(57)【要約】【課題】小信号での変調を用いて光信号を低コストかつ安定的に送り、高速動作を可能にする。【解決手段】光信号処理システムは、光信号を出力するＤＦＢレーザ１４−１と、レーザ駆動用ＩＣ１４−２と、ｎ型不純物が添加された半導体層と第１の真性半導体層とｐ型不純物が添加された半導体層と第２の真性半導体層とが順に積層されたｎｉｐｉ構造を有する受光素子１４−４とを備える。レーザ駆動用ＩＣ１４−２は、光入力に応じて受光素子１４−４の出力電圧が増大する領域を超えて光入力が増大し受光素子１４−４の出力電圧が零となる光強度をＰｂｒｅａｋとしたとき、入力電気信号に応じてＰｂｒｅａｋ未満の光強度とＰｂｒｅａｋ以上の光強度の範囲で光信号の強度が変化するように光変調する。【選択図】  図９
2009016705.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号を出力する発光素子と、
この発光素子を駆動する発光素子駆動手段と、
ｎ型不純物が添加された半導体層と第１の真性半導体層とｐ型不純物が添加された半導体層と第２の真性半導体層とが順に積層された構造を有する受光素子とを備え、
前記発光素子駆動手段は、光入力に応じて前記受光素子の出力電圧が増大する領域を超えて前記光入力が増大し前記受光素子の出力電圧が零となる光強度をＰｂｒｅａｋとしたとき、入力電気信号に応じて前記Ｐｂｒｅａｋ未満の光強度と前記Ｐｂｒｅａｋ以上の光強度の範囲で前記光信号の強度が変化するように光変調することを特徴とする光信号処理システム。
【請求項２】
請求項１記載の光信号処理システムにおいて、
さらに、前記受光素子の出力に直列に接続された電圧駆動型素子を備えることを特徴とする光信号処理システム。
【請求項３】
請求項１記載の光信号処理システムにおいて、
さらに、前記受光素子の出力に直列に接続された電流源及び電流駆動型素子を備えることを特徴とする光信号処理システム。
【請求項４】
光信号を出力する発光素子と、ｎ型不純物が添加された半導体層と第１の真性半導体層とｐ型不純物が添加された半導体層と第２の真性半導体層とが順に積層された構造を有する受光素子とを用いて、前記受光素子で電気信号を取り出す光信号処理方法であって、
光入力に応じて前記受光素子の出力電圧が増大する領域を超えて前記光入力が増大し前記受光素子の出力電圧が零となる光強度をＰｂｒｅａｋとしたとき、入力電気信号に応じて前記Ｐｂｒｅａｋ未満の光強度と前記Ｐｂｒｅａｋ以上の光強度の範囲で前記光信号の強度が変化するように光変調する変調手順を備えることを特徴とする光信号処理方法。
【請求項５】
請求項４記載の光信号処理方法において、
さらに、電圧駆動型素子を前記受光素子の出力電圧で駆動する手順を備えることを特徴とする光信号処理方法。
【請求項６】
請求項４記載の光信号処理方法において、
さらに、電流源から電流駆動型素子に流れる電流を前記受光素子で制御する手順を備えることを特徴とする光信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号を用いて情報伝達をしたり、素子を駆動したりする光信号処理システムおよび光信号処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光信号を電流または電圧に変換するためには、受光デバイスで電気信号に変換後、所望の電圧・電流までに増幅する必要がある。このため、通常の受光モジュールは、受光デバイスに加え、信号増幅用ＩＣおよびＩＣ駆動用電源が必須であり、システムが複雑となり低コスト化への障害となっていた。また、長距離光伝送を行うには、出射側の光強度・消光比を大きくする必要があり、光出射側に用いる半導体レーザに高出力・高い消光比が要求され、レーザの安定動作に課題があった。
【０００３】
図１８は従来の一般的な光通信システムの構成を示すブロック図である。光通信システムは、半導体レーザ１−１と、光ファイバ１−２と、受光素子であるＰＩＮ−ＰＤ（フォトダイオード）１−３と、図示しない回路からの微弱電気信号を増幅して半導体レーザ１−１を駆動するレーザ駆動用ＩＣ１−４と、ＰＩＮ−ＰＤ１−３を駆動すると共にＰＩＮ−ＰＤ１−３から出力された電気信号を復号するＰＩＮ−ＰＤ駆動用ＩＣ１−５とからなる。電気信号、光信号共に消光比が大きいほど、品質の高い信号である。
【０００４】
