(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝導帯の量子準位と、重い正孔帯の量子準位と、軽い正孔帯の量子準位とを少なくとも備え、前記量子準位が生成される活性層を備え、前記活性層は粒子状である波長変換装置であって、
前記伝導帯の量子準位と前記重い正孔帯の量子準位との準位間遷移が第１の波長帯に対応し、前記伝導帯の量子準位と前記軽い正孔帯の量子準位との準位間遷移が第２の波長帯に対応するものであって、
前記第１の波長帯の信号光と前記第２の波長帯の変換光を入力するものであって、
前記第１の波長帯での誘導放出に基づいて、前記第２の波長帯の誘導放出に使われるキャリアを制御することにより、第１の波長帯の信号光と、前記第１の波長帯の信号光に対して反転する符号を有する第２の波長帯の信号光を出力して、前記第１の波長帯の入力信号光の強度により前記第１の波長帯の出力信号光と前記第２の波長帯の出力信号光の強度を制御することを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
伝導帯の量子準位と、重い正孔帯の量子準位と、軽い正孔帯の量子準位とを少なくとも備え、前記量子準位が生成される活性層を備え、前記活性層は粒子状である波長変換装置であって、
前記伝導帯の量子準位と前記軽い正孔帯の量子準位との準位間遷移が第１の波長帯に対応し、前記伝導帯の量子準位と前記重い正孔帯の量子準位との準位間遷移が第２の波長帯に対応するものであって、
前記第１の波長帯の信号光と前記第２の波長帯の変換光を入力するものであって、
前記第１の波長帯での誘導放出に基づいて、前記第２の波長帯の誘導放出に使われるキャリアを制御することにより、第１の波長帯の信号光と、前記第１の波長帯の信号光に対して反転する符号を有する第２の波長帯の信号光を出力して、前記第１の波長帯の入力信号光の強度により前記第１の波長帯の出力信号光と前記第２の波長帯の出力信号光の強度を制御することを特徴とする波長変換素子。
【請求項３】
前記第２の波長帯の信号光だけを通過させる波長フィルタをさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の波長変換素子。
【請求項４】
請求項１または２記載の波長変換素子と、
前記第２の波長帯の信号光だけを通過させる波長フィルタと、
前記第１の波長帯の信号光を出射する信号光光源と、
前記第２の波長帯の変換光を出射する変換光光源と、
前記信号光および前記変換光を合波し、前記合波した光を前記波長変換素子に出射する合波器とを備えることを特徴とする波長変換装置。
【請求項５】
請求項１または２記載の波長変換素子であって第１の波長帯および第２の波長帯に利得帯域を有する第１の波長変換素子と、
請求項１または２記載の波長変換素子であって第２の波長帯および第３の波長帯に利得帯域を有する第２の波長変換素子と、
前記第１の波長帯の信号光を出射する信号光光源と、
前記第２の波長帯の中間光を出射する中間光光源と、
前記第３の波長帯の変換光を出射する変換光光源と、
前記信号光および前記中間光を合波し、前記合波した光を前記第１の波長変換素子に出射する第１の合波器と、
前記第１の波長変換素子から出射される前記第２の波長帯の光だけを通過させる第１の波長フィルタと、
前記第１の波長フィルタから出射された光および前記変換光を合波し、前記合波した光を前記第２の波長変換素子に出射する第２の合波器と、
前記第２の光半導体素子から出射される前記第３の波長帯の光だけを通過させる第２の波長フィルタとを備えることを特徴とする波長変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は波長変換素子、波長変換装置および波長変換方法に関し、特に、波長分割多重光通信システムなどに適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、マルチメディア情報社会の発展に伴い、情報通信におけるデータ量が急激に増加し、高速かつ大容量の通信システムの実現が望まれている。このような膨大な情報データ量の伝送を可能とするため、光ファイバを用いた光通信システムが採用されている。
【０００３】
