(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類元素がドープされた光ファイバアンプから構成され、第１波長の第１入力光が入力されることにより、該第１入力光の波長を含む増幅利得のある波長域内の光を該第１入力光の強度変化に応答して強度変化させる第１光増幅素子と、
該第１光増幅素子の増幅利得のある波長域内にある第１波長および第２波長または第１波長のレーザ光を前記第１光増幅素子に入力させる第１光入力素子と、
前記第１光増幅素子から放出される光のうち第２波長の光を選択する第１光フィルタ素子と、
希土類元素がドープされた光ファイバアンプから構成され、該第１光フィルタ素子により選択された第２波長の光が入力させられることにより、該第２波長を含む増幅利得のある波長域内の光を該第２入力光の強度変化に応答して強度変化させる第２光増幅素子と、前記第１波長のレーザ光またはその第１波長を含む前記第２光増幅素子の増幅利得のある波長域内の第３波長のレーザ光をその第２光増幅素子に入力する第２光入力素子と、
前記第２光増幅素子から出力された光のうちから第１波長または第３波長に光を選択して該第１波長または第３波長の出力光を出力する第２光フィルタ素子と
を、含むことを特徴とする光制御装置。
【請求項２】
前記希土類元素がドープされた光ファイバアンプは、エルビウム元素がドープされた光ファイバアンプである請求項１の光制御装置。
【請求項３】
前記光フィルタ素子は、光ファイバまたは導波路の一部が長手方向において周期的に屈折率を変化させることにより構成されたものである請求項１の光制御装置。
【請求項４】
前記光フィルタ素子は、導波路の表面の長手方向において周期的な凹凸を設けることにより構成されたものである請求項１の光制御装置。
【請求項５】
前記光フィルタ素子は、屈折率が異なる多数組の層が積層されることにより構成されたものである請求項１の光制御装置。
【請求項６】
前記光入力素子は、光カプラ、方向性結合器、または光サーキュレータから構成されるものである請求項１の光制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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素子、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制御方法および光制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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素子は、未だ実現されていない。
【０００３】
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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
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制御方法および装置を提供することにある。
【０００５】
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、希土類元素添加ファイバアンプ（光増幅素子）において、所定波長λ１  の入力光の周囲波長の自然放出光が、その入力光の強度変化に応答し、その変化は入力光の信号強度変化に対して逆の強度変化をすることを見いだした。また、その自然放出光の波長域内すなわち入力光の周囲波長域内の他の波長λ２  のレーザ光を上記入力光に重畳させて入射させると、上記自然放出光の信号（振幅）変化は維持されつつ、全体の強度が急激に増加するという現象すなわちレーザ誘導光信号増強効果（Laser induced signal enhancement effect ）を見い出した。さらに、本発明者は、半導体光増幅素子において、上記と同様な現象の他に、前記波長λ２  のレーザ光を重畳させる代わりに半導体光増幅素子内で発生した光の中から波長λ２  の光を選択的に出力させることによって、上記と同様な現象が得られることを見いだした。これらの現象は、波長λ１  からλ２  への光信号の波長変換と考えられる。そして、その波長変換方法を２段接続するタンデム波長変換方式による光３端子素子（Tandem Wavelength Convertion Optical Triode)を着想し、その光制御方法および光制御装置をも見いだした。