WO2022123719A1 - 波長可変光送信機 - Google Patents

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WO2022123719A1
WO2022123719A1 PCT/JP2020/046022 JP2020046022W WO2022123719A1 WO 2022123719 A1 WO2022123719 A1 WO 2022123719A1 JP 2020046022 W JP2020046022 W JP 2020046022W WO 2022123719 A1 WO2022123719 A1 WO 2022123719A1
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dbr
diffraction grating
region
reflection
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隆彦 進藤
明晨 陳
慈 金澤
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日本電信電話株式会社
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    • H01S5/1212—Chirped grating

Definitions

  • the present invention relates to an optical transmitter. More specifically, the present invention relates to a tunable optical transmitter in which an optical modulator and a tunable light source are integrated.
  • WDM wavelength division multiplexing
  • a distributed feedback type (DFB: Distributed Feedback) laser (hereinafter referred to as EADFB laser) that integrates an electric field absorption type (EA: Electro-Absorption) modulator (EA modulator) has higher quenching characteristics and superiority compared to a direct modulation type laser. It has a chirp characteristic and has been used in a wide range of applications.
  • DFB Distributed Feedback
  • EA Electro-Absorption
  • EA modulator Electro-Absorption modulator
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a general EADFB laser.
  • the integrated EADFB laser 100 has a structure in which the DFB laser 10 and the EA modulator 20 are integrated on the same chip.
  • the DFB laser 10 has an active layer 1 composed of a multiple quantum well (MQW), and oscillates at a single wavelength by a diffraction grating 3 formed in a resonator.
  • the EA modulator 20 has a light absorption layer 2 having an MQW having a composition different from that of the DFB laser, and changes the light absorption amount of the light absorption layer 2 by voltage control by the modulation signal source 12.
  • the EA modulator 20 is driven under the condition that the output light from the DFB laser 10 is transmitted or absorbed to blink the light, and the electric signal is converted into the modulated optical signal 4. Since the EADFB laser 100 performs modulation using the light absorption of the EA modulator, there is a trade-off relationship between sufficient quenching characteristics and high light output.
  • FIG. 2 is a diagram showing an outline of the quenching curve and the intensity modulation principle of the EADFB laser.
  • the horizontal axis shows the reverse applied voltage to the EA modulator, and the vertical axis shows the extinction ratio.
  • one method for increasing the output is to reduce the absolute value of the voltage applied in the reverse direction to the EA modulator and suppress the light absorption in the EA modulator.
  • both Vdc and Vpp may be reduced.
  • the steepness of the quenching curve of the EA modulator is lowered, so that the dynamic quenching ratio (DER) is deteriorated.
  • DER dynamic quenching ratio
  • Another method 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, and the quenching characteristics deteriorate due to the light absorption in the EA modulator and the accompanying increase in the photocurrent.
  • the power consumption of the entire chip also increases.
  • an increase in power consumption is unavoidable.
  • Non-Patent Document 1 an EADFB laser (SOA Assisted Extended Reach EADFB Laser: AXEL) in which a semiconductor optical amplifier (SOA) is further integrated at the light emitting end of the EADFB laser has been proposed (Non-Patent Document 1).
  • SOA semiconductor optical amplifier
  • FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of AXEL in which SOA is integrated in an EADFB laser.
  • the signal light modulated by the EA modulator 20 is independently amplified by the integrated SOA region 30 to obtain the signal light 4.
  • the optical output can be increased without degrading the quality of the optical signal waveform. Compared with the EADFB laser of FIG. 1, the output can be increased without excessively increasing the drive current of the DFB laser 10 and the photocurrent of the EA modulator 20.
  • the same MQW structure as the active layer 1a of the DFB laser is used for the active layer 1b of the SOA.
  • the device can be manufactured in the same manufacturing process as the EADFB laser 100 without the need to add a new regrowth process for the integration of the SOA region 30.
  • AXEL a device in which the DFB laser region is replaced with a distributed reflection type (DBR: Distributed Bragg Reflector) laser has also been reported (Patent Document 1).
  • the DBR laser uses two DBR regions before and after the active region to form a resonator and operates in a single mode.
  • the DBR laser has higher resistance to reflected return light than the DFB laser, and the laser oscillation is less likely to become unstable even in the presence of return light.
  • the oscillation wavelength can be changed by applying a current to the DBR region, it is also used as a tunable laser.
  • FIG. 4 is a diagram showing an outline of the cross-sectional structure of a general DBR laser.
  • the variable wavelength DBR laser 300 has an active region 50 that produces an optical gain by injecting a current, a rear DBR region 40a composed of a waveguide 5a having diffraction gratings 6a at both ends along the optical axis direction of the active region, and a diffraction grating. It includes a front DBR region 40b composed of a waveguide 5b having 6b.
  • Anti-reflection films (AR: Anti-Reflection) 7a and 7b are configured on the substrate end faces of the rear DBR region 40a and the front DBR region 40b, respectively.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating control of the reflection spectrum and the oscillation wavelength of the two DBR regions of the DBR laser.
  • FIG. 5A shows the reflectances of the two DBR regions.
  • the diffraction gratings 6a and 6b are designed so as to have a reflectance peak at the same Bragg wavelength ⁇ Bragg .
  • the DBR selectively reflects a specific wavelength range around the Bragg wavelength ⁇ Bragg determined by the period of the diffraction grating (pitch, length of the repeating structure). Acts as a mirror.
  • the Bragg wavelength ⁇ Bragg is determined by the diffraction grating period, and usually has the same Bragg wavelength by having the same period of the diffraction gratings of the two DBR regions 40a and 40b. Therefore, only the wavelengths in the two DBR reflection bands are selectively confined in the resonator, and the amplification effect is obtained in the active region 50 to oscillate.
  • the DBR laser oscillates in a single mode. Further, by adjusting the reflectances of the DBR regions 40a and 40b, the light output from the front end face and the rear end face can be adjusted. That is, by designing the reflectance of the front DBR region 40b to be smaller than that of the rear DBR region 40a, it is possible to suppress the light output from the rear end face and increase the light output from the front end face.
  • the diffraction gratings of the two DBR regions generally form the same structure, but the reflectance of the DBR region can also be adjusted by the length of the DBR region.
  • the Bragg wavelength in the DBR region is expressed by the following equation.
  • ⁇ represents the period of the diffraction grating
  • n eq represents the equivalent refractive index
  • the equivalent refractive index n eq in the DBR region is changed in some way.
  • the Bragg wavelengths in both regions are adjusted to be changed at the same time while the Bragg wavelengths in the two DBR regions are matched.
  • FIG. 5B is a schematic diagram illustrating control of the oscillation wavelength by changing the Bragg wavelength.
  • a method of changing the refractive index a method of adjusting the temperature or a method of using the carrier plasma effect generated by injecting a current into the DBR region is used.
  • the carrier plasma effect is a phenomenon in which the carrier density inside the DBR region increases due to current injection and the refractive index decreases.
  • the Bragg wavelength shifts to the short wavelength side as the equivalent refractive index n eq decreases. As shown in FIG.
  • the current 13 is injected into the rear DBR region 40a and the current 14 is injected into the front DBR region 40b to oscillate.
  • the oscillation wavelength can be changed while maintaining the above.
  • Non-Patent Document 2 As a tunable laser using the carrier plasma effect, many 1.5 ⁇ m band DBR lasers using InGaAsP / InP materials have been reported (Non-Patent Document 2).
  • a wavelength variable DBR laser that uses a special diffraction grating structure such as a sampled grating (SG: Sampled Grating) or a superperiod diffraction grating (SSG: Superstructure Grating) to significantly widen the wavelength variable width has also been reported.
  • Non-Patent Document 3 Further, a tunable modulation light source in which an EA modulator and a DBR laser are integrated has also been reported (Non-Patent Document 4).
  • An SSG-DBR laser having a plurality of reflection peaks and capable of widening the wavelength tunable width is promising as a device of a single element, and its structure and reflection characteristics will be described.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the diffraction grating structure of SSG-DBR.
  • FIG. 6A shows the cross-sectional structure of the AXEL 400 by the SSG-DBR laser, in which the rear DBR region 60a, the active region 70, the front DBR region 60b, and the SOA region 80 are integrated along the optical axis direction.
  • the rear DBR region 60a has a diffraction grating 61a
  • the front DBR region 60b has a diffraction grating 61b
  • the structures of the diffraction gratings 61a and 61b are different from those of the normal DBR of FIG. That is, the diffraction gratings 61a and 61b have a structure in which the diffraction grating period changes continuously and periodically from ⁇ a to ⁇ b .
  • FIG. 6B is a diagram illustrating the period of the diffraction grating in the SSG-DBR laser.
  • the horizontal axis shows the position of the diffraction grating in the length direction (waveguide direction), and the vertical axis shows the period of the diffraction grating. Note that the period is the pitch of the repeating structure of the diffraction grating and has a dimension of length.
  • the period of the diffraction grating of the SSG-DBR laser changes repeatedly between the maximum period ⁇ a and the minimum period ⁇ b , and the period of the change is ⁇ S.
  • the central reflection peak wavelength ⁇ 0 is determined by the following equation using the average value ⁇ 0 of the diffraction grating period that continuously changes between the periods ⁇ a to ⁇ b described above. To.
  • n eq represents the equivalent refractive index in the DBR region.
  • the average value of the diffraction grating periods in the front DBR region and the rear DBR region is designed to be the same.
  • each diffraction grating of SSG-DBR is set so that the position (wavelength) of the reflection peak located at the center among the plurality of reflection peaks matches in the two DBR regions. ing.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the behavior of the reflected peak with respect to the injection current in the SSG-DBR.
  • FIG. 7A is a diagram showing the reflectance and the total reflectance of the two DBR regions of the SSG-DBR in a state where the DBR injection current is 0.
  • the two front and rear DBR regions have the same number (5) of reflection peaks.
  • These reflected peaks are evenly spaced, and the spacing between the wavelength peaks is slightly different between the anterior DBR region and the posterior DBR region. That is, the reflection peak spacing ⁇ front in the front DBR region is designed to be slightly larger than the reflection peak spacing ⁇ rear in the rear DBR.
  • the total reflection spectra of the two DBRs have a peak at the center wavelength of 75a, and the actual resonance occurs at only one reflection peak of the center wavelength of 75a.
  • the SSG-DBR laser oscillates at the wavelength of this resonating reflected peak.
  • FIG. 7B is a diagram illustrating a state in which the DBR injection current is adjusted and the oscillation mode is hopped to another reflected peak.
  • the relationship of the reflection spectrum when the current to the front DBR region 61b is maintained at 0 and the current to the rear DBR region 61a is increased from 0 is shown. Due to the carrier plasma effect, the entire multiple reflection spectra in the rear DBR region are shifted to the short wavelength side.
  • the reflected peak wavelengths of the two DBR regions coincide with the peaks 72 and 74, which are shifted to the short wavelength side by one from the center of the tunable band, respectively, so that the oscillation wavelength is the peak on the short wavelength side. Hop to 75b. Even in this state, there is only one reflected peak that coincides in the two front and rear DBR regions, and the SSG-DBR laser can obtain stable oscillation at a single wavelength.
  • the oscillation wavelength can be selectively controlled. Further, by simultaneously changing the injection currents from the state of (b) in FIG. 7 into the two DBR regions before and after, the oscillation wavelength due to one reflection peak is the same as that of the DBR laser having a single reflection peak shown in FIG. Shift (equivalent to Bragg wavelength shift) is possible.
  • the oscillation wavelength can be finely adjusted by the injection current into the DBR region.
  • a device that integrates a DBR laser with a wavelength tunable function, an EA modulator, and an SOA has a problem that optical output fluctuation is unavoidable when the wavelength is changed.
  • One factor of the optical output variation is the optical loss that occurs in the EA modulator.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating the modulation operation principle of the EA modulator.
