JP2007227723A - 波長可変光源装置、及び、波長可変光源制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高速波長制御が可能で、長期間メンテナンスフリーで使用することができる波長可変光源装置、及び、波長可変光源制御方法を提供する。
【解決手段】ｐ型半導体クラッド層３１とｎ型半導体クラッド層３０とにより挟まれた領域に、クラッド層よりもバンドギャップが小さい半導体コア層３２を有する光導波路を形成し、光導波路は、順方向の電圧印加、又は、電流注入により発光する活性領域２６からなる活性導波路と、活性導波路の両端に設けられた非活性領域２４，２５，２７，２８，２９からなる非活性導波路とを備え、活性導波路と非活性導波路とは光学的に接続されて半導体レーザを構成し、半導体レーザの前記非活性領域には順方向定電圧印加手段１０ないし１４を接続した。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザを光源とする波長可変光源装置、及び、波長可変光源制御方法に関する。

ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）レーザは通信用の波長可変光源である。ＤＢＲレーザは、電流注入により発光機能を持つ活性領域と、電流注入により波長可変機能を持つＤＢＲ領域とから構成されており、これらの領域は、光の出力方向に対して一直線上に配置された光導波路で構成されている。

図２は、ＤＢＲ型波長可変光源の構造を示した断面図を示す。ＤＢＲ型波長可変光源は、基板３０上に設けられた活性領域２６の両端に位置する非活性領域の側方のうち、一方に分布反射器である第１ＤＢＲ領域２５を形成し、他方に位相調整領域２７、及び、第２ＤＢＲ領域２８が形成されている。

活性領域２６から見て第１ＤＢＲ領域２５（分布反射器）の先には、光増幅器（以下、ＳＯＡ領域２４）があり、活性領域２６から見て第２ＤＢＲ領域２８の先には、活性領域２６と同じ構造の光増幅器（以下、ＰＤ領域２９）がある。

活性領域２６に電流が注入されると、活性領域２６が発光をはじめ、レーザ振幅閾値利得に達したときに発振を開始する。このときの発振波長は、第１ＤＢＲ領域２５、第２ＤＢＲ領域２８、活性領域２６、及び、位相調整領域２７により構成されるレーザ共振器の共振器長によって決定される縦モード波長のうち、第１ＤＢＲ領域２５、及び、第２ＤＢＲ領域２８のブラッグ反射帯域内に存在する縦モード波長のみが選択されることにより決定される。

このＤＢＲ型波長可変光源では、活性領域電極１５を介して活性領域２６に注入される活性領域電流、第１ＤＢＲ領域電極１７を介して第１ＤＢＲ領域２５に注入される第１ＤＢＲ領域電流、第２ＤＢＲ領域電極１８を介して第２ＤＢＲ領域２８に注入される第２ＤＢＲ領域電流、位相調整領域電極１９を介して位相調整領域２７に注入される位相調整領域電流、及び、ＳＯＡ領域電極１６を介してＳＯＡ領域２４に注入されるＳＯＡ領域電流がそれぞれ制御される構造となっている。

第１ＤＢＲ領域電流、第２ＤＢＲ領域電流、及び、位相調整領域電流が各領域に注入されることで生じる屈折率変化に伴い、縦モード波長、及び、ブラッグモード波長を共に短波側にシフトさせることが可能である。これらの電流注入によって屈折率変化が生ずる現象は、プラズマ効果として知られている。

ここで、第１ＤＢＲ領域電流、及び、第２ＤＢＲ電流は、それぞれの領域のブラッグ波長を変化させるのと同時に、縦モード波長を短波長に変化させる効果がある。また、位相調整電流には、縦モード波長のみを短波長に変化させる効果がある。このため、第１ＤＢＲ電流、第２ＤＢＲ電流、及び、位相調整領域電流により、レーザの発振波長が可変となる。このような波長可変メカニズムの一例が下記非特許文献１に開示されている。

半導体フォトニクス工学 コロナ社 １９９５年１月１０日発行 ｐ３０６−３１１

ここで、ＰＤ領域２９の使用方法について述べると、ＰＤ領域２９側の波長可変光源の端面からの戻り光が、第１ＤＢＲ領域２５、活性領域２６、位相調整領域２７、及び、第２ＤＢＲ領域２８により構成されるレーザ共振器へ進入して位相条件を乱さないように、通常はＰＤ領域２９をアースすることにより、戻り光を吸収させている。また、ＳＯＡ領域２４は、ＳＯＡ領域電流の調整により光出力の増幅及び減衰が可能であり、出力調整機能を有する。

