JPWO2006011262A1 - 光信号増幅３端子装置 - Google Patents

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Abstract

光信号増幅３端子装置１０によれば、第１半導体光増幅素子１４からの出力光の中から光アド・ドロップフィルタ１６により選択された第１波長λ1とは異なる波長の周囲光ＬSの一部と、外部から供給された第２波長λ2の制御光ＬCとが共に第２半導体光増幅素子１８に入力される。この第２半導体光増幅素子１８の相互利得変調作用によって、制御光ＬCで変調制御された第２波長λ2の出力信号光ＬOUTとその第２波長λ2の周囲波長の周囲光とを含む出力光が第２半導体光増幅素子１８から出力され、波長選択フィルタ２０によって第２波長λ2の出力信号光ＬOUTが透過させられて出力される。

Description

本発明は、高度情報処理が可能な光通信、光画像処理、光コンピュータ、光計測、光集積回路などの光エレクトロニクスに好適に適用可能な光信号増幅３端子装置に関するものである。
光通信の分野では、高速で伝送した光信号を一旦電気信号に変換し、電子回路において情報処理が行われ、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、光を光で直接制御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、光信号で光信号を処理する技術が期待されている。そのため、たとえばエレクトロニクスで言うトランジスタに相当するような機能（信号増幅作用）素子、すなわち光信号を他の光信号で直接制御して信号増幅できる光機能素子が望まれている。
これに対し、特許文献１に記載されているように、本発明者等は入力光を制御光を用いて制御し信号増幅された出力信号光を得る機能を備えた光機能素子或いは光機能装置を提案した。この特許文献１には、第１波長の第１入力光を第２波長の一定強度のバイアス光と共に第１半導体光増幅素子に入力させ、その第１半導体光増幅素子の出力光から選択した第２波長の光に異なる波長（たとえば第１波長）の他のレーザ光（制御光）を混合して第２半導体光増幅素子に入力させ、その第２半導体光増幅素子の出力光の一部を正帰還させ、残りの一部から第１波長の出力信号光を取り出すことにより、制御光によってスイッチング制御等の処理が施された第１波長の出力信号光を得ることができる３端子の光機能素子が開示されている。
ＷＯ０２／０８６６１６Ａ１
しかしながら、上記従来の光機能素子では、第１半導体光増幅素子に入力光とともに入力させる一定強度の第２波長の第２入力光（バイアス光）を発生させるためのレーザ光源を必要とすることから、装置の小型化或いは集積回路化が困難となるとともに、多数の光信号増幅３端子装置を用いる場合に多数のレーザ光源が必要となって光回路が高価で複雑となるという不都合があった。また、第２入力光のバイアス光はレーザ光源であるため、温度変化などによりレーザ光強度が変化すると出力に大きく影響を与える。さらに、レーザ光の波長が変化すると第１波長選択素子からの出力が変化して特性が大きく変化する不都合があった。
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、第１半導体光増幅素子に入力光とともに入力させる一定強度の第２波長の第２入力光（バイアス光）を不要とするシンプルな光信号増幅３端子装置を提供することにある。また、レーザ光源であるバイアス光による温度変化などによる特性の変化を除去し、安定した特性を有する光信号増幅３端子装置を提供することにある。
本発明者は、上記の目的を達成するために種々検討を重ね且つ解析を行った結果、(a) 第１半導体光増幅素子の出力光中からバイアス光の信号光を取り出す波長選択フィルタは従来可及的に狭帯域たとえば１ｎｍ程度以下に設定されていることから、その波長選択フィルタによって選択されるバイアス光の信号光の必要強度を得るために、第１半導体光増幅素子に入力光とともに入力させる一定強度のバイアス光を発生させるレーザ光源を必要とする点、(b) 上記波長選択フィルタを透過させられるバイアス光の信号光の強度が所定値以上であれば、上記レーザ光源からの一定強度のバイアス光を第１半導体光増幅素子に入力させなくても、第２半導体光増幅素子において相互利得変調作用が十分に得られる点、(c) 上記バイアス光は第２半導体光増幅素子において相互利得変調を生じさせるためであってその第１波長の周囲光の波長帯でよいことから、上記波長選択フィルタによる選択波長帯を拡大することによりバイアス光の強度が高められて第２半導体光増幅素子における光信号の相互利得変調が可能となるという点をそれぞれ見出した。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、請求項１に係る発明の光信号増幅３端子装置の要旨とするところは、(a) ｐｎ接合からなる活性層をそれぞれ備えた第１半導体光増幅素子および第２半導体光増幅素子と、(b) 第１波長の第１入力光を前記第１半導体光増幅素子に入力させる第１入力手段と、(c) 前記第１半導体光増幅素子からの光から前記第１波長以外の周辺光の全部または１部の波長帯を選択する第１波長選択素子と、(d) 第２波長の第２入力光を、第１波長選択素子により選択された前記第１波長以外の周辺光の全部または１部の波長帯の光とともに、前記第２半導体光増幅素子に入力させる第２入力手段と、(e) 前記第２半導体光増幅素子からの光から第２波長の光を選択して出力する第２波長選択素子とを含み、(f) 前記第１波長の第１入力光は強度変調された入力光であり、上記第２波長の第２入力光は制御光であり、前記第２波長の出力光は、その制御光の入力区間において第１入力光の強度変調された信号波形を有するものである。この第１発明の光信号増幅３端子装置では、好適には、前記第２半導体光増幅素子の出力光は前記第１波長の第１入力光および／または第２波長の第２入力光の強度変調或いはオンオフに応じた波形を備えたものである。
また、請求項２に係る発明の要旨とするところは、(a) ｐｎ接合からなる活性層を備えた第１半導体光増幅素子と、(b) 第１波長の第１入力光および第２波長の第２入力光を前記第１半導体光増幅素子の一端面側および他端面側からそれぞれ入力させる第１入力手段および第２入力手段と、(c) 前記第１半導体光増幅素子の一端面側に設けられ、前記第１入力手段からの第１波長の第１入力光を透過させるがその第１半導体光増幅素子からの光のうち第２波長の光をその第１半導体光増幅素子へ反射する第３波長選択素子と、(d) 前記第１半導体光増幅素子の他端面側に設けられ、前記第２入力手段からの第２波長の第２入力光を透過させるがその第１半導体光増幅素子からの光のうちの第１波長の光をその第１半導体光増幅素子へ反射する第４波長選択素子とを含み、(e) 前記第１波長の第１入力光は強度変調された入力光であり、前記第２波長の第２入力光は制御光であり、前記第２波長の出力光は、第４波長選択素子により選択して出力され、前記制御光の入力区間においてその第１入力光の強度変調に応じた信号波形を備えたものである。
また、請求項３に係る発明の要旨とするところは、制御光などとして用いられる上記第２入力光の第２波長は、前記第１波長と同じであることにある。
また、請求項４に係る発明の要旨とするところは、前記第２波長の出力光の前記第２波長の第２入力光（制御光）に対する信号増幅率は、２以上、好ましくは１０以上であることにある。
また、請求項５に係る発明の要旨とするところは、前記第１波長選択素子は、選択光のスペクトル幅が５ｎｍ以上、さらに好適には１０ｎｍ以上の波長選択性フィルタであることにある。
