JP4494781B2 - 他区域レーザーダイオードの周波数ロッキング - Google Patents

Description

本発明は、異なる波長間を切替えることができる多区域レーザーダイオードに関し、特に、多区域レーザーダイオードを異なる波長間で迅速に切替えることが出来る制御回路を有するレーザー装置に関する。

当初の多区域ダイオードレーザーは、３区域波長可変な分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザーである。他の型の多区域ダイオードレーザーは、サンプル型格子ＤＢＲ（ＳＧ−ＤＢＲ）及び超構造サンプル型ＤＢＲ（ＳＳＧ−ＤＢＲ）であり、これらは共に４区域を有している。別の多区域ダイオードレーザーは後部サンプル型、即ち、超構造格子反射器型格子付きカプラ（ＧＣＳＲ）であり、これも４区域を有している。これらのレーザーの検討が非特許文献１でなされている。

図１は、ＳＧ−ＤＢＲ１０の基本的な概略図である。レーザーは、中間の利得、即ち、活性区域６及び位相区域４と共に後部及び前部反射器区域２及び８を有している。反射防止コーティング９は通常はチップの前部ファセット及び／又は後部ファセットに配置されてファセットモードを回避している。後部及び前部反射器はサンプル型ブラッグ格子３及び５の形状である。後部及び前部格子のピッチは僅かに異なり、これらの区域に供給される電流を変えて微調整同調効果を与えている。空洞の光路長は位相区域と同調して、例えば、その区域のキャリア密度を変えることによって生じる屈折率の変化によっても同調することができる。ＳＧ−ＤＢＲ及び他の波長可変な多区域ダイオードレーザーの更に詳細な説明は他でも見付けることができる（非特許文献１）。

多区域ダイオードレーザーは波長分割多重（ＷＤＭ）システムで有用である。例示的用途は、送信源として、光クロスコネクトシステム（ＯＸＣｓ）の波長変換器として、或いは、ヘテロダイン受信機の基準源用がある。通常、ＷＤＭシステムは国際電気通信連合（ＩＴＵ）規格Ｇ６９２に適合するチャンネル間隔を有し、これは、１９３．１ＴＨｚの固定点で、５０ＧＨｚ又は１００ＧＨｚの整数倍のチャンネル間隔を有している。例示的高密度ＷＤＭ（ＤＷＤＭ）システムでは、５０ＧＨｚのチャンネル間隔で、１９１ＴＨｚ乃至１９６ＴＨｚ（１５２５乃至１５６０ｎｍ）の範囲にある。

多区域ダイオードレーザーの存在理由は、その波長可変性である。レーザーダイオードの各区域には駆動電流が供給され、そのレージング波長は駆動電流の組合せの関数であるが、一般に、その関数はかなり複雑である。従って、そのようなレーザーの出力波長の設定には、普通、高機能マイクロプロセッサ制御された制御回路によって行われる。出力波長と駆動電流の組との複雑な関係があるという事実だけでなく、レーザーの波長の切替えがその熱平衡を崩し、その結果、駆動電流の次の組合せで熱平衡に達するまでに過渡的な波長が不安定になる別の要素がある。温度が安定になるのに要する時間はかなり長い。

過渡熱特性は２つの主な影響からなる。

第一の影響は、レーザーがスイッチされた直後に、装置が装着される放熱板に対する装置を横切る熱勾配は、電流が異なるとレーザーに発生する加熱レベルが異なるため、それらの電流に対する定常動作状態で測定したものと異なる。この定常状態の温度勾配は、数百ナノ秒から数十マイクロ秒の時間スケールで測定した期間に、再び回復する。この期間、装置は異なる温度にあるので、波長のある温度同調が起こる。同調電流が正（負）の変化であると、温度の変化は、その電流に対する平衡時の温度より最初は低く（高く）、そして、付加的な電流が十分熱エネルギを消費してその状態を変える前に或る時間が経過する。その期間中、装置は予想値より冷えていて（熱くて）、それで予想出力波長から青（赤）へシフトが生ずる。

第二の影響は、もっと長い時間スケールに亙って生じる。レーザーは有限の熱容量の放熱板に熱的に結合されていて、放熱板はその温度を維持する温度制御器を有している。温度制御器は温度の変化に対して即座に反応することができず、それは、バイアス電流が増加（減少）すると、放熱板は熱くなり（冷める）ことを意味する。そのことは、所定の温度勾配に対して、装置は異なる温度になることを意味するが、それは、温度勾配が基準にしているその温度が相違しているからである。この温度変化は、装置の温度のオーバーシュートを招き、それらの電流での通常生じる温度よりも高く（低く）なる。この影響は、温度制御器が放熱板をその規定温度に戻すまで持続するが、その時間は１乃至１．５秒になるであろう。

過渡（そして非過渡）温度の影響、そしてまた、波長を所定の駆動電流の組に対して意図していた波長から逸脱させるその他の影響に関連する問題を克服するために、出力波長の測定値を制御装置に供給する波長測定システムを含めることができる。レーザー駆動電流をフィードバックループで調節して、出力を所望の出力波長に固定することができる。

図２は、マイクロプロセッサ制御装置を波長ロッキングに用いて、ＷＤＭシステムに対する源としてＳＧ−ＤＢＲレーザーを用いる典型的な用途例を示す。

ＳＧ−ＤＢＲ１０は光ファイバ２０に接続されたピグテール型出力を有する。光カプラ１２が光ファイバ出力経路２０に配置され、出力パワーのほんの一部、例えば５％を取り出す。カプラ１２は、例えば、融着延伸カプラにすることができる。カプラ１２によってそらされる出力ビームの一部は、光波長ロッカー１４、例えば、ＪＤＳ ユニフェイズ ＷＬ５０００シリーズ波長ロッカー（ＪＤＳ Ｕｎｉｐｈａｓｅ ＷＬ５０００ Ｓｅｒｉｅｓ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｌｏｃｋｅｒ）に供給される。光波長ロッカー１４はファブリ・ペロー・エタロン（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ ｅｔａｌｏｎ）に基づく波長測定装置である。ＷＤＭの用途ではエタロンはその周期的周波数応答がＩＴＵグリッド（ＩＴＵ ｇｒｉｄ）に一致するように設計されている。

