JP3257260B2 - 波長多重発光装置および波長多重伝送システム - Google Patents
波長多重発光装置および波長多重伝送システムInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、波長多重によって伝送
容量を増大し、あるいはマルチアクセスを可能にする光
ファイバ通信および光インターコネクションに適用され
る波長多重発光装置および波長多重伝送システムに関す
るものである。
容量を増大し、あるいはマルチアクセスを可能にする光
ファイバ通信および光インターコネクションに適用され
る波長多重発光装置および波長多重伝送システムに関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバ通信において、波長多重を用
いることで双方向伝送を可能にしたり、伝送容量の増大
を図ることは広く知られた技術である。さらに、最近で
は波長間隔を高密度にした多重化による波長分割マルチ
アクセス技術が開発されつつある。これは例えば C.A.
Brackett "Dense wavelength division multiplexing n
etworks: principles and applications," アイイーイ
ーイー・ジャーナル・オン・セレクティッド・エリアズ
・イン・コミュニケーションズ (IEEE Journal on Sele
cted Areas in Communications) ８巻、９４８頁（１９
９０年）に述べられているが、波長多重によってネット
ワークに接続された任意の端末間の同時通信を実現する
ものである。図６(Ａ)に示す波長ルーティングネットワ
ークでは送信側に波長可変レーザ６０１を用い、信号光
の波長によって接続経路が切り替るように波長選択素子
６０２が配置される。そして、入力ポート６０３の位置
と信号光の波長によって出力ポート６０４が決定され
る。従って、レーザの波長を変化させることで、入力側
で出力先のアドレスを決定できる。一方、図６(Ｂ)の放
送−選択ネットワークでは、送信側はそれぞれ異なる発
振波長を有する固定波長レーザ６０５である。そして、
放送型のスターネットワーク６０６で信号光を分配し、
波長選択受信器６０７で必要な信号のみを受信する。
いることで双方向伝送を可能にしたり、伝送容量の増大
を図ることは広く知られた技術である。さらに、最近で
は波長間隔を高密度にした多重化による波長分割マルチ
アクセス技術が開発されつつある。これは例えば C.A.
Brackett "Dense wavelength division multiplexing n
etworks: principles and applications," アイイーイ
ーイー・ジャーナル・オン・セレクティッド・エリアズ
・イン・コミュニケーションズ (IEEE Journal on Sele
cted Areas in Communications) ８巻、９４８頁（１９
９０年）に述べられているが、波長多重によってネット
ワークに接続された任意の端末間の同時通信を実現する
ものである。図６(Ａ)に示す波長ルーティングネットワ
ークでは送信側に波長可変レーザ６０１を用い、信号光
の波長によって接続経路が切り替るように波長選択素子
６０２が配置される。そして、入力ポート６０３の位置
と信号光の波長によって出力ポート６０４が決定され
る。従って、レーザの波長を変化させることで、入力側
で出力先のアドレスを決定できる。一方、図６(Ｂ)の放
送−選択ネットワークでは、送信側はそれぞれ異なる発
振波長を有する固定波長レーザ６０５である。そして、
放送型のスターネットワーク６０６で信号光を分配し、
波長選択受信器６０７で必要な信号のみを受信する。
【０００３】上記の放送−選択ネットワークは送信側が
発振波長固定のレーザであることから、実験システムを
構築することは比較的容易である。しかし、波長ルーテ
ィングネットワークでは波長可変レーザが必要とされ、
その性能上の限界から実験システムの構築すら容易では
ない。そこで、光源として波長可変レーザを用いるので
はなく、異なる波長で発振するレーザを集積した多波長
面発光レーザアレイを光源とするという提案もなされて
いる。これは例えば A.E. Willner他 "2-D WDMoptical
interconnections using multiple-wavelength VCSEL's
for simultaneous and reconfigurable communication
among many planes," アイイーイーイー・フォトニク
ス・テクノロジ・レターズ (IEEE Photonics Technolog
y Letters) ５巻、８３８頁（１９９３年）に述べられ
ている。ここで用いられる多波長レーザアレイは、Chan
g-Hasnain 米国特許 5,029,176（1991年７月２日登録）
に示されており、アレイ中に含まれる面発光レーザの発
振波長がそれぞれ異なるというものである。面発光レー
ザの発振波長は垂直共振器の共振波長によって決まり、
共振波長は共振器長によって決まるので、面発光レーザ
を構成する各層の層厚を面内方向に傾斜させることでに
よって発振波長の異なるレーザを同時に形成することが
できる。
発振波長固定のレーザであることから、実験システムを
構築することは比較的容易である。しかし、波長ルーテ
ィングネットワークでは波長可変レーザが必要とされ、
その性能上の限界から実験システムの構築すら容易では
ない。そこで、光源として波長可変レーザを用いるので
はなく、異なる波長で発振するレーザを集積した多波長
面発光レーザアレイを光源とするという提案もなされて
いる。これは例えば A.E. Willner他 "2-D WDMoptical
interconnections using multiple-wavelength VCSEL's
for simultaneous and reconfigurable communication
among many planes," アイイーイーイー・フォトニク
ス・テクノロジ・レターズ (IEEE Photonics Technolog
