JP2017098342A - 波長多重光送信器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ＤＦＢレーザの単位長あたりの電流量を増やすことなく、ｌａｎｅ間のＤＦＢレーザの光出力のばらつきが抑制された波長多重光送信器を提供する。【解決手段】本発明の波長多重光送信器は、ＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢであって、ＤＦＢレーザと、前記ＤＦＢレーザに接続されたＥＡ変調器と、前記ＥＡ変調器に接続されたＳＯＡと、を含む、複数のＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢと、前記複数のＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢの各々の前記ＳＯＡから出射された複数の信号光を合波して波長多重光を出力する光合波器と、を備え、前記複数のＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢにおける前記ＤＦＢレーザの発振波長及び前記ＳＯＡの利得はそれぞれ異なり、前記複数のＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢにおいて、利得が比較的小さいＳＯＡの長さは比較的長く、利得が比較的大きいＳＯＡの長さは比較的短いことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、波長多重光送信器に関し、より詳細には、波長の異なる複数の光をそれぞれ増幅する複数の半導体光増幅器（Semiconductor optical amplifier：ＳＯＡ）を集積したＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ（Electroabsorption Modulator Integrated Distributed Feedback Laser：ＥＡ−ＤＦＢレーザ）から出力された複数の増幅光を光合波器で１つの導波路に束ねる波長多重光送信器に関する。

次世代の超高速ネットワークを構成する規格の１つとして、１００ギガビットイーサネット（１００ＧｂＥ）の開発が進んでいる（非特許文献１参照）。特に、中・長距離のビル間（〜１０ｋｍ）・遠隔ビル間（〜４０ｋｍ）のデータのやり取りをする１００ＧＢＡＳＥ−ＬＲ４・１００ＧＢＡＳＥ−ＥＲ４が有望視されている。上記の規格では、定められた４つの光の波長帯（例えば、１２９４．５３ｎｍ〜１２９６．５９ｎｍ、１２９９．０２ｎｍ〜１３０１．０９ｎｍ、１３０３．５４ｎｍ〜１３０５．６３ｎｍ、１３０８．０９ｎｍ〜１３１０．１９ｎｍの４波長帯）の信号に対し、それぞれに２５Ｇｂ／ｓ（または２８Ｇｂ／ｓ）のデータを乗せた後、それらを重ね合わせて１００Ｇｂ／ｓの信号を生成するという、ＬＡＮ−ＷＤＭの方法が用いられる。

ＬＡＮ−ＷＤＭでは、波長多重光送信器モジュールが使われる。波長多重光送信器モジュールでは、小型化・低消費電力化・低チャープ化が重要とされ、チャーピング（波長変動）の小さい外部変調方式が用いられている。なかでも、電界吸収効果を利用した電界吸収型（ＥＡ：Electroabsorption）変調器は、小型化、低消費電力化、半導体レーザに対する集積性などの観点から優れた特長を持つ。特に、ＥＡ変調素子と単一波長性に優れる分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feedback Laser）レーザとを一つの半導体基板上にモノリシックに集積した半導体光集積素子（ＥＡ−ＤＦＢレーザ）は、高速・長距離伝送用発光装置として広く用いられる。

ＥＡ−ＤＦＢレーザを駆動するためには、ＤＦＢレーザへの電流Ｉ_opの注入、ＥＡ変調器へのＤＣバイアスＶ_bの印加及びＥＡ変調器への高周波バイアスＶ_ppの印加を必要とする。ＤＣバイアスＶ_bに負の電圧を印加し、そしてその絶対値を大きくしていくと、変調光が有するチャープ値β_cが減少し、長距離伝送においても波形劣化を抑えることができる。

図４は、光信号波形（光パルス波形）と伝送距離との関係についてのチャープ値依存性を示す。図４（ａ）はチャープ値β_c＝１のときの光波形と伝送距離との関係を示し、図４（ｂ）はチャープ値β_c＝−０．７のときの光波形と伝送距離との関係を示す。図４（ａ）に示されるように、チャープ値β_cが正値（例えばβｃ＝１）である場合は、伝送距離４０ｋｍ以上の長距離伝送後における光波形が大きく劣化している。それに対して、図４（ｂ）に示されるように、チャープ値β_cが負値（例えばβ_c＝−０．７）である場合は、伝送距離４０ｋｍ以上の長距離伝送後における光波形の劣化を抑えることができる。

図５は、１００ＧｂＥで使用される、従来の波長多重光送信器モジュール３００の構成を示す。図５には、１つの半導体チップである波長多重光送信器３１０と、空間光学系３２０とを備え、光ファイバ３３０に接続された波長多重光送信器モジュール３００が示されている。波長多重光送信器３１０及び光ファイバ３３０は、空間光学系３２０を介して光学的に結合している。

波長多重光送信器３１０は、ＥＡ−ＤＦＢ３１１₀〜３１１₃と、１つの多モード干渉（ＭＭＩ）型の４対１の光合波器３１５と、ＥＡ−ＤＦＢ３１１₀〜３１１₃及び光合波器３１５をそれぞれ接続する入力導波路３１４₀〜３１４₃と、光合波器３１５の出力導波路３１６と、を含む。ＥＡ−ＤＦＢ３１１₀〜３１１₃は、それぞれ、ＤＦＢレーザ３１２₀〜３１２₃及び４つのＥＡ型光変調器３１３₀〜３１３₃が集積されている。

ＤＦＢレーザ３１２₀〜３１２₃はいずれも連続光を出力し、ＤＦＢレーザ３１２₀〜３１２₃の各レーザ発振波長帯は、それぞれ、１２９４．５３ｎｍ〜１２９６．５９ｎｍ、１２９９．０２ｎｍ〜１３０１．０９ｎｍ、１３０３．５４ｎｍ〜１３０５．６３ｎｍ、１３０８．０９ｎｍ〜１３１０．１９ｎｍである。ここで、通常、上記４波長帯を短波長側から、ｌａｎｅ０、ｌａｎｅ１、ｌａｎｅ２、ｌａｎｅ３と呼ぶ。

