(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
利得飽和を起こす利得飽和領域と吸収飽和を起こす吸収飽和領域とを備え、前記利得飽和領域と前記吸収飽和領域とが直列に接続されている光波形整形素子と、
前記光波形整形素子を駆動する駆動回路とを備え、
前記利得飽和領域の応答時間と前記吸収飽和領域の応答時間とが一致し、かつ、前記利得飽和領域の飽和の深さと前記吸収飽和領域の飽和の深さとが一致するように構成されていることを特徴とする光波形整形装置。
【請求項２】
前記光波形整形素子は、前記利得飽和領域の飽和の深さと前記吸収飽和領域の飽和の深さとが一致するように、前記利得飽和領域の長さ及び前記吸収飽和領域の長さが設定されていることを特徴とする、請求項１に記載の光波形整形装置。
【請求項３】
前記駆動回路は、
前記利得飽和領域に接続され、前記利得飽和領域に電流を供給する電流源と、
前記吸収飽和領域に接続され、前記吸収飽和領域に電圧を印加する電圧源とを備え、
前記電流源から前記利得飽和領域に供給される電流値及び前記電圧源によって前記吸収飽和領域に印加される電圧値は、前記利得飽和領域の応答時間と前記吸収飽和領域の応答時間とが一致するように設定されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光波形整形装置。
【請求項４】
前記光波形整形素子は、前記利得飽和領域と前記吸収飽和領域とが半導体光導波路に沿って交互に設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光波形整形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光通信システムにおいて用いられ、例えば伝送等の際に劣化した光信号の波形を整形する光波形整形装置及び光波形整形素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の光通信システムでは、光信号を電気信号に変換し、電気信号の波形を整形した後、再び、電気信号を光信号に変換して、光信号の波形整形を行なう方法が取られている。
一方、電気回路を省くことによって波形整形装置の小型化・省電力化を図るために、電気信号を光信号に変換することなく、光信号のまま処理する全光信号処理による光波形整形方法が多くの機関で研究されている。
【０００３】
全光信号処理による光波形整形を実現する一つの方法として、半導体光増幅器（ＳＯＡ；Semiconductor Optical Amplification）の利得飽和を用いてマークレベルの雑音を抑制する方法が検討されている。
この方法では、ＳＯＡに強度の高い光を入力すると、利得飽和を起こして出力光のパワーレベルが一定になるのを利用して、マークレベルのパワーを一定にし、マークレベル（１レベル）の雑音を抑制する。
【０００４】
この方法は、マッハツェンダ干渉計の非線形の入出力特性を用いるような他の全光信号処理による光波形整形方法と比べて、簡単な構造で装置を実現できるという特徴を持っている。また、入力信号の波長を変えないで再生できるという特徴も持っている。
例えば、バルクや量子井戸活性層を持つＳＯＡでは利得応答速度が遅く、ビットレートが大幅に制限されてしまうため、活性層に利得応答速度の速い量子ドットを用い、可飽和吸収体を集積することによって、４０Ｇｂ／ｓ信号の０（ＯＦＦ）及び１（ＯＮ）レベルの雑音の圧縮が可能となることが示唆されている（例えば非特許文献１参照）。
【０００５】
さらに、一段の増幅部と可飽和吸収部では十分な非線形性が得られないため、増幅部と可飽和吸収部を多段に配置した光非線形増幅素子が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−７５２１２号公報
【非特許文献１】秋山知之他、「量子ドット半導体光増幅器による４０Ｇｂ／ｓ信号再生」、２００５年春季応用物理学会学術講演会予稿集
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、光波形整形素子において、利得飽和を起こす利得飽和領域と、吸収飽和を起こす吸収飽和領域とを直列に接続することによって、利得飽和によってマークレベル（１レベル）の雑音を抑制するとともに、吸収飽和によってスペースレベル（０レベル）の雑音を抑制することができる。
