JP2017083594A - 光結合器、波長可変光源及び波長可変光源モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】複数の出力導波路に光を十分均等に出力することが可能な技術を提供することを目的とする。【解決手段】出力端面２２ｂは平坦面であり、入力端面２２ａの端部２２ａ１，２２ａ２と出力端面２２ｂとの間の長さは、入力端面２２ａの中央部と出力端面２２ｂとの間の長さよりも長い。入力端面２２ａの中央部と出力端面２２ｂとの間の長さは、当該中央部にわたって一定である。入力端面２２ａの端部と中央部との間の中間部と出力端面２２ｂとの間の長さは、入力端面２２ａの中央部と出力端面２２ｂとの間の長さよりも短い。【選択図】図１

Description

本発明は、光結合器と、それを備える波長可変光源及び波長可変光源モジュールとに関する。

近年、通信需要の飛躍的な増加に伴い、波長が異なる複数の信号光を多重化することによって１本当たりの光ファイバの容量伝送が高められた波長分割多重通信システムが実現されている。波長分割多重通信システムには、レーザダイオード（Laser Diode、以下「ＬＤ」と記す)と、多モード干渉（Multi-Mode Interference）型の光結合器（以下「ＭＭＩ」と記す）とを備える波長可変光源が用いられる。

上記の波長分割多重通信システムに用いられるＬＤ光源としては、少なくとも３０〜４０ｄＢ以上の高いサイドモード抑圧比（Side Mode Suppression Ratio：ＳＭＳＲ）が得られる単一モードのＬＤ（以下「単一モードＬＤ」と記す）が好適である。単一モードＬＤには、例えば、分布帰還型ＬＤ（Distributed Feedback Laser Diode、以下「ＤＦＢ−ＬＤ」と記す）や、分布ブラッグ反射型ＬＤ（Distributed Bragg Reflector Laser Diode、以下「ＤＢＲ−ＬＤ」と記す）等がある。

波長分割多重通信システムを実現するためには、広い波長範囲（３０ｎｍ以上）、例えばＣ帯（Conventional band）またはＬ帯（Long band）と呼ばれる約３０〜４０ｎｍの全波長帯域をカバーする低コストの上記波長可変光源が必要となる。このような波長可変光源のＬＤ光源としては、同一基板上にモノリシック集積されたＬＤ光源が注目されている。

なお、一般的に、上記の波長可変光源は、データ信号を生成する外部変調器モジュールと組み合わせて用いられる。また、上記の波長可変光源は、他にも電界吸収（Electro absorption：ＥＡ）型光変調器、及び、マッハツェンダ（Mach Zehnder：ＭＺ）型光変調器を同一基板上にモノリシック集積する研究も行われている。

上記の波長可変光源については、これまでにも様々な技術が提案されている。例えば、複数のＤＦＢ−ＬＤの出力側がＭＭＩの入力導波路に接続された構成において、ＭＭＩで結合（合波）された入力光が出力導波路から出力するように構成された波長可変光源が提案されている（例えば、特許文献１参照）。以下、本明細書では、Ｋ入力（Ｋは自然数）、Ｌ出力（Ｌは自然数）を有するＭＭＩのことを、「Ｋ×Ｌ−ＭＭＩ」と記す。すなわち、Ｋ入力とはＭＭＩに接続されるＫ本の入力導波路を意味し、Ｌ出力とはＭＭＩに接続されるＬ本の出力導波路を意味する。

また例えば、複数のＬＤの出力側がＮ×２−ＭＭＩ（Ｎは３以上の自然数）のＮ本の入力導波路に接続され、当該ＭＭＩの２本の出力導波路がマッハツェンダ変調器の２本のアームに接続された波長可変光源が提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２の技術によれば、Ｎ×１−ＭＭＩを用いる場合と比較して、光損失を改善することが可能となる。

また例えば、複数のＤＦＢ−ＬＤの出力側がＭＭＩの複数の入力導波路に接続されたＭＭＩにおいて、当該ＭＭＩの２本の出力導波路の各々にて出力光の位相調整を行った後、当該光を他のＭＭＩに入力して、当該他のＭＭＩの１本の出力導波路から出力されるよう構成された波長可変光源が提案（例えば、特許文献３参照）。特許文献３の技術によれば、高出力化とＳＮ比（Signal to Noise ratio）の改善が可能となる。

特許第３８８７７４４号公報 特許第４７２８７４６号公報 特開２０１１−４４５８１号公報

幹線系における伝送速度１００Ｇｂｐｓ以上の波長分割多重通信システムでは、近年、光位相変調を用いたデジタルコヒーレント通信が実用化されつつある。デジタルコヒーレント通信を採用した波長分割多重通信システムでは、レーザ発振線幅が５００ｋＨｚ以下の狭線幅波長可変光源が送受信用の光源として用いられている。

上記のデジタルコヒーレント通信を採用した波長分割多重通信において、送信用及び受信用で使用する光信号の波長が異なる場合、送信用と受信用とで別個の波長可変光源が必要となる。しかしながら、そのような構成では、当該波長可変光源を備える送受信装置全体の消費電力が増加したり、実装面積が増加したりする。

一方、デジタルコヒーレント通信を採用した波長分割多重通信では、送信用及び受信用で使用する光信号の波長が同じでもよい場合がある。このような場合は、送受信装置全体の消費電力の低減や実装面積の低減の観点から、１つの波長可変光源を送受信用の光源として兼用することが望ましい。

