(57)【要約】【課題】伝送損失を受けた光信号を受信でき、応答が高速で、光信号を増幅しビットエラーレートを低減できる半導体光増幅素子および半導体光増幅素子駆動装置を提供する。【解決手段】活性層２は、ＩｎＧａＡｓＰから構成される量子井戸構造を有し、可飽和吸収領域４と、光増幅領域５，６とを含む。可飽和吸収領域４には、ｐ電極１０を介して、光増幅領域５，６とは独立に電圧が印加される。光増幅領域５，６には、ｐ電極１１，１２を介して電流がそれぞれ注入される。入射面７から入射される入力光Ｐｉｎは、「１」または「０」の２値の光強度からなる光信号に白色雑音の雑音光を付加して生成されている。可飽和吸収領域４および光増幅領域５，６は、波長変換素子１が双安定状態の半導体レーザとなる条件で構成されている。【選択図】図１
2008181930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入出力特性が不連続に立ち上がる半導体光増幅素子であって、
光増幅領域および可飽和吸収領域を含む活性層と、
前記活性層に電流を注入しおよび／または電圧を印加する第１の極性の電極と、
前記第１の極性の電極に対向して設けられる第２の極性の電極とを備え、
前記第１および前記第２の極性の電極を通じて、入力光が「１」となるタイミングで前記入出力特性の立ち上がり閾値が下がるように前記可飽和吸収領域に第１のバイアス電圧が印加され、入力光が「０」となるタイミングで前記入出力特性の立ち下がり閾値が上がるように前記可飽和吸収領域に第２のバイアス電圧が印加される、半導体光増幅素子。
【請求項２】
前記第２のバイアス電圧として逆バイアスが印加されることにより、前記可飽和吸収領域に残留するキャリアが引き抜かれる、請求項１に記載の半導体光増幅素子。
【請求項３】
前記可飽和吸収領域に印加される印加電圧の強度は、出力光の振幅が増大し、かつ、光信号のビットエラーレートが低減するように調整される、請求項１に記載の半導体光増幅素子。
【請求項４】
前記光増幅領域に注入される注入電流の強度は、前記出力光の振幅が増大し、かつ、前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される、請求項１に記載の半導体光増幅素子。
【請求項５】
前記入力光は、ＲＺ符号方式の信号光に雑音光が付加されて生成される、請求項１に記載の半導体光増幅素子。
【請求項６】
前記雑音光は、前記光増幅領域および前記可飽和吸収領域の少なくとも一方に入射され、前記雑音光の強度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される、請求項５に記載の半導体光増幅素子。
【請求項７】
前記雑音光の最大値と最小値との差は、前記光信号の振幅の１／１０以下である、請求項５に記載の半導体光増幅素子。
【請求項８】
前記雑音光は、ランダムな強度を有する、請求項５に記載の半導体光増幅素子。
【請求項９】
前記第１および前記第２の極性の電極を通じて雑音電流が前記光増幅領域および前記可飽和吸収領域の少なくとも一方に注入され、前記雑音電流の強度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される、請求項１に記載の半導体光増幅素子。
【請求項１０】
前記雑音電流の最大値と最小値との差は、前記注入電流の振幅の１／１０以下である、請求項９に記載の半導体光増幅素子。
【請求項１１】
前記雑音電流は、ランダムな強度を有する、請求項９に記載の半導体光増幅素子。
【請求項１２】
前記活性層は、量子井戸構造を有する、請求項１に記載の半導体光増幅素子。
【請求項１３】
前記第１の極性の電極および前記第２の極性の電極の少なくとも一方は、前記光増幅領域と前記可飽和吸収領域とに対して独立に電流を注入できるように分割される、請求項１に記載の半導体光増幅素子。
【請求項１４】
前記光増幅領域および前記可飽和吸収領域の少なくとも一方に不純物が添加され、前記不純物の濃度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される、請求項１に記載の半導体光増幅素子。
【請求項１５】
前記半導体光増幅素子は、入出力特性がヒステリシスを示す双安定半導体レーザである、請求項１に記載の半導体光増幅素子。
【請求項１６】
前記光増幅領域は、前記可飽和吸収領域の両側にそれぞれ配置される第１および第２の光増幅領域を含み、
前記第１および第２の光増幅領域の一方の端面から前記光信号が入射され、前記第１および第２の光増幅領域の他方の端面から前記出力光が出射される、請求項１に記載の半導体光増幅素子。
【請求項１７】
前記可飽和吸収領域の共振器方向に占める長さの割合は、１％以上であり、かつ５０％未満である、請求項１に記載の半導体光増幅素子。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれかに記載の前記半導体光増幅素子と、前記出力光を検出して受信信号を出力する光電変換素子とを含む半導体光増幅モジュールと、
前記受信信号を受けて、前記半導体光増幅素子の入出力特性を調整するための制御信号を出力するフィードバック制御回路とを備える、半導体光増幅素子駆動装置。
【請求項１９】
前記フィードバック制御回路からの制御信号に従って前記半導体光増幅素子の温度を制御する温度制御回路をさらに備え、
前記半導体光増幅モジュールは、前記温度制御回路からの制御信号を受けて前記半導体光増幅素子を含む前記半導体光増幅モジュールの温度を調整する温度制御機構をさらに含む、請求項１８に記載の半導体光増幅素子駆動装置。
【請求項２０】
前記温度制御機構は、前記半導体光増幅素子の温度を検知し、該温度検知信号を前記フィードバック制御回路に出力するサーミスタを有する、請求項１９に記載の半導体光増幅素子駆動装置。
【請求項２１】
前記温度制御機構は、前記温度制御回路からの制御信号を受けて、前記半導体光増幅素子を昇温または冷却させるペルチェクーラーを有する、請求項１９に記載の半導体光増幅素子駆動装置。
【請求項２２】
前記半導体光増幅素子に接続されている可変抵抗と、
前記フィードバック制御回路からの制御信号に従って前記可変抵抗の抵抗値を制御する可変抵抗制御部とをさらに備える、請求項１８に記載の半導体光増幅素子駆動装置。
【請求項２３】
前記フィードバック制御回路は、前記半導体光増幅素子の可飽和吸収領域から流れる電流を前記可変抵抗を介してモニターする、請求項２２に記載の半導体光増幅素子駆動装置。
【請求項２４】
前記受信信号を受けて、確率共鳴効果が得られるように雑音が付加された電流を前記半導体光増幅素子に供給するための制御信号を出力する確率共鳴制御回路と、
前記確率共鳴制御回路からの制御信号を受けて、前記半導体光増幅素子の入出力特性を調整するための電流を前記半導体光増幅素子に供給する電流供給部とをさらに備える、請求項１８に記載の半導体光増幅素子駆動装置。
【請求項２５】
前記半導体光増幅素子の入出力特性を調整するための光を前記半導体光増幅素子に供給するための光源をさらに備える、請求項１８に記載の半導体光増幅素子駆動装置。
【請求項２６】
前記光源は、前記受信信号を受けて、確率共鳴効果が得られるように雑音が付加された光を前記半導体光増幅素子に供給する、請求項２４に記載の半導体光増幅素子駆動装置。
【請求項２７】
前記フィードバック制御回路からの制御信号に基づいて、前記半導体光増幅素子の可飽和吸収領域に印加される電圧を制御する電圧制御回路と、
前記電圧制御回路からの制御信号に従って、前記入力光が前記半導体光増幅素子の立ち上がりしきい値および立下がりしきい値を上下するように調整された電圧を前記半導体光増幅素子に供給する電圧供給部とをさらに備える、請求項１８に記載の半導体光増幅素子駆動装置。
【請求項２８】
前記受信信号に基づいて、前記入力光が前記半導体光増幅素子の立ち上がりしきい値および立下がりしきい値を上下するように調整された電流を前記半導体光増幅素子に供給する電流供給部をさらに備える、請求項１８に記載の半導体光増幅素子駆動装置。
【請求項２９】
前記光電変換素子は、前記半導体光増幅モジュールと同一基板上に集積化されている、請求項１８に記載の半導体光増幅素子駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体光増幅デバイスおよび半導体光増幅駆動装置に関し、より特定的には、外部からの光信号を増幅する半導体光増幅素子およびその駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の大容量通信の普及に伴い、光信号を電気に変換せず光のまま高速に処理する全光処理が推進されるようになってきている。こうした光信号に求められる最重要課題は、信号品質を保ったまま高速化することである。
【０００３】
現在の光通信システムは、半導体レーザの出力光を強度変調して得た光信号を光ファイバの中に伝送させている。この光信号は、ファイバの中で幾度もファイバ内壁に反射しながら進むが、反射時の吸収損失や散乱損失により、反射するたびに信号強度は弱くなる。その結果、光信号の信号波形が崩れ、信号の品質を表す信号対雑音比（以下、Ｓ／Ｎ比）が低下し、信号の伝送品質が劣化する。
【０００４】
さらに、光信号は、光ファイバ内だけでなく、中継機やスイッチなど多くの装置を経由する過程で、様々な要因により劣化してゆく。信号の高速化に伴って、こうした途中の経路で受ける、光信号の波形の崩れや劣化の影響がより顕著となる。光信号の劣化は、ビット誤り率（ＢＥＲ：ビットエラーレート）が増大する大きな原因となり、信号品質を著しく低下させる。
【０００５】
よって、大容量光通信に必須の超高速な繰り返しパルス光信号を処理する光通信用素子には、応答特性がよいことと、伝送路での減衰を抑えることが重要となる。
【０００６】
高周波信号では、応答特性を悪化させる「パターン効果」の影響が大きく、信号品質を左右する大きな要因となる。パターン効果は、前の信号の位置にパルスがあるかないかで、次の信号位置においてレーザ素子の活性層の中に残留する注入キャリア密度が変わることが原因となって生ずる。信号位置にパルスがあるかないかは、二値信号の「１」，「０」にそれぞれ対応する。
【０００７】
