光波長変換器
【課題】利得回復時間に起因した波長変換速度の制約を抑制して、装置の小型化や簡素化、消費電力の低減化が図られる光波長変換器を提供する。
【解決手段】光波長変換器１１は、少なくとも０次基本モードおよび１次モードが同時に導波可能であって、０次基本モードの利得が１次モードより高くなるように設定された利得領域を有するマルチモード干渉導波路（ＭＭＩ）１１と、ＭＭＩの０次基本モードと結合した入射導波路２と、ＭＭＩの１次モードと結合した入射導波路３と、ＭＭＩの０次基本モードと結合した出射導波路５と、ＭＭＩの１次モードと結合した出射導波路６などで構成され、波長λｓの信号光Ｉｓが入射導波路２に入射し、波長λｐのプローブ光Ｉｐが入射導波路３に入射すると、信号光Ｉｓによって強度変調を受けた波長λｐの波長変換光Ｏｐが出射導波路６から出射される。
【解決手段】光波長変換器１１は、少なくとも０次基本モードおよび１次モードが同時に導波可能であって、０次基本モードの利得が１次モードより高くなるように設定された利得領域を有するマルチモード干渉導波路（ＭＭＩ）１１と、ＭＭＩの０次基本モードと結合した入射導波路２と、ＭＭＩの１次モードと結合した入射導波路３と、ＭＭＩの０次基本モードと結合した出射導波路５と、ＭＭＩの１次モードと結合した出射導波路６などで構成され、波長λｓの信号光Ｉｓが入射導波路２に入射し、波長λｐのプローブ光Ｉｐが入射導波路３に入射すると、信号光Ｉｓによって強度変調を受けた波長λｐの波長変換光Ｏｐが出射導波路６から出射される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば波長多重光通信などに適用可能であって、ある波長を有する信号光を別の波長を有する信号光へ変換するための光波長変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８は、従来の光波長変換器の一例を示す構成図である。この光波長変換器は、下記の非特許文献１に記載されており、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）２０と、波長フィルタ２１を備える。併進型(co-propagation)配置では、信号光（波長λｓ）および、ＣＷ(Continuous Wave)光などのプローブ光（波長λｃ）の２つの光信号が半導体光増幅器２０の一方から入力され、半導体光増幅器２０を通過する際に増幅される。２つの光信号にとって半導体光増幅器２０の利得は縮退しているため、相互利得変調作用によって信号光の強度変調信号がプローブ光に転写され、波長λｃの波長変換光として出力される。こうした動作原理から相互利得変調型の光波長変換器と称される。
【０００３】
しかしながら、この光波長変換器においては、入力された信号光およびプローブ光も波長変換光と共に同一の出力ポートより出射されるため、波長の違いを利用して波長変換光のみを分離するための波長フィルタ２１が必要になり、構成が複雑になる。また、信号光の波長とプローブ光の波長は、波長フィルタ２１の分離特性より離す必要があるため、高密度な波長多重光通信システムを構築する上で大きな弊害となる。特に、信号光の波長λｓとプローブ光の波長λｃが等しい特殊な使用態様の場合は、波長フィルタ２１では分離不可能になる。
【０００４】
図９は、従来の光波長変換器の他の例を示す構成図である。この光波長変換器も下記の非特許文献１に記載されている。逆進型配置では、信号光（波長λｓ）が半導体光増幅器２０の一方から入力され、プローブ光（波長λｃ）が半導体光増幅器２０の他方から入力される。信号光の強度変調信号が転写されたプローブ光は、波長λｃの波長変換光として半導体光増幅器２０の一方から出力される。波長変換光は、例えば光サーキュレータ２２や光カプラを用いて入力信号光から容易に分離することができる．
【０００５】
しかしながら、逆進型配置では、信号光とプローブ光とが対向して進行するため、図８に示す併進型配置と比べて、信号光とプローブ光との相互作用に必要な光路長が充分に確保できず、消光比が低下する。
【０００６】
また、図８および図９に示した光波長変換器は、半導体光増幅器２０の内部利得の縮退を利用した相互利得変調型である。半導体光増幅器２０の内部利得は、外部から電流注入によって維持されることから、光波長変換器の動作速度が半導体の利得回復時間によって制限される。
【０００７】
図１０は、利得回復時間の電流密度依存性の一例を示すグラフである。縦軸は利得回復時間（ｐｓ）で、横軸は利得領域での電流密度（ｍＡ／μｍ２）である。また、各グラフは、半導体光増幅器２０の利得領域長ｌ＝６００μｍ，１２００μｍについて実測値と計算値を示す。
【０００８】
全体の傾向として、注入する電流密度が増加するほど、利得回復時間は短くなる。例えば、４０Ｇｂｉｔ／ｓの信号を扱うのに必要十分な１０ｐｓの利得回復時間を得るためには、電流密度を上げると共に、１２００μｍという長い利得領域長ｌを確保しなければならない。その結果、消費電力の増加という問題点が出てくる。
【０００９】
図１１は、従来の光波長変換器のさらに他の例を示す構成図である。この光波長変換器も下記の非特許文献１に記載されており、上述の相互利得変調とは異なる相互位相変調を利用している。この光波長変換器は、半導体光増幅器２２（ＳＯＡ１）と、半導体光増幅器２３（ＳＯＡ２）と、分岐導波路２４〜２７とを含み、マッハツェンダ型の干渉計を構成している。
【００１０】
ＣＷ光などのプローブ光（波長λｃ）は、分岐導波路２４を経由して各半導体光増幅器２２，２３に入力され、さらに各分岐導波路２５，２６を経由した後、分岐導波路２７において合波される。入力信号光（波長λｓ）は、分岐導波路２５を経由して、プローブ光と対向するように半導体光増幅器２２に入力される。波長λｃの波長変換光は、半導体光増幅器２２から分岐導波路２５，２７を経由して出力される。
【００１１】
半導体光増幅器２２では、位相を１８０度変化させて相互位相変調を行うのに必要なキャリア密度の変化は、上述の相互利得変調で必要なキャリア密度の変化よりも格段に小さい。そのため、利得回復時間の遅延や消費電力の増加などの問題点は解決できる。
【００１２】
しかしながら、分岐導波路２４の存在によって、プローブ光に対して３ｄＢの損失が発生するという新たな問題点が浮上する。また、２つの半導体光増幅器２２，２３およびマッハツェンダ干渉計を構成する導波路を高精度で対称配置する必要があり、製造プロセスの複雑化、半導体チップの大型化、製造コストの増加、消費電力の増加をもたらす。
【００１３】
【特許文献１】特開平１１−７２８１０号公報（７頁〜９頁、図５）
【特許文献２】米国特許第５９３３５５４号公報
【非特許文献１】Terji Durhuus、 et al.、 “All-Optical Wavelength Conversion by Semiconductor Optical Amplifiers”、 IEEE Journal of Lightwave Technology、 Vol.14、 No.6、 June 1996
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来の光波長変換器は、上述のように、半導体光増幅器の利得回復時間に起因して波長変換速度の制約を受ける。
【００１５】
