JP4137868B2

JP4137868B2 - 光送信モジュール及びこれを用いた波長分割多重方式の光源

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Publication number: JP4137868B2
Application number: JP2004307839A
Authority: JP
Inventors: 東宰申; 重基李; 定錫李; 星澤黄
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2004-10-22
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2024-10-22
Also published as: KR20050040141A; US7099530B2; US20050089270A1; KR100575948B1; JP2005129953A

Description

本発明は、光通信用の光源に関し、特に、波長分割多重方式の光通信システムに適用可能な光源に関する。

波長分割多重方式の受動型光加入者網は、異なった波長を持つ複数の光信号を多重化させて単一の光ファイバ上で送受信する通信網である。この波長分割多重方式の受動型光加入者網は、複数の加入者それぞれから来る上りの光信号(upstream optical signal)を検出し、これらの各加入者に通信サービスを提供するための中央基地局と、該中央基地局と各加入者とを中継すべく、中央基地局と各加入者の端末とを連結するリモートノードと、を含む。

上記の中央基地局は、複数の加入者それぞれに対して提供しようとするデータを光信号の形態に変調して出力する。この中央基地局は、各加入者に伝送するための、異なった波長を持つそれぞれの下りの光信号(downstream optical)を生成する機能を有し、これら各下りの光信号を生成するための光源を有している。

ここで、下りの光信号を生成するための光源としては、分散帰還レーザーアレー(distributed feedback laser array)、多波長レーザー(multi-frequency laser)、スペクトル分割方式の光源(spectrum-sliced light source)、注入光により波長ロックされた光信号を生成するファブリペローレーザー(Injection-locked Fabry-Perot laser with incoherent light)、外部から入力された注入光を増幅及び変調させるための反射型半導体光増幅器(reflective semiconductor optical amplifier)などを使用することができる。

上述したスペクトル分割方式の光源は、広い帯域幅の光を出力する光源と、該光源から出力された光を、異なった波長を持つそれぞれの光信号に分割・出力する光素子と、前記各光信号を変調させるためのそれぞれの外部変調器と、を含む。

発光ダイオード(Light Emitting Diode)、超発光ダイオード、ファブリペローレーザー、光ファイバ増幅器、極超短光パルス光源などは、光源として使用されることができる。中でも、発光ダイオードと超発光ダイオードなどは帯域幅が広くて価格が低いし、ファブリペローレーザーは安価の高出力素子である、という利点がある。

広い波長帯域の光を、異なった波長を持つそれぞれの光信号にスペクトル分割させるための光素子には、光学フィルター(Optical Filter)や導波路型回折格子(Waveguide Grating Router:ＷＧＲ)などが使用される。上述の外部変調器は、前記光素子で分割された各光信号を変調して出力するための素子であって、ＬｉＮｂＯ_３などを使用することができる。

しかしながら、超発光ダイオード及び発光ダイオードは、出力する光の帯域幅が広い反面、変調可能な帯域幅と出力が低いために、各加入者に出力される下りの光信号を生成するための光源としては不向きである。また、ファブリペローレーザーは、帯域幅が狭いために、広い波長帯域の光を必要とする波長分割多重方式の光源には適用し難い。しかも、ファブリペローレーザーは、スペクトル分割された光信号を高速で変調して出力することから、各光信号間のモード分割雑音(Mode Partition Noise)が発生し、これにより性能が劣化する、という問題もある。

波長ロック方式の光源は、波長ロック状態を誘導するための異なった波長の注入光を含む広帯域光を生成する広帯域光源と、該広帯域光源をそれぞれの注入光に逆多重化させる逆多重化素子と、該当の（対応する）注入光により波長をロックした下りの光信号を生成するファブリペローレーザーと、を含む。

また、このファブリペローレーザーは、該当の注入光を直接変調させた波長ロックされた光信号を生成するので、別途の外部変調器を備えることなく、該当の注入光の波長を変化させることによって波長ロック状態の光信号の波長を調節することができる。すなわち、各ファブリペローレーザーに、異なった波長を持つそれぞれの注入光を入力させることによって、単一のファブリペローレーザーをもって異なった波長を持つ複数の光信号を生成することができる。

