JP2018093443A - 光半導体送信器 - Google Patents

Abstract

【課題】チャネルごとに光パワーの調整が可能な、低消費電力の光半導体送信器を提供する。【解決手段】光半導体送信器は、４チャネルのＥＡ−ＤＦＢレーザ３−１〜３−４と、ＥＡ−ＤＦＢレーザ３−１〜３−４から出力された光のパワーを調整する第１の光パワー調整機構となるＳＯＡ４−１〜４−４と、ＳＯＡ４−１〜４−４から出力された光を合波する光合波器５と、光合波器５から出力された光のパワーを調整する第２の光パワー調整機構となるＳＯＡ６とから構成される。【選択図】 図１

Description

本発明は、大容量光通信網の構成要素である複数チャネルの光半導体送信器に関するものである。

図６は従来の４チャネル光半導体送信器の構成を示す図である。４チャネル光半導体送信器は、一定強度の光を発するＤＦＢレーザ（Distributed FeedBack Laser）１００−１〜１００−４と電界吸収型光変調器（Electro-Absorption Modulator、以下、ＥＡ変調器）１０１−１〜１０１−４とを１つのチップに集積した４つのＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ（以下、ＥＡ−ＤＦＢレーザ）１０２−１〜１０２−４を有する。そして、このＥＡ−ＤＦＢレーザ１０２−１〜１０２−４からの光を光合波器１０３によって合波する（非特許文献１参照）。

図６に示した構成では、ＤＦＢレーザ１００−１〜１００−４から出力された光がＥＡ変調器１０１−１〜１０１−４によって変調された後、光合波器１０３を介して一つの光導波路に合波されて出力される。光合波器１０３による損失があるため、光合波器１０３から出力される変調光のパワーが低下する。ＤＦＢレーザ１００−１〜１００−４から出力される光のパワーを大きくすることで、変調光のパワーを上げることも可能であるが、その場合はＥＡ変調器１０１−１〜１０１−４の吸収電流量が増加するため、ＥＡ変調器１０１−１〜１０１−４の動作速度が低下し、帯域が劣化するという問題があった。

このような問題に対して、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier：ＳＯＡ）を用いて光を増幅することで変調光のパワーを上げる方法がある。図７に示す例では、各チャネルのＥＡ変調器１０１−１〜１０１−４の後にＳＯＡ１０４−１〜１０４−４を挿入することでチャネルごとに独立して光を増幅することができる。ただし、この例では、光合波器１０３による損失を加味して光を増幅する必要があるため、ＳＯＡ１０４−１〜１０４−４に流す電流が増加し、ＳＯＡ１０４−１〜１０４−４の消費電力が大きくなるという問題があった。

一方、図８に示す例では、光合波器１０３の後にＳＯＡ１０４を挿入しており、光合波器１０３で減衰した光をＳＯＡ１０４で増幅するため、ＳＯＡの消費電力を低減可能である。しかし、この例では、各チャネルの光パワーを独立に制御することができないという問題があった。

S．Kanazawa，T.Fujisawa，A.Ohki，H.Ishii，N.Nunoya，Y.Kawaguchi，N.Fujiwara，K.Takahata，R.Iga，F.Kano，and H.Oohashi，"A compact EADFB laser array module for a future 100-Gbit/s Ethernet transceiver"，IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS，vol.17，no.5，pp.1191-1197，Sep.2011

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、チャネルごとに光パワーの調整が可能な、低消費電力の光半導体送信器を提供することを目的とする。

本発明の光半導体送信器は、複数の光送信光源部と、この複数の光送信光源部から出力された光のパワーをそれぞれ調整する複数の第１の光パワー調整機構と、この複数の第１の光パワー調整機構から出力された光を合波する光合波器と、この光合波器から出力された光のパワーを調整する第２の光パワー調整機構とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の光半導体送信器の１構成例において、前記第２の光パワー調整機構は、前記光合波器から出力された光のパワーを、前記光合波器による光の損失を少なくとも補償可能な利得で調整し、前記第１の光パワー調整機構は、前記光送信光源部から出力された光のパワーを、前記第２の光パワー調整機構の利得よりも絶対値が小さい利得の範囲で調整することを特徴とするものである。