図３は周波数ｆの関数として処理能力Ｔをパーセントで表わしたエタロンの周波数応答を表わしている。エタロンの周波数応答は、図に示すように、ＩＴＵチャンネル周波数はエタロンのピークの正の最大傾斜の所で生じる。光波長ロッカー１４は第一と第二のホトダイオードＰＤ１及びＰＤ２を含んでいる。ホトダイオードＰＤ１はエタロンによって伝達される光を受けるように配置されている。従って、図３を参照すると、レーザーの出力周波数が、例えば、ＩＴＵチャンネル周波数よりも高ければ、ホトダイオードＰＤ１はＩＴＵチャンネル周波数であったら受けるであろうパワーレベルよりも高い入射パワーレベルＰ１を受け取る。同様に、レーザーの出力周波数がＩＴＵチャンネル周波数より下にあれば、ホトダイオードＰＤ１に入射するパワーＰ１はレーザー出力がＩＴＵチャンネル周波数であったら有する値よりも低くなる。この様にして、ホトダイオードＰＤ１は、電圧Ｖ_pd1を出力し、この電圧を、レーザー出力のＩＴＵチャンネル周波数からの周波数偏差に関する誤差信号を発生する基準に使用することができる。

光波長ロッカーの第二のホトダイオードＰＤ２は、ロッカー１４への光パワー入力を測定するように設けられて、これにより測定電圧Ｖ_pd2の形でレーザーの全出力パワーの測定値を与える。測定電圧Ｖ_pd1、Ｖ_pd2はそれぞれ信号線路１６及び１８によってアナログ−ディジタル変換器（ＡＤＣ）２２に供給される。ＡＤＣ２２は、例えば、１２ビットの分解能を有している。ＡＤＣ２２はディジタル化した測定電圧Ｖ_pd1、Ｖ_pd2をマイクロプロセッサ２４に供給し、そのマイクロプロセッサはインターフェース２６を介して付属のコンピュータに接続することができる。

最初に、レーザー１０を所定のＩＴＵチャンネル周波数に設定すると、マイクロプロセッサ２４は、その関係のあるＩＴＵチャンネル周波数に対して駆動電圧の所定の組Ｖ_fＶ_bＶ_g及びＶ_phを引用する。駆動電圧の組は、例えば、ルックアップテーブルに都合よく保持することができる。従って、マイクロプロセッサ２４はこの目的のためにオンチップメモリ、例えば、フラッシュメモリを含むことができる。レーザー１０を特定のＩＴＵチャンネル周波数に設定するために、マイクロプロセッサ２４は一組の電圧をディジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）２８に対し有効にする。ＤＡＣ２８は、例えば、１２ビットの分解能を有することができる。次いで、ＤＡＣ２８はこれらの電圧を駆動回路３０に供給し、その駆動回路はその電圧を対応する駆動電流Ｉ_fＩ_bＩ_g及びＩ_phに変換し、次いで、これらの駆動電流はＳＧ−ＤＢＲ１０の前部反射器、後部反射器、利得及び位相区域８，２，６，４にそれぞれ印加される。

測定された電圧Ｖ_pd1、Ｖ_pd2を基にしてＤＡＣ２８に送られる電圧の組をマイクロプロセッサ２４が連続的に再調節することによってこの制御系に光波長ロッカー１４からのフィードバックが生じる。フィードバックの調節は、ＳＧ−ＤＢＲ１０の位相区域４に印加される電流Ｉ_phによって主に行われる。それが行われる方法をここで説明する。しかし、第一に注意することは、レーザー１０の積極的な波長制御は、主として位相電流を調節して達成されが、位相電流を調節することは一般に他の重大な影響、例えば、空洞損失を変化させることである。それらは利得電流Ｉ_gを調節して補償することができる。（或るいは、出力経路２０内にカプラ１２の後に設けた外部の可変光減衰器（ＶＯＡ）を用いて補償することもできる。）その結果、波長制御は主に位相電流を変化させて行うことができるが、利得電流、或いは、他の制御電流のいずれかをフィードバックの一部として変化させることもできる。簡単にするため、以下の記載では位相電流の変化にのみ言及する。

位相電流Ｉ_phは下記の式で定義される補正係数Ｉ_errによって変わる。

Ｉ_err＝ｋ（（Ｖ_pd1/Ｖ_pd2）−Ｒ_ITU）

ここで、Ｖ_pd1、Ｖ_pd2は、前述したようにパワーＰ１及びＰ２に比例する電圧であり、Ｒ_ITUはＩＴＵチャンネル周波数でのＶ_pd1／Ｖ_pd2の値であり、そして、ｋは常数係数である。一般に、Ｒ_ITUにはそれぞれのＩＴＵチャンネルに対して別個の値が用いられ、これらの値はルックアップテーブルに保存されるが、そのルックアップテーブルは制御用マイクロプロセッサのオンチップメモリの一部を形成しても良いし、ＥＰＲＯＭ又は他のメモリに保存することができる。Ｒ_ITUの値は、普通は製造段階で行われる較正期間に前もって設定される。位相電流の補正は、各制御サイクルでＶ_ph→Ｖ_ph−Ｖ_errに設定することによって、有効となるが、それは誤差電流Ｉ_errがＩＴＵチャンネル波長からの波長偏差に比例するからである。従って、Ｖ_errの値が負であると、位相電流は僅かな量だけ増加し、逆も同様である。この手順は測定値と保存した値との差が許容値内になるまで繰り返される。位相電流はこの様にしてレーザーの出力周波数の微調整に使用され、位相電流が増加すると通常はレーザーの出力周波数を増加させる。

この様に、前述したような波長ロッキング用の従来の制御システムは、特許文献１にも記載されているが、関連する波長チャンネルに対して、合成比の値Ｒ_ITUとして保存されている所望のＰ１／Ｐ２の値からの、比Ｐ１／Ｐ２の偏差による誤差係数の計算に基づいている。

ゲールト・ザーレット著、「ＷＤＭ通信用波長可変レーザーダイオード‐制御及び特性化の方法」、博士論文第二章、ゲント大学、ベルギー、２０００年９月（Ｃｈａｐｔｅｒ ２ ｏｆ ＰｈＤ ｂｙ Ｇｅｅｒｔ Ｓａｒｌｅｔ， Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｅｎｔ， Ｂｅｌｇｉｕｍ （Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０００） Ｔｕｎａｂｌｅ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅｓ ｆｏｒ ＷＤＭ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ − Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓａｔｉｏｎ≡） 国際特許出願公開公報ＷＯ−Ａ−００４９６９３

