JP4079263B2 - 周波数安定化光源 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分布反射型半導体レーザ等の波長可変半導体レーザの出力光の波長（光周波数）を一定値に固定するとともに、出力光の発振モードを安定化する周波数安定化光源に関し、例えば、波長多重光通信における光源として使用される。
【０００２】
【従来の技術】
現在、通信情報量の増大に対応すべく、波長（光周波数）多重通信システムの開発、研究が盛んである。送信用光源としては半導体レーザが主であり、光周波数多重のためには単一モード発振特性の半導体レーザが必要となる。更に、発振周波数を大きく変えることのできる光源を用いると、波長多重通信網の任意の波長チャネルにアクセスすることができるので、波長多重通信網の再配置等が可能な高機能の波長多重通信網を構築することができる。但し、このような波長多重通信網に用いる光源としては、光周波数が一定値に固定されると共に、長期にわたり安定していることが重要である。
【０００３】
半導体レーザのなかでも、分布帰還型半導体レーザ（以下、ＤＦＢレーザと呼ぶ。）は、優れた単一モード発振特性を示すことから、現在の長距離系光通信システム用光源の主流であり、また将来の光周波数（波長）多重通信システム用光源としても期待されている。ところが、ＤＦＢレーザは発振周波数を大きく変えることができない。
【０００４】
これに対して、分布反射型半導体レーザ（以下、ＤＢＲレーザと呼ぶ。）は、分布反射器領域に電流を注入することにより、ＤＦＢレーザに比べて波長を大きく変化させることが可能である。とりわけ、周期的位相変調が施された回折格子が前後の分布反射器領域に形成された４電極構造の超周期構造回折格子（ＳＳＧ：Super Structure Grating）−ＤＢＲレーザは、３０〜６０ｎｍの波長可変範囲を持つ単一モード半導体レーザであるので、波長多重用光源として有望視されている。
【０００５】
ＤＦＢ型、ＤＢＲ型に限らず、半導体レーザの発振周波数は、温度により大きく変化するので、発振周波数を安定させるための温度制御が必要である。ところが、温度制御が適切に行われていても、長期的な使用のもとでは、活性領域の劣化等の素子特性の変動により発振周波数が変動するので、さらに何らかの周波数（波長）安定化のための制御回路が必要となる。又、ＤＢＲレーザの場合には、発振モードが異なるモードに切り替わる、いわゆるモード跳びが生じる可能性があるので、発振モードをあるモードに固定するための制御回路も必要となる。
【０００６】
周波数安定化のための制御回路等を有する周波数安定化光源は、既にいくつか報告されており（特許文献１、非特許文献１参照）、その一例として、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ用いた周波数安定化光源の構成図を図５に示す。
【０００７】
図５に示すように、従来の周波数安定化光源の４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１は、位相調整領域４、利得領域５及びこれらの前後に配置された前側分布反射器（ＤＢＲ）領域２と、後側分布反射器（ＤＢＲ）領域３とを有する。それらの領域の上部には、それぞれ独立して上部電極ｅ2、ｅ3、ｅ4、ｅ5が設けられており、それらの領域の下部には、共通する下部電極Ｇが設けられている。これらの上部電極ｅ2、ｅ3、ｅ4、ｅ5には、それぞれ別のバイアス電流源１３、１４、１５、１６が接続され、バイアス電流値によって、およその発振波長が定められる。
【０００８】
４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１からの出力光は、光ファイバ６へ射出され、その一部がファイバカプラ７、８により分岐されて、波長モニタ回路１０や、フォトディテクタ１７等へ入射される。
【０００９】
４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の出力光の一部、つまり、ファイバカプラ７により分岐された出力光の一部は、フォトディテクタ１７及び光出力モニタ回路１１を用いてモニタし、光出力パワーが一定になるように、制御部１２により利得領域５に流す電流値を制御している（光出力安定化回路、ループＤ）。
【００１０】
又、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の出力光の一部、つまり、ファイバカプラ８により分岐された出力光の一部は、交差弁別型の周波数基準フィルタを用いた波長（光周波数）モニタ回路１０に入射され、基準周波数と出力光の周波数のずれ量が検出される。このずれ量をもとにして、制御部１２により位相調整領域４に流す電流をフィードバック制御することで、発振周波数がフィルタの基準周波数に安定化される（周波数安定化回路、ループＣ）。
【００１１】
又、発振モードの安定化は、前側ＤＢＲ領域２及び後側ＤＢＲ領域３に流す電流を微小に変化させたときの出力光の微小変化を検出することで行っている。これは、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の出力光と前側ＤＢＲ領域２及び後側ＤＢＲ領域３とのブラッグ波長が全て等しい波長になったときに、光出力特性が極点となることに基づいている。例えば、前側ＤＢＲ領域２のブラッグ波長が縦モード波長からずれた場合、前側ＤＢＲ領域２の反射率が減少し、前側からの光出力が増加することから、前側ＤＢＲ領域２のブラッグ波長ずれに対しては安定点で光出力が極小になる。一方、後側ＤＢＲ領域３のブラッグ波長が縦モード波長からずれた場合、後側ＤＢＲ領域３の反射率が減少し、前側からの光出力が減少することから、後側ＤＢＲ領域３のブラッグ波長ずれに対しては安定点で光出力が極大になる。以上の特性に基づけば、各ＤＢＲ領域２、３での微小電流の変化に対して、出力光の強度の微分信号を得れば、それらが各ＤＢＲ領域２、３のブラッグ波長とモード波長とのずれ量に比例した信号となる。
【００１２】
具体的には、図５の例では、前側ＤＢＲ領域２に参照信号発振器１９により微小変調信号を加え、その変調信号に対する光出力の変化をフォトディテクタ１７で電気信号に変換した後、位相同期検波増幅器１８により位相同期検波して、前側ＤＢＲ領域２での波長ずれ量に比例した信号を検出し、制御部１２により前側ＤＢＲ領域２に流す電流をフィードバック制御している。同様に、後側ＤＢＲ領域３に参照信号発振器２０により微小変調信号を加え、その変調信号に対する光出力の変化をフォトディテクタ１７で電気信号に変換した後、位相同期検波増幅器１８により位相同期検波して、後側ＤＢＲ領域３での波長ずれ量に比例した信号を検出し、制御部１２により後側ＤＢＲ領域３に流す電流をフィードバック制御している（発振モード安定化回路、ループＡ、Ｂ）。なお、参照信号発振器１９及び参照信号発振器２０からの微小変調信号の繰り返し周波数は、互いに異なる周波数にしたり、又は、同じ周波数で位相が９０度異なるものにしたりして、それぞれの信号を互いに独立に検出できるようにしている。
【００１３】
上記安定化回路には、モードを安定化するフィードバックループＡ、Ｂと、周波数（波長）を安定化するフィードバックループＣと、光出力パワーを安定化するフィードバックループＤがあり、それぞれの制御が他の制御に悪影響を与えないように、フィードバックのループ時定数が適切に設定されている。
【００１４】
上述してきたように、図５に示した構成の安定化回路を備えることにより、周波数（波長）、モード及び光出力パワーが一定値に固定された周波数安定化光源が実現される。
【００１５】
なお、上記周波数安定化光源では、光出力の変動を検出して、各ブラッグ波長のずれ量を検出する方法を用いているが、利得領域５の電圧をモニタして、各ブラッグ波長のずれ量を検出する方法もある。この場合、安定点からブラッグ波長がずれると、各ＤＢＲ領域２、３の反射率が低下することで発振しきい値のキャリア密度が増加し、その結果、利得領域５の電圧が増加すること基づいている。すなわち、各ＤＢＲ領域２、３のブラッグ波長ずれに対して利得領域の電圧が安定点付近で極小となる。この場合のモード安定化回路の構成としては、図５において、利得領域５の電圧を直接同期検波するような回路にする点を除けば、同様の構成で、周波数（波長）、モード及び光出力パワーの安定化された光源が実現される。
【００１６】
【特許文献１】
特開平１０−３２１９３８号広報（第３頁、第１図）
【非特許文献１】
石井他、 IEEE Journal of Lightwave Technology、 Vol. 16、 pp. 433-442、 1998.
