波長変換素子および波長変換素子駆動装置
【課題】消費電力が小さく、波長の変換効率を高めることが可能な波長変換素子および波長変換素子駆動装置を提供する。
【解決手段】活性層２は、ＩｎＧａＡｓＰから構成される量子井戸構造を有し、可飽和吸収領域４と、光増幅領域５，６とを含む。光増幅領域５，６には、ｐ電極１１，１２を介して電流がそれぞれ注入される。可飽和吸収領域４には、ｐ電極１０を介して、光増幅領域５，６とは独立に電圧が印加される。入射面７から入射される入力光Ｐｉｎは、「１」または「０」の２値の光強度からなる光信号に白色雑音の雑音光を付加して生成されている。可飽和吸収領域４および光増幅領域５，６は、波長変換素子１が双安定状態の半導体レーザとなる条件で構成されている。
【解決手段】活性層２は、ＩｎＧａＡｓＰから構成される量子井戸構造を有し、可飽和吸収領域４と、光増幅領域５，６とを含む。光増幅領域５，６には、ｐ電極１１，１２を介して電流がそれぞれ注入される。可飽和吸収領域４には、ｐ電極１０を介して、光増幅領域５，６とは独立に電圧が印加される。入射面７から入射される入力光Ｐｉｎは、「１」または「０」の２値の光強度からなる光信号に白色雑音の雑音光を付加して生成されている。可飽和吸収領域４および光増幅領域５，６は、波長変換素子１が双安定状態の半導体レーザとなる条件で構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、波長変換素子および波長変換素子駆動装置に関し、より特定的には、外部からの光信号を波長変換して増幅する波長変換素子およびその駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超大容量光通信時代に向けて、光信号を電気に変換せず光のまま高速に処理する全光処理が推進されるようになってきている。また、複数の波長を処理することで容量を飛躍的に増大させる波長分割多重（ＷＤＭ）方式が実用化されている。このＷＤＭにおいて、波長ごとに光源や受光器を用意することは、コスト・スペース・消費電力などの面において著しく効率が悪い。
【０００３】
そこで、波長変換素子によって所望の波長の光を得る方式が用いられている。こうした光通信向けに、波長を数〜数十ｎｍ程度の幅で変換する技術には、以下で述べるように種々の形態がある。
【０００４】
非特許文献１は、双安定半導体レーザの共振器内に活性領域、位相調整領域および回折格子を作りつけることで波長変換を行なう波長変換素子を開示している。この波長変換素子を用いた信号処理について以下に説明する。
【０００５】
図１５は、従来の双安定型半導体波長変換素子６０の構造を示した断面図である。
図１５を参照して、従来の双安定型半導体波長変換素子６０は、活性層６１ａ，６１ｂと、可飽和吸収領域６２と、光ガイド層６３と、分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）型回折格子６４と、ｐ電極６５〜６８と、クラッド層６９，８２と、ｎ電極８１とを備える。双安定型半導体波長変換素子６０は、活性層６１ａの端面から入射される入力光ＰＩＮを波長変換し、ＤＢＲ型回折格子６４の端面から出力光ＰＯＵＴを出射する。
【０００６】
可飽和吸収領域６２は、光増幅領域となる活性層６１ａおよび活性層６１ｂの間に形成され、可飽和の光吸収作用を有する。活性層６１ａ，６１ｂ（活性層６１とも総称する）は、双安定半導体レーザとして機能し、入出力特性においてヒステリシス特性を有する。光ガイド層６３は、活性層６１ｂの隣に形成され、入射する光の位相をシフトさせる。ＤＢＲ型回折格子６４は、波長変換された光の波長を制御する。
【０００７】
クラッド層６９，８２は、活性層６１、可飽和吸収領域６２、光ガイド層６３およびＤＢＲ型回折格子６４をはさむように形成されている。クラッド層６９上には、活性層６１ａ，６１ｂ、可飽和吸収領域６２、光ガイド層６３およびＤＢＲ型回折格子６４にそれぞれ独立に電流を注入できるように、ｐ電極６５〜６８がそれぞれ設けられている。クラッド層８２上には、ｐ電極６５〜６８に対向してｎ電極８１が設けられている。
【０００８】
図１６は、図１５の双安定型半導体波長変換素子６０における入力光ＰＩＮと出力光ＰＯＵＴとの入出力特性曲線を示した図である。
【０００９】
図１６に示すように、入力光ＰＩＮの強度が増加していくと、しきい値Ｐｔｈ１で可能和吸収領域６２が飽和して光を吸収しなくなる。これにより、双安定半導体レーザとして機能する活性層６１が発振して出力光ＰＯＵＴの強度が急激に増大する。この結果、図１６の入出力特性曲線上に不連続な変化が現れる。可能和吸収領域６２は、いったん飽和すると、光吸収効果が飽和して透明状態となり安定する。このため、図１６の入出力特性曲線の傾きが再び連続的になり、入力光ＰＩＮの強度が増加するにつれて光出力ＰＯＵＴの強度は単調に増加していく。
【００１０】
次に、入力光ＰＩＮの強度を低下させていく。可飽和吸収領域６２は、しきい値Ｐｔｈ１を超えていったん発振した後は光を透過する状態となっていて光を吸収しないので、入力光ＰＩＮの強度をしきい値Ｐｔｈ１まで低下させていっても、まだ発振状態が維持される。しかし、さらに入力光ＰＩＮの強度を低下させると、しきい値Ｐｔｈ２において光吸収効果が回復し、光出力ＰＯＵＴの強度が急激に減少する。
【００１１】
図１５，１６の双安定型半導体波長変換素子６０では、入力光ＰＩＮによって可飽和吸収領域６２を励起させレーザ発振をさせている。このとき、出力光ＰＯＵＴの状態は、入力光ＰＩＮの状態とは無関係にレーザの共振器モードで決定される。そのため、光ガイド層６３およびＤＢＲ型回折格子６４に電流を注入することにより、出力光ＰＯＵＴの波長を制御することができる。
【００１２】
特許文献１は、半導体レーザの活性層の一部に活性層のバンドギャップエネルギー以下のバンドギャップエネルギーを有する可飽和吸収領域を形成して、入力光と出力光との波長を変換する技術を開示している。この波長変換技術について以下に説明する。
【００１３】
図１７は、従来の波長変換素子７０の構造を示した断面図である。
図１７を参照して、従来の波長変換素子７０は、ｐ電極７１，７２と、ｐ型キャップ層７３と、クラッド層７４，７７と、活性領域７５と可飽和吸収領域７６とを含む活性層８０と、ｎ型基板７８と、ｎ電極７９とを備える。波長変換素子７０は、可飽和吸収領域７６に入射される入力光ＰＩＮ０を波長変換し、活性領域７５および可飽和吸収領域７６から出力光ＰＯＵＴ１，ＰＯＵＴ２を出射する。
【００１４】
クラッド層７４，７７は、活性層８０をはさむように形成されている。クラッド層７４上には、ｐ型キャップ層７３が形成されている。ｐ型キャップ層７３上には、活性領域７５および可飽和吸収領域７６にそれぞれ独立に電流を注入できるように、ｐ電極７１，７２がそれぞれ設けられている。クラッド層７７上には、ｎ型基板７８が形成されている。ｎ型基板７８上には、ｐ電極７１，７２に対向してｎ電極７９が設けられている。
【００１５】
半導体レーザの発振波長域は、活性層のバンドギャップエネルギーで決まる。バンドギャップエネルギーの値は、活性層を構成する材料の組成によって決定される。波長変換素子７０では、入力光ＰＩＮ０によって励起される可飽和吸収領域７６の組成、および励起されたことで発振し出力光ＰＯＵＴ１，ＰＯＵＴ２を出射する活性層８０の組成を調整しながら作製される。波長変換素子７０では、可飽和吸収領域７６と活性層８０とで発振波長域が異なるため、入力光ＰＩＮ０と出力光ＰＯＵＴ１，２とで波長を変えることができる。したがって、入力光ＰＩＮ０のパワーが一定値以上であれば、ある波長の入力光ＰＩＮ０が、活性層８０の組成によって決まる一定波長の出力光ＰＯＵＴ１，ＰＯＵＴ２に変換されることになる。
【特許文献１】特開平１−２３５３９３号公報
【非特許文献１】山腰 茂伸，「波長変換レーザー」，Ｏ ｐｌｕｓ Ｅ，１９８９年１０月，Ｎｏ．１１９，ｐ．１４２−１４６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
図１５，１６の双安定型半導体波長変換素子６０は、光ガイド層６３およびＤＢＲ型回折格子６４を集積してｐ電極６５〜６８から電流を注入することで、所望の波長を持つ単一モードの出力光ＰＯＵＴを得ている。
【００１７】
しかしながら、双安定型半導体波長変換素子６０では、ｐ電極６５〜６８からの電流注入によって半導体レーザを発振寸前の状態にしておき、入力光ＰＩＮの入射によって出力光ＰＯＵＴを励起する。そのため、入力光ＰＩＮが劣化して微弱な信号になっている場合には、より大きな一定電流を注入せねばならず、消費電力が大きくなってしまう。
【００１８】
超高速光通信においては、信号が光ファイバの中で幾度も内壁に反射しながら進む。そのため、反射時の吸収損失や散乱損失により、反射するたびに光信号の強度が弱くなるという課題がある。光信号の強度が弱くなると、信号波形が崩れて信号の品質を表わす信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が低下し、光信号の伝送品質が低くなる。この伝送損失は、反射の回数が多いほど、すなわち伝送距離が長いほど大きくなる。伝送損失の増大は、伝送距離を制限することにつながる。
【００１９】
さらに、光ファイバ内だけでなく、中継機やスイッチなど多くの装置を経由する過程でも、様々な要因により光信号は劣化していく。光信号の劣化は、ビット誤り率（ＢＥＲ：ビットエラーレート）が増大する大きな原因となる。よって、微弱な信号でも波長変換でき、かつ光増幅できる波長変換素子の開発が課題となる。しかし、図１５，１６の双安定型半導体波長変換素子６０では、劣化した微弱な信号を波長変換するのに大きな消費電力を必要とする。
【００２０】
また、双安定型半導体波長変換素子６０では、可飽和吸収領域６２に入力光ＰＩＮを入射している。この場合、可飽和吸収領域６２が飽和しやすくなるため、図１６のヒステリシスにおける幅および段差が小さくなる。ゆえに、双安定型半導体波長変換素子６０は、ヒステリシス形状による光増幅効果を得にくくなる上、入力光ＰＩＮの雑音によるリップルを受けて出力光ＰＯＵＴの強度変化がヒステリシスを上下する。その結果、劣化した波形が出力光ＰＯＵＴの強度変化にそのまま反映されてしまい、ビットエラーレートを低減しづらくなる。
【００２１】
また、双安定型半導体波長変換素子６０では、活性層６１ａ，６１ｂ、可飽和吸収領域６２、光ガイド層６３、およびＤＢＲ型回折格子６４を作り付けねばならず、特に、ＤＢＲ型回折格子６４は発振波長を制御するために精度よく作製する必要がある。このため、双安定型半導体波長変換素子６０の作製手順が複雑となり、歩留まりが悪くなってしまうという課題がある。
【００２２】
さらに、双安定型半導体波長変換素子６０では、バルク型の活性層６１を用いている。そのため、光の利得スペクトルの線幅が広がっており、波長ごとの利得が小さい。そのため、双安定型半導体波長変換素子６０は、入力光ＰＩＮの受信の感受率が悪くなる。また、入力光ＰＩＮの強度に比べて出力光ＰＯＵＴの強度が得られないため、波長の変換効率が低くなる。
【００２３】
また、図１７の波長変換素子７０では、活性領域７５および可飽和吸収領域７６という組成の異なる２つの領域を同一層内に予め作製しておく必要がある。このため、波長変換素子７０の作製においては、結晶成長の手順が複雑となり、歩留まりが悪くなる。
【００２４】
この発明は、上記の諸問題を解決するためになされたものであり、その目的は、消費電力が小さく、波長の変換効率を高めることが可能な波長変換素子および波長変換素子駆動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
この発明は、光信号の波長を変換する波長変換素子であって、光増幅領域および可飽和吸収領域を含む活性層と、電流が注入されおよび／または電圧が印加される第１の極性の電極と、前記第１の極性の電極に対して設けられる第２の電極とを備える。前記第１の極性の電極および前記第２の極性の電極の少なくとも一方は、前記光増幅領域と前記可飽和吸収領域とに対して独立に電流を注入できるように分割されている。前記光増幅領域に注入される注入電流の強度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される。前記可飽和吸収領域に印加される印加電圧の強度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される。前記活性層は、前記光信号を含む入力光を受けて、前記入力光の波長が変換され振幅が増幅された出力光を出射する。
【００２６】
好ましくは、前記入力光に付加される雑音光が前記光増幅領域および前記可飽和吸収領域の少なくとも一方に入射され、前記雑音光の強度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される。
【００２７】
好ましくは、前記雑音光の最大値と最小値との差は、前記光信号の振幅の１／１０以下である。
【００２８】
好ましくは、前記雑音光は、ランダムな強度変換を有する。
好ましくは、前記第１の極性の電極を通じて雑音電流が前記光増幅領域および前記可飽和吸収領域の少なくとも一方に注入され、前記雑音電流の強度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される。
【００２９】
好ましくは、前記雑音電流の最大値と最小値との差は、前記注入電流の振幅の１／１０以下である。
【００３０】
好ましくは、前記雑音電流は、ランダムな強度変換を有する。
好ましくは、前記光増幅領域の利得スペクトルと前記可飽和吸収領域の吸収スペクトルとを合計した全体利得スペクトルを前記入力光の波長と合わせ、前記光増幅領域の利得スペクトルを前記出力光の波長と合わせるように、前記光増幅領域に注入される注入電流の強度が調整される。
【００３１】
好ましくは、前記光増幅領域の利得スペクトルと前記可飽和吸収領域の吸収スペクトルとを合計した全体利得スペクトルを前記入力光の波長と合わせ、前記光増幅領域の利得スペクトルを前記出力光の波長と合わせるように、前記可飽和吸収領域に印加される印加電圧の強度が調整される。
【００３２】
好ましくは、前記活性層は、量子井戸構造を有する。
好ましくは、前記光増幅領域および前記可飽和吸収領域の少なくとも一方に不純物が添加され、前記不純物の濃度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される。
【００３３】
好ましくは、前記波長変換素子は、入出力特性がヒステリシスを示す双安定半導体レーザである。
【００３４】
好ましくは、前記波長変換素子は、入出力特性が不連続性を示す半導体レーザである。
好ましくは、前記光増幅領域は、前記可飽和吸収領域の両側にそれぞれ配置される第１および第２の光増幅領域を含む。前記第１および第２の光増幅領域の一方の端面から前記光信号が入射され、前記第１および第２の光増幅領域の他方の端面から前記出力光が出射される。
【００３５】
好ましくは、前記可飽和吸収領域の共振器方向に占める長さの割合は、１％以上であり、かつ５０％未満である。
【００３６】
この発明の他の局面によれば、入力光を含む入力信号を受けて波長が変換された出力光を出力する波長変換素子を駆動する波長変換素子駆動装置であって、光信号の波長を変換する前記波長変換素子と前記出力光を検出して受信信号を出力する光電変換素子とを含む波長変換モジュールと、前記受信信号を受けて、前記波長変換素子の入出力特性を調整するための制御信号を出力するフィードバック制御回路とを備える。波長変換素子は、光増幅領域および可飽和吸収領域を含む活性層と、電流が注入されおよび／または電圧が印加される第１の極性の電極と、前記第１の極性の電極に対して設けられる第２の電極とを備える。前記第１の極性の電極および前記第２の極性の電極の少なくとも一方は、前記光増幅領域と前記可飽和吸収領域とに対して独立に電流を注入できるように分割されている。前記光増幅領域に注入される注入電流の強度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される。前記可飽和吸収領域に印加される印加電圧の強度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される。前記活性層は、前記光信号を含む入力光を受けて、前記入力光の波長が変換され振幅が増幅された出力光を出射する。
【００３７】
好ましくは、前記フィードバック制御回路からの制御信号に従って前記波長変換素子の温度を制御する温度制御回路をさらに備える。前記波長変換モジュールは、前記温度制御回路からの制御信号を受けて前記波長変換素子を含む前記波長変換モジュールの温度を調整する温度制御機構をさらに含む。
【００３８】
好ましくは、前記温度制御機構は、前記波長変換素子の温度を検知し、該温度検知信号を前記フィードバック制御回路に出力するサーミスタを有する。
【００３９】
好ましくは、前記温度制御機構は、前記温度制御回路からの制御信号を受けて、前記波長変換素子を昇温または冷却させるペルチェクーラーを有する。
【００４０】
好ましくは、前記波長変換素子に接続されている可変抵抗と、前記フィードバック制御回路からの制御信号に従って前記可変抵抗の抵抗値を制御する可変抵抗制御部とをさらに備える。
【００４１】
好ましくは、前記フィードバック制御回路は、前記波長変換素子の可飽和吸収領域から流れる電流を前記可変抵抗を介してモニターする。
【００４２】
好ましくは、前記受信信号を受けて、確率共鳴効果が得られるように雑音が付加された電流を前記波長変換素子に供給するための制御信号を出力する確率共鳴制御回路と、前記確率共鳴制御回路からの制御信号を受けて、前記波長変換素子の入出力特性を調整するための電流を前記波長変換素子に供給する電流供給部とをさらに備える。
【００４３】
好ましくは、前記波長変換素子の入出力特性を調整するための光を前記波長変換素子に供給するための光源をさらに備える。
【００４４】
好ましくは、前記光源は、前記受信信号を受けて、確率共鳴効果が得られるように雑音が付加された光を前記波長変換素子に供給する。
【００４５】
好ましくは、前記フィードバック制御回路からの制御信号に基づいて、前記波長変換素子の可飽和吸収領域に印加される電圧を制御する電圧制御回路と、前記電圧制御回路からの制御信号に従って前記波長変換素子に電圧を供給する電圧供給部とをさらに備える。
【００４６】
好ましくは、前記受信信号に基づいて、前記入力光が前記波長変換素子の立ち上がりしきい値および立下がりしきい値を上下するように調整された電流を前記波長変換素子に供給する電流供給部をさらに備える。
【００４７】
好ましくは、前記光電変換素子は、前記波長変換モジュールと同一基板上に集積化されている。
【発明の効果】
【００４８】
この発明によれば、消費電力を小さくでき、波長の変換効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００５０】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による波長変換素子１の共振器側面の概略的な構成を示した断面図である。