y Letters) ５巻、８３８頁（１９９３年）に述べられ
ている。ここで用いられる多波長レーザアレイは、Chan
g-Hasnain 米国特許 5,029,176（1991年７月２日登録）
に示されており、アレイ中に含まれる面発光レーザの発
振波長がそれぞれ異なるというものである。面発光レー
ザの発振波長は垂直共振器の共振波長によって決まり、
共振波長は共振器長によって決まるので、面発光レーザ
を構成する各層の層厚を面内方向に傾斜させることでに
よって発振波長の異なるレーザを同時に形成することが
できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の波長多重ネ
ットワークには、絶対波長の制御という課題がある。す
なわち、波長０．８μｍ、１．３μｍ、１．５５μｍの
３波を多重するようなシステムでは波長の識別は容易で
あるが、例えば１．２５μｍから１．３５μｍの間で１
００波を多重するシステムを考えると波長間隔は１ｎｍ
となり、この精度で送信側の発振波長および受信側の選
択波長を制御する必要がある。これは、波長ルーティン
グネットワークおよび放送−選択ネットワークに共通の
課題である。レーザの発振波長が固定でよい放送−選択
ネットワークであっても、絶対波長をｎｍ以下の精度で
安定化することは容易ではない。さらに、端末ごとに１
ｎｍ間隔の異なった波長で発振するレーザが必要とされ
るが、これも現状の技術では多数のレーザの中から発振
波長が適当なものを選別するしか方法がない。これが、
「実験」システムを構築することは比較的容易であると
述べた理由であり、現状の技術では実用的なシステムを
構築するのは困難である。
ットワークには、絶対波長の制御という課題がある。す
なわち、波長０．８μｍ、１．３μｍ、１．５５μｍの
３波を多重するようなシステムでは波長の識別は容易で
あるが、例えば１．２５μｍから１．３５μｍの間で１
００波を多重するシステムを考えると波長間隔は１ｎｍ
となり、この精度で送信側の発振波長および受信側の選
択波長を制御する必要がある。これは、波長ルーティン
グネットワークおよび放送−選択ネットワークに共通の
課題である。レーザの発振波長が固定でよい放送−選択
ネットワークであっても、絶対波長をｎｍ以下の精度で
安定化することは容易ではない。さらに、端末ごとに１
ｎｍ間隔の異なった波長で発振するレーザが必要とされ
るが、これも現状の技術では多数のレーザの中から発振
波長が適当なものを選別するしか方法がない。これが、
「実験」システムを構築することは比較的容易であると
述べた理由であり、現状の技術では実用的なシステムを
構築するのは困難である。
【０００５】一方、波長ルーティングネットワークで
は、波長可変レーザを用いるので絶対波長によってレー
ザを選別する必要はない。しかし、発振波長を所望の絶
対波長に設定することはやはり困難である。これは、波
長可変レーザの代りに多波長面発光レーザアレイを用い
たとしても同じである。アレイ中の面発光レーザの相対
波長間隔は保持されるが、絶対波長は周囲温度や動作電
流によって変化する。発振波長の絶対値が波長間隔以上
シフトすると、波長ルーティングが正しく行われなくな
り、信号光が送信したい相手先の端末で受信されないこ
とになる。また、受信側で波長選択するシステムにおい
ては、以上述べてきたことが受信側の選択波長の精度に
そのまま当てはまることになる。光学測定用の分光器を
用いれば、ｎｍオーダーの絶対波長を分離することは可
能であるが、機械的に安定でコンパクトなシステムを構
成することはできない。
は、波長可変レーザを用いるので絶対波長によってレー
ザを選別する必要はない。しかし、発振波長を所望の絶
対波長に設定することはやはり困難である。これは、波
長可変レーザの代りに多波長面発光レーザアレイを用い
たとしても同じである。アレイ中の面発光レーザの相対
波長間隔は保持されるが、絶対波長は周囲温度や動作電
流によって変化する。発振波長の絶対値が波長間隔以上
シフトすると、波長ルーティングが正しく行われなくな
り、信号光が送信したい相手先の端末で受信されないこ
とになる。また、受信側で波長選択するシステムにおい
ては、以上述べてきたことが受信側の選択波長の精度に
そのまま当てはまることになる。光学測定用の分光器を
用いれば、ｎｍオーダーの絶対波長を分離することは可
能であるが、機械的に安定でコンパクトなシステムを構
成することはできない。
【０００６】そこで、本発明では、送信側と受信側の波
長を一致させる波長多重発光装置および波長多重伝送シ
ステムを提供することを目的とする。
長を一致させる波長多重発光装置および波長多重伝送シ
ステムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の構成で
は、異なる発光波長を有する複数の発光素子を集積した
発光素子アレイと、前記発光素子アレイに含まれる複数
の発光素子の発光波長間隔を一定に保持したままで発光
波長を可変とする波長可変手段と、前記発光素子アレイ
に含まれる特定の発光素子の発振波長と外部から供給さ
れる基準光の波長との差分を検出する波長比較器と、前
記差分が一定値となるように前記波長可変手段を制御す
る駆動回路とを有し、前記発光素子アレイに含まれる前
記特定の発光素子以外の発光素子からの出力光を信号光
として出力する波長多重発光装置を構成する。ここで用
いる発光素子アレイは、半導体基板と、前記半導体基板
上に形成された下部反射器と、前記下部反射器上に島状
に形成された複数の共振器と、前記共振器上に形成され
た上部反射器とを有し、前記下部反射器、前記共振器お
よび前記上部反射器によって複数の面発光レーザが構成
され、前記共振器の層厚および前記共振器に含まれる活
性層の組成が前記半導体基板の面内方向に傾斜している
構成とする。
は、異なる発光波長を有する複数の発光素子を集積した
発光素子アレイと、前記発光素子アレイに含まれる複数
の発光素子の発光波長間隔を一定に保持したままで発光
波長を可変とする波長可変手段と、前記発光素子アレイ
に含まれる特定の発光素子の発振波長と外部から供給さ
れる基準光の波長との差分を検出する波長比較器と、前
記差分が一定値となるように前記波長可変手段を制御す