また、本発明の光半導体送信器の１構成例において、前記複数の光送信光源部は、一定強度の光を発する複数のＤＦＢレーザと、この複数のＤＦＢレーザから出力された光を、外部から印加される電圧に応じてそれぞれ変調する複数の電界吸収型光変調器とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の光半導体送信器の１構成例において、前記複数の光送信光源部は、外部から注入される電流に応じて光を変調して出力する複数の直接変調ＤＦＢレーザである。
また、本発明の光半導体送信器の１構成例において、前記第１の光パワー調整機構および前記第２の光パワー調整機構は、光半導体増幅器である。
また、本発明の光半導体送信器の１構成例において、前記第１の光パワー調整機構は、電界吸収型光変調器を光減衰器として用いたものであり、前記第２の光パワー調整機構は、光半導体増幅器である。

本発明によれば、複数の光送信光源部から出力された光のパワーを調整する複数の第１の光パワー調整機構と、光合波器から出力された光のパワーを調整する第２の光パワー調整機構とを設けることにより、チャネルごとに光パワーの調整が可能な、低消費電力の光半導体送信器を実現することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る４チャネル光半導体送信器の構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る４チャネル光半導体送信器の構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る４チャネル光半導体送信器の構成を示す図である。 直接変調ＤＦＢレーザを用いる場合の従来の４チャネル光半導体送信器の構成を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る４チャネル光半導体送信器の構成を示す図である。 従来の４チャネル光半導体送信器の構成を示す図である。 従来の４チャネル光半導体送信器の別の構成を示す図である。 従来の４チャネル光半導体送信器の別の構成を示す図である。

以下に本発明の具体的な実施の形態を例にして説明する。以下の実施の形態は、本発明の効果を示す例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行い得ることは言うまでもない。

［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態に係る４チャネル光半導体送信器の構成を示す図である。本実施の形態の４チャネル光半導体送信器は、４チャネルのＥＡ−ＤＦＢレーザ３−１〜３−４と、ＥＡ−ＤＦＢレーザ３−１〜３−４から出力された光を増幅するＳＯＡ４−１〜４−４と、ＳＯＡ４−１〜４−４から出力された光を合波する光合波器５と、光合波器５から出力された光を増幅するＳＯＡ６とから構成される。この図１に示した構成は、同一の半導体基板上にモノリシック集積される。

光送信光源部となるＥＡ−ＤＦＢレーザ３（３−１〜３−４）は、上記のとおり、一定強度の光を発するＤＦＢレーザ１（１−１〜１−４）とＥＡ変調器２（２−１〜２−４）とを１つのチップに集積したものである。４チャネルのＤＦＢレーザ１−１〜１−４の波長は互いに異なる。送信データに応じた電圧を各チャネルのＥＡ変調器２−１〜２−４に印加することで、ＥＡ−ＤＦＢレーザ３−１〜３−４から出力される光をチャネルごとに強度変調することが可能である。光合波器５の例としては、例えばＭＭＩ（Multi-Mode Interference）カプラがある。

本実施の形態では、上記の課題を解決するために、各チャネルのＥＡ変調器２−１〜２−４の後に第１の光パワー調整機構であるＳＯＡ４−１〜４−４をチャネルごとに設けるのと同時に、光合波器５の後に第２の光パワー調整機構であるＳＯＡ６を設けた構造とする。

ＳＯＡ４−１〜４−４は、ＳＯＡ６よりも利得が小さい。すなわち、ＳＯＡ４−１〜４−４は、光の進行方向の長さがＳＯＡ６の長さよりも短い微小な構造を有する。このようなＳＯＡ４−１〜４−４に微小な電流を注入する。各ＳＯＡ４−１〜４−４に注入する電流の量を調整することで、各チャネルの光パワーを個別に微調整することが可能である。すなわち、各チャネルのＥＡ−ＤＦＢレーザ３−１〜３−４には、光パワーのばらつきが存在するので、ＳＯＡ４−１〜４−４を設けることにより、各チャネルの光パワーを例えば同一の値にすることができる。したがって、ＳＯＡ４−１〜４−４の利得の調整範囲は、ＥＡ−ＤＦＢレーザ３−１〜３−４のばらつきを調整可能な程度の微量の範囲でよい。

一方、ＳＯＡ６は、光の進行方向の長さがＳＯＡ４−１〜４−４よりも長い。このようなＳＯＡ６に、ＳＯＡ４−１〜４−４の注入電流よりも大きい電流を注入する。このＳＯＡ６に注入する電流の量を調整することで、光合波器５から出力された変調光を所望の光出力レベルまで増幅することが可能である。すなわち、ＳＯＡ６は、光合波器５から出力された光のパワーを、光合波器５による光の損失を少なくとも補償可能な利得で調整する。一方、ＳＯＡ４−１〜４−４は、ＥＡ−ＤＦＢレーザ３−１〜３−４から出力された光のパワーを、ＳＯＡ６の利得よりも小さい利得の範囲で調整する。