ＥＡ変調器３１３₀〜３１３₃は、同一組成の吸収層を持ち、別々の電気信号（２５Ｇｂ／ｓもしくは２８Ｇｂ／ｓ）の電気入力に従って、ＤＦＢレーザ３１２₀〜３１２₃の連続光を２５Ｇｂ／ｓもしくは２８Ｇｂ／ｓの変調信号光に変換する。ＥＡ変調器３１３₀〜３１３₃で生成される変調信号光は、それぞれ入力導波路３１４₀〜３１４₃を介して光合波器３１５に出力される。

光合波器３１５は、ＥＡ−ＤＦＢ３１１₀〜３１１₃からそれぞれ入力された波長の異なる４つの変調信号光を合波し、１つに束ねた波長多重光として出力導波路３１６を介して空間光学系３２０に出力する。

空間光学系３２０は、第１のレンズ３２１と、アイソレータ３２２と、第２のレンズ３２３と、を含む。光合波器３１５で１つに束ねられて出力された波長多重光は、拡散光３４０となって空間に放射され、第１のレンズ３２１によって平行光３４１に直され、アイソレータ３２２を通過し、第２のレンズ３２３によって収束光３４２に集光され、光ファイバ３３０に結合される。

尚、図には示していないが、波長多重光送信器モジュール３００は、上記以外にも波長多重光送信器３１０の温度センサ（例えばサーミスタ）、温度制御用のペルチェ素子、ＤＦＢレーザ３１２₀〜３１２₃やＥＡ型光変調器３１３₀〜３１３₃に電源を供給するための直流電源を有することができる。また、波長多重光送信器モジュール３００は、ＥＡ型変調器３１３₀〜３１３₃を駆動するための変調器ドライバ・高周波線路終端抵抗、変調器ドライバの振幅・バイアス電圧・電気クロスポイントを制御するための信号線や制御回路を有することができる。さらに、波長多重光送信器モジュール３００では、変調器ドライバの前段に、電気信号の波形整形回路やクロック抽出回路、さらには電源電圧変動の影響を抑制する回路を設ける場合もある。

ＥＡ型光変調器３１３₀〜３１３₃としては、消光比に優れ、正孔のパイルアップ抑制にも有効なＩｎＧａＡｌＡｓ系引張歪量子井戸を用いることができる。入力導波路３１４₀〜３１４₃及び出力導波路３１６としては、高周波の帯域を確保するために、低誘電率ＢＣＢ埋め込みのリッジ型導波路を用いることができる。光合波器３１５としては、光閉じ込めが強く、放射損失の小さなハイメサ型導波路を用いることができる。

波長多重光送信器３１０のチップの大きさは、例えば２，０００×２，６００μｍとすることができ、４つのＤＦＢレーザ３１２₀〜３１２₃の共振長を４００μｍ、ＤＦＢレーザ３１２₀〜３１２₃とＥＡ型光変調器３１３₀〜３１３₃との間の導波路長を５０μｍとすることができ、ＥＡ型光変調器３１３₀〜３１３₃の素子長を１５０μｍとすることができる。

波長多重光送信器モジュール３００は、作製した波長多重光送信器３１０を１２ｍｍ×２０ｍｍという超小型のパッケージに実装したもので、４０℃において１００Ｇｂｉｔ／ｓ動作させたとき、シングルモードファイバ上での４０ｋｍエラーフリー伝送が可能である。これらの結果が示すように、波長多重光送信器モジュール３００は将来世代の１００ＧｂＥ用トランシーバとして十分な性能を有する。

図６は、１００ＧｂＥで使用される、従来の集積波長多重光送信器モジュール４００の構成を示す（非特許文献２参照）。図６には、半導体チップである波長多重光送信器４１０₁及び４１０₂と、空間光学系４２０とを備え、光ファイバ４３０に接続された波長多重光送信器モジュール４００が示されている。波長多重光送信器４１０₁及び４１０₂と、光ファイバ４３０とは、空間光学系４２０を介して光学的に結合している。

波長多重光送信器４１０₁は、２つのＤＦＢレーザ４１２₀〜４１２₁及び２つのＥＡ型光変調器４１３₀〜４１３₁がそれぞれ集積された２つのＥＡ−ＤＦＢ４１１₀〜４１１₁と、ＭＭＩ型の２対１の光合波器４１５₁と、ＥＡ−ＤＦＢ４１１₀〜４１１₁及び光合波器４１５₁をそれぞれ接続する入力導波路４１４₀〜４１４₁と、光合波器４１５₁の出力導波路４１６₁と、を含む。波長多重光送信器４１０₂も同様に、２つのＤＦＢレーザ４１２₂〜４１２₃及び２つのＥＡ型光変調器４１３₂〜４１３₃がそれぞれ集積された２つのＥＡ−ＤＦＢ４１１₂〜４１１₃と、ＭＭＩ型の２対１の光合波器４１５₂と、ＥＡ−ＤＦＢ４１１₂〜４１１₃及び光合波器４１５₂をそれぞれ接続する入力導波路４１４₂〜４１４₃と、光合波器４１５₂の出力導波路４１６₂と、を含む。

ＤＦＢレーザ４１２₀〜４１２₃はいずれも連続光を出力し、ＤＦＢレーザ４１２₀〜４１２₁の各レーザ発振波長帯は、１２９４．５３ｎｍ〜１２９６．５９ｎｍ、１２９９．０２ｎｍ〜１３０１．０９ｎｍであり、ＤＦＢレーザ４１２₂〜４１２₃の各レーザ発振波長帯は、それぞれ１３０３．５４ｎｍ〜１３０５．６３ｎｍ、１３０８．０９ｎｍ〜１３１０．１９ｎｍである。

ＥＡ変調器４１３₀〜４１３₃は、同一組成の吸収層を持ち、別々の電気信号（２５Ｇｂ／ｓもしくは２８Ｇｂ／ｓ）の電気入力に従って、ＤＦＢレーザ４１２₀〜４１２₃の連続光を、それぞれ、２５Ｇｂ／ｓもしくは２８Ｇｂ／ｓの変調信号光に変換して、入力導波路４１４₀〜４１４₃を介して光合波器４１５₁及び４１５₂に出力される。

