JP4048635B2 - Wavelength division multiplexing communication system and light source - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の波長の光を同時に光伝送路に導入し伝送する波長分割多重(WDM)システム、及びこのWDMシステムに好適な光源に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のWDMシステムは、1.55μm帯、例えば1.53μm〜1.56μmでは、波長間隔0.8nm間隔の光信号を発生する複数の光源と、各光源が発生する光をそれそれ受けるN個の光受信器と、を光ファイバを用いて接続している。このようなWDMシステムでは、光源が発生するN個の光を多重化した後に、一本の光ファイバを伝送させる。伝送されてきた光は、各光波長毎に光受信器で受光され各チャネル毎の信号として処理される。
【0003】
WDMシステムに用いられる光源は、このように極めて狭い間隔の光を発生し送出しなければならない。このような光源には、従来、屈折率が周期的に変化した波長選択部を光共振器の内側に有し、これによって光のスペクトル幅を非常に狭くしたデバイス、例えばDFBレーザ或いはDBRレーザが利用されてきた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光共振器の内部に波長選択部を設けたレーザ素子、例えば半導体レーザにおいては、レーザ発振波長の決定がレーザ素子の作製工程において決定されてしまうので、この素子が完成した後にはレーザ発振波長の選択がほとんど不可能である。WDMシステムにおいては、0.8nm間隔で使用波長が厳密に規定されているので、5桁の精度でレーザ出射光の波長の制御しなければならない。これは相当の困難をともなう。
【0005】
ファイバグレーティングレーザ(FGL)は、WDMシステム用の光源として適用できる。FGLモジュールは、DFBレーザ、DBRレーザにおける内部回折格子を光ファイバ中に外部回折格子(ファイバグレーティング、FG)として設けて、この回折格子と発光素子とによって光共振器を構成するように組み合わた光モジュールである。この光モジュールでは、出射波長はFGの反射波長によってほぼ決定され、そのスペクトル幅もDFB、DBRレーザと同等程度まで狭くできる。さらにFGの回折格子波長は、発光素子の製造プロセスとは別個に決定されるので、発光素子の完成後においても、出射光波長を調整することができる。
【0006】
ところが、このようなFGLでは、光共振器長が、DFBレーザ、DBRレーザ等に比較して長くなる。このため、光モジュールに高速信号を導入し発光素子を高周波で駆動する場合に、光モジュールは、出射光のスペクトルが広がってしまうという特性を示す。すなわち、変調周波数が高くなると、注入されるキャリアの位相と出射光の位相とには次第にずれが生じ、その結果、過剰なキャリアの変化によって屈折率の時間的変化が誘起されて、等価的に光共振器の長さが変化しているようになる。このことは、光モジュールの発振スペクトルの幅の増大、つまりチャープ現象を招いている。
【0007】
そこで、本発明の目的は、発振波長の設定が容易で、狭スペクトルであり、チャーピング現象が低減された光源を用いたWDMシステム及びその光源を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る発明は、波長分割多重(WDM)通信システムであって、この波長分割多重システムは、WDM通信のための複数の光源と、WDM通信のための複数の光受信器と、複数の光源と複数の光受信器との間に設けられた光伝送路と、備える。複数の光源は、それぞれ異なる波長の光を発生する。複数の光受信器は、複数の光源によって発生された光の波長の各々に対応した光を受ける。光伝送路は、複数の光源と合波器を介して光学的に結合された第1の端部及び複数の光受信器と分波器を介して光学的に結合された第2の端部を有する。
【0009】
このようなシステムにおける光源は、半導体光増幅器、波長選択性光反射手段、および変調手段を有する。半導体光増幅器は、電流を受けると所定波長の光を発生する。波長選択性光反射手段は、特定波長の光を選択的に反射する。変調手段は、半導体光増幅器で発生された所定波長の光を電気信号に応じて変調する。半導体光増幅器および波長選択性光反射手段は光共振器を形成するように設けられている。変調手段は、電気信号に応じて引き起こされた電界吸収を利用して所定波長の光を吸収することによって所定波長の光を変調する電界吸収素子を有しており、波長選択性光反射手段はファイバグレーティングを有し、電界吸収素子は、この電界吸収素子への入射光の光強度を変調し、電界吸収素子は、半導体光増幅器と一体であり、電界吸収素子は、光共振器内にある。
【0010】
このように、半導体光増幅器および波長選択性光反射手段が光共振器を形成するようにしたので、レーザ発振波長は波長選択性光反射手段によって決定される。このため、半導体光増幅器とは別個に設定され、この波長が半導体光増幅器の作製中に決定されることはない。また、異なる波長の光を反射する波長選択性光反射手段を用いれば、レーザ発振波長を変更することができる。更に、波長選択性光反射手段の反射スペクトルに応じた発振波長スペクトルが実現される。
【0011】
本発明に係わる波長分割多重システムでは、変調手段は、電気信号に応じて引き起こされた電界吸収を利用して前記所定波長の光を吸収し変調する電界吸収素子を有することが好ましい。また、このような電界吸収素子は、光発生素子と同一基板上に一体に形成されることが好ましい。このような電界吸収素子は光を吸収可能な吸収層を有し、光発生素子は、光を発生可能な活性層を有する。
【0012】
このような光源は、波長選択性光反射手段としてファイバグレーティングが形成された光ファイバを有する。光ファイバの一端部は、半導体光増幅器の光放出面と光学的に結合しているので、半導体光増幅器の光反射面とファイバグレーティングとから光共振器が形成される。また、半導体光増幅器は、光発生素子と、光変調素子として電界吸収素子とを同一基板上に有するので、電界吸収素子に加えられる変調信号が、活性層に存在するキャリア密度へ与える影響を避けることができる。このため、変調信号によるキャリア密度の変化に基づく屈折率の変動が活性層において低減されるので、チャーピングは低減される。
【0013】
このようなシステムにおける光源は、波長分割多重(WDM)通信システムのための光源であって、電流を受けると所定波長の光を発生する半導体光増幅器、前記所定波長の光を電気信号に応じて変調するための変調手段、及び波長選択的に光を反射するための波長選択性光反射手段を有し、前記半導体光増幅器および前記波長選択性光反射手段は光共振器を形成するように設けられており、前記変調手段は、電気光学結晶基板に設けられた導波路を通過する光を前記電気信号に応じて変調する導波路変調素子を有しており、前記波長選択性光反射手段は前記電気光学結晶基板に設けられた導波路上の回折格子を有しており、前記導波路変調素子および前記回折格子は前記電気光学結晶基板に設けられており、前記導波路変調素子は、この導波路変調素子への入射光の光強度を変調し、前記導波路変調素子は前記光共振器内にある。
【0014】
このような光源において、光発生素子は、キャリアが注入されると光を発生する活性層を有し、電界吸収素子は、活性層に光学的に結合され、所定値の電圧が印加されると光を吸収することによって活性層からの光を変調する吸収層を有することができる。例えば、このような光源において好適な光発生素子は、活性層と、基板上に設けられた第1導電型半導体層と、基板上に設けられ第1導電型と異なる導電型の第2導電型半導体層と、を有する。活性層は、第1導電型半導体層と第2導電型半導体層との間に設けられ、第1導電型半導体層および第2導電型半導体層の各々からキャリアが注入されると光を発生することができる。このような光源において好適な電界吸収素子は、第1導電型半導体層および第2導電型半導体層の各々に電圧を加えるための一対の電極を有することができる。吸収層は、第1導電型半導体層と第2導電型半導体層との間に設けられている。このように、光発生素子の活性層および電界吸収素子の吸収層の各々を共通の半導体層によって挟むようにすれば、活性層と吸収層との光学的な結合を強めることが可能である。また、このような光源において好適な電界吸収素子は、基板上に設けられた第3導電型半導体層と、基板上に設けられ第3導電型と異なる導電型の第4導電型半導体層と、第3導電型半導体層および第4導電型半導体層の各々に電圧を加えるための一対の電極とを有する。吸収層は、第3導電型半導体層と第4導電型半導体層との間に設けられている。第4導電型半導体層は、第1導電型半導体層と電気的に絶縁されていることができる。
【0015】
また、本発明に係わる波長分割多重システムでは、変調手段は、電気光学結晶基板に設けられた導波路を通過する光を電気信号に応じて変調する導波路変調器を有することが好ましい。
【0016】
このような変調素子として好適な構成は、電気光学結晶基板上に形成された平面導波路を挟む二つの電極の間に、所定の電圧を印加しこの導波路部分の屈折率を変えることによって導波路内を通過する光量を変調する平面導波路変調素子を用いることができる。さらに、この平面導波路中に回折格子を設ければ、これを波長選択性光反射器として用いることができる。このようにすれば、波長選択性反射器と平面導波路変調素子と電気光学結晶上に一体に集積することができる。
【0017】
電気光学結晶に電界を印加すると、その屈折率が変化し、導波される光の位相も変わる。入射光をY分岐カプラで2分岐した後、一方を導波路に電界を印加し光の位相を180゜変え、その後に再度合波すると、電界を印加した際には、一方の導波路からの光と、他方の導波路からの光は位相が互いに180゜異なっているので、相互に打ち消し合う。電界を印加しない場合には、単に入射光を二分し、再び両方の光を合波しただけなので、損失がないと仮定すれば入射光強度を保持した状態となる。したがって、電界の有無に応じて出射光を変調することが可能になる。また、印加される電界強度に応じて位相の変化量も変えることができる。
【0018】
この場合において、変調器に印加する信号は光発生素子と全く独立な信号を印加できる。光発生素子は完全に直流動作できるので、光発生素子内の余剰キャリアに基づく屈折率の変化は全く誘起しない。このため、このような光源において、余剰キャリアに基づく出射光のチャープ減少は生じない。 さらに、波長選択性光反射器をとして平面導波路内に形成された回折格子を用いることができる。これを平面導波路変調器と同一の電気光学結晶基板に一体に形成することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【0020】
図1は、本発明に係わる波長多重分割(WDM)通信システムの構成図である。図1を参照すると、WDM通信システムは、複数の光源1と、複数の光受信器2と、光伝送路4とを備える。引き続く説明では、光源1の数は、光受信器2の数と同じ場合について行う。
【0021】
このようなシステムにおける複数の光源1は、それぞれ異なる波長の光を発生する。光源1は、電流を受けると所定波長の光を発生するための光発生手段OA、外部からの電気信号(CH1〜CHnのいずれか)に応じて光を変調するための変調手段OM、および波長選択性光反射手段FGを有する。光発生手段OAとしては、例えば、半導体光増幅器があり、半導体光増幅器は、電流を受けると所定波長の光を発生する。波長選択性光反射手段は、特定波長の光を選択的に反射する。変調手段は、半導体光増幅器で発生された所定波長の光を電気信号に応じて変調する。各光源1は、光伝送路5を介して合波器7へ光学的に結合される。複数の光受信器2は、複数の光源1によって発生された光の各々に対応した波長の光を受ける。光受信器2は、フォトダイオードといった光電変換を行う受光素子PDと、このフォトダイオードからの電流を増幅し電気信号(OUT1〜OUTn)を出力する前置増幅器PreAMPを有する。各受信器2は、光伝送路6を介して分波器9に光学的に結合されている。光伝送路4は、複数の光源1と光合波器7を介して光学的に結合された第1の端部及び複数の光受信器2と分波器9を介して光学的に結合された第2の端部を有する。光伝送路2、4、6としては、光ファイバがある。
【0022】
光発生手段OAおよび波長選択性光反射手段FGは、光共振器を形成するように設けられている。レーザ発振波長は、波長選択性光反射手段FGによってほぼ決定されるので、半導体光増幅器OAとは別個に設定される。故に、この波長が半導体光増幅器OAの作製中に決定されることはない。また、異なる波長の光を反射する波長選択性光反射手段FGを用いれば、レーザ発振波長を変更することができる。このため、WDM通信システムに好適である。発振波長スペクトルは、波長選択性光反射手段FGの反射スペクトルに応じて決定される。
【0023】
図2(a)は、分波器の構成図である。分波器91は、アレー導波路回折格子である。分波器91は、n個の入力ポート(入力1〜入力n)92a〜92cと、n個の出力ポート(出力1〜出力n)93a〜93cと、入力側および出力側のスラブ導波路領域94、95と、これらの導波路領域94、49を結ぶn本の光導波路96a〜96cとを備える。光分波器91の一入力のみが、光伝送路4に光学的に結合している。光分波器91のn本の出力の各々が、光伝送路6に光学的に結合している。このような光分波器91は、シリコン基板上の石英導波路として実現される。
【0024】
光伝送路4から光分波器91の一入力ポートに導入された光は、スラブ導波路領域94に導入される。この光は、スラブ導波路領域94からn本の光導波路96a〜96cに均等に分割される。このn本の光導波路96a〜96cは、互いに導波路長が△Lだけ異なっている。各光導波路96a〜96cに均等に割り振られた光は、スラブ導波路95において再び出会う。このとき、それぞれの光導波路96a〜96cからの長さが△Lだけ異なるので、スラブ導波路領域95において回折を生じる。回折の結果、各光の回折角度に対応した位置に設けられた出力ポートは、特定の波長の光のみが出力される。したがって、単一の入力ポートから導入された異なる波長の複数の光が分光される。
【0025】
図2(b)は、合波器の構成図である。合波器73は、複数の入力76a〜76dと、単一の出力77とを有する。複数の入力76a〜76dは、それぞれ複数の光源1への光伝送路5に光学的に結合している。出力77は、光伝送路4に光学的に結合している。入力76a〜76dおよび出力77を光学的に結合するために、InP半導体基板74上には、InGaAsP半導体の光導波路75a〜75dが設けられている。この光導波路75a〜75dは、半導体基板74上において合流しているので、光導波路75a〜75dに沿って進む光は合流されて出力に到達する。
【0026】
図3および図4を用いて、本発明の実施の形態の光源について説明する。この光源は、ファイバグレーティング光モジュールの構成を有する。図3は、ファイバグレーティング光モジュールの斜視図であり、その内部の様子が明らかになるように一部破断図になっている。図4は、ファイバグレーティングレーザの主要部を表し図3のI−I断面における断面図である。
【0027】
図3及び図4を参照すると、ファイバグレーティング光モジュール1は、ハウジング12と、ファイバグレーティング光モジュールの主要部10とを備える。
【0028】
ハウジング12は、図3に示された実施例では、バタフライ型パッケージである。ファイバグレーティング光モジュールの主要部10が、ハウジング12内の底面上に配置されている。ファイバグレーティング光モジュールの主要部10は、不活性ガス、例えば窒素ガス、が封入された状態でパッケージ12内に封止されている。ハウジング12は、ファイバグレーティングレーザモジュールの主要部10を収納している本体部12a、光ファイバ14を主要部10に導く筒状部12b、および複数のリードピン12cを備える。筒状部12bの先端からは光ファイバ14が導入される。光ファイバ14は、筒状部12bの内部を通過してファイバグレーティングレーザモジュールの主要部10に至る。
【0029】
ファイバグレーティング光モジュールの主要部10は、半導体光学素子16、18を搭載する搭載部材22、24、26と、光ファイバ14を半導体光増幅器16に光学的に結合させるために位置合わせ機構部30とを備える。位置合わせ機構部30は、フェルール32、第1の支持部材34、第2の支持部材36、及び第3の支持部材38を備える。
【0030】
第1の支持部材34は、接触平面34aから対向面34bに向けて貫通する孔34aを有し、この孔34aには、光ファイバ14が挿入されたフェルール32が支持される。第2の支持部材36は、第1の支持部材34から所定の長さ離れた位置においてフェルール32と固定されている。第2の支持部材36の孔36aには、フェルール32が支持されている。第3の支持部材は、底面38aの中央部に貫通孔38bを有する円筒部38cを有するカップ形状である。所定の長さを確保するために、第3の支持部材38が、第1の支持部材34と第2の支持部材36との間に挟まれている。
【0031】
また、光モジュールの主要部10は、光ファイバ14と、半導体光増幅器16とを備える。半導体光増幅器16は、光ファイバ14と光学的に結合するように、チップキャリア22上に搭載されている。半導体光増幅器22の動作中に発生した熱は、チップキャリア22を伝導してペルチェ素子28に到達する。ペルチェ素子28は、電流が流れると冷却素子として作動する。
【0032】
半導体光増幅器16は、光反射手段16b、光発生素子(図5(b)の40)および光変調素子(図5(b)の42)を備える。光ファイバ14は、この半導体光増幅器16からの光の波長を選択して反射するファイバグレーティング14aを有する。ファイバグレーティング光モジュールにおいて発生される光の光路内において、光反射手段16bと、ファイバグレーティング(回折格子)14aとの間に光発生素子および光変調素子が配置され、光反射手段16bとファイバグレーティング14aは光共振器を形成する。半導体光増幅器16については、図5(a)及び図5(b)を用いて後に詳細に説明する。