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の周波数安定化光源では、周波数（波長）及びモードの安定化が行われ、時間平均光周波数（波長）をある一定周波数に固定することができる。しかしながら、従来の周波数安定化光源では、制御電流により共振器内部の損失が変動して、モード安定化の安定化点がモード境界に近接する問題があった。又、前側ＤＢＲ領域及び後側ＤＢＲ領域に加える微小電流による光出力パワーや利得領域の電圧変動は微小であるため、より大きな変動を得るために微小電流の振幅をより大きくとる必要があり、より大きい微小電流は波長変動や光出力の変動を大きくしてしまう問題があった。更には、安定化点がモード境界付近に存在する場合、微小電流の振幅を大きくしたことによって、発振状態が隣のモードに移動してしまう（モード跳び）危険性も内在していた。
【００１８】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、長期的な素子特性の変動に対しても発振周波数が常に安定で、かつ、モード跳びのない周波数安定化光源を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明に係る周波数安定化光源は、以下の特徴を有する。
（１）利得領域、位相調整領域及びそれらの前後に配置された２つの分布反射器領域を備えた４領域分布反射型半導体レーザと、
４領域分布反射型半導体レーザの発振波長に２つの分布反射器領域のブラッグ波長が一致するように、２つの分布反射器領域の等価屈折率を調整する屈折率調整手段と、
４領域分布反射型半導体レーザの発振波長を１つの波長に固定する波長固定手段と、
発振波長とブラッグ波長との間のずれ量を検出するため、前側の分布反射器領域に設けられた第１の電極に強度変調された微小電流を加え、強度変調された微小電流に対する４領域分布反射型半導体レーザの出力光の強度変化の微分信号、又は、利得領域の電圧変化の微分信号が最小となるように、第１の電極へ流す電流を制御して、発振モードを安定化させる第１電極制御手段と、
発振波長とブラッグ波長との間のずれ量を検出するため、後側の分布反射器領域に設けられた第４の電極に強度変調された微小電流を加え、強度変調された微小電流に対する４領域分布反射型半導体レーザの出力光の強度変化の微分信号、又は、利得領域の電圧変化の微分信号が最小となるように、第４の電極へ流す電流を制御して、発振モードを安定化させる第４電極制御手段と、
４領域分布反射型半導体レーザの出力光の波長が光周波数基準器の基準波長に一致するように、位相調整領域に設けられた第２の電極に流す電流を制御する周波数安定化手段とを有し、
第１の電極及び第４の電極に加えた微小電流によって生じる４領域分布反射型半導体レーザの共振器中の損失変動を相殺するように、第２の電極に微小電流を加える損失相殺手段を備え、
損失相殺手段は、前側の分布反射器領域に流れる電流をＩf、後側の分布反射器領域に流れる電流をＩr、位相調整領域に流れる電流をＩpとし、各々の電流がδＩf、δＩr、δＩpだけ微小に変化したときの共振器中の損失変化δαとするとき、前記損失変化δαは、［δα＝ａ f δＩ f ＋ａ r δＩ r ＋ａ p δＩ p （但し、ａ f 、ａ r 、ａ p は定数である。）］で表され、前記損失変化δαを０とするように、第２の電極に加える微小電流δＩpを、下記式を用いて求めることを特徴とする。
【数４】
【００２２】
（２）損失相殺手段は、前側の分布反射器領域及び後側の分布反射器領域に流れる電流の組（Ｉf、Ｉr）に応じて、微小変化量δＩf、δＩrを設定し、（Ｉf±δＩf、Ｉr±δＩr）の各組み合わせとなる４通りの電流に対して、上記数４の式を満たす位相調整領域の微小電流δＩpを計算し、各組み合わせの電流を流して、利得領域の電圧を測定し、測定された電圧のうち、最も低い電圧を与えた組み合わせを新たな（Ｉf、Ｉr）として設定して、上記手順を繰り返し、（Ｉf、Ｉr）の電流変化が規程値以下に収束したことにより、上記手順を終了することを特徴とする。
（３）更に、上記周波数安定化光源に、４領域分布反射型半導体レーザの出力光の強度が一定になるように、利得領域に設けられた第３の電極へ流す電流を制御する光出力制御手段を備えたことを特徴とする。
（４）利得領域、位相調整領域及び分布反射器領域を備えた３領域分布反射型半導体レーザと、
３領域分布反射型半導体レーザの発振波長に分布反射器領域のブラッグ波長が一致するように、分布反射器領域の等価屈折率を調整する屈折率調整手段と、
３領域分布反射型半導体レーザの発振波長を１つの波長に固定する波長固定手段と、
発振波長とブラッグ波長との間のずれ量を検出するため、分布反射器領域に設けられた第１の電極に強度変調された微小電流を加え、強度変調された微小電流に対する３領域分布反射型半導体レーザの出力光の強度変化の微分信号、又は、利得領域の電圧変化の微分信号が最小となるように、第１の電極へ流す電流を制御して、発振モードを安定化させる第１電極制御手段と、
３領域分布反射型半導体レーザの出力光の波長が光周波数基準器の基準波長に一致するように、位相調整領域に設けられた第２の電極に流す電流を制御する周波数安定化手段とを有し、
第１の電極に加えた微小電流によって生じる３領域分布反射型半導体レーザの共振器中の損失変動を相殺するように、第２の電極に、第１の電極に加えた微小電流変動と逆位相の微小電流を加える損失相殺手段を備えたことを特徴とする。
（５）更に、上記周波数安定化光源に、３領域分布反射型半導体レーザの出力光の強度が一定になるように、利得領域に設けられた第３の電極へ流す電流を制御する光出力制御手段を備えたことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る周波数安定化光源は、図５に示した従来の周波数安定化光源と同様に、各分布反射器（ＤＢＲ）領域に微小変調信号を印加して、光出力又は利得領域の電圧を同期検波することで、各ＤＢＲ領域の反射ピーク波長と縦モード波長とのずれ量を検出し、常に反射ピーク波長と縦モードとが一致するように制御している。しかしながら、本発明に係る周波数安定化光源では、各ＤＢＲ領域に印加した変調信号によって生じる共振器中の損失変動を相殺するように、更に、位相調整領域に流す電流に微小電流を加えていることに特徴があり、従来技術と大きく異なる点である。
【００２４】
そこで、本発明に係る周波数安定化光源における安定化の動作原理を、数式及びシミュレーションのグラフを用いて説明する。なお、ここでは４電極のＤＢＲレーザを用いて説明を行う。
【００２５】
４電極ＤＢＲレーザにおいて、前側ＤＢＲ領域に流れる電流をＩf、後側ＤＢＲ領域に流れる電流をＩr、位相調整領域に流れる電流をＩpとし、それぞれの電流がδＩf、δＩr、δＩpだけ微小に変化したときのレーザ共振器中の損失変化δαを求めると、以下の数式で表される。
【数１】
ここで、ａf、ａr、ａpは定数である。
従って、δＩf、δＩrだけ前側ＤＢＲ領域及び後側ＤＢＲ領域に微小変調を加えたときは、以下の式を満たすように、位相調整領域に流す電流を変化させれば、損失変化δαが０となる。
【数２】
【００２６】
この効果を確かめるために、４電極ＤＢＲレーザについて、発振条件のシミュレーションを行った。レーザ共振器中の損失要因としては、プラズマ効果、価電子帯間吸収、温度変動によるもの等、様々な要因が考えられるが、このシミュレーションにおいては、プラズマ効果のみを考慮している。又、前側ＤＢＲ領域及び後側ＤＢＲ領域に加える電流による屈折率変動としても、同様の要因が考えられる。これは、損失と屈折率変動とはクラマース・クローニッヒの関係により結び付けられるためである。しかし、損失と屈折率変動とでは、各効果の損失と波長変動に対する効き方が異なり、変動中における各効果の寄与分は異なっている。
