JPH0661975A

JPH0661975A - 光分離装置

Info

Publication number: JPH0661975A
Application number: JP4210488A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Jinno; 正彦神野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1992-08-06
Filing date: 1992-08-06
Publication date: 1994-03-04

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、単純な構成で、受光素子と
集積化することもできる光分離装置を提供することであ
る。【構成】本発明は、Ｎ個の半導体光導波路のそれぞれ
が、半導体光導波路方向に少なくとも２個に電極を分割
して電気的に隔離され、光学的に縦列に接続された少な
くとも２段の半導体光導波路４、９からなり、光分割器
２で分割された光信号列３の入射側の二段以上の半導体
光導波路４に、入力信号光１に同期した周期電界を印加
して透過率を周期的に変化させ、時分割された入力光信
号光１のうちＮタイムスロット毎に入力光信号光１を通
過させ、最後の段の半導体光導波路９に一定の電界を印
加し、半導体光導波路のそれぞれ吸収された光のビット
レートを電気信号５，６，７，８に変換して取り出す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光分離装置に係り、特
に、光通信装置に用いられ、特に時分割多重されたビッ
トレート数１０Ｇb/s 以上の超高速光信号をビットレー
トの低い複数チャネルの電気信号列として出力する光分
離装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在実用に供されている光通信システム
において、伝送路容量を増加させるために電子回路によ
って、データの時分割多重化が行われ、一本の光ファイ
バで１．８Ｇb/s のデータの伝送が実現されている。現
状の電子回路の応答速度制限(10 −２０Ｇｂ／ｓ）を打
破し、一層の高多重化を実現するための手段として、光
学的にデータの時分割多重／分離を行う方法が考えられ
ている。この方法は、デューティ比の小さな短光パルス
列を外部変調器で変調してデータを乗せ、これを何チャ
ネルか光学的に足し合わせて（多重化して）、高ビット
レートの光信号列を作り出して伝送し、伝送後、これを
光学的にもとのチャネル毎に分離する方法である。短パ
ルス列を光学的に多重化するのは、損失さえ問題にしな
ければ光スターカップラを用いれば容易に行うことがで
きる。

【０００３】これに対し、光学的な分離は、非常に高速
の光スイッチが必要になり、これを実現するために現在
まで、以下に述べるような、電気光学効果、或いは光カ
ー効果を利用した２×２の光スイッチを用いる方法が提
案されている。

【０００４】図５は、従来の構成を説明するための図を
示す。同図は、例として４チャネル多重された光信号を
各チャネル毎に分離する場合について説明するものであ
る。４チャネル時間分割多重化された光信号１（ビット
レートＢｂ／ｓ）は、２×２光スイッチ１４に入力され
る。光スイッチ１４は、Ｂ／２Ｈｚで入力信号を交互に
２つの出力ポートに出力する。従って、一方の出力ポー
トからは、チャネルＡとチャネルＣの信号１７が、他方
からは、チャネルＢとチャネルＤの信号１８がそれぞれ
出力される。それぞれの信号１７、１８は、次の２×２
光スイッチ１５、１６に入力される。光スイッチ１５、
１６はＢ／４Ｈｚで入力信号を交互に２つの出力ポート
に出力する。従って、２×２光スイッチ１５の一方の出
力ポートからは、チャネルＡの光信号５が、他方からは
チャネルＣの信号６がそれぞれ出力される。同様に、光
スイッチ１６の一方の出力ポートからは、チャネルＢの
信号７が、他方からは、チャネルＤの信号８がそれぞれ
出力される。