【0033】
フォトダイオードといった受光素子18は、チップキャリア26上に搭載されている。チップキャリア26は、半導体光増幅器16の端面16bと対面する位置にフォトダイオード18が配置されるように、搭載部材24上に設けられている。このフォトダイオード18は、半導体光増幅器16の発光状態を監視するためのモニタ用フォトダイオードとして作動する。
【0034】
搭載部材24は、基体部24aおよび壁部24bを有するL字形状の部材であって、壁部24bが基体部24aの搭載面24c上に設けられている。チップキャリア22、26は、基体部24bの搭載面24d上に搭載されている。搭載部材24は、設置面24dをペルチェ素子28に対面させて、ペルチェ素子28上に設置されている。
【0035】
光ファイバ14、半導体光増幅器16、および受光素子18は、所定の軸20の沿って配置されている。光ファイバ14は、ファイバグレーティング14a、および2個の端部14b、14cを有する。これらの端部の一方14bは、半導体光増幅器16の第1の端面16aと対面している。この端部14bと第1の端面16aが光学的に結合可能な位置に光ファイバ14が配置されている。第1の端面16aと光学的に結合している端部14bは、半導体光増幅器16の第1の端面16aから出射された光を集光可能なように先球加工されたレンズ形状を有している。このため、半導体光増幅器16と光ファイバ14との間に別個のレンズを設ける必要がないので、光学的な結合を直接行うことが可能になる。これによって、共振器長が短縮可能であるので、ファイバグレーティングレーザの高周波特性が向上される。
【0036】
光ファイバ14には、レンズ形状を有する一端部14bから所定の距離だけ離れたコア部内の位置に回折格子(ファイバグレーティング)14aが設けられている。ファイバグレーティングは、本願の整列に使用する波長領域において反射スペクトルを有するように設計される。
【0037】
光ファイバ14は、フェルール32の一端部から他端部に延びる貫通孔に、一端から挿入されて、光ファイバの先端部14bはフェルール32の他端部から所定の長さだけ突出している。フェルール32は、光ファイバの先端部14bが突出する端部から所定の距離だけ離れた位置にて第1の支持部材34に固定されている。フェルール32は、また、光ファイバ14が挿入された一端部から所定の距離だけ離れた位置にて第2の支持部材36に固定されている。第1の支持部材34および第2の支持部材36は、第3の支持部材38よってに空間的に離れた位置に配置される。第3の支持部材38は、第1の支持部材34から離間された位置に第2の支持部材36が配置されることを可能にする。 図5(a)は、光発生素子および光変調素子を備える半導体光増幅器の斜視図である。図5(b)は、図5(a)のII−II断面における断面図である。
【0038】
図5(a)及び図5(b)を参照すると、半導体光増幅器16では、光発生素子40および光変調素子42が一体に形成されている。
【0039】
光発生素子40は、キャリアが注入されると光を発生し増幅する活性層54と、活性層54を挟み活性層54よりも低い屈折率であるクラッド層50、58とを基板上に備える。光発生素子40は、両側のクラッド層50、58から活性層54にキャリアを注入し反転分布を形成することによって誘導放出光を発生させる発光素子である。
【0040】
光変調素子42は、活性層54と光学的に結合し所定値の電圧が印加されると活性層54からの光を吸収する吸収層56を有する。光変調素子42は、吸収層56に所定値の電圧を印加することによって活性層54からの光を変調する。
【0041】
半導体光増幅器16は、第1の端面16aと、第2の端面16bとを有する。第1の端面16aの光反射率は第2の端面の光反射率に比べて小さい。これを実現するために、第1の端面16aには低反射膜を形成し、1〜0.1%程度の反射率を達成しているので、ほとんどの光は透過する。一方、第2の端面16bには高反射膜を形成し、85%以上の反射率を達成している。このため、第1の端面16aは光放出面となり、第2の端面16bは光反射面となる。なお、各面は、必要に応じて光反射面および光放出面のいずれかとして形成でき、またこの両者を選択することができる。
【0042】
半導体光増幅器16が備える光発生素子40および光変調素子42は、引き続いて説明するような構成を含む。光発生素子40および光変調素子42は、共に、同一の半導体基板48上に設けられている。半導体基板48としては、例えばn型InP半導体基板(以下、n−InP基板と記す)を使用することができる。半導体光増幅器16は、n−InP基板上にn型InP半導体バッファ層(図示せず)を備えることもできるけれども、以下、バッファ層を備えないn−InP基板を使用する場合について、半導体光増幅器16の製造方法を説明しながら、光発生素子40および光変調素子42の構造について説明する。
【0043】
半導体光増幅器16は、n−InP基板上にわたってn−InP半導体層をエピタキシャル成長する。n−InP半導体層は、第1のクラッド層50となる。
【0044】
引き続いて、第1のクラッド層50上に活性層及び吸収層を選択的に形成するための絶縁膜マスクをフォトリソグラフィック技術を用いて形成する。
【0045】
図6には、半導体光増幅器の活性層および吸収層を選択成長によって形成する際に使用されるマスク材62の平面パターンを示す平面図である。図6を参照すると、活性層及び吸収層が形成されるべき一定の幅の部分(ストライプ部)62aが、軸61に沿って形成されている。この部分62aは、絶縁膜が除去された部分である。軸61は、半導体基板48の一端面44から他端面46に向けて伸びる直線であることができる。図6では、軸61が一端面44及び他端面46と略直交している場合を例示しているけれども、軸61は一端面44及び他端面46と所定の角度にて交差することもできる。
【0046】
図6に示されたパターンによれば、活性層及び吸収層の形成部分62aの両側に隣接して、絶縁層が残される部分(マスク領域)62bがそれぞれ軸61に沿って延びている。絶縁膜が残存された部分62bの各々に隣接して、絶縁膜が除去された部分62cが設けられている。マスク領域62bの幅を軸61の方向に直交する方向に関する幅として規定すると、光発生素子40が形成されるべき部分における幅d1は、光変調素子42が形成されるべき部分における幅d2より大きくなっている。両素子41,42に挟まされた間の領域では、幅はd1からd2へ連続的に変化している。また、この領域おける組成は、活性層の組成からも吸収層の組成へ緩やかに変化し、バンドギャップも緩やかに変化していく。
【0047】
このようなマスクを形成して後に、活性層54及び吸収層56の形成を同一工程にて行う。活性層54及び吸収層56としては、OMVPE法を用いてアンドープGaInAsP半導体を成長する。上記のマスクを用いてGaInAsP半導体の成長を行うと、マスク領域の幅が広い方の光発生素子部、及び、マスク領域の幅が狭い方の光変調素子部においては、それぞれ成長されるGaInAsP半導体の組成が異なる。このため、一回の成長工程において、バンドギャップE1の活性層およびバンドギャップE2の吸収層を形成することができる。図6のマスク形状を採用した結果として、活性層54の部分のバンドギャップE1は、吸収層56の部分のバンドギャップE2に比べて小さい。
【0048】
このように単一の成長工程にて、活性層54及び吸収層56の形成を行うようにすれば、それぞれの部分に位置ズレおよび厚みの差が生じることがないので、活性層54と吸収層56との光学的な結合を高い効率で再現性よく実現できる。また、光発生素子40の活性層54および光変調素子42の吸収層56の各々を挟むクラッド層50、58を同一の半導体層によって形成するようにすれば、活性層54と吸収層56との光学的な結合をさらに強めることが可能である。
【0049】
次いで、マスク62を残した状態で、p−InP半導体層を形成する。p−InP半導体層は、マスクの開口部分にのみ選択的に形成される。p−InP半導体層は第2のクラッド層58になる。第2のクラッド層58は、第1のクラッド層50と一緒になって活性層54及び吸収層56を挟んでいる。第1のクラッド層50および第2のクラッド層58は、活性層54及び吸収層56の屈折率に比べてそれぞれ屈折率が小さいので、活性層54及び吸収層56に光を閉じ込めるように作用する。第1のクラッド層50はn型半導体から形成され、且つ第2のクラッド層58はp型半導体層から形成されるので、活性層54を挟んでPNダイオードまたはPN接合が形成され、同様に吸収層56を挟んでPNダイオードまたはPN接合が形成される。第1及び第2のクラッド層50、58の導電型は、半導体基板48の導電型と対応して決定される。
【0050】
続いて、マスク62を残した状態で、p+−InGaAs半導体を成長する。p+−InGaAs半導体層は、低抵抗のコンタクト層60となる。このコンタクト層60は、光発生素子40および光変調素子42の境界部分において除去されて、別個のコンタクト部60a、60bとなる。このため、光発生素子40と光変調素子42とが、低抵抗な半導体層を介して接続されることが防止される。
【0051】
この後に、基板48上にわたって、絶縁膜、例えばSiO2膜を形成する。フォトリソグラフィック技術を用いて、コンタクト部60a、60bに対する電気的な接続が成されるべき部分に開口部を有する絶縁膜膜62を形成する。
【0052】
引き続いて、この絶縁膜62上にわたって、電極、例えばTi/Au電極を形成する。電極は、光発生素子40に対する電極64、及び光変調素子42に対する電極66からなる。これらの電極64、66は、例えばリフトオフ法を用いて形成することができる。
【0053】
また、基板48の裏面にわたって、裏面電極68、例えばTi/Au電極を形成する。電極は、光発生素子40に対する電極64及び光変調素子42に対して共通の電極として形成することができる。
【0054】
このように基板48上に多数の半導体光増幅器が完成された。これをチップに分離すると、図5(a)及び図5(b)に示されたような形状の半導体光増幅器が得られる。
【0055】
なお、活性層54および吸収層56をそれぞれ別個の成長工程において形成することもできる。例えば、活性層54および吸収層56の一方の組成の半導体層を成長した後にこれを部分的に除去し、続いて、活性層54および吸収層56の他方の組成の半導体層を成長した後に所定部分を残して除去する。このような2回の成長工程を用いることができる。この場合においても、活性層54の材料となる半導体のバンドギャップE1は、吸収層56の材料となる半導体のバンドギャップE2に比べて小さい。
【0056】
このように単一の成長工程で活性層54及び吸収層56を形成しない場合には、それぞれの部分54、56の位置ズレおよび厚みの差が生じることがある。両層の接続部部分では結晶学的な境界において屈折および反射は生じるので、この境界を通過する光は広がる傾向を示す。このため、活性層54及び吸収層56の光学的な結合が弱まることが考えられる。しかしながら、活性層54と吸収層56よりも低い屈折率でありそれぞれ一体に形成されたクラッド層50、58によって光発生素子40および光変調素子42の各々を挟むようにすれば、活性層54および吸収層56の光学的な結合を強めることが可能である。また、活性層54と吸収層56との光学的な高い結合を再現性よく実現できる。
【0057】
このような半導体光増幅器16の主要部分の厚さを示すと、例えば、
第1のクラッド層:1.0μm
活性層 :0.2μm
吸収層 :0.2μm
第2のクラッド層:2.0μm
となる。
【0058】
図5(b)を参照しながら、半導体光増幅器16と、ファイバグレーティングを有する光ファイバ14とを備える光モジュールの動作について説明する。
【0059】
光発生素子40の電極64には電源70の正極が接続され、電極68には電源70の負極が接続されている。電源70は、光モジュールにおいてレーザ発振を引き起こすために必要とされる電流を光発生素子40に加えるための電源である。電源70は、光発生素子40の活性層54を挟むPNダイオード部またはPN接合部を順方向にバイアスするので、活性層54にはそれぞれのクラッド層50、58からキャリアが注入される。光発生素子40は、第1のクラッド層50および第2のクラッド層58からキャリアが注入されると、活性層54において光を発生し増幅する。
【0060】
光変調素子42の電極66には電源72の負極が接続され、電極68には電源72の正極が接続されている。電源72は、光変調素子42にパルス電圧を加えるための電源である。電源72は、光変調素子の吸収層56を挟むPNダイオード部またはPN接合部を逆方向にバイアスするので、第1のクラッド層50および第2のクラッド層58から電圧が加えられる吸収層56は空乏化する。空乏化した吸収層56には、印加された電圧に応じた電界が生じる。吸収層56に所定の電界が生じると、フランツ−ケルディシュ(Frantz-Keldysh)効果によって吸収層56の基礎吸収端スペクトルが変化する。この効果は吸収層56に10+4V/cm程度の電界が生じると、顕著に観測されるようになる。このため、例えば厚さ1μmの吸収層に対しては、10Vの電圧を加えることによって実現され、100nm程度の吸収層では、数ボルト程度の電圧で足りる。このような電圧値は、光モジュールにおいて取扱い可能な電圧値である。なお、この程度の電圧でれば、第2のクラッド層58を介して電源70と電源72との間に電流が流れるけれども、半導体増幅器16の動作する上でその影響は小さいと考えられる。
【0061】
また、半導体レーザ、または半導体光増幅器を数GHzの周波数で直接に変調する場合には、通常、数mA程度の大きな電流を変調信号に応じて切り替える必要がある。ところが、光変調素子42は、光発生素子40にような電流を消費することはない。このため、電源72からの電流は非常に小さい値である。光変調素子42は電流を殆ど消費しないので、電流の切り替えに伴う電磁誘導雑音も低減される。さらに、上記のような数mA程度の大きな電流の切り替えを考慮する必要がないので、配線基板および半導体基板上の導電層のパターンに課される制約も少なくできる。
【0062】
図7は、電界が印加されたときの吸収層56における光吸収率とエネルギとの関係を示す特性図である。図7を参照すると、横軸のエネルギ値Eg1から立ち上がる実線は、電界が存在しない場合の吸収特性であり、エネルギ値Eg2から立ち上がる破線は、電界が存在する場合の吸収特性(電界吸収特性)である。
【0063】
このように、フランツ−ケルディシュ効果によって吸収層56の基礎吸収端スペクトルが変化するので、このスペクトル変化の範囲内に活性層54から受ける光の波長λ0が含まれるようにすれば、活性層54からの光は、電源72から所定の電圧が印加されると吸収層56において吸収される。つまり、電界を印加することによって吸収層56のバンドギャップ値を活性層54のバンドギャップの値より小さくすれば、活性層54からの光は、吸収層56の電界吸収による基礎吸収端の変化に応じて変調される。このような電界吸収による吸収率は10-2〜10-3程度の値であるけれども、吸収層56の長さを十分にとれば所望の吸収特性が実現される。
【0064】
以上、説明したような構成を有するファイバグレーティング光モジュールは、活性層54を有する光発生素子40、活性層54と光学的に結合する吸収層56を有する光変調素子42、を同一基板48に有する半導体光増幅器16と、半導体光増幅器16の光放出面44と光学的に結合する第1の端部14b、ファイバグレーティング14a、を有する光ファイバ14とを備え、半導体光増幅器16の光反射面46およびファイバグレーティング14aは、光共振器を形成している。
【0065】
図5(b)を参照しながら、この光モジュールの動作について説明する。光発生素子40に電圧が印加され活性層54にキャリアが注入されると、活性層54において光A、Cが発生される。光Aは光反射面46に向かい反射光Bとなり、伝搬光Cと同様に活性層54を伝搬して吸収層56に達する。
【0066】
吸収層56に電圧が印加されていないため電界が発生していないときは、伝搬光B、Cは、吸収層56を伝搬して光放出面44に達し、光放出面44から放出され放出光Dとなる。放出光Dは光ファイバ14の先端14aに達すると、光Eとしてコア部に導入される。光Eは、ファイバグレーティング14aに達すると、一部は反射光Fとなる残りは透過光Gとなる。反射光Fは、光ファイバ14の先端14bからの放出光Hとなり、光放出面44に到達すると吸収層56を導入され伝搬する光Iとなる。伝搬光Iは、活性層54に到達すると、活性層54において光を誘導放出させる。このようにして光モジュールにおいてレーザ光が発生される。
【0067】
一方、吸収層56に十分な強度の電界(10+4V/cm)が印加されていると、吸収層56に到達した光は、吸収層56を伝搬するにつれて電界吸収によって減衰する。この光は、十分な長さの吸収層56を伝搬するうちに実質的に消失してしまう。
【0068】
このようなファイバグレーティング光モジュールでは、半導体光増幅器16が光発生素子40および光変調素子42を同一基板上に有するので、光発生素子40の活性層54に存在するキャリア密度は光変調素子42に加えられる変調信号に依存しない。このため、変調信号に依存したキャリア密度の変化に基づく屈折率の変動が活性層54に生じないので、この変調に基づくチャーピングは低減される。
【0069】
詳述すれば、半導体層の屈折率は、そのキャリア数に依存する。キャリア数が増加すれば屈折率は低下するので、光共振器は等価的に短くなって、光モジュールの発光波長は、短波長へシフトする。周波数の低い変調動作においては、キャリア数が光共振器長を実効的に変化させるほど変化させることはない。これは、半導体レーザに閾値以上の電流(キャリア)を加えたとしても、変調周波数に比べて十分に短い時間で光に変換されてしまうからである。
【0070】
一方、ファイバグレーティングを有する光モジュールでは、光共振器長が、例えば半導体レーザの光共振器長に比べて長くなるので、光共振器内に発生された光がこの共振器間を伝搬して位相条件が揃うまでの時間は長くなる。故に、この位相条件が揃うまでの間に注入電流が変化してしまうと、位相条件が揃う程度の時間で電流が変化する。これはキャリア数の変化を意味する。したがって、このような変化は、発光スペクトルにチャーピングを引き起こす。
