JP4290541B2 - 波長可変光源および光送信器 - Google Patents

Description

本発明は、光通信システムで用いられる波長可変光源および光送信器に関し、より詳細には、波長切替動作の高速化を可能とした波長可変光源およびこれを備えた光送信器に関する。

近年、インターネットの普及などによって高速な光通信を可能とする技術開発の要求性が高まってきている。光通信容量の拡大を可能とするためには、一般に、複数の半導体レーザダイオード（ＬＤ）を用いて複数の波長の光を高密度に多重化した光通信システムである波長分割多重通信（ＷＤＭ）システムが用いられる。

ＷＤＭシステムにおいて波長多重化のために用いられる半導体レーザは、一定間隔（５０ＧＨｚ〜４００ＧＨｚ間隔程度）の複数の発振波長の光が、それらの波長と強度の双方において高精度かつ安定に発振するものであることが求められる。

そのための安定化技術の一例が、特許文献１に記載されている。この技術は、波長可変半導体レーザ素子の周辺部にエタロン素子やそれと同等の透過特性を示すフィルタ素子を配置し、半導体レーザから出射する光の一部を光検知器でモニタ（直接モニタ）してＡＰＣ回路でＡＰＣ制御を行うとともに、出射光の他の一部を波長に対して透過率が変化するフィルタを通して上記光検出器とは別個に設けた光検出器でモニタし、この出力と直接モニタの出力とを用いて波長変動を検出しつつ、ＡＦＣ回路でＡＥＣ制御を行うというものである。すなわちこの方法では、半導体レーザから出射される光の発振波長と光出力強度をそれぞれ独立に監視し、その監視の結果を、光出力はレーザ駆動電流に、発振波長はレーザ素子の下部に取り付けられた電子冷却温度制御素子に負帰還制御をかけることで安定化を実現するという方法である。

また、光交換やネットワーク制御の分野においても、光切替部において波長フィルタ型分波器やアレイ型導波回折格子（ＡＷＧ）分波器を多段に組み合わせ、フィルタを通過する光の波長を可変とすることで、光の通信先を任意に切替える技術やシステムが提案されている。このような、システムに用いられる光源には、より高速に波長可変を実行可能とする機能が要求され、そのための技術としては、分布反射型レーザ・ツインガイドレーザなどが提案されている。（非特許文献１および非特許文献２参照）。

さらに近年では、ＤＦＢアレイ型波長選択レーザ（ＤＦＢ−ＷＳＬ）といわれるレーザが開発された（非特許文献３参照）。このレーザは、数本の分布帰還型（ＤＦＢ）レーザをアレイ化し、このアレイの先に集積した合波器を設けて１本のファイバに光結合させるタイプのレーザである。このタイプのレーザでは、素子温度を約３０℃程度可変させることにより、アレイ化された各ＤＦＢレーザの発振波長の可変範囲が重ならないように３ｎｍ程度の波長間隔に割り付けられる。このＤＦＢ−ＷＳＬは全体として２５ｎｍ程度の波長可変範囲を有しており、従来のＤＦＢレーザ並みに波長可変範囲を拡大した集積型レーザとして期待されている。

しかしながら、素子の信頼性や波長の安定性に優れたＤＦＢ−ＷＳＬタイプのレーザ素子においても、波長可変機能や波長切替機能は、従来より提案されている制御方法であるところの素子温度可変による制御によって実現されているのが一般的であり、このため、波長可変速度の高速化が困難であり通常は数秒程度の時間を必要とする。このような理由によって、ＤＦＢ−ＷＳＬタイプのレーザ素子の主な用途は、波長可変速度が比較的遅くてもかまわないバックアップレーザなどに限られるという結果となっている。

特開２００２−１８５０７４号公報 Y. Tohmori and M. Oishi, "1.55μm Butt-Jointed Distributed Bragg Reflector Lasers Grown Entirely by Low-Pressure MOVPE", Japanese Journal of Applied Physics, vol. 27, No. 4, April, 1988, pp.L693-695. T. Wolf et al., "Tunable twin-guide (TTG) distributed feedback (DFB) laserwith over 10nm continuous tuning rang", Electronic Letters, vol. 29, no. 24, pp.2124 (1993). M. Bouda et al., "Compact High-Power Wavelength Selectable Lasers for WDM Applications", Technical Digest of OFC 2000, 178/TuL1-1 (2000).

