(57)【要約】【課題】小型化を実現することができる変調光源を提供すること等。【解決手段】変調信号生成装置２００は、信号列の位相変調に応じて設定される駆動変調電圧Ｖｍを生成する電圧源２２１と、駆動変調電圧Ｖｍに応じた変調電圧Ｖｐを生成して光源部の周波数変調領域１０４に与える制御回路２２２とを含む。【選択図】図６
2013197815.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号列の位相変調に応じて設定される駆動電圧を生成する電圧源と、前記駆動電圧に応じた変調電圧を生成する制御回路と、を含む変調信号生成部と、
前記変調電圧に応じた周波数変調信号を生成する光源部と、
を備えることを特徴とする変調光源。
【請求項２】
前記周波数変調信号の周波数の変化量をΔｆ、前記各信号間の位相差をΔΦ、時間をｔとすると、前記光源部は、前記位相変調がＰＳＫまたはＤＰＳＫの場合、
ΔΦ（ｔ）＝-２π∫Δｆ（ｔ）ｄｔ  （１）
ΔΦ（ｔ）＝（２ｍ＋１）×π  （ｍ：整数）  （２）
を満たすように、前記周波数変調信号を生成する
請求項１に記載の変調光源。
【請求項３】
前記周波数変調信号の周波数の変化量をΔｆ、前記各信号間の位相差をΔΦ、時間をｔとすると、前記光源部は、前記位相変調がＱＰＳＫまたはＤＱＰＳＫの場合、
ΔΦ（ｔ）＝-２π∫Δｆ（ｔ）ｄｔ  （３）
ΔΦ（ｔ）＝（ｍ／２）×π  （ｍ：整数）  （４）
を満たすように、前記周波数変調信号を生成する
請求項１に記載の変調光源。
【請求項４】
前記制御回路は、ＮＲＺ信号に応じた駆動電圧の微分波形からなる変調電圧を前記光源部の周波数変調領域に印加するように構成されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の変調光源。
【請求項５】
信号列の位相変調に応じて設定される駆動電圧を生成するステップと、
前記駆動電圧に応じた変調電圧を生成するステップと、
前記変調電圧に応じた周波数変調信号を生成するステップと、
を備えることを特徴とする変調信号の生成方法。
【請求項６】
前記周波数変調信号の周波数の変化量をΔｆ、前記各信号間の位相差をΔΦ、時間をｔとすると、前記周波数変調信号を生成するステップは、前記位相変調がＰＳＫまたはＤＰＳＫの場合、
ΔΦ（ｔ）＝-２π∫Δｆ（ｔ）ｄｔ  （５）
ΔΦ（ｔ）＝（２ｍ＋１）×π  （ｍ：整数）  （６）
を満たす
請求項５に記載の変調信号の生成方法。
【請求項７】
前記周波数変調信号の周波数の変化量をΔｆ、前記各信号間の位相差をΔΦ、時間をｔとすると、前記周波数変調信号を生成するステップは、前記位相変調がＱＰＳＫまたはＤＱＰＳＫの場合、
ΔΦ（ｔ）＝-２π∫Δｆ（ｔ）ｄｔ  （７）
ΔΦ（ｔ）＝（ｍ／２）×π  （ｍ：整数）  （８）
を満たす
請求項５に記載の変調信号の生成方法。
【請求項８】
前記変調電圧を生成するステップは、ＮＲＺ信号に応じた駆動電圧の微分波形からなる変調電圧を光源部の周波数変調領域に印加するステップを含むことを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載の変調信号の生成方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、光ファイバ伝送を行うための変調光源および変調信号の生成方法に関する。
【０００２】
インターネットの普及に伴うネットワークトラフィックの増大により、光ファイバ伝送においては、高速化と大容量化とを行うことが望まれている。光ファイバの大容量化には、多重度の増大と変調速度の高速化がこれまでに重要な役割を果たしてきている。そして、光ファイバの多重化については、光ファイバを多重利用する方式である波長分割多重(ＷＤＭ： Wavelength Division Multiplexing)技術により、光ファイバ１本当たり1000波を超える光信号の伝送を行うことができるようになってきている。
【０００３】
変調速度の高速化の点については、現在のバックボーンでは、40Gb/sベースの伝送装置が導入され始め、アクセス・メトロネットワークでは、10Gb/sベースが使用されてきている。しかし、更なる変調速度の高速化に関して、100Gb/sを使用した変調実験の研究結果が報告されているものの、40Gb/sを超える変調速度の実用化には至っていない。これは、高速化のための技術的課題が多いこと、および、低コスト化のための技術が確立されていないこと等に基づく。また、40Gb/sを超える変調速度の実用化が困難な理由の一つとして、これまでの主流の変調方式である２値のＡＳＫ(Amplitude shift keying)方式では、スペクトルの広がりにより光ファイバの波長分散の影響を受けるため、高速変調して伝送される信号特性が著しく劣化することが考えられる。
【０００４】
長距離伝送の光ファイバ通信システムに40Gb/sを超える変調速度を適用するにあたっては、偏波分散(ＰＭＤ： Polarization Mode Dispersion)の課題が顕在化してきたことから、更なる大容量化や優れた分散耐性を実現できる変調方式の導入の期待が高まっている。
【０００５】