この様にして制御ループは除算を行うことに依存している。除算は、ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）のようなマイクロプロセッサを使用して容易に行うことができ、ある種の乗算素子によっても行うことができる。しかし、マイクロプロセッサ或いは乗算器チップでの実施には共に制約がある。

ＤＳＰ或いは他のマイクロプロセッサ・チップを使用する欠点は、入力側でアナログ−ディジタル（Ａ−Ｄ）サンプリングをしなければならず、出力側でディジタル−アナログ（Ｄ−Ａ）出力をしなければならないことである。これは、遂行に時間がかかり、システムのロッキング速度を制限する。

乗算器チップを使用する欠点は、その精度とバンド幅である。精度は、普通、プラスーマイナス２％より悪く、そして、バンド幅は最大で約１ＭＨｚに制限される。これはロッキング機構の速度と精度を制限する。

マイクロプロセッサ・チップを使用した従来の制御システム、或いは、乗算器チップを用いて除算をさせるものは、数十ミリ秒の範囲を越えて、多分、数十マイクロ秒の速さ迄スイッチング速度を改良することができなければならない。しかし、少なくとも現在市販の電子部品を用いては、さらに高速のスイッチング時間を得ることはできない。

しかし、理想的には、制御システムは、ダイオードレーザーのスイッチング時間の基本的な限界である１０ナノ秒の桁に近接する応答時間を有さなければならない。

本発明によれば、除算を履行することなく多区域レーザーダイオードを特定の波長（以下、波長の逆数である「周波数」で表現することもある）にロッキングでき、従って、単に、加算器、減算器、及び乗算器のような簡単な電子素子によって、波長ロッキングに対するフィードバック制御が行える方法が提供される。

具体的には、マイクロプロセッサはフィードバック経路内に存在せず、そのため、低速ディジタル−アナログ及びアナログ−ディジタル変換は制御ループの部分になっていない。その結果、非常に早い波長ロッキングが達成できる。このことは、周波数チャンネル間での迅速なスイッチングを要求する用途に対する多区域レーザーダイオードを使用する道を開くものである。例えば、本発明によるレーザーシステムは光パケットスイッチング回路網に使用することができる。

本発明の一態様によれば、それぞれの制御入力を有する複数の区域を含む多区域ダイオードレーザーと、それぞれがレーザーの１つの目標出力周波数に対応する制御入力値の組を複数組貯蔵する記憶装置と、複数組の制御入力値のうちの１つの組を選択し、それをディジタル−アナログ変換器により有効にして、それに対応するアナログ制御信号の組をレーザーの制御入力を介してレーザーに供給するように動作するマイクロプロセッサと、レーザー出力の測定値に応じてアナログ補正信号を発生して出力するようにされ、アナログ補正信号は、レーザーの関連する制御入力にその制御信号を供給する前に、アナログ制御信号の１つと結合され、これによりレーザーを目標出力周波数に固定するロッキング回路とを有する装置が提供される。

低速ＡＤＣ及びＤＡＣ入力／出力遅延を有するマイクロプロセッサは、この様に、アナログ信号に基づく高速フィードバック制御経路によってバイパスされる。一実施例では、ただ１つのアナログ補正信号が用いられる。他の実施例では、ロッキング回路はレーザー出力の測定値に応じて別のアナログ補正信号を発生し出力し、そのアナログ補正信号は、レーザーの関連する制御入力にアナログ制御信号のうちの別のアナログ制御信号を供給する前に、その別のアナログ制御信号と結合される。

レーザー出力測定に対し、本発明の実施例では、波長チャンネルに一致した周期的周波数応答を有し、レーザー出力の少なくとも一部を受けるようにされた周波数選択装置と、ロッキング回路に周波数選択装置によって伝達されるパワーを表わす第一パワー値を供給するように動作する第一検出器と、そして、レーザーによって出力される全パワーを表わす第二パワー値をロッキング回路に供給するように動作する第二検出器が提供される。

本発明の別の態様では、それぞれのアナログ制御信号を受信するためのそれぞれの制御入力を有する複数の区域を含むレーザーを制御する方法であって、それぞれの制御入力値の組がレーザーの１つの目標出力周波数に対応する制御入力値の複数組を記憶装置に貯蔵し、マイクロプロセッサを用いて制御入力値の組のうちの１つをディジタル−アナログ変換器及びそれに続く駆動回路を通して有効にし、レーザーの制御入力に供給される、それに対応するアナログ制御信号の組を発生することによってレーザーの出力チャンネルを設定し、レーザー出力の測定値に応じてアナログ補正信号を発生して出力し、レーザーの関連する制御入力に制御信号を供給する前に、アナログ補正信号を前記アナログ制御信号の１つと結合して、前記レーザーを前記目標出力周波数に固定することを含む方法が提供される。

本発明の第一実施例によれば、それぞれの波長チャンネル内に在る複数の所望波長の１つにレーザーを固定する制御方法であって、
（ａ）波長チャンネルの１つ内でレーザーが出力するように設定し、
（ｂ）その波長チャンネルに一致した周期的周波数応答を有する周波数選択装置によって伝達されるパワーを表わす第一パワー値を測定し、
（ｃ）レーザーによって出力される全パワーを表わす第二のパワー値を測定し、
（ｄ）第一パワー値と現在設定されている波長チャンネルに対する所望の第一パワー値の差から第一誤差値を決定し、
（ｅ）第二パワー値と現在設定されている波長チャンネルに対する所望の第二パワー値との差から第二誤差値を決定し、
（ｆ）第一誤差値と第二誤差値のうちの一方と、第一誤差値と第二誤差値のうちの他方に常数係数を乗算した値との差からレーザー制御パラメータを決定し、
（ｇ）レーザー制御パラメータを用いてレーザーを所望の波長に固定すること含む方法が提供される。