しかしながら、利得飽和領域及び吸収飽和領域のそれぞれの特性が最も良くなるように設定し、このように設定された利得飽和領域と吸収飽和領域を単純に直列に接続しただけでは、これらの２つの領域の応答速度よりも速い高速の光信号においては、良好な波形が得られないということがわかった。
【０００７】
そこで、利得飽和領域と吸収飽和領域を直列に接続した光波形整形素子を用いて波形整形を行なう場合に、例えばこれらの２つの領域の応答速度よりも速い高速の光信号においても良好な波形が得られ、波形整形が可能となるようにしたい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このため、本光波形整形装置は、利得飽和を起こす利得飽和領域と吸収飽和を起こす吸収飽和領域とを備え、利得飽和領域と吸収飽和領域とが直列に接続されている光波形整形素子と、光波形整形素子を駆動する駆動回路とを備え、利得飽和領域の応答時間と吸収飽和領域の応答時間とが一致し、かつ、利得飽和領域の飽和の深さと吸収飽和領域の飽和の深さとが一致するように構成されていることを要件とする。
【発明の効果】
【０００９】
したがって、本光波形整形装置によれば、利得飽和領域と吸収飽和領域を直列に接続した光波形整形素子を用いて波形整形を行なう場合に、例えばこれらの２つの領域の応答速度よりも速い高速の光信号においても良好な波形が得られ、波形整形が可能となるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面により、本実施形態にかかる光波形整形装置及び光波形整形素子について、図１〜図６を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる光波形整形装置は、図１に示すように、利得飽和を起こす利得飽和領域４と吸収飽和を起こす吸収飽和領域５とを備え、利得飽和領域４と吸収飽和領域５とが直列に接続（縦続接続）されている光波形整形素子１と、この光波形整形素子１を駆動する駆動回路（電気回路；制御回路）２０とを備える。
【００１１】
本実施形態では、図１に示すように、光波形整形素子１は、活性層２を有する半導体光導波路３を備え、利得飽和領域（光増幅領域）４と吸収飽和領域（可飽和吸収領域；光吸収領域）５とが半導体光導波路３が延びる方向に沿って（光導波方向に沿って）交互に設けられている。
つまり、本光波形整形素子１は、図１に示すように、一の導電型の半導体基板（ここではｎ型ＩｎＰ基板）６上に形成された半導体光導波路３上に、活性層２に順バイアスで電流を注入する領域（利得飽和領域）４と活性層２に逆バイアス電圧を印加する領域（吸収飽和領域）５とが交互に形成されるように、他の導電型のコンタクト層（ここではｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層）７及び電極（ここではｐ側電極）８が分割されて形成された導波路型光半導体素子として構成される。
【００１２】
このように、利得飽和領域４と吸収飽和領域５とが直列に接続されているため（ここでは一素子中で利得飽和領域４と吸収飽和領域５とが繰り返される構造になっているため）、利得飽和によってマークレベル（１レベル）の雑音が抑圧されるとともに、吸収飽和によってスペースレベル（０レベル）の雑音が抑圧されることになる。
本実施形態では、利得飽和領域４及び吸収飽和領域５は、同一の活性層２を有する半導体光導波路３によって構成される。
【００１３】
ここで、活性層２は量子ドット活性層（ここでは多重積層量子ドット活性層）としている。例えば、多重積層量子ドット活性層は、ＩｎＡｓ量子ドットをＩｎＧａＡｓＰバリア層で埋め込んだ量子ドット層を、各量子ドット層の量子ドットが上下に接合されるように、複数層積層させた構造になっている。つまり、多重積層量子ドット活性層は、量子ドットが複数積層されてなる多重積層量子ドットをＩｎＧａＡｓＰバリア層で埋め込んだ構造になっている。これにより、４０Ｇｂ／ｓ以上の高ビットレートの信号再生を実現しうる。
【００１４】
また、本実施形態では、図１に示すように、同一活性層２を持つ半導体光導波路（半導体積層構造）３の表面上に形成される電極（ここではｐ側電極）８を分離して、１つの素子上に、利得飽和領域４及び吸収飽和領域５を光導波方向に沿って直列に形成している。
以下、本光波形整形素子１について、より具体的に説明する。
