JP2017175521A - 波長多重光受信装置及びその駆動方法 - Google Patents

波長多重光受信装置及びその駆動方法 Download PDF

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Abstract

【課題】偏波分離型グレーティングカプラを備えた波長多重光受信装置及びその駆動方法に関し、消費電力を低減するとともに、受信感度低下を抑制する。
【解決手段】偏波分離型光カプラで分離された一方の偏波成分と他方の偏波成分の光強度をモニタする２つのモニタ光検出器を設け、前記２つのモニタ光検出器の信号強度比に応じて前記一方の偏波成分を増幅する半導体光増幅器と前記他方の偏波成分を増幅する半導体光増幅器を異なる光利得で光増幅する制御回路を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長多重光受信装置及びその駆動方法に関するものであり、例えば、ハイエンドサーバや大規模コンピューティングシステムにおけるＣＰＵ間インターコネクト用光Ｉ／Ｏ素子など、様々な用途への適用が期待されている波長多重光受信装置及びその駆動方法に関するものである。
近年、大面積で安価なＳｉ基板上に作製する光集積素子が注目を集めている。Ｓｉは従来の光通信に用いられてきた１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯の光信号に対して透明な媒質であり、高度なプロセス技術を利用した低損失かつ高光閉じ込めのシリコン細線導波路技術をベースとした各種光素子が提案・実証されている。
シリコン光集積回路の伝送容量を増大させるに当たり、光ファイバ通信で用いられる波長多重（ＷＤＭ）伝送方式を適用し、独立に変調された複数の光波長信号をシリコン素子内で多重化して送受信するＷＤＭシリコン光集積回路が有望視されている。
伝送路である光ファイバを伝搬したＷＤＭ信号光はＳ偏波とＰ偏波が混合したランダムな偏波状態で光受信素子に入力されるため、光受信素子には偏波状態によらず一定の効率で波長分離と光検出を行える構成が求められる。そのため、特別な作製プロセスを用いず、両偏波の入力光を高効率にシリコン導波路に結合できる偏波分離型グレーティングカプラが用いられている。
図１６は、従来の波長多重光受信装置の概念的構成図であり、ここでは、４波長の光信号が多重化されたＷＤＭ信号光を受信し、素子内の波長分離器（ＤＥＭＵＸ）において各波長成分を分離し、それぞれ異なる光検出器で電気信号への変換を行う例として説明する。光ファイバ７３から入射したＷＤＭ信号光は、偏波分離型グレーティングカプラ６１によって、Ｓ偏波（ｘ）とＰ偏波（１−ｘ）に分離して出力される。偏波分離型グレーティングカプラ６１は垂直な方向から入射されたＷＤＭ信号光を、その電界が入射面と垂直なＳ偏波成分と入射面に平行なＰ偏波成分について、それぞれ異なるＳｉ細線導波路６２，６３にＴＥモード（電界がＳｉ基板に平行な導波モード）として結合・出力する機能を有している。
そのため、偏波分離型グレーティングカプラ６１からの出力はＳｉ細線導波路６２，６３，６６，６７を介して各偏波成分に対応する１対の波長分離器６８，６９で波長毎に分離される。波長毎に分離した信号光はＳｉ細線導波路７０１〜７１４を介して両方向入力型のフォトダイオード７２１〜７２４をアレイ化したフォトダイオードアレイ７２において一括受光する、所謂偏波ダイバーシティ構成が採用されている。
この構成により、光ファイバ７３内でＷＤＭ信号光の偏波状態が変動した際にも、安定した波長分離と光検出が可能になっている。ところで、この波長多重光受信装置６０を適用する大容量ＷＤＭ光リンクにおいては、伝送路及び集積送受信器内の光損失が大きく光検出器への入力光強度が不足する場合がある。その場合、ＷＤＭ信号光を生成するレーザの光出力を過度に増大させず、低電力に損失補償を行う方式として図１６に示すように、受信側に偏波依存型ＳＯＡ６４，６５を配置し、ＷＤＭ信号光を一括増幅することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
国際公開第２０１３／１７９４６７号
しかし、偏波依存型ＳＯＡを図１６に示した偏波分離型グレーティングカプラ６１を用いた波長多重光受信装置６０に適用する場合、実装上の要件から偏波依存型ＳＯＡ６４，６５を偏波分離型グレーティングカプラ６１の出力導波路（６２,６３）に夫々配置する必要が有る。且つ、ランダムに変動するＳ偏光成分とＰ偏光成分の両者に等しい光利得を与えるためには、各出力導波路（６２,６３）に配置した偏波依存型ＳＯＡ６４，６５に同じ駆動電流を与える必要が有る。
例えば、偏波依存型ＳＯＡ６４，６５において必要光学利得Ｇｔである１５ｄＢを実現するために、偏波依存型ＳＯＡ６４，６５に６５ｍＡずつ与える必要がある。しかし、このような構成は、特許文献１に示されている非偏波ダイバーシティ系の受信器に偏波依存型ＳＯＡを適用した場合と比較して、必要になる偏波依存型ＳＯＡの素子数が２倍、偏波依存型ＳＯＡによる消費電力が２倍になるという問題がある。さらに、フォトダイオード７２１〜７２４に流入する偏波依存型ＳＯＡ６４，６５のＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光が２倍になるため光信号-雑音強度比（ＯＳＮＲ）が３ｄＢ劣化するというデメリットも生じてしまう。
