JP2015088677A - 波長可変レーザの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 消費電力および光出力への影響を抑制することができる波長可変レーザの制御方法を提供する。
【解決手段】 波長可変レーザの制御方法は、メモリから、第１波長でレーザ発振させるための波長可変レーザの第１駆動条件を取得する第１ステップと、第１駆動条件と、第１波長と第２波長との波長差分とを参照して、第２波長で波長可変レーザを駆動するための第２駆動条件を算出する第２ステップと、第２駆動条件に基づいて波長可変レーザを駆動する第３ステップと、を含み、第２波長が第１波長よりも長波長側である場合には光導波路の温度が第１駆動条件において示される光導波路の温度よりも常に高い条件において第２駆動条件を算出し、第２波長が第１波長よりも短波長側である場合には光導波路の温度が第１駆動条件において示される光導波路の温度よりも常に低い条件において第２駆動条件を算出する。
【選択図】 図８

Description

本発明は、波長可変レーザの制御方法に関する。

出力波長を選択可能な波長可変レーザが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−０２６９９６号公報

特許文献１の技術では、予め設定されたグリッド波長を得るための駆動条件をメモリに格納し、この格納された駆動条件を基にグリッド波長の何れかで発振させる制御を実施する。ある温度範囲で発振波長が周期的に変化する波長可変レーザでは、当該温度範囲外で発振波長を制御しようとすると、温度制御に要する消費電力または光出力に影響するおそれがある。

そこで、消費電力および光出力への影響を抑制することができる波長可変レーザの制御方法を提供することを目的とする。

本願１の発明は、
（１）光導波路の温度を駆動条件として含む波長可変レーザの制御方法であって、メモリから、第１波長でレーザ発振させるための前記波長可変レーザの第１駆動条件を取得する第１ステップと、前記第１駆動条件と、前記第１波長と前記第１波長とは異なる第２波長との波長差分とを参照して、前記第２波長で前記波長可変レーザを駆動するための第２駆動条件を算出する第２ステップと、前記第２ステップによって得られた第２駆動条件に基づいて、前記波長可変レーザを駆動する第３ステップと、を含み、前記第２ステップにおいては、前記第２波長が前記第１波長よりも長波長側である場合には、前記光導波路の温度が、前記第１駆動条件において示される前記光導波路の温度よりも常に高い条件において、前記第２駆動条件を算出し、前記第２波長が前記第１波長よりも短波長側である場合には、前記光導波路の温度が、前記第１駆動条件において示される前記光導波路の温度よりも常に低い条件において、前記第２駆動条件を算出する、波長可変レーザの制御方法である。

上記発明によれば、消費電力および光出力への影響を抑制することができる。

実施例１に係る波長可変レーザの全体構成を示すブロック図である。 本実施例における半導体レーザの全体構成を示す模式的断面図である。 初期設定値およびフィードバック制御目標値を示す図である。 ヒータの温度と半導体レーザの発振波長との関係を表す図である。 ヒータの温度と半導体レーザの発振波長との関係を表す図である。 グリッドレス制御における要求波長と基本波長との関係を表す図である。 グリッドレス制御の原理を示す図である。 半導体レーザの温度と、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａに供給される電流と、半導体レーザの光出力との関係を表す図である。 実施例の効果を説明する図である。 波長可変レーザの起動手順を説明するためのフローチャートである。 レーザデバイスの他の例を開示するものである。

[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。

本願発明は、（１）光導波路の温度を駆動条件として含む波長可変レーザの制御方法であって、メモリから、第１波長でレーザ発振させるための前記波長可変レーザの第１駆動条件を取得する第１ステップと、前記第１駆動条件と、前記第１波長と前記第１波長とは異なる第２波長との波長差分とを参照して、前記第２波長で前記波長可変レーザを駆動するための第２駆動条件を算出する第２ステップと、前記第２ステップによって得られた第２駆動条件に基づいて、前記波長可変レーザを駆動する第３ステップと、を含み、前記第２ステップにおいては、前記第２波長が前記第１波長よりも長波長側である場合には、前記光導波路の温度が、前記第１駆動条件において示される前記光導波路の温度よりも常に高い条件において、前記第２駆動条件を算出し、前記第２波長が前記第１波長よりも短波長側である場合には、前記光導波路の温度が、前記第１駆動条件において示される前記光導波路の温度よりも常に低い条件において、前記第２駆動条件を算出する、波長可変レーザの制御方法である。
（２）前記メモリには、複数の波長が記憶されており、前記第１波長は、前記複数の波長のうち前記第２波長に最も近い波長であってもよい。
（３）前記波長可変レーザの温度を、ペルチェ素子を含む温度制御装置によって制御してもよい。
（４）前記波長可変レーザは、複数のＤＦＢレーザを備えるアレー型レーザであってもよい。
（５）前記波長可変レーザは、ＳＧ−ＤＦＢを備えていてもよい。

［本願発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る波長可変レーザの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