また、請求項６に係る発明の要旨とするところは、前記第１波長選択素子、第２波長選択素子、第３波長選択素子、および／または第４波長選択素子は、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、屈折率が異なる多数組の層が積層されて成る多層膜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、請求項７に係る発明の要旨とするところは、前記グレーティングフィルタは、傾斜周期回折格子から構成されたものであることにある。
また、請求項８に係る発明の要旨とするところは、前記第１半導体光増幅素子および／または第２半導体光増幅素子の活性層は、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、請求項９に係る発明の要旨とするところは、前記第１半導体光増幅素子および／または第２半導体光増幅素子は、前記活性層を通過した光を反射するための反射手段をその一端面に備え、他端面を通して入力光が入力され且つ出力光が取り出されるものであることにある。
また、請求項１０に係る発明の要旨とするところは、前記反射手段は、ブラッグ回折格子、または屈折率が異なる１対の層が多数対積層されてなる多層膜ミラーであることにある。
また、請求項１１に係る発明の要旨とするところは、前記第１入力手段および／または第２入力手段は、光サーキュレータ、方向性結合素子、または光アド・ドロップフィルタから構成されたものであることにある。
また、請求項１２に係る発明の要旨とするところは、前記光信号増幅３端子装置は、光演算器、波長分割多重光中継器、または光メモリを構成するものであることにある。
請求項１に係る発明の光信号増幅３端子装置によれば、(a) ｐｎ接合からなる活性層をそれぞれ備えた第１半導体光増幅素子および第２半導体光増幅素子と、(b) 第１波長の第１入力光を前記第１半導体光増幅素子に入力させる第１入力手段と、(c) 前記第１半導体光増幅素子からの光から前記第１波長以外の周辺光の全部または１部の波長帯の光を選択する第１波長選択素子と、(d) 第２波長の第２入力光を、第１波長選択素子により選択された前記第１波長以外の周辺光の全部または１部の波長帯の光とともに、前記第２半導体光増幅素子に入力させる第２入力手段と、(e) 前記第２半導体光増幅素子からの光から第２波長の光を選択し出力する第２波長選択素子とを含むことから、第１半導体光増幅素子の出力光中から選択されて第２半導体光増幅素子に入力される、第１波長とは異なる波長の周辺光の全部または１部の波長帯の光は、第１波長の出力信号光と強度が反転しているだけでなく、レーザ光源からのバイアス光がなくても十分な強度を備えているので、第２半導体光増幅素子において相互利得変調作用を生じさせ、第２波長の第２入力光（制御光）によって十分な光信号増幅作用が得られる。また、本請求項１に係る発明の光信号増幅３端子装置では、第２波長の第２入力光である一定強度のバイアス光（レーザ光）を第１半導体光増幅素子に入力させる必要がないので、温度変化が少なく、安定した作動を得ることができる。さらに、本請求項１に係る発明の光信号増幅３端子装置によれば、第１波長の第１入力光は強度変調された入力光であり、上記第２波長の第２入力光は制御光であり、上記第２波長の出力光は、その制御光の入力区間において第１入力光の強度変調された信号波形を有するものであるので、制御光の強度変調或いはオンオフに応答した波形の出力光が得られる。
請求項２に係る発明の光信号増幅３端子装置によれば、(a) ｐｎ接合からなる活性層を備えた第１半導体光増幅素子と、(b) 第１波長の第１入力光および第２波長の第２入力光を前記第１半導体光増幅素子の一端面側および他端面側からそれぞれ入力させる第１入力手段および第２入力手段と、(c) 前記第１半導体光増幅素子の一端面側に設けられ、前記第１入力手段からの第１波長の第１入力光を透過させるがその第１半導体光増幅素子からの光のうち第２波長の光をその第１半導体光増幅素子へ反射する第３波長選択素子と、(d) 前記第１半導体光増幅素子の他端面側に設けられ、前記第２入力手段からの第２波長の第２入力光を透過させるがその第１半導体光増幅素子からの光のうちの第１波長の光をその第１半導体光増幅素子へ反射する第４波長選択素子とを含み、(e) 前記第１波長の第１入力光は強度変調された入力光であり、前記第２波長の第２入力光は制御光であり、前記第２波長の出力光は、第４波長選択素子により選択して出力され、前記制御光の入力区間においてその第１入力光の強度変調された信号波形を備えたものである。このため、入力光信号と出力光信号との位相が反転し、第１波長から第２波長へ波長変換されるが、第１半導体光増幅素子において相互利得変調作用を生じさせ、第２波長の第２入力光（制御光）によって光信号増幅作用が得られる。また、第１半導体光増幅素子のみで構成されているので、構造が単純となり、製造が容易となる。さらに、本請求項２に係る発明の光信号増幅３端子装置によれば、第１波長の第１入力光は強度変調された入力光であり、上記第２波長の第２入力光は制御光であり、上記第２波長の出力光は、その制御光の入力区間において第１入力光の強度変調された信号波形を有するものであるので、制御光に応答して強度変調された出力光が得られる。
また、請求項３に係る発明の要旨とするところは、制御光などとして用いられる上記第２入力光の第２波長は、前記第１波長と同じであるので、入出力信号が単一の波長の光で統一されるので、光回路の構成が簡単となる。
また、請求項４に係る発明の要旨とするところは、前記第２波長の出力光の前記第２波長の第２入力光（制御光）に対する信号増幅率は１０以上であるので、十分な信号増幅率が得られる。
また、請求項５に係る発明の要旨とするところは、前記第１半導体光増幅素子からの光から前記第１波長以外の周辺光の全部または１部の波長帯の光を選択する第１波長選択素子は、選択光のスペクトル幅が５ｎｍ以上の波長選択性フィルタであるので、十分な信号強度を有する周辺光を第２半導体光増幅素子へ入力させることができる。
また、請求項６に係る発明の要旨とするところは、前記第１波長選択素子、第２波長選択素子、第３波長選択素子、および／または第４波長選択素子は、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、屈折率が異なる多数組の層が積層されて成る多層膜フィルタのいずれかから構成されたものであるので、光信号増幅３端子装置の集積化が容易となる。
また、請求項７に係る発明の要旨とするところは、上記グレーティングフィルタは、傾斜周期回折格子から構成されたものであるので、スペクトル幅の広いフィルタを構成することができる。
また、請求項８に係る発明の要旨とするところは、前記第１半導体光増幅素子または第２半導体光増幅素子の活性層は、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ので、素子の高い応答速度が得られる。
また、請求項９に係る発明の要旨とするところは、前記第１半導体光増幅素子および／または第２半導体光増幅素子は、前記活性層を通過した光を反射するための反射手段をその一端面に備え、他端面を通して入力光が入力され且つ出力光が取り出されるものであるので、光信号増幅３端子装置を一層小型化できる。また、信号変換に関して高効率が得られる。
また、請求項１０に係る発明の要旨とするところは、前記反射手段は、ブラッグ回折格子、または屈折率が異なる１対の層が多数対積層されてなる多層膜ミラーであるので、蒸着或いはスパッタ技術を利用して半導体チップ上に形成された光導波路の端面に容易に設けることができる。