本発明はかかる知見に基づいて為されたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１に対応する発明すなわち光制御装置の要旨とするところは、(a)希土類元素がドープされた光ファイバアンプから構成され、 第１波長の第１入力光が入力されることにより、その第１入力光の波長を含む増幅利得のある波長域内の光をその第１入力光の強度変化に応答して強度変化させる第１光増幅素子と、(b) その第１光増幅素子の増幅利得のある波長域内にある第１波長および第２波長または第１波長のレーザ光を前記第１光増幅素子に入力させる第１光入力素子と、(c) 前記第１光増幅素子から放出される光のうち第２波長の光を選択する第１光フィルタ素子と、(d) 希土類元素がドープされた光ファイバアンプから構成され、その第１光フィルタ素子により選択された第２波長の光が入力させられることにより、その第２波長を含む増幅利得のある波長域内の光をその第２入力光の強度変化に応答して強度変化させる第２光増幅素子と、(e) 前記第１波長のレーザ光またはその第１波長を含むその第２光増幅素子の増幅利得のある波長域内の第３波長のレーザ光をその第２光増幅素子に入力する第２光入力素子と、(f)その第２光増幅素子から出力された光のうちから第１波長または第３波長に光を選択してその第１波長または第３波長の出力光を出力する第２光フィルタ素子とを、含むことにある。
【０００７】
【発明の効果】
このようにすれば、光信号で光信号を増幅およびスイッチング制御可能な３端子の制御方法および装置が得られる。すなわち、第１光増幅素子では、第１入力光の強度変化に応答して強度変化させられる増幅利得のある周囲波長光の波長域内の第２波長の第２入力光（レーザ光）が入力されると、その第２波長の増幅光が取り出されて第２光増幅素子に入力され、ここにおいてもその第２波長の増幅光の強度変化に応答して強度変化させられる増幅利得のある周囲波長光の波長域内の第３波長（または第１波長）の第３入力光がその第２光増幅素子に入力させられると、その第３波長（または第１波長）の出力光が出力される。この出力光は、第３入力光に同期してスイッチングされるとともに、さらに増幅されている。
【０００８】
【発明の他の態様】
ここで、好適には、前記希土類元素がドープされた光ファイバアンプから構成された光増幅素子は、エルビウムが高濃度で添加されたガラスファイバが、そのエネルギ準位における基底吸収可能な波長たとえば０．９８μｍまたは１．４８μｍの励起光で励起されているものである。このようにすれば、エルビウムの高濃度添加によって自然放出準位の寿命（ライフタイム）が減少し、高速動作が可能となる。
【０００９】
また、好適には、前記光フィルタ素子は、ファイバーまたは導波路の一部が長手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である。このようにすれば、光制御装置が光ファイバまたは光導波路から構成される場合には、光ファイバまたは導波路の一部または全部を上記グレーティングフィルタとすることができるので、光制御装置が一層小型となる。
【００１０】
また、好適には、前記光フィルタ素子は、導波路の表面の長手方向において周期的な凹凸を設けることにより構成された光フィルタ部である。このようにすれば、導波路内において屈折率の周期的変化を設ける必要がないので、モノリシック光ＩＣとして容易に集積できる。
【００１１】
また、好適には、前記光フィルタ素子は、所定波長の光を選択的に透過或いは反射させるために、屈折率が異なる多数組の層が積層されることにより構成されることができる。このような場合には、特に面発光半導体レーザを用いる場合に有効となる。
【００１２】
また、好適には、前記光入力素子は、光カプラ、方向性結合器、または光サーキュレータから構成される。特に、光サーキュレータを用いれば、半導体レーザの出力部から第１入力光を入力させることができるので、安価な市販の半導体レーザを用いることができる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の一実施例の光制御装置１０を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１において、第１レーザ光源１２は、たとえば１５３４ｎｍの第１波長λ１  の第１レーザ光Ｌ１  を出力し、第１光変調器１４が設けられた第１光ファイバＦ１  を介して伝播させる。第２レーザ光源１６は、たとえば１５５５ｎｍの第２波長λ２  の第２レーザ光Ｌ２  を出し、第２光変調器１８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１２および第２レーザ光源１６はたとえば可変波長半導体レーザが用いられる。上記第１光変調器１４および第２光変調器１８は、信号発生器２０および２２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。光カプラ２４は、上記第１光ファイバＦ１  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Ｆ１  および第２光ファイバＦ２  を伝播してきた第１レーザ光Ｌ１  および第２レーザ光Ｌ２  を重畳し、第３光ファイバＦ３  を介して光増幅素子２６へ入力する。光フィルタ素子２８は、光増幅素子２６に接続され、その光増幅素子２６から出力された光のうちから第１波長λ１  の光を選択し、出力光として出力する。それら光増幅素子２６および光フィルタ素子２８が、第２レーザ光Ｌ２  の信号を波長λ１  の信号に変換しその信号を直接的に増幅して出力する光制御装置１０に対応している。図１には、上記重畳した第１レーザ光Ｌ１  および第２レーザ光Ｌ２  と光フィルタ素子２８を透過した出力光とをそれぞれモニタするための一対の光検出器３０、３２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３４とが設けられている。