光合波器４１５₁及び４１５₂は、波長の異なる２つの変調信号光をそれぞれ合波し、１つに束ねた波長多重光として出力導波路４１６₁及び４１６₂を介して空間光学系４２０にそれぞれ出力する。

空間光学系４２０は、第１のレンズ４２１₁及び４２１₂と、ミラー４２２と、半波長板４２３と、偏波フィルタ４２４と、アイソレータ４２５と、第２のレンズ４２６と、を含む。光合波器４１５₁及び４１５₂でそれぞれ１つに束ねられて出力された波長多重光は、拡散光４４０₁及び４４０₂となって空間に放射され、第１のレンズ４２１₁及び４２１₂によって平行光４４１₁及び４４１₂に直される。平行光４４１₁は、ミラー４２２によって直角に進路が変わり、ミラー４２２と偏波フィルタ４２４との間に設けられた半波長板４２３によって偏光が９０°変わり、偏波フィルタ４２４によってさらに直角に進路が変わってアイソレータ４２５に入射する。一方で、平行光４４１₂は、半波長板を通過しておらず偏光が変わっていないため偏波フィルタ４２４を透過し、アイソレータ４２６に入射する。すなわち、偏波フィルタ４２５により、２つの波長多重光が合波され、波長多重合波光になる。アイソレータ４２６を通過した平行光４４１₁及び４４１₂は、第２のレンズ４２６によって収束光４４２に集光され、光ファイバ４３０に結合される。

波長多重光送信器４１０₁及び４１０₂のチップの大きさはそれぞれ１，５００×１，０００μｍ、４つのＤＦＢレーザ４１２₀〜４１２₃の共振長を４００μｍ、ＬＣレセプタクルを含めた波長多重光送信器モジュール４００の大きさは８．７ｍｍ×２９ｍｍとすることができる。波長多重光送信器モジュール４００は、４０℃において１００Ｇｂｉｔ／ｓ動作させたとき、４０ｋｍのエラーフリー動作が可能である。

図７は、ＤＦＢレーザ、ＥＡ変調器および光合波器が形成された半導体チップの断面図を示す。図７には、ｎ電極５０１と、ｎ電極５０１上に設けられたｎ−ＩｎＰ基板５０２と、ｎ−ＩｎＰ基板５０２上に設けられたｎ−ＩｎＰクラッド層５０３とを含み、ｎ−ＩｎＰクラッド層５０３上に、ＤＦＢ半導体レーザ部５２０と、ＥＡ変調器部５３０と、導波路・光合波器部５４０とが設けられた半導体チップが示されている。

ＤＦＢ半導体レーザ部５２０は、ｎ−ＩｎＰクラッド層５０３上に設けられた活性層５０４と、活性層５０４上に設けられたガイド層５０５と、ガイド層５０５上に設けられたｐ−ＩｎＰクラッド層５０６と、ｐ−ＩｎＰクラッド層５０６上に設けられた電極５０７と、で構成される。ガイド層５０５には、ＥＢ（electron beam）描画により、回折格子が形成されている。

ＥＡ変調器部５３０は、吸収層５０８と、吸収層５０８上に設けられたｐ−ＩｎＰクラッド層５０６と、ｐ−ＩｎＰクラッド層５０６上に設けられた電極５０９と、で構成される。また、導波路・光合波器部５４０は、導波路（もしくは光合波器）のコア層５１０と、ノンドープのＩｎＰ層５１１と、で構成される。

ＤＦＢ半導体レーザ部５２０の中心部分には、発振波長の単一モードを実現するために、回折格子を四分の一波長だけ位相シフトした四分の一波長位相シフト５１２が設けられている。１つの半導体チップ内では、活性層５０４の組成は同一で、波長を変えるには回折格子のピッチを変えることにより行う。また、１つの半導体チップ内では、ＥＡ変調器の吸収層５０８の組成も同一である。

さて、図５に示す従来の波長多重光送信器モジュール及び図６に示す従来の集積波長多重光送信器モジュールは有用ではあるものの、チャーピングの問題が残る。図４に示すように、ＥＡ−ＤＦＢレーザから出射される変調光の波形の形状は、チャーピングに起因して伝送距離が長距離になるにつれて劣化する。そのため、例えば光波形の劣化を抑えるためにＥＡ変調器に印加するＤＣバイアスＶ_bに負の電圧を印加し、その絶対値を大きくしチャープ値β_cを負値にして伝送を行うことも考えられる。しかし、その反面、ＤＣバイアスＶｂの絶対値を大きくすることによりＥＡ変調器の損失が増加し、ＤＦＢレーザから出力される光の光強度が大きく損失してしまうため、長距離伝送に十分な光強度を得ることが困難になってしまう。

一般に、ＥＡ変調器に印加するＤＣバイアスＶ_bは、大きな光出力を得るためにはその絶対値が小さいほうがよく、長距離伝送可能な光波形を得るためにはその絶対値が大きいほうがよいというトレードオフの関係を有する。このトレードオフを打破するために、非特許文献３に、ＥＡ変調器の出力端に半導体光増幅器（ＳＯＡ）を集積する方法が報告されている。非特許文献３に記載の構成においては、ＥＡ変調器の出力端に集積されたＳＯＡに電流注入を行うことにより、ＥＡ変調器から出力された変調光が有する正のチャープ値がＳＯＡを伝搬するときにチャープ値変換されて負値チャープとなるため、長距離伝送に適した状態を実現することができる。

しかしながら、非特許文献３に記載の構成のように、ＥＡ変調器の出力端にＳＯＡを単純に集積しただけでは、ＳＭＦ（Single Mode Fiber）長距離伝送に対して十分なチャープ変換値を得ることができない。また、非特許文献３に記載の構成では、ＳＯＡに電流を印加するための制御用端子が別途必要であり、制御端子数が増加するとともに、消費電力量が増大してしまう。

