JP3840216B2

JP3840216B2 - 光周波数制御装置

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Publication number: JP3840216B2
Application number: JP2003333776A
Authority: JP
Inventors: 正英宮地; 茂大島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2023-09-25
Also published as: JP2005101322A

Description

本発明は、波長可変レーザの出力光周波数を制御する光周波数制御装置に関する。波長可変レーザは、例えば波長多重（Wavelength Division Multiplexing : ＷＤＭ）技術を応用する光通信ネットワークの通信用光源として用いられる。この種の光波ネットワークにおいては、波長スイッチングのために波長可変レーザが用いられる。

インターネットの普及などにより、ネットワークを流れるトラフィックの量は年々増加の一途を辿っている。これに応じて光伝送技術に関する研究が盛んであり、特に波長多重技術の進歩が著しい。研究者らの間では、エンド−ツウ−エンドで光パスを設定することで中間レイヤを省くことができ、またダイナミックに変動するトラフィックを効率よく収容できる光波ネットワークが議論されている。この種のネットワークでは光クロスコネクト（Optical Cross Connect : ＯＸＣ）装置が用いられ、伝送波長がエッジノードにおいて切り替えられることにより光パスが更新される。

波長の切り替えには大別して２つの方式がある。一つは、使用する波長分だけレーザを用意し、必要な波長に応じていずれかのレーザを選ぶ（波長選択型）という方式である。もう一つは、波長可変レーザを用いてその出力波長を切り替える（波長スイッチング型）という方式である。近年では多重度を高めるために数１０以上もの波長が使用されるため、装置規模やコストの点で波長スイッチング型の方が有利である。波長スイッチング型ネットワークには、ＭＥＭＳ（Micro-electromechanical Systems）を用いた外部共振器型レーザ、または分布ブラッグ反射（Distributed Bragg Reflector : ＤＢＲ）型レーザなどの波長可変レーザが一般的に用いられる。

ところで、波長可変レーザは、その出力光周波数を切り替え、かつ安定化させるために光周波数制御装置と組み合わせて用いられる。波長スイッチング型ネットワークにおいては光周波数を広い光周波数範囲にわたり精度良くロックする必要がある。このことは、広い光周波数範囲の全体をモニタでき、かつ高い光周波数分解能を持つことを、光周波数制御装置に要求する。なお以下の説明では、波長と周波数とをともに同義の語として用いる。当該技術分野では文脈に応じていずれかの語が選択的に用いられる。

非特許文献１に開示される光周波数制御装置は、波長可変レーザの出力光を一部分岐してファブリペロ共振器に入力し、その通過光レベルをモニタして光周波数を制御するようにしている。また波長可変レーザの出力光周波数と駆動電流との関係を予め特性表にしてＲＯＭ（Read Only Memory）などに記憶させる。そして、起動時や周波数切り替えの際にはＲＯＭの内容を読み出して仮の周波数引き込みを行ったのち、制御ループにより引き込み点から最も近い動作点に周波数を微調整するという手法を採る。

しかしながら経年変化や劣化、または動作温度の揺らぎなどにより、波長可変レーザの動作特性は変化する。またファブリペロ共振器を通過した光には光周波数に対して周期的にピークが現れるため、制御ループにより安定化される動作点が複数存在し得る。よって動作特性がＲＯＭに記憶された特性表と異なる状態の波長可変レーザを駆動すると、出力光周波数が予期せぬ動作点に安定化制御されてしまう虞が有る。これは、非特許文献１に記載の光周波数制御装置が周波数可変領域の全体をモニタすることができず、出力光周波数の絶対値に基づく周波数安定化機構を有していないことから生じる。

ＤＢＲ型レーザを用いる場合には、別の不具合も生じる。ＤＢＲ型レーザは、ファブリペロレーザの共振器端面の反射特性に光フィルタリング特性を持たせ、ファブリペロレーザの複数の縦モードから最も強く反射される波長のみが励振されるようにすることで単一モード発振を実現する。ＤＢＲ型レーザは光フィルタリング特性を可変させて発振モードを跳躍させることにより、波長可変領域を拡大することができる。

ところで、ＤＢＲ型レーザの発振モードはモードホップ近傍において不安定になる。よって劣化などで特性が変わり動作点がモードホップ近傍に移動すると、発振モードを安定化させるための何らかの対策を講じない限り、光周波数制御ループが発振する虞が有る。

以上のような不具合に対し、非特許文献２に開示される光周波数制御装置が有る。この文献に記載の装置は、光分波器を用いて光周波数の絶対値を検出できるようにし、光周波数を広範囲にわたってモニタできるようにしている。またＤＢＲ型レーザの出力光周波数に周波数変調を施し、同期検波処理により発振モードを安定化させるようにしている。

しかしながらＤＢＲ型レーザの波長可変範囲が広くなると、光分波器の出力ポートの数が増え、これに伴って各ポートの出力光を電気信号に変換する光電変換部の数も増加する。よって出力光周波数の可変範囲を拡大するためには、装置規模やコストが急激に増大するという不具合が生じる。また波長可変レーザの出力光に周波数変調が施されるため、出力光スペクトルの純度が劣化するという不具合もある。
T.Shiozaki et al., Electron. Lett., vol.29, no.15, pp.1331-1332, 1993 H.Ishi et al., Electron. Lett., vol.33, no.6, pp.494-496, 1997

以上述べたように既存の光周波数制御装置には、波長可変レーザの特性の変化により出力光周波数が予期せぬ値になる虞が有る。またこの不具合を解決するにはコストがかかり、装置規模も大きくなりやすいという不具合がある。さらには、波長可変レーザの発振モードの安定化の代償として、出力光スペクトルが劣化するという不具合もある。

本発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、出力光周波数を所望の値に確実に安定化させることの可能な光周波数制御装置を、構成簡易にして低コストで提供することにある。また本発明の別の目的は、出力光周波数を所望の値に確実に安定化させることができ、波長可変レーザの発振モードを出力光スペクトルの劣化を伴わずに安定化させることの可能な光周波数制御装置を、構成簡易にして低コストで提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、波長可変レーザ（例えば波長可変レーザ１０）の出射光の光周波数を目標値に安定化制御する光周波数制御装置において、前記波長可変レーザへの注入電流を制御して前記出射光の光周波数を制御する制御手段（例えば駆動回路部２３０）と、第１の光フィルタ（例えば第１の光フィルタ１１１）と、前記第１の光フィルタを用いて前記出射光の光周波数と前記目標値との周波数の差分値に相当する第１の誤差信号を検出し、この第１の誤差信号を前記制御手段に帰還して第１制御ループを形成する第１制御ループ形成手段（例えば第１の誤差信号検出部１）と、前記第１の光フィルタと異なる特性を示す第２の光フィルタ（例えば第２の光フィルタ１１２）と、前記第２の光フィルタを用いて前記出射光の光周波数と前記目標値との周波数の差分値に相当する第２の誤差信号を検出し、この第２の誤差信号を前記制御手段に帰還して第２制御ループを形成する第２制御ループ形成手段（例えば第２の誤差信号検出部２）と、前記第２制御ループによる周波数引き込み範囲の一部を含む周波数領域において前記第１制御ループのループ利得を略０とする不感帯形成手段（例えば非線形増幅器２６０）とを具備することを特徴とする光周波数制御装置が提供される。

