JP2011060851A

JP2011060851A - 半導体光増幅器モジュールおよび半導体光増幅器モジュールの制御方法

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Publication number: JP2011060851A
Application number: JP2009206239A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Tanaka; 信介田中
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2009-09-07
Filing date: 2009-09-07
Publication date: 2011-03-24
Anticipated expiration: 2029-09-07
Also published as: JP5544793B2

Abstract

【課題】パターン効果による波形劣化を防止するように、高い飽和光出力を保持し、かつ高速な利得応答性を備える半導体光増幅器モジュールの実現。
【解決手段】入力信号光Oinを増幅して出力信号光Ooutを出力する半導体光増幅素子(SOA)11と、半導体光増幅素子に搭載されるヒータ18,24と、半導体光増幅素子を冷却または加熱する第１熱電冷却素子42と、第１熱電冷却素子を搭載するヒートシンク43と、ヒートシンクを冷却または加熱する第２熱電冷却素子45と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体光増幅器モジュールおよびその制御方法に関する。

大容量且つ高速性を特徴とするフォトニックネットワーク技術は、従来から幹線系ネットワークの構築に広く用いられてきた。近年の通信需要の飛躍的な増大に伴い、加入者に身近な都市域内のアクセス系ネットワーク、すなわちメトロ・アクセス系ネットワークへも大容量で高速なフォトニックネットワークの適用範囲が広がっている。半導体光増幅器(Semiconductor Optical Amplifier: SOA)（以下、ＳＯＡと称する）モジュールは、現在多用されている光ファイバ増幅器モジュールと比較して非常にシンプルな構成の光増幅器であり、モジュールの小型化、低価格化の面で優位性を持つため、次期アクセス系ネットワークやデータコム用途を初めとした各種フォトニックネットワークへの適用が検討されている。

フォトニックネットワーク内に適用する光増幅器には、光利得制御手段が必要である。光利得制御には、利得一定制御(Auto-Gain-Control: AGC)や光出力一定制御(Auto-Level-Control: ALC)などがある。利得一定制御は、入力してくる信号光に対して、周囲環境の変化や入力信号光の状態（強度、波長、偏波など）に関係なく一定の光利得を与える制御である。光出力一定制御は、入力してくる信号光に対して、入力信号光の強度（パワー）変動を補償して常に光増幅器からの出力信号光の強度（パワー）を一定値とする制御である。いずれの利得制御方式においても光増幅器自体の利得を調整する何らか制御機構が必要である。

最も一般的な半導体光増幅器の光利得制御手段としては、ＳＯＡ光利得が駆動電流に比例して増大することを利用したＳＯＡ駆動電流による光利得制御方式が知られている。ＳＯＡは温度により光利得が変化するので、ＳＯＡ駆動電流による光利得制御方式を行う場合には、ＳＯＡの温度を一定にする温度制御を行うのが一般的である。

しかし、ＳＯＡ駆動電流による光利得制御方式では、ＳＯＡ駆動電流変化に伴うＳＯＡ飽和光出力変動により、低利得時（＝低駆動電流時）においてパターン効果による波形劣化が発生しやすいという問題がある。このため、特に出力信号光の強度が高い場合のＡＬＣ動作時には、信号品質が劣化しない入力ダイナミックレンジが極端に狭くなる問題点がある。

特開２００２−２３７７８４号公報特開平２−６９９８２号公報特公平７−２４３２２号公報

K. Morito, "Output-Level Control of Semiconductor Optical Amplifier by External Light Injection" IEEE journal of lightwave technology, VOL. 23, NO. 12, DECEMBER 2005

実施形態は、高い飽和光出力を保持し、すなわち、パターン効果による波形劣化を防止し、高速な利得応答性を備える半導体光増幅器モジュールおよび半導体光増幅器モジュールの制御方法を記載する。

実施形態の第１の態様の半導体光増幅器モジュールは、入力信号光を増幅して出力信号光を出力する半導体光増幅素子と、半導体光増幅素子に搭載されるヒータと、半導体光増幅素子を冷却または加熱する第１熱電冷却素子と、第１熱電冷却素子を搭載するヒートシンクと、ヒートシンクを冷却または加熱する第２熱電冷却素子と、を備える。

実施形態の第２の態様の半導体光増幅器モジュールは、半導体光増幅素子と、半導体光増幅素子に搭載されるヒータと、半導体光増幅素子を搭載する熱電冷却素子と、入力信号光の強度変動に応じて、半導体光増幅素子の駆動電流を供給する半導体光増幅素子駆動回路および熱電冷却素子の駆動電流を供給する熱電冷却素子駆動回路を制御する第１の光利得制御回路と、出力信号光の強度変動に応じて、ヒータの駆動電流を供給するヒータ駆動回路を制御する第２の光利得制御回路と、を備える。

実施形態によれば、高い飽和光出力を保持する、すなわちパターン効果による波形劣化を防止可能な半導体光増幅器モジュールが実現できる。また、実施形態によれば、高速な利得応答性を備える半導体光増幅器モジュールが実現できる。さらに、実施形態によれば、低消費電力で、環境温度変化に対して強固な高出力ＡＬＣ制御が行える半導体光増幅器モジュールが実現できる。

図１は、微小ヒータを備えたＳＯＡ素子をＴＥＣに搭載したＳＯＡモジュールの構造例を示す図である。図２は、ヒータ搭載ＳＯＡ素子を用いたＳＯＡモジュールのＡＬＣ制御方式の考えられる例の構成を示すブロック図である。図３は、第１実施形態の半導体光増幅器（ＳＯＡ）モジュールの構造を示す図である。図４は、第１実施形態の半導体光増幅器（ＳＯＡ）モジュールの全体構成を示すブロック図である。図５は、第１実施形態におけるＡＬＣ制御方式の動作を説明するための図である。図６は、第１実施形態のＳＯＡモジュールのＡＬＣ制御のフローチャートの一例を示す図である。図７は、図７は、標準値テーブルの例を示す図である。図８は、ヒータ搭載ＳＯＡ素子を備えるＳＯＡモジュールを、第１実施形態と図２のＡＬＣ制御方式にてそれぞれ動作させた際の特性を示す。図９は、ヒータ搭載ＳＯＡ素子を備えるＳＯＡモジュールを、第１実施形態と図２のＡＬＣ制御方式にてそれぞれ動作させた際の特性を示す。図１０は、第２実施形態の半導体光増幅器（ＳＯＡ）モジュールの構造を示す図である。

前述のように、ＳＯＡ駆動電流による光利得制御方式を行う場合には、ＳＯＡ素子の温度を一定にする温度制御を行うのが一般的である。しかし、ＳＯＡ素子の温度を一定に保持した上でのＳＯＡ駆動電流による光利得制御方式では、電流変化に伴うＳＯＡ飽和光出力変動により、低利得時（＝低駆動電流時）においてパターン効果による波形劣化が発現しやすいという問題がある。そこで、この問題を解決するため、ＳＯＡ素子温度とＳＯＡ駆動電流の両方を組み合わせて制御する光利得制御方式が考えられる。

この光利得制御方式は、ＳＯＡ素子温度の変化が主に光利得のみを変化させ、飽和光出力をほとんど変化させない点を生かして、ＳＯＡ素子温度とＳＯＡ駆動電流の両方を変化させて飽和光出力を一定に保ったままＳＯＡ光利得制御を実現する手法である。この制御方式を行う場合、ＳＯＡ素子温度の調整機構として、ペルチェ素子等の熱電冷却素子（Thermo-Electric Cooler: TEC）（以下、ＴＥＣと称する。）に加えてＳＯＡ素子上に形成した微小ヒータを用いることが考えられる。

