JPS6366436B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は相互に波長の異なる複数の光の出力強
度偏差の小さい集積化された多波長集積化光源に
関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

波長多重化技術は、光フアイバの有効利用と柔
軟性および自由度に富んだ光通信システムを構成
する上で大きな役割りを果す。この光の波長多重
化通信システムは、第１図に例示するように、中
心波長をλ₁、λ₂と異にする２つの光源１，２から
発せられた光信号を合波器３にて合波し、これを
光フアイバ・ケーブル４を介して伝送し、分波器
５により上記波長λ₁、λ₂別に光信号を分波して受
光器６，７にてそれぞれ受信するものである。従
つて波長の異なつた２つの光を信号伝搬媒体とし
て２系統の光信号通信を同時に行うことが可能と
なる。このような波長多重化通信を行う場合、通
信効率の点から上記光の波長間隔をできる限り狭
くして、例えば10Å程度に定めて多くの光を多重
化することが望まれている。

さて、光源として用いられる半導体発光素子の
発光波長を変える場合、従来一般にその組成を変
えることによつて行われている。例えばAlGaAs
系の半導体レーザの場合、第２図に示すように
AlとGaとの構成比を１％程度変化させることに
よつて、そのバンドギヤツプを約0.01eV変化さ
せ、これにより波長にして約70Åの変化を与える
ことができる。ところが、このようにして組成を
変えて発光波長を異ならせた複数の半導体レーザ
を同一基板上に集積化形成することは、特にこれ
らの半導体レーザを近接させて形成することは、
その製造上極めて困難である。

これに対して組成の均一な基板上に回折格子を
形成し、その格子定数を変化させることによつて
発光波長を可変させた半導体レーザがある。この
半導体レーザは、所謂DFB（分布帰還）やDBR
（分布ブラツグ反射）技術を利用したもので、例
えば第３図に示すように半導体レーザ８のレーザ
活性層９の近傍に凹凸状の回折格子１０を形成し
て分布的な光共振器を構成した構造を有するもの
である。このような構造の半導体レーザの発光波
長はその組成に依存することなく、前記回折格子
１０の凹凸サイズだけによつて決定され、波長精
度が高いという利点を有している。従つて、集積
化波長多重光源として適していると考えられる。

ところが、その発振機構を考慮すると同時集積
された各半導体レーザの発光出力強度の偏差が大
きいと云う問題を有している。即ち、第４図ａに
ｐ型活性層を有するGaAlAs半導体レーザの利得
特性を、上記活性層に注入される少数キヤリア
（電子）濃度ｎをパラメータとして示すように、
その中心利得は注入キヤリアに比例して増大す
る。このとき、上記半導体レーザが発振する場合
には、上記利得が例えば自由キヤリア吸収、散乱
損失、反射損失等の種々の損失より上回ることが
必要である。一般的なGaAlAs半導体において発
振國値を与える利得係数は約300cm^-1であり、第
４図ａに示す特性から明らかなように注入キヤリ
アを2.0×10¹⁸cm^-3とした場合、約100Åの範囲で
レーザ発振光を得ることができる。従つて波長間
隔10Åで約10波の光を多重発光する光源を形成す
ることが可能となる。然し乍ら、このようにして
得られる各波長の発振閾値電流値が第４図ｂに示
すように異なつており、同一電流値で駆動した場
合、出力強度偏差を有すると云う問題がある。即
ち、短波長側より波長をλ₁、λ₂〜λ₁₀としたとき、
中心近傍の波長λ₅、λ₆の出力強度が高く、両端の
波長側で出力強度が低くなると云う問題がある。

一方、このようなして得られた波長の異なる光
を合波する光合波器についても、従来より種種開
発されている。しかし、上記集積化された複数の
半導体レーザと共に光合波器を集積化して小型化
を図る場合、挿入損失の均一化を図ること等の
種々の問題が生じる。第５図はLiNbO₃結晶基板
１１上にTiを拡散して光導波路１２を形成した
光導波路型の光合波器を示すものであり、導波路
寸法は約５〜10μm、導波路厚２〜3μm、導波路
間隔を500μm程度とした構造を有し、全体として
１cm角程度の大きさを有する。ところが、このよ
うに集積化された小型の合波器にあつては、従
来、個別部品を用いて構成された合波器において
は問題となることがなかつた導波路の曲りによる
伝搬光の放射損失が大きな問題となる。このこと
は複数の入力ポートと出力ポートとの間のそれぞ
れの光伝搬損失が異なることを意味する。

このように集積化された小型の波長多重集積化
光源を得ようとする場合、上述したように複数の
半導体レーザが出力する波長の異なつた光の出力
強度偏差の問題や、合波器の入出力ポート間の光
伝搬損失の異なり等の問題があつた。この為、波
長多重化通信に用いられる波長多重化光源として
の実用性に問題があつた。

