JPH0640596B2 - Semiconductor laser wavelength conversion method and conversion device - Google Patents

Semiconductor laser wavelength conversion method and conversion device

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JPH0640596B2
JPH0640596B2 JP16709187A JP16709187A JPH0640596B2 JP H0640596 B2 JPH0640596 B2 JP H0640596B2 JP 16709187 A JP16709187 A JP 16709187A JP 16709187 A JP16709187 A JP 16709187A JP H0640596 B2 JPH0640596 B2 JP H0640596B2
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    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/50Amplifier structures not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
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    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01S5/5054Amplifier structures not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30 in which the wavelength is transformed by non-linear properties of the active medium, e.g. four wave mixing

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、多波長光源,光パルス幅制御,光パルス打ち
抜き,光論理などの機能実現が可能な半導体レーザ波長
変換方法及び変換装置に関するものであり、光通信,光
交換,光情報処理,光コンピュータの分野に応用され
る。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a semiconductor laser wavelength conversion method and conversion device capable of realizing functions such as a multi-wavelength light source, optical pulse width control, optical pulse punching, and optical logic. And is applied to the fields of optical communication, optical switching, optical information processing, and optical computers.

(従来技術及び発明が解決しようとする問題点) よく知られているように、半導体レーザは通常光を発振
する光源として用いられるが、駆動条件によっては、光
増幅器として用いることができる。信号光パワーの大き
な領域での光増幅動作は本質的に非線形な効果を伴って
おり、例えば、光の波長を変換する波長変換装置として
の機能も有している。
(Problems to be Solved by Prior Art and Invention) As is well known, a semiconductor laser is usually used as a light source for oscillating light, but it can be used as an optical amplifier depending on driving conditions. The optical amplification operation in a region where the signal light power is large has an essentially non-linear effect, and also has a function as a wavelength conversion device for converting the wavelength of light, for example.

このような、半導体レーザの持つ光増幅機能をベースと
した波長変換装置としては、従来、通常の半導体レー
ザの発振周波数f0のごく近傍に弱いプローブ光(周波
数:f0+δf)を入射する構成、あるいは、通常の半
導体レーザを発振しき値以下にバイアスした光増幅器
に、その利得共振周波数f0に一致させた強いポンプ光と
これから僅かに周波数をずらせた弱いプローブ光(周波
数:f0の+δf)の2光波を入射する構成、半導体レ
ーザの両端面に反射防止膜を施した進行波形の光増幅器
に、同一周波数f0で互いに逆方向に進行する2つの強い
ポンプ光と、ポンプ光のいずれかと同一方向に進行し
て、かつこれから僅かに周波数の異なる弱いプローブ光
(周波数:f0の+δf)の3光波を入射する構成があ
り、共に、入力光の増幅出力とf0の−δfの周波数に波
長変換された信号光が得られることが報告されている
(H. Nakajima and R. Frey: Appl. Phys. Lett.,Vo
l.47,pp. 769 (1985),H. Nakajima and R.Frey: Phy
s. Rev. Lett.,Vol.54, pp.1798(1985),およびG. Agr
awal: Opt. Lett.,Vol.12, No.4, pp.260 (1987))。
In such a wavelength conversion device based on the optical amplification function of a semiconductor laser, a weak probe light (frequency: f 0 + δf) is conventionally incident in the vicinity of the oscillation frequency f 0 of a normal semiconductor laser. Alternatively, an optical amplifier biased below the oscillation threshold of an ordinary semiconductor laser is provided with a strong pump light matched to its gain resonance frequency f 0 and a weak probe light slightly deviated in frequency (+ δf of frequency f 0 ). ), Two strong pump lights that travel in opposite directions at the same frequency f 0 are used in an optical amplifier with a traveling waveform in which antireflection films are applied to both end faces of a semiconductor laser. There is a configuration in which three light waves of weak probe light (frequency: + δf of frequency f 0 ) that travels in the same direction and have slightly different frequencies are made incident, and both of them are amplified output of the input light and f 0 of the input light. It has been reported that signal light wavelength-converted to a frequency of −δf can be obtained (H. Nakajima and R. Frey: Appl. Phys. Lett., Vo
l.47, pp. 769 (1985), H. Nakajima and R. Frey: Phy
s. Rev. Lett., Vol. 54, pp. 1798 (1985), and G. Agr.
awal: Opt. Lett., Vol.12, No.4, pp.260 (1987)).

しかし、従来の装置では両端面に約30%の反射率を
持つ通常の半導体レーザを用いており、その光増幅の形
態が本質的に両端面間での多重反射を利用する共振形の
増幅器動作であったため、約 100 GHz間隔で点在する縦
モード波長(共振周波数f0)付近の1GHz 程度の狭い帯
域内でしか大きな増幅利得が得られなかった。その結
果、波長変換動作を行える波長域が縦モード波長近傍に
限定されると共に、ポンプ光とプローブ光間の離調周波
数|δf|の増加に対して波長変換の効率が急激に減少
する(例えば、δf=±1GHz で約1/10)という大き
な欠点があった。また、これを安定に動作させるために
は、入力光の周波数を前述の狭い利得帯域内に合わせる
ための周波数同調が不可欠であり、光源及び波長変換装
置の温度、電流を高精度に制御する必要があった。さら
に、従来の装置では共振形の増幅動作であったた
め、構成上は1方向からの光入力であっても共振器内部
では両方向に進む光が存在し、この互いに逆方向に進む
光波間の非線形相互作用により波長変換光が発生してお
り、出力側と入力側の両方向に同程度の光出力が存在し
た。このことは、この波長変換装置を多段に接続して動
作させる場合には、波長変換された信号光の半分しか次
段への入力として利用できないこと、また安定な動作を
得るためには、後段の装置から前段の装置への入力光お
よび信号光の再入射を除去するために光アイソレータを
各段の間に使用する必要があるなど、効率,構成の複雑
さなどの面でも問題があった。
However, the conventional device uses a normal semiconductor laser with a reflectivity of about 30% on both end faces, and its optical amplification is essentially a resonance type amplifier operation using multiple reflections between both end faces. Therefore, a large amplification gain was obtained only within a narrow band of about 1 GHz near the longitudinal mode wavelengths (resonance frequency f 0 ) scattered at about 100 GHz intervals. As a result, the wavelength range in which the wavelength conversion operation can be performed is limited to the vicinity of the longitudinal mode wavelength, and the wavelength conversion efficiency sharply decreases as the detuning frequency | δf | between the pump light and the probe light increases (for example, , Δf = ± 1 GHz, about 1/10). Further, in order to operate it stably, frequency tuning for adjusting the frequency of the input light within the narrow gain band described above is indispensable, and it is necessary to control the temperature and current of the light source and the wavelength conversion device with high accuracy. was there. Further, since the conventional device performs the resonance-type amplification operation, even if the optical input is from one direction, there is light that travels in both directions inside the resonator, and the nonlinearity between the light waves that travel in mutually opposite directions is present. Wavelength-converted light was generated by the interaction, and the same optical output existed in both the output side and the input side. This means that when this wavelength conversion device is connected and operated in multiple stages, only half of the wavelength-converted signal light can be used as an input to the next stage. There was also a problem in terms of efficiency and configuration, such as the need to use an optical isolator between each stage in order to eliminate the re-injection of the input light and the signal light from the above equipment to the previous equipment. .

