(57)【要約】  光送受信装置は、異なる波長の信号光を多重した波長多重信号光をＮ個のリンクの伝送路に出力する送信側光集積回路と、前記伝送路から前記波長多重信号光を受信する受信側光集積回路と、を含む。前記送信側光集積回路は、多波長光源と、前記多波長光源から出力される各波長の光をＮ分岐する光カプラと、分岐されたグループごとに前記各波長の光を異なるデータ信号で変調する光変調器と、変調された前記異なる波長の信号光を多重する光波長合波器とを有する。前記受信側光集積回路は、前記伝送路から受信した前記波長多重信号光を、前記リンクごとに前記異なる波長の信号光に分離する光波長分離器と、前記伝送路と前記光波長分離器との間に配置され、前記リンクごとに受信光に含まれる前記異なる波長の信号光を一括して増幅するＮ個の光増幅器と、前記分離された前記異なる波長の信号光を検出する光検出器とを有する。
2013179467.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる波長の信号光を多重した波長多重信号光をＮ個のリンクの伝送路に出力する送信側光集積回路と、
前記伝送路から前記波長多重信号光を受信する受信側光集積回路と、
を含み、
前記送信側光集積回路は、多波長光源と、前記多波長光源から出力される各波長の光をＮ分岐する光カプラと、分岐されたグループごとに前記各波長の光を異なるデータ信号で変調する光変調器と、変調された前記異なる波長の信号光を多重する光波長合波器とを有し、
前記受信側光集積回路は、
前記伝送路から受信した前記波長多重信号光を、前記リンクごとに、前記異なる波長の信号光に分離する光波長分波器と、
前記伝送路と前記光波長分離器との間に配置され、前記リンクごとに、受信光に含まれる前記異なる波長の信号光を一括して増幅するＮ個の光増幅器と、
前記分離された前記異なる波長の信号光を検出する光検出器と
を有することを特徴とする光送受信装置。
【請求項２】
前記送信側光集積回路と前記受信側光集積回路に接続される制御回路、
をさらに含み、
前記制御回路は、前記光検出器で検出された信号光の強度に基づいて、前記多波長光源の光出力値と、前記Ｎ個の光増幅器の利得を制御することを特徴とする請求項１に記載の光送受信装置。
【請求項３】
前記制御回路は、前記光検出器で検出された前記信号光の強度をモニタして前記伝送路の各リンクの損失を求める受信光モニタ部と、
前記各リンクの損失に基づき、前記Ｎ個の光増幅器に与える利得を、前記多波長光源の光出力値の関数として算出し保持する第１計算部と、
前記多波長光源の光出力値と前記Ｎ個の光増幅器に与える利得に基づき、前記多波長光源の消費電力と、前記Ｎ個の光増幅器の消費電力を、前記多波長光源の光出力値の関数として算出し保持する第２計算部と、
前記多波長光源の消費電力と、前記Ｎ個の光増幅器の消費電力を合算したトータルの消費電力値に基づいて、前記多波長光源の新たな光出力値を決定する光源出力値決定部と、
を有することを特徴とする請求項２に記載の光送受信装置。
【請求項４】
前記光源出力値決定部は、前記トータルの消費電力値が最小となる光出力値を、前記多波長光源の新たな光出力値として決定することを特徴とする請求項３に記載の光送受信装置。
【請求項５】
前記送信側光集積回路は、前記多波長光源に印加される電流値を制御する送信側駆動電流制御部をさらに有し、
前記受信側光集積回路は、前記Ｎ個の光増幅器に印加される電流値を制御する受信側駆動電流制御部をさらに有し、
前記光源出力値決定部で決定される光出力値が前記送信側駆動電流制御部に供給され、
前記第１計算部で算出される前記利得が前記受信側駆動電流制御部に供給される
ことを特徴とする請求項３に記載の光送受信装置。
【請求項６】
前記送信側光集積回路と前記受信側光集積回路は、同一基板上に配置され、
前記多波長光源と前記光増幅素子は、前記基板の同じ端部に沿って配置されることを特徴とする請求項１に記載の光送受信装置。
【請求項７】
前記受信側光集積回路は、
前記伝送路から受信した前記波長多重信号を第１と第２の信号に等分岐する光カプラと、
前記第１の信号に結合される第１の光増幅素子と、
前記第２の信号に結合され、波長多重信号の偏波方向を９０度直交した偏波に変換する偏波回転素子と、
前記偏波回転素子の出力に光学的に接続される第２の光増幅素子と
を含み、
前記第１及び第２の光増幅素子は信号光の偏波方向によって光利得差を有することを特徴とする請求項１に記載の光送受信装置。
【請求項８】
波長多重通信システムで用いられる多波長光源の光出力値を制御する方法であって、
異なる波長の信号光が多重された波長多重信号を、光リンクを介して受信し、
前記波長多重信号を、波長分離を行う前に光増幅器で増幅し、
前記波長分離後の信号光の強度を検出し、
前記信号光の強度に基づいて前記光リンクの光損失を算出し、
前記光リンクの光損失に基づき、前記光増幅器の光利得を前記多波長光源の光出力値の関数として計算、保持し、
前記多波長光源の光出力値と前記光利得に基づき、前記多波長光源の消費電力と、前記光増幅器の消費電力を、前記多波長光源の光出力値の関数として算出、保持し、