さらに、インターネットへの加入者の増大に対応するため、さらなる通信システムの高速化が要望され、従来の単一波長光を用いた光通信システムに加えて、一本の光ファイバ中に複数の波長の信号光を通し、各波長光に異なるデータを乗せて通信を行う波長分割多重（ＷＤＭ）通信技術が注目を浴びている。
波長分割多重通信技術は、信号を波長毎に分割して通信することにより通信量を飛躍的に増大させ、テラビット級の伝送システムを可能とするものである。
【０００４】
この光通信システムにおいては、通信の大容量化のみならず、光制御の波長を用いる試みが行われている。例えば、波長毎に経路を決め、波長を変更することにより、経路変更を行う手法が提案されている。この場合、経路変更を高速に行うには、高速な波長変換技術が必要となる。
また、この光通信システムにおいては、伝送時における高速化と長距離化を両立させるため、大きく分けて二つの波長帯城が用いられている。すなわち、基幹網等の長距離伝送においては、光の伝播損失が最も小さい１．５５μｍ帯が用いられ、アクセス網等の比較的伝送距離の短い所においては、光の分散が最も小さい１．３μｍ帯が用いられるのが普通である。
【０００５】
従って、基幹網からアクセス網へ信号を伝送するためには、１００ｎｍ以上の帯域幅の波長変換が不可欠である。このような大きな帯域幅の波長変換を実現するため、従来から幅広く行われている方法は、信号光を一旦電気信号に変換し、その電気信号を基に別波長の光源を駆動して波長変換する光一電気一光変換である。この方法は、任意の波長に変換できる利点があるが、速度が電気信号の速度に制限されるという問題がある。
【０００６】
従って、波長変換を高速化するため、光から電気への変換を行うことなく、光のままで波長変換を行う試みも活発に行われている。特に有力なのは、半導体光増幅器の非線形効果を用いた波長変換手法である。この波長変換手法では、半導体光増幅器による相互利得変調または相互位相変調を利用して波長変換が行われ、数十Ｇｂｐｓに及ぶ波長変換を実現することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この半導体光増幅器による相互利得変調の波長変換においては、波長変換の帯城は、半導体光増幅器の利得帯域に限られるという問題があった。
図１２は、従来のバルク半導体光増幅器の利得スペクトルを示す図である。図１２において、バルク半導体光増幅器は、例えば、１．５５μｍ帯にピークを有し、その利得帯域は１０ｎｍ程度と非常に狭い。
【０００８】
一方、量子井戸半導体光増幅器を用いた場合、利得帯域を若干広げることが可能であるが、それでも４０ｎｍ程度に留まっており、１．３μｍ帯と１．５５μｍ帯間の波長変換は困難である。
そこで、本発明の目的は、電気信号に変換することなく、波長変換幅を拡大することが可能な波長変換素子、波長変換装置および波長変換方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項１記載の波長変換素子によれば、伝導帯の量子準位と、重い正孔帯の量子準位と、軽い正孔帯の量子準位とを少なくとも備え、前記量子準位が生成される活性層を備え、前記活性層は粒子状である波長変換装置であって、前記伝導帯の量子準位と前記重い正孔帯の量子準位との準位間遷移が第１の波長帯に対応し、前記伝導帯の量子準位と前記軽い正孔帯の量子準位との準位間遷移が第２の波長帯に対応するものであって、前記第１の波長帯の信号光と前記第２の波長帯の変換光を入力するものであって、前記第１の波長帯での誘導放出に基づいて、前記第２の波長帯の誘導放出に使われるキャリアを制御することにより、第１の波長帯の信号光と、前記第１の波長帯の信号光に対して反転する符号を有する第２の波長帯の信号光を出力して、前記第１の波長帯の入力信号光の強度により前記第１の波長帯の出力信号光と前記第２の波長帯の出力信号光の強度を制御することを特徴とする。
これにより、注入されたキャリアを複数の量子準位に局在させることが可能となり、準位間遷移に対応する複数の利得帯域を得ることが可能となる。
【００１０】
ここで、変換前後の波長に対する利得が得られるような状態で、変換前の波長に対応する信号光を入射させると、変換前の波長に対応する誘導放出が起り、注入されたキャリアが減少する。このため、変換後の波長に対応する利得を制御することができ、光のままで波長変換幅の大きな波長変換を行うことが可能となる。
