JPH11231361A

JPH11231361A - 非線形ループミラー

Info

Publication number: JPH11231361A
Application number: JP2869398A
Authority: JP
Inventors: Satoko Kutsuzawa; 聡子沓澤; Shin Arataira; 慎荒平; Hiroshi Ogawa; 洋小川
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1998-02-10
Filing date: 1998-02-10
Publication date: 1999-08-27

Abstract

(57)【要約】【課題】出力光パルスがいずれか一つの出力ポートに
決定されるような、また、安定な強度の信号光が得られ
る非線形ループミラーを提供することを目的とする。【解決手段】入力された信号光パルスが、２×２光カ
プラ１２で２分岐されてファイバループミラー２０に入
力される。ループミラー中には非線形媒質２３および２
４が配置されている。ループミラー中に制御光パルスが
入力され、これら非線形媒質を通過することにより媒質
のキャリア密度が変化する。これにより信号光パルスの
位相および強度を変化させ、光カプラ１２における干渉
を利用してスイッチングを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光通信、光情報
処理、光コンピュータ等の分野で用いられる非線形ルー
プミラーに関する。特に、全光学的スイッチや光クロッ
ク抽出等に好適に応用される非線形ループミラーに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】文献名：J. P. Sokoloff, et. al., "A
Terahertz Optical Asymmetric Demultiplexer", IEEE
Photonics Technology Letters, Vol.5, No. 7, pp787,
１９９３年７月

【０００３】超高速の全光学的光スイッチとして、たと
えば上記文献に記載されるTOAD（Terahertz Oputical A
symmetric Demultiplexer）が提案されている。TOAD
は、光ファイバループ中に半導体光増幅器を配置し、こ
の半導体光増幅器の利得変動を利用する非線形ループミ
ラーの１種である。このような光ループミラーは、光時
分割多重や光時分割多重分離などの分野に応用される。

【０００４】TOADの原理を、より詳細に説明する。すな
わちTOADでは、入力光パルスをまず２×２カプラに入力
する。入力光パルスは、この２×２カプラによって２分
岐される。この結果、光ファイバループ中に互いに逆方
向に伝搬する１対の光パルス列が発生する。この光ファ
イバループ中に、さらに制御用光パルスを入力する。こ
の制御用光パルスによって、光ファイバループ中の半導
体光増幅器の利得変動が生じる。従って、制御用光パル
スを入力するタイミングを適切に選定すれば、これら１
対の光パルス列の利得および位相を互いに異ならせるこ
とができる。

【０００５】このような１対の光パルス列が２×２カプ
ラに戻ってきた時に、それぞれのパルスが干渉しあっ
て、透過出力ポートおよび反射出力ポートに光パルスが
現れる。ここでカプラの性質上、出力パルスそれぞれの
光強度は、１対の光パルス列がそれぞれ受けた位相の変
動量に応じて定まる。従って、制御用光パルスの強度、
および入力タイミングを適切に選定すれば、入力光パル
スのうち、所望のタイミングの光パルスのみを取り出す
ことができる。このようにしてTOADは、入力光パルスの
ON-OFF動作を行う全光学的光スイッチとして機能する。
このような構成の光スイッチは、スイッチング時間が半
導体のキャリアの遅い緩和時間の制限を受けることがな
い。従って、原理的に数ピコ秒の超高速のゲートの実現
が可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光ファ
イバループ中の半導体光増幅器の利得変動が緩慢であっ
たり、その他の要因により、所望のタイミングのパルス
以外のパルスの出力強度を完全に０にすることは難し
い。この場合、パルスのスイッチングの消光が劣化す
る。また、半導体光増幅器の利得変動の回復が緩慢だ
と、得られる出力信号光の強度が変動する場合がある。

