JP7077527B2 - 波長可変光源、及び波長制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、光通信で用いられる波長可変光源と光源モジュール、及び波長制御方法に関する。

大容量の光通信を実現するため、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）の技術が採用されつつある。ＷＤＭでは、異なる波長の光を発振する波長可変光源（ＴＬＳ：Tunable Light Source）が用いられる。波長可変光源には、波長制御のための波長モニタが設けられている。波長モニタは、一般的に、周期的な透過スペクトルをもつ波長フィルタとフォトダイオード（ＰＤ）で実現される。このような波長フィルタとして遅延干渉計が用いられている（たとえば、特許文献１及び特許文献２参照）。

図１は、従来の波長可変光源の構成を示す。半導体光増幅器（ＳＯＡ１）から出力された光を共振器フィルタに通すことで、特定波長の光が選択的に増幅される。増幅された光の一部をタップ１で取り出し、タップ２で２つに分岐する。分岐された光の一方は波長フィルタに入力され、他方は半導体光増幅器（ＳＯＡ２）で増幅されて出力光となる。出力光の一部は、パワーモニタ用のフォトダイオードＰＤｍで受光される。波長フィルタは３ｄＢカプラと、長さの異なる２本の導波路と、９０°ハイブリッド（光ミキサ）を有し、９０°ハイブリッドから出力される位相が９０°ずれた２つの光をＰＤ１、ＰＤ２で受光する。

波長モニタのＰＤ１とＰＤ２で検出された電流をそれぞれＩ1、Ｉ2とし、パワーモニタ用のフォトダイオードＰＤｍで検出された電流をＩmonとすると、電流比Ｉ1／ＩmonとＩ2／Ｉmonのスペクトル（波長フィルタの透過スペクトル）は図２のようになる。各波長グリッドに波長を精度良く合わせるためには、フィルタのスロープが大きいほうが微分利得が大きく感度がよい。グリッドごとに、電流比Ｉ1／ＩmonとＩ2／Ｉmonのうちスロープの大きいほうを選択して、電流比が狙いの値になるように、共振器フィルタのヒータ電流を調整して、波長を制御する。

図１の構成では、パワーモニタ用のＰＤｍの受光強度が半導体光増幅器ＳＯＡ２の状態に依存することにより、波長モニタで十分な精度を得ることができない。そこで、図３のように、波長モニタへの入力光の一部をタップ３で取り出し、追加の波長モニタ用のフォトダイオードＰＤｍＷで受光し、受光した光を参照光とする構成がある。

米国特許出願公開第２０１５／００８５２９２号明細書 国際公開第２０１６／０１０５２８号

図３の構成ではタップ３が新たに必要となり、ＰＤ１とＰＤ２での受光量が減る。波長モニタ用の受光量を確保するためにタップ２の分岐比率を調整すると、ＳＯＡ２側での出力光の強度が小さくなってしまう。また、タップ３の分岐比は波長に依存するため、パワーモニタ用のフォトダイオードＰＤｍＷで必要な受光量を得るために、タップ３からＰＤｍＷ側への分岐割合が最小となる波長を基準にしてタップ比を設計する。タップ３からＰＤｍＷへの分岐割合が最大となる波長では、そのぶんＰＤ１とＰＤ２での受光量が減るので、タップ２から波長フィルタへの分岐比を上げなければならない。その結果、損失が増大して出力光のパワーが減少する。また、タップ３の分岐比が波長に依存すると、制御波長ずれの問題も生じ波長フィルタが安定しない。

本発明は、低損失かつ安定した動作の波長モニタを有する波長可変光源を提供することを目的とする。

一つの態様では、波長可変光源は、
光源と、
前記光源から出力される光の一部が入力される波長モニタと、
前記波長モニタの出力に基づいて前記光源から出力される光の波長を制御するコントローラと、を有し、
前記波長モニタは、周期的に変化する透過スペクトルを有し位相が互いに９０°ずれた４つの成分を出力する波長フィルタと、前記波長フィルタの４つの出力光を検出する複数の受光素子を有し、
前記コントローラは、前記４つの出力光の中のひとつを選択して、選択された出力光のモニタ値の前記４つの出力光のモニタ値の総和に対する比を計算し、前記比が指定波長での目標値に近づくように前記光源の波長を調節する。

低損失で安定した動作の波長モニタを有する波長可変光源が実現する。

温度依存性を低減した従来の波長モニタの概略図である。 ＰＤ電流の出力パワーモニタ用のＰＤｍ電流に対する比率のスペクトルを示す図である。 従来の波長モニタの別の構成を示す図である。 実施形態の波長可変光源の概略図である。 ４つのＰＤ出力電流から計算される波長フィルタの透過スペクトルを示す図である。 図４の光源モジュールの変形例１である。 ＳＯＩ基板にＧｅＰＤを作り込んだ断面図である。 回路基板上へのパッケージ、中継基板、及びＬＳＩの配置例を示す図である。 図４の光源モジュールの変形例２のである。 図４の光源モジュールの変形例３である。 図４の光源モジュールの変形例４である。 光源モジュールを用いた波長可変光源の構成例を示す図である。 光源モジュールを用いた波長可変光源の別の構成例を示す図である。 ＴＬＳコントローラの機能ブロック図である。 ＴＬＳコントローラで実行される波長制御のフローチャートである。 波長可変光源を用いた光トランシーバの概略図である。

図４は、実施形態の波長可変光源１０１の概略構成図である。波長可変光源１０１は、光源モジュール１０と、光源モジュール１０を制御するＴＬＳ（Tunable Light Source：波長可変光源）コントローラ５００を有する。光源モジュール１０は、光源２０と、波長モニタ１５を有し、これらがひとつのパッケージ９０内に配置されている。光源２０の出力光の波長は、波長モニタ１５の出力に基づいて、ＴＬＳコントローラ５００によって制御される。

