JP6076921B2 - 波長多重送信器 - Google Patents

Description

本発明は、波長多重送信器に関し、より詳細には、波長の異なる複数の電界吸収（ＥＡ）変調器集積半導体レーザから出る複数の出力光を光合波器で１つの導波路に束ねる波長多重送信器に関する。

次世代の超高速ネットワークを構成する規格の１つとして、１００ギガビットイーサネット（１００ＧｂＥ）の開発が進んでいる（非特許文献１参照）。特に中・長距離のビル間（〜１０ｋｍ）・遠隔ビル間（〜４０ｋｍ）のデータのやり取りをする１００ＧＢＡＳＥ−ＬＲ４・１００ＧＢＡＳＥ−ＥＲ４が有望視されている。上記の規格では、定められた４つの光の波長（例えば、１２９４．５３−１２９６．５９ｎｍ、１２９９．０２−１３０１．０９ｎｍ、１３０３．５４−１３０５．６３ｎｍ、１３０８．０９−１３１０．１９ｎｍの４波長）に対し、それぞれに２５Ｇｂ／ｓ（または２８Ｇｂ／ｓ）のデータを乗せた後、重ね合わせて１００Ｇｂ／ｓの信号を生成するという、ＬＡＮ−ＷＤＭの方法が用いられる。

図５に、１００ＧｂＥで使用される、従来の波長多重送信器モジュールの構成を示す。３２３は波長多重送信器モジュールであり、３２２は１つの半導体チップである波長多重送信器、３２１は光ファイバである。半導体チップ３２２は、４つのＤＦＢ半導体レーザ３０１−３０４、４つの電界吸収（ＥＡ）型の光変調器３０５−３０８、１つの多モード干渉（ＭＭＩ）型の４対１の光合波器３１３からなる。すなわち、半導体チップ３２２は、ＤＦＢ半導体レーザとＥＡ変調器が集積された、４つのＥＡ−ＤＦＢを備える。３０９−３１２はＭＭＩ型４対１光合波器３１３の入力導波路、３１４は光合波器３１３の出力導波路である。

ＤＦＢ半導体レーザ３０１−３０４はいずれも連続光を出力し、ＤＦＢ半導体レーザ３０１−３０４の各レーザ発振波長帯は、１２９４．５３−１２９６．５９ｎｍ、１２９９．０２−１３０１．０９ｎｍ、１３０３．５４−１３０５．６３ｎｍ、１３０８．０９−１３１０．１９ｎｍである。尚、通常、上記４波長帯を短波長側からｌａｎｅ０、ｌａｎｅ１、ｌａｎｅ２、ｌａｎｅ３と呼ぶ。

ＥＡ光変調器３０５−３０８は、同一組成の吸収層を持ち、別々の電気信号（２５Ｇｂ／ｓもしくは２８Ｇｂ／ｓ）の電気入力に従ってＤＦＢ半導体レーザ３０１−３０４の連続光を２５Ｇｂ／ｓもしくは２８Ｇｂ／ｓの変調信号光に変換する。ＥＡ光変調器３０５−３０８から出力される変調信号光は、それぞれ導波路３０９−３１２に出力される。

ＭＭＩ光合波器３１３は波長の異なる４つの変調信号光を合波し、１つに束ねた波長多重光として出力導波路３１４に出力する。１つに束ねられた波長多重光は、拡散光３１５となって空間に放射され、レンズ３１６によって平行光３１７に直され、アイソレータ３１８を通過し、第２のレンズ３１９によって収束光３２０にされて集光され、ファイバ３２１に結合される。

尚、図には示していないが、波長多重光送信器モジュール３２３は、上記以外にも半導体チップ３２２の温度センサ（例えばサーミスタ）、温度制御用のペルチェ素子、ＤＦＢ半導体レーザ３０１−３０４やＥＡ型光変調器３０５−３０８に電源を供給するための直流電源を有する。また、ＥＡ型変調器３０５−３０８を駆動するための変調器ドライバ・高周波線路終端抵抗、変調器ドライバの振幅・バイアス電圧・電気クロスポイントを制御するための信号線や制御回路を有する。さらには変調器ドライバの前段に、電気信号の波形整形回路やクロック抽出回路、さらには電源電圧変動の影響を抑制する回路を設ける場合もある。

ＥＡ型光変調器３０５−３０８としては、消光比に優れ、正孔のパイルアップ抑制にも有効なＩｎＧａＡｌＡｓ系引張歪量子井戸を用いることとする。出力導波路３０９−３１２、３１４としては、高周波の帯域を確保するために、低誘電率ＢＣＢ埋め込みのリッジ型導波路を用いることとする。ＭＭＩ光合波器３１３としては、光閉じ込めが強く、放射損失の小さなハイメサ型導波路を用いることとする。

半導体チップ３２２の大きさは２，０００×２，６００μｍとし、４つのＤＦＢ半導体レーザ３０１−３０４の共振長を４００μｍ、ＤＦＢ半導体レーザ３０１−３０４とＥＡ変調器３０５−３０８の間の導波路長を５０μｍ、ＥＡ型光変調器３０５−３０８の素子長を１５０μｍとする。

波長多重送信器モジュール３２３は、作製した半導体チップ３２２を１２ｍｍ×２０ｍｍという超小型のパッケージに実装したもので、４０℃において１００Ｇｂｉｔ／ｓ動作させたとき、シングルモードファイバ上での４０ｋｍエラーフリー伝送が可能である。これらの結果が示すように、波長多重送信器モジュール３２３は将来世代の１００ＧｂＥ用トランシーバとして十分な性能を有する。