【００５１】
図１を参照して、実施の形態１の波長変換素子１は、活性層２と、ｎ型ＩｎＰ（インジウムリン）基板９と、ｎ型ＩｎＰクラッド層１４と、ｐ型ＩｎＰクラッド層１３と、ｐ電極１０〜１２と、ｎ電極１５とを備える。ｎ型ＩｎＰ基板９上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１４が形成されている。ｎ型ＩｎＰクラッド層１４上に、活性層２が形成されている。
【００５２】
活性層２は、ＩｎＧａＡｓＰ（インジウムガリウム砒素リン）から構成される量子井戸構造を有し、可飽和吸収領域４と、光増幅領域５，６とを含む。図１に模式的に示すように、量子井戸構造とは、半導体薄膜を複数層積層することで、電子および正孔の厚さ方向の運動を制限した構造をいう。可飽和吸収領域４および光増幅領域５，６の量子井戸構造は、ＩｎＧａＡｓＰの組成・層厚ともに同一の構造である。光増幅領域５，６は、波長変換素子１の共振器側面から見て、可飽和吸収領域４の両側にそれぞれ設けられている。光増幅領域５は、入力光Ｐｉｎが入射される入射面７を有する。光増幅領域６は、出力光Ｐｏｕｔが出射される出射面８を有する。
【００５３】
活性層２上に、ｐ型ＩｎＰクラッド層１３が形成されている。ｐ型ＩｎＰクラッド層１３上に、ｐ電極１０〜１２が設けられている。ｐ電極１０は、可飽和吸収領域４に対して設けられており、ｐ電極１１，１２は、光増幅領域５，６に対してそれぞれ設けられている。ｐ電極１０〜１２に対向して、ｎ型ＩｎＰ基板９上にｎ電極１５が設けられている。
【００５４】
光増幅領域５，６には、ｐ電極１１，１２を介して電流がそれぞれ注入される。可飽和吸収領域４には、ｐ電極１０を介して、光増幅領域５，６とは独立に電圧が印加される。入射面７から入射される入力光Ｐｉｎは、「１」または「０」の２値の光強度からなる光信号に白色雑音の雑音光を付加して生成されている。
【００５５】
可飽和吸収領域４および光増幅領域５，６は、波長変換素子１が双安定状態の半導体レーザとなる条件で構成されている。光増幅領域５，６へ電流を注入すると、波長変換素子１は双安定状態となって動作する。共振器方向における可飽和吸収領域４の長さは、たとえば、共振器長さ全体の約１０％としている。
【００５６】
実施の形態１の波長変換素子１は、活性層２が可飽和吸収領域４および光増幅領域５，６の３つに分割されているのに合わせて、ｐ電極１０〜１２もそれぞれ３つに分割されている。つまり、波長変換素子１は、可飽和吸収領域４および光増幅領域５，６にそれぞれ注入される電流の制御をより独立に行ないやすい構造となっている。
【００５７】
これにより、可飽和吸収領域４を流れる電流と光増幅領域５，６を流れる電流とが互いに干渉してしまうのを回避することができる。なお、図１ではｎ電極１５が分割されていない例を示しているが、これは一例であり、ｎ電極１５もｐ電極１０〜１２に合わせて分割してもよい。この場合、波長変換素子１の製造時に電極分割の工程が増えるが、可飽和吸収領域４を流れる電流と光増幅領域５，６を流れる電流とが互いに干渉してしまうのをより確実に回避することができる。
【００５８】
次に、波長変換素子１の動作について説明する。以下では、非周期的でランダムな強度変化を持ち、光信号に対する雑音として活性層に意図的に注入する光を「付加雑音光」と称し、伝送路等に起因する雑音とは区別している。
【００５９】
図２〜４は、この発明の実施の形態１における波長変換素子１の活性層２への入力光Ｐｉｎがどのように生成されるかを説明するための図である。
【００６０】
図２は、「１」または「０」の２値を持つ劣化した光信号Ｐ０の時間波形を示す。図３は、付加雑音光Ｐｎの時間波形を示す。以下では、付加雑音光Ｐｎの最大値と最小値との差分ΔＰｎを付加雑音光Ｐｎの雑音強度と呼ぶ。図４は、図２の光信号Ｐ０に図３の付加雑音光Ｐｎを付加した入力光Ｐｉｎ＝Ｐ０＋Ｐｎの時間波形を示している。こうして生成された入力光Ｐｉｎは、図１の波長変換素子１の活性層２へと注入される。
【００６１】
図５は、この発明の実施の形態１における波長変換素子１の動作特性を説明するための図である（図１６の説明も参照）。
【００６２】
図５において、（ａ）は図１の波長変換素子１における入力光−光出力特性、（ｂ）は図４で説明した入力光Ｐｉｎの時間波形、（ｃ）は（ｂ）の入力光Ｐｉｎを波長変換素子１に注入した結果得られる出力光Ｐｏｕｔの時間波形をそれぞれ示している。図５（ａ）において、横軸は入力光、縦軸は入力光に応じて得られる光出力をそれぞれ表わす。
【００６３】
図５（ａ）において、ＰｔｈＯＮは、実線Ａ１で示したヒステリシス下部の状態から破線Ｂ１で示したヒステリシス上部へ光出力の状態が移行する光強度、すなわちヒステリシスの立ち上がり閾値を示している。また、ＰｔｈＯＦＦは、ヒステリシス上部Ｂ１からヒステリシス下部Ａ１へ移行するときの光強度、すなわちヒステリシスの立下り閾値を示している。ヒステリシスの立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮおよび立下り閾値ＰｔｈＯＦＦは、図２および図４においても示されている。
【００６４】
図２を参照して、付加雑音光Ｐｎを印加する前の光信号Ｐ０の強度は、最大値がヒステリシスの立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮより小さくなるほど劣化している。そのため、図２の光信号Ｐ０を図１の波長変換素子１の活性層２に注入しただけでは、光出力は図５（ａ）の入力光−光出力特性曲線上でヒステリシス下部Ａ１に留まり、ヒステリシス上部Ｂ１へと移行することができない。
【００６５】
図２の光信号Ｐ０に図３の付加雑音光Ｐｎを印加した入力光Ｐｉｎは、図４に示すように、光信号Ｐ０の最大値「１」近傍で光強度がヒステリシスの立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮを越える。このとき、光出力は図５（ａ）の入力光−光出力特性曲線上でヒステリシス上部Ｂ１へ移行する。光信号Ｐ０の最大値を過ぎると再びＰｔｈＯＮ以下となり、さらに最小値「０」近傍ではＰｔｈＯＦＦ以下となる。このとき、光出力は図５（ａ）の入力光−光出力特性曲線上でヒステリシス下部Ａ１へ移行する。
【００６６】
このように、入力光Ｐｉｎが立ち上がり／立ち下がり閾値を超えることによって、光出力がヒステリシスの上下を移行する。これにより、出力光Ｐｏｕｔの光強度が急激に増減する。その結果、図５（ｃ）に示すように、光信号Ｐ０の「１」および「０」が強調された、振幅の大きい出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。付加雑音光Ｐｎは、光信号Ｐ０に付加される際、出力光Ｐｏｕｔが伝送路等に起因するビットエラーレートの低減効果を得られるような雑音強度を有するように適度に調整される。
【００６７】
なぜなら、付加雑音光Ｐｎの雑音強度が小さすぎると、光出力がヒステリシスの上部へ移行することが出来ず、伝送路等に起因するビットエラーレートを低減するために必要な大きさの振幅を持つ出力光Ｐｏｕｔを得られないからである。また、付加雑音光Ｐｎの雑音強度が大きすぎると、光信号Ｐ０の「１」または「０」とは無関係に光出力がヒステリシスの上部へ移行するため、出力光Ｐｏｕｔの強度変化がランダムになってしまい、ビットエラーレートを低減できないためである。
【００６８】
このように、付加雑音光Ｐｎは、ビットエラーレートの低減効果を得られるような雑音強度に適度に調整されて、光信号Ｐ０とともに、図１の波長変換素子１の光増幅領域５，６に注入される。波長変換素子１の立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮの値は、光信号Ｐ０だけを光増幅領域５，６に注入しても伝送路等に起因する雑音を低減できない程度の値に調整される。すなわち、立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮの値は、光信号Ｐ０だけを光増幅領域５，６に注入したときに得られる光出力が、ヒステリシス下部に対応した微小な値しか得られない程度に調整される。
【００６９】
また、付加雑音光Ｐｎの雑音強度を適度に調節して光信号Ｐ０に付加することにより、入力光Ｐｉｎの値を、光信号Ｐ０の値を中心値としてランダムに変化させている。
【００７０】
このとき、光信号Ｐ０の最大値および／または最小値と、光信号Ｐ０とともに光増幅領域５，６に注入される付加雑音光Ｐｎの強度とが確率的に同期することで、光信号Ｐ０が「０」または「１」となるタイミングに光出力がヒステリシスの上下に移行する。これにより、ヒステリシス上下の強度差に応じて出力光の出力振幅が増大し、振幅の大きい出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。
【００７１】
このように、雑音を適度に付加することで信号のＳ／Ｎ比が向上する現象は「確率共鳴」と呼ばれている。
【００７２】
確率共鳴現象が起きているとき、波長変換素子１は、ヒステリシスの上部と下部とで発振波長が異なっているため波長変換素子として機能する。この波長変換の仕組みを図６〜９を参照して説明する。
【００７３】
図６は、図１の活性層２にバルク活性層を用いた場合に入力光Ｐｉｎが入射する前の波長とスペクトルとの関係を示した図である。
【００７４】
図６に示すように、光増幅領域５，６の利得スペクトルＧＳ１（点線）は、ピークＰｇｓ１において最高値をとり、左右がほぼ対称的となる。可飽和吸収領域４の吸収スペクトルＡＳ１（破線）は、利得スペクトルＧＳ１のピークＰｇｓ１近辺から吸収率が低下してゼロに漸近する。
【００７５】
図１の波長変換素子１において、可飽和吸収領域４と光増幅領域５，６とでは、注入される電流量が異なっている。より注入電流の大きい光増幅領域５，６では、キャリアが多く存在するため、プラズマ効果によって利得スペクトルが可飽和吸収領域４に比べて長波長側に分布している。そのため、図６に示すように、吸収スペクトルＡＳ１と利得スペクトルＧＳ１とでは、ピーク波長が異なっている。
【００７６】
スペクトルＧＡＳ１は、入力光Ｐｉｎが入射する前において、利得スペクトルＧＳ１と吸収スペクトルＡＳ１とを合計した全体利得スペクトルである。全体利得スペクトルＧＡＳ１（実線）は、ピークＰｇａｓ１において最高値をとり、吸収スペクトルＡＳ１の影響で左右が非対称となる。波長変換素子１は、全体利得スペクトルＧＡＳのピークＰｇａｓ１の波長において、最も素子の感受率が高くなっている。よって、ピークＰｇａｓ１を入力光Ｐｉｎの波長と合わせておくことにより、入力光Ｐｉｎを最も効率よくキャリアに変換することができる。
【００７７】
図７は、図１の活性層２にバルク活性層を用いた場合に入力光Ｐｉｎが入射した後の波長とスペクトルとの関係を示した図である。
【００７８】
図７に示すように、光増幅領域５，６の利得スペクトルＧＳ１０（点線）は、図６の利得スペクトルＧＳ１と同様に、ピークＰｇｓ１において最高値をとり、左右がほぼ対称的となる。入力光Ｐｉｎが入射した後は、可飽和吸収領域４が飽和して光を透過させる状態となるので、可飽和吸収領域４の吸収スペクトルはゼロに保たれる。その結果、入力光Ｐｉｎが入射した後では、図７に示すように、利得スペクトルＧＳ１０のみが全体利得スペクトルに寄与し、波長ピークもＰｇａｓ１からＰｇｓ１にシフトする。
【００７９】
すなわち、入力光Ｐｉｎが入射した後における図７の（全体）利得スペクトルＧＳ１０の波長ピークは、入力光Ｐｉｎが入射する前における図６の光増幅領域５，６の利得スペクトルＧＳ１と同じくＰｇｓ１となる。このピークＰｇｓ１において発振波長を有する出力光Ｐｏｕｔの光パワーが最も大きくなる。つまり、ピークＰｇａｓ１を入力光Ｐｉｎの波長と合わせておき、ピークＰｇｓ１を出力光Ｐｏｕｔの波長と合わせておくことによって、活性層２がバルク活性層の波長変換素子１は、入力光Ｐｉｎの発振波長を効率よく出力光Ｐｏｕｔの発振波長に変換することができる。
【００８０】
図８は、図１の活性層２に量子井戸構造を用いた場合に入力光Ｐｉｎが入射する前の波長とスペクトルとの関係を示した図である。
【００８１】
図８に示すように、光増幅領域５，６の利得スペクトルＧＳ２（点線）は、ピークＰｇｓ２において最高値をとり、左右がほぼ対称的となる。可飽和吸収領域４の吸収スペクトルＡＳ２（破線）は、利得スペクトルＧＳ２のピークＰｇｓ２近辺から吸収率が低下してゼロに漸近する。利得スペクトルＧＳ２と吸収スペクトルＡＳ２とを合計した全体利得スペクトルＧＡＳ２（実線）は、ピークＰｇａｓ２において最高値をとり、吸収スペクトルＡＳ２の影響で左右が非対称となる。
【００８２】
図８では、活性層２に量子井戸構造を用いているため、図６のバルク活性層の場合と比べて、利得スペクトルＧＳ２および吸収スペクトルＡＳ２の幅が狭くなっている。その一方、図８の量子井戸構造では、ピーク波長Ｐｇｓ２とＰｇａｓ２とが区別できるほど明確に分かれて存在しており、効率のよい波長変換が可能となる。逆に、図６のバルク活性層では、図８と比べて、利得スペクトルＧＳ１および吸収スペクトルＡＳ１の幅が広がっており、かつピーク波長Ｐｇｓ１とＰｇａｓ１とは明確に分かれていない。そのため、図６のバルク活性層では、図８と比べて波長変換の効率は下がる。この発明の実施の形態では、図１の活性層２に量子井戸構造を用いている。
【００８３】
図９は、図１の活性層２に量子井戸構造を用いた場合に入力光Ｐｉｎが入射した後の波長とスペクトルとの関係を示した図である。
【００８４】
図９に示すように、光増幅領域５，６の利得スペクトルＧＳ２０（点線）は、図８の利得スペクトルＧＳ２と同様に、ピークＰｇｓ２において最高値をとり、左右がほぼ対称的となる。図７で説明したように、入力光Ｐｉｎが入射した後は、可飽和吸収領域４が飽和して光を透過させる状態となるので、可飽和吸収領域４の吸収スペクトルはゼロに保たれる。その結果、入力光Ｐｉｎが入射した後では、利得スペクトルＧＳ２０のみが全体利得スペクトルに寄与し、波長ピークもＰｇａｓ２からＰｇｓ２にシフトする。
【００８５】
すなわち、入力光Ｐｉｎが入射した後における図９の（全体）利得スペクトルＧＳ２０の波長ピークは、入力光Ｐｉｎが入射する前における図８の光増幅領域５，６の利得スペクトルＧＳ２と同じくＰｇｓ２となる。このピークＰｇｓ２において発振波長を有する出力光Ｐｏｕｔの光パワーが最も大きくなる。つまり、ピークＰｇａｓ２を入力光Ｐｉｎの波長と合わせておき、ピークＰｇｓ２を出力光Ｐｏｕｔの波長と合わせておくことによって、活性層２が量子井戸構造の波長変換素子１は、入力光Ｐｉｎの発振波長をより効率的に出力光Ｐｏｕｔの発振波長に変換することができる。
【００８６】
入力光Ｐｉｎおよび出力光Ｐｏｕｔで発振波長のピークを変えるには、波長変換素子１におけるヒステリシス形状を制御すればよい。ヒステリシス形状は、波長変換素子１への注入電流量、印加電圧、温度、不純物のドーピング量、接続抵抗知などのパラメータを変えて制御することができる。これにより、所望の波長変換効率が得られる。
【００８７】
以上のように、実施の形態１の波長変換素子１は、微弱な光信号Ｐ０を増幅させることで、大きい振幅および高い光強度を有し、所望の波長を有する出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。これにより、出力光Ｐｏｕｔを入力光Ｐｉｎから所望の波長に変換でき、Ｓ／Ｎ比も向上する。その結果、伝送路等に起因する出力光Ｐｏｕｔのビットエラーレートを低減することができる。
【００８８】
さらに、図１の波長変換素子１では、光増幅領域５，６と可飽和吸収領域４とで独立に電流を注入しているので、電流注入によってヒステリシスを制御できる。これにより、出力光Ｐｏｕｔの波長を所望の波長に調整したり、入力光Ｐｉｎの波長に可飽和吸収領域４の吸収スペクトルのピークを合わせて波長の変換効率を向上させたりできる。また、出力光Ｐｏｕｔの波長に光増幅領域５，６の利得スペクトルのピークに合わせて波長の変換効率を高めることができる。また、立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮを低くしてより低電流で駆動したり、出力光Ｐｏｕｔの振幅を調整したりできる。
【００８９】
なお、付加雑音光Ｐｎの代わりにクロック光または周期信号光を光信号Ｐ０に付加してヒステリシスの上部に移行させようとした場合、位相および周期が光信号Ｐ０と完全に同一か正確に倍数になっていて両者の最大値が同期しなければ、大きな振幅の出力光Ｐｏｕｔは得られない。よって、回路の熱雑音などで光信号Ｐ０の波形がゆらぐと、伝送路等に起因する雑音の低減効果は減少してしまう。
【００９０】
これに対し、ランダムな強度変化を持つ付加雑音光Ｐｎは様々な周波数成分を有するので、信号波形のゆらぎにも強くなり、伝送路等に起因するビットエラーレートの低減効果を維持できる。また、周期信号光よりも雑音光の方が消費電力が少なくて済む。
【００９１】
また、従来の双安定型波長変換素子のように、微弱な信号でもレーザを励起できるようにより大きな一定電流を注入するよりも、本願発明のように付加雑音光Ｐｎを発生させる方が消費電力が少なくて済む。
【００９２】
図１０は、付加雑音光Ｐｎの雑音強度を変化させたときの出力光Ｐｏｕｔのビットエラーレート（ＢＥＲ）を示した図である。
【００９３】
図１０に示すように、ＢＥＲは、最適な雑音強度Ｄｍにおいて最小となる。実施の形態１では、この最適な雑音強度Ｄｍを有する付加雑音光Ｐｎを光信号Ｐ０に付加している。これにより、適度な付加雑音光Ｐｎが微小な光信号Ｐ０をヒステリシスの上部に押し上げ、振幅が大きくＳ／Ｎ比が向上した出力光Ｐｏｕｔの発生を可能にしている。実施の形態１では、出力光ＰｏｕｔのＢＥＲが最小である最適な雑音強度Ｄｍを有するように、付加雑音光Ｐｎを調整している。
【００９４】
このように、実施の形態１の波長変換素子１を用いれば、素子の発振閾値以下にまで弱まった劣化した光信号Ｐ０も受信でき、入力光Ｐｉｎを所望の波長に変換でき、さらに、増幅して２値が強調された出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。これにより、出力光ＰｏｕｔのＳ／Ｎ比が向上し、所望の波長に変換されるとともに伝送路等に起因する雑音が低減された出力光Ｐｏｕｔを低電力で得ることができる。
【００９５】
また、回路雑音や熱によって生じる信号の揺らぎにも強い付加雑音光Ｐｎを用いるので、駆動時のパラメータ設定を広く取ることができる。これにより、伝送路等に起因する雑音の低減を容易に行なうことができ、その結果、出力光Ｐｏｕｔのビットエラーレートを低減することが可能となる。
【００９６】
なお、図１において、入射面７と出射面８とを別個に作らずとも、ビットエラーレートが低減された出力光Ｐｏｕｔを得ることは可能である。しかしながら、図１のように入射面７と出射面８とを作り分けた方が、入力光Ｐｉｎと出力光Ｐｏｕｔとをそれぞれ制御しやすく、光学系の光軸の調整も容易となるので望ましい。
【００９７】
