JP7502706B2 - 半導体光集積素子 - Google Patents
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Description
本発明は、分布帰還型の半導体光集積素子に関し、特に、光強度をモニタする半導体光集積素子に関する。
分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed FeedBack）レーザは、単一波長性に優れている。その適用形態として、単一の基板上に電界吸収型（ＥＡ：Electro-Absorption）変調器とモノリシックに一体化された半導体光集積素子（ＥＡ－ＤＦＢレーザ）が知られている。ＥＡ－ＤＦＢレーザは、ＥＡ変調器が有する高い消光特性と広帯域性から、高速な光通信システムにおいて幅広く用いられている。
ＥＡ－ＤＦＢレーザにおいては、システムの安定的な運用のために、出力される光信号の光強度を一定に保つことが望ましい。そこで、光強度をモニタし、モニタされ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フィードバック制御（ＡＰＣ：Auto Power Control）することが行われてきた（例えば、特許文献１参照）。従来、ＤＦＢレーザとＥＡ変調器とを備える光送信器において、ＤＦＢレーザの光強度をモニタする構成として、ＤＦＢレーザの後方に受光機器を備える構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
さらに、ＥＡ－ＤＦＢレーザの適用形態として、ＤＦＢレーザとＥＡ変調器とに加えて、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）を同一基板上にモノリ
シック集積することによって、長距離伝送を実現する半導体光集積素子（ＡＸＥＬ：soa Assisted eXtended reach Ea-dfb Laser）が知られている（例えば、特許文献２参照）。
シック集積することによって、長距離伝送を実現する半導体光集積素子（ＡＸＥＬ：soa Assisted eXtended reach Ea-dfb Laser）が知られている（例えば、特許文献２参照）。
ＡＸＥＬを実装した光送信器において、従来の構成が前提としている受光機器の位置、すなわち、ＤＦＢレーザの後段において光強度をモニタする場合、ＤＦＢレーザの光強度のみしかモニタすることができない。従って、ＳＯＡの劣化に伴うＳＯＡの利得が減少した場合、その現象をモニタが検出することができないことから、フィードバック制御によって光送信器の出力光の光強度を一定にすることができない。
そこで、ＳＯＡの前段において光強度をモニタすることにより、ＳＯＡの劣化に伴うＳＯＡの増幅率の減少を検出することができる。しかしながら、ＳＯＡの前段でモニタする場合、ＳＯＡからの出力光をタップする必要があるため、タップに伴う部材点数の増加に伴うコストアップが生じ、さらには光送信器の出力光の光強度が低下する等のデメリットが発生する。
本発明の目的は、ＤＦＢレーザとＥＡ変調器とＳＯＡとをモノリシックに集積した構成において、ＳＯＡの劣化を検出し、出力光の光強度を一定に保つフィードバック制御が可能な半導体光集積素子を提供することにある。
本発明は、このような目的を達成するために、半導体光集積素子の一実施態様は、連続光を出力するＤＦＢレーザと、前記連続光を変調し、変調光を出力するＥＡ変調器と、前記変調光を第１の入力ポートから入力し、前記変調光を分割して２つ以上の出力ポートから出力する第１のマルチモード干渉型カプラと、前記第１のマルチモード干渉型カプラの各々の出力ポートに接続され、分割された変調光をそれぞれ増幅する半導体光増幅器と、前記半導体光増幅器の各々の出力と接続された入力ポートと、増幅された変調光を合波して第１の出力ポートから出力する第２のマルチモード干渉型カプラと、前記第１のマルチモード干渉型カプラの第２の入力ポートに接続されたモニタ用導波路とを備えたことを特徴とする。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