電子のキャリア寿命は数ｎｓであるから、信号の周期がキャリア寿命と同程度かそれ以上となる高周波信号では、前の信号が「１」であれば次の信号の位置に残留キャリアが存在して影響を及ぼす。特に、可飽和吸収領域が半導体レーザに備えられている場合、可飽和吸収領域のキャリア寿命が長いことで残留キャリアの影響が大きくなる。こうしたパターン効果によって、次の信号のタイミングにも実効的にバイアスが印加された状態となって波形が崩れたり、信号の立下りがすそを引いて次の信号と重なってしまうことがある。このとき、「０」の信号位置でも光がオフにならず消光比が悪化する。
【０００８】
よって超高速光通信への対応のために、ビットエラーレートの増大を防ぎ、劣化した微弱な信号を検知できる、応答特性のよい受信器の開発が行われてきた。
【０００９】
現在、光通信用の受信器には、長波長帯用のＩｎＧａＡｓ系半導体材料を用いたフォトダイオード（ＰＤ）が広く使用されている。フォトダイオードの受光面積を広くすることで受信器の感度を向上させることができる。しかし、フォトダイオードの受光面積を広くすると、応答の高速性が低下してしまうという課題がある。そのため、フォトダイオードを将来の大容量かつ超高速な光通信で使用するのは困難である。
【００１０】
また、最近では、単一走行キャリアフォトダイオード（Ｕｎｉ−Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ−Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：ＵＴＣ−ＰＤ）という新しいフォトダイオードが特許文献１において提唱されている。通常のフォトダイオードでは、ホールおよび電子が走行キャリアとなるが、走行速度の遅いホールが高速応答を妨げる。そこで、ＵＴＣ−ＰＤではホールを使わず、走行速度の速い電子のみを使うことで、数百ＧＨｚ以上の高速応答を可能にしている。
【００１１】
しかし、ＵＴＣ−ＰＤは、走行キャリアを電子のみにすることで高速応答性および高出力性を向上させるという原理上、微弱な信号を検知する性能そのものは従来のフォトダイオードと変わらない。そのため、ＵＴＣ−ＰＤは、伝送損失が生じて劣化した光信号の検知には適さない。
【００１２】
そこで、劣化した光信号を増幅および波形整形することで伝送損失を解決する技術が開発されている。一例として、可飽和吸収領域を有する双安定半導体レーザを利用した光信号再生について、以下に図面を参照して説明する。
【００１３】
図１４は、一般的な可飽和吸収領域を有する双安定半導体レーザの注入光−光出力特性曲線を示した図である。図１５は、可飽和吸収領域を有する双安定半導体レーザを用いた従来の光信号再生装置において動作特性を説明するための図である。
【００１４】
図１５において、（ａ）は図１４に示された、双安定半導体レーザの注入光−光出力特性曲線、（ｂ）は（ａ）の特性を有する双安定半導体レーザに注入される光信号ＰＩＮ、（ｃ）は（ａ）の特性を有する双安定半導体レーザに（ｂ）の光信号ＰＩＮを注入して得られる出力光ＰＯＵＴをそれぞれ表わす。
【００１５】
図１５（ａ）のような注入光−光出力特性を有する双安定半導体レーザに対して、図１５（ｂ）に示すように閾値Ｐｔｈ２以下の光強度と発振閾値Ｐｔｈ１以上の光強度との間で変調される光信号を注入することにより、図１５（ｃ）に示すように増幅された双安定半導体レーザの出力光が得られる。これにより、Ｓ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  Ｎｏｉｓｅ）比の向上、波形整形などの効果が得られる。
【００１６】
こうした双安定半導体レーザでは、発振閾値程度の微弱な光信号を増幅して検出することができるものの、注入光の強度が閾値を上下しなければ光信号を増幅できないという制限がある。そのため、振幅が小さかったり強度が閾値未満にまで減衰した光信号には使えないという問題がある。
【００１７】
伝送損失を補償できるもう一つの例として、特許文献２は、入力信号の波形整形および増幅を行なう確率共鳴装置について開示している。非線形な入出力特性が必要とされる確率共鳴装置には、たとえば、非線形な特性をもつ図１６の双安定半導体レーザ１１２が用いられる。
【００１８】
図１６は、確率共鳴装置として用いられる一般的な双安定半導体レーザ１１２の構造を示した断面図である。
【００１９】
図１６を参照して、双安定半導体レーザ１１２は、光増幅領域１２１および可飽和吸収領域１２２を含む活性層１２０と、ｐ型電極１２３，１２４と、ｐ型クラッド層１２５と、ｎ型クラッド層１２６と、ｎ型電極１２７とを備える。ｎ型電極１２７上に、ｎ型クラッド層１２６が設けられている。ｎ型クラッド層１２６上に、活性層１２０が設けられている。活性層１２０上に、ｐ型クラッド層１２５が設けられている。ｐ型クラッド層１２５上に、ｐ型電極１２３，１２４が設けられている。
【００２０】
双安定半導体レーザ１１２は、光増幅領域１２１から入力光ＰＩＮを受けて、可飽和吸収領域１２２から出力光ＰＯＵＴを出力する。図１６に示すような確率共鳴装置は、伝送路を経由するうちに劣化して双安定半導体レーザのヒステリシスのしきい値を超えられないほど弱まった信号に雑音を付加した信号を、双安定半導体レーザに入力する。このとき、入力信号のピークに応じて出力信号がヒステリシスを上下するので、入力信号の周期を強調するように強度が増幅され波形も整形された出力信号が得られる。
【００２１】
上記の確率共鳴効果により、通常の機能素子が検出できないような微弱な信号を検知、増幅または波形整形することができる。
【００２２】
また、振幅が増幅された信号を得るもう一つの例として、特許文献３は、双安定状態の半導体レーザ素子において可飽和吸収領域に電流を注入し順方向のバイアス電圧（以下順バイアスの電圧と呼ぶ）を印加する駆動方法を開示している。
【００２３】
図１７は、従来の双安定状態の半導体レーザ素子１６０の概略的な素子構造を示した断面図である。
【００２４】
図１７を参照して、半導体レーザ素子１６０は、光増幅領域１６１と、可飽和吸収領域１６２と、活性層１６３とを備える。半導体レーザ素子１６０は、ＧａＡｓ基板上に形成したＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ横モード制御型の半導体レーザ素子として形成されている。図１７に示すように、半導体レーザ素子１６０は、素子の片側電極が分割され、活性層１６３中に光増幅領域１６１と可飽和吸収領域１６２とが設けられている。
【００２５】
半導体レーザ素子１６０は、光増幅領域１６１に注入される電流Ｉｈが電圧ＶＡ，ＶＢに応じた発振閾値の中間値に設定される。半導体レーザ素子１６０は、順バイアスの電圧がＶＡ，ＶＢと交互に変化する信号電圧Ｖｈを可飽和吸収領域１６２に印加され、活性層１６３から出力光ＰＯＵＴを出力する。半導体レーザ素子１６０は、図１４で説明したような双安定状態の特性を有する。
【００２６】
図１４に示すヒステリシスの形状は、可飽和吸収領域１６２への電流注入や電圧印加によって変動する。可飽和吸収領域１６２に電流が注入されるか順バイアスの電圧が印加されると、キャリア濃度が増大するので光吸収効果が減少する。これにより、ヒステリシス全体が注入電流値の低い側へ移動し、立ち上がり閾値Ｐｔｈ１の値が低くなる。よって、半導体レーザ素子１６０では、可飽和吸収領域１６２の光吸収効果を増減させることにより、発振閾値を変動させることができる。
【００２７】
図１８は、図１７の双安定状態の半導体レーザ素子１６０の動作を示した図である。
半導体レーザ素子１６０は、活性層１６３内に発振光に対して損失となる可飽和吸収領域１６２を備えている。そのため、図１８に示すように、光増幅領域１６１のみに電流を注入していくと、ある電流値で光出力が非線形的に増大する。すなわち、可飽和吸収領域１６２に印加する順バイアスの電圧がＶＡからＶＢ（ＶＡ＜ＶＢ）に上昇したとき、可飽和吸収領域１６２のキャリアが増大し、光損失はそれに応じて小さくなる。そのため、光出力が増大する電流値（立ち上がり閾値）はＩｈＡからＩｈＢへと低下する。
【００２８】
よって、光増幅領域１６１に一定のバイアス電流Ｉｈ（ＩｈＢ＜Ｉｈ＜ＩｈＡ）を注入した状態で、可飽和吸収領域１６２に電圧がＶＡからＶＢに変化する順バイアスの信号電圧Ｖｈを印加することによって、立ち上がり閾値がＩｈＡとＩｈＢとの間を変動し、変調された出力光ＰＯＵＴを得ることができる。
【特許文献１】特開平９−２７５２２４号公報
【特許文献２】特開２００４−２１４４０７号公報
【特許文献３】特開平２−１３７３８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
従来のフォトダイオードの検出感度では、超高速通信の伝送路の途中で損失を受けて減衰した微弱な信号を検出できない。
【００３０】
双安定状態の半導体レーザによる光信号受信装置は、発振閾値程度の微弱な光信号を増幅できるものの、注入光の強度が閾値を上下しなければ光信号を増幅できないという制限がある。そのため、双安定半導体レーザによる光増幅は、振幅が小さかったり強度が閾値未満にまで減衰した光信号には使えない。
【００３１】
特許文献２の確率共鳴装置は、入出力特性にヒステリシスを示す双安定半導体レーザを用いることで、入力信号の周期を強調するように強度が増幅され波形も整形された高速な出力信号を得ている。このような確率共鳴装置では、ヒステリシス形状を入力信号に応じて最適に決定し制御することが重要となるが、特許文献２はその記載が十分ではない。
【００３２】
特許文献３の双安定半導体レーザの順バイアスの電圧で駆動する方法は、簡易な駆動方法で光信号を増幅することができる。しかし、光吸収効果を持つ可飽和吸収領域では空乏層が接合容量の働きをしてＣＲ時定数から応答速度を支配するので、順バイアスの電圧で駆動すると、応答速度が遅くなる。よって、パターン効果を誘発しやすくなり、信号を十分に再生できない。
【００３３】
この発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、伝送損失を受けた光信号を受信でき、応答が高速で、光信号を増幅しビットエラーレートを低減できる半導体光増幅素子および半導体光増幅素子駆動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