かかる状況下において、光ファイバ伝送では、周波数利用効率の高い多値変調の技術が適用されている。多値変調方式は、光信号の強度と位相との両方に情報を載せることにより、１つの変調シンボルを複数のビットで表現する方式である。多値変調方式は、ボーレートを上げることなく伝送容量を増大させることを可能とするため、上述した２値のＡＳＫ方式よりも周波数利用効率が向上する。位相変調方式としては、ＰＳＫ(Phase shift keying)方式、ＱＰＳＫ(Quadrature Phase Shift Keying)方式、ＤＰＳＫ(Differential Phase Shift Keying)方式、ＤＱＰＳＫ(Differential Quadrature Phase Shift Keying)方式などがある。例えば非特許文献１には、光源部とマッハ・ツェンダ型変調器とを備え、このマッハ・ツェンダ型変調器を用いて光信号の強度と位相とを制御する技術が開示されている。
【０００６】
図１は、各種位相変調方式におけるコンスタレーションマップ（複素電界分布）を説明するための図であって、（ａ）はＰＳＫのコンスタレーションマップと、（ｂ）はＤＰＳＫのコンスタレーションマップと、（ｃ）はＱＰＳＫのコンスタレーションマップと、（ｄ）ＤＱＰＳＫのコンスタレーションマップとを示している。図１（ａ）〜（ｄ）では、横軸のＲｅ（Ｅ）は実数部、縦軸のＩｍ（Ｅ）は虚数部を示してある。
【０００７】
例えば図１（ａ）では、２つの符号０，１がπの位相差を有する一例を示している。また、図１（ｂ）では、符号０が位相変化＝０に対応し、符号１が位相変化＝πに対応して与えられる。
【０００８】
図１（ｃ）では、π／２ずつシフトした４つのパターンの２ビット列、すなわち、００，１０，１１，０１が与えられる一例を示してある。また、図１（ｄ）では、符号列００が位相変化＝０、符号列１０が位相変化＝π／２、符号列１１が位相変化＝π、符号列０１が位相変化＝-π／２にそれぞれ対応して与えられる。
【０００９】
次に、従来の変調方式におけるマッハ・ツェンダ型変調器を備えた変調光源の構成について図２および図３を参照して説明する。
【００１０】
図２は、従来の変調光源の構成例であって、（ａ）はＰＳＫまたはＤＰＳＫ方式を適用する場合の構成と、（ｂ）ＲＺ(Return to Zero)−ＰＳＫまたはＲＺ(Return to Zero)−ＤＰＳＫ方式を適用する場合の構成とを示している。
【００１１】
図２（ａ）に示す変調光源３００は、連続（CW： Continuous Wave)光を出力する光源部３０１とマッハ・ツェンダ型変調器３０２とを備える。この変調器３０２は、光源部３０１からの連続光を２つの光路に伝搬させるための２つのアームを有する。図２（ａ）では、１つのアームは、光をπ／２シフトさせる位相調整領域３０３を有する。また、２つのアームには、それぞれ屈折率を変化させるために電圧印加を行う変調領域３０４，３０５が形成されている。この変調器３０２では、２つのアームを位相変調することにより、０，πを表す２値の位相変調を与えることができる。
【００１２】
図２（ｂ）に示す変調光源３００Ａは、光源部３０１およびマッハ・ツェンダ型変調器３０２Ａを備える。この変調器３０２Ａは、図２（ａ）に示した３つの領域３０３，３０４，３０５を備えるが、さらにパルス整形、すなわちNRZ(Non Return to Zero)信号をRZ(Return to Zero)化するための２つの変調領域３１０，３１１を有する１組のアームを備える。
【００１３】
図３は、従来の変調光源の構成例であって、（ａ）はＱＰＳＫまたはＤＱＰＳＫ方式を適用する場合の構成と、（ｂ）ＲＺ(Return to Zero)−ＱＰＳＫまたはＲＺ(Return to Zero)−ＤＱＰＳＫ方式を適用する場合の構成とを示している。
【００１４】
図３（ａ）に示す変調光源３００Ｂにおいて、光源部３０１およびマッハ・ツェンダ型変調器３０２Ｂを備える。この変調器３０２Ｂは、２つのマッハ・ツェンダ型変調器を備える。これは、ＱＰＳＫまたはＤＱＰＳＫは、４つのパターンの２ビット列で表されるためである。変調器３０２Ｂの４つのアームには、それぞれ屈折率を変化させるために電圧印加を行う変調領域３０４，３０５，３２０，３２１が形成されている。この場合、ＱＰＳＫでは、０，π／２，-π／２，πを表す４値の位相変調、ＤＱＰＳＫでは、０，±π／２，πの位相変化を与えることが可能となる。
【００１５】
図３（ｂ）に示す変調光源３００Ｃは、光源部３０１およびマッハ・ツェンダ型変調器３０２Ｃを備える。この変調器３０２Ｃは、図２（ａ）に示した変調器３０２Ｂを備えるが、さらにパルス整形、すなわちNRZ(Non Return to Zero)信号をRZ(Return to Zero)化するための２つの変調領域３１０，３１１を有する１組のアームを備える。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】P. J. Winzer, “Advanced Optical Modulation Format,”  IEEE, vol. 94, no. 5, pp. 952-985.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
以上のように、従来の多値の変調光源は、ＣＷ光源とマッハ・ツェンダ型変調器とを組み合わせた構成となっている。しかし、マッハ・ツェンダ型変調器は、素子が大きくなるために伝搬損や消費電力が増大しやすくなる。将来の大規模集積に向けて、光源と変調器とを小型に集積した位相変調光源の実現が課題となっている。
【００１８】