また、従来の装置では、互いに逆方向に進む同一周波
数の2つのポンプ光とこれから周波数の僅かに異なるプ
ローブ光の3つの入力光を必要とする点、また波長変換
出力がプローブ入力光の進行方向と逆方向にしか得られ
ない点など、構成の複雑さ、波長変換装置としての使用
の難しさなどの面で大きな欠点があった。
Further, in the conventional apparatus, three input lights, that is, two pump lights of the same frequency traveling in opposite directions and a probe light of a slightly different frequency from this are required, and the wavelength conversion output is the traveling direction of the probe input light. However, there are major drawbacks in terms of complexity of configuration and difficulty in use as a wavelength conversion device, such as being obtained only in the opposite direction.

(発明の目的) 本発明は上記の欠点を改善するために提案されたもの
で、その目的は、利得幅内で動作波長が任意に設定可能
であり、波長変換効率が数GHz以上の広帯域に渡ってほ
ぼ平坦で、同一方向に進む2入力光波の非線形相互作用
により波長変換された信号光が入力光と同一進行方向の
みで得られ、その動作に高精度な温度制御や注入電流の
制御を必要としない、半導体レーザ波長変換方法及び変
換装置を提供することにある。
(Object of the invention) The present invention has been proposed in order to improve the above-mentioned drawbacks, and its object is to set an operating wavelength arbitrarily within a gain width and to provide a wavelength conversion efficiency in a wide band of several GHz or more. The signal light, which is almost flat across the entire wavelength range and is wavelength-converted by the non-linear interaction of the two input light waves traveling in the same direction, can be obtained only in the same traveling direction as the input light, and highly accurate temperature control and injection current control can be performed for the operation. An object of the present invention is to provide a semiconductor laser wavelength conversion method and a conversion device which are not necessary.

(問題点を解決するための手段) 上記の目的を達成するために、本発明は半導体レーザの
光共振器面に反射防止膜を施した光増幅器に、互いの偏
波面が直交していない、周波数の異なる2光波を同一方
向に入力することにより、入力光の進行方向に波長変換
された出力光を取り出すことを特徴とする半導体レーザ
波長変換方法を発明の要旨とするものである。
(Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, the present invention provides an optical amplifier having an antireflective film on the optical resonator surface of a semiconductor laser, in which the polarization planes of the two are not orthogonal to each other. A semiconductor laser wavelength conversion method is characterized in that two light waves having different frequencies are input in the same direction to extract output light whose wavelength is converted in the traveling direction of the input light.

さらに本発明は電流注入端子を備えた半導体レーザの光
共振器面に反射防止膜を施した半導体光増幅器及び、そ
の入力側に光合波器を具備することを特徴とする半導体
レーザ波長変換装置を発明の要旨とするものである。
Further, the present invention provides a semiconductor laser wavelength conversion device characterized by comprising a semiconductor optical amplifier having an antireflective film on the optical resonator surface of a semiconductor laser having a current injection terminal, and an optical multiplexer on its input side. It is the gist of the invention.

しかして、本発明の特徴と従来の技術との差異は次のよ
うである。
The difference between the features of the present invention and the conventional technique is as follows.

本発明は、半導体レーザの両端面に反射防止膜を施し、
端面反射率を0.1 %以下とした進行波形レーザ増幅器に
おいて、単一通過で大きな信号利得が得られる範囲に注
入電流を設定した上で、周波数が異なるポンプとプロー
ブの2光波の偏波面を一致させ、同一方向に入力するこ
とにより、入力光の進行方向と同一方向に出力光を得る
構成とすることを最も主要な特徴とする。
The present invention, by applying an antireflection film on both end surfaces of the semiconductor laser,
In a traveling waveform laser amplifier with end face reflectivity of 0.1% or less, set the injection current within the range where a large signal gain can be obtained with a single pass, and then match the polarization planes of the two light waves of the pump and probe with different frequencies. The most main feature is that the output light is obtained in the same direction as the traveling direction of the input light by inputting in the same direction.

しかるに従来技術では、先に述べたように、本質的に互
いに逆方向に進む2つのポンプ光とプローブ光の3光波
間の非線形相互作用に基づいて動作するため、入力プロ
ーブ光の進行方向に対して同一方向と逆方向の両方向へ
の出力光、あるいは逆方向のみの出力光を得る構成にな
っている。これに対し、本発明では、入力光に対する一
方向性増幅過程と、同一方向に進行する2光波間の位相
整合に基づく非線形相互作用を用い、入力光の進行方向
と同一方向のみに出力光を得る構成としている点が従来
の技術とは大きく異なるものである。
However, in the conventional technique, as described above, the operation is essentially based on the non-linear interaction between the three light waves of the two pump lights and the probe light traveling in opposite directions. Thus, output light in both the same direction and the opposite direction, or output light in only the opposite direction is obtained. On the other hand, in the present invention, the unidirectional amplification process with respect to the input light and the nonlinear interaction based on the phase matching between the two light waves traveling in the same direction are used to output the output light only in the same direction as the traveling direction of the input light. The obtained structure is significantly different from the conventional technique.

次に本発明の実施例について説明する。なお実施例は一
つの例示であって、本発明の精神を逸脱しない範囲で、
種々の変更あるいは改良を行いうることは言うまでもな
い。
Next, examples of the present invention will be described. In addition, the embodiment is one exemplification, without departing from the spirit of the present invention,
It goes without saying that various changes or improvements can be made.

(実施例) 第1図(a)は、本発明の第1の実施例を説明する図であ
って、図において、11は半導体レーザ、12はキャリア閉
じ込めと光閉じ込めを行う活性層導波路、13,14は半導
体レーザ11への電流注入端子である。15は半導体レーザ
端面に形成した反射防止膜であり、導波路中を伝搬する
導波モードに対する残留反射率が0.1 %以下となるよう
に設計されている。
(Embodiment) FIG. 1 (a) is a diagram for explaining the first embodiment of the present invention, in which 11 is a semiconductor laser, 12 is an active layer waveguide for carrier confinement and optical confinement, Reference numerals 13 and 14 denote current injection terminals for the semiconductor laser 11. Reference numeral 15 is an antireflection film formed on the end face of the semiconductor laser, and is designed so that the residual reflectance with respect to the waveguide mode propagating in the waveguide is 0.1% or less.

これを動作するには、まず、半導体レーザ11のpn接合
に対して順方向となるように直流電流を13,14間に印加
する。この時、注入電流を反射防止膜15を形成する前の
半導体レーザ11の元の発振しきい値電流から増加させ、
利得ピーク波長での信号利得を20dB程度あるいはそれ以
上に設定する(第1図(d))。その上で、入力光17とし
て、合波器16により同一光軸上に揃えられた周波数の異
なるポンプとプローブの2光波を、両者の偏波面が共に
半導体レーザの活性層面に対して平行となる状態(TE
偏波)で、同一進行方向に入力すると、その透過方向に
出力光18が取り出される。第1図(b)と(c)は、各々入力
光17と出力光18のスペクトルを模式的に示している。入
力光は強いポンプ光E0in(f0)と弱いプローブ光E1in(f0
+δf)の2波であるのに対し、出力光には、増幅された
ポンプ光とプローブ光出力E0(f0)、E1(f0+δf)の他
に、f0−δfの周波数を持つ新たな信号光電界E2(f0
δf)が含まれている。
To operate this, first, a direct current is applied between 13 and 14 in the forward direction with respect to the pn junction of the semiconductor laser 11. At this time, the injection current is increased from the original oscillation threshold current of the semiconductor laser 11 before forming the antireflection film 15,
Set the signal gain at the gain peak wavelength to about 20 dB or more (Fig. 1 (d)). Then, as the input light 17, two light waves of the pump and the probe, which are aligned on the same optical axis by the multiplexer 16 and have different frequencies, are polarized in parallel with the active layer surface of the semiconductor laser. State (TE
Polarization), when input in the same traveling direction, output light 18 is extracted in the transmission direction. FIGS. 1 (b) and (c) schematically show the spectra of the input light 17 and the output light 18, respectively. The input light is strong pump light E 0in (f 0 ) and weak probe light E 1in (f 0
In contrast to the two waves of + δf), the output light has a frequency of f 0 −δf in addition to the amplified pump light and probe light outputs E 0 (f 0 ) and E 1 (f 0 + δf). New signal electric field E 2 (f 0
δf) is included.