また、図１において、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さは、約１０％でなくともビットエラーレートの低減効果を得ることは可能である。
【００９８】
しかし、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さの割合が小さくなると、それにともなって波長変換素子１の双安定状態が実現しにくくなる。特に、当該割合が１％未満で双安定状態の半導体素子を作製しようとすると、作製工程の手間や拡散材料の選定等が著しく困難となる。したがって、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さの割合は、１％以上であることが望ましい。
【００９９】
逆に、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さの割合が大きくなると、ヒステリシスの形状を最適にするために注入電流を増やす必要が生じるので発振閾値も上昇する。特に、当該割合が５０％より大きくなると、消費電力が著しく増大し、その結果、発熱が大きくなる。さらに、ヒステリシスの形状が最適でない場合には、伝送路等に起因するビットエラーレートの低減効果が減少し、出力光Ｐｏｕｔの増幅も低減する。
【０１００】
これらの理由により、共振器方向における可飽和吸収領域４の長さの割合は、１％以上で、かつ５０％以下であることが望ましい。これにより、双安定状態を満足しやすくなり、かつ発振閾値を低くでき、またヒステリシスの形状も好適に決定できる。また、消費電力が少なくかつ少ない発熱で伝送路等に起因するビットエラーレートの低減効果を得やすくなり、さらに素子の作製条件を満たしやすくなるという利点がある。
【０１０１】
また、図１０を参照して、付加雑音光Ｐｎの強度は、ＢＥＲが最小である最適雑音強度Ｄｍとなるように調整されている。しかしながら、付加雑音光Ｐｎの強度はこれに限るものではなく、得られる出力光Ｐｏｕｔが、光通信で必要とされるＢＥＲの値を満たす範囲の雑音強度であればかまわない。その場合、付加雑音光Ｐｎの雑音強度が波長変換素子１の入力光Ｐｉｎの振幅の１／１０以下であれば、ビットエラーレートが低減された出力光Ｐｏｕｔが得られる。
【０１０２】
付加雑音光Ｐｎの強度が強すぎると、出力光Ｐｏｕｔの波形が崩れるので雑音の低減は起こらなくなる。少なくとも、付加雑音光Ｐｎの雑音強度ΔＰｎが光信号Ｐ０の振幅より大きい場合、光信号Ｐ０の波形および周期を再現できなくなるため、光信号Ｐ０の検出ができなくなる。これに対し、付加雑音光Ｐｎの雑音強度が入力光Ｐｉｎの振幅の１／１０以下であれば、さらに出力光Ｐｏｕｔの振幅を大きくでき、ＢＥＲの値を低減することができる。これにより、伝送路等に起因するビットエラーレートの低減効果を向上できるため、好ましい。
【０１０３】
なお、実施の形態１では付加雑音光Ｐｎとして白色雑音を用いたが、強度変化が非周期的でランダムであれば、白色雑音でなくともビットエラーレートの低減効果を得ることは可能である。
【０１０４】
また、図１では３つのｐ電極１０〜１２を設ける場合について説明したが、電極の数はこれに限るものではなく、２つ以上のｐ電極を用いた双安定状態を有する他の波長変換素子についても、同様に伝送路等に起因するビットエラーレートの低減効果を得ることが可能である。しかし、図１に示した波長変換素子１のように、２つの光増幅領域５，６を設け、それぞれに対応したｐ電極１１，１２を作る方が、入力光Ｐｉｎと出力光Ｐｏｕｔとをそれぞれ制御しやすくなるというメリットがある。
【０１０５】
また、図１において、光増幅領域５，６ではなく可飽和吸収領域４に付加雑音光Ｐｎを注入しても、波長変換効果を得ることができ、ビットエラーレートが低減された光出力を得ることができる。この場合、可飽和吸収領域４が飽和しやすくなるので光注入量の上限が低くなり、付加雑音光Ｐｎの雑音強度を好適に決定しづらくなるものの、可飽和吸収領域４への付加雑音光Ｐｎの注入によってヒステリシス形状を調整しやすくなる。
【０１０６】
また、付加雑音光Ｐｎは、光信号Ｐ０に付加してから波長変換素子１の光増幅領域５，６に注入せずとも、光信号Ｐ０とは独立に光増幅領域５，６に注入してもよい。その場合、回路が余分に必要になり光軸の調整を要するものの、雑音強度の調整がやりやすくなるという利点がある。
【０１０７】
また、波長変換素子１は、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体だけでなく、たとえば、ＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウム砒素）系、ＩｎＰ（インジウムリン）系、ＧａＩｎＮＡｓ（ガリウム窒化インジウム砒素）系、ＧａＮ（窒化ガリウム）系、またはＩＩ−ＶＩ系の半導体など、他の材料を用いた半導体レーザであってもよい。
【０１０８】
また、実施の形態１の波長変換素子１において、可飽和吸収領域４に逆バイアスを印加してキャリアを引き抜くことにより、キャリアの再結合寿命に制限されずに信号処理の応答を高速にすることも可能である。
【０１０９】
また、図１の波長変換素子１において、可飽和吸収領域４に電圧を印加する代わりに電流を注入しても、所望のヒステリシス形状および波長変換効果を得られる。この場合、可飽和吸収領域４に逆バイアスをかけてキャリアを引き抜くことができなくなるが、発振しきい値を調整しやすくなるという利点が得られる。
【０１１０】
また、波長変換素子１の活性層２のうち可飽和吸収領域４の部分には、キャリア寿命を調整するために不純物としてＳｉを添加しても構わない。この場合、Ｓｉの添加量を調節することによって発振波長域を変えることができるため、所望の発振波長域を得ることが可能である。
【０１１１】
また、光信号Ｐ０は２値信号としているが、ＮＲＺ（Non-Return to Zero）符号およびＲＺ（Return to Zero）符号のいずれを用いた信号でもよく、またその他の方式の信号であってもよい。
【０１１２】
また、波長変換素子１から出力される光出力Ｐｏｕｔを受光素子で受光してもよい。この場合、受光した光出力Ｐｏｕｔの一部を光電変換素子などで電気信号に変換して利用できるというメリットがある。さらに、波長変換素子１と上記の受光素子とを同一基板上に集積すれば、個別に配置するよりもコストダウンとなり、波長変換素子１と当該受光素子との光軸合わせを行なう必要もなくなる。
【０１１３】
以上のように、実施の形態１によれば、光信号Ｐ０に付加雑音光Ｐｎを印加した入力光Ｐｉｎを双安定状態の波長変換素子１に注入することによって、消費電力が低く、回路への負担が少なく、かつ雑音特性にも優れた出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。これにより、入力光Ｐｉｎを所望の波長に変換するとともに、伝送路等に起因した出力光Ｐｏｕｔの雑音を低減することができる。その結果、ビットエラーレートが低減された波長変換光を得ることが可能となる。
【０１１４】
（実施の形態１の変形例１）
実施の形態１における波長変換素子１の変形例である波長変換素子１Ａは、付加雑音光Ｐｎが付加雑音電流Ｉｎに置き換えられた点において、図１の波長変換素子１と異なる。したがって、図１等と重複する部分の説明はここでは繰り返さない。ここでは、非周期的でランダムな強度変化を持ち、光信号Ｐ０に対する雑音として波長変換素子１Ａの活性層２に注入される電流を「付加雑音電流」と称する。
【０１１５】
図１１，１２は、波長変換素子１Ａの活性層２への光信号Ｐ０およびｐ電極１１，１２を通じて付加される付加雑音電流Ｉｎについて説明するための図である。
【０１１６】
図１１は、波長変換素子１Ａに入射される光信号Ｐ０の時間波形を示す。図１１に示す光信号Ｐ０は、図２で説明したのと基本的に同一であり、波長変換素子１Ａの立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮ以下である。
【０１１７】
図１２は、波長変換素子１Ａに注入される付加雑音電流Ｉｎの時間波形を示す。付加雑音電流Ｉｎには、白色雑音が用いられている。付加雑音電流Ｉｎは、波長変換素子１Ａの電極１１，１２を通じて供給される電流とともに、光増幅領域５，６の活性層２へと注入される。
【０１１８】
付加雑音電流Ｉｎは、出力光Ｐｏｕｔがビットエラーレートの低減効果を得られるような電流値に適度に調整されている。以下では、付加雑音電流Ｉｎの電流値の最大値と最小値との差分を、付加雑音電流Ｉｎの最大振幅ΔＩｎと呼ぶ。
【０１１９】
図１０を参照して、ヒステリシスの立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮは、光信号Ｐ０の強度より高くなるように設定されている。そのため、光信号Ｐ０を活性層２に注入しただけでは、出力光Ｐｏｕｔは、図５（ａ）の入力光−光出力特性曲線上でヒステリシス下部Ａ１に留まり、ヒステリシス上部Ｂ１へと移行することはできない。
【０１２０】
光信号Ｐ０によって波長変換素子１Ａの活性層２に注入された光子には、付加雑音電流Ｉｎの注入により活性層２にキャリアが注入されて発生した光子が印加される。これにより、光増幅領域５，６の光子が増大し、出力光Ｐｏｕｔが立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮを越えやすくなる。
【０１２１】
このとき、付加雑音電流Ｉｎの変動に伴ってキャリアの増加量も変動する。したがって、付加雑音電流Ｉｎの最大振幅ΔＩｎを、光信号Ｐ０の「０」または「１」に応じて立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮが上下するように最適に調整することで、所望の波長を有し、大きい振幅を持ち、かつＳ／Ｎ比が向上した出力光Ｐｏｕｔが得られる。
【０１２２】
実施の形態１の変形例１では、付加雑音電流Ｉｎの最大振幅ΔＩｎを、ビットエラーレートの低減効果が最大に得られるよう最適に調整している。その結果、伝送路等に起因する雑音を大きく低減することができる。このとき、光信号Ｐ０は波長変換素子１Ａの立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮ以下で良いので、微弱な光信号Ｐ０であっても波長変換し増幅することができる。
【０１２３】
さらに、波長変換素子１Ａでは、光増幅領域５，６と可飽和吸収領域４とでそれぞれ独立に電流が注入されるので、電流注入によってヒステリシスを制御することができる。これにより、出力光Ｐｏｕｔの波長を好適に調整したり、立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮを低くしてより低電流で駆動したり、出力光Ｐｏｕｔの振幅を調整したりできる。
【０１２４】
なお、波長変換素子１Ａの光増幅領域５，６ではなく可飽和吸収領域４に付加雑音電流Ｉｎを注入しても、ビットエラーレートが低減された出力光Ｐｏｕｔを得ることは可能である。この場合、可飽和吸収領域４が飽和しやすくなるので注入できる電流値の上限が低くなり、付加雑音電流Ｉｎの最大振幅ΔＩｎを好適に決定しづらいものの、可飽和吸収領域４への付加雑音電流Ｉｎの注入によってヒステリシス形状を調整しやすくなる。
【０１２５】
可飽和吸収領域４への付加雑音電流Ｉｎの注入量に応じて、波長変換素子１Ａの閾値ＰｔｈＯＮまたはＰｔｈＯＦＦを変動させ調整することができる。したがって、付加雑音電流Ｉｎの最大振幅ΔＩｎを、光信号Ｐ０の「０」または「１」に応じて立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮが上下するように最適に調整することで、大きい振幅を持ち、所望の波長に変換され、かつＳ／Ｎ比が向上した出力光Ｐｏｕｔが得られる。
【０１２６】
なお、付加雑音電流Ｉｎとして白色雑音を用いたが、強度変化が非周期的でランダムであれば、白色雑音でなくともビットエラーレートの低減効果を得ることは可能である。
【０１２７】
以上のように、実施の形態１の変形例１によれば、付加雑音光Ｐｎの代わりに、付加雑音電流Ｉｎを波長変換素子１Ａの活性層２へと注入することにより、所望の波長を有し、振幅が増幅され、Ｓ／Ｎ比が向上された出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。
【０１２８】
（実施の形態１の変形例２）
実施の形態１における波長変換素子１の他の変形例である波長変換素子１Ｂは、双安定状態の半導体素子とは入出力特性の異なる非線形の半導体光素子が用いられている点において、図１の波長変換素子１と異なる。したがって、図１等と重複する部分の説明はここでは繰り返さない。波長変換素子１Ｂは、たとえばＩｎＧａＡｓＰ系化合物半導体によって作製されている。
【０１２９】
図１３は、波長変換素子１Ｂの入力光Ｐｉｎと出力光Ｐｏｕｔとの入出力特性の一例を示した図である。
【０１３０】
図１３に示すように、波長変換素子１Ｂは、一例として、不連続性を有する入出力特性を示す。波長変換素子１Ｂの活性層２に電流または光を注入していくと、しきい値Ｐｔｈで光出力Ｐｏｕｔの強度が急峻に立上がる。図１３の不連続特性において、立ち上がり前の下部Ｃ１および立ち上がり後の上部Ｄ１を利用することにより、入力光Ｐｉｎと出力光Ｐｏｕｔとで波長を変換することができる。
【０１３１】
なお、上記のような入出力特性の不連続性を有する波長変換素子１Ｂは、たとえば、光増幅領域５，６に対する可飽和吸収領域４の体積比を図１の波長変換素子１よりも小さくするか、一般的な双安定半導体レーザの可飽和吸収領域に適度な電流を注入することによって得られる。
【０１３２】
以上のように、実施の形態１の変形例２によれば、ヒステリシスを持たず不連続な入出力特性を有する波長変換素子１Ｂにおいて、入出力特性の立ち上がり前の下部Ｃ１および立ち上がり後の上部Ｄ１を利用することにより、入力光Ｐｉｎと出力光Ｐｏｕｔとで波長を変換することができる。これにより、変形例２の波長変換素子１Ｂにも、双安定半導体レーザを用いた実施の形態１の波長変換素子１と同様の機能を持たせることができ、入力光Ｐｉｎの波長変換、Ｓ／Ｎ比の向上、波形整形などの効果が得られる。なお、実施の形態１の変形例２は、実施の形態１の変形例１および以下で説明する実施の形態２およびその変形例にも適用することが可能である。
【０１３３】
［実施の形態２］
図１４は、この発明の実施の形態２による波長変換素子駆動装置２０の概略的な構成を示した図である。
【０１３４】
図１４を参照して、実施の形態２の波長変換素子駆動装置２０は、波長変換モジュール２１と、フィードバック制御回路２２と、温度制御回路２３と、可変抵抗制御部２４と、可変抵抗２５と、確率共鳴制御回路２６と、電流供給部２７と、電圧制御回路２８と、電圧供給部２９とを備える。可変抵抗２５は、位相を含めて制御可能な可変インピーダンス素子であってもよい。
【０１３５】
波長変換モジュール２１は、実施の形態１で説明した波長変換素子１と、温度制御機構３０と、ベース３１，３２，４２と、光電変換素子３３とを含む。波長変換モジュール２１は、入射される入力光Ｐｉｎを受けて内部で処理し、受信信号Ｓｒ、受信電流Ｉｒ１，Ｉｒ２などを出力する。
【０１３６】
温度制御機構３０は、波長変換モジュール２１に備え付けられており、たとえばペルチェクーラーおよびサーミスタから構成されている。温度制御機構３０にペルチェクーラーが用いられていると、昇温および冷却の両方が行なえるので、外部の環境温度に関わらず波長変換素子１の温度を安定的に調整することができる。
【０１３７】
波長変換素子１は、光増幅領域３４，３６と可飽和吸収領域３５とを含む活性層４３と、ｐ電極３７〜３９と、クラッド層４０，４４と、ｎ電極４１とを含む。活性層４３は、量子井戸構造を有する。
【０１３８】
ｐ電極３７，３９は、それぞれ光増幅領域３４，３６に対応するようにクラッド層４４上に形成されている。ｐ電極３７，３９は、電流供給部２７から出力される付加雑音電流Ｉｎを受ける。ｐ電極３８は、可飽和吸収領域３５に対応するようにクラッド層４４上に形成されている。ｐ電極３８は、可変抵抗２５に接続されており、電圧供給部２９から電圧が印加される。ｎ電極４１は、クラッド層４０とベース４２との間に設けられている。ｎ電極４１は、電圧供給部２９から電圧が印加されるとともに、接地ノードに接続されている。
【０１３９】
フィードバック制御回路２２は、波長変換モジュール２１の光電変換素子３３から出力される受信電流Ｉｒ１を受けて、温度制御回路２３および可変抵抗制御部２４に制御信号を出力する。温度制御回路２３は、フィードバック制御回路２２からの制御信号を受けて、温度制御機構３０に温度情報を出力する。温度制御機構３０は、温度制御回路２３からの温度情報に基づいて、波長変換モジュール２１内の温度を制御する。
【０１４０】
可変抵抗制御部２４は、フィードバック制御回路２２からの制御信号に従って、波長変換素子１のｐ電極３８に接続されている可変抵抗２５の抵抗値を調整する。確率共鳴制御回路２６は、光電変換素子３３から出力される受信電流Ｉｒ２を受けて、電流供給部２７に制御信号を出力する。電流供給部２７は、確率共鳴制御回路２６からの制御信号に従って、雑音を含む電流を波長変換素子１のｐ電極３７，３９に供給する。電圧制御回路２８は、フィードバック制御回路２２からの制御信号に基づいて、電圧供給部２９に制御信号を出力する。電圧供給部２９は、電圧制御回路２８からの制御信号に従って、可変抵抗２５を介してまたは直接に波長変換素子１のｐ電極３８に電圧を印加する。
【０１４１】
温度制御回路２３は、温度制御機構３０に接続されている。温度制御機構３０上に、ベース３１が設けられている。ベース３２，４２は、ベース３１上に設けられている。波長変換素子１は、ベース４２上に搭載されている。光電変換素子３３は、ベース３２に取り付けられている。
【０１４２】
次に、波長変換素子駆動装置２０の動作およびこれを用いた波長変換素子１の駆動方法について説明する。
【０１４３】
波長変換素子駆動装置２０の波長変換素子１は、光増幅領域３４において入力光Ｐｉｎを受け、ｐ電極３７，３９からの制御に応じて、光増幅領域３６から出力光Ｐｏｕｔを出射する。入力光Ｐｉｎは、「１」または「０」の２値からなり、伝送路等に起因する雑音によって一般に劣化している。
【０１４４】
フィードバック制御回路２２は、光電変換素子３３を介して出力光Ｐｏｕｔの状態をモニターしている。フィードバック制御回路２２は、波長変換素子１の入出力特性を調整するための制御信号を、温度制御回路２３、可変抵抗制御部２４および電圧制御回路２８ににそれぞれ出力する。なお、波長変換素子１の入出力特性は、図５に示されている特性と基本的には同じである。
【０１４５】
フィードバック制御回路２２には、可変抵抗２５の抵抗値および温度制御機構３０の検出温度などの駆動条件に応じた波長変換素子１の入出力特性のデータが予め入力されている。フィードバック制御回路２２は、当該入力データに基づいて、波長変換素子１の入出力特性のヒステリシスが所望の形状となるように、温度制御回路２３での温度および可変抵抗制御部２４での抵抗値を算出する。
【０１４６】
