高速高精度波長切替を実現する狭間隔波長可変分布活性
DFB
レーザ
アレイの開発
金井
拓也
†a)布谷
伸浩
†山中
孝之
†伊賀
龍三
†下小園
真
†石井
啓之
†High-Accuracy, High-Speed Wavelength Switching with Tunable Distributed
Amplification (TDA-) DFB Laser Array
Takuya KANAI
†a), Nobuhiro NUNOYA
†, Takayuki YAMANAKA
†, Ryuzo IGA
†,
Makoto SHIMOKOZONO
†, and Hiroyuki ISHII
†あらまし 我々は，高速高精度な波長切替の実現を目指し，モード跳び無く高速(< 1 µs) に波長を変えられ る波長可変分布活性(TDA-)DFB レーザの開発を行ってきた．これまでに，TDA-DFB レーザアレイを用いた 波長切替動作において，隣接LD の制御層を用いた熱補償動作により，切替時間の律速要因であった熱による波 長ドリフト(> 1 ms) を抑制し，sub-ms 領域の切替時間を実現した．今回，更なる高速化を目指し，新たに開発 した狭間隔TDA-DFB レーザアレイにより熱補償動作の効果を向上させ，sub-µs の切替時間を達成した． キーワード 波長可変レーザ，モードホップフリー，高速波長切替，DFB レーザ，TDA-DFB レーザ
1.
ま え が き
将来的な通信トラヒックの増加に向けて，光通信 ネットワークの高速・大容量化に関する技術が広く検 討されている．その中でも，波長多重技術(WDM)を 用いた光パケットスイッチや光波長ルーティングに関 する研究が盛んに行われている[1]．そのようなシステ ムにおいては，高速・高精度に波長を切替えられるよ うな波長可変レーザが強く求められている[2]． 高速な波長切替を実現するものとして，注入電流 により発振波長を変化させる電流制御型の半導体 レーザが適している．これまでに，sampled grating (SG)-distributed Bragg reflector (DBR)レーザ[3]やsuper structure grating (SSG)-DBRレーザ[4]な どが報告されている．これらのレーザは，多数の反射 ピークをもつ反射器を使い，モードホップを利用する ことで広帯域な波長可変幅を実現している．しかしな がら，反射ピーク波長だけでなく位相も合わせた制御
†日本電信電話株式会社 NTTフォトニクス研究所，厚木市
NTT Photonics Laboratories, NTT Corporation, 3–1 Morinosato Wakamiya, Atsugi-shi, 243–0198 Japan a) E-mail: [email protected] が必要なため，制御系が複雑になってしまうという課 題がある． 高速高精度な波長切替を実現するには，単純な制 御手法により，容易に波長制御ができる必要がある． 我々はこれまでに，モードホップなく単一電極で容 易に波長制御できる波長可変レーザとして，短共振 器DBRレーザ[5]や位相制御distributed feedback (DFB)レーザ[6]などを提案した．これらのレーザは， 短共振器構造とすることで広帯域な波長可変幅を実現 している．しかし，短共振器構造のため高出力化が難 しいという課題がある． そこで我々は，利得を生じる活性層と波長を制御す る制御層が共振器方向に周期的に並んだ構造を有する
tunable distributed amplification (TDA)-DFBレー ザを開発した[7]．TDA-DFBレーザは，活性層領域 を十分に確保することができるため，高出力化が可能 である．また，制御層へ電流を注入することで，屈折 率が変化し，発振波長が変化する．このとき，共振器 全体で活性層と制御層の比率を一定にすることで，反 射条件と位相条件を満たす波長が常に一致するため， 原理的にモードホップが生じない．更に，全ての制御 層は同一の電極に接続されているため，単一電極での
一方で，TDA-DFBレーザを用いた波長切替動作 では，注入電流の変化に伴う温度変動に起因した緩や かな波長ドリフトが生じ，切替時間の律速要因とな る．我々はこれまでに，TDA-DFBレーザアレイにお いて，動作LDと隣接するLDの制御層を用いた熱補 償動作により，LDチップ全体での温度変動を抑制す ることでsub-ms領域の切替時間を達成した[8]．しか し，sub-µsのような更なる高速化を実現するには，動 作LDのコア部の局所的な温度変動を抑制することが 欠かせない．そのためには，TDA-DFBレーザアレイ を改良し，熱補償効果を大きく向上させる必要がある． 本論文では，我々が開発した非対称周期TDA-DFB レーザの構造や特徴について述べ，TDA-DFBレーザ アレイを用いた高速高精度波長切替を実現するために 必要である熱補償動作について説明する．そして，そ の熱補償動作の効果を従来よりも向上させるために， 新たに開発した狭間隔TDA-DFBレーザアレイを用 いて高速高精度な波長切替動作を実現したので報告 する．
2.
