JP2937418B2

JP2937418B2 - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP2937418B2
Application number: JP13669190A
Authority: JP
Inventors: 茂大島; 美都子中村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-05-25
Filing date: 1990-05-25
Publication date: 1999-08-23
Anticipated expiration: 2014-08-23
Also published as: JPH0372686A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）この発明は、光通信等に用いる半導体レーザ装置に関
する。

（従来の技術）周知のように、コヒーレント光通信等の光源として
は、半導体レーザがよく用いられるが、レーザ光の波長
の安定性が要求されるため、従来では、第５図に示すよ
うに構成して波長の安定化が図られている。

第５図において、101は電流もしくは温度で発振周波
数が可変できる半導体レーザであり、図中左方向に進行
する光は光学レンズ102によって信号伝送用の光ファイ
バ103に集光され、該光ファイバ103を通じて光信号の伝
送に供される。一方、図中右方に進行する光は光学レン
ズ104によって平行光に変換された後、ビームスプリッ
タ105に入射されて２系統に分割される。

ビームスプリッタ105で分割された一方の光は光学レ
ンズ106を通過して第１の光検出器107に入射される。す
なわち、この光検出器107の検出出力を見ることによ
り、半導体レーザ101の出力光強度をモニタすることが
できる。他方の光は反射鏡108,109により形成したファ
ブリペロー共振器に入射され、特定波長の共振を受けた
後、光学レンズ110を通過して第２の光検出器111に入射
される。

この第２の光検出器111の出力は、ファブリペロー共
振器で受けた共振により、第６図に示すように、波長に
対して周期的なピークを有する。そこでこの装置は、第
１の光検出器107の出力レベルを基準にして第２の光検
出器111の検出レベルが一定値をとるように、フィード
バック制御器112によって半導体レーザ101への電流制御
または温度制御の行うことにより、レーザ光の発振波長
を設定波長に固定している。

ところで、上記構成による従来の半導体レーザ装置に
は、以下のような２つの大きな問題がある。

第１の問題点は、第６図に示したように、設定波長が
波長引込み範囲の中心にないため、安定にフィードバッ
ク制御をかけるのに波長引込み範囲を有効に使うことが
できないことである。このような特性は、ファブリペロ
ー共振器のフィネスを大きくして高感度化すると益々強
まるので、ファブリペロー共振器に対する高感度化の妨
げとなっている。第２の問題点は制御がDC的であり、ド
リフトに弱いということにある。すなわち、第１、第２
の光検出器107,111の感度の変化、光検出器の出力を増
幅する増幅器の感度変化、０点ドリフト、さらには光路
中におけるゴミ等の付着による光量の変化等は全て設定
波長精度にかかってくる。このため、長期的に波長が安
定した装置を作ることは極めて困難であった。

（発明が解決しようとする課題）以上述べたように従来の半導体レーザ装置では、設定
波長が波長引込み範囲の中心にないため、取扱いに不便
であり、高感度化の妨げともなっていた。さらに、制御
がDC的であるため、種々のドリフトに弱く、長期的に波
長を安定させることが困難であった。

そこで、この発明は上記の欠点を除去すべくなされた
もので、設定波長が波長引込み範囲の中心にあって取扱
いが容易であり、また高感度化が可能で、しかも長期的
に波長を安定化することのできる半導体レーザ装置を提
供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）上記目的を達成するためにこの発明に係る半導体レー
ザ装置は、半導体レーザから放射されるレーザ光を光学
系によって平行光に変換した後、水晶バルクを光透過媒
体とし、該媒体の両端面に反射膜を形成してなるファブ
リペロー共振器に入射して、レーザ光を反射膜間の距離
に応じた波長で共振させ、光検出器に導く。ファブリペ
ロー共振器には一対の電極を形成し、該電極に交流信号
を印加して前記水晶バルクに交流電界を与え、これによ
って共振器の共振波長を微少量振動させ、光検出器の検
出信号とファブリペロー共振器の一対の電極に印加する
交流信号とを同期検波し、この検波信号を誤差信号とし
て、該誤差信号が小さくなるように、フィードバック制
御器を通じて前記半導体レーザに波長制御信号を送出す
るように構成される。

