JP2013089754A - 波長可変半導体レーザの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発振波長の高速制御を安定的に実現すること。
【解決手段】この波長可変半導体レーザの制御方法は、波長可変半導体レーザの発振波長を制御する制御方法であって、ＳＧ−ＤＦＢ領域２４における注入電流の変化に対する発振波長の変化率ａと、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域２２におけるヒータ印加電力の変化に対する発振波長の変化率ｂとを取得し、目標発振波長と現在の発振波長との差分を算出し、差分がゼロに近づくように偏差が与えられた注入電流を、帰還制御によってＳＧ−ＤＦＢ領域２４に供給し、該注入電流の偏差及び変化率ａ，ｂを基に、ヒータ印加電力の目標値を決定し、該目標値と現在のヒータ印加電力との差がゼロに近づくように、帰還制御によってＣＳＧ−ＤＢＲ領域２２に供給するヒータ電流を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長可変半導体レーザの制御方法に関するものである。

以前から、半導体レーザの発光波長を制御する装置として、レーザとサーミスタ等の温度検出器をペルチェ素子等の熱電冷却素子（ＴＥＣ）に実装した装置が知られている。このような装置では、サーミスタでレーザの動作温度を検出し、検出結果をＴＥＣに帰還することでレーザの発振波長が制御されている。近年、ＷＤＭ（波長分割多重）通信技術の発展に伴い、レーザの発振波長を高精度に制御することが要請されている。例えば、下記特許文献１には、波長検出器によって検出された波長シフトをＴＥＣに帰還して、レーザの動作温度を微調整することで高精度の波長制御を行なうレーザの駆動方法が記載されている。

また、最近では、複数の波長の中から１つの波長を選択するデバイスとして波長可変半導体レーザが注目されている。波長可変半導体レーザは、利得領域と波長選択領域を有している。通常、波長可変半導体レーザは、ＴＥＣを用いてレーザの動作温度に対して制御を行い、波長選択領域の電流や温度の調整で屈折率を変化させるとともにレーザの動作温度を微調整することで所望の発振波長を出力させる。例えば、下記特許文献２には、レーザ素子の波長選択領域に対してモノリシックに集積されたヒータにより波長選択領域の光導波路の温度を変化させることで屈折率を変化させ、所望の発振波長を選択し、出力する波長可変半導体レーザが提案されている。

特開２００３−１９８０５４号公報 特開２００７−２０１４２５号公報

最近、レーザに対してより高速な波長制御が求められており、例えば、Tunable-XFPの規格では数十ミリ秒の短時間で波長を変更することが要求されている。これは、波長の制御を高速で行うことが必要となる。しかし、従来のレーザ動作温度の調整による波長制御によれば、ＴＥＣの応答速度が数秒と遅く、高速に波長を制御することが困難であった。300pinトランスポンダ用途では、この程度の応答時間で発振波長を安定化させれば十分であったが、上記規格の要求に応えるには応答速度が十分ではなかった。

そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、発振波長の高速制御を安定的に実現する波長可変半導体レーザの制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の波長可変半導体レーザの制御方法は、注入電流によって利得波長特性が変化する第１の波長選択部と、ヒータに印加する電力によって反射波長特性が変化する第２の波長選択部を有する波長可変半導体レーザを制御する方法であって、第１の波長選択部における注入電流の変化に対する発振波長の変化を示す第１の変化率と、第２の波長選択部における印加電力の変化に対する発振波長の変化を示す第２の変化率を取得し、目標発振波長と現在の発振波長との差分を算出し、差分がゼロに近づくように偏差が与えられた注入電流を、第１の帰還制御によって第１の波長選択部に供給し、該注入電流の偏差、該第１の変化率、及び該第２の変化率を基に、ヒータに供給する印加電力の目標値を決定し、該目標値と現在の印加電力との差がゼロに近づくように、第２の帰還制御によって第２の波長選択部に供給する電流を調整する。

このような波長可変半導体レーザの制御方法によれば、目標発振波長と現在の発振波長との差分がゼロに近づくように、第１の波長選択部に供給する注入電流が第１の帰還制御によって調整され、第１の波長選択部における注入電流の変化に対する発振波長の第１の変化率、第２の波長選択部におけるヒータの電力の変化に対する発振波長の第２の変化率、及び注入電流の偏差を基に、ヒータの電力の目標値が決定され、その電力の目標値が第２の波長選択部に供給されるように、第２の帰還制御によって第２の波長選択部に供給する電流が調整される。このようにすれば、注入電流を調整する第１の帰還制御とヒータの電力を調整する第２の帰還制御とを同時に安定して動作させることができるとともに、レーザの発振波長を短時間で目標値に安定化させることができる。その結果、発振波長の高速制御を安定的に実現することができる。

ここで、第１の帰還制御の時定数は、第２の帰還制御の時定数よりも長い、ことが好ましい。この場合、応答特性の異なる波長選択部に対して安定した発振波長の制御が可能になる。

また、第１の帰還制御の利得は、第２の帰還制御の利得より小さい、ことも好ましい。そうすれば、この場合、応答特性の異なる波長選択部に対して安定した発振波長の制御が可能になる。