非対称周期
TDA-DFB
レーザアレイ
TDA-DFBレーザは，モードホップフリーで連続的 に波長を変化させることが可能である．しかし，制御 層への注入電流が増加し活性層と制御層の屈折率差が 大きくなると，活性層と制御層の繰り返し周期の逆数 に比例した波長間隔でスーパーモードと言われる反射 率の高い副反射ピークが発生し，波長可変幅が制限さ れてしまうという課題があった．そこで我々は，この スーパーモードを抑制するために，回折格子の位相シ フトの前後で活性層と制御層の繰返し周期(L1, L2)を 変化させた非対称周期TDA-DFBレーザを開発した (図1)．非対称構造とすることで，位相シフトの前後 で副反射ピークが一致せず，スーパーモードの発生を 抑制することができる．また，活性層と制御層の比率 (La1/Lt1= La2/Lt2)は，これまでの検討結果から安 定した発振状態を保つのに必要な利得と十分な屈折率 変化を得るために0.5とし，共振器全体で一定として いる[8], [9]．非対称周期TDA-DFBレーザの構造，原 図 1 非対称周期 TDA-DFB レーザの断面模式図Fig. 1 Structure of asymmetric TDA-DFB laser.
図 2 波長可変特性
Fig. 2 Lasing wavelength.
理については参考文献[8]にて詳しく述べられている． 非対称周期TDA-DFBレーザの最大波長可変幅は7∼ 8 nmであるため6個のTDA-DFBレーザをアレイ 状に配列することで，40 nm以上の広帯域な波長可変 幅を得ることができる．図2は，代表的なTDA-DFB レーザモジュールの25◦Cにおける制御電圧の変化に 対する波長変化を表す．SMSRが35 dB以上となる範 囲のみ表示した．LD1からLD6まで制御電圧に対し て連続的に波長が変化していることがわかる．各LD の回折格子周期を変えることで各LDがカバーする波 長範囲をずらし，合計40 nm以上の波長可変幅を実 現した[8]．これは，周波数間隔50 GHzで110ch分 に相当する波長可変幅である．
3. TDA-DFB
レーザを用いた高速波長
切替
上述のとおり，TDA-DFBレーザは単一の制御電極 でモード跳び無く高速且つ広帯域な波長可変特性を有 している．我々はこの特性を活用し，TDA-DFBレー ザを用いた高速高精度な波長切替動作に関する検討を図 3 波長切替における波長ドリフトの影響 Fig. 3 Diagram of channel switching with thermal
drift. 行っている[8], [10], [11]． 図3は，TDA-DFBレーザにおける波長切替の様子 を模式的に表した図である．TDA-DFBレーザは，制 御層へ電流を注入することで，キャリアプラズマ効果 により屈折率が下がり，発振波長が短波長(高周波数) 側に高速(数ns)に変化する．しかし，制御電流が増 加することで発熱による温度変化が生じ，緩やかな波 長ドリフトが生じる．この変化はキャリアプラズマ効 果による波長変化とは逆に，ゆっくり(数ms)と長波 長(低周波数)側に変化する．図3に示すように，切 替時間を所望の周波数誤差の範囲内に入るまでの時間 とすると，高精度な波長切替動作の際には，熱による 波長ドリフトの影響で切替時間が律速されてしまう． 発熱は電流注入によって発生する．そのため，熱に よる波長ドリフトの大きさは，注入される電流の変化 量に依存する．