このような構成であるから、第１制御ループにより、広い範囲をカバーする周波数制御が実現される。第１の光フィルタの透過特性を波長可変レーザの波長可変幅よりも広い範囲に渡り単調とすると、第１制御ループ形成手段により、周波数可変領域の全体をモニタした結果に基づくフィードバックループが形成される。すなわち波長可変レーザの出力光周波数の絶対値に基づく周波数安定化機構が形成される。

さらに、第２制御ループにより、より高精度な周波数制御が実現される。すなわち第２の光フィルタの透過特性を第１の光フィルタよりも急峻とすると、第２制御ループ形成手段により局所的に精度の高い周波数制御が実現される。

このとき、一般には第１および第２制御ループが競合する虞が有る。そこで本発明では、不感帯形成手段により、第２制御ループによる周波数引き込み範囲の少なくとも一部を含む周波数領域において第１制御ループのループ利得を略０とするようにした。これにより第２制御ループによる周波数引き込み過程においては第１制御ループが作用しなくなり、２つの制御ループが競合することを防止できる。

このように２段階の制御ループを設け、しかもこれらの制御ループが互いに競合しないようにすることができるので、波長可変レーザの出力光周波数を所望の値に確実かつ高精度に安定化させることが可能となる。しかも上記構成は、第１および第２の光フィルタを主要部とする構成であるので、構成簡易かつ低コストに実施することが可能である。

本発明によれば、出力光周波数を所望の値に確実に安定化させることの可能な光周波数制御装置を、構成簡易にして低コストで提供することができる。また本発明によれば、出力光周波数を所望の値に確実に安定化させることができ、波長可変レーザの発振モードを出力光スペクトルの劣化を伴わずに安定化させることの可能な光周波数制御装置を、構成簡易にして低コストで提供することができる。

［実施例１］
図１は、本発明の第１の実施例に係わる光周波数制御装置を示す機能ブロック図である。図１において、波長可変レーザ１０は駆動部２３０により駆動される。波長可変レーザ１０の出力光の一部はカプラ１００により分岐され、分岐光が第１の誤差信号検出部１に入力される。第１の誤差信号検出部１への入力光は第１の光フィルタ１１１に入力される。第１の光フィルタ１１１の透過光は光電変換部２０により光／電気変換される。光電変換部２０の出力は比較器２１０に入力され、基準値発生部２０１の基準電圧値との差分が非線形増幅器２６０に入力される。基準値発生部２０１は、制御目的値である光周波数に応じた基準電圧値を発生させる。

非線形増幅器２６０の出力は、波長可変レーザ１０の出力光周波数の制御のための誤差信号として、ループフィルタ２５０を介して駆動部２３０にフィードバックされる。ループフィルタ２５０は、第１の誤差信号検出部１の応答速度を決定する。

一方、カプラ１００を通過した光はカプラ１０１に入力され、さらにその一部が分岐されて第２の誤差信号検出部２に入力される。第１の誤差信号検出部１への入力光は第２の光フィルタ１１２に入力される。第２の光フィルタ１１２の透過光は光電変換部２１により光／電気変換される。光電変換部２１の出力は比較器２１１に入力され、基準値発生部２０２の基準電圧値との差分がループフィルタ２５１に入力される。基準値発生部２０２は、制御目的値である光周波数に依存せず一定の基準電圧を発生させる。

比較器２１１の出力は、波長可変レーザ１０の出力光周波数の制御のための誤差信号として、ループフィルタ２５１を介して駆動部２３０にフィードバックされる。ループフィルタ２５１は、第１の誤差信号検出部１の応答速度を決定する。

図２は、図１の第１の光フィルタ１１１の光周波数に対する透過特性を示す図である。第１の光フィルタ１１１の透過特性は、光周波数と透過光強度とが波長可変レーザ１０の光周波数可変範囲Δｆoptにわたって１対１の関係になるように設定される。これにより波長可変レーザ１０から出力される光信号の光周波数を、第１の誤差信号検出部１において一意に決定できる。第１の光フィルタ１１１としては例えばマッハ・ツェンダ干渉計などを用いることができ、その透過特性が概ね直線と見なせる範囲で使用することで、透過光強度と光周波数との関係を直線的にマッピングできる。これにより基準値発生部２０１において複雑な非線形演算の必要無しに基準電圧を発生させることができるので、基準値発生部２０１の設計を単純化できる。

図３は、図１の非線形増幅器２６０の入出力特性を示す図である。本実施形態においては、非線形増幅器２６０への入力信号の絶対値が小さい範囲でその出力電圧が概ね０となるように、非線形増幅器２６０の特性を設定する。これにより、第１の誤差信号検出部１のループ利得を所望の光周波数近傍においてほぼ０とすることができる。すなわち不感帯を設けることができる。

図４は、図１の第２の光フィルタ１１２の透過特性を示す図である。図４は、第２の光フィルタ１１２にファブリペロ共振器を用いた場合の特性を示す。図４において縦軸は光の透過率を表し、光電変換部２１からの出力レベルをプロットするための軸である。図４には、基準値発生部２０２からの出力値（Ｖref）が示される。第２の誤差信号検出部２でにおける制御安定点は、Ｖrefと光電変換部２１からの出力値とが重なりあう点（図中黒丸点）で示される。

図５は、第１の誤差信号検出部１および第２の誤差信号検出部２からそれぞれ駆動部２３０に与えられる誤差信号を示す図である。図中点線は第１の誤差信号検出部１により生成される誤差信号を示し、一点鎖線は第２の誤差信号検出部２により生成される誤差信号を示す。図５において第２の誤差信号検出部２の光周波数引き込み範囲は、ファブリペロ共振器の透過特性における１周期に相当する。本実施例では非線形増幅器２６０の特性を適切に設定することにより、第１の誤差信号検出部１の不感帯が第２の誤差信号検出部２の光周波数引き込み範囲の少なくとも一部に重なるようにする。さらに、第２の誤差信号検出部２の光周波数引き込み範囲を、第１の誤差信号検出部１の不感帯よりも広くするようにする。このようにすることで、第１の誤差信号検出部１および第２の誤差信号検出部２のいずれかの制御ループが全ての周波数範囲において動作するようにすることができる。

図６は、比較のため非特許文献１に記載の光周波数制御装置を示す図である。図６において、波長可変レーザ１０からの出力光の一部はカプラ１００により分岐される。分岐された光はファブリペロ共振器１１０を透過した後、光電変換部２０で電気信号に変換される。光電変換部２０からの出力電圧は比較器２１０に入力され、参照電圧発生部２００からの参照電圧との差分が誤差信号として出力される。比較器２１０からの誤差信号は駆動部２３０に入力される。駆動部２３０では入力された誤差信号に基づき波長可変レーザ１０から出力される光周波数を制御する。

図７は図６の光電変換部２０からの出力電圧を示す図である。分岐光がファブリペロ共振器１１０を通過するため、光電変換部２０の出力には光周波数に対して周期的なピークが現れる。光周波数は各ピークと参照電圧との交点に安定化される。しかしながら図６の構成によっては制御対象となる光周波数の全域をモニタすることができないので、光周波数の絶対的な値を検出できない。従って安定化された光周波数が所望の光周波数であるか否かを確かめることができないことになる。