また、請求項１１に係る発明の要旨とするところは、前記第１入力手段および／または第２入力手段は、光サーキュレータ、方向性結合素子、または光アド・ドロップフィルタから構成されたものであるので、光信号増幅３端子装置を一層小型化できる。
また、請求項１２に係る発明の要旨とするところは、前記光信号増幅３端子装置は、光演算器、波長分割多重光中継器、または光メモリを構成するものであるので、光信号のみで作動可能な高速の光演算器、波長分割多重光中継器、または光メモリが得られる。
本発明の一実施例の光信号増幅３端子装置の回路構成を説明するブロック図である。 図１の実施例の光信号増幅３端子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１の光信号増幅３端子装置における第１半導体光増幅素子の出力スペクトルを示す図であって、入力信号光がオンであるときの出力スペクトルを上段に、入力信号光がオフであるときの出力スペクトルを下段に示している。 図１の光信号増幅３端子装置において第１半導体光増幅素子の出力スペクトルを示す図であって、入力信号光がオンであるときの光アド・ドロップフィルタ透過後の周囲光の光スペクトルを上段に示し、入力信号光がオフであるときの光アド・ドロップフィルタ透過後の周囲光の光スペクトルを下段に示している。 図１の実施例の光信号増幅３端子装置の入出力信号波形を示すタイムチャートである。 図１の実施例の光信号増幅３端子装置において、制御光強度をパラメータとした場合の入出力特性を説明する図である。 本発明の他の実施例の光信号増幅３端子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。 本発明の他の実施例の光信号増幅３端子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１または図７の光信号増幅３端子装置が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１または図７の光信号増幅３端子装置が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１の光信号増幅３端子装置が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１の光信号増幅３端子装置を用いた光信号記憶装置の構成例を説明する図である。 図１２の光信号記憶装置の入力信号光とそれが記憶された出力信号光を説明する図である。 本発明の他の実施例の光信号増幅３端子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１、図５乃至図１４の光信号増幅３端子装置において第２半導体光増幅素子へ供給される周囲光の他の例であって、入力信号光がオンであるときに第２半導体光増幅素子へ供給される周囲光の光スペクトルを上段に示し、入力信号光がオフであるときの周囲光の光スペクトルを下段に示している。 本発明の他の実施例であって、単一の半導体光増幅素子を備えた光信号増幅３端子装置の回路構成を説明するブロック図である。 図１６の実施例における光信号制御作動を説明するタイムチャートである。 単一の半導体光増幅素子を備えた光信号増幅３端子装置の他の構成例を説明する図である。 単一の半導体光増幅素子を備えた光信号増幅３端子装置の他の構成例を説明する図である。 単一の半導体光増幅素子を備えた光信号増幅３端子装置の他の構成例を説明する図である。
符号の説明
１０、２４、２８、３２、４０、４２、６０：光信号増幅３端子装置
１２：光ファイバ（第１入力手段）
１４：第１半導体光増幅素子
１６：光アド・ドロップフィルタ（第１波長選択素子、第２入力手段）
１８：第２半導体光増幅素子
２０、３８、４８：波長選択フィルタ（第２波長選択素子）
３６：グレーティングフィルタ（第１波長選択素子、第２入力手段）
４６：波長選択性多層膜フィルタ（第１波長選択素子、第２入力手段）
６２：第１波長選択性ミラー（第１波長選択素子）
６４：第２波長選択性ミラー（第２入力手段）
７０：光信号増幅３端子装置
ここで、前記半導体光増幅素子は、ｐｎ接合から成る活性層を備えて光信号を増幅するものであるが、相互利得変調作用を有している。この相互利得変調作用は、たとえば、単色の強度変調されたレーザ光の入射によってその波長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周囲光すなわち自然放出光をも出力する。この自然放出光の波長内である第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波長の強力な出力光が得られる。従来の光信号増幅３端子装置では一定強度の第２波長のレーザ光がバイアス光として第１半導体光増幅素子に入力されていた。
一方、前記周囲光は、前記入力信号光の第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波長の出力信号光とは逆位相に変調されている。このため、前記第１波長選択素子は、第１半導体光増幅素子からの出力光から前記第１波長の入力光の周辺光の全部を分離するものであってもよいし、１部を分離して第２半導体光増幅素子へ制御光と共に入力させるものであってもよい。この第２半導体光増幅素子へ入力させる第１半導体光増幅素子からの周囲光の波長帯は、個々の波長の強度は弱いが広い波長帯を選択することによって全体として大きな（強い）光強度が得られ、第２半導体光増幅素子において十分な相互利得変調作用を発生させられるように設定される。
前記制御光としての第２波長の第２入力光は、出力光の制御或いは変調のための所定の周波数或いは波形の信号光であってもよいし、オンオフ或いは一定強度の光であってもよい。この一定強度の光である場合は、光信号増幅３端子装置が波長変換装置、或いは位相変換装置などとして用いられる。
以下、本発明の一実施例の光信号増幅３端子装置１０を図面に基づいて詳細に説明する。
図１の光信号増幅３端子装置１０において、たとえば１５５０ｎｍを中心波長とする狭帯域のレーザ光などの第１波長λ1 を有する入力信号光（第１入力光）ＬINが、第１入力手段として機能する光ファイバ１２を介して第１半導体光増幅素子（ＳＯＡ）１４へ供給され、そこで相互利得変調が行われる。この第１半導体光増幅素子１４は、たとえば図２に示す、半導体チップから構成される。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１４ａの上に形成された光導波路１４ｂは、その半導体基板１４ａ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１４ｂは、半導体基板１４ａ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１４ｂ内の多層膜には、ｐｎ接合により構成された活性層１４ｃ、キャップ層などが含まれ、その上には上部電極１４ｄが固着されている。この活性層１４ｃは、半導体基板の下面に固着された下部電極１４ｅと上記上部電極１４ｄ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１４ｃ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１４ｃは、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１４ａ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１４ｃ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１４ｃ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１５５５ｎｍにおいて２０ｄＢ程度の利得が得られる。
