JP3029335B2

JP3029335B2 - 半導体レーザ波長安定化回路

Info

Publication number: JP3029335B2
Application number: JP4-45433A
Authority: JP
Inventors: 茂大島; 正英宮地
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-03-04
Filing date: 1992-03-03
Publication date: 2000-04-04
Anticipated expiration: 2015-04-04

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、コヒーレント光伝送
に用いる半導体レーザ光の波長安定化を図る半導体レー
ザ波長安定化回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、コヒーレント光伝送で
は、光源の波長安定化技術が極めて重要である。従来、
半導体レーザの発振波長を安定化するために、外部回路
によって波長を検出してフィードバック制御を行う手法
がよく知られている。

【０００３】図６は従来回路の一般的な構成を示すもの
である。半導体レーザ１の前方光は、光学レンズ２によ
って平行光に変換された後、光学レンズ４で光伝送用の
光ファイバ５の端部に集光され、信号伝送に供される。

【０００４】このような半導体レーザ１に対し、波長安
定化回路では、半導体レーザ１の後方光をレンズ８で平
行光に変換し、ファブリペロー共振器９を透過させ、光
学レンズ１０で光検出器１１に集光する。

【０００５】ここで、ファブリペロー共振器９は光軸に
垂直に反射鏡９１，９２を配置し、その間に水晶体９３
を介して構成される。水晶体９３の側面には一対の電極
１４，１５が平行に対向配置されている。これらの電極
１４，１５は交流信号発生器１６に接続される。すなわ
ち、ファブリペロー媒質（水晶体９１）の電気光学効果
を利用し、共振器長を交流信号発生器１６で微小量変調
するようにしている。

【０００６】上記光検出器１１の出力は増幅器１９，２
０によって増幅された後、同期検波器１７に供給され
る。上記交流信号発生器１６で発生された交流信号は同
期検波器１７にも供給される。この同期検波器１７は増
幅器２０の出力信号を交流信号に基づいて同期検波す
る。

【０００７】この同期検波器１７の出力はファブリペロ
ー波長透過特性の一次微分に比例している。この信号は
誤差信号としてフィードバック制御器１８に供給され
る。このフィードバック制御器１８は誤差信号に基づい
て半導体レーザ１の注入電流を変化させ、その発振波長
をフィードバック制御し、これによって半導体レーザの
出射光周波数を安定化する。

【０００８】ところで、半導体レーザの発振波長を制御
する場合、上述のように、一般に半導体レーザの注入電
流を制御するが、注入電流の変化は発振波長ばかりでな
く、出力レベルも変動する。このため、発振出力レベル
の変動分も増幅器１９，２０によって増幅されてしま
い、場合によっては増幅器１９の出力が飽和したり、同
期検波器１７に過大入力が供給されたりする。このこと
は、フィードバックループを著しく不安定にし、高いル
ープゲインを設定すると発振の原因になる。したがっ
て、従来の波長安定化回路ではループゲインを高く取れ
ず、比例制御のみでは制御誤差が増大する等の問題が生
じた。

【０００９】また、半導体レーザを直接変調する場合に
は、変調信号に合わせて半導体レーザへの注入電流を変
化させるため、変調に伴う発振波長の変動と発振出力の
変動が生じる。このため、光検波器１１の出力レベルが
変動し、この変動も増幅器１９，２０によって増幅され
てしまい、これによってフィードバックループに変調信
号が混入し、増幅器１９の出力が飽和したり、同期検波
器１７に過大入力が供給されたりする。したがって、従
来の波長安定化回路では、半導体レーザを直接変調する
場合、フィードバックループに変調信号が混入して、フ
ィードバックループが著しく不安定となるという問題が
生じた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来の半導体レーザ波長安定化回路では、フィードバック
ループのループゲインを高く設定すると発振の原因にな
り、ループゲインを高く取れず、比例制御のみでは制御
誤差が増大する等の問題が生じた。また、半導体レーザ
を直接変調する場合、フィードバックループに変調信号
が混入し、フィードバックループを著しく不安定にする
という問題が生じた。

【００１１】この発明は上記の問題を解決するためにな
されたもので、フィードバックループに不安定要因がな
く、高いループゲインで半導体レーザの波長を安定に制
御でき、さらには半導体レーザを直接変調する場合に
も、フィードバックループへの変調信号の混入を防止し
て、ループの安定動作を実現できる半導体レーザ波長安
定化回路を提供することを目的とする。