図１に、本発明の第１の実施形態にかかる半導体光集積素子１００の構成例を示す。半導体光集積素子１００は、ＤＦＢレーザ１０１と、ＤＦＢレーザに接続されたＥＡ変調器１０２と、ＥＡ変調器１０２の出力端に接続された入力２ポート出力Ｎポートの２ｘＮマルチモード干渉型カプラ（ＭＭＩ）１０４と、２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の各出力ポートに接続されたＮ個のＳＯＡ１０３－１～１０３－Ｎと、各ＳＯＡ１０３の出力ポートに接続された導波路１１２－１～１１２－Ｎと、導波路１１２に接続された入力Ｎポート出力１ポートのＮｘ１－ＭＭＩ１０５と、２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の入力ポートに接続されたモニタ用導波路１０６とを備え、単一の基板上に集積されている。
図１に、本発明の第１の実施形態にかかる半導体光集積素子１００の構成例を示す。半導体光集積素子１００は、ＤＦＢレーザ１０１と、ＤＦＢレーザに接続されたＥＡ変調器１０２と、ＥＡ変調器１０２の出力端に接続された入力２ポート出力Ｎポートの２ｘＮマルチモード干渉型カプラ（ＭＭＩ）１０４と、２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の各出力ポートに接続されたＮ個のＳＯＡ１０３－１～１０３－Ｎと、各ＳＯＡ１０３の出力ポートに接続された導波路１１２－１～１１２－Ｎと、導波路１１２に接続された入力Ｎポート出力１ポートのＮｘ１－ＭＭＩ１０５と、２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の入力ポートに接続されたモニタ用導波路１０６とを備え、単一の基板上に集積されている。
ＤＦＢレーザ１０１にて出力された連続光１０７はＥＡ変調器１０２に入力され、ＥＡ変調器１０２にて変調され、変調光１０８として出力される。変調光１０８は２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の一方の入力ポートに入力され、Ｎ分割されて、２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の各出力ポートに接続されているＳＯＡ１０３に入力される。ＳＯＡ１０３において、Ｎ分割された変調光１０８は増幅され、導波路１１２を介してＮｘ１－ＭＭＩ１０５の各入力ポートに入力される。Ｎｘ１－ＭＭＩ１０５において、増幅された各変調光１０９は、合波されて、Ｎｘ１－ＭＭＩの出力ポートから出力され、出力光１１０となる。
ＳＯＡ１０３において、光増幅に伴う自然放射増幅光（ＡＳＥ光：Amplified Spontaneous Emission）と呼ばれる光が放射される。ＡＳＥ光は、ＳＯＡ１０３の出力側にあるＮｘ１－ＭＭＩ１０５のある方向だけでなく、入力側にある２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の方向にも出力される。ＡＳＥ光は、２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の他方の入力ポートに接続されているモニタ用導波路１０６に出力され、後方出力光１１１として出力される。出力されるＡＳＥ光の光強度の変化は、ＳＯＡ１０３の利得変化と比例関係にあることが知られている。
図２に、光半導体集積素子１００を実装した光送信器１１００の構成例を示す。（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図である。図２（ａ）は、キャリア１１０１上に実装された光半導体集積素子１００を、図１と同一の視点から見た時の光送信器１１００の構成例を示す。ステム１１０３上に、キャリア１１０１、高周波配線基板１１０２、およびモニタＰＤキャリア１１０４が実装されている。キャリア１１０１上には、光半導体集積素子１００が、モニタＰＤキャリア１１０４上にはモニタＰＤ１１０５が実装されている。ステム１１０３には、ＤＣピン１１０６－１～１１０６－３および同軸ピン１１０７が、ステム１１０３を貫通する形状で設けられている。