上記第１半導体光増幅素子１４からの出力光は、たとえば図３に示すスペクトルを備えている。図３の上段は入力信号光ＬINがオンであるときのものであり、下段は入力信号光ＬINがオフであるときのものである。図３から明らかなように、入力信号光ＬINがオンであるときの出力光には、その入力信号光ＬINが増幅された第１波長λ1 の増幅光とその第１波長λ1 とは異なる周囲波長λS の周囲光ＬS とが含まれ、入力信号光ＬINがオンであるときの出力光中の周囲光ＬS は入力信号光ＬINがオフであるときの出力光中の周囲光ＬS よりも強度が小さい。このように第１波長λ1 の増幅光とその第１波長λ1 とは異なる周囲波長λS の周囲光ＬS との強度が反転する現象が相互利得変調作用と称される。
図１に戻って、光アド・ドロップフィルタ１６は、第１波長選択素子および第２入力手段として機能するものであり、たとえば１５３０ｎｍ〜１５４０ｎｍの１０ｎｍ幅の波長帯の光を透過させるがそれ以外の波長の光を反射するように構成されている光波干渉を利用した反射型多層膜フィルタである。図４は光アド・ドロップフィルタ１６を透過後の光のスペクトルを示し、その図４の上段は入力光ＬINがオン状態の場合を、下段は入力光ＬINがオフ状態の場合を示している。この光アド・ドロップフィルタ１６の通過波長帯は、第２半導体光増幅素子１８において十分な相互利得変調作用を発生させるに足る、第２半導体光増幅素子１８への周囲光ＬS の強度が得られるように設定されるので、少なくとも５ｎｍ幅の波長帯よりも大きい幅の波長帯であればよく、周囲光の全部を通過させるものであってもよい。上記光アド・ドロップフィルタ１６は、上記第１半導体光増幅素子１４からの出力光中から、周囲光ＬS の一部である１５３０ｎｍ〜１５４０ｎｍの波長帯を通過させて第２半導体光増幅素子１８へ入力させる。また、外部から供給された第２波長λ2 の制御光（第２入力光）ＬC を反射して第２半導体光増幅素子１８へ入力させる。この制御光ＬC の第２波長λ2 は第２半導体光増幅素子１８へ入力される周囲光ＬS と異なる波長であればよいので、たとえば前記入力信号光ＬINと同じ第１波長λ1 とされてもよい。この場合には、光信号増幅３端子装置１０の入力信号光ＬINと出力信号光ＬOUT とが同じ波長λ1 となる利点がある。
第２半導体光増幅素子１８は上記第１半導体光増幅素子１４と同様に構成されたものであり、そこでは、相互利得変調作用によって、制御光ＬC で変調制御された第２波長λ2 の出力信号光ＬOUT とその第２波長λ2 の周囲波長の周囲光とを含む出力光が第２半導体光増幅素子１８から出力される。波長選択フィルタ２０は、第２半導体光増幅素子１８の出力光中から制御光ＬC と同じ波長を選択する第２波長選択素子として機能するものであり、たとえば１５５５ｎｍの波長帯の光すなわち第２波長λ2 の光を透過させるがそれ以外の波長の光の透過を阻止（反射）するように構成されている光波干渉を利用した多層膜フィルタである。したがって、上記波長選択フィルタ２０は、第２半導体光増幅素子１８からの出力光中の、制御光ＬC で変調制御された第２波長λ2 の出力信号光ＬOUT を透過させることにより出力する。
以上のようにして構成された光信号増幅３端子装置１０によれば、第１波長λ1 の入力信号光ＬINが第１半導体光増幅素子１４に入力されたとき、その第１半導体光増幅素子１４からの出力光の中から光アド・ドロップフィルタ１６により選択された第１波長λ1 とは異なる波長の周囲光ＬS の一部と、外部から供給された第２波長λ2 の制御光（第２入力光）ＬC とが共に第２半導体光増幅素子１８に入力される。そして、第２半導体光増幅素子１８の相互利得変調作用によって、制御光ＬC で変調制御された第２波長λ2 の出力信号光ＬOUT とその第２波長λ2 の周囲波長の周囲光とを含む出力光が第２半導体光増幅素子１８から出力されるので、波長選択フィルタ２０によって第２波長λ2 の出力信号光ＬOUT が透過させられて出力される。光アド・ドロップフィルタ１６を通過させられることにより選択される、第１波長λ1 とは異なる波長の周辺光の１部の波長帯の光は、第１波長λ1 の出力信号光ＬOUT と強度が反転しているだけでなく、レーザ光源からのバイアス光がなくても、十分な強度を備えているので、第２半導体光増幅素子１８において、第２波長の第２入力光（制御光）によって十分な光信号増幅作用或いは相互利得変調作用が得られる。
図５は、上記光信号増幅３端子装置１０の入力信号光ＬIN、制御光ＬC 、および出力信号光ＬOUT を、共通の時間軸上で示すタイムチャートである。出力信号光ＬOUT は、入力信号光ＬINが増幅を受けた同相の信号光であって、制御光ＬC のオンオフによる変調を受けたものが示されている。また、その出力信号光ＬOUT の強度（大きさ）は制御光ＬC の強度（大きさ）に応じて制御される特性が備えられており、制御光ＬC が実線に示す大きさから破線に示す大きさへ減少させられると、出力信号光ＬOUT も実線に示す大きさから破線に示す大きさへ減少させられる。図６は、光信号増幅３端子装置１０の上記の制御光ＬC の強度をパラメータとした光入出力特性を示している。ここで、重要な特性は数十μＷの制御光パワーで数ｍＷオーダの出力光が制御可能であることであり、出力光の制御光による信号増幅率としては約１０乃至３０が得られている。
また、本実施例の光信号増幅３端子装置１０では、一定強度のバイアス光（レーザ光）を第１半導体光増幅素子１４に入力させる必要がないので、バイアス光の温度変化などの変動による特性変動がなく、安定した作動を得ることができる。
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７の光信号増幅３端子装置２４では、第２半導体光増幅素子１８が出力光が反射端面１８ｍで反射されて入力側から出力される反射型光増幅素子から構成されており、この第２半導体光増幅素子１８は、光アド・ドロップフィルタ１６と波長選択フィルタ２０との間に設けられた光サーキュレータ２６に接続（結合）されている点で、前述の光信号増幅３端子装置１０と相違する。本実施例の光信号増幅３端子装置２４では、光アド・ドロップフィルタ１６により選択された第１波長λ1 とは異なる波長の周囲光ＬS の一部と、外部から供給された第２波長λ2 の制御光（第２入力光）ＬC とが共に光サーキュレータ２６を介して第２半導体光増幅素子１８に入力され、その第２半導体光増幅素子１８の出力光はサーキュレータ２６を介して波長選択フィルタ２０へ供給され、その第２半導体光増幅素子１８の出力光中の第２波長λ2 の出力信号光ＬOUT が波長選択フィルタ２０によって透過させられて出力される。
図８の光信号増幅３端子装置２８では、第１半導体光増幅素子１４の出力光が反射端面１４ｍで反射されて入力側から出力される反射型光増幅素子から構成されており、この第１半導体光増幅素子１４は、光アド・ドロップフィルタ１６の入力側に設けられた光サーキュレータ３０に接続（結合）されている点で、上記光信号増幅３端子装置２４と相違する。本実施例の光信号増幅３端子装置２８では、第１波長λ1 の入力信号光ＬINが光サーキュレータ３０を介して第１半導体光増幅素子１４に入力されるとともにその第１半導体光増幅素子１４の出力光が光サーキュレータ３０を介して光アド・ドロップフィルタ１６に供給され、その光アド・ドロップフィルタ１６により選択された第１波長λ1 とは異なる波長の周囲光ＬS の一部と、外部から供給された第２波長λ2 の制御光（第２入力光）ＬC とが共に第２半導体光増幅素子１８に入力され、その第２半導体光増幅素子１８の出力光中の第２波長λ2 の出力信号光ＬOUT が波長選択フィルタ２０によって透過させられて出力される。