本光波形整形素子１は、図１に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板６上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層（下側クラッド層；図示せず）を介して活性層２を含むメサ構造が形成されており、電流狭窄及び光の閉じ込めのために、このメサ構造がｐ型ＩｎＰ層９とｎ型ＩｎＰ層１０とをｐｎ接合してなる埋込層によって埋め込まれた構造になっている。なお、本光波形整形素子１は、活性層２の上側及び下側に光ガイド層（例えばＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層）を備えるものとして構成しても良い。
【００１５】
また、ｎ型ＩｎＰ埋込層１０上にはｐ型ＩｎＰクラッド層（上側クラッド層）１１が形成されており、このｐ型ＩｎＰクラッド層１１上にｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７が積層されている。
そして、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７上にｐ側電極８が形成されている。一方、ｎ側電極（図示せず）はｎ型ＩｎＰ基板６の裏面に形成されている。
【００１６】
ところで、利得飽和領域及び可飽和吸収領域（吸収飽和領域）のそれぞれの特性が最も良くなるように設定し、このように設定された利得飽和領域と可飽和吸収領域を単純に直列に接続しただけでは、これらの２つの領域の応答速度よりも速い高速の光信号においては、良好な波形が得られないということがわかった。
ここで、図３は、可飽和吸収領域の特性が最も良くなるように設定された可飽和吸収領域の応答特性を示している。
【００１７】
図３に示すように、光が可飽和吸収領域に入力されてから、可飽和吸収領域で吸収飽和が起きて完全に光が透過できるようになるまで、所定の時間がかかる。つまり、可飽和吸収領域の応答時間［可飽和吸収領域の透過率が１／ｅ（ｅ：自然対数の底）になるまでの時間］はｔ1である。このため、光出力波形は、図３に示すような波形になってしまい、崩れてしまう。
【００１８】
一方、図４は、利得飽和領域の特性が最も良くなるように設定された利得飽和領域の応答特性を示している。
図４に示すように、利得飽和を起こす光が利得飽和領域に入射すると、利得飽和によって利得飽和領域の光増幅率は時間とともに減少していき、光出力も時間とともに減少していくことになる。この場合、利得飽和領域の応答時間［利得飽和領域の増幅率が１／ｅ（ｅ：自然対数の底）になるまでの時間］はｔ2である。
【００１９】
このような可飽和吸収領域と利得飽和領域を単純に直列に接続した素子の応答特性は、図５に示すようになる。このため、光出力波形は、図５に示すような波形になってしまい、崩れてしまう。
このように、可飽和吸収領域の応答時間ｔ1は利得飽和領域の応答時間ｔ2と比べて長く、可飽和吸収領域の応答速度は利得飽和領域の応答速度と比べて遅いため、素子全体の応答速度は、可飽和吸収領域の応答速度で制限されてしまい、高速応答を実現することができない。
【００２０】
そこで、本光波形整形装置では、意図的に、利得飽和領域に流す電流を少なくし、利得飽和領域の応答速度を遅くして、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、利得飽和領域の応答速度と可飽和吸収領域の応答速度とが一致するように構成することで、利得飽和領域の利得の立ち上がり特性と、可飽和吸収領域の立ち上がり特性とが相殺されるようにし、高速信号でも動作可能な良好な特性を実現できるようにしている。
【００２１】
つまり、本実施形態では、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、光波形整形装置は、利得飽和領域４の応答時間ｔ2と吸収飽和領域５の応答時間ｔ1とが一致し、かつ、利得飽和領域４の飽和の深さ［利得飽和（増幅率の飽和）の深い領域に達するまでの利得（増幅率）の変化幅；図２（Ａ）では増幅率が１／１０になるまでの増幅率の変化幅］と吸収飽和領域５の飽和の深さ［吸収飽和（透過率の飽和）の深い領域に達するまでの吸収率（透過率）の変化幅；図２（Ｂ）では透過率が１０倍になるまでの透過率の変化幅］とが一致するように構成されている。
【００２２】
具体的には、光波形整形素子１は、利得飽和領域４の飽和の深さと吸収飽和領域５の飽和の深さとが一致するように、利得飽和領域４の長さ及び吸収飽和領域５の長さが設定されている（例えば図１参照）。