本実施の形態では、光合波器５による光損失を補うためのＳＯＡ６を１つだけ使用し、ＳＯＡ４−１〜４−４の利得を低く抑える。本実施の形態では、大きな消費電力のＳＯＡ６が１つだけになることにより、図７に示した従来の４チャネル光半導体送信器と比較して、トータルの消費電力を低減することができる。また、本実施の形態では、ＳＯＡ４−１〜４−４により、各チャネルの光パワーを個別に調整することが可能である。

また、ＳＯＡ４−１〜４−４，６をＤＦＢレーザ１−１〜１−４と同じ活性層構造とすることで、半導体結晶成長工程を増やすことなく作製できるので、従来型の光半導体送信器と同等の製作難易度で本実施の形態の光半導体送信器を作製可能である。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図２は本発明の第２の実施の形態に係る４チャネル光半導体送信器の構成を示す図であり、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の４チャネル光半導体送信器は、４チャネルのＥＡ−ＤＦＢレーザ３−１〜３−４と、光合波器５と、ＳＯＡ６と、ＥＡ−ＤＦＢレーザ３−１〜３−４と光合波器５との間に挿入され、ＥＡ−ＤＦＢレーザ３−１〜３−４から出力された光を減衰させるＥＡ変調器７−１〜７−４とから構成される。この図２に示した構成は、同一の半導体基板上にモノリシック集積される。

本実施の形態では、第１の光パワー調整機構としてＥＡ変調器７−１〜７−４を用いている。ＥＡ変調器７−１〜７−４は、印加されるバイアス電圧が低い場合には、オープン（オン）状態となり、ＥＡ−ＤＦＢレーザ３−１〜３−４から入射した光をそのまま出射させる。一方、バイアス電圧が上昇すると、ＥＡ変調器７−１〜７−４は、光を吸収する状態となり、ＥＡ−ＤＦＢレーザ３−１〜３−４から入射した光を減衰させる。したがって、各ＥＡ変調器７−１〜７−４に印加するバイアス電圧を調整することで、各チャネルの光パワーを個別に微調整することが可能である。

第１の実施の形態のＳＯＡ４−１〜４−４の場合と同様に、ＥＡ変調器７−１〜７−４の減衰量の調整範囲は、ＥＡ−ＤＦＢレーザ３−１〜３−４のばらつきを調整可能な程度の微量の範囲でよい。すなわち、ＥＡ変調器７−１〜７−４は、ＥＡ−ＤＦＢレーザ３−１〜３−４から出力された光のパワーを、ＳＯＡ６の利得よりも絶対値が小さい利得の範囲で調整する。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態では、ＥＡ−ＤＦＢレーザ３−１およびＥＡ変調器７−１を用いる経路をチャネル１、ＥＡ−ＤＦＢレーザ３−２およびＥＡ変調器７−２を用いる経路をチャネル２、ＥＡ−ＤＦＢレーザ３−３およびＥＡ変調器７−３を用いる経路をチャネル３、ＥＡ−ＤＦＢレーザ３−４およびＥＡ変調器７−４を用いる経路をチャネル４とする。

本実施の形態において、全てのＤＦＢレーザ１−１〜１−４に注入するバイアス電流を６０ｍＡ、ＥＡ変調器７−１に印加するバイアス電圧を−１．０Ｖ、ＥＡ変調器７−２に印加するバイアス電圧を−１．３Ｖ、ＥＡ変調器７−３に印加するバイアス電圧を−１．６Ｖ、ＥＡ変調器７−４に印加するバイアス電圧を−１．９Ｖ、ＳＯＡ６に注入する電流を１５０ｍＡとすると、ＥＡ変調器７−１〜７−４がオープン状態となり、ＳＯＡ６から出力される変調光のうち、チャネル１の光のパワーは−０．５ｄＢｍ、チャネル２の光のパワーは０．１ｄＢｍ、チャネル３の光のパワーは０．５ｄＢｍ、チャネル４の光のパワーは０．６ｄＢｍであった。