例えばＡＳＫ用の変調光源である吸収型（ＥＡ）変調器集積型分布反射型レーザの場合、光源と変調器とを合わせたチップサイズは1 mm程度である。一方、化合物半導体材料を用いたマッハ・ツェンダ変調器の場合、変調領域の部分だけで１mm程度の素子長が必要となり、例えばＣＷ光源とＲＺ変調器とを集積する場合には、ＡＳＫ用の変調光源と比較して、２倍以上のサイズとなることが避けられない。素子サイズの増大は伝搬損の増大や、温調電力の増大などの消費電力増大の原因となるほか、大規模集積にも適さない。
【００１９】
そこで本発明は、小型化とすることが可能な変調光源、および、変調信号の生成方法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】
【００２０】
上記の目的を達成するための変調光源は、信号列の位相変調に応じて設定される駆動電圧を生成する電圧源と、前記駆動電圧に応じた変調電圧を生成する制御回路と、を含む変調信号生成部と、前記変調電圧に応じた周波数変調信号を生成する光源部とを備えるものである。
【００２１】
ここで、前記周波数変調信号の周波数の変化量をΔｆ、前記各信号間の位相差をΔΦ、時間をｔとすると、前記光源部は、前記位相変調がＰＳＫまたはＤＰＳＫの場合、ΔΦ（ｔ）＝-２π∫Δｆ（ｔ）ｄｔ、ΔΦ（ｔ）＝（２ｍ＋１）×π（ｍ：整数）を満たすように、前記周波数変調信号を生成するようにしてもよい。
【００２２】
あるいは、前記周波数変調信号の周波数の変化量をΔｆ、前記各信号間の位相差をΔΦ、時間をｔとすると、前記光源部は、前記位相変調がＱＰＳＫまたはＤＱＰＳＫの場合、ΔΦ（ｔ）＝-２π∫Δｆ（ｔ）ｄｔ、ΔΦ（ｔ）＝（ｍ／２）×π（ｍ：整数）を満たすように、前記周波数変調信号を生成するようにしてもよい。
【００２３】
上記の目的を達成するための変調信号の生成方法は、信号列の位相変調に応じて設定される駆動電圧を生成するステップと、前記駆動電圧に応じた変調電圧を生成するステップと、前記変調電圧に応じた周波数変調信号を生成するステップとを備えるものである。
【００２４】
ここで、前記周波数変調信号の周波数の変化量をΔｆ、前記各信号間の位相差をΔΦ、時間をｔとすると、前記周波数変調信号を生成するステップは、前記位相変調がＰＳＫまたはＤＰＳＫの場合、ΔΦ（ｔ）＝-２π∫Δｆ（ｔ）ｄｔ、ΔΦ（ｔ）＝（２ｍ＋１）×π（ｍ：整数）を満たすようにしてもよい。
【００２５】
あるいは、前記周波数変調信号の周波数の変化量をΔｆ、前記各信号間の位相差をΔΦ、時間をｔとすると、前記周波数変調信号を生成するステップは、前記位相変調がＱＰＳＫまたはＤＱＰＳＫの場合、ΔΦ（ｔ）＝-２π∫Δｆ（ｔ）ｄｔ、ΔΦ（ｔ）＝（ｍ／２）×π（ｍ：整数）を満たすようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、変調光源を小型化とすることができる。あるいは、変調信号の生成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】各種位相変調方式におけるコンスタレーションマップを説明するための図である。
【図２】従来の変調光源の構成例を示す図である。
【図３】従来の変調光源の構成例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態における光半導体装置の断面構造の一例を説明するための図である。
【図５】光の導波方向に沿った光源部および変調器の断面構造の一例を説明するための図である。
【図６】変調信号生成装置の構成例を説明するための図である。
【図７】光半導体装置の変調器の動作原理を説明するための図である。
【図８】ＰＳＫ変調の場合における周波数変化および位相特性を説明するための図である。
【図９】ＰＳＫ変調の場合の変調信号生成装置の動作原理を説明するための図である。
【図１０】ＰＳＫ変調の場合の他の動作原理を説明するための図である。
【図１１】ＤＰＳＫ変調の場合の変調信号生成装置の動作原理を説明するための図である。
【図１２】ＱＰＳＫ変調の場合の変調信号生成装置の動作原理を説明するための図である。
【図１３】ＱＰＳＫ変調の場合において、変調信号生成装置によって生成される駆動変調電圧および変調電圧の一例を説明するための図である。
【図１４】ＤＱＰＳＫ変調の場合における変調光源の動作原理を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本実施形態における光半導体装置は、光源部と、変調信号生成装置と、変調器とを含んで構成され、変調信号生成装置で生成された変調信号を利用して信号列の位相変調に応じた周波数変調信号を生成するための装置である。
【００２９】
本実施形態における光半導体装置について、図４ないし図１４を参照して説明する。
【００３０】
[光半導体装置の構成]
図４は、本実施形態における光半導体装置１０の断面構造の一例を説明するための図である。
【００３１】
図４に示すように、この光半導体装置１０は、光源部１０１と、変調器１０２とを備える。この実施形態では、一例として、光源部１０１は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）型周波数変調光源とし、変調器１０２は電界吸収型変調器とする。図４に示した光源部１０１および変調器１０２は、モノシリックに集積されている。
【００３２】
なお、光半導体装置１０は、後述する図６の変調信号生成装置（変調信号生成部）２００も備えるが、図４では光源部１０１および変調器１０２のみを表示してある。本実施形態において、光源部１０１および変調信号生成装置２００は、変調光源を構成している。
【００３３】
