WO2002086616A1

WO2002086616A1 - Element fonctionnel optique et dispositif optionnel optique

Info

Publication number: WO2002086616A1
Application number: PCT/JP2002/003274
Authority: WO
Inventors: Yoshinobu Maeda; Takahiro Ichikawa
Original assignee: Japan Science And Technology Corporation; Chunichi Denshi Co., Ltd.
Priority date: 2001-04-19
Filing date: 2002-04-01
Publication date: 2002-10-31
Also published as: US7064891B2; JPWO2002086616A1; US20030174393A1; EP1380881A1; EP1380881A4; JP4485745B2

Description

明細書

N—ホルミルァミノ酸の製造方法及びその使用技術分野

本発明は、 N—ホルミル中性アミノ酸及び N—ホルミルァスパラギン酸の新規製造方法に関し、更にァスパルテームの前駆体である N—ホルミル一 α— Lーァスパルチルー L—フエ二ルァラニンメチルエステル及びアスパルテームの新規製造方法に関する。背景技術 ,

アミノ基がホルミル基で保護された Ν—ホルミルァスパラギン酸、 Ν—ホルミル中性アミノ酸等の Ν—ホルミルアミノ酸は、各種ペプチド化合物の合成中間体として、食品や医薬品の分野で重要な化合物である。

特に、 Ν—ホルミルァスパラギン酸は、甘味料であるアスパルテームの中間体として重要な化合物である。アミノ酸のアミノ基保護基としてのホルミル基は比較的安価な試薬により導入することができ、例えば脱保護にパラジウム炭素による還元により脱保護されるベンジルォキシカルポニル基等に比べ、低コストで脱保護することができる。 Ν—ホルミルァスパラギン酸の合成法としては、例えば下記反応工程 1に示されるように、ギ酸及び無水酢酸を用いてァスパラギン酸を Ν—ホルミルァスパラギン酸無水物に変換した後に、加水分解する方法が知られている（例えば、ョ一口ピアンジャーナルォブバイオケミストリ一、 1 9 6 9年、 1 0号、 3 1 8— 3 2 3頁 (European Journal of Biochemistry, vol. 10， 318.323, 1969) 参照。）。

(反応工程 1 )

H0₂C、

，2" 、C0。 2H

アス^ラキ'ン酸 Ν―ホルミルァス /\°ラキ'ン酸無水物. Ν -ホルミルァス /\°ラキ'ン酸光機能素子および光機能装置技術分野

本発明は、光信号を増幅、制御、或いはスイッチングする光機能装置、特に、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な光機能装置に関するものである。背景技術

広帯域且つ高速伝送が可能な光ファィ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新サービスの広範な展開が期待されている。しかしながら、たとえばエレクトロニクスで言えば 3端子のトランジスタに相当するような機能 (能動）素子、すなわち光信号を他の光信号で直接制御するような光機能装置は、未だ、実現されていない。

このため、折角、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。したがって、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。光信号のまま信号処理ができる場合には、並列処理が可能であると言われており、一層の処理時間の短縮化が期待できるのである。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、光信号の処理を光で直接行うことができる光機能装置を提供することにある

発明の開示

本発明者は、以上の事情を背景として種々の検討を重ねた結果、半導体光増幅素子において、特定波長の入力レーザ光、たとえば波長の第 1レーザ光および波長 λ ₂の第 2レーザ光を入射させて、その第 2レーザ光の強度を変化させるとそれに応答して第 1レーザ光の強度変化が発生し、その第 1レーザ光の強度変化は第 2レーザ光の強度変化の逆に変化するという効果を利用して光機能素子或いは光機能装置を構築可能であることを見いだした。本発明はかかる知見に基づいて為されたものである。

すなわち、本発明の要旨とするところは、光機能素子であって、（a) 波長が異なる 2つ以上の入力レーザ光に関して、所定波長のレーザ光の強度変ィ匕に対して他のレーザ光の強度を逆に変化させる半導体光増幅素子と、（b) その他のレーザ光の波長を選択して出力光を取り出す波長選択素子と、（c) その出力光の一部を前記半導体光増幅素子の入力側へ正帰還させる光帰還素子とを、含むことにある。このようにすれば、 2つ以上の波長の入力レーザ光が入射させられる半導体光増幅素子内においては、 1つの波長のレ一ザ光の強度変ィヒに対して他の波長のレ —ザ光の強度が逆に強度変化させられ、その他の波長のレーザ光のみが波長選択素子により選択されて出力光として取り出される。同時に、光帰還素子によってその出力光の一部が半導体光増幅素子の入力側へ正帰還させられる。このため、 1つの波長のレーザ光を他の波長を用いてスイッチングなどの制御をしたり、他方の波長のレ一ザ光を増幅して一方の波長の出力光として出力させることができることから、光信号のままで情報処理ができるので、高速の情幸艮処理が可能となると同時に、出力光信号の変調率が高くされ、高い S ZN比が得られる

ここで、好適には、前記半導体光増幅素子は、 I n G a A s、 I n G a A s P、 A l G a A s、 I n G a A 1 Nなどの I I I —V族混晶半導体製の半導体光増幅素子である。このようにすれば、半導体光増幅素子が小型となると同時に、高い増幅率が得られる。しかも、それぞれの混晶半導体の組成比（混晶比）を変化させることによつて光増幅する波長を任意に選択できる。