また、併進型の光波長変換器では、信号光と波長変換光が同一ポートから出力されるため、波長変換光を分離するための波長フィルタが必要になり、構造が複雑化する。高密度な波長多重光通信システムを構築する場合、波長フィルタの分離特性が波長間隔を制約する要因となる。特に、信号光とプローブ光が同一波長の場合には、波長フィルタによる分離が不可能になる。
【００１６】
また、２つの半導体光増幅器を用いた相互位相変調型の光波長変換器では、製造プロセスの複雑化、半導体チップの大型化、製造コストの増加、消費電力の増加といった問題点がある。
【００１７】
本発明の目的は、利得回復時間に起因した波長変換速度の制約を抑制して、装置の小型化や簡素化、消費電力の低減化が図られる光波長変換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明に係る光波長変換器は、少なくとも０次基本モードおよび１次モードが同時に導波可能であって、０次基本モードの利得が１次モードより高くなるように設定された利得領域を有するマルチモード干渉導波路と、
マルチモード干渉導波路における０次基本モードと結合した第１入射導波路と、
マルチモード干渉導波路における１次モードと結合した第２入射導波路と、
マルチモード干渉導波路における０次基本モードと結合した第１出射導波路と、
マルチモード干渉導波路における１次モードと結合した第２出射導波路とを備え、
波長λｓの信号光が第１入射導波路に入射し、波長λｐのプローブ光が第２入射導波路に入射すると、信号光によって強度変調を受けた波長λｐの波長変換光が第２出射導波路から出射されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、マルチモード干渉導波路は、複数のモードが同時に導波可能であるため、各モード間の相互利得変調を利用することによって波長変換を行うことができる。例えば、０次基本モードおよび１次モードが同時に導波される場合、両モード間で物質利得が縮退している。そのため、いずれか一方のモードを用いて信号光を伝搬させ、他方のモードを用いてプローブ光を伝搬させた場合、信号光とプローブ光の間での相互利得変調を実現することができる。
【００２０】
さらに、０次基本モードの利得が１次モードの利得より高くなるように設定して、信号光を０次基本モードで伝搬させ、プローブ光を１次モードで伝搬させた場合、微弱な信号光に対してプローブ光が強く消光するようになるため、信号光の強度変調信号がプローブ光に転写される効率が高くなる。
【００２１】
また、こうしたモード間の利得差を利用した波長変換では、必ずしも物質利得の変調を伴わないため、利得回復時間による速度制約を原理的に受けにくくなり、高速の光信号であっても波形劣化なく波長変換することが可能となる。
【００２２】
また、各モードの伝搬軸は互いに交差しているため、モード間の分離が容易になり、クロストークを抑制できる。
【００２３】
また、マルチモード干渉導波路を用いることにより、装置の小型化や簡素化、消費電力の低減化が図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
実施の形態１．
図１は、本発明の第１実施形態を示す平面図である。光波長変換器１１は、マルチモード干渉導波路(MMI: Multi-Mode Interference Waveguide)１と、複数の入射導波路２，３，４と、複数の出射導波路５，６，７などで構成される。
【００２５】
マルチモード干渉導波路１は、信号光の波長帯域において物質利得を有する半導体、例えばＩｎＧａＡｓＰなどの化合物半導体で形成され、少なくとも０次基本モードおよび１次モードが同時に導波可能であるように構成されている。マルチモード干渉導波路１は、複数の電極１２，１３，１４からのキャリア注入によって形成されるストライプ状の利得領域を有し、この利得領域において０次基本モードの利得が１次モードの利得より高くなるように設定されている。
【００２６】
入射導波路２は、マルチモード干渉導波路１の長手方向に沿って形成され、マルチモード干渉導波路１で導波される０次基本モードと結合可能なように構成されている。入射導波路３，４は、マルチモード干渉導波路１の長手方向に対して所定の角度でそれぞれ交差するように形成され、マルチモード干渉導波路１で導波される１次モードと結合可能なように構成されている。
【００２７】
出射導波路５は、マルチモード干渉導波路１の長手方向に沿って形成され、マルチモード干渉導波路１で導波される０次基本モードと結合可能なように構成されている。出射導波路６，７は、マルチモード干渉導波路１の長手方向に対して所定の角度でそれぞれ交差するように形成され、マルチモード干渉導波路１で導波される１次モードと結合可能なように構成されている。
【００２８】
入射導波路２，３，４と出射導波路５，６，７は、マルチモード干渉導波路１に関して点対称となるように配置される。
【００２９】
光波長変換器１１は、３つのエピタキシャル成長部８，９，１０を有し、これらがモノリシックに集積した１つの半導体チップとして構成される。
【００３０】
エピタキシャル成長部８は、マルチモード干渉導波路１と、入射導波路２，３，４と結合した部分と、出射導波路５，６，７と結合した部分とが埋め込まれており、信号光の波長帯域において物質利得を有する半導体をエピタキシャル成長させることによって形成されている。
【００３１】
エピタキシャル成長部９は、入射導波路２，３，４の平行部分が埋め込まれており、信号波長帯域において物質利得を有さない透明な材料をエピタキシャル成長させることによって形成されている。エピタキシャル成長部１０は、出射導波路５，６，７の平行部分が埋め込まれており、信号波長帯域において物質利得を有さない透明な材料をエピタキシャル成長させることによって形成されている。
【００３２】
エピタキシャル成長部８とエピタキシャル成長部９，１０とは、バットジョイント（突合せ）によって接合されている。また、入射導波路２，３，４は、エピタキシャル成長部９の端面およびバットジョイント接合面に対して角度θで傾斜しており、出射導波路５，６，７も同様にエピタキシャル成長部１０の端面およびバットジョイント接合面に対して角度θで傾斜しており、各端面または各接合面による反射戻り光を低減している。
【００３３】
図２は、マルチモード干渉導波路１における光の電界分布を示すグラフである。縦軸は電界強度（任意単位）で、横軸は導波路の光軸に垂直な方向に沿った位置（μｍ）である。太い実線は０次基本モードの電界分布を示し、細い実線は１次モードの電界分布を示している。
【００３４】
０次基本モードは、導波路の中心に関して左右対称な電界分布を有しており、導波路の中心において電界強度がピークに達し、中心から遠くなるにつれて電界強度が減少する。一方、１次モードは、導波路の中心を境に符号が反転する反対称な電界分布を有しており、導波路の中心において電界強度はゼロになり、中心から＋２μｍ付近で正のピークに達し、−２μｍ付近で負のピークに達し、さらに遠くなるにつれて電界強度が減少する。
【００３５】
これらの電界分布に対して電極１２，１３，１４の配置をどのように決定すべきかを説明する。電極１２，１３，１４は、導波路の中心に関して左右対称なストライプ形状を有し、グラフ中の点線で示すように、電極１２，１３，１４の幅Ｌ１とほぼ一致するように利得領域が形成される。利得領域（点線の範囲内）では、各電極から注入されるキャリアの密度が高く、光利得特性を示す。一方、利得領域の外側は、キャリア密度が低いため、光吸収特性を示す。
【００３６】