光源２０と波長モニタ１５の少なくとも一部は、ひとつの基板１３の上に設けられている。基板１３は、この例ではＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板である。波長モニタ１５は、基板１３に形成された波長フィルタ１５０と、波長フィルタ１５０の出力に接続される４つの受光素子３１（ＰＤ１）、３２（ＰＤ２）、３３（ＰＤ３）、及び３４（ＰＤ４）を有する。

光源２０は、半導体光増幅器１１（ＳＯＡ１）と、共振器フィルタ１４と、これらの間に延びる光導波路１３１を含む。半導体光増幅器１１は、基板１３に形成されたテラスまたは窪みに配置されていてもよいし、パッケージ９０内で基板１３の端面に隣接して配置されていてもよい。

半導体光増幅器１１の、光導波路１３１との結合面と反対側の端面に高反射膜１１１が形成されている。共振器フィルタ１４の、光導波路１３１と反対側の端部にミラーまたは反射器１４１が形成されている。共振器フィルタ１４は外部共振器として機能し、高反射膜１１１と反射器１４１の間を往復して増幅された特定波長の光が、タップ１で光導波路１３２に結合する。共振器フィルタ１４は、たとえば１つまたは複数のリング型導波路を配置したリングフィルタであり、リングの周長、屈折率等で共振周波数が決まる。

光導波路１３２を伝搬する光の一部は、タップ２で光導波路１３３に分岐され、半導体光増幅器１２（ＳＯＡ２）で増幅される。増幅された光の一部は、ビームスプリッタ１７で分岐されてパワーモニタ２１（ＰＤｍ）で検出され、ＴＬＳコントローラ５００によるＳＯＡ２のフィードバック制御に用いられる。図４では図示の簡略化のため、パワーモニタ２１とＴＬＳコントローラ５００の間の結線は省略されている。ビームスプリッタ１７を透過した光は光源モジュール１０の出力光となる。

タップ２で光導波路１３２をそのまま伝搬する光は、波長フィルタ１５０への入力光となる。波長フィルタ１５０は、入力光を２つに分岐する分岐部１５１と、分岐部１５１から延びる長さの異なる光導波路１５２及び１５３と、光導波路１５２及び１５３を伝搬した光を干渉させて位相が互いに９０°異なる光を出力する光ミキサ１５４を有する。分岐部１５１は、たとえば３ｄＢカプラであり、等分された光が入力光から３ｄＢ減衰して出力される。光ミキサ１５４は、４つの出力導波路１５６ａ、１５６ｂ、１５６ｃ、１５６ｄを有する９０°ハイブリッド光ミキサであり、出力導波路１５６ａ～１５６ｄが、それぞれ対応する受光素子３１（ＰＤ１）、３２（ＰＤ２）、３３（ＰＤ３）、及び３４（ＰＤ４）に光学的に接続されている。出力導波路１５６ａ～１５６ｄからの出力光はレンズ、ミラー等の光学素子により対応する受光素子３１～３４に入射されてもよい。あるいは、出力導波路１５６ａ～１５６ｄの端部にスポットサイズコンバータを形成して光ファイバにより対応する受光素子３１～３４に導かれてもよい。

この構成では、波長フィルタ１５０の前段に、光モニタ用のタップまたは分岐部を設けなくてもよいので、波長フィルタ１５０に入力される光の損失を抑制することができる。また、共振器フィルタ１４、光導波路１３１、１３２、１３３、波長フィルタ１５０が基板１３上にモノリシックに形成されており、タップ数を増やさずに、コンパクトな構成となっている。

光ミキサ１５４からの４つの出力光は、それぞれ受光素子３１（ＰＤ１）、３２（ＰＤ２）、３３（ＰＤ３）、３４（ＰＤ４）で受光される。受光素子３１、３２、３３、３４で検出された電流値は、ＴＬＳコントローラ５００に入力され、波長制御に用いられる。

ＴＬＳコントローラ５００は、プロセッサ５１０とメモリ５２０を有し、ＰＤ１～ＰＤ４で検出された電流値を用いて、光源２０の波長制御のための電流を調整する。具体的には、受光素子３１で検出された電流値をＩ1、受光素子３２で検出された電流値をＩ2、受光素子３３で検出された電流値をＩ3、受光素子３４で検出された電流値をＩ4とし、４つの電流値Ｉ1～Ｉ4の和を分母として、各ＰＤ出力を規格化する。４つの電流値のうちの１つまたは複数を選択して、（Ｉ1＋Ｉ2＋Ｉ3＋Ｉ4）に対する電流比を計算し、電流比の計算値がターゲットの値になるように、共振器フィルタ１４に印加される波長制御用の電流レベルを制御する。

図５は、受光素子３１、３２、３３、３４から出力される電流値を用いた波長フィルタ１５０の透過スペクトルを示す。横軸は波長［ｎｍ］、縦軸は規格化された光電流レベルである。スペクトルＡは、電流比Ｉ1／（Ｉ1＋Ｉ2＋Ｉ3＋Ｉ4）のスペクトル、スペクトルＢは、電流比Ｉ2／（Ｉ1＋Ｉ2＋Ｉ3＋Ｉ4）のスペクトルである。スペクトルＣは、受光素子３３（ＰＤ３）と受光素子３４（ＰＤ４）からの出力電流の合計を分子とする電流比（Ｉ3＋Ｉ4）／（Ｉ1＋Ｉ2＋Ｉ3＋Ｉ4）のスペクトルである。