【００１１】
また、請求項２記載の波長変換素子によれば、伝導帯の量子準位と、重い正孔帯の量子準位と、軽い正孔帯の量子準位とを少なくとも備え、前記量子準位が生成される活性層を備え、前記活性層は粒子状である波長変換装置であって、前記伝導帯の量子準位と前記軽い正孔帯の量子準位との準位間遷移が第１の波長帯に対応し、前記伝導帯の量子準位と前記重い正孔帯の量子準位との準位間遷移が第２の波長帯に対応するものであって、前記第１の波長帯の信号光と前記第２の波長帯の変換光を入力するものであって、前記第１の波長帯での誘導放出に基づいて、前記第２の波長帯の誘導放出に使われるキャリアを制御することにより、第１の波長帯の信号光と、前記第１の波長帯の信号光に対して反転する符号を有する第２の波長帯の信号光を出力して、前記第１の波長帯の入力信号光の強度により前記第１の波長帯の出力信号光と前記第２の波長帯の出力信号光の強度を制御することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項３記載の波長変換装置によれば、前記第２の波長帯の信号光だけを通過させる波長フィルタをさらに備えることを特徴とする。
また、請求項４記載の波長変換装置によれば、請求項１または２記載の波長変換素子と、前記第２の波長帯の信号光だけを通過させる波長フィルタと、前記第１の波長帯の信号光を出射する信号光光源と、前記第２の波長帯の変換光を出射する変換光光源と、前記信号光および前記変換光を合波し、前記合波した光を前記波長変換素子に出射する合波器とを備えることを特徴とする。
【００１６】
これにより、変換前の波長の信号光と、変換後の波長の変換光を光半導体素子同時に入射させることが可能となり、変換前の波長の信号光に基づいて、変換前の波長に対応する利得だけでなく、変換後の波長に対応する利得も制御することが可能となるとともに、変換光のみを取り出すことが可能となり、光のままで波長変換幅の大きな波長変換を行うことが可能となる。
【００１７】
また、請求項５記載の波長変換装置によれば、請求項１または２記載の波長変換素子であって第１の波長帯および第２の波長帯に利得帯域を有する第１の波長変換素子と、請求項１または２記載の波長変換素子であって第２の波長帯および第３の波長帯に利得帯域を有する第２の波長変換素子と、前記第１の波長帯の信号光を出射する信号光光源と、前記第２の波長帯の中間光を出射する中間光光源と、前記第３の波長帯の変換光を出射する変換光光源と、前記信号光および前記中間光を合波し、前記合波した光を前記第１の波長変換素子に出射する第１の合波器と、前記第１の波長変換素子から出射される前記第２の波長帯の光だけを通過させる第１の波長フィルタと、前記第１の波長フィルタから出射された光および前記変換光を合波し、前記合波した光を前記第２の波長変換素子に出射する第２の合波器と、前記第２の光半導体素子から出射される前記第３の波長帯の光だけを通過させる第２の波長フィルタとを備えることを特徴とする。
【００１８】
これにより、第１の波長帯の信号光および第３の波長帯の変換光に加え、第２の波長帯の中間光を用いるだけで、変換後の波長の変換光を変換前の波長の信号光と同様の波形とすることができ、元の波形を維持しつつ、光のままで波長変換幅の大きな波長変換を行うことが可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る波長変換装置について図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る波長変換装置の概略構成を示す斜視図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の活性層３部分を拡大して示す斜視図である。図１（ａ）において、ｎ−ＩｎＰ基板１上には、ｎ−ＩｎＰクラッド層２、活性層３およびｐ−ＩｎＰクラッド層４が順次形成され、ｎ−ＩｎＰクラッド層２、活性層３およびｐ−ＩｎＰクラッド層４はストライプ状にパターニングされている。なお、このストライプの長さは、例えば、２０００μｍ、幅は１．５μｍとすることができる。
【００２５】
