JP2010129830A - 半導体レーザのチューニング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電力消費量を抑制しつつ発振波長を選択することができる半導体レーザの制御方法およびレーザ装置を提供する。
【解決手段】 半導体レーザの制御方法は、回折格子を有する回折格子部にスペース部が連結されたセグメントを複数有する分布反射領域（１１）を備えた半導体レーザ（１０）において、複数のセグメントそれぞれの屈折率制御に用いるパラメータ値の差を実質的に一定に制御するステップと、パラメータ値の差を保ちつつパラメータの基底値とパラメータ値との間にセグメントの周期的な波長特性が１周期以上介在する場合にパラメータ値を基底値側に周期単位でシフトさせるステップと、を含む。
【選択図】 図６

Description

本発明は、半導体レーザのチューニング方法に関する。

特許文献１に開示されている波長可変レーザにおいては、複数の波長選択領域を備えるＳＧ−ＤＢＲ（Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）領域が設けられ、各波長選択領域の温度がヒータで制御され、その屈折率変化による選択波長特性が制御されている。

上記波長可変レーザにおいては、ＳＧ−ＤＢＲ領域の各波長選択領域の波長特性の重ね合わせによって選択された反射スペクトル波長とＳＧ−ＤＦＢ（Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）領域の利得スペクトル波長とを一致させることによって、所定の発振波長に固定する動作が行われる。

特開２００７−４８９８８号公報

ところで、上記の波長可変レーザは、あらかじめ、波長チャンネルごとに波長選択領域のパラメータ値をチューニングする必要がある。一方、このタイプの波長可変レーザは、所定の単一の波長のみを選択可能にするために、各波長選択領域の関係を一定の関係にする必要がある。しかしながら、その関係を保ったまま、波長チャンネルごとにパラメータ値をチューニングする方法では、非常に大きなパラメータ値を与える必要が生じる場合があることがわかった。

本発明の目的は、電力消費量を抑制しつつ発振波長を選択することができる半導体レーザのチューニング方法を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体レーザのチューニング方法は、それぞれが周期的な波長特性を有する複数の波長選択領域を有する半導体レーザにおいて、前記波長選択領域に対して屈折率制御をなすステップと、前記屈折率制御によって実現された前記波長選択領域それぞれの波長特性が屈折率の基底値によって実現される波長特性に比べて１周期以上変化することを確認するステップと、前記確認された波長選択領域の屈折率を前記基底値側に前記１周期単位でシフトさせるステップと、を含むことを特徴とするものである。本発明によれば、波長選択領域の制御量を小さくでき、その制御に必要な消費電力を低減することができる。

前記複数の波長選択領域として、回折格子を有する回折格子部にスペース部が連結されたセグメントを複数有する分布反射領域を分割して画定されたものを利用することができる。

また、前記波長選択領域を制御するパラメータ値は、前記セグメントの温度とすることができる。

また、前記波長選択領域を制御するパラメータ値は、前記セグメントに注入する電流値とすることができる。

なお、前記複数のセグメントの各光学的長さは、互いに異なるように作成されてもよい。

また、前記波長選択領域は、回折格子を有する回折格子部にスペーサが連結されたセグメントを複数有するとともに、利得を有する利得領域と光学的に接続されていてもよい。

また、前記複数の波長選択領域は、それぞれがリング共振器であってもよい。

本発明によれば、電力消費量を抑制しつつ発振波長を選択することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の実施例１に係るレーザ装置１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、レーザ装置１００は、半導体レーザ１０、温度制御装置２０およびコントローラ３０を備える。半導体レーザ１０は、温度制御装置２０上に配置されている。次に、各部の詳細を説明する。

半導体レーザ１０は、ＣＳＧ−ＤＢＲ（Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）領域１１、ＳＧ−ＤＦＢ領域１２および半導体光増幅（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）領域１３が順に連結した構造を有する。

ＣＳＧ−ＤＢＲ領域１１は、グレーティングが所定の間隔で設けられた光導波路を含む。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域１１の光導波路には、回折格子を有する回折格子部にスペース部が連結されたセグメントが複数設けられている。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域１１においては、各セグメントの光学的長さが異なっている。

