JP6535311B2

JP6535311B2 - 波長多重送信器

Info

Publication number: JP6535311B2
Application number: JP2016199349A
Authority: JP
Inventors: 小林　亘; 亘小林; 隆彦進藤; 浩一長谷部
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-10-07
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2019-06-26
Anticipated expiration: 2036-10-07
Also published as: JP2018060977A

Description

本発明は、複数の異なる波長の光信号を伝送する波長多重送信器に関する。

超高速ネットワークの規格の１つとして、１００ギガビットイーサネット（１００ＧｂＥ）の標準化が定められている。従来は、１００ＧｂＥ用トランシーバへの適用のため、４つの電界吸収型（ＥＡ:Electroabsorption）変調器集積レーザ（ＥＡ−ＤＦＢレーザ）と、それらの光合波器とを１つのチップにモノシリック集積した光源（波長多重送信器）が開示されている（非特許文献１）。

また、４００ＧｂＥへの適用のために、８チャンネルのＥＡ−ＤＦＢレーザを集積した波長多重送信器も開示されている（非特許文献２）。

藤澤剛、外９名、「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 S. Kanazawa, 外７名, "400-Gb/s operation of flip-chip interconnection EADFB laser array module," Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2015, Tu3I.1, Los Angeles, USA, March, 2015

従来の波長多重送信器は、複数の異なる波長の光信号を伝送する。しかしながら、ＤＦＢレーザの発振波長λ_DFBが短波になるほどＥＡ変調器における光損失が大きくなるため、従来の波長多重送信器では、短波長のＤＦＢレーザにおける光出力がそれよりも長波長の光出力よりも弱くなり、複数のＤＦＢレーザの光出力がばらつきやすくなる。

また、さらなる長距離伝送を実現するために、波長多重送信器の光出力をより大きくすることが望まれていた。

本発明は、上記の状況下においてなされたものであり、光合波器の出力端にＳＯＡを備えるようにし、複数のＤＦＢレーザの光出力のばらつきを低減するとともにより大きい光出力を得ることができる波長多重送信器を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、発振波長の異なるＤＦＢレーザと、前記複数のＤＦＢレーザの各々に接続された複数のＥＡ変調器と、前記複数のＥＡ変調器の各々から出射された信号光を合波する合波器と、前記合波器と光学的に結合されたＳＯＡとを含み、前記複数のＤＦＢレーザのうちの、発振波長が最も短いＤＦＢレーザ以外のＤＦＢレーザであって、発振波長と活性層の利得ピークとの差の絶対値が最小のＤＦＢレーザと前記ＳＯＡとが同一の制御端子から電流が注入されるように構成される。

前記複数のＤＦＢレーザ、前記複数のＥＡ変調器、前記合波器および前記ＳＯＡは、同一基板上にモノリシック集積されるようにしてもよい。

本発明によると、光合波器の出力端にＳＯＡを備えるようにしたうえで、複数のＤＦＢレーザの光出力のばらつきを低減するとともにより大きい光出力を得ることができる。

実施形態に係る波長多重送信器の構成概略を説明するための図である。実施形態の波長多重送信器において、方向性結合器の光合波器の構成例を示す図である。マッハ・ツェンダ型の光合波器の構成例を示す図である。

図１は、本実施形態に係る波長多重送信器１０の全体構成の概略を説明するための図である。

図１に示すように、この波長多重送信器１０は、４チャネル（ｌａｎｅ０〜３）の異波長ＤＦＢレーザ１０１，１０２，１０３，１０４と、各チャネルに対応する４つのＥＡ変調器２０１，２０２，２０３，２０４と、１つの光合波器４０１と、ＳＯＡ６０１とを備える。

ＥＡ変調器２０１，２０２，２０３，２０４は、それぞれ、導波路３０１，３０２，３０３，３０４を介して、光合波器４０１と光学的に接続されている。図１の例では、光合波器４０１では、例えば、４入力１出力である。

