JP2017037961A - 多波長半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】高い光Ｓ／Ｎかつ狭線幅特性を有する多波長半導体レーザを提供すること。【解決手段】発振光の光周波数間隔がΔｆである複数の単一波長のレーザ光をそれぞれ発振する複数のＤＦＢレーザ共振器と、前記複数のＤＦＢレーザ共振器に一端が各々結合された複数の接続光導波路と、前記複数の接続光導波路の他端に結合され、前記複数のＤＦＢレーザ共振器から発振されて接続光導波路を伝搬したレーザ光を合波する光合波回路と、前記光合波回路の出力端に結合され前記光合波回路で合波したレーザ光を出力する出力光導波路と、前記出力光導波路出力の出力端部側に結合され、少なくとも前記ＤＦＢレーザ共振器で発振されたレーザ光の線幅よりも狭い線幅特性を有する光周波数間隔Δｆの多波長外部光信号を前記複数のＤＦＢレーザ共振器に同時に結合する光合波器とを備え、前記多波長外部光信号を前記複数のＤＦＢレーザ共振器に注入同期することによって前記レーザ光の発振線幅を一括して狭窄化することを特徴とする多波長半導体レーザ。【選択図】図４

Description

本発明は高い光Ｓ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）かつ狭線幅特性を有する多波長半導体レーザに関するものである。

近年の国内のインターネットトラフィックは年率４０ ％で増大している。このような情報量の急増に対応するため、近年の光通信では高密度に波長多重（ＷＤＭ： Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）された各々の光キャリヤ信号を多値変調して伝送するコヒーレント多値伝送方式に高い関心が寄せられている。このような伝送においては高い光Ｓ／Ｎかつ狭線幅特性を有する多波長光源が非常に有用である。これまで本伝送用の多波長光源として、複数の半導体レーザと反射中心波長が異なる複数のグレーティングを組み合わせた方式（特許文献１）、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）レーザと光変調器を組み合わせた方式（特許文献２）、モード同期レーザを用いる方式（非特許文献１）などが提案されている。

図１は特許文献１における複数の半導体レーザと反射中心波長が異なる複数のグレーティングを組み合わせた多波長光源の構造を示した図である。この光源はそれぞれ独立に発振する８台の半導体レーザ１ａ〜１ｈと、それぞれの半導体レーザの出力光が結合される８本の光導波路２ａ〜２ｈと、８本のそれぞれの光導波路上に形成された反射中心波長の異なる８つのグレーティング３ａ〜３ｈとから構成される。前記８台の半導体レーザ及び８本の光導波路は１つのＳｉ基板上に集積化されている。８つのグレーティングは外部共振器として動作しており、このような構成とすることにより本光源は８つの異なる波長の光信号を出力することができる。

図２は特許文献２におけるＣＷレーザと光変調器を組み合わせ多波長光源の構造を示す図である。この光源はＣＷレーザ光源４と、両端に反射膜Ｒが形成された共振型光位相変調器５と、発振器６とから構成される。この方式では共振器でサイドバンドを繰り返し生成することにより、ＣＷレーザ光源４の出力光から帯域が例えば３ＴＨｚ程度の広帯域多波長光信号を生成することができる。

図３は非特許文献１におけるモード同期レーザを用いる多波長光源の構造を示した図である。この光源は能動モード同期半導体レーザ７と、周波数２５ ＧＨｚで発振する発振器８と、５０ ＧＨｚ間隔の透過窓を有するアレイ光導波路格子フィルタ９とから構成される。発振器８によって駆動されるモード同期半導体レーザからは２５ ＧＨｚ間隔の複数の縦モード信号が出力される。この出力信号をアレイ光導波路格子フィルタ９に通すことで５０ ＧＨｚ間隔の２６本の多波長信号を生成している。この際、アレイ光導波路格子フィルタ９のそれぞれの透過窓の中心波長は素子温度を調節することで可変し、モード同期半導体レーザ出力信号の波長に一致させている。

特開平１０−２４２５９１号公報 特開平７−５８３８６号公報

H. Sanjoh, et.al., "Multiwavelength light source with precise frequency spacing using a mode-locked semiconductor laser and an arrayed waveguide grating filter," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 9, no. 6, pp. 818-820, June 1997.

