JP2004247510A - 波長分割多重用半導体光デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】常時監視及び常時制御を可能とする波長分割多重用半導体光デバイスを提供する。
【解決手段】ＳＯＡ１０３に電流が流れている場合、信号光入力の有無にかかわらずＳＯＡ１０３からの自然放出光が増幅されたＡＳＥが発生し、これは、入射された光信号を合波するためのＡＷＧ１０６への合波入力ポート１０４に入射すると共に、分波されＡＷＧ１０６からＳＯＡ１０３に向けて出力される分波出力ポート１０２へも、同時に入射する。このとき、信号光の進行方向と逆向きに走行するＡＳＥは、ＡＷＧ１０６で合波された後は、分波出力ポート１０２の異なるポート（波長）からの光信号として、波長多重化されて合波出力ポート１０５に出力される。このときのＡＳＥスペクトルは、ＡＷＧ１０６のフィルタ特性を反映するため、合波出力ポート１０５に対応した光の波長スペクトルを持つ。
【選択図】 図１
【解決手段】ＳＯＡ１０３に電流が流れている場合、信号光入力の有無にかかわらずＳＯＡ１０３からの自然放出光が増幅されたＡＳＥが発生し、これは、入射された光信号を合波するためのＡＷＧ１０６への合波入力ポート１０４に入射すると共に、分波されＡＷＧ１０６からＳＯＡ１０３に向けて出力される分波出力ポート１０２へも、同時に入射する。このとき、信号光の進行方向と逆向きに走行するＡＳＥは、ＡＷＧ１０６で合波された後は、分波出力ポート１０２の異なるポート（波長）からの光信号として、波長多重化されて合波出力ポート１０５に出力される。このときのＡＳＥスペクトルは、ＡＷＧ１０６のフィルタ特性を反映するため、合波出力ポート１０５に対応した光の波長スペクトルを持つ。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長分割多重（ＷＤＭ；ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）用半導体光デバイスに関し、より詳しくは、ＷＤＭ通信システムで用いられる半導体光デバイスの波長グリッド安定化技術に係る波長分割多重用半導体光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の通信システムの高速大容量化に対応する方策のひとつとして、一本の光ファイバに複数の波長の異なる光信号を重畳させて同時に伝送する波長分割多重（ＷＤＭ）方式の研究が盛んに行われ、一部実用化も始まっている。さらに光信号のまま信号のルーティングを行う光波ネットワークの研究も進められ、ルーティングのポイント（ノード）における信号の識別と切り替えに、光の波長情報を用いることが検討されている。このようなシステムにおいては光の波長が信号の識別として用いられるため、その安定性や制御性が重要である。
【０００３】
光の波長による識別と分離を行うデバイスの代表的なものとして、アレイ導波路格子（ＡＷＧ；ａｒｒａｙｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇ）がある。これは光路長が少しずつ異なる光導波路を並べることで、光の位相のずれを干渉させ、光を波長ごとに異なる光導波路に導くことを可能にする。このようにしてＷＤＭシステムで重畳された複数の波長の信号を分離することが可能である。また、これとはまったく逆の動作原理によって、複数の異なる導波路を伝播して来た異なる波長の光を、ひとつの導波路に合波することが可能である。
【０００４】
このときＡＷＧの合分波される光の波長は、アレイ導波路の光路長差で決まるが、この光路長は導波路媒質の屈折率に依存するため、ＡＷＧの波長グリッドを制御するために、屈折率を安定化させるための素子の温度制御が必要である。これまで主に用いられているＡＷＧは、石英の光導波路を用いているため、温度による屈折率の温度変動が小さく、また素子自身が発熱することがないため、サーミスタによる温度監視でペルチェ素子等で温度を一定化させる方法が用いられている。
【０００５】
一方、近年では半導体を光導波路媒質としたＡＷＧの研究も盛んに進められている。これは半導体光増幅器（ＳＯＡ；ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）や電界吸収型光変調器（ＥＡＭ；ｅｌｅｃｔｒｏ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）等の半導体素子をモノリシックに集積化することで、非常に小型な多機能の光半導体素子を実現することが可能となるためである。
【０００６】
その主な例としては、図４に示す波長セレクタのように半導体ＡＷＧ４０１、４０２およびＳＯＡ４０３、４０４をモノリシックに集積した半導体光素子（例えば、非特許文献１参照）や、図５に示す多波長光変調素子のように半導体ＡＷＧ５０１、ＳＯＡ５０２およびＥＡＭ５０３をモノリシックに集積した半導体光素子（例えば、非特許文献２参照）が報告されている。
【０００７】
これらの素子では、ＡＷＧとともにＳＯＡやＥＡＭがモノリシック集積されているため、これらの素子への注入電流や電界印加時の電流等によるジュール発熱で、チップ自身が発熱するため、石英導波路によるＡＷＧと比較し、温度の制御が難しくなっている。
【０００８】
このような発熱を伴う機能素子をモノリシック集積したデバイスでは、注入電流量等の動作条件によってチップ自身の発熱量が異なるため、これによる温度のずれを校正する必要がある。しかしモノリシック集積した半導体デバイスでは、半導体チップ上に直接サーミスタを搭載することが困難である。