【００１５】
上記光増幅素子２６は、たとえば石英系或いは弗化物系ガラスなどの光透過媒体であり、たとえばエルビウム元素などの希土類元素がドープされることにより、たとえば図２に示すように、３準位系または４準位系のエネルギ準位がその光透過媒体内に構成されて、所謂レーザシステムが形成されている。本実施例の光増幅素子２６は、エルビウム元素およびアルミニウムがドープされることにより１７００ｐｐｍ程度の比較的高濃度のエルビウムイオンＥｒ３＋および１００００ｐｐｍ程度のアルミニウムイオンＡｌ３＋を含む２０ｍ程度の長さのガラス製光ファイバーから構成されているので、エルビウムドープドファイバアンプ（ＥＤＦＡ）とも称される。この光増幅素子２６は、励起状態において前記第１波長λ１  或いは第２波長λ２  の光が光増幅可能とされるものであり、たとえば１．４８μｍの波長のレーザ光がその長手方向に伝播させられることによりエルビウムが励起状態に維持されていて、それらのうちのいずれかの波長の光、たとえば第２波長λ２  の光が入射されると、たとえば図３の(a) に示すように、その第２波長λ２  を中心としたブロード（広帯域）な自然放出光（ＡＳＥ）が発生させられるとともに、その第２波長λ２  のレーザ光の強度を高めると、図３の(b) に示すように、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。上記自然放出光すなわち周囲光は、光増幅素子２６の増幅利得のある波長域である。
【００１６】
また、上記光フィルタ素子２８は、たとえば紫外線が局部的に照射されることにより、ガラスファイバーの一部が長手方向において屈折率が周期的に変化させられたファイバーグレーティングフィルタであって、第１波長λ１  を中心波長とし且つ半値幅が１ｎｍの光を選択して透過させるものであり、たとえば上記光増幅素子２６を構成するガラス製光ファイバーの終端部に設けられる。
【００１７】
以上のように構成された図１の光制御装置１０において、変調された第２レーザ光Ｌ２  だけが光増幅素子２６に入力されると、光フィルタ素子２８により選択された出力光のスペクトルは、図４の(a) に示すものとなり、変調されない第１レーザ光Ｌ１  を第２レーザ光Ｌ２  に重畳した光が光増幅素子２６に入力されると、光フィルタ素子２８により選択された出力光のスペクトルは、図４の(b) に示すものとなる。図４の(a) および(b) における出力光は、第２波長λ２  の第２レーザ光Ｌ２  により光増幅素子２６内に発生した自然放出光内から光フィルタ素子２８により選択された波長λ１  の成分であり、変調されない第１レーザ光Ｌ１  が第２レーザ光Ｌ２  に重畳された図４(b) では、前記レーザ誘導光信号増強効果により、出力光強度のピーク値が大幅高くされている。上記変調されない光とは、一定強度の連続光（Continuous Wave ）であることを意味している。
【００１８】
したがって、図１の光制御装置１０において、第２レーザ光Ｌ２  に対して第２変調器１８を用いて１ｋＨｚの変調を行うとともに、その変調された第２レーザ光Ｌ２  （Ｉ2 ）に変調されていない第１レーザ光Ｌ１  （Ｉ1 ）を重畳させた光が光増幅素子２６に入力されると、図５の(c) に示す１ｋＨｚの入力信号（第２レーザ光Ｌ２  ）から図５の(a) の出力光（Ｉｏｕｔ  ）に示すように増幅される。図５の(b) は、光増幅素子２６に入力させられる変調された第２レーザ光Ｌ２  に対して変調されない第１レーザ光Ｌ１  を重畳させない場合の出力光を示している。上記において、光パワーメータを用いて光強度を測定したところ、Ｉｏｕｔ  ＝２７３μＷ（Ｉ１  ＝０μＷ）、Ｉｏｕｔ  ＝１３５０μＷ（Ｉ１  ＝５μＷのとき）であった。このことから、第１レーザ光Ｌ１  を重畳することによって、出力光強度Ｉｏｕｔ  が大幅に増幅されていることが明らかである。一方出力光波形は入力光波形に対して逆転しており、入力光の変調度（％）［＝１００×（Ｉｍａｘ  −Ｉｍｉｎ  ）／（Ｉｍａｘ  ＋Ｉｍｉｎ  ），但し、Ｉｍａｘ  は光信号の最大値、Ｉｍｉｎ  は光信号の最小値］は維持されて出力されている。
【００１９】