  • FIG. 8 shows two modulation states in the EA modulator, where the horizontal axis shows the wavelength and the vertical axis shows the absorption coefficient of light transmitted through the modulator.
  • the figure shows an absorption curve 83 when a voltage is applied to the EA modulator (electric field ON) and an absorption curve 82 when no voltage is applied (voltage OFF).
  • the wavelength group 81 of ⁇ 0 to ⁇ 3 is the wavelength of the light incident on the EA modulator from the DBR laser, respectively, and the oscillation wavelength is set to any of ⁇ 0 to ⁇ 3 by the DBR laser. The case is schematically shown.
  • the absorption end of the absorption curve due to the quantum well structure in the EA modulator is shifted to the long wavelength side.
  • the loss due to light absorption in the EA modulator increases and quenching occurs.
  • optical modulation corresponding to the voltage application to the EA modulator can be realized.
  • an electric field is not applied (OFF)
  • light loss occurs as shown by the absorption curve 82, and the shorter wavelength side of the oscillation wavelength group 81 is applied to the absorption end of the absorption curve 82. The loss increases.
  • the voltage V dc applied to the EA modulator and the signal amplitude voltage V pp shown in FIG. 2 are adjusted to the optimum conditions. There is a need. However, even if these voltages are adjusted, in principle, it is inevitable that the optical output at the time of modulation will decrease toward the shorter wavelength side. Therefore, in the tunable AXEL, the shorter the oscillation wavelength, the lower the optical output during modulation. That is, when the light output of each wavelength is shown by wavelength, the light output has a relationship of ⁇ 0 ⁇ 1 ⁇ 2 ⁇ 3 , and the shorter the wavelength, the lower the light output. Since the light output decreases as the wavelength becomes shorter, the output characteristic of the EA modulator having the wavelength on the horizontal axis becomes a characteristic that decreases to the left as a whole.
  • the optical output of the tunable DBR laser fluctuates even in the wavelength tunable DBR laser before it is incident on the EA modulator, which affects the final optical output level of the tunable AXEL.
  • the optical output fluctuation of the tunable DBR laser changes the carrier density inside the DBR region due to carrier injection during the wavelength tunable operation.
  • the carrier plasma effect is a phenomenon in which the refractive index decreases due to an increase in the carrier density inside the DBR region due to current injection. In order to greatly change the refractive index in the DBR region, it is necessary to change the carrier density significantly.
  • the carrier density increases, the light absorption by the free carriers increases inside the DBR region, so that the light loss in the DBR region increases and the output light intensity decreases.
  • FIG. 9 is a diagram schematically explaining the fluctuation of the optical output intensity of the tunable AXEL due to carrier injection.
  • (A) of FIG. 9 shows the wavelength variation of the reflectance and the light output in the case of a general DBR laser having a single reflection peak.
  • the reflected peak 90 of the DBR shifts to the short wavelength side due to the carrier plasma effect.
  • the oscillation wavelength also shifts to the short wavelength side, but the optical loss in the DBR region also increases. Therefore, as shown in the figure below (a), the light output decreases to the left as the oscillation wavelength shifts to a shorter wavelength with the current injection.
  • FIG. 9B shows the reflectance and the wavelength variation of the light output in the case of a wavelength-variable laser having a special DBR structure having a plurality of reflection peaks such as an SSG-DBR laser.
  • the upper figure of FIG. 9B shows the reflectances of the two DBR regions of SSG-DBR as in FIG. 7, and the current is not applied to any of the DBR regions.
  • the light gain of the active layer is uniform regardless of the wavelength, and all the reflection peaks also have a uniform reflectance.
  • the wavelength of the reflection peak 90 located at the center of the tunable band coincides with the two front and rear DBR regions, and the state of oscillation at this wavelength is observed. Shows.
  • the entire reflected peak can be shifted to the short wavelength side for each DBR region.
  • finely adjusting the two DBR currents it is possible to selectively match one of the plurality of reflected peaks in the two DBR regions and change the oscillation wavelength.
  • the carrier density in the DBR region increases due to the adjustment of the DBR current, and the loss increases, so that the optical output decreases.
  • the control of the oscillation wavelength by the DBR current is a little complicated, but as shown in the figure below (b) of FIG. 9, fine level fluctuations are repeated in the shape of a saw tooth.
  • the light output fluctuates with the wavelength.
  • the optical output characteristics of the SSG-DBR laser depend on the amount of injection current into the two front and rear DBR regions, and within the wavelength range using the same reflected peak corresponding to one saw tooth, the shorter wavelength side is to the left. The light output decreases as it goes down.
  • the SSG-DBR laser is designed so that the wavelengths of the reflected peaks in the center of the plurality of reflected peaks in the tunable band match when no current is injected in the two front and rear DBR regions. Therefore, the state in which no current is injected in the DBR region is the state in which the light intensity is highest.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a tunable optical transmitter having improved wavelength dependence of optical output.
  • One embodiment of the present invention comprises a first diffraction grid, a rear DBR region having a reflection characteristic consisting of a plurality of reflection peaks, an active region producing a light gain, and a second diffraction grid.
  • Wavelength-variable light in which a wavelength-variable light source having a front DBR region having a reflection characteristic composed of reflection peaks and an electric field absorption type optical modulator optically connected to the front DBR region are integrated along the optical axis direction.
  • the wavelength spacing of the reflected peaks in the front DBR region is set to be larger than the wavelength spacing of the reflected peaks in the rear DBR region, and the average period ⁇ 0_front of the first diffraction grid is the second.
  • It is a wavelength variable optical transmitter characterized in that it is set to be larger than the average period ⁇ 0_rear of the diffraction lattice of.
  • the wavelength of the reflection peak having the shortest wavelength among the plurality of reflection peaks in the rear DBR region With the first injection current into the rear DBR region and the second injection current into the front DBR region being 0, the wavelength of the reflection peak having the shortest wavelength among the plurality of reflection peaks in the rear DBR region.
  • the first diffraction grating and the second diffraction grating can be configured so as to match the wavelength of the reflection peak having the shortest wavelength among the plurality of reflection peaks in the front DBR region.
  • FIG. 1 It is a figure explaining the optical output fluctuation of a tunable AXEL accompanying carrier injection. It is explanatory drawing of the SSG-DBR laser operation of the tunable light transmitter of this disclosure. It is a figure which shows the cross-sectional structure of the tunable optical transmitter of Example 1. FIG. It is a figure which shows the light output intensity of the sample B by the diffraction grating of the prior art. It is a figure which shows the light output intensity of the sample A by the diffraction grating of Example 1. FIG. It is a figure which shows the optical output intensity of the tunable optical transmitter of Example 2. FIG.
  • the variable wavelength optical transmitter of the present disclosure integrates a DBR laser and an EA modulator, modulates the light generated by the DBR laser with an information signal in the EA modulator, and has at least a transmission function of transmitting the modulated optical signal.
  • the DBR laser in the tunable transmitter of the present disclosure the rear DBR region, the active region, and the front DBR region are integrated on the semiconductor substrate in this order along the optical axis direction.
  • the DBR laser is an SSG-DBR having a plurality of reflected peaks in both the posterior DBR region and the anterior DBR region.
  • the oscillation mode using the reflection peak on the shortest wavelength side among the plurality of reflection peaks corresponding to the tunable band is the most prone to oscillate.
  • the diffraction grating structure is set so as to be.
  • the DBR laser is configured such that the average periodic value of the diffraction grating of the front DBR is larger than the average periodic value of the diffraction grating of the rear DBR.
  • a diffraction grating is configured so that the wavelength of the reflected peak on the shortest wavelength side of the plurality of reflected peaks matches between the two DBR regions in a state where no current is supplied to the two front and rear DBR regions.
  • the SSG-DBR laser of the prior art is designed so that the average periodic value of the diffraction grating in the rear DBR region and the average periodic value of the diffraction grating in the front DBR region are the same.
  • the wavelength of the central reflection peak in the plurality of reflection peaks in the rear DBR region and the wavelength of the center reflection peak in the plurality of reflection peaks in the front DBR region are matched with no current flowing through the two DBR regions. This is in contrast to what I was doing.
  • the configuration and operation of the SSG-DBR laser in the tunable optical transmitter of the present disclosure will be described while comparing with the configuration of the diffraction grating of the SSG-DBR laser of the prior art.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating the operation of the SSG-DBR laser in the tunable optical transmitter of the present disclosure.
  • the SSG-DBR laser of the wavelength variable optical transmitter of the present disclosure is configured to oscillate at the reflected peak wavelength on the short wavelength side of the plurality of reflected peaks without passing a DBR current. In this state, the light loss due to the free carrier is minimized.
  • the upper figure of FIG. 10 shows the reflection characteristics of the two DBR regions in the state where the DBR current is not passed.
  • the figure below FIG. 10 shows the wavelength-dependent characteristics of the optical output of the SSG-DBR laser of the tunable optical transmitter of the present disclosure.
  • the two figures of FIG. 10 correspond to the two figures of FIG. 9 (b) regarding the SSG-DBR laser of the prior art, and will be described in comparison with the configuration of the prior art.
  • the wavelength-dependent characteristics of the optical output of the SSG-DBR laser are reviewed by the figure at the bottom of FIG.
  • the tunable band as a whole has a downward-sloping characteristic, and the light output tends to be high on the short wavelength side and gradually decrease toward the long wavelength side.
  • the downward-sloping light output fluctuation in the tooth of one saw corresponds to one reflection peak among the plurality of reflection peaks in each of the two DBR regions. Therefore, as in the case of (b) the prior art in FIG. 9, oscillation occurs using the same reflected peak within the wavelength range corresponding to the tooth of one saw.
  • the wavelength-dependent characteristics of the optical output of the SSG-DBR laser of the variable wavelength optical transmitter of the present disclosure represent a change in the optical output depending on the current in the front DBR region and the current in the rear DBR region.
  • the structure of each diffraction grating is set so that the light output characteristic of the entire wavelength variable band in FIG. 10 oscillates in the short wavelength side oscillation mode with the two DBR currents as small as possible. It is realized by. Due to the setting peculiar to the present invention of the diffraction grating structure, the SSG-DBR laser of the wavelength variable optical transmitter of the present disclosure can obtain higher light output on the short wavelength side than on the long wavelength side.
  • the EA modulator tends to have a larger light loss toward the shorter wavelength side, and has a characteristic of declining to the left as a whole.
  • the "downward-sloping" optical output characteristics of the SSG-DBR laser of the present disclosure and the “downward-sloping" optical output characteristics of the EA modulator are offset, and the optical output of the variable wavelength optical transmitter of the present disclosure covers the entire wavelength range. The almost flat light output characteristics can be obtained.
  • Non-Patent Document 5 In determining the reflection characteristics of SSG-DBR, the number of reflection peaks and the wavelength interval of the reflection peaks can be arbitrarily designed (Non-Patent Document 5).
  • the wavelength control becomes possible in a wider wavelength range as the wavelength interval of the reflected peaks is widened or the number of reflected peaks is increased.
  • the wavelength interval of the reflection peaks is widened, it becomes difficult to control the oscillation wavelength to the wavelength between the reflection peaks, and a wavelength gap in which the wavelength cannot be controlled occurs between the reflection peaks.
  • the number of reflected peaks is increased, the reflectance of one reflected peak decreases, which makes it difficult to maintain laser oscillation.
  • the number N of realistic reflected peaks is set to 5 to 11 in the wavelength tunable band assumed in each band.
  • the optimum value of the wavelength interval of the reflection peak differs depending on the oscillation wavelength band, and in the C band wavelength band (1530-1565 nm) and the L band wavelength band (1565-1625 nm), the wavelength interval of the adjacent reflection peaks in the two DBR regions (1530 to 1625 nm). Wavelength difference) is set to 4 to 9 nm, respectively.
  • the amount of change in the refractive index is small in principle and the amount of Bragg wavelength shift is small as compared with the C band. Therefore, it is necessary to set the wavelength spacing of adjacent reflected peaks in the two DBR regions to 3 to 6 nm.