図２に示すような均一な回折格子を有するＤＢＲ型波長可変光源の他にも、波長可変幅の広帯域化を実現するため、ＤＢＲ回折格子に超周期構造等を持たせることで、複数の反射ピークを持つＳＳＧ−ＤＢＲレーザや、サンプルドグレーティングを用いることで複数の反射ピークを持つＳＧ−ＤＢＲレーザ等も開発されている。これらのＤＢＲ型波長可変光源は、駆動・波長制御回路と一体化して、高速の波長可変光源装置として用いられる。

図７は、従来の駆動・波長制御回路の制御図を示す。ＤＢＲレーザには１個又は複数個の駆動電流源と、１個又は複数個の波長制御用電流源を備えている。図７に示す活性領域用電流源５０、及び、ＳＯＡ領域用電流源５１により供給される電流は、それぞれ図２に示す活性領域電流、及び、ＳＯＡ領域電流に対応し、第１波長制御用電流源５２から第Ｎ波長制御用電流源５３（ここでＮは、Ｎ番目を意味する）によって供給される電流は、図２に示す活性領域電流、第１ＤＢＲ領域電流、第２ＤＢＲ領域電流、及び、位相調整領域電流に対応する。

ここでは、図２に示すＤＢＲ型波長可変光源の他にも、非活性領域の構成組み合わせは１個から複数個まで自在に構成できるため、図７に示す各非活性領域とそれに対応する電源に対し、通し番号で１からＮと記載した。

従来、順方向に電圧を印加する半導体素子は、電流を制御することで、モジュール、及び、ボード化の前後で特性が変わらないことから、電流源による電流制御が行われてきた。これは、波長可変光源を電圧源により駆動する場合、モジュール化、又は、ボード化の前にあらかじめ電圧に対する諸特性を求めておいても、モジュールの寄生抵抗、及び、ボードの内部抵抗の影響によって電圧に対する諸特性が変化してしまうからである。

レーザの出力側には分波器５８があり、出力光５９とモニタ光６０とに分けられる。分波されたモニタ光６０は、波長、及び、出力レベルのモニタリングのための波長ロッカー６１に入力される。波長ロッカー６１は、通常、エタロンと呼ばれるファブリペロー共振器と２個のフォトディテクターにより構成され、ファブリペロー周期（繰り返し周期）の最大でも１／２以下の範囲であれば波長のずれを検出することが可能で、同時に出力強度も測ることができる。

ＣＰＵ６２は、その波長と出力強度に補正を加えるため、新たな電流値を設定し、波長制御電流源、及び、駆動用電流源の出力を変化させることにより、波長・出力値情報６３のＣＰＵ６２へのフィードバックが行われる。

以上の手順により、ＤＢＲレーザの波長が一定で駆動される場合、又は、波長の切り替え速度が非常に遅い（数秒以上の切り替え時間間隔）場合、規定の各波長グリッドで波長と出力強度とを一定に保つことができ、経時劣化による出力の変化や、波長のずれ・揺らぎに対応することが可能である。

初めに、波長可変領域（ＤＢＲ領域、及び、位相調整領域）中に電流注入を行ったときの波長可変の原理と、経時劣化の要因について説明する。半導体中に注入された電子、及び、正孔は、一部は発光再結合により失われて光となって外に放出され、別の一部は非発光再結合により光を発光せずに失われ、残りは半導体中に電子・正孔対の状態で安定し、この定在する電子・正孔対はプラズマ効果を発生し、電流注入が行われている非活性領域の屈折率を変化させる。電子・正孔対の濃度（密度）はキャリア密度と呼ばれ、半導体ＰＮ接合部にかかる順方向電圧値やキャリア消滅の速度、すなわち再結合定数等に決定される。

ＤＢＲレーザの経時的波長劣化の要因は、主にＤＢＲ領域、及び、位相調整領域等の非活性領域の非発光再結合の増加によって、電流注入量に対するキャリア密度の増加率が減少することにある。図８は、ＤＢＲ領域の再結合定数が１×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）、２×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）、３×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）のときに電流制御によりＤＢＲ領域にキャリア注入を行った場合の波長可変特性を示すシミュレーション結果を示す。

図８において、横軸は注入電流量、縦軸は電流注入を行わなかった場合と比べたＤＢＲ領域のブラッグ波長の変化量をそれぞれ示している。また、再結合定数の増加は、ＤＢＲ領域の劣化に対応し、１×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）は劣化前を想定した再結合定数であり、２×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）、３×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）となるにつれて、劣化が進んでいる状態に相当している。

図８に示すように、ブラッグ波長を６ｎｍ変化させるのに必要な電流量は、再結合定数が１×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）、２×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）、３×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）のときに、それぞれ６７（ｍＡ）、１６３（ｍＡ）、２４５（ｍＡ）であり、劣化が進むにつれて、３倍以上の電流（必要電流が２００％以上増加）が必要となることが推測できる。

