(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意波長の第１の入力信号光強度に応じて前記入力信号光の波長と同一または異なる波長を有する第２の入力光が変調される光制御素子において、第１の入力光と第２の入力光を合流しさらに複数のポートに分配する第１の構造と、該複数のポートにそれぞれ接続された、第１の入力光の光強度に応じて屈折率が変化する媒質、および該媒質からの出力を合流するための第２の構造とからなるマッハツェンダ回路と、
第２の入力光を分岐、遅延させるループ型の光回路とを有し、
前記ループ型の光回路は、第２の入力光を分岐する第３の構造と前記第１の構造及び前記第２の構造とをそれぞれ接続する長さの異なる複数の導波路により構成されることを特徴とする光制御素子。
【請求項２】
任意波長の第１の入力信号光強度に応じて前記入力信号光の波長と同一または異なる波長を有する第２の入力光が変調される光制御素子において、
第１の入力光と第２の入力光を合流しさらに複数のポートに分配する第１の構造と、該複数のポートにそれぞれ接続された、第１の入力光の光強度に応じて屈折率が変化する媒質、および該媒質からの出力を合流するための第２の構造とからなるマッハツェンダ回路と、
前記第２の構造に接続され、第２の入力光を分岐、遅延させる光回路として、非対称マッハツェンダ型の光回路を有することを特徴とする光制御素子。
【請求項３】
請求項１又は２において、入力光強度を制御する機能を配置したことを特徴とする光制御素子。
【請求項４】
請求項３において、入力光強度を制御する機能として、利得機能を有する光増幅器を用いたことを特徴とする光制御素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光制御素子に関する。即ち、波長多重光ネットワークにおいて、任意波長の入力信号光強度に応じて前記入力信号光の波長と同一又は異なる別波長の光を変調する光制御技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複数の異なる波長の光信号を伝送する光伝送システムとして、前記複数の異なる波長の光信号を１本の光ファイバに結合して伝送する、波長多重を利用した光伝送システム（ＷＤＭシステム）がある。
さらに、前記ＷＤＭシステムは、１対１の伝送のみならず、ネットワーク化が急速に進みつつある。
【０００３】
このようなＷＤＭシステムにおいて、光ファイバを伝送する光信号の波長を同一又は異なる波長へと変換する、いわゆる波長変換を行う光制御素子が重要となってくる。
従来の波長変換回路の例１を図５に示す。
この波長変換回路は、半導体光増幅器（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＳＯＡ）１０５，１０６、マルチモード干渉（Ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅ−ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，  ＭＭＩ）カプラ１０１，１０２，１０３，１０４及びこれらを結ぶ光導波路からなる対称マッハツェンダ光回路から構成されている。
【０００４】
波長変換の動作を説明する。
波長λｊの連続光（ＣＷ光）１０８が、マルチモード干渉カプラ１０１に入射し、二つの光導波路中へと分けられる。
二つに分かれた連続光は、それぞれ半導体光増幅器１０５，１０６を通過し、マルチモード干渉カプラ１０２，１０３を経由して、マルチモード干渉カプラ１０４で合波されポート１１０へ出射される。
波長変換回路が、上記の状態であるときに、波長λｉの光信号１０７が、マルチモード干渉カプラ１０２に入射され、半導体光増幅器１０５に入射する。
【０００５】
このとき、光信号１０７により、半導体光増幅器１０５内の屈折率が変わる。
これにともない、マルチモード干渉カプラ１０１，１０２，１０３，１０４からなる対称マッハツェンダ光回路の干渉条件が変わり、信号光１０７が１のときだけ、波長λｊの光がポート１０９へ出射される。
即ち、波長λｊの光信号が、波長λｊの光へ移され、ポート１０９へと出射される。
この方法では、入力信号光の伝送速度は、半導体光増幅器１０５，１０６のキャリア変化の回復時間の速度に制限され、２０Ｇｂｐｓ程度の速度の光信号の波長変換しかできなかった。
【０００６】
そこで、図６に示すような、波長変換回路が導入された。
この波長変換回路は、半導体光増幅器２０１とループ型干渉回路２０９、マルチモード干渉カプラ２０２，２０３から構成される。
動作原理を説明する。