こうした部分的な利得領域を有するマルチモード干渉導波路１において、モード利得は、光の電界分布と物質利得（キャリアが流れない領域では物質吸収）の積をモード伝搬領域全域にわたって積分することにより求められる。このとき注目すべき点は、電界分布の広がりが０次基本モードよりも１次モードの方が大きいために、利得領域とのオーバーラップは、逆に０次基本モードよりも１次モードの方が小さくなることである。その結果、上述の積分によって得られるモード利得は、０次基本モードよりも１次モードの方が小さくなる。
【００３７】
図３は、０次基本モードおよび１次モードのモード利得の波長依存性を示すグラフである。縦軸はモード利得（ｃｍ−１）で、横軸は光の波長（μｍ）である。太い実線は０次基本モードのモード利得を示し、細い実線は１次モードのモード利得を示している。ここでは、利得領域での注入キャリア密度を同じに設定して、各モード利得の積分計算を実施している。
【００３８】
このグラフを見ると、０次基本モードは、約１．４４μｍ〜約１．６１μｍの波長範囲で正のモード利得を示して光増幅が生じ、約１．４４μｍ以下および約１．６１μｍ以上の波長範囲で負のモード利得を示し、光吸収が生ずることが判る。一方、１次モードは、図３の波長範囲に渡って負のモード利得を示し、光吸収が生ずることが判る。
【００３９】
各モード利得カーブは、注入キャリア密度の変化に応じて上下にシフトし得ることから、注入キャリア密度および波長を適切に選択することによって、０次基本モードと１次モードとの間のモード利得差を付与できる。
【００４０】
図４は、光波長変換器１１の動作を示す説明図である。波長λｓの信号光Ｉｓが入射導波路２に入射すると、マルチモード干渉導波路１において０次基本モードとして導波され、図３に示した０次基本モードの利得特性に従って増幅された後、出射導波路５を通過して外部へ出射する。
【００４１】
波長λｐのプローブ光Ｉｐが入射導波路３に入射すると、マルチモード干渉導波路１において１次モードとして導波され、図３に示した１次モードの利得特性に従って増幅（または吸収）された後、出射導波路６を通過して外部へ出射する。
【００４２】
信号光Ｉｓとして、例えば１０Ｇｂｉｔ／ｓの強度変調信号を用いた場合、プローブ光Ｉｐとして、例えば１０ＧＨｚのクロック周波数に同期して変調がかけられたクロック光、あるいは無変調のＣＷ光が使用できる。
【００４３】
マルチモード干渉導波路１において信号光Ｉｓおよびプローブ光Ｉｐが同時に導波している場合、信号光Ｉｓの変調信号がハイレベルのとき、プローブ光Ｉｐは吸収を受け、一方、信号光Ｉｓの変調信号がローレベルのとき、プローブ光Ｉｐは増幅される。こうした相互利得変調によって、プローブ光Ｉｐは、信号光Ｉｓの変調信号の反転を転写した強度変調信号に変換され、出射導波路６から波長λｐの波長変換光Ｏｐとして出力される。
【００４４】
電極１２，１３，１４は、図４に示すように、マルチモード干渉導波路１に沿ってストライプ状に配置され、各電極の直下のみにキャリアが注入される。各電極の幅Ｌ１は、マルチモード干渉導波路１での０次基本モードと１次モードの間のモード利得差が最大となるように設計することが望ましく、さらにマルチモード干渉導波路１の導波路幅Ｌ２よりも小さいことが好ましい。導波路幅Ｌ２は、屈折率導波構造のコアに相当する高屈折率部分とクラッドに相当する低屈折率部分との境界で定義され、一般に、１次モードの電界分布の２つのピークの間隔に対応するように設計される。従って、電極幅Ｌ１を導波路幅Ｌ２より小さく形成することによって、モード間の利得差がより拡大して、信号光Ｉｓの変調信号からプローブ光Ｉｐへの転写効率を向上させることができる。
【００４５】
本方式では、０次基本モードと１次モードの間のモード利得差を利用して波長変換を行っているため、両モード間の物質利得の縮退による相互利得変調が実現できる。加えて、０次基本モードのモード利得が１次モードのモード利得よりも高いことにより、０次基本モードと１次モードが光の進行方向に沿って異なる利得を受けるため、０次基本モードの信号光が微弱であっても、１次モードのプローブ光を強く消光させることが可能になる。そのため、必ずしも物質利得の強い変調を伴わなくても十分な消光比を得ることができ、利得回復時間による速度制約を原理的に受けにくくなり高速の光信号に対しても波形劣化なく波長変換することが可能となる。
【００４６】
また、マルチモード干渉導波路１において、図４に示すように、０次基本モードの伝搬軸は直線状であるが、１次モードの伝搬軸は正弦波状に蛇行している。そのため導波路長Ｌ３は、０次基本モードと１次モードとのビート長の略整数倍に設定することが好ましい。ここでビート長は、０次基本モードと１次モードの位相差が丁度２πとなる導波路長で定義される。
【００４７】
導波路長Ｌ３をビート長の略整数倍に設定した場合、マルチモード干渉導波路１と入射導波路２，３，４とが結合した部分、およびマルチモード干渉導波路１と出射導波路５，６，７とが結合した部分において、０次基本モードの伝搬軸と１次モードの伝搬軸とのなす角が最大となる。従って、各結合部分での入射導波路２，３，４の交差角度および出射導波路５，６，７の交差角度を大きく設定できるため、製造プロセスが容易になり、導波路の寸法精度を緩和できる。さらに、０次基本モードの信号光Ｉｓと１次モードのプローブ光Ｉｐとの分離度が向上するため、波長変換光の消光比を高く維持できる。
【００４８】
また、マルチモード干渉導波路１は、０次基本モードおよび１次モードだけでなく、２次以上の高次モードも導波可能なように設計可能であり、信号光Ｉｓおよびプローブ光Ｉｐを任意の導波モードでそれぞれ伝搬させて、相互利得変調を実施することができる。しかしながら、マルチモード干渉導波路１の導波路幅Ｌ２は、０次基本モードおよび１次モードのみが導波可能で、２次以上の高次モードは導波しないように設計することが好ましい。２つの導波モードに限定することによって、物質利得の縮退度が強くなり、波長変換効率をより向上させることができる。
【００４９】
本実施形態では、マルチモード干渉導波路１の長手方向に沿って複数の電極１２，１３，１４を分割して配置しているため、各電極１２，１３，１４へのキャリア注入量は互いに独立に制御可能である。従って、ストライプ状の利得領域において、光進行方向に沿った物質利得分布を変化させることができ、特定の導波モードに関する利得の増加または減少を選択的に制御できる。その結果、波長変換光の消光比を高めたり、波形整形機能を最適動作させることができる。
【００５０】
また本実施形態では、エピタキシャル成長部８とエピタキシャル成長部９，１０とは、別個の成膜プロセスを実施して、バットジョイント（突合せ）によって物理的に接合している。そのため、端面または接合面での内部反射による寄生発振が懸念される。特に、バットジョイント接合面においては、界面での不純物の拡散等による光学特性の不連続が発生しやすくなり、無視できない量の光学的反射が発生する可能性がある。
【００５１】
その対策として、入射導波路２，３，４は、エピタキシャル成長部９の端面およびバットジョイント接合面に対して角度θで傾斜しており、出射導波路５，６，７も同様にエピタキシャル成長部１０の端面およびバットジョイント接合面に対して角度θで傾斜しており、各端面または各接合面による反射戻り光を可能な限り低減している。
【００５２】
図５は、バットジョイント接合面での反射戻り光の割合を示すグラフである。縦軸はエピタキシャル成長部８での導波モードに対する反射戻り光の割合（ｄＢ）で、横軸はバットジョイント接合面と光の進行方向との傾斜角度θ（度）である。