【０００９】
このため、図６に示すように、ペルチェ６０２上のヒートシンク６０３に半導体デバイス６０４とサーミスタ６０５とをそれぞれハンダ等で固定し、サーミスタによる温度監視でペルチェ素子で温度を一定化させる温度校正方法が取られる。この場合、サーミスタ６０５でモニターされる温度はヒートシンク６０３の温度となるため、半導体デバイス６０４の温度は間接的な測定になってしまう。特に、温度による屈折率変化が大きい半導体ＡＷＧを持つデバイスでは、その設定精度が十分でない。
【００１０】
このためＡＷＧを波長グリッドに合わせる場合は、実際に光信号と同じ波長のダミー信号光を入力し、そのダミー信号光の出力信号をモニターしながら温度を制御（校正）する必要があった。また、設定後にＳＯＡへの注入電流量等の動作条件を変えた場合は、再度ダミー入力光による温度校正を行う必要があり、長期の連続動作時や動作条件の変化に対応する際には問題となる可能性が考えられる。
【００１１】
【非特許文献１】
Ｎ． Ｋｉｋｕｃｈｉ他， “６４−ｃｈａｎｎｅｌ ＷＤＭ ｃｈａｎｎｅｌ ｓｅｌｅｃｔｏｒ”， ２７ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ （ＥＣＯＣ２００１）
【００１２】
【非特許文献２】
Ｙ． Ｓｕｚａｋｉ他， “ＤＷＤＭ Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ”， １４ｔｈ Ｉｎｄｉｕｍ Ｐｈｏｓｐｈｉｄｅ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ （ＩＰＲＭ２００２）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
発熱を伴う素子をモノリシックに集積したＡＷＧを用いたＷＤＭ用半導体光素子では、素子の発熱量に変化があった場合でも、ＡＷＧの波長グリッドを常にＷＤＭの波長チャンネルに一致させるために、素子（特にＡＷＧ）の温度を一定に保持するような制御を必要とする。従来の方法では、ダミー信号を入力しその出力信号をモニターしながら制御（校正）する必要があったため、実使用状態での常時監視や常時制御が困難であった。
【００１４】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ダミー信号を用いることなく、発熱素子の動作条件変化時にも実使用状態下において、常時監視及び常時制御を可能とする波長分割多重用半導体光デバイスを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明の波長分割多重用半導体光デバイスは、半導体素子をモノシリックに集積化した波長分割多重用半導体光デバイスであって、信号光入力ポートに入力された波長分割多重された信号光を個々の波長の光に分波し、個々の波長の光を合波して波長分割多重された信号光を信号光出力ポートに出力するアレイ導波路格子（ＡＷＧ）と、光を発生する光発生手段と、該光発生手段によって発生した光から、前記信号光入力ポートに入力される信号光及び前記信号光出力ポートに出力される信号光とは別の光を取り出して出力する光出力手段とを備えたことを特徴とする（実施形態１〜３、図１〜３に対応）。
【００１６】
ここで、前記光発生手段は、前記ＡＷＧによって分波され分波出力ポートから出力された個々の波長の光の強度を制御し、当該制御された個々の波長の光を前記ＡＷＧによる合波のために合波入力ポートに入力する半導体光増幅器（ＳＯＡ）であり、前記光発生手段によって発生した光は増幅自然放出光（ＡＳＥ）であり、該ＡＳＥは前記分波出力ポート又は前記合波入力ポートのいずれかを介して前記ＡＷＧに入力され、前記光出力手段は、前記ＡＷＧに入力された前記ＡＳＥのスペクトルから成る光を、前記別の光として出力することを特徴とする（実施形態１〜３、図１〜３に対応）。
【００１７】
また、前記光出力手段は、前記分波出力ポートを介して前記ＡＷＧに入力される前記ＡＳＥのスペクトルから成る光を、前記信号光出力ポートに出力される信号光とは別の光として前記信号光出力ポートに出力することを特徴とする（実施形態１、図１に対応）。
【００１８】
以上の構成により、ＷＤＭの信号光を分波するＡＷＧと出力する際に合波するＡＷＧとを、同一のＡＷＧで行う場合は、信号光出力の波長とは異なる波長スペクトルの増幅自然放出光（ＡＳＥ；ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）出力として、同じ出力ポートに波長多重化された信号として取り出すことが可能である。これは同じ出力ポートに対して異なる入力ポートからの信号が合波されることと同じ働きである（実施形態１）。
【００１９】
また、前記光出力手段は、前記分波出力ポートを介して前記ＡＷＧに入力された前記ＡＳＥのスペクトルから成る光を前記信号光入力ポートに出力し、当該出力した光から前記信号光入力ポートに入力される信号光とは別の光を出力することを特徴とする（実施形態２、図２に対応）。
【００２０】
以上の構成により、ＷＤＭ信号光の分波と合波とを同一のＡＷＧで行う場合は、信号光入力ポートへ逆向きの光出力としてＡＳＥ出力を取り出すことが可能である。この場合は信号光波長と同じ波長を持つスペクトルとしてＡＳＥが出力されるが、伝播方向が逆となるためサーキュレータ等を用いて信号光入力とＡＳＥ出力とを外部で分離することが出来る（実施形態２）。
【００２１】
また、前記光出力手段は、前記別の光を前記信号光入力ポート及び前記信号光出力ポートとは別のポートに出力することを特徴とする（実施形態３、図３に対応）。
