(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意波長の第１の入力信号の光強度に応じて、前記第１の入力信号の波長と同一または異なる波長を有する第２の入力信号を変調する光制御素子において、
前記第１の入力信号を分岐させる光分岐手段と、
前記第２の入力信号を分岐して、分岐された一方の第２の入力信号を遅延させる光分岐・遅延延手段と、
分岐された一方の第１の入力信号と前記一方の第２の入力信号とを合波し、合波された信号を２つの第１ポートに分配する第１の分配手段と、
分岐された他方の第１の入力信号と分岐された他方の第２の入力信号とを合波し、合波された信号を２つの第２ポートに分配する第２の分配手段と、
一方の第１ポートと一方の第２ポートとの間、他方の第１ポートと他方の第２ポートとの間の各々に接続され、前記第１の入力信号の光強度に応じて屈折率が変化する２つの媒質からなる位相変調手段と
を備えたことを特徴とする光制御素子。
【請求項２】
前記光分岐・遅延手段は、ループ型干渉回路を構成し、前記一方の第２の入力信号を遅延させることを特徴とする請求項１に記載の光制御素子。
【請求項３】
前記第１の分配手段と前記位相変調手段と前記第２の分配手段とにより、対称型マッハツェンダ回路を構成することを特徴とする請求項１または２に記載の光制御素子。
【請求項４】
前記位相変調手段は、半導体光増幅器であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光制御素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光制御素子に関し、より詳細には、入力信号の光強度に応じて、入力信号光の波長と同一または異なる波長の光を変調する光制御素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複数の異なる波長の光信号を１本の光ファイバに結合して伝送する波長多重伝送（ＷＤＭ）システムが知られている。ＷＤＭシステムは、１対１の対地間の伝送のみならず、多対多を結ぶネットワーク化が進められている。このようなＷＤＭシステムにおいて、光ファイバを伝送する光信号の波長を同一または異なる波長に変換する光制御素子が重要となっている。
【０００３】
図１に、従来の波長変換回路を示す。波長変換回路は、半導体光増幅器（SOA: Semiconductor Optical Amplifier）１０１と、ループ型干渉回路１０９と、ＭＭＩ（Multi Mode Interference）カプラ１０２，１０３とから構成されている。ＭＭＩカプラ１０３のポート１１１に、波長λｊの連続光（ＣＷ光）１０５が入射されると、２方向に分岐されてループ型干渉回路１０９に導かれる。ループ型干渉回路１０９において、右回りと左回りとに分かれてループを一周し、ＭＭＩカプラ１０３で合波されてポート１１１から出射される。
【０００４】
この状態において、波長λｉの信号光１０４を、ＭＭＩカプラ１０２に入射する。入射された信号光１０４は、ＳＯＡ１０１を通過する。このとき、ＳＯＡ１０１内の屈折率が変化するので、ループ型干渉回路１０９を導波する波長λｊの光は、屈折率変化の影響を受ける。
【０００５】
図２（ａ）に、波長λｊの光の位相変化の様子を示す。右回りの光１０７は、急峻に位相変化を起こし、その後、ＳＯＡ１０１におけるキャリア変化の回復時間の速度に応じた時間で元の位相に戻り、ＭＭＩカプラ１０３に入射する。左回りの光１０６も同様に位相変化を起こすが、右回りの光１０７に較べて、ループ型干渉回路１０９を導波する距離がΔＬだけ長いために、伝播時間差Δτだけ遅れて、ＭＭＩカプラ１０３に入射する。ＭＭＩカプラ１０３においては、右回りの光１０７と左回りの光１０６の位相変化が起きる時間がΔτだけずれることになる。
【０００６】