図６に、１００ＧｂＥで使用される、従来の集積波長多重送信器モジュールの構成を示す。４３２は波長多重送信器モジュールであり、４３０と４３１は半導体チップである波長多重送信器、４２９は光ファイバである。

半導体チップ４３０は２つのＤＦＢ半導体レーザ４０１−４０２、２つの電界吸収（ＥＡ）型の光変調器４０５−４０６、１つの多モード干渉（ＭＭＩ）型の２対１の光合波器４１３、導波路４０９−４１０、４１５からなる。すなわち、半導体チップ４３０は、ＤＦＢ半導体レーザとＥＡ変調器が集積された、２つのＥＡ−ＤＦＢを備える。ここで４０９−４１０はＭＭＩ型２対１光合波器４１３の入力導波路、４１５は光合波器４１３の出力導波路である。

ＤＦＢ半導体レーザ４０１−４０２はいずれも連続光を出力し、ＤＦＢ半導体レーザ４０１、４０２の各レーザ発振波長帯は、１２９４．５３−１２９６．５９ｎｍ、１２９９．０２−１３０１．０９ｎｍである。

ＥＡ光変調器４０５−４０６は、同一組成の吸収層を持ち、別々の電気信号（２５Ｇｂ／ｓもしくは２８Ｇｂ／ｓ）の電気入力に従ってＤＦＢ半導体レーザ４０１−４０２の連続光を２５Ｇｂ／ｓもしくは２８Ｇｂ／ｓの変調信号光に変換する。ＥＡ光変調器４０５−４０６から出力される変調信号光は、それぞれ導波路４０９−４１０に出力される。

半導体チップ４３１も基本的構成は半導体チップ４３０と同様に、連続光を出力するＤＦＢ半導体レーザ４０３−４０４、同一組成の吸収層を持つＥＡ光変調器４０７−４０８、１つの多モード干渉（ＭＭＩ）型の２対１の光合波器４１４、出力導波路４１１−４１２、４１６からなる。一方、ＤＦＢ半導体レーザ４０３−４０４の各レーザ発振波長帯は、それぞれ１３０３．５４−１３０５．６３ｎｍ、１３０８．０９−１３１０．１９ｎｍである。

ＭＭＩ光合波器４１３−４１４は、波長の異なる２つの変調信号光をそれぞれ合波し、１つに束ねた波長多重光として出力導波路４１５−４１６にそれぞれ出力する。１つに束ねられた波長多重光は、拡散光４１７−４１８となって空間に放射され、レンズ４１９−４２０によって平行光４２１−４２２に直される。

平行光４２１は、ミラー４２３によって直角に進路が変わり、半波長板４２４によって、偏光が９０°変わり、偏波フィルタ４２５によってさらに直角に進路が変わってアイソレータ４２６に入射される。一方で平行光４２２は、半波長板によって偏光が変わっていないので偏波フィルタを透過し、アイソレータ４２６に入射される。すなわち、偏波フィルタ４２５により、２つの波長多重光が合波され、波長多重合波光になる。

アイソレータ４２６を通過した平行光４２１−４２２は、レンズ４２７によって収束光４２８にされて集光され、ファイバ４２９に結合される。

半導体チップ４３０、４３１の大きさはそれぞれ１，５００×１，０００μｍとし、４つのＤＦＢ半導体レーザ４０１−４０４の共振長を４００μｍ、ＬＣレセプタクルを含めた波長多重送信器モジュール４３２の大きさは８．７ｍｍ×２９ｍｍとする。波長多重送信器モジュール４３２は、４０℃において１００Ｇｂｉｔ／ｓ動作させたとき、４０ｋｍのエラーフリー動作が可能である。

図７に、ＤＦＢ半導体レーザ、ＥＡ変調器および光合波器が形成された半導体チップの断面図を示す。５０１はｎ電極、５０２はｎ−ＩｎＰ基板、５０３はｎ−ＩｎＰクラッド層、５０４はＤＦＢ半導体レーザの活性層、５０５はＤＦＢ半導体レーザのガイド層である。ガイド層５０５にはＥＢ（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ）描画により、回折格子が形成されている。５０６はｐ−ＩｎＰクラッド層、５０７はＤＦＢ半導体レーザの電極である。さらに５０８はＥＡ変調器の吸収層、５０９はＥＡ変調器の電極であり、５１０は導波路（もしくは光合波器）のコア層、５１１はノンドープのＩｎＰである。

ＤＦＢ半導体レーザの中心部分には、発振波長の単一モードを実現するために、回折格子を四分の一波長だけ位相シフトした四分の一波長（λ／４）シフト５１２が設けられている。１つの半導体チップ内では、活性層５０４の組成は同一で、波長を変えるには回折格子のピッチを変えることにより行う。また１つの半導体チップ内では、ＥＡ変調器の吸収層５０８の組成も同一である。

さて、図５に示す従来の波長多重光送信器モジュール、図６に示す従来の集積波長多重光送信器モジュールは有用ではあるものの、同一の半導体チップで短波長の変調信号光と長波長の変調信号光が存在し、短波長の光強度が長波長の光強度に比較して１ｄＢ程度弱いという欠点があった。以下、その理由を説明する。

ＥＡ変調器の吸収層は多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ）構造からなり、電圧を印加することで光の吸収端をシフトする量子シュタルク（ＱＣＳＥ）効果を利用する。

