JP2016066671A - 波長可変光源および温度制御初期値の決定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】初期温度設定を高精度に行うことが可能な波長可変光源を得ること。【解決手段】本発明にかかる波長可変光源は、レーザーダイオード（ＬＤ）１と、ＬＤ１の前面から出力された光を増幅する光増幅器２と、ＬＤ１の温度を調整する温度可変素子３と、ＬＤ１、光増幅器２および温度可変素子３を制御する制御部９と、ＬＤ１の背面から出力された光を透過させるエタロン６と、ＬＤ１による光出力の開始時点に制御部９が温度可変素子３に出力する温度制御初期値を記憶するメモリ１０と、を備え、制御部９は、光増幅器２から出力される光の波長が目標波長となるよう温度可変素子３を制御し、エタロン６を透過前の第１の光と透過後の第２の光の強度比を目標値として算出し、第１の光と第２の光の強度比が目標値から変動しないよう温度可変素子３を制御しつつ増幅動作を停止させ、停止後に温度可変素子３に出力している温度制御信号を温度制御初期値に決定する。【選択図】図１

Description

本発明は、出力する光信号の波長を任意に変更できる波長可変光源および温度制御初期値の決定方法に関する。

半導体のＬＤ（Laser Diode）とＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier）を用いた波長可変光源はＬＤの温度を調整することで出力される光信号の波長を変更できる。ＬＤの温度は一般的にペルチェ素子に印加する電流を変更することにより調整する。しかし、ペルチェ素子に一定電流を印加し続けても、波長可変光源の周囲温度の変動や素子の経時変化によりＬＤの温度が変化し、出力される光信号の波長が変化する。そのため、ペルチェ素子に印加する電流のフィードバック制御が必要となる。ペルチェ素子に印加する電流であるペルチェ印加電流のフィードバック制御を行うには、例えば、特許文献１に記載されているような、ＬＤより出力される光信号の波長をモニタする波長モニタが必要となる。特許文献１に記載の波長モニタはエタロンフィルタを用いた波長モニタであるため、波長に応じた周期特性があり、ペルチェ印加電流の初期値を所望の波長が出力できる電流にある程度近い値に設定しなければ、その後のフィードバック制御により所望の波長を出力させることができない。

波長可変光源は、ＳＯＡに電流を印加していない状態でＬＤから光を出力させる初期状態と、ＳＯＡに電流を印加している状態でＬＤから光を出力させる光信号出力状態を持つ。波長可変光源が動作を開始して光を出力する場合、初期状態を経てから光信号出力状態となる。初期状態ではＬＤから出力された光が増幅されないため、波長可変光源から出力される光信号の強度が非常に低い。一方、光信号出力状態ではＬＤから出力された光がＳＯＡで増幅されるため、高い強度の光信号が波長可変光源から出力される。

ここで、ＬＤより光を出力させているがＳＯＡに電流を印加させていない初期状態においては、所望の波長の光信号がＬＤより出力されているときのペルチェ印加電流がペルチェ印加電流の最適な初期値となる。しかし、ペルチェ印加電流の初期値を決定するにはＳＯＡに電流を印加し、波長可変光源から出力される光信号を波長計等の測定器により測定して所望の波長の光信号が出力されているか否かを確認しなければならない。一般的に、ＬＤとＳＯＡは近い位置に配置されており、ＳＯＡに電流を印加するとＳＯＡが発熱するため、ＬＤの温度が変化し、出力される波長も変化してしまう。そのため、ペルチェ印加電流の最適な初期値を探索するのは困難である。この様な問題を解決するため、特許文献２には、レーザー光の出力を開始する前に実行する、目標波長の光を出力するようにＬＤの温度を調整する処理において、目標波長を出力するための温度からＳＯＡの発熱に伴うＬＤの温度上昇分を減じた温度にＬＤの温度を調整する波長可変光源装置が開示されている。

