JP2018206901A

JP2018206901A - 光送信機

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Publication number: JP2018206901A
Application number: JP2017109536A
Authority: JP
Inventors: 隆彦進藤; Takahiko Shindo; 小林　亘; Wataru Kobayashi; 亘小林; 石井　啓之; Hiroyuki Ishii; 啓之石井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-06-01
Filing date: 2017-06-01
Publication date: 2018-12-27

Abstract

【課題】電力変換効率を向上させ高効率化が可能な光送信機を提供する。【解決手段】１つのＤＦＢレーザ１１０と、Ｎ（２以上の整数）個のＥＡ変調器１２０およびＮ個のＳＯＡ１４０とが同一基板上にモノリシック集積された光送信機であり、ＤＦＢレーザからのＮ個の出力光の各々を、Ｎ個のＥＡ変調器およびＮ個のＳＯＡのうちの１つのＥＡ変調器およびＳＯＡにより、変調した後に増幅して出力する光送信機であって、ＤＦＢレーザ１１０及びＮ個のＳＯＡ１４０，１５０は、同一の制御端子から、ＤＦＢレーザとＮ個のＳＯＡの活性層との体積比に応じた電流が注入されるように構成されたことを特徴とする。【選択図】図６

Description

本発明は、光送信機に関し、より詳細には、ＩｎＰ基板上に電界吸収型（Electro-absorption：ＥＡ）光変調器を集積した半導体レーザ素子に関する。より詳細には、２つ以上のＥＡ変調器および半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier：ＳＯＡ）と１つの分布帰還型（Distributed Feedback:ＤＦＢ）レーザとを備えた並列マルチチャネル光送信機に関する。

近年の動画配信サービスの普及やモバイルトラフィック需要の増大に伴い、ネットワークトラフィックが爆発的に増大している。大容量光ネットワークの実現に向けて高速・大容量伝送が可能な光送信機が求められている。しかし、大容量化と同時に許容される消費電力は現状と同じかそれ以下にすることが求められることから、伝送レートあたりに許容される消費電力は今後飛躍的に増大してしまうことが懸念される。

電界吸収型変調器集積型ＤＦＢ（ＥＡＤＦＢ）レーザは、直接変調型のレーザと比較し高い消光特性とすぐれたチャープ特性を有することから、これまで幅広い用途で用いられてきた。

図１は、一般的なＥＡＤＦＢレーザの概略を示す図である。ＥＡＤＦＢレーザ１００は、ＤＦＢレーザ１１０とＥＡ変調器１２０とが同一チップ内に集積された構造を有する。ＥＡＤＦＢレーザ１００は、基板１０２と、ＤＦＢレーザ１１０と、ＥＡ変調器１２０と、ＤＦＢレーザ１１０とＥＡ変調器１２０との間の導波路１８０と、クラッド１０４と、ＤＦＢレーザ１１０のための駆動電流源１１６に接続される電極１１８と、ＥＡ変調器１２０のための駆動電圧源１２４と接続される電極１２６とを備える。

ＤＦＢレーザ１１０は、基板１０２上に、多重量子井戸（Multiple Quantum Well：ＭＱＷ）からなる活性層１１２を有し、共振器内に形成された回折格子１１４によって単一波長で発振する。

また、ＥＡ変調器１２０は、基板１０２上に、多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる光吸収層１２２を有し、ＤＦＢレーザ１１０からの出力光を光吸収によって消光させることで、電気信号により光信号を変調する。

これまでに、大容量な光送信機の実現に向けて、複数チャネルのＥＡＤＦＢレーザ１００を同一基板上に集積した半導体レーザが報告されている。

また、一つのＤＦＢレーザの両側に電界吸収型変調器（Electro-Absorption Modulator：ＥＡＭ）を集積し２チャネルの信号光を出力することが可能となる構成が知られている（例えば、非特許文献１参照）。このような、同一波長による複数の信号光を用いる通信は、並列の複数ファイバによる伝送が必要となるため、主にリボンファイバなどを用いた短距離の光リンクで用いられる。これらＥＡＤＦＢレーザの課題としては、ＥＡ変調器における光吸収特性とチャープ特性のトレードオフにより、伝送特性と高出力化を同時に達成することが困難であることが挙げられる。