図８（ａ）に、ＥＡ変調器に電圧が印加されていないときの吸収層の吸収曲線とＤＦＢ半導体レーザの発振波長を示し、図８（ｂ）に、ＥＡ変調器に電圧が印加されているときの吸収層の吸収曲線とＤＦＢ半導体レーザの発振波長を示す。また、図８（ｃ）に、ＥＡ変調器への電圧印加の有無により生成されるデジタル信号を示す。ＥＡ変調器に電圧が印加されていないと、図８（ａ）に示すように、吸収層の吸収曲線がＤＦＢ半導体レーザの発振波長にかからず、レーザ光はそのまま外部に出射されて光オン状態になる。一方、ＥＡ変調器に電圧が印加されると、図８（ｂ）に示すように、吸収端がシフトして吸収曲線がＤＦＢ半導体レーザの発振波長にかかり、光が吸収されて光オフ状態になる。このようにしてＥＡ変調器への電圧印加の有無により、図８（ｃ）に示すように、光のオン、オフのデジタル信号が生成できる。

ここで上述のように、同一チップ内ではＥＡ変調器の組成は同一であり、つまり複数のＥＡ−ＤＦＢが同一チップ内に存在しようとも、ＥＡ変調器の吸収曲線の動き方は一定である。これに対して複数のＥＡ−ＤＦＢの発振波長は異なるので、ＥＡ変調器にかける電圧を調整することで最適な変調条件に合わせる。典型的にはＥＡ変調器にかける電圧はｌａｎｅ０に対して０．１Ｖ（オフ）／２．１Ｖ（オン）、ｌａｎｅ１に対して０．３Ｖ／２．３Ｖ、ｌａｎｅ２に対して０．５Ｖ／２．５Ｖ、ｌａｎｅ３に対して０．７Ｖ／２．７Ｖ程度であり、±０．２Ｖ程度の微調整を行う。

しかしながら、各ｌａｎｅの変調条件をそれぞれ調整しても、実際には全てのｌａｎｅに対して完全に同等に最適な状態に合わせることは困難である。図８（ｄ）に、発振波長が短波長の場合と、長波長の場合とで、それら２つの波長に対するオン状態の吸収曲線のかかり方を示す。オン状態であるので、長波は吸収曲線から完全に離れているが、短波は一部が吸収曲線にかかってしまっている。

このため、一般に最短波のｌａｎｅ０は、より長波のｌａｎｅ１−ｌａｎｅ３に対してオン状態での光損失が大きくｌａｎｅ０の変調信号光は、他のｌａｎｅに比較して１ｄＢ程度光強度が弱い。また、ＥＡ変調器による光の損失を減らす場合には電圧を減らす方向に調整する必要があるが、上述のようにｌａｎｅ０のオフ電圧は典型的に０．１Ｖ程度であり、±０．２Ｖの微調整を行おうにも十分な調整余地がない。

そこで、従来、ｌａｎｅ０のＥＡ変調器による光の損失を補償するために、ｌａｎｅ０のＤＦＢ半導体レーザの出力を上げることが行われる。図９に、典型的な波長多重光送信器における、ｌａｎｅ０、２、３の光出力を示す。典型的な光出力は１ｍＷ程度（４５℃での変調時の平均光出力）、典型的なＤＦＢ半導体レーザの注入電流は１００ｍＡであるが、ｌａｎｅ０は光出力が１ｄＢダウン（０．７９倍）になっている。そのため、同じ光出力を確保するため、ｌａｎｅ０の注入電流を１２５ｍＡにする。注入電流を１００ｍＡから１２５ｍＡにあげることで、ＤＦＢ半導体レーザの光出力が１．２７倍になり、ｌａｎｅ０の光出力がｌａｎｅ２、３の光出力と同等となる。

藤澤剛、金澤慈、石井啓之、川口悦弘、布谷伸浩、大木明、高畑清人、伊賀龍三、狩野文良、大橋弘美、「次世代100GbEトランシーバ用モノリシック集積光源」電子情報通信学会 信学技報、2011年11月、OCS2011-68、OPE2011-106、LQE2011-10、pp.77-80 T. Ohyama, A. Ohki, K. Takahata, T. Ito, N. Nunoya, T. Fujisawa, R. Iga, and H. Sanjoh., "Compact 100GbE transmitter optical sub-assembly using polarization beam combiner", The 10th conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim, and The 18th OptoElectronics and Communications Conference / Photonics in Switching 2013, CLEO-PR & OECC/PS 2013, Kyoto, Japan, MK1-4

しかしながら、ｌａｎｅ０のみＤＦＢ半導体レーザの駆動電流を１．２５倍に上げることは、ＤＦＢ半導体レーザの活性層内の動作電流密度（もしくは単純に、ＤＦＢ半導体レーザ単位長さあたりの電流量）を１．２５倍にあげることになる。一般にＤＦＢ半導体レーザの劣化速度が動作電流密度と相関を持つことが知られているが、ｌａｎｅ０は動作電流密度の増加により活性層内部における発熱量が増加し、ｌａｎｅ２、３に対して劣化が加速される。

またｌａｎｅ１の光出力はｌａｎｅ２、３に比較して典型的には０．４ｄＢダウン（０．９１倍）であるので、ｌａｎｅ１の注入電流を１１０ｍＡにあげることで、ＤＦＢ半導体レーザの光出力を１．１１倍にあげる。従って、ｌａｎｅ１でもｌａｎｅ２、３に比べＤＦＢ半導体レーザの劣化が進むことになる。