上記光増幅素子２６および光フィルタ素子２８を含む本実施例の光制御装置１０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  が光増幅素子２６に入力され、その第２波長λ２  の周囲光（自然放出光）の波長帯域（周囲波長域）内においてその第２波長λ２  とは異なる第１波長λ１  の第１入力光である第１レーザ光Ｌ１  が光入力装置或いは光入力素子として機能する光カプラ２４により光増幅素子２６に入力され、それら第２レーザ光Ｌ２  および第１レーザ光Ｌ１  が相互に重畳させられ、その光増幅素子２６からの光が光フィルタ素子２８により第１波長λ１  の光に選択されて出力光とされると、その出力光は、第２波長λ２  の第２レーザ光Ｌ２  の信号変化に応答して、その第２レーザ光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Ｌ２  の信号強度Ｉ２  を大きく増幅した信号強度Ｉｏｕｔ  を有する出力光が得られる。
【００２０】
また、本実施例の光増幅素子２６は、たとえばエルビウム元素がドープされたガラスファイバーから構成されるので、そのガラスファイバーの一端に重畳した第１レーザ光Ｌ１  および第２レーザ光Ｌ２  を入射させ、他端から出た光を光フィルタ素子２８を通して容易に取り出すことができる。また、上記光増幅素子２６は、エルビウムが高濃度で添加されたガラスファイバが、そのエネルギ準位における基底吸収可能な波長たとえば０．９８μｍまたは１．４８μｍの励起光が入射されてそれにより射されて励起されているものである。このようにすれば、エルビウムの高濃度添加によって自然放出準位の寿命（ライフタイム）が減少し、高速動作が可能となる。
【００２１】
また、本実施例の光フィルタ素子２８は、光出力素子或いは光出力装置としても機能するものであり、ガラスファイバーの一部が長手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であることから、光増幅素子２６がガラスファイバーであると、そのガラスファイバーの一部或いはそれに接続されたガラスファイバーを上記グレーティングフィルタとすることができるので、光機能素子として機能する光増幅装置１０が一層小型となる。
【００２２】
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。
【００２３】
図６は、図１の装置において、第１変調器１４を用いて２０ｋＨｚの変調をさらに行った場合の波形を示している。図６の(a) は１ｋＨｚの変調を受けた入力信号（第２レーザ光Ｌ２  ）であり、図６の(b) はその第２レーザ光Ｌ２  の入力信号と２０ｋＨｚの変調を受けた入力信号（第１レーザ光Ｌ１  ）とが重畳された光出力（Ｉｏｕｔ  ）を示している。これは、信号周波数が低い場合を確認したものであり、Ｌ１  の変調周波数はＧ（ギガ）Ｈｚオーダでも十分に増幅できる。また、図６のＴに示すレベルの閾値を設定し、上記光出力をその閾値Ｔを境にしてスイッチングが行われるようにすることが可能である。
【００２４】
図７は、図１の実施例で用いられた光制御装置１０を２つ用いて１対２の光スイッチを構成した光制御装置３８を示している。図７において、１対の光増幅素子２６、２６' には、図８の(1) に示すレーザ光源１２からの波長λ１  の変調信号が入力されるとともに、図８の(2) 、(4) に示す１対のレーザ光源１６、１６' からの互いに反転した位相の波長λ２  の変調信号が、光カプラ２４、２４' により上記波長λ１  の変調信号に重畳されてから入力されると、上記１対の光増幅素子２６、２６' からの光を波長λ１  について選択する１対の光フィルタ素子２８、２８' をそれぞれ透過して出力された１対の光出力は、図８の(3) 、(5) に示すように、上記変調された波長λ１  のレーザ光が上記波長λ２  のレーザ光によりスイッチングされた信号となる。
【００２５】
図９の光制御装置４０においては、波長λ１  の第１レーザ光Ｌ１  （第１入力光：Ｉｉｎ）および波長λ２  の第２レーザ光Ｌ２  （第２入力光：バイアス光Ｉｂｉａｓ）が第１の光カプラ２４により重畳されて光増幅素子２６に入力されるとともに、その光増幅素子２６からの光のうちの第１の光フィルタ素子２９によって波長λ２  について選択された光と変調されない連続光である波長λ１  の第３レーザ光Ｌ３  （第３入力光：制御光Ｉｃ  ）とが第２の光カプラ２４' により重畳されて第２の光増幅素子２６' に入力される。そして、その第２の光増幅素子２６' からの光のうちの波長λ１  について第２の光フィルタ素子２８により選択された光が図１０の(a) に示す出力信号Ｉｏｕｔ  に示すように増幅されて出力される。図１０において、(b) は上記第２の光増幅素子２６' に入力されるとき、光フィルタ素子２９によって波長λ２  について選択された光に対して第３レーザ光Ｌ３  を重畳しない場合の光出力信号を示し、(c) は上記第１レーザ光Ｌ１  の信号波形を示している。