図１は、微小ヒータを備えたＳＯＡ素子をＴＥＣに搭載したＳＯＡモジュールの構造例を示す図である。

図１に示すように、半導体光増幅器（ＳＯＡ）素子１１は、厚さ１００μｍ程度のｎ−ＩｎＰ基板１４と、ｎ−ＩｎＰ基板１４の裏面に形成されたカソード電極１６と、ｎ−ＩｎＰ基板１４の上方に形成されたＩｎＧａＡｓＰ製の多重量子井戸の活性層１２と、活性層１２の上方に形成されたｐ−ＩｎＰ製の上部クラッド層１３と、上部クラッド層１３の上に形成されたアノード電極１５と、を備えている。アノード電極１５およびカソード電極１６は、図示していない端子からＳＯＡ駆動電流ＩＳＯＡが供給される。ＳＯＡ素子１１の入力信号光の入射端面および出力信号光の出射端面には反射防止膜が設けられる。ＳＯＡ素子１１は、活性層１２に入射する入力信号光Ｏｉｎを増幅して、出力信号光Ｏｏｕｔを出力する。増幅率はＳＯＡ駆動電流ＳＤＲに応じて変化する。

アノード電極１５の活性層１２の上の部分には、絶縁層１７が形成され、さらに絶縁層１７の上にＴｉ薄膜などによるヒータ層１８が形成されている。ヒータ層１８の幅や厚さは、ヒータとして適当な電気抵抗が得られるように調整されている。ヒータ層１８の両端にはヒータ電極１９、２０が形成される。ヒータ電極１９、２０にヒータ電流ＨＤＲを供給することによりヒータ層１８の全面から均一にジュール熱を発生する。以下、ヒータ層１８およびヒータ電極１９、２０を合わせて、微小ヒータ２４と称する。微小ヒータ２４は、絶縁膜１７を介してＳＯＡ素子１１の上面のアノード電極１５上に形成されており、光利得を発生するＳＯＡ活性層１２まで数μｍという近距離に配置され、ヒータで発生した熱が効率よくＳＯＡ活性層１２の温度を上昇させる。ＳＯＡ活性層１２の温度を低下させる時には、逆にヒータ電流ＨＤＲを減少させ、ＳＯＡ活性層１２の基板および素子キャリア２１を介して下部のＴＥＣ２３の排熱作用により放熱を行う。したがって、制御に伴うヒータ電流ＨＤＲの最大変動範囲の１／２の電流値を、ヒータ電流ＨＤＲの中心値とし、この中心値に対してヒータ電流ＨＤＲを増減する。このため、ヒータ電流ＨＤＲは、常時流れる。

以上のように、ヒータ搭載ＳＯＡ素子は、ヒータ電力によりＳＯＡ素子内のＳＯＡ活性層１２付近のみが局所的にかつ効率的に熱制御されるため、実効的な熱容量が小さく、高速な利得制御が可能である。

図１に示した微小ヒータ２４を利用する温度調整機構が搭載されたＳＯＡ素子１１は、一例であり、各種の変形例があり得る。実施形態で使用するＳＯＡ素子１１は、応答性の良好な温度調整機構が搭載されたものであればよい。

図１に示すように、微小ヒータ２４が搭載されたＳＯＡ素子１１は、良好な熱伝導性材料で作られた素子キャリア（ステージ）２１に搭載される。素子キャリア２１上のＳＯＡ素子１１の近傍にはサーミスタなどの温度センサ２２が設けられ、素子キャリア２１の温度が検出可能である。さらに、素子キャリア２１は、半導体材料からなるペルチェ素子などの熱電冷却素子（ＴＥＣ）２３に搭載される。ＴＥＣ２３により素子キャリア２１を冷却または加熱することにより、素子キャリア２１に搭載されたＳＯＡ素子１１の温度を調整可能である。

以上説明したように、図１に示したヒータ搭載ＳＯＡ素子１１は、効率的にＳＯＡ活性層１２付近の温度のみを調整できるため、ＴＥＣ２３のみを使用した場合に比べて高速な利得調整が可能であるという利点を備える。

図２は、図１のヒータ搭載ＳＯＡ素子を用いたＳＯＡモジュールのＡＬＣ制御方式の考えられる例の構成を示すブロック図である。

温度制御回路３４は、温度センサ２２からの信号ＴＳに応じてＴＥＣ２３の駆動信号ＴＥＣＤＲを変化させ、素子キャリア２１の温度を一定にするようにフィードバック制御を行う。

半導体光増幅器モジュールの入力信号光ＭＯｉｎは、光カプラ２５により分岐され、大部分はＳＯＡ素子１１の光活性層１２に入射し、一部は入力光検出器２７に入射する。入力光検出器２７は、入力信号光ＭＯｉｎの強度を示す入力光強度信号ＩＮＰを生成する。入力光強度信号ＩＮＰは、光利得制御回路３１に送られる。また、ＳＯＡ素子１１の出力信号光Ｏｏｕｔは、光カプラ２６により分岐され、大部分は半導体光増幅器モジュールの出力信号光ＭＯｏｕｔになり、一部は出力光検出器２８に入射する。出力光検出器２８は、出力信号光Ｏｏｕｔの強度を示す出力光強度信号ＯＵＴＰを生成する。出力光強度信号ＯＵＴＰは、光利得制御回路３１に送られる。

光利得制御回路３１は、入力光強度信号ＩＮＰおよび出力光強度信号ＯＵＴＰと目標の光出力もしくは光利得を比較し、内部テーブルを参照してヒータ駆動電流およびＳＯＡ駆動電流の目標値を算出する。光利得制御回路３１は、ヒータ駆動電流の目標値を指示する制御信号ＣＴＲＨをヒータ駆動回路３３に送る。ヒータ駆動回路３３は、制御信号ＣＴＲＨに基づいてヒータ駆動電流ＨＤＲを生成し、微小ヒータ２４に供給する。また、光利得制御回路３１は、ＳＯＡ駆動電流の目標値を指示する制御信号ＣＴＲＳをＳＯＡ駆動回路３２に送る。ＳＯＡ駆動回路３２は、制御信号ＣＴＲＳに基づいてＳＯＡ駆動電流ＳＤＲを生成し、ＳＯＡ１１のアノード電極１５に供給する。これにより、ＳＯＡ素子の光利得が所望の値に調整される。

以上説明した構成により、図１の半導体光増幅器（ＳＯＡ）モジュールを図２の制御方式で制御する場合、ＳＯＡ素子１１の飽和光出力を一定以上に保持したまま高速な光利得調整が可能になる。従って、ＳＯＡ素子を高い光出力でＡＬＣ動作させた際にも、大きな入力ダイナミックレンジおよびある程度高速の（μ秒オーダ）利得制御時間を実現している。

しかし、図１の微小ヒータ２４による温度調整では、素子キャリア２１上のＳＯＡ素子１１の近傍にサーミスタ等の温度センサ２２を配置し、ＴＥＣ２３はその温度センサ２２の検知温度（ＳＯＡ素子温度）が一定となるようにフィードバック制御を行っている。その関係で、ある程度長時間に渡って（数秒以上）微小ヒータ２４の発熱によってＳＯＡ素子１１の温度を上昇させた場合、温度調整回路３４が素子キャリア２１の温度の上昇を感知し素子キャリア２１の温度を一定にするためにＴＥＣ２３の出力を上昇させる。すると、今度は微小ヒータ２４で発生した熱の大半がＴＥＣ２３に吸収されてしまい、さらに大きな微小ヒータの駆動電力が必要となるためＳＯＡモジュール全体としての消費電力が極端に上昇してしまうという課題が生じる。