図４において、光源部１０１は、第１のＤＢＲ反射器１０３と、周波数変調領域（位相調整領域）１０４と、活性層領域１０５と、第２のＤＢＲ反射器１０６とを備える。
【００３４】
光源部１０１には、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０８が形成されており、このクラッド層１０８の上には、各ＤＢＲ反射器１０３，１０６および周波数変調領域１０４のＩｎＧａＡｓＰ層１０９と、活性層領域１０５の8層ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層１１０とが形成されている。各ＤＢＲ反射器１０３，１０６の導波路層には、回析格子１１２が形成されている。
【００３５】
光源部１０１のコア層（ＩｎＧａＡｓＰ層１０９および8層ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層１１０）上に形成されるｐ型ＩｎＰクラッド層１１３の上には、コンタクト層１１４およびｐ型電極１１５が積層されている。
【００３６】
ｎ型電極１１６は、クラッド層１０８の下に形成されている。
【００３７】
周波数変調領域１０４は、変調電圧源１１８に接続され、電圧Ｖｐが与えられる。活性層領域１０５は、直流電流源１１９に接続され、直流電流源１１９から電流ＩDが与えられる。ＤＢＲ反射器１０３，１０６にはそれぞれ直流電流源１１７，１２０が接続され、波長制御電流ＩR，ＩFが与えられる。
【００３８】
この実施形態では、一例として、活性層領域１０５の長さを３００μｍ、周波数変調領域１０４の長さを２００μｍとする。また、第１のＤＢＲ反射器１０３の長さを例えば３００μｍ、第２のＤＢＲ反射器１０６の長さを例えば６００μｍとする。
【００３９】
クラッド層１０８のドーピング濃度は例えば１０18ｃｍ-3となっている。また、ＩｎＧａＡｓＰ層１０９では、バンドギャップ波長は例えば１．３μｍ、厚さは例えば３００ｎｍとなっている。
【００４０】
量子井戸層１１０では、バンドギャップ波長は例えば１．５５μｍ、厚さは例えば２００ｎｍとなっている。回析格子１１２は、ブラッグ波長が例えば１．５５μｍとなるように形成される。回析格子１１２の結合定数は、例えば３０ｃｍ-1である。
【００４１】
ｐ型ＩｎＰクラッド層１１３では、ドーピング濃度は例えば１０18ｃｍ-3、厚さは例えば１．５μｍとなっている。コンタクト層１１４では、バンドギャップ波長は例えば１．５μｍ、ドーピング濃度は例えば１０19ｃｍ-3、厚さは例えば３００ｎｍとなっている。この実施形態では、各領域１０３，１０４，１０５，１０６，１０７の間は例えば１０μｍ隔てて形成されるので、コンタクト層１１４はその間は形成されていない。
【００４２】
変調器１０２は、強度変調電圧ＶＩを与える電圧源１２１に接続される変調器領域１０７を備える。この変調器領域１０７では、上述したｎ型ＩｎＰクラッド層１０８の上に、8層ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層１１１、ｐ型ＩｎＰクラッド層１１３、コンタクト層１１４、および、ｐ型電極１１５が積層されている。そして、クラッド層１０８の下には、ｎ型電極１１６が形成されている。この実施形態では、ｎ型電極、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０８、ｐ型ＩｎＰクラッド層１１３、コンタクト層１１４およびｐ型電極１１５は、光源部１０１および変調器１０２の領域にわたり、光の導波方向に一様に形成されている。
【００４３】
なお、この実施形態では、光半導体装置１０の両端面は、例えば無反射コーティングが施されている。
【００４４】
図５は、光の導波方向に沿った光源部１０１および変調器１０２の断面構造の一例を説明するための図である。
【００４５】
図５では、光源部１０１および変調器１０２は、導波路の幅が１．５μｍのリッジ構造とした一例を示してある。電極１１６上には、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０８が形成されており、このＩｎＰクラッド層１０８上に、コア層１２２が形成されている。なお、コア層１２２は、図４に示したＩｎＧａＡｓＰ層１０９および8層ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層１１０に相当する。
【００４６】
ＳｉＯ2絶縁膜１２３はリッジの両側に形成され、ＳｉＯ2絶縁膜１２３上には、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）１２４が形成されている。そして、平坦化されたコンタクト層１１４、ＳｉＯ2絶縁膜１２３、およびＢＣＢ１２４上には、ｐ型電極１１５が形成されている。
【００４７】
図６は、図４における変調電圧Ｖｐ１１８を与えるための変調信号生成装置２００の構成例を説明するための図である。
【００４８】
図６において、変調信号生成装置２００は、駆動変調電圧（駆動電圧）Ｖｍを生成する電圧源２２１と、駆動変調電圧Ｖｍに応じた変調電圧（変調信号）Ｖｐを生成する制御回路２２２とを備える。この制御回路２２２は、２つの抵抗２２３，２２４およびコンデンサ２２５によって構成される微分回路となっている。光源部１０１の周波数変調領域１０４の一端はコンデンサ２２５の一端に接続され、他端は接地される。
【００４９】
