(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長可変機能を有するレーザ部と、ＥＡ変調器と、ＳＯＡとが同一基板上にモノリシック集積された、Ｃ帯全域でＳＭＦ８０ｋｍ伝送を可能とする半導体光集積素子であって、
光導波方向に対して、前記レーザ部、前記ＥＡ変調器、前記ＳＯＡの順に集積され、
前記ＳＯＡの長さは、前記ＳＯＡへの入力光強度が０ｄＢｍのときに前記ＳＯＡの出力光波形が負のチャープ値を有するように５０μｍ以上であり、前記ＳＯＡに印加される電流が４０ｍＡのときに前記ＳＯＡを飽和させるように１５０μｍ以下であることを特徴とする半導体光集積素子。
【請求項２】
前記レーザ部は、ＤＦＢレーザをアレイにしたＴＬＡタイプの波長可変レーザであることを特徴とする請求項１に記載の半導体光集積素子。
【請求項３】
前記レーザ部は、電流注入により波長を可変するＳＳＧタイプの波長可変レーザであることを特徴とする請求項１に記載の半導体光集積素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光集積素子に関し、より詳細には、Ｃ帯全域でＳＭＦ８０ｋｍ伝送を可能とする半導体光集積素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信の普及に伴い、Ｃ帯（１５３０〜１５６５ｎｍ）の光を搬送波として用い、波長多重することにより通信容量を増加させる高密度波長分割多重方式（ＤＷＤＭ）が光通信において用いられている。ＤＷＤＭを用いた光通信においては、１波長あたり１０Ｇｂｉｔ／ｓの通信速度への高速化が進んでおり、各波長のバックアップ光源として波長可変光源に変調器を集積した素子であって、Ｃ帯全域で８０ｋｍ伝送可能な素子が求められている。
【０００３】
一般に、変調速度１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速光信号を８０ｋｍ以上伝送するためには、チャーピングの小さい外部変調方式が用いられる。なかでも、電界吸収効果を利用した電界吸収型（ＥＡ：Electroabsorption）変調器は、小型、低消費電力及び半導体レーザに対する集積性などの観点から優れた特長を有する。特に、ＥＡ変調器と、単一波長性に優れる分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feedback Laser）レーザとを１つの半導体基板上にモノリシックに集積した半導体光集積素子（ＥＡ−ＤＦＢレーザ）は、単一波長の伝送距離８０ｋｍ以上の長距離伝送用発光装置として広く用いられている。また、このような長距離伝送のときの信号光波長としては、光ファイバの伝播損失が小さいＣ帯が主に用いられる。
【０００４】
一般に、単一波長のＤＦＢレーザ及びＥＡ変調器を集積したＥＡ−ＤＦＢレーザを駆動するためには、ＤＦＢレーザへの電流Ｉｏｐの注入、ＥＡ変調器へのＤＣバイアスＶｂの印加及びＥＡ変調器への高周波バイアスＶｐｐの印加を必要とする。ＤＣバイアスＶｂに負の電圧をかけ、そしてその絶対値を大きくしていくと、変調光が有するチャープ値βｃが減少し、長距離伝送における変調光の波形劣化を抑えることができる。
【０００５】
しかしながら、Ｃ帯全域のバックアップ光源としてＥＡ変調器を使用し、Ｃ帯全域で同一のＥＡ変調器を用いてチャープ値βｃを負値にすることは困難である。波長１５３０ｎｍの場合と波長１５６５ｎｍの場合とで、波長の長短によりＥＡ変調器の吸収量が変化するために、ＤＣバイアスＶｂ及び高周波バイアスＶｐｐの条件の設定が困難になるためである。
【０００６】
図１は、光信号の光波形と伝送距離との関係についてのチャープ値βｃ依存性を示す。図１（ａ）はチャープ値βｃ＝１のときの光波形と伝送距離との関係を示し、図１（ｂ）はチャープ値βｃ＝−０．７のときの光波形と伝送距離との関係を示す。図１（ａ）に示されるように、チャープ値βｃが正値（例えばβｃ＝１）である場合は、伝送距離４０ｋｍ以上の長距離伝送後における光波形が大きく劣化している。それに対して、図１（ｂ）に示されるように、チャープ値βｃが負値（例えばβｃ＝−０．７）である場合は、長距離伝送後における光波形の劣化を抑えることができている。
【０００７】