ＥＡ変調器２０１〜２０４としては、例えば、消光比に優れ、正孔のパイルアップ抑制にも有効なＩｎＧａＡｌＡｓ系引張歪量子井戸型のものを用いる。

ＳＯＡ６０１の入力側は、導波路５０１を介して、光合波器４０１と光学的に接続されており、ＳＯＡ６０１の出力側は、導波路７０１と接続されている。導波路３０１〜３０４，５０１，７０１としては、例えば、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。光合波器４０１の光導波路としては、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。

この実施形態において、ＤＦＢレーザ１０１〜１０４、ＥＡ変調器２０１〜２０４、光合波器４０１、ＳＯＡ６０１および導波路３０１〜３０４，５０１，７０１は、単一の半導体基板上に、一体的にモノシリック積層されている。

制御端子群２００は、ＤＦＢレーザ１０１〜１０４へ電流を注入するための４つの制御端子２１，２２，２３，２４を含む。本実施形態では、本実施形態では、複数のＤＦＢレーザ１０１〜１０４はいずれも連続光を出力する。このとき、ＤＦＢレーザ１０１〜１０４の各レーザ発振波長帯は異なる。例えば、ＤＦＢレーザ１０１の発振波長帯λ３（＝１３０３．５４ｎｍ〜１３０５．６３ｎｍ）、ＤＦＢ１０２の発振波長帯λ４（＝１３０８．０９ｎｍ〜１３１０．１９ｎｍ）、ＤＦＢ１０３の発振波長帯λ２（＝１２９９．０２ｎｍ〜１３０１．０９ｎｍ）、およびＤＦＢ１０４の発振波長帯λ１（＝１２９４．５３ｎｍ〜１２９６．５９ｎｍ）とする。すなわち、発振波長が最も短い（最短波）のは、発振波長帯がλ１となるＤＦＢレーザ１０４である。

図１において、制御端子２１は、最短波のＤＦＢレーザ１０４以外のＤＦＢレーザ１０１とＳＯＡ６０１とに対して電流を注入するように構成されている。この点について以下詳述する。

多波長の半導体レーザをモノシリック集積した場合、半導体レーザの光出力が大きくなるのは、発振波長が活性層の利得ピーク付近のときである。一方、利得ピーク波長から発振波長が離れると、その半導体レーザの光出力は小さくなる。そのため、仮に、光出力の小さい最短波の半導体レーザとＳＯＡ６０１とを結線して制御端子２１から電流を注入した場合には、制御端子２１からの電流はＳＯＡ６０１にも流れることになるので、その分、最短波の半導体レーザへの注入電流が少なくなり、光出力もより小さくなると考えられる。

このような観点から、本実施形態の波長多重送信器１０では、ＳＯＡ６０１と結線される半導体レーザとして、発振波長が３番目に短い（２番目に長い）ＤＦＢレーザ１０１を例示している。

なお、以下の説明において、ＤＦＢレーザ１０１〜１０４の活性層の利得ピークの波長と、発振波長λ_DFBとの差を、デチューニング量（以下、Δλ_DFB）と定義する。

本実施形態の波長多重送信器１０では、ＤＦＢレーザ１０１〜１０４の各Δλ_DFBの絶対値は、大きな光出力が得られるように、なるべく小さくなるように設定される。図１の例では、ＤＦＢレーザ１０１のΔλ_DFBの絶対値は、最小とする。これは、ＤＦＢレーザ１０１へ注入される電流の一部がＳＯＡ６０１に分配され、ＤＦＢレーザ１０１への注入電流が少なくなった場合でも、光出力が最大となるようにΔλ_DFBの絶対値を最小としておくことで、ＤＦＢレーザ１０１の光出力が、他のＤＦＢレーザ１０２〜１０４よりも著しく小さくならないようにするためである。これにより、ＤＦＢレーザ１０１〜１０４の光出力のばらつきが低減する。また、ＳＯＡ６０１によって、ＤＦＢレーザ１０１〜１０４の光出力が増幅され、長距離伝送が実現可能な光出力を得ることができる。