以上の様に、図１６に示した偏波ダイバーシティ構成の波長多重光受信装置においては、コスト増（ＳＯＡ素子数）、消費電力増大（ＳＯＡ駆動電力）、受信感度低下（ＯＳＮＲ劣化）といった様々な課題が生じていた。
本発明は、偏波分離型グレーティングカプラを備えた波長多重光受信装置及びその駆動方法において、消費電力を低減するとともに、受信感度低下を抑制することを目的とする。
一つの態様では、波長多重光受信装置は、波長多重信号光を偏波成分毎に分離する偏波分離型光カプラと、前記偏波分離型光カプラで分離された一方の偏波成分を増幅する第１の半導体光増幅器と、前記偏波分離型光カプラで分離された他方の偏波成分を増幅する第２の半導体光増幅器と、前記第１の半導体光増幅器及び前記第２の半導体光増幅器の出力を波長毎に分離する波長分離器と、前記波長分離器の出力を波長毎に検出する光検出器と、前記第１の半導体光増幅器の前段で前記一方の偏波成分の光強度をモニタする第１のモニタ光検出器と、前記第２の半導体光増幅器の前段で前記他方の偏波成分の光強度をモニタする第２のモニタ光検出器と、第１のモニタ光検出器の出力と前記第２のモニタ光検出器の出力の強度比に応じて前記第１の半導体光増幅器及び前記第２の半導体光増幅器を異なる光利得で光増幅する制御回路とを有する。
また、他の態様では、波長多重光受信装置の駆動方法は、波長多重信号光を偏波成分毎に分離する偏波分離型光カプラで分離された一方の偏波成分の光強度をモニタした第１のモニタ出力と、前記偏波分離型光カプラで分離された他方の偏波成分をモニタした第２のモニタ出力を比較して、第１のモニタ出力と第２のモニタ出力の強度比に応じて前記一方の偏波成分を増幅する第１の半導体光増幅器と前記他方の偏波成分を増幅する第２の半導体光増幅器を異なる光利得で光増幅し、前記光増幅した波長多重信号光を波長毎に分離したのち、波長毎に光検出器で検知する。
一つの側面として、消費電力を低減するとともに、受信感度低下を抑制することが可能になる。
本発明の実施の形態の波長多重光受信装置の概念的構成図である。 本発明の実施の形態における半導体増幅器駆動電流の説明図である。 本発明の実施例１の波長多重光受信装置の概念的構成図である。 半導体光増幅器の光学利得の駆動電流依存性の説明図である。 本発明の実施例１における半導体増幅器駆動電流の説明図である。 本発明の実施例１における作用効果の説明図である。 本発明の実施例２における半導体増幅器駆動電流の説明図である。 本発明の実施例３の波長多重光受信装置の概念的構成図である。 本発明の実施例４の波長多重光受信装置の概念的構成図である。 本発明の実施例５の波長多重光受信装置の概念的構成図である。 本発明の実施例６の波長多重光受信装置の概念的構成図である。 本発明の実施例７の波長多重光受信装置の概念的構成図である。 本発明の実施例８の波長多重光受信装置の概念的構成図である。 本発明の実施例９の波長多重光受信装置の概念的構成図である。 本発明の実施例１０の波長多重光受信装置の概念的構成図である。 従来の波長多重光受信装置の概念的構成図である。
ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態の波長多重光受信装置及びその駆動方法を説明する。図１は、本発明の実施の形態の波長多重光受信装置の概念的構成図であり、波長多重信号光を偏波成分毎に分離する偏波分離型光カプラ１１で分離された一方の偏波成分を増幅する第１の半導体光増幅器１６と、他方の偏波成分を増幅する第２の半導体光増幅器１７を設ける。第１の半導体光増幅器１６及び第２の半導体光増幅器１７の出力を波長毎に分離する波長分離器２０，２１を設け、波長分離器２０，２１の出力を波長毎に検出する光検出器２４を設ける。なお、第１の半導体光増幅器１６及び第２の半導体光増幅器１７としては、偏波無依存型に比べて高性能、低コスト、低電力な偏波無依存型半導体光増幅器を用いることが望ましい。なお、偏波分離型光カプラ１１としては、偏波分離型グレーティングカプラを用いても良い。或いは。偏波分離型光カプラ１１をスポットサイズ変換器と、前記スポットサイズ変換器からの波長多重信号光をＴＥモードで伝搬するＳ偏光成分とＴＭモードで伝搬するＰ偏光成分に分離する偏波分離器と、前記偏波分離器によって分離されたＴＭモードで伝搬するＰ偏光成分をＴＥモードに変換する偏波ローテータにより構成しても良い。