【０００５】ここで、光スイッチとして用いられた２×
２光スイッチには、ＬｉＮｂＯ３結晶上に形成されたマ
ッハツェンダ型干渉計の光路長を、電界を印加すること
により電気光学効果を介して変化させるスイッチや、光
ファイバで干渉計を形成し、光路長を高強度の光パルス
を伝播させることで、光カー効果を介して変化させるス
イッチがある。前者のスイッチを用いた光分離装置は、
R.S Tuckerらによる「16 Gb/s fiber transmission exp
eriment using optical time-division multiplexing,
Electronics Letters, vol, 23, pp. 1270-1271, 1987
」に詳細に述べられている。また、後者のスイッチを
用いた方法については、高田らによる「Demultiplexing
of 40-Gb/s optical signal to 2.5 gb/s using a non
linear fiber loop mirror driven by amplified, agai
n-switched laser diode, Technical digest of OFC '9
1, YuN3,1991」に詳述されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光カー
効果を利用した２×２光スイッチは、非常にピークパワ
ーが大きく、高繰り返しの極短光パルスを用意しなけれ
ばならず、装置規模が増大する。また、集積化が困難で
あるという問題もある。

【０００７】さらに、電気光学効果を利用した２×２光
スイッチは、構造が比較的複雑であり、受光素子との集
積化も困難である。

【０００８】本発明は、上記の点に鑑みなされたもの
で、単純な構成で、受光素子と集積化することもできる
光分離装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、伝送路から入
力された時間分割多重化されたビットレートがＢ（bit/
s)の入力光信号光をＮ個に分割する光分割器と、光分割
器により分割された光信号列が入力され、Ｎチャネルの
電気信号列に分離して出力するＮ個の半導体光導波路を
含む光分離装置において、Ｎ個の半導体光導波路のそれ
ぞれが、半導体光導波路方向に電極を少なくとも２個に
分割され、電気的に隔離され、光学的に縦列に接続され
た少なくとも２段の半導体光導波路からなり、光分割器
で分割された光信号列の入射側の二段あるいは、複数段
の半導体光導波路に、入力信号光に同期した周期電界を
印加して透過率を周期的に変化させ、時分割された入力
光信号光のうちＮタイムスロット毎に入力光信号光を通
過させ、最後の段の半導体光導波路に一定の電界を印
加し、半導体光導波路のそれぞれ吸収された光のビット
レートをＢ／Ｎ（bit/s)電気信号に変換して取り出す。

【００１０】

【作用】本発明の光分離装置は、半導体光導波路中の電
界吸収効果に基づくものである。この電界吸収効果は、
半導体に電界を印加したときに、吸収端が長波長側にシ
フトする効果であり、通常のバルク材料、多重量子井戸
構造材料においても観測される。

【００１１】この電界吸収効果を利用した半導体光導波
路は、それ自体のＲＣ時定数で決まる高速性を有し、数
ボルトの印加電圧により２０dB以上吸収率が変化するた
め、非常に高速な光ゲートとして用いることができ、時
分割多重された信号列の中から必要なタイムスロットの
信号だけを通過させることができる。

【００１２】また、このような半導体光導波路に、一定
の電圧を印加しておけば、入力された光は全て吸収され
て光電流として外部に取り出すことができるため、同一
の素子を非常に高速な受光素子として用いることもでき
る。従って、ひとつの半導体光導波路の電極を２つに分
割して電気的に独立させることにより、光ゲートと受光
素子を縦列に接続し、時分割多重された光信号を、複数
の低ビットレートの電気信号として出力させることがで
きる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき詳細に
説明する。

【００１４】図１は、本発明の第１の実施例の構成を示
す。例として４チャネル多重された光信号を各チャネル
毎に分離する場合（Ｎ＝４）について説明する．１つの
半導体光導波路の電極を２分割し、入力側の半導体光導
波路４は印加電界に応じて透過率が変化する光ゲートと
して機能させ、残りの半導体光導波路９は一定の電圧を
印加して受光素子として機能させる。入力光信号１は、
時分割多重されたビットレートＢ（ｂ／ｓ）の光信号で
あり、入力光信号１の上に書かれているＡからＤの文字
は、各タイムスロットを表している。光分割器２は入力
光信号１を４分割する。入力光信号１は、光分割器２に
より４分割された光信号３となる。光信号５、６、７及
び８は、半導体光導波路４、９を介して出力されたビッ
トレートＢ／４（ｂ／ｓ）の光信号である。

【００１５】４チャネル時間分割多重化された光信号１
（ビットレートＢｂ／ｓ）は、必要であれば、光増幅
器で増幅された後、１×４光分割器２に入力される。光
分割器２は、入力光信号１を４分割して、４つの出力ポ
ートに出力する。分割された光信号３₁〜３₄は、それ
ぞれ４つの半導体光導波路４₁〜４₄に入力される。