マルチモード干渉カプラ２０３に波長λｊの連続光２０５がポート２１１に入射され、マルチモード干渉カプラ２０３で二つに分かれ、ループ型干渉回路２０９へと導かれる。
ループ型干渉回路２０９では、右回りの光２０７と左回りの光２０６に別れてループを一周し、再びマルチモード干渉カプラ２０３で合波されポート２１１に出射される。
【０００７】
この状態で、波長λｉの信号光２０４をマルチモード干渉カプラ２０２に入射させる。
入射された信号光２０４は、半導体光増幅器２０１を通過する。
このとき、半導体光増幅器２０１内の屈折率が変化する。
ループ内を導波している波長λｊの光は、屈折率変化の影響を受け、図７（ａ）のように位相変化をおこす。
右回りの光２０７は、急峻に位相変化を起こし、その後、半導体光増幅器２０１のキャリア変化の回復時間の速度に応じた時間で元の位相に戻り、マルチモード干渉カプラ２０３に入射する。
左回りの光２０６も同様の位相変化を受けるが、右回りの光２０７に比べて、ループ型干渉回路２０９を伝播する距離が長いため、Δτだけ時間が遅れてマルチモード干渉カプラ２０３へ入射する。
【０００８】
マルチモード干渉カプラ２０３中では、右回り光２０７、左回りの光２０６の位相変化が起きる時間が、Δτの間だけずれることになる。
このΔτの間だけ、図７（ｂ）のように、干渉効果により、波長λｊの光２０８は、ポート２１０に出射されることとなる。
即ち、入力した波長λｉの光信号が、波長λｊの光へ移され、ポート２１０に出力されるわけである。
このループ型干渉回路を有する波長変換回路では、図７に示すように、位相変化のキャリア変化の回復時間の速度に制限される領域がキャンセルアウトされ、その制限を受けず、高速波長変換が可能となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ループ型干渉回路２０９を有する波長変換回路を用いた場合には、入力した信号光２０４が、出力光２０８と同一のポート２１０から多重されて出射される。
このため、入力光２０４と出力光２０８を分離するために、出力ポート２１０に波長フィルタ２１２を設置し、出力光２０８のみを取り出さなければならなかった。
【００１０】
また、信号光の波長λｉと被波長変換光の波長λｊが同一の時には、波長変換前の光と波長変換後の光を前記波長フィルタ２１２で分離できず、波長変換前の光が雑音となって出力光に混入してしまう。
即ち、同一波長変換ができないという問題点があった。
さらに３ｄＢカプラ２０２および２０３で波長λｊの連続光２０５である被変換光が分岐されるため、原理的に３ｄＢの過剰損失が生じるという問題もあった。
本発明の目的は、上記問題点を鑑み、波長フィルタが不要であり、低損失、かつ、同一波長変換が可能な高速の波長変換機能を有する光制御素子を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
斯かる目的を達成する本発明の請求項１に係る光制御素子は、任意波長の第１の入力信号光強度に応じて前記入力信号光の波長と同一または異なる波長を有する第２の入力光が変調される光制御素子において、第１の入力光と第２の入力光を合流しさらに複数のポートに分配する第１の構造と、該複数のポートにそれぞれ接続された、第１の入力光の光強度に応じて屈折率が変化する媒質、および該媒質からの出力を合流するための第２の構造とからなるマッハツェンダ回路と、第２の入力光を分岐、遅延させるループ型の光回路とを有し、前記ループ型の光回路は、第２の入力光を分岐する第３の構造と前記第１の構造及び前記第２の構造とをそれぞれ接続する長さの異なる複数の導波路により構成されることを特徴とする。
【００１３】
上記目的を達成する本発明の請求項２に係る光制御素子は、任意波長の第１の入力信号光強度に応じて前記入力信号光の波長と同一または異なる波長を有する第２の入力光が変調される光制御素子において、第１の入力光と第２の入力光を合流しさらに複数のポートに分配する第１の構造と、該複数のポートにそれぞれ接続された、第１の入力光の光強度に応じて屈折率が変化する媒質、および該媒質からの出力を合流するための第２の構造とからなるマッハツェンダ回路と、前記第２の構造に接続され、第２の入力光を分岐、遅延させる光回路として、非対称マッハツェンダ型の光回路を有することを特徴とする。
【００１４】
上記目的を達成する本発明の請求項３に係る光制御素子は、請求項１又は２において、入力光強度を制御する機能を配置したことを特徴とする。
【００１５】
