JP2651085B2 - All-optical gate device - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、全光交換手段を有する
装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus having all-optical switching means.

【０００２】[0002]

【従来の技術】光信号処理の主たる長所の一つとして、
全光デバイスのスイッチ時間が、電気で必要とされる時
間より短い点がある。しかし、そのような光デバイスを
導入するためには、適切な特性を有する光材料が必要と
される。特に、信号損失が許容される範囲で、位相シフ
トが得られることが必要である。用いることのできる
（非線形）光材料としては、２つの光パルスの相互作用
によって、吸収長以下、つまり信号強度がｅ^-1に低下す
る距離以内で、１８０°（π）の位相シフトが得られる
ものである。2. Description of the Related Art One of the main advantages of optical signal processing is as follows.
There is a point that the switch time of the all-optical device is shorter than the time required for electricity. However, in order to introduce such an optical device, an optical material having appropriate characteristics is required. In particular, it is necessary that a phase shift can be obtained within a range where signal loss is allowed. As a (non-linear) optical material that can be used, a 180 ° (π) phase shift is obtained by the interaction of two optical pulses within an absorption length, that is, within a distance where the signal intensity decreases to e ^−1. Things.

【０００３】ここで関連するスイッチング手段は総じ
て、ゲートと呼ばれる。全光ゲートの例としては、A.La
ttersらの、IEEE Journal of Quantum Electronics, Vo
l. QE-19(11), p.1718; D.Hulinらの、Applied Physics
Letters, Vol.49(13), p.749;S.R.Fribergらの、Optic
s Letters, Vol.13(10), p.904; J.S.Aitchison, Optic
s Letters, Vol.15(9), p.471; E.M.de Sterkeらの、Op
tics Letters, Vol.14(16), Vol.14(16), p.871;及び、
M.N.Islamらによる、Optics Letters Vol.16(7),p.484
がある。The relevant switching means here are generally called gates. A.La is an example of an all-optical gate.
tters et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, Vo
l. QE-19 (11), p. 1718; D. Hulin et al., Applied Physics
Letters, Vol.49 (13), p.749; Optic by SRFriberg et al.
s Letters, Vol.13 (10), p.904; JSAitchison, Optic
s Letters, Vol.15 (9), p.471; EMde Sterke et al., Op.
tics Letters, Vol. 14 (16), Vol. 14 (16), p. 871; and
Optics Letters Vol. 16 (7), p.484 by MNIslam et al.
There is.

【０００４】シリカ系光ファイバは、その非線形性（３
次の非線形感受率χ⁽³⁾あるいはχ^{( 3)}の実部によって決
まる非線形屈折率ｎ2で表される）が小さく約３．２ｘ
１０^{- 16}ｃｍ²／Ｗであるが、上記の規準を満たすもので
ある。しかしながら、シリカ系ファイバの損失は極めて
小さいため（１．５５μmにおいて約０．２ｄＢ／ｋ
ｍ）、必要な位相シフトを許容できる損失で、長距離の
相互作用距離をとることで可能である。これに関する例
として、M.N.IslamのOptics Letters, Vol.16(7), p.48
4がある。[0004] The silica-based optical fiber has a nonlinearity (3).
The following nonlinear susceptibility χ ⁽³⁾ or 非 線形^{( 3)} is represented by the nonlinear refractive index n2 determined by the real part) and is about 3.2x
10 ^- a ¹⁶ cm ² / W, but satisfies the above criteria. However, the loss of the silica-based fiber is extremely small (about 0.2 dB / k at 1.55 μm).
m), which is possible by taking a long interaction distance with a loss that allows the necessary phase shift. An example of this is MNIslam's Optics Letters, Vol. 16 (7), p. 48
There are four.

【０００５】光ファイバは上記の規準を満たすものであ
るが、多くの重要な全光ゲートの可能性のある用途にお
いて、光ファイバゲートの利用は、比較的長距離のファ
イバが必要とされるため、不都合で、不可能である。従
って、比較的短距離の相互作用長（１ｃｍ程度）Ｌで上
記の規準を満たし、全光ゲートを作ることのできる材料
が好ましい。さらに、材料が簡単に入手可能で、必要な
小さい断面形状を簡単に作製できるような、発達した作
製技術を利用でき、また、低損失波長領域が、光通信で
関心の持たれる１．３及び１．５５μm帯の領域となる
ことが望ましい。材料が、フォトニック集積デバイス技
術と適合することが望ましい。本発明はそのような材料
に関する。Although optical fiber meets the above criteria, in many important all-optical gate potential applications, the use of optical fiber gates requires relatively long fibers. Inconvenient and impossible. Therefore, a material that satisfies the above criterion with a relatively short interaction length L (about 1 cm) and is capable of forming an all-optical gate is preferable. In addition, materials are readily available, advanced fabrication techniques are available to easily produce the required small cross-sectional shapes, and low loss wavelength regions are of interest in 1.3 and 1.3 optical communications. It is desirable to have a 1.55 μm band region. It is desirable that the material be compatible with photonic integrated device technology. The invention relates to such a material.

