JP3778829B2

JP3778829B2 - 光制御素子

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Publication number: JP3778829B2
Application number: JP2001249037A
Authority: JP
Inventors: 泰夫柴田; 安弘鈴木; 義久界; 泰正須崎; 顕岡田; 一人野口; 里江子佐藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2001-08-20
Filing date: 2001-08-20
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2021-08-20
Also published as: JP2003057695A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を変調する光制御素子に関し、より詳細には、波長多重光ネットワークにおいて、任意の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同一波長または別波長の光を変調するための光制御素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、波長の異なる複数の光信号を１本の光ファイバに結合して伝送するシステムとして、波長多重を利用した光伝送システム（ＷＤＭシステム）が知られており、このＷＤＭシステムは、１対１の光伝送のみならず、ネットワーク化に対応した光伝送技術としての開発が急速に進められている。
【０００３】
ネットワーク化に対応可能なＷＤＭシステムでは、光ファイバ中を伝送する信号光を、これと同一または異なる波長の信号光へと波長変換するための、光制御素子の開発が重要となる。
【０００４】
図１は、従来の光制御素子に採用されている波長変換回路の構成を説明するための図である。この波長変換回路は、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier、ＳＯＡ）１０１と、このＳＯＡ１０１の両側に設けられたＭＭＩカプラ（マルチモード干渉カプラ）１０２、１０３と、このＭＭＩカプラ１０２、１０３の間に設けられたループ型干渉回路１０９とから構成されている。
【０００５】
波長λ_ｊの連続光（ＣＷ光）１０５が、ＭＭＩカプラ１０３のポート１１１に入射し、ＭＭＩカプラ１０３により２つに分割された後、ループ型干渉回路１０９へと導かれる。このループ型干渉回路１０９では、ＭＭＩカプラ１０３からＳＯＡ１０１に至る一方の回路長は、ＭＭＩカプラ１０３からＳＯＡ１０１に至る他方の回路長に比較して、ΔＬだけ長くなるように設計されている。
【０００６】
ＭＭＩカプラ１０３により分割された波長λ_ｊの２つの連続光は、各々、右回りの光１０７又は左回りの光１０６としてループ型干渉回路１０９を一周した後にＭＭＩカプラ１０３で合波され、ポート１１１から出射される。
【０００７】
一方、この波長変換回路に、波長λ_ｉの信号光１０４をＭＭＩカプラ１０２から入射しＳＯＡ１０１へと導くと、信号光１０４による誘導放出が生じ、キャリア密度が減少する。このキャリア密度の減少に対応して、ＳＯＡ１０１内の屈折率が変化する。ループ型干渉回路１０９中を導波する波長λ_ｊの連続光は、ＳＯＡ１０１内を通過する際に、この屈折率変化の影響を受けて位相が変化する。
【０００８】
図２（ａ）、（ｂ）は、波長変換回路の動作原理を説明するための図である。
【０００９】
図１において、波長λ_ｉの信号光１０４は、ＭＭＩカプラ１０２とＳＯＡ１０１との間の導波路長に対応するタイムラグΔｔ後に、ＳＯＡ１０１中のキャリア密度の減少に伴って屈折率が変化する。
【００１０】
ループ型干渉回路１０９中を導波中に、屈折率が変化したＳＯＡ１０１内を通過する波長λ_ｊの連続光は位相が変化し、その位相変化量は、一旦、急峻に立ち上がり、その後ＳＯＡ１０１内のキャリア濃度が熱平衡状態に回復するのに伴って、元の位相へと戻る。
【００１１】