  • the peak wavelength of the shortest wavelength among the plurality of reflected peaks each of the two DBR regions it is necessary to set in consideration of the number of reflected peaks of the above-mentioned SSG-DBR and the conditions of the wavelength interval of the reflected peaks. be.
  • FIG. 10 shows an example of the reflection peak setting in the SSG-DBR laser of the present disclosure.
  • the number of reflected peaks N is 7 in the 1.55 ⁇ m wavelength band
  • the reflection characteristic of the front DBR region is represented by a solid line and the reflection characteristic of the rear DBR region is represented by a broken line in a state where no current is passed through the two DBR regions.
  • the characteristic of the SSG-DBR laser of the present disclosure is that the wavelength at which the reflected peaks match between the two DBR regions is set to the wavelength on the shortest wavelength side among the plurality of reflected peaks in a state where no current is passed through the DBR region. It is to be.
  • the reflection peak wavelength 91 on the shortest wavelength side of the plurality of reflection peaks in the front DBR region and the reflection peak wavelength 91 on the shortest wavelength side among the plurality of reflection peaks in the rear DBR region are in the same state. So, the diffraction grating is set.
  • the wavelength range including a plurality of reflected peaks in the two DBR regions needs to include at least the wavelength variable range targeted by the tunable transmitter in a state where no current flows in the DBR region.
  • the reflection peak on the longest wavelength side shifts only to the short wavelength side even when a current is passed through the DBR region, so the oscillation wavelength is adjusted to the longer wavelength side than the reflection peak on the longest wavelength side. Because it cannot be done.
  • the average value of the diffraction grating period is adjusted so that the wavelengths of the reflected peaks on the shortest wavelength side coincide with each other for the two DBR regions.
  • the structure of the diffraction grating is configured so that the average value ⁇ 0_front of the diffraction grating period in the front DBR region is 0.23% larger than the average value ⁇ 0_rear of the diffraction grating period in the rear DBR region.
  • the period of the diffraction grating represents the physical length (pitch) of the repetition of the repeating structure of the unevenness formed on the upper surface of the active layer, and has a dimension of length. Note that the usual term “cycle” is different from having a dimension of time.
  • the wavelength difference is about 3. It will be 6 nm.
  • the wavelength of the reflected peak on the shortest wavelength side in the rear DBR region and the wavelength of the reflected peak on the shortest wavelength side in the front DBR region match. I'm letting you.
  • the mode on the shortest wavelength side oscillates without passing the DBR current.
  • the wavelength can be adjusted with a DBR current relatively smaller than that of the conventional technique.
  • the wavelength variable optical transmitter of the present invention includes a first diffraction grid, a rear DBR region having a reflection characteristic consisting of a plurality of reflection peaks, an active region that produces a light gain, and a second diffraction grid.
  • the wavelength spacing of the reflected peaks in the front DBR region is set to be larger than the wavelength spacing of the reflected peaks in the rear DBR region, and the average period ⁇ 0_front of the first diffraction grid is the first. It can be carried out assuming that the average period of the diffraction grid of 2 is set to be larger than ⁇ 0_rear .
  • the reflection peak having the shortest wavelength among the plurality of reflection peaks in the rear DBR region is used. It is assumed that the first diffraction grating and the second diffraction grating are configured so that the wavelength and the wavelength of the reflection peak having the shortest wavelength among the plurality of reflection peaks in the front DBR region match. Can be done.
  • an example of a preferable configuration of the structure of two diffraction gratings for each target wavelength tunable band is as follows. Let ⁇ 0_front and ⁇ 0_rear be the average periods of the diffraction gratings in the front DBR region and the rear DBR region, respectively. Using two average periods, the average period difference ⁇ 0 between the two diffraction gratings is defined as follows.
  • the oscillation wavelength is in the 1.55 ⁇ m band (C band wavelength band, L band wavelength band), diffraction in the front DBR region and the rear DBR region. It is preferable to design so that the period of the grating satisfies the following equation.
  • the oscillation wavelength is in the 1.3 ⁇ m band (O band wavelength band)
  • the change in the refractive index due to the carrier plasma effect is smaller than in the 1.5 ⁇ m band. Therefore, it is preferable to design the period of the diffraction grating in the front DBR region and the rear DBR region so as to satisfy the following equation.
  • a tunable optical transmitter including an SSG-DBR laser will be described with respect to its specific configuration and improvement of the wavelength dependence of the optical output level.
  • FIG. 11 is a diagram showing a cross-sectional configuration of the wavelength tunable optical transmitter of the first embodiment.
  • the tunable optical transmitter 500 is a tunable AXEL that integrates an SOA in addition to an SSG-DBR laser and an EA modulator.
  • an active region 120 having a length of 300 ⁇ m
  • a front DBR region 100b having a length of 200 ⁇ m
  • a rear DBR region 100a having a length of 400 ⁇ m are configured in the optical axis direction.
  • an EA modulator 130 having a length of 200 ⁇ m and an SOA 140 having a length of 150 ⁇ m are integrated in front of the SSG-DBR laser along the optical axis direction, and the entire wavelength tunable optical transmitter is a monolithic integrated element. ..
  • a phase adjustment region 110 is also provided between the active region 120 and the rear DBR region 100a.
  • the modulated optical signal 4 is output from the end face of the substrate on the SOA140 side.
  • the manufacturing process of the tunable optical transmitter 500 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 was used.
  • the multiple quantum well layer has an optical gain in the 1.55 ⁇ m oscillation wavelength band.
  • the multiple quantum well layer (MQW2) for the EA modulator was grown by butt joint regrowth, leaving the active and SOA regions of the DBR laser and selectively etching the other active layers. ..
  • the active region, the EA modulator region, and the SOA region of the DBR laser were left, and the core layer of the passive waveguide was formed by performing selective etching and butt joint regrowth again.
  • a diffraction grating of SSG-DBR was formed in the two DBR regions, which operated in the oscillation wavelength band of 1.55 ⁇ m and had an average period such as satisfying the above equations (3) and (4).
  • the p-InP clad layer was grown on the entire surface of the device by regrowth.
  • the thickness of the clad layer is set to 2.0 ⁇ m, and the design is made so that the light field is not applied to the electrode region.
  • the two DBR regions and the passive waveguide region 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 grating. be.
  • the active region and the SOA region also have multiple quantum well layers having the same structure and are grown together.
  • the structure of the diffraction grating (SSG) formed in the two DBR regions 100a and 100b of the tunable optical transmitter of Example 1 will be described.
  • the two DBR regions 100a and 100b each have a plurality of reflection peaks, and the distance between the reflection peaks is slightly different between the two DBR regions. Due to the vernier effect, it is possible to control the oscillation wavelength by selecting one of the plurality of reflected peaks in each of the two DBR regions.
  • the average period ⁇ 0_front in the diffraction grating in the front DBR region is designed to be slightly larger than the average period ⁇ 0_rear in the diffraction grating in the rear DBR region.
  • the reflected peak having the shortest wavelength among the plurality of reflected peaks of the two DBRs is used.
  • the wavelengths match and the state resonates.
  • sample A A tunable AXEL with an integrated SSG-DBR laser having the above-mentioned unique diffraction grating was prototyped and evaluated.
  • the element having the configuration of this embodiment is referred to as sample A.
  • a wavelength variable AXEL having the same diffraction grating structure as the conventional technique was produced. That is, a device having the same periodic average value of the diffraction grating in the two DBRs was also manufactured and the same evaluation was performed.
  • sample B The element having the structure of the prior art is referred to as sample B.
  • the modulation characteristics of each oscillation wavelength were evaluated for each of the manufactured devices.
  • the entire wavelength tunable range was divided into channels at 100 GHz intervals, and the modulation characteristics when the device was controlled to the corresponding wavelength of each channel were evaluated.
  • the wavelength of each channel was adjusted by injecting 90 mA each into the active region and the SOA region and controlling the front DBR region, the rear DBR region, and the phase adjustment region. ..
  • the drive conditions for each channel were adjusted with an accuracy of ⁇ 0.01 nm with respect to the target wavelength under the condition that the optical output was maximized within the range where SMSR> 45 dB was satisfied.
  • the EA modulator input a modulated signal having a transmission speed of 10 Gbit / s, a signal format of NRZ, and a signal sequence of PRBS2 31-1, and the amplitude voltage was always 2.0 V.
  • the DC bias voltage to the EA modulator was adjusted to a value that maximizes the dynamic extinction ratio by evaluating the EYE pattern waveform of the modulated optical signal.
  • the absolute value of the voltage applied to the actual EA modulator tended to be smaller for the channel on the short wavelength side and larger for the channel on the long wavelength side. This tendency of the modulated signal is because the absorption curve of the EA modulator has a larger absorption on the shorter wavelength side as described with reference to FIG.
  • the wavelength channels evaluated are 49 channels for both sample A and sample B.
  • FIG. 12 is a diagram showing the light output intensity of the sample B by the diffraction grating having the structure of the prior art.
  • This downward-sloping tendency is derived from the wavelength dependence of the optical loss of the EA modulator described with reference to FIG. This decrease in the light output that descends to the left is a problem to be solved.
  • the maximum optical output of 8.1 dBm was obtained in the channel approximately in the center of the tunable range.
  • the minimum optical output was the channel with the shortest wavelength, and the optical output was -4 dBm. Therefore, the optical output between channels in the entire wavelength tunable range has a maximum width variation of 12.1 dB.
  • the tunable AXEL is configured by the SSG-DBR laser using the diffraction grating of the conventional technique, a very large fluctuation of the light output occurs depending on the wavelength.
  • FIG. 13 is a diagram showing the light output intensity of the sample A by the diffraction grating having the configuration of the present disclosure.
  • sample A it is possible to confirm seven small optical output fluctuations that represent optical fluctuations within the seven SSG modes.
  • the maximum value of the optical output is 4.2 dB, which is slightly lower than that of the sample B according to the conventional technique, but the total fluctuation range of the optical output is 5.3 dB at the maximum, which is 12.1 dB of the sample B according to the conventional technique.
  • the fluctuation range was reduced by 7 dB. This is due to the improvement in the decrease in light output on the short wavelength side. Since the optical loss in the EA modulator has the same configuration, both sample A and sample B have the same tendency.
  • the SSG-DBR structure of the present disclosure described above and designing the diffraction grating so that the light output from the laser is maximized on the short wave side, the wavelength dependence of the light loss in the EA modulator is compensated. rice field. A uniform light output was obtained for the entire tunable light transmitter.
  • a tunable optical transmitter that sets the oscillation wavelength to the 1.3 ⁇ m band and supports high-speed modulation of 25 Gbit / s class will be described. Since the basic structure of the device of this embodiment is the same as that of the device of the first embodiment shown in FIG. 11, the description thereof will be omitted.
  • the average period ⁇ 0_front in the diffraction grating in the front DBR region is designed to be slightly larger than the average period ⁇ 0_rear in the diffraction grating in the rear DBR region.
  • the reflection peaks having the shortest wavelength of the plurality of reflection peaks in the two DBR regions match in the state where the DBR current is not injected. , It becomes a state of resonance. Similar to Example 1, a tunable AXEL with an integrated SSG-DBR laser was prototyped and evaluated.
  • the modulation characteristics of each oscillation wavelength were evaluated for each device manufactured in the same manner as in Example 1.
  • the entire wavelength tunable range was divided into channels at 100 GHz intervals, and the modulation characteristics when the device was controlled to the corresponding wavelength of each channel were evaluated.
  • a current of 90 mA is injected into the active region and 120 mA is injected into the SOA region, and the front DBR region, the rear DBR region, and the phase adjustment region are independently controlled to adjust the wavelength of each channel. gone.
  • the drive conditions for each channel were adjusted with an accuracy of ⁇ 0.01 nm with respect to the target wavelength under the condition that the optical output was maximized within the range where SMSR> 45 dB was satisfied.