光半導体集積素子１００のＤＦＢレーザ１０１、ＳＯＡ１０３、およびモニタＰＤ１１０５への電流もしくは電圧は、ＤＣピン１１０６を経由して供給される。光半導体集積素子１００のＥＡ変調器１０２への高周波信号は、同軸ピン１１０７と高周波配線基板１１０２とを経由して供給される。光半導体集積素子１００等が実装されたステム１１０３に、レンズ１１１２付きのキャップ１１１１が溶接され、光半導体集積素子１００等が密封される。光半導体集積素子１００からの出力光１１０は、レンズ１１１２を介して、レセプタクル１１１３に接続される光ファイバと光学的に結合される。
光送信器１１００の出力光１１０は、光半導体集積素子１００の端面からＺ軸方向に出射される。光半導体集積素子１００からの後方出力光１１１は、モニタＰＤ１１０５に入力される。モニタＰＤ１１０５に入力された後方出力光１１１の光強度に応じた電流がＤＣピン１１０６－１に出力される。上述したように、後方出力光１１１であるＡＳＥ光の光強度は、ＳＯＡ１０３の利得の変化に応じて変化するので、モニタＰＤ１１０５により検出された電流の値を、その光強度に応じたフィードバック制御を行う。すなわち、ＳＯＡ１０３への印加電流を変化させることにより、光送信器１１００の出力光１１０の光強度を一定に保つことが可能となる。
なお、２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の出力ポート数、およびＮｘ１－ＭＭＩ１０５の入力ポート数、すなわち変調光１０８の分割数をＮとしたが、Ｎは２以上の数であればよい。ＳＯＡ１０３の数が多ければ、光送信器１１００の出力光１１０として必要な光強度を得るために、１つ当たりのＳＯＡの利得は小さくて済み、ＳＯＡの信頼性向上に資することができる。
図３に、第１の実施形態の半導体光集積素子の変形例を示す。半導体光集積素子１００との相違点は、後方出力光１１１を効率的に出力するために、光半導体集積素子５００のモニタ用導波路１０６の出力端面にＡＲ（Anti-Reflective）コート５０２を実装してい
る点である。さらにＤＦＢレーザ１０１の出力を高出力化するために、ＤＦＢレーザの連続光を出力する側とは反対側（マイナスＺ方向）にＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）５０１を形成してもよい。
る点である。さらにＤＦＢレーザ１０１の出力を高出力化するために、ＤＦＢレーザの連続光を出力する側とは反対側（マイナスＺ方向）にＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）５０１を形成してもよい。
［第２の実施の形態］
図４に、本発明の第２の実施形態にかかる半導体光集積素子２００の構成例を示す。半導体光集積素子２００は、ＤＦＢレーザ１０１と、ＤＦＢレーザに接続されたＥＡ変調器１０２と、ＥＡ変調器１０２の出力端に接続された入力２ポート出力Ｎポートの２ｘＮマルチモード干渉型カプラ（ＭＭＩ）１０４と、２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の各出力ポートに接続されたＮ個のＳＯＡ１０３－１～１０３－Ｎと、各ＳＯＡ１０３の出力ポートに接続された位相調整部２１３を含む導波路１１２－１～１１２－Ｎと、導波路１１２に接続された入力Ｎポート出力１ポートのＮｘ１－ＭＭＩ１０５と、２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の入力ポートに接続されたモニタ用導波路１０６とを備え、単一の基板上に集積されている。
図４に、本発明の第２の実施形態にかかる半導体光集積素子２００の構成例を示す。半導体光集積素子２００は、ＤＦＢレーザ１０１と、ＤＦＢレーザに接続されたＥＡ変調器１０２と、ＥＡ変調器１０２の出力端に接続された入力２ポート出力Ｎポートの２ｘＮマルチモード干渉型カプラ（ＭＭＩ）１０４と、２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の各出力ポートに接続されたＮ個のＳＯＡ１０３－１～１０３－Ｎと、各ＳＯＡ１０３の出力ポートに接続された位相調整部２１３を含む導波路１１２－１～１１２－Ｎと、導波路１１２に接続された入力Ｎポート出力１ポートのＮｘ１－ＭＭＩ１０５と、２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の入力ポートに接続されたモニタ用導波路１０６とを備え、単一の基板上に集積されている。