図９の光信号増幅３端子装置３２は、１チップの半導体基板３４ａに集積化した実施例である。図９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３４ａの上に形成された光導波路３４ｂは、その半導体基板３４ａ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３４ｂは、半導体基板３４ａ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と、前記第１半導体光増幅素子１４および第２半導体光増幅素子１８を構成可能な十分な長さとを備え、制御光ＬC を入力させるための分岐導波路３４ｄがその出力側端部に接続されている。
上記光導波路３４ｂ内の多層膜には、たとえば多重量子井戸、歪み超格子、或いは量子ドット構造のｐｎ接合から構成された活性層、キャップ層などが含まれ、その上面の位置には一対の第１上部電極３４ｅ、第２上部電極３４ｆが固着されている。この活性層は、半導体基板３４ａの下面に固着された図示しない下部電極と上記一対の第１上部電極３４ｅ、第２上部電極３４ｆ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３４ｃ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。すなわち、上記一対の第１上部電極３４ｅ、第２上部電極３４ｆと図示しない下部電極との間には、第１半導体光増幅素子１４および第２半導体光増幅素子１８がそれぞれ構成されている。
上記光導波路３４ｂにおいて、一対の第１上部電極３４ｅと第２上部電極３４ｆとの間には、屈折率が周期的に変化させられることにより第１半導体光増幅素子１４の出力光のうち周囲光ＬS の一部を通過させる第１波長選択素子および第２入力手段として機能するグレーティングフィルタ３６が設けられている。このグレーティングフィルタ３６は、たとえば１５４５ｎｍ〜１５６０ｎｍの波長帯の光を通過させないが、その他の波長帯の光を通過させる特性を備えている。また、光導波路３４ｂにおいて、光導波路３４ｂの分岐導波路３４ｄとの分岐点と光導波路３４ｂの出力側端面との間には、専ら第１波長λ1 の光を通過させるために、たとえば１５５０ｎｍの波長帯の光を通過させる波長選択フィルタ３８が設けられている。この波長選択フィルタ３８は、屈折率が異なる１対の膜が多数積層されてなる多層膜フィルタで構成されることにより上記光導波路３４ｂの出力側端面に貼り付けられてもよい。
図１０の光信号増幅３端子装置４０も１個の半導体チップに集積化した実施例である。この光信号増幅３端子装置４０は、波長選択フィルタ３８が光導波路３４ｂの分岐導波路３４ｄとの分岐点と第２上部電極３４ｆとの間に設けられている点において上記光信号増幅３端子装置３２と相違するが、他は同様に構成されている。光信号増幅３端子装置３２および光信号増幅３端子装置４０は、共に前述の光信号増幅３端子装置１０、２４、２８と同様の作動が得られる。光信号増幅３端子装置４０では、波長選択フィルタ３８が光導波路３４ｂの分岐導波路３４ｄとの分岐点と第２上部電極３４ｆとの間に設けられているので制御光ＬC が第２波長λ2 である必要があるが、光信号増幅３端子装置３２では、波長選択フィルタ３８が光導波路３４ｂの分岐導波路３４ｄとの分岐点と光導波路３４ｂの出力側端面との間に設けられているため、制御光ＬC は第２波長λ2 である必要がない。本実施例では、上記グレーティングフィルタ３６と同様に光導波路３４ｂの一部の屈折率が周期的に変化させられることによって構成される。
図１１の光信号増幅３端子装置４２も１個の半導体チップに集積化した実施例である。この光信号増幅３端子装置４２は、化合物半導体たとえばインジウム燐（ＩｎＰ）から構成されて四隅のうちの２箇所に４５°の面取りが施された平面視で長方形の半導体基板４２ａと、その半導体基板４２ａの上に形成された光導波路４２ｂは、その半導体基板４２ａ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４２ｂは、半導体基板４２ａ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と、前記第１半導体光増幅素子１４および第２半導体光増幅素子１８を構成可能な十分な長さの一対の相対的に長い平行部とそれらを一端において連結する相対的に短い連結部とからなるＵ字形状とを備えている。
上記光導波路４２ｂ内の多層膜には、たとえば多重量子井戸、歪み超格子、或いは量子ドット構造のｐｎ接合から構成された活性層、キャップ層などが含まれ、その一対の平行部の上面には一対の第１上部電極４２ｅ、第２上部電極４２ｆがそれぞれ固着されている。この活性層は、半導体基板４２ａの下面に固着された図示しない下部電極と上記一対の第１上部電極４２ｅ、第２上部電極４２ｆ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。すなわち、上記一対の第１上部電極４２ｅ、第２上部電極４２ｆと図示しない下部電極との間には、第１半導体光増幅素子１４および第２半導体光増幅素子１８がそれぞれ構成されている。そして、半導体基板４２ａの面取りが施された部分には、ブラッグ回折格子、または屈折率が異なる１対の層が多数対積層されてなる多層膜ミラーなどにより構成された波長選択性のない全反射鏡４４と、たとえば１５５０ｎｍの第１波長λ1 の制御光ＬC は透過させるが第１波長λ1 とは異なる所定幅たとえば１５２５乃至１５３５ｎｍの１０ｎｍ幅の波長帯の周辺光ＬS を反射する波長選択性多層膜フィルタ４６とがそれぞれ固着されている。波長選択性多層膜フィルタ４６は、前述の光アド・ドロップフィルタ１６やグレーティングフィルタ３６と同様に第１波長選択素子および第２入力手段として機能するものであって、たとえば屈折率の異なる一対の層が多数組積層されることによって構成される。また、上記光導波路４２ｂの一対の平行部のうちの出力側であって第２半導体光増幅素子１８と出力側端面との間には、専ら第１波長λ1 の光を通過させるために、たとえば１５４５ｎｍ〜１５６０ｎｍの波長帯の光を通過させる波長選択フィルタ４８が設けられている。この波長選択フィルタ４８は、前述の波長選択フィルタ３８と同様に、屈折率が異なる１対の膜が多数積層されてなる多層膜フィルタで構成されることにより上記光導波路３４ｂの出力側端面に貼り付けられてもよいが、本実施例では、光導波路４２ｂの一部の屈折率が周期的に変化させられることによって構成される。
以上のように構成された光信号増幅３端子装置４２では、上記Ｕ字形状の光導波路４２ｂの一方の平行部の一端面に第１波長λ1 の入力信号光ＬINが入射されると、第１半導体光増幅素子１４からはそれが増幅された第１波長λ1 の信号光とその第１波長λ1 の周辺光とを含む出力光が出力されるとともに、全反射鏡４４によって反射されて波長選択性多層膜フィルタ４６に入射させられる。この波長選択性多層膜フィルタ４６では、その第１半導体光増幅素子１４からの出力光に含まれる出力光のうち第１波長λ1 とは異なる所定幅たとえば１５２５乃至１５３５ｎｍの波長帯の周辺光ＬS が選択的に反射されるとともに、外部から供給される第２波長λ2 の制御光ＬC が透過させられることにより、それら第１波長λ1 とは異なる所定幅の波長帯の周辺光ＬS と第２波長λ2 の制御光ＬC とが、ともに第２半導体光増幅素子１８へ入射させられる。そして、この第２半導体光増幅素子１８における相互利得変換作用により制御光ＬC の変調を受けた第２波長λ2 の出力信号光ＬOUT とその第２波長λ2 の周辺光とが出力されるが、波長選択フィルタ４８によってその第２波長λ2 の出力信号光ＬOUT が選択的に出力される。