図１９は半導体レーザ１−１の電流−光出力曲線を示す図である。半導体レーザ１−１の駆動電流の振幅を図１９のＡ−Ａ’の範囲とすると、Ｂ−Ｂ’の範囲の振幅の光信号が半導体レーザ１−１から射出される。この光信号は、図１８の光ファイバ１−２を通過した後、ＰＩＮ−ＰＤ１−３に入射して電気信号に変換され、さらに後段のＰＩＮ−ＰＤ駆動用ＩＣで複号されて情報として取り出されていた。
【０００５】
図１８に示した光通信システムで長距離伝送を行う場合、半導体レーザの光出力を増加させることと、ＳＮ比を向上させるために消光比を高くすることが重要であった。
一方、光ファイバは波長分散特性を有しており、波長幅の広いスペクトルで光信号を送信した場合、光信号のパルス幅が広がる現象が生じ、伝送距離・伝送速度に制限が生じていた。
このため、図１８に示した従来の光通信システムでは、長距離・高速通信においては単一波長スペクトルを有するＤＦＢレーザ（Distributed feedback laser）が用いられていた。
【０００６】
また、本発明に関連するもう一つの背景技術として、光−電圧変換素子を用い、無電源でＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）を動作させるシステムが提案されている。この光−電圧変換素子は、特許文献１に開示されており、ｎｉｐｉ超格子を有する構造を特徴とする。図２０（Ａ）に特許文献１に開示された光−電圧変換素子の光吸収層の拡大図を示し、図２０（Ｂ）に光吸収層のバンド構造を示す。
【０００７】
図２０（Ａ）において、１３３はアンドープ層、１３１はｐ型高濃度デルタドープ層、１３２はｎ型高濃度デルタドープ層、１３４はアンドープスペーサ層である。図２０（Ａ）の光吸収層のバンド構造は、図２０（Ｂ）に示すように鋸歯状となる。
このような光−電圧変換素子に対して光信号１３５を照射すると、アンドープ層１３３において図２０（Ｂ）の１３６に示す過程により電子が励起される。この結果、伝導帯に電子を生じ、荷電子帯にホールを生じて光キャリアが発生する。そして、発生した光キャリアは鋸歯状のバンド構造に基づきドリフトして、図２０（Ｂ）の１３７で示すように電子はｎ型高濃度デルタドープ層１３２の方向へ、ホールはｐ型高濃度デルタドープ層１３１の方向へ移動し、分極が発生する。
【０００８】
ｎ型高濃度デルタドープ層１３２とｐ型高濃度デルタドープ層１３１とはアンドープスペーサ層１３４の距離である１０ｎｍしか離れていないので、両デルタドープ層に移動してきた電子とホールとは非常に近接する。従って、これらの光キャリアは直接再結合により容易に消滅する。また、ｎ型高濃度デルタドープ層方向とｐ型高濃度デルタドープ層とは高濃度デルタドープ層であるので再結合中心を多く有しており、この再結合中心を介して間接再結合により容易に消滅する。従って、これらの直接再結合および間接再結合過程を通じて光キャリアは急速に消滅する。このような光−電圧変換素子によれば、バンドギャップ以上の高い信号電圧の発生が可能となり、信号を取り出すための外部電源を繋ぐことなく、光信号を電圧信号に変換することができる。
【０００９】
図２１は図２０（Ａ）、図２０（Ｂ）に示した光−電圧変換素子の入射光強度と出力電圧との関係を示す図である。図２１によれば、光入力の増加に従い、出力電圧が増加することが分かる。
このような光−電圧変換素子を用いて、特許文献１に記述されているように、半導体吸収型光変調器などを直接制御するシステムが提案されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−２１６４２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述のように、従来の光通信システムでは、通信距離を伸ばすために、半導体レーザの光出力強度および消光比を高くすることが重要であった。
しかしながら、消光比の高い光信号を得るためには、半導体レーザの駆動電流の振幅を大きくする必要があった。半導体レーザの駆動電流の振幅を大きくすると、半導体レーザ内部で電子とホールの空間ホールバーニングが生じるため、出力光のスペクトル広がり（波長チャーピング）が生じ、かつＳＭＳＲ（side mode suppression ratio）も悪化するという問題点があった。また、光ファイバが波長分散特性を有しているため、上記のようにスペクトル幅が広く、かつＳＭＳＲが劣化した信号光では、高速・長距離伝送に限界があるという問題点があった。
【００１２】