【０００６】半導体中の非線形性は、シリカ系ファイバ
より数桁大きいことが知られている。最大の非線形性
は、通常半導体のバンドギャップエネルギー（Ｅg）に
対応するに近接した、長波長側で観測される。残念なが
らキャリア生成によって、これらの波長ではπの位相シ
フトを得るには、時間応答と損失が劣化する。例とし
て、K.K.Andersonらの(Applied Physics Letters, Vol.
56(19),p.1834)には、７８０−９００ｎｍでのＡｌＧａ
Ａｓリッジ導波路の測定が報告され、線形吸収係数は、
８１０ｎｍで１６ｃｍ^-1、８３０ｎｍで２ｃｍ^-1である
と示されている。これらの波長は、材料のバンド端から
それぞれ、２０及び４０ｎｍのディチューニングに対応
する。著者らによれば、”バンド端付近の波長で、ｎ2
の共鳴による増加があるが、線形損失が増加し、スイッ
チングデバイスの性能を劣化させることが知られてい
る。２光子吸収による信号強度の飽和が、光スイッチン
グの非線形性の効果を制限することを示している。”It is known that nonlinearity in a semiconductor is several orders of magnitude higher than that of a silica-based fiber. The maximum nonlinearity is usually observed on the long wavelength side, close to the bandgap energy (Eg) of the semiconductor. Unfortunately, carrier generation degrades the time response and loss to obtain a π phase shift at these wavelengths. For example, KK Anderson et al. (Applied Physics Letters, Vol.
56 (19), p. 1834), AlGa at 780-900 nm.
Measurements of the As ridge waveguide are reported, and the linear absorption coefficient is:
It is shown to be 16 cm ^-1 at 810 nm and 2 cm ^-1 at 830 nm. These wavelengths correspond to 20 and 40 nm detuning, respectively, from the band edge of the material. According to the authors, "at wavelengths near the band edge, n2
However, it is known that the linear loss increases and the performance of the switching device deteriorates. It has been shown that saturation of signal intensity due to two-photon absorption limits the effect of nonlinearity of optical switching. "

【０００７】J.S.Aitchison(Applied PhysicsLetters,
Vol.56(14),p.1305)らは、１．０６μmにおいてＧａＡ
ｓ／ＡｌＧａＡｓ導波路を測定し、全光ゲートにはＧａ
ＡｓよりＺｎＳが好ましいと示されている。[0007] JSAitchison (Applied Physics Letters,
Vol. 56 (14), p. 1305) et al.
The s / AlGaAs waveguide was measured, and Ga was added to the all-optical gate.
It is indicated that ZnS is preferable to As.

【０００８】V.Mizrahi(Optics Letters, Vol.14(20),
p.1140)らは、［（２βλ／ｎ2＜１；βは２光子吸収係
数、λは真空中の波長］を導き、著者らによれば、これ
により全光スイッチング用材料（例、有機材料）の評価
ができると考えられている。また、強い２光子吸収（Ｔ
ＰＡ）は、ｎ2を増加させ、あらゆる材料での全光スイ
ッチングを妨げるとしている。[0008] V. Mizrahi (Optics Letters, Vol. 14 (20),
p.1140) et al. derived [(2βλ / n2 <1; β is the two-photon absorption coefficient, λ is the wavelength in a vacuum]. According to the authors, this allows all-optical switching materials (eg, organic materials). It is considered that the strong two-photon absorption (T
PA) increases n2 and prevents all-optical switching in any material.

【０００９】M.Sheik-Bahae(Physical ReviewLetters,
Vol.65(1),p.96)らは、種々の半導体（ＩＩＩ／Ｖ族半
導体は含まず；波長は０．５３２μm、１．０６４μm、
１０．６μm）のデータを示し、（２光子吸収によっ
て）Ｅg／２に対応する波長付近でｎ2が最大となること
を示した。M. Sheik-Bahae (Physical Review Letters,
Vol.65 (1), p.96) et al. Describe various semiconductors (not including III / V semiconductors; wavelengths of 0.532 μm, 1.064 μm,
10.6 μm), indicating that n2 is maximized near the wavelength corresponding to Eg / 2 (due to two-photon absorption).

【００１０】K.W.Delong(Applied Physics Letters, Vo
l.57(20),p.2063)らは、前掲のSheik-Bahaeらの論文に
示された数式を用いた計算結果によって、”半導体にお
いて非バンドギャップ共鳴非線形性を利用するために
は、ＴＰＡが生じないようにフォトンエネルギーを抑え
る必要があり（つまり、ｈν＜Ｅg／２、ここで、ｈは
プランク定数、νは周波数である）、これは”とても限
定的な”条件であるとしている。KWDelong (Applied Physics Letters, Vo
l.57 (20), p.2063) and others, based on the calculation results using the mathematical formula shown in the above-mentioned paper by Sheik-Bahae et al., "In order to utilize non-bandgap resonance nonlinearity in semiconductors, Photon energies need to be suppressed to avoid TPA (ie, hv <Eg / 2, where h is Planck's constant and ν is frequency), which is described as a "very restrictive" condition. .

【００１１】最後に、K.Fujii(Physical Review Letter
s, Vol.65(14),p.1808)らは、フォトンエネルギーがバ
ンドギャップエネルギーの半分付近での、静電界中での
量子井戸構造の２光子吸収スペクトルを測定している。
試料は、Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド領域に埋め込まれ
た、非ドープＧａＡｓ／Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ多重量子井
戸コア領域から構成される。測定例では、１．５６１、
１．６８５、１．７１１μmで行われた。Finally, K. Fujii (Physical Review Letter)
s, Vol. 65 (14), p. 1808), et al., measured a two-photon absorption spectrum of a quantum well structure in an electrostatic field at a photon energy near half the band gap energy.
The sample consisted of an undoped GaAs / Al0.4Ga0.6As multiple quantum well core region embedded in an Al0.4Ga0.6As cladding region. In the measurement example, 1.561,
It was performed at 1.685, 1.711 μm.