これらを解決するのが特許文献１に記載された、ＥＡ−ＤＦＢレーザにＳＯＡを集積したＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢレーザである。ＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢレーザでは、制御端子数の増加を防ぐため、同一端子を用いてＤＦＢレーザ部及びＳＯＡ部を制御してそれぞれの電流注入を行っている。

図８は、特許文献１に記載の構成をそのまま図５に示す波長多重光送信器モジュールに適用した構成を示す。図８に記載の構成は、図５に記載のＥＡ−ＤＦＢ３１１₀〜３１１₃に、ＳＯＡ６１２₀〜６１２₃をそれぞれ追加してＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢレーザ６１１₀〜６１１₃を構成している。ＳＯＡ６１２₀〜６１２₃の長さは例えば５０μｍである。図示していないが、ＤＦＢレーザ３１２₀とＳＯＡ６１２₀、ＤＦＢレーザ３１２₁とＳＯＡ６１２₁、ＤＦＢレーザ３１２₂とＳＯＡ６１２₂、ＤＦＢレーザ３１２₃とＳＯＡ６１２₃は、それぞれ同一端子でもって制御される。

図９は、同じように、特許文献１に記載の構成をそのまま図６に示す波長多重光送信器モジュールに適用した構成を示す。図９に記載の構成は、図６に記載のＥＡ−ＤＦＢ４１１₀〜４１１₃に、ＳＯＡ７１２₀〜７１２₃をそれぞれ追加してＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢレーザ７１１₀〜７１１₃を構成している。ＳＯＡ７１２₀〜７１２₃の長さは例えば５０μｍである。図示していないが、ＤＦＢレーザ４１２₀とＳＯＡ７１２₀、ＤＦＢレーザ４１２₁とＳＯＡ７１２₁、ＤＦＢレーザ４１２₂とＳＯＡ７１２₂、ＤＦＢレーザ４１２₃とＳＯＡ７１２₃は、それぞれ同一端子でもって制御される。

図１０は、ＤＦＢレーザ、ＥＡ変調器、ＳＯＡおよび光合波器が形成された半導体チップの断面図を示す。図１０（ａ）には、図７に記載の断面構造におけるＥＡ変調器部５３０と導波路・光合波器部５４０との間にＳＯＡ部８１０を追加したＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢレーザが示されている。ＳＯＡ部８１０は、ｎ−ＩｎＰクラッド層５０３上に設けられた活性層８０１と、活性層８０１上に設けられたガイド層８０２と、ガイド層８０２上に設けられたｐ−ＩｎＰクラッド層５０６と、ｐ−ＩｎＰクラッド層５０６上に設けられた電極８０３と、で構成される。一般的にはＤＦＢ半導体レーザ部５２０の活性層５０４と活性層８０１の組成は同じで、ＤＦＢ半導体レーザ部５２０のガイド層５０５とガイド層８０２の組成も同じである。ただし、ガイド層８０２に回折格子はない。

上述したように、図８及び図９に記載の構成は、チャーピングの問題を解決する。しかしながら、なお、ｌａｎｅ間の光強度に差が生じる問題があった。一般に、ＳＯＡは、図１０（ｂ）に示すように、入力波長によって、利得の度合いが異なるような利得スペクトルを有する。また、利得スペクトルは、ＳＯＡへの注入電流によって変化する。利得のピークに近いｌａｎｅの利得は高く、利得ピークから離れたｌａｎｅの利得は低いため、結果として（同じＳＯＡをｌａｎｅ０〜３に並べると）ｌａｎｅ間の光強度に差が生じてしまう。

また一方、ｌａｎｅ間の光強度の差はＳＯＡばかりではなく、ＥＡ変調器によっても生じる。これについて説明する。ＳＯＡの影響を排除するため図５及び図６に記載の波長多重光送信器モジュールで検討すると、図５及び図６に記載の波長多重光送信器モジュールでは、同一の半導体チップで短波長の変調信号光と長波長の変調信号光が存在し、短波長の光の光強度が長波長の光の光強度に比較して１ｄＢ程度弱いという欠点があった。以下、その理由を説明する。

ＥＡ変調器の吸収層は、多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ）構造からなり、電圧を印加することで光の吸収端をシフトする量子シュタルク（ＱＣＳＥ）効果を利用する。ここで、図１１を用いて、ＥＡ変調器の吸収層の吸収曲線とＤＦＢレーザの発振波長との関係を説明する。図１１（ａ）はＥＡ変調器に電圧が印加されていない場合を示す、図１１（ｂ）はＥＡ変調器に電圧が印加されている場合を示し、図１１（ｃ）はＥＡ変調器への電圧印加の有無により生成されるデジタル信号を示す。

図１１（ａ）に示すように、ＥＡ変調器に電圧が印加されていない場合、吸収層の吸収曲線がＤＦＢレーザの発振波長にかからず、レーザ光はそのまま外部に出射されて光オン状態になる。一方、図１１（ｂ）に示すように、ＥＡ変調器に電圧が印加された場合、吸収端がシフトして吸収曲線がＤＦＢレーザの発振波長にかかり、レーザ光が吸収されて光オフ状態になる。ＥＡ変調器への電圧印加の有無により、図１１（ｃ）に示すように、光のオン、オフのデジタル信号が生成できる。

ここで、上述のように、同一チップ内ではＥＡ変調器の組成は同一であり、つまり複数のＥＡ−ＤＦＢが同一チップ内に存在しようとも、ＥＡ変調器の吸収曲線の動き方は一定である。これに対して、複数のＥＡ−ＤＦＢでそれぞれ発振波長が異なるため、各ＥＡ−ＤＦＢのＥＡ変調器に印加する電圧を調整することで最適な変調条件に合わせる。典型的には、ＥＡ変調器に印加する電圧は、ｌａｎｅ０に対して０．１Ｖ（オフ）／２．１Ｖ（オン）、ｌａｎｅ１に対して０．３Ｖ／２．３Ｖ、ｌａｎｅ２に対して０．５Ｖ／２．５Ｖ、ｌａｎｅ３に対して０．７Ｖ／２．７Ｖ程度であり、±０．２Ｖ程度の微調整を行う。