制御電流の変化量と切替時間の関係の 模式図を図4 (a)に示す．波長を大きく変化させるに は，制御電流の変化量を大きくする必要がある．しか し，電流の変化量が増加すると，発熱量の変化量も大 きくなるため，波長ドリフトが大きくなってしまう． その結果，制御電流が大きくなると，それに応じて切 替時間が遅くなるという現象が起きる． 一方で，許容周波数誤差の大きさによっても切替時 間は変化する．許容周波数誤差と切替時間の関係の模 式図を図4 (b)に示す．波長ドリフトの大きさに対し て許容周波数誤差が十分に大きければ，多少の波長 ドリフトがあったとしても切替時間には大きく影響し ない．しかし，より高い精度での波長切替が必要な場 合は，許容周波数誤差の幅は小さくなり，波長ドリフ トの影響が顕著になり切替時間は遅くなる．この許 図 4 切替時間に対する (a) 電流変化量と (b) 許容周波数 誤差の影響
Fig. 4 Dependence of switching time on (a) tuning current and (b) allowable range of frequency deviation. 容周波数誤差は，システムによって変わってくる．例 えばITU-Tでは，50 GHzグリッドのdense WDM (DWDM)において，許容周波数誤差が±2.5 GHzと 規定されている． また，チャネル(ch)継続時間によっても波長ドリフ トの変動量が変化する．ch継続時間とは，同一波長 (ch)で連続動作させる時間である．これは，扱うデー タのパケット長に相当する．ch継続時間が十分に短い 場合は，波長ドリフトにより波長(周波数)が大きく変 動する前にchが切替わることになるので，波長ドリ フトの影響は少なくなる．しかし，ch継続時間が長く なると，波長ドリフトが顕著に表れるため，波長切替 時間に大きく影響する． TDA-DFBレーザを用いた高精度且つ高速な波長切 替を実現するためには，波長切替時に生じる発熱量の 変化による波長ドリフトを抑制する必要がある．
4.
熱補償の動作原理
これまでに，レーザ導波路と並列に形成した非活性 導波路を熱補償機構として用いることで発熱量を制御 し，波長ドリフトを抑制する手法を提案した[12], [13]． 一方，TDA-DFBレーザアレイにおいては，動作 LDに隣接したLDの制御層を熱補償機構として利用す ることで特別な機構を形成することなく熱補償動作を 実現することができる[8]．図5にTDA-DFBレーザ アレイにおける熱補償の動作原理を示す．TDA-DFB レーザアレイは六つのLDから成るが，ここでは，最 もシンプルな動作である同一LD内で波長を切替え た際の熱補償動作について説明する．動作LDの活図 5 熱補償の動作原理
Fig. 5 Principle of thermal drift compensation.
性層への注入電流を一定にした状態で，制御層への注 入電流を変化させることで発振波長が変化する．その 際，制御電流の増減に対して，隣接LDの制御層へ注 入する補償電流を逆向きに変化させ，チップ全体への 注入電流量が一定になるように制御する．そうする ことで，チップ全体での温度変化が抑制され，波長ド リフトの影響を抑制することができる．これまでに， TDA-DFBレーザを用いた波長切替において，この熱 補償動作を適用することで，許容周波数誤差±1 GHz で0.2 msという波長切替時間を実現した[8]．
5.
