(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料中に配置され、ポンプ波長（λｐ）のポンプ光信号が内部を伝播するときに、一つの波長範囲を有する第１光信号を放射するのに十分なパワーレベルを有する前記ポンプ光信号を受信する第１導波路と、
前記第１導波路に接続され、前記一つの波長範囲内の第２波長（λ１）の第２光信号を受信し、前記第２光信号と前記ポンプ光信号および前記第１光信号とを第２導波路内で結合させ、前記第２導波路内で前記第２光信号を増幅させる第１カプラと、
前記第２導波路に接続され、前記一つの波長範囲内の第３波長（λ２）の第３光信号を受信し、前記第３光信号と前記ポンプ光信号および前記第１光信号と第３導波路内で結合させ、前記第３光信号を増幅させる第２カプラと、
前記第２導波路内に配置され、前記第２光信号の前記第２波長を反射する第１反射器および第２反射器と
を備える装置。
【請求項２】
前記半導体材料がシリコンを含み、前記第１導波路、前記第２導波路、および前記第３導波路のコアがシリコンである請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１光信号の第１波長と前記第２光信号の前記第２波長とが実質的に同じである請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記第２光信号は、前記第２導波路内で放射された前記第１光信号によって、前記第２導波路を伝播するにつれて増幅される請求項１から３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記増幅の利得が、前記第２導波路の長さに比例して増加する請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記半導体材料内に配置され、前記第２カプラからの光出力を受信する光回路系
をさらに備える請求項１から５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記第１カプラおよび前記第２カプラが、前記半導体材料に配置された波長選択カプラである請求項１から６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
前記半導体材料に配置され、前記ポンプ光信号を供給するレーザ
をさらに備える請求項1から７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
前記ポンプ光信号が、前記第２導波路の誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）を誘起する請求項１から８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記第２光信号が、前記第２導波路内で発生する前記ＳＲＳのストークス周波数に実質的に等しい周波数を有する請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記ポンプ光信号が、前記第２導波路内で誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）を誘起する請求項１から８のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記第２光信号が、前記第２導波路内で発生する前記ＳＢＳのブリュアン周波数に実質的に等しい周波数を有する請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１反射器および前記第２反射器が、複数の回折格子である請求項１から１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
前記複数の回折格子が、それぞれ、前記第２導波路内に形成された非半導体材料の複数の平行領域を含む請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記第３導波路内に配置され、前記第２波長と異なる前記第３波長を反射する第３反射器および第４反射器
をさらに備える請求項１から１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
半導体材料中に配置され、ポンプ波長（λｐ）のポンプ光信号が内部を伝播するときに、一つの波長範囲を有する第１光信号を放射するのに十分なパワーレベルを有する前記ポンプ光信号を受信する第１導波路と、
前記第１導波路に接続され、前記一つの波長範囲内の第２波長（λ１）の第２光信号を受信し、前記第２光信号と前記ポンプ光信号および前記第１光信号とを第２導波路内で結合させ、前記第２導波路内で前記第２光信号を増幅させる第１カプラと、
前記第２導波路に接続され、前記一つの波長範囲内の第３波長（λ２）の第３光信号を受信し、前記第３光信号と前記ポンプ光信号および前記第１光信号と第３導波路内で結合させ、前記第３光信号を増幅させる第２カプラと、
前記半導体材料内に配置され、前記第２カプラからの光出力を受信する光回路系と
を備える装置。
【請求項１７】
半導体材料中に形成されたコアを有する導波路内に、ポンプ波長（λｐ）のポンプ光信号であって、一つの波長範囲を有する第１光信号を放射するのに十分なパワーレベルを有する前記ポンプ光信号を伝播する段階と、
前記一つの波長範囲内の第２波長（λ１）の第２光信号を受信し、前記第２光信号と前記ポンプ光信号および前記第１光信号とを前記導波路内で結合させ、前記導波路内で前記第２光信号を増幅させる段階と、
前記一つの波長範囲内の第３波長（λ２）の第３光信号を受信し、前記第３光信号と前記ポンプ光信号および前記第１光信号と前記導波路内で結合させ、前記第３光信号を増幅させる段階と
を備え、
前記導波路が、前記導波路内に配置され、前記第２光信号の前記第２波長を反射する第１反射器および第２反射器を含む方法。
【請求項１８】
前記半導体材料がシリコンを含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１光信号の第１波長と前記第２光信号の前記第２波長とが実質的に同じである請求項１７または１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第２光信号は、前記導波路内で放射された前記第１光信号によって、前記導波路を伝播するにつれて増幅される請求項１７から１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
前記増幅の利得が、前記導波路の長さに比例して増加する請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記ポンプ光信号が、前記導波路内で誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）を誘起する請求項１７から２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