第一実施例において、現在設定されている波長チャンネルに対する常数係数を第一の所望のパワー値を第二の所望のパワー値で除算した値に等しくすることができる。レーザーが位相区域を有することができ、レーザー制御パラメータを用いて位相区域に供給される位相電流を調節する。第二誤差値を用いて、レーザー又はその出力の利得又は減衰を調節するために印加される別のレーザー制御パラメータを決定することもできる。

本発明の第二実施例によれば、それぞれの波長チャンネル内に在る複数の所望の波長の１つにレーザーを固定する制御方法であって、
（ａ）複数の波長チャンネルの１つのチャンネル内でレーザーが出力するように設定し、
（ｂ）その所望の波長でレーザーによって出力されるパワーを表わす第一パワー値を測定し、
（ｃ）レーザーによって出力される全パワーを表わす第二パワー値を測定し、
（ｄ）第一パワー値と現在設定されている波長チャンネルに対する所望の第一パワー値との差から第一誤差値を決定し、
（ｅ）第二パワー値と現在設定されている波長チャンネルに対する所望の第二パワー値との差から第二誤差値を決定し、そして、
（ｆ）第一誤差値と第二誤差値からそれぞれ第一レーザー制御パラメータと第二レーザー制御パラメータを決定し、第一レーザー制御パラメータと第二レーザー制御パラメータを用いてそれぞれレーザーの第一及び第二制御入力を調節することを含む制御方法が提供される。

第二実施例において、第一制御入力はレーザーの位相区域の位相電流にすることができる。第二制御入力が、レーザーの利得区域に印加される利得電流であるか、又は、レーザーの出力経路中に配置される可変減衰器若しくは利得装置に印加される制御電流とすることができる。

また、本発明の第一実施例によれば、
（ａ）複数の波長チャンネルのうちの１波長チャンネル内にレーザー出力を生じる波長可変レーザー源、
（ｃ）その波長チャンネルに一致する周期的周波数応答を有し、レーザー出力の少なくとも一部を受け取るようにされた周波数選択装置、
（ｄ）周波数選択装置によって伝達されるパワーを表わす第一パワー値を測定するように動作する第一検出器、
（ｅ）レーザーによって出力される全パワーを表わす第二パワー値を測定するように動作する第二検出器、
（ｂ）第一及び第二検出器から第一及び第二パワー値を受け取るとように配置され、チャンネル設定モードでレーザー源が複数の波長チャンネルのうちの１つの波長チャンネル内で出力を生じるように設定し、且つ、波長ロッキングモードでフィードバック制御を用いて各波長チャンネル内で所望の波長にレーザー出力を固定するように動作する制御装置を含み、フィードバック制御が、
（ｉ）第一パワー値と現在設定されている波長チャンネルに対する所望の第一パワー値との差から第一誤差値を決定し、
（ｉｉ）第二パワー値と現在設定されている波長チャンネルに対する所望の第二パワー値との差から第二誤差値を決定し、そして、
（ｉｉｉ）第一誤差値と第二誤差値に常数係数を乗算した値との差からレーザー制御パラメータを決定し、そして、
（ｉｖ）レーザー制御パラメータを用いてレーザーに制御信号を出力して、レーザー出力を所望の波長に安定させることを含む、レーザー装置も提供される。

有利には、波長ロッキングモードがチャンネル設定モードの期間中、例えば、１〜５０ナノ秒、より好ましくは、５〜３０、さらにより好ましくは、１０〜２０ナノ秒の期間は不作動にすることができることである。

本発明をさらによく理解するために、また、どのように本発明が実施されるかを示すために、ここに例示として添付の図面を参照する。

[詳細な説明]
図４は、本発明の第一実施例による、関連した制御システムを有するレーザーを示す。多くの構成要素は図２に示し、上述した従来技術の例と共通と認められる。明確にするため、同じかそれに匹敵する構成要素を言及するのに同じ参照数字を使用する。

ＳＧ−ＤＢＲ１０はレーザー源として使用され、光ファイバ２０に接続されるピグテール型出力を有する。マイクロプロセッサ２４、例えば、ＤＳＰ、はレーザー１０を所定のＩＴＵチャンネル周波数（ＤＷＤＭの用途と仮定して）に設定するのに設けられる。マイクロプロセッサ２４はインターフェース２６を介して付属のコンピュータに接続することができる。マイクロプロセッサ２４は関係のあるＩＴＵチャンネル周波数に対して、予定の駆動電圧の組Ｖ_fＶ_bＶ_g及びＶ_phを引用する。この駆動電圧の組は、例えばルックアップテーブルに都合よく保持することができる。従って、マイクロプロセッサ２４はこの目的のためにオンチップメモリ、例えば、フラッシュメモリを含むことができる。代わりに、ＥＰＲＯＭのような遠隔記憶を使用し、インターフェース２６を介してマイクロプロセッサ２４でアクセスしてもよい。レーザー１０を特定のＩＴＵチャンネル周波数に設定するために、マイクロプロセッサ２４は一組の電圧をディジタル-アナログ変換器（ＤＡＣ）２８に対し有効にする。ＤＡＣ２８は、例えば、１２ビットの分解能を有することができる。ＤＡＣ２８は、電圧Ｖ_fＶ_bＶ_g及びＶ_phを駆動回路３０に供給する。位相制御の場合は、ＤＡＣ２８と駆動回路３０との間に、第一入力としてＤＡＣ２８からの位相電圧Ｖ_phを、第二入力として補正電圧ΔＶ_phを有している加算器２５が配置される。位相電圧の誤差補正については、次に更に詳細に記載する。駆動回路３０はこれら電圧をそれに対応する駆動電流Ｉ_fＩ_bＩ_g及びＩ_phに変換し、これらは次にＳＧ−ＤＢＲ１０の前部反射器、後部反射器、利得及び位相区域８,２,６および４に印加される。

ＤＡＣ２８は電流が一動作点から他の動作点に変化するときのパルスの整形に使用することができる。この様にして、オーバシュートが生じるならば、レーザーを高速にスイッチングすることができる。