次に、特許文献１に開示されたように光−電圧変換素子としてｎｉｐｉ構造を用いた場合の問題点について説明する。図２２は非対称ｎｉｐｉ構造における電圧発生−消滅の過程を説明するための図である。図２２において、１５４は電子、１５５はホールである。ｎｉｐｉ構造においては、光吸収によるキャリア発生過程（図２２の１５１）、内部電界による光キャリアのドリフトおよび分極過程（図２２の１５２）、光入射が弱くなったときに光キャリアの再結合消滅（図２２の１５３）により電圧が生じる過程、という３つの過程により、入射光強度に応じて電圧が出力される。このとき、過程１５３のキャリア再結合工程の反応時間が遅いという問題点があり、この反応時間の遅さが高速動作の制限要因となっていた。
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、振幅幅の抑制された小信号での変調を用いて光信号を低コストかつ安定的に送ることができ、高速動作が可能な光信号処理システムおよび光信号処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の光信号処理システムは、光信号を出力する発光素子と、この発光素子を駆動する発光素子駆動手段と、ｎ型不純物が添加された半導体層と第１の真性半導体層とｐ型不純物が添加された半導体層と第２の真性半導体層とが順に積層された構造を有する受光素子とを備え、前記発光素子駆動手段は、光入力に応じて前記受光素子の出力電圧が増大する領域を超えて前記光入力が増大し前記受光素子の出力電圧が零となる光強度をＰｂｒｅａｋとしたとき、入力電気信号に応じて前記Ｐｂｒｅａｋ未満の光強度と前記Ｐｂｒｅａｋ以上の光強度の範囲で前記光信号の強度が変化するように光変調するものである。
また、本発明の光信号処理システムの１構成例は、さらに、前記受光素子の出力に直列に接続された電圧駆動型素子を備えるものである。
また、本発明の光信号処理システムの１構成例は、さらに、前記受光素子の出力に直列に接続された電流源及び電流駆動型素子を備えるものである。
【００１５】
また、本発明は、光信号を出力する発光素子と、ｎ型不純物が添加された半導体層と第１の真性半導体層とｐ型不純物が添加された半導体層と第２の真性半導体層とが順に積層された構造を有する受光素子とを用いて、前記受光素子で電気信号を取り出す光信号処理方法であって、光入力に応じて前記受光素子の出力電圧が増大する領域を超えて前記光入力が増大し前記受光素子の出力電圧が零となる光強度をＰｂｒｅａｋとしたとき、入力電気信号に応じて前記Ｐｂｒｅａｋ未満の光強度と前記Ｐｂｒｅａｋ以上の光強度の範囲で前記光信号の強度が変化するように光変調する変調手順を備えるものである。
また、本発明の光信号処理方法の１構成例は、さらに、電圧駆動型素子を前記受光素子の出力電圧で駆動する手順を備えるものである。
また、本発明の光信号処理方法の１構成例は、さらに、電流源から電流駆動型素子に流れる電流を前記受光素子で制御する手順を備えるものである。
【発明の効果】
【００１６】
光信号を電流または電圧に変換するためには、通常は受光デバイスで電気信号に変換後、所望の電圧・電流までに増幅する必要がある。このため、通常の受光モジュールでは、受光デバイスに加え、信号増幅用ＩＣおよびＩＣ駆動用電源が必要であり、システムが複雑となり、低コスト化への障害となっていた。また、信号はオンとオフの強度差が大きいほど、品質が良いので、このため光信号の変調強度を大きくする必要があり、光信号出射レーザに高い変調度が要求され、レーザの安定動作に課題があった。これに対して、本発明では、ｎ型不純物が添加された半導体層と第１の真性半導体層とｐ型不純物が添加された半導体層と第２の真性半導体層とが順に積層され、さらに第１、第２の真性半導体層の厚さが異なる非対称ｎｉｐｉ構造を有する受光素子を用いる。非対称ｎｉｐｉ構造は、入力光強度に応じて出力電圧が増加する光−電圧変換素子である。このｎｉｐｉ構造は、ある強度（Ｐｂｒｅａｋ）以上の光を入力すると、出力電圧が急峻に零になる高い非線形性を有する。本発明では、Ｐｂｒｅａｋ未満の光強度とＰｂｒｅａｋ以上の光強度の範囲で光信号の強度が変化するように光変調することにより、受光側においては僅かな光信号の振幅を大きな電気信号として取り出すことができる。これにより、本発明では、発光素子に用いるレーザの駆動電流振幅を大きくする必要がなくなるので、空間ホールバーニングの抑制されたレーザ駆動が可能であり、ＳＭＳＲが高く、かつチャーピング幅の狭いスペクトル光が得られるため、光ファイバ内での波長分散を抑制することができ、長距離・高速伝送が可能となる。また、本発明では、発光素子に用いるレーザの安定動作を実現することができる。さらに、本発明では、ｎｉｐｉ構造受光素子を光−電圧変換素子として使用した従来の変調方法に比べて、高速な応答が可能となる。