図１２は、図１の光信号増幅３端子装置１０が光信号記憶装置（光メモリ）５０に適用された構成例を示している。この光信号記憶装置５０は、第２半導体光増幅素子１８の出力光中から波長選択フィルタ２０によって選択的に出力された第２波長λ2 の出力信号光ＬOUT の一部を分割する光カプラ５２と、その光カプラ５２によって分割された第２波長λ2 の出力信号光ＬOUT の伝播を遅延させるためにたとえば所定長さの光ファイバが巻回された光遅延素子５４と、その光遅延素子５４を通過した第２波長λ2 の出力信号光ＬOUT を制御光ＬC と合波して光アド・ドロップフィルタ１６に供給する光カプラ５６とが、光信号増幅３端子装置１０に設けられることによって構成されている。本実施例の光信号記憶装置５０によれば、図１３の上段に示す入力信号光ＬINが入射されると、図１３の下段に示す出力信号光ＬOUT が光カプラ５２を経て周期的に取り出され得るので、任意のタイミングでその出力信号光ＬOUT を取り出すことによって光信号記憶装置として利用される。
図１４の光信号増幅３端子装置６０は、光アド・ドロップフィルタ１６と光サーキュレータ３０に代えて、第１波長選択素子として機能する第１波長選択性ミラー６２と、第２入力手段として機能する第２波長選択性ミラー６４と、第３半導体光増幅素子６６とを備えている点で、図８の実施例の光信号増幅３端子装置２８と相違する。上記第１波長選択性ミラー６２は、１５５０ｎｍの第１波長λ1 の光を透過させるが、その第１波長λ1 とは異なる所定幅たとえば１５２５乃至１５３５ｎｍの１０ｎｍ幅の波長帯の周辺光ＬS を反射するように構成されている光波干渉を利用した反射型多層膜フィルタである。また、上記第２波長選択性ミラー６４は、１５５５ｎｍの第２波長λ2 の光を透過させるが、その第２波長λ2 とは異なる少なくとも前記所定幅１５２５乃至１５３５ｎｍの波長帯の周辺光ＬS を反射するように構成されている光波干渉を利用した反射型多層膜フィルタである。上記第３半導体光増幅素子６６は、第１半導体光増幅素子１４或いは第２半導体光増幅素子１８と同様に構成されたものである。
以上の光信号増幅３端子装置６０では、第１波長λ1 の入力信号光ＬINが第１波長選択ミラー６２を通して第３半導体光増幅素子６６、および反射鏡１４ｋを他端面に有する反射型の第１半導体光増幅素子１４へ入力され、その反射鏡１４ｋにて反射され且つ第３半導体光増幅素子６６および第１半導体光増幅素子１４で増幅された光のうち、所定幅１５２５乃至１５３５ｎｍの波長帯の周辺光ＬS が第１波長選択性ミラー６２および第２波長選択性ミラー６４により反射され、光サーキュレータ２６を通して、反射鏡１８ｋを他端面に有する反射型の第２半導体光増幅素子１８へ供給され、その第２半導体光増幅素子１８の出力光中の第２波長λ2 の出力信号光ＬOUT が第２波長選択素子として機能する波長選択フィルタ２０によって透過させられて出力される。本実施例によれば、前述の図８の実施例の光信号増幅３端子装置２８と同様の効果が得られるのに加えて、第３半導体光増幅素子６６により周辺光ＬS が増幅されるので、高いゲインおよび増幅作動の安定性が得られる。
ここで、以上の光信号増幅３端子装置１０、２４、３２、４０、４２、６０において、光アド・ドロップフィルタ１６、グレーティングフィルタ３６、波長選択性多層膜フィルタ４６、或いは第１波長選択性ミラー６２は、たとえば図４に示すように、第１半導体光増幅素子１４からの出力光中から、周囲光ＬS の一部であって第１波長λ1 （＝１５５０ｎｍ）を含まない短波長側の波長帯の周囲光ＬS を選択して第２半導体光増幅素子１８へ入力させるものであったが、たとえば図１５に示すように、第１波長λ1 を中心とする波長帯（たとえば１５４５ｎｍ〜１５５５ｎｍ）を含まない周囲光ＬS の全体的な波長帯を選択して第２半導体光増幅素子１８へ入力させるものでもよい。このような場合には、第１半導体光増幅素子１４から第２半導体光増幅素子１８へ供給される信号強度が高められるので、一層高い安定性が得られる。図１５では、上段は入力光ＬINがオン状態の場合を、下段は入力光ＬINがオフ状態の場合を示している。
次に、単一の第１半導体光増幅素子１４を用いた光信号増幅３端子装置の例を説明する。図１６の光信号増幅３端子装置７０は、第１半導体光増幅素子１４と、第１波長λ1 の第１入力光ＬINを第１半導体光増幅素子１４の一端面側から入力させる第１入力手段として機能する光ファイバ１２と、光ファイバ１２と第１半導体光増幅素子１４との間に設けられ、第１波長λ1 の光を透過させるが第２波長λ2 の光を反射する波長選択性ミラー７２と、波長選択性ミラー７２からの光（第２波長λ2 ）を元の光路へ反射するミラー７４と、第１半導体光増幅素子１４の他端面側に設けられ、第１波長λ1 の光を反射するが第２波長λ2 の光を透過させる波長選択性フィルタ７６と、波長選択性フィルタ７６の出力側に設けられて、第２波長λ2 の制御光（第２入力光）ＬC を波長選択性フィルタ７６側へ導くとともに波長選択性フィルタ７６からの第２波長λ2 の出力光ＬOUT を取り出すためのサーキュレータ２６とを備えている。
本実施例では、このサーキュレータ２６が、第２波長の第２入力光を第１半導体光増幅素子１４の他端面側からそれぞれ入力させるための第２入力手段として機能している。また、上記波長選択性ミラー７２およびミラー７４が、光ファイバ１２からの第１波長λ1 の第１入力光ＬINを透過させるが第１半導体光増幅素子１４からの光のうち第２波長λ2 の光を第１半導体光増幅素子１４へ反射する第３波長選択素子として機能している。また、上記波長選択性フィルタ７６が、サーキュレータ２６からの第２波長λ2 の制御光ＬC を透過させるが第１半導体光増幅素子１４からの光のうちの第１波長λ1 の光を第１半導体光増幅素子１４へ反射する第４波長選択素子として機能している。本実施例では、図１７に示すように、第１入力光ＬINと出力光ＬOUT との位相が反転し、第１波長λ1 から第２波長λ2 へ波長変換されるが、第１半導体光増幅素子１４において相互利得変調作用を生じさせ、第２波長の第２入力光（制御光）によって光信号増幅作用が得られる。また、第１半導体光増幅素子１４のみで構成されているので、構造が単純となり、製造が容易となる。さらに、本実施例の光信号増幅３端子装置７０によれば、第１波長λ1 の第１入力光ＬINは強度変調された入力光であり、上記第２波長λ2 の制御光（第２入力光）ＬC は強度変化された制御光であり、上記第２波長λ2 の出力光ＬOUT は、その制御光ＬC の入力区間において第１入力光ＬINの強度変調された信号波形を有するものであるので、制御光ＬC に応答して強度変調された出力光ＬOUT が得られる。
図１８は、図１６の光信号増幅３端子装置７０の変形例であって、第１半導体光増幅素子１４が１チップの半導体基板８０ａに設けられた光信号増幅３端子装置８０を示す平面図である。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８０ａの上に形成された光導波路８０ｂは、その半導体基板８０ａ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。前述の実施例と同様に、光導波路８０ｂ内の多層膜には、たとえば多重量子井戸、歪み超格子、或いは量子ドット構造のｐｎ接合から構成された活性層、キャップ層などが含まれ、上部電極８０ｄと図示しない下部電極との間に電圧が印加されて上記ｐｎ接合に励起電流が流されることによって電子・正孔対が形成され、上記活性層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。すなわち、上記上部電極８０ｄと図示しない下部電極との間には、第１半導体光増幅素子１４が構成されている。