特開２０１２−１２９２５９号公報 特開２０１２−１２４２８７号公報

特許文献２にはＳＯＡの発熱に伴うＬＤの温度上昇分を減じた温度にＬＤの温度を調整することが開示されているが、ＳＯＡに注入する電流による発熱がＬＤに伝搬する量を正確に把握するのは困難であり、ＬＤの初期温度設定を適切に行って目標波長の光を出力するのが難しい、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＬＤの初期温度設定を高精度に行うことが可能な波長可変光源を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、光信号を出力する波長可変光源であって、温度調整により出力波長を変更可能なレーザーダイオードと、前記レーザーダイオードの前面から出力された光を増幅する光増幅器と、前記レーザーダイオードの温度を調整する温度可変素子と、前記レーザーダイオード、前記光増幅器および前記温度可変素子を制御する制御部と、前記レーザーダイオードの背面から出力された光を透過させるエタロンと、前記レーザーダイオードによる光出力の開始時点において前記制御部が前記温度可変素子に対して出力する温度制御信号である温度制御初期値を記憶する記憶部と、を備え、前記制御部は、前記光増幅器から出力される光の波長が目標波長となるように前記温度可変素子を制御した後、前記エタロンを透過する前の第１の光と前記エタロンを透過した後の第２の光の強度の比を目標値として算出し、さらに、前記第１の光と前記第２の光の強度の比が前記目標値から変動しないように前記温度可変素子を制御しつつ、前記光増幅器による増幅動作を停止させ、前記増幅動作の停止後に前記温度可変素子に対して出力している温度制御信号を前記温度制御初期値に決定することを特徴とする。

本発明によれば、ＬＤ（レーザーダイオード）の初期温度設定を高精度に行うことができる、という効果を奏する。

本発明にかかる波長可変光源の構成例を示す図 エタロンの透過特性の一例を示す図 初期値探索手順を示したフローチャート 初期値探索手順の各ステップにおける波長可変光源出射光およびＬＤ前面出射光のスペクトルを示す図

以下に、本発明にかかる波長可変光源および温度制御初期値の決定方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明にかかる波長可変光源の構成例を示す図である。図１に示したように、波長可変光源１００は、出力波長が温度によって変化するレーザーダイオード（ＬＤ）１と、入力された光を増幅する光増幅器２と、レーザーダイオード１および光増幅器２に近接して配置され、レーザーダイオード１および光増幅器２の温度を調整する温度可変素子３と、レンズ４と、入射光の強度を測定するパワーモニタ５と、エタロン６と、入射光の強度を測定する波長モニタ７と、パワーモニタ５、エタロン６および波長モニタ７に近接して配置され、パワーモニタ５、エタロン６および波長モニタ７の温度を調整する温度可変素子８と、レーザーダイオード１、光増幅器２および温度可変素子３を制御する制御部９と、制御部９が使用する各種情報を記憶する、記憶部としてのメモリ１０と、を備えている。なお、以下の説明では、レーザーダイオードをＬＤと記載する。

ＬＤ１は、前面および背面から光を出力する構成となっており、前面にＬＤ前面出射光１１を出力するとともに背面にＬＤ背面出射光１３を出力する。ＬＤ前面出射光１１およびＬＤ背面出射光１３の出力開始および停止は、制御部９から入力されるＬＤ制御信号１８により制御される。ＬＤ１は、例えば、ＬＤ制御信号１８として印加される電流が一定値に達した場合に光の出力を開始する。

光増幅器２は、制御部９より入力される光増幅器制御信号１９の値に応じた強度となるようにＬＤ前面出射光１１を増幅し、増幅後のＬＤ前面出射光１１である波長可変光源出射光１２を出力する。

温度可変素子３は、制御部９より入力される温度制御信号１７の値に応じた発熱量または冷却量で温度制御し、ＬＤ１と光増幅器２の温度を調整する。この温度可変素子３は、例えばペルチェ素子で実現する。

レンズ４は、ＬＤ背面出射光１３を屈折させ、一部をパワーモニタ５の受光面へ入射させるとともに、残りをエタロン６へ入射させる。

パワーモニタ５は、レンズ４を透過したＬＤ背面出射光１３の一部を受光し、受光した光の強度に応じた値のパワーモニタ出力信号１５を制御部９へ出力する。

エタロン６は、図２に示したような、波長に応じた周期的な透過特性を有する。

波長モニタ７は、ＬＤ背面出射光１３がレンズ４およびエタロン６を透過した後のＬＤ背面出射光１４を受光し、受光した光の強度に応じた値の波長モニタ出力信号１６を制御部９へ出力する。

温度可変素子８は、発熱量または冷却量を必要に応じて変化させながら温度制御し、パワーモニタ５、エタロン６および波長モニタ７の温度が一定の値で安定するように制御する。この温度可変素子８は、例えばペルチェ素子で実現する。