  • the EA modulator input a modulated signal having a transmission speed of 25 Gbit / s, a signal format of NRZ, and a signal sequence of PRBS2 31-1, and the amplitude voltage was always 1.5 V.
  • the DC bias voltage to the EA modulator was adjusted to a voltage value that maximized the dynamic extinction ratio by evaluating the EYE pattern waveform of the modulated optical signal.
  • the absolute value of the voltage applied to the actual EA modulator tended to be smaller for the channel on the short wavelength side and larger for the channel on the long wavelength side. This is because, as in the case of Example 1, the absorption curve of the EA modulator has a larger absorption on the shorter wavelength side.
  • the number of wavelength channels evaluated is 55 for both sample A and sample B.
  • FIG. 14 is a diagram showing the optical output intensity of the wavelength tunable optical transmitter of the second embodiment.
  • the entire wavelength tunable range fine optical output fluctuations can be confirmed at nine locations that represent optical fluctuations within the SSG mode.
  • the channel from which the maximum optical output was obtained had a wavelength of 1300 nm, and 6.3 dBm was obtained as the optical output during modulation.
  • the channel with the minimum optical output had a wavelength of 1295 nm and a modulated optical output of 0.6 dBm.
  • the fluctuation range of the entire light output is 5.7 dB at the maximum, and the wavelength dependence of the light output is greatly improved as compared with the fluctuation range of 12.1 dB according to the configuration of the prior art shown in FIG. ..
  • the tunable optical transmitter has been described as having an integrated SOA.
  • a wavelength variable optical transmitter having a configuration in which only a wavelength variable DBR laser and an EA modulator are integrated without including SOA also exhibits the same effect as in the embodiment, and the wavelength dependence of the final optical output from the EA modulator is exhibited. Improvement is realized.
  • the diffraction grating of the SSG-DBR has a configuration different from that of the prior art so that oscillation occurs at the reflection peak of the shortest wavelength in the absence of the DBR current. Set. This realizes a flat optical output characteristic that suppresses the wavelength dependence of the final optical output.
  • the present invention can be used as a communication device in an optical communication system.

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Abstract

本開示の波長可変送信機におけるＤＢＲレーザは、後方ＤＢＲ領域、活性領域、前方ＤＢＲ領域がこの順に光軸方向に沿って集積化されている。ＳＳＧ－ＤＢＲの２つのＤＢＲ領域への電流が０の状態で、波長可変帯域に対応する複数の反射ピークの内、最も短波長側の反射ピークを用いた発振モードが最も発振しやすい状態となるように回折格子構造が設定さる。ＳＳＧ－ＤＢＲレーザは、前方ＤＢＲの回折格子の平均周期値が後方ＤＢＲの回折格子の平均周期値よりも大きくなるように構成される。前後の２つのＤＢＲ領域に電流を供給しない状態において、２つのＤＢＲ領域の間で、複数の反射ピークの内の最も短波長側にある反射ピークの波長が一致するように、回折格子が構成される。

Description

波長可変光送信機
　本発明は、光送信機に関する。より詳細には、光変調器と波長可変光源を集積した波長可変光送信機に関する。
　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いる。光通信システムでは、複数の波長を同一の光ファイバを通じて伝送する波長分割多重方式（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）の重要性が高まっている。次世代ネットワークに向けた半導体変調光源にも、高速変調、高光出力などの諸特性に加え、単一の素子で波長可変性を有するデバイスへの需要がますます増加している。
　電界吸収型（ＥＡ：Electro-Absorption）変調器（ＥＡ変調器）を集積した分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feedback）レーザ（以下ＥＡＤＦＢレーザ）は、直接変調型レーザと比較して高い消光特性と優れたチャープ特性を有し、幅広い用途で用いられてきた。
　図１は、一般的なＥＡＤＦＢレーザの概略構成を示す図である。集積化ＥＡＤＦＢレーザ１００は、ＤＦＢレーザ１０およびＥＡ変調器２０が同一チップに集積された構造を有する。ＤＦＢレーザ１０は多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）からなる活性層１を有し、共振器内に形成された回折格子３によって単一波長で発振する。ＥＡ変調器２０は、ＤＦＢレーザとは異なる組成のＭＱＷからなる光吸収層２を有し、変調信号源１２による電圧制御により光吸収層２の光吸収量を変化させる。ＤＦＢレーザ１０からの出力光を透過または吸収する条件でＥＡ変調器２０を駆動して光を明滅させ、電気信号を変調された光信号４に変換する。ＥＡＤＦＢレーザ１００ではＥＡ変調器の光吸収を利用して変調を行うため、十分な消光特性と高光出力化との間には、トレードオフの関係がある。
　図２は、ＥＡＤＦＢレーザの消光曲線と強度変調原理の概略を示す図である。横軸にＥＡ変調器への逆方向印可電圧、縦軸に消光比を示している。一般的なＥＡＤＦＢレーザにおいて、高出力化のための１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である。図２においては、ＶｄｃおよびＶｐｐを、いずれも小さくすれば良い。しかしながらこの場合、ＥＡ変調器の消光曲線の急峻性が低下するため、動的消光比（ＤＥＲ）が劣化してしまう。
　もう１つの手法は、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ことである。この場合も、ＤＦＢレーザの消費電力が増えるとともに、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する。さらに、チップ全体の消費電力も増えてしまう。このように、ＥＡＤＦＢレーザにおいて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、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ＥＡＤＦＢレーザ（SOA Assisted Extended Reach EADFB Laser : ＡＸＥＬ）が提案されている（非特許文献１）。
　図３は、ＥＡＤＦＢレーザにＳＯＡを集積化したＡＸＥＬの概略構成を示す図である。ＡＸＥＬ２００では、ＥＡ変調器２０によって変調された信号光が、集積されたＳＯＡ領域３０によって独立して増幅され、信号光４を得る。光信号波形の品質を劣化させることなく、光出力を増やすことができる。図１のＥＡＤＦＢレーザと比べて、ＤＦＢレーザ１０の駆動電流やＥＡ変調器２０のフォトカレントを過剰に増やすことなく、高出力化できる。さらにＡＸＥＬ２００では、ＤＦＢレーザの活性層１ａと同一のＭＱＷ構造をＳＯＡの活性層１ｂに用いる。ＳＯＡ領域３０の集積のために新たな再成長プロセスを追加する必要なく、ＥＡＤＦＢレーザ１００と同一の製造工程でデバイス作製が可能である。
　ＡＸＥＬにおいてはＤＦＢレーザ領域を、分布反射型（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）レーザに置き換えたデバイスも報告されている（特許文献１）。ＤＢＲレーザは、活性領域の前後に２つのＤＢＲ領域を用いることで共振器を形成し、単一モードで動作する。ＤＢＲレーザは、ＤＦＢレーザに比べ反射戻り光耐性が高く、戻り光がある状態でもレーザ発振が不安定化しにくい。加えて、ＤＢＲ領域に電流を印可することで発振波長を変化させることができるため、波長可変レーザとしても用いられる。
　図４は、一般的なＤＢＲレーザの断面構造の概略を示す図である。ここで波長可変ＤＢＲレーザ３００は、電流注入により光利得を生じる活性領域５０と、活性領域の光軸方向に沿った両端に回折格子６ａを有する導波路５ａからなる後方ＤＢＲ領域４０ａと、回折格子６ｂを有する導波路５ｂからなる前方ＤＢＲ領域４０ｂとを備える。後方ＤＢＲ領域４０ａおよび前方ＤＢＲ領域４０ｂのそれぞれの基板端面には、反射防止膜（ＡＲ：Anti-Reflection）７ａ、７ｂが構成される。
