JP4603009B2

JP4603009B2 - 波長ロッカー

Info

Publication number: JP4603009B2
Application number: JP2007113351A
Authority: JP
Inventors: 和生笠谷; 健都築
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-04-23
Filing date: 2007-04-23
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2022-10-31
Also published as: JP2007194671A

Description

本発明は、光通信用波長検出素子の素子構造に関し、特に独立温度制御型の波長ロッカーに関する。

従来、波長多重光通信技術（ＷＤＭ）の開発において、通信用の半導体レーザの発振波長は、１９３．１ＴＨｚ（１５５２．５２ｎｍ）を中心に１００ＧＨｚ間隔、または５０ＧＨｚ間隔で、＋／−２ｐｍ以内に恒久的に安定させることが望まれている。近年、このような技術要求に対し、通信用のＣＷ（連続発振）レーザモジュールは、波長ロッカー（Wavelength Locker）と称されている、波長と光出力を検出する機能素子を標準的に搭載している（たとえば、非特許文献１、非特許文献２、および特許文献１を参照）。

従来の代表的な波長ロッカーの構造を図９，図１０に示す。まず、図９に示すように、一般的にレーザ素子（図示しない）から出射した光をビームスプリッタ３等で平行ビーム化し、そのビーム径を二等分するようにエタロン素子５を差込み、エタロン素子５を通過した光とエタロン素子５を通過しない光とをそれぞれ専用のフォトダイオード１、２で受光し、フォトダイオード１、２の出力からその波長と光出力を検出するか、あるいは図１０に示すように、レーザビームをビームスプリッタ３などにより光出力用と波長検出用に切り出し、一方の光路にエタロン素子５を挿入し、上記と同様にエタロン素子５を通過した光とエタロン素子５を通過しない光とをそれぞれ専用のフォトダイオード１、２で受光し、フォトダイオード１、２の出力からその波長と光出力を検出する方法をとっている。ここで、フォトダイオード１は、波長検出用のフォトダイオードであり、フォトダイオード２は、光出力モニター用フォトダイオードである。

波長検出用のフォトダイオード（ＰＤ）１の出力から、図１１に示すような、波長に対して、周期的に振幅する光電流信号が検出できる。波長の固定方法（制御方法）としては、ある特定の波長発生条件下（レーザダイオードの制御温度と駆動電流値の設定によって目的の波長を発振する条件）において、そのときの発振波長検出用フォトダイオード１からの検出電流が一定になるように、レーザダイオード（図示しない）の制御温度に負帰還制御をかけることで、波長を固定を行う方法が一般的である。

その従来方法（例えば、非特許文献１に記載されている方法）の場合には、目的の波長に対して、エタロン素子５を通過して生じる波長検出信号電流値は、必ず、図１２に示しように、電流値の最大値と最小値を結ぶ領域中で、（最大値−最小値）／２の点を中心に約８５％の単一減少、または単一増加の領域になくてはならない。これは、図１２に示す特性において、電流波形の各頂点付近や最低点付近では、同一の波長検出電流値でありながら、選べる波長の範囲が非常に広くなるためであり、この領域では、波長を制御することはできないためである。このため、波長ロッカーの製作時、とりわけエタロン素子５を搭載する際には、搭載するエタロン素子５を微小に回転させて、エタロン素子５に入射する光の入射角度を微妙に調整することで、透過特性を調整する必要がある。

しかし、エタロン素子５に入射する光の入射角度を変化させることは、そのままＦＳＲ（エタロン素子５の出力の周期）も変化させてしまうので、せっかく１００ＧＨｚ間隔、または５０ＧＨｚ間隔の特性で用意したエタロン素子５もその出力の周期が微妙にずれてしまう。そのため、一波長だけを固定する場合には、上記方法で十分な波長制御や波長ロッカーの製造は可能であるが、波長可変レーザ（たとえばＤＢＲ（分布ブラック反射器）レーザ）や多チャネルレーザ（波長選択レーザ）のように広帯域で波長が変化する素子では、エタロン素子５を用いて波長を固定することが難しい。

近年、この難問を解決するために、特許文献１の図９に記載されるように、波長選択レーザ等では、同一モジュール内に２つの温度制御器（ペルチェ素子）を搭載して、エタロン素子の温度を独立に制御することで、広帯域でエタロン素子５の周期を安定して使える技術が提案されている。

特開２００２−１８５０７４号公報（図９）

「ＮＥＣデータ・シート（暫定）レーザダイオードＮＸ８５７０シリーズ」資料番号 PL 10135JJ01V0V0DS (第１版）、NEC Compound Semiconductor Devices 2002 出版、２００２年４月、p.１、２、１１−１３