ＣＳＧ−ＤＢＲ領域１１の光導波路は、吸収端波長がレーザ発振波長よりも短波長側にある半導体結晶からなる。本実施例においては、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域１１にセグメントが３組（セグメントＣＳＧ１〜ＣＳＧ３）形成されているものとする。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域１１には、各セグメントにヒータが設けられている。本実施例においては、セグメントＣＳＧ１〜ＣＳＧ３に対応して３つのヒータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃがＣＳＧ−ＤＢＲ領域１１上に設けられている。

ＳＧ−ＤＦＢ領域１２は、グレーティングが所定の間隔で設けられた光導波路を含む。ＳＧ−ＤＦＢ領域１２の光導波路には、回折格子を有する回折格子部にスペース部が連結されたセグメントが複数設けられている。ＳＧ−ＤＦＢ領域１２においては、各セグメントの光学的長さが実質的に同一になっている。ＳＧ−ＤＦＢ領域１２の光導波路は、目的とする波長でのレーザ発振に対して利得を有する半導体結晶からなる。ＳＧ−ＤＦＢ領域１２上には、電極１５が設けられている。

ＳＯＡ領域１３は、電流制御によって光に利得を与える、または光を吸収するための半導体結晶からなる光導波路を含む。ＳＯＡ領域１３上には、電極１６が設けられている。なお、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域１１、ＳＧ−ＤＦＢ領域１２およびＳＯＡ領域１３の光導波路は、互いに光結合している。

温度制御装置２０は、ペルチェ素子等を備え、半導体レーザ１０の温度を制御する。コントローラ３０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）等の制御部、電源等から構成される。コントローラ３０のＲＯＭには、半導体レーザ１０の制御情報、制御プログラム等が格納されている。

続いて、レーザ装置１００の動作の概略について説明する。コントローラ３０は、電極１５に所定の電流を供給する。それにより、ＳＧ−ＤＦＢ領域１２の光導波路において光が発生する。発生した光は、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域１１、ＳＧ−ＤＦＢ領域１２およびＳＯＡ領域１３の光導波路を伝播しつつ繰返し反射および増幅されるとともに、外部に発振される。また、電極１６にコントローラ３０から所定の電流が供給される。それにより、半導体レーザ１０からの出力が一定に維持される。

次に、コントローラ３０は、ヒータ１４ａ〜１４ｃの制御によりセグメントＣＳＧ１〜ＣＳＧ３の温度を制御することによって、セグメントＣＳＧ１〜ＣＳＧ３の等価屈折率を変化させる。この場合、セグメントＣＳＧ１〜ＣＳＧ３の反射特性が変化する。それにより、半導体レーザ１０の発振波長を変化させることができる。以上の制御により、レーザ装置１００は、所望の波長において半導体レーザ１０にレーザ発振させることができる。

図２（ａ）は、ヒータ１４ａ〜１４ｃによる加熱前におけるセグメントＣＳＧ１〜ＣＳＧ３の反射スペクトルを模式的に示した図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すセグメントＣＳＧ１〜ＣＳＧ３の反射スペクトルを重ね合わせた図である。セグメントＣＳＧ１〜ＣＳＧ３がそれぞれ互いに異なる光学的長さを有していることから、図２（ａ）に示すように、セグメントＣＳＧ１〜ＣＳＧ３の反射スペクトルのピーク周期が互いに異なる。したがって、図２（ｂ）に示すように、反射スペクトルのピークが重なる波長とピークが重ならない波長とが現れる。

図３（ａ）は、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域１１の反射スペクトルを示す図である。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域１１の反射スペクトルは、セグメントＣＳＧ１〜ＣＳＧ３の反射スペクトルを重ね合わせることによって得られる。図３（ａ）に示すように、波長ごとに反射強度が異なり、釣鐘状の包絡線が形成される。波長範囲をさらに拡げると、複数の釣鐘を並べたような包絡線が形成される。このように、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域１１においては、反射強度に波長依存性が現れる。

図３（ｂ）は、ＳＧ−ＤＦＢ領域１２の反射スペクトルを示す図である。ＳＧ−ＤＦＢ領域１２においては各セグメントの光学的長さが実質的に同一でありかつ温度制御装置２０によって各セグメントの温度が一定に制御されることから、ピーク波長ごとに反射強度はほとんど同じになる。

本実施例に係る半導体レーザ１０は、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域１１の反射スペクトルのうち反射強度が大きい波長とＳＧ−ＤＦＢ領域１２の反射スペクトルのいずれかの波長とが一致する場合に、この一致した波長においてレーザ発振する。したがって、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域１１の波長−反射強度特性を変化させることによって、レーザ発振波長を選択することができる。

