(57)【要約】【課題】２つの半導体光増幅器をＡＷＧ型光フィルタで結合したサンドイッチ型の構成で、波長変換した光ＡＮＤおよび光ＮＯＴ信号が得られる３端子光信号制御素子を提供する。【解決手段】第１半導体光増幅素子１４と第２半導体光増幅素子１８との間に配設されたＡＷＧ型光フィルタ１６は、波長に対して透過率が変化する複数個の山および谷を有し、第１半導体光増幅素子１４から出力された第２波長λ２の信号光である第１出力光Ｉout１を第２半導体光増幅素子１８側へ透過し、第１半導体光増幅素子１４からの第１波長λ１の第１入力光Ｉin１を第１半導体光増幅素子１４側へ反射し、且つ、第２半導体光増幅素子１８の出力側から入力した制御光Ｉｃを第２半導体光増幅素子１８側へ反射することから、波長変換した光ＡＮＤ信号である第２出力光Ｉout２および光ＮＯＴ信号である第１出力光Ｉout１が第２半導体光増幅素子１８の出力側から得られる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号である第１波長の第１入力光と連続光である第２波長の第２入力光とを受けて、相互利得変調により、第２波長に変換され且つ強度反転した第１出力光を出力する第１半導体光増幅素子と、該第１半導体光増幅素子から出力された第２波長の第１出力光と第３波長の制御光とを受けて、相互利得変調により、第３波長に変換され且つ強度反転した第２出力光を出力する第２半導体光増幅素子とを、備える３端子光信号制御素子であって、
前記第１半導体光増幅素子と前記第２半導体光増幅素子との間に設けられ、該第１半導体光増幅素子から出力された第２波長の第１出力光を該第２半導体光増幅素子側へ透過し、該第１半導体光増幅素子からの前記第１波長の第１入力光を該第１半導体光増幅素子側へ反射し、且つ、前記第２半導体光増幅素子の出力側から入力した前記制御光を該第２半導体光増幅素子側へ反射する光フィルタを、
含むことを特徴とする３端子光信号制御素子。
【請求項２】
前記光フィルタは、波長軸上で透過率が変化する少なくとも１つの高透過域および低透過域を有する光導波路型回折格子から構成されたグレーティング型フィルタであり、透過しない波長の光は反射することを特徴とする請求項１の３端子光信号制御素子。
【請求項３】
前記光フィルタは、各１本の入力導波路および出力導波路を有するアレイ光導波路型回折格子から構成されたＡＷＧ型フィルタであり、波長に対して透過率が変化する複数個の山および谷を有する透過特性を有することを特徴とする請求項１の３端子光信号制御素子
【請求項４】
前記ＡＷＧ型フィルタは、中心波長が４００ｎｍ、８００ｎｍ、１３００ｎｍ、１５００ｎｍ、１５５０ｎｍまたは１６００ｎｍで、波長間隔が１０ｎｍ以下の複数の高透過域とそれら複数の高透過域の間の複数の低透過域とを有し、それら複数の高透過域の間の複数の低透過域との差が５ｄＢ以上である透過特性を有することを特徴とする請求項３の３端子光信号制御素子。
【請求項５】
前記第１半導体光増幅素子と前記第２半導体光増幅素子との構造が非対称にされていることを特徴とする請求項１乃至４の３端子光信号制御素子。
【請求項６】
前記第１半導体光増幅素子と前記第２半導体光増幅素子との活性層は量子ドットで構成されることを特徴とする請求項１乃至５の３端子光信号制御素子。
【請求項７】
前記第１半導体光増幅素子の入力側には、前記第１入力光と第２入力光とを合波する光合波器が設けられ、
前記第２半導体光増幅素子の出力側には、前記第２波長の第１出力光または第３波長の第２出力光と前記制御光とを分離して出力する光分波器が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６の３端子光信号制御素子。
【請求項８】
前記光合波器は、光導波路カプラ又はアレイ光導波路型回折格子から成るものであり、前記光分波器は、光導波カプラ、アレイ光導波路型回折格子又はサーキュレータから成る請求項７の３端子光信号制御素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号を増幅、制御、或いはスイッチングする３端子光信号制御素子に関し、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の光デジタル回路または光アナログ回路に好適な、光ＡＮＤゲート、光ＮＯＴゲート、光フリップフロップ回路、または光演算増幅器を構成できる３端子光信号制御素子に関するものである。また、現状の光通信技術においては、１本の光ファイバ中を複数の波長の光信号を伝送する波長分割多重（ＷＤＭ）技術を用いて通信容量を大幅に広帯域化している。その場合の波長変換は、光信号を一度電気信号に変換して、その電気信号で再度他波長のレーザを発生させる波長変換技術を用いている。本発明は、スイッチングと同時に波長変換する全光学的な３端子光信号制御素子に関するものである。さらに、将来のフォトニックネットワークにおいては、１つの波長の光信号を別の多数の波長に変換するマルチキャスティング技術が必要不可欠になる。