図１は、実施例１に係る波長可変レーザ１００の全体構成を示すブロック図である。図１に示すように、波長可変レーザ１００は、レーザデバイスとして、波長を制御可能な半導体レーザ３０（チューナブル半導体レーザ）を備えている。本実施例の半導体レーザ３０は、レーザ領域に連結してＳＯＡ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）となる領域が設けられている。このＳＯＡは、光出力制御部として機能する。ＳＯＡは光出力の強度を任意に増減させることができる。また光出力の強度を実質的にゼロに制御することもできる。さらに波長可変レーザ１００は、検知部５０、メモリ６０、コントローラ７０などを備える。検知部５０は、出力検知部および波長ロッカ部として機能する。コントローラ７０は、波長可変レーザ１００の制御を行うものであり、その内部にはＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を備えている。

図２は、本実施例における半導体レーザ３０の全体構成を示す模式的断面図である。図２に示すように、半導体レーザ３０は、ＳＧ−ＤＦＢ（Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）領域Ａと、ＣＳＧ−ＤＢＲ（Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）領域Ｂと、ＳＯＡ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）領域Ｃとを備える。すなわち、半導体レーザ３０は、半導体構造内に波長選択ミラーを有するレーザである。

一例として、半導体レーザ３０において、フロント側からリア側にかけて、ＳＯＡ領域Ｃ、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂがこの順に配置されている。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、利得を有しサンプルドグレーティングを備える。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂは、利得を有さずにサンプルドグレーティングを備える。ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂが図１のレーザ領域に相当し、ＳＯＡ領域Ｃが図１のＳＯＡ領域に相当する。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、基板１上に、下クラッド層２、活性層３、上クラッド層６、コンタクト層７、および電極８が積層された構造を有する。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂは、基板１上に、下クラッド層２、光導波層４、上クラッド層６、絶縁膜９、および複数のヒータ１０が積層された構造を有する。各ヒータ１０には、電源電極１１およびグランド電極１２が設けられている。ＳＯＡ領域Ｃは、基板１上に、下クラッド層２、光増幅層１９、上クラッド層６、コンタクト層２０、および電極２１が積層された構造を有する。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域ＢおよびＳＯＡ領域Ｃにおいて、基板１、下クラッド層２、および上クラッド層６は、一体的に形成されている。活性層３、光導波層４、および光増幅層１９は、同一面上に形成されている。ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡとＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂとの境界は、活性層３と光導波層４との境界と対応している。

ＳＯＡ領域Ｃ側における基板１、下クラッド層２、光増幅層１９および上クラッド層６の端面には、端面膜１６が形成されている。本実施例では、端面膜１６はＡＲ（Ａｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）膜である。端面膜１６は、半導体レーザ３０のフロント側端面として機能する。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ側における基板１、下クラッド層２、光導波層４、および上クラッド層６の端面には、端面膜１７が形成されている。本実施例では、端面膜１７はＡＲ膜である。端面膜１７は、半導体レーザ３０のリア側端面として機能する。

基板１は、例えば、ｎ型ＩｎＰからなる結晶基板である。下クラッド層２はｎ型、上クラッド層６はｐ型であり、それぞれ例えばＩｎＰによって構成される。下クラッド層２および上クラッド層６は、活性層３、光導波層４、および光増幅層１９を上下で光閉込めしている。

活性層３は、利得を有する半導体により構成されている。活性層３は、例えば量子井戸構造を有しており、例えばＧａ_０．３２Ｉｎ_０．６８Ａｓ_０．９２Ｐ_０．０８（厚さ５ｎｍ）からなる井戸層と、Ｇａ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ａｓ_０．４７Ｐ_０．５３（厚さ１０ｎｍ）からなる障壁層が交互に積層された構造を有する。光導波層４は、例えばバルク半導体層で構成することができ、例えばＧａ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ａｓ_０．４７Ｐ_０．５３によって構成することができる。本実施例においては、光導波層４は、活性層３よりも大きいエネルギギャップを有する。

光増幅層１９は、電極２１からの電流注入によって利得が与えられ、それによって光増幅をなす領域である。光増幅層１９は、例えば量子井戸構造で構成することができ、例えばＧａ_０．３５Ｉｎ_０．６５Ａｓ_０．９９Ｐ_０．０１（厚さ５ｎｍ）の井戸層とＧａ_０．１５Ｉｎ_０．８５Ａｓ_０．３２Ｐ_０．６８（厚さ１０ｎｍ）の障壁層が交互に積層された構造とすることができる。また、他の構造として、例えばＧａ_０．４４Ｉｎ_０．５６Ａｓ_０．９５Ｐ_０．０５からなるバルク半導体を採用することもできる。なお、光増幅層１９と活性層３とを同じ材料で構成することもできる。

コンタクト層７，２０は、例えばｐ型Ｇａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ結晶によって構成することができる。絶縁膜９は、窒化シリコン膜（ＳｉＮ）または酸化シリコン膜（ＳｉＯ）からなる保護膜である。ヒータ１０は、チタンタングステン（ＴｉＷ）で構成された薄膜抵抗体である。ヒータ１０のそれぞれは、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの複数のセグメントにまたがって形成されていてもよい。

電極８，２１、電源電極１１およびグランド電極１２は、金（Ａｕ）等の導電性材料からなる。基板１の下部には、裏面電極１５が形成されている。裏面電極１５は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域ＢおよびＳＯＡ領域Ｃにまたがって形成されている。

