JP6543188B2 - 波長多重光送信器及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、波長多重光送信器及びその光強度をモニタして制御する制御方法に関し、より詳細には、半導体光増幅器(Semiconductor optical amplifier:SOA)を集積したEA変調器集積DFBレーザ(Electroabsorption Modulator Integrated Distributed Feedback Laser:EA−DFBレーザ)を備えた波長多重光送信器及びその制御方法に関する。
光通信の普及に伴い、都市間の中継局を結ぶメトロ系光通信網では、10Gbit/sから25Gbit/s、さらには40Gbit/sといった通信速度の高速化が進んでいる。このメトロ系光通信網では、例えば10Gbit/sの場合、シングルモードファイバ(SMF)40〜80km伝送の長距離伝送が求められ(求められる伝送距離は、通常、ビットレート(変調速度)の2乗に反比例して減少する)、光送信モジュールの小型化・低消費電力化・低チャープ化が重要な課題となっている。
一般に、上記のような高速・長距離伝送を行うために、チャーピングの小さい外部変調方式が用いられている。なかでも、電界吸収効果を利用した電界吸収型(EA:Electroabsorption)変調器は、小型化、低消費電力化、半導体レーザに対する集積性などの観点から優れた特長を持つ。特に、EA変調素子と単一波長性に優れる分布帰還型(DFB:Distributed Feedback Laser)レーザとを一つの半導体基板上にモノリシックに集積した半導体光集積素子(EA−DFBレーザ)は、高速・長距離伝送用発光装置として広く用いられ、信号光波長としては光ファイバの伝播損失が小さい1.5μm帯もしくはチャープの少ない1.3μm帯が主に用いられる。
一般に光通信では、光送信信号の光強度を一定に保つことが要求される。そこで、従来は、光送信信号の一部を分岐してその光強度をモニタし、モニタする光強度が一定になるようにDFBレーザに注入する電流を制御することが行われる。これをAPC(オートパワーコントロール)と呼ぶ。
図1は、APCを行うための従来の光強度のモニタ方法を説明する図である。図1に示される光モジュール100において、DFBレーザ部110には直流の駆動電流が印加され、EA変調器部120にはバイアスTを介してバイアス電圧とRF(信号)電圧が印加される。その結果、DFBレーザ部110から出力された光がEA変調器部120によって変調され、変調光として出力される。EA変調器部120から出力された変調光は、レンズ131によって平行光に変換されてレンズ132によって集光され、光ファイバ133に入力される。ここで、平行光の一部をミラー134によって分岐して受光器135で受光させることで、変調光の光強度の変化をモニタすることができる。そして、光強度が低下したらDFBレーザ部110の駆動電流を増加するようにフィードバックをかけ、光強度が増加したら駆動電流が減少するようにフィードバックをかけることで、APCが可能になる。
なお、図1では、分岐するミラー134を変調光が光ファイバ133に入力される前に設けたが、光ファイバ133に入力後の変調光の一部を光カプラによって分岐することによって、変調光の光強度の変化をモニタすることもできる。
また、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2参照)。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、1294.53nm〜1296.59nm、1299.02nm〜1301.09nm、1303.54nm〜1305.63nm、1308.09nm〜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。LAN−WDMでは、波長多重光送信器モジュールが使用される。
次に、図2を用いて、このようなLAN−WDMにおいてAPCを行うための従来の光強度のモニタ方法の別の構成について説明する。図2は、100GbEで使用される、従来の波長多重光送信器モジュールの構成を示す。図2には、1つの半導体チップである波長多重光送信器210と、空間光学系220とを備え、光ファイバ230に接続された波長多重光送信器モジュール200が示されている。波長多重光送信器210及び光ファイバ230は、空間光学系220を介して光学的に結合している。
波長多重光送信器210は、EA−DFB2110〜2113と、EA−DFB2110〜2113のモニタ用の受光器2120〜2123と、1つの多モード干渉(MMI)型の4対1の光合波器216と、EA−DFB2110〜2113及び光合波器216をそれぞれ接続する入力導波路2150〜2153と、光合波器216の出力導波路217と、を含む。EA−DFB2110〜2113は、それぞれ、DFBレーザ2130〜2133及びEA型光変調器2140〜2143が集積されている。