これに対し本実施例では、第１の光フィルタ１１１を備える第１の誤差信号検出部１と、第２の光フィルタ１１２を備える第２の誤差信号検出部２とを設け、２重の制御ループにより波長可変レーザ１０の出力光周波数を制御する。第１の光フィルタ１１１および第２の光フィルタ１１２の透過特性が光周波数に対して周期的に変化する場合に、第１の光フィルタ１１１の周期が第２の光フィルタ１１２の光周波数基準器の周期よりも大きく、第１の光フィルタ１１１の半周期が波長可変レーザの波長可変範囲より大きくなるようにする。これにより第１の誤差信号検出部１において波長可変レーザ１０の出力光の絶対光周波数を検出し、第２の誤差信号検出部２において所望の光周波数に高精度で安定化させるようにしている。

また本実施例では、第１の誤差信号検出部１の制御ループ特性に不感帯を設けるようにしている。これにより第１の誤差信号検出部１の制御ループと第２の誤差信号検出部２の制御ループとが競合することを防ぐことができる。

さらに、第２の誤差信号検出部２の光周波数引き込み範囲を第１の誤差信号検出部１の不感帯と重ねることにより、光周波数制御ループが動作しない領域を無くすことができる。このことは、第２の誤差信号検出部２の光周波数引き込み範囲を第１の誤差信号検出部１の不感帯よりも広く設定することにより確実に実現することができる。

これらのことから、波長可変レーザ１０の出力光を所望の光周波数に、広い光周波数範囲にわたり確実に制御することが可能になる。しかも光分波器を必要とせず、第１の光フィルタ１１１、第２の光フィルタ１１２の透過特性および非線形増幅器２６０の増幅特性の適切な設定のみで、上記の効果を得られる。したがって構成簡易かつ低コストの光周波数制御装置を実現することができる。

［実施例２］
図８は、本発明の第２の実施例に係わる光周波数制御装置を示す機能ブロック図である。なお図８において図１と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。図８の第２の誤差信号検出部２において、第２の光フィルタ１１３を透過した光は光電変換部２１により電気信号に変換される。本実施例では第２の光フィルタ１１３の透過特性に、ディザ信号発生部４１により発生さされるローカル信号により周波数変調を施すようにする。よって第２の光フィルタ１１３を透過した光には、その光周波数に応じた強度変調が施される。ローカル信号は同期検波部２８０にも与えられる。同期検波部２８０は光電変換部２１の出力信号をローカル信号により同期検波し、これにより誤差信号が生成される。誤差信号のレベルは第２の光フィルタ１１３に対する強度変調の振幅および位相に応じたレベルになる。

図９は、第２の光フィルタ１１３の透過特性と同期検波部２８０から出力される誤差信号とを同じグラフ上にプロットした図である。このグラフの横軸は光周波数を示す。誤差信号レベルは第２の光フィルタ１１３の透過特性の一次微分に概ね比例するため、誤差信号が０となる（図中黒丸点）ように波長可変レーザ１０の出力光周波数を制御することにより、出力光周波数を第２の光フィルタ１１３の透過特性のピークにロックすることができる。

このように誤差信号を同期検波により得ることで、光電変換部２１におけるフォトダイオードの暗電流の変動や増幅器のＤＣドリフトなどの影響を除去でき、従って光周波数をより高精度に制御することが可能となる。

図１０は、第１の誤差信号検出部１および第２の誤差信号検出部２からそれぞれ駆動部２３０に与えられる誤差信号を示す図である。図中点線は第１の誤差信号検出部１により生成される誤差信号を示し、一点鎖線は第２の誤差信号検出部２により生成される誤差信号を示す。図１０においても、第１の誤差信号検出部１の不感帯が第２の誤差信号検出部２の光周波数引き込み範囲の少なくとも一部に重なるようにし、かつ第２の誤差信号検出部２の光周波数引き込み範囲を第１の誤差信号検出部１の不感帯よりも広くするようにする。このようにすることで、第１の誤差信号検出部１および第２の誤差信号検出部２のいずれかの制御ループが全ての周波数範囲において動作するようにすることができる。

また本実施例では、第２の光フィルタ１１３の透過特性にローカル信号により周波数変調を施すようにしている。これにより非特許文献２に開示される光周波数制御装置に比べ、次に示す（Ｉ）、（ＩＩ）のようなメリットを得ることができる。
（Ｉ）波長可変レーザからの出力光にデータ信号以外の変調を施す必要が無いので、伝送光信号に雑音成分が含まれることを防止できる。すなわち、周波数変調成分は光ファイバの伝送中に分散特性により強度変調に変換される。このとき、データ変調が強度変調の場合は、ＦＭ／ＡＭ変換された成分は雑音となる。本実施形態によればこの種の雑音成分を除去することができる。
（ＩＩ）レーザのＦＭ変調に伴うＡＭ変調成分による光周波数制御の精度劣化を回避できる。すなわち、レーザへの注入電流によりレーザの出力光にＦＭ変調を施すと、ＦＭ変調成分のみではなくＡＭ変調成分（残留ＡＭ変調成分）も生じる。図９に示す誤差信号はレーザにＦＭ変調のみを施した場合の変化を示す。残留ＡＭ変調成分が存在するとこの成分が雑音となり、誤差信号の零点は光フィルタの透過特性のピークからずれる。このずれ量は第２の光フィルタ１１３への入力光パワーなどにより変化し、決して一定ではない。したがって、残留ＡＭ変調成分は光周波数制御に誤差を生じさせる。これに対し本実施例によれば残留ＡＭ変調成分は生じることがないために、精度の良い光周波数制御が可能となる。

以上のように本実施例によれば、実施例１と同様の効果を得られるに加え、波長可変レーザ１０の光周波数をより高精度に制御することが可能となる。なお第２の光フィルタ１１３を直接変調するには、Ｚカット水晶エタロン（M.S.Nakamura et. al., Electron. Lett., vol.26, No.６, pp.405-406, 1990）などを用いることができる。

［実施例３］
図１１は、本発明の第３の実施例に係わる光周波数制御装置を示す機能ブロック図である。なお図１１において図８と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。本実施例においては、波長可変レーザの一具体例としてＤＢＲレーザ１１を用いることが特徴的である。ＤＢＲレーザは利得領域と、位相調整（ＰＣ）領域と、ＤＢＲ領域とを備える。これに伴い、駆動回路部に利得領域駆動部２３１と、ＰＣ領域駆動部２３２と、ＤＢＲ領域駆動部２３３とを備えるようにする。また本実施例では、基準値発生部２０１の出力を可変するチャンネル切替信号発生部３００を備え、光周波数切替の一具体例を開示する。

図１２はＤＢＲレーザの構造を模式的に示す図である。図１３は、ＤＢＲレーザの発振原理を説明するための図である。図１２において、ＤＢＲ領域には回折格子が形成されるため、ＤＢＲ領域からの反射特性は図１３（ａ）に示すように光周波数の選択性を示す。ＤＢＲ領域での回折格子と位相整合する波長をブラッグ波長と称し、図１３（ａ）にｆBで示す。

ＤＢＲレーザにおいて発振可能な光周波数は、図１３（ｂ）に示すように、利得領域とＰＣ領域との光学的共振器長で決定される縦モード周波数である。縦モード周波数は複数存在し（ｆk-2 〜ｆk+2）、図１３（ｃ）のｆkに示すように、ＤＢＲ領域からの反射率が最も大きな縦モードが発振周波数として選択される。