この発明は、入出力特性が不連続に立ち上がる半導体光増幅素子であって、光増幅領域および可飽和吸収領域を含む活性層と、活性層に電流を注入しおよび／または電圧を印加する第１の極性の電極と、第１の極性の電極に対向して設けられる第２の極性の電極とを備える。第１および第２の極性の電極を通じて、入力光が「１」となるタイミングで入出力特性の立ち上がり閾値が下がるように可飽和吸収領域に第１のバイアス電圧が印加され、入力光が「０」となるタイミングで入出力特性の立ち下がり閾値が上がるように可飽和吸収領域に第２のバイアス電圧が印加される。
【００３５】
好ましくは、第２のバイアス電圧として逆バイアスが印加されることにより、可飽和吸収領域に残留するキャリアが引き抜かれる。
【００３６】
好ましくは、可飽和吸収領域に印加される印加電圧の強度は、出力光の振幅が増大し、かつ、光信号のビットエラーレートが低減するように調整される。
【００３７】
好ましくは、光増幅領域に注入される注入電流の強度は、出力光の振幅が増大し、かつ、光信号のビットエラーレートが低減するように調整される。
【００３８】
好ましくは、入力光は、ＲＺ符号方式の信号光に雑音光が付加されて生成される。
好ましくは、雑音光は、光増幅領域および可飽和吸収領域の少なくとも一方に入射され、雑音光の強度は、出力光の振幅が増大し光信号のビットエラーレートが低減するように調整される。
【００３９】
好ましくは、雑音光の最大値と最小値との差は、光信号の振幅の１／１０以下である。
好ましくは、雑音光は、ランダムな強度を有する。
【００４０】
好ましくは、第１および第２の極性の電極を通じて雑音電流が光増幅領域および可飽和吸収領域の少なくとも一方に注入され、雑音電流の強度は、出力光の振幅が増大し光信号のビットエラーレートが低減するように調整される。
【００４１】
好ましくは、雑音電流の最大値と最小値との差は、注入電流の振幅の１／１０以下である。
【００４２】
好ましくは、雑音電流は、ランダムな強度を有する。
好ましくは、活性層は、量子井戸構造を有する。
【００４３】
好ましくは、第１の極性の電極および第２の極性の電極の少なくとも一方は、光増幅領域と可飽和吸収領域とに対して独立に電流を注入できるように分割される。
【００４４】
好ましくは、光増幅領域および可飽和吸収領域の少なくとも一方に不純物が添加され、不純物の濃度は、出力光の振幅が増大し光信号のビットエラーレートが低減するように調整される。
【００４５】
好ましくは、半導体光増幅素子は、入出力特性がヒステリシスを示す双安定半導体レーザである。
【００４６】
好ましくは、光増幅領域は、可飽和吸収領域の両側にそれぞれ配置される第１および第２の光増幅領域を含み、第１および第２の光増幅領域の一方の端面から光信号が入射され、第１および第２の光増幅領域の他方の端面から出力光が出射される。
【００４７】
好ましくは、可飽和吸収領域の共振器方向に占める長さの割合は、１％以上であり、かつ５０％未満である。
【００４８】
この発明の他の局面によれば、半導体光増幅素子と、出力光を検出して受信信号を出力する光電変換素子とを含む半導体光増幅モジュールと、受信信号を受けて、半導体光増幅素子の入出力特性を調整するための制御信号を出力するフィードバック制御回路とを備える。半導体光増幅素子は、入出力特性が不連続に立ち上がる半導体光増幅素子であって、光増幅領域および可飽和吸収領域を含む活性層と、活性層に電流を注入しおよび／または電圧を印加する第１の極性の電極と、第１の極性の電極に対して設けられる第２の極性の電極とを備える。入力光が「１」となるタイミングで入出力特性の立ち上がり閾値が下がるように可飽和吸収領域に第１のバイアス電圧が印加され、入力光が「０」となるタイミングで入出力特性の立ち下がり閾値が上がるように可飽和吸収領域に第２のバイアス電圧が印加される。
【００４９】
好ましくは、フィードバック制御回路からの制御信号に従って半導体光増幅素子の温度を制御する温度制御回路をさらに備え、半導体光増幅モジュールは、温度制御回路からの制御信号を受けて半導体光増幅素子を含む半導体光増幅モジュールの温度を調整する温度制御機構をさらに含む。
【００５０】
好ましくは、温度制御機構は、半導体光増幅素子の温度を検知し、該温度検知信号をフィードバック制御回路に出力するサーミスタを有する。
【００５１】
好ましくは、温度制御機構は、温度制御回路からの制御信号を受けて、半導体光増幅素子を昇温または冷却させるペルチェクーラーを有する。
【００５２】
好ましくは、半導体光増幅素子に接続されている可変抵抗と、
フィードバック制御回路からの制御信号に従って可変抵抗の抵抗値を制御する可変抵抗制御部とをさらに備える。
【００５３】
好ましくは、フィードバック制御回路は、半導体光増幅素子の可飽和吸収領域から流れる電流を可変抵抗を介してモニターする。
【００５４】
好ましくは、受信信号を受けて、確率共鳴効果が得られるように雑音が付加された電流を半導体光増幅素子に供給するための制御信号を出力する確率共鳴制御回路と、
確率共鳴制御回路からの制御信号を受けて、半導体光増幅素子の入出力特性を調整するための電流を半導体光増幅素子に供給する電流供給部とをさらに備える。
【００５５】
好ましくは、半導体光増幅素子の入出力特性を調整するための光を半導体光増幅素子に供給するための光源をさらに備える。
【００５６】
好ましくは、光源は、受信信号を受けて、確率共鳴効果が得られるように雑音が付加された光を半導体光増幅素子に供給する。
【００５７】
好ましくは、フィードバック制御回路からの制御信号に基づいて、半導体光増幅素子の可飽和吸収領域に印加される電圧を制御する電圧制御回路と、電圧制御回路からの制御信号に従って、入力光が半導体光増幅素子の立ち上がりしきい値および立下がりしきい値を上下するように調整された電圧を半導体光増幅素子に供給する電圧供給部とをさらに備える。
【００５８】
好ましくは、受信信号に基づいて、入力光が半導体光増幅素子の立ち上がりしきい値および立下がりしきい値を上下するように調整された電流を半導体光増幅素子に供給する電流供給部をさらに備える。
【００５９】
好ましくは、光電変換素子は、半導体光増幅モジュールと同一基板上に集積化されている。
【発明の効果】
【００６０】
この発明によれば、伝送損失を受けた光信号を受信でき、応答が高速で、光信号を増幅しビットエラーレートを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６１】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００６２】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による半導体光増幅素子１の共振器側面の概略的な構成を示した断面図である。
【００６３】
図１を参照して、実施の形態１の半導体光増幅素子１は、活性層２と、ｎ型ＩｎＰ（インジウムリン）基板９と、ｐ型ＩｎＰクラッド層１３と、ｎ型ＩｎＰクラッド層１４と、ｐ電極１０〜１２と、ｎ電極１５とを備える。ｎ型ＩｎＰ基板９上に、ｎ電極１５が設けられているとともに、その反対側にｎ型ＩｎＰクラッド層１４が形成されている。ｎ型ＩｎＰクラッド層１４上に、活性層２が形成されている。
【００６４】
活性層２は、ＩｎＧａＡｓＰ（インジウムガリウム砒素リン）から構成される量子井戸構造を有し、可飽和吸収領域４と、光増幅領域５，６とを含む。ここで、量子井戸構造とは、半導体薄膜を複数層積層することで、電子および正孔の厚さ方向の運動を制限した構造をいう。図１の可飽和吸収領域４および光増幅領域５，６の量子井戸構造は、ＩｎＧａＡｓＰの組成・層厚ともに同一の構造である。光増幅領域５，６は、半導体光増幅素子１の共振器側面から見て、可飽和吸収領域４の両側にそれぞれ設けられている。光増幅領域５は、入力光Ｐｉｎが入射する入射面７を有する。光増幅領域６は、出力光Ｐｏｕｔが出射される出射面８を有する。
【００６５】
活性層２上に、ｐ型ＩｎＰクラッド層１３が形成されている。ｐ型ＩｎＰクラッド層１３上に、ｐ電極１０〜１２が設けられている。ｐ電極１０は可飽和吸収領域４に対して設けられ、ｐ電極１１，１２は光増幅領域５，６に対してそれぞれ設けられている。ｐ電極１０〜１２に対向して、ｎ型ＩｎＰ基板９上にｎ電極１５が設けられている。
【００６６】
光増幅領域５，６には、ｐ電極１１，１２を介して電流がそれぞれ注入される。可飽和吸収領域４には、ｐ電極１０を介して、光増幅領域５，６とは独立に電圧が印加される。入射面７から入射される入力光Ｐｉｎは、後述するように、「１」または「０」の２値の光強度からなる光信号に白色雑音の雑音光を付加して生成されている。
【００６７】
可飽和吸収領域４および光増幅領域５，６は、半導体光増幅素子１が双安定状態の半導体レーザとなる条件で構成されている。光増幅領域５，６へ電流を注入すると、半導体光増幅素子１は双安定状態となって動作する。共振器方向における可飽和吸収領域４の長さは、たとえば、共振器長さ全体の約１０％としている。ここで、共振器方向とは、図１では入力光Ｐｉｎおよび出力光Ｐｏｕｔの進行方向に相当する。
【００６８】
半導体光増幅素子１は、活性層２が可飽和吸収領域４および光増幅領域５，６の３つに分割されているのに合わせて、ｐ電極１０〜１２も３つに分割されている。つまり、実施の形態１の半導体光増幅素子１は、可飽和吸収領域４に印加される電圧と、光増幅領域５，６にそれぞれ注入される電流とを、より独立に制御しやすい構造となっている。
【００６９】
上記の構造により、可飽和吸収領域４に印加される電圧と光増幅領域５，６を流れる電流とが互いに干渉してしまうのを回避することができる。なお、図１ではｎ電極１５が分割されていない例を示しているが、これは一例であり、ｎ電極１５もｐ電極１０〜１２に合わせて分割してもよい。この場合、半導体光増幅素子１の製造時に電極分割の工程が増えるが、可飽和吸収領域４に印加される電圧と光増幅領域５，６を流れる電流とが互いに干渉してしまうのをより確実に回避することができる。
【００７０】