　図５は、ＤＢＲレーザの２つのＤＢＲ領域の反射スペクトルと発振波長の制御を説明する図である。図５の（ａ）は、２つのＤＢＲ領域の反射率を示す。後方ＤＢＲ領域の反射率５１および前方ＤＢＲ領域の反射率５２については、同じブラッグ波長λBraggにおいて反射率のピークを持つように、回折格子６ａ、６ｂが設計される。図５の（ａ）のスペクトルに示されるとおり、ＤＢＲは回折格子の周期（繰り返し構造のピッチ、長さ）によって決定されるブラッグ波長λBraggを中心に、特定の波長域を選択的に反射するミラーの役割を果たす。ブラッグ波長λBraggは回折格子周期で決定され、通常２つのＤＢＲ領域４０ａ、４０ｂの回折格子の同じ周期を持たせることで同一ブラッグ波長となる。したがって、２つのＤＢＲ反射帯域内の波長のみが選択的に共振器内部に閉じ込められ、活性領域５０で増幅効果を得て発振に至る。
　２つのＤＢＲ領域４０ａ、４０ｂによって共振器内部に閉じ込められる波長帯域が十分狭い場合は、ＤＢＲレーザは単一モードで発振する。また、ＤＢＲ領域４０ａ、４０ｂの反射率を調整することで、前方端面および後方端面からの光出力を調整できる。すなわち、後方ＤＢＲ領域４０ａに対して前方ＤＢＲ領域４０ｂの反射率を小さく設計することで、後方端面からの光出力を抑え、前方端面からの光出力を増加させることができる。２つのＤＢＲ領域の回折格子は、一般的に同一構造が形成されるが、ＤＢＲ領域の反射率はＤＢＲ領域の長さによっても調整することができる。
　ＤＢＲ領域のブラッグ波長は、次式で表される。
　λBragg＝２ｎeqΛ　　　　　式（１）
　ここで、Λは回折格子の周期、ｎeqは等価屈折率を表す。
　ＤＢＲレーザの発振波長を変化させる場合、ＤＢＲ領域の等価屈折率ｎeqを何らかの方法で変化させる。ＤＢＲレーザの発振状態を維持したまま、発振波長を変化させるために、２つのＤＢＲ領域のブラッグ波長を一致させたまま、両方の領域のブラッグ波長を同時に変化させるよう調整することになる。
　図５の（ｂ）は、ブラッグ波長を変化させることによる発振波長の制御を説明する模式図である。一般的に屈折率を変化させる手法して、温度調整による方法やＤＢＲ領域に電流を注入して生じるキャリア・プラズマ効果を用いる方法が用いられる。キャリア・プラズマ効果は、電流注入によりＤＢＲ領域内部のキャリア密度が上昇し、屈折率が低下する現象である。ブラッグ波長を示す式（１）を参照すれば、等価屈折率ｎeqが低下することでブラッグ波長は短波長側にシフトする。図５の（ｂ）に示したように、２つのＤＢＲのブラッグ波長が一致した状態で、後方ＤＢＲ領域４０ａに対して電流１３を、前方ＤＢＲ領域４０ｂに電流１４を注入することで、発振状態を維持したまま発振波長を変化させることができる。
　キャリア・プラズマ効果を用いた波長可変レーザとしてはＩｎＧａＡｓＰ/ＩｎＰ系材料を用いた１．５μｍ帯のＤＢＲレーザが多く報告されている（非特許文献２）。またサンプルドグレーティング（ＳＧ：Sampled Grating）や超周期回折格子（ＳＳＧ：Superstructure Grating）などの特殊な回折格子構造を採用して、波長可変幅を大幅に広帯域化した波長可変ＤＢＲレーザも報告されている（非特許文献３）。さらにＥＡ変調器とＤＢＲレーザが集積された波長可変変調光源も報告されている（非特許文献４）。複数の反射ピークを有し、波長可変幅を広帯域化できるＳＳＧ－ＤＢＲレーザは、単一の素子のデバイスとして有望なものであり、その構造および反射特性について説明する。
　図６は、ＳＳＧ－ＤＢＲの回折格子構造を説明する模式図である。図６の（ａ）は、ＳＳＧ－ＤＢＲレーザによるＡＸＥＬ４００の断面構造を示しており、後方ＤＢＲ領域６０ａ、活性領域７０、前方ＤＢＲ領域６０ｂ、ＳＯＡ領域８０が光軸方向に沿って集積化されている。後方ＤＢＲ領域６０ａは回折格子６１ａを、前方ＤＢＲ領域６０ｂは回折格子６１ｂを有しており、回折格子６１ａ、６１ｂのそれぞれの構造が図４の通常のＤＢＲと異なっている。すなわち回折格子６１ａ、６１ｂは、回折格子周期がΛａからΛｂに渡って、連続的かつ周期的に変化する構造を有する。
　図６の（ｂ）は、ＳＳＧ－ＤＢＲレーザにおける回折格子の周期を説明する図である。横軸に回折格子の長さ方向（導波路方向）の位置を、縦軸に回折格子の周期を示している。ここで周期とは、回折格子の繰り返し構造のピッチであって、長さの次元を持つことに留意されたい。ＳＳＧ－ＤＢＲレーザの回折格子の周期は、最大周期Λａから最小周期Λｂの間を繰り返し変化し、その変化の周期がΛＳである。後述するように、ＳＳＧ－ＤＢＲでは、複数の反射ピークが生じ、反射ピークの本数および反射ピーク間の波長間隔は、これらのパラメータΛａ、Λｂ、ΛＳを調整することで設計できる（非特許文献５）。ＳＳＧ－ＤＢＲの反射特性において、中心にある反射ピーク波長λ０は、前述の周期Λａ～Λｂの間を連続的に変化する回折格子周期の平均値Λ０を用い、次式で決定される。
　λ０＝２×ｎｅｑ×Λ０　　　　式（２）
ここでｎｅｑは、ＤＢＲ領域の等価屈折率を表す。通常のＳＳＧ－ＤＢＲレーザでは、前方ＤＢＲ領域と後方ＤＢＲ領域の回折格子周期の平均値を同一になるように設計する。２つのＤＢＲ領域に電流を流さない状態では、複数の反射ピークの内で中心に位置する反射ピークの位置（波長）が２つのＤＢＲ領域で一致するようにＳＳＧ－ＤＢＲの各回折格子が設定されている。
　図７は、ＳＳＧ－ＤＢＲにおける注入電流に対する反射ピークの挙動を説明する図である。図７の（ａ）は、ＤＢＲ注入電流が０の状態で、ＳＳＧ－ＤＢＲの２つのＤＢＲ領域の反射率および合計の反射率を示した図である。ＳＳＧ－ＤＢＲレーザでＤＢＲ注入電流がいずれも０の状態では、前後の２つのＤＢＲ領域が同じ数（５）の反射ピークを有する。これらの反射ピークは、等間隔に並んでおり、波長ピーク同士の間隔は、前方ＤＢＲ領域と後方ＤＢＲ領域とでわずかに異なる。すなわち前方ＤＢＲ領域の反射ピーク間隔Δλｆｒｏｎｔが、後方ＤＢＲの反射ピーク間隔Δλｒｅａｒよりもわずかに大きくなるように設計されている。回折格子の設計によるこのような反射ピークの配置構成によって、バーニア（のぎす）効果により、波長可変帯域において２つのＤＢＲ領域の反射ピークが一致する波長は常に１つだけ存在することになる。２つのＤＢＲ領域の反射ピークが一致した波長で、レーザ発振が生じることになる。
　具体的には図７の（ａ）において、Iｒｅａｒ＝０、Iｆｒｏｎｔ＝０の状態で、後方ＤＢＲ領域の中心ピーク波長７１と、後方ＤＢＲ領域の中心ピーク波長７３が一致している。この状態では、２つのＤＢＲによる合計反射スペクトルは中心波長７５ａでピークを生じ、実際の共振は中心波長７５ａの１つの反射ピークのみで生じる。２つのＤＢＲ領域への注入電流が無い状態では、共振するこの反射ピークの波長で、ＳＳＧ－ＤＢＲレーザの発振が生じる。
　図７の（ｂ）は、ＤＢＲ注入電流を調整して、他の反射ピークに発振モードをホップさせた状態を説明する図である。ここでは前方ＤＢＲ領域６１ｂへの電流を０のままに維持し、後方ＤＢＲ領域６１ａへの電流を０から増加させた際の反射スペクトルの関係を示している。キャリアプ・プラズマ効果により、後方ＤＢＲ領域の複数の反射スペクトル全体が短波長側へシフトする。この状態では、２つのＤＢＲ領域の反射ピーク波長が一致するのは、それぞれ波長可変帯域の中心から１本だけ短波長側にずれたピーク７２、７４となり、これによって発振波長は短波長側のピーク７５ｂにホップする。この状態においても、前後の２つのＤＢＲ領域で一致している反射ピークは１本のみであり、ＳＳＧ－ＤＢＲレーザは単一波長で安定した発振が得られる。
　上述のようなバーニア効果を用いたＤＢＲレーザでは、どのような電流条件においても、前後の２つのＤＢＲ領域で共振するモードが１つだけになり、選択的に発振波長を制御することができる。また図７の（ｂ）の状態から前後の２つのＤＢＲ領域への注入電流をそれぞれ同時に変化させることで、図５に示した単一反射ピークのＤＢＲレーザと同じく、１つの反射ピークによる発振波長シフト（ブラッグ波長シフトと等価）が可能である。ＤＢＲ領域への注入電流によって、発振波長の微調整をすることもできる。ブラッグ波長シフトおよびバーニア効果による発振モード選択を組み合わせることで、離散的な複数の反射ピークを用い、波長ギャップなく疑似連続的な波長制御が可能である。
特開第２０１９－２１２８８８号　明細書
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 Y. Tohmori, Y. Suematsu, H. Tsushima, and S. Arai, "Wavelength tuning of GaInAsP/InP integrated laser with butt-jointed  built-in distributed Brag reflector,"１９８３年 Electron. Lett., vol.  19, pp. 656-6583 Y. Tohmori, Y. Yoshikuni, T. Tamamura, H. Ishii, Y. Kondo, and M.Yamamoto, "Broad-range wavelength tuning in DBR lasers with superstructure grating (SSG),"１９９９年２月IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 5, no. 2, pp.126-129 B. Mason, G. A. Fish, S. P. DenBaars and L. A. Coldren, "Widely tunable sampled grating DBR laser with integrated electroabsorption modulator,"　１９９９年６月　IEEE Photonics Technology Letters, vol. 11, no. 6, pp. 638-640 H. Ishii, H. Tanobe, F. Kano, Y. Tohmori, Y. Kondo, and Y. Yoshikuni, "Quasicontinuous wavelength tuning super-structure-grating (SSG) DBR lasers," １９９６年３月　IEEE J. Quantum Electron., vol. 32, No. 3
　波長可変機能を有するＤＢＲレーザとＥＡ変調器およびＳＯＡを集積したデバイス（以下、波長可変ＡＸＥＬと呼ぶ）では、波長を変化させた際に光出力変動が避けられない課題があった。波長可変ＡＸＥＬで光出力が変動する要因としては大きく２つが挙げられる。光出力変動の１つの要因は、ＥＡ変調器において生じる光損失である。
　図８は、ＥＡ変調器の変調動作原理を説明する概念図である。図８はＥＡ変調器における２つの変調状態を示しており、横軸は波長を、縦軸は変調器を透過する光の吸収係数を示している。図中にはＥＡ変調器に電圧を印加した場合（電界ＯＮ）の吸収曲線８３と、電圧を印加していない場合（電圧ＯＦＦ）の吸収曲線８２を示す。また、図８でλ０～λ３の波長群８１は、それぞれＤＢＲレーザからＥＡ変調器に入射される光の波長であり、ＤＢＲレーザで発振波長をλ０～λ３のいずれかに設定する場合を模式的に表している。
　図８の電界ＯＮ時の吸収曲線８３に示したように、ＥＡ変調器に電界を印加することでＥＡ変調器内の量子井戸構造に起因する吸収曲線の吸収端が長波長側にシフトし、ＥＡ変調器内での光吸収による損失が増大し消光が起こる。ＥＡ変調器を消光させることによって、ＥＡ変調器への電圧印加に応じた光変調が実現できる。実際のＥＡ変調器においては、電界を印加していない（ＯＦＦ）場合にも吸収曲線８２で示すように光損失が生じ、発振波長群８１の短波長側ほど吸収曲線８２の吸収端に掛かるため損失が増大する。