端面膜１６および端面膜１７は、１．０％以下の反射率を有するＡＲ膜であり、実質的にその端面が無反射となる特性を有する。ＡＲ膜は、例えばＭｇＦ_２およびＴｉＯＮからなる誘電体膜で構成することができる。なお、本実施例ではレーザの両端がＡＲ膜であったが、端面膜１７を有意の反射率を持つ反射膜で構成する場合もある。図２における端面膜１７に接する半導体に光吸収層を備えた構造を設けた場合、端面膜１７に有意の反射率を持たせることで、端面膜１７から外部に漏洩する光出力を抑制することができる。有意の反射率としては、たとえば１０％以上の反射率である。なお、ここで反射率とは、半導体レーザ内部に対する反射率を指す。

回折格子（コルゲーション）１８は、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの下クラッド層２に所定の間隔を空けて複数箇所に形成されている。それにより、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにサンプルドグレーティングが形成される。ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおいて、下クラッド層２に複数のセグメントが設けられている。ここでセグメントとは、回折格子１８が設けられている回折格子部と回折格子１８が設けられていないスペース部とが１つずつ連続する領域のことをいう。すなわち、セグメントとは、両端が回折格子部によって挟まれたスペース部と回折格子部とが連結された領域のことをいう。回折格子１８は、下クラッド層２とは異なる屈折率の材料で構成されている。下クラッド層２がＩｎＰの場合、回折格子を構成する材料として、例えばＧａ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ａｓ_０．４７Ｐ_０．５３を用いることができる。

回折格子１８は、２光束干渉露光法を使用したパターニングにより形成することができる。回折格子１８の間に位置するスペース部は、回折格子１８のパターンをレジストに露光した後、スペース部に相当する位置に再度露光を施すことで実現できる。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおける回折格子１８のピッチと、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおける回折格子１８のピッチとは、同一でもよく、異なっていてもよい。本実施例においては、一例として、両ピッチは同一に設定してある。また、各セグメントにおいて、回折格子１８は同じ長さを有していてもよく、異なる長さを有していてもよい。また、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの各回折格子１８が同じ長さを有し、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの各回折格子１８が同じ長さを有し、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡとＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂとで回折格子１８の長さが異なっていてもよい。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおいては、各セグメントの光学長が実質的に同一となっている。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおいては、少なくとも２つのセグメントの光学長が、互いに異なって形成されている。それにより、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの波長特性のピーク同士の強度は、波長依存性を有するようになる。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａのセグメントの平均光学長とＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂのセグメントの平均光学長は異なっている。このように、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ内のセグメントおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂのセグメントが半導体レーザ３０内において共振器を構成する。

ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂそれぞれの内部においては、反射した光が互いに干渉する。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａには活性層３が設けられており、キャリア注入されると、ピーク強度がほぼ揃った、所定の波長間隔を有する離散的な利得スペクトルが生成される。また、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおいては、ピーク強度が異なる、所定の波長間隔を有する離散的な反射スペクトルが生成される。ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおける波長特性のピーク波長の間隔は異なっている。これら波長特性の組み合わせによって生じるバーニア効果を利用して、発振条件を満たす波長を選択することができる。

図１に示すように、半導体レーザ３０は、第１温度制御装置３１上に配置されている。第１温度制御装置３１は、ペルチェ素子を含み、ＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ
ｃｏｏｌｅｒ）として機能する。第１サーミスタ３２は、第１温度制御装置３１上に配置されている。第１サーミスタ３２は、第１温度制御装置３１の温度を検出する。第１サーミスタ３２の検出温度に基づいて、半導体レーザ３０の温度を特定することができる。

波長可変レーザ１００においては、検知部５０が半導体レーザ３０のフロント側に配置されている。検知部５０が波長ロッカ部として機能することから、波長可変レーザ１００は、フロントロッカタイプと呼ぶことができる。検知部５０は、第１受光素子４２、ビームスプリッタ５１、エタロン５２、第２温度制御装置５３、第２受光素子５４、および第２サーミスタ５５を備える。

ビームスプリッタ４１は、半導体レーザ３０のフロント側からの出力光を分岐する位置に配置されている。ビームスプリッタ５１は、ビームスプリッタ４１からの光を分岐する位置に配置されている。第１受光素子４２は、ビームスプリッタ５１によって分岐された２つの光の一方を受光する位置に配置されている。エタロン５２は、ビームスプリッタ５１によって分岐された２つの光の他一方を透過する位置に配置されている。第２受光素子５４は、エタロン５２を透過した透過光を受光する位置に配置されている。

エタロン５２は、入射光の波長に応じて透過率が周期的に変化する特性を有する。本実施例においては、エタロン５２としてソリッドエタロンを用いる。なお、ソリッドエタロンの当該周期的な波長特性は、温度が変化することによって変化する。エタロン５２は、ビームスプリッタ５１によって分岐された２つの光の他方を透過する位置に配置されている。また、エタロン５２は、第２温度制御装置５３上に配置されている。第２温度制御装置５３は、ペルチェ素子を含み、ＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ
ｃｏｏｌｅｒ）として機能する。

第２受光素子５４は、エタロン５２を透過した透過光を受光する位置に配置されている。第２サーミスタ５５は、エタロン５２の温度を特定するために設けられている。第２サーミスタ５５は、例えば第２温度制御装置５３上に配置されている。本実施例では、第２温度制御装置５３の温度を第２サーミスタ５５で検出することで、エタロン５２の温度を特定している。

