(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体チップのみの小型な構成で、消費電力を増加させることなく、十分な光出力特性で、かつ光信号波形の劣化のない光通信を行う。【解決手段】単一モードで発振し、強度変調が可能な、異なる波長の光信号を出力する複数の半導体レーザ光源５から構成される変調光源アレイ部１と、複数の半導体レーザ光源５から出力される光信号を合波する光合波器部２と、光合波器部２によって合波された複数の半導体レーザ光源５からの光信号を増幅する光増幅器部３と、光増幅器部３へ入力される光の強度を調整するための光減衰器部４とを、１つの半導体基板２４上に集積する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一モードで発振し、強度変調が可能な、異なる波長の光信号を出力する複数の半導体レーザ光源から構成される変調光源アレイ部と、
前記複数の半導体レーザ光源から出力される光信号を合波する光合波器部と、
前記光合波器部によって合波された前記複数の半導体レーザ光源からの光信号を増幅する光増幅器部と、
前記光増幅器部へ入力される光の強度を調整するための光減衰器部とを備え、
前記変調光源アレイ部、前記光合波器部、前記光増幅器部および前記光減衰器部は、１つの半導体基板上に集積されている
ことを特徴とする多波長光源。
【請求項２】
請求項１に記載された多波長光源において、
前記光減衰器部は、
前記半導体レーザ光源の各々と前記光合波器部との間に各個に設けられた光減衰器を備える
ことを特徴とする多波長光源。
【請求項３】
請求項１に記載された多波長光源において、
前記光減衰器部は、
前記光合波器部と前記光増幅器部との間に設けられた光減衰器を備える
ことを特徴とする多波長光源。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載された多波長光源において
前記半導体レーザ光源は、
分布帰還型半導体レーザに流す電流に変調信号を加えることによって前記光信号を作り出す直接変調型の光源とされている
ことを特徴とする多波長光源。
【請求項５】
請求項１〜３の何れか１項に記載された多波長光源において
前記半導体レーザ光源は、
分布帰還型半導体レーザと電界吸収型変調器とが直列に集積された構造とされ、前記電界吸収型変調器に変調電圧を加えることによって前記光信号を作り出す外部変調型の光源とされている
ことを特徴とする多波長光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中・短距離の波長多重光ファイバ通信に用いられる多波長光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネット上の動画閲覧などの需要増加に伴い、光通信で扱われる情報量も急増している。コンピューター・ネットワークをもとにして発展してきたイーサネット（登録商標）の規格の信号速度も、１Ｇｂｐｓ，１０Ｇｂｐｓ，１００Ｇｂｐｓと次々に大容量化されてきた。
【０００３】
主に、データセンタ内やデータセンタ間で用いられる速度１００Ｇｂｐｓ、伝送距離１０ｋｍのイーサネット規格の「１００ＧｂＥ−ＬＲ４」では、波長多重技術を用いた強度変調／直接検波方式の光通信システムとなっている。
【０００４】
この規格では、信号速度２５Ｇｂｐｓの光信号を４波長多重化して、信号速度を１００Ｇｂｐｓとしている。送信用の光源としては、２５Ｇｂｐｓの速度で変調が可能な、直接変調型の分布帰還型（ＤＦＢ）レーザや電界吸収型（ＥＡ）変調器を集積したＤＦＢレーザが用いられる。
【０００５】
これらの光源は、小型のパッケージに内蔵されており、レーザ光出力を光ファイバから取り出せるようになっている。「１００ＧｂＥ−ＬＲ４」用の光トランシーバには、４波長分の４つの光源パッケージと４つの光出力を１つの光ファイバにまとめるための光合波器が用いられている。このように、１波長のシステムと比べると半導体レーザ光源などの光部品が波長数分必要となり、構成が複雑となる。
【０００６】
そこで、光トランシーバの小型化や低消費電力化を目的として、光源部分を集積化する試みがなされている。例えば、４波長分の光源チップと光合波器とを１つのパッケージ内に納めた光モジュールなどが開発されている。４波長分の光源チップと光合波器とを１つのパッケージに納めることにより、４つの個別パッケージを用いるよりは小型にはなる。但し、使用する部品の数はあまり変わらないので、コスト削減にはならない。
