JP5074667B2 - 集積型半導体レーザ装置および集積型半導体レーザ装置の駆動方法 - Google Patents

Description

この発明は、ディザー信号を印加して誘導ブリルアン散乱抑制および光信号経路追跡の双方を最適化することができる集積型半導体レーザ装置および集積型半導体レーザ装置の駆動方法に関するものである。

一般に、レーザの駆動電流に低周波(数ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚ)の変調信号であるディザー信号を印加することが行われる。この用途としては、次の２つが知られており、１つは、スペクトル線幅を増大させてファイバ中のブリルアン散乱（ＳＢＳ：Stimulated Brillouin Scattering ）を抑制することであり、もう１つは、周波数および変調度を波長チャネルや送信基地局ごとに変化させ、信号の経路追跡を行う光信号経路追跡である。このディザー信号の印加は、たとえば、ＤＦＢレーザ（Distributed Feedback Laser）などでは、駆動電流の数％程度を変調するようにしている。

特開２００４−３４９６９２号公報 米国特許第５４４７３６８号明細書

しかしながら、図７に示すように、従来のＤＦＢレーザなどでは、駆動電流によって波長と光出力とが同時に変化する。ここで、たとえば、光信号経路追跡用途にＡＭ変調を変調周波数１００ｋＨｚで３％程度の変調度という条件でディザー信号をかけることが決定されている場合、このＡＭ変調によって光スペクトル線幅も一義的に決定されてしまうため、光スペクトル線幅を調整することができず、最適な誘導ブリルアン散乱抑制を達成できない場合があるという問題点があった。

なお、特許文献１に記載された集積型半導体レーザ素子では、ＤＦＢレーザの出力光を半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）によって増幅出力するようにしており、この場合、ＳＯＡに変調をかけることが考えられるが、図８に示すように、ＳＯＡの光スペクトル線幅の変化はＤＦＢレーザの光スペクトル線幅の変化に比較して極めて小さく、誘導ブリルアン散乱抑制用途に用いることができない。したがって、集積型半導体レーザ素子の半導体光増幅器にディザー信号をかけても、誘導ブリルアン散乱抑制用途と光信号経路追跡用途と同時に満足することが困難であった。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、誘導ブリルアン散乱抑制および光信号経路追跡の双方を最適化することができる集積型半導体レーザ装置および集積型半導体レーザ装置の駆動方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる集積型半導体レーザ装置は、レーザ光を発生するレーザストライプと該レーザストライプからの出力光を増幅する半導体光増幅器とが集積された集積型半導体レーザを有した集積型半導体レーザ装置であって、前記レーザストライプに注入する第１の電流に第１のディザー信号を印加する第１ディザー信号印加手段と、前記半導体光増幅器に注入する第２の電流に第２のディザー信号を印加する第２ディザー信号印加手段と、前記第１のディザー信号および前記第２のディザー信号を設定制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

また、この発明にかかる集積型半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記制御手段は、前記第１のディザー信号および前記第２のディザー信号に設定される周波数、変調度のうちの少なくともいずれかを異ならせることを特徴とする。

また、この発明にかかる集積型半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記制御手段は、前記集積型半導体レーザ装置から出力される出力レーザ光の光スペクトル線幅を設定する場合、この光スペクトル線幅に対応する前記第１のディザー信号を設定し、前記出力レーザ光の光強度変調度を設定する場合、この光強度変調度に対応する前記第２のディザー信号を設定することを特徴とする。

また、この発明にかかる集積型半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記制御手段は、前記第１のディザー信号に対して前記集積型半導体レーザ素子から出力されるレーザ光のスペクトル線幅が誘導ブリルアン散乱を防止するために十分な広さとなるように設定し、前記第２のディザー信号に対して光信号経路追跡に適するように設定することを特徴とする。

また、この発明にかかる集積型半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記第２の電流は、前記半導体光増幅器が利得飽和の状態となるように選択されていることを特徴とする。

また、この発明にかかる集積型半導体レーザ装置の駆動方法は、レーザ光を発生するレーザストライプと該レーザストライプからの出力光を増幅する半導体光増幅器とが集積された集積型半導体レーザを有した集積型半導体レーザ装置の駆動方法であって、前記レーザストライプに注入する第１の電流に第１のディザー信号を印加する第１ディザー信号印加ステップと、前記半導体光増幅器に注入する第２の電流に第２のディザー信号を印加する第２ディザー信号印加ステップと、を含むことを特徴とする。

また、この発明にかかる集積型半導体レーザ装置の駆動方法は、上記の発明において、出力レーザ光の光スペクトル線幅を設定する場合、この光スペクトル線幅に対応する前記第１のディザー信号を設定し、光強度変調度を設定する場合、この光強度変調度に対応する前記第２のディザー信号を設定するディザー信号設定ステップを含むことを特徴とする。