次に、半導体光増幅素子１の動作について説明する。以下では、非周期的でランダムな強度変化を持ち、光信号に対する雑音として活性層に意図的に注入する光を「付加雑音光」と称し、伝送路等に起因する雑音とは区別している。
【００７１】
図２〜５は、この発明の実施の形態１における半導体光増幅素子１の活性層２への入力光Ｐｉｎがどのように生成されるかを説明するための図である。
【００７２】
図２は、「１」または「０」の２値を持つ劣化前の光信号Ｐ０ａの時間波形を示す。図２に示すように、光信号Ｐ０ａの２値信号の方式は、信号区間αが「１」であるか「０」であるかに関わらず、次の区間βでは必ず「０」に戻るというＲＺ（Ｒｅｔｕｒｎ  ｔｏ  Ｚｅｒｏ）符合方式である。図３は、「１」または「０」の２値を持つ劣化後の光信号Ｐ０の時間波形を示す。図４は、付加雑音光Ｐｎの時間波形を示す。以下では、付加雑音光Ｐｎの最大値と最小値との差分ΔＰｎを付加雑音光Ｐｎの雑音強度と呼ぶ。
【００７３】
図５は、図３の光信号Ｐ０に図４の付加雑音光Ｐｎを付加した入力光Ｐｉｎ＝Ｐ０＋Ｐｎの時間波形を示している。縦軸のＰｕｐ，Ｐｄｏｗｎは、「１」，「０」の符号に相当する入力光Ｐｉｎの強度レベルをそれぞれ表わす。縦軸のＰｕｐ、Ｐｄｏｗｎの位置で比較すると、付加雑音光Ｐｎによって、入力光Ｐｉｎの振幅が光信号Ｐ０よりもわずかに増加している。図５に示すように、付加雑音光Ｐｎは、光信号Ｐ０の「１」，「０」の信号位置が損なわれない程度の微弱な雑音である。
【００７４】
上記のようにして生成された入力光Ｐｉｎは、図１の半導体光増幅素子１の活性層２へと注入される。入力光Ｐｉｎは、図示しない光源から半導体光増幅素子１の入射面７に入射する。入力光Ｐｉｎは、「１」または「０」の２値からなり、外部の伝送路等に起因する雑音によって一般に劣化している。
【００７５】
図６〜図８は、この発明の実施の形態１における半導体光増幅素子１の動作特性を説明するための図である（図１４の説明も参照）。
【００７６】
図６の（ａ）は、図１の半導体光増幅素子１における、可飽和吸収領域４へのバイアス値Ｖ＝０、つまりバイアスを印加していない場合の入力光−光出力特性を表わす。図６の（ｂ）は、図１の半導体光増幅素子１における、可飽和吸収領域４へのバイアス値Ｖ＝Ｖ１のときの入力光−光出力特性を表わす。図６の（ｃ）は、図１の半導体光増幅素子１における、可飽和吸収領域４への逆バイアス値Ｖ＝Ｖ２のときの入力光−光出力特性を表わす。図６の（ｄ）は、図５で説明した入力光Ｐｉｎの時間波形を示す。
【００７７】
図６（ａ）において、ＰｔｈＯＮａは、入力光−光出力特性のヒステリシス下部の状態からヒステリシス上部へ光出力の状態が移行する光強度、すなわちヒステリシスの立ち上がり閾値を示している。ＰｔｈＯＦＦａは、ヒステリシス上部からヒステリシス下部へ移行して光出力の状態がほぼゼロとなるときの光強度を示している。半導体光増幅素子１の可飽和吸収領域４へバイアスＶ１を印加すると、図６（ａ）のヒステリシスが図６（ｂ）のヒステリシスに変化し、図６（ａ）のＰｔｈＯＮａは図６（ｂ）のＰｔｈＯＮｂへと変化する。半導体光増幅素子１の可飽和吸収領域４へ逆バイアスＶ２を印加すると、図６（ａ）のヒステリシスが図６（ｃ）のヒステリシスに変化し、図６（ａ）のＰｔｈＯＦＦａは図６（ｃ）のＰｔｈＯＦＦｃへと変化する。
【００７８】
図６（ｂ）において示されているＰｕｐは、図６（ｄ）の入力光Ｐｉｎの「１」に相当し、Ｐｕｐのとき光出力がヒステリシス上部の状態であれば光出力がオン状態となる。図６（ｃ）において示されているＰｄｏｗｎは、図６（ｄ）の入力光Ｐｉｎの「０」に相当し、Ｐｄｏｗｎのとき光出力がヒステリシス下部でほぼゼロの状態であれば光出力がオフ状態となる。よって、入力光Ｐｉｎが「１」となるタイミングでオン状態、「０」となるタイミングでオフ状態となるようにヒステリシスを上下すれば、入力光Ｐｉｎの「１」，「０」が反映された出力光Ｐｏｕｔが得られる。
【００７９】
図７の（ａ）は、図１の半導体光増幅素子１における可飽和吸収領域４にバイアス電圧Ｖ＝Ｖ１が印加されたときの入力光−光出力特性を表わす。図７の（ｂ）は、図６（ｄ）で説明した入力光Ｐｉｎの時間波形を示す。図７の（ｃ）は、バイアス電圧Ｖ＝Ｖ１が印加された半導体光増幅素子１に入力光Ｐｉｎを注入した結果得られる出力光Ｐｏｕｔの時間波形（瞬時値）を表わす。図７（ａ）において、横軸は入力光、縦軸は入力光に応じて得られる光出力をそれぞれ表わす。
【００８０】
図７（ａ）で示されるように、入力光Ｐｉｎの「１」に相当する光強度Ｐｕｐでヒステリシス上部に移行すれば、図７（ｃ）で示されるようにＰｕｐに応じた大きな光出力が得られ、出力光Ｐｏｕｔには「１」に相当する大きなピークが現れる。この場合、「１」が反映され増幅された出力光Ｐｏｕｔが得られる。
【００８１】
図８の（ａ）は、図１の半導体光増幅素子１における可飽和吸収領域４に逆バイアス電圧Ｖ＝Ｖ２が印加されたときの入力光−光出力特性を表わす。図８の（ｂ）は、図６（ｄ）で説明した入力光Ｐｉｎの時間波形を示す。図８の（ｃ）は、逆バイアス電圧Ｖ＝Ｖ２が印加された半導体光増幅素子１に入力光Ｐｉｎを注入した結果得られる出力光Ｐｏｕｔの時間波形（瞬時値）を表わす。図８（ａ）において、横軸は入力光、縦軸は入力光に応じて得られる光出力をそれぞれ表わす。
【００８２】
図８（ａ）で示されるように、入力光Ｐｉｎの「０」に相当する光強度Ｐｄｏｗｎでヒステリシス下部に移行すれば、図８（ｃ）で示されるようにＰｄｏｗｎに応じたほぼゼロの光出力が得られ、出力光Ｐｏｕｔは「０」に相当するゼロに近い値となる。この場合、「０」が反映された出力光Ｐｏｕｔが得られる。
【００８３】
再び図３を参照して、付加雑音光Ｐｎを印加する前の光信号Ｐ０の強度は、最大値がヒステリシスの立ち上がり閾値を超えられないほど劣化している。そのため、図３の光信号Ｐ０に図４の付加雑音光Ｐｎを印加した図５の光信号Ｐｉｎを図１の半導体光増幅素子１の活性層２に注入しただけでは、光出力は図６（ａ）の入力光−光出力特性曲線上でヒステリシス下部に留まり、ヒステリシス上部へと移行することができない。このように、可飽和吸収領域４にバイアスが印加されていない場合、オン状態に相当する光出力が得られず、光信号Ｐ０の「０」，「１」が反映された光出力を得ることができない。
【００８４】
そこで、入力光Ｐｉｎと同じ周期で変動するバイアス電圧Ｖを可飽和吸収領域４に印加する。入力光ＰｉｎはＲＺ信号であるから、「１」または「０」の情報がパルスの有無によって示される位置（信号位置）の直後にオフ状態に戻る（Ｒｅｔｕｒｎ  ｔｏ  Ｚｅｒｏ）。つまり、信号位置が「１」でパルスが存在しても「０」でパルスが存在しなくとも、入力光Ｐｉｎは次の信号位置までに必ずいったん「０」となる。
【００８５】
具体的には、半導体光増幅素子１の可飽和吸収領域４に、入力光Ｐｉｎの信号位置ではＶ＝Ｖ１の順バイアスを印加し、ＲＺ符号で定められるゼロレベル（光出力のオフ状態）に戻る位置ではＶ＝Ｖ２の逆バイアスを印加する。上述のように、入力光ＰｉｎはＲＺ信号であるから、信号位置およびその直後のゼロに戻るタイミングは入力光Ｐｉｎの周期によって固定されている。
【００８６】
さらに、図５の入力光Ｐｉｎを、半導体光増幅素子１の活性層２へ注入する。すると、図６（ｂ）に示すように、入力光Ｐｉｎの最大値「１」近傍で光強度がヒステリシスの立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮｂを越え、光出力は図５（ｂ）の入力光−光出力特性曲線上でヒステリシス上部へ移行する。可飽和吸収領域４へ順バイアスＶ１を印加している状態では、図６（ｂ）に示されているようにヒステリシスの立ち上がり閾値がＰｔｈＯＮｂになっている。このとき、半導体光増幅素子１は図６（ａ）のバイアスが印加されていない場合のＰｔｈＯＮａに比べて立ち上がり閾値が下がっているので、より小さい雑音の付加でもヒステリシスを超えることができる。
【００８７】
入力光ＰｉｎはＲＺ符号であるので、信号位置の直後には必ずいったんゼロレベル（オフ状態）へ戻る。よって、入力光Ｐｉｎは最大値を過ぎると光出力が必ず減少し、ＲＺ符号で定められるゼロレベルと同期して逆バイアスＶ２が可飽和吸収領域４に印加される。このとき、図６（ｃ）に示されているように、ヒステリシスの立ち下がり閾値がＰｔｈＯＦＦｃになっており、図６（ａ）のバイアスが印加されていない場合のＰｔｈＯＦＦａに比べて立ち下がり閾値が上がっている。よって、入力光Ｐｉｎの最小値「０」近傍ではＰｔｈＯＦＦｃ以下となり、光出力は図６（ｃ）の入力光−光出力特性曲線上でヒステリシス下部へ移行する。
【００８８】
このとき、可飽和吸収領域４に逆バイアスを印加することは、可飽和吸収領域４に残留するキャリアを引き抜くことになる。半導体光増幅素子１では、可飽和吸収領域４のキャリア寿命が長いことで応答が悪化し、「０」の信号位置でもオフ状態にならずＳ／Ｎ比が悪化したり、パターン効果が起こることなどによる波形の乱れが生ずることがある。しかし、上記のように可飽和吸収領域４に残留するキャリアを引き抜くことにより、これらを改善することができる。
【００８９】
上記のように、入力光Ｐｉｎが立ち上がり／立ち下がり閾値を超えることによって、光出力Ｐｏｕｔがヒステリシスの上下を移行する。これにより、出力光Ｐｏｕｔの光強度が急激に増減する。その結果、図７，８の（ｃ）に示すように、光信号Ｐ０の「１」および「０」が強調された、振幅の大きい出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。
【００９０】
付加雑音光ＰｎおよびバイアスＶは、出力光Ｐｏｕｔが伝送路等に起因するビットエラーレートの低減効果を得られるような雑音強度を有するように適度に調整される。
【００９１】
光信号Ｐｉｎが「１」となるタイミングに可飽和吸収領域４に印加されるバイアスＶが小さすぎると、光出力がヒステリシスの上部へ移行することが出来ず、入力信号の「１」を反映しなくなってしまう。また、光信号Ｐｉｎが「０」となるタイミングに可飽和吸収領域４に印加されるバイアスＶが小さすぎると、光出力がヒステリシスの下部へ移行することが出来ず、入力信号の「０」を反映しなくなってしまう。さらに、バイアスＶの値が小さすぎると、上述した蓄積キャリアを引き抜く効果が十分に発揮されず、パターン効果の低減が得られにくくなる。