【００２７】
図１、図２は、レーザ発振時における、発振波長での共振器損失を示すシミュレーションのグラフである。等高線の間隔は全てのグラフで等しい共振器損失間隔毎に描かれている。モード境界は、等高線の不連続が集中した部分に現れ、モード安定化時の安定点は等高線で示された中心に収束している。
【００２８】
図１（ａ）は、前側ＤＢＲ領域及び後側ＤＢＲ領域へ微小電流を注入してもレーザ共振器中の損失が変化しない場合であり、ほぼ同心楕円状の損失分布を示している。このため、安定点はモード境界から離れた場所、つまり、等高線の中心点（点Ａ）に落ち着く。これに対し、図１（ｂ）の場合、つまり、損失の電流依存項を取り込んだ場合には、図１（ａ）での安定点（点Ａ）が、モード境界に近接してしまうこととなる。ここで、点Ａは、前側ＤＢＲ領域及び後側ＤＢＲ領域へ微小電流を注入してもレーザ共振器中の損失が変化しない場合（図１（ａ））の安定点を示し、点Ｂは、同じ場合（図１（ａ））でのモード中心から離れた点を示したものである。図１（ａ）での点Ａ、Ｂを、他の図１（ｂ）、図２（ａ）及び図２（ｂ）のグラフにおいても、同じ位置を示すために図示している。
【００２９】
図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１（ｂ）における点Ａ、Ｂを基準に式（２）の損失相殺を行った場合である。図１（ｂ）における点Ａ、つまり、損失の電流変化を考慮せずに計算した場合（図１（ａ）の場合）の中心点Ａを基準に、損失相殺を行った場合には、等高線の中心が点Ａに一致し、モード中心付近に安定化されることが分かる（図２（ａ））。一方、モード中心から離れた点Ｂを基準に損失相殺を行った場合には、示されるモード中心（擬似モード中心）は、点Ａとは異なるものの、点Ａ、Ｂを結ぶ線分の間に擬似モード中心が存在している（図２（ｂ））。このため、次のループでこの擬似モード中心を基準に損失相殺を取り入れたモード安定化処理を行うことで、より正しいモード中心が示され、逐次的に点Ａに到達することが可能となる。又、損失相殺の処理により、等高線の間隔が密になり、前側ＤＢＲ領域及び後側ＤＢＲ領域に加える微小変調に対する感度が向上する効果も得られ、そのため、大きな変調信号を用いる必要は無くなり、モード跳びの危険性を低減することが可能となる。
【００３０】
（実施例）
次に、上記動作原理を実現する本発明に係る周波数安定化電源として、その実施形態の一例となる構成図を図３に示し、その構成及び動作を説明する。なお、図３において、図５と同一の部分には同符号を付してある。
【００３１】
本発明に係る周波数安定化電源では、４領域分布反射型半導体レーザとして、４電極からなるＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１を用いている。４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１は、周期的位相変調の回折格子よりなる前側分布反射器（ＤＢＲ）領域２及び後側分布反射器（ＤＢＲ）領域３と、電流を加えることにより所定の波長域に対する等価屈折率が変化する位相調整領域４と、所定の波長域に対して利得を有する利得領域５とを同一基板上に形成したものであり、前側ＤＢＲ領域２及び後側ＤＢＲ領域３が、利得領域５、位相調整領域４の前後に配置されている。なお、位相調整領域４は、電圧を加えることにより所定の波長域に対する等価屈折率が変化するようなものとしてもよい。又、図示していないが、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１は、ペルチェ素子等を用いて冷却され、一定の温度になるように制御されている。
【００３２】
前側ＤＢＲ領域２、後側ＤＢＲ領域３、位相調整領域４及び利得領域５の上部側には、各々独立して上部電極ｅ2、ｅ3、ｅ4、ｅ5が設けられており、それらの領域の下部側には共通する下部電極Ｇが設けられている。第１の電極となる上部電極ｅ2にはバイアス電流源１３が、第２の電極となる上部電極ｅ4にはバイアス電流源１５が、第３の電極となる上部電極ｅ5にはバイアス電流源１６が、第４の電極となる上部電極ｅ3にはバイアス電流源１４が、それぞれ接続され、各領域に独立してバイアス電流が注入されて、およその発振波長が定められる。
【００３３】
つまり、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の発振波長に前側ＤＢＲ領域２のブラッグ波長が一致するように、制御部１２ａより制御されたバイアス電流が、バイアス電流源１３から上部電極ｅ2に注入されて、前側ＤＢＲ領域２の等価屈折率が調整され、同様に、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の発振波長に後側ＤＢＲ領域３のブラッグ波長が一致するように、制御部１２ａより制御されたバイアス電流が、バイアス電流源１４から上部電極ｅ3に注入されて、後側ＤＢＲ領域３の等価屈折率が調整される（屈折率調整手段）。又、制御部１２ａより制御された所定のバイアス電流を、バイアス電流源１５から上部電極ｅ4に注入することで、位相調整領域４における所定の波長域に対する等価屈折率が変化して、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の発振波長が１つの波長に固定される（波長固定手段）。
【００３４】
又、本発明に係る周波数安定化光源では、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１からの出力光が光ファイバ６により取り出され、更に、その一部がファイバカプラ７、８により分岐され、波長（光周波数）モニタ回路１０、光出力モニタ回路１１にそれぞれ導かれる。
【００３５】
波長モニタ回路１０は、光周波数基準器となる交差弁別型の周波数基準フィルタを有しており、入射された４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の出力光の一部を用いて、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の発振波長と基準周波数との周波数のずれ量を検出している。検出されたずれ量をもとにして、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の出力光の波長が光周波数基準器の基準周波数（波長）に一致するように、位相調整領域４の上部電極ｅ4に流す電流を制御部１２ａによりフィードバック制御して、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の発振周波数が基準周波数に安定化されている（周波数安定化手段、ループＣ）。
【００３６】
又、光出力モニタ回路１１では、入射された４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の出力光の一部が電気信号に変換され、制御部１２ｂにて基準出力と比較され、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の出力光の強度が一定になるように増幅されて、利得領域５の上部電極ｅ5に流す電流としてフィードバック制御されている（光出力制御手段、ループＤ）。
【００３７】
