波長変換装置
【課題】光通信システムにおいて、光信号の波長変換に適する、小型で集積可能であり、ＡＳＥ光の混入や光フィルタによるＳ／Ｎ劣化の少ない波長変換装置を提供する。
【解決手段】サブバンド間遷移により屈折率が変化するサブバンド間遷移光半導体素子を備える装置であって、サブバンド間遷移吸収を生じるＴＭ偏波を有する入力信号光と、第一の励起光とを、サブバンド間遷移光半導体素子１５に入射して吸収させるとともに、サブバンド間遷移吸収を生じないＴＥ偏波を有する第二の励起光をサブバンド間遷移光半導体素子１５に伝搬させ、サブバンド間遷移光半導体素子１５の出力端から波長の変換された出力信号光を取り出す。出力信号光は、入力信号光の強度情報と位相情報を有する。また、マッハツェンダー干渉計のそれぞれのアームにサブバンド間遷移光半導体素子を配置することにより励起光と波長変換された出力信号光とを分離することができる。
【解決手段】サブバンド間遷移により屈折率が変化するサブバンド間遷移光半導体素子を備える装置であって、サブバンド間遷移吸収を生じるＴＭ偏波を有する入力信号光と、第一の励起光とを、サブバンド間遷移光半導体素子１５に入射して吸収させるとともに、サブバンド間遷移吸収を生じないＴＥ偏波を有する第二の励起光をサブバンド間遷移光半導体素子１５に伝搬させ、サブバンド間遷移光半導体素子１５の出力端から波長の変換された出力信号光を取り出す。出力信号光は、入力信号光の強度情報と位相情報を有する。また、マッハツェンダー干渉計のそれぞれのアームにサブバンド間遷移光半導体素子を配置することにより励起光と波長変換された出力信号光とを分離することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信システムにおいて．光信号の波長を変換する波長変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高精細画像等による通信需要の増大さらには通信サービスの多様化に加え、地球環境問題の顕在化により、通信ネットワークを支えるフォトニックネットワークシステムに対しても、一層の大容量化、多様な信号を通せるトランスペアレンシー化、さらには、省エネルギー化が必要とされている。将来のフォトニックネットワークにおいては、従来進展してきた波長多重化（ＷＤＭ）に加えて、位相多値変調の利用により大容量化が図られ、さらに、光信号を電気信号に変換せずに処理をおこなう、Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｄ−Ｄｒｏｐ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ（ＲＯＡＤＭ）や光パススイッチのような光信号処理により、トランスペアレンシーと省エネルギー化が図られようとしている。
【０００３】
このような光信号処理においては、一つのパスから、別のパスに光信号を乗せ換えた場合に、波長の衝突を回避するための波長変換が必要となっている。波長変換においては、最近の位相多値変調信号の導入により、光の強度情報だけでなく、位相情報も保持した状態で波長変換を行うコヒーレントな波長変換を実現する必要がある。
光通信帯のコヒーレントな波長変換としては、ＬｉＮｂＯ３の光導波路を用いた差周波発生を用いたもの（非特許文献１）、光ファイバの四光波混合を使ったもの（非特許文献２）、半導体光増幅器等の四光波混合を用いたもの（非特許文献３）が知られている。
【０００４】
本発明者らは、サブバンド間遷移（Ｉｎｔｅｒ Ｓｕｂ−Ｂａｎｄ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）光半導体素子（以下ＩＳＢＴ素子とも呼ぶ）について研究を進め、ｎ型にドープされたＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＳｂ量子井戸をコアとし、ＩｎＰをクラッドとした光導波路構造について提案している（非特許文献４）。また、本発明者らは、ＴＥの光を伝搬させた状態で、ＴＭ光を入射しサブバンド間吸収を生じさせると、ＴＥモードに対する屈折率分散が変化し、ＴＥの光に位相変調が生じることを報告している（非特許文献４）。
【０００５】
また、従来例として、フォトネットワークに用いられる、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ量子井戸でのサブバンド間遷移現象を利用した光ゲートスイッチがある（特許文献１）。この従来例を利用して、入力信号光により異なる波長の光をオンオフすることによって、波長変換が実現できるが、コヒーレントな波長変換は実現できない。また、従来例として、進行波型半導体レーザ増幅器の四光波混合を波長変換に利用した半導体波長変換素子がある（特許文献２）。この方法では、誘導放出により増幅される自然放出光（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ＡＳＥ）による雑音（ＡＳＥ雑音）が、出力信号光に負荷されるため、高いＳ／Ｎを得ることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】再公表２００８−０２０６２１号公報
【特許文献２】特開平８−２４０８２０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Y.Wong他,“Analysis of ultrafast all-optical OTDM de-multiplexing based on cascaded wavelength conversion in PPLN waveguides,” IEEE Photon Technol.Lett.,19,495-497,2007.
【非特許文献２】S.Watanabe他,“Optical Signal Processing Using NonlinearFibers,” Proceedings of 28th European Conference on Optical Communication(ECOC 2002),Vol.3 pp1-2,2002.
【非特許文献３】R.Ludwig他,“BER measurement of frequency converted signals using four-wave mixing in a semiconductor laser amplifier at 1,2.5,5and 10Gbit/s,” Electron.,Lett.,30,338-339,1994.
【非特許文献４】R.Akimoto他,“All-optical demultiplexing of 160-10Gbit/s signales with Mach-Zehnder interferometric switch utilizing intersubband transition in InGaAs/AlAs/AlAsSb quantum well”,Appl.Phys.Lett.,91,pp221115,2007.
