JPH1117279A

JPH1117279A - 波長多重光通信用素子、送信器、受信器および波長多重光通信システム

Info

Publication number: JPH1117279A
Application number: JP9164387A
Authority: JP
Inventors: Junichi Kinoshita; 下順一木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-06-20
Filing date: 1997-06-20
Publication date: 1999-01-22
Also published as: US6081636A

Abstract

(57)【要約】【課題】合波器が不要であり、小型で組立工程が簡易
かつ信頼性の高い新規な波長多重光通信用素子、送信
器、受信器およびシステムを提供することを目的とす
る。【解決手段】２次のブラッグ回析格子を出力機構とし
て用いることにより、複数のＤＦＢレーザ型素子の光出
力が互いに影響を与えないようにすることができる。そ
の結果として、複数のレーザを共軸（coaxial）に配列
することを可能とし、合波器を不要にした波長多重光通
信の光源部を提供することができる。また、この機構を
受信器側に応用して分波器を不要にすることもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、波長多重（ＷＤ
Ｍ：Wavelength Division (or Domain) Multiplexing）
光通信用素子、送信器、受信器および波長多重光通信シ
ステムに関する。さらに具体的には、本発明は、２次の
ブラッグ回析格子による放射モード光を効率的に取り出
すことのできるレーザ素子を利用した発光素子および送
信器に関する。また、これを逆方向に利用した受光素子
および受信器に関する。さらに、本発明は、これらを備
えた波長多重光通信用システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】波長多重光通信は、限られた光ファイバ
を介して伝送できる情報容量を飛躍的に増大することが
できる技術として注目されている。波長多重光通信にお
いては光源として複数の分布帰還型レーザ（ＤＦＢ−Ｌ
Ｄ：Distributed FeedBack Laser Diode）が用いられ
る。それぞれのＤＦＢレーザは、異なる波長帯におい
て、単一縦モードで発振動作する。従来の波長多重光通
信においては、これらのＤＦＢレーザは、送信側に、単
体の素子として並列配置され、あるいは、より高度な発
展型として、いわゆるアレイ（array）型のモノリシッ
ク（monolithic）集積素子として構成されていた。

【０００３】図８（ａ）は、従来のＤＦＢレーザの概略
構成を表す縦断面図である。すなわち、ＤＦＢレーザ１
１０は、ｎ型ＩｎＰ基板１１１の上に、共振器を構成す
るＩｎＧａＡｓＰ活性層（active layer）１１２、活性
層１１２よりもバンドギャップの大きいＩｎＧａＡｓＰ
光導波層（guiding layer）１１３が堆積されている。
その上に共振器中央の位相が１／４波長分だけシフトし
たλ／４シフト領域１１８を有する回析格子（grating
s）１１７が形成されている。この上にｐ−ＩｎＰ層１
１４が堆積され、ｐ−ｎ接合が形成されている。また、
両端面には反射防止（Anti-Reflection：ＡＲ）コート
１６が形成されている。

【０００４】図８（ｂ）は、ＤＦＢレーザ１１０の発振
波長特性を表す模式図である。同図に示したように、Ｄ
ＦＢレーザは、ブラッグ波長（λ_Bragg）近傍の波長帯
で発振する。ここで、ストップ・バンド（stop band）
とは、導波路中を伝搬する光波の特性として、透過光が
きわめて小さくなり、大部分の光が反射されるような状
態を表す。

【０００５】ここで、回析格子１１７の周期をΛ、レー
ザ導波路１１３の実効屈折率をｎ_ef _fとすると、ブラッ
グ波長（λ_Bragg）は次式で表される。Ｎλ_Bragg＝２ｎ_eff Λ （１）ここで、Ｎは、「回折の次数」を表す。例えば、Ｎ＝
２、すなわち２次の回折格子の場合には、回折格子の周
期Λは発振波長の２倍となる。

【０００６】いわゆるλ／４シフトＤＦＢレーザ、すな
わち、両端面に反射防止コート１１６を施して反射を抑
え、レーザ共振器中央の回析格子１１７にλ／４位相シ
フト領域１１８が設けられたＤＦＢレーザは、図８
（ｂ）に示したように、ストップ・バンドの中央のブラ
ッグ波長で発振する。

【０００７】波長多重光通信（ＷＤＭ）の送信側には、
λ／４シフトＤＦＢレーザを複数個並列に配置し、それ
ぞれの回析格子の周期をわずかずつ変化させることによ
り多波長で発振するＷＤＭ用光源部を構成することがで
きる。

【０００８】図９（ａ）は、このＷＤＭシステムの基本
構成の１例を表す概略図である。送信側には、一定の波
長間隔を有するλ₁〜λ_Nの波長でそれぞれ発振する複
数のＤＦＢレーザ１１０、１１０、・・・が配置されて
いる。これらのＤＦＢレーザ１１０、１１０、・・・
は、直接変調され、その光出力は合波器１００で合波さ
れて１本の光ファイバ２００を通して伝送される。受信
側においては、伝送された光信号が光アンプ３００によ
り増幅され、分波器４００によってそれぞれ元の波長に
分離される。分離された光は、アバランシェ・フォトダ
イオード（ＡＰＤ）やＰＩＮ型フォトダイオード（ＰＩ
Ｎ−ＰＤ）等の受光素子２０、２０、・・・によって電
気信号に変換される。

【０００９】図９（ｂ）は、ＷＤＭシステムの他の例を
表す概略図である。同図に示した例では、各レーザ１１
０、１１０、・・・は直接変調されずに、直流信号で駆
動され、その光出力が外部変調器３０、３０、・・・に
よって変調される。このために、同図（ａ）に示したシ
ステムよりも、より高速で変調できるという利点を有す
る。