本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、半導体ＤＦＢレーザの波長切替動作を温度可変制御によることなく可能とし、これにより波長切替動作の高速化を可能とした波長可変光源およびこれを備えた光送信器を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、波長可変な半導体ＤＦＢレーザ素子と半導体増幅器とを同一基板上に集積化した波長選択光源素子と、前記半導体ＤＦＢレーザ素子に接続された第１の制御部と、前記半導体光増幅器に接続された第２の制御部と、前記半導体光増幅器の出射側に配置された、波長検出器及び光出力検出器と、前記波長選択光源素子の温度を制御する温度制御部と、を備え、前記半導体ＤＦＢレーザ素子の発振波長は、前記波長検出器の検出信号に基づき、前記第１の制御部により供給される第１の駆動電流のみにより制御され、前記半導体光増幅器から出力される光強度は、前記光出力検出器の検出信号に基づき、前記半導体光増幅器が飽和状態となりかつ所望の一定値となるように、前記第２の制御部により供給される第２の駆動電流により制御され、前記発振波長が制御されている間の前記波長選択光源素子の温度は、前記温度制御部により一定に制御され、前記発振波長と前記光強度と前記波長選択光源素子の温度とがそれぞれ独立に制御されることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の波長可変光源において、前記第１の制御部が、前記半導体ＤＦＢレーザ素子の発振波長に対応した駆動電流値を記憶するメモリと、発振波長に対応した駆動電流値をステップ状に変化させて前記半導体ＤＦＢレーザへ駆動電流値を供給するスイッチング手段と、を備え、前記メモリに記憶された駆動電流値に基づいて発振波長の切替を実行することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の波長可変光源において、前記波長選択光源素子が、Ｎ本の波長可変な半導体ＤＦＢレーザ素子と半導体増幅器とを（１×Ｎ）光合波器を介して接続させて同一基板上に集積化したものであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の波長可変光源において、前記波長選択光源素子を構成するＮ本の半導体ＤＦＢレーザ素子の各々の発振波長は、互いに隣接する発振波長が所定の間隔となるように予め駆動電流値が調整され、前記駆動電流値を各波長毎に記憶する回路をさらに備えることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の波長可変光源において、前記所定の間隔が、ＷＤＭシステムのグリッド波長の間隔であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の波長可変光源において、前記Ｎ本の半導体ＤＦＢレーザ素子の標準動作電流での各発振波長の間隔が前記グリッド波長の間隔と等しくなるように設計されており、標準動作電流で実動作させたときの各発振波長の前記グリッド波長からのずれ量が全体で最小となるように、前記波長選択光源素子の温度が一定に制御されることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項２乃至６のいずれか１項に記載の波長可変光源において、前記第１の制御部および第２の制御部は、前記半導体ＤＦＢレーザ素子の発振波長を切替える際に、該切替時から所定時間制御を中断するように、制御遅延時間設定が可能なデジタル制御方式の回路を備えていることを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、光通信器であって、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の波長可変光源と、該波長可変光源からの出力光を光伝送手段に光学的に結合させる光結合手段とを備えていることを特徴とする。
請求項９に記載の発明は、波長可変な半導体ＤＦＢレーザ素子と半導体増幅器とを同一基板上に集積化した波長選択光源素子と、前記半導体ＤＦＢレーザ素子に接続された第１の制御部と、前記半導体光増幅器に接続された第２の制御部と、前記半導体光増幅器の出射側に配置された、波長検出器及び光出力検出器と、前記波長選択光源素子の温度を制御する温度制御部と、を備えた波長可変光源を制御するための波長可変光源の制御方法であって、前記半導体ＤＦＢレーザ素子の発振波長を、前記波長検出器の検出信号に基づき、前記第１の制御部により供給される第１の駆動電流のみにより制御し、前記半導体光増幅器から出力される光強度を、前記光出力検出器の検出信号に基づき、前記半導体光増幅器が飽和状態となりかつ所望の一定値となるように、前記第２の制御部により供給される第２の駆動電流により制御し、前記発振波長が制御されている間の前記波長選択光源素子の温度を、前記温度制御部により一定に制御し、前記発振波長と前記光強度と前記波長選択光源素子の温度とをそれぞれ独立に制御することを特徴とする。
請求項１０に記載の発明は、波長可変な半導体ＤＦＢレーザ素子と半導体増幅器とを同一基板上に集積化した波長選択光源素子と、前記半導体ＤＦＢレーザ素子に接続された第１の制御部と、前記半導体光増幅器に接続された第２の制御部と、前記半導体光増幅器の出射側に配置された、波長検出器及び光出力検出器と、前記波長選択光源素子の温度を制御する温度制御部と、を備え、前記第１の制御部が、前記半導体ＤＦＢレーザ素子の発振波長に対応した駆動電流値を記憶するメモリと、発振波長に対応した駆動電流値をステップ状に変化させて前記半導体ＤＦＢレーザへ駆動電流値を供給するスイッチング手段と、を備えた波長可変光源を制御するための波長可変光源の制御方法であって、前記半導体ＤＦＢレーザ素子の発振波長を、前記メモリに記憶された駆動電流値に基づいて切替えると共に、前記波長検出器の検出信号に基づき、前記第１の制御部により供給される第１の駆動電流のみにより制御し、前記半導体光増幅器から出力される光強度を、前記光出力検出器の検出信号に基づき、前記半導体光増幅器が飽和状態となりかつ所望の一定値となるように、前記第２の制御部により供給される第２の駆動電流により制御し、前記発振波長が制御されている間の前記波長選択光源素子の温度を、前記温度制御部により一定に制御し、前記発振波長と前記光強度と前記波長選択光源素子の温度とをそれぞれ独立に制御することを特徴とする。
請求項１１に記載の発明は、請求項９または１０に記載の波長可変光源の制御方法であって、前記波長選択光源素子が、Ｎ本の波長可変な半導体ＤＦＢレーザ素子と半導体増幅器とを（１×Ｎ）光合波器を介して接続させて同一基板上に集積化したものであることを特徴とする。
請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の波長可変光源の制御方法であって、前記波長選択光源素子を構成するＮ本の半導体ＤＦＢレーザ素子の各々の発振波長を、互いに隣接する発振波長が所定の間隔となるように予め駆動電流値を調整することを特徴とする。
請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載の波長可変光源の制御方法であって、前記所定の間隔を、ＷＤＭシステムのグリッド波長の間隔とすることを特徴とする。
請求項１４に記載の発明は、波長可変な半導体ＤＦＢレーザ素子と半導体増幅器とを同一基板上に集積化した波長選択光源素子と、前記半導体ＤＦＢレーザ素子に接続された第１の制御部と、前記半導体光増幅器に接続された第２の制御部と、前記半導体光増幅器の出射側に配置された、波長検出器及び光出力検出器と、前記波長選択光源素子の温度を制御する温度制御部と、を備え、前記波長選択光源素子が、Ｎ本の波長可変な半導体ＤＦＢレーザ素子と半導体増幅器とを（１×Ｎ）光合波器を介して接続させて同一基板上に集積化したものであり、前記Ｎ本の半導体ＤＦＢレーザ素子の標準動作電流での各発振波長の間隔がＷＤＭシステムのグリッド波長の間隔と等しくなるように設計されており、前記第１の制御部が、前記半導体ＤＦＢレーザ素子の発振波長に対応した駆動電流値を記憶するメモリと、発振波長に対応した駆動電流値をステップ状に変化させて前記半導体ＤＦＢレーザへ駆動電流値を供給するスイッチング手段と、を備えた波長可変光源を制御するための波長可変光源の制御方法であって、前記Ｎ本の半導体ＤＦＢレーザ素子を標準動作電流で実動作させたときの各発振波長の前記グリッド波長からのずれ量が全体で最小となる素子温度を探して動作素子温度とし、前記動作素子温度での前記Ｎ本の半導体ＤＦＢレーザ素子の所望の発振波長に対応した駆動電流を前記メモリに記憶し、前記半導体ＤＦＢレーザ素子の発振波長を、前記メモリに記憶された駆動電流値に基づいて切替えると共に、前記波長検出器の検出信号に基づき、前記第１の制御部により供給される第１の駆動電流のみにより制御し、前記半導体光増幅器から出力される光強度を、前記光出力検出器の検出信号に基づき、前記半導体光増幅器が飽和状態となりかつ所望の一定値となるように、前記第２の制御部により供給される第２の駆動電流により制御し、前記発振波長が制御されている間の前記波長選択光源素子の温度を、前記温度制御部により前記動作素子温度で一定になるように制御し、前記発振波長と前記光強度と前記波長選択光源素子の温度とをそれぞれ独立に制御することを特徴とする。
請求項１５に記載の発明は、請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載の波長可変光源の制御方法であって、前記半導体ＤＦＢレーザ素子の発振波長を切替える際に、該切替時から所定時間の間、前記第１の制御部および第２の制御部の制御を中断することを特徴とする。

