CN101350496A - 光器件及其控制方法 - Google Patents

Abstract

光器件及控制光器件的方法。该光器件包括：光元件、检测器以及控制器。该光元件具有光波导。该光波导的折射率受加热器控制。该光元件的温度受温度控制装置控制。该检测器检测在该加热器中流动的电流和/或施加至该加热器的电压。该控制器根据该检测器的检测结果控制提供给该加热器的电功率，以使该电功率保持恒定。

Description

光器件及其控制方法

技术领域

本发明涉及光器件和控制该光器件的方法。

背景技术

波长可调半导体激光器是光器件中的一种。波长可调半导体激光器具有对激光振荡的增益并且选择波长。作为选择波长的方法，存在通过调节光学功能区(诸如设置在谐振器中的光波导中的衍射光栅)的折射率来调节损耗、反射或增益的波长特性的方法。

与调节机械角度或机械长度的方法不同，调节折射率的方法不需要机械可动部分。因此，该方法具有可靠性和制造成本方面的优点。作为调节光波导的折射率的方法，存在调节光波导的温度的方法，通过电流注入调节光波导中的载流子密度的方法等。作为采用调节光波导的温度的方法的波长可调激光器的具体示例，提出了具有反射峰值的峰值波长周期性分布的取样光栅分布布拉格反射器(Sampled Grating DistributedBragg Reflector，SG-DBR)和增益谱的峰值波长周期性分布的取样光栅分布反馈(Sampled Grating Distributed Feedback，SG-DFB)的半导体激光器。

这种半导体激光器控制SG-DBR的反射谱与SG-DFB的反射谱之间的相关性，通过游标效应(vernier effect)来选择波长，并且发射激光。即，该半导体激光器在两个谱交叠并且反射强度达到最大的一个波长处振荡。因此，可以通过控制两个反射谱的相关性来控制振荡波长。

日本专利申请公开No.9-92934(下文称为文献1)公开了一种通过控制光波导的折射率来控制振荡波长的半导体激光器。在文献1中，采用加热器作为光波导的折射率的控制部。通过加热器控制光波导的温度来控制波长。

在使用加热器控制光波导的折射率的情况下，加热器的劣化是一个问题。当加热器的电阻因加热器的劣化而改变时，即使向加热器提供恒定电流，加热器的发热值也会变化。具体来说，在具有波长性质彼此不同的光波导的组合(诸如SG-DFB和SG-DBR的组合)的光器件中，各光波导之间的温差很重要，预料之外的发热值变化是致命的。

用于控制光波导的温度的加热器的温度范围宽度(ΔT)大约为40度。加热器的温度相对较低。因此，没有考虑加热器的劣化。

存在根据温度检测元件(诸如在光波导附近设置的热敏电阻)的检测结果来控制加热器的发热值的方法。因为该温度检测元件的检测结果包括由于外部环境的温度变化和加热器的劣化而造成的温度变化，因此该检测结果是理想的。

然而，为了实现该方法，必须在加热器附近设置温度检测元件。在这种情况下，比较难以对激光芯片等的微型器件采用温度检测元件。

发明内容

鉴于上述情况做出本发明，并且本发明提供了一种即使加热器劣化也可获得理想光学特性的光器件和控制该光器件的方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种光器件，该光器件包括：光元件、检测器以及控制器。该光元件具有光波导。该光波导的折射率受加热器控制。该光元件的温度受温度控制装置控制。该检测器检测在该加热器中流动的电流和/或施加至该加热器的电压。该控制器根据该检测器的检测结果控制提供给该加热器的电功率，以使该电功率保持恒定。