続いて、図４（ａ）〜図４（ｄ）を参照しつつ、本実施例に係る半導体レーザの制御の原理について説明する。なお、図面の簡単化のために、温度制御されるＣＳＧ−ＤＢＲ領域のセグメント数を２とする。まず、図４（ａ）に示すように、室温において半導体レーザにレーザ発振させる。この場合、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域の各セグメントの反射スペクトルの重ね合わせによって、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域全体の反射スペクトルが定まる。ここで、ヒータへの電力供給前の各セグメントの温度を基底値と称する。図４（ａ）の例では、基底値は０℃である。

次に、図４（ｂ）に示すように、ヒータへの電力供給によって、セグメントの温度に勾配を設定する。この場合、半導体レーザが所望の波長に近い波長においてレーザ発振するように、温度勾配を設定する。この場合の各セグメントの温度を以下、初期値と称する。図４（ｂ）の例では、一方のセグメントの温度の初期値は１５℃であり、他方のセグメントの温度の初期値は０℃である。

次いで、図４（ｃ）に示すように、セグメントの温度勾配を実質的に一定に保ちつつ、半導体レーザの発振波長が所望の波長になるまで両方のセグメントの温度を上昇させる。図４（ｃ）の例では、一方のセグメントの温度を３５℃に制御し、他方のセグメントの温度を２０℃に制御する。

ここで、各セグメントの温度を上昇させることによって、発振波長が長波長側にシフトする場合について説明する。この場合、各セグメントの温度を上昇させることによって発振波長が長波長側にシフトし、所定の温度に到達すると発振波長が短波長側の所定値にジャンプする。さらに各セグメントの温度を上昇させることによって、発振波長が長波長側にシフトする。このように、所定の温度周期で、発振波長が所定の範囲の値を一方向に繰り返す。図４（ｃ）の例では、発振波長が一方向に繰り返す温度周期が３０℃であるとする。

セグメントの温度を高温に維持するためには、多量のヒータ電力を必要とする。そこで、本実施例においては、各セグメントの温度が基底値から１周期以上高く制御されているか否かを判定する。セグメントの温度が基底値から１周期以上高い場合には、そのセグメントの温度を基底値側に周期単位でシフトさせる。図４（ｄ）の例では、７０℃に到達したセグメントの温度を１周期分の３０℃低下させて５℃に制御する。

この場合、発振波長を変化させずにヒータへの電力供給量を低減させることができる。それにより、レーザ装置１００の消費電力を低減させることができる。また、半導体レーザの温度が低くなることから、半導体レーザの劣化を抑制することができるとともに、半導体レーザの信頼性が向上する。

以上の制御について、図５および図６を参照しつつ、本実施例に係るレーザ装置１００に適用して説明する。図５は、コントローラ３０によって実行されるフローチャートの一例を示す図である。図６は、セグメントＣＳＧ１〜ＣＳＧ３の温度とＣＳＧ−ＤＢＲ領域１１の反射スペクトルとの関係を示す図である。

まず、図５に示すように、コントローラ３０は、電極１５，１６に所定の電流を供給するとともに、セグメントＣＳＧ１〜ＣＳＧ３の温度が初期値になるようにヒータ１４ａ〜１４ｃに電力を供給する（ステップＳ１）。この場合、コントローラ３０は、図６（ａ）に示すように、セグメントＣＳＧ１〜ＣＳＧ３の温度差がセグメントＣＳＧ１〜ＣＳＧ３の光学長の比率に応じて設定されるように、ヒータ１４ａ〜１４ｃに供給する電力を制御する。それにより、図６（ｂ）に示すように、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域１１の反射スペクトルを釣鐘状に制御することができる。図６（ｂ）の例では、最も反射強度の高い反射スペクトルの波長はλ１である。

次に、コントローラ３０は、セグメントＣＳＧ１〜ＣＳＧ３の温度を上昇させる（ステップＳ２）。この場合、コントローラ３０は、図６（ｃ）に示すように、セグメントＣＳＧ１〜ＣＳＧ３の温度差を実質的に一定に保ちつつ、セグメントＣＳＧ１〜ＣＳＧ３の温度を上昇させる。それにより、図６（ｄ）に示すように、上記釣鐘状の波長特性の波長領域を変化させることなく、ピーク波長をシフトさせることができる。図６（ｄ）の例では、ピーク波長はλ１からλｎにシフトする。その結果、半導体レーザ１０に、所望の波長においてレーザ発振させることができる。