又、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の発振波長と前側ＤＢＲ領域２のブラッグ波長との間のずれ量を検出するため、前側ＤＢＲ領域２の上部電極ｅ2に、等価屈折率調整のためのバイアス電流に強度変調された微小電流を加えて印加している。同様に、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の発振波長と後側ＤＢＲ領域３のブラッグ波長との間のずれ量を検出するため、後側ＤＢＲ領域３の上部電極ｅ3にも、等価屈折率調整のためのバイアス電流に強度変調された微小電流を加えて印加している。本実施例では、参照信号発生用発振器（図示せず）からの信号を、デジタル回路である制御回路１２ａを通して、前側ＤＢＲ領域２及び後側ＤＢＲ領域３に加えている。そして、強度変調された微小電流に対する４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の光出力の強度変化が、波長モニタ回路１０で検出され、更に、光出力の強度変化の微分信号が波長モニタ回路１０のデジタル回路により信号処理されて、電気信号に変換される。波長モニタ回路１０で電気信号に変換された信号は、前側ＤＢＲ領域２の反射ピーク波長と縦モード波長とのずれ量及び後側ＤＢＲ領域３の反射ピーク波長と縦モード波長とのずれ量として検出され、このずれ量、つまり、光出力の強度変化の微分信号が最小になるように、制御部１２ａにて適切に増幅されて、各ＤＢＲ領域２、３の上部電極ｅ2、ｅ3にフィードバック制御されて、ＤＢＲ領域２、３の反射ピーク波長が縦モード波長に安定化される（第１、４電極制御手段、ループＡ、Ｂ）。なお、光出力の強度変化の微分信号の替わりに、利得領域５の電圧の微分信号が最小となるようにフィードバック制御しても同等の制御が可能である。この場合、利得領域５に働く電圧は電圧モニタ回路９により検出されており、この電圧変化に基づき、制御部１２ａにて適切に増幅されて、各ＤＢＲ領域２、３の上部電極ｅ2、ｅ3にフィードバック制御を行う。
【００３８】
更に、各ＤＢＲ領域２、３の上部電極ｅ2、ｅ3に加えた微小電流によって生じる４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の共振器中の損失変動を相殺するように、式（２）を用いて微小電流δＩpを算出して、位相調整部４の上部電極ｅ4に印加する（損失相殺手段、ループＣ）。つまり、位相調整部４へは、周波数安定化手段による基準周波数からのずれ量に比例した位相調整電流だけではなく、共振器中の損失変動を相殺するための微小電流もフィードバックされ、このことにより、発振周波数（波長）が光基準フィルタ周波数（波長）に安定化される。
【００３９】
次に、本発明に係る周波数安定化光源での、安定化処理方法、つまり、上記損失相殺手段の具体的方法を説明する。
【００４０】
まず、事前準備として制御部１２ａにて、前側ＤＢＲ領域２及び後側ＤＢＲ領域３に加えられる波長制御電流の組（Ｉf0、Ｉr0）に応じて、微小変化量δＩf、δＩrを設定する。次に、制御電流を（Ｉf0±δＩf、Ｉr0±δＩ r ）の各組み合わせ（４通り）に対して、式（２）を満たすような位相調整領域４の電流の変化分δＩpを計算する。
【００４１】
次に、前側ＤＢＲ領域２、後側ＤＢＲ領域３、位相調整領域４へのバイアス電流源１３、１４、１５を調整して実際に電流を変化させ、利得領域５の電圧を電圧モニタ回路９で測定、記録する。測定された電圧のうち、最も低い電圧を与えた点を新たな（Ｉf0、Ｉr0）として設定する。
【００４２】
この時、目標波長からの波長誤差は、波長モニタ回路１０を用いて検出し、制御部１２ａを通じて位相調整領域４の電流調整を行うことで誤差解消が可能となっている。又、目標光出力パワーからのパワー誤差は、光出力モニタ回路１１で検出し、制御部１２ｂを通じて利得領域５に加える電流にフィードバックすることで調整を行っている。以上の操作を繰り返すことによって、モードの安定化がなされ、波長（光周波数）、光出力パワーも所定の目標値へ安定化される。
【００４３】
図４は、本発明の効果をみるために、前側ＤＢＲ領域２及び後側ＤＢＲ領域３の電流変化の軌跡を、従来例による方法と本発明による方法とで比較プロットしたものである。波長測定結果に基づき、モード境界も図示した。図４（ａ）に示すように、従来の方法では、安定化の収束点がモード境界に近づいているのに対し、図４（ｂ）に示すように、本発明により損失相殺処理を行う場合では、収束点がモード中心方向に引き戻されており、発明による効果が現れていることがわかる。
【００４４】
なお、上記実施例では、周波数安定化光源の半導体レーザとして、４電極ＤＢＲレーザを用いているが、３領域分布反射型半導体レーザとなる３電極ＤＢＲレーザを用いても、同様の回路構成で本発明が実施できる。この場合、ＤＢＲ領域に加えた微小電流変動と逆位相の信号を位相調整領域に加えれば、レーザ共振器中の損失変動が抑えられ、ＤＢＲ領域に加えた信号に同期して利得領域電圧、又は光出力パワー変動を検出すれば、ブラッグ波長とモード波長とのずれが検出されることになる。
【００４５】
又、上記実施例においては、周波数安定化光源が使用状態にある時には、安定化処理は継続的かつ不断に実施されているが、安定化処理による（Ｉf0、Ｉr0）の電流変化が規程値以下に収束したことを以って安定化完了の判断を行うことで、光源の校正等、メンテナンス時に限った一時的な安定化処理にも本発明が適用できる。
【００４６】
更に、本実施例では、参照信号発生用発振器からの信号を、デジタル回路を通してＤＢＲレーザに加えて、信号処理もデジタル回路により処理しているが、これらの処理を、図５に示す従来の周波数安定化光源のように、アナログ処理により行う方法を用いても本発明の実施が可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、周波数変動がなく、長期にわたって周波数（波長）と発振モードの安定したレーザ出力光を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザ発振に必要な活性領域利得のシミュレーション結果であり、（ａ）は電流による損失変動が存在しない場合、（ｂ）は電流による損失変動が存在する場合のグラフである。
【図２】レーザ発振に必要な活性領域利得のシミュレーション結果であり、（ａ）は図１（ｂ）中の点Ａを中心として損失相殺を行った場合、（ｂ）は図１（ｂ）中の点Ｂを中心として損失相殺を行った場合のグラフである。
【図３】本発明に係る実施形態の一例を示す周波数安定化光源の構成図である。
【図４】安定化処理を行った際の前側ＤＢＲ領域及び後側ＤＢＲ領域の電流の安定化までの軌跡であり、（ａ）は従来の周波数安定化光源における安定化手法、（ｂ）は本発明に係る周波数安定化光源における安定化手法を示すグラフである。
【図５】従来の周波数安定化光源の構成図である。
【符号の説明】
１ ４電極超周期構造回折格子分布反射型（ＳＳＧ−ＤＢＲ）レーザ
２ 前側分布反射器（ＤＢＲ）領域
３ 後側分布反射器（ＤＢＲ）領域
４ 位相調整（ＰＣ）領域
５ 利得領域
６ 光ファイバ
７、８ ファイバカプラ
９ 電圧モニタ回路
１０ 波長（光周波数）モニタ回路
１１ 光出力モニタ回路
１２ 制御回路
１３ 前側分布反射器領域へのバイアス電流源
１４ 後側分布反射器領域へのバイアス電流源
１５ 位相調整領域へのバイアス電流源
１６ 利得領域へのバイアス電流源
１７ フォトディテクタ
１８ 位相同期検波増幅器（ロックインアンプ）
１９、２０ 参照信号発振器
【発明の属する技術分野】
本発明は、分布反射型半導体レーザ等の波長可変半導体レーザの出力光の波長（光周波数）を一定値に固定するとともに、出力光の発振モードを安定化する周波数安定化光源に関し、例えば、波長多重光通信における光源として使用される。
【０００２】
【従来の技術】
現在、通信情報量の増大に対応すべく、波長（光周波数）多重通信システムの開発、研究が盛んである。送信用光源としては半導体レーザが主であり、光周波数多重のためには単一モード発振特性の半導体レーザが必要となる。更に、発振周波数を大きく変えることのできる光源を用いると、波長多重通信網の任意の波長チャネルにアクセスすることができるので、波長多重通信網の再配置等が可能な高機能の波長多重通信網を構築することができる。但し、このような波長多重通信網に用いる光源としては、光周波数が一定値に固定されると共に、長期にわたり安定していることが重要である。