ＤＢＲ領域への注入電流を変化させることによりＤＢＲ領域の屈折率が変化し、ブラッグ波長が変わる。すると、これまで選択されていた縦モードから別の縦モードへのモードホップが生じる。また、ＰＣ領域への注入電流を変化させることにより、光学的共振器長が変化し、縦モード周波数が変化する。すなわちＤＢＲレーザにおいては、ＤＢＲ領域への注入電流を変化させることで縦モードを選択でき、ＰＣ領域への注入電流を変化させることで、選択された縦モード周波数を制御することができる。

図１１において、第１の誤差信号検出部１からの誤差信号はＤＢＲ領域駆動部２３３に入力され、第２の誤差信号検出部２からの誤差信号はＰＣ領域駆動部２３２に入力される。チャンネル切替信号発生部３００は外部からの制御信号を受けて、切り替えるべきチャンネル（光周波数）に応じた制御信号を基準値発生部２０１に供給する。基準値発生部２０１は、入力された制御信号に応じた基準電圧を出力する。これにより第１の誤差信号検出部１の動作点は不感帯から外れ、誤差信号が出力される。

ＤＢＲ領域駆動部２３３は、第１の誤差信号検出部１からの誤差信号に基づきＤＢＲレーザ１１のＤＢＲ領域への注入電流を制御する。第１の誤差信号検出部１が所望の光周波数近傍で不感帯に入ると、ＰＣ領域駆動部２３２は第２の誤差信号検出部２からの誤差信号に基づいて、ＤＢＲレーザ１１のＰＣ領域への注入電流を制御する。すなわち、第１の誤差信号検出部１からの誤差信号をＤＢＲ領域への注入電流に帰還することにより所望の光周波数近傍の縦モードを選択し、第２の誤差信号検出部２からの誤差信号をＰＣ領域への注入電流へ帰還することで、ＤＢＲレーザ１１の出力光周波数を所望の光周波数に安定化することができる。

図１４は、比較のため非特許文献２に記載の光周波数制御装置を示す図である。図１４において、駆動部２３８はディザ信号発生部４０からの交流信号に基づき波長可変レーザ１０の出力光に周波数変調を施す。波長可変レーザ１０の出力光はカプラ１００で一部分岐され、カプラ１０１に入力される。カプラ１０１に入力された光はさらに２分岐され、一方は光電変換部２０へ、もう一方は光分波器１２０に入力される。

光電変換部２０は光信号を電気信号に変換し、変換された電気信号はロックインアンプ３０に入力される。ロックインアンプ３０は光電変換部２０からの電気信号とディザ信号発生部４０からの交流信号とを乗算し、乗算結果に基づく誤差信号を出力する。ロックインアンプ３０から出力された誤差信号は、駆動部２３８に入力され、波長可変レーザ１０の制御に供される。

一方、光分波器１２０は入力された光信号の波長に応じた出力ポートに光信号を出力する。光分波器１２０の各出力ポートには光電変換部２１−１、２１−２、…、２１−Ｎが接続され、各出力ポートに出力された光信号を電気信号に変換する。光電変換部２１−１、２１−２、…、２１−Ｎからの出力信号は、各々隣り合う光電変換部ごとに対をなして差動増幅部２２０−１、…、２２０−Ｍ（Ｎ＝２Ｍ）に入力される。各差動増幅部２２０−１、…、２２０−Ｍからの出力は誤差信号として駆動部２３８に与えられ、波長可変レーザ１０の制御に供される。

図１４においては波長可変レーザ１０にＤＢＲ型レーザが用いられる。よって光周波数の安定化に加え発振モードをも安定化する必要がある。そこで、光周波数を差動増幅部２２０−１、…、２２０−Ｍからの誤差信号に基づいて安定化させ、発振モードをロックインアンプ３０からの誤差信号に基づいて安定化させるようにしている。またこの例では光分波器により光周波数を検出するようにしているので、光周波数の絶対値を広い範囲にわたりモニタすることができる。

しかしながら、チャンネル数を増やすために波長可変レーザの波長可変範囲が広くなると光分波器の出力ポートの数が増え、それに伴い光電変換部の数も増加するために、装置規模やコストが急激に増大する。また、波長可変レーザの出力光を周波数変調しているため波長可変レーザから出力される光スペクトルの純度が劣化することにもなる。

これに対し本実施例では、ＤＢＲレーザ１１を用い、第１の誤差信号検出部１からの誤差信号に基づきＤＢＲ領域への注入電流を制御し、第２の誤差信号検出部２からの誤差信号に基づきＰＣ領域への注入電流を制御するようにしている。ＤＢＲレーザにおいてはＤＢＲ領域への注入電流によりモード跳躍を伴って大きく光周波数を可変させ、位相調整領域への注入電流により一つのモード内での光周波数を制御できる。このことを利用して本実施例では、第１の誤差信号検出部１からの誤差信号に基づきＤＢＲ領域への注入電流を制御して発振モードを選択し、その上で第２の誤差信号検出部２からの誤差信号に基づきＰＣ領域への注入電流を制御するようにしている。これによりＤＢＲレーザ１１の出力光周波数を所望の光周波数に確実にロックできるとともに、周波数の可変範囲を拡大した光周波数制御装置を提供することが可能となる。

［実施例４］
図１５は、本発明の第４の実施例に係わる光周波数制御装置を示す機能ブロック図である。なお図１５において図１１と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。本実施例では波長可変範囲を大幅に拡大したタイプのＤＢＲレーザ１２が用いられる。ＤＢＲレーザ１２は２つのＤＢＲ領域を有し、よって図１５において、ＤＢＲレーザ１２にＤＢＲ領域駆動部２３４から２本の信号線が延伸される。

図１６は、図１５のＤＢＲレーザ１２の構造を模式的に示す図である。ＤＢＲレーザ１２の構造は、基本的にはＤＢＲレーザ１１（図１１）と同様であるが、両レーザはＤＢＲ領域における波長選択性に大きな違いを持つ。

ＤＢＲレーザ１２の２つのＤＢＲ領域は、利得領域とＰＣ領域で形成される光共振器を互いに挟みこむように配置される。利得領域側（すなわちレーザ光の出力側）に配置されるＤＢＲ領域を前方ＤＢＲ領域と称し、ＰＣ領域側（すなわちレーザ光の入力側）に配置されるＤＢＲ領域を後方ＤＢＲ領域と称することにする。いずれのＤＢＲ領域においても、複数の光周波数において反射率が大きくなる構造の回折格子が形成される。この種の回折格子の例として、Sampled-Grating（ＳＧ）構造や超周期構造（Super Structure Grating:ＳＳＧ）などが報告されている。いずれの構造においても、ブラッグ反射が光周波数に対して周期的に発生する。

図１７は、図１６のＤＢＲレーザの発振原理を説明するための図である。図１７には、Sampled-Grating構造において前方および後方ＤＢＲ領域からの反射特性と、これらの特性の重ね合わせ（すなわちＤＢＲレーザ全体としての反射特性）が示される。

前方ＤＢＲ領域の反射特性、および後方ＤＢＲ領域の反射特性はいずれも光周波数に対して周期的にピークを持つ。前方ＤＢＲ領域の反射ピークの周期をΔfp1とし、後方ＤＢＲ領域の反射ピークの周期をΔfp2とする。本実施例では、Δfp1とΔfp2とを互いに異ならせるようにする。よって両ＤＢＲ領域の反射率のピークが一致する光周波数はただ一つに特定され、この光周波数近傍の縦モードが選択されて単一モード発振が実現される。