【００２２】
以上の構成により、ＡＷＧにＡＳＥ出力専用ポートを作ることが可能である。この場合も当然、信号光とは独立したＡＳＥ出力の取り出しが可能である（実施形態３）。
【００２３】
なお、特許請求の範囲と対応する実施形態及び図番を（）で示す。ただし、特許請求の範囲に記載した構成要素は上記（）部の実施形態の構成部に限定されるものではない。
【００２４】
本発明の以上の構成により、波長多重化された信号を合分波する素子としてＡＷＧを用いる場合、ＡＷＧの特徴のひとつである、入力光ポートと出力光ポートとのそれぞれの位置が入出力する光の波長差によって決まり光の波長の絶対値にはよらないことを利用することで、ＡＳＥ出力を本来の信号光出力とは別の波長あるいは別のポートに出力することが可能となる。
【００２５】
以上のような構成で信号光とは別に取り出されたＡＳＥ出力は、そのスペクトル形状がＡＷＧのフィルタ特性によって決まる。また、ＡＷＧは光の干渉によって合分波するという動作原理のため、出力ポートの波長（周波数）間隔は等間隔になる。したがって、このＡＳＥ出力スペクトルのピーク位置を波長グリッドに合わせることで、信号光に対する波長グリッドにＡＷＧのグリッドを一致させることが可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、各図面において同様の機能を有する箇所には同一の符号を付し、説明の重複は省略する。
【００２７】
［実施形態１］
図１は、本実施形態１のＷＤＭ用半導体光デバイスの説明図で、信号光出力ポートに波長多重化されたＡＳＥ出力を取り出す場合の概要を示す。合波と分波に同じＡＷＧ１０６を用いたＷＤＭ用半導体光デバイス１００で、出力ポート１０５にＡＳＥ信号を取り出す場合の実施形態について、図１を用いて説明する。図中符号１００はＷＤＭ用半導体光デバイス、１０１はＷＤＭ信号光入力ポート、１０２は分波出力ポート、１０３はＳＯＡ、１０４は合波入力ポート、１０５は合波出力ポート（兼、ＡＳＥ出力ポート）、１０６はＡＷＧである。
【００２８】
波長多重化された光信号は、ＡＷＧ１０６のＷＤＭ信号光入力ポート１０１に入力され、分波出力ポート１０２において波長ごとに分波され、それぞれ異なる光導波路に導かれる。個々の導波路には、光強度のスイッチングや増幅を可能とするＳＯＡ１０３がそれぞれ配置されている。ここで増幅された光はそれぞれ、再び同じＡＷＧ１０６の合波入力ポート１０４の別のポートに入力され、合波出力ポート１０５の一つのポートで合波される。ＳＯＡ１０３に電流が流れている場合、信号光入力の有無にかかわらずＳＯＡ１０３からの自然放出光が増幅されたＡＳＥが発生し、これは、入射された光信号を合波するためのＡＷＧ１０６への合波入力ポート１０４に入射すると共に、分波されＡＷＧ１０６からＳＯＡ１０３に向けて出力される分波出力ポート１０２へも、同時に入射する。
【００２９】
このとき、分波出力ポート１０２からの信号光の進行方向と逆向きに走行するＡＳＥは、分波出力ポート１０２から合波出力ポート１０５へのアレイ導波路を走行しＡＷＧ１０６で合波された後、分波出力ポート１０２の異なるポート（波長）からの光信号として、波長多重化されて合波出力ポート１０５に出力される。このときのＡＳＥスペクトルは、ＡＷＧ１０６のフィルタ特性を反映するため、合波出力ポート１０５に対応した光の波長スペクトルを持つ。このときのＡＳＥの波長スペクトルは、ＡＷＧ１０６に結合したポート（分波出力ポート１０２、合波出力ポート１０５等）の位置にのみ依存するため、入出力ポート（分波出力ポート１０２、合波出力ポート１０５等）の位置を決めることで、このＡＳＥ出力スペクトルの波長は任意に決定することが出来る。
【００３０】
［実施形態２］
図２は、本実施形態２のＷＤＭ用半導体光デバイスの説明図で、信号光入力ポートに逆走させてＡＳＥ出力を取り出す場合の概要を示す。合波と分波に同じＡＷＧ２０７を用いたＷＤＭ用半導体光デバイス２００で、入力ポート２０１にＡＳＥ信号を取り出す場合の実施形態について、図２を用いて説明する。図中符号２００はＷＤＭ用半導体光デバイス、２０１はＷＤＭ信号光入力ポート（兼、ＡＳＥ出力ポート）、２０２は分波出力ポート、２０３はＳＯＡ、２０４は合波入力ポート、２０５は合波出力ポート、２０６はサーキュレータ、２０７はＡＷＧである。
【００３１】
波長多重化された光信号は、まずサーキュレータ２０６を通してＡＷＧ２０７のＷＤＭ信号光入力ポート２０１に入力され、分波出力ポート２０２において波長ごとに分波され、それぞれ異なる光導波路に導かれる。個々の導波路には、光強度のスイッチングや増幅を可能とするＳＯＡ２０３がそれぞれ配置されている。ここで増幅された光はそれぞれ、再び同じＡＷＧ２０７の合波入力ポート２０４の別のポートから入力され、合波出力ポート２０５の一つのポートに合波される。ＳＯＡ２０３に電流が流れている場合、信号光入力の有無にかかわらずＡＳＥが発生し、これは、入射された光信号を合波するためのＡＷＧ２０７への合波入力ポート２０４に入射すると共に、分波されＡＷＧ２０７からＳＯＡ２０３に向けて出力される分波出力ポート２０２へも、同時に入射する。
【００３２】
この分波出力ポート２０２からの信号光の進行方向と逆向きに走行するＡＳＥは、信号光を分波した場合と同じ経路でＡＷＧ２０７を逆向きに伝播し（分波出力ポート２０２からＷＤＭ信号光入力ポート２０１へのアレイ導波路を走行し）合波され、ＷＤＭ信号光入力ポート２０１に出力される。そしてサーキュレータ２０６を通してＡＳＥ出力として取り出すことが可能となる。
【００３３】
［実施形態３］