【００２６】
図１１は、上記図９の光制御装置４０において、第３レーザ光Ｌ３  （第３入力光：制御光Ｉｃ  ）をパラメータとする入出力特性すなわち第１レーザ光Ｌ１  （第１入力光：Ｉｉｎ）の入力信号強度と出力光（Ｉｏｕｔ  ）の入力信号強度と関係を示している。この図１１から明らかなように、制御光Ｉｃ  の信号強度が零である場合にはほとんど出力光強度が得られないが、制御光Ｉｃ  を注入することによって急激に出力光強度が増加させられる。すなわち、第１波長λ１  の第１レーザ光Ｌ１  の信号を増幅して第１波長λ１  の出力光として出力したり、第１波長λ１  の第１レーザ光Ｌ１  を第１波長λ１  の第３入力光を用いてスイッチングするなどの制御をして第１波長λ１  の出力光として出力したりすることが可能となり、３端子のトランジスタと同様に、第１波長λ１  の制御光Ｉｃ  によって出力光強度が制御される。
【００２７】
本実施例によれば、上記出力信号光Ｉｏｕｔ  は、第１レーザ光Ｌ１  （第１入力光：Ｉｉｎ）の第１波長λ１  と同じ波長が得られると同時に、その第１波長λ１  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。
【００２８】
なお、前記図１の光増幅素子２６は、エルビウム元素を含むガラス製光ファイバーであったが、プラセオジムが添加（ドープ）された光ファイバーであってもよい。この場合においては、波長λ１  が１３２２ｎｍの第１レーザ光と、波長λ２  が１３３０ｎｍの第２レーザ光とが好適に用いられる。また、その光増幅素子２６として、後述のようなたとえばInGaAsP/InP 半導体光増幅素子などが用いられてもよい。この場合には、波長λ１  が１５５０ｎｍの第１レーザ光と、波長λ２  が１５３０ｎｍの第２レーザ光とが好適に用いられるとともに、光制御装置の小型化とスイッチング速度の高速化が可能となる。
【００２９】
図１２は、素子の両端面の反射率をたとえば０．１乃至１％以下に低く抑制した進行波型の半導体光増幅素子（ＳＯＡ：semiconductor optical amplifier）を用いて、たとえば図９に示す光制御装置５０内の光増幅素子２６および２６' を構成することができる。この場合には、各半導体光増幅素子２６および２６' に対して２５０ｍＡの注入電流を与えると、約２０ｄＢ程度のゲインが得られた。この場合、第３入力光としてλ１  以外の波長λ３  を用い、光フィルタ部２８をλ３  に設定することにより、信号のスイッチングや増幅の他に、λ３  の波長を取り出す波長変換素子としても利用できる。上記光増幅素子２６を構成する進行波型の半導体光増幅素子では、光増幅素子２６の活性層を構成する物質のバンドギャップで決まる増幅ゲインのある（増幅利得が１以上の）周囲波長域内であるレーザ光である第１波長（λ１  ）の入力光Ｉｉｎとバイアス光すなわち波長（λ２  ）の入力光Ｉｂｉａｓとが重畳して入力されると、第１波長（λ１  ）の入力光Ｉｉｎの入力波形に対して反転した波長λ２  の出力光がフィルタ部２９を通して出力され、光増幅素子２６' では、同様にその光増幅素子２６' の周囲波長域内のその波長λ２  の光増幅素子２６からの出力光と波長λ３  の第３入力光とが入力されると、その出力光に反転し且つ強度が高められた波長λ３  の出力光Ｉｏｕｔ  が出力され、図１０に示すものと同様の入出力関係が得られる。
【００３０】
図１３は、半導体光増幅部４６と光フィルタ部４８とを備えた光制御装置５０を示している。この光制御装置５０は、たとえばファブリーペロ型半導体レーザ、外部共振型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ、単一縦モード発振型半導体光増幅素子などから構成される。この半導体光増幅素子４６は、電流注入により励起された活性（発光）層からレーザ光（Ｉｏｕｔ  ）が出力されるが、出力光の一部が帰還される機能を備えたものであり、好適には、外部共振器型半導体レーザ素子や、たとえば図１４(a) に示す分布帰還型（ＤＦＢ；distributed feedback）半導体レーザ素子、図１４(b) に示す分布ブラッグ反射器型（ＤＢＲ；distributed Bragg reflector ）半導体レーザ素子などの帰還型半導体光増幅素子から好適に構成される。上記分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ素子或いは分布ブラッグ反射器型（ＤＢＲ）半導体レーザ素子は、導波路となる活性層とそれに隣接する層との接合境界面すなわち導波路の表面にたとえばレーザ干渉露光法によって周期的な微細な凹凸を設けるとその周期的な凹凸が回折格子或いはブラッグ反射器として機能して反射する現象があるので、その回折格子或いはブラッグ反射器の反射に由来する発振波長選択機能が利用される。