る駆動回路とを有し、前記発光素子アレイに含まれる前
記特定の発光素子以外の発光素子からの出力光を信号光
として出力する波長多重発光装置を構成する。ここで用
いる発光素子アレイは、半導体基板と、前記半導体基板
上に形成された下部反射器と、前記下部反射器上に島状
に形成された複数の共振器と、前記共振器上に形成され
た上部反射器とを有し、前記下部反射器、前記共振器お
よび前記上部反射器によって複数の面発光レーザが構成
され、前記共振器の層厚および前記共振器に含まれる活
性層の組成が前記半導体基板の面内方向に傾斜している
構成とする。
【０００８】本発明に係る波長多重伝送システムは、発
光素子と校正用の発光素子とを集積した発光素子アレイ
と、前記発光素子アレイに含まれる発光素子の発光波長
を可変とする第１の波長可変手段と、前記校正用の発光
素子の発光波長と外部から供給される基準光の波長との
差分を検出する波長比較器と、前記差分が一定値となる
ように前記第１の波長可変手段を制御する第１の駆動回
路と有する波長多重発光装置、および受光素子と校正用
の受光素子とを集積した発光素子アレイと、前記受光素
子アレイに含まれる受光素子の選択波長を可変とする第
２の波長可変手段と、前記校正用の受光素子において前
記基準光の受光量が大きくなるように前記第２の波長可
変手段を制御する第２の駆動回路とを有する波長多重受
光装置とを備え、前記発光素子アレイに含まれる前記校
正用の発光素子以外の発光素子からの出力光を信号光と
して送信するとともに、前記信号光を前記受光素子アレ
イに含まれる前記校正用の受光素子以外の受光素子によ
って受信するものである。
光素子と校正用の発光素子とを集積した発光素子アレイ
と、前記発光素子アレイに含まれる発光素子の発光波長
を可変とする第１の波長可変手段と、前記校正用の発光
素子の発光波長と外部から供給される基準光の波長との
差分を検出する波長比較器と、前記差分が一定値となる
ように前記第１の波長可変手段を制御する第１の駆動回
路と有する波長多重発光装置、および受光素子と校正用
の受光素子とを集積した発光素子アレイと、前記受光素
子アレイに含まれる受光素子の選択波長を可変とする第
２の波長可変手段と、前記校正用の受光素子において前
記基準光の受光量が大きくなるように前記第２の波長可
変手段を制御する第２の駆動回路とを有する波長多重受
光装置とを備え、前記発光素子アレイに含まれる前記校
正用の発光素子以外の発光素子からの出力光を信号光と
して送信するとともに、前記信号光を前記受光素子アレ
イに含まれる前記校正用の受光素子以外の受光素子によ
って受信するものである。
【０００９】
【００１０】
【作用】本発明の波長多重伝送システムでは、送信側と
受信側で絶対波長制御を行うのことで両者の波長を一致
させるのではなく、基準光の波長に対する相対波長を制
御することで、送信側と受信側の波長を一致させる。こ
こで、基準光はシステム全体に分配されるようにする
が、本発明で想定しているシステムはローカルエリアネ
ットワーク（ＬＡＮ）からチップ間光インターコネクシ
ョンの範囲であり、基準光を分配することはさほど困難
ではない。例えば、ＬＡＮの場合には２心のファイバを
敷設して、１本を基準光の分配用に他の１本を波長多重
された信号の伝送用に用いれば良い。この際、基準光を
変調してシステム制御信号を送ることも可能である。
受信側で絶対波長制御を行うのことで両者の波長を一致
させるのではなく、基準光の波長に対する相対波長を制
御することで、送信側と受信側の波長を一致させる。こ
こで、基準光はシステム全体に分配されるようにする
が、本発明で想定しているシステムはローカルエリアネ
ットワーク（ＬＡＮ）からチップ間光インターコネクシ
ョンの範囲であり、基準光を分配することはさほど困難
ではない。例えば、ＬＡＮの場合には２心のファイバを
敷設して、１本を基準光の分配用に他の１本を波長多重
された信号の伝送用に用いれば良い。この際、基準光を
変調してシステム制御信号を送ることも可能である。
【００１１】本発明の第１の構成では、異なる発光波長
を有する複数の発光素子を集積した発光素子アレイ、例
えば多波長面発光レーザアレイを光源として用いる。ア
レイ中の面発光レーザの発振波長は、温度あるいは動作
電流によって変化するが、アレイ全体の温度が変化した
場合を考えると絶対波長の変化に比べて発振波長間隔の
変化ははるかに小さい。例えば、１．３００μｍで発振
するレーザと１．３０１μｍで発振するレーザがあり、
前者の発振波長が温度変化によって１．３０５μｍに変
化したときには後者の発振波長は１．３０６００４μｍ
になる。すなわち、波長間隔は１ｎｍから１．００４ｎ
ｍに変化するだけである。従って、多波長面発光レーザ
アレイに含まれる特定の面発光レーザの発振波長と外部
から供給される基準光の波長との差分を波長比較器によ
って検出し、この差分が一定値（０でも有限値でもよ
い）となるようにアレイ全体の波長を制御すれば、基準
光との相対波長が厳密に制御された多波長光源が得られ
る。
を有する複数の発光素子を集積した発光素子アレイ、例
えば多波長面発光レーザアレイを光源として用いる。ア
レイ中の面発光レーザの発振波長は、温度あるいは動作
電流によって変化するが、アレイ全体の温度が変化した
場合を考えると絶対波長の変化に比べて発振波長間隔の
変化ははるかに小さい。例えば、１．３００μｍで発振
するレーザと１．３０１μｍで発振するレーザがあり、
前者の発振波長が温度変化によって１．３０５μｍに変
化したときには後者の発振波長は１．３０６００４μｍ
になる。すなわち、波長間隔は１ｎｍから１．００４ｎ
ｍに変化するだけである。従って、多波長面発光レーザ
アレイに含まれる特定の面発光レーザの発振波長と外部
から供給される基準光の波長との差分を波長比較器によ
って検出し、この差分が一定値（０でも有限値でもよ
い）となるようにアレイ全体の波長を制御すれば、基準
光との相対波長が厳密に制御された多波長光源が得られ
る。
【００１２】上記構成において、多波長面発光レーザア
レイは半導体基板上に順次形成された下部反射器、活性
層を含む共振器、および上部反射器によって構成され、
共振器の層厚が前記半導体基板の面内方向に傾斜してい
るという従来の構成であってもよい。しかし、従来の多