　発振波長を電界ＯＦＦ時の吸収曲線８２が掛かるλ０～λ１まで変化させた場合、図２に示したＥＡ変調器への印加電圧Ｖｄｃおよび信号振幅電圧Ｖｐｐをそれぞれ最適条件に調整する必要がある。しかしこれらの電圧を調整したとしても、原理的に変調時の光出力が短波長側ほど低下することは避けられない。したがって波長可変ＡＸＥＬにおいては、発振波長が短波長であるほど変調時の光出力が低下する傾向がある。すなわち各波長の光出力を波長で示すと、光出力はλ０＜λ１＜λ２＜λ３の関係となって、短波長であるほど光出力が低下する。波長が短いほど光出力は低下するので、横軸に波長を取ったＥＡ変調器の出力特性は、全体として左下がりの特性となる。
　光出力変動のもう１つの要因は、ＥＡ変調器に入射する前の波長可変ＤＢＲレーザにおける光出力に変動である。波長可変ＡＸＥＬでは、ＥＡ変調器に入射する前の波長可変ＤＢＲレーザでも光出力に変動が生じ、波長可変ＡＸＥＬの最終の光出力レベルに影響を与える。波長可変ＤＢＲレーザの光出力変動は、波長可変動作を行う際にキャリア注入によってＤＢＲ領域内部のキャリア密度が変化するためである。前述のようにキャリアプ・プラズマ効果は、電流注入によってＤＢＲ領域内部のキャリア密度が上昇することにより、屈折率が減少する現象である。ＤＢＲ領域の屈折率を大きく変動させるためには、キャリア密度を大きく変化させる必要がある。一方で、キャリア密度の上昇に伴いＤＢＲ領域内部では自由キャリアによる光吸収が増加することで、ＤＢＲ領域の光損失は逆に増加し、出力光強度は低下する。
　図９は、キャリア注入に伴う波長可変ＡＸＥＬの光出力強度変動を模式的に説明する図である。図９の（ａ）は、単一の反射ピークを有する一般的なＤＢＲレーザの場合の反射率および光出力の波長変動を示す。前後の２つのＤＢＲ領域に電流を印加することで、キャリア・プラズマ効果によってＤＢＲの反射ピーク９０は短波長側にシフトする。反射ピーク９０のシフトに伴い発振波長も短波長側にシフトするが、ＤＢＲ領域における光損失も増大する。このため、（ａ）の下の図のように、電流注入に伴って発振波長が短波長にシフトするほど光出力が左下がりに低下してしまう。
　図９の（ｂ）は、ＳＳＧ－ＤＢＲレーザ等の複数の反射ピークを有する特殊なＤＢＲ構造からなる波長可変レーザの場合の反射率と光出力の波長変動を示す。図９の（ｂ）の上の図は、図７と同様にＳＳＧ－ＤＢＲの２つのＤＢＲ領域の反射率を示しており、いずれのＤＢＲ領域にも電流を印加していない状態である。ここでは、活性層の光利得は波長によらず均一であって、反射ピークもすべて均一な反射率を有するものと仮定している。図９の（ｂ）においては、７つの反射ピークの内、波長可変帯域のちょうど中央に位置する反射ピーク９０の波長が前後の２つのＤＢＲ領域で一致し、この波長で発振している状態を示している。前方ＤＢＲ領域および後方ＤＢＲ領域はそれぞれ独立して電流制御されるため、ＤＢＲ領域毎に、反射ピーク全体を短波長側へシフトさせることができる。２つのＤＢＲ電流を細かく調整することで、２つのＤＢＲ領域で、複数の反射ピークの内の１つを選択的に一致させ、発振波長を変化させることができる。
　ＳＳＧ－ＤＢＲレーザにおいても、ＤＢＲ電流の調整によりＤＢＲ領域内のキャリア密度が上昇し損失が増加するため光出力が減少する。複数の反射ピークを用いたＤＢＲレーザではＤＢＲ電流による発振波長の制御がやや複雑であるが、概ね図９の（ｂ）の下の図に示すように、鋸の歯状に細かいレベル変動を繰り返しながら、波長とともに光出力が変動する。ＳＳＧ－ＤＢＲレーザの光出力特性は、前後の２つのＤＢＲ領域への注入電流量に依存しており、１つの鋸の歯に対応する同一反射ピークを用いた波長域内では、短波長側ほど左下がりに光出力が低下する。
　通常ＳＳＧ－ＤＢＲレーザでは、前後の２つのＤＢＲ領域で電流を注入していない状態で、波長可変帯域の複数の反射ピークの内の中央にある反射ピークの波長が一致するように設計される。したがって、ＤＢＲ領域で電流を注入していない状態が、最も光強度の大きい状態となる。２つのＤＢＲ領域間で反射ピークを一致させる波長が、複数の反射ピークの内の中央にある反射ピーク（ＤＢＲ電流０の状態）から離れるほど、ＤＢＲ領域への電流注入量が増加する。このため、ＤＢＲ電流の増加とともに、光出力が低下する傾向にある。結果として図９の（ｂ）の下の図のように、発振波長を最も短波長側に設定した時の光出力が最も小さくなるのが一般的である。
　上述のように２つの要因により、波長可変ＡＸＥＬにおける変調時光出力は波長毎に変動し、特に短波長側で光出力の低下が顕著になる。本発明は上述の課題を鑑みてなされたもので、その目的とするところは、光出力の波長依存性を改善した波長可変光送信機を提供するところにある。
　本発明の１つの実施態様は、第１の回折格子を備え、複数の反射ピークからなる反射特性を有する後方ＤＢＲ領域、光利得を生じる活性領域、および、第２の回折格子を備え、複数の反射ピークからなる反射特性を有する前方ＤＢＲ領域を備えた波長可変光源と、前記前方ＤＢＲ領域に光学的に接続された電界吸収型光変調器とが光軸方向に沿って集積された波長可変光送信機であって、前記前方ＤＢＲ領域の反射ピークの波長間隔が、前記後方ＤＢＲ領域の反射ピークの波長間隔よりも大きく設定され、前記第１の回折格子の平均周期Λ0_frontが、前記第２の回折格子の平均周期Λ0_rearよりも大きく設定されたことを特徴とする波長可変光送信機である。
　前記後方ＤＢＲ領域への第１の注入電流および前記前方ＤＢＲ領域への第２の注入電流が０の状態で、前記後方ＤＢＲ領域の前記複数の反射ピークの内の最短波長の反射ピークの波長と、前記前方ＤＢＲ領域の前記複数の反射ピークの内の最短波長の反射ピークの波長とが一致するよう、前記第１の回折格子および前記第２の回折格子が構成されることができる。
　本発明により、光出力の波長依存性を改善した波長可変光送信機を提供できる。
一般的なＥＡＤＦＢレーザの概略構成を示す図である。 ＥＡＤＦＢレーザの消光曲線と強度変調原理の概略を示す図である。 ＥＡＤＦＢレーザにＳＯＡを集積化したＡＸＥＬの構成を示す図である。 一般的なＤＢＲレーザの断面構造の概略を示す図である。 ＤＢＲ領域の反射スペクトルと発振波長の制御を説明する図である。 ＳＳＧ－ＤＢＲの回折格子構造を説明する模式図である。 ＳＳＧ－ＤＢＲレーザの注入電流－反射ピークの挙動を説明する図である。 ＥＡ変調器の変調動作原理を説明する概念図である。 キャリア注入に伴う波長可変ＡＸＥＬの光出力変動を説明する図である。 本開示の波長可変光送信機のＳＳＧ－ＤＢＲレーザ動作の説明図である。 実施例１の波長可変光送信機の断面構成を示す図である。 従来技術の回折格子によるサンプルＢの光出力強度を示す図である。 実施例１の回折格子によるサンプルＡの光出力強度を示す図である。 実施例２の波長可変光送信機の光出力強度を示す図である。
　本開示の波長可変光送信機は、ＤＢＲレーザおよびＥＡ変調器を集積化し、ＤＢＲレーザで発生した光を、ＥＡ変調器において情報信号により変調し、変調された光信号を伝送する送信機能を少なくとも有する。本開示の波長可変送信機におけるＤＢＲレーザは、後方ＤＢＲ領域、活性領域、前方ＤＢＲ領域がこの順に光軸方向に沿って、半導体基板上に集積化されている。ＤＢＲレーザは、後方ＤＢＲ領域および前方ＤＢＲ領域いずれも複数の反射ピークを有するＳＳＧ－ＤＢＲである。ＳＳＧ－ＤＢＲの２つのＤＢＲ領域への電流が０の状態で、波長可変帯域に対応する複数の反射ピークの内、最も短波長側の反射ピークを用いた発振モードが最も発振しやすい状態となるように回折格子構造が設定されている。
　本開示の波長可変送信機において、ＤＢＲレーザは、前方ＤＢＲの回折格子の平均周期値が後方ＤＢＲの回折格子の平均周期値よりも大きくなるように構成されている。前後の２つのＤＢＲ領域に電流を供給しない状態において、２つのＤＢＲ領域の間で、複数の反射ピークの内の最も短波長側にある反射ピークの波長が一致するように、回折格子が構成される。従来技術のＳＳＧ－ＤＢＲレーザでは、後方ＤＢＲ領域の回折格子の平均周期値と、前方ＤＢＲ領域の回折格子の平均周期値とが、同一になるように設計されていた。さらに２つのＤＢＲ領域に電流を流さない状態で、後方ＤＢＲ領域の複数の反射ピークの内の中心反射ピークの波長と、前方ＤＢＲ領域の複数の反射ピークの内の中心反射ピークの波長とを一致させていたのと対照的である。以下、従来技術のＳＳＧ－ＤＢＲレーザの回折格子の構成と対比しながら、本開示の波長可変光送信機におけるＳＳＧ－ＤＢＲレーザの構成とその動作について説明する。
　図１０は、本開示の波長可変光送信機におけるＳＳＧ－ＤＢＲレーザの動作を説明する図である。本開示の波長可変光送信機のＳＳＧ－ＤＢＲレーザは、ＤＢＲ電流を流さない状態で、複数の反射ピークの内の短波長側の反射ピーク波長で発振するよう構成される。この状態では、自由キャリアによる光損失が最小となる。図１０の上の図は、ＤＢＲ電流を流さない状態の２つのＤＢＲ領域の反射特性を示す。図１０の下の図は、本開示の波長可変光送信機のＳＳＧ－ＤＢＲレーザの光出力の波長依存特性を示す。図１０の２つの図は、従来技術のＳＳＧ－ＤＢＲレーザについての図９の（ｂ）の２つの図に対応しており、従来技術の構成と対比をしながら説明をする。
　まず図１０の下の図によって、ＳＳＧ－ＤＢＲレーザの光出力の波長依存特性を概観する。本開示の波長可変光送信機のＳＳＧ－ＤＢＲレーザの光出力には、ＤＢＲ領域の反射ピークの数に対応する、鋸の歯状の繰り返しの細かい光強度変動が見られる。しかしながら波長可変帯域の全体としては右下がりの特性であって、光出力は短波長側で高く、長波長側に向かって徐々に低下する傾向を確認できる。繰り返しの光出力変動の中で、１つの鋸の歯内の左下がりの光出力変動は、２つのＤＢＲ領域のそれぞれにおける、複数の反射ピークの内の１つの反射ピークに対応している。したがって図９の（ｂ）従来技術の場合と同様に、１つの鋸の歯に対応する波長範囲内では、同一の反射ピークを用いて発振が生じている。
　本開示の波長可変光送信機のＳＳＧ－ＤＢＲレーザの光出力の波長依存特性は、前方ＤＢＲ領域の電流と、後方ＤＢＲ領域の電流とに依存する光出力の変化を表している。図１０における波長可変帯域全体で右下がりの光出力特性は、後述するように、２つのＤＢＲ電流ができるだけ少ない状態で短波長側の発振モードで発振するよう、各回折格子の構造を設定することで実現される。回折格子構造の本発明特有の設定により、本開示の波長可変光送信機のＳＳＧ－ＤＢＲレーザでは、長波長側に比べて短波長側でより高い光出力が得られる。一方、ＥＡ変調器は図８で説明したように短波長側ほど光損失が大きい傾向を持っており、全体として左下がりの特性を持つ。本開示のＳＳＧ－ＤＢＲレーザの「右下がり」の光出力特性と、ＥＡ変調器の「左下がり」の光出力特性とが相殺され、本開示の波長可変光送信機の光出力では全波長域で概ねフラットな光出力特性が得られる。次に、本開示のＳＳＧ－ＤＢＲレーザにおける、回折格子のより具体的設計について説明する。
　ＳＳＧ－ＤＢＲの反射特性を決定するにあたっては、反射ピークの数および反射ピークの波長間隔を任意に設計することができる（非特許文献５）。ＳＳＧ－ＤＢＲレーザでは、反射ピークの波長間隔を広げるほど、または、反射ピークの数を増やすほど、より広い波長範囲で波長制御が可能になる。しかしながら反射ピークの波長間隔を広げた場合、反射ピーク間の波長に発振波長を制御することが難しくなり、反射ピーク間に波長制御できない波長ギャップが生じてしまう。また反射ピークの数を増やした場合、１つの反射ピークの反射率は低下するため、レーザ発振を維持することが困難になる。波長可変範囲を広げようとする場合、疑似連続的な波長可変特性と安定したレーザ発振を得るためには、反射ピーク数の増加および反射ピークの波長間隔の増加にはそれぞれ限界がある。
　上述のＳＳＧ－ＤＢＲレーザの特性を考えると、各バンドにおいて想定する波長可変帯域で、現実的な反射ピークの数Ｎは５～１１本に設定する必要がある。また反射ピークの波長間隔の最適値は発振波長帯によって異なり、Ｃバンド波長帯（１５３０～１５６５ｎｍ）やＬバンド波長帯（１５６５～１６２５ｎｍ）では、２つのＤＢＲ領域における隣接する反射ピークの波長間隔（波長差）をそれぞれ４～９ｎｍに設定する。
