JP2008060326A - 波長可変レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易且つコンパクトな構成で長距離・大容量の通信を可能とする直接変調可能な波長可変レーザを提供する。
【解決手段】半導体光増幅器１と、光フィルタ２と、周波数−振幅変換器３と、を有する波長可変レーザであって、半導体光増幅器１は、光信号の光学利得を生成し、光フィルタ２は、多段接続の導波路リング共振器で構成され、光信号に対する周波数変調を行う。また周波数−振幅変換器３は、光フィルタ２で周波数変調された光信号に対して振幅変調を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、小型・低コスト化に適合する波長可変レーザに関する。

インターネットの普及に伴い、高速・大容量の光通信システムが開発され、その実用化が進展している。特に、長距離・大容量の通信システムにおいては、変調時の波長変動（以下、波長チャーピングという）が伝送距離を制限するため、この制限を低減するための取り組みが行われてきた。

短距離・小容量の通信では、ＦＰレーザが用いられ、数Ｇｂ／ｓの伝送速度での通信では、単一波長で発振するＤＦＢ（Distributed Feed Back）レーザが用いられる。さらに、１０Ｇｂ／ｓの伝送速度で、数１０Ｋｍの伝送を行う通信では、レーザには変調を加えず、レーザに連続発振させて、外部変調器を用いた変調が行われている。

さらに近年では、１０Ｇｂ／ｓ以上のビットレートの光信号を１本の光ファイバで送るＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）伝送技術が注目を集めており、この伝送技術の商用システムへの導入が盛んに行われている。

しかしながら、ＷＤＭ伝送システムには、波長の異なる光源が多数必要となり、これらの光源を管理することが大きな問題となっている。これを解決する手段として、広範囲に亘り単一モード発振可能な波長可変レーザが注目を集めている。通常、波長可変レーザを長距離・大容量の通信システムに適用する場合は、外部変調器と組み合わせて使用することが前提となる。外部変調器には、ＬＮ（Lithium Niobium）結晶を用いた対称マッハツェンダー干渉計が多く用いられている。

上述した外部変調器を用いた変調は、波長チャーピングが少なく、現状の長距離・大容量の通信に最も適した方式である。

しかしながら、ＣＷ（連続発振）光源と変調器とが必要であり、コストの上昇を招く。広く用いられているＬＮ結晶をベースとした変調器は、サイズが大きく、光送信機の小型化の障害となっている。加えて、ＬＮ変調器は、高い変調電圧を必要とし、高い変調電圧を得るための専用ＩＣや電子回路が必要となり、これらによるコスト上昇が懸念される。

長距離伝送を行う手段として、特殊な符号化による変調スペクトルの狭窄化検討が行われている。しかしながら、専用のＩＣ、高周波フィルタが必要となり、小型・低コスト化には向かない。

特許文献１では、波長可変レーザにおいて波長ロック用としてリング共振器を用いる技術を開示している。しかしながら、特許文献１では、波長ロック用としてリング共振器を用いるものであり、この技術を、外部変調器を用いた変調に適用することは示唆されていない。

特許文献２では、周波数変調をエタロンの波長特性により、振幅変調に変換する構成が開示されている。しかしながら、特許文献２では、利得領域を分割することを意図していない。特許文献３では、導波路にてリング共振器を構成することが開示されている。しかしながら、特許文献３では、リング共振器を波長可変レーザに適用することを意図していない。特許文献４では、周波数変調を多値化に適用する方法が開示されている。しかしながら、特許文献４では、周波数変調の振幅変調への変換に適用することが意図されていない。
特開２００５−３２７８８１号公報 特開平０８−１３９４０１号公報 特公平０７−０８２１３１号公報 特公平０８−０１３０１７号公報

本発明の目的は、従来例の課題を解決し、簡易且つコンパクトな構成で長距離・大容量の通信を可能とする直接変調可能な波長可変レーザを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る波長可変レーザは、半導体光増幅器と、光フィルタと、周波数−振幅変換器と、を有し、
前記半導体光増幅器は、光信号の光学利得を生成し、
前記光フィルタは、多段接続の導波路リング共振器で構成され、光信号に対する周波数変調を行い、
前記周波数−振幅変換器は、前記光フィルタで周波数変調された光信号に対して振幅変調を行う、ことを特徴とするものである。

本発明によれば、導波路リング共振器を用いて光フィルタを構成し、さらに光信号に対して、周波数変調の振幅変調への変換処理を行い、長距離・大容量に適した低波長チャーピングの光信号を生成する。

前記周波数−振幅変換器は、導波路リング共振器で構成することが望ましい。前記半導体光増幅器の変調領域に通電するバイアス電流を、半導体光増幅器のＧａｉｎ領域に通電するバイアス電流よりも低く設定することが望ましい。

