JPH11194374A

JPH11194374A - 光処理装置

Info

Publication number: JPH11194374A
Application number: JP10001464A
Authority: JP
Inventors: Masashi Usami; 正士宇佐見; Munefumi Tsurusawa; 宗文鶴沢; Yuichi Matsushima; 裕一松島
Original assignee: KDD Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 1998-01-07
Filing date: 1998-01-07
Publication date: 1999-07-21
Also published as: US6091536A

Abstract

(57)【要約】【課題】キャリア寿命を短縮する。【解決手段】導波路型半導体可飽和吸収素子１０に直
流電源１２から直流電流２ｍＡを印加する。入力信号光
１４（波長１．５５μｍ）と制御パルス光（波長１．５
０μｍ）１６が光カップラ１８で合波され、さらに、単
一波長半導体レーザ２０から出力されるＣＷのアシスト
光（波長１．５８μｍ）２２が光カップラ２４で合波さ
れる。合波された信号光１４、制御光１６及びアシスト
光２２が、先球ファイバ２６から半導体可飽和吸収素子
１０に入射される。半導体可飽和吸収素子１０からの出
射光は、先球ファイバ２８で光ファイバに結合し光バン
ドパスフィルタ３０に入射する。光バンドパスフィルタ
３０は、半導体可飽和吸収素子１０の出力光から信号光
１４の波長のみを取り出す。アシスト光２２の波長は、
可飽和吸収素子１０の透明波長である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光処理装置に関
し、より具体的には、信号光のゲート、光アンド処理、
時分割多重信号光の分離処理、光変調処理及び波長変換
処理などを行なう光処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体の吸収飽和効果を用いた可飽和吸
収素子は、制御光の照射・非照射により信号光の透過率
または屈折率を制御できるので、光ゲート・スイッチ、
光ＡＮＤ装置、時分割多重信号の分離装置（ＤＭＵＸ装
置）、光変調器及び波長変換器等に適用できる。以下、
これらの装置を光ゲート・スイッチ等と呼ぶことにす
る。

【０００３】半導体の吸収飽和効果とは、バンド端近く
のエネルギーの光を半導体に入射した場合に、入射光強
度が増加すると吸収率（透過率）が非線形的に減少（増
加）する性質のことであり、これは、吸収により発生し
た電子正孔対がバンド内の状態占有率を上昇させ、吸収
端が高エネルギー側にシフトするバンドフィリング効果
によって生ずるものである。従って、通常は、信号光は
大きな吸収により透過しないが、ある強度以上の強さの
制御光が入射され、可飽和吸収素子が吸収飽和を起こす
と、透過率が増加して信号光が透過できるようになる。
その結果、可飽和吸収素子を光ゲートスイッチ等に用い
ることができる。

【０００４】また、クラーマス・クローニヒの関係から
導かれるとおり、透過率の変化は屈折率を変化させる。
従って、可飽和吸収素子は、入射光強度に応じて屈折率
が変化する特性を持つ。屈折率の変化は信号光の位相を
変化させるので、２つの光路の干渉を用いると、吸収変
化と同様の作用効果の光ゲートスイッチ等を実現でき
る。

【０００５】しかし、半導体可飽和吸収素子の制御光パ
ルスが入射したときの透過率の時間変化を見ると、制御
光パルスの立ち上がり時には、吸収率の低下もピコ秒程
度の十分に高速な応答を見せるが、制御光パルスの立ち
下がり後、吸収率が元の値まで回復するのに要する時間
は、キャリア（電子及び正孔）の寿命時間程度の時間を
要する。その様子を模式的に示したのが図１２である。
図１２（ａ）は、制御パルス光強度の時間変化を、同図
（ｂ）は、可飽和吸収素子の信号光の吸収係数の時間変
化を、同図（ｃ）は屈折率の時間変化をそれぞれ示す。
横軸は時間（ｐｓ）である。このように、制御光パルス
がオフになっても、吸収係数が回復するには１ナノ秒程
度、要する。この吸収回復時間は、いわゆるキャリア寿
命時間で制限され、キャリア寿命時間以下の高速繰り返
し制御パルス光に対しては、ゲート動作が制御パルス光
に追従できないという問題があった。