【０００７】このような問題を鑑みて、この発明は、出
力光パルスがいずれか一つの出力ポートに決定されるよ
うな、スイッチング消光のよい非線形ループミラーを提
供することを目的とする。また、ループミラーの反射出
力においても安定な強度の信号光が得られる非線形ルー
プミラーを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】よって、この発明は、半
導体のキャリア密度変化を利用した非線形ループミラー
として構成する。この光ファイバループには、信号と、
制御用の光パルスとが入力される。入力された信号光パ
ルスは、２×２光カプラで２分岐されてファイバループ
ミラーに入力される。光ファイバループ中には２つの非
線形媒質が配置されている。

【０００９】この発明の第１の実施形態によれば、２つ
の非線形媒質のうち、一方は制御光パルスに対して吸収
媒質として働き、他方は利得媒質として働く。これら非
線形媒質は、信号光パルスに対しては透明である。第２
の実施形態によれば、２つの非線形媒質は制御光パルス
のみならず信号光パルスに対しても、吸収媒質あるいは
利得媒質として働く。

【００１０】これら非線形媒質を制御光パルスが通過す
ることにより、媒質のキャリア密度が変化する。これに
より信号光パルスの位相および強度を変化させ、光カプ
ラ１２における干渉を利用してスイッチングを行う。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を、
図面を用いて説明する。図１は、この発明の第１の実施
形態を示すブロック図である。

【００１２】第１の実施形態の非線形ループミラー１
は、半導体の非線形性を利用した非線形ループミラーで
ある。この非線形ループミラー１は、信号光パルスが入
力される入力ポート２を有する。また、信号光パルスが
出力されるポートとして、反射出力ポート３、および透
過出力ポート４を有する。非線形ループミラー１はさら
に、制御光パルスが入力される制御光ポート５を有す
る。入力ポート２と反射出力ポート３には、光カプラ１
１が接続されている。この光カプラ１１は、代わりに光
サーキュレータを用いても良い。この実施形態において
は、光カプラを用いるものとして以下説明する。

【００１３】入力ポート２に入力された信号光パルス
は、続いて光カプラ１１に入力される。この光カプラ１
１は、信号光パルスを２×２光カプラ１２に出力する。
この２×２光カプラ１２において、信号光パルスはファ
イバループミラー２０に入力される。ファイバループミ
ラー２０から出力された信号光パルスは、２×２光カプ
ラ１２を介して、反射出力ポート３、ないし透過出力ポ
ート４のいずれかに出力される。これら反射出力ポート
３、および透過出力ポート４に現れた光出力は、それぞ
れフィルタ６、フィルタ７を介して出力される。これら
のフィルタは光フィルタであり、出力された信号光パル
ス列以外の波長成分をカットするものである。

【００１４】２×２光カプラ１２には、偏波面コントロ
ーラ２１、光カプラ２２、利得媒質２３、吸収媒質２
４、および光遅延器２５が光ファイバにて接続され、フ
ァイバループミラーを構成している。利得媒質２３およ
び吸収媒質２４は非線形媒質である。利得媒質２３は、
信号光パルスの波長に対しては透明で、制御光パルスの
波長に対しては利得を与える。第２の非線形媒質２４
は、信号光パルスの波長に対しては透明である。一方で
非線形媒質２４は、制御光パルスの波長に対しては、こ
れを吸収して損失になる。

【００１５】通常、信号光パルスの波長と、制御用光パ
ルスの波長とは異なる。よって利得媒質２３としては、
たとえば半導体光増幅器を用いることができる。すなわ
ち、制御光の波長に対する増幅度が大きく、一方で信号
光パルスの波長に対する増幅度がほぼ０であるような特
性の半導体光増幅器を用いることにより、利得媒質２３
が実現される。

【００１６】逆に吸収媒質２４としては、利得媒質２３
と同じ半導体光増幅器を用いることができる。この半導
体光増幅器に駆動電流（バイアス）をかけずに用いれ
ば、制御光の波長に対しては損失となり、一方で信号光
パルスの波長に対しては透明となる。これで吸収媒質２
４が実現される。