さらに、第１の帰還制御と第２の帰還制御とは逐次的に実行される、ことも好ましい。このようにすれば、２つの帰還制御をより安定して動作させることができる。

またさらに、第１の帰還制御と第２の帰還制御とは独立して並列に実行される、ことも好ましい。このようにすれば、発振波長の制御動作をより高速化することができる。

さらにまた、第１、第２の変化率の取得後に、ヒータに印加する電力を補正する工程を含む、ことも好ましい。この場合、ヒータに経年劣化が生じても安定して所望の波長を出力することができる。

また、第２の波長選択部に供給する電流を調整後に、ヒータに印加する電力を補正する工程をさらに含む、ことも好ましい。そうすれば、ヒータ電力を所望の範囲内に収まるように補正してから次の波長制御のステップに進めることで、より確実な発振波長制御を行うことができる。

さらに、印加電力の目標値、及び現在の印加電力からヒータに印加する電流の偏差を求め、当該偏差をヒータに加える、ことも好ましい。この場合、ヒータそれ自体の経年変化を補償することができる。

本発明の波長可変半導体レーザの制御方法によれば、発振波長の高速制御を安定的に実現することができる。

図１は、本発明の好適な一実施形態に係る波長可変半導体レーザの駆動装置の基本構成を示すブロック図である。 図１のレーザにおいて、注入電流及びヒータ温度を変化させた場合の発振波長Ｗｐ特性を示すグラフである。 図１のコントローラ１８の機能構成を示すブロック図である。 図１の駆動装置による発振波長制御の動作手順を示すフローチャートである。 本発明の変形例における発振波長制御の動作手順を示すフローチャートである。 本発明の別の変形例におけるコントローラ１８の機能構成を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明による波長可変半導体レーザの制御方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の好適な一実施形態に係る波長可変半導体レーザ用駆動装置の基本構成を示すブロック図である。この駆動装置１は、波長可変半導体レーザ１０が載置されたペルチェ素子などの熱電冷却素子（ＴＥＣ：Thermoelectric Cooler）１２と、波長可変半導体レーザ１０の周辺温度を検出するサーミスタ等の温度センサ１４と、波長可変半導体レーザ１０の出力光の強度及び発振波長を検出する波長モニタ１６と、波長可変半導体レーザ１０の光出力動作を制御するコントローラ（制御回路）１８を含んで構成されている。なお、波長モニタ１６は、本実施の形態では波長可変半導体レーザ１０の光の出射端面側に配置されているが、光反射端面側に配置されてもよい。

波長モニタ１６は、波長可変半導体レーザ１０の出力光の強度を直接検出する（波長特性を有する光学素子を介することなく検出する）受光素子と、当該出力光を、エタロンフィルタ等の波長特性を有する光学素子を経由させた後に検出する受光素子とを含む。エタロンフィルタは周期的な波長透過特性を有し、出力光の波長がシフトすると、その透過光強度が変化するため、出力光の波長を間接的に検知することができる。２つの受光素子の出力信号はコントローラ１８に提供される。

次に、本実施形態の駆動装置１の制御対象である波長可変半導体レーザ１０について説明する。この波長可変半導体レーザ１０は、反射領域（ＣＳＧ−ＤＢＲ（Chirped Sampled Grating Distributed Bragg Reflector）領域）２２、活性領域（ＳＧ−ＤＦＢ（SampledGrating Distributed Feedback）領域）２４、及び光増幅領域（ＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier）領域）２６が順に連結された構造を持つ。ここで、波長可変に寄与し、波長選択部に相当する領域はＳＧ−ＤＦＢ領域（第１の波長選択部）２４とＣＳＧ−ＤＢＲ領域（第２の波長選択部）２２の二つである。

ＣＳＧ−ＤＢＲ領域２２は、回折格子が形成された領域が所定の間隔で設けられた光導波路を含み、所定の間隔の複数のピークを有する反射スペクトルを示す。ここで、後述するＳＧ−ＤＦＢ領域２４による複数の利得ピークに係る所定の間隔と、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域２２の反射ピーク間隔は僅かに異なっている。そして、ＳＧ−ＤＦＢ領域２４に係る複数の利得ピークのうちの一と、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域２２に係る複数の反射ピークのうちの一とが一致する波長で、この波長可変半導体レーザ１０が発振する。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域２２には、この領域上にモノリシックに集積されたヒータ２８が設けられており、ヒータ２８に与える熱量により光導波路の屈折率を変化させることでこの領域２２の反射スペクトルのピーク波長を調整する。すなわち、ヒータ２８に設けられた電極３０に印加する電力により、反射ピーク波長がシフトし、その一のピーク波長をＳＧ−ＤＦＢ領域２４の複数の利得ピークのうちの一に一致させることが可能となる。さらに、この反射スペクトル及び利得スペクトルは波長可変レーザ１０の動作温度によっても変化する。