利用该结构，使用温度控制装置来抑制光器件的温度变化。即，因为外部环境变化造成的光器件温度变化可以忽视，所以光波导的温度基本上由加热器的发热值来确定。另一方面，加热器的发热值由提供给该加热器的电功率来确定。在这种情况下，在将加热器的电功率的量控制得保持恒定时，该发热值得到稳定。鉴于上述情况，本发明使用温度控制装置来控制光元件的温度，以便基本上确定光波导的温度。而且，检测在加热器中流动的电流和/或提供给加热器的电压，以便确定该加热器的电功率量。根据本发明，确定加热器的电功率量，并且利用该电功率量控制加热器。因此，即使加热器劣化，该发热值也可以保持恒定。而且，可以获得理想的光学特性。

根据本发明的另一方面，提供了一种控制光器件的方法，该方法包括以下步骤：利用温度控制装置控制光半导体元件的温度；利用加热器控制该光半导体元件的折射率；并且根据在该加热器中流动的电流和/或施加至该加热器的电压，控制提供给该加热器的电功率，以使该电功率保持恒定。

通过该方法，使用温度控制装置来抑制光学半导体装置的温度变化。而且，因为提供给加热器的电功率被控制得保持恒定，所以可以稳定该加热器的发热值。在这种情况下，即使加热器劣化，也可以获得理想的光学特性。

附图说明

结合附图阅读以下详细说明，可以更好地理解本发明的其他目的、特征和优点，其中：

图1例示了根据第一实施方式的半导体激光器和具有该半导体激光器的激光器件的结构；

图2例示了查询表的示例；

图3例示了示出激光器件的控制方法的一个实施例的流程图；

图4例示了电压检测器的细节；

图5例示了根据第二实施方式的半导体激光器和具有该半导体激光器的激光器件的结构；

图6例示了根据第三实施方式的光开关的结构；以及

图7例示了根据第四实施方式的光波导的主要部分的顶视图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的实施方式进行说明。

[第一实施方式]

下面说明作为光元件的半导体激光器。图1例示了根据第一实施方式的半导体激光器10和具有该半导体激光器10的激光器件100的结构。如图1所示，激光器件100具有：半导体激光器10、温度控制装置20、波长检测器30、输出检测器40以及控制器50。半导体激光器10安装在温度控制装置20上。下面对各个部件进行说明。

半导体激光器10具有SG-DBR区域11、SG-DFB区域12以及半导体放大器(SOA：半导体光放大器)区域13依次耦合的结构。SG-DBR区域11具有按规定间隔设置了光栅的光波导。即，SG-DBR区域11的光波导具有第一区和第二区，该第一区具有衍射光栅，而该第二区光连接至该第一区并且充当间隔部。SG-DBR区域11的光波导由半导体晶体构成，该半导体晶体的吸收边缘波长与激光振荡波长相比位于短波长侧。加热器14设置在SG-DBR区域11上。

SG-DFB区域12具有按规定间隔设置了光栅的光波导。即，SG-DFB区域12的光波导具有第一区和第二区，该第一区具有光栅，而该第二区光连接至该第一区并且充当间隔部。SG-DFB区域12的光波导由半导体晶体构成，该半导体晶体放大期望的激光振荡波长的光。电极15设置在SG-DFB区域12上。SOA区域13由通过电流控制而放大光或者吸收光的半导体晶体构成。电极16设置在SOA区域13上。SG-DBR区域11的光波导、SG-DFB区域12的光波导以及SOA区域13以光学方式彼此连接。激光器件100具有检测施加至加热器14的电压的电压检测器17。

半导体激光器10和热敏电阻(未示出)安装在温度控制装置20上。波长检测器30具有用于检测激光强度的光接收元件和透过标准具(etalon)并具有波长特性的用于检测激光强度的光接收元件。输出检测器40具有用于检测通过SOA区域13的激光的强度的光接收元件。在图1中，波长检测器30设置在SG-DBR区域11一侧，而输出检测器40设置在SOA区域13一侧。然而，激光器件100的结构不受限制。例如，各个检测器可以相反地设置。

控制器50具有控制部和电源，该控制部具有中央处理单元(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等。控制器50的ROM存储半导体激光器10的控制信息和控制程序。该控制信息例如存储在查询表51中。图2例示了查询表51的示例。