すなわち、活性層での発振（増幅）は上記回折格子或いはブラッグ反射器の最大反射率となる波長λすなわち凹凸周期Λ値で決まる波長λ（＝２ｎΛ／ｌ、但しｎはモード屈折率、ｌは回折次数）で単一縦モードにより行われるので、その発振波長λのレーザ光が出力される。したがって、上記分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ素子或いは分布ブラッグ反射器型（ＤＢＲ）半導体レーザ素子などの半導体光増幅素子では、活性層を構成する物質で定まる増幅利得のある（増幅ゲインが1より大）波長域の光が発生させられてその波長域内で増幅されるが、その増幅利得のある波長域内において、上記周期的な微細な凹凸で定まる単一の発振波長λで発振させられる。このように、導波路との境界面において微細な凹凸が形成された活性層は、前記半導体光増幅部４６および光フィルタ部４８として機能している。これら分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ素子或いは分布ブラッグ反射器型（ＤＢＲ）半導体レーザ素子は、端面に反射鏡を設けなくてよいので、モノリシック集積化に適している。
【００３１】
以上のように構成された図１３の光制御装置（ＤＦＢ半導体レーザ素子或いはＤＢＲ半導体レーザ素子）５０において、たとえば波長λ１  が１５５０ｎｍであるレーザ光源１２からの第１レーザ光Ｌ１  が変調器１４にて変調されて入力されると、この変調された第１レーザ光Ｌ１  は半導体光増幅部５０内において周囲波長域内の光に対して変調すなわち入力光の強度変化に反転する強度変化を与える。この現象は、クロスゲイン変調（ＸＧＭ）と称される。光制御装置５０を構成する上記半導体レーザ増幅器では、凹凸周期Λ値で決まる波長で単一縦モードで発振が行われるので、上記入力光Ｉｉｎの波長λ１  （＝ １５５０ｎｍ）の周囲波長であって上記凹凸周期Λ値で決まる波長λ２  （たとえば１５４０ｎｍ）の第２波長λ２  の出力光Ｉｏｕｔ  が出力される。この周囲波長とは、活性層を構成する物質のエネルギ準位で決まるものであって、上記半導体レーザ増幅器において増幅利得のある（増幅ゲインが１より大である）波長帯域を示している。上記入力光Ｉｉｎの波長λ１  や出力光Ｉｏｕｔ  の波長λ２  も、上記半導体（ＤＦＢ）レーザ素子の増幅ゲインのある帯域内で任意に選択設定されたものが用いられ得る。
【００３２】
因みに、図１５は、光制御装置５０を構成する半導体レーザ増幅器として、ＩｎＧａＡｓＰの多重量子井戸構造を備えた活性層のＤＦＢレーザ素子が３０ｍＡの注入電流で駆動されている場合において、１ＭＨｚで変調された波長λ１  の入力光Ｉｉｎの波形と、波長λ２  の出力光Ｉｏｕｔ  の波形とを示している。入力光Ｉｉｎは１００％近くの変調度であるのに対し、出力光Ｉｏｕｔ  でも１００％近くの変調度が得られている。一般に、端面反射率をたとえば０．１乃至１％以下に低く設定した進行波型半導体光増幅素子では、クロスゲイン変調による出力光の変調度は小さいことが確認されているのに対し、本実施例では十分に大きな出力光Ｉｏｕｔ  の変調度が得られている。それ故、上記光制御装置５０を構成するＤＦＢレーザ素子は、出力光の波長を入力光Ｉｉｎの周囲波長内の第２波長λ２  に選択する光フィルタ機能と、共振器としてとして光を帰還させることにより出力光の変調度を大きくする光増幅器機能とを備えていると言える。
【００３３】
また、図１、図９の実施例では、入力光として２つの波長のレーザ（一方はバイアス光）を用いていたが、本実施例の光制御装置５０を構成するＤＦＢ半導体レーザ素子では、半導体光増幅部４６内において発生する光を出力光（バイアス光）Ｉｏｕｔ  とするため、入力光Ｉｉｎは１つでよく、外部からのバイアス光は不要となる利点がある。
【００３４】
また、上記ＤＦＢ半導体レーザ素子の出力側から入力光Ｉｉｎを光サーキュレータを用いて入射させ、その光サーキュレータを介して出力光Ｉｏｕｔ  を取り出すことができる。これにより、光学的には光出力部を備えているだけの通常の市販の半導体レーザ素子を、上記光制御装置５０として用いることが可能となる。
【００３５】
また、上記光制御装置５０を構成するＤＦＢ半導体レーザ素子或いはＤＢＲ半導体レーザ素子などにおいて、１重或いは多重の量子井戸だけでなく、量子細線、量子箱（量子ドット）を有する活性層が備えられていてもよい。また、それらＤＦＢ半導体レーザ素子或いはＤＢＲ半導体レーザ素子などは、偏波依存性のない出力光を得るために、格子定数差で歪みを設けた歪み超格子を備えたものであってもよい。
【００３６】