【００９２】
一方、バイアスＶの値が大きすぎると、光信号Ｐ０の「１」または「０」とは無関係に光出力がヒステリシスの上部へ移行するため、出力光Ｐｏｕｔの強度変化がランダムになってしまう。これにより、ビットエラーレートを低減させることができなくなり、さらに消費電力が増加してしまう。
【００９３】
また、付加雑音光Ｐｎの雑音強度が小さすぎると、光出力がヒステリシスの上部へ移行することが出来ず、伝送路等に起因するビットエラーレートを低減するために必要な大きさの振幅を持つ出力光Ｐｏｕｔを得られなくなる。また、付加雑音光Ｐｎの雑音強度が大きすぎると、光信号Ｐ０の「１」または「０」とは無関係に光出力がヒステリシスの上部へ移行するため、出力光Ｐｏｕｔの強度変化がランダムになってしまい、ビットエラーレートを低減できなくなる。
【００９４】
図９は、付加雑音光Ｐｎの雑音強度を変化させたときの出力光Ｐｏｕｔのビットエラーレート（ＢＥＲ）を示した図である。
【００９５】
図９に示すように、ＢＥＲは、最適な雑音強度Ｄｍにおいて最小となる。実施の形態１では、この最適な雑音強度Ｄｍを有する付加雑音光Ｐｎを光信号Ｐ０に付加している。これにより、適度な付加雑音光Ｐｎが微小な光信号Ｐ０をヒステリシスの上部に押し上げ、振幅が大きくＳ／Ｎ比が向上した出力光Ｐｏｕｔの発生を可能にしている。実施の形態１では、出力光ＰｏｕｔのＢＥＲが最小である最適な雑音強度Ｄｍを有するように、付加雑音光Ｐｎを調整している。
【００９６】
上記のように、付加雑音光Ｐｎは、ビットエラーレートの低減効果を得られるような雑音強度に適度に調整されて、光信号Ｐ０とともに、図１の半導体光増幅素子１の光増幅領域５，６に注入される。図６（ｂ）を参照して、半導体光増幅素子１の立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮｂの値は、可飽和吸収領域４にバイアスＶを印加せずに光信号Ｐ０だけを光増幅領域５，６に注入したときに得られる光出力がヒステリシス下部に対応した微小な値しか得られない程度に調整される。すなわち、可飽和吸収領域４にバイアスＶを印加しないときには、伝送路等に起因する雑音を低減できない程度の閾値に調整される。
【００９７】
また、付加雑音光Ｐｎの雑音強度を適度に調節して光信号Ｐ０に付加することにより、入力光Ｐｉｎの値を、光信号Ｐ０の値を中心としてランダムに変化させている。
【００９８】
このとき、光信号Ｐ０の最大値および／または最小値と、光信号Ｐ０とともに光増幅領域５，６に注入される付加雑音光Ｐｎの強度とが確率的に同期することで、光信号Ｐ０が「０」または「１」となるタイミングに光出力がヒステリシスの上下に移行する。これにより、ヒステリシス上下の強度差に応じて出力光の出力振幅が増大し、振幅の大きい出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。
【００９９】
上記のように、雑音を適度に付加することで信号のＳ／Ｎ比が向上する現象は「確率共鳴」と呼ばれている。
【０１００】
したがって、実施の形態１の半導体増幅素子１は、可飽和吸収領域４へのバイアスの印加によるヒステリシスの形状変化と、入力光への雑音付加とによって、伝送路等に起因する出力光Ｐｏｕｔのビットエラーレートを低減することができる。
【０１０１】
以上のように、実施の形態１の半導体光増幅素子１は、光信号Ｐ０の最大値および／または最小値となるタイミングに合わせて可飽和吸収領域４に印加するバイアス値を変化させることで、より確率的に同期しやすくしており、信号増幅・再生効果が高まる。さらに、光信号Ｐ０が最小値となるタイミングで可飽和吸収領域４に印加する電圧を逆バイアスとすることで、可飽和吸収領域４に残留しているキャリアを引き抜く効果も同時に得られる。これにより、光信号Ｐ０を可飽和吸収領域４のキャリア寿命よりも高速に応答させることができ、高周波のパルス信号にも対応できる。
【０１０２】
よって、実施の形態１の半導体光増幅素子１を用いれば、素子の発振閾値以下にまで弱まった劣化した光信号Ｐ０も受信でき、増幅して２値が強調された出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。これにより、出力光ＰｏｕｔのＳ／Ｎ比が向上し、伝送路等に起因する雑音が低減された出力光Ｐｏｕｔを低電力で得ることができる。
【０１０３】
また、確率共鳴現象を利用することにより、従来の可飽和吸収領域４へのバイアス印加による駆動方法に比べてより小さい電圧変動で信号増幅効果が得られる。これにより、消費電力を低減する効果も得られる。
【０１０４】
さらに、図１に示した半導体光増幅素子１では、光増幅領域５，６に独立に電流を注入しているので、電流注入によってヒステリシスを制御できる。このため、立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮを低くしてより低電流で駆動したり、出力光Ｐｏｕｔの振幅を調整したりすることができる。
【０１０５】
なお、付加雑音光Ｐｎの代わりにクロック光または周期信号光を光信号Ｐ０に付加してヒステリシスの上部に移行させようとした場合、位相および周期が光信号Ｐ０と完全に同一か正確に倍数になっていて両者の最大値が同期しなければ、大きな振幅の出力光Ｐｏｕｔは得られない。よって、回路の熱雑音などで光信号Ｐ０の波形がゆらぐと、伝送路等に起因する雑音の低減効果は減少してしまう。
【０１０６】
これに対し、ランダムな強度変化を持つ付加雑音光Ｐｎは様々な周波数成分を有するので、信号波形のゆらぎにも強くなり、伝送路等に起因するビットエラーレートの低減効果を維持できる。また、周期信号光よりも雑音光の方が消費電力が少なくて済む。
【０１０７】
また、微弱な信号でもレーザを励起させるためには、従来の双安定型半導体光増幅素子のように大きな一定電流を注入するよりも、本願発明のように付加雑音光Ｐｎを発生させる方が消費電力が少なくて済む。
【０１０８】
また、回路雑音や熱によって生じる信号の揺らぎにも強い付加雑音光Ｐｎを用いるので、駆動時のパラメータ設定を広く取ることができる。これにより、伝送路等に起因する雑音の低減を容易に行なうことができ、その結果、出力光Ｐｏｕｔのビットエラーレートを低減することが可能となる。
【０１０９】
なお、図１において、入射面７と出射面８とを別個に作らずとも、ビットエラーレートが低減された出力光Ｐｏｕｔを得ることは可能である。しかしながら、図１のように入射面７と出射面８とを作り分けた方が、入力光Ｐｉｎと出力光Ｐｏｕｔとを独立に制御しやすく、光学系の光軸の調整も容易となるので望ましい。
【０１１０】
また、図１において、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さは、約１０％でなくともビットエラーレートの低減効果を得ることは可能である。
【０１１１】
しかし、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さの割合が小さくなると、それにともなって半導体光増幅素子１の双安定状態が実現しにくくなる。特に、当該割合が１％未満で双安定状態の半導体素子を作製しようとすると、作製工程の手間や拡散材料の選定等が著しく困難となる。したがって、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さの割合は、１％以上であることが望ましい。
【０１１２】
逆に、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さの割合が大きくなると、ヒステリシスの形状を最適にするために注入電流を増やす必要が生じるので発振閾値も上昇する。特に、当該割合が５０％より大きくなると、消費電力が著しく増大し、その結果、発熱が大きくなる。さらに、ヒステリシスの形状が最適でない場合には、伝送路等に起因するビットエラーレートの低減効果が減少し、出力光Ｐｏｕｔの増幅も低減する。
【０１１３】
これらの理由により、共振器方向における可飽和吸収領域４の長さの割合は、１％以上で、かつ５０％以下であることが望ましい。これにより、双安定状態を満足しやすくなり、かつ発振閾値を低くでき、またヒステリシスの形状も好適に決定できる。また、少ない発熱および消費電力で伝送路等に起因するビットエラーレートの低減効果を得やすくなり、さらに素子の作製条件を満たしやすくなるという利点がある。
【０１１４】
また、図９を参照して、付加雑音光Ｐｎの強度は、ＢＥＲが最小である最適雑音強度Ｄｍとなるように調整されている。しかしながら、付加雑音光Ｐｎの強度はこれに限るものではなく、得られる出力光Ｐｏｕｔが、光通信で必要とされるＢＥＲの値を満たす範囲の雑音強度であればかまわない。たとえば、下記のように、付加雑音光Ｐｎの雑音強度が半導体光増幅素子１の入力光Ｐｉｎの振幅の１／１０以下であれば、ビットエラーレートが低減された出力光Ｐｏｕｔが得られる。
【０１１５】
付加雑音光Ｐｎの強度が強すぎると、出力光Ｐｏｕｔの波形が崩れるので雑音の低減は起こらなくなる。具体的には、付加雑音光Ｐｎの雑音強度ΔＰｎが光信号Ｐ０の振幅より大きい場合、光信号Ｐ０の波形および周期を再現できなくなるため、光信号Ｐ０の検出ができなくなる。これに対し、付加雑音光Ｐｎの雑音強度が入力光Ｐｉｎの振幅の１／１０以下であれば、さらに出力光Ｐｏｕｔの振幅を大きくでき、ＢＥＲの値を低減することができる。これにより、伝送路等に起因するビットエラーレートの低減効果を向上させることができるため、好ましい。
【０１１６】
なお、実施の形態１では付加雑音光Ｐｎとして白色雑音を用いたが、強度変化が非周期的でランダムであれば、白色雑音でなくともビットエラーレートの低減効果を得ることは可能である。
【０１１７】
また、図１では３つのｐ電極１０〜１２を設ける場合について説明したが、電極の数はこれに限るものではなく、２つ以上のｐ電極を用いた双安定状態を有する他の半導体光増幅素子についても、同様に伝送路等に起因するビットエラーレートの低減効果を得ることが可能である。しかし、図１に示した半導体光増幅素子１のように、２つの光増幅領域５，６を設け、それぞれに対応したｐ電極１１，１２を作る方が、入力光Ｐｉｎと出力光Ｐｏｕｔとを独立して制御しやすくなるというメリットがある。