図９は、従来の波長可変光源装置に対し、通常の使用条件より、高電圧、高電流、及び、高温等の条件下で強制的に約７００倍の速度で実際に劣化するような劣化試験を行った結果を示す。図９において、横軸はＤＢＲ領域に注入される電流値、縦軸は発振波長をそれぞれ示している。この試験は、６０時間の試験で通常使用の５年、１２０時間の試験で通常使用の１０年の劣化に相当する。図９に示すように、時間の経過（劣化）に伴い、電流注入に対する波長変化量が大きく減少してしまうことがわかる。

従来、電流値を波長制御パラメータとすると、波長可変領域の欠陥等の非発光再結合中心が増加し波長可変特性が劣化したときに、発振波長が当初の波長からずれてしまっていた。このような場合、図７に示す波長ロッカー６１を波長モニタとするフィードバックグループにより、適正な制御電流値がＣＰＵ６２によって再設定され、制御パラメータに校正を加えて、元の波長に戻して使用している。

しかしながら、この校正は、レーザを静的に動作させて行う必要があり、波長が数ミリ秒、又は、それ以下の時間で高速に切り換えられる場合、オンラインでフィードバックを正確に行うことは困難である。本来、通信用のレーザは、数年間のメンテナンスフリーであることが要求されるが、ＤＢＲを経時的な劣化に耐えさせるためには、毎日から数ヶ月に一回の頻度で、上述した出力、及び、波長の校正を行う必要がある。したがって、高速波長制御を行い、長期間メンテナンスフリーで使用することは、実用上は不可能であった。

このことから、本発明は、高速波長制御が可能で、長期間メンテナンスフリーで使用することができる波長可変光源装置、及び、波長可変光源制御方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明（請求項１に対応）に係る波長可変光源装置は、
ｐ型半導体クラッド層とｎ型半導体クラッド層とにより挟まれた領域に、前記クラッド層よりもバンドギャップが小さい半導体コア層を有する光導波路を形成し、
前記光導波路は、順方向の電圧印加、又は、電流注入により発光する活性領域からなる活性導波路と、
前記活性導波路の両端、又は、片端に設けられた非活性領域からなる非活性導波路とを備え、
前記活性導波路と前記非活性導波路とは光学的に接続されて半導体レーザを構成し、
前記半導体レーザの前記非活性領域には順方向定電圧印加手段を接続する
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第２の発明（請求項２に対応）に係る波長可変光源装置は、
第１の発明に係る波長可変光源装置において、
前記非活性領域の一部、又は、全部を分布反射型回折格子領域で形成する
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第３の発明（請求項３に対応）に係る波長可変光源装置は、
第１の発明に係る波長可変光源装置において、
前記非活性領域の一部、又は、全部が分布反射型回折格子と位相調整領域とにより形成し、前記分布反射型回折格子、及び、前記位相調整領域に対し、同一、又は、別々の前記順方向定電圧印加手段を接続する
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第４の発明（請求項４に対応）に係る波長可変光源装置は、
第１の発明ないし第３の発明のいずれかに係る波長可変光源装置において、
前記活性領域に、前記順方向電圧印加手段を接続する
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第５の発明（請求項５に対応）に係る波長可変光源装置は、
第１の発明ないし第４の発明のいずれかに係る波長可変光源装置において、
前記非活性手段に注入される電流値を測定する電流測定手段を備える
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第６の発明（請求項６に対応）に係る波長可変光源装置は、
第１の発明ないし第５の発明のいずれかに係る波長可変光源装置において、
前記活性領域に注入される電流値を測定する電流測定手段を備える
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第７の発明（請求項７に対応）に係る波長可変光源制御方法は、
第１の発明ないし第６の発明のいずれかに係る波長可変光源装置において、
前記非活性領域、又は、前記非活性領域と前記活性領域との両方を接続した前記順方向定電圧印加手段により、前記半導体レーザを電圧で駆動する
ことを特徴とする。

本発明に係る波長可変光源装置、及び、波長可変光源制御方法によれば、図５のシミュレーション結果に示すように、再結合定数が１×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）、２×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）、３×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）のときに、ブラッグ波長を６ｎｍ変化させるのに必要な電圧値は、それぞれ１．０３２（Ｖ）、１．０６２（Ｖ）、１．０９１（Ｖ）であり、６ｎｍの波長変化に必要な電圧の変動量は、１．０５７倍（約６％の変動）であり、従来の電流による制御に比べ、波長制御パラメータ（図５の場合は電圧、図８の場合は電流）の値の変動がほとんどなくなることがわかる。

