JP6369946B2 - 狭線幅波長可変半導体レーザ - Google Patents

Description

本発明は、広帯域なＦＭ（Frequency modulation）応答特性を有する狭線幅波長可変半導体レーザに関するものである。

ブロードバンドの急速な普及に伴い、国内のインターネットを行きかうトラフィックは年率４０％の割合で増加を続けている。これまでの光通信では波長多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）技術によってその大容量化が進められてきた。しかしながら、ＷＤＭに使用できる波長帯域は有限であるため、従来技術では大容量化に限界が見えつつある。そのため、近年の光通信では、多値変調されたデータ信号を高密度に波長多重して伝送する周波数利用効率の高いＷＤＭ多値デジタルコヒーレント伝送方式に高い関心が寄せられている。このような伝送システムにおいて周波数利用効率を向上させるためには、信号の多値度を増大させることが不可欠であるが、これを実現するためには伝送されてきた多値データ信号と局発レーザとの高精度な光位相同期技術が非常に重要な役割を果たす。

これまで光位相同期技術として大きく２つの方式の研究が進められてきている。そのうちの１つとしては、デジタル信号処理（ＤＳＰ：Digital signal processing）回路によって光キャリヤの位相雑音を除去するキャリヤ位相推定法である。本方式は、データ信号に局発レーザを位相同期させるアナログ光ＰＬＬ（Phase-locked loop）回路を必要としないという利点がある。これまで、本方式を用いた伝送容量１Ｐｂｉｔ/ｓを越えるＷＤＭ−３２ＱＡＭコヒーレント伝送が報告されている（例えば、非特許文献１参照）。しかしながら、本方式では、データ信号の変調速度や多値度が増大すると、キャリヤ位相推定等に伴うＤＳＰでの計算量が増大する。さらには、位相推定の精度も十分ではなくなり、多値データ信号の復調性能を示す指針の一つである、復調誤差ベクトルの大きさを示すＥＶＭ（Error vector magnitude）も劣化してしまうという欠点がある。これに対応するためには、高速・大規模な電子回路が不可欠となり、その結果消費電力の増大といった問題を生じる。

もう一つの方式は、アナログ制御回路を用いた光ＰＬＬ回路を用いた方式である。本方式では、変調信号の速度及び多値度の違いによって構成を変更する必要がなく、どのようなフォーマットにも柔軟に対応できるといった利点を有する。光ＰＬＬ回路を用いることで、多値度の高いＱＡＭ信号を高精度に復調できることが実証されており、これまで単一チャネルの２０４８ＱＡＭ−１５０ｋｍコヒーレント伝送が実現されている（例えば、非特許文献２参照）。

光ＰＬＬ回路によって同期されるデータ信号と局発信号とのビート信号の位相雑音の分散値は一般に、送信光源と局発光源の線幅の和に比例し、制御帯域に反比例する関係にある。したがって、位相雑音の小さい光位相同期を実現するためには、線幅の狭い光源と広帯域な制御回路が不可欠である。特に、ＦＭ応答帯域の広い（数１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ）狭線幅局発光源は、非常に重要な役割を果たす。また、超多値ＱＡＭ信号のＷＤＭ伝送を実現するためには、送信光源及び局発光源の両光源とも広帯域な波長可変特性を有することも重要である。

図１は、特許文献１における外部共振器型波長可変光源の構造を示す。図１には、半導体レーザ１と、レンズ２乃至４と、光アイソレータ５と、回折格子６と、波長可変制御手段７と、波長可変駆動回路８と、回折格子保持部９と、板バネ１０と、固定部１１と、出力ファイバ１２と、光学ベース１３と、半導体レーザ駆動部１４とを含む外部共振器型波長可変光源が示されている。

図１に示される外部共振器型波長可変光源では、半導体レーザ１の両端から光が出射され、レンズ２を介して平行光となって回折格子６に入射する。回折格子６において、入射した光のうち、入射角によって決まる波長（ブラッグ波長）の光のみを反射することにより、反射光が半導体レーザ１に再入射して半導体レーザ１がレーザ発振する。波長可変制御手段７として圧電素子（ピエゾ素子）を用い、これに電圧信号を印加して回折格子６の角度を変えることで、レーザ発振周波数を可変している。