次いで、コントローラ３０は、セグメントＣＳＧ１〜ＣＳＧ３の温度が基底値から１周期以上高いか否かを判定する（ステップＳ３）。ステップＳ３においてセグメントＣＳＧ１〜ＣＳＧ３の温度が基底値から１周期以上高いと判定されなかった場合、コントローラ３０は、ステップＳ３を再度実行する。

ステップＳ３においてセグメントＣＳＧ１〜ＣＳＧ３の温度が基底値から１周期以上高いと判定された場合、コントローラ３０は、図６（ｅ）に示すように、該当するセグメントの温度を１周期低下させる（ステップＳ４）。その後、コントローラ３０は、ステップＳ３を再度実行する。

図５のフローチャートによれば、発振波長を変化させずにヒータ１４ａ〜１４ｃへの電力供給量を低減させることができる。それにより、レーザ装置１００の消費電力を低減させることができる。また、半導体レーザ１０の温度が低くなることから、半導体レーザ１０の劣化を抑制することができるとともに、半導体レーザ１０の信頼性が向上する。

なお、ステップＳ２においてセグメントＣＳＧ１〜ＣＳＧ３の温度差を上昇させる際、セグメントＣＳＧ１〜ＣＳＧ３の温度差の誤差は、−０．５℃〜０．５℃程度以内であることが好ましい。

図７は、ヒータ１４ａ〜１４ｃの実際の温度制御について説明するための図である。図７の破線は、セグメントＣＳＧ１〜ＣＳＧ３の温度を上昇させた場合を示す。図７の実線は、セグメントＣＳＧ１，ＣＳＧ２の温度を１周期低下させた場合を示す。したがって、セグメントＣＳＧ３の温度は、いずれにおいても同じである。図７の実線の場合には、セグメントＣＳＧ１の温度を低下させた後にセグメントＣＳＧ２の温度を低下させてある。

図７に示すように、セグメントＣＳＧ１の温度を低下させることによってヒータ電力の総量が低下し、さらにセグメントＣＳＧ２の温度を低下させることによってヒータ電力の総量がさらに低下した。一方で、発振波長に大きな変化は見られなかった。このように、セグメントの温度を周期単位で低下させても、発振波長を維持することができる。

なお、本実施例においては分布反射器としてＣＳＧ−ＤＢＲを用いたが、それに限られない。各セグメントの光学的長さが実質的に同一であるＳＧ−ＤＢＲを用いてもよい。この場合においても、各セグメントに温度勾配を設定することによって、ＳＧ−ＤＢＲの反射スペクトルを釣鐘状にすることができる。したがって、セグメントの温度が基底値から１周期以上高い場合にそのセグメントの温度を規定値側に周期単位で低下させることによって、発振波長を変化させずにヒータへの電力供給量を低減させることができる。

また、本実施例においてはセグメントの屈折率制御用のパラメータとしてセグメントの温度を用いたが、それに限られない。例えば、ヒータの温度、ヒータへの供給電力量をセグメントの屈折率制御用のパラメータとして用いてもよい。また、セグメントへの電流注入によってセグメントの屈折率を制御し、この電流注入値をセグメントの屈折率制御用のパラメータとして用いてもよい。

図８は、実施例２に係る半導体レーザ１０ａを示す模式図である。半導体レーザ１０ａは、リング共振器型レーザである。図８に示すように、半導体レーザ１０ａは、互いに光結合するリング共振器６１，６２，６３と、リング共振器６１，６２，６３と光結合するＳＯＡ領域６４と、を備える。ＳＯＡ領域６４側から順に、リング共振器６１、リング共振器６２およびリング共振器６３が光結合している。リング共振器６１側の端面には、ＡＲ（Ａｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）膜６６が、リング共振器６３側の端面にはＨＲ（Ｈｉｇｈ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）膜６７が形成されている。

リング共振器６１は、波長特性に周期的なピークを持つ共振器であり、所定の波長間隔で周期的に反射スペクトルのピークを持つフィルタとして機能する。リング共振器６１は、実施例１に係る半導体レーザ１０のＳＧ−ＤＦＢ領域１２が有する波長特性と同等の波長特性を有し、半導体レーザ１０ａの発振可能波長を決定する機能を有する。