ＳＧ−ＤＦＢ領域２４をさらに説明する。当該領域にはＣＳＧ−ＤＢＲ領域と同様に回折格子が形成された領域が光軸に沿って所定の間隔で設けられ、かつ上記回折格子が形成された領域に対応する利得領域と、回折格子が形成されていない領域に対応する屈折率調整領域が交互に配置された光導波路を含む。このＳＧ−ＤＦＢ領域２４は全体として所定の間隔で配置された複数のピークを有する利得スペクトルを示す。ＳＧ−ＤＦＢ領域２４では、利得領域に対して駆動電流を注入するための電極３２と、屈折率調整領域に対して電流を注入するための電極３３を備える。屈折率調整領域は、この電極３３から注入される電流によって屈折率が変化し、その結果ＳＧ−ＤＦＢ領域２４の利得ピーク波長がシフトする。さらに、この利得ピーク波長は、レーザの動作温度によっても変化する。

ＳＯＡ領域２６は、光導波路を含んでおり、その光導波路での光増幅率を制御するための電極３４を有している。この電極３４へのキャリア（電流）注入量を変更することにより、光増幅率を調整することができる。なお、これらのＣＳＧ−ＤＢＲ領域２２、ＳＧ−ＤＦＢ領域２４、及びＳＯＡ領域２６は、それらの光導波路が互いに光結合されている。

波長可変半導体レーザ１０は、上記のような構造を有することで、レーザの動作温度を一定に保った状態でヒータ２８に供給する電力、及び屈折率調整領域への注入電流によってその発振波長を制御できる。図２は、レーザの動作温度を一定とし、注入電流及びヒータ２８の平均温度（ヒータ温度）を変化させた場合の波長可変半導体レーザ１０の発振波長Ｗｐの挙動を示す図である。

図２左図において、実線は発振波長が不連続に変化する境界線を示している。つまり、実線で囲まれた帯状の領域では、発振波長に寄与する利得ピークと反射ピークの組み合わせが同一であるが、この実線を境に発振波長に寄与する上記ピークの組み合わせが変化することを示している。

また、図２右図に示すように、実線で囲まれた帯状の領域では、右下から左上にかけて、発振波長が連続的に長波長側に変化している。例えば、注入電流を３０ｍＡで一定に維持したままヒータ温度を２１°Ｃから上げていくと、発振波長が０．０１ｎｍも増加しないうちに発振波長に寄与する利得ピークが隣接する次のピークに遷移し、発振波長が不連続に変化してしまう。また、例えば、ヒータ温度を２１°Ｃで一定に維持したまま、注入電流を３０ｍＡから徐々に下げていくと、発振波長が０．０４ｎｍ増加したところで発振波長に寄与する利得ピークが隣接する次のピークに遷移し、発振波長が不連続に変化してしまう。したがって、ヒータ温度、注入電流のうちひとつのみ変化させるだけでは発振波長を安定して変化させることはできない。

そこで、注入電流とヒータ温度について所定の割合をもってそれぞれ変化させると、例えば、注入電流を所定値だけ減少させ、ヒータ温度をこの所定値に対応する温度だけ上昇させると、発振波長についての動作点は図２の実線で示した境界線に対して平行に移動することになり、発振波長に寄与する利得ピークと反射ピークの組み合わせを一定に保ったまま、発振波長を連続的に安定して変化せることが可能となる。本実施形態は、かかる注入電流とヒータ温度、すなわちヒータ印加電力について、可変の所定条件下に設定することで、波長可変半導体レーザ１０の発振波長を制御することを意図する。

コントローラ１８は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算回路と、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶手段と、電源回路と、Ａ／Ｄコンバータを含むモニタ回路とを含んで構成されている。あるいは、これら各機能ブロックを個別に設けてもよい。記憶手段は、波長可変半導体レーザ１０の各設定波長に対応する各種制御パラメータの初期設定値、制御目標値を格納しているルックアップテーブル(LUT：Look up table)を含む。このコントローラ１８の出力は、電極３０，３２，３３，３４等の電極を介して、波長可変半導体レーザ１０の各領域２２，２４，２６に提供されている。

まず、駆動装置１を起動した後の動作として、コントローラ１８は、温度センサ１４のモニタ値を用いて、波長可変半導体レーザ１０の動作温度が目標値になるようにＴＥＣ１２を制御し、設定波長に寄らずレーザ動作温度を常に一定温度に維持する。次いで、コントローラ１８は、電極３０、３２、３３、３４にそれぞれＬＵＴ２０に保持されている所定のバイアス信号を設定することにより、波長可変レーザ１０の出力光の波長を所定の波長付近に設定する。それぞれの信号は、波長可変半導体レーザ１０を所定の波長で動作させた時のバイアス条件として予め求めておいたものである。

しかしながら、動作時の環境温度、波長可変半導体レーザ１０の経時変化（劣化）等で、上記所定のバイアス信号を与えたとしても、波長可変半導体レーザ１０の発振波長は、所定波長付近に設定はされるが、たとえば、波長分割多重通信システムの仕様で要求される誤差内に収斂している補償は無い。そこで、コントローラ１８は、波長可変半導体レーザ１０の発振波長が許容される誤差内で所定の波長に一致するように負帰還制御を施して微調整を行う。図３は、この負帰還制御の制御ブロック図を示す。