ここで、活性層３は、図１（ｂ）に示すように、粒子状ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａおよびＩｎＧａＡｓＰ光キャリア分離閉じ込め層３ｂを備え、粒子状ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａは立方体状に加工され、ｎ−ＩｎＰクラッド層２上に所定間隔で配列されている。
なお、粒子状ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａの大きさや間隔は、伝導帯の量子準位と、重い正孔帯の量子準位と、軽い正孔帯の量子準位とが少なくとも形成されるように設定される。例えば、活性層３として、バンドギャップ波長１．１μｍのｌｎＧａＡＳＰ光キャリア分離閉じ込め層３ｂ内に、バンドギャップ波長２μｍの１３ｎｍ角の立方体状のｌｎＧａＡＳＰ活性層３ａを形成することができる。
【００２６】
ｎ−ＩｎＰクラッド層２、活性層３およびｐ−ＩｎＰクラッド層４の両側には、ｐ−ＩｎＰ埋め込み層５およびｎ−ＩｎＰ電流阻止層６が順次形成され、ｐ−ＩｎＰクラッド層４およびｎ−ＩｎＰ電流阻止層６上には、ｐ−ＩｎＰコンタクト層７が形成されている。ｐ−ＩｎＰコンタクト層７上には、ｐ側電極８が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板１の裏面には、ｎ側電極９が形成されている。また、活性層３の両端には、反射防止膜が形成されている。
【００２７】
このように、波長変換装置の活性層３ａ部分を粒子状にして、伝導帯の量子準位を一準位以上、軽い正孔帯と重い正孔帯の量子準位をそれぞれ一準位以上作成することにより、複数の利得帯域を有する素子を得ることが可能となる。また、伝導帯の量子準位を−準位にすることにより、二つの大きく離れた利得帯城を得ることが可能となる。
【００２８】
図２（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る波長変換装置のエネルギーバンド構造を示す図である。図２（ａ）において、電子の基底準位ＱＥ１が、活性層３の伝導帯のポテンシャル内に形成され、重い正孔帯の基底準位ＱＨ１および軽い正孔帯の基底準位ＱＨ２が、活性層３の価電子帯のポテンシャル内に形成されている。価電子帯においては、正孔の有効質量により、基底準位ＱＨ１、ＱＨ２の位置が異なるため、これらの準位ＱＨ１、ＱＨ２に差が生ずる。
【００２９】
この時、例えば、伝導帯の基底準位ＱＥ１と、価電子帯の重い正孔帯の基底準位ＱＨ１との間の遷移ＳＢ１に対応する波長Ｗ１を約１．５５μｍに設定し、伝導帯の基底準位ＱＥ１と、価電子帯の軽い正孔帯の基底準位ＱＨ２との間の遷移ＳＢ２に対応する波長Ｗ２を約１．３μｍに設定することにより、１．５５μｍ帯と１．３μｍ帯の両方の帯域に利得を持たせることができ、従来より広い波長領域に対して利得を得ることができる。
【００３０】
図２（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る波長変換装置の利得スペクトルを示す図である。なお、横軸は波長（μｍ）、縦軸は光利得（ｄＢ）である。図２（ｂ）において、電流注入により、伝導帯から価電子帯への遷移による光利得が生じ、その利得波長Ｗ１、Ｗ２は、伝導帯から重い正孔帯間の遷移に対応する約１．５ ５ μｍ、および軽い正孔帯間の遷移に対応する約１．３μｍとすることができる。なお、電子は低い順位から充頃されるため、最初は重い正孔帯の基底準位ＱＨ１である１．５ ５μｍに対応する利得が生じる。
【００３１】
そして、この準位ＱＨ１に電子が完全に充填されると、この１．５ ５μｍ帯の利得は飽和し、その上の準位への電子の充填が始まり、軽い正孔帯の基底準位ＱＨ２である１．３μｍへの利得が増加していく。さらに、注入電流を増加させると、今度は１．３μｍ帯の利得も飽和する。
図３、４は、本発明の第１実施形態に係る波長変換装置の製造工程を示す断面図である。なお、図３、４では、図１のＫ−Ｋ線で切断した図を示した。
【００３２】
図３（ａ）において、ｎ−ＩｎＰ基板１上にｎ−ＩｎＰクラッド層２およびＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａを順次形成する。なお、ｎ−ＩｎＰクラッド層２およびＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａの形成は、例えば、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）、ＭＢＥ（分子線ビームエピタキシ）、ＡＬＥ（原子層エピタキシ）などで行うことができる。