波長面発光レーザアレイでは、共振波長のみを変化させ
ており、ゲインピークの位置はどの面発光レーザに対し
ても同じである。このため、波長を変化させられる範囲
はゲインピークの半値幅程度（数十ｎｍ）に制限され
る。この範囲を拡大するためには、共振器の層厚だけで
はなく活性層の組成も変化させればよい。例えば、活性
層がＩｎxＧａ1-xＡｓである場合には、アレイ中で層厚
が厚くなり共振波長が長波長になるに従ってＩｎ組成ｘ
を大きくしていく。これによって、ゲインピークも長波
長側にシフトするので、広い波長範囲にわたる多波長面
発光レーザアレイが構成される。
レイは半導体基板上に順次形成された下部反射器、活性
層を含む共振器、および上部反射器によって構成され、
共振器の層厚が前記半導体基板の面内方向に傾斜してい
るという従来の構成であってもよい。しかし、従来の多
波長面発光レーザアレイでは、共振波長のみを変化させ
ており、ゲインピークの位置はどの面発光レーザに対し
ても同じである。このため、波長を変化させられる範囲
はゲインピークの半値幅程度（数十ｎｍ）に制限され
る。この範囲を拡大するためには、共振器の層厚だけで
はなく活性層の組成も変化させればよい。例えば、活性
層がＩｎxＧａ1-xＡｓである場合には、アレイ中で層厚
が厚くなり共振波長が長波長になるに従ってＩｎ組成ｘ
を大きくしていく。これによって、ゲインピークも長波
長側にシフトするので、広い波長範囲にわたる多波長面
発光レーザアレイが構成される。
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【実施例】図１は本発明の一実施例の波長多重伝送シス
テムにおける波長多重発光装置の構成図である。発光素
子アレイ１０１には異なる発振波長を有する複数の発光
素子１０２が形成されている。発光素子アレイ１０１は
配線基板１０３上にフリップチップボンディングされて
おり、配線基板１０３は温度制御素子１０４上に搭載さ
れている。発光素子１０２からの出射光ビーム１０５は
発光素子アレイ１０１裏面から取出され、分岐ファイバ
１０６に入射する。分岐ファイバ１０６は合波部１０７
で一本化され、信号光ファイバ１０８に導入される。こ
の信号光ファイバ１０８は基準光ファイバ１０９と２心
ファイバを構成している。基準光ファイバ１０９の出射
端は波長比較器１１０に結合されている。一方、発光素
子アレイ１０１には較正用発光素子１１１が含まれてお
り、較正用発光素子１１１からの出射光ビーム１０５は
ファイバ１１２を介して波長比較器１１０に入射され
る。本発明の波長多重発光装置では、送信側と受信側で
絶対波長制御を行うのことで両者の波長を一致させるの
ではなく、基準光の波長に対する相対波長を制御するこ
とで、送信側と受信側の波長を一致させる。本実施例で
は、２心のファイバの１本を基準光の分配用に他の１本
を波長多重された信号の伝送用に用いている。
テムにおける波長多重発光装置の構成図である。発光素
子アレイ１０１には異なる発振波長を有する複数の発光
素子１０２が形成されている。発光素子アレイ１０１は
配線基板１０３上にフリップチップボンディングされて
おり、配線基板１０３は温度制御素子１０４上に搭載さ
れている。発光素子１０２からの出射光ビーム１０５は
発光素子アレイ１０１裏面から取出され、分岐ファイバ
１０６に入射する。分岐ファイバ１０６は合波部１０７
で一本化され、信号光ファイバ１０８に導入される。こ
の信号光ファイバ１０８は基準光ファイバ１０９と２心
ファイバを構成している。基準光ファイバ１０９の出射
端は波長比較器１１０に結合されている。一方、発光素
子アレイ１０１には較正用発光素子１１１が含まれてお
り、較正用発光素子１１１からの出射光ビーム１０５は
ファイバ１１２を介して波長比較器１１０に入射され
る。本発明の波長多重発光装置では、送信側と受信側で
絶対波長制御を行うのことで両者の波長を一致させるの
ではなく、基準光の波長に対する相対波長を制御するこ
とで、送信側と受信側の波長を一致させる。本実施例で
は、２心のファイバの１本を基準光の分配用に他の１本
を波長多重された信号の伝送用に用いている。
【００１６】波長比較器１１０は、基準光ファイバ１０
９を伝搬してくる基準光の波長と較正用発光素子１１１
から出射される較正光の波長を比較して、その差分に比
例する電気信号を駆動回路１１３に出力する。波長比較
器１１０は、例えば基準光と較正光を合波する合波器、
受光素子、増幅回路および周波数弁別回路によって構成
されている。駆動回路１１３は波長比較器からの入力信
号に応じて温度制御素子１０４の駆動電流を変化させ
る。これによって発光素子アレイ１０１の温度が変化
し、較正用発光素子１１１の発振波長が変化する。この
フィードバックループによって、較正用発光素子１１１
の発振波長と基準光の波長の間隔を厳密に制御すること
ができる。一方、発光素子アレイ１０１中の発光素子１
０２の発振波長間隔の変化は、絶対波長の変化に比べて
小さい。例えば、１．３００μｍで発振するレーザと
１．３０１μｍで発振するレーザがあり、前者の発振波
長が温度変化によって１．３０５μｍに変化したときに
は後者の発振波長は１．３０６００４μｍになる。すな
わち、波長間隔は１ｎｍから１．００４ｎｍに変化する
だけである。従って、較正用発光素子１１１の発振波長
と基準光の波長の間隔を厳密に制御すれば、他の発光素
子１０２の発振波長と基準光の相対波長も厳密に制御さ
れることになる。
９を伝搬してくる基準光の波長と較正用発光素子１１１
から出射される較正光の波長を比較して、その差分に比
例する電気信号を駆動回路１１３に出力する。波長比較
器１１０は、例えば基準光と較正光を合波する合波器、
受光素子、増幅回路および周波数弁別回路によって構成
されている。駆動回路１１３は波長比較器からの入力信
号に応じて温度制御素子１０４の駆動電流を変化させ
る。これによって発光素子アレイ１０１の温度が変化
し、較正用発光素子１１１の発振波長が変化する。この
フィードバックループによって、較正用発光素子１１１
の発振波長と基準光の波長の間隔を厳密に制御すること
ができる。一方、発光素子アレイ１０１中の発光素子１
０２の発振波長間隔の変化は、絶対波長の変化に比べて
