波長可変光送信器および光送受信器
【課題】電界吸収型変調器と半導体レーザを同一基板上に集積した半導体光素子用いて、同等の変調・伝送特性を維持できる、小型で高歩留・低コストな、波長可変光送信器を提供する。
【解決手段】一つの電界吸収型変調器集積レーザを搭載し、温度調整によって発振波長を可変にするＤＷＤＭ用波長可変レーザモジュールを使用する。温度調整範囲において、ほぼ同等の変調・伝送特性を有するようにレーザおよび変調器の駆動条件を決定する。このような電界吸収型変調器集積レーザを用い、駆動条件を内蔵することで、小型低コストな波長可変光送信器を提供することができる。
【解決手段】一つの電界吸収型変調器集積レーザを搭載し、温度調整によって発振波長を可変にするＤＷＤＭ用波長可変レーザモジュールを使用する。温度調整範囲において、ほぼ同等の変調・伝送特性を有するようにレーザおよび変調器の駆動条件を決定する。このような電界吸収型変調器集積レーザを用い、駆動条件を内蔵することで、小型低コストな波長可変光送信器を提供することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は波長可変光送信器および光送受信器に係り、幅広いの波長チャンネルにわたって安定して動作する波長可変光送信器および光送受信器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、幹線系において多く用いられている、複数波長の光信号を一（ひとつ）の光ファイバで伝送する波長多重（ＤＷＤＭ：Dense Wavelength Division Multiplexing）光伝送は、長距離・大容量光伝送を実現できる重要な伝送方式である。ＤＷＤＭ光伝送については、ＩＴＵ−Ｔ規格において長距離光伝送を実現する１．５５μｍ波長帯でグリッド波長（波長チャンネル）が定義されており、その波長間隔（周波数間隔）は０．４ｎｍ（５０ＧＨｚ）または０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）である。
【０００３】
近年、一つの光送信器で複数チャンネルの波長をカバーできる波長可変光送信器の開発が進められている。この波長可変光送信器は、ＤＷＤＭ用の波長間隔で発振波長のみを変化させるだけで、その他の特性（光出力パワー、変調特性、伝送特性など）は波長に依らず一定の特性を保つ必要がある。
【０００４】
現在、ＤＷＤＭ用波長可変光送信器に用いられるレーザモジュールには、大きく二つの種類がある。一つは、複数のレーザアレイを用いる方法であり、他方は一つのレーザの温度を変える方法である。
【０００５】
前者は、ＤＷＤＭ用の波長間隔でそれぞれ異なる発振波長で発振するように回折格子のピッチを変えた、複数の分布帰還型レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ：Distributed FeedBack Laser
Diode）または分布ブラッグ反射器レーザ（ＤＢＲ−ＬＤ：Distributed Bragg Reflector Laser Diode）を一つの半導体光素子上にアレイ上に集積したＬＤアレイである。この構成の場合、多モード干渉（ＭＭＩ：Multi-Mode Interference）合波器と半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）も同一素子に集積化するのが一般的である。ＭＭＩ合波器はそれぞれのＬＤアレイからの発振光を一つの導波路に合波し、ＳＯＡはＭＭＩでの光パワーの損失を補うためのものである。ＬＤアレイを用いる場合、半導体光素子の温度を一定に保った状態でも、ＬＤアレイの数だけ発振波長を変動させることができるため、多くのチャンネルをカバーすることが可能である。
【０００６】
ＬＤアレイからの複数の波長の発振光を変調させるために、ＳＯＡの前方にＥＡ変調器などの外部変調器を集積することも可能である。しかし、集積した外部変調器は、変調特性や伝送特性を一定に保つことができる波長範囲でしか動作できない。このため、一般には波長可変レーザモジュールの外部に、変調・伝送特性に対して波長依存性の小さいニオブ酸リチウム（ＬＮ：ＬｉＮｂＯ３）変調器モジュールを設けることが多い。
【０００７】
特許文献１には、ＬＤアレイとカップラ（合波器）と１台の半導体光増幅器と１台のＥＡ変調器とを組み合わせた構成の半導体レーザ装置を、ＥＡ変調器のオフセットバイアスを変更して駆動することが、記載されている。なお、特許文献１の対応米国特許として、米国特許６，５１６，０１７号公報がある。
【０００８】
後者は、一つのＥＡ変調器を集積した一つのＤＦＢ−ＬＤ（ＥＡ／ＤＦＢ：電界吸収型変調器集積ＤＦＢレーザ）である。この場合、ＥＡ／ＤＦＢ素子の温度を変えることによって、発振波長を変化させ、ＤＷＤＭ用の波長チャンネルに合わせる。
【０００９】
特許文献２には、半導体レーザと電界吸収型変調器とを別々に温調する光送信器が記載されている。この光モジュールは、半導体レーザの温度を変えることによって波長を変動させ、その波長の情報を変調器の温調にフィードバックすることにより、変調器の駆動バイアスを変化させることなく一定特性を得ることができる。
【００１０】
非特許文献１には、０℃から８５℃の範囲で、冷却なしで使用できるインジウムガリウムアルミ砒素（ＩｎＧａＡｌＡｓ）系ＥＡ/ＤＦＢレーザが記載されている。非特許文献１には、また０℃で１５５０ｎｍの発振波長が、８５℃で約１５６０ｎｍとなることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−１４４３６７号公報
【特許文献２】特開２００５−０４５５４８号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】S. Makino et al.、"Wide Temperature Range(0 to 85℃),40-km SMF Transmission of a 1.55-μm,10Gbit/s InGaAlAs Electroabsorption Modulator Integrated DFB Laser"、OFC2005、PDP14
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１の半導体レーザ装置は、全体のモジュールサイズを縮小することが困難である。また、一素子上に集積される機能素子の種類が多いため、素子を作製する上での歩留が非常に悪くなることが懸念される。
【００１４】
特許文献２の光送信器は、半導体レーザと電界吸収型変調器が別の素子であり、両者間のカップリングロスが必然的に生じる。また、半導体レーザと電界吸収型変調器とを別々に温調するため小型化、低消費電力化が困難である。
【００１５】
本発明は、一つのＥＡ変調器／レーザを用いる。この場合は、幅広い温度範囲で使用することになり、レーザ素子とＥＡ変調器素子の駆動条件を調整する必要がある。本発明により、駆動条件を変更してもＥＡ変調器集積レーザとしての特性が変わらない、小型で高歩留・低コストな波長可変光送信器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前述した課題は、電界吸収型変調器と半導体レーザとが基板上に集積された電界吸収型変調器集積レーザと、電界吸収型変調器集積レーザの温度を調整する温度制御部と、半導体レーザを駆動するレーザ駆動部と、電界吸収型変調器を駆動する変調器駆動部とからなり、温度制御部は、電界吸収型変調器集積レーザの温度を変化させることによって、半導体レーザの発振波長について３ｎｍ以上の波長範囲で可変とし、レーザ駆動部と変調器駆動部とは、波長範囲において、電界吸収型変調器集積レーザが概ね同じ変調特性および伝送特性となるように、半導体レーザおよび電界吸収型変調器を駆動する波長可変光送信器により、達成できる。
【００１７】
また、電界吸収型変調器と半導体レーザとが基板上に集積された電界吸収型変調器集積レーザと、電界吸収型変調器集積レーザの温度を調整する温度制御部と、半導体レーザを駆動するレーザ駆動部と、電界吸収型変調器を駆動する変調器駆動部とからなり、レーザ駆動部は、温度制御部によって与えられる温度差３０℃以上の温度範囲で、半導体レーザに印加する電流を、温度に依存して変化させ、変調器駆動部は、温度範囲で、電界吸収型変調器に印加する高周波信号の振幅電圧と電界吸収型変調器に印加する逆電圧とを、温度に依存して変化させる波長可変光送信器により、達成できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、素子サイズが小さく、波長に拠らず出力特性が変わらない波長可変光送信器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ＥＡ／ＤＦＢ素子を波長可変モジュールに搭載した光送信器のブロック図である。
【図２】ＤＦＢ-ＬＤの発振波長とＥＡ変調器の吸収端波長の温度依存性を説明する図である。
【図３】ＤＦＢ−ＬＤ部の電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性の素子温度依存性を説明する図である。
【図４】静的消光比（ＤＣＥＲ）特性の素子温度依存性を説明する図である。
【図５】小信号αパラメータの素子温度依存性を説明する図である。