図６の例では、コンデンサ２２５の静電容量をＣ、抵抗２２３の抵抗値をＲ、抵抗２２４の抵抗値を例えば５０Ωとする。この場合、制御回路２２２は微分回路となっているため、図６の信号波形ｄ１で示す駆動変調電圧Ｖｍは、信号波形ｄ２に示すように、駆動変調電圧Ｖｍの微分成分をもつ変調電圧Ｖｐとなる。この変調電圧Ｖｐは、周波数変調領域１０４に印加される。
【００５０】
この実施形態では、電圧源２２１によって生成される駆動変調電圧Ｖｍは、信号列の位相変調に応じた値をもつようになっている。つまり、駆動変調電圧Ｖｍは、例えば、ＰＳＫ、ＤＰＳＫ、ＱＰＳＫまたはＤＱＰＳＫに応じた信号間の位相変化を表すことができるように調整されている。この内容については、後で詳細に説明する。
【００５１】
[光源部１０１の動作原理]
次に、光源部１０１の動作原理について図４を参照して説明する。直流電流源１２０によって活性層領域１０５に電流を注入することにより、活性層領域１０５には自然放出光が発生する。導波モードに結合した自然放出光は、第１の反射器領域１０３および第２の反射器領域１０６のＩｎＧａＡｓＰ層１０９で反射され、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層１１０による誘導放出が発生する。光源部１０１では、単一波長のみを選択的に反射させることが可能である。誘導放出における光利得が光源部１０１の光吸収による損失を上回るとレーザ発振が生ずる。このときの発振周波数ｆ0は、以下のように与えられる。
ｆ0＝２ｃＬｍ／ｎｅｑ  （９）
【００５２】
ここで、Ｌは光源部１０１の共振器長、ｎｅｑは実効屈折率、ｃは真空中の光速度、ｍは発振縦モードを示す整数、を示す。Ｌは、２つのＤＢＲ領域１０３，１０６の実効長ＬDBR、周波数変調領域１０４の長さＬｐ、および、活性層領域１０５の長さＬａの和（ＬDBR＋Ｌｐ＋Ｌａ）を表してある。なお、ｎｅｑは実効屈折率がすべて均一としている。
【００５３】
一般に、周波数変調領域１０４に対応する領域は、電流注入によって位相調整をすることが知られているが、この実施形態の周波数変調領域１０４は、電圧印加によって周波数変調を行うことになる。これは、後述するように、強度変調のない理想的な周波数変調信号を生成するためである。
【００５４】
式（９）から、周波数変調領域１０４の実効屈折率が△ｎeq変化することによって、発振周波数は以下のように変化する。
Δｆ〜ｆ0×（Δｎｅｑ×Ｌｐ）／（ｎｅｑ×Ｌ）  （１０）
【００５５】
具体的には、光源部１０１の発振周波数は、電圧源１１８が周波数変調領域１０４に電圧Ｖｐを印加した場合に、周波数変調領域１０４の実効屈折率が変わることによって、変化することになる。したがって、印加電圧に変調信号を重畳させれば、光源部１０１の周波数変調を行うことが可能となる。この場合、上述した印加電圧は、逆バイアス方向に与えて電気光学効果、すなわち電圧の印加に伴って屈折率が変化する効果を得るようにしてもよいし、あるいは、印加電圧は順方向に与えて電流によるキャリア効果を得るようにしてもよい。変調効率の観点からは、順バイアスによる電流駆動が有効であるが、高速変調の観点からは、逆バイアスによる電流駆動の方が有効である。
【００５６】
一般に、電圧印加による化合物半導体の屈折率変化は、光吸収変化とクラマース・クローニッヒとの関係に基づいている。すなわち、屈折率変化には光吸収変化を伴う。この光吸収変化は、光源部１０１がレーザ光を出力する閾値電流値を変えることになり、不要な強度変調の要因となる。強度変調が行われると、レーザ光の緩和振動が生じるため、光源部１０１の応答に与える影響が大きくなる。
【００５７】
しかし、例えば、逆バイアスによる屈折率変調において、周波数変調領域１０４のバンドギャップ波長を使用領域に対して１００ｎｍ以上短い波長とすることによって、電圧印加に伴う光吸収による伝搬損失は少なくなるため、その伝搬損失による影響を無視できるようになる。
【００５８】
この観点から、本実施形態の光源部１０１では、周波数変調領域１０４のバンドギャップ波長を使用領域に対して１００ｎｍ以上短い波長とすることによって、強度変調のない理想的な周波数変調信号を生成するようにしている。なお、変調器１０２において、周波数変調信号の強度変調を行うようになっている。
【００５９】
なお、光源部１０１において、活性層領域１０５の電流変調を行うことによって、周波数変調信号を生成することも可能である。例えば、活性層領域１０５に変調信号を重畳した場合、周波数変調信号は、強度変調成分と断熱チャープ成分とを有するように生成される。しかし、直接変調動作の場合には、活性層領域１０５の電流変調における高速動作時に、レーザ光の緩和振動による変調帯域が制限され、また、電流変調時に不要な周波数チャープが生じる。したがって、上記高速動作の観点からは、活性層領域１０５を電流変調する場合よりも周波数変調領域１０４をバイアス変調する場合の方がより効果的である。
【００６０】
[変調部１０２の動作原理]
次に、変調部１０２の動作原理について図４〜５および図７を参照して説明する。図７は、変調器１０２の動作原理を説明するための図である。
【００６１】
図７に示すように、変調器１０２におけるレーザ光の駆動波長は１．５５μｍの場合である。この場合、変調器１０２の変調器領域１０７では、コア層１２２のバンド端波長が１．５５μｍよりも短波長となるように設定されているため、印加電圧＝０の場合（図７中、符号Ａで示す。）では、信号の伝搬損失が小さいものとなる。一方、逆バイアスの印加時（図７中、符号Ｂで示す。）は、量子閉じ込めシュタルク効果により電子とホールとの包絡線関数の重なりが小さくなるので、励起子吸収ピークが印加電圧＝０の場合よりも小さくなる。また、バンドの傾きにより光吸収波長が１．５５μｍよりも長波長となるようにシフトしており、伝搬損失が増大する状態となる。これにより、変調部１０２において、逆バイアス電圧に変調信号を重畳することによって、強度変調信号が生成されるようになる。