ここで、例えば、特許文献１〜３の波長可変光源を送受信用の光源として兼用する構成を想定する。特許文献１〜３の波長可変光源は１出力であるため、当該１出力を偏波保持カプラによって２出力に分岐する必要があるが、当該偏波保持カプラにて分岐損が生じてしまう。この分岐損を補うためには、波長可変光源の出力側に設けられた半導体光増幅素子（Semiconductor Optical Amplifier、以下「ＳＯＡ」と記す）への注入電流を増やすことによって、波長可変光源の出力光を増加させる必要がある。しかしながら、偏波保持カプラの分岐損をＳＯＡで補うことが、消費電力やレーザ発振線幅の増大の原因になってしまっているという問題がある。

また、特許文献２においては、Ｎ×２−ＭＭＩの構成が示されており、ある特定の波長において２つの出力ポートに均等に分岐する事が述べられている。しかしながら、広い波長範囲（３０ｎｍ以上）の全域及び任意の入力ポートからの入力光を、２つの出力ポートに十分均等に出力することができないという問題があった。

そこで、本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、複数の出力導波路に光を十分均等に出力することが可能な技術を提供することを目的とする。

本発明に係る光結合器は、多モード導波路と、前記多モード導波路の一端面である入力端面と接続された複数の入力導波路と、前記多モード導波路の他端面である出力端面と接続された複数の出力導波路とを備える。前記出力端面は平坦面であり、前記入力端面の幅方向における端近傍である端部と前記出力端面との間の長さは、前記入力端面の幅方向における中央近傍である中央部と前記出力端面との間の長さよりも長く、前記入力端面の前記中央部と前記出力端面との間の長さは、当該中央部にわたって一定であり、前記入力端面の前記端部と前記中央部との間の中間部と前記出力端面との間の長さは、前記入力端面の中央部と前記出力端面との間の長さよりも短い。

本発明によれば、出力端面は平坦面であり、入力端面の端部と出力端面との間の長さは、入力端面の中央部と出力端面との間の長さよりも長く、入力端面の中央部と出力端面との間の長さは、当該中央部にわたって一定であり、入力端面の端部と中央部との間の中間部と出力端面との間の長さは、入力端面の中央部と出力端面との間の長さよりも短い。これにより、複数の出力導波路に光を十分均等に出力することができる。

実施の形態１に係る波長可変光源の構成の一例を示す図である。 実施の形態１に係る光結合器の比較例の効果を説明するための図である。 実施の形態１に係る光結合器の比較例の効果を説明するための図である。 実施の形態１に係る光結合器の比較例の効果を説明するための図である。 実施の形態１に係る光結合器の比較例の効果を説明するための図である。 実施の形態１に係る光結合器の比較例の効果を説明するための図である。 実施の形態１に係る光結合器の比較例の効果を説明するための図である。 実施の形態１に係る光結合器の効果を説明するための図である。 実施の形態１に係る光結合器の効果を説明するための図である。 実施の形態１に係る光結合器の効果を説明するための図である。 実施の形態１に係る光結合器の効果を説明するための図である。 実施の形態１に係る光結合器の効果を説明するための図である。 実施の形態１に係る光結合器の効果を説明するための図である。 実施の形態１に係る波長可変光源モジュールの構成の一例を示す図である。 実施の形態１に係る送受信装置の構成の一例を示す図である。 実施の形態２に係る光結合器の構成の一例を示す図である。 実施の形態２に係る光結合器の効果を説明するための図である。 実施の形態３に係る光結合器の構成の一例を示す図である。 実施の形態４に係る波長可変光源の構成の一例を示す図である。 関連波長可変光源の構成の一例を示す図である。 関連波長可変光源の構成の一例を示す断面図である。 関連波長可変光源の構成の一例を示す断面図である。 送受信装置の構成の一例を示す図である。 波長可変光源モジュールの構成の一例を示す図である。

＜関連技術＞
本発明の実施の形態に係る波長可変光源について説明する前に、それに関連する波長可変光源（以下「関連波長可変光源」と記す）について説明する。

図２０は、関連波長可変光源の構成の一例を示す図である。図２０の関連波長可変光源１５は、発振波長が異なる複数の単一モードＬＤを用いた波長可変光源であり、ＤＦＢ−ＬＤアレイ１と、光結合器２と、ＳＯＡ６とを備えている。

光結合器２は、多モード領域である多モード導波路３と、多モード導波路３の入力端面に接続されたＮ本のＭＭＩ入力導波路４と、多モード導波路３の出力端面に接続された１本のＭＭＩ出力導波路５とを備えている。このように構成された光結合器２は、Ｎ×１−ＭＭＩである。

ＤＦＢ−ＬＤアレイ１は、発振波長が異なるＮ個（Ｎは３以上の自然数）のＤＦＢ−ＬＤ１ａから構成されており、ＭＭＩ入力導波路４に接続されている。

ＳＯＡ６はＭＭＩ出力導波路５に接続されている。

ここで、ＤＦＢ−ＬＤアレイ１のうちの任意の１個のＤＦＢ−ＬＤ１ａをレーザ発振させると、１個のＤＦＢ−ＬＤ１ａから出力された光（以下「ＬＤ出力光」と記す）の１／ＮはＭＭＩ出力導波路５にて結合され、残りの（Ｎ−１）／ＮはＭＭＩ出力導波路５の外に放射される。分岐損失や結合損失等の補償は、ＳＯＡ６に対して電流注入することによって行われる。具体的には、ＳＯＡ６に対して電流注入することによって、ＭＭＩ出力導波路５から出力された光が増加（増幅）される。そして、ＳＯＡ６で増加（増幅）された光は、出力光７として外部に出力される。