制御端子２２〜２４は、それぞれ対応するＤＦＢレーザ１０２〜１０４に電流を注入するように構成されている。

ＥＡ変調器２０１〜２０４は、同一組成の吸収層を持ち、別々の電気信号（２５Ｇｂ／ｓまたは２８Ｇｂ／ｓ）の電気入力に応じて、対応するＤＦＢレーザ１０１〜１０４の連続光を、２５Ｇｂ／ｓまたは２８Ｇｂ／ｓの変調信号光に変換する。ＥＡ変調器２０１〜２０４から出力される変調信号光は、それぞれ、対応する導波路３０１〜３０４に出力される。

光合波器４０１は、波長の異なる４つの変調信号光を合波して導波路５０１に出力する。導波路５０１と接続されるＳＯＡ６０１では、合波光（多重光）を増幅して導波路７０１に出力する。

本実施形態では、波長多重送信器１０を半導体チップで作製した場合のこの半導体チップの大きさは、例えば２，０００μｍ×２，７００μｍとする。このとき、ＤＦＢレーザ１０１〜１０４とＥＡ変調器２０１〜２０４との間の導波路長を１５０μｍ、ＥＡ光変調器２０１〜２０４の各素子長を１５０μｍとする。

次に、上述した光合波器４０１の構成例について、図１および図２を参照して説明する。

図２は、方向性結合器の光合波器４０１の構成例を示している。この光合波器４０１は、３つの方向性結合器１５１，１５２，１５３を備える。方向性結合器１５１は、ｌａｎｅ０（ＤＦＢレーザ１０１およびＥＡ変調器２０１のチャネル）の光出力とｌａｎｅ１（ＤＦＢレーザ１０２およびＥＡ変調器２０２のチャネル）の光出力とを合波する。方向性結合器１５２は、ｌａｎｅ２（ＤＦＢレーザ１０３およびＥＡ変調器２０３のチャネル）の光出力とｌａｎｅ３（ＤＦＢレーザ１０４およびＥＡ変調器２０４のチャネル）の光出力とを合波する。方向性結合器１５３は、方向性結合器１５１と方向性結合器１５２のそれぞれ一方の出力端から出力された光出力を合波する。この実施形態では、方向性結合器１５３の一方の出力端から出力された光出力が光合波器４０１の合波光となる。方向性結合器１５１は、結合長Ｌの設計により分岐比の調整が可能である。

図２の例では、方向性結合器１５１の結合長Ｌは、分岐比が５６：４４となるように設定される。すなわち、方向性結合器１５１は、ｌａｎｅ０の光出力が５６％で、ｌａｎｅ１からの光出力が４４％となるように合波光を方向性結合器１５３に出力する。

方向性結合器１５２の結合長Ｌは、分岐比が４６：５４となるように設定される。すなわち、方向性結合器１５２は、ｌａｎｅ２の光出力が４６％で、ｌａｎｅ３の光出力が５４％となるように合波光を方向性結合器１５３に出力する。

方向性結合器１５３の結合長Ｌは、分岐比が５０．５：４９．５となるように設定される。すなわち、方向性結合器１５３は、方向性結合器１５１の光出力が５０．５％で、方向性結合器１５２の光出力が４９．５％となるように合波光を出力する。

このような構成によって、光合波器４０１からの合波光は、ｌａｎｅ２の光出力＝１とした場合に、ｌａｎｅ０の光出力＝１．２４、ｌａｎｅ１の光出力＝０．９８、ｌａｎｅ３の光出力＝１．０１の割合で合波されることになる。この場合、各ｌａｎｅからの光出力の結合効率は、ｌａｎｅ０の光出力、ｌａｎｅ３の光出力、ｌａｎｅ２の光出力、ｌａｎｅ１の光出力の順に大きくなる（ｌａｎｅ０＞ｌａｎｅ３＞ｌａｎｅ２＞ｌａｎｅ１）。