このようなＤＦＢ半導体レーザの劣化のばらつきは、図６に示す構成においても同様に存在する。図６に示す波長多重送信器モジュールでは、２つの半導体チップ（波長多重送信器）があり、ｌａｎｅ０はｌａｎｅ１に対して、ｌａｎｅ２はｌａｎｅ３に対して、典型的には０．４ｄＢ出力が低い（０．９１倍）。つまり、ｌａｎｅ０、ｌａｎｅ２の注入電流を１１０ｍＡにあげることで、ＤＦＢ半導体レーザの光出力を１．１１倍にあげる必要がある。

すなわち、ＤＦＢ半導体レーザの発振波長が短波にあるｌａｎｅのほうが長波にあるものよりオン状態でのＥＡ変調器による光の損失が大きく、それを補償するためにＤＦＢ半導体レーザの駆動電流をあげる必要があった。そのために発振波長が短波にあるｌａｎｅのＤＦＢ半導体レーザの単位長さあたりの電流量が増加し、発振波長によりＤＦＢ半導体レーザの劣化にばらつきが生じていた。

このように同一の波長多重送信器モジュールに形成された複数のＤＦＢ半導体レーザの劣化速度にばらつきが存在することで、全てのＤＦＢ半導体レーザを同様に使い切ることが困難であるという課題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＤＦＢ半導体レーザの単位長あたりの電流量を増やすことなく、短波にあるレーンのＥＡ変調器による光の損失を補償する波長多重送信器を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、波長多重送信器であって、発振波長の異なる複数の半導体レーザと、前記複数のＤＦＢ半導体レーザの各々に接続された複数の電界吸収型光変調器と、前記複数のＤＦＢ電界吸収型光変調器から出射された信号光を合波する合波器と、を備え、発振波長が最も短い前記ＤＦＢ半導体レーザは、共振長よりも短い回折格子を有し、前記回折格子は前記電界吸収型光変調器と接続された端面から離間して形成されており、発振波長が最も長い前記ＤＦＢ半導体レーザは、回折格子が共振長と同じ長さであり、前記複数のＤＦＢ半導体レーザ、前記複数の電界吸収型光変調器および前記合波器は、全て単一の半導体チップに形成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の波長多重送信器において、前記複数のＤＦＢ半導体レーザは、発振波長が短いほど回折格子が共振長に対して短いことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の波長多重送信器において、前記合波器は、前記複数の電界吸収型光変調器と接続された複数の第１の合波器からなり、前記複数の第１の合波器から出射された信号光を合波する第２の合波器をさらに備え、前記複数のＤＦＢ半導体レーザ、前記複数の電界吸収型光変調器および前記複数の第１の合波器は、複数の半導体チップに形成されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の波長多重送信器において、前記第２の合波器は、偏波多重方式の合波器であることを特徴とする。

本発明によれば、ＤＦＢ半導体レーザの単位長あたりの電流量を増やすことなく、短波にあるレーンのＥＡ変調器による光の損失を補償することができる。

本発明の実施形態１に係る波長多重送信器の構成を示す図である。 共振長と同じ長さの回折格子を有するＤＦＢ半導体レーザの構造と光強度の関係を示す図である。 共振長よりも短い回折格子を有するＤＦＢ半導体レーザの構造と光強度の関係を示す図である。 本発明の実施形態２に係る波長多重送信器の構成を示す図である。 １００ＧｂＥで使用される、従来の波長多重送信器モジュールの構成を示す図である。 １００ＧｂＥで使用される、従来の集積波長多重送信器モジュールの構成を示す図である。 ＤＦＢ半導体レーザ、ＥＡ変調器および光合波器が形成された半導体チップの断面図である。 （ａ）はＥＡ変調器に電圧が印加されていないときの吸収層の吸収曲線とＤＦＢ半導体レーザの発振波長を示し、（ｂ）はＥＡ変調器に電圧が印加されているときの吸収層の吸収曲線とＤＦＢ半導体レーザの発振波長を示し、（ｃ）はＥＡ変調器への電圧印加の有無により生成されるデジタル信号を示し、（ｄ）は発振波長が短波長の場合と、長波長の場合とで、それら２つの波長に対するオン状態の吸収曲線のかかり方を示す。 典型的な波長多重光送信器における、ｌａｎｅ０、２、３の光出力を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（実施形態１）
図１に、本発明の実施形態１に係る波長多重送信器の構成を示す。１２３は波長多重送信器モジュールであり、１２２は１つの半導体チップである波長多重送信器、１２１は光ファイバである。半導体チップ１２２は、４つのＤＦＢ半導体レーザ１０１−１０４、４つの電界吸収（ＥＡ）型の光変調器１０５−１０８、１つの多モード干渉（ＭＭＩ）型の４対１の光合波器１１３からなる。すなわち、半導体チップ１２２は、ＤＦＢ半導体レーザとＥＡ変調器が集積された、４つのＥＡ−ＤＦＢを備える。１０９−１１２はＭＭＩ型４対１光合波器１１３の入力導波路、１１４は光合波器１１３の出力導波路である。

ＤＦＢ半導体レーザ１０１−１０４はいずれも連続光を出力し、ＤＦＢ半導体レーザ１０１−１０４の各レーザ発振波長帯は、１２９４．５３−１２９６．５９ｎｍ、１２９９．０２−１３０１．０９ｎｍ、１３０３．５４−１３０５．６３ｎｍ、１３０８．０９−１３１０．１９ｎｍである。