【００３３】
次に、図３（ｂ）に示すように、伝導帯の量子準位と、重い正孔帯の量子準位と、軽い正孔帯の量子準位とが少なくとも形成されるように、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａを所定形状にパターニングする。なお、パターニングは、例えば、電子ビーム露光法やＸ線露光法などにより行うことができる。
次に、図３（ｃ）に示すように、ＩｎＧａＡｓＰ光キャリア分離閉じ込め層３ｂ、ｐ−ＩｎＰクラッド層４および選択成長用絶縁層１０を、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａの形成されたｎ−ＩｎＰ基板上に順次形成する。
【００３４】
次に、図４（ａ）に示すように、ｎ−ＩｎＰクラッド層２、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３ａ、ＩｎＧａＡｓＰ光キャリア分離閉じ込め層３ｂ、ｐ−ＩｎＰクラッド層４および選択成長用絶縁層１０をストライプＳＰ状にパターニングする。
次に、図４（ｂ）に示すように、選択成長用絶縁層１０をマスクとして、ｐ−ＩｎＰ埋め込み層５およびｎ−ＩｎＰ電流阻止層６をストライプＳＰの両側に選択的に形成する。
【００３５】
次に、図４（ｃ）に示すように、選択成長用絶縁層１０を除去し、ｐ−ＩｎＰコンタクト層７をｐ−ＩｎＰクラッド層４およびｎ−ＩｎＰ電流阻止層６上に形成する。そして、蒸着またはスパッタなどの方法により、ｐ−ＩｎＰコンタクト層７にｐ側電極８を形成するとともに、ｎ−ＩｎＰ基板の裏面にｎ側電極９を形成する。
【００３６】
図５は、本発明の第２実施形態に係る波長変換装置の概略構成を示すブロック図である。なお、この例では、１．５５μｍの信号光を１．３μｍに変換する場合を示す。
図５において、信号光光源２１は、伝導帯と重い正孔帯間の遷移に対応する１．５ ５μｍの信号光Ｂを出射する。変換光光源２２は、伝導帯と軽い正孔帯間の遷移に対応する１．３μｍの変換光Ａを出射する。
【００３７】
信号光光源２１から出射された信号光Ｂおよび変換光光源２２から出射された変換光Ａは、光ファイバ２６を介して合波器２３に入射され、信号光Ｂおよび変換光Ａが合波された後、波長変換素子２４に入射される。
波長変換素子２４では、１．５５μｍと１．３μｍとの両方で利得が得られるようにキャリアが注入された状態で、信号光Ｂおよび変換光Ａが同時に入射されると、１．５５μｍと１．３μｍとの両方で誘導放出が起こる。
【００３８】
ここで、１．５５μｍの誘導放出が起こると、波長変換素子２４に注入されたキャリアが変動し、１．３μｍの誘導放出に使うことが可能なキャリアも変動する。このため、１．５５μｍの信号光Ｂおよび１．３μｍの変換光Ａが波長変換素子２４に同時に入射されると、１．５５μｍの信号光Ｂの変動に伴って、１．３μｍの変換光Ａ´が変動し、１．５５μｍの信号光Ｂを１．３μｍの変換光Ａ´に波長変換することができる。
【００３９】
波長変換素子２４から出射された信号光Ｂ´および変換光Ａ´は、波長フィルタ２５に入射され、１．５５μｍ波長の信号光Ｂ´をカットすることにより、１．３μｍ波長の変換光Ａ´のみを取り出すことができる。
図６、７は、本発明の第２実施形態に係る波長変換装置の動作を説明するためのエネルギーバンド図である。
【００４０】
図６（ａ）において、波長変換素子２４に電流注入を行うと、伝導帯の基底準位ＱＥ１は電子ｅで埋められ、重い正孔帯と軽い正孔帯の基底準位ＱＨ１、ＱＨ２は共に正孔ｈで埋められる。この時、伝導帯ではキャリアの反転分布が生じており、波長変換素子２４は、図２（ｂ）に示すように、伝導帯と軽い正孔帯の基底準位間の１．３μｍ、および伝導帯と重い正孔帯の基底準位間の１．５ ５μｍの両方の波長において、利得を有する。
【００４１】
次に、図６（ｂ）に示すように、１．５５μｍの信号光Ｂの光強度を０とした状態で、１．３μｍの変換光Ａを波長変換素子２４に入射すると、伝導帯と軽い正孔帯の基底準位間遷移ＳＢ２に対する誘導放出が生じ、１．３μｍの変換光Ａが変換光Ａ´´に増幅される。