図３は、本実施形態３のＷＤＭ用半導体光デバイスの説明図で、ＡＷＧにＡＳＥ出力ポートを作製した場合の概要を示す。ＡＳＥ信号を取り出すポート３０７をＡＷＧ３０６に取り付けた場合の実施形態について、図３を用いて説明する。なおこれは、ＡＷＧを合波と分波とで共用する場合（実施形態１、２のように合波と分波に同じＡＷＧを用いる）、及びそれぞれ用いる場合（ＡＷＧを合波と分波とでそれぞれ別なＡＷＧを用いる）のいずれにも適用可能である。
図中符号３００はＷＤＭ用半導体光デバイス、３０１はＷＤＭ信号光入力ポート、３０２は分波出力ポート、３０３はＳＯＡ、３０４は合波入力ポート、３０５は合波出力ポート、３０６はＡＷＧ、３０７はＡＳＥ出力ポートである。
【００３４】
波長多重化された光信号は、ＡＷＧ３０６のＷＤＭ信号光入力ポート３０１に入力され、分波出力ポート３０２において波長ごとに分波され、それぞれ異なる光導波路に導かれる。個々の導波路には、光強度のスイッチングや増幅を可能とするＳＯＡ３０３がそれぞれ配置されている。ここで増幅された光はそれぞれ、再び同じＡＷＧ３０６の合波入力ポート３０４の別のポートから入力され、合波出力ポート３０５の一つのポートで合波される。ＳＯＡ３０３に電流が流れている場合、信号光入力の有無にかかわらずＡＳＥが発生し、これは、入射された光信号を合波するためのＡＷＧ３０６への合波入力ポート３０４に入射すると共に、分波されＡＷＧ３０６よりＳＯＡ３０３に向けて出力される分波出力ポート３０２へも、同時に入射する。
【００３５】
これらのＡＳＥ信号を取り出すための合波ポートであるＡＳＥ出力ポート３０７をＡＷＧ３０６に作製しておくことにより、出力信号光とは異なる波長スペクトルで合波出力ポート３０５とは異なるＡＳＥ出力ポート３０７にＡＳＥ出力を取り出すことが可能となる。
【００３６】
即ち、分波出力ポート３０２からの信号光の進行方向と逆向きに走行するＡＳＥは、分波出力ポート３０２からＡＳＥ出力ポート３０７へのアレイ導波路を走行しＡＷＧ３０６で合波された後、分波出力ポート３０２からの光信号として、波長多重化されてＡＳＥ出力ポート３０７に出力される。
【００３７】
なお、このＡＳＥ出力ポート３０７は、ＡＷＧを合波と分波とでそれぞれ別なＡＷＧを用いた場合、合波側のＡＷＧおよび分波側のＡＷＧの、いずれのＡＷＧへも作製可能である。
【００３８】
［実施形態の効果］
以上説明した実施形態１〜３のように構成されたＷＤＭ用半導体光デバイスを使用すれば、異なる波長スペクトルの信号として多重化し出力されたＡＳＥのスペクトルをモニターすることで、信号光とは全く独立にＡＷＧの波長グリッドを確認することが可能となる。このＡＷＧの波長グリッドのスペクトルを持つＡＳＥ出力のピーク波長が常に一定になるように素子の温度を制御することで、常に波長グリッドをモニターし制御することが可能となる。
【００３９】
これは、前述の従来の技術で図６に示した温度校正方法において、従来、ダミー信号を入力しその出力信号をモニターしながら制御（校正）していたことに替えて、上述の実施形態１〜３におけるＡＳＥのスペクトルをモニターすればよい。
【００４０】
このため、実使用条件下においても、入力信号光の有無にかかわらず、またＳＯＡ等の発熱を伴う素子の動作条件の変化にもかかわらず、常にＡＷＧの波長グリッドを一定に制御することが可能となる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、半導体素子をモノシリックに集積化した波長分割多重用半導体光デバイスは、信号光入力ポートに入力された波長分割多重された信号光を個々の波長の光に分波し、個々の波長の光を合波して波長分割多重された信号光を信号光出力ポートに出力するアレイ導波路格子（ＡＷＧ）と、光を発生する光発生手段と、それによって発生した光から、信号光入力ポートに入力される信号光及び信号光出力ポートに出力される信号光とは別の光を取り出して出力する光出力手段とを備える。
【００４２】
これにより、本発明の波長分割多重用半導体光デバイスを使用すれば、上記別の光をモニターすることで、信号光とは全く独立にＡＷＧの波長グリッドを確認することが可能となる。このＡＷＧの波長グリッドのスペクトルを持つ上記別の光のピーク波長が常に一定になるように素子の温度を制御することで、常に波長グリッドをモニターし制御することが可能となる。
【００４３】
このため、ダミー信号を用いることなく、発熱素子の動作条件変化時にも実使用状態下において、常時監視及び常時制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１のＷＤＭ用半導体光デバイスの説明図である。
【図２】本発明の実施形態２のＷＤＭ用半導体光デバイスの説明図である。
【図３】本発明の実施形態３のＷＤＭ用半導体光デバイスの説明図である。
【図４】従来の波長セレクタを示す図である。
【図５】従来の多波長光変調素子を示す図である。
【図６】従来の温度校正方法を示す図である。
【符号の説明】
１００、２００、３００ ＷＤＭ用半導体光デバイス
１０１、２０１、３０１ ＷＤＭ信号光入力ポート
１０２、２０２、３０２ 分波出力ポート
１０３、２０３、３０３ ＳＯＡ
１０４、２０４、３０４ 合波入力ポート
１０５、２０５、３０５ 合波出力ポート
１０６、２０７、３０６ ＡＷＧ