また、前方ＤＢＲ領域への注入電流と後方ＤＢＲ領域への注入電流とをそれぞれ独立して制御することができるので、両ＤＢＲ領域からの反射率のピークを任意の光周波数において一致させることができる。これにより任意の波長において単一モード発振を実現することができる。

前方ＤＢＲ領域の組成と後方ＤＢＲ領域の組成とが同じであるとすれば、注入電流に対する屈折率の変化、すなわちブラッグ反射波長の変化はほぼ同じになる。よって前方および後方ＤＢＲ領域への注入電流を制御する際に、両方の注入電流を概ね同じ量だけ増減させると良い。このようにすると前方および後方ＤＢＲ領域からのブラッグ反射のピークを一致させたままの状態を保つことができ、安定した発振状態を保持しつつ光周波数を可変させることができる。

ただし、注入電流を増加させると消費電力が増大するため、電力消費量を抑えるために注入電流を極力小さくするのが好ましい。各ＤＢＲ領域のブラッグ反射波長は周期的に現れる。よって注入電流がＩ０のときのＫ番目のブラッグ反射の光周波数をｆＫとし、電流を増加させるとＫ番目のブラッグ反射の光周波数がｆＫ＋１と一致する注入電流値Ｉ１が存在する。

すなわち、注入電流Ｉ１のときのブラッグ反射波長は、注入電流Ｉ０のときのブラッグ反射波長と１周期ずれていることになるので、注入電流としてはＩ０（下限値）からＩ１（上限値）の間で制御すれば、全ての光周波数に対応できる。また、光周波数制御の際に注入電流が下限値となった場合には、注入電流を上限値に設定し、ブラッグ反射波長を１周期ずらすことで、発振状態を再現できる。注入電流が上限値となった場合には下限値に設定することで同様の作用を実現できる。

注入電流を下限値と上限値の間でスイッチングする際には、光周波数制御ループが不安定になることを避けるために、一旦制御を中断させるほうが望ましい。また、１周期以上の可変範囲を持つように注入電流の下限値および上限値を設定することで、レーザの劣化が生じても全ての光周波数に対応できる。

図１５において、ＤＢＲ領域駆動部２３４は第１の誤差信号検出部１からの誤差信号に基づいて、前方ＤＢＲ領域および後方ＤＢＲ領域への注入電流を制御する。ＤＢＲレーザ１２の光周波数を制御するためには、第１の誤差信号検出部１からの誤差信号に基づき前方および後方ＤＢＲ領域への注入電流を制御してレーザの発振モードを選択し、次に第２の誤差信号検出部２からの誤差信号に基づきＰＣ領域への注入電流を制御して光周波数を所望値にロックする、という手順を要する。すなわち、（１）２つのＤＢＲ領域からの反射率のピークを所望の光周波数近傍で一致させたのち、（２）選択された縦モードの光周波数を所望の光周波数へロックする、という２段階の手順が必要となる。

手順（１）は、ＤＢＲ領域駆動部２３４により前方ＤＢＲ領域および後方ＤＢＲ領域に、概ね等しい電流量を増減させて注入電流を制御することで満足される。手順（２）は、ＰＣ領域駆動部２３２により第２の誤差信号検出部２からの誤差信号に基づいて実施される。なお各ＤＢＲ領域の反射率のピークが周期的であることから、注入電流は１周期に相当する変化量を持てば良い。そこで、各ＤＢＲ領域への注入電流の各々の上限および下限を設定するためのリミッタをＤＢＲ領域駆動部２３４に設け、電流値の変動幅が各ＤＢＲ領域における反射率の周期（図１７のΔfp1, Δfp2）に概ね一致するように上限値と下限値を決定するようにする。波長制御に際して電流値が下限に達した場合には、電流を上限値に切り替えるようにする。これにより、これまで両方のＤＢＲ領域からの反射率のピークが一致していた光周波数において、１周期ずれた反射率のピークが重なるので、モードホップを意識することなく連続的な制御が可能となる。

このように本実施例によれば、第３の実施例と同様の効果を得られるに加え、周波数の可変範囲をさらに拡大することが可能となる。なお本実施例では、電流リミッタの変動範囲で可変できる反射率のピークの光周波数可変範囲ΔfsがＤＢＲ領域の反射率の周期Δfpにほぼ等しいとした。これに代えて、劣化によるレーザの特性変化などを考慮し、ΔfsをΔfpよりも予め大きく設計してもよい。

［実施例５］
図１８は、本発明の第５の実施例に係わる光周波数制御装置を示す機能ブロック図である。なお図１８において図１と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。図１８において、発振モード検出部４に入力された分岐光はリニア特性を有する第３の光フィルタ１１５を介して光電変換部２１に入力される。光電変換部２１の出力は発振モード検出回路５に入力される。

発振モード検出回路５に入力された信号は２分岐され、それぞれマックス・ホールド回路２９０およびミニマム・ホールド回路２９１に入力される。マックス・ホールド回路２９０は入力された電気信号の最大値を保持し、その値に応じた信号（Ｖmax）を演算部２８５に出力する。ミニマム・ホールド回路２９１は入力された電気信号の最小値を保持し、その値に応じた信号（Ｖmin）を演算部２８５に出力する。

演算部２８５は、基準値発生部２０３の出力信号（Ｖref）をもとに次式によりΔＶを算出する。
ΔＶ＝（Ｖmax−Ｖmin）−Ｖref
この式においてΔＶ＞０であれば、マックス・ホールド回路２９０の出力とミニマム・ホールド回路２９１の出力との差分が基準値を越えていることになる。

ΔＶは警報発生部３５０に入力される。警報発生部３５０は、ΔＶ＞０であれば波長可変レーザ１０の発振モードが不安定であると判断し、その旨を示す警報信号を外部の警報モニタ（図示せず）および駆動部２３５に出力する。警報信号を受信すると、駆動部２３５は波長可変レーザ１０を駆動停止する。

図１９は、第３の光フィルタ１１５の透過特性を示す図である。第３の光フィルタ１１５は、少なくともモード競合を生じ得る光周波数の範囲をカバーする周波数領域にわたり、線形特性を有する。光周波数がｆ１の透過光強度をＰ１とし、光周波数がｆ２の透過光強度をＰ２とする。光周波数ｆ１とｆ２との間でモード競合が生じているとすると、光周波数ｆ１とｆ２は同時ではなく、時分割的に発振する。よって第３の光フィルタ１１５の透過光強度は、図２０に示すようにＰ１とＰ２との間を不連続に行き来する。

図２０は、モード競合を生じた場合の第３の光フィルタ１１５の透過光強度を模式的に示す図である。図２０に示されるように透過光強度はＰ２またはＰ１のいずれかの値を取る。よってＶmaxはＰ２に、ＶminはＰ１にそれぞれ応じた値となる。これらの値の差分（ΔＶ）をとることにより、光周波数が時分割的にどのように変動しているかを検出することができる。

モード競合が生じていれば、差分ΔＶは少なくともモード間の光周波数差に応じた値となる。競合が生じていない場合、すなわちモードが安定している場合には、差分ΔＶはほぼ０となる。いずれかの場合を判定するための閾値として、モード間の光周波数差に応じた値の１／２程度の値を基準値として用いると、ΔＶと基準値とを比較することにより、モード競合が生じているかどうかを判定することができる。