【００６２】
一般に、変調器１０２においては、上述した光吸収変化とクラマース・クローニッヒとの関係から、逆バイアスによる吸収係数変化に伴う屈折率変化が生じ、周波数チャープが生じやすくなる。しかし、量子井戸の設定により、ゼロチャープまたは負チャープの動作を実現することが可能となる。
【００６３】
光半導体装置１０では、光源部１０１および変調器１０２を備える構成とすることによって、上述した周波数変調および強度変調により生成された成分を含む光変調信号を生成することができる。
【００６４】
[変調信号生成装置２００の動作原理]
次に、変調信号生成装置２００の動作原理について図８〜１４を参照して説明する。この変調信号生成装置２００では、信号間の位相Φの変化に応じて、正または負の周波数変化Δｆを有する周波数変調を行うことで、信号間の位相Φを変化させ、位相変調信号を生成する。
【００６５】
図８は、ＰＳＫ変調の場合における周波数変化および位相特性を説明するための図であって、（ａ）は信号の周波数変化が正となる場合の周波数変化特性、（ｂ）は信号の周波数変化が正となる場合の信号の位相特性、（ｃ）は信号の周波数変化が負となる場合の周波数変化特性、（ｄ）は信号の周波数変化が負となる場合の信号の位相特性、を示す。
【００６６】
例えば、信号列に含まれる信号間の周波数変化が「０」から「+Δｆ」となる場合（図８（ａ））、信号の位相Φは、「π」から「０」となる（図８（ｂ））。一方、信号列に含まれる信号間の周波数変化が「０」から「-Δｆ」となる場合（図８（ｃ））、信号の位相Φは「０」から「π」となる（図８（ｄ））。
【００６７】
この場合、信号の周波数変調成分を、時間ｔの関数としてｆ0＋Δｆ（ｔ）で表すと、信号間の位相変化（位相差）ΔΦ（ｔ）は、次のような式で与えられる。この場合、ｆ0は変調を行っていない場合の光源部１０１の発振周波数である。
ΔΦ（ｔ）＝-２π∫Δｆ（ｔ）ｄｔ  （１１）
【００６８】
式（１１）から、位相差ΔΦは、周波数変化量の積分値で表されるので、周波数変化が正となる場合は負のパルス、周波数変化が負となる場合は正のパルスによって、正または負の位相変化を表すことが可能となる。
【００６９】
この観点から、本実施形態の変調信号生成装置２００では、周波数変調信号が信号間の各種変調方式（例えば、ＰＳＫ、ＤＰＳＫ、ＱＰＳＫ、ＤＱＰＳＫ）に応じた位相変化を表すように、式（１１）に示したΔΦを調整している。具体的には、ＰＳＫまたはＤＰＳＫの場合にはΔΦ＝（２ｍ＋１）×π（ｍ：整数）にし、ＱＰＳＫまたはＤＱＰＳＫの場合にはΔΦ＝（ｍ／２）×π（ｍ：整数）にしている。これにより、各種変調方式に応じた周波数変調信号を生成することが可能となる。
【００７０】
次に、各種変調方式に応じた周波数変調信号を生成する方法について説明する。
【００７１】
［ＰＳＫ変調］
まず、ＰＳＫ変調の場合の周波数変調信号の生成方法について図４、図６および図１０を参照して説明する。図９は、ＰＳＫ変調の場合の周波数生成方法を説明するための図であって、（ａ）は信号列、（ｂ）は信号の位相、（ｃ）は変調電圧、（ｄ）は信号の強度、（ｅ）は周波数変調信号、を示す。
【００７２】
図９（ａ）に示すように、例えば、０１０１００１１００１０・・・となるＮＲＺ信号からなる信号列（符号列）が与えられた場合、この信号列に対応する位相変調波形は、図９（ｂ）に示すように、信号が「０」の場合は位相＝「０」、または、信号が「１」の場合は位相＝「π」を表す波形となる。
【００７３】
この場合、変調信号生成装置２００の電圧源２２１は、図９（ｂ）に示した位相変調波形に対応する駆動変調電圧Ｖｍを生成する。図６の例では、この駆動変調電圧Ｖｍは信号波形ｄ１で表してある。そして、変調信号生成装置２００の制御回路２２２では、駆動変調電圧Ｖｍの微分成分をもつ変調電圧Ｖｐ（図９（ｃ））を生成する。図６の例では、図９（ｃ）に示した変調電圧Ｖｐは、図６の信号波形ｄ２で表してあり、光源部１０１の周波数変調領域１０４に与えられる。
【００７４】
周波数変調領域１０４では、図９（ｃ）に示した変調電圧Ｖｐが印加されることによって、図９（ｄ）に示す強度変調信号を生成するとともに、図９（ｅ）に示す周波数変調信号を生成する。この実施形態では、周波数変調領域１０４のバンドギャップ波長は、使用領域に対して１００ｎｍ以上短い波長に設定されており、電圧印加に伴う光吸収による伝搬損失は少なくなっているので、図９（ｄ）に示した強度変調信号は、時間に対してほぼ等しい値となる。一方、図９（ｅ）に示した周波数変調信号は、図９（ｃ）に示した変調電圧Ｖｐと同じような波形となる。これにより、光源部１０１では、ＰＳＫ変調に応じた信号列の信号間の位相変化に対応する周波数変調信号を生成することができる。
【００７５】
ここで、図９（ｃ）の例では、変調電圧Ｖｐは、バイアス電圧Ｖｂを基準として正または負の値をとるパルスとしたが、バイアス電圧Ｖｂを基準として正または負のみの値をとるパルスとしてもよい。この場合、変調信号生成装置２００の制御回路２２２は、正または負のみの値をもつ変調電圧を生成する回路構成を適用する。バイアス電圧Ｖｂを基準として正のみの値をもつ変調電圧Ｖｐが与えられる場合の周波数変調信号の生成方法について、図１０を参照して説明する。
【００７６】