前記第２光信号が、前記導波路内で発生するＳＲＳのストークス周波数に実質的に等しい周波数を有する請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記ポンプ光信号が、前記導波路内で誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）を誘起する請求項１７から２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２５】
前記第２光信号が、前記導波路内で発生するＳＢＳのブリュアン周波数に実質的に等しい周波数を有する請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記導波路が、前記導波路内に配置され、前記第２波長と異なる前記第３波長を反射する第３反射器および第４反射器をさらに含む請求項１７から２５のいずれかに記載の方法。
【請求項２７】
前記第１反射器および第２反射器が、複数の回折格子である請求項１７から２６のいずれかに記載の方法。
【請求項２８】
前記複数の回折格子が、それぞれ、前記導波路内に形成された非半導体材料の複数の平行領域を含む請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
ポンプ波長のポンプ光信号を出力する光信号源と、
前記ポンプ光信号を受信する半導体装置と
を備え、
前記半導体装置が、
前記ポンプ光信号が内部を伝播するときに、一つの波長範囲を有する第１光信号を放射するのに十分なパワーレベルを有する前記ポンプ光信号を受信する第１導波路と、
前記第１導波路に接続され、前記一つの波長範囲内の第２波長（λ１）の第２光信号を受信し、前記第２光信号と前記ポンプ光信号および前記第１光信号とを第２導波路内で結合させ、前記第２導波路内で前記第２光信号を増幅させる第１カプラと、
前記第２導波路に接続され、前記一つの波長範囲内の第３波長（λ２）の第３光信号を受信し、前記第３光信号と前記ポンプ光信号および前記第１光信号と第３導波路内で結合させ、前記第３光信号を増幅させる第２カプラと、
前記第２導波路内に配置され、前記第２光信号の前記第２波長を反射する第１反射器および第２反射器と
を有するシステム。
【請求項３０】
前記半導体装置が、シリコン基板をさらに有し、
前記第１導波路、前記第２導波路、および前記第３導波路のコアがシリコンである請求項２９に記載のシステム。
【請求項３１】
前記第１光信号の第１波長と第２波長とが、実質的に同じである請求項２９に記載のシステム。
【請求項３２】
前記第２光信号および前記第３光信号が、前記第２導波路または前記第３導波路を伝播するにつれて、前記第１光信号によって増幅される請求項２９から３１のいずれかに記載のシステム。
【請求項３３】
前記増幅の利得が、前記第２導波路または前記第３導波路の長さに比例して増加する請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記半導体装置が、前記半導体装置の半導体材料に配置された、前記第２カプラから光出力を受信する光回路系をさらに有する請求項２９から３３のいずれかに記載のシステム。
【請求項３５】
前記第１カプラおよび前記第２カプラが、波長選択カプラである請求項２９から３４のいずれかに記載のシステム。
【請求項３６】
前記半導体装置上に一体化され、前記ポンプ光信号を供給するレーザ
をさらに備える請求項２９から３５のいずれかに記載のシステム。
【請求項３７】
前記ポンプ光信号が、前記第２導波路内で誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）を誘起する請求項２９から３６のいずれかに記載のシステム。
【請求項３８】
前記第２光信号が、前記第２導波路内で発生するＳＲＳのストークス周波数に実質的に等しい周波数を有する請求項３７に記載のシステム。
【請求項３９】
前記ポンプ光信号が、前記第２導波路内で誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）を誘起する請求項２９から３６のいずれかに記載のシステム。
【請求項４０】
前記第２光信号が、前記第２導波路内で発生するＳＢＳのブリュアン周波数に実質的に等しい周波数を有する請求項３９に記載のシステム。
【請求項４１】
前記半導体装置が、前記第３導波路内に配置され、前記第２波長と異なる前記第３波長を反射する第３反射器および第４反射器をさらに有する請求項２９から４０のいずれかに記載のシステム。
【請求項４２】
前記第１反射器および前記第２反射器が、複数の回折格子である請求項２９から４１のいずれかに記載のシステム。
【請求項４３】
前記複数の回折格子が、それぞれ、前記第２導波路内に形成された非半導体材料の複数の平行領域を含む請求項４２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の複数の実施形態は、全体的には、複数の光学装置に関し、詳細には、半導体系光増幅に関するが、これに限られるものではない。
【背景技術】
【０００２】
複数の光通信システムにおいては、複数の光信号の増幅が必要となる場合が多い。複数の光増幅器は、例えば、複数のエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）、複数のファイバラマン増幅器等の光ファイバにおいて実現することができる。このような複数の光増幅は、多くの光ファイバの応用とって有用である。なお、本出願の国際調査、又は対応外国出願の審査において、下記の文献が発見されている。
【特許文献１】米国特許第４３８９６１７号明細書
【特許文献２】米国特許第４５７１７２７号明細書
【特許文献３】米国特許第４８１２６８２号明細書
【特許文献４】米国特許第５０３３０５１号明細書
【特許文献５】米国特許第５６７３２８１号明細書
【特許文献６】米国特許第５８３２００６号明細書
【特許文献７】米国特許第６３８８８００号明細書
【特許文献８】米国特許第６４３３９２２号明細書
【特許文献９】米国特許第６４５６４２５号明細書
【特許文献１０】米国特許第６５１９０８２号明細書
【特許文献１１】欧州特許第０４８２６３０号明細書
【特許文献１２】欧州特許第０５６１６７２号明細書
【特許文献１３】英国特許第２３７３６２８号明細書
【特許文献１４】特開昭６２−１２００９０号公報
【特許文献１５】国際公開第０３／３４３７７号パンフレット
【特許文献１６】独国特許出願公開第４１１３３５４号明細書
【非特許文献１】Tang, C.K. et al.,"Development of a Library of Low-Loss Silicon-On-Insulator Optoelectronic Devices", IEEE Proceedings: Optoelectronics, vol. 143, No. 5, Oct. 1996, pp. 312-315.