「Tunable LD Module with Wavelength Locker - FLD2F15CA-K」 FUJITSU COMPOUND SEMICONDUCTOR, INC., March 2001, p.1-5

しかしながら、上述の特許文献１で記載されたような改良技術をもってしても、使用環境温度が変動すると、レーザモジュール内部の雰囲気温度が変化し、そのためエタロン素子５の制御温度と、エタロン素子５の実際の温度との間に差が生じ、制御できる波長分解能力が落ちるという解決すべき課題がある。

そこで、本発明の目的は、エタロン素子部分の温度を独立に制御する波長ロッカーにおいて、エタロン素子の実際の温度が外気（環境温度）温度の変化によって影響を受けて、その透過特性を変化させてしまうという上記の課題を、エタロン素子の搭載方法とエタロン素子部の温度検出抵抗素子（サーミスタ素子）の搭載方法を変えることで解決し、エタロン素子の温度を高精度で制御し、外気温度変動に影響されない、波長ロッカーを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の波長ロッカーは、温度制御用サーミスタを用いてエタロン素子部分の温度を独立に制御する波長ロッカーにおいて、前記エタロン素子と間隔をおいて該エタロン素子の近傍に設置されて該エタロン素子の材料と同じ材料または同じ熱伝導度を有する材料からなる絶縁プレート上に前記温度制御用サーミスタを搭載し、
前記絶縁プレートの厚さを前記エタロン素子の厚さの１／２から２／３の間に設定したことを特徴とする。

ここで、好ましくは、前記エタロン素子と前記温度制御用サーミスタとを覆って該エタロン素子と該温度制御用サーミスタの上面からの輻射熱を遮断するためのガラス製のふたを有するとしてよい。

また、好ましくは、本発明の波長ロッカーの別の態様は、温度制御用サーミスタを用いてエタロン素子部分の温度を独立に制御する波長ロッカーにおいて、前記エタロン素子の側面から該エタロン素子の上面に引き出されたサーミスタ電極を有し、前記温度制御用サーミスタを前記側面の中央または該中央近傍であって、前記側面のサーミスタ電極上に配置することを特徴とする。

ここで、好ましくは、前記側面が前記エタロン素子に最も近いモジュール側壁に対して前記エタロン素子を介して逆側の側面であるとしてよい。

以上説明したように、本発明によれば、エタロン素子部分の温度を独立に制御する波長ロッカーにおいて、エタロン素子の搭載とエタロン素子部の温度検出抵抗素子（サーミスタ素子）の搭載の位置等を従来と変えることで、エタロン素子の実際の温度が外気（環境温度）温度の変化によって影響を受けて、その透過特性を変化させてしまうという不都合を解消でき、エタロン素子の温度を高精度で制御し、外気温度変動に影響されない、波長ロッカーを提供することができる効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

本発明では、波長ロッカーのエタロン素子部の温度測定方法に着目し、図１および図３に示すような、エタロン素子部へのサーミスタ素子の搭載方法および構造を提案する。

（第１の実施形態）
図１に示す本発明の第１の実施形態のものは、よりエタロン素子５の実質的な温度を把握するため、直接エタロン素子５にサーミスタ４を取り付ける構造のものである。波長ロッカー上に搭載したエタロン素子５のレーザビームが透過しない上面から側面に続く一対のサーミスタ電極７を付設し、そのサーミスタ電極７上にサーミスタ４を搭載する。さらに、熱接触金属層をエタロン素子５のレーザビームが透過しない残りの側面と底面に形成する。

エタロン素子５にサーミスタ４を搭載すること自体は従来技術から容易に類推できる範囲の技術であるが、本発明では、エタロン素子５の上面から側面に続くサーミスタ電極７を形成し、図２に示すように、モジュール外周壁１７からみて遠い（即ち、内側）のエタロン素子５の側面中央にサーミスタ４を搭載することを特徴としている。この搭載位置の効果によりＬＤモジュール上面板６および側面壁１７からの輻射熱１２の効果を軽減することができる。

すなわち、半導体レーザ１３から出射して第１レンズ１５、アイソレータ１６を通ったレーザビームは、波長ロッカー内のビームスプリッタ３の１段目で２方向に分離され、一方の反射ビームは光出力モニター用フォトダイオード（ＰＤ）２に入射し、他方の直進ビームはさらにビームスプリッタ３の２段目でさらに２方向に分離されて、一方の直進ビームは光ファイバ１４へ導かれるが、他方の反射ビームはエタロン素子５を通って波長検出用フォトダイオード（ＰＤ）５に入射する。この時、ＬＤモジュール上面板６および側面壁１７からの輻射熱１２がエタロン素子５に向かう。しかし、本発明の第１の実施形態では、エタロン素子５の上面から側面に続くサーミスタ電極７を形成し、モジュール外周壁１７からみて遠い（即ち、内側）のエタロン素子５の側面中央にサーミスタ４を搭載するようにしているので、ＬＤモジュール上面板６および側面壁１７からの輻射熱１２の効果を軽減することができる。