図２（ａ）は、図１に示したループ型干渉回路１０９中を導波してＭＭＩカプラ１０３に入射する波長λ_ｊの連続光の位相変化の様子を説明するための図であり、この図に示すように、この場合の位相変化量の時間依存性は、右回りの光１０７、左回りの光１０６ともに同様の振る舞いを示すが、右回りの光１０７は、ＳＯＡ１０１とＭＭＩカプラ１０３の間の導波路長に対応する伝播時間Δｔ´後にＭＭＩカプラ１０３に入射する。左回りの光１０６は、右回りの光１０７に比較して、ＳＯＡ１０１を通過してからＭＭＩカプラ１０３に入射するまでに伝播する回路長がΔＬだけ長いため、この回路長差ΔＬに対応する伝播時間差Δτだけ遅れてＭＭＩカプラ１０３へと入射することになる。その結果、ＭＭＩカプラ１０３に入射する波長λ_ｊの連続光の、右回りの光１０７の位相変化の立上がり時刻と左回りの光１０６の位相変化の立上がり時刻が、Δτだけずれることになる。同一の波長λ_ｊをもつこれらの２つの連続光は、ＭＭＩカプラ１０３中で干渉するが、時間間隔Δτの間だけ互いの位相が異なっており、その後は両者の位相はほぼ一致している。
【００１２】
図２（ｂ）は、図１に示したポート１１０から出射される波長λ_ｊの連続光の光強度変化の様子を説明するための図であり、図２（ａ）に示した位相変化をなす左回りの光１０６と右回りの光１０７とがＭＭＩカプラ１０３内で干渉した後に、互いの位相が異なっている時間間隔Δτの間だけポート１１０から出射される、波長λ_ｊの連続光の光強度Ｐの時間変化を示す図である。この図において、横軸は、波長λ_ｉの信号光１０４が、ＭＭＩカプラ１０２に入射した時刻をゼロとした後の経過時間ｔを示している。
【００１３】
図２（ｂ）に示すように、入力した波長λ_ｉの光信号の内容は、波長λ_ｊの光信号へと移り、互いの位相が異なっている時間間隔Δτの間だけ、ポート１１０から出力されることとなる。
【００１４】
このようなループ型干渉回路を有する波長変換回路では、ＳＯＡ１０１中のキャリア濃度の回復に対応して光の位相変化量が漸近的に回復するまでの時間領域のうち、時間間隔Δτ以外の領域における左回りの光１０６と右回りの光１０７の位相変化量は同一であるために、相互に干渉を生じた結果、ＳＯＡ１０１内の屈折率変化の効果はキャンセルされる（キャンセルアウト）ため、高速波長変換が可能となる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１に示したループ型干渉回路を有する波長変換装置を用いた場合には、ＳＯＡ１０１の長さＬ_ＳＯＡがΔＬに比較して充分に短いことが必要であった。
【００１６】
すなわち、右回りの連続光１０７は、信号光１０４と同一方向に伝搬するために、信号光１０４により屈折率が変化した状態でのＳＯＡ１０１内を伝播することとなる。その結果、右回りの連続光１０７は、ＳＯＡ１０１の長さＬ_ＳＯＡ全体にわたり位相変化を受けることとなる。
【００１７】
一方、左回りの連続光１０６は、信号光１０４とは逆方向に伝搬するために、ＳＯＡ１０１内において信号光１０４と出会うまではＳＯＡ１０１内の屈折率変化の影響を受けることがない。従って、左回りの連続光１０６がＳＯＡ１０１に入射してから位相変化量が立上がるまでには、ＳＯＡ１０１内において信号光１０４と出会うまでの時間に等しい時間、すなわち、ｔ_ｒ＝２・Ｌ_ＳＯＡ／（ｃ／ｎ_ｅｑ）を要する。ここで、ｃは光速、ｎ_ｅｑはＳＯＡの等価屈折率である。
【００１８】
図３は、図１に示した波長変換回路の動作原理を説明するための図であり、図３（ａ）は、ＳＯＡ１０１の長さＬ_ＳＯＡがΔＬと同程度の場合の、ＭＭＩカプラ１０３に入射する波長λ_ｊの連続光の位相変化の様子を示しており、図３（ｂ）は、ポート１１０から出射される波長λ_ｊの連続光の光強度変化の様子を示している。
【００１９】
図３（ａ）に示すとおり、右回りの光１０７の位相変化量は、ＭＭＩカプラ１０２とＳＯＡ１０１との間の導波路長に対応するタイムラグΔｔ後に急峻な立上がりを示す一方、左回りの光１０６の位相変化量は、時間間隔ｔ_ｒに亘るなだらかな立上がりとなる。そのため、右回りの光１０７と左回りの光１０６との干渉の結果としてポート１１０から出射される被変換光の波形は、図３（ｂ）のように変形してしまう。このように、Δτがｔ_ｒよりも小さくなる条件での波長変換動作は事実上不可能であった。