本発明は、制御光として多波長を入力すれば、それぞれの波長に変換して出力するマルチキャスティング機能を有する３端子光信号制御素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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（信号増幅作用）素子、光信号を他の光信号で直接制御して信号増幅するような光機能素子、すなわち、光信号で光信号を制御する素子は、光信号から電気信号に変換し、電気信号から光信号に変換する必要がないため、極めて有用である。また、波長変換技術において一度電気信号に変換する必要がないため、消費電力やコストの低減が可能な次世代の全光学的な多重波長変換技術として有用である。
【０００３】
これに対して、半導体光増幅素子や希土類元素添加ファイバアンプなどの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（周囲光）が、その入力光の強度変化に応答して強度変化し、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し、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し、波長λ１からλ２への波長変換機能として相互利得変調と称すべき現象が得られることが知られている。本発明者は、その波長変換を２段接続するタンデム波長変換素子に基づき光信号で光を制御する素子を着想し、光信号３端子制御素子を見いだした。特許文献１、特許文献２、特許文献３、および特許文献４に記載されたものはそれである。
【０００４】
これらの特許文献の中で、光信号である第１波長の第１入力光と連続光である第２波長の第２入力光とを受けて、相互利得変調により、第２波長に変換され且つ強度反転した第１光出力信号を出力する第１半導体光増幅素子と、該第１半導体光増幅素子から出力された光のうちから第２波長の第１光出力信号を選択する波長選択素子と、該第１半導体光増幅素子から出力された第２波長の第１光出力信号と第３波長の制御光とを合波し、相互利得変調により、第３波長に変換され且つ強度反転した第２光出力信号を出力する第２半導体光増幅素子とを備えることで、光信号３端子制御素子が構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３１８２４２６号公報
【特許文献２】特許第３９８９３７４号公報
【特許文献３】特許第４０８４９９４号公報
【特許文献４】特許第４４８５７４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の光信号３端子制御素子では、第１半導体光増幅素子からの強度反転した第１光出力信号と第３波長の制御光を合波して第２半導体光増幅素子に入力するために別途光行路を設ける光合波器が必要であり、素子の一体化が困難であった。ここで一体化という意味は、本来的に半導体光増幅素子は２端子素子であり、２つの該半導体光増幅素子を結合するのに別途光行路を設けて結合することは厳密に一体化されているとは言い難く、２端子のみで結合することを言う。本発明では、第１半導体光増幅素子と第２半導体光増幅素子を波長に依存して透過および反射する光フィルタの２端子素子で結合させた構造を用いて、一端から第１波長の第１入力光と連続光である第２波長の第２入力光を入力し、他端から第３波長の制御光を入力して該同他端から出力光を出力する素子構造を実現し、素子の一体化を可能とした。尚、光フィルタは第１波長の第１入力光の透過を抑制し、連続光である第２波長の第２入力光を透過し、第３波長の制御光を反射するように設計する。ここで他端から入力する第３波長の制御光は多波長を入力してもよい。
【０００７】
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、第１半導体光増幅素子からの強度反転した第１出力光と第３波長の制御光を第２半導体光増幅素子に入力するために別途光行路を設ける光合波器を不要とし、素子を一体化し、入力端子と出力端子の２つの入出力ポートのみで構成可能な３端子光信号制御素子を提供することにある。また、第２半導体光増幅素子の前記出力端子から第３波長の第２出力光と同時に強度反転した第２波長の第１出力光を得る３端子光信号制御素子を提供することにある。
【０００８】