また、サーミスタ４は、上記のようにエタロン素子５の側面中央に設けたので、エタロン素子５素子の内部の熱分布のほぼ中心の温度をモニタできるため、モジュールの内部温度が変化しても、十分に実効的なエタロン素子５の温度を測定することができ、エタロン素子５の透過特性の変動を非常に小さく保つことができる。

（第２の実施形態）
また、図３に示す本発明の第２の実施形態のものは、エタロン素子５の側面近傍に間隔を置いて並列に配置した擬似エタロン素子プレート（エタロン素子と同一材料の板）８の上にサーミスタ４を搭載した構造のものである。この擬似エタロン素子プレート８の厚さｔを設計時に調整することで、サーミスタ４が測定する温度を実効的なエタロン素子５の温度に近づけ、エタロン素子５の側面中央にサーミスタ４を直接搭載する図１に示す場合と同様の効果を得ることができる。

次に、上述の本発明の実施形態の作用について説明する。

図１０に示すような従来例の波長ロッカー基板６上にサーミスタ４を搭載した場合と、比較例のエタロン素子５上部にサーミスタ４を搭載した場合と、図１に示すような本発明によるエタロン素子５の側面にサーミスタ素子４を搭載した場合との特性の比較を、図４，図５に示す。

図４は、波長ロッカー基板６上にサーミスタ４を搭載した場合の外部温度変化によるエタロン素子５の特性変化を示す。横軸を周波数表示としたが、波長に換算すると、５０℃の温度変化で約８ｐｍ程度の変異を受けていることがわかる。この変化量は、エタロン素子５の材料を高熱伝導性材料に変えることで、約２から５ｐｍ程度に軽減できるが、サーミスタ４が観測する温度とエタロン素子５の実際の温度の差はなくなることはない。

図５は、ＬＤモジュール内部のレーザ素子１３に対して、波長検出用ＰＤ（フォトダイオード）１からの出力値により、波長制御を行いながら、ＬＤモジュール外部（環境温度）温度を高速恒温槽を用いて２０℃から７０℃へと３０分間隔でサイクル変化させた時の制御波長の変化量を測定した結果を示す。図５のａの鎖線波形から、波長ロッカー基板６上にサーミスタ４を搭載した場合（従来例）は、外気温度が変わりモジュール内部が温められるにつれて、制御波長も長波側（プラス側）に約８ｐｍ程度シフトしていることがわかる。これは、エタロン素子５の温度がモジュール内部の温度が上昇するにつれ、上昇したためであって、サーミスタ素子４が観測した温度と実際の５の素子温度に差が生じたことを意味する。サーミスタ素子４ば実効的なエタロン素子５の温度より低い温度を観測したことになる。

これに対し、エタロン素子５の上部にサーミスタ４を搭載した場合（比較例）では、図５のｂの破線波形に示すように、制御波長は、逆に、短波長（マイナス側）側にシフトしていることがわかる。エタロン素子５の上部という位置では、エタロン素子５よりもモジュール上部からの輻射熱量が多く、また、エタロン素子５の内部の上端部の熱量を観測擦るため、実行的（エタロン素子５の中央部）、平均的なエタロン素子５の温度より高い温度を測定してしまったため、過剰に冷却を行い、そのため、マイナス側にシフトしたものと考えられる。

図１に示した本発明による搭載位置では、サーミスタ４は、上下２面の丁度中間の温度を測定することになり、また過剰に輻射熱を受けない位置であることから、エタロン素子５の実行温度とほぼ等しい温度を測定することができる。このため、図５のｃの実線波形に示すように、全体で０．５ｐｍ以下の変異に制御波長を安定させることができた。

また、図３に示す擬似エタロン素子プレート８上にサーミスタ４を搭載した本発明の場合も、図６に示すように、そのプレート８の厚さｔをエタロン素子５の厚さＴの１／２から２／３に設定することで、図１の場合と同様の効果を引き出すことができ、制御波長ついて、０．５ｐｍ以下の安定性能が確認できた。