ここで高密度WDM光伝送システムにおいては、伝送容量を増大する手段の一つとして信号の多値度を大きくすることが挙げられるが、多値度の大きなデータ信号を正確に復調するためには光S/Nが大きく、線幅の狭い光源の使用が不可欠となる。

しかしながら、一般的なCW半導体レーザおよびモード同期半導体レーザは線幅が100 kHz~1 MHzと広い。また、モード同期半導体レーザ及びCWレーザと共振器型光周波数変調器を組み合わせた多波長光源は、原理的に光強度が中心周波数から低周波数側および高周波数側に離れるにつれて減衰する形状となり平坦性に乏しい。このようにCWレーザと共振型光位相変調器を用いた方式においては、変調信号の振幅の増大に伴って得られる光信号の波長数は拡大できるものの、各縦モードの光S/Nが劣化してしまうといった問題がある。

本発明は上記の従来の問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、高い光S/Nかつ狭線幅特性を有する多波長半導体レーザを提供することにある。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載の発明は、発振光の光周波数間隔がΔｆである複数の単一波長のレーザ光をそれぞれ発振する複数のＤＦＢレーザ共振器と、前記複数のＤＦＢレーザ共振器に一端が各々結合された複数の接続光導波路と、前記複数の接続光導波路の他端に結合され、前記複数のＤＦＢレーザ共振器から発振されて接続光導波路を伝搬したレーザ光を合波する光合波回路と、前記光合波回路の出力端に結合され前記光合波回路で合波したレーザ光を出力する出力光導波路と、前記出力光導波路出力の出力端部側に結合され、少なくとも前記ＤＦＢレーザ共振器で発振されたレーザ光の線幅よりも狭い線幅特性を有する光周波数間隔Δｆの多波長外部光信号を前記複数のＤＦＢレーザ共振器に同時に結合する光合波器とを備え、前記多波長外部光信号を前記複数のＤＦＢレーザ共振器に注入同期することによって前記レーザ光の発振線幅を一括して狭窄化することを特徴とする多波長半導体レーザである。

特許文献１の多波長光源の構造を示す図である。 特許文献２の多波長光源の構造を示す図である。 非特許文献１の多波長光源の構造を示す図である。 本発明の実施形態を示す多波長半導体レーザの構造例を示す図である。 本発明の一実施例の多波長半導体レーザの構造を示す図である。 ＤＦＢ半導体レーザの発振光スペクトルを示す図である。 光コム変調器出力信号の光スペクトルを示す図である。 注入同期前後のＤＦＢ半導体レーザの自己遅延ヘテロダインスペクトルを示す図であり、（ａ）はリニア表示であり、（ｂ）は対数表示である。 注入同期後のＤＦＢ半導体レーザとＣＷファイバレーザの自己遅延ヘテロダインスペクトルを示す図であり、（ａ）はリニア表示であり、（ｂ）は対数表示である。 注入同期後のＤＦＢ半導体レーザの発振光スペクトルを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

本発明の多波長半導体レーザでは、発振光の光周波数間隔がΔｆである複数の単一波長のレーザ光をそれぞれ発振する複数のＤＦＢレーザ共振器と、前記複数のＤＦＢレーザ共振器に一端が各々結合された複数の接続光導波路と、前記複数の接続光導波路の他端に結合され、前記複数のＤＦＢレーザ共振器から発振されて接続光導波路を伝搬したレーザ光を合波する光合波回路と、前記光合波回路の出力端に結合され前記光合波回路で合波したレーザ光を出力する出力光導波路と、前記出力光導波路出力の出力端部側に結合され、少なくとも前記ＤＦＢレーザ共振器で発振されたレーザ光の線幅よりも狭い線幅特性を有する光周波数間隔Δｆの多波長外部光信号を前記複数のＤＦＢレーザ共振器に同時に結合する光合波器とを備え、前記多波長外部光信号を前記複数のＤＦＢレーザ共振器に注入同期することによって前記レーザ光の発振線幅を一括して狭窄化している。
上記構成によれば、従来よりも光Ｓ／Ｎが大きく、かつ発振線幅の狭い多波長光源を提供することができる。