また、好適には、前記半導体光増幅素子は、前記レーザ光を導くための光導波路と、その光導波路内の導波路方向に沿って設けられた p n接合部である活性層とを含み、その活性層内を励起するためのエネルギが注入されるものである。このようにすれば、半導体光増幅素子は、その一部に設けられた光導波路内の導波路方向に沿って設けられた活性層において光増幅が行われるので、エルビウムの

2 ような希土類元素ドープド光フアイバを用いた光増幅器に比較して、光増幅素子が小型となると同時に、高いエネルギ変換効率が得られる。

また、好適には、前記活性層は、 I n G a A s、 I n G a A s P、 A 1 G a A s、 I n G a A 1 Nなどの I I I 一 V族混晶半導体のバルク、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されるものである。特に、量子井戸、歪み超格子、または量子ドッ卜から構成される場合には、バルクの活性層に比較して高い応答速度および高いゲインが得られ、出力光の変調率が高められる。

また、好適には、前記波長選択素子は、前記半導体光増幅素子の出力光を導くための光導波路の一部が導波方向において屈折率が周期的に変化させられたダレ —ティングフィル夕、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夕、光吸収物質、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶のいずれかから構成されたものである。このようにすれば、波長選択素子が半導体光増幅素子の光導波路の一部或いは端面に設けられ得るので、光機能装置が一層小型化され得る。

また、好適には、前記光帰還素子は、前記半導体光増幅素子の出力光を導くための光導波路の一部が導波方向において屈折率が周期的に変ィ匕させられたグレーティングフィフレタ、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夕、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶、端面反射抑止膜のいずれかから構成されたものである。このようにすれば、光帰還素子が光増幅素子の出力光を導くための光導波路の一部に設けられ得るので、光ファイバにより出力光の一部を帰還させる場合に比較して、光機能装置が一層小型化され得る。

また、好適には、直列に連結された上記のいずれかの光機能素子と、それら光機能素子の間に介そうされ、その光機能素子のうちの前段の光機能素子の出力光に該出力光と波長が同一または異なる他の入力レーザ光を混合して後段の光機能素子へ入力させる光合波器とを含み、 3端子光スィッチ、 3端子光演算増幅器または光デマックス（デマルチプレクサ）装置として機能する光機能装置が構成される。このようにすれば、多段接続された光機能素子により光機能装置が構成されるので、 3端子光演算装置、 3端子光スイッチング装置ゃ光デマックス（D E

3 MUX :信号分離化回路）装置として用いられる。たとえば、一対の光機能素子毎に、 1つの波長のレーザ光を用いてスイッチングなどの制御をしたり、他方の波長のレーザ光を増幅して一方の波長の出力光として出力させることができることから、 1つの波長のレーザ光を用いて多段の情報処理ができるようになる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の一実施例の光機能素子の構成を説明するブロック図である。図 2は、図 1の実施例における半導体光増幅素子の構成を説明する斜視図である。

図 3は、図 1の実施例における半導体光増幅素子の構成を説明する断面図である。

図 4は、図 1の実施例において出力光の一部の正帰還を行った場合の入出力信号を説明するタイムチヤ一トである。

図 5は、図 1の実施例において出力光の一部の正帰還を行わない場合の入出力信号を説明するタイムチャートである。

図 6は、図 1の実施例において波長 λ tの入力光を入力させた場合とさせない場合の出力信号を説明するタイムチャートである。

図 7は、図 1の実施例において、波長の入力光の強度をパラメ一夕とする光機能素子の入出力特性を説明する図である。

図 8は、本発明の他の実施例の 3端子型の光機能装置の構成を説明する平面図である。

図 9は、図 8の実施例の 3端子型の光機能装置の構成を説明する斜視図である。図 1 0は、図 8の実施例の 3端子型の光機能装置における出力光の制御特性を説明する図である。

図 1 1は、図 1の光機能素子の他の実施例を説明するブロック部である。

図 1 2は、図 8の光機能装置の他の実施例を説明する平面図である。

図 1 3は、本発明の他の実施例における光機能装置の構成を説明する図である c 図 1 4は、図 1 3の実施例の光機能装置の作動を説明するタイムチャートであ

4 る。

図 1 5は、本発明の他の実施例における光機能装置の構成を説明する図である。図 1 6は、本発明の他の実施例における光機能装置の構成を説明する図である。図 1 7は、図 1 6の実施例の光機能装置の作動を説明するタイムチャートである。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の一実施例の光機能（制御）素子 1 0を図面に基づいて詳細に説明する。