【００１７】制御光ポート５に入力された制御光は、光
カプラ２２に導かれる。この光カプラ２２において、制
御光はファイバループミラー内に導入される。

【００１８】以下、この実施形態の非線形ループミラー
の動作および機能について説明する。非線形ループミラ
ー１の入力ポート２には、繰り返し周波数ｆ（Hz）の信
号光パルスが入力される。一方、制御光ポート５には制
御光パルスが入力される。この制御光パルスは、信号光
パルスの１／Ｎ（Ｎは整数）の繰り返し周波数を有す
る。これらの信号光パルスと制御光パルスとは同期して
いる。

【００１９】入力ポート２に与えられた信号光パルス
は、２×２光カプラ１２において２分岐され、ファイバ
ループミラー２０内に入力される。この結果ファイバル
ープミラー２０内には、互いに逆向きに進行する１対の
信号光パルス列が発生することになる。すなわち、右回
りに進行する第１のパルス１、２、３、・・・Ｎ、およ
び左回りに進行する第２のパルス１’、２’、３’、・
・・Ｎ’である。

【００２０】以下、図１に加えて図２のタイムチャート
を用いて動作を説明する。図２（ａ）は、利得媒質２３
における信号光パルス列、および制御光パルス列の到達
タイミングを示している。さらに、利得媒質２３におい
て超高速光パルスが受ける位相変化量を示している。図
２（ｂ）は、吸収媒質２４における信号光パルス列、お
よび制御光パルス列の到達タイミングを示している。ま
た、吸収媒質２４において超高速光パルスが受ける位相
変化量を示している。そして図２（ｃ）には、反射出力
ポート３、および透過出力ポート４に現れる透過出力お
よび反射出力が示されている。

【００２１】ファイバループミラー２０の光学距離の中
心位置をＡ、利得媒質２３の位置をＢ、そして吸収媒質
２４の位置をＣとする。ここで前述したとおり、利得媒
質２３、吸収媒質２４ともに、信号光パルス列に対して
は透明である。従って、信号光パルス列がこれら非線形
媒質を通過した場合、信号パルス列の強度は変化しな
い。

【００２２】ここで利得媒質２３に着目するならば、第
１のパルス列の最初のパルス１が到達した時点から時間
Ｔの経過後に、第２のパルス列の最初のパルス１’が到
達する。ここで時間Ｔとは、パルス１’がＣからＢまで
の距離を進行するのに要する時間を意味する。ここで利
得媒質２３において、パルス１が到達し、時間Ｔ経過後
にパルス１’が到達し、この時間Ｔの間（すなわちパル
ス１の到達後、パルス１’の到達前）に、制御光パルス
が通過するよう、制御光パルス列の供給タイミングを制
御する。

【００２３】利得媒質２３は、制御パルス光にとっては
利得媒質となる。このため、制御パルス光の通過によっ
て利得媒質２３のキャリア密度が急激に減少し、その後
ゆっくり回復する。この結果、制御光パルスの通過前に
利得媒質２３に到達していたパルス１は、位相変化Φｇ
を受ける。しかし、制御光パルスが通過して利得媒質２
３のキャリア密度が変化した後に利得媒質２３に到達し
たパルス１’は、位相変化Φｇ＋ΔΦｇを受ける。この
ように、パルス１とパルス１’との間では、利得媒質２
３のキャリア密度の変化に応じて、位相がΔΦｇ異な
る。

【００２４】次に吸収媒質２４に注目すると、まずパル
ス１’が到達する。次にパルス１が到達する。制御光パ
ルスは、先に利得媒質２３を通過してから時間Ｔ’の経
過後、吸収媒質２４に到達する。ここで時間Ｔ’とは、
制御光パルスがＢからＣまでの距離を進行するのに要す
る時間を意味する。すなわち吸収媒質２４においては、
まずパルス１’が到達し、次にパルス１、そして最後に
制御光パルスが通過する。

【００２５】このようなタイミングとなるように、光遅
延器２５の特性、また吸収媒質２４の位置を適切に決定
する。吸収媒質２４は、制御光パルスにとっては吸収媒
質となる。このため、制御光パルスの通過によって吸収
媒質２４のキャリア密度が急激に増加し、その後にゆっ
くり緩和する。