また、この課題はＴＥＣ２３の排熱能力が低下する高い環境温度の状態ではさらに顕著となり、高い環境温度の状態でＳＯＡモジュールを動作させた場合、ＳＯＡモジュール内部の消費電力（ＳＯＡ消費電力、ＴＥＣ消費電力、ヒータ消費電力の総和）がＴＥＣ２３の排熱能力を上回り、温度制御が破綻して熱暴走を起こす可能性も存在していた。

以上のように、図２に示した制御方式では、高い飽和光出力を保持し（パターン効果による波形劣化を防止し）かつ高速な利得応答を持つが、消費電力が低く環境温度変化に対して強固な高出力ＡＬＣ制御を実現できていなかった。

以下に説明する半導体光増幅器（ＳＯＡ）モジュールの実施形態では、このような問題を、半導体光増幅器（ＳＯＡ）モジュールの温度制御のための構造の変更と、新規なＡＬＣ制御方法の採用と、で解決する。

図３は、第１実施形態の半導体光増幅器（ＳＯＡ）モジュールの構造を示す図である。図３において、ヒータ搭載ＳＯＡ１１は、例えば図１に示したものであるが、これに限定されず、ヒータを搭載し、良好な応答性の温度調整機能を備えるものであればよい。ヒータ搭載ＳＯＡ１１は、窒化アルミニューム(AlN)材などで作られる素子キャリア４１上に実装される。素子キャリア４１は、半導体材料からなるペルチェ素子などによる第１熱電冷却素子（ＴＥＣ）４２上に固定される。第１ＴＥＣ４２は、例えば銅(Cu)材質のヒートシンク４３上に固定される。また、ＮＴＣサーミスタなどによる温度センサ４４が、ヒートシンク４３に設けられる。ヒートシンク４３は、ペルチェ素子などによる第２熱電冷却素子（ＴＥＣ）４５上に固定される。第２ＴＥＣ４５の放熱面は、半導体光増幅器モジュールの筐体４６に接し、外部との熱交換が可能になっている。

第１入力レンズ４９を固定した入力レンズホルダ５０および第１出力レンズ５１を固定した出力レンズホルダ５２が、ヒータ搭載ＳＯＡ素子１１の入力端面および出力端面付近に位置するように、ヒートシンク４３上に固定されている。半導体光増幅器モジュールの筐体４６には、入力光ファイバ４７と第２入力レンズ４８および出力光ファイバ５４と第２出力レンズ５３が固定されている。第１実施形態では、入力光ファイバ４７とヒータ搭載ＳＯＡ素子１１の光結合は、第１入力レンズ４９と第２入力レンズ４８の２枚のレンズ系で実現される。同様に、出力光ファイバ５４とヒータ搭載ＳＯＡ素子１１の光結合は、第１出力レンズ５１と第２出力レンズ５３の２枚のレンズ系で実現されている。

第１実施形態の構成では、第１ＴＥＣ４２上にはヒータ搭載ＳＯＡ素子１１と素子キャリア４１のみが配置されるので、第１ＴＥＣ４２が制御する熱容量は小さく、応答速度を高速化可能である。また、ヒータ搭載ＳＯＡ素子１１及び素子キャリア４１は、温度変化による光軸移動が、想定温度範囲内で充分小さくなるように設計されており、微小ヒータの動作による温度変化が、ヒータ搭載ＳＯＡ素子１１と光ファイバ間の結合効率を劣化させることはない。

図３に示すように、第１実施形態の半導体光増幅器モジュールは、２個の熱電冷却素子（ＴＥＣ）を使用する２段構成の温度制御構造を備えている。第２ＴＥＣ４５を使用する１つの温度制御構造は、ヒートシンク４３の温度を、外界の温度変化にかかわらず一定温度に制御する。第１ＴＥＣ４２を使用するもう１つの温度制御構造は、外界の温度変化にかかわらず、ヒータ搭載ＳＯＡ素子１１で発生する微小ヒータ２４の発熱とＳＯＡ駆動電流に起因する発熱を合わせた熱を、ヒートシンク４３に排熱するように動作する。これにより、温度制御が容易になり、温度制御が破綻して熱暴走を起こすことはなくなる。

次に、第１実施形態の半導体光増幅器モジュールで行うＡＬＣ制御を説明する。第１実施形態の制御では、短時間の変化に対しては、ＳＯＡ駆動電流と微小ヒータの駆動電流で制御を行う。ＳＯＡ駆動電流と微小ヒータの駆動電流に起因する比較的長時間のヒータ搭載ＳＯＡ素子１１の温度変化に対しては、第１ＴＥＣ４２により制御する。

具体的には、第１実施形態の半導体光増幅器モジュールでは、２つの制御を独立して行う。第１の制御では、ＳＯＡ素子への入力信号光の強度を検出する。そして、検出した入力信号光の強度情報と外部から与えられた目標光出力から制御回路に記憶したテーブルを参照しＳＯＡ駆動電流とＴＥＣ駆動電力の標準値を読み出して、各駆動回路にて所定の値を出力する、いわゆるフィードフォワード制御を適用する。一方、第２の制御では、ヒータ駆動電流については出力信号光の強度が目標光出力となるように、ＳＯＡ駆動電流及びＴＥＣ駆動電力とは独立にフィードバック制御を行う。

図４は、第１実施形態の半導体光増幅器（ＳＯＡ）モジュールの全体構成を示すブロック図である。

第１実施形態の半導体光増幅器モジュールは、第１光利得制御回路６１と、ＳＯＡ駆動回路６２と、第１ＴＥＣ駆動回路６３と、第２光利得制御回路６５と、ヒータ駆動回路６６と、温度制御回路６７と、図３に示した半導体光増幅器（ＳＯＡ）モジュール構造と、光カプラ２５および２６と、入力光検出器２７と、出力光検出器２８と、光遅延線５５と、を備える。

図３に示したように、ヒータ搭載ＳＯＡ素子１１は素子キャリア４１を介して第１ＴＥＣ４２上に実装され、第１ＴＥＣ４２の放熱面はヒートシンク４３に保持され、ヒートシンク４３には温度センサが配置されている。ヒートシンク４３は、外界との熱交換を行う第２ＴＥＣ４５に保持されている。

ＳＯＡモジュールの入力信号光ＭＯｉｎは、光カプラ２５により分岐され、大部分はＳＯＡ素子１１の光活性層１２に入射し、一部は入力光検出器２７に入射する。入力光検出器２７は、入力信号光ＭＯｉｎの強度を示す入力光強度信号ＩＮＰを生成する。入力光強度信号ＩＮＰは、第１光利得制御回路６１に送られる。また、ＳＯＡ素子１１の出力信号光Ｏｏｕｔは、光カプラ２６により分岐され、大部分はＳＯＡモジュールの出力信号光ＭＯｏｕｔになり、一部は出力光検出器２８に入射する。出力光検出器２８は、出力信号光Ｏｏｕｔの強度を示す出力光強度信号ＯＵＴＰを生成する。出力光強度信号ＯＵＴＰは、第２光利得制御回路６５に送られる。光カプラ２５および２６は、例えば石英系ビームスプリッタなどで形成される。入力光検出器２７および出力光検出器２８は、例えばInGaAs pinフォトダイオードなどで形成される。