上記誤差信号を得る手段としては、ファブリペロー共
振器の一対の電極間に帰還増幅器を介在する帰還ループ
を形成して、水晶バルク共振時に発生する発振信号を帰
還増幅して発振させ、光検出器の検出信号と帰還ループ
からの発振信号とを同期検波しこれを誤差信号としても
よい。

また、上記光検出器の直流出力をモニタ信号として取
り出すようにしてもよい。また、上記半導体レーザから
放射されるレーザ光を２系統に分配し、一方の系統のレ
ーザ光を波長制御系に入射し、他方の系統のレーザ光を
光信号伝送用としてもよい。さらに、上記半導体レーザ
が２か所からレーザ光を放射するものである場合には、
一方のレーザ光を波長制御系に入射し、他方のレーザ光
を光信号伝送用としてもよい。

（作用）上記構成の半導体レーザ装置では、半導体レーザから
放射されるレーザ光をファブリペロー共振器に入射して
特定波長で共振させる際、交流信号によって微小量振動
させ、該共振器の出射光を光検出器で光電変換し、この
変換出力を交流信号を基準に同期検波する。この検波出
力を誤差信号として半導体レーザにフィードバックし、
誤差信号が小さくなる方向にレーザ光の波長を変化させ
る。ここで共振器の共振波長を設定波長とほぼ一致させ
ておくことにより、設定波長を波長引込み範囲の中心に
位置させ、波長引込み範囲を有効に利用することができ
るようになる。

また、上記ファブリペロー共振器の一対の電極間に帰
還増幅器を介在する帰還ループを形成して、水晶バルク
共振時に発生する発振信号を帰還増幅して発振させ、光
検出器の検出信号と帰還ループからの発振信号とを同期
検波するようにしても、上記誤差信号を得ることがで
き、この誤差信号を半導体レーザにフィードバックし、
誤差信号が小さくなる方向にレーザ光の波長を変化さ
せ、共振器の共振波長を設定波長とほぼ一致させておく
ことにより、設定波長を波長引込み範囲の中心に位置さ
せ、波長引込み範囲を有効に利用することができるよう
になる。

また、ファブリペロー共振器の透過光を検出する光検
出器の直流出力は、ファブリペロー共振器に入射するレ
ーザ光の強度に比例しているので、モニタ信号として取
り出すことができ、これによって単独にモニタ系を設け
る必要がなくなり、小型化、簡易化に供することができ
る。

また、半導体レーザから出力されるレーザ光を２系統
に分配して、一方の系統のレーザ光を波長制御系に入射
し、他方の系統のレーザ光を光信号伝送用に用いれば、
さらなる小型化、簡易化に供し得る。

さらに、半導体レーザが２か所からレーザ光を放射す
る半導体レーザである場合には、一方のレーザ光を波長
制御系に入射し、他方のレーザ光を光出力モニタ用及び
光信号伝送用に用いれば、各レーザ光を有効に利用でき
るので、このことによっても小型化、簡易化に供し得
る。

（実施例）以下、この発明の一実施例を第１及び第２図を参照し
て説明する。

第１図はこの発明に係る半導体レーザ装置の構成を示
すものである。

第１図において、11は波長可変とする半導体レーザで
あり、ここから図中左方に出射する光S₁は、光学レンズ
12によって平行光に変換された後、ビームスプリッタ13
で２系統に分割され、各系統の光S₂,S₃は光学レンズ14,
16により光ファイバ15、第１の光検出器17に集光され
る。光ファイバ15は光伝送路に接続され、第１の光検出
器17の出力信号は半導体レーザ11の出力光モニタとして
利用される。一方、半導体レーザ11から図中右方に出射
される光S₄は、光学レンズ18により平行光に変換された
後、下記に詳述するファブリペロー共振器19によって特
定波長で共振を受けて、光学レンズ20を通過して第２の
光検出器21へ導かれる。

上記ファブリペロー共振器19は水晶バルクによるもの
である。この水晶製ファブリペロー共振器19は、結晶の
Ｚ軸方向（図示矢印で示すＣ軸方向に対して垂直な方
向）に光を通すように、水晶バルク19₁の両端面を正方
形または長方形とする直方体形状に整形し、両端面（Ｚ
軸方向にカットしたＺカット面とする）に誘電体多層膜
を蒸着して反射鏡19₂,19₃を形成し、また結晶のＸカッ
ト面（Ｚカット面に垂直で互いに対向する一対の側面）
にそれぞれ金属板を装着して電極19₄,19₅を形成したも
のである。