【００１２】[0012]

【発明が解決しようとする課題】光交換及び伝送システ
ムでは、光伝送媒体内を伝搬するパルスの論理レベルと
タイミングを周期的に再生することが重要である。この
ような再生は、通常電気−光デバイスを有する再生器に
よって現在行われている。近年の全光システム指向は、
エルビウムドープファイバー増幅器を開発し、ソリトン
パルスと共に用いられると、光を電気に変換することな
く、パルスの振幅及び形状を整形し、従って論理レベル
の再生することができる。しかしそのような増幅器を用
いる場合でも、タイミングの再生が必要とされる。タイ
ミングの再生を行わないと、伝送あるいは交換システム
は、タイミングジッタ及び揺らぎ（例えば、自然放出光
雑音、温度変化等による）によって性能が制限されてし
まう。現在の所、そのような再生を行う光デバイスはな
い。しかし、ソリトン伝送及び交換システムでは他に、
本特許出願者による米国特許４９３２７３９に示される
超高速光論理デバイス、及び米国特許５０７８４６４に
示される全光時間領域チャープスイッチの例があり、上
記の問題に対して有効に用いられると考えられる。In optical switching and transmission systems, it is important to periodically regenerate the logic levels and timing of the pulses propagating in the optical transmission medium. Such regeneration is currently performed by regenerators that typically have electro-optical devices. Recent all-optical system orientation
When an erbium-doped fiber amplifier is developed and used with soliton pulses, the amplitude and shape of the pulses can be shaped without converting light to electricity, thus reproducing logic levels. However, even when such an amplifier is used, the timing needs to be reproduced. Without timing recovery, the performance of a transmission or switching system is limited by timing jitter and fluctuations (eg, due to spontaneous emission noise, temperature changes, etc.). At present, there is no optical device that performs such regeneration. However, in soliton transmission and switching systems,
There are examples of the ultrafast optical logic device shown in U.S. Pat. No. 4,932,739 and the all-optical time domain chirp switch shown in U.S. Pat. No. 5,078,644 by the present applicant and are considered to be effectively used for the above problem.

【００１３】[0013]

【課題を解決するための手段】１．２μmから１．７μ
m、例えば１．３あるいは１．５５μmで動作する全光ゲ
ートでは、プレーナ導波路手段からなる、Ａｌ1ーxＧａx
Ａｓを用いることが有用であることを発見した。組成
は、λsが材料のＥg／２以下となるように選択される。
このような導波路手段は、比較的ｎ2が大きいが、非線
形損失が低い。従って、本発明によるゲートでは、上記
のπ位相シフトを満たすことができる。さらに、本発明
によるゲートでは、作製技術の成熟し、理解の進んだ材
料システムに基づくため、導入しやすい。[MEANS FOR SOLVING THE PROBLEMS] 1.2 μm to 1.7 μm
m, eg, 1.3 or 1.55 μm, for an all-optical gate, an Al1-xGax consisting of planar waveguide means
It has been found that it is useful to use As. The composition is selected so that λs is less than or equal to Eg / 2 of the material.
Such a waveguide means has a relatively large n2 but a low nonlinear loss. Therefore, the gate according to the present invention can satisfy the above π phase shift. Furthermore, the gate according to the present invention is easy to introduce because it is based on a mature and well understood material system of fabrication technology.

【００１４】本発明は、種々の全光ゲートに実施可能で
あり、ファイバによるゲートからなる類似のプレーナ導
波路、既に実施あるいは提案された、ＡｌＧａＡｓ以外
の材料システムでの、プレーナゲートの類似手法も含ま
れる。さらに、今後の新規構造の全光プレーナゲートに
おいて、ＡｌＧａＡｓを含む導波路手段が用いられるこ
とが考えられる。従って、本発明は特定のデバイス構造
に制限されない、一般的な発見であると考えている。The present invention can be implemented on a variety of all-optical gates, including similar planar waveguides consisting of fiber gates, and similar approaches to planar gates already implemented or proposed in material systems other than AlGaAs. included. Further, it is conceivable that a waveguide means including AlGaAs will be used in an all-optical planar gate having a new structure in the future. Accordingly, the present invention is considered to be a general discovery that is not limited to a particular device structure.

【００１５】従って、本発明では信号波長λsが、１．
２＜λs＜１．７μmの領域で動作する全光ゲートに関
し、ゲートに特に優れた特性を与える、新規の組成のプ
レーナ半導体光導波路手段を有する。特に、光導波路手
段は作用長Ｌで、信号の導波に適切に設定される。導波
路手段に関連して、非線形屈折率ｎ2及び吸収係数α
で、ｎ2及びαが、適切な制御パルスの存在によって、
中心波長λsの信号パルスが導波路手段を伝搬する際
に、ｅ^-1（ｅは自然対数の底）以下の損失でπの位相シ
フト量を受けるように設定される。プレーナ半導体光導
波路手段は、Ａｌ1-xＧａxＡｓからなり、０＜ｘ＜１と
し、ｘは（ｈｃ／λs）＜Ｅg／２を満たすように設定さ
れ、ここでｈはプランク定数、ｃは真空中の光速であ
る。実施例では、ｘ及び／あるいはλsは、ｘが［ｈｃ
／（λs−△λ）］＜Ｅg／２を満たし、△λが、信号パ
ルスエネルギーの９９％がλs±△λのスペクトル領域
内にあるように選択される。本発明による導波路手段で
は、複数の量子井戸を含んでも良く、ここで、Ｅgの実
効値は、従来技術で知られるように、励起子の結合エネ
ルギーと同様に、井戸幅と深さの関数となる。Therefore, in the present invention, the signal wavelength λs is 1.
An all-optical gate operating in the region of 2 <λs <1.7 μm has a novel composition of planar semiconductor optical waveguide means that gives the gate particularly excellent characteristics. In particular, the optical waveguide means has a working length L and is appropriately set for guiding signals. In connection with the waveguide means, the nonlinear refractive index n2 and the absorption coefficient α
Where n 2 and α are given by the presence of appropriate control pulses
When the signal pulse having the center wavelength λs propagates through the waveguide means, it is set so as to receive a phase shift amount of π with a loss of e ⁻¹ (e is a natural logarithm base) or less. The planar semiconductor optical waveguide means is made of Al1-xGaxAs, where 0 <x <1, x is set to satisfy (hc / .lambda.s) <Eg / 2, where h is Planck's constant, and c is The speed of light. In an embodiment, x and / or λs is such that x is [hc
/ (Λs- △ λ)] <Eg / 2, and △ λ is selected such that 99% of the signal pulse energy is in the spectral range of λs ± △ λ. The waveguide means according to the present invention may include a plurality of quantum wells, where the effective value of Eg is a function of well width and depth as well as exciton binding energy, as is known in the prior art. Becomes

