(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意波長の第１の入力信号光の強度に応じて該第１の入力信号光の波長と異なる波長の第２の入力光信号を変調する光制御素子において、
２つの第１のポートを有し、一方の該第１のポートから前記第２の入力光を入力して２つに分岐させて２つの第２のポートに出力し、該分岐された第２の入力光の一方を遅延させる構造と、
該分岐された前記第２の入力光の一方と前記第１の入力光とを合流させる構造と、
該合流された入力光が順方向に伝搬するポートと前記分岐された前記第２の入力光の他方が逆方向に伝搬するポートとが接続され、前記第１の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であって、該屈性率の変化を受けて該伝搬方向が異なる２つの第２の入力光がそれぞれ位相変化をおこす構造と、
からなり、該位相変化をおこした両前記第２の入力光がそれぞれ前記２つの第２のポートに入力することにより合波し、前記第１のポートの他方から変調された第２の入力光を出力する光制御素子において、
前記位相変化をおこす構造は、前記媒質の飽和特性を調整するために独立して電流が注入される複数の電極を備え、該媒質を伝搬する両前記第２の入力光の間の位相関係を制御することを特徴とする光制御素子。
【請求項２】
前記第１の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半導体光増幅器を用い、
前記複数の電極は、該半導体光増幅器への注入電流レベルを変化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】
前記半導体光増幅器は、電極分離構造を有し、前記複数の電極として、ｎ基板を用いた場合はｐ電極を複数、ｐ基板を用いた場合はｎ電極を複数、半絶縁性基板を用いた場合はｐ電極かｎ電極の少なくとも一方を複数有することを特徴とする請求項２に記載の光制御素子。
【請求項４】
前記第２の入力光を２つに分岐しその一方を遅延させる構造として、光カプラを有するループ型の光回路を用いたことを特徴とする請求項１に記載の光制御素子。
【請求項５】
前記光カプラは、マルチモード干渉カプラまたは方向性結合器であることを特徴とする請求項４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、更に詳しくは、波長多重光ネットワークにおいて、任意波長の入力信号光の強度に応じてその入力信号光の波長と異なる波長の別の入力光信号を変調する光制御素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、複数の異なる波長の光信号を伝送する光伝送システムとして、その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、波長多重を利用した光伝送システム（ＷＤＭシステム）が利用されている。さらに、このＷＤＭシステムは、１対１の伝送のみならず、ネットワーク化が急速に進みつつある。
【０００３】
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異なる波長へと変換する、いわゆる波長変換を行う光制御素子が重要となってくる。
【０００４】
図３に、このような光制御素子としての従来の波長変換回路の構成の一例を示す。この波長変換回路は、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier,ＳＯＡ）３０１と、ループ型干渉回路３０９と、２つのＭＭＩカプラ（マルチモード干渉カプラ）３０２，３０３とから構成されている。
【０００５】
この波長変換回路の動作原理を以下に説明する。第２のＭＭＩカプラ３０３に波長λｊの連続光（ＣＷ光）３０５が入力ポート３１１に入射されると、この入力光（第２の入力光）３０５は第２のＭＭＩカプラ３０３により２つに分かれてループ型干渉回路３０９へと導かれる。ループ型干渉回路３０９では、右回りの光３０７と左回りの光３０６に別れてループを一周し、再びＭＭＩカプラ３０３で合波され出力ポート３１１に出射される。この状態で、波長λｉの信号光３０４をループ型干渉回路３０９のループに接続された第１のＭＭＩカプラ３０２に入射させる。入射された信号光（第１の入力光）３０４は、ループ型干渉回路３０９のループに接続されたＳＯＡ３０１を通過する。
【０００６】
このとき、第１の入力光の強度に応じてＳＯＡ３０１内の屈折率が変化する。ループ内を導波している波長λｊの光（第２の入力光）３０６，３０７は、ＳＯＡ３０１において上記屈折率の変化の影響をうけ、図４の（ａ）に示すように、位相変化をおこす。
【０００７】
すなわち、図４の（ａ）で実線で示すように、右回りの光３０７は、急峻に位相変化をおこし、その後ＳＯＡ３０１の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もどり、ＭＭＩカプラ３０３に入射する。他方、左回りの光３０６も同様の位相変化をＳＯＡ３０１で受けるが、右回りの光３０７に比べて、ループ型干渉回路３０９を伝搬する距離がΔＬだけ長いため、図４の（ａ）で破線で示すように、伝搬時間差Δτだけ遅れて第２のＭＭＩカプラ３０３へ入射する。
【０００８】
このため、第２のＭＭＩカプラ３０３中では、右回り、左回りの光の位相変化が起きる時間が、Δτの間だけずれることになる。このΔτの間だけ、図４の（ｂ）に示すように、干渉効果により、波長λｊの光（第２の入力光）は変調されて、出力ポート３１０に出射される。図４の（ｂ）は、出力ポート３１０の出射される被変換光の波形である。すなわち、この干渉効果により、入力した波長λｉの光信号の光強度の変化が、第２の波長λｊの光へ移されて、ポート３１０に出力される。