図 1は、上記光機能素子の構成を概略説明する図である。図 1において、第 1 レーザ光源 1 2は、たとえば 1 5 4 0 ]1111の第1波長入₁の第1レ一ザ光 ₁を出力し、第 1光変調器 1 4が設けられた第 1光ファイバを介して伝播させる。第 2レーザ光源 1 6は、たとえば 1 5 5 0 nmの第 2波長 λ ₂の第 2レ一ザ光 L₂ を出し、第 2光変調器 1 8が設けられた第 2光ファイバ F₂を介して伝播させる。上記第 1レーザ光源 1 2および第 2レーザ光源 1 6はたとえば可変波長半導体レ —ザが用いられる。上記第 1光変調器 1 4および第 2光変調器 1 8は、信号発生器 2 0および 2 2からの電気信号に従って、その信号の周波数のパルス信号となるように通過光をパルス変調する。光力ブラ（光合波器） 2 4は、上記第 1光フアイおよび第 2光ファイバ F₂を第 3光ファイバ F₃へ接続し、それら第 1 光ファイバ F tおよび第 2光ファイバ F₂を伝播してきた第 1レーザ光および第 2レーザ光 L₂を重畳し、第 3光ファイバ F₃を介して半導体光増幅素子 2 6へ入力させる。？皮長選択素子 2 8は、半導体光増幅素子 2 6の出力側に接続され、その半導体光増幅素子 2 6から出力された光のうちから 1 5 4 0 11111の第1波長 λ【の光を選択し、出力光として出力する。それら半導体光増幅素子 2 6および波長選択素子 2 8などが、第 2レーザ光 L₂の信号をそれと反転した波長の信号に変換し且つ直接的に増幅して出力する光機能 ¾子 1 0に対応している。図 1 には、上記重畳した第 1レーザ光および第 2レ一ザ光 L₂と波長選択素子 2 8 を透過した出力光 L。_u(とをそれぞれモニタするための一対の光検出器 3 0、 3

5 2と、その光検出器 30および 32により検出された光信号を観測するオシロスコープ 3 とが設けられている。

上記半導体光増幅素子 26は、化合物半導体たとえばインジウム燐（I nP) 基板 36から成長させられ III —V族混晶半導体たとえば I nGaAs P混晶半導体から構成されており、たとえば図 2および図 3に示すように、入カレ一ザ光を導くための光導波路 38と、その光導波路 38内の導波方向すなわち光導波路 38の長手方向に沿って設けられた p n接合部分である活性層 40と、上記光導波路 38および I nP基板 36を覆うように成長させられたキャップ層 42と、 I n P基板 36の底面およびキヤップ層 42の上面にそれぞれ固着された一対の電極層 44および 46とを含み、その活性層 40を通過させる電流がそれら一対の電極層 44および 46の間で流されることによりその活性層 40内を励起するエネルギが注入されるものである。上記光導波路 38は、たとえば I n P基板 3 6からの成長層の両側部がェツチングによって除去されることによつて光導波方向に連ねた状態で I n P基板 36の上面において凸設されている。この光導波路 38は、屈折率を高くする混晶比の I nGaAs F混晶半導体が用いられることにより屈折率が I nP基板 36よりも高くされているので、光が I nP基板 36 の厚み方向および幅方向において閉じ込められた状態で伝播されるようになっている。図 2は光導波路 38の形状を示すための斜視図であり、キャップ層 42およびその上面に固着された電極 46が省略されている。なお、上記キャップ層 4 2内には、電流を活性層 40に集中させるための電流狭窄構造が必要に応じて設けられる。

上記活性層 40は、たとえば多重量子井戸から構成されており、 I n P基板 3 6から成長させられることによりそれに格子整合された I nGaAs (100 A の厚み）と I nGaAs Pバリア層（1. 45 m組成、 10 OAの厚み）との 6対により構成され、その活性層 40の上には、組成（屈折率）が段階的に変ィ匕させられたダリン（GR I N) 構造のガイド層（200 OAの厚み）が順次設けられている。この活性層 40のデバイス長（光導波路 38の長さ）は 600 であり、たとえば 200mAの電流値によるエネルギ注入によって励起された電

6 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ェ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 2 0 0 mAの電流値によるエネルギ注入により、波長 1 . 5 5 mの測定において 2 4 d B程度の利得が得られる。

そして、上記光機能素子 1 0には、図 1に示すように、波長選択素子 2 8を通過させられた出力光の一部がその出力側端面で反射させられて光導波路 3 8を通つて半導体光増幅素子 2 6の側へ戻されるとともに入力側の端面で反射されて入力光に加えられる。このような出力光の一部の伝播過程においても活性層 4 0による増幅作用を受けて出力光の変調率が高くされる。すなわち、出力光の一部が正帰還させられているのである。したがって、本実施例では、上記波長選択素子 2 8の端面および半導体光増幅素子 2 6の入力側の端面が帰還素子として機能しているが、外部ミラーから構成されてもよい。

前記波長選択素子 2 8は、半導体光増幅素子 2 6の出力光を導くための光導波路 3 8の一部が導波方向において屈折率が周期的に変化させられたダレ一ティングフィルタ、半導体光増幅素子 2 6の出力側端面に固着された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、 1 5 4 0 n mの第 1波長 λ ,の光を選択するために 1 5 5 O n mの第 2波長 λ ₂の光を吸収する光吸収物質、同様に第 2波長 λ ₂の光を吸収するまたは第 1波長 λ ,を透過するようにフォトニックバンドギヤップを有するフォトニック結晶のいずれかから一体或いは別体に構成されるものであるが、図 1乃至図 3に示す場合には、半導体光増幅素子 2 6の出力側の端面に一体的に固着された多層膜フィル夕から構成される。