レーザー１０の出力経路２０内に、光カプラ１２が出力パワーの僅かな部分、例えば、５％、を取り出すように配置される。カプラ１２は、例えば、融着延伸型カプラとすることができる。カプラ１２によって転出された出力ビームの一部は、例えば、ＪＤＳ ユニフェイズ ＷＬ５０００シリーズ波長ロッカー（ＪＤＳ Ｕｎｉｐｈａｓｅ ＷＬ５０００ Ｓｅｒｉｅｓ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｌｏｃｋｅｒ）に供給される。光学波長ロッカー１４はファブリ・ペロー・エタロン（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ ｅｔａｌｏｎ）に基づく波長測定装置である（あるいは、そのエタロンの代わりに長格子を使用することができる）。ＷＤＭの用途ではエタロンはその周期的周波数応答はＩＴＵグリッド（ＩＴＵ ｇｒｉｄ）に一致するように設計されている。エタロンの周波数応答は図３に関して既に記述した。

光波長ロッカー１４は第一と第二のホトダイオードＰＤ１及びＰＤ２を含んでいる。ホトダイオードＰＤ１はエタロンによって伝達される光を受けるように配置されている。従って、図３を参照すると、レーザーの出力周波数が、例えば、ＩＴＵ周波数よりも高ければ、ホトダイオードＰＤ１はＩＴＵチャンネル周波数で受けるであろうパワーレベルよりも高い入射パワーレベルＰ１を受ける。同様に、レーザーの出力周波数がＩＴＵチャンネル周波数の下にあれば、ホトダイオードＰＤ１に入射するパワーＰ１はレーザー出力がＩＴＵチャンネル周波数であったら有する値よりも低くなる。（代わりの設計として、もしも、図３に示すように立上り側部ではなく、ＩＴＵチャンネル周波数が下降するエタロン側部と整合するならば、符号を逆にすることができる。）ホトダイオードＰＤ１が、この様にして、電圧Ｖ_pd1を出力すると、それは、ＩＴＵチャンネル周波数からのレーザー出力の周波数偏差に関係する誤差信号を発生する基準として使用することができる。光波長ロッカーの第二のホトダイオードＰＤ２はロッカー１４への光パワー入力を測定するように配置され、それにより、測定電圧電圧Ｖ_pd2の形でレーザーの全出力パワーの測定をする。測定電圧Ｖ_pd1及びＶ_pd2はロッキング回路４０にそれぞれの信号線路１６及び１８によって供給される。

ロッキング回路４０の目的は、補正電圧ΔＶ_phを発生することで、この補正電圧は、ＤＡＣ２８によって発生される位相電圧Ｖ_phと加算器２５を用いて加算され、その結果、駆動回路３０に供給される位相電圧は、Ｖ_ph＝Ｖ_ph+ΔＶ_phで与えられる。

図５はロッキング回路の詳細を表わしている。ロッキング回路は４つの入力信号、即ち、測定電圧Ｖ_pd1及びＶ_pd2並びに所望のＩＴＵチャンネル周波数（又は、他の目標出力周波数）でレーザーが出力するときにＶ_pd1及びＶｐｄ₂が有すべき値である２つの予め設定した較正電圧Ｖ_spd1及びＶ_spd2を受け取る。電圧Ｖ_spd1及びＶ_spd2はマイクロプロセッサ２４によりＤＡＣ２８を通してロッキング回路に供給される。入力Ｖ_spd1及びＶ_spd2は各ＩＴＵチャンネルに特定のものであり、工場でのシステムの較正期間に、レーザーを各ＩＴＵチャンネル周波数での出力に設定し、Ｖ_pd1及びＶ_pd2を測定することによって得られる。従って、Ｖ_pd1＝Ｖ_spd1、且つ、Ｖ_pd2＝Ｖ_spd2ならば、レーザーは正確な周波数で出力していて、Ｖ_ph＝Ｖ_phである。

ロッキング回路は次のように動作する。Ｖ_pd2−Ｖ_spd2は第一論理減算器４１で減算により結合され、Ｖ_pd2に対するその較正値からの偏差値を得る。その結果のＶ_pd2−Ｖ_spd2は、次に、第一論理乗算器４２で常数係数ｋを乗じられる。係数ｋはロッキング回路の測定から得られ、関係しているＩＴＵチャンネル周波数で得られる比Ｖ_pd1/Ｖ_pd2に対応する。係数ｋは一定で、電子部品に組み込まれている。

Ｖ_pd1−Ｖ_spd1は第二論理減算器４３で減算により結合され、Ｖ_pd1に対するその較正値からの偏差値を得る。他方の結果のｋ（Ｖ_pd2−Ｖ_spd2）は、次に第三論理減算器４４でＶ_pd1−Ｖ_spd1から減算される。係数ｋはこの様にして２つの偏差値を結合するときの重み係数として働き、偏差値が等しく重み付けされるのを確実にする。

従って、装置の出力パワーが変化すると、或いは、ロッカーの整合が移転してＶ_pd1及びＶ_pd2で受ける電圧を変化させると、それは除算を必要とせずに正規化することができる。

第三減算器４４からの合成出力は、次に、第二乗算器４５を使用して係数ｋ’だけ倍率を掛けられるので、第二乗算器からの出力信号は
ΔＶ_ｐｈ＝ｋ’（Ｖ_ｐｄ１−Ｖ_ｓｐｄ１）−ｋ（Ｖ_ｐｄ２−Ｖ_ｓｐｄ２））
で表すことができる。
ここで、ΔＶ_ｐｈは、マイクロプロセッサ２４によって供給される予め較正した位相電圧Ｖ_ｐｈに加算されるべき電圧である。係数ｋ’は集中パラメータで、ループ利得を決めるフィードバックループ内の比例項を表すものと見ることができる。

ロッキング回路の論理素子及び他の回路素子は従来のハードウェア、又は、例えば、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）のようなプログラマブル・ロジックを用いて実現することができる。

実際には、常数係数ｋは、正確にはＶ_pd1/Ｖ_pd2に等しくないが、この項が小さくなるように十分に近づけることができる。例えば、ｆ＝０．５（装置の出力パワーの３ｄＢ降下を示す）であり、且つ、ｋと実際のＶ_pd1/Ｖ_pd2の不一致が１％であると、全体の誤差は０．５％である。これは、２００ＭＨｚ未満のレーザー出力周波数のドリフトを生じるが、＋/−２．５ＧＨｚの典型的な規格の限界内に十分に入っている。

ｋが正確にはＶ_pd1/Ｖ_pd2に等しくない理由は、この比は異なるＩＴＵ波長に対して僅かに変ることで、典型的には１％で、１．５ミクロンの波長の周囲を数十ナノメータに亙っている。