本発明の波長可変光源の構成では、ＤＦＢレーザ素子の光出力端側に半導体光増幅器（ＳＯＡ）を備えているために、光出力強度はＳＯＡ駆動電流で、発振波長はＤＦＢレーザ駆動電流で、それぞれ独立に制御することが可能となる。すなわち、波長切替動作は基本的にレーザ駆動電流のみで実行することが可能となるため、波長切替の際にレーザ素子の温度制御が不要となり、高速化が可能となる。

すなわち、本発明により、波長切替動作の高速化を可能とした波長可変光源およびこれを備えた光送信器を提供することが可能となる。

本発明では、ＷＤＭ光通信用の波長可変光源および光送信器の光源として、半導体増幅器とＤＦＢレーザとを同一基板上に集積させた構造（第１構造）、または、半導体光増幅器とＮ本の分布帰還形（ＤＦＢ）半導体レーザ（波長選択型レーザ：ＷＳＬ）とを１×Ｎの光合波器を介して接続させて集積化した構造（第２構造）、が採用されている。なお、これらの構造を有するレーザ素子の外部（または光源モジュール内部）には、レーザ素子から出射される光の波長と出力とを同時にモニタするための波長ロッカーなどの波長モニタ手段が備えられている。

以下に、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明の波長可変光源の第１のレーザ素子構造の例を説明するための図で、基板１１に設けられた導波路１２上に、λ／４シフトＤＦＢレーザ１３とＳＯＡ１４が集積化された構造（第１構造）とされている。λ／４シフトＤＦＢレーザ１３から出射された光は導波路１２を伝搬してＳＯＡ１４へ入射し光増幅をされて光出力部１５から出力される構成となっている。