【００２６】この結果、利得媒質２３におけると同様、
信号光パルスの位相が変化する。すなわち、最初に吸収
媒質２４に到達したパルス１’は、位相変化Φａ＋ΔΦ
ａを受ける。次に吸収媒質２４に到達したパルス１は、
位相変化Φａを受ける。このように、パルス１とパルス
１’とでは、吸収媒質２４のキャリア密度の変化に応じ
て、位相がΔΦａ異なる。

【００２７】こうして、利得媒質２３、そして吸収媒質
２４の影響を受けた１対の信号光パルスがファイバルー
プを１周して、２×２光カプラ１２で干渉する。この出
力の光強度は、以下の式で表される。

【数１】

【数２】ここで、ΔΦ＝ΔΦｇ＋ΔΦａ、ｇ＝１、Δｇ＝０であ
る。

【００２８】従って、パルス１とパルス１’については
ΔΦが０またはπになり、パルス２、またパルス２’以
降ではΔΦが０になるよう、利得媒質２３と吸収媒質２
４とを組み合わせる。そうすれば、１つの非線形媒質を
通過する際に受ける、キャリア密度の遅い回復に起因す
る位相差を、もう１つの非線形媒質を通過する際に受け
る位相差でバランスすることができる。

【００２９】これを図で示すならば、図２（ｃ）のよう
に、１からＮまで周期的に繰り返されるパルスのうち、
パルス１のみを透過出力ポートに、その他のパルスを反
射出力ポートに出力することができる。この時、時間幅
Ｔのゲートでパルス１のみがスイッチングされているこ
とになる。

【００３０】このように、第１の実施形態の構成では、
スイッチングのゲート時間と出力ポートは吸収媒質で制
御され、出力パルスは２つの出力ポートうちのいずれか
１つのポートのみに出力される。ここではパルス１とパ
ルス１’との間のタイミングで制御光パルスを与えた
が、制御光パルスのタイミングによってパルス２以降
（パルス２、３、・・・Ｎ）の任意のパルスをスイッチ
ングすることができる。

【００３１】次に、この発明の第２の実施形態を図３に
示す。第２の実施形態においては、基本的な構成は第１
の実施形態におけると同様である。しかし、この第２の
実施形態では、利得媒質３１は、信号光パルスと制御光
パルスのいずれに対しても利得となる。また吸収媒質３
２は、信号光パルスと制御光パルスのいずれに対しても
損失となる。利得媒質３１としては、たとえば半導体光
増幅器などに電流を注入して使用する。吸収媒質３２と
しては、同様の半導体光増幅器などに電流を注入しない
で使用する。

【００３２】以下、第２の実施形態の非線形ループミラ
ーの動作および機能について説明する。非線形ループミ
ラー１の入力ポート２には、繰り返し周波数ｆ（Hz）の
信号光パルスが入力される。一方、制御光ポート５には
制御光パルスが入力される。この制御光パルスは、信号
光パルスの１／Ｎ（Ｎは整数）の繰り返し周波数を有す
る。ここでは簡単のために、Ｎ＝４の場合を例に以下説
明する。これらの信号光パルスと制御光パルスとは同期
している。

【００３３】以下、図３に示すブロック図、および図４
のタイムチャートを用いて動作を説明する。図４（ａ）
には、利得媒質３１における信号光パルス列、および制
御光パルス列の到達タイミングと、利得媒質３１のキャ
リア密度の変化が示されている。図４（ｂ）には、吸収
媒質３２における信号光パルス列、および制御光パルス
列の到達タイミングと、吸収媒質３２のキャリア密度の
変化が示されている。そして図４（ｃ）には、反射出力
ポート３に現れる透過出力および反射出力が示されてい
る。

【００３４】信号光パルスが２×２光カプラ１２におい
て２分岐され、ファイバループミラー２０内には互いに
逆向きに進行する１対の信号光パルス列が発生する。こ
こで利得媒質３１に着目すると、まずパルス１が到達
し、この時点から時間Ｔ遅れてパルス列１’が到達す
る。この時間Ｔの間に、制御光パルスが利得媒質３１に
入力されるよう、制御光パルスのタイミングを設定す
る。制御光パルスが利得媒質３１に入力されると、媒質
内のキャリア密度が急激に減少する。そのため媒質の屈
折率が変化し、その影響でパルス１’の位相が変化する
（図４（ａ））。