【０００７】
これに対し、４波長分の光源と光合波器とを１つの半導体基板上に集積し、半導体チップとするようにした例がある（例えば、非特許文献１参照）。この例の半導体チップの構造を図７に示す。
【０００８】
図７において、３１は変調光源アレイ部、３２は光合波器部であり、変調光源アレイ部３１と光合波器部３２とは１つの半導体基板３３上に集積されている。変調光源アレイ部３１は、単一モードで発振し、強度変調が可能な、異なる波長の光信号を出力する４つの半導体レーザ光源３４（３４−１〜３４−４）から構成されており、光合波器部３２は、半導体レーザ光源３４−１〜３４−４から出力される光信号を合波する光合波器３５とされている。
【０００９】
このように、４波長分の光源と光合波器とを１つの半導体基板上に集積し、半導体チップとすれば、究極的な小型化が可能であり、コストも削減することが可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】S. Kanazawa, et al., “Ultra-Compact 100 GbE Transmitter Optical Sub-Assembly for 40-km SMF Transmission,"IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, Vol.31, No. 4, pp. 602-608, 2013.
【非特許文献２】H. Ishii, et. al., “Widely Wavelength-Tunable DFB Laser Array Integrated With Funnel Combiner," IEEE J. Sel. Topics of Electron., vol. 13, No. 5, pp. 1089-1094, 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、図７に示された例では、光合波器３５として、多モード干渉型の光合波器を用いており、原理的に光の損失がある。４対１の光合波器の場合は、光出力は１／４以下となってしまう。十分な光出力を得るためには、半導体レーザ光源３４（３４−１〜３４−４）に流す電流量を増加させなければならず、そうすると消費電力が増大してしまうという問題があった。
【００１２】
なお、光合波器での損失を補償するために、光合波器の後段に光増幅器を設けることが考えられる。例えば、非特許文献２には、複数の半導体レーザ光源と光合波器と半導体光アンプ（光増幅器）とを集積した構造のデバイスとして、波長可変レーザが示されている。この波長可変レーザでは、半導体レーザ光源からの出力光が光合波器により減衰するが、半導体光アンプの利得により光合波器の損失を補償するようになっている。この波長可変レーザでは、半導体レーザ光源からの出力光が連続発振光であるため、問題にはならない。ところが、出力光が連続光ではなく、強度変調が加えられた光信号の場合は、半導体光アンプの飽和特性により、問題が生じる。
【００１３】
すなわち、半導体光アンプに比較的強い強度の光が入力された場合、光増幅に必要な電子の数が不足することにより、利得が減少する飽和特性を示す。この結果、強度変調が加えられた光信号では、その波形が大きく歪んでしまい、光伝送ができなくなるという問題が生じる。また、飽和状態にある半導体光アンプでは、複数の光信号が入力される場合は、光信号の強度変調の影響が他の光信号に影響を与えてしまう相互変調の問題も生じる。
【００１４】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、半導体チップのみの小型な構成で、消費電力を増加させることなく、十分な光出力特性で、かつ光信号波形の劣化のない光通信を行うことが可能な多波長光源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