【０００３】
半導体レーザのなかでも、分布帰還型半導体レーザ（以下、ＤＦＢレーザと呼ぶ。）は、優れた単一モード発振特性を示すことから、現在の長距離系光通信システム用光源の主流であり、また将来の光周波数（波長）多重通信システム用光源としても期待されている。ところが、ＤＦＢレーザは発振周波数を大きく変えることができない。
【０００４】
これに対して、分布反射型半導体レーザ（以下、ＤＢＲレーザと呼ぶ。）は、分布反射器領域に電流を注入することにより、ＤＦＢレーザに比べて波長を大きく変化させることが可能である。とりわけ、周期的位相変調が施された回折格子が前後の分布反射器領域に形成された４電極構造の超周期構造回折格子（ＳＳＧ：Super Structure Grating）−ＤＢＲレーザは、３０〜６０ｎｍの波長可変範囲を持つ単一モード半導体レーザであるので、波長多重用光源として有望視されている。
【０００５】
ＤＦＢ型、ＤＢＲ型に限らず、半導体レーザの発振周波数は、温度により大きく変化するので、発振周波数を安定させるための温度制御が必要である。ところが、温度制御が適切に行われていても、長期的な使用のもとでは、活性領域の劣化等の素子特性の変動により発振周波数が変動するので、さらに何らかの周波数（波長）安定化のための制御回路が必要となる。又、ＤＢＲレーザの場合には、発振モードが異なるモードに切り替わる、いわゆるモード跳びが生じる可能性があるので、発振モードをあるモードに固定するための制御回路も必要となる。
【０００６】
周波数安定化のための制御回路等を有する周波数安定化光源は、既にいくつか報告されており（特許文献１、非特許文献１参照）、その一例として、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ用いた周波数安定化光源の構成図を図５に示す。
【０００７】
図５に示すように、従来の周波数安定化光源の４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１は、位相調整領域４、利得領域５及びこれらの前後に配置された前側分布反射器（ＤＢＲ）領域２と、後側分布反射器（ＤＢＲ）領域３とを有する。それらの領域の上部には、それぞれ独立して上部電極ｅ2、ｅ3、ｅ4、ｅ5が設けられており、それらの領域の下部には、共通する下部電極Ｇが設けられている。これらの上部電極ｅ2、ｅ3、ｅ4、ｅ5には、それぞれ別のバイアス電流源１３、１４、１５、１６が接続され、バイアス電流値によって、およその発振波長が定められる。
【０００８】
４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１からの出力光は、光ファイバ６へ射出され、その一部がファイバカプラ７、８により分岐されて、波長モニタ回路１０や、フォトディテクタ１７等へ入射される。
【０００９】
４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の出力光の一部、つまり、ファイバカプラ７により分岐された出力光の一部は、フォトディテクタ１７及び光出力モニタ回路１１を用いてモニタし、光出力パワーが一定になるように、制御部１２により利得領域５に流す電流値を制御している（光出力安定化回路、ループＤ）。
【００１０】
又、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の出力光の一部、つまり、ファイバカプラ８により分岐された出力光の一部は、交差弁別型の周波数基準フィルタを用いた波長（光周波数）モニタ回路１０に入射され、基準周波数と出力光の周波数のずれ量が検出される。このずれ量をもとにして、制御部１２により位相調整領域４に流す電流をフィードバック制御することで、発振周波数がフィルタの基準周波数に安定化される（周波数安定化回路、ループＣ）。
【００１１】
又、発振モードの安定化は、前側ＤＢＲ領域２及び後側ＤＢＲ領域３に流す電流を微小に変化させたときの出力光の微小変化を検出することで行っている。これは、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の出力光と前側ＤＢＲ領域２及び後側ＤＢＲ領域３とのブラッグ波長が全て等しい波長になったときに、光出力特性が極点となることに基づいている。例えば、前側ＤＢＲ領域２のブラッグ波長が縦モード波長からずれた場合、前側ＤＢＲ領域２の反射率が減少し、前側からの光出力が増加することから、前側ＤＢＲ領域２のブラッグ波長ずれに対しては安定点で光出力が極小になる。一方、後側ＤＢＲ領域３のブラッグ波長が縦モード波長からずれた場合、後側ＤＢＲ領域３の反射率が減少し、前側からの光出力が減少することから、後側ＤＢＲ領域３のブラッグ波長ずれに対しては安定点で光出力が極大になる。以上の特性に基づけば、各ＤＢＲ領域２、３での微小電流の変化に対して、出力光の強度の微分信号を得れば、それらが各ＤＢＲ領域２、３のブラッグ波長とモード波長とのずれ量に比例した信号となる。
【００１２】
具体的には、図５の例では、前側ＤＢＲ領域２に参照信号発振器１９により微小変調信号を加え、その変調信号に対する光出力の変化をフォトディテクタ１７で電気信号に変換した後、位相同期検波増幅器１８により位相同期検波して、前側ＤＢＲ領域２での波長ずれ量に比例した信号を検出し、制御部１２により前側ＤＢＲ領域２に流す電流をフィードバック制御している。同様に、後側ＤＢＲ領域３に参照信号発振器２０により微小変調信号を加え、その変調信号に対する光出力の変化をフォトディテクタ１７で電気信号に変換した後、位相同期検波増幅器１８により位相同期検波して、後側ＤＢＲ領域３での波長ずれ量に比例した信号を検出し、制御部１２により後側ＤＢＲ領域３に流す電流をフィードバック制御している（発振モード安定化回路、ループＡ、Ｂ）。なお、参照信号発振器１９及び参照信号発振器２０からの微小変調信号の繰り返し周波数は、互いに異なる周波数にしたり、又は、同じ周波数で位相が９０度異なるものにしたりして、それぞれの信号を互いに独立に検出できるようにしている。
【００１３】
上記安定化回路には、モードを安定化するフィードバックループＡ、Ｂと、周波数（波長）を安定化するフィードバックループＣと、光出力パワーを安定化するフィードバックループＤがあり、それぞれの制御が他の制御に悪影響を与えないように、フィードバックのループ時定数が適切に設定されている。
【００１４】
上述してきたように、図５に示した構成の安定化回路を備えることにより、周波数（波長）、モード及び光出力パワーが一定値に固定された周波数安定化光源が実現される。
【００１５】
なお、上記周波数安定化光源では、光出力の変動を検出して、各ブラッグ波長のずれ量を検出する方法を用いているが、利得領域５の電圧をモニタして、各ブラッグ波長のずれ量を検出する方法もある。この場合、安定点からブラッグ波長がずれると、各ＤＢＲ領域２、３の反射率が低下することで発振しきい値のキャリア密度が増加し、その結果、利得領域５の電圧が増加すること基づいている。すなわち、各ＤＢＲ領域２、３のブラッグ波長ずれに対して利得領域の電圧が安定点付近で極小となる。この場合のモード安定化回路の構成としては、図５において、利得領域５の電圧を直接同期検波するような回路にする点を除けば、同様の構成で、周波数（波長）、モード及び光出力パワーの安定化された光源が実現される。
【００１６】
【特許文献１】
特開平１０−３２１９３８号広報（第３頁、第１図）
【非特許文献１】
石井他、 IEEE Journal of Lightwave Technology、 Vol. 16、 pp. 433-442、 1998.