上に述べた構成・動作法に従って実験を行い、ファブリ
ペロ・スペクトル分析器を用いて観測した出力光のスペ
クトルを第2図に示す。実験では、反射防止膜により残
留反射率を0.03%まで低減した1.5μm帯のInGaAsP 進
行波形レーザ増幅器を、元と発振しきい値の2.3 倍であ
る80mAにバイアスし、未飽和信号利得が19dBの状態で使
用した。第2図(a),(b)はCWポンプ光とプローブ光を
それぞれ単独で増幅器に入力した場合の出力光スペクト
ルである。ポンプ光とプローブ光の入力パワーは各々87
μW,23μWに設定し、両波の偏波面は増幅器のTE波
に一致させて入力している。この時、単独のポンプ光と
プローブ光に対する増幅利得は、各々、17dB,18
dBに変化しており、この進行波形レーザ増幅器は利得
飽和領域(非線形領域)で動作していることになる。第
2図は(c)〜(g)は、ポンプ光とプローブ光を同時に入射
したときの出力光スペクトルを示す。ここで、ポンプ光
波長は1.515μmに固定し、入力光パワーを一定としな
がらプローブ光波長のみを変化させている。第2図(c)
〜(e)はプローブ光のポンプ光に対する離調周波数δf
が負の場合の、また(f),(g)はδfが正の場合の結果で
あり、プローブ光離調の正負にかかわらず、0.5 mW程
度の波長変換された信号光が得られている。このとき、
プローブ入力光パワーに対する波長変換信号光出力の比
として定義される波長変換効率あるいは波長変換利得は
約13dBであり、非常に高効率な波長変換動作が実現され
ている。第3図はこの実験で得られたポンプ光,プロー
プ光,信号光の各出力をプローブ光のポンプ光に対する
離調δfの関数としてプロットしたものであり、波長変
換された信号光パワーは±1.5 GHzまでの離調に対して
ほぼ平坦な依存性を示す。
FIG. 2 shows the spectrum of the output light observed by using the Fabry-Perot spectrum analyzer, in which the experiment was conducted according to the above-mentioned configuration and operation method. In the experiment, a 1.5 μm band InGaAsP traveling waveform laser amplifier whose residual reflectance was reduced to 0.03% by an antireflection film was biased to 80 mA, which is 2.3 times the original and oscillation threshold, and the unsaturated signal gain was 19 dB. Used in the state. FIGS. 2 (a) and 2 (b) are output light spectra when the CW pump light and the probe light are individually input to the amplifier. The input power of pump light and probe light is 87 each.
It is set to μW and 23 μW, and the polarization planes of both waves match the TE wave of the amplifier. At this time, the amplification gains for the independent pump light and probe light are 17 dB and 18 dB, respectively.
It has changed to dB, which means that this traveling waveform laser amplifier is operating in the gain saturation region (non-linear region). FIG. 2 (c) to (g) show output light spectra when pump light and probe light are simultaneously incident. Here, the pump light wavelength is fixed at 1.515 μm, and only the probe light wavelength is changed while keeping the input light power constant. Fig. 2 (c)
~ (E) is the detuning frequency δf of the probe light to the pump light
Is negative, and (f) and (g) are results when δf is positive. Regardless of whether the probe light detuning is positive or negative, a wavelength-converted signal light of about 0.5 mW is obtained. . At this time,
The wavelength conversion efficiency or wavelength conversion gain, which is defined as the ratio of the wavelength converted signal light output to the probe input light power, is about 13 dB, and very highly efficient wavelength conversion operation is realized. FIG. 3 is a plot of the pump light, probe light, and signal light outputs obtained in this experiment as a function of detuning δf of the probe light with respect to the pump light, and the wavelength-converted signal light power is ± 1.5. It shows a nearly flat dependence on detuning up to GHz.

この新たな信号光電界E2(f0−δf)の発生機構は、半導
体利得媒質中で増幅されたポンプ光E0とプローブ光E1
間の3次の光非線形相互作用に基づく非縮退4光波混合
過程として解析され、その素過程はE2=χ(3)E0E1 *E0
表される。(ただし、χ(3)3次の非線形光学定数、E1 *
はE1の複数共役電界を表す。)すなわち、E0とE1 *間の
光混合により両者のビート周波数成分δfで活性層中の
注入キャリア密度が変調を受け、その結果生じるキャリ
ア密度の動的回折格子によりポンプ光E0が回折されて、
新しい信号光E2(f0−δf)が生じている。従って、この
波長変換の効率は、E0とE1 *の偏波面のなす角度をθと
すると、|E0E1|cos(θ)に比例するため、本実施例
のように両偏波面を一致させて(θ=0)入力する方法
が最も効果的である。また、この四光波混合で発生する
信号光E2はE1 *に比例するため、プローブ光E1の位相共
役波とも呼ばれる。
The generation mechanism of this new signal light electric field E 2 (f 0 −δf) is the non-degeneracy based on the third-order optical nonlinear interaction between the pump light E 0 and the probe light E 1 amplified in the semiconductor gain medium. It is analyzed as a four-wave mixing process, and its elementary process is expressed by E 2 = χ (3) E 0 E 1 * E 0 . (However, χ (3) third-order nonlinear optical constant, E 1 *
Represents the multiple conjugate electric field of E 1 . ) That is, due to the optical mixing between E 0 and E 1 * , the injected carrier density in the active layer is modulated by the beat frequency component δf of both, and the resulting dynamic diffraction grating of carrier density diffracts the pump light E 0. Has been
A new signal light E 2 (f 0 −Δf) is generated. Therefore, the efficiency of this wavelength conversion is proportional to | E 0 E 1 | cos (θ), where θ is the angle formed by the polarization planes of E 0 and E 1 *. The most effective method is to make the input coincide with each other (θ = 0). Further, the signal light E 2 generated by this four-wave mixing is proportional to E 1 *, and is therefore also called a phase conjugate wave of the probe light E 1 .