このような目的を達成するために、本発明の多波長光源は、単一モードで発振し、強度変調が可能な、異なる波長の光信号を出力する複数の半導体レーザ光源（５）から構成される変調光源アレイ部（１）と、複数の半導体レーザ光源から出力される光信号を合波する光合波器部（２）と、光合波器部によって合波された複数の半導体レーザ光源からの光信号を増幅する光増幅器部（３）と、光増幅器部へ入力される光の強度を調整するための光減衰器部（４）とを備え、変調光源アレイ部、光合波器部、光増幅器部および光減衰器部は、１つの半導体基板（２４）上に集積されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明では、光合波器部での損失を補償するために、光合波器部の後段に光増幅器部を設けている。この場合、光増幅器部の飽和特性により、各半導体レーザ光源で強度変調が加えられた光信号の波形が歪んでしまうなどの問題が生じる虞がある。この飽和特性が起こらないようにするためには、光増幅器部へ入力される光の強度を十分小さくすればよい。本発明では、光増幅器部へ入力される光の強度を調整するための光減衰器部を備えており、この光減衰器部によって光増幅器部へ入力される光の強度を調整するようにして、光増幅器部の飽和特性を抑えることができる。
【００１７】
本発明において、光減衰器部は、半導体レーザ光源の各々と光合波器部との間に各個に設けられた光減衰器（９）としてもよいし、光合波器部と光増幅器部との間に設けられた光減衰器（９）としてもよい。すなわち、光合波器部の前段に半導体レーザ光源の数と同じ数だけ光減衰器を設けるようにしてもよいし、光合波器部の後段に１つだけ光減衰器を設けるようにしてもよい。また、半導体レーザ光源は、分布帰還型半導体レーザ（２２）に流す電流に変調信号を加えることによって光信号を作り出す直接変調型の光源としてもよいし、分布帰還型半導体レーザ（２２）と電界吸収型変調器（２３）とを直列に集積した構造とし、電界吸収型変調器に変調電圧を加えることによって光信号を作り出す外部変調型の光源としてもよい。
【００１８】
なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明によれば、光減衰器部によって光増幅器部へ入力される光の強度を調整するようにして、光増幅器部の飽和特性を抑えることができ、半導体チップのみの小型な構成で、消費電力を増加させることなく、十分な光出力特性で、かつ光信号波形の劣化のない光通信を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る多波長光源の概略図（平面図）である。
【図２】図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図３は、図１におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】図４は、実施の形態１の多波長光源において信号速度１０Ｇｂｐｓで動作させたときの受信特性を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２に係る多波長光源の概略図（平面図）である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態３に係る多波長光源の概略図（平面図）である。
【図７】図７は、４波長分の光源と光合波器とを１つの半導体基板上に集積した例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２２】
〔実施の形態１〕
図１に本発明の実施の形態１に係る多波長光源１０１の概略図（平面図）を示し、図２に図１におけるＡ−Ａ線断面図、図３に図１におけるＢ−Ｂ線断面図を示す。
【００２３】
この多波長光源１０１は、変調光源アレイ部１と、レーザ光を１つの導波路にまとめるための光合波器部２と、光を増幅して出力するための光増幅器部（半導体光アンプ部）３と、光増幅器部３へ入力される光の強度を調整するための光減衰器部４とから構成されている。この変調光源アレイ部１、光合波器部２、光増幅器部３および光減衰器部４は１つの半導体基板２４上に集積されている。すなわち、本実施の形態の多波長光源１０１は、変調光源アレイ部１、光合波器部２、光増幅器部３および光減衰器部４を１つの半導体基板２４上に集積した半導体チップとされている。
【００２４】
この多波長光源１０１において  変調光源アレイ部１は、単一モードで発振し、強度変調が可能な、異なる波長の光信号を出力するアレイ状に配置された４つの半導体レーザ光源５から構成されている。この例において、半導体レーザ光源５は、分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）２２に流す電流に変調信号を加えることによって光信号を作り出す直接変調型の光源とされている。図１では、４つの半導体レーザ光源５を符号５−１〜５−４で示し、この半導体レーザ光源５−１〜５−４における分布帰還型半導体レーザ２２を符号２２−１〜２２−４で示している。