前記前記多波長光源の消費電力と前記光増幅器の消費電力のトータルの消費電力に基づいて、前記多波長光源の新たな光出力値を決定する、
ことを特徴とする光出力制御方法。
【請求項９】
前記トータルの消費電力を最小にする前記多波長光源の光出力値を、前記新たな光出力値として決定することを特徴とする請求項８に記載の光出力制御方法。
【請求項１０】
前記新たな光出力値と、前記光リンクの光損失とに基づいて、前記光増幅器に与える新たな光利得を決定することを特徴とする請求項９に記載の光出力制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光送受信装置と光出力値制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリコン（Ｓｉ）基板を用いた光集積素子が注目を集めている。シリコン基板を用いた光素子は、安価に作製され、電子回路とのモノリシック集積が可能である。シリコンは、従来から光通信で使用されてきた１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯の光信号に対して透明な媒質であり、半導体プロセス技術を利用して、低損失かつ光閉じ込め効果の高いシリコン細線導波路を作製することができる。このようなシリコン細線導波路をベースとして、各種の光素子が提案・実証されている。【０００３】
シリコン光集積回路の伝送容量を増大させるために、ＷＤＭシリコン光集積回路が有望視されている。ＷＤＭシリコン光集積回路では、光ファイバ通信で用いられる波長多重（ＷＤＭ）伝送方式を適用し、独立に変調された複数の光波長信号をシリコン素子内で多重化して送受信する。【０００４】
図１は、一般的なＷＤＭ光送受信装置１００の一例を示す。送信側光集積回路１１０と受信側光集積回路１２０は、Ｎ本の光ファイバアレイ１３１で接続されている。送信側光集積回路１１０には、ＷＤＭ信号光源として４波長レーザアレイ１１１がシリコン基板１１３上にフリップチップ実装されている。４波長レーザアレイ１１１の各チャネルから出力された連続波（ＣＷ）信号光は、対応するシリコン細線導波路に結合され、Ｎ分岐光カプラ１１２によってＮチャネルに等分配される。分配された信号光は、分岐接続シリコン導波路１１６によって波長順に整列され、光変調器アレイ１１７によって波長毎に異なるデータで変調される。変調された信号光は光波長合波器（ＭＵＸ）１１８によって単一のシリコン細線導波路上に波長多重され、伝送用の光ファイバ１１９に入力される。【０００５】
送信側光集積回路１１０には、上述した波長多重送信機構がレーザ光の分岐数Ｎと同じ数だけ用意されている。各波長多重送信機構は、それぞれ対応する光ファイバ１１９に光学的に接続される。Ｎチャネルの信号光は、Ｎ本の光ファイバアレイ１３１で並列に伝送される。【０００６】
受信側光集積回路１２０では、光ファイバで伝送されてきたＷＤＭ信号光が、光波長分波器（ＤＥＭＵＸ）１２１−１〜１２１−Ｎ（「ＤＥＭＵＸ１２１」と総称する）によって波長毎に異なるシリコン細線導波路に分離され、光検出器１２３を含むＯ／Ｅ変換部で各データに対応する電気信号に変換される。受信側光集積回路１２０には、この分離復号機構がＮ個並列で用意されている。【０００７】
光送受信装置１００の全伝送容量は、１つの変調器の変調速度をＤ（Gb/s）、光分岐数をＮ、波長数をＭとすると、Ｄ×Ｎ×Ｍ（Gb/s）で決まる。必要な全伝送容量Ｔ（Gb/s）を複数のＷＤＭリンクで実現する場合、レーザアレイ１１１の個数ｋ（ｋ＝Ｔ／(D×N×M)））を増やすとコストとサイズが増大する。レーザアレイ１１１の個数を抑えるには、分岐数Ｎを増やして、一つのレーザでなるべく多くの伝送路へ信号光を供給する構成が好ましい。光検出器１２３における最低受信光感度と、変調器アレイ１１７を構成する各変調器やＭＵＸ１１８、ＤＥＭＵＸ１２１等の挿入損失による各リンクの伝送損失は決まっているため、分岐数Ｎを大きくしながらエラーフリー伝送を実現するには、レーザの光出力をＮ倍にする必要がある。しかし、現状の半導体レーザの出力は１０〜１００ｍＷ程度であり、レーザ出力の観点から、分岐数の増大には限界がある。【０００８】
受信側で分波（ＤＥＭＵＸ）の前段に広帯域マルチチャネルＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifer）を挿入する構成が知られている（たとえば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Radhakrishnan Nagarajan, et al. "InP Photonic Integrated Circuit", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 16, No. 5, Sep/Oct,