したがって、図 1の光機能素子 1 0において、第 2レーザ光 L ₂に対して第 2 変調器 1 8を用いて 1 k H zの変調を行うとともに、その変調された第 2レーザ光しに対して変調されていない第 1レーザ光を重畳させた光が半導体光増 Ψ; 素子 2 6に入力されると、図 4の入力光に示す変調率 Mが 3 8 %の 1 k H zの入力信号（第 2レーザ光 L ₂ ) から図 4の波長の第 1レーザ光 L ,である出力光 L。_uiに示す信号が得られる。半導体光増幅素子 2 6のゲイン Gが 1 5 d Bである場合には変調率 M 4 0 %の反転信号が得られるが、 2 0 d Bである場合には変調率 Mが 8 1 %の反転信号、すなわち大幅に増幅された光出力信号が得られる。上記変調率 M (%) は [= (I_max- I_rain) / (I + I_niin) X 1 00] (ただし、 I _maxは信号波形の最大値、 _inは信号波形の最小値）として定義されるものであり、上記半導体光増幅素子 26のゲイン Gはたとえばその半導体光増幅素子 26に対するエネルギ注入量に基づいて設定される。図 5は、前記半導体光増幅素子 2 6の出力側端面に無反射コーティングを設けて出力光 L。_utの一部が正帰還されないようにした場合である。光増幅素子 26のゲイン Gに応じて出力光 L。_utの変調率は大きくされるけれども、その出力光の変調率 Mは低く、 30% 程度にしか得られない。

図 6は、光機能素子 1 0のスイッチング特性を示す実験結果を示している。図 6では、半導体光増幅素子 26のゲイン Gが 1 5 dBであるとき、 1 5 50 nm の第 2波長 λ₂の入力光である第 2レーザ光 L₂を 50 0 MHzで変調した場合に観測された出力光 L。_ulの波形変化が示されている。図 6の（a) は 1 540 nmの第 1波長の第 1レーザ光を 1 00 / Wとしたときに入力波形 L₂に対して反転した波形を示す出力波形 L。_ulであり、（b) は 1 540 nmの第 1波長 A_Lの第 1レーザ光 L,を入力させない場合の出力波形 L。_uiであり、（c) は 1 5 5 0 n mの第 2波長 λ₂の入力光である第 2レーザ光 L₂の波形を示している。図 6において、（a) に示す出力波形は、（b) に示す出力波形に比較して大幅に信号強度が増加させられている。光パワーメータで測定した結果、（a) は 200 Wであるのに対し、（b) は 1 0 Wであった。 1 00 Wの第 1波長の第 1レーザ光を入力させたことにより 20倍に増加している。図 7は、第 1波長の第 1 レーザ光 L ,の強度に対する出力光強度 L_OTlの変化特性を、第 2波長 λ ₂の第 2 レーザ光 L₂の強度が 300 ill 6 00 ill 90 0 である場合についてそれぞれ示している。

本実施例において、半導体光増幅素子 2 6および波長選択素子 28を含む光機能装置 1 0によれば、第 2波長 λ₂の第 2入力光である第 2レーザ光 L₂が半導体光増幅素子 26に入力され、その第 2波長； ₂とは異なる第 1波長 λ ,の第 1入力光である第 1レーザ光がレーザ光入力装置として機能する光力ブラ 24によ

8 り半導体光増幅素子 2 6に入力され、それら第 2レーザ光 L₂および第 1レーザ光が相互に重畳させられ、その半導体光増幅素子 2 6からの光が波長選択素子 2 8により第 1波長 λ ,の光に選択されて出力光 L。_ulとされるとき、その出力光 L。_utは、第 2波長 λ ₂の第 2レーザ光 L₂の信号変化に応答して、その第 2レ —ザ光 L₂の信号変化を増幅したものとなる。すなわち、入力信号である変調された第 2レーザ光 L₂に対して位相は反転するものの、その第 2レーザ光 L ₂の信号強度を大きく増幅した信号強度を有する出力光 L。_utが得られる。このため、 1つの波長のレーザ光を他の波長を用いてスィツチングなどの制御をしたり、他方の波長のレ一ザ光を増幅して一方の波長の出力光として出力させることができることから、光信号のままで情報処理ができるので、高速の情報処理が可能となると同時に、出力光 L。_ulの一部が正帰還させられることによって出力光 L。_ui の信号変調率が高くされ、高い S /N比が得られる

なお、上記増幅効果は、半導体光増幅素子 2 6の利得（ゲイン） Gが得られる波長帯においては波長および λ ₂を任意に設定しても得られ、また、 3以上の波長を設定しても得られる。本実施例のような多重量子井戸を有する活性層 4 0 を備えた半導体光増幅素子 2 6である場合には、その利得（ゲイン） Gが得られる波長帯は約 1 0 0 nmであるので、活性層 4 0がバルクである場合に比較して約 2倍程度の広帯域特性が得られる。

また、本実施例によれば、半導体光増幅素子 2 6は、 I n G a A s、 I n G a A s P、 A l G a A s、 I n G a A 1 Nなどの I I I 一 V族混晶半導体から構成されるので、光増幅装置が全体として小型となると同時に、高い増幅率が得られる。しかも、それぞれの混晶半導体の組成比（混晶比）を変化させることにより、光増幅する波長を任意に選択することができる。

また、本実施例によれば、半導体光増幅素子 2 6は、入力レーザ光，、 L₂ を導くための光導波路 3 8と、その光導波路 3 8内の導波路方向に沿って設けられた p n接合部である活性層 4 0とを含み、その活性層 4 0内を励起するためのエネルギが注入されるものであることから、半導体光増幅素子 2 6は、その一部に設けられた光導波路 3 8内の導波路方向に沿って設けられた活性層 4 0におい

9 て光増幅が行われるので、光ファイバを用いたものに比較して、光機能素子 1 0 或いは光機能装置 5 2がー層小型化され得る。

また、本実施例によれば、活性層 4 0は、 I n G a A s、 I n G a A s P、 A 1 G a A s、 I n G a A 1 Nなどの Ι Π — V族混晶半導体のバルク、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されるものである。特に、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成される場合には、高速応答性および高いゲイン Gが得られ、出力光 L。_ulの変調率が高められる。