【非特許文献５】H.Kuwatsuka他,“Observation of Four-Wave Mixing Signals from an AlAsSb/InGaAs ISBT(Inter Sub-Band Transition)Optical Waveguide,” Proc. of Photonics in Switching 2009,FrI2-3,(2009).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のコヒーレントな波長変換の中で、ＬｉＮｂＯ３光導波路を用いたものや光ファイバを用いたものは、相互作用長を長く取る必要があり（ＬｉＮｂＯ３で数ｃｍ、光ファイバで数ｍ以上）、素子の集積化が難しく、装置が大型化するという問題があった。半導体光増幅器は、比較的短い数ｍｍ程度の相互作用長で変換でき、また、波長可変レーザや光カプラとの集積も可能である。しかしながら、利得媒質を非線形媒質として用いるため、ＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光が混入し、Ｓ／Ｎが劣化するという欠点があった。
【０００９】
さらに、上述のコヒーレント波長変換はすべて、波長を変換した出力信号光と同時に、励起光や入力信号光も同時に抜けてくる。出力信号光を取りだすために、波長フィルタが必要となる。波長フィルタの使用は、Ｓ／Ｎを劣化させる要因となるという問題があった。
【００１０】
本発明は，これらの問題を解決しようとするものであり、小型で集積可能であり、さらに、ＡＳＥ光の混入や光フィルタによるＳ／Ｎ劣化の少ない波長変換装置を提供することを目的とする．
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の波長変換装置は、サブバンド間遷移光半導体素子を用い、該素子を、例えばマッハツェンダー干渉計に組み入れた構成を取ることにより、小型で集積可能で、さらに、ＡＳＥ光の混入や光フィルタによるＳ／Ｎ劣化の少ない波長変換装置を実現するものである。
【００１２】
本発明に用いるサブバンド間遷移光半導体素子についてその原理を説明する。図１と図２に、サブバンド間遷移光半導体素子の１例を示す。図１は、ｎ型にドープされたＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ多層量子井戸１をコアとし、ＩｎＰをクラッドとした光導波路構造を示す図である。この光導波路に、波長が１．５５μｍ帯のＴＭ偏光の光を入射すると、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ多層量子井戸１に形成されたサブバンド間の遷移を引き起こし、光が吸収される。一方、ＴＥ偏光の光を入射しても、サブバンド間遷移を起こさず、さらに、この量子井戸はバンド間遷移波長が、１．５５μｍ帯より高エネルギー側にあるため、バンド間遷移吸収も生じない。ＴＥ偏光の光は、光導波路を損失少なく伝搬していく。ＴＥ偏光の光２を伝搬させた状態で、ＴＭ偏光の励起光３を入射しサブバンド間吸収を生じさせると、ＴＥモードに対する屈折率分散が変化し、ＴＥの光に位相変調が生じる。図１に、模式的に、入力光（ＴＥ偏光）１、励起光（ＴＭ偏光）３、位相変調を受けた出力光（ＴＥ偏光）４を図示した。
【００１３】
図２は、ＩＳＢＴ素子のＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ多層量子井戸のバンド構造を示す図である。ＡｌＡｓＳｂとＩｎＧａＡｓの間の伝導帯バンド不連続は比較的大きいため、波長１．５５μｍ帯のＴＭ偏光の光を吸収して、サブバンド準位ｎ＝１からｎ＝４のサブバンド間遷移を生じる。励起された電子は、ＴＭ光がなくなると、サブピコ秒から数ピコ秒で高速に緩和することができる。ＴＥモードの光を入射すると、サブバンド間遷移を起こさず、さらに、この量子井戸はバンド間遷移波長が、１．５５μｍ帯より高エネルギー側にあるため、バンド間遷移吸収も生じない。ＴＭ光の入射により、サブバンド間で電子が励起されると、伝導帯のｎ＝１の電子数が変化し、その結果、ＴＥ光の屈折率分散が変化する。その結果、ＴＭ光が入射すると、ＴＥ光に位相変調がかかる。
【００１４】
サブバンド間遷移光半導体素子において、ＴＥの光を伝搬させた状態で、ＴＭ光を入射しサブバンド間吸収を生じさせると、ＴＥモードに対する屈折率分散が変化し、ＴＥの光に位相変調が生じる現象は、非特許文献４に示されている。また、この現象を用い、数１０μｍの非常に短い相互作用長で、四光波混合が生じることを、本発明者らは既に示している（非特許文献５参照）。二つの波長の異なるＴＭ光と、ＴＥ光とをＩＳＢＴ素子に入射すると、ＴＭ光の差周波に相当する周波数でサブバンド間遷移の振動が生じる。この結果、ＴＥ光に差周波の周波数で変調がかかり、ＴＥ光から、差周波だけ離れた周波数のところに光が生じることになる。ここで、図３を参照してサブバンド間遷移光半導体素子の四光波混合の原理を説明する。図３の横軸は各光の波長、横軸は光強度（ｄＢｍ）である。二つのＴＭ光（周波数ｆｐ１とｆｐ２）とＴＥ光（周波数ｆｐ３）をサブバンド間遷移光半導体素子に入射すると、ＴＭ光の差周波（ｆｐ１−ｆｐ２）に相当する周波数でサブバンド間遷移の振動が生じる。この結果、ＴＥ光に差周波の周波数で変調がかかり、ＴＥ光（周波数ｆｐ３）から、差周波だけ離れた周波数のところ（ｆｐ３＋ｆｐ１−ｆｐ２及びｆｐ３−ｆｐ１＋ｆｐ２）に光が生じることになる。
【００１５】
本発明は、サブバンド間遷移光半導体素子に着目し、四光波混合の原理を利用し、かつ、二つのＴＭ光のうち、どちらかに、変調信号が重畳されていた場合、ＴＥ光の隣に生じた光には、変調信号の強度信号成分・位相信号成分とも、重畳されることを見出し、入力ＴＭ信号から出力ＴＥ信号へのコヒーレントな波長変換を実現するものである。
【００１６】
また、本発明は、サブバンド間遷移光半導体素子でマッハツェンダー干渉計を構成したものであり、マッハツェンダー干渉計の位相を調整することにより、励起光と変換光を光フィルタなく分離可能とするものである。
【００１７】
以上のように、本発明は、上記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。
【００１８】
本発明の装置は、波長変換装置であって、サブバンド間遷移により屈折率が変化するサブバンド間遷移光半導体素子を備えることを特徴とする。本発明の装置は、サブバンド間遷移吸収を生じる偏波を有する入力信号光と、第一の励起光とを、前記サブバンド間遷移光半導体素子に入射して吸収させるとともに、サブバンド間遷移吸収を生じない偏波を有する第二の励起光を前記サブバンド間遷移光半導体素子に伝搬させて、入力信号光の強度情報と位相情報を有し、入力信号光とは波長の異なった出力信号光を生成することを特徴とする。サブバンド間遷移吸収を生じる偏波は、例えばＴＭ偏光である。サブバンド間遷移吸収を生じる偏波を有する入力信号光は、ＴＭ偏光、又はＴＭ偏光とＴＥ偏光とを含む光である。第一の励起光は、ＴＭ偏光、又はＴＭ偏光とＴＥ偏光とを含む光を用いる。サブバンド間遷移吸収を生じない偏波は、例えばＴＥ偏光である。サブバンド間遷移吸収を生じない偏波を有する光は、ＴＥ偏光、又はＴＥ偏光とＴＭ偏光とを含む光である。
【００１９】