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明は、システム全体の消費電力を低減することのできる光送受信装置と、光出力値の制御方法の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の観点では、光送受信装置は、
異なる波長の信号光を多重した波長多重信号光をＮ個のリンクの伝送路に出力する送信側光集積回路と、
前記伝送路から前記波長多重信号光を受信する受信側光集積回路と、
を含み、
前記送信側光集積回路は、多波長光源と、前記多波長光源から出力される各波長の光をＮ分岐する光カプラと、分岐されたグループごとに前記各波長の光を異なるデータ信号で変調する光変調器と、変調された前記異なる波長の信号光を多重する光波長合波器とを有し、
前記受信側光集積回路は、
前記伝送路から受信した前記波長多重信号光を、前記リンクごとに、前記異なる波長の信号光に分離する光波長分波器と、
前記伝送路と前記光波長分波器との間に配置され、前記リンクごとに、受信光に含まれる前記異なる波長の信号光を一括して増幅するＮ個の光増幅器と、
前記分離された前記異なる波長の信号光を検出する光検出器と
を有する。【００１２】
第２の観点では、波長多重通信システムで用いられる多波長光源の光出力値を制御する方法を提供する。この方法では、
異なる波長の信号光が多重された波長多重信号を、光リンクを介して受信し、
前記波長多重信号を、波長分離を行う前に光増幅器で増幅し、
前記波長分離後の信号光の強度を検出し、
前記信号光の強度に基づいて前記光リンクの光損失を算出し、
前記光リンクの光損失に基づき、前記光増幅器の光利得を前記多波長光源の光出力値の関数として計算、保持し、
前記多波長光源の光出力値と前記光利得に基づき、前記多波長光源の消費電力と、前記光増幅器の消費電力を、前記多波長光源の光出力値の関数として算出、保持し、
前記前記多波長光源の消費電力と前記光増幅器の消費電力のトータルの消費電力に基づいて、前記多波長光源の新たな光出力値を決定する。
【発明の効果】
【００１３】
上記構成と手法により、波長多重通信においてシステム全体の消費電力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】一般的なＷＤＭ光送受信装置の概略構成図である。
【図２】図１の構成におけるレーザ光の分岐数とレーザ光出力の関係、及びレーザ光の分岐数と全消費電力の関係を示す図である。
【図３】第１実施形態の光送受信装置の概略構成図である。
【図４】図３の構成におけるレーザ光の分岐数のレーザ光出力の関係、及びレーザ光の分岐数と前消費電力の関係を示す図である。
【図５】送信側光集積回路と受信側光集積回路を同一基板上に形成した構成を示す図である。
【図６】図３の変形例である光送受信装置の概略構成図である。
【図７】図３の別の変形例である光送受信装置の概略構成図である。
【図８】偏波依存型ＳＯＡプリアンプの利得スペクトルである。
【図９】第２実施形態の光送受信装置の光出力値制御機構を示す図である。
【図１０】光送受信装置の制御回路で算出され、保持される特性データの例を示す図である。
【図１１】光送受信装置の制御回路で実行される制御フローを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本願の発明者は、レーザ出力光の分岐数を増大させてもシステムの全消費電力に変化はみられず、低電力化には寄与しないことを見出した。これは、分岐数を増やして伝送容量を増大させる場合はレーザアレイの数は抑制されるが、レーザ出力自体の増大が必要になり、レーザ１個あたりの消費電力が増大するためと考えられる。
【００１６】
図２は、分岐数Ｎと必要とされるレーザ光出力の関係（図２（ａ））、および分岐数Ｎと全消費電力の関係（図２（ｂ））を示す図である。図２（ａ）では、光検出器の最小受信感度を−１０ｄＢｍ、分岐による過剰損失を無視し、伝送路の全損失を２４．５ｄＢの一定としてレーザ光出力を計算した。分岐なし（分岐数＝１）のときのレーザ光出力は１４．５ｄＢｍである。分岐数を増やすごとにレーザ光出力は増大し、４分岐以上のときに必要とされる光出力レベルは、現実的な光源出力では達成できないことが分かる。
【００１７】
図２（ｂ）では、全リンク数を３８４に設定し、レーザの電力−光変換効率を１０％と仮定して、全レーザの消費電力を合算した。８チャネルレーザアレイを仮定した場合、分岐数Ｎの増大により必要アレイ数は４８から１２、６、３と減少するが、結果的に全消費電力は変化していない。個々のレーザで消費電力が増大するためである。
【００１８】
このシミュレーション結果から、従来のシリコンＷＤＭ光集積回路の構成では、単一レーザあたりの分岐数を増やすことによってレーザアレイの個数を低減した場合、必要とされるレーザ光出力も増大することから、分岐数に限界があることがわかる。また、システム全体の消費電力を抑制できないという問題点もある。
【００１９】
実施形態では、これらの課題を受信側の光伝送路（光ファイバ）と光波長分離器の間のシリコン細線導波路の間にＳＯＡプリアンプを挿入することで解決する。受信用光集積回路上で、伝送路からＷＤＭ信号光が入力される位置にＳＯＡプリアンプを配置し、波長分離前のＷＤＭ信号光を一括して光増幅することで、分岐数の増大に相当する光利得を与える。これにより、送信側でのレーザ光出力値を一定値以下に抑制する。