上記電極19₄,19₅は交流信号発生器26の出力端子に接
続される。すなわち、交流信号発生器26からの交流信号
V₁を電極19₄,19₅に印加してＸ軸方向（図面の上下方
向）に電界Exを加え、入射光S₄をＸ軸方向もしくはＹ軸
方向（図面の表裏方向）に直線偏向するようになされて
いる。これによってファブリペロー共振器19に入射され
たレーザ光S₄は水晶の電気光学効果r₁₁によりファブリ
ペロー共振器長に対応する変調を受けることになる。

上記第２の光検出器21の出力V₂は、交流信号発生器26
から出力される交流信号V₁と共に同期検波器27に供給さ
れる。この同期検波器27は交流入力V₁を基準に第２の光
検出器21の出力V₂の積をとり、高周波成分を除去して同
期検波を行い、その検出結果を誤差信号としてフィード
バック制御器28に出力するものである。このフィードバ
ック制御器28は入力誤差信号に所定のフィードバックゲ
インをかけ、その値に応じて半導体レーザ11の発振波長
を決定する注入電流（または温度）を変化させ、上記誤
差信号を０とするように制御するものである。

上記構成において、以下第２図に示す各部出力の波長
特性を参照してその動作を説明する。第２図において、
実線Ｐはファブリペロー共振器19の透過特性で、周期的
なピークを持っている。いま、図中点Ａの波長で半導体
レーザ11が発振しているとする。ファブリペロー共振器
19には一定周波数の交流信号V₁が加えられているため、
その透過特性は図中破線Ｐ′で示すように微小量振動す
る。このため、ファブリペロー共振器19を透過して第２
の光検出器21に入射された光S₄は、ファブリペロー共振
器19の透過特性Ｐ−Ｐ′によってS₄′のように変調され
る。ここで、バルク19₁に加わる信号V₁を V₁＝a sinω t …（１）とすれば、第２の光検出器21から取り出される交流成分
V₂は近似的に次式で表すことができる。

V₂＝−Ｃ（dp/dλ）a sinω t …（２）尚、Ｃは比例定数、dp/dλは、第２図の実線（ファブ
リペロー共振器19の透過特性）Ｐを波長λで微分したも
のである。

したがって、同期検波器27の出力V₃はこの２つの信号
V₁,V₂の積をとり、高周波成分を除いたものであるか
ら、 V₁×V₂ ＝−Ｃ（dp/dλ）a² sinω² t ＝−Ｃ（dp/dλ）a²（１−cos2ω t） ∴V₃＝−Ｃ（dp/dλ）a²/2 …（３）となる。すなわち、同期検波器27の出力V₃は、第２図の
実線Ｐを微粉した一点鎖線に比例することがわかる。フ
ィードバック制御器28は、同期検波の出力V₃を誤差信号
として半導体レーザ11の波長λを制御するので、設定波
長はファブリペロー共振器19の共振波長と一致する。ま
た、第２図を見てわかるように、この設定波長は波長引
込み範囲の中心にある。さらに（３）式からわかるよう
に、光検出器21の感度の変動、レーザ光量の変動はａ、
Ｃが変動することになるが、V₃＝０となるように制御さ
れるため、設定波長の変動にはならない。したがって、
この構成による制御装置は種々のドリフトに対して強い
という効果を有する。

第３図はこの発明に係る半導体レーザ装置の第２の実
施例を示すものである。但し、第３図において第１図と
同一部分には同一符号を付して示し、その説明を省略す
る。

すなわち、第１図に示したファブリペロー共振器19に
用いられるバルク19¹は水晶であるから、これを水晶振
動子として利用することも考えられる。そこで、第３図
の実施例では、バルク19₁に設けた一対の電極19₄,19₅を
それぞれ帰還回路29₁に接続して増幅器29₂と共に水晶発
振器29を構成する。そして、この発振器から発振信号
（第１図の実施例の交流信号に相当する）V₁を取出し、
第２の光検出器21の出力V₂と共に同期検波器27に入力す
るように構成している。