図２は、典型的なＥＡＤＦＢレーザのＥＡ変調器印加電圧と光消光特性（吸収特性）の関係およびＥＡ変調器印加電圧とチャープパラメータの関係を示す図である。図２（ａ）に示された通り、ＥＡ変調器の逆方向印加電圧Ｖｄｃを増加させることで、ＥＡ変調器における光吸収が大きくなり、すなわちＥＡＤＦＢレーザの光出力が減少する。このため、高出力化にはＶｄｃを小さくし、ＥＡ変調器における光吸収に伴う損失を低減させる必要がある。これに対して、図２（ｂ）より、チャープパラメータはＥＡ変調器の印加電圧によって低減する傾向にある。チャープパラメータの低減は光ファイバにおける信号伝送時の波形品質の劣化を抑制し長距離に高品質な光信号を伝送可能となる。すなわち、ＥＡ変調器の印加電圧の駆動条件によって、光出力強度と伝送特性はトレードオフの関係にある。両者を同時に実現するためには、一般的にチャープパラメータが小さくなるようにＥＡ変調器の逆方向印加電圧を大きく設定し、それに伴う光損失を補うためにＤＦＢレーザの駆動電流を増大させる必要がある。しかし、この方法はＤＦＢレーザの消費電力が増大するとともに、ＥＡ変調器での光吸収に伴うフォトカレントと消費電力も増大してしまう。

これに対して、ＥＡＤＦＢレーザの光出射端にさらに半導体光増幅器（ＳＯＡ）を集積したＥＡＤＦＢレーザ（ＳＯＡ Assisted Extended Reach ＥＡＤＦＢ Laser：ＡＸＥＬ）が提案されている。

図３は、ＡＸＥＬの概略を示す図である。ＡＸＥＬ３００は、ＤＦＢレーザ１１０とＥＡ変調器１２０とＳＯＡ１４０とが同一チップ内に集積された構造を有する。ＡＸＥＬ３００は、基板１０２と、ＤＦＢレーザ１１０と、ＥＡ変調器１２０と、ＳＯＡ１４０と、ＤＦＢレーザ１１０とＥＡ変調器１２０との間およびＥＡ変調器１２０とＳＯＡ１４０との間の導波路１８０と、クラッド１０４と、ＤＦＢレーザ１１０のための駆動電流源に接続される電極１１８と、ＥＡ変調器１２０のための駆動電圧源１２４と接続される電極１２６と、ＳＯＡ１４０のための駆動電流源に接続される電極１４２と、を備える。ＤＦＢレーザ１１０のための電極１１８およびＳＯＡ１４０のための電極１４２をそれぞれ別個の駆動電流源に接続することができ、または、電極１１８および電極１４２を同一結線により１つの駆動電流源に接続することができる（図３のＡＸＥＬ３００は、電極１１８および電極１４２を同一結線により１つの駆動電流源３１６に接続する例を示している）。

ＡＸＥＬ３００においては、ＥＡ変調器１２０によって変調された信号光が集積されたＳＯＡ１４０によって独立して増幅される。従って、光波形の品質を劣化させることなく光出力の増大が可能となる。また、ＤＦＢレーザ１１０の消費電力も増加することがない。さらに、ＡＸＥＬ３００の特徴として、ＳＯＡ１４０の活性層１１２にＤＦＢレーザ１１０の活性層１１２と同一のＭＱＷ構造を用いている点が挙げられる。これにより、従来のＥＡＤＦＢレーザ１００に対して作製プロセスを追加することなく同一プロセスで作製が可能となる。加えて、図３に示すようにＤＦＢレーザ１１０とＳＯＡ１４０を結線し同一端子に接続し１つの駆動電流源３１６で駆動させることができる。これによって従来のＥＡＤＦＢレーザに対して端子数を増加させることなく同一の駆動方法で動作させることが可能となる（例えば、特許文献１参照）。ＳＯＡ１４０を集積することによってＤＦＢレーザ１１０の駆動電流の一部がＳＯＡ１４０に流れる。この電流配分は、ＤＦＢレーザ１１０の長さとＳＯＡ１４０の長さの比率（体積）に応じた電流がそれぞれの領域に流れる。

図４は、ＡＸＥＬ３００のＳＯＡ１４０とＤＦＢレーザ１１０とを同一結線による１つの駆動電流源３１６で共通駆動した場合と、別々の電流源を用いて独立駆動させた場合の投入電力と光出力との関係をプロットしたグラフである。図４において、共通駆動については、ＳＯＡ１４０とＤＦＢレーザ１１０を同一電流源に短絡し、同時に電流をスイープして測定した。独立駆動時については、ＳＯＡ１４０の電流Ｉ_SOAを１０ｍＡ、３０ｍＡ、５０ｍＡに固定し、ＤＦＢレーザ１１０の駆動電流をスイープさせて測定した。また、いずれの場合も、実際の駆動時を想定し、ＥＡ変調器１２０の逆方向印加電圧として一般的な−２Ｖを印加している。また、チップ全体の消費電力は、ＤＦＢレーザ１１０、ＳＯＡ１４０およびＥＡ変調器１２０の各消費電力の合計である。図４においては、グラフ中の左上に近いプロット点ほど高効率な動作条件を表す。ＡＸＥＬ３００の独立駆動時には、ＳＯＡ１４０とＤＦＢレーザ１１０の電流を任意の値に設定することができるが、高効率な動作条件を実現するためには、必要となる光出力に応じてＳＯＡ１４０とＤＦＢレーザ１１０との電流バランスを調整する必要がある。図４においては、比較的小さい光出力時にはＳＯＡ１４０の駆動電流Ｉ_SOAを低電流（１０ｍＡ）に固定した条件が最も高効率動作が可能となるが、高出力が要求される場合はＩ_SOAを高電流（３０ｍＡ）に設定する必要がある。これはすなわち、図４の独立駆動時の曲線群の包絡線上にあたる条件が最も高効率な動作条件となり、所望の光出力に応じてＤＦＢレーザ１１０とＳＯＡ１４０の電流量をそれぞれ設定する必要がある。一方、共通駆動においては、ＳＯＡ１４０とＤＦＢレーザ１１０の電流量はその体積比に応じて配分される。図４において、共通駆動時の曲線は独立駆動時の３つの曲線の包絡線とほぼ一致していることが分かる。このことから、ＡＸＥＬ３００の駆動条件においてはＳＯＡ１４０とＤＦＢレーザ１１０を同一の電流源で共通駆動させることで高効率な動作が可能となる。