また、本実施例によれば、波長選択素子 2 8は、半導体光増幅素子 2 6の出力光 L。_ulを導くための光導波路 3 8の一部たとえば表面が導波方向において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、光吸収物質、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶のいずれかから構成されたものであることから、波長選択素子 2 8が半導体光増幅素子 2 6の光導波路 3 8の一部或いは端面に設けられ得るので、光機能装置が一層小型化され得る。

また、本実施例によれば、出力光 L。_uiの一部を正帰還させる光帰還素子は、半導体光増幅素子 2 6の出力光 L。_ulを導くための光導波路 3 8の一部たとえば表面が導波方向において屈折率が周期的に変ィ匕させられたグレーティングフィル夕、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、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶、端面反射抑止膜のいずれかから構成されることから、半導体光増幅素子 2 6の一部に設けられ得るので、光ファイバにより出力光の一部を帰還させる場合に比較して、光機能素子 1 0或いは光機能装置 5 2がー層小型化され得る。

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は同一の符号を付して説明を省略する。

図 8および図 9は、前記半導体光増幅素子 2 6と同様の 1対の半導体光増幅素子 4 8、 5 0を有する 3端子型光機能装置 5 2の構成を説明する図であって、図 8はその 3端子型光機能装置 5 2の具体的な構成を説明する平面図、図 9はその斜視図である。これ等図 8および図 9においても図 2と同様にキャップ層や電極

10 が省略されている。図 8乃至図 9において、波長 ( 1 5 5 0 nm) の第 1レ一ザ光 (第 1入力光： I _in) および波長 λ ₂ ( 1 5 4 0 nm) の第 2レーザ光 L₂ (第 2入力光：バイアス光 I _bia ) が第 1の光力ブラ 5 4により重畳されて第 1の半導体光増幅素子 4 8に入力されるとともに、その光増幅素子 4 8からの光のうちの第 1の波長選択素子 5 6によって波長 λ ₂について選択された光と、波長の第 3レーザ光 L₃ (第 3入力光：制御光 I _e ) とが第 2の光力ブラ 5 8により重畳されて第 2の半導体光増幅素子 5 0に入力される。そして、その第 2の半導体光増幅素子 5 0から出された光のうち第 2の波長選択素子 6 0により波長 λ iについて選択された出力光 L。_ulが得られる。

上記 1対の半導体光増幅素子 4 8、 5 0は、共通の化合物半導体たとえばィンジゥム燐（I n P) 基板 6 2から成長させられている他は前記半導体光増幅素子 2 6と同様に構成されており、光導波路 3 8と、その光導波路 3 8内の導波方向すなわち光導波路 3 8の長手方向に沿つて設けられた p n接合部分である活性層 4 0とを含み、その活性層 4 0を通過させる電流が外部から流されることによりその活性層 4 0内を励起するエネルギが注入されるものである。上記半導体光増幅素子 4 8の光導波路 3 8と半導体光増幅素子 5 0の光導波路 3 8との間には、たとえばゲルマニウム G eがド一プされた珪素 S iガラス（G eドープシリカ）から成る導波路 6 4が介在させられており、その光導波路 6 4の一部が導波方向において屈折率が周期的に変化させられたダレ一ティングフィルタによって第 1 波長選択素子 5 6が構成されている。上記 G eド一プシリカは紫外線レーザ光が照射された部分の屈折率が局部的に変化させられるものであることから、上記グレーティングフィルタは、波長のレーザ光は反射するが波長 λ ₂のレーザ光は通過するように、光の局部照射によって高密度で屈折率が導波方向に周期的に変化させられている。

上記半導体光増幅素子 4 8は、前記半導体光増幅素子 2 6と同様に、その波長 λ ₂の出力光の一部が第 1波長選択素子 5 6によつて反射されるとともに半導体光増幅素子 4 8の入力側端面において再度反射されることにより入力光に重畳させられて、正帰還させられるようになつている。

11 上記 Geド一プシリカから成る導波路 64は、半導体光増幅素子 48、 50の導波路 38と同様の断面形状に構成されており、長手方向に連ねられている。上記導波路 64の第 1波長選択素子 56が設けられている下流側部分には、 Y型に分岐させられた分岐路 66が形成されており、第 2の半導体光増幅素子 50への入射に先立って、前記波長 λ【の第 3レーザ光 L₃ (第 3入力光：制御光 I_e) が第 1波長選択素子 56を通過させられた波長 λ ₂の光に対して重畳させられるようになつている。上記導波路 64のうちの分岐路 66が形成された部分は前記第の光力プラ 58に対応している。

また、前記第 2波長選択素子 60は、屈折率の異なる多数組の層が積層された多層膜バンドパスフィルタにより構成されており、波長 λ₂ ( 1540 nm) の第 2レーザ光は遮断し、波長 λ, (1550 nm) の第 1レーザ光は通過させ且つ所定の割合たとえば 5%だけ反射するように構成されている。このため、出力光のうちの一部 (5%) だけ第 2の半導体光増幅素子 50へ正帰還させられるので、この実施例の第 2波長選択素子 60は、光帰還素子としても機能している。正帰還させられた出力光の一部は第 1波長選択素子 56によって反射されて第 2 の半導体光増幅素子 50に再び入射させられる。