【非特許文献２】Claps, R. et al., "Stimulated Raman Scattering in Silicon Waveguides," Electronics Letters, vol.38, No.22, Oct. 24, 2002.
【非特許文献３】Claps, R. et al., "Observation of Raman Emission in Silicon Waveguides at 1.54μm," Optics Express, vol.10, No.22, Nov. 4,2002, pp. 1305-1313.
【非特許文献４】Claps, R. et al., "Observation of Stimulated Raman Amplification in Silicon Waveguides," Optics Express, vol. 10, No. 15, Jul. 28, 2003, pp. 1731-1739.
【非特許文献５】Claps, Ricardo et al., (Abstract) "Observation of Raman Emission in Silicon Waveguides at 1.54μm", Optical Society of America, vol. 10, No. 22/Optical Express, Nov. 2002.
【非特許文献６】Saito, Takao et al., "Spontaneous Raman Scattering in [100], [110], and [11-2]Directional GaP Waveguides", Journal of Applied Physics, vol.90, No.4, Aug. 15, 2001.
【非特許文献７】Suto, Ken et al., "Semiconductor Raman Amplifier for Terahertz Bandwidth Optical Communication", Journal of Lightwave Technology, vol.20, No.4, Apr. 2002.
【非特許文献８】Ralston, J. M. et al., "Spontaneous-Raman-Scattering Efficiency and Stimulated Scattering in Silicon", Physical Review B, vol. 2, No. 6, Sep. 15, 1970.
【非特許文献９】Saito, Takao et al., "Raman Gain and Optical Loss in AlGaP Waveguides", Journal of Applied Physics, vol.87, no. 7, Apr. 1, 2000.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
また、複数の光増幅器は、複数の半導体材料（例えば、複数の半導体光増幅器すなわち複数のＳＯＡ）において実現することもできる。しかしながら、複数のＳＯＡは低電力であり、騒音を発し、偏波に反応しやすいという傾向がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００４】
以下の複数の図面を参照して、制限はないがすべてを網羅するものでもない本発明の複数の実施形態を説明するが、他に定義されない限り、種々の図を通じて、同じ複数の参照番号は複数の同じ部品を示す。
【０００５】
図１は、本発明の一実施形態による、１つのシリコン系誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）増幅器１０２が配置された１つの半導体装置１００を示す。本実施例において、半導体装置１００は、１つのシリコン基板１０３を用いて実現され、ＳＲＳ増幅器１０２から１つの増幅光信号を受信する回路系１０４を含む。一実施例において、シリコン基板１０３は、１つのシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハの一部である。本実施例において、ＳＲＳ増幅器１０２は、１つのポンプレーザ１０６および１つの波長選択カプラ１０７を含む。
【０００６】
半導体装置１００の本実施形態の複数の素子は、以下のように相互接続している。レーザ１０６は、１つの導波路１０８を介して、波長選択カプラ１０７の１つの入力ポートに接続された１つの出力ポートを有する。
【０００７】
波長選択カプラ１０７は、１つの導波路１０９を介して１つの光入力信号を受信するように接続された他の１つの入力ポートを有する。さらに、一実施形態において、導波路１０９は、１つの光ファイバ１１１を介して光入力信号を受信するように接続されている。他の複数の実施形態において、光入力信号は、半導体装置１００に接続された１つのソースから受信することができる。
【０００８】
また、波長選択カプラ１０７は、１つの導波路１１３を介して、光回路系１０４の１つの光入力ポートに接続された１つの出力ポートを有する。信号の増幅は、導波路１１３の１つの部位において発生する。導波路のこの部位は、直線状または屈曲状とすることができる。一実施形態において、光回路系１０４は１つの導波路１１５に接続された１つの光出力ポートを有し、導波路１１５は１つの光ファイバ１１７に交互に接続されている。他の複数の実施形態において、導波路１１３は光ファイバ１１７に直接接続することができる。