【００１６】本発明では、伝送システムあるいは交換シ
ステムでの、入力パルスシーケンスあるいは列のタイミ
ングの再生を行う。本発明の再生手段では、ウォークオ
フが無視でき、入射パルスと直交する偏波面を有する参
照パルスシーケンスあるいは列を受けるＡｌＧａＡｓ非
線形材料導波路によって行う。非線形材料では、参照パ
ルスの存在によって、入力パルスの周波数がシフトす
る。ウォークオフが無視できる材料では、パルスの一部
が重なった場合に周波数がシフトし、完全に一致した場
合にはシフトしない。周波数のシフトした非線形材料か
らの出力は、分散性遅延線に入射され、周波数シフトが
時間シフトに変換され、入力パルスのタイミングが参照
パルスに応じて再生される。非線形材料の非線形屈折率
ｎ2は、所望の波長領域において正となるので、分散性
遅延線は異常群速度分散（ＧＶＤ）を有する必要があ
る。In the present invention, the input pulse sequence or the timing of the train is reproduced in the transmission system or the switching system. In the reproducing means of the present invention, the walk-off is negligible and is performed by an AlGaAs nonlinear material waveguide which receives a reference pulse sequence or train having a polarization plane orthogonal to the incident pulse. In nonlinear materials, the frequency of the input pulse shifts due to the presence of the reference pulse. In a material having a negligible walk-off, the frequency shifts when a part of the pulse overlaps, and does not shift when the pulses completely match. The output from the frequency shifted nonlinear material is incident on the dispersive delay line, the frequency shift is converted to a time shift, and the timing of the input pulse is regenerated in response to the reference pulse. Since the nonlinear refractive index n2 of the nonlinear material is positive in a desired wavelength region, the dispersive delay line needs to have an abnormal group velocity dispersion (GVD).

【００１７】本発明による一実施例では、ハイブリッド
時間領域チャープスイッチ（ＴＤＣＳ）を用いて構成さ
れ、非線形チャーパー（ＡｌＧａＡｓ半導体導波路から
なる）及び分散性遅延線（偏波維持ファイバからなる）
からなる。チャープスイッチは、非線形チャーパー（半
導体導波路）のウォークオフが無視できるように設定さ
れることが望ましい。In one embodiment according to the present invention, a non-linear chirper (comprising an AlGaAs semiconductor waveguide) and a dispersive delay line (comprising a polarization maintaining fiber) are constructed using a hybrid time domain chirp switch (TDCS).
Consists of The chirp switch is desirably set such that the walk-off of the nonlinear chirper (semiconductor waveguide) can be ignored.

【００１８】本発明によるタイミング再生器を用いれ
ば、エルビウムドープファイバ増幅器のような光増幅器
と本発明（例、ハイブリッドＴＤＣＳ）をカスケード接
続することによって、ソリトンパルスの再生を、全て光
で行うことができる。従って再生器では、パルスの振
幅、形状、タイミングを再生することができる。By using the timing regenerator according to the present invention, by cascading an optical amplifier such as an erbium-doped fiber amplifier and the present invention (eg, hybrid TDCS), all the soliton pulse regeneration can be performed by light. it can. Therefore, the regenerator can reproduce the pulse amplitude, shape, and timing.

【００１９】[0019]

【実施例】ＡｌＧａＡｓ系導波路では、比較的大きな位
相シフトが得られ、特に図１に示されるようなリッジ導
波路型の構造で測定した結果、比較的小さな損失である
ことが分かった。ＧａＡｓ基板１０上に、２．５５μm
Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１１を成長し、その後
２．５５μmＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ”コア”層１２を成長
した。コア層１２は、高さ０．７μm、幅４．５μmのリ
ッジ導波路１３とした。上記の成長は従来技術によって
行った。具体例では、導波路長は７．７ｍｍとした。本
発明による導波路手段では、作用長Ｌは１ｃｍ程度で、
多くの場合Ｌ≦１ｃｍである。EXAMPLE A relatively large phase shift was obtained in an AlGaAs-based waveguide. In particular, as a result of measurement using a ridge waveguide type structure as shown in FIG. 1, it was found that the loss was relatively small. 2.55 μm on the GaAs substrate 10
An Al0.5 Ga0.5 As cladding layer 11 was grown, followed by a 2.55 μm Al0.2 Ga0.8 As "core" layer 12. The core layer 12 was a ridge waveguide 13 having a height of 0.7 μm and a width of 4.5 μm. The above growth was performed by a conventional technique. In a specific example, the waveguide length was 7.7 mm. In the waveguide means according to the present invention, the working length L is about 1 cm,
In many cases, L ≦ 1 cm.