【００２０】
図３は、第１実施形態の光送受信装置１の概略構成図である。光送受信装置１は、送信側光集積回路１０と、受信側光集積回路２０と、これらの間を接続するＮ本の光ファイバアレイ３１を含む。送信側光集積回路１０では、ＷＤＭ信号光源である多波長レーザアレイ（たとえば４波長レーザアレイ）１１がシリコン基板上にフリップチップ実装されている。レーザアレイ１１は、波長が異なる（λ1〜λ4）半導体レーザ光源を単一の化合物半導体基板（たとえばＩｎＰ基板）上に集積したものである。
【００２１】
レーザアレイ１１の各チャネルから出力された連続波（ＣＷ）信号光は、対応するシリコン細線導波路に結合され、Ｎ分岐光カプラ１２−１〜１２−４の各々でＮチャネルに等分配される。分配された信号光は分岐接続シリコン導波路１６によって波長順に整列される。整列された信号光は、光変調器アレイ１７−１〜１７−Ｎの各々において、波長ごと（λ1、λ2、λ3、λ4）に異なるデータで変調される。変調された信号光は光波長合波器（ＭＵＸ）１８−１〜１８−Ｎによって単一のシリコン細線導波路上に波長多重され、伝送用の光ファイバ１９−１〜９−Ｎに入力される。
【００２２】
受信側光集積回路２０は、ＷＤＭ信号受信端にＳＯＡプリアンプアレイ３５を有する。ＳＯＡプリアンプアレイ３５は、Ｎチャネルの受信光信号に対応してＮ個のＳＯＡ素子（不図示）を含む。各ＳＯＡ素子は、入照光に含まれる波長λ1、λ2、λ3、λ4の信号光を一括して増幅し、光利得を与える。増幅された多波長光信号は、光波長分離器（ＤＥＭＵＸ）２１−１〜２１−Ｎ（「ＤＥＭＵＸ２１」と総称する）によって、波長毎に異なるシリコン細線導波路に分離される。分離された光信号は光検出器２３−１〜２３−Ｎを含むＯ／Ｅ変換部で、各データに対応する電気信号に復号される。
【００２３】
受信側のＷＤＭ信号入力端で受信光に光利得を与えることにより、送信側でＮ分岐に対応してレーザ光出力を増大しなくても、Ｎチャネル分の光信号が適切に受信される。さらに、図４に示すように光送受信装置１全体としての消費電力を抑制することができる。
【００２４】
図４は、図３の構成での分岐数とレーザ光出力の関係（図４（ａ））と、分岐数と全消費電力の関係（図４（ｂ））を示す図である。図２と同様に、光検出器の最小受信感度を−１０ｄＢｍ、分岐による過剰損失を無視し、伝送路の全損失を２４．５ｄＢの一定としてレーザ光出力を計算した。
【００２５】
シミュレーションではＷＤＭの波長数を１６とし、ＳＯＡプリアンプアレイ３５で１６波ＷＤＭ信号に対して１つのＳＯＡ素子を割り当てる。レーザ出力光の分岐数を４にしたときに、受信側で６ｄＢの光利得を与える。分岐数が８の場合は受信側で９ｄＢの光利得を与え、分岐数が１６の場合は受信側で１２ｄＢの光利得を与える。図４（ａ）の計算結果からわかるように、送信側の分岐数増大による負担が、受信側のＳＯＡ利得で補償されるため、分岐数を増大させてもレーザの光出力を一定に維持することができる。
【００２６】
図４（ｂ）は、全消費電力の低減効果を示す。図２と同様に、リンク数を３８４に設定し、レーザの電力−光変換効率を１０％と仮定して、全レーザの消費電力を合算した。８チャネルレーザアレイを仮定した場合、分岐数Ｎを１（分岐なし）から４、８、１６と増大することにより、必要なレーザアレイ１１の数が４８から１２、６、３と減少するのは図２と同様である。大きく異なるのは、合算された全消費電力が大幅に低減されている点である。
【００２７】
これは、各レーザアレイ１１の光源の光出力レベルを一定値に維持したままアレイ数を削減できるからである。受信側のＳＯＡプリアンプアレイ３５の消費電力は、１６波ＷＤＭ信号当たり２００〜３５０ｍＷとそれほど大きくないため、受信側にＳＯＡプリアンプ３５を挿入した場合でも、全体の消費電力は低減できる。そして消費電力の低減効果は分岐数を増やすほど大きくなる。１６分岐させた場合、従来構成の１３％に相当する大幅な消費電力の低減が実現できる。
【００２８】
図３の構成では、受信側にＳＯＡプリアンプアレイ３５を追加することによって実装されるデバイス数は増大するが、８チャネルＳＯＡプリアンプアレイ３５を用いた場合、ＳＯＡプリアンプアレイ３５の追加数は分岐数（Ｎ＝４、８、１６）にかかわりなく３個である（３８４リンク／（１６波×８ch）＝３）。分岐数Ｎが４の場合、送信側ＳＯＡレーザアレイ１１が１２個と、受信側ＳＯＡプリアンプアレイ３５が３個で、トータルのＳＯＡアレイの数は１５である。分岐数Ｎが８の場合、送信側ＳＯＡレーザアレイ１１が６個と、受信側ＳＯＡプリアンプアレイ３５が３個で、トータル９個である。分岐数Ｎが１６の場合、送信側ＳＯＡレーザアレイ１１が３個で、受信側ＳＯＡプリアンプアレイ３５が３個で、トータル６個である。したがって、ＳＯＡプリアンプアレイ３５を追加した場合でも、光送受信装置１全体でみたときに、分岐数を増やすことによるＳＯＡアレイ数の削減効果は依然として維持されている。
