WO2019235235A1 - 光送信機および多波長光送信機 - Google Patents

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WO2019235235A1
WO2019235235A1 PCT/JP2019/020458 JP2019020458W WO2019235235A1 WO 2019235235 A1 WO2019235235 A1 WO 2019235235A1 JP 2019020458 W JP2019020458 W JP 2019020458W WO 2019235235 A1 WO2019235235 A1 WO 2019235235A1
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WO
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dbr
laser
optical
optical transmitter
wavelength
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/020458
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English (en)
French (fr)
Inventor
隆彦 進藤
藤原　直樹
石井　啓之
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/125—Distributed Bragg reflector [DBR] lasers

Definitions

  • the present invention relates to an optical transmitter using a semiconductor laser element in which an optical modulator is integrated, and a multiwavelength optical transmitter. More specifically, for example, optical transmission using a semiconductor laser element in which an electroabsorption (EA) optical modulator, a semiconductor optical amplifier (SOA), and a distributed Bragg reflector (DBR) laser are integrated on an InP substrate. And a multi-wavelength optical transmitter.
  • EA electroabsorption
  • SOA semiconductor optical amplifier
  • DBR distributed Bragg reflector
  • next-generation networks are particularly active in the network area called access systems.
  • Trends in these next-generation access networks require longer transmission distances and multi-branching, and the semiconductor-modulated light source used here will also increase optical output to compensate for the increased branching ratio.
  • the demand is growing.
  • an electro-absorption modulator integrated DFB (EADFB) laser in which an electro-absorption (EA) optical modulator is integrated in a distributed feedback (DFB) laser has higher quenching than a direct-modulation laser. Since it has excellent characteristics and chirp characteristics, it has been used in a wide range of applications including light sources for access networks.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a cross section of a substrate along the optical axis of a conventional general EADFB laser 10.
  • the EADFB laser 10 in FIG. 1 has a structure in which a DFB laser 11 and an EA modulator 12 are integrated in the same chip along an optical waveguide serving as an optical axis.
  • the DFB laser 11 has an active layer 14 composed of multiple quantum wells (MQW) and oscillates at a single wavelength by a diffraction grating 17 formed in the active layer 14 in the resonator.
  • the EA modulator 12 has a light absorption layer 15 made of a multiple quantum well (MQW) having a composition different from that of the DFB laser, and the amount of light absorption can be changed by voltage control.
  • MQW multiple quantum well
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of the extinction curve and intensity modulation principle of a conventional general EADFB laser.
  • the absolute value of the reverse applied voltage to the EA modulator is increased, the extinction ratio decreases, and a predetermined amplitude Vpp is applied to a predetermined EA reverse applied voltage (bias voltage) Vdc.
  • a predetermined dynamic extinction ratio DER can be obtained by applying a modulation voltage of
  • One method for achieving high output in a general EADFB laser is to reduce the absolute value of the reverse applied voltage to the EA modulator and suppress light absorption in the EA modulator.
  • the modulation characteristic that is, the dynamic extinction ratio (DER) is deteriorated.
  • Another method for increasing the output is to increase the drive current of the DFB laser and increase the light intensity incident on the EA modulator from the DFB laser.
  • the power consumption of the DFB laser increases, the extinction characteristic deteriorates due to light absorption in the EA modulator and the accompanying increase in photocurrent, and the power consumption of the entire chip increases. From the above, in the conventional EADFB laser, in order to achieve both sufficient light output and modulation characteristics (dynamic extinction ratio), an excessive increase in power consumption is inevitable.
  • Non-patent Document 1 an SOA integrated EADFB laser in which a semiconductor optical amplifier (SOA) is further integrated at the light emitting end of the EADFB laser has been proposed.
  • SOA semiconductor optical amplifier
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of a cross section of the substrate along the optical axis of a conventional SOA integrated EADFB laser 30.
  • the SOA integrated EADFB laser 30 of FIG. 3 has a structure in which a DFB laser 31, an EA modulator 32, and an SOA region 33 are integrated in this order along an optical waveguide serving as an optical axis.
  • the DFB laser 31 includes an active layer 34 having a diffraction grating similar to that shown in FIG. 1, the EA modulator 32 includes an active layer 35, and the SOA region 33 includes an active layer 36. Normally, the active layers 34 and 36 are the same.
  • the active layer 35 of the EA modulator 32 is composed of another MQW.
  • the signal light obtained by modulating the laser light from the DFB laser 31 by the EA modulator 32 is amplified by the integrated SOA region 33 independently of the EA modulator 32.
  • the light output can be increased without degrading the quality of the signal waveform.
  • the SOA integrated EADFB laser 30 can increase the output without excessively increasing the driving current of the DFB laser 31 and the photocurrent of the EA modulator 32. Further, in the SOA integrated EADFB laser, the same MQW structure as the active layer 34 of the DFB laser 31 is used for the active layer 36 of the SOA 33. Therefore, the device can be manufactured in the same manufacturing process as the conventional EADFB laser without adding a regrowth process for integration of the SOA region 33 at the time of manufacturing the device.
  • Such SOA-integrated EADFB laser is an arrayed multi-wavelength required for a multi-wavelength optical transmitter for wavelength division multiplexing (WDM), which uses light of a plurality of different wavelengths simultaneously for communication in order to increase capacity. It can also be used for a light source.
  • WDM wavelength division multiplexing
  • the problem is that the reflected return light returning from the emission end face or the reflection point outside the element to the inside of the element during high output operation makes the operation of the DFB laser unstable.
  • an anti-reflection (AR) coating is applied to suppress light reflection at the exit end face, and the reflected return light from the end face into the chip is generally less than 0.1%. It is suppressed.
  • the reflected return light propagated from a long distance through the optical fiber is greatly suppressed by using an optical isolator on the optical output side.
  • the SOA integrated EADFB laser even a small amount of reflected return light greatly affects the operating characteristics due to its high output characteristics. If the light amplification effect by SOA of the SOA integrated EADFB laser is +3 dB compared to the conventional EADFB laser, the average light output is increased by +3 dB and the reflected return light intensity is also increased by 3 dB. In addition, since the reflected return light at the end face is amplified again in the SOA, the reflected return light intensity reaching the DFB laser unit is increased by +6 dB compared to the EADFB laser.
  • a semiconductor laser oscillates by utilizing a positive feedback phenomenon of light due to internal reflection and a light amplification phenomenon due to stimulated emission in an active layer.
  • the return light is amplified by stimulated emission, the oscillation state is greatly disturbed, and noise in the laser oscillation light is greatly increased.
  • this noise is called return light induced noise.
  • the light returning from the end face of the element to the inside of the element is a part of the signal light subjected to intensity modulation in the EA modulator. Therefore, the intensity of the reflected return light varies at the same bit rate as that of the signal light.
  • the return light is again subjected to intensity modulation by the EA modulator and then reaches the DFB laser. Therefore, the intensity of the return light that has reached the DFB laser is accompanied by complicated fluctuations, and accordingly, the oscillation state of the DFB laser also fluctuates greatly with time.
  • the quality and transmission characteristics of the optical signal waveform modulated by the EA modulator deteriorate.
  • the transmission characteristics are significantly deteriorated particularly during the high output operation of the SOA integrated EADFB laser.
  • the present invention has been made in view of such problems, and its object is to have high return light resistance even during high output operation, and to suppress deterioration of optical waveform quality and transmission characteristics. It is to provide an optical transmitter that can be used, and to align optical output intensity in an arrayed multi-wavelength light source of a multi-wavelength optical transmitter.
  • a DBR (Distributed Bragg Reflector) laser is introduced instead of the DFB laser of the SOA integrated EADFB laser.
  • the DBR laser is composed of an active region that obtains optical gain by current injection, and two Bragg reflectors (DBR) that are disposed at both ends of the active region on the optical axis and serve as reflecting mirrors.
  • DBR distributed Bragg Reflector
  • no diffraction grating is provided in the active region.
  • the output light from the DBR laser light source is modulated by the EA modulator, amplified by the SOA, and then emitted from the emission end face.
  • the SOA integrated EADBR laser is an optical transmitter in which each region is monolithically integrated on the optical axis in the order of DBR, active region, DBR, EA modulator, and SOA, and has high return light resistance.
  • the present invention is characterized by having the following configuration.
  • a DBR laser including an active region for injecting current to generate optical gain and two DBR regions formed at both ends of the active region;
  • An EA modulator that optically modulates laser light from the DBR laser; SOA that optically amplifies the modulated light from the EA modulator,
  • An optical transmitter which is monolithically integrated on the same substrate.
  • (Configuration 2) The optical transmitter according to Configuration 1, wherein a passive optical waveguide for guiding modulated light from the EA modulator is provided between the EA modulator and the SOA.
  • (Configuration 7) A plurality of optical transmitters described in any one of the configurations 1 to 5 having different oscillation wavelengths;
  • a multi-wavelength optical transmitter including a multiplexer that multiplexes output light from each optical transmitter, At least one of the plurality of optical transmitters on the short wavelength side is configured such that the length ratio of the lengths of the two DBR regions is smaller than that of the other optical transmitters.
  • a multi-wavelength optical transmitter characterized in that the light intensity is uniform.
  • An optical transmitter according to Configuration 8 comprising: The diffraction gratings of the two DBR regions included in the DBR laser have the same refractive index coupling coefficient, An optical transmitter characterized in that the refractive index coupling coefficient is a value in the range of 40 to 100 cm ⁇ 1 .
  • the present invention it is possible to provide an optical transmitter that has high return light resistance even during high output operation and can suppress deterioration of optical waveform quality and transmission characteristics. It becomes possible.
  • the DBR laser has DBR regions in which diffraction gratings are formed at both ends of the active region. Unlike the DFB laser, the DBR laser does not have a diffraction grating formed in the active region. The DBR region selectively reflects only a specific wavelength corresponding to the period of the diffraction grating. As a result, an optical resonator is formed in the DBR regions at both ends of the active region and positive optical feedback is performed, whereby oscillation can be performed only at a specific wavelength.
  • the DBR laser has a configuration in which an active region having an optical amplification effect by stimulated emission is sandwiched between two front and rear DBR regions on the optical axis. Therefore, the reflected return light returning from the emission end face to the inside of the element passes through the DBR region before reaching the active region. Since the reflected return light originates from the oscillation light from the DBR laser, it has a wavelength that always matches the reflection band of the DBR. Accordingly, since the return light is reflected according to the reflectance of the DBR, the intensity of the return light reaching the active region can be reduced.