しかしながら、各ｌａｎｅの変調条件をそれぞれ調整しても、実際には全てのｌａｎｅに対して完全に同等に最適な状態に合わせることは困難である。図１１（ｄ）は、発振波長が短波長の場合と長波長の場合とで、それら２つの波長に対するオン状態の吸収曲線のかかり方を示す。図１１（ｄ）に示されるように、オン状態であるので、長波は吸収曲線から完全に離れているが、短波は一部が吸収曲線にかかってしまっている。このため、一般に、最短波のｌａｎｅ０は、より長波のｌａｎｅ１−ｌａｎｅ３に対してオン状態での光損失が大きく、ｌａｎｅ０の変調信号光は、他のｌａｎｅに比較して１ｄＢ程度光強度が弱い。また、ＥＡ変調器による光の損失を減らす場合には、電圧を減らす方向に調整する必要があるが、上述のようにｌａｎｅ０のオフ電圧は典型的に０．１Ｖ程度であるため、±０．２Ｖの微調整を行おうにも十分な調整余地がなく、ｌａｎｅ間の光強度に差が生じてしまう。

これを補うためには、例えば、ｌａｎｅ０のＥＡ変調器による光の損失を補償するために、ｌａｎｅ０のＤＦＢレーザの出力を上げることが考えられる。図１２に、図５の波長多重光送信器における、ｌａｎｅ０、ｌａｎｅ２及びｌａｎｅ３の注入電流と光出力との関係を示す。典型的な光出力は１ｍＷ程度（４５℃での変調時の平均光出力）であり、典型的なＤＦＢレーザの注入電流は１００ｍＡであるが、ｌａｎｅ０は光出力が１ｄＢダウン（０．７９倍）になっている。そのため、同じ光出力を確保するため、ｌａｎｅ０の注入電流を１２５ｍＡにする。注入電流を１００ｍＡから１２５ｍＡにあげることで、ＤＦＢレーザの光出力が１．２７倍になり、ｌａｎｅ０の光出力がｌａｎｅ２、３の光出力と同等となる。

しかしながら、ｌａｎｅ０のみＤＦＢレーザの駆動電流を１．２５倍に上げることは、ＤＦＢレーザの活性層内の動作電流密度（もしくは単純に、ＤＦＢレーザ単位長さあたりの電流量）を１．２５倍に上げることになる。一般に、ＤＦＢレーザの劣化速度が動作電流密度と相関を持つことが知られているが、ｌａｎｅ０は動作電流密度の増加により活性層内部における発熱量が増加し、ｌａｎｅ２及びｌａｎｅ３に対して劣化が加速され、この劣化によりｌａｎｅ間のＤＦＢレーザの光出力にばらつきが生じる。

また、ｌａｎｅ１の光出力は、ｌａｎｅ２及びｌａｎｅ３に比較して、典型的には０．４ｄＢダウン（０．９１倍）であるため、ｌａｎｅ１の注入電流を１１０ｍＡにあげることで、ＤＦＢレーザの光出力を１．１１倍に上げることになる。従って、ｌａｎｅ１でも、ｌａｎｅ２及びｌａｎｅ３に比べ、ＤＦＢレーザの劣化が進むことになる。

このようなＤＦＢレーザの劣化のばらつきは、図６に示す構成においても同様に存在する。図６に示す波長多重光送信器モジュールでは、２つの半導体チップ（波長多重光送信器）があり、ｌａｎｅ０はｌａｎｅ１に対して、ｌａｎｅ２はｌａｎｅ３に対して、典型的には０．４ｄＢ出力が低い（０．９１倍）。つまり、ｌａｎｅ０及びｌａｎｅ２の注入電流を１１０ｍＡに上げることで、ＤＦＢレーザの光出力を１．１１倍に上げる必要がある。

すなわち、ＤＦＢレーザの発振波長が短波にあるｌａｎｅの方が、長波にあるものより、オン状態でのＥＡ変調器による光の損失が大きく、それを補償するためにＤＦＢレーザの駆動電流を上げる必要があった。そのために、発振波長が短波にあるｌａｎｅのＤＦＢレーザの単位長さあたりの電流量が増加し、発振波長によりＤＦＢレーザの劣化にばらつきが生じてしまう。

以上説明したように、波長多重光送信器ではｌａｎｅ間の光強度が異なっており、このｌａｎｅ間の光強度を、（光強度の弱いｌａｎｅの）ＤＦＢレーザの電流量を増やすことで対処したのでは、ｌａｎｅ間のＤＦＢレーザの劣化にばらつきが生じ、その結果、ｌａｎｅ間のＤＦＢレーザの光出力にばらつきが生じてしまうという問題があった。

特開２０１３−２５８３３６号公報

藤澤剛、金澤慈、石井啓之、川口悦弘、布谷伸浩、大木明、高畑清人、伊賀龍三、狩野文良、大橋弘美、「次世代100GbEトランシーバ用モノリシック集積光源」電子情報通信学会 信学技報、2011年11月、OCS2011-68、OPE2011-106、LQE2011-10、pp.77-80 T. Ohyama, A. Ohki, K. Takahata, T. Ito, N. Nunoya, T. Fujisawa, R. Iga, and H. Sanjoh., "Compact 100GbE transmitter optical sub-assembly using polarization beam combiner", The 10th conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim, and The 18th OptoElectronics and Communications Conference / Photonics in Switching 2013, CLEO-PR & OECC/PS 2013, Kyoto, Japan, MK1-4 Toshio Watanabe, Norio Sakaida, Hiroshi Yasaka, Masafumi Koga, "Chirp Control of an Optical Signal Using Phase Modulation in a Semiconductor Optical Amplifier", Photonics Technology Letters, １９９８年７月, Vol.10, No.7, p.1027-1029.