次に、図５は、ＤＦＢレーザ１１０の長さとＳＯＡ１４０の長さの比率の異なるＡＸＥＬ３００において電力変換効率をプロットした結果を示す図である。ここでも、ＥＡ変調器１２０へ印加する逆方向印加電圧は、実際の駆動時を想定して−２Ｖとしている。また、前述したようにＡＸＥＬ３００のＳＯＡ１４０とＤＦＢレーザ１１０は同一端子に結線し共通駆動させている。図５に示されている通り、ＤＦＢレーザ１１０の長さＬ_Bに対してＳＯＡ１４０の長さＬ_Aを長くした（Ｌ_A／Ｌ_Bを大きくした）デバイスは、より電力変換効率が大きくなり、高効率に動作可能である。すなわち、ＤＦＢレーザ１１０からＥＡ変調器１２０に入射する光出力を小さくし、ＳＯＡ１４０による光増幅効果を大きくしたデバイスは、より高い電力変換効率を得られる。これは、ＤＦＢレーザ１１０からの出力光が大きい場合、ＥＡ変調器１２０によって変調を行う際に、より大きなフォトカレントが流れ、ＥＡ変調器１２０での消費電力が大きくなるためである。以上の結果から、ＡＸＥＬ３００の高効率駆動に向けては、ＤＦＢレーザ１１０の共振器長を短くし、ＳＯＡ１４０の長さを長くする設計が最も有効である。

特開２０１３−２５８３３６号公報

M. Theurer1 et al., "2 × 56 GB/s from a double side electroabsorption modulated DFB laser," Optical Fiber Communication Conf./National Fiber Optic Engineers Conf., Los Angels, CA, Paper Tu3D.6, March 22-24, 2016 W Kobayashi et al., "Novel approach for chirp and output power compensation applied to a 40-Gbit/s EADFB laser integrated with a short SOA," Opt. Express, Vol. 23, No. 7, pp. 9533-9542, Apr. 2015

今後、大容量な光送信機を消費電力の増大させずに実現するためには、高い電力変換効率が実現可能なＡＸＥＬによるマルチチャネル光送信機が非常に有力である。前述した通り、ＡＸＥＬの高効率化に向けてはＤＦＢレーザの長さとＳＯＡの長さのバランスを最適化する必要がある。すなわち、ＤＦＢレーザの長さをＳＯＡの長さに対して短く設計し、ＤＦＢレーザに流れる駆動電流およびＤＦＢレーザでの消費電力を抑制する必要がある。

しかし、ＤＦＢレーザの共振器長の設計では共振器内部に形成された回折格子に由来する屈折率結合係数に大きく依存し、通常の屈折率結合係数では１５０μｍ〜４００μｍ程度の共振器長が用いられる。２００μｍ以下の短共振器を形成する場合は屈折率結合係数が２００ｃｍ^-1以上の強結合な共振器を形成する必要がある。一般的なＤＦＢレーザは共振器内部のグレーティングによる屈折率変調でＤＦＢレーザを形成しており、強結合な共振器の形成にはグレーティングの凹凸を深く、大きな屈折率変化を持たせる必要がある。したがって、一般的な半導体レーザの構造においては屈折率結合係数２００ｃｍ^-1以上の強結合共振器は実現が困難であり、同時に共振器長も１５０μｍ以下に設計することが困難である。

