爆発的に増加する通信容量の解決策として考えられるWDM(Wavelength Division Multiplexing)ネットワークでは、波長変換器を用いることにより、ネットワーク中における波長の再利用とチャンネル争いの防止という大きなメリットが得られる。また、それによりシステム設計とメンテナンスが容易になると考えられる。

　最も簡単な波長変換器としては、光信号を電気信号に変え、その電気信号により異なる波長を持つレーザを発振させる方式が考えられる。この方法では信号のreshaping,regenerationはもちろんretimingが同時に可能になるというメリットがあるが、システムの大型化、O/E(またはE/O)の変換による高いパワー損失と低速度(10Gbit/s以下)というデメリットがあり、究極の解決策とはなり得ないのである。従って、光信号を電気信号に変えることなく、光のままで変換する全光波長変換器が望ましいと考えられる。波長変換器の媒体としてはファイバ、ポリマー、そして半導体などの受動導波路でも構成できるが、強い非線型特性を保持し、コンパクトに実現できる半導体能動デバイスが望ましいと考えられる。特に半導体光アンプ(SOA:Semiconductor Optical Amplifier)の広帯域性はEDFAのすべてのチャンネルをカバーするのでSOAを用いた研究が盛んになっている。入力光によるSOA内部でのキャリアの変動、それに伴う利得と屈折率の変化を利用した相互利得変調(XGM:Cross-Gain Modulation),相互位相変調(XPM Cross-Phase Modulation)が提案され、これらを採用した転送システムの実験などが活発に行われている。XGMはSOAの利得の変化が、変換された出力の消光比(extinction ratio)にそのまま現われるので、必要な消光比を得るためには、相当強い光の入力を必要とする。しかし、XPMはMach-Zehnderなど干渉系にSOAを集積化したデバイスであり、SOAの内部での屈折率変化により伝播速度の差、それによる位相の変化を利用するのでXGMより弱い入力光パワーでの動作が可能である。また、入力パワーレベルと入力ポットの調整により、XGMで見られた符号反転が解決される。しかし、XPMデバイスの実現は受動デバイス能動デバイスとの集積化という高度プロセス技術を必要とするので、その歩止りは相当低いのが現実である。

　本研究では、方向性結合器型半導体光アンプ(DCSOA)を用いた新しいXPMデバイスを提案し、デバイスの作製および特性評価を行った。そして波長変換器としての動作をデモンストレーションし、通常のXPMデバイスの短所を解決することを明確にした。また、DCSOAとは別に光誘起導波路(PIG:Photon-Induced Waveguide)を新しく提案し、PIGが簡易かつ高性能のXGM波長変換器として活用できることを検討した。

　方向性結合器は、導波路の近接による結合を用い、分波、または切り替え(スイッチング)を可能にしたデバイスであり、その動作の制御は受動導波路に加えた電圧で行われる。つまり、電圧により導波路の屈折率を変化させることで、光の結合モードを調整するのが動作機構である。しかし、受動ではなく能動導波路、つまり、SOAを方向性結合器の導波路として使うことによって電圧の代わりに注入電流と入力光により導波路の屈折率の変化を起こすことができる。したがって、制御信号光を利用することで光スイッチングのみではなく、波長変換の動作も可能になるのである。例えば、図1に示すように、ある波長のCW光(cw)とLowレベルの入力信号光(signal)がSOA1に入った状態を考える。光が結合するように方向性結合器に電流を流すと、出力としてCW光はHighレベル状態となる。次に、入力信号光がHighレベルに変わった時は、この入力信号光のパワーによってSOA1の誘導放出が強くなる。それにより、キャリアが減り、屈折率が増加する。つまり、強い入力信号によってSOA1とSOA2との伝播定数の差()が生じ、方向性結合器は結合モードから反結合モードに切り替わる。CW光と入力信号光がともにbar-state出力ポートに出力され、cross-state出力ボートでの光出力のレベルが低下する。結局、入力信号光(signal)のシグナルがそのままCW光(cw)の波長にコピーされ、波長変換が行われることになるのである。

図1 DCSOA波長変換器の概念図

　一般的なXPMデバイスの場合、屈折率の変化による伝播速度の差のみを利用するので伝達特性が鋭く、波長変換時にregenerationとreshapingの機能が実現できるが、伝達特性がサインカーブのように周期的に変化するので入力パワーの許容範囲が狭いという大きな問題が生ずる。しかし、ここで提案したDCSOAを用いた波長変換器は屈折率の変化による伝播速度の差たけではなく二つの導波路の結合の善し悪しもデバイスの動作に影響するのであるので、伝達特性が周期的ではなく、デジタル的に変化する。これによって入力パワーの許容範囲を広げられるのである。