本発明の実施の形態においては、第１の半導体光増幅器１６の前段に一方の偏波成分の光強度（ｘ）をモニタする第１のモニタ光検出器１４と、第２の半導体光増幅器１７の前段に他方の偏波成分の光強度（１−ｘ）をモニタする第２のモニタ光検出器１５を設ける。この第１のモニタ光検出器１４の出力と第２のモニタ光検出器１５の出力の強度比に応じて第１の半導体光増幅器１６及び第２の半導体光増幅器１７を異なる光利得で光増幅する制御回路２５を設ける。なお、図における符号１２，１３，１８，１９及び２２１〜２３４はＳｉ細線導波路等の光導波路である。また、図における符号２４１〜２４４及び２６は、夫々光検出素子及び光ファイバである。なお、制御回路２５は、波長分離器２０，２１の出力を波長毎に検出する光検出器２４の検出出力により、光検出器２４における受光強度が一定になるように、第１の半導体光増幅器１６及び第２の半導体光増幅器１７に注入する駆動電流を制御する機能を持たせても良い。
波長分離器は、第１の半導体光増幅器１６の出力を波長毎に分離する第１の波長分離器２０と、第２の半導体光増幅器１７の出力を波長毎に分離する第２の波長分離器２１で構成しても良い。この場合には、光検出器２４として双方向入力型光検出器を用いて分離した波長毎に一括検出するようにすれば良い。
第１の半導体光増幅器１６及び第２の半導体光増幅器１７と波長分離器との間に、第１の半導体光増幅器１６及び第２の半導体光増幅器１７の出力を単一の光導波路に合波する合波器を設けても良い。この場合には、波長分離器として合波した波長多重信号光を単一の波長分離器で波長分離すれば良い。なお、合波器としては、２×１型波長多重干渉計またはＹ型分岐導波路を用いれば良い。
第１の半導体光増幅器１６及び第２の半導体光増幅器１７としては、２つのディスクリート半導体光増幅器を用いても良いが、第１の半導体光増幅器１６と第２の半導体光増幅器１７が同一基板上にアレイ化された半導体光増幅器アレイを用いても良い。
図２は、本発明の実施の形態における半導体増幅器駆動電流の説明図であり、図２（ａ）は第２の半導体光増幅器１７の駆動電流と光学利得の説明図であり、図２（ｂ）は第１の半導体光増幅器１６の駆動電流と光学利得の説明図である。偏波分離型光カプラで分離された一方の偏波成分の光強度をモニタした第１のモニタ出力と他方の偏波成分をモニタした第２のモニタ出力を比較して、その強度比に応じて第１の半導体光増幅器と第２の半導体光増幅器を異なる光利得で光増幅する。
ここでは、第１のモニタ出力と第２のモニタ出力の強度比に応じて第１の半導体光増幅器１６と第２の半導体光増幅器１７の一方のみに電流注入を行い光利得を与える例として示している。この時、一方の半導体光増幅器には、必要光利得Ｇｔ以上の利得が得られるように、モニタ出力に応じて、駆動電流を制御し、波長多重信号光の偏波状態にかかわらず波長分離後に光検出器に入力されるまでに与えられる全体の光利得が一定となるように制御する。図の場合には、必要光利得Ｇｔを１５ｄＢとしており、そのために必要な駆動電流を６５ｍＡとしている。
図１６に示した従来方式ではＰ／Ｓ偏波用半導体光増幅器の両方をｘに関わらず目標利得Ｇｔとなるように駆動するため、常に光利得Ｇｔとなるよう駆動した半導体光増幅器２台分の消費電力が必要であった。しかし、本発明の実施の形態においては、ｘ＝０または１の場合は光利得Ｇｔとなるよう駆動した半導体光増幅器１台分の消費電力で良く、従来方式の半分に駆動電力を低減することが可能である。また、ｘが０．５に近づくに従って、必要利得が増えるために半導体光増幅器の消費電力は増えていくが、ｘ＝０．５の場合においてもＧｔ＋３ｄＢの光利得を得るのに必要な消費電力はＧｔで駆動した半導体光増幅器２台分よりも小さいため、低消費電力化が実現できる。
或いは、第１のモニタ出力と第２のモニタ出力の強度比が予め設定した範囲内である場合には、第１の半導体光増幅器１６と第２の半導体光増幅器１７に互いに対称的な電流注入を行い互い対称的な光利得を与える。また、第１のモニタ出力と第２のモニタ出力の強度比が予め設定した範囲外である場合には、第１の半導体光増幅器１６と第２の半導体光増幅器１７の一方のみに電流注入を行い光利得を与えるようにしても良い。
この場合、図２に示したｘ＝０．５において見られる第１の半導体光増幅器１６と第２の半導体光増幅器１７の急激な切り替え動作を回避することができる。その結果、全強度比ｘ領域に渡って半導体光増幅器の駆動電流を連続的に小幅で調整できるようになるため、駆動電流更新時の利得立ち上がり／立下り遅れ（通常ｎｓｅｃオーダ）に伴う光信号断や光サージを回避して安定した受信動作を実現することができる。
また、光検出器２４による検出出力を制御回路２５にフィードバックして、光検出器２４における受光強度が一定になるように、第１の半導体光増幅器１６及び第２の半導体光増幅器１７に注入する駆動電流を制御しても良い。この場合、波長多重信号光がその偏波状態だけでなく、光強度も時間的に変動する場合において安定した光増幅と受信を実現することができる。
本発明の実施の形態においては、両偏波成分の光導波路に配置した半導体光増幅器を偏波成分間の強度比に応じて選択的に駆動しているので、消費電力を低減するとともに、受信感度低下を抑制することが可能になる。