この実施例では、発振モード検出回路５の検出速度を波長可変レーザ１０の応答速度よりも遅く、第１の誤差信号検出部１の応答速度よりも速く設定する。これにより、波長切り替えに伴う波長可変レーザ１０のチューニング状態が発振モードの不安定状態と誤認されることを防止できる。さらに、発振モードが不安定な状態において光周波数制御が実施されることを未然に防止できる。

すなわち、発振モード検出回路５を光周波数制御ループと組み合わせるにあたり、発振モード検出回路５の本来の役割から、発振モード検出回路５はモードの安定性を光周波数制御ループの応答速度よりも速く検出できる必要がある。また発振モード検出回路５の応答速度は、波長可変レーザ１０の応答速度よりは遅い必要がある。波長可変レーザ１０において光周波数のスイッチング中にはモードホップが生じており、発振モード検出回路５の応答速度が速過ぎると、このモードホップが発振モードの不安定さと誤認される虞が有る。これを避けるために本実施例では、発振モード検出回路５の応答速度を波長可変レーザ１０の応答速度よりも遅くするようにする。なお、波長切り替えのためのチャンネル切替信号が入力されてから波長可変レーザ１０の応答が終了するまでの時間、発振モード検出回路５をオフにしてもよい。

波長可変レーザ１０としてＳＧ−ＤＢＲ型もしくはＳＳＧ−ＤＢＲ型のＤＢＲレーザを用いる場合、発振モードが不安定となる要因には大きく２つ有る。一つ目の要因（ケース１とする）は、前方ＤＢＲ領域からのブラッグ反射波長と後方ＤＢＲ領域からのブラッグ反射波長とにずれが生じている場合である。二つ目の要因（ケース２とする）は、縦モードとブラッグ反射波長とにずれが生じている場合である。

ケース１においては、図１９におけるモード競合に係わる光周波数成分ｆ１とｆ２との光周波数差は、数百ＧＨｚからＴＨｚオーダとなり、非常に大きい。これは、ｆ１とｆ２との光周波数差がＤＢＲ領域における反射ピークの周期程度以上であることによる。一方ケース２においては、ｆ１とｆ２との光周波数差は通常の縦モード間隔であるので数十ＧＨｚ程度となる。よってモードの安定性の判定における閾値に少なくとも２種類の基準値を用いることにより、モード不安定の要因を推定することができる。

すなわち、基準値としてＶ１とＶ２と（Ｖ１＞Ｖ２）を設定し、ΔＶ＞Ｖ１であればケース１の要因であり、Ｖ２＜ΔＶ＜Ｖ１であればケース２の要因であると推定することができる。この結果に応じてケース１が要因であると推定された場合には、前方ＤＢＲ領域または後方ＤＢＲ領域のいずれか一方のみに関して波長チューニングを行うことにより、各ＤＢＲ領域のブラッグ反射波長を一致させてモード競合を解消することができる。ケース２が要因であると推定された場合には、ＰＣ領域の注入電流を制御することでブラッグ反射波長と縦モードとを一致させ、モード競合を解消することができる。このような制御により波長可変レーザ１０は安定した単一モード発振状態となり、光周波数制御ループの動作が不安定になることを防止できる。これにより光周波数制御ループを再開させ、所望の光周波数をロックすることができる。

このように本実施例では、光周波数の制御機構とは独立に作用する発振モード検出回路５を設け、波長可変レーザ１０の発振モードの安定性を検出し、発振モードが不安定な場合には光周波数制御を中断するようにしている。これにより、過大な電流注入などによる波長可変レーザ１０の破損を未然に防止でき、長期的な信頼性を向上させることが可能になる。

特に、ＤＢＲ型レーザにおいてはモードホップの近傍において複数の発振モードの利得がほぼ等しくなるので、モード間の競合が生じる。元来、光周波数制御ループは単一モード発振を想定して設計されているために、発振モードの競合が生じた場合には光周波数制御ループを正しく動作させることが困難となり、場合によってはループが発振してレーザを破損させることもある。本実施例によればこのような事態を招く虞が無い。

さらに、本実施例においては発振モードが不安定な場合には警報を発して外部にその旨を通知するようにしているので、レーザの劣化などを推定するための情報を管理者に与えることができるようになる。

［実施例６］
図２１は、本発明の第６の実施例に係わる光周波数制御装置を示す機能ブロック図である。なお図２１において図８または図１８と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。図２１において、第１の誤差信号検出部１の光電変換部２０からの出力信号は発振モード検出回路５に入力される。すなわち図１８の第３の光フィルタ１１５の機能を図２１の第１の光フィルタ１１１が担う。発振モード検出回路５は図１８と同様の構成であり、マックス・ホールド回路２９０とミニマム・ホールド回路２９１とを備える。

チャンネル切替信号発生部３００からの信号は、駆動部２３６、基準値発生部２０１、および発振モード検出回路５に入力される。駆動部２３６はチャンネル切替信号に基づいて波長可変レーザ１０の発振光周波数を可変する。基準値発生部２０１は、チャンネル切替信号に基づいて周波数制御のための基準値を切り替える。

発振モード検出回路５は、チャンネル切替信号が与えられることに応じてマックス・ホールド回路２９０とミニマム・ホールド回路２９１とをリセットする。このようにすることで切り替えられた光周波数への制御過程において、発振モードの安定性を検出することができる。

発振モード検出回路５は波長可変レーザ１０の発振モードの安定性を検出し、発振モードの不安定状態を検出した場合には警報信号を外部および駆動部２３６に供給する。駆動部２３６は警報信号を受信すると、波長可変レーザ１０を駆動停止する。

以上のように、光周波数制御ループを第１の誤差信号検出部１により構成される租調整ループおよび第２の誤差信号検出部２により構成される微調整ループに２重化し、かつ発振モード検出回路５を設けることにより、所望の光周波数に確実に安定化できるとともに信頼性を向上させることが可能になる。

［実施例７］
図２２は、本発明の第７の実施例に係わる光周波数制御装置を示す機能ブロック図である。なお図２２において図１８および図２１と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。図２２のＤＢＲレーザ１２は、図１５と同様に２つのＤＢＲ領域を持つＳＧ−ＤＢＲレーザまたはＳＳＧ−ＤＢＲレーザである。発振モード検出回路５は図１８と同様の構成をなし、その基準値発生部２０３（図１８に表示）は第１の基準値Ｖ１と第２の基準値Ｖ２（Ｖ１＞Ｖ２）とが出力される。

図２３は、図２２の光周波数制御装置の基本的な光周波数制御に係わる動作を示すフローチャートである。図２３においてシステムが初期化されると（ステップＳ１０）、波長可変レーザ１０の動作温度、各電極への注入電流などが初期値に基づいて設定される。次に、図２４に示す割り込みルーチンＩＮＩＴ１が実行される（ステップＳ１１）。

図２４は、図２３のＩＮＩＴ１ルーチンに係わる動作を示すフローチャートである。ＩＮＩＴ１ルーチンが開始されると、発振モード検出回路５において発振モードの安定性が判定され（ステップＳ２０）、発振モード検出回路５のマックス・ホールド回路２９０の出力値Ｖmaxとミニマム・ホールド回路２９１の出力値Ｖminとの差分ΔＶが基準値発生部２０３の第２の基準値Ｖ２と比較される。ΔＶが第２の基準値Ｖ２よりも小さければ（ステップＳ２１でＹＥＳ）、発振モードが安定と判断されて図２３の基本ルーチンに戻る（ＲＥＴＵＲＮ）。