【００１０】図１０は、図９（ａ）に示したＷＤＭシス
テムの送信部の具体例を表す概略斜視図である。同図に
示した例では、送信部は、５波長の集積化ＤＦＢレーザ
・アレイ１０Ａと、ＬｉＮｂＯ₃をベースにしたＴｉ拡
散導波路により構成された合波器１００とにより形成さ
れる。この送信部を開示した参考文献としては、例え
ば、東芝レヴュー、４０［７］（１９８５）奥田他、
ｐ．５７０、および、同英語版（１９８５）ｐ．９「Op
toelectronics Technology in Toshiba」、H. Okuda et
al, を挙げることができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】図１０に示したレーザ
・アレイ１１０Ａにおいては、複数のＤＦＢレーザ１１
０、１１０、・・・はそれぞれの活性層ストライプが互
いに平行になるように配置され、モノリシックに集積さ
れている。それぞれのＤＦＢレーザは、端面からレーザ
光出力を共振器ストライプに沿った方向に出射する。す
なわち、レーザ・アレイ１１０Ａは、チャンネル数分の
レーザ光をそれぞれ異なる端面位置から平行に出射す
る。この光出力をまとめて１本のファイバ２００に入力
するためには、合波器１００を設けることが必須であ
り、部品点数が増加するという問題があった。

【００１２】また、このような合波器１００を配置する
に際しては、レーザ・アレイ１１０Ａの光出力の端面の
位置と合波器１００の光入射位置とを合わせなければな
らず、組立工程において、この光軸調整が煩雑であると
いう問題もあった。

【００１３】さらに、図１０から分かるように、合波器
１００は、各光入力位置から１本の導波路に光をまとめ
て結合させるために、長い枝状導波路部分１００Ｌを必
要とする。ゆえに、合波器１００の素子長はレーザ・ア
レイ１１０Ａより長くなる。したがって、合波器１００
は大きなスペースを占め、送信器を小型化することが困
難であるという問題もあった。

【００１４】また、レーザ・アレイ１１０Ａの出力部に
合波器１００をモノリシックに集積しようとすると、１
枚のウェーハから得られる素子数が著しく減少し、コス
トが高くなるという問題もあった。

【００１５】一方、合波器１００を省略するために、複
数のレーザを共振器を共軸として縦続に配置すると、後
段のレーザから出射された光が次段のレーザの共振器に
影響を与え、信号のクロス・トークが起こるという問題
が生ずる。したがって、従来のＷＤＭシステムにおいて
は、合波器１００を省くことは不可能であった。

【００１６】また、ＷＤＭシステムの受信部において
も、多波長に多重化された信号を波長毎に分波して受光
素子２０、２０、・・・に分配するための分波器４００
が必要とされる。この分波器４００もまた、前述と同様
の問題を有し、スペースと組み立ての点で省略すること
が望ましい部品であった。

【００１７】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
である。すなわち、その目的は、合波器が不要であり、
小型で組立工程が簡易かつ信頼性の高い新規な波長多重
光通信用素子、送信器、受信器および波長多重光通信シ
ステムを提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明による
波長多重光通信用素子は、複数のＧＣＳＥＬ（Grating-
Coupled Edge Emitting Laser ：回析格子結合型端面放
射レーザ）を重ねることにより構成され、共軸出力方式
とすることにより合波器が不要で安価かつ高信頼性を有
するＷＤＭ用光源を提供することができる。

【００１９】また、光の共軸取り出し構造体と離れた位
置から変調器に出力を取り出して変調し、しかる後に共
軸構造に光を入力する構成をとることができる。この構
成によれば、吸収の制御等により出力光を変調する外部
変調器を集積しつつ、他のレーザ素子からの出力が変調
されて混信しないようにすることができる。さらに、直
接変調と比べてより高速な１０Ｇｂｐｓ以上の変調を実
現することができる。レーザの２次の回析格子のみが共
振器に垂直に放射モード光を出力することを利用して、
共軸出力構造をより簡単に構成することができる。

【００２０】また、回析格子に位相シフトもしくは実効
的に位相シフト効果を生じる導波路構造を設けることに
より、各レーザ素子の共軸上の出力取り出し部分の放射
モード光を強くするして出力の効率を良くすることがで
きる。

【００２１】また、半導体基板に垂直にＧＣＳＥＬを積
み上げる集積構造とすることにより極めて小型の波長多
重光通信用素子を実現することができる。

【００２２】一方、回析格子を基板面と垂直な導波路側
面に形成することで、放射モード光を共振器とは垂直な
端面に共軸出力することができる。この意味ではＧＣＳ
ＥＬではなく、ＧＣＥＥＬ（Grating-Coupled Edge Emi
tting Laser ：回析格子結合型端面放射レーザ）という
概念である。結晶成長回数が大幅に少なく、通常の個別
素子とほぼ一緒であり、モノリシックな集積に向いてい
る。

【００２３】さらに、主にＧＣＥＥＬの集積素子の共軸
出力が、素子間で散逸しないように、導波路でガイドで
きるようにすることができる。スラブ導波路は、放射モ
ードが共振器方向では拡がらない狭いビームなので、拡
がり角が大きい厚さ方向のみの光の閉じ込め（confinem
ent ）のみを行い、導波路の横方向を省略して加工しや
すい。

【００２４】また、後ろの列のレーザ型素子からの出力
ほど前面に達する前に散乱や導波損を被りやすい。この
損失をカバーするために共軸導波路に増幅機能を持たせ
ると有利な効果が生ずる。