次に、図３乃至図６を参照して、本発明の実施例１の波長多重光受信装置及びその駆動方法を説明するが、ここでは、４波長多重信号光として説明する。図３は、本発明の実施例１の波長多重光受信装置３０の概念的構成図であり、光ファイバ４７から入射した波長多重信号光を偏波成分毎に分離する偏波分離型光カプラ３１で分離されたＳ偏波成分を増幅する偏波依存型ＳＯＡ３６と、Ｐ偏波成分を増幅する偏波依存型ＳＯＡ３７を設ける。また、偏波依存型ＳＯＡ３６及び偏波依存型ＳＯＡ３７の出力を波長毎に分離する波長分離器４０，４１を設け、波長分離器４０，４１の出力を波長毎に検出するＧｅフォトダイオードアレイ４４を設ける。このＧｅフォトダイオードアレイ４４は、双方向入力型のＧｅフォトダイオード４４１〜４４４で構成されている。各光学素子間は、Ｓｉ細線導波路３２，３３，３８，３９，４２１〜４３４で結ばれている。なお、偏波依存型ＳＯＡ３６及び偏波依存型ＳＯＡ３７は、ＴＥ偏波のみを増幅する。
本発明の実施例１においては、偏波依存型ＳＯＡ３６の前段にＳ偏波成分の光強度（ｘ）をモニタするモニタＰＤ３４を設けるとともに、偏波依存型ＳＯＡ３７の前段にＰ偏波成分の光強度（１−ｘ）をモニタするモニタＰＤ３５を設ける。このモニタＰＤ３４及びモニタＰＤ３５としては、タップ型モニタＰＤを用いる。
このモニタＰＤ３４の出力とモニタＰＤ３５の出力を制御回路４５に入力する。制御回路４５において、モニタＰＤ３４の出力とモニタＰＤ３５の出力の強度比に応じて偏波依存型ＳＯＡ３６及び偏波依存型ＳＯＡ３７を互いに異なる光利得になるように、増幅器駆動回路４６を制御する。増幅器駆動回路４６からの駆動電流を偏波依存型ＳＯＡ３６及び偏波依存型ＳＯＡ３７に注入することにより、常に一方の偏波依存型ＳＯＡのみを動作させる。なお、駆動回路４５及び増幅器駆動回路４６は、Ｓｉ基板を利用した波長多重光受信装置３０の外側に設ける。偏波依存型ＳＯＡ３６及び偏波依存型ＳＯＡ３７は化合物半導体で構成され、波長多重光受信装置３０を構成するＳｉ基板に凹部を設け、この凹部にパッシブアライメント方式で偏波依存型ＳＯＡ３６及び偏波依存型ＳＯＡ３７を実装する。
図４は、半導体光増幅器の光学利得の駆動電流依存性の説明図であり、波長多重信号光の入射強度とＧｅフォトダイオードにおける最小受信感度の関係から予め設定される必要利得Ｇｔとなるように、偏波依存型ＳＯＡに駆動電流を注入する。ここでは、必要利得Ｇｔを１５ｄＢとし、そのための駆動電流を６５ｍＡとしている。ｘの増大に伴って必要利得が増大するが、ｘ＝０．５において、光学利得がＧｔ＋３ｄＢとなるようにし、そのための駆動電流を９８ｍＡとする。
図５は、本発明の実施例１における半導体増幅器駆動電流の説明図である。図５（ａ）はＴＥ偏波として分離されたＰ偏波成分を増幅する偏波依存型ＳＯＡ３７の駆動電流と光学利得の説明図であり、図５（ｂ）はＴＥ偏波として分離されたＳ偏波成分を増幅する偏波依存型ＳＯＡ３６の駆動電流と光学利得の説明図である。制御回路にメモリした図４に示した偏波依存型ＳＯＡの駆動電流−光利得の関係に基づき、モニタＰＤ３４，３５で検出された強度比ｘないしは１−ｘに応じて、Ｐ偏波成分が強い（０＜ｘ＜０．５）場合は偏波依存型ＳＯＡ３７のみを選択的に駆動する。一方、Ｓ偏波成分が強い（０．５＜ｘ＜１）場合は偏波依存型ＳＯＡ３６のみを選択的に駆動する。
ここで、各場合の偏波依存型ＳＯＡの光利得Ｇは波長多重光受信器の必要利得Ｇｔと強度比ｘから、選択増幅した出力光強度が一定になるようにメモリした偏波依存型ＳＯＡの駆動電流−光利得の関係に基づき、駆動電流を決定する。即ち、Ｐ偏波増幅用の偏波依存型ＳＯＡ３７を駆動する場合には、Ｇ＝Ｇｔ-１０×ｌｏｇ（１−ｘ）となるように駆動し、Ｓ偏波増幅用の偏波依存型ＳＯＡ３６を駆動する場合には、Ｇ＝Ｇｔ-１０×ｌｏｇ（ｘ）となるように駆動する。
図５に示すように、ｘが０（入力信号光が完全にＰ偏波になっているとき）及び１（入力信号光が完全にＳ偏波になっているとき）の場合に、駆動する偏波依存型ＳＯＡ３６或いは偏波依存型ＳＯＡ３７の駆動電流及び光利得は最小となる。ｘ＝０．５では駆動電流と光利得が最大となり偏波依存型ＳＯＡ３７と偏波依存型ＳＯＡ３６の切り替えが生じるが、ｘが０＜ｘ＜１で変動した際、常に一定の光利得を信号光に与えてＧｅフォトダイオードアレイ４４に入力する。つまり利得一定動作を実現することができる。なお、この半導体光増幅器駆動電流決定制御は、伝送路の偏波状態変動速度に対して充分早い繰り返し周期（例えば１０ｋＨｚ）で常に繰り返し行われる。
図６は、本発明の実施例１における作用効果の説明図であり、図６（ａ）は、トータル消費電力の光強度比ｘ依存性の説明図であり、図６（ｂ）は、光信号-雑音強度比（ＯＳＮＲ）の光強度比ｘ依存性の説明図である。図６（ａ）に示すように、従来例の場合には、Ｐ／Ｓ偏波用ＳＯＡの両方をｘに関わらず目標利得Ｇｔとなる様に駆動するため、常に光利得Ｇｔとなるよう駆動したＳＯＡ２台分の消費電力が必要であった。一方、本発明の実施例１においては、ｘ＝０，１の場合はＧｔとなるよう駆動したＳＯＡ１台分の消費電力で良く、従来例駆動電力の半分に低減することができる。また、ｘが０．５に近づくに従って、必要利得が増えるためにＳＯＡ消費電力は増えていくが、ｘ＝０．５の場合においてもＧｔ＋３ｄＢの光利得を得るのに必要なＳＯＡ消費電力はＧｔで駆動したＳＯＡ２台分よりも小さいため、約６％の低消費電力化が実現できる。