本発明者は、以上の事情を背景として種々検討を重ねるうち、一般的なアレイ光導波路型回折格子（ＡＷＧ）からスラブ導波路を除去したものでＡＷＧ型光フィルタを構成すると、第１半導体光増幅素子からの強度反転した第２波長の第１出力光と第３波長の制御光を第２半導体光増幅素子に入力するために別途光行路を設ける光合波器が不要であり、素子の一体化が可能であるという事実を見出した。そして、本発明者は、出力端から第２半導体光増幅素子へ入力された第３波長の制御光は、該ＡＷＧ型光フィルタで反射されて、第２半導体光増幅素子における相互利得変調により、第３波長に変換され且つ再度強度反転した第２出力光を該出力端から出力可能であることを見出した。また、第２半導体光増幅素子の前記出力端から第３波長の第２出力光と同時に強度反転した第１出力光を得ることも可能であることを見出した。本発明は、斯かる知見に基づいてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明の要旨とするところは、（ａ）光信号である第１波長の第１入力光と連続光である第２波長の第２入力光とを受けて、相互利得変調により、第２波長に変換され且つ強度反転した第１出力光を出力する第１半導体光増幅素子と、（ｂ）該第１半導体光増幅素子から出力された第２波長の第１出力光と第３波長の制御光とを受けて、相互利得変調により、第３波長に変換され且つ再度強度反転した第２出力光を出力する第２半導体光増幅素子とを、備える３端子光信号制御素子であって、（ｃ）前記第１半導体光増幅素子と前記第２半導体光増幅素子との間に設けられ、該第１半導体光増幅素子から出力された第２波長の第１出力光を該第２半導体光増幅素子側へ透過し、該第１半導体光増幅素子からの前記第１波長の第１入力光を該第１半導体光増幅素子側へ反射し、且つ、前記第２半導体光増幅素子の出力側から入力した前記制御光を該第２半導体光増幅素子側へ反射する光フィルタを、含むことにある。
【発明の効果】
【００１０】
このようにすれば、第１半導体光増幅素子と第２半導体光増幅素子との間に配設された光フィルタは、該第１半導体光増幅素子から出力された第２波長の第１出力光を該第２半導体光増幅素子側へ透過し、該第１半導体光増幅素子からの前記第１波長の第１入力光を該第１半導体光増幅素子側へ反射し、且つ、前記第２半導体光増幅素子の出力側から入力した前記制御光を該第２半導体光増幅素子側へ反射することから、第３波長の第２出力光は、第１入力光の信号と制御光の信号を積算した信号を得ることができる。すなわち、光ＡＮＤ回路が実現される。また、出力側には、入力信号を反転した第２波長の第１出力光が出力されるため、光エレクトロニクス回路で必要不可欠な反転信号が得られ、光ＮＯＴ回路が実現される。これらの第２波長の第１出力光および第３波長の第２出力光は光分波器にＡＷＧを用いれば、それぞれ同時に出力可能である。さらに、制御光として連続光を用いた場合は、第１出力光と同様に正転した第３波長の第２出力光が得られ、第１の波長から第３の波長への波長変換素子として機能する。また、制御光として多波長の連続光を用いた場合は、１つの波長の信号を多波長の光信号に変換して伝送するマルチキャスティング機能を有する。
【００１１】
ここで、前記光フィルタは、波長軸上で透過率が変化する少なくとも１つの高透過域および低透過域を有する光導波路型回折格子から構成されたグレーティング型フィルタであり、透過しない波長の光は反射することを特徴とする。このようにすれば、第１半導体光増幅素子から出力された第２波長の第１出力光を該第２半導体光増幅素子側へ透過し、該第１半導体光増幅素子からの前記第１波長の第１入力光を該第１半導体光増幅素子側へ反射し、且つ、前記第２半導体光増幅素子からの前記制御光を該第２半導体光増幅素子側へ反射することから、第１半導体光増幅素子と第２半導体光増幅素子を２端子で直結して素子を一体化し、第３波長の第２出力光と同時に入力信号を反転した第２波長の第１出力光が出力される。また、半導体光増幅素子と同一基板上にモノリシックに作製が可能である。上記光フィルタは、たとえば半導体で構成した導波路型の光フィルタにより構成される。これによれば、２つの第１および第２半導体光増幅素子を結合する光導波路のクラッド層に屈折率変調型グレーティングを形成し、ブラッグ波長と称される波長成分が反射し、残りの波長成分は透過する光フィルタを形成できる。このように第１および第２半導体光増幅素子を結合する光フィルタを直線状に形成できるため、ＡＷＧ型フィルタの場合に比べて、省スペースで簡便な３端子光信号制御素子が得られる。
【００１２】
また、好適には、前記光フィルタは、各１本の入力導波路および出力導波路を有するアレイ光導波路型回折格子から構成されたＡＷＧ型フィルタであり、波長に対して透過率が変化する複数個の山および谷を有する透過特性を有することを特徴とする。このようにすれば、複数個の山および谷を有するので容易に、第１波長および第３波長を低透過域に設定し、第２波長を高透過域に設定できる。また、半導体光増幅素子と同一基板上にモノリシックに作製が可能である。ＡＷＧ型フィルタは、たとえば光路長が異なる多数の導波路を伝搬した光を相互干渉させることにより波長による合分波を行う光フィルタであり、半導体基板上に作成することによって半導体光増幅素子とのモノリシック化が可能である。また、複数個の山および谷を有するので、第３波長の制御光を複数設定し、複数の波長の第２出力光が得られる（マルチキャスティング機能）。
【００１３】