要約すれば、ロッキング回路４０はアナログ回路素子だけを使用し、且つ、マイクロプロセッサを必要とせずに位相電流用の補正係数を提供することができる。これは、除算のない、加算、減算及び乗算に基づく制御アルゴリズムを用いて達成することができる。従って、レーザー駆動電流を設定するのに使用されるマイクロプロセッサをバイパスする高速フィードバック制御ループが加わる。フィードバック制御は、測定電圧Ｖ_pd1及びＶ_pd2の、これらのパラメータの貯蔵した目標値Ｖ_spd1及びＶ_spd2からの偏差を別々に検出することに基づいている。これは、これらの電圧値の目標比からの偏差を決定することに基づく標準の従来技術の制御アルゴリズムとは異なる。従って、メモリの構成は、所定の目標出力周波数に対する制御電圧Ｖ_fＶ_bＶ_g及びＶ_phの各組に対して、Ｖ_spd1/Ｖ_spd2＝Ｒ_ITUである単一の合成値Ｒ_ITUの代わりに２つの値Ｖ_spd1及びＶ_spd2が貯蔵されているという点で、従来技術とは異にする。

有利なことに、マイクロプロセッサ２４はロッキング回路４０をオン及びオフにスイッチングできることである。この目的の制御線路２７が図４で破線を付けて示されている。具体的には、各周波数スイッチングをする期間は、ロッキング回路を不作動にするという好ましい動作モードがある。換言すると、マイクロプロセッサ２４がＤＡＣ２８に対して制御電圧Ｖ_fＶ_bＶ_g及びＶ_phの新しい組を有効にすると同時に、或いはそれより少し前に、ロッキング回路４０をオフにスイッチングし、その後直ぐに、例えば、スイッチング後数十ナノ秒、例えば、１０,２０,３０又は４０ナノ秒で、ロッキング回路４０をスイッチングしてオンに戻す。これは、スイッチング後、ロッキング回路フィードバックの作動の前に、レーザーの疎安定化を達成する。スイッチング後、ロッキング回路の作動が遅延することは、レーザーに出力波長をスイッチングさせ、次いでキャリア効果を等しくさせるので、ロッキングが作動すると、レーザー出力波長はシステムのロッキング範囲内、即ち、（たとえ、チャンネルの中心周波数に近くなくとも）目標のＩＴＵチャンネル内にある。ロッキングは、その結果、経年効果及び熱的効果を補償することができる。

初期過渡期間に、フィードフォワード構成を使用することもでき、レーザーが装置のロッキング範囲の波長にジャンプするのを確実にする。

図２の従来例に示すように、適切なＡＤＣ（図示せず）を介してマイクロプロセッサ２４に、測定電圧Ｖ_pd1及びＶ_pd2を更に供給できることも理解されたい。測定電圧は、それから、マイクロプロセッサ２４により使用されて、ＤＡＣ２８に供給される出力電圧Ｖ_fＶ_bＶ_g及びＶ_phを修正して、それにより従来技術と同様な追加のフィードバックを生じて、マイクロ又はミリ秒範囲の時定数を有する波長のゆっくりした変化を補正するように動作することができる。

ロッキング回路４０からの誤差信号出力ΔＶ_phは、全システム誤差を発生するのにも用いることができる。補正電圧値が特定の値を超えると、フィードバック制御が正しく動作していないと推測して、それから更に、システムが全体的な誤動作になっていると推測する。例えば、レーザーが正確な波長範囲で、又は、適当なレベルで安定なパワーで出力していないかも知れない。１つの方法では、全システム誤差とシステム作動停止が、ロッキング回路からの誤差信号をマイクロプロセッサ２４へ適当なＡＤＣ（図示せず）又は論理信号を介して供給することによって発生させることができる。

図6は、本発明の第二実施例による関連した制御装置を有するレーザーを示す。多くの素子は、第一実施例に共通であるとことが認められ、即ち、ＳＧ−ＤＢＲレーザー源１０が光ファイバ２０へのピグテール出力接続を有し、マイクロプロセッサ２４が関連するインターフェース２６を有し、ＤＡＣ２８及び駆動回路３０を介してレーザー１０を制御するために接続され、波長ロッカー１４及びロッキング回路１４０によって得られるフィードバックを有している。簡潔にするため、第二実施例は第一実施例との類似点及び差異点について記載する。第一実施例のように、第二実施例は波長ロッキングにマイクロプロセッサ２４をバイパスする高速フィードバックをもたらすロッキング回路を使用し、その回路は４入力に基づいている、即ち、測定信号Ｖ_pd1及びＶ_pd2並びに、較正信号Ｖ_spd1及びＶ_spd2である。これらの電圧は、第一実施例のものと同じ意義と発生源を有している。第二実施例が第一実施例と異なるのは、ロッキング回路の内部の設計であり、且つ、ロッキング回路は２出力を与えることであり、その出力の１つは位相電圧ΔＶ_phを補正し（第一実施例の様に）、その出力の他の１つは利得電圧ΔＶ_gを補正し、図示のように、これらは位相及び利得電圧に対するマイクロプロセッサの値に、ＤＡＣ２８と駆動回路３０との間に置かれたそれぞれの加算器２５及び２３によって加算され、そのため、駆動回路は利得及び位相電圧Ｖ_g及びＶ_phを受け取るが、ここで、Ｖ_ph＝Ｖ_ph＋ΔＶ_ph及びＶ_g＝Ｖ_g＋ΔＶ_gである。

図７は第二実施例のロッキング回路１４０の内部構造を示す。ロッキング回路は次のように動作する。測定されたレーザーの全出力パワーを表わす電圧Ｖ_pd2−Ｖ_spd2は第一論理減算器１４１で減算により合成されて、全出力パワーのその較正値からの偏差値を得る。その結果の、Ｖ_pd2−Ｖ_spd2は、次に、第一論理乗算器１４２で常数係数ｋ’’倍だけ乗算される。

エタロン又は他の波長選択素子を通過したパワーを表わす電圧Ｖ_pd1−Ｖ_spd1は第二論理減算器１４３で減算により合成され、Ｖ_pd1のその較正値からの偏差値を得る。