図２１は、図２０のＡ−Ａ’断面の一例を示す断面図であり、ＭＭＩ入力導波路４の構成の一例を示している。

ＭＭＩ入力導波路４は、ＩｎＰ基板４０上に、１層目のＩｎＰ下部クラッド層４１と、２層目のＩｎＰ電流ブロック層４４及びＩｎＧａＡｓＰ導波層４２と、３層目のＩｎＰ上部クラッド層４３とが順に積層されて形成されている。ＩｎＧａＡｓＰ導波層４２には、ＬＤ出力光に対する吸収が実質的にないＩｎＧａＡｓＰ系材料が用いられている。ＩｎＧａＡｓＰ導波層４２は、バルクのエピタキシャル層でもよく、多重量子井戸（Multiple Quantum Well：ＭＱＷ）層でもよい。

なお、図２１は、ＭＭＩ入力導波路４の構成を示しているが、ＭＭＩ出力導波路５の構成も、図２１の構成と同様である。また、幅広の多モード領域である多モード導波路３の構成は、ＩｎＧａＡｓＰ導波層４２の幅（図２１の紙面左右方向の幅）がＭＭＩ入力導波路４及びＭＭＩ出力導波路５よりも広くなっていることを除けば、ＭＭＩ入力導波路４及びＭＭＩ出力導波路５の構成と同様である。

図２２は、図２０のＢ−Ｂ’断面の一例を示す断面図であり、ＳＯＡ６の構成の一例を示している。

ＳＯＡ６は、ＩｎＰ基板４０上に、１層目のＩｎＰ下部クラッド層４１と、２層目のＩｎＰ電流ブロック層４４及びＩｎＧａＡｓＰ活性層４５と、３層目のＩｎＰ上部クラッド層４３と、４層目のＩｎＧａＡｓＰコンタクト層４６とを順に積層されて形成されている。ＩｎＧａＡｓＰ活性層４５には、ＭＭＩ出力導波路５を通過する光（以下「導波光」と記す）に対して利得を有するＩｎＧａＡｓＰ系材料が用いられている。ＩｎＧａＡｓＰ活性層４５は、バルクのエピタキシャル層でもよく、多重量子井戸（ＭＱＷ）層でもよい。

なお、図２２は、ＳＯＡ６の構成を示しているが、ＤＦＢ−ＬＤ１ａの構成も、図２２の構成と同様である。ＤＦＢ−ＬＤ１ａ及びＳＯＡ６では、ＩｎＰ基板４０及びＩｎＧａＡｓＰコンタクト層４６に、それらに設けられた電極（図示せず）を介して電流注入を行うと、ＩｎＧａＡｓＰ活性層４５に利得が生じて自然放出光が発生する。ＤＦＢ−ＬＤ１ａでは、回折格子によって反射された特定の波長の自然放出光が誘導放出の種光となり、利得と損失のバランスで決まる閾値電流を超えるとレーザ発振する。一方、ＳＯＡ６は、導波光を増幅する増幅器の機能を有しており、単独でレーザ発振しないように設計されている。

図２０に戻って、ＤＦＢ−ＬＤ１ａの発振波長は、ＤＦＢ−ＬＤ１ａの温度（以下「素子温度」と記す）に応じて約０．１ｎｍ／℃の割合で変化する。この性質を利用して、素子温度を一定範囲内（例えば、１０〜５０℃）で変化させたときに、ＤＦＢ−ＬＤアレイ１（例えば、ＭＭＩ入力導波路４の本数Ｎ＝１０〜１６）のうちの任意のＤＦＢ−ＬＤ１ａの発振波長が、隣接する他のＤＦＢ−ＬＤ１ａの発振波長と一致するように、各ＤＦＢ−ＬＤ１ａの発振波長の間隔を設計しておく。このような設計によれば、ＤＦＢ−ＬＤ１ａの選択と素子温度調整との併用によって、ワンチップで形成されたＤＦＢ−ＬＤアレイ１でＣ帯またはＬ帯の全波長帯域（約３０〜４０ｎｍ）をカバーすることができる。

図２３は、送受信装置８の構成の一例を示す図であり、デジタルコヒーレント通信システム用の送受信装置８の構成を示している。なお、図２３には図示されていないが、２つの波長可変光源モジュール９のそれぞれには、図２０の関連波長可変光源１５が備えられている。

波長可変光源モジュール９から出力された送信用出力７ａ（図２０の関連波長可変光源１５から出力された出力光７）は、変調器モジュール１０にて変調された後、送信信号１１として外部に出力される。

また、外部から受信した受信信号１２は、波長可変光源モジュール９から出力された受信用出力７ｂ（図２０の関連波長可変光源１５から出力された出力光７）とともに受信モジュール１４に入力され、信号処理後に復元される。一般的に、送受信装置８のうち変調器モジュール１０において挿入損失が生じることから、送信用出力７ａは高い出力を必要とするが、受信用出力７ｂは相対的に低い出力であってもよい。