また、ＡＸＥＬのＳＯＡの長さの設計に関しても制約がある。ＳＯＡにおいてＮＲＺで変調された信号光を入射し増幅した場合、パターン効果によって信号波形品質の劣化が生じる。これは、信号光を増幅するＳＯＡの長さおよび電流密度に依存し、パターン効果を抑制するためにＳＯＡの長さを１５０μｍ以下に設計する必要がある（例えば、非特許文献２参照）。したがって、前述した高効率なＡＸＥＬに向けて、十分に短いＤＦＢレーザおよび十分に長いＳＯＡを設計することは困難であった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、電力変換効率を向上させ高効率化が可能な光送信機を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の一実施形態は、１つのＤＦＢレーザと、Ｎ個のＥＡ変調器と、Ｎ個のＳＯＡとが同一基板上にモノリシック集積された光送信機であり、Ｎが２以上の整数であり、ＤＦＢレーザからのＮ個の出力光の各々を、Ｎ個のＥＡ変調器のうちの１つにより変調した後にＮ個のＳＯＡのうちの１つにより増幅して出力する光送信機であって、ＤＦＢレーザ及びＮ個のＳＯＡは、同一の制御端子から、ＤＦＢレーザとＮ個のＳＯＡの活性層との体積比に応じた電流が注入されるように構成されたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明の一実施形態の光送信機においては、１つのＤＦＢレーザおよび２つ以上のＳＯＡはすべて電気的に同一端子に結線され、同一電流源によって駆動されるよう構成されていることにより、従来のＡＸＥＬよりも電力変換効率を向上させ高効率化が可能な光送信機を提供することが可能となる。本発明の一実施形態の光送信機は、１つのＤＦＢレーザと２つ以上のＳＯＡとを同一電流源で駆動するよう構成されており、相対的に１つのＤＦＢレーザに流れる電流量が減少し且つ２つ以上のＳＯＡに流れる電流量が増大するため、相対的にＤＦＢ長を短く且つＳＯＡ長を長く設計した構成と同等の電流配分が実現される。本発明の一実施形態の光送信機は、ＤＦＢレーザの共振器長やＳＯＡの長さの設計制約に対する製造プロセスの改良を必要とせずに実現可能である。

一般的なＥＡＤＦＢレーザの概略を示す図である。（ａ）は典型的なＥＡＤＦＢレーザのＥＡ変調器印加電圧と光消光特性（吸収特性）の関係を示す図であり、（ｂ）は典型的なＥＡＤＦＢレーザのＥＡ変調器印加電圧とチャープパラメータの関係を示す図である。ＳＯＡを集積したＥＡＤＦＢレーザ（ＡＸＥＬ）の概略を示す図である。ＡＸＥＬの投入電力と光出力との関係をプロットしたグラフである。ＤＦＢレーザの長さとＳＯＡの長さの比率の異なるＡＸＥＬにおける電力変換効率をプロットした結果を示す図である。一実施例の光送信機を示す概略を示す上面図である。一実施例の光送信機を示す概略を示す断面図である。比較例のＡＸＥＬの概略を示す図である。一実施例の光送信機を示す概略を示す上面図である。一実施例の光送信機を示す概略を示す上面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の説明において、同一または類似の符号は同一または類似の要素を示し、繰り返しの説明は省略する。また、以下の説明において、具体的な数値例や材料名等を例示するが、本願発明はこれに限定されるものではなく、一般性を逸脱することなく他の数値や材料でも実施することができる。

本発明の一実施形態は、基板上に作製された１つのＤＦＢレーザと、２つ以上のＥＡ変調器およびＳＯＡと、を備えた光送信機である。一実施形態の光送信機は、１つのＤＦＢレーザからの２つ以上の出力光の各々を、ＥＡ変調器およびＳＯＡによりそれぞれ変調および増幅することで、２つ以上のチャネルの信号光を生成する。

（実施例１）
図６は、本発明の実施例１の光送信機の概略を示す図である。本光送信機（ＡＸＥＬ）６００は、基板１０２上に作製された半導体レーザ素子１１０と、同一基板上に作製された２つのＥＡ変調器１２０および１３０と、同一基板上に作製された２つのＳＯＡ１４０および１５０とを備える。半導体レーザ素子１１０の共振器の両端にはそれぞれ導波路１８０が接続され、その先にそれぞれＥＡ変調器１２０および１３０が配置されている。ＥＡ変調器１２０および１３０の半導体レーザと接する反対側の境界にはそれぞれ、さらに導波路１８０が接続されその先にＳＯＡ１４０および１５０が集積されている。また、半導体レーザ素子１１０と２つのＳＯＡ１４０および１５０は、電極１１８，１４２および１５２が電気配線６０２によってそれぞれ電気的に接続されて、同一端子に結線され同一電流源によって駆動されるように構成されている。半導体レーザ素子１１０からの光出力は共振器の両端から同一の光強度が出射され、両端に接続された導波路１８０を伝搬し、それぞれの導波路の先に集積されたＥＡ変調器１２０，１３０に入射する。２つのＥＡ変調器１２０，１３０においてそれぞれの入射光は強度変調され、２つのチャネルの信号光が生成される。さらにそれぞれのＥＡ変調器１２０，１３０で変調された光信号はその先の導波路１８０に結合し、さらにそれぞれの導波路１８０の先に集積されたＳＯＡ１４０，１５０に入射する。ＳＯＡ１４０，１５０内で光信号は増幅されそれぞれの出射端面に達し、端面から出力される。図６に記載していないが２つの出力光はそれぞれ別の光ファイバにレンズを用いて結合され２本のファイバによって並列に伝送される２チャネルの光リンクを構成する。