制御部９は、パワーモニタ出力信号１５、波長モニタ出力信号１６およびメモリ１０が保持している情報に基づいて、ＬＤ制御信号１８、光増幅器制御信号１９および温度制御信号１７を生成して出力し、ＬＤ１、光増幅器２および温度可変素子３を制御する。ＬＤ制御信号１８、光増幅器制御信号１９および温度制御信号１７は、例えば動作を指示するための電流である。制御部９は、ＬＤ制御信号１８、光増幅器制御信号１９および温度制御信号１７の出力値を変更することにより、ＬＤ１、光増幅器２および温度可変素子３を制御する。例えば、制御部９は、温度制御信号１７として印加する電流の値を変更することにより温度可変素子３による発熱量および冷却量を調整する。また、光増幅器制御信号１９として印加する電流の値を変更することにより光増幅器２が出力する波長可変光源出射光１２の強度を調整する。

また、図示は省略しているが、波長可変光源１００は、外部の波長測定器が接続可能な構成となっている。外部の波長測定器は、例えば、波長可変光源出射光１２の波長を測定する。外部の波長測定器による測定結果である波長測定結果２０が制御部９に入力されるように構成されている。

図１に示した構成の波長可変光源１００は、以下に示すような初期値探索手順により、光出力の開始時点で使用する温度制御初期値を決定する。温度制御初期値とは、ＬＤ１が光を出力しかつ光増幅器２が増幅動作を行っていない状態である初期状態において、制御部９が温度可変素子３に対して出力する温度制御信号１７の値である。温度制御初期値の決定は、例えば、波長可変光源１００の工場出荷時に実施する。

以下、波長可変光源１００における初期値探索手順を図３および図４を参照しながら説明する。図３は、初期値探索手順を示したフローチャートである。図４は、図３に示した初期値探索手順の各ステップにおける波長可変光源出射光１２およびＬＤ前面出射光１１のスペクトルを示す図である。なお、図３に示した初期値探索手順は、ある特定の波長に対応する温度制御初期値を探索するためのものである。波長可変光源１００は複数の波長を出力可能であるため、実際には、出力可能な波長のそれぞれについて、図３に示した初期値探索手順を実行し、波長ごとに温度制御初期値を決定する。

初期値探索手順では、まず、制御部９が、ＬＤ制御信号１８の値を一定値まで上昇させることで、ＬＤ１に対して所定波長の光の出力開始を指示する（ステップＳ１）。この結果、ＬＤ１の前面および背面からＬＤ前面出射光１１およびＬＤ背面出射光１３がそれぞれ出力される。この時点では光増幅器２が動作を開始していないため、図４のＳ１に示したように、ＬＤ前面出射光１１は出力されるが波長可変光源出射光１２は出力されない。

次に、制御部９は、光増幅器制御信号１９をゼロから一定値まで上昇させることで、光増幅器２に対して、入力されたＬＤ前面出射光１１の強度を増幅するよう指示する（ステップＳ２）。この結果、光増幅器２が増幅動作を開始し、光増幅器制御信号１９の値に従った増幅率でＬＤ前面出射光１１の強度を増幅して波長可変光源出射光１２として出力する。光増幅器２が増幅動作を開始すると、図４のＳ２に示したように、波長可変光源出射光１２が出力される。このとき、光増幅器２の発熱によりＬＤ１が加熱されて温度が変化するため、ＬＤ１が出力する光、すなわち、ＬＤ前面出射光１１およびＬＤ背面出射光１３の波長が変化する。なお、図４のＳ２に示した破線の矢印は光増幅器２が増幅動作を開始する前のＬＤ前面出射光１１を示している。

次に、波長可変光源出射光１２を波長測定器に入力させて波長を計測しつつ、波長可変光源出射光１２が目標の波長となるように、制御部９が温度制御信号１７を調整する（ステップＳ３）。温度制御信号１７を調整することにより温度可変素子３の発熱量および冷却量が変化する。温度可変素子３は、温度制御信号１７の値に従い温度制御し、ＬＤ１の温度を調整する。このステップＳ３において、制御部９は、波長測定器による計測結果である波長測定結果２０に基づいて温度制御信号１７を調整する動作を、波長可変光源出射光１２が目標の波長となるまで繰り返し実行する。ステップＳ３において温度制御信号１７の調整が完了すると、図４のＳ３に示したように、目標波長のＬＤ前面出射光１１および波長可変光源出射光１２が出力される。なお、図４のＳ３に示した破線の矢印は温度制御信号１７の調整を開始する前のＬＤ前面出射光１１および波長可変光源出射光１２を示している。