第１波長λ1 の光を透過させるが第２波長λ2 の光を反射する第１波長選択性多層膜フィルタ８２が上記半導体基板８０ａの入力側端面に設けられており、第２波長λ2 の光を透過させるが第１波長λ1 の光を反射する第２波長選択性多層膜フィルタ８４が上記半導体基板８０ａの出力側端面に設けられている。本実施例では、第１波長選択性多層膜フィルタ８２を通して入力される第１入力光ＬINと第２波長選択性多層膜フィルタ８４およびサーキュレータ２６を通して第１半導体光増幅素子１４から出力される出力光ＬOUT との位相が反転し、第１波長λ1 から第２波長λ2 へ波長変換されるが、第１半導体光増幅素子１４において相互利得変調作用を生じさせ、第２波長λ2 の第２入力光（制御光）ＬC によって光信号増幅作用が得られるので、図１６の光信号増幅３端子装置７０と同様の効果が得られる。本実施例では、上記第１波長選択性多層膜フィルタ８２が光ファイバ１２からの第１波長λ1 の第１入力光ＬINを透過させるが第１半導体光増幅素子１４からの光のうち第２波長λ2 の光を第１半導体光増幅素子１４へ反射する第３波長選択素子として機能している。また、上記第２波長選択性多層膜フィルタ８４が、サーキュレータ２６からの第２波長λ2 の制御光ＬC を透過させるが第１半導体光増幅素子１４からの光のうちの第１波長λ1 の光を第１半導体光増幅素子１４へ反射する第４波長選択素子として機能している。
図１９に示す光信号増幅３端子装置９２は、図９の光信号増幅３端子装置３２において第１半導体光増幅素子１４を除去すると同時に第２半導体光増幅素子１８を第１半導体光増幅素子１４とした点において相違し、他はその光信号増幅３端子装置３２と同様に構成されている。すなわち、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３４ａの上に形成された光導波路３４ｂは、その半導体基板３４ａ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３４ｂは、半導体基板３４ａ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と、前記第１半導体光増幅素子１４を構成可能な十分な長さとを備え、制御光ＬC を入力させるための分岐導波路３４ｄがその出力側端部に接続されている。上記光導波路３４ｂ内の多層膜には、たとえば多重量子井戸、歪み超格子、或いは量子ドット構造のｐｎ接合から構成された活性層、キャップ層などが含まれ、その上面の位置には上部電極３４ｅが固着されている。その活性層は、半導体基板３４ａの下面に固着された図示しない下部電極と上記上部電極３４ｅ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。すなわち、上記上部電極３４ｅと図示しない下部電極との間に第１半導体光増幅素子１４が構成されている。
上記光導波路３４ｂにおいて、上部電極３４ｅよりも入力側間には、屈折率が周期的に変化させられることにより第１波長λ1 の光を通過させるが第２波長λ2 の光を反射する第１波長選択フィルタ９４が設けられている。また、光導波路３４ｂにおいて、光導波路３４ｂの分岐導波路３４ｄとの分岐点と光導波路３４ｂの出力側端面との間には、第１波長λ1 の光を反射し且つ第２波長λ2 の光を透過させる第２波長選択フィルタ９６が設けられている。上記波長選択フィルタ９４および９６は、たとえば屈折率が異なる領域が格子（すだれ）状に多数配列されたグレーティングフィルタで構成される。本実施例の光信号増幅３端子装置９２では、第１波長選択フィルタ９４を通して入力される第１入力光ＬINと波長選択フィルタ９６を通して第１半導体光増幅素子１４から出力される出力光ＬOUT との位相が反転し、第１波長λ1 から第２波長λ2 へ波長変換されるが、第１半導体光増幅素子１４において相互利得変調作用を生じさせ、第２波長λ2 の第２入力光（制御光）ＬC によって光信号増幅作用が得られるので、前述の実施例の光信号増幅３端子装置８０などと同様の効果が得られるとともに、サーキュレータ２６が不要となる。本実施例では、上記波長選択フィルタ９４が光ファイバ１２からの第１波長λ1 の第１入力光ＬINを透過させるが第１半導体光増幅素子１４からの光のうち第２波長λ2 の光を第１半導体光増幅素子１４へ反射する第３波長選択素子として機能している。また、上記波長選択フィルタ９６が、第２波長λ2 の出力光ＬOUT を透過させるが第１半導体光増幅素子１４からの光のうちの第１波長λ1 の光を第１半導体光増幅素子１４へ反射する第４波長選択素子として機能している。
図２０は、半導体基板の厚み方向において光を増幅する形式の第１半導体光増幅素子１４を有する光信号増幅３端子装置１００を示している。この第１半導体光増幅素子１４は、面発光半導体レーザと同様に、化合物半導体たとえばガリウム砒素（ＧａＡｓ）から構成される半導体基板１００ａの一面（下面）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を備え、その多層膜には、ｐｎ接合により構成された活性層１００ｃなどが含まれている。基板の他面（上面）に固着された上部電極１００ｄと多層膜側に設けられた下部電極１００ｅとの間に励起電流が流されると、活性層１００ｃでは、電子・正孔対が形成され、その活性層１００ｃ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１００ｃは、たとえば多重量子井戸、歪み超格子、或いは量子ドットから構成されている。活性層１００ｃでは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。半導体基板１００ａには、増幅された光と通過させるための貫通穴１００ｆが設けられている。
上記第１半導体光増幅素子１４の入力側の端面（下面）には、第１波長λ1 の光を通過させるが第２波長λ2 の光を反射する第１波長選択フィルタ１０２が設けられている。また、その第１半導体光増幅素子１４の出力側の端面（上面）には、第１波長λ1 の光を反射し且つ第２波長λ2 の光を透過させる第２波長選択フィルタ１０４が設けられている。第１波長選択フィルタ１０２および第２波長選択フィルタ１０４は、誘電体層が積層されることにより上記光波干渉を利用して透過或いは反射特性が備えられた多層膜フィルタから構成されている。上記第１半導体光増幅素子１４の出力側にはサーキュレータ２６が設けられており、第２波長λ2 の制御光ＬC がサーキュレータ２６から第２波長選択フィルタ１０４を通して第１半導体光増幅素子１４へ入力され、その第１半導体光増幅素子１４から第２波長選択フィルタ１０４およびサーキュレータ２６を通して第２波長λ2 の出力光ＬOUT が出力されるようになっている。本実施例の光信号増幅３端子装置１００では、第１波長選択フィルタ１０２を通して入力される第１入力光ＬINと第２波長選択フィルタ１０４およびサーキュレータ２６を通して第１半導体光増幅素子１４から出力される出力光ＬOUT との位相が反転し、第１波長λ1 から第２波長λ2 へ波長変換されるが、第１半導体光増幅素子１４において相互利得変調作用を生じさせ、第２波長λ2 の第２入力光（制御光）ＬC によって光信号増幅作用が得られるので、前述の実施例の光信号増幅３端子装置８０などと同様の効果が得られるとともに、大幅に小型化される。本実施例では、上記第１波長選択フィルタ１０２が光ファイバ１２からの第１波長λ1 の第１入力光ＬINを透過させるが第１半導体光増幅素子１４からの光のうち第２波長λ2 の光を第１半導体光増幅素子１４へ反射する第３波長選択素子として機能している。また、上記第２波長選択フィルタ１０４が、サーキュレータ２６からの第２波長λ2 の制御光ＬC を透過させるが第１半導体光増幅素子１４からの光のうちの第１波長λ1 の光を第１半導体光増幅素子１４へ反射する第４波長選択素子として機能している。