この発明にかかる集積型半導体レーザ装置および集積型半導体レーザ装置の駆動方法では、制御手段が、レーザストライプに注入する第１の電流に印加される第１のディザー信号と、半導体光増幅器に注入する第２の電流に印加される第２のディザー信号とを設定制御し、特に光スペクトル線幅に対応して第１のディザー信号を設定し、光強度変調に対応して第２のディザー信号を設定するようにし、第１のディザー信号および第２のディザー信号のそれぞれが互いに影響が少ないほぼ独立した設定ができるので、自由度の高い設定が可能となり、誘導ブリルアン散乱抑制および光信号経路追跡の双方を確実に最適化することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態である集積型半導体レーザ装置および集積型半導体レーザ装置の駆動方法について説明する。

（実施の形態）
図１は、この発明の実施の形態である光半導体装置である集積型半導体レーザ装置の構成を示すブロック図である。この集積型半導体レーザ装置は、特許文献１に記載されたものと同じ集積型半導体レーザ素子１を有する。この集積型半導体レーザ素子１は、広帯域の波長帯をカバーしうる信号光源用の半導体レーザ素子であり、互いに異なる波長で単一縦モード発振する複数のＤＦＢレーザ２からなるＤＦＢレーザアレイ３と、各ＤＦＢレーザ２の出力光をそれぞれ導波する複数の導波路４と、この複数の導波路４を合流させる光合波器としてのＭＭＩ（multimode interference）型カプラ５と、ＭＭＩ型カプラ５からの出力光を増幅する半導体光増幅器（ＳＯＡ）６を有する。

なお、集積型半導体レーザ１に集積されたＤＦＢレーザ２は、ペルチェ素子やヒータなどによって素子温度が制御されることによって、１つのＤＦＢレーザ２あたり、３〜４ｎｍ程度の波長可変が可能である。この素子温度制御による波長の可変範囲の下限は、ペルチェ素子の消費電力の要因によって制限され、上限は温度上昇による光出力の低下、駆動電流の上昇、レーザの信頼性の要因によって制限される。集積型半導体レーザ素子１における各ＤＦＢレーザ２が有する回折格子は、各ＤＦＢレーザ２の発振波長が３〜４ｎｍ程度の間隔で並ぶように設計されている。そして、駆動するＤＦＢレーザ２の切り替えと素子温度の制御によって、単体のＤＦＢレーザよりも広帯域な連続した波長帯をカバーすることが可能となる。ここで、ＷＤＭ光通信用の波長帯域、たとえば１．５３〜１．５６μｍのＣバンドまたは１．５７〜１．６1μｍのＬバンドの全体を１つの集積型半導体レーザ素子１でカバーするには、集積型半導体レーザ素子１に集積されるＤＦＢレーザ２の素子数を大きくすることが考えられる。たとえば、素子温度の調整によってＤＦＢレーザ１つあたり３〜４ｎｍの波長変化が可能であるとすれば、このようなＤＦＢレーザを１０個以上集積化すれば、３０ｎｍ以上の波長範囲にわたって波長を可変とした集積型集積型半導体レーザ１とすることができる。

半導体光増幅器６は、電流駆動によるＡＰＣ（自動出力制御）回路１１が接続され、このＡＰＣ回路１１は、集積型半導体レーザ素子１からの光出力を一定にする光出力一定制御を行う。このＡＰＣ回路１１は、図示しないフォトディテクタの光出力モニタ電流によって光出力一定制御が行う。このＡＰＣ回路１１が半導体光増幅器６に印加する電流には、ＡＰＣ回路１１と半導体光増幅器６との間に設けられた加算器１３を介して、ディザー信号源Ｓ２から発生する第２ディザー信号が加算され、変調されて半導体光増幅器６に印加される。

各ＤＦＢレーザ２は、同一基板上にアレイ状に配列されたレーザストライプによって実現され、選択的にＡＣＣ（自動電流制御）回路１４に接続され、このＡＣＣ回路１２は、ＤＦＢレーザ２に印加する電流を一定にする電流一定制御を行う。このＡＣＣ回路１２がＤＦＢレーザ２に印加する電流には、ＡＣＣ回路１２とＤＦＢレーザ２との間に設けられた加算器１４を介して、ディザー信号源Ｓ１から発生する第１ディザー信号が加算され、変調されてＤＦＢレーザ２に印加される。