【００２５】この共軸部分を光学損失の少ない材料を使
ったり、電極部分に窓を設けたり、各素子の活性層の共
軸部分を除去することにより、後段からの光を減衰させ
ず、活性層が後段からの出力を吸収して影響を受け、ク
ロス・トークを発生しないようにする効果も意味する。

【００２６】また、出力光の入射面や出射面に反射防止
コートを施すことにより、不要な反射による光学損やレ
ーザ素子への干渉を避けることができる。

【００２７】さらに、出力方向以外のいずれかの方向
に、レーザのＡＰＣ（Automatic Power Control）用の
モニタＰＤ（photodiode）を、配置もしくはモノリシッ
クに集積することにより、レーザ素子を安定に動作させ
ることができる。

【００２８】本発明は、レーザ素子そのものに限定され
ることなく、この素子を搭載した波長多重光通信用送信
器やシステムにも広く敷衍される。

【００２９】一方、活性層を光吸収層として逆バイアス
で動作させ、２次の回析格子の分波機能を利用すると、
レーザ素子と同様の構成のまま光の向きを逆に考えるだ
けで、分波器の不要な波長多重光通信用受光素子として
用いることができる。

【００３０】本発明は、また、受光素子そのものに限定
されることなく、この素子を搭載した波長多重光通信用
受信器や波長多重光通信システムにも広く敷衍される。

【００３１】

【発明の実施の形態】本発明によれば、２次の回析格子
を出力機構として用いることにより、複数のＤＦＢレー
ザ型素子の光出力が互いに影響を与えないようにするこ
とができる。その結果として、複数のレーザを共軸（co
axial）に配列することを可能とし、合波器を不要にし
た波長多重光通信の光源部を提供することができる。

【００３２】また、この機構を受信器側に応用して分波
器を不要にすることもできる。

【００３３】本発明の実施の形態を詳述する前に、本発
明において基礎技術として用いる回折格子結合型表面発
光レーザ（ＧＣＳＥＬ：Grating-Coupled Surface Emit
tingLasers ）について概略的な説明をする。

【００３４】図１１（ａ）は、ＧＣＳＥＬの構成を説明
する概略断面図である。ＧＣＳＥＬは、２次以上の回析
格子を用いたＤＦＢレーザ、あるいはＤＢＲ（分布ブラ
ッグ反射型：Distributed Bragg Reflector ）レーザで
ある。

【００３５】すなわち、ｎ型ＩｎＰ基板１の上に、共振
器となるＩｎＧａＡｓＰ活性層２、それよりバンドギャ
ップの大きいＩｎＧａＡｓＰ導波路層３が堆積され、さ
らにその上に２次の回析格子７′が形成されている。こ
こで、「２次の回折格子」とは、前述した（１）式にお
ける「回折の次数Ｎ」の値が２であるような回折格子の
ことをいう。この回析格子７′には、ちょうど共振器中
央を挟んで２つの３λ／８位相シフト領域９，９′が形
成されている。この上にｐ−ＩｎＰ層４およびｐ−Ｉｎ
ＧａＡｓＰオーミック・コンタクト層５が積層されてい
る。（なお、オーミック・コンタクト層５は、前述した
図１では簡単のため省略してある。）コンタクト層５、
ｐ−ＩｎＰ層４、導波路層３、活性層２は、ストライプ
状にメサエッチングされ、その周囲が図示しないｐ−Ｉ
ｎＰ層とｎ−ＩｎＰ層により埋め込まれた埋込みヘテロ
構造（ＢＨ：buried heterostructure）とされている。

【００３６】さらに上下両面に電極１５，１６が形成さ
れている。ｐ電極１５は、２つの３λ／８位相シフト領
域９、９′の間に対応する領域に光出力用の窓１７が設
けられている。ＧＣＳＥＬは、通常のＤＦＢレーザと同
様に基板１に対して平行な方向に形成された共振器２で
発振する。異なるのはその光出力として、端面方向から
出てくる導波路モード光（guided mode）の他に、回析
格子（グレーディング）全体から出る放射モード光（ra
diation mode）１８も利用できる点である。ここで、回
折格子がちょうど２次の場合は、光は共振器に対して垂
直な方向に放射されるので面発光出力となる。放射モー
ドのビーム１８は、回折格子に対して垂直に上下２方向
に出射される。

【００３７】放射モード光は、導波路を往復する２つの
方向の導波路モード光からそれぞれ回析格子を介して放
射される。従って、放射モード光は、この２つの方向か
ら得られた２つの成分に分けられる。この２つの成分
が、強め合う干渉をするか、弱め合う干渉をするかによ
って光出力を制御できる。この干渉を制御できれば、共
放射モード出力に振器方向に沿った光強度分布を持たせ
ることができる。

【００３８】これを実現するひとつの手段は次の様なも
のである。すなわち、ＧＣＳＥＬの中央付近の２箇所
に、導波路中の波長の３／８分だけ位相をシフトする領
域（３λ／８位相シフト領域）を設置する。そうする
と、それらの間の放射モードが強めあう干渉（construc
tive interference）によって光強度が増す。この構造
は、単素子として本発明者がすでに特許出願している
（特願昭６３−３１７８１８号、米国特許第 4,958,357
号、欧州特許出願第 88312036.2号、大韓民国特許第０
５８３９１号、論文としては、J. Kinoshita, p.407, I
EEE Journal of Quantum Electronics, vol. QE-26, N
o.3, 1990）。