ＤＦＢレーザ１０１にて出力された連続光１０７はＥＡ変調器１０２に入力され、ＥＡ変調器１０２にて変調され、変調光１０８として出力される。変調光１０８は２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の一方の入力ポートに入力され、Ｎ分割されて、２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の各出力ポートに接続されているＳＯＡ１０３に入力される。ＳＯＡ１０３において、Ｎ分割された変調光１０８は増幅され、位相調整部２１３を含む導波路１１２を介してＮｘ１－ＭＭＩ１０５の各入力ポートに入力される。
位相調整部２１３においては、変調光１０８に位相調整部２１３の導波路長に則した伝搬遅延が付与される。Ｎｘ１－ＭＭＩ１０５において、増幅された各変調光１０９は、合波されて、Ｎｘ１－ＭＭＩの出力ポートから出力され、出力光１１０となる成分と、Ｎｘ１－ＭＭＩ１０５の＋Ｚ方向の境界にて反射し導波路１１２に戻る反射光２１４とに分割される。反射光２１４の一部は、ＳＯＡ１０３、２ｘＮ－ＭＭＩ１０４を介してモニタ用導波路１０６に出力される。
ＳＯＡ１０３において、光増幅に伴うＡＳＥ光が放射され、ＳＯＡ１０３の出力側にあるＮｘ１－ＭＭＩ１０５のある方向だけでなく、入力側にある２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の方向にも出力される。ＡＳＥ光は、２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の他方の入力ポートに接続されている導波路１０６に入力される。ＡＳＥ光と反射光２１４の一部の成分とは、モニタ用導波路１０６を伝送し、後方出力光１１１として出力される。
図２に示した光送信器１１００において、光半導体素子１００の代わりに光半導体素子２００を実装することにより、同様の作用効果を奏することができる。光半導体集積素子２００からの後方出力光１１１は、モニタＰＤ１１０５に入力される。モニタＰＤ１１０５に入力された後方出力光１１１の光強度に応じた電流がＤＣピン１１０６－１に出力される。上述したように、後方出力光１１１の成分であるＡＳＥ光の光強度は、ＳＯＡ１０３の利得の変化に応じて変化し、反射光の光強度はＤＦＢレーザ１０１の出力の変化に応じて変化する。モニタＰＤ１１０５により検出された電流の値を、その光強度に応じたフィードバック制御を行う。すなわち、ＳＯＡ１０３への印加電流またはＤＦＢレーザ１０１への印加電流を変化させることにより、光送信器１１００の出力光１１０の光強度を一定に保つことが可能となる。
なお、２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の出力ポート数、およびＮｘ１－ＭＭＩ１０５の入力ポート数、すなわち変調光１０８の分割数をＮとしたが、Ｎは２以上の数であればよい。
図５に、第２の実施形態の半導体光集積素子の変形例を示す。半導体光集積素子２００との相違点は、後方出力光１１１を効率的に出力するために、光半導体集積素子６００のモニタ用導波路１０６の出力端面にＡＲコート５０２を実装している点である。さらにＤＦＢレーザ１０１の出力を高出力化するために、ＤＦＢレーザの連続光を出力する側とは反対側（マイナスＺ方向）にＤＢＲ５０１を形成してもよい。
［第３の実施の形態］
図６に、本発明の第３の実施形態にかかる半導体光集積素子３００の構成例を示す。半導体光集積素子３００は、ＤＦＢレーザ１０１と、ＤＦＢレーザに接続されたＥＡ変調器１０２と、ＥＡ変調器１０２の出力端に接続された入力２ポート出力Ｎポートの２ｘＮマルチモード干渉型カプラ（ＭＭＩ）１０４と、２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の各出力ポートに接続されたＮ個のＳＯＡ１０３－１～１０３－Ｎと、各ＳＯＡ１０３の出力ポートに接続された位相調整部２１３を含む導波路１１２－１～１１２－Ｎと、導波路１１２に接続された入力Ｎポート出力２ポートのＮｘ２－ＭＭＩ３０５と、２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の入力ポートに接続されたモニタ用導波路１０６とを備え、単一の基板上に集積されている。