図３に示すように、制御ループは第１の帰還ループＬ１と第２帰還ループＬ２を含む。第１の帰還ループＬ１は、波長モニタ１６から出力される２つの受光素子の出力信号の比Ｉ_ＰＤ２／Ｉ_ＰＤ１を算出する除算器４０と、発振波長の目標値ｔ_{＿ｌａｍｂｄａ}と上記出力信号の比Ｉ_ＰＤ２／Ｉ_ＰＤ１との差を出力する減算器４２と、この差（ｔ_{＿ｌａｍｂｄａ}−Ｉ_ＰＤ２／Ｉ_ＰＤ１）を利得Ｇ_１で増幅する増幅器４４と、増幅器４４から出力された値に応じて屈折率調整領域に注入する電流Ｉ_Ｔｕｎｅを、初期値Ｉ_{Ｔｕｎｅ＿ｉｎｉ}を基準として増減する加算器４６とを含む。ここで、Ｉ_ＰＤ１は波長可変半導体レーザ１０の出力光強度をモニタする受光素子が出力する信号、Ｉ_ＰＤ２はエタロンフィルタを通過させた後の光強度をモニタする受光素子が出力する信号である。目標値ｔ_{＿ｌａｍｂｄａ}はこの二つの信号の比（Ｉ_ＰＤ２／Ｉ_ＰＤ１）について、波長可変半導体レーザ１０が所定の波長の光を出力している時の比に相当する。従って、減算器４２は、目標の発振波長（所定の発振波長）と波長可変半導体レーザ１０の現在の発振波長との差分を算出することになる。ただし、波長可変半導体レーザ１０の初期動作時には、二つの受光素子は微弱な光信号を検知しているにすぎず、その出力信号の比は不定となるため、制御信号ＣＴＲＬ１により減算器４２はゼロを出力する。増幅器４４は、その利得Ｇ_１が十分大きな増幅器もしくは積分器とすることもできる。初期動作時には減算器４２の出力がゼロとなるので、この増幅器４４の出力もゼロに設定され、第１のループＬ１の出力には、初期電流値Ｉ_{Ｔｕｎｅ＿ｉｎｉ}がそのまま出力される。

波長可変半導体レーザ１０が所定のバイアス信号を設定されて実際に光出力を生ずると、制御信号ＣＴＲＬ１を解除して減算器４２を動作させる。すると第１の帰還ループＬ１が動作し、その出力である屈折率調整領域に注入する電流値Ｉ_Ｔｕｎｅは、二つの受光素子の出力信号の比（Ｉ_ＰＤ２／Ｉ_ＰＤ１）が所定の発振波長に対する値ｔ_{＿ｌａｍｂｄａ}に収斂する様な値に設定されてＳＧ−ＤＦＢ領域２４に印加される。

第２の帰還ループＬ２は、現在ヒータに供給されている電流Ｉ_{Ｈｅａｔｅｒ}及びその時の印加電圧Ｖ_{Ｈｅａｔｅｒ}をモニタしてヒータに供給している電力（ヒータ電力）を算出する乗算器４８と、ヒータ電力の目標値と乗算器４８から出力される現在のヒータ電力との差をとる減算器５０と、減算器５０の出力を利得Ｇ_２で増幅する増幅器５２と、増幅器５２の出力に応じてヒータに供給するヒータ電流値Ｉ_{Ｈｅａｔｅｒ}をその初期値Ｉ_{Ｈｅａｔｅｒ＿ｉｎｉ}を基準として増減する加算器５４を含む。ここで、増幅器５２は、その利得Ｇ_２が十分大きな増幅器もしくは積分器とすることもできる。第２のループＬ２が最初に動作する初期応答時には、制御信号ＣＴＲＬ２を減算器５０に提供しその出力をゼロに設定する。この場合、増幅器５０の出力もゼロとなるため、ヒータ電流初期値（Ｉ_{Ｈｅａｔｅｒ＿ｉｎｉ}）がヒータ電流（Ｉ_{Ｈｅａｔｅｒ}）として出力される。

ヒータに対する初期電流を設定後、制御信号ＣＴＲＬ２を解除して減算器５０による減算を実行し、第２の帰還ループＬ２によるヒータ電力についての負帰還制御を実行する。すなわち、現在のヒータ電力について目標電力との差に基づくヒータ印加電流が増幅器５２により設定され、その初期値（Ｉ_{Ｈｅａｔｅｒ＿ｉｎｉ}）に対して偏差として加減された後、ヒータ印加電流（Ｉ_{Ｈｅａｔｅｒ}）として、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域２２上のヒータに印加される。ヒータ印加電力を基準とするのは、当該ヒータに印加する電流もしくは電圧の一方のみの制御では、ヒータそれ自体の経年変化を補償できないためである。