図７は、図６の光送信機６００におけるＶＩＩ−ＶＩＩ’断面の構造を示す図である。素子作製にはｎ−ＩｎＰ基板１０２上に、下部閉じ込め（Separated Confinement Heterostructure：ＳＣＨ）層、多重量子井戸層の活性層（ＭＱＷ）１１２および上部ＳＣＨ層を順次成長した初期基板を用いる。初めに、ＤＦＢレーザ１１０となる部分に１．３μｍ帯を発振波長として動作するように調節された回折格子１１４を形成する。ＤＦＢレーザ１１０の中心となる位置に位相シフトを設けることで、多モード発振を防止し、ＤＦＢレーザ１１０の共振器の両側から等しく光出力が得られる設計となっている。次に、ＥＡ変調器１２０，１３０となる部分を選択的にエッチングし、バットジョイント再成長によってＥＡ変調器１２０，１３０のための多重量子井戸構造（ＭＱＷ）１２２，１３２を成長する。さらに、導波路１８０となる部分を選択的にエッチングし、バットジョイント再成長によって導波路１８０を形成する。その後、再成長によってｐ−ＩｎＰクラッド層１０４を形成する。クラッド層１０４の厚さは一般的な半導体レーザで用いられる２．０μｍとした。次に、メサ構造をエッチングによって形成し、再び埋め込み再成長によってメサの両脇にＦｅをドーピングした半絶縁性ＩｎＰ層（不図示）を形成した。最後に基板裏面にｎ側の電極（不図示）、ｐ側の電極（１１８，１２６，１３６，１４２，１５２）および電極を結線する配線を形成した。電極（１１８，１４２，１５２）は配線により結線される。本実施例の半導体の導波路構造は、共振器の垂直方向については、多重量子井戸層の活性層１１２と上下のＳＣＨ層からなるコア層（層厚の合計２００ｎｍ）と、コア層を上下から挟み込むＩｎＰクラッド層１０２，１０４からなる積層構造を持っている。水平方向については、メサ両脇にＩｎＰ層（不図示）が形成された埋め込みヘテロ構造を持っている。また、ストライプ幅は１．５μｍとし、共振器内に形成した回折格子１１４に起因するＤＦＢモードで動作する。また、ＳＯＡ１４０，１５０は、初期成長基板で形成されたコア層構造がそのまま残存し、ＤＦＢレーザ１１０の層構造との違いは回折格子１１４の有無のみである。図７において光が出射する２つの半導体端面には無反射（Anti-Reflection：ＡＲ）膜６０４を成膜した。ＤＦＢレーザ１１０、ＥＡ変調器１２０，１３０、およびＳＯＡ１４０，１５０の長さはそれぞれ３００μｍ、１５０μｍ、および５０μｍである。ＤＦＢレーザ１１０の共振器長は、通常の屈折率結合係数で用いられる１５０μｍ〜４００μｍにあり、また、ＳＯＡの長さは、パターン効果を抑制するための制約以下（１５０μｍ以下）にあり、設計制約に対する製造プロセスの改良を必要としない。

図８は、本実施例の光送信機の優位性を確認するために、同一基板上に作成した従来のＡＸＥＬ８００の概略を示す図である。図８のＡＸＥＬ８００は、ＤＦＢレーザ１１０、ＳＯＡ１４０、およびＥＡ変調器１２０をそれぞれ１つずつ有し、それぞれの長は、図７に示した本実施例の光送信機と前述した素子と同じ、３００μｍ、１５０μｍ、５０μｍである。図８のＡＸＥＬ８００においては、ＳＯＡ１４０がある端面にＡＲ６０４を成膜し、ＤＦＢレーザ１１０のＥＡ変調器１２０と接続されていない端面に高反射（High Refrection：ＨＲ）膜８０２を成膜している。