【００２０】
また、Δτとして１０ｐｓ程度を実現するためには、
Ｌ_ＳＯＡ＝（ｃ／ｎ_ｅｑ）・ｔ_ｒ／２＜＜（ｃ／ｎ_ｅｑ）・Δτ／２＝５００μｍ
が要求され、ＳＯＡ長Ｌ_ＳＯＡを２００μｍ程度以下にする必要があった。光の位相変化量は、伝播する媒質の屈折率変化の絶対値と長さとの積で決まるため、Ｌ_ＳＯＡの小さなＳＯＡにおいて所望の位相変化量を得るためには、媒質の屈折率変化の絶対値を大きくせざるを得ず、波長変換のための動作パワーが増大したり、ＳＯＡの飽和により所望の屈折率変化が得られない等の問題が生じていた。
【００２１】
また、図１に示した従来型の波長変換回路においては、入力した波長λ_ｉの信号光が、波長λ_ｊの波長変換出力光と同一のポート１１０から出射されることとなるため、入力光と出力光とを分離する必要が生じ、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。
【００２２】
更に、信号光の波長λ_ｉと被波長変換光の波長λ_ｊとが同一の場合には、波長変換前の光と波長変換後の光を上述した波長フィルタでは分離できず、波長変換前の光が雑音となって出力光に混入してしまい、同一波長変換ができないという問題点もあった。
【００２３】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、低パワー動作可能であり、波長フィルタが不要であり、かつ、同一波長変換が可能な、高速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。
【００２４】
【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の入力光の強度に応じて前記第１の入力光の波長と同一または異なる波長の第２の入力光を変調する光制御素子であって、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のポートに出力する第１の光合分岐手段と、前記第２のポートの一方から出力された前記分岐された第２の入力光の一方を遅延させる遅延手段と、前記第１の入力光と前記遅延を受けた第２の入力光の一方のそれぞれを２つの入力ポートに分岐させる第２の光合分岐手段と、前記２つの入力ポートのそれぞれに接続された２つの位相変調手段と、該２つの位相変調手段から出力される第１の入力光を合波して１の出力ポートに導くとともに、前記２つの位相変調手段から出力される第２の入力光を合波して他の出力ポートに導く第３の光合分岐手段とからなり、該第３の光合分岐手段から出力された第２の入力光を前記第２のポートの他方に入力し、前記分岐された第２の入力光の他方を、前記第３の光合分岐手段、前記位相変調手段、第２の光合分岐手段、および前記遅延手段を介して前記第２のポートの一方に入力することにより、前記分岐した２つの第２の入力光を合波し、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、前記位相変調手段は、第１の入力光の光強度に応じて屈折率が変化する媒質を備え、該媒質の断面形状が光の伝搬方向に沿って変化するのに応じて該媒質の飽和特性が変化し、前記第２の光合分波手段を介して前記位相変調手段に一方向から入力する前記分岐された一方の第２の入力光と、前記第３の光合分波手段を介して前記位相変調手段に逆方向から入力する前記分岐された他方の第２の入力光との間の位相関係を制御するものであることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光制御素子において、前記位相変調手段は、前記第１の入力光の光強度に応じて屈折率が変化する光導波路を備えた半導体増幅器であり、該光導波路の断面形状が入力光の伝搬方向に沿って変化するものであることを特徴とする。
【００２６】
更に、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光制御素子において、前記第２の光合分岐手段と、前記２つの位相変調手段と、前記第３の光合分岐手段とから構成される光回路が、対称型マッハツェンダ光回路であることを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