ここで、送信用及び受信用で使用する光信号の波長が同じであってもよい場合には、送受信装置８全体の消費電力の低減や実装面積の低減の観点から、１つの波長可変光源モジュール９を送受信用の光源として兼用することが望ましい。

図２４は、送受信用の光源として兼用可能な波長可変光源モジュール９の構成の一例を示す図である。

波長可変光源モジュール９は、図２０の関連波長可変光源１５と、結合光学系１６と、ビームスプリッタ１７と、モニタ１８とを備えている。また、波長可変光源モジュール９が光を出力する部分には、光ファイバ１９及び偏波保持カプラ２０が順に接続されている。

関連波長可変光源１５は単一モードの出力光７（図２０）を出射し、出射された出力光７はレンズや光アイソレータ（図示せず）等を含む結合光学系１６を介して光ファイバ１９に結合する。光ファイバ１９に結合した出力光７は、偏波保持カプラ２０によって所定の比率で分岐され、分岐された出力光７の一方は送信用出力７ａとして出力され、他方は受信用出力７ｂとして出力される。

また、結合光学系１６を通過する出力光７の一部は、ビームスプリッタ１７にて取り出され、波長フィルタやフォトダイオード等（図示せず）を含むモニタ１８でのＬＤ出力光の波長や出力レベルの検出に用いられる。

関連波長可変光源１５の出力（ＭＭＩ出力導波路５）の数は１つであることから、波長可変光源モジュール９を送受信用の光源として兼用するためには、偏波保持カプラ２０によって１出力を２出力に分岐する必要があるが、当該偏波保持カプラ２０にて分岐損が生じる。この分岐損を補うためには、関連波長可変光源１５の出力側に設けられた図２０のＳＯＡ６への注入電流を増やすことによって、関連波長可変光源１５のＬＤ出力光（出力）を増加させる必要がある。しかしながら、偏波保持カプラ２０の分岐損をＳＯＡ６で補うことが、消費電力やレーザ発振線幅の増大の原因になってしまっているという問題がある。これに対して、以下に説明する本発明の実施の形態に係る波長可変光源によれば、このような問題を解決することが可能となっている。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る波長可変光源の構成の一例を示す図である。以下、本実施の形態１に係る波長可変光源２８などにおいて、関連波長可変光源１５などと同じまたは類似する構成要素については同じ参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。

以下の説明では、多モード導波路２２の入力端面２２ａの中心と出力端面２２ｂの中心とを通る線（光の進行方向の軸）を中心線ＣＬとし、多モード導波路２２の中心線ＣＬと平行な方向を延在方向とし、多モード導波路２２の中心線ＣＬと垂直な方向を幅方向とする。

なお、図１では、多モード導波路２２の幅方向の長さが、多モード導波路２２の延在方向の長さよりも長くなっている。しかしこれは説明を明確にするための便宜上のものに過ぎず、一般的には、多モード導波路２２の延在方向の長さが、多モード導波路２２の幅方向の長さよりも長くなることが想定される。

図１の波長可変光源２８は、図２０に示したＤＦＢ−ＬＤアレイ１と、光結合器２１と、図２０に示したＳＯＡ６と同様の第１のＳＯＡ（第１の光増幅器）２３と、図２０に示したＳＯＡ６と同様の第２のＳＯＡ（第２の光増幅器）２４とを備えている。

図１の光結合器２１は、多モード領域である多モード導波路２２と、多モード導波路２２の入力端面２２ａ（一端面）に接続されたＮ本（Ｎは３以上の自然数）のＭＭＩ入力導波路４と、多モード導波路２２の出力端面２２ｂ（他端面）に接続されたＭ本（Ｍは２以上の自然数）のＭＭＩ出力導波路５とを備えている。このように構成された光結合器２１は、Ｎ×Ｍ−ＭＭＩである。以下では、光結合器２１は、Ｎ＝１６、Ｍ＝２であるＮ×Ｍ−ＭＭＩ、つまり１６×２−ＭＭＩであるものとして説明するが、Ｎ，Ｍの値はこれに限ったものではない。

ここで、光結合器２１の構成要素について詳細に説明する前に、ＤＦＢ−ＬＤアレイ１、第１のＳＯＡ２３、及び、第２のＳＯＡ２４について詳細に説明する。

ＤＦＢ−ＬＤアレイ１は、ＭＭＩ入力導波路４と同数のＤＦＢ−ＬＤ１ａを備え、ＭＭＩ入力導波路４と接続されている。

第１のＳＯＡ２３は、一方のＭＭＩ出力導波路５と接続され、第２のＳＯＡ２４は、他方のＭＭＩ出力導波路５と接続されている。第１のＳＯＡ２３及び第２のＳＯＡ２４の各々には電流注入機構（図示せず）が独立して接続されている。なお、第１のＳＯＡ２３及び第２のＳＯＡ２４は、例えば、ＭＭＩ出力導波路５の所定の箇所をエッチングで除去した後、バットジョイント成長と呼ばれる再成長技術によって、ＭＭＩ出力導波路５の断面と第１のＳＯＡ２３及び第２のＳＯＡ２４の断面とが直接接合するように形成される。