【０００６】そこで、半導体可飽和吸収素子のキャリア
寿命時間の短縮化のために、従来、不純物や欠陥を吸収
層に導入にしてキャリア寿命時間をピコ秒以下にする方
法が提案されているが、再結合過程が非発光再結合であ
り、再結合エネルギが熱エネルギに変換されるので、高
速繰り返しには向かない。その他に、逆バイアスを印加
してキャリアを引き抜く方法、及び吸収領域で生じたキ
ャリアをトンネル現象により引き抜く方法等が提案され
ているが、ピコ秒程度の光パルスに十分応答するような
高速性は実現されていない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の可
飽和吸収素子には、一度吸収飽和状態になった後は、吸
収率または屈折率が元の値まで回復するのに要する時間
がキャリア寿命時間で制限されるという欠点があった。
従って、このような可飽和吸収素子をそのまま使用した
ゲート素子では、キャリア寿命時間以下の高速繰り返し
制御パルス光にゲート動作が追従できないという欠点が
あった。

【０００８】本発明は、高速で、且つ、より高速の繰り
返し動作に対応できる光処理装置を提示することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明では、電流を注入
した半導体可飽和吸収素子に、信号光及び制御光に加え
て、信号光の波長より長い波長のアシスト光を入射す
る。制御光により増加したキャリアが、アシスト光２２
による誘導放出で発光再結合し、急速に減少する。従っ
て、制御パルス光の立ち下がり時のキャリア寿命時間を
大幅に短縮でき、半導体可飽和吸収素子の吸収係数を早
期に回復できる。発光再結合になり、熱エネルギの発生
を伴わないので、高速の繰り返し動作も可能になる。

【００１０】信号光の波長を、当該電流を注入された状
態の当該半導体可飽和吸収素子の吸収波長帯に入れるこ
とで、制御光により信号光の透過を制御できる。

【００１１】アシスト光を連続光とすることで、制御光
により増加したキャリアを即座に消滅させることができ
る。また、アシスト光を単一波長光とすることで、安定
した動作を期待できる。

【００１２】アシスト光の波長を、電流注入された状態
の半導体可飽和吸収素子の透明波長とすることで、半導
体可飽和吸収素子に対して中立的になり、制御光による
制御特性を調整しやすくなる。

【００１３】半導体可飽和吸収素子を導波路型素子とす
ることで、光ファイバ等の光伝送媒体との接続性が良く
なる。半導体可飽和吸収素子を面型素子とすることで偏
波依存性が無くなり、安定した処理特性が得られる。

【００１４】信号光を分波して２つの半導体可飽和吸収
素子に印加し、その出力光を合波する構成で、両方の半
導体可飽和吸収素子にアシスト光を印加し、一方の半導
体可飽和吸収素子に制御光を印加することで、マハゼン
ダー干渉計を実現できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態を詳細に説明する。

【００１６】図１は、本発明の第１実施例の概略構成ブ
ロック図を示す。１０は、禁制帯幅が信号光及び制御光
のエネルギより小さい吸収層を、当該吸収層の禁制帯幅
よりも大きな禁制帯幅を有する半導体層で挟んだ多重ヘ
テロ構造の導波路型半導体可飽和吸収素子であり、直流
電源１２から直流電流が注入されている。入力信号光１
４と制御パルス光１６が、光カップラ１８で合波され、
さらに、単一波長半導体レーザ２０から出力されるＣＷ
のアシスト光２２が光カップラ２４で合波される。この
ように合波された信号光１４、制御光１６及びアシスト
光２２が、先球ファイバ２６から半導体可飽和吸収素子
１０に入射される。

【００１７】詳細は後述するが、半導体可飽和吸収素子
１０の、信号光１４に対する透過率は、アシスト光２２
の下では制御光１６の強度に応じて急峻に変化し、信号
光１４を高速にゲートすることができる。

【００１８】半導体可飽和吸収素子１０からの出射光
は、先球ファイバ２８で光ファイバに結合し光バンドパ
スフィルタ３０に入射する。半導体可飽和吸収素子１０
の出力光は、信号光１４、制御光１６及びアシスト光２
２の３つの波長の光を含むので、光バンドパスフィルタ
３０により信号光１４の波長のみを取り出す。即ち、光
バンドパスフィルタ３０は、信号光１４の波長のみを通
すように設計されており、光バンドパスフィルタ３０の
出力光が、入力信号光１４を制御光１６でゲートした出
力信号光３２となる。

【００１９】本実施例では、可飽和吸収素子１０は、Ｉ
ｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ１０層の多重量子井戸で吸
収端波長が１．５９μｍの吸収層が形成されている導波
路型素子であり、その素子長は７０μｍである。両端面
には反射防止膜がコーティングされている。入力信号光
１４は、波長が１．５５μｍ、ビットレートが１０Ｇｂ
ｐｓのＲＺ信号である。制御光１６の波長は１．５０μ
ｍである。直流電源１２により可飽和吸収素子１０に印
加される直流電流は２ｍＡである。２ｍＡの印加時に、
可飽和吸収素子１０の透明波長は１．５８μｍになる。
アシスト光２２の波長は、透明波長である１．５８μｍ
に設定されているが、必ずしも、この波長に限定されな
い。アシスト光２２の波長は信号光１４の波長よりも長
ければよい。