作製したデバイスの特性評価を実施した。初めに比較用に作製した従来型のＡＸＥＬ８００の静特性評価を行った。前述した通り、ＡＸＥＬ８００においても半導体レーザ１１０とＳＯＡ１４０は同一端子に結線した共通駆動で動作させた。この素子におけるＳＯＡ長Ｌ_Aと半導体レーザ長Ｌ_Bの比率はＬ_A／Ｌ_B＝０．１６７である。ＥＡ変調器１２０の印加電圧を一般的な駆動電圧であるＶｄｃ＝−１．５Ｖとし、半導体レーザ１１０およびＳＯＡ１４０の活性層１１２への注入電流を１２０ｍＡとしたところ、光出力強度が約９ｄＢｍであることが確認された。この際の素子全体の消費電力は２５０ｍＷであった。従って、本素子を用いた２チャネルの光送信機を構成した場合、全体の消費電力は５００ｍＷとなる。また、この２チャネル光送信機の電力変換効率は０．０３２となる。これに対して、本発明の実施例１に係る光送信機（ＡＸＥＬ）６００においても同様の静特性評価を実施した。２つのＥＡ変調器の印加電圧をどちらも従来型のＡＸＥＬと同じ−１．５Ｖとした。ここで活性領域に電流を注入したところ１６０ｍＡ注入時に、それぞれのチャネルにおける光出力が９．０ｄＢｍに達した。この際の素子全体の消費電力は３１５ｍＷとなり、前述した従来型のＡＸＥＬによる２チャネル光送信機に対して大幅に消費電力が抑制されていることが確認された。さらにこのＡＸＥＬ６００の電力変換効率は０．０５０となり、従来ＡＸＥＬ８００と比較し大幅な高効率化が実現された。

続いて、本発明の実施例１に係る光送信機６００の伝送特性評価を実施した。各チャネルのＥＡ変調器１２０，１３０への印加電圧およびスイープ電圧は−１．５Ｖおよび２．０Ｖとし、１０Ｇｂｐｓ、ＮＲＺ、疑似ランダムビットシーケンス（Pseudo-random bit sequence：ＰＲＢＳ）＝２³¹−１の電気信号で変調を行った。ＤＦＢレーザ１１０とＳＯＡ１４０、１５０の活性領域１１２の注入電流は１６０ｍＡである。それぞれの出射端面からの出力光を、レンズを通して別々の光ファイバに接続し、並列２チャネル４０ｋｍの伝送特性評価を実施した。ファイバ結合された変調時光強度はどちらのチャネルも６．３ｄＢｍであった。ビット誤り率測定を実施したところ各チャネルでエラーフリー伝送が確認され、光送信機として十分な特性が確認された。

（実施例２）
図９は、本発明の実施例２の光送信機の概略を示す図である。図９の光送信機（ＡＸＥＬ）９００は、基板１０２上に作製されたＤＦＢレーザ１１０、および同一基板上に作製された４つのＥＡ変調器１２０−１〜４、同一基板上に作製された４つのＳＯＡ１４０−１〜４、半導体レーザ１１０からの出力光を４つのチャネルに分波する多モード干渉型（Multi-Mode Interference：ＭＭＩ）分波素子９０２、およびこれらを連結する導波路１８０から構成される。半導体レーザ１１０の片側の出射端には導波路１８０が接続され、導波路１８０によって導かれた半導体レーザ１１０からの出射光はＭＭＩ分波素子９０２によって４つの導波路１８０に等価に分波される。さらに各導波路はそれぞれ４つのＥＡ変調器１２０−１〜４に連通し、ＥＡ変調器１２０−１〜４によってそれぞれ独立に変調される。それぞれのＥＡ変調器１２０−１〜４からの信号光は導波路１８０を介してＳＯＡ１４０−１〜４に達し、ＳＯＡ１４０−１〜４によって十分な強度にまで増幅されたのち、光送信機９００の劈開端面から外部に出射される。したがって本光送信機９００は同一波長の４チャネル信号光を出射する光送信機である。ＤＦＢレーザ１１０、および４つのＳＯＡ１４０−１〜４は、電極が結線され、１つの電流源から駆動されるように構成されている。図９に記載していないが４つの出力光はそれぞれ別の光ファイバにレンズを用いて結合され４本のファイバによって並列に伝送される。各領域の層構造は前述した実施例１と同一である。素子作製にはｎ−ＩｎＰ基板１０２上に、下部ＳＣＨ（Separated Confinement Heterostructure）層、多重量子井戸層１１２の活性層、上部ＳＣＨ層を順次成長した初期基板を用いる。初めに、半導体レーザ１１０となる部分に１．３μｍ帯を発振波長として動作するように調節された回折格子１１４を形成する。次に、ＥＡ変調器１２０となる部分を選択的にエッチングし、バットジョイント再成長によってＥＡ変調器１２０−１〜４のための多重量子井戸構造１２２を成長する。さらに、導波路１８０および分波ＭＭＩ９０２となる部分を選択的にエッチングし、バットジョイント再成長によって導波路１８０および分波ＭＭＩ９０２の層構造を形成する。ここで、ＳＯＡ１４０となる部分は初期成長基板の層構造、すなわち半導体レーザ素子と同一の層構造が残存している。その後、再成長によってｐ−ＩｎＰクラッド層１０４を形成する。クラッド層の厚さは一般的な半導体レーザで用いられる２．０μｍとした。次に、半導体レーザ１１０、ＳＯＡ１４０、ＥＡ変調器１２０の領域をエッチングによってメサ形状に加工し、埋め込み再成長によってメサの両脇にＦｅをドーピングした半絶縁性ＩｎＰ層を形成した。続いて、導波路１８０および分波ＭＭＩ９０２となる領域をドライエッチングによりハイメサ構造に加工して導波路１８０および分波ＭＭＩ９０２とした。最後にｎ側の電極およびｐ側の電極を各領域に形成した。本実施例の半導体レーザ１１０は、共振器の垂直方向については、多重量子井戸層の活性層１１２と上下のＳＣＨ層からなるコア層（層厚の合計２００ｎｍ）と、コア層を上下から挟み込むＩｎＰクラッド層１０２、１０４からなる積層構造を持っている。水平方向については、メサ両脇にＩｎＰ層が形成された埋め込みヘテロ構造を持っている。ＳＯＡ１４０もまた同一の構造を有する。また、ストライプ幅は１．５μｍとし、ＤＦＢレーザ１１０の共振器内に形成した回折格子１１４に起因するＤＦＢモードで動作する。また、初期成長基板で形成されたコア層構造がそのまま残存し、半導体レーザ１１０の層構造との違いは回折格子１１４の有無のみである。ＳＯＡ１４０からの出射光が出力される端面にはＡＲコート（不図示）を施し、ＤＦＢレーザ１１０が接する端面にはＨＲコート（不図示）を施している。半導体レーザ１１０、ＥＡ変調器１２０、ＳＯＡ１４０の長さはそれぞれ３００μｍ、１５０μｍ、５０μｍである。また、実施例１と同様に、同一基板上に従来のＡＸＥＬを作製し特性の比較を行った。この従来型のＡＸＥＬの構成は、本実施例に係るＡＸＥＬ９００と同一であり、ＥＡ変調器１２０およびＳＯＡ１４０が各１つずつだけ集積されている点が本実施例に係るＡＸＥＬ９００と異なる。