【0071】
しかしながら、本発明においては、光発生素子では、キャリア数の変化はない。また、光変調素子でも吸収層には逆バイアスが印加されているので、キャリア数の変化はない。したがって、半導体光増幅器が備えるいずれの素子も、発光スペクトルにおけるチャーピングを生じないように作用する。 図8は、半導体光増幅器16に加えられる入力V1、V2と、半導体光増幅器16から発生される光出力I0との関係を示す特性図である。
【0072】
図8を参照すると、光発生素子40には、時刻t1において電圧V1ボルトが加えられ、一定値が保たれるので、光発生素子40の活性層では光が発生される。時刻t1からt2の期間には、変調信号ロウ(L)が与えられるので、光変調素子42には電圧0ボルトが加えられる。このため、光変調素子42の吸収層では、活性層から入力された光の吸収は起こらないので、変調光出力には、光強度I0が得られる。
【0073】
時刻t2からt3の期間には、変調信号ハイ(H)が与えらるので、光変調素子42には電圧V2ボルトが加えられる。このため、光変調素子42の吸収層では、活性層から入力された光の吸収が生じるので、変調光出力には、光強度I0より弱いI1が得られる。吸収層において十分な量の光吸収が生じれば、I1は実質的にゼロになる。
【0074】
時刻t4において、光発生素子に加えられている電圧が切断されて0ボルトになると、変調光出力の強度もゼロになる。この後には、時刻t5からt6の期間には、変調信号ハイ(H)が与えられて、光変調素子42には電圧V2ボルトが加えられ吸収層は光を吸収可能であるけれども、光発生素子40から光が入力されない。時刻t6からt7の期間には、変調信号ロウ(L)が与えられて、光変調素子42には電圧0ボルトが加えられ吸収層は光を透過可能であるけれども、光発生素子40から光が入力されないので、変調光出力はゼロになる。
【0075】
このように、時刻t1からt4の期間において変調光出力は、光変調素子への入力に応じて変更されるけれども、光発生素子に加えられている電圧は一定であるので、活性層のキャリア密度に変化はない。このため、すでに説明したように、変調光出力にチャーピングは生じない。
【0076】
図9は、別の構造を備える半導体光増幅器の、図5(a)のII−II断面に相当する断面図である。図9を参照すると、図5と比べると、コンタクト層60a、60bのみではなく第2のクラッド層も光発生素子40と光変調素子42とのそれぞれに対して別個に形成されている。
【0077】
吸収層56は、第1のクラッド層50および第2のクラッド層59aによって挟まれている。活性層54は、第1のクラッド層50および第3のクラッド層59bによって挟まれている。第1のクラッド層50、第2のクラッド層59aおよび第3のクラッド層59bの屈折率は、活性層54及び吸収層56の屈折率に比べてそれぞれ小さいので、これらのクラッド層50、59a、59bは、活性層54及び吸収層56に光を閉じ込めるように作用する。第1のクラッド層50はn型半導体から形成され、且つ第2のクラッド層59aおよび第3のクラッド59bはp型半導体層から形成されるので、活性層54を挟んでP型およびN型半導体層が対面し、同様に吸収層56を挟んでP型およびN型半導体層が対面している。本実施の形態では、PN接合ダイオードのアノードは電気的に絶縁されているが、カソードを絶縁することもできる。
【0078】
このように、第2のクラッド層59aが第3のクラッド層59bと電気的に絶縁されているので、光変調素子42に加えられる電圧が光発生素子40に与える影響をさらに低減することができる。
【0079】
この後に、基板48上にわたって、絶縁膜、例えばSiO2膜を形成する。絶縁膜上にはレジスト材が塗布され、フォトリソグラフィック技術を用いて、コンタクト部60a、60bに対する電気的な接続が成されるべき部分に開口部を有するパターンをレジスト材に転写した後に、レジストが除去された部分の絶縁膜を除去して、絶縁膜62を形成する。絶縁膜62は、コンタクト層60及びp−InP半導体層59を2種の素子の間で分離することによって現れたコンタクト部60a、60bの側面、第2のクラッド層59aおよび第3のクラッド層59bの側面、並びに活性層54及び吸収層56の接続部、を覆っている。
【0080】
なお、半導体光増幅器が、それぞれ別個に形成された活性層54および吸収層56上に設けられる半導体層として、分離されたクラッド層59a、59bを備えるようにすることもできる。
【0081】
以上説明したように、実施の形態において示した光源は、光ファイバ14と、半導体光増幅器16とを備える。半導体光増幅器16は、キャリアが注入されると光を発生する活性層を有する光発生素子、活性層に光学的に結合され所定値の電圧が印加されると光を吸収し活性層からの光を変調する吸収層を有する光変調素子、を同一基板に有し、且つ活性層からの光を反射する光反射面および吸収層からの光を放出する光放出面を有する。光ファイバは、光放出面と光学的に結合する第1の端部、この第1の端部から所定の距離に設けられたファイバグレーティング、を有する。
【0082】
このようなファイバグレーティング光モジュールでは、ファイバグレーティングを有する光ファイバの一端部が半導体光増幅器の光放出面と光学的に結合しているので、半導体光増幅器の光反射面とファイバグレーティングとから光共振器が形成される。また、半導体光増幅器が別個の光発生素子および光変調素子を同一基板上に有するので、光発生素子の活性層に存在するキャリア密度は光変調素子に加えられる変調信号に依存しない。
【0083】
このため、変調信号に依存したキャリア密度の変化に基づく屈折率の変動が活性層に生じないので、キャリア密度の変調に基づくチャーピングは低減される。
【0084】
したがって、信号による変調によって引き起こされるチャーピングが低減されたファイバグレーティング光モジュールを提供される。
【0085】
図10(a)〜図13(b)は、様々な構成の光モジュールを示す模式図である。このような構成の光モジュールが備えるハウジングおよびチップキャリア等については、図3および図4に示されたものと同一または類似のものが使用できるので、詳細な説明は省略する。図10(a)〜図13(b)に示された矢印は、図5(b)と同様に光の進行、反射および透過を示す。
【0086】
図10(a)および図10(b)は、既に詳細に説明した光源(ファイバグレーティング光モジュール1)の構成を示した模式図である。図10(a)および図10(b)を参照すると、光源は、所定の軸20に沿って、半導体光増幅器16と、半導体光増幅器16の光放出面16aと光学的に結合する一端部14bを有する光ファイバ14とを有する。半導体光増幅器16の光反射面16bと、光ファイバ14が有する回折格子14aとが光共振器を構成する。半導体光増幅器16は、光発生素子40および光変調素子42を備える。図10(a)および図10(b)の構成上の差は、光共振器内における光変調素子42の位置である。レーザ発振した光は、光ファイバ14を介して取り出される。
図11(a)および図11(b)は、本発明に係わるWDM通信システムに好適な別の光源の構成を示した模式図である。図11(a)および図11(b)を参照すると、光源は、所定の軸20に沿って、回折格子15aを有する光ファイバ15と、光ファイバ15の一端部15bと光学的に結合する光放出面16aを有する半導体光増幅器16と、を有する。レーザ発振した光は、半導体光増幅器16の光半透過面16cを介して取り出すことができる。WDM通信システム用の光源は、光半透過面16cと光学的に結合する端部19aを有する光ファイバ19を更に備えることが好適である。光共振器は、半導体光増幅器16の光半透過面16cと、光ファイバ15が有する回折格子15aとから構成される。光半透過面16cは、受けた光の一部を反射し残りを透過する特性を有する。図11(a)および図11(b)の構成上の差は、光共振器内における光変調素子42の位置である。半導体光増幅器16と光ファイバ19との間には、光を一方向(図中の矢印の方向)のみに通過できる光アイソレータ21を設けることできる。このようにすると、戻り光を遮断できる。なお、光半透過膜16cは、半導体光増幅器16が発生した光の一部を透過できる。光半透過膜16cの光反射率は、光放出面16aより大きく、光反射面16bより小さい。
【0087】
図12(a)〜図12(d)は、本発明に係わるWDM通信システムに好適な光源の構成を示した模式図である。図12(a)を参照すると、光源は、所定の軸20に沿って、回折格子15aを有する光ファイバ15と、光ファイバ15の一端部15bと光学的に結合する光放出面17aを有する半導体光増幅器17と、半導体光増幅器17の光半透過面17cと光学的に結合する平面導波路変調素子80と、を有する。光共振器は、半導体光増幅器17の光半透過面17cと、光ファイバ15が有する回折格子15aとから構成される。レーザ発振した光は、平面導波路変調素子80の出力を介して取り出すことができる。このようなWDM通信システム用の光源は、平面導波路変調素子80の出力と光学的に結合する端部19aを有する光ファイバ19を更に備えることが好適である。半導体光増幅器17と平面導波路変調素子80との間、および平面導波路変調素子80と光ファイバ19との間、のいずれかに、戻り光を遮断するために光アイソレータ21を設けることできる。
【0088】
図12(b)を参照すると、光源は、所定の軸20に沿って、回折格子15aを有する光ファイバ15と、光ファイバ15の一端部15bと光学的に結合する平面導波路変調素子80と、平面導波路変調素子80と光学的に結合する光放出面17aを有する半導体光増幅器17と、を有する。光共振器は、半導体光増幅器17の光半透過面17cと、光ファイバ15が有する回折格子15aとから構成される。レーザ発振した光は、半導体光増幅器17の光半透過面17cを介して取り出すことができる。このようなWDM通信システム用の光源は、半導体光増幅器17の光半透過面17cと光学的に結合する端部19aを有する光ファイバ19を更に備えることが好適である。
【0089】
図12(c)を参照すると、光源は、所定の軸20に沿って、光反射面17bを有する半導体光増幅器16と、半導体光増幅器17の光放出面17aと光学的に結合する端部23bおよび回折格子23aを有する光ファイバ23と、光ファイバ23の一端部23cと光学的に結合する平面導波路変調素子80と、を有する。光共振器は、半導体光増幅器17の光反射面17bと、光ファイバ23が有する回折格子23aとから構成される。レーザ発振した光は、平面導波路変調素子80の出力を介して取り出すことができる。このようなWDM通信システム用の光源は、平面導波路変調素子80の出力と光学的に結合する端部19aを有する光ファイバ19を更に備えることが好適である。光ファイバ23と平面導波路変調素子80との間、及び平面導波路変調素子80と光ファイバ19との間、のいずれかに、戻り光を遮断するための光アイソレータ21を設けることできる。
【0090】
図12(d)を参照すると、光源は、所定の軸20に沿って、光反射面17bを有する半導体光増幅器17と、半導体光増幅器17の光放出面17aと光学的に結合する平面導波路変調素子80と、回折格子14aを有し平面導波路変調素子80と光学的に結合する光ファイバ14と、を有する。光共振器は、半導体光増幅器17の光反射面17bと、光ファイバ14が有する回折格子14aとから構成される。レーザ発振した光は、光ファイバ14を介して取り出すことができる。
【0091】
図13(a)および図13(b)は、WDM通信システムに好適な光源の構成を示した模式図である。図13(a)および図13(b)を参照すると、光源は、所定の軸20に沿って、光反射面17bを有する半導体光増幅器17と、半導体光増幅器17の光放出面17aと光学的に結合し回折格子88を有する波長選択性光反射器90と、を有する。光共振器は、半導体光増幅器17の光反射面17bと、波長選択性光反射器90の回折格子88とから構成される。このようなWDM通信システム用の光源は、波長選択性光反射器90の出力と光学的に結合する端部19aを有する光ファイバ19を更に備えることが好適である。レーザ発振した光は、光ファイバ19を介して取り出すことができる。図13(b)では、光共振器内に変調素子80が設けられている。一方、図13(a)では、光共振器の外側に、変調素子80が設けられている。変調素子80は、図14(c)に示すように波長選択性光反射器90に設けられている。
【0092】
図10(a)、図10(b)、図11(a)、図11(b)、図12(a)、図12(c)、図13(a)、および図13(b)に示された光源は、光共振器を構成するための反射手段を備えた2つの光学デバイスから光共振器が形成されるので、光共振器長を短くできる。また、このような光源は、半導体光増幅器16、17の発光状態を監視するためのモニタ用フォトダイオードを備えることができる。なお、半導体光増幅器16、17、平面導波路変調素子80、および波長選択性光反射器90と光学的に結合する光ファイバ端部15b、19aは、光ファイバ14の端部14bと同様に、必要に応じて先球加工されレンズ化端部を有することができる。
【0093】
半導体光増幅器16、17、平面導波路変調素子80、波長選択性光反射器90、光ファイバ19、ファイバグレーティングが設けられた光ファイバ14、15,23、およびアイソレータ21は、図3および図4に示された搭載部材24上に配置され、または取り付けられることが可能である。このとき、光ファイバ14,15,19、23は、必要に応じてフェルール等の支持部材を介して固定されることができる。
【0094】
図14(a)〜図14(c)は、平面導波路変調素子80、波長選択性光反射器90を示す斜視図である。これらの平面導波路変調素子80、波長選択性光反射器90は、マッハツエンダ型変調器である。
【0095】
図14(a)を参照すると、平面導波路変調素子80は、平面導波路82と、平面導波路82の両端に設けられた入力82aおよび出力82bと、平面導波路82cを挟む二つの電極83a、83bとを備える。平面導波路82は、LiNbO3といった電気光学結晶基板81上にTiを導入することによって形成される。平面導波路変調素子80は、この電極間83a、83bに所定の電圧φを印加し、この導波路部分の屈折率を変えることによって導波路内を通過する光量を変調する。
【0096】
平面導波路への入射光をY分岐カプラで2分岐82c、82dする。この後、一方を導波路82cのみ電界を印加し光の位相を180゜変え、その後に再度合波する。電界が印加されたときは、一方の導波路82cからの光と、他方の導波路82dからの光は位相が互いに180゜異なっているので相互に打ち消し合う。電界が印加されない場合には、単に入射光を二分岐させ、再び両方の光を合波しただけなので、損失がないと仮定すれば入射光強度を保持した状態となる。このように電気光学結晶に電界を印加すると、その屈折率が変化する。この電界が導波路間に加えられると、導波される光の位相を変えることができる。したがって、電界の有無に応じて出射光を変調することが可能になる。また、印加される電界強度に応じて位相の変化量も変えることができる。
【0097】
図14(b)を参照すると、平面導波路への入射光をY分岐カプラで2分岐82c、82dする。この後、一方の導波路82cに電極85a、85bから電源φ1によって電界を印加する。他方の導波路82dに電極85b、85cから電源φ2によって電界を印加する。電源φ1、φ2の位相および振幅を調整して、両導波路の光の位相が相対的に180゜変わるようにする。その後に再度合波すると、電界が印加されたときは、一方の導波路82cからの光と他方の導波路82dからの光とは位相が互いに180゜異なっているので相互に打ち消し合い、また、電界が印加されない場合には、単に入射光を二分岐させ、再び両方の光を合波しただけなので、入射光強度を保持する。
【0098】
この場合において、変調器に印加する信号は光発生素子と全く独立な信号を印加できる。光発生素子は完全に直流動作できるので、光発生素子内の余剰キャリアに基づく屈折率の変化は全く誘起しない。このため、このような光源において、余剰キャリアに基づく出射光のチャープ現象は生じない。 図14(c)は、波長選択性光反射器90を示す斜視図である。図14(c)を参照すると、波長選択性光反射器90は、平面導波路変調素子80に加えて、導波路82に沿って設けられた回折格子88を同一基板81に備える。このように、平面導波路82中に回折格子88を設ければ、回折格子88と平面導波路変調素子80と同一の電気光学結晶上に一体に集積できる。故に、小型の波長選択性光反射器90が得られる。このような回折格子88としては、基板表面にエッチングによって形成されたレリーフ型グレーティングとして、またTi濃度を空間的に変調することによって形成される屈折率変調部が設けられた屈折率変調型グレーティングとして、それぞれ実現できる。
【0099】
図15は、光発生素子40を備える半導体光増幅器17の断面図であり、図5(a)のII−II断面に相当する。図15の半導体光増幅器17は、半導体光増幅器17が光増幅素子40のみを有する点を除いて、図5(b)に示された半導体光増幅器16と同じである。このため、図15において、図5(b)の対応する部分には同一の符号を付している。
【0100】
【発明の効果】
以上、図面を参照しながら詳細に説明したように、本発明に係わるWDM通信システムでは、半導体光増幅器および波長選択性光反射手段が光共振器を形成するようにしたので、レーザ発振波長は波長選択性光反射手段によって決定される。このため、光共振器は、半導体光増幅器とは別個に設定され、この波長が半導体光増幅器の作製中に決定されることはない。また、異なる波長の光を反射する波長選択性光反射手段を用いれば、レーザ発振波長を変更することができる。更に、波長選択性光反射手段の反射スペクトルに応じた発振波長スペクトルが実現される。
【0101】
したがって、発振波長の設定が容易で、狭スペクトルであり、チャーピング現象が低減された光源を用いたWDM通信システム及びその光源が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、波長多重分割(WDM)通信システムの構成図である。