【０００９】
本実施形態において、複数の導波路１０８、１０９、１１３および１１５はそれぞれ、１つのシリコンコアを有するように、シリコン基板１０３上で実現することができる。他の複数の実施形態において、これらの導波路は、異なる１種類または複数種類の材料から形成された１つのコアを有することができる。
【００１０】
作動させる際、レーザ１０６は、誘導ラマン拡散（ＳＲＳ）を介して、選択周波数の１つの入力信号の増幅時に使用する１つの光ポンプ信号を供給する。光信号がその材料または周波数のための１つのしきい値強度を超えると、１つの所与の周波数の１つの光信号（すなわち、１つのポンプ信号）を伝搬する１つの媒体で、ＳＲＳが発生することができる。媒体でＳＲＳが発生すると、ポンプ信号のエネルギーの一部は１つの異なる周波数の光に変換される。この周波数の差異または変位は、ストークス周波数変位という。例えばシリコンでは、１４５０ｎｍの１つのポンプ信号について第１順位のストークス周波数は、略１９１．３ＴＨｚである。レーザ１０６は、導波路１０８を介して、波長λＰのポンプ信号を出力する。一実施形態において、レーザ１０６は、１４ＸＸｎｍ波長幅の範囲でレーザ光を発し、３００から５００ｍＷの範囲の１つのパワー出力をする１つのレーザダイオードにより実現される。このような複数のレーザダイオードは、市販のものを入手することができる。
【００１１】
以下の方程式から、導波路用のＳＲＳ利得係数の１つの値が導かれる。
【００１２】
ｇ＝１６π３ｃ２Ｓ／（ｈωｓ３ｎｓ２（Ｎ０＋１）Γ）  （１）
このとき、Ｓは自発ラマン散乱係数（ωｓ４に比例）ｈはプランク係数、ｎｓはストークス周波数における導波路コア材料の反射率、ωｓはストークス放出の角周波数、Ｎ０はボーズ係数、Γはストークス線の最大値の半値における全振幅の１・１／２である（単位は角周波数）。Ｓがωｓ４に比例するので、方程式１において、利得係数はストークス周波数に線形依存していることが示される。
【００１３】
波長選択カプラ１０７は、導波路１０９を介して、波長λ１の１つの光入力信号を受信する。本実施形態において、λ１は、その周波数がポンプ信号の第１順位ストーク波長と実質的に等しくなるように、選択される。入力信号およびポンプ信号が導波路１１３内を伝搬するように、波長選択カプラ１０７は入力信号を結合する。入力信号がポンプ信号により伝播するに伴い、入力信号は、導波路１１３のＳＲＳを介して増幅される。シリコンを基礎とするＳＲＳ増幅器１０２の一実施形態により供給される利得は、以下に説明するように推定することができる。
【００１４】
７７°Ｋの温度、１０６４ｎｍの１つのλＰ、およびシリコン結晶軸［１１１］における分散でのシリコンにおけるＳＲＳに関する実験データが公表されている。この実験データを用い、現在の複数の遠隔通信操作パラメータを使用したシリコンのＳＲＳ利得係数を予測することができる。例えば、原則として、遠隔通信システムは、１４ＸＸｎｍの範囲内の１つの波長を有するポンプ光により室温で作動する。さらに、原則として、複数のシリコン素子における光信号の伝播は、実験データにおけるような結晶軸［１１１］ではなく、結晶軸［１００］および［１１０］である。
【００１５】
これらの複数のパラメータを用い、実験的データからこれらの複数のパラメータの複数の補正要素を決定し、利得係数を推定することができる。例えば、実験的データから、７７°Ｋの温度のとき、（Ｎ０＋１）＝１となる。温度によるライン幅の変化およびボーズ率の変化の補正を加えると、３００°Ｋのとき、（Ｎ０＋１）＝１．０８８となる。前述したように、ラマン利得はストークス周波数に線形依存している。１４５０ｎｍおよび１５３５の複数のポンプ波長について、実験データからの利得係数（すなわち、１０６４ｎｍの波長）にそれぞれ０．７１８および０．６７４を乗じる。さらに、シリコンの［１１０］および［１００］軸に沿った伝播に関しては、変換効率は実験データの［１１１］軸に沿った伝播の変換効率の約９０％である。
【００１６】
上記複数の補正係数を使用して、現在の複数の遠隔通信温度および複数の周波数を４×１０−８ｃｍ／Ｗと推定することができる。図２は、導波路損失の種々の値を有するこの利得係数を示す。図２に示すように、単位波長ごとの予定利得は、ポンプ信号強度に比例する。このように、複数の導波路１１３の長さを選択して所望の利得を達成する。他の複数の実施形態において、温度、屈折率および他の複数のパラメータを調整して所望の利得を達成する。
【００１７】
その後、光回路系１０４により増幅後の光信号を受信して、その後増幅後の信号上で作動させる。例えば、光回路系１０４は、残存ポンプ信号から増幅入力信号を分離するように、１つのアレイ導波路格子（ＡＷＧ）を含むことができる。
【００１８】