作製したデバイスの特性評価を実施した。初めに比較用に作製した従来型のＡＸＥＬの静特性評価を行った。前述した通り、本従来型ＡＸＥＬにおいても半導体レーザ１１０とＳＯＡ１４０は同一端子に結線し共通駆動で動作させた。ＥＡ変調器の印加電圧を一般的な駆動電圧であるＶｄｃ＝−１．５Ｖとし、半導体レーザおよびＳＯＡ（活性領域）１１２への注入電流を１２０ｍＡとしたところ、光出力強度が約９ｄＢｍであることが確認された。この際の素子全体の消費電力は２５０ｍＷであった。従って、本従来型ＡＸＥＬを用いた４チャネルの光送信機を構成した場合、全体の消費電力は１０００ｍＷとなる。また、この４チャネル光送信機の電力変換効率は０．０３２となる。これに対して、本発明の実施例２に係る光送信機９００においても同様の静特性評価を実施した。従来型ＡＸＥＬと同じくＥＡ変調器１２０の印加電圧をいずれも−１．５Ｖとした。ここで活性領域１１２に電流を注入したところ４００ｍＡ注入時に、それぞれのチャネルにおける光出力が９．０ｄＢｍに達した。この際の光送信機９００全体の消費電力は５５０ｍＷとなり、前述した従来型ＡＸＥＬによる４チャネル光送信機に対して大幅に消費電力が抑制されていることが確認された。さらに本光送信機９００の電力変換効率は０．５１となり、従来型ＡＸＥＬと比較し大幅な高効率化が実現された。

続いて、本発明の実施例２に係る光送信機９００の伝送特性評価を実施した。各チャネルのＥＡ変調器１２０への印加電圧およびスイープ電圧は−１．５Ｖおよび２．０Ｖとし、１０Ｇｂｉｔ／ｓ、ＮＲＺ、ＰＲＢＳ＝２³¹−１の電気信号で変調を行った。ＤＦＢレーザ１１０およびＳＯＡ１４０−１〜４の活性領域１１２の注入電流は４００ｍＡである。それぞれの出射端面からの出力光を、レンズを通して別々の光ファイバに接続し、並列４チャネル４０ｋｍの伝送特性評価を実施した。ファイバ結合された変調時光強度はいずれのチャネルも６．３ｄＢｍであった。ビット誤り率測定を実施したところ各チャネルでエラーフリー伝送が確認され、光送信機として十分な特性が確認された。