第１光利得制御回路６１は、入力光強度信号ＩＮＰおよび外部から設定された目標光出力値、信号光波長情報などに基づいて、内部に記憶した制御テーブルを参照して、ＳＯＡ制御信号ＡＣＴＲＳおよび第１ＴＥＣ制御信号ＡＣＴＲＴを生成する。第１光利得制御回路６１は、ＳＯＡ駆動回路６２にＳＯＡ制御信号ＡＣＴＲＳを供給し、第１ＴＥＣ駆動回路６３に第１ＴＥＣ制御信号ＡＣＴＲＴを供給する。ＳＯＡ駆動回路６２は、ＳＯＡ制御信号ＡＣＴＲＳに応じてＳＯＡ駆動電流ＳＤＲを生成して、ヒータ搭載ＳＯＡ素子１１のアノード電極１５に供給する。第１ＴＥＣ駆動回路６３は、第１ＴＥＣ制御信号ＡＣＴＲＴに応じて第１ＴＥＣ駆動電流ＴＥＣ１ＤＲを生成して、第１ＴＥＣ４２に供給する。言い換えれば、第１光利得制御回路６１は、入力光強度信号ＩＮＰに応じて、ＳＯＡ駆動電流ＳＤＲおよび第１ＴＥＣ駆動電流ＴＥＣ１ＤＲをフィードフォワード制御する。

第２光利得制御回路６５は、出力光強度信号ＯＵＴＰを受けて、出力光強度信号ＯＵＴＰが目標光出力値に近づくようにフィードバック制御するヒータ制御信号ＡＣＴＲＨを生成し、ヒータ駆動回路６６に供給する。ヒータ駆動回路６６は、ヒータ制御信号ＡＣＴＲＨに応じてヒータ駆動電流ＨＤＲを生成して、微小ヒータ２４に供給する。

温度制御回路６７は、温度センサ４４の検出したヒートシンク４３の温度を示すヒートシンク温度信号ＴＳ２を受けて、ヒートシンク４３の温度が一定の設定温度（例えば２０℃）になるようにフィードバック制御する第２ＴＥＣ駆動電流ＴＥＣ２ＤＲを生成する。第２ＴＥＣ駆動電流ＴＥＣ２ＤＲは、第２ＴＥＣ４５に供給される。

図５は、第１実施形態におけるＡＬＣ制御方式の動作を説明するための図であり、ヒータ搭載ＳＯＡ素子１１への入力信号光Ｏｉｎの強度、出力信号光Ｏｏｕｔの強度、ＳＯＡ活性層１２の温度、ヒータ駆動電流ＨＤＲ、第１ＴＥＣ駆動電流ＴＥＣ１ＤＲの時間変動の様子を模式的に示す。なお、ヒータ搭載ＳＯＡ素子１１の光利得は、ＳＯＡ活性層１２の温度に反比例する。

ヒータ搭載ＳＯＡ素子１１への入力信号光Ｏｉｎの強度は、図５に示した入力ダイナミックレンジ内で時間的に変動する。ここで、ある時間ｔ０で入力信号光の強度が増大したと仮定すると、図５に示すように、瞬間的にＳＯＡ光利得は過多となり出力信号光Ｏｏｕｔの強度が目標レベルに対してオーバーシュートする。第２光利得制御回路６５は、この出力信号光の強度増大を検知して、ヒータ駆動電流ＨＤＲを増大させる方向にフィードバック制御を行い、ＳＯＡ活性層１２の温度を上昇させてＳＯＡ光利得を減少させる。この働きで出力信号光Ｏｏｕｔの強度は、ヒータ制御による活性層温度安定時間Ｔｓで目標出力信号光の強度に再調整される。微小ヒータ２４はＳＯＡ活性層１２の直近に配置されているため、一般にＴｓはマイクロ秒〜ミリ秒の程度である。

一方で、第１光利得制御回路６１は、入力信号光Ｏｉｎの強度増大を感知して、新しい第１ＴＥＣ制御信号ＡＣＴＲＴおよびＳＯＡ制御信号ＡＣＴＲＳを、第１ＴＥＣ駆動回路６３およびＳＯＡ駆動回路６２に供給する。これに応じて、第１ＴＥＣ駆動回路６３およびＳＯＡ駆動回路６２は、新しい第１ＴＥＣ駆動電流ＴＥＣ１ＤＲおよびＳＯＡ駆動電流ＳＤＲを、第１ＴＥＣ４２およびヒータ搭載ＳＯＡ素子１１に供給する。ここで、新しい第１ＴＥＣ駆動電流ＴＥＣ１ＤＲは、素子冷却方向を正とすると、減少する方向である。これは、これ以後の説明でも同様である。ＳＯＡ駆動電流ＳＤＲは増大する方向であるが、ＳＯＡ駆動回路における電流の変動はそれほど大きくないため図示は省略している。第１ＴＥＣ駆動電流ＴＥＣ１ＤＲが更新され、第１ＴＥＣ４２がヒータ搭載ＳＯＡ素子１１および素子キャリア４１から第１ＴＥＣ４２に移す廃熱量が低下すると、ＳＯＡ活性層１２の温度は徐々に上昇し、光利得が低下する傾向になる。しかし、この効果は第２光利得制御回路６５のフィードバック制御でヒータ電流低減によりキャンセルされ、ヒータ搭載ＳＯＡ素子１１及び素子キャリア４１の温度が平衡状態に達するまで、ヒータ駆動電流ＨＤＲは徐々に低下し、ヒータ搭載ＳＯＡ素子１１からの出力信号光の強度は常に目標レベルに保持される。この熱平衡が達成されるまでの時間Ｔｈは、第１ＴＥＣ４２上に存在する熱容量の大きさによって変化するが、おおよそミリ秒から数秒の程度である。最終的に時間Ｔｈが経過すると、モジュールの内部は熱平衡状態に達し、ヒータ電流ＨＤＲは応答初期値より小さいある一定値に保持される。この時、第１ＴＥＣ４２の消費電力は、入力信号光の強度変動前より小さく、微小ヒータ２４の消費電力は初期状態よりやや大きい状態になる。