〔発明の目的〕

本発明は、このような事情を考慮してなされた
もので、その目的とするところは、波長多重化し
て出力する相互に波長の異なる光の出力光強度偏
差を小さく抑えた小型形状の実用性の高い多波長
集積化光源を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、回折格子の分布定数を変えて発光波
長を異ならせた複数の半導体レーザの出力光強度
の偏差および光合波器のポート間の光伝搬損失の
差がその構造に依存していることを利用し、出力
光強度の高い波長の光を出力する半導体レーザ
と、光合波器の損失の大なる入力ポートとを光結
合し、逆に出力光強度の低い光を出力する半導体
レーザと光合波器の損失の小さい入力ポートとを
光結合することによつて、複数の半導体レーザと
合波器の入力ポートとをそれぞれ対応づけて光結
合することによつて総合的に合波出力における各
波長光の出力偏差を抑えるようにしたものであ
る。

〔発明の効果〕

従つて本発明によれば、波長の異なる光の出力
強度偏差を合波器のポート間における損失差を利
用して効果的に相殺し、これによつて合波出力の
強度偏差を簡易に抑制してその小型集積化を図る
ことができる。これ故、波長多重化通信における
光源装置として絶大なる効果を奏し、その実用的
利点は絶大である。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照して本発明の実施例につき説
明する。

第６図は第１の実施例を示す概略構成図であ
り、２１は複数の半導体レーザ２２ａ，２２ｂ〜
２２ｎを形成してなる第１の基板、２３は光導波
路からなる光合波器を形成した第２の基板を示し
ている。半導体レーザ２２ａ，２２ｂ〜２２ｎ
は、例えばGaAlAs基板２１上に組成を同じくし
て形成され、DBR型の回折格子２４を設けて相
互に発光波長を異ならせて同時集積化された構造
を有する。これらの各半導体レーザ２２ａ，２２
ｂ〜２２ｎの発光波長間隔は、前記DBR型の回
折格子２４の分布定数を変えることにより10Åに
設定されている。尚、これらの半導体レーザ２２
ａ，２２ｂ〜２２ｎは、光発振方向を揃えて並列
的に近接配置されている。

一方、光合波器２３は、その基板である
LiNbO₃結晶上にTiを拡散して光導波路２５を形
成したものであり、前記第５図に示した如き構造
を有している。この光合波器２３は、前記各半導
体レーザ２２ａ，２２ｂ〜２２ｎより出力された
波長の異なる光を、その入力ポートよりそれぞれ
入力し、これを合波合成（多重化）して出力ポー
トより出力するものである。

しかして、各半導体レーザ２２ａ，２２ｂ〜２
２ｎと合波器２３の各入力ポートとの光学的結合
は次のようにして行われている。今、10波の光の
波長を短波長側よりλ₁、λ₂〜λ₁₀としたとき、こ
れらに対して光強度の大なるものより順に順位を
設定する。一方、光合波器２３にあつては光伝搬
損失の大なる特性を有する入力ポート側より順に
順位を設定する。そしてこれらの順位に従つて半
導体レーザ２２ａ，２２ｂ〜２２ｎと入力ポート
とを相互に対応付けして両者を光学的に結合す
る。つまり、この場合には波長λ₅、λ₆の光を出力
する半導体レーザを光合波器２３の最外側に位置
する入力ポートにそれぞれ対向して設ける。そし
て、内側に内つて、波長λ₄、λ₇の光を出力する半
導体レーザ、波長λ₃、λ₈の光を出力する半導体レ
ーザと云うように順に入力ポートに対向させて配
置する。従つて最内側の入力ポートには波長λ₁、
λ₁₀の光を出力する半導体レーザが対向配置され
ることになる。尚、このような各半導体レーザ２
２ａ，２２ｂ〜２２ｎの発光波長設定は、前述し
たようにDBR型回折格子２４の分布定数を可変
設定することにより定められる。また、ここでは
半導体レーザ２２ａ〜２２ｎと光合波器２３と
は、別の基板にそれぞれ形成し、これを近接配置
して上述した光学的結合を行つた例を示している
が、これらを一枚の基板上に同時集積して形成す
ることも勿論可能である。

かくして、このように構成された多波長集積化
光源によれば、出力強度偏差を以つて各半導体レ
ーザ２２ａ，２２ｂ〜２２ｎよりそれぞれ出力さ
れた波長を異にする光は、損失特性の異なる入力
ポートからそれぞれ入力されて合波多重化される
ことになる。しかも出力強度の高い波長光に対し
て大きな損失が与えられるようになつている。従
つて合波多重化された出力における各波長の光強
度が平均化され、その強度偏差が効果的に抑制さ
れることになる。