  • the DFB laser used in the conventional SOA integrated EADFB laser has a diffraction grating formed in the active region. Even in the DFB laser, the return light is reflected by the diffraction grating, but since it propagates while being amplified at the same time as entering the laser, the influence on the laser characteristics is increased. For the above reasons, the DBR laser has higher return light resistance than the DFB laser, and can suppress degradation of optical waveform quality and transmission characteristics.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the substrate along the optical axis of the SOA integrated EADBR laser 400 in the optical transmitter according to the first embodiment of the present invention.
  • the SOA integrated EADBR laser 400 of the optical transmitter of the first embodiment in FIG. 4 includes a DBR laser 44, an EA modulator 42, a passive waveguide 49, and an SOA 43 from the left along the optical waveguide that is the optical axis of the laser light. In this order, they are monolithically integrated on the same n-InP substrate 401.
  • the DBR laser 44, the EA modulator 42, and the SOA 43 are driven via electrodes 445, 421, and 431 provided on the p-InP cladding layer 402, respectively, and emit modulated laser light from the right end.
  • the DBR laser 44 includes an active region 440 and DBR regions 441 and 442 having diffraction gratings 471 and 472 at both left and right ends of the active region 440.
  • the active region 440 has a length of 300 ⁇ m
  • the DBR region 442 (right end emission side, EA modulator 42 side) has a length of 200 ⁇ m
  • the DBR region 441 left end reflection side has a length of 400 ⁇ m.
  • a 150 ⁇ m long EA modulator 42, a 50 ⁇ m long passive waveguide 49 and a 100 ⁇ m long SOA 43 are integrated on the right end emission side of the DBR laser 44 to constitute a monolithic integrated device.
  • an element manufacturing process of the SOA integrated EADBR laser 400 of the optical transmitter according to the first embodiment will be described.
  • an initial substrate in which a lower SCH (Separated Confinement Heterostructure) layer, an active layer (MQW1) of a multiple quantum well layer, and an upper SCH layer were sequentially grown on an n-InP substrate 401 was used.
  • the multiple quantum well layer (MQW1) has an optical gain in the oscillation wavelength band of 1.3 ⁇ m.
  • the n-InP substrate 401 also functions as a cladding layer.
  • the active region 440 and the SOA region 43 of the DBR laser 44 are left, the other active layer (MQW1) is selectively etched, and a multiple quantum well for the EA modulator 42 is formed by butt joint regrowth.
  • a layer (MQW2) was grown.
  • the core layer of the optical waveguide other than the passive waveguide 49 is formed by performing selective etching and butt-joint regrowth again while leaving the portions that become the active region 440, the EA modulator region 42, and the SOA region 43 of the DBR laser. Formed.
  • diffraction gratings 471 and 472 that operate in an oscillation wavelength band of 1.3 ⁇ m were formed on portions of the core layer of the formed optical waveguide to become DBR regions 441 and 442. Thereafter, a p-InP clad layer 402 was grown again on the entire surface by regrowth.
  • the thickness of the p-InP clad layer 402 is designed so that no light field is applied to the electrode region. In the first embodiment, the thickness is 2.0 ⁇ m.
  • a mesa structure was then formed by etching, and a semi-insulating InP layer doped with Fe on both sides of the mesa was formed again by burying regrowth (not shown).
  • p-side electrodes 445, 421, and 431 were formed on the upper surface of the semiconductor substrate.
  • the n-InP substrate 401 is polished to about 150 ⁇ m, an electrode (not shown) is formed on the back surface of the substrate, and the process on the semiconductor wafer is completed.
  • anti-reflective coating (AR) is applied to both left and right end surfaces of the substrate.
  • the active layer (MQW1, 2) of the multi-quantum well layer in the vertical direction of the resonator, the active layer (MQW1, 2) of the multi-quantum well layer, the core layer composed of upper and lower SCH layers (total thickness of 200 nm), and the core layer It has a laminated structure composed of InP cladding layers 401 and 402 sandwiched from above and below. In the horizontal direction, it has a buried heterostructure in which InP layers are formed on both sides of the mesa. Further, the stripe width is 1.5 ⁇ m, and it operates at a single wavelength caused by the diffraction grating formed in the DBR region.
  • the core layer structure formed by the initial growth substrate remains as it is, and has the same layer structure (MQW1) as the active region 440 of the DBR laser 44.
  • the DBR regions 441 and 442 and the passive waveguide region 49 also have the same core layer formed by butt joint growth, and the difference in the layer structure of these regions is only the presence or absence of the diffraction gratings 471 and 472. Thereby, although it is the structure which integrated several area
  • the passive waveguide 49 between the EA modulator 42 and the SOA 43 By providing the passive waveguide 49 between the EA modulator 42 and the SOA 43, the insulation between the SOA to which the forward bias is applied and the EA to which the reverse bias is applied can be improved.
  • the separation resistance between the upper electrodes of the EA modulator 42 and the SOA 43 is 1 k ⁇ or less, whereas by inserting the passive waveguide 49 having a length of 50 ⁇ m, the separation resistance is about 50 k ⁇ .
  • the electrical crosstalk between the regions can be reduced.
  • the modulation signal was a NRZ, 2 31 ⁇ 1 stage period pseudo-random signal (PRBS), the bias voltage to the EA modulator was 1.5V, and the amplitude voltage was 2.0V.
  • PRBS pseudo-random signal
  • the chip temperature is set to 45 ° C.
  • the optical intensity at the time of fiber coupling was 6.0 dBm for the SOA integrated EADBR laser and 6.1 dBm for the SOA integrated EADFB laser, and almost the same optical output intensity was obtained.
  • currents of 90 mA and 30 mA were injected into the laser portion and the SOA portion, respectively.
  • FIG. 5 shows the eye waveform (a) of the SOA integrated EADBR laser according to the embodiment of the present invention and the eye waveform (b) of the conventional SOA integrated EADFB laser for comparison.
  • Each shows an eye waveform in Back to back (BTB) at the time of a 25 Gbit / s bit rate and no NRZ modulation.
  • BTB Back to back
  • the electrode 491 is provided in the passive waveguide portion 49 provided between the EA modulator 42 and the SOA region 43, and By monitoring the current value, the intensity of the output light can be monitored.
  • the active region 440 and the SOA region 43 of the DBR laser 44 having the same bias direction are driven in common so that the terminal It is possible to reduce the number.
  • the DBR regions 441 and 442 of the DBR laser 44 are grounded via the electrodes 443 and 444 so that the active region is obtained.
  • the shift of the Bragg wavelength in the DBR region due to the current leak from 440 can be suppressed, and the reduction of the return light suppression effect can be prevented.
  • FIG. 9 shows a schematic plan view of an arrayed multi-wavelength light source provided with a plurality of SOA integrated EADBR lasers in the multi-wavelength optical transmitter according to the second embodiment of the present invention.
  • SOA integrated EADBR lasers corresponding to the respective wavelengths ⁇ 0, ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 are provided in the same configuration as in the first embodiment.
  • Laser light of each wavelength is modulated by the EA modulator, optically amplified by the SOA, and output.
  • the oscillation wavelengths ⁇ 0, ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 of the output light are ⁇ 0 ⁇ 1 ⁇ 2 ⁇ 3, and are combined by the rightmost multiplexer 91 and output.
  • the SOA integrated EADBR laser having the shortest wavelength ⁇ 0 absorbs light even when the EA modulator is ON, and the light output is reduced. Therefore, in the arrayed multi-wavelength light source according to the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 9, the SOA length of the wavelength ⁇ 0 is set to 150 ⁇ m, which is longer than the other wavelengths. (The SOA length is 100 ⁇ m at other wavelengths) As a result, the optical output intensity of the wavelength ⁇ 0 can be increased by 1 dB, and the intensity of the output light from the multiplexer 91 can be made uniform at all wavelengths.
  • the SOA integrated EADBR laser that oscillates ⁇ 0 for the same purpose is set to have a length of the active region (Active) of 400 ⁇ m and longer than other wavelengths.
  • the optical output intensity of the wavelength ⁇ 0 can be increased by 1 dB, and the output light intensity from the multiplexer 91 can be made uniform at all wavelengths.
  • the refractive index coupling coefficient ⁇ of the diffraction grating is one of the parameters indicating the influence of the coupling of the traveling wave and the backward wave generated by reflection in the diffraction grating.
  • the diffraction grating depth is increased to change the refractive index.
  • the coupling coefficient increases as the value increases.
  • the larger the refractive index coupling coefficient the larger the maximum reflectivity and reflection band in the DBR region, so that it is possible to realize a reflection mirror having a wide band and high reflection.
  • the diffraction gratings in the DBR region before and after the DBR laser are manufactured in the same process, so that the refractive index coupling coefficient ⁇ has the same value in the front and rear DBRs.
  • the length of the front (right, light emission side) DBR region 442 is 150 ⁇ m
  • the length of the rear (left, light reflection side) DBR region 441 is The length of the active region 440 is 400 ⁇ m
  • the length of the phase adjustment region 446 is 150 ⁇ m.
  • the phase adjustment region 446 is a region for adjusting the phase of light in order to translate a ripple (resonance peak) of an oscillation spectrum as an FP laser, which will be described later, on the wavelength axis, and is applied to the phase adjustment electrode 447. Perform phase control with voltage.
  • the front and rear DBRs act as reflection mirrors, and light traveling back and forth between the DBRs oscillates when gain is obtained in the active region. Therefore, when examining the oscillation mode of the DBR laser, it can be considered basically a Fabry-Perot (FP) laser having normal reflection mirrors at both ends.
  • FP Fabry-Perot
  • the oscillation spectrum of the FP laser has a shape in which ripples (resonance peaks) are arranged at equal intervals.
  • the DBR can be regarded as a reflection mirror having a certain penetration length L. Therefore, the DBR laser also oscillates only in a mode in which the round-trip distance between the mirrors is an integral multiple of the wavelength, as in the FP laser. At regular intervals.
  • the ripples (resonance peaks) of the transmission intensity as the above-mentioned FP laser when the DBR mirrors at both ends of the resonator do not have wavelength dependence are shown at the bottom of each graph.
  • the wavelength on the horizontal axis is schematically shown together with the mirror loss graph of the above DBR laser.
  • the DBR laser is different from the FP laser in that the DBR serving as a reflection mirror has wavelength selectivity.
  • the wavelength selectivity of the DBR is expressed as the wavelength dependence of the DBR mirror loss in the graphs of FIGS. 12A and 12B. As the mirror loss is smaller, the light is confined in the resonator. It will be in a condition that is easy to oscillate.
  • the oscillation mode of the DBR laser is determined by conditions satisfying both the phase matching condition in the FP resonator and the wavelength selectivity of the DBR mirror loss.
