６０は、第２入力光Ｌ_ＩＮ２ のレーザ光源７０の出力強度が大きくなるほど増幅率Ａが小さくなる特性を備えており、上記第２入力光Ｌ_ＩＮ２ の入射強度を調整、たとえばその第２入力光Ｌ_ＩＮ２ のレーザ光源７０の出力を出力設定器７２を操作することで調整することによって周囲光Ｌ_Ｓ の負帰還量すなわち負帰還効果が変更され得、所望の増幅度Ａが得られるようになる。第２入力光Ｌ_ＩＮ２ の入射強度Ｐ_ＩＮ２ が大きい程負帰還量が多くなって増幅度Ａが小さく設定され得る。図１７では、第１入力信号光Ｌ_ＩＮの入射強度Ｐ_ＩＮの２段階の値、相対的に低い入射強度Ｐ_ＩＮ（＝１００μＷ）、相対的に高い入射強度Ｐ_ＩＮ（＝１０３０μＷ）がパラメータとして用いられており、第２入力信号光Ｌ_ＩＮ２ の入射強度Ｐ_ＩＮ２ が大きくなるほど負帰還量が多くなって増幅度Ａが小さくなる。また、本実施例では、光カプラ４６が入力信号光Ｌ_ＩＮを第１光増幅素子１４へ入力させる信号光入力手段（第１入力手段）として機能し、第２光増幅素子４４の端面５９が波長選択素子５６によって反射された周辺光Ｌ_Ｓ の一部または全部を反射することにより帰還させて第１光増幅素子１４へ入力させる光帰還手段（第２入力手段）として機能している。

上記図１４の２段型の光信号増幅装置５４および図１６の２段型の光信号増幅装置６０はいずれもモノリシック化可能であるが、図２０は、前者の光信号増幅装置５４が１つの半導体チップ６２と光サーキュレータ６４とによって構成された例を示している。図２０において、半導体基板６２ａ上には、直線状の光導波路６２ｂが形成されており、その光導波路６２の光サーキュレータ６４側部分およびそれと反対側の部分に上部電極６２ｃおよび６２ｄが設けられることにより前記第１光増幅素子１４および第２光増幅素子４４として機能させられている。上記矩形の光導波路６２ｂの上記第１光増幅素子１４に対応する部分と第２光増幅素子４４に対応する部分との間には、第１波長λ_１ の光を反射するがそれ以外の波長の光を透過するグレーティングフィルタ６６が設けられている。このグレーティングフィルタ６６は、たとえば１５４５〜１５５５ｎｍ（中心波長１５５０ｎｍ）の光を反射させるがそれ以外の波長を透過するように構成されている。上記直線状の光導波路６２ｂの光サーキュレータ６４側の端面には何ら設けられておらず、反対側の端面にはミラー等の反射手段５８が固設されている。光導波路６２ｂの端面はある程度の反射率を有していて反射手段として機能できるので、反射手段５８は必ずしも設けられていなくてもよい。本実施例では、光サーキュレータ６４に入力された入力信号光Ｌ_ＩＮは第１光増幅素子１４に入力され、そこで相互利得変調によって発生させられた強度反転された周囲光Ｌ_Ｓ と第１波長λ_１ （たとえば１５５０ｎｍ）の出力信号光Ｌ_ＯＵＴ が発生させられる。第１波長λ_１ の出力信号光Ｌ_ＯＵＴ はグレーティングフィルタ６６によって反射され、第１光増幅素子１４および光サーキュレータ６４を経由して出力される。しかし、上記周囲光Ｌ_Ｓ はグレーティングフィルタ６６および第２光増幅素子４４を透過して反射手段５８により反射させられて再び第１光増幅素子１４へ到達する過程で第２光増幅素子４４により増幅された後、第１光増幅素子１４へ入射されることにより負帰還作用が発生させられて光信号増幅装置４２と同様の効果が得られる。本実施例では、光サーキュレータ６４およびグレーティングフィルタ６６が入力信号光Ｌ_ＩＮを第１光増幅素子１４へ入力させる信号光入力手段（第１入力手段）として機能し、反射手段５８がグレーティングフィルタ６６によって選択的に透過させられた周辺光Ｌ_Ｓ の一部または全部を反射することにより第１光増幅素子１４へ帰還させる光帰還手段（第２入力手段）として機能している。なお、図２０の実施例から反射手段５８が除去されることにより、図１６の２段型の光信号増幅装置６０がモノリシック化された例となる。