次に、光結合器２１の構成要素について詳細に説明する。

各ＭＭＩ入力導波路４は、単一モード導波路である。１６本のＭＭＩ入力導波路４は、入力端面２２ａの端部２２ａ１と端部２２ａ２との間に入力導波路間隔（Ｄｉｎ）で配設されている。１６本のＭＭＩ入力導波路４は、多モード導波路２２の幅方向に沿って入力導波路間隔（Ｄｉｎ）で配設されている。なお、１６本のＭＭＩ入力導波路４は、中心線ＣＬに対して線対称に配設されている。

２本のＭＭＩ出力導波路５は、多モード導波路２２の幅方向に沿って出力導波路間隔（Ｄｏｕｔ）で配設されている。なお、２本のＭＭＩ出力導波路５は、中心線ＣＬに対して線対称に配設されている。

多モード導波路２２の出力端面２２ｂは平坦面となっており、出力導波路側境界位置は幅方向の位置に関わらず同一となっている。なお、本実施の形態１では、出力端での反射戻り光の発生を抑制するために、出力端面２２ｂには無反射コーティング（図示せず）が施されている。反射戻り光の発生を抑制することによって、レーザ発振線幅の増大を抑制することができる。

多モード導波路２２の入力端面２２ａには凹凸が設けられており、入力導波路側境界位置は幅方向の位置に応じて概ね異なっている。具体的には、入力端面２２ａの幅方向における端近傍である端部２２ａ１，２２ａ２と出力端面２２ｂとの間の長さは、入力端面２２ａの幅方向における中央近傍である中央部と出力端面２２ｂとの間の長さよりも長くなっている。入力端面２２ａの中央部と出力端面２２ｂとの間の長さは、当該中央部にわたって一定である。入力端面２２ａの端部２２ａ１，２２ａ２と中央部との間の中間部と出力端面２２ｂとの間の長さは、入力端面２２ａの中央部と出力端面２２ｂとの間の長さよりも短くなっている。また、多モード導波路２２は、中心線ＣＬに対して線対称である形状を有する。

このような構成により、多モード領域長（ＭＭＩ入力導波路４と接続された入力端面２２ａの部分と出力端面２２ｂと間の長さ）Ｌは、ＭＭＩ入力導波路４の位置に応じて異なっている。ここで、図１に示すように、１６本のＭＭＩ入力導波路４の多モード領域長を、上から下に向かってＬ１、Ｌ２、…、Ｌ１６の記号で表す。

図１の構成では、配列端のＭＭＩ入力導波路４の多モード領域長（Ｌ１、Ｌ１６）が最も長い。配列中央のＭＭＩ入力導波路４の多モード領域長（Ｌ６〜Ｌ１１）は、一定であり、配列端のＭＭＩ入力導波路４の多モード領域長（Ｌ１、Ｌ１６）よりも短くなっている。それ以外のＭＭＩ入力導波路４の多モード領域長（Ｌ２〜Ｌ５，Ｌ１２〜Ｌ１５）は、配列中央のＭＭＩ入力導波路４の多モード領域長（Ｌ６〜Ｌ１１）よりも短くなっている。特に、ＭＭＩ入力導波路４の多モード領域長（Ｌ３，Ｌ４，Ｌ１３，Ｌ１４）は、それら以外の多モード領域長（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ５〜Ｌ１２，Ｌ１５，Ｌ１６）よりも短くなっている。

次に図１の波長可変光源２８の動作について説明する。

任意のＤＦＢ−ＬＤ１ａを選択して閾値電流以上の電流注入を行うと、当該選択されたＤＦＢ−ＬＤ１ａにてレーザ発振が生じる。ＤＦＢ−ＬＤ１ａから出力されたＬＤ出力光は、ＭＭＩ入力導波路４を介して光結合器２１の多モード導波路２２に入力された後、２本のＭＭＩ出力導波路５のそれぞれにおいて結合される。２本のＭＭＩ出力導波路５において結合された導波光は、それぞれ第１のＳＯＡ２３及び第２のＳＯＡ２４によって増加（増幅）された後、２本の出力光７として波長可変光源から出力される。

ここで、ＬＤ出力光がＭＭＩ入力導波路４を経て多モード導波路２２に入力されると、複数固有モードの重ね合わせに起因する干渉パターンを示すが、多モード領域長Ｌ１〜Ｌ１６が適切に設計されていれば、単一モード導波路である２本のＭＭＩ出力導波路５にほぼ等しい割合で光を結合することができる。

２本のＭＭＩ出力導波路５にほぼ等しい割合で光が結合されるための、最適な多モード領域長はＭＭＩ入力導波路４の位置に応じて異なる。図１には、Ｃ帯またはＬ帯において、入力導波路間隔（Ｄｉｎ）が３μｍ、多モード導波路２２の幅Ｗが４８μｍである場合に、直線近似して配置された適切な多モード領域長Ｌ１〜Ｌ１６が示されている。このような構成によれば、図１に示すように、多モード導波路２２の入力端面２２ａの凹と凸との差を１０μｍ以内にすることが可能である。

次に、図１のように構成された光結合器２１の多モード領域長Ｌ１〜Ｌ１６が適切であること、つまり２本のＭＭＩ出力導波路５にほぼ等しい割合で光が結合されることについて説明する。

図２〜図７は、本実施の形態１に係る光結合器２１と比較される光結合器（以下「比較光結合器」と記す）の、分岐特性のシミュレーション結果を示す図である。比較光結合器には、光結合器２１の入力端面２２ａを平坦面に変更したものを用いた。