【００２０】層の組成は、所望のパルス中心周波数λs
及びパルス幅に対して、パルスの全てのフーリエ成分が
ＴＰＡの最大波長以上となるように設定される。ここ
で、”全てのフーリエ成分”とは、△λが、帯域内の全
信号パルスエネルギーの９９％のフーリエ成分が、λs
±△λのスペクトル領域内にあるように選択されること
を示すとする。従来示されているように、Ａｌ0.2Ｇａ
0.8ＡｓのＥgでは、そのバンドギャップエネルギーの半
分より１００ｍｅＶ下に、１．６μmの放射エネルギー
が存在する。The composition of the layer depends on the desired pulse center frequency λs
The pulse width is set so that all the Fourier components of the pulse are equal to or longer than the maximum wavelength of the TPA. Here, “all Fourier components” means that △ λ is a Fourier component of 99% of the total signal pulse energy in the band is λs
Suppose that it is chosen to be within the spectral range of ± △ λ. As previously shown, Al0.2Ga
At an Eg of 0.8 As, a radiant energy of 1.6 μm exists 100 meV below half the bandgap energy.

【００２１】クラッド層の屈折率は、コア層の屈折率よ
り０．１５低くした。この屈折率設定と、上記のリッジ
導波路径から、最低次の数モードのみが存在する。入射
手法によって、伝送光は最低次モードとなる。The refractive index of the cladding layer was 0.15 lower than that of the core layer. From this refractive index setting and the ridge waveguide diameter, only the lowest few modes exist. Depending on the incident method, the transmitted light is in the lowest order mode.

【００２２】受動モードロックＮａＣｌカラーセンター
レーザーからのパルス（０．３６ｐｓＦＷＨＭ、周期１
１．９ｎｓｅｃ）を、従来手法によって導波路に入射し
た。レーザーは、１．５−１．７μmで掃引可能であ
る。信号パルスは、レーザ出力の一部を音響光学変調器
によって周波数をシフトして用いた。信号パルスの、偏
波状態、遅延時間、振幅を制御して、導波路の非線形光
学特性を測定した。導波路を伝送した後のパルスの周波
数スペクトルを、グレーティング分光器によって測定
し、パルス形状を光相関器によって測定した。Pulses from a passive mode-locked NaCl color center laser (0.36 ps FWHM, period 1)
1.9 nsec) was incident on the waveguide by a conventional method. The laser can be swept from 1.5-1.7 μm. For the signal pulse, a part of the laser output was used with its frequency shifted by an acousto-optic modulator. By controlling the polarization state, delay time, and amplitude of the signal pulse, the nonlinear optical characteristics of the waveguide were measured. The frequency spectrum of the pulse transmitted through the waveguide was measured by a grating spectroscope, and the pulse shape was measured by an optical correlator.

【００２３】図２から図５は上記によって得られた結果
であり、図２は入射光スペクトル、図３から図５は、そ
れぞれπ、１．５π、２．５πの位相シフトした出射パ
ルスのスペクトルである。必要とされる波長域での、他
の波長においても同様のスペクトル測定を行った。さら
に、制御パルスに対して信号パルスの偏波を直交させた
場合のスペクトルも同様に測定した。FIGS. 2 to 5 show the results obtained as described above. FIG. 2 shows the spectrum of the incident light, and FIGS. 3 to 5 show the spectra of the outgoing pulses with phase shifts of π, 1.5π and 2.5π, respectively. It is. Similar spectral measurements were made at other wavelengths in the required wavelength range. Furthermore, the spectrum when the polarization of the signal pulse was made orthogonal to the control pulse was measured in the same manner.

【００２４】信号光強度は制御光強度の１０分の１とし
た。πの位相シフトを得るのに必要な強度は、３．７±
０．５ＧＷ／ｃｍ²であった。上記の波長での、ＡｌＧ
ａＡｓのｎ2は３ｘ１０^-14ｃｍ²／Ｗであり、この値は
シリカガラスより２桁大きなものである。The signal light intensity was set to 1/10 of the control light intensity. The intensity required to obtain a phase shift of π is 3.7 ±
It was 0.5 GW / cm ² . AlG at the above wavelengths
n2 of aAs is 3 × 10 ^-14 cm ² / W, which is two orders of magnitude larger than that of silica glass.

【００２５】２πの位相シフトを与えた場合でも、制御
パルスの非線形損失は約１５％程であった。図６に、導
波路を伝搬した際のエネルギー損失のデータ例を示し、
ここで、αは信号の吸収係数、Ｌは導波路長、△φは位
相シフト、Ｉは制御パルス光強度である。これらの測定
では線形損失を低減し、観測された損失が多光子吸収の
みによるようにしてある。上記の比較的大きな導波路で
は、πの位相シフトを得るのに制御パルスエネルギーと
して約８０ｐＪが必要であるが、導波路の断面径を減少
させることで、πの位相シフトを約１０ｐＪのパルスエ
ネルギーで得られると考えている。あるスイッチング用
途では、約０．１πの位相シフトで十分な場合もある。Even when a phase shift of 2π was given, the nonlinear loss of the control pulse was about 15%. FIG. 6 shows an example of data of energy loss when propagating through the waveguide,
Here, α is the signal absorption coefficient, L is the waveguide length, Δφ is the phase shift, and I is the control pulse light intensity. In these measurements, the linear losses have been reduced so that the observed losses are due solely to multiphoton absorption. In the above-mentioned relatively large waveguide, about 80 pJ is required as the control pulse energy to obtain a phase shift of π. However, by reducing the cross-sectional diameter of the waveguide, the phase shift of π can be reduced to about 10 pJ. We think that we can get in. For some switching applications, a phase shift of about 0.1π may be sufficient.