ＳＲＳ増幅器１０２のこの実施形態は、シリコンで実現することができるため、１つの単一モノリシック素子またはチップにおいて、ＳＲＳ１０２はシリコンを基礎とする他の光回路系（例えば、複数のレーザ、フィルタ、格子、受信器、送信機器）に好適に一体化することができる。これらの光学部品を一体化することにより、性能およびコストを重要な改善を達成することができる。例えば、従来のシステムにおいては、複数の非シリコン光増幅器には典型的なシリコンダイによる複合実装が必要とするものがあり、これによりコストの大幅な増加、複雑化、サイズ、（例えば、ピッチ）および信号損失の大幅な増加を招くことがある。
【００１９】
図３は、ＳＲＳ増幅器１０２を含む１つの例示的光通信システム３００を示す（図１）。本例示的実施形態において、システム３００は、１つの光信号源３０１およびシリコンから形成された１つの平面光波回路（ＰＬＣ）３０３を含む。本実施形態において、ＰＬＣ３０３は、１つの光フィルタ３１１、１つの光受信機３１３、１つの光カプラ３１５，１つの光送信器３１７および光回路系３１９を含む。本例において、ＰＬＣ３０３のこれらの素子を使用して１つの光追加／ドロップマルチプレクサを実現する。
【００２０】
システム３００の本実施形態のこれらの部品は、以下のように相互接続される。光信号源３０１は、光ファイバ１１１を介してＰＬＣ３０３に接続されている。光フィルタ３１１は、導波路３２１を介して光ファイバ１１１から１つの光信号を受信するように接続された１つの入力ポートを有する。光フィルタ３１１は、１つの導波路３２３を介してＳＲＳ増幅器１０２の入力ポートに接続された１つの出力端子を有し、これは光導波路３２５を介して受信器３１３の１つの入力ポートに接続されたその出力端子をその次に有する。光フィルタ３１１は、１つの導波路３２７を介してカプラ３１５の１つの入力ポートに接続された他の出力ポートを有する。カプラ３１５は、１つの導波路３２９を介して送信器３１７の１つの出力ポートに接続された他の入力ポートを有し、１つの光導波路３３１を介して光回路系３１９の１つの入力ポートに接続された他の入力ポートを有する。本実施形態において、光回路系３１９は、１つの導波路３３３を介して光ファイバ１１７に接続された１つの出力ポートを有する。他の複数の実施形態において、導波路３３１は、光回路系３１９を迂回して光ファイバ１１７に直接接続されることができる。
【００２１】
本例のシステムは以下のように作動する。光信号源３０１は１つの多重光入力信号（図１で示すλ１を含む）をＰＬＣ３０３に供給し、ＷＤＭ光システムの一部である。光フィルタ３１１は、入力信号の１つの選択波長をフィルタリングする。本実施形態において、フィルタ３１１１は、λ１波長をフィルタリングするが、これはＳＲＳ増幅器１０２が上記に説明したようにＳＲＳを使用して増幅する。入力信号の複数の残存波長は、光フィルタ３１１からカプラ３１５に渡される。
【００２２】
その後、増幅信号は受信器３１３によって受信され、ＰＬＣ３０３の他の複数のユニット（図示せず）による処理のために１つの電子信号に変換される。例えば、電子信号は、λ１波長信号上で変調された情報を抽出する１つのプロセッサ（図示せず）に対して供給することができる。
【００２３】
送信器３１７は、カプラ３１５に対して、波長λ１の１つの信号を出力する。本実施形態において、λ１波長信号はシステム３００の他のユニットへの送信のため、情報により変調される。カプラ３１５は、送信器３１７からの信号を光フィルタ３１１からの残存光信号と結合し、複数の合成信号を導波路３３１上に出力する。その後、複数の合成信号は処理され（例えば、増幅され）、導波路３３３および光ファイバ１１７を介してＰＬＣ３０３から出力することができる。
【００２４】
図４は、本発明の一実施形態によるシリコンを基礎とする１つの単一ポンプＳＲＳ増幅器アレイ４００を示す。本実施形態は、デュアル波長選択カプラ４０２、４０４を追加するという点を含めると、ＳＲＳ１０２（図１）と類似しており、これらカプラまたシリコン基板１０３で実現される。
【００２５】
アレイ４００の上記複数の素子は以下のように相互接続される。カプラ４０２は、導波路１１３を介してカプラ１０７の出力ポートに接続された一入力ポートと、１つの導波路４０８を介して波長λ２の１つの入力信号を受信するように接続された他の入力ポートとを有する。カプラ４０２は、１つの導波路４０９に接続された一出力ポートと、１つの導波路４１０に接続された他の出力ポートとを有する。カプラ４０４は、１つの導波路４１０に接続された一入力ポートと、１つの導波路４１２を介して波長λ３の１つの入力信号を受信するように接続された他の入力ポートとを有する。カプラ４０４は、１つの導波路４１３に接続された一出力ポートと、１つの導波路４１４に接続された他の出力ポートとを有する。
【００２６】
作動させる際、レーザ１０６は、図１に関連して上記に説明したようにλ１入力信号を増幅する際に使用するカプラ１０７に対し、波長λＰのポンプ信号を出力する。増幅したλ１信号は、残存ポンプ信号とともに、導波路１１３を介してカプラ４０２に伝播する。
【００２７】