図２において、波長λ３は、ｌａｎｅ０に対応するＤＦＢレーザ１０１の発振波長に対応し、波長λ４は、ｌａｎｅ１に対応するＤＦＢレーザ１０２の発振波長に対応する。また、波長λ２は、ｌａｎｅ２に対応するＤＦＢレーザ１０３の発振波長に対応し、波長λ１は、ｌａｎｅ３に対応するＤＦＢレーザ１０４の発振波長に対応する。

この場合、ｌａｎｅ０からの波長λ３の光出力の光強度は、光合波器４０１から出力されるときには、合波された波長λ２の光出力に対して１．２４倍となる。また、ｌａｎｅ１からの波長λ４の光出力の光強度は、光合波器４０１から出力されるときには、合波された波長λ２の出力光に対して０．９８倍となる。さらに、ｌａｎｅ３からの波長λ１の光出力の光強度は、光合波器４０１から出力されるときには合波された波長λ２の光出力に対して１．０１倍となる。

本実施形態の波長多重送信器１０では、上述した光合波器４０１によって、ＤＦＢレーザ１０１〜１０４の光出力のばらつきが減少するようにすることもできる。すなわち、図１において、制御端子２１からの電流がＳＯＡ６０１にも分配され、ＤＦＢレーザ１０１への注入電流が少なくなった結果、仮にＤＦＢレーザ１０１の光出力が他のＤＦＢレーザ１０２〜１０４よりも小さくなったとしても、光合波器４０１における上記合波の結合効率機能によって、ＤＦＢレーザ１０１の光出力が大きくなるように調整し、これにより、ＤＦＢレーザ１０１〜１０４の光出力のばらつきが低減することになる。

また、ＤＦＢレーザ１０１〜１０４の光出力のばらつきを低減するために、ＤＦＢレーザ１０１とＳＯＡ６０１との電流の配分の仕方を工夫するようにしてもよい。すなわち、ＤＦＢレーザ１０１とＳＯＡ６０１の各長さを調整することで、それぞれに注入される電流を調整する。例えば、ＤＦＢレーザ１０１の長さを３００μmとし、ＳＯＡ６０１の長さを５０μmとした場合には、それらの全長が３５０μmとなる活性層に対して制御端子２１からの電流が注入されることになる。このとき、ＤＦＢレーザ１０１およびＳＯＡ６０１の各導波路幅が同一に設定されており、仮に７０ｍＡの電流が制御端子２１から注入されるとすると、各部１０１，６０１の抵抗値は、上述した長さに応じて設定されることになる。そのため、ＤＦＢレーザ１０１には、６０ｍＡ（＝７０ｍＡ×３００μm/３５０μm）の電流が流れ、ＳＯＡ６０１には、１０ｍＡ（＝７０ｍＡ×５０μm/３５０μm）の電流が流れることになる。

すなわち、ＤＦＢレーザ１０１に与える電流をどの程度にするか（ＤＦＢレーザ１０１およびＳＯＡ６０１の電流の分配）は、ＤＦＢレーザ１０１およびＳＯＡ６０１の各長さを考慮して設定することができる。仮に各部１０１，６０１の導波路幅が異なる場合でも、それぞれの導波路幅と長さとを用いて、各部１０１，６０１の各抵抗を計算することで、それぞれに分配する電流値を決定することができる。

ここで、上述した抵抗値は、長さが大きくなるほど小さくなる（反比例）。また、導波路幅が大きくなるほど上記抵抗値は小さくなる（反比例）。例えば、ＤＦＢレーザ１０１の長さ：ＳＯＡ６０１の長さ＝６：１であれば、ＤＦＢレーザ１０１の抵抗：ＳＯＡ６０１の抵抗＝１：６となる。そのため、ＤＦＢレーザ１０１への電流：ＳＯＡ６０１への電流＝６：１となると考えることができる。