温度制御回路２３は、フィードバック制御回路２２からの制御信号に従って、温度制御機構３０の温度を制御する。温度制御機構３０は、温度制御回路２３からの制御信号に基づいて波長変換素子１の温度を上下させる。
【０１４７】
波長変換素子１に含まれる半導体利得物質は一般に温度に敏感であるため、波長変換素子１の入出力特性も一般に温度に敏感である。そのため、波長変換素子１を温度制御することによって、波長変換素子１における入出力特性のヒステリシス形状を制御することができる。この波長変換素子１の温度特性により、波長変換素子駆動素子２０は、小さい温度変化でも上記のヒステリシス形状を変化させることができる。そのため、制御に時間がかからず、消費電力も少なくて済む。
【０１４８】
一般に、半導体レーザは、動作温度が高くなると発振波長が長くなる。また、半導体レーザの発振波長は、注入電流または印加電圧によっても制御可能である。よって、波長変換素子駆動装置２０は、波長変換素子１の出力波長を温度または電流で変化させ、ヒステリシス形状を抵抗値、印加電圧または注入電流で調整することにより、波長変換素子１の発振波長を制御することができる。
【０１４９】
可変抵抗制御部２４は、フィードバック制御回路２２からの制御信号に従って、波長変換素子１の所望の入出力特性が得られるように可変抵抗２５の抵抗値を調整する。波長変換素子１は、可変抵抗２５の抵抗値の増減によって、可飽和吸収領域３５からの電流値が増減する。これにより、可飽和吸収領域３５内のキャリア量が変化するので、光吸収効果を制御できる。よって、波長変換素子駆動装置２０は、可変抵抗２５の値によっても波長変換素子１の入出力特性のヒステリシス形状を制御することができる。
【０１５０】
電圧制御回路２８は、フィードバック制御回路２２からの制御信号に従って、電圧供給部２９を制御する。電圧供給部２９は、電圧制御回路２８からの制御信号に基づいて、波長変換素子１に印加する電圧値を上下させる。波長変換素子駆動装置２０は、電圧制御回路２８および電圧供給部２９を用いて波長変換素子１に与える電圧値を制御することで、波長変換素子１の立ち上がりしきい値および／または立下がりしきい値を上下させることができる。これにより、波長変換素子１に入射する入力光Ｐｉｎの平均光強度が大きく変化した場合にも対応できる。
【０１５１】
上記のように、実施の形態２の波長変換素子駆動装置２０は、電流制御に加えて、温度制御、可変抵抗値制御および電圧制御によって、波長変換素子１のヒステリシス形状を調整している。波長変換素子駆動装置２０は、波長変換を制御し所望の波長を幅広く得るとともに確率共鳴効果を得るために、波長変換素子１のヒステリシス形状を調整して入出力特性を最適化する。
【０１５２】
確率共鳴制御回路２６は、光電変換素子３３を介して出力光Ｐｏｕｔの状態をモニターしている。確率共鳴制御回路２６は、波長変換素子１の入出力特性を調整するための制御信号を電流供給部２７に出力する。
【０１５３】
電流供給部２７は、確率共鳴制御回路２６からの制御信号に従って、雑音を含む電流をｐ電極３７，３９を介して波長変換素子１に注入する。この付加雑音電流Ｉｎは、確率共鳴効果によって振幅が増幅されビットエラーレートが低減された出力光Ｐｏｕｔが得られるように雑音が調整された電流である。
【０１５４】
よって、実施の形態２の波長変換素子駆動装置２０は、確率共鳴による入力光Ｐｉｎの波長変換および波形整形を行なうのに最適なヒステリシス形状の入出力特性で波長変換素子１を作動させることが可能となる。波長変換素子１によって波長変換および波形整形された出力光Ｐｏｕｔは、光電変換素子３３で検出される。これにより、波長変換素子駆動装置２０の波長変換モジュール２１は、通常の受信器では検出できないような微弱な信号を検知できる受信器としても機能する。
【０１５５】
なお、図１４のようなｐ電極３７〜３９およびｎ電極４１の構成は一例であって、光増幅領域３４，３６と可飽和吸収領域３５とに対して独立に電流を注入できるのであれば、ｐ電極３７〜３９およびｎ電極４１はどのように分割されていても構わない。また、ｐ電極３７〜３９からの制御および入力光Ｐｉｎに応じて出力光Ｐｏｕｔを出射できるのであれば、出力光Ｐｏｕｔが光増幅領域３４または可飽和吸収領域３５から出射されても構わない。
【０１５６】
さらに、可飽和吸収領域３５の体積比が活性層４３全体の５０％以上になると波長変換素子１の消費電力が増大するので、可飽和吸収領域３５の活性層４３に対する体積比は、できれば５０％以下が望ましい。
【０１５７】
上記のように、実施の形態２の波長変換素子駆動装置２０は、温度、電圧および電流の制御、および可飽和吸収領域３５に対して設けられたｐ電極３８に接続されている可変抵抗２５の抵抗値制御によって、波長変換素子１の入出力特性を調整している。
【０１５８】
波長変換素子駆動装置２０は、温度制御回路２３、可変抵抗制御部２４、確率共鳴制御回路２６、電圧制御回路２８などからヒステリシスの形状を迅速に精度よく制御することによって、波長変換素子１の動作条件を精密に調整することができる。したがって、波長変換素子駆動装置２０は、波長変換効果および確率共鳴効果を得るために最適化された波長変換素子１およびこれを含む波長変換モジュール２１を駆動することができる。
【０１５９】
実施の形態２では、光電変換素子３３からの受信信号Ｓｒの一部を受信電流Ｉｒ１としてフィードバック制御回路２２に出力している。そのため、実施の形態２の波長変換素子駆動装置２０は、波長変換素子１の出力光Ｐｏｕｔの状態をモニターしながら、波長変換素子１の入出力特性を変化させたり安定化させたりすることができる。これにより、波長変換素子１の出力光Ｐｏｕｔが所望の波長および確率共鳴効果を得られる最適なヒステリシス形状を有するように出力光Ｐｏｕｔを調整しやすくなる。
【０１６０】
また、波長変換素子駆動装置２０において、フィードバック制御回路２２、温度制御回路２３、可変抵抗制御部２４、確率共鳴制御回路２６、電圧制御回路２８などの制御回路（制御部）を、波長変換モジュール２１の外側に接続するのではなく内部に集積してモジュールとして一体化してもよい。この場合、利用者が上記の制御回路の個別に調整をせずに済むので、波長変換素子駆動装置２０の利用が簡単になる。
【０１６１】
また、実施の形態２では、波長変換モジュール２１の全体を温度制御機構３０で温度調整しているが、波長変換素子１のみを温度調整するようにしても構わない。しかし、波長変換モジュール２１全体の温度を調整した方が、一体構成となってコンパクトであり、温度制御も一括して行なえるという利点がある。
【０１６２】
また、波長変換素子駆動装置２０において、温度、抵抗値、電圧および雑音電流の強度を調整することにより、最適なパラメータの算出がやや複雑にはなるものの、波長変換素子１の入出力特性のヒステリシスをより最適な形状に精度よく制御できるという利点がある。また、ヒステリシスの立ち上がりしきい値を細かく上下させて低電流で駆動したり、出力光Ｐｏｕｔの振幅をより精密に調整したりできるという利点もある。
【０１６３】
また、波長変換素子駆動装置２０において、可飽和吸収領域３５に逆バイアスを印加してキャリアを引き抜くことにより、キャリア寿命に制限されずに信号処理の応答を高速にすることも可能である。
【０１６４】
なお、実施の形態２の波長変換素子駆動装置２０では、可飽和吸収領域３５に電圧を印加する代わりに電流を注入しても、波長変換素子１のヒステリシス形状を制御でき、波長変換効果が得られる。この場合、上述したように逆バイアスをかけてキャリアを引き抜いて応答速度を向上させることはできなくなるが、波長変換素子１の発振しきい値を調整しやすくなるという利点がある。
【０１６５】
以上のように、実施の形態２によれば、温度、抵抗値、電流、電圧などを介して波長変換素子１の入出力特性のヒステリシス形状を精度よく制御することにより、入力光Ｐｉｎを所望の波長に変換したり、確率共鳴効果を利用した出力光Ｐｏｕｔの劣化を補償したりすることができる。これにより、光増幅および波形整形を行なうために最適な双安定半導体レーザの入出力特性を得ることができる。
【０１６６】
（実施の形態２の変形例１）
実施の形態２における波長変換素子駆動装置２０の変形例である波長変換素子駆動装置２０Ａは、波長変換素子１に供給される付加雑音電流Ｉｎが実施の形態１と同様の付加雑音光Ｐｎに置き換えられた点において、図１４の波長変換素子駆動装置２０と異なる。したがって、図１４と重複する部分の説明はここでは繰り返さない。
【０１６７】
波長変換素子駆動装置２０Ａにおいても、入力光Ｐｉｎの波長を所望の波長に変換し、出力光Ｐｏｕｔの劣化を補償して増幅することで、ビットエラーレートが低減された出力光Ｐｏｕｔが得られる。この場合、確率共鳴制御回路２６からの制御電流によって雑音光を発生させる光源が必要になるが、波長変換素子１の入力光Ｐｉｎの強度とヒステリシスのしきい値との関係を制御しやすくなるという利点がある。
【０１６８】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１６９】
【図１】この発明の実施の形態１による波長変換素子１の共振器側面の概略的な構成を示した断面図である。
【図２】「１」または「０」の２値を持つ劣化した光信号Ｐ０の時間波形を示した波形図である。
【図３】光信号Ｐ０に付加される付加雑音光Ｐｎの時間波形を示した波形図である。
【図４】図２の光信号Ｐ０に図３の付加雑音光Ｐｎを付加した入力光Ｐｉｎの時間波形を示した波形図である。
【図５】この発明の実施の形態１における波長変換素子１の動作特性を説明するための図である。
【図６】図１の活性層２にバルク活性層を用いた場合に入力光Ｐｉｎが入射する前の波長とスペクトルとの関係を示した図である。
【図７】図１の活性層２にバルク活性層を用いた場合に入力光Ｐｉｎが入射した後の波長とスペクトルとの関係を示した図である。
【図８】図１の活性層２に量子井戸構造を用いた場合に入力光Ｐｉｎが入射する前の波長とスペクトルとの関係を示した図である。
【図９】図１の活性層２に量子井戸構造を用いた場合に入力光Ｐｉｎが入射した後の波長とスペクトルとの関係を示した図である。
【図１０】付加雑音光Ｐｎの雑音強度を変化させたときの出力光Ｐｏｕｔのビットエラーレート（ＢＥＲ）を示した図である。
【図１１】波長変換素子１Ａに入射される光信号Ｐ０の時間波形を示した波形図である。
【図１２】波長変換素子１Ａに注入される付加雑音電流Ｉｎの時間波形を示した波形図である。
【図１３】波長変換素子１Ｂの入力光Ｐｉｎと出力光Ｐｏｕｔとの入出力特性の一例を示した図である。
【図１４】この発明の実施の形態２による波長変換素子駆動装置２０の概略的な構成を示した図である。
【図１５】従来の双安定型半導体波長変換素子６０の構造を示した断面図である。
【図１６】図１５の双安定型半導体波長変換素子６０における入力光ＰＩＮと出力光ＰＯＵＴとの入出力特性曲線を示した図である。
【図１７】従来の波長変換素子７０の構造を示した断面図である。
【符号の説明】
【０１７０】
１，１Ａ，１Ｂ，７０ 波長変換素子、２，４３，６１ａ，６１ｂ，８０ 活性層、４，３５，６２，７６ 可飽和吸収領域、５，６，３４，３６ 光増幅領域、７ 入射面、８ 出射面、９ ｎ型ＩｎＰ基板、１０〜１２，３７〜３９，６５〜６８，７１，７２ ｐ電極、１３ ｐ型ＩｎＰクラッド層、１４ ｎ型ＩｎＰクラッド層、１５，４１，７９，８１ ｎ電極、２０，２０Ａ 波長変換素子駆動装置、２１ 波長変換モジュール、２２ フィードバック制御回路、２３ 温度制御回路、２４ 可変抵抗制御部、２５ 可変抵抗、２６ 確率共鳴制御回路、２７ 電流供給部、２８ 電圧制御回路、２９ 電圧供給部、３０ 温度制御機構、３１，３２，４２ ベース、３３ 光電変換素子、４０，４４ クラッド層、６０ 双安定型半導体波長変換素子、６３ 光ガイド層、６４ 分布ブラッグ反射型回折格子、６９，７４，７７，８２ クラッド層、７３ ｐ型キャップ層７３、７５ 活性領域、７８ ｎ型基板。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、波長変換素子および波長変換素子駆動装置に関し、より特定的には、外部からの光信号を波長変換して増幅する波長変換素子およびその駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超大容量光通信時代に向けて、光信号を電気に変換せず光のまま高速に処理する全光処理が推進されるようになってきている。また、複数の波長を処理することで容量を飛躍的に増大させる波長分割多重（ＷＤＭ）方式が実用化されている。このＷＤＭにおいて、波長ごとに光源や受光器を用意することは、コスト・スペース・消費電力などの面において著しく効率が悪い。
【０００３】
そこで、波長変換素子によって所望の波長の光を得る方式が用いられている。こうした光通信向けに、波長を数〜数十ｎｍ程度の幅で変換する技術には、以下で述べるように種々の形態がある。
【０００４】
非特許文献１は、双安定半導体レーザの共振器内に活性領域、位相調整領域および回折格子を作りつけることで波長変換を行なう波長変換素子を開示している。この波長変換素子を用いた信号処理について以下に説明する。
【０００５】
図１５は、従来の双安定型半導体波長変換素子６０の構造を示した断面図である。
図１５を参照して、従来の双安定型半導体波長変換素子６０は、活性層６１ａ，６１ｂと、可飽和吸収領域６２と、光ガイド層６３と、分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）型回折格子６４と、ｐ電極６５〜６８と、クラッド層６９，８２と、ｎ電極８１とを備える。双安定型半導体波長変換素子６０は、活性層６１ａの端面から入射される入力光ＰＩＮを波長変換し、ＤＢＲ型回折格子６４の端面から出力光ＰＯＵＴを出射する。
【０００６】
可飽和吸収領域６２は、光増幅領域となる活性層６１ａおよび活性層６１ｂの間に形成され、可飽和の光吸収作用を有する。活性層６１ａ，６１ｂ（活性層６１とも総称する）は、双安定半導体レーザとして機能し、入出力特性においてヒステリシス特性を有する。光ガイド層６３は、活性層６１ｂの隣に形成され、入射する光の位相をシフトさせる。ＤＢＲ型回折格子６４は、波長変換された光の波長を制御する。
【０００７】
クラッド層６９，８２は、活性層６１、可飽和吸収領域６２、光ガイド層６３およびＤＢＲ型回折格子６４をはさむように形成されている。クラッド層６９上には、活性層６１ａ，６１ｂ、可飽和吸収領域６２、光ガイド層６３およびＤＢＲ型回折格子６４にそれぞれ独立に電流を注入できるように、ｐ電極６５〜６８がそれぞれ設けられている。クラッド層８２上には、ｐ電極６５〜６８に対向してｎ電極８１が設けられている。
【０００８】
図１６は、図１５の双安定型半導体波長変換素子６０における入力光ＰＩＮと出力光ＰＯＵＴとの入出力特性曲線を示した図である。
【０００９】
図１６に示すように、入力光ＰＩＮの強度が増加していくと、しきい値Ｐｔｈ１で可能和吸収領域６２が飽和して光を吸収しなくなる。これにより、双安定半導体レーザとして機能する活性層６１が発振して出力光ＰＯＵＴの強度が急激に増大する。この結果、図１６の入出力特性曲線上に不連続な変化が現れる。可能和吸収領域６２は、いったん飽和すると、光吸収効果が飽和して透明状態となり安定する。このため、図１６の入出力特性曲線の傾きが再び連続的になり、入力光ＰＩＮの強度が増加するにつれて光出力ＰＯＵＴの強度は単調に増加していく。
【００１０】
次に、入力光ＰＩＮの強度を低下させていく。可飽和吸収領域６２は、しきい値Ｐｔｈ１を超えていったん発振した後は光を透過する状態となっていて光を吸収しないので、入力光ＰＩＮの強度をしきい値Ｐｔｈ１まで低下させていっても、まだ発振状態が維持される。しかし、さらに入力光ＰＩＮの強度を低下させると、しきい値Ｐｔｈ２において光吸収効果が回復し、光出力ＰＯＵＴの強度が急激に減少する。
【００１１】
図１５，１６の双安定型半導体波長変換素子６０では、入力光ＰＩＮによって可飽和吸収領域６２を励起させレーザ発振をさせている。このとき、出力光ＰＯＵＴの状態は、入力光ＰＩＮの状態とは無関係にレーザの共振器モードで決定される。そのため、光ガイド層６３およびＤＢＲ型回折格子６４に電流を注入することにより、出力光ＰＯＵＴの波長を制御することができる。
【００１２】
特許文献１は、半導体レーザの活性層の一部に活性層のバンドギャップエネルギー以下のバンドギャップエネルギーを有する可飽和吸収領域を形成して、入力光と出力光との波長を変換する技術を開示している。この波長変換技術について以下に説明する。
【００１３】
図１７は、従来の波長変換素子７０の構造を示した断面図である。
図１７を参照して、従来の波長変換素子７０は、ｐ電極７１，７２と、ｐ型キャップ層７３と、クラッド層７４，７７と、活性領域７５と可飽和吸収領域７６とを含む活性層８０と、ｎ型基板７８と、ｎ電極７９とを備える。波長変換素子７０は、可飽和吸収領域７６に入射される入力光ＰＩＮ０を波長変換し、活性領域７５および可飽和吸収領域７６から出力光ＰＯＵＴ１，ＰＯＵＴ２を出射する。
【００１４】
クラッド層７４，７７は、活性層８０をはさむように形成されている。クラッド層７４上には、ｐ型キャップ層７３が形成されている。ｐ型キャップ層７３上には、活性領域７５および可飽和吸収領域７６にそれぞれ独立に電流を注入できるように、ｐ電極７１，７２がそれぞれ設けられている。クラッド層７７上には、ｎ型基板７８が形成されている。ｎ型基板７８上には、ｐ電極７１，７２に対向してｎ電極７９が設けられている。
【００１５】
半導体レーザの発振波長域は、活性層のバンドギャップエネルギーで決まる。バンドギャップエネルギーの値は、活性層を構成する材料の組成によって決定される。波長変換素子７０では、入力光ＰＩＮ０によって励起される可飽和吸収領域７６の組成、および励起されたことで発振し出力光ＰＯＵＴ１，ＰＯＵＴ２を出射する活性層８０の組成を調整しながら作製される。波長変換素子７０では、可飽和吸収領域７６と活性層８０とで発振波長域が異なるため、入力光ＰＩＮ０と出力光ＰＯＵＴ１，２とで波長を変えることができる。したがって、入力光ＰＩＮ０のパワーが一定値以上であれば、ある波長の入力光ＰＩＮ０が、活性層８０の組成によって決まる一定波長の出力光ＰＯＵＴ１，ＰＯＵＴ２に変換されることになる。
【特許文献１】特開平１−２３５３９３号公報
【非特許文献１】山腰 茂伸，「波長変換レーザー」，Ｏ ｐｌｕｓ Ｅ，１９８９年１０月，Ｎｏ．１１９，ｐ．１４２−１４６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
図１５，１６の双安定型半導体波長変換素子６０は、光ガイド層６３およびＤＢＲ型回折格子６４を集積してｐ電極６５〜６８から電流を注入することで、所望の波長を持つ単一モードの出力光ＰＯＵＴを得ている。
【００１７】
しかしながら、双安定型半導体波長変換素子６０では、ｐ電極６５〜６８からの電流注入によって半導体レーザを発振寸前の状態にしておき、入力光ＰＩＮの入射によって出力光ＰＯＵＴを励起する。そのため、入力光ＰＩＮが劣化して微弱な信号になっている場合には、より大きな一定電流を注入せねばならず、消費電力が大きくなってしまう。
【００１８】