【図６】ＥＡ変調器に印加する逆方向電圧を変化させ、擬似的にデチューニング量ΔＨが各温度において一定になるように補正することを説明する図である。
【図７】各温度においてそれぞれ概ね同じの変調特性と伝送特性を満たすようにＤＦＢ−ＬＤの駆動電流Ｉopを求めた結果を説明する図である。
【図８】各温度においてそれぞれ概略同等の変調・伝送特性を満たすようにＥＡ変調器に印加する逆電圧Ｖｂを求めた結果を説明する図である。
【図９】各温度においてそれぞれ概ね同等の変調・伝送特性を満たすように高周波信号の電圧振幅Ｖppを求めた結果を説明する図である。
【図１０】各温度における発振波長、駆動条件、変調特性、伝送特性を説明する図である。
【図１１】ＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷとＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷのバンド構造を説明する図である。
【図１２】各温度においてそれぞれほぼ同様な変調・伝送特性を満たすようにＤＦＢ−ＬＤの駆動電流Ｉopを求めた結果を説明する図である。
【図１３】各温度においてそれぞれほぼ同等の変調・伝送特性を満たすようにＥＡ変調器に印加する逆電圧Ｖｂを求めた結果を説明する図である。
【図１４】各温度においてそれぞれほぼ同等の変調特性と伝送特性を満たすように高周波信号の電圧振幅Ｖppを求めた結果を説明する図である。
【図１５】各温度における発振波長、駆動条件、変調特性、伝送特性を説明する図である。
【図１６】光送受信器のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下本発明の実施の形態について、実施例を用いて図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１は、ＥＡ／ＤＦＢ素子を波長可変モジュールに搭載した光送信器のブロック図である。ここで、ＥＡ／ＤＦＢ素子１０１は、ＤＦＢ-ＬＤ部とＥＡ変調器部とを集積した素子である。ＥＡ／ＤＦＢ素子１０１は、チップキャリア１０２を介して、温度制御用のペルチェ基板１０３に搭載される。チップキャリア１０２上には、ＥＡ／ＤＦＢ素子１０１のできるだけ近傍にサーミスタ１０４が搭載され、チップキャリア１０２を介して素子の温度をモニタする。ＥＡ／ＤＦＢ素子１０１の前方出力光は、ビームスプリッタ１０７によって、その一部がモニタ用フォトダイオード（モニタＰＤ）１１７に分光される。ビームスプリッタ１０７を通過した前方出力光は、レンズ系１０８によって、光ファイバ２００に結合される。一方、ＥＡ／ＤＦＢ素子１０１の後方出力光は、波長ロッカーモジュール１０６に入力される。ここで、波長ロッカーモジュール１０６は、エタロンと２つのフォトダイオードで構成される光部品であり、エタロンを通過前後の、２つのフォトダイオードの光電流比を一定に保つことにより、波長をロックし、高い波長安定性を実現する部品である。逆に、２つのフォトダイオードの光電流比から、発振波長をモニタすることもできる。
【００２２】
図１に示す光送信器１００は、上述した波長可変レーザモジュール１０９を構成する光部品の外に、ペルチェ温度制御回路１１４、ＥＡ変調器駆動ドライバ１１１、レーザ駆動電流ドライバ１１２、駆動制御回路１１０で構成される。ペルチェ温度制御回路１１４は、通常サーミスタ１０４の抵抗値が一定となるようペルチェ基板１０３を制御する。しかし、波長ロッカーモジュール１０６の２つのフォトダイオードの光電流比が、設定値からずれた場合は、光電流比を一定に制御することを、優先する。これは、ＤＦＢ-ＬＤの経年変化を補償するものである。また、ペルチェ温度制御回路１１４には、図示しない制御線により、一定制御する光電流比の値を変えることが可能である。これは、ＤＦＢ-ＬＤの発振波長を変化させるために用いる。
【００２３】
駆動制御回路１１０は、ＥＡ変調器制御回路１１５とレーザ駆動電流制御回路１１６とから構成される。ＥＡ変調器制御回路１１５は、ペルチェ温度制御回路１１４から得た素子温度に基づいて、ＥＡ変調器の駆動条件をＥＡ変調器駆動ドライバ１１１に設定する。一方、レーザ駆動電流制御回路１１６は、ペルチェ温度制御回路１１４から得た素子温度とモニタ用フォトダイオード１１７が検出した前方出力光の強度に基づいて、ＤＦＢ-ＬＤの駆動条件をレーザ駆動電流ドライバ１１２に設定する。
【００２４】
ＥＡ変調器駆動ドライバ１１１は、高周波振幅コントローラ１０５と逆方法電圧コントローラ１１３とから構成される。ＥＡ変調器駆動ドライバ１１１は、ＥＡ変調器制御回路１１５が設定した高周波振幅と逆方法電圧で、高周波信号を調整し、ＥＡ／ＤＦＢ素子１０１のＥＡ変調器部に入力する。
【００２５】
レーザ駆動電流ドライバ１１２は、レーザ駆動電流制御回路１１６が設定した駆動電流をＥＡ／ＤＦＢ素子１０１のＤＦＢ-ＬＤ部に入力する。
【００２６】
前方光出力を一定に保つためにモニタＰＤで受光したパワーの微小変動ΔＰをレーザ駆動電流源へ帰還するＡＰＣ（Auto Power Control）制御を行う。一方、ペルチェ基板１０３の温度制御部１１４はサーミスタ１０４の抵抗値をモニタしながら素子温度を決定し一定に保つ。素子温度がわずかに変動した場合は、波長モニタ機構でモニタしている発振波長がわずかに変動するため、それを検知してペルチェ基板１０３のペルチェ温度制御部へ帰還するＡＴＣ（Auto Temperature Control）制御を行う。
【００２７】
一般にＤＦＢ−ＬＤの発振波長λは、素子温度変化に伴ってＬＤ部の実効屈折率が変化するため約０．１ｎｍ／℃の依存性がある。このことを利用して意図的に素子温度を変えることによって、ＤＷＤＭ用波長チャンネルに合うように波長を可変にすることができる。例えば素子温度をＴ１＝−５℃からＴ４＝８５℃まで９０℃変化させたとき、約９ｎｍ（０．４ｎｍ間隔の場合２２チャンネル、０．８ｎｍ間隔の場合１１チャンネルに相当）波長を変化させることが可能である。一方、素子温度、すなわち発振波長を変えたとき、ペルチェ温度制御部１１４の情報は素子の駆動条件を決定する制御回路部１１０へ送られるようにする。素子温度に応じて、ＬＤと変調器の駆動条件を変えることによって、多数の波長チャンネルにわたって概ね同じ変調特性と伝送特性を得ることができる。以下、波長可変光送信器の駆動方法について説明する。
【００２８】
図２は、ＤＦＢ-ＬＤの発振波長とＥＡ変調器の吸収端波長の温度依存性を説明する図である。上述したようにＤＦＢ−ＬＤの発振波長λ（lambda）は、約０．１ｎｍ／℃の依存性がある。一方、ＥＡ変調器の吸収端波長Λ（large lambda）は約０．６ｎｍ／℃の温度依存性がある。これらの差で定義されるデチューニング量ΔＨ（＝λ−Λ）はＥＡ／ＤＦＢ素子の特性を決定する重要なパラメータであり、約−０．５ｎｍ／℃の温度依存性を有する。
【００２９】
図３は、ＤＦＢ−ＬＤ部の電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性の素子温度依存性を説明する図である。図３は、ＥＡ変調器部を劈開により切り落としてＤＦＢ−ＬＤ単体にしたものについて、温度をパラメータに電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性を測定した結果である。ここで、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４である。図３から、素子温度が上昇するとともに、レーザ発振が始まる閾値電流（曲線のｘ軸切片）が増加し、光パワーが低下することが分かる。
【００３０】
一方、ＥＡ変調器について、静的消光比（ＤＣＥＲ：Direct Current Extinction Ratio）特性と小信号αパラメータ（alpha parameter：チャーピングパラメータ）の素子温度依存性を説明しよう。ここで、図４は、静的消光比（ＤＣＥＲ：Direct Current Extinction Ratio）特性の素子温度依存性を説明する図である。図５は、小信号αパラメータの素子温度依存性を説明する図である。図４と図５で、横軸はＥＡ変調器部に印加する逆方向電圧である。素子温度が上昇するにつれ、デチューニング量ΔＨが小さくなりＥＡ変調器部での吸収が増大するため、ＤＣＥＲが減少する。同様に、素子温度が上昇するにつれ、デチューニング量ΔＨが小さくなりＥＡ変調器部での吸収が増大するため、小信号αパラメータが低減する。
【００３１】
ＤＷＤＭ用波長チャンネルに合うように素子温度を変動させたとき、その温度範囲において概ね同じの変調特性と伝送特性にする必要がある。まず概ね同等の変調時光出力を得るために、ＤＦＢ−ＬＤの動作電流を変動させなければならない。具体的には、高温になるほどＤＦＢ−ＬＤ自身の光出力が減少することと、基礎吸収量（ＥＡ変調器に印加する逆方向電圧がゼロの状態での吸収量）がデチューニング量ΔＨの減少に伴って増大することを考慮すると、図３の各曲線に黒点をもって示すように動作電流をＩop１からＩop４まで変動させる必要がある。すなわち、高温ほどより多くのＤＦＢ−ＬＤの光出力が必要であるということを示している。
【００３２】