図２は、非特許文献３に記載された外部共振器型波長可変光源の構造を示す。図２には、半導体光増幅器１５、平面光導波路１６、導波路リング共振器１７乃至１９、ヒーター２０乃至２２、反射器２３及びＳｉ基板２４を含む外部共振器型波長可変光源が示されている。各導波路リング共振器１７乃至１９のＦＳＲ（Free Spectral Range）は約１００ＧＨｚであり、それぞれ少しずつ異なった値を有している。

図２に示される光源では、３つの導波路リング共振器１７乃至１９のそれぞれにおける３つのモードと、半導体光増幅器１５の光出力側端面及び反射器２３で形成されるＦＰ（Fabry-Perot）モードと、の４つの共振モードが存在しており、それぞれの共振ピークが一致する周波数で単一モード発振する。各導波路リング共振器１７乃至１９の上部に設置されたヒーター２０乃至２２を用いて共振器長を可変して発振周波数を掃引することにより、４５ｎｍ以上の広帯域な波長可変特性を実現している。

図３は、非特許文献４に記載されたＳＳＧ（Super structure grating）を用いたＤＢＲ（Distributed Bragg reflector）型レーザの構造を模式的に示す。図３には、光導波路中に、２つのＤＢＲ領域２５、位相調整領域２６及び利得領域２７が設けられた半導体２８と、電極２９乃至３１を含むＤＢＲ型レーザが示されている。位相調整領域２６及び利得領域２７は、２つのＤＢＲ領域２５で挟まれるように設けられている。

図３に示されるＤＥＲ型レーザでは、ＤＢＲ領域２５に電極２９を介して電流をそれぞれ注入してプラズマ効果によって屈折率を変化させることで、ブラッグ波長を可変して発振波長の掃引を行う。また、位相調整領域２６に電極３０を介して電流を注入することで、同様に屈折率を変化させ、発振周波数の微調整を行うことができる。本光源は、このような構成によって４０ｎｍ以上の広帯域な波長可変特性を実現している。

特開平１０−３４１０５７号公報

H. Takara 他, "1.01-Pb/s (12 SDM/222 WDM/456 Gb/s) crosstalk-managed transmission with 91.4-b/s/Hz aggregate spectral efficiency," ECOC2012, Postdeadline Papers Th.3.C.1. 2012. S. Beppu 他, "2048 QAM (66 Gbit/s) single-carrier coherent optical transmission over 150 km with a potential SE of 15.3 bit/s/Hz," OFC 2014, W1A.6. 2014. Y. Deki 他, "Wide-wavelength tunable lasers with 100 GHz FSR ring resonators," Electron. Let., vol. 43, no. 4, pp. 225-226, February 2007. H. Ishii 他, "Multiple-phase-shift super structure grating DBR Lasers," IEICE Trans. Electron, vol. E76-C, pp. 1683-1690, November 1993.

しかしながら、一般的なＣＷ半導体レーザおよびモード同期半導体レーザは、線幅が１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚと広い。また、図１に示される波長可変光源のようなピエゾ素子を用いた波長可変機構では、ＦＭ帯域を数ｋＨｚ以上に拡大することが容易ではない。また、図２に示されるような導波路上に設置したヒーターによって共振器長を可変する外部共振器型波長可変光源においては、その応答帯域は１００Ｈｚ未満である。

一方、図３に示されるＳＳＧ−ＤＢＲレーザでは、半導体の位相調整領域を用いて１ＧＨｚ程度の広帯域なＦＭ応答が可能である。しかしながら、本レーザでは、共振器内で利得領域２７とＤＢＲ領域２５による反射領域とが分割されているため、反射ピーク波長の変化と位相変化が一致しない。そのため、広帯域な波長可変特性を実現するためには、位相調整領域２６とＤＢＲ領域２５を同時に制御する必要があり、光源装置が複雑化するという欠点がある。