［実施例１］
図４は、本発明の波長変換回路の第１の実施例を説明するための図である。この波長変換回路は、フィルタ付き位相変調器４１５と、このフィルタ付き位相変調器４１５とループ型干渉回路４１３により接続されたＭＭＩカプラ４０５とから構成されている。
【００２８】
フィルタ付き位相変調器４１５は、２つのＳＯＡ４０１、４０２を備え、これらのＳＯＡの両側には、それぞれのＳＯＡに接続されたＭＭＩカプラ４０３、４０４が設けられている。
【００２９】
波長λ_ｊの連続光４０７が、ポート４１２からＭＭＩカプラ４０５へと入射し、ＭＭＩカプラ４０５により２つの連続光に分割されてループ型干渉回路４１３へと導かれる。
【００３０】
ＭＭＩカプラ４０５により分割された２つの連続光は、右回りの光４０９及び左回りの光４０８に別れてループ型干渉回路４１３を伝播し、フィルタ付き位相変調器４１５を経て、ループ型干渉回路４１３を一周した後、ＭＭＩカプラ４０５で合波されてポート４１２から出射される。
【００３１】
フィルタ付き位相変調器４１５には、フィルタ機能を有する素子として対称型マッハツェンダ回路を採用することとし、その回路は、ＭＭＩカプラ４０３と４０４とが、ＳＯＡ４０１と４０２とを含む２つの導波路（アーム）で結ばれた構成となっている。
【００３２】
一般に、対称型マッハツェンダ回路では、入射した光が、カプラ内で分波され、それぞれ２つの導波路（アーム）を通り、再びカプラで合波され、入射ポートとクロスの位置にある出射ポートに出力される仕組みになっている。本実施例では、マッハツェンダ回路が有するそのような性質を利用してフィルタとして使用している。
【００３３】
波長λ_ｉの信号光４０６を、ポート４１７を介して、フィルタ付き位相変調器４１５内に備えるＭＭＩカプラ４０３に入射させる。入射された信号光４０６は、２つに分割され、各々の信号光はＳＯＡ４０１、４０２を通過し、ＭＭＩカプラ４０４で合波されて、信号光が入射するポート４１７とクロスの位置にあるポート４１４へと抜ける。すなわち、この入力信号光４０６は、マッハツェンダ回路がもつフィルタ機能により、ループ型干渉回路４１３内に入ることはない。
【００３４】
入力信号光４０６がＳＯＡ４０１及びＳＯＡ４０２内を通過する際には、上述した理由によりＳＯＡ４０１及びＳＯＡ４０２内の屈折率が変化する。ループ型干渉回路４１３内を導波している波長λ_ｊの光は、フィルタ付き位相変調器４１５内のＳＯＡ４０１又はＳＯＡ４０２を通過する際に、これらのＳＯＡ内の屈折率変化の影響をうけ、図２（ａ）に示したのと同様の位相変化をおこす。
【００３５】
右回りの光４０９は、時刻Δｔにおいて急峻な位相変化をおこし、その後はＳＯＡ内のキャリア濃度の回復速度に応じた時間で元の位相へともどり、ＭＭＩカプラ４０５に入射する。
【００３６】
左回りの光４０８も同様の位相変化を受けるが、ループ型干渉回路４１３を伝播する回路長差ΔＬに対応する時間Δτだけ、右回りの光４０９に遅れてＭＭＩカプラ４０５へと入射する。その結果、ＭＭＩカプラ４０５中では、右回り、及び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。
【００３７】
左回りの光４０８と右回りの光４０９とが、ＭＭＩカプラ４０５中で干渉を起こす結果として、図２（ｂ）に示したのと同様に、左回りの光４０８と右回りの光４０９の位相が互いに異なっている時間間隔Δτで、光強度を有する波長λ_ｊの光がポート４１１から出射される。
【００３８】
このように、入力した波長λ_ｉの光信号の内容は、波長λ_ｊの光信号へと移り、ポート４１１から出力されることとなる。
【００３９】
このようなループ型干渉回路を有する波長変換回路では、ＳＯＡ４０１、４０２中のキャリア濃度の回復に対応して光の位相変化量が漸近的に回復するまでの時間領域のうち、時間間隔Δτ以外の領域における左回りの光４０８と右回りの光４０９の位相変化量は同一であるために相互に干渉を生じた結果、ＳＯＡ４０１、４０２内の屈折率変化の効果はキャンセルされる（キャンセルアウト）ため、高速波長変換が可能となる。