図２は、本発明の波長可変光源の第２のレーザ素子構造の例を説明するための図で、ＤＦＢレーザアレイ型波長選択光源素子（ＤＦＢ−ＷＳＬ）を構成している。この素子構造は、基板２１に複数（Ｎ本）のλ／４シフトＤＦＢレーザで構成されるλ／４シフトＤＦＢレーザアレイ２３と（１×Ｎ）の光合波器２６とＳＯＡ２４とがこの順序で配置され、λ／４シフトＤＦＢレーザアレイ２３と光合波器２６とがアレイ導波路２２ａにより、光合波器２６とＳＯＡ２４とが導波路２２ｂにより、光学的に結合され、λ／４シフトＤＦＢレーザアレイ２３を構成する各λ／４シフトＤＦＢレーザから出射されたレーザ光は光合波器２６により合波されてＳＯＡ２４に入力され、光増幅されて光出力部２５から出力される構成となっている。これらの素子構造に共通する特徴は、ＳＯＡとＤＦＢレーザとが集積化されている点である。

図３（ａ）および（ｂ）は、図１に示したようなＳＯＡとＤＦＢレーザとを集積化した場合に得られる光電気特性の代表的な例を説明するための図である。図３（ａ）はＳＯＡに一定電流を通電しながらＤＦＢレーザに流す電流を０ｍＡから３５０ｍＡまで変化させた場合の光出力を示す図で、ＳＯＡ電流を１００ｍＡ一定とした場合の光出力はレーザ電流約５０ｍＡでほぼ飽和し、これ以上のレーザ電流を流しても光出力は一定値を保つこととなる。また、図３（ｂ）はレーザ電流を一定としてＳＯＡ電流を可変させた場合の光出力特性を説明するための図で、この場合にはＳＯＡの駆動電流の増大に応じて光出力が単調に増大することがわかる。

このような光電気特性は、レーザ素子の光出力はＳＯＡ電流のみで概ね制御可能なことを意味している。具体的には、ＤＦＢレーザの駆動電流による波長可変効率は約０．５Ｇ／ｍＡであるから、図３（ａ）に示した光出力特性から、ＳＯＡ電流を一定に保った場合には、レーザ電流を５０ｍＡから３５０ｍＡまで１００ｍＡごとに電流を切り替えることにより、光出力を略１０ｍＷ一定に保ちながら、波長を５０ＧＨｚ間隔で３ｃｈの可変が可能である。

このとき、レーザ駆動電流に対する光の波長の応答時定数は約１０ｋＨｚ程度の応答速度があり、そのため、約１ミリ秒での波長切替が可能となり、従来の技術の数千分の１程度までの高速化が可能になる。なお、このとき、レーザの駆動電流の増大に伴う素子内部の熱量変化により温度制御が作用し始め、素子温度が変動してその温度変動に波長が追従して変動することとなるが、この変動速度は数１００ミリ秒程度の遅れがあるため、波長変動を素子外部に設けた波長ロッカーなどの波長モニタ手段を用いてレーザ駆動電流に負帰還制御を行うことにより、波長を一定に保つことができる。また、レーザの電流量が変動したとしても、光出力はＳＯＡ電流の制限により飽和状態にあるため（図３（ａ）参照）、光出力の変動はきわめて小さい。このため、光出力変動を外部からモニタしている光出力モニタの応答を、負帰還制御回路によるＳＯＡの駆動電流の帰還制御に用いることにより十分な精度の制御が可能である。さらに、ＳＯＡの光強度制御の時定数は数１００ＭＨｚ程度であり、高速の波長切替を行った場合でも、光出力を一定に保つための制御が十分に可能である。

本発明では、図２に示すように、ＤＦＢアレイ型波長選択光源（ＤＦＢ−ＷＳＬ）素子構造とすることもできる。このタイプの素子もまたＳＯＡを備えているために、上記と同様の制御が可能であることに加え、ＤＦＢ−ＷＳＬにはアレイ配置の複数のＤＦＢレーザが備えられているために、各レーザの発振波長の相対波長間隔を例えば１００ＧＨｚ間隔の波長グリッド間隔に固定した設計としたり、あるいは、使用する不等間隔の波長に合わせて設計（例えば、使用する波長間隔が、２００ＧＨｚ、３００ＧＨｚ、４００ＧＨｚである場合は、所望の間隔に固定）することにより、波長切替速度をさらに向上させることが可能である。

アレイ状に集積した各ＤＦＢレーザの波長の全てが、＋／−２０ｍＡ以内の誤差で一定とみなせる駆動電流値において、用いる（ＩＴＵ−Ｔのグリッドなど）波長に一致していれば、各ＤＦＢレーザへの駆動電流を切替える際に発生する熱量変化は少なく、波長を迅速かつ安定に切替えることができ、その速度は１ミリ秒以下となる。

また、既に説明したように、駆動電流を段階的に変化させる方法とアレイ素子間の駆動電流を切替える方法とを併用することとすれば、Ｎ本（図２では８本）のＤＦＢレーザを集積したアレイ型のＤＦＢ−ＷＳＬにおいて、１本あたり３ｃｈとして最大３Ｎｃｈ（図２の構成では２４ｃｈ）の波長切り替えが可能になる。この場合においても、波長制御は全てレーザの駆動電流制御であるため、１０ミリ秒程度の波長切替え速度を確保することができる。