制御フローについて説明する。コントローラ１８はまず、ＬＵＴから取得した、設定波長に対応する初期電流値Ｉ_{ＤＦＢ＿ｉｎｉ}、初期電流値Ｉ_{ＳＯＡ＿ｉｎｉ}、初期電流値Ｉ_{Ｈｅａｔｅｒ＿ｉｎｉ}、及び初期電流値Ｉ_{Ｔｕｎｅ＿ｉｎｉ}を、波長可変半導体レーザ１０に供給しレーザ発振させる。この初期電流値Ｉ_{ＤＦＢ＿ｉｎｉ}は、ＳＧ−ＤＦＢ領域２４の利得領域に注入する電流値であり、初期電流値Ｉ_{ＳＯＡ＿ｉｎｉ}は、ＳＯＡ領域２６に注入する電流値であり、初期電流値Ｉ_{Ｈｅａｔｅｒ＿ｉｎｉ}は、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域２２内のヒータ２８に供給する初期電流値であり、初期電流値Ｉ_{Ｔｕｎｅ＿ｉｎｉ}は、ＳＧ−ＤＦＢ領域２４の屈折率調整領域に対する注入電流値である。この時、注入電流とヒータ電流については、図３中の制御信号ＣＴＲＬ１、ＣＴＲＬ２をセットし、第１の帰還ループＬ１、第２の帰還ループＬ２の帰還動作を遮断しておく。また、コントローラ１８は、二つのＰＤの出力信号の比Ｉ_ＰＤ２／Ｉ_ＰＤ１についての目標値ｔ_{＿ｌａｍｂｄａ}と、ヒータに与える電力目標値、およびその印加電流の初期値ｔ_＿Ｐ_{Ｈｅａｔｅｒ}、Ｉ_{Ｈｅａｔｅｒ＿ｉｎｉ}も同時に取得する。

このように、設定波長に対応する初期電流値が設定されると、波長可変半導体レーザ１０の発振波長が所定の波長の近傍に設定される。このとき、波長モニタ１６から出力される２つの受光素子の検出電流信号の比Ｉ_ＰＤ２／Ｉ_ＰＤ１は、発振波長の変化状態を示し、目標値ｔ_{＿ｌａｍｂｄａ}に近い値となっている。

この初期動作完了後に制御信号ＣＴＲＬ１、ＣＴＲＬ２を解除し、第１、第２の帰還ループＬ１、Ｌ２を動作させ波長制御を開始する。第２の帰還ループＬ２には、第１の帰還ループＬ１の制御状態に応じてヒータ電力の目標値を決定するための増幅器５６及び加算器５８も備えられている。この増幅器５６には、ＬＵＴから取得される増幅率αが予め設定される。この増幅率αは、２つのパラメータａ、ｂからα＝ｂ／ａとして算出される。すなわち、図２に示したような波長可変半導体レーザ１０の発振波長特性に基づいて、目標発振波長における注入電流値に対する発振波長の変化率ａ＝Δλ／ΔＩ_Ｔｕｎｅと、目標発振波長におけるヒータ電力値に対する発振波長の変化率ｂ＝Δλ／ΔＰ_{Ｈｅａｔｅｒ}とが予め測定され、増幅率αとしてＬＵＴに保持されている。増幅器５６は、第１の帰還ループＬ１にて決定された現在の注入電流値Ｉ_Ｔｕｎｅの初期値Ｉ_{Ｔｕｎｅ＿ｉｎｉ}からの偏差に増幅率αを乗じ、第２の帰還ループＬ２の目標値ｔ＿Ｐ_{Ｈｅａｔｅｒ}に加える。この値は、波長変化Δλを与える注入電流の偏差をΔＩ_Ｔｕｎｅ＝ａ×Δλとした場合に、同じ波長変化Δλを与えるヒータ電力の偏差ΔＰ_{Ｈｅａｔｅｒ}＝ｂ×Δλに等しい。そして、加算器５８は、ヒータ電力の目標値ｔ＿Ｐ_{Ｈｅａｔｅｒ}を、増幅器５６によって変換された偏差を加えることによって調整し、調整後の目標値ｔ＿Ｐ_{Ｈｅａｔｅｒ}を減算器５０に向けて出力する。これにより、この帰還ループＬ２では、第１の帰還ループＬ１によって制御される注入電流の偏差に応じてヒータ電力の目標値が決定され、この目標値に従ったヒータ電力の帰還制御が実行されることになる。

上記構成のコントローラ１８においては、第１の帰還ループＬ１を利用した帰還制御の時定数が、第２の帰還ループＬ２を利用した帰還制御の時定数よりも長くなるように設定されている。これは、ＳＧ−ＤＦＢ領域２４に関しては、帰還ループＬ１にて算出した注入電流の偏差を加算器４６にてＩ_{Ｔｕｎｅ＿ｉｎｉ}に加算して屈折率調整領域に注入するのに対し、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域２２に関しては、第１の帰還ループＬ１と増幅器５６を用いて算出したヒータ電力の偏差をヒータ電力の目標値に加算したうえで第２の帰還ループＬ２によりヒータ電力の負帰還制御を行なうためである。本実施の形態に係るＣＳＧ−ＤＢＲ領域２２に設けられたヒータは、そのサイズが小さいことから印加電力が熱に変換されるまでの応答は速い。従って制御の時定数は、帰還ループＬ２の他の要素に係る応答速度（時定数）に律速される。そのため、二つの帰還ループを安定的に動作させるため、第１の帰還ループＬ１の時定数を、第２の帰還ループＬ２の時定数よりも長く設定する。そこで、応答特性（時間）の異なる波長選択部に対して安定した波長制御を行うために、波長選択部毎に異なる時定数が設定されている。