図１０は、ＰＳＫ変調の場合の他の周波数変調信号の生成方法を説明するための図であって、（ａ）は信号列、（ｂ）は信号の位相、（ｃ）は変調電圧、（ｄ）は信号の強度、（ｅ）は周波数変調信号、を示す。なお、図１０は図９と比較して（ｃ）および（ｅ）のみが異なるので、図１０（ｃ）および（ｅ）を中心に説明する。
【００７７】
図１０（ａ）において、例えば、図９（ａ）と同様の信号列が与えられた場合、図１０（ｃ）に示すように、変調電圧Ｖｐは、バイアス電圧Ｖｂを基準として正の値のみをもつので、図１０（ｅ）に示す周波数変調信号も、正の周波数変化Δｆのみをもつ波形となっている。このようにしても、周波数変調信号が、ＰＳＫ変調に基づく信号間の位相変化を表すものとなる。
【００７８】
［ＤＰＳＫ変調］
次に、ＤＰＳＫ変調の場合の周波数変調信号の生成方法について図４、図６および図１１を参照して説明する。図１１は、ＤＰＳＫ変調の場合の周波数生成方法を説明するための図であって、（ａ）は信号列、（ｂ）は信号の位相、（ｃ）は変調電圧、（ｄ）は信号の強度、（ｅ）は周波数変調信号、を示す。
【００７９】
図１１（ａ）に示すように、例えば、０１０１００１１００１０・・・となるＮＲＺ信号からなる信号列が与えられた場合、この信号列に対応する位相変調波形は、図１１（ｂ）に示すように、信号が「０」の場合は位相変化＝「０」、または、信号が「１」の場合は位相変化＝「π」（絶対値）を表す波形となる。
【００８０】
この場合、変調信号生成装置２００の制御回路２２２によって生成される変調電圧Ｖｐは、図１１（ｃ）に示すような値となる。すなわち、変調電圧Ｖｐは、図１１（ｂ）に示した位相変調波形に対応する信号列（例えば、（０１１０００１０００１０・・・）を表す駆動変調電圧Ｖｍの微分成分をもつ。この場合の駆動変調電圧Ｖｍは、変調信号生成装置２００の電圧源２２１によって生成される。
【００８１】
光源部１０１の周波数変調領域１０４では、変調電圧Ｖｐが印加されることによって、図１１（ｄ）に示す強度変調信号を生成するとともに、図１１（ｅ）に示す周波数変調信号を生成する。この実施形態では、周波数変調領域１０４のバンドギャップ波長は、使用領域に対して１００ｎｍ以上短い波長に設定されており、電圧印加に伴う光吸収による伝搬損失は少なくなっているので、図１１（ｄ）に示した強度変調信号は、時間に対してほぼ等しい値となる。一方、図１１（ｅ）に示した周波数変調信号は、図１１（ｃ）に示した変調電圧Ｖｐと同じような波形となる。これにより、これにより、光源部１０１では、ＤＰＳＫ変調に応じた信号列の信号間の位相変化に対応する周波数変調信号を生成することができる。
【００８２】
［ＱＰＳＫ変調］
ＱＰＳＫ変調の場合の周波数変調信号の生成方法について図４、図１２および図１３を参照して説明する。
【００８３】
図１２は、ＱＰＳＫ変調の場合の周波数生成方法を説明するための図であって、（ａ）は信号列、（ｂ）は信号の位相、（ｃ）は変調電圧、（ｄ）は信号の強度、（ｅ）は周波数変調信号、を示す。
【００８４】
図１２（ａ）に示すように、例えば、０１０１００１１００１０・・・となるＮＲＺ信号からなる信号列が与えられた場合、この信号列に対応する位相変調波形は、図１２（ｂ）に示すように、信号列が「００」の場合は位相＝「０」、信号列が「１０」の場合は位相＝「π／２」、信号列が「１１」の場合は位相＝「π」、または、信号列が「０１」の場合は位相＝「−π／２」を表す波形（例えば、−π／２，−π／２，０，π，０，π／２・・・の位相を表す。）となる。
【００８５】
この場合、変調信号生成装置２００の電圧源２２１によって、図１１（ｂ）に示した位相変調波形に対応する駆動変調電圧Ｖｍが生成される。この駆動変調電圧Ｖｍを図１３に示す。図１３は、変調信号生成装置２００によって生成される駆動変調電圧Ｖｍおよび変調電圧Ｖｐの一例を説明するための図である。なお、図１３に示す変調信号生成装置２００の構成は図６のものと同じである。
【００８６】
図１３において、変調信号生成装置２００の電圧源２２１では、信号波形ｄ１１に示すように、−Ｖ／２〜Ｖの電圧値をもつ駆動変調電圧Ｖｍを生成する。信号波形ｄ１１において、駆動変調電圧Ｖｍの電圧値−Ｖ／２，０，Ｖ／２，Ｖは、それぞれ、図１２（ｂ）に示した位相−π／２，０，π／２，πに対応して設定されている。
【００８７】
この場合、変調信号生成装置２００の制御回路２２２では、信号波形ｄ１１に示すように、駆動変調電圧Ｖｍの微分波形となる変調電圧Ｖｐを生成して、光源部１０１の周波数変調領域１０４に印加する。なお、図１３の信号波形ｄ１２は、図１２（ｃ）の変調調電圧Ｖｍと同じものである。
【００８８】
周波数変調領域１０４では、変調電圧Ｖｐの印加によって、図１２（ｄ）に示す強度変調信号を生成するとともに、図１２（ｅ）に示す周波数変調信号を生成する。この実施形態では、周波数変調領域１０４のバンドギャップ波長は、使用領域に対して１００ｎｍ以上短い波長に設定されており、電圧印加に伴う光吸収による伝搬損失は少なくなっているので、図１２（ｄ）に示した強度変調信号は、時間に対してほぼ等しい値となる。一方、図１２（ｅ）に示した周波数変調信号は、図１２（ｃ）に示した変調電圧Ｖｐと同じような波形となる。これにより、これにより、光源部１０１では、ＱＰＳＫ変調に応じた信号列の信号間の位相変化に対応する周波数変調信号を生成することができる。
【００８９】
［ＤＱＰＳＫ変調］
次に、ＤＱＰＳＫ変調の場合の周波数変調信号の生成方法について図４、図１３および図１４を参照して説明する。
【００９０】