【００２０】このように、信号光１４及び制御光１６の
他に、透明波長のアシスト光２２も可飽和吸収素子１０
に入射することにより、可飽和吸収素子１０の吸収回復
時間を大幅に短縮でき、高速に動作させることができ
る。また、従来例のように発熱することも無いので、高
速繰り返しも可能になる。

【００２１】本実施例の動作原理を説明する。図２は、
制御パルス光１６と信号光１４のどちらの波長よりも長
い波長のアシスト光２２を、制御パルス光１６と一緒に
印加したときの、可飽和吸収素子１０の吸収特性及び屈
折率の変化を示す。図２（ａ）は、制御パルス光１６と
アシスト光２２の強度の時間変化、同（ｂ）は、可飽和
吸収素子１０の、信号光１４に対する吸収係数の時間変
化、同（ｃ）は、可飽和吸収素子１０の、信号光１４に
対する屈折率の時間変化をそれぞれ示す。横軸は時間
（ｐｓ）である。

【００２２】図２に示すように、アシスト光２２を入射
することで、制御パルス光１６の立ち下がり時にも、信
号光の吸収係数が急速に増加することが分かる。制御パ
ルス光１６の立上がり時と同程度の応答速度を実現でき
ている。

【００２３】図２のｔ１，ｔ２，ｔ３及びｔ４における
半導体可飽和吸収素子１０の利得／損失スペクトルを、
それぞれ図３、図４、図５及び図６に示す。制御光１
６、信号光１４及びアシスト光２２は、この順に波長が
長いが、制御光１６の波長と信号光１４の波長が同じで
も同様である。図２のｔ１（図３）は、制御パルス光１
６が入射する前の状態（定常状態）であり、ｔ２（図
４）は制御パルス光１６の入射時、ｔ３（図５）は制御
パルス光１６の立ち下がり直後、ｔ４（図６）は吸収回
復後の様子をそれぞれ示す。

【００２４】図３は、単に、直流電源１２により直流電
流を印加した定常状態の半導体可飽和吸収素子１０の利
得スペクトルを示す。アシスト光２２の波長は、直流電
流を注入した状態で利得（損失）がゼロになる波長（透
明波長）に設定されている。従って、この定常状態で
は、アシスト光２２が半導体可飽和吸収素子１０に印加
されても、吸収も増幅も起こすことはなく、アシスト光
２２の入射の有無によって利得スペクトルが変化するこ
とはない。光ゲート機能等を実現するには、定常状態で
信号光が十分に吸収されうる必要があるので、信号光波
長はその条件が成立する範囲（具体的には、透明波長よ
り短波長側）となる。

【００２５】制御パルス光１６の入射時（図２のｔ２）
には、制御パルス光の吸収により半導体可飽和吸収素子
１０内のキャリア密度が、図４に示すように上昇する。
この結果、信号光に対する吸収係数は急激に低下し（図
２（ｂ））、その結果、屈折率も減少する（図２
（ｃ））。

【００２６】制御パルス光１６が入射しなくなった直後
（図２のｔ３）では、図５に示すように半導体可飽和吸
収素子１０のキャリア密度は増大したままであり、信号
光に対する吸収係数および屈折率も低下したままである
（図２（ｂ），（ｃ））。しかし、この状態では、アシ
スト光２２に対して利得を生じるので、誘導放出が起こ
る。その結果、キャリア密度の減少が促進され、図６に
示すように、早期に定常状態に復帰する。

【００２７】このように、本実施例では、アシスト光２
２による誘導放出により、可飽和吸収素子１０は、その
吸収係数を早期に回復できる。発光再結合になり、熱エ
ネルギの発生を伴わないので、高速の繰り返し動作も可
能になる。

【００２８】一度吸収飽和状態になった可飽和吸収素子
が、その吸収率を元の値まで回復するのに要する時間
は、材料及び構造で決定されるキャリア寿命時間（１ナ
ノ秒程度）で制限される。本実施例では、アシスト光２
２の併用により、そのキャリア寿命時間自体を短縮す
る。従って、本実施例により、高速でかつ高繰り返しの
光ゲート等の光処理を実現できる。例えば、光ゲート、
光アンド演算、時間軸多重信号の分離処理、光変調及び
波長変換等を高速に且つ高い繰り返し周波数で行なえる
ようになる。