超高速光通信においては、信号が光ファイバの中で幾度も内壁に反射しながら進む。そのため、反射時の吸収損失や散乱損失により、反射するたびに光信号の強度が弱くなるという課題がある。光信号の強度が弱くなると、信号波形が崩れて信号の品質を表わす信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が低下し、光信号の伝送品質が低くなる。この伝送損失は、反射の回数が多いほど、すなわち伝送距離が長いほど大きくなる。伝送損失の増大は、伝送距離を制限することにつながる。
【００１９】
さらに、光ファイバ内だけでなく、中継機やスイッチなど多くの装置を経由する過程でも、様々な要因により光信号は劣化していく。光信号の劣化は、ビット誤り率（ＢＥＲ：ビットエラーレート）が増大する大きな原因となる。よって、微弱な信号でも波長変換でき、かつ光増幅できる波長変換素子の開発が課題となる。しかし、図１５，１６の双安定型半導体波長変換素子６０では、劣化した微弱な信号を波長変換するのに大きな消費電力を必要とする。
【００２０】
また、双安定型半導体波長変換素子６０では、可飽和吸収領域６２に入力光ＰＩＮを入射している。この場合、可飽和吸収領域６２が飽和しやすくなるため、図１６のヒステリシスにおける幅および段差が小さくなる。ゆえに、双安定型半導体波長変換素子６０は、ヒステリシス形状による光増幅効果を得にくくなる上、入力光ＰＩＮの雑音によるリップルを受けて出力光ＰＯＵＴの強度変化がヒステリシスを上下する。その結果、劣化した波形が出力光ＰＯＵＴの強度変化にそのまま反映されてしまい、ビットエラーレートを低減しづらくなる。
【００２１】
また、双安定型半導体波長変換素子６０では、活性層６１ａ，６１ｂ、可飽和吸収領域６２、光ガイド層６３、およびＤＢＲ型回折格子６４を作り付けねばならず、特に、ＤＢＲ型回折格子６４は発振波長を制御するために精度よく作製する必要がある。このため、双安定型半導体波長変換素子６０の作製手順が複雑となり、歩留まりが悪くなってしまうという課題がある。
【００２２】
さらに、双安定型半導体波長変換素子６０では、バルク型の活性層６１を用いている。そのため、光の利得スペクトルの線幅が広がっており、波長ごとの利得が小さい。そのため、双安定型半導体波長変換素子６０は、入力光ＰＩＮの受信の感受率が悪くなる。また、入力光ＰＩＮの強度に比べて出力光ＰＯＵＴの強度が得られないため、波長の変換効率が低くなる。
【００２３】
また、図１７の波長変換素子７０では、活性領域７５および可飽和吸収領域７６という組成の異なる２つの領域を同一層内に予め作製しておく必要がある。このため、波長変換素子７０の作製においては、結晶成長の手順が複雑となり、歩留まりが悪くなる。
【００２４】
この発明は、上記の諸問題を解決するためになされたものであり、その目的は、消費電力が小さく、波長の変換効率を高めることが可能な波長変換素子および波長変換素子駆動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
この発明は、光信号の波長を変換する波長変換素子であって、光増幅領域および可飽和吸収領域を含む活性層と、電流が注入されおよび／または電圧が印加される第１の極性の電極と、前記第１の極性の電極に対して設けられる第２の電極とを備える。前記第１の極性の電極および前記第２の極性の電極の少なくとも一方は、前記光増幅領域と前記可飽和吸収領域とに対して独立に電流を注入できるように分割されている。前記光増幅領域に注入される注入電流の強度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される。前記可飽和吸収領域に印加される印加電圧の強度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される。前記活性層は、前記光信号を含む入力光を受けて、前記入力光の波長が変換され振幅が増幅された出力光を出射する。
【００２６】
好ましくは、前記入力光に付加される雑音光が前記光増幅領域および前記可飽和吸収領域の少なくとも一方に入射され、前記雑音光の強度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される。
【００２７】
好ましくは、前記雑音光の最大値と最小値との差は、前記光信号の振幅の１／１０以下である。
【００２８】
好ましくは、前記雑音光は、ランダムな強度変換を有する。
好ましくは、前記第１の極性の電極を通じて雑音電流が前記光増幅領域および前記可飽和吸収領域の少なくとも一方に注入され、前記雑音電流の強度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される。
【００２９】
好ましくは、前記雑音電流の最大値と最小値との差は、前記注入電流の振幅の１／１０以下である。
【００３０】
好ましくは、前記雑音電流は、ランダムな強度変換を有する。
好ましくは、前記光増幅領域の利得スペクトルと前記可飽和吸収領域の吸収スペクトルとを合計した全体利得スペクトルを前記入力光の波長と合わせ、前記光増幅領域の利得スペクトルを前記出力光の波長と合わせるように、前記光増幅領域に注入される注入電流の強度が調整される。
【００３１】
好ましくは、前記光増幅領域の利得スペクトルと前記可飽和吸収領域の吸収スペクトルとを合計した全体利得スペクトルを前記入力光の波長と合わせ、前記光増幅領域の利得スペクトルを前記出力光の波長と合わせるように、前記可飽和吸収領域に印加される印加電圧の強度が調整される。
【００３２】
好ましくは、前記活性層は、量子井戸構造を有する。
好ましくは、前記光増幅領域および前記可飽和吸収領域の少なくとも一方に不純物が添加され、前記不純物の濃度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される。
【００３３】
好ましくは、前記波長変換素子は、入出力特性がヒステリシスを示す双安定半導体レーザである。
【００３４】
好ましくは、前記波長変換素子は、入出力特性が不連続性を示す半導体レーザである。
好ましくは、前記光増幅領域は、前記可飽和吸収領域の両側にそれぞれ配置される第１および第２の光増幅領域を含む。前記第１および第２の光増幅領域の一方の端面から前記光信号が入射され、前記第１および第２の光増幅領域の他方の端面から前記出力光が出射される。
【００３５】
好ましくは、前記可飽和吸収領域の共振器方向に占める長さの割合は、１％以上であり、かつ５０％未満である。
【００３６】
この発明の他の局面によれば、入力光を含む入力信号を受けて波長が変換された出力光を出力する波長変換素子を駆動する波長変換素子駆動装置であって、光信号の波長を変換する前記波長変換素子と前記出力光を検出して受信信号を出力する光電変換素子とを含む波長変換モジュールと、前記受信信号を受けて、前記波長変換素子の入出力特性を調整するための制御信号を出力するフィードバック制御回路とを備える。波長変換素子は、光増幅領域および可飽和吸収領域を含む活性層と、電流が注入されおよび／または電圧が印加される第１の極性の電極と、前記第１の極性の電極に対して設けられる第２の電極とを備える。前記第１の極性の電極および前記第２の極性の電極の少なくとも一方は、前記光増幅領域と前記可飽和吸収領域とに対して独立に電流を注入できるように分割されている。前記光増幅領域に注入される注入電流の強度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される。前記可飽和吸収領域に印加される印加電圧の強度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される。前記活性層は、前記光信号を含む入力光を受けて、前記入力光の波長が変換され振幅が増幅された出力光を出射する。
【００３７】
好ましくは、前記フィードバック制御回路からの制御信号に従って前記波長変換素子の温度を制御する温度制御回路をさらに備える。前記波長変換モジュールは、前記温度制御回路からの制御信号を受けて前記波長変換素子を含む前記波長変換モジュールの温度を調整する温度制御機構をさらに含む。
【００３８】
好ましくは、前記温度制御機構は、前記波長変換素子の温度を検知し、該温度検知信号を前記フィードバック制御回路に出力するサーミスタを有する。
【００３９】
好ましくは、前記温度制御機構は、前記温度制御回路からの制御信号を受けて、前記波長変換素子を昇温または冷却させるペルチェクーラーを有する。
【００４０】
好ましくは、前記波長変換素子に接続されている可変抵抗と、前記フィードバック制御回路からの制御信号に従って前記可変抵抗の抵抗値を制御する可変抵抗制御部とをさらに備える。
【００４１】
好ましくは、前記フィードバック制御回路は、前記波長変換素子の可飽和吸収領域から流れる電流を前記可変抵抗を介してモニターする。
【００４２】
好ましくは、前記受信信号を受けて、確率共鳴効果が得られるように雑音が付加された電流を前記波長変換素子に供給するための制御信号を出力する確率共鳴制御回路と、前記確率共鳴制御回路からの制御信号を受けて、前記波長変換素子の入出力特性を調整するための電流を前記波長変換素子に供給する電流供給部とをさらに備える。
【００４３】
好ましくは、前記波長変換素子の入出力特性を調整するための光を前記波長変換素子に供給するための光源をさらに備える。
【００４４】
好ましくは、前記光源は、前記受信信号を受けて、確率共鳴効果が得られるように雑音が付加された光を前記波長変換素子に供給する。
【００４５】
好ましくは、前記フィードバック制御回路からの制御信号に基づいて、前記波長変換素子の可飽和吸収領域に印加される電圧を制御する電圧制御回路と、前記電圧制御回路からの制御信号に従って前記波長変換素子に電圧を供給する電圧供給部とをさらに備える。
【００４６】
好ましくは、前記受信信号に基づいて、前記入力光が前記波長変換素子の立ち上がりしきい値および立下がりしきい値を上下するように調整された電流を前記波長変換素子に供給する電流供給部をさらに備える。
【００４７】
好ましくは、前記光電変換素子は、前記波長変換モジュールと同一基板上に集積化されている。
【発明の効果】
【００４８】
この発明によれば、消費電力を小さくでき、波長の変換効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００５０】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による波長変換素子１の共振器側面の概略的な構成を示した断面図である。
【００５１】
図１を参照して、実施の形態１の波長変換素子１は、活性層２と、ｎ型ＩｎＰ（インジウムリン）基板９と、ｎ型ＩｎＰクラッド層１４と、ｐ型ＩｎＰクラッド層１３と、ｐ電極１０〜１２と、ｎ電極１５とを備える。ｎ型ＩｎＰ基板９上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１４が形成されている。ｎ型ＩｎＰクラッド層１４上に、活性層２が形成されている。
【００５２】
活性層２は、ＩｎＧａＡｓＰ（インジウムガリウム砒素リン）から構成される量子井戸構造を有し、可飽和吸収領域４と、光増幅領域５，６とを含む。図１に模式的に示すように、量子井戸構造とは、半導体薄膜を複数層積層することで、電子および正孔の厚さ方向の運動を制限した構造をいう。可飽和吸収領域４および光増幅領域５，６の量子井戸構造は、ＩｎＧａＡｓＰの組成・層厚ともに同一の構造である。光増幅領域５，６は、波長変換素子１の共振器側面から見て、可飽和吸収領域４の両側にそれぞれ設けられている。光増幅領域５は、入力光Ｐｉｎが入射される入射面７を有する。光増幅領域６は、出力光Ｐｏｕｔが出射される出射面８を有する。
【００５３】
活性層２上に、ｐ型ＩｎＰクラッド層１３が形成されている。ｐ型ＩｎＰクラッド層１３上に、ｐ電極１０〜１２が設けられている。ｐ電極１０は、可飽和吸収領域４に対して設けられており、ｐ電極１１，１２は、光増幅領域５，６に対してそれぞれ設けられている。ｐ電極１０〜１２に対向して、ｎ型ＩｎＰ基板９上にｎ電極１５が設けられている。
【００５４】
光増幅領域５，６には、ｐ電極１１，１２を介して電流がそれぞれ注入される。可飽和吸収領域４には、ｐ電極１０を介して、光増幅領域５，６とは独立に電圧が印加される。入射面７から入射される入力光Ｐｉｎは、「１」または「０」の２値の光強度からなる光信号に白色雑音の雑音光を付加して生成されている。
【００５５】
可飽和吸収領域４および光増幅領域５，６は、波長変換素子１が双安定状態の半導体レーザとなる条件で構成されている。光増幅領域５，６へ電流を注入すると、波長変換素子１は双安定状態となって動作する。共振器方向における可飽和吸収領域４の長さは、たとえば、共振器長さ全体の約１０％としている。
【００５６】
実施の形態１の波長変換素子１は、活性層２が可飽和吸収領域４および光増幅領域５，６の３つに分割されているのに合わせて、ｐ電極１０〜１２もそれぞれ３つに分割されている。つまり、波長変換素子１は、可飽和吸収領域４および光増幅領域５，６にそれぞれ注入される電流の制御をより独立に行ないやすい構造となっている。
【００５７】
これにより、可飽和吸収領域４を流れる電流と光増幅領域５，６を流れる電流とが互いに干渉してしまうのを回避することができる。なお、図１ではｎ電極１５が分割されていない例を示しているが、これは一例であり、ｎ電極１５もｐ電極１０〜１２に合わせて分割してもよい。この場合、波長変換素子１の製造時に電極分割の工程が増えるが、可飽和吸収領域４を流れる電流と光増幅領域５，６を流れる電流とが互いに干渉してしまうのをより確実に回避することができる。
【００５８】
次に、波長変換素子１の動作について説明する。以下では、非周期的でランダムな強度変化を持ち、光信号に対する雑音として活性層に意図的に注入する光を「付加雑音光」と称し、伝送路等に起因する雑音とは区別している。
【００５９】
図２〜４は、この発明の実施の形態１における波長変換素子１の活性層２への入力光Ｐｉｎがどのように生成されるかを説明するための図である。
【００６０】
図２は、「１」または「０」の２値を持つ劣化した光信号Ｐ０の時間波形を示す。図３は、付加雑音光Ｐｎの時間波形を示す。以下では、付加雑音光Ｐｎの最大値と最小値との差分ΔＰｎを付加雑音光Ｐｎの雑音強度と呼ぶ。図４は、図２の光信号Ｐ０に図３の付加雑音光Ｐｎを付加した入力光Ｐｉｎ＝Ｐ０＋Ｐｎの時間波形を示している。こうして生成された入力光Ｐｉｎは、図１の波長変換素子１の活性層２へと注入される。
【００６１】
図５は、この発明の実施の形態１における波長変換素子１の動作特性を説明するための図である（図１６の説明も参照）。
【００６２】
図５において、（ａ）は図１の波長変換素子１における入力光−光出力特性、（ｂ）は図４で説明した入力光Ｐｉｎの時間波形、（ｃ）は（ｂ）の入力光Ｐｉｎを波長変換素子１に注入した結果得られる出力光Ｐｏｕｔの時間波形をそれぞれ示している。図５（ａ）において、横軸は入力光、縦軸は入力光に応じて得られる光出力をそれぞれ表わす。
【００６３】
図５（ａ）において、ＰｔｈＯＮは、実線Ａ１で示したヒステリシス下部の状態から破線Ｂ１で示したヒステリシス上部へ光出力の状態が移行する光強度、すなわちヒステリシスの立ち上がり閾値を示している。また、ＰｔｈＯＦＦは、ヒステリシス上部Ｂ１からヒステリシス下部Ａ１へ移行するときの光強度、すなわちヒステリシスの立下り閾値を示している。ヒステリシスの立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮおよび立下り閾値ＰｔｈＯＦＦは、図２および図４においても示されている。
【００６４】
図２を参照して、付加雑音光Ｐｎを印加する前の光信号Ｐ０の強度は、最大値がヒステリシスの立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮより小さくなるほど劣化している。そのため、図２の光信号Ｐ０を図１の波長変換素子１の活性層２に注入しただけでは、光出力は図５（ａ）の入力光−光出力特性曲線上でヒステリシス下部Ａ１に留まり、ヒステリシス上部Ｂ１へと移行することができない。
【００６５】
図２の光信号Ｐ０に図３の付加雑音光Ｐｎを印加した入力光Ｐｉｎは、図４に示すように、光信号Ｐ０の最大値「１」近傍で光強度がヒステリシスの立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮを越える。このとき、光出力は図５（ａ）の入力光−光出力特性曲線上でヒステリシス上部Ｂ１へ移行する。光信号Ｐ０の最大値を過ぎると再びＰｔｈＯＮ以下となり、さらに最小値「０」近傍ではＰｔｈＯＦＦ以下となる。このとき、光出力は図５（ａ）の入力光−光出力特性曲線上でヒステリシス下部Ａ１へ移行する。
【００６６】
このように、入力光Ｐｉｎが立ち上がり／立ち下がり閾値を超えることによって、光出力がヒステリシスの上下を移行する。これにより、出力光Ｐｏｕｔの光強度が急激に増減する。その結果、図５（ｃ）に示すように、光信号Ｐ０の「１」および「０」が強調された、振幅の大きい出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。付加雑音光Ｐｎは、光信号Ｐ０に付加される際、出力光Ｐｏｕｔが伝送路等に起因するビットエラーレートの低減効果を得られるような雑音強度を有するように適度に調整される。
【００６７】
なぜなら、付加雑音光Ｐｎの雑音強度が小さすぎると、光出力がヒステリシスの上部へ移行することが出来ず、伝送路等に起因するビットエラーレートを低減するために必要な大きさの振幅を持つ出力光Ｐｏｕｔを得られないからである。また、付加雑音光Ｐｎの雑音強度が大きすぎると、光信号Ｐ０の「１」または「０」とは無関係に光出力がヒステリシスの上部へ移行するため、出力光Ｐｏｕｔの強度変化がランダムになってしまい、ビットエラーレートを低減できないためである。
【００６８】
このように、付加雑音光Ｐｎは、ビットエラーレートの低減効果を得られるような雑音強度に適度に調整されて、光信号Ｐ０とともに、図１の波長変換素子１の光増幅領域５，６に注入される。波長変換素子１の立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮの値は、光信号Ｐ０だけを光増幅領域５，６に注入しても伝送路等に起因する雑音を低減できない程度の値に調整される。すなわち、立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮの値は、光信号Ｐ０だけを光増幅領域５，６に注入したときに得られる光出力が、ヒステリシス下部に対応した微小な値しか得られない程度に調整される。
【００６９】
また、付加雑音光Ｐｎの雑音強度を適度に調節して光信号Ｐ０に付加することにより、入力光Ｐｉｎの値を、光信号Ｐ０の値を中心値としてランダムに変化させている。
【００７０】
このとき、光信号Ｐ０の最大値および／または最小値と、光信号Ｐ０とともに光増幅領域５，６に注入される付加雑音光Ｐｎの強度とが確率的に同期することで、光信号Ｐ０が「０」または「１」となるタイミングに光出力がヒステリシスの上下に移行する。これにより、ヒステリシス上下の強度差に応じて出力光の出力振幅が増大し、振幅の大きい出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。