（第１の実施形態）
図４は、第１の実施形態にかかる多波長レーザの一例を示す図である。多波長半導体レーザは、単一周波数発振可能な１２台のＤＦＢ半導体レーザ１０ａ〜１０ｌと、Ｓ字型接続導波路１１ａ〜１１ｌと、光合波回路１２と、出力導波路１３と、半導体光増幅器１４と、第１レンズ１５と、第２レンズ１６と、光合波器１７と、多波長狭線幅光源１８とを備えて構成される。

１２個のＤＦＢ半導体レーザ１０ａ〜１０ｌは個別に電極を有しており、それぞれ独立に動作する。各ＤＦＢ半導体レーザはそれぞれ活性層上に回折格子を有し、この回折格子の周期をＤＦＢ半導体レーザごとに少しずつ変化させて形成しており、異なる光周波数（波長）で発振するように設計されている。本実施形態においては１２個のＤＦＢ半導体レーザの発振周波数は各々隣接するレーザ間の周波数差がΔｆ［Ｈｚ］となるように設定する。ＤＦＢ半導体レーザの発振波長は、素子温度の変化１℃あたり約０．１ｎｍ変化するため、素子温度を３０℃変化させることにより１つのＤＦＢ半導体レーザの発振波長は約３ｎｍ変化する。

ＤＦＢ半導体レーザ１０ａ〜１０ｌのそれぞれのレーザ出力光はＳ字型接続導波路１１ａ〜１１ｌを介し光合波回路１２に入射される。光合波回路１２で合波したレーザ出力光は出力導波路１３から出力される。出導波路１３を伝搬したレーザ出力光は半導体光増幅器１４へ入射され、所望の光強度に増幅されたのち第１レンズ１５、第２レンズ１６を介して光合波器１７へ結合される。

第１のレンズ１５は出力導波路１３から出力され、半導体光増幅器１４で増幅された光信号を平行光線に変換する。第２のレンズ１６は、平行光線に変換された光信号を集光する。光合波器１７は、集光された光信号を多波長半導体レーザの出力部の光ファイバに結合して出力する。光合波器１７としては、光ファイバ型光サーキュレータを用いることができる。

多波長狭線幅光源１８は、ＤＦＢ半導体レーザ１０ａ〜１０ｌの発振線幅よりも狭いΔｆ［Ｈｚ］間隔の複数の縦モード信号を出力する。多波長狭線幅光源１８としては、ＣＷレーザ等の連続光源を光コムにより狭線幅化する構成や、狭線幅多波長信号出力を実現するその他の任意の構成の外部共振器を用いることができる。

多波長狭線幅光源１８として、Δｆ間隔の複数の波長の信号光が各々位相同期された光コム信号を用いることができ、またさらに、その信号光の周波数が安定化された光コム信号を用いることができる。

多波長狭線幅光源１８から複数の縦モード信号を光合波器１７を介してＤＦＢ半導体レーザ１０ａ〜１０ｌへ注入同期することにより、ＤＦＢ半導体レーザ１１ａ〜１１ｌの発振線幅を多波長狭線幅光源１８のそれと同程度まで一括して狭窄化することが可能である。

［実施例１］
具体的な実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図５は実施例１の多波長半導体レーザの構造図である。本実施例では、第１の実施形態における多波長狭線幅光源１８として、ＣＷファイバレーザの光を光コム変調器で変調して出力する構成の多波長狭線幅光源２７を採用している。