このように、光ＰＬＬ回路を用いた超高密度ＷＤＭ・超多値コヒーレント伝送を実現するためには、従来の波長可変光源の狭線幅化及びＦＭ帯域の拡大が重要な課題である。

本発明は、上記の問題を解決するためのものであり、装置構成を複雑化することなく、高広帯域なＦＭ応答特性を有する狭線幅波長可変半導体レーザを新たに提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の狭線幅波長可変半導体レーザは、各々異なる波長で単一周波数発振可能な複数のＤＦＢ半導体レーザと、前記複数のＤＦＢ半導体レーザに各々結合された複数の接続光導波路と、前記複数の接続光導波路が結合され、前記ＤＦＢ半導体レーザから発振されて前記接続光導波路を介して伝搬したレーザ光を合波する光合波回路と、前記光合波回路の出力端に結合され、前記光合波回路で合波したレーザ光を出力する出力光導波路と、前記出力光導波路の出力端に結合され、前記出力光導波路を伝搬してきたレーザ光を増幅する半導体光増幅器であって、発振波長に対して光学利得を有さない位相調整領域と光学利得を有する利得領域の２つの領域を光導波路内に併せ持ち、各々の領域に電流を注入できる電極を有する半導体光増幅器と、前記半導体光増幅器より出力されたレーザ光の一部を前記複数のＤＦＢ半導体レーザに帰還するリング型光帰還回路であって、光サーキュレータと光分岐カプラからなるリング型光帰還回路とを備え、前記リング型光帰還回路による光帰還によって前記ＤＦＢ半導体レーザから出力されるレーザ光の発振線幅を狭窄化し、且つ前記ＤＦＢ半導体レーザから出力されるレーザ光の周波数及び位相を前記半導体光増幅器の位相調整領域へ注入する電流値を可変することによって制御することを特徴とする。

請求項２に記載の狭線幅波長可変半導体レーザは、請求項１に記載の狭線幅波長可変半導体レーザであって、前記半導体光増幅器から出射されたレーザ光を平行光線にする第１レンズと、平行光線とした前記レーザ光を集光する第２レンズとをさらに備え、前記第２レンズにおいて集光された前記レーザ光は、光ファイバに結合されて出力されることを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、装置構成を複雑化することなく、従来よりもＦＭ応答帯域の広い狭線幅波長可変半導体レーザを提供することができる。

外部共振器型波長可変半導体レーザの構造を示す図である。 ３つの導波路リング型共振器を用いた外部共振器型波長可変光源の構造を示す図である。 ＳＳＧ−ＤＢＲ型波長可変光源の構造を示す図である。 本発明の実施例１に係る波長可変半導体レーザの構造を示す図である。 本発明の実施例１に係る波長可変半導体レーザの発振波長可変特性を示す図である。 本発明の実施例１に係る波長可変半導体レーザの自己遅延ヘテロダインスペクトルを示す図である。 本発明の実施例２に係る波長可変半導体レーザの構造を示す図である。

本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施例１）
図４は、本発明の実施例１に係る狭線幅波長可変半導体レーザを示す。図４には、単一周波数発振可能な１２台のＤＦＢ半導体レーザ３２ａ〜３２ｌと、ＤＦＢ半導体レーザ３２ａ〜３２ｌにそれぞれ接続されたＳ字型接続導波路３３ａ〜３３ｌと、Ｓ字型接続導波路３３ａ〜３３ｌに接続された光合波回路３４と、光合波回路３４の出力端に接続された出力導波路３５と、出力導波路３５に接続された半導体光増幅器３６と、半導体光増幅器３６で増幅された光と光学的に結合する第１レンズ３７及び第２レンズ３８と、第１レンズ３７、第２レンズ３８及び光ファイバを介して伝搬した光が入力される光帰還回路３９と、を備えた狭線幅波長可変半導体レーザが示されている。第１レンズ３７は、半導体光増幅器３６から出射されたレーザ光を平行光線にし、第２レンズ３８は、第１レンズにおいて平行光線としたレーザ光を集光する。第２レンズ３８で集光された集光されたレーザ光は光ファイバに結合されて出力される。