  • the DBR laser oscillates from a mode in which the loss of the DBR mirror is small among the modes satisfying the phase matching condition as the FP resonator.
  • the secondary mode that is likely to oscillate next exists in two wavelengths indicated by black circles ⁇ that are approximately 0.5 nm apart on the long wavelength side and short wavelength side of the primary mode. Both have a mirror loss ath2.
  • the difference between the first-order mode mirror loss ath1 and the second-order mode mirror loss ath2 is about 4.2 cm ⁇ 1 , and the larger the first-order mode and second-order mode mirror loss difference, the more stable single mode (single One mode).
  • the mirror loss difference between the primary mode and the secondary mode in the case of FIG. 12B is about 1.2 cm ⁇ 1, which is an insufficient mirror loss difference to obtain a stable single mode operation. Yes.
  • the reason why the DBR length shorter than the rear DBR is adopted for the front DBR and the front DBR is designed to have a lower reflectance than the rear DBR is to increase the light output from the front relative to the rear. Since the oscillation of the DBR laser is caused by light confined in the resonator by the front and rear DBRs, it is necessary to consider the total reflection spectrum expressed by the product of the reflectance of the front DBR and the rear DBR.
  • FIG. 13B is a total reflection spectrum calculated from the DBR reflection spectra before and after FIG. At this time, the maximum reflectance of the total reflection spectrum is 0.14, and the bandwidth (full width at half maximum) where the reflectance is 1 ⁇ 2 or more of the maximum value is 0.87 nm.
  • the mirror loss spectrum of the DBR laser shown in FIGS. 12A and 12B is derived from the total reflection spectrum of the DBR before and after such. That is, in order to stably operate the DBR laser in a single mode, the total reflection spectrum of the front and rear DBRs shown in FIG. 13B is narrowed to mirror the primary oscillation mode and the secondary oscillation mode. It is necessary to increase the loss difference.
  • FIG. 14A shows changes in the total reflection spectrum when the refractive index coupling coefficient ⁇ is changed to four types of 40, 60, 80, and 100 cm ⁇ 1 in a DBR laser employing a 150 ⁇ m forward and 300 ⁇ m back DBR. It is the four graphs shown.
  • FIG. 14 (b) from the four graphs of the total reflection spectrum of FIG. 14 (a), the respective refractive index coupling coefficients ⁇ are plotted on the horizontal axis, and the maximum reflectance and the reflection spectrum bandwidth (reflectance is expressed as Two sets of plots are shown with the vertical axis representing the wavelength width that satisfies 1/2 or more of the maximum value.
  • the black diamond ⁇ is the maximum reflectance plot, the scale is on the left vertical axis, the black square ⁇ is the reflection spectrum bandwidth (full width at half maximum: nm) plot, and the scale is on the right vertical axis.
  • the reflection spectrum band is steep and narrow band. It is desirable that
  • FIG. 15 shows primary mode and secondary mode mirrors when the refractive index coupling coefficient ⁇ (horizontal axis) of the DBR region of the DBR laser is changed in four ways of 40 to 100 cm ⁇ 1 as in FIG.
  • the loss difference (vertical axis) is shown.
  • FIGS. 16A and 16B show the case where the Bragg wavelengths of the two DBRs before and after the DBR laser are the same in the front and rear DBRs (FIG. 16A, comparative example) and in the front and rear DBRs. For each of (FIG. 16B, Example 3), the reflection spectra of the two front and rear DBRs are shown. 16 (c) and 16 (d) show the total reflection spectrum corresponding to FIGS. 16 (a) and 16 (b).
  • the refractive index coupling coefficient ⁇ of the front and rear DBRs is the same 80 cm ⁇ 1, and the region lengths of the front and rear DBRs are 150 ⁇ m and 300 ⁇ m, respectively.
  • the diffraction grating periods of the two front and rear DBRs are the same in FIG. 16A of the comparative example, but in FIG. 16B of the third embodiment, the diffraction grating periods of the rear DBR are the same. It is larger than that of the front DBR. Conversely, the diffraction grating period of the rear DBR may be made smaller than that of the front DBR.
  • the Bragg wavelength of the rear DBR (dotted line peak wavelength, about 1550.75 nm) is less than the Bragg wavelength of the front DBR (solid line peak wavelength, about 1550 nm).
  • the wavelength is adjusted to be 75 nm long.
  • the Bragg wavelength of the rear DBR is shorter than the Bragg wavelength of the front DBR.
  • the Bragg wavelength (about 15550.75 nm) of the rear DBR is adjusted to be within the band of the stopband of the front DBR (bandwidth indicated by a double arrow in the solid line spectrum, about 158.5 to 151.5 nm). ing.
  • the maximum reflectance is 0.53 and the reflection band (full width at half maximum) is 1.41 nm.
  • the maximum reflectance is 0.48.
  • the reflection band (full width at half maximum) is 1.08 nm.
  • the maximum reflection is obtained in the case where a difference is provided in the diffraction grating periods of the DBR before and after this Example 3 and FIG. Although the rate is reduced, the reflection spectrum is narrowed and becomes a steep spectrum.
  • the mirror loss difference between the primary mode and the secondary mode is shown by four black squares. It can be seen that by increasing the Bragg wavelength difference, the mirror loss difference between the first-order mode and the second-order mode can be expanded, and a stable single-mode operation can be realized.
  • FIGS. 18 (a) and 18 (b) show the total reflection spectrum of 4 when the Bragg wavelength difference between the two front and rear DBRs is changed in four ways from 0.15 to 1.1 nm. A graph of the book is shown.
  • the refractive index coupling coefficient needs to be at least 40 cm ⁇ 1 or more in order to exhibit the effect of the present invention, and the larger the refractive index coupling coefficient ⁇ , the sharper and higher the coefficient.
  • FIG. 18B shows a tendency that the higher the refractive index coupling coefficient ⁇ , the higher the reflectance of the ripple outside the stop band. This is because the short-wave side ripple of the rear DBR approaches the Bragg wavelength of the front DBR due to the Bragg wavelength shift, and the reflectivity of the ripple increases. This becomes more prominent as the reflectivity of the front DBR increases.
  • the effect of the present invention is most exhibited when the refractive index coupling coefficient is 40 to 100 cm ⁇ 1 .
  • FIG. 19 is a cross-sectional view of the substrate along the optical axis of the SOA integrated EADBR laser 1900 according to the third embodiment.
  • the SOA integrated EADBR laser 1900 of the third embodiment has an active region 440 having a length of 300 ⁇ m and a DBR laser 44 including two DBR regions 442 and 441 having a length of 150 ⁇ m (front) and 300 ⁇ m (rear).
  • the DBR of the short DBR region 442 located between the active region 440 and the EA modulator 42 is the front (first) DBR, and the DBR region having a longer length located on the reflective end face side at the left end
  • the DBR 441 is the rear (second) DBR.
  • the phase adjustment region 446 and the phase adjustment electrode 447 may also be provided in the DBR laser 44 of the third embodiment.
  • an EA modulator 42 having a length of 150 ⁇ m, a passive waveguide 49 having a length of 50 ⁇ m, and an SOA 43 having a length of 200 ⁇ m are integrated. As a whole, a monolithic integrated element is formed.
  • the diffraction grating of the front DBR 442 has a period of 240.000 nm
  • the diffraction grating period of the rear DBR 441 is 240.183 nm
  • the difference between the Bragg wavelengths of the front and rear DBRs is designed to be about 1.2 nm.
  • the refractive index coupling coefficient of the front and rear DBRs is 80 cm ⁇ 1 .
  • the manufacturing process of the SOA integrated EADBR laser 1900 of the third embodiment is the same as the process shown in the first embodiment. However, when the DBR diffraction grating structure is formed after the butt joint growth in each region, DBR patterns having different diffraction grating periods as described above are formed.
  • the diffraction grating of the DBR laser is formed by etching a semiconductor layer, and the diffraction gratings of the front and rear DBRs are collectively formed in the same process. Therefore, the depth of the diffraction grating cannot be adjusted separately at the front and rear. Therefore, the refractive index coupling coefficient ⁇ also has the same value in the front and rear DBRs.
  • the diffraction grating period can be arbitrarily formed by drawing the pattern of the diffraction grating, it is possible to easily introduce different diffraction grating periods independent of the front and rear DBRs. Even in the device prototyped in Example 3, two DBRs having different diffraction grating periods can be produced simply by changing the drawing pattern, and the production process and cost do not need to be changed at all.
  • Comparative Example 1 for confirming the effect of this example, SOA integrated EADBR lasers having the same diffraction grating period in the front and rear DBRs were also fabricated on the same substrate. Each region length, refractive index coupling coefficient, and the like are the same as those of the device according to the third embodiment.
  • a SOA integrated type EADBR employing a general refractive index coupling coefficient of 40 cm ⁇ 1 and adopting DBRs having the same diffraction grating period in the front and rear DBRs.
  • a laser was produced as Comparative Example 2, and the transmission characteristics were compared using this laser.
  • the front and rear DBR lengths, active region lengths, EA modulator lengths, and SOA lengths are all the same length as the element of Example 3. All the devices compared the light output intensity when the DBR laser drive current was 120 mA and the SOA drive current was 80 mA.
  • the light output intensity was 13.5 dBm
  • the reason why the output of the element according to Example 3 is slightly smaller is that the light output from the front is lowered due to the increase in the reflectance of the diffraction grating.
  • the modulation signal was a NRZ, 2 31 ⁇ 1 stage period pseudo-random signal (PRBS), the bias voltage to the EA modulator was 1.5 V, and the amplitude voltage was 2.0 V.
  • PRBS pseudo-random signal
  • an optical transmitter that has high return light resistance even at the time of high output operation, and can suppress degradation of optical waveform quality and transmission characteristics. Further, it is possible to provide an optical transmitter capable of aligning the light output intensity even in an arrayed multi-wavelength light source.