【００４０】
上述したように、本実施例の波長変換回路では、フィルタ付き位相変調器４１５に、フィルタ機能を有する対称型マッハツェンダ回路を採用することとしているので、入力光４０６はポート４１４に抜け、ポート４１１に出力されることはない。すなわち、入力光と出力光を分離するために、出力側のポート４１１に波長フィルタを設置する必要がない。このため、信号光の波長λ_ｉと被波長変換光の波長λ_ｊとが同一の場合でも、波長変換前の光が雑音となって出力光に混入してしまい雑音が生じてしまうという問題が回避される。
【００４１】
また、従来型のＳＯＡでは、利得を有する導波路領域の断面形状は、場所によらず一定であったのに対し、本実施例の波長変換回路では、高速動作を実現するために、ＳＯＡ４０１および４０２を構成する導波路の利得を有する領域の断面形状が、場所により異なることとされている。
【００４２】
図５は、ｎ型基板を用いて作成されたＳＯＡの構造を説明するための図である。図５（ａ）は、ＳＯＡの導波路コアに沿った断面形状を説明するための図であり、図５（ｂ）及び図５（ｃ）は、それぞれ、図５（ａ）におけるＡ−Ａ′断面、及びＢ−Ｂ′断面における断面形状を説明するための図である。
【００４３】
このＳＯＡの導波路形成領域には、ｎ−ＩｎＰ基板５０１上に導波路の利得媒質であるＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２が設けられ、この導波路形成領域の両側には、ｎ−ＩｎＰ基板５０１上に、ｐ−ＩｎＰ層５０３とｎ−ＩｎＰ層５０４とがこの順で積層された領域が設けられている。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２及びｎ−ＩｎＰ層５０４の上には、ｐ−ＩｎＰ層５０５と、キャップ層であるｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層５０６と、ｐ側電極５０７とがこの順で積層されている。また、ｎ−ＩｎＰ基板５０１の裏面側には、ｎ側電極５０８が形成されている。
【００４４】
図６（ａ）〜図６（ｄ）は、本実施例の波長変換回路に備えた素子長（Ｌ１＋Ｌ２）のＳＯＡの導波路幅を、素子長方向の位置の関数として示した図である。
【００４５】
図６（ａ）に示したＳＯＡの導波路幅は、位置０からＬ１まではＷ１であり、位置Ｌ１においてＷ２へと不連続的に変化している。また、図６（ｂ）に示したＳＯＡの導波路幅は、位置０から（Ｌ１＋Ｌ２）まで、Ｗ１からＷ２へと直線的に変化している。また、図６（ｃ）に示したＳＯＡの導波路幅は、位置０からＬ３まではＷ１であり、Ｌ３からＬ４まではＷ１からＷ２へと直線的に変化し、Ｌ４から（Ｌ１＋Ｌ２）まではＷ２で一定である。更に、図６（ｄ）に示したＳＯＡの導波路幅は、位置０からＬ５まではＷ１からＷ２まで直線的に変化し、Ｌ５から（Ｌ１＋Ｌ２）まではＷ２で一定である。
【００４６】
ＳＯＡの飽和パワーは、ＳＯＡの利得媒質である活性層の、断面積Ｓと光電界の閉じ込め係数Γとの比Ｓ／Γに比例する。断面積Ｓ及び閉じ込め係数Γは、導波路幅に伴って変化するから、図５及び図６に示した構造のＳＯＡは、場所により飽和パワーが異なることとなる。
【００４７】
このような構造を持つＳＯＡの基本的な動作原理は、図１に示した従来型波長変換回路に用いられているＳＯＡと同様であるが、利得を有する領域の断面形状が場所により変化する構造となっていることに起因して、以下の点で相違する。
【００４８】
図４に示すループ型干渉回路４１３内を右回りに伝搬する光４０９と左回りに伝搬する光４０８とは、互いに逆方向からＳＯＡ４０１、４０２に入射する。ここで、ＳＯＡ４０１、４０２は、利得を有する領域の断面形状が、図６（ａ）に示したように場所により変化するように構成されているものとすると、ＳＯＡ４０１、４０２は、各々、飽和特性の異なる２つのＳＯＡ、すなわち、導波路幅Ｗ１で素子長Ｌ１のＳＯＡと導波路幅Ｗ２で素子長Ｌ２のＳＯＡが縦続接続されたものと等価であると考えることができる。
【００４９】