【００５３】
このグラフを見ると、バットジョイント接合面に対して光の進行方向が垂直となる角度θ＝０度のときの反射戻り光を基準値（０ｄＢ）として、角度θが増加すると、反射戻り光の割合は徐々に減少している。一般に、反射戻り光の割合が−２０ｄＢ以下になると、マルチモード干渉導波路１での内部寄生発振が発生する可能性が少なくなる。そこで、傾斜角度θは、反射戻り光の割合が−２０ｄＢとなる２４度以上に設定することが好ましく、これによりノイズ光を低減でき、波長変換光のＳ／Ｎ比を向上できる。
【００５４】
実施の形態２．
図６は、本発明の第２実施形態を示す構成図である。上述した光波長変換器１１の出射導波路５からは、入力された信号光Ｉｓの増幅光が出力されるため、別の用途への再利用が可能になる。本実施形態では、光波長変換器１１とクロックパルス発生回路１６とを組合せた例を示すが、クロックパルス発生回路１６の代わりに各種の光回路を使用することができる。
【００５５】
クロックパルス発生回路１６は、あるクロック周波数で強度変調された信号光パルスからクロック光パルスを再生する機能を有する。光ファイバ１５は、光波長変換器１１の出射導波路５とクロックパルス発生回路１６の入力とを光学的に結合して、信号光Ｉｓの増幅光を伝送する。光ファイバ１７は、クロックパルス発生回路１６の出力と光波長変換器１１の出射導波路３とを光学的に結合して、再生されたクロック光パルスを伝送する。
【００５６】
こうした構成により、光波長変換器１１のプローブ光Ｉｐとして、信号光Ｉｓのクロックに同期したクロック光パルスを使用することができる。そのため、プローブ光Ｉｐを発生するための光源や光回路を別途設ける必要がなく、構成全体の簡素化を図ることができる。
【００５７】
実施の形態３．
図７は、本発明の第３実施形態を示す構成図である。上述した光波長変換器１１は、モノリシック集積された半導体チップで構成されており、チップ全体が温度制御素子１８の上に搭載されている。
【００５８】
温度制御素子１８は、ペルチェ効果を利用した電子冷却素子や、加熱用のヒータ、冷却用の熱交換器などで構成され、光波長変換器１１の温度制御を行う。温度センサ１９ａは、光波長変換器１１と共に温度制御素子１８の作用面に配置される。温度制御回路１９は、温度センサ１９ａから出力される温度信号と基準値とを比較して、温度信号が安定になるように温度制御素子１８を駆動する。
【００５９】
光波長変換器１１のマルチモード干渉導波路１における０次基本モードと１次モードの利得差は、０次基本モードで伝搬する信号光Ｉｓの波長λｓが利得領域での物質利得のピーク波長と一致するときに最大となる。物質利得のピーク波長は、光波長変換器１１の温度により変化させることができる。従って、入射する信号光Ｉｓの波長λｓが変化した場合、波長λｓに応じて上記の基準値を調整し、物質利得のピーク波長と入射する信号光Ｉｓの波長λｓが一致するように光波長変換器１１の少なくとも利得領域の温度を制御することによって、高い波長変換効率を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１実施形態を示す平面図である。
【図２】マルチモード干渉導波路１における光の電界分布を示すグラフである。
【図３】０次基本モードおよび１次モードのモード利得の波長依存性を示すグラフである。
【図４】光波長変換器１１の動作を示す説明図である。
【図５】バットジョイント接合面での反射戻り光の割合を示すグラフである。
【図６】本発明の第２実施形態を示す構成図である。
【図７】本発明の第３実施形態を示す構成図である。
【図８】従来の光波長変換器の一例を示す構成図である。
【図９】従来の光波長変換器の他の例を示す構成図である。
【図１０】利得回復時間の電流密度依存性の一例を示すグラフである。
【図１１】従来の光波長変換器のさらに他の例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００６１】
１ マルチモード干渉導波路、 ２，３，４ 入射導波路、 ５，６，７ 出射導波路、 ８，９，１０ エピタキシャル成長部、 １１ 光波長変換器、 １２，１３，１４ 電極、 １５，１７ 光ファイバ、 １６ クロックパルス発生回路、 １８ 温度制御素子、 １９ 温度制御回路、 １９ａ 温度センサ、 Ｉｓ 信号光、 Ｉｐ プローブ光、 Ｏｐ 波長変換光。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば波長多重光通信などに適用可能であって、ある波長を有する信号光を別の波長を有する信号光へ変換するための光波長変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８は、従来の光波長変換器の一例を示す構成図である。この光波長変換器は、下記の非特許文献１に記載されており、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）２０と、波長フィルタ２１を備える。併進型(co-propagation)配置では、信号光（波長λｓ）および、ＣＷ(Continuous Wave)光などのプローブ光（波長λｃ）の２つの光信号が半導体光増幅器２０の一方から入力され、半導体光増幅器２０を通過する際に増幅される。２つの光信号にとって半導体光増幅器２０の利得は縮退しているため、相互利得変調作用によって信号光の強度変調信号がプローブ光に転写され、波長λｃの波長変換光として出力される。こうした動作原理から相互利得変調型の光波長変換器と称される。
【０００３】
しかしながら、この光波長変換器においては、入力された信号光およびプローブ光も波長変換光と共に同一の出力ポートより出射されるため、波長の違いを利用して波長変換光のみを分離するための波長フィルタ２１が必要になり、構成が複雑になる。また、信号光の波長とプローブ光の波長は、波長フィルタ２１の分離特性より離す必要があるため、高密度な波長多重光通信システムを構築する上で大きな弊害となる。特に、信号光の波長λｓとプローブ光の波長λｃが等しい特殊な使用態様の場合は、波長フィルタ２１では分離不可能になる。
【０００４】
図９は、従来の光波長変換器の他の例を示す構成図である。この光波長変換器も下記の非特許文献１に記載されている。逆進型配置では、信号光（波長λｓ）が半導体光増幅器２０の一方から入力され、プローブ光（波長λｃ）が半導体光増幅器２０の他方から入力される。信号光の強度変調信号が転写されたプローブ光は、波長λｃの波長変換光として半導体光増幅器２０の一方から出力される。波長変換光は、例えば光サーキュレータ２２や光カプラを用いて入力信号光から容易に分離することができる．
【０００５】
しかしながら、逆進型配置では、信号光とプローブ光とが対向して進行するため、図８に示す併進型配置と比べて、信号光とプローブ光との相互作用に必要な光路長が充分に確保できず、消光比が低下する。
【０００６】
また、図８および図９に示した光波長変換器は、半導体光増幅器２０の内部利得の縮退を利用した相互利得変調型である。半導体光増幅器２０の内部利得は、外部から電流注入によって維持されることから、光波長変換器の動作速度が半導体の利得回復時間によって制限される。
【０００７】