実使用時において入力した波長多重信号光の偏波状態はランダムで、ｘは０＜ｘ＜１の値を時間的に等確率で取ることを考えると、本発明の実施例１における実効消費電力は従来方式より約３５％低減される。
図６（ｂ）に示すように、従来例では常に２台のＳＯＡを一定電流で駆動したため、Ｇｅフォトダイオードには２台分のＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）雑音が入力されていた。しかし、本発明の実施例１においては、ｘの値に応じてＳ／ＰいずれかのＳＯＡ１台を駆動するため流入するＡＳＥ雑音は半分となりＯＳＮＲは３ｄＢ改善される。なお、ｘに応じた駆動電流制御によりＳＯＡの利得は変動するが、この範囲内でＳＯＡのＮＦ（ＳＯＡによるＯＳＮＲ劣化量）は一定であるためＯＳＮＲはｘで変動しない。
本発明の実施例１においては、分離されたＳ偏波成分とＰ偏波成分の強度比ｘによって、一方のＳＯＡのみを駆動しているので、消費電力の低減と、ＯＳＮＲ劣化による受信感度低下を抑制することが可能になる。
次に、図７を参照して、本発明の実施例２の波長多重光受信装置の駆動方法を説明するが、装置構成自体は上記の実施例１と同様である。図７は、本発明の実施例２における半導体増幅器駆動電流の説明図であり、図７（ａ）はＰ偏波成分を増幅する偏波依存型ＳＯＡの駆動電流と光学利得の説明図であり、図７（ｂ）はＳ偏波成分を増幅する偏波依存型ＳＯＡの駆動電流と光学利得の説明図である。
この実施例２においては、両方の偏波依存型ＳＯＡを同時に駆動する光強度比ｘの範囲を、例えば、０．４＜ｘ＜０．６に予め設定する。Ｓ偏波もしくはＰ偏波いずれかの偏波が強い（ここでは０＜ｘ＜０．４もしくは０．６＜ｘ＜１）領域では、実施例１と同様に一方の偏波依存型ＳＯＡのみを選択的に駆動する。
両偏波成分の強度が拮抗する０．４＜ｘ＜０．６の領域についてはＳ／Ｐ両方の偏波依存型ＳＯＡに駆動電流を供給する。この領域内については境界であるｘ＝０．４，０．６においてＳ偏波増幅用の偏波依存型ＳＯＡもしくはＰ偏波増幅用の偏波依存型ＳＯＡの駆動電流が０ｍＡ、ｘ＝０．５では両方の偏波依存型ＳＯＡに必要利得Ｇｔを与える駆動電流とする。その中間領域においては、増幅後のＳ偏波成分とＰ偏波成分の和が一定となる様、連続的に両方の偏波依存型ＳＯＡの駆動電流を調整して、利得一定動作を実現する。したがって、ｘ＝０．５を境にして互いに対称的な駆動電流となる。
本発明の実施例２においては、０．４＜ｘ＜０．６の範囲内では実施例１の駆動方法より消費電力が増大するが、全領域を平均すると従来例に対して低電力化が可能である。また、実施例２においては、実施例１の駆動方法において、ｘ＝０．５で見られるＳ／Ｐ偏波ＳＯＡの急激な切り替え動作が回避される。その結果、全強度比ｘ領域に渡ってＳＯＡ駆動電流を連続的に小幅で調整できるようになるため、ＳＯＡ駆動電流更新時の利得立ち上がり／立下り遅れ（通常ｎｓｅｃオーダ）に伴う光信号断や光サージを回避して安定した受信動作を実現することができる。
次に、図８を参照して、本発明の実施例３の波長多重光受信装置及びその駆動方法を説明する。図８は、本発明の実施例３の波長多重光受信装置の概念的構成図であり、Ｇｅフォトダイオード４４１〜４４４の検出出力を制御回路４５にフィードバックした以外は、上記の実施例１の構成と同じである。ここでは、Ｇｅフォトダイオードで検出した平均光強度情報を制御回路４５に入力する。
本発明の実施例３においては、制御回路４５により、先ずＰ／Ｓ両偏波経路のモニタＰＤ３４，３５における光強度を検出し、より光強度の高い経路をＳＯＡ駆動対象として決定する。続いて、Ｇｅフォトダイオードアレイ４４の各チャネル（４４１〜４４４）の光強度を取得し、それらの値が全て所定の光レベル以上ないしは所定の光レベルになるようにＳＯＡ駆動電流を決定する。
この過程では、実施例１と同様に予め駆動電流-光利得関係を制御回路４５の内にメモリしたものを活用しても良いし、予め既知の光入力パワーに対してＳＯＡ駆動電流とＧｅフォトダイオードアレイの検出強度の関係を初期スキャンした結果を活用しても良い。さらには、他のアルゴリズムを用いても良い。
決定したＳＯＡ駆動電流は増幅器駆動回路４６に送出され、増幅器駆動回路４６は指示値に基づいて駆動電流を更新する。以上の制御手順を十分な繰返し周波数（例えば１００ｋＨｚ）で行う。その結果、Ｇｅフォトダイオードアレイの平均受信光パワーに対するフィードバック制御を実現し、入力した波長多重信号光がその偏波状態だけでなく、光強度も時間的に変動する場合において安定した光増幅と受信を実現することができる。なお、偏波状態の変動が光強度変動に対して充分遅い場合は、フィードバックループにおけるＰ／Ｓ両偏波をモニタするモニタＰＤ３４，３５の検出と駆動対象となる偏波依存型ＳＯＡ決定の手順を間引いて、偏波制御をより低い繰り返し周波数で実施しても良い。
この本発明の実施例３においては、消費電力やＯＳＮＲ等の光受信器特性を、偏波変動が時間に対してランダムな条件下においても、実施例１と同様な光受信器特性にすることができる。