図５のグリッドは、５０ＧＨｚの固定グリッドであるが、どの波長においても、必ず１つ以上のスペクトルで傾き、すなわちモニタ電流の変化率が十分に大きくなる。１つの電流値を選択して（Ｉ1＋Ｉ2＋Ｉ3＋Ｉ4）で規格化する場合は、目的とする波長帯でゼロまたはピークにならないスペクトルの電流比を用いる。たとえば、１５５０～１５５２ｎｍの帯域で波長多重通信を行うシステムでは、あらかじめ電流Ｉ2を選択してスペクトルＢを用いてもよい。２以上の電流値を選択して、それぞれを電流値の総和（Ｉ1＋Ｉ2＋Ｉ3＋Ｉ4）で規格化する場合は、目的とする波長で最も傾き（スロープ）が大きいスペクトルの電流比を用いて、光源２０の波長を制御する。たとえば、ＰＤ１の出力とＰＤ２の出力を選択して、Ｉ1／（Ｉ1＋Ｉ2＋Ｉ3＋Ｉ4）とＩ2／（Ｉ1＋Ｉ2＋Ｉ3＋Ｉ4）を計算する。目的とする波長が１５５０．９１９ｎｍである場合、傾きの大きいスペクトルＢの電流比を用いて制御を行う。スペクトルＡは、目的の波長１５５０．９１９ｎｍでピークにあり、波長が変化したときの電流比の変化が小さく、波長制御の精度が不十分になるからである。

４つの受光素子３１，３２，３３，３４の出力電流の和を分母とすることで、互いに９０°位相の異なる光の受光量の和で規格化され、どの出力電流を選択する場合でも、すべての波長で安定して正弦波スペクトルをとることができる。

ＴＬＳコントローラ５００は、モニタされた電流比がターゲットの比率となるように、共振器フィルタ１４の共振周波数を調整する。たとえば、波長１５５０．９１９ｎｍでスペクトルＢを用いる場合、電流比［Ｉ2／（Ｉ1＋Ｉ2＋Ｉ3＋Ｉ4）］が０．２５となるように、共振器フィルタ１４の屈折率を制御するための印加電流を調整する。

受光素子３１、３２、３３、３４で検出された電流に基づく電流比は、ＴＬＳコントローラ５００のプロセッサ５１０で算出される。ＴＬＳコントローラ５００は、あらかじめ（出荷前に）測定された波長フィルタ１５０の透過スペクトル情報をメモリ５２０に保持している。運用時に波長が指定されると、メモリ５２０を参照して、指定波長で最も傾きが大きくなる電流比の種類を特定する。運用中は、プロセッサ５１０で受光素子３１、３２、３３、３４の出力値から電流比を計算し、計算値が指定された波長での目標比率に近づくように共振器フィルタ１４の共振波長を制御する。

図２の従来の構成では、波長フィルタを通過しない（すなわち周期的に変化しない）モニタ電流Ｉmonに対する電流比を用いていたが、実施形態では、波長フィルタ１５０を通過した周期的に変化するモニタ電流の総和を分母として規格化する。波長制御にどの出力電流が選択される場合でも、すべての波長で安定して正弦波スペクトルをとることができる。

この構成では、波長フィルタ１５０への入力（すなわちタップ２の出力）が変動した場合でも、受光素子３１（ＰＤ１）、３２（ＰＤ２）、３３（ＰＤ３）、３４（ＰＤ４）の受光電流から計算される比率は変動しないので、安定した波長モニタリングが実現できる。また、タップ２で分岐された光をすべて用いてモニタできるので、波長モニタ１５側での光損失を抑制できる。

なお、以下で説明するように、パッケージ９０内に個別の受光素子３１～３４を配置するかわりに、基板１３に受光素子を作りこんでもよい。その場合は、部品点数と実装コストを低減することができる。

＜変形例１＞
図６は、図４の光源モジュール１０の変形例１として、光源モジュール１０Ａを示す。光源モジュール１０Ａの波長モニタ１５Ａは、基板１３Ａに作り込まれたゲルマニウム・フォトダイオード（ＧｅＰＤ１～ＧｅＰＤ４）を受光素子２３１～２３４として有する。

基板１３Ａは、たとえばＳＯＩ基板であり、光ミキサ１５４からの出力導波路１５６ａ～１５６ｄが、対応するＧｅＰＤ１～ＧｅＰＤ４に接続されている。ゲルマニウム・フォトダイオードは８００ｎｍ～１７００ｎｍの波長に対応可能であり、たとえば１５００ｎｍ帯の光通信に好適に使用することができる。また、Ｇｅフォトダイオードを基板１３に作り込むことで、受光素子を微細化し、かつ結合損失を小さくすることができる。
基板１３Ａに作り込まれたＧｅＰＤ１～ＧｅＰＤ４から光電流を取り出してＴＬＳコントローラ５００へ供給するのに、中継基板４０を用いる。ＧｅＰＤ１～ＧｅＰＤ４の出力はワイヤボンディング７５ａ～７５ｄにより、中継基板４０の表面に形成されている接続パッドに電気的に接続されている。ＧｅＰＤ１～ＧｅＰＤ４の出力電流Ｉ1～Ｉ4は、中継基板４０の接続端子からＴＬＳコントローラ５００に入力される。

図７は、基板１３ＡにＧｅＰＤを作り込んだ構成例を示す断面図である。ＳＯＩ基板はシリコン基板８１上の埋め込み酸化膜８２の上にシリコン層を成長させた基板である。埋め込み酸化膜８２上のシリコン層をシリコンフォトニクス技術で所望の形状に加工して、光導波路を形成することができる。