また、ＥＡ変調器部においては、デチューニング量ΔＨの温度依存性を低減するために、逆方向印加電圧を温度によって変化させる。つまり、量子閉じ込めシュタルク効果によってＥＡ変調器に逆方向電圧を印加すると、ＥＡ変調器部の吸収スペクトルが長波長側にシフトし、デチューニング量ΔＨが擬似的に小さくなることを利用する。図６はＥＡ変調器に印加する逆方向電圧を変化させ、擬似的にデチューニング量ΔＨが各温度において一定になるように補正することを説明する図である。図６には、図３の特性も併記し、低温ほど逆方向印加電圧を大きくすることによって、デチューニング量ΔＨの温度依存性を低減している。このように、ＥＡ変調器の変調・伝送特性を各温度で同様にするためには、まずΔＨがほぼ一定になるように補正することが重要である。
【００３３】
さらに、図４に示すように静的消光特性における飽和消光比が低温になるほど小さくなることから、各温度で動的消光比（ＡＣＥＲ：Alternating Current Extinction Ratio）をほぼ一定にするためには、低温になるほど動作させる高周波電圧の振幅を大きくする必要がある。図４において、あるＡＣＥＲを得るためには低温（Ｔ１）では大きな逆方向電圧Ｖｂ１と大きな振幅電圧Ｖpp１が必要である。一方、高温（Ｔ４）では小さな逆方向電圧Ｖｂ４と小さな振幅電圧Ｖpp４で十分である。
【００３４】
一方、小信号αパラメータについては、図５に示すように同じ逆印加電圧と振幅電圧を与えたとき温度でほぼ同程度のαカーブを切り出すことができる。つまり、低温（Ｔ１）において逆方向電圧Ｖｂ１でのα値と、高温（Ｔ４）において逆方向電圧Ｖｂ４でのα値とはほぼ同じである。また、低温（Ｔ１）において逆方向電圧Ｖｂ１と振幅電圧Ｖpp１の和である電圧でのα値と、高温（Ｔ４）において逆方向電圧Ｖｂ４と振幅電圧Ｖpp４の和である電圧でのα値とはほぼ同じである。したがって、いずれの温度でも所望の距離の伝送が可能となる。
【００３５】
以下に、ＥＡ変調器部の活性層にインジウムガリウム砒素燐（ＩｎＧａＡｓＰ）系ＭＱＷを用いたＥＡ／ＤＦＢ素子において、伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓで駆動し、４０ｋｍ伝送させた結果を説明する。このとき、素子温度１５℃から５５℃、すなわち波長範囲約４ｎｍにわたって動作させた。図７は、各温度においてそれぞれ概ね同じの変調特性と伝送特性を満たすようにＤＦＢ−ＬＤの駆動電流Ｉopを求めた結果を説明する図である。図８は、各温度においてそれぞれ概略同等の変調・伝送特性を満たすようにＥＡ変調器に印加する逆電圧Ｖｂを求めた結果を説明する図である。図９は、各温度においてそれぞれ概ね同等の変調・伝送特性を満たすように高周波信号の電圧振幅Ｖppを求めた結果を説明する図である。いずれの図においても、１５℃から５５℃の温度範囲において、ほぼ線形の特性である。したがって、これらの特性を図１のＥＡ変調器制御回路１１５およびレーザ駆動電流制御回路１１６に記録し、ＥＡ変調器ドライバ１１１およびレーザ駆動電流ドライバ１１２を制御すれば、１５℃から５５℃の温度範囲において、ほぼ同等の変調特性、伝送特性を得ることができる。
【００３６】
上述した波長可変光送信器を伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓで駆動し、４０ｋｍ伝送させたときの、実測して求めた最適な駆動条件、および変調・伝送特性の結果を図１０にまとめる。これらは、素子の状態で広い温度範囲にわたって調べたおおよその駆動条件を微調整することによって得ることができた最適な特性である。ここで、図１０は、各温度における発振波長、駆動条件、変調特性、伝送特性を説明する図である。図１０において、Ｔ
２０１はＥＡ／ＤＦＢ素子温度、Ｉop２０２はその温度でのＤＦＢ-ＬＤ駆動電流、Ｖb２０３はＥＡ変調器の逆方向印加電圧、Ｖpp２０４はＥＡ変調器の高周波振幅電圧、λ２０５はその温度での発振波長、ＩＴＵ−Ｔ規格波長チャンネル２０６は該当するチャネル番号、ＡＣＥＲ ２０７は変調特性の動的消光比、Ｐp２０８は伝送特性のパスペナルティである。図１０に示すようにＩＴＵ−Ｔ規格を満足する特性を６波長チャンネルにおいて得ることができた。
【００３７】
なお本実施例では、波長可変レーザモジュールに搭載する半導体光素子のレーザ部はＤＦＢ−ＬＤとして駆動条件を決定したが、ＤＢＲ−ＬＤの場合でも発振波長の温度依存性はＤＦＢ−ＬＤのそれと同じであるため、上記波長可変レーザモジュールに搭載した場合、その駆動条件も同様に決定することができることは当業者が認めるところである。これは、他の実施例でも同様である。
【００３８】
また、本実施例に適用した半導体レーザは、３０ｄＢ以上（より好ましくは３５ｄＢ以上）の副モード抑圧比を有する単一縦モードで発振する半導体レーザである。さらに、温度制御範囲を２０℃〜５０℃に狭め、可変とする波長範囲の幅を３ｎｍとして、更に安定した特性としても良い。
【実施例２】
【００３９】
図１１は、ＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷとＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷのバンド構造を説明する図である。図１１（ａ）に示すＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷでは、荷電子帯のバンドオフセットΔＥｖが大きく、伝導帯のバンドオフセットΔＥｃが小さいという特徴がある。また、図１１（ｂ）に示すＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷでは、ΔＥｖが小さく、ΔＥｃが大きいという特徴がある。ＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷから成るＥＡ変調器では、井戸が深いときは電子を十分に閉じ込めることができるが、チャーピング特性の改善、すなわち小信号αパラメータの低減を狙って正孔の閉じ込めを弱くする構造にすると、同時に有効質量の軽い電子の閉じ込めが十分でなくなり、光のオン・オフの比である消光比が劣化する。一方、ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷから成るＥＡ変調器では、図１１の比較で分かるように正孔の閉じ込めを弱くしてチャーピング特性を向上させても、電子の閉じ込めも十分に強くすることができ、大きな消光比を得ることが可能である。
【００４０】
また、素子温度をより低温にすると一般に静的消光比の飽和消光比が小さくなるため動的消光比が小さくなる傾向があるが、ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷでは上で述べたバンド構造の特徴によって、低温においてもなお十分な動的消光比を得ることが可能である。また、ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷから成るＤＦＢ−ＬＤの場合、ＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷから成るＤＦＢ−ＬＤに比べて、電子の閉じ込めが強く、かつ正孔が均一に注入されるため、高温においてもＭＱＷから電子がもれにくく広い温度にわたって安定した動作が可能となる。ただし、最終的にＥＡ変調器である程度光パワーが吸収されてもなお、広い温度範囲で必要な光出力パワーを得ることができるのであれば、ＤＦＢ−ＬＤの活性層に用いる半導体材料はＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷ、ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷのいずれでも構わない。このように、活性層にＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷを用いることは、特性向上に対して非常に有効な手段である。ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷで構成されるＥＡ／ＤＦＢ素子は、ＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷで構成されるそれに比べると、用いる半導体材料が異なるだけである。そのため、ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷで構成されるＥＡ／ＤＦＢ素子は、エッチング液や結晶性成長の前処理方法など製造プロセスを多少変更するだけで歩留を悪化させることなく作製が可能である。
【００４１】
以下に、ＥＡ変調器部の活性層にＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷを用いたＥＡ／ＤＦＢ素子を搭載した光送信器において、伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓの駆動し、８０ｋｍ伝送させた結果を説明する。このとき、素子温度−５℃から８５℃、すなわち波長範囲約９ｎｍにわたって動作させた。ここで、図１２は、各温度においてそれぞれほぼ同様な変調・伝送特性を満たすようにＤＦＢ−ＬＤの駆動電流Ｉopを求めた結果を説明する図である。図１３は、各温度においてそれぞれほぼ同等の変調・伝送特性を満たすようにＥＡ変調器に印加する逆電圧Ｖｂを求めた結果を説明する図である。図１４は、各温度においてそれぞれほぼ同等の変調特性と伝送特性を満たすように高周波信号の電圧振幅Ｖppを求めた結果を説明する図である。いずれの図においても、−５℃から８５℃の温度範囲において、ほぼ線形の特性である。したがって、これらの特性を図１のＥＡ変調器制御回路１１５およびレーザ駆動電流制御回路１１６に記録し、ＥＡ変調器ドライバ１１１およびレーザ駆動電流ドライバ１１２を制御すれば、−５℃から８５℃の温度範囲において、ほぼ同等な変調特性と伝送特性を得ることができる。