従って、ＳＯＡ４０１、４０２中を伝搬する光は、その伝搬方向により、飽和特性が異なる２つのＳＯＡ中を順次伝播していることになり、ループ型干渉回路４１３内を右回りに伝搬する光４０９と左回りに伝搬する光４０８との飽和特性が異なることとなる。このため、右回りに伝搬する光４０９と左回りに伝搬する光４０８との位相関係も変化し、３ｄＢカプラ４０５中で生じる干渉の結果としてポート４１１から出射される被変換光の波形が変化する。この性質を利用すれば、被変換光の波形に、図３（ｂ）に示したような「すそ」をキャンセルアウトせしめることが可能となり、図２（ｂ）に示したごとき出力波形を得ることができる。
【００５０】
ここでは、ＳＯＡ４０１、４０２の導波路幅が図６（ａ）に示したような変化をしている場合について説明したが、導波路幅の変化はこれに限定されるものではなく、少なくとも２種類の導波路幅を有するように変化するものであればよく、何種類の導波路幅を有していても同様の効果が期待できる。
【００５１】
また、導波路幅は、素子長方向に変化していさえすればよく、その変化が連続的であるか、不連続的であるかにはよらず、更にはその変化率にもよらず、上述した効果を得ることが可能である。従って、図６（ｂ）に示したように、ＳＯＡ４０１、４０２の全領域にわたって連続的に導波路幅が変化する場合であってもよく、図６（ｃ）あるいは図６（ｄ）に示したように、少なくとも一部の領域で導波路幅が連続的に変化する場合であってもよい。
【００５２】
なお、本実施例では、ＳＯＡの導波路コアが活性層のみで構成された場合について説明してきたが、導波路幅が変化していれば、導波路部に光ガイド層や光電気分離閉じ込め層（ＳＣＨ層）等が設けられている場合であっても全く同様な議論が成り立ち、高速動作が実現できる。
【００５３】
本実施例は、ＳＯＡの導波路幅が変化する場合について説明したが、導波路コアもしくは利得媒質の厚さｄが変化する場合についても全く同様な議論が成り立ち、同様な効果が期待できることも付け加えておく。この場合は図６における導波路幅Ｗを厚さｄと読み替えることにより、連続、不連続を問わず厚みが変化すればよいことになる。また、導波路の幅と厚さが同時に変化する場合にも、全く同様な効果が期待できることは明らかである。
【００５４】
すなわち、ＳＯＡの導波路コアの断面形状が変化していれば、幅、厚さのどちらか一方、あるいはその両方が変化していても、またその変化が連続的、あるいは不連続的であっても、飽和パワーを場所により変化させることが可能であり、その結果として高速な動作を実現することが可能となる。
【００５５】
［実施例２］
図７は、本発明のＳＯＡの第２の実施例の構造を説明するための図で、図４に示した本発明の波長変換回路に用いられるＳＯＡの構造を示している。
【００５６】
図７（ａ）は、ＳＯＡの導波路コアに沿った断面形状を説明するための図であり、図７（ｂ）及び図７（ｃ）は、それぞれ、図７（ａ）におけるＡ−Ａ′断面、Ｂ−Ｂ′断面における断面形状を説明するための図である。
【００５７】
これらのＳＯＡの導波路形成領域には、ｎ−ＩｎＰ基板７０１上に、利得媒質であるＩｎＧａＡｓＰ活性層７０２が、２つのガイド層（分離閉じ込め層、ＳＣＨ層と呼ばれる場合もある）ＩｎＧａＡｓＰ層７０９、７１０に挟まれて形成されており、この導波路形成領域の両側には、ｎ−ＩｎＰ基板７０１の表面上に、ｐ−ＩｎＰ層７０３とｎ−ＩｎＰ層７０４とがこの順で積層された領域が設けられている。そして、ＩｎＧａＡｓＰ層７１０及びｎ−ＩｎＰ層７０４の上には、ｐ−ＩｎＰ層７０５と、キャップ層であるｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層７０６と、ｐ側電極７０７とがこの順で積層されている。また、ｎ−ＩｎＰ基板７０１の裏面側には、ｎ側電極７０８が形成されている。
【００５８】
図７に示した構造では、ＩｎＧａＡｓＰ活性層７０２の上に積層された上部のガイド層７１０の厚さがＳＯＡの場所により変化しており、ＳＯＡの一方の端部（図７（ｂ））では厚さがｄ_１であるのに対し、他方の端部（図７（ｃ））では厚さが０となっている。このような構造のＳＯＡにおいては、利得媒質である活性層中での光電界の閉じ込め係数Γが場所により変化することとなる。その結果、ＳＯＡの飽和パワーも場所により変化することとなり、実施例１において説明したＳＯＡと同様の高速動作が可能となる。