次に、この波長変換過程における増幅利得プロファイル
の影響を述べる。反射防止膜15の付与により半導体レー
ザ11は進行波形レーザ増幅器として動作しており、その
増幅信号利得スペクトルは第1図(d)に示すように9000
GHzの広帯域に渡ってなだらかな特性を持つ。従って、
この利得帯域内のどこにポンプ光周波数を設定してもプ
ローブ光のこれに対する離調が数GHzの範囲にある限り
波長変換出力光が得られるとともに、本装置の動作に際
して温度,電流の高精度な制御を必要としない。また、
波長変換光出力の離調特性は、E0とE1 *間の光混合によ
り誘起される注入キャリア密度の変動の周期が注入キャ
リアの応答時間であるキャリア寿命τより短くなるこ
とに伴って、この変動成分が小さくなる効果だけで決ま
り、従来装置の共振形レーザ増幅器でより支配的で
あった増幅利得の狭帯域性による制限が除去されてい
る。さらに、進行波形レーザ増幅器は共振形レーザ増幅
器よりも大きな電流値で動作するため、キャリア寿命の
値自身の従来装置に比べ1/5に減少しており、この両
方の効果で、本装置は波長変換における広帯域離調動作
が可能となっている。第3図の実線,一点鎖線,破線
は、各々、波長変換信号光,プローブ光,ポンプ光に対
する理論値を本実施例装置のτ=0.2 nsに対して示し
たものである。
Next, the influence of the amplification gain profile in this wavelength conversion process will be described. By providing the antireflection film 15, the semiconductor laser 11 operates as a traveling waveform laser amplifier, and its amplified signal gain spectrum is 9000 as shown in FIG. 1 (d).
Has a gentle characteristic over a wide band of GHz. Therefore,
No matter where the pump light frequency is set within this gain band, wavelength-converted output light can be obtained as long as the detuning of the probe light is within the range of several GHz. Does not require control. Also,
The detuning characteristic of the wavelength-converted optical output is that the period of fluctuation of the injected carrier density induced by the optical mixing between E 0 and E 1 * becomes shorter than the carrier lifetime τ S which is the response time of the injected carrier. The limitation due to the narrow band property of the amplification gain, which was more dominant in the resonance type laser amplifier of the conventional device, is eliminated only by the effect of reducing this fluctuation component. Further, since the traveling-wave laser amplifier operates at a larger current value than that of the resonance type laser amplifier, the carrier lifetime value is reduced to 1/5 of that of the conventional device. Due to both of these effects, the device has a wavelength Wideband detuning operation in conversion is possible. The solid line, the one-dot chain line, and the broken line in FIG. 3 show theoretical values for the wavelength-converted signal light, the probe light, and the pump light, respectively, with respect to τ S = 0.2 ns in the apparatus of this embodiment.

また、第1図(d)の利得スペクトルには縦モード波長で
の顕著な共振のピークは現れておらず、半導体レーザ11
と反射防止膜15から成る本装置が、入射した光の1回通
過だけで信号利得を得る進行波形レーザ増幅器として動
作していることを表わしている。従って、本実施例のよ
うにポンプ光とプローブ光を同一方向に入力した場合、
出力側端面からの反射により入力側へ逆行する光は存在
しない。さらに、波長変換信号光を生じる素過程はE2
χ(3)E0E1 *E0であるため、その波数ベクトルに対する k
2 =2k0−k1≒k0の位相整合条件から入力ポンプ光と同
一方向に進行する信号光E2しか許されない。このよう
に、一方向性増幅過程と位相整合条件の組合せにより、
出力光は原理的にも入力光の進行方向と同一方向にしか
出力されない構成・動作となっている。なお、両端面の
残留反射率の値として先に0.1%を一応の目安として
示したが、これへの要求条件は光増幅器への注入電流量
によって制御される利得の大きさに強く依存する。一方
向性増幅の度合は第1図(d)の利得スペクトルに現れる
共振効果に起因する利得(第1図(d)に破線で示す)の
波のうち(変調)の大きさとして評価でき、この波うち
の谷の山に対する比(第1図(d)のu′/uを0.5 まで許
容するとすれば、10,20,30dBの信号利得に対して各
々、2.4%,0.25%,0.025 %以下の反射率とする必
要がある。(この時、単一通過利得の大きさは各々,
8.5,18.5,28.5dBである。)反射率が上の値から更に
小さくなれば、この谷と山の比は1に近づき、より高性
能な進行波形光増幅器、より完全な一方向性増幅が得ら
れる。このように、利得を大きくすればするほど反射率
を小さくする必要がある。本実施例で述べた波長変換動
作は低利得域でも実現できるが、高利得域で動作させる
ほど出力が大きく効果も大きいため、反射率値として
は、0.1 〜0.01%に設定することが望ましい。なお、こ
れまで述べてきた両端面の反射率を共に0とした構成以
外にも、0または1以外の任意の値の入力側反射率と0
の出力側反射率を持つ構成でも、入出力光に対する一方
向性増幅が確保されるため、本実施例と同様の波長変換
動作を実現できることは明らかである。本実施例では異
なる波長の2光波を入力する場合の基本動作について詳
述したが、入力波長数は2に限定されず、波長の異なる
2以上の複数の入力光に対しても同様の波長変換動作が
可能である。この場合には、任意の2光波間の非線形相
互作用により波長変換光が発生するため、各入力光の周
波数間隔を等間隔からずらせた配置にする配慮が必要で
ある。
Further, in the gain spectrum of FIG. 1 (d), no remarkable resonance peak at the longitudinal mode wavelength appears, and the semiconductor laser 11
This means that the present device, which is composed of the antireflection film 15 and the antireflection film 15, operates as a traveling waveform laser amplifier that obtains a signal gain by passing the incident light only once. Therefore, when pump light and probe light are input in the same direction as in this embodiment,
There is no light that goes back to the input side due to the reflection from the output side end face. Furthermore, the elementary process that produces the wavelength converted signal light is E 2 =
χ (3) E 0 E 1 * E 0 , so k for that wave vector
2 = 2k 0 -k 1 ≒ k 0 of the signal light traveling in the same direction as the input pump light from the phase matching condition E 2 only permitted. Thus, by the combination of the unidirectional amplification process and the phase matching condition,
In principle, the output light is configured and operated so that it is output only in the same direction as the traveling direction of the input light. Although 0.1% was shown as a guideline for the residual reflectance of both end faces, the requirement therefor strongly depends on the magnitude of the gain controlled by the amount of current injected into the optical amplifier. To do. The degree of unidirectional amplification can be evaluated as the magnitude of (modulation) in the wave of the gain (shown by the broken line in FIG. 1 (d)) due to the resonance effect appearing in the gain spectrum of FIG. 1 (d), The ratio of this wave to the valley peak (if u '/ u in Fig. 1 (d) is allowed up to 0.5, 2.4%, 0.25%, and 10% for signal gains of 10, 20 and 30 dB, respectively. The reflectance must be 0.025% or less. (At this time, the magnitude of the single pass gain is
These are 8.5, 18.5, and 28.5 dB. If the reflectance becomes smaller than the above value, the valley-to-peak ratio approaches 1, and a higher-performance traveling-wave optical amplifier and more complete unidirectional amplification can be obtained. Thus, it is necessary to reduce the reflectance as the gain is increased. The wavelength conversion operation described in the present embodiment can be realized in the low gain region, but the output is large and the effect is large as it is operated in the high gain region. Therefore, the reflectance value is preferably set to 0.1 to 0.01%. It should be noted that, in addition to the configuration in which the reflectances on both end surfaces are both set to 0 as described above, the input side reflectance and 0 at any value other than 0 or 1 are used.
Even with the configuration having the output side reflectance of 1, the unidirectional amplification with respect to the input / output light is ensured, and thus it is clear that the wavelength conversion operation similar to that of the present embodiment can be realized. Although the basic operation in the case of inputting two light waves of different wavelengths has been described in detail in the present embodiment, the number of input wavelengths is not limited to two, and the same wavelength conversion is applied to a plurality of input light of two or more different wavelengths. It is possible to operate. In this case, the wavelength-converted light is generated by the non-linear interaction between any two light waves, so it is necessary to consider the arrangement in which the frequency intervals of the respective input lights are shifted from the equal intervals.