具体的には、第１の帰還ループＬ１のループ利得が、第２の帰還ループＬ２のループ利得よりも小さく設定されている。ＳＧ−ＤＦＢ領域２４の波長制御の応答速度は増幅器４４の利得Ｇ_１等に左右され、一方、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域２２の波長制御の応答速度は増幅器５２の利得Ｇ_２等に左右される。従って、それぞれの応答速度は、第１の帰還ループＬ１に関しては増幅器４４の利得Ｇ_１、第２の帰還ループ２に関しては増幅器５２の利得Ｇ_２により容易に調整することができる。第１の帰還ループＬ１では１サイクル内での最大の注入電流の変化量（偏差）を小さく設定することにより、第１の帰還ループＬ１の時定数を長くすることができる。

また、第１の帰還ループＬ１における発振波長のモニタリング間隔および当該モニタに基づく算術演算等の処理速度を、第２の帰還ループＬ２におけるヒータ印加電圧及びヒータ供給電流に基づく算術演算等の処理時間よりも長く設定してもよい。あるいは、第１の帰還ループＬ１における発振波長のモニタリング間隔を、第２の帰還ループＬ２におけるヒータ電圧及びヒータ電流のモニタリング間隔と同じくし、第１の帰還ループＬ１でのモニタリング以後の算術演算等の処理頻度を、第２の帰還ループＬ２における算術演算処理頻度よりも低下させてもよい。また、このようなループ利得の設定と、２つの帰還制御の処理頻度の設定とは、併用されていてもよい。

このように２つの帰還制御の時定数を異なるように設定することで、ヒータ電力の負帰還制御では、その目標電力値ｔ＿Ｐ_{Ｈｅａｔｅｒ}が不安定になることはなく安定した波長制御が実現できる。

以下、図４を参照して、波長可変半導体レーザ用駆動装置１による波長可変半導体レーザ１０の駆動動作の手順を説明するとともに、本実施形態にかかる波長可変半導体レーザの制御方法について詳述する。

図４（ａ）は、注入電流を調整する第１の帰還ループＬ１を用いた帰還制御と、ヒータ電力を調整する第２の帰還ループＬ２を用いた帰還制御とが順次（逐次的に）実行される場合の動作手順である。この動作方式は、デジタル動作によって制御ループが構成されることを前提としている。すなわち、第１の帰還ループＬ１の制御動作を一回行って波長差分Δλに対する注入電流の補償値ΔＩ_Ｔｕｎｅを見積もり、これを次回の注入電流に設定するとともに、ΔＩ_Ｔｕｎｅとαから算出したヒータ電力の補償値ΔＩ_{Ｈｅａｔｅｒ}を用いて第２の帰還ループＬ２におけるヒータ電流の目標値を書き換える。この二つの帰還ループを逐次的に処理する方式である。

同図に示すように、波長可変半導体レーザ１０の駆動が開始されると、ＬＵＴ２０から取得した初期値を基に、波長可変半導体レーザ１０に対して注入電流等の各種電流やヒータ電力が供給される（ステップＳ０１）。このステップＳ０１での初期値設定段階では、２つの帰還ループＬ１，Ｌ２は、それぞれの制御信号ＣＴＲＬ１、ＣＴＲＬ２をセットすることにより、これら初期値がフィードフォワードで提供され、独立の開ループ制御を行う。そうすると、波長可変半導体レーザ１０のレーザ発振動作が開始され、その発振波長はコントローラ１８に対して外部から入力される波長選択信号に応じた目標値に概ね等しい値に設定される（ステップＳ０２）。

次に、波長可変半導体レーザ１０に対して初期値が設定された後に、コントローラ１８における２つの制御信号ＣＴＲＬ１、ＣＴＲＬ２を解除し、帰還ループＬ１，Ｌ２がそれぞれ閉ループに設定される。ステップＳ０１の処理により発振波長は概ね目標波長に設定されているが、厳密には（ＷＤＭシステムで要求される精度では）目標波長（グリッド波長）に一致していない。

発振波長を目標波長に厳密に一致させるため、波長可変半導体レーザ用駆動装置１は、２つの帰還ループＬ１，Ｌ２をそれぞれ閉ループに設定した後に、以下のように動作する。すなわち、コントローラ１８により、波長モニタ１６から検出電流信号Ｉ_ＰＤ２，Ｉ_ＰＤ１がモニタされ、検出電流信号の比Ｉ_ＰＤ２／Ｉ_ＰＤ１を算出することにより波長可変半導体レーザ１０の発振波長が特定される（ステップＳ０３）。その後、コントローラ１８により、第１の帰還ループＬ１を利用した帰還制御が実行され、発振波長が目標波長に近づくように波長可変半導体レーザ１０に供給する注入電流が調整される（ステップＳ０４）。さらに、ステップＳ０４の処理に引き続いて、コントローラ１８により、ヒータ電力の目標値が注入電流の設定値の偏差を基に設定され、その目標値を基に第２の帰還ループＬ２を利用した帰還制御が実行される（ステップＳ０５）。この帰還制御によって、ヒータ電力が目標値に近づくようにヒータ電流が調整される。このステップＳ０３〜ステップＳ０５の処理は、この順番で繰り返し実行される。