小さい。例えば、１．３００μｍで発振するレーザと
１．３０１μｍで発振するレーザがあり、前者の発振波
長が温度変化によって１．３０５μｍに変化したときに
は後者の発振波長は１．３０６００４μｍになる。すな
わち、波長間隔は１ｎｍから１．００４ｎｍに変化する
だけである。従って、較正用発光素子１１１の発振波長
と基準光の波長の間隔を厳密に制御すれば、他の発光素
子１０２の発振波長と基準光の相対波長も厳密に制御さ
れることになる。
【００１７】本実施例で用いられる発光素子アレイの断
面図を図２に示す。半導体基板２０１上に下部反射器２
０２、制御層２０３、電流供給層２０４が積層されてお
り、さらにその上に島状の下部スペーサ層２０５、活性
層２０６、上部スペーサ層２０７および上部反射器２０
８が積層されている。各島状の部分が発光素子２０９と
なる。ここで、制御層２０３および電流供給層２０４は
本発光素子アレイに必須のものではないので、まずこれ
らの層がない場合について説明する。この場合、下部ス
ペーサ層２０５、活性層２０６、上部スペーサ層２０７
によって共振器が構成されるが、共振器の層厚は半導体
基板２０１の面内方向に傾斜している。さらに、活性層
２０６の組成も半導体基板２０１の面内方向に傾斜して
いる。例えば、活性層がＩｎxＧａ1-xＡｓである場合に
は、アレイ中で層厚が厚くなり共振波長が長波長になる
に従ってＩｎ組成ｘを大きくしていく。これによって、
ゲインピークも長波長側にシフトするので、広い波長範
囲にわたる多波長発光素子アレイが構成される。
面図を図２に示す。半導体基板２０１上に下部反射器２
０２、制御層２０３、電流供給層２０４が積層されてお
り、さらにその上に島状の下部スペーサ層２０５、活性
層２０６、上部スペーサ層２０７および上部反射器２０
８が積層されている。各島状の部分が発光素子２０９と
なる。ここで、制御層２０３および電流供給層２０４は
本発光素子アレイに必須のものではないので、まずこれ
らの層がない場合について説明する。この場合、下部ス
ペーサ層２０５、活性層２０６、上部スペーサ層２０７
によって共振器が構成されるが、共振器の層厚は半導体
基板２０１の面内方向に傾斜している。さらに、活性層
２０６の組成も半導体基板２０１の面内方向に傾斜して
いる。例えば、活性層がＩｎxＧａ1-xＡｓである場合に
は、アレイ中で層厚が厚くなり共振波長が長波長になる
に従ってＩｎ組成ｘを大きくしていく。これによって、
ゲインピークも長波長側にシフトするので、広い波長範
囲にわたる多波長発光素子アレイが構成される。
【００１８】次に、制御層２０３および電流供給層２０
４を含む場合について説明する。この場合は、制御層２
０３、電流供給層２０４、下部スペーサ層２０５、活性
層２０６、上部スペーサ層２０７によって共振器が構成
される。各発光素子２０９を駆動する電流は、上部電極
２１０と中間電極２１１の間で流されるのに対し、中間
電極２１１と下部電極２１２の間には電圧が印加され
る。制御層２０３は例えば多重量子井戸構造を有してお
り、量子閉込めシュタルク効果によって印加電圧に応じ
て屈折率が変化する。この結果、全発光素子２０９の共
振器長が印加電圧に応じて一斉に変化することになり、
発光素子２０９の発振波長間隔を一定に保持したままで
絶対波長を変化させることが可能となる。すなわち、制
御層２０３および電流供給層２０４を含む構成では、図
１に示した温度制御素子１０４は不要となり、駆動回路
１１３の出力よって中間電極２１１と下部電極２１２の
間の印加電圧を制御することになる。
４を含む場合について説明する。この場合は、制御層２
０３、電流供給層２０４、下部スペーサ層２０５、活性
層２０６、上部スペーサ層２０７によって共振器が構成
される。各発光素子２０９を駆動する電流は、上部電極
２１０と中間電極２１１の間で流されるのに対し、中間
電極２１１と下部電極２１２の間には電圧が印加され
る。制御層２０３は例えば多重量子井戸構造を有してお
り、量子閉込めシュタルク効果によって印加電圧に応じ
て屈折率が変化する。この結果、全発光素子２０９の共
振器長が印加電圧に応じて一斉に変化することになり、
発光素子２０９の発振波長間隔を一定に保持したままで
絶対波長を変化させることが可能となる。すなわち、制
御層２０３および電流供給層２０４を含む構成では、図
１に示した温度制御素子１０４は不要となり、駆動回路
１１３の出力よって中間電極２１１と下部電極２１２の
間の印加電圧を制御することになる。
【００１９】図３は本発明の一実施例の波長多重伝送シ
ステムにおける波長多重受光装置の構成図である。受光
素子アレイ３０１には垂直共振器フィルタ３０２と複数
の受光素子３０３が形成されている。受光素子アレイ３
０１は配線基板３０４上にフリップチップボンディング
されており、配線基板３０４は温度制御素子３０５上に
搭載されている。信号光ファイバ３０６からの入射光ビ
ーム３０７は受光素子アレイ３０１の裏面に入射し、垂
直共振器フィルタ３０２を透過する波長を有する光のみ
が受光素子３０３に入射する。ここで反射された光は受
光素子アレイ３０１の裏面に形成された反射膜３０８で
反射され、再度垂直共振器フィルタ３０２に入射する。
ここで、垂直共振器フィルタ３０２の共振波長は受光素
子３０３ごとに異なっており、順次波長の異なる光が受
光されていく。
ステムにおける波長多重受光装置の構成図である。受光
素子アレイ３０１には垂直共振器フィルタ３０２と複数
の受光素子３０３が形成されている。受光素子アレイ３
０１は配線基板３０４上にフリップチップボンディング
されており、配線基板３０４は温度制御素子３０５上に
搭載されている。信号光ファイバ３０６からの入射光ビ
ーム３０７は受光素子アレイ３０１の裏面に入射し、垂
直共振器フィルタ３０２を透過する波長を有する光のみ
が受光素子３０３に入射する。ここで反射された光は受
光素子アレイ３０１の裏面に形成された反射膜３０８で
反射され、再度垂直共振器フィルタ３０２に入射する。
ここで、垂直共振器フィルタ３０２の共振波長は受光素
子３０３ごとに異なっており、順次波長の異なる光が受
光されていく。
【００２０】一方、信号光ファイバ３０６と２心ファイ
バを構成する基準光ファイバ３０９からの入射光ビーム
３０７は受光素子アレイ３０１に含まれる較正用受光素