２０６ サーキュレータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長分割多重（ＷＤＭ；ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）用半導体光デバイスに関し、より詳しくは、ＷＤＭ通信システムで用いられる半導体光デバイスの波長グリッド安定化技術に係る波長分割多重用半導体光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の通信システムの高速大容量化に対応する方策のひとつとして、一本の光ファイバに複数の波長の異なる光信号を重畳させて同時に伝送する波長分割多重（ＷＤＭ）方式の研究が盛んに行われ、一部実用化も始まっている。さらに光信号のまま信号のルーティングを行う光波ネットワークの研究も進められ、ルーティングのポイント（ノード）における信号の識別と切り替えに、光の波長情報を用いることが検討されている。このようなシステムにおいては光の波長が信号の識別として用いられるため、その安定性や制御性が重要である。
【０００３】
光の波長による識別と分離を行うデバイスの代表的なものとして、アレイ導波路格子（ＡＷＧ；ａｒｒａｙｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇ）がある。これは光路長が少しずつ異なる光導波路を並べることで、光の位相のずれを干渉させ、光を波長ごとに異なる光導波路に導くことを可能にする。このようにしてＷＤＭシステムで重畳された複数の波長の信号を分離することが可能である。また、これとはまったく逆の動作原理によって、複数の異なる導波路を伝播して来た異なる波長の光を、ひとつの導波路に合波することが可能である。
【０００４】
このときＡＷＧの合分波される光の波長は、アレイ導波路の光路長差で決まるが、この光路長は導波路媒質の屈折率に依存するため、ＡＷＧの波長グリッドを制御するために、屈折率を安定化させるための素子の温度制御が必要である。これまで主に用いられているＡＷＧは、石英の光導波路を用いているため、温度による屈折率の温度変動が小さく、また素子自身が発熱することがないため、サーミスタによる温度監視でペルチェ素子等で温度を一定化させる方法が用いられている。
【０００５】
一方、近年では半導体を光導波路媒質としたＡＷＧの研究も盛んに進められている。これは半導体光増幅器（ＳＯＡ；ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）や電界吸収型光変調器（ＥＡＭ；ｅｌｅｃｔｒｏ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）等の半導体素子をモノリシックに集積化することで、非常に小型な多機能の光半導体素子を実現することが可能となるためである。
【０００６】
その主な例としては、図４に示す波長セレクタのように半導体ＡＷＧ４０１、４０２およびＳＯＡ４０３、４０４をモノリシックに集積した半導体光素子（例えば、非特許文献１参照）や、図５に示す多波長光変調素子のように半導体ＡＷＧ５０１、ＳＯＡ５０２およびＥＡＭ５０３をモノリシックに集積した半導体光素子（例えば、非特許文献２参照）が報告されている。
【０００７】
これらの素子では、ＡＷＧとともにＳＯＡやＥＡＭがモノリシック集積されているため、これらの素子への注入電流や電界印加時の電流等によるジュール発熱で、チップ自身が発熱するため、石英導波路によるＡＷＧと比較し、温度の制御が難しくなっている。
【０００８】
このような発熱を伴う機能素子をモノリシック集積したデバイスでは、注入電流量等の動作条件によってチップ自身の発熱量が異なるため、これによる温度のずれを校正する必要がある。しかしモノリシック集積した半導体デバイスでは、半導体チップ上に直接サーミスタを搭載することが困難である。
【０００９】
このため、図６に示すように、ペルチェ６０２上のヒートシンク６０３に半導体デバイス６０４とサーミスタ６０５とをそれぞれハンダ等で固定し、サーミスタによる温度監視でペルチェ素子で温度を一定化させる温度校正方法が取られる。この場合、サーミスタ６０５でモニターされる温度はヒートシンク６０３の温度となるため、半導体デバイス６０４の温度は間接的な測定になってしまう。特に、温度による屈折率変化が大きい半導体ＡＷＧを持つデバイスでは、その設定精度が十分でない。
【００１０】
このためＡＷＧを波長グリッドに合わせる場合は、実際に光信号と同じ波長のダミー信号光を入力し、そのダミー信号光の出力信号をモニターしながら温度を制御（校正）する必要があった。また、設定後にＳＯＡへの注入電流量等の動作条件を変えた場合は、再度ダミー入力光による温度校正を行う必要があり、長期の連続動作時や動作条件の変化に対応する際には問題となる可能性が考えられる。
【００１１】
【非特許文献１】
Ｎ． Ｋｉｋｕｃｈｉ他， “６４−ｃｈａｎｎｅｌ ＷＤＭ ｃｈａｎｎｅｌ ｓｅｌｅｃｔｏｒ”， ２７ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ （ＥＣＯＣ２００１）
【００１２】
【非特許文献２】
Ｙ． Ｓｕｚａｋｉ他， “ＤＷＤＭ Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ”， １４ｔｈ Ｉｎｄｉｕｍ Ｐｈｏｓｐｈｉｄｅ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ （ＩＰＲＭ２００２）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
発熱を伴う素子をモノリシックに集積したＡＷＧを用いたＷＤＭ用半導体光素子では、素子の発熱量に変化があった場合でも、ＡＷＧの波長グリッドを常にＷＤＭの波長チャンネルに一致させるために、素子（特にＡＷＧ）の温度を一定に保持するような制御を必要とする。従来の方法では、ダミー信号を入力しその出力信号をモニターしながら制御（校正）する必要があったため、実使用状態での常時監視や常時制御が困難であった。