上記目的を達成する本発明の請求項４に係る光制御素子は、請求項３において、入力光強度を制御する機能として、利得機能を有する光増幅器を用いたことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本願において、開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下の通りである。
（１）任意波長の入力信号光強度に応じて前記入力信号光の波長と同一又は異なる別波長の光を変調し波長を変換する光制御素子を、波長変換後の入力信号光を除去するフィルタ機能と、入力信号光による位相変調機能と被変換光を分岐、遅延させる光回路から構成する。
（２）前記手段（１）の光制御素子において、波長が変換された出力光を分岐、遅延させる光回路が、ループ型の光回路である。
（３）前記手段（１）の光制御素子において、波長が変換された出力光を分岐、遅延させる光回路が、非対称マッハツェンダ型の光回路である。
（４）前記手段（１）の光制御素子の前段に、入力光強度を制御する機能を配置する。
（５）前記手段（４）の光制御素子において、入力光強度を制御する機能として、利得機能を有する光増幅器を用いる。
【００１７】
［実施例１］
図１に本発明の第１の実施例を示す。
この波長変換回路は、半導体光増幅器４０１，４０２とマルチモード干渉カプラ４０３，４０４から構成されるフィルタ付き位相変調器４１５（図中破線で囲んで示す）と、ループ型干渉回路４１３、マルチモード干渉カプラ４０５から構成される。
即ち、本実施例においては、「第１の入力光と第２の入力光を合流しさらに複数のポートに分配する構造」として多モード干渉型カプラ４０３、「第１の入力光の光強度に応じて屈折率が変化する媒質」として半導体光増幅器４０１，４０２、「媒質からの出力を合流するための構造」として多モード干渉型カプラ４０４を用いた場合である。
【００１８】
動作原理を説明する。
マルチモード干渉カプラ４０５に波長λｊの連続光４０７がポート４１２に入射され、マルチモード干渉カプラ４０５で二つに分かれ、ループ型干渉回路４１３へと導かれる。
ループ型干渉回路４１３では、右回りの光４０９と左回りの光４０８に別れてループを一周し、フィルタ付き位相変調器４１５を経て再びマルチモード干渉カプラ４０５で合波されポート４１２に出射される。
この状態で、波長λｉの信号光４０６が、ポート４１７より、フィルタ付き位相変調器４１５へ入射される。
【００１９】
本実施例では、フィルタ機能として、マルチモード干渉カプラ４０３，４０４が、半導体光増幅器４０１，４０２を含んだ２つの導波路（アーム）で結ばれた対称型マッハツェンダ回路を用いている。
一般に対称マッハッエンダ回路では、入射した光は、カプラ内で分波され、それぞれ２つの導波路（アーム）を通り、再びカプラで合波され、入射ポートとクロスの位置にある出射ポートに出力される。
本実施例のフィルタ機能は、マッハツェンダ回路の上記性質を利用している。
【００２０】
波長λｉの信号光４０６をポート４１７よりマルチモード干渉カプラ４０３に入射させる。
入射された信号光４０６は、二つに分かれて半導体光増幅器４０１，４０２を通過し、マルチモード干渉カプラ４０４で合波されて、入射ポート４１７とクロスの位置にあるポート４１４へ抜ける。
即ち、この入力信号光４０６は、マッハツェンダ回路によるフィルタ機能により、ループ型干渉回路４１３内に入ることはない。
ループ内を左回りに伝搬する波長λｊの連続光４０７である被変換光は、ポート４１８からマルチモード干渉カプラ４０４に入射し、２つに別れて半導体光増幅器４０１，４０２を通過し、マルチモード干渉カプラ４０３で合波されて、入射ポート４１８とクロスの位置にあるポート４１６に導かれ、再びループ内を伝搬する。
このとき、ポート４１７に出射される成分は存在しないため過剰損失は生じない。
同様に右回りに伝搬する波長λｊの連続光４０７である被変換光は、ポート４１６からマルチモード干渉カプラ４０３に入射し、２つに別れて半導体光増幅器４０１，４０２を通過し、マルチモード干渉カプラ４０４で合波されて、入射ポート４１６とクロスの位置にあるポート４１８に導かれ、再びループ内を伝搬する。このときポート４１４に出射される成分は存在しないため過剰損失は生じない。
即ち、ループ内を伝搬する波長λｊの連続光４０７である被変換光は、信号光を合波するためのカプラ４０３および４０４を通過することにより生じる過剰損失が原理的に生じることはない。
上記入力信号光４０６が半導体光増幅器４０１，４０２内を通過する際、半導体光増幅器４０１，４０２内の屈折率が変化する。
ループ内を導波している波長λｊの光は、前記半導体光増幅器４０１，４０２内の屈折率変化の影響を受け、図７（ａ）と同様に位相変化をおこす。
【００２１】
右回りの光４０９は、急峻に位相変化を起こし、その後半導体光増幅器のキャリア変化の回復時間の速度に応じた時間で元の位相に戻り、マルチモード干渉カプラ４０５に入射する。