図２〜図７の実線及び点線は、２本のＭＭＩ出力導波路５に対応しており、各ＭＭＩ出力導波路５における、多モード領域長Ｌ１〜Ｌ１６の出力が示されている。多モード導波路２２の長さ（中心線ＣＬに沿った長さ）をＬｅとした場合、図２はＬｅ＝３００μｍであり、図３はＬｅ＝３１０μｍであり、図４はＬｅ＝３２０μｍであり、図５はＬｅ＝３３０μｍであり、図６はＬｅ＝３４０μｍであり、図７はＬｅ＝３５０μｍである。

比較光結合器では、Ｌｅ＝３１０μｍ（図３）にて、多モード領域長Ｌ１〜Ｌ１６の出力がほぼ等しく、２本のＭＭＩ出力導波路５にほぼ等しい割合で光が結合されるが、それ以外のＬｅ（図２及び図４〜図７）にて、多モード領域長Ｌ１〜Ｌ１６の出力がばらついている。

図８〜図１１は、本実施の形態１に係る光結合器２１の、分岐特性のシミュレーション結果を、図２などと同様に示す図である。図８はＬｅ＝３１０μｍであり、図９はＬｅ＝３１５μｍであり、図１０はＬｅ＝３２０μｍであり、図１１はＬｅ＝３２５μｍである。

本実施の形態１では、いずれのＬｅにおいても、多モード領域長Ｌ１〜Ｌ１６の出力がほぼ等しく、２本のＭＭＩ出力導波路５にほぼ等しい割合で光が結合されている。

図１２は、入力端面２２ａを平坦面に変更した光結合器における分岐特性の実測結果を示す図であり、図１３は、本実施の形態１に係る光結合器２１における分岐特性の実測結果を示す図である。なお、ここでは、入力導波路間隔（Ｗ／Ｎ）は３μｍであり、ＳＯＡ駆動電流は一定としている。

図１２及び図１３の実測結果は、図２〜図１１に示したシミュレーション結果と半定量的にほぼ一致している。図８〜図１１及び図１３が示す結果から分かるように、本実施の形態１に係る光結合器２１によれば、ＭＭＩ入力導波路４の位置（入力ポート番号）によらず、多モード領域長Ｌ１〜Ｌ１６の出力をほぼ均等にすることができる。つまり、単一モード導波路である２本のＭＭＩ出力導波路５においてほぼ等しい割合で光を結合することができる。また、本実施の形態１によれば、Ｌｅの依存性の抑制も期待できる。

なお、結果は示さないが、図１の光結合器２１の形状を多少変更しても、同様の結果を得ることができる。例えば、図１では、中央部のＭＭＩ入力導波路４の多モード領域長をＬ６〜Ｌ１１としているが、これに限ったものではなくＬ５〜Ｌ１２であってもよいし、Ｌ７〜Ｌ１０であってもよい。

図１４は、本実施の形態１に係る波長可変光源モジュール３０の構成の一例を示す図である。波長可変光源モジュール３０には、図１の波長可変光源２８が備えられている。なお、波長可変光源モジュール３０の構成及び動作は、図２４の波長可変光源モジュール９と同様であるため、ここでは説明を適宜省略する。

波長可変光源２８の出力光（図１の第１のＳＯＡ２３及び第２のＳＯＡ２４からの出力光７）は、結合光学系１６によって２本の光ファイバ１９に分離して結像され、波長可変光源モジュール３０の２つの出力ポート（２本の光ファイバ１９）から光が出力される。つまり、本実施の形態１に係る波長可変光源モジュール３０では、波長可変光源２８から出力された複数の出力光７の各々を別個に取り出すことが可能となっている。２つの出力ポート（２本の光ファイバ１９）から出力された光は、送信用出力７ａ及び受信用出力７ｂとして用いられる。

これにより、図２４の波長可変光源モジュール９の出力側に設けた偏波保持カプラ２０が、本実施の形態１に係る波長可変光源モジュール３０では不要となる。しかも、全波長帯域に渡って２つのＭＭＩ出力導波路５において互いに略等しく、かつ、関連波長可変光源１５と略同程度であるＬＤ出力光を約１／Ｎの割合で結合させることができることが調査によって分かった。これは、本実施の形態１に係るＤＦＢ−ＬＤ１ａの駆動電流は、関連波長可変光源１５と同程度でよく、関連波長可変光源１５のＤＦＢ−ＬＤ１ａよりも駆動電流を増大させる必要がないことを意味する。

以上のことから、本実施の形態１の構成によれば、関連波長可変光源１５が偏波保持カプラの分岐損をＳＯＡ６によって補う程度だけ、関連波長可変光源１５よりも消費電力やレーザ発振線幅の増大を抑制することができる。

図１５は、本実施の形態１に係る送受信装置３２の構成の一例を示す図である。図１５の送受信装置３２は、図１４の波長可変光源モジュール３０を一つ備える。波長可変光源モジュール３０から出力された送信用出力７ａは、変調器モジュール１０にて変調された後、送信信号１１として外部に出力される。また、外部から受信した受信信号１２は、波長可変光源モジュール３０から出力された受信用出力７ｂとともに受信モジュール１４に入力され、信号処理後に復元される。

以上のように構成された本実施の形態１によれば、波長可変光源モジュール３０を送受信用の光源モジュールとして兼用することができる。このため、図２３の送受信装置８よりも消費電力を低減することができる。