リング共振器６２，６３は、波長特性に周期的なピークを有する共振器であり、所定の波長間隔で周期的に反射スペクトルのピークを持つフィルタとして機能する。リング共振器６２，６３のいずれもリング共振器６１と異なる半径を有する。また、リング共振器６２は、リング共振器６３と異なる半径を有する。リング共振器６２，６３が設けられていることにより、所定の波長帯域にのみ、周期的な反射スペクトルのピークが実現される。したがって、リング共振器６２，６３は、実施例１に係る半導体レーザ１０ａのＣＳＧ−ＤＢＲ領域１１が有する波長特性と同等の波長特性を有する。

リング共振器６２，６３には、リングの上部または下部にそれぞれヒータが設けられている。それぞれのヒータは、リング共振器６２，６３の屈折率を制御する機能を有する。したがって、それぞれのヒータの温度を制御することによって、半導体レーザ１０ａの発振波長を制御することができる。

半導体レーザ１０ａにおいては、リング共振器６１の反射スペクトルのピークとリング共振器６２，６３の反射スペクトルのピークとの重ね合わせによりバーニア効果が生じ、発振可能な波長が選択される。ＳＯＡ領域６４は、これらの共振器に利得を与える半導体光増幅器である。

本実施例に係る半導体レーザ１０ａにおいても、図４で説明した波長特性が現れる。したがって、リング共振器６２，６３の温度が基底値から１周期以上高い場合には、そのリング共振器の温度を規定値側に周期単位で低下させる。この場合、発振波長を変化させずにヒータへの電力供給量を低減させることができる。それにより、消費電力を低減させることができる。

なお、本実施例においてはリング共振器の屈折率制御用のパラメータとして共振器の温度を用いたが、それに限られない。例えば、ヒータの温度、ヒータへの供給電力量を共振器の屈折率制御用のパラメータとして用いてもよい。また、共振器への電流注入によって共振器の屈折率を制御し、この電流注入値を共振器の屈折率制御用のパラメータとして用いてもよい。

本発明の実施例１に係るレーザ装置の全体構成を示す模式図である。 ヒータによる加熱前におけるセグメントの反射スペクトルを示す図である。 ＣＳＧ−ＤＢＲ領域およびＳＧ−ＤＦＢ領域の反射スペクトルを示す図である。 実施例１に係る半導体レーザの制御の原理について説明するための図である。 コントローラによって実行されるフローチャートの一例を示す図である。 セグメントの温度とＣＳＧ−ＤＢＲ領域の反射スペクトルとの関係を示す図である。 ヒータの実際の温度制御について説明するための図である。 実施例２に係る半導体レーザを示す模式図である。

符号の説明

１０ 半導体レーザ
１１ ＣＳＧ−ＤＢＲ領域
１２ ＳＧ−ＤＦＢ領域
１３ ＳＯＡ領域
１４ ヒータ
１５，１６ 電極
２０ 温度制御装置
３０ コントローラ
１００ レーザ装置

Claims (7)

1. それぞれが周期的な波長特性を有する複数の波長選択領域を有する半導体レーザにおいて、
   前記波長選択領域に対して屈折率制御をなすステップと、
   前記屈折率制御によって実現された、前記波長選択領域それぞれの波長特性が、屈折率の基底値によって実現される波長特性に比べて、１周期以上変化することを確認するステップと、
   前記確認された波長選択領域の屈折率を前記基底値側に前記１周期単位でシフトさせるステップと、
   を含むことを特徴とする半導体レーザのチューニング方法。
2. 前記複数の波長選択領域は、回折格子を有する回折格子部にスペース部が連結されたセグメントを複数有する分布反射領域を分割して画定されることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザのチューニング方法。
3. 前記波長選択領域を制御するパラメータ値は、前記セグメントの温度であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザのチューニング方法。
4. 前記波長選択領域を制御するパラメータ値は、前記セグメントに注入する電流値であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザのチューニング方法。
5. 前記複数のセグメントの各光学的長さは、互いに異なることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザのチューニング方法。
6. 前記波長選択領域は、回折格子を有する回折格子部にスペーサが連結されたセグメントを複数有するとともに、利得を有する利得領域と光学的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザのチューニング方法。
7. 前記複数の波長選択領域は、それぞれがリング共振器であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザのチューニング方法。

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