【００１２】

【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波長安定化回路は、半導
体レーザの出射光を入射し特定の波長で共振させる光学
共振器またはガスセルと、この光学共振器またはガスセ
ルの出射光を受光して電気信号に変換する光検出器と、
この光検出器の出力を複数個の増幅器を介して増幅する
増幅手段と、周波数ｆの交流信号を発生する交流信号源
と、この交流信号源の出力に基づいて前記光学共振器の
共振器長を実質的に微少量変調させる変調手段と、前記
交流信号源の出力に基づいて前記信号増幅手段の出力を
同期検波する同期検波器と、この同期検波器の検波出力
に基づいて前記半導体レーザの発振波長をフィードバッ
ク制御するフィードバック制御器と、前記増幅手段の複
数個の増幅器の間のいずれかに介在し、フィードバック
ループの応答時間をτとした場合、前記周波数ｆなる信
号を通し、周波数１／（２πτ）以下の信号を遮断する
第１のフィルタとを具備することを第１の特徴とする。

【００１３】さらに、前記増幅手段の複数個の増幅器の
間のいずれかに介在し、前記半導体レーザの発振波長を
変調する変調信号の周波数成分のうち、最も低い周波数
をＦとした場合、前記周波数ｆなる信号を通し、周波数
Ｆ以上の信号を遮断する第２のフィルタを具備すること
を第２の特徴とする。

【００１４】また、前記第１、第２のフィルタの代わり
に、前記増幅手段の複数個の増幅器の間のいずれかに介
在し、フィードバックループの応答時間をτ、前記半導
体レーザの発振波長を変調する変調信号の周波数成分の
うち最も低い周波数をＦとした場合、前記周波数ｆなる
信号を通し、周波数１／（２πτ）以下の信号及び周波
数Ｆ以上の信号を遮断するフィルタとを具備することを
第３の特徴とする。

【００１５】

【作用】まず、波長を安定化するために１／（２πτ）
以下の周波数成分の信号が半導体レーザに加わると、光
検出器の出力信号に、交流信号の周波数ｆを中心とした
信号のみならず、半導体レーザの発振出力変動による１
／（２πτ）以下の周波数成分を有する信号が混在す
る。そこで、上記第１の特徴とする構成では後者の信号
を第１のフィルタで除去し、ループ動作を不安定にする
原因を取り除くようにしている。

【００１６】また、半導体レーザを直接変調する場合に
あっては、波長安定化のためにさらにＦ以上の周波数成
分の信号が半導体レーザに加わると、光検出器の出力信
号に、さらに半導体レーザの直接変調に伴う発振出力の
変動による周波数Ｆ以上の信号が混在する。そこで、上
記第２の特徴とする構成では、この周波数Ｆ以上の信号
を第２のフィルタで除去し、ループ動作を不安定にする
原因を取り除くようにしている。

【００１７】第３の特徴とする構成では、半導体レーザ
の発振出力変動による１／（２πτ）以下の周波数成分
を有する信号と半導体レーザの直接変調に伴う発振出力
の変動によるＦ以上の周波数成分を有する信号を一つの
フィルタで除去し、ループ動作を不安定にする原因を取
り除くようにしている。尚、光検出器の出力信号から１
／（２πτ）以下及びＦ以上の周波数信号成分を取り除
いてもフィードバック制御系に悪影響を与えることはま
ったくない。

【００１８】

【実施例】以下、図１乃至図５を参照してこの発明の実
施例を説明する。図１はその構成を示すものである。但
し、図１において図６と同一部分には同一符号を付して
示す。

【００１９】図１において、半導体レーザ１の左方出射
光はレンズ２，４によって光ファイバ５に集光され、光
信号の伝送に供される。右方出射光はレンズ８によって
平行光に変換され、ファブリペロー共振器９を通過した
後、レンズ１０で光検出器１１に集光される。９１，９
２はファブリペロー共振器９を形成する反射鏡である。
ファブリペロー共振器９を形成する媒質（水晶体）９３
は電気光学効果を有するものとする。光検出器１１の出
力は増幅器１９で増幅された後、ハイパスフィルタ３０
を通過して、次段の増幅器２０でさらに増幅され、同期
検波器１７に入力される。