狭 間 隔
TDA-DFB
レ ー ザ ア レ イ の
開発
上述のとおり，TDA-DFBレーザアレイにおいて熱 補償動作を適用することでチップ全体での温度変動を 抑制し，sub-ms領域での高精度な波長切替を実現し た．しかし，sub-µs領域のような更なる高速化を実現 するには，チップ全体での温度変動だけでなく，注入 電流量の変化に伴うLDのコア部分における局所的な 温度変動を抑制する必要がある．今回，その局所的な 温度変動に対して，熱補償動作がより効果的に作用す るように，新構造のTDA-DFBレーザアレイを開発 し，高速高精度波長切替動作を行った． 局所的な温度変動を抑制するには，隣接LD(熱補償 機構)で発生させた熱を動作LDへ効率的に伝達させ る必要がある．そこで，従来構造よりもLDアレイの 間隔を狭くすることで，隣接するLD間の熱の伝達効 図 6 TDA-DFBレーザアレイの断面模式図 (a) 従来構 造，(b) 新構造Fig. 6 Cross-section of TDA-DFB laser array (a) Old, (b) New. 率の向上を図った．図6に，従来構造と新たに開発し た新構造のTDA-DFBレーザの断面模式図と各LD の温度分布のイメージを示す．従来構造(図6 (a))で は熱の分布に対し，アレイ間隔が広いため隣接LDか らの熱が効率的に動作LDへ伝わらず，動作LDのコ ア部分の局所的な温度変動の抑制までは難しいと考え られる．一方で，新構造(図6 (b))では隣接するLD 間の距離が狭くなることで，隣接LDで発生した熱が より効率的に動作LDへ伝わり，動作LDにおける局 所的な温度変動の抑制効果が期待できる．また，従来 構造のままでは，単純にアレイ間隔を狭くしようとす ると隣接する電極同士が重なってしまうという課題が あった．そのため，新構造では電極部分の間に絶縁膜 (SiO2)を挟んだ多層配線構造を採用することで，従来 構造に比べて大幅な狭間隔化を実現した． 熱補償動作におけるアレイ間隔の狭間隔化の効果に
図 7 熱補償動作による温度変動の抑制 (a) 60µm, (b)
20µm
Fig. 7 Suppression of temperature variation in LD core. (a) 60µm, (b) 20 µm ついて，シミュレーションによる確認を行った．従来 構造のアレイ間隔が60µmだったのに対し，新構造 のアレイ間隔を20µmとしてシミュレーションによ る評価を行った．LD間隔が60µm及び20µmにお いて，熱補償動作なし(w/o)とあり(w/)のときのch 継続時間と動作LDのコア部分の温度変動量の結果を， それぞれ図7 (a)と(b)に示す．この結果から分かる ように，アレイ間隔に寄らず熱補償動作をすることで LDのコア部分の温度変動が抑制されている．しかし， アレイ間隔を狭くすることで抑制量が大きくなってい る．60µm間隔ではch継続時間に対する温度変動量 が熱補償動作によって最大で25%抑制されたのに対 し，20µm間隔では最大で56%とその抑制量が大き く向上した．更に，20µm間隔ではより早い時間領域 での温度変動を抑制することができている．つまり， 図 8 狭間隔 TDA-DFB レーザアレイ上面写真図
Fig. 8 Photograph of top view of narrow spacing TDA-DFB laser array.
図 9 時間分解スペクトルの測定系
Fig. 9 Experimental setup for measuring of time re-solved spectra. 波長ドリフトが60µm間隔のときよりも早く収束し， それに伴い切替時間も速くなることが期待できる． 実際に，狭間隔化の効果を確認するために，アレイ間 隔が従来構造よりも狭い25µmの狭間隔TDA-DFB レーザアレイを作製した．図8に作製したTDA-DFB レーザアレイの上面写真を示す．素子サイズは幅600 µm，長さ1800µmとなっており，TDA-DFBレーザ6 素子を並べ，MMIカプラ，SOAが集積されている．活 性層と制御層の繰返し周期は，それぞれL1= 50µm， L2= 60µmである．また，活性層と制御層の比率は 2.で述べたものと同じく0.5とし，共振器全体で一定 としている[10], [11]．シミュレーションとアレイ間隔 が違うのは，製造上の都合によるものである． 作成した狭間隔TDA-DFBレーザアレイを用いて， 同一LD内における波長切替時間を測定した．図9に 今回使用した測定系を示す．TDA-DFBレーザアレイ から出力された光は，波長可変フィルタを透過し，受 光器に入射される．このとき，波長可変フィルタの透 過波長を経時的に変化させながら，透過した光強度の 時間変化を繰返し測定することで，ピーク波長の時間 変化を測定することができる[13]． 本論文では，波長切替における許容周波数誤差を ±1 GHzとして，波長切替時間を定義した．LD1の活
図 10 波長切替時の周波数誤差の経時変化 (a) w/o 熱補 償動作，(b) w/ 熱補償動作，(c) w/ 熱補償動作 (拡大図)
Fig. 10 Temporal variation of lasing frequency (a) w/o, (b) w/, and (c) w/ thermal drift com-pensation.
図 11 電流変化量と切替時間
Fig. 11 Switching time and tuning current.