如图2所示，查询表51包括：初始设定值、反馈控制目标值，以及各个通道中的警报设定范围。该初始设定值包括：SG-DFB区域12的初始电流值I_LD、SOA区域13的初始电流值I_SOA、加热器14的初始电流值I_Heater，以及温度控制装置20的初始温度值T_LD。反馈控制目标值包括：输出检测器40的反馈控制目标值Im1、波长检测器30的反馈控制目标值Im3/Im2，以及加热器14的反馈控制目标电功率值P_Heater。该警报设定范围包括作为加热器14的最小电阻的电阻R_Heater(最小)和加热器14的最大电阻R_Heater(最大)。

接下来，对激光器件100的控制方法进行说明。图3例示了示出激光器件100的控制方法的流程图。如图3所示，控制器50参照查询表51并且取得初始电流值I_LD、初始电流值I_SOA、初始电流值I_Heater，以及初始温度值T_LD(步骤S1)。

接下来，控制器50根据在步骤S1中取得的初始设定值开始半导体激光器10的激光振荡(步骤S2)。具体地说，控制器50控制温度控制装置20，以将温度控制装置20的温度控制成初始温度值T_LD。并将半导体激光器10的温度控制成接近初始温度值T_LD的恒定温度。从而，将SG-DFB区域12的光波导的等效折射率控制成规定值。接下来，控制器50将初始电流值I_Heater的电流提供给加热器14。从而，将SG-DBR区域11的光波导的等效折射率控制成规定值。接下来，控制器50将初始电流值I_LD的电流提供给电极15。从而，在SG-DFB区域12的光波导中生成光。在SG-DFB区域12中生成的光在SG-DBR区域11和SG-DFB区域12的光波导中被重复反射并放大。这导致了激光振荡。接着，控制器50将初始电流值I_SOA的电流提供给电极16。通过这个过程，半导体激光器10按照与设定的通道相应的初始波长发出激光。

接着，控制器50根据波长检测器30的检测结果确定激光波长是否在要求范围内(步骤S3)。具体地说，控制器50从查询表51取得反馈控制目标值Im3/Im2，取得波长检测器30中的两个光接收元件的比率Im3/Im2，并且确定该比率Im3/Im2是否处于包括反馈控制目标值Im3/Im2在内的规定范围内。

如果在步骤S3中确定激光波长没有处于要求范围内，则控制器50校正温度控制装置20的温度(步骤S6)。在这种情况下，SG-DFB区域12的光波导的增益谱的峰值波长改变。此后，控制器50再次执行步骤S3。通过该循环，对激光的波长进行反馈控制而使其保持为期望的恒定值。

如果在步骤S3中确定激光波长处于要求范围内，则控制器50确定激光的光强是否处于要求范围内(步骤S4)。具体地说，控制器50从查询表51取得反馈控制目标值Im1，取得输出检测器40中的光接收元件的检测结果Im1，确定该检测结果Im1是否处于包括反馈控制目标值Im1在内的规定范围内。

如果在步骤S4中确定激光的光强没有处于要求范围内，则控制器50校正提供给电极16的电流(步骤S7)。此后，控制器50再次执行步骤S4。通过该循环，对激光的光强进行反馈控制使其成为期望的恒定值。

如果在步骤S4中确定激光的光强处于要求范围内，则控制器50确定提供给加热器14的电功率是否处于要求范围内(步骤S5)。具体地说，控制器50从查询表51取得反馈控制目标值P_Heater，并且利用电压检测器17的检测结果和提供给加热器14的电流值来计算提供给加热器14的电功率。控制器50确定计算出的值是否处于包括反馈控制目标值P_Heater在内的要求范围内。

如果在步骤S5中确定提供给加热器14的电功率没有处于要求范围内，则控制器50校正提供给加热器14的电功率(步骤S8)。在这种情况下，可以在校正电流和电压中的至少一个时校正电功率。在该实施方式中，控制器50通过增大和减小提供给加热器14的电流值来校正电功率。通过该循环，对提供给加热器14的电功率进行反馈控制，以将提供给加热器14的电功率控制成保持期望的恒定值。如果在步骤S5中确定提供给加热器14的电功率处于要求范围内，则控制器50再次执行步骤S3。