【００２０】一方、ファブリペロー共振器９には一対の
電極１４，１５が形成されており、ファブリペロー媒質
の電気光学効果を利用し、共振器長を交流信号発生器１
６で変調するようになされている。この交流信号は同期
検波器１７にも供給され、光検出器１１の信号が同期検
波に供される。同期検波器１７の出力はファブリペロー
波長透過特性の一次微分に比例しており、この信号は誤
差信号としてフィードバック制御器１８に供給され、半
導体レーザ１の発振波長のフィードバック制御に供され
る。すなわち、この発明は従来の波長安定化回路がルー
プゲインを高く取れない原因を究明し、対策を講じるこ
とにある。

【００２１】一般に、半導体レーザの発振波長を制御す
る場合、前述したように半導体レーザの注入電流を制御
するが、注入電流の変化は発振波長ばかりでなく発振出
力レベルも変動させる。いま、制御ループの応答時間を
τとすれば、１／（２πτ）以下の周波数成分の信号が
半導体レーザ１に加わり、制御することになる。

【００２２】したがって、光検出器１１の出力信号に
は、交流信号発生器１６の周波数ｆを中心とした信号
と、半導体レーザ１の発振出力変動による１／（２π
τ）以下の周波数成分を有する信号が混在することにな
る。後者の信号成分が取り除かれることなく増幅器２
０、同期検波器１７に入力されると、制御ループを不安
定にする原因となる。

【００２３】そこで、増幅器２０に信号が入力する前に
ハイパスフィルタ３０で１／（２πτ）以下の周波数成
分の信号を遮断する。すなわち、ハイパスフィルタ３０
の遮断周波数ｆｃは次式を満たすように設定する。１／（２πτ）＜ｆｃ＜ｆこのようにフィルタ３０の遮断周波数特性を設定すれ
ば、本来必要な周波数成分ｆの信号は遮断されず、不安
定要素を与える成分のみが低減される。

【００２４】したがって、上記構成による半導体レーザ
波長安定化回路は、注入電流の変化による発振出力レベ
ルの変動成分を補償し、制御ループ中の不安定要素を取
り除いているので、高いループゲインで半導体レーザの
波長を安定に制御することができる。

【００２５】図２、図３は半導体レーザを直接変調する
場合の実施例を示すものである。尚、図２、図３におい
て、図１と同一部分には同一符号を付して、その説明を
省略する。

【００２６】図２において、半導体レーザ１を直接変調
する場合、変調信号を加算器６を通じて注入電流に加算
して半導体レーザ１を変調させる。このとき、変調に伴
って、半導体レーザ１における発振出力レベルの変動と
発振波長の変動が生じる。したがって、光検出器１１の
出力信号には、前記周波数ｆを中心とした信号と１／
（２πτ）以下の周波数成分の信号以外に変調信号が混
在することになる。

【００２７】そこで、増幅器２０に信号が入力される前
に、ローパスフィルタ３１で変調信号を遮断する。すな
わち、変調信号の周波数成分のうち最も低い周波数をＦ
とした場合、ローパスフィルタ３１の遮断周波数ｆｃ2
は次式を満たすように設定される。ｆ＜ｆｃ2 ＜Ｆこの実施例においても、このようにフィルタ３１の遮断
周波数特性を設定すれば、変調信号は遮断され、高いル
ープゲインで半導体レーザを安定に制御することができ
る。

【００２８】また、変調信号が加算器６に入力される前
に、制御ループ中において周波数成分ｆの信号に外乱を
与えるような周波数成分を遮断するフィルタ３５を挿入
してもよい。すなわち、フィルタ３５は次式を満たすよ
うな遮断周波数ｆｃ3 を持つハイパスフィルタである。ｆ＜ｆｃ3 ＜Ｆまた、フィルタ３５は、中心周波数ｆのバンドエリミネ
ーションフィルタでもよい。

【００２９】以上のようにフィルタ３５の遮断周波数特
性を設定すれば、変調信号を確実に遮断することがで
き、半導体レーザの発振波長制御の安定性をさらに向上
させることができる。

【００３０】図３に示す波長安定化回路は、前記ハイパ
スフィルタ３０、ローパスフィルタ３１の代わりに、中
心周波数ｆのバンドパスフィルタ３２を用いる。すなわ
ち、このバンドパスフィルタ３２の低域遮断周波数ｆｃ
1 、高域遮断周波数ｆｃ2 は次式を満たすように設定す
る。１／（２πτ）＜ｆｃ1 ＜ｆ＜ｆｃ2 ＜Ｆ