次に、ある時間ｔ１にて入力信号光の強度が低下した場合を説明する。この場合、瞬間的にＳＯＡ光利得は過小となり出力信号光Ｏｏｕｔの強度が目標レベルに対してアンダーシュートする。第２光利得制御回路６５は、この強度低下を検知して、ヒータ駆動電流ＨＤＲを減少させる方向にフィードバック制御を行い、ＳＯＡ活性層１２の温度が低下してＳＯＡ光利得が増大する。この働きで、先程と同様にヒータ搭載ＳＯＡ素子１１の出力信号光Ｏｏｕｔの強度はヒータ制御による活性層温度安定時間Ｔｓで目標出力信号光強度に再調整される。一方で第１光利得制御回路６１は、入力信号光の強度低下を感知して、新しい第１ＴＥＣ制御信号ＡＣＴＲＴおよびＳＯＡ制御信号ＡＣＴＲＳを、第１ＴＥＣ駆動回路６３およびＳＯＡ駆動回路６２に供給する。これに応じて、第１ＴＥＣ駆動回路６３およびＳＯＡ駆動回路６２は、新しい第１ＴＥＣ駆動電流ＴＥＣ１ＤＲおよびＳＯＡ駆動電流ＳＤＲを、第１ＴＥＣ４２およびヒータ搭載ＳＯＡ素子１１に供給する。ここで、新しい第１ＴＥＣ駆動電流ＴＥＣ１ＤＲは増大する方向、ＳＯＡ駆動電流ＳＤＲは低下する方向である。第１ＴＥＣ駆動電流ＴＥＣ１ＤＲが更新され、第１ＴＥＣ４２の廃熱量が増大すると、ＳＯＡ活性層１２の温度は徐々に低下し、ＳＯＡ光利得は上昇するが、この効果は第２光利得制御回路６５のフィードバック制御によるヒータ電流ＨＤＲの増大によりキャンセルされ、ヒータ搭載ＳＯＡ素子１１及び素子キャリア４１の温度が平衡状態に達するまで、ヒータ駆動電流ＨＤＲは徐々に増大し、ヒータ搭載ＳＯＡ素子１１からの出力信号光の強度は常に目標レベルに保持される。最終的に時間Ｔｈが経過すると、モジュール内は熱平衡状態に達し、ヒータ電流ＨＤＲは応答初期値より大きいある一定値に保持される。この時、第１ＴＥＣ４２の消費電力は、入力信号光の強度変動前より大きく、微小ヒータ２４の消費電力は初期状態よりやや小さい状態になる。以上のように、第１実施形態においては、ヒータ搭載ＳＯＡ素子１１のＡＬＣ制御動作では、入力信号光の強度変動に応じた各制御パラメータの変化によりＳＯＡ光利得が調整され、出力信号光の強度は常にある一定の目標値付近に保持される。この時、モジュールの消費電力は主に第１ＴＥＣ４２の消費電力と微小ヒータ２４の消費電力の和で決まり、第１ＴＥＣ４２の消費電力と微小ヒータ２４の消費電力が入力信号光の強度変動に対して互いに反対の方向に変動することからおおよそ一定の値に保たれる。そのためモジュールの最大消費電力は比較的低い値に抑制することができる。

さらに第１実施形態では、第１ＴＥＣ４２の下部に温度センサ４４を配置したヒートシンク４３を配置し、ヒートシンク４３と外界の間に設置した第２ＴＥＣ４５によってその温度を一定に保持する構成を採用している。これにより環境温度が変化しても第１ＴＥＣ４２の放熱面の温度は変化せず第１ＴＥＣ４２の排熱効率は一定に保たれるため、環境温度に関係なく安定したフィードフォワード制御が可能となっている。

ここで、図５の右側に、比較のため図２のＡＬＣ駆動方式を用いた場合の各部の信号を模式図で示す。時間ｔ０にて入力信号光Ｏｉｎの強度が増大すると、光利得制御回路３１が入力信号光Ｏｉｎおよび出力信号光Ｏｏｕｔの強度変化を検知する。光利得制御回路３１は、ＳＯＡ駆動回路３２およびヒータ駆動回路３３を介して、新しいＳＯＡ駆動電流ＳＤＲとヒータ駆動電流ＨＤＲの標準値を設定する。その後、出力信号光の強度に対するヒータ駆動電流ＨＤＲのフィードバック制御によってヒータ駆動電流ＨＤＲが増大し、ＳＯＡ活性層１２の温度が上昇してＳＯＡ光利得が減少するため、ヒータ搭載ＳＯＡ素子からの出力信号光の強度は時間ｔｓ内に目標光出力レベルに調整される。しかし、その後ヒータ駆動電流ＨＤＲの増大によって発生した熱の一部は、素子キャリア２１上に配置された温度センサ２２に伝わり、温度センサ２２は素子キャリア２１の温度の上昇を感知する。ここで、図２の制御方式では、温度センサ２２における温度を一定に保つ温度一定制御を行っているため、温度制御回路３４側で素子キャリア２１の温度を平常値に保つためにＴＥＣ駆動電流ＴＥＣＤＲを増大させる。すると、今度はＴＥＣ２３によるヒータ搭載ＳＯＡ素子１１からの廃熱量が増大するため、微小ヒータ２４で発生した熱のより多くの部分がＴＥＣ２３によってモジュール外に排出されてしまいＳＯＡ活性層１２の温度は低下する方向に変化する。それに対抗する形で光利得制御回路３１のフィードバック制御が働きヒータ駆動電流ＨＤＲを増大させＳＯＡ活性層１２の温度を一定に保持しようとする。結果的に、素子キャリア２１の温度を一定に保つ温度制御回路３４と出力信号光の強度を一定に保つ光利得制御回路３１の制御が重なり、ＴＥＣ駆動電流ＴＥＣＤＲとヒータ駆動電流ＨＤＲは共に増大を繰り返す。そして、ヒータ搭載ＳＯＡ素子１１を通過する熱量が増大することで、ＳＯＡ活性層１２の温度と素子キャリア２１の温度の乖離が大きくなり、最終的にＳＯＡ活性層１２の温度と素子キャリア２１の温度の両者が設定値になる熱平衡状態に達して収束する。

次にある時間ｔ１で入力信号光の強度が低下した場合について説明する。入力信号光の強度が低下すると、光利得制御回路３１が、その変化を検知し、ＳＯＡ駆動回路３２およびヒータ駆動回路３３を介して、新しいＳＯＡ駆動電流ＳＤＲおよびヒータ駆動電流ＨＤＲの標準値が設定される。その後、出力信号光Ｏｏｕｔの強度に対するヒータ駆動電流ＨＤＲのフィードバック制御によってヒータ駆動電流ＨＤＲは減少し、ＳＯＡ活性層１２の温度が低下してＳＯＡ光利得が増大するため、出力信号光Ｏｏｕｔの強度は時間ｔｓ内に目標光出力レベルに調整される。すると、微小ヒータ２４で発生する熱量の減少によって素子キャリア２１の温度は低下し、温度制御回路３４がそれを検知してＴＥＣ駆動電流ＴＥＣＤＲを減少させる。この場合も、光利得制御回路３１と温度制御回路３４の制御が重なり、ヒータ駆動電流ＨＤＲとＴＥＣ駆動電流ＴＥＣＤＲはいずれも減少する方向で変化を繰り返し、やはり最終的にある活性層温度と素子キャリア温度の両者が設定値になる熱平衡状態に達して収束する。

上記の説明のように、図２のヒータ搭載ＳＯＡ素子１１のＡＬＣ制御方式では、主にヒータ駆動電流ＨＤＲのフィードバック制御によりＳＯＡ光利得は調整され、出力信号光の強度が常に所望の一定値に保持される。しかし、この方式におけるモジュール全体の消費電力は、入力信号光の強度変動に対してＴＥＣ２３の消費電力と微小ヒータ２４の消費電力が同じ方向に大きく変動するために、入力信号光の強度が大きくＳＯＡ光利得を減少させる場合に、ＴＥＣ２３の消費電力と微小ヒータ２４の消費電力の両方が大きな値となり、最大消費電力は非常に大きな値となってしまう。モジュールの最大消費電力はヒータ搭載ＳＯＡ素子１１の動作環境温度を決める大きな要因であり、モジュールの最大消費電力が極端に大きくなる場合には、ＴＥＣ２３の排熱効率が低下する高い環境温度下でＴＥＣ２３の最大排熱量をモジュール消費電力が上回る可能性が高くなり、熱暴走につながりやすい。

以上説明したように、図２のＡＬＣ制御方式では、入力信号光の強度変動に対するモジュール全体の消費電力の変動が激しくかつその最大値が大きいために、モジュールを運用可能な動作範囲が制限されているのに対し、第１実施形態によるＡＬＣ制御方式は入力信号光の強度変動に対するモジュール全体の消費電力の変動が小さく、かつその最大値が小さいため、高い環境温度下まで安定してモジュールを動作させることが可能となる。また、第１実施形態では、第１ＴＥＣ４２の放熱面に第２ＴＥＣ４５により温度調節したヒートシンク４３を配置したことにより、第１ＴＥＣ４２の排熱効率は環境温度変化に影響を受けず、常に安定したフィードフォワード制御が可能となっている。