図１に示されるように、従来のＥＡ−ＤＦＢレーザでは、ＥＡ−ＤＦＢレーザから出射される変調光の光波形の形状は、チャーピングに起因して伝送距離が長距離になるにつれて劣化する。そのため、従来のＥＡ−ＤＦＢレーザでは、ＥＡ変調器に印加するＤＣバイアスＶｂに負の電圧をかけ、そしてその絶対値を大きくしチャープ値βｃを負値にして伝送を行っていた。しかしながら、ＤＣバイアスＶｂの絶対値を大きくすることによりＥＡ変調器の損失が増加し、ＤＦＢレーザから出力される光の光強度が大きく損失してしまうため、長距離伝送に十分な光強度を得ることが困難であった。
【０００８】
このように、ＥＡ変調器に印加するＤＣバイアスＶｂは、大きな光出力を得るためにはその絶対値が小さいほうがよく、長距離伝送可能な光波形を得るためにはその絶対値が大きいほうがよいというトレードオフの関係を有する。このトレードオフを打破するために、非特許文献１に、ＥＡ変調器の出力端に半導体光増幅器（ＳＯＡ）を集積する方法が報告されている。非特許文献１に記載の構成においては、ＥＡ変調器の出力端に集積されたＳＯＡに電流注入を行うことにより、ＥＡ変調器から出力された変調光が有する正のチャープ値がＳＯＡを伝搬するときにチャープ値変換されて負値チャープとなるため、長距離伝送に適した状態を実現することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Toshio Watanabe, Norio Sakaida, Hiroshi Yasaka, Masafumi Koga, "Chirp Control of an Optical Signal Using Phase Modulation in a Semiconductor Optical Amplifier", Photonics Technology Letters, １９９８年７月, vol.10, No.7, p.1027-1029.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
Ｃ帯全域でのＳＭＦ８０ｋｍ伝送ができたか否かは、実際に変調光の光ファイバ伝送を行い、伝送後の光をレシーバで受光して、そのレシーバにおける伝送後の受光感度劣化が規定内の値、具体的には例えば２ｄＢ以下以内であるか否かによって判断され、Ｃ帯全体で８０ｋｍを伝送させるためには、Ｃ帯の波長の変調光の全てについて、伝送前のチャープ値が負値でありかつ、その光強度が０ｄＢｍ以上である。
【００１１】
また、ＤＣバイアスＶｂの負の値の絶対値を大きくしていくと、変調光のチャープ値が下がるため、受信感度劣化が小さくなるが、ＤＣバイアスＶｂの負の値の絶対値を大きくしすぎると、変調光の強度が下がり、その結果伝送後の光強度が下がるため、ノイズに埋もれて結果として受信感度が劣化することもある。よってこの兼ね合いを考えてＤＣバイアスＶｂの値を決める必要がある。
【００１２】
Ｃ帯全域でのＳＭＦ８０ｋｍ伝送を実現するための従来構成として、波長可変光源及びＭＺ型光変調器を集積した半導体光集積素子があった。ＭＺ型光変調器は、プッシュプル駆動することにより変調光波形のオン・オフの両レベルのチャープを除去することができ、その結果Ｃ帯全域でＳＭＦ８０ｋｍ伝送を可能とする。しかしながら、ＭＺ型光変調器は、両アームの電極に高周波信号を入力して駆動するという制御の複雑さや、素子のサイズがＭＺ型光変調器のみで５〜８ｍｍ程度必要という問題があった。
【００１３】
ＥＡ変調器は、素子サイズが０．１〜０．２ｍｍ程度であり、１つの電極に高周波信号を入力する簡便な駆動方法で動作が可能である。しかしながら、ＥＡ変調器は、ＭＺ型光変調器に比べ変調光波形に与えるチャーピングが大きく、Ｃ帯全域で使用するにはチャーピングの影響をＭＺ型光変調器と同等レベルまで抑制する必要がある。
【００１４】
上記のようなＥＡ変調器によるチャーピングの影響をＭＺ型光変調器と同等レベルまで抑制するために、非特許文献１に記載の構成のようにＥＡ変調器の出力端にＳＯＡを集積する素子構成が考えられる。しかしながら、ＥＡ変調器の出力端にＳＯＡを単純に集積しただけでは、Ｃ帯全域でのＳＭＦ８０ｋｍ伝送に対して十分なチャープ変換値、すなわち負のチャープ変換値を得ることができなかった。そのため、Ｃ帯全域で８０ｋｍ伝送可能な半導体光集積素子であって、従来のＭＺ型光変調器を用いた半導体光集積素子に比べて制御を簡便化及び素子を小型化した半導体光集積素子は実現できていない。
【００１５】