ここで、図３に示された従来のＳＳＧ−ＤＢＲ型波長可変光源では、ＤＢＲ領域２５に電流を注入することで発振周波数（波長）の粗調整を行い、位相調整領域２６に電流を注入することで発振周波数（波長）の微調整を高速に行うことができる。しかしながら、本光源では、安定な発振状態で連続かつ広帯域な波長可変動作を実現するためにＤＢＲのブラッグ波長とレーザ共振器のＦＰ（Fabry-Perot）モード共振周波数を一致させるフィードバック制御が不可欠となる。その結果、光源装置の構成および制御システムが複雑になってしまうという欠点がある。また、フィードバック制御によって発振波長の安定性、線幅特性の劣化を引き起こすといった問題も生じる。

それに対し、本発明に係る狭線幅波長可変半導体レーザでは、ＤＦＢ半導体レーザ３２ａ〜３２ｌの素子温度を変化させることで発振周波数（波長）の粗調整を行い、光半導体増幅器３６の位相調整領域へ電流を注入することで位相の微調整を行っている。そのため、非常に簡便な光源構成およびその制御システムにより、ＤＦＢ半導体レーザ３２ａ〜３２ｌの発振周波数及び位相をそれぞれ独立に制御することができる。以下、本発明について詳細に説明する。

１２個のＤＦＢ半導体レーザ３２ａ〜３２ｌは個別に電極を有しており、それぞれ独立に動作する。各ＤＦＢ半導体レーザ３２ａ〜３２ｌはそれぞれ活性層上に回折格子を有し、この回折格子の周期をＤＦＢ半導体レーザごとに少しずつ変化させて形成しており、４００ＧＨｚずつ異なる光周波数（波長）で発振するように設計されている。また、各ＤＦＢ半導体レーザ３２ａ〜３２ｌの発振波長は素子温度の変化１℃あたり約０．１ｎｍ変化するため、素子温度を３０℃変化させることにより１つのＤＦＢ半導体レーザの発振波長は約３ｎｍ変化する。本発明に係る狭線幅波長可変半導体レーザは、１２個のＤＦＢ半導体レーザ３２ａ〜３２ｌから一つを任意に選択して動作させ、素子温度を制御することで広帯域な周波数（波長）可変特性を実現している。

図４に示すように、例えば、動作させるＤＦＢ半導体レーザを選択するスイッチ機能を有した電流源／温調回路を用いて１台のＤＦＢ半導体レーザを選択して動作させ、当該選択された１台のＤＦＢ半導体レーザの素子温度を変えることで発振周波数（波長）の掃引を行い、発振波長を可変する。これによりレーザ出力光発振周波数の粗調整が可能となる。

図５は、個々のＤＦＢ半導体レーザの素子温度を変化させた際の発振波長の可変特性を一例として示す。個々のＤＦＢ半導体レーザの発振波長可変範囲は４〜５ｎｍ程度であるが、発振波長の異なる１２個のＤＦＢ半導体レーザを選択動作させることで約４５ｎｍの広い波長可変特性が得られている。

ＤＦＢ半導体レーザ３２ａ〜３２ｌのいずれかからのレーザ出力光は、Ｓ字型接続導波路３３ａ〜３３ｌを介して光合波回路３４に入射される。光合波回路３４で合波したレーザ出力光は、出力導波路３５から出力される。光合波回路３４では、入力ポート数が１２に対し、出力ポート数が１つであるため、出力導波路３５には光合波回路３４への入力光強度の１／１２の強度の光が出力されている。出力導波路３５を伝搬したレーザ出力光は、位相調整領域及び利得領域の２つの領域を有する半導体光増幅器３６へ入射され、所望の光強度に増幅される。増幅されたレーザ出力光は、第１レンズ３７、第２レンズ３８及び光ファイバを介して光帰還回路３９へ結合され、その一部はレーザ出力として抽出され、残りは光帰還回路３９を介してＤＦＢ半導体レーザ３２ａ〜３２ｌへ帰還される。このように光帰還を行うことにより、ＤＦＢ半導体レーザ３２ａ〜３２ｌの発振線幅の一括狭窄化を行う。ここで、例えば光帰還回路３９としては、部分反射ミラーを用いてもよい。