在该实施方式中，使用温度控制装置20来抑制半导体激光器10的温度变化。而且，因为将提供给加热器14的电功率控制得保持恒定，所以即使加热器14的电阻因其劣化而改变，加热器14的发热值也是稳定的。在这种情况下，SG-DBR区域11与SG-DFB区域12之间的温差保持恒定。因此，即使加热器14劣化，半导体激光器10也在期望的波长处振荡。

在该实施方式中，可以在不需要半导体激光器10上的温度检测元件的情况下，控制光波导的温度。

在该实施方式中，电压检测器17检测施加至加热器14的电压。并将提供给加热器14的电流控制成规定值。因此，可以利用电压值和电流值来监测加热器14的电阻变化。在这种情况下，可以确定加热器14的断路和断路的可能性。例如，在根据电压检测器17的检测结果取得的电阻超过电阻R_Heater(最大)的情况下，控制器50可以向用户发出断路警告。在这种情况下，可以促使用户更换半导体激光器10。

对于加热器14的经时劣化和突然环境变化来说，断路警报都是有效的。具体来说，因为将加热器设置在可调激光器(诸如半导体激光器10)的微小区域上，所以加热器可能会受到因制造偏差、使用环境等造成的预料之外的应力。在这种情况下，加热器可能会在比预期寿命短的预料之外的时间内劣化。作为针对这种情况的一个方法，上述断路警报是有效的。并且，控制器50可以在加热器14的电阻低于电阻R_Heater(最小)时向用户发出警告。在这种情况下，抑制向加热器14提供过大电流。

对电压检测器17的示例进行说明。图4例示了电压检测器17的细节。如图4所示，电压检测器17包括：电压计18、端子TVh以及端子TVhg。端子TVh连接至加热器14的第一端。端子TVhg连接至加热器14的第二端。来自控制器50的驱动电流从端子TIh提供给加热器14的第一端，并且从加热器14的第二端通过端子TIg接地。

利用该结构，加热器驱动电流不在端子TVh与端子TVhg之间流动。在这种情况下，抑制了因端子或导线等的电阻而造成的电压降对电压计18的检测结果的影响。因此，可以准确地检测施加至加热器14的电压。

在该实施方式中，半导体激光器具有SG-DBR区域和SG-DFB区域的组合。然而，不限于这种结构。例如，本发明可以应用于作为增益区的有源区处于一对SG-DBR区域之间的半导体激光器。在这种情况下，将加热器设置在各个SG-DBR区域上或SG-DBR区域中的一个上。在这种情况下，如果通过电压检测器17检测施加至加热器的电压，则可以进行反馈控制，以使提供给加热器的电功率保持恒定。

本发明可以应用于CSG-DBR(啁啾取样光栅分布布拉格反射器(Chirped Sampled Grating Distributed Bragg Reflector))。在CSG-DBR中，与SG-DBR区域不同的是，连接光栅的间隔区具有相互不同的长度。因此，在CSG-DBR区域的反射谱的峰值强度方面存在波长依赖性。在这种情况下，在规定的波长范围内反射谱的峰值强度增大。因此，如果将具有较高强度的波长范围中的波长用作激光波长，则可以抑制期望波长以外的其它波长处的振荡。

在该实施方式中，半导体激光器10对应于光元件，电压检测器17对应于检测器、SG-DFB区域12对应于有源区，而SG-DBR区域11对应于光波导。

[第二实施方式]