本発明は、Ｃ帯全域でのＳＭＦ８０ｋｍ伝送を実現するための従来の波長可変光源及びＭＺ型光変調器を集積した半導体光集積素子に比べて、制御を簡便化及び素子を小型化した半導体光集積素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の請求項１に記載の半導体光集積素子は、波長可変機能を有するレーザ部と、ＥＡ変調器と、ＳＯＡとが同一基板上にモノリシック集積された、Ｃ帯全域でＳＭＦ８０ｋｍ伝送を可能とする半導体光集積素子であって、光導波方向に対して、前記レーザ部、前記ＥＡ変調器、前記ＳＯＡの順に集積され、前記ＳＯＡの長さは、前記ＳＯＡへの入力光強度が０ｄＢｍのときに前記ＳＯＡの出力光波形が負のチャープ値を有するように５０μｍ以上であり、前記ＳＯＡに印加される電流が４０ｍＡのときに前記ＳＯＡを飽和させるように１５０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項２に記載の半導体光集積素子は、本発明の請求項１に記載の半導体光集積素子であって、前記レーザ部は、ＤＦＢレーザをアレイにしたＴＬＡタイプの波長可変レーザであることを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項３に記載の半導体光集積素子は、本発明の請求項１に記載の半導体光集積素子であって、前記レーザ部は、電流注入により波長を可変するＳＳＧタイプの波長可変レーザであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、Ｃ帯全域でのＳＭＦ８０ｋｍ伝送を実現するための従来の波長可変光源及びＭＺ型光変調器を集積した半導体光集積素子に比べて、制御を簡便化及び素子を小型化した半導体光集積素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】光信号の光波形と伝送距離との関係についてのチャープ値βｃ依存性を示す図である。
【図２】ＳＯＡへの入力光強度とＳＯＡ出力光波形が有するチャープ値とのＳＯＡ長依存性を示す図である。
【図３】チャープ値が負値又は正値のそれぞれの場合における変調光波形を示す図である。
【図４】本発明に係る半導体光集積素子の制御について説明するための図である。
【図５】ＳＯＡの飽和電流とＳＯＡ長との関係を示す図である。
【図６】従来及び本発明の半導体光集積素子の構成を説明するための図である。
【図７】本発明の実施例に係る半導体光集積素子を示す図である。
【図８】本発明の実施例に係る半導体光集積素子を用いてＣ帯全体でＳＭＦ８０ｋｍ伝送を行った際の変調光波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明に係る半導体光集積素子は、Ｃ帯全域でＳＭＦ８０ｋｍ伝送可能な半導体光集積素子を実現するために、従来の波長可変光源及びＭＺ型光変調器を用いた素子構成に対し、波長可変機能を有したレーザと、ＥＡ光変調器と、ＥＡ変調器の出射端に設けられたＳＯＡとを同一基板上に集積した素子構成について提案し、さらにＣ帯全域で８０ｋｍ伝送を可能とするＳＯＡ長について、消費電力及び光波形品質の点から提案するものである。以下、添付の図面を用いて本発明の原理について説明する。
【００２２】
ＳＯＡ中を伝搬する光波形のチャープ変換は、変調光がＳＯＡ内部を伝搬する際、ＳＯＡ内部のキャリア密度の変化が起き、そのキャリア密度の変化によってＳＯＡ内部の屈折率変化が生じ、当該屈折率の変化から変調光に位相変化を生じることで起こる。位相変化量Δφは、非特許文献１に示されるように、屈折率変化Δｎ及びＳＯＡ長Ｌを用いて、
【００２３】
【数１】
0005823921.tif 000002
【００２４】
で示すことができる。（式１）に示されるように、位相変化量ΔφはＳＯＡ長Ｌに比例する。
【００２５】
図２は、ＳＯＡへの入力光強度とＳＯＡ出力光波形が有するチャープ値とのＳＯＡ長依存性を示す。光の導波方向についてのＳＯＡ長Ｌ＝１０μｍの場合は位相変化量が小さいため、チャープ値が０より小さい負値を実現するためには大きな入力光強度が必要となる。図２に示されるように、ＥＡ変調器からの出力光強度、すなわちＳＯＡへの入力光強度として一般的な値０ｄＢｍにおいて、負のチャープ値を実現するためには、光導波方向についてのＳＯＡ長として５０μｍ以上必要である。