本実施例においては、変調された波長の入力光（1550 nmの第 1レ一ザ光） I_inが、波長 λ₂ (1540 nm) のバイアス光（第 2レーザ光 L₂) I _biasに重畳されて第 1の半導体光増幅素子 48に入力され、その入力光 I _inの強度変化がバイァス光 I _biasの反転した強度変化として出力され、第 1波長選択素子 56により入力光 1^がカットされる。次いで、その反転強度変化させられる波長 λ₂ (1540 nm) のバイアス光 I _biasに対して、波長 (1550 η m) の制御光（第 3レーザ光 L₃ ) I_eが重畳されて第 2の半導体光増幅素子 5 0に入力され、その波長 λ₂のバイアス光 I_biasの反転強度変化は波長 (15 5 Onm) の制御光の強度変化にさらに反転変換され、出力光として第 2波長選択素子 60を通過させられる。このとき、その第 2波長選択素子 60によつて出力光 I。_ulの一部が正帰還させられるので、その出力光 I _Μίの変調率が上記入力光に比較して大幅に大きくされる。図 10は、制御光 I_eをパラメ一夕とす

12 る光の入出力特性を示している。制御光 I _eを重畳しない場合はほとんど出力光の信号が得られないのに対し、制御 I。を重畳した場合は出力光 I。_ulが大きくなる。すなわち、波長 λ ,の制御光 I。により波長 λ！の出力光 I。_ulが制御可能であることを示しており、本実施例によれば、 1つの波長のレーザ光を用いて光強度制御可能且つ多段接続可能な 3端子光演算増幅装置、 3端子光スイッチング装置、光デマックス装置として用いられる。

また、本実施例によれば、上記出力信号光 I。_uiは、第 1レーザ光 L, (第 1入力光： I _in) の第 1波長え ,と同じ波長が得られると同時に、その第 1波長の第 1入力光の信号変化と同位相且つそれを増幅した信号となるので、多段に連結される光回路において、入出力光が同一波長となるので有利となる。また、出力光 I。_ulの一部が第 2の半導体光増幅素子 5 0へ正帰還されることにより信号

(変調率）が大きくされて S /Nが高められるので、多段増幅が安定して可能となる。

図 1 1は、前記図 1の半導体光増幅素子 2 6に波長 λ ₂の 1種類の入力レーザ光 I _inが入力させられる場合の光機能素子 1 0 ' を示している。本実施例の光機能素子 1 0 ' は、前述の実施例の光機能素子 1 0と同様に、半導体光増幅素子 2 6と、その出力側端面に固着された波長選択素子 2 8とから構成されている。この波長選択素子 2 8は、たとえば導波路の一部たとえば表面の屈折率が導波方向において周期的に変化させられた回折格子或いはブラッグ反射器などから好適に構成される。本実施例の光機能素子 1 0，では、波長 λ ₂の入力レーザ光が励起状態の半導体光増幅素子 2 6の端面に入力されると、その波長 λ ₂を含む増幅利得のある波長域の光強度がその入カレ一ザ光 I _inのオンオフに応答して逆に変化させられるとともに、その変ィ匕させられる波長域から波長選択素子 2 8によつて第 1波長 λ ,の増幅光の一部が選択されるとともに、光共振器および帰還素子として機能する光機能素子 1 0，の入射側端面および波長選択素子 2 8の端面によって増幅されてから出力される。このため、図 4と同様の変調が行われる。上記第 1波長 λ ,の光が半導体光増幅素子 2 6内に入射されると、その第 1波長 A _tを中心としたブロードな自然放出光が発生させられるととともに、その第 1

13 波長 λ ,の光の強度を高めると中心波長の強度は高くなるが、その周囲波長域の光の強度は逆に低くなる現象が発生する。上記増幅利得のある波長域とは、上記自然放出光の波長域すなわち周囲波長域に対応している。

図 1 2は、前記図 8の光機能装置 5 2を構成する半導体光増幅素子 4 8および 5 0のうち、入力側の半導体光増幅素子 4 8に波長の 1種類の入力レーザ光 I _inが入力させられる場合の光機能装置 5 2 ' を示している。本実施例の光機能装置 5 2 ' では、波長の入力レーザ光 I _inが励起状態の半導体光増幅素子 4 8の端面に入力されると、その波長 λ ,を含む増幅利得のある波長域の光強度がその入力レーザ光 I _inのオンオフに応答して逆に変化させられるとともに、その変化させられる波長域から波長選択素子 5 6によって第 2波長 λ ₂の増幅光の一部が選択されるとともに、光共振器および帰還素子として機能する光機能素子 1 0 ' の入射側端面および波長選択素子 5 6によって増幅されてから出力される。このようにして増幅された波長 λ ₂のレーザ光に波長の制御光（第 3 ?皮長） I c とが光力ブラ 5 8により合波されて第 2の半導体光増幅素子 5 0に入力される。そして、この第 2の半導体光増幅素子 5 0に入力された光のうち第 2の波長選択素子 6 0により選択された第 1波長 λ ,の出力光 I。_utが得られる。