【００２９】従来例との相違を明確にするために、アシ
スト光２２の波長を、電流注入によって実現される透明
波長と同じとしたが、原理的には、アシスト光２２の波
長は、信号光１４の波長より長ければ、定常状態におい
て損失領域又は利得領域にあっても同様の作用効果が得
られる。但し、アシスト光の波長が定常状態で損失領域
に入る波長の場合、アシスト光は常に吸収され、定常状
態で利得領域に入る波長の場合にはアシスト光は常に増
幅される。また、アシスト光２２として連続（ＣＷ）光
で説明したが、信号光と同期したパルス光でっても同様
の効果が得られることは明かである。

【００３０】図７は、アシスト光２２のある場合と無い
場合の出力信号光３２の波形例を示す。図７（１）は、
入力信号光、同（２）は制御光１６、同（３）はアシス
ト光２２、同（４）はアシスト光２２がある場合の出力
信号光３２、同（５）はアシスト光２２が無い場合の出
力信号光３２をそれぞれ示す。横軸は時間を示し、縦軸
は、それぞれの光の強度を示す。信号光１４は、２０Ｇ
ｂｐｓのＲＺパルスとした。アシスト光２２を併用する
場合、アシスト光２２により吸収回復時間が大幅に短縮
されるので、図７（４）に示すように、出力信号光３２
は、制御光１６により入力信号光１４から抽出されたパ
ルス列になっている。しかし、アシスト光２２を併用し
ない場合、制御パルス光１６がオフになっても、吸収回
復に時間的な遅れがあるので、図７（５）に示すよう
に、入力信号光１４の一部が透過してしまい、完全なゲ
ート動作は実現されない。

【００３１】このようにして、本実施例では、１０Ｇｂ
ｐｓオーダーの高速光信号に対し、ビット単位での高繰
り返しのゲートスイッチを実現できた。

【００３２】アシスト光を半導体可飽和吸収素子に印加
している状態で、波長１．５０μｍ、１００ｆｓ（１ｆ
ｓは１０の−１５乗秒）のパルス幅をもつ光パルスによ
るポンプ・プローブ測定で半導体可飽和吸収素子の透過
光量（吸収係数）の時間変化を測定した。図８は、測定
した透過光量（吸収係数）の時間変化を示す。縦軸は透
過光量、横軸は時間をそれぞれ示す。半導体可飽和吸収
素子には２ｍＡの電流を注入し、アシスト光の波長は
１．５６μｍである。アシスト光を照射しない場合の吸
収回復時間が１ナノ秒程度であるのに対し、アシスト光
を照射した場合の吸収回復時間は２０ｐｓ以下であっ
た。

【００３３】このように、本実施例によれば、可飽和吸
収素子１０の吸収率の回復に要する時間は２０ピコ秒程
度であり、高速でかつ高繰り返しの任意の光ゲートスイ
ッチ動作を行なわせることが可能になる。例えば、信号
光と制御光をビットごとに同期させて入力すれば光アン
ド回路として動作する。制御光のビットレートを信号光
のビットレートの整数分の１にすれば、時間軸多重信号
を分離できる。また、信号光に連続光を用いれば、制御
光による光変調を実現できる。

【００３４】上記実施例では、信号光１４、制御光１６
及びアシスト光２２を合波するのにファイバ型光カップ
ラ１８，２４を用いたが、例えば、空間結合系やアレイ
導波路型合波器等の他の合波器を用いてもよいことは明
かである。また、半導体可飽和吸収素子１０との結合に
先球ファイバ２６，２８を用いたが、レンズ等の他の光
学系を用いてもよいことも明かである。

【００３５】入力信号光１４をＣＷ光とすることで、波
長変換機能又は光変調機能を実現できる。即ち、出力信
号光３２は、制御光１６に従ってコーディングされた信
号光１４であり、出力信号光３２の波形は、制御光１６
（波長λｃ＝１．５０μｍ）の波形を入力信号光１４
（波長λｓ＝１．５５μｍ）に重ね合わせたものになっ
ている。これは、制御光１６から信号光への波長変換機
能であり、制御光１６による光変調機能と見ることもで
きる。

【００３６】図１に示す実施例では、入力信号光１４、
制御光１６及びアシスト光２２を可飽和吸収素子１０内
で同じ方向に伝搬させているが、制御光及び／又はアシ
スト光を可飽和吸収素子内で信号光とは逆方向に伝搬さ
せても良い。図９は、制御光及びアシスト光を可飽和吸
収素子内で信号光とは逆方向に伝搬させる本発明の変更
実施例の概略構成ブロック図を示す。図９に示す実施例
は、光パルス波形整形装置として機能する。