駆動回路２０は、図１に示すように、利得飽和領域４に接続され、利得飽和領域４の活性層２に電流を供給する電流源２１と、吸収飽和領域５の活性層２に接続され、吸収飽和領域５に電圧を印加する電圧源２２とを備える。そして、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、電流源２１から利得飽和領域４の活性層２に供給される電流値及び電圧源２２によって吸収飽和領域５の活性層２に印加される電圧値は、利得飽和領域４の応答時間ｔ2と吸収飽和領域５の応答時間ｔ1とが一致するように設定されている。
【００２３】
このように、利得飽和領域４及び吸収飽和領域５の応答時間及び飽和の深さを設定することで、利得飽和領域の応答速度と吸収飽和領域５の応答速度とが一致し、利得飽和領域の利得の立ち上がり特性と可飽和吸収領域の立ち上がり特性とが相殺されて、光波形整形装置の応答特性は、図２（Ａ）に示すようになり、高速信号でも動作可能な良好な特性を実現できることになる。
【００２４】
以下、より具体的な構成例について、図６を参照しながら説明する。
図６に示すように、ｎ−ＩｎＰ（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）基板６上に、例えばＭＯＣＶＤ法によって自然形成のＩｎＡｓ量子ドット（面密度４×１０10ｃｍ-2）を含む層を５層成長させて、量子ドット活性層２（活性層幅２μｍ）を形成し、活性層２の両側をｐ型ＩｎＰ層９，ｎ型ＩｎＰ層１０で埋め込んだ構造で、利得飽和領域４と吸収飽和領域５とを多段に繰り返した構造の光波形整形素子１において、利得飽和領域４及び吸収飽和領域５の飽和の深さを共に３ｄＢとし、利得飽和領域４及び吸収飽和領域５の応答時間を共に２５ｐｓとするには、各利得飽和領域４の長さを６ｍｍとし、各吸収飽和領域５の長さを５００μｍとし、各利得飽和領域４に２．５Ａの順バイアス電流を流し、各吸収飽和領域５に０．７Ｖの逆バイアス電圧（−０．７Ｖ）を印加すれば良い。
【００２５】
つまり、利得飽和領域４の長さを６ｍｍとすると、飽和の深さは３ｄＢとなり、利得は１８ｄＢとなる。また、利得飽和領域４に２．５Ａの順バイアス電流を流すと、利得飽和領域４の応答時間は２５ｐｓとなる。一方、吸収飽和領域５の長さを５００μｍとすると、飽和の深さは３ｄＢとなる。また、吸収飽和領域５に０．７Ｖの逆バイアス電圧（−０．７Ｖ）を印加すると、吸収飽和領域５の応答時間は２５ｐｓとなる。
【００２６】
このように設定された光波形整形素子１に、光ファイバ３０及び集光レンズ３１を介して外部から、４０Ｇｂｐｓの高速信号であってピークパワー２ｄＢｍ（１．６ｍＷ）の信号光（入力信号光）を入力すると、長さ６ｍｍの利得飽和領域４で、３ｄＢの利得飽和を起こし、１５ｄＢの利得が得られ、１７ｄＢのピークパワーの信号光となる。このピークパワー１７ｄＢの信号光が吸収飽和領域５に入力すると、長さ５００μｍの吸収飽和領域５で３ｄＢの吸収飽和を起こす。
【００２７】
このように、利得飽和領域４と吸収飽和領域５とで飽和の深さが一致しており、さらに、利得飽和領域４の応答時間と吸収飽和領域５の応答時間とは共に２５ｐｓとなっているため、利得飽和領域４の利得の立ち上がり特性と、可飽和吸収領域５の立ち上がり特性とが相殺され、利得飽和領域４及び吸収飽和領域５の応答時間２５ｐｓを上回る４０Ｇｂｐｓの高速信号であっても、波形整形効果が得られることになり、高速信号でも動作可能な良好な特性を実現できることになる。
【００２８】
そして、波形整形効果が得られた信号光（出力信号光）が集光レンズ３２及び光ファイバ３３を介して外部へ出力されることになる。
なお、上述のように利得飽和領域４と吸収飽和領域５とを多段に繰り返した構造にすることによって波形整形効果が大きくなるが、一段でも効果はある。
したがって、本実施形態にかかる光波形整形装置及び光波形整形素子によれば、利得飽和領域４と吸収飽和領域５を直列に接続した光波形整形素子１を用いて波形整形を行なう場合に、例えばこれらの２つの領域４，５の応答速度よりも速い高速の光信号においても良好な波形が得られ、波形整形が可能となるという利点がある。
【００２９】
また、利得飽和領域４と吸収飽和領域５を直列に接続した光波形整形素子１を用いるため、高速動作可能な光波形整形装置を簡単な構成で実現でき、光通信装置の小型化・省電力化を実現できることになる。
なお、上述の実施形態では、複数の利得飽和領域４と複数の吸収飽和領域５とを備え、これらが光導波方向に沿って交互に設けられた光波形整形素子１を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、例えば、１つの利得飽和領域と１つの吸収飽和領域とを備える光波形整形素子に本発明を適用することもできる。