【図2】図2(a)は光分波器の構成図であり、図2(b)は光合波器の構成図である。
【図3】図3は、ファイバグレーティング光モジュールの斜視図であり、その内部の様子が明らかになるように一部破断図になっている。
【図4】図4は、図3のI−I断面における断面図である。
【図5】図5(a)は光発生素子および光変調素子を備える半導体光増幅器の斜視図であり、図5(b)は図5(a)のII−II断面における断面図である。
【図6】図6は、半導体光増幅器の活性層および吸収層を選択成長によって形成する際に使用される平面パターンを示す平面図である。
【図7】図7は、電界が印加されたときの吸収層における光吸収率と光のエネルギとの関係を示す特性図である。
【図8】図8は、半導体光増幅器に加えられる入力と、半導体光増幅器から発生される光出力との関係を示す特性図である。
【図9】図9は、別の構造を備える半導体光増幅器の、図5(a)のII−II断面に相当する断面図である。
【図10】図10(a)および図10(b)は、既に詳細に説明した光源の構成を示した模式図である。
【図11】図11(a)および図11(b)は、WDM通信システムに好適な別の光源の構成を示した模式図である。
【図12】図12(a)〜図12(d)は、WDM通信システムに好適な光源の構成を示した模式図である。
【図13】図13(a)および図13(b)は、WDM通信システムに好適な光源の構成を示した模式図である。
【図14】図14(a)〜図14(c)は、平面導波路変調素子及び波長選択性光反射器を示す斜視図である。
【図15】図15は、光発生素子を備える半導体光増幅器の断面図であり、図5(a)のII−II断面に相当する。
【符号の説明】
1…光源、2…光受信器、4…光伝送路、7…合波器、9…分波器、14、15、19、23…光ファイバ、16、17…半導体光増幅器、21…光アイソレータ、40…光発生素子、42…光変調素子、48…半導体基板、50…第1のクラッド層、54…活性層、56…吸収層、58…第2のクラッド層、59…第2のクラッド層、60…コンタクト層、62…マスク材、60a、60b…コンタクト部、62…絶縁膜、64、66、68…電極、70、72…電源、80…平面導波路変調素子、90…波長選択性光反射器
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wavelength division multiplexing (WDM) system that simultaneously introduces and transmits light of a plurality of wavelengths into an optical transmission line, and a light source suitable for the WDM system.
[0002]
[Prior art]
In a conventional WDM system, in a 1.55 μm band, for example, 1.53 μm to 1.56 μm, a plurality of light sources that generate optical signals with a wavelength interval of 0.8 nm and N light sources that respectively receive light generated by each light source. The optical receiver is connected to the optical receiver using an optical fiber. In such a WDM system, N light beams generated by a light source are multiplexed, and then one optical fiber is transmitted. The transmitted light is received by an optical receiver for each optical wavelength and processed as a signal for each channel.
[0003]
The light source used in the WDM system must generate and transmit light in such a narrow interval. Conventionally, such a light source includes a device that has a wavelength selection unit whose refractive index is periodically changed inside the optical resonator, and thereby has a very narrow spectral width of light, such as a DFB laser or a DBR laser. Has been used.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in a laser element having a wavelength selector inside the optical resonator, for example, a semiconductor laser, the laser oscillation wavelength is determined in the laser element manufacturing process. Wavelength selection is almost impossible. In the WDM system, since the wavelength used is strictly defined at intervals of 0.8 nm, the wavelength of the laser beam must be controlled with an accuracy of 5 digits. This entails considerable difficulty.
[0005]
A fiber grating laser (FGL) can be applied as a light source for a WDM system. In the FGL module, an internal diffraction grating in a DFB laser and a DBR laser is provided as an external diffraction grating (fiber grating, FG) in an optical fiber, and this diffraction grating and a light emitting element are combined to form an optical resonator. It is a module. In this optical module, the emission wavelength is substantially determined by the reflection wavelength of the FG, and the spectrum width can be narrowed to the same level as that of the DFB and DBR lasers. Further, since the diffraction grating wavelength of the FG is determined separately from the manufacturing process of the light emitting element, the emission light wavelength can be adjusted even after the light emitting element is completed.
[0006]
However, in such an FGL, the optical resonator length is longer than that of a DFB laser, a DBR laser, or the like. For this reason, when a high-speed signal is introduced into the optical module and the light emitting element is driven at a high frequency, the optical module exhibits a characteristic that the spectrum of the emitted light is broadened. In other words, as the modulation frequency increases, the phase of the injected carrier and the phase of the emitted light gradually shift, and as a result, a change in the refractive index with time is induced by the change in excess carrier, equivalently. The length of the optical resonator changes. This leads to an increase in the width of the oscillation spectrum of the optical module, that is, a chirp phenomenon.
[0007]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a WDM system using a light source that can easily set an oscillation wavelength, has a narrow spectrum, and has a reduced chirping phenomenon, and a light source therefor.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention The invention relates to a wavelength division multiplexing (WDM) communication system, The wavelength division multiplexing system For WDM communication Multiple light sources; For WDM communication A plurality of optical receivers, and an optical transmission path provided between the plurality of light sources and the plurality of optical receivers; The Prepare. The plurality of light sources generate light having different wavelengths. The plurality of optical receivers receive light corresponding to each of the wavelengths of light generated by the plurality of light sources. The optical transmission line includes a first end optically coupled to a plurality of light sources via a multiplexer, and a second end optically coupled to the plurality of optical receivers via a duplexer. Have
[0009]
The light source in such a system includes a semiconductor optical amplifier, wavelength selective light reflecting means, and modulating means. The semiconductor optical amplifier generates light of a predetermined wavelength when receiving an electric current. The wavelength selective light reflecting means selectively reflects light having a specific wavelength. The modulating means modulates light of a predetermined wavelength generated by the semiconductor optical amplifier according to the electric signal. The semiconductor optical amplifier and the wavelength selective light reflecting means are provided so as to form an optical resonator. The modulation means has an electroabsorption element that modulates light of a predetermined wavelength by absorbing light of a predetermined wavelength using electroabsorption caused in response to an electric signal, and the wavelength selective light reflection means is Have a fiber grating, The electroabsorption element modulates the light intensity of the incident light to the electroabsorption element, and the electroabsorption element is integrated with the semiconductor optical amplifier, The electroabsorption element is in the optical resonator.
[0010]
Thus, since the semiconductor optical amplifier and the wavelength selective light reflecting means form an optical resonator, the laser oscillation wavelength is determined by the wavelength selective light reflecting means. For this reason, it is set separately from the semiconductor optical amplifier, and this wavelength is not determined during the fabrication of the semiconductor optical amplifier. In addition, the laser oscillation wavelength can be changed by using wavelength selective light reflecting means for reflecting light of different wavelengths. Furthermore, an oscillation wavelength spectrum corresponding to the reflection spectrum of the wavelength selective light reflecting means is realized.
[0011]
In the wavelength division multiplexing system according to the present invention, it is preferable that the modulation means has an electroabsorption element that absorbs and modulates the light having the predetermined wavelength by using electroabsorption caused in response to an electric signal. Moreover, it is preferable that such an electric field absorption element is integrally formed on the same substrate as the light generation element. Such an electroabsorption element has an absorption layer capable of absorbing light, and the light generation element has an active layer capable of generating light.