【００７１】
このように、雑音を適度に付加することで信号のＳ／Ｎ比が向上する現象は「確率共鳴」と呼ばれている。
【００７２】
確率共鳴現象が起きているとき、波長変換素子１は、ヒステリシスの上部と下部とで発振波長が異なっているため波長変換素子として機能する。この波長変換の仕組みを図６〜９を参照して説明する。
【００７３】
図６は、図１の活性層２にバルク活性層を用いた場合に入力光Ｐｉｎが入射する前の波長とスペクトルとの関係を示した図である。
【００７４】
図６に示すように、光増幅領域５，６の利得スペクトルＧＳ１（点線）は、ピークＰｇｓ１において最高値をとり、左右がほぼ対称的となる。可飽和吸収領域４の吸収スペクトルＡＳ１（破線）は、利得スペクトルＧＳ１のピークＰｇｓ１近辺から吸収率が低下してゼロに漸近する。
【００７５】
図１の波長変換素子１において、可飽和吸収領域４と光増幅領域５，６とでは、注入される電流量が異なっている。より注入電流の大きい光増幅領域５，６では、キャリアが多く存在するため、プラズマ効果によって利得スペクトルが可飽和吸収領域４に比べて長波長側に分布している。そのため、図６に示すように、吸収スペクトルＡＳ１と利得スペクトルＧＳ１とでは、ピーク波長が異なっている。
【００７６】
スペクトルＧＡＳ１は、入力光Ｐｉｎが入射する前において、利得スペクトルＧＳ１と吸収スペクトルＡＳ１とを合計した全体利得スペクトルである。全体利得スペクトルＧＡＳ１（実線）は、ピークＰｇａｓ１において最高値をとり、吸収スペクトルＡＳ１の影響で左右が非対称となる。波長変換素子１は、全体利得スペクトルＧＡＳのピークＰｇａｓ１の波長において、最も素子の感受率が高くなっている。よって、ピークＰｇａｓ１を入力光Ｐｉｎの波長と合わせておくことにより、入力光Ｐｉｎを最も効率よくキャリアに変換することができる。
【００７７】
図７は、図１の活性層２にバルク活性層を用いた場合に入力光Ｐｉｎが入射した後の波長とスペクトルとの関係を示した図である。
【００７８】
図７に示すように、光増幅領域５，６の利得スペクトルＧＳ１０（点線）は、図６の利得スペクトルＧＳ１と同様に、ピークＰｇｓ１において最高値をとり、左右がほぼ対称的となる。入力光Ｐｉｎが入射した後は、可飽和吸収領域４が飽和して光を透過させる状態となるので、可飽和吸収領域４の吸収スペクトルはゼロに保たれる。その結果、入力光Ｐｉｎが入射した後では、図７に示すように、利得スペクトルＧＳ１０のみが全体利得スペクトルに寄与し、波長ピークもＰｇａｓ１からＰｇｓ１にシフトする。
【００７９】
すなわち、入力光Ｐｉｎが入射した後における図７の（全体）利得スペクトルＧＳ１０の波長ピークは、入力光Ｐｉｎが入射する前における図６の光増幅領域５，６の利得スペクトルＧＳ１と同じくＰｇｓ１となる。このピークＰｇｓ１において発振波長を有する出力光Ｐｏｕｔの光パワーが最も大きくなる。つまり、ピークＰｇａｓ１を入力光Ｐｉｎの波長と合わせておき、ピークＰｇｓ１を出力光Ｐｏｕｔの波長と合わせておくことによって、活性層２がバルク活性層の波長変換素子１は、入力光Ｐｉｎの発振波長を効率よく出力光Ｐｏｕｔの発振波長に変換することができる。
【００８０】
図８は、図１の活性層２に量子井戸構造を用いた場合に入力光Ｐｉｎが入射する前の波長とスペクトルとの関係を示した図である。
【００８１】
図８に示すように、光増幅領域５，６の利得スペクトルＧＳ２（点線）は、ピークＰｇｓ２において最高値をとり、左右がほぼ対称的となる。可飽和吸収領域４の吸収スペクトルＡＳ２（破線）は、利得スペクトルＧＳ２のピークＰｇｓ２近辺から吸収率が低下してゼロに漸近する。利得スペクトルＧＳ２と吸収スペクトルＡＳ２とを合計した全体利得スペクトルＧＡＳ２（実線）は、ピークＰｇａｓ２において最高値をとり、吸収スペクトルＡＳ２の影響で左右が非対称となる。
【００８２】
図８では、活性層２に量子井戸構造を用いているため、図６のバルク活性層の場合と比べて、利得スペクトルＧＳ２および吸収スペクトルＡＳ２の幅が狭くなっている。その一方、図８の量子井戸構造では、ピーク波長Ｐｇｓ２とＰｇａｓ２とが区別できるほど明確に分かれて存在しており、効率のよい波長変換が可能となる。逆に、図６のバルク活性層では、図８と比べて、利得スペクトルＧＳ１および吸収スペクトルＡＳ１の幅が広がっており、かつピーク波長Ｐｇｓ１とＰｇａｓ１とは明確に分かれていない。そのため、図６のバルク活性層では、図８と比べて波長変換の効率は下がる。この発明の実施の形態では、図１の活性層２に量子井戸構造を用いている。
【００８３】
図９は、図１の活性層２に量子井戸構造を用いた場合に入力光Ｐｉｎが入射した後の波長とスペクトルとの関係を示した図である。
【００８４】
図９に示すように、光増幅領域５，６の利得スペクトルＧＳ２０（点線）は、図８の利得スペクトルＧＳ２と同様に、ピークＰｇｓ２において最高値をとり、左右がほぼ対称的となる。図７で説明したように、入力光Ｐｉｎが入射した後は、可飽和吸収領域４が飽和して光を透過させる状態となるので、可飽和吸収領域４の吸収スペクトルはゼロに保たれる。その結果、入力光Ｐｉｎが入射した後では、利得スペクトルＧＳ２０のみが全体利得スペクトルに寄与し、波長ピークもＰｇａｓ２からＰｇｓ２にシフトする。
【００８５】
すなわち、入力光Ｐｉｎが入射した後における図９の（全体）利得スペクトルＧＳ２０の波長ピークは、入力光Ｐｉｎが入射する前における図８の光増幅領域５，６の利得スペクトルＧＳ２と同じくＰｇｓ２となる。このピークＰｇｓ２において発振波長を有する出力光Ｐｏｕｔの光パワーが最も大きくなる。つまり、ピークＰｇａｓ２を入力光Ｐｉｎの波長と合わせておき、ピークＰｇｓ２を出力光Ｐｏｕｔの波長と合わせておくことによって、活性層２が量子井戸構造の波長変換素子１は、入力光Ｐｉｎの発振波長をより効率的に出力光Ｐｏｕｔの発振波長に変換することができる。
【００８６】
入力光Ｐｉｎおよび出力光Ｐｏｕｔで発振波長のピークを変えるには、波長変換素子１におけるヒステリシス形状を制御すればよい。ヒステリシス形状は、波長変換素子１への注入電流量、印加電圧、温度、不純物のドーピング量、接続抵抗知などのパラメータを変えて制御することができる。これにより、所望の波長変換効率が得られる。
【００８７】
以上のように、実施の形態１の波長変換素子１は、微弱な光信号Ｐ０を増幅させることで、大きい振幅および高い光強度を有し、所望の波長を有する出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。これにより、出力光Ｐｏｕｔを入力光Ｐｉｎから所望の波長に変換でき、Ｓ／Ｎ比も向上する。その結果、伝送路等に起因する出力光Ｐｏｕｔのビットエラーレートを低減することができる。
【００８８】
さらに、図１の波長変換素子１では、光増幅領域５，６と可飽和吸収領域４とで独立に電流を注入しているので、電流注入によってヒステリシスを制御できる。これにより、出力光Ｐｏｕｔの波長を所望の波長に調整したり、入力光Ｐｉｎの波長に可飽和吸収領域４の吸収スペクトルのピークを合わせて波長の変換効率を向上させたりできる。また、出力光Ｐｏｕｔの波長に光増幅領域５，６の利得スペクトルのピークに合わせて波長の変換効率を高めることができる。また、立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮを低くしてより低電流で駆動したり、出力光Ｐｏｕｔの振幅を調整したりできる。
【００８９】
なお、付加雑音光Ｐｎの代わりにクロック光または周期信号光を光信号Ｐ０に付加してヒステリシスの上部に移行させようとした場合、位相および周期が光信号Ｐ０と完全に同一か正確に倍数になっていて両者の最大値が同期しなければ、大きな振幅の出力光Ｐｏｕｔは得られない。よって、回路の熱雑音などで光信号Ｐ０の波形がゆらぐと、伝送路等に起因する雑音の低減効果は減少してしまう。
【００９０】
これに対し、ランダムな強度変化を持つ付加雑音光Ｐｎは様々な周波数成分を有するので、信号波形のゆらぎにも強くなり、伝送路等に起因するビットエラーレートの低減効果を維持できる。また、周期信号光よりも雑音光の方が消費電力が少なくて済む。
【００９１】
また、従来の双安定型波長変換素子のように、微弱な信号でもレーザを励起できるようにより大きな一定電流を注入するよりも、本願発明のように付加雑音光Ｐｎを発生させる方が消費電力が少なくて済む。
【００９２】
図１０は、付加雑音光Ｐｎの雑音強度を変化させたときの出力光Ｐｏｕｔのビットエラーレート（ＢＥＲ）を示した図である。
【００９３】
図１０に示すように、ＢＥＲは、最適な雑音強度Ｄｍにおいて最小となる。実施の形態１では、この最適な雑音強度Ｄｍを有する付加雑音光Ｐｎを光信号Ｐ０に付加している。これにより、適度な付加雑音光Ｐｎが微小な光信号Ｐ０をヒステリシスの上部に押し上げ、振幅が大きくＳ／Ｎ比が向上した出力光Ｐｏｕｔの発生を可能にしている。実施の形態１では、出力光ＰｏｕｔのＢＥＲが最小である最適な雑音強度Ｄｍを有するように、付加雑音光Ｐｎを調整している。
【００９４】
このように、実施の形態１の波長変換素子１を用いれば、素子の発振閾値以下にまで弱まった劣化した光信号Ｐ０も受信でき、入力光Ｐｉｎを所望の波長に変換でき、さらに、増幅して２値が強調された出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。これにより、出力光ＰｏｕｔのＳ／Ｎ比が向上し、所望の波長に変換されるとともに伝送路等に起因する雑音が低減された出力光Ｐｏｕｔを低電力で得ることができる。
【００９５】
また、回路雑音や熱によって生じる信号の揺らぎにも強い付加雑音光Ｐｎを用いるので、駆動時のパラメータ設定を広く取ることができる。これにより、伝送路等に起因する雑音の低減を容易に行なうことができ、その結果、出力光Ｐｏｕｔのビットエラーレートを低減することが可能となる。
【００９６】
なお、図１において、入射面７と出射面８とを別個に作らずとも、ビットエラーレートが低減された出力光Ｐｏｕｔを得ることは可能である。しかしながら、図１のように入射面７と出射面８とを作り分けた方が、入力光Ｐｉｎと出力光Ｐｏｕｔとをそれぞれ制御しやすく、光学系の光軸の調整も容易となるので望ましい。
【００９７】
また、図１において、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さは、約１０％でなくともビットエラーレートの低減効果を得ることは可能である。
【００９８】
しかし、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さの割合が小さくなると、それにともなって波長変換素子１の双安定状態が実現しにくくなる。特に、当該割合が１％未満で双安定状態の半導体素子を作製しようとすると、作製工程の手間や拡散材料の選定等が著しく困難となる。したがって、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さの割合は、１％以上であることが望ましい。
【００９９】
逆に、可飽和吸収領域４の共振器方向に占める長さの割合が大きくなると、ヒステリシスの形状を最適にするために注入電流を増やす必要が生じるので発振閾値も上昇する。特に、当該割合が５０％より大きくなると、消費電力が著しく増大し、その結果、発熱が大きくなる。さらに、ヒステリシスの形状が最適でない場合には、伝送路等に起因するビットエラーレートの低減効果が減少し、出力光Ｐｏｕｔの増幅も低減する。
【０１００】
これらの理由により、共振器方向における可飽和吸収領域４の長さの割合は、１％以上で、かつ５０％以下であることが望ましい。これにより、双安定状態を満足しやすくなり、かつ発振閾値を低くでき、またヒステリシスの形状も好適に決定できる。また、消費電力が少なくかつ少ない発熱で伝送路等に起因するビットエラーレートの低減効果を得やすくなり、さらに素子の作製条件を満たしやすくなるという利点がある。
【０１０１】
また、図１０を参照して、付加雑音光Ｐｎの強度は、ＢＥＲが最小である最適雑音強度Ｄｍとなるように調整されている。しかしながら、付加雑音光Ｐｎの強度はこれに限るものではなく、得られる出力光Ｐｏｕｔが、光通信で必要とされるＢＥＲの値を満たす範囲の雑音強度であればかまわない。その場合、付加雑音光Ｐｎの雑音強度が波長変換素子１の入力光Ｐｉｎの振幅の１／１０以下であれば、ビットエラーレートが低減された出力光Ｐｏｕｔが得られる。
【０１０２】
付加雑音光Ｐｎの強度が強すぎると、出力光Ｐｏｕｔの波形が崩れるので雑音の低減は起こらなくなる。少なくとも、付加雑音光Ｐｎの雑音強度ΔＰｎが光信号Ｐ０の振幅より大きい場合、光信号Ｐ０の波形および周期を再現できなくなるため、光信号Ｐ０の検出ができなくなる。これに対し、付加雑音光Ｐｎの雑音強度が入力光Ｐｉｎの振幅の１／１０以下であれば、さらに出力光Ｐｏｕｔの振幅を大きくでき、ＢＥＲの値を低減することができる。これにより、伝送路等に起因するビットエラーレートの低減効果を向上できるため、好ましい。
【０１０３】
なお、実施の形態１では付加雑音光Ｐｎとして白色雑音を用いたが、強度変化が非周期的でランダムであれば、白色雑音でなくともビットエラーレートの低減効果を得ることは可能である。
【０１０４】
また、図１では３つのｐ電極１０〜１２を設ける場合について説明したが、電極の数はこれに限るものではなく、２つ以上のｐ電極を用いた双安定状態を有する他の波長変換素子についても、同様に伝送路等に起因するビットエラーレートの低減効果を得ることが可能である。しかし、図１に示した波長変換素子１のように、２つの光増幅領域５，６を設け、それぞれに対応したｐ電極１１，１２を作る方が、入力光Ｐｉｎと出力光Ｐｏｕｔとをそれぞれ制御しやすくなるというメリットがある。
【０１０５】
また、図１において、光増幅領域５，６ではなく可飽和吸収領域４に付加雑音光Ｐｎを注入しても、波長変換効果を得ることができ、ビットエラーレートが低減された光出力を得ることができる。この場合、可飽和吸収領域４が飽和しやすくなるので光注入量の上限が低くなり、付加雑音光Ｐｎの雑音強度を好適に決定しづらくなるものの、可飽和吸収領域４への付加雑音光Ｐｎの注入によってヒステリシス形状を調整しやすくなる。
【０１０６】
また、付加雑音光Ｐｎは、光信号Ｐ０に付加してから波長変換素子１の光増幅領域５，６に注入せずとも、光信号Ｐ０とは独立に光増幅領域５，６に注入してもよい。その場合、回路が余分に必要になり光軸の調整を要するものの、雑音強度の調整がやりやすくなるという利点がある。
【０１０７】
また、波長変換素子１は、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体だけでなく、たとえば、ＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウム砒素）系、ＩｎＰ（インジウムリン）系、ＧａＩｎＮＡｓ（ガリウム窒化インジウム砒素）系、ＧａＮ（窒化ガリウム）系、またはＩＩ−ＶＩ系の半導体など、他の材料を用いた半導体レーザであってもよい。
【０１０８】
また、実施の形態１の波長変換素子１において、可飽和吸収領域４に逆バイアスを印加してキャリアを引き抜くことにより、キャリアの再結合寿命に制限されずに信号処理の応答を高速にすることも可能である。
【０１０９】
また、図１の波長変換素子１において、可飽和吸収領域４に電圧を印加する代わりに電流を注入しても、所望のヒステリシス形状および波長変換効果を得られる。この場合、可飽和吸収領域４に逆バイアスをかけてキャリアを引き抜くことができなくなるが、発振しきい値を調整しやすくなるという利点が得られる。
【０１１０】
また、波長変換素子１の活性層２のうち可飽和吸収領域４の部分には、キャリア寿命を調整するために不純物としてＳｉを添加しても構わない。この場合、Ｓｉの添加量を調節することによって発振波長域を変えることができるため、所望の発振波長域を得ることが可能である。
【０１１１】
また、光信号Ｐ０は２値信号としているが、ＮＲＺ（Non-Return to Zero）符号およびＲＺ（Return to Zero）符号のいずれを用いた信号でもよく、またその他の方式の信号であってもよい。
【０１１２】
また、波長変換素子１から出力される光出力Ｐｏｕｔを受光素子で受光してもよい。この場合、受光した光出力Ｐｏｕｔの一部を光電変換素子などで電気信号に変換して利用できるというメリットがある。さらに、波長変換素子１と上記の受光素子とを同一基板上に集積すれば、個別に配置するよりもコストダウンとなり、波長変換素子１と当該受光素子との光軸合わせを行なう必要もなくなる。
【０１１３】
以上のように、実施の形態１によれば、光信号Ｐ０に付加雑音光Ｐｎを印加した入力光Ｐｉｎを双安定状態の波長変換素子１に注入することによって、消費電力が低く、回路への負担が少なく、かつ雑音特性にも優れた出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。これにより、入力光Ｐｉｎを所望の波長に変換するとともに、伝送路等に起因した出力光Ｐｏｕｔの雑音を低減することができる。その結果、ビットエラーレートが低減された波長変換光を得ることが可能となる。
【０１１４】
（実施の形態１の変形例１）
実施の形態１における波長変換素子１の変形例である波長変換素子１Ａは、付加雑音光Ｐｎが付加雑音電流Ｉｎに置き換えられた点において、図１の波長変換素子１と異なる。したがって、図１等と重複する部分の説明はここでは繰り返さない。ここでは、非周期的でランダムな強度変化を持ち、光信号Ｐ０に対する雑音として波長変換素子１Ａの活性層２に注入される電流を「付加雑音電流」と称する。
【０１１５】
図１１，１２は、波長変換素子１Ａの活性層２への光信号Ｐ０およびｐ電極１１，１２を通じて付加される付加雑音電流Ｉｎについて説明するための図である。
【０１１６】
図１１は、波長変換素子１Ａに入射される光信号Ｐ０の時間波形を示す。図１１に示す光信号Ｐ０は、図２で説明したのと基本的に同一であり、波長変換素子１Ａの立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮ以下である。
【０１１７】
図１２は、波長変換素子１Ａに注入される付加雑音電流Ｉｎの時間波形を示す。付加雑音電流Ｉｎには、白色雑音が用いられている。付加雑音電流Ｉｎは、波長変換素子１Ａの電極１１，１２を通じて供給される電流とともに、光増幅領域５，６の活性層２へと注入される。
【０１１８】
付加雑音電流Ｉｎは、出力光Ｐｏｕｔがビットエラーレートの低減効果を得られるような電流値に適度に調整されている。以下では、付加雑音電流Ｉｎの電流値の最大値と最小値との差分を、付加雑音電流Ｉｎの最大振幅ΔＩｎと呼ぶ。
【０１１９】
図１０を参照して、ヒステリシスの立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮは、光信号Ｐ０の強度より高くなるように設定されている。そのため、光信号Ｐ０を活性層２に注入しただけでは、出力光Ｐｏｕｔは、図５（ａ）の入力光−光出力特性曲線上でヒステリシス下部Ａ１に留まり、ヒステリシス上部Ｂ１へと移行することはできない。