　これに対して、Ｏバンド波長帯（１２６０～１３６０ｎｍ）ではＣバンドと比べて原理的に屈折率変化量が小さくブラッグ波長シフト量が小さい。このため、２つのＤＢＲ領域における隣接する反射ピークの波長間隔を３～６ｎｍに設定する必要がある。２つのＤＢＲ領域がそれぞれ有する複数の反射ピークの内、最短波長のピーク波長を一致させる場合、上述のＳＳＧ－ＤＢＲの反射ピークの数や反射ピークの波長間隔の条件を考慮して設定する必要がある。
　再び図１０を参照して、本開示の波長可変光送信機におけるＳＳＧ－ＤＢＲレーザの回折格子の具体的な構成を説明する。図１０の上の図は、本開示のＳＳＧ－ＤＢＲレーザにおける反射ピーク設定の一例を示している。Ｃバンド波長帯の一般的な構造例として、１．５５μｍ波長帯において反射ピーク数Ｎを７本、前方ＤＢＲ領域の反射ピーク間隔をΔλfront＝８．６ｎｍ、後方ＤＢＲ領域の反射ピーク間隔をΔλrear＝７．７ｎｍとした。図１０では、２つのＤＢＲ領域に電流を流さない状態で、前方ＤＢＲ領域の反射特性を実線で、後方ＤＢＲ領域の反射特性を破線で表している。本開示のＳＳＧ－ＤＢＲレーザで特徴的なのは、ＤＢＲ領域に電流を流さない状態で、２つのＤＢＲ領域間で反射ピークが一致する波長を、複数の反射ピークの内の最短波長側の反射ピークとすることである。言い換えると、前方ＤＢＲ領域の複数の反射ピークの内の最短波長側の反射ピーク波長９１と、後方ＤＢＲ領域の複数の反射ピークの内の最短波長側の反射ピーク波長９１とが一致した状態になるよう、回折格子が設定されている。
　尚、ＤＢＲ領域に電流を流さない状態で、２つのＤＢＲ領域における複数の反射ピークを含む波長範囲は、少なくとも、波長可変送信機で目的とする波長可変範囲を含んでいる必要がある。複数の反射ピークの内、最も長波長側の反射ピークは、ＤＢＲ領域に電流を流しても短波長側にのみシフトするため、最も長波長側の反射ピークよりも長波長側に発振波長を調整できないからである。
　具体的には、２つのＤＢＲ領域に対して、最短波長側の反射ピークの波長が一致するように回折格子周期の平均値を調整する。図１０に示した構成例では、前方ＤＢＲ領域の回折格子周期の平均値Λ0_frontが、後方ＤＢＲ領域の回折格子周期の平均値Λ0_rearよりも０．２３％大きくなるように回折格子の構造を設定する。これにより、前方ＤＢＲ領域の反射特性全体は、後方ＤＢＲ領域よりも長波長側へ徐々にシフトし、より広かった反射ピークの配置となる。回折格子の周期とは、活性層の上面の形成された凹凸の繰り返し構造の繰り返しの物理的長さ（ピッチ）を表しており、長さの次元を持っている。通常の用語「周期」が時間の次元を持つのとは異なる点に留意されたい。
　ここで図９の従来技術のＳＳＧ－ＤＢＲレーザの反射特性と、図１０の本開示の波長可変光送信機におけるＳＳＧ－ＤＢＲレーザの反射特性とを比較してみる。従来技術のＳＳＧ－ＤＢＲレーザでは２つのＤＢＲ領域の回折格子周期の平均値を同一に設計していた。このため図９の（ｂ）に示したように、波長可変帯域に対応する複数の反射ピークの内の中心に位置する反射ピークの波長が一致した状態としていた。２つのＤＢＲ領域に電流を流さない状態で、後方ＤＢＲ領域の最短波長側の反射ピークの波長９２と、前方ＤＢＲ領域の最短波長側の反射ピークの波長９３を比較すると、波長差は約３．６ｎｍとなる。
　これに対して図１０の本開示の波長可変光送信機におけるＳＳＧ－ＤＢＲレーザでは、後方ＤＢＲ領域の最短波長側の反射ピークの波長と、前方ＤＢＲ領域の最短波長側の反射ピークの波長を一致させている。このように２つのＤＢＲ領域で、複数の反射ピークの内の最短波長側の反射ピークの波長が一致した状態であれば、ＤＢＲ電流を流さない状態で最短波長側のモードが発振する。また最短波長側のモードを使って発振波長を微調整する際にも、従来技術よりも比較的小さいＤＢＲ電流で波長調整が可能である。したがって、最短波長側の発振モードにおいて、波長調整のためのＤＢＲ電流の印加に伴う光出力の低下が大幅に抑制される。図９の（ｂ）で説明した従来技術の構成で、最短波長側へ波長を調整する場合に、最大のＤＢＲ電流が必要であったのと対照的である。
　したがって本発明の波長可変光送信機は、第１の回折格子を備え、複数の反射ピークからなる反射特性を有する後方ＤＢＲ領域、光利得を生じる活性領域、および、第２の回折格子を備え、複数の反射ピークからなる反射特性を有する前方ＤＢＲ領域を備えた波長可変光源と、前記前方ＤＢＲ領域に光学的に接続された電界吸収型光変調器とが光軸方向に沿って集積された半導体光送信機であって、前記前方ＤＢＲ領域の反射ピークの波長間隔が、前記後方ＤＢＲ領域の反射ピークの波長間隔よりも大きく設定され、前記第１の回折格子の平均周期Λ0_frontが、前記第２の回折格子の平均周期Λ0_rearよりも大きく設定されたものとして実施できる。
　また、前記後方ＤＢＲ領域への第１の注入電流および前記前方ＤＢＲ領域への第２の注入電流が０の状態で、前記後方ＤＢＲ領域の前記複数の反射ピークの内の最短波長の反射ピークの波長と、前記前方ＤＢＲ領域の前記複数の反射ピークの内の最短波長の反射ピークの波長とが一致するよう、前記第１の回折格子および前記第２の回折格子が構成されたものとすることができる。
　本開示のＳＳＧ－ＤＢＲレーザにおいて、対象とする波長可変帯域別に、２つの回折格子の構造の好ましい構成を例示すれば、以下の通りである。前方ＤＢＲ領域および後方ＤＢＲ領域の回折格子の平均周期をそれぞれΛ0_front、Λ0_rearとする。２つの平均周期を用いて、２つの回折格子の平均周期差ΔΛ0を次式のように定義する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005

ここで対象とする波長可変範囲に対応する反射ピークの数をＮとすると、発振波長が１．５５μｍ帯の場合（Ｃバンド波長帯、Ｌバンド波長帯）、前方ＤＢＲ領域および後方ＤＢＲ領域の回折格子の周期が次式を満たすように設計するのが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
　また発振波長が１．３μｍ帯の場合（Ｏバンド波長帯）、１．５μｍ帯と比べてキャリア・プラズマ効果による屈折率変化が小さい。このため、前方ＤＢＲ領域および後方ＤＢＲ領域の回折格子の周期が、次式を満たすように設計するのが好ましい
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
　以下、ＳＳＧ－ＤＢＲレーザを含む波長可変光送信機の具体的な実施例について、その具体的な構成と光出力レベルの波長依存性の改善について説明する。
　図１１は、実施例１の波長可変光送信機の断面構成を示す図である。本波長可変光送信機５００は、ＳＳＧ－ＤＢＲレーザとＥＡ変調器に加えて、ＳＯＡを集積化した波長可変ＡＸＥＬである。ＳＳＧ－ＤＢＲレーザは、長さ３００μｍの活性領域１２０と、長さ２００μｍの前方ＤＢＲ領域１００ｂおよび４００μｍの後方ＤＢＲ領域１００ａが光軸方向に構成されている。さらに光軸方向に沿ってＳＳＧ－ＤＢＲレーザの前方に、長さ２００μｍのＥＡ変調器１３０と、長さ１５０μｍのＳＯＡ１４０とが集積され、波長可変光送信機の全体がモノリシック集積素子となっている。活性領域１２０と後方ＤＢＲ領域１００ａの間には、位相調整領域１１０も設けられている。ＳＯＡ１４０側の基板端面から変調された光信号４が出力される。
　ここで、波長可変光送信機５００の作製プロセスを説明する。素子作製にはｎ－ＩｎＰ基板上に、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。多重量子井戸層は発振波長１．５５μｍ帯に光利得を有する。初めに、ＤＢＲレーザの活性領域およびＳＯＡ領域となる部分を残し、その他の活性層を選択的にエッチングして、バットジョイント再成長によりＥＡ変調器のための多重量子井戸層（ＭＱＷ２）を成長した。続いて、ＤＢＲレーザの活性領域、ＥＡ変調器領域、ＳＯＡ領域となる部分を残し、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のコア層を形成した。次に、２つのＤＢＲ領域となる部分に、発振波長１．５５μｍ帯で動作し上述の式（３）、式（４）を満たす様な平均周期を有するＳＳＧ－ＤＢＲの回折格子を形成した。その後、再成長により素子全面にｐ－ＩｎＰクラッド層を成長した。本実施例ではクラッド層の厚さを２．０μｍとして、電極領域に光のフィールドが掛からないように設計した。
　クラッド層を成長させた後、エッチングによってメサ構造を形成しリッジ導波路構造を形成した。その後、半導体基板の上部表面にｐ側の電極を形成した。最後に、ＩｎＰ基板を１５０μｍ程度まで研磨し、基板裏面に電極を形成して半導体ウェハ上での工程は完了となる。本実施例の波長可変光送信機では、２つのＤＢＲ領域とパッシブ導波路領域は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の有無のみである。また、活性領域およびＳＯＡ領域も同一構造の多重量子井戸層を有し、一括に成長される。上述の工程によって、複数の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。
　ここで、実施例１の波長可変光送信機の２つのＤＢＲ領域１００ａ、１００ｂに形成された回折格子（ＳＳＧ）の構造について説明する。図１０において説明したように、実施例１のＳＳＧ－ＤＢＲレーザでは、２つのＤＢＲ領域１００ａ、１００ｂがそれぞれ複数の反射ピークを有し、反射ピークの間隔が２つのＤＢＲ領域間でわずかに異なる。バーニア効果により、２つのＤＢＲ領域の各々で、複数の反射ピークの内の１つのピークを選択して、発振波長を制御することができる。
　２つのＤＢＲ領域１００ａ、１００ｂはそれぞれ７個（Ｎ＝７）の反射ピークを有する。前方ＤＢＲ領域と後方ＤＢＲ領域における反射ピーク間隔は、それぞれΔλfront＝８．６ｎｍ、Δλrear＝７．７ｎｍとし、わずかに前方ＤＢＲ領域の反射ピーク間隔が後方ＤＢＲ領域の反射ピーク間隔より大きくなるように設計している。加えて、前方ＤＢＲ領域の回折格子における平均周期Λ0_frontを後方ＤＢＲ領域の回折格子における平均周期Λ0_rearよりもわずかに大きくなるように設計している。前述の前方ＤＢＲ領域、後方ＤＢＲ領域における反射ピーク間隔Δλfront、Δλrearの値および反射ピークの数のＮ＝７から、式（４）を満たすように、前方ＤＢＲ領域および後方ＤＢＲ領域の各回折格子の平均周期Λ0_frontおよびΛ0_rearを決定する。１．５５μｍ帯の式（４）のように、Λ0_frontをΛ0_rearよりも０．１７４％大きくなるように設計している（ΔΛ0＝０．１７４）。
　上述のように回折格子の構造を設定することより、２つのＤＢＲ領域のいずれにもＤＢＲ電流を注入していない状態で、２つのＤＢＲの複数の反射ピークの内、それぞれ最短波長の反射ピークの波長が一致し、共振する状態となる。
　上述の特有の回折格子を有するＳＳＧ－ＤＢＲレーザが集積された波長可変ＡＸＥＬを試作し評価を行った。本実施例の構成の素子を、サンプルＡとする。また本実施例においては、特有の回折格子を有するＳＳＧ－ＤＢＲレーザによる光出力特性の改善効果を確認するために、従来技術と同じ回折格子構造による波長可変ＡＸＥＬを作製した。すなわち２つのＤＢＲで回折格子の周期平均値が同一であるデバイスも合わせて作製し、同じ評価を行った。従来技術の構成による素子を、サンプルＢとする。これらサンプルＡおよびサンプルＢは、回折格子の構造を除いてすべて同一の構造を有し、同一の作製工程を用いて試作した。
　作製したそれぞれのデバイスにおいて、発振波長ごとの変調特性の評価を行った。波長可変範囲全域を１００ＧＨｚ間隔のチャネルに分割し、各チャネルの対応する波長にデバイスを制御した際の変調特性を評価した。各素子のＳＳＧ－ＤＢＲレーザについては、活性領域およびＳＯＡ領域にそれぞれ９０ｍＡずつの電流を注入し、前方ＤＢＲ領域、後方ＤＢＲ領域、位相調整領域を制御することで、各チャネルの波長調整を行った。各チャネルにおける駆動条件の調整は、発振波長をターゲット波長に対して±０. ０１ｎｍの精度で調整し、ＳＭＳＲ＞４５ｄＢを満たす範囲で光出力が最大になる条件で行った。