また、本発明に係る波長可変光源装置、及び、波長可変光源制御方法によれば、図６の加速係数が７００倍の劣化試験の結果に示すように、ほとんど波長ずれが発生しておらず、１２０時間（約１０年の通常使用に相当）の劣化が生じても波長可変特性が影響を受けないことがわかる。これは、劣化の前後で電圧を一定にしておくと、非発光再結合の増加によりキャリアが消費されてしまう分、素子抵抗が減少するため、その分電流が増加することとなるからである。

このように、非発光再結合の増加により減少してしまうキャリアは、電流の増加により補われることとなる。したがって、定在するキャリアの量（キャリア密度）はほとんど変化せず、劣化前後で屈折率の変化が生じなくなるため、劣化による発振波長のずれが起こることがない。

したがって、高速波長の可変時においても、正確な発振波長が出力でき、経時劣化が発生しても制御パラメータを変更することなく劣化前とほぼ同じ発振波長を実現することができる。すなわち、劣化しても波長の変化が起こらない。また、発振波長をモニターして波長劣化時に波長を元に戻すのに必要であった波長ロッカーの設置が不要となるため、部材のコストを低減することができる。

本発明に係る波長可変光源装置の実施例の説明に入る前に、従来技術において、ＤＢＲレーザのＤＢＲ領域における経時劣化により生ずる波長ずれ（波長ドリフト）について説明する。

図８は、従来の波長可変光源装置のＤＢＲ領域の再結合定数が１×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）、２×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）、３×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）のときに電流制御によりＤＢＲ領域にキャリア注入を行った場合の波長可変特性を示すシミュレーション結果を示す。図８において、横軸は注入電流量、縦軸は電流注入を行わなかった場合と比べたＤＢＲ領域のブラッグ波長の変化量をそれぞれ示している。また、再結合定数の増加は、ＤＢＲ領域の劣化に対応し、１×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）は劣化前を想定した再結合定数であり、２×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）、３×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）となるにつれて、劣化が進んでいる状態に相当している。

図８に示すように、ブラッグ波長を６ｎｍ変化させるのに必要な電流量は、再結合定数が１×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）、２×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）、３×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）のときに、それぞれ６７（ｍＡ）、１６３（ｍＡ）、２４５（ｍＡ）であり、劣化が進むにつれて、３倍以上の電流が必要となる（必要電流が２００％以上増加する）ことが推測できる。

図９は、従来の波長可変光源装置に対し、通常の使用条件より、高電圧、高電流、及び、高温等の条件下で強制的に約７００倍の速度で実際に劣化するような劣化試験を行った結果を示す。図９において、横軸はＤＢＲ領域に注入される電流値、縦軸は発振波長をそれぞれ示している。この試験は、６０時間の試験で通常使用の５年、１２０時間の試験で通常使用の１０年の劣化に相当する。図９に示すように、時間の経過（劣化）に伴い、電流注入に対する波長変化量が大きく減少してしまうことがわかる。

以下、本実施例に係る波長可変光源装置について説明する。
本実施例では、本発明に基づき、電圧を波長制御パラメータとして波長可変領域を駆動した場合について説明する。初めに、本実施例に係る波長可変光源装置の装置構成について説明する。図１は、実施例１に係る波長可変光源装置の装置構成図を示す。

図１に示すように、活性領域２６（図２参照）を駆動しレーザの発振を行う活性領域用電圧源１０は、活性領域電極１５に接続されている。また、出力されるレーザ光３６の強度を調節するためのＳＯＡ領域用電圧源１１は、ＳＯＡ領域電極１６と接続されている。また、波長制御を行うための第１ＤＢＲ領域用電圧源１２、第２ＤＢＲ領域用電圧源１３、及び、位相調整用電圧源１４は、それぞれ第１ＤＢＲ領域電極１７、第２ＤＢＲ領域電極１８、及び、位相調整領域電極１９が接続されている。

さらに、活性領域用電圧源１０と活性領域電極１５、ＳＯＡ領域用電圧源１１とＳＯＡ領域電極１６、第１ＤＢＲ領域用電圧源１２と第１ＤＢＲ領域電極１７、第２ＤＢＲ領域用電圧源１３と第２ＤＢＲ領域電極１８、及び、位相調整用電圧源１４と位相調整領域電極１９との間に電流計２１を設置し、この電流計２１の値をアラーム用電流値情報２２とする。ＣＰＵ２３は、各電源の電圧の制御を行う。また、ＣＰＵ２３において、アラーム用電流値情報２２は経時劣化時の劣化を判断するために用いられ、劣化を検出した際にはアラームを発する。

具体的には、活性領域１５（図２参照）、及び、波長可変領域（第１ＤＢＲ領域２５、第２ＤＢＲ領域２８、及び、位相調整領域１９：図２参照）へと流れる電流の電流値の増減を電流計２１によりモニタリングしてアラーム用電流値情報２２を得て、このアラーム用電流値情報２２の値が事前にユーザによってＣＰＵ２３に対して指定した値を超えたとき、故障を知らせるアラームを発報する。本実施例では、劣化後の電流値が劣化前の電流値の２倍となったとき、アラームを発報する仕組みになっている。このアラームにより、ＤＢＲ型波長可変光源の劣化を知らせ交換を促すことができる。