また、好適には、前記ＡＷＧフィルタは、中心波長が４００ｎｍ、８００ｎｍ、１３００ｎｍ、１５００ｎｍ、１５５０ｎｍまたは１６００ｎｍで、波長間隔が１０ｎｍ以下の複数の高透過域とそれら複数の高透過域の間の複数の低透過域とを有し、それら複数の高透過域の間の複数の低透過域との差が５ｄＢ以上である透過特性を有することを特徴とする。このようにすれば、容易に各中心波長において、第１波長および第３波長を低透過域に設定し、第２波長を高透過域に設定できる。
【００１４】
また、好適には、前記第１半導体光増幅素子と前記第２半導体光増幅素子との構造が非対称にされている。例えば、素子の長さを前記第１半導体光増幅素子より前記第２半導体光増幅素子の方を長くすれば、長い方が素子の利得が増加し、第２出力光の強度を増加させることが可能である。すなわち、低い入力パワーで高い出力パワーを得る素子が実現する。
【００１５】
また、好適には、前記第１半導体光増幅素子と前記第２半導体光増幅素子との活性層は量子ドットで構成される。素子のスイッチング速度は、活性層の半導体の構造に依存して、そのキャリア回復時間で決定される。通常の量子井戸構造の半導体光増幅素子のキャリア回復時間は数十ピコ秒程度であるが、量子ドットの場合は、数ピコ秒と高速のため素子の高速化が可能となる。
【００１６】
また、好適には、前記第１半導体光増幅素子の入力側には、前記第１入力光と第２入力光とを合波する光合波器が設けられ、前記第２半導体光増幅素子の出力側には、前記第２波長の第１出力光または第３波長の第２出力光と前記制御光とを分離して出力する光分波器が設けられていることを特徴とする。このようにすれば、第１半導体光増幅素子の入力側では、第１波長の第１入力光と第２波長の第２入力光とが合波され、第２半導体光増幅素子の出力側では、第３波長の制御光と、その制御光で変調された第３波長の第２出力光および第１波長の第１出力光とが分波されて出力される。
【００１７】
また、好適には、前記光合波器は、光導波路カプラ又はアレイ光導波路型回折格子から成るものであり、前記光分波器は、光導波路カプラ、アレイ光導波路型回折格子又はサーキュレータから成るものである。このようにすれば、容易に、光合波器および光分波器が構成される利点がある。
【００１８】
また、好適には、前記制御光は第３波長であったが、光フィルタの透過特性により、第１入力光が第２半導体光増幅素子へ透過するのを十分に抑制できる場合は、第１入力光と同じ第１波長であってもよい。このようにすれば、３端子光信号制御素子の入力信号光の波長とその３端子光信号制御素子により変調された出力信号の波長とが共通するので、多数の３端子光信号制御素子を有する大規模な光回路中において同一波長の光信号を用いることから、波長変換が軽減される利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実験に用いた本発明の一実施例の３端子光信号制御素子の構成の要部を概略説明する略図である。
【図２】図１の３端子光信号制御素子の要部を、半導体チップ上に実現したモノリシック構造を示す図である。
【図３】図１或いは図２の光フィルタの透過特性を、波長軸と透過率軸との二次元座標内に示すグラフである。
【図４】図１或いは図２の３端子光信号制御素子において、第２半導体光増幅素子の出力側から観測した第２半導体光増幅素子の第２出力光のスペクトルを示す図である。
【図５】図１或いは図２の３端子光信号制御素子において、光フィルタ１６からの反射光のスペクトルを、光合波器と第１半導体光増幅素子との間に設けられたサーキュレータの第３のポートから観測して示す図である。
【図６】図１或いは図２の３端子光信号制御素子において、第１入力光として入力した１０Ｇｂｐｓの非ゼロ復帰の疑似ランダムビットシーケンス信号のアイパターンを示す図である。
【図７】図１或いは図２の３端子光信号制御素子において、図６に示す第１入力光が入力された場合に、第１半導体光増幅素子において相互利得変調された、第２波長λ２の反射光信号（サーキュレータの第３のポートで観測される第１出力光Ｉout１の反射光）のアイパターンを示す図である。
【図８】本発明の一実施例である３端子光信号制御素子としての作動を説明する図である。なお、第２半導体光増幅素子の方が第１半導体光増幅素子より素子長が長い非対称な構造である。
【図９】図８の３端子光信号制御素子において、第１波長が１５６０．８ｎｍの信号光である第１入力光と第２波長が１５４３．２ｎｍの連続光である第２入力光とを、光合波器からそれぞれ１ｍＷ入力し、第３波長が１５３１．０ｎｍである制御光を光分波器から０．５ｍＷ入力したときに、その出力側から観測された波形を示す図である。
【図１０】図８の３端子光信号制御素子において、第１波長（１５６０．８ｎｍ）の第１入力光（信号光）として入力した１０Ｇｂｐｓの非ゼロ復帰の疑似ランダムビットシーケンス信号のアイパターンを示す図である。
【図１１】図８の３端子光信号制御素子において、第１半導体光増幅素子の相互利得変調により信号反転した第２波長（１５４３．２ｎｍ）の第１出力光のアイパターンを示す図である。