【００３１】この実施例においても、上記のようにフィ
ルタ３２の遮断周波数特性を設定すれば、変調信号は遮
断され、高いループゲインで半導体レーザを安定に制御
することができる。

【００３２】この発明は図１に示したファブリペロー共
振器以外の系でも適用できる。図４、図５にそれぞれこ
の発明に係る他の実施例を示す。尚、図４、図５におい
て、それぞれ図１と同一部分には同一符号を付して、そ
の説明を省略する。

【００３３】図４に示す波長安定化回路は、ファブリペ
ロー共振器９には電極のない通常の物を使用し、かわり
に交流信号発生器の出力を加算器６を通じて注入電流に
加算し、これによって半導体レーザ１の出射光を直接変
調するようにしたものである。この実施例においても、
増幅器１９，２０の間にハイパスフィルタ３０を設ける
ことにより、高いループゲインでの安定性を向上させる
ことができる。

【００３４】図５に示す波長安定化回路は、図２のファ
ブリペロー共振器９のかわりにガスセル３を用い、ガス
セル３の所定の吸収線を利用して波長の安定化を図るも
のである。この実施例においても、増幅器１９，２０の
間にハイパスフィルタ３０を挿入することによって、高
いループゲインでの安定性を向上させることができる。
この他、リング共振器やマッハツェンダー干渉計等の光
学共振器を利用する例についても同様に適用可能であ
る。

【００３５】

【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
フィードバックループに不安定要因がなく、高いループ
ゲインで半導体レーザの波長を安定に制御できる半導体
レーザ波長安定化回路を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係る半導体レーザ波長安
定化回路の構成を示すブロック図。