次に、図９を参照して本発明の実施例４の波長多重光受信装置及びその駆動方法を説明する。図９は、本発明の実施例４の波長多重光受信装置の概念的構成図であり、２つの偏波依存型ＳＯＡの代わりに偏波依存型ＳＯＡアレイ４８を用いた以外は、上記の実施例１の構成と同じである。各偏波経路の偏波依存型ＳＯＡを単一チップに集積して偏波依存型ＳＯＡアレイ４８としてＳｉ集積素子上に一括実装することで、ＳＯＡチップのコストやＳi集積素子チップの面積を削減することができる。したがって、上記の特許文献１に示された単一の偏波無依存型ＳＯＡを用いる構成とほぼ変わらないサイズ、コストで高感度化が実現できる。なお、偏波依存型ＳＯＡアレイ４８はＰ／Ｓ各偏波経路に接続する２つの活性導波路にそれぞれ独立な電極が形成されており、個別に駆動電流を調整可能である。
また、本発明の実施例４の波長多重光受信装置の駆動方法としては、図５に示した駆動方法を用いても良いし、或いは、図７に示した駆動方法を用いても良い。
次に、図１０を参照して本発明の実施例５の波長多重光受信装置及びその駆動方法を説明する。図１０は、本発明の実施例５の波長多重光受信装置の概念的構成図であり、Ｇｅフォトダイオード４４１〜４４４の検出出力を制御回路４５にフィードバックした以外は、上記の実施例４の構成と同じである。ここでは、Ｇｅフォトダイオードで検出した平均光強度情報を制御回路４５に入力する。
また、本発明の実施例５の波長多重光受信装置の駆動方法としては、図５に示した駆動方法を用いても良いし、或いは、図７に示した駆動方法を用いても良い。
本発明の実施例５においては、実施例４と同様にＳＯＡチップのコストやＳi集積素子チップの面積を削減することができるとともに、実施例３と同様に、偏波変動が時間に対してランダムな条件下においても、実施例１と同様な光受信器特性にすることができる。
次に、図１１を参照して本発明の実施例６の波長多重光受信装置及びその駆動方法を説明する。図１１は、本発明の実施例６の波長多重光受信装置の概念的構成図である。この実施例６においては、２つの偏波依存型ＳＯＡ３６，３７の出力を合波する２×１ＭＭＩ４９を設け、この２×１ＭＭＩ４９の出力を単一の波長分離器４０で波長毎に分離し、Ｇｅフォトダイオードアレイ５０によって波長毎に検出する。
また、本発明の実施例６の波長多重光受信装置の駆動方法としては、図５に示した駆動方法を用いても良いし、或いは、図７に示した駆動方法を用いても良い。
本発明の実施例６においては２×１ＭＭＩを用いて両偏波経路を１つにしているので、従来のダイバーシティ構成で課題であった１対の波長分離器間で生じる特性差（中心波長、フィルタ特性など）を解消することができる。また、ヒータ等で波長制御を行う波長分離器を用いる場合はその制御電力を半減できるメリットも有する。なお、２×１ＭＭＩで発生する３ｄＢの原理損失を補償するため、各偏波依存型ＳＯＡ３６，３７で与える利得は実施例１より３ｄＢ高い２１ｄＢに設定している。
次に、図１２を参照して本発明の実施例７の波長多重光受信装置及びその駆動方法を説明する。図１２は、本発明の実施例７の波長多重光受信装置の概念的構成図であり、Ｇｅフォトダイオード５１１〜５１４の検出出力を制御回路４５にフィードバックした以外は、上記の実施例６の構成と同じである。ここでは、Ｇｅフォトダイオードで検出した平均光強度情報を制御回路４５に入力する。
また、本発明の実施例７の波長多重光受信装置の駆動方法としては、図５に示した駆動方法を用いても良いし、或いは、図７に示した駆動方法を用いても良い。
この実施例７の場合も、実施例６と同様に、１対の波長分離器間で生じる特性差を解消することができる。また、ヒータ等で波長制御を行う波長分離器を用いる場合はその制御電力を半減できるメリットも有する。
次に、図１３を参照して本発明の実施例８の波長多重光受信装置及びその駆動方法を説明する。図１３は、本発明の実施例８の波長多重光受信装置の概念的構成図であり、光カプラとして２×１ＭＭＩの代わりにＹ型分岐導波路５２を用いた以外は上記の実施例６と同様である。この実施例８においては、２つの偏波依存型ＳＯＡ３６，３７の出力を合波するＹ分岐導波路５２を設け、このＹ型分岐導波路５２の出力を単一の波長分離器４０で波長毎に分離し、Ｇｅフォトダイオードアレイ５０によって波長毎に検出する。
また、本発明の実施例８の波長多重光受信装置の駆動方法としては、図５に示した駆動方法を用いても良いし、或いは、図７に示した駆動方法を用いても良い。
本発明の実施例８においてはＹ型分岐導波路を用いて両偏波経路を１つにしているので、実施例６と同様に従来のダイバーシティ構成で課題であった１対の波長分離器間で生じる特性差を解消することができる。また、ヒータ等で波長制御を行う波長分離器を用いる場合はその制御電力を半減できるメリットも有する。
次に、図１４を参照して本発明の実施例９の波長多重光受信装置及びその駆動方法を説明する。図１４は、本発明の実施例９の波長多重光受信装置の概念的構成図であり、Ｇｅフォトダイオード５１１〜５１４の検出出力を制御回路４５にフィードバックした以外は、上記の実施例８の構成と同じである。ここでも、Ｇｅフォトダイオードで検出した平均光強度情報を制御回路４５に入力する。