【００２９】
このように、分岐数の増加にともなうレーザ光出力の増大を、多波長一括増幅するＳＯＡプリアンプアレイ３５の光利得で補償することにより、レーザ光出力の抑制とシステム全体の低消費電力化が可能になる。
【００３０】
図５は、図３の構成を同一チップ上に実装した光送受信装置２を示す。通常は、光通信は双方向で行われるため、ひとつのチップ上に送信側光集積回路と受信側光集積回路が形成される。光送受信装置２は、送信側光集積回路１０Ａと、受信側光集積回路２０Ａを同一基板上に有する。チップサイズは、たとえば２×２ｃｍである。
【００３１】
送信側光集積回路１０Ａは、複数（図の例では２個）の多波長レーザアレイ１１を有する。多波長レーザアレイ１１は、基板上にフリップチップ実装されている。送信側光集積回路１０Ａの構成と機能は、図３の送信側光集積回路１０と同様である。すなわち、各波長（たとえば４波長）のレーザ光がＮ分岐カプラ１２でＮ分岐され、分岐されたグループごとに波長順（λ1〜λ4）に整列される。分岐信号の各波長成分は対応するデータ信号で変調され、光波長合波器（ＭＵＸ）１８で合波される。合波されたＷＤＭ信号光は、対応する光ファイバ１９で伝送される。
【００３２】
受信側光集積回路２０Ａは、偏波無依存型のＳＯＡプリアンプアレイ４５を有する。ＳＯＡプリアンプアレイ４５は、基板の受信側入力端にフリップチップ実装されている。ＳＯＡプリアンプアレイ４５の一端は、受信側ファイバ１９−１〜１９−２Ｎに光学的に接続されている。ＳＯＡプリアンプアレイ３５の他端は、シリコン細線導波路を介してＤＥＭＵＸ４１−１〜４１−２Ｎと光検出器アレイ４３−１〜４３−２Ｎに光学的に接続されている。各ＤＥＭＵＸ４１で波長ごと（たとえばλ1、λ2、λ3、λ4）に分離され、光検出器アレイ４３でデータ信号に応じた電流に変換される。ＳＯＡプリアンプアレイ４５を入射端に配置したことで、光ファイバ１９とシリコン細線導波路の間の光結合損失を排除することができる。光利得が偏波状態に依存しない偏波無依存型ＳＯＡプリアンプ４５を採用することで、ランダムな偏波状態をもつＷＤＭ信号光を一定利得で増幅し、安定した受信が可能になる。
【００３３】
この構成でも、図３と同様に、ＳＯＡプリアンプアレイ４５によって多波長の受信信号に６ｄＢ以上の光利得を与える。これにより、送信側のレーザ光出力レベルを分岐させない場合のレーザ光出力以下に抑制しつつ、各リンクで受信感度を満足することができる。
【００３４】
図６は、変形例として光送受信装置３の概略構成を示す。図６の構成では、送信側光集積回路１０Ａのレーザアレイ１１と、受信側光集積回路２０ＡのＳＯＡプリアンプアレイ４５を、チップの同じ側に並べて配置する。反対側の端面には光入出力用の光ファイバ１９のアレイもしくは導波路アレイを並べて配置する。
【００３５】
この配置構成では、光ファイバ１９の実装位置と、レーザアレイ１１及びＳＯＡプリアンプアレイ４５の実装位置を分離できるので、実装が容易になる。レーザアレイ１１及びＳＯＡプリアンプアレイ４５に沿って放熱用のヒートシンク４４等を配置することで、レーザアレイ１１とＳＯＡプリアンプアレイ４５から効率的に廃熱することができる。
【００３６】
図７は、別の変形例として光送受信装置４の概略構成を示す。光送受信装置４では、偏波依存性を持つＳＯＡプリアンプアレイ５５−１、５５−２を用いる。具体的には、光送受信装置４は、送信側光集積回路１０Ａと、受信側光集積回路５０を有する。受信側光集積回路５０は、光ファイバ１９−１〜１９−２Ｎに対応して配置される光カプラ（方向性結合器）５１−１〜５１−２Ｎ（適宜「光カプラ５１」と総称する）を含む。光カプラ５１の一方の出力は、第１の偏波依存型ＳＯＡプリアンプアレイ５５−１に結合される。光カプラ５１の他方の出力は、第２の偏波依存型ＳＯＡプリアンプアレイ５５−２に結合される。各光カプラ５１と、第２の偏波依存型ＳＯＡプリアンプアレイ５５−２の間に、偏波回転素子５２が挿入されている。
【００３７】
光カプラ５５−１〜５５−２Ｎの各々は、偏波状態に依らず等分岐する。光ファイバ１９からスポットサイズ変換器（不図示）を介してシリコン細線導波路に入射した受信ＷＤＭ信号光は、ＴＥ偏波とＴＭ偏波を含む。ＴＥ偏波は、その光電界が進行方向と直交しかつ基板と平行な方向に振動する。ＴＭ偏波は、その光電界が進行方向と直交しかつ基板に垂直な方向に振動する。シリコン細線導波路のコア断面を５００ｎｍ以下（たとえば幅４００ｎｍ、高さ２００ｎｍ）に設定し、光カプラ５１の結合部の導波路間隔と結合部の長さ、および分岐路の偏向半径を適切に調整することで、ＴＥ偏波、ＴＭ偏波の各成分についてそれぞれ等分岐することができる。
【００３８】
光カプラ５１で分離された片方の導波路は、そのまま第１の偏波依存型ＳＯＡプリアンプ５５−１に結合する。もう片側の導波路は、偏波回転素子５２でＴＭ偏光成分がＴＥ偏波に、ＴＥ偏光成分がＴＭ偏光に変換されてから、第２の偏波依存ＳＯＡプリアンプアレイ５５−２に結合する。その結果、第１の偏波依存型ＳＯＡプリアンプアレイ５５−１からは本来の受信信号における多波長のＴＥ偏光成分、第２の偏波依存型ＳＯＡプリアンプアレイ５５−２からは本来の受信信号における多波長のＴＭ偏光成分が選択的に増幅される。ちなみに、第１、第２の偏波依存型ＳＯＡプリアンプアレイ５５−１、５５−２の双方で、ＳＯＡからの出力信号はＴＥ偏波に揃えられている。