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Abstract

高出力動作時においても高い戻り光耐性を有しており、光波形品質と伝送特性の劣化を抑制することが可能な光送信機を提供する。電流を注入し光利得を生じる活性領域およびその両端に形成された２つのＤＢＲ領域からなるＤＢＲレーザと、前記ＤＢＲレーザからのレーザ光を光変調するＥＡ変調器と、前記ＥＡ変調器からの変調光を導波するパッシブ光導波路と、前記パッシブ光導波路からの変調光を光増幅するＳＯＡとをが、同一基板上にモノリシック集積された光送信機とした。

Description

光送信機および多波長光送信機
　本発明は、光変調器を集積した半導体レーザ素子を用いた光送信機および多波長光送信機に関する。より詳細には、例えばＩｎＰ基板上に電界吸収型（ＥＡ）光変調器、半導体光増幅器（ＳＯＡ）および分布ブラッグ反射器（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ）レーザを集積した半導体レーザ素子を用いた光送信機および多波長光送信機に関する。
　　近年の動画配信サービスの普及やモバイルトラフィック需要の増大に伴い、ネットワークトラフィックが爆発的に増大しており、特にアクセス系と呼ばれるネットワーク領域において次世代ネットワークに関する議論が活発化している。これら次世代のアクセス系ネットワークのトレンドとしては伝送距離の長延化・多分岐化が求められており、ここで用いられる半導体変調光源にも分岐比の増加を補うために光出力の高出力化への要求が高まっている。
（従来のＥＡＤＦＢレーザ）
　従来より、分布帰還型（Distributed Feedback：ＤＦＢ）レーザに電界吸収型（ＥＡ）光変調器を集積した電界吸収型変調器集積型ＤＦＢ（ＥＡＤＦＢ）レーザは、直接変調型のレーザと比較し高い消光特性とすぐれたチャープ特性を有することから、これまでにアクセス系ネットワーク用光源を含め幅広い用途で用いられてきた。
　図１に、従来の一般的なＥＡＤＦＢレーザ１０の光軸に沿った基板断面の概略図を示す。図１のＥＡＤＦＢレーザ１０は、光軸となる光導波路に沿ってＤＦＢレーザ１１およびＥＡ変調器１２が同一チップ内に集積された構造を有する。ＤＦＢレーザ１１は多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層１４を有し、共振器内の活性層１４に形成された回折格子１７によって単一波長で発振する。また、ＥＡ変調器１２はＤＦＢレーザとは異なる組成の多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる光吸収層１５を有し、電圧制御により光吸収量を変化させることができる。ＤＦＢレーザ１１からの出力光を透過・吸収する条件で、ＥＡ変調器１２を変調電気信号で駆動することで光を明滅させ、電気信号を光信号に変換して右端より出射する。
　このＥＡＤＦＢレーザの課題として、光変調にＥＡ変調器における光吸収を用いるため、原理的に十分な消光特性と高光出力化はトレードオフの関係にあることが挙げられる。
　図２に、従来の一般的なＥＡＤＦＢレーザの消光曲線と強度変調原理の概略図を示す。従来の一般的なＥＡＤＦＢレーザにおいて、ＥＡ変調器への逆方向印加電圧の絶対値を大きくしてゆくと消光比は減少し、所定のＥＡ逆方向印加電圧（バイアス電圧）Ｖｄｃに所定の振幅Ｖｐｐの変調電圧を重畳して印加すると所定の動的消光比ＤＥＲが得られる。
　一般的なＥＡＤＦＢレーザにおいて、高出力化を達成するための一つの手法は、ＥＡ変調器への逆方向印加電圧の絶対値を小さくしＥＡ変調器での光吸収を抑えることが挙げられる。しかし、この場合ＥＡ変調器の消光曲線の急峻性が低下するため、変調特性すなわち動的消光比（ＤＥＲ）が劣化してしまう。
　もう一つの高出力化の手法として、ＤＦＢレーザの駆動電流を増大させ、ＤＦＢレーザからＥＡ変調器に入射する光強度を増やす方法が挙げられる。しかし、この方法ではＤＦＢレーザの消費電力が増大するとともに、ＥＡ変調器における光吸収とそれに伴うフォトカレントの増加から消光特性が劣化し、チップ全体の消費電力が増大してしまう。以上から、従来のＥＡＤＦＢレーザでは、十分な光出力と変調特性（動的消光比）とを両立させるためには、過剰な消費電力の増大が避けられなかった。
　この課題に対して、ＥＡＤＦＢレーザの光出射端にさらに半導体光増幅器（ＳＯＡ）を集積したＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザが提案されている（非特許文献１）。
（従来のＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザ）
　図３に、従来のＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザ３０の光軸に沿った基板断面の概略図を示す。図３のＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザ３０は、光軸となる光導波路に沿ってＤＦＢレーザ３１、ＥＡ変調器３２、ＳＯＡ領域３３が、この順に同一チップ内に集積された構造を有する。
　ＤＦＢレーザ３１は図1と同様な回折格子を備えた活性層３４を、ＥＡ変調器３２は活性層３５を、ＳＯＡ領域３３は活性層３６を備えており、通常、活性層３４と３６は同一のＭＱＷで構成され、ＥＡ変調器３２の活性層３５は別構造のＭＱＷで構成される。
　ＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザ３０においては、ＤＦＢレーザ３１からのレーザ光がＥＡ変調器３２によって変調された信号光が、集積されたＳＯＡ領域３３によってＥＡ変調器３２とは独立して増幅されるため、光信号波形の品質を劣化させることなく、光出力の増大が可能となる。
　また、従来のＥＡＤＦＢレーザと比べてＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザ３０では、ＤＦＢレーザ３１の駆動電流やＥＡ変調器３２のフォトカレントを過剰に増大させることなく高出力化が可能である。さらに、ＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザでは、ＳＯＡ３３の活性層３６にＤＦＢレーザ３１の活性層３４と同一のＭＱＷ構造を用いている。従って、素子作製の際にＳＯＡ領域３３の集積のための再成長プロセスを追加することなく、従来のＥＡＤＦＢレーザと同一の製造工程でデバイス作製が可能である。
　このようなＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザは、大容量化のために同時に異なる複数の波長の光を通信に使用する、波長多重技術（ＷＤＭ）のための多波長光送信機で必要となるアレイ化多波長光源にも用いることができる。
W Kobayashi et al．， "Novel approach for chirp and output power compensation applied to a 40-Gbit/s EADFB laser integrated with a short SOA，" Opt． Express， Vol． 23， No． 7， pp． 9533-9542， Apr． 2015
　従来のＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザでは、高出力動作時に出射端面や素子外部の反射点から素子内部に戻る反射戻り光が、ＤＦＢレーザの動作を不安定にすることが課題として挙げられる。一般的なＥＡＤＦＢレーザにおいては、出射端面での光反射を抑制するために無反射（ＡＲ）コーティングが施されており、端面からチップ内部への反射戻り光は一般的に0．1%以下に抑制されている。加えて、光送信機としてＥＡＤＦＢレーザを用いる場合には、光出力側に光アイソレータを用いることで、光ファイバを通して遠距離から伝搬される反射戻り光についても大幅に抑制されている。
　しかし、ＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザの場合には、その高出力特性によって、わずかな反射戻り光でも動作特性に大きな影響を与える。仮に、従来のＥＡＤＦＢレーザに対してＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザのＳＯＡによる光増幅効果が＋３ｄＢである場合、平均光出力が＋３ｄＢ高出力化すると同時に、反射戻り光強度も３ｄＢ増加することになる。加えて、端面での反射戻り光は再びＳＯＡ内で増幅されるため、ＥＡＤＦＢレーザと比較してＤＦＢレーザ部に達する反射戻り光強度は＋６ｄＢ増加することになる。
　一般に半導体レーザは、内部反射による光の正帰還現象と、活性層での誘導放出による光の増幅現象を利用してレーザ発振する。ここで、素子外部から戻り光が入射すると、誘導放出により戻り光が増幅され発振状態が大きく乱れ、レーザ発振光において雑音が大きく増加する。一般的にこの雑音は、戻り光誘起雑音と呼ばれる。
　また、ＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザの場合、素子の端面から素子内部に戻る光はＥＡ変調器において強度変調が加えられた信号光の一部である。従って、反射戻り光は信号光と同じビットレートで強度が変動している。この戻り光はＥＡ変調器で再び強度変調をくわえられた後、ＤＦＢレーザに到達する。したがって、ＤＦＢレーザに到達した戻り光の強度は複雑な変動を伴っており、これに伴いＤＦＢレーザの発振状態も時間的に大きく変動することになる。
　ＤＦＢレーザの動作が不安定化した場合は、ＥＡ変調器で変調された光信号波形の品質および伝送特性は低下する。前述した通り、戻り光強度はＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザの光出力強度に依存して増加するため、特にＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザの高出力動作時には伝送特性の低下が顕著に発生する。
　この様な事情から、ＷＤＭ用の多波長光送信機に用いられるアレイ化多波長光源においては、波長に応じて戻り光の状況も異なり、素子の特性も変化するため、異なる複数の波長の光を光出力強度を揃えて生成するのが困難であるという課題もあった。
　本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高出力動作時においても高い戻り光耐性を有しており、光波形品質と伝送特性の劣化を抑制することができる光送信機を提供すること、および多波長光送信機のアレイ化多波長光源において光出力強度を揃えることにある。