[0012]
Such a light source has an optical fiber on which a fiber grating is formed as wavelength selective light reflecting means. Since one end of the optical fiber is optically coupled to the light emitting surface of the semiconductor optical amplifier, an optical resonator is formed from the light reflecting surface of the semiconductor optical amplifier and the fiber grating. Moreover, since the semiconductor optical amplifier has the light generating element and the electroabsorption element as the optical modulation element on the same substrate, the influence of the modulation signal applied to the electroabsorption element on the carrier density existing in the active layer is avoided. be able to. For this reason, since the refractive index fluctuation | variation based on the change of the carrier density by a modulation signal is reduced in an active layer, chirping is reduced.
[0013]
A light source in such a system is a light source for a wavelength division multiplexing (WDM) communication system, and a semiconductor optical amplifier that generates light of a predetermined wavelength when receiving an electric current. A modulation means for modulating, and a wavelength selective light reflecting means for reflecting light in a wavelength selective manner, wherein the semiconductor optical amplifier and the wavelength selective light reflecting means are provided so as to form an optical resonator. The modulation means includes a waveguide modulation element that modulates light passing through a waveguide provided on an electro-optic crystal substrate in accordance with the electric signal, and the wavelength selective light reflection means includes: A diffraction grating on a waveguide provided on the electro-optic crystal substrate; the waveguide modulation element and the diffraction grating are provided on the electro-optic crystal substrate; The waveguide modulation element modulates the light intensity of incident light to the waveguide modulation element, The waveguide modulation element is in the optical resonator.
[0014]
In such a light source, the light generating element has an active layer that generates light when carriers are injected, and the electroabsorption element is optically coupled to the active layer, and a voltage of a predetermined value is applied. It can have an absorbing layer that modulates light from the active layer by absorbing light. For example, a light generating element suitable for such a light source includes an active layer, a first conductivity type semiconductor layer provided on the substrate, and a second conductivity type provided on the substrate and having a conductivity type different from the first conductivity type. And a semiconductor layer. The active layer is provided between the first conductive type semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer, and generates light when carriers are injected from each of the first conductive type semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer. be able to. An electric field absorption element suitable for such a light source can have a pair of electrodes for applying a voltage to each of the first conductive semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer. The absorption layer is provided between the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer. Thus, if each of the active layer of the light generating element and the absorbing layer of the electroabsorption element is sandwiched between the common semiconductor layers, it is possible to enhance the optical coupling between the active layer and the absorbing layer. In addition, an electric field absorption element suitable for such a light source includes a third conductivity type semiconductor layer provided on the substrate, a fourth conductivity type semiconductor layer provided on the substrate and having a conductivity type different from the third conductivity type, A third conductive type semiconductor layer and a fourth conductive type semiconductor layer each have a pair of electrodes for applying a voltage. The absorption layer is provided between the third conductivity type semiconductor layer and the fourth conductivity type semiconductor layer. The fourth conductivity type semiconductor layer may be electrically insulated from the first conductivity type semiconductor layer.
[0015]
In the wavelength division multiplexing system according to the present invention, the modulation means preferably includes a waveguide modulator that modulates light passing through the waveguide provided on the electro-optic crystal substrate in accordance with an electric signal.
[0016]
A configuration suitable as such a modulation element is derived by applying a predetermined voltage between two electrodes sandwiching a planar waveguide formed on an electro-optic crystal substrate and changing the refractive index of the waveguide portion. A planar waveguide modulation element that modulates the amount of light passing through the waveguide can be used. Furthermore, if a diffraction grating is provided in the planar waveguide, it can be used as a wavelength selective light reflector. In this way, the wavelength selective reflector, the planar waveguide modulator, and the electro-optic crystal can be integrated together.
[0017]
When an electric field is applied to the electro-optic crystal, its refractive index changes and the phase of the guided light also changes. After splitting the incident light into two with a Y-branch coupler, applying an electric field to one of the waveguides, changing the phase of the light by 180 °, and then recombining them, when the electric field is applied, Since the light and the light from the other waveguide are 180 degrees out of phase with each other, they cancel each other. When no electric field is applied, the incident light is simply divided into two, and both lights are combined again. Therefore, assuming that there is no loss, the incident light intensity is maintained. Therefore, it becomes possible to modulate the emitted light according to the presence or absence of an electric field. In addition, the amount of phase change can be changed according to the applied electric field strength.
[0018]
In this case, the signal applied to the modulator can be a signal completely independent of the light generating element. Since the light generating element can completely operate in direct current, no change in the refractive index based on surplus carriers in the light generating element is induced. For this reason, in such a light source, chirp reduction of the emitted light based on surplus carriers does not occur. Furthermore, a diffraction grating formed in a planar waveguide using a wavelength selective light reflector can be used. This can be integrally formed on the same electro-optic crystal substrate as that of the planar waveguide modulator.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. If possible, the same parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
[0020]
FIG. 1 is a block diagram of a wavelength division multiplexing (WDM) communication system according to the present invention. Referring to FIG. 1, the WDM communication system includes a plurality of light sources 1, a plurality of optical receivers 2, and an optical transmission path 4. In the description that follows, the number of light sources 1 is the same as the number of optical receivers 2.
[0021]
The plurality of light sources 1 in such a system generate light of different wavelengths. The light source 1 includes a light generating unit OA for generating light of a predetermined wavelength when receiving an electric current, a modulating unit OM for modulating light in accordance with an external electric signal (any one of CH1 to CHn), and a wavelength. It has selective light reflecting means FG. As the light generating means OA, for example, there is a semiconductor optical amplifier, and the semiconductor optical amplifier generates light of a predetermined wavelength when receiving an electric current. The wavelength selective light reflecting means selectively reflects light having a specific wavelength. The modulating means modulates light of a predetermined wavelength generated by the semiconductor optical amplifier according to the electric signal. Each light source 1 is optically coupled to a multiplexer 7 via an optical transmission line 5. The plurality of optical receivers 2 receive light having a wavelength corresponding to each of the light generated by the plurality of light sources 1. The optical receiver 2 includes a light receiving element PD that performs photoelectric conversion, such as a photodiode, and a preamplifier PreAMP that amplifies a current from the photodiode and outputs an electrical signal (OUT1 to OUTn). Each receiver 2 is optically coupled to a duplexer 9 via an optical transmission line 6. The optical transmission line 4 is optically coupled through a first end optically coupled with a plurality of light sources 1 via an optical multiplexer 7 and via a duplexer 9 with a plurality of optical receivers 2. Having a second end. As the optical transmission lines 2, 4, and 6, there are optical fibers.
[0022]
The light generating means OA and the wavelength selective light reflecting means FG are provided so as to form an optical resonator. Since the laser oscillation wavelength is substantially determined by the wavelength selective light reflecting means FG, it is set separately from the semiconductor optical amplifier OA. Therefore, this wavelength is not determined during the fabrication of the semiconductor optical amplifier OA. Further, if the wavelength selective light reflecting means FG that reflects light of different wavelengths is used, the laser oscillation wavelength can be changed. For this reason, it is suitable for a WDM communication system. The oscillation wavelength spectrum is determined according to the reflection spectrum of the wavelength selective light reflecting means FG.
[0023]
FIG. 2A is a configuration diagram of the duplexer. The duplexer 91 is an arrayed waveguide diffraction grating. The duplexer 91 includes n input ports (input 1 to input n) 92a to 92c, n output ports (output 1 to output n) 93a to 93c, and slab waveguide regions on the input side and the output side. 94 and 95, and n optical waveguides 96a to 96c connecting these waveguide regions 94 and 49. Only one input of the optical demultiplexer 91 is optically coupled to the optical transmission line 4. Each of the n outputs of the optical demultiplexer 91 is optically coupled to the optical transmission line 6. Such an optical demultiplexer 91 is realized as a quartz waveguide on a silicon substrate.
[0024]
The light introduced from the optical transmission line 4 to one input port of the optical demultiplexer 91 is introduced into the slab waveguide region 94. This light is equally divided from the slab waveguide region 94 into n optical waveguides 96a to 96c. The n optical waveguides 96a to 96c are different from each other in length by ΔL. The light evenly allocated to each of the optical waveguides 96a to 96c meets again in the slab waveguide 95. At this time, since the lengths from the respective optical waveguides 96 a to 96 c differ by ΔL, diffraction occurs in the slab waveguide region 95. As a result of diffraction, only light of a specific wavelength is output from an output port provided at a position corresponding to the diffraction angle of each light. Therefore, a plurality of lights having different wavelengths introduced from a single input port are dispersed.
[0025]
FIG. 2B is a configuration diagram of the multiplexer. The multiplexer 73 has a plurality of inputs 76 a to 76 d and a single output 77. The plurality of inputs 76 a to 76 d are optically coupled to the optical transmission paths 5 to the plurality of light sources 1, respectively. The output 77 is optically coupled to the optical transmission line 4. In order to optically couple the inputs 76 a to 76 d and the output 77, InGaAsP semiconductor optical waveguides 75 a to 75 d are provided on the InP semiconductor substrate 74. Since the optical waveguides 75a to 75d are merged on the semiconductor substrate 74, the light traveling along the optical waveguides 75a to 75d is merged to reach the output.
[0026]
A light source according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4. This light source has a configuration of a fiber grating optical module. FIG. 3 is a perspective view of the fiber grating optical module, and is a partially broken view so that the inside of the fiber grating optical module becomes clear. 4 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG. 3 showing the main part of the fiber grating laser.
[0027]
3 and 4, the fiber grating optical module 1 includes a housing 12 and a main part 10 of the fiber grating optical module.
[0028]
The housing 12 is a butterfly type package in the embodiment shown in FIG. The main portion 10 of the fiber grating optical module is disposed on the bottom surface in the housing 12. The main part 10 of the fiber grating optical module is sealed in the package 12 in a state in which an inert gas such as nitrogen gas is sealed. The housing 12 includes a main body portion 12a that houses the main portion 10 of the fiber grating laser module, a cylindrical portion 12b that guides the optical fiber 14 to the main portion 10, and a plurality of lead pins 12c. An optical fiber 14 is introduced from the tip of the cylindrical portion 12b. The optical fiber 14 passes through the inside of the cylindrical portion 12b and reaches the main portion 10 of the fiber grating laser module.
[0029]
The main part 10 of the fiber grating optical module includes mounting members 22, 24, and 26 for mounting the semiconductor optical elements 16 and 18, and an alignment mechanism 30 for optically coupling the optical fiber 14 to the semiconductor optical amplifier 16. Is provided. The alignment mechanism unit 30 includes a ferrule 32, a first support member 34, a second support member 36, and a third support member 38.
[0030]
The first support member 34 has a hole 34a penetrating from the contact plane 34a toward the facing surface 34b, and the ferrule 32 into which the optical fiber 14 is inserted is supported in the hole 34a. The second support member 36 is fixed to the ferrule 32 at a position away from the first support member 34 by a predetermined length. The ferrule 32 is supported in the hole 36 a of the second support member 36. The third support member has a cup shape having a cylindrical portion 38c having a through hole 38b in the central portion of the bottom surface 38a. In order to secure a predetermined length, the third support member 38 is sandwiched between the first support member 34 and the second support member 36.
[0031]
The main part 10 of the optical module includes an optical fiber 14 and a semiconductor optical amplifier 16. The semiconductor optical amplifier 16 is mounted on the chip carrier 22 so as to be optically coupled to the optical fiber 14. Heat generated during the operation of the semiconductor optical amplifier 22 is conducted through the chip carrier 22 and reaches the Peltier element 28. The Peltier element 28 operates as a cooling element when a current flows.
[0032]
The semiconductor optical amplifier 16 includes a light reflecting means 16b, a light generating element (40 in FIG. 5B), and a light modulating element (42 in FIG. 5B). The optical fiber 14 includes a fiber grating 14 a that selects and reflects the wavelength of light from the semiconductor optical amplifier 16. In the optical path of the light generated in the fiber grating optical module, a light generating element and a light modulation element are disposed between the light reflecting means 16b and the fiber grating (diffraction grating) 14a, and the light reflecting means 16b and the fiber grating 14a. Form an optical resonator. The semiconductor optical amplifier 16 will be described in detail later with reference to FIGS. 5 (a) and 5 (b).
[0033]
A light receiving element 18 such as a photodiode is mounted on a chip carrier 26. The chip carrier 26 is provided on the mounting member 24 so that the photodiode 18 is disposed at a position facing the end face 16 b of the semiconductor optical amplifier 16. The photodiode 18 operates as a monitoring photodiode for monitoring the light emission state of the semiconductor optical amplifier 16.
[0034]
The mounting member 24 is an L-shaped member having a base portion 24a and a wall portion 24b, and the wall portion 24b is provided on the mounting surface 24c of the base portion 24a. The chip carriers 22 and 26 are mounted on the mounting surface 24d of the base portion 24b. The mounting member 24 is installed on the Peltier element 28 with the installation surface 24 d facing the Peltier element 28.
[0035]
The optical fiber 14, the semiconductor optical amplifier 16, and the light receiving element 18 are arranged along a predetermined axis 20. The optical fiber 14 has a fiber grating 14a and two end portions 14b and 14c. One end 14 b of these end portions faces the first end face 16 a of the semiconductor optical amplifier 16. The optical fiber 14 is disposed at a position where the end 14b and the first end face 16a can be optically coupled. The end portion 14b optically coupled to the first end surface 16a has a lens shape that is processed into a tip so that light emitted from the first end surface 16a of the semiconductor optical amplifier 16 can be collected. ing. For this reason, it is not necessary to provide a separate lens between the semiconductor optical amplifier 16 and the optical fiber 14, so that optical coupling can be performed directly. As a result, the resonator length can be shortened, so that the high-frequency characteristics of the fiber grating laser are improved.
[0036]
The optical fiber 14 is provided with a diffraction grating (fiber grating) 14a at a position in the core portion that is separated from the one end portion 14b having a lens shape by a predetermined distance. The fiber grating is designed to have a reflection spectrum in the wavelength region used for alignment in the present application.
[0037]
The optical fiber 14 is inserted from one end into a through-hole extending from one end portion of the ferrule 32 to the other end portion, and the tip portion 14 b of the optical fiber protrudes from the other end portion of the ferrule 32 by a predetermined length. The ferrule 32 is fixed to the first support member 34 at a position away from the end portion from which the tip end portion 14b of the optical fiber protrudes. The ferrule 32 is also fixed to the second support member 36 at a position away from the one end where the optical fiber 14 is inserted by a predetermined distance. The first support member 34 and the second support member 36 are arranged at spatially separated positions by the third support member 38. The third support member 38 allows the second support member 36 to be disposed at a position spaced from the first support member 34. FIG. 5A is a perspective view of a semiconductor optical amplifier including a light generation element and a light modulation element. FIG.5 (b) is sectional drawing in the II-II cross section of Fig.5 (a).
[0038]
Referring to FIGS. 5A and 5B, in the semiconductor optical amplifier 16, the light generating element 40 and the light modulating element 42 are integrally formed.