波長フィルタ１５０の光ミキサ１５４から延びる出力導波路１５６は、不純物を含まない真性半導体であり、クラッド層８３に覆われた出力導波路１５６がＧｅＰＤ２３０に接続されている。ＧｅＰＤ２３０は、この例ではＰＩＮダイオードであり、ｐ型不純物が添加されたシリコン（ｐ－Ｓｉ）層２３６と、真正ゲルマニウム（ｉ－Ｇｅ）層２３７と、ｎ型不純物が添加されたゲルマニウム（ｎ－Ｇｅ）層２３８がこの順に積層されている。ｎ－Ｇｅ層２３８上にトップ電極２３９が配置され、ｐ－Ｓｉ層２３６にボトム電極２３５が接続されている。ＧｅＰＤ２３０には逆バイアスがかけられており、出力導波路１５６からｐ－Ｓｉ層２３６に入射した光がｉ－Ｇｅ層２３７で吸収されると、電子がｎ―Ｇｅ層２３８に向かって走行し、光電流がＧｅＰＤ２３０から出力される。

図８は、回路基板７０に搭載された光源モジュール１０Ａの概略図である。光導波路１３０が形成された基板１３Ａは、パッケージ９０内でキャリア９１上に支持されている。キャリア９１には、出力光モニタのためのビームスプリッタ１７と受光素子（ＰＤ）２１も搭載されている。光導波路１３０は、図６に示す光導波路１３１～１３３と波長フィルタ１５０を含み、波長フィルタ１５０の出力導波路１５６（図７参照）にＧｅＰＤ２３０が接続されている。

ＧｅＰＤ２３０から出力される光電流は、たとえばボトム電極２３５に接続されたワイヤボンディング７５と中継基板４０によって、ＴＬＳコントローラ５００に供給される。中継基板４０には貫通ビアが形成されており、ＧｅＰＤ２３０から出力された光電流は、貫通ビアを介して、中継基板４０の裏面のリード端子４１から取り出される。

回路基板７０には、パッケージ９０とＬＳＩ６０がはんだバンプ４２により搭載されている。ＴＳＬコントローラ５００は、ＬＳＩ６０の一部に含まれる論理回路として構成されていてもよいし、ＬＳＩ６０と別チップとして回路基板７０に実装されていてもよい。パッケージ９０のリード端子４１から取り出された光電流は、回路基板７０に形成されている配線により、ＴＳＬコントローラ５００に入力され、光源モジュール１０Ａの出力波長の制御に用いられる。この構成により、光源モジュール１０Ａの波長モニタ１５の構成をコンパクトにして、かつ損失を低減することができる。

図８の例では、基板１３Ａと中継基板４０がワイヤボンディング７５で接続されているが、この構成に限定されない。基板１３Ａはマイクロバンプにより中継基板４０の上に搭載されていてもよい。この場合は、ＧｅＰＤ１～ＧｅＰＤ４の出力電流は、基板１３Ａに形成された貫通ビアとマイクロバンプを介して、中継基板４０に入力され、中継基板４０の貫通ビアとリード端子４１により、パッケージ９０から出力される。

＜変形例２＞
図９は、変形例２として、光源モジュール１０Ｂを示す。光源モジュール１０Ｂは、図６の光源モジュール１０Ａと同様に、受光素子２３１～２３４として、ゲルマニウム・フォトダイオード（ＧｅＰＤ１～ＧｅＰＤ４）が基板１３Ａに作り込まれている。

図６との相違点は、光源モジュール１０ＢからＴＬＳコントローラ５００に３つの電流値が供給される。たとえば、ＧｅＰＤ１からの出力電流Ｉ1、ＧｅＰＤ２からの出力電流Ｉ2、及びＧｅＰＤ３とＧｅＰＤ４の出力電流を合わせたもの（Ｉ3＋Ｉ4）、が供給される。

基板１３Ａに形成された光導波路の回路構成自体は図６と同じであり、ＧｅＰＤ１～ＧＰＤ４の各々がワイヤボンディング７５ａ～７５で中継基板４０に接続されている。ＧｅＰＤ３の出力電流Ｉ3と、ＧｅＰＤ４の出力電流Ｉ4は、中継基板４０で合流されて、ＴＬＳコントローラ５００に供給される。合流される電流はＩ3とＩ4に限定されず、光ミキサ１４３の４つの出力光を検出した電流のうちの任意の２つを合流し、他の２つを単独出力としてもよい。

図９の構成は、図６の構成と比較して、パッケージ９０のリード端子４１（図８参照）の数を減らすことができる。リード端子４１の数を減らせるということは、パッケージ９０と回路基板７０の間だけでなく、回路基板７０とＬＳＩ６０の間の接続の数も減らせることを意味する。したがって、実装や基板設計の負担を軽減できるという効果を奏する。

パッケージ９０のリード端子４１の数を減らしても、ＴＬＳコントローラ５００の動作には影響しない。ＴＬＳコントローラ５００は、ＧｅＰＤ１～ＧｅＰＤ４からの出力電流の総和として、Ｉ1、Ｉ2，及び（Ｉ3＋Ｉ4）の値を用いて、１または２以上の電流値を規格化する。選択された電流値の電流総和（Ｉ1＋Ｉ2＋Ｉ3＋Ｉ4）に対する比を計算し、ターゲットの電流比と比較して波長制御を行う。したがって、ＳＯＡ２側での出力光パワーの減衰と波長モニタ１５側での光損失の双方を防止し、低損失かつ安定した波長制御が行われる。

＜変形例３＞
図１０は、変形例３として、光源モジュール１０Ｃを示す。光源モジュール１０Ｃは、変形例１及び変形例２と同様に、基板１３Ｂに作り込まれたゲルマニウム・フォトダイオード（ＧｅＰＤ１～ＧｅＰＤ４）を受光素子２３１～２３４として有する。