図１６は、本発明の他の実施例である、ＤＦＢ半導体レーザ素子から成る第１半導体増幅素子６２とＤＢＲ半導体レーザ素子から成る第２半導体増幅素子６４とから構成される３端子の光制御装置６０を示している。この３端子の光制御装置６０は、好適には、多数の光制御素子或いは光制御装置が集積されるモノリシック構造の光ＩＣ内の一部に設けられ得るものである。この光制御装置６０は、たとえば強度変調された波長λ１  の入力光Ｉｉｎが波長λ２  で発振するように設定された第１半導体増幅素子６２に入力され、その第１半導体増幅素子６２からの波長λ２  のレーザ光と強度変調された波長λ１  の制御光Ｉｃ  とが方向性結合導波路６６により重畳されて第２半導体素子６４へ入力される。この第２半導体素子６４は波長λ１  で発振するように設定されているので、波長λ１  の出力光Ｉｏｕｔ  が得られる。上記波長λ１  およびλ２  は第１半導体増幅素子６２および第２半導体増幅素子６４の周囲波長内に属している。本実施例では、ＤＦＢ半導体レーザ素子から成る第１半導体増幅素子６２においてスイッチングが好適に行われ、ＤＢＲ半導体レーザ素子から成る第２半導体増幅素子６４において信号増幅が好適に行われる。図１７は、この３端子の光制御装置６０における入力光Ｉｉｎ、制御光Ｉｃ  、出力光Ｉｏｕｔ  の波形を示している。図１７において、出力光Ｉｏｕｔ  の波形は、入力光Ｉｉｎに対して大幅に増幅されており、しかも強度変調された波長λ１  の制御光Ｉｃ  により制御されている。
【００３７】
図１８に示す３端子の光制御装置６６は、ＤＦＢ半導体レーザ素子或いはＤＢＲ半導体レーザ素子などのたとえば波長λ２  における単一波長発振モードによる光選択機能を有する第１半導体光増幅素子６８と、第１半導体光増幅素子６８にその光出力部から変調をかけるための入力光Ｉｉｎを入力させるための光サーキュレータ７０と、両端面の反射率をたとえば０．１乃至１％以下に低く抑えた進行波型半導体光増幅素子（ＳＯＡ）から構成されることにより複数波長で増幅可能な第２半導体光増幅素子７４と、その第２半導体増幅素子７４に上記入力光Ｉｉｎと制御光Ｉｃ  とを重畳して入力させるための方向性光結合器７２と、その出力波長から１波長たとえばλ３  を選択する光フィルタ７６とを備えている。本実施例では、たとえば強度変調された波長λ１  の入力光Ｉｉｎが波長λ２  で発振するように設定された第１半導体増幅素子６８に入力され、その第１半導体増幅素子６８からの波長λ２  のレーザ光と強度変調された波長λ３  の制御光Ｉｃ  とが方向性結合器７２により重畳されて第２半導体素子７４へ入力される。この第２半導体素子７４における出力波長から上記光フィルタ７６により選択された第３波長λ３  の出力光Ｉｏｕｔ  が得られる。本実施例によれば、変調をかけるための入力光Ｉｉｎが光サーキュレータ７０により第１半導体増幅素子６８の光出力部からを入力されるので、市販の半導体レーザ素子がそのまま第１半導体増幅素子６８として用いられる。また、上記制御光Ｉｃ  として第３波長λ３  を用い、光フィルタ７６を第３波長λ３  を選択するものとすることにより、出力光Ｉｏｕｔ  の波長をλ３  とする波長変換素子として利用することができる。本実施例では、第２半導体増幅素子７４が周囲光の波長帯内において信号増幅する進行波型半導体光増幅素子（ＳＯＡ）から構成されるので、制御光Ｉｃ  の波長λ３  と光フィルタ７６の選択波長とを設定することにより出力光Ｉｏｕｔ  の波長を周囲光の波長帯内に任意に設定できる利点がある。したがって、制御光Ｉｃ  の波長λ３  と光フィルタ７６の選択波長をλ１  に設定することもできる。
【００３８】
図１９は、上記３端子の光制御装置６６における入力光Ｉｉｎ、制御光Ｉｃ  、出力光Ｉｏｕｔ  の波形を示している。入力光Ｉｉｎとして歪んだ波形が用いられており、その歪んだ波形の入力光Ｉｉｎが制御光Ｉｃ  によって変調されると同時に、きれいな矩形波に成形されるとともに振幅増幅されて出力光Ｉｏｕｔ  が得られている。すなわち、光制御装置としての重要な機能である以下に説明する３Ｒ機能すなわち波形成形機能、正確な信号タイミング決定機能、強い光（増幅）の光再送機能が得られる。
【００３９】
因みに、従来の光通信分野における光信号の再生中継では、一般に、光信号を検波して電気信号に変換し、電気領域で波形成形（Reshaping ）が行われ、波形成形された信号からクロックを抽出し、そのクロックに従ってオンオフの判定を行うタイミングが決定（Retiming）され、次いで、オンオフを識別して、その識別信号により再度光源を変調して強い光が送出（Regeneration）される。この３つの機能が３Ｒ機能と称される。しかし、このような従来の電気による光信号の中継は、速度の面で限界があった。電気による光信号処理の速度限界は１０乃至４０ＧＨｚであるため、時間多重可されたこのビットレート以上の高速通信を扱うことができないのである。また、光信号から電気信号への変換、電気信号から光信号への再生を行うために部品が多くなって高価となっていた。これに対して、エルビウムドープ光ファイバから成る光増幅素子を用いることにより光信号をそのままで増幅して伝送中の減衰による損失は補償され得るけれども、上記クロックに従ってオンオフの判定を行うタイミング決定（Retiming）や、波形成形（Reshaping ）が得られないので、アナログ的に波形歪みやパルスのジッタが蓄積するという問題が残されたいたのである。