図 1 3は、本発明の他の実施例の光機能装置を示している。本実施例では、光帰還素子 7 2および光帰還素子を兼ねた波長選択素子 7 3を両端面に備えてそれら光帰還素子 7 2と波長選択素子 7 3とにより構成される光共振器内に入力光 I; _n (第 1波長 λ が入射される前記半導体光増幅素子 2 6、 4 8、 5 0と同様の半導体光増幅素子 7 0と、光帰還素子 7 4および光帰還素子を兼ねた波長選択素子 7 5を両端面に備えてそれら光帰還素子 7 4と波長選択素子 7 5とにより構成される光共振器内に半導体光増幅素子 7 0の出力光である入力光が入射される前記半導体光増幅素子 2 6、 4 8、 5 0と同様の半導体光増幅素子 7 1とから構成されている。変調された入力光 I _in (第 1波長 λ が前記半導体光増幅素子 2 6と同様の半導体光増幅素子 7 0にその光共振器内に入力され、励起状態の半導体光増幅素子 7 0内で発生した第 2波長 λ ₂の光が前記波長選択素子 2 8、 5 6、或いは 6 0と同様の波長選択素子 7 3によって波長選択されるとともに、光共振

14 器として機能する一対の光帰還素子 7 2および波長選択素子 7 3によって選択的に光増幅され、さらにその増幅された第 2波長 λ ₂のレーザ光は上記変調された入力光 I _inによって強度が逆に変調されて出力される。その第 2波長 λ ₂のレーザ光には光合波器（光力ブラ） 7 6によって第 1波長 λ ,の制御光 I _eが重畳されて励起状態の次段の半導体光増幅素子 7 1に入力され、上記波長選択素子 7 2と同様の波長選択素子 7 5により選択された波長 λ ,の光が光共振器として機能する一対の光帰還素子 7 4および波長選択素子 7 5により選択的に増幅され、さらにその増幅されたレーザ光は波長 λ _tの制御光 I _eにより変調されて出力される。図 1 4は、上記図 1 3の光機能装置における入力光 I _in、制御光 I。、出力光 I。_ut の波形を示している。この出力光 I。_utの波形は、入力光に対して大幅に増幅されており、しかも強度変調された λ ,の制御光により制御されている。

図 1 5も、本発明の他の実施例の光機能装置を示している。本実施例では、光帰還素子 7 2および光帰還素子を兼ねた波長選択素子 7 3を両端面に備えてそれら光帰還素子 7 2および波長選択素子 7 3とにより構成される光共振器内に入力光（第 1波長 λ , ) が入射される半導体光増幅素子 7 0と、波長選択素子 7 5を他端面に備えて入力光が一端面から入射される進行波型の半導体光増幅素子 7 1とから構成されている。変調された入力光 I _in (第 1波長 λ が半導体光増幅素子 7 0にその光共振器内に入力され、励起状態の半導体光増幅素子 7 0内で発生した第 2波長 λ 2 の光が前記波長選択素子 2 8、 5 6、或いは 6 0と同様の波長選択素子 7 3によって波長選択されるとともに、光帰還素子或いは光共振器として機能する一対の光帰還素子 7 2および波長選択素子 7 3によって選択的に光増幅され、さらにその増幅された第 2波長 λ ₂のレーザ光は上記変調された入力光 I _inによって弓鱼度が逆に変調されて出力される。その出力された波長 λ ₂ のレーザ光には光合波器（光力ブラ） 7 6によって波長 λ _ηの制御光 I _cが重畳されて励起状態の次段の半導体光増幅素子 7 1の一端面に入力され、波長選択素子 7 5により選択され且つ選択的に増幅された波長 λ _nの出力光が半導体光増幅素子 7 1から出力される。本実施例の光機能装置は、制御光の波長 λ _ηおよび波長選択素子 7 5の選択波長 λ _ηを任意に変化させることによって、第 1波長か

15 ら任意波長 λ„へ変換する多端子波長変換素子として機能する。

図 1 6も、本発明の他の実施例の光機能装置を示している。本実施例では、光帰還素子 7 2および光帰還素子を兼ねた波長選択素子 7 3を両端面に備えてそれら光帰還素子 7 2と波長選択素子 7 3とにより構成される光共振器内に入力光 I _in (第 1波長 λ が入射される半導体光増幅素子 7 0と、両端面に光帰還素子や波長選択素子が備えられていない進行波型の半導体光増幅素子 7 1と、光帰還素子 8 2および波長選択素子 8 3を両端面に備えて半導体光増幅素子 7 1からの入力光が一端面側の光帰還素子 8 2を通して入射される半導体光増幅素子 8 0とから構成されている。変調された入力光 I _in (第 1波長えが半導体光増幅素子 7 0にその光共振器内に入力され、励起状態の半導体光増幅素子 7 0内で発生した第 2波長の光が前記波長選択素子 2 8、 5 6、或いは 6 0と同様の波長選択素子 7 3によって波長選択されるとともに、光帰還素子或いは光共振器として機能する一対の光帰還素子 7 2および波長選択素子 7 3によって選択的に光増幅され、さらにその増幅された第 2波長 λ ₂のレーザ光は上記変調された入力光 I _inによって強度が逆に変調されて出力される。その出力された波長 λ ₂のレ一ザ光に光合波器（光力ブラ） 7 6によって第 2波長 λ ₂の制御光 I _eが重畳されて次段の励起状態の半導体光増幅素子 7 1の一端面に入力され、増幅された波長 λ ₂の出力光が半導体光増幅素子 7 1から出力される。その波長 λ ₂の出力光が励起状態の半導体光増幅素子 8 0に入射されると、波長選択素子 8 3により選択された波長 λ ₃の光が光共振器として機能する一対の光帰還素子 8 2および波長選択素子 8 3により選択的に増幅され、さらにその増幅された光は波長 λ ₂の制御光 I _cによって変調される。なお、波長 λ ₃は λ と同一であってもよい（λ ₃ = λ _χ) 。本実施例の光機能装置は、 3端子光演算増幅装置、 3端子光スイッチング装置、光デマルチプレクサ装置として用いることができるが、半導体光増幅素子 7 1と半導体光増幅素子 8 0との間に、半導体光増幅素子 7 1の出力光にたとえば波長 λ ₃の第 2の制御光 I _c2を重畳させて半導体光増幅素子 8 0に入射させる光合波器を設けてもよい。この場合には、多（四）端子波長変換装置或いは多端子光信号処理装置として機能することができる。図 1 7は、本実施例の光機能装