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の周波数安定化光源では、周波数（波長）及びモードの安定化が行われ、時間平均光周波数（波長）をある一定周波数に固定することができる。しかしながら、従来の周波数安定化光源では、制御電流により共振器内部の損失が変動して、モード安定化の安定化点がモード境界に近接する問題があった。又、前側ＤＢＲ領域及び後側ＤＢＲ領域に加える微小電流による光出力パワーや利得領域の電圧変動は微小であるため、より大きな変動を得るために微小電流の振幅をより大きくとる必要があり、より大きい微小電流は波長変動や光出力の変動を大きくしてしまう問題があった。更には、安定化点がモード境界付近に存在する場合、微小電流の振幅を大きくしたことによって、発振状態が隣のモードに移動してしまう（モード跳び）危険性も内在していた。
【００１８】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、長期的な素子特性の変動に対しても発振周波数が常に安定で、かつ、モード跳びのない周波数安定化光源を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明に係る周波数安定化光源は、以下の特徴を有する。
（１）利得領域、位相調整領域及びそれらの前後に配置された２つの分布反射器領域を備えた４領域分布反射型半導体レーザと、
４領域分布反射型半導体レーザの発振波長に２つの分布反射器領域のブラッグ波長が一致するように、２つの分布反射器領域の等価屈折率を調整する屈折率調整手段と、
４領域分布反射型半導体レーザの発振波長を１つの波長に固定する波長固定手段と、
発振波長とブラッグ波長との間のずれ量を検出するため、前側の分布反射器領域に設けられた第１の電極に強度変調された微小電流を加え、強度変調された微小電流に対する４領域分布反射型半導体レーザの出力光の強度変化の微分信号、又は、利得領域の電圧変化の微分信号が最小となるように、第１の電極へ流す電流を制御して、発振モードを安定化させる第１電極制御手段と、
発振波長とブラッグ波長との間のずれ量を検出するため、後側の分布反射器領域に設けられた第４の電極に強度変調された微小電流を加え、強度変調された微小電流に対する４領域分布反射型半導体レーザの出力光の強度変化の微分信号、又は、利得領域の電圧変化の微分信号が最小となるように、第４の電極へ流す電流を制御して、発振モードを安定化させる第４電極制御手段と、
４領域分布反射型半導体レーザの出力光の波長が光周波数基準器の基準波長に一致するように、位相調整領域に設けられた第２の電極に流す電流を制御する周波数安定化手段とを有し、
第１の電極及び第４の電極に加えた微小電流によって生じる４領域分布反射型半導体レーザの共振器中の損失変動を相殺するように、第２の電極に微小電流を加える損失相殺手段を備え、
損失相殺手段は、前側の分布反射器領域に流れる電流をＩf、後側の分布反射器領域に流れる電流をＩr、位相調整領域に流れる電流をＩpとし、各々の電流がδＩf、δＩr、δＩpだけ微小に変化したときの共振器中の損失変化δαとするとき、前記損失変化δαは、［δα＝ａ f δＩ f ＋ａ r δＩ r ＋ａ p δＩ p （但し、ａ f 、ａ r 、ａ p は定数である。）］で表され、前記損失変化δαを０とするように、第２の電極に加える微小電流δＩpを、下記式を用いて求めることを特徴とする。
【数４】
（２）損失相殺手段は、前側の分布反射器領域及び後側の分布反射器領域に流れる電流の組（Ｉf、Ｉr）に応じて、微小変化量δＩf、δＩrを設定し、（Ｉf±δＩf、Ｉr±δＩr）の各組み合わせとなる４通りの電流に対して、上記数４の式を満たす位相調整領域の微小電流δＩpを計算し、各組み合わせの電流を流して、利得領域の電圧を測定し、測定された電圧のうち、最も低い電圧を与えた組み合わせを新たな（Ｉf、Ｉr）として設定して、上記手順を繰り返し、（Ｉf、Ｉr）の電流変化が規程値以下に収束したことにより、上記手順を終了することを特徴とする。
（３）更に、上記周波数安定化光源に、４領域分布反射型半導体レーザの出力光の強度が一定になるように、利得領域に設けられた第３の電極へ流す電流を制御する光出力制御手段を備えたことを特徴とする。
（４）利得領域、位相調整領域及び分布反射器領域を備えた３領域分布反射型半導体レーザと、
３領域分布反射型半導体レーザの発振波長に分布反射器領域のブラッグ波長が一致するように、分布反射器領域の等価屈折率を調整する屈折率調整手段と、
３領域分布反射型半導体レーザの発振波長を１つの波長に固定する波長固定手段と、
発振波長とブラッグ波長との間のずれ量を検出するため、分布反射器領域に設けられた第１の電極に強度変調された微小電流を加え、強度変調された微小電流に対する３領域分布反射型半導体レーザの出力光の強度変化の微分信号、又は、利得領域の電圧変化の微分信号が最小となるように、第１の電極へ流す電流を制御して、発振モードを安定化させる第１電極制御手段と、
３領域分布反射型半導体レーザの出力光の波長が光周波数基準器の基準波長に一致するように、位相調整領域に設けられた第２の電極に流す電流を制御する周波数安定化手段とを有し、
第１の電極に加えた微小電流によって生じる３領域分布反射型半導体レーザの共振器中の損失変動を相殺するように、第２の電極に、第１の電極に加えた微小電流変動と逆位相の微小電流を加える損失相殺手段を備えたことを特徴とする。
（５）更に、上記周波数安定化光源に、３領域分布反射型半導体レーザの出力光の強度が一定になるように、利得領域に設けられた第３の電極へ流す電流を制御する光出力制御手段を備えたことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る周波数安定化光源は、図５に示した従来の周波数安定化光源と同様に、各分布反射器（ＤＢＲ）領域に微小変調信号を印加して、光出力又は利得領域の電圧を同期検波することで、各ＤＢＲ領域の反射ピーク波長と縦モード波長とのずれ量を検出し、常に反射ピーク波長と縦モードとが一致するように制御している。しかしながら、本発明に係る周波数安定化光源では、各ＤＢＲ領域に印加した変調信号によって生じる共振器中の損失変動を相殺するように、更に、位相調整領域に流す電流に微小電流を加えていることに特徴があり、従来技術と大きく異なる点である。
【００２４】
そこで、本発明に係る周波数安定化光源における安定化の動作原理を、数式及びシミュレーションのグラフを用いて説明する。なお、ここでは４電極のＤＢＲレーザを用いて説明を行う。
【００２５】
４電極ＤＢＲレーザにおいて、前側ＤＢＲ領域に流れる電流をＩf、後側ＤＢＲ領域に流れる電流をＩr、位相調整領域に流れる電流をＩpとし、それぞれの電流がδＩf、δＩr、δＩpだけ微小に変化したときのレーザ共振器中の損失変化δαを求めると、以下の数式で表される。
【数１】
従って、δＩf、δＩrだけ前側ＤＢＲ領域及び後側ＤＢＲ領域に微小変調を加えたときは、以下の式を満たすように、位相調整領域に流す電流を変化させれば、損失変化δαが０となる。
【数２】
この効果を確かめるために、４電極ＤＢＲレーザについて、発振条件のシミュレーションを行った。レーザ共振器中の損失要因としては、プラズマ効果、価電子帯間吸収、温度変動によるもの等、様々な要因が考えられるが、このシミュレーションにおいては、プラズマ効果のみを考慮している。又、前側ＤＢＲ領域及び後側ＤＢＲ領域に加える電流による屈折率変動としても、同様の要因が考えられる。これは、損失と屈折率変動とはクラマース・クローニッヒの関係により結び付けられるためである。しかし、損失と屈折率変動とでは、各効果の損失と波長変動に対する効き方が異なり、変動中における各効果の寄与分は異なっている。
【００２７】
図１、図２は、レーザ発振時における、発振波長での共振器損失を示すシミュレーションのグラフである。等高線の間隔は全てのグラフで等しい共振器損失間隔毎に描かれている。モード境界は、等高線の不連続が集中した部分に現れ、モード安定化時の安定点は等高線で示された中心に収束している。
【００２８】
図１（ａ）は、前側ＤＢＲ領域及び後側ＤＢＲ領域へ微小電流を注入してもレーザ共振器中の損失が変化しない場合であり、ほぼ同心楕円状の損失分布を示している。このため、安定点はモード境界から離れた場所、つまり、等高線の中心点（点Ａ）に落ち着く。これに対し、図１（ｂ）の場合、つまり、損失の電流依存項を取り込んだ場合には、図１（ａ）での安定点（点Ａ）が、モード境界に近接してしまうこととなる。ここで、点Ａは、前側ＤＢＲ領域及び後側ＤＢＲ領域へ微小電流を注入してもレーザ共振器中の損失が変化しない場合（図１（ａ））の安定点を示し、点Ｂは、同じ場合（図１（ａ））でのモード中心から離れた点を示したものである。図１（ａ）での点Ａ、Ｂを、他の図１（ｂ）、図２（ａ）及び図２（ｂ）のグラフにおいても、同じ位置を示すために図示している。
【００２９】