【００１７】
また、本発明では、受光素子の出力に電圧駆動型素子を直列に接続することにより、電圧駆動型素子を光信号で高速に直接駆動することができる。また、本発明では、受光側の構成を無電源で実現することができ、システムを簡便に実現することができる。
【００１８】
また、本発明では、受光素子の出力に電流源及び電流駆動型素子を直列に接続することにより、電流駆動型素子を光信号で高速に駆動することができる。このときは、第１、第２の真性半導体層の厚さは同一でもよい。また、本発明では、光スイッチングできるため、電磁ノイズ等が問題となる状況にも適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
［発明の原理］
本発明は、ｎｉｐｉ構造を有する受光素子を用いて、振幅の小さい光信号を振幅強度の大きい電圧・電流信号に変換する機能を提供する光信号処理システムおよび光信号処理方法（変調方法）に関する発明である。さらに、本発明の光信号処理方法を用いることにより、ｎｉｐｉ構造受光素子を光−電圧変換素子として使用した特許文献１に記載の変調方法に比べて、高速な応答が可能となる。本発明は、発明者の実験事実による原理に基づくもので、ｎｉｐｉ構造の顕著な非線形特性に基づく。
【００２０】
図１は、ｎｉｐｉ構造における入射光強度と出力電圧との関係を示す図である。図１の関係を求める実験では、ｎｉｐｉ構造で生じる出力電圧が光入力に対して飽和した状態（飽和領域）からさらに光入力強度を高め、ｎｉｐｉ構造の出力電圧を測定した。図１から明らかなように、入射光強度を増加させると、ｎｉｐｉ構造の出力電圧が増加し、飽和領域以上に入射光強度を増加させると出力電圧が急激に低下する（零になる）非線形現象を観測した。
【００２１】
図２はこの非線形現象が生じる理由を説明するための図であり、２００は電子、２０１はホール、２０２は電子２００のうちｎｉｐｉ井戸から溢れ出したオーバーフローキャリア、２０３はホール２０１のうちｎｉｐｉ井戸から溢れ出したオーバーフローキャリアである。非線形現象が生じる理由は、ｎｉｐｉ構造ではある一定以上の入射光強度で飽和状態になり、更に入射光強度を増加させると（過剰入力光状態）、図２に示すようにｎｉｐｉ井戸からキャリア２００，２０１がオーバフローして、オーバーフローキャリア２０２，２０３が空間的に電荷が中性になるように移動（誘電緩和）し、外部への取り出し電圧が零となるためと考えられる。この出力電圧が零になる光強度をＰｂｒｅａｋ光強度とする。
【００２２】
図３に示すように、Ｐｂｒｅａｋ光強度が６ｍＷであるｎｉｐｉ構造の受光素子を用いた場合、入射光強度の振幅を、ｐｂｒｅａｋ光強度を挟んで５ｍＷ−７ｍＷの範囲（図３のα−α’の範囲）とした場合、光素子からは上記の非線形性により、５ｍＷの光入射時には６Ｖの電圧（図３のβ’の電圧）が出力され、７ｍＷの光入射時には０Ｖの電圧（図３のβの電圧）が出力される。
【００２３】
このようなｎｉｐｉ構造の非線形性を利用するため、本発明の光信号処理方法では、ＤＦＢレーザ等の発光素子において、入力電気信号に応じて飽和領域の光強度αとＰｂｒｅａｋ以上の光強度α’の範囲で光信号の強度が変化するように光変調する。こうして、ｎｉｐｉ構造の非線形性を利用すれば、消光比の低い信号光においても、振幅の大きい電圧信号に変換可能な波形再生機能を実現することができる。
【００２４】
本発明によれば、出力側のレーザの駆動電流振幅を小さくすることができ、空間ホールバーニングの抑制されたレーザ駆動が可能であり、ＳＭＳＲが高く、かつチャーピング幅の狭いスペクトル光が得られるため、光ファイバ内での波長分散を抑制することができ、長距離・高速伝送が可能となる。以上のように、ｎｉｐｉ構造の非線形性を用いることにより、光ファイバの波長分散耐性の高い伝送方法が提供できる。さらに、キャリアオーバーフローに伴う電圧降下は高速な現象であるため、通信の高速性も向上させることができる。
【００２５】
本発明では、以上のような効果を利用して、電圧駆動型素子等を光信号で高速に直接駆動することも可能となる。電圧駆動型素子を光信号で直接駆動する光信号処理システムについて、本発明の第２の効果を説明する。図４は、この光信号処理システムの構成を示すブロック図である。光信号処理システムは、光入力ポート９−１と、光−電圧変換素子である本発明の受光素子９−２と、電圧駆動型素子９−３とから構成される。この光信号処理システムで用いる受光素子９−２は、第１、第２の真性半導体層の厚さが異なる非対称ｎｉｐｉ構造の受光素子である。