【００３７】図９において、４０は、半導体可飽和吸収
素子１０と同様の半導体可飽和吸収素子であり、直流電
源４２から直流電流が注入されている。図１に示す実施
例と同様に、直流電源４２は約２ｍＡの電流を半導体可
飽和吸収素子４０に印加する。入力信号光（波長λｓ＝
１．５５μｍ）４４は、先球ファイバ４６により半導体
可飽和吸収素子４０の端面４０ａに入射する。

【００３８】半導体可飽和吸収素子４０の反対端面４０
ｂの側には先球ファイバ４８が配置され、その先球ファ
イバ４８は、光サーキュレータ５０のポートＢに接続す
る。光サーキュレータ５０はポートＡの入力光をポート
Ｂから出力し、ポートＢの入力光をポートＣから出力す
る光素子である。光サーキュレータ５０のポートＡに
は、単一波長半導体レーザ５２から出力されるアシスト
光（波長λａ＝１．５８μｍ）５４と、制御光５６（波
長λｃ＝１．５０μｍ）とを光ファイバカップラ５８で
合波した光が入射する。即ち、光サーキュレータ５０の
ポートＡには、アシスト光５４と制御光５６が入射し、
ポートＢから出力される。

【００３９】光サーキュレータ５０のポートＢから出力
されるアシスト光５４及び制御光５６は、先球ファイバ
４８により半導体可飽和吸収素子４８に入射する。従っ
て、半導体可飽和吸収素子４８内では、信号光４４は、
図９上で左から右に伝搬し、アシスト光５４と制御光５
６は信号光４４とは逆に図９上で右から左に伝搬する。
アシスト光５４と制御光５６の伝搬方向と信号光４４の
伝搬方向が異なるが、それでも、図１に示す実施例と同
様の作用により、信号光４４に対する透過率が変化し、
信号光４４に対して、信号光１４と同様の処理を施すこ
とができる。

【００４０】半導体可飽和吸収素子４０内で処理された
信号光４４は、端面４０ｂから出射し、先球ファイバ４
８を介して光サーキュレータ５０のポートＢに入射す
る。光サーキュレータ５０は、ポートＢの入射光をポー
トＣから出力するので、結局、半導体可飽和吸収素子４
０内で処理された信号光４４のみが、光サーキュレータ
５０のポートＣから出力信号光５９として出力される。
この実施例では、光バンドパスフィルタ３０に対応する
光フィルタは不要である。

【００４１】図１０は、本発明の第３実施例の概略構成
ブロック図を示す。本実施例の半導体可飽和吸収素子６
０は面構造であり、その吸収層は、３０層のＩｎＧａＡ
ｓ／ＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸で形成されて
いる。吸収素子６０の両端面には反射防止膜がコーティ
ングされている。直流電源６２から吸収素子６０に３ｍ
Ａの直流電流が印加される。これにより、吸収素子６０
の透明波長は１．５８μｍとなる。

【００４２】信号光（波長λｓ＝１．５５μｍ）６４は
光ファイバ６６を伝搬し、集光レンズ６８により可飽和
吸収素子６０の一端面６０ａに垂直に入射される。制御
光７０は、光ファイバ７２を伝搬し、集光レンズ７４に
より可飽和吸収素子６０の端面６０ａに垂直から少し角
度を付けて入射する。また、単一波長半導体レーザ７６
は波長λａ＝１．５８μｍのアシスト光７８を発生し、
そのアシスト光７８は、光ファイバ８０を伝搬し、集光
レンズ８２により可飽和吸収素子６０の他端面６０ｂに
垂直から少し角度を付けて入射する。

【００４３】本実施例では、このように、信号光６４、
制御光７０及びアシスト光７８が互いに干渉しないよう
に、信号光６４を可飽和吸収素子６０に垂直入射し、制
御光７０とアシスト光を斜め入射している。このよう
に、信号光６４、制御光７０及びアシスト光７８の伝搬
方向が異なっても、可飽和吸収素子６０内での作用は、
図１及び図９に示す実施例の可飽和吸収素子１０，４０
と全く同じであり、信号光６４に対する可飽和吸収素子
６０の透過率は、図１及び図９に示す実施例の場合と同
様に、制御光７０の強度変化に追随して急峻に変化す
る。

【００４４】可飽和吸収素子６０を透過した信号光６４
は、集光レンズ８４により光ファイバ８６に集光され、
光ファイバ８６を伝搬して、出力信号光８８として外部
に出力される。