実施例１の多波長半導体レーザは、単一周波数発振可能な１２台のＤＦＢ半導体レーザ１０ａ〜１０ｌと、Ｓ字型接続導波路１１ａ〜１１ｌと、光合波回路１２と、出力導波路１３と、半導体光増幅器１４と、第１レンズ１５と、第２レンズ１６と、光ファイバ型光サーキュレータ１７と、多波長狭線幅光源２７とにより構成される。図５において、図４に示す第１の実施形態の構成と同一の構成は同一符号を付し、その説明を省略する。

多波長狭線幅光源２７は、線幅４ｋＨｚのＣＷファイバレーザ２８と、単一マッハツェンダ型光変調器からなる光コム変調器２９と、１０ＧＨｚで発振する発振器３０とから構成されている。多波長狭線幅光源２７は、１０ＧＨｚ間隔、線幅４ｋＨｚの複数の縦モード信号を出力する。

多波長狭線幅光源２７より出力される複数の縦モード信号を、光ファイバ型光サーキュレータ１７を介してＤＦＢ半導体レーザ１０ａ〜１０ｌへ結合して注入同期することにより、ＤＦＢ半導体レーザ１０ａ〜１０ｌの発振線幅をＣＷファイバレーザ２８のそれと同程度まで一括して狭窄化する。

本実施例では一台のＤＦＢ半導体レーザのみ動作させ、注入同期による線幅狭窄化の基本実験を行った。

１２台集積化されたＤＦＢ半導体レーザ１０ａ〜１０ｌのうち、１台（例えばここではＤＦＢ半導体レーザ１０ａ（波長１５３８．８ｎｍ））を動作させ、多波長狭線幅光源２７より出力される光コム信号を本ＤＦＢ半導体レーザ１０ａへ入射する。これにより複数の光コム信号のうちＤＦＢ半導体レーザ１０ａの発振波長に最も近い波長の光コム信号の一本にＤＦＢ半導体レーザ１０ａが注入同期される。本実施例ではＣＷファイバレーザ２８の発振波長を調整し、注入同期が生じる範囲（ＤＦＢ半導体レーザ１０ａのロッキングレンジ範囲）まで光コム信号の波長を可変している。

光ファイバ型光サーキュレータ１７へ結合する光コム信号のパワーは５ｍＷ（光コム信号一本当たり約−１０ｄＢｍ）とした。注入同期されたＤＦＢ半導体レーザ１０ａの出力信号は半導体光増幅器１４によってその出力光を１０ ｍＷまで増幅したのち光ファイバ型光サーキュレータ１７を介してレーザ出力として抽出した。

図６はＤＦＢ半導体レーザ１０ａの発振光スペクトル、図７は多波長狭線幅光源２７の出力光スペクトルである。図８（ａ）、（ｂ）はＤＦＢ半導体レーザ１０ａの発振線幅の変化の様子（自己遅延ヘテロダインスペクトル）を示したグラフである。図８において（ａ）はリニア表示であり、（ｂ）は対数表示である。図８に示すように、多波長狭線幅光源２７から出力される線幅４ｋＨｚの光コムの信号を注入同期することによりＤＦＢ半導体レーザ１０ａの線幅は１ＭＨｚから４ｋＨｚへ狭窄化されている。

図９（ａ）、（ｂ）はＣＷファイバレーザ２８と注入同期後のＤＦＢ半導体レーザ１０ａの発振スペクトルを比較したグラフである。図９において（ａ）はリニア表示であり、（ｂ）は対数表示である。図９によれば、注入同期によってほぼ完全にエルビウムファイバリングレーザのスペクトル形状をＤＦＢ半導体レーザ１０ａがコピーしていることがわかる。