【００２６】
図示しないＤＦＢレーザ等の発光素子から光ファイバを介して光入力ポート９−１に光信号が入射したとき、入射光強度がＰｂｒｅａｋ未満であれば、入射光強度に応じた電圧が受光素子９−２から電圧駆動型素子９−３に供給される。また、入射光強度がＰｂｒｅａｋ以上であれば、電圧駆動型素子９−３への印加電圧は零になる。電圧駆動型素子９−３は、受光素子９−２からの印加電圧に応じて動作する。
本発明の光信号処理方法では、入射光の強度がｐｂｒｅａｋを挟んで振れるように調整すれば良いため、光強度振幅が小さい場合でも受光素子９−２の出力電圧の振幅を大きくすることができ、信号波形の整形機能も付加できる。
【００２７】
図５は、受光素子９−２の入射光強度と出力電圧との関係を示す図であり、ＣＬは受光素子９−２への入射光強度、ＣＶは受光素子９−２の出力電圧である。ｐｂｒｅａｋ光強度以上の入射光強度で受光素子９−２の出力電圧は零となり、ｐｂｒｅａｋ光強度未満の入射光強度で受光素子９−２からは例えば６Ｖの電圧が取り出せる。
電圧駆動型素子９−３の例としては、ＬｉＮｂＯ3変調器、電圧駆動型ＩＣ、電圧駆動ＭＥＭＳなどが考えられる。
【００２８】
次に、電流駆動型素子を光信号で制御する光信号処理システムについて、本発明の第３の効果を説明する。図６は、この光信号処理システムの構成を示すブロック図である。光信号処理システムは、光入力ポート１１−１と、光−電圧変換素子である本発明の受光素子１１−２と、電流源１１−３と、電流駆動型素子１１−４とから構成される。この光信号処理システムでは、受光素子１１−２と電流源１１−３と電流駆動型素子１１−４とを直列に接続する。この光信号処理システムで用いる受光素子１１−２は、ｎｉｐｉ構造であればよく、第１、第２の真性半導体層の厚さは同一でもよい。
【００２９】
図７はｎｉｐｉ構造の受光素子１１−２の出力電流（Ｉ）と出力電圧（Ｖ）との関係を示す図である。図７の結果は、受光素子１１−２への光入射が無い状態で求めたものである。図示しないＤＦＢレーザ等の発光素子から光ファイバを介して光入力ポート１１−１に光信号が入射したとき、入射光強度がＰｂｒｅａｋ未満であれば、受光素子１１−２のＩ−Ｖ特性は図７のグラフと同じような形状を示す。このため、図６に示す光信号処理システムでは、入射光強度がＰｂｒｅａｋ未満で、かつ電流源１１−３の電圧が１０Ｖ以下である場合は、受光素子１１−２の内部抵抗が大きくほとんど電流を流さない。一方で、ｐｂｒｅａｋ光強度以上の入射光では、受光素子１１−２の内部抵抗が零になることが発明者の実験により明らかになった。
【００３０】
このような特性を利用し、図４の光信号処理システムで説明した方法と同様に入射光の強度がｐｂｒｅａｋを挟んで振れるように調整すれば良く、小さい光強度振幅で受光素子１１−２の出力電流の振幅を大きくすることができる。図６に示した光信号処理システムでは、光スイッチングできるため、電磁ノイズ等が問題となる状況にも適している。
電流駆動型素子１１−４の例としては、電流駆動型ＩＣ、レーザなどが考えられる。
【００３１】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態は、簡便な構成で、振幅幅の小さい光信号を大きな電圧・電流信号（振幅強度）に変換することが可能な波形整形機能を有する光信号処理システムおよび光信号処理方法を提供する。
まず、本実施の形態の特徴であるｎｉｐｉ構造の受光素子の構造について説明する。図８は本発明の第１の実施の形態に係る受光素子の構造を示す断面図である。本実施の形態の受光素子は、具体的には、ｎ+−ＩｎＰ基板１３−１上に、ｎ+−ＩｎＰバッファ層１３−２、ｎ+−ＩｎＧａＡｓ層１３−３、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層（第１の真性半導体層）１３−４、ｐ+−ＩｎＧａＡｓ層１３−５、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層（第２の真性半導体層）１３−６、ｎ+−ＩｎＰ層１３−７を順次積層し、その上下に電極１３−８，１３−９を形成したものである。
【００３２】
高い電圧を取り出すためには、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層１３−４とｉ−ＩｎＧａＡｓ層１３−６に層厚差をつけると良い。また、ｎ+−ＩｎＧａＡｓ層１３−３からｉ−ＩｎＧａＡｓ層１３−６のｎｉｐｉ構造を多層に積層しても効果がある。
【００３３】