【００４５】本実施例では、制御光７０とアシスト光７
８が信号光６４と干渉しない方向で可飽和吸収素子６０
に入射されるので、図１に示す実施例の光バンドパスフ
ィルタ３０のような、信号光成分のみを抽出する光フィ
ルタを設ける必要が無い。

【００４６】面型の可飽和吸収素子６０は、吸収及び利
得特性が入射光の偏波状態に依存しないという実用上有
利な特徴を持つので、本実施例の適用範囲が広い。

【００４７】図１１は、マハゼンダー干渉計となる本発
明の第４実施例の概略構成ブロック図を示す。２つの導
波路型半導体可飽和吸収素子１１０，１１２が並置さ
れ、それぞれに２ｍＡの直流電流が印加されている。半
導体可飽和吸収素子１１０の端面１１０ａには半導体導
波路１１４，１１６が接続し、半導体可飽和吸収素子１
１２の端面１１２ａには半導体導波路１１８，１２０が
接続する。半導体導波路１１６，１１８は１つの導波路
１２２に結合している。即ち、半導体導波路１１６，１
１８，１２２はＹ字状の分岐結合導波路になっている。
半導体可飽和吸収素子１１０，１１２の他端面１１０
ｂ，１１２ｂについても同様であり、半導体可飽和吸収
素子１１０の端面１１０ｂには半導体導波路１２４，１
２６が接続し、半導体可飽和吸収素子１１２の端面１１
２ａには半導体導波路１２８，１３０が接続する。半導
体導波路１２６，１２８は１つの導波路１３２に結合し
ている。

【００４８】入力信号光１３４は半導体導波路１２２に
入射し、半導体導波路１１６，１１８との結合部で２分
割され、それぞれ半導体導波路１１６，１１８を伝搬し
て半導体可飽和吸収素子１１０，１１２の端面１１０
ａ，１１２ａに入射する。制御光１３６は、半導体導波
路１２４に入射し、半導体可飽和吸収素子１１０の端面
１１０ｂのみに入射する。アシスト光１３８は半導体導
波路１３２に入射し、半導体導波路１２６，１２８との
結合部で２分割され、それぞれ半導体導波路１２６，１
２８を伝搬して半導体可飽和吸収素子１１０，１１２の
端面１１０ｂ，１１２ｂに入射する。半導体導波路１１
４，１２０，１３０は、本実施例では、使用しない。

【００４９】半導体可飽和吸収素子１１０，１１２で処
理された信号光１３４は、端面１１０ｂ，１１２ｂから
半導体導波路１２６，１２８に入射し、半導体導波路１
３２との結合部で合波され、半導体導波路１３２を伝搬
して、出力信号光１４０として外部に出力される。

【００５０】入力信号光１３４、制御光１３６及びアシ
スト光１３８は、図１に示す実施例の入力信号光１４、
制御光１６及びアシスト光２２と同じであり、半導体可
飽和吸収素子１１０，１１２の特性も、半導体可飽和吸
収素子１０と同じである。

【００５１】本実施例の動作を説明する。入力信号光１
３４は２分割されて半導体可飽和吸収素子１１０，１１
２に入射し、制御光１３６は半導体可飽和吸収素子１１
０のみに入射し、アシスト光１４０は２分割されて半導
体可飽和吸収素子１１０，１１２に入射する。

【００５２】制御光１３６がオフのとき、２分岐した信
号光１３４は、対称の導波路を通過することになるの
で、同相で合波される、出力信号光１４０は実質的に入
力信号光１３４と同じになる。

【００５３】一方、制御光１３６がオンの時、半導体可
飽和吸収素子１１０は、図１で説明したように動作し、
制御光１３６の吸収によるキャリア密度の上昇に伴い屈
折率が低減する。この結果、２つの光路間で信号光に位
相差が生じる。その位相差がπ（反転）になると、半導
体可飽和吸収素子１１０，１１２から出射されて合波さ
れた信号光は、オフとなる。

【００５４】再度、制御光が１３６をオフにすると、半
導体可飽和吸収素子１１０では、アシスト光１４０の誘
導放出によるキャリア寿命の低減により、信号光１３４
に対する屈折率が急速に定常値に回復する。この作用
は、図１に示す実施例と同じである。

【００５５】このようにして、マハゼンダー型干渉回路
により、高速でかつ高繰り返しの全光ゲートスイッチを
実現できる。

【００５６】以上の各実施例では、可飽和吸収素子１
０，６０，１１０，１１２の吸収層に一般的な多重量子
井戸構造を用いたが、本発明は可飽和吸収素子の構造に
依存せず、あらゆる種類の可飽和吸収素子を利用でき
る。例えば、井戸層厚を交互に変化させ積層した多重量
子井戸構造を吸収槽とする可飽和吸収素子、並びに、量
子井戸構造、量子細線及び量子箱といった低次元量子構
造を吸収層とする可飽和吸収素子を用いることができ
る。