【０１２０】
光信号Ｐ０によって波長変換素子１Ａの活性層２に注入された光子には、付加雑音電流Ｉｎの注入により活性層２にキャリアが注入されて発生した光子が印加される。これにより、光増幅領域５，６の光子が増大し、出力光Ｐｏｕｔが立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮを越えやすくなる。
【０１２１】
このとき、付加雑音電流Ｉｎの変動に伴ってキャリアの増加量も変動する。したがって、付加雑音電流Ｉｎの最大振幅ΔＩｎを、光信号Ｐ０の「０」または「１」に応じて立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮが上下するように最適に調整することで、所望の波長を有し、大きい振幅を持ち、かつＳ／Ｎ比が向上した出力光Ｐｏｕｔが得られる。
【０１２２】
実施の形態１の変形例１では、付加雑音電流Ｉｎの最大振幅ΔＩｎを、ビットエラーレートの低減効果が最大に得られるよう最適に調整している。その結果、伝送路等に起因する雑音を大きく低減することができる。このとき、光信号Ｐ０は波長変換素子１Ａの立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮ以下で良いので、微弱な光信号Ｐ０であっても波長変換し増幅することができる。
【０１２３】
さらに、波長変換素子１Ａでは、光増幅領域５，６と可飽和吸収領域４とでそれぞれ独立に電流が注入されるので、電流注入によってヒステリシスを制御することができる。これにより、出力光Ｐｏｕｔの波長を好適に調整したり、立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮを低くしてより低電流で駆動したり、出力光Ｐｏｕｔの振幅を調整したりできる。
【０１２４】
なお、波長変換素子１Ａの光増幅領域５，６ではなく可飽和吸収領域４に付加雑音電流Ｉｎを注入しても、ビットエラーレートが低減された出力光Ｐｏｕｔを得ることは可能である。この場合、可飽和吸収領域４が飽和しやすくなるので注入できる電流値の上限が低くなり、付加雑音電流Ｉｎの最大振幅ΔＩｎを好適に決定しづらいものの、可飽和吸収領域４への付加雑音電流Ｉｎの注入によってヒステリシス形状を調整しやすくなる。
【０１２５】
可飽和吸収領域４への付加雑音電流Ｉｎの注入量に応じて、波長変換素子１Ａの閾値ＰｔｈＯＮまたはＰｔｈＯＦＦを変動させ調整することができる。したがって、付加雑音電流Ｉｎの最大振幅ΔＩｎを、光信号Ｐ０の「０」または「１」に応じて立ち上がり閾値ＰｔｈＯＮが上下するように最適に調整することで、大きい振幅を持ち、所望の波長に変換され、かつＳ／Ｎ比が向上した出力光Ｐｏｕｔが得られる。
【０１２６】
なお、付加雑音電流Ｉｎとして白色雑音を用いたが、強度変化が非周期的でランダムであれば、白色雑音でなくともビットエラーレートの低減効果を得ることは可能である。
【０１２７】
以上のように、実施の形態１の変形例１によれば、付加雑音光Ｐｎの代わりに、付加雑音電流Ｉｎを波長変換素子１Ａの活性層２へと注入することにより、所望の波長を有し、振幅が増幅され、Ｓ／Ｎ比が向上された出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。
【０１２８】
（実施の形態１の変形例２）
実施の形態１における波長変換素子１の他の変形例である波長変換素子１Ｂは、双安定状態の半導体素子とは入出力特性の異なる非線形の半導体光素子が用いられている点において、図１の波長変換素子１と異なる。したがって、図１等と重複する部分の説明はここでは繰り返さない。波長変換素子１Ｂは、たとえばＩｎＧａＡｓＰ系化合物半導体によって作製されている。
【０１２９】
図１３は、波長変換素子１Ｂの入力光Ｐｉｎと出力光Ｐｏｕｔとの入出力特性の一例を示した図である。
【０１３０】
図１３に示すように、波長変換素子１Ｂは、一例として、不連続性を有する入出力特性を示す。波長変換素子１Ｂの活性層２に電流または光を注入していくと、しきい値Ｐｔｈで光出力Ｐｏｕｔの強度が急峻に立上がる。図１３の不連続特性において、立ち上がり前の下部Ｃ１および立ち上がり後の上部Ｄ１を利用することにより、入力光Ｐｉｎと出力光Ｐｏｕｔとで波長を変換することができる。
【０１３１】
なお、上記のような入出力特性の不連続性を有する波長変換素子１Ｂは、たとえば、光増幅領域５，６に対する可飽和吸収領域４の体積比を図１の波長変換素子１よりも小さくするか、一般的な双安定半導体レーザの可飽和吸収領域に適度な電流を注入することによって得られる。
【０１３２】
以上のように、実施の形態１の変形例２によれば、ヒステリシスを持たず不連続な入出力特性を有する波長変換素子１Ｂにおいて、入出力特性の立ち上がり前の下部Ｃ１および立ち上がり後の上部Ｄ１を利用することにより、入力光Ｐｉｎと出力光Ｐｏｕｔとで波長を変換することができる。これにより、変形例２の波長変換素子１Ｂにも、双安定半導体レーザを用いた実施の形態１の波長変換素子１と同様の機能を持たせることができ、入力光Ｐｉｎの波長変換、Ｓ／Ｎ比の向上、波形整形などの効果が得られる。なお、実施の形態１の変形例２は、実施の形態１の変形例１および以下で説明する実施の形態２およびその変形例にも適用することが可能である。
【０１３３】
［実施の形態２］
図１４は、この発明の実施の形態２による波長変換素子駆動装置２０の概略的な構成を示した図である。
【０１３４】
図１４を参照して、実施の形態２の波長変換素子駆動装置２０は、波長変換モジュール２１と、フィードバック制御回路２２と、温度制御回路２３と、可変抵抗制御部２４と、可変抵抗２５と、確率共鳴制御回路２６と、電流供給部２７と、電圧制御回路２８と、電圧供給部２９とを備える。可変抵抗２５は、位相を含めて制御可能な可変インピーダンス素子であってもよい。
【０１３５】
波長変換モジュール２１は、実施の形態１で説明した波長変換素子１と、温度制御機構３０と、ベース３１，３２，４２と、光電変換素子３３とを含む。波長変換モジュール２１は、入射される入力光Ｐｉｎを受けて内部で処理し、受信信号Ｓｒ、受信電流Ｉｒ１，Ｉｒ２などを出力する。
【０１３６】
温度制御機構３０は、波長変換モジュール２１に備え付けられており、たとえばペルチェクーラーおよびサーミスタから構成されている。温度制御機構３０にペルチェクーラーが用いられていると、昇温および冷却の両方が行なえるので、外部の環境温度に関わらず波長変換素子１の温度を安定的に調整することができる。
【０１３７】
波長変換素子１は、光増幅領域３４，３６と可飽和吸収領域３５とを含む活性層４３と、ｐ電極３７〜３９と、クラッド層４０，４４と、ｎ電極４１とを含む。活性層４３は、量子井戸構造を有する。
【０１３８】
ｐ電極３７，３９は、それぞれ光増幅領域３４，３６に対応するようにクラッド層４４上に形成されている。ｐ電極３７，３９は、電流供給部２７から出力される付加雑音電流Ｉｎを受ける。ｐ電極３８は、可飽和吸収領域３５に対応するようにクラッド層４４上に形成されている。ｐ電極３８は、可変抵抗２５に接続されており、電圧供給部２９から電圧が印加される。ｎ電極４１は、クラッド層４０とベース４２との間に設けられている。ｎ電極４１は、電圧供給部２９から電圧が印加されるとともに、接地ノードに接続されている。
【０１３９】
フィードバック制御回路２２は、波長変換モジュール２１の光電変換素子３３から出力される受信電流Ｉｒ１を受けて、温度制御回路２３および可変抵抗制御部２４に制御信号を出力する。温度制御回路２３は、フィードバック制御回路２２からの制御信号を受けて、温度制御機構３０に温度情報を出力する。温度制御機構３０は、温度制御回路２３からの温度情報に基づいて、波長変換モジュール２１内の温度を制御する。
【０１４０】
可変抵抗制御部２４は、フィードバック制御回路２２からの制御信号に従って、波長変換素子１のｐ電極３８に接続されている可変抵抗２５の抵抗値を調整する。確率共鳴制御回路２６は、光電変換素子３３から出力される受信電流Ｉｒ２を受けて、電流供給部２７に制御信号を出力する。電流供給部２７は、確率共鳴制御回路２６からの制御信号に従って、雑音を含む電流を波長変換素子１のｐ電極３７，３９に供給する。電圧制御回路２８は、フィードバック制御回路２２からの制御信号に基づいて、電圧供給部２９に制御信号を出力する。電圧供給部２９は、電圧制御回路２８からの制御信号に従って、可変抵抗２５を介してまたは直接に波長変換素子１のｐ電極３８に電圧を印加する。
【０１４１】
温度制御回路２３は、温度制御機構３０に接続されている。温度制御機構３０上に、ベース３１が設けられている。ベース３２，４２は、ベース３１上に設けられている。波長変換素子１は、ベース４２上に搭載されている。光電変換素子３３は、ベース３２に取り付けられている。
【０１４２】
次に、波長変換素子駆動装置２０の動作およびこれを用いた波長変換素子１の駆動方法について説明する。
【０１４３】
波長変換素子駆動装置２０の波長変換素子１は、光増幅領域３４において入力光Ｐｉｎを受け、ｐ電極３７，３９からの制御に応じて、光増幅領域３６から出力光Ｐｏｕｔを出射する。入力光Ｐｉｎは、「１」または「０」の２値からなり、伝送路等に起因する雑音によって一般に劣化している。
【０１４４】
フィードバック制御回路２２は、光電変換素子３３を介して出力光Ｐｏｕｔの状態をモニターしている。フィードバック制御回路２２は、波長変換素子１の入出力特性を調整するための制御信号を、温度制御回路２３、可変抵抗制御部２４および電圧制御回路２８ににそれぞれ出力する。なお、波長変換素子１の入出力特性は、図５に示されている特性と基本的には同じである。
【０１４５】
フィードバック制御回路２２には、可変抵抗２５の抵抗値および温度制御機構３０の検出温度などの駆動条件に応じた波長変換素子１の入出力特性のデータが予め入力されている。フィードバック制御回路２２は、当該入力データに基づいて、波長変換素子１の入出力特性のヒステリシスが所望の形状となるように、温度制御回路２３での温度および可変抵抗制御部２４での抵抗値を算出する。
【０１４６】
温度制御回路２３は、フィードバック制御回路２２からの制御信号に従って、温度制御機構３０の温度を制御する。温度制御機構３０は、温度制御回路２３からの制御信号に基づいて波長変換素子１の温度を上下させる。
【０１４７】
波長変換素子１に含まれる半導体利得物質は一般に温度に敏感であるため、波長変換素子１の入出力特性も一般に温度に敏感である。そのため、波長変換素子１を温度制御することによって、波長変換素子１における入出力特性のヒステリシス形状を制御することができる。この波長変換素子１の温度特性により、波長変換素子駆動素子２０は、小さい温度変化でも上記のヒステリシス形状を変化させることができる。そのため、制御に時間がかからず、消費電力も少なくて済む。
【０１４８】
一般に、半導体レーザは、動作温度が高くなると発振波長が長くなる。また、半導体レーザの発振波長は、注入電流または印加電圧によっても制御可能である。よって、波長変換素子駆動装置２０は、波長変換素子１の出力波長を温度または電流で変化させ、ヒステリシス形状を抵抗値、印加電圧または注入電流で調整することにより、波長変換素子１の発振波長を制御することができる。
【０１４９】
可変抵抗制御部２４は、フィードバック制御回路２２からの制御信号に従って、波長変換素子１の所望の入出力特性が得られるように可変抵抗２５の抵抗値を調整する。波長変換素子１は、可変抵抗２５の抵抗値の増減によって、可飽和吸収領域３５からの電流値が増減する。これにより、可飽和吸収領域３５内のキャリア量が変化するので、光吸収効果を制御できる。よって、波長変換素子駆動装置２０は、可変抵抗２５の値によっても波長変換素子１の入出力特性のヒステリシス形状を制御することができる。
【０１５０】
電圧制御回路２８は、フィードバック制御回路２２からの制御信号に従って、電圧供給部２９を制御する。電圧供給部２９は、電圧制御回路２８からの制御信号に基づいて、波長変換素子１に印加する電圧値を上下させる。波長変換素子駆動装置２０は、電圧制御回路２８および電圧供給部２９を用いて波長変換素子１に与える電圧値を制御することで、波長変換素子１の立ち上がりしきい値および／または立下がりしきい値を上下させることができる。これにより、波長変換素子１に入射する入力光Ｐｉｎの平均光強度が大きく変化した場合にも対応できる。
【０１５１】
上記のように、実施の形態２の波長変換素子駆動装置２０は、電流制御に加えて、温度制御、可変抵抗値制御および電圧制御によって、波長変換素子１のヒステリシス形状を調整している。波長変換素子駆動装置２０は、波長変換を制御し所望の波長を幅広く得るとともに確率共鳴効果を得るために、波長変換素子１のヒステリシス形状を調整して入出力特性を最適化する。
【０１５２】
確率共鳴制御回路２６は、光電変換素子３３を介して出力光Ｐｏｕｔの状態をモニターしている。確率共鳴制御回路２６は、波長変換素子１の入出力特性を調整するための制御信号を電流供給部２７に出力する。
【０１５３】
電流供給部２７は、確率共鳴制御回路２６からの制御信号に従って、雑音を含む電流をｐ電極３７，３９を介して波長変換素子１に注入する。この付加雑音電流Ｉｎは、確率共鳴効果によって振幅が増幅されビットエラーレートが低減された出力光Ｐｏｕｔが得られるように雑音が調整された電流である。
【０１５４】
よって、実施の形態２の波長変換素子駆動装置２０は、確率共鳴による入力光Ｐｉｎの波長変換および波形整形を行なうのに最適なヒステリシス形状の入出力特性で波長変換素子１を作動させることが可能となる。波長変換素子１によって波長変換および波形整形された出力光Ｐｏｕｔは、光電変換素子３３で検出される。これにより、波長変換素子駆動装置２０の波長変換モジュール２１は、通常の受信器では検出できないような微弱な信号を検知できる受信器としても機能する。
【０１５５】
なお、図１４のようなｐ電極３７〜３９およびｎ電極４１の構成は一例であって、光増幅領域３４，３６と可飽和吸収領域３５とに対して独立に電流を注入できるのであれば、ｐ電極３７〜３９およびｎ電極４１はどのように分割されていても構わない。また、ｐ電極３７〜３９からの制御および入力光Ｐｉｎに応じて出力光Ｐｏｕｔを出射できるのであれば、出力光Ｐｏｕｔが光増幅領域３４または可飽和吸収領域３５から出射されても構わない。
【０１５６】
さらに、可飽和吸収領域３５の体積比が活性層４３全体の５０％以上になると波長変換素子１の消費電力が増大するので、可飽和吸収領域３５の活性層４３に対する体積比は、できれば５０％以下が望ましい。
【０１５７】
上記のように、実施の形態２の波長変換素子駆動装置２０は、温度、電圧および電流の制御、および可飽和吸収領域３５に対して設けられたｐ電極３８に接続されている可変抵抗２５の抵抗値制御によって、波長変換素子１の入出力特性を調整している。
【０１５８】
波長変換素子駆動装置２０は、温度制御回路２３、可変抵抗制御部２４、確率共鳴制御回路２６、電圧制御回路２８などからヒステリシスの形状を迅速に精度よく制御することによって、波長変換素子１の動作条件を精密に調整することができる。したがって、波長変換素子駆動装置２０は、波長変換効果および確率共鳴効果を得るために最適化された波長変換素子１およびこれを含む波長変換モジュール２１を駆動することができる。
【０１５９】
実施の形態２では、光電変換素子３３からの受信信号Ｓｒの一部を受信電流Ｉｒ１としてフィードバック制御回路２２に出力している。そのため、実施の形態２の波長変換素子駆動装置２０は、波長変換素子１の出力光Ｐｏｕｔの状態をモニターしながら、波長変換素子１の入出力特性を変化させたり安定化させたりすることができる。これにより、波長変換素子１の出力光Ｐｏｕｔが所望の波長および確率共鳴効果を得られる最適なヒステリシス形状を有するように出力光Ｐｏｕｔを調整しやすくなる。
【０１６０】
また、波長変換素子駆動装置２０において、フィードバック制御回路２２、温度制御回路２３、可変抵抗制御部２４、確率共鳴制御回路２６、電圧制御回路２８などの制御回路（制御部）を、波長変換モジュール２１の外側に接続するのではなく内部に集積してモジュールとして一体化してもよい。この場合、利用者が上記の制御回路の個別に調整をせずに済むので、波長変換素子駆動装置２０の利用が簡単になる。
【０１６１】
また、実施の形態２では、波長変換モジュール２１の全体を温度制御機構３０で温度調整しているが、波長変換素子１のみを温度調整するようにしても構わない。しかし、波長変換モジュール２１全体の温度を調整した方が、一体構成となってコンパクトであり、温度制御も一括して行なえるという利点がある。
【０１６２】
また、波長変換素子駆動装置２０において、温度、抵抗値、電圧および雑音電流の強度を調整することにより、最適なパラメータの算出がやや複雑にはなるものの、波長変換素子１の入出力特性のヒステリシスをより最適な形状に精度よく制御できるという利点がある。また、ヒステリシスの立ち上がりしきい値を細かく上下させて低電流で駆動したり、出力光Ｐｏｕｔの振幅をより精密に調整したりできるという利点もある。
【０１６３】
また、波長変換素子駆動装置２０において、可飽和吸収領域３５に逆バイアスを印加してキャリアを引き抜くことにより、キャリア寿命に制限されずに信号処理の応答を高速にすることも可能である。
【０１６４】
なお、実施の形態２の波長変換素子駆動装置２０では、可飽和吸収領域３５に電圧を印加する代わりに電流を注入しても、波長変換素子１のヒステリシス形状を制御でき、波長変換効果が得られる。この場合、上述したように逆バイアスをかけてキャリアを引き抜いて応答速度を向上させることはできなくなるが、波長変換素子１の発振しきい値を調整しやすくなるという利点がある。
【０１６５】
以上のように、実施の形態２によれば、温度、抵抗値、電流、電圧などを介して波長変換素子１の入出力特性のヒステリシス形状を精度よく制御することにより、入力光Ｐｉｎを所望の波長に変換したり、確率共鳴効果を利用した出力光Ｐｏｕｔの劣化を補償したりすることができる。これにより、光増幅および波形整形を行なうために最適な双安定半導体レーザの入出力特性を得ることができる。
【０１６６】
（実施の形態２の変形例１）
実施の形態２における波長変換素子駆動装置２０の変形例である波長変換素子駆動装置２０Ａは、波長変換素子１に供給される付加雑音電流Ｉｎが実施の形態１と同様の付加雑音光Ｐｎに置き換えられた点において、図１４の波長変換素子駆動装置２０と異なる。したがって、図１４と重複する部分の説明はここでは繰り返さない。
【０１６７】
波長変換素子駆動装置２０Ａにおいても、入力光Ｐｉｎの波長を所望の波長に変換し、出力光Ｐｏｕｔの劣化を補償して増幅することで、ビットエラーレートが低減された出力光Ｐｏｕｔが得られる。この場合、確率共鳴制御回路２６からの制御電流によって雑音光を発生させる光源が必要になるが、波長変換素子１の入力光Ｐｉｎの強度とヒステリシスのしきい値との関係を制御しやすくなるという利点がある。