　上記問題を解決するために、本発明の実施形態ではＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザのＤＦＢレーザの代わりにＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector：分布ブラッグ反射器）レーザを導入する。ＤＢＲレーザは、電流注入により光利得を得る活性領域と、活性領域の光軸上両端に配置され反射ミラーの役割をする２つのブラッグ反射器（ＤＢＲ）から構成される。ＤＢＲレーザでは、活性領域には回折格子は設けられていない。ＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザと同様に、ＤＢＲレーザ光源からの出力光はＥＡ変調器で変調され、ＳＯＡで増幅された後出射端面から出射される。しかし、戻り光は出射側のＤＢＲ領域において反射されＤＢＲレーザの活性領域に達する戻り光が低減されるため、戻り光がＤＢＲレーザの活性領域に与える影響は抑えられる。したがって、本発明の実施形態にかかるＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザでは、光軸上にＤＢＲ、活性領域、ＤＢＲ、ＥＡ変調器、ＳＯＡの順に各領域がモノリシック集積された光送信機となり、高い戻り光耐性を有する。
　本発明は、以下のような構成を備えることを特徴とする。
（構成１）
　電流を注入し光利得を生じる活性領域および前記活性領域の両端に形成された２つのＤＢＲ領域を含むＤＢＲレーザと、
　前記ＤＢＲレーザからのレーザ光を光変調するＥＡ変調器と、
　前記ＥＡ変調器からの変調光を光増幅するＳＯＡとが、
　同一基板上にモノリシック集積された
ことを特徴とする光送信機。
（構成２）
　前記ＥＡ変調器と前記ＳＯＡの間に、前記ＥＡ変調器からの変調光を導波するパッシブ光導波路を設けた
ことを特徴とする構成１に記載の光送信機。
（構成３）
　前記パッシブ光導波路の上に、前記パッシブ光導波路を導波する前記変調光をモニタするための電極が形成された
ことを特徴とする構成２に記載の光送信機。
（構成４）
　前記ＤＢＲレーザの活性領域と前記ＳＯＡとは同一の制御端子によって電流を注入される
ことを特徴とする構成１ないし３のいずれか１項に記載の光送信機。
（構成５）
　前記２つのＤＢＲ領域に電極が形成され、前記電極が接地されている
ことを特徴とする構成１ないし４のいずれか１項に記載の光送信機。
（構成６）
　発振波長が異なる複数の前記構成１ないし５のいずれか１項に記載された光送信機と、
ぞれぞれの光送信機からの出力光を合波する合波器を備えた多波長光送信機であって、
　前記複数の光送信機の短波長側の少なくとも一つにおいて、前記活性領域または前記ＳＯＡの少なくとも一方の長さが他の光送信機よりも長く構成されていることにより全ての光送信機の出力光の強度が揃えられている
ことを特徴とする多波長光送信機。
（構成７）
　発振波長が異なる複数の前記構成１ないし５のいずれか１項に記載された光送信機と、
ぞれぞれの光送信機からの出力光を合波する合波器を備えた多波長光送信機であって、
　前記複数の光送信機の短波長側の少なくとも一つにおいて、前記２つのＤＢＲ領域の長さの前後比が他の光送信機よりも小さく構成されている、ことにより全ての光送信機の出力光の強度が揃えられている
ことを特徴とする多波長光送信機。
（構成８）
　構成１ないし５のいずれか１項に記載の光送信機であって、
　前記ＤＢＲレーザに含まれる前記２つのＤＢＲ領域の回折格子周期が異なる
ことを特徴とする光送信機。
（構成９）
　構成８に記載の光送信機であって、
　前記ＤＢＲレーザに含まれる前記２つのＤＢＲ領域の回折格子が同じ屈折率結合係数を有し、
　前記屈折率結合係数が４０～１００ｃｍ-1の範囲の値である
ことを特徴とする光送信機。
（構成１０）
　構成９に記載の光送信機であって、
　前記２つのＤＢＲ領域のＤＢＲにおいて、前記ＤＢＲレーザの前記活性領域と前記ＥＡ変調器との間に位置するＤＢＲを第１のＤＢＲ、他方のＤＢＲを第２のＤＢＲとしたとき、
　前記第１のＤＢＲのブラッグ波長と、前記第２のＤＢＲのブラッグ波長との波長差が、前記第１のＤＢＲのストップバンドの帯域幅の１／２以下である
ことを特徴とする光送信機。
　以上記載したように、本発明によれば、高出力動作時においても高い戻り光耐性を有しており、光波形品質と伝送特性の劣化を抑制することができる光送信機を提供することが可能となる。
従来のＥＡＤＦＢレーザの光軸に沿った基板断面の概略図である。 従来のＥＡＤＦＢレーザの消光曲線と強度変調原理の概略図である。 従来のＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザの基板断面の概略図である。 本発明の実施例１に係る光送信機のＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザの基板断面図である。 （ａ）は、本発明に係るＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザのアイ波形を示す図であり、（ｂ）は、従来型のＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザのアイ波形を示す図である。 本発明の実施例１の変形例１の基板断面図である。 本発明の実施例１の変形例２の基板断面図である。 本発明の実施例１の変形例３の基板断面図である。 本発明の実施例２に係るＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザを複数設けた多波長光源の概略平面図である。 本発明の実施例２の変形例１の概略平面図である。 本発明の実施例２の変形例２の概略平面図である。 本発明の実施例３の課題を説明するための図である。 本発明の実施例３の課題を説明するための図である。 本発明の実施例３の課題を説明するための図である。 本発明の実施例３の課題を説明するための図である。 本発明の実施例３を説明するための図である。 本発明の実施例３を説明するための図である。 本発明の実施例３を説明するための図である。 本発明の実施例３を説明するための基板断面図である。
　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。
　最初に、本発明で用いるＤＢＲレーザの発振原理について説明する。ＤＢＲレーザは、活性領域の両端に回折格子を形成したＤＢＲ領域を有する。ＤＢＲレーザではＤＦＢレーザとは異なり、活性領域内には回折格子が形成されていない。ＤＢＲ領域は、回折格子の周期に対応した特定の波長のみを選択的に反射する。これによって、活性領域の両端のＤＢＲ領域で光共振器を形成し光正帰還することにより、特定波長のみで発振することができる。
　ＤＢＲレーザは、誘導放出による光増幅効果を有する活性領域が、光軸上の前後２つのＤＢＲ領域で挟まれた構成を有する。従って、出射端面から素子内部に戻る反射戻り光は、活性領域に到達する前にＤＢＲ領域を透過することになる。反射戻り光は、ＤＢＲレーザからの発振光を起源とするため、ＤＢＲの反射帯域と必ず一致する波長である。従って、ＤＢＲの反射率に応じて戻り光が反射されるため、活性領域に到達する戻り光の強度を低下させることができる。
　これに対して、従来のＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザで用いられているＤＦＢレーザは、活性領域内に回折格子が形成されている。ＤＦＢレーザでも回折格子によって戻り光は反射されるが、レーザに入射すると同時に増幅されながら伝搬するため、レーザ特性に与える影響が大きくなる。以上の理由から、ＤＢＲレーザはＤＦＢレーザに比べて高い戻り光耐性を有しており、光波形品質と伝送特性の劣化を抑制することができる。
　図４に、本発明の実施例１に係る光送信機の、ＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザ４００の光軸に沿った基板断面図を示す。図４の本実施例１の光送信機のＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザ４００は、レーザ光の光軸となる光導波路に沿って、左からＤＢＲレーザ４４、ＥＡ変調器４２、パッシブ導波路４９、ＳＯＡ４３がこの順に、同一のｎ－ＩｎＰ基板４０１上にモノリシック集積されている。ＤＢＲレーザ４４、ＥＡ変調器４２、ＳＯＡ４３はそれぞれ、ｐ－ＩｎＰクラッド層４０２上に設けられた電極４４５、４２１、４３１を介して駆動され、右端より変調されたレーザ光を出射する。
　ＤＢＲレーザ４４は、活性領域４４０と、活性領域４４０の左右両端に回折格子４７１、４７２を有するＤＢＲ領域４４１、４４２を備えている。活性領域４４０の長さは300μｍであり、ＤＢＲ領域４４２（右端出射側、ＥＡ変調器４２側）の長さは200μｍ、ＤＢＲ領域４４１（左端反射側）の長さは400μｍである。
　また、ＤＢＲレーザ４４の右端出射側に長さ150μｍのＥＡ変調器４２と、長さ50μｍのパッシブ導波路４９、長さ100μｍのＳＯＡ４３が集積されて、モノリシック集積素子を構成している。
（本発明の素子の作製プロセス）
　ここで、本実施例１の光送信機のＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザ４００の、素子作製プロセスを説明する。素子作製にはｎ－ＩｎＰ基板４０１上に、下部ＳＣＨ（Separated Confinement Heterostructure）層、多重量子井戸層の活性層（ＭＱＷ１）、上部ＳＣＨ層を順次成長した初期基板を用いた。上記多重量子井戸層（ＭＱＷ１）は、発振波長1．3μｍ帯に光利得を有する。ｎ－ＩｎＰ基板４０１はクラッド層としても機能する。
　初めに、ＤＢＲレーザ４４の活性領域４４０、およびＳＯＡ領域４３となる部分を残し、その他の活性層（ＭＱＷ１）を選択的にエッチングし、バットジョイント再成長によりＥＡ変調器４２のための多重量子井戸層（ＭＱＷ２）を成長した。続いて、上記、ＤＢＲレーザの活性領域４４０、ＥＡ変調器領域４２、ＳＯＡ領域４３となる部分を残し、再び選択エッチングとバットジョイント再成長を行うことでパッシブ導波路４９ほかの光導波路のコア層を形成した。
　次に、形成した光導波路のコア層のうちＤＢＲ領域４４１，４４２となる部分の上に、発振波長1．3μｍ帯で動作するような回折格子４７１，４７２を形成した。その後、再び再成長により素子全面にｐ－ＩｎＰクラッド層４０２を成長した。ｐ－ＩｎＰクラッド層４０２の厚さは電極領域に光のフィールドがかからないように設計し、本実施例１では2．0μｍとした。
　加えて次に、メサ構造をエッチングによって形成し、再び埋め込み再成長によってメサの両脇にＦｅをドーピングした半絶縁性ＩｎＰ層を形成した（不図示）。次に半導体基板上部表面にｐ側の電極４４５，４２１，４３１を形成した。その後、ｎ－ＩｎＰ基板４０１を150μｍ程度まで研磨し、基板裏面に電極（不図示）を形成して半導体ウエハ上程での工程は完了となる。なお、基板の左右両端面には、無反射コーティング（ＡＲ）を施している。