図２（ｂ）に、ＭＭＩカプラにおける干渉効果を示す。波長λｊの光は、ＭＭＩカプラ１０３において、干渉を受けポート１１０から出射される。すなわち、入力した波長λｉの信号光１０４が、波長λｊの光に移されてポート１１０から出射される。このように、ループ型干渉回路を有する波長変換回路において、位相変化がキャリア変化の回復時間の速度に制限される領域は、キャンセルアウトされる。従って、その制限を受けることがないので、高速な波長変換が可能となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ループ型干渉回路を有する波長変換回路は、ＳＯＡ１０１の長さが、ΔＬと比較して十分に小さいことが必要である。右回りの光１０７は、信号光１０４と同一方向に伝搬するために、ＳＯＡ１０１の長さＬＳＯＡ全体にわたって屈折率変化の影響を受ける。一方、左回りの光１０６は、信号光１０４と逆方向に伝搬するために、信号光１０４と出会うまでは屈折率変化の影響を受けず、立ち上がりにｔｒ＝２・ＬＳＯＡ／（Ｃ／ｎｅｑ）を要する。ここで、Ｃは光速、ｎｅｑは、ＳＯＡ１０１の等価屈折率である。
【０００８】
図３（ａ）に、ＬＳＯＡとΔＬとが同程度の場合における波長λｊの光の位相変化の様子を示す。図３（ｂ）に、ＬＳＯＡとΔＬとが同程度の場合におけるＭＭＩカプラにおける干渉効果を示す。ＳＯＡ１０１の長さＬＳＯＡとΔＬとが同程度の場合には、右回りと左回りの双方の連続光の位相変化は、図３（ａ）に示したようになり、ＭＭＩカプラ１０３のポート１１０から出射される変換光の波形は、図３（ｂ）に示したように変形してしまう。従って、ｔｒよりもΔτが小さいときの動作は不可能であった。
【０００９】
また、Δτ＝１０ｐｓ程度を実現するためには、
LSOA = 1/2・(C/neq)×tr << 1/2・(C/neq)×Δτ = 500μm
が要求され、ＳＯＡ１０１の長さＬＳＯＡを２００μｍ程度以下にする必要があった。光の位相変化は、屈折率変化の絶対値と媒質の長さとの積で決まるため、ＬＳＯＡの短いＳＯＡにより所望の位相変化を得るためには、屈折率変化の絶対値を大きくせざるを得なかった。従って、動作パワーが増大したり、場合によっては、ＳＯＡの飽和により所望の屈折率変化が得られないという問題があった。
【００１０】
入力した波長λｉの信号光１０４は、波長λｊの波長変換された出力光と同一のポートから出射される。このため、入力光と出力光とを分離するために、出力ポートに波長フィルタを設置しなければならなかった。波長λｉと波長λｊとが同一の場合には、波長変換前の光と波長変換後の光とを分離することができず、波長変換前の光が雑音として出力光に混入してしまう。従って、同一波長に波長変換することができないという問題もあった。
【００１１】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、低い動作パワーで、波長フィルタが不要であり、同一の波長でも波長変換が可能な高速の波長変換機能を有する光制御素子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、任意波長の第１の入力信号（４０６）の光強度に応じて、前記第１の入力信号の波長（λｉ）と同一または異なる波長（λｊ）を有する第２の入力信号（４０７）を変調する光制御素子において、前記第１の入力信号（４０６）を分岐させる光分岐手段（４２０）と、前記第２の入力信号（４０７）を分岐して、分岐された一方の第２の入力信号を遅延させる光分岐・遅延手段（４０５，４１３）と、分岐された一方の第１の入力信号と前記一方の第２の入力信号とを合波し、合波された信号を２つの第１ポートに分配する第１の分配手段（４０３）と、分岐された他方の第１の入力信号と分岐された他方の第２の入力信号とを合波し、合波された信号を２つの第２ポートに分配する第２の分配手段（４０４）と、一方の第１ポートと一方の第２ポートとの間、他方の第１ポートと他方の第２ポートとの間の各々に接続され、前記第１の入力信号の光強度に応じて屈折率が変化する２つの媒質（４０１，４０２）からなる位相変調手段とを備えた。