【００１６】入力側の半導体導波路４₁〜４₄には、周
期的に電界が印加されることにより、半導体光導波路４
₁〜４₄の透過率が周期的に変化し、時分割多重化され
た入力信号列３₁〜３₄のうちからＮ（＝４）タイムス
ロット毎に光信号を通過させる。このとき、それぞれの
印加電圧の位相は、各光ゲート間で３６０／Ｎ度（＝９
０度）ずつずらし、各光ゲートを開いている時間を入力
光信号１のタイムスロットＡからＤに対応させる。この
ようにするこにより、各光ゲート（半導体光導波路４₁
〜４₄）からは、ＡからＤのタイムスロットの光だけが
出力されることになる。

【００１７】分離された各々の光信号は、電気的には独
立し、光学的には結合された受光素子９（半導体光導波
路）が光信号５〜８を出力することにより、外部に取り
出すことができる。

【００１８】このようなＮ個の半導体光導波路は一つの
ウエハの上にアレイ上に作製することもできる。

【００１９】光ゲートして働く入力側の半導体光導波路
４の電界吸収率をＮタイムスロット毎に減じてＮタイム
スロット毎に光信号を通過させるには、以下のような半
導体光導波路中の電界効果を利用する。これは、半導体
に電界を印加したときに、吸収端が長波長側にシフトす
る効果であり、通常のバルク材料においても、多重量子
井戸構造（電子親和力の大きな材料と小さな材料を交互
に積層し、これらの層の厚さを電子の量子力学的波長と
同程度以下にした構造）材料においても観測される。多
重量子井戸構造においては、室温における急峻な励起子
吸収を反映してわずかな電界の変化により急激な吸収変
化が得られ、これをパルク材料における電界効果（Fran
z-Keldysh 効果）と区別して、量子閉じ込めスターク効
果と呼ぶ。

【００２０】これらに電界による透過率変化α（Ｖ）
は、次のような式で表される。

【数１】上記の式において、ｋ，Ｖ₀は定数、Ｖは印加電圧、ｎ
は透過率変化の鋭さを表す指数で、バルク材料の場合１
〜２、多重量子井戸構造の場合には３〜４程度である。
この印加電界と透過率の関係について説明する。

【００２１】図２は本発明の第１の実施例の半導体中の
電界効果を利用する半導体光導波路の動作を説明するた
めの図である。同図（ａ）は印加電界と透過率の関係を
示し、縦軸、横軸ともに任意の目盛であり、このとき、
定数Ｖ₀＝１、ｎ＝２，４とする。同図（ｂ）に示すよ
うに、通過させたいタイムスロットの間だけ（同図の場
合は、タイムスロットＡ）印加電圧がオフとなるような
信号電圧を入力側電極となる半導体光導波路４に印加し
てやれば、同図（ｄ）に示すような透過波形が得られ
る。従って、タイムスロットＡの信号だけが、次に続く
受光素子に到達することができる。

【００２２】この場合の印加電圧信号には、最終的に分
離された後の信号出力の周波数からそのＮ倍程度の高い
周波数成分までが含まれている。このような広い周波数
成分を含む高周波電圧信号を用意することが困難な場合
は、次のような方法を用いることもできる。

【００２３】図２（ａ）に示したように、印加電界と透
過率の関係は非線形である。そこで、入力側の電極に印
加する電圧信号として、周波数Ｂ／Ｎ（Ｈｚ，Ｎ＝４）
で、しかも図２（ｃ）に示すように比較的大きなバイア
ス電圧と振幅の正弦波電圧を用いることで、光透過波計
としては、デューティ比（光ゲートが開いている時間と
閉じている時間との比）の小さな波形が得られる。この
ようにして、周波数Ｂ／Ｎの単一周波数の低周波正弦波
電圧を印加するだけで、時分割多重された光信号から、
任意の１タイムスロットを抜き取ることができる。