図１０は、利得回復時間の電流密度依存性の一例を示すグラフである。縦軸は利得回復時間（ｐｓ）で、横軸は利得領域での電流密度（ｍＡ／μｍ２）である。また、各グラフは、半導体光増幅器２０の利得領域長ｌ＝６００μｍ，１２００μｍについて実測値と計算値を示す。
【０００８】
全体の傾向として、注入する電流密度が増加するほど、利得回復時間は短くなる。例えば、４０Ｇｂｉｔ／ｓの信号を扱うのに必要十分な１０ｐｓの利得回復時間を得るためには、電流密度を上げると共に、１２００μｍという長い利得領域長ｌを確保しなければならない。その結果、消費電力の増加という問題点が出てくる。
【０００９】
図１１は、従来の光波長変換器のさらに他の例を示す構成図である。この光波長変換器も下記の非特許文献１に記載されており、上述の相互利得変調とは異なる相互位相変調を利用している。この光波長変換器は、半導体光増幅器２２（ＳＯＡ１）と、半導体光増幅器２３（ＳＯＡ２）と、分岐導波路２４〜２７とを含み、マッハツェンダ型の干渉計を構成している。
【００１０】
ＣＷ光などのプローブ光（波長λｃ）は、分岐導波路２４を経由して各半導体光増幅器２２，２３に入力され、さらに各分岐導波路２５，２６を経由した後、分岐導波路２７において合波される。入力信号光（波長λｓ）は、分岐導波路２５を経由して、プローブ光と対向するように半導体光増幅器２２に入力される。波長λｃの波長変換光は、半導体光増幅器２２から分岐導波路２５，２７を経由して出力される。
【００１１】
半導体光増幅器２２では、位相を１８０度変化させて相互位相変調を行うのに必要なキャリア密度の変化は、上述の相互利得変調で必要なキャリア密度の変化よりも格段に小さい。そのため、利得回復時間の遅延や消費電力の増加などの問題点は解決できる。
【００１２】
しかしながら、分岐導波路２４の存在によって、プローブ光に対して３ｄＢの損失が発生するという新たな問題点が浮上する。また、２つの半導体光増幅器２２，２３およびマッハツェンダ干渉計を構成する導波路を高精度で対称配置する必要があり、製造プロセスの複雑化、半導体チップの大型化、製造コストの増加、消費電力の増加をもたらす。
【００１３】
【特許文献１】特開平１１−７２８１０号公報（７頁〜９頁、図５）
【特許文献２】米国特許第５９３３５５４号公報
【非特許文献１】Terji Durhuus、 et al.、 “All-Optical Wavelength Conversion by Semiconductor Optical Amplifiers”、 IEEE Journal of Lightwave Technology、 Vol.14、 No.6、 June 1996
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来の光波長変換器は、上述のように、半導体光増幅器の利得回復時間に起因して波長変換速度の制約を受ける。
【００１５】
また、併進型の光波長変換器では、信号光と波長変換光が同一ポートから出力されるため、波長変換光を分離するための波長フィルタが必要になり、構造が複雑化する。高密度な波長多重光通信システムを構築する場合、波長フィルタの分離特性が波長間隔を制約する要因となる。特に、信号光とプローブ光が同一波長の場合には、波長フィルタによる分離が不可能になる。
【００１６】
また、２つの半導体光増幅器を用いた相互位相変調型の光波長変換器では、製造プロセスの複雑化、半導体チップの大型化、製造コストの増加、消費電力の増加といった問題点がある。
【００１７】
本発明の目的は、利得回復時間に起因した波長変換速度の制約を抑制して、装置の小型化や簡素化、消費電力の低減化が図られる光波長変換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明に係る光波長変換器は、少なくとも０次基本モードおよび１次モードが同時に導波可能であって、０次基本モードの利得が１次モードより高くなるように設定された利得領域を有するマルチモード干渉導波路と、
マルチモード干渉導波路における０次基本モードと結合した第１入射導波路と、
マルチモード干渉導波路における１次モードと結合した第２入射導波路と、
マルチモード干渉導波路における０次基本モードと結合した第１出射導波路と、
マルチモード干渉導波路における１次モードと結合した第２出射導波路とを備え、
波長λｓの信号光が第１入射導波路に入射し、波長λｐのプローブ光が第２入射導波路に入射すると、信号光によって強度変調を受けた波長λｐの波長変換光が第２出射導波路から出射されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、マルチモード干渉導波路は、複数のモードが同時に導波可能であるため、各モード間の相互利得変調を利用することによって波長変換を行うことができる。例えば、０次基本モードおよび１次モードが同時に導波される場合、両モード間で物質利得が縮退している。そのため、いずれか一方のモードを用いて信号光を伝搬させ、他方のモードを用いてプローブ光を伝搬させた場合、信号光とプローブ光の間での相互利得変調を実現することができる。
【００２０】
さらに、０次基本モードの利得が１次モードの利得より高くなるように設定して、信号光を０次基本モードで伝搬させ、プローブ光を１次モードで伝搬させた場合、微弱な信号光に対してプローブ光が強く消光するようになるため、信号光の強度変調信号がプローブ光に転写される効率が高くなる。
【００２１】
また、こうしたモード間の利得差を利用した波長変換では、必ずしも物質利得の変調を伴わないため、利得回復時間による速度制約を原理的に受けにくくなり、高速の光信号であっても波形劣化なく波長変換することが可能となる。
【００２２】
また、各モードの伝搬軸は互いに交差しているため、モード間の分離が容易になり、クロストークを抑制できる。
【００２３】
また、マルチモード干渉導波路を用いることにより、装置の小型化や簡素化、消費電力の低減化が図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
実施の形態１．
図１は、本発明の第１実施形態を示す平面図である。光波長変換器１１は、マルチモード干渉導波路(MMI: Multi-Mode Interference Waveguide)１と、複数の入射導波路２，３，４と、複数の出射導波路５，６，７などで構成される。
【００２５】
マルチモード干渉導波路１は、信号光の波長帯域において物質利得を有する半導体、例えばＩｎＧａＡｓＰなどの化合物半導体で形成され、少なくとも０次基本モードおよび１次モードが同時に導波可能であるように構成されている。マルチモード干渉導波路１は、複数の電極１２，１３，１４からのキャリア注入によって形成されるストライプ状の利得領域を有し、この利得領域において０次基本モードの利得が１次モードの利得より高くなるように設定されている。
【００２６】
入射導波路２は、マルチモード干渉導波路１の長手方向に沿って形成され、マルチモード干渉導波路１で導波される０次基本モードと結合可能なように構成されている。入射導波路３，４は、マルチモード干渉導波路１の長手方向に対して所定の角度でそれぞれ交差するように形成され、マルチモード干渉導波路１で導波される１次モードと結合可能なように構成されている。
【００２７】
出射導波路５は、マルチモード干渉導波路１の長手方向に沿って形成され、マルチモード干渉導波路１で導波される０次基本モードと結合可能なように構成されている。出射導波路６，７は、マルチモード干渉導波路１の長手方向に対して所定の角度でそれぞれ交差するように形成され、マルチモード干渉導波路１で導波される１次モードと結合可能なように構成されている。