また、図４（ｂ）に示すように、本実施形態では、注入電流を調整する第１の帰還ループＬ１を用いた帰還制御と、ヒータ電力を調整する第２の帰還ループＬ２を用いた帰還制御とが並列に同時実行される手順が採用されてもよい。この手順は、第１の帰還ループＬ１の制御動作を行って注入電流の補償値ΔＩ_Ｔｕｎｅを求め、これをヒータ電力の目標値に設定することは同様であるが、２つの帰還ループＬ１，Ｌ２の制御動作を互いに独立して行う点が異なる。詳細には、図４（ａ）に示した手順と同様にして波長可変半導体レーザ１０に対する初期値設定、発振波長の検出が行われた後（ステップＳ１１〜Ｓ１３）、第１の帰還ループＬ１を利用した注入電流調整及び第２の帰還ループＬ２を利用したヒータ電力調整が並列に実行される（ステップＳ１４，Ｓ１５）。このステップＳ１３，Ｓ１４，Ｓ１５の処理は繰り返し実行される。

以上説明した波長可変半導体レーザの制御方法によれば、目標発振波長と現在の発振波長との差分がゼロに近づくように、ＳＧ−ＤＦＢ領域２４に供給する注入電流Ｉ_Ｔｕｎｅが帰還制御によって調整され、ＳＧ−ＤＦＢ領域２４における注入電流の変化に対する発振波長の変化率ａ、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域２２におけるヒータ電力の変化に対する発振波長の変化率ｂから算出した係数α＝ｂ／ａ、及びＴｕｎｅ電流の偏差を基に、ヒータ電力の目標値ｔ＿Ｐ_{Ｈｅａｔｅｒ}が決定され、その電力の目標値ｔ＿Ｐ_{Ｈｅａｔｅｒ}がＣＳＧ−ＤＢＲ領域２２に供給されるように、帰還制御によってヒータ２８に供給するヒータ電流Ｉ_{Ｈｅａｔｅｒ}が調整される。このようにすれば、注入電流を調整する帰還制御とヒータ電力を調整する帰還制御とを同時に安定して動作させることができるとともに、レーザの発振波長を短時間で目標値に安定化させることができる。その結果、発振波長の高速制御を安定的に実現することができる。

また、コントローラ１８における第１の帰還ループＬ１による帰還制御の時定数が、第２の帰還ループＬ２による帰還制御の時定数よりも長く設定されているので、注入電流の調整動作の応答時間とヒータ電力の調整動作の応答時間を近づけることができ、安定した発振波長の制御が可能になる。

さらに、第１の帰還ループＬ１による帰還制御と第２の帰還ループＬ２による帰還制御とが連続的に実行される場合には、ヒータ電力の目標値が現時点での目標波長に確実に対応して設定されるので、２つの帰還制御をより目標発振波長に近づくように安定して動作させることができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、波長可変半導体レーザ用駆動装置１は、ヒータ電力の初期値を補正する機能を有していてもよい。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、それぞれ、図４（ａ）及び図４（ｂ）のレーザ駆動動作手順に対してヒータ電力の初期値を補正する動作を追加した場合の動作手順を示している。図５（ａ）におけるステップＳ２１，Ｓ２２，Ｓ２５〜Ｓ２７の動作は、図４（ａ）におけるステップＳ０１〜Ｓ０５の動作と同一であり、図５（ｂ）におけるステップＳ４１，Ｓ４２，Ｓ４５〜Ｓ４７の動作は、図４（ｂ）におけるステップＳ１１〜Ｓ１５の動作と同一である。

このような補正機能は、ヒータ２８の抵抗値が経年劣化で変化する場合を考慮して設けられる。すなわち、ヒータ２８の抵抗値がＲ_{Ｈｅａｔｅｒ}’に変化した場合には、ヒータ電流の初期値Ｉ_{Ｈｅａｔｅｒ＿ｉｎｉ}によって設定される電力Ｐ_{Ｈｅａｔｅｒ}’は、下記式；
Ｐ_{Ｈｅａｔｅｒ}’＝Ｉ_{Ｈｅａｔｅｒ＿ｉｎｉ}×Ｖ_{Ｈｅａｔｅｒ＿ｉｎｉ}’
＝Ｉ_{Ｈｅａｔｅｒ＿ｉｎｉ} ^２×Ｒ_{Ｈｅａｔｅｒ}’
によって計算される値に設定され、ヒータ電力の当初の目標値ｔ＿Ｐ_{Ｈｅａｔｅｒ}からずれる結果となる。そこで、図５（ａ）のステップＳ２３，２４及び図５（ｂ）のステップＳ４３，４４に示すように、コントローラ１８が、波長可変半導体レーザ１０のレーザ発振を開始させた後に、ヒータ電力が目標範囲内に収まっているか否かを判定し、収まっていない場合にはヒータ電力を目標値まで補正する処理を追加し、その後に発振波長制御を開始する。これにより、ヒータ２８に経年劣化が生じても安定して所望の波長を出力することができる。同様に、図５（ａ）のステップＳ２８，２９及び図５（ｂ）のステップＳ４８，４９に示すように、ヒータ電力の補正処理が、発振波長の帰還制御後に追加されてもよい。このようにヒータ電力を所望の範囲内に収まるように補正してから次の波長制御のステップに進めることで、より確実な発振波長制御を行うことができる。