【図１２】図８の３端子光信号制御素子において、第２半導体光増幅素子の相互利得変調により再度信号反転した第３波長（１５３１．０ｎｍ）の第２出力光のアイパターンを示す図である。
【図１３】図８の３端子光信号制御素子において、制御光として、連続光ではなく、変調した信号を用いた場合の各信号波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施例の３端子光信号制御素子１０を、図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例】
【００２１】
図１および図２を用いて、作動原理を説明する。図１は実験に用いた３端子光信号制御素子１０の構成の要部を概略説明する略図であり、図２はその３端子光信号制御素子１０の要部をモノリシック構造で半導体チップ１１上に実現した実験装置を示している。図１および図２において、観測用波形を取り出すための入力側サーキュレータＣ１が入力側に介在させられているが、それは実験的に波形観測をするためのものであり、３端子光信号制御素子１０の必須の構成ではない。
【００２２】
図１の３端子光信号制御素子１０は、第１波長λ１の信号光である第１入力光Ｉin１と第２波長λ２の連続光である第２入力光Ｉin２とを合波する光合波器１２と、光フィルタ１６からの反射光を取り出して入力側から観測するための入力側サーキュレータＣ１と、第１波長λ１の第１入力光Ｉin１と第２波長λ２の第２入力光Ｉin２とを受けて、相互利得変調により、第２波長λ２に変換され且つ第１入力光Ｉin１に対して強度反転した第１出力光Ｉout１を出力する第１半導体光増幅素子１４と、第２波長λ２の第１出力光Ｉout１を高い透過率で透過させる高透過域と第１波長λ１の第１入力光Ｉin１および第３波長λｃの制御光Ｉｃを少なくとも５ｄＢ以上の相対的に低い低透過域で透過させるとともに透過しない残り光を第１半導体光増幅素子１４および第２半導体光増幅素子１８へ反射する低透過域とを有する光フィルタ１６と、第２波長λ２の第１出力光Ｉout１および第３波長λｃの制御光Ｉｃを受けて、相互利得変調により、第３波長λｃに変換され且つ再度強度反転した第２出力光Ｉout２を出力する第２半導体光増幅素子１８と、第３波長λｃの制御光Ｉｃを入力させ且つ第２半導体光増幅素子１８からの光のうちの第３波長の第２出力光Ｉout２を出力する光分波器２０とが、光導波路２２により直列に連結されている。
【００２３】
図２の３端子光信号制御素子１０では、半導体チップ１１の一面には屈折率を局所的に高くすることで三次元的に光を閉じ込めつつ光を伝送する三次元光導波路ＷＧが形成されている。この三次元光導波路ＷＧの入力側には、光合波器１２および入力側サーキュレータＣ１がたとえば光ファイバＦを介して接続され、三次元光導波路ＷＧの出力側には、光分波器２０がたとえば光ファイバＦを介して接続されている。図２において、光フィルタ１６と第２半導体光増幅素子１８との間の光パスは光フィルタ１６と第１半導体光増幅素子１４との間の光パスよりも短くされている。これにより、反射光の光行路が短くなってスイッチング速度が一層早くされている。
【００２４】
サーキュレータＣ１は、たとえばファラデー素子および１／２波長板を有し、第１のポートから入射した光は第２のポートから出力し、第２のポートから入力した光は第３のポートら出力し、第３のポートから入射した光は第１のポートから出力するよく知られたものである。サーキュレータＣ１は、第１のポートから入射した第１波長λ１の信号光である第１入力光Ｉin１を第２のポートから第１半導体光増幅素子１４へ出射し、第１半導体光増幅素子１４から第２のポートへ入射した光を第３のポートから出射して観測されるように用いられる。
【００２５】
光合波器１２は、たとえば３次元光導波路をＹ字状に接合させて２入力光を合波して１出力光とする光導波路カプラ又はアレイ光導波路型回折格子などから構成される。また、光導波路が光ファイバにより構成される場合はその光ファイバをＹ字状に接合させたものでも光導波路カプラが構成される。上記光合波器１２は可逆性を有するものであるので、光分波器２０は、それと同様に構成されたものであってもよいし、サーキュレータから構成されてもよい。
【００２６】
第１半導体光増幅素子１４および第２半導体光増幅素子１８は、ＩｎＰ基板の上に結晶成長により積層された化合物半導体層内に幅２μｍ、長さ１ｍｍ程度に形成されたＩｎＧａＡｓＰの量子井戸構造の活性層が、ＩｎＰ基板の底面電極と上面電極との間の１５０ｍＡ程度の注入電流で励起されると、光増幅ゲインのピークが１５３０ｎｍで±４０ｎｍ程度での光信号の増幅を行なうものである。なお、本実施例では、活性層は量子井戸構造であるがキャリア回復時間が数ピコ秒と高速な量子ドット構造を用いても良い。その場合は、本３端子光信号制御素子のスイッチング速度が高速化される。
【００２７】