【０００９】
上記のようなループ型干渉回路を有する従来の波長変換回路では、位相変化のキャリア変化の回復時間の速度に制限される領域がキャンセルアウトされるので、その速度の制限を受けず、高速波長変換が可能となる利点がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなループ型干渉回路を有する従来の波長変換回路を用いた場合、ＳＯＡ３０１の長さＬＳＯＡがΔＬ（右回りの光３０７と左回りの光３０６のループ型干渉回路３０９を伝搬する距離の差）と比較して十分に小さいことが必要である。
【００１１】
すなわち、右回りの連続光３０７は信号光（第１の入力光）３０４と同一方向に伝搬するために、ＳＯＡ３０１の長さＬＳＯＡ全体にわたって屈折率変化の影響をうける。これに対し、左回りの連続光３０６は信号光３０４と逆方向に伝搬するために、信号光（第１の入力光）３０４と出会うまでは屈折率変化の影響を受けず、出会う位置に応じて位相変化量が異なるので、立ち上がりに、時間ｔｒとして
ｔｒ＝２ＬＳＯＡ／（ｃ／ｎｅｑ）                      ・・・（１）
（ｃは光速、ｎｅｑはＳＯＡの等価屈折率）
を要する。
【００１２】
その結果、ＳＯＡ３０１の長さがΔＬと同程度の場合には、右回り、左回りの両連続光の位相変化は図５の（ａ）に示すようになり、両連続光の干渉効果により、出力ポート３１０の出射される被変換光の波形が図５の（ｂ）に示すように変形してしまう。
【００１３】
したがって、従来技術では、上記立ち上がり時間ｔｒよりも上記位相変化が起きる時間のずれΔτが小さいような変調動作は、被変換光が変形してしまうので、実施不可能であった。
【００１４】
また、Δτとして１０ｐｓ程度を実現するためには
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が要求され、実用にはＳＯＡの長さを２００μｍ程度以下にする必要があった。光の位相変化は媒質の屈折率変化の絶対値と媒質の長さの積で決まるため、上記のように長さの短いＳＯＡで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ず、そのため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った、解決すべき課題が生じていた。
【００１５】
本発明の目的は、上記のような動作パワーの増大や被変換光の変形等の課題を解消し、低パワーで、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。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の光制御素子の発明は、任意波長の第１の入力信号光の強度に応じて該第１の入力信号光の波長と異なる波長の第２の入力光信号を変調する光制御素子において、２つの第１のポートを有し、一方の該第１のポートから前記第２の入力光を入力して２つに分岐させて２つの第２のポートに出力し、該分岐された第２の入力光の一方を遅延させる構造と、該分岐された前記第２の入力光の一方と前記第１の入力光とを合流させる構造と、該合流された入力光が順方向に伝搬するポートと前記分岐された前記第２の入力光の他方が逆方向に伝搬するポートとが接続され、前記第１の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であって、該屈性率の変化を受けて該伝搬方向が異なる２つの第２の入力光がそれぞれ位相変化をおこす構造と、からなり、該位相変化をおこした両前記第２の入力光がそれぞれ前記２つの第２のポートに入力することにより合波し、前記第１のポートの他方から変調された第２の入力光を出力する光制御素子において、前記位相変化をおこす構造は、前記媒質の飽和特性を調整するために独立して電流が注入される複数の電極を備え、該媒質を伝搬する両前記第２の入力光の間の位相関係を制御することを特徴とする。
【００１７】
ここで、前記第１の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半導体光増幅器を用い、前記複数の電極は、該半導体光増幅器への注入電流レベルを変化させることを特徴とすることができる。
【００１８】
また、前記半導体光増幅器は、電極分離構造を有し、前記複数の電極として、ｎ基板を用いた場合はｐ電極を複数、ｐ基板を用いた場合はｎ電極を複数、半絶縁性基板を用いた場合はｐ電極かｎ電極の少なくとも一方を複数有することを特徴とすることができる。
【００２０】
また前記第２の入力光を２つに分岐しその一方を遅延させる構造として、光カプラを有するループ型の光回路を用いたことを特徴とすることができる。
【００２１】
また、前記光カプラは、マルチモード干渉カプラまたは方向性結合器であることを特徴とすることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２３】
［第１の実施形態］
図１に、本発明の第１の実施形態の光制御素子としての波長変換回路の構成を示す。この波長変換回路は、ＳＯＡ（半導体光増幅器）１０１と、２つのＭＭＩカプラ（マルチモード干渉カプラ）１０２，１０３と、ループ型干渉回路１０９とから構成される。全体の回路構成と動作は、以下で説明する特徴構成と特徴動作を除き、図３で説明した従来例とほぼ同様である。
【００２４】
本発明の特徴の一つとして、本発明を構成するＳＯＡ１０１は電極分離構造を有する。図３で説明した従来例のＳＯＡ３０１はｐ側、ｎ側それぞれ１電極で構成されるのに対し、本発明に係るＳＯＡ１０１はｎ基板を用いた場合はｐ電極を複数（例えば、２個）、ｐ基板を用いた場合はｎ電極を複数（例えば、２個）、半絶縁性基板を用いた場合はｐ電極かｎ電極の少なくとも一方を複数（例えば、２個）有することを特徴とする。