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記光分岐・遅延手段は、ループ型干渉回路を構成し、前記一方の第２の入力信号を遅延させることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記第１の分配手段と前記位相変調手段と前記第２の分配手段とにより、対称型マッハツェンダ回路を構成することを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１、２または３に記載の前記位相変調手段は、半導体光増幅器であることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図４に、本発明の一実施形態にかかる光制御素子の構成を示す。光制御素子は、フィルタ付位相変調器４１５と、フィルタ付位相変調器４１５に接続された光分岐手段であるＭＭＩカプラ４２０と、フィルタ付位相変調器４１５に接続され、光分岐・遅延手段を構成するＭＭＩカプラ４０５およびループ型干渉回路４１３とから構成されている。フィルタ付位相変調器４１５は、位相変調手段であるＳＯＡ４０１，４０２と、各々のＳＯＡ４０１，４０２の出力に接続された分配手段であるＭＭＩカプラ４０３，４０４とから構成されている。
【００１７】
フィルタ付位相変調器４１５は、ＳＯＡ４０１，４０２を含む２つの導波路（アーム）を、ＭＭＩカプラ４０３，４０４で結んだ対称型マッハツェンダ回路を構成している。対称型マッハツェンダ回路は、入射した光は、カプラ内で分波され、各々２つの導波路（アーム）を通り、再びカプラで合波された後、入射ポートとクロス位置にある出射ポートに出力される。
【００１８】
このような構成により、ＭＭＩカプラ４０５のポート４１２に、波長λｊの連続光（ＣＷ光）４０７が入射されると、２方向に分岐されてループ型干渉回路４１３に導かれる。ループ型干渉回路４１３において、右回りと左回りとに分かれてループを一周し、フィルタ付位相変調器４１５を経て、ＭＭＩカプラ４０５で合波されてポート４１２から出射される。
【００１９】
この状態において、波長λｉの信号光４０６を、ＭＭＩカプラ４２０のポート４１９に入射する。ＭＭＩカプラ４２０で分波された信号光４０６の一方は、ＭＭＩカプラ４０３のポート４１７に入射し、２方向に分岐されてＳＯＡ４０１，４０２を通過する。通過した光は、ＭＭＩカプラ４０４で合波された後、入射ポートとクロス位置にあるＭＭＩカプラ４０４のポート４１４に出力される。
【００２０】
ＭＭＩカプラ４２０で分波された信号光４０６の他方は、ＭＭＩカプラ４０４のポート４１４に入射し、２方向に分岐されてＳＯＡ４０１，４０２を通過する。通過した光は、ＭＭＩカプラ４０３で合波された後、入射ポートとクロス位置にあるＭＭＩカプラ４０３のポート４１７に出力される。このようにして、波長λｉの信号光４０６は、対称型マッハツェンダ回路によるフィルタ機能により、ループ型干渉回路４１３には導入されない。
【００２１】
信号光４０６がＳＯＡ４０１，４０２を通過するとき、ＳＯＡ４０１，４０２内の屈折率が変化する。ループ型干渉回路４１３を導波する波長λｊの光は、ＳＯＡ４０１，４０２の屈折率変化の影響を受け、位相変化が起こる。右回りの光４０９は、急峻に位相変化を起こし、その後、ＳＯＡ４０１，４０２におけるキャリア変化の回復時間の速度に応じた時間で元の位相に戻り、ＭＭＩカプラ４０５に入射する。左回りの光４０８も同様に位相変化を起こすが、右回りの光４０９に較べて、ループ型干渉回路４１３を導波する距離がΔＬだけ長いために、伝播時間差Δτだけ遅れて、ＭＭＩカプラ４０５に入射する。ＭＭＩカプラ４０５においては、右回りの光４０９と左回りの光４０８の位相変化が起きる時間がΔτだけずれることになる。Δτの間だけ干渉効果により、波長λｊの光は、ＭＭＩカプラ４０５のポート４１１から出射される。
【００２２】
このようにして、入力した波長λｉの信号光４０６が、波長λｊの光に移されてポート４１１から出射される。このように、ループ型干渉回路４１３を有する光制御素子において、位相変化がキャリア変化の回復時間の速度に制限される領域は、キャンセルアウトされる。従って、その制限を受けることがないので、高速な波長変換が可能となっている。
【００２３】