図６に、本発明の第３の実施形態にかかる半導体光集積素子３００の構成例を示す。半導体光集積素子３００は、ＤＦＢレーザ１０１と、ＤＦＢレーザに接続されたＥＡ変調器１０２と、ＥＡ変調器１０２の出力端に接続された入力２ポート出力Ｎポートの２ｘＮマルチモード干渉型カプラ（ＭＭＩ）１０４と、２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の各出力ポートに接続されたＮ個のＳＯＡ１０３－１～１０３－Ｎと、各ＳＯＡ１０３の出力ポートに接続された位相調整部２１３を含む導波路１１２－１～１１２－Ｎと、導波路１１２に接続された入力Ｎポート出力２ポートのＮｘ２－ＭＭＩ３０５と、２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の入力ポートに接続されたモニタ用導波路１０６とを備え、単一の基板上に集積されている。
ＤＦＢレーザ１０１にて出力された連続光１０７はＥＡ変調器１０２に入力され、ＥＡ変調器１０２にて変調され、変調光１０８として出力される。変調光１０８は２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の一方の入力ポートに入力され、Ｎ分割されて、２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の各出力ポートに接続されているＳＯＡ１０３に入力される。ＳＯＡ１０３において、Ｎ分割された変調光１０８は増幅され、位相調整部２１３を含む導波路１１２を介してＮｘ２－ＭＭＩ３０５の各入力ポートに入力される。
位相調整部２１３においては、変調光１０８に位相調整部２１３の導波路長に則した遅延が付与される。Ｎｘ２－ＭＭＩ３０５において、増幅された各変調光１０９は、合波されて、Ｎｘ２－ＭＭＩ３０５の一方の出力ポートから出力され、出力光１１０となる成分と、他方の出力ポートから出力され、出力光３０１となる成分に分割される。
ＳＯＡ１０３において、光増幅に伴うＡＳＥ光が放射され、ＳＯＡ１０３の出力側にあるＮｘ２－ＭＭＩ３０５のある方向だけでなく、入力側にある２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の方向にも出力される。ＡＳＥ光は、２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の他方の入力ポートに接続されているモニタ用導波路１０６に入力され、後方出力光１１１として出力される。
図７に、光半導体集積素子３００を実装した光送信器１２００の他の構成例を示す。（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図である。図７（ａ）は、配線基板１２０１上に実装された光半導体集積素子３００を、図６と同一の視点から見た時の光送信器１２００の構成例を示す。配線基板１２０１上には、後方出力光１１１を受光するモニタＰＤ１２０５が実装されたモニタＰＤキャリア１２０４が固定されている。光半導体集積素子３００のＤＦＢレーザ１０１、ＳＯＡ１０３、およびモニタＰＤ１２０５への電流もしくは電圧は、配線基板１２０１を経由して供給される。光半導体集積素子３００のＥＡ変調器１０２への高周波信号も、配線基板１２０１を経由して供給される。
光半導体集積素子３００等が実装された配線基板１２０１は、パッケージ１２１１に収容される。光半導体集積素子３００からの出力光１１０は、レンズ１２１２を介して、レセプタクル１２１３に接続される光ファイバと光学的に結合される。また、パッケージ１２１１には、出力光３０１を受光するモニタＰＤ１２０７が実装されたモニタＰＤキャリア１２０６６が固定されている。
上述したように、後方出力光１１１であるＡＳＥ光の光強度は、ＳＯＡ１０３の利得の変化に応じて変化するので、モニタＰＤ１２０５により検出された電流の値を、その光強度に応じたフィードバック制御を行う。すなわち、ＳＯＡ１０３への印加電流を変化させることにより、光送信器１２００の出力光１１０の光強度を一定に保つことが可能となる。