メモリ６０は、書換え可能な記憶装置である。書き換え可能な記憶装置としては、典型的にはフラッシュメモリが挙げられる。コントローラ７０は、中央演算処理装置（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、電源などを備える。ＲＡＭは、中央演算処理装置が実行するプログラム、中央演算処理装置が処理するデータなどを一時的に記憶するメモリである。

メモリ６０は、波長可変レーザ１００の各部の初期設定値およびフィードバック制御目標値をチャネルに対応させて記憶している。チャネルとは、半導体レーザ３０の発振波長に対応する番号である。例えば、各チャネルは、ＩＴＵ−Ｔ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｕｎｉｏｎ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ Ｓｅｃｔｏｒ）のグリッド波長に対応している。本実施例においては、各チャネルの波長が基本波長と定義される。

図３は、上記初期設定値およびフィードバック制御目標値を示す図である。なお、以下の説明では、初期設定値およびフィードバック制御目標値を駆動条件とも称する。図３に示すように、上記初期設定値は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの電極８に供給される初期電流値Ｉ_ＬＤ、ＳＯＡ領域Ｃの電極２１に供給される初期電流値Ｉ_ＳＯＡ、半導体レーザ３０の初期温度値Ｔ_ＬＤ、エタロン５２の初期温度値Ｔ_{Ｅｔａｌｏｎ}、および各ヒータ１０に供給される初期電力値Ｐ_{Ｈｅａｔｅｒ１}〜Ｐ_{Ｈｅａｔｅｒ３}を含む。これら初期設定値は、チャネルごとに定められている。上記フィードバック制御目標値は、コントローラ７０のフィードバック制御を行う際の目標値である。フィードバック制御目標値は、第１受光素子４２が出力する光電流の目標値Ｉ_ｍ１、および第１受光素子４２が出力する光電流Ｉ_ｍ１に対する第２受光素子５４が出力する光電流Ｉ_ｍ２の比の目標値Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１を含む。制御目標値も、チャネルごとに定められている。また、メモリ６０には、温度補正係数Ｃ１が格納されている。温度補正係数Ｃ１の詳細については後述する。本実施例においては、温度補正係数Ｃ１は、各チャネルに共通の値である。なお、これらの各値は、波長可変レーザ１００の出荷前に、波長計を使ったチューニングによって個体ごとに取得される。

図４（ａ）は、ヒータ１０の温度と、半導体レーザ３０の発振波長λとの関係を表す図である。図４（ａ）では、第１温度制御装置３１によって半導体レーザ３０の温度が一定に維持されているものとする。横軸はヒータ１０の平均温度を示し、縦軸は半導体レーザ３０の発振波長を示す。半導体レーザ３０は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの利得スペクトルとＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの反射スペクトルとのうち２つの反射ピークが重なった波長でレーザ光を発振する。したがって、半導体レーザ３０の発振波長は、所定の波長間隔で分布する。すなわち、半導体レーザ３０は、飛び飛びの波長特性を有している。

基本波長の１つである基本波長λ２を選択するためには、ヒータ１０の平均温度を範囲Ｒに設定し、第１温度制御装置３１の温度を所定の温度に設定することによって、波長変化が微小のほぼ平坦な部分（以下、テラス部分と称する）を選択する。このテラスにおいて、第１温度制御装置３１の温度を制御することによって、テラスの中央Ｔにおいて基本波長λ２を選択することができる。

図４（ｂ）に示すように、この状態で、第１温度制御装置３１の温度をＴ（Ｌｏｗ）からＴ（Ｈｉｇｈ）（＞Ｔ（Ｌｏｗ））の範囲で変化させることによって、発振波長を基本波長λ０〜λ４から選択することができる。基本波長λ０〜λ４以外の波長を選択する場合には、ヒータ１０の温度を上昇させるか低下させ、第１温度制御装置３１の温度をＴ（Ｌｏｗ）からＴ（Ｈｉｇｈ）の範囲で変化させればよい。図４（ｂ）の例では、ヒータ１０の温度を上昇させ、第１温度制御装置３１の温度をＴ（Ｌｏｗ）からＴ（Ｈｉｇｈ）の範囲で変化させることによって、基本波長λ５〜λ９から発振波長を選択することができる。

このように、波長可変レーザ１００においては、半導体レーザ３０の基本波長に対応した駆動条件が、基本波長が所定の波長間隔となるように複数設定されており、基本波長は、第１温度制御装置３１の所定の温度範囲で周期的に配置されている。ヒータ１０の温度と第１温度制御装置３１の温度とを組み合わせて制御することによって、各基本波長での発振を実現することができる。なお、本実施例においては、Ｔ（Ｌｏｗ）からＴ（Ｈｉｇｈ）の範囲で基本波長が５つ設定されているが、この数は特に限定されるものではない。

ところで、本実施例に係る波長可変レーザ１００は、要求波長が基本波長と一致しなくても、当該要求波長を出力することができる。基本波長と異なる波長での出力を可能とする制御のことを、以下、グリッドレス制御と称する。図５は、グリッドレス制御における要求波長と基本波長との関係を表す図である。図５に示すように、グリッドレス制御においては、要求波長は、基本波長と隣接する他の基本波長との間の波長である。なお、要求波長は、基本波長と一致していてもよい。