制御部９は、温度制御信号１７の調整が完了すると、波長モニタ出力信号１６とパワーモニタ出力信号１５の比を算出し、波長モニタ係数目標値としてメモリ１０に記憶させる（ステップＳ４）。なお、「波長モニタ係数目標値＝波長モニタ出力信号１６／パワーモニタ出力信号１５」である。パワーモニタ出力信号１５はエタロン６を透過する前の光の強度を示し、波長モニタ出力信号１６はエタロン６を透過した光の強度を示しているため、ＬＤ１から出力される光の波長が変化すると波長モニタ出力信号１６とパワーモニタ出力信号１５の比が変化する。よって、制御部９は、パワーモニタ出力信号１５および波長モニタ出力信号１６を監視することにより、波長可変光源出射光１２が目標波長か否かを知ることができる。ステップＳ４を実行した後のＬＤ前面出射光１１の波長および波長可変光源出射光１２の波長および強度は、図４のＳ４に示したように、ステップＳ３を実行した後と同様である。

次に、制御部９は、波長モニタ出力信号１６とパワーモニタ出力信号１５の比が波長モニタ係数目標値から変動しないように、温度制御信号１７のフィードバック制御を開始する（ステップＳ５）。すなわち、制御部９は、周期的に波長モニタ出力信号１６とパワーモニタ出力信号１５の比を算出して波長モニタ係数目標値と比較し、比較結果に基づいて温度制御信号１７の値を調整する。なお、波長モニタ出力信号１６とパワーモニタ出力信号１５の比が波長モニタ係数目標値から変動しないように温度制御信号１７を制御することは、ＬＤ１より出力される光信号の波長が変動しないように制御することに相当する。ステップＳ５を実行した後のＬＤ前面出射光１１の波長および波長可変光源出射光１２の波長および強度は、図４のＳ５に示したように、ステップＳ３，Ｓ４を実行した後と同様である。

制御部９は、ステップＳ５で開始したフィードバック制御、すなわち、ＬＤ１より出力される光信号の波長が変動しないようにするための温度制御信号１７のフィードバック制御を動作させながら、光増幅器制御信号１９を段階的に減少させる（ステップＳ６）。光増幅器制御信号１９を減少させると、光増幅器２における増幅動作の増幅率が低下し、図４のＳ６に示したように、波長可変光源出射光１２の強度が低下する。なお、温度制御信号１７のフィードバック制御により、ＬＤ前面出射光１１および波長可変光源出射光１２の波長については変化しない。図４のＳ６に示した破線の矢印は光増幅器制御信号１９を減少させる前の波長可変光源出射光１２を示している。

制御部９は、光増幅器制御信号１９をゼロまで減少させると、すなわち、光増幅器２による増幅動作を停止させると、ステップＳ５で開始したフィードバック制御により収束した温度制御信号１７を、初期値探索動作の対象とした波長における温度制御信号１７の初期値に決定する（ステップＳ７）。図４のＳ７に示したように、目標波長のＬＤ前面出射光１１が出力され、かつ波長可変光源出射光１２が出力されていない状態における温度制御信号１７を初期値に決定する。なお、光増幅器２による増幅動作を停止させた後もしばらくの間フィードバック制御を継続する。具体的には、ＬＤ１が光増幅器２による発熱の影響を受けなくなるまでフィードバック制御を継続する。ＬＤ１が光増幅器２による発熱の影響を受けなくなると、温度制御信号１７がある値に収束するので、収束した値を温度制御信号１７の初期値である温度制御初期値としてメモリ１０が記憶する。

以上のステップＳ１からＳ７の処理を実行することにより、温度制御信号１７の初期値を決定することができる。なお、上述したように、波長可変光源１００は複数の波長を出力可能であるため、出力可能な波長のそれぞれについて、温度制御信号１７の初期値を決定する。出力可能な波長のそれぞれについての温度制御信号１７の初期値を決定する場合、ステップＳ２からＳ７の処理を繰り返し実行すればよい。

決定した温度制御信号１７の初期値は、波長可変光源１００がある波長の光の出力を開始する前の状態、すなわち、ＬＤ１が光を出力しているが光増幅器２が増幅動作を実行していない初期状態において使用する。初期状態においては、制御部９は、ＬＤ制御信号１８を一定値まで上昇させてＬＤ１から光の出力を開始させるとともに、温度制御信号１７を上記のステップＳ１からＳ７を予め実行して決定しておいた初期値まで上昇させてＬＤ１の温度を調整し、ＬＤ１が出力する光を所望波長に設定する。その後、制御部９が光増幅器制御信号１９を一定値まで上昇させることにより、光増幅器２が増幅動作を開始して光信号出力状態となり、波長可変光源１００は、所望波長の波長可変光源出射光１２の出力を開始する。