変形例２と同様に、ＴＬＳコントローラ５００に供給される出力電流は、ＧｅＰＤ１からの出力電流Ｉ1、ＧｅＰＤ２からの出力電流Ｉ2、及びＧｅＰＤ３とＧｅＰＤ４の出力電流を合わせたもの（Ｉ3＋Ｉ4）である。

変形例２と異なるのは、２つの電流の合流が基板１３Ｂで行われ、基板１３Ｂと中継基板４０を接続するワイヤボンディングの数が低減されている点である。ＧｅＰＤ１の出力電流は、ワイヤボンディング７５ａによって中継基板４０に接続される。ＧｅＰＤ２の出力電流は、ワイヤボンディング７５ｂによって中継基板４０に接続される。ＧｅＰＤ３の出力電流と、ＧｅＰＤ４の出力電流は、基板１３Ｂにて合流され、合算された交流電流値としてワイヤボンディング７５ｃにより中継基板４０に接続されている。

図１０の構成は、基板１３Ｂ上にシリコンフォトニクス技術で光導波路や波長フィルタ１５０を形成するのと同じ工程で、容易に電流合流パスを形成することができる。基板１３Ｂと中継基板４０との間のワイヤボンディング７５の数を減らすことができ、パッケージ９０のリード端子４１（図８参照）の数を低減することができる。ワイヤボンディングを用いないで、中継基板４０の上に基板１３Ａを積層する場合にも、基板１３Ａと中継基板４０との間の接続の数を減らすことができる。したがって、実装と基板設計の負担を軽減することができる。

＜変形例４＞
図１１は、変形例４として、光源モジュール１０Ｄを示す。光源モジュール１０Ｄは、波長モニタ１５Ｃにおいて、基板１３Ｃに作りこまれた３つのゲルマニウム・フォトダイオード（ＧｅＰＤ１～ＧｅＰＤ３）を受光素子２３１、２３２、３３５として用いる。

波長フィルタ１５０の光ミキサ１５４の４つの出力導波路のうち、出力導波路１５６ａはＧｅＰＤ１に接続されている。出力導波路１５６ｂはＧｅＰＤ２に接続されている。出力導波路１５６ｃと１５６ｄは、ＧｅＰＤ３に接続されている。出力導波路１５６ｃを伝搬する光と出力導波路１５６ｄを伝搬する光は、位相が９０°異なるので、互いに干渉することなくＧｅＰＤ３に入力される。ＧｅＰＤ３からの出力電流は、出力導波路１５６ｃを伝搬した光による光電流Ｉ3と、出力導波路１５６ｄを伝搬した光による光電流Ｉ4を合わせたものとなる。なお、２つの出力光を受光する受光素子は出力導波路１５６ｃと１５６ｄに接続される受光素子２３４（ＧｅＰＤ３）に限定されない。出力導波路１５６ａと１５６ｂをひとつの受光素子に接続し、他の２つの出力導波路をそれぞれ個別の受光素子で受光してもよい。あるいは、出力導波路１５６ｂと１５６ｃをひとつの受光素子に接続し、他の２つの出力導波路をそれぞれ個別の受光素子で受光してもよい。

図１１の構成は、シリコンフォトニクス技術により取り出される光電流の数を低減し、かつ、光ミキサ１５４の４つの出力光の電流値の総和を得ることができる。基板１３Ｃと中継基板４０の間の接続数、及びパッケージ９０と回路基板７０との間の接続数を低減することができ、実装と基板設計の負担が軽減する。基板１３Ｃに形成される受光素子の数を減らした場合でも、ＴＬＳコントローラ５００は、波長フィルタ１５０の４つの出力光の電流値の総和を用いて規格化することができるので、タップ２から波長モニタ１５Ｃに入力される光のパワーが変動した場合でも、低損失で安定した波長制御を行うことができる。

＜制御構成＞
図１２は、波長可変光源１０１Ａの制御ブロック図である。波長可変光源１０１Ａは、光源モジュール１０（または光源モジュール１０Ａ～１０Ｄのいずれか）と、ＴＬＳコントローラ５００Ａを有する。ＴＬＳコントローラ５００Ａは、光源モジュール１０の波長を制御する波長制御部５１４と、光源モジュール１０の出力光のパワー（または強度）を制御する出力パワー制御部５１６を有する。

光源モジュール１０（または光源モジュール１０Ａ～１０Ｄ）は、波長フィルタ１５０から出力される互いに９０°位相の異なる光の受光量を表わす電流Ｉ1、Ｉ2、Ｉ3、Ｉ4を波長制御部５１４に供給する。図１２では、変形例２～４で説明した光源モジュール１０Ｂ～１０Ｃの構成に基づいて、３つのモニタ出力として電流Ｉ1、Ｉ2、Ｉ3、Ｉ4が波長制御部５１４に供給されている。１つめのモニタ出力として電流Ｉ1、２つめのモニタ出力として電流Ｉ2、３つ目のモニタ出力として電流Ｉ3とＩ4を合わせたものが波長制御部５１４に供給されているが、この例に限定されないことは上述したとおりである。電流の合算はＩ3とＩ4に限定されず、波長フィルタ１５０の４つの出力光のうちの任意の２つの出力光に対応する電流値を合算して、波長制御部５１４に供給してもよい。あるいは、電流Ｉ1、Ｉ2、Ｉ3、Ｉ4を４つのモニタ出力としてＴＬＳコントローラ５００Ａの波長制御部５１４に供給してもよい。