出力信号光は、入力信号光の周波数ｆ（ｓ）と、第一の励起光の周波数ｆ（１）、第二の励起光の周波数ｆ（２）の場合、ｆ（ｓ）＋ｆ（２）−ｆ（１）の周波数に変換される。波長に換算すると、入力信号光の波長をλ（ｓ）、第一の励起光の波長をλ（１）、第二の励起光の波長をλ（２）、変換された出力光の波長をλ（out）、光の速度をｃとすると、ｃ／λ（out）＝ｃ／λ（ｓ）＋ｃ／λ（２）−ｃ／λ（１）の関係になる。光の周波数が、２００ＴＨｚの領域にあるのに対し、入力信号光と第一の励起光の周波数の差は、数１００ＧＨｚ程度と小さいので、λ（out）〜λ（２）＋λ（ｓ）−λ（１）とほぼ近似できる。即ち、入力信号光は、第一の励起光と入力信号光の差を第二の励起光に加えた光に波長変換される。
【００２０】
本発明の装置は、マッハツェンダー干渉計の構造を採用することができる。サブバンド間遷移光半導体素子をマッハツェンダー干渉計のそれぞれのアームに配置することが好ましい。マッハツェンダー干渉計の第一の入力ポートから前記入力信号光を入力し、第二の入力ポートから前記第一及び第二の励起光を入力し、第一の出力ポートから前記励起光の出力を取り出し、第二の出力ポートから前記出力信号光を取り出すことを特徴とする。これにより、出力信号において波長変換された出力信号光と励起光を分離することができる。
【００２１】
本発明の装置は、入力信号光を直交する二つの偏波成分に分離する構造を、設けることができる。その場合、サブバンド間遷移吸収を生じる偏波を有する成分を、前記サブバンド間遷移光半導体素子の第一の入出力端から入射し、波長が変換された出力信号光を反対側の第二の入出力端から取り出すようにし、また、サブバンド間遷移吸収を生じない偏波を有する成分は、偏波を９０度回転したのちに、前記サブバンド間遷移光半導体素子の前記第二の入出力端から入射し、波長が変換された出力信号光を前記第一の入出力端から取り出すようにするとよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明では、波長変換装置にサブバンド間遷移光半導体素子を用いることにより、数１０μｍという非常に短い相互作用長で四光波混合信号を生じることができ、光ファイバやＬｉＮｂＯ３、光半導体増幅器を用いた場合に比べて、大幅に小型化できる。さらに、本発明では、サブバンド間遷移光半導体素子としてＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ多層量子井戸を用いることができることから、ＩｎＰに格子整合するため、通信帯波長で発信する励起用半導体レーザとのモノリシック集積が可能となる。従来のように光ファイバやＬｉＮｂＯ３光半導体増幅器を用いた場合は、入力信号や励起光が、変換光と一緒に出てきてしまうので光フィルタで分離する必要があるのに対して、本発明では、サブバンド間遷移光半導体素子を用いるので、ＴＭの偏光を有する入力信号光や励起光は、サブバンド間遷移により吸収されてしまい、分離が極めて容易になる。
【００２３】
また、本発明では、サブバンド間遷移光半導体素子を用いるので、従来の光半導体増幅器と異なり、利得を有さないことから、ＡＳＥ雑音の付加がないという効果がある。さらに、サブバンド間遷移光半導体素子でマッハツェンダー干渉計を構成することにより、励起光と変換光を分離することができ、Ｓ／Ｎの劣化が減少する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明で用いるサブバンド間遷移光半導体素子の原理を示す図。
【図２】本発明で用いるサブバンド間遷移光半導体素子の量子井戸のバンド構造を示す図。
【図３】本発明で用いるサブバンド間遷移光半導体素子の四光波混合の原理を示す図。
【図４】本発明の第１実施形態の装置を示す図。
【図５】マッハツェンダー干渉計にサブバンド間遷移光半導体素子を配置した波長変換の原理を示す図。
【図６】本発明の第２実施形態の装置を示す図。
【図７】本発明の第３実施形態の装置を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明を実施するための形態を説明する。
【００２６】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図４を参照して説明する。図４の波長変換装置は、二つの励起光源用半導体レーザ（半導体レーザ１（１１）と半導体レーザ２（１２））と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１３と、光カプラ１４と、サブバンド間遷移光半導体素子（ＩＳＢＴ素子）１５と、光フィルタ１６とを備える。二つの励起光源用半導体レーザ１（例えば発振波長１５５０ｎｍ）と、励起光源用半導体レーザ２（例えば発振波長１５６０ｎｍ）からの光を、レーザ１の光はＴＭ偏光にし、レーザ２の光はＴＥ偏光にして、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１３で合波する。合波された光と、入力信号光（波長１５５２ｎｍ、ＴＭ偏光）の光を、光カプラ１４で合波し、ＩＳＢＴ素子に入射する。ＩＳＢＴ素子内の四光波混合により、発生した波長１５６２ｎｍの光を、波長パスフィルタである光フィルタ１６で切り出して取り出す。これにより、１５５２ｎｍの入力信号光を、１５６２ｎｍの光に波長変換できる。
【００２７】
図３の四波混合原理に対応させて説明すれば、図３の周波数（ｆｐ２）のＴＭ信号の情報（強度信号成分・位相信号成分）を、周波数（ｆｐ３−ｆｐ１＋ｆｐ２）がレプリカ情報（ｆｐ２）として持つことと対応している。本装置では、入力信号（波長１５５２ｎｍ、ＴＭ偏光）から出力変換光（波長１５６２ｎｍ、ＴＥ光）へ波長変換が実現できる。
【００２８】
半導体レーザ１や半導体レーザ２については、固定波長の例で説明したが、固定波長でなく、波長可変レーザを用いてもよい。波長可変レーザを用いる場合は、半導体レーザ１と２の波長を設定することにより、任意波長の入力信号光を、任意の波長の出力信号光に変換できる。例えば、入力信号光の波長が１５６０ｎｍで、波長１５４０ｎｍの出力光を得たい場合、半導体レーザ１の波長を１５５８ｎｍに設定し、半導体レーザ２の波長を１５３８ｎｍに設定すれば、波長１５６０ｎｍの入力信号光を、１５４０ｎｍの光に変換できる。
【００２９】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図５と図６を参照して説明する。第２の実施形態の装置は、マッハツェンダー干渉計にサブバンド間遷移光半導体素子を配置した構造を基本構造として備える。
【００３０】
該基本構造について、図５を参照してその波長変換の原理を説明する。基本構造は、図５のように、２つの入力ポート１、２と、２つの出力ポート１、２と、光カプラ２４、２６（分岐比５０：５０）と、サブバンド間遷移光半導体素子（ＩＳＢＴ素子）２５、２９と、位相制御部２８と、反射ミラーとから構成される。位相制御部２８は、例えば、ピエゾ素子にミラーを付けたものであり、光路長を調整する。第１の入力ポートである入力ポート１から入力信号光を、第２の入力ポートである入力ポート２から励起光を入力し、第１の出力ポートである出力ポート１から励起光を、第２の出力ポートである出力ポート２から変換光（出力変換光とも呼ぶ）を取り出すよう、マッハツェンダー干渉計の位相を調整する。マッハツェンダー干渉計は、出力ポート１からは、変換光は出てこないため、励起光と変換光を光フィルタなしで分離できる。
【００３１】