【００３５】ここで制御光パルスの強度を、利得媒質３
１においてパルス１'に生じる位相変化量がπになるよ
うな強度に設定する。その結果、１対の信号光パルスが
ファイバーループを１周して２×２光カプラ１２で干渉
する際に、透過出力ではパルス１とパルス１’の位相差
は２πとなって強め合う。一方反射出力では、両者の位
相差がπとなり打ち消し合う。

【００３６】ここで、干渉する時点でパルス１とパルス
１’の強度が等しければ、干渉出力は透過出力７だけに
現れることになる。ただし、利得媒質３１のキャリア密
度の減少は利得の減少でもある。そのため利得媒質３１
を通過した後のパルス１とパルス１’とには強度差が生
じている。この差の分は２等分されて、透過出力と反射
出力とに半分ずつ出力される。

【００３７】次に、パルス１から時間４／ｆ秒遅れて、
パルス２が利得媒質３１に到達する。さらに、その時点
からＴ遅れて、パルス２’が利得媒質３１に到達する。
ここで、Ｔ<<１／ｆ<<４／ｆであれば、利得媒質３１の
キャリアの回復時間に対して、パルス２の後にパルス
２’が到達するまでの時間間隔が十分短い。したがっ
て、パルス２とパルス２’それぞれに生じる位相変化量
の差、および強度の差は小さい。

【００３８】このように、利得媒質３１が、ファイバー
ループ中を相互に逆向きに伝播した１対のパルス間（た
とえばパルス２とパルス２’、パルス３とパルス３’）
の位相差に与える影響が小さいときには、２×２光カプ
ラ１２で干渉した結果、透過出力はほぼ打ち消しあい、
干渉出力の大部分が反射出力に現れる（図４（ｃ））。

【００３９】しかし、信号光パルスの繰り返しの時間間
隔は、利得媒質３１のキャリア密度の回復時間に対して
比較的に長い。したがって、制御光パルスの後に利得媒
質３１に到達した信号光パルス（パルス２以降）は、利
得媒質３１のキャリアが回復するにつれてより大きく増
幅される。そのため、光ファイバーループ２０中に仮に
利得媒質３１のみが配置されている場合には、ループミ
ラーの反射出力に現れるパルス２から４のパルス光強度
に、主に利得媒質３１の利得の変化に起因する強度差が
生じる（図４（ａ）参照）。

【００４０】一方、吸収媒質３２に注目すれば、制御光
パルスは利得媒質３１を通過してから時間Ｔ’経過後に
吸収媒質３２に到達する。そこで、吸収媒質３２の位置
Ｃを適当に調節すれば、パルス１’、次いでパルス１が
吸収媒質３２に到達し、次にパルス２’が到達するより
も前に、制御光パルスが吸収媒質３２に到達するように
できる。

【００４１】この場合には、信号光パルス１とパルス
２’との間に制御光パルスが吸収媒質３２に吸収され
る。これにより、吸収媒質３２のキャリア密度が急激に
増加する。その影響で、信号光パルス２’以降に吸収媒
質３２に到達したパルスの受ける吸収損失は、吸収媒質
３２のキャリアが回復するにつれてより大きな損失を受
けて減少する。同時に、パルスの位相変化が引き起こさ
れる。

【００４２】しかし２×２光カプラ１２で干渉するパル
スどうし（たとえばパルス１とパルス１’）の時間間隔
に対して、吸収媒質３２のキャリア密度が回復する時間
が十分遅いとすれば、位相変化量の差は干渉するパルス
間では十分小さいと見なすことができる。このような場
合には、２×２光カプラ１２の干渉出力は吸収媒質３２
には影響されず、利得媒質３１で受けた位相変化量に応
じて決まると考えることができる。