【００４２】
この波長可変光送信器を伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓで駆動し、８０ｋｍ伝送させたときの最適な駆動条件、および変調・伝送特性の結果を図１５にまとめる。ここで、図１５は、各温度における発振波長と駆動条件と伝送特性を説明する図である。図１５の各コラムの説明は図１０と同様であるが、ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷを用いたＥＡ／ＤＦＢ素子を搭載しているので、使用可能な温度範囲がひろく、１２波長チャンネルの範囲で波長可変な光送信器を得ることができた。図１５に示すようにＩＴＵ−Ｔ規格を満足する特性を１２波長チャンネルにおいて得ることができた。
【実施例３】
【００４３】
図１６を参照して、他の実施の形態である光送受信器を説明する。ここで、図１６は光送受信器のブロック図である。図１６において、複数の低ビットレートの電気信号をＭＵＸ（合波器）９０４で伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓの電気信号に変換し、ＥＡ変調器駆動ドライバ１１１に入力する。波長可変レーザモジュール１０９は、図示しない制御線によってその発振波長が決定され、その発振波長となるように温度制御される。その制御温度は駆動制御回路１１０に伝達され、駆動制御回路１１０に備えた図示しない参照テーブルを参照することによって、ＬＤの駆動電流、ＥＡ変調器の逆方向電圧と高周波振幅電圧が求められる。駆動制御回路１１０は、これらの駆動条件をそれぞれＥＡ変調器駆動ドライバ１１１とレーザ駆動電流ドライバ１１２に設定する。ＥＡ変調器駆動ドライバ１１１とレーザ駆動電流ドライバ１１２は、それぞれ波長可変レーザモジュール１０９のＥＡ変調器部とＤＦＢ-ＬＤ部を駆動する。この結果、可変可能な波長チャンネルいずれにおいても、ほぼ同等な変調特性と伝送特性を確保された伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号をファイバ２００−１に送出できる。
【００４４】
一方、ファイバ２００−２からの伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号は、光受信モジュール９０６でＯＥ変換され、アンプ９０７で増幅されたあと、ＤＥＭＵＸ（分波器）９０８で複数の低ビットレートの電気信号に分波される。
【００４５】
本実施例では、実施例１および実施例２で述べた各波長チャンネルでＤＦＢ−ＬＤおよびＥＡ変調器の駆動条件を定めた波長可変光送信器を光送受信器に組み込んだ。これによって、伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓで４０ｋｍまたは８０ｋｍ伝送可能で、０．８ｎｍ波長間隔でそれぞれ６チャンネルまたは１２チャンネル波長可変の小型で低コストな光送受信器を実現できた。なお、本明細書において、光送信器には光送受信器を含む。
【符号の説明】
【００４６】
１００ 波長可変光送信器、１０１ ＥＡ／ＤＦＢ素子、１０２ チップキャリア、１０３ ペルチェ基板、１０４ サーミスタ、１０５ 高周波振幅コントローラ、１０６ 波長ロッカーモジュール、１０７ ビームスプリッタ、１０８ 集光用レンズ、１０９ 波長可変レーザモジュールのパッケージ、１１０ 駆動制御回路、１１１ ＥＡ変調器駆動ドライバ、１１２ レーザ駆動電流ドライバ、１１３ 逆方向電圧コントローラ、１１４ ペルチェ温度制御回路、１１５ ＥＡ変調器制御回路、１１６ レーザ駆動電流制御回路、１１７ モニタ用フォトダイオード、９００ 波長可変光送受信器、９０４ ＭＵＸ（合波器）、９０６ 光受信モジュール、９０７ アンプ、９０８ ＤＥＭＵＸ（分波器）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は波長可変光送信器および光送受信器に係り、幅広いの波長チャンネルにわたって安定して動作する波長可変光送信器および光送受信器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、幹線系において多く用いられている、複数波長の光信号を一（ひとつ）の光ファイバで伝送する波長多重（ＤＷＤＭ：Dense Wavelength Division Multiplexing）光伝送は、長距離・大容量光伝送を実現できる重要な伝送方式である。ＤＷＤＭ光伝送については、ＩＴＵ−Ｔ規格において長距離光伝送を実現する１．５５μｍ波長帯でグリッド波長（波長チャンネル）が定義されており、その波長間隔（周波数間隔）は０．４ｎｍ（５０ＧＨｚ）または０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）である。
【０００３】
近年、一つの光送信器で複数チャンネルの波長をカバーできる波長可変光送信器の開発が進められている。この波長可変光送信器は、ＤＷＤＭ用の波長間隔で発振波長のみを変化させるだけで、その他の特性（光出力パワー、変調特性、伝送特性など）は波長に依らず一定の特性を保つ必要がある。
【０００４】
現在、ＤＷＤＭ用波長可変光送信器に用いられるレーザモジュールには、大きく二つの種類がある。一つは、複数のレーザアレイを用いる方法であり、他方は一つのレーザの温度を変える方法である。
【０００５】
前者は、ＤＷＤＭ用の波長間隔でそれぞれ異なる発振波長で発振するように回折格子のピッチを変えた、複数の分布帰還型レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ：Distributed FeedBack Laser
Diode）または分布ブラッグ反射器レーザ（ＤＢＲ−ＬＤ：Distributed Bragg Reflector Laser Diode）を一つの半導体光素子上にアレイ上に集積したＬＤアレイである。この構成の場合、多モード干渉（ＭＭＩ：Multi-Mode Interference）合波器と半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）も同一素子に集積化するのが一般的である。ＭＭＩ合波器はそれぞれのＬＤアレイからの発振光を一つの導波路に合波し、ＳＯＡはＭＭＩでの光パワーの損失を補うためのものである。ＬＤアレイを用いる場合、半導体光素子の温度を一定に保った状態でも、ＬＤアレイの数だけ発振波長を変動させることができるため、多くのチャンネルをカバーすることが可能である。
【０００６】
ＬＤアレイからの複数の波長の発振光を変調させるために、ＳＯＡの前方にＥＡ変調器などの外部変調器を集積することも可能である。しかし、集積した外部変調器は、変調特性や伝送特性を一定に保つことができる波長範囲でしか動作できない。このため、一般には波長可変レーザモジュールの外部に、変調・伝送特性に対して波長依存性の小さいニオブ酸リチウム（ＬＮ：ＬｉＮｂＯ３）変調器モジュールを設けることが多い。
【０００７】
特許文献１には、ＬＤアレイとカップラ（合波器）と１台の半導体光増幅器と１台のＥＡ変調器とを組み合わせた構成の半導体レーザ装置を、ＥＡ変調器のオフセットバイアスを変更して駆動することが、記載されている。なお、特許文献１の対応米国特許として、米国特許６，５１６，０１７号公報がある。
【０００８】
後者は、一つのＥＡ変調器を集積した一つのＤＦＢ−ＬＤ（ＥＡ／ＤＦＢ：電界吸収型変調器集積ＤＦＢレーザ）である。この場合、ＥＡ／ＤＦＢ素子の温度を変えることによって、発振波長を変化させ、ＤＷＤＭ用の波長チャンネルに合わせる。
【０００９】
特許文献２には、半導体レーザと電界吸収型変調器とを別々に温調する光送信器が記載されている。この光モジュールは、半導体レーザの温度を変えることによって波長を変動させ、その波長の情報を変調器の温調にフィードバックすることにより、変調器の駆動バイアスを変化させることなく一定特性を得ることができる。
【００１０】
非特許文献１には、０℃から８５℃の範囲で、冷却なしで使用できるインジウムガリウムアルミ砒素（ＩｎＧａＡｌＡｓ）系ＥＡ/ＤＦＢレーザが記載されている。非特許文献１には、また０℃で１５５０ｎｍの発振波長が、８５℃で約１５６０ｎｍとなることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−１４４３６７号公報
【特許文献２】特開２００５−０４５５４８号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】S. Makino et al.、"Wide Temperature Range(0 to 85℃),40-km SMF Transmission of a 1.55-μm,10Gbit/s InGaAlAs Electroabsorption Modulator Integrated DFB Laser"、OFC2005、PDP14