【００１４】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ダミー信号を用いることなく、発熱素子の動作条件変化時にも実使用状態下において、常時監視及び常時制御を可能とする波長分割多重用半導体光デバイスを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明の波長分割多重用半導体光デバイスは、半導体素子をモノシリックに集積化した波長分割多重用半導体光デバイスであって、信号光入力ポートに入力された波長分割多重された信号光を個々の波長の光に分波し、個々の波長の光を合波して波長分割多重された信号光を信号光出力ポートに出力するアレイ導波路格子（ＡＷＧ）と、光を発生する光発生手段と、該光発生手段によって発生した光から、前記信号光入力ポートに入力される信号光及び前記信号光出力ポートに出力される信号光とは別の光を取り出して出力する光出力手段とを備えたことを特徴とする（実施形態１〜３、図１〜３に対応）。
【００１６】
ここで、前記光発生手段は、前記ＡＷＧによって分波され分波出力ポートから出力された個々の波長の光の強度を制御し、当該制御された個々の波長の光を前記ＡＷＧによる合波のために合波入力ポートに入力する半導体光増幅器（ＳＯＡ）であり、前記光発生手段によって発生した光は増幅自然放出光（ＡＳＥ）であり、該ＡＳＥは前記分波出力ポート又は前記合波入力ポートのいずれかを介して前記ＡＷＧに入力され、前記光出力手段は、前記ＡＷＧに入力された前記ＡＳＥのスペクトルから成る光を、前記別の光として出力することを特徴とする（実施形態１〜３、図１〜３に対応）。
【００１７】
また、前記光出力手段は、前記分波出力ポートを介して前記ＡＷＧに入力される前記ＡＳＥのスペクトルから成る光を、前記信号光出力ポートに出力される信号光とは別の光として前記信号光出力ポートに出力することを特徴とする（実施形態１、図１に対応）。
【００１８】
以上の構成により、ＷＤＭの信号光を分波するＡＷＧと出力する際に合波するＡＷＧとを、同一のＡＷＧで行う場合は、信号光出力の波長とは異なる波長スペクトルの増幅自然放出光（ＡＳＥ；ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）出力として、同じ出力ポートに波長多重化された信号として取り出すことが可能である。これは同じ出力ポートに対して異なる入力ポートからの信号が合波されることと同じ働きである（実施形態１）。
【００１９】
また、前記光出力手段は、前記分波出力ポートを介して前記ＡＷＧに入力された前記ＡＳＥのスペクトルから成る光を前記信号光入力ポートに出力し、当該出力した光から前記信号光入力ポートに入力される信号光とは別の光を出力することを特徴とする（実施形態２、図２に対応）。
【００２０】
以上の構成により、ＷＤＭ信号光の分波と合波とを同一のＡＷＧで行う場合は、信号光入力ポートへ逆向きの光出力としてＡＳＥ出力を取り出すことが可能である。この場合は信号光波長と同じ波長を持つスペクトルとしてＡＳＥが出力されるが、伝播方向が逆となるためサーキュレータ等を用いて信号光入力とＡＳＥ出力とを外部で分離することが出来る（実施形態２）。
【００２１】
また、前記光出力手段は、前記別の光を前記信号光入力ポート及び前記信号光出力ポートとは別のポートに出力することを特徴とする（実施形態３、図３に対応）。
【００２２】
以上の構成により、ＡＷＧにＡＳＥ出力専用ポートを作ることが可能である。この場合も当然、信号光とは独立したＡＳＥ出力の取り出しが可能である（実施形態３）。
【００２３】
なお、特許請求の範囲と対応する実施形態及び図番を（）で示す。ただし、特許請求の範囲に記載した構成要素は上記（）部の実施形態の構成部に限定されるものではない。
【００２４】
本発明の以上の構成により、波長多重化された信号を合分波する素子としてＡＷＧを用いる場合、ＡＷＧの特徴のひとつである、入力光ポートと出力光ポートとのそれぞれの位置が入出力する光の波長差によって決まり光の波長の絶対値にはよらないことを利用することで、ＡＳＥ出力を本来の信号光出力とは別の波長あるいは別のポートに出力することが可能となる。
【００２５】
以上のような構成で信号光とは別に取り出されたＡＳＥ出力は、そのスペクトル形状がＡＷＧのフィルタ特性によって決まる。また、ＡＷＧは光の干渉によって合分波するという動作原理のため、出力ポートの波長（周波数）間隔は等間隔になる。したがって、このＡＳＥ出力スペクトルのピーク位置を波長グリッドに合わせることで、信号光に対する波長グリッドにＡＷＧのグリッドを一致させることが可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、各図面において同様の機能を有する箇所には同一の符号を付し、説明の重複は省略する。
【００２７】
［実施形態１］
図１は、本実施形態１のＷＤＭ用半導体光デバイスの説明図で、信号光出力ポートに波長多重化されたＡＳＥ出力を取り出す場合の概要を示す。合波と分波に同じＡＷＧ１０６を用いたＷＤＭ用半導体光デバイス１００で、出力ポート１０５にＡＳＥ信号を取り出す場合の実施形態について、図１を用いて説明する。図中符号１００はＷＤＭ用半導体光デバイス、１０１はＷＤＭ信号光入力ポート、１０２は分波出力ポート、１０３はＳＯＡ、１０４は合波入力ポート、１０５は合波出力ポート（兼、ＡＳＥ出力ポート）、１０６はＡＷＧである。
【００２８】