【００２６】次に本発明の実施例について詳細に述べ
る。Next, embodiments of the present invention will be described in detail.

【００２７】本発明では、前掲の出願中特許の、時間領
域チャープスイッチ（ＴＤＣＳ）を修正した”ハイブリ
ッド”ＴＤＣＳにおいて、ウォークオフの無視できる非
線形ＡｌＧａＡｓチャーパーを用いている。これによっ
て、偏波面の直交する信号及び制御パルスは同じ速度を
有し、従って非線形材料中を伝搬する際にその間隔が保
たれることになる。非線形チャーパーでは、参照あるい
は信号パルスの存在によって、制御あるいは入射パルス
の周波数がシフト（あるいは”チャープ”）する。ウォ
ークオフの無視できる材料では、周波数シフトは、パル
スの一部が重なった場合に生じ、パルスが完全に重なる
場合には生じない。図７に示されるように、ＡｌＧａＡ
ｓ導波路チャーパー７０１の出力は、偏波維持ファイバ
７０２に導かれ、ｎ2が０より大きいため、異常群速度
分散（ＧＶＤ）を有する。７０２中のＧＶＤによって、
チャーパー７０１によって与えられた周波数シフトは、
時間シフトに変換され、所望のタイミングの再生あるい
は整形が得られる。The present invention uses a non-linear AlGaAs chirper with negligible walk-off in a "hybrid" TDCS with a modified time domain chirp switch (TDCS) of the above-mentioned patent application. This ensures that the orthogonal signals of polarization and the control pulses have the same velocity and are therefore spaced as they propagate through the nonlinear material. In a non-linear chirper, the frequency of a control or incident pulse shifts (or "chirps") due to the presence of a reference or signal pulse. For materials with negligible walk-off, the frequency shift occurs when the pulses overlap, but not when the pulses completely overlap. As shown in FIG.
The output of the s-waveguide chirper 701 is guided to a polarization maintaining fiber 702 and has an abnormal group velocity dispersion (GVD) because n2 is greater than zero. By GVD in 702,
The frequency shift given by the chirper 701 is
It is converted into a time shift, and reproduction or shaping at a desired timing is obtained.

【００２８】図７に示されるハイブリッドＴＤＣＳを、
波長１．６９μm、パルス幅が約４１５ｆｓｅｃの受動
モードロックカラーセンターレーザを用いて実験的に検
証した。遅延線７０２は、６００ｍの、零分散波長１．
５８５μm（１．６９μmでの群速度分散は約６ｐｓ／
（ｎｍ-ｋｍ））、偏波維持、分散シフトファイバを用
いた。導波路７０１は、長さ２．１ｍｍ、導波路断面が
約２．５μm×５μmのものを用いた。導波路は、２．５
５μm厚のＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層のリッジ導波路で、活
性層の屈折率より低い屈折率０．１５を有する２．５５
μmＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓバッファ層によって導波され
る。バルクに対する光学結合を簡単にするために、複数
のモードが存在する、多モード導波路を用いた。その後
のファイバは、最低次モードのみを通すフィルタとな
る。半導体材料の組成は、レーザスペクトルがバンドギ
ャップエネルギーの半分より１００ｍｅＶ下に存在する
ように設定され、従って２光子吸収が起きないようにな
っている。この波長領域では、ｎ2が約３×１０^-14ｃｍ
²／Ｗとなり、材料は等方性を有する（相互位相変調が
自己位相変調の３分の２となる）。この実験では、１０
％以下の吸収で、自己位相変調からπの位相シフトが得
られ、非線形吸収が３光子吸収によることが分かった。
さらに、時間分解によるポンプ−プローブ測定により、
非線形性が５００ｆｓのパルス状に生じることが分かっ
た。The hybrid TDCS shown in FIG.
It was experimentally verified using a passive mode-locked color center laser having a wavelength of 1.69 μm and a pulse width of about 415 fsec. The delay line 702 has a zero-dispersion wavelength of 1.
585 μm (group velocity dispersion at 1.69 μm is about 6 ps /
(Nm-km)), a polarization maintaining, dispersion shifted fiber was used. The waveguide 701 used had a length of 2.1 mm and a waveguide cross section of about 2.5 μm × 5 μm. The waveguide is 2.5
5 μm thick Al0.2Ga0.8As layer ridge waveguide having a refractive index of 0.15 lower than that of the active layer.
The wave is guided by the μm Al0.5 Ga0.5 As buffer layer. To simplify optical coupling to the bulk, a multimode waveguide with multiple modes was used. Subsequent fibers are filters that pass only the lowest order mode. The composition of the semiconductor material is set so that the laser spectrum is below 100 meV of half the bandgap energy, so that two-photon absorption does not occur. In this wavelength region, n2 is about 3 × 10 ^-14 cm
² / W and the material is isotropic (cross-phase modulation is two-thirds of self-phase modulation). In this experiment, 10
%, A phase shift of π was obtained from self-phase modulation, and it was found that nonlinear absorption was due to three-photon absorption.
In addition, by time-resolved pump-probe measurement,
It has been found that the non-linearity occurs in a 500 fs pulse.