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１の半導体レーザ装置は、全体のモジュールサイズを縮小することが困難である。また、一素子上に集積される機能素子の種類が多いため、素子を作製する上での歩留が非常に悪くなることが懸念される。
【００１４】
特許文献２の光送信器は、半導体レーザと電界吸収型変調器が別の素子であり、両者間のカップリングロスが必然的に生じる。また、半導体レーザと電界吸収型変調器とを別々に温調するため小型化、低消費電力化が困難である。
【００１５】
本発明は、一つのＥＡ変調器／レーザを用いる。この場合は、幅広い温度範囲で使用することになり、レーザ素子とＥＡ変調器素子の駆動条件を調整する必要がある。本発明により、駆動条件を変更してもＥＡ変調器集積レーザとしての特性が変わらない、小型で高歩留・低コストな波長可変光送信器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前述した課題は、電界吸収型変調器と半導体レーザとが基板上に集積された電界吸収型変調器集積レーザと、電界吸収型変調器集積レーザの温度を調整する温度制御部と、半導体レーザを駆動するレーザ駆動部と、電界吸収型変調器を駆動する変調器駆動部とからなり、温度制御部は、電界吸収型変調器集積レーザの温度を変化させることによって、半導体レーザの発振波長について３ｎｍ以上の波長範囲で可変とし、レーザ駆動部と変調器駆動部とは、波長範囲において、電界吸収型変調器集積レーザが概ね同じ変調特性および伝送特性となるように、半導体レーザおよび電界吸収型変調器を駆動する波長可変光送信器により、達成できる。
【００１７】
また、電界吸収型変調器と半導体レーザとが基板上に集積された電界吸収型変調器集積レーザと、電界吸収型変調器集積レーザの温度を調整する温度制御部と、半導体レーザを駆動するレーザ駆動部と、電界吸収型変調器を駆動する変調器駆動部とからなり、レーザ駆動部は、温度制御部によって与えられる温度差３０℃以上の温度範囲で、半導体レーザに印加する電流を、温度に依存して変化させ、変調器駆動部は、温度範囲で、電界吸収型変調器に印加する高周波信号の振幅電圧と電界吸収型変調器に印加する逆電圧とを、温度に依存して変化させる波長可変光送信器により、達成できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、素子サイズが小さく、波長に拠らず出力特性が変わらない波長可変光送信器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ＥＡ／ＤＦＢ素子を波長可変モジュールに搭載した光送信器のブロック図である。
【図２】ＤＦＢ-ＬＤの発振波長とＥＡ変調器の吸収端波長の温度依存性を説明する図である。
【図３】ＤＦＢ−ＬＤ部の電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性の素子温度依存性を説明する図である。
【図４】静的消光比（ＤＣＥＲ）特性の素子温度依存性を説明する図である。
【図５】小信号αパラメータの素子温度依存性を説明する図である。
【図６】ＥＡ変調器に印加する逆方向電圧を変化させ、擬似的にデチューニング量ΔＨが各温度において一定になるように補正することを説明する図である。
【図７】各温度においてそれぞれ概ね同じの変調特性と伝送特性を満たすようにＤＦＢ−ＬＤの駆動電流Ｉopを求めた結果を説明する図である。
【図８】各温度においてそれぞれ概略同等の変調・伝送特性を満たすようにＥＡ変調器に印加する逆電圧Ｖｂを求めた結果を説明する図である。
【図９】各温度においてそれぞれ概ね同等の変調・伝送特性を満たすように高周波信号の電圧振幅Ｖppを求めた結果を説明する図である。
【図１０】各温度における発振波長、駆動条件、変調特性、伝送特性を説明する図である。
【図１１】ＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷとＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷのバンド構造を説明する図である。
【図１２】各温度においてそれぞれほぼ同様な変調・伝送特性を満たすようにＤＦＢ−ＬＤの駆動電流Ｉopを求めた結果を説明する図である。
【図１３】各温度においてそれぞれほぼ同等の変調・伝送特性を満たすようにＥＡ変調器に印加する逆電圧Ｖｂを求めた結果を説明する図である。
【図１４】各温度においてそれぞれほぼ同等の変調特性と伝送特性を満たすように高周波信号の電圧振幅Ｖppを求めた結果を説明する図である。
【図１５】各温度における発振波長、駆動条件、変調特性、伝送特性を説明する図である。
【図１６】光送受信器のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下本発明の実施の形態について、実施例を用いて図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１は、ＥＡ／ＤＦＢ素子を波長可変モジュールに搭載した光送信器のブロック図である。ここで、ＥＡ／ＤＦＢ素子１０１は、ＤＦＢ-ＬＤ部とＥＡ変調器部とを集積した素子である。ＥＡ／ＤＦＢ素子１０１は、チップキャリア１０２を介して、温度制御用のペルチェ基板１０３に搭載される。チップキャリア１０２上には、ＥＡ／ＤＦＢ素子１０１のできるだけ近傍にサーミスタ１０４が搭載され、チップキャリア１０２を介して素子の温度をモニタする。ＥＡ／ＤＦＢ素子１０１の前方出力光は、ビームスプリッタ１０７によって、その一部がモニタ用フォトダイオード（モニタＰＤ）１１７に分光される。ビームスプリッタ１０７を通過した前方出力光は、レンズ系１０８によって、光ファイバ２００に結合される。一方、ＥＡ／ＤＦＢ素子１０１の後方出力光は、波長ロッカーモジュール１０６に入力される。ここで、波長ロッカーモジュール１０６は、エタロンと２つのフォトダイオードで構成される光部品であり、エタロンを通過前後の、２つのフォトダイオードの光電流比を一定に保つことにより、波長をロックし、高い波長安定性を実現する部品である。逆に、２つのフォトダイオードの光電流比から、発振波長をモニタすることもできる。
【００２２】
図１に示す光送信器１００は、上述した波長可変レーザモジュール１０９を構成する光部品の外に、ペルチェ温度制御回路１１４、ＥＡ変調器駆動ドライバ１１１、レーザ駆動電流ドライバ１１２、駆動制御回路１１０で構成される。ペルチェ温度制御回路１１４は、通常サーミスタ１０４の抵抗値が一定となるようペルチェ基板１０３を制御する。しかし、波長ロッカーモジュール１０６の２つのフォトダイオードの光電流比が、設定値からずれた場合は、光電流比を一定に制御することを、優先する。これは、ＤＦＢ-ＬＤの経年変化を補償するものである。また、ペルチェ温度制御回路１１４には、図示しない制御線により、一定制御する光電流比の値を変えることが可能である。これは、ＤＦＢ-ＬＤの発振波長を変化させるために用いる。
【００２３】
駆動制御回路１１０は、ＥＡ変調器制御回路１１５とレーザ駆動電流制御回路１１６とから構成される。ＥＡ変調器制御回路１１５は、ペルチェ温度制御回路１１４から得た素子温度に基づいて、ＥＡ変調器の駆動条件をＥＡ変調器駆動ドライバ１１１に設定する。一方、レーザ駆動電流制御回路１１６は、ペルチェ温度制御回路１１４から得た素子温度とモニタ用フォトダイオード１１７が検出した前方出力光の強度に基づいて、ＤＦＢ-ＬＤの駆動条件をレーザ駆動電流ドライバ１１２に設定する。
【００２４】
ＥＡ変調器駆動ドライバ１１１は、高周波振幅コントローラ１０５と逆方法電圧コントローラ１１３とから構成される。ＥＡ変調器駆動ドライバ１１１は、ＥＡ変調器制御回路１１５が設定した高周波振幅と逆方法電圧で、高周波信号を調整し、ＥＡ／ＤＦＢ素子１０１のＥＡ変調器部に入力する。
【００２５】
レーザ駆動電流ドライバ１１２は、レーザ駆動電流制御回路１１６が設定した駆動電流をＥＡ／ＤＦＢ素子１０１のＤＦＢ-ＬＤ部に入力する。
【００２６】
前方光出力を一定に保つためにモニタＰＤで受光したパワーの微小変動ΔＰをレーザ駆動電流源へ帰還するＡＰＣ（Auto Power Control）制御を行う。一方、ペルチェ基板１０３の温度制御部１１４はサーミスタ１０４の抵抗値をモニタしながら素子温度を決定し一定に保つ。素子温度がわずかに変動した場合は、波長モニタ機構でモニタしている発振波長がわずかに変動するため、それを検知してペルチェ基板１０３のペルチェ温度制御部へ帰還するＡＴＣ（Auto Temperature Control）制御を行う。
【００２７】
一般にＤＦＢ−ＬＤの発振波長λは、素子温度変化に伴ってＬＤ部の実効屈折率が変化するため約０．１ｎｍ／℃の依存性がある。このことを利用して意図的に素子温度を変えることによって、ＤＷＤＭ用波長チャンネルに合うように波長を可変にすることができる。例えば素子温度をＴ１＝−５℃からＴ４＝８５℃まで９０℃変化させたとき、約９ｎｍ（０．４ｎｍ間隔の場合２２チャンネル、０．８ｎｍ間隔の場合１１チャンネルに相当）波長を変化させることが可能である。一方、素子温度、すなわち発振波長を変えたとき、ペルチェ温度制御部１１４の情報は素子の駆動条件を決定する制御回路部１１０へ送られるようにする。素子温度に応じて、ＬＤと変調器の駆動条件を変えることによって、多数の波長チャンネルにわたって概ね同じ変調特性と伝送特性を得ることができる。以下、波長可変光送信器の駆動方法について説明する。