本実施例では、活性領域用電圧源１０、ＳＯＡ領域用電圧源１１、第１ＤＢＲ領域用電圧源１２、第２ＤＢＲ領域用電圧源１３、及び、位相調整用電圧源１４が、課題を解決するための手段に記載する順方向定電圧印加手段である。すなわち、非活性領域、又は、非活性領域と活性領域との両方を接続した順方向定電圧印加手段により、半導体レーザを電圧で駆動する。また、本実施例では、電流計２１が、課題を解決するための手段に記載する電流測定手段である。

次に、本実施例に係るＤＢＲ型波長可変光源の構造について説明する。
図２に、ＤＢＲ型波長可変光源の構造を示した断面図を示す。図２に示すように、レーザの導波路構造は、出力光３６の取り出し側に、出力光３６の強度の増幅と減衰により強度調整機能を有するＳＯＡ領域２４がある。ＳＯＡ領域２４の左側には反射帯域が可変である第１ＤＢＲ領域２５がある。第１ＤＢＲ領域２５の左側には、レーザ発振のための利得を発生する活性領域２６がある。活性領域２６の左側には、レーザ光の位相調整により発振波長の微調整が可能な位相調整領域２７がある。位相調整領域２７の左側には、反射帯域が可変である第２ＤＢＲ領域２８がある。第２ＤＢＲ領域２８の左側には、波長可変光源の後ろ側から光が外部へ放出されるのを防止すると共に、後ろ側からの反射戻り光を低減させるための光吸収領域（ＰＤ領域２９）がある。波長可変光源のＳＯＡ領域２４側とＰＤ領域２９側の壁開端面には出力光３６側に第１反射防止膜３４が、反対側に第２反射防止膜３５設置されており、反射戻り光による位相の乱れを防止している。
本実施例では、第１ＤＢＲ領域２５、第２ＤＢＲ領域２８、及び、位相調整領域２７が、課題を解決するための手段に記載する非活性領域であり、ＤＢＲ型波長可変光源が、課題を解決するための手段に記載する半導体レーザである。

ＳＯＡ領域２４、第１ＤＢＲ領域２５、活性領域２６、第２ＤＢＲ領域２８、位相調整領域２７、及び、ＰＤ領域２９は、基板３０と上部クラッド層３１とにより挟まれたダブルへテロ構造でコア層３２が構成されている。さらに、波長可変光源の下部には、裏面電極３３が形成されている。上部クラッド層３１の上面には、出力光３６の取り出し側に、ＳＯＡ領域２４に電圧を加えるＳＯＡ領域電極１６がある。ＳＯＡ領域電極１６の左側には、第１ＤＢＲ領域２５に電圧を加える第１ＤＢＲ領域電極１７がある。第１ＤＢＲ領域電極１７の左側には、活性領域２６に電圧を加える活性領域電極１５がある。活性領域電極１５の左側には、位相調整領域２７に電圧を加える位相調整領域電極１９がある。位相調整領域電極１９の左側には、第２ＤＢＲ領域２８に電圧を加える第２ＤＢＲ領域電極１８がある。第２ＤＢＲ領域電極１８の左側には、ＰＤ領域２９を接地するＰＤ領域電極２０がある。これらの各領域の配置は、左右が逆転した鏡像となる構造でも同様であることは言うまでもない。

ＳＯＡ領域電極１６、第１ＤＢＲ領域電極１７、活性領域電極１５、位相調整領域電極１９、及び、第２ＤＢＲ領域電極１８と、裏面電極３３との間に電圧を加えることにより、ＳＯＡ領域２４、第１ＤＢＲ領域２５、活性領域２６、位相調整領域２７、及び、第２ＤＢＲ領域２８の内部にキャリアを蓄積させることができる。

コア層３２は基板３０、及び、上部クラッド層３１に比べ、バンドギャップの小さい半導体で形成されている。また、本実施例では、基板３０をｎ型半導体、上部クラッド層３１をｐ型半導体、コア層３２をノンドープとした。したがって、順方向に、すなわち波長可変光源の上面のＳＯＡ領域電極１６、第１ＤＢＲ電極１７、活性領域電極１５、位相調整領域電極１９、及び、第２ＤＢＲ領域電極１８にプラス、裏面電極３３にマイナスとして、電圧印加、又は、電流注入によりキャリアを蓄積することができる。実際には、マイナス電極である裏面電極３３はアースして用いている。
本実施例では、基板３０、及び、上部クラッド層３１が、課題を解決するための手段に記載するｎ型半導体クラッド層、及び、ｐ型半導体クラッド層であり、基板３０、上部クラッド層３１、及び、コア層３２が課題を解決するための手段に記載する光導波路である。