これ故、波長多重化通信における集積化光源と
して非常に有用である。しかも集積化による小型
化を容易に図ることができ実用的利点も多大であ
る等の効果を奏する。

ところで、各半導体レーザの出力強度の均一化
を図る場合、半導体レーザの印加電流を変化させ
たり、あるいは温度を変えたりすればよいと云う
考え方がある。然し乍ら、上記の如く集積化され
た光源の寸法は、非常に小さいものであるから、
個々の半導体レーザのそれぞれについて上記制御
を行うことは甚だ困難である。また仮り、このよ
うな制御が可能であるとしても、その制御機構が
非常に複雑になり、例えば電流値の変化が温度の
変化としても現われる。これ故、そのような制御
を行う為にはそれなりの工夫が必要となり、集積
化・小型化された多波長集積化光源のメリツトが
失われてしまう。従つて、上記のように、半導体
レーザと合波器の入力ポートとの光結合関係を、
出力強度および入力ポートの損失特性に対応付け
して定めることが極めて大きな利点を奏すると云
える。

さて、第７図は本発明の別の実施例を示す図で
あり、合波器２６を回折格子２７を用いて構成し
た例を示すものである。この場合、出力ポートよ
り遠い側の入力ポートほど回折格子２７を通過す
る回数が増え、この結果損失が増大するので、半
導体レーザ２２ａ，２２ｂ〜２２ｎの発光波長
を、その出力強度の高いものから順に上記出力ポ
ートから遠い方の入力ポートに対して対向付けし
て光学的結合を行わしめるようにすればよい。

このようにしても前述した実施例と同様な効果
が奏せられることは云うまでもない。

以上説明したように本発明によれば、波長の異
なる光を同時集積された複数の半導体レーザより
発振出力し、これを強度偏差を抑制して合波多重
化して出力することができる。しかも、小型に集
積化することができ、その構造も簡単である。従
つて波長多重通信に用いられる光源として、実用
上多大なる効果を奏する。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものでは
ない。例えば複数の光の波長間隔や波長数等は仕
様に応じて定めればよい。またDBR型の回折格
子に代えてDFB型の回折格子を用いて半導体レ
ーザを構成することができる。要するに本発明は
その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は波長多重通信システムの概略図、第２
図はAlGaAs半導体レーザの組成によるバンドギ
ヤツプの変化を示す図、第３図はDFB型半導体
レーザの構造を示す図、第４図ａ，ｂはAlGaAs
半導体レーザの利得特性と出力強度とを示す図、
第５図は光導波路型合波器の一例を示す図、第６
図は本発明の一実施例を示す概略構成図、第７図
は本発明の別の実施例を示す構成図である。 ２２ａ，２２ｂ〜２２ｎ…半導体レーザ、２３
…光合波器、２４…DBR型回折格子、２５…半
導波路、２６…光合波器、２７…回折格子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板上に発振波長を相互に異ならせて同時集
   積して形成された同一組成からなるｎ個の半導体
   レーザと、基板上に集積形成された前記各半導体
   レーザからそれぞれ出力された発振波長を相互に
   異にする光を合波する合波器を備え、該合波器は
   前記各半導体レーザから出力された発振波長を相
   互に異にする光をそれぞれ入力するｎ個の入力ポ
   ートと入力した光を合波して出力する出力ポート
   を有し、且つ前記ｎ個の半導体レーザと入力ポー
   トとは出力光強度の高い半導体レーザが出力ポー
   トとの間の光伝播損失が高い入力ポートに順次対
   応して光結合するように配置されていることを特
   徴とする多波長集積化光源。 ２ 半導体レーザを集積形成した基板と光合波器
   を集積形成した基板とは同一基板であつて、半導
   体レーザと光合波器との光結合は、前記基板上に
   形成された光導波路を介して行なわれるものであ
   る特許請求の範囲第１項記載の多波長集積化光
   源。 ３ 半導体レーザを集積形成した基板と、光合波
   器を集積形成した基板とは、相互に近接配置され
   る２つの別基板からなり、半導体レーザと光合波
   器との光結合は、前記２つの別基板の対向配置さ
   れた光入出力ポート間に形成される光伝播路を介
   して行なわれるものである特許請求の範囲第１項
   記載の多波長集積化光源。 ４ 光合波器は、基板上に回析格子を形成した構
   造からなるものである特許請求の範囲第１項記載
   の多波長集積化光源。 ５ 光合波器は、LiNbO₃結晶基板上にTiを選択
   的に拡散して光導波路を形成した構造からなるも
   のである特許請求の範囲第１項記載の多波長集積
   化装置。