図６は、グリッドレス制御の原理を示す図である。図６において、横軸は波長を示し、縦軸は比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１（エタロン５２の透過率）の正規化値を示す。図６において、実線は、エタロン５２の初期温度値Ｔ_{Ｅｔａｌｏｎ}に対応する波長特性である。また、点線は、エタロン５２の温度を第２温度制御装置５３によって上昇させた場合の波長特性である。ここで、実線上の黒丸における比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１がフィードバック目標値として採用されている場合、エタロン５２が初期温度値Ｔ_{Ｅｔａｌｏｎ}であると、基本波長で発振することになる。一方、エタロン５２が点線で示される波長特性に対応した温度であると、比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１が基本波長を得るための値（点線上の黒丸）であっても、実際の発振波長はエタロン特性の変更分だけ、その基本波長からシフトする。つまり、要求波長と基本波長との波長差だけエタロン特性をシフトすることで、フィードバック目標値である比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１はそのままで、要求波長を実現することができる。すなわち、要求波長と基本波長との波長差分ΔＦに基づき、エタロン温度を変更するための演算をし、これをエタロン温度として適用することで、要求波長を実現することができる。なお、本実施例のエタロン５２のＦＳＲ（自由スペクトル領域）は、例えば、５０ＧＨｚ間隔等で構成されている。

上記したように、エタロン５２の波長特性は、その温度にしたがってシフトする。エタロン５２における周波数変動量／温度変化量［ＧＨｚ／℃］を、エタロン５２の温度補正係数Ｃ１と称する。なお、ここでは波長を周波数で表現している。温度補正係数Ｃ１は、波長可変レーザの駆動条件の波長変化に対する変化率に相当する。

要求波長の制御を実現するためのエタロン５２の設定温度をＴｅｔｌｎ＿Ａ［℃］とする。またエタロン５２の初期温度、すなわち選択された基本波長に対応したエタロン５２の温度をＴｅｔｌｎ＿Ｂ［℃］とする。Ｔｅｔｌｎ＿ＢはＴ_{Ｅｔａｌｏｎ}に相当し、メモリ６０から取得される。さらに、基本波長と要求波長との波長差分（絶対値）をΔＦ［ＧＨｚ］とする。この場合、各パラメータの関係は、下記式（１）のように表すことができる。式（１）に基づいて要求波長を得るために必要な設定温度Ｔｅｔｌｎ＿Ａを求めることができる。
Ｔｅｔｌｎ＿Ａ＝Ｔｅｔｌｎ＿Ｂ＋ΔＦ／Ｃ１ （１）
第２温度制御装置５３の温度を設定温度Ｔｅｔｌｎ＿Ａに制御することによって、比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１をそのまま利用して、要求波長を得ることが可能となる。

以上の動作を実行することにより、図６に示すように、エタロン５２の特性がシフトした分だけ、基本波長からシフトした波長（要求波長）によって半導体レーザ３０をレーザ発振させることができる。なお、上述したように、比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１をそのまま利用することはできるが、第１温度制御装置３１および各ヒータ１０の温度制御によって、半導体レーザ３０の発振波長を連続的に変化させることになる。

上記グリッドレス制御を行うためには、図４（ｂ）で説明したように、ヒータ１０の温度と第１温度制御装置３１の温度とを組み合わせて制御すればよい。例えば、ヒータ１０の平均温度を所定の温度とし、第１温度制御装置３１の温度をＴ（Ｌｏｗ）からＴ（Ｈｉｇｈ）の範囲で制御することによって、基本波長λ０から基本波長λ４の範囲で、基本波長に限らず任意の波長を選択することができる。また、基本波長λ０〜λ４を実現した場合よりもヒータ１０の平均温度を上昇させることによって、発振波長を基本波長λ５〜λ９の範囲で任意の波長を選択することができる。

ここで、発振波長を基本波長λ４と基本波長λ５との間の波長に変化させる場合について検討する。すなわち、基本波長の周期性を実現するための第１温度制御装置３１の温度範囲外で波長を制御する場合について検討する。この場合、基本波長λ４の駆動条件から第１温度制御装置３１の温度をＴ（Ｈｉｇｈ）よりもさらに上昇させる制御と、基本波長λ５の駆動条件から第１温度制御装置３１の温度をＴ（Ｌｏｗ）よりもさらに低下させる制御とが考えられる。第１温度制御装置３１はペルチェ素子によって温度制御を行うため、温度を低くすると消費電力が大きくなる。

したがって、発振波長を基本波長から任意の波長に設定する際に、第１温度制御装置３１の温度を低温から高温への一方向に制御することによって第１温度制御装置３１の消費電力を抑制することが考えられる。しかしながら、第１温度制御装置３１の温度が高くなると、半導体レーザ３０の温度も高くなる。

図７は、半導体レーザ３０の温度（ＴＬＤ）と、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの電極８に供給される電流（ＬＤ電流）と、半導体レーザ３０の光出力との関係を表す図である。図７に示すように、半導体レーザ３０の温度が高くなると、しきい値電流の増加に伴って光出力が小さくなる。すなわち、半導体レーザ３０の温度が高くなると、半導体レーザ３０の光出力が劣化する。