本実施例では、基板３０をｎ型半導体、上部クラッド層３１をｐ型半導体としたが、基板３０と上部クラッド層３１のｐ型・ｎ型極性については逆でも良い。つまり、ｐ型半導体基板とｎ型半導体基板とにより挟まれるコア層２３を持つ構成とすることも可能であり、その場合、基板３０側にはプラス、上部クラッド層３１側にはマイナスの電圧を印加して用いても、同様の効果が得られる。
また、本実施例では、裏面電極３３は、ＳＯＡ領域２４、第１ＤＢＲ領域２５、活性領域２６、位相調整領域２７、第２ＤＢＲ領域２８、及び、ＰＤ領域２９に共通の電極を用いたが、これらの領域ごとに電極を形成しても良い。

活性領域２６、及び、第１ＳＯＡ領域２５に蓄積したキャリアはレーザの発振と、その発振光の増幅に用いられる。第１ＤＢＲ領域２５、第２ＤＢＲ領域２８、及び、位相調整領域２７に注入されたキャリアは、それぞれの屈折率を変化させることにより、発振光の波長を可変にしている。また、波長可変光源の経時劣化の要因は、従来の電流注入による場合と同じである。

なお、各電圧源による電圧制御の方法は、完全に一致の定電圧で駆動して固定波長の光源として使用することもできるし、電圧を波長グリッドに対応させて可変としてもよい。要するに、駆動が静的、又は、動的に関わらず、劣化の前後で同電圧条件にすれば同じ波長が出力される。

また、活性領域２６やＳＯＡ領域２４の劣化は直接的には発振波長の変化には関与しないものの、若干の影響を及ぼす虞があるため、第１ＤＢＲ領域２５、第２ＤＢＲ領域２８、及び、位相調整領域２７と同様に各電圧源により駆動するか、又は、出力に応じた電圧値をあらかじめ設定して使用することが望ましい。

本実施例で使用されるＤＢＲレーザは、均一回折格子のＤＢＲレーザに限らず、プラズマ効果による屈折率変化を用いたＤＢＲレーザすべてに有効であり、ＳＳＧ−ＤＢＲレーザやＳＧ−ＤＢＲレーザ等、複数の反射スペクトルを有するものに対してもそのまま適用できることは言うまでもない。また、位相調整領域２７やＳＯＡ領域２４が同一の波長可変光源上に加えて集積され、同様に電圧制御されたものでも、発振波長や出力が劣化の前後で変化が起こらないことは言うまでもない。

次に、本実施例に係る波長可変光源装置と従来の波長可変光源装置との比較を行う。
図５は、実施例１に係る波長可変光源装置のＤＢＲ領域の再結合定数が１×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）、２×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）、３×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）のときに電圧制御によりＤＢＲ領域にキャリア注入を行った場合の波長可変特性を示すシミュレーション結果を示す。図５において横軸は電圧、縦軸はブラッグ波長の変化量をそれぞれ示している。

再結合定数が１×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）、２×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）、３×１０^-10（ｃｍ³／ｓ）のときに、ブラッグ波長を６ｎｍ変化させるのに必要な電圧値は、それぞれ１．０３２（Ｖ）、１．０６２（Ｖ）、１．０９１（Ｖ）であり、６ｎｍの波長変化に必要な電圧の変動量は、１．０５７倍（約６％の変動）であり、従来の電流による制御に比べ、波長制御パラメータ（図５の場合は電圧、図８の場合は電流）の値の変動がほとんどなくなることがわかる。

また、図６は、本実施例に係る図２に示すＤＢＲ型波長可変光源を、図１に示す波長可変光源装置によって波長可変制御した場合の電圧制御による波長可変特性の図を示す。図６において、横軸はＤＢＲ領域の電圧値、縦軸は発振波長を示している。図６に示す本実施例に係る電圧制御による波長可変特性と、図９に示す従来の電流制御による波長可変特性とを比較すると、図６ではほとんど波長ずれが発生しておらず、１２０時間（約１０年の通常使用に相当）の劣化が生じても波長可変特性が影響を受けないことがわかる。

これは、劣化の前後で電圧を一定にしておくと、非発光再結合の増加によりキャリアが消費されてしまう分、素子抵抗が減少するため、その分電流が増加することとなる。このように、非発光再結合の増加により減少してしまうキャリアは、電流の増加により補われることとなる。したがって、定在するキャリアの量（キャリア密度）はほとんど変化せず、劣化前後で屈折率の変化が生じなくなるため、劣化による発振波長のずれが起こることがない。