また、反射型半導体光増幅器は、波長ロック方式の光源に類似する動作特性を持つ。特に、広帯域光源で生成された広帯域の光は、異なった波長を持つそれぞれの注入光に逆多重化された後に、該当の逆多重化された注入光が変調及び増幅される。

しかしながら、波長ロックされたファブリペローレーザーは、入力される注入光の強度が一定値を超えないと、波長ロック現象が発生しないので、高出力の強度を持つ注入光が要求される。また、反射型半導体光増幅器は、その内部に入力される注入光の強度が大きい場合に発生する利得飽和現象(Gain saturation)によって伝送特性が向上されるので、高出力の広帯域光源が必要とされ、このため、向上された安価の光送信モジュールが望まれている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、低い強度の注入光でも波長ロック可能な光信号と、増幅及び変調された光信号を生成することのできる波長分割多重方式の光源に適用可能な安価の光送信モジュールを提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明は、内部に入力された注入光と同じ波長を持つ光信号を生成する光送信モジュールであって、基板と、前記注入光及び光信号を増幅させる第１の領域と、該第１の領域で増幅された前記注入光と同じ波長を持つ光信号を生成する第２の領域と、を含み、この第１及び第２の領域が相互に離れるように形成された溝を含む多層結晶成長層と、該多層結晶成長層のそれぞれの領域に独立して電流を注入するための電極手段と、前記第１の領域を含む前記光モジュールの一端にコーティングされた無反射層と、前記第２の領域を含む前記光モジュールの他端にコーティングされた反射層と、を含み、前記第２の領域は、前記第１の領域から入力された前記注入光を、前記溝と前記反射層により数回共振させて波長ロックされた光信号を出力するファブリペローレーザーであることを特徴とする。

本発明による光モジュールは、半導体光増幅器と波長ロックされた光信号を生成するファブリペローレーザー又は光信号変調のための反射型半導体光増幅器を単一の基板上に集積させることによって、波長ロック又は光信号変調のための光増幅に必要な注入光の強度を下げることができる。また、本発明によれば、光モジュールと広帯域光源を結合して経済的な波長分割多重方式の光源を実現することが可能になる。

以下、本発明の好ましい実施形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本発明を説明するにあたり、関連した公知機能や構成についての具体的な説明が、本発明の要旨を曖昧にすると判断される場合に、その詳細な説明は省略される。

図１は、本発明の第１の実施形態による光モジュールの構成を示す図である。図１を参照すれば、本発明に従う光送信モジュールは、基板１１０と、第１及び第２の領域１２０ａ，１２０ｂに区分された多層結晶成長層１２０と、電極手段１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃと、第１の領域１２０ａを含む光モジュールの一端にコーティングされた無反射層１３０と、第２の領域１２０ｂを含む光モジュールの他端にコーティングされた反射層１４０と、を含む。

基板１１０は、その上面に多層結晶成長層１２０が形成され、その下面には電極１５０ｃが形成される。

多層結晶成長層１２０は、基板１１０上に形成された下部クラッド１２１と、該下部クラッド１２１上に形成された活性層１２２と、該活性層１２２上に形成された上部クラッド１２３と、を含む。

また、この多層結晶成長層１２０は、その内部に入力された注入光及び光信号を増幅させる第１の領域１２０ａと、該第１の領域１２０ａで増幅された注入光を、光信号に増幅させて第１の領域１２０ａに出力する第２の領域１２０ｂとに分けられ、この第１及び第２の領域１２０ａ，１２０ｂにはそれぞれ、電極手段１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃによって独立して電流が印加される。

第１の領域１２０ａは、無反射層１３０に入力された注入光を増幅させて第２の領域１２０ｂに出力し、この第２の領域１２０ｂは、第１の領域１２０ａから入力された注入光にデータを含ませて光信号に変調させ、該変調された光信号を増幅させて第１の領域１２０ａに出力する。