これまでの結果から明らかなように、従来の技術に比べ
て、動作波長域の拡大,波長変換特性の広帯域化,動作
の安定化,構成の簡単化などの面で大きな改善があっ
た。なお、本装置は波長変換を行うと同時に、入力光に
対して出力光は13〜18dB程度の増幅利得を持つことが大
きな特徴であり、後述の他の実施例にあるように他の装
置と組み合わせて使用する場合にもその挿入損失を補償
できる利点がある。また、上の実験例ではポンプ光とプ
ローブ光の両者にCW光を用いたが、E2はE1 *に比例す
るため、プローブ光E1が強度変調光や周波数変調光の場
合でも、プローブ光スペクトルのレプリカが2δfだけ
中心周波数がずれた位置に波長変換される。従って、信
号伝送用の変調された光をプローブ光とし、CWポンプ
光と一緒に入力すれば、光伝送用の波長変換光増幅中継
器としても使用できる。
As is clear from the results obtained so far, there have been great improvements in comparison with the prior art in terms of expanding the operating wavelength range, broadening the wavelength conversion characteristics, stabilizing the operation, and simplifying the configuration. In addition, this device is characterized in that the output light has an amplification gain of about 13 to 18 dB with respect to the input light at the same time as performing the wavelength conversion, and is different from other devices as will be described later in other embodiments. Even when used in combination, there is an advantage that the insertion loss can be compensated. In the above experimental example, CW light was used for both the pump light and the probe light, but since E 2 is proportional to E 1 * , even if the probe light E 1 is intensity-modulated light or frequency-modulated light, The wavelength of the replica of the optical spectrum is converted to a position whose center frequency is shifted by 2δf. Therefore, if the modulated light for signal transmission is used as the probe light and is input together with the CW pump light, it can also be used as a wavelength conversion optical amplification repeater for optical transmission.

第4図は本発明の第2の実施例を説明する入出力光スペ
クトルの図であって、(a)に入力光スペクトル、(b)は出
力光スペクトルを示し、第1図(a)と同一の構成を用い
るが、入力のポンプ光とプローブ光の強度をほぼ等しく
設定する点に特徴がある。この場合にはE0inはE1inのポ
ンプ光として働くと同時にプローブ光としても働き、E2
=χ(3)E0E1 *E0の素過程で E2(f0−δf)が発生すると同
時に、E3=χ(3)E1E0 *E1の素過程で E3(f0+2δf)も発
生する。また、これら波長変換光の強度が大きい場合に
は、さらに、 E2(f0−δf)がプローブ光E0に対するポン
プ光として働きE4(f0−2δf)=χ(3)E2E0 *E2を、またE
3(f0+2δf)がプローブ光E1に対するポンプ光として働
きE5(f0+3δf)χ(3)E3E1 *E3をそれぞれ発生する。同
様の過程で、E4の低周波数側にE6,E8,・・・、E5の高
周波側にE7,E9,・・・と同じ周波数間隔δfを持って
新たな波長変換光スペクトルが順次広がっていき、2波
長入力光に対して2波以上の複数の波長変換光が得られ
るという大きな特徴を有している。
FIG. 4 is a diagram of an input / output optical spectrum for explaining the second embodiment of the present invention, in which (a) shows the input optical spectrum and (b) shows the output optical spectrum. Although the same configuration is used, the feature is that the intensities of the input pump light and the probe light are set to be substantially equal. Also act as E 0in the probe light at the same time acts as a pump light E 1in in this case, E 2
= χ (3) E 0 E 1 * E 0 occurs in the elementary process of E 2 (f 0 −δf), and at the same time E 3 = χ (3) E 1 E 0 * E 1 in the elementary process of E 3 ( f 0 + 2δf) also occurs. When the intensity of these wavelength-converted lights is high, E 2 (f 0 −δf) acts as pump light for the probe light E 0 , and E 4 (f 0 −2δf) = χ (3) E 2 E 0 * E 2 again E
3 (f 0 + 2δf) acts as pump light for the probe light E 1 and generates E 5 (f 0 + 3δf) χ (3) E 3 E 1 * E 3 . In the same process, new wavelength-converted light with the same frequency interval δf as E 6 , E 8 , ... on the low frequency side of E 4 , and E 7 , E 9 , ... on the high frequency side of E 5. It has a great feature that the spectrum is gradually spread and a plurality of wavelength-converted lights of two or more waves can be obtained with respect to the two-wavelength input light.

第5図は本発明の第1の応用例である多波長光源の構成
を説明する図である。第2の実施例に示したような多波
長出力光を持つ波長変換装置51に、各波長を分離する光
分波器52と、各波長毎に準備された飽和光増幅器53-1,
53-2,・・53-nおよび光変調器54-1,54-2,・・54-n、
最後にこれらを再び合波するための光合波器55を組み合
わせることにより多波長光源を構成することができる。
ここで、56-1,56-2,・・56-nは各光変調器の駆動装置
である。この多波長光源の特徴は、出力光波長が等間隔
に配置され、その波長間隔が波長変換器への2つの入力
光E0inはE1inの周波数差δfだけで決定されることであ
り、光周波数多重(FDM)伝送用の光源として使用で
きる。
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of a multi-wavelength light source that is a first application example of the present invention. A wavelength converter 51 having multi-wavelength output light as shown in the second embodiment, an optical demultiplexer 52 for separating each wavelength, a saturated optical amplifier 53-1 prepared for each wavelength,
53-2, ... 53-n and optical modulators 54-1, 54-2, ... 54-n,
Finally, a multi-wavelength light source can be constructed by combining an optical multiplexer 55 for multiplexing these again.
Here, 56-1, 56-2, ... 56-n are drive devices for the respective optical modulators. Features of the multi-wavelength light source, the output light wavelength is arranged at equal intervals, the two input light E 0in the wavelength spacing is the wavelength converter is to be determined only by a frequency difference δf of E 1in, light It can be used as a light source for frequency division multiplexing (FDM) transmission.

第6図(a)は本発明の第2及び第3の応用例の構成を説
明する図であって、61は第1図(a)と同一の構成(11,1
2,13,14,15)を持つ波長変換装置、62は光遅延回
路、63は光合波器、64は光分波器である。これを動作す
るには、2波長入力光(65と66)のどちらか一方(この
図面では66)に遅延時間τを与えた後、両者を光合波器
63で同一光軸上に揃え、波長変換装置61に入力する。そ
の出力光を、入力の2波長を通さず波長変換光のみを通
過させるよう設定された光分波器64(波長フィルタ)に
導き、波長変換光出力67を得る。
FIG. 6 (a) is a diagram for explaining the configuration of the second and third application examples of the present invention, and 61 is the same configuration (11, 1) as in FIG. 1 (a).
2, 13, 14, 15), 62 is an optical delay circuit, 63 is an optical multiplexer, and 64 is an optical demultiplexer. To operate this, add delay time τ to either one of the two wavelength input lights (65 and 66) (66 in this figure), and then add both to the optical multiplexer.
At 63, they are aligned on the same optical axis and input to the wavelength conversion device 61. The output light is guided to an optical demultiplexer 64 (wavelength filter) which is set to pass only the wavelength-converted light and not the two input wavelengths, and the wavelength-converted light output 67 is obtained.