【００２４】図３は、本発明の第２の実施例の構成を示
し、図４は、第２の実施例で用いる半導体光導波路の動
作を説明するための図を示す。図３は、図１の構成の入
力側の半導体光導波路４をさらに分割した例である。

【００２５】入力側の光ゲートとして用いる半導体光導
波路４をさらに４ａと４ｂに分割して、それぞれに図４
（ａ）に示すような正弦波電圧を印加してもよい。以下
にその場合の動作を説明する。

【００２６】４つの半導体光導波路（光ゲート）４ａ₁
〜４ａ₄には、図４（ａ）に示すような周波数Ｂ／２
（Ｈｚ）の正弦波電圧を加え、周波数Ｂ／２（Ｈｚ）で
入力信号をオンオフし、しかもそのうちの２つの光ゲー
トは、残りの２つの光ゲートと、互いにπの位相差を以
て動作するようにすると、それぞれの光ゲートからは、
１タイムスロットおきに光信号が出力され、時分割多重
された光信号１は、ビットレートが１／２の２チャネル
の光信号列に変換される。

【００２７】次に、２段目の光ゲート４ａ₁〜４ａ₄に
図４（ａ）に示すような周波数Ｂ／４（Ｈｚ）の正弦波
電圧を加え、光ゲート４ｂ₁〜４ｂ₄をＢ／４の周波数
でオンオフしてやれば、ビットレートを１／４に落とし
ていくことができる。これらは、最終段に配置した受光
素子（半導体光導波路）９によって光電流に変換され
る。その結果、各々のチャネルに分割された４チャネル
の信号５〜８を得る。

【００２８】なお、上記の実施例では、Ｎが４の場合に
ついて説明したが、一般に、Ｎ＝２ ^M（Ｍは自然数）の
場合には、光ゲートはＭ個必要であり、これは、半導体
光導波路を導波路方向にＭ個に電極を分割することで実
現され、それぞれの光ゲート４ａには正弦波電圧を印加
し、その繰り返しは、ｍ番目の半導体光導波路において
Ｂ／２^m（Ｈｚ）のように設定すればよい。ここで、ｍ
は自然数である。

【００２９】

【発明の効果】上述のように、本発明の光分離装置は、
同一の構造で縦列に配置された半導体光導波路を用いて
電極を分割することにより、光ゲートと受光素子という
２つの機能を実現できるため、光ゲートと受光素子の集
積化が容易であり、時分割多重された超高速光信号の中
から目的とするタイムスロットの光信号だけを抽出して
電気信号に変換できるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成図である。

【図２】本発明の第１の実施例の半導体中の電界効果を
利用する半導体光導波路の動作を説明するための図であ
る。

【図３】本発明の第２の実施例の構成図である。

【図４】本発明の第２の実施例で用いる半導体光導波路
の動作を説明するための図である。

【図５】従来の構成を説明するための図である。

【符号の説明】

１入力光信号２光分割器３分割された光信号４半導体光導波路４ａ１段目の光ゲート（半導体光導波路）４ｂ２段目の光ゲート（半導体光導波路）５，６，７，８分離されたビットレートの光信号９半導体光導波路（受光素子）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】伝送路から入力された時間分割多重化さ
れたビットレートがＢ（bit/s)の入力光信号光をＮ個に
分割する光分割器と、該光分割器により分割された光信
号列が入力され、Ｎチャネルの電気信号列に分離して出
力するＮ個の半導体光導波路を含む光分離装置におい
て、該Ｎ個の半導体光導波路のそれぞれが、該半導体光導波
路方向に電極を少なくとも２個に分割され、かつ電気的
に隔離され、光学的に縦列に接続された少なくとも２段
の半導体光導波路からなり、該光分割器で分割された光信号列の入射側の二段あるい
は、複数段の半導体光導波路に入力信号光に同期した周
期電界を印加して透過率を周期的に変化させ、時分割さ
れた該入力光信号光のうちＮタイムスロット毎に該入力
光信号光を通過させ、最後の段の半導体光導波路に一定の電界を印加し、該半
導体光導波路のそれぞれ吸収された光のビットレートを
Ｂ／Ｎ（bit/s)電気信号に変換して取り出すことを特徴
とする光分離装置。