【０１１８】
また、付加雑音光Ｐｎは、光信号Ｐ０に付加してから半導体光増幅素子１の光増幅領域５，６に注入せずとも、光信号Ｐ０とは独立に光増幅領域５，６に注入してもよい。その場合、回路が余分に必要になり光軸の調整を要するものの、雑音強度の調整がやりやすくなるという利点がある。
【０１１９】
また、半導体光増幅素子１は、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体だけでなく、たとえば、ＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウム砒素）系、ＩｎＰ（インジウムリン）系、ＧａＩｎＮＡｓ（ガリウム窒化インジウム砒素）系、ＧａＮ（窒化ガリウム）系、またはＩＩ−ＶＩ系の半導体など、他の材料を用いた半導体レーザであってもよい。
【０１２０】
また、半導体光増幅素子１の活性層２のうち可飽和吸収領域４の部分には、キャリア寿命を調整するために不純物としてＳｉを添加しても構わない。この場合、Ｓｉの添加量を調節することによって発振波長域を変えることができるため、所望の発振波長域を得ることが可能である。
【０１２１】
また、半導体光増幅素子１から出力される光出力Ｐｏｕｔを受光素子で受光してもよい。この場合、受光した光出力Ｐｏｕｔの一部を光電変換素子などで電気信号に変換して利用できるというメリットがある。さらに、半導体光増幅素子１と上記の受光素子とを同一基板上に集積すれば、個別に配置するよりもコストダウンとなり、半導体光増幅素子１と当該受光素子との光軸合わせを行なう必要もなくなる。
【０１２２】
以上のように、実施の形態１によれば、双安定状態の半導体光増幅素子１の可飽和吸収領域４へバイアスを印加し、光信号Ｐ０に付加雑音光Ｐｎを印加した入力光Ｐｉｎを双安定状態の半導体光増幅素子１へ注入することによって、応答特性のよい増幅・波形整形素子が得られる。これにより、高周波信号の増幅・波形整形が可能となり、素子の発振閾値以下にまで弱まった劣化した光信号Ｐ０も受信でき、増幅して２値が強調された出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。
【０１２３】
上記により、出力光ＰｏｕｔのＳ／Ｎ比が向上し、伝送路等に起因した出力光Ｐｏｕｔの雑音が低減されビットエラーレートが低減された光出力を得ることが可能となる。また、消費電力を低くでき、回路への負担も少なくてすむ。
【０１２４】
（実施の形態１の変形例１）
実施の形態１における半導体光増幅素子１の変形例である半導体光増幅素子１Ａは、付加雑音光Ｐｎが付加雑音電流Ｉｎに置き換えられた点において、図１の半導体光増幅素子１と異なる。したがって、図１等と重複する部分の説明はここでは繰り返さない。以下では、非周期的でランダムな強度変化を持ち、光信号Ｐ０に対する雑音として半導体光増幅素子１Ａの活性層２に注入される電流を「付加雑音電流」と称する。
【０１２５】
図１０，１１は、半導体光増幅素子１Ａの活性層２への光信号Ｐ０およびｐ電極１１，１２を通じて付加される付加雑音電流Ｉｎについて説明するための図である。
【０１２６】
図１０は、半導体光増幅素子１Ａに入射される光信号Ｐ０の時間波形を示す。図１０に示す光信号Ｐ０は、図３で説明したものと基本的に同一であり、図６（ａ）における半導体光増幅素子１Ａの立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮａ以下である。
【０１２７】
図１１は、半導体光増幅素子１Ａに注入される付加雑音電流Ｉｎの時間波形を示す。付加雑音電流Ｉｎには、白色雑音が用いられている。付加雑音電流Ｉｎは、半導体光増幅素子１Ａの電極１１，１２を通じて供給される電流とともに活性層２内の光増幅領域５，６へと注入される。
【０１２８】
付加雑音電流Ｉｎは、出力光Ｐｏｕｔがビットエラーレートの低減効果を得られるような電流値に適度に調整されている。以下では、付加雑音電流Ｉｎの電流値の最大値と最小値との差分を、付加雑音電流Ｉｎの最大振幅ΔＩｎと呼ぶ。
【０１２９】
光増幅領域に電流を注入せず、可飽和吸収領域４にバイアスを印加しない状態では、図６（ａ）におけるヒステリシスの立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮａは、光信号Ｐ０の強度より高くなるように設定されている。そのため、光信号Ｐ０を活性層２に注入しただけでは、出力光Ｐｏｕｔは、図６（ａ）の入力光−光出力特性曲線上でヒステリシス下部に留まり、ヒステリシス上部へと移行することはできない。
【０１３０】
そこで、光信号Ｐ０が「１」となる近傍で半導体光増幅素子１Ａの可飽和吸収領域４へバイアスを印加して、半導体光増幅素子１Ａの立ち上がり閾値を図６（ｂ）における立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮｂにし、付加雑音電流Ｉｎを半導体光増幅素子１Ａの光増幅領域５，６の活性層２へと注入する。光信号Ｐ０によって半導体光増幅素子１Ａの活性層２に注入された光子には、付加雑音電流Ｉｎの注入により活性層２にキャリアが注入されて発生した光子が付加される。これにより、光増幅領域５，６の光子が増大し、出力光Ｐｏｕｔが立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮｂを越えやすくなる。
【０１３１】
このとき、付加雑音電流Ｉｎの変動に伴ってキャリアの増加量も変動する。そこで、付加雑音電流Ｉｎの最大振幅ΔＩｎおよび可飽和吸収領域４に印加されるバイアスＶを、光信号Ｐ０の「０」または「１」に応じて立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮｂが上下するように最適に調整する。これにより、所望の波長を有し、大きい振幅を持ち、かつＳ／Ｎ比が向上した出力光Ｐｏｕｔが得られる。
【０１３２】
上記のように、実施の形態１の変形例１では、付加雑音電流Ｉｎの最大振幅ΔＩｎを、ビットエラーレートの低減効果が最大に得られるよう最適に調整している。その結果、伝送路等に起因する雑音を大きく低減することができる。このとき、光信号Ｐ０は半導体光増幅素子１Ａの立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮｂ以下でよいので、微弱な光信号Ｐ０であっても増幅・波形整形することができる。
【０１３３】
なお、付加雑音電流Ｉｎとして白色雑音を用いたが、強度変化が非周期的でランダムであれば、白色雑音でなくともビットエラーレートの低減効果を得ることは可能である。
【０１３４】
以上のように、実施の形態１の変形例１によれば、付加雑音光Ｐｎの代わりに、付加雑音電流Ｉｎを半導体光増幅素子１Ａの活性層２へと注入することにより、所望の波長を有し、振幅が増幅され、Ｓ／Ｎ比が向上された出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。
【０１３５】
（実施の形態１の変形例２）
実施の形態１における半導体光増幅素子１の他の変形例である半導体光増幅素子１Ｂは、双安定状態の半導体素子とは入出力特性の異なる非線形の半導体光素子が用いられている点において、図１の半導体光増幅素子１と異なる。したがって、図１等と重複する部分の説明はここでは繰り返さない。半導体光増幅素子１Ｂは、たとえばＩｎＧａＡｓＰ系化合物半導体によって作製されている。
【０１３６】
図１２は、半導体光増幅素子１Ｂの入力光Ｐｉｎおよび出力光Ｐｏｕｔの入出力特性の一例を示した図である。
【０１３７】
図１２に示すように、半導体光増幅素子１Ｂは、不連続性を有する入出力特性を示す。半導体光増幅素子１Ｂの活性層２に電流または光を注入していくと、しきい値Ｐｔｈで光出力Ｐｏｕｔの強度が急峻に立上がる。図１２の不連続特性において、光出力における立ち上がり前のヒステリシス下部および立ち上がり後のヒステリシス上部を利用することにより、入力光Ｐｉｎと出力光Ｐｏｕｔとで波長を変換することができる。
【０１３８】
なお、上記のような入出力特性の不連続性を有する半導体光増幅素子１Ｂは、たとえば、光増幅領域５，６に対する可飽和吸収領域４の体積比を図１の半導体光増幅素子１よりも小さくするか、一般的な双安定半導体レーザの可飽和吸収領域４に適度な電流を注入することによって得られる。
【０１３９】
以上のように、実施の形態１の変形例２によれば、ヒステリシスを持たず不連続な入出力特性を有する半導体光増幅素子１Ｂにおいて、入出力特性の立ち上がり前のヒステリシス下部および立ち上がり後のヒステリシス上部を利用することにより、入力光Ｐｉｎと出力光Ｐｏｕｔとで波長を変換することができる。
【０１４０】
変形例２の半導体光増幅素子１Ｂにも、双安定半導体レーザを用いた実施の形態１の半導体光増幅素子１と同様の機能を持たせることができる。変形例２では、入力光Ｐｉｎの波長変換、Ｓ／Ｎ比の向上、波形整形などの効果が得られる。なお、実施の形態１の変形例２は、実施の形態１の変形例１および以下で説明する実施の形態２およびその変形例にも適用することが可能である。
【０１４１】
［実施の形態２］
図１３は、この発明の実施の形態２による半導体光増幅素子駆動装置２０の概略的な構成を示した図である。
【０１４２】
図１３を参照して、実施の形態２の半導体光増幅素子駆動装置２０は、半導体光増幅モジュール２１と、フィードバック制御回路２２と、温度制御回路２３と、可変抵抗制御部２４と、可変抵抗２５と、確率共鳴制御回路２６と、電流供給部２７と、電圧制御回路２８と、電圧供給部２９とを備える。可変抵抗２５は、位相を含めて制御可能な可変インピーダンス素子であってもよい。
【０１４３】
半導体光増幅モジュール２１は、実施の形態１で説明した半導体光増幅素子１と、温度制御機構３０と、ベース３１，３２，４２と、光電変換素子３３とを含む。半導体光増幅モジュール２１は、入射される入力光Ｐｉｎを受けて内部で処理し、受信信号Ｓｒ、受信電流Ｉｒ１，Ｉｒ２などを出力する。
【０１４４】