[0039]
The light generating element 40 includes, on a substrate, an active layer 54 that generates and amplifies light when carriers are injected, and cladding layers 50 and 58 having a refractive index lower than that of the active layer 54 with the active layer 54 interposed therebetween. The light generating element 40 is a light emitting element that generates stimulated emission light by injecting carriers from the clad layers 50 and 58 on both sides into the active layer 54 to form an inversion distribution.
[0040]
The light modulation element 42 includes an absorption layer 56 that optically couples with the active layer 54 and absorbs light from the active layer 54 when a predetermined voltage is applied. The light modulation element 42 modulates light from the active layer 54 by applying a predetermined voltage to the absorption layer 56.
[0041]
The semiconductor optical amplifier 16 has a first end face 16a and a second end face 16b. The light reflectivity of the first end face 16a is smaller than the light reflectivity of the second end face. In order to realize this, a low reflection film is formed on the first end face 16a and a reflectance of about 1 to 0.1% is achieved, so that most of the light is transmitted. On the other hand, a highly reflective film is formed on the second end face 16b to achieve a reflectance of 85% or more. Therefore, the first end surface 16a is a light emitting surface, and the second end surface 16b is a light reflecting surface. Each surface can be formed as either a light reflecting surface or a light emitting surface as required, and both can be selected.
[0042]
The light generation element 40 and the light modulation element 42 included in the semiconductor optical amplifier 16 include configurations as will be described subsequently. Both the light generation element 40 and the light modulation element 42 are provided on the same semiconductor substrate 48. As the semiconductor substrate 48, for example, an n-type InP semiconductor substrate (hereinafter referred to as an n-InP substrate) can be used. Although the semiconductor optical amplifier 16 can include an n-type InP semiconductor buffer layer (not shown) on the n-InP substrate, hereinafter, a semiconductor optical amplifier is used when an n-InP substrate without a buffer layer is used. The structure of the light generation element 40 and the light modulation element 42 will be described while explaining the manufacturing method 16.
[0043]
The semiconductor optical amplifier 16 epitaxially grows an n-InP semiconductor layer over the n-InP substrate. The n-InP semiconductor layer becomes the first cladding layer 50.
[0044]
Subsequently, an insulating film mask for selectively forming an active layer and an absorption layer is formed on the first cladding layer 50 using a photolithographic technique.
[0045]
FIG. 6 is a plan view showing a planar pattern of the mask material 62 used when the active layer and the absorption layer of the semiconductor optical amplifier are formed by selective growth. Referring to FIG. 6, a portion (stripe portion) 62 a having a certain width in which the active layer and the absorption layer are to be formed is formed along the axis 61. This portion 62a is a portion from which the insulating film has been removed. The shaft 61 can be a straight line extending from the one end surface 44 of the semiconductor substrate 48 toward the other end surface 46. Although FIG. 6 illustrates the case where the shaft 61 is substantially orthogonal to the one end surface 44 and the other end surface 46, the shaft 61 can also intersect the one end surface 44 and the other end surface 46 at a predetermined angle.
[0046]
According to the pattern shown in FIG. 6, adjacent portions on both sides of the active layer and absorption layer forming portion 62 a, portions (mask regions) 62 b where the insulating layer is left extend along the axis 61. A portion 62c from which the insulating film is removed is provided adjacent to each portion 62b from which the insulating film remains. When the width of the mask region 62b is defined as the width in the direction orthogonal to the direction of the axis 61, the width d1 in the portion where the light generating element 40 is to be formed is larger than the width d2 in the portion where the light modulating element 42 is to be formed. It has become. In the region between the two elements 41 and 42, the width continuously changes from d1 to d2. Further, the composition in this region gradually changes from the composition of the active layer to the composition of the absorption layer, and the band gap also changes gradually.
[0047]
After such a mask is formed, the active layer 54 and the absorption layer 56 are formed in the same process. As the active layer 54 and the absorption layer 56, an undoped GaInAsP semiconductor is grown using the OMVPE method. When a GaInAsP semiconductor is grown using the above-described mask, the GaInAsP semiconductor is grown in the light generating element portion having the wider mask region and the light modulating element portion having the narrower mask region width. The composition is different. Therefore, an active layer having a band gap E1 and an absorption layer having a band gap E2 can be formed in a single growth process. As a result of adopting the mask shape of FIG. 6, the band gap E1 in the active layer 54 portion is smaller than the band gap E2 in the absorption layer 56 portion.
[0048]
Thus, if the active layer 54 and the absorption layer 56 are formed in a single growth step, there will be no positional deviation and no difference in thickness between the respective portions. Therefore, the active layer 54 and the absorption layer 56 can be realized with high efficiency and good reproducibility. If the cladding layers 50 and 58 sandwiching the active layer 54 of the light generating element 40 and the absorption layer 56 of the light modulation element 42 are formed of the same semiconductor layer, the active layer 54 and the absorption layer 56 It is possible to further strengthen the optical coupling.
[0049]
Next, a p-InP semiconductor layer is formed with the mask 62 left. The p-InP semiconductor layer is selectively formed only in the opening portion of the mask. The p-InP semiconductor layer becomes the second cladding layer 58. The second cladding layer 58, together with the first cladding layer 50, sandwiches the active layer 54 and the absorption layer 56. The first clad layer 50 and the second clad layer 58 have a smaller refractive index than the refractive index of the active layer 54 and the absorption layer 56, respectively, and thus act to confine light in the active layer 54 and the absorption layer 56. . Since the first cladding layer 50 is formed of an n-type semiconductor and the second cladding layer 58 is formed of a p-type semiconductor layer, a PN diode or a PN junction is formed with the active layer 54 interposed therebetween, and similarly absorbed. A PN diode or PN junction is formed with the layer 56 interposed therebetween. The conductivity types of the first and second cladding layers 50 and 58 are determined corresponding to the conductivity type of the semiconductor substrate 48.
[0050]
Subsequently, with the mask 62 left, p + -Growing InGaAs semiconductors. p + The -InGaAs semiconductor layer becomes a low resistance contact layer 60. The contact layer 60 is removed at the boundary between the light generating element 40 and the light modulating element 42 to form separate contact portions 60a and 60b. This prevents the light generating element 40 and the light modulating element 42 from being connected via a low-resistance semiconductor layer.
[0051]
After this, over the substrate 48, an insulating film such as SiO 2 A film is formed. An insulating film 62 having an opening is formed in a portion where electrical connection to the contact portions 60a and 60b is to be made using a photolithographic technique.
[0052]
Subsequently, an electrode such as a Ti / Au electrode is formed on the insulating film 62. The electrodes include an electrode 64 for the light generation element 40 and an electrode 66 for the light modulation element 42. These electrodes 64 and 66 can be formed by using, for example, a lift-off method.
[0053]
Further, a back electrode 68 such as a Ti / Au electrode is formed over the back surface of the substrate 48. The electrode can be formed as a common electrode for the electrode 64 for the light generating element 40 and the light modulating element 42.
[0054]
Thus, a large number of semiconductor optical amplifiers were completed on the substrate 48. When this is separated into chips, a semiconductor optical amplifier having a shape as shown in FIGS. 5A and 5B can be obtained.
[0055]
The active layer 54 and the absorption layer 56 can also be formed in separate growth steps. For example, after the semiconductor layer having one composition of the active layer 54 and the absorption layer 56 is grown, this is partially removed, and then, after the semiconductor layer having the other composition of the active layer 54 and the absorption layer 56 is grown, a predetermined value is obtained. Remove leaving a portion. Such two growth steps can be used. Even in this case, the band gap E 1 of the semiconductor that is the material of the active layer 54 is smaller than the band gap E 2 of the semiconductor that is the material of the absorption layer 56.
[0056]
Thus, when the active layer 54 and the absorption layer 56 are not formed in a single growth step, there may be a difference in position and thickness between the portions 54 and 56. Since the refraction and reflection occur at the crystallographic boundary at the connecting portion of both layers, the light passing through this boundary tends to spread. For this reason, it is considered that the optical coupling between the active layer 54 and the absorption layer 56 is weakened. However, if each of the light generation element 40 and the light modulation element 42 is sandwiched between the clad layers 50 and 58 having a refractive index lower than that of the active layer 54 and the absorption layer 56 and integrally formed, the active layer 54 and The optical coupling of the absorption layer 56 can be strengthened. Further, high optical coupling between the active layer 54 and the absorption layer 56 can be realized with good reproducibility.
[0057]
When the thickness of the main part of such a semiconductor optical amplifier 16 is shown, for example,
First cladding layer: 1.0 μm
Active layer: 0.2 μm
Absorption layer: 0.2 μm
Second cladding layer: 2.0 μm
It becomes.
[0058]
The operation of the optical module including the semiconductor optical amplifier 16 and the optical fiber 14 having a fiber grating will be described with reference to FIG.
[0059]
The positive electrode of the power source 70 is connected to the electrode 64 of the light generating element 40, and the negative electrode of the power source 70 is connected to the electrode 68. The power source 70 is a power source for applying a current required for causing laser oscillation in the optical module to the light generating element 40. Since the power supply 70 biases the PN diode portion or the PN junction portion sandwiching the active layer 54 of the light generating element 40 in the forward direction, carriers are injected into the active layer 54 from the respective cladding layers 50 and 58. The light generating element 40 generates and amplifies light in the active layer 54 when carriers are injected from the first cladding layer 50 and the second cladding layer 58.
[0060]
The negative electrode of the power source 72 is connected to the electrode 66 of the light modulation element 42, and the positive electrode of the power source 72 is connected to the electrode 68. The power source 72 is a power source for applying a pulse voltage to the light modulation element 42. Since the power source 72 biases the PN diode portion or the PN junction portion sandwiching the absorption layer 56 of the light modulation element in the reverse direction, the absorption layer 56 to which a voltage is applied from the first cladding layer 50 and the second cladding layer 58 Depleted. An electric field corresponding to the applied voltage is generated in the depleted absorption layer 56. When a predetermined electric field is generated in the absorption layer 56, the fundamental absorption edge spectrum of the absorption layer 56 changes due to the Franz-Keldysh effect. This effect is effective for the absorption layer +4 When an electric field of about V / cm is generated, it becomes noticeable. For this reason, for example, a voltage of 10 V is applied to an absorption layer having a thickness of 1 μm, and a voltage of about several volts is sufficient for an absorption layer of about 100 nm. Such a voltage value is a voltage value that can be handled in the optical module. If this voltage is used, a current flows between the power source 70 and the power source 72 via the second cladding layer 58, but the influence on the operation of the semiconductor amplifier 16 is considered to be small.
[0061]
When a semiconductor laser or a semiconductor optical amplifier is directly modulated at a frequency of several GHz, it is usually necessary to switch a large current of about several mA according to the modulation signal. However, the light modulation element 42 does not consume a current like the light generation element 40. For this reason, the current from the power source 72 is a very small value. Since the light modulation element 42 consumes little current, electromagnetic induction noise associated with current switching is also reduced. Furthermore, since there is no need to consider switching of a large current of about several mA as described above, the restrictions imposed on the pattern of the conductive layer on the wiring substrate and the semiconductor substrate can be reduced.
[0062]
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the light absorption rate and energy in the absorption layer 56 when an electric field is applied. Referring to FIG. 7, the solid line rising from the energy value Eg1 on the horizontal axis is the absorption characteristic when no electric field exists, and the broken line rising from the energy value Eg2 is the absorption characteristic when the electric field exists (electroabsorption characteristic). is there.
[0063]
Thus, since the fundamental absorption edge spectrum of the absorption layer 56 changes due to the Franz-Keldish effect, if the wavelength λ 0 of light received from the active layer 54 is included in the range of the spectrum change, the active layer 54 Is absorbed by the absorption layer 56 when a predetermined voltage is applied from the power source 72. That is, if the band gap value of the absorption layer 56 is made smaller than the band gap value of the active layer 54 by applying an electric field, the light from the active layer 54 changes to the fundamental absorption edge due to the electric field absorption of the absorption layer 56. Modulated accordingly. The absorption rate due to such electroabsorption is 10 -2 -10 -3 Although it is a value of the order, a desired absorption characteristic is realized if the length of the absorption layer 56 is sufficiently long.
[0064]
As described above, the fiber grating optical module having the configuration as described above has the light generation element 40 having the active layer 54 and the light modulation element 42 having the absorption layer 56 optically coupled to the active layer 54 on the same substrate 48. The semiconductor optical amplifier 16, and the optical fiber 14 having the first end portion 14 b and the fiber grating 14 a optically coupled to the light emitting surface 44 of the semiconductor optical amplifier 16, and the light reflecting surface 46 of the semiconductor optical amplifier 16. The fiber grating 14a forms an optical resonator.
[0065]
The operation of this optical module will be described with reference to FIG. When a voltage is applied to the light generating element 40 and carriers are injected into the active layer 54, light A and C are generated in the active layer 54. The light A becomes reflected light B toward the light reflecting surface 46 and propagates through the active layer 54 and reaches the absorption layer 56 in the same manner as the propagation light C.
[0066]
When no electric field is generated because no voltage is applied to the absorption layer 56, the propagation lights B and C propagate through the absorption layer 56 to reach the light emission surface 44 and are emitted from the light emission surface 44 and emitted light. D. When the emitted light D reaches the tip 14a of the optical fiber 14, it is introduced into the core as light E. When the light E reaches the fiber grating 14a, part of the light E becomes reflected light F and the rest becomes transmitted light G. The reflected light F becomes emitted light H from the tip 14 b of the optical fiber 14, and when it reaches the light emitting surface 44, becomes reflected light I introduced through the absorption layer 56. When the propagating light I reaches the active layer 54, light is stimulated and emitted in the active layer 54. In this way, laser light is generated in the optical module.
[0067]
On the other hand, the electric field (10 +4 When V / cm) is applied, the light reaching the absorption layer 56 is attenuated by electroabsorption as it propagates through the absorption layer 56. This light substantially disappears while propagating through a sufficiently long absorption layer 56.
[0068]
In such a fiber grating optical module, since the semiconductor optical amplifier 16 has the light generating element 40 and the light modulating element 42 on the same substrate, the carrier density existing in the active layer 54 of the light generating element 40 is different from that of the light modulating element 42. It does not depend on the applied modulation signal. For this reason, since the refractive index fluctuation based on the change of the carrier density depending on the modulation signal does not occur in the active layer 54, the chirping based on the modulation is reduced.
[0069]
More specifically, the refractive index of the semiconductor layer depends on the number of carriers. Since the refractive index decreases as the number of carriers increases, the optical resonator becomes equivalently short, and the emission wavelength of the optical module shifts to a short wavelength. In a modulation operation with a low frequency, the number of carriers does not change so as to effectively change the optical resonator length. This is because even if a current (carrier) of a threshold value or more is applied to the semiconductor laser, it is converted into light in a time sufficiently shorter than the modulation frequency.