これまで説明してきた波長可変速度の高速化という特長は、上述した第１の構成または第２の構成を採用することによりレーザおよびＳＯＡへの電流帰還回路のみを用いて発振波長と光出力の安定化制御を可能としこれにより安定化制御のための温度調節回路を不用としたこと、および、第２の構成においてアレイ状の集積型レーザの各発振波長間隔を調整して設計したこと、により得られるものである。

すなわち、本発明の波長可変光源の構成では、ＤＦＢレーザ素子の光出力端側にＳＯＡを備えているために、光出力強度はＳＯＡ駆動電流で、発振波長はＤＦＢレーザ駆動電流で、それぞれ独立に制御することが可能となり、波長切替動作は基本的にレーザ駆動電流のみで実行することが可能となるため、波長切替の際にレーザ素子の温度制御が不要となり、高速化が可能となる。

以下に、本発明の波長可変光源およびこれを備えて構成された光送信器の実施例について説明する。

図４は、本発明の波長可変光源および光送信器の構成を説明するための図である。光モジュール１００の内部には、図２に示した構成を有する８ｃｈのＤＦＢアレイ型波長選択レーザ素子１０１が電子冷却素子１０２の上に搭載されており、電子冷却素子１０２の上面のＤＦＢアレイ型波長選択レーザ素子１０１の近傍には、ＤＦＢアレイ型波長選択レーザ素子１０１の温度を監視するための温度検出素子１０３が配置されている。

ＤＦＢアレイ型波長選択レーザ素子１０１からの光出力は、ＳＯＡ２４から出射され、光モジュール１００の内部に設けられたレンズ１０４と光アイソレータ１０５を順次通過して、第１のビームスプリッタ１０６ａにより約１％の光量の光が波長検出器１０７に、第２のビームスプリッタ１０６ｂにより同じく約１％の光量の光が光出力検出器１０８に分配される。残りの約９８％の光量の光はレンズ１０９により集光されて光ファイバ１１０に光結合される。なお、第１のビームスプリッタ１０６ａと波長検出器１０７とを結ぶ光路中にはエタロンフィルタ１１１が配置されている。

制御部２００内には、制御用ＣＰＵおよびデータメモリを備える演算部２０１と、この演算部２０１からの信号に基づいて作動するＡＴＣ（Automatic Temperature Control）回路２０２、ＡＦＣ（Automatic Frequency Control）回路２０３、ＡＰＣ（Automatic Power Control）回路２０４およびレーザチャンネル切替回路２１１が設けられている。

制御部２００には、光モジュール１００との接続のために、電子冷却素子１０２への電流供給を行うための電子冷却素子用端子２０５、温度検出素子１０３からの出力をＡＴＣ回路２０２に入力するための温度検出素子用端子２０６、レーザチャンネル切替回路２１１により選択された半導体レーザに電流供給を行うための半導体レーザアレイ用端子２０７、波長検出器１０７からの出力をＡＦＣ回路２０３に入力するための波長検出器用端子２０８、ＡＰＣ回路２０４を介してＳＯＡ２４に電流供給するためのＳＯＡ用端子２０９、および、光出力検出器１０８からの出力をＡＰＣ回路２０４に入力するための光出力検出器用端子２１０、が設けられている。

半導体レーザアレイ２３への電流供給は、ＡＦＣ回路２０３が備える電流源（不図示）によりなされる。すなわち、レーザチャンネル切替回路２１１によって駆動レーザチャネルが選択され、半導体レーザアレイ用端子２０７を介して半導体レーザアレイ２３への電源供給がなされる。また、ＳＯＡ２４への電流供給は、ＡＰＣ回路２０４内に備えられている電流源（不図示）によりＳＯＡ用端子２０９を介してなされる。

波長安定化制御は、波長検出器１０７の検出信号を波長検出器用端子２０８を介してＡＦＣ回路２０３に戻す帰還制御により実行される。同様に、光出力の安定化制御は、光出力検出器１０８の検出信号を光出力検出器用端子２１０を介してＡＰＣ回路２０４に戻す帰還制御により行われる。さらに、波長選択型レーザ素子１０１の温度制御は、温度検出素子１０３からの検出信号を温度検出素子用端子２０６を介してＡＴＣ回路２０２に帰還することで行われる。

この図に示した構成の特徴は、ＡＴＣ回路２０２による温度制御が、ＡＦＣ回路２０３による波長制御およびＡＰＣ回路２０４による光出力制御とは完全に切り離れて独立して実行されるように構成されている点にある。なお、図４に示した光源は上述した第２構造（図２）としたが、図１に示したようにＳＯＡを備えたＤＦＢレーザの素子構成（第１構造）としてもよいことは既に説明したとおりである。

本発明によってこのような特徴を有する構成とすることが可能となるのは、既に説明した、構半導体増幅器とＤＦＢレーザとを同一基板上に集積させた構造（第１構造）、または、半導体光増幅器とＮ本の分布帰還形（ＤＦＢ）半導体レーザ（波長選択型レーザ：ＷＳＬ）とを１×Ｎの光合波器を介して接続させて集積化した構造（第２構造）、という基本構造を採用しているからであり、このような基本構造が基礎となってはじめて、温度制御系を波長制御系ならびに光出力制御系と切り離すことが可能となり、その結果、各々の制御の安定化と高速化を図ることができることになる。