【００２８】
入射導波路２，３，４と出射導波路５，６，７は、マルチモード干渉導波路１に関して点対称となるように配置される。
【００２９】
光波長変換器１１は、３つのエピタキシャル成長部８，９，１０を有し、これらがモノリシックに集積した１つの半導体チップとして構成される。
【００３０】
エピタキシャル成長部８は、マルチモード干渉導波路１と、入射導波路２，３，４と結合した部分と、出射導波路５，６，７と結合した部分とが埋め込まれており、信号光の波長帯域において物質利得を有する半導体をエピタキシャル成長させることによって形成されている。
【００３１】
エピタキシャル成長部９は、入射導波路２，３，４の平行部分が埋め込まれており、信号波長帯域において物質利得を有さない透明な材料をエピタキシャル成長させることによって形成されている。エピタキシャル成長部１０は、出射導波路５，６，７の平行部分が埋め込まれており、信号波長帯域において物質利得を有さない透明な材料をエピタキシャル成長させることによって形成されている。
【００３２】
エピタキシャル成長部８とエピタキシャル成長部９，１０とは、バットジョイント（突合せ）によって接合されている。また、入射導波路２，３，４は、エピタキシャル成長部９の端面およびバットジョイント接合面に対して角度θで傾斜しており、出射導波路５，６，７も同様にエピタキシャル成長部１０の端面およびバットジョイント接合面に対して角度θで傾斜しており、各端面または各接合面による反射戻り光を低減している。
【００３３】
図２は、マルチモード干渉導波路１における光の電界分布を示すグラフである。縦軸は電界強度（任意単位）で、横軸は導波路の光軸に垂直な方向に沿った位置（μｍ）である。太い実線は０次基本モードの電界分布を示し、細い実線は１次モードの電界分布を示している。
【００３４】
０次基本モードは、導波路の中心に関して左右対称な電界分布を有しており、導波路の中心において電界強度がピークに達し、中心から遠くなるにつれて電界強度が減少する。一方、１次モードは、導波路の中心を境に符号が反転する反対称な電界分布を有しており、導波路の中心において電界強度はゼロになり、中心から＋２μｍ付近で正のピークに達し、−２μｍ付近で負のピークに達し、さらに遠くなるにつれて電界強度が減少する。
【００３５】
これらの電界分布に対して電極１２，１３，１４の配置をどのように決定すべきかを説明する。電極１２，１３，１４は、導波路の中心に関して左右対称なストライプ形状を有し、グラフ中の点線で示すように、電極１２，１３，１４の幅Ｌ１とほぼ一致するように利得領域が形成される。利得領域（点線の範囲内）では、各電極から注入されるキャリアの密度が高く、光利得特性を示す。一方、利得領域の外側は、キャリア密度が低いため、光吸収特性を示す。
【００３６】
こうした部分的な利得領域を有するマルチモード干渉導波路１において、モード利得は、光の電界分布と物質利得（キャリアが流れない領域では物質吸収）の積をモード伝搬領域全域にわたって積分することにより求められる。このとき注目すべき点は、電界分布の広がりが０次基本モードよりも１次モードの方が大きいために、利得領域とのオーバーラップは、逆に０次基本モードよりも１次モードの方が小さくなることである。その結果、上述の積分によって得られるモード利得は、０次基本モードよりも１次モードの方が小さくなる。
【００３７】
図３は、０次基本モードおよび１次モードのモード利得の波長依存性を示すグラフである。縦軸はモード利得（ｃｍ−１）で、横軸は光の波長（μｍ）である。太い実線は０次基本モードのモード利得を示し、細い実線は１次モードのモード利得を示している。ここでは、利得領域での注入キャリア密度を同じに設定して、各モード利得の積分計算を実施している。
【００３８】
このグラフを見ると、０次基本モードは、約１．４４μｍ〜約１．６１μｍの波長範囲で正のモード利得を示して光増幅が生じ、約１．４４μｍ以下および約１．６１μｍ以上の波長範囲で負のモード利得を示し、光吸収が生ずることが判る。一方、１次モードは、図３の波長範囲に渡って負のモード利得を示し、光吸収が生ずることが判る。
【００３９】
各モード利得カーブは、注入キャリア密度の変化に応じて上下にシフトし得ることから、注入キャリア密度および波長を適切に選択することによって、０次基本モードと１次モードとの間のモード利得差を付与できる。
【００４０】
図４は、光波長変換器１１の動作を示す説明図である。波長λｓの信号光Ｉｓが入射導波路２に入射すると、マルチモード干渉導波路１において０次基本モードとして導波され、図３に示した０次基本モードの利得特性に従って増幅された後、出射導波路５を通過して外部へ出射する。
【００４１】
波長λｐのプローブ光Ｉｐが入射導波路３に入射すると、マルチモード干渉導波路１において１次モードとして導波され、図３に示した１次モードの利得特性に従って増幅（または吸収）された後、出射導波路６を通過して外部へ出射する。
【００４２】
信号光Ｉｓとして、例えば１０Ｇｂｉｔ／ｓの強度変調信号を用いた場合、プローブ光Ｉｐとして、例えば１０ＧＨｚのクロック周波数に同期して変調がかけられたクロック光、あるいは無変調のＣＷ光が使用できる。
【００４３】
マルチモード干渉導波路１において信号光Ｉｓおよびプローブ光Ｉｐが同時に導波している場合、信号光Ｉｓの変調信号がハイレベルのとき、プローブ光Ｉｐは吸収を受け、一方、信号光Ｉｓの変調信号がローレベルのとき、プローブ光Ｉｐは増幅される。こうした相互利得変調によって、プローブ光Ｉｐは、信号光Ｉｓの変調信号の反転を転写した強度変調信号に変換され、出射導波路６から波長λｐの波長変換光Ｏｐとして出力される。
【００４４】
電極１２，１３，１４は、図４に示すように、マルチモード干渉導波路１に沿ってストライプ状に配置され、各電極の直下のみにキャリアが注入される。各電極の幅Ｌ１は、マルチモード干渉導波路１での０次基本モードと１次モードの間のモード利得差が最大となるように設計することが望ましく、さらにマルチモード干渉導波路１の導波路幅Ｌ２よりも小さいことが好ましい。導波路幅Ｌ２は、屈折率導波構造のコアに相当する高屈折率部分とクラッドに相当する低屈折率部分との境界で定義され、一般に、１次モードの電界分布の２つのピークの間隔に対応するように設計される。従って、電極幅Ｌ１を導波路幅Ｌ２より小さく形成することによって、モード間の利得差がより拡大して、信号光Ｉｓの変調信号からプローブ光Ｉｐへの転写効率を向上させることができる。
【００４５】
本方式では、０次基本モードと１次モードの間のモード利得差を利用して波長変換を行っているため、両モード間の物質利得の縮退による相互利得変調が実現できる。加えて、０次基本モードのモード利得が１次モードのモード利得よりも高いことにより、０次基本モードと１次モードが光の進行方向に沿って異なる利得を受けるため、０次基本モードの信号光が微弱であっても、１次モードのプローブ光を強く消光させることが可能になる。そのため、必ずしも物質利得の強い変調を伴わなくても十分な消光比を得ることができ、利得回復時間による速度制約を原理的に受けにくくなり高速の光信号に対しても波形劣化なく波長変換することが可能となる。
【００４６】