【００２８】
図２は、ＤＦＢ-ＬＤの発振波長とＥＡ変調器の吸収端波長の温度依存性を説明する図である。上述したようにＤＦＢ−ＬＤの発振波長λ（lambda）は、約０．１ｎｍ／℃の依存性がある。一方、ＥＡ変調器の吸収端波長Λ（large lambda）は約０．６ｎｍ／℃の温度依存性がある。これらの差で定義されるデチューニング量ΔＨ（＝λ−Λ）はＥＡ／ＤＦＢ素子の特性を決定する重要なパラメータであり、約−０．５ｎｍ／℃の温度依存性を有する。
【００２９】
図３は、ＤＦＢ−ＬＤ部の電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性の素子温度依存性を説明する図である。図３は、ＥＡ変調器部を劈開により切り落としてＤＦＢ−ＬＤ単体にしたものについて、温度をパラメータに電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性を測定した結果である。ここで、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４である。図３から、素子温度が上昇するとともに、レーザ発振が始まる閾値電流（曲線のｘ軸切片）が増加し、光パワーが低下することが分かる。
【００３０】
一方、ＥＡ変調器について、静的消光比（ＤＣＥＲ：Direct Current Extinction Ratio）特性と小信号αパラメータ（alpha parameter：チャーピングパラメータ）の素子温度依存性を説明しよう。ここで、図４は、静的消光比（ＤＣＥＲ：Direct Current Extinction Ratio）特性の素子温度依存性を説明する図である。図５は、小信号αパラメータの素子温度依存性を説明する図である。図４と図５で、横軸はＥＡ変調器部に印加する逆方向電圧である。素子温度が上昇するにつれ、デチューニング量ΔＨが小さくなりＥＡ変調器部での吸収が増大するため、ＤＣＥＲが減少する。同様に、素子温度が上昇するにつれ、デチューニング量ΔＨが小さくなりＥＡ変調器部での吸収が増大するため、小信号αパラメータが低減する。
【００３１】
ＤＷＤＭ用波長チャンネルに合うように素子温度を変動させたとき、その温度範囲において概ね同じの変調特性と伝送特性にする必要がある。まず概ね同等の変調時光出力を得るために、ＤＦＢ−ＬＤの動作電流を変動させなければならない。具体的には、高温になるほどＤＦＢ−ＬＤ自身の光出力が減少することと、基礎吸収量（ＥＡ変調器に印加する逆方向電圧がゼロの状態での吸収量）がデチューニング量ΔＨの減少に伴って増大することを考慮すると、図３の各曲線に黒点をもって示すように動作電流をＩop１からＩop４まで変動させる必要がある。すなわち、高温ほどより多くのＤＦＢ−ＬＤの光出力が必要であるということを示している。
【００３２】
また、ＥＡ変調器部においては、デチューニング量ΔＨの温度依存性を低減するために、逆方向印加電圧を温度によって変化させる。つまり、量子閉じ込めシュタルク効果によってＥＡ変調器に逆方向電圧を印加すると、ＥＡ変調器部の吸収スペクトルが長波長側にシフトし、デチューニング量ΔＨが擬似的に小さくなることを利用する。図６はＥＡ変調器に印加する逆方向電圧を変化させ、擬似的にデチューニング量ΔＨが各温度において一定になるように補正することを説明する図である。図６には、図３の特性も併記し、低温ほど逆方向印加電圧を大きくすることによって、デチューニング量ΔＨの温度依存性を低減している。このように、ＥＡ変調器の変調・伝送特性を各温度で同様にするためには、まずΔＨがほぼ一定になるように補正することが重要である。
【００３３】
さらに、図４に示すように静的消光特性における飽和消光比が低温になるほど小さくなることから、各温度で動的消光比（ＡＣＥＲ：Alternating Current Extinction Ratio）をほぼ一定にするためには、低温になるほど動作させる高周波電圧の振幅を大きくする必要がある。図４において、あるＡＣＥＲを得るためには低温（Ｔ１）では大きな逆方向電圧Ｖｂ１と大きな振幅電圧Ｖpp１が必要である。一方、高温（Ｔ４）では小さな逆方向電圧Ｖｂ４と小さな振幅電圧Ｖpp４で十分である。
【００３４】
一方、小信号αパラメータについては、図５に示すように同じ逆印加電圧と振幅電圧を与えたとき温度でほぼ同程度のαカーブを切り出すことができる。つまり、低温（Ｔ１）において逆方向電圧Ｖｂ１でのα値と、高温（Ｔ４）において逆方向電圧Ｖｂ４でのα値とはほぼ同じである。また、低温（Ｔ１）において逆方向電圧Ｖｂ１と振幅電圧Ｖpp１の和である電圧でのα値と、高温（Ｔ４）において逆方向電圧Ｖｂ４と振幅電圧Ｖpp４の和である電圧でのα値とはほぼ同じである。したがって、いずれの温度でも所望の距離の伝送が可能となる。
【００３５】
以下に、ＥＡ変調器部の活性層にインジウムガリウム砒素燐（ＩｎＧａＡｓＰ）系ＭＱＷを用いたＥＡ／ＤＦＢ素子において、伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓで駆動し、４０ｋｍ伝送させた結果を説明する。このとき、素子温度１５℃から５５℃、すなわち波長範囲約４ｎｍにわたって動作させた。図７は、各温度においてそれぞれ概ね同じの変調特性と伝送特性を満たすようにＤＦＢ−ＬＤの駆動電流Ｉopを求めた結果を説明する図である。図８は、各温度においてそれぞれ概略同等の変調・伝送特性を満たすようにＥＡ変調器に印加する逆電圧Ｖｂを求めた結果を説明する図である。図９は、各温度においてそれぞれ概ね同等の変調・伝送特性を満たすように高周波信号の電圧振幅Ｖppを求めた結果を説明する図である。いずれの図においても、１５℃から５５℃の温度範囲において、ほぼ線形の特性である。したがって、これらの特性を図１のＥＡ変調器制御回路１１５およびレーザ駆動電流制御回路１１６に記録し、ＥＡ変調器ドライバ１１１およびレーザ駆動電流ドライバ１１２を制御すれば、１５℃から５５℃の温度範囲において、ほぼ同等の変調特性、伝送特性を得ることができる。
【００３６】
上述した波長可変光送信器を伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓで駆動し、４０ｋｍ伝送させたときの、実測して求めた最適な駆動条件、および変調・伝送特性の結果を図１０にまとめる。これらは、素子の状態で広い温度範囲にわたって調べたおおよその駆動条件を微調整することによって得ることができた最適な特性である。ここで、図１０は、各温度における発振波長、駆動条件、変調特性、伝送特性を説明する図である。図１０において、Ｔ
２０１はＥＡ／ＤＦＢ素子温度、Ｉop２０２はその温度でのＤＦＢ-ＬＤ駆動電流、Ｖb２０３はＥＡ変調器の逆方向印加電圧、Ｖpp２０４はＥＡ変調器の高周波振幅電圧、λ２０５はその温度での発振波長、ＩＴＵ−Ｔ規格波長チャンネル２０６は該当するチャネル番号、ＡＣＥＲ ２０７は変調特性の動的消光比、Ｐp２０８は伝送特性のパスペナルティである。図１０に示すようにＩＴＵ−Ｔ規格を満足する特性を６波長チャンネルにおいて得ることができた。
【００３７】
なお本実施例では、波長可変レーザモジュールに搭載する半導体光素子のレーザ部はＤＦＢ−ＬＤとして駆動条件を決定したが、ＤＢＲ−ＬＤの場合でも発振波長の温度依存性はＤＦＢ−ＬＤのそれと同じであるため、上記波長可変レーザモジュールに搭載した場合、その駆動条件も同様に決定することができることは当業者が認めるところである。これは、他の実施例でも同様である。
【００３８】
また、本実施例に適用した半導体レーザは、３０ｄＢ以上（より好ましくは３５ｄＢ以上）の副モード抑圧比を有する単一縦モードで発振する半導体レーザである。さらに、温度制御範囲を２０℃〜５０℃に狭め、可変とする波長範囲の幅を３ｎｍとして、更に安定した特性としても良い。
【実施例２】
【００３９】
図１１は、ＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷとＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷのバンド構造を説明する図である。図１１（ａ）に示すＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷでは、荷電子帯のバンドオフセットΔＥｖが大きく、伝導帯のバンドオフセットΔＥｃが小さいという特徴がある。また、図１１（ｂ）に示すＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷでは、ΔＥｖが小さく、ΔＥｃが大きいという特徴がある。ＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷから成るＥＡ変調器では、井戸が深いときは電子を十分に閉じ込めることができるが、チャーピング特性の改善、すなわち小信号αパラメータの低減を狙って正孔の閉じ込めを弱くする構造にすると、同時に有効質量の軽い電子の閉じ込めが十分でなくなり、光のオン・オフの比である消光比が劣化する。一方、ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷから成るＥＡ変調器では、図１１の比較で分かるように正孔の閉じ込めを弱くしてチャーピング特性を向上させても、電子の閉じ込めも十分に強くすることができ、大きな消光比を得ることが可能である。