そこで、本実施例においては、要求波長と基本波長との波長差に基づいて、第１温度制御装置３１の温度制御方向を切り替える。図８は、基本波長と第１温度制御装置３１の温度との関係を表す。図８に示すように、第１温度制御装置３１の温度上昇に伴って基本波長が大きくなるが、基本波長と第１温度制御装置３１の温度とが周期性を有するため、第１温度制御装置３１の温度がＴ（Ｈｉｇｈ）に到達すると、次の基本波長を実現するための第１温度制御装置３１の温度はＴ（Ｌｏｗ）となる。図８の例では、基本波長λ４を実現するための第１温度制御装置３１の温度はＴ（Ｈｉｇｈ）であるが、基本波長λ４よりも長波長側の次の基本波長λ５を実現するための第１温度制御装置３１の温度はＴ（Ｌｏｗ）となる。したがって。基本波長λ４と基本波長λ５との間の波長が要求された場合、第１温度制御装置３１の温度は、Ｔ（Ｌｏｗ）とＴ（Ｈｉｇｈ）との間の温度範囲外となる。

本実施例においては、基本波長の周期性を実現するための第１温度制御装置３１の温度範囲外で波長を制御する場合、基本波長λ４および基本波長λ５のうち要求波長と近い方の基本波長を選択する。本実施例においては、図３に示すように、基本波長毎に駆動条件をメモリに格納しているため、要求波長を基本波長からの波長差分に基づいて演算する方法においては、要求波長が、基本波長に近い方、すなわち、基本波長からの波長差分が小さい方の基本波長を選択し演算する方法は、第１温度制御装置３１の温度を高温から低温への一方向に制御する方法もしくは、第１温度制御装置３１の温度を低温から高温への一方向に制御する方法よりも波長を正確に求めることができる。

具体的には、要求波長が基本波長λ４に近い場合、基本波長としてλ４が選択され、発振波長を基本波長から要求波長に設定する際に、第１温度制御装置３１の温度を低温から高温への一方向に制御する。一方、要求波長が基本波長λ５に近い場合、基本波長としてλ４が選択され、発振波長を基本波長から要求波長に設定する際に、第１温度制御装置３１の温度を高温から低温への一方向に制御する。

要求波長が基本波長λ４に近い場合、第１温度制御装置３１が基本波長λ４を実現する温度（Ｔ（Ｈｉｇｈ））から第１温度制御装置３１の温度を上昇させることになる。この場合、第１温度制御装置３１の温度がＴ（Ｌｏｗ）とＴ（Ｈｉｇｈ）との範囲外に制御される場合に、当該範囲よりも高い温度に第１温度制御装置３１が制御される。それにより、第１温度制御装置３１の温度をＴ（Ｌｏｗ）〜Ｔ（Ｈｉｇｈ）の範囲外に制御する際の消費電力を抑制することができる。また、要求波長が基本波長λ４に近いため、第１温度制御装置３１の過度の温度上昇が抑制される。それにより、半導体レーザ３０の光出力への影響が抑制される。

なお、本実施例においては、第１温度制御装置３１の温度をＴ（Ｌｏｗ）〜Ｔ（Ｈｉｇｈ）の範囲外の場合について述べているが、第１温度制御装置３１の温度をＴ（Ｌｏｗ）〜Ｔ（Ｈｉｇｈ）の範囲内で制御する際にも光出力の劣化を抑制することができる。ただし、第１温度制御装置３１の温度をＴ（Ｌｏｗ）〜Ｔ（Ｈｉｇｈ）の範囲外の場合においては、光出力の劣化を抑制する効果は大きい。

要求波長が基本波長λ５に近い場合、第１温度制御装置３１が基本波長λ５を実現する温度（Ｔ（Ｌｏｗ））から第１温度制御装置３１の温度を低下させることになる。この場合、第１温度制御装置３１の温度がＴ（Ｌｏｗ）とＴ（Ｈｉｇｈ）との範囲外に制御される場合に、当該範囲よりも低い温度に第１温度制御装置３１が制御される。それにより、第１温度制御装置３１の温度をＴ（Ｌｏｗ）〜Ｔ（Ｈｉｇｈ）の範囲外に制御する際の半導体レーザ３０の光出力への影響を抑制することができる。

なお、本実施例においては、第１温度制御装置３１の温度をＴ（Ｌｏｗ）〜Ｔ（Ｈｉｇｈ）の範囲外の場合について述べているが、第１温度制御装置３１の温度をＴ（Ｌｏｗ）〜Ｔ（Ｈｉｇｈ）の範囲内で制御する際にも消費電力を抑制することができる。ただし、第１温度制御装置３１の温度をＴ（Ｌｏｗ）〜Ｔ（Ｈｉｇｈ）の範囲外の場合においては、消費電力を抑制する効果は大きい。

以上のように、要求波長を基本波長からの波長差分に基づいて演算する方法においては、要求波長が、基本波長に近い方、すなわち、基本波長からの波長差分が小さい方の基本波長を選択し演算する方法が、第１温度制御装置３１の温度を高温から低温への一方向に制御する方法もしくは、第１温度制御装置３１の温度を低温から高温への一方向に制御する方法よりも波長を正確に求めることができる。