第6図(b)は第2の応用例である時間幅可変光パルス発
生器の動作を時間経過に従って説明するための図であ
り、入力光65と66は各々時間幅 tp0, tp1を持つ光パル
スの形で与えられるものとする。65と66の一方がポンプ
光、他方がプローブ光である。(b)図に示すように、2
つの入力光パルスの重なりの時間幅 tp2を持つ光パルス
が出力光67として得られる。これは、この波長変換の素
過程がE2=χ(3)E3E1 *Eで表されるように、入力光E0
とE1 *が同時に存在する時にのみE2が発生するためであ
る。従って、入力光パルス幅 tp0, tp1が比較的長いも
のであっても、光遅延回路62により遅延時間τを変化さ
せることにより任意のパルス幅を持つ出力光を得ること
ができる。
FIG. 6 (b) is a diagram for explaining the operation of the time width variable optical pulse generator which is the second application example with the passage of time, and the input lights 65 and 66 have time widths t p0 and t p1 respectively . It shall be given in the form of a light pulse that it has. One of 65 and 66 is pump light and the other is probe light. (b) As shown in the figure, 2
An optical pulse having a time width t p2 of the overlap of two input optical pulses is obtained as the output light 67. This is because, as elementary processes of this wavelength conversion is represented by the E 2 = χ (3) E 3 E 1 * E, the input light E 0
This is because E 2 occurs only when and E 1 * exist at the same time. Therefore, even if the input light pulse widths t p0 and t p1 are relatively long, it is possible to obtain output light having an arbitrary pulse width by changing the delay time τ by the optical delay circuit 62.

第6図(c)は第3の応用例である光入力による光変調器
動作を時間経過に従って説明するための図であり、入力
光65は被変調光として入力されるモード同期レーザから
の繰り返し一定の時間幅の狭いパルス列、入力光66は65
のパルス繰り返し時間より広い時間幅を持つ変調光であ
る。2つの入力光の時間重なりとして出力が得られるた
め、出力光67は65のパルス列が入力光66で変調された光
波形となる。言い換えれば、パルス打ち抜きが行える。
この時、入力光65のパルス幅が狭くなるほどそのスペク
トル幅が広がるため、65と66の入力光のスペクトルが光
周波数軸上で重ならないように両者の離調δfを大きく
取る必要がある。さらに、入力光65のパルス列の光強度
を入力光66に比べて大きくし、ポンプ光として働かせた
場合には、E2=χ(3)E0E1 *E0の式からポンプ光電界E0
2乗にE2が比例するため、65の入力パルスに比べて出力
のパルス幅は狭くなる。すなわち、この波長変換器は、
光パルス圧縮器として機能する。
FIG. 6 (c) is a diagram for explaining the operation of the optical modulator by the optical input according to the third application example with the passage of time, and the input light 65 is repetitive from the mode-locked laser input as the modulated light. 65 pulse trains with a narrow constant time width and 66 input light
The modulated light has a time width wider than the pulse repetition time of. Since the output is obtained as the time overlap of the two input lights, the output light 67 has an optical waveform in which a pulse train of 65 is modulated by the input light 66. In other words, pulse punching can be performed.
At this time, the narrower the pulse width of the input light 65 is, the wider the spectrum width thereof is. Therefore, it is necessary to take a large detuning δf between the two so that the spectra of the input lights 65 and 66 do not overlap on the optical frequency axis. Further, when the light intensity of the pulse train of the input light 65 is made larger than that of the input light 66 and it is made to act as the pump light, the pump light electric field E is calculated from the formula of E 2 = χ (3) E 0 E 1 * E 0. Since E 2 is proportional to the square of 0 , the pulse width of the output becomes narrower than the input pulse of 65. That is, this wavelength converter
Functions as an optical pulse compressor.

第6図(a),(b),(c)では、第1図(b),(c)に示した場
合のように、2入力光のうち一方が他方に比べて光強度
が弱く、1つの波長変換光出力が得られる場合について
説明したが、第4図に示した第2の実施例のように、2
つの入力光強度をほぼ等しく設定して動作させることも
できる。この場合には、分波器64を複数の波長変換光波
長を個別に取り出せるように設定する必要があるが、2
波長入力光に対して、時間幅可変でかつ互いのパルス幅
が揃った複数の光出力を、あるいは、同じパターンで打
ち抜かれた複数の短パルス列を簡単に得ることができ
る。
In FIGS. 6 (a), (b), and (c), one of the two input lights has a weaker light intensity than the other, as shown in FIGS. 1 (b) and (c). The case where one wavelength-converted light output is obtained has been described, but as in the second embodiment shown in FIG.
It is also possible to operate by setting the two input light intensities to be substantially equal. In this case, it is necessary to set the demultiplexer 64 so that a plurality of wavelength-converted light wavelengths can be individually taken out.
With respect to the wavelength input light, it is possible to easily obtain a plurality of optical outputs whose time widths are variable and whose pulse widths are uniform, or a plurality of short pulse trains punched out in the same pattern.

第7図(a)は本発明の第4の応用例である光論理素子の
構成を説明する図であって、71は第1図(a)と同一の構
成(11,12,13,14,15)を持つ波長変換装置、72は光
合波器、73は光分波器である。入力側では、波長変換を
行うための2波長入力光(74と75)とこれから1000GHz
以上周波数が高い第3の入力光76が光合波器72で同一光
軸上に揃えられ、波長変換装置71に入力される。その出
力光は光分波器73に導かれ、74と75の入力光から生じる
波長変換光出力77、入力74,75の2波長の和からなる出
力光78、入力76の波長のみを持つ出力光79の3つが個別
に取り出される。
FIG. 7 (a) is a diagram for explaining the configuration of the optical logic element which is the fourth application example of the present invention, and 71 is the same configuration (11, 12, 13, 14 as in FIG. 1 (a). , 72) is a wavelength converter, 72 is an optical multiplexer, and 73 is an optical demultiplexer. On the input side, dual wavelength input light (74 and 75) for wavelength conversion and 1000 GHz from now on
The third input light 76 having a higher frequency is aligned on the same optical axis by the optical multiplexer 72 and input to the wavelength conversion device 71. The output light is guided to the optical demultiplexer 73, and the wavelength-converted light output 77 generated from the input light of 74 and 75, the output light 78 composed of the sum of the two wavelengths of the inputs 74 and 75, and the output having only the wavelength of the input 76 Three of the lights 79 are taken out individually.

第7図(b)は上記光論理素子への入力のスペクトルと進
行波形レーザ増幅器の増幅利得スペクトルとの関係並び
に各入力光の機能を説明するための図である。入力光7
4,75は数GHz程度の間隔で波長変換動作が生じるよう
に配置され、これらが波長変換装置71に入力された時に
は、その増幅利得スペクトルが未飽和時の80から飽和時
の81に変化するようなパワーレベルに設定されているも
のとする。一方、入力光76は単独では利得飽和を生じな
いパワーレベルに設定した上で、飽和時に未飽和利得か
らの減少が大きい光周波数域(入力光76は74,75に比べ
て高周波側)に配置する。入力光76は74,75から少なく
とも1000GHz以上離れているため、この周波数差にはキ
ャリアの変動は追随できず、74と76の間あるいは75と76
の間では波長変換動作は生じない。ここでは、入力光76
は他の入力光74,75によって生じる増幅利得の飽和の状
態を検出するために用いられる。従って、本光論理素子
への入力信号A,Bは入力光74と75の2つであり、入力
光76は後で述べるようにA,Bの入力に対する“否定”
を取るための制御光となる。本実施例の装置で光論理動
作を実現するには、次に説明するように入力光74,75,
76のうちどれか2つ、あるいは3つを同時に入力すれば
よい。
FIG. 7 (b) is a diagram for explaining the relationship between the spectrum of the input to the optical logic element and the amplification gain spectrum of the traveling waveform laser amplifier and the function of each input light. Input light 7
4, 75 are arranged so that wavelength conversion operation occurs at intervals of about several GHz, and when these are input to the wavelength conversion device 71, their amplification gain spectrum changes from 80 when they are unsaturated to 81 when they are saturated. It is assumed that the power level is set as follows. On the other hand, the input light 76 is set to a power level that does not cause gain saturation by itself, and then placed in the optical frequency range where the decrease from the unsaturated gain is large when saturated (the input light 76 is on the high frequency side compared to 74 and 75). To do. Since the input light 76 is separated from 74 and 75 by at least 1000 GHz or more, the carrier fluctuation cannot follow this frequency difference, so that between 74 and 76 or between 75 and 76.
No wavelength conversion operation occurs between the two. Here, the input light 76
Is used to detect the state of amplification gain saturation caused by the other input lights 74, 75. Therefore, the input signals A and B to the present optical logic element are the two input lights 74 and 75, and the input light 76 is a "negative" input to A and B as described later.
It becomes the control light for taking. In order to realize the optical logic operation with the device of this embodiment, the input light 74, 75,
You can enter any two or three of the 76 at the same time.