図６に第２実施形態の波長変換装置を示す。本実施形態の波長変換装置は、二つの励起光源用半導体レーザ（半導体レーザ１（２１）と半導体レーザ２（２２））と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２３と、光カプラ１（２４）と、光カプラ２（２６）と、サブバンド間遷移光半導体素子（ＩＳＢＴ素子）２５、２９と、反射ミラー２７、３０と、位相制御部２８とを備える。二つの励起光源用半導体レーザ１（２１）（発振波長１５５０ｎｍ）と、励起光源用半導体レーザ２（２２）（発振波長１５６０ｎｍ）からの光を、レーザ１の光はＴＭ偏光にし、レーザ２の光はＴＥ偏光にして、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）で合波する。合波された光と、入力信号光（波長１５５２ｎｍ、ＴＭ偏光）の光を、光カプラ１（２４）で合波する。光カプラ１（２４）の一つの出力はＩＳＢＴ２５に入力され、もう一方の出力は反射ミラー２７で反射され位相制御部２８を介してＩＳＢＴ２９に入力される。ＩＳＢＴ素子２５と、反射ミラー３０で反射されたＩＳＢＴ素子２９の出力は、光カプラ２（２６）で合波される。光カプラ１（２４）の入力ポートの励起光側から入射された励起光が、光カプラ２（２６）の出力ポートのアイドルポート（空いているポート）に出力されるように、干渉計の位相調整を行うと、ＩＳＢＴ素子内の四光波混合により発生した波長１５６２ｎｍの光は、アイドルポートと反対側の出力ポートに出力（図の出力変換光（ＴＥ））される。これにより、１５５２ｎｍの入力信号光（ＴＭ偏光）を、１５６２ｎｍの出力変換光（ＴＥ偏光）に波長変換できる。
【００３２】
半導体レーザ１や半導体レーザ２は、固定波長の例で説明したが、固定波長でなく、波長可変レーザを用いてもよい。波長可変レーザを用いる場合は、半導体レーザ１と２の波長を設定することにより、任意波長の入力信号光を、任意の波長の出力信号光に変換できる。
【００３３】
（第３実施形態）
第１実施形態及び第２実施形態では、入力信号光としてＴＭ偏光の例を示したが、入力信号光は、ＴＭ偏光に限らない。本発明の第３実施形態を図７を参照して説明する。第３実施形態の装置は、マッハツェンダー干渉計にサブバンド間遷移光半導体素子を配置した構造を基本構造として備える。
【００３４】
図７に第３実施形態の波長変換装置を示す。本実施形態の波長変換装置は、二つの励起光源用半導体レーザ（半導体レーザ１（３１）と半導体レーザ２（３２））と、光カプラ１（３３）と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３４と、光カプラ２（３５）と、光カプラ３（３７）と、サブバンド間遷移光半導体素子（ＩＳＢＴ素子）３６、３９と、反射ミラー４１と、反射ミラー（符号を付与していない）と、位相制御部３８と、９０°回転子４０とを備える。
【００３５】
入力信号光（波長１５５２ｎｍ）の光ｆｓは、半導体レーザ１（３１）（波長１５５０ｎｍ、ＴＭ：ＴＥ＝１：１）の光ｆ１とともに、光カプラ１（３３）により合波される。合波されたｆｓとｆ１は、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）３４に入射され、ＴＭ偏光とＴＥ偏光に分けられる。
【００３６】
ＰＢＳ３４により９０°曲げられたＴＭ偏光の入力信号光ｆｓＴＭと励起光（レーザ光１）ｆ１ＴＭは、光カプラ２（３５）により、半導体レーザ２（３２）（波長１５６０ｎｍ、ＴＥ偏光）の光ｆ２と合波される。光カプラ２（３５）の二つの出力は、それぞれ二つのＩＳＢＴ３６、３９に入射され、ＩＳＢＴ素子３６、３９の出力は、光カプラ３（３７）により、合波される。位相制御領域を調整することにより、半導体レーザ２からの光ｆ２は、反射ミラー４１の方へ出力される。一方、ＩＳＢＴの素子内の四光波混合により発生した波長１５６２ｎｍの光ｆｃＴＥは、光カプラ３（３７）のもう一つのポートに出力される。出力光は、ＴＥ偏光であり、９０°回転子４０により偏光が回転されてＴＭ偏光ｆｃＴＭとなり、ＰＢＳ３４に戻されると、９０°曲げられ、入力信号光と反対のポート（図の「ｆｃ出力変換光」）に出力される。
【００３７】
一方、ＰＢＳ３４を直進したＴＥ偏光の入力信号光ｆｓＴＥと励起光（レーザー光１）ｆ１ＴＥは、９０°回転子４０により偏光が回転されＴＭ偏光（ｆｓＴＭ、ｆ１ＴＭ）となり、光カプラ３（３７）により、反射ミラー４１からもどってきたレーザ２の光ｆ２ｒと合波される。光カプラ３（３７）の二つの出力は、それぞれ二つのＩＳＢＴ素子３６、３９に入射され、ＩＳＢＴ素子３６、３９の出力は、光カプラ２（３５）により、合波される。位相制御領域を調整することにより、ＩＳＢＴの素子内の四光波混合により発生した波長１５６２ｎｍの光は、光カプラ２（３５）のレーザ２の光ｆ２ｒのポートとは反対のポートに、出力光ｆｃＴＥとして出力される。出力光ｆｃＴＥは、ＴＥ偏光であり、ＰＢＳ３４に戻されると、真っすぐ出力される。
【００３８】
以上のように、１５５２ｎｍの任意の偏光を有する入力信号光を、１５６２ｎｍの光に、ＴＥ偏光成分はＴＥ偏光として、ＴＭ偏光成分はＴＭ偏光成分として波長変換できる。
【００３９】
半導体レーザ１や半導体レーザ２は、固定波長の例で説明したが、固定波長でなく、波長可変レーザを用いてもよい。波長可変レーザを用いる場合は、半導体レーザ１と２の波長を設定することにより、任意波長の入力信号光を、任意の波長の出力信号光に変換できる。
【００４０】
第３実施形態では、マッハツェンダー干渉計にサブバンド間遷移光半導体素子を配置した構造を基本構造とする例において、入力信号光がＴＭ偏光のみに限らないことを説明したが、第１実施形態の装置においても、第３実施形態と同様に、光カプラ、ＰＢＳ、９０°回転子等を用いることにより、ＴＭ偏光のみに限らない入力信号光を信号光として用いることができる。
【００４１】
上記実施形態で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は，光通信ネットワークにおける光伝送経路時の波長資源の有効利用に有用である。
【符号の説明】
【００４３】
１ 多層量子井戸
２ 入力光（ＴＥ偏光）
３ 励起光（ＴＭ偏光）
４ 位相変調を受けた出力光（ＴＥ偏光）
１１、１２、２１、２２、３１、３２ 半導体レーザ
１３、２３、３４ 偏光ビームスプリッタ
１４、２４、２６、３３、３５、３７ 光カプラ
１５、２５、２９、３６、３９ サブバンド間遷移光半導体素子
１６ 光フィルタ
２７、３０、４１ 反射ミラー
２８、３８ 位相制御部
４０ ９０°回転子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信システムにおいて．光信号の波長を変換する波長変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高精細画像等による通信需要の増大さらには通信サービスの多様化に加え、地球環境問題の顕在化により、通信ネットワークを支えるフォトニックネットワークシステムに対しても、一層の大容量化、多様な信号を通せるトランスペアレンシー化、さらには、省エネルギー化が必要とされている。将来のフォトニックネットワークにおいては、従来進展してきた波長多重化（ＷＤＭ）に加えて、位相多値変調の利用により大容量化が図られ、さらに、光信号を電気信号に変換せずに処理をおこなう、Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｄ−Ｄｒｏｐ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ（ＲＯＡＤＭ）や光パススイッチのような光信号処理により、トランスペアレンシーと省エネルギー化が図られようとしている。
【０００３】