差分ΔＶが第２の基準値Ｖ２よりも大きければ（ステップＳ２１でＮＯ）、発振モードが不安定であると判定され、発振モード検出回路５は警報を発し、第１の誤差信号検出部１および第２の誤差信号検出部２がそれぞれ形成する光周波数制御ループをオフにすべく、ＰＣ領域駆動部２３２およびＤＢＲ領域駆動部２３４に警報信号を供給する（ステップＳ２２）。

光周波数制御ループをオフにした後、モード不安定の要因を推測すべく差分ΔＶと第１の基準値Ｖ１とが比較される（ステップＳ２３）。差分ΔＶが第１の基準値Ｖ１よりも大きければ（ステップＳ２３でＮＯ）、前方ＤＢＲ領域および後方ＤＢＲ領域からの反射率のピークにずれが生じていると推測することができ、前方ＤＢＲ領域、後方ＤＢＲ領域およびＰＣ領域への注入電流のいずれか一つのみが制御される（実施例５のケース１）。差分ΔＶが第１の基準値Ｖ１よりも小さい場合（ステップＳ２３でＹＥＳ）には、反射率のピークと縦モードがずれていると推定することができ、ＰＣ領域への注入電流が減少される（実施例５のケース２）。

ケース１においては、前方ＤＢＲ領域への注入電流ＩＦと後方ＤＢＲ領域への注入電流ＩＲとが比較され（ステップＳ２４）、大きな電流が流れている領域の電流のみを減少させるようにする（ステップＳ２５）。電流を減少させた後、発振モード検出回路５のマックス・ホールド回路２９０およびミニマム・ホールド回路２９１をリセットし（ステップＳ２６）、再び発振モードを検出する。この過程を、差分ΔＶが第１の基準値Ｖ１よりも小さくなるまで繰り返す（ステップＳ２７のＹＥＳ）。

差分ΔＶが第１の基準値Ｖ１よりも小さくなると、差分ΔＶと第２の基準値Ｖ２とを再び比較し（ステップＳ２１）、ΔＶが第２の基準値Ｖ２よりも小さければモードが安定であると判断されて警報が解除され、基本ルーチンに戻る（ＲＥＴＵＲＮ）。ΔＶが第２の基準値Ｖ２よりも大きい場合には、ケース２に従ってＰＣ領域への注入電流を減少させる（ステップＳ２８〜Ｓ３０）。各領域への注入電流にはリミッタがかけられているために、電流が下限値に達した場合には電流値を上限値に設定し、制御を再開する。

ＩＮＩＴ１ルーチンから基本ルーチンに戻った後は、光周波数制御ループによる光周波数制御が実施される。基本ルーチンにおいてチャンネル切替信号発生部３００から切替信号が発せられた場合には、ＩＮＩＴ２割込み要求が出される。ＩＮＩＴ２割込み要求を確認すると、図２５に示すＩＮＩＴ２ルーチンが実行される。

図２５は、図２３のＩＮＩＴ２ルーチンに係わる動作を示すフローチャートである。ＩＮＩＴ２ルーチンにおいては、チャンネル切替信号が発生すると（ステップＳ４０）、このチャンネル切替信号はＤＢＲ領域駆動部２３４、基準値発生部２０１および発振モード検出回路５で各々受信される。

ＤＢＲ領域駆動部２３４への注入電流とチャンネル番号とは予め対応付けられており、所望のチャンネルに応じた注入電流が波長可変レーザ１０に供給される。基準値発生部２０１は所望のチャンネルに応じた基準値を出力する。発振モード検出回路５は、マックス・ホールド回路２９０およびミニマム・ホールド回路２９１をリセットする（ステップＳ４１）。この後、ＩＮＩＴ１ルーチンを実行することにより（ステップＳ４２）、発振モードの安定化が行われる。発振モードの安定化が行われた後は基本ルーチンに戻り、波長可変レーザの出力周波数は所望の光周波数に制御される。なおチャンネル切替信号発生部３００からの切替信号をＰＣ領域駆動部に供給し、ＰＣ領域への注入電流を予め設定されている値にチューニングしてもよい。

以上のように、発振モードが不安定であると判断された場合に発振モードを安定化する機構を組み込むことにより、光周波数制御装置に長期的な信頼性を確保することが可能となる。

なお本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば第１の誤差信号検出部１の制御ループに不感帯を設けるにあたり、本実施形態では非線形増幅器２６０の増幅特性を利用するようにした。これに代えて、例えば切替スイッチなどで制御ループを切り離す周波数帯域を設けることで不感帯を設けても良い
また、波長可変レーザ１０からの出力パワーをモニタする手段を設け、モニタされた値で、光電変換部２０および光電変換部２１からの出力を規格化してもよい。これにより、波長可変レーザ１０からの出力パワーの変動に依存しない光周波数制御が可能となる。

さらに、図１５においてはチャンネル切替信号発生部３００からの制御信号を基準値発生部２０１にのみ入力したが、ＰＣ領域駆動部２３２およびＤＢＲ領域駆動部２３３へも入力してもよい。この場合、ＰＣ領域駆動部２３２およびＤＢＲ領域駆動部２３３は、チャンネルと注入電流との対応表を保持することが必要となる。

さらに、本発明は上記実施例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施例に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施例にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施例に係わる光周波数制御装置を示す機能ブロック図。図１の第１の光フィルタ１１１の光周波数に対する透過特性を示す図。図１の非線形増幅器２６０の入出力特性を示す図。図１の第２の光フィルタ１１２の透過特性を示す図。図１の第１の誤差信号検出部１および第２の誤差信号検出部２からそれぞれ駆動部２３０に与えられる誤差信号を示す図。比較のため非特許文献１に記載の光周波数制御装置を示す図。図８の光電変換部２０からの出力電圧を示す図。本発明の第２の実施例に係わる光周波数制御装置を示す機能ブロック図。第２の光フィルタ１１３の透過特性と同期検波部２８０から出力される誤差信号とを同じグラフ上にプロットした図。図８の第１の誤差信号検出部１および第２の誤差信号検出部２からそれぞれ駆動部２３０に与えられる誤差信号を示す図。本発明の第３の実施例に係わる光周波数制御装置を示す機能ブロック図。図１１のＤＢＲレーザ１１の構造を模式的に示す図。図１２のＤＢＲレーザの発振原理を説明するための図。比較のため非特許文献２に記載の光周波数制御装置を示す図。本発明の第４の実施例に係わる光周波数制御装置を示す機能ブロック図。図１５のＤＢＲレーザ１２の構造を模式的に示す図。図１６のＤＢＲレーザの発振原理を説明するための図。本発明の第５の実施例に係わる光周波数制御装置を示す機能ブロック図。図１８の第３の光フィルタ１１５の透過特性を示す図。モード競合を生じた場合の第３の光フィルタ１１５の透過光強度を模式的に示す図。本発明の第６の実施例に係わる光周波数制御装置を示す機能ブロック図。本発明の第７の実施例に係わる光周波数制御装置を示す機能ブロック図。図２２の光周波数制御装置の基本的な光周波数制御に係わる動作を示すフローチャート。図２２の光周波数制御装置の発振モード安定化に係わる動作を示すフローチャート。図２２の光周波数制御装置の光周波数切替に係わる動作を示すフローチャート。