なお、本実施例のエタロン５２のＦＳＲ（自由スペクトル領域）は、例えば、５０ＧＨｚ間隔等で構成されている。このＦＳＲを例えば、２５ＧＨｚ間隔等で構成することで、基本波長からの波長差分を小さくすることができ、波長を正確に求めることができる。しかしながら、エタロンのＦＳＲを小さくすると、エタロンが大きくなるため、装置の小型化に影響がある。このように、本実施例のような波長制御方法を用いることで、エタロンのＦＳＲを小さくすることなく、波長を正確に求めることができる。

図９は、波長可変レーザ１００の起動手順を説明するためのフローチャートである。図９に示すように、コントローラ７０は、波長要求を受ける（ステップＳ１）。この要求波長は、図示しない外部入出力装置からの入力によるものである。典型的にはＲＳ２３２Ｃ規格に対応した入出力装置が採用される。次に、コントローラ７０は、要求波長に応じて基本波長を選択する（ステップＳ２）。要求波長を実現するための第１温度制御装置３１の温度がＴ（Ｌｏｗ）からＴ（Ｈｉｇｈ）の温度範囲内であれば、要求波長よりも短波長側で最も近い基本波長を選択する。要求波長を実現するための第１温度制御装置３１の温度がＴ（Ｌｏｗ）からＴ（Ｈｉｇｈ）の温度範囲外であれば、要求波長に最も近い基本波長を選択する。

次に、コントローラ７０は、基本波長と要求波長との波長差分ΔＦを算出する（ステップＳ３）。次に、コントローラ７０は、エタロン５２の更新設定温度を算出する（ステップＳ４）。次に、コントローラ７０は、半導体レーザ３０の更新設定値を算出する（ステップＳ５）。

ステップＳ５において、要求波長がＴ（Ｌｏｗ）とＴ（Ｈｉｇｈ）との間の温度範囲外であって、ステップＳ２で選択された基本波長が要求波長よりも短波長側である場合、第１温度制御装置３１の温度が低い基本波長から第１温度制御装置３１の温度を上昇させるように、上記更新設定値を算出する。一方、ステップＳ２で選択された基本波長が要求波長よりも長波長側である場合、第１温度制御装置３１の温度が高い基本波長から第１温度制御装置３１の温度を低下させるように、上記更新設定値を算出する。なお、要求波長がＴ（Ｌｏｗ）とＴ（Ｈｉｇｈ）との間の温度範囲内であれば、第１温度制御装置３１の温度が低い基本波長から第１温度制御装置３１の温度を上昇させるように、上記更新設定値を算出する。

次に、コントローラ７０は、ステップＳ４およびステップＳ５で算出した更新設定温度および更新設定値を自身のＲＡＭに書き込む（ステップＳ６）。次に、コントローラ７０は、ＲＡＭに書き込まれた更新設定温度および更新設定値を用いて半導体レーザ３０を駆動させる（ステップＳ７）。なお、ＳＯＡ領域Ｃについては、この時点では半導体レーザ３０から光が出力されないように制御する。

次に、コントローラ７０は、第１サーミスタ３２の検出温度ＴＨ１がＴ_ＬＤの範囲内になるように、ＡＴＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御を行う。また、第１サーミスタ３２の検出温度ＴＨ１がＴ_ＬＤの範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ８）。ここでＴ_ＬＤの範囲とは、更新設定値の温度値Ｔ_ＬＤを中心とする所定範囲である。ステップＳ８において「Ｎｏ」と判定された場合、コントローラ７０は、第１サーミスタ３２の検出温度ＴＨ１が温度値Ｔ_ＬＤ近づくように第１温度制御装置３１に供給される電流値を変更する。

コントローラ７０は、ステップＳ８と並行して、第２サーミスタ５５の検出温度ＴＨ２が設定範囲内になるように、ＡＴＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御を行う。また、第２サーミスタ５５の検出温度ＴＨ２が設定範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ９）。この場合の設定範囲は、更新設定値に含まれる設定温度Ｔｅｔｌｎ＿Ａに基づいて決定される。例えば、上記設定範囲は、設定温度Ｔｅｔｌｎ＿Ａを中心とする所定範囲とすることができる。ステップＳ９において「Ｎｏ」と判定された場合、コントローラ７０は、第２サーミスタ５５の検出温度ＴＨ２が設定温度Ｔｅｔｌｎ＿Ａに近づくように第２温度制御装置５３に供給される電流値を変更する。なお、ステップＳ９において「Ｙｅｓ」と判定された場合においても、上記の第２温度制御装置５３によるＡＴＣ制御の動作は継続する。

コントローラ７０は、ステップＳ８およびステップＳ９の両方で「Ｙｅｓ」と判定されるまで待機する。ステップＳ８およびステップＳ９の両方で「Ｙｅｓ」と判定された場合、コントローラ７０は、シャッタオープンの動作を行う（ステップＳ１０）。具体的には、ＳＯＡ領域Ｃの電極２１に供給される電流を初期電流値Ｉ_ＳＯＡに制御するＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ
Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｔｒｏｌ）制御を動作する。それにより、半導体レーザ３０から更新波長のレーザ光が出力される。なお、ステップＳ１０においても、ＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ
Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｔｒｏｌ）制御の動作は継続する。