このような光信号処理においては、一つのパスから、別のパスに光信号を乗せ換えた場合に、波長の衝突を回避するための波長変換が必要となっている。波長変換においては、最近の位相多値変調信号の導入により、光の強度情報だけでなく、位相情報も保持した状態で波長変換を行うコヒーレントな波長変換を実現する必要がある。
光通信帯のコヒーレントな波長変換としては、ＬｉＮｂＯ３の光導波路を用いた差周波発生を用いたもの（非特許文献１）、光ファイバの四光波混合を使ったもの（非特許文献２）、半導体光増幅器等の四光波混合を用いたもの（非特許文献３）が知られている。
【０００４】
本発明者らは、サブバンド間遷移（Ｉｎｔｅｒ Ｓｕｂ−Ｂａｎｄ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）光半導体素子（以下ＩＳＢＴ素子とも呼ぶ）について研究を進め、ｎ型にドープされたＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＳｂ量子井戸をコアとし、ＩｎＰをクラッドとした光導波路構造について提案している（非特許文献４）。また、本発明者らは、ＴＥの光を伝搬させた状態で、ＴＭ光を入射しサブバンド間吸収を生じさせると、ＴＥモードに対する屈折率分散が変化し、ＴＥの光に位相変調が生じることを報告している（非特許文献４）。
【０００５】
また、従来例として、フォトネットワークに用いられる、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ量子井戸でのサブバンド間遷移現象を利用した光ゲートスイッチがある（特許文献１）。この従来例を利用して、入力信号光により異なる波長の光をオンオフすることによって、波長変換が実現できるが、コヒーレントな波長変換は実現できない。また、従来例として、進行波型半導体レーザ増幅器の四光波混合を波長変換に利用した半導体波長変換素子がある（特許文献２）。この方法では、誘導放出により増幅される自然放出光（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ＡＳＥ）による雑音（ＡＳＥ雑音）が、出力信号光に負荷されるため、高いＳ／Ｎを得ることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】再公表２００８−０２０６２１号公報
【特許文献２】特開平８−２４０８２０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Y.Wong他,“Analysis of ultrafast all-optical OTDM de-multiplexing based on cascaded wavelength conversion in PPLN waveguides,” IEEE Photon Technol.Lett.,19,495-497,2007.
【非特許文献２】S.Watanabe他,“Optical Signal Processing Using NonlinearFibers,” Proceedings of 28th European Conference on Optical Communication(ECOC 2002),Vol.3 pp1-2,2002.
【非特許文献３】R.Ludwig他,“BER measurement of frequency converted signals using four-wave mixing in a semiconductor laser amplifier at 1,2.5,5and 10Gbit/s,” Electron.,Lett.,30,338-339,1994.
【非特許文献４】R.Akimoto他,“All-optical demultiplexing of 160-10Gbit/s signales with Mach-Zehnder interferometric switch utilizing intersubband transition in InGaAs/AlAs/AlAsSb quantum well”,Appl.Phys.Lett.,91,pp221115,2007.
【非特許文献５】H.Kuwatsuka他,“Observation of Four-Wave Mixing Signals from an AlAsSb/InGaAs ISBT(Inter Sub-Band Transition)Optical Waveguide,” Proc. of Photonics in Switching 2009,FrI2-3,(2009).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のコヒーレントな波長変換の中で、ＬｉＮｂＯ３光導波路を用いたものや光ファイバを用いたものは、相互作用長を長く取る必要があり（ＬｉＮｂＯ３で数ｃｍ、光ファイバで数ｍ以上）、素子の集積化が難しく、装置が大型化するという問題があった。半導体光増幅器は、比較的短い数ｍｍ程度の相互作用長で変換でき、また、波長可変レーザや光カプラとの集積も可能である。しかしながら、利得媒質を非線形媒質として用いるため、ＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光が混入し、Ｓ／Ｎが劣化するという欠点があった。
【０００９】
さらに、上述のコヒーレント波長変換はすべて、波長を変換した出力信号光と同時に、励起光や入力信号光も同時に抜けてくる。出力信号光を取りだすために、波長フィルタが必要となる。波長フィルタの使用は、Ｓ／Ｎを劣化させる要因となるという問題があった。
【００１０】
本発明は，これらの問題を解決しようとするものであり、小型で集積可能であり、さらに、ＡＳＥ光の混入や光フィルタによるＳ／Ｎ劣化の少ない波長変換装置を提供することを目的とする．
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の波長変換装置は、サブバンド間遷移光半導体素子を用い、該素子を、例えばマッハツェンダー干渉計に組み入れた構成を取ることにより、小型で集積可能で、さらに、ＡＳＥ光の混入や光フィルタによるＳ／Ｎ劣化の少ない波長変換装置を実現するものである。
【００１２】
本発明に用いるサブバンド間遷移光半導体素子についてその原理を説明する。図１と図２に、サブバンド間遷移光半導体素子の１例を示す。図１は、ｎ型にドープされたＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ多層量子井戸１をコアとし、ＩｎＰをクラッドとした光導波路構造を示す図である。この光導波路に、波長が１．５５μｍ帯のＴＭ偏光の光を入射すると、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ多層量子井戸１に形成されたサブバンド間の遷移を引き起こし、光が吸収される。一方、ＴＥ偏光の光を入射しても、サブバンド間遷移を起こさず、さらに、この量子井戸はバンド間遷移波長が、１．５５μｍ帯より高エネルギー側にあるため、バンド間遷移吸収も生じない。ＴＥ偏光の光は、光導波路を損失少なく伝搬していく。ＴＥ偏光の光２を伝搬させた状態で、ＴＭ偏光の励起光３を入射しサブバンド間吸収を生じさせると、ＴＥモードに対する屈折率分散が変化し、ＴＥの光に位相変調が生じる。図１に、模式的に、入力光（ＴＥ偏光）１、励起光（ＴＭ偏光）３、位相変調を受けた出力光（ＴＥ偏光）４を図示した。
【００１３】