以上、本発明の一実施例を図面を用いて説明したが、本発明はその他の態様でも適用される。
たとえば、前述の光アド・ドロップフィルタ１６、波長選択フィルタ２０、グレーティングフィルタ３６、波長選択フィルタ３８、４８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るとき、その屈折率の変化周期が光の伝播方向において徐々に増加或いは減少する所謂チャープドグレーティングフィルタであってもよい。
なお、前述の光アド・ドロップフィルタ１６に替えて、光カプラと波長選択フィルタから同様の機能に構成されたものが設けられてもよい。或いは、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。
また、前述の図７、図８の実施例では、第１半導体光増幅素子１４或いは第２半導体光増幅素子１８は、端面反射１４ｍ或いは１８ｍを反射手段として利用した反射型半導体光増幅素子から構成されていたが、多層膜反射ミラーが端面に貼り付けられた反射型半導体光増幅素子が反射手段として設けられてもよい。その多層膜反射ミラーは屈折率が異なる１対の層が多数対積層されることにより構成される。また、ブラッグ反射を利用したブラッグ回折格子がその上記多層膜反射ミラーに替えて設けられてもよい。
また、前述の実施例の第１半導体光増幅素子１４或いは第２半導体光増幅素子１８では、たとえばインジウム燐（ＩｎＰ）から成る半導体基板１４ａよりも屈折率が高い物質で構成された光導波路１４ｂ内の多層膜において、活性層１４ｃには、量子井戸或いは多重量子井戸等を構成するためにＩｎＧａＡｓＰ半導体が用いられていたが、動作する波長に整合した他の種類の半導体が用いられてもよい。たとえば、１３００ｎｍ帯の光波長に対しては、ＧａＩｎＮＡｓ半導体が好適に用いられる。このＧａＩｎＮＡｓ半導体は優れた温度特性を備えているので、半導体光増幅素子を冷却するための冷却手段を必要としない利点がある。
また、前述の図９、図１０、図１１の実施例では、１個の光信号増幅３端子装置１０、３２或いは４０が１個の半導体チップに集積されたものであったが、多数個の光信号増幅３端子装置１０、３２或いは４０が１個の半導体チップに集積されたものであってもよい。
また、前述の実施例の光信号増幅３端子装置１０、２４、２８、３２或いは４０は、光演算器、波長分割多重光中継器にも適用できるので、それらの一部を構成するものであってもよい。
なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり、本発明はその主旨を逸脱しない範囲において種々変更が加えられ得るものである。

Claims (12)

  1. ｐｎ接合からなる活性層をそれぞれ備えた第１半導体光増幅素子および第２半導体光増幅素子と、
    第１波長の第１入力光を前記第１半導体光増幅素子に入力させる第１入力手段と、
    前記第１半導体光増幅素子からの光から前記第１波長以外の周辺光の全部または１部の所定幅の波長帯を選択する第１波長選択素子と、
    第２波長の第２入力光を、第１波長選択素子により選択された前記第１波長以外の周辺光の全部または１部の波長帯の光とともに、前記第２半導体光増幅素子に入力させる第２入力手段と、
    前記第２半導体光増幅素子からの光から第２波長の光を選択して出力する第２波長選択素子とを含み、
    前記第１波長の第１入力光は強度変調された入力光であり、
    前記第２波長の第２入力光は制御光であり、
    前記第２波長の出力光は、該制御光の入力区間において該第１入力光の強度変調された信号波形を備えたものであることを特徴とする光信号増幅３端子装置。
  2. ｐｎ接合からなる活性層を備えた第１半導体光増幅素子と、
    第１波長の第１入力光および第２波長の第２入力光を前記第１半導体光増幅素子の一端面側および他端面側から入力させる第１入力手段および第２入力手段と、
    前記第１半導体光増幅素子の一端面側に設けられ、前記第１入力手段からの第１波長の第１入力光を透過させるが該第１半導体光増幅素子からの光のうち第２波長の光を該第１半導体光増幅素子へ反射する第３波長選択素子と、
    前記第１半導体光増幅素子の他端面側に設けられ、前記第２入力手段からの第２波長の第２入力光を透過させるが該第１半導体光増幅素子からの光のうちの第１波長の光を該第１半導体光増幅素子へ反射する第４波長選択素子とを含み、
    前記第１波長の第１入力光は強度変調された入力光であり、
    前記第２波長の第２入力光は制御光であり、
    前記第２波長の出力光は、第４波長選択素子により選択して出力され、前記制御光の入力区間において該第１入力光の強度変調された信号波形を備えたものであることを特徴とする光信号増幅３端子装置。
  3. 前記第２波長は、前記第１波長と同じである請求項１の光信号増幅３端子装置。
  4. 前記第２波長の出力光の前記第２波長の制御光に対する信号増幅率は、１０以上である請求項１乃至３のいずれかの光信号増幅３端子装置。
  5. 前記第１波長選択素子および／または第２波長選択素子は、選択する光のスペクトル幅が５ｎｍ以上の波長選択性フィルタである請求項１、３乃至４のいずれかの光信号増幅３端子装置。
  6. 前記第１波長選択素子、第２波長選択素子、第３波長選択素子、および／または第４波長選択素子は、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、屈折率が異なる多数組の層が積層されて成る多層膜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３端子装置。
  7. 前記グレーティングフィルタは、傾斜周期回折格子から構成されたものである請求項６の光信号増幅３端子装置。
  8. 前記第１半導体光増幅素子および／または第２半導体光増幅素子の活性層は、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３端子装置。
  9. 前記第１半導体光増幅素子および／または第２半導体光増幅素子は、前記活性層を通過した光を反射するための反射手段をその一端面に備え、他端面を通して入力光が入力され且つ出力光が取り出されるものである請求項１乃至８のいずれかの光信号増幅３端子装置。
  10. 前記反射手段は、ブラッグ回折格子、または屈折率が異なる１対の層が多数対積層されてなる多層膜ミラーである請求項９の光信号増幅３端子装置。
  11. 前記第１入力手段および／または第２入力手段は、光サーキュレータ、方向性結合素子、または光アド・ドロップフィルタから構成されたものである請求項１乃至１０のいずれかの光信号増幅３端子装置。
  12. 前記光信号増幅３端子装置は、光演算器、波長分割多重光中継器、または光メモリを構成するものである請求項１乃至１１のいずれかの光信号増幅３端子装置。
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