波長制御部５１４は、電流Ｉ1～Ｉ4の中から１または２以上の電流値を選択し、選択された電流値の各々、または合算値について、電流Ｉ1～Ｉ4の総和で規格化した電流比を計算する。２以上の電流値を選択する場合は、指定波長で電流比のスペクトルの傾きが最も大きくなる電流比を用いる。波長制御部５１４は、計算された電流比がその指定波長でのターゲットの電流比に近づくように、光源モジュール１０の波長を制御する。具体的には光源モジュール１０の共振波長を制御するための共振器電流を制御する。

光源モジュール１０は、パワーモニタ２１（図４を参照）で出力光のパワーをモニタしており、パワーモニタ２１で検出された電流を、ＴＬＳコントローラ５００Ａの出力パワー制御部５１６に供給する。ＴＬＳコントローラ５００Ａの出力パワー制御部５１６は、パワーモニタ２１のモニタ結果に基づいて、ＳＯＡ１に注入される電流と、ＳＯＡ２に注入される電流を制御する。

この構成により、波長可変光源１０１Ａにおいて、光源モジュール１０の出力光の波長と、出力パワーが制御される。

図１３は、波長可変光源１０１Ｂの制御ブロック図である。波長可変光源１０１Ｂは、光源モジュール１０（または光源モジュール１０Ａ～１０Ｄのいずれか）と、ＴＬＳコントローラ５００Ｂを有する。

図１２と同様に、光源モジュール１０の波長フィルタ１５０から出力される互いに位相が９０°位相の異なる光の受光量を表わす電流Ｉ1、Ｉ2、Ｉ3、Ｉ4が、ＴＬＳコントローラ５００Ｂの波長制御部５１４に供給される。

出力パワー制御部５１６は、光源２０のＳＯＡ１を制御するＳＯＡ１制御部５１６－１と、出力光増幅のためのＳＯＡ２を制御するＳＯＡ２制御部５１６－１を有する。図１２と異なる点は、波長制御のための電流比の分子として選択される電流値（図１３ではＩ1）がＳＯＡ１制御部５１６－１にも入力され、光源２０の出力パワーまたは利得の制御に用いられる点である。ＳＯＡ制御部５１６－１は、波長モニタ１５から受け取った電流Ｉ1に基づいてＳＯＡ１に注入される電流レベルを制御する。

パワーモニタ２１（図４を参照）の出力電流はＳＯＡ２制御部５１６－２に供給され、ＳＯＡ２の利得の制御、たとえばＳＯＡ２に注入される電流レベルの制御に用いられる。この構成により、波長可変光源１０１Ａにおいて、光源モジュール１０の出力光の波長と出力パワーが制御される。波長制御のためのモニタ電流の一部を用いて、光源モジュール１０の出力光と独立して、光源２０の出射光パワーを制御することができるので、光源モジュール１０の光パワー制御をより正確に行うことができる。

図１４は、ＴＬＳコントローラ５００の機能ブロック図である。ＴＬＳコントローラ５００のプロセッサ５１０は、モニタ情報取得部５１１と、比計算部５１２と、比較部５１３と、波長制御部５１４と、指定波長入力部５１５と、出力パワー制御部５１６とを有する。ＴＳＬコントローラ５００のメモリ５２０はスペクトル情報記憶部５２１を有する。

スペクトル情報記憶部４２１に記憶されるスペクトル情報は、出荷前にあらかじめ測定された波長フィルタ１５０の透過スペクトルを示す情報であり、たとえば図５のような電流比スペクトルである。あるいは、図５のスペクトルから、波長グリッドごとに、最も変化率（傾き）が大きくなる電流比スペクトルの種類と、その波長での目標比率を対応づけたテーブル情報であってもよい。

光源モジュール１０に設定される波長が指定波長入力部５１５に入力されると、波長制御が行われる。モニタ情報取得部５１１は、モニタ用の受光素子３１、３２、３３、３４（または２３１、２３２、２３３、２３４）から出力される電流値を取得する。４つの電流値が個別に取得されてもよいし、４つのうちの２つの電流値が１つにまとめられてトータルで３つの電流値が取得されてもよい。比計算部５１２は、スペクトル情報記憶部５２１を参照して、指定された波長で計算すべき電流比を特定し、モニタ情報取得部５１１で取得された電流値から、指定波長での電流比を計算する。たとえば、指定波長が１５４８．１１２ｎｍのときは、電流スペクトルＡに従って電流値Ｉ1を選択し、４つの電流値の総和に対する比率として、Ｉ1／（Ｉ1＋Ｉ2＋Ｉ3＋Ｉ4）を計算する。

比較部５１３は、電流比の計算値と目標値を比較し、比較結果を波長制御部５１４に出力する。１５４８．１１２ｎｍであれば、比較部５１３は、計算値と目標比０．２との差分を波長制御部５１４に出力する。波長制御部５１４は、比較結果に応じて光源２０の波長を制御する。たとえば、計算された電流比が０．２よりも小さい場合は、共振器フィルタ１４の共振波長を長波長側にシフトさせるために、共振器フィルタ１４のヒータに印加される電流を大きくする。

図１５は、ＴＬＳコントローラ５００で実行される波長制御のフローチャートである。指定波長が入力されると（Ｓ１１）、指定された波長を実現するための電流を共振器フィルタ１４に入力する（Ｓ１２）。スペクトル情報記憶部５２１に記憶されたスペクトル情報を参照して、指定された波長において最も傾きが大きい電流比のスペクトル（たとえばＩ2／Ｉ1＋Ｉ2＋Ｉ3＋Ｉ4）を選択する（Ｓ１３）。