【００３９】図１１（ｂ）は、この放射モード光の光強
度分布を表す模式図である。導波路を往復する２つの進
行波（traveling waves）の一部は２次の回析格子７′
により放射モード特有の鋭い（narrow divergence）ビ
ーム１８として基板に垂直に上下方向に出射される。回
析格子の形状により、上への放射を大きくすることもで
きる。

【００４０】ここで、導波路方向の拡がり角（半値全
角：FWHM Full Width at Half Maximum ）は数度であ
る。ここで、簡単のため、放射された成分は、基板底面
で散乱されると仮定して無視することにする。このとき
２つの放射モードは３λ／８位相シフト領域９、９′の
間の領域では位相変化により強め合う干渉を起こし、図
１１（ｂ）に実線で示したように光強度が増す。これを
光出力として取り出す。以上が原理である。λ／８位相
シフトを用いると、弱め合う干渉で出力は極めて小さく
なる。なお、横断面方向の放射モードビームの放射角
は、共振器方向ほど狭くなく３０゜程度の半値全角をも
つ。

【００４１】このＧＣＳＥＬと面型外部変調器を集積し
た提案も本発明者が行っている（特願平７−２１９０１
０号）。また、波長多重光源として類似の提案も本発明
者が以前に行っている（特願平６−５５４４５号）。図
１２（ａ）は、本発明者が前に提案した波長多重光源の
構成を表す模式平面図である。この光源においては、放
射モードの出力点が平面内で共通の一点（共心点）とさ
れ、同一平面内に周期の異なるＧＣＳＥＬ１０ａ〜１０
ｄが放射状に配置されている。図１２（ｂ）は、この光
源の概略縦断面図であり、同図（ｃ）は、軸方向の放射
光強度分布を表す模式図である。同図に示した例では、
共通の中心点付近の領域では複数周期の回析格子が重な
ってしまい、分離して形成することができないために、
回折格子が設けられていない。このため、この共通点で
は放射モード出力が得られない。すなわち、その周辺部
から出る放射モード光を出力として利用することにな
る。つまり、同図（ｃ）に示したように、肝心の中央部
が光を放出しない暗部となっていた。また、図１２に示
した例では、それぞれのレーザを直径方向に沿って配列
するので、円内の面積により制限され、あまり多数のレ
ーザストライプを集積できない欠点を有する。

【００４２】本発明においてはこの点も克服されてい
る。

【００４３】すなわち、本発明においては、各レーザ素
子を立体的に積み重ねる方法をとる。

【００４４】また、モノリシック集積に適した構造とし
て、導波路の側面に２次の回析格子を有するＤＦＢレー
ザをアレイ状に集積する。この素子は、面発光でもな
く、通常の共振器方向の端面発光でもない。つまり、共
振器とは垂直な方向の端面発光素子である。幅の狭い共
振器を横切って他の素子からの出力を通過させるので、
通過した素子に与える影響は小さくすることができる。
また、通過部分も実用上透明にすることもできる。した
がって、多くの素子からの出力を共軸にまとめることが
可能であり、合波器が不要となる。また、集積密度も高
められる。

【００４５】以下に本発明をＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系
素子に適用した実施の形態について図面を参照しながら
説明する。

【００４６】図１（ａ）は本発明のＧＣＳＥＬをその光
出力が共軸になるように積層した波長多重光通信用素子
の１例を示す概略斜視図であり、同図（ｂ）は、ＧＣＳ
ＥＬの概略拡大断面図である。

【００４７】本発明において用いるＧＣＳＥＬは、図１
１に示したものと基本的には同様の構成を有する。但
し、本発明においては、レーザ素子の回析格子７′を一
様な２次の回析格子として、位相シフトは設けないよう
にすることもできる。ＧＣＳＥＬでは、２次の回析格子
のみが共振器に垂直に放射モード光を出力することがで
きるので、２次の回折格子を利用することにより、共軸
出力構造を簡単に構成することができる。

【００４８】または、図１１に示した素子のように、
回析格子７’に位相シフトもしくは実効的に位相シフト
効果を生じる導波路構造を設けることにより、共軸な出
力取り出し部分の放射モード光を強くして各素子の出力
の効率を良くすることもできる。

【００４９】図１においては、ＧＣＳＥＬの共軸部分に
おいて活性層２が除去されている。これにより、共振器
中央部での実効屈折率が小さくなり、実効的に位相シフ
ト（λ／４相当）の役目が果たされている。この実効位
相シフトにより、共振器中央の出力窓１７の位置での放
射モード光強度を大きくすることができる。また、共軸
部分の活性層を除去したことは、後段からの出力光の通
過により活性層が僅かでも影響を受けてクロストークが
発生することを避ける効果もある。

【００５０】また、基板側の電極１６にも窓１７′を開
けてある。ヒートシンク５００にも共軸に孔５０１が開
口されている。

【００５１】このように活性層や電極の一部を除去して
共軸部分を実質的に透明とすることにより、後段に配置
されたＧＣＳＥＬからの放射光が遮蔽されず、光ファイ
バ２００に入力されるようにすることができる。

【００５２】また、各素子の活性層の共軸部分で除去
し、透明で回析格子が形成されている導波路層とグラッ
ド層のみにすることは、活性層が後段からの出力を吸収
して影響を受け、クロス・トークを発生しないようにす
る効果も有する。

【００５３】さらに、素子の前後には、反射防止コート
６′が形成されている。このように反射防止コートを形
成することにより、不要な反射による光学損やレーザ素
子への干渉を避けることができる。