Ｖ_pd1及びＶ_pd2に関連する偏差値は、それぞれ位相及び利得に対する２つの電圧補正信号を表わし、レーザーに供給される対応する駆動電流を補正するために、ロッキング回路の個々の出力から、加算器２５及び２３にそれぞれ供給される。代替方法として、利得に対する偏差信号を、レーザーの出力経路に、例えば、出力ファイバ２０に直列に配置された可変減衰器又は光増幅器に供給することができる。

この様にして、第一実施例のように、第二実施例は除算を行うためのマイクロプロセッサ或いは他の素子を使用する必要がなく、波長ロッキングに対して高速フィードバックを与える。

第一実施例に関連して記載した変形が第二実施例にも適用できることを了解されたい。

別な実施例では、ＳＧ−ＤＢＲは、図８及び９に示すＤＢＲ又はＧＣＳＲ、或いは、位相区域を有する他のダイオードレーザーで置き換えることができることも了解されたい。

図８はＤＢＲの基本的な略図である。レーザーは利得即ち活性区域１０６と位相区域１０４と共に後部反射器区域１０２を有する。ファセットモードを避けるために、反反射被覆１００が通常はチップの後部ファセット上に設けられる。空洞の光経路長は位相区域１０４で同調することができる。

図９はＧＣＳＲの基本的な略図である。レーザーは、ＳＧ−ＤＢＲ反射器区域１１０、位相区域１１２、カプラ区域１１４、及び利得即ち活性区域１１６を有する。２つの平らな導波路１１８及び１２０がＳＧ−ＤＢＲ、位相及びカプラ区域を貫通して延在していて、下側導波路１２０だけが利得区域を貫通して延在している。

付記１
次に、第一実施例の制御アルゴリズムを、Ｖ_spd1/Ｖ_spd2からのＶ_pd1/Ｖ_pd2の偏差を決定することに基づく標準の従来の制御アルゴリズムと同じ数式に変形し、これにより第一実施例によるフィードバック制御が安定であることの証明がされる。

下記の式を用いて、本発明の第一実施例に於ける位相電流調節Ｉ_errが得られる。

Ｉ_err＝ｋ₁（（Ｖ_pd2−Ｖ_spd2）−ｋ₂（Ｖ_pd1−Ｖ_spd1）） 式１

ここで、
Ｖ_pd2＝光検出器ＰＤ２（ロッカーからのエタロンのパワー）の電圧
Ｖ_spd2＝ＤＡＣからの設定値 ＳＰＤ２
Ｖ_pd1＝光検出器ＰＤ１（ロッカーからの直接のパワー）
Ｖ_spd1＝ＤＡＣからの設定電圧 ＳＰＤ１
Ｉ_err＝レーザーの位相区域に加えられる電流、
そして、ｋ₁，ｋ₂は常数である。

ＩＴＵチャンネルに対し局部的に、次の式が真となる。

Ｖ_pd2＝（ｍ_lλ＋Ｃ_l）Ｐ₀

且つ、

Ｖ_pd1＝ａＰ₀

ここで、Ｐ₀はレーザーからの出力光パワーであり、ａ、ｍ_l、Ｃｌは常数である。

動作では、レーザーがＩＴＵチャンネルにある期間、Ｖ_spd2及びＶ_spd1はＶ_pd2及びＶ_pd1に等しい値に選ばれ、従って、

Ｖ_spd2＝（ｍ_lλ_ITU＋Ｃ_l）Ｐ_ITU

且つ、

Ｖ_pd1＝ａＰ_ITU

レーザーの波長が既にＩＴＵチャンネルになければ、ロッキング装置がその波長を調節し、次に、出力パワーとレーザー波長が正しいレベルにないと仮定すると、従って、

Ｖ_pd2＝（（ｍ_l（λ_ITU＋Δλ）＋Ｃ_l）・（Ｐ_ITU＋ΔＰ）

且つ、

Ｖ_pd1＝ａＰ_ITU（Ｐ_ITU＋ΔＰ）

これらを式１に代入すると次式を得る。

Ｉ_err＝ｋ₁（（（ｍ_l（λ_ITU＋Δλ）＋Ｃ_l）・（Ｐ_ITU＋ΔＰ）−（ｍ_lλ_ITU＋
Ｃ_l）Ｐ_ITU）−ｋ₂（ａ（Ｐ_ITU＋ΔＰ）−ａＰ_ITU））

この式は次式に変形される。

Ｉ_err＝ｋ₁（（ｍ_lλ_ITUΔＰ＋ｍ_lΔλＰ_ITU＋ｍ_lΔλΔＰ＋Ｃ_lΔＰ）−
ｋ₂（ａ（ΔＰ））

もしも、ｋ₂を下記の式のように選ぶと、

ｋ₂＝Ｖ_spd2/Ｖ_pd1＝（ｍ_lλ_ITU＋Ｃ_l）/ａ

次が得られる。

Ｉ_err＝ｋ₁（ｍ_lΔλＰ_ITU＋ｍ_lΔλΔＰ） ここで、ｍ_lΔλΔＰ→０ として、

Ｉ_err＝ｋ₁（ｍ_lΔλＰ_ITU）

従って、ｋ₁，ｍ_l，Ｐ_ITUはすべて常数なので、Ｉ_errは、所望の設定点からの波長の変化に正比例する。

これに対して、従来技術は次式を使用する。

Ｉ_err＝ｋ（（Ｖ_pd1/Ｖ_pd2）−Ｒ_ITU）

ここで、Ｖ_pd1及びＶ_pd2は前述したのと同じであり、Ｒ_ITUは１つのＩＴＵチャンネルに於けるＶ_pd1/Ｖ_pd2の値である。従って、

Ｉ_err＝ｋ｛（ａ（Ｐ_ITU＋ΔＰ）/（ｍ₂（λ_ITU＋Δλ）＋Ｃ₂）・（Ｐ_ITU＋ΔＰ））−Ｒ_ITU｝

Ｒ_ITU＝ａＰ_ITU/（ｍ₂・_ITU＋Ｃ₂）

テイラー展開を用いて、ＩＴＵチャンネルの領域で、

ΔＶ_pd2∝−１/ΔＶ_pd2と示すことができる。

ここで、ΔＶ_pd2＜＜Ｖ_pd2、

従って、

Ｖ_pd2＝Ｐ/（−ｍ₃（λ_ITU＋Δλ）＋Ｃ₃）

ここで、Δλ＜＜λ_ITU、即ち、ＩＴＵチャンネルの領域内である。これは、システムのループ利得が高ければ、真であり、それ故、

従って、ｋとｋ₂との正しい関係を選択することにより、両方法でＩ_errは同じとなり、重要な差は、本発明ではＩ_errの計算に除算を必要としないことである。本発明の第一実施例の方法では、Ｐの項があるが、この項はレーザーの利得の均等化を用いて一定にして、全チャンネルに対してレーザーが同じ出力パワーを有することができることに注意されたい。更に、第一実施例の記載において、Ｉ_errは、位相電圧Ｖ_phを補正増分ΔＶ_phだけ変化して生じる電流変化に対応することを了解されたい。