【０１６８】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１６９】
【図１】この発明の実施の形態１による波長変換素子１の共振器側面の概略的な構成を示した断面図である。
【図２】「１」または「０」の２値を持つ劣化した光信号Ｐ０の時間波形を示した波形図である。
【図３】光信号Ｐ０に付加される付加雑音光Ｐｎの時間波形を示した波形図である。
【図４】図２の光信号Ｐ０に図３の付加雑音光Ｐｎを付加した入力光Ｐｉｎの時間波形を示した波形図である。
【図５】この発明の実施の形態１における波長変換素子１の動作特性を説明するための図である。
【図６】図１の活性層２にバルク活性層を用いた場合に入力光Ｐｉｎが入射する前の波長とスペクトルとの関係を示した図である。
【図７】図１の活性層２にバルク活性層を用いた場合に入力光Ｐｉｎが入射した後の波長とスペクトルとの関係を示した図である。
【図８】図１の活性層２に量子井戸構造を用いた場合に入力光Ｐｉｎが入射する前の波長とスペクトルとの関係を示した図である。
【図９】図１の活性層２に量子井戸構造を用いた場合に入力光Ｐｉｎが入射した後の波長とスペクトルとの関係を示した図である。
【図１０】付加雑音光Ｐｎの雑音強度を変化させたときの出力光Ｐｏｕｔのビットエラーレート（ＢＥＲ）を示した図である。
【図１１】波長変換素子１Ａに入射される光信号Ｐ０の時間波形を示した波形図である。
【図１２】波長変換素子１Ａに注入される付加雑音電流Ｉｎの時間波形を示した波形図である。
【図１３】波長変換素子１Ｂの入力光Ｐｉｎと出力光Ｐｏｕｔとの入出力特性の一例を示した図である。
【図１４】この発明の実施の形態２による波長変換素子駆動装置２０の概略的な構成を示した図である。
【図１５】従来の双安定型半導体波長変換素子６０の構造を示した断面図である。
【図１６】図１５の双安定型半導体波長変換素子６０における入力光ＰＩＮと出力光ＰＯＵＴとの入出力特性曲線を示した図である。
【図１７】従来の波長変換素子７０の構造を示した断面図である。
【符号の説明】
【０１７０】
１，１Ａ，１Ｂ，７０ 波長変換素子、２，４３，６１ａ，６１ｂ，８０ 活性層、４，３５，６２，７６ 可飽和吸収領域、５，６，３４，３６ 光増幅領域、７ 入射面、８ 出射面、９ ｎ型ＩｎＰ基板、１０〜１２，３７〜３９，６５〜６８，７１，７２ ｐ電極、１３ ｐ型ＩｎＰクラッド層、１４ ｎ型ＩｎＰクラッド層、１５，４１，７９，８１ ｎ電極、２０，２０Ａ 波長変換素子駆動装置、２１ 波長変換モジュール、２２ フィードバック制御回路、２３ 温度制御回路、２４ 可変抵抗制御部、２５ 可変抵抗、２６ 確率共鳴制御回路、２７ 電流供給部、２８ 電圧制御回路、２９ 電圧供給部、３０ 温度制御機構、３１，３２，４２ ベース、３３ 光電変換素子、４０，４４ クラッド層、６０ 双安定型半導体波長変換素子、６３ 光ガイド層、６４ 分布ブラッグ反射型回折格子、６９，７４，７７，８２ クラッド層、７３ ｐ型キャップ層７３、７５ 活性領域、７８ ｎ型基板。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号の波長を変換する波長変換素子であって、
光増幅領域および可飽和吸収領域を含む活性層と、
電流が注入されおよび／または電圧が印加される第１の極性の電極と、
前記第１の極性の電極に対して設けられる第２の電極とを備え、
前記第１の極性の電極および前記第２の極性の電極の少なくとも一方は、前記光増幅領域と前記可飽和吸収領域とに対して独立に電流を注入できるように分割され、
前記光増幅領域に注入される注入電流の強度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整され、
前記可飽和吸収領域に印加される印加電圧の強度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整され、
前記活性層は、前記光信号を含む入力光を受けて、前記入力光の波長が変換され振幅が増幅された出力光を出射する、波長変換素子。
【請求項２】
前記入力光に付加される雑音光が前記光増幅領域および前記可飽和吸収領域の少なくとも一方に入射され、前記雑音光の強度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項３】
前記雑音光の最大値と最小値との差は、前記光信号の振幅の１／１０以下である、請求項２に記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記雑音光は、ランダムな強度変換を有する、請求項２に記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記第１の極性の電極を通じて雑音電流が前記光増幅領域および前記可飽和吸収領域の少なくとも一方に注入され、前記雑音電流の強度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項６】
前記雑音電流の最大値と最小値との差は、前記注入電流の振幅の１／１０以下である、請求項５に記載の波長変換素子。
【請求項７】
前記雑音電流は、ランダムな強度変換を有する、請求項５に記載の波長変換素子。
【請求項８】
前記光増幅領域の利得スペクトルと前記可飽和吸収領域の吸収スペクトルとを合計した全体利得スペクトルを前記入力光の波長と合わせ、前記光増幅領域の利得スペクトルを前記出力光の波長と合わせるように、前記光増幅領域に注入される注入電流の強度が調整される、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項９】
前記光増幅領域の利得スペクトルと前記可飽和吸収領域の吸収スペクトルとを合計した全体利得スペクトルを前記入力光の波長と合わせ、前記光増幅領域の利得スペクトルを前記出力光の波長と合わせるように、前記可飽和吸収領域に印加される印加電圧の強度が調整される、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項１０】
前記活性層は、量子井戸構造を有する、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項１１】
前記光増幅領域および前記可飽和吸収領域の少なくとも一方に不純物が添加され、前記不純物の濃度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項１２】
前記波長変換素子は、入出力特性がヒステリシスを示す双安定半導体レーザである、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項１３】
前記波長変換素子は、入出力特性が不連続性を示す半導体レーザである、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項１４】
前記光増幅領域は、前記可飽和吸収領域の両側にそれぞれ配置される第１および第２の光増幅領域を含み、
前記第１および第２の光増幅領域の一方の端面から前記光信号が入射され、前記第１および第２の光増幅領域の他方の端面から前記出力光が出射される、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項１５】
前記可飽和吸収領域の共振器方向に占める長さの割合は、１％以上であり、かつ５０％未満である、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項１６】
入力光を含む入力信号を受けて波長が変換された出力光を出力する波長変換素子を駆動する波長変換素子駆動装置であって、
請求項１〜１５のいずれかに記載の前記波長変換素子と、前記出力光を検出して受信信号を出力する光電変換素子とを含む波長変換モジュールと、
前記受信信号を受けて、前記波長変換素子の入出力特性を調整するための制御信号を出力するフィードバック制御回路とを備える、波長変換素子駆動装置。
【請求項１７】
前記フィードバック制御回路からの制御信号に従って前記波長変換素子の温度を制御する温度制御回路をさらに備え、
前記波長変換モジュールは、前記温度制御回路からの制御信号を受けて前記波長変換素子を含む前記波長変換モジュールの温度を調整する温度制御機構をさらに含む、請求項１６に記載の波長変換素子駆動装置。
【請求項１８】
前記温度制御機構は、前記波長変換素子の温度を検知し、該温度検知信号を前記フィードバック制御回路に出力するサーミスタを有する、請求項１７に記載の波長変換素子駆動装置。
【請求項１９】
前記温度制御機構は、前記温度制御回路からの制御信号を受けて、前記波長変換素子を昇温または冷却させるペルチェクーラーを有する、請求項１７に記載の波長変換素子駆動装置。
【請求項２０】
前記波長変換素子に接続されている可変抵抗と、
前記フィードバック制御回路からの制御信号に従って前記可変抵抗の抵抗値を制御する可変抵抗制御部とをさらに備える、請求項１６に記載の波長変換素子駆動装置。
【請求項２１】
前記フィードバック制御回路は、前記波長変換素子の可飽和吸収領域から流れる電流を前記可変抵抗を介してモニターする、請求項２０に記載の波長変換素子駆動装置。
【請求項２２】
前記受信信号を受けて、確率共鳴効果が得られるように雑音が付加された電流を前記波長変換素子に供給するための制御信号を出力する確率共鳴制御回路と、
前記確率共鳴制御回路からの制御信号を受けて、前記波長変換素子の入出力特性を調整するための電流を前記波長変換素子に供給する電流供給部とをさらに備える、請求項１６に記載の波長変換素子駆動装置。
【請求項２３】
前記波長変換素子の入出力特性を調整するための光を前記波長変換素子に供給するための光源をさらに備える、請求項１６に記載の波長変換素子駆動装置。
【請求項２４】
前記光源は、前記受信信号を受けて、確率共鳴効果が得られるように雑音が付加された光を前記波長変換素子に供給する、請求項２３に記載の波長変換素子駆動装置。
【請求項２５】
前記フィードバック制御回路からの制御信号に基づいて、前記波長変換素子の可飽和吸収領域に印加される電圧を制御する電圧制御回路と、
前記電圧制御回路からの制御信号に従って前記波長変換素子に電圧を供給する電圧供給部とをさらに備える、請求項１６に記載の波長変換素子駆動装置。
【請求項２６】
前記受信信号に基づいて、前記入力光が前記波長変換素子の立ち上がりしきい値および立下がりしきい値を上下するように調整された電流を前記波長変換素子に供給する電流供給部をさらに備える、請求項１６に記載の波長変換素子駆動装置。
【請求項２７】
前記光電変換素子は、前記波長変換モジュールと同一基板上に集積化されている、請求項１６に記載の波長変換素子駆動装置。
【請求項１】
光信号の波長を変換する波長変換素子であって、
光増幅領域および可飽和吸収領域を含む活性層と、
電流が注入されおよび／または電圧が印加される第１の極性の電極と、
前記第１の極性の電極に対して設けられる第２の電極とを備え、
前記第１の極性の電極および前記第２の極性の電極の少なくとも一方は、前記光増幅領域と前記可飽和吸収領域とに対して独立に電流を注入できるように分割され、
前記光増幅領域に注入される注入電流の強度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整され、
前記可飽和吸収領域に印加される印加電圧の強度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整され、
前記活性層は、前記光信号を含む入力光を受けて、前記入力光の波長が変換され振幅が増幅された出力光を出射する、波長変換素子。
【請求項２】
前記入力光に付加される雑音光が前記光増幅領域および前記可飽和吸収領域の少なくとも一方に入射され、前記雑音光の強度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項３】
前記雑音光の最大値と最小値との差は、前記光信号の振幅の１／１０以下である、請求項２に記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記雑音光は、ランダムな強度変換を有する、請求項２に記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記第１の極性の電極を通じて雑音電流が前記光増幅領域および前記可飽和吸収領域の少なくとも一方に注入され、前記雑音電流の強度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項６】
前記雑音電流の最大値と最小値との差は、前記注入電流の振幅の１／１０以下である、請求項５に記載の波長変換素子。
【請求項７】
前記雑音電流は、ランダムな強度変換を有する、請求項５に記載の波長変換素子。
【請求項８】
前記光増幅領域の利得スペクトルと前記可飽和吸収領域の吸収スペクトルとを合計した全体利得スペクトルを前記入力光の波長と合わせ、前記光増幅領域の利得スペクトルを前記出力光の波長と合わせるように、前記光増幅領域に注入される注入電流の強度が調整される、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項９】
前記光増幅領域の利得スペクトルと前記可飽和吸収領域の吸収スペクトルとを合計した全体利得スペクトルを前記入力光の波長と合わせ、前記光増幅領域の利得スペクトルを前記出力光の波長と合わせるように、前記可飽和吸収領域に印加される印加電圧の強度が調整される、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項１０】
前記活性層は、量子井戸構造を有する、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項１１】
前記光増幅領域および前記可飽和吸収領域の少なくとも一方に不純物が添加され、前記不純物の濃度は、前記出力光の振幅が増大し前記光信号のビットエラーレートが低減するように調整される、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項１２】
前記波長変換素子は、入出力特性がヒステリシスを示す双安定半導体レーザである、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項１３】
前記波長変換素子は、入出力特性が不連続性を示す半導体レーザである、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項１４】
前記光増幅領域は、前記可飽和吸収領域の両側にそれぞれ配置される第１および第２の光増幅領域を含み、
前記第１および第２の光増幅領域の一方の端面から前記光信号が入射され、前記第１および第２の光増幅領域の他方の端面から前記出力光が出射される、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項１５】
前記可飽和吸収領域の共振器方向に占める長さの割合は、１％以上であり、かつ５０％未満である、請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項１６】
入力光を含む入力信号を受けて波長が変換された出力光を出力する波長変換素子を駆動する波長変換素子駆動装置であって、
請求項１〜１５のいずれかに記載の前記波長変換素子と、前記出力光を検出して受信信号を出力する光電変換素子とを含む波長変換モジュールと、
前記受信信号を受けて、前記波長変換素子の入出力特性を調整するための制御信号を出力するフィードバック制御回路とを備える、波長変換素子駆動装置。
【請求項１７】
前記フィードバック制御回路からの制御信号に従って前記波長変換素子の温度を制御する温度制御回路をさらに備え、
前記波長変換モジュールは、前記温度制御回路からの制御信号を受けて前記波長変換素子を含む前記波長変換モジュールの温度を調整する温度制御機構をさらに含む、請求項１６に記載の波長変換素子駆動装置。
【請求項１８】
前記温度制御機構は、前記波長変換素子の温度を検知し、該温度検知信号を前記フィードバック制御回路に出力するサーミスタを有する、請求項１７に記載の波長変換素子駆動装置。
【請求項１９】
前記温度制御機構は、前記温度制御回路からの制御信号を受けて、前記波長変換素子を昇温または冷却させるペルチェクーラーを有する、請求項１７に記載の波長変換素子駆動装置。
【請求項２０】
前記波長変換素子に接続されている可変抵抗と、
前記フィードバック制御回路からの制御信号に従って前記可変抵抗の抵抗値を制御する可変抵抗制御部とをさらに備える、請求項１６に記載の波長変換素子駆動装置。
【請求項２１】
前記フィードバック制御回路は、前記波長変換素子の可飽和吸収領域から流れる電流を前記可変抵抗を介してモニターする、請求項２０に記載の波長変換素子駆動装置。
【請求項２２】
前記受信信号を受けて、確率共鳴効果が得られるように雑音が付加された電流を前記波長変換素子に供給するための制御信号を出力する確率共鳴制御回路と、
前記確率共鳴制御回路からの制御信号を受けて、前記波長変換素子の入出力特性を調整するための電流を前記波長変換素子に供給する電流供給部とをさらに備える、請求項１６に記載の波長変換素子駆動装置。
【請求項２３】
前記波長変換素子の入出力特性を調整するための光を前記波長変換素子に供給するための光源をさらに備える、請求項１６に記載の波長変換素子駆動装置。
【請求項２４】
前記光源は、前記受信信号を受けて、確率共鳴効果が得られるように雑音が付加された光を前記波長変換素子に供給する、請求項２３に記載の波長変換素子駆動装置。
【請求項２５】
前記フィードバック制御回路からの制御信号に基づいて、前記波長変換素子の可飽和吸収領域に印加される電圧を制御する電圧制御回路と、
前記電圧制御回路からの制御信号に従って前記波長変換素子に電圧を供給する電圧供給部とをさらに備える、請求項１６に記載の波長変換素子駆動装置。
【請求項２６】
前記受信信号に基づいて、前記入力光が前記波長変換素子の立ち上がりしきい値および立下がりしきい値を上下するように調整された電流を前記波長変換素子に供給する電流供給部をさらに備える、請求項１６に記載の波長変換素子駆動装置。
【請求項２７】
前記光電変換素子は、前記波長変換モジュールと同一基板上に集積化されている、請求項１６に記載の波長変換素子駆動装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２００８−１５３６０（Ｐ２００８−１５３６０Ａ）
【公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１８８３９８（Ｐ２００６−１８８３９８）
【出願日】平成１８年７月７日（２００６．７．７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月７日（２００６．７．７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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