【００２９】図７のハイブリッドＴＤＣＳへの時間シフ
トキーイングデータを図８に示す。導波路内での信号エ
ネルギーは９．８ｐＪ、制御エネルギーは９６．５ｐＪ
である。矩形８０１はクロックウィンドウを示し、印加
された信号によって制御パルスがこのウィンドウの外に
シフトする。モード不整合及びファイバへの結合損のた
め、ファイバを出射する制御エネルギーは３０．２ｐＪ
であり、デバイスのファンアウトあるいは利得は約３で
ある。同じ導波路を長くした際の、初期の非線形分光学
によって非線形位相シフトを見積った。導波路中の制御
パルスの自己位相変調位相シフトは約π／３であり、信
号による制御パルスの相互位相変調位相シフトは約π／
４０である。FIG. 8 shows time shift keying data for the hybrid TDCS of FIG. The signal energy in the waveguide is 9.8 pJ and the control energy is 96.5 pJ.
It is. Rectangle 801 indicates the clock window, and the applied signal causes the control pulse to shift out of this window. Due to mode mismatch and coupling loss to the fiber, the control energy exiting the fiber is 30.2 pJ
And the fanout or gain of the device is about 3. The nonlinear phase shift was estimated by initial nonlinear spectroscopy when the same waveguide was lengthened. The self-phase modulation phase shift of the control pulse in the waveguide is about π / 3, and the cross-phase modulation phase shift of the control pulse due to the signal is about π /.
40.

【００３０】ハイブリッドＴＤＣＳによって所望のタイ
ミング再生が行えることを確認した。例えば、制御パル
スが入力パルスで、信号パルスが適切な間隔を有する”
参照”パルスであるとする。パルス間隔δｔをδｔ＝ｔ
input−ｔrefとし、入力パルスのシフト量をΔｔとす
る。従って、入力パルスが参照パルスに先行する場合
（δｔ＜０）、非線形相互作用によって入力パルスは遅
れる（Δｔ＞０）。タイミングの誤差を正確に補正する
ために、参照パルスレベルは、δｔがほぼ零となるタイ
ムカーブの傾きが１となるように設定される。It has been confirmed that desired timing reproduction can be performed by the hybrid TDCS. For example, the control pulse is an input pulse and the signal pulses have the appropriate spacing. "
Reference "pulse. Pulse interval δt is set to δt = t
input-tref, and the shift amount of the input pulse is Δt. Therefore, when the input pulse precedes the reference pulse (δt <0), the input pulse is delayed (Δt> 0) due to nonlinear interaction. In order to accurately correct the timing error, the reference pulse level is set so that the slope of the time curve at which δt becomes substantially zero becomes 1.

【００３１】本発明によるタイミング再生器を、全光パ
ルス再生器に用いた例を図９に示す。図示されるよう
に、入力ソリトンパルス列９００は、パルスの振幅と形
状を再生するため、エルビウムドープファイバ増幅器等
の光増幅器９０１に入射される。その後、パルスはタイ
ミング再生器９０２に導かれ、入力９０３では参照パル
ス列を受ける。再生器９０２は、ライン９００の入力パ
ルスを参照パルスのタイミングに従って再生する。図９
の再生器は全て光であり、電気−光要素を必要としな
い。FIG. 9 shows an example in which the timing regenerator according to the present invention is used for an all-optical pulse regenerator. As shown, an input soliton pulse train 900 is incident on an optical amplifier 901 such as an erbium-doped fiber amplifier to regenerate the pulse amplitude and shape. Thereafter, the pulse is guided to a timing regenerator 902 and receives a reference pulse train at input 903. The regenerator 902 reproduces the input pulse of the line 900 according to the timing of the reference pulse. FIG.
Regenerators are all light and do not require electro-optical components.

【００３２】本発明は種々の導波路手段に実施可能であ
り、超格子構造を有する導波路にも適用できる。後者は
非線形要素として効果的であり、２光子吸収端を制御す
る電界を印加する手段を付加しても良く、本発明におい
てそれらを有効に用いることが期待される。The present invention can be applied to various waveguide means, and can be applied to a waveguide having a superlattice structure. The latter is effective as a non-linear element, and means for applying an electric field for controlling the two-photon absorption edge may be added, and it is expected that they will be used effectively in the present invention.

【００３３】[0033]

【発明の効果】以上に述べたように、本発明では信号波
長λsが、１．２＜λs＜１．７μmの領域で動作する全
光ゲートに関し、ゲートに特に優れた特性を与える、新
規の組成のプレーナ半導体光導波路手段を有する。特
に、光導波路手段は作用長Ｌで、信号の導波に適切に設
定される。導波路手段に関連して、非線形屈折率ｎ2及
び吸収係数αで、ｎ2及びαが、適切な制御パルスの存
在によって、中心波長λsの信号パルスが導波路手段を
伝搬する際に、ｅ^-1（ｅは自然対数の底）以下の損失で
πの位相シフト量を受けるように設定される。参照パル
ス列に応じて入力パルス列のタイミングを再生する装置
に応用し、ウォークオフが無視できる非線形材料と、前
記非線形材料から出射したパルスを受ける分散性遅延線
を有し、本発明によるタイミング再生器を用いれば、エ
ルビウムドープファイバ増幅器のような光増幅器と本発
明をカスケード接続することによって、パルスの再生
を、全て光で行うことができる。As described above, the present invention relates to an all-optical gate operating in the region where the signal wavelength λs is in the range of 1.2 <λs <1.7 μm, and provides a novel optical gate having particularly excellent characteristics. The composition has planar semiconductor optical waveguide means. In particular, the optical waveguide means has a working length L and is appropriately set for guiding signals. In connection with the waveguide means, the nonlinear index of refraction n2 and the absorption coefficient α, where n2 and α are equal to e ⁻¹ when a signal pulse of center wavelength λs propagates through the waveguide means due to the presence of a suitable control pulse. (E is the base of the natural logarithm). Applied to a device that reproduces the timing of an input pulse train in accordance with a reference pulse train, a nonlinear material having a negligible walk-off, and a dispersive delay line receiving a pulse emitted from the nonlinear material, a timing regenerator according to the present invention is provided. If used, pulse regeneration can be performed entirely with light by cascading the present invention with an optical amplifier such as an erbium-doped fiber amplifier.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】本発明による導波路の実施例を示す図。FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a waveguide according to the present invention.