【００３９】
増幅されたＴＥ偏波はＤＥＭＵＸ４１で波長分離され、光検出器アレイ４３でデータ信号に応じた電流値が検出される。受信ＷＤＭ信号を偏波成分ごとに分離し、別々のＤＥＭＵＸ４１と光検出器アレイ４３で分離・検出することで、偏波ダイバーシティ構成が実現される。検出された電流値は、図示しないトランスインピーダンスアレイ（ＴＩＡ）で電圧信号に変換され図示しない電子論理処理回路で復調される。
【００４０】
図８は、偏波依存型ＳＯＡプリアンプ５５の利得スペクトルを示す。偏波依存型ＳＯＡプリアンプアレイ５５−１、５５−２は、ＴＥ偏波に対して高い光利得を有する。ＴＥ偏波とＴＭ偏波の光利得の差は２０ｄＢ以上と大きい。この特性を利用して、偏波依存型ＳＯＡプリアンプ５５−１、５５−２を、ＴＥ偏波のみを通す偏光子として機能させることができる。本来の受信信号におけるＴＭ偏波成分は、ＴＥモードに偏波回転された後に偏波依存型ＳＯＡプリアンプ５５−２に入力される。したがって、ＳＯＡプリアンプ５５−１、５５−２として、ＴＥ偏波に利得を持つ素子を共通して用いることができる。また、ＤＥＭＵＸ４１は全ポートでＴＥ偏波に対してのみ動作可能であればよいので、大きな偏波依存性を持ちやすいシリコン細線ベースの光波長分離器を適用しやすいという利点がある。
【００４１】
図９は、第２実施形態の光送受信装置５の光出力値制御機構を示す図である。光送受信装置５は、送信側光集積回路６０と、受信側光集積回路８０と、制御回路７０を有する。送信側光集積回路６０の基本的な構成と機能は、図３の送信側光集積回路１０と同様である。この例では、説明の便宜上、各波長での光出力の分岐数を４とする。送信側集積回路６０で図３の構成と異なる点は、制御回路７０から制御信号を受信して、レーザアレイ１１の光出力値を調整する点である。送信側集積回路６０は、駆動電流制御部６２を有し、駆動電流制御部６２は、制御信号に応じてレーザアレイ１１を構成するＳＯＡ素子（不図示）を発振させる駆動電流を調整する。
【００４２】
受信側光集積回路８０の基本的な構成と機能は、図３の受信側光集積回路２０と同様である。この例では、ＳＯＡプリアンプアレイ３５は４つのリンクに対応して、４つのＳＯＡ素子＃１〜＃４を含む。図３の構成と異なる点は、各リンクの光検出器アレイ２３で検出された受信光の強度が制御回路７０に供給され、制御回路７０からの制御信号に基づいて、ＳＯＡプリアンプアレイ３５の各ＳＯＡ素子の光利得が調整される点である。受信側光集積回路８０は、駆動電流制御部８２を有する。駆動電流制御部８２は、制御信号に応じてＳＯＡ素子＃１〜＃４を駆動する駆動電流を調整する。
【００４３】
制御回路７０は、受信光モニタ部７１と、ＬＤ出力−ＳＯＡ利得特性算出・保存部７２と、ＬＤ出力−消費電力特性算出・保存部７３と、レーザ光出力値決定部７４を有する。制御回路７０は、受信側光集積回路８０と同一基板上に形成されていてもよいし、光送受信シリコンチップとは別に設けられてもよい。
【００４４】
リンク＃１〜＃４では、リンクごとに異なる伝搬損失を有する。制御回路７０の受信光モニタ部７１は、受信側光集積回路８０から送られてくる受信光強度の検出結果に基づいて、各リンクの光損失を取得する。
【００４５】
ＬＤ出力−ＳＯＡ利得特性算出・保存部７２は、各リンクのリンク損失に基づき、ＳＯＡ素子ごとに全波長（λ1〜λ4）で最小受信感度を達成するのに必要なＳＯＡ利得をレーザ光出力の関数として算出し、算出結果を保存する。図１０（ａ）は、ＬＤ出力−ＳＯＡ利得特性算出・保存部７２での算出結果の一例を示す。リンク＃１〜＃４の各々についてレーザ光出力と受信側で必要とされるＳＯＡ利得の関係がプロットされている。図９の例では、リンク＃２の光損失が最も大きいため必要とされるＳＯＡ光利得の値も高くなっている。これに対し、光損失の少ないリンク＃３では、同じレーザ光出力でも受信側で必要とされるＳＯＡ光利得の値は小さい。ＳＯＡ素子ごとに必要な光利得の値は、制御信号として受信側光集積回路８０の駆動電流制御部８２に供給される。
【００４６】
制御回路７０のＬＤ出力−消費電力特性算出・保存部７３は、レーザアレイ１１とＳＯＡプリアンプアレイ３５の各ＳＯＡ素子の消費電力を、レーザ光出力の関数として算出し保存する。
【００４７】
図１０（ｂ）は、ＬＤ出力−消費電力特性算出・保存部７３の算出結果の一例を示す。レーザアレイ１１の消費電力は、レーザ光出力が高くなるにつれて増大する。他方、受信側のＳＯＡ素子＃１〜＃４の消費電力は、レーザ光出力が高くなるほど小さくなる。ＳＯＡ素子＃１〜＃４の消費電力は、リンク損失の影響も受ける。伝搬損失の大きいリンク＃２ではＳＯＡ素子＃２の消費電力が大きい。伝搬損失の小さいリンク＃３では、ＳＯＡ素子＃３の消費電力は小さい。
【００４８】