ＡＰＣ回路１１およびＡＣＣ回路１２は、制御部Ｃに接続され、制御部Ｃは、ＡＰＣ回路１１およびＡＣＣ回路１２を統括制御する。制御部Ｃは、ディザー制御部Ｃ１を有し、ディザー制御部Ｃ１は、ディザー信号源Ｓ１，Ｓ２からそれぞれ出力される第１ディザー信号および第２ディザー信号の周波数、変調度を制御する。この場合、ディザー制御部Ｃ１は、第１ディザー信号および第２ディザー信号をそれぞれ独立して制御する。そして、ディザー制御部Ｃ１は、第１ディザー信号は誘導ブリルアン散乱抑制に対応する信号として制御し、第２ディザー信号は光信号経路追跡に対応する信号として制御する。

図２は、第１ディザー信号および第２ディザー信号の電流変調度に対する出力レーザ光の光振幅変調度の変化特性を示す図である。図２に示すように、半導体光増幅器６の出力レーザ光の光振幅変調度は、第２ディザー信号の電流変調度（ＳＯＡ６の電流変調度）の変化に対して大きく変化しているのに対し、第１ディザー信号の電流変調度（ＤＦＢレーザ２の電流変調度）の変化に対してほとんど変化していない。

これに対して、図３に示すように、半導体光増幅器６の出力レーザ光の光スペクトル線幅は、第２ディザー信号の電流変調度（ＳＯＡ６の電流変調度）の変化に対してほとんど変化せず、第１ディザー信号の電流変調度（ＤＦＢレーザ２の電流変調度）の変化に対して大きく変化している。

このことは、集積型半導体レーザ素子１から出力されるレーザ光の光振幅変調度を変化させたい場合、主として第２ディザー信号の変調度のみによって独立的に決定され、集積型半導体レーザ素子１から出力されるレーザ光の光スペクトル線幅を変化させたい場合、主として第１ディザー信号の変調度のみによって独立的に決定されることになる。したがって、上述したように、ディザー制御部Ｃ１は、第１ディザー信号によって光スペクトル線幅を制御して誘導ブリルアン散乱抑制の要求を満足させるとともに、第２ディザー信号によって光振幅変調度を制御して光信号経路追跡の要求を満足させるレーザ光を、集積型半導体レーザ素子１から出力させることができる。

つぎに、この集積型半導体レーザ装置の実験結果について説明する。実験では、半導体光増幅器６に、変調周波数＝２００ｋＨｚ、電流変調度＝６％の第２ディザー信号を印加し、ＤＦＢレーザ２には、変調周波数＝５０ｋＨｚ、電流変調度＝０，０．５，１．０，１．５，２．０，３．０％と変化した第１ディザー信号を印加した。

図４は、そのときの集積型半導体レーザ素子１からの光出力の時間変化を示している。図４に示すように、光出力は、受光器の出力電圧でみて約１ｍＶ変化しており、約５％の光振幅変調度を得ている。したがって、第２ディザー信号のみで出力レーザ光の光振幅変調度がほぼ制御されている。

一方、図５は、そのときの集積型半導体レーザ素子１からの光スペクトル線幅を示している。光スペクトル線幅は、ＤＦＢレーザ２の電流変調度が０，０．５，１．０，１．５，２．０，３．０％の各場合に対応して順次線幅が広くなり、０．１ＧＨｚ〜１．０ＧＨｚの線幅に自在に制御され、ほぼ第１ディザー信号のみで出力レーザ光の光スペクトル線幅が制御されている。

さらに様々な第１ディザー信号および第２ディザー信号の駆動条件を変化させることによって、図６に示すような、光振幅変調度と光スペクトル線幅とをもつレーザ光を容易に出力することができた。従来の集積型半導体レーザ素子では、図６の領域Ｅ１内の光振幅変調度と光スペクトル線幅とをもつレーザ光を出力することができなかったが、この実施の形態では、領域Ｅ１内の特性をもつレーザ光を出力することができる。これは、第２ディザー信号によってほぼ独立して光振幅変調度を制御でき、第１ディザー信号によってほぼ独立して光スペクトル線幅を制御することができるからである。

さらに、領域Ｅ１のみに限らず、あらゆる光振幅変調度と光スペクトル線幅との関係をもつレーザを出力することができるので、第１ディザー信号および第２ディザー信号の最適化を図ることによって、自由度の高い光信号経路追跡用かつ誘導ブリルアン散乱抑制用の光信号をもった光出力を広い範囲で得ることができる。

なお、集積型半導体レーザ素子では、誘導ブリルアン散乱用の第１ディザー信号の入力に伴う光振幅の変化がデータ伝送特性の悪化への影響が指摘されているが、特許文献２には、この影響を抑制するため利得飽和した半導体光増幅器を介したのちに信号を送信することによってビットレートが向上することが報告されている。したがって、図１に示した半導体光増幅器６は、利得飽和した状態で用いることが好ましい。