カプラ４０２は、１つのデュアル波長選択カプラであり、波長λ２の入力信号および残存信号を導波路４１０に伝播させながら、波長λ１の増幅信号を導波路４０９中に伝播させる。λ１（およびλ２）入力信号の増幅後、導波路４１０（および４１４）にＳＲＳ散乱が発生するように、レーザ１０６はポンプ信号に十分なパワーを供給する。これにより、導波路４１０においてＳＲＳが発生し、その後これはλ２入力信号を増幅するために使用することができる。λ１入力信号はストークス周波数におけるものであるが、このストークス信号はピーク強度放出が生じる周波数を表すことに留意されたい。媒体にもよるが、ストークス周波数を中心とする複数の周波数の１つの有限範囲も出力され、この範囲内における波長の複数の信号を増幅するために使用することができる。本実施形態において、λ２入力信号が、残存ポンプ信号とともに導波路４１０中を先般するにつれて増幅されるように、シリコンのＳＲＳ放出の範囲内になるようにλ２が選択される。
【００２８】
カプラ４０４もまた１つのデュアル波長選択カプラである。このように、カプラ４０４は、波長λ３および残存ポンプ信号を導波路４１４中を伝播させながら、増幅λ２信号を導波路４１３中を伝播させる。本実施形態において、λ３入力信号が、残存ポンプ信号とともに導波路４１０中を伝播するにつれて増幅されるように、シリコンのＳＲＳ放出の範囲内になるようにλ３もまた選択される。
【００２９】
図５は、本発明の一実施形態による、シリコンを基礎とする１つのＳＲＳレーザ５００を示す。本実施例において、レーザ５００は、１つの狭線幅ポンプレーザ５０２、１つの波長選択カプラ５０４、複数の反射器５０６、５０８および複数の導波路５１０，５１２、５１４を含む。複数の導波路５１０，５１２、５１４はシリコン基板１０３から形成された複数のコアを有する。
【００３０】
ポンプレーザ５０２は、導波路５１０を介してカプラ５１４の１つのポートに接続された１つの出力ポートを有する。また、カプラ５０４は、複数の導波路５１２および５１４を介して複数の反射器５０６および５０８にそれぞれ接続された複数のポートも有する。一実施形態において、複数の反射器５０６および５０８はシリコン内に配置された複数のブラッグ格子（例えば、シリコンおよび反射率の異なる他の材料の複数の領域を交互に配置することによるもの）である。他の複数の実施形態において、異なる反射器の実施を用いることができる。本実施形態において、ストークスライン信号について比較的高い反射率を有するように、一方が１つの出力ポートとしての作用が幾分か劣る複数の反射器を選択する。さらに、複数の反射器５０６，５０８は、ポンプ波長において比較的高い送信を有するように選択される。
【００３１】
作動させる際、ポンプレーザ５０２の一実施形態は、シリコン中のＳＲＳを発生させるのに十分な１つの強度をもつ１４５５ｎｍでレーザ光を発する１つのレーザダイオードであり、これは１５７４ｎｍの１つのストークスラインとなる。本実施形態において、複数の反射器５０６，５０８は、１５７４ｎｍで高い反射率で反射する複数の狭帯域反射器である。これにより、１つの１５７４ｎｍの信号を出力する１つのレーザが形成される。他の複数の実施形態において、複数の反射器は異なる複数の波長の複数の狭帯域反射器であってもよいが、シリコン基板１０３のシリコンのＳＲＳの射出範囲である。また、この構成は、ポンプ波長の１つの信号をストークス変位波長のひとつに変換する１つの波長変換器として使用することもできる。
【００３２】
代替の１つの実施形態において、複数の反射器を反射波長について同調可能とすることにより、レーザ出力信号がストークス波長についての前記有限範囲内で１つの同調可能波長を有することができるようにする。例えば、複数の反射器は、複数の同調可能ブラッグ格子を使用して実現することが可能である。
【００３３】
図６は、本発明の一実施形態によるシリコンを基礎とする１つの単一ポンプＳＲＳ多重波長レーザ６００を示す。本実施形態は、４組の狭帯域反射器６０４Ａ／６０４Ｂ、６０６Ａ／６０６Ｂ、６０８Ａ／６０８Ｂ、６１０Ａ／６１０Ｂ、６１２Ａ／６１２Ｂを有するという点が加わる他は、レーザ５００（図５）と同じである。各組の反射器は、シリコンにおけるＳＲＳの射出範囲内で１つの異なる反射波長を有する。さらに、レーザ６００は、複数の波長選択カプラ６１４、６１５、６１８，６２０を含む。
【００３４】
本実施形態において、上記複数の反射器はシリコン基板１０３から形成された複数のコアを有する複数の導波路に形成された複数のブラッグ格子である。
【００３５】
作動させる際、複数の反射器６０４Ａ，６０４Ｂ、カプラ６１４およびレーザポンプ６０２は、１つの出力導波路６２４で波長λ１のレーザ出力を有するレーザ５００（図５）に実質的に類似した１つのレーザを形成する。
【００３６】
また、カプラ６１４は、残存ポンプ信号をカプラ６１６に接続された１つの導波路内に形成された複数の反射器６０６Ａ，６０６Ｂへ伝播させる。複数の反射器６０６Ａ、６０６Ｂは、波長λ２でレーザ光を発する１つのレーザを形成するが、このレーザはカプラ６１６が１つの波長６２６で出力するものである。
【００３７】
残存ポンプ信号は、反射器６０６Ａに接続された１つの導波路内に形成された複数の反射器６０８Ａおよび６０８Ｂに伝搬する。複数の反射器６０８Ａ、６０８Ｂは、波長λ３でレーザ光を発する１つのレーザを形成するが、このレーザはカプラ６１８が１つの導波路６２８で出力するものである。また、カプラ６１８は、残存ポンプ信号をカプラ６１８に接続された１つの導波路内に形成された複数の反射器６１０Ａ、６１０Ｂへ伝搬させる。
【００３８】