また、本発明の実施例９の波長多重光受信装置の駆動方法としては、図５に示した駆動方法を用いても良いし、或いは、図７に示した駆動方法を用いても良い。
この実施例９の場合も、実施例８と同様に、１対の波長分離器間で生じる特性差を解消することができる。また、ヒータ等で波長制御を行う波長分離器を用いる場合はその制御電力を半減できるメリットも有する。
次に、図１５を参照して本発明の実施例１０の波長多重光受信装置及びその駆動方法を説明する。図１５は、本発明の実施例５の波長多重光受信装置の概念的構成図であり、偏波分離型グレーティングカプラをスポットサイズ変換器と偏波分離器と偏波ローテータの組み合わせに置き換えた以外は、上記の実施例１と同様である。即ち、光ファイバ４７からスポットサイズ変換器５３に入力された波長多重信号光は、偏波分離器５４によって、ＴＥモードで伝搬するＳ偏光成分とＴＭモードで伝搬するＰ偏光成分に分離される。分離されたＴＭモードで伝搬するＰ偏光成分は偏波ローテータ５５によってＴＭモードに変換される。以後の動作は上記の実施例１と同様である。
また、本発明の実施例１０の波長多重光受信装置の駆動方法としては、図５に示した駆動方法を用いても良いし、或いは、図７に示した駆動方法を用いても良い。
この実施例１０の場合も、実施例１と同様に、分離されたＳ偏波成分とＰ偏波成分の強度比ｘによって、一方のＳＯＡのみを駆動しているので、消費電力の低減と、ＯＳＮＲ劣化による受信感度低下を抑制することが可能になる。なお、この実施例１０においても、偏波分離型グレーティングカプラを除いて上記の実施例２乃至実施例９と同様の構成を採用しても良い。
ここで、実施例１乃至実施例９を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１）波長多重信号光を偏波成分毎に分離する偏波分離型光カプラと、前記偏波分離型光カプラで分離された一方の偏波成分を増幅する第１の半導体光増幅器と、前記偏波分離型光カプラで分離された他方の偏波成分を増幅する第２の半導体光増幅器と、前記第１の半導体光増幅器及び前記第２の半導体光増幅器の出力を波長毎に分離する波長分離器と、前記波長分離器の出力を波長毎に検出する光検出器と、前記第１の半導体光増幅器の前段で前記一方の偏波成分の光強度をモニタする第１のモニタ光検出器と、前記第２の半導体光増幅器の前段で前記他方の偏波成分の光強度をモニタする第２のモニタ光検出器と、第１のモニタ光検出器の出力と前記第２のモニタ光検出器の出力の強度比に応じて前記第１の半導体光増幅器及び前記第２の半導体光増幅器を異なる光利得で光増幅する制御回路とを有する波長多重光受信装置。
（付記２）前記波長分離器が前記第１の半導体光増幅器の出力を波長毎に分離する第１の波長分離器と、前記第２の半導体光増幅器の出力を波長毎に分離する第２の波長分離器とを備え、前記光検出器が双方向入力型光検出器である付記１に記載の波長多重光受信装置。
（付記３）前記第１の半導体光増幅器及び前記第２の半導体光増幅器と前記波長分離器との間に、前記第１の半導体光増幅器及び前記第２の半導体光増幅器の出力を単一の光導波路に合波する合波器を有し、前記波長分離器が単一の波長分離器である付記１または付記２に記載の波長多重光受信装置。
（付記４）前記合波器が、２×１型波長多重干渉計またはＹ型分岐導波路のいずれかである付記３に記載の波長多重光受信装置。
（付記５）前記第１の半導体光増幅器と前記第２の半導体光増幅器が同一基板上にアレイ化されている付記１乃至付記４のいずれか１に記載の波長多重光受信装置。
（付記６）前記偏波分離型光カプラが、偏波分離型グレーティングカプラである付記１乃至付記５のいずれか１に記載の波長多重受信装置。
（付記７）前記偏波分離型光カプラが、前記波長多重信号光が入力されるスポットサイズ変換器と、前記スポットサイズ変換器からの前記波長多重信号光をＴＥモードで伝搬するＳ偏光成分とＴＭモードで伝搬するＰ偏光成分に分離する偏波分離器と、前記偏波分離器によって分離されたＴＭモードで伝搬するＰ偏光成分をＴＥモードに変換する偏波ローテータとを備えている付記１乃至付記５のいずれか１に記載の波長多重受信装置。
（付記８）前記制御回路は、前記波長分離器の出力を波長毎に検出する前記光検出器の検出出力により、前記光検出器における受光強度が一定になるように、前記第１の半導体光増幅器及び前記第２の半導体光増幅器に注入する駆動電流を制御する機能を有する付記１乃至付記７のいずれか１に記載の波長多重受信装置。
（付記９）波長多重信号光を偏波成分毎に分離する偏波分離型光カプラで分離された一方の偏波成分の光強度をモニタした第１のモニタ出力と、前記偏波分離型光カプラで分離された他方の偏波成分をモニタした第２のモニタ出力を比較して、第１のモニタ出力と第２のモニタ出力の強度比に応じて前記一方の偏波成分を増幅する第１の半導体光増幅器と前記他方の偏波成分を増幅する第２の半導体光増幅器を異なる光利得で光増幅し、前記光増幅した波長多重信号光を波長毎に分離したのち、波長毎に光検出器で検知する波長多重光受信装置の駆動方法。