16 置の動作を説明するためのタイムチャートであり、入力光 I _in、制御光、出力光 I。_ulの波形を示している。図 1 7から、出力光 I。_ulが制御光によってォンオフ制御されていることが判る。

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。

たとえば、前述の実施例の波長選択素子 2 8、第 1波長選択素子 5 6、第 2波長選択素子 6 0は、導波路の一部たとえば表面が導波方向において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、光吸収物質、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶のいずれかから構成されたものであればよい。

また、上記第 1波長選択素子 5 6、第 2の波長選択素子 6 0は、光帰還素子としても機能する場合においても、導波路の一部たとえば表面の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、フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶、光の一部を反射する反射抑止膜のいずれかから構成されてもよい。

また、前述の図 1乃至図 3の実施例では、波長 λ ₂の第 2入力光 L₂が変調され、波長 λ ,の第 1入力光が連続光であつたが、逆に、波長 λ ₂の第 2出力光 L₂が連続光とされ、波長 λ ,の第 1入力光 L ,が変調されて入力されるものであってもよい。

また、前述の図 8乃至図 9の実施例において、半導体光増幅素子 4 8、 5 0は共通の化合物半導体基板 6 2から構成されているが、別々の基板から構成されていてもよい。

また、前述の半導体光増幅素子 2 6、 4 8、 5 0において、外部へ出力された出力光 I。_utの一部を入力側へ戻すための光帰還回路を光ファイバなどによって構成してもよい。この場合には、その光ファイバが正帰還素子に対応している。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カ卩えられ得るものである。

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Claims

請求の範囲

1 . 波長が異なる 2つ以上の入力レーザ光に関して、所定波長のレーザ光の強度変化に対して他のレーザ光の強度を逆に変化させる半導体光増幅素子と、

該他のレ一ザ光の波長を選択して出力光を取り出す波長選択素子と、

該出力光の一部を前記光増幅素子の入力側へ正帰還させる光帰還素子とを、含むことを特徴とする光機能素子。

2 . 第 1波長の入力レーザ光が入力されることにより該入力レーザ光の波長を含む増幅利得のある波長域内の光強度を該入力光に応答して逆に変化させる半導体光増幅素子と、

該出力光の一部を前記光増幅素子へ正帰還させる光帰還素子と、

該光増幅素子内で発生した光のうち第 2波長の光を選択して該第 2波長の出力光を取り出す波長選択素子と

を、含むことを特徴とする光機能素子。

3 . 前記半導体光増幅素子は、前記レーザ光を導くための光導波路と、該光導波路内の導波路方向に沿って設けられた活性層とを含み、該活性層内を励起するためのエネルギが注入されるものである請求項 1または 2の光機能素子。

4 . 前記活性層は、量子井戸、歪み超格子、または量子ドットから構成されるものである請求項 3の光機能素子。

5 . 前記波長選択素子は、前記半導体光増幅素子の出力光を導くための光導波路の一部が導波方向において屈折率が周期的に変ィ匕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、光吸収物質、フォトニックバンドギヤップを有するフオトニック結晶のいずれかから構成されたものである請求項 1乃至 4のいずれかの光機能素子。

6 . 前記光帰還素子は、前記半導体光増幅素子の出力光を導くための光導波路の一部が導波方向において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夕、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、フォトニック

'を有するフォトニック結晶、端面反射抑止膜のいずれかから構成

18 されるものである請求項 1乃至 5のいずれかの光機能素子。

7 . 直列に連結された請求項 1乃至 6のいずれかの光機能素子と、該光機能素子の間に介そうされ、該一対の光機能素子のうちの前段の光機能素子の出力光に該出力光と波長が同一または異なる他の入力レーザ光を混合して後段の光機能素子へ入力させる光合波器とを含むことを特徴とする光機能装置。

8 . 請求項 1乃至 6のいずれかの光機能素子と、

その出力光に該出力光と波長が同一または異なる他の入力レーザ光を混合する光合波器と、

該光合波器により混合された光を入力する進行波型半導体増幅素子と、該他の入力レーザ光の波長を選択して出力光を取り出す波長選択素子とを、含むことを特徴とする光機能装置。

9 . 請求項 8の光機能装置の後段に、請求項 1乃至 6のいずれかの光機能素子を付加したことを特徴とする光機能装置。

1 0 . 前記光機能装置は、 3端子光演算増幅装置、 3端子光スイッチング装置、または光デマルチプレクサ装置として機能するものである請求項 7乃至 9の光機

1 1 . 前記光機能装置は、多端子光信号処理装置、多端子波長変換装置として機能するものである請求項 7乃至 9のいずれかの光機能装置。

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