【００４０】
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。
【００４１】
たとえば、前述の実施例において、光増幅素子２６および光フィルタ素子２８が１組で１つの光機能素子とすると、図１および図１３の実施例では１つの光機能素子が用いられ、図９、図１６、図１８の実施例では２つの光機能素子が直列に用いられていることになるが、３以上の光機能素子が直列に或いは並列に用いられても差し支えない。
【００４２】
また、前述の実施例における他の光増幅素子２６、２６'、４６、６２、６４、６８、７４においても、発振波長（増幅波長）が１５００ｎｍ帯の場合には、InGaAsP/InP 半導体光増幅素子が好適に用いられるが、たとえばInGaP 、InGaAs、AlGaAs、InGaAlN、InGaNAs 、InAsP 、AlGaInAs 、InGaN、InGaAsSb 、InAsPSb、AlGaAsSb、PbSnTe、PbTeS、PbTeSe、PbSSe、ZnOなどのIII-V 族混晶半導体をはじめとする多元混晶半導体などが活性層の材料として用いられ得るとともに、それらの組成比（混晶比）を変化させることにより光増幅する波長が任意に設定される。
【００４３】
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の光制御装置の構成を説明するブロック図である。
【図２】図１の実施例における光増幅素子のエネルギ準位構造を説明する図である。
【図３】図１の実施例における光増幅素子において、入射光に基づいて発生する自然放出光のスペクトルを説明する図である。
【図４】図１の光制御装置において、第２波長λ２  の第２レーザ光Ｌ２  により光増幅素子内に発生した自然放出光内から光フィルタ素子により選択された波長λ１  の成分を示すスペクトルであって、(a) は上記第２レーザ光Ｌ２  に波長λ１  の第１レーザ光Ｌ１  が重畳されない場合を示し、(b) は上記第２レーザ光Ｌ２  に第１レーザ光Ｌ１  が重畳された場合を示している。
【図５】図１の光制御装置において、第２波長λ２  の入力光強度Ｉ２  と波長λ１  の出力光強度Ｉｏｕｔ  との信号波形を共通の時間軸上において対比して示す図である。
【図６】図１の光制御装置において、第２波長λ２  の入力光強度Ｉ２  に重畳される波長λ１  の第１レーザ光Ｌ１  に変調を行った場合の、入力光強度Ｉ２  と出力光強度Ｉｏｕｔ  との信号波形を共通の時間軸上において対比して示す図である。
【図７】本発明の他の実施例における光制御装置の構成を説明する図である。
【図８】図７の実施例における入出力波形を共通の時間軸上において対比して示す図である。
【図９】本発明の他の実施例における光制御装置の構成を説明する図である。
【図１０】図９の実施例における入出力波形を共通の時間軸上において対比して示す図である。
【図１１】図９の実施例における、制御光をパラメータとした入力光強度と出力光強度との関係を示す図である。
【図１２】本発明の他の実施例における光制御装置の構成を説明する図である。
【図１３】本発明の他の実施例における光制御装置の構成を説明する図である。
【図１４】図１３の実施例の光制御装置を構成する半導体光増幅素子の構成を説明する斜視図であって、(a) はＤＦＢ半導体レーザ素子を、(b) はＤＢＲ半導体レーザ素子をそれぞれ示している。
【図１５】図１３の実施例の光制御装置の作動を説明するためにその入力光の波形および出力光の波形をそれぞれ示す図である。
【図１６】本発明の他の実施例における光制御装置の構成を説明する図である。
【図１７】図１６の実施例の光制御装置の作動を説明するためにその入力光の波形、制御光の波形および出力光の波形をそれぞれ示す図である。
【図１８】本発明の他の実施例における光制御装置の構成を説明する図である。
【図１９】図１８の実施例の光制御装置の作動を説明するためにその入力光の波形、制御光の波形および出力光の波形をそれぞれ示す図である。
【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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【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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【図１９】
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