この構成によれば、バルク19₁が振動して固有の共振
周波数で振動するので、周波数の調整なしに、効率よく
ファブリペロー共振器19の透過特性を振動させることが
できる。

尚、半導体レーザとして、例えばDFBレーザを用いた
場合、右方出力と左方出力の比は一定でないため、モニ
タ出力と伝送路出力は同一方向の出力から取り出す必要
がある。

第４図はこの発明に係る第３の実施例を示すものであ
る。但し、第４図において第１図と同一部分には同一符
号を付して示し、その説明を省略する。

すなわち、この実施例の半導体レーザ11はDFBレーザ
であり、前述したように右方出力と左方出力の比が一定
でない。ここでは光強度の大きい左方の出力光のみを使
用するものとする。左方から出射された光S₁は、第１図
の場合と同様に、光学レンズ12によって平行光に変換さ
れた後、ビームスプリッタ13で２系統に分割され、各系
統の光S₂,S₃はそれぞれ光学レンズ14,16により光ファイ
バ15、光検出器17に集光される。

ビームスプリッタ13で分岐されたモニタ系統の光S₃の
光路には前述のファブリペロー共振器19が配置される。
このファブリペロー共振器19の電極19₄,19₅には交流信
号発生器26からの交流信号V₁が印加され、バルク19₁に
はＸ軸方向（図面の左右方向）に電化Exが加えられ、入
射光S₃はＸ軸方向もしくはＹ軸方向（図面の表裏方向）
に直線偏光される。

上記光検出器17の出力V₄は、直流増幅器30増幅された
後、交流信号発生器26から出力される交流信号V₁と共に
同期検波器27に供給される。この同期検波器27で検波さ
れた誤差信号はフィードバック制御器28に出力される。
一方、上記直流増幅器30の出力はローパスフィルタ（LP
F）31にも供給される。このローパスフィルタ31は光検
出信号から低域成分のみを抽出し、これによってファブ
リペロー共振器19で受けた変調成分を除去するもので、
その低域信号は光出力S₁のモニタ出力としてフィードバ
ック制御器28に供給される。

このフィードバック制御器28は同期検波器27からの誤
差信号に所定のフィードバックゲインをかけ、その値に
応じて半導体レーザ11の発振波長を決定する注入電流
（または温度）を変化させ、上記誤差信号を０とするよ
うに波長（周波数）を制御する。これと同様に、ローパ
スフィルタ31からのモニタ信号に応じて、注入電流（ま
たは温度）を制御することにより、光強度を制御する。

上記構成において、レーザ光の波長は同期検波器27、
ヒィードバック制御器28によってファブリペロー共振器
19の共振波長に安定化される。このとき、光検出器17の
直流成分はレーザの出力モニタとして使用することがで
きる。そこで、この実施例では、光検出器17の信号を直
流増幅器30で直流増幅した後、ローパスフィルタ31で変
調成分を除去することにより、出力モニタ信号としてフ
ィードバック制御器28に送る。

したがって、上記構成による半導体レーザ装置では、
フィードバック制御器28でレーザ光の波長のみならず、
出力モニタ信号に応じて光強度を制御することにより、
DFBレーザ11の各電極に適切な注入電流を流すことがで
きる。しかも、全体の部品点数を低減すると共に、軸合
わせの調整箇所をも低減することができる。

尚、上記のいずれの実施例においても、同期検波後の
出力にオフセット電圧を加えて誤差信号とすれば、ファ
ブリペロー共振器の共振周波数近傍に波長を設定するこ
とができるということはいうまでもない。

また、各実施例におけるファブリペロー共振器19は、
水晶バルク19₁に対して反射鏡19₂,19₃、電極19₄,19₅を
異なる面に形成したが、透明な電極を用いて反射鏡と同
一面に配置する方法がある。例えば、水晶バルク19₁の
一対のＺカット面に形成した反射鏡19₂,19₃の上に透明
材料による電極19₄,19₅を形成し、Ｚ軸方向に電界Ezを
加え、入射光をＹ軸方向に直線偏光するように構成して
も同様な効果が得られる。