温度制御機構３０は、半導体光増幅モジュール２１に備え付けられており、たとえばペルチェクーラーおよびサーミスタから構成されている。温度制御機構３０にペルチェクーラーが用いられていると、昇温および冷却の両方が行なえるので、外部の環境温度に関わらず半導体光増幅素子１の温度を安定的に調整することができる。
【０１４５】
半導体光増幅素子１は、光増幅領域３４，３６と可飽和吸収領域３５とを含む活性層４３と、ｐ電極３７〜３９と、クラッド層４０，４４と、ｎ電極４１とを含む。活性層４３は、量子井戸構造を有する。
【０１４６】
ｐ電極３７，３９は、それぞれ光増幅領域３４，３６に対応するようにクラッド層４４上に形成されている。ｐ電極３７，３９は、電流供給部２７からの付加雑音電流Ｉｎを受ける。ｐ電極３８は、可飽和吸収領域３５に対応するようにクラッド層４４上に形成されている。ｐ電極３８は、可変抵抗２５に接続されており、電圧供給部２９から電圧が印加される。ｎ電極４１は、クラッド層４０とベース４２との間に設けられている。ｎ電極４１は、接地ノードに接続されており、電圧供給部２９から電圧が印加される。
【０１４７】
フィードバック制御回路２２は、半導体光増幅モジュール２１の光電変換素子３３から出力される受信電流Ｉｒ１を受けて、温度制御回路２３および可変抵抗制御部２４に制御信号を出力する。温度制御回路２３は、フィードバック制御回路２２からの制御信号を受けて、温度制御機構３０に温度情報を出力する。温度制御機構３０は、温度制御回路２３からの温度情報に基づいて、半導体光増幅モジュール２１内の温度を制御する。
【０１４８】
可変抵抗制御部２４は、フィードバック制御回路２２からの制御信号に従って、半導体光増幅素子１のｐ電極３８に接続されている可変抵抗２５の抵抗値を調整する。確率共鳴制御回路２６は、光電変換素子３３からの受信電流Ｉｒ２を受けて、電流供給部２７に制御信号を出力する。電流供給部２７は、確率共鳴制御回路２６からの制御信号に従って、雑音を含む電流を半導体光増幅素子１のｐ電極３７，３９に供給する。電圧制御回路２８は、フィードバック制御回路２２からの制御信号に基づいて、電圧供給部２９に制御信号を出力する。電圧供給部２９は、電圧制御回路２８からの制御信号に従って、可変抵抗２５を介してまたは直接に半導体光増幅素子１のｐ電極３８に電圧を印加する。
【０１４９】
温度制御回路２３は、温度制御機構３０に接続されている。温度制御機構３０上に、ベース３１が設けられている。ベース３２，４２は、ベース３１上に設けられている。半導体光増幅素子１は、ベース４２上に搭載されている。光電変換素子３３は、ベース３２に取り付けられている。
【０１５０】
次に、半導体光増幅素子駆動装置２０の動作およびこれを用いた半導体光増幅素子１の駆動方法について説明する。
【０１５１】
半導体光増幅素子駆動装置２０の半導体光増幅素子１は、光増幅領域３４において入力光Ｐｉｎを受け、ｐ電極３７，３９からの制御に応じて光増幅領域３６から出力光Ｐｏｕｔを出射する。入力光Ｐｉｎは、「１」または「０」の２値からなり、伝送路等に起因する雑音によって一般に劣化している。
【０１５２】
フィードバック制御回路２２は、光電変換素子３３を介して出力光Ｐｏｕｔの状態をモニターしている。フィードバック制御回路２２は、半導体光増幅素子１の入出力特性を調整するための制御信号を、温度制御回路２３、可変抵抗制御部２４および電圧制御回路２８にそれぞれ出力する。なお、半導体光増幅素子１の入出力特性は、図６に示されている特性と基本的には同じである。
【０１５３】
フィードバック制御回路２２には、可変抵抗２５の抵抗値および温度制御機構３０の検出温度などの駆動条件に応じた半導体光増幅素子１の入出力特性のデータが予め入力されている。フィードバック制御回路２２は、当該入力データに基づいて、半導体光増幅素子１の入出力特性のヒステリシスが所望の形状となるように、温度制御回路２３での温度および可変抵抗制御部２４での抵抗値を算出する。
【０１５４】
温度制御回路２３は、フィードバック制御回路２２からの制御信号に従って、温度制御機構３０の温度を制御する。温度制御機構３０は、温度制御回路２３からの制御信号に基づいて半導体光増幅素子１の温度を上下させる。
【０１５５】
可変抵抗制御部２４は、フィードバック制御回路２２からの制御信号に従って、半導体光増幅素子１の所望の入出力特性が得られるように可変抵抗２５の抵抗値を調整する。半導体光増幅素子１は、可変抵抗２５の抵抗値の増減によって、可飽和吸収領域３５からの電流値が増減する。これにより、可飽和吸収領域３５内のキャリア量が変化するので、光吸収効果を制御できる。よって、半導体光増幅素子駆動装置２０は、可変抵抗２５の値によっても半導体光増幅素子１の入出力特性のヒステリシス形状を制御できる。
【０１５６】
電圧制御回路２８は、フィードバック制御回路２２からの制御信号に従って、電圧供給部２９を制御する。電圧供給部２９は、電圧制御回路２８からの制御信号に基づいて、半導体光増幅素子１に印加する電圧値を上下させる。半導体光増幅素子駆動装置２０は、電圧制御回路２８および電圧供給部２９を用いて、半導体光増幅素子１に与える電圧値を制御する。これにより、半導体光増幅素子１の立ち上がりしきい値および／または立下がりしきい値を上下させることができる。
【０１５７】
半導体光増幅素子駆動装置２０は、電圧制御回路２８および電圧供給部２９を用いて半導体光増幅素子１の可飽和吸収領域３５へ、入力信号と同じ周期で値が変動するバイアス電圧を印加する。入力光ＰｉｎはＲＺ信号であるから、「１」あるいは「０」の情報がパルスの有無によって示される位置（信号位置）の直後にオフ状態に戻る（Ｒｅｔｕｒｎ  ｔｏ  Ｚｅｒｏ）。このとき、半導体光増幅素子１の可飽和吸収領域３５に、信号位置ではＶ＝Ｖ１の値の順バイアスを印加し、ＲＺ符号で定められるゼロレベル（光出力のオフ状態）に戻る位置ではＶ＝Ｖ２の値の逆バイアスを印加する。可飽和吸収領域３５へ順バイアスＶ１を印加している状態ではヒステリシスの立ち上がり閾値が下がる。そのため、入力光Ｐｉｎの最大値「１」近傍でヒステリシスを超え、光出力をオン状態に制御することができる。
【０１５８】
さらに、半導体光増幅素子１の可飽和吸収領域３５に、ＲＺ符号で定められるゼロレベルと同期して逆バイアスＶ２が印加される。これにより、ヒステリシスの立ち下がり閾値が上がるため、入力光Ｐｉｎの最小値「０」近傍ではヒステリシス下部へ移行することができる。前述したように、可飽和吸収領域３５に逆バイアスＶ２を印加すると、可飽和吸収領域３５の残留キャリアが引き抜かれる。よって、可飽和吸収領域３５に残存するキャリアによって生じる信号応答の悪化や、パターン効果によって生じる波形の乱れを改善することができる。
【０１５９】
上記のように、実施の形態２の半導体光増幅素子駆動装置２０は、可飽和吸収領域３５に逆バイアスを印加してキャリアを引き抜くことにより、キャリア寿命に制限されずに信号処理の応答を高速にしている。
【０１６０】
また、半導体光増幅素子駆動装置２０は、電圧制御に加えて、温度制御、可変抵抗値制御および電流制御によって、半導体光増幅素子１のヒステリシス形状を調整している。半導体光増幅素子駆動装置２０は、所望の高周波信号に対して確率共鳴効果を得るために、半導体光増幅素子１のヒステリシス形状を調整して入出力特性を最適化する。
【０１６１】
確率共鳴制御回路２６は、光電変換素子３３を介して出力光Ｐｏｕｔの状態をモニターしている。確率共鳴制御回路２６は、半導体光増幅素子１の入出力特性を調整するための制御信号を電流供給部２７に出力する。
【０１６２】
電流供給部２７は、確率共鳴制御回路２６からの制御信号に従って、付加雑音電流Ｉｎを含む電流をｐ電極３７，３９を介して半導体光増幅素子１に注入する。付加雑音電流Ｉｎは、確率共鳴効果によって振幅が増幅されビットエラーレートが低減された出力光Ｐｏｕｔが得られるように雑音が調整された電流である。
【０１６３】
以上より、実施の形態２の半導体光増幅素子駆動装置２０は、確率共鳴による入力光Ｐｉｎの増幅および波形整形を行なうために最適なヒステリシス形状の入出力特性で、半導体光増幅素子１を作動させることが可能となる。半導体光増幅素子１によって増幅された出力光Ｐｏｕｔは、光電変換素子３３で検出される。この構成により、半導体光増幅素子駆動装置２０の半導体光増幅モジュール２１は、通常の受信器では検出できないような微弱な信号を検知できる受信器としても機能する。
【０１６４】
なお、図１３のようなｐ電極３７〜３９およびｎ電極４１の構成は一例であって、光増幅領域３４，３６と可飽和吸収領域３５とに対して独立に電流を注入できるのであれば、ｐ電極３７〜３９およびｎ電極４１はどのように分割されていても構わない。また、ｐ電極３７〜３９および入力光Ｐｉｎを介した制御に応じて出力光Ｐｏｕｔを出射できるのであれば、出力光Ｐｏｕｔが可飽和吸収領域３４に限らず光増幅領域３４または可飽和吸収領域３５から出射されても構わない。
【０１６５】
さらに、可飽和吸収領域３５の体積比が活性層４３全体の５０％以上になると半導体光増幅素子１の消費電力が増大するので、可飽和吸収領域３５の活性層４３に対する体積比は、できれば５０％以下が望ましい。
【０１６６】
上記のように、実施の形態２の半導体光増幅素子駆動装置２０は、可飽和吸収領域３５への電圧印加、素子の温度、光増幅領域３４，３６へ注入する電流の制御、および可飽和吸収領域３５に対して設けられたｐ電極３８に接続されている可変抵抗２５の抵抗値制御によって、半導体光増幅素子１の入出力特性を調整している。
【０１６７】
すなわち、半導体光増幅素子駆動装置２０は、電圧制御回路２８、温度制御回路２３、可変抵抗制御部２４、確率共鳴制御回路２６などからヒステリシスの形状を迅速に精度よく制御することにより、半導体光増幅素子１の動作条件を精密に調整することができる。上記により、半導体光増幅素子駆動装置２０は、波長変換効果および確率共鳴効果を得るために最適化された半導体光増幅素子１およびこれを含む半導体光増幅モジュール２１を駆動することができる。
【０１６８】
実施の形態２では、光電変換素子３３からの受信信号Ｓｒの一部を受信電流Ｉｒ１としてフィードバック制御回路２２に出力している。そのため、実施の形態２の半導体光増幅素子駆動装置２０は、半導体光増幅素子１の出力光Ｐｏｕｔの状態をモニターしながら、半導体光増幅素子１の入出力特性を変化させたり安定化させたりすることができる。これにより、半導体光増幅素子１の出力光Ｐｏｕｔが所望の波長および確率共鳴効果を得られる最適なヒステリシス形状を有するように出力光Ｐｏｕｔを調整しやすくなる。