波長モニタ１５から４つの受光素子（ＰＤ１～ＰＤ４）で検出された電流値を取得し、選択された電流比を計算する（Ｓ１４）。電流比の計算値が、目標とする比の値（Ｒtarget）と同じか否かを判断する（Ｓ１５）。計算値が許容誤差の範囲内で目標値Ｒtargetと一致すれば（Ｓ１５でＹＥＳ）、その波長にロックされる（Ｓ１７）。この場合、ステップＳ１２で共振器フィルタ１４のヒータに印加されている電流値が維持される。電流比の計算値が目標値Ｒtargetと異なる場合は（Ｓ１５でＮＯ）、共振器フィルタ１４に入力する電流を調整して（Ｓ１６）、目標の波長が得られるまでステップＳ１４～Ｓ１６を繰り返す。電流調整の方向は、比率の計算値と目標値との差分の符号（プラスまたはマイナス）によって決めることができる。電流調整のステップサイズは適切に設定することができる。この制御方法により、低損失かつ安定した波長モニタに基づく高精度の波長制御が実現する。

図１５は、光源モジュール１０を用いた光トランシーバ１の概略図である。光トランシーバ１は、光送信器２と、光受信器６と、ＴＬＳコントローラ５００と、ＤＳＰ５０を有する。ＴＬＳコントローラ５００は、光送信器２の内部に配置されてもよい。

光送信器２は、光源モジュール１０と、変調器３と、変調器ドライバ４を有する。光源モジュール１０とＴＬＳコントローラ５００は、波長可変光源１０１を形成する。光源モジュール１０の波長は、ＴＬＳコントローラ５００の制御により用いられる波長に制御されている。光源モジュール１０から出力される所定波長の光は、変調器３に入力される。変調器３に、データ信号に基づいて変調器ドライバ４で生成された駆動信号が入力され、光源モジュール１０から出力された光が変調される。変調を受けた所定波長の光は光信号として出力される。

ＤＳＰ５０は、光送信器２の変調器ドライバ４に入力されるデータ信号を生成する。また、光受信器６から出力される電流信号をデジタル信号に変換して、データ信号を復調する。

実施形態の構成により、波長可変光源において、低損失で安定した波長モニタが実現する。上述した実施形態は一例であり、種々の変形が可能である。光源２０は外部共振器型に限定されず、回折格子で波長を選択する内部共振器レーザであってもよい。波長フィルタ１５０の遅延導波路（光導波路１５３）は、Ｕ字形に限定されずＷ字形に湾曲していてもよい。９０°ハイブリッドとしては、適切な多モード干渉導波路（ＭＭＩ）または複数の多モード干渉導波路の組み合わせで実現することができる。図４の例では、共振器フィルタ１４、光導波路１３１、１３２、１３３、波長フィルタ１５０がＳＯＩ基板上にモノリシックに形成されているが、ＩｎＰ等の化合物半導体基板上にモノリシックに形成されてもよい。この場合は、作り込みの受光素子として、ＩｎＰのフォトダイオードを形成してもよい。また、選択された出力光の４つの出力導波路の出力光の総和に対する比は電流比に限定されず、電圧比であってもよいし、パワー比であってもよい。

以上の説明に対し、以下の付記を呈示する。
（付記１）
光源と、
前記光源から出力される光の一部が入力される波長モニタと、
前記波長モニタの出力に基づいて前記光源から出力される光の波長を制御するコントローラと、
を有し、
前記波長モニタは、周期的に変化する透過スペクトルを有し位相が互いに９０°ずれた４つの成分を出力する波長フィルタと、前記波長フィルタの４つの出力光を検出する複数の受光素子を有し、 前記コントローラは、前記４つの出力光の中のひとつを選択して、選択された出力光のモニタ値の前記４つの出力光のモニタ値の総和に対する比を計算し、前記比が指定波長での目標値に近づくように前記光源の波長を調節することを特徴とする波長可変光源。
（付記２）
前記コントローラは、前記４つの出力光のうち、前記指定波長において出力の変化率が最も大きくなる出力光を選択して前記比を計算することを特徴とする付記１に記載の波長可変光源。
（付記３）
前記４つの出力光のうちの１以上の出力光の各々について、あらかじめ前記総和に対する前記比の変化をスペクトル情報として記憶するメモリ、
をさらに有し、
前記コントローラは、前記メモリを参照して、前記指定波長において変化率が最も大きくなるスペクトルの出力光を選択することを特徴とする付記２に記載の波長可変光源。
（付記４）
前記コントローラは、前記波長モニタから前記４つの出力光の電流値を個別に受け取って前記比を計算することを特徴とする付記１～３のいずれかに記載の波長可変光源。
（付記５）
前記コントローラは、前記４つの出力光のうち２つの出力光のモニタ値を第１電流値、及び第２電流値として受け取り、他の２つの出力光のモニタ値を合わせたものを第３電流値として受け取って前記比を計算することを特徴とする付記１～３のいずれかに記載の波長可変光源。
（付記６）
前記コントローラは、選択された前記出力光のモニタ値を用いて、前記光源の利得を調整することを特徴とする付記１～５のいずれかに記載の波長可変光源。
（付記７）
光源と、
前記光源から出力される光の一部をモニタしてモニタ値を出力する波長モニタと、
を有し、
前記波長モニタは、周期的に変化する透過スペクトルを有し位相が互いに９０°ずれた４つの成分を出力する波長フィルタと、前記波長フィルタの４つの出力光を検出して出力する複数の受光素子とを有することを特徴とする光源モジュール。
（付記８）
前記波長フィルタは、４つの出力導波路を有し、
前記波長モニタは、前記４つの出力導波路の各々に接続される４つの受光素子を有し、
前記４つの受光素子で検出された電流値が前記波長モニタのモニタ出力となることを特徴とする付記７に記載の光源モジュール。
（付記９）
前記波長フィルタは、４つの出力導波路を有し、
前記波長モニタは、前記４つの出力導波路の各々に接続される４つの受光素子を有し、
前記４つの受光素子のうち２つの受光素子で個別に検出された電流値が前記波長モニタの第１モニタ出力と第２モニタ出力となり、他の２つの受光素子で検出された電流値を合わせた値が第３モニタ出力となることを特徴とする付記７に記載の光源モジュール。
（付記１０）
前記波長フィルタは、４つの出力導波路を有し、
前記波長モニタは、前記４つの出力導波路のうち２つの出力導波路に接続される２つの受光素子と、他の２つの出力導波路に共通に接続される１つの受光素子、を有することを特徴とする付記７に記載の光源モジュール。
（付記１１）
前記波長フィルタと前記受光素子は第１基板上にモノリシックに形成されており、
前記受光素子の出力は、少なくとも３つのモニタ出力として第２基板を介して外部に出力されることを特徴とする付記７～１０のいずれかに記載の光源モジュール。
（付記１２）
前記光源の波長は、前記４つの出力導波路のうちの１つの出力導波路のモニタ値の、前記４つの出力導波路のモニタ値の総和に対する比が、指定波長における目標値になるように制御されることを特徴とする付記７～１１のいずれかに記載の光源モジュール。
（付記１３）
光源の波長を制御する波長制御方法において、
前記光源から出力される光の一部を、周期的に変化する透過スペクトルを有する波長フィルタに入力して、位相が互いに９０°ずれた４つの出力光を生成し、
前記４つの出力光を検出してモニタ値を取得し、
コントローラで前記４つの出力光の中のひとつを選択して、選択された出力光のモニタ値の、前記４つの出力光のモニタ値の総和に対する比を計算し、
前記比が指定波長での目標値に近づくように前記光源の波長を制御する、
ことを特徴とする波長制御方法。
（付記１４）
前記コントローラにて、前記４つの出力光のうち前記指定波長において出力の変化率が最も大きくなる出力光を選択して前記比を計算することを特徴とする付記１３に記載の波長制御方法。
（付記１５）
前記コントローラに前記４つの出力光の検出値を表わす３以上のモニタ値が入力され、前記３以上のモニタ値に基づいて前記比が計算されることを特徴とする付記１４に記載の波長制御方法。