【００５９】
ここで、上部のＩｎＧａＡｓＰガイド層７１０の厚さは、ＳＯＡ全体にわたって連続的に変化していてもよく、一部が不連続的に変化するものであっても構わない。
【００６０】
また、上部のＩｎＧａＡｓＰガイド層７１０の厚さは、変化さえしていればよく、０まで変化するものでなくても構わない。
【００６１】
更に、厚さが変化する層は、上方ＩｎＧａＡｓＰガイド層７１０に限定されるものではなく、活性層における光閉じ込め係数Γを場所により変化させ得る層であればよく、具体的には、ＩｎＧａＡｓＰ活性層７０２、上方ＩｎＧａＡｓＰガイド層７１０、下方ＩｎＧａＡｓＰガイド層７０９のうち少なくとも１層において厚さが変化していればよい。
【００６２】
本実施例では、ＳＯＡとして図５あるいは図７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説明したが、ＳＯＡの活性層に関してはＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等の任意の材質について同様な効果が期待できる。また、活性層構造に関しても、バルク構造、ＭＱＷ構造、量子細線構造、量子ドット構造を問わず、また、ＳＯＡの導波路構造に関しても、ｐｎ埋め込み構造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同様な効果が期待できる。更に、基板に関してもｎ型基板に限定されるものではなく、ｐ型基板、半絶縁型基板等でも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００６３】
また、上述した実施例では、カプラとして、ＭＭＩカプラを用いた例を示しているが、方向性結合器を用いることとしてもよい。また、導波する連続光の位相を変化させる素子として、入射光の光強度に応じて屈折率が変化する素子としてＳＯＡを用いた例を示しているが、ＥＡ変調器等のように、光強度に応じて屈折率を変化させ得る構造の素子であれば、すべて適用可能である。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光制御素子は、フィルタ付き位相変調器を採用することとしているので、入力信号光と被波長変換光とを分離するために、出力側のポートに波長フィルタを設置する必要がなく、入力信号光の波長λ_ｉと被波長変換光の波長λ_ｊとが同一の場合でも、波長変換前の光が雑音となって出力光に混入してしまい雑音が生じてしまうという問題が回避される。これにより、同一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ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光制御素子に採用されている波長変換回路の構成を説明するための図である。
【図２】従来の光制御素子に採用されている波長変換回路の動作原理を説明するための図で、（ａ）は、図１に示した波長変換回路での、ループ型干渉回路１０９中を導波してＭＭＩカプラ１０３に入射する波長λ_ｊの連続光の位相変化の様子を説明するための図であり、（ｂ）は、図１に示した波長変換回路での、ポート１１０から出射される波長λ_ｊの連続光の光強度変化の様子を説明するための図である。
【図３】従来の光制御素子に採用されている波長変換回路の動作原理を説明するための図で、（ａ）は、図１に示した波長変換回路において、ＳＯＡ１０１の長さＬ_ＳＯＡがΔＬと同程度の場合の、ＭＭＩカプラ１０３に入射する波長λ_ｊの連続光の位相変化の様子を説明するための図であり、（ｂ）は、図１に示した波長変換回路において、ポート１１０から出射される波長λ_ｊの連続光の光強度変化の様子を説明するための図である。
【図４】本発明の波長変換回路の第１の実施態様を説明するための図である。
【図５】ｎ型基板を用いて作成されたＳＯＡの構造を説明するための図であって、（ａ）は、ＳＯＡの導波路コアに沿った断面形状を説明するための図であり、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、（ａ）におけるＡ−Ａ′断面、Ｂ−Ｂ′断面における断面形状を説明するための図である。