以下に、本発明の波長可変光源のより具体的な動作について、図４に基づいて説明する。光源の動作は制御用ＣＰＵおよびデータメモリを備える演算部２０１によって総合的に制御される。

先ず、半導体レーザアレイ２３の８本のＤＦＢレーザ素子の各動作電流点を演算部２０１のデータメモリに記憶する必要がある。この例では、各ＤＦＢレーザの発振波長は１００ＧＨｚの等間隔で設計されている。ＳＯＡ２４の動作電流を１００ｍＡ、８本の各ＤＦＢレーザの標準動作電流を１００ｍＡとして、素子温度２５℃で波長を測定し、各レーザの発振波長とＩＴＵの規定による１００ＧＨｚ間隔のグリッド波長からのズレ量を評価する。

次に、このズレ量が全体で最小になる素子温度を探して動作素子温度を決め、この温度を記憶する。本実施例の場合には、２５．１５℃で全体のズレ量が最小となった。なお、一度決まった素子温度は、その後、各波長切り替え動作中は変更しないものとする。

続いて、各レーザチャンネルにおける発振波長を決める。ｃｈ１からｃｈ８のレーザの各動作電流は、１１０．５ｍＡ、１１８．０ｍＡ、１００．００ｍＡ、８１．７ｍＡ、１００．３ｍＡ、８８．８ｍＡ、１１３．０ｍＡ、１０２．０ｍＡで、発振波長が１９３．０ＴＨｚ、１９３．１ＴＨｚ、１９３．２ＴＨｚ、１９３．４ＴＨｚ、１９３．５ＴＨｚ、１９３．６ＴＨｚ、１９３．７ＴＨｚに＋／−０．１ＧＨｚ以内で一致させることができる。

さらに、各動作電流を、２０５．４ｍＡ、２１０．０ｍＡ、１９８．４ｍＡ、１７６ｍＡ、１８５．２ｍＡ、１７０．１ｍＡ、２０４．１ｍＡ、１８９．６ｍＡとすると、１９２．９５ＴＨｚ、１９３．０５ＴＨｚ、１９３．１５ＴＨｚ、１９３．２５ＴＨｚ、１９３．３５ＴＨｚ、１９３．４５ＴＨｚ、１９３．５５ＴＨｚ、１９３．６５ＴＨｚに一致する。

また、ＳＯＡ２４の駆動電流は、７０ｍＡ＋／−１０ｍＡ程度で、これらのレーザ動作点において、１０ｍＷの光出力を一定に保つことができた。

これらのデータを記憶し、波長切替動作を確認した。その結果を図５および図６に示す。
図５は、チャンネル４と５のチャンネル間の切替えであり、測定の結果、０．１ミリ秒以下の高速切替えが確認された。これは、波長間隔をあらかじめ等間隔に設定したため、各電流量は（たとえばチャンネル４が１１０．５ｍＡ、チャンネル５が１１８ｍＡなどと）ほぼ同一の値を維持しているために、チャンネル切替え時に発生する熱量の差が小さく、素子温度が迅速に安定化するためである。

また、図６は、チャンネル１〜８の各チャンネルにおいて、駆動電流を２段階に変えながら、８チャンネル切替を行った結果である。この図から、約２０ミリ秒程度で＋／−１ＧＨｚ以内に安定させることが可能であることが理解できる。

ここで、ＡＦＣ回路２０３では、波長検出器１０７の検出信号から負帰還制御を行っている。また、波長検出器１０７からの応答信号は、切替時から数十マイクロ秒の間、エタロンフィルタ１１１の特性から、極性が一度反転するポイントをよぎるため（図７参照）この間は制御を中断する必要がある。このような中断を可能にするために、制御ディレイが比較的（アナログ回路に比べ）容易に設定ができるデジタル方式の制御回路によって制御することとしている。本実施例の場合は、制御ディレイ時間はおよそ１００マイクロ秒で、波長検出器１０７からの応答に最適な制御をすることができた。

以上説明したように、本発明によれば、従来は数秒かかっていた波長切替動作が２０ミリ秒にまで高速化可能なことが確認できた。

本発明は、光通信システムで用いられる、波長切替動作の高速化を可能とした波長可変光源およびこれを備えた光送信器の提供を可能とする。

本発明の波長可変光源の第１のレーザ素子構造の例を説明するための図である。 本発明の波長可変光源の第２のレーザ素子構造の例を説明するための図である。 ＳＯＡとＤＦＢレーザとを集積化した場合に得られる光電気特性の代表的な例を説明するための図である。 本発明の波長可変光源および光送信器の構成を説明するための図である。 チャンネル４と５のチャンネル間の切替えの様子を説明するための図である。 チャンネル１〜８の各チャンネルにおいて、駆動電流を２段階に変えながら、８チャンネル切替を行った結果を説明するための図である。 波長検出器からの応答信号が、切替時から数十マイクロ秒の間、極性が一度反転する様子を説明するための図である。