波長多重化された光信号は、ＡＷＧ１０６のＷＤＭ信号光入力ポート１０１に入力され、分波出力ポート１０２において波長ごとに分波され、それぞれ異なる光導波路に導かれる。個々の導波路には、光強度のスイッチングや増幅を可能とするＳＯＡ１０３がそれぞれ配置されている。ここで増幅された光はそれぞれ、再び同じＡＷＧ１０６の合波入力ポート１０４の別のポートに入力され、合波出力ポート１０５の一つのポートで合波される。ＳＯＡ１０３に電流が流れている場合、信号光入力の有無にかかわらずＳＯＡ１０３からの自然放出光が増幅されたＡＳＥが発生し、これは、入射された光信号を合波するためのＡＷＧ１０６への合波入力ポート１０４に入射すると共に、分波されＡＷＧ１０６からＳＯＡ１０３に向けて出力される分波出力ポート１０２へも、同時に入射する。
【００２９】
このとき、分波出力ポート１０２からの信号光の進行方向と逆向きに走行するＡＳＥは、分波出力ポート１０２から合波出力ポート１０５へのアレイ導波路を走行しＡＷＧ１０６で合波された後、分波出力ポート１０２の異なるポート（波長）からの光信号として、波長多重化されて合波出力ポート１０５に出力される。このときのＡＳＥスペクトルは、ＡＷＧ１０６のフィルタ特性を反映するため、合波出力ポート１０５に対応した光の波長スペクトルを持つ。このときのＡＳＥの波長スペクトルは、ＡＷＧ１０６に結合したポート（分波出力ポート１０２、合波出力ポート１０５等）の位置にのみ依存するため、入出力ポート（分波出力ポート１０２、合波出力ポート１０５等）の位置を決めることで、このＡＳＥ出力スペクトルの波長は任意に決定することが出来る。
【００３０】
［実施形態２］
図２は、本実施形態２のＷＤＭ用半導体光デバイスの説明図で、信号光入力ポートに逆走させてＡＳＥ出力を取り出す場合の概要を示す。合波と分波に同じＡＷＧ２０７を用いたＷＤＭ用半導体光デバイス２００で、入力ポート２０１にＡＳＥ信号を取り出す場合の実施形態について、図２を用いて説明する。図中符号２００はＷＤＭ用半導体光デバイス、２０１はＷＤＭ信号光入力ポート（兼、ＡＳＥ出力ポート）、２０２は分波出力ポート、２０３はＳＯＡ、２０４は合波入力ポート、２０５は合波出力ポート、２０６はサーキュレータ、２０７はＡＷＧである。
【００３１】
波長多重化された光信号は、まずサーキュレータ２０６を通してＡＷＧ２０７のＷＤＭ信号光入力ポート２０１に入力され、分波出力ポート２０２において波長ごとに分波され、それぞれ異なる光導波路に導かれる。個々の導波路には、光強度のスイッチングや増幅を可能とするＳＯＡ２０３がそれぞれ配置されている。ここで増幅された光はそれぞれ、再び同じＡＷＧ２０７の合波入力ポート２０４の別のポートから入力され、合波出力ポート２０５の一つのポートに合波される。ＳＯＡ２０３に電流が流れている場合、信号光入力の有無にかかわらずＡＳＥが発生し、これは、入射された光信号を合波するためのＡＷＧ２０７への合波入力ポート２０４に入射すると共に、分波されＡＷＧ２０７からＳＯＡ２０３に向けて出力される分波出力ポート２０２へも、同時に入射する。
【００３２】
この分波出力ポート２０２からの信号光の進行方向と逆向きに走行するＡＳＥは、信号光を分波した場合と同じ経路でＡＷＧ２０７を逆向きに伝播し（分波出力ポート２０２からＷＤＭ信号光入力ポート２０１へのアレイ導波路を走行し）合波され、ＷＤＭ信号光入力ポート２０１に出力される。そしてサーキュレータ２０６を通してＡＳＥ出力として取り出すことが可能となる。
【００３３】
［実施形態３］
図３は、本実施形態３のＷＤＭ用半導体光デバイスの説明図で、ＡＷＧにＡＳＥ出力ポートを作製した場合の概要を示す。ＡＳＥ信号を取り出すポート３０７をＡＷＧ３０６に取り付けた場合の実施形態について、図３を用いて説明する。なおこれは、ＡＷＧを合波と分波とで共用する場合（実施形態１、２のように合波と分波に同じＡＷＧを用いる）、及びそれぞれ用いる場合（ＡＷＧを合波と分波とでそれぞれ別なＡＷＧを用いる）のいずれにも適用可能である。
図中符号３００はＷＤＭ用半導体光デバイス、３０１はＷＤＭ信号光入力ポート、３０２は分波出力ポート、３０３はＳＯＡ、３０４は合波入力ポート、３０５は合波出力ポート、３０６はＡＷＧ、３０７はＡＳＥ出力ポートである。
【００３４】
波長多重化された光信号は、ＡＷＧ３０６のＷＤＭ信号光入力ポート３０１に入力され、分波出力ポート３０２において波長ごとに分波され、それぞれ異なる光導波路に導かれる。個々の導波路には、光強度のスイッチングや増幅を可能とするＳＯＡ３０３がそれぞれ配置されている。ここで増幅された光はそれぞれ、再び同じＡＷＧ３０６の合波入力ポート３０４の別のポートから入力され、合波出力ポート３０５の一つのポートで合波される。ＳＯＡ３０３に電流が流れている場合、信号光入力の有無にかかわらずＡＳＥが発生し、これは、入射された光信号を合波するためのＡＷＧ３０６への合波入力ポート３０４に入射すると共に、分波されＡＷＧ３０６よりＳＯＡ３０３に向けて出力される分波出力ポート３０２へも、同時に入射する。
【００３５】
これらのＡＳＥ信号を取り出すための合波ポートであるＡＳＥ出力ポート３０７をＡＷＧ３０６に作製しておくことにより、出力信号光とは異なる波長スペクトルで合波出力ポート３０５とは異なるＡＳＥ出力ポート３０７にＡＳＥ出力を取り出すことが可能となる。
【００３６】
即ち、分波出力ポート３０２からの信号光の進行方向と逆向きに走行するＡＳＥは、分波出力ポート３０２からＡＳＥ出力ポート３０７へのアレイ導波路を走行しＡＷＧ３０６で合波された後、分波出力ポート３０２からの光信号として、波長多重化されてＡＳＥ出力ポート３０７に出力される。
【００３７】