[0070]
On the other hand, in an optical module having a fiber grating, the optical resonator length is longer than, for example, the optical resonator length of a semiconductor laser. Therefore, the light generated in the optical resonator propagates between the resonators and has a phase. The time until the conditions are met becomes longer. Therefore, if the injection current changes before the phase condition is met, the current changes in a time that the phase condition is met. This means a change in the number of carriers. Thus, such changes cause chirping in the emission spectrum.
[0071]
However, in the present invention, there is no change in the number of carriers in the light generating element. In the light modulation element, since the reverse bias is applied to the absorption layer, the number of carriers does not change. Therefore, any element included in the semiconductor optical amplifier acts so as not to cause chirping in the emission spectrum. FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the inputs V 1 and V 2 applied to the semiconductor optical amplifier 16 and the optical output I 0 generated from the semiconductor optical amplifier 16.
[0072]
Referring to FIG. 8, the voltage V1 volts is applied to the light generating element 40 at time t1 to maintain a constant value, so that light is generated in the active layer of the light generating element 40. In the period from time t1 to t2, the modulation signal low (L) is applied. Be Therefore, a voltage of 0 volts is applied to the light modulation element 42. For this reason, the absorption layer of the light modulation element 42 does not absorb the light input from the active layer, so that a light intensity I0 is obtained as the modulated light output.
[0073]
In the period from time t2 to t3, a modulation signal high (H) is given. This Therefore, the light modulation element 42 has a voltage. V2 Bolts are added. For this reason, since the light input from the active layer is absorbed in the absorption layer of the light modulation element 42, I1 that is weaker than the light intensity I0 is obtained in the modulated light output. If a sufficient amount of light absorption occurs in the absorption layer, I1 will be substantially zero.
[0074]
At time t4, when the voltage applied to the light generating element is cut to 0 volts, the intensity of the modulated light output becomes zero. Thereafter, during the period from time t5 to time t6, a modulation signal high (H) is applied, and the voltage V2 volts is applied to the light modulation element 42 and the absorption layer can absorb light. No light is input from 40. During the period from time t6 to t7, the modulation signal low (L) is applied. Being Although the voltage 0 V is applied to the light modulation element 42 and the absorption layer can transmit light, no light is input from the light generation element 40, so that the modulated light output becomes zero.
[0075]
As described above, the modulated light output is changed in accordance with the input to the light modulation element in the period from the time t1 to the time t4. However, since the voltage applied to the light generation element is constant, the carrier density of the active layer There is no change. For this reason, as already described, chirping does not occur in the modulated light output.
[0076]
FIG. 9 is a cross-sectional view of a semiconductor optical amplifier having another structure corresponding to the II-II cross section of FIG. Referring to FIG. 9, compared to FIG. 5, not only the contact layers 60 a and 60 b but also the second cladding layer is formed separately for each of the light generation element 40 and the light modulation element 42.
[0077]
The absorption layer 56 is sandwiched between the first cladding layer 50 and the second cladding layer 59a. The active layer 54 is sandwiched between the first cladding layer 50 and the third cladding layer 59b. Since the refractive indexes of the first cladding layer 50, the second cladding layer 59a, and the third cladding layer 59b are smaller than the refractive indexes of the active layer 54 and the absorption layer 56, respectively, these cladding layers 50, 59a, 59 b acts to confine light in the active layer 54 and the absorption layer 56. Since the first clad layer 50 is formed of an n-type semiconductor and the second clad layer 59a and the third clad 59b are formed of a p-type semiconductor layer, the P-type and N-type semiconductors sandwich the active layer 54 therebetween. The layers face each other, and similarly, the P-type and N-type semiconductor layers face each other with the absorption layer 56 interposed therebetween. In this embodiment, the anode of the PN junction diode is electrically insulated, but the cathode can also be insulated.
[0078]
As described above, since the second cladding layer 59a is electrically insulated from the third cladding layer 59b, the influence of the voltage applied to the light modulation element 42 on the light generating element 40 can be further reduced. .
[0079]
After this, over the substrate 48, an insulating film such as SiO 2 A film is formed. A resist material is applied on the insulating film, and after a pattern having an opening at a portion where electrical connection to the contact portions 60a and 60b is to be made is transferred to the resist material using a photolithographic technique, the resist is The insulating film 62 is formed by removing the removed insulating film. The insulating film 62 is formed by separating the contact layer 60 and the p-InP semiconductor layer 59 between the two elements, the side surfaces of the contact portions 60a and 60b, the second cladding layer 59a, and the third cladding layer 59b. And the connection portion of the active layer 54 and the absorption layer 56 are covered.
[0080]
Note that the semiconductor optical amplifier may include the clad layers 59a and 59b separated as the semiconductor layers provided on the active layer 54 and the absorption layer 56 formed separately.
[0081]
As described above, the light source shown in the embodiment includes the optical fiber 14 and the semiconductor optical amplifier 16. The semiconductor optical amplifier 16 is a light generating element having an active layer that generates light when carriers are injected. The semiconductor optical amplifier 16 is optically coupled to the active layer and absorbs light when a predetermined voltage is applied. And a light reflecting surface for reflecting light from the active layer and a light emitting surface for emitting light from the absorbing layer. The optical fiber has a first end optically coupled to the light emitting surface, and a fiber grating provided at a predetermined distance from the first end.
[0082]
In such a fiber grating optical module, since one end of the optical fiber having the fiber grating is optically coupled to the light emitting surface of the semiconductor optical amplifier, optical resonance occurs from the light reflecting surface of the semiconductor optical amplifier and the fiber grating. A vessel is formed. Further, since the semiconductor optical amplifier has the separate light generating element and light modulating element on the same substrate, the carrier density existing in the active layer of the light generating element does not depend on the modulation signal applied to the light modulating element.
[0083]
For this reason, since the refractive index fluctuation based on the change of the carrier density depending on the modulation signal does not occur in the active layer, the chirping based on the modulation of the carrier density is reduced.
[0084]
Therefore, a fiber grating optical module with reduced chirping caused by modulation by a signal is provided.
[0085]
FIG. 10A to FIG. 13B are schematic views showing optical modules having various configurations. Since the optical module having such a configuration, the housing, the chip carrier, and the like that are the same as or similar to those shown in FIGS. 3 and 4 can be used, detailed description thereof will be omitted. The arrows shown in FIGS. 10 (a) to 13 (b) indicate the progress, reflection, and transmission of light as in FIG. 5 (b).
[0086]
FIGS. 10A and 10B are schematic views showing the configuration of the light source (fiber grating optical module 1) already described in detail. Referring to FIGS. 10A and 10B, the light source includes a semiconductor optical amplifier 16 and one end portion 14 b that is optically coupled to the light emitting surface 16 a of the semiconductor optical amplifier 16 along a predetermined axis 20. And an optical fiber 14 having The light reflecting surface 16b of the semiconductor optical amplifier 16 and the diffraction grating 14a included in the optical fiber 14 constitute an optical resonator. The semiconductor optical amplifier 16 includes a light generation element 40 and a light modulation element 42. The structural difference between FIG. 10A and FIG. 10B is the position of the light modulation element 42 in the optical resonator. The laser-oscillated light is extracted through the optical fiber 14.
FIG. 11A and FIG. 11B are schematic views showing the configuration of another light source suitable for the WDM communication system according to the present invention. Referring to FIG. 11A and FIG. 11B, the light source is light that is optically coupled to the optical fiber 15 having the diffraction grating 15a and one end portion 15b of the optical fiber 15 along a predetermined axis 20. A semiconductor optical amplifier 16 having an emission surface 16a. The laser-oscillated light can be extracted through the light semi-transmissive surface 16 c of the semiconductor optical amplifier 16. The light source for the WDM communication system preferably further includes an optical fiber 19 having an end portion 19a optically coupled to the light semi-transmissive surface 16c. The optical resonator includes a light semi-transmissive surface 16 c of the semiconductor optical amplifier 16 and a diffraction grating 15 a included in the optical fiber 15. The light semi-transmissive surface 16c has a characteristic of reflecting a part of received light and transmitting the remaining light. The structural difference between FIG. 11A and FIG. 11B is the position of the light modulation element 42 in the optical resonator. Between the semiconductor optical amplifier 16 and the optical fiber 19, an optical isolator 21 capable of passing light only in one direction (the direction of the arrow in the figure) can be provided. In this way, the return light can be blocked. The light semi-transmissive film 16c can transmit part of the light generated by the semiconductor optical amplifier 16. The light reflectance of the light semi-transmissive film 16c is larger than the light emitting surface 16a and smaller than the light reflecting surface 16b.
[0087]
FIGS. 12A to 12D are schematic views showing the configuration of a light source suitable for the WDM communication system according to the present invention. Referring to FIG. 12A, the light source is a semiconductor having an optical fiber 15 having a diffraction grating 15a along a predetermined axis 20 and a light emitting surface 17a optically coupled to one end 15b of the optical fiber 15. An optical amplifier 17 and a planar waveguide modulation element 80 optically coupled to the light semi-transmissive surface 17c of the semiconductor optical amplifier 17 are provided. The optical resonator includes a light semi-transmissive surface 17 c of the semiconductor optical amplifier 17 and a diffraction grating 15 a included in the optical fiber 15. The laser-oscillated light can be extracted via the output of the planar waveguide modulation element 80. It is preferable that the light source for such a WDM communication system further includes an optical fiber 19 having an end portion 19a optically coupled to the output of the planar waveguide modulation element 80. An optical isolator 21 can be provided between the semiconductor optical amplifier 17 and the planar waveguide modulation element 80 and between the planar waveguide modulation element 80 and the optical fiber 19 in order to block the return light.
[0088]
Referring to FIG. 12B, the light source includes an optical fiber 15 having a diffraction grating 15 a along a predetermined axis 20, and a planar waveguide modulation element 80 optically coupled to one end 15 b of the optical fiber 15. And a semiconductor optical amplifier 17 having a light emission surface 17a optically coupled to the planar waveguide modulation element 80. The optical resonator includes a light semi-transmissive surface 17 c of the semiconductor optical amplifier 17 and a diffraction grating 15 a included in the optical fiber 15. The laser-oscillated light can be extracted through the light semi-transmissive surface 17c of the semiconductor optical amplifier 17. It is preferable that the light source for such a WDM communication system further includes an optical fiber 19 having an end portion 19a optically coupled to the light semi-transmissive surface 17c of the semiconductor optical amplifier 17.
[0089]
Referring to FIG. 12C, the light source includes a semiconductor optical amplifier 16 having a light reflecting surface 17 b along a predetermined axis 20, and an end 23 b that is optically coupled to the light emitting surface 17 a of the semiconductor optical amplifier 17. And an optical fiber 23 having a diffraction grating 23a, and a planar waveguide modulation element 80 optically coupled to one end 23c of the optical fiber 23. The optical resonator includes a light reflecting surface 17 b of the semiconductor optical amplifier 17 and a diffraction grating 23 a included in the optical fiber 23. The laser-oscillated light can be extracted via the output of the planar waveguide modulation element 80. It is preferable that the light source for such a WDM communication system further includes an optical fiber 19 having an end portion 19a optically coupled to the output of the planar waveguide modulation element 80. An optical isolator 21 for blocking return light can be provided between the optical fiber 23 and the planar waveguide modulation element 80 and between the planar waveguide modulation element 80 and the optical fiber 19.
[0090]
Referring to FIG. 12D, the light source includes a semiconductor optical amplifier 17 having a light reflecting surface 17b along a predetermined axis 20, and a planar waveguide optically coupled to the light emitting surface 17a of the semiconductor optical amplifier 17. A modulation element 80 and an optical fiber 14 having a diffraction grating 14a and optically coupled to the planar waveguide modulation element 80 are included. The optical resonator includes a light reflecting surface 17 b of the semiconductor optical amplifier 17 and a diffraction grating 14 a included in the optical fiber 14. The laser-oscillated light can be extracted via the optical fiber 14.
[0091]
FIG. 13A and FIG. 13B are schematic diagrams showing a configuration of a light source suitable for a WDM communication system. Referring to FIGS. 13A and 13B, the light source includes a semiconductor optical amplifier 17 having a light reflecting surface 17b along a predetermined axis 20, and a light emitting surface 17a of the semiconductor optical amplifier 17 and an optical source. And a wavelength selective light reflector 90 having a diffraction grating 88 coupled thereto. The optical resonator includes a light reflecting surface 17 b of the semiconductor optical amplifier 17 and a diffraction grating 88 of the wavelength selective light reflector 90. Such a light source for a WDM communication system preferably further comprises an optical fiber 19 having an end 19a that is optically coupled to the output of the wavelength selective light reflector 90. The laser-oscillated light can be extracted through the optical fiber 19. In FIG. 13B, a modulation element 80 is provided in the optical resonator. On the other hand, in FIG. 13A, a modulation element 80 is provided outside the optical resonator. The modulation element 80 is provided in the wavelength selective light reflector 90 as shown in FIG.
[0092]
10 (a), 10 (b), 11 (a), 11 (b), 12 (a), 12 (c), 13 (a), and 13 (b). In the light source thus formed, the optical resonator is formed from two optical devices provided with reflecting means for constituting the optical resonator, so that the length of the optical resonator can be shortened. Further, such a light source can include a monitoring photodiode for monitoring the light emission state of the semiconductor optical amplifiers 16 and 17. The optical fiber ends 15b and 19a that are optically coupled to the semiconductor optical amplifiers 16 and 17, the planar waveguide modulator 80, and the wavelength selective light reflector 90 are similar to the end 14b of the optical fiber 14, If necessary, it can be tip-balled and have a lensed end.
[0093]
The semiconductor optical amplifiers 16 and 17, the planar waveguide modulator 80, the wavelength selective optical reflector 90, the optical fiber 19, the optical fibers 14, 15, and 23 provided with the fiber grating, and the isolator 21 are shown in FIGS. Can be disposed on or attached to the mounting member 24 shown in FIG. At this time, the optical fibers 14, 15, 19, and 23 can be fixed via a support member such as a ferrule as necessary.
[0094]
14A to 14C are perspective views showing the planar waveguide modulation element 80 and the wavelength selective light reflector 90. FIG. The planar waveguide modulation element 80 and the wavelength selective light reflector 90 are Mach-Zehnder type modulators.