図１０は注入同期後のＤＦＢ半導体レーザ１０ａの発振光スペクトルである。注入同期後も図６と同様の高い光Ｓ／Ｎ（５８ｄＢ）を維持している。

本実施例では、ＣＷファイバリングレーザ２８の発振波長を調整して、注入同期を生じさせているが、ＤＦＢ半導体レーザ１０ａ〜１０ｌの温度を調整して注入同期を生じさせることも可能である。

本実施例では注入同期による一台のＤＦＢ半導体レーザの線幅の狭窄化を明らかにしたものである。本発明の多波長半導体レーザでは、本実施例で説明した動作原理を基本とし、複数のＤＦＢ半導体レーザに多波長狭線幅光源２７より出力される狭線幅光コム信号を同時に入射することにより、これらの発振線幅を一括して狭窄化することが可能である。

本発明は、多値度の大きい変調方式を用いる高密度ＷＤＭコヒーレント光伝送に用いられる、高いＳ／Ｎかつ狭線幅特性を有する多波長レーザとして好適に用いることができる。

１ａ〜１ｈ 半導体レーザ
２ａ〜２ｈ 光導波路
３ａ〜３ｈ グレーティング
４ ＣＷレーザ光源
５ 共振型光位相変調器
６ 発振器
７ 能動モード同期半導体レーザ
８ 発振器
９ アレイ光導波路格子フィルタ
１０ａ〜１０ｌ ＤＦＢ半導体レーザ
１１ａ〜１１ｌ Ｓ字型接続導波路
１２ 光合波回路
１３ 出力導波路
１４ 半導体光増幅器
１５ 第１レンズ
１６ 第２レンズ
１７ 光合波器（光ファイバ型光サーキュレータ）
１８ 多波長狭線幅光源
２７ 多波長狭線幅光源
２８ ＣＷファイバレーザ
２９ 光コム変調器
３０ 発振器

Claims (6)

1. 発振光の光周波数間隔がΔｆである複数の単一波長のレーザ光をそれぞれ発振する複数のＤＦＢレーザ共振器と、
   前記複数のＤＦＢレーザ共振器に一端が各々結合された複数の接続光導波路と、
   前記複数の接続光導波路の他端に結合され、前記複数のＤＦＢレーザ共振器から発振されて接続光導波路を伝搬したレーザ光を合波する光合波回路と、
   前記光合波回路の出力端に結合され前記光合波回路で合波したレーザ光を出力する出力光導波路と、
   前記出力光導波路出力の出力端部側に結合され、少なくとも前記ＤＦＢレーザ共振器で発振されたレーザ光の線幅よりも狭い線幅特性を有する光周波数間隔Δｆの多波長外部光信号を前記複数のＤＦＢレーザ共振器に同時に結合する光合波器とを備え、
   前記多波長外部光信号を前記複数のＤＦＢレーザ共振器に注入同期することによって前記レーザ光の発振線幅を一括して狭窄化することを特徴とする多波長半導体レーザ。
2. 前記光合波回路により合波されたレーザ光を増幅する半導体光増幅器を前記光合波回路と前記出力光導波路との間に設けたことを特徴とする、請求項１に記載の多波長半導体レーザ。
3. 前記Δｆ間隔の多波長外部光信号として、Δｆ間隔の複数の波長の信号光が各々位相同期された光コム信号を用いることを特徴とする、請求項１または２に記載の多波長半導体レーザ。
4. 前記Δｆ間隔の多波長外部光信号として、Δｆ間隔の複数の波長の信号光が各々位相同期され、且つその信号光の周波数が安定化された光コム信号を用いることを特徴とする、請求項１または２に記載の多波長半導体レーザ。
5. 前記光合波器として光サーキュレータを用いることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の多波長半導体レーザ。
6. 出力導波路から出射された光信号を平行光線にする第１のレンズと、平行光線とした前記光信号を集光する第２のレンズとを有し、前記光合波器は、前記第２のレンズで集光された前記光信号を光ファイバに結合させて出力することを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の多波長半導体レーザ。