デバイスの数値解析

　デバイスを作製する前に,解析的なシミュレーションとBPM(Beam Propagation Method)シミュレーションを行い、定性的な波長変換動作を確認した[1,2]。SOA導波路は対称で、導波路内部の光伝播方向での屈折率の分布は無視して平均的な変化のみを考慮した[3]。シミュレーションは、0.1mWのCW probe光は常に入っている状態で、シグナル光の強度を0.01mWから10mWまで変化させながら行った。図2で示したように、伝達特性が通常のMach-Zehnder干渉系に基づいたXPMのそれと異なり、非周期的であることがわかる。

　光伝播方向に対し、キャリア密度などの空間的な分布を調べ、より正確な数値解析を行うために、新しいシミュレータを開発した。このシミュレータは基本的に伝達行列方式(TMM:Transfer Matrix Method)を採用している[4]。DCSOAの弱結合を仮定し、二つのSOAの結合を表現するため、結合方程式を用いている。正確な結合係数や伝播定数を求めるため、光モードも計算している。また、強結合の場合も説明できるように固有値計算法も開発した。図3は入力パワーが-20dBm,-10dBm,0dBmの時、長さ1500mのデバイスの共振器方向での光パワー、キャリア密度、伝播定数、結合係数をあらわしている。光が伝播することに従って、キャリアが減衰し、屈折率が高くなり、伝播定数が大きくなるのが分かる。また、入力パワーが大きくなるほどこれらの変化が大きくなるのが分かる。図4は長さ750mのSOA1での入力パワーに対し、SOA2の出力ボートでのパワーの比(クロスポートでの利得)を示している。入カパワーのレベルが低い場合は、デバイス内部のキャリア密度の変動が無視できるくらい低いので、二つのSOAが強く結合し、クロスポートでの利得は大きい。しかし、入力パワーが大きくなるに従って、内部のキャリア密度の変動が大きくなり伝播定数の差も増加するし、結合も弱くなる。従ってクロスポートでの利得は急激に減衰する。比較のため同じ長さのSOAの利得飽和特性もいっしょに示した。

図表図2 解析な数値解析によるDCSOAの波長変換特性 / 図3 TMMに基づいたDCSOAの数値解析; 光のパワー(a)、伝播定数(b)、結合係数(c)の光の伝播方向での分布がわかる。図4 TMMに基づいたDCSOAの数値解析;入力パワーに対する利得を表している。

　デバイスの波長依存性は大きく二つの原因、つまり、SOAの波長依存性と方向性結合器の波長依存性から生ずる。シミュレーションにより主にSOAの波長依存性がデバイスの波長依存性に影響することが分かった。波長1.53mから1.57mまではほとんど波長依存性が見られず、また、1.51mから1.59mの範囲でも挿入損失と消光比の変化もわずか5dB以下であることがわかる。

DCSOA波長変換器の作製と特性評価

　DCSOA波長変換器の作製はSOA単体のそれとまったく同じであり、使うマスクだけ変えればよいのでそれほど難しいプロセスではない。全体のプロセスは大きく、MOVPEによる結晶成長、導波路の作製、そして無反射コーティング(AR coating:Anti-Reflection Coating)による進行波型半導体アンプ(TWA:Traveling Wave Amplifier)の作製に分けられる。MOVPEによる結晶成長ステップでは、約0.7%の圧縮ひずみの投入することによってTEモードの光のみが利得と損失を感じるようにした。導波路の作製ステップではデバイスの性能の向上ではなく、プロセスの再現性と容易さに焦点を合わせたので、self-aligned蒸着とlift-offなどのプロセス法を採択した。図5は作製したDCSOA波長変換器のSEM写真である。デバイスの大きさは、結合部分の長さ1.0mmを含んで全体の長さ1.5mmであり、幅は500mである。SOA導波路の幅と間隔はそれぞれおよそ2mと3mである[5,6]。