符号の説明

１１、２１ 基板
１２、２２ｂ 導波路
１３ λ／４シフトＤＦＢレーザ
１４、２４ ＳＯＡ
１５ 光出力部
２２ａ アレイ導波路
２３ λ／４シフトＤＦＢレーザアレイ
２６ 光合波器
１００ 光モジュール
１０１ ＤＦＢアレイ型波長選択レーザ素子
１０２ 電子冷却素子
１０３ 温度検出素子
１０４ レンズ
１０５ 光アイソレータ
１０６ａ 第１のビームスプリッタ
１０６ｂ 第２のビームスプリッタ
１０７ 波長検出器
１０８ 光出力検出器
１０９ レンズ
１１０ 光ファイバ
１１１ エタロンフィルタ
２００ 制御部
２０１ 演算部
２０２ ＡＴＣ回路
２０３ ＡＦＣ回路
２０４ ＡＰＣ回路
２０５ 電子冷却素子用端子
２０６ 温度検出素子用端子
２０７ 半導体レーザアレイ用端子
２０８ 波長検出器用端子
２０９ ＳＯＡ用端子
２１０ 光出力検出器用端子
２１１ レーザチャンネル切替回路

Claims (15)

1. 波長可変な半導体ＤＦＢレーザ素子と半導体増幅器とを同一基板上に集積化した波長選択光源素子と、前記半導体ＤＦＢレーザ素子に接続された第１の制御部と、前記半導体光増幅器に接続された第２の制御部と、前記半導体光増幅器の出射側に配置された、波長検出器及び光出力検出器と、前記波長選択光源素子の温度を制御する温度制御部と、を備え、
   前記半導体ＤＦＢレーザ素子の発振波長は、前記波長検出器の検出信号に基づき、前記第１の制御部により供給される第１の駆動電流のみにより制御され、
   前記半導体光増幅器から出力される光強度は、前記光出力検出器の検出信号に基づき、前記半導体光増幅器が飽和状態となりかつ所望の一定値となるように、前記第２の制御部により供給される第２の駆動電流により制御され、
   前記発振波長が制御されている間の前記波長選択光源素子の温度は、前記温度制御部により一定に制御され、
   前記発振波長と前記光強度と前記波長選択光源素子の温度とがそれぞれ独立に制御されることを特徴とする波長可変光源。
2. 前記第１の制御部が、
   前記半導体ＤＦＢレーザ素子の発振波長に対応した駆動電流値を記憶するメモリと、
   発振波長に対応した駆動電流値をステップ状に変化させて前記半導体ＤＦＢレーザへ駆動電流値を供給するスイッチング手段と、を備え、
   前記メモリに記憶された駆動電流値に基づいて発振波長の切替を実行することを特徴とする請求項１に記載の波長可変光源。
3. 前記波長選択光源素子が、Ｎ本の波長可変な半導体ＤＦＢレーザ素子と半導体増幅器とを（１×Ｎ）光合波器を介して接続させて同一基板上に集積化したものであることを特徴とする請求項１または２に記載の波長可変光源。
4. 前記波長選択光源素子を構成するＮ本の半導体ＤＦＢレーザ素子の各々の発振波長は、互いに隣接する発振波長が所定の間隔となるように予め駆動電流値が調整され、
   前記駆動電流値を各波長毎に記憶する回路をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の波長可変光源。
5. 前記所定の間隔が、ＷＤＭシステムのグリッド波長の間隔であることを特徴とする請求項４に記載の波長可変光源。
6. 前記Ｎ本の半導体ＤＦＢレーザ素子の標準動作電流での各発振波長の間隔が前記グリッド波長の間隔と等しくなるように設計されており、標準動作電流で実動作させたときの各発振波長の前記グリッド波長からのずれ量が全体で最小となるように、前記波長選択光源素子の温度が一定に制御されることを特徴とする請求項５に記載の波長可変光源。
7. 前記第１の制御部および第２の制御部は、前記半導体ＤＦＢレーザ素子の発振波長を切替える際に、該切替時から所定時間制御を中断するように、制御遅延時間設定が可能なデジタル制御方式の回路を備えていることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載の波長可変光源。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の波長可変光源と、該波長可変光源からの出力光を光伝送手段に光学的に結合させる光結合手段とを備えていることを特徴とする光送信器。
9. 波長可変な半導体ＤＦＢレーザ素子と半導体増幅器とを同一基板上に集積化した波長選択光源素子と、前記半導体ＤＦＢレーザ素子に接続された第１の制御部と、前記半導体光増幅器に接続された第２の制御部と、前記半導体光増幅器の出射側に配置された、波長検出器及び光出力検出器と、前記波長選択光源素子の温度を制御する温度制御部と、を備えた波長可変光源を制御するための波長可変光源の制御方法であって、
   前記半導体ＤＦＢレーザ素子の発振波長を、前記波長検出器の検出信号に基づき、前記第１の制御部により供給される第１の駆動電流のみにより制御し、
   前記半導体光増幅器から出力される光強度を、前記光出力検出器の検出信号に基づき、前記半導体光増幅器が飽和状態となりかつ所望の一定値となるように、前記第２の制御部により供給される第２の駆動電流により制御し、