（付記１０）前記第１のモニタ出力と前記第２のモニタ出力の強度比に応じて前記第１の半導体光増幅器と前記第２の半導体光増幅器の一方のみに電流注入を行い光利得を与える付記９に記載の波長多重光受信装置の駆動方法。
（付記１１）前記第１のモニタ出力と前記第２のモニタ出力の強度比が予め設定した範囲内である場合には、前記第１の半導体光増幅器と前記第２の半導体光増幅器に互いに対称的な電流注入を行い互い対称的な光利得を与え、前記第１のモニタ出力と前記第２のモニタ出力の強度比が予め設定した範囲外である場合には、前記第１の半導体光増幅器と前記第２の半導体光増幅器の一方のみに電流注入を行い光利得を与える付記９に記載の波長多重光受信装置の駆動方法。
（付記１２）前記第１の半導体光増幅器及び前記第２の半導体光増幅器に注入する駆動電流は、波長多重信号光の偏波状態にかかわらず波長分離後に前記光検出器に入力されるまでに与えられる光利得が一定となるように制御する付記９乃至付記１１のいずれか１に記載の波長多重光受信装置の駆動方法。
（付記１３）前記光検出器における受光強度が一定になるように、前記第１の半導体光増幅器及び前記第２の半導体光増幅器に注入する駆動電流を制御する付記９乃至付記１２のいずれか１に記載の波長多重光受信装置の駆動方法。
１０ 波長多重光受信装置
１１ 偏波分離型光カプラ
１２，１３，１８，１９ 光導波路
１４，１５ モニタ光検出器
１６，１７ 半導体光増幅器
２０，２１ 波長分離器
２２１，２２２，２２３，２２４，２３１，２３２，２３３，２３４ 光導波路
２４ 光検出器
２４１，２４２，２４３，２４４ 光検出素子
２５ 制御回路
２６ 光ファイバ
３０，６０ 波長多重光受信装置
３１，６１ 偏波分離型グレーティングカプラ
３２，３３，３８，３９，５０，６２，６３，６６，６７ Ｓｉ細線導波路
３４，３５ モニタＰＤ
３６，３７，６４，６５ 偏波依存型ＳＯＡ
４０，４１，６８，６９ 波長分離器
４２１，４２２，４２３，４２４，４３１，４３２，４３３，４３４，７０１，７０２，７０３，７０４，７１１，７１２，７１３，７１４ Ｓｉ細線導波路
４４，５１ Ｇｅフォトダイオードアレイ
４４１，４４２，４４３，４４４，５１１，５１２，５１３，５１４ Ｇｅフォトダイオード
４５ 制御回路
４６ 増幅器駆動回路
４７，７３ 光ファイバ
４８ 偏波依存型ＳＯＡアレイ
４９ ２×１ＭＭＩ
５２ Ｙ型分岐導波路
５３ スポットサイズ変換器
５４ 偏波分離器
５５ 偏波ローテータ
７２ フォトダイオードアレイ
７２１，７２２，７２３，７２４ フォトダイオード

Claims (5)

  1. 波長多重信号光を偏波成分毎に分離する偏波分離型光カプラと、
    前記偏波分離型光カプラで分離された一方の偏波成分を増幅する第１の半導体光増幅器と、
    前記偏波分離型光カプラで分離された他方の偏波成分を増幅する第２の半導体光増幅器と、
    前記第１の半導体光増幅器及び前記第２の半導体光増幅器の出力を波長毎に分離する波長分離器と、
    前記波長分離器の出力を波長毎に検出する光検出器と、
    前記第１の半導体光増幅器の前段で前記一方の偏波成分の光強度をモニタする第１のモニタ光検出器と、
    前記第２の半導体光増幅器の前段で前記他方の偏波成分の光強度をモニタする第２のモニタ光検出器と、
    第１のモニタ光検出器の出力と前記第２のモニタ光検出器の出力の強度比に応じて前記第１の半導体光増幅器及び前記第２の半導体光増幅器を異なる光利得で光増幅する制御回路と
    を有する波長多重光受信装置。
  2. 前記波長分離器が前記第１の半導体光増幅器の出力を波長毎に分離する第１の波長分離器と、
    前記第２の半導体光増幅器の出力を波長毎に分離する第２の波長分離器と
    を備え、
    前記光検出器が双方向入力型光検出器である請求項１に記載の波長多重光受信装置。
  3. 前記第１の半導体光増幅器及び前記第２の半導体光増幅器と前記波長分離器との間に、
    前記第１の半導体光増幅器及び前記第２の半導体光増幅器の出力を単一の光導波路に合波する合波器を有し、
    前記波長分離器が単一の波長分離器である請求項１または請求項２に記載の波長多重光受信装置。
  4. 前記第１の半導体光増幅器と前記第２の半導体光増幅器が同一基板上にアレイ化されている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の波長多重光受信装置。
  5. 波長多重信号光を偏波成分毎に分離する偏波分離型光カプラで分離された一方の偏波成分の光強度をモニタした第１のモニタ出力と、前記偏波分離型光カプラで分離された他方の偏波成分をモニタした第２のモニタ出力を比較して、第１のモニタ出力と第２のモニタ出力の強度比に応じて前記一方の偏波成分を増幅する第１の半導体光増幅器と前記他方の偏波成分を増幅する第２の半導体光増幅器を異なる光利得で光増幅し、
    前記光増幅した波長多重信号光を波長毎に分離したのち、波長毎に光検出器で検知する波長多重光受信装置の駆動方法。
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