一例として、光帰還回路３９として反射率１０％の部分反射ミラーを用いて行った線幅狭窄化実験の結果を示す。図６は、反射率１０％の部分反射ミラー挿入前後の本レーザの自己遅延ヘテロダインスペクトルを示す。図６（ａ）は対数表示であり、図６（ｂ）である。図６に示す実験結果では、１２個のＤＦＢ半導体レーザ３２ａ〜３２ｌのうち１個のＤＦＢ半導体レーザを選択動作させ、半導体光増幅器３６によって増幅したレーザ出力光の１０％を部分反射ミラー（光帰還回路３９）によってＤＦＢ半導体レーザに帰還した。このとき、ＤＦＢ半導体レーザの素子温度は３８℃に温調され、２５０ｍＡの電流で駆動されている。半導体光増幅器３６の利得領域へは１１０ｍＡの電流を注入しており、その際のレーザ出力光強度は約２０ｍＷであった。図６に示されるように、反射率１０％の部分反射ミラーを挿入することで、発振線幅を１ＭＨｚから１１ｋＨｚに狭窄化することができている。

半導体光増幅器３６では、位相調整領域および利得領域にともに適切な電流をあらかじめ流し、位相調整領域へ流れる電流値のみを可変することで半導体内の屈折率を変化させ、半導体光増幅器３６を伝搬するレーザ出力光の位相を高速に制御する。図４に示すように、例えば１個のＤＦＢ半導体レーザが動作している状態で、半導体光増幅器３６の利得領域には所望の利得が得られるように電流源ａよりオフセット電流を注入する。また、位相調整領域には電流源ｂより電流を注入し、この電流値を可変することによってレーザ出力光の発振周波数・位相を高精度かつ高速に制御することができる。これによりレーザ出力光発振周波数・位相の微調整が可能となる。

（実施例２）
図７は、本発明の実施例２に係る狭線幅波長可変半導体レーザを示す。本実施例２では、光帰還回路として光ファイバ型帰還回路５１を用いている。図７に示すように、光ファイバ型帰還回路５１は、光ファイバ型サーキュレータ４８と、光ファイバ型分岐カプラ４９と、光ファイバ型可変アッテネータ５０と、を含む。光ファイバ型サーキュレータ４８のポート３は、光ファイバ４７を介して光ファイバ型分岐カプラ４９の入力端に接続されており、光ファイバ型サーキュレータ４８のポート１は、光ファイバ４７を介して光ファイバ型可変アッテネータ５０の出力端に接続されており、光ファイバ型サーキュレータ４８のポート２は、第１レンズ４５、第２レンズ４６及び光ファイバ４７を介して半導体光増幅器４４に光学的に結合している。光ファイバ型可変アッテネータ５０の入力端には、光ファイバ４７を介して光ファイバ型分岐カプラ４９の出力端が接続されている。

第１レンズ４５、第２レンズ４６及び光ファイバ４７を介して半導体光増幅器４４から伝搬してきたレーザ出力光は、光ファイバ型サーキュレータ４８を介して光ファイバ型分岐カプラ４９へ入射される。光ファイバ型分岐カプラ４９に入射されたレーザ出力光の一部は、光ファイバ型分岐カプラ４９の一方の出力端から出力されて光ファイバ型可変アッテネータ５０に入射され、光ファイバ型可変アッテネータ５０により帰還光の強度が適切に調整されて光ファイバ型サーキュレータ４８を介してＤＦＢ半導体レーザ４０ａ〜４０ｌへ帰還する。その際、光ファイバ型分岐カプラ４９の他方の出力端から出力されるレーザ出力光を出力信号として用いる。