図９は、本実施の形態の受光素子を用いた光信号処理システムの構成を示すブロック図である。この光信号処理システムは、光通信システムを構成するものであり、発光素子であるＤＦＢレーザ１４−１と、図示しない回路からの入力電気信号を増幅してＤＦＢレーザ１４−１を駆動する発光素子駆動手段であるレーザ駆動用ＩＣ１４−２と、光ファイバ１４−３と、図８に示したｎｉｐｉ構造を有する本実施の形態の受光素子１４−４と、受光素子１４−４から出力された電気信号を復号する信号判別回路１４−５とからなる。
【００３４】
レーザ駆動用ＩＣ１４−２は、入力された電気信号に応じてＤＦＢレーザ１４−１を駆動する。ＤＦＢレーザ１４−１から射出された光信号は、光ファイバ１４−３によって伝送され、受光素子１４−４に入射する。受光素子１４−４は、光信号を電気信号に変換し、信号判別回路１４−５は、受光素子１４−４から出力された電気信号を増幅して復号する。
【００３５】
図１０は、図９の光信号処理システムで用いたＤＦＢレーザ１４−１の電流−光出力曲線を示す図である。ＤＦＢレーザ１４−１の駆動電流の振幅を図１０のＡ−Ａ’の範囲とすると、Ｂ−Ｂ’の範囲の振幅の光信号がＤＦＢレーザ１４−１から射出される。
図１１は、ＤＦＢレーザ１４−１から出力される光のスペクトルを示す図である。Ｓ１は本実施の形態の光信号処理方法により出力される光スペクトルであり、Ｓ２は従来の直接変調により出力される光スペクトルである。ｃｈ１，ｃｈ２はそれぞれ光スペクトルＳ１，Ｓ２の波長チャーピング幅、ＳＭＳＲ１，ＳＭＳＲ２はそれぞれ光スペクトルＳ１，Ｓ２のＳＭＳＲ（side mode suppression ratio）である。
【００３６】
直接変調とは、図１９に示した変調方式で、レーザの閾値電流付近から、駆動電流を大きく振る方式のことである。
図１１に示すように、本実施の形態の光信号処理方法によれば、ＤＦＢレーザ１４−１内での空間ホールバーニングが抑制されるため、波長チャーピング幅が狭く、かつＳＭＳＲの高い光スペクトルを得ることができる。
【００３７】
図１２は、光ファイバ１４−３の伝送前後の信号波形の変化を直接変調方式と比較した図である。図１２（Ａ）は光ファイバ１４−３の伝送前の信号波形、図１２（Ｂ）は本実施の形態の光信号処理方法による光信号を光ファイバ１４−３で伝送した後の信号波形、図１２（Ｃ）は従来の直接変調による光信号を光ファイバ１４−３で伝送した後の信号波形である。
【００３８】
従来の直接変調方式では、ＤＦＢレーザから出力される光のスペクトル幅が広いため、ファイバ内波長分散により、図１２（Ｃ）のように信号波形が崩れて、通信エラーの原因になる。
一方、本実施の形態の光信号処理方法では、ＤＦＢレーザ１４−１から出力される光のスペクトル幅が狭いため、ファイバ波長分散の影響が抑制され、信号波形を維持したまま光ファイバ１４−３内を伝送される。
【００３９】
次に、本実施の形態の光信号処理システムでは、光ファイバ１４−３からの光信号を図８に示したｎｉｐｉ構造を有する受光素子１４−４で受光する。このとき、レーザ駆動用ＩＣ１４−２は、受光素子１４−４への入射光の強度が、ｐｂｒｅａｋ光強度を挟んで振れるようにする。
受光素子１４−４の入射光強度と出力電圧との関係は、図５に示した受光素子９−２の特性と同様である。ｐｂｒｅａｋ光強度以上の入射光強度で受光素子１４−４の出力電圧は零となり、ｐｂｒｅａｋ光強度未満の入射光強度で受光素子１４−４からは例えば６Ｖの電圧が取り出せる。
【００４０】
信号判別回路１４−５は、受光素子１４−４からの出力電圧を識別再生する。こうして、本実施の形態では、ｎｉｐｉ構造の受光素子１４−４の非線形性を用いて、振幅幅の小さい光信号を振幅幅の大きい電気信号に複号することが可能な波形整形機能を有する光信号処理システムを提供できる。
【００４１】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図１３は、本発明の第２の実施の形態に係る光信号処理システムの構成を示すブロック図である。本実施の形態の光信号処理システムは、光入力ポート１９−１と、図８に示したｎｉｐｉ構造を有する光−電圧変換素子である受光素子１９−２と、光入力ポート１９−３と、光出力ポート１９−４と、ＬｉＮｂＯ3変調器１９−５とから構成される。
第１の実施の形態では、ｎｉｐｉ構造の受光素子１４−４の後段に信号処理ＩＣからなる信号判別回路１４−５を接続して光通信システムの受信機を構成したが、本実施の形態では、受光素子１９−２の後段に電圧駆動型素子であるＬｉＮｂＯ3変調器１９−５を接続した構成を特徴とする。