これらのことから、本実施例に係る波長可変光源装置は、劣化に対する制御パラメータの更新が不要となるため、高速波長可変用のＤＢＲレーザにおいて、１０年間のメンテナンスフリーを実現することができる。また、分波器、及び、波長ロッカーの設置が不要なため、その分部材のコストを低減することができる。

以下、本実施例に係る波長可変光源装置について説明する。本実施例に係るレーザの導波路構造は、実施例１に係るレーザの導波路構造とほぼ同一であるが、ＤＢＲ領域の回折格子の形のみ異なる。ＳＳＧ−ＤＢＲ領域には、超周期構造（上記非特許文献１参照）を有する回折格子（Super Structure Grating Distributed Bragg Reflector：ＳＳＧ−ＤＢＲ）が形成されている。

このＳＳＧ−ＤＢＲ回折格子は、複数の反射ピークを有しており、これらの反射ピークはＳＳＧ−ＤＢＲ領域にキャリアを注入することにより、すべて同時に波長がシフトする。本実施例に係る波長可変光源装置では、ＳＳＧ−ＤＢＲ領域を実施例１と同様の制御回路により駆動させる波長可変光源装置を構成した。

図４に、ＳＳＧ−ＤＢＲ型波長可変光源の構造を示した断面図を示す。図４に示すように、レーザの導波路構造は、出力光３６の取り出し側に、出力光強度の増幅と減衰により強度調整機能を持つＳＯＡ領域２４がある。ＳＯＡ領域２４の左側には反射帯域が可変である第１ＳＳＧ−ＤＢＲ領域４１がある。第１ＳＳＧ−ＤＢＲ領域４１の左側には、レーザ発振のための利得を発生する活性領域２６がある。

活性領域２６の左側には、レーザ光の位相調整により発振波長の微調整が可能な位相調整領域２７がある。位相調整領域２７の左側には、反射帯域が可変である第２ＳＳＧ−ＤＢＲ領域４２がある。第２ＳＳＧ−ＤＢＲ領域４２の左側には、波長可変光源後ろ側から光が外部へ放出されるのを防止すると共に、後ろ側からの反射戻り光を低減させるための光吸収領域（ＰＤ領域２９）がある。これらの各領域の配置は、左右が逆転した鏡像となる構造でも同様であることは言うまでもない。
本実施例では、ＳＯＡ領域２４、第１ＳＳＧ−ＤＢＲ領域４１、第２ＳＳＧ−ＤＢＲ領域４２、及び、位相調整領域２７が、課題を解決するための手段に記載する非活性領域であり、ＳＳＧ−ＤＢＲ型波長可変光源が、課題を解決するための手段に記載する半導体レーザである。

図３は、実施例２に係る波長可変光源装置の装置構成図を示す。活性領域２６を駆動しレーザの発振を行う活性領域用電圧源１０は、活性領域電極１５に接続されている。また、出力されるレーザ光の強度を調節するためのＳＯＡ領域用電圧源１１は、ＳＯＡ領域電極１６と接続されている。また、波長制御を行うための第１ＳＳＧ−ＤＢＲ領域用電圧源３７、第２ＳＳＧ−ＤＢＲ領域用電圧源３８、及び、位相調整用電圧源１４は、それぞれ第１ＳＳＧ−ＤＢＲ領域電極３９、第２ＳＳＧ−ＤＢＲ領域電極４０、及び、位相調整領域電極１９が接続されている。

さらに、活性領域用電圧源１０と活性領域電極１５、ＳＯＡ領域用電圧源１１とＳＯＡ領域電極１６、第１ＳＳＧ−ＤＢＲ領域用電圧源３７と第１ＳＳＧ−ＤＢＲ領域電極３９、第２ＳＳＧ−ＤＢＲ領域用電圧源３８と第２ＳＳＧ−ＤＢＲ領域電極４０、及び、位相調整用電圧源１４と位相調整領域電極１９との間に電流計を設置し、この電流計２１の値をアラーム用電流値情報２２とする。ＣＰＵ２３は、各電源の電圧の制御を行う。また、ＣＰＵ２３において、アラーム用電流値情報２２は経時劣化時の劣化を判断するために用いられ、劣化を検出した際にはアラームを発する。

本実施例では、活性領域用電圧源１０、ＳＯＡ領域用電圧源１１、第１ＳＳＧ−ＤＢＲ領域用電圧源３７、第２ＳＳＧ−ＤＢＲ領域用電圧源３８、及び、位相調整用電圧源１４が、課題を解決するための手段に記載する順方向定電圧印加手段である。すなわち、非活性領域、又は、非活性領域と活性領域との両方を接続した順方向定電圧印加手段により、半導体レーザを電圧で駆動する。