【００５４】この基本素子となるＧＣＳＥＬの回析格子
の周期を変えて異なる波長で発振するようにした各素子
を、出力光に対して共軸に配置し、まとめてファイバ２
００に結合させる。

【００５５】本発明によれば、個別に製造、選別したＧ
ＣＳＥＬを重ねることにより、集積化プロセスが不要で
ある個別半導体をうまく配置して、合波器の不要なＷＤ
Ｍ用光源を提供することができる。しかも、合波器を削
除することにより、合波器そのものに起因する故障や、
光軸のずれなどの組み合わせに起因する故障を解消する
ことができ、ＷＤＭシステムの信頼性を向上することも
できる。

【００５６】図２は、基板に垂直にＧＣＳＥＬが積み上
げられた波長多重光通信用素子を表す概略断面図であ
る。すなわち、同図の示した光源においては、図１
（ｂ）に示したＧＣＳＥＬ素子が波長チャンネルの数だ
け積み上げられている。さらに、それぞれのＧＣＳＥＬ
素子の間には、半絶縁性ＩｎＰ層１９が設けられ、素子
間の電気的アイソレーションが図られている。

【００５７】このように、ＧＣＳＥＬ素子を集積化する
ことにより、各素子を実装して共軸のためのアライメン
トをとる手間が不要となる。

【００５８】また、この素子は、活性層ストライプの両
側が図示しない半絶縁性半導体によって埋め込まれ、活
性層のみに電流が注入されるＢＨ構造とされている。し
たがって、図示しない電極は活性層ストライプから離れ
た部分に形成することができ、そこから活性層ストライ
プまでｐ、ｎの導電型の半導体層を介して電流を流すこ
とができる。

【００５９】図３は、ＧＣＳＥＬとは、異なる構成を有
するレーザ素子を集積して放射モード光出力を共軸方向
とした波長多重光通信用素子の概略斜視図である。すな
わち、レーザ素子の２次の回析格子７″は基板面と垂直
な導波路側面上に形成されている。このため、放射モー
ド光は、基板に平行な表面でなく、共振器と垂直な方向
の端面から出力される。このために、このレーザ素子
は、ＧＣＳＥＬではなく、ＧＣＥＥＬ（Grating-Couple
d Edge Emitting Laser ：回析格子結合型端面放射レー
ザ）と称することができる。

【００６０】図３においては、簡単のため、基本構成の
みが示されている。また、チャネル波長もλ1 、λ2 、
λ3 の３波長のみとした。また、λ1 、λ2 で発振する
後段部（ファイバに対して後ろ）は、活性層ストライプ
２の上の構造を透視図とし、回析格子７などが分りやす
いように描いた。

【００６１】なお、活性層ストライプ２および導波路層
３の周囲、すなわち側面と上面は、ｐ−ＩｎＰ４層で構
成されるメサストライプ５０で埋め込まれている。これ
は、前述したＢＨ型導波路構造に対応する。このストラ
イプ５０の幅は、接合による寄生容量を最小限にするた
めに、狭くされている。通常は、活性層２への効率良い
電流狭窄のために逆接合も形成するが、本発明の本質で
はないので同図においては省略した。ｐ電極１５は、レ
ーザ毎に独立に信号を印加して変調をかけられるように
独立に形成され、図示せぬボンディング・パッドに接続
されている。

【００６２】なお、レーザの変調に用いる高速変調用ト
ランジスタの都合で、ｎ−ＩｎＰ層１とｐ−ＩｎＰ層４
を逆転させてｐ側を共通電位にすることも多い。しか
し、同図には、ｎ側電極１６を共通とした例を示した。

【００６３】また、共振器ストライプに垂直な端面方向
に出射される放射モード出力を、より確実に共軸方向に
ファイバ２００まで導くために、リッジ導波路５１が各
レーザ素子間に形成されている。このリッジ導波路５１
には、活性層２と同一組成の光増幅層２′も残されてい
る。したがって、レーザ部と電気的にアイソレートされ
たｐ電極１５′にバイアスを印加することで、光増幅機
能も持たせることが容易である。つまり、リッジ導波路
５１は光増幅器３０１としての役割も有することができ
る。

【００６４】本発明におけるこの光増幅機能は極めて有
用である。なぜなら、散乱等の損失を生じやすい後段部
からの光出力をより大きく増幅できるからである。

【００６５】一方、このようなリッジ導波路５１が設け
られず、増幅層２′と導波路層３′がスラブ（ｓｌａ
ｂ）導波路として広がっていても、出力光の共軸性は保
証される。なぜなら、放射モード光ビームの共振器方向
へ広がり角は極めて小さいからである。すなわち、リッ
ジ導波路を設けずに、基板方向の広がりだけをスラブ導
波路で導く簡易な構成であっても良い。すなわち、放射
モードが共振器方向では拡がらない狭いビームなので、
拡がり角が大きい厚さ方向のみの光の閉じ込めのみを行
い、導波路の横方向を省略して構成を簡略化することが
できる。

【００６６】但し、光増幅機能を与えるときは、共軸部
にのみバイアスを与えた方がパワーの効率が良い。この
点からは、リッジ導波路５１を設けることが望ましい。

【００６７】なお、出力端面には通常、反射防止ＡＲコ
ートが施されるが、簡単のために図面では省略した。

【００６８】図３に示したような波長多重光通信用素子
においても、合波器を不要とすることができる。

【００６９】また、図３の構成は、従来の並列アレイの
集積技術をそのまま使えるため、結晶成長や電極形成の
工程は、図２の垂直集積型の素子と比べて容易である。
すなわち、図２に示した光源の製作に際しては、ＧＣＳ
ＥＬが縦方向に積層されているために、回析格子形成工
程や結晶成長工程をチャンネル数の分だけ繰り返す必要
がある。また、電極部分の形成なども一度のパターニン
グでできず厄介である。