　本実施例の導波路構造は、共振器の垂直方向については、多重量子井戸層の活性層（ＭＱＷ１、２）と上下のＳＣＨ層からなるコア層（層厚の合計２００ｎｍ）と、コア層を上下から挟み込むＩｎＰクラッド層４０１，４０２からなる積層構造を持っている。水平方向については、メサ両脇にＩｎＰ層が形成された埋め込みヘテロ構造を持っている。また、ストライプ幅は１．５μｍとし、ＤＢＲ領域に形成した回折格子に起因する単一波長で動作する。
　またＳＯＡ４３の部分では、初期成長基板で形成されたコア層構造がそのまま残存し、ＤＢＲレーザ４４の活性領域４４０と同一の層構造（ＭＱＷ１）を有する。加えて、ＤＢＲ領域４４１，４４２とパッシブ導波路領域４９も、バットジョイント成長で形成した同一のコア層を有し、これらの領域の層構造の差異は回折格子４７１，４７２の有無のみである。これにより、複数領域を集積した構造でありながら、再成長回数を抑制し低コストでの製造が可能である。
　ＥＡ変調器４２とＳＯＡ４３との間にパッシブ導波路４９を設けることで、順方向バイアスを印加するＳＯＡと、逆方向バイアスを印加するＥＡとの間の絶縁性を高めることができる。パッシブ導波路４９がない場合は、ＥＡ変調器４２とＳＯＡ４３それぞれの上部電極間の分離抵抗は1ｋΩ以下であるのに対し、長さ50μｍのパッシブ導波路４９を挿入することで分離抵抗を約５０kΩ程度に向上させ、領域間の電気的なクロストークを低減できる。
（本発明の素子の変調特性評価）
　作製した本発明の素子を用いて、２５Ｇｂｉｔ／ｓの変調特性評価を行った。同一基板上に作製した従来のＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザについても同一条件で評価を行い、本発明の効果を検証した。変調信号はＮＲＺ、２31－１段周期の疑似ランダム信号（ＰＲＢＳ）を用い、ＥＡ変調器へのバイアス電圧は1．5Ｖ、振幅電圧は2．0Ｖとした。また、チップ温度は45℃に設定している。初めに変調時光出力特性を比較したところ、ファイバ結合時の光強度がＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザで６．０ｄＢｍ、ＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザで６．１ｄＢｍとなりほぼ同等の光出力強度が得られた。ここでどちらの素子にもレーザ部およびＳＯＡ部にそれぞれ90ｍＡ、30ｍＡの電流を注入した。
　図５には、本発明の実施例に係るＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザのアイ波形（ａ）と、従来型のＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザのアイ波形（ｂ）を対比のために示す。いずれも25Ｇｂｉｔ／ｓのビットレートで、ＮＲＺ無変調時のBack to back（ＢＴＢ）でのアイ波形を示す。図５（ｂ）の従来のＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザでは光波形が歪み、十分なアイ開口が得られていないのに対し、図５（ａ）の本発明の実施例のＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザにおいては、高光出力時においてもアイ波形品質の劣化が抑制され明瞭なアイの開口が得られた。
　図６に示す本発明の実施例１の変形例１のＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザ６００のように、ＥＡ変調器４２とＳＯＡ領域４３の間に設けられたパッシブ導波路部分４９に電極４９１を設け、その電流値をモニタすることで、出力光の強度をモニタすることが可能である。
　また、図７に示す本発明の実施例１の変形例２のＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザ７００のように、バイアス方向が同じＤＢＲレーザ４４の活性領域４４０とＳＯＡ領域４３を共通駆動することで、端子の数を減らすことが可能である。
　さらに、図８に示す本発明の実施例１の変形例３のＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザ８００のように、ＤＢＲレーザ４４のＤＢＲ領域４４１，４４２を電極４４３、４４４を介して接地することで、活性領域４４０からの電流リークによるＤＢＲ領域のブラッグ波長のシフトが抑制でき、戻り光抑制効果の低下を防ぐことが可能である。
　図９に、本発明の実施例２の多波長光送信機に於いて、ＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザを複数設けたアレイ化多波長光源の概略平面図を示す。図９では、それぞれの波長λ0、λ1、λ2、λ3対応のＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザが、実施例１と同様な構成で設けられている。それぞれの波長のレーザ光がＥＡ変調器で変調され、ＳＯＡで光増幅されて出力される。出力光の発振波長λ0、λ1、λ2、λ3は、λ0＜λ1＜λ2＜λ3となっており、右端の合波器９１で合波されて出力されている。
　このようなアレイ化多波長光源では、最も短波長の波長λ0のＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザは、ＥＡ変調器がＯＮの状態の時も光を吸収してしまい光出力が低下する。そこで本発明の実施例２のアレイ化多波長光源では、それを補うように、図９に示すように波長λ0のＳＯＡ長を150μｍと他の波長よりも長くした。（他の波長ではＳＯＡ長は100μｍである）その結果、波長λ0の光出力強度を1ｄＢ増加させることができ、すべての波長で合波器９１からの出力光の強度を揃えることができた。
　図１０に示す本発明の実施例２の変形例１では、同じ目的でλ0を発振するＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザのみ活性領域（Ａｃｔｉｖｅ）の長さを400μｍとして、他の波長よりも長くした。（他の波長では300μｍである）その結果、波長λ0の光出力強度を1ｄＢ増加させることができ、すべての波長で合波器９１からの出力光の強度を揃えることができた。
　図１１に示す本発明の実施例２の変形例２では、λ0を発振するＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザのみ２つのＤＢＲ領域の長さを、後（左端反射側）：500μｍ、および前（右端出射側）：100μｍとして、２つのＤＢＲの長さの前後比（前／後の値）を他の波長より小さくした。（他の波長では後：400μｍ および 前：200μｍ）その結果、ＤＢＲレーザの前方への光出力強度を1ｄＢ増加させることができ、すべての波長で合波器からの出力光の強度を揃えることができた。
（実施例３に係る課題の説明）
　前述したＳＯＡ集積型ＥＡＤＢＲレーザにおいて、反射戻り光耐性をさらに向上させるためにはＤＢＲレーザの活性領域とＥＡ変調器との間にあるＤＢＲ領域（前方ＤＢＲ）の反射率を増加させる必要がある。前方ＤＢＲの反射率を増加させ、入射端面から活性領域に侵入する戻り光強度を低下させることで、戻り光耐性を向上させることができる。
　しかし、単純にＤＢＲレーザのＤＢＲ反射率を増加させると、ＤＢＲレーザの単一モード性を低下させマルチモードで発振しやすくなることが懸念される。一般的にＤＢＲの反射率を向上させるには、回折格子の屈折率結合係数κを増加させるか、ＤＢＲ領域長を長くする手法がある。回折格子の屈折率結合係数とは、回折格子内での進行波と反射によって生じた後進波の結合の影響を示すパラメータの一つであり、一般に回折格子深さを大きくし屈折率の変動を大きくするほど結合係数も増加する。また一般に屈折率結合係数が大きいほどＤＢＲ領域の最大反射率と反射帯域が増大するため、広帯域かつ高反射な反射ミラーを実現できる。
　図１２（ａ）、（ｂ）では、図１２（ｃ）に示すような同一構造のＤＢＲレーザにおいて、屈折率結合係数κだけを変えて、図１２（ａ）ではκ＝40 ｃｍ-1、図１２（ｂ）ではκ＝80 ｃｍ-1とした場合の、ＤＢＲレーザのミラー損失（縦軸のｍｉｒｒｏｒ　ｌｏｓｓ）の波長依存性を比較している。
　一般的にＤＢＲレーザの前後のＤＢＲ領域の回折格子は、同一プロセスで一括に作製されるため、屈折率結合係数κは前後のＤＢＲで同じ値となる。ここでは図１２（ｃ）の基板断面図に示すように、前（右、光出射側）のＤＢＲ領域４４２の長さを150μｍ、後（左、光反射側）のＤＢＲ領域４４１の長さを300μｍとし、活性領域４４０の長さを400μｍ、位相調整領域４４６の長さを150μｍとしている。なお、位相調整領域４４６は、後述のＦＰレーザとしての発振スペクトルのリップル（共振ピーク）を、波長軸上で平行移動するため光の位相を調整する領域であり、位相調整電極４４７に印加される電圧で位相制御を行う。
　ＤＢＲレーザは前後のＤＢＲが反射ミラーの役割を果たし、ＤＢＲ間を往復する光が活性領域で利得を得ることによって発振に至る。したがって、ＤＢＲレーザの発振モードを検討する場合、基本的には両端に通常の反射ミラーを持つファブリ・ペロー（ＦＰ）レーザとみなして考えることができる。
　ＦＰレーザにおいては、両端のミラー間を往復する光のうちミラー間の往復距離が波長の整数倍を満たす波長のみが発振する。そのためＦＰレーザの発振スペクトルは、等間隔にリップル（共振ピーク）がならぶ形状となる。ＤＢＲレーザでは、ＤＢＲをある浸透長Ｌをもつ反射ミラーとみなせるので、ＤＢＲレーザの場合もＦＰレーザと同じくミラー間の往復距離が波長の整数倍となるモードでのみ発振し、発振モードはスペクトル上で等間隔にならぶ。
　図１２（ａ）、（ｂ）それぞれのグラフ下部には、両端の共振器両端のＤＢＲミラーが波長依存性を持たない場合の、上述のＦＰレーザとしての透過強度のリップル（共振ピーク）を、横軸の波長を上のＤＢＲレーザのミラー損失のグラフとそろえて模式的に示している。
　ＤＢＲレーザがＦＰレーザと異なるのは、反射ミラーの役割を果たすＤＢＲが波長選択性をもつ点である。このＤＢＲの波長選択性は、図１２（ａ）、（ｂ）の上のグラフ中にＤＢＲのミラー損失の波長依存性として表されており、ミラー損失が小さいほど共振器内に光が閉じこもっている状態となり発振しやすい条件となる。
　したがって、ＤＢＲレーザの発振モードは、ＦＰ共振器内の位相整合条件と、ＤＢＲのミラー損失の波長選択性の両方を満たす条件で決まることになる。すなわち、ＤＢＲレーザではＦＰ共振器としての位相整合条件を満たすモードのうち、ＤＢＲミラーの損失の小さいモードから発振することになる。
　図１２（ａ）、（ｂ）の上のグラフ内には、縦軸のミラー損失（ｍｉｒｒｏｒ　ｌｏｓｓ）が50ｃｍ-1以下の条件を満たす発振モードを、黒丸●のポイントで図示している。