本発明は、上述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、ＤＦＢレーザの単位長あたりの電流量を増やすことなく、合波器から出力された波長多重光に含まれる複数の信号光の強度がそれぞれ等しくなるようにＳＯＡ長を調整することによりｌａｎｅ間のＤＦＢレーザの光出力のばらつきが抑制された波長多重光送信器を提供することにある。

本発明の一実施形態に係る波長多重光送信器は、ＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢであって、ＤＦＢレーザと、前記ＤＦＢレーザに接続されたＥＡ変調器と、前記ＥＡ変調器に接続されたＳＯＡと、を含む、複数のＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢと、前記複数のＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢの各々の前記ＳＯＡから出射された複数の信号光を合波して波長多重光を出力する光合波器と、を備え、前記複数のＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢにおける前記ＤＦＢレーザの発振波長及び前記ＳＯＡの利得はそれぞれ異なり、前記複数のＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢにおいて、利得が比較的小さいＳＯＡの長さは比較的長く、利得が比較的大きいＳＯＡの長さは比較的短いことを特徴とする。

本発明の他の実施形態に係る波長多重光送信器は、前記複数のＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢの各々において、前記ＤＦＢレーザと前記ＳＯＡとが単一の制御端子によって駆動されることを特徴とする。

本発明のさらに他の実施形態に係る波長多重光送信器は、前記光合波器から出力された波長多重光に含まれる複数の信号光の光強度がそれぞれ等しくなるように、前記複数のＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢの各々の前記ＳＯＡの長さが設定されていることを特徴とする。

本発明によると、ＤＦＢレーザの単位長あたりの電流量を増やすことなく、合波器から出力された波長多重光に含まれる複数の信号光の強度がそれぞれ等しくなるようにＳＯＡ長を調整することによりｌａｎｅ間のＤＦＢレーザの光出力のばらつきが抑制された波長多重光送信器を提供することが可能となる。

本発明の実施形態１に係る波長多重光送信器モジュールの構成を示す図である。 本発明の実施形態２に係る波長多重光送信器モジュールの構成を示す図である。 本発明の実施形態３に係る波長多重光送信器モジュールの構成を示す図である。 光信号波形と伝送距離との関係についてのチャープ値依存性を説明するための図である。 １００ＧｂＥで使用される、従来の波長多重光送信器モジュールの構成を示す図である。 １００ＧｂＥで使用される、従来の集積波長多重光送信器モジュールの構成を示す図である。 ＤＦＢレーザ、ＥＡ変調器および光合波器が形成された半導体チップの断面図である。 １００ＧｂＥで使用される、従来の波長多重光送信器モジュールの構成を示す図である。 １００ＧｂＥで使用される、従来の集積波長多重光送信器モジュールの構成を示す図である。 ＤＦＢレーザ、ＥＡ変調器、ＳＯＡおよび光合波器が形成された半導体チップの断面図である。 ＥＡ変調器の吸収層の吸収曲線とＤＦＢレーザの発振波長との関係を説明するための図である。 図７の波長多重光送信器における、ｌａｎｅ０、２、３の注入電流と光出力との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る波長多重光送信器モジュールの構成を示す。図１には、１つの半導体チップである波長多重光送信器１１０と、空間光学系１２０とを備え、光ファイバ１３０に接続された波長多重光送信器モジュール１００が示されている。波長多重光送信器１１０及び光ファイバ１３０は、空間光学系１２０を介して光学的に結合している。

波長多重光送信器１１０は、４つのＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢレーザ１１１₀〜１１１₃と、ＭＭＩ型の４対１の光合波器１１６と、ＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢレーザ１１１₀〜１１１₃及び光合波器１１６をそれぞれ接続する入力導波路１１５₀〜１１５₃と、光合波器１１６の出力導波路１１７と、を含む。ＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢレーザ１１１₀〜１１１₃は、それぞれ、ＤＦＢレーザ１１２₀〜１１２₃と、ＥＡ型光変調器１１３₀〜１１３₃と、ＳＯＡ１１４₀〜１１４₃とが集積されている。

ＤＦＢレーザ１１２₀〜１１２₃は、いずれも連続光を出力し、ＤＦＢレーザ１１２₀〜１１２₃の各レーザ発振波長帯は、１２９４．５３ｎｍ〜１２９６．５９ｎｍ、１２９９．０２ｎｍ〜１３０１．０９ｎｍ、１３０３．５４ｎｍ〜１３０５．６３ｎｍ、１３０８．０９ｎｍ〜１３１０．１９ｎｍである。

ＥＡ変調器１１３₀〜１１３₃は、同一組成の吸収層を持ち、別々の電気信号（２５Ｇｂ／ｓもしくは２８Ｇｂ／ｓ）の電気入力に従って、ＤＦＢレーザ１１２₀〜１１２₃の連続光を、それぞれ、２５Ｇｂ／ｓもしくは２８Ｇｂ／ｓの変調信号光に変換する。ＥＡ変調器１１３₀〜１１３₃で生成される変調信号光は、それぞれ、入力導波路１１５₀〜１１５₃を介して光合波器１１６に出力される。

ＳＯＡ１１４₀〜１１４₃は、ＤＦＢレーザ１１２₀〜１１２₃と同じ組成の活性層を有する。

ＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢレーザ１１１₀〜１１１₃は、（ＳＯＡを集積しない）ＥＡ−ＤＦＢに許容されるＤＦＢレーザへの最大許容電流を例えば８０ｍＡから、例えば６０ｍＡに削減することができる（削減する電流をΔＩ_DFBとする）。それによって、ＤＦＢレーザ１１２₀〜１１２₃で削減できた各消費電力ΔＰ_DFB及びＥＡ変調器１１３₀〜１１３₃で削減できた各消費電力ΔＰ_EAの合計分を超えない消費電力の範囲内で高出力化及び低消費電力化を実現できるような電流をＳＯＡ１１４₀〜１１４₃に注入することが可能となる。