【００２５】
半導体レーザ光源５は、図２に示されるように、電流を注入することにより増幅作用を持つ活性層１２の直上に回折格子１４が形成されているガイド層１３を有しており、これらの層１２，１３はｎ型ＩｎＰクラッド層１６とｐ型ＩｎＰクラッド層１７とで挟み込まれた構成となっている。なお、図２中、１０は反射防止膜、１５は光減衰器部４とつながる透明コア層、１８はｐ型コンタクト層である。
【００２６】
この半導体レーザ光源５では、ｎ側電極１９を接地し、ｐ側電極２０に正の電圧を加え、活性層１２に電流を注入することによって、レーザ発振を得ることができる。その際、回折格子１４の周期で定まる波長のみが強く帰還されるため、この波長付近で単一モード発振する。
【００２７】
本実施の形態において、半導体レーザ光源５−１，５−２，５−３，５−４は、「１００ＧｂＥ−ＬＲ４」の規格で定められている波長１２９５．５６ｎｍ，１３００．０５ｎｍ，１３０４．５８ｎｍ，１３０９．１４ｎｍの４波長で発振するように設計されている。
【００２８】
なお、半導体レーザ光源５の導波路の構造としては、図３に示すように、活性層１２、ガイド層１３の周りがＩｎＰ（ｎ型ＩｎＰクラッド層１６、ｐ型ＩｎＰクラッド層１７、半絶縁性ＩｎＰ電流ブロック層２１）で埋め込まれた、いわゆる埋め込み型の構造となっている。半絶縁性ＩｎＰ電流ブロック層２１は、活性層１２に効率よく電流を注入するために設けられている。また、半絶縁性ＩｎＰ電流ブロック層２１で埋め込むことにより、容量の増加を抑えて、２５Ｇｂｐｓの変調がかけられるようになっている。
【００２９】
光合波器部２は、いわゆる４入力１出力の多モード干渉型の光合波器とされており、導波路のコア層としては、発振光に対して透明な組成のＩｎＧａＡｓＰ混晶により形成されている。図１では、多モード干渉型の光合波器を符号７で示し、透明導波路を符号６で示している。
【００３０】
光増幅器部３は、半導体レーザ光源５と同様に、利得を持つ導波路により構成されているが、回折格子は形成されていない。すなわち、光増幅器部３は、いわゆる半導体光アンプとされている。また、光がチップ端面で反射するのを防ぐために、導波路がチップ端面に対して斜めになるように形成されており、なおかつ反射防止膜１０が形成されている。図１では、半導体光アンプを符号８で示している。この半導体光アンプ８に流す電流量を制御することにより、光出力を調整することが可能となっている。
【００３１】
光減衰器部４は、半導体レーザ光源５と同様に、利得を持つ導波路により構成されているが、回折格子は形成されていない。すなわち、光減衰器部４は、半導体光アンプ８と同一の構造の光減衰器とされている。図１では、光減衰器を符号９で示している。この例において、光減衰器９は、半導体レーザ光源５と同じ数だけ設けられている。すなわち、半導体レーザ光源５−１〜５−４の各々と光合波器７との間に、光減衰器９−１〜９−４が各個に設けられている。この光減衰器９に流す電流量を調整することにより、減衰量（半導体光アンプ８へ入力される光の強度）を調整することが可能である。なお、本実施の形態では、光減衰器９として半導体光アンプ８と同一の構造を用いているが、電界吸収型の変調器を用いることも可能である。
【００３２】
図４は、本実施の形態の多波長光源１０１において、信号速度１０Ｇｂｐｓで動作させたときの受信特性を示す図である。なお、このとき、半導体レーザ光源５へのバイアス電流値は４０ｍＡ、半導体光アンプ８への電流値は１００ｍＡ、多波長光源チップの温度は２５℃とした。光減衰器９を作動させた場合の光減衰器９への電流値は１ｍＡで、光の透過率は２．５％となっている。一方、光減衰器９を作動させない場合の光減衰器９への電流値は１０ｍＡで、およそ１００％の透過率となっている。
【００３３】
図４から明らかなように、光減衰器９を作動させない場合は、半導体光アンプ８への入力光強度が強すぎるために光信号波形が劣化し、その結果ビット誤り率が十分下がらない特性となっている。一方、光減衰器９を作動させた場合は、波形の劣化がないため、１０-12以下のビット誤り率が得られており、本発明の有効性が確認できる。
【００３４】
このように、本実施の形態によれば、光減衰器部４によって光増幅器部３へ入力される光の強度を調整（下げる）するようにして、光増幅器部３の飽和特性を抑えることができ、半導体チップのみの小型な構成で、消費電力を増加させることなく、十分な光出力特性で、かつ光信号波形の劣化のない光通信を行うことができるようになる。