【００７０】これに対して、図３に示したＧＣＥＥＬの
集積化光源では、結晶成長工程やパターニング工程など
をチャネル数だけ繰り返す必要がなく、製造工程が大幅
に簡略化される。すなわち、モノリシックな集積化に好
適な構成を有する。

【００７１】図４は、図３と類似した構成を有する集積
化光源を表す概略平面図である。同図に表した光源が異
なる点は、各レーザ素子１０、１０、・・・のストライ
プの片側に、受光部２０′、２０’、・・・が設けられ
る点である。受光部２０’は、活性層と同じ組成の材料
でも良いし、より光を吸収するＩｎＧａＡｓ層で構成し
ても良い。当然、その電極はレーザ素子から分離され電
気的に絶縁されるとともに逆バイアスが印加され、フォ
トダイオードとして動作できるようにされている。受光
部２０’は、各レーザ１０からの導波路モード光（端面
付近では弱くなるように設計してある）を受光し、電気
信号に変換する。これにより、レーザをモニタし、レー
ザを安定に動作させるためのＡＰＣ（Automatic Power
Control）を容易に実施することができる。

【００７２】図５は、外部変調器が集積された波長多重
光通信用素子を表す概略平面図である。同図に表した光
源は、これまでの構成とはやや趣を異にしている。なぜ
なら、外部変調器は光吸収率などを制御することにより
出力光を変調するものであるため、他のレーザ素子から
の出力が一緒に変調されて混信しないようにする必要が
あるからである。このために、外部への光の取り出し経
路方向である共軸構造体から離れた位置に変調器を配置
し、その変調器に光を入力して変調し、しかる後に共軸
構造体に変調光を入力する構成が採用されている。

【００７３】図５においては、それそれのレーザ素子１
０、１０、・・・に設けられている２次の回析格子７″
から出力される放射モード光は、増幅機能のあるリッジ
導波路５１（３０１）に入射される。レーザ素子１０は
直流信号により駆動される。リッジ導波路５１において
増幅された光出力は、逆バイアスにより駆動されるＥＡ
（electro-absorption：電界吸収型）変調器部３０′に
入力され、変調される。この際に、ＥＡ変調器部３０′
に印加する信号を制御することにより、素子毎に独立に
光変調を行うことができる。ＥＡ変調器部３０′からの
光出力は、共軸の出力導波路５２に導かれる。レーザ素
子１０のうちで、この共軸の出力導波路に対向する部分
のストライプ層（７００）においては、混信を防ぐた
め、放射モード出力が発生しないように２次の回析格子
が除去されている。また、レーザ素子の活性層も除去さ
れ透明な導波路層３のみとなっている。

【００７４】図５に示した光源は、外部変調方式を用い
ることができるために、直接変調と比べてより高速な１
０Ｇｂｐｓ（ギガビット毎秒）以上の変調が可能となる
という利点も併せて有する。

【００７５】次に、本発明による光受信部について説明
する。図６は、本発明による波長多重光通信用の光受信
器を表す概略斜視図である。同図に示した受信器は、図
３に示した光送信器と類似した構成を有する。すなわ
ち、図３においてはレーザ素子１０として用いた活性層
２に対して、本実施形態においては逆バイアスを印加す
ることにより、受光素子として用いることができる。

【００７６】まず、光ファイバ２００を介して、波長多
重された光信号が入力される。その光信号は、リッジ導
波路５１（３０１）において、光増幅され、それぞれの
受光素子に入力される。各受光素子に設けられている２
次の回析格子７”によって、その周期に対応したλN の
入力光信号のみが受光素子の活性層、すなわち吸収層２
に導かれ、電気信号に変換される。そして、残りの光は
次段の受光素子に透過して、同様に波長選択され、電気
信号に変換される。

【００７７】本発明によれば、このように、前段に分波
器も増幅器も必要としない小型の波長多重光通信用の受
信器を実現することができる。

【００７８】図７は、本発明による集積レーザ光源８０
０と集積受光素子９００を用いた波長多重光通信システ
ムの構成を示す模式図である。

【００７９】本発明によれば、送信部、受信部ともに極
めてシンプルな構成となり、波長多重通信のコストが大
幅に下がり、信頼性も向上させることができる。

【００８０】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に説明する効果を奏する。

【００８１】まず、本発明によれば、複数のＧＣＳＥＬ
を重ねて共軸出力方式とすることにより合波器が不要で
安価かつ高信頼性を有するＷＤＭ用光源を提供すること
ができる。

【００８２】また、光の共軸取り出し構造体と離れた位
置から変調器に出力を取り出して変調し、しかる後に共
軸構造に光を入力する構成をとることができる。この構
成によれば、吸収の制御等により出力光を変調する外部
変調器を集積しつつ、他のレーザ素子からの出力が変調
されて混信しないようにすることができる。さらに、直
接変調と比べてより高速な１０Ｇｂｐｓ以上の変調を実
現することができる。レーザの２次の回析格子のみが共
振器に垂直に放射モード光を出力することを利用して、
共軸出力構造をより簡単に構成することができる。

【００８３】また、回析格子に位相シフトもしくは実効
的に位相シフト効果を生じる導波路構造を設けることに
より、各レーザ素子の共軸上の出力取り出し部分の放射
モード光を強くするして出力の効率を良くすることがで
きる。