本実施形態によれば、入力した波長λｉの信号光４０６は、フィルタ付位相変調器４１５において、ＭＭＩカプラ４０３，４０４のポート４１７，４１４に出射されるため、ＭＭＩカプラ４０５のポート４１１から出射されることはない。すなわち、入力光と出力光とを分離するために、出力ポートに波長フィルタを設置する必要がない。従って波長λｉと波長λｊとが同一の場合であっても、ポート４１１から出射される出力光に雑音が混じることなく波長変換を行うことができる。
【００２４】
図５（ａ）に、本発明の一実施形態にかかる光制御素子における波長λｊの光の位相変化の様子を示す。図５（ｂ）に、本発明の一実施形態にかかる光制御素子におけるＭＭＩカプラにおける干渉効果を示す。本実施形態において、波長λｉの信号光４０６は、ＳＯＡ４０１，４０２の両方向から入射する。従って、ループ型干渉回路４１３を伝搬する右回りの光４０９と左回りの光４０８との各々に対して、同方向と逆方向とですれ違うことになる。その結果、右回りの光４０９と左回りの光４０８との位相変化は、図５（ａ）に示したように、急峻で同一の波形となる。ＭＭＩカプラ４０５のポート４１１から出射される変換光の波形は、図５（ｂ）に示したように、立ち上がり、立ち下がりともに急峻な波形となり、高速な出力波形を得ることができる。
【００２５】
本実施形態において、ＳＯＡの構造になんら制約を受けるものではない。ＳＯＡの活性層に関しては、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど任意の材質について同様の効果を得ることができる。活性構造に関しても、バルク、ＭＱＷ（Multi Quantum Well）、量子細線、量子ドットを問わず、導波路構造に関しても、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造などを用いた場合でも同様の効果を得ることができる。
【００２６】
また、本実施形態においては、信号光または連続光（ＣＷ）を分波・合波する構造として、ＭＭＩカプラを用いたが、方向性結合器を用いてもよい。また、入力光の光強度に応じて、屈折率が変化する媒質からなる構造として、ＳＯＡを用いたが、ＥＡ変調など光強度に応じて屈折率が変化する構造であれば適用することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、入力光と出力光とを分離するために、出力ポートに波長フィルタを設置する必要がなく、同一の波長でも波長変換が可能な高速の波長変換機能を有する光制御素子を構成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の波長変換回路を示した構成図である。
【図２】（ａ）は、波長λｊの光の位相変化の様子を示した図である。（ｂ）は、ＭＭＩカプラにおける干渉効果を示した図である。
【図３】（ａ）は、ＬＳＯＡとΔＬとが同程度の場合における波長λｊの光の位相変化の様子を示した図である。（ｂ）は、ＬＳＯＡとΔＬとが同程度の場合におけるＭＭＩカプラにおける干渉効果を示した図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる光制御素子を示した構成図である。
【図５】（ａ）は、本発明の一実施形態にかかる光制御素子における波長λｊの光の位相変化の様子を示した図である。（ｂ）は、本発明の一実施形態にかかる光制御素子におけるＭＭＩカプラにおける干渉効果を示した図である。
【符号の説明】
１０１，４０１，４０２    ＳＯＡ
１０２，１０３，４０３〜４０５，４２０    ＭＭＩカプラ
１０４，４０６    波長λｉの信号光
１０５，４０７    波長λｊの連続光（ＣＷ光）
１０６，４０９    左回りの光
１０７，４０８    右回りの光
１０８，４１０    波長λｊの出力光
１０９，４１３    ループ型干渉回路
１１０，１１１，４１１，４１２，４１４，４１６〜４１９    ポート
４１５    フィルタ付位相変調器
【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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