また、上述した集積型半導体レーザ装置では、光振幅変調度は０．１％〜１０％程度の範囲であり、光スペクトル線幅は１ＭＨｚ〜３ＧＨｚ程度の範囲を実用としている。また、第２ディザー信号の変調周波数は５０ｋＨｚ〜２ＭＨｚ程度の範囲であり、第１ディザー信号の変調周波数は１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度の範囲を実用としている。

なお、上述した実施の形態では、ディザー制御部Ｃ１が、第２ディザー信号を光信号経路追跡用の変調信号とし、第１ディザー信号を誘導ブリルアン散乱抑制の変調信号として設定制御するようにしていたが、精度の高いディザー制御を行う場合、一度設定した後に微調によって再設定することが好ましい。

この発明の実施の形態にかかる集積型半導体レーザ装置の構成を示すブロック図である。 半導体光増幅器およびＤＦＢレーザの電流変調度に対する光振幅変調度の変化特性を示す図である。 半導体光増幅器およびＤＦＢレーザの電流変調度に対する光スペクトル線幅の変化特性を示す図である。 半導体光増幅器およびＤＦＢレーザの双方に異なる変調周波数および変調度をかけた場合の光振幅変化の実験結果を示す図である。 半導体光増幅器およびＤＦＢレーザの双方に異なる変調周波数および変調度をかけた場合の光スペクトル線幅変化の実験結果を示す図である。 この実施の形態によって得ることができた光振幅変調度と光スペクトル線幅との関係を示す図である。 ＤＦＢレーザの駆動電流変化に対する光出力変化と波長変化との関係を示す図である。 従来のディザー信号駆動によって得られる光振幅変調度と光スペクトル線幅との関係を示す図である。

符号の説明

１ 集積型半導体レーザ素子
２ ＤＦＢレーザ
３ ＤＦＢレーザアレイ
４ 導波路
５ ＭＭＩ型カプラ
６ 半導体光増幅器
１１ ＡＰＣ回路
１２ ＡＣＣ回路
１３，１４ 加算器
Ｓ１，Ｓ２ ディザー信号源
Ｃ 制御部
Ｃ１ ディザー制御部

Claims (5)

1. レーザ光を発生するレーザストライプと該レーザストライプからの出力光を増幅する半導体光増幅器とが集積された集積型半導体レーザを有した集積型半導体レーザ装置であって、
   前記レーザストライプに注入する第１の電流に第１のディザー信号を印加する第１ディザー信号印加手段と、
   前記半導体光増幅器に注入する第２の電流に第２のディザー信号を印加する第２ディザー信号印加手段と、
   前記第１ディザー信号印加手段と前記第２ディザー信号印加手段とを制御し、前記第１のディザー信号および前記第２のディザー信号をそれぞれ独立して設定する制御手段と、
   を備え、前記制御手段は、前記集積型半導体レーザ装置から出力される出力レーザ光の光スペクトル線幅を制御する場合、前記光スペクトル線幅が誘導ブリルアン散乱を防止するために十分な広さとなるように前記第１のディザー信号を設定し、前記出力レーザ光の光強度変調度を制御する場合、前記光強度変調度が光信号経路追跡に適するように前記第２のディザー信号を設定する
   ことを特徴とする集積型半導体レーザ装置。
2. 前記制御手段は、前記第１のディザー信号および前記第２のディザー信号の周波数、変調度のうち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１に記載の集積型半導体レーザ装置。
3. 前記第２の電流は、前記半導体光増幅器が利得飽和の状態となるように設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の集積型半導体レーザ装置。
4. レーザ光を発生するレーザストライプと該レーザストライプからの出力光を増幅する半導体光増幅器とが集積された集積型半導体レーザを有した集積型半導体レーザ装置の駆動方法であって、
   前記レーザストライプに注入する第１の電流に第１のディザー信号を印加する第１ディザー信号印加ステップと、
   前記半導体光増幅器に注入する第２の電流に第２のディザー信号を印加する第２ディザー信号印加ステップと、
   前記第１のディザー信号および前記第２のディザー信号をそれぞれ独立して設定する制御ステップと、
   を含み、前記制御ステップは、前記集積型半導体レーザ装置からの出力レーザ光の光スペクトル線幅を設定する場合、前記光スペクトル線幅が誘導ブリルアン散乱を防止するために十分な広さとなるように前記第１のディザー信号を設定し、前記出力レーザ光の光強度変調度を設定する場合、前記光強度変調度が光信号経路追跡に適するように前記第２ディザー信号を設定するディザー信号設定ステップをさらに含む
   ことを特徴とする集積型半導体レーザ装置の駆動方法。
5. 前記第２の電流は、前記半導体光増幅器が利得飽和の状態となるように設定されることを特徴とする請求項４に記載の集積型半導体レーザ装置の駆動方法。

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