複数の反射器６１０Ａおよび６１０Ｂは、波長λ４でレーザ光を発する１つのレーザを形成するが、このレーザはカプラ６２０が１つの導波路６３０内で出力するものである。残存ポンプ信号は、反射器６１０Ａに接続された１つの導波路内に形成された反射器６１２Ａおよび６１２Ｂへ伝播する。複数の反射器６１２Ａおよび６１２Ｂは、１つの導波路６３２を介して出力する波長λ５でレーザ光を発する１つのレーザを形成する。ポンプレーザ６０２は、すべての反射器対間の導波路中にＳＲＳを発生させるのに十分な強度をもつポンプ信号を出力する。
【００３９】
図７は、本発明の一実施形態によるシリコンを基礎とする１つの誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）レーザ７００を示す。ＳＢＳは、１つのしきい値強度を超える１つのポンプ信号に一定の媒体内でＳＲＳを生じさせるという点でＳＲＳに似ている。一実施形態において、変位したＳＢＳ波長はシリコン内で略５０ＧＨｚである。ＳＢＳにおいて、（ＳＲＳとは異なり）変位信号の強度は、ポンプ信号のものと対向する反対方向への１つの最大値を有する。ＳＢＳレーザ７００は、１つの狭線幅ポンプレーザ７０２およびポンプ信号をポンプレーザ７０２から伝播させる１つの導波路７０６に形成された複数の反射器７０４Ａおよび７０４Ｂを含む。複数の反射器７０４Ａおよび７０４Ｂは、ＳＢＳ変位信号の波長に対して高い反射性を有し、ポンプ信号の波長に対して高い透過性を有する狭帯域反射器である。
【００４０】
図８は、本発明の一実施形態によるシリコンを基礎とする１つの単一ポンプ多重波長多重出力レーザ８００を示す。本実施形態において、レーザ８００は、複数の反射器対８０４Ａ／８０４Ｂ、８０６Ａ／８０６Ｂ、８０８Ａ／８０８Ｂ、８１０Ａ／８１０Ｂ、８１２Ａ／８１２Ｂおよび複数のタップカプラ８１４、８１６、８１８、８２０を含む。複数の反射器対８０４Ａ／８０４Ｂ、８０６Ａ／８０６Ｂ、８０８Ａ／８０８Ｂ，８１０Ａ／８１０Ｂ、８１２Ａ／８１２Ｂは、複数の波長λ１、λ２、λ３、λ４、λ５に対して高い反射性を有し、他の複数の波長は通過させるように形成される。
【００４１】
図７に関連して上記説明したように、ポンプレーザ８０２および複数の反射器８０４Ａ、８０４Ｂは、１つのλ１波長ＳＢＳレーザ信号を生成する。タップカプラ８１４は、λ１レーザ信号の残部を複数の反射器８０６Ａおよび８０６Ｂに伝播させながらλ１レーザ信号の一部を１つの出力導波路８２４にタッピングする。λ１レーザ信号のこの部分は、複数の反射器８０６Ａおよび８０６Ｂにより形成されたλ２レーザのポンプ信号として作用する。
【００４２】
タップカプラ８１６は、λ２レーザ信号の残部を複数の反射器８０８Ａおよび８０８Ｂにより形成されたλ３信号のポンプ信号として作用する複数の反射器８０８Ａおよび８０８Ｂに伝播しながら、λ２レーザ信号の一部を１つの出力導波路８２６にタッピングする。
【００４３】
タップカプラ８１８は、λ３レーザ信号の残部を複数の反射器８１０Ａおよび８１０Ｂにより形成されたλ４信号のポンプ信号として作用する複数の反射器８１０Ａおよび８１０Ｂに伝播しながらλ３レーザ信号の一部を１つの出力導波路８２８にタッピングする。
【００４４】
タップカプラ８２０は、λ４レーザ信号の残部を複数の反射器８１２Ａおよび８１２Ｂにより形成されたλ５信号のポンプ信号として作用する複数の反射器８１２Ａおよび８１２Ｂに伝播しながらλ４レーザ信号の一部を１つの出力導波路８３０にタッピングする。
【００４５】
図９は、本発明の一実施形態によるシリコンを基礎とする１つのＳＢＳ単一ポンプ多重波長単一出力レーザ９００を示す。本実施形態において、レーザ９００は、シリコンコアを有するようにシリコン基板１０３に形成された３対の狭帯域反射器９０４Ａ／９０４Ｂ、９０６Ａ／９０６Ｂ、９０８Ａ／９０８Ｂを含む。複数の反射器９０４Ａ／９０４Ｂ、９０６Ａ／９０６Ｂ、９０８Ａ／９０８Ｂは、それぞれ、他の複数の波長は通過させるが、波長λ１、λ２およびλ３で高い透過性を有する。本実施形態において、複数の反射器９０４Ａおよび９０４Ｂは、複数の反射器９０８Ａおよび９０８Ｂの外側に交互に配置された複数の反射器９０６Ａおよび９０６Ｂの外側に配置されている。これにより、複数の反射器９０４Ａ／９０４Ｂ、９０６Ａ／９０６Ｂおよび９０８／９０８Ｂは、１つの単一導波路に出力される複数の波長λ１、λ２、λ３のレーザをそれぞれ形成する。必要に応じて、複数の異なるレーザ信号を１つのＡＷＧ（図示せず）等の他の光回路系により分割することができる。
【００４６】
本明細書に、複数のＳＲＳおよびＳＢＳ増幅器、レーザおよび波長変換器の方法および装置の複数の実施形態を説明した。本発明の複数の実施形態の完全な理解に供するため、上記の説明において、多くの特定の詳細を明らかにした。しかしながら、関連技術の当業者であれば、１つ以上の特定の詳細がなくても、または複数の他の方法、部品、材料により、本発明を実施できることを認識するであろう。他の複数の例において、本明細書の妨げになることを防ぐため、複数の周知の構造、材料または操作を詳細に説明することは行わない。
【００４７】
本明細書を通して、「一実施形態」または「１つの実施形態」という表現が現れるが、これらは、実施形態に関連して説明する特定の特徴、構造または特性が少なくとも本発明の一実施形態に含まれることを意味する。このように、本明細書を通して、「一実施形態において」または「１つの実施形態において」という複数の句が様々な箇所で現れても、必ずしもすべてが同じ実施形態を意味するものではない。さらに、一以上の実施形態において、特定の複数の特徴、構造または特性は、どのような適切な方法においても、組み合わせることができる。