このようにして、ＤＦＢレーザ１０１〜１０４の光出力のばらつきを低減することができる。

以上説明したように、本実施形態の波長多重送信器１０では、発振波長の異なるＤＦＢレーザ１０１〜１０４と、複数のＤＦＢレーザの各々に接続された複数のＥＡ変調器２０１〜２０４と、複数のＥＡ変調器の各々から出射された信号光を合波する合波器４０１と、合波器と光学的に結合されたＳＯＡ６０１とを含む。ここで、複数のＤＦＢレーザ１０１〜１０４のうちの、発振波長が最も短いＤＦＢレーザ以外のＤＦＢレーザ１０１とＳＯＡ６０１とは、同一の制御端子２１から電流が注入されるように構成される。

これにより、波長多重送信器１０では、波長が異なる光出力はほぼ均一の強度となり、光出力のばらつきが低減する。また、ＳＯＡ６０１によって、従来の素子（ＳＯＡを備えないもの）に比べて、より大きい光出力が得られ、さらなる長距離伝送が実現できる。

次に、上記実施形態の波長多重送信器１０の変形例について説明する

（変更例１）
以上では、図２を参照して、方向性結合器の光合波器４０１について説明したが、光合波器４０１は、マッハ・ツェンダ型、Ｙ分岐型、誘電体多層フィルタ、アレイ導波路格子型、またはこれらの組み合わせを適用するようにしてもよい。図３は、マッハ・ツェンダ型の光合波器４０１の構成例を示している。

図３に示した光合波器４０１は、図２に示した方向性結合器１５１，１５２，１５３に代えて、マッハ・ツェンダ型光合波器１６１，１６２，１６３を備える。

光合波器１６１〜１６３の各分岐比は、図２の場合と同様に、アーム導波路の光路長差ΔＬの大きさによって、図３に示すように調整することができる。

このようにしても、図３の光合波器４０１は、上記実施形態と同様に光合波器４０１（図１，図２）として機能するので、ＤＦＢレーザ１０１〜１０４の光出力のばらつきが低減するように調整することが可能である。

（変形例２）
上記実施形態では、導波路３０１〜３０４，５０１，７０１としてリッジ型導波路を例にとって説明しているが、埋め込み型導波路を適用するようにしてもよい。

（変形例３）
上記実施形態の波長多重送信器１０では、４チャネルの異波長ＤＦＢレーザ１０１〜１０４を備える場合について説明したが、チャネル数は変更することができる。

（変形例４）
上記実施形態の波長多重送信器１０では、発振波長が３番目に短いＤＦＢレーザ１０１とＳＯＡ６０１とを同一端子２１に接続して駆動する場合を例にとって説明したが、上記実施形態で説明したΔλ_DFBの値を変更して、他のＤＦＢレーザ（例えば、発振波長が２番目または４番目に短いＤＦＢレーザ）とＳＯＡ６０１とを同一の制御端子２１に接続して駆動するようにすることも可能である。

以上、実施形態について詳述してきたが、実施形態の中で個別に述べた変形例等はすべての実施形態の波長多重送信器１０と組み合わせて実施することができる。

１０波長多重送信器
２１〜２４制御端子
１０１〜１０４ＤＦＢレーザ
２０１〜２０４ＥＡ変調器
４０１光合波路
６０１ＳＯＡ

Claims

発振波長の異なるＤＦＢレーザと、
前記複数のＤＦＢレーザの各々に接続された複数のＥＡ変調器と、
前記複数のＥＡ変調器の各々から出射された信号光を合波する合波器と、
前記合波器と光学的に結合されたＳＯＡと
を含み、
前記複数のＤＦＢレーザのうちの、発振波長が最も短いＤＦＢレーザ以外のＤＦＢレーザであって、発振波長と活性層の利得ピークとの差の絶対値が最小のＤＦＢレーザと前記ＳＯＡとは、同一の制御端子から電流が注入されるように構成されることを特徴とする波長多重送信器。
前記複数のＤＦＢレーザ、前記複数のＥＡ変調器、前記合波器および前記ＳＯＡは、同一基板上にモノリシック集積されることを特徴とする請求項１に記載の波長多重送信器。