＜実施の形態２＞
図１６は、本発明の実施の形態２に係る光結合器の構成の一例を示す図である。本実施の形態２では、実施の形態１で説明した１６×２−ＭＭＩの光結合器２１において、ＭＭＩ出力導波路５の間隔が適切化されている。なお、本実施の形態２に係る光結合器２１の動作は、実施の形態１（図１）と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、多モード導波路２２の幅（幅方向の長さ）をＷとし、多モード導波路２２の長さ（中心線ＣＬに沿った長さ）をＬｅとして説明する。なお、光結合器２１の長さＬｅは、図８〜図１１の光結合器２１の長さＬｅと略同じでよい（Ｌｅの最適値は３２５μｍ）。

Ｎ本のＭＭＩ入力導波路４の配置位置は、光結合器２１の多モード導波路２２の幅方向の中央（中心線ＣＬ）を原点（座標０）として（入力端面２２ａのＷ／２を中心として）、対称かつＷ／Ｎの間隔で配置されている。また、両外側の２本のＭＭＩ入力導波路４は、光結合器２１の多モード領域の端からＷ／（２Ｎ）だけ内側に向かった位置、すなわち座標（Ｗ／２−Ｗ／（２Ｎ），−Ｗ／２＋Ｗ／（２Ｎ））に配置されている。本実施の形態２ではＮ＝１６であることから、両外側の２本のＭＭＩ入力導波路４は、座標（Ｗ／２−Ｗ／３２，−Ｗ／２＋Ｗ／３２）に配置される。

一方、２本のＭＭＩ出力導波路５は、出力端面２２ｂのＷ／２を中心として、対称かつＷ／Ｎの１．１倍〜１．３倍の間隔で配置される。

図１７は、本実施の形態２に係る波長可変光源２８における、出力の最低値の出力導波路間隔依存性を示す図である。なお、ここでは、入力導波路間隔（Ｗ／Ｎ）は３μｍであり、ＳＯＡ駆動電流は一定としている。図１７から分かるように、出力導波路間隔（Ｄｏｕｔ）が３．３〜３．９μｍであれば出力の最低値を高めることができ、特に３．４μｍ付近で最も高めることができる。上述したように、本実施の形態２では、２本のＭＭＩ出力導波路５が、出力端面２２ｂのＷ／２を中心として、対称かつＷ／Ｎの１．１倍〜１．３倍の間隔で配置されているので、波長可変光源２８の出力を高めることができる。

＜実施の形態３＞
図１８は、本発明の実施の形態３による光結合器の構成の一例を示す図である。本実施の形態３に係る光結合器２１は、多モード導波路２２と、各ＭＭＩ出力導波路５との間に配設されたテーパ導波路２５を備えている点で、実施の形態１または２に係る光結合器２１と異なっている。

テーパ導波路２５のうち、ＭＭＩ出力導波路５との接続部分の幅は、ＭＭＩ出力導波路５の幅とほほ同じで、多モード導波路２２との接続部分の幅は、ＭＭＩ出力導波路５の幅より大きくかつＭＭＩ出力導波路５の間隔（Ｄｏｕｔ）以下であればよい。またテーパ導波路２５の長さは、２０〜５０μｍ程度あれば過剰損失はほとんど無視できる。なお、本実施の形態３に係る光結合器２１のテーパ導波路２５以外の構成及び動作は、実施の形態１または２と同様であるため、ここでは説明を省略する。

以上のように構成された本実施の形態３によれば、テーパ導波路２５により、ＭＭＩ出力導波路５近傍の光を結合することができるので、ＭＭＩ出力導波路５への結合効率を改善することができる。

＜実施の形態４＞
図１９は、本発明の実施の形態４に係る波長可変光源２８の構成の一例を示す図である。

本実施の形態４では、第１のＳＯＡ２３及び第２のＳＯＡ２４が、これまで説明した構成と異なっている。なお、本実施の形態４に係る光結合器２１及びＤＦＢ−アレイ１は、これまで説明したものと同様である。

すなわち、光結合器２１は、多モード導波路２２と、多モード導波路２２の入力端面２２ａに接続された１６本のＭＭＩ入力導波路４と、多モード導波路２２の出力端面２２ｂに接続された２本のＭＭＩ出力導波路５とを備える。そして、光結合器２１は、各ＭＭＩ入力導波路４から入力されたＬＤ出力光を合波し、当該合波したＬＤ出力光を各ＭＭＩ出力導波路５に出力する。

実施の形態１〜３に係る光結合器２１によれば、上述したように、多モード領域長が適切化されているので、全波長帯域に渡って２本のＭＭＩ出力導波路５において略等しいＬＤ出力光を結合させることができる。

ＤＦＢ−アレイ１が備える１６個のＤＦＢ−ＬＤ１ａは、各ＭＭＩ入力導波路４の多モード導波路２２と逆側端に接続され、各々が異なる波長で単一モード発振可能である。

導波路型の第１のＳＯＡ２３及び第２のＳＯＡ２４は、２本のＭＭＩ出力導波路５の出力端側にそれぞれ接続されている。また、第１のＳＯＡ２３及び第２のＳＯＡ２４は、自身の出力端側に曲がり導波路２３ａ，２４ａを有している。第１のＳＯＡ２３及び第２のＳＯＡ２４の長さ（ＬＤ出力光の通過方向の長さ）を除けば、第１のＳＯＡ２３及び第２のＳＯＡ２４は互いに同一に構成されている。