性層に100 mAの定電流，SOAに50 mAの定電流， 制御層に繰返周波数50 Hzの矩形波をそれぞれ入力し た．熱補償動作時は，LD2の制御層に上記矩形波と逆 位相の制御信号を入力し熱補償を行った． 狭間隔TDA-DFBレーザアレイにおいて，同一LD 内で波長切替を行った際の，制御電流の変化量(ΔIt)と 周波数誤差の経時変化の様子を図10に示す．図10 (a) の熱補償動作なしの結果では，ΔItが大きくなると 周波数誤差も大きくなっているのが分かる．また，波 長切替から1 ms経過後も波長ドリフトが収束してい ない．一方で，図10 (b)の熱補償を行った結果では， 波長ドリフトが大きく抑制されており，ΔItの大きさ にかかわらず0.2 ms以下の領域で波長ドリフトが収 束しているのが分かる．この結果を拡大したものを， 図10 (c)に示す．熱補償動作により波長ドリフトが抑 制されているが，まだ波長ドリフトが残っているのが 分かる．また，熱補償動作なしの結果と同様に，ΔIt の大きさにより波長ドリフト量が変化している．これ に対しては，通常の熱補償動作と局所加熱を合わせた 手法による波長ドリフトの抑制効果が期待できる[8]． 図11は，LD間隔が60µmと25µmのときのLD1 のΔItと波長切替時間の関係を示したものである．60 µm間隔及び25µm間隔共に，熱補償動作により切替 時間が大きく減少していることが分かる．更に，アレ イ間隔が25µmのときは60µmのときに比べて熱補 償動作の効果が向上している．特に，25µm間隔にお いてΔItが20 mA以下の領域では，1µsを下回る切 替時間を達成した．ΔIt = 20 mAのときの波長変化 幅は4 nm (50 GHz間隔で10ch相当)であった．ま
た，今回は同一LD内での波長切替について検証した が，異なるLD間での波長切替においては，熱補償動 作と局所加熱などの制御方法を組み合わせることで更 なる高速化が期待できる[8]． この結果より，今回開発した狭間隔TDA-DFBレー ザアレイを用いることで，6LDアレイ全体(400 GHz 間隔)では50 GHz間隔で48chの高速(< 1 µs)・高 精度(< 1 GHz)な波長切替が実現できるといえる．
6.
む す び
高速高精度な波長切替を実現するための光源とし て，モード跳びなく単一電極で制御可能な非対称周期 TDA-DFBレーザの素子構造や特性について述べた． 今回，新たに狭間隔TDA-DFBレーザを開発し，波 長切替における熱補償効果の向上を図った．その結果， 高速(< 1 µs)・高精度(< 1 GHz)な波長切替を実現 した． 文 献[1] D.T. Neilson, “Photonics for switching and routing,” IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., vol.12, no.4, pp.669–678, 2006.
[2] Y. Yamada, K. Sasayama, K. Habara, A. Misawa, M. Tsukada, T. Matsunaga, and K. Yukimatsu, “Opti-cal output buffered ATM switch prototype based on FRONTIERNET architecture,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol.16, no.7, pp.1298–1308, 1998. [3] V. Jayaraman, Z.M. Chuang, and L.A. Coldren,
“Theory, design, and performance of extended tuning range semiconductor lasers with sampled gratings,” IEEE J. Quantum Electron., vol.29, no.6. pp.1824– 1834, 1993.
[4] Y. Tohmori, Y. Yoshikuni, T. Tamamura, H. Ishii, Y. Kondo, and M. Yamamoto, “Broad-range wavelength tuning in DBR lasers with super structure grating (SSG),” IEEE Photonics Technol. Lett., vol.5, no.2, pp.126–129, 1993.
[5] N. Fujiwara, T. Kakitsuka, M. Ishikawa, F. Kano, H. Okamoto, Y. Kawaguchi, Y. Kondo, Y. Yoshikuni, and Y. Tohmori, “Inherently mode-hop-free dis-tributed bragg reflector (DBR) laser array,” IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., vol.9, no.5, pp.1132– 1137, 2003.