システムの全消費電力は、レーザアレイ１１の消費電力と、ＳＯＡ素子＃１〜＃４の消費電力とをすべて合算した値である。図１０（ｃ）は、図１０（ｂ）の算出結果をすべて合算した結果を示す。制御回路７０のレーザ光出力値決定部７４は、図１０（ｃ）の合算結果に基づいて、最適なレーザ光出力を決定する。すなわち、システム全体としての消費電力が最も小さくなるときのレーザ光出力を、最適レーザ出力値として決定する。決定されたレーザ出力値は、制御信号として送信側光集積回路６０の駆動電流制御部６２に供給される。
【００４９】
このような構成により、システム全体としての消費電力を最小とする最適なレーザ光出力値が選択される。受信側では受信感度を確保するための最小の光利得を与えるようにＳＯＡ素子が制御される。
【００５０】
図１１は、制御回路７０が行う制御動作を示すフローチャートである。ステップＳ１０１で、レーザアレイ１１の光出力と、ＳＯＡプリアンプアレイ３５の各ＳＯＡ素子＃１〜＃４の光利得を所定の初期値に設定する。リンクアップに際して、制御回路７０はレーザアレイ１１用の駆動電流制御回路６２と、ＳＯＡプリアンプアレイ３５用の駆動電流制御回路８２に、初期駆動電流値を与える。
【００５１】
ステップＳ１０２で、各リンクの光検出器アレイ２３での受信光強度をモニタし、初期駆動電流に基づくレーザアレイ１１の出力パワーとＳＯＡプリアンプアレイ３５の光利得から各リンクの光損失を取得する。
【００５２】
ステップＳ１０３で、各リンクについて光損失に基づいてレーザ光出力を変化させながら、全波長（たとえばλ1〜λ4）で最小受信感度を達成するのに必要なＳＯＡの光利得を算出する。
【００５３】
ステップＳ１０４で、レーザアレイ１１とＳＯＡ素子＃１〜＃４の消費電力について、レーザ光出力依存性を算出し、算出結果（図１０（ｂ）参照）を保存する。
【００５４】
ステップＳ１０５で、レーザアレイ１１の消費電力と、ＳＯＡ素子＃１〜＃４の消費電力を合算して、システムの全消費電力のレーザ光出力依存性を計算し、算出結果から全消費電力が最小となるレーザ光出力を、新たなレーザ光出力値に決定する（図１０（ｃ）参照）。
【００５５】
ステップＳ１０６で、Ｓ１０３で決定されたＳＯＡ利得と、Ｓ１０５で決定されたレーザ光出力値が得られる駆動電流値を、レーザアレイ１１とＳＯＡ素子＃１〜＃４に設定する。たとえば、新たに設定されたレーザ光出力に必要な駆動電流を表わす制御信号と、必要なＳＯＡ光利得を与えるのに必要な駆動電流を表わす制御信号を生成し、それぞれ駆動電流制御部６２と８２に供給する。
【００５６】
図１０に示したように、システムの全消費電力が最低となるレーザ光出力値とＳＯＡ光利得は、各リンクの光損失の大きさによって変動する。図１１の制御方法を採用することで、各リンクで光損失が変動した場合にも、常に全体の消費電力を最小にすることができる。図９に示すように分岐カプラ１２により単一のレーザ光源から複数リンクが形成されている場合にも、全リンク分の消費電力を最小にするレーザ光出力と各ＳＯＡ素子の光利得を決定することができる。図５に示すようにレーザアレイ１１や、ＳＯＡプリアンプアレイ３５が複数個配置されている場合は、アレイごとに図１１の制御を行うことで、システム全体としての消費電力を最小に抑えることができる。
【００５７】
本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、各実施形態や変形例を組み合わせてもよい。たとえば、図７の構成で、偏波依存型ＳＯＡプリアンプアレイ５５−１、５５−２を図５のようにレーザアレイ１１と同じ側に配置してもよいし、図６のように放熱用ヒートシンク４４を配置してもよい。図９の受信側光集積回路８０を、図７のように偏波ダイバーシティ構成にしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
データセンタ、スーパーコンピュータ、ハイエンドサーバなどで利用される光通信システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１、２、３、４、５  光送受信装置
１０、１０Ａ、６０  送信側光集積回路
１１  レーザアレイ（多波長光源）
１２、１２−１〜１２−Ｎ  Ｎ分岐光カプラ
１７、１７−１〜１７−Ｎ  光変調器アレイ
１８、１８−１〜１８−Ｎ  光波長合波器（ＭＵＸ）
１９、１９−１〜１９−Ｎ  光ファイバ（伝送路）
２０、２０Ａ、５０、８０  受信側光集積回路
２１、２１−１〜２１−Ｎ  光波長分波器（ＤＥＭＵＸ）
２３、２３−１〜２３−Ｎ  光検出器
３５、４５  ＳＯＡプリアンプアレイ
５５−１、５５−２  偏波依存型ＳＯＡプリアンプアレイ
６２  送信側駆動電流制御部
７０  制御回路
７１  受信光モニタ部
７２  ＬＤ出力−ＳＯＡ利得特性算出・保存部
７３  ＬＤ出力−消費電力特性算出・保存部
７４  レーザ光出力値決定部
８２  受信側駆動電流制御部