図２１は、図６の２段型の光信号増幅装置４２が増幅率可変型に構成された例を示している。本実施例の光信号増幅装置４２では、周辺光Ｌ_Ｓ の一部または全部を第２光増幅素子４４へ入力させるための帰還光路１８に、光量可変装置として機能するアッテネータ７４が介挿されている。このアッテネータ７４は、たとえば上記帰還光路１８を伝播する周辺光Ｌ_Ｓ を所定の断面積で平行ビーム化する光学系と、その断面積の遮光面積を変更するために移動可能に設けられた遮光板とから構成される。本実施例では、第２半導体光増幅素子４４へ入力させられる周辺光Ｌ_Ｓ の光量が調節されることから、その第２半導体光増幅素子４４で増幅されて第１半導体光増幅素子１４へ供給される周辺光Ｌ_Ｓ の強度変化に基づいて増幅度Ａが所望の値に設定される。

また、上記の光信号増幅装置１０、４２、５４、６０のいずれかを用いて光フリップフロップ回路を構成することができる。たとえば図２２に示す光フリップフロップ回路８０は、たとえば図６に示す光信号増幅装置４２から成り、第１波長λ_１ の第１入力信号光Ｔ_ＩＮ１ および第２波長λ_２ の第２入力信号光Ｔ_ＩＮ２ がそれぞれ連続的に入力される一対の第１光信号増幅装置４２ａおよび第２光信号増幅装置４２ｂと、それら一対の第１光信号増幅装置４２ａおよび第２光信号増幅装置４２ｂの出力光から第１波長λ_１ の第１出力信号光Ｔ_ＯＵＴ１或いは第２波長λ_２ の第２出力信号光Ｔ_ＯＵＴ２を分割するための一対の第１光分波器８４ａおよび第２光分波器８４ｂと、第１光分波器８４ａにより分波された第１光信号増幅装置４２ａからの出力信号光Ｔ_ＯＵＴ１の一部を第２光信号増幅装置４２ｂに入力させる第１交差光路８６ａ、および第２光分波器８４ｂにより分波された第２光信号増幅装置４２ｂからの第２出力信号光Ｔ_ＯＵＴ２の一部を第１光信号増幅装置４２ａに入力させる第２交差光路８６ｂとを備えている。このように構成された光フリップフロップ回路８０では、第１入力信号光Ｔ_ＩＮ１ および第２入力信号光Ｔ_ＩＮ２ が一対の第１光信号増幅装置４２ａおよび第２光信号増幅装置４２ｂそれぞれ連続的に入力されている状態で、たとえば一方の第１入力信号光Ｔ_ＩＮ１ がオフ状態とされると、第１出力信号光Ｔ_ＯＵＴ１が中間状態からオフ状態とされるとともに、それが入力される第２光信号増幅装置４２ｂからの第２出力信号光Ｔ_ＯＵＴ２が中間状態からオン状態とされ、第１入力信号光Ｔ_ＩＮ１ が元の連続状態に戻されてもこのオン状態が維持される。次いで、この状態において、第２波長λ_２ の第２入力信号光Ｔ_ＩＮ２ がオフ状態とされると、第２出力信号光Ｔ_ＯＵＴ２がオフ状態とされるとともに、第１出力信号光Ｔ_ＯＵＴ１がオフ状態からオン状態とされ、第２入力信号光Ｔ_ＩＮ２ が元の連続状態に戻されてもこのオン状態が維持される。以後、第１入力信号光Ｔ_ＩＮ１ のオフ入力と第２入力信号光Ｔ_ＩＮ２ のオフ入力とが交互に行われる毎に、上記第１出力信号光Ｔ_ＯＵＴ１および第２出力信号光Ｔ_ＯＵＴ２のオンオフ状態が反転させられる。