【００５７】半導体可飽和吸収素子１０，６０，１１
０，１１２の材料として１．５μｍ帯ＩｎＧａＡｓＰ系
半導体を用いたが、ＩＩＩ−Ｖ系半導体及びＩＩ−ＶＩ
系半導体を使用してもよい。これらの半導体材料の中
で、格子整合系のもののみならず、格子不整合の材料を
用いることもできる。

【００５８】光信号波長も、現在、光伝送及び光交換等
で広く用いられている０．８μｍ帯、１．３μｍ帯及び
１．５μｍ帯の他に、これらの半導体で吸収及び増幅が
可能な波長帯であれば、任意の波長帯で本発明を適用で
きる。

【００５９】信号光の波長は、半導体可飽和吸収素子へ
の電流注入で実現される利得スペクトルにおいて十分吸
収される波長にすることが必要である。アシスト光の波
長は、半導体可飽和吸収素子への電流注入で実現される
利得スペクトルにおいて、透明波長（利得及び損失がゼ
ロになる波長）にすると、不要な吸収も増幅も生じるこ
とはないが、必ずしもそうである必要はなく、入力信号
光より波長が長く、かつ禁制帯幅で規定されるバンド端
のエネルギ波長より短い波長であればよい。

【００６０】アシスト光の強度とキャリア寿命時間は、
トレードオフの関係にある。従って、アシスト光の強度
を大きくすることにより、所望のキャリア寿命時間を実
現できる。また、図９、図１０及び図１１に示す実施例
か分かるように、アシスト光は、信号光とは独立に半導
体可飽和吸収素子に入射することができ、半導体可飽和
吸収素子の斜め又は横から入射しても良い。

【００６１】先に説明したように、信号パルス列をゲー
トするか、ＣＷ信号光をコーディングするかで、実現さ
れる機能が異なるが、その動作原理（物理状態）は同一
である。したがって、図９、図１０及び図１１に示す実
施例で光ゲートスイッチ機能を実現できるということ
は、波長変換機能及び光変調機能も実現できることを意
味する。

【００６２】

【発明の効果】以上の説明から容易に理解できるよう
に、本発明によれば、一度、吸収飽和状態になった後に
吸収率が元の値まで回復するのに要する時間を大幅に短
縮できる。例えば、従来例では１ナノ秒程度であったも
のを、通常のキャリア寿命時間よりはるかに短い数１０
ピコ秒以下にすることができる。しかも、発熱を伴わな
い。この結果、高速で、かつ高繰り返し動作が可能な光
ゲート装置等を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の概略構成ブロック図で
ある。