　ＥＡ変調器は、伝送速度が１０Ｇｂｉｔ／ｓ、信号形式がＮＲＺ、信号系列がＰＲＢＳ２３１－１の変調信号を入力し、振幅電圧は常に２．０Ｖとした。ＥＡ変調器へのＤＣバイアス電圧については、変調された光信号のＥＹＥパターン波形を評価し、動的消光比が最大になるような値に調整した。実際のＥＡ変調器へ印加した電圧の絶対値は、短波長側のチャネルほど小さく、長波長側ほど大きくなる傾向を示した。変調信号のこの傾向は、図８で説明したようにＥＡ変調器の吸収曲線が短波長側ほど大きな吸収を有するためである。評価した波長チャネルは、サンプルＡおよびサンプルＢともに４９チャネルである。
　ＥＹＥパターン波形を評価したところ、サンプルＡおよびサンプルＢのどちらのサンプルも全チャネルにわたり比較的明瞭なＥＹＥ開口が得られ、全チャネルにわたり動的消光比６ｄＢ以上が確認された。上述の特有の回折格子を有するＳＳＧ－ＤＢＲレーザの効果を確認するために、サンプルＡ、サンプルＢにおいて測定した全チャネルの変調時の光出力強度を比較した。
　図１２は、従来技術の構成の回折格子によるサンプルＢの光出力強度を示す図である。全波長可変帯域に渡り、鋸の歯状に光出力の細かい変動が７か所にみられる。これらの光出力の変動は、２つのＤＢＲ領域のそれぞれにおいて、異なる７本の反射ピークの内の１つによって発振状態が決定されていることを示している。鋸の歯１つの範囲内にある点は、同一の反射ピークを使用し、異なるＤＢＲ電流により設定された発振状態に対応している。鋸の歯１つの範囲内では、ＤＢＲ電流が大きい動作条件ほど光出力が低下する左下がりの特性を示している。波長可変帯域の全体にわたり短波長側ほど光出力が低下する左下がりの傾向が確認できる。この左下がりの傾向は、図８で説明をしたＥＡ変調器の有する光損失の波長依存性に由来する。この左下がりの光出力の低下が、解決すべき問題である。波長可変域のほぼ中央のチャネルにおいて、最大の光出力の８．１ｄＢｍが得られた。これに対して、最小の光出力となったのは、最短波長のチャネルであり、その光出力は－４ｄＢｍであった。したがって、全波長可変域でチャネル間の光出力には、最大１２．１ｄＢの幅の変動を生じている。このように、従来技術の構成の回折格子によるＳＳＧ－ＤＢＲレーザで波長可変ＡＸＥＬを構成した場合、波長に依って非常に大きな光出力の変動が生じてしまう。
　図１３は、本開示の構成の回折格子によるサンプルＡの光出力強度を示す図である。サンプルＡにおいても７つのＳＳＧモード内での光変動を表す７か所の細かい光出力変動が確認できる。しかしながら図１２に示した従来技術構成によるサンプルＢとは異なり、短波長側での顕著な光出力の低下は見られず、波長可変範囲全体で、均一な光出力が得られている。光出力の最大値は４．２ｄＢであり、従来技術によるサンプルＢと比較してやや低下しているが、全体の光出力変動幅は最大でも５．３ｄＢとなり、従来技術によるサンプルＢの１２．１ｄＢに対して７ｄＢも変動幅が縮小された。これは、短波長側での光出力低下が改善されたことに起因する。ＥＡ変調器における光損失は、同一構成のためサンプルＡ、サンプルＢともに同じ傾向を有している。上述の本開示のＳＳＧ－ＤＢＲ構造を採用して、レーザからの光出力を短波側で最大となるように回折格子を設計することで、ＥＡ変調器での光損失の波長依存性が補償された。波長可変光送信機の全体として、均一な光出力が得られた。
　本実施例では、発振波長を１．３μｍ帯に設定し、２５Ｇｂｉｔ／ｓ級の高速変調に対応する波長可変光送信機について説明する。本実施例のデバイスの基本構造は、図１１で示した実施例１のデバイスと同一であるので説明を省略する。
　実施例１の１．５５μｍ帯と比較して、本実施例の１．３μｍ帯の動作では２つのＤＢＲ領域が有する反射ピーク間隔を小さく設計する必要がある。１．３μｍ帯では、キャリア・プラズマ効果による屈折率変化量と波長シフト量が１.５５μｍ帯よりも小さいためである。本実施例では２つのＤＢＲ領域はそれぞれ９個（Ｎ＝９）の反射ピークを有している。前方ＤＢＲ領域と後方ＤＢＲ領域における反射ピーク間隔は、それぞれΔλfront＝４．０ｎｍ、Δλrear＝３．５ｎｍとし、わずかに前方ＤＢＲ領域の反射ピーク間隔が後方ＤＢＲ領域の反射ピーク間隔より大きくなるように設計している。加えて、前方ＤＢＲ領域の回折格子における平均周期Λ0_frontを後方ＤＢＲ領域の回折格子における平均周期Λ0_rearよりもわずかに大きくなるように設計している。前述の前方ＤＢＲ領域、後方ＤＢＲ領域における反射ピーク間隔Δλfront、Δλrearの値および反射ピークの数のＮ＝９から、式（５）を満たすように、前方ＤＢＲ領域および後方ＤＢＲ領域の回折格子の平均周期Λ0_frontおよびΛ0_rearを決定する。Λ0_frontをΛ0_rearよりも０．１５４％大きくなるように設計している（ΔΛ0＝０．１５４）。
　上述のように式（５）を満たすように回折格子を設定することで、ＤＢＲ電流を注入していない状態において、２つのＤＢＲ領域の複数の反射ピークの内、最短波長の反射ピークが一致し、共振する状態となる。実施例１と同様に、ＳＳＧ－ＤＢＲレーザが集積された波長可変ＡＸＥＬについて試作および評価を行った。
　実施例１と同じく作製したそれぞれのデバイスにおいて、発振波長ごとの変調特性の評価を行った。波長可変範囲全域を１００ＧＨｚ間隔のチャネルに分割し、各チャネルの対応する波長にデバイスを制御した際の変調特性を評価した。各素子のＳＳＧ－ＤＢＲレーザについては、活性領域に９０ｍＡ、ＳＯＡ領域に１２０ｍＡの電流を注入し、前方ＤＢＲ領域、後方ＤＢＲ領域、位相調整領域を独立に制御することで、各チャネルの波長調整を行った。各チャネルにおける駆動条件の調整は、波長をターゲット波長に対して±０. ０１ｎｍの精度で調整し、ＳＭＳＲ＞４５ｄＢを満たす範囲で光出力が最大になる条件で行った。
　ＥＡ変調器は、伝送速度が２５Ｇｂｉｔ／ｓ、信号形式がＮＲＺ、信号系列がＰＲＢＳ２３１－１の変調信号を入力し、振幅電圧は常に１．５Ｖとした。ＥＡ変調器へのＤＣバイアス電圧については、変調された光信号のＥＹＥパターン波形を評価し、動的消光比が最大になるような電圧値に調整した。実際のＥＡ変調器へ印加した電圧の絶対値は短波長側のチャネルほど小さく、長波長側ほど大きくなる傾向を示した。これは、実施例１の場合と同じく、ＥＡ変調器の吸収曲線が短波長側ほど大きな吸収を有するためである。評価した波長チャネルの数は、サンプルＡ、サンプルＢともに５５チャネルである。各チャネルのＥＹＥパターン波形を評価したところ全チャネルでの明瞭なＥＹＥ開口が得られた。動的消光比は、全チャネルに渡り５．５ｄＢ以上であることが確認された。
　図１４は、実施例２の波長可変光送信機の光出力強度を示す図である。波長可変範囲の全体で、ＳＳＧモード内での光変動を表す９か所の細かい光出力変動が確認できる。しかしながら図１２に示した従来技術のＳＳＧ－ＤＢＲレーザによるサンプルＢとは異なり、短波長側での顕著な光出力の低下は見られず、実施例１と同様に、波長可変範囲の全体で均一な光出力が得られている。最大の光出力が得られたチャネルは波長が１３００ｎｍであり、変調時の光出力として６．３ｄＢｍが得られた。最小の光出力となったチャネルは波長が１２９５ｎｍであり、変調時光出力は０．６ｄＢｍであった。全体の光出力の変動幅は最大で５．７ｄＢとなっており、図１１に示した従来技術の構成による１２．１ｄＢもの変動幅と比べて、光出力の波長依存性が大幅に改善された。
　上述の各実施例では、波長可変光送信機は、ＳＯＡも集積化したものとして説明をした。しかしながらＳＯＡを含まずに、波長可変ＤＢＲレーザとＥＡ変調器のみを集積化した構成の波長可変光送信機でも実施例と同様の効果を発揮し、ＥＡ変調器からの最終光出力の波長依存性の改善が実現される。
　以上詳細に説明したように本開示の波長可変光送信機では、ＳＳＧ－ＤＢＲの回折格子を、ＤＢＲ電流が無い状態で、最短波長の反射ピークにおいて発振が生じるよう、従来技術とは異なる構成に設定する。これにより、最終光出力の波長依存性を抑えたフラットな光出力特性を実現する。
　本発明は、光通信システムにおける通信装置に利用できる。

Claims (7)

  1. 　第１の回折格子を備え、複数の反射ピークからなる反射特性を有する後方ＤＢＲ領域、
    　光利得を生じる活性領域、および、
    　第２の回折格子を備え、複数の反射ピークからなる反射特性を有する前方ＤＢＲ領域を備えた波長可変光源と、
    　前記前方ＤＢＲ領域に光学的に接続された電界吸収型光変調器と
    が光軸方向に沿って集積された波長可変光送信機であって、
    　前記前方ＤＢＲ領域の反射ピークの波長間隔が、前記後方ＤＢＲ領域の反射ピークの波長間隔よりも大きく設定され、
    　前記第１の回折格子の平均周期Λ0_frontが、前記第２の回折格子の平均周期Λ0_rearよりも大きく設定されたこと
    　を特徴とする波長可変光送信機。
  2. 　前記後方ＤＢＲ領域への第１の注入電流および前記前方ＤＢＲ領域への第２の注入電流が０の状態で、前記後方ＤＢＲ領域の前記複数の反射ピークの内の最短波長の反射ピークの波長と、前記前方ＤＢＲ領域の前記複数の反射ピークの内の最短波長の反射ピークの波長とが一致するよう、前記第１の回折格子および前記第２の回折格子が構成されたことを特徴とする請求項１に記載の波長可変光送信機。
  3. 　前記前方ＤＢＲ領域への第１の注入電流および前記後方ＤＢＲ領域への第２の電流注入により、前記波長可変光源の発振波長を変化させることを特徴とする請求項１に記載の波長可変光送信機。
  4. 　発振波長の可変域は、ＣバンドまたはＬバンドを含み、
    　前方ＤＢＲ流域および前記後方ＤＢＲ領域が同一の反射ピーク数Ｎを有し、
    　前記第１の回折格子の平均周期Λ0_frontと、前記第２の回折格子の平均周期Λ0_rearとの間の平均周期差ΔΛ0について、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
    および
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
    を満足するように前記第１の回折格子および前記第２の回折格子が構成されたことを特徴とする請求項１に記載の波長可変光送信機。
  5. 　発振波長の可変域は、Ｏバンドを含み、
    　前方ＤＢＲ流域および前記後方ＤＢＲ領域が同一の反射ピーク数Ｎを有し、
    　前記第１の回折格子の平均周期Λ0_frontと、前記第２の回折格子の平均周期Λ0_rearとの間の平均周期差ΔΛ0について、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
    および
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
    を満足するように前記第１の回折格子および前記第２の回折格子が構成されたことを特徴とする請求項１に記載の波長可変光送信機。
  6. 　前記電界吸収型光変調器の出力側に、半導体光増幅器（ＳＯＡ）をさらに集積化したことを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の波長可変光送信機。
  7. 　前記第１の回折格子の前記複数の反射ピークの波長域および前記第２の回折格子の前記複数の反射ピークの波長域は、少なくとも前記波長可変光源による波長可変範囲に含まれることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の波長可変光送信機。
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