【００２６】
図３は、チャープ値が負値又は正値のそれぞれの場合における変調光波形を示す。図３（ａ）はＥＡ変調器から出力される変調光波形を示す。８０ｋｍ伝送を実現するためにチャープ値を負値にする必要があり、ＤＣバイアスＶｂの絶対値は大きな値に設定されている。図３（ｂ）はＥＡ変調器出力端にＳＯＡが接続されていない場合の８０ｋｍ伝送後の変調光波形を示し、図３（ｃ）はＥＡ変調器出力端にＳＯＡが接続されている場合のＳＭＦ８０ｋｍ伝送後の変調光波形を示す。
【００２７】
同一のＤＣバイアスＶｂ値条件下において、図３（ｂ）に示されるＥＡ変調器の出力端にＳＯＡが接続されていない場合に比べて、図３（ｃ）に示されるＥＡ変調器の出力端にＳＯＡが接続されている場合は、変調光波形の劣化を抑えることができており、長距離伝送に優れた特性を示している。ＥＡ変調器の出力端にＳＯＡが接続されている場合は、ＥＡ変調器の出力端にＳＯＡが接続されていない場合と同等の光波形が得られるまでＤＣバイアスＶｂの絶対値を小さくしていくことが可能であり、その結果光出力の増加を実現することができる。
【００２８】
図４は、本発明に係る半導体光集積素子の制御を説明するための図である。図４に示されるように、本発明に係る半導体光集積素子１００は、波長可変光源１０１と、同一基板上にモノリシック集積されたＥＡ変調器１０２及びＳＯＡ１０３とを備え、ＳＯＡ１０３はＥＡ変調器１０２の出力端に接続されている。ＥＡ変調器１０２及びＳＯＡ１０３には、ＥＡ変調器１０２及びＳＯＡ１０３を制御するための制御端子１０４及び１０５がそれぞれ接続されている。
【００２９】
波長可変光源部１０１は、従来と同様の方法で制御され、１５３０〜１５６５ｎｍの光を選択して出射する。本発明に係る半導体光集積素子１００においては、ＥＡ変調器１０２に制御端子１０４からＤＣバイアスＶｂ及び高周波バイアスＶｐｐが供給され、ＳＯＡ１０３に制御端子１０５から電流ＩＳＯＡが注入される。このように、本発明に係る半導体光集積素子１００は、２つの制御端子が接続され、ＭＺ型光変調器を用いた従来の素子構成と同一の制御端子数でＥＡ変調器及びＳＯＡを制御することができる。
【００３０】
ここで、従来構成で用いられるＭＺ型光変調器の片方のアーム導波路に供給される電力を、ＳＯＡに割り振ることを想定する。本発明に係る半導体光集積素子は、従来のようなＭＺ型光変調器を使用せずにＥＡ変調器１０２及びＳＯＡ１０３に係る構成により、ＭＺ型光変調器を使用した場合と同等の消費電力で動作することが可能である。一般的なＭＺ型光変調器では、片方のアーム導波路にＤＣバイアスＶｂとして３Ｖ程度を印加し、高周波バイアスＶｐｐとして２Ｖ程度印加する。本発明に半導体光集積素子は、この片方のアーム導波路に印加する電力２Ｖ分をＳＯＡ１０３に割り振り、ＩＳＯＡ値として２０〜４０ｍＡ印加することにより動作することができ、それにより従来のＭＺ型光変調器を使用した構成と比較して電力増加を抑制することができる。
【００３１】
ＳＭＦ８０ｋｍ伝送に対して十分なチャープ変換値を得るためには、ＳＯＡを飽和した状態で使用する必要がある。チャープ変換の原理は、ＳＯＡのキャリア密度変動によるものであり、キャリア密度に変化を与えるには、ＳＯＡ内部の光を急激に変化させる必要がある。ＳＯＡが飽和状態（キャリアが注入されていて光の増幅限界になっている）であれば、そこに光が外部から入ってきた場合、光を増幅するために一気にキャリアを消費するため、キャリアが一気に変化し、大きなチャープ変換を得ることができる。図５は、ＳＯＡの飽和電流とＳＯＡ長との関係を示す。図５に示されるように、ＳＯＡが長くなるほど飽和に必要な電流値が増加する。ＩＳＯＡ値の許容値である４０ｍＡ程度の電流でＳＯＡを飽和させるためには、ＳＯＡ長は１５０μｍより短く設定しておく必要がある。
【００３２】
図６を用いて、従来及び本発明の半導体光集積素子の構成を説明する。図６（ａ）はＭＺ型光変調器を用いた従来の素子構成を示し、図６（ｂ）はＥＡ光変調器及びＳＯＡを用いた本発明に係る素子構成を示す。図６（ａ）に示されるように、従来のＭＺ型光変調器を用いた素子構成では、両アーム導波路の制御端子として２端子を使用し、ＭＺ型光変調器のデバイス長は５〜８ｍｍである。図６（ｂ）に示されるように、ＥＡ光変調器及びＳＯＡを用いた本発明に係る素子構成でもＥＡ変調器及びＳＯＡの制御端子として２端子使用するが、ＥＡ変調器のデバイス長がおよそ０．２ｍｍであり、ＳＯＡのデバイス長が０．０５〜０．１５ｍｍであり、ＥＡ変調器及びＳＯＡの全体のデバイス長は０．２５〜０．３５ｍｍであるため、従来のＭＺ型光変調器を用いた素子構成に比べて、デバイス長を２０分の１程度にすることが可能である。