ＤＦＢレーザ１１２₀〜１１２₃とＳＯＡ１１４₀〜１１４₃に電流を注入するための端子は、それぞれ異なるものとしても構わない。しかしながら、ＤＦＢレーザ１１２₀とＳＯＡ１１４₀、ＤＦＢレーザ１１２₁とＳＯＡ１１４₁、ＤＦＢレーザ１１２₂とＳＯＡ１１４₂、ＤＦＢレーザ１１２₃とＳＯＡ１１４₃を同一の電流端子で制御することで、端子数を減らすことができ、より有効である。この場合、ＤＦＢレーザ１１２₀〜１１２₃に注入される電流と、ＳＯＡ１１４₀〜１１４₃に注入される電流の比は、ＤＦＢレーザ１１２₀〜１１２₃とＳＯＡ１１４₀〜１１４₃の光伝播方向の長さの比にほぼ一致する。ＤＦＢレーザとＳＯＡとを同一の電流端子で制御する場合、ＳＯＡの長さをＬ_SOAとし、ＳＯＡに注入する電流をＩ_SOAとすると、ＳＯＡの長さは、Ｉ_SOAがある一定の範囲、例えばＩ_SOA＝１１５［ｍＡ／ｍｍ］×Ｌ_SOA［ｍｍ］＋１０［ｍＡ］±ΔＩ_DFB／２［ｍＡ］の範囲に入るような長さにするとよい。

光合波器１１６は、ＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢレーザ１１１₀〜１１１₃からそれぞれ入力された波長の異なる波長の異なる４つの変調信号光を合波し、１つに束ねた波長多重光として出力導波路１１７を介して空間光学系１２０にそれぞれ出力する。

空間光学系１２０は、第１のレンズ１２１と、アイソレータ１２２と、第２のレンズ１２３と、を含む。光合波器１１６で合波されて出力された波長多重光は、拡散光１４０となって空間に放射され、第１のレンズ１２１によって平行光１４１に直され、アイソレータ１２２を通過し、第２のレンズ１２３によって収束光３４２に集光され、光ファイバ１３０に結合される。

尚、図には示していないが、波長多重光送信器モジュール１００は、上記以外にも波長多重光送信器１１０の温度センサ（例えばサーミスタ）、温度制御用のペルチェ素子、ＤＦＢレーザ１１２₀〜１１２₃やＥＡ型光変調器１１３₀〜１１３₃に電源を供給するための直流電源を有することができる。また、波長多重光送信器モジュール１００は、ＥＡ型変調器１１３₀〜１１３₃を駆動するための変調器ドライバ・高周波線路終端抵抗、変調器ドライバの振幅・バイアス電圧・電気クロスポイントを制御するための信号線や制御回路を有することができる。さらに、波長多重光送信器モジュール１００では、変調器ドライバの前段に、電気信号の波形整形回路やクロック抽出回路、さらには電源電圧変動の影響を抑制する回路を設ける場合もある。

ＥＡ型光変調器１１３₀〜１１３₃としては、消光比に優れ、正孔のパイルアップ抑制にも有効なＩｎＧａＡｌＡｓ系引張歪量子井戸を用いることができる。入力導波路１１５₀〜１１５₃及び出力導波路１１７としては、高周波の帯域を確保するために、低誘電率ＢＣＢ埋め込みのリッジ型導波路を用いることができる。光合波器１１６としては、光閉じ込めが強く、放射損失の小さなハイメサ型導波路を用いることができる。

波長多重光送信器１１０のチップの大きさは、例えば２，０００×２，６００μｍとすることができ、４つのＤＦＢレーザ１１２₀〜１１２₃の素子長３００μｍ、ＳＯＡ１１４₀〜１１４₃の素子長５０μｍ前後とすることができる。この場合、ＤＦＢレーザ１１２₀〜１１２₃とＳＯＡ１１４₀〜１１４₃の長さの比がおよそ１：６になるため、素子の抵抗はおよそ６：１となる。そのため、同一の制御端子から例えば７０ｍＡの電流を注入すると、ＳＯＡ１１４₀〜１１４₃には１０ｍＡ前後、ＤＦＢレーザ１１２₀〜１１２₃には６０ｍＡ前後の電流がそれぞれ流れることになる。

本発明では、図１０（ｂ）に示すＳＯＡの利得のばらつきを補償するため、ＳＯＡ１１４₀〜１１４₃はそれぞれ異なる長さを有している。本実施形態１では、ＳＯＡの利得がｌａｎｅ１で最も大きく、ｌａｎｅ３で最も小さい場合の例を示しており、例えばＳＯＡ１１４₀とＳＯＡ１１４₂の長さ５０μｍに対し、ＳＯＡ１１４₁の長さを４８μｍ、ＳＯＡ１１４₃の長さを５２μｍにすることにより、ｌａｎｅ１とｌａｎｅ３間のＳＯＡの利得のばらつきを補償している。

ＳＯＡの利得のばらつきは、ＳＯＡの組成・注入電流・温度・偏光・素子端面反射率等、さまざまな条件によって大きく変わるため、ｌａｎｅ１の利得が常に大きく、ｌａｎｅ３の利得が常に小さいわけではない。ＳＯＡの利得が比較的小さいｌａｎｅのＳＯＡ長を比較的長く、利得が比較的大きいｌａｎｅのＳＯＡ長を比較的短くすることで、ＳＯＡの利得のばらつきを補償することができる。本発明では、合波器１１６から出力される波長多重光に含まれる複数の信号光の強度がそれぞれ等しくなるようにＳＯＡ１１４₀〜１１４₃の長さが設定されていることが好ましい。以下の実施形態でも同様である。

ＤＦＢレーザとＳＯＡとを同一の電流端子で制御する場合には、上記のようにＳＯＡ長を調整した上で、さらに、Ｉ_SOAがある一定の範囲、例えばＩ_SOA＝１１５［ｍＡ／ｍｍ］×Ｌ_SOA［ｍｍ］＋１０［ｍＡ］±ΔＩ_DFB／２［ｍＡ］を満たす範囲に収まるように全てのＳＯＡの長さを調整することが重要になる。

（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態２に係る波長多重光送信器の構成を示す。本発明の実施形態２に係る波長多重光送信器によると、短波長のｌａｎｅ０のみＥＡ変調器の損失が大きい場合に生じる、ｌａｎｅ間のＤＦＢレーザの劣化のばらつき及びｌａｎｅ間のＤＦＢレーザの光出力のばらつきを抑制することができる。