図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１（ｂ）における点Ａ、Ｂを基準に式（２）の損失相殺を行った場合である。図１（ｂ）における点Ａ、つまり、損失の電流変化を考慮せずに計算した場合（図１（ａ）の場合）の中心点Ａを基準に、損失相殺を行った場合には、等高線の中心が点Ａに一致し、モード中心付近に安定化されることが分かる（図２（ａ））。一方、モード中心から離れた点Ｂを基準に損失相殺を行った場合には、示されるモード中心（擬似モード中心）は、点Ａとは異なるものの、点Ａ、Ｂを結ぶ線分の間に擬似モード中心が存在している（図２（ｂ））。このため、次のループでこの擬似モード中心を基準に損失相殺を取り入れたモード安定化処理を行うことで、より正しいモード中心が示され、逐次的に点Ａに到達することが可能となる。又、損失相殺の処理により、等高線の間隔が密になり、前側ＤＢＲ領域及び後側ＤＢＲ領域に加える微小変調に対する感度が向上する効果も得られ、そのため、大きな変調信号を用いる必要は無くなり、モード跳びの危険性を低減することが可能となる。
【００３０】
（実施例）
次に、上記動作原理を実現する本発明に係る周波数安定化電源として、その実施形態の一例となる構成図を図３に示し、その構成及び動作を説明する。なお、図３において、図５と同一の部分には同符号を付してある。
【００３１】
本発明に係る周波数安定化電源では、４領域分布反射型半導体レーザとして、４電極からなるＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１を用いている。４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１は、周期的位相変調の回折格子よりなる前側分布反射器（ＤＢＲ）領域２及び後側分布反射器（ＤＢＲ）領域３と、電流を加えることにより所定の波長域に対する等価屈折率が変化する位相調整領域４と、所定の波長域に対して利得を有する利得領域５とを同一基板上に形成したものであり、前側ＤＢＲ領域２及び後側ＤＢＲ領域３が、利得領域５、位相調整領域４の前後に配置されている。なお、位相調整領域４は、電圧を加えることにより所定の波長域に対する等価屈折率が変化するようなものとしてもよい。又、図示していないが、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１は、ペルチェ素子等を用いて冷却され、一定の温度になるように制御されている。
【００３２】
前側ＤＢＲ領域２、後側ＤＢＲ領域３、位相調整領域４及び利得領域５の上部側には、各々独立して上部電極ｅ2、ｅ3、ｅ4、ｅ5が設けられており、それらの領域の下部側には共通する下部電極Ｇが設けられている。第１の電極となる上部電極ｅ2にはバイアス電流源１３が、第２の電極となる上部電極ｅ4にはバイアス電流源１５が、第３の電極となる上部電極ｅ5にはバイアス電流源１６が、第４の電極となる上部電極ｅ3にはバイアス電流源１４が、それぞれ接続され、各領域に独立してバイアス電流が注入されて、およその発振波長が定められる。
【００３３】
つまり、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の発振波長に前側ＤＢＲ領域２のブラッグ波長が一致するように、制御部１２ａより制御されたバイアス電流が、バイアス電流源１３から上部電極ｅ2に注入されて、前側ＤＢＲ領域２の等価屈折率が調整され、同様に、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の発振波長に後側ＤＢＲ領域３のブラッグ波長が一致するように、制御部１２ａより制御されたバイアス電流が、バイアス電流源１４から上部電極ｅ3に注入されて、後側ＤＢＲ領域３の等価屈折率が調整される（屈折率調整手段）。又、制御部１２ａより制御された所定のバイアス電流を、バイアス電流源１５から上部電極ｅ4に注入することで、位相調整領域４における所定の波長域に対する等価屈折率が変化して、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の発振波長が１つの波長に固定される（波長固定手段）。
【００３４】
又、本発明に係る周波数安定化光源では、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１からの出力光が光ファイバ６により取り出され、更に、その一部がファイバカプラ７、８により分岐され、波長（光周波数）モニタ回路１０、光出力モニタ回路１１にそれぞれ導かれる。
【００３５】
波長モニタ回路１０は、光周波数基準器となる交差弁別型の周波数基準フィルタを有しており、入射された４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の出力光の一部を用いて、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の発振波長と基準周波数との周波数のずれ量を検出している。検出されたずれ量をもとにして、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の出力光の波長が光周波数基準器の基準周波数（波長）に一致するように、位相調整領域４の上部電極ｅ4に流す電流を制御部１２ａによりフィードバック制御して、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の発振周波数が基準周波数に安定化されている（周波数安定化手段、ループＣ）。
【００３６】
又、光出力モニタ回路１１では、入射された４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の出力光の一部が電気信号に変換され、制御部１２ｂにて基準出力と比較され、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の出力光の強度が一定になるように増幅されて、利得領域５の上部電極ｅ5に流す電流としてフィードバック制御されている（光出力制御手段、ループＤ）。
【００３７】
又、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の発振波長と前側ＤＢＲ領域２のブラッグ波長との間のずれ量を検出するため、前側ＤＢＲ領域２の上部電極ｅ2に、等価屈折率調整のためのバイアス電流に強度変調された微小電流を加えて印加している。同様に、４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の発振波長と後側ＤＢＲ領域３のブラッグ波長との間のずれ量を検出するため、後側ＤＢＲ領域３の上部電極ｅ3にも、等価屈折率調整のためのバイアス電流に強度変調された微小電流を加えて印加している。本実施例では、参照信号発生用発振器（図示せず）からの信号を、デジタル回路である制御回路１２ａを通して、前側ＤＢＲ領域２及び後側ＤＢＲ領域３に加えている。そして、強度変調された微小電流に対する４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の光出力の強度変化が、波長モニタ回路１０で検出され、更に、光出力の強度変化の微分信号が波長モニタ回路１０のデジタル回路により信号処理されて、電気信号に変換される。波長モニタ回路１０で電気信号に変換された信号は、前側ＤＢＲ領域２の反射ピーク波長と縦モード波長とのずれ量及び後側ＤＢＲ領域３の反射ピーク波長と縦モード波長とのずれ量として検出され、このずれ量、つまり、光出力の強度変化の微分信号が最小になるように、制御部１２ａにて適切に増幅されて、各ＤＢＲ領域２、３の上部電極ｅ2、ｅ3にフィードバック制御されて、ＤＢＲ領域２、３の反射ピーク波長が縦モード波長に安定化される（第１、４電極制御手段、ループＡ、Ｂ）。なお、光出力の強度変化の微分信号の替わりに、利得領域５の電圧の微分信号が最小となるようにフィードバック制御しても同等の制御が可能である。この場合、利得領域５に働く電圧は電圧モニタ回路９により検出されており、この電圧変化に基づき、制御部１２ａにて適切に増幅されて、各ＤＢＲ領域２、３の上部電極ｅ2、ｅ3にフィードバック制御を行う。
【００３８】
更に、各ＤＢＲ領域２、３の上部電極ｅ2、ｅ3に加えた微小電流によって生じる４電極ＳＳＧ−ＤＢＲレーザ１の共振器中の損失変動を相殺するように、式（２）を用いて微小電流δＩpを算出して、位相調整部４の上部電極ｅ4に印加する（損失相殺手段、ループＣ）。つまり、位相調整部４へは、周波数安定化手段による基準周波数からのずれ量に比例した位相調整電流だけではなく、共振器中の損失変動を相殺するための微小電流もフィードバックされ、このことにより、発振周波数（波長）が光基準フィルタ周波数（波長）に安定化される。
【００３９】
次に、本発明に係る周波数安定化光源での、安定化処理方法、つまり、上記損失相殺手段の具体的方法を説明する。
【００４０】
まず、事前準備として制御部１２ａにて、前側ＤＢＲ領域２及び後側ＤＢＲ領域３に加えられる波長制御電流の組（Ｉf0、Ｉr0）に応じて、微小変化量δＩf、δＩrを設定する。次に、制御電流を（Ｉf0±δＩf、Ｉr0±δＩ r ）の各組み合わせ（４通り）に対して、式（２）を満たすような位相調整領域４の電流の変化分δＩpを計算する。