在第二实施方式中，对具有上述CSG-DBR的半导体激光器进行说明。图5例示了半导体激光器10a和具有半导体激光器10a的激光器件100a的结构。如图5所示，半导体激光器10a具有代替SG-DBR区域11的CSG-DBR区域11a。在该实施方式中，CSG-DBR区域11a具有三个段，该三个段具有光栅和间隔区的组合。因此，对于各个段，将三个加热器14a、14b以及14c设置在CSG-DBR区域11a上。并对于各个加热器，设置电压检测器17a、17b以及17c。

在该实施方式中，在根据各个电压检测器的检测结果将提供给各个加热器的电功率反馈控制为保持恒定时，可以保持各个加热器的发热值恒定。因此，半导体激光器10a取得期望的振荡波长。

在CSG-DBR区域中光栅数量和加热器数量不受限制。

[第三实施方式]

本发明可以应用于除了半导体激光器以外的其它光元件。例如，本发明可以应用于mach-Zehnder光开关。这种光开关用于光交叉连接等的交换系统中。

图6例示了根据第三实施方式的光开关200的结构。如图6所示，光开关200由硅基材料等的具有热光效应的材料制成。光开关200具有mach-Zehnder干涉结构，该干涉结构具有第一波导201和第二波导202。光开关200设置在温度控制装置210上。因此，温度控制装置210控制其各个部件的温度。

光开关200具有加热器203。加热器203加热第二波导202。这导致第一波导201中传播的光与第二波导202中传播的光之间的相位差的变化。并且，光开关200选择第一波导201和第二波导202的光信号的交叉(cross)条件或阻挡(bar)条件。而且，加热器203连接至电压检测器204。电压检测器204检测施加至加热器203的电压，并将检测结果提供给控制器220。

在该实施方式中，控制器220控制温度控制装置210，以使光开关200的温度保持在指定温度。并且，控制器220根据电压检测器204的检测结果，以反馈方式控制提供给加热器203的电功率，以使该电功率保持恒定。在这种情况下，即使加热器203劣化，加热器203的发热值也保持恒定。因此，第一波导201中传播的光与第二波导202中传播的光之间的相位差保持恒定。因此，光开关200的切换可靠性变得更高。

在该实施方式中，光开关200对应于光元件、电压检测器204对应于检测器，而光开关200、电压检测器204以及控制器220对应于光器件。

[第四实施方式]

本发明可以应用于这样的光波导：加热器能够控制其中通过的光的相位。图7示出了根据第四实施方式的光波导300的主要部分的顶视图。如图7所示，光波导300具有掩埋异质结构(buried hetero-structure)。加热器302设置在光波导核心301上。光波导核心301只是传播光。因此，光波导核心301不具有衍射光栅等的光学结构。光波导300设置在温度控制装置(未示出)上。温度控制装置控制光波导300的整个区域的温度。

光波导核心301由硅基材料等的热光材料或者GaInAsP或AlGaInAs等的半导体材料制成。电压检测器303连接至加热器302。电压检测器303检测施加给加热器302的电压并将检测结果提供给控制器304。控制器304根据电压检测器303的检测结果控制提供给加热器302的电功率量。

有可能因为制造偏差而使光波导核心301的光学长度与其设计光学长度不同。该偏差导致通过光波导核心301的光信号的相位不同于设计值。这对于使用光信号相位的光器件来说是个大问题。在本实施方式中，提供了加热器302以控制通过光波导核心301的光信号的相位。为了吸收制造偏差，通过加热器302的加热来控制光波导核心301的温度，并且精细地控制光波导核心301的光学长度。在这种情况下，即使加热器劣化，如果提供给加热器302的电功率被控制为保持恒定，也能稳定加热器302的发热值。这导致了高精度的控制。

光波导300可以应用于mach-Zehnder光开关。在这种情况下，可以利用加热器来控制两个光波导之间的光学长度差。

在上述实施方式中，电压计检测施加至加热器的电压。然而，不限于这种结构。例如，电流计可以检测提供给加热器的电流，而且可以通过控制施加至加热器的电压来控制电功率。而且电功率计可以检测提供给加热器的电功率，并且通过控制提供给加热器的电流和/或施加至加热器的电压来控制电功率。