図６は、第１実施形態の半導体光増幅器モジュールのＡＬＣ制御のフローチャートの一例を示す。図６では、第１光利得制御回路６１に関わるフィードフォワード制御の流れのみを図示している。

ステップ１０１で、新しい出力信号光強度の目標値及び信号光波長が設定されると、まず入力光強度信号ＩＮＰを取り込み、現状の入力信号光の強度と出力信号光強度の目標値から、ＳＯＡ光利得の目標光利得を算出する。具体的には、目標光利得＝出力信号光強度の目標値−現状の入力信号光の強度である。

ステップ１０２で、第１光利得制御回路６１内に記憶した制御テーブルを参照して、現状の入力信号光の強度と出力信号光強度の目標値に適合するＳＯＡ駆動電流と第１ＴＥＣ駆動電流の標準値を読み出す。光利得や目標値が想定使用範囲外の場合にはステップ１０３に進み、範囲内であればステップ１０４に進む。

ここで、第１光利得制御回路６１内には、事前の測定結果を基に作成された、様々な光利得、光出力目標値に対する、ＳＯＡ駆動電流と第１ＴＥＣ駆動電流を記憶した標準値テーブルが記憶されている。図７は、標準値テーブルの例を示す図である。標準値テーブルには、出力信号光強度の目標値に対して十分な飽和光出力と必要な光利得が得られ、かつヒータ搭載ＳＯＡ素子１１周辺に適切な熱分布が生じモジュール全体の消費電力が最適化されるような、ＳＯＡ駆動電流と第１ＴＥＣ駆動電流の値が予め設定されている。テーブルはヒータ搭載ＳＯＡ素子１１の諸特性の波長依存性を考慮して信号光波長毎に用意されており、外部から信号光波長が入力されるか、モジュール近傍もしくは内部に設置された波長モニタ機構（図示せず）で検出された信号光波長信号を読み込むかにより、第１光利得制御回路６１は入力されている信号光波長に適した標準値をテーブルから読み出す。

ステップ１０３では、アラームを発出し、ＳＯＡ駆動電流をゼロに落として信号光を遮断する。

ステップ１０４では、現在のＳＯＡ駆動電流値が、テーブルから読み出した標準値と一致するかを判定し、一致していればステップ１０６に進み、一致していなければステップ１０５に進む。

ステップ１０５では、ＳＯＡ駆動電流値を、テーブルから読み出した標準値に設定し、ステップ１０６に進む。

ステップ１０６では、現在の第１ＴＥＣ駆動電流値が、テーブルから読み出した標準値と一致するかを判定し、一致していればステップ１０８に進み、一致していなければステップ１０７に進む。

ステップ１０７では、第１ＴＥＣ駆動電流値を、テーブルから読み出した標準値に設定し、ステップ１０８に進む。

ステップ１０８では、出力信号光強度の目標値または波長をさらに更新するかを判定し、更新する場合にはステップ１０１に戻り、更新しない場合にはステップ１０９に進む。

ステップ１０９では、半導体光増幅器モジュールの動作を停止するかを判定し、停止するのであれば終了し、停止しないのであればステップ１０１に戻る。

従って、動作中はステップ１０１からステップ１０９を繰り返し、入力信号光の強度が変動してＳＯＡ駆動電流または第１ＴＥＣ駆動電流を変更する必要が発生した時に、随時変更を行う。

以上説明したように、第１光利得制御回路６１では、入力信号光の強度に基づいて、光利得・出力信号光の強度の目標値に対して制御テーブルを参照してＳＯＡ駆動電流と第１ＴＥＣ駆動電流を設定するフィードフォワード制御を行うことにより、常に飽和光出力を十分高い値に保ちながらＳＯＡの光利得制御を行えるだけでなく、入力信号光の強度がある時間安定化し、ヒータ駆動電流も安定する準平衡状態に入った際に、ＳＯＡ素子周辺の熱分布を最適化し、図２の制御に比べてモジュールの最大消費電力を抑制することが可能となる。また、上記のフィードフォワード制御に関しては、図４に示した様にＳＯＡ光モジュール内の入力側光カプラ２５とヒータ搭載ＳＯＡ素子の間に光遅延線５５を挿入することで、第１光利得制御回路６１の処理時間が原因で生じる入力信号光強度変動タイミングと実際のＳＯＡ駆動電流／第１ＴＥＣ駆動電流の設定値変更タイミングの時間遅延を補正し、入力信号光の強度変動とほぼ同時にＳＯＡ駆動電流及び第１ＴＥＣ駆動電流を変化させて安定化までの時間を短縮する構成が有効である。
上記の第１光利得制御回路６１によるフィードフォワード制御と合わせて、第２光利得制御回路６５は、独立に出力信号光の強度に対してヒータ駆動電流のフィードバック制御を行う。このフィードバック制御は光出力の目標値と現状の光出力値が一致するように、ヒータ駆動電流を例えば一般的なＰＩＤ制御を用いて変化させるもので、ヒータ制御の高速性を活かして上記第１光利得制御回路６１によるフィードフォワード制御の制御時間の長さを補償し、系全体のＡＬＣ応答を高速化させる役割を持つ。従って、第１実施形態におけるＡＬＣ制御は光パス切り替えによる瞬間的かつ大きな入力信号光強度変動と、光パス状態の揺らぎによる様々な時間スケールを持つ小さな入力信号光強度揺らぎの両方に対応して、常に安定した光出力を実現することができる。さらに、第１実施形態では最終的なフィードバック制御をヒータ駆動電流変化を介した素子温度変化によって行うため、ＡＬＣ制御時の飽和光出力の大きな変動がなく、それによる瞬間的な増幅特性劣化が生じるリスクが小さいため、安定した光増幅特性を実現することができる。

図８および図９は、実際のヒータ搭載ＳＯＡ素子を備えるモジュールを、第１実施形態と図２のＡＬＣ制御方式にてそれぞれ動作させた際の特性を示す。いずれの特性もヒートシンク４３の温度またはモジュール環境温度が２５℃で一定であるとして測定した結果である。図８は、両方式についてＡＬＣ目標光出力を＋７．０ｄＢｍに設定した際の、入力信号光の強度変動に対する準平衡状態におけるヒータ駆動電流と第１ＴＥＣ消費電力の変化を示したものである。

図２の制御方式では入力信号光の強度が高く、ＡＬＣ制御によりＳＯＡ光利得を低下させた状況下において、ヒータによる光出力制御と第１ＴＥＣによる温度一定制御が拮抗し、ヒータ駆動電力と第１ＴＥＣ消費電力の両者が増大していくのに対して、第１実施形態によるＡＬＣ制御方式では入力信号光の強度が高い状況においても第１ＴＥＣ消費電力の増大は殆ど無く、ヒータで発生した熱がＳＯＡ活性層に効率的に作用するため、ヒータ駆動電流も小さい。

図９は、図８と同様にＡＬＣ制御の目標光出力を＋７．０ｄＢｍに設定した際の、トータル消費電力（ヒータ駆動電力とTEC駆動電力の和）の入力信号光の強度に対する変動を測定した結果を示す。尚、図８および図９の例では簡単のためＳＯＡ駆動電流は４００ｍＡで一定としているためトータル消費電力の変動にＳＯＡ駆動電流が与える影響はない。図２の制御方式では、図８において見られた入力信号光の強度の高い時の駆動電流上昇によって、トータル消費電力は２Ｗ以上に増大し第１ＴＥＣの最大排熱能力に近いレベルまで達している。一方で第１実施形態におけるＡＬＣ制御方式では、入力信号光の強度の高い時の消費電力は図２の制御方式に比べて約７０％削減されており、入力信号光の強度ダイナミックレンジ１１．５ｄＢが得られる入力信号光の強度範囲において最大消費電力は約８００ｍＷと第１ＴＥＣの最大排熱能力に対して余力がある状況となっている。