ＥＡ光変調器１０５−１０８は、同一組成の吸収層を持ち、別々の電気信号（２５Ｇｂ／ｓもしくは２８Ｇｂ／ｓ）の電気入力に従ってＤＦＢ半導体レーザ１０１−１０４の連続光を２５Ｇｂ／ｓもしくは２８Ｇｂ／ｓの変調信号光に変換する。ＥＡ光変調器１０５−１０８から出力される変調信号光は、それぞれ導波路１０９−１１２に出力される。

ＭＭＩ光合波器１１３は波長の異なる４つの変調信号光を合波し、１つに束ねた波長多重光として導波路１１４に出力する。１つに束ねられた波長多重光は、拡散光１１５となって空間に放射され、第１のレンズ１１６によって平行光１１７に直され、アイソレータ１１８を通過し、第２のレンズ１１９によって収束光１２０にされて集光され、ファイバ１２１に結合される。

尚、図には示していないが、波長多重光送信器モジュール１２３は、上記以外にも半導体チップ１２２の温度センサ（例えばサーミスタ）、温度制御用のペルチェ素子、ＤＦＢ半導体レーザ１０１−１０４やＥＡ型光変調器１０５−１０８に電源を供給するための直流電源を有する。また、ＥＡ型変調器１０５−１０８を駆動するための変調器ドライバ・高周波線路終端抵抗、変調器ドライバの振幅・バイアス電圧・電気クロスポイントを制御するための信号線や制御回路を有する。さらには変調器ドライバの前段に、電気信号の波形整形回路やクロック抽出回路、さらには電源電圧変動の影響を抑制する回路を設ける場合もある。

ＥＡ型光変調器１０５−１０８としては、消光比に優れ、正孔のパイルアップ抑制にも有効なＩｎＧａＡｌＡｓ系引張歪量子井戸を用いることとする。出力導波路１０９−１１２、１１４としては、高周波の帯域を確保するために、低誘電率ＢＣＢ埋め込みのリッジ型導波路を用いることとする。ＭＭＩ光合波器１１３としては、光閉じ込めが強く、放射損失の小さなハイメサ型導波路を用いることとする。

半導体チップ１２２の大きさは２，０００×２，６００μｍとし、ＤＦＢ半導体レーザ１０１−１０４とＥＡ変調器１０５−１０８の間の導波路長を５０μｍ、ＥＡ型光変調器１０５−１０８の素子長を１５０μｍとする。

波長多重送信器モジュール１２３は、作製した半導体チップ１２２を１２ｍｍ×２０ｍｍという超小型のパッケージに実装したもので、４０℃において１００Ｇｂｉｔ／ｓ動作させたとき、シングルモードファイバ上での４０ｋｍエラーフリー伝送を達成した。これらの結果が示すように、波長多重送信器モジュール１２３は将来世代の１００ＧｂＥ用トランシーバとして十分な性能を有する。

図５に示す従来の波長多重送信器では、ＤＦＢ半導体レーザ３０１−３０４の素子長（もしくは共振長）が同一であり、共振長と回折格子長とが一致するように形成されている。このため図９に示すように、ｌａｎｅ２−３が電流１００ｍＡで光出力が１ｍＷに達するのに対し、ｌａｎｅ０には１２５ｍＡを流す必要があり、ＤＦＢ半導体レーザの単位長あたりの電流量が増加してしまう問題があった。

これに対して本発明の実施形態１では、発振波長が短波のｌａｎｅ０、１に対応するＤＦＢ半導体レーザ１０１、１０２の回折格子を共振長よりも短くし、ＤＦＢ半導体レーザ１０３、１０４の回折格子を共振長と同じ長さにしている。

図２に共振長と同じ長さの回折格子を有するＤＦＢ半導体レーザの構造と光強度の関係を示し、図３に共振長よりも短い回折格子を有するＤＦＢ半導体レーザの構造と光強度の関係を示す。１５１はｎ電極、１５２はｎ−ＩｎＰ基板、１５３はｎ−ＩｎＰクラッド層、１５４はＤＦＢ半導体レーザの活性層、１５５はＤＦＢ半導体レーザのガイド層、１５６はｐ−ＩｎＰクラッド層、１５７はコンタクト層、１５８はｐ電極、１５９はλ／４位相シフトである。

ガイド層１５５にはＥＢ（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ）描画により回折格子されており、図２では共振長Ｌと同じ長さの回折格子が形成されており、図３では共振長よりも短い回折格子が一方の端面寄りに形成されている。尚、図２、３ではどちらも、λ／４位相シフト１５９が回折格子の中央に形成されている。

共振長と同じ長さの回折格子を有するＤＦＢ半導体レーザ内部での励起光の光強度分布は、λ／４位相シフト１５９の位置で最大となり、λ／４位相シフト１５９からの距離の増加に従って単調に減少する。そのため、図２のようにλ／４位相シフト１５９が回折格子の中央に形成されている場合、両端面から出射される光の強度は等しくなる。一方、図３のように回折格子が共振長よりも短い場合、共振器内の回折格子が無い領域では、回折格子からの距離の増加に従って単調に増大する。そのため、回折格子から遠い端面から出射される光の強度は、回折格子に近い端面から出射される光の強度よりも強くなる。