【００３３】
このように、本発明では、ＥＡ変調器長を２００μｍとし、ＳＯＡ長を５０μｍ〜１５０μｍとしている。ＳＯＡ長を１５０μｍ以下に設定することにより、少ない電流量でＳＯＡを飽和させることが可能となるため、Ｃ帯全域で８０ｋｍ伝送を可能な半導体光集積素子において低消費電力化を実現することができる。さらに、ＳＯＡ長を５０μｍ以上に設定することにより、キャリア密度の変化に起因するチャープ変換量として十分な値を確保することができるため、Ｃ帯全域で８０ｋｍ伝送を可能な半導体光集積素子において高品質な波形を提供することが可能となる。
【００３４】
（実施例）
図７は、本発明の実施例に係る半導体光集積素子を示す。ただし、図６はあくまで本実施例を説明するものであって、図６の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
【００３５】
図７には、本発明の実施例に係る半導体光集積素子１００は、波長可変光源部１０１と光変調部１１０とが示されている。光変調部１１０は、ｎ−ＩｎＰからなる基板１と、基板１上に形成されたＥＡ変調器活性層２と、基板１上に形成されたＳＯＡ活性層３と、ＥＡ変調器活性層２及びＳＯＡ活性層３上に形成されたｐ−ＩｎＰからなるクラッド層４と、ＥＡ変調器活性層２及びＳＯＡ活性層３上に形成され、クラッド層４を挟み込むように形成されたベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）５と、クラッド層４及びＢＣＢ５上にそれぞれ形成されたＥＡ変調器電極６及びＳＯＡ電極７とを備える。波長可変光源部１０１としては、例えば、ＤＦＢレーザをアレイにした構造（ＴＬＡタイプ）の波長可変レーザや電流注入により波長を可変するＳＳＧタイプの波長可変レーザ等を用いることができる。
【００３６】
図７に示されるように、光変調部１１０においては、基板１上にＥＡ変調器活性層２及びＳＯＡ活性層３を形成することにより、同一の基板１上にＥＡ変調器及びＳＯＡを集積している。
【００３７】
次に、本発明に係る半導体光集積素子の動作について説明する。波長可変光源部１０１から出射されたレーザ光は、ＥＡ変調器活性層２に入射する。このとき、波長可変光源部１０１から出射されたレーザ光を変調するために、ＥＡ変調器電極６に逆方向バイアスが印加されていると同時に、ＳＯＡ電極７に順方向バイアスが印加されている。ＥＡ変調器電極６に逆方向バイアスが印加されているためＥＡ変調器活性層２においてレーザ光が吸収され、それにより光のオン・オフが可能となる。ＥＡ変調器活性層２を通過した正のチャープ値を有するレーザ光は、ＳＯＡ活性層３を通過することによりチャープ値変換されて負値チャープとなり、素子外部に出射する。これにより、従来と比べて０．１〜０．２Ｖ程度絶対値が小さいＤＣバイアスＶｂによってＥＡ変調器動作を実行することが可能となる。
【００３８】
図８は、本発明の実施例に係る半導体光集積素子を用いてＣ帯全体でＳＭＦ８０ｋｍ伝送を行った際の変調光波形を示す。図８の各フレーム１５３０〜１５６５に示されるように、本発明の実施例に係る半導体光集積素子により、ＳＯＡへの注入電流ＩＳＯＡ＝４０ｍＡにおいて、Ｃ帯全域で伝送距離８０ｋｍにおいて良好なアイ開口を得ることが可能となった。
【符号の説明】
【００３９】
１  基板
２  ＥＡ変調器活性層
３  ＳＯＡ活性層
４  クラッド層
５  ＢＣＢ
６  ＥＡ変調器電極
７  ＳＯＡ電極
１００  半導体光集積素子
１０１  波長可変光源
１０２  ＥＡ変調器
１０３  ＳＯＡ
１０４、１０５  制御端子
１１０  光変調部
【図１】
0005823921.tif 000003
【図２】
0005823921.tif 000004
【図３】
0005823921.tif 000005
【図４】
0005823921.tif 000006
【図５】
0005823921.tif 000007
【図６】
0005823921.tif 000008
【図７】
0005823921.tif 000009
【図８】
0005823921.tif 000010