【００８４】また、半導体基板に垂直にＧＣＳＥＬを積
み上げる集積構造とすることにより極めて小型の波長多
重光通信用素子を実現することができる。

【００８５】一方、回析格子を基板面と垂直な導波路側
面に形成することで、放射モード光を共振器とは垂直な
端面に共軸出力することができる。結晶成長回数が大幅
に少なく、通常の個別素子とほぼ一緒であり、モノリシ
ックな集積に向いている。

【００８６】さらに、主にＧＣＥＥＬの集積素子の共軸
出力が、素子間で散逸しないように、導波路でガイドで
きるようにすることができる。スラブ導波路は、放射モ
ードが共振器方向では拡がらない狭いビームなので、拡
がり角が大きい厚さ方向のみの光の閉じ込めのみを行
い、導波路の横方向を省略して加工しやすい。

【００８７】また、後ろの列のレーザ型素子からの出力
ほど前面に達する前に散乱や導波損を被りやすい。この
損失をカバーするために共軸導波路に増幅機能を持たせ
ると有利な効果が生ずる。

【００８８】この共軸部分を光学損失の少ない材料を使
ったり、電極部分に窓を設けたり、各素子の活性層の共
軸部分を除去することにより、後段からの光を減衰させ
ず、活性層が後段からの出力を吸収して影響を受け、ク
ロス・トークを発生しないようにする効果も意味する。

【００８９】また、出力光の入射面や出射面に反射防止
コートを施すことにより、不要な反射による光学損やレ
ーザ素子への干渉を避けることができる。

【００９０】さらに、出力方向以外のいずれかの方向
に、レーザのＡＰＣ用のモニタＰＤを、配置もしくはモ
ノリシックに集積することにより、レーザ素子を安定に
動作させることができる。

【００９１】本発明は、レーザ素子そのものに限定され
ることなく、この素子を搭載した波長多重光通信用送信
器やシステムにも広く敷衍される。

【００９２】一方、活性層を光吸収層として逆バイアス
で動作させ、２次の回析格子の分波機能を利用すると、
レーザ素子と同様の構成のまま光の向きを逆に考えるだ
けで、分波器の不要な波長多重光通信用受光素子として
用いることができる。

【００９３】本発明は、また、受光素子そのものに限定
されることなく、この素子を搭載した波長多重光通信用
受信器や波長多重光通信システムにも広く敷衍される。

【００９４】このように、本発明によれば、簡易な構成
で信頼性も高い波長多重光通信用素子を安価に提供で
き、産業上のメリットは多大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明のＧＣＳＥＬをその光出力が共
軸になるように積層した波長多重光通信用素子の１例を
示す概略斜視図であり、（ｂ）は、ＧＣＳＥＬの概略拡
大断面図である。

【図２】基板に垂直にＧＣＳＥＬが積み上げられた波長
多重光通信用素子を表す概略断面図である。

【図３】ＧＣＳＥＬとは、異なる構成を有するレーザ素
子を集積して放射モード光出力を共軸方向とした波長多
重光通信用素子の概略斜視図である。

【図４】図３と類似した構成を有する集積化光源を表す
概略平面図である。

【図５】外部変調器が集積された波長多重光通信用素子
を表す概略平面図である。

【図６】本発明による波長多重光通信用の光受信器を表
す概略斜視図である。

【図７】本発明による集積レーザ光源８００と集積受光
素子９００を用いた波長多重光通信システムの構成を示
す模式図である。

【図８】（ａ）は、従来のＤＦＢレーザの概略構成を表
す縦断面図である。（ｂ）は、ＤＦＢレーザ１１０の発
振波長特性を表す模式図である。

【図９】（ａ）は、従来のＷＤＭシステムの基本構成の
１例を表す概略図である。（ｂ）は、ＷＤＭシステムの
他の例を表す概略図である。

【図１０】図９（ａ）に示したＷＤＭシステムの送信部
の具体例を表す概略斜視図である。

【図１１】（ａ）は、ＧＣＳＥＬの構成を説明する概略
断面図である。（ｂ）は、この放射モード光の光強度分
布を表す模式図である。

【図１２】（ａ）は、本発明者が前に提案した波長多重
光源の構成を表す模式平面図である。（ｂ）は、この光
源の概略縦断面図であり、（ｃ）は、軸方向の放射光強
度分布を表す模式図である。

【符号の説明】

１ｎ−ＩｎＰ２ＩｎＧａＡｓＰ活性層２′ ＩｎＧａＡｓＰ光増幅層（活性層）３，３′ ＩｎＧａＡｓＰ導波層４ｐ−ＩｎＰ５Ｐ+ −ＩｎＧａＡｓＰオーミックコンタクト層６，６′ ＡＲコート（Anti-Reflection coating ）７１次の回析格子（上面）７′ ２次の回析格子（上面）７″ ２次の回析格子（側面）９，９′ ３λ／８位相シフト１５ＤＦＢ−ＬＤのｐ電極１５′ 光増幅器のｐ電極１６ｎ電極１７光出力窓１７′ 裏面の入力窓１８放射モードビーム１９半絶縁性ＩｎＰ層２０受光素子（ＡＰＤあるいはＰＩＮＰＤ）２０′ 受光素子（ＰＤ）３０外部変調器３０′ 外部変調器部５０ＤＦＢレーザのＣ低域用メサストライプ５１リッジ導波路のメサストライプ５２出力用共軸導波路１００合波器１１０ＤＦＢ−ＬＤ１１１ｎ−ＩｎＰ１１２ＩｎＧａＡｓＰ活性層１１３ＩｎＧａＡｓＰ導波層１１４ｐ−ＩｎＰ１１５Ｐ+ −ＩｎＧａＡｓＰオーミックコンタクト層１１６ＡＲコート（Anti-Reflection coating ）１１７１次の回析格子（上面）１１８ λ／４位相シフト３００光増幅器３０１リッジ導波路型光増幅器４００分波器５００ヒートシンク５０１ヒートシンクの孔７００回析格子除去部８００集積レーザ光源９００集積受光素子