【図２】本発明において、導波路内で位相シフトした実
験結果例を示す図。FIG. 2 is a diagram showing an example of an experimental result of a phase shift in a waveguide in the present invention.

【図３】本発明において、導波路内で位相シフトした実
験結果例を示す図。FIG. 3 is a diagram showing an example of an experimental result of a phase shift in a waveguide in the present invention.

【図４】本発明において、導波路内で位相シフトした実
験結果例を示す図。FIG. 4 is a diagram showing an example of an experimental result of a phase shift in a waveguide in the present invention.

【図５】本発明において、導波路内で位相シフトした実
験結果例を示す図。FIG. 5 is a diagram showing an example of an experimental result of a phase shift in a waveguide in the present invention.

【図６】損失に対する制御光強度の関係のデータ例を示
す図。FIG. 6 is a view showing a data example of a relationship between a control light intensity and a loss.

【図７】本発明による実施例を示す構成図。FIG. 7 is a configuration diagram showing an embodiment according to the present invention.

【図８】図７の構成におけるシステムによって得られた
データ例を示す図。FIG. 8 is a view showing an example of data obtained by the system in the configuration of FIG. 7;

【図９】本発明を、光ファイバ通信システムの関連部に
適用した場合の構成図。FIG. 9 is a configuration diagram when the present invention is applied to a relevant part of an optical fiber communication system.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１０ ＧａＡｓ基板 １１ Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層 １２ Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓコア層 １３ リッジ導波路 ７０１ ＡｌＧａＡｓ導波路チャーパー ７０２ 偏波維持ファイバ ７０３ ポラライザ ８０１ 矩形 ９００ 入力ソリトンパルス ９０１ 光増幅器 ９０２ タイミング再生器 ９０３ 入力参照パルス Reference Signs List 10 GaAs substrate 11 Al0.5 Ga0.5 As cladding layer 12 Al0.2 Ga0.8 As core layer 13 Ridge waveguide 701 AlGaAs waveguide chirper 702 Polarization maintaining fiber 703 Polarizer 801 Rectangular 900 Input soliton pulse 901 Optical amplifier 902 Timing regenerator 903 Input Reference pulse

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】 コアおよびクラッドからなる相互作用長
Ｌの光導波路手段を有する全光ゲート装置において、 前記光導波路手段は波長λ_sの電磁波信号を伝搬させ、 前記コアのバンドギャップエネルギーはＥ_gであり、非
線形屈折率はｎ₂であり、吸収係数はαであり、 ｎ₂およびαは、電磁波の制御パルスの存在によって、
中心波長λ_sの信号パルスが前記光導波路手段を伝搬す
る際に、ｅ^-1以下の損失でπの位相シフト量を受けるよ
うに設定され、 λ_sは、１．２μm＜λ_s＜１．７μmを満たし、 前記光導波路手段は、プレーナ半導体導波路手段（１
１，１２，１３）であり、前記コアはＡｌ_1-xＧａ_xＡｓ
からなり、ｘは、０＜ｘ＜１を満たし、かつ、（ｈｃ／
λ_s）＜Ｅ_g／２（ｈはプランク定数、ｃは真空中の光
速）となるように設定されることを特徴とする全光ゲー
ト装置。1. An all-optical gate device comprising an optical waveguide having an interaction length L comprising a core and a clad, wherein the optical waveguide transmits an electromagnetic wave signal having a wavelength of λ _s , and the band gap energy of the core is E _g. And the nonlinear index of refraction is n ₂ and the absorption coefficient is α, where n ₂ and α are:
When a signal pulse having a center wavelength λ _s propagates through the optical waveguide means, it is set so as to receive a phase shift amount of π with a loss of e ^-1 or less, and λ _s is 1.2 μm <λ _s <1. 7 μm, and the optical waveguide means comprises a planar semiconductor waveguide means (1
1,12,13), wherein the core is Al _1-x Ga _x As
X satisfies 0 <x <1 and (hc /
λ _s ) <E _g / 2 (h is Planck's constant, c is the speed of light in a vacuum). 【請求項２】 信号パルスエネルギーの９９％がλ_s±
Δλのスペクトル領域内にあり、ｘが、［ｈｃ／（λ_s
−Δλ）］＜Ｅ_g／２となるように選択されることを特
徴とする請求項１の装置。2. 99% of the signal pulse energy is λ _s ±
In the spectral region of Δλ, and x is [hc / (λ _s
-Δλ)] <E _g / 2. 【請求項３】 前記光導波路手段が、最低１つの量子井
戸を有することを特徴とする請求項１の装置。3. The apparatus of claim 1, wherein said optical waveguide means has at least one quantum well. 【請求項４】 Ｌ≦１ｃｍであることを特徴とする請求
項１の装置。4. The apparatus according to claim 1, wherein L ≦ 1 cm. 【請求項５】 前記導波路手段に電界をかける手段をさ
らに有することを特徴とする請求項３の装置。5. The apparatus of claim 3 further comprising means for applying an electric field to said waveguide means.