【図２】この発明の他の実施例に係り、半導体レーザを
直接変調する場合の構成を示すブロック図。

【図３】この発明の他の実施例に係り、図２のハイパス
フィルタ及びローパスフィルタに代わってバンドパスフ
ィルタを使用した場合の構成を示すブロック図。

【図４】この発明の他の実施例に係り、半導体レーザへ
の注入電流を交流信号で変調させる場合の構成を示すブ
ロック図。

【図５】この発明の他の実施例に係り、図２のファブリ
ペロー共振器に代わってガスセルを使用した場合の構成
を示すブロック図。

【図６】従来の半導体レーザ波長安定化回路の構成を示
すブロック図。

【符号の説明】

１…半導体レーザ、２，４，８，１０…光学レンズ、３
…ガスセル、５…光ファイバ、６…加算器、９…ファブ
リペロー共振器、９１，９２…反射鏡、９３…水晶体、
１１…光検出器、１４，１５…電極、１６…交流信号発
生器、１７…同期検波器、１８…フィードバック制御
器、１９，２０…増幅器、３０…ハイパスフィルタ、３
１…ローパスフィルタ、３２…バンドパスフィルタ，３
５…フィルタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−77630（ＪＰ，Ａ) 特開平１−164135（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−154683（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−254478（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−204779（ＪＰ，Ａ) 特開平３−72686（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザの出射光を入射し特定の波
長で共振させる光学共振器と、この光学共振器の出射光
を受光して電気信号に変換する光検出器と、この光検出
器の出力を複数個の増幅器を介して増幅する増幅手段
と、周波数ｆの交流信号を発生する交流信号源と、この
交流信号源の出力に基づいて前記光学共振器の共振器長
を微少量変調させる変調手段と、前記交流信号源の出力
に基づいて前記信号増幅手段の出力を同期検波する同期
検波器と、この同期検波器の検波出力に基づいて前記半
導体レーザの発振波長をフィードバック制御するフィー
ドバック制御器と、前記増幅手段の複数個の増幅器の間
のいずれかに介在し、フィードバックループの応答時間
をτとした場合、前記周波数ｆなる信号を通し、周波数
１／（２πτ）以下の信号を遮断する第１のフィルタと
を具備する半導体レーザ波長安定化回路。
【請求項２】さらに、前記増幅手段の複数個の増幅器
の間のいずれかに介在し、前記半導体レーザの発振波長
を変調する変調信号の周波数成分のうち、最も低い周波
数をＦとした場合、前記周波数ｆなる信号を通し、周波
数Ｆ以上の信号を遮断する第２のフィルタを具備するこ
とを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ波長安定化
回路。
【請求項３】半導体レーザの出射光を入射し特定の波
長で共振させる光学共振器と、この光学共振器の出射光
を受光して電気信号に変換する光検出器と、この光検出
器の出力を複数個の増幅器を介して増幅する増幅手段
と、周波数ｆの交流信号を発生する交流信号源と、この
交流信号源の出力に基づいて前記光学共振器の共振器長
を微少量変調させる変調手段と、前記交流信号源の出力
に基づいて前記信号増幅手段の出力を同期検波する同期
検波器と、この同期検波器の検波出力に基づいて前記半
導体レーザの発振波長をフィードバック制御するフィー
ドバック制御器と、前記増幅手段の複数個の増幅器の間
のいずれかに介在し、フィードバックループの応答時間
をτ、前記半導体レーザの発振波長を変調する変調信号
の周波数成分のうち最も低い周波数をＦとした場合、前
記周波数ｆなる信号を通し、周波数１／（２πτ）以下
の信号及び周波数Ｆ以上の信号を遮断するフィルタとを
具備する半導体レーザ波長安定化回路。
【請求項４】前記光学共振器は一対の電極が透過光路
に平行に対向配置されたファブリペロー共振器であり、
前記変調手段は前記交流信号源の出力を前記ファブリペ
ロー共振器の一対の電極に印加して共振器長を変化させ
ることにより実現することを特徴とする請求項１及び３
いずれか記載の半導体レーザ波長安定化回路。
【請求項５】前記変調手段は、前記交流信号源の出力
を前記半導体レーザへの注入電流量に加算して光波長を
変調することにより、共振器長を変調することと等価と
ならしめることにより実現することを特徴とする請求項
及び３いずれか記載の半導体レーザ波長安定化回路。
【請求項６】半導体レーザの出射光を入射し一定の波
長の光を吸収するガスセルと、このガスセルの出射光を
受光して電気信号に変換する光検出器と、この光検出器
の出力を複数個の増幅器を介して増幅する増幅手段と、
周波数ｆの交流信号を発生する交流信号源と、この交流
信号源の出力に基づいて前記半導体レーザの発振波長を
変調する変調手段と、前記交流信号源の出力に基づいて
前記増幅手段の出力を同期検波する同期検波器と、この
同期検波器の検波出力に基づいて前記半導体レーザの発
振波長をフィードバック制御するフィードバック制御器
と、前記増幅手段の複数個の増幅器の間のいずれかに介
在し、フィードバックループの応答時間をτとした場
合、前記周波数ｆなる信号を通し、周波数１／（２π
τ）以下の信号を遮断する第１のフィルタとを具備する
半導体レーザ波長安定化回路。
【請求項７】さらに、前記増幅手段の複数個の増幅器
の間のいずれかに介在し、前記半導体レーザの発振波長
を変調する変調信号の周波数成分のうち最も低い周波数
をＦとした場合、前記周波数ｆなる信号を通し、周波数
Ｆ以上の信号を遮断する第２のフィルタを具備すること
を特徴とする請求項６記載の半導体レーザ波長安定化回
路。
【請求項８】半導体レーザの出射光を入射し一定の波
長の光を吸収するガスセルと、このガスセルの出射光を
受光して電気信号に変換する光検出器と、この光検出器
の出力を複数個の増幅器を介して増幅する増幅手段と、
周波数ｆの交流信号を発生する交流信号源と、この交流
信号源の出力に基づいて前記半導体レーザの発振波長を
変調する変調手段と、前記交流信号源の出力に基づいて
前記増幅手段の出力を同期検波する同期検波器と、この
同期検波器の検波出力に基づいて前記半導体レーザの発
振波長をフィードバック制御するフィードバック制御器
と、前記増幅手段の複数個の増幅器の間のいずれかに介
在し、フィードバックループの応答時間をτ、前記半導
体レーザの発振波長を変調する変調信号の周波数成分の
うち最も低い周波数をＦとした場合、前記周波数ｆなる
信号を通し、１／（２πτ）以下の信号及び周波数Ｆ以
上の信号を遮断するフィルタとを具備する半導体レーザ
波長安定化回路。
【請求項９】さらに、前記半導体レーザの発振波長を
変調する変調信号を、前記周波数ｆなる信号に外乱を与
える周波数成分を除去して前記半導体レーザに加えるフ
ィルタを具備することを特徴とする請求項１，３，６及
び８いずれか記載の半導体レーザ波長安定化回路。