図１４は、ＤＱＰＳＫ変調の場合の周波数生成方法を説明するための図であって、（ａ）は信号列、（ｂ）は信号の位相、（ｃ）は変調電圧、（ｄ）は信号の強度、（ｅ）は周波数変調信号、を示す。
【００９１】
図１４（ａ）に示すように、例えば、０１０１００１１００１０・・・となるＮＲＺ信号からなる信号列が与えられた場合、この信号列に対応する位相変調波形は、図１４（ｂ）に示すように、信号列が「００」の場合は位相変化＝０、信号列が「１０」の場合は位相変化＝π／２、信号列が「０１」の場合は位相＝−π／２、または、信号列が「１１」の場合は位相変化＝πを表す波形（例えば、−π／２，−π／２，−π，−π，−π，−π，０・・・の位相を表す。）となる。
【００９２】
この場合、変調信号生成装置２００の制御回路２２２では、電圧源２２１が図１４（ｂ）に示した位相変調波形に対応する駆動変調電圧Ｖｍを生成することによって、この駆動変調電圧Ｖｍの微分波形となる変調電圧Ｖｐ（図１４（ｃ））を生成する。
【００９３】
光源部１０１の周波数変調領域１０４では、図１４（ｃ）に示した変調電圧Ｖｐが印加されることによって、図１４（ｄ）に示す強度変調信号を生成するとともに、図１４（ｅ）に示す周波数変調信号を生成する。この実施形態では、周波数変調領域１０４のバンドギャップ波長は、使用領域に対して１００ｎｍ以上短い波長に設定されており、電圧印加に伴う光吸収による伝搬損失は少なくなっているので、図１４（ｄ）に示した強度変調信号は、時間に対してほぼ等しい値となる。一方、図１４（ｅ）に示した周波数変調信号は、図１４（ｃ）に示した変調電圧Ｖｐと同じような波形となる。これにより、これにより、光源部１０１では、ＤＱＰＳＫ変調に応じた信号列の信号間の位相変化に対応する周波数変調信号を生成することができる。
【００９４】
以上説明したように、本実施形態によれば、変調信号生成装置２００では、各種位相変調（ＰＳＫ、ＤＰＳＫ、ＱＰＳＫ、ＤＱＰＳＫ）に応じた信号列に応じて生成された駆動変調電圧Ｖｍに基づいて変調電圧Ｖｐを生成し、光源部１０１では、周波数変調領域１０４において、変調電圧Ｖｐに応じた周波数変調信号を生成する。この場合、周波数変調信号は、各種位相変調（ＰＳＫ、ＤＰＳＫ、ＱＰＳＫ、ＤＱＰＳＫ）に応じた信号列の信号間の位相変化を表すものとなる。したがって、光源部１０１および変調信号生成装置２００は、マッハ・ツェンダ型変調器を用いることなく、信号列の各種位相変調（ＰＳＫ、ＤＰＳＫ、ＱＰＳＫ、ＤＱＰＳＫ）に応じた周波数変調信号を得ることができるため、光源部１０１（変調光源）を小型にすることができる。また、光源部１０１および変調信号生成装置２００（変調光源）は、マッハ・ツェンダ型変調器を用いる場合よりも、周波数変調信号を比較的簡易に生成することができる。
【００９５】
次に、本実施形態の変形例について説明する。
[ＲＺ変調]
図４に示した変調器１０２において、周期的な変調信号を与えて、逆バイアス変調を行うことによって、信号列のＮＲＺ信号を取り出してRZ信号に変換する。この場合、変調器１０２は、ビットの立ち上がりまたは立ち下がりの領域の信号成分の消光比が小さくなるように、繰り返し変調を行うようにする。これにより、位相変化を生成する際に用いた周波数変調成分をカットすることができるため、分散耐性を更に向上させることができる。なお、変調器１０２として、電界吸収型（ＥＡ）変調器を例にとって説明したが、例えばマッハ・ツェンダ変調器を適用するようにしてもよい。
【００９６】
図４に示した光源部１０１では、DBRレーザの位相調整領域変調を行うようにしているが、周波数変調光源に適する他の方法を適用してもよい。例えば、分布反射型レーザの電流直接変調時に発生する周波数変化を用いて周波数変調パルスを生成する。
【００９７】
変調信号生成装置２００において、制御回路２２２は、ＮＲＺ信号の駆動信号の微分波形からなるパルス電圧が周波数変調領域１０４に印加可能な微分回路であれば、図６に示した例に限られず他の構成を適用することができることは明らかである。
【００９８】
実施形態では、光半導体装置１０に適用する材料としてＩｎＧａＡｓＰ系材料を例にとって説明したが、別の材料、例えばＩｎＡｌＧａＡｓ系材料などを適用してもよい。
【００９９】
導波路の構造をリッジ導波路構造として説明したが、ハイメサ構造、または、埋め込み構造としてもよい。
【符号の説明】
【０１００】
１０    光半導体装置
１０１  光源部
１０２  変調器
１０３  第１のＤＢＲ反射器
１０４  周波数変調領域
１０５  活性層領域
１０６  第２のＤＢＲ反射器
２００  変調信号生成装置
２２１  電圧源
２２２  制御回路  
【図１】
2013197815.tif 000003
【図２】
2013197815.tif 000004
【図３】
2013197815.tif 000005
【図４】
2013197815.tif 000006
【図５】
2013197815.tif 000007
【図６】
2013197815.tif 000008
【図７】
2013197815.tif 000009
【図８】
2013197815.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2013197815.tif 000012
【図１１】
2013197815.tif 000013
【図１２】
2013197815.tif 000014
【図１３】
2013197815.tif 000015
【図１４】
2013197815.tif 000016