本发明不限于具体公开的实施方式，而是在不脱离本发明的范围的情况下，包括其它实施方式和变型例。

本申请基于2007年7月19日提交的日本专利申请No.2007-188879和2008年7月10日提交的日本专利申请No.2008-179731，它们的全部内容通过引用并入于此。

Claims (18)

1、一种光器件，该光器件包括：

光元件，该光元件具有光波导，该光波导的折射率受加热器控制，并且该光元件的温度受温度控制装置控制；

检测器，该检测器检测在所述加热器中流动的电流和/或施加至所述加热器的电压；以及

控制器，该控制器根据所述检测器的检测结果来控制提供给所述加热器的电功率，以使该电功率保持恒定。

2、根据权利要求1所述的光器件，其中，所述检测器检测所述加热器两端的电压。

3、根据权利要求2所述的光器件，其中，所述控制器控制提供给所述加热器的电流量，并根据所述加热器两端的电压检测结果和提供给所述加热器的电流量的乘积，来求出提供给所述加热器的电功率。

4、根据权利要求2所述的光器件，该光器件还包括：

用于向所述加热器提供电流的端子；

用于将所述加热器接地的端子；以及

单独于前述端子而连接至所述加热器、并用于通过所述检测器检测施加至所述加热器的电压的端子。

5、根据权利要求1所述的光器件，其中，所述光元件是波长可调半导体激光器。

6、根据权利要求1所述的光器件，其中，所述光元件具有有源区和光波导，所述有源区具有衍射光栅，所述光波导光连接至所述有源区并且具有衍射光栅，所述光波导的等效折射率可利用所述加热器来调节。

7、根据权利要求6所述的光器件，其中，所述有源区和所述光波导的所述衍射光栅具有第一区和第二区，所述第一区具有衍射光栅，而所述第二区连接至所述第一区并且充当间隔部。

8、根据权利要求1所述的光器件，其中，所述光元件具有有源区和一对光波导，所述一对光波导分别光连接至所述有源区的两端，至少一个光波导具有用于控制其等效折射率的所述加热器。

9、根据权利要求1所述的光器件，其中，所述光元件是具有一对光波导的mach-Zehnder型光开关，至少一个光波导的折射率受所述加热器控制。

10、根据权利要求1所述的光器件，其中，所述光波导在设有所述加热器的区域内不具有衍射光栅。

11、一种控制光器件的方法，该方法包括以下步骤：

利用温度控制装置控制光半导体元件的温度；

利用加热器控制所述光半导体元件的折射率；以及

根据在所述加热器中流动的电流和/或施加至所述加热器的电压，来控制提供给所述加热器的电功率，以使所述电功率保持恒定。

12、根据权利要求11所述的方法，其中，根据施加至所述加热器的电压来控制提供给所述加热器的电流，从而控制所述电功率。

13、根据权利要求11所述的方法，其中，所述光元件是波长可调半导体激光器。

14、根据权利要求11所述的方法，其中，所述光元件具有有源区和光波导，所述有源区具有衍射光栅，所述波导管光连接至所述有源区并且具有衍射光栅，可利用所述加热器调节所述光波导的等效折射率。

15、根据权利要求14所述的方法，其中，所述有源区和所述光波导的所述衍射光栅具有第一区和第二区，所述第一区具有衍射光栅，而所述第二区连接至所述第一区并且充当间隔部。

16、根据权利要求11所述的方法，其中，所述光元件具有有源区和一对光波导，所述一对光波导分别光连接至所述有源区的两端，至少一个光波导具有用于控制其等效折射率的所述加热器。

17、根据权利要求11所述的方法，其中，所述光元件是具有一对光波导的mach-Zehnder型光开关，至少一个光波导的折射率受所述加热器控制。

18、根据权利要求11所述的方法，该方法还包括利用所述加热器控制所述光波导的折射率，从而将不同于设计光学长度的所述光波导的光学长度控制为所述设计光学长度。

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