なお、このＡＳＥ出力ポート３０７は、ＡＷＧを合波と分波とでそれぞれ別なＡＷＧを用いた場合、合波側のＡＷＧおよび分波側のＡＷＧの、いずれのＡＷＧへも作製可能である。
【００３８】
［実施形態の効果］
以上説明した実施形態１〜３のように構成されたＷＤＭ用半導体光デバイスを使用すれば、異なる波長スペクトルの信号として多重化し出力されたＡＳＥのスペクトルをモニターすることで、信号光とは全く独立にＡＷＧの波長グリッドを確認することが可能となる。このＡＷＧの波長グリッドのスペクトルを持つＡＳＥ出力のピーク波長が常に一定になるように素子の温度を制御することで、常に波長グリッドをモニターし制御することが可能となる。
【００３９】
これは、前述の従来の技術で図６に示した温度校正方法において、従来、ダミー信号を入力しその出力信号をモニターしながら制御（校正）していたことに替えて、上述の実施形態１〜３におけるＡＳＥのスペクトルをモニターすればよい。
【００４０】
このため、実使用条件下においても、入力信号光の有無にかかわらず、またＳＯＡ等の発熱を伴う素子の動作条件の変化にもかかわらず、常にＡＷＧの波長グリッドを一定に制御することが可能となる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、半導体素子をモノシリックに集積化した波長分割多重用半導体光デバイスは、信号光入力ポートに入力された波長分割多重された信号光を個々の波長の光に分波し、個々の波長の光を合波して波長分割多重された信号光を信号光出力ポートに出力するアレイ導波路格子（ＡＷＧ）と、光を発生する光発生手段と、それによって発生した光から、信号光入力ポートに入力される信号光及び信号光出力ポートに出力される信号光とは別の光を取り出して出力する光出力手段とを備える。
【００４２】
これにより、本発明の波長分割多重用半導体光デバイスを使用すれば、上記別の光をモニターすることで、信号光とは全く独立にＡＷＧの波長グリッドを確認することが可能となる。このＡＷＧの波長グリッドのスペクトルを持つ上記別の光のピーク波長が常に一定になるように素子の温度を制御することで、常に波長グリッドをモニターし制御することが可能となる。
【００４３】
このため、ダミー信号を用いることなく、発熱素子の動作条件変化時にも実使用状態下において、常時監視及び常時制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１のＷＤＭ用半導体光デバイスの説明図である。
【図２】本発明の実施形態２のＷＤＭ用半導体光デバイスの説明図である。
【図３】本発明の実施形態３のＷＤＭ用半導体光デバイスの説明図である。
【図４】従来の波長セレクタを示す図である。
【図５】従来の多波長光変調素子を示す図である。
【図６】従来の温度校正方法を示す図である。
【符号の説明】
１００、２００、３００ ＷＤＭ用半導体光デバイス
１０１、２０１、３０１ ＷＤＭ信号光入力ポート
１０２、２０２、３０２ 分波出力ポート
１０３、２０３、３０３ ＳＯＡ
１０４、２０４、３０４ 合波入力ポート
１０５、２０５、３０５ 合波出力ポート
１０６、２０７、３０６ ＡＷＧ
２０６ サーキュレータ
Claims (5)
- 半導体素子をモノシリックに集積化した波長分割多重用半導体光デバイスであって、
信号光入力ポートに入力された波長分割多重された信号光を個々の波長の光に分波し、個々の波長の光を合波して波長分割多重された信号光を信号光出力ポートに出力するアレイ導波路格子（ＡＷＧ）と、
光を発生する光発生手段と、
該光発生手段によって発生した光から、前記信号光入力ポートに入力される信号光及び前記信号光出力ポートに出力される信号光とは別の光を取り出して出力する光出力手段と
を備えたことを特徴とする波長分割多重用半導体光デバイス。 - 請求項１に記載の波長分割多重用半導体光デバイスにおいて、
前記光発生手段は、前記ＡＷＧによって分波され分波出力ポートから出力された個々の波長の光の強度を制御し、当該制御された個々の波長の光を前記ＡＷＧによる合波のために合波入力ポートに入力する半導体光増幅器（ＳＯＡ）であり、
前記光発生手段によって発生した光は増幅自然放出光（ＡＳＥ）であり、該ＡＳＥは前記分波出力ポート又は前記合波入力ポートのいずれかを介して前記ＡＷＧに入力され、
前記光出力手段は、前記ＡＷＧに入力された前記ＡＳＥのスペクトルから成る光を、前記別の光として出力する
ことを特徴とする波長分割多重用半導体光デバイス。 - 請求項２に記載の波長分割多重用半導体光デバイスにおいて、
前記光出力手段は、前記分波出力ポートを介して前記ＡＷＧに入力される前記ＡＳＥのスペクトルから成る光を、前記信号光出力ポートに出力される信号光とは別の光として前記信号光出力ポートに出力する
ことを特徴とする波長分割多重用半導体光デバイス。 - 請求項２に記載の波長分割多重用半導体光デバイスにおいて、
前記光出力手段は、前記分波出力ポートを介して前記ＡＷＧに入力された前記ＡＳＥのスペクトルから成る光を前記信号光入力ポートに出力し、当該出力した光から前記信号光入力ポートに入力される信号光とは別の光を出力する
ことを特徴とする波長分割多重用半導体光デバイス。 - 請求項２に記載の波長分割多重用半導体光デバイスにおいて、
前記光出力手段は、前記別の光を前記信号光入力ポート及び前記信号光出力ポートとは別のポートに出力する
ことを特徴とする波長分割多重用半導体光デバイス。
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-
2003
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