本実施例２に係る光ファイバ型帰還回路を用いた場合も同様に、１個のＤＦＢ半導体レーザが動作している状態で、半導体光増幅器４４の利得領域へ所望の利得が得られるようにオフセット電流を注入し、位相調整領域へ注入する電流値を可変することによってレーザ出力光の発振周波数・位相を高精度かつ高速に制御することができる。

上記実施例では、１２個のＤＦＢ半導体レーザ４０ａ〜４０ｌ及びこれらにそれぞれ接続されたＳ字型接続導波路４１ａ〜４１ｌを用いた例を示したが、１２個に限定されるものではなく、２個以上であればよい。

＜産業上の利用可能性＞
本発明は、光ＰＬＬ回路を用いた高密度ＷＤＭ・超多値コヒーレント光伝送用局発レーザとして好適なものである。

１ 半導体レーザ
２、３、４、３７、３８、４５、４６ レンズ
５ 光アイソレータ
６ 回折格子
７ 波長可変制御手段
８ 波長可変駆動回路
９ 回折格子保持部
１０ 板バネ
１１ 固定部
１２ 出力ファイバ
１３ 光学ベース
１４ 半導体レーザ駆動部
１５、３６、４４ 半導体光増幅器
１６ 平面光導波路
１７、１８、１９ 導波路リング共振器
２０、２１、２２ ヒーター
２３ 反射器
２４ Ｓｉ基板
２５ ＤＢＲ領域
２６ 位相調整領域
２７ 利得領域
２８ 半導体
２９、３０、３１ 電極
３２、４０ ＤＦＢ半導体レーザ
３３、４１ Ｓ字型接続導波路
３４、４２ 光合波回路
３５、４３ 出力導波路
３９ 光帰還回路
４７ 光ファイバ
４８ 光ファイバ型サーキュレータ
４９ 光ファイバ型分岐カプラ
５０ 光ファイバ型可変アッテネータ
５１ 光ファイバ型光帰還回路

Claims (2)

1. 各々異なる波長で単一周波数発振可能な複数のＤＦＢ半導体レーザと、
   前記複数のＤＦＢ半導体レーザに各々結合された複数の接続光導波路と、
   前記複数の接続光導波路が結合され、前記ＤＦＢ半導体レーザから発振されて前記接続光導波路を介して伝搬したレーザ光を合波する光合波回路と、
   前記光合波回路の出力端に結合され、前記光合波回路で合波したレーザ光を出力する出力光導波路と、
   前記出力光導波路の出力端に結合され、前記出力光導波路を伝搬してきたレーザ光を増幅する半導体光増幅器であって、発振波長に対して光学利得を有さない位相調整領域と光学利得を有する利得領域の２つの領域を光導波路内に併せ持ち、各々の領域に電流を注入できる電極を有する半導体光増幅器と、
   前記半導体光増幅器より出力されたレーザ光の一部を前記複数のＤＦＢ半導体レーザに帰還するリング型光帰還回路であって、光サーキュレータと光分岐カプラからなるリング型光帰還回路と
   を備え、前記リング型光帰還回路による光帰還によって前記ＤＦＢ半導体レーザから出力されるレーザ光の発振線幅を狭窄化し、且つ前記ＤＦＢ半導体レーザから出力されるレーザ光の周波数及び位相を前記半導体光増幅器の位相調整領域へ注入する電流値を可変することによって制御することを特徴とする狭線幅波長可変半導体レーザ。
2. 請求項１に記載の狭線幅波長可変半導体レーザであって、
   前記半導体光増幅器から出射されたレーザ光を平行光線にする第１レンズと、
   平行光線とした前記レーザ光を集光する第２レンズとをさらに備え、
   前記第２レンズにおいて集光された前記レーザ光は、光ファイバに結合されて出力されることを特徴とする狭線幅波長可変半導体レーザ。