図１０は、実施例２の変形形態に係る光送信機の概略を示す図である。図１０の光送信機（ＡＸＥＬ）１０００は、基板１０２上に作製されたＤＦＢレーザ１１０、および同一基板上に作製された８つのＥＡ変調器１２０−１〜４、１２０−５〜８、同一基板上に作製された８つのＳＯＡ１４０−１〜４、１４０−５〜８、半導体レーザ１１０からの出力光を４つのチャネルに分波する多モード干渉型（Multi-Mode Interference：ＭＭＩ）分波素子９０２、９０４、およびこれらを連結する導波路１８０から構成される。本光送信機１０００は、半導体レーザ素子１１０の共振器の両端にはそれぞれ導波路１８０が接続され、その先にそれぞれＭＭＩ分波素子９０２（９０４）、ＥＡ変調器１２０、ＳＯＡ１４０が配置されて、４チャネルの光送信機を構成している。ＤＦＢレーザ１１０、および８つのＳＯＡ１４０−１〜８は、電極が結線され、１つの電流源から駆動されるように構成されている。光送信機１０００もまた、光送信機６００と同様の効果を得ることができる。

１００ＥＡＤＦＢレーザ
１０２基板
１０４クラッド層
１１０ＤＦＢレーザ
１１２活性層
１１４回折格子
１１６駆動電流源
１１８電極
１２０，１３０ＥＡ変調器
１２２光吸収層
１２４駆動電圧源
１２６，１３６電極
１４０，１５０ＳＯＡ
１４２，１５２電極
１８０導波路
３００ＡＸＥＬ
３１６駆動電流源
６００，９００，１０００光送信機
６０２電気配線
６０４ＡＲ膜
８００ＡＸＥＬ
８０２ＨＲ膜
９０２，９０４ＭＭＩ分波素子

Claims

１つのＤＦＢレーザと、Ｎ個のＥＡ変調器と、Ｎ個のＳＯＡとが同一基板上にモノリシック集積された光送信機であり、前記Ｎが２以上の整数であり、前記ＤＦＢレーザからのＮ個の出力光の各々を、前記Ｎ個のＥＡ変調器のうちの１つにより変調した後に前記Ｎ個のＳＯＡのうちの１つにより増幅して出力する光送信機であって、
前記ＤＦＢレーザ及び前記Ｎ個のＳＯＡは、同一の制御端子から、前記ＤＦＢレーザと前記Ｎ個のＳＯＡの活性層との体積比に応じた電流が注入されるように構成されたことを特徴とする光送信機。
前記ＤＦＢレーザは、共振器の両端から光出力を出力することを特徴とする請求項１に記載の光送信機。
前記ＤＦＢレーザと前記ＥＡ変調器との間に分波器をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の光送信機。
１つＤＦＢレーザと、
前記ＤＦＢレーザの共振器の両端にそれぞれ接続された２個のＥＡ変調器と、
前記２個のＥＡ変調器の出力にそれぞれ接続された２個のＳＯＡと
が同一基板上にモノリシック集積された光送信機であり、前記ＤＦＢレーザからの光出力の各々を、１つのＥＡ変調器により変調した後に１つのＳＯＡにより増幅して出力する光送信機であって、
前記ＤＦＢレーザおよび前記２個のＳＯＡは、同一の制御端子から、前記ＤＦＢレーザと前記２個のＳＯＡの活性層の体積比に応じた電流が注入されるように構成されたことを特徴とする光送信機。
１つＤＦＢレーザと、
前記ＤＦＢレーザの共振器の一端に接続された分波器と、
前記分波器のＮ個の出力にそれぞれ接続されたＮ個のＥＡ変調器と、
前記Ｎ個のＥＡ変調器の出力にそれぞれ接続されたＮ個のＳＯＡと
が同一基板上にモノリシック集積された光送信機であり、前記Ｎが２以上の整数であり、前記分波器によりＮ個に分波された光出力の各々を、１つのＥＡ変調器により変調した後に１つのＳＯＡにより増幅して出力する光送信機であって、
前記ＤＦＢレーザおよび前記Ｎ個のＳＯＡは、同一の制御端子から、前記ＤＦＢレーザと前記Ｎ個のＳＯＡの活性層の体積比に応じた電流が注入されるように構成されたことを特徴とする光送信機。
１つＤＦＢレーザと、
前記ＤＦＢレーザの共振器の両端に接続された２つ分波器であり、各々がＮ個の出力を有する、２つの分波器と、
前記２つの分波器の２Ｎ個の出力にそれぞれ接続された２Ｎ個のＥＡ変調器と、
前記２Ｎ個のＥＡ変調器の出力にそれぞれ接続された２Ｎ個のＳＯＡと
が同一基板上にモノリシック集積された光送信機であり、前記Ｎが２以上の整数であり、前記２つの分波器により２Ｎ個に分波された光出力の各々を、１つのＥＡ変調器により変調した後に１つのＳＯＡにより増幅して出力する光送信機であって、
前記ＤＦＢレーザおよび前記２Ｎ個のＳＯＡは、同一の制御端子から、前記ＤＦＢレーザと前記２Ｎ個のＳＯＡの活性層の体積比に応じた電流が注入されるように構成されたことを特徴とする光送信機。
前記ＳＯＡの光導波方向についての長さは、１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光送信機。
前記ＤＦＢレーザの光導波方向についての長さは、１５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光送信機。