その他、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形
しても同様に実施可能である。

［発明の効果］以上述べたようにこの発明によれば、設定波長が波長
引込み範囲の中心にあるため、容易に安定したフィード
バックをかけることができ、また、ファブリペロー共振
器のフィネスを高めて高感度化することもできる。さら
に、光検出器系、その信号を増幅するアンプ等のドリフ
トの影響も受け難くなり、長期にわたり安定した発振波
長を得ることができ、これによってコヒーレント光通信
等に用いて好適な半導体レーザ装置を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る半導体レーザ装置の第１の実施
例を示す構成図、第２図は同実施例の動作を説明するた
めの特性図、第３図はこの発明に係る第２の実施例を示
す構成図、第４図はこの発明に係る第３の実施例を示す
構成図、第５図は従来の半導体レーザ装置を示す構成
図、第６図は従来の半導体レーザ装置の動作を説明する
ための特性図である。 11……半導体レーザ、12,14,16,18,20……光学レンズ、
19……ファブリペロー共振器、19₁……水晶バルク、1
9₂,19₃……反射鏡、19₄,19₅……電極、17,21……光検出
器、26……交流信号発生器、27……同期検波器、28……
フィードバック制御器、29……水晶発振器、29₁……帰
還回路、29₂……増幅器、30……直流増幅器、31……ロ
ーパスフィルタ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】制御信号に応じた波長のレーザ光を放射す
る半導体レーザと、この半導体レーザから放射されるレーザ光を平行ビーム
に変換する光学系と、水晶バルクを光透過媒体とし、該媒体の両端面に反射膜
を形成してなるファブリペロー共振器と、このファブリペロー共振器に一対の電極を形成し、該電
極に交流信号を印加して前記水晶バルクに交流電界を与
え、これによって共振器の共振波長を微少量振動させる
振動発生手段と、前記ファブリペロー共振器の透過光を入射して電気信号
に変換する光検出器と、前記ファブリペロー共振器の一対の電極に印加する交流
信号と前記光検出器で検出した電気信号とを同期検波す
る同期検波器と、この同期検波器より得られる信号を誤差信号とし、該誤
差信号が小さくなるように前記半導体レーザに波長制御
信号を送出するフィードバック制御器と、を具備し、前記半導体レーザの発振波長を前記ファブリペロー共振
器の共振波長に略一致させるようにしたことを特徴とす
る半導体レーザ装置。
【請求項２】制御信号に応じた波長のレーザ光を放射す
る半導体レーザと、この半導体レーザから放射されるレーザ光を平行ビーム
に変換する光学系と、水晶バルクを光透過媒体とし、該媒体の両端面に反射膜
を形成してなるファブリペロー共振器と、前記ファブリペロー共振器に一対の電極を形成し、該電
極間に帰還増幅器を介する帰還ループを形成して、前記
バルクの共振時に発生する発振信号を帰還増幅して発振
させる発振手段と、前記ファブリペロー共振器の透過光を入射して電気信号
に変換する光検出器と、前記発振手段の帰還ループから発振信号を取出し、該発
振信号と前記光検出器で検出した電気信号とを同期検波
する同期検波器と、この同期検波器より得られる信号を誤差信号とし、該誤
差信号が小さくなるように前記半導体レーザに波長制御
信号を送出するフィードバック制御器と、を具備し、前記半導体レーザの発振波長を前記ファブリペロー共振
器の共振波長に略一致させるようにしたことを特徴とす
る半導体レーザ装置。
【請求項３】前記光検出器で検出される電気信号の直流
成分を前記半導体レーザの光出力モニタ信号として取り
出すモニタ手段を備えることを特徴とする請求項（１）
または（２）に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】前記半導体レーザから放射されるレーザ光
を２系統に分配する分配手段を備え、この分配手段で分
配された一方の系統のレーザ光を前記ファブリペロー共
振器、光検出器、同期検波器及びフィードバック制御器
を含む波長制御系に入射し、他方の系統のレーザ光を光
信号伝送用に用いることを特徴とする請求項（１）また
は（２）に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】前記半導体レーザは、２か所からレーザ光
を放射する半導体レーザであり、一方のレーザ光を前記
ファブリペロー共振器、光検出器、同期検波器及びフィ
ードバック制御器を含む波長制御系に入射し、他方のレ
ーザ光を光出力モニタ用及び光信号伝送用に用いること
を特徴とする請求項（１）または（２）に記載の半導体
レーザ装置。