【００４３】一方パルス強度に関しては、前述した通り
パルス２以降では徐々に光強度は小さくなる。従って、
吸収媒質３２の吸収係数を適当に設定すれば、利得媒質
３１を通過することによってパルス１以降の信号光パル
ス（パルス２、３、４・・・）に生じる強度の変動を、
吸収媒質３２で受ける損失とバランスすることができ
る。

【００４４】この結果、反射出力ポート３に現れる信号
光パルス（パルス２、３、４・・・）のパルス光強度は
一定となる。たとえば非線形ループミラーを光時分割多
重に応用する場合など、ループミラーの反射出力を利用
する場合には、この実施形態のループミラーを用いれば
強度変動のない安定な光データ信号を得ることができ
る。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば
出力光パルスがいずれか一つの出力ポートに決定され
る、スイッチング消光のよい非線形ループミラーが得ら
れる。また、光強度変動のない安定な光データ信号を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施形態のブロック図であ
る。

【図２】第１の実施形態の動作を説明するタイムチャー
トである。

【図３】この発明の第２の実施形態のブロック図であ
る。

【図４】第２の実施形態の動作を説明するタイムチャー
トである。

【符号の説明】

１・・・非線形ループミラー２・・・入力ポート３・・・反射出力ポート４・・・透過出力ポート５・・・制御光ポート２０・・・ファイバループミラー２３、３１・・・利得媒質２４、３２・・・吸収媒質

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光ファイバループと、入力光信号を２分岐して、相互に逆方向に進行する１対
の信号列を前記光ファイバループに入力する分岐手段
と、制御光信号を前記光ファイバループに入力する制御信号
入力手段と、前記光ファイバループの光路上に配置される第１の非線
形媒質、および第２の非線形媒質とを有し、前記制御光信号により前記第１および第２の非線形媒質
のキャリア密度を制御することにより、前記入力光信号
の位相の制御を行うことを特徴とする非線形ループミラ
ー。
【請求項２】請求項１記載の非線形ループミラーであ
って、前記第１、および第２の非線形媒質のうち、一方は前記
制御光パルスに対して吸収媒質として作用し、他方は前
記制御光パルスに対して利得媒質として作用するもので
あることを特徴とする非線形ループミラー。
【請求項３】請求項２記載の非線形ループミラーであ
って、前記第１の非線形媒質、および第２の非線形媒質によっ
て位相が制御された前記１対の信号列は、前記分岐手段
において合成され、前記光ファイバループから出力され
ることを特徴とする非線形ループミラー。
【請求項４】請求項３記載の非線形ループミラーであ
って、前記光ファイバループは、透過出力ポートと反射出力ポ
ートとを有し、前記光ファイバループから出力される前記光信号は、前
記透過出力ポート、または前記反射出力ポートのいずれ
かにスイッチングされることを特徴とする非線形ループ
ミラー。
【請求項５】光ファイバループと、入力光信号を２分岐して、相互に逆方向に進行する１対
の信号列を前記光ファイバループに入力する分岐手段
と、制御光信号を前記光ファイバループに入力する制御信号
入力手段と、前記光ファイバループの光路上に配置される第１の非線
形媒質、および第２の非線形媒質とを有し、前記制御光信号により前記第１および第２の非線形媒質
のキャリア密度を制御することにより、前記入力光信号
の強度の制御を行うことを特徴とする非線形ループミラ
ー。
【請求項６】請求項５記載の非線形ループミラーであ
って、前記第１、および第２の非線形媒質のうち、一方は前記
入力信号および前記制御光パルスに対して吸収媒質とし
て作用し、他方は前記入力信号および前記制御光パルス
に対して利得媒質として作用するものであることを特徴
とする非線形ループミラー。
【請求項７】請求項６記載の非線形ループミラーであ
って、前記第１の非線形媒質、および第２の非線形媒質によっ
て強度が制御された前記１対の信号列は、前記分岐手段
において合成され、前記光ファイバループから出力され
ることを特徴とする非線形ループミラー。