次に、図７（ａ）に示すように、１．５５μｍの信号光Ｂの光強度を増加させると、１．３μｍの変換光Ａの誘導放出過程だけでなく、１．５５μｍの信号光Ａによる誘導放出過程によっても、伝導帯の基底準位ＱＥ１におけるキャリアが消費される。このため、１．５５μｍの信号光Ｂの光強度が０の場合と比べて、伝導帯の基底準位ＱＥ１におけるキャリア濃度が相対的に減少する。
【００４２】
ここで、利得は、キャリア濃度の減少に伴い低下するので、１．５５μｍの信号光Ｂの光強度を増加させると、伝導帯と軽い正孔帯の基底状態間遷移ＳＢ２に対する利得、すなわち、１．３μｍの変換光Ａに対する利得は、相対的に減少する。この結果、１．５５μｍの信号光Ｂを信号光Ｂ´に増幅するために消費されたキャリアの減少分だけ、変換光Ａに対する利得を減少させることができ、図７（ｂ）に示すように、図６（ｂ）の変換光Ａ´´と比較して強度の減少した変換光Ａ´を得ることができる。
【００４３】
図８は、本発明の第２実施形態に係る波長変換装置の入出力波形を示す図である。なお、この実施形態では、信号光として、１．５５μｍパルス信号を入力した場合を例にとる。
図８において、図８（ａ）の１．３μｍの変換光Ａと、図８（ｂ）の１．５５μｍの信号光Ｂとを、１．３μｍと１．５５μｍとの両方の波長に利得を有する状態で、波長変換素子２４に同時に入射すると、図８（ｃ）の１．３μｍの変換光Ａ´と、図８（ｄ）の１．５５μｍの信号光Ｂ´とが出射される。
【００４４】
ここで、図８（ｂ）の信号光Ｂは、バンド間遷移ＳＢ１の誘導放出に対応して、図８（ｄ）の信号光Ｂ´に増幅され、図８（ａ）の変換光Ａは、バンド間遷移ＳＢ２の誘導放出に対応して、図８（ｃ）の変換光Ａ´に増幅される。
この時、信号光ＢのパルスＢ１、Ｂ２、Ｂ３に対応する部分では、バンド間遷移ＳＢ１に対応するパルスＢ１´、Ｂ２´、Ｂ３´の誘導放出に伴って、キャリアの減少量が大きくなり、バンド間遷移ＳＢ２の誘導放出に使うことが可能なキャリアが減少する。このため、信号光ＢのパルスＢ１、Ｂ２、Ｂ３に対応して、図８（ｃ）の変換光Ａ´の強度の減少部分Ａ１´、Ａ２´、Ａ３´が生じる。
【００４５】
従って、図８（ｄ）の１．５５μｍの信号光Ｂ´を波長フィルタ２５でカットすることにより、図８（ｃ）の１．３μｍの変換光Ａ´のみを取り出すことができ、図８（ｂ）の１．５５μｍの信号光Ｂを、図８（ｃ）の１．３μｍの変換光Ａ´に波長変換することが可能となる。
図９は、本発明の第２実施形態に係る波長変換装置の波長変換幅を従来例と比較して示す図である。図９において、図１２の従来方法では、１．５５μｍの近傍のみにしか利得を持たせることができないため、１．５５μｍの光信号Ｂを１．４８μｍ近辺の光信号Ｃにしか変換することができないのに対し、本実施形態では、１．５５μｍと１．３μｍの両方に利得を持たせることができるため、１．５５μｍの光信号Ｂを１．３μｍの光信号Ａ´に変換することができる。このため、本実施形態では、従来の波長変換量ｈ１に比べて遥かに大きな波長変換量ｈ２を得ることができる。
【００４６】
なお、以上の手法においては、変換後の信号は、入力信号に対して反転した符号を有する。しかし、変換後の信号に対して同様の変換を繰り返すことにより、入力信号と同様の符号の信号を得ることが可能である。
図１０は、本発明の第３実施形態に係る波長変換装置の概略構成を示すブロック図である。なお、この例では、入力信号と同様の符号の信号を得るために、１．５５μｍの信号光を一旦１、４μｍの中間光に変換し、この１、４μｍの中間光を１．３μｍに変換する方法について示す。
【００４７】
図１０において、信号光光源３１は、１．５５μｍの信号光Ｙを出射し、中間光光源３２は、１．４μｍの中間光Ｘを出射する。信号光光源３１から出射された信号光Ｙおよび中間光光源３２から出射された中間光Ｘは、光ファイバ３６を介して合波器３３に入射され、信号光Ｙおよび中間光Ｘが合波された後、波長変換素子３４に入射される。
【００４８】
波長変換素子３４では、１．５５μｍと１．４μｍとの両方で利得が得られるようにキャリアが注入された状態で、信号光Ｙおよび中間光Ｘが同時に入射されると、１．５５μｍと１．４μｍとの両方の波長で誘導放出が起こる。