さらに、上記実施の形態では、ヒータ電力を制御するループＬ２は注入電流を制御するループＬ１を経た後動作する、いわゆる二重ループ構成を採用している。本発明に係る波長可変半導体レーザ１０では、モノリシックに構成されたヒータを採用しているので、ループＬ２の応答は電力制御ループではあっても比較的速い応答速度を有しているものの、二重ループ構成であることに変わりはない。二つのループを安定に動作させるために、注入電流を制御する第１のループＬ１の時定数を敢えて第２のループＬ２の時定数よりも大きくする必要がある。したがって、二重ループ全体の応答速度を速めるためには、ヒータ電力を制御する第２のループＬ２の応答を速める必要がある。

図６はそのための構成の一例を示す機能ブロック図である。図６は図３の構成に加えて加算器６０および演算ユニット６２を含む。図３の構成では、帰還ループＬ１の作用によりヒータ電力の偏差ΔPが与えられ、電力目標値ｔ＿Ｐ_{Ｈｅａｔｅｒ}に加算されて新たな目標値が設定されて帰還ループＬ２を動作させた。ここで、新たな目標値ｔ＿Ｐ_{Ｈｅａｔｅｒ}＋ΔＰが設定された場合には、ヒータの抵抗値Ｒを予め知っておくことで、ヒータに与える電流Ｉ_{Ｈｅａｔｅｒ}との関係が
Ｐ＋ΔＰ＝（Ｉ_{Ｈｅａｔｅｒ}＋ΔＩ_{Ｈｅａｔｅｒ}）^２×Ｒ
で表されることから、ヒータ電流の変化量ΔＩ_{Ｈｅａｔｅｒ}は
ΔＩ_{Ｈｅａｔｅｒ}＝√｛（Ｐ＋ΔＰ）／Ｒ｝−√（Ｐ／Ｒ）＝ｆ（Ｐ）
と計算される。このヒータ電流変換量ΔＩ_{ＨＥＡＴＥＲ}をフィードフォワード的に第２の帰還ループＬ２の出力に加算器６０を用いて与えることで、ヒータ電流Ｉ_{Ｈｅａｔｅｒ}を速く収斂させることができる。機能ブロック６２は上記ヒータ電流の偏差ΔＩ_{Ｈｅａｔｅｒ}をヒータ印加電力Ｐ＋ΔＰから計算するブロックである。

この様に構成することにより第２の帰還ループＬ２の応答速度を速めることが可能となり、その結果注入電流とヒータ電力に係る二重ループの応答速度を速めることができる。

１…波長可変半導体レーザ用駆動装置、１０…波長可変半導体レーザ、１６…波長モニタ、１８…コントローラ、２２…ＣＳＧ−ＤＢＲ領域（第２の波長選択部）、２４…ＳＧ−ＤＦＢ領域（第１の波長選択部）、２８…ヒータ、４０…除算器、４２…減算器、４４…増幅器、４６…加算器、４８…乗算器、５０…減算器、５２…増幅器、５４…加算器、５６…増幅器、５８…加算器、６０…加算器、６２…計算ユニット。

Claims (8)

1. 注入電流によって利得波長特性が変化する第１の波長選択部と、ヒータに印加する電力によって反射波長特性が変化する第２の波長選択部を有する波長可変半導体レーザを制御する方法であって、
   前記第１の波長選択部における前記注入電流の変化に対する前記発振波長の変化を示す第１の変化率と、前記第２の波長選択部における前記印加電力の変化に対する前記発振波長の変化を示す第２の変化率を取得し、
   目標発振波長と現在の発振波長との差分を算出し、
   前記差分がゼロに近づくように偏差が与えられた前記注入電流を、第１の帰還制御によって前記第１の波長選択部に供給し、
   該注入電流の偏差、該第１の変化率、及び該第２の変化率を基に、前記ヒータに供給する前記印加電力の目標値を決定し、
   該目標値と現在の前記印加電力との差がゼロに近づくように、第２の帰還制御によって前記第２の波長選択部に供給する電流を調整する、
   ことを特徴とする波長可変半導体レーザの制御方法。
2. 前記第１の帰還制御の時定数は、前記第２の帰還制御の時定数よりも長い、
   ことを特徴とする請求項１記載の波長可変半導体レーザの制御方法。
3. 前記第１の帰還制御の利得は、前記第２の帰還制御の利得より小さい、
   ことを特徴とする請求項１記載の波長可変半導体レーザの制御方法。
4. 前記第１の帰還制御と前記第２の帰還制御とは逐次的に実行される、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の波長可変半導体レーザの制御方法。
5. 前記第１の帰還制御と前記第２の帰還制御とは独立して並列に実行される、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の波長可変半導体レーザの制御方法。
6. 前記第１、第２の変化率の取得後に、前記ヒータに印加する電力を補正する工程を含む、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の波長可変半導体レーザの制御方法。
7. 前記第２の波長選択部に供給する電流を調整後に、前記ヒータに印加する電力を補正する工程をさらに含む、
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の波長可変半導体レーザの制御方法。
8. 前記印加電力の目標値、及び前記現在の印加電力から前記ヒータに印加する電流の偏差を求め、当該偏差を前記ヒータに加える、
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の波長可変半導体レーザの制御方法。

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