[0095]
Referring to FIG. 14A, the planar waveguide modulation element 80 includes a planar waveguide 82, an input 82a and an output 82b provided at both ends of the planar waveguide 82, and two electrodes 83a sandwiching the planar waveguide 82c. , 83b. The planar waveguide 82 is LiNbO Three These are formed by introducing Ti on the electro-optic crystal substrate 81. The planar waveguide modulation element 80 applies a predetermined voltage φ between the electrodes 83a and 83b, and modulates the amount of light passing through the waveguide by changing the refractive index of the waveguide portion.
[0096]
Incident light to the planar waveguide is bifurcated 82c and 82d by a Y-branch coupler. Thereafter, an electric field is applied to only one of the waveguides 82c to change the phase of the light by 180 °, and then the light is multiplexed again. When an electric field is applied, the light from one waveguide 82c and the light from the other waveguide 82d are out of phase with each other and thus cancel each other. When an electric field is not applied, the incident light is simply branched into two, and both lights are combined again. Therefore, assuming that there is no loss, the incident light intensity is maintained. Thus, when an electric field is applied to the electro-optic crystal, its refractive index changes. When this electric field is applied between the waveguides, the phase of the guided light can be changed. Therefore, it becomes possible to modulate the emitted light according to the presence or absence of an electric field. In addition, the amount of phase change can be changed according to the applied electric field strength.
[0097]
Referring to FIG. 14B, the incident light to the planar waveguide is branched into two branches 82c and 82d by a Y branch coupler. Thereafter, an electric field is applied to one of the waveguides 82c from the electrodes 85a and 85b by the power source φ1. An electric field is applied to the other waveguide 82d from the electrodes 85b and 85c by the power source φ2. The phases and amplitudes of the power sources φ1 and φ2 are adjusted so that the light phases of both waveguides are relatively changed by 180 °. Thereafter, when the signals are combined again, when an electric field is applied, the light from one waveguide 82c and the light from the other waveguide 82d are mutually different in phase by 180 °, and cancel each other. When no electric field is applied, the incident light intensity is maintained because the incident light is simply bifurcated and both lights are combined again.
[0098]
In this case, the signal applied to the modulator can be a signal completely independent of the light generating element. Since the light generating element can completely operate in direct current, no change in the refractive index based on surplus carriers in the light generating element is induced. For this reason, in such a light source, a chirp phenomenon of emitted light based on surplus carriers does not occur. FIG. 14C is a perspective view showing the wavelength selective light reflector 90. Referring to FIG. 14C, the wavelength selective light reflector 90 includes a diffraction grating 88 provided along the waveguide 82 on the same substrate 81 in addition to the planar waveguide modulation element 80. Thus, if the diffraction grating 88 is provided in the planar waveguide 82, the diffraction grating 88 and the planar waveguide modulation element 80 can be integrated together on the same electro-optic crystal. Therefore, a small wavelength selective light reflector 90 is obtained. As such a diffraction grating 88, a relief type grating formed by etching on the substrate surface, or a refractive index modulation type grating provided with a refractive index modulation part formed by spatially modulating the Ti concentration. , Each can be realized.
[0099]
FIG. 15 is a cross-sectional view of the semiconductor optical amplifier 17 including the light generating element 40 and corresponds to the II-II cross section of FIG. The semiconductor optical amplifier 17 in FIG. 15 is the same as the semiconductor optical amplifier 16 shown in FIG. 5B except that the semiconductor optical amplifier 17 has only the optical amplification element 40. For this reason, in FIG. 15, the same code | symbol is attached | subjected to the corresponding part of FIG.5 (b).
[0100]
【The invention's effect】
As described above in detail with reference to the drawings, in the WDM communication system according to the present invention, the semiconductor optical amplifier and the wavelength selective light reflecting means form an optical resonator. Determined by selective light reflecting means. For this reason, the optical resonator is set separately from the semiconductor optical amplifier, and this wavelength is not determined during the fabrication of the semiconductor optical amplifier. In addition, the laser oscillation wavelength can be changed by using wavelength selective light reflecting means for reflecting light of different wavelengths. Furthermore, an oscillation wavelength spectrum corresponding to the reflection spectrum of the wavelength selective light reflecting means is realized.
[0101]
Therefore, a WDM communication system using a light source that can easily set an oscillation wavelength, has a narrow spectrum, and has reduced chirping phenomena and a light source therefor are provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a wavelength division multiplexing (WDM) communication system.
2A is a configuration diagram of an optical demultiplexer, and FIG. 2B is a configuration diagram of an optical multiplexer.
FIG. 3 is a perspective view of the fiber grating optical module, and is a partially broken view so that the inside of the module becomes clear.
4 is a cross-sectional view taken along a line II in FIG. 3. FIG.
5A is a perspective view of a semiconductor optical amplifier including a light generation element and a light modulation element, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along a line II-II in FIG. 5A.
FIG. 6 is a plan view showing a planar pattern used when an active layer and an absorption layer of a semiconductor optical amplifier are formed by selective growth.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the light absorption rate in the absorption layer and the energy of light when an electric field is applied.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing a relationship between an input applied to the semiconductor optical amplifier and an optical output generated from the semiconductor optical amplifier.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a semiconductor optical amplifier having another structure, corresponding to the II-II cross section of FIG. 5 (a).
FIGS. 10A and 10B are schematic views showing the configuration of the light source already described in detail.
FIGS. 11A and 11B are schematic diagrams showing the configuration of another light source suitable for the WDM communication system. FIGS.
FIGS. 12A to 12D are schematic views showing a configuration of a light source suitable for a WDM communication system.
FIGS. 13A and 13B are schematic diagrams showing a configuration of a light source suitable for a WDM communication system. FIGS.
14 (a) to 14 (c) are perspective views showing a planar waveguide modulation element and a wavelength selective light reflector.
FIG. 15 is a cross-sectional view of a semiconductor optical amplifier including a light generating element, and corresponds to the II-II cross section of FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light source, 2 ... Optical receiver, 4 ... Optical transmission line, 7 ... Multiplexer, 9 ... Demultiplexer, 14, 15, 19, 23 ... Optical fiber, 16, 17 ... Semiconductor optical amplifier, 21 ... Light Isolator 40 ... light generating element 42 ... light modulation element 48 ... semiconductor substrate 50 ... first cladding layer 54 ... active layer 56 ... absorbing layer 58 ... second cladding layer 59 ... second Cladding layer, 60 ... contact layer, 62 ... mask material, 60a, 60b ... contact part, 62 ... insulating film, 64, 66, 68 ... electrode, 70, 72 ... power source, 80 ... planar waveguide modulation element, 90 ... wavelength Selective light reflector

Claims (4)

波長分割多重(WDM)通信システムであって、
WDM通信のためのそれぞれ異なる波長の光を発生する複数の光源と、前記複数の光源によって発生された光の各々に対応した波長の光を受けるWDM通信のための複数の光受信器と、前記複数の光源と合波器を介して光学的に結合された第1の端部及び前記複数の光受信器と分波器を介して光学的に結合された第2の端部を有する光伝送路と、を備え、
前記複数の光源の各々は、電流を受けると所定波長の光を発生する半導体光増幅器と、波長選択的に光を反射するための波長選択性光反射手段、および前記半導体光増幅器で発生された所定波長の光を電気信号に応じて変調するための変調手段、を有し、前記半導体光増幅器および前記波長選択性光反射手段は光共振器を形成するように設けられており、
前記変調手段は、前記電気信号に応じて引き起こされた電界吸収を利用して前記所定波長の光を吸収することによって前記所定波長の光を変調する電界吸収素子を有しており、
前記電界吸収素子は、この電界吸収素子への入射光の光強度を変調し、
前記電界吸収素子は、前記半導体光増幅器と一体であり、
前記波長選択性光反射手段はファイバグレーティングを有し、
前記電界吸収素子は、前記光共振器内にある、ことを特徴とする波長分割多重通信システム。
A wavelength division multiplexing (WDM) communication system comprising:
A plurality of light sources for generating light of different wavelengths for WDM communication; a plurality of optical receivers for WDM communication for receiving light of a wavelength corresponding to each of the light generated by the plurality of light sources; An optical transmission having a first end optically coupled to a plurality of light sources via a multiplexer and a second end optically coupled to the plurality of optical receivers via a duplexer. Road, and
Each of the plurality of light sources is generated by a semiconductor optical amplifier that generates light of a predetermined wavelength when receiving an electric current, wavelength selective light reflecting means for reflecting light in a wavelength selective manner, and the semiconductor optical amplifier. Modulation means for modulating light of a predetermined wavelength according to an electric signal, and the semiconductor optical amplifier and the wavelength selective light reflection means are provided so as to form an optical resonator,
The modulation means includes an electroabsorption element that modulates the light of the predetermined wavelength by absorbing the light of the predetermined wavelength using electroabsorption caused according to the electric signal,
The electroabsorption element modulates the light intensity of incident light to the electroabsorption element,
The electroabsorption element is integral with the semiconductor optical amplifier;
The wavelength selective light reflecting means has a fiber grating,
The wavelength division multiplex communication system, wherein the electroabsorption element is in the optical resonator.
波長分割多重(WDM)通信システムであって、
WDM通信のためのそれぞれ異なる波長の光を発生する複数の光源と、前記複数の光源によって発生された光の各々に対応した波長の光を受けるWDM通信のための複数の光受信器と、前記複数の光源と合波器を介して光学的に結合された第1の端部及び前記複数の光受信器と分波器を介して光学的に結合された第2の端部を有する光伝送路と、を備え、
前記複数の光源の各々は、電流を受けると所定波長の光を発生する半導体光増幅器と、波長選択的に光を反射するための波長選択性光反射手段、および前記半導体光増幅器で発生された所定波長の光を電気信号に応じて変調するための変調手段、を有し、前記半導体光増幅器および前記波長選択性光反射手段は光共振器を形成するように設けられており、
前記変調手段は、電気光学結晶基板に設けられた導波路を通過する光を前記電気信号に応じて変調する導波路変調素子を有し、
前記波長選択性光反射手段は前記電気光学結晶基板に設けられた導波路に形成された回折格子を有し、
前記導波路変調素子および前記回折格子は前記電気光学結晶基板に設けられており、
前記導波路変調素子は、この導波路変調素子への入射光の光強度を変調し、
前記導波路変調素子は前記光共振器内にある、ことを特徴とする波長分割多重通信システム。
A wavelength division multiplexing (WDM) communication system comprising:
A plurality of light sources for generating light of different wavelengths for WDM communication; a plurality of optical receivers for WDM communication for receiving light of a wavelength corresponding to each of the light generated by the plurality of light sources; An optical transmission having a first end optically coupled to a plurality of light sources via a multiplexer and a second end optically coupled to the plurality of optical receivers via a duplexer. Road, and
Each of the plurality of light sources is generated by a semiconductor optical amplifier that generates light of a predetermined wavelength when receiving an electric current, wavelength selective light reflecting means for reflecting light in a wavelength selective manner, and the semiconductor optical amplifier. Modulation means for modulating light of a predetermined wavelength according to an electric signal, and the semiconductor optical amplifier and the wavelength selective light reflection means are provided so as to form an optical resonator,
The modulation means includes a waveguide modulation element that modulates light passing through a waveguide provided on an electro-optic crystal substrate according to the electric signal;
The wavelength-selective light reflecting means has a diffraction grating formed in a waveguide provided in the electro-optical crystal substrate,
The waveguide modulation element and the diffraction grating are provided on the electro-optic crystal substrate,
The waveguide modulation element modulates the light intensity of incident light to the waveguide modulation element,
The wavelength division multiplexing communication system, wherein the waveguide modulation element is in the optical resonator.
波長分割多重(WDM)通信システムのための光源であって、
電流を受けると所定波長の光を発生する半導体光増幅器、前記所定波長の光を電気信号に応じて変調するための変調手段、及び波長選択的に光を反射するための波長選択性光反射手段を有し、前記半導体光増幅器および前記波長選択性光反射手段は光共振器を形成するように設けられており、
前記変調手段は、前記電気信号に応じて引き起こされた電界吸収を利用して前記所定波長の光を吸収することによって前記所定波長の光を変調する電界吸収素子を有し、
前記電界吸収素子は、この電界吸収素子への入射光の光強度を変調し、
前記電界吸収素子は、前記半導体光増幅器と一体であり、
前記波長選択性光反射手段はファイバグレーティングを有し、
前記電界吸収素子は前記光共振器内にある、ことを特徴とする光源。
A light source for a wavelength division multiplexing (WDM) communication system, comprising:
Semiconductor optical amplifier that generates light of a predetermined wavelength when receiving an electric current, modulation means for modulating the light of the predetermined wavelength according to an electric signal, and wavelength selective light reflection means for reflecting light in a wavelength selective manner The semiconductor optical amplifier and the wavelength selective light reflecting means are provided so as to form an optical resonator,
The modulation means includes an electroabsorption element that modulates the light of the predetermined wavelength by absorbing the light of the predetermined wavelength using electroabsorption caused in response to the electric signal,
The electroabsorption element modulates the light intensity of incident light to the electroabsorption element,
The electroabsorption element is integral with the semiconductor optical amplifier;
The wavelength selective light reflecting means has a fiber grating,
The light source, wherein the electroabsorption element is in the optical resonator.
波長分割多重(WDM)通信システムのための光源であって、
電流を受けると所定波長の光を発生する半導体光増幅器、前記所定波長の光を電気信号に応じて変調するための変調手段、及び波長選択的に光を反射するための波長選択性光反射手段を有し、前記半導体光増幅器および前記波長選択性光反射手段は光共振器を形成するように設けられており、
前記変調手段は、電気光学結晶基板に設けられた導波路を通過する光を前記電気信号に応じて変調する導波路変調素子を有しており、
前記波長選択性光反射手段は前記電気光学結晶基板に設けられた導波路上の回折格子を有しており、
前記導波路変調素子および前記回折格子は前記電気光学結晶基板に設けられており、
前記導波路変調素子は、この導波路変調素子への入射光の光強度を変調し、
前記導波路変調素子は前記光共振器内にある、とを特徴とする光源。
A light source for a wavelength division multiplexing (WDM) communication system, comprising:
Semiconductor optical amplifier that generates light of a predetermined wavelength when receiving an electric current, modulation means for modulating the light of the predetermined wavelength according to an electric signal, and wavelength selective light reflection means for reflecting light in a wavelength selective manner The semiconductor optical amplifier and the wavelength selective light reflecting means are provided so as to form an optical resonator,
The modulation means includes a waveguide modulation element that modulates light passing through a waveguide provided on an electro-optic crystal substrate according to the electric signal;
The wavelength selective light reflecting means has a diffraction grating on a waveguide provided on the electro-optic crystal substrate,
The waveguide modulation element and the diffraction grating are provided on the electro-optic crystal substrate,
The waveguide modulation element modulates the light intensity of incident light to the waveguide modulation element,
It said waveguide modulator element is in the optical resonator, light source, wherein the this.
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