図２は、ＩＳＢＴ素子のＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ多層量子井戸のバンド構造を示す図である。ＡｌＡｓＳｂとＩｎＧａＡｓの間の伝導帯バンド不連続は比較的大きいため、波長１．５５μｍ帯のＴＭ偏光の光を吸収して、サブバンド準位ｎ＝１からｎ＝４のサブバンド間遷移を生じる。励起された電子は、ＴＭ光がなくなると、サブピコ秒から数ピコ秒で高速に緩和することができる。ＴＥモードの光を入射すると、サブバンド間遷移を起こさず、さらに、この量子井戸はバンド間遷移波長が、１．５５μｍ帯より高エネルギー側にあるため、バンド間遷移吸収も生じない。ＴＭ光の入射により、サブバンド間で電子が励起されると、伝導帯のｎ＝１の電子数が変化し、その結果、ＴＥ光の屈折率分散が変化する。その結果、ＴＭ光が入射すると、ＴＥ光に位相変調がかかる。
【００１４】
サブバンド間遷移光半導体素子において、ＴＥの光を伝搬させた状態で、ＴＭ光を入射しサブバンド間吸収を生じさせると、ＴＥモードに対する屈折率分散が変化し、ＴＥの光に位相変調が生じる現象は、非特許文献４に示されている。また、この現象を用い、数１０μｍの非常に短い相互作用長で、四光波混合が生じることを、本発明者らは既に示している（非特許文献５参照）。二つの波長の異なるＴＭ光と、ＴＥ光とをＩＳＢＴ素子に入射すると、ＴＭ光の差周波に相当する周波数でサブバンド間遷移の振動が生じる。この結果、ＴＥ光に差周波の周波数で変調がかかり、ＴＥ光から、差周波だけ離れた周波数のところに光が生じることになる。ここで、図３を参照してサブバンド間遷移光半導体素子の四光波混合の原理を説明する。図３の横軸は各光の波長、横軸は光強度（ｄＢｍ）である。二つのＴＭ光（周波数ｆｐ１とｆｐ２）とＴＥ光（周波数ｆｐ３）をサブバンド間遷移光半導体素子に入射すると、ＴＭ光の差周波（ｆｐ１−ｆｐ２）に相当する周波数でサブバンド間遷移の振動が生じる。この結果、ＴＥ光に差周波の周波数で変調がかかり、ＴＥ光（周波数ｆｐ３）から、差周波だけ離れた周波数のところ（ｆｐ３＋ｆｐ１−ｆｐ２及びｆｐ３−ｆｐ１＋ｆｐ２）に光が生じることになる。
【００１５】
本発明は、サブバンド間遷移光半導体素子に着目し、四光波混合の原理を利用し、かつ、二つのＴＭ光のうち、どちらかに、変調信号が重畳されていた場合、ＴＥ光の隣に生じた光には、変調信号の強度信号成分・位相信号成分とも、重畳されることを見出し、入力ＴＭ信号から出力ＴＥ信号へのコヒーレントな波長変換を実現するものである。
【００１６】
また、本発明は、サブバンド間遷移光半導体素子でマッハツェンダー干渉計を構成したものであり、マッハツェンダー干渉計の位相を調整することにより、励起光と変換光を光フィルタなく分離可能とするものである。
【００１７】
以上のように、本発明は、上記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。
【００１８】
本発明の装置は、波長変換装置であって、サブバンド間遷移により屈折率が変化するサブバンド間遷移光半導体素子を備えることを特徴とする。本発明の装置は、サブバンド間遷移吸収を生じる偏波を有する入力信号光と、第一の励起光とを、前記サブバンド間遷移光半導体素子に入射して吸収させるとともに、サブバンド間遷移吸収を生じない偏波を有する第二の励起光を前記サブバンド間遷移光半導体素子に伝搬させて、入力信号光の強度情報と位相情報を有し、入力信号光とは波長の異なった出力信号光を生成することを特徴とする。サブバンド間遷移吸収を生じる偏波は、例えばＴＭ偏光である。サブバンド間遷移吸収を生じる偏波を有する入力信号光は、ＴＭ偏光、又はＴＭ偏光とＴＥ偏光とを含む光である。第一の励起光は、ＴＭ偏光、又はＴＭ偏光とＴＥ偏光とを含む光を用いる。サブバンド間遷移吸収を生じない偏波は、例えばＴＥ偏光である。サブバンド間遷移吸収を生じない偏波を有する光は、ＴＥ偏光、又はＴＥ偏光とＴＭ偏光とを含む光である。
【００１９】
出力信号光は、入力信号光の周波数ｆ（ｓ）と、第一の励起光の周波数ｆ（１）、第二の励起光の周波数ｆ（２）の場合、ｆ（ｓ）＋ｆ（２）−ｆ（１）の周波数に変換される。波長に換算すると、入力信号光の波長をλ（ｓ）、第一の励起光の波長をλ（１）、第二の励起光の波長をλ（２）、変換された出力光の波長をλ（out）、光の速度をｃとすると、ｃ／λ（out）＝ｃ／λ（ｓ）＋ｃ／λ（２）−ｃ／λ（１）の関係になる。光の周波数が、２００ＴＨｚの領域にあるのに対し、入力信号光と第一の励起光の周波数の差は、数１００ＧＨｚ程度と小さいので、λ（out）〜λ（２）＋λ（ｓ）−λ（１）とほぼ近似できる。即ち、入力信号光は、第一の励起光と入力信号光の差を第二の励起光に加えた光に波長変換される。
【００２０】
本発明の装置は、マッハツェンダー干渉計の構造を採用することができる。サブバンド間遷移光半導体素子をマッハツェンダー干渉計のそれぞれのアームに配置することが好ましい。マッハツェンダー干渉計の第一の入力ポートから前記入力信号光を入力し、第二の入力ポートから前記第一及び第二の励起光を入力し、第一の出力ポートから前記励起光の出力を取り出し、第二の出力ポートから前記出力信号光を取り出すことを特徴とする。これにより、出力信号において波長変換された出力信号光と励起光を分離することができる。
【００２１】
本発明の装置は、入力信号光を直交する二つの偏波成分に分離する構造を、設けることができる。その場合、サブバンド間遷移吸収を生じる偏波を有する成分を、前記サブバンド間遷移光半導体素子の第一の入出力端から入射し、波長が変換された出力信号光を反対側の第二の入出力端から取り出すようにし、また、サブバンド間遷移吸収を生じない偏波を有する成分は、偏波を９０度回転したのちに、前記サブバンド間遷移光半導体素子の前記第二の入出力端から入射し、波長が変換された出力信号光を前記第一の入出力端から取り出すようにするとよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明では、波長変換装置にサブバンド間遷移光半導体素子を用いることにより、数１０μｍという非常に短い相互作用長で四光波混合信号を生じることができ、光ファイバやＬｉＮｂＯ３、光半導体増幅器を用いた場合に比べて、大幅に小型化できる。さらに、本発明では、サブバンド間遷移光半導体素子としてＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ多層量子井戸を用いることができることから、ＩｎＰに格子整合するため、通信帯波長で発信する励起用半導体レーザとのモノリシック集積が可能となる。従来のように光ファイバやＬｉＮｂＯ３光半導体増幅器を用いた場合は、入力信号や励起光が、変換光と一緒に出てきてしまうので光フィルタで分離する必要があるのに対して、本発明では、サブバンド間遷移光半導体素子を用いるので、ＴＭの偏光を有する入力信号光や励起光は、サブバンド間遷移により吸収されてしまい、分離が極めて容易になる。
【００２３】
また、本発明では、サブバンド間遷移光半導体素子を用いるので、従来の光半導体増幅器と異なり、利得を有さないことから、ＡＳＥ雑音の付加がないという効果がある。さらに、サブバンド間遷移光半導体素子でマッハツェンダー干渉計を構成することにより、励起光と変換光を分離することができ、Ｓ／Ｎの劣化が減少する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明で用いるサブバンド間遷移光半導体素子の原理を示す図。