そのため、実施形態１では、回折格子を、ＤＦＢ半導体レーザ１０１、１０２では共振長よりも短くて、ＥＡ型光変調器１０５、１０６と接する端面と対向する端面に接するよう配置し、ＤＦＢ半導体レーザ１０３、１０４では共振長と同じ長さとすることで、同じ注入電流でありながらｌａｎｅ０〜３の光出力を同等に揃えることができる。

ｌａｎｅ０のＤＦＢ半導体レーザ１０１の回折格子をＥＡ型光変調器１０５と接する端面と対向する端面からＬ／２（Ｌ：共振長）の長さで形成ことにより、ｌａｎｅ０は電流１００ｍＡで１ｍＷの光出力が得られるようになる。

また、ｌａｎｅ１のＤＦＢ半導体レーザ１０２の回折格子をＥＡ型光変調器１０５と接する端面と対向する端面から２Ｌ／３（Ｌ：共振長）の長さで形成ことにより、ｌａｎｅ１は電流１００ｍＡで１ｍＷの光出力が得られるようになる。

以上示したように、ＤＦＢ半導体レーザの回折格子の共振長に対する長さの一つの例として、ｌａｎｅ０は、ＥＡ型光変調器１０５と接する端面と対向する端面からＬ／２、ｌａｎｅ１は、ＥＡ型光変調器１０６と接する端面と対向する端面から２Ｌ／３とした場合を説明したが、回折格子の共振長に対する長さは上記の例に束縛されるものではない。発振波長が短波であるｌａｎｅ０やｌａｎｅ１のＤＦＢ半導体レーザの回折格子の長さが共振長よりも短く、回折格子がＥＡ型光変調器と接する端面から離間していれていれば一定の効果を発揮する。

また、ｌａｎｅ１−３のすべてのＤＦＢ半導体レーザの回折格子の長さを共振長よりも短くし、回折格子をＥＡ型光変調器と接する端面から離間することは、有害となる可能性がある。これは回折格子の長さを共振長よりも短くすることで、ＤＦＢ半導体レーザの単一モード性が悪くなり、レーザ発振が安定しなくなったり、マルチモード発振を引き起こす可能性があるためである。そのため、必要なＤＦＢ半導体レーザの回折格子の長さだけを共振長よりも短くし、ＥＡ型光変調器と接する端面から離間することが重要である。

尚、本発明ではＥＡ−ＤＦＢが４台、光合波器としてＭＭＩ型４対１光合波器の例を説明したが、ＥＡ−ＤＦＢの数、合波器の分岐数は上記に捕われない。つまり、ＥＡ−ＤＦＢの数は例えば２台、８台、１６台もしくはそれ以上でも差支えなく、光合波器は２対１、８対１、１６対１でも構わない。また光合波器としてはＭＭＩ型に捕われるものではなく、方向性結合器、Ｙ分岐、マッハ・ツエンダ、誘電体多層膜フィルタ、アレイ導波路格子型、もしくはその組み合わせでも構わない。

通常、各ｌａｎｅの波長は
ｌａｎｅ０：１２９４．５３−１２９６．５９ｎｍ
ｌａｎｅ１：１２９９．０２−１３０１．０９ｎｍ
ｌａｎｅ２：１３０３．５４−１３０５．６３ｎｍ
ｌａｎｅ３：１３０８．０９−１３１０．１９ｎｍ
の範囲にあり、またＥＡ変調器による変調レートは２５Ｇｂ／ｓもしくは２８Ｇｂ／ｓであるが、本発明は上記に捕われるものではない。ＥＡ−ＤＦＢの台数が変化すれば、ｌａｎｅの数も間隔も変わるからである。

また通常は２５Ｇｂ／ｓ×４波長＝１００Ｇｂ／ｓで使用されるが、例えば５０Ｇｂ／ｓ×８波長＝４００Ｇｂ／ｓ、２５Ｇｂ／ｓ×１６波長＝４００Ｇｂ／ｓ、１０Ｇｂ／ｓ×１０波長＝１００Ｇｂ／ｓで使用しても構わない。

さらにｌａｎｅ０−３を上から順番に（１０１−１０４の順で）設定した例を説明したが、ｌａｎｅの順番は任意であり、上記説明に捕われるものではない。条件はあくまで、短波長であるｌａｎｅのＤＦＢ半導体レーザの回折格子を共振長よりも短くして、回折格子をＥＡ型光変調器と接する端面から離間させることにある。

（実施形態２）
図４に、本発明の実施形態２に係る波長多重送信器の構成を示す。２３２は波長多重送信器モジュールであり、２３０と２３１は半導体チップである波長多重送信器、２２９は光ファイバである。

半導体チップ２３０は２つのＤＦＢ半導体レーザ２０１−２０２、２つの電界吸収（ＥＡ）型の光変調器２０５−２０６、１つの多モード干渉（ＭＭＩ）型の２対１の光合波器２１３、導波路２０９−２１０、２１５からなる。すなわち、半導体チップ２３０は、ＤＦＢ半導体レーザとＥＡ変調器が集積された、２つのＥＡ−ＤＦＢを備える。ここで２０９−２１０はＭＭＩ型２対１光合波器２１３の入力導波路、２１５は光合波器２１３の出力導波路である。

ＤＦＢ半導体レーザ２０１−２０２はいずれも連続光を出力し、ＤＦＢ半導体レーザ２０１、２０２の各レーザ発振波長帯は、１２９４．５３−１２９６．５９ｎｍ、１２９９．０２−１３０１．０９ｎｍである。