ここで、１．５５μｍの誘導放出が起こると、波長変換素子３４に注入されたキャリアが変動し、１．４μｍの誘導放出に使うことが可能なキャリアも変動する。このため、信号光Ｙおよび中間光Ｘを波長変換素子３４に入射することにより、信号光Ｙの変動に伴って中間光Ｘ´を変動させることが可能となり、１．５５μｍの信号光Ｙを１．４μｍの中間光Ｘ´に波長変換することができる。波長変換素子３４から出射された信号光Ｙ´および中間光Ｘ´は、波長フィルタ３５に入射され、１．５５μｍの波長の信号光Ｙ´をカットすることにより、１．４μｍの波長の中間光Ｘ´のみを取り出すことができる。
【００４９】
ここで、１．４μｍの中間光Ｘ´は、１．５５μｍの信号光Ｙに対して、符号が反転している。
変換光光源３７は、１．３μｍの変換光Ｚを出射する。そして、変換光光源３７から出射された変換光Ｚおよび波長フィルタ３５により取り出された中間光Ｘ´は、合波器３８に入射され、中間光Ｘ´および変換光Ｚが合波された後、波長変換素子３８に入射される。
【００５０】
波長変換素子３８では、１．３μｍと１．４μｍとの両方で利得が得られるようにキャリアが注入された状態で、変換光Ｚおよび中間光Ｘ´が同時に入射されると、１．３μｍと１．４μｍとの両方で誘導放出が起こる。
ここで、１．４μｍの誘導放出が起こると、波長変換素子３９に注入されたキャリアが変動し、１．３μｍの誘導放出に使うことが可能なキャリアも変動する。このため、変換光Ｚおよび中間光Ｘ´を波長変換素子３９に入射することにより、中間光Ｘ´の変動に伴って、変換光Ｚ´を変動させることが可能となり、１．４μｍの中間光Ｘ´を１．３μｍの変換光Ｚ´に波長変換することができる。波長変換素子３９から出射された変換光Ｚ´および中間光Ｘ´´は、波長フィルタ４０に入射され、１．４μｍの波長の中間光Ｘ´´をカットすることにより、１．３μｍの波長の変換光Ｚ´のみを取り出すことができる。
【００５１】
ここで、１．３μｍの波長の変換光Ｚ´は、１．４μｍの中間光Ｘ´に対して、符号が反転し、１．４μｍの中間光Ｘ´は、１．５５μｍの信号光Ｙに対して、符号が反転している。このため、１．３μｍの波長の変換光Ｚ´は、１．５５μｍの信号光Ｙに対しては、同符号となり、信号光Ｙと同様の波形を有する変換光Ｚ´を得ることができる。
【００５２】
図１１は、本発明の第３実施形態に係る波長変換装置の入出力波形を示す図である。
図１１において、図１１（ａ）の１．４μｍの中間光Ｘと、図１１（ｂ）の１．５５μｍの信号光Ｙとを、１．４μｍと１．５５μｍとの両方の波長に利得を有する状態で、波長変換素子３４に同時に入射すると、図１１（ｃ）の１．４μｍの中間光Ｘ´と、図１１（ｄ）の１．５５μｍの信号光Ｙ´とが出射される。
【００５３】
ここで、図１１（ｂ）の信号光Ｙは、図１１（ｄ）の信号光Ｙ´に増幅される際に、信号光ＹのパルスＹ１、Ｙ２、Ｙ３に対応する部分では、パルスＹ１´、Ｙ２´、Ｙ３´の誘導放出に伴って、キャリアの減少量が大きくなり、１．４μｍの中間光Ｘ´の誘導放出に使うことが可能なキャリアが減少する。このため、信号光ＹのパルスＹ１、Ｙ２、Ｙ３に対応して、図１１（ｃ）の中間光Ｘ´の強度の減少部分Ｘ１´、Ｘ２´、Ｘ３´が生じる。
【００５４】
従って、図１１（ｄ）の１．５５μｍの信号光Ｙ´を波長フィルタ３５でカットすることにより、図１１（ｃ）の１．４μｍの中間光Ｘ´のみを取り出すことができ、図１１（ｂ）の１．５５μｍの信号光Ｙを、符号の反転した１．４μｍの中間光Ｘ´に波長変換することが可能となる。
次に、図１１（ｃ）の１．４μｍの中間光Ｘ´と、図１１（ｅ）の１．３μｍの変換光Ｚとを、１．３μｍと１．４μｍとの両方の波長に利得を有する状態で、波長変換素子３９に同時に入射すると、図１１（ｆ）の１．４μｍの中間光Ｘ´´と、図１１（ｇ）の１．３μｍの変換光Ｚ´とが出射される。
【００５５】
ここで、図１１（ｃ）の中間光Ｘ´は、図１１（ｆ）の中間光Ｘ´´に増幅される際に、中間光Ｘ´の強度の減少部分Ｘ１´、Ｘ２´、Ｘ３´では、この減少部分Ｘ１´、Ｘ２´、Ｘ３´の誘導放出に伴って、キャリアの減少量が相対的に小さくなり、１．３μｍの変換光Ｚ´の誘導放出に使うことが可能なキャリアが増加する。このため、中間光Ｘ´の強度の減少部分Ｘ１´、Ｘ２´、Ｘ３´に対応して、図１１（ｇ）の変換光Ｚ´にパルスＺ１´、Ｚ２´、Ｚ３´が生じる。
【００５６】