【図２】本発明で用いるサブバンド間遷移光半導体素子の量子井戸のバンド構造を示す図。
【図３】本発明で用いるサブバンド間遷移光半導体素子の四光波混合の原理を示す図。
【図４】本発明の第１実施形態の装置を示す図。
【図５】マッハツェンダー干渉計にサブバンド間遷移光半導体素子を配置した波長変換の原理を示す図。
【図６】本発明の第２実施形態の装置を示す図。
【図７】本発明の第３実施形態の装置を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明を実施するための形態を説明する。
【００２６】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図４を参照して説明する。図４の波長変換装置は、二つの励起光源用半導体レーザ（半導体レーザ１（１１）と半導体レーザ２（１２））と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１３と、光カプラ１４と、サブバンド間遷移光半導体素子（ＩＳＢＴ素子）１５と、光フィルタ１６とを備える。二つの励起光源用半導体レーザ１（例えば発振波長１５５０ｎｍ）と、励起光源用半導体レーザ２（例えば発振波長１５６０ｎｍ）からの光を、レーザ１の光はＴＭ偏光にし、レーザ２の光はＴＥ偏光にして、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１３で合波する。合波された光と、入力信号光（波長１５５２ｎｍ、ＴＭ偏光）の光を、光カプラ１４で合波し、ＩＳＢＴ素子に入射する。ＩＳＢＴ素子内の四光波混合により、発生した波長１５６２ｎｍの光を、波長パスフィルタである光フィルタ１６で切り出して取り出す。これにより、１５５２ｎｍの入力信号光を、１５６２ｎｍの光に波長変換できる。
【００２７】
図３の四波混合原理に対応させて説明すれば、図３の周波数（ｆｐ２）のＴＭ信号の情報（強度信号成分・位相信号成分）を、周波数（ｆｐ３−ｆｐ１＋ｆｐ２）がレプリカ情報（ｆｐ２）として持つことと対応している。本装置では、入力信号（波長１５５２ｎｍ、ＴＭ偏光）から出力変換光（波長１５６２ｎｍ、ＴＥ光）へ波長変換が実現できる。
【００２８】
半導体レーザ１や半導体レーザ２については、固定波長の例で説明したが、固定波長でなく、波長可変レーザを用いてもよい。波長可変レーザを用いる場合は、半導体レーザ１と２の波長を設定することにより、任意波長の入力信号光を、任意の波長の出力信号光に変換できる。例えば、入力信号光の波長が１５６０ｎｍで、波長１５４０ｎｍの出力光を得たい場合、半導体レーザ１の波長を１５５８ｎｍに設定し、半導体レーザ２の波長を１５３８ｎｍに設定すれば、波長１５６０ｎｍの入力信号光を、１５４０ｎｍの光に変換できる。
【００２９】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図５と図６を参照して説明する。第２の実施形態の装置は、マッハツェンダー干渉計にサブバンド間遷移光半導体素子を配置した構造を基本構造として備える。
【００３０】
該基本構造について、図５を参照してその波長変換の原理を説明する。基本構造は、図５のように、２つの入力ポート１、２と、２つの出力ポート１、２と、光カプラ２４、２６（分岐比５０：５０）と、サブバンド間遷移光半導体素子（ＩＳＢＴ素子）２５、２９と、位相制御部２８と、反射ミラーとから構成される。位相制御部２８は、例えば、ピエゾ素子にミラーを付けたものであり、光路長を調整する。第１の入力ポートである入力ポート１から入力信号光を、第２の入力ポートである入力ポート２から励起光を入力し、第１の出力ポートである出力ポート１から励起光を、第２の出力ポートである出力ポート２から変換光（出力変換光とも呼ぶ）を取り出すよう、マッハツェンダー干渉計の位相を調整する。マッハツェンダー干渉計は、出力ポート１からは、変換光は出てこないため、励起光と変換光を光フィルタなしで分離できる。
【００３１】
図６に第２実施形態の波長変換装置を示す。本実施形態の波長変換装置は、二つの励起光源用半導体レーザ（半導体レーザ１（２１）と半導体レーザ２（２２））と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２３と、光カプラ１（２４）と、光カプラ２（２６）と、サブバンド間遷移光半導体素子（ＩＳＢＴ素子）２５、２９と、反射ミラー２７、３０と、位相制御部２８とを備える。二つの励起光源用半導体レーザ１（２１）（発振波長１５５０ｎｍ）と、励起光源用半導体レーザ２（２２）（発振波長１５６０ｎｍ）からの光を、レーザ１の光はＴＭ偏光にし、レーザ２の光はＴＥ偏光にして、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）で合波する。合波された光と、入力信号光（波長１５５２ｎｍ、ＴＭ偏光）の光を、光カプラ１（２４）で合波する。光カプラ１（２４）の一つの出力はＩＳＢＴ２５に入力され、もう一方の出力は反射ミラー２７で反射され位相制御部２８を介してＩＳＢＴ２９に入力される。ＩＳＢＴ素子２５と、反射ミラー３０で反射されたＩＳＢＴ素子２９の出力は、光カプラ２（２６）で合波される。光カプラ１（２４）の入力ポートの励起光側から入射された励起光が、光カプラ２（２６）の出力ポートのアイドルポート（空いているポート）に出力されるように、干渉計の位相調整を行うと、ＩＳＢＴ素子内の四光波混合により発生した波長１５６２ｎｍの光は、アイドルポートと反対側の出力ポートに出力（図の出力変換光（ＴＥ））される。これにより、１５５２ｎｍの入力信号光（ＴＭ偏光）を、１５６２ｎｍの出力変換光（ＴＥ偏光）に波長変換できる。
【００３２】
半導体レーザ１や半導体レーザ２は、固定波長の例で説明したが、固定波長でなく、波長可変レーザを用いてもよい。波長可変レーザを用いる場合は、半導体レーザ１と２の波長を設定することにより、任意波長の入力信号光を、任意の波長の出力信号光に変換できる。
【００３３】
（第３実施形態）
第１実施形態及び第２実施形態では、入力信号光としてＴＭ偏光の例を示したが、入力信号光は、ＴＭ偏光に限らない。本発明の第３実施形態を図７を参照して説明する。第３実施形態の装置は、マッハツェンダー干渉計にサブバンド間遷移光半導体素子を配置した構造を基本構造として備える。
【００３４】
図７に第３実施形態の波長変換装置を示す。本実施形態の波長変換装置は、二つの励起光源用半導体レーザ（半導体レーザ１（３１）と半導体レーザ２（３２））と、光カプラ１（３３）と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３４と、光カプラ２（３５）と、光カプラ３（３７）と、サブバンド間遷移光半導体素子（ＩＳＢＴ素子）３６、３９と、反射ミラー４１と、反射ミラー（符号を付与していない）と、位相制御部３８と、９０°回転子４０とを備える。
【００３５】
入力信号光（波長１５５２ｎｍ）の光ｆｓは、半導体レーザ１（３１）（波長１５５０ｎｍ、ＴＭ：ＴＥ＝１：１）の光ｆ１とともに、光カプラ１（３３）により合波される。合波されたｆｓとｆ１は、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）３４に入射され、ＴＭ偏光とＴＥ偏光に分けられる。
【００３６】