第7図(c)は本装置における光論理動作を時間経過に従
って説明するための図であり、入力光74,75,76は各々
“1”と“0”を表すパルス列として図のように与えら
れているものとする。同図では、各入出力光に対して
“1”と“0”の論理値を対応させる光レベルは異なる
が、これらを規格化した形で示す。まず、入力信号A,
Bとして74と75の2つを入力する場合について説明す
る。図に示すように、両入力光が共に“1”の場合にの
み波長変換が生じ、出力光77には“1”が出力され、入
力のどちらか一方が“0”の場合には“0”が出力され
る。従って、出力77は入力A,Bに対するAND(論
理:A・B)出力を与える。また、光出力78では両入力
光を通すフイルターを使用することにより、両入力光の
和が得られるため両入力光が“0”の時のみ光が存在せ
ず、出力は“0”となる。従って、出力78は入力A,B
に対するOR(論理和:A+B)出力を与える。なお、
この場合には、2入力信号光74,75と同時に制御光76が
存在しても、76は利得飽和が起こらないほど小さな光で
あるため、出力77や78の理論出力結果には影響を与えな
い。
FIG. 7 (c) is a diagram for explaining the optical logic operation in this device according to the passage of time, and the input lights 74, 75, and 76 are given as pulse trains representing "1" and "0" as shown in the figure. It is supposed to be. In the figure, although the light levels that correspond to the logical values of "1" and "0" are different for each input / output light, they are shown in a standardized form. First, the input signal A,
A case of inputting 74 and 75 as B will be described. As shown in the figure, wavelength conversion occurs only when both input lights are "1", "1" is output to the output light 77, and "0" is output when either one of the inputs is "0". Is output. Therefore, the output 77 gives an AND (logic: AB) output for the inputs A and B. In addition, since a sum of both input lights is obtained by using a filter that allows both input lights to pass through at the optical output 78, there is no light only when both input lights are "0", and the output becomes "0". . Therefore, output 78 is input A, B
OR (logical sum: A + B) output for In addition,
In this case, even if the control light 76 exists at the same time as the two input signal lights 74 and 75, since the light 76 is so small that the gain saturation does not occur, it does not affect the theoretical output results of the outputs 77 and 78. Absent.

次に、入力信号A(74)と制御光76の2つを入力する場合
について説明する。制御光76に対応する出力光79では、
信号Aに光が存在するとき(“1”)には利得飽和によ
り光出力が減少し(“0”)、逆に信号Aに光が存在し
ない場合には(“0”)、制御光79は大きな未飽和利得
で増幅され79の光出力は増加する(“1”)。従って、
出力79は入力Aに対するNOT(否定:)出力を与え
る。同様に、入力信号B(75)と制御光76の2つを入力し
た場合には、出力79でBの否定が得られる。なお出力76
が“0”のとき、出力79も“0”のままである。
Next, a case where the input signal A (74) and the control light 76 are input will be described. In the output light 79 corresponding to the control light 76,
When light is present in the signal A (“1”), the light output is reduced due to gain saturation (“0”). Conversely, when there is no light in the signal A (“0”), the control light 79 Is amplified with a large unsaturated gain and the optical output of 79 increases (“1”). Therefore,
Output 79 provides the NOT output for input A. Similarly, when two of the input signal B (75) and the control light 76 are input, the negation of B is obtained at the output 79. Output 76
Is "0", the output 79 also remains "0".

また、入力信号A(74),B(75)と制御光76の3つを同時
に入力した場合には、出力光79のレベルは2入力光がと
もに“0”、どちらか一方が“1”、ともに“1”とな
るに従って減少し、3つの光レベルを持つ。このうち上
の2つの光レベルをこの出力の“1”と“0”の論理レ
ベルと設定すれば、これは入力AとBに対するNOR 出力を与える。また、このうち下の2つの光レベルをこ
の出力の“1”と“0”の論理レベルと設定すれば、入
力AとBに対するNANAD 出力が得られる。先に述べたOR出力や、ここで示した
NOR出力,NAND出力を得るためには、図に示した
ように適当な光レベルに“0”,“1”の論理レベルを
対応させる必要があるが、これは、各々の光レベルに設
定されたしきい値を持つ光双安定素子を各光出力端子に
接続することにより、容易に実現できる。
When three input signals A (74) and B (75) and the control light 76 are input at the same time, the levels of the output light 79 are “0” for both two input lights and one is “1”. , Both have a light level of 3 and have three light levels. If the upper two light levels are set as the logic level of "1" and "0" of this output, this is the NOR for inputs A and B. Give output. Also, if the lower two light levels are set as the logical levels of "1" and "0" of this output, the NANAD for the inputs A and B is set. Output is obtained. In order to obtain the above-mentioned OR output, NOR output, and NAND output shown here, it is necessary to make the logic levels of "0" and "1" correspond to appropriate light levels as shown in the figure. However, this can be easily realized by connecting an optical bistable element having a threshold value set for each light level to each light output terminal.

なお、第7図(a),(b),(c)では第1図(b),(c)に示し
た場合のように、2入力光のうち一方が他方に比べて光
強度が弱く、1つの波長変換光出力が得られる場合につ
いて説明したが、第4図に示す第2図の実施例のよう
に、2つの入力光強度をほぼ等しく設定して動作させる
こともできる。この場合には、分波器73を複数の波長変
換光波長を個別に取り出せるように設定する必要がある
が、2入力A,Bに対するAND出力を複数の光波長で
取り出すことができ、OR出力に比べて光出力の小さい
AND出力端子のファンアウトを大きくできる利点があ
る。
In FIGS. 7 (a), (b) and (c), one of the two input lights has a weaker light intensity than the other, as shown in FIGS. 1 (b) and (c). The case where one wavelength-converted light output is obtained has been described, but it is also possible to operate by setting two input light intensities substantially equal to each other as in the embodiment of FIG. 2 shown in FIG. In this case, it is necessary to set the demultiplexer 73 so that a plurality of wavelength-converted light wavelengths can be individually taken out, but the AND outputs for the two inputs A and B can be taken out at a plurality of light wavelengths, and the OR output. Compared with, there is an advantage that the fan-out of the AND output terminal having a small optical output can be increased.