以上のように、第１実施形態におけるＡＬＣ制御方式は、入力信号光の強度変動に対するモジュールのトータル消費電力の変動が小さく、その最大値を図２の制御方式に比べて飛躍的に小さく抑えることができる。

以上説明したように、第１実施形態では、ヒータ搭載ＳＯＡ素子の光利得制御方式として、ＳＯＡ素子への入力信号光強度をモニタして第１ＴＥＣ駆動電流およびＳＯＡ駆動電流をフィードフォワード制御し、一方で素子の出力信号光強度に対してヒータ駆動電流をフィードバック制御する方式を導入することで、図２に示した制御方式と同等の光利得の高速応答性を確保しながら、課題であったモジュール消費電力の増大を解決し、環境温度変化に対して強固なＡＬＣ制御機構を実現している。

図１０は、第２実施形態の半導体光増幅器モジュールの構造を示す図である。図３と比較して明らかなように、第２実施形態の半導体光増幅器モジュールは、入力第１レンズ４９を保持した入力レンズホルダ５０および出力第１レンズ５１を保持した出力レンズホルダ５２が、ガラス材質などの断熱板５５および５６を介して、第１ＴＥＣ４２上に固定されていることが、第１実施形態と異なる。図１０の構成では、第１ＴＥＣ４２のサイズに関係なく、入力第１レンズ４９および出力第１レンズ５１をヒータ搭載ＳＯＡ素子１１の入射面および出射面の直ぐ近くに配置することが可能で光結合効率の向上が見込まれる。また、入力レンズホルダ５０および出力レンズホルダ５２は、断熱板５５および５６によって第１ＴＥＣ４２と熱絶縁されているので、第１ＴＥＣ４２上の熱容量が大きく増加することは無く良好な応答速度を保持可能である。

第１および第２実施形態では、ヒートシンク４３の温度を、第２ＴＥＣ４５により外界の温度変化にかかわらず一定に保持して、その上で、ＳＯＡ素子への入力信号光強度をモニタして第１ＴＥＣ駆動電流およびＳＯＡ駆動電流をフィードフォワード制御し、一方で素子の出力信号光強度に対してヒータ駆動電流をフィードバック制御する、２系統の制御を行う制御方式を適用した。ここで、第１ＴＥＣが実質的に一定温度に保持される部材に保持されるならば、上記の制御方式が適用可能である。

以上、実施形態を説明したが、ＳＯＡ光利得制御を実現する構成やその制御フローは上記の限りでなく、他の構成や制御フローによっても同様な光利得制御が実施可能である。また、ヒータ内蔵ＳＯＡ素子の構造も上記の限りでなく、ＳＯＡ活性層、クラッド層、電極、ヒータ構造などは多電極分割構造も含めた様々な形態が取りうる。また、ヒータ周囲に溝を形成したり、周囲の熱抵抗を最適化することで上記実施形態よりヒータの熱効率を向上させることも可能である。

さらに、上記の実施形態において、光利得制御回路内のテーブルに格納されたＳＯＡ／第１ＴＥＣ駆動電流の標準値とその変化の様子は、図７に示した限りでなく、モジュール構成や材質、ＳＯＡ素子の特性によって様々な標準テーブルが作製されうる。

以上説明したように、実施形態によれば、ヒータ搭載ＳＯＡ素子を備えるモジュールの光利得制御において、モジュールに２段のＴＥＣを組み込んだ構造を採用し、ＳＯＡ駆動電流と第１ＴＥＣ駆動電流は入力信号光の強度により制御テーブルを参照したフィードフォワード制御とし、ヒータ駆動電流は出力信号光の強度に対するフィードバック制御とした制御方式を採用することで、ヒータ搭載ＳＯＡ素子を備えるモジュールによるＡＬＣ動作の利点であった高い飽和光出力を保持した安定なＡＬＣ動作や光利得応答の高速性に加え、入力信号光の強度変化に対するモジュールの消費電力変動を抑圧しその最大消費電力も大幅に低減させることで、高い環境温度下での動作まで安定に行うことを可能としている。

以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものであり、特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではなく、明細書のそのような例の構成は発明の利点および欠点を示すものではない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。

以下、実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
入力信号光を増幅して出力信号光を出力する半導体光増幅器モジュールであって、
半導体光増幅素子と、
前記半導体光増幅素子に搭載されるヒータと、
前記半導体光増幅素子を冷却または加熱する第１熱電冷却素子と、
前記第１熱電冷却素子を搭載するヒートシンクと、
前記ヒートシンクを冷却または加熱する第２熱電冷却素子と、を備えることを特徴とする半導体光増幅器モジュール。
（付記２）
前記ヒータは、前記半導体光増幅素子のＳＯＡ活性層の近傍に設けられている付記１に記載の半導体光増幅器モジュール。
（付記３）
前記ヒートシンクに搭載された温度センサと、
前記温度センサの検出する温度に基づいて、前記ヒートシンクの温度が一定になるように、前記第２熱電冷却素子を制御するヒートシンク温度制御回路と、を備える付記１または２に記載の半導体光増幅器モジュール。
（付記４）
前記入力信号光の強度を検出する入力光検出器と、
前記出力信号光の強度を検出する出力光検出器と、
前記入力光検出器の検出する入力信号光の強度および前記出力光検出器の検出する出力信号光の強度に基づいて、前記出力信号光の強度が所定の目標出力強度になるように、前記半導体光増幅素子の駆動電流、前記ヒータの駆動電流および前記第１熱電冷却素子の駆動電流を制御する光出力制御回路と、を備える付記１から３のいずれかに記載の半導体光増幅器モジュール。
（付記５）
前記光出力制御回路は、
前記入力光検出器の検出する前記入力信号光の強度および前記所定の目標出力強度に基づいて、あらかじめ記憶された制御テーブルを参照して前記半導体光増幅素子の駆動電流の目標注入電流および前記第１熱電冷却素子の駆動電流の目標熱電冷却電流を決定し、前記半導体光増幅素子の駆動電流を前記目標注入電流に、前記第１熱電冷却素子の駆動電流を前記目標熱電冷却電流に設定する第１制御回路と、
前記出力光検出器の検出する前記出力信号光の強度が、前記所定の目標出力強度に一致するように、前記ヒータの駆動電流を制御する第２制御回路と、を備える付記４に記載の半導体光増幅器モジュール。
（付記６）
前記入力光検出器を通過して前記半導体光増幅素子に入力する信号光を遅延する信号光遅延信号線を備える付記１から５のいずれかに記載の半導体光増幅器モジュール。
（付記７）
前記ヒータには、所定値以上の駆動電流が常時印加されている付記１から６のいずれかに記載の半導体光増幅器モジュール。
（付記８）
前記入力信号光を前記半導体光増幅器モジュールに入力する入力光ファイバと、
前記出力信号光を前記半導体光増幅器モジュールから出力する出力光ファイバと、
前記入力光ファイバと前記半導体光増幅素子の間で光結合を実現する第１光学素子と、
前記出力光ファイバと前記半導体光増幅素子の間で光結合を実現する第２光学素子と、を備え、
前記第１光学素子および前記第２光学素子は、前記第１熱電冷却素子に直接接触していない付記１から７のいずれかに記載の半導体光増幅器モジュール。
（付記９）
前記入力信号光を前記半導体光増幅器モジュールに入力する入力光ファイバと、
前記出力信号光を前記半導体光増幅器モジュールから出力する出力光ファイバと、
前記入力光ファイバと前記半導体光増幅素子の間で光結合を実現する第１光学素子と、
前記出力光ファイバと前記半導体光増幅素子の間で光結合を実現する第２光学素子と、を備え、
前記第１光学素子および前記第２光学素子は、前記第１熱電冷却素子に断熱材を介して接触している付記１から７のいずれかに記載の半導体光増幅器モジュール。
（付記１０）
半導体光増幅素子と、
前記半導体光増幅素子に搭載されるヒータと、
前記半導体光増幅素子を搭載する熱電冷却素子と、
入力信号光の強度変動に応じて、前記半導体光増幅素子の駆動電流を供給する半導体光増幅素子駆動回路および前記熱電冷却素子の駆動電流を供給する熱電冷却素子駆動回路を制御する第１の光利得制御回路と、
出力信号光の強度変動に応じて、前記ヒータの駆動電流を供給するヒータ駆動回路を制御する第２の光利得制御回路と、を備えることを特徴とする半導体光増幅器モジュール。
（付記１１）
前記熱電冷却素子は、一定温度に保持される部材に保持される付記１０に記載の半導体光増幅器モジュール。
（付記１２）
半導体光増幅素子と、前記半導体光増幅素子に搭載されるヒータと、前記半導体光増幅素子を搭載する熱電冷却素子と、を備え、入力信号光を増幅して出力信号光を出力する半導体光増幅器モジュールの制御方法であって、
前記半導体光増幅素子の駆動電流および前記第１熱電冷却素子の駆動電流を、検出した入力信号光の強度および所定の目標出力強度に基づいて制御テーブルから決定した目標注入電流および目標熱電冷却電流に設定する第１制御と、
検出した出力信号光の強度が、前記所定の目標出力強度に一致するように、前記ヒータの駆動電流を制御する第２制御と、を並行して行うことを特徴とする半導体光増幅器モジュールの制御方法。
（付記１３）
前記熱電冷却素子を保持する筐体を、一定温度に保持する第３制御を並行して行う付記１２に記載の半導体光増幅器モジュールの制御方法。