ＥＡ光変調器２０５−２０６は、同一組成の吸収層を持ち、別々の電気信号（２５Ｇｂ／ｓもしくは２８Ｇｂ／ｓ）の電気入力に従ってＤＦＢ半導体レーザ２０１−２０２の連続光を２５Ｇｂ／ｓもしくは２８Ｇｂ／ｓの変調信号光に変換する。ＥＡ光変調器２０５−２０６から出力される変調信号光は、それぞれ導波路２０９−２１０に出力される。

半導体チップ２３１も基本的構成は半導体チップ２３０と同様に、連続光を出力するＤＦＢ半導体レーザ２０３−２０４、同一組成の吸収層を持つＥＡ光変調器２０７−２０８、１つの多モード干渉（ＭＭＩ）型の２対１の光合波器２１４、出力導波路２１１−２１２、２１６からなる。一方、ＤＦＢ半導体レーザ２０３−２０４の各レーザ発振波長帯は、それぞれ１３０３．５４−１３０５．６３ｎｍ、１３０８．０９−１３１０．１９ｎｍである。

ＭＭＩ光合波器２１３−２１４は、波長の異なる２つの変調信号光をそれぞれ合波し、１つに束ねた波長多重光として出力導波路２１５−２１６にそれぞれ出力する。１つに束ねられた波長多重光は、拡散光２１７−２１８となって空間に放射され、レンズ２１９−２２０によって平行光２２１−２２２に直される。

平行光２２１は、ミラー２２３によって直角に進路が変わり、半波長板２２４によって、偏光が９０°変わり、偏波フィルタ２２５によってさらに直角に進路が変わってアイソレータ２２６に入射される。一方で平行光２２２は、半波長板によって偏光が変わっていないので偏波フィルタを透過し、アイソレータ２２６に入射される。すなわち、偏波フィルタ２２５により、２つの波長多重光が合波され、波長多重合波光になる。

アイソレータ２２６を通過した平行光２２１−２２２は、レンズ２２７によって収束光２２８にされて集光され、ファイバ２２９に結合される。

半導体チップ２３０、２３１の大きさはそれぞれ１，５００×１，０００μｍとし、ＬＣレセプタクルを含めた波長多重送信器モジュール２３２の大きさは８．７ｍｍ×２９ｍｍとする。波長多重送信器モジュール２３２は、４０℃において１００Ｇｂｉｔ／ｓ動作させたとき、４０ｋｍのエラーフリー動作が可能である。

図６の従来の波長多重送信器では、ＤＦＢ半導体レーザ２０１−２０４の素子長（もしくは共振長）が同一であり、共振長と回折格子長とが一致するように形成されていた。このためｌａｎｅ１、３が電流１００ｍＡで光出力が１ｍＷに達するのに対し、ｌａｎｅ０、２には１１０ｍＡを流す必要があり、ＤＦＢ半導体レーザの単位長あたりの電流量が増加してしまう問題があった。

これに対して本発明では、発振波長が短波のｌａｎｅ０、２に対応するＤＦＢ半導体レーザ２０１、２０３の回折格子を共振長よりも短くし、ｌａｎｅ１、３に対応するＤＦＢ半導体レーザ２０２、２０４の回折格子を共振長と同じ長さにしている。

そのため、実施形態２では、回折格子を、２０１、２０３では共振長よりも短くて、ＥＡ型光変調器２０５、２０７と接する端面と対向する端面に接するよう配置し、ＤＦＢ半導体レーザ２０２、２０４で共振長と同じ長さとすることで、同じ注入電流でありながらｌａｎｅ０〜３の光出力を同等に揃えることができる。

ｌａｎｅ０のＤＦＢ半導体レーザ２０１の回折格子をＥＡ型光変調器２０５と接する端面と対向する端面から２Ｌ／３（Ｌ：共振長）の長さで形成ことにより、ｌａｎｅ０は電流１００ｍＡで１ｍＷの光出力が得られるようになる。

また、ｌａｎｅ２のＤＦＢ半導体レーザ２０３の回折格子をＥＡ型光変調器２０７と接する端面と対向する端面から２Ｌ／３（Ｌ：共振長）の長さで形成ことにより、ｌａｎｅ２は電流１００ｍＡで１ｍＷの光出力が得られるようになる。

以上示したように、ＤＦＢ半導体レーザの回折格子の共振長に対する長さの一つの例として、ｌａｎｅ０は、ＥＡ型光変調器２０５と接する端面と対向する端面から２Ｌ／３、ｌａｎｅ２は、ＥＡ型光変調器２０７と接する端面と対向する端面から２Ｌ／３とした場合を説明したが、回折格子の共振長に対する長さは上記の例に束縛されるものではない。発振波長が短波であるｌａｎｅ０やｌａｎｅ２のＤＦＢ半導体レーザの回折格子の長さが共振長よりも短く、回折格子がＥＡ型光変調器と接する端面から離間していれていれば一定の効果を発揮する。

尚、本発明ではＥＡ−ＤＦＢが２台、光合波器としてＭＭＩ型２対１光合波器からなる半導体チップを２台、集積した例を説明したが、ＥＡ−ＤＦＢの数、合波器の分岐数は上記に捕われない。つまり、ＥＡ−ＤＦＢが４台、光合波器としてＭＭＩ型４対１光合波器からなる半導体チップを２台集積してもよく、波長は計８波長になる。ＥＡ−ＤＦＢが８台、光合波器としてＭＭＩ型８対１光合波器からなる半導体チップを２台集積した場合には、波長は１６波長になる。