また、マルチモード干渉導波路１において、図４に示すように、０次基本モードの伝搬軸は直線状であるが、１次モードの伝搬軸は正弦波状に蛇行している。そのため導波路長Ｌ３は、０次基本モードと１次モードとのビート長の略整数倍に設定することが好ましい。ここでビート長は、０次基本モードと１次モードの位相差が丁度２πとなる導波路長で定義される。
【００４７】
導波路長Ｌ３をビート長の略整数倍に設定した場合、マルチモード干渉導波路１と入射導波路２，３，４とが結合した部分、およびマルチモード干渉導波路１と出射導波路５，６，７とが結合した部分において、０次基本モードの伝搬軸と１次モードの伝搬軸とのなす角が最大となる。従って、各結合部分での入射導波路２，３，４の交差角度および出射導波路５，６，７の交差角度を大きく設定できるため、製造プロセスが容易になり、導波路の寸法精度を緩和できる。さらに、０次基本モードの信号光Ｉｓと１次モードのプローブ光Ｉｐとの分離度が向上するため、波長変換光の消光比を高く維持できる。
【００４８】
また、マルチモード干渉導波路１は、０次基本モードおよび１次モードだけでなく、２次以上の高次モードも導波可能なように設計可能であり、信号光Ｉｓおよびプローブ光Ｉｐを任意の導波モードでそれぞれ伝搬させて、相互利得変調を実施することができる。しかしながら、マルチモード干渉導波路１の導波路幅Ｌ２は、０次基本モードおよび１次モードのみが導波可能で、２次以上の高次モードは導波しないように設計することが好ましい。２つの導波モードに限定することによって、物質利得の縮退度が強くなり、波長変換効率をより向上させることができる。
【００４９】
本実施形態では、マルチモード干渉導波路１の長手方向に沿って複数の電極１２，１３，１４を分割して配置しているため、各電極１２，１３，１４へのキャリア注入量は互いに独立に制御可能である。従って、ストライプ状の利得領域において、光進行方向に沿った物質利得分布を変化させることができ、特定の導波モードに関する利得の増加または減少を選択的に制御できる。その結果、波長変換光の消光比を高めたり、波形整形機能を最適動作させることができる。
【００５０】
また本実施形態では、エピタキシャル成長部８とエピタキシャル成長部９，１０とは、別個の成膜プロセスを実施して、バットジョイント（突合せ）によって物理的に接合している。そのため、端面または接合面での内部反射による寄生発振が懸念される。特に、バットジョイント接合面においては、界面での不純物の拡散等による光学特性の不連続が発生しやすくなり、無視できない量の光学的反射が発生する可能性がある。
【００５１】
その対策として、入射導波路２，３，４は、エピタキシャル成長部９の端面およびバットジョイント接合面に対して角度θで傾斜しており、出射導波路５，６，７も同様にエピタキシャル成長部１０の端面およびバットジョイント接合面に対して角度θで傾斜しており、各端面または各接合面による反射戻り光を可能な限り低減している。
【００５２】
図５は、バットジョイント接合面での反射戻り光の割合を示すグラフである。縦軸はエピタキシャル成長部８での導波モードに対する反射戻り光の割合（ｄＢ）で、横軸はバットジョイント接合面と光の進行方向との傾斜角度θ（度）である。
【００５３】
このグラフを見ると、バットジョイント接合面に対して光の進行方向が垂直となる角度θ＝０度のときの反射戻り光を基準値（０ｄＢ）として、角度θが増加すると、反射戻り光の割合は徐々に減少している。一般に、反射戻り光の割合が−２０ｄＢ以下になると、マルチモード干渉導波路１での内部寄生発振が発生する可能性が少なくなる。そこで、傾斜角度θは、反射戻り光の割合が−２０ｄＢとなる２４度以上に設定することが好ましく、これによりノイズ光を低減でき、波長変換光のＳ／Ｎ比を向上できる。
【００５４】
実施の形態２．
図６は、本発明の第２実施形態を示す構成図である。上述した光波長変換器１１の出射導波路５からは、入力された信号光Ｉｓの増幅光が出力されるため、別の用途への再利用が可能になる。本実施形態では、光波長変換器１１とクロックパルス発生回路１６とを組合せた例を示すが、クロックパルス発生回路１６の代わりに各種の光回路を使用することができる。
【００５５】
クロックパルス発生回路１６は、あるクロック周波数で強度変調された信号光パルスからクロック光パルスを再生する機能を有する。光ファイバ１５は、光波長変換器１１の出射導波路５とクロックパルス発生回路１６の入力とを光学的に結合して、信号光Ｉｓの増幅光を伝送する。光ファイバ１７は、クロックパルス発生回路１６の出力と光波長変換器１１の出射導波路３とを光学的に結合して、再生されたクロック光パルスを伝送する。
【００５６】
こうした構成により、光波長変換器１１のプローブ光Ｉｐとして、信号光Ｉｓのクロックに同期したクロック光パルスを使用することができる。そのため、プローブ光Ｉｐを発生するための光源や光回路を別途設ける必要がなく、構成全体の簡素化を図ることができる。
【００５７】
実施の形態３．
図７は、本発明の第３実施形態を示す構成図である。上述した光波長変換器１１は、モノリシック集積された半導体チップで構成されており、チップ全体が温度制御素子１８の上に搭載されている。
【００５８】
温度制御素子１８は、ペルチェ効果を利用した電子冷却素子や、加熱用のヒータ、冷却用の熱交換器などで構成され、光波長変換器１１の温度制御を行う。温度センサ１９ａは、光波長変換器１１と共に温度制御素子１８の作用面に配置される。温度制御回路１９は、温度センサ１９ａから出力される温度信号と基準値とを比較して、温度信号が安定になるように温度制御素子１８を駆動する。
【００５９】
光波長変換器１１のマルチモード干渉導波路１における０次基本モードと１次モードの利得差は、０次基本モードで伝搬する信号光Ｉｓの波長λｓが利得領域での物質利得のピーク波長と一致するときに最大となる。物質利得のピーク波長は、光波長変換器１１の温度により変化させることができる。従って、入射する信号光Ｉｓの波長λｓが変化した場合、波長λｓに応じて上記の基準値を調整し、物質利得のピーク波長と入射する信号光Ｉｓの波長λｓが一致するように光波長変換器１１の少なくとも利得領域の温度を制御することによって、高い波長変換効率を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１実施形態を示す平面図である。
【図２】マルチモード干渉導波路１における光の電界分布を示すグラフである。
【図３】０次基本モードおよび１次モードのモード利得の波長依存性を示すグラフである。
【図４】光波長変換器１１の動作を示す説明図である。
【図５】バットジョイント接合面での反射戻り光の割合を示すグラフである。
【図６】本発明の第２実施形態を示す構成図である。
【図７】本発明の第３実施形態を示す構成図である。
【図８】従来の光波長変換器の一例を示す構成図である。
【図９】従来の光波長変換器の他の例を示す構成図である。
【図１０】利得回復時間の電流密度依存性の一例を示すグラフである。
【図１１】従来の光波長変換器のさらに他の例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００６１】
１ マルチモード干渉導波路、 ２，３，４ 入射導波路、 ５，６，７ 出射導波路、 ８，９，１０ エピタキシャル成長部、 １１ 光波長変換器、 １２，１３，１４ 電極、 １５，１７ 光ファイバ、 １６ クロックパルス発生回路、 １８ 温度制御素子、 １９ 温度制御回路、 １９ａ 温度センサ、 Ｉｓ 信号光、 Ｉｐ プローブ光、 Ｏｐ 波長変換光。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも０次基本モードおよび１次モードが同時に導波可能であって、０次基本モードの利得が１次モードより高くなるように設定された利得領域を有するマルチモード干渉導波路と、