さらに、図面を参照して、本発明の具体的な実施例について説明する。

本発明の第１，第２の実施例としての可変波長レーザ（図２参照）を搭載するＬＤモジュール内部を、図７，図８に示す。次に、図７，図８を参照して、これら波長ロッカーの製作手順を説明する。

まず、窒化アルミ基板６の上サーミスタ４とエタロン素子５の搭載位置と、サーミスタ中継電極１０の位置、そしてＰＤ（フォトダイオード）１、２の搭載位置に、それぞれ、ニッケル・金属からなる蒸着層１１を形成し、シンターを施し、その後、ＰＤ１、２の搭載位置とエタロン素子５の搭載用側壁の位置には、高融点半田層を蒸着した。

さらにその後、ビームスプリッタ３を紫外線硬化型エポキシ樹脂（ＵＶ）で固定し、通常のレーザ光の入射位置からビーム径６７０ミクロン赤色レーザ１３をマーカーとして用い、各ビームスプリッタ３に光を入射する。赤色光の反射経路に合わせて、ＰＤ１、２を半田で固定する。

この半田固定時にエタロン素子５の搭載用側壁９も半田で搭載する。続いて、赤色光の行路を確認しながら、エタロン素子５と擬似エタロン素子プレート８に搭載したサーミスタ４を紫外線硬化型エポキシ樹脂で固定する。

このとき、エタロン素子５への入射角度は０度入射とする。その後サーミスタ電極７からサーミスタ中継電極１０に配線をボンディングして波長ロッカー構造を完成する。第２の実施例の図８は、図７の工程に加え、エタロン素子搭載用側壁９をサーミスタ４の側にも同様の手順で搭載し、最後に上面からの輻射熱１２を遮断するため、石英ガラス製のふた１８をエタロン素子５とサーミスタ素子４を覆うように、両側壁９にぴったり被せて設置した。

完成した波長ロッカーを図２に示すと同様にＬＤモジュール内部に実装し、モジュールを完成する。完成したモジュールは図５にｃの実線波形で示す波長変動特性とほぼ同様の波長安定性能を示した。ただ、第１の実施例と第２の実施例では、平均値比較で０．０８ｐｍ程度、第２の実施例の方が安定性改善されていた。

また、同様に搭載した擬似エタロン素子プレート８の厚さは、第１の実施例では、規格化厚さで（１／Ｔ）０．６、第２の実施例では０．５がもっとも良い波長安定性が得られた。

本発明の第１の実施形態におけるエタロン素子の構造を示す模式的斜視図である。図１のエタロン素子を配置した波長ロッカーをＬＤ（レーザダイオード）モジュール内に内蔵した配置構成を示す模式的平面図である。本発明によるサーミスタ搭載構造を示す図である。外部温度変化によるエタロン素子の影響を示す波形図である。サーミスタの搭載位置による制御波長の波長変動の比較を示す波形図である。擬似エタロン素子プレートの厚さと波長安定性を示す特性図である。本発明の第１の実施例の波長ロッカーの構造を示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。本発明の第２の実施例の波長ロッカーの構造を示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。従来の代表的な波長ロッカー構造の第１の例を示す平面図である。従来の代表的な波長ロッカー構造の第２の例を示す平面図である。エタロン素子の光の透過特性を示す波形図である。エタロン素子の光の透過特性の詳細を示す波形図である。

符号の説明

１波長検出用ＰＤ（フォトダイオード）
２光出力モニター用ＰＤ（フォトダイオード）
３ビームスプリッタ（光分岐ミラー）
４サーミスタ素子（熱抵抗温度計）
５エタロン素子
６波長ロッカー基板（ＬＤモジュール上面板）
７サーミスタ電極
８擬似エタロン素子プレート
９エタロン素子搭載用側壁
１０サーミスタ用中継電極
１１熱接触金属層
１２輻射熱
１３半導体レーザ
１４光ファイバー
１５第１レンズ
１６アイソレータ
１７モジュール外周壁（側面壁）
１８石英ガラス性のふた

Claims

温度制御用サーミスタを用いてエタロン素子部分の温度を独立に制御する波長ロッカーにおいて、
前記エタロン素子と間隔をおいて該エタロン素子の近傍に設置されて該エタロン素子の材料と同じ材料または同じ熱伝導度を有する材料からなる絶縁プレート上に前記温度制御用サーミスタを搭載し、
前記絶縁プレートの厚さを前記エタロン素子の厚さの１／２から２／３の間に設定したことを特徴とする波長ロッカー。
前記エタロン素子と前記温度制御用サーミスタとを覆って該エタロン素子と該温度制御用サーミスタの上面からの輻射熱を遮断するためのガラス製のふたを有することを特徴とする請求項１に記載の波長ロッカー。