左回りの光４０８も同様の位相変化を受けるが、右回りの光に比べて、ループ型干渉回路を伝播する距離が長いため、Δτだけ時間が遅れてマルチモード干渉カプラ４０５へ入射する。
マルチモード干渉カプラ４０５中では、右回り、左回りの光の位相変化が起きる時間が、Δτの間だけずれることになる。
このΔτの間だけ、図７（ｂ）と同様に、干渉効果により、波長λｊの光は、ポート４１１に出射されることとなる。
【００２２】
即ち、入力した波長λｉの光信号が、波長λｊの光へ移され、ポート４１１に出力されるわけである。
このループ型干渉回路を有する波長変換回路では、位相変化のキャリア変化の回復時間の速度に制限される領域がキャンセルアウトされ、その制限を受けず、高速波長変換が可能となる。
本実施例では、入力光４０６が、ポート４１４に抜け、ポート４１１に出力されることはない。
即ち、入力光と出力光を分離するために、出力ポートに波長フィルタを設置する必要がない。
従って、信号光の波長λｉと被波長変換光の波長λｊが同一の時においても、ポート４１１に波長が変換された出力光に雑音が混じる事なく波長変換が可能である。
また、左回りに伝搬する波長λｊの連続光４０７である被変換光は、ポート４１８からポート４１６に導かれ、右回りに伝搬する被変換光は、ポート４１６、ポート４１８に導かれ、過剰損失は生じない。
従って、信号光、被変換光の同一、非同一を問わず、フィルタが不要で低損失の高速波長変換が可能となる。
【００２３】
［実施例２］
図２に本発明の第２の実施例を示す。
本実施例は、実施例１のループ型干渉回路４１３の代わりに、非対称マッハツェンダ干渉回路５０７を用いた波長変換回路である。
この波長変換回路は、半導体光増幅器５０１，５０２とマルチモード干渉カプラ５０３，５０４から構成されるフィルタ付き位相変調器５２８と、マルチモード干渉カプラ５０５，５０６及び長さが異なる２本の導波路から構成される非対称マッハッエンダ干渉回路５０７の２つから構成される。
【００２４】
動作原理を説明する。
マルチモード干渉カプラ５０３に波長λｊの連続光５１１がポート５１４より入射され、マルチモード干渉カプラ５０３で２つに分かれ、半導体光増幅器５０１，５０２を通り、マルチモード干渉カプラ５０４で合流しポート５１７へ出射され、非対称マッハツェンダ干渉回路５０７を経て、ポート５０８へ出力される。
この状態で、波長λｉの信号光５１０をポート５１５よりマルチモード干渉カプラ５０３に入射させる。
入射された信号光５１０は、二つに分かれて半導体光増幅器５０１，５０２を通過し、マルチモード干渉カプラ５０４で合波されて、ポート５１６へ抜ける。フィルタ機能により、入力信号光が、後段の非対称マッハッエンダ回路５０７へは入射しないのは、実施例１と同様である。
【００２５】
上記入力信号光５１０が半導体光増幅器５０１，５０２内を通過する際、半導体光増幅器５０１，５０２内の屈折率が変化する。
フィルタ付き位相変調器５２８内を導波している波長λｊの光は、屈折率変化の影響を受け位相が変調され、ポート５１７を経由して、非対称マッハツェンダ干渉回路５０７へ入射する。
位相変調を受けた波長λｊの光は、２本の長さが異なる導波路を通過し、長い導波路を通過する光は、短い導波路を通過する光に比べてΔτだけ遅れてマルチモード干渉カプラ５０６に入射し合波される。
このとき、図７（ａ）と同様に導波路伝播時間の差Δτだけ時間がずれた位相変調光の干渉が起こり、位相差が生じるときだけ、図７（ｂ）と同様に、干渉効果により、波長λｊの光５１３がポート５０９に出射されることとなる。
【００２６】
即ち、入力した波長λｉの光信号が、波長λｊの光へ移され、ポート５０９に出力されるわけである。
この非対称マッハツェンダ干渉回路５０７を有する波長変換回路では、位相変化のキャリア変化の回復時間の速度に制限される領域がキャンセルアウトされ、その制限を受けず、高速波長変換が可能となる。
本実施例では、入力光５１０はポート５１６に抜け、非対称マッハツェンダ回路５０７に入射することはない。
即ち、入力光と出力光を分離するために、出力ポートに波長フィルタを設置する必要がない。
従って、信号光の波長λｉと被波長変換光の波長λｊが同一の時においても、半導体光増幅器内の屈折率変化を与えた後の信号光が被波長変換光の雑音となることはなく、波長変換が可能である。
波長λｊの連続光５１１である被変換光は、ポート５１４からマルチモード干渉カプラ５０３に入射し、２つに別れて半導体光増幅器５０１，５０２を通過し、マルチモード干渉カプラ５０４で合波されて、入射ポート５１１とクロスの位置にあるポート５１７に導かれ、ポート５１６に出射される成分は存在しないため過剰損失は生じない。