【００４０】
また、素子温度をより低温にすると一般に静的消光比の飽和消光比が小さくなるため動的消光比が小さくなる傾向があるが、ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷでは上で述べたバンド構造の特徴によって、低温においてもなお十分な動的消光比を得ることが可能である。また、ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷから成るＤＦＢ−ＬＤの場合、ＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷから成るＤＦＢ−ＬＤに比べて、電子の閉じ込めが強く、かつ正孔が均一に注入されるため、高温においてもＭＱＷから電子がもれにくく広い温度にわたって安定した動作が可能となる。ただし、最終的にＥＡ変調器である程度光パワーが吸収されてもなお、広い温度範囲で必要な光出力パワーを得ることができるのであれば、ＤＦＢ−ＬＤの活性層に用いる半導体材料はＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷ、ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷのいずれでも構わない。このように、活性層にＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷを用いることは、特性向上に対して非常に有効な手段である。ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷで構成されるＥＡ／ＤＦＢ素子は、ＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷで構成されるそれに比べると、用いる半導体材料が異なるだけである。そのため、ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷで構成されるＥＡ／ＤＦＢ素子は、エッチング液や結晶性成長の前処理方法など製造プロセスを多少変更するだけで歩留を悪化させることなく作製が可能である。
【００４１】
以下に、ＥＡ変調器部の活性層にＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷを用いたＥＡ／ＤＦＢ素子を搭載した光送信器において、伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓの駆動し、８０ｋｍ伝送させた結果を説明する。このとき、素子温度−５℃から８５℃、すなわち波長範囲約９ｎｍにわたって動作させた。ここで、図１２は、各温度においてそれぞれほぼ同様な変調・伝送特性を満たすようにＤＦＢ−ＬＤの駆動電流Ｉopを求めた結果を説明する図である。図１３は、各温度においてそれぞれほぼ同等の変調・伝送特性を満たすようにＥＡ変調器に印加する逆電圧Ｖｂを求めた結果を説明する図である。図１４は、各温度においてそれぞれほぼ同等の変調特性と伝送特性を満たすように高周波信号の電圧振幅Ｖppを求めた結果を説明する図である。いずれの図においても、−５℃から８５℃の温度範囲において、ほぼ線形の特性である。したがって、これらの特性を図１のＥＡ変調器制御回路１１５およびレーザ駆動電流制御回路１１６に記録し、ＥＡ変調器ドライバ１１１およびレーザ駆動電流ドライバ１１２を制御すれば、−５℃から８５℃の温度範囲において、ほぼ同等な変調特性と伝送特性を得ることができる。
【００４２】
この波長可変光送信器を伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓで駆動し、８０ｋｍ伝送させたときの最適な駆動条件、および変調・伝送特性の結果を図１５にまとめる。ここで、図１５は、各温度における発振波長と駆動条件と伝送特性を説明する図である。図１５の各コラムの説明は図１０と同様であるが、ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷを用いたＥＡ／ＤＦＢ素子を搭載しているので、使用可能な温度範囲がひろく、１２波長チャンネルの範囲で波長可変な光送信器を得ることができた。図１５に示すようにＩＴＵ−Ｔ規格を満足する特性を１２波長チャンネルにおいて得ることができた。
【実施例３】
【００４３】
図１６を参照して、他の実施の形態である光送受信器を説明する。ここで、図１６は光送受信器のブロック図である。図１６において、複数の低ビットレートの電気信号をＭＵＸ（合波器）９０４で伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓの電気信号に変換し、ＥＡ変調器駆動ドライバ１１１に入力する。波長可変レーザモジュール１０９は、図示しない制御線によってその発振波長が決定され、その発振波長となるように温度制御される。その制御温度は駆動制御回路１１０に伝達され、駆動制御回路１１０に備えた図示しない参照テーブルを参照することによって、ＬＤの駆動電流、ＥＡ変調器の逆方向電圧と高周波振幅電圧が求められる。駆動制御回路１１０は、これらの駆動条件をそれぞれＥＡ変調器駆動ドライバ１１１とレーザ駆動電流ドライバ１１２に設定する。ＥＡ変調器駆動ドライバ１１１とレーザ駆動電流ドライバ１１２は、それぞれ波長可変レーザモジュール１０９のＥＡ変調器部とＤＦＢ-ＬＤ部を駆動する。この結果、可変可能な波長チャンネルいずれにおいても、ほぼ同等な変調特性と伝送特性を確保された伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号をファイバ２００−１に送出できる。
【００４４】
一方、ファイバ２００−２からの伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号は、光受信モジュール９０６でＯＥ変換され、アンプ９０７で増幅されたあと、ＤＥＭＵＸ（分波器）９０８で複数の低ビットレートの電気信号に分波される。
【００４５】
本実施例では、実施例１および実施例２で述べた各波長チャンネルでＤＦＢ−ＬＤおよびＥＡ変調器の駆動条件を定めた波長可変光送信器を光送受信器に組み込んだ。これによって、伝送速度１０Ｇｂｉｔ／ｓで４０ｋｍまたは８０ｋｍ伝送可能で、０．８ｎｍ波長間隔でそれぞれ６チャンネルまたは１２チャンネル波長可変の小型で低コストな光送受信器を実現できた。なお、本明細書において、光送信器には光送受信器を含む。
【符号の説明】
【００４６】
１００ 波長可変光送信器、１０１ ＥＡ／ＤＦＢ素子、１０２ チップキャリア、１０３ ペルチェ基板、１０４ サーミスタ、１０５ 高周波振幅コントローラ、１０６ 波長ロッカーモジュール、１０７ ビームスプリッタ、１０８ 集光用レンズ、１０９ 波長可変レーザモジュールのパッケージ、１１０ 駆動制御回路、１１１ ＥＡ変調器駆動ドライバ、１１２ レーザ駆動電流ドライバ、１１３ 逆方向電圧コントローラ、１１４ ペルチェ温度制御回路、１１５ ＥＡ変調器制御回路、１１６ レーザ駆動電流制御回路、１１７ モニタ用フォトダイオード、９００ 波長可変光送受信器、９０４ ＭＵＸ（合波器）、９０６ 光受信モジュール、９０７ アンプ、９０８ ＤＥＭＵＸ（分波器）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界吸収型変調器と半導体レーザとが同一の半導体基板上に集積された電界吸収型変調器集積レーザと、
前記電界吸収型変調器集積レーザの温度を可変する温度制御回路と、
前記半導体レーザを駆動するレーザ駆動部と、
前記電界吸収型変調器を駆動する変調器駆動部と、
前記レーザ駆動部及び前記変調器駆動部を制御する駆動制御回路と、
を備え、
前記温度制御回路が、前記電界吸収型変調器集積レーザの温度を変化させることにより、前記電界吸収型変調器集積レーザの発振波長を３ｎｍ以上の波長範囲で可変とし、
前記駆動制御回路は、前記半導体レーザに印加する駆動電流と温度の関係、前記電界吸収型変調器に印加する逆方向電圧と温度の関係、及び前記電界吸収型変調器に印加する高周波振幅の電圧と温度の関係を、それぞれ記録し、
前記駆動制御回路は、前記記録されている関係に基づいて前記レーザ駆動部及び前記変調器駆動部を制御し、前記波長範囲において概ね同じ変調特性および伝送特性となるように、前記レーザ駆動部及び前記変調器駆動部に前記半導体レーザ及び前記電界吸収型変調器をそれぞれ駆動させる、
ことを特徴とする波長可変送信器。
【請求項２】
電界吸収型変調器と半導体レーザとが同一の半導体基板上に集積された電界吸収型変調器集積レーザと、
前記電界吸収型変調器集積レーザの温度を可変する温度制御回路と、
前記半導体レーザを駆動するレーザ駆動部と、
前記電界吸収型変調器を駆動する変調器駆動部と、
前記レーザ駆動部及び前記変調器駆動部を制御する駆動制御回路と、
を備え、
前記温度制御回路は、前記電界吸収型変調器集積レーザの温度を温度差３０℃以上の温度範囲で制御し、
前記駆動制御回路は、前記半導体レーザに印加する駆動電流と温度の関係、前記電界吸収型変調器に印加する逆方向電圧と温度の関係、及び前記電界吸収型変調器に印加する高周波振幅の電圧と温度の関係を、それぞれ記録し、