[6] N. Nunoya, Y. Shibata, H. Ishii, H. Okamoto, Y. Kawaguchi, Y. Kondo, and H. Oohashi, “4.6 nm mode-hop-free tunable DFB laser with high cou-pling coefficient gratings,” LEOS2006, WZ3, Mon-treal, Canada, Oct. 2006.
[7] H. Ishii, Y. Kondo, F. Kano, and Y. Yoshikuni, “A tunable distributed amplification DFB laser diode (TDA-DFB-LD),” IEEE Photonics Technol. Lett.,
vol.10, no.1, pp.30–32, 1998.
[8] N. Nunoya, H. Ishii, Y. Kawaguchi, R. Iga, T. Sato, N. Fujiwara, and H. Oohashi, “Tunable distributed amplification (TDA-) DFB laser with asymmetric structure,” IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., vol.17, no.6, pp.1505–1512, 2011.
[9] N. Nunoya, H. Ishii, Y. Kawaguchi, Y. Kondo, and H. Oohashi, “Wideband tuning of tunable distributed amplification distributed feedback laser array,” Elec-tron. Lett., vol.44, no.3, pp.205–207, 2008.
[10] T. Kanai, N. Nunoya, T. Yamanaka, R. Iga, M. Shimokozono, and H. Ishii, “High-accuracy, sub-µs
wavelength switching with thermal drift suppression in tunable distributed amplification (TDA-) DFB laser array,” OFC/NFOEC2013, OTh3I.2, Anaheim, USA, March 2013.
[11] 金井拓也，布谷伸浩，山中孝之，伊賀龍三，下小園真，石井
啓之，“高速高精度波長切替を実現する狭間隔波長可変分布 活性 DFB レーザアレイの開発，”信学技報，LQE2013-25, 2013.
[12] H. Okamoto, H. Yasaka, K. Sato, Y. Yoshikuni, K. Oe, K. Kishi, Y. Kondo, and M. Yamamoto, “A wavelength-tunable duplex integrated light source for fast wavelength switching,” J. Lightwave Technol., vol.14, no.6, pp.1033–1041, 1996.
[13] N. Fujiwara, H. Ishii, H. Okamoto, Y. Kawaguchi, Y. Kondo, and H. Oohashi, “Suppression of ther-mal wavelength drift in super-structure grating dis-tributed bragg reflector (SSG-DBR) laser with ther-mal drift compensator,” IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., vol.13, no.5, pp.1164–1169, 2007.
（平成 25 年 6 月 18 日受付，9 月 11 日再受付， 26年 2 月 13 日公開） 金井 拓也 （正員） 2007東海大・理・物理卒．2009 同大大 学院修士課程了．同年日本電信電話 (株) 入社．新規波長帯を用いたアクセスシステ ム，及び波長可変レーザを用いた波長多重 光通信システムの研究に従事．現在，NTT フォトニクス研究所研究員． 布谷 伸裕 （正員） 1997東工大・工・電気電子工卒．1999 同大大学院修士課程了．2001 工博 (東工 大)．2002 日本電信電話 (株) 入社．2008 カリフォルニア大学サンタバーバラ校客員 研究員．主に波長可変レーザの研究に従事． 現在，NTT フォトニクス研究所主任研究 員．応用物理学会，IEEE 各会員．
伊賀 龍三 （正員） 1985大阪大・工・応用精密化卒．1987 同大大学院修士課程了．1995 工博 (大阪 大)．1987 日本電信電話 (株) 入社．主に 光通信用半導体素子の結晶成長技術の研究 に従事．現在，NTT フォトニクス研究所 主任研究員．応用物理学会会員． 下小園 真 1990九州大・理・化卒．1992 同大大学 院修士課程了．1992 日本電信電話 (株) 入 社．主に光通信用材料及びデバイスの研究 に従事．現在，NTT フォトニクス研究所 主任研究員．応用物理学会会員． 石井 啓之 （正員） 1988早大・理工・電子通信卒．1990 同 大大学院修士課程了．1999 工博 (早大)． 1990日本電信電話 (株) 入社．主に光通信 用波長可変レーザ，集積光デバイスの研究 に従事．現在，NTT フォトニクス研究所 主幹研究員．応用物理学会，IEEE 各会員．