電極手段１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃは、多層結晶成長層１２０の第１及び第２の領域１２０ａ，１２０ｂのそれぞれに、独立して電流を注入するための手段であって、基板１１０の下面に共通電極１５０ｃが形成され、第１及び第２の領域１２０ａ，１２０ｂにそれぞれ対応する多層結晶成長層１２０の上部に、既に設定された間隔だけ離れて第１及び第２の電極１５０ａ，１５０ｂがそれぞれ形成される。

該第１の電極１５０ａには直流電流が印加され、第１の領域１２０ａは、この第１の電極１５０ａに印加された直流電流によって半導体光増幅器として駆動される。

第２の電極１５０ｂには直流又は交流電流が印加され、第２の領域１２０ｂは、第２の電極１５０ｂから印加された電流によって、その内部に入力された注入光を光信号に変調させる反射型半導体光増幅器と同様の機能を遂行する。

図２は、本発明の第２の実施形態による光送信モジュールの構成を示す図である。図２を参照すれば、本実施形態の光送信モジュールは、多層結晶成長層２２０と、基板２１０と、電極手段２５０ａ，２５０ｂ，２５０ｃと、無反射層２３０と、反射層２４０と、を含み、この光送信モジュールの内部に入力された低い強度を持つ注入光から、高い強度を持つ波長ロックされた光信号が生成される。

多層結晶成長層２２０は、基板２１０上に形成された下部クラッド２２１と、該下部クラッド２２１上に形成された活性層２２２と、該活性層２２２上に形成された上部クラッド２２３と、を含むとともに、第１及び第２の領域２２０ａ，２２０ｂに区分され、この第１及び第２の領域２２０ａ，２２０ｂの間には、既に設定された幅を持つ溝２２３ａが形成される。

この溝２２３ａは、上部クラッド２２３上の第１及び第２の領域２２０ａ，２２０ｂの境界部分において既に設定された幅をもって形成され、第１及び第２の領域２２０ａ，２２０ｂ間の絶縁抵抗を増加させて電気的漏話を減少させる機能を担う。

第１の領域２２０ａは、その内部に入力された注入光を増幅させて第２の領域２２０ｂに入力させ、第２の領域２２０ｂから入力された光信号を増幅させて無反射層２３０に出力する。

第２の領域２２０ｂは、注入光により波長ロックされた光信号を生成し、この波長ロックされた光信号を第１の領域２２０ａに出力する。すなわち、第２の領域２２０ｂは、相互に既に設定された間隔だけ離れて形成された溝２２３ａと反射層２４０との間に配置されることによって、溝２２３ａ及び反射層２４０と共に、第１の領域２２０ａから入力された注入光から波長ロックされた光信号を生成するファブリペローレーザーと同様な動作特性を持つようになる。

無反射層２３０は、第１の領域２２０ａを含む光モジュールの一端にコーティングされ、反射層２４０は、第２の領域２２０ｂを含む光モジュールの他端にコーティングされる。

電極手段２５０ａ，２５０ｂ，２５０ｃは、多層結晶成長層２２０の第１及び第２の領域２２０ａ，２２０ｂのそれぞれに、独立して電流を注入するための手段であって、基板２１０の下面に形成された共通電極２５０ｃと、第１及び第２の領域２２０ａ，２２０ｂのそれぞれに対応する多層結晶成長層２２０の上部に、既に設定された間隔だけ離れて形成された第１及び第２の電極２５０ａ，２５０ｂと、を含む。

図３は、本発明の第３の実施形態による光送信モジュールの構成を示す図である。図３に示すように、本実施形態の光送信モジュールは、第１及び第２の領域３２０ａ，３２０ｂに区分される多層結晶成長層３２０と、基板３１０と、電極手段３５０ａ，３５０ｂ，３５０ｃと、無反射層３３０と、反射層３４０と、中間層３６０と、を含む。