前記駆動制御回路は、前記記録されている関係に基づいて、前記レーザ駆動部と前記変調器駆動部を制御し、前記温度範囲において概ね同じ変調特性および伝送特性となるように、前記レーザ駆動部及び前記変調器駆動部に前記半導体レーザ及び前記電界吸収型変調器を駆動させる、
ことを特徴とする波長可変送信器。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の波長可変送信器であって、
前記電界吸収型変調器は、インジウムガリウムアルミニウム砒素を材料とする多重量子井戸を備えていることを特徴とする波長可変送信器。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の波長可変送信器であって、
前記電界吸収型変調器は、インジウムガリウム砒素燐を材料とする多重量子井戸を備えていることを特徴とする波長可変送信器。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の波長可変送信器であって、
前記半導体レーザは、分布帰還型レーザまたは分布反射型レーザであることを特徴とする波長可変送信器。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の波長可変送信器であって、
前記電界吸収型変調器集積レーザは２．５Ｇｂｉｔ／ｓ以上の伝送速度において動作することを特徴とする波長可変送信器。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の波長可変送信器であって、
前記駆動制御回路は、前記電界吸収型変調器集積レーザの温度が上昇した場合に、前記レーザ駆動部に、前記半導体レーザに印加する駆動電流を増加させ、前記電界吸収が変調器集積レーザの温度が下降した場合に、前記レーザ駆動部に、前記半導体レーザに印加する駆動電流を減少させる、
ことを特徴とする波長可変送信器。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の波長可変送信器であって、
前記駆動制御回路は、前記電界吸収型変調器集積レーザの温度が上昇した場合に、前記変調器駆動部に、前記電界吸収型変調器に印加する前記逆方向電圧及び前記高周波振幅の電圧を低減させ、前記電界吸収型変調器集積レーザの温度が下降した場合に、及び前記変調器駆動部に、前記電界吸収型変調器に印加する前記逆方向電圧及び前記高周波振幅の電圧を増加させる、
ことを特徴とする波長可変送信器。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の波長可変送信器であって、
前記電界吸収型変調器集積レーザを搭載したチップキャリアと、
前記チップキャリアを搭載したペルチエ素子と、を更に備え、
前記温度制御回路は、前記ペルチエ素子を制御することにより、前記電界吸収型変調器集積レーザの温度を可変する、
ことを特徴とする波長可変送信器。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の波長可変送信器と、
受信した光信号を電気信号に変換する光受信モジュールを含む光受信器と、
を備える、光送受信器。
【請求項１】
電界吸収型変調器と半導体レーザとが同一の半導体基板上に集積された電界吸収型変調器集積レーザと、
前記電界吸収型変調器集積レーザの温度を可変する温度制御回路と、
前記半導体レーザを駆動するレーザ駆動部と、
前記電界吸収型変調器を駆動する変調器駆動部と、
前記レーザ駆動部及び前記変調器駆動部を制御する駆動制御回路と、
を備え、
前記温度制御回路が、前記電界吸収型変調器集積レーザの温度を変化させることにより、前記電界吸収型変調器集積レーザの発振波長を３ｎｍ以上の波長範囲で可変とし、
前記駆動制御回路は、前記半導体レーザに印加する駆動電流と温度の関係、前記電界吸収型変調器に印加する逆方向電圧と温度の関係、及び前記電界吸収型変調器に印加する高周波振幅の電圧と温度の関係を、それぞれ記録し、
前記駆動制御回路は、前記記録されている関係に基づいて前記レーザ駆動部及び前記変調器駆動部を制御し、前記波長範囲において概ね同じ変調特性および伝送特性となるように、前記レーザ駆動部及び前記変調器駆動部に前記半導体レーザ及び前記電界吸収型変調器をそれぞれ駆動させる、
ことを特徴とする波長可変送信器。
【請求項２】
電界吸収型変調器と半導体レーザとが同一の半導体基板上に集積された電界吸収型変調器集積レーザと、
前記電界吸収型変調器集積レーザの温度を可変する温度制御回路と、
前記半導体レーザを駆動するレーザ駆動部と、
前記電界吸収型変調器を駆動する変調器駆動部と、
前記レーザ駆動部及び前記変調器駆動部を制御する駆動制御回路と、
を備え、
前記温度制御回路は、前記電界吸収型変調器集積レーザの温度を温度差３０℃以上の温度範囲で制御し、
前記駆動制御回路は、前記半導体レーザに印加する駆動電流と温度の関係、前記電界吸収型変調器に印加する逆方向電圧と温度の関係、及び前記電界吸収型変調器に印加する高周波振幅の電圧と温度の関係を、それぞれ記録し、
前記駆動制御回路は、前記記録されている関係に基づいて、前記レーザ駆動部と前記変調器駆動部を制御し、前記温度範囲において概ね同じ変調特性および伝送特性となるように、前記レーザ駆動部及び前記変調器駆動部に前記半導体レーザ及び前記電界吸収型変調器を駆動させる、
ことを特徴とする波長可変送信器。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の波長可変送信器であって、
前記電界吸収型変調器は、インジウムガリウムアルミニウム砒素を材料とする多重量子井戸を備えていることを特徴とする波長可変送信器。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の波長可変送信器であって、
前記電界吸収型変調器は、インジウムガリウム砒素燐を材料とする多重量子井戸を備えていることを特徴とする波長可変送信器。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の波長可変送信器であって、
前記半導体レーザは、分布帰還型レーザまたは分布反射型レーザであることを特徴とする波長可変送信器。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の波長可変送信器であって、
前記電界吸収型変調器集積レーザは２．５Ｇｂｉｔ／ｓ以上の伝送速度において動作することを特徴とする波長可変送信器。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の波長可変送信器であって、
前記駆動制御回路は、前記電界吸収型変調器集積レーザの温度が上昇した場合に、前記レーザ駆動部に、前記半導体レーザに印加する駆動電流を増加させ、前記電界吸収が変調器集積レーザの温度が下降した場合に、前記レーザ駆動部に、前記半導体レーザに印加する駆動電流を減少させる、
ことを特徴とする波長可変送信器。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の波長可変送信器であって、
前記駆動制御回路は、前記電界吸収型変調器集積レーザの温度が上昇した場合に、前記変調器駆動部に、前記電界吸収型変調器に印加する前記逆方向電圧及び前記高周波振幅の電圧を低減させ、前記電界吸収型変調器集積レーザの温度が下降した場合に、及び前記変調器駆動部に、前記電界吸収型変調器に印加する前記逆方向電圧及び前記高周波振幅の電圧を増加させる、
ことを特徴とする波長可変送信器。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の波長可変送信器であって、
前記電界吸収型変調器集積レーザを搭載したチップキャリアと、
前記チップキャリアを搭載したペルチエ素子と、を更に備え、
前記温度制御回路は、前記ペルチエ素子を制御することにより、前記電界吸収型変調器集積レーザの温度を可変する、
ことを特徴とする波長可変送信器。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の波長可変送信器と、
受信した光信号を電気信号に変換する光受信モジュールを含む光受信器と、
を備える、光送受信器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−２３１１８６（Ｐ２０１２−２３１１８６Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１８７５０５（Ｐ２０１２−１８７５０５）
【出願日】平成２４年８月２８日（２０１２．８．２８）
【分割の表示】特願２００５−２９７２８７（Ｐ２００５−２９７２８７）の分割
【原出願日】平成１７年１０月１２日（２００５．１０．１２）
【出願人】（３０１００５３７１）日本オクラロ株式会社 (311)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年８月２８日（２０１２．８．２８）
【分割の表示】特願２００５−２９７２８７（Ｐ２００５−２９７２８７）の分割
【原出願日】平成１７年１０月１２日（２００５．１０．１２）
【出願人】（３０１００５３７１）日本オクラロ株式会社 (311)
【Ｆターム（参考）】
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