１ 光トランシーバ
１０，１０Ａ～１０Ｄ 光源モジュール
１１ 半導体光増幅器（ＳＯＡ１）
１２ 半導体光増幅器（ＳＯＡ２）
１３、１３Ａ～１３Ｃ 基板
１４ 共振器フィルタ
１５、１５Ａ～１５Ｃ 波長モニタ
２０ 光源
３２～３４、２３２～２３４ 受光素子
９０ パッケージ
１０１、１０１Ａ、１０１Ｂ 波長可変光源
１３１、１３２、１３３、１５２、１５３ 光導波路
１５０ 波長フィルタ
１５６、１５６ａ～１５６ｄ 出力導波路
５００ ＴＬＳコントローラ
５１０ プロセッサ
５１２ 比計算部
５１３ 比較部
５１４ 波長制御部
５１５ 指定波長入力部
５１６ 出力パワー制御部
５１６－１ ＳＯＡ１制御部
５１６－２ ＳＯＡ２制御部
５２０ メモリ
５２１ スペクトル情報記憶部

Claims (4)

1. 光源と、
   前記光源から出力される光の一部が入力される波長モニタと、
   前記波長モニタの出力に基づいて前記光源から出力される光の波長を制御するコントローラと、
   を有し、
   前記波長モニタは、波長に対して周期的に変化する透過スペクトルを有し位相が互いに９０°ずれた４つの成分を出力する波長フィルタと、前記波長フィルタの４つの出力光を検出する複数の受光素子を有し、
   前記コントローラは、前記複数の受光素子により検出された前記４つの出力光のモニタ値の総和に対する、いずれか１つの光出力のモニタ値または２つの光出力の和を表すモニタ値の比を計算し、前記比が指定波長での前記透過スペクトルのスペクトル値に近づくように前記光源の波長を調節し、
   前記コントローラは、前記いずれか１つの光出力のモニタ値または前記２つの光出力の和を表すモニタ値のうち、前記指定波長において前記透過スペクトルの変化率が最も大きくなるモニタ値を選択して前記比を計算することを特徴とする波長可変光源。
2. 前記コントローラは、前記波長モニタから前記４つの出力光の電流値を個別に受け取って前記比を計算することを特徴とする請求項１に記載の波長可変光源。
3. 前記コントローラは、前記４つの出力光のうち２つの出力光のモニタ値を第１電流値及び第２電流値として受け取り、他の２つの出力光のモニタ値を合わせたものを第３電流値として受け取って前記比を計算することを特徴とする請求項１に記載の波長可変光源。
4. 光源の波長を制御する波長制御方法において、
   前記光源から出力される光の一部を、波長に対して周期的に変化する透過スペクトルを有する波長フィルタに入力して、位相が互いに９０°ずれた４つの出力光を生成し、
   前記４つの出力光を検出してモニタ値を取得し、
   コントローラで前記４つの出力光のモニタ値の総和に対する、１つの出力光のモニタ値または２つの出力光の和を表すモニタ値の比を計算し、
   前記比が指定波長で前記透過スペクトルのスペクトル値に近づくように前記光源の波長を制御し、
   前記コントローラは、前記１つの出力光のモニタ値または前記２つの出力光の和を表すモニタ値のうち、前記指定波長において前記透過スペクトルの変化率が最も大きくなるモニタ値を選択して前記比を計算する、
   ことを特徴とする波長制御方法。

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