また、すべてのＤＦＢ半導体レーザの回折格子の長さを共振長よりも短くし、回折格子をＥＡ型光変調器と接する端面から離間することは、有害となる可能性がある。これは回折格子の長さを共振長よりも短くすることで、ＤＦＢ半導体レーザの単一モード性が悪くなり、レーザ発振が安定しなくなったり、マルチモード発振を引き起こす可能性があるためである。そのため、必要なＤＦＢ半導体レーザの回折格子の長さだけを共振長よりも短くし、ＥＡ型光変調器と接する端面から離間することが重要である。

また光合波器としてはＭＭＩ型に捕われるものではなく、方向性結合器、Ｙ分岐、マッハ・ツエンダ、誘電体多層膜フィルタ、アレイ導波路格子型、もしくはその組み合わせでも構わない。

通常、各ｌａｎｅの波長は
ｌａｎｅ０ １２９４．５３−１２９６．５９ｎｍ
ｌａｎｅ１ １２９９．０２−１３０１．０９ｎｍ
ｌａｎｅ２ １３０３．５４−１３０５．６３ｎｍ
ｌａｎｅ３ １３０８．０９−１３１０．１９ｎｍ
の範囲にあり、またＥＡ変調器による変調レートは２５Ｇｂ／ｓもしくは２８Ｇｂ／ｓであるが、本発明は上記に捕われるものではない。ＥＡ−ＤＦＢの台数が変化すれば、ｌａｎｅの数も間隔も変わるからである。

また通常は２５Ｇｂ／ｓ×４波長＝１００Ｇｂ／ｓで使用されるが、例えば５０Ｇｂ／ｓ×８波長＝４００Ｇｂ／ｓ、２５Ｇｂ／ｓ×１６波長＝４００Ｇｂ／ｓ、１０Ｇｂ／ｓ×１０波長＝１００Ｇｂ／ｓで使用しても構わない。

さらにｌａｎｅ０−３を上から順番に（２０１−２０４の順で）設定した例を説明したが、ｌａｎｅの順番は任意であり、上記説明に捕われるものではない。条件はあくまで、同一半導体チップの中で短波長であるｌａｎｅの回折格子の長さが共振長よりも短く、回折格子をＥＡ型光変調器と接する端面から離間させることにある。

１０１−１０４、２０１−２０４、３０１−３０４、４０１−４０４ ＤＦＢ半導体レーザ
１０５−１０８、２０５−２０８、３０５−３０８、４０５−４０８ ＥＡ光変調器
１０９−１１２、１１４、２０９−２１２、２１５、３０９−３１２、３１４、４０９−４１２、４１５ 導波路
１１３、２１３、２１４、３１３、４１３、４１４ ＭＭＩ光合波器
１１５、２１７、２１８、３１５、４１７、４１８ 拡散光
１１６、１１９、２１９、２２０、２２７、３１６、３１９、４１９、４２０、４２７、 レンズ
１１７、２２１、２２２、３１７、４２１、４２２ 平行光
１１８、２２６、３１８、４２６ アイソレータ
１５１、５０１ ｎ電極
１５２、５０２ ｎ−ＩｎＰ基板
１５３、５０３ ｎ−ＩｎＰクラッド層
１５４、５０４ 活性層
１５５、５０５ ガイド層
１５６、５０６ ｐ−ＩｎＰクラッド層
１５７ コンタクト層
１５８、５０７ ＤＦＢ半導体レーザの電極
１５９、５１２ λ／４位相シフト
１２０、２２８、３２０、４２８ 収束光
１２１、２２９、３２１、４２９ ファイバ
１２２、２３０、２３１、３２２、４３０、４３１ 半導体チップ
１２３、２３２、３２３、４３２ 波長多重送信器モジュール
２２３、４２３ ミラー
２２４、４２４ 半波長板
２２５、４２５ 偏波フィルタ
５０８ ＥＡ変調器の吸収層
５０９ ＥＡ変調器の電極
５１０ コア層
５１１ ＩｎＰ

Claims (4)

1. 発振波長の異なる複数のＤＦＢ半導体レーザと、
   前記複数のＤＦＢ半導体レーザの各々に接続された複数の電界吸収型光変調器と、
   前記複数の電界吸収型光変調器から出射された信号光を合波する合波器と、
   を備え、
   発振波長が最も短い前記ＤＦＢ半導体レーザは、共振長よりも短い回折格子を有し、前記回折格子は前記電界吸収型光変調器と接続された端面から離間して形成されており、
   発振波長が最も長い前記ＤＦＢ半導体レーザは、回折格子が共振長と同じ長さであり、
   前記複数のＤＦＢ半導体レーザ、前記複数の電界吸収型光変調器および前記合波器は、全て単一の半導体チップに形成されていることを特徴とする波長多重送信器。
2. 前記複数のＤＦＢ半導体レーザは、発振波長が短いほど回折格子が共振長に対して短いことを特徴とする請求項１に記載の波長多重送信器。
3. 前記合波器は、前記複数の電界吸収型光変調器と接続された複数の第１の合波器からなり、前記複数の第１の合波器から出射された信号光を合波する第２の合波器をさらに備え、
   前記複数のＤＦＢ半導体レーザ、前記複数の電界吸収型光変調器および前記複数の第１の合波器は、複数の半導体チップに形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長多重送信器。
4. 前記第２の合波器は、偏波多重方式の合波器であることを特徴とする請求項３に記載の波長多重送信器。
   

Images