本実施例では、図３に示す波長可変光源装置が、図４に示すＳＳＧ−ＤＢＲ型波長可変光源に接続されており、実施例１と同様の構成となっている。また、実施例１と同様に加速劣化試験を行った所、波長可変光源の経時劣化が発振波長に影響を及ぼさない結果が得られた。

実施例１に係る波長可変光源装置の装置構成図である。 ＤＢＲ型波長可変光源の構造を示した断面図である。 実施例２に係る波長可変光源装置の装置構成図である。 ＳＳＧ−ＤＢＲ型波長可変光源の構造を示した断面図である。 実施例１に係る電圧制御によりＤＢＲ領域にキャリア注入を行った場合の波長可変特性のシミュレーション結果の図である。 実施例１に係る電圧制御による波長可変特性図である。 従来の電流制御による波長可変光源装置の装置構成図である。 従来の電流制御によりＤＢＲ領域にキャリア注入を行った場合の波長可変特性のシミュレーション結果の図である。 従来の電流制御による波長可変特性図である。

符号の説明

１０ 活性領域用電圧源
１１ ＳＯＡ用電圧源
１２ 第１ＤＢＲ領域用電圧源
１３ 第２ＤＢＲ領域用電圧源
１４ 位相調整領域用電圧源
１５ 活性領域電極
１６ ＳＯＡ領域電極
１７ 第１ＤＢＲ領域電極
１８ 第２ＤＢＲ領域電極
１９ 位相調整領域電極
２０ ＰＤ領域用電極
２１ 電流計
２２ アラーム用電流値情報
２３ ＣＰＵ
２４ ＳＯＡ領域
２５ 第１ＤＢＲ領域
２６ 活性領域
２７ 位相調整領域
２８ 第２ＤＢＲ領域
２９ ＰＤ領域
３０ 基板（ｎ型半導体クラッド層）
３１ 上部クラッド層（ｐ型半導体クラッド層）
３２ コア層
３３ 裏面電極
３４ 第１反射防止膜
３５ 第２反射防止膜
３６ 出力光
３７ 第１ＳＳＧ−ＤＢＲ領域用電圧源
３８ 第２ＳＳＧ−ＤＢＲ領域用電圧源
３９ 第１ＳＳＧ−ＤＢＲ領域電極
４０ 第２ＳＳＧ−ＤＢＲ領域電極
４１ 第１ＳＳＧ−ＤＢＲ領域
４２ 第２ＳＳＧ−ＤＢＲ領域
５０ 活性領域用電流源
５１ ＳＯＡ領域用電流源
５２ 第１波長制御用電流源
５３ 第Ｎ波長制御用電流源
５４ 活性領域電極
５５ ＳＯＡ領域電極
５６ 第１波長制御用電極
５７ 第Ｎ波長制御用電極
５８ 分波器
５９ 出力光
６０ モニタ光
６１ 波長ロッカー
６２ ＣＰＵ
６３ 波長・出力情報

Claims (7)

1. ｐ型半導体クラッド層とｎ型半導体クラッド層とにより挟まれた領域に、前記クラッド層よりもバンドギャップが小さい半導体コア層を有する光導波路を形成し、
   前記光導波路は、順方向の電圧印加、又は、電流注入により発光する活性領域からなる活性導波路と、
   前記活性導波路の両端、又は、片端に設けられた非活性領域からなる非活性導波路とを備え、
   前記活性導波路と前記非活性導波路とは光学的に接続されて半導体レーザを構成し、
   前記半導体レーザの前記非活性領域には順方向定電圧印加手段を接続する
   ことを特徴とする波長可変光源装置。
2. 請求項１に記載する波長可変光源装置において、
   前記非活性領域の一部、又は、全部を分布反射型回折格子領域で形成する
   ことを特徴とする波長可変光源装置。
3. 請求項１に記載する波長可変光源装置において、
   前記非活性領域の一部、又は、全部が分布反射型回折格子と位相調整領域とにより形成され、前記分布反射型回折格子、及び、前記位相調整領域に対し、同一、又は、別々の前記順方向定電圧印加手段を接続する
   ことを特徴とする波長可変光源装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載する波長可変光源装置において、
   前記活性領域に、前記順方向電圧印加手段を接続する
   ことを特徴とする波長可変光源装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載する波長可変光源装置において、
   前記非活性手段に注入される電流値を測定する電流測定手段を備える
   ことを特徴とする波長可変光源装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載する波長可変光源装置において、
   前記活性領域に注入される電流値を測定する電流測定手段を備える
   ことを特徴とする波長可変光源装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載する波長可変光源装置において、
   前記非活性領域、又は、前記非活性領域と前記活性領域との両方を接続した前記順方向定電圧印加手段により、前記半導体レーザを電圧で駆動する
   ことを特徴とする波長可変光源制御方法。

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