これに対して、ＤＦＢレーザ１−１〜１−４に注入する電流とＳＯＡ６に注入する電流を上記と同じ条件にした状態で、ＥＡ変調器７−１に印加するバイアス電圧を−１．５Ｖ、ＥＡ変調器７−２に印加するバイアス電圧を−１．４Ｖ、ＥＡ変調器７−３に印加するバイアス電圧を−１．３Ｖ、ＥＡ変調器７−４に印加するバイアス電圧を−１．２Ｖとすることにより、ＳＯＡ６から出力される変調光の各チャネルで光のパワーを−１．０ｄＢｍにすることができる。

図７に示した従来の構成で全てのＤＦＢレーザ１００−１〜１００−４に注入するバイアス電流を６０ｍＡ、ＥＡ変調器１０１−１に印加するバイアス電圧を−１．０Ｖ、ＥＡ変調器１０１−２に印加するバイアス電圧を−１．３Ｖ、ＥＡ変調器１０１−３に印加するバイアス電圧を−１．６Ｖ、ＥＡ変調器１０１−４に印加するバイアス電圧を−１．９Ｖとしたとき、光合波器１０３から出力される変調光の各チャネルで光のパワーが−１．０ｄＢｍとなるようにＳＯＡ１０４−１〜１０４−４の注入電流を調整した場合、ＳＯＡ１０４−１の注入電流は５０ｍＡ、ＳＯＡ１０４−２の注入電流は４０ｍＡ、ＳＯＡ１０４−３の注入電流は３８ｍＡ、ＳＯＡ１０４−４の注入電流は３５ｍＡであった。全てのＳＯＡ１０４−１〜１０４−４の注入電流を足すと１６３ｍＡとなる。この値は本実施の形態のＳＯＡ６の注入電流（１５０ｍＡ）と比較して大きい値である。以上により、本実施の形態の構成で低消費電力な多チャネル光半導体送信器が実現可能であることが示せた。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図３は本発明の第３の実施の形態に係る４チャネル光半導体送信器の構成を示す図であり、図１、図２と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の４チャネル光半導体送信器は、４チャネルの直接変調ＤＦＢレーザ８−１〜８−４と、直接変調ＤＦＢレーザ８−１〜８−４から出力された光を増幅するＳＯＡ４−１〜４−４と、ＳＯＡ４−１〜４−４から出力された光を合波する光合波器５と、光合波器５から出力された光を増幅するＳＯＡ６とから構成される。この図３に示した構成は、同一の半導体基板上にモノリシック集積される。

本実施の形態では、光送信光源部として直接変調ＤＦＢレーザ８−１〜８−４を用いる。送信データに応じた電流を各チャネルの直接変調ＤＦＢレーザ８−１〜８−４に注入することで、チャネルごとに強度変調された光を直接変調ＤＦＢレーザ８−１〜８−４から出射させることができる。４チャネルの直接変調ＤＦＢレーザ８−１〜８−４の波長は互いに異なる。

また、本実施の形態では、各チャネルの直接変調ＤＦＢレーザ８−１〜８−４の後に第１の光パワー調整機構であるＳＯＡ４−１〜４−４をチャネルごとに設けるのと同時に、光合波器５の後に第２の光パワー調整機構であるＳＯＡ６を設ける。第１の実施の形態と同様に、ＳＯＡ４−１〜４−４の利得の調整範囲は、直接変調ＤＦＢレーザ８−１〜８−４のばらつきを調整可能な程度の微量の範囲でよい。

本実施の形態では、直接変調ＤＦＢレーザ８−１およびＳＯＡ４−１を用いる経路をチャネル１、直接変調ＤＦＢレーザ８−２およびＳＯＡ４−２を用いる経路をチャネル２、直接変調ＤＦＢレーザ８−３およびＳＯＡ４−３を用いる経路をチャネル３、直接変調ＤＦＢレーザ８−４およびＳＯＡ４−４を用いる経路をチャネル４とする。

本実施の形態において、全ての直接変調ＤＦＢレーザ８−１〜８−４に注入するバイアス電流を６０ｍＡ、ＳＯＡ４−１に注入する電流を３０ｍＡ、ＳＯＡ４−２に注入する電流を３５ｍＡ、ＳＯＡ４−３に注入する電流を３３ｍＡ、ＳＯＡ４−４に注入する電流を３０ｍＡ、ＳＯＡ６に注入する電流を１００ｍＡとすると、ＳＯＡ６から出力される変調光の各チャネルで光のパワーが＋５．０ｄＢｍとなった。このときのＳＯＡ４−１〜４−４，６の注入電流の総量は２２８ｍＡである。