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０４Ｂ 10/02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のレーザ型素子を備えた波長多重光通
信用素子であって、前記複数のレーザ型素子のそれぞれは、分布帰還型レーザ型素子および分布ブラッグ反射型レー
ザ型素子のうちのいずれかであり、回折の次数が２次以上のブラッグ回析格子が設けられた
導波路を有し、レーザ発振させた場合の発振波長が互いに異なり、レーザ発振させた場合に前記ブラッグ回折格子から放出
される放射モード光が互いに共軸となるように配置され
ていることを特徴とする波長多重光通信用素子。
【請求項２】複数のレーザ型素子とそれぞれの前記レー
ザ型素子に対応した複数の光変調器とを備えた波長多重
光通信用素子であって、前記複数のレーザ型素子のそれぞれは、分布帰還型レーザ型素子および分布ブラッグ反射型レー
ザ型素子のうちのいずれかであり、レーザ発振させた場合の発振波長が互いに異なり、回折の次数が２次以上のブラッグ回析格子が設けられた
導波路を有し、前記複数の光変調器のそれぞれは、対応する前記レーザ型素子を発振させた場合に前記ブラ
ッグ回折格子から放出される放射モード光を入力して、
変調し、他の前記光変調器からの光出力と互いに共軸と
なるように出力するものして構成されていることを特徴
とする波長多重光通信用素子。
【請求項３】前記複数のレーザ型素子のそれぞれは、前
記共軸上における前記放射モード光の出力を抑制するた
めに、前記回折格子を除去した部分を有することを特徴
とする請求項２記載の波長多重光通信用素子。
【請求項４】前記回析格子の回折の次数は２次であるこ
とを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の波
長多重光通信用素子。
【請求項５】前記複数のレーザ型素子のそれぞれは、前記放射モード光の強度が所定の光出力取出領域で強く
なるように、前記回析格子に位相シフト領域または実効
的に位相シフト効果を生じる導波路構造をさらに有する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の
波長多重光通信用素子。
【請求項６】前記複数のレーザ型素子は、半導体基板上
にモノリシックに順次積層された単一の構造体として構
成され、前記回析格子は、前記半導体基板の主面上に形成されて
いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記
載の波長多重光通信用素子。
【請求項７】前記複数のレーザ型素子は、それぞれの導
波路が同一面上において互いに略平行になるように配置
され、前記回析格子は、前記導波路の側面であって、前記同一
面に対して垂直な面上に形成されていることを特徴とす
る請求項１〜５のいずれか１つに記載の波長多重光通信
用素子。
【請求項８】前記複数のレーザ型素子のそれぞれは、同
一の基板上にモノリシックに集積配置されていることを
特徴とする請求項７記載の波長多重光通信用素子。
【請求項９】前記複数のレーザ型素子のそれぞれは、出
力された前記放射モード光を導くように配置された素子
間導波路によって互いに結合されていることを特徴とす
る請求項８記載の波長多重光通信用素子。
【請求項１０】前記素子間導波路は光増幅機能を有する
ことを特徴とする請求項９記載の波長多重光通信用素
子。
【請求項１１】前記素子間導波路はスラブ導波路である
ことを特徴とする請求項９または１０に記載の波長多重
光通信用レーザ型素子素子。
【請求項１２】前記複数のレーザ型素子のそれぞれは、
他のレーザ型素子からの前記共軸に沿って放出される前
記放射モード光を遮蔽しないように、前記放射モード光
に対して実質的に透明な部分を前記共軸上に有すること
を特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の波
長多重光通信用素子。
【請求項１３】前記共軸上の前記透明な部分は、少なく
とも前記レーザ型素子の活性層と電極とが除去されてな
ることを特徴とする請求項１２記載の波長多重光通信用
素子。
【請求項１４】前記複数のレーザ型素子のそれぞれは、
素子から放出される前記放射モード光の出射面および他
の素子から放出された前記放射モード光の入射面のうち
の少なくともいずれかに反射防止コートが形成されてい
ることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つに記
載の波長多重光通信用素子。
【請求項１５】前記複数のレーザ型素子のそれぞれの後
段および側面のいずれかに、そのレーザ型素子から放出
されるレーザ光をモニタするための受光素子が配置され
ていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１つ
に記載の波長多重光通信用素子。
【請求項１６】請求項１〜１５のいずれか１つに記載の
波長多重光通信素子を備えたことを特徴とする波長多重
光通信用送信器。
【請求項１７】前記レーザ型素子は、入射する信号光を
吸収する材料により構成された活性層を有し、前記レーザ型素子が受光素子として動作するようにバイ
アスすることによって、外部から前記共軸を介して前記
レーザ型素子に入力される光を電気信号に変換できるよ
うにしたことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１
つに記載の波長多重光通信用素子。
【請求項１８】請求項１７記載の波長多重光通信素子を
備えたことを特徴とする波長多重光通信用受信器。
【請求項１９】請求項１６記載の波長多重光通信用送信
器および請求項１８記載の波長多重光通信用受信器の少
なくともいずれかを備えたことを特徴とする波長多重光
通信システム。