子３１０に入射される。このとき較正用受光素子３１０
の受光パワーは垂直共振器フィルタ３０２の共振波長と
基準光ファイバ３０９を伝搬してくる基準光の波長に差
に依存し、両者が一致したときに最大となる。較正用受
光素子３１０の出力は駆動回路３１１入力され、温度制
御素子３０５の駆動電流を変化させる。これによって受
光素子アレイ３０１の温度が変化し、垂直共振器フィル
タ３０２の共振波長が変化する。このフィードバックル
ープによって、較正用受光素子３１０の選択波長と基準
光の波長の間隔を厳密に制御することができる。発光素
子アレイの場合と同様、受光素子アレイ３０１中の垂直
共振器フィルタ３０２の共振波長間隔の変化は、絶対波
長の変化に比べて小さい。従って、較正用受光素子３１
０に対する共振波長と基準光の波長の間隔を厳密に制御
すれば、他の受光素子３０３に対する共振波長と基準光
の相対波長も厳密に制御されることになる。
バを構成する基準光ファイバ３０９からの入射光ビーム
３０７は受光素子アレイ３０１に含まれる較正用受光素
子３１０に入射される。このとき較正用受光素子３１０
の受光パワーは垂直共振器フィルタ３０２の共振波長と
基準光ファイバ３０９を伝搬してくる基準光の波長に差
に依存し、両者が一致したときに最大となる。較正用受
光素子３１０の出力は駆動回路３１１入力され、温度制
御素子３０５の駆動電流を変化させる。これによって受
光素子アレイ３０１の温度が変化し、垂直共振器フィル
タ３０２の共振波長が変化する。このフィードバックル
ープによって、較正用受光素子３１０の選択波長と基準
光の波長の間隔を厳密に制御することができる。発光素
子アレイの場合と同様、受光素子アレイ３０１中の垂直
共振器フィルタ３０２の共振波長間隔の変化は、絶対波
長の変化に比べて小さい。従って、較正用受光素子３１
０に対する共振波長と基準光の波長の間隔を厳密に制御
すれば、他の受光素子３０３に対する共振波長と基準光
の相対波長も厳密に制御されることになる。
【００２１】本実施例で用いられる受光素子アレイの断
面図を図４に示す。半導体基板４０１上に下部反射器４
０２、共振器４０３および上部反射器４０４が積層さ
れ、さらにその上に島状の受光素子４０５が積層されて
いる。ここで、下部反射器４０２、共振器４０３および
上部反射器４０４は垂直共振器フィルタを構成してい
る。共振器４０３の層厚は半導体基板４０１の面内方向
に傾斜しているので、各受光素子４０５に対応する垂直
共振器フィルタの共振波長はそれぞれ異なる。図２に示
した発光素子の場合と違い、この垂直共振器フィルタは
パッシブなファブリ−ペロ共振器なので、共振器４０３
の層厚を大きく変化させて共振波長を広範囲に変化させ
ても特に問題は生じない。また、共振波長を電気的に制
御する際にも、制御層を設ける必要はなく、共振器に直
接電圧を印加すればよい。受光素子４０５は上部電極４
０６と中間電極４０７で駆動されるのに対し、中間電極
４０７と下部電極４０８の間に電圧を印加すれば、共振
器の屈折率が変化する。この結果、全受光素子４０５に
対応する垂直共振器フィルタの共振波長が一斉に変化す
ることになり、受光素子４０５の選択波長間隔を一定に
保持したままで絶対波長を変化させることが可能とな
る。
面図を図４に示す。半導体基板４０１上に下部反射器４
０２、共振器４０３および上部反射器４０４が積層さ
れ、さらにその上に島状の受光素子４０５が積層されて
いる。ここで、下部反射器４０２、共振器４０３および
上部反射器４０４は垂直共振器フィルタを構成してい
る。共振器４０３の層厚は半導体基板４０１の面内方向
に傾斜しているので、各受光素子４０５に対応する垂直
共振器フィルタの共振波長はそれぞれ異なる。図２に示
した発光素子の場合と違い、この垂直共振器フィルタは
パッシブなファブリ−ペロ共振器なので、共振器４０３
の層厚を大きく変化させて共振波長を広範囲に変化させ
ても特に問題は生じない。また、共振波長を電気的に制
御する際にも、制御層を設ける必要はなく、共振器に直
接電圧を印加すればよい。受光素子４０５は上部電極４
０６と中間電極４０７で駆動されるのに対し、中間電極
４０７と下部電極４０８の間に電圧を印加すれば、共振
器の屈折率が変化する。この結果、全受光素子４０５に
対応する垂直共振器フィルタの共振波長が一斉に変化す
ることになり、受光素子４０５の選択波長間隔を一定に
保持したままで絶対波長を変化させることが可能とな
る。
【００２２】図５は本発明一実施例の波長多重伝送シス
テムにおける波長多重受光装置の断面図である。半導体
基板５０１上に下部反射器５０２、共振器５０３、上部
反射器５０４が順次積層され、さらにその上に島状の組
成傾斜層５０５、コレクタ５０６、ベース５０７、エミ
ッタ５０８が積層されている。下部反射器５０２、共振
器５０３および上部反射器５０４は垂直共振器フィルタ
を構成しており、コレクタ５０６、ベース５０７および
エミッタ５０８は受光素子であるフォトトランジスタを
構成している。コレクタ５０６、ベース５０７およびエ
ミッタ５０８上にはコレクタ電極５０９、ベース電極５
１０およびエミッタ電極５１１が形成されている。ここ
で、コレクタ５０６およびベース５０７が受光素子の光
吸収層となるが、その吸収端波長は半導体基板５０１、
下部反射器５０２、共振器５０３、および上部反射器５
０４を構成する材料の吸収端波長よりも長波長であると
する。具体的には、例えば半導体基板５０１と共振器５
０３をＧａＡｓ、下部反射器５０２と上部反射器５０４
をＡｌＡｓとＧａＡｓの交互積層膜とし、光吸収層をＩ
ｎyＧａ1-yＡｓ（０＜ｙ≦１）とする。ＧａＡｓ／Ａｌ
ＡｓとＩｎyＧａ1-yＡｓは格子整合しないが、上部反射
器５０４とコレクタ５０６の間にＩｎzＧａ1-zＡｓ（０
≦ｚ≦ｙ）よりなる組成傾斜層を設け、組成傾斜層のＩ
ｎ組成ｚを０からｙまで変化させれば、このような構造
をエピ成長することができる。
テムにおける波長多重受光装置の断面図である。半導体
基板５０１上に下部反射器５０２、共振器５０３、上部
反射器５０４が順次積層され、さらにその上に島状の組
成傾斜層５０５、コレクタ５０６、ベース５０７、エミ
ッタ５０８が積層されている。下部反射器５０２、共振
器５０３および上部反射器５０４は垂直共振器フィルタ