本実施の形態では、ＬＤ１が前面および背面から光信号を出力し、前面から出力された光信号を光増幅器２が増幅し、背面から出力され、エタロン６を透過する前の光信号の強度および透過した後の光信号の強度に基づいて温度制御初期値を決定する場合について説明したが、ＬＤ１の前面から出力された光信号の一部を光増幅器２に入射させずにエタロン６を透過するように構成した場合も同様に、温度制御初期値を決定することができる。すなわち、光信号を前面からのみ出射するＬＤを備えて構成された波長可変光源であっても、最適な温度制御初期値を決定することができる。

このように、本実施の形態の波長可変光源において、制御部９は、まず、ＬＤ１および光増幅器２を動作させた状態で目標波長の光が出力されるように、温度可変素子３の制御信号である温度制御信号１７の値を調整してＬＤ１の温度を調整する。目標波長の光の出力が開始となると、次に、ＬＤ１の背面から出力された光のエタロン透過前の出力とエタロン透過後の出力の比を監視し、この比が変化しないように温度制御信号１７を調整して温度可変素子３をフィードバック制御することによりＬＤ１の温度が一定となるように調整しつつ、光増幅器２による増幅動作が停止するまで、増幅動作で使用する増幅率を段階的に低下させる。すなわち、波長可変光源１００が出力する光の強度を段階的に下げる。そして、光増幅器２による増幅動作を停止させた時点における温度制御信号１７の値を、温度制御初期値、すなわち、初期状態における温度制御信号１７の初期値に決定する。これにより、初期状態における温度制御信号１７の初期値として高精度な値を決定することができる。よって、ＬＤ１の初期温度設定を高精度に行うことができ、波長可変光源の高性能化を実現できる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ レーザーダイオード、２ 光増幅器、３，８ 温度可変素子、４ レンズ、５ パワーモニタ、６ エタロン、７ 波長モニタ、９ 制御部、１０ メモリ、１００ 波長可変光源。

Claims (2)

1. 光信号を出力する波長可変光源であって、
   温度調整により出力波長を変更可能なレーザーダイオードと、
   前記レーザーダイオードの前面から出力された光を増幅する光増幅器と、
   前記レーザーダイオードの温度を調整する温度可変素子と、
   前記レーザーダイオード、前記光増幅器および前記温度可変素子を制御する制御部と、
   前記レーザーダイオードの背面から出力された光を透過させるエタロンと、
   前記レーザーダイオードによる光出力の開始時点において前記制御部が前記温度可変素子に対して出力する温度制御信号である温度制御初期値を記憶する記憶部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記光増幅器から出力される光の波長が目標波長となるように前記温度可変素子を制御した後、前記エタロンを透過する前の第１の光と前記エタロンを透過した後の第２の光の強度の比を目標値として算出し、さらに、前記第１の光と前記第２の光の強度の比が前記目標値から変動しないように前記温度可変素子を制御しつつ、前記光増幅器による増幅動作を停止させ、前記増幅動作の停止後に前記温度可変素子に対して出力している温度制御信号を前記温度制御初期値に決定することを特徴とする波長可変光源。
2. 温度調整により出力波長を変更可能なレーザーダイオードと、前記レーザーダイオードの前面からの出力光を増幅する光増幅器と、前記レーザーダイオードの温度を調整する温度可変素子と、前記レーザーダイオード、前記光増幅器および前記温度可変素子を制御する制御部とを備えた波長可変光源において、前記制御部が、前記レーザーダイオードによる光出力の開始時点において前記温度可変素子に対して出力する温度制御信号である温度制御初期値を決定する、温度制御初期値の決定方法であって、
   前記制御部が、前記光増幅器から出力される光の波長が目標波長となるように、前記温度可変素子を制御するステップと、
   前記制御部が、前記光増幅器から目標波長の光が出力されている状態において、前記レーザーダイオードの背面から出力され、エタロンを透過する前の第１の光と、前記レーザーダイオードの背面から出力され、エタロンを透過した後の第２の光の強度の比を目標値として算出するステップと、
   前記制御部が、前記第１の光と前記第２の光の強度の比が前記目標値から変動しないように前記温度可変素子を制御しつつ、前記光増幅器による増幅動作を停止させるステップと、
   前記制御部が、前記増幅動作の停止後に前記温度可変素子に対して出力している温度制御信号を、前記温度制御初期値に決定するステップと、
   を含むことを特徴とする温度制御初期値の決定方法。

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