【図２】本実施例の半導体可飽和吸収素子１０の吸収
係数及び屈折率の変化を示す模式図である。

【図３】図２のｔ１における半導体可飽和吸収素子１
０の利得スペクトルである。

【図４】図２のｔ２における半導体可飽和吸収素子１
０の利得スペクトルである。

【図５】図２のｔ３における半導体可飽和吸収素子１
０の利得スペクトルである。

【図６】図２のｔ４における半導体可飽和吸収素子１
０の利得スペクトルである。

【図７】本実施例と従来例の効果を比較する波形図で
ある。

【図８】アシスト光の有無による信号光の透過光量の
変化を示す図である。

【図９】本発明の第２実施例の概略構成ブロック図で
ある。

【図１０】本発明の第３実施例の概略構成ブロック図
である。

【図１１】本発明の第４実施例の概略構成ブロック図
である。

【図１２】制御パルス光に対する可飽和吸収素子の吸
収係数と屈折率の時間変化を示す図である。

【符号の説明】

１０：導波路型半導体可飽和吸収素子１２：直流電源１４：入力信号光１６：制御パルス光１８：光カップラ２０：単一波長半導体レーザ２２：アシスト光２４：光カップラ２６：先球ファイバ２８：先球ファイバ３０：光バンドパスフィルタ３２：出力信号光４０：半導体可飽和吸収素子４０ａ，４０ｂ：半導体可飽和吸収素子４０の端面４２：直流電源４４：入力信号光（波長λｓ＝１．５５μｍ）４６：先球ファイバ４８：先球ファイバ５０：光サーキュレータ５２：単一波長半導体レーザ５４：アシスト光（波長λａ＝１．５８μｍ）５６：制御光５６（波長λｃ＝１．５０μｍ）５８：光ファイバカップラ５９：出力信号光６０：半導体可飽和吸収素子６０ａ，６０ｂ：半導体可飽和吸収素子６０の端面６２：直流電源６４：信号光（波長λｓ＝１．５５μｍ）６６：光ファイバ６８：集光レンズ７０：制御光７２：光ファイバ７４：集光レンズ７６：単一波長半導体レーザ７８：アシスト光８０：光ファイバ８２：集光レンズ８４：集光レンズ８６：光ファイバ８８：出力信号光１１０，１１２：導波路型半導体可飽和吸収素子１１０ａ，１１０ｂ：導波路型半導体可飽和吸収素子１
１０の端面１１２ａ，１１２ｂ：導波路型半導体可飽和吸収素子１
１２の端面１１４，１１６，１１８，１２０，１２２：半導体導波
路１２４，１２６，１２８，１３０，１３２：半導体導波
路１３４：入力信号光１３６：制御光１３８：アシスト光１４０：出力信号光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体可飽和吸収素子と、当該半導体可飽和吸収素子に電流を注入する電流源と、信号光を当該可飽和吸収素子に入射する信号光入射手段
と、当該信号光の波長以下の波長の制御光を当該半導体可飽
和吸収素子に入射する制御光入射手段と、当該信号光の波長より長い波長のアシスト光を当該半導
体可飽和吸収素子に入射するアシスト光入射手段と、当該半導体可飽和吸収素子により処理された当該信号光
を取り出す信号光取り出し手段とからなることを特徴と
する光処理装置。
【請求項２】当該信号光の波長が、当該電流を注入さ
れた状態の当該半導体可飽和吸収素子の吸収波長帯に属
する請求項１に記載の光処理装置。
【請求項３】当該アシスト光が連続光である請求項１
に記載の光処理装置。
【請求項４】当該アシスト光が単一波長光である請求
項１乃至３の何れか１項に記載の光処理装置。
【請求項５】当該アシスト光の波長が、当該電流を注
入された状態の当該半導体可飽和吸収素子の透明波長で
ある請求項４に記載の光処理装置。
【請求項６】更に、当該半導体可飽和吸収素子による
処理前の当該信号光、当該制御光及び当該アシスト光を
合波する合波手段を具備する請求項１乃至５の何れか１
項に記載の光処理装置。
【請求項７】当該制御光及び当該アシスト光を合波す
る合波手段と、当該合波手段の出力光を当該半導体可飽
和吸収素子に当該信号光とは逆方向に伝搬するように入
射し、当該半導体可飽和吸収素子により処理された信号
光を当該信号光取り出し手段に供給する光結合手段とを
具備する請求項１乃至５の何れか１項に記載の光処理装
置。
【請求項８】当該半導体可飽和吸収素子が導波路型素
子からなる請求項１乃至７の何れか１項に記載の光処理
装置。
【請求項９】当該半導体可飽和吸収素子が面型素子か
らなる請求項１乃至７の何れか１項に記載の光処理装
置。
【請求項１０】直流電流を印加された第１及び第２の
半導体可飽和吸収素子と、入力信号光を２分割し、各分割光を当該第１及び第２の
半導体可飽和吸収素子に印加する信号光導波手段と、当該第１及び第２の半導体可飽和吸収素子を伝搬して出
力される信号光を合波して出力する合波手段と、当該第１の半導体可飽和吸収素子に、当該信号光の波長
以下の波長の制御光を入射する制御光入射手段とからな
り、当該第１及び第２の半導体可飽和吸収素子のそれぞ
れに、当該信号光の波長より長い波長のアシスト光を入
射することを特徴とする光処理装置。
【請求項１１】当該アシスト光が、当該合波手段を、
当該第１及び第２の半導体可飽和吸収素子により処理さ
れた信号光とは逆方向に伝搬して当該第１及び第２の半
導体可飽和吸収素子に入射される請求項１０に記載の光
処理装置。
【請求項１２】当該信号光の波長が、当該電流を注入
された状態の当該半導体可飽和吸収素子の吸収波長帯に
属する請求項１０に記載の光処理装置。
【請求項１３】当該アシスト光が連続光である請求項
１０に記載の光処理装置。
【請求項１４】当該アシスト光が単一波長光である請
求項１０乃至１３の何れか１項に記載の光処理装置。
【請求項１５】当該アシスト光の波長が、当該電流を
注入された状態の当該半導体可飽和吸収素子の透明波長
である請求項１４に記載の光処理装置。
【請求項１６】当該半導体可飽和吸収素子が導波路型
素子からなる請求項１０乃至１５の何れか１項に記載の
光処理装置。