従来技術で知られている、サンプル型格子分布ブラッグ反射器（ＳＧ−ＤＢＲ）レーザーダイオードを示す。 従来技術で知られている、波長ロッカーを有する関連するフィードバック制御システムを有するＳＧ−ＤＢＲを示す。 周波数ｆの関数として波長ロッカーのファブリ・ペロー・エタロンの処理能力Ｔをパーセントで示す。 本発明の第一実施例による、ロッキング回路を含む関連するフィードバック制御システムを有するＳＧ−ＤＢＲを示す。 図４のロッキング回路の詳細を示す。 本発明の第二実施例による、もう１つのロッキング回路を含む関連するフィードバック制御システムを有するＳＧ−ＤＢＲを示す。 図６のロッキング回路の詳細を示す。 分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザーダイオードを示す。 後部サンプル型、即ち、超構造格子反射器型格子付きカプラ（ＧＣＳＲ）レーザーダイオードを示す。

Claims (9)

1. それぞれの波長チャンネル内に在る複数の所望の波長の任意の１つにレーザーを固定する制御方法であって、
   （ａ）前記波長チャンネルの１つ内で前記レーザーが出力するように設定し、
   （ｂ）前記波長チャンネルに一致した波長応答を有する波長選択装置によって伝達されるパワーを表わす第一パワー値を測定し、
   （ｃ）前記レーザーによって出力される全パワーを表わす第二パワー値を測定し、
   （ｄ）前記第一パワー値と現在設定されている波長チャンネルに対する所望の第一パワー値との差から第一誤差値を決定し、
   （ｅ）前記第二パワー値と現在設定されている波長チャンネルに対する所望の第二パワー値との差から第二誤差値を決定し、
   （ｆ１）前記第一誤差値と、前記第二誤差値に前記所望の第一パワー値を前記所望の第二パワー値で除算した値に等しい常数係数を乗算した値との差からレーザー制御パラメータを決定し、前記レーザー制御パラメータを位相区域に印加して前記レーザーを前記所望の波長に固定すること、又は、
   （ｆ２）前記第一誤差値と前記第二誤差値にそれぞれ常数係数ｋ’’’及びｋ’’を乗算し、該積にそれぞれ位相電圧と利得電圧とを加算して第一レーザー制御パラメータと第二レーザー制御パラメータを決定し、前記得られた第一レーザー制御パラメータと前記第二レーザー制御パラメータを用いてそれぞれ前記レーザーの第一及び第二制御入力を調節すること
   を含む制御方法。
2. 前記レーザー制御パラメータを用いて前記位相区域に供給される位相電流を調節する、請求項１に記載の制御方法。
3. 前記第二誤差値を用いて、前記レーザー又はその出力の利得又は減衰を調節するために印加される第二レーザー制御パラメータを決定する、請求項１又は２に記載の制御方法。
4. 前記第一制御入力が前記レーザーの位相区域の位相電流である、請求項１〜３のいずれか1項に記載の制御方法。
5. 前記第二制御入力が、前記レーザーの利得区域に印加される利得電流であるか、又は、前記レーザーの出力経路中に配置される可変減衰器若しくは利得装置に印加される制御電流である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の制御方法。
6. （ａ）複数の波長チャンネルのうちの任意の１つにレーザー出力を生じる波長可変レーザー源、
   （ｂ）前記波長チャンネルに一致する波長応答を有し、前記レーザー出力の少なくとも一部を受け取るようにされた波長選択装置、
   （ｃ）前記波長選択装置によって伝達されるパワーを表わす第一パワー値を測定するように動作する第一検出器、
   （ｄ）前記レーザー源によって出力される全パワーを表わす第二パワー値を測定するように動作する第二検出器、
   （ｅ）前記第一及び第二検出器から前記第一及び第二パワー値を受け取るように配置され、チャンネル設定モードで前記レーザー源が前記複数の波長チャンネルのうちの任意の１つのチャンネル内で出力を生じるように設定し、且つ、波長ロッキングモードでフィードバック制御を用いて各波長チャンネル内で所望の波長に前記レーザー出力を固定するように動作する制御装置を含み、前記フィードバック制御が、
   （ｉ）前記第一パワー値と現在設定されている波長チャンネルに対する所望の第一パワー値との差から第一誤差値を決定し、
   （ｉｉ）前記第二パワー値と現在設定されている波長チャンネルに対する所望の第二パワー値との差から第二誤差値を決定し、
   （ｉｉｉ）前記第一誤差値と、前記第二誤差値に前記所望の第一パワー値を前記所望の第二パワー値で除算した値に等しい常数係数を乗算した値との差からレーザー制御パラメータを決定し、そして、
   （ｉｖ）前記レーザー制御パラメータを位相区域に印加して前記レーザーを前記所望の波長に固定すること、
   を含む、レーザー装置。
7. 前記レーザー制御パラメータを用いて前記位相区域に供給される位相電流を調節する、請求項６に記載のレーザー装置。
8. 前記波長ロッキングモードが前記チャンネル設定モードの期間中は不作動にされる請求項６又は７に記載のレーザー装置。
9. 前記第一検出器はさらに、前記制御装置に前記波長選択装置によって伝達されるパワーを表わす第一パワー値を供給するように動作し、
   前記第二検出器はさらに、前記制御装置に前記レーザー源によって出力される全パワーを表わす第二パワー値を供給するように動作する
   請求項６〜８のいずれか１項に記載のレーザー装置。

Images