前記光フィルタは、前記半導体光増幅器の変調領域に通電するバイアス電流に応じて、発振波長を変化させて、光信号に対して周波数変調を行う。

前記周波数−振幅変換器は、前記光フィルタで周波数変調された光信号と、前記光フィルタを経ない光信号とを導入して、光信号に対して振幅変調を行う構成とすることが望ましい。また、前記半導体光増幅器と、前記光フィルタと、前記周波数−振幅変換器と、を同一基板上に集積して形成することが望ましい。

本発明によれば、導波路リング共振器を用いて光フィルタを構成し、さらに光信号に対して、周波数変調の振幅変調への変換処理を行い、長距離・大容量に適した低波長チャーピングの光信号を生成することができる。

さらに、波長可変の機能に加え、ＬＮ変調器などの高価で大型な光デバイスを使うことなく、より簡易な構成で長距離・大容量伝送可能な光送信機を実現できる。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて詳細に説明する。

本発明の実施形態に係る波長可変レーザは図１に示すように、半導体光増幅器（SOA；Semiconductor Optical Amplifier）１と、光フィルタ２と、周波数−振幅変調器３と、を有し、これらを同一基板４上に集積して形成したものである。

半導体光増幅器１は、光学利得を生成するものであり、Ｇａｉｎ領域１ａと変調領域１ｂと、を有している。Ｇａｉｎ領域１ａと変調領域１ｂとは同一組成により形成されており、ＧａｉｎN領域１ａには一定電流を通電し、変調領域１ｂには、一定電流をバイアスした上で変調電流を通電する。

半導体光増幅器１の変調領域１ｂの出力側には導波路５が接続され、導波路５の先端側はＹ分岐され、２本の分岐導波路６，７として形成されている。

光フィルタ２は、波長可変レーザの波長選択を行う。光フィルタ２は、導波路リング共振器２ａ，２ｂ，２ｃを多段接続した構成を採用している。なお、図２では、導波路リング共振器２ａ，２ｂ，２ｃを３段接続した構成としたが、これに限られるものではない。光フィルタ２を構成する導波路リング共振器は、２段以上であれば、接続される段数は制限されるものではない。

多段接続した初段の導波路リング共振器２ａは、Ｙ分岐した一方の分岐導波路６に接続され、多段接続した最終段の導波路リング共振器２ｃは、Ｙ分岐した他方の導波路７に接続されている。

図２に示すように光フィルタ２が導波路リング共振器２ａ，２ｂ，２ｃを多段接続した構成であれば、半導体光増幅器１の変調領域１ｂに印加する変調電流に応じて、光フィルタ２の発振波長が変化し、光フィルタ２で周波数変調を行うことができる。

周波数−振幅変換器３は、導波路リング共振器で構成され、光フィルタ２で周波数変調された光信号を振幅変調した光信号に変換する、すなわち、ＦＭ−ＡＭ（Frequency Modulation − Amplitude Modulation）変換する。

周波数−振幅変換器３は、その入力側に光タップ８を有している。光タップ８は、光カプラから構成され、導波路５に光結合している。光タップ８は、光フィルタ２で周波数変調された光信号を周波数−振幅変換器３に導入するとともに、光フィルタ２を経ない光信号、すなわち半導体光増幅器１から出力された光信号を直接周波数−振幅変換器３に導入する。

次に、本発明の実施形態に係る波長可変レーザの動作について説明する。

半導体光増幅器１のＧａｉｎ領域１ａには、図示しないＤＦＢレーザなどの半導体レーザから出力される光信号が入力する。半導体光増幅器１のＧａｉｎ領域１ａには一定電流を通電し、半導体光増幅器１の変調領域１ｂには、一定電流をバイアスした上で変調電流を通電することで、半導体光増幅器１に入力した光信号の利得を確保する、すなわち光信号の光学的利得を生成する。

半導体光増幅器１は、利得調節をした光信号を、Ｙ分岐していない導波路５に出力する。導波路５に入力した光信号は、Ｙ分岐した一方の導波路６を通して光フィルタ２に入力する。

光フィルタ２は、導入された光信号を初段の導波路リング共振２ａから最終段の導波路リング共振器２ｃに向けて通過させて、光信号に対して周波数変調を行う。すなわち、光フィルタ２は、導入された光信号が初段の導波路リング共振２ａから最終段の導波路リング共振器２ｃに向けて通過する過程において、半導体光増幅器１の変調領域１ｂに通電する変調電流に応じて、導波路リング共振器２ａ，２ｂ，２ｃによる発振波長を変化させ、光信号に対して周波数変調を行う。

光フィルタ２は、周波数変調させた光信号をＹ分岐した他方の導波路７を通して周波数−振幅変換器３に出力する。

周波数−振幅変換器３は、周波数変調された光信号を光タップ８から導入すると、その光信号に対して、周波数変調の振幅変調への変換処理を行い、光信号の周波数変調成分を振幅変調成分に変換する。