光フィルタ１６は、光路長が僅かずつ相違する多数本の導波路アレイの両端部が１つの入力部および１つの出力部とされたアレイ光導波路型回折格子から成るＡＷＧ型フィルタから構成されている。通常のアレイ光導波路型回折格子（Arrayed  Waveguide  Grating：ＡＷＧ）は、複数の出力ポートと、１つの入力ポートと、光路長が僅かずつ相違する複数本の導波路アレイと、導波路アレイの本数に対応する複数の出力ポートと、入力ポートと導波路アレイとの間、および導波路アレイと出力ポートとの間にそれぞれ設けられたスラブ導波路とを有している。しかし、本実施例で用いられているＡＷＧ型フィルタは、上記通常のアレイ光導波路型回折格子に対して、スラブ導波路を有しておらず、しかも出力ポートが１つである点で、相違する。図３は、この本実施例で用いられているＡＷＧ型フィルタの透過特性を示している。透過特性が全体的に右下がりになっているのは、半導体光増幅素子の自然放出光を用いて特性を測定したためである。すなわち、本半導体光増幅素子のゲインのピークが１５３０ｎｍ辺りにあるためである。この透過特性では、波長間隔が約１０ｎｍの複数の高透過域とそれら複数の高透過域の間の複数の低透過域とを有し、それら複数の高透過域の間の複数の低透過域との差が５ｄＢ以上（最大１０ｄＢ程度）である。なお、中心波長が４００ｎｍ、８００ｎｍ、１３００ｎｍ、１５００ｎｍ、１５５０ｎｍまたは１６００ｎｍにおいても同様な１０ｎｍ以下の波長間隔、複数の高透過域とそれら複数の高透過域の間の複数の低透過域とを有し、それら複数の高透過域の間の複数の低透過域との差が５ｄＢ以上のＡＷＧ型フィルタは作製可能である。
【００２８】
本実験例では、第１波長λ１が１５６０．８ｎｍの信号光である第１入力光Ｉin１と、を、第２波長λ２が１５４６．２ｎｍの連続光である第２入力光Ｉin２とを、それぞれ１ｍＷ入力したが、制御光Ｉｃは入力しない。これにより、第１半導体光増幅素子１４では、相互利得変調作用によって、第１入力光Ｉin１に対して強度反転した第２波長λ２（１５４６．２ｎｍ）の信号光である第１出力光Ｉout１が発生する。このとき、第２半導体光増幅素子１８側から観測した第２出力光Ｉout２のスペクトルが図４であり、光フィルタ１６からの反射光のスペクトルを、サーキュレータＣ１の第３のポートから観測したものが、図５である。図４と図５とを比較すると、第１波長λ１の信号光である第１入力光Ｉin１と第２波長λ２の連続光である第２入力光Ｉin２のそれぞれの強度が光フィルタ１６のフィルタ特性の影響を受けていることがわかる。すなわち、図４においては、第２入力光Ｉin２の強度の方が第１入力光Ｉin１よりも大きく（透過率が高く）、図５ではその反対に、第２入力光Ｉin２の強度の方が第１入力光Ｉin１よりも小さくなっている。このことは、波長間隔が１０ｎｍ以下の複数の高透過域とそれら複数の高透過域の間の複数の低透過域とを有し、それら複数の高透過域の間の複数の低透過域との差が５ｄＢ以上である光フィルタ１６において、第２波長λ２光（信号光である第１出力光Ｉout１）は高透過域で透過し、第１波長λ１の光（信号光である第１入力光Ｉin１）は少なくとも５ｄＢ以上で相対的に低い透過率である低透過域で透過し且つ透過しないものは第１半導体光増幅素子１４側へ反射されていることを示している。
【００２９】
このとき、図６のアイパターンに示す、１０Ｇｂｐｓの非ゼロ復帰（non  return  zero：NRZ）の疑似ランダムビットシーケンス（pseudorandom  bit  sequence：PRBS）信号を第１入力光Ｉin１として入力すると、図７のアイパターンに示すように、相互利得変調された第２波長λ２の反射光信号（サーキュレータＣ１の第３のポートで観測される第１出力光Ｉout１の反射光）は、第１入力光Ｉin１に対して強度反転した信号となり、図７のアイパターンに示すように高品質の優れた波形であることが確認された。本実験例によって、第１半導体光増幅素子１４の入力端からレーザ光を入力して光フィルタ１６によって反射させることによって、反射光においても強度反転信号が得られることが確認された。
【００３０】
ここまでは光フィルタ１６とその光フィルタ１６によって反射された強度反転信号の特性について説明したが、３端子光信号制御素子１０としての作動を以下に説明する。図８において、３端子光信号制御素子１０に、第１波長λ１が１５６０．８ｎｍの信号光である第１入力光Ｉin１と第２波長λ２が１５４３．２ｎｍの連続光である第２入力光Ｉin２とを、光合波器１２からそれぞれ１ｍＷ入力し、第３波長λｃが１５３１．０ｎｍである制御光Ｉｃを光分波器２０から０．５ｍＷ入力した。なお、図８の第２半導体光増幅素子１８の素子長は、第１半導体光増幅素子よりも長く、非対称になっている。図９は、このときに、図１或いは図２と同様に、３端子光信号制御素子１０の出力側から観測された波形を示している。図９より、第２波長λ２の連続光である第２入力光Ｉin２は、光フィルタ１６の透過スペクトルにおける高透過域の頂点（スペクトルに形成された山のピーク）に設定されているため、高強度に観測され、第１波長λ１の第１入力光Ｉin１は、光フィルタ１６の透過スペクトルにおける低透過域の最低点（スペクトルに形成された谷底）に設定されているため、低強度に観測されている。また、制御光Ｉｃの第３波長λｃも光フィルタ１６の透過スペクトルにおける低透過域の最低点（スペクトルに形成された谷底）に設定されているため、逆に反射が高強度に得られている。