を構成しており、コレクタ５０６、ベース５０７および
エミッタ５０８は受光素子であるフォトトランジスタを
構成している。コレクタ５０６、ベース５０７およびエ
ミッタ５０８上にはコレクタ電極５０９、ベース電極５
１０およびエミッタ電極５１１が形成されている。ここ
で、コレクタ５０６およびベース５０７が受光素子の光
吸収層となるが、その吸収端波長は半導体基板５０１、
下部反射器５０２、共振器５０３、および上部反射器５
０４を構成する材料の吸収端波長よりも長波長であると
する。具体的には、例えば半導体基板５０１と共振器５
０３をＧａＡｓ、下部反射器５０２と上部反射器５０４
をＡｌＡｓとＧａＡｓの交互積層膜とし、光吸収層をＩ
ｎyＧａ1-yＡｓ（０＜ｙ≦１）とする。ＧａＡｓ／Ａｌ
ＡｓとＩｎyＧａ1-yＡｓは格子整合しないが、上部反射
器５０４とコレクタ５０６の間にＩｎzＧａ1-zＡｓ（０
≦ｚ≦ｙ）よりなる組成傾斜層を設け、組成傾斜層のＩ
ｎ組成ｚを０からｙまで変化させれば、このような構造
をエピ成長することができる。
【００２３】半導体基板５０１側から信号光を入射すれ
ば、本実施例は損失のない波長選択受光素子として機能
する。上記構成で信号光の波長が垂直共振器フィルタを
構成する材料の吸収端より長波長で、光吸収層の吸収端
より短波長であるとすれば、垂直共振器フィルタは信号
光に対して透明となる。また、下部反射器５０２および
上部反射器５０４の反射率は交互積層多層膜の層数を増
やすことで十分に高くすることができる。反射率が高く
吸収のないファブリ−ペロ共振器は、共振波長の光を１
００％透過し、それ以外の波長の光は１００％反射する
ので、反射光を再利用する光学系を設定すれば損失は全
く生じない。ここで、光吸収層としてｙ＞０．５のＩｎ
yＧａ1-yＡｓを用いれば、長波長帯の光ファイバ通信に
適用可能な波長選択受光素子が構成できる。ただし、上
記の材料系以外の材料であっても、本発明の構成要件を
満たすものであれば、波長選択受光素子として有効に機
能することは言うまでもない。また、本実施例に対して
も共振器５０３の屈折率を電気的に制御する手段を導入
することで、選択波長を可変にすることができる。
ば、本実施例は損失のない波長選択受光素子として機能
する。上記構成で信号光の波長が垂直共振器フィルタを
構成する材料の吸収端より長波長で、光吸収層の吸収端
より短波長であるとすれば、垂直共振器フィルタは信号
光に対して透明となる。また、下部反射器５０２および
上部反射器５０４の反射率は交互積層多層膜の層数を増
やすことで十分に高くすることができる。反射率が高く
吸収のないファブリ−ペロ共振器は、共振波長の光を１
００％透過し、それ以外の波長の光は１００％反射する
ので、反射光を再利用する光学系を設定すれば損失は全
く生じない。ここで、光吸収層としてｙ＞０．５のＩｎ
yＧａ1-yＡｓを用いれば、長波長帯の光ファイバ通信に
適用可能な波長選択受光素子が構成できる。ただし、上
記の材料系以外の材料であっても、本発明の構成要件を
満たすものであれば、波長選択受光素子として有効に機
能することは言うまでもない。また、本実施例に対して
も共振器５０３の屈折率を電気的に制御する手段を導入
することで、選択波長を可変にすることができる。
【００２４】
【発明の効果】本発明の波長多重伝送システムによれ
ば、波長多重ネットワークにおいて送信側と受信側で絶
対波長制御を行うことで両者の波長を一致させるのでは
なく、基準光の波長に対する相対波長を制御することで
送信側と受信側の波長を一致させることができる。
ば、波長多重ネットワークにおいて送信側と受信側で絶
対波長制御を行うことで両者の波長を一致させるのでは
なく、基準光の波長に対する相対波長を制御することで
送信側と受信側の波長を一致させることができる。
【００２５】本発明の構成によれば、発光素子アレイに
含まれる発光素子の発光波長と基準光の波長との相対波
長が厳密に制御された多波長光源が得られる。また、従
来の多波長光源と比較して、広い波長範囲に渡って発光
波長を変化させることもできる。
含まれる発光素子の発光波長と基準光の波長との相対波
長が厳密に制御された多波長光源が得られる。また、従
来の多波長光源と比較して、広い波長範囲に渡って発光
波長を変化させることもできる。
【００２６】また、異なる選択波長を有する複数の受光
素子を集積した受光素子アレイを構成することで、選択
波長と基準光の波長との相対波長を厳密に制御すること
ができる。
素子を集積した受光素子アレイを構成することで、選択
波長と基準光の波長との相対波長を厳密に制御すること
ができる。
【図１】本発明の一実施例の波長多重発光装置の構成図
【図２】本発明の第１の実施例の波長多重発光装置の断
面図
面図
【図３】本発明の第２の実施例の波長多重受光装置の構
成図
成図
【図４】本発明の第２の実施例の波長多重受光装置の断
面図
面図
【図５】本発明の第３の実施例の波長多重受光装置の断
面図
面図
【図６】従来の波長多重伝送装置の概念図
１０１ 発光素子アレイ １０２ 発光素子 １０４ 温度制御素子 １０８ 信号光ファイバ １０９ 基準光ファイバ １１０ 波長比較器 １１３ 駆動回路 ２０１ 半導体基板 ２０２ 下部反射器 ２０３ 制御層 ２０６ 活性層 ２０８ 上部反射器 ２０９ 発光素子 ３０１ 受光素子アレイ ３０２ 垂直共振器フィルタ ３０３ 受光素子 ３０５ 温度制御素子 ３０７ 信号光ファイバ ３０８ 基準光ファイバ ３０９ 駆動回路 ４０１ 半導体基板 ４０２ 下部反射器 ４０３ 共振器 ４０４ 上部反射器 ４０５ 受光素子 ５０１ 半導体基板 ５０２ 下部反射器 ５０３ 共振器 ５０４ 上部反射器 ５０５ 組成傾斜層 ５０６ コレクタ ５０７ ベース ５０８ エミッタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０４Ｂ 10/28 Ｈ０４Ｊ 14/02 (56)参考文献 特開 