従って、図１１（ｆ）の１．４μｍの中間光Ｘ´´を波長フィルタ４０でカットすることにより、図１１（ｇ）の１．３μｍの変換光Ｚ´のみを取り出すことができ、図１１（ｂ）の１．５５μｍの信号光Ｙと同符号を有する１．３μｍの変換光Ｚ´に波長変換することが可能となる。
なお、以上の実施形態では、変換前の波長を伝導帯と重い正孔帯の基底準位間の遷移に対応する波長に設定し、長波長から短波長への変換を実現したが、これを逆にして、変換後の波長を伝導帯と軽い正孔帯の基底準位間の遷移に対応する波長に設定しても、素子内で生じる現象は同様であり、短波長から長波長への変換動作が可能である。
【００５７】
また、以上の実施形態では、伝導帯の準位を−準位のみとしたが、これを二準位以上にして高次の遷移を用いることも可能である。また、活性層は、立方体状としたが、量子準位の構成が、上述した実施形態と同様であれば、球状等、他の形状でもよい。
また、使用波長は１．３μｍと１．５５ｕｍに設定したが、活性層の材料、大きさを変化させることにより、任意の波長に設定するようにしてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、変換前の波長に対応する誘導放出を起こさせて、注入されたキャリアを減少させることが可能となり、変換前の波長に対応する利得だけでなく、変換後の波長に対応する利得も制御することが可能となることから、光のままで波長変換幅の大きな波長変換を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る波長変換装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図２（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る波長変換装置のエネルギーバンド構造を示す図、図２（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る波長変換装置の利得スペクトルを示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る波長変換装置の製造工程を示す断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る波長変換装置の製造工程を示す断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る波長変換装置の概略構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る波長変換装置の動作を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る波長変換装置の動作を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る波長変換装置の入出力波形を示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る波長変換装置の波長変換幅を従来例と比較して示す図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る波長変換装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る波長変換装置の入出力波形を示す図である。
【図１２】従来のバルク半導体光増幅器の利得スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１  ｎ−ＩｎＰ基板
２  ｎ−ＩｎＰクラッド層
３  活性層
３ａ  キューブ状ＩｎＧａＡｓＰ活性層
３ｂ  ＩｎＧａＡｓＰ光キャリア分離閉じ込め層
４  ｐ−ＩｎＰクラッド層
５  ｐ−ＩｎＰ埋め込み層
６  ｎ−ＩｎＰ電流阻止層
７  ｐ−ＩｎＰコンタクト層
８  ｐ側電極
９  ｎ側電極
１０  選択成長用絶縁層
２１、３１  信号光光源
２２、３７  変換光光源
２３、３３、３８  合波器
２４、３４、３９  波長変換素子
２５、３５、４０  波長フィルタ
３２  中間光光源
【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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