【００４２】
以下、本実施の形態の光信号処理システムの動作について説明する。図示しないＤＦＢレーザ等の発光素子から光ファイバを介して伝送される光信号Ｓ１は、光入力ポート１９−１から受光素子１９−２に入射する。
光信号Ｓ２は、光入力ポート１９−３から入射し、ＬｉＮｂＯ3変調器１９−５で変調されて光出力ポート１９−４から出射する。ＬｉＮｂＯ3変調器１９−５は、受光素子１９−２と電気的に接続され、受光素子１９−２で発生した出力電圧に応じて光信号Ｓ２を変調する。
【００４３】
本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、光信号Ｓ１の強度がｐｂｒｅａｋを挟んで振れるように調整することにより、受光素子１９−２より振幅の大きい電圧を取り出すことができる。
図１４（Ａ）は光入力ポート１９−１から受光素子１９−２に入射する光信号Ｓ１の強度を示す図、図１４（Ｂ）は光出力ポート１９−４から出射する光信号Ｓ２の強度を示す図である。光信号Ｓ１の強度がｐｂｒｅａｋ以上のときには、受光素子１９−２の出力電圧がオフ（零）になって、光出力ポート１９−４から出射する光信号Ｓ２はオンとなり、光信号Ｓ１の強度がｐｂｒｅａｋ未満のときには、受光素子１９−２の出力電圧がオンになって、光信号Ｓ２はオフとなる。
【００４４】
以上のように、本実施の形態では、振幅の小さい光信号Ｓ１で他の光信号Ｓ２を制御することが可能である。また、図１３に示す受光側の構成を無電源で実現することができ、システムを簡便に実現することができる。
【００４５】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図１５は、本発明の第３の実施の形態に係る光信号処理システムの構成を示すブロック図である。本実施の形態の光信号処理システムは、光入力ポート２１−１と、図８に示したｎｉｐｉ構造を有する光−電圧変換素子である受光素子２１−２と、電圧駆動型素子であるＭＥＭＳ２１−３とから構成される。
【００４６】
第１の実施の形態と同様に、光入力ポート２１−１から受光素子２１−２に入射する光信号Ｓ１の強度がｐｂｒｅａｋ未満のときには、受光素子２１−２から振幅の大きい電圧が出力され、この電圧に応じてＭＥＭＳ２１−３が動作する。さらに、光信号Ｓ１の強度が高くなり、ｐｂｒｅａｋ以上の光信号Ｓ１が入射したときには、受光素子２１−２の出力電圧が零になるので、ＭＥＭＳ２１−３の動作が停止する。
【００４７】
光信号Ｓ１の強度がｐｂｒｅａｋ未満からｐｂｒｅａｋ以上になることにより受光素子２１−２の出力電圧がオンからオフになる反応速度は、光信号Ｓ１がオンからオフになることにより出力電圧がオンからオフになる反応速度よりも高速である。その理由は、光信号Ｓ１をオフにして受光素子２１−２の出力電圧を零にする場合、ｎｉｐｉ構造内の再結合時間によって反応時間が制限されるが、光信号Ｓ１の強度をｐｂｒｅａｋ以上にして出力電圧を零にする場合は、高速なキャリア生成過程とキャリアのオーバフローが関係するため、高速な動作が可能となるからである。
また、図１５に示す受光側の構成は無電源で実現することができ、無電源でＭＥＭＳ２１−３を動作させることができる。
なお、第２、第３の実施の形態の光信号処理システムで用いる受光素子１９−２，２１−２は、第１、第２の真性半導体層の厚さが異なる非対称ｎｉｐｉ構造の受光素子である。
【００４８】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図１６は、本発明の第４の実施の形態に係る光信号処理システムの構成を示すブロック図である。本実施の形態の光信号処理システムは、光入力ポート２２−１と、図８に示したｎｉｐｉ構造を有する光−電圧変換素子である受光素子２２−２と、電流源２２−３と、電流駆動型素子２２−４とから構成される。この光信号処理システムで用いる受光素子２２−２は、ｎｉｐｉ構造であればよく、第１、第２の真性半導体層の厚さは同一でもよい。
【００４９】
受光素子２２−２は、光入力ポート２２−１から入射する光信号Ｓ１の強度がＰｂｒｅａｋ未満の場合には内部抵抗が大きく、電流を流さないが、光信号Ｓ１の強度がｐｂｒｅａｋ以上の場合には内部抵抗が低下して、電流源２２−３からの電流を流す。その理由は、ｐｂｒｅａｋ以上の過剰入力光状態では、図２に示したようにｎｉｐｉ構造がキャリアオーバーフロー状態となり、導体としての特性を有するためである。