【００２５】
図２にｎ基板を用いた場合の本ＳＯＡ１０１の構造例を示す。図２中、２０１はｎ−ＩｎＰ基板、２０２はＩｎＧａＡｓＰ活性層、２０３，２０４はｐ−ＩｎＰ、２０５はｎ−ＩｎＰ、２０６はｐ側電極、２０７はｎ側電極、２０８はｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層である。
【００２６】
この構造では、図２に示すように、ｐ側電極２０６ならびにｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層２０８が分割されており、この分割された２つの領域に独立に電流注入することが可能である。
【００２７】
次に、本実施形態の波長変換回路の動作原理を説明する。基本動作は上述のように図３に示した従来例のものに準ずる。ただし、ＳＯＡ１０１が図２に示すような２電極構造となっているため、以下の点が従来例と異なる。
【００２８】
すなわち、本実施形態の構成では、ループ型干渉回路１０９のループ内を右回りに伝搬する光１０７と左回りに伝搬する光１０６とが２電極構造のＳＯＡ１０１に互いに逆方向から入射し、互いに逆方向に出射される。
【００２９】
そのため、ＳＯＡ１０１の上記２つの領域の注入電流レベルを別々に変化させることにより、ループ内を右回りに伝搬する光１０７と左回りに伝搬する光１０６の飽和特性を別々に変化させることができる。その結果、右回りに伝搬する光１０７と左回りに伝搬する光１０６の位相関係が変化し、第２のＭＭＩカプラ１０３中で干渉効果によりポート１１０に出射される被変換光の波形が変化する。
【００３０】
従って、ＳＯＡ１０１の長さがΔＬと同程度の場合や、ＳＯＡ１０１の長さを２００μｍ以上に長くしても、２つの電極２０６に流す電流値を調整することで、図５の（ｂ）に示すような「すそ」（右側の低い三角波形）を生じない、図４（ｂ）に示すような望ましい出力波形を得ることができる。その結果、本実施形態によれば、低パワーで、高速の波長変換機能を有する光制御素子が実現可能となる。
【００３１】
［他の実施形態］
上述の本発明の実施形態では、ＳＯＡ（半導体光増幅器）として図２に示すようなＩｎＧａＡｓＰバルク活性層を用いたｐｎ埋め込み構造のＳＯＡを用いた場合について例示したが、ＳＯＡの活性層に関してはＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ等の他の任意の材質の活性層についても上記と同様な効果が期待できる。その活性層構造に関してもバルク、ＭＱＷ（多重量子井戸）、量子細線、量子ドットを問わない。また、ＳＯＡの導波路構造に関しても、ｐｎ埋め込みに限定されるものではなく、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いた場合でも、上記と同様な効果が期待できる。
【００３２】
また、上述の本発明の実施形態では、カプラとして、ＭＭＩカプラ（マルチモード干渉カプラ）を用いた例を示しているが、ＭＭＩカプラの代わりに方向性結合器を用いてもよい。
【００３３】
また、上述の本発明の実施形態では、第１の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を用いた例を示しているが、ＳＯＡに限らず、複数電極を有するＥＡ（電界吸収型）光変調器等、光強度に応じて屈折率が変化する構造であれば、すべて適用可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、第１の入力光の光強度に応じて屈折率が変化する媒質の状態を制御することでその媒質を伝搬する両第２の入力光の飽和特性を調整するために独立して電流が注入される複数の電極を有し、例えば位相変調器として２電極構造の半導体光増幅器等を用いるようにし、これにより媒質を伝搬する両第２の入力光の間の位相関係を制御するようにしたので、動作パワーの増大や被変換光の変形の課題が解消し、低動作パワーで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ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の波長変換回路の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態の波長変換回路を構成するＳＯＡの構造例を示す模式図である。
【図３】従来の波長変換回路の構成例を示すブロック図である。
【図４】従来の波長変換回路でＳＯＡ長が適切な場合の動作原理を示す特性図である。
【図５】従来の波長変換回路でＳＯＡ長が長い場合の動作原理を示す特性図である。
【符号の説明】
１０１、３０１  ＳＯＡ（半導体光増幅器）
１０２、３０２  ＭＭＩカプラ（マルチモード干渉カプラ）
１０３、３０３  ＭＭＩカプラ
１０４、３０４  信号光
１０５、３０５  ＣＷ光（連続光）
１０６、３０６  左回りの光
１０７、３０７  右回りの光
１０８、３０８  出力光（被波長変換光）
１０９、３０９  ループ型干渉回路
１１０、３１０  ポート
１１１、３１１  ポート
２０１  ｎ−ＩｎＰ基板
２０２  ＩｎＧａＡｓＰ活性層
２０３  ｐ−ＩｎＰ
２０４  ｐ−ＩｎＰ
２０５  ｎ−ＩｎＰ
２０６  ｐ側電極
２０７  ｎ側電極
２０８  ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層
【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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