中間層３６０は、第１及び第２の領域３２０ａ，３２０ｂの間に形成されることによって、この光送信モジュールの電気的抵抗（絶縁抵抗）を増加させ、第１及び第２の領域３２０ａ，３２０ｂ間の電気的漏話(electric crosstalk)を減少させる。また、中間層３６０は、第１及び第２の領域３２０ａ，３２０ｂの間において屈折率の変化を誘導することによって、反射層３４０と共に、第２の領域３２０ｂを利得媒質とする共振器構造を形成するようになる。

この中間層３６０は、第１及び第２の領域３２０ａ，３２０ｂの間に拡散工程にて形成された非伝導性媒質を注入することによって形成されるか、或いは、第１及び第２の領域３２０ａ，３２０ｂの間に陽性子物質などを注入することによって形成される。

多層結晶成長層３２０は、基板３１０上に形成された下部クラッド３２１と、該下部クラッド３２１上に形成された活性層３２２と、該活性層３２２上に形成された上部クラッド３２３と、を含むとともに、第１及び第２の領域３２０ａ，３２０ｂに区分される。

第１の領域３２０ａは、その内部に入力された注入光を増幅させて第２の領域３２０ｂに入力させ、第２の領域３２０ｂから入力された光信号を増幅させて無反射層３３０に出力する。

第２の領域３２０ｂは、注入光により波長ロックされた光信号を生成する。この第２の領域３２０ｂは、第１の領域３２０ａから入力された注入光により波長ロックされた光信号を、第１の領域３２０ａに入力させる。すなわち、この第２の領域３２０ｂは、相互に既に設定された間隔だけ離れて形成された中間層３６０と反射層３４０との間に配置されることによって、第１の領域３２０ａから入力された注入光から波長ロックされた光信号を生成するファブリペローレーザーと同様の動作特性を持つようになる。

無反射層３３０は、第１の領域３２０ａを含む光モジュールの一端にコーティングされ、反射層３４０は、第２の領域３２０ｂを含む光モジュールの他端にコーティングされる。

電極手段３５０ａ，３５０ｂ，３５０ｃは、第１及び第２の領域３２０ａ，３２０ｂのそれぞれに、独立して電流を注入するための手段であって、基板３１０の下面に形成された共通電極３５０ｃと、第１及び第２の領域３２０ａ，３２０ｂのそれぞれに対応する多層結晶成長層３２０の上部に、既に設定された間隔だけ離れて形成された第１及び第２の電極３５０ａ，３５０ｂと、を含む。

図４は、増幅及び変調部を持つ本発明によるモジュールを採用した波長分割多重方式の光源の構成を示す図である。波長分割多重方式の光通信システムは、通常、通信サービスを受ける複数の加入者と、これらの各加入者に通信サービスを提供する中央基地局と、該中央基地局と各加入者との間でそれらを中継するリモートノードと、を含む。

ここで、中央基地局は、各加入者に提供するための、異なった波長を持つそれぞれの下りの光信号を生成する光源を含み、該光源で生成された下りの光信号を多重化させてリモートノードに出力する。

リモートノードは、中央基地局と単一の光ファイバで連結されることによって、この中央基地局から受信される逆多重化された下りの光信号を、それぞれの波長別に多重化させた後に該当の加入者に出力する。

図４に示した波長分割多重方式の光源は、上述した中央基地局の下りの光信号を生成するための光源に適用可能である。図４を参照すると、本発明に従う波長分割多重方式の光源は、広帯域光源４１０と、サーキュレーター４２０と、多重化/逆多重化器４３０と、波長ロックされたそれぞれの光信号を生成する複数の光モジュール４４０−１〜４４０−ｎと、を含む。

この広帯域光源４１０は、広帯域光を生成してサーキュレーター４２０に出力し、この広帯域の光は、異なった波長を持つ複数の注入光を含む。この各注入光は該当の光モジュール４４０−１〜４４０−ｎに入力される。

サーキュレーター４２０は、広帯域光源４１０と多重化/逆多重化器４３０との間に配置されることによって、この広帯域光源４１０から入力された広帯域の光を多重化/逆多重化器４３０に出力し、また、多重化/逆多重化器４３０から入力された多重化された光信号を外部に出力する。