　図１２（ａ）の屈折率結合係数κ＝40ｃｍ-1の場合では、３つの黒丸が示されており、中央の波長1550ｎｍの発振モードが、ミラー損失ath1が最低で最も発振しやすい（１次モード）条件となる。
　また、図１２（ａ）で次に発振しやすい２次モードは、１次モードの長波長側、短波長側にそれぞれ約0．5 ｎｍ離れた黒丸●で示す２つの波長に存在しており、ともにミラー損失ath2を有する。１次モードのミラー損失ath1と２次モードのミラー損失ath2との差分は4．2ｃｍ-1程度であり、この１次モードと２次モードとミラー損失差が大きいほど、安定したシングルモード（単一モード）で動作する。
　これに対して、図１２（ｂ）の屈折率結合係数κ＝80 ｃｍ-1の場合には、ＤＢＲのブラッグ波長反射率が大きくなるためミラー損失が低下し、共振器内部に光が強く閉じこもり、低しきい値で発振しやすい条件となる。このため、図１２（ｂ）の上のグラフには中央の１次モード、両脇の２つの２次モードに加えて、３次モードまで含めた、５つの黒丸●が示されている。
　しかし、同時にミラー損失の波長帯域幅がブロードに拡大しており、１次モードのミラー損失だけでなく、２次モードのミラー損失も低下する傾向にある。図１２（ｂ）の場合の１次モードと２次モードのミラー損失差は1．2ｃｍ-1程度となり、安定した単一モード動作を得るためには不十分なミラー損失差となってしまっている。
　このように、高屈折率結合のＤＢＲを採用した場合、１次モードと２次モードのミラー損失差が低下する原因について説明する。図１３（ａ）は前方ＤＢＲ長150μｍ、後方ＤＢＲ長300μｍを有するＤＢＲレーザにおいて、一般的な屈折率結合係数であるκ＝40 ｃｍ-1のときの、前方および後方ＤＢＲのそれぞれの反射スペクトルを示す。
　前方ＤＢＲに後方ＤＢＲよりも短いＤＢＲ長を採用し、前方ＤＢＲを後方ＤＢＲよりも低反射率に設計してあるのは、前方からの光出力を後方よりも相対的に増加させるためである。ＤＢＲレーザの発振は前後のＤＢＲによって共振器内に光が閉じ込められることに起因するため、前方ＤＢＲと後方ＤＢＲの反射率の積で表される合計反射スペクトルで考える必要がある。
　図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の前後のＤＢＲの反射スペクトルから算出した合計反射スペクトルである。このときの合計反射スペクトルの最大反射率は0．14、反射率が最大値の１／２以上である帯域幅（半値全幅）は0．87ｎｍである。
　図１２（ａ）、（ｂ）で示したＤＢＲレーザのミラー損失スペクトルは、このような前後のＤＢＲの合計反射スペクトルから導かれている。すなわち、ＤＢＲレーザを単一モードで安定動作させるためには、図１３（ｂ）で示した前後のＤＢＲの合計反射スペクトルを狭帯域化させ、１次の発振モードと２次の発振モードのミラー損失差を大きくする必要がある。
　図１４（ａ）は、前方150μｍ、後方300μｍのＤＢＲを採用したＤＢＲレーザにおいて、屈折率結合係数κを40、60、80、100ｃｍ-1の４通りに変えた際の合計反射スペクトルの変化を示した４本のグラフである。
　また、図１４（ｂ）には、図１４（ａ）の合計反射スペクトルの４本のグラフから、それぞれの屈折率結合係数κを横軸にとり、最大反射率と反射スペクトル帯域幅（反射率が最大値の１／２以上を満たす波長幅）を縦軸にとった、２組のプロットを示す。黒の菱形◆が最大反射率のプロットで、目盛りは左の縦軸にとり、黒四角■が反射スペクトル帯域幅（半値全幅：ｎｍ）のプロットで、目盛りは右の縦軸にとっている。
　前述したとおり、高い戻り光耐性を得るためには合計反射スペクトルにおいて最大反射率を大きくする必要があり、さらに同時にＤＢＲレーザのマルチモード発振を抑制するためには、反射スペクトル帯域が急峻で狭帯域であることが望ましい。
　しかし、図１４（ａ）、（ｂ）から、ＤＢＲの屈折率結合係数が大きいとブラッグ波長における最大反射率が増加するだけでなく、反射スペクトル帯域幅も拡大する傾向が確認できる。図１４（ｂ）に示す通り、例えばκ＝40ｃｍ-1の場合、最大反射率が約14％、反射帯域幅（半値全幅）が0．87ｎｍであるのに対して、κ＝60ｃｍ-1の場合、最大反射率35％、半値全幅は1．13ｎｍとなり、反射率とともに反射スペクトル帯域も増加してしまっている。
　図１５には、ＤＢＲレーザのＤＢＲ領域の屈折率結合係数κ（横軸）を図１４と同様に40～100ｃｍ-1の４通りに変化させた場合の、１次モードと２次モードのミラー損失差（縦軸）を示す。この結果からも明らかなように、屈折率結合係数κが大きくなるほど１次モードと２次モードのミラー損失差が小さくなり、不安定な単一モード動作となる傾向が確認できる。これは前述したとおり、屈折率結合係数κの増加に伴いＤＢＲの反射スペクトルの帯域幅が増大し、複数の発振モードが反射帯域に含まれ発振しやすい条件となるためである。
　以上の結果から、ＤＢＲレーザにおいて高出力動作時においても高い戻り光耐性を持たせるためＤＢＲ反射率を増加する場合、反射スペクトル帯域の増加を避けられず、マルチモード動作の可能性が増す問題があるため、ＳＯＡ集積型ＥＡＤＢＲレーザの戻り光耐性の増加には限界があった。
（実施例３のＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザの構造と動作）
　このような課題を解決するための、本実施例３に係る光送信機の構造と動作を、以下の図１６～１８に説明する。本実施例３ではＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザにおいて、ＤＢＲレーザの前方ＤＢＲと後方ＤＢＲに異なる周期の回折格子を導入する。これにより、前方ＤＢＲと後方ＤＢＲの反射帯域の中心波長（ブラッグ波長）をずらす（異ならせる）ことができ、前方ＤＢＲの高反射率化による戻り光耐性の向上と同時に、前後のＤＢＲの合計の反射スペクトルを狭帯域化することができ、シングルモード安定性を向上させることができる。
　図１６（ａ）、（ｂ）には、ＤＢＲレーザの前後２つのＤＢＲのブラッグ波長が、前後のＤＢＲで同一である場合（図１６（ａ）、比較例）と、前後のＤＢＲで異なる場合（図１６（ｂ）、本実施例３）のそれぞれについて、前後２つのＤＢＲのそれぞれの反射スペクトルを示している。図１６（ｃ）、（ｄ）には、図１６（ａ）、（ｂ）に対応する合計反射スペクトルを示している。
　図１６の２つのＤＢＲレーザでは、前後のＤＢＲの屈折率結合係数κを同じ80ｃｍ-1とし、前後のＤＢＲの領域長をそれぞれ150μｍと300μｍとしている。一方、前後の２つのＤＢＲの回折格子周期については、比較例の図１６（ａ）では同じ回折格子周期としているが、本実施例３の図１６（ｂ）では、後方ＤＢＲの回折格子周期を前方ＤＢＲのそれよりも大きくしてある。逆に、後方ＤＢＲの回折格子周期を、前方ＤＢＲの回折格子周期よりも小さくして異ならせてもよい。
　その結果、図１６（ｂ）に示されるように、後方ＤＢＲのブラッグ波長（点線のピーク波長、約1550．75ｎｍ）は、前方ＤＢＲのブラッグ波長（実線のピーク波長、約1550ｎｍ）よりも0．75 ｎｍ長い波長になるように調整されている。ＤＢＲの回折格子周期の大小が逆の場合には、後方ＤＢＲのブラッグ波長は、前方ＤＢＲのブラッグ波長よりも短い波長になる。
　また、後方ＤＢＲのブラッグ波長（約1550．75ｎｍ）は、前方ＤＢＲのストップバンド（実線のスペクトルの両矢印で示す帯域幅、約1548．5～1551．5ｎｍ）の帯域内になるように調整されている。
　図１６（ｃ）、（ｄ）に示される、比較例と本実施例３の合計反射スペクトルを比較する。比較例の図１６（ｃ）に示す、前後のＤＢＲの回折格子周期を同一周期としたＤＢＲレーザの場合では、最大反射率0．53、反射帯域（半値全幅）1．41ｎｍである。これに対し、本実施例３の図１６（ｄ）に示す、前後のＤＢＲの回折格子周期にブラッグ波長差0．75ｎｍに相当する差を設けたＤＢＲレーザの場合では、最大反射率0．48、反射帯域（半値全幅）1．08ｎｍである。
　比較例、図１６（ｃ）の同一回折格子周期ＤＢＲの場合に対して、本実施例３、図１６（ｄ）の前後のＤＢＲの回折格子周期に差を設けた場合の方が、最大反射率は低下しているものの、反射スペクトルが狭帯域化し急峻なスペクトルとなっている。
　図１７には、本実施例３のκ＝80ｃｍ-1のＤＢＲレーザにおいて、前後のＤＢＲの回折格子周期を変えて、前後のＤＢＲのブラッグ波長差を変えた場合のモード間ミラー損失差を示す。図１７横軸に示すブラッグ波長差ΔλBの４通りの値に対して、１次モードと２次モードのミラー損失差（図１７縦軸）を、４つの黒四角■で示している。ブラッグ波長差を大きくすることで１次モードと２次モードのミラー損失差を拡大でき、安定した単一モード動作が実現できることがわかる。
　特に図１７において、κ＝80 ｃｍ-1としてブラッグ波長差を1．1ｎｍ程度（図１７のグラフの右端の黒四角■）まで拡大すると、１次－２次モード間のミラー損失差を40ｃｍ-1近くまで増加させることができる。これは、図１５に示した通り、一般的なＤＢＲレーザで採用される屈折率結合係数κ＝40ｃｍ-1の場合と同程度のミラー損失差であり、実用上十分な単一モード安定性が獲得できる。
　図1８（ａ）は、本実施例３において屈折率結合係数κ＝80 ｃｍ-1の場合、図1８（ｂ）はκ＝100 ｃｍ-1の場合の、前後の２つのＤＢＲの合計スペクトルを示す。図1８（ａ）、（ｂ）のそれぞれの図には、前後の２つのＤＢＲの間のブラッグ波長差を0．15～1．1 ｎｍの４通りに変えた場合の、合計反射スペクトルの４本のグラフを示している。
　図１４（ａ）からも明らかなように、本発明の効果発揮のためには屈折率結合係数が最低でも40ｃｍ-1以上は必要であり、より屈折率結合係数κの大きいほうが、急峻で高反射率な反射スペクトルが得られる。しかし、図1８（ｂ）に　は、屈折率結合係数κが大きいほど、ストップバンド外側のリップルの反射率も高くなる傾向が示されている。これは、ブラッグ波長シフトによって、後方ＤＢＲの短波側のリップルが前方ＤＢＲのブラッグ波長に近づき、リップルの反射率が増加してしまうためであり、前方ＤＢＲの反射率が大きいほど顕著に表れる。屈折率結合係数が高すぎる場合はストップバンド外側のリップル反射率が高くなるため、単一モード性が劣化することが懸念される。したがって、本発明の効果は屈折率結合係数が40～100 ｃｍ-1のときに最も発揮される。
　また、図１６（ｂ）、（ｄ）からも理解されるとおり、前後のＤＢＲのブラッグ波長差が拡大し、前後の反射スペクトルの重なりがなくなってしまうと、ＤＢＲレーザの共振器閉じ込め効果が失われ発振動作ができなくなる。前後のＤＢＲでブラッグ波長に差を設けた場合には、合計反射率は前後のＤＢＲのブラッグ波長差が前方ＤＢＲのストップバンドの帯域幅の１／２に達した点、すなわち後方ＤＢＲのブラッグ波長が前方ＤＢＲのストップバンド端に達した点から急速に合計スペクトルの最大反射率が低下してしまう。したがって、前後２つのＤＢＲのブラッグ波長差は前方ＤＢＲのストップバンドの帯域幅の１／２以下とした場合、本発明の効果が最も発揮される。