【００３１】
３端子光信号制御素子１０における信号の動作は、以下の通りである。まず、第１波長λ１の信号光である第１入力光Ｉin１と第２波長λ２の連続光である第２入力光Ｉin２とが入力されると、第１半導体光増幅素子１４における相互利得変調により、第２波長λ２の反転信号である第１出力光Ｉout１が得られる。次いで、その反転信号である第２波長の第１出力光Ｉout１が光フィルタ１６を透過し且つ第３波長λｃの制御光Ｉｃが入力されると、第２半導体光増幅素子１８の相互利得変調によって、反転信号である第２波長の第１出力光Ｉout１によって変調されて再度強度反転し、第３波長λｃではあるが第１入力光Ｉin１と同相の光信号である正転信号光である第２出力光Ｉout２が得られる。同時に、光フィルタ１６を透過した第１波長λ１の第１入力光は、光フィルタ１６の反射により低強度となるため、制御光Ｉｃには殆ど影響しない。第１半導体光増幅素子１４および第２半導体光増幅素子１８における相互利得変調作用は、ｍＷオーダの高強度で発生する非線型現象であって、低強度光では生じないからである。また、第２半導体光増幅素子１８の素子長は、第１半導体光増幅素子１４よりも長くなっているため、小さい光入力信号強度で大きな光出力信号強度を得ることができる。
【００３２】
図１０、図１１、図１２は、図９のそれぞれの波長のバンドパスフィルタで切り分けて図６および図７と同様に測定したアイパターンで、第１波長λ１の信号光である第１入力光Ｉin１、第２波長λ２の反転信号（第１出力光Ｉout１）（光ＮＯＴ回路）、および、再度の信号反転により第１入力光Ｉin１と同相信号光である第３波長λｃの第２出力光Ｉout２を、それぞれ示している。図１０、図１１、図１２は、品質の良い信号波形を示しているので、第２出力光Ｉout２は、第１入力光Ｉin１と同相に変調された少なくとも１０Ｇｂｐｓの伝送速度の信号が得られることが明らかである。図１３は、制御光Ｉｃとして、連続光ではなく、変調した信号を用いた場合の各信号波形を示している。これによれば、第３波長λｃの第１入力光Ｉin１と同相信号光であって制御光Ｉcにより変調された第２出力光Ｉout２が得られる（光ＡＮＤ回路）。さらに、光フィルタ１６が十分に第１入力光Ｉin１の透過を抑制できる場合には、第１波長λ１の制御光Ｉｃを用いることができる。この場合には、第１入力光Ｉin1 と同相信号光であって制御光Ｉｃにより変調された第１波長λ１の第２出力光Ｉout２が得られる。なお、図１３の（ｃ）に示す実線、破線、一点鎖線、二点鎖線に示す波形は、制御光Ｉｃが０ｍＷ、０．１ｍＷ、０．３ｍＷ、０．５ｍＷである場合を示している。図１３より、制御光Ｉｃの強度を増加するにしたがって、出力光強度が増加していることがわかり、第１入力光Ｉin１と制御光Ｉｃの積算した波形が得られる（光ＡＮＤ回路）。
【００３３】
上記の光分波器２０としてアレイ光導波路格子ＡＷＧを用いる場合には、信号光である第１入力光Ｉin１が反転した位相の第２波長λ２の第１出力光Ｉout１と、第３波長λｃの第１入力光Ｉin１と同相信号である第２出力光Ｉout２とを同時に得ることができる。たとえば電子回路ではＡＮＤ回路と同時にＮＯＴ回路が必要不可欠であるように、その反転信号は信号制御技術において重要な役割を持つ。また、光分波器２０としてアレイ光導波路格子ＡＷＧを用いる場合には、多波長の制御光Ｉｃを用いて、それぞれ波長毎に制御された第２出力光Ｉout２を得ることができる。
【００３４】
上述のように、本実施例によれば、第１半導体光増幅素子１４と第２半導体光増幅素子１８との間に配設された光フィルタ１６は、第１半導体光増幅素子１４から出力された第２波長λ２の信号光である第１出力光Ｉout１を第２半導体光増幅素子１８側へ透過し、第１半導体光増幅素子１４からの第１波長λ１の第１入力光Ｉin１を第１半導体光増幅素子１４側へ反射し、且つ、第２半導体光増幅素子１８からの第３波長の制御光Ｉｃを第２半導体光増幅素子１８側へ反射することから、第１半導体光増幅素子１４および第２半導体光増幅素子１８を直結し、第２半導体光増幅素子１８の出力側から制御光Ｉｃにより変調された第２出力光Ｉout２（光ＡＮＤ回路）および第１出力光Ｉout１（光ＮＯＴ回路）を得ることができる。
【００３５】