本発明の実施形態２に係る波長多重光送信器では、図２に示されるように、損失の大きいｌａｎｅ０におけるＳＯＡ１１４₀のみ、ＳＯＡ長を長くしている（例えば５２μｍ）。実際には、上記劣化及び光出力のばらつきの問題を解決する必要があるため、例えば光ファイバ１３０に入力する光の強度が同じになるように、ＳＯＡ１１４₀〜１１４₃の長さを調整することになる。

（実施形態３）
図３は、本発明の実施形態３に係る波長多重光送信器の構成を示す。図３には、２つの波長多重光送信器２１０₁及び２１０₂と、空間光学系２２０とを備え、光ファイバ２３０に接続された波長多重光送信器モジュール２００が示されている。波長多重光送信器２１０₁及び２１０₂及び光ファイバ２３０は、空間光学系２２０を介して光学的に結合している。

波長多重光送信器２１０₁は、２つのＤＦＢレーザ２１２₀〜２１２₁と、２つのＥＡ型光変調器２１３₀〜２１３₁と、２つのＳＯＡ２１４₀〜２１４₁とがそれぞれ集積された２つのＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢ２１１₀〜２１１₁と、ＭＭＩ型の２対１の光合波器２１６₁と、ＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢ２１１₀〜２１１₁及び光合波器２１６₁をそれぞれ接続する入力導波路２１５₀〜２１５₁と、光合波器２１６₁の出力導波路２１７₁と、を含む。波長多重光送信器２１０₂も同様に、２つのＤＦＢレーザ２１２₂〜２１２₃と、２つのＥＡ型光変調器２１３₂〜２１３₃と、２つのＳＯＡ２１４₂〜２１４₃とがそれぞれ集積された２つのＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢ２１１₂〜２１１₃と、ＭＭＩ型の２対１の光合波器２１６₂と、ＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢ２１１₂〜２１１₃及び光合波器２１６₂をそれぞれ接続する入力導波路２１５₂〜２１５₃と、光合波器２１６₂の出力導波路２１７₂と、を含む。

図３に示されるように、ＳＯＡ２１４₀〜２１４₃は、それぞれ異なる長さを有している。本発明の実施形態３に係る波長多重光送信器においても同様に、ＳＯＡの長さを調整することにより、ｌａｎｅ間のＤＦＢレーザの劣化のばらつき及びｌａｎｅ間のＤＦＢレーザの光出力のばらつきを抑制することができる。

以上、本発明の各実施形態について説明した。上記実施形態１〜３に係る波長多重光送信器モジュール１００及び２００では、作製した波長多重光送信器１１０、２１０₁及び２１０₂を１２ｍｍ×２０ｍｍという超小型のパッケージに実装したものであり、４０℃において１００Ｇｂｉｔ／ｓ動作させたとき、シングルモードファイバ上での４０ｋｍエラーフリー伝送を達成することができた。これらの結果が示すように、上記実施形態１〜３に係る波長多重光送信器モジュール１００及び２００は、将来世代の１００ＧｂＥ用トランシーバとして十分な性能を有する。

尚、本発明では、ＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢが４台、光合波器としてＭＭＩ型４対１光合波器の例を説明したが、ＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢの数、合波器の分岐数は上記に限られない。つまり、ＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢの数は例えば２台、８台、１６台もしくはそれ以上でもよく、光合波器は２対１、８対１、１６対１でも構わない。また、光合波器としてはＭＭＩ型に捕われるものではなく、方向性結合器、Ｙ分岐、マッハ・ツエンダ、誘電体多層膜フィルタ、アレイ導波路格子型、もしくはその組み合わせでも構わない。

通常、各ｌａｎｅで出力される光の波長は、ｌａｎｅ０が１２９４．５３ｎｍ〜１２９６．５９ｎｍ、ｌａｎｅ１が１２９９．０２ｎｍ〜１３０１．０９ｎｍ、ｌａｎｅ２が１３０３．５４ｎｍ〜１３０５．６３ｎｍ、ｌａｎｅ３が１３０８．０９ｎｍ〜１３１０．１９ｎｍの範囲にあり、ＥＡ変調器による変調レートは２５Ｇｂ／ｓもしくは２８Ｇｂ／ｓであるが、本発明は上記に限定されるものではない。ＥＡ−ＤＦＢの台数が変化すれば、ｌａｎｅの数も間隔も変わるからである。

また、通常、波長多重光送信器モジュールは、２５Ｇｂ／ｓ×４波長＝１００Ｇｂ／ｓで使用されるが、例えば５０Ｇｂ／ｓ×８波長＝４００Ｇｂ／ｓ、２５Ｇｂ／ｓ×１６波長＝４００Ｇｂ／ｓ、１０Ｇｂ／ｓ×１０波長＝１００Ｇｂ／ｓで使用しても構わない。さらに、ｌａｎｅ０−３を上から順番に（１０１−１０４の順で）設定した例を説明したが、ｌａｎｅの順番は任意であり、上記に限定されるものではない。

Claims (3)

1. ＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢであって、ＤＦＢレーザと、前記ＤＦＢレーザに接続されたＥＡ変調器と、前記ＥＡ変調器に接続されたＳＯＡと、を含む、複数のＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢと、
   前記複数のＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢの各々の前記ＳＯＡから出射された複数の信号光を合波して波長多重光を出力する光合波器と、
   を備え、
   前記複数のＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢにおける前記ＤＦＢレーザの発振波長及び前記ＳＯＡの利得はそれぞれ異なり、
   前記複数のＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢにおいて、利得が比較的小さいＳＯＡの長さは比較的長く、利得が比較的大きいＳＯＡの長さは比較的短いことを特徴とする波長多重光送信器。
2. 前記複数のＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢの各々において、前記ＤＦＢレーザと前記ＳＯＡとが単一の制御端子によって駆動されることを特徴とする請求項１に記載の波長多重光送信器。
3. 前記光合波器から出力された波長多重光に含まれる複数の信号光の光強度がそれぞれ等しくなるように、前記複数のＳＯＡ集積ＥＡ−ＤＦＢの各々の前記ＳＯＡの長さが設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長多重光送信器。