多重化/逆多重化器４３０は、サーキュレーター４２０から入力された広帯域の光を、異なった波長を持つそれぞれの注入光に逆多重化させて光モジュール４４０−１〜４４０−ｎにそれぞれ出力し、また、各光モジュール４４０−１〜４４０−ｎで生成された光信号を多重化させてサーキュレーター４２０に出力する。

無反射層４４３−１〜４４３−ｎは、多重化/逆多重化器４３０に連結された第１の領域４４１−１〜４４１−ｎの一端にコーティングされることによって、上記注入光及び光信号が入・出力されるときの強度損失を最小限に抑える。

高反射層４４４−１〜４４４−ｎは、第２の領域４４２−１〜４４２−ｎを含む光モジュール４４０−１〜４４０−ｎの他端にコーディングされることによって、第２の領域４４２−１〜４４２−ｎで生成された光信号を反射させる。

それぞれの光モジュール４４０−１〜４４０−ｎは、その内部に入力された上記各注入光を増幅させる第１の領域４４１−１〜４４１−ｎと、この第１の領域４４１−１〜４４１−ｎで増幅された注入光により光信号を生成する第２の領域４４２−１〜４４２−ｎとに区分され、多重化/逆多重化器４３０に連結される一端に形成された無反射層４４３−１〜４４３−ｎと、その他端に形成された高反射層４４４−１〜４４４−ｎと、を含む。

第１の領域４４１−１〜４４４−ｎは、多重化/逆多重化器４３０から入力された注入光を増幅させて第２の領域４４２−１〜４４２−ｎに入力させ、第２の領域４４２−１〜４４２−ｎで生成された波長ロックされた光信号を増幅させて多重化/逆多重化器４３０に出力する。

第２の領域４４２−１〜４４２−ｎは、第１の領域４４１−１〜４４１−ｎから入力された注入光により光信号を生成する。生成された光信号は、それぞれ、高反射層４４４−１〜４４４−ｎから反射されて第１の領域４４１−１〜４４１−ｎに入力される。第２の領域４４２−１〜４４２−ｎは、第１の領域４４１−１〜４４１−ｎで増幅された注入光を２次増幅及び変調させる変調器として構成可能である。

また、第２の領域４４２−１〜４４２−ｎは、第１の領域４４１−１〜４４１−ｎとの間の上部クラッドの一部分に屈折率の変化された部分を形成し、該屈折率の変化された部分と高反射層４４４−１〜４４４−ｎが共振器の機能を担うようにすることによって、注入光と同じ波長を持つ波長ロックされた光信号を生成するファブリペローレーザーと同様の動作特性を持つように構成可能である。

本発明の第１の実施形態による光送信モジュールの構成を示す図である。本発明の第２の実施形態による光送信モジュールの構成を示す図である。本発明の第３の実施形態による光送信モジュールの構成を示す図である。本発明によるモジュールを採用した波長分割多重方式光源の構成を示す図である。

符号の説明

１１０基板
１２０多層結晶成長層
１２０ａ第１の領域
１２０ｂ第２の領域
１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ電極手段