次に、コントローラ７０は、第１温度制御装置３１による温度値Ｔ_ＬＤを制御目標とした温度制御を終了する（ステップＳ１１）。次に、コントローラ７０は、第１温度制御装置３１によるＡＦＣ制御を開始する（ステップＳ１２）。つまり、第１温度制御装置３１の温度が、フィードバック制御目標値の比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１を満たすようにフィードバック制御される。エタロン５２の入力光と出力光の比（前後比）は、半導体レーザ３０の発振波長を示している。また、第１温度制御装置３１は半導体レーザ３０の波長を制御するパラメータである。すなわちステップＳ２１では、前後比がＩ_ｍ２／Ｉ_ｍ１になるように第１温度制御装置３１の温度をフィードバック制御することで、半導体レーザ３０の波長を制御するＡＦＣ制御が動作される。それにより、要求波長が実現される。コントローラ７０は、比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１がステップＳ２で選択された基本波長における目標値Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１を中心とする所定範囲内にあることを確認すると、ロックフラグを出力する（ステップＳ１３）。その後、フローチャートの実行が終了する。

なお、ステップＳ２において、要求波長を実現するための第１温度制御装置３１の温度がＴ（Ｌｏｗ）からＴ（Ｈｉｇｈ）の温度範囲内であっても、要求波長に最も近い基本波長を選択してもよい。

なお、本実施例を適用することができる光源は、図２の半導体レーザ３０に限られない。波長選択部を温度制御することによって出力波長を選択することができる半導体レーザであればよい。例えば、ＤＦＢレーザ、ＳＧ−ＤＦＢレーザ、ＤＦＢアレイレーザなどが挙げられる。

図１０は、半導体レーザ３０に代えて使用可能なレーザデバイスの他の例を開示するものである。図１０に示すように、レーザモジュール３０ａは、複数のＤＦＢレーザ７１、光カプラ７２、光増幅器７３を備える。複数のＤＦＢレーザ７１は、それぞれコルゲージョンのピッチが異なっている。あるいは活性層を構成する半導体材料を異ならせる場合もある。このような構成により、それぞれのＤＦＢレーザ７１は同じ温度・駆動電流において、異なる発振波長を実現する。各ＤＦＢレーザ７１の出力は、光カプラ７２に結合される。光カプラ７２は、入射された光を光増幅器７３に接続する。光増幅器７３は、入射された光を増幅して外部に出力する。出力波長の選択にあたっては、まず、目的とする波長の帯域をカバーするＤＦＢレーザ７１を１つ選択する。そして、選択されたＤＦＢレーザ７１の温度を第１温度制御装置３１によって制御することで、所望の発振波長を実現する。したがって、ＤＦＢレーザ７１の数は、レーザモジュール３０ａに要求される波長帯域全体をカバーする分だけ、用意される。なお、選択されなかったＤＦＢレーザ７１は、駆動電力が与えられずオフしている。

１ 基板
２ 下クラッド層
３ 活性層
４ 光導波層
６ 上クラッド層
７ コンタクト層
８ 電極
９ 絶縁膜
１０ ヒータ
１１ 電源電極
１２ グランド電極
１５ 裏面電極
１６ 端面膜
１７ 端面膜
１８ 回折格子
１９ 光増幅層
２０ コンタクト層
２１ 電極
３０ 半導体レーザ
３０ａ レーザモジュール
３１ 第１温度制御装置
３２ 第１サーミスタ
４１ ビームスプリッタ
４２ 第１受光素子
５０ 検知部
５１ ビームスプリッタ
５２ エタロン
５３ 第２温度制御装置
５４ 第２受光素子
５５ 第２サーミスタ
６０ メモリ
７０ コントローラ
７１ ＤＦＢレーザ
７２ 光カプラ
７３ 光増幅器
１００ 波長可変レーザ

Claims (5)

1. 光導波路の温度を駆動条件として含む波長可変レーザの制御方法であって、
   メモリから、第１波長でレーザ発振させるための前記波長可変レーザの第１駆動条件を取得する第１ステップと、
   前記第１駆動条件と、前記第１波長と前記第１波長とは異なる第２波長との波長差分とを参照して、前記第２波長で前記波長可変レーザを駆動するための第２駆動条件を算出する第２ステップと、
   前記第２ステップによって得られた第２駆動条件に基づいて、前記波長可変レーザを駆動する第３ステップと、を含み、
   前記第２ステップにおいては、前記第２波長が前記第１波長よりも長波長側である場合には、前記光導波路の温度が、前記第１駆動条件において示される前記光導波路の温度よりも常に高い条件において、前記第２駆動条件を算出し、前記第２波長が前記第１波長よりも短波長側である場合には、前記光導波路の温度が、前記第１駆動条件において示される前記光導波路の温度よりも常に低い条件において、前記第２駆動条件を算出する、波長可変レーザの制御方法。
2. 前記メモリには、複数の波長が記憶されており、
   前記第１波長は、前記複数の波長のうち前記第２波長に最も近い波長である、請求項１記載の波長可変レーザの制御方法。
3. 前記波長可変レーザの温度を、ペルチェ素子を含む温度制御装置によって制御する、請求項１または２記載の波長可変レーザの制御方法。
4. 前記波長可変レーザは、複数のＤＦＢレーザを備えるアレー型レーザである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長可変レーザの制御方法。
5. 前記波長可変レーザは、ＳＧ−ＤＦＢを備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長可変レーザの制御方法。

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