DFBレーザ2130〜2133はいずれも連続光を出力し、DFBレーザ2130〜2133の各レーザ発振波長帯は、それぞれ、1294.53nm〜1296.59nm、1299.02nm〜1301.09nm、1303.54nm〜1305.63nm、1308.09nm〜1310.19nmである。ここで、通常、上記4波長帯を短波長側から、lane0、lane1、lane2、lane3と呼ぶ。
EA型光変調器2140〜2143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レーザ2130〜2133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型光変調器2140〜2143で生成される変調信号光は、それぞれ入力導波路2150〜2153を介して光合波器216に出力される。
光合波器216は、EA−DFB2110〜2113からそれぞれ入力された波長の異なる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217を介して空間光学系220に出力する。
空間光学系220は、第1のレンズ221と、アイソレータ222と、第2のレンズ223と、を含む。光合波器216で1つに束ねられて出力された波長多重光は、拡散光240となって空間に放射され、第1のレンズ221によって平行光241に直され、アイソレータ222を通過し、第2のレンズ223によって収束光242に集光され、光ファイバ230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200は、上記以外にも波長多重光送信器210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レーザ2130〜2133やEA型光変調器2140〜2143に電源を供給するための直流電源を有することができる。また、波長多重光送信器モジュール200は、EA型光変調器2140〜2143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ことができる。さらに、波長多重光送信器モジュール200では、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2140〜2143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ができる。入力導波路2150〜2153及び出力導波路217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ができる。光合波器216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ができる。
波長多重光送信器210のチップの大きさは、例えば2,000×2,600μmとすることができ、4つのDFBレーザ2130〜2133の共振長を400μm、DFBレーザ2130〜2133とEA型光変調器2140〜2143との間の導波路長を50μmとすることができ、EA型光変調器2140〜2143の素子長を150μmとすることができる。
波長多重光送信器モジュール200は、作製した波長多重光送信器210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、波長多重光送信器モジュール200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2に示すような複数の波長の変調光が合波された構成でAPCを行う場合には、図1に示すようにレンズ221及び223の間で変調光の一部を分岐/モニタすることが無意味になる。つまり、複数の変調光が合波されているため、変調光の減少を検知したとしても、どのDFBレーザ2130〜2133にフィードバックをすればわからないためである。そのため、EA−DFB2110〜2113のモニタ用の受光器2120〜2123を各DFBレーザ2130〜2133の後方に設け、各DFBレーザ2130〜2133の後方でモニタを行う必要がある。受光器2120〜2123は、各DFBレーザ2130〜2133の後方に出力される光の光強度のモニタを行う(DFBレーザは一般に、前方にレーザ光を出力すると同時に後方にもレーザ光を出力し、前方に向かう光の光強度と後方に向かう光の光強度は必ずしも同一ではないが相関があり、一方が強くなれば他方も強くなり、一方が弱くなれば他方も弱くなる)。光強度が低下したらDFBレーザ213の駆動電流を増加するようにフィードバックをかけ、光強度が増加したらDFBレーザ213の駆動電流が減少するようにフィードバックをかけることにより、図2に示す波長多重光送信器モジュール200においてAPCが可能になる。