また、フィードバック制御において、出力光３０１を使用してモニタを行うこともできる。例えば、出力光１１０と出力光３０１とを９：１の分割比で分割し、出力光３０１をニタＰＤ１２０７によりモニタすることにより、フィードバック制御を行う。すなわち、ＤＦＢレーザ１０１への印加電流を変化させることにより、光送信器１２００の出力光１１０の光強度を一定に保つことが可能となる。第２の実施形態と異なり、ＤＦＢレーザ１０１とＳＯＡ１０３とを個別にフィードバック制御を行うことができる。また、第３の実施形態によれば、ＤＦＢレーザ１０１のフィードバック制御のために、出力光１１０をタップする回路が不要となることから低コストな光モジュールを実現することができる。
なお、２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の出力ポート数、およびＮｘ２－ＭＭＩ３０５の入力ポート数、すなわち変調光１０８の分割数をＮとしたが、Ｎは２以上の数であればよい。
図８に、第３の実施形態の半導体光集積素子の第１の変形例を示す。半導体光集積素子３００との相違点は、後方出力光１１１を効率的に出力するために、光半導体集積素子７００のモニタ用導波路１０６の出力端面にＡＲコート５０２を実装している点である。さらにＤＦＢレーザ１０１の出力を高出力化するために、ＤＦＢレーザの連続光を出力する側とは反対側（マイナスＺ方向）にＤＢＲ５０１を形成してもよい。
図９は、第３の実施形態の半導体光集積素子の第２の変形例を示す。半導体光集積素子３００との相違点は、２ｘＮ－ＭＭＩ１０４の代わりに１ｘＮ－ＭＭＩ４０４を用いる点である。光半導体集積素子８００は、後方出力光１１１によるモニタを省略し、出力光１１０または出力光３０１を使用してモニタを行うために、モニタ用導波路１０６を設けていない。なお、１ｘＮ－ＭＭＩ４０４の出力ポート数、およびＮｘ２－ＭＭＩ３０５の入力ポート数、すなわち変調光１０８の分割数をＮとしたが、Ｎは２以上の数であればよい。
Claims (6)
- 連続光を出力するＤＦＢレーザと、
前記連続光を変調し、変調光を出力するＥＡ変調器と、
前記変調光を第１の入力ポートから入力し、前記変調光を分割して２つ以上の出力ポートから出力する第１のマルチモード干渉型カプラと、
前記第１のマルチモード干渉型カプラの各々の出力ポートに接続され、分割された変調光をそれぞれ増幅する半導体光増幅器と、
前記半導体光増幅器の各々の出力と接続された入力ポートと、増幅された変調光を合波して第１の出力ポートから出力する第２のマルチモード干渉型カプラと、
前記第１のマルチモード干渉型カプラの第２の入力ポートに接続されたモニタ用導波路と
を備えたことを特徴とする半導体光集積素子。 - 前記半導体光増幅器の各々の出力と前記第２のマルチモード干渉型カプラの入力ポートとの間を接続する導波路に、伝搬遅延を付与する位相調整部を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体光集積素子。
- 前記第２のマルチモード干渉型カプラは、さらに第２の出力ポートを有し、前記増幅された変調光を合波し、前記第１および前記第２の出力ポートに分割して出力することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光集積素子。
- 前記モニタ用導波路の出力端面にＡＲコートが実装されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の半導体光集積素子。
- 連続光を出力するＤＦＢレーザと、
前記連続光を変調し、変調光を出力するＥＡ変調器と、
前記変調光を入力ポートから入力し、前記変調光を分割して２つ以上の出力ポートから出力する第１のマルチモード干渉型カプラと、
前記第１のマルチモード干渉型カプラの各々の出力ポートに接続され、分割された変調光をそれぞれ増幅する半導体光増幅器と、
前記半導体光増幅器の各々の出力と接続された入力ポートと、増幅された変調光を合波して、２つの出力ポートに分割して出力する第２のマルチモード干渉型カプラと
を備えたことを特徴とする半導体光集積素子。 - 前記ＤＦＢレーザの前記連続光を出力する側とは反対側に、ＤＢＲが接続されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体光集積素子。
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