符号の説明

１…第１の誤差信号検出部、２…第２の誤差信号検出部、４…発振モード検出部、５…発振モード検出回路、１０…波長可変レーザ、１１，１２…ＤＢＲレーザ、２０…光電変換部、２１…光電変換部、３０…ロックインアンプ、４０…ディザ信号発生部、４１…ディザ信号発生部、１００…カプラ、１０１…カプラ、１１０…ファブリペロ共振器、１１１…第１の光フィルタ、１１２，１１３…第２の光フィルタ、１１５…光フィルタ、１２０…光分波器、２００…参照電圧発生部、２０１…基準値発生部、２０２…基準値発生部、２０３…基準値発生部、２１０，２１１…比較器、２２０…差動増幅部、２３０…駆動部、２３１…利得領域駆動部、２３２…ＰＣ領域駆動部、２３３，２３４…ＤＢＲ領域駆動部、２３５，２３６，２３８…駆動部、２５０，２５１…ループフィルタ、２６０…非線形増幅器、２８０…同期検波部、２８５…演算部、２９０…マックス・ホールド回路、２９１…ミニマム・ホールド回路、３００…チャンネル切替信号発生部、３５０…警報発生部

Claims

波長可変レーザの出射光の光周波数を目標値に安定化制御する光周波数制御装置において、
前記波長可変レーザへの注入電流を制御して前記出射光の光周波数を制御する制御手段と、
第１の光フィルタと、
前記第１の光フィルタを用いて前記出射光の光周波数と前記目標値との周波数の差分値に相当する第１の誤差信号を検出し、この第１の誤差信号を前記制御手段に帰還して第１制御ループを形成する第１制御ループ形成手段と、
前記第１の光フィルタと異なる特性を示す第２の光フィルタと、
前記第２の光フィルタを用いて前記出射光の光周波数と前記目標値との周波数の差分値に相当する第２の誤差信号を検出し、この第２の誤差信号を前記制御手段に帰還して第２制御ループを形成する第２制御ループ形成手段と、
前記第２制御ループによる周波数引き込み範囲の一部を含む周波数領域において前記第１制御ループのループ利得を略０とする不感帯形成手段とを具備することを特徴とする光周波数制御装置。
前記第２制御ループによる周波数引き込み範囲は、前記不感帯形成手段により形成される不感帯よりも広く設定されることを特徴とする請求項１に記載の光周波数制御装置。
前記第１および第２の光フィルタは、光周波数に対して周期的に変化する透過特性を有する周期的フィルタであり、
前記第１の光フィルタの透過特性における半周期は前記波長可変レーザの波長可変幅よりも広く、
前記第１の光フィルタの透過特性における１周期は前記第２の光フィルタの透過特性における１周期よりも広いことを特徴とする請求項１に記載の光周波数制御装置。
前記制御手段は、前記第１の誤差信号と前記第２の誤差信号とを加算した信号に基づいて前記出射光の光周波数を制御することを特徴とする請求項１に記載の光周波数制御装置。
前記波長可変レーザは、分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域と位相調整領域とを備えるＤＢＲ型レーザであり、
前記制御手段は、前記第１の誤差信号に基づき前記ＤＢＲ領域への注入電流を制御し、前記第２の誤差信号に基づき前記位相調整領域への注入電流を制御することを特徴とする請求項１に記載の光周波数制御装置。
前記波長可変レーザは、利得領域と、この利得領域に隣接する位相調整領域と、当該利得領域および位相調整領域を互いに挟みこむように形成される第１および第２分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域とを備えるＤＢＲ型レーザであり、
前記制御手段は、前記第１の誤差信号に基づき前記第１および第２ＤＢＲ領域への注入電流を制御し、前記第２の誤差信号に基づき前記位相調整領域への注入電流を制御することを特徴とする請求項１に記載の光周波数制御装置。
前記第１および第２ＤＢＲ領域は、Sampled-Grating構造、または、超周期構造回折格子のいずれかを形成することを特徴とする請求項６に記載の光周波数制御装置。
前記制御手段は、前記第１および第２ＤＢＲ領域への注入電流量を互いに略同量で増減させることを特徴とする請求項６に記載の光周波数制御装置。
前記制御手段は、前記第１および第２ＤＢＲ領域への注入電流量にそれぞれ下限値および上限値を設け、前記注入電流量が下降して下限値に達した場合には当該注入電流量を上限値に再帰させ、前記注入電流量が上昇して上限値に達した場合には当該注入電流量を下限値に再帰させるリミッタ手段を備えることを特徴とする請求項８に記載の光周波数制御装置。
前記第１および第２ＤＢＲ領域のそれぞれごとに、当該領域の反射率がピークとなる光周波数間隔をｆｐ［Ｈｚ］とし、前記注入電流量が下限値から上限値に至るまでに反射率のピークが変化する光周波数範囲をｆｓ［Ｈｚ］とした場合に、ｆｓ≧ｆｐが満足されるべく前記第１および第２ＤＢＲ領域のそれぞれごとに前記注入電流量の下限値および上限値を設定することを特徴とする請求項９に記載の光周波数制御装置。
さらに、前記出射光の状態から前記波長可変レーザの発振モードの安定性を検出し、この安定性が閾値を超えて不安定な場合に警報信号を発生させる検出手段を具備し、
この検出手段により前記警報が発生された場合に、前記波長可変レーザを駆動停止することを特徴とする請求項１に記載の光周波数制御装置。
前記検出手段は、
前記出射光の光周波数を光強度に変換する光フィルタと、
この光フィルタの出力を電気信号に変換する光／電気変換部と、
前記電気信号の最大値を保持するマックス・ホールド手段と、
前記電気信号の最小値を保持するミニマム・ホールド手段と、
前記保持された最大値と最小値との差分を取る差分手段と、
規定の基準値を出力する基準値発生部と、
前記差分が前記基準値よりも大きい場合に前記警報を発する警報発生手段とを具備することを特徴とする請求項１１に記載の光周波数制御装置。
前記検出手段における発振モードの安定性の検出に係わる応答速度は、前記波長可変レーザの応答速度より遅く前記第１制御ループの応答速度より早いことを特徴とする請求項１１に記載の光周波数制御装置。
前記検出手段は、前記目標値が切り替えられた場合に、前記マックス・ホールド手段とミニマム・ホールド手段とをリセットすることを特徴とする請求項１２に記載の光周波数制御装置。
前記検出手段は、前記第１の光フィルタの出力を前記光／電気変換部により前記電気信号に変換することを特徴とする請求項１２に記載の光周波数制御装置。
前記波長可変レーザは、利得領域と、この利得領域に隣接する位相調整領域と、当該利得領域および位相調整領域を互いに挟みこむように形成される第１および第２分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域とを備えるＤＢＲ型レーザであり、
前記検出手段は、前記差分を規定の基準値に基づいて比較することにより前記発振モードの不安定要因を特定する特定手段を備え、
前記制御手段は、前記特定手段により特定された不安定要因に応じて前記第１および第２ＤＢＲ領域への注入電流、または、前記位相調整領域への注入電流の少なくともいずれかを制御することを特徴とする請求項１１に記載の光周波数制御装置。