ＰＢＳ３４により９０°曲げられたＴＭ偏光の入力信号光ｆｓＴＭと励起光（レーザ光１）ｆ１ＴＭは、光カプラ２（３５）により、半導体レーザ２（３２）（波長１５６０ｎｍ、ＴＥ偏光）の光ｆ２と合波される。光カプラ２（３５）の二つの出力は、それぞれ二つのＩＳＢＴ３６、３９に入射され、ＩＳＢＴ素子３６、３９の出力は、光カプラ３（３７）により、合波される。位相制御領域を調整することにより、半導体レーザ２からの光ｆ２は、反射ミラー４１の方へ出力される。一方、ＩＳＢＴの素子内の四光波混合により発生した波長１５６２ｎｍの光ｆｃＴＥは、光カプラ３（３７）のもう一つのポートに出力される。出力光は、ＴＥ偏光であり、９０°回転子４０により偏光が回転されてＴＭ偏光ｆｃＴＭとなり、ＰＢＳ３４に戻されると、９０°曲げられ、入力信号光と反対のポート（図の「ｆｃ出力変換光」）に出力される。
【００３７】
一方、ＰＢＳ３４を直進したＴＥ偏光の入力信号光ｆｓＴＥと励起光（レーザー光１）ｆ１ＴＥは、９０°回転子４０により偏光が回転されＴＭ偏光（ｆｓＴＭ、ｆ１ＴＭ）となり、光カプラ３（３７）により、反射ミラー４１からもどってきたレーザ２の光ｆ２ｒと合波される。光カプラ３（３７）の二つの出力は、それぞれ二つのＩＳＢＴ素子３６、３９に入射され、ＩＳＢＴ素子３６、３９の出力は、光カプラ２（３５）により、合波される。位相制御領域を調整することにより、ＩＳＢＴの素子内の四光波混合により発生した波長１５６２ｎｍの光は、光カプラ２（３５）のレーザ２の光ｆ２ｒのポートとは反対のポートに、出力光ｆｃＴＥとして出力される。出力光ｆｃＴＥは、ＴＥ偏光であり、ＰＢＳ３４に戻されると、真っすぐ出力される。
【００３８】
以上のように、１５５２ｎｍの任意の偏光を有する入力信号光を、１５６２ｎｍの光に、ＴＥ偏光成分はＴＥ偏光として、ＴＭ偏光成分はＴＭ偏光成分として波長変換できる。
【００３９】
半導体レーザ１や半導体レーザ２は、固定波長の例で説明したが、固定波長でなく、波長可変レーザを用いてもよい。波長可変レーザを用いる場合は、半導体レーザ１と２の波長を設定することにより、任意波長の入力信号光を、任意の波長の出力信号光に変換できる。
【００４０】
第３実施形態では、マッハツェンダー干渉計にサブバンド間遷移光半導体素子を配置した構造を基本構造とする例において、入力信号光がＴＭ偏光のみに限らないことを説明したが、第１実施形態の装置においても、第３実施形態と同様に、光カプラ、ＰＢＳ、９０°回転子等を用いることにより、ＴＭ偏光のみに限らない入力信号光を信号光として用いることができる。
【００４１】
上記実施形態で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は，光通信ネットワークにおける光伝送経路時の波長資源の有効利用に有用である。
【符号の説明】
【００４３】
１ 多層量子井戸
２ 入力光（ＴＥ偏光）
３ 励起光（ＴＭ偏光）
４ 位相変調を受けた出力光（ＴＥ偏光）
１１、１２、２１、２２、３１、３２ 半導体レーザ
１３、２３、３４ 偏光ビームスプリッタ
１４、２４、２６、３３、３５、３７ 光カプラ
１５、２５、２９、３６、３９ サブバンド間遷移光半導体素子
１６ 光フィルタ
２７、３０、４１ 反射ミラー
２８、３８ 位相制御部
４０ ９０°回転子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サブバンド間遷移により屈折率が変化するサブバンド間遷移光半導体素子を備え、
サブバンド間遷移吸収を生じる偏波を有する入力信号光と、第一の励起光とを、前記サブバンド間遷移光半導体素子に入射して吸収させるとともに、サブバンド間遷移吸収を生じない偏波を有する第二の励起光を前記サブバンド間遷移光半導体素子に伝搬させて、入力信号光の強度情報と位相情報を有し、入力信号光とは波長の異なった出力信号光を生成することを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
前記サブバンド間遷移光半導体素子はマッハツェンダー干渉計のそれぞれのアームに配置され、
前記マッハツェンダー干渉計の第一の入力ポートから前記入力信号光を入力し、第二の入力ポートから前記第一及び第二の励起光を入力し、第一の出力ポートから前記励起光の出力を取り出し、第二の出力ポートから前記出力信号光を取り出すことを特徴とする請求項１記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記入力信号光を直交する二つの偏波成分に分離し、
サブバンド間遷移吸収を生じる偏波を有する成分を、前記サブバンド間遷移光半導体素子の第一の入出力端から入射し、波長が変換された出力信号光を反対側の第二の入出力端から取り出し、
サブバンド間遷移吸収を生じない偏波を有する成分は、偏波を９０度回転したのちに、前記サブバンド間遷移光半導体素子の前記第二の入出力端から入射し、波長が変換された出力信号光を前記第一の入出力端から取り出すことを特徴とする請求項１又は２記載の波長変換装置。
【請求項１】
サブバンド間遷移により屈折率が変化するサブバンド間遷移光半導体素子を備え、
サブバンド間遷移吸収を生じる偏波を有する入力信号光と、第一の励起光とを、前記サブバンド間遷移光半導体素子に入射して吸収させるとともに、サブバンド間遷移吸収を生じない偏波を有する第二の励起光を前記サブバンド間遷移光半導体素子に伝搬させて、入力信号光の強度情報と位相情報を有し、入力信号光とは波長の異なった出力信号光を生成することを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
前記サブバンド間遷移光半導体素子はマッハツェンダー干渉計のそれぞれのアームに配置され、
前記マッハツェンダー干渉計の第一の入力ポートから前記入力信号光を入力し、第二の入力ポートから前記第一及び第二の励起光を入力し、第一の出力ポートから前記励起光の出力を取り出し、第二の出力ポートから前記出力信号光を取り出すことを特徴とする請求項１記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記入力信号光を直交する二つの偏波成分に分離し、
サブバンド間遷移吸収を生じる偏波を有する成分を、前記サブバンド間遷移光半導体素子の第一の入出力端から入射し、波長が変換された出力信号光を反対側の第二の入出力端から取り出し、
サブバンド間遷移吸収を生じない偏波を有する成分は、偏波を９０度回転したのちに、前記サブバンド間遷移光半導体素子の前記第二の入出力端から入射し、波長が変換された出力信号光を前記第一の入出力端から取り出すことを特徴とする請求項１又は２記載の波長変換装置。
【図２】
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２０８１６２（Ｐ２０１２−２０８１６２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７１６１４（Ｐ２０１１−７１６１４）
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【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２２年度総務省委託研究「サブバンド間遷移素子を用いた多値位相変調光信号処理の研究開発」産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【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２２年度総務省委託研究「サブバンド間遷移素子を用いた多値位相変調光信号処理の研究開発」産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]