ここで、第１のＳＯＡ２３及び第２のＳＯＡ２４に対して電流注入を行うと、各ＭＭＩ出力導波路５を進行するＬＤ出力光は増幅され、電流値を増やすと第１のＳＯＡ２３及び第２のＳＯＡ２４における増幅率も増大する。当該増幅率は、入力光を基準とした出力光強度を対数表示することによって表されるが、一般的に非線形的な振る舞いを示す。具体的には、入力光が弱い（低出力）と増幅率は略一定であるが、入力光が強い（高出力）と増幅率が低下する。このため、最大出力が入力光強度とともに飽和する傾向を示す。

第１のＳＯＡ２３及び第２のＳＯＡ２４の単位長さ当たりの飽和出力は、第１のＳＯＡ２３及び第２のＳＯＡ２４の活性層（図２２のＩｎＧａＡｓＰ活性層４５に相当）の光閉じ込め係数や電流密度によって決まる。換言すれば、第１のＳＯＡ２３及び第２のＳＯＡ２４の活性層の光閉じ込め係数や電流密度が同じであれば、第１のＳＯＡ２３及び第２のＳＯＡ２４の最大出力は、第１のＳＯＡ２３及び第２のＳＯＡ２４の長さによって決定される。

図１９の構成では、第１のＳＯＡ２３の長さは、第２のＳＯＡ２４の長さよりも長く、これらの活性層の幅や光閉じ込め係数は同一である。したがって、同じ電流密度における最大出力は、第１のＳＯＡ２３のほうが第２のＳＯＡ２４よりも高くなる。すなわち、第１のＳＯＡ２３の増幅率は、第２のＳＯＡ２４の増幅率よりも高くなっている。

ここで上述したように、デジタルコヒーレント通信システム用の送受信装置では、受信用出力７ｂは送信用出力７ａよりも低くてもよい。このことに鑑みて、本実施の形態４では、増幅率が高い第１のＳＯＡ２３によって増幅された光を送信用出力７ａとして用い、増幅率が低い第２のＳＯＡ２４によって増幅された光を受信用出力７ｂとして用いるように構成されている。

このような構成によれば、第１のＳＯＡ２３の長さが、図２０のＳＯＡ６の長さと同一であれば、ＳＯＡ６と同等の送信用出力７ａを得るために必要なＤＦＢ−ＬＤ１ａの駆動電流と第１のＳＯＡ２３に対する注入電流は、関連波長可変光源１５と同じとなる。一方、ＳＯＡ６と同等の受信用出力７ｂを得るために必要なＤＦＢ−ＬＤ１ａの駆動電流と第２のＳＯＡ２４に対する注入電流は、関連波長可変光源１５よりも少なくなる。したがって、図１９に示す本実施の形態４に係る１つの波長可変光源２８を、送受信装置３２（図１５）に用いた場合には、２つの関連波長可変光源１５を用いる図２３の送受信装置８に比べて、消費電力を例えば１／２以下に低減することができる。このように本実施の形態４によれば、レーザ発振線幅及び消費電力の増大をより抑制することが可能となる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

４ ＭＭＩ入力導波路、５ ＭＭＩ出力導波路、２１ 光結合器、２２ 多モード導波路、２２ａ 入力端面、２２ａ１，２２ａ２ 端部、２２ｂ 出力端面、２３ 第１のＳＯＡ、２４ 第２のＳＯＡ、２５ テーパ導波路、２８ 波長可変光源、３０ 波長可変光源モジュール、ＣＬ 中心線。

Claims (5)

1. 多モード導波路と、
   前記多モード導波路の一端面である入力端面と接続された複数の入力導波路と、
   前記多モード導波路の他端面である出力端面と接続された複数の出力導波路と
   を備え、
   前記出力端面は平坦面であり、
   前記入力端面の幅方向における端近傍である端部と前記出力端面との間の長さは、前記入力端面の幅方向における中央近傍である中央部と前記出力端面との間の長さよりも長く、
   前記入力端面の前記中央部と前記出力端面との間の長さは、当該中央部にわたって一定であり、
   前記入力端面の前記端部と前記中央部との間の中間部と前記出力端面との間の長さは、前記入力端面の中央部と前記出力端面との間の長さよりも短い、光結合器。
2. 請求項１に記載の光結合器であって、
   前記複数の入力導波路は、
   前記入力端面の中心と前記出力端面の中心とを通る中心線に対して線対称に配設され、かつＷ／Ｎの間隔で配設され、
   前記複数の出力導波路は、
   前記中心線に対して線対称に配設され、かつＷ／Ｎの１．１倍以上１．３倍以下の間隔で配設されており、
   ここで、
   Ｗは、前記多モード導波路の前記中心線の方向に対する幅であり、
   Ｎは、前記複数の入力導波路の本数であり、３以上の自然数である、光結合器。
3. 請求項１または請求項２に記載の光結合器であって、
   前記多モード導波路と、各前記出力導波路との間に配設されたテーパ導波路をさらに備える、光結合器。
4. 請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の光結合器と、
   前記複数の出力導波路の２つとそれぞれ接続され、互いの増幅率が異なる第１及び第２の光増幅器と
   を備える、波長可変光源。
5. 請求項４に記載の波長可変光源を備え、
   前記波長可変光源から出力された複数の出力光の各々を別個に取り出し可能な、波長可変光源モジュール。

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