図3は、図2に示される波長多重光送信器210において用いられる、受光器、DFBレーザ、EA変調器および導波路・光合波器が形成された半導体チップの断面図を示す。図3には、n電極301と、n電極301上に設けられたn−InP基板302と、n−InP基板302上に設けられたn−InPクラッド層303とを含み、n−InPクラッド層303上に、受光器部320と、DFB半導体レーザ部330と、EA変調器部340と、導波路・光合波器部350とが設けられた半導体チップが示されている。
DFB半導体レーザ部330は、n−InPクラッド層303上に設けられた活性層304と、活性層304上に設けられたガイド層305と、ガイド層305上に設けられたp−InPクラッド層306と、p−InPクラッド層306上に設けられた電極307と、で構成される。ガイド層305には、EB(electron beam)描画により、回折格子が形成されている。
EA変調器部340は、吸収層308と、吸収層308上に設けられたp−InPクラッド層306と、p−InPクラッド層306上に設けられた電極309と、で構成される。また、導波路・光合波器部350は、導波路(もしくは光合波器)のコア層310と、ノンドープのInP層311と、で構成される。
DFB半導体レーザ部330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位相シフト312が設けられている。1つの半導体チップ内では、活性層304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308の組成も同一である。
DFB半導体レーザ部330の後方には受光器部320が設けられており、受光器部320は、n−InPクラッド層303上に、受光層313と、上部クラッド層314と、電極315とが設けられて構成されている。ここで通常、受光層313はコア層310と、上部クラッド層314はInP層311と同一の組成であるが、受光層313を吸収層308と、上部クラッド層314をp−InPクラッド層306と同じ組成にしても良ければ、受光層313を活性層304及びガイド層305と同じ組成にしても構わない。
特開2013−258336号公報
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
さて、図1に示す従来の波長多重光送信器モジュール及び図2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、チャーピングの問題が残る。チャーピングの問題を解決するために、図4に示すような、EA−DFBに、さらに半導体光増幅器(SOA:Semiconductor Optical Amplifier)を集積した構造がある(例えば特許文献1参照)。
このようなSOA集積EA−DFBにおいては、通常、SOAの長さはDFBレーザの例えば1/6程度であって、SOAの組成とDFBレーザの組成は同じである(ただし、SOAには回折格子はない)。SOA集積EA−DFBでは、制御端子数の増加を防ぐため、同一端子を用いてDFBレーザ部及びSOA部を制御してそれぞれの電流注入を行っている(SOAとDFBレーザに流れる電流は、SOAとDFBレーザの抵抗比によって配分される)。図4に示すSOA集積EA−DFBを用いることで、チャーピングの問題を解決できるとともに、SOAによって変調光を増幅することもできる。
図5は図2に示すLAN−WDMの構成に図4に示すSOA集積EA−DFBを適用した構成を示す図である。図5に示す構成では、図2に示すEA−DFB2110〜2113に、SOA4180〜4183が追加されてSOA集積EA−DFB4110〜4113を構成している。図示していないが、図5に示す構成では、DFBレーザ4130とSOA4180、DFBレーザ4131とSOA4181、DFBレーザ4132とSOA4182、DFBレーザ4133とSOA4183は、それぞれ同一端子から駆動電流が供給されるようになっている。
各受光器4120〜4123は、各DFBレーザ4130〜4133の後方(受光器412側)に出力される光の光強度のモニタを行う。モニタした光強度が低下したらSOA集積EA−DFB4110〜4113の駆動電流を増加するようにフィードバックをかけ、光強度が増加したら駆動電流を減少するようにフィードバックをかけることでAPCが可能となる。
図5に示す構成によると、同一ウエハ上にアレイ化することにより、ステッパーの精度で素子を配置できるため、個別素子を並べることと比較して実装を簡便化し実装歩留りを高めることができる。また、個別素子を並べる方法では、将来的な目的としての例えば400Gの8波(50Gb/sの8波長)を使用することを考えた場合に、個別素子を8つ並べることは非現実的であって目的達成が困難であるが、図5に示す構成を用いることにより目的達成が可能となる。