マルチモード干渉導波路における０次基本モードと結合した第１入射導波路と、
マルチモード干渉導波路における１次モードと結合した第２入射導波路と、
マルチモード干渉導波路における０次基本モードと結合した第１出射導波路と、
マルチモード干渉導波路における１次モードと結合した第２出射導波路とを備え、
波長λｓの信号光が第１入射導波路に入射し、波長λｐのプローブ光が第２入射導波路に入射すると、信号光によって強度変調を受けた波長λｐの波長変換光が第２出射導波路から出射されることを特徴とする光波長変換器。
【請求項２】
マルチモード干渉導波路の長さは、０次基本モードと１次モードとのビート長の略整数倍に設定されていることを特徴とする請求項１記載の光波長変換器。
【請求項３】
第１入射導波路と第２入射導波路との交差角度および第１出射導波路と第２出射導波路との交差角度は、０次基本モードの伝搬軸と１次モードの伝搬軸との最大交差角度と略一致していることを特徴とする請求項２記載の光波長変換器。
【請求項４】
マルチモード干渉導波路は、高屈折率部分および低屈折率部分を含む屈折率導波構造で構成され、高屈折率部分の幅より狭いストライプ状の利得領域を有することを特徴とする請求項１記載の光波長変換器。
【請求項５】
マルチモード干渉導波路は、０次基本モードおよび１次モードのみが導波可能であって、２次以上の高次モードは導波しないことを特徴とする請求項１記載の光波長変換器。
【請求項６】
マルチモード干渉導波路は、導波路の長手方向に沿って分割された複数の電極を有し、各電極からのキャリア注入によってストライプ状の利得領域が形成されることを特徴とする請求項１記載の光波長変換器。
【請求項７】
マルチモード干渉導波路ならびに各入射導波路および各出射導波路の一部が光増幅可能な材料によって形成される第１成膜部分と、
各入射導波路および各出射導波路の残部が透明な材料によって形成される第２成膜部分とを含み、
第１成膜部分と第２成膜部分とがバットジョイントによって接合されており、
各入射導波路および各出射導波路の光進行方向が、バットジョイント接合面に対して傾斜していることを特徴とする請求項１記載の光波長変換器。
【請求項８】
光進行方向とバットジョイント接合面とのなす角度θは、バットジョイント接合面による反射戻り光が第１成膜部分での導波モードに対して−２０ｄＢの割合となる角度θｒ以上に設定されていることを特徴とする請求項８記載の光波長変換器。
【請求項９】
第１の出射導波路から出射する波長λｓの信号光は、外部の光回路へ伝送されて再利用されることを特徴とする請求項１記載の光波長変換器。
【請求項１０】
少なくとも利得領域の温度を制御するための温度制御機構が設けられ、利得領域の利得ピーク波長が、信号光の波長λｓと略一致していることを特徴とする請求項１記載の光波長変換器。
【請求項１】
少なくとも０次基本モードおよび１次モードが同時に導波可能であって、０次基本モードの利得が１次モードより高くなるように設定された利得領域を有するマルチモード干渉導波路と、
マルチモード干渉導波路における０次基本モードと結合した第１入射導波路と、
マルチモード干渉導波路における１次モードと結合した第２入射導波路と、
マルチモード干渉導波路における０次基本モードと結合した第１出射導波路と、
マルチモード干渉導波路における１次モードと結合した第２出射導波路とを備え、
波長λｓの信号光が第１入射導波路に入射し、波長λｐのプローブ光が第２入射導波路に入射すると、信号光によって強度変調を受けた波長λｐの波長変換光が第２出射導波路から出射されることを特徴とする光波長変換器。
【請求項２】
マルチモード干渉導波路の長さは、０次基本モードと１次モードとのビート長の略整数倍に設定されていることを特徴とする請求項１記載の光波長変換器。
【請求項３】
第１入射導波路と第２入射導波路との交差角度および第１出射導波路と第２出射導波路との交差角度は、０次基本モードの伝搬軸と１次モードの伝搬軸との最大交差角度と略一致していることを特徴とする請求項２記載の光波長変換器。
【請求項４】
マルチモード干渉導波路は、高屈折率部分および低屈折率部分を含む屈折率導波構造で構成され、高屈折率部分の幅より狭いストライプ状の利得領域を有することを特徴とする請求項１記載の光波長変換器。
【請求項５】
マルチモード干渉導波路は、０次基本モードおよび１次モードのみが導波可能であって、２次以上の高次モードは導波しないことを特徴とする請求項１記載の光波長変換器。
【請求項６】
マルチモード干渉導波路は、導波路の長手方向に沿って分割された複数の電極を有し、各電極からのキャリア注入によってストライプ状の利得領域が形成されることを特徴とする請求項１記載の光波長変換器。
【請求項７】
マルチモード干渉導波路ならびに各入射導波路および各出射導波路の一部が光増幅可能な材料によって形成される第１成膜部分と、
各入射導波路および各出射導波路の残部が透明な材料によって形成される第２成膜部分とを含み、
第１成膜部分と第２成膜部分とがバットジョイントによって接合されており、
各入射導波路および各出射導波路の光進行方向が、バットジョイント接合面に対して傾斜していることを特徴とする請求項１記載の光波長変換器。
【請求項８】
光進行方向とバットジョイント接合面とのなす角度θは、バットジョイント接合面による反射戻り光が第１成膜部分での導波モードに対して−２０ｄＢの割合となる角度θｒ以上に設定されていることを特徴とする請求項８記載の光波長変換器。
【請求項９】
第１の出射導波路から出射する波長λｓの信号光は、外部の光回路へ伝送されて再利用されることを特徴とする請求項１記載の光波長変換器。
【請求項１０】
少なくとも利得領域の温度を制御するための温度制御機構が設けられ、利得領域の利得ピーク波長が、信号光の波長λｓと略一致していることを特徴とする請求項１記載の光波長変換器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−２３４６７（Ｐ２００６−２３４６７Ａ）
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２００６２９（Ｐ２００４−２００６２９）
【出願日】平成１６年７月７日（２００４．７．７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１５年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「フォトニックネットワーク技術の開発事業」委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月７日（２００４．７．７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１５年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「フォトニックネットワーク技術の開発事業」委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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