昭58−196634（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−84777（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−21987（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−64384（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−221726（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−158927（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−13983（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−13788（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−68930（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−63301（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−251738（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−167532（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04J 14/00 - 14/08 H04B 10/00 - 10/28 H01L 27/14 H01L 31/0232 H01S 5/0683 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (10)
- 【請求項１】 異なる発光波長を有する複数の発光素子
を集積した発光素子アレイと、前記発光素子アレイに含
まれる複数の発光素子の発光波長間隔を一定に保持した
ままで発光波長を可変とする波長可変手段と、前記発光
素子アレイに含まれる特定の発光素子の発光波長と外部
から供給される基準光の波長との差分を検出する波長比
較器と、前記差分が一定値となるように前記波長可変手
段を制御する駆動回路とを有し、前記発光素子アレイに
含まれる前記特定の発光素子以外の発光素子からの出力
光を信号光として出力することを特徴とする波長多重発
光装置。 - 【請求項２】 発光素子アレイに含まれる複数の発光素
子が面発光レーザであり、前記面発光レーザを構成する
多層構造の層厚を前記発光素子アレイの面内方向に傾斜
させることで前記複数の発光素子の発光波長を異ならせ
ることを特徴とする請求項１記載の波長多重発光装置。 - 【請求項３】 波長可変手段が発光素子アレイ全体の温
度を変化させる手段であることを特徴とする請求項１記
載の波長多重発光装置。 - 【請求項４】 発光素子アレイに含まれる面発光レーザ
が、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された下部
反射器と、前記下部反射器上に島状に形成された複数の
共振器と、前記共振器上に形成された上部反射器とを有
し、前記共振器の層厚および前記共振器に含まれる活性
層の組成が前記半導体基板の面内方向に傾斜してなるこ
とを特徴とする請求項２記載の波長多重発光装置。 - 【請求項５】 発光素子アレイに含まれる面発光レーザ
の下部反射器と複数の共振器の間に形成された制御層
と、前記制御層の屈折率を電気的に変化させる手段とを
有することを特徴とする請求項４記載の波長多重発光装
置。 - 【請求項６】 発光素子と校正用の発光素子とを集積し
た発光素子アレイと、前記発光素子アレイに含まれる発
光素子の発光波長を可変とする第１の波長可変手段と、
前記校正用の発光素子の発光波長と外部から供給される
基準光の波長との差分を検出する波長比較器と、前記差
分が一定値となるように前記第１の波長可変手段を制御
する第１の駆動回路と有する波長多重発光装置、および
受光素子と校正用の受光素子とを集積した発光素子アレ
イと、前記受光素子アレイに含まれる受光素子の選択波
長を可変とする第２の波長可変手段と、前記校正用の受
光素子において前記基準光の受光量が大きくなるように
前記第２の波長可変手段を制御する第２の駆動回路とを
有する波長多重受光装置とを備え、前記発光素子アレイ
に含まれる前記校正用の発光素子以外の発光素子からの
出力光を信号光として送信するとともに、前記信号光を
前記受光素子アレイに含まれる前記校正用の受光素子以
外の受光素子によって受信することを特徴とする波長多
重伝送システム。 - 【請求項７】 発光素子アレイに含まれる発光素子が面
発光レーザであり、前記面発光レーザを構成する多層構
造の層厚を前記発光素子アレイの面内方向に傾斜させる
ことで前記発光素子の発光波長を異ならせることを特徴
とする請求項６に記載の波長多重伝送システム。 - 【請求項８】 第１の波長可変手段が発光素子アレイ全
体の温度を変化させる手段であることを特徴とする請求
項６に記載の波長多重伝送システム。 - 【請求項９】 発光素子アレイに含まれる面発光レーザ
が、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された下部
反射器と、前記下部反射器上に島状に形成された複数の
共振器と、前記共振器上に形成された上部反射器とを有
し、前記共振器の層厚および前記共振器に含まれる活性
層の組成が前記半導体基板の面内方向に傾斜してなるこ
とを特徴とする請求項７記載の波長多重伝送システム。 - 【請求項１０】 発光素子アレイに含まれる面発光レー
ザの下部反射器と複数の共振器の間に形成された制御層
と、前記制御層の屈折率を電気的に変化させる手段とを
有することを特徴とする請求項９記載の波長多重伝送シ
ステム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17398294A JP3257260B2 (ja) | 1994-07-26 | 1994-07-26 | 波長多重発光装置および波長多重伝送システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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