Claims

内部に入力された注入光と同じ波長を持つ光信号を生成する光送信モジュールであって、
基板と、
前記注入光及び光信号を増幅させる第１の領域と、該第１の領域で増幅された前記注入光と同じ波長を持つ光信号を生成する第２の領域と、を含み、この第１及び第２の領域が相互に離れるように形成された溝を含む多層結晶成長層と、
該多層結晶成長層のそれぞれの領域に独立して電流を注入するための電極手段と、
前記第１の領域を含む前記光モジュールの一端にコーティングされた無反射層と、
前記第２の領域を含む前記光モジュールの他端にコーティングされた反射層と、を含み、
前記第２の領域は、前記第１の領域から入力された前記注入光を、前記溝と前記反射層により数回共振させて波長ロックされた光信号を出力するファブリペローレーザーであること
を特徴とする光送信モジュール。
前記電極手段は、
前記基板の下面に形成された共通電極と、
前記第１及び第２の領域それぞれに対応する前記多層結晶成長層の上部に、既に設定された間隔だけ離れて形成された第１及び第２の電極と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の光送信モジュール。
多層結晶成長層は、
前記基板上に形成された下部クラッドと、
該下部クラッド上に形成された活性層と、
該活性層上に形成され、その一部分に前記溝が形成された上部クラッドと、
を含むことを特徴とする請求項２に記載の光送信モジュール。
内部に入力された注入光と同じ波長を持つ光信号を生成する光送信モジュールであって、
基板と、
前記注入光及び光信号を増幅させる第１の領域と、該第１の領域で増幅された前記注入光と同じ波長を持つ光信号を生成する第２の領域とを含む多層結晶成長層と、
該多層結晶成長層の前記第１の領域と第２の領域との間に形成された中間層と、
前記多層結晶成長層それぞれの領域に独立して電流を注入する電極手段と、
前記第１の領域を含む前記光モジュールの一端にコーティングされた無反射層と、
前記第２の領域を含む前記光モジュールの他端にコーティングされた反射層と、を含み、
前記第２の領域は、前記第１の領域から入力された前記注入光を前記中間層と前記反射層により数回共振させて波長ロックされた光信号を出力するファブリペローレーザーであること
を特徴とする光送信モジュール。
多層結晶成長層は、
前記基板上に形成された下部クラッドと、
該下部クラッド上に形成された活性層と、
該活性層上に形成された上部クラッドと、
を含むことを特徴とする請求項４に記載の光送信モジュール。
前記電極手段は、
前記基板の下面に形成された共通電極と、
前記第１及び第２の領域それぞれに対応する前記多層結晶成長層の上部に、既に設定された間隔だけ離れて形成される第１及び第２の電極と、を含み、
前記第１の電極には直流電流が印加され、前記第２の電極には直流及び交流電流が印加されること
を特徴とする請求項４に記載の光送信モジュール。
前記中間層は、前記第１及び第２の領域の間に陽性子を注入することによって形成されること
を特徴とする請求項４に記載の光送信モジュール。
前記中間層は、前記第１及び第２の領域の間に拡散工程で形成された非伝導性媒質を注入することによって形成されること
を特徴とする請求項４に記載の光送信モジュール。
光加入者網のための波長分割多重方式の光源であって、
異なった波長を持つ複数の注入光を含む広帯域の光を生成する広帯域光源と、
前記注入光及び光信号を増幅させる第１の領域と、該第１の領域で増幅された前記注入光と同じ波長を持つ光信号を生成する第２の領域と、を含む複数の光モジュールと、
前記広帯域光源と前記光モジュールとの間に配置されることによって、前記広帯域の光を前記注入光のそれぞれに逆多重化させて前記各光モジュールに入力させ、この各光モジュールから受信された異なった波長を持つ複数の光信号を多重化させて出力する多重化/逆多重化器と、
を含み、
前記各光モジュールは、
前記第１の領域と第２の領域との間に形成された屈折率の変化された部分と、
前記多重化/逆多重化器に連結された前記第１の領域の一端にコーティングされた無反射層と、
前記第２の領域を含む前記光モジュールの他端にコーディングされた高反射層と、をさらに含み、
前記第２の領域は、前記第１の領域から入力された前記注入光を、前記屈折率の変化された部分と前記高反射層により共振器の機能を担うようにして波長ロックされた光信号を出力するファブリペローレーザーであり、
前記第１の領域は、前記第２の領域で生成された前記波長ロックされた光信号を増幅させて前記多重化/逆多重化器に出力すること
を特徴とする光加入者網のための波長分割多重方式の光源。
前記広帯域光源と前記多重化/逆多重化器との間に配置されて、前記広帯域の光を前記多重化/逆多重化器に出力し、この多重化/逆多重化器で多重化された光信号をその外部に出力するサーキュレーターをさらに含むこと
を特徴とする請求項９に記載の光加入者網のための波長分割多重方式の光源。
前記第２の領域は、前記第１の領域で増幅された注入光と同じ波長を持つ波長ロックされた光信号を生成すること
を特徴とする請求項９に記載の光加入者網のための波長分割多重方式の光源。