【０１６９】
また、半導体光増幅素子駆動装置２０において、フィードバック制御回路２２、温度制御回路２３、可変抵抗制御部２４、確率共鳴制御回路２６、電圧制御回路２８などの制御回路（制御部）を、半導体光増幅モジュール２１の外側に接続するのではなく内部に集積してモジュールとして一体化してもよい。この場合、利用者が上記の制御回路を個別に調整をせずに済むので、半導体光増幅素子駆動装置２０の利用が簡単になる。
【０１７０】
また、実施の形態２では、半導体光増幅モジュール２１の全体を温度制御機構３０で温度調整しているが、半導体光増幅素子１のみを温度調整するようにしても構わない。なお、半導体光増幅モジュール２１全体の温度を調整した場合、一体構成となってコンパクトであり、温度制御も一括して行なえるという利点がある。
【０１７１】
また、半導体光増幅素子駆動装置２０において、温度、抵抗値、電圧および雑音電流の強度を調整することにより、最適なパラメータの算出がやや複雑にはなるものの、半導体光増幅素子１の入出力特性のヒステリシスをより最適な形状に精度よく制御できるという利点がある。また、ヒステリシスの立ち上がりしきい値を細かく上下させて低電流で駆動したり、出力光Ｐｏｕｔの振幅をより精密に調整したりできるという利点もある。
【０１７２】
以上のように、実施の形態２によれば、温度、抵抗値、電流、電圧などを介して半導体光増幅素子１の入出力特性のヒステリシス形状を精度よく制御することにより、確率共鳴効果を利用した出力光Ｐｏｕｔの劣化を補償したりすることができる。これにより、光増幅および波形整形を行なうために最適な双安定半導体レーザの入出力特性を効率よく得ることができる。
【０１７３】
（実施の形態２の変形例１）
実施の形態２における半導体光増幅素子駆動装置２０の変形例である半導体光増幅素子駆動装置２０Ａは、半導体光増幅素子１に供給される付加雑音電流Ｉｎが実施の形態１と同様の付加雑音光Ｐｎに置き換えられた点において、図１３の半導体光増幅素子駆動装置２０と異なる。したがって、図１３と重複する部分の説明はここでは繰り返さない。
【０１７４】
半導体光増幅素子駆動装置２０Ａにおいても、入力光Ｐｉｎの劣化を補償して増幅することで、ビットエラーレートが低減された出力光Ｐｏｕｔが得られる。この場合、確率共鳴制御回路２６からの制御電流によって雑音光を発生させる光源が必要になるが、半導体光増幅素子１の入力光Ｐｉｎの強度とヒステリシスのしきい値との関係を制御しやすくなるという利点がある。
【０１７５】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１７６】
【図１】この発明の実施の形態１による半導体光増幅素子１の共振器側面の概略的な構成を示した断面図である。
【図２】「１」または「０」の２値を持つ劣化前の光信号Ｐ０ａの時間波形を示した図である。
【図３】「１」または「０」の２値を持つ劣化後の光信号Ｐ０の時間波形を示した図である。
【図４】光信号Ｐ０に付加される付加雑音光Ｐｎの時間波形を示した図である。
【図５】光信号Ｐ０に付加雑音光Ｐｎを付加した入力光Ｐｉｎ＝Ｐ０＋Ｐｎの時間波形を示した図である。
【図６】半導体光増幅素子１において可飽和吸収領域４へのバイアス電圧の印加に応じた入力光−光出力特性の変化を表わした図である。
【図７】半導体光増幅素子１における可飽和吸収領域４にバイアス電圧Ｖ＝Ｖ１が印加されたときの入力光−光出力特性を表わした図である。
【図８】半導体光増幅素子１における可飽和吸収領域４に逆バイアス電圧Ｖ＝Ｖ２が印加されたときの入力光−光出力特性を表わした図である。
【図９】付加雑音光Ｐｎの雑音強度を変化させたときの出力光Ｐｏｕｔのビットエラーレート（ＢＥＲ）を示した図である。
【図１０】半導体光増幅素子１Ａに入射される光信号Ｐ０の時間波形を示した図である。
【図１１】半導体光増幅素子１Ａに注入される付加雑音電流Ｉｎの時間波形を示した図である。
【図１２】半導体光増幅素子１Ｂの入力光Ｐｉｎおよび出力光Ｐｏｕｔの入出力特性の一例を示した図である。
【図１３】この発明の実施の形態２による半導体光増幅素子駆動装置２０の概略的な構成を示した図である。
【図１４】一般的な可飽和吸収領域を有する双安定半導体レーザの注入光−光出力特性曲線を示した図である。
【図１５】可飽和吸収領域を有する双安定半導体レーザを用いた従来の光信号再生装置において動作特性を説明するための図である。
【図１６】確率共鳴装置として用いられる一般的な双安定半導体レーザ１１２の構造を示した断面図である。
【図１７】従来の双安定状態の半導体レーザ素子１６０の概略的な素子構造を示した断面図である。
【図１８】図１７の双安定状態の半導体レーザ素子１６０の動作を示した図である。
【符号の説明】
【０１７７】
１，１Ａ，１Ｂ  半導体光増幅素子、２，４３，１２０，１６３  活性層、４，３５，１２２，１６２  可飽和吸収領域、５，６，３４，３６，１２１，１６１  光増幅領域、７  入射面、８  出射面、９  ｎ型ＩｎＰ基板、１０〜１２，３７〜３９，１２３，１２４  ｐ電極、１３  ｐ型ＩｎＰクラッド層、１４  ｎ型ＩｎＰクラッド層、１５，４１，，１２７  ｎ電極、２０，２０Ａ  半導体光増幅素子駆動装置、２１  半導体光増幅モジュール、２２  フィードバック制御回路、２３  温度制御回路、２４  可変抵抗制御部、２５  可変抵抗、２６  確率共鳴制御回路、２７  電流供給部、２８  電圧制御回路、２９  電圧供給部、３０  温度制御機構、３１，３２，４２  ベース、３３  光電変換素子、４０，４４，１２５，１２６  クラッド層、１１２  双安定半導体レーザ、１６０  半導体レーザ素子。
【図１】
2008181930.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年1月15日(2008.1.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
入力光および出力光の入出力特性が不連続性を有する半導体光増幅素子であって、
光増幅領域および可飽和吸収領域を含む活性層と、
前記活性層に電流を注入しおよび／または電圧を印加する第１の極性の電極と、
前記第１の極性の電極に対応して設けられる第２の極性の電極とを備え、
前記第１および前記第２の極性の電極を通じて、入力光が「１」となるタイミングで前記入出力特性の立ち上がり閾値が下がるように前記可飽和吸収領域に第１のバイアス電圧が印加され、入力光が「０」となるタイミングで前記入出力特性の立ち下がり閾値が上がるように前記可飽和吸収領域に第２のバイアス電圧が印加される、半導体光増幅素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２６】
前記光源は、前記受信信号を受けて、確率共鳴効果が得られるように雑音が付加された光を前記半導体光増幅素子に供給する、請求項２５に記載の半導体光増幅素子駆動装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
この発明は、入力光および出力光の入出力特性が不連続性を有する半導体光増幅素子であって、光増幅領域および可飽和吸収領域を含む活性層と、活性層に電流を注入しおよび／または電圧を印加する第１の極性の電極と、第１の極性の電極に対応して設けられる第２の極性の電極とを備える。第１および第２の極性の電極を通じて、入力光が「１」となるタイミングで入出力特性の立ち上がり閾値が下がるように可飽和吸収領域に第１のバイアス電圧が印加され、入力光が「０」となるタイミングで入出力特性の立ち下がり閾値が上がるように可飽和吸収領域に第２のバイアス電圧が印加される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
この発明の他の局面によれば、半導体光増幅素子駆動装置であって、半導体光増幅素子と、出力光を検出して受信信号を出力する光電変換素子とを含む半導体光増幅モジュールと、受信信号を受けて、半導体光増幅素子の入出力特性を調整するための制御信号を出力するフィードバック制御回路とを備える。半導体光増幅素子は、入力光および出力光の入出力特性が不連続性を有する半導体光増幅素子であって、光増幅領域および可飽和吸収領域を含む活性層と、活性層に電流を注入しおよび／または電圧を印加する第１の極性の電極と、第１の極性の電極に対応して設けられる第２の極性の電極とを含む。第１および第２の極性の電極を通じて、入力光が「１」となるタイミングで入出力特性の立ち上がり閾値が下がるように可飽和吸収領域に第１のバイアス電圧が印加され、入力光が「０」となるタイミングで入出力特性の立ち下がり閾値が上がるように可飽和吸収領域に第２のバイアス電圧が印加される。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６４】
なお、図１３のようなｐ電極３７〜３９およびｎ電極４１の構成は一例であって、光増幅領域３４，３６と可飽和吸収領域３５とに対して独立に電流を注入できるのであれば、ｐ電極３７〜３９およびｎ電極４１はどのように分割されていても構わない。また、ｐ電極３７〜３９および入力光Ｐｉｎを介した制御に応じて出力光Ｐｏｕｔを出射できるのであれば、出力光Ｐｏｕｔが光増幅領域３６に限らず光増幅領域３４または可飽和吸収領域３５から出射されても構わない。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１７２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１７２】
以上のように、実施の形態２によれば、温度、抵抗値、電流、電圧などを介して半導体光増幅素子１の入出力特性のヒステリシス形状を精度よく制御することにより、確率共鳴効果を利用して出力光Ｐｏｕｔの劣化を補償することができる。これにより、光増幅および波形整形を行なうために最適な双安定半導体レーザの入出力特性を効率よく得ることができる。