図４は直接変調ＤＦＢレーザ８−１〜８−４を用いる場合の従来の４チャネル光半導体送信器の構成を示す図である。この図４に示した構成において、全ての直接変調ＤＦＢレーザ８−１〜８−４に注入するバイアス電流を６０ｍＡとして、光合波器１０３から出力される変調光の各チャネルで光のパワーが＋５．０ｄＢｍとなるようにＳＯＡ１０４−１〜１０４−４の注入電流を調整した場合、ＳＯＡ１０４−１の注入電流は６０ｍＡ、ＳＯＡ１０４−２の注入電流は７０ｍＡ、ＳＯＡ１０４−３の注入電流は６１ｍＡ、ＳＯＡ１０４−４の注入電流は５９ｍＡであった。全てのＳＯＡ１０４−１〜１０４−４の注入電流を足すと２５０ｍＡとなる。この値は本実施の形態のＳＯＡ４−１〜４−４，６の注入電流の総量（２２８ｍＡ）と比較して大きい値である。

こうして、本実施の形態では、光送信光源部として直接変調ＤＦＢレーザを用いる場合においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図５は本発明の第４の実施の形態に係る４チャネル光半導体送信器の構成を示す図であり、図１〜図３と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の４チャネル光半導体送信器は、４チャネルの直接変調ＤＦＢレーザ８−１〜８−４と、光合波器５と、ＳＯＡ６と、直接変調ＤＦＢレーザ８−１〜８−４と光合波器５との間に挿入され、直接変調ＤＦＢレーザ８−１〜８−４から出力された光を減衰させるＥＡ変調器７−１〜７−４とから構成される。この図５に示した構成は、同一の半導体基板上にモノリシック集積される。

本実施の形態の４チャネル光半導体送信器は、第３の実施の形態において、ＳＯＡ４−１〜４−４の代わりにＥＡ変調器７−１〜７−４を用いたものである。各構成要素の動作は第１〜第３の実施の形態で説明したとおりであるので、詳細な説明は省略する。

なお、第１〜第４の実施の形態では、光送信光源部を４つ用いる４チャネルの光半導体送信器を例に挙げて説明しているが、これに限るものではなく、本実施の形態はチャネル数（光送信光源部の数）が２以上の光半導体送信器に適用することができる。

本発明は、光半導体送信器に適用することができる。

１−１〜１−４…ＤＦＢレーザ、２−１〜２−４…ＥＡ変調器、３−１〜３−４…ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ、４−１〜４−４，６…半導体光増幅器、５…光合波器、７−１〜７−４…ＥＡ変調器、８−１〜８−４…直接変調ＤＦＢレーザ。

Claims (6)

1. 複数の光送信光源部と、
   この複数の光送信光源部から出力された光のパワーをそれぞれ調整する複数の第１の光パワー調整機構と、
   この複数の第１の光パワー調整機構から出力された光を合波する光合波器と、
   この光合波器から出力された光のパワーを調整する第２の光パワー調整機構とを備えることを特徴とする光半導体送信器。
2. 請求項１記載の光半導体送信器において、
   前記第２の光パワー調整機構は、前記光合波器から出力された光のパワーを、前記光合波器による光の損失を少なくとも補償可能な利得で調整し、
   前記第１の光パワー調整機構は、前記光送信光源部から出力された光のパワーを、前記第２の光パワー調整機構の利得よりも絶対値が小さい利得の範囲で調整することを特徴とする光半導体送信器。
3. 請求項１または２記載の光半導体送信器において、
   前記複数の光送信光源部は、
   一定強度の光を発する複数のＤＦＢレーザと、
   この複数のＤＦＢレーザから出力された光を、外部から印加される電圧に応じてそれぞれ変調する複数の電界吸収型光変調器とから構成されることを特徴とする光半導体送信器。
4. 請求項１または２記載の光半導体送信器において、
   前記複数の光送信光源部は、外部から注入される電流に応じて光を変調して出力する複数の直接変調ＤＦＢレーザであることを特徴とする光半導体送信器。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光半導体送信器において、
   前記第１の光パワー調整機構および前記第２の光パワー調整機構は、光半導体増幅器であることを特徴とする光半導体送信器。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光半導体送信器において、
   前記第１の光パワー調整機構は、電界吸収型光変調器を光減衰器として用いたものであり、
   前記第２の光パワー調整機構は、光半導体増幅器であることを特徴とする光半導体送信器。

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