図6は、図5に示す構成に係る、受光器、DFBレーザ、EA変調器、SOAおよび導波路・光合波器が形成された半導体チップの断面図を示す。図6に示す半導体構造は、図3に示す半導体構造のEA変調器部340と導波路・光合波器部350との間にSOA部が加わった構造に対応している。図6に示すように、SOA部560は、n−InPクラッド層503上に、活性層561と、ガイド層562と、電極563とが設けられて構成されている。EA変調器部540の電極509には、バイアスTが接続されている。活性層561は、活性層504と同一組成で構成することができ、ガイド層562はガイド層505と同一組成で構成することができる。
しかしながら、図5に示す構成では、各受光器4120〜4123はDFBレーザ4130〜4133のモニタしかしていない一方で、フィードバックはDFBレーザ4130〜4133とSOA4180〜4183の両方にかかる。従って、SOA4180〜4183が劣化してSOA4180〜4183の増幅率が下がった場合は、結果として光出力強度が低下しているにもかかわらず、フィードバックがかからないことになってしまうため、APCがうまくかからないという問題があった。
本発明は、上述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レーザとSOAの双方をモニタし、APCのフィードバックを確立することにある。
本発明の一実施形態に係る波長多重光送信器は、複数のSOA集積EA−DFBであって、DFBレーザと、前記DFBレーザに接続されたEA変調器と、前記EA変調器に接続されたSOAと、を含む、複数のSOA集積EA−DFBと、前記複数のSOA集積EA−DFBの各々の前記SOAから出射された複数の信号光を合波して波長多重光を出力する光合波器と、を備えた波長多重光送信器であって、前記複数のSOA集積EA−DFBにおける前記DFBレーザの発振波長及び前記SOAの利得はそれぞれ異なり、前記複数のSOA集積EA−DFBの各々において、前記DFBレーザと前記SOAとが単一の制御端子によって駆動され、前記波長多重光送信器は、前記複数のSOA集積EA−DFBの前記EA変調器に接続され、前記DFBレーザからの出力光と、前記SOAからの自然放出光とにより前記EA変調器で発生した受光電流をモニタするための電流モニタをさらに備え、前記電流モニタにおける前記受光電流のモニタ結果に基づいて、前記単一の制御端子によって駆動される前記DFBレーザ及び前記SOAへの駆動電流を調整することを特徴とする。
本発明の一実施形態に係る波長多重光送信器の制御方法は、請求項1に記載の波長多重光送信器において、前記電流モニタにおける前記受光電流のモニタ結果において、
受光電流が大きくなった場合には、前記DFBレーザと前記SOAの両方の駆動電流を下げるように制御することを特徴とする。
本発明によると、DFBレーザとSOAの両方を同時にモニタするとともに、DFBレーザとSOAの両方にフィードバックをかけることができ、良好なAPC動作が可能な波長多重光送信器及びその制御方法を提供することができる。
APCを行うための従来の光強度のモニタ方法を説明する図である。 100GbEで使用される、従来の波長多重光送信器モジュールの構成を示す図である。 受光器、DFBレーザ、EA変調器および導波路・光合波器が形成された半導体チップの断面図である。 EA−DFBレーザにSOAを集積した構造を示す図である。 図2に示す構成にSOA集積EA−DFBを適用した構成を示す図である。 図5に示す構成に係る、受光器、DFBレーザ、EA変調器、SOAおよび導波路・光合波器が形成された半導体チップの断面図である。 本発明に係る波長多重光送信器を利用した波長多重光送信器モジュールの構成を示す図である。 図7に示す波長多重光送信器の断面図である。
以下、本発明に係る波長多重光送信器について、詳細に説明する。
図7は、本発明に係る波長多重光送信器を利用した波長多重光送信器モジュールの構成を示す。図7には、1つの半導体チップである波長多重光送信器610と、空間光学系620とを備え、光ファイバ630に接続された波長多重光送信器モジュール600が示されている。波長多重光送信器610及び光ファイバ630は、空間光学系620を介して光学的に結合している。
波長多重光送信器610は、SOA集積EA−DFB6110〜6113と、1つの多モード干渉(MMI)型の4対1の光合波器616と、SOA集積EA−DFB6110〜6113及び光合波器616をそれぞれ接続する入力導波路6150〜6153と、光合波器616の出力導波路617と、を含む。SOA集積EA−DFB6110〜6113は、それぞれ、DFBレーザ6130〜6133と、EA型光変調器6140〜6143と、SOA6180〜6183とが集積されている。DFBレーザDFBレーザ6130〜6133とSOA6180〜6183は、それぞれ同一端子によって駆動されている。図7に示す波長多重光送信器の構造は、図5に示す波長多重光送信器410から受光器4120〜4123を無くした構造に対応している。