【００４８】
さらに、本発明の複数の実施形態は、１つの半導体チップだけでなく複数の機械読み取り可能な媒体内で実施することができる。例えば、上記説明した複数の設計を、半導体装置設計に使用される１つの設計ツールに関連する機械読み取り可能な媒体内に記憶または埋め込むことができる。例として、ＶＨＳＩＣハードウェア記述言語（ＶＨＤＬ）言語、Ｖｅｒｉｌｏｇ言語またはＳＰＩＣＥ言語にフォーマットされた１つのネットリストが含まれる。いくつかのネットリストの複数の例は以下のものを含む。１つの行動レベルネットリスト、１レジスタ転送レベル（ＲＴＬ）ネットリスト、１つのゲートレベルネットリスト、トランジスタレベルネットリスト。また、複数の機械読み取り可能媒体には、１つのＧＤＳ−ＩＩファイル等のレイアウト情報を有する複数の媒体が含まれる。さらに、複数の半導体チップ設計用のネットリストファイルまたは他の機械読み取り可能な媒体を１つのシミュレーション環境で使用して、上記説明の教示する方法を実行することができる。
【００４９】
これにより、処理のコア（１台のコンピュータのＣＰＵ等）のいくつかの形態で実行、またはその他、１つのコンピュータ読み取り可能な媒体上または媒体中で実施または達成する１つのソフトウェアプログラムを使用して、またはそれを支援するために、本発明の複数の実施形態を使用することができる。１つの機械読み取り可能な媒体は、１台の機械（例えば、１台のコンピュータ）によって読み取ることができる１つの形としての情報を記憶または伝送するための任意の機構を含む。例えば、１つの機械読み取り可能な媒体には、１つの読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）および以下のものが含まれる。１つのランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、１つの磁気ディスク記憶媒体、１つの光ディスク記憶媒体、および１つのフラッシュメモリ装置など。さらに、１つの機械読み取り可能な媒体は、電気信号、光信号、音響信号またはその他の形態の複数の伝播信号（例えば、複数の搬送波、赤外信号、ディジタル信号等）を含むことができる。
【００５０】
要約で説明したことを含めて、上記の本発明の複数の実施形態の説明は、公開された複数の正確な形式を網羅するものでもあるいは制限するものでもない。本明細書で、本発明の特定の複数の実施形態およびその例を例示する目的のために説明するが、関連技術の当業者が認識するように種々の相当する修正が可能である。
【００５１】
上記詳細な説明に照らして、これら複数の修正を本発明の複数の実施形態に加えることができる。以下の複数の請求項で使用する複数の用語は、本明細書および特許請求の範囲で開示する特定の複数の実施形態に制限を加えるものであると解釈してはならない。正確に言うと、特許請求の範囲の解釈の確立された複数の原則に従って解釈するべき本願の特許請求の範囲により、本発明の範囲を全体的に決定するべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施形態による１つのシリコン系誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）増幅器を示すブロック図である。
【図２】図１で図示したＳＲＳ増幅器の複数の利得を示す１つのグラフである。
【図３】図１に図示したＳＲＳ増幅器を含む１つの光通信システムの簡略化した１つのブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態によるシリコン系単一ポンプＳＲＳ増幅器アレイの１つのブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態によるシリコン系ＳＲＳレーザの１つのブロック図である。
【図６】本発明の一実施形態による１つのシリコン系単一ポンプＳＲＳ多重波長レーザの１つのブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態による１つのシリコン系誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）レーザの１つのブロック図である。
【図８】本発明の一実施形態による１つのシリコン系ポンプＳＢＳ多重波長多重出力レーザの１つのブロック図である。
【図９】本発明の一実施形態による１つのシリコン系単一ポンプＳＢＳ多重波長多重出力レーザの１つのブロック図である。
【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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【図８】
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【図９】
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