図表図5 DCSOAの断面SEM写真 / 図6 Al₂O₃/ZnS/Al₂O₃多層膜無反射コーティング: 無反射コート前後の自然放出スペクトル

　劈開断面での反射をなくすためのARコーティングとは、半導体レーザ断面に適当な誘電体膜を施すことにより、Fabry-Perotモードを抑えるプロセスである。膜の屈折率と厚さの二つのパラメータをうまく組み合わせることで低反射率が実現される。成膜には電子ビーム蒸着装置を用いて実験を行った。低反射率の帯域が広く、製作誤差に対し許容範囲の大きいZnS/Al₂O₃多層膜ARコーティングを試みた。実験はエリプソメトリで膜の屈折率と膜厚を測り、その結果をフィードバックさせる方法で実験を進めた。実際には、InPとZnSとの接触力を上げるため、数十nm程度のAl2O3をバッファー層として挿入する方式を導入した。図はAl₂O₃(20nm)/ZnS(84.8nm)/Al₂O₃(181.6nm)三層膜ARコーティングを行った後のスペクトルと反射率であり、反射率の評価にはよく知られているHakki-Paoli法を用いた[7]。得られた10^-4程度の反射率は、DCSOA波長変換デバイスを動作させるのには十分な値である。

　図7は試作した波長変換デバイスの静特性を評価する測定系である。バイアス電流は150mAであり、電極は分離してない状態である。デバイスは圧縮歪みのMQWを採択したので測定系はすべて偏波保持で構成した。波長可変レーザ(TLD)は信号光源として、DFB-LDはprobe光源として使用している。導波路に光を入れるところと取り出すところはすべて先球ファイバを用いて、可能な限り結合損失が小さくなるようにした。図は波長変換の静特性である。波長1.549mの信号光のパワーを変えたとき、同時に入射された波長1.554mのCWの出力をモニタした。8dBの入力の変化で14dBの出力変化が得られたのは消光比の改善を意味する。出力の形が周期的ではないのはいろいろな解析で予想した結果と一致する。非周期的な伝達特性は入力パワーの許容範囲を広げ、デジタルシステムには望ましいと期待される。

図表図7 DCSOA波長変換器の静特性評価系 / 図8 DCSOA波長変換器の静特性

　一般的にSOAに電流を注入すると利得は増加するが屈折率は減小する。もし、注入電流が大きすぎて導波路部分の屈折率が周りに比べて低くなると、導波路で光のモードは存在しなくなり、導波路は屈折率導波路として動作しなくなる。このような状態をantiguidingという。導波路がantiguidingの状態では入射された光は放射されるので、出力された光のパワーのレベルは相当低くなる。しかし、もし、最適化された導波路に十分強い光が入射されて強烈な誘導放出が起きた場合、利得は下がるが屈折率の向上による光閉じ込めは強くなり、導波路が誘起される。一旦、光誘起によって導波路が形成されると、光はもっと閉じ込められ、そこでのフォトンの密度が増え、誘導放出がさらに増加する正帰還がかかる。つまり、入力光のパワーで導波モードと放射モードを切り替えられるので、このデバイスは全光スイッチング、波形再生器、そして全光波長変換器としての応用が期待される。

　導波路部分の屈折率が周辺に比べて低い時は光の導波モードが存在しなくて閉じ込め係数が定義できないが、そのときには閉じ込め係数が指数関数的に減衰すると仮定すると定量的な数値解析が可能となる。モード計算が含まれた伝達行列方式(TMM)により、光伝播方向での利得と光閉じ込め係数が求められるので、デバイスの利得特性が調べられる。図9でわかるように、ある程度の光パワーになるとantiguidingの状態であった導波路がguidingの状態に変わり,出力が閾値的に増加するのがわかる。

図9 光誘起導波路(PIG)の伝達特性

　XGMの本質的な短所であった消光比の悪化と符号の反転が解決されるので、我々の提案するPIGデバイスを用いることで容易に高効率の波長変換が可能となると考えられる。

　WDMとこれを支えるデバイスの一つとしての波長変換器は相当な意味を持ち、研究が行われている。しかし、システムからの要求すべてに答えられる波長変換器はまだできてないのが現状である。従って、この研究では、高性能かつプロセストレランスに優れた新しい波長変換器を提案し、シミュレーションでその動作機構を説明した。DCSOA波長変換器はXPMの特徴である消光比の改善だけではなく、デジタル的な伝達特性を持っていることを数値解析とデバイスの作製と特性評価によって証明した。デバイスのプロセスは非常に簡単であり、低コストの波長変換器として期待される。

　そして、光誘起導波路を提案し、その伝達特性を数値解析で調べた。光誘起導波路を用いた波長変換器は、導波路での光閉じ込めの正帰還を用いるので、閾値的な利得変化が得られる。このデバイスはXGM方式の本質的な欠点であった、波長変換時の消光比の悪化と符号の反転を同時に解決すると見込まれる。また、このデバイスは波長変換だけではなく、全光スイッチやその双安定性による光メモリとしても応用できると期待される。