従って、信号光、被変換光の同一、非同一を問わず、フィルタが不要で低損失の高速波長変換が可能となる。
【００２７】
［実施例３］
図３に本発明の第３の実施例を示す。
波長変換回路には、最適な信号光強度範囲というものがある。
本実施例は、実施例１の前段に半導体光増幅器を用いた入力光強度を制御する機能回路を付加した波長変換装置である。
【００２８】
動作原理を説明する。
ポート６０４から入射した信号光は、半導体光増幅器６０１で増幅されマルチモード干渉カプラ６０２へ入射する。
マルチモード干渉カプラ６０２を通過した光のごく一部は、フォトダイオード（ＰＤ）６０３へ入射し、光強度が測定される。
測定した光強度から電気的にフィードバックし、半導体光増幅器６０１へ流す注入電流を決定し、その利得を制御する。
【００２９】
これにより、光強度を半導体光増幅器６０１により制御された信号光が、ポート６０５へ出力され、導波路６０７を経由して後段のフィルタ付き位相変調器４１５のポート４１７へ、波長変換に最適な光強度で信号光が入射する。
従って、波長変換装置への入力光強度が変動しても、常に最適な光強度の光信号が波長変換回路に入射することとなる。
即ち、本実施例により、実施例１の入力光強度マージンが拡大されることとなる。
【００３０】
［実施例４］
図４に本発明の第４の実施例を示す。
本実施例は、実施例２の前段に半導体光増幅器を用いた入力光強度を制御する機能回路を付加した波長変換装置である。
付加した機能の動作原理は、実施例３と同等である。
上記実施例３，４では、半導体光増幅器を用いた例を示したが、ファイバ光増幅器を用いても同等の効果を得ることができる。
上記実施例１〜４では、「第１の入力光と第２の入力光を合流しさらに複数のポートに分配する構造」としてマルチモード干渉カプラを用いた場合について示しているが、方向性結合器、Ｙ分岐等を用いても同様な効果が期待できる。
また、「第１の入力光強度に応じて屈折率が変化する媒質」として半導体光増幅器を用いた場合について説明しているが、光強度に応じて屈折率が変化する媒質または構造であれば全て適用可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明を用いることにより、出力ポートに入力光と出力光を分離するためのフィルタを設置する必要がなく、低損失で同一波長変換が可能な高速の波長変換機能を有する光制御素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例を示すブロック図である。
【図２】本発明の第二の実施例を示すブロック図である。
【図３】本発明の第三の実施例を示すブロック図である。
【図４】本発明の第四の実施例を示すブロック図である。
【図５】従来の波長変換回路の例を示すブロック図である。
【図６】従来の波長変換回路の例２を示すブロック図である。
【図７】従来の波長変換回路の例２の動作原理を示すグラフである。
【符号の説明】
１０１，１０２，１０３，１０４  マルチモード干渉カプラ
１０５，１０６  半導体光増幅器
１０７  信号光
１０８  連続光
１０９  出力光（被波長変換光）
１１０  ポート
２０１  半導体光増幅器
２０２，２０３マルチモード干渉カプラ
２０４  信号光
２０５  連続光
２０６  左回りの光
２０７  右回りの光
２０８  出力光（被波長変換光）
２０９  ループ型干渉回路
２１０，２１１  ポート
４０１，４０２  半導体光増幅器
４０３，４０４，４０５  マルチモード干渉カプラ
４０６  信号光
４０７  連続光
４０８  左回りの光
４０９  右回りの光
４１０  出力光（被波長変換光）
４１１，４１２，４１４  ポート
４１３  ループ型干渉回路
４１５  フィルタ付き位相変調器
４１６，４１７，４１８  ポート
５０１，５０２  半導体光増幅器
５０３，５０４，５０５，５０６  マルチモード干渉カプラ
５０７  非対称マッハツェンダ干渉回路
５０８，５０９  ポート
５１０  信号光
５１１  連続光
５１２  位相変調を受けた連続光
５１３  出力光（被波長変換光）
５１４，５１５，５１６，５１７  ポート
５２８  フィルタ付き位相変調器
６０１  半導体光増幅器
６０２  マルチモード干渉カプラ
６０３  フォトダイオード
６０４，６０５，６０６  ポート
６０７  導波路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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