【図６】本発明の波長変換回路に備えた素子長（Ｌ１＋Ｌ２）のＳＯＡの導波路幅を、素子長方向の位置の関数として示した図である。
【図７】ｎ型基板を用いて作成されたＳＯＡの構造を説明するための図であって、（ａ）は、ＳＯＡの導波路コアに沿った断面形状を説明するための図であり、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、（ａ）におけるＡ−Ａ′断面、Ｂ−Ｂ′断面における断面形状を説明するための図である。
【符号の説明】
１０１ＳＯＡ
１０２ＭＭＩカプラ
１０３ＭＭＩカプラ
１０４信号光
１０５ＣＷ光
１０６左回りの光
１０７右回りの光
１０８出力光
１０９ループ型干渉回路
１１０ポート
１１１ポート
４０１ＳＯＡ
４０２ＳＯＡ
４０３ＭＭＩカプラ
４０４ＭＭＩカプラ
４０５ＭＭＩカプラ
４０６信号光
４０７ＣＷ光
４０８左回りの光
４０９右回りの光
４１０出力光
４１１ポート
４１２ポート
４１３ループ型干渉回路
４１４ポート
４１５フィルタ付き位相変調器
４１６ポート
４１７ポート
５０１ｎ−ＩｎＰ基板
５０２ＩｎＧａＡｓＰ活性層
５０３ｐ−ＩｎＰ層
５０４ｎ−ＩｎＰ層
５０５ｐ−ＩｎＰ層
５０６ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層
５０７ｐ側電極
５０８ｎ側電極
７０１ｎ−ＩｎＰ基板
７０２ＩｎＧａＡｓＰ活性層
７０３ｐ−ＩｎＰ層
７０４ｎ−ＩｎＰ層
７０５ｐ−ＩｎＰ層
７０６ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層
７０７ｐ側電極
７０８ｎ側電極
７０９ＳＣＨ層
７１０ＳＣＨ層

Claims

任意波長の第１の入力光の強度に応じて前記第１の入力光の波長と同一または異なる波長の第２の入力光を変調する光制御素子であって、
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のポートに出力する第１の光合分岐手段と、
前記第２のポートの一方から出力された前記分岐された第２の入力光の一方を遅延させる遅延手段と、
前記第１の入力光と前記遅延を受けた第２の入力光の一方のそれぞれを２つの入力ポートに分岐させる第２の光合分岐手段と、
前記２つの入力ポートのそれぞれに接続された２つの位相変調手段と、
該２つの位相変調手段から出力される第１の入力光を合波して１の出力ポートに導くとともに、前記２つの位相変調手段から出力される第２の入力光を合波して他の出力ポートに導く第３の光合分岐手段と
からなり、該第３の光合分岐手段から出力された第２の入力光を前記第２のポートの他方に入力し、前記分岐された第２の入力光の他方を、前記第３の光合分岐手段、前記位相変調手段、第２の光合分岐手段、および前記遅延手段を介して前記第２のポートの一方に入力することにより、前記分岐した２つの第２の入力光を合波し、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、
前記位相変調手段は、第１の入力光の光強度に応じて屈折率が変化する媒質を備え、該媒質の断面形状が光の伝搬方向に沿って変化するのに応じて該媒質の飽和特性が変化し、前記第２の光合分波手段を介して前記位相変調手段に一方向から入力する前記分岐された一方の第２の入力光と、前記第３の光合分波手段を介して前記位相変調手段に逆方向から入力する前記分岐された他方の第２の入力光との間の位相関係を制御するものであることを特徴とする光制御素子。
前記位相変調手段は、前記第１の入力光の光強度に応じて屈折率が変化する光導波路を備えた半導体増幅器であり、該光導波路の断面形状が入力光の伝搬方向に沿って変化するものであることを特徴とする請求項１に記載の光制御素子。
前記第２の光合分岐手段と、前記位相変調手段と、前記第３の光合分岐手段とから構成される光回路は、対称型マッハツェンダ光回路であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光制御素子。