また、本実施例によれば、光フィルタ１６は、波長軸上で透過率が変化する少なくとも１つの高透過域および低透過域を有する光導波路型回折格子から構成されたグレーティング型フィルタであり、透過しない波長の光は入力側へ反射することから、第１半導体光増幅素子１４から出力された第２波長λ２の第１出力光を該第２半導体光増幅素子１８側へ透過し、第１半導体光増幅素子１４からの第１波長λ１の第１入力光Ｉin１を第１半導体光増幅素子１４側へ反射し、且つ、第２半導体光増幅素子１８からの制御光Ｉｃを第２半導体光増幅素子１８側へ反射することから、第１半導体光増幅素子１４および第２半導体光増幅素子１８を直結し、第２半導体光増幅素子１８の出力側から第２出力光Ｉout２および第１出力光Ｉout１を得ることができる。グレーティング型フィルタは、半導体光増幅素子と同一基板上にモノリシックに作製できる。
【００３６】
また、本実施例によれば、光フィルタ１６は、各１本の入力導波路および出力導波路を有するアレイ光導波路型回折格子から構成されたＡＷＧ型フィルタであり、波長に対して透過率が変化する複数個の山および谷を有する透過特性を有するものである。複数個の山および谷を有する透過特性を有するため、容易に、第１波長λ１および第３波長λｃを低透過域に設定し、第２波長λ２を高透過域に設定でき、複数の制御光を入力して複数の第２出力光Ｉout２が得られる。また、ＡＷＧ型フィルタは、半導体光増幅素子と同一基板上にモノリシックに作製できる。
【００３７】
また、本実施例によれば、光フィルタ１６を構成するＡＷＧ型フィルタは、中心波長が４００ｎｍ、８００ｎｍ、１３００ｎｍ、１５００ｎｍ、１５５０ｎｍまたは１６００ｎｍで、波長間隔が１０ｎｍ以下の複数の高透過域とそれら複数の高透過域の間の複数の低透過域とを有し、それら複数の高透過域の間の複数の低透過域との差が５ｄＢ以上である透過特性を有する。このため、容易に、各中心波長帯域で、第１波長λ１および第３波長λｃを低透過域に設定し、第２波長λ２を高透過域に設定できる。
【００３８】
また、本実施例によれば第１半導体光増幅素子１４入力側には、第１入力光Ｉin１と第２入力光Ｉin２とを合波する光合波器１２が設けられ、第２半導体光増幅素子１８の出力側には、第１波長λ１または第３波長λｃの第２出力光Ｉout２と制御光Ｉｃとを分離して出力する光分波器２０が設けられている。このため、第１半導体光増幅素子１４の入力側では、第１波長λ１の第１入力光Ｉin１と第２波長λ２の第２入力光Ｉin２とが合波され、第２半導体光増幅素子１８の出力側では、第３波長λｃの制御光Ｉｃと、その制御光Ｉｃで変調された第３波長λｃの第２出力光Ｉout２および第１出力光Ｉout１とが分波されて出力される。
【００３９】
また、本実施例によれば、光合波器１２は、光導波路カプラ又はアレイ光導波路型回折格子から成るものであり、前記光分波器２０は、光導波路カプラ、アレイ光導波路型回折格子又はサーキュレータから成るものであるので、容易に、光合波器１２および光分波器２０が構成される利点がある。
【００４０】
また、本実施例によれば、制御光Ｉｃは第３波長λｃであったが、第１入力光Ｉin１と同じ第１波長λ１であってもよい。この場合には、３端子光信号制御素子１０の入力信号光の波長とその３端子光信号制御素子１０により変調された出力信号の波長とが共通するので、多数の３端子光信号制御素子を有する大規模な光回路中において波長変換が軽減される利点がある。
【００４１】
また、本実施例の３端子光信号制御素子１０によれば、２つの第１半導体光増幅素子１４と第２半導体光増幅素子１８との間に、たとえばＡＷＧ型フィルタから成る光フィルタ１６を介挿したサンドイッチ構造であるので、非常にシンプルな基本構造を構成できる。たとえば、半導体分野では、トランジスタもＰＮＰ或いはＮＰＮのサンドイッチ構造であり、超伝導分野のジョゼフソン素子も超伝動体を常伝導体で挟んだサンドイッチ構造であり、本実施例の３端子光信号制御素子１０はそれらの類似の構造になる。
【００４２】
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。
【符号の説明】
【００４３】
１０：３端子光信号制御素子
１２：光合波器
１４：第１半導体光増幅素子
１６：光フィルタ
１８：第２半導体光増幅素子
２０：光分波器
【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８】
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【図９】
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【図１３】
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【図６】
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【図７】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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