図8は、図7に示す波長多重光送信器610の断面図である。図8に示すように、本発明に係る波長多重光送信器610では、図6に示す構造から受光器部520を無くす代わり、EA変調器部740の電極709とバイアス電圧の入力部との間に電流モニタ770を設けている。
さて、EA変調器部740には逆方向バイアスが印加されるため、光を入力していない状態では、バイアス電圧を印加しても電流はほとんど流れない(例えば0.01mA以下)。一方で、EA変調器は、光を吸収して(損失を増やすことで)変調を行う変調器であるため、EA変調器部740は受光器のように動作する。すなわち、一定強度の光(例えば3dBm)が入力され、変調するための電圧(バイアス電圧+変調電圧)が印加されると、EA変調器部740では例えば10mA程度の受光電流が生じる。
SOA部760は、後方から(DFBレーザからEA変調器を経由して)入射する光を増幅して、前方には当該増幅した光と自然放出光(ASE:amplified spontaneous emission)を出力する一方で、後方にはASEを出力する。従って、EA変調器部740の吸収層708にはDFBレーザ部720からの出力光と、SOA部760からのASEの両方が入力される。
上述のようにEA変調器部740は受光器として動作するため、受光によって生じる受光電流はEA変調器部740の電極709とバイアス電圧の入力部との間に設けた電流モニタ770によってモニタすることができる。この受光電流のモニタ結果によって、APCのフィードバックを行うことができる。すなわち、例えば受光電流が大きくなった(光強度が増加した)場合には、DFBレーザ部720とSOA部760の両方の駆動電流を下げるように制御することができる。
これによって、DFBレーザ部720とSOA部760の両方を同時にモニタするとともに、DFBレーザ部720とSOA部760の両方にフィードバックをかけることができ、良好なAPC動作が可能になる。
尚、本発明では、SOA集積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、SOA集積EA−DFBの数、光合波器の分岐数は上記に捕われない。つまり、SOA集積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、波長多重光送信器モジュールは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、上記実施例では、lane0−3を上から順番に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。また上記ではDFBレーザの長さ、EA変調器の長さ、SOAの長さを各レーンで同じとして説明したが、それぞれの長さは各レーンで異なっても構わない。また上記ではDFBレーザ、EA変調器、SOAの組成を各レーンで同じとして説明したが、各レーンで組成が異なっても構わない。
また上記では、DFBレーザ、EA変調器、SOA、導波路、光合波器のすべてが同一の半導体基板上に設けた例を説明したが、これに捕われるものではない。例えばDFBレーザ、EA変調器、SOAを同じ半導体基板上の設け、導波路は光合波器をシリコン基板上の石英系導波路やシリコン導波路等で作ったりしても構わない。さらにはDFBレーザ、EA変調器、SOAが同一半導体基板上になく、それぞれが別の基板上にあっても構わない。

Claims (2)

  1. 複数のSOA集積EA−DFBであって、DFBレーザと、前記DFBレーザに接続されたEA変調器と、前記EA変調器に接続されたSOAと、を含む、複数のSOA集積EA−DFBと、
    前記複数のSOA集積EA−DFBの各々の前記SOAから出射された複数の信号光を合波して波長多重光を出力する光合波器と、
    を備えた波長多重光送信器であって、
    前記複数のSOA集積EA−DFBにおける前記DFBレーザの発振波長及び前記SOAの利得はそれぞれ異なり、
    前記複数のSOA集積EA−DFBの各々において、前記DFBレーザと前記SOAとが単一の制御端子によって駆動され、
    前記波長多重光送信器は、前記複数のSOA集積EA−DFBの前記EA変調器に接続され、前記DFBレーザからの出力光と、前記SOAからの自然放出光とにより前記EA変調器で発生した受光電流をモニタするための電流モニタをさらに備え、前記電流モニタにおける前記受光電流のモニタ結果に基づいて、前記単一の制御端子によって駆動される前記DFBレーザ及び前記SOAへの駆動電流を調整する
    ことを特徴とする波長多重光送信器。
  2. 請求項1に記載の波長多重光送信器において、前記電流モニタにおける前記受光電流のモニタ結果において、
    受光電流が大きくなった場合には、前記DFBレーザと前記SOAの両方の駆動電流を下げるように制御する
    ことを特徴とする波長多重光送信器の制御方法。
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