【００４１】
次に、前側ＤＢＲ領域２、後側ＤＢＲ領域３、位相調整領域４へのバイアス電流源１３、１４、１５を調整して実際に電流を変化させ、利得領域５の電圧を電圧モニタ回路９で測定、記録する。測定された電圧のうち、最も低い電圧を与えた点を新たな（Ｉf0、Ｉr0）として設定する。
【００４２】
この時、目標波長からの波長誤差は、波長モニタ回路１０を用いて検出し、制御部１２ａを通じて位相調整領域４の電流調整を行うことで誤差解消が可能となっている。又、目標光出力パワーからのパワー誤差は、光出力モニタ回路１１で検出し、制御部１２ｂを通じて利得領域５に加える電流にフィードバックすることで調整を行っている。以上の操作を繰り返すことによって、モードの安定化がなされ、波長（光周波数）、光出力パワーも所定の目標値へ安定化される。
【００４３】
図４は、本発明の効果をみるために、前側ＤＢＲ領域２及び後側ＤＢＲ領域３の電流変化の軌跡を、従来例による方法と本発明による方法とで比較プロットしたものである。波長測定結果に基づき、モード境界も図示した。図４（ａ）に示すように、従来の方法では、安定化の収束点がモード境界に近づいているのに対し、図４（ｂ）に示すように、本発明により損失相殺処理を行う場合では、収束点がモード中心方向に引き戻されており、発明による効果が現れていることがわかる。
【００４４】
なお、上記実施例では、周波数安定化光源の半導体レーザとして、４電極ＤＢＲレーザを用いているが、３領域分布反射型半導体レーザとなる３電極ＤＢＲレーザを用いても、同様の回路構成で本発明が実施できる。この場合、ＤＢＲ領域に加えた微小電流変動と逆位相の信号を位相調整領域に加えれば、レーザ共振器中の損失変動が抑えられ、ＤＢＲ領域に加えた信号に同期して利得領域電圧、又は光出力パワー変動を検出すれば、ブラッグ波長とモード波長とのずれが検出されることになる。
【００４５】
又、上記実施例においては、周波数安定化光源が使用状態にある時には、安定化処理は継続的かつ不断に実施されているが、安定化処理による（Ｉf0、Ｉr0）の電流変化が規程値以下に収束したことを以って安定化完了の判断を行うことで、光源の校正等、メンテナンス時に限った一時的な安定化処理にも本発明が適用できる。
【００４６】
更に、本実施例では、参照信号発生用発振器からの信号を、デジタル回路を通してＤＢＲレーザに加えて、信号処理もデジタル回路により処理しているが、これらの処理を、図５に示す従来の周波数安定化光源のように、アナログ処理により行う方法を用いても本発明の実施が可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、周波数変動がなく、長期にわたって周波数（波長）と発振モードの安定したレーザ出力光を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザ発振に必要な活性領域利得のシミュレーション結果であり、（ａ）は電流による損失変動が存在しない場合、（ｂ）は電流による損失変動が存在する場合のグラフである。
【図２】レーザ発振に必要な活性領域利得のシミュレーション結果であり、（ａ）は図１（ｂ）中の点Ａを中心として損失相殺を行った場合、（ｂ）は図１（ｂ）中の点Ｂを中心として損失相殺を行った場合のグラフである。
【図３】本発明に係る実施形態の一例を示す周波数安定化光源の構成図である。
【図４】安定化処理を行った際の前側ＤＢＲ領域及び後側ＤＢＲ領域の電流の安定化までの軌跡であり、（ａ）は従来の周波数安定化光源における安定化手法、（ｂ）は本発明に係る周波数安定化光源における安定化手法を示すグラフである。
【図５】従来の周波数安定化光源の構成図である。
【符号の説明】
１ ４電極超周期構造回折格子分布反射型（ＳＳＧ−ＤＢＲ）レーザ
２ 前側分布反射器（ＤＢＲ）領域
３ 後側分布反射器（ＤＢＲ）領域
４ 位相調整（ＰＣ）領域
５ 利得領域
６ 光ファイバ
７、８ ファイバカプラ
９ 電圧モニタ回路
１０ 波長（光周波数）モニタ回路
１１ 光出力モニタ回路
１２ 制御回路
１３ 前側分布反射器領域へのバイアス電流源
１４ 後側分布反射器領域へのバイアス電流源
１５ 位相調整領域へのバイアス電流源
１６ 利得領域へのバイアス電流源
１７ フォトディテクタ
１８ 位相同期検波増幅器（ロックインアンプ）
１９、２０ 参照信号発振器
Claims (5)
- 利得領域、位相調整領域及びそれらの前後に配置された２つの分布反射器領域を備えた４領域分布反射型半導体レーザと、
前記４領域分布反射型半導体レーザの発振波長に前記２つの分布反射器領域のブラッグ波長が一致するように、前記２つの分布反射器領域の等価屈折率を調整する屈折率調整手段と、
前記４領域分布反射型半導体レーザの発振波長を１つの波長に固定する波長固定手段とを有する周波数安定化光源において、
前側の前記分布反射器領域に設けられた第１の電極に強度変調された微小電流を加え、前記強度変調された微小電流に対する前記４領域分布反射型半導体レーザの出力光の強度変化の微分信号、又は、前記利得領域の電圧変化の微分信号が最小となるように、前記第１の電極へ流す電流を制御する第１電極制御手段と、
後側の前記分布反射器領域に設けられた第４の電極に強度変調された微小電流を加え、前記強度変調された微小電流に対する前記４領域分布反射型半導体レーザの出力光の強度変化の微分信号、又は、前記利得領域の電圧変化の微分信号が最小となるように、前記第４の電極へ流す電流を制御する第４電極制御手段と、
前記４領域分布反射型半導体レーザの出力光の波長が光周波数基準器の基準波長に一致するように、前記位相調整領域に設けられた第２の電極に流す電流を制御する周波数安定化手段とを有し、
前記第１の電極及び前記第４の電極に加えた微小電流によって生じる前記４領域分布反射型半導体レーザの共振器中の損失変動を相殺するように、前記第２の電極に微小電流を加える損失相殺手段を備え、
前記損失相殺手段は、前側の前記分布反射器領域に流れる電流をＩf、後側の前記分布反射器領域に流れる電流をＩr、前記位相調整領域に流れる電流をＩpとし、各々の電流がδＩf、δＩr、δＩpだけ微小に変化したときの前記共振器中の損失変化δαとするとき、前記損失変化δαは、［δα＝ａ f δＩ f ＋ａ r δＩ r ＋ａ p δＩ p （但し、ａ f 、ａ r 、ａ p は定数である。）］で表され、前記損失変化δαを０とするように、前記第２の電極に加える微小電流δＩpを、下記式を用いて求めることを特徴とする周波数安定化光源。
- 請求項１記載の周波数安定化光源において、
前記損失相殺手段は、前側の前記分布反射器領域及び後側の前記分布反射器領域に流れる電流の組（Ｉf、Ｉr）に応じて、微小変化量δＩf、δＩrを設定し、（Ｉf±δＩf、Ｉr±δＩr）の各組み合わせとなる４通りの電流に対して、上記数３の式を満たす前記位相調整領域の微小電流δＩpを計算し、前記各組み合わせの電流を流して、前記利得領域の電圧を測定し、測定された電圧のうち、最も低い電圧を与えた組み合わせを新たな（Ｉf、Ｉr）として設定して、上記手順を繰り返し、（Ｉf、Ｉr）の電流変化が規程値以下に収束したことにより、上記手順を終了することを特徴とする周波数安定化光源。 - 請求項１又は請求項２に記載の周波数安定化光源において、
前記４領域分布反射型半導体レーザの出力光の強度が一定になるように、前記利得領域に設けられた第３の電極へ流す電流を制御する光出力制御手段を備えたことを特徴とする周波数安定化光源。 - 利得領域、位相調整領域及び分布反射器領域を備えた３領域分布反射型半導体レーザと、
前記３領域分布反射型半導体レーザの発振波長に前記分布反射器領域のブラッグ波長が一致するように、前記分布反射器領域の等価屈折率を調整する屈折率調整手段と、
前記３領域分布反射型半導体レーザの発振波長を１つの波長に固定する波長固定手段とを有する周波数安定化光源において、
前記分布反射器領域に設けられた第１の電極に微小電流を加え、前記強度変調された微小電流に対する前記３領域分布反射型半導体レーザの出力光の強度変化の微分信号、又は、前記利得領域の電圧変化の微分信号が最小となるように、前記第１の電極へ流す電流を制御する第１電極制御手段と、
前記３領域分布反射型半導体レーザの出力光の波長が光周波数基準器の基準波長に一致するように、前記位相調整領域に設けられた第２の電極に流す電流を制御する周波数安定化手段とを有し、
前記第１の電極に加えた微小電流によって生じる前記３領域分布反射型半導体レーザの共振器中の損失変動を相殺するように、前記第２の電極に、前記第１の電極に加えた微小電流変動と逆位相の微小電流を加える損失相殺手段を備えたことを特徴とする周波数安定化光源。 - 請求項４記載の周波数安定化光源において、
前記３領域分布反射型半導体レーザの出力光の強度が一定になるように、前記利得領域に設けられた第３の電極へ流す電流を制御する光出力制御手段を備えたことを特徴とする周波数安定化光源。
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