【００３５】
なお、本実施の形態では、変調光源アレイ部１の構造として、利得を持つ導波路上に回折格子が形成された構造、いわゆるＤＦＢ構造を用いているが、回折格子が利得を持たない導波路に形成された、いわゆるＤＢＲ型の構造を用いてもよい。また、光合波器７は多モード干渉型となっているが、Ｙ分岐型や方向性結合器などでもよい。また、導波路の構造としては、埋め込み型の構造となっているが、リッジ型の構造にも、本発明は適用可能である。
【００３６】
また、本実施の形態では、光減衰器９で半導体光アンプ８へ入力される光の強度を下げることを特徴としているが、半導体レーザ光源５の電流を下げて半導体光アンプ８へ入力される光の強度を下げるようにすることも考えられる。しかし、半導体レーザ光源５の電流を下げるようにした場合、しきい値電流より少し多めのところで動作させるため、安定な単一モードで動作させること、あるいは十分なサイドモード抑圧比を保つことが困難となる。これに対し、本実施の形態のように、光減衰器９を用いれば、半導体レーザ光源５に十分な電流を加えられるので、安定な単一モードで動作させることが可能となる。
【００３７】
〔実施の形態２〕
図５は、本発明の実施の形態２に係る多波長光源１０２の概略図（平面図）である。実施の形態１の多波長光源１０１と異なる点は、変調光源アレイ部１が分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）２２と電界吸収型変調器２３とが直列に集積された構造となっている点である。
【００３８】
実施の形態１の多波長光源１０１では、分布帰還型半導体レーザ２２に流す電流に変調信号を加えることによって光信号を作り出す直接変調型の光源であったが、実施の形態２の多波長光源１０２では、電界吸収型変調器２３に変調電圧を加えることによって光信号を作り出す外部変調型の光源となっている。光減衰器９の構造は、電界吸収型変調器２３と同一の構造となっており、この部分に電圧を加えることにより、光を吸収することによって減衰器として動作させる。
【００３９】
本実施の形態でも、実施の形態１と同様に、光減衰器９に適切な電圧を加えることにより、半導体光アンプ８へ入力される光の強度を制御して、波形劣化のない多波長信号を生成することが可能である。
【００４０】
〔実施の形態３〕
図６は、本発明の実施の形態３に係る多波長光源１０３の概略図（平面図）である。実施の形態１の多波長光源１０１と異なる点は、光減衰器部４が光合波器部２の後段に配置されている点である。実施の形態１の多波長光源１０１では、各半導体レーザ光源５にそれぞれ１つずつ光減衰器９が配置されていたが、実施の形態３の多波長光源１０３では、光合波器７の後段に配置した１つの光減衰器９により、４波長すべての光信号を一括して制御するようになっている。各々の光信号を独立に制御することはできないが、制御端子が一つでよい点が利点となっている。本実施の形態でも、実施の形態１と同様に、光減衰器９に適切な電流を流すことにより、半導体光アンプ８への入力光強度を制御して、波形劣化のない多波長信号を生成することが可能である。
【００４１】
〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、一般的に光通信システムに利用することができる。特に、光通信システムの送信器に利用できる。
【符号の説明】
【００４３】
１…変調光源アレイ部、２…光合波器部、３…光増幅器部（半導体光アンプ部）、４…光減衰器部、５（５−１〜５−４）…半導体レーザ光源、６…透明導波路、７…光合波器、８…半導体光アンプ、９（９−１〜９−４）…光減衰器、１０…反射防止膜、１２…活性層、１３…ガイド層、１４…回折格子、１５…透明コア層、１６…ｎ型ＩｎＰクラッド層、１７…ｐ型ＩｎＰクラッド層、１８…ｐ型コンタクト層、１９…ｎ側電極、２０…ｐ側電極、２１…半絶縁性ＩｎＰ電流ブロック層、２２（２２−１〜２２−４）…分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）、２３（２３−１〜２３−４）…電界吸収型変調器、２４…半導体基板、１０１，１０２，１０３…多波長光源。
【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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