   前記発振波長が制御されている間の前記波長選択光源素子の温度を、前記温度制御部により一定に制御し、
   前記発振波長と前記光強度と前記波長選択光源素子の温度とをそれぞれ独立に制御することを特徴とする波長可変光源の制御方法。
10. 波長可変な半導体ＤＦＢレーザ素子と半導体増幅器とを同一基板上に集積化した波長選択光源素子と、前記半導体ＤＦＢレーザ素子に接続された第１の制御部と、前記半導体光増幅器に接続された第２の制御部と、前記半導体光増幅器の出射側に配置された、波長検出器及び光出力検出器と、前記波長選択光源素子の温度を制御する温度制御部と、を備え、
    前記第１の制御部が、前記半導体ＤＦＢレーザ素子の発振波長に対応した駆動電流値を記憶するメモリと、発振波長に対応した駆動電流値をステップ状に変化させて前記半導体ＤＦＢレーザへ駆動電流値を供給するスイッチング手段と、を備えた波長可変光源を制御するための波長可変光源の制御方法であって、
    前記半導体ＤＦＢレーザ素子の発振波長を、前記メモリに記憶された駆動電流値に基づいて切替えると共に、前記波長検出器の検出信号に基づき、前記第１の制御部により供給される第１の駆動電流のみにより制御し、
    前記半導体光増幅器から出力される光強度を、前記光出力検出器の検出信号に基づき、前記半導体光増幅器が飽和状態となりかつ所望の一定値となるように、前記第２の制御部により供給される第２の駆動電流により制御し、
    前記発振波長が制御されている間の前記波長選択光源素子の温度を、前記温度制御部により一定に制御し、
    前記発振波長と前記光強度と前記波長選択光源素子の温度とをそれぞれ独立に制御することを特徴とする波長可変光源の制御方法。
11. 前記波長選択光源素子が、Ｎ本の波長可変な半導体ＤＦＢレーザ素子と半導体増幅器とを（１×Ｎ）光合波器を介して接続させて同一基板上に集積化したものであることを特徴とする請求項９または１０に記載の波長可変光源の制御方法。
12. 前記波長選択光源素子を構成するＮ本の半導体ＤＦＢレーザ素子の各々の発振波長を、互いに隣接する発振波長が所定の間隔となるように予め駆動電流値を調整することを特徴とする請求項１１に記載の波長可変光源の制御方法。
13. 前記所定の間隔を、ＷＤＭシステムのグリッド波長の間隔とすることを特徴とする請求項１２に記載の波長可変光源の制御方法。
14. 波長可変な半導体ＤＦＢレーザ素子と半導体増幅器とを同一基板上に集積化した波長選択光源素子と、前記半導体ＤＦＢレーザ素子に接続された第１の制御部と、前記半導体光増幅器に接続された第２の制御部と、前記半導体光増幅器の出射側に配置された、波長検出器及び光出力検出器と、前記波長選択光源素子の温度を制御する温度制御部と、を備え、
    前記波長選択光源素子が、Ｎ本の波長可変な半導体ＤＦＢレーザ素子と半導体増幅器とを（１×Ｎ）光合波器を介して接続させて同一基板上に集積化したものであり、
    前記Ｎ本の半導体ＤＦＢレーザ素子の標準動作電流での各発振波長の間隔がＷＤＭシステムのグリッド波長の間隔と等しくなるように設計されており、
    前記第１の制御部が、前記半導体ＤＦＢレーザ素子の発振波長に対応した駆動電流値を記憶するメモリと、発振波長に対応した駆動電流値をステップ状に変化させて前記半導体ＤＦＢレーザへ駆動電流値を供給するスイッチング手段と、を備えた波長可変光源を制御するための波長可変光源の制御方法であって、
    前記Ｎ本の半導体ＤＦＢレーザ素子を標準動作電流で実動作させたときの各発振波長の前記グリッド波長からのずれ量が全体で最小となる素子温度を探して動作素子温度とし、
    前記動作素子温度での前記Ｎ本の半導体ＤＦＢレーザ素子の所望の発振波長に対応した駆動電流を前記メモリに記憶し、
    前記半導体ＤＦＢレーザ素子の発振波長を、前記メモリに記憶された駆動電流値に基づいて切替えると共に、前記波長検出器の検出信号に基づき、前記第１の制御部により供給される第１の駆動電流のみにより制御し、
    前記半導体光増幅器から出力される光強度を、前記光出力検出器の検出信号に基づき、前記半導体光増幅器が飽和状態となりかつ所望の一定値となるように、前記第２の制御部により供給される第２の駆動電流により制御し、
    前記発振波長が制御されている間の前記波長選択光源素子の温度を、前記温度制御部により前記動作素子温度で一定になるように制御し、
    前記発振波長と前記光強度と前記波長選択光源素子の温度とをそれぞれ独立に制御することを特徴とする波長可変光源の制御方法。
15. 前記半導体ＤＦＢレーザ素子の発振波長を切替える際に、該切替時から所定時間の間、前記第１の制御部および第２の制御部の制御を中断することを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載の波長可変光源の制御方法。

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