１１ヒータ搭載半導体光増幅器（ＳＯＡ）
１２ＳＯＡ活性層
１８ヒータ層
４１素子キャリア
４２第１熱電冷却素子（ＴＥＣ）
４３ヒートシンク
４４温度センサ
４５第２熱電冷却素子（ＴＥＣ）
４９入力第１レンズ
５１出力第１レンズ
２５、２６光カプラ
２７入力光検出器
２８出力光検出器
６１第１光利得制御回路
６２ＳＯＡ駆動回路
６３第１ＴＥＣ駆動回路
６５第２光利得制御回路
６６ヒータ駆動回路
６７温度制御回路

Claims

入力信号光を増幅して出力信号光を出力する半導体光増幅素子と、
前記半導体光増幅素子に搭載されるヒータと、
前記半導体光増幅素子を冷却または加熱する第１熱電冷却素子と、
前記第１熱電冷却素子を搭載するヒートシンクと、
前記ヒートシンクを冷却または加熱する第２熱電冷却素子と、を備えることを特徴とする半導体光増幅器モジュール。
前記ヒートシンクに搭載された温度センサと、
前記温度センサの検出する温度に基づいて、前記ヒートシンクの温度が一定になるように、前記第２熱電冷却素子を制御するヒートシンク温度制御回路と、を備える請求項１に記載の半導体光増幅器モジュール。
前記入力信号光の強度を検出する入力光検出器と、
前記出力信号光の強度を検出する出力光検出器と、
前記入力光検出器の検出する入力信号光の強度および前記出力光検出器の検出する出力信号光の強度に基づいて、前記出力信号光の強度が所定の目標出力強度になるように、前記半導体光増幅素子の駆動電流、前記ヒータの駆動電流および前記第１熱電冷却素子の駆動電流を制御する光出力制御回路と、を備える請求項１または２に記載の半導体光増幅器モジュール。
前記光出力制御回路は、
前記入力光検出器の検出する前記入力信号光の強度および前記所定の目標出力強度に基づいて、あらかじめ記憶された制御テーブルを参照して前記半導体光増幅素子の駆動電流の目標注入電流および前記第１熱電冷却素子の駆動電流の目標熱電冷却電流を決定し、前記半導体光増幅素子の駆動電流を前記目標注入電流に、前記第１熱電冷却素子の駆動電流を前記目標熱電冷却電流に設定する第１制御回路と、
前記出力光検出器の検出する前記出力信号光の強度が、前記所定の目標出力強度に一致するように、前記ヒータの駆動電流を制御する第２制御回路と、を備える請求項３に記載の半導体光増幅器モジュール。
前記入力光検出器を通過して前記半導体光増幅素子に入力する信号光を遅延する信号光遅延信号線を備える請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体光増幅器モジュール。
前記入力信号光を前記半導体光増幅器モジュールに入力する入力光ファイバと、
前記出力信号光を前記半導体光増幅器モジュールから出力する出力光ファイバと、
前記入力光ファイバと前記半導体光増幅素子の間で光結合を実現する第１光学素子と、
前記出力光ファイバと前記半導体光増幅素子の間で光結合を実現する第２光学素子と、を備え、
前記第１光学素子および前記第２光学素子は、前記第１熱電冷却素子に直接接触していない請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体光増幅器モジュール。
前記入力信号光を前記半導体光増幅器モジュールに入力する入力光ファイバと、
前記出力信号光を前記半導体光増幅器モジュールから出力する出力光ファイバと、
前記入力光ファイバと前記半導体光増幅素子の間で光結合を実現する第１光学素子と、
前記出力光ファイバと前記半導体光増幅素子の間で光結合を実現する第２光学素子と、を備え、
前記第１光学素子および前記第２光学素子は、前記第１熱電冷却素子に断熱材を介して接触している請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体光増幅器モジュール。
半導体光増幅素子と、
前記半導体光増幅素子に搭載されるヒータと、
前記半導体光増幅素子を搭載する熱電冷却素子と、
入力信号光の強度変動に応じて、前記半導体光増幅素子の駆動電流を供給する半導体光増幅素子駆動回路および前記熱電冷却素子の駆動電流を供給する熱電冷却素子駆動回路を制御する第１の光利得制御回路と、
出力信号光の強度変動に応じて、前記ヒータの駆動電流を供給するヒータ駆動回路を制御する第２の光利得制御回路と、を備えることを特徴とする半導体光増幅器モジュール。
前記熱電冷却素子は、一定温度に保持される部材に保持される請求項８に記載の半導体光増幅器モジュール。
入力信号光を増幅して出力信号光を出力する半導体光増幅素子の駆動電流および前記半導体光増幅素子を搭載する第１熱電冷却素子の駆動電流を、検出した入力信号光の強度および所定の目標出力強度に基づいて制御テーブルから決定した目標注入電流および目標熱電冷却電流に設定する第１制御工程と、
検出した出力信号光の強度が、前記所定の目標出力強度に一致するように、前記半導体光増幅素子に搭載されるヒータの駆動電流を制御する第２制御工程と、を並行して行うことを特徴とする半導体光増幅器モジュールの制御方法。