　以上の点を踏まえ、ＳＯＡ集積型ＥＡＤＢＲレーザの試作を行った。
（実施例３のＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザの試作と評価）
　図１９には、本実施例３に係るＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザ１９００の、光軸に沿った基板断面図を示す。
　本実施例３のＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザ１９００は、長さ300μｍの活性領域４４０と、長さ150μｍ（前）および300μｍ（後）の２つのＤＢＲ領域４４２，４４１で構成されるＤＢＲレーザ４４を有する。活性領域４４０とＥＡ変調器４２との間に位置する長さの短いＤＢＲ領域４４２のＤＢＲが、前方（第１の）ＤＢＲであり、左端の反射端面側に位置する長さのより長いＤＢＲ領域４４１のＤＢＲが、後方（第２の）ＤＢＲである。
　ここで、本発明のように戻り光耐性を向上させるため、前後のＤＢＲの反射率を増加させた場合には、前後のＤＢＲにより光が強く共振器内部に閉じ込められるため、前方ＤＢＲからの光出力が低下してしまう。そこで前方と後方のＤＢＲ領域長を調整し、前後からの光出力比を調整することで前方からの光出力の低下を抑制することができる。また、前方からの光出力低下を抑制するために活性領域長を大きくし高出力特性を維持することも可能である。図１２（ｃ）においても説明したように、実施例３のＤＢＲレーザ４４にも位相調整領域４４６、位相調整電極４４７を設けてよい。
　また、ＤＢＲレーザ４４の前方には、実施例１（図４～８）と同じく、長さ150μｍのＥＡ変調器４２と、長さ50μｍのパッシブ導波路４９、長さ200μｍのＳＯＡ４３が集積されて、全体としてモノリシック集積素子を構成している。
　本実施例３では、前方ＤＢＲ４４２の回折格子は周期240．000ｎｍ、後方ＤＢＲ４４１の回折格子周期を240．183ｎｍとし、前後のＤＢＲのブラッグ波長の差が約1．2ｎｍとなるように設計した。これにより、前後２つのＤＢＲの合計の反射スペクトルを狭帯域化することができ、シングルモード安定性を向上させることができる。また、前後のＤＢＲの屈折率結合係数は80ｃｍ-1としている。
　本実施例３のＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザ１９００の作製プロセスについては、実施例１で示したプロセスと同一である。ただし、各領域のバットジョイント成長後に行うＤＢＲの回折格子構造の形成時に、前述したような前後異なる回折格子周期のＤＢＲパターンを形成している。
　一般的にＤＢＲレーザの回折格子は半導体層をエッチングして形成され、前後のＤＢＲの回折格子は同一プロセスで一括形成されるため、回折格子の深さは前後で別々に調整することはできない。したがって、屈折率結合係数κも前後のＤＢＲで同一の値となる。
　これに対して回折格子周期は、回折格子のパターン描画で任意の周期を形成できるため、前後のＤＢＲで独立した異なる回折格子周期の導入は容易に可能である。本実施例３で試作した素子においても、描画パターンを変更するだけで回折格子周期の異なる２つのＤＢＲの作製が可能であり、作製の工程やコストは一切変更を必要としない。
　また、本実施例の効果を確認するための比較例１として、前後のＤＢＲで回折格子周期を同一にしたＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザも同一基板上に作製した。各領域長や屈折率結合係数等は、本実施例３に係るデバイスと同一である。
　このように作製した二つのＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザについて、その発振スペクトルを確認した。ＤＢＲレーザの活性領域とＳＯＡ領域に駆動電流80ｍＡ、40ｍＡをそれぞれ注入している。
　本実施例３に係る前後のＤＢＲにブラッグ波長差を設けた素子では、安定した単一モード動作が得られており、１次モードと２次モードのＳＭＳＲは45ｄＢが確認された。一方、前後のＤＢＲの回折格子周期を同一とした比較例１の素子では、マルチモードでの発振が確認され、光ファイバ伝送用の光源としての適用が困難であった。このことから、前後のＤＢＲで同一周期の回折格子を用いた場合は、比較的小さい屈折率結合係数を採用しない限り単一モードでの安定動作が困難であることが確認された。
　また、同じく本実施例３の優位性を確認するために、一般的な屈折率結合係数である40ｃｍ-1を採用し、前後のＤＢＲで同一の回折格子周期のＤＢＲを採用したＳＯＡ集積型ＥＡＤＢＲレーザを比較例２として作成し、これを用いて伝送特性の比較を行った。
　ここで比較例２のκ＝40ｃｍ-1の素子においても、前後のＤＢＲ長、活性領域長、ＥＡ変調器長、ＳＯＡ長はすべて本実施例３の素子と同一の長さである。いずれのデバイスもＤＢＲレーザ駆動電流を120ｍＡ、ＳＯＡ駆動電流を80ｍＡとしたときの光出力強度を比較した。
　すると、比較例２のκ＝40ｃｍ-1の素子では、光出力強度13．5 ｄＢｍであったのに対し、本実施例３のブラッグ波長差を設けたκ＝80ｃｍ-1の素子では、光出力強度12ｄＢｍであることが確認された。本実施例３に係る素子のほうが出力がやや小さいのは、回折格子の反射率増加により前方からの光出力が低下したためである。
　この動作条件において、１０Ｇｂｉｔ／ｓの変調特性評価を行った。アイ波形から10 Ｇｂｉｔ／ｓのマスクテストを行ったところ、比較例２のκ＝40ｃｍ-1の素子ではマスクテストをクリアできなかったのに対して、本実施例３のκ＝80ｃｍ-1でブラッグ波長差を設けた素子では明瞭なアイ開口が確認され、マスクマージン10％でマスクテストをクリアすることが確認された。このことから、10 ｄＢｍを超える高出力動作時には戻り光も大きく増加し、ＤＦＢレーザよりも高い戻り光耐性を有するＤＢＲレーザにおいても動作が不安定化しやすい。これに対してＤＢＲレーザのκを増加させることで戻り光耐性をさらに向上させることができる。
　最後に１０Ｇｂｉｔ／ｓの光ファイバ伝送特性評価を行った。変調信号はＮＲＺ、２31－１段周期の疑似ランダム信号（ＰＲＢＳ）を用い、ＥＡ変調器へのバイアス電圧は1．5 Ｖ、振幅電圧は2.0 Ｖとした。40ｋｍ伝送時のビットエラーレート評価を行ったところ、比較例２のκ＝40ｃｍ-1の素子ではエラーフリー動作に達することができなかった。これに対して、本実施例３のκ＝80ｃｍ-1で前後ＤＢＲにブラッグ波長差を設けた素子では、ビット誤り率１０-12に達するエラーフリー動作が確認され、光ファイバ伝送用光源として十分な特性が得られた。
　以上述べたように本発明では、高出力動作時においても高い戻り光耐性を有しており、光波形品質と伝送特性の劣化を抑制することが可能な光送信機を提供することができ、またアレイ化多波長光源においても光出力強度を揃えることが可能な光送信機を提供することができる。
１０　ＥＡＤＦＢレーザ
１１、３１　ＤＦＢレーザ
１２、３２、４２　ＥＡ変調器
１４、３４、３６、４４０　活性層（活性領域）
１５、３５　光吸収層
１７、４７１、４７２　回折格子
３０　ＳＯＡ集積ＥＡＤＦＢレーザ
３３、４３　ＳＯＡ
４００、６００、７００、８００、１９００　ＳＯＡ集積ＥＡＤＢＲレーザ
４０１　ｎ－ＩｎＰ基板
４０２　ｐ－ＩｎＰクラッド層
４４　ＤＢＲレーザ
４４１、４４２　ＤＢＲ領域
４４６　位相調整領域
４２１、４３１、４４３、４４４、４４５、４４７、４９１　電極
４９　パッシブ導波路
９１　合波器

Claims (10)

  1. 　電流を注入し光利得を生じる活性領域および前記活性領域の両端に形成された２つのＤＢＲ領域を含むＤＢＲレーザと、
    　前記ＤＢＲレーザからのレーザ光を光変調するＥＡ変調器と、
    　前記ＥＡ変調器からの変調光を光増幅するＳＯＡとが、
    　同一基板上にモノリシック集積された
    ことを特徴とする光送信機。
  2. 　前記ＥＡ変調器と前記ＳＯＡの間に、前記ＥＡ変調器からの変調光を導波するパッシブ光導波路を設けた
    ことを特徴とする請求項１に記載の光送信機。
  3. 　前記パッシブ光導波路の上に、前記パッシブ光導波路を導波する前記変調光をモニタするための電極が形成された
    ことを特徴とする請求項２に記載の光送信機。
  4. 　前記ＤＢＲレーザの活性領域と前記ＳＯＡとは同一の制御端子によって電流を注入される
    ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光送信機。
  5. 　前記２つのＤＢＲ領域に電極が形成され、前記電極が接地されている
    ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光送信機。
  6. 　発振波長が異なる複数の前記請求項１ないし５のいずれか１項に記載された光送信機と、
    ぞれぞれの光送信機からの出力光を合波する合波器を備えた多波長光送信機であって、
    　前記複数の光送信機の短波長側の少なくとも一つにおいて、前記活性領域または前記ＳＯＡの少なくとも一方の長さが他の光送信機よりも長く構成されていることにより全ての光送信機の出力光の強度が揃えられている
    ことを特徴とする多波長光送信機。
  7. 　発振波長が異なる複数の前記請求項１ないし５のいずれか１項に記載された光送信機と、
    ぞれぞれの光送信機からの出力光を合波する合波器を備えた多波長光送信機であって、
    　前記複数の光送信機の短波長側の少なくとも一つにおいて、前記２つのＤＢＲ領域の長さの前後比が他の光送信機よりも小さく構成されている、ことにより全ての光送信機の出力光の強度が揃えられている
    ことを特徴とする多波長光送信機。
  8. 　請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光送信機であって、
    　前記ＤＢＲレーザに含まれる前記２つのＤＢＲ領域の回折格子周期が異なる
    ことを特徴とする光送信機。
  9. 　請求項８に記載の光送信機であって、
    　前記ＤＢＲレーザに含まれる前記２つのＤＢＲ領域の回折格子が同じ屈折率結合係数を有し、
    　前記屈折率結合係数が４０～１００ｃｍ-1の範囲の値である
    ことを特徴とする光送信機。
  10. 　請求項９に記載の光送信機であって、
    　前記２つのＤＢＲ領域のＤＢＲにおいて、前記ＤＢＲレーザの前記活性領域と前記ＥＡ変調器との間に位置するＤＢＲを第１のＤＢＲ、他方のＤＢＲを第２のＤＢＲとしたとき、
    　前記第１のＤＢＲのブラッグ波長と、前記第２のＤＢＲのブラッグ波長との波長差が、前記第１のＤＢＲのストップバンドの帯域幅の１／２以下である
    ことを特徴とする光送信機。
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