周波数−振幅変換器３は、半導体光増幅器１から出力された光信号のうち光フィルタ２を経ない光信号を光タップ８から導入し、その導入した光信号に対して、周波数変調の振幅変調への変換処理を行う。周波数−振幅変換器３は、光フィルタ２を経ない光信号に対して、周波数変調の振幅変調への変換処理を行うことで、光フィルタ２による帯域狭窄を防ぎ、高速応答特性の劣化を最小限に抑える。

周波数−振幅変換器３は、周波数変調の振幅変調への変換処理を行った光信号を出力端子３ａに出力する。

さらに、実施形態では、半導体光増幅器１の変調領域１ｂに通電するバイアス電流Ｄ１は、Ｇａｉｎ１ａのバイアス電流Ｄ２よりも低い点に設定する。図２は、半導体レーザの利得特性を示すものである。図２から明らかなように、半導体光増幅器１の変調領域１ｂに通電するバイアス電流Ｄ１は、Ｇａｉｎ１ａのバイアス電流Ｄ２よりも低くすることで、電流増加に対する利得増加量が増大するのが判る。これは、高速応答特性改善に不可欠な微分利得の増加に対応する。

さらに、半導体光増幅器１の変調領域１ｂに通電するバイアス電流Ｄ１は、Ｇａｉｎ１ａのバイアス電流Ｄ２よりも低く抑えることで、周波数−振幅変換器３での良好なＦＭ変調特性を得る上で不可欠なAll red shiftを実現できる。以下、その理由について説明する。

通常の半導体レーザに変調を行うと、低速域では、電流注入による発熱に起因したRed shiftが発生する。しかし、これはMHzオーダまでの応答速度ないため、MHz以上の高速域では、キャリア効果によるBlue shiftが支配的となる。このため、KHzオーダの周波数において、変調方向の逆転に起因するＤｉｐが発生する。Ｄｉｐ周波数以下では、位相が反転するため、変調動作を行うことができない。これに対し、All red shift動作する半導体レーザでは、Ｄｉｐが発生せず、ＤＣからのＧＨｚオーダの広い周波数に亘る変調動作が可能となる。

実施形態では、半導体光増幅器１の変調領域１ａのバイアス電流をＧａｉｎ領域１ｂよりも低く設定する。このため、変調領域電流を増加させると、周波数−振幅変換器３を構成する導波路リング共振器内での損失が減少し、閾値キャリア密度が減少する。このため、Red shiftとなる。これは、電流注入による発熱の方向と一致するため、通常の半導体レーザの周波数変調特性で見られるＤｉｐが発生せず、ＤＣからＧＨｚ帯の広範囲で位相反転のない良好な変調特性を実現できる。すなわち、Gain Levering 効果を活用して、高速変調での低域にＤｉｐのない変調特性（All Red Shift ）を得ることができる。

以上説明したように本発明によれば、波長可変の機能に加え、ＬＮ変調器などの高価で大型な光デバイスを使うことなく、より簡易な構成で長距離・大容量伝送可能な光送信機を実現できる。

本発明の実施形態に係る波長可変レーザを示す構成図である。 半導体レーザの利得特性を示す特性図である。

符号の説明

１ 半導体光増幅器
１ａ 半導体光増幅器のＧａｉｎ領域
１ｂ 半導体光増幅器の変調領域
２ 光フィルタ
２ａ，２ｂ，２ｃ 導波路リング共振器
３ 周波数―振幅変換器

Claims (6)

1. 半導体光増幅器と、光フィルタと、周波数−振幅変換器と、を有し、
   前記半導体光増幅器は、光信号の光学利得を生成し、
   前記光フィルタは、多段接続の導波路リング共振器で構成され、光信号に対する周波数変調を行い、
   前記周波数−振幅変換器は、前記光フィルタで周波数変調された光信号に対して振幅変調を行う、ことを特徴とする波長可変レーザ。
2. 前記周波数−振幅変換器は、導波路リング共振器で構成されている、請求項１に記載の波長可変レーザ。
3. 前記半導体光増幅器の変調領域に通電するバイアス電流を、半導体光増幅器のＧａｉｎ領域に通電するバイアス電流よりも低く設定した、請求項１に記載の波長可変レーザ。
4. 前記光フィルタは、前記半導体光増幅器の変調領域に通電するバイアス電流に応じて、発振波長を変化させて、光信号に対して周波数変調を行う、請求項１に記載の波長可変レーザ。
5. 前記周波数−振幅変換器は、前記光フィルタで周波数変調された光信号と、前記光フィルタを経ない光信号とを導入して、光信号に対して振幅変調を行う、請求項１に記載の波長可変レーザ。
6. 前記半導体光増幅器と、前記光フィルタと、前記周波数−振幅変換器と、を同一基板上に集積して形成した、請求項１に記載の波長可変レーザ。

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