本実施の形態では、このようなｎｉｐｉ構造の特性を利用し、第１の実施の形態と同様に光信号Ｓ１の強度がｐｂｒｅａｋを挟んで振れるように調整することにより、小さい光強度振幅で受光素子２２−２の出力電流の振幅を大きくすることができる。
【００５０】
図１７は、受光素子２２−２の入射光強度と出力電流との関係を示す図であり、ＣＬは受光素子２２−２への入射光強度、ＣＩは受光素子２２−２の出力電流である。図１７によれば、光信号Ｓ１の強度がＰｂｒｅａｋ未満の場合には電流は流れないが、光信号Ｓ１の強度がｐｂｒｅａｋ以上の場合には電流が流れることが分かる。
本実施の形態では、光スイッチングできるため、電磁ノイズ等が問題となる状況にも適用することができる。電流駆動型素子２２−４の例としては、電流駆動型ＩＣ、レーザなどが考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、光信号を用いて情報伝達をしたり、素子を駆動したりする技術に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】ｎｉｐｉ構造における入射光強度と出力電圧との関係を示す図である。
【図２】ｎｉｐｉ構造のバンド構造を示す図であり、ｎｉｐｉ構造におけるキャリアオーバフローを説明する図である。
【図３】ｎｉｐｉ構造における入射光強度振幅と出力電圧振幅との関係を説明する図である。
【図４】電圧駆動型素子を光信号で駆動する光信号処理システムの構成を示すブロック図である。
【図５】図４の光信号処理システムで用いた受光素子の入射光強度と出力電圧との関係を示す図である。
【図６】電流駆動型素子を光信号で制御する光信号処理システムの構成を示すブロック図である。
【図７】図６の光信号処理システムで用いた受光素子の出力電流と出力電圧との関係を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る受光素子の構造を示す断面図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係る受光素子を用いた光信号処理システムの構成を示すブロック図である。
【図１０】図９の光信号処理システムで用いたＤＦＢレーザの電流−光出力曲線を示す図である。
【図１１】図９の光信号処理システムで用いたＤＦＢレーザから出力される光のスペクトルを示す図である。
【図１２】光ファイバ伝送前後の信号波形の変化を示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態に係る光信号処理システムの構成を示すブロック図である。
【図１４】図１３の光信号処理システムにおいて光入力ポートから受光素子に入射する光信号の強度及び光出力ポートから出射する光信号の強度を示す図である。
【図１５】本発明の第３の実施の形態に係る光信号処理システムの構成を示すブロック図である。
【図１６】本発明の第４の実施の形態に係る光信号処理システムの構成を示すブロック図である。
【図１７】図１６の光信号処理システムで用いた受光素子の入射光強度と出力電流との関係を示す図である。
【図１８】従来の一般的な光通信システムの構成を示すブロック図である。
【図１９】図１８の光通信システムにおける半導体レーザの電流−光出力曲線を示す図である。
【図２０】従来の光−電圧変換素子の光吸収層の拡大図及び光吸収層のバンド構造を示す図である。
【図２１】図２０の光−電圧変換素子の入射光強度と出力電圧との関係を示す図である。
【図２２】非対称ｎｉｐｉ構造における電圧発生−消滅の過程を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５３】
９−１，１１−１，１９−１，１９−３，２１−１，２２−１…光入力ポート、９−２，１１−２，１９−２，２１−２，２２−２…受光素子、９−３…電圧駆動型素子、１１−３，２２−３…電流源、１１−４，２２−４…電流駆動型素子、１３−１…ｎ−ＩｎＰ基板、１３−２…ｎ−ＩｎＰバッファ層、１３−３…ｎ−ＩｎＧａＡｓ層、１３−４…ｉ−ＩｎＧａＡｓ層、１３−５…ｐ−ＩｎＧａＡｓ層、１３−６…ｉ−ＩｎＧａＡｓ層、１３−７…ｎ−ＩｎＰ層、１３−８，１３−９…電極、１４−１…ＤＦＢレーザ、１４−２…レーザ駆動用ＩＣ、１４−３…光ファイバ、１４−４…受光素子、１４−５…信号判別回路、１９−４…光出力ポート、１９−５…ＬｉＮｂＯ3変調器、２１−３…ＭＥＭＳ。
【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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