これまでの全ての実施例では、第1図(a)に示すような
活性層と平行な面内で光が導波され共振器を構成する通
常の半導体レーザ11をベースとする波長変換装置につい
て説明を行ってきたが、本発明の主眼である非縮退四光
波混合に基づく高性能な波長変換機能は、高利得,広帯
域な半導体増幅媒質を高効率な光非線形媒質として使用
することにより始めて可能となるものである。従って、
通常の半導体レーザだけでなく、活性層面と垂直方向に
短い光共振器が形成される、いわゆる面発光レーザにお
いても高精度な反射防止膜を施すことにより、高性能な
波長変換装置を実現できることは論を持たない。
In all of the above-described embodiments, a wavelength conversion device based on a normal semiconductor laser 11 in which light is guided in a plane parallel to the active layer and constitutes a resonator as shown in FIG. 1 (a) is used. As described above, the high-performance wavelength conversion function based on non-degenerate four-wave mixing, which is the main object of the present invention, is possible only by using a high gain, broadband semiconductor amplification medium as a highly efficient optical nonlinear medium. It will be. Therefore,
It is not possible to realize a high-performance wavelength conversion device by applying a highly accurate antireflection film not only to a normal semiconductor laser but also to a so-called surface emitting laser in which an optical resonator short in the direction perpendicular to the active layer surface is formed. Have no argument.

(発明の効果) 以上説明したように、半導体レーザの両端面の反射を無
くし、高利得,広帯域な半導体増幅媒質とした進行波形
レーザ増幅器に周波数の異なる2光波を同一進行方向に
入射する本発明の波長変換方法及び装置は、高効率,広
帯域,高安定,一方向性出力等の特徴を持つ高性能な波
長変換動作を実現できるため、多波長光源、時間幅可能
の光パルス発生、光制御による光パルス打ち抜き、光論
理素子に容易に応用できる利点がある。
(Advantages of the Invention) As described above, the present invention in which two light waves having different frequencies are incident in the same traveling direction on a traveling waveform laser amplifier which eliminates reflection on both end faces of a semiconductor laser and is a semiconductor gain medium having a high gain and a wide band. The wavelength conversion method and device of the present invention can realize a high-performance wavelength conversion operation having features such as high efficiency, wide band, high stability, and unidirectional output. It has an advantage that it can be easily applied to optical pulse punching and optical logic devices.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図(a)は第1の実施例である本発明装置の構成図、
第1図(b)、(c)は本発明装置に使用する入力光のスペク
トルおよび得られる出力光スペクトル、第1図(d)は本
発明装置の主要部分である進行波形レーザ増幅器の特徴
を最も良く表している広帯域な増幅利得スペクトル、第
2図(a)〜(g)は第1の実施例である波長変換動作を表す
出力光スペクトルの実験結果、第3図は第2図の実験結
果である信号光、ポンプ光,プローブ光出力の離調周波
数に対するプロットであり、波長変換動作の広帯域性を
示す。第4図(a),(b)は第2の実施例である2波以上の
波長変換出力光を得るための波長変換装置の入力光及び
出力光スペクトル、第5図は第1の応用例である多波長
光源の構成図、第6図(a)は第2および第3の応用例の
構成図、第6図(b)は第2の応用例である時間幅可変光
パルス発生器の動作を説明するための図、第6図(c)は
第3の応用例である光変調器の動作を説明するための図
である。第7図(a)は本発明の第4の応用例である光論
理素子の構成図、第7図(b)はその動作を実現するため
に必要な各入力光の配置を説明するための図、第7図
(c)は本装置で実現できる種々の論理動作を説明するた
めの図を示す。 11……半導体レーザ 12……活性層導波路 13,14……電流注入端子 15……反射防止膜 16……合波器 17……入力光 18……出力光 51……2波以上の波長変換出力光を持つ波長変換装置 52……光分波器 53-1,53-2,…53-n……飽和光増幅器 54-1,54-2,…54-n……光変調器 55……光合波器 56-1,56-2,…56-n……光変調器駆動装置 61……波長変換装置 62……光遅延回路 63……光合波器 64……光分波器 65,66……2波長入力光 67……波長変換出力光 71……波長変換装置 72……光合波器 73……光分波器 74,75……波長変換動作に関与する2波長入力光(入力
信号:A,B) 76……高周波側に配置された弱い第3の入力光(制御
光) 77……波長変換出力光(AND出力) 78……入力(74,75)の2波長の和からなる出力光(OR
出力) 79……制御光入力76の出力光(否定出力) 80……入力光がない場合の未飽和利得スペクトル 81……入力光(74,75)がある場合の飽和利得スペクトル
FIG. 1 (a) is a block diagram of a device of the present invention which is a first embodiment,
FIGS. 1 (b) and 1 (c) show the spectrum of the input light used in the device of the present invention and the obtained output light spectrum, and FIG. 2A to 2G show the experimental result of the output optical spectrum showing the wavelength conversion operation of the first embodiment, and FIG. 3 shows the experiment of FIG. It is a plot of the resulting signal light, pump light, and probe light output with respect to the detuning frequency, and shows the wide band property of the wavelength conversion operation. 4 (a) and 4 (b) are input light and output light spectra of the wavelength conversion device for obtaining wavelength-converted output light of two or more waves according to the second embodiment, and FIG. 5 is a first application example. FIG. 6 (a) is a block diagram of a multi-wavelength light source, FIG. 6 (a) is a block diagram of second and third application examples, and FIG. 6 (b) is a second application example of a time width variable optical pulse generator. FIG. 6C is a diagram for explaining the operation, and FIG. 6C is a diagram for explaining the operation of the optical modulator which is the third application example. FIG. 7 (a) is a block diagram of an optical logic device which is a fourth application example of the present invention, and FIG. 7 (b) is a diagram for explaining the arrangement of each input light necessary for realizing the operation. Figure, Figure 7
(c) is a diagram for explaining various logical operations that can be realized by this device. 11 …… Semiconductor laser 12 …… Active layer waveguide 13,14 …… Current injection terminal 15 …… Anti-reflection film 16 …… Multiplexer 17 …… Input light 18 …… Output light 51 …… Two or more wavelengths Wavelength converter with converted output light 52 …… Optical demultiplexer 53-1,53-2,… 53-n …… Saturation optical amplifier 54-1,54-2,… 54-n …… Optical modulator 55 ...... Optical multiplexer 56-1,56-2,… 56-n …… Optical modulator driver 61 …… Wavelength converter 62 …… Optical delay circuit 63 …… Optical multiplexer 64 …… Optical demultiplexer 65 , 66 …… 2-wavelength input light 67 …… Wavelength conversion output light 71 …… Wavelength converter 72 …… Optical multiplexer 73 …… Optical demultiplexer 74,75 …… 2-wavelength input light (wavelength conversion operation) Input signal: A, B) 76 ... weak third input light (control light) placed on the high frequency side 77 ... Wavelength conversion output light (AND output) 78 .... Two wavelengths of input (74, 75) Output light composed of sum (OR
Output) 79 …… Control light input 76 output light (negative output) 80 …… Unsaturated gain spectrum when there is no input light 81 …… Saturation gain spectrum when there is input light (74, 75)

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体レーザの光共振器面に反射防止膜を
施した光増幅器に、互いの偏波面が直交していない、周
波数の異なる2光波を同一方向に入力することにより、
入力光の進行方向に波長変換された出力光を取り出すこ
とを特徴とする半導体レーザ波長変換方法。
1. An optical amplifier having an antireflective film formed on an optical resonator surface of a semiconductor laser, by inputting two light waves having different frequencies, whose polarization planes are not orthogonal to each other, in the same direction,
A semiconductor laser wavelength conversion method, characterized in that output light whose wavelength is converted in the traveling direction of input light is extracted.
【請求項2】電流注入端子を備えた半導体レーザの光共
振器面に反射防止膜を施した半導体光増幅器及び、その
入力側に光合波器を具備することを特徴とする半導体レ
ーザ波長変換装置。
2. A semiconductor laser wavelength converter comprising a semiconductor optical amplifier having an optical resonator surface of a semiconductor laser provided with a current injection terminal and an anti-reflection film, and an optical multiplexer on its input side. .
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