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、前述の第１光増幅素子１４は、エルビウム元素を含む光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）から構成されてもよいし、プラセオジムが添加（ドープ）された光ファイバ増幅器であってもよい。要するに、相互利得変調特性を有する光増幅素子であればよい。また、第２光増幅素子４４は、同様に光ファイバ増幅器であってもよい。要するに、光増幅特性を有する光増幅素子であればよい。

また、前述の実施例の波長選択素子１２、２４ｂ、３０、５０ｂ、５６は、光アド・ドロップフィルタから構成されてもよい。また、前述のカプラ１６、３６は光サーキュレータ、方向性結合素子から構成されてもよい。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これ等はあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。

Claims (11)

1. 入力信号光と同じ第１波長であって該入力光と同じ位相の強度を有する出力信号光を出力する光信号増幅装置であって、
   前記出力信号光と、該出力信号光とは異なる周辺波長であって該出力信号光とは反転した位相で強度変化する周辺光とを出力する相互利得変調作用を有する第１光増幅素子と、
   前記入力信号光のみを前記第１光増幅素子に入力させる信号光入力手段と、
   該第１光増幅素子の出力光の中から前記第１波長の出力信号光と該第１波長とは異なる波長の周辺光の全部または１部とを分離する波長選択素子と、
   前記第１光増幅素子に負帰還増幅作用を発生させるために、該波長選択素子によって分離された周辺光の全部または１部を帰還させて該第１光増幅素子に入力させる光帰還手段と
   を、含むことを特徴とする光信号増幅装置。
2. 前記波長選択素子によって分離された周辺光を増幅する第２光増幅素子と、
   前記第１光増幅素子に負帰還増幅作用を発生させるために、該第２光増幅素子によって増幅された周辺光を帰還させて該第１光増幅素子に入力させる光帰還手段と
   を、含むことを特徴とする請求項１の光信号増幅装置。
3. 前記第１光増幅素子に、前記反転した位相の強度を有する周辺光を帰還させる量を制御することにより前記出力信号光の増幅度を制御する増幅度制御手段を有することを特徴とする請求項１または２のいずれかの光信号増幅装置。
4. 前記第１波長と異なる波長を有する第２入力光を前記第２光増幅素子にさらに入力させる第２入力光入力手段を備え、前記第１光増幅素子の負帰還増幅作用を増強したことを特徴とする請求項２の光信号増幅装置。
5. 前記第２光増幅素子に入力する第２入力光の強度を制御することにより前記光信号増幅装置の増幅度を制御する増幅度制御手段を有することを特徴とする請求項２または４の光信号増幅装置。
6. 前記波長選択素子は、光伝播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、屈折率が異なる一対の層が多数組積層された多層膜フィルタ、フォトニッククリスタルフィルタのいずれかから構成されたものである請求項１乃至５のいずれかの光信号増幅装置。
7. 前記信号光入力手段および／または光帰還手段は、光カプラ、光サーキュレータ、方向性結合素子、光アド・ドロップフィルタ、または波長選択素子から構成されたものである請求項１乃至６のいずれかの光信号増幅装置。
8. 前記第１光増幅素子および／または第２光増幅素子は、ｐｎ接合から成る活性層を備えた半導体光増幅素子であって、該活性層がバルク、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されたものである請求項１乃至７のいずれかの光信号増幅装置。
9. 前記第１光増幅素子および／または第２光増幅素子は、一端部に反射手段を備えた反射型半導体光増幅素子である請求項８の光信号増幅装置。
10. 前記第１光増幅素子および第２光増幅素子、前記波長選択素子、前記信号光入力手段および／または光帰還手段は、１チップの半導体基板上に形成された光導波路においてそれぞれ設けられたものである請求項８または９の光信号増幅装置。
11. 光オペアンプ、光差動増幅器、光加減算回路、光微積分回路、光フリップフロップ回路、光リミッタ、光サージ抑制器の一部または全部を構成するものである請求項１乃至１０のいずれかの光信号増幅装置。

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