【００３０】
また、上述の実施形態では、ＩｎＰ系材料を用いた導波路埋込構造デバイスを例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、例えばＧａＡｓ系材料を用いても本発明にかかる光波形整形素子を実現することができる。
さらに、上述の実施形態では、埋込構造としてｐｎ埋込構造を用いているが、これに限られるものではなく、例えば半絶縁性埋込構造を用いても良い。また、上述の実施形態では、導波路埋込構造を用いているが、これに限られるものではなく、例えば導波路構造をリッジ構造にしても良い。
【００３１】
また、上述の実施形態では、同一活性層２を持つ半導体光導波路（半導体積層構造）３の表面上に形成されるｐ側電極８を分離して、１つの素子上に、利得飽和領域４及び吸収飽和領域５を光導波方向に沿って直列に形成しているが、これに限られるものではなく、例えば、同一活性層２を持つ半導体光導波路（半導体積層構造）３の表面上に形成されるンタクト層（ここではｐ型コンタクト層）７及び電極（ここではｐ側電極）８を分離して、１つの素子上に、コンタクト層７及び電極８を有する利得飽和領域４、及び、コンタクト層７及び電極８を有する吸収飽和領域５を光導波方向に沿って直列に形成しても良い。この場合、エッチングによってコンタクト層７の一部を取り除いて、分離されたコンタクト層７が光導波方向に沿って直列に並ぶように形成し、これらの分離されたコンタクト層７上のそれぞれに独立に電極８を形成すれば良い。また、コンタクト層の一部をエッチングして分離し、分離されたコンタクト層上に電極を形成するようにして、利得飽和領域と吸収飽和領域とを分離しているが、電極分離方法（電極分離構造）はこれに限られるものではない。例えばプロトン注入（イオン注入）によってコンタクト層の一部を高抵抗化して電極分離を行なうようにしても良い。
【００３２】
また、本発明は、上述した実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態にかかる光波形整形装置の構成を示す模式図である。
【図２】（Ａ）は本発明の一実施形態にかかる光波形整形装置に備えられる利得飽和領域の応答特性を示しており、（Ｂ）は本発明の一実施形態にかかる光波形整形装置に備えられる可飽和吸収領域の応答特性を示しており、（Ｃ）は本発明の一実施形態にかかる光波形整形装置の応答特性を示している。
【図３】利得飽和領域及び可飽和吸収領域のそれぞれの特性が最も良くなるように設定し、これらを単純に直列に接続してなる光波形整形装置の課題を説明するための図であり、可飽和吸収領域の応答特性を示す図である。
【図４】利得飽和領域及び可飽和吸収領域のそれぞれの特性が最も良くなるように設定し、これらを単純に直列に接続してなる光波形整形装置の課題を説明するための図であり、利得飽和領域の応答特性を示す図である。
【図５】利得飽和領域及び可飽和吸収領域のそれぞれの特性が最も良くなるように設定し、これらを単純に直列に接続してなる光波形整形装置の課題を説明するための図であり、光波形整形素子の応答特性を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態にかかる光波形整形装置の具体的な構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  光波形整形素子
２  活性層（量子ドット活性層）
３  半導体光導波路
４  利得飽和領域
５  吸収飽和領域（可飽和吸収領域）
６  半導体基板（ｎ型ＩｎＰ基板）
７  コンタクト層（ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層）
８  電極（ｐ側電極）
９  ｐ型ＩｎＰ層
１０  ｎ型ＩｎＰ層
１１  ｐ型ＩｎＰクラッド層
２０  駆動回路
２１  電流源
２２  電圧源
３０，３３  光ファイバ
３１，３２  集光レンズ
【図１】
0005034930.tif 000002
【図２】
0005034930.tif 000003
【図３】
0005034930.tif 000004
【図４】
0005034930.tif 000005
【図５】
0005034930.tif 000006
【図６】
0005034930.tif 000007