ＳＯＡ＃１〜ＳＯＡ＃４  ＳＯＡ素子（光増幅器）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年10月28日(2014.10.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる波長の信号光を多重した波長多重信号光をＮ個のリンクの伝送路に出力する送信側光集積回路と、
前記伝送路から前記波長多重信号光を受信する受信側光集積回路と、
を含み、
前記送信側光集積回路は、多波長光源と、前記多波長光源から出力される各波長の光をＮ分岐する光カプラと、分岐されたグループごとに前記各波長の光を異なるデータ信号で変調する光変調器と、変調された前記異なる波長の信号光を多重する光波長合波器とを有し、
前記受信側光集積回路は、
前記伝送路から受信した前記波長多重信号光を、前記リンクごとに、前記異なる波長の信号光に分離する光波長分波器と、
前記伝送路と前記光波長分離器との間に配置され、前記リンクごとに、受信光に含まれる前記異なる波長の信号光を一括して増幅するＮ個の光増幅器と、
前記分離された前記異なる波長の信号光を検出する光検出器と
を有することを特徴とする光送受信装置。
【請求項２】
前記送信側光集積回路と前記受信側光集積回路に接続される制御回路、
をさらに含み、
前記制御回路は、前記光検出器で検出された信号光の強度に基づいて、前記多波長光源の光出力値と、前記Ｎ個の光増幅器の利得を制御することを特徴とする請求項１に記載の光送受信装置。
【請求項３】
前記制御回路は、前記光検出器で検出された前記信号光の強度をモニタして前記伝送路の各リンクの損失を求める受信光モニタ部と、
前記各リンクの損失に基づき、前記Ｎ個の光増幅器に与える利得を、前記多波長光源の光出力値の関数として算出し保持する第１計算部と、
前記多波長光源の光出力値と前記Ｎ個の光増幅器に与える利得に基づき、前記多波長光源の消費電力と、前記Ｎ個の光増幅器の消費電力を、前記多波長光源の光出力値の関数として算出し保持する第２計算部と、
前記多波長光源の消費電力と、前記Ｎ個の光増幅器の消費電力を合算したトータルの消費電力値に基づいて、前記多波長光源の新たな光出力値を決定する光源出力値決定部と、
を有することを特徴とする請求項２に記載の光送受信装置。
【請求項４】
前記受信側光集積回路は、
前記伝送路から受信した前記波長多重信号を第１と第２の信号に等分岐する光カプラと、
前記第１の信号に結合される第１の光増幅素子と、
前記第２の信号に結合され、波長多重信号の偏波方向を９０度直交した偏波に変換する偏波回転素子と、
前記偏波回転素子の出力に光学的に接続される第２の光増幅素子と
を含み、
前記第１及び第２の光増幅素子は信号光の偏波方向によって光利得差を有することを特徴とする請求項１に記載の光送受信装置。
【請求項５】
波長多重通信システムで用いられる多波長光源の光出力値を制御する方法であって、
異なる波長の信号光が多重された波長多重信号を、光リンクを介して受信し、
前記波長多重信号を、波長分離を行う前に光増幅器で増幅し、
前記波長分離後の信号光の強度を検出し、
前記信号光の強度に基づいて前記光リンクの光損失を算出し、
前記光リンクの光損失に基づき、前記光増幅器の光利得を前記多波長光源の光出力値の関数として計算、保持し、
前記多波長光源の光出力値と前記光利得に基づき、前記多波長光源の消費電力と、前記光増幅器の消費電力を、前記多波長光源の光出力値の関数として算出、保持し、
前記前記多波長光源の消費電力と前記光増幅器の消費電力のトータルの消費電力に基づいて、前記多波長光源の新たな光出力値を決定する、
ことを特徴とする光出力制御方法。
【請求項６】
前記トータルの消費電力を最小にする前記多波長光源の光出力値を、前記新たな光出力値として決定することを特徴とする請求項５に記載の光出力制御方法。
【請求項７】
前記新たな光出力値と、前記光リンクの光損失とに基づいて、前記光増幅器に与える新たな光利得を決定することを特徴とする請求項６に記載の光出力制御方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
光送受信装置１００の全伝送容量は、１つの変調器の変調速度をＤ（Gb/s）、光分岐数をＮ、波長数をＭとすると、Ｄ×Ｎ×Ｍ（Gb/s）で決まる。必要な全伝送容量Ｔ（Gb/s）を複数のＷＤＭリンクで実現する場合、レーザアレイ１１１の個数ｋ（ｋ＝Ｔ／（Ｎ×Ｍ））を増やすとコストとサイズが増大する。レーザアレイ１１１の個数を抑えるには、分岐数Ｎを増やして、一つのレーザでなるべく多くの伝送路へ信号光を供給する構成が好ましい。光検出器１２３における最低受信光感度と、変調器アレイ１１７を構成する各変調器やＭＵＸ１１８、ＤＥＭＵＸ１２１等の挿入損失による各リンクの伝送損失は決まっているため、分岐数Ｎを大きくしながらエラーフリー伝送を実現するには、レーザの光出力をＮ倍にする必要がある。しかし、現状の半導体レーザの出力は１０〜１００ｍＷ程度であり、レーザ出力の観点から、分岐数の増大には限界がある。
【国際調査報告】
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