JP5153432B2

JP5153432B2 - 波長ロッカモジュール

Info

Publication number: JP5153432B2
Application number: JP2008110177A
Authority: JP
Inventors: 成孝板倉; 清秀酒井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-04-21
Filing date: 2008-04-21
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2028-04-21
Also published as: JP2009260182A

Description

この発明は、光ファイバ通信に使用される波長ロッカモジュールに関する。

波長分割多重・光通信システム(ＷＤＭシステム)では、求められる光信号の周波数間隔が１００ＧＨｚ間隔から５０ＧＨｚ，２５ＧＨｚ間隔と狭くなってきており、通信用の波長可変レーザモジュールにおいては、各光信号波長の波長ずれを防止し、任意の波長に高い精度で固定する必要がある。そこで近年のレーザモジュールでは波長ロッカが標準的に搭載される傾向にある。

レーザモジュールの波長ロッカには通常エタロンが利用される。エタロン透過前の光及びエタロン透過後の光を別々の受光素子で検知し、そのフィードバックにより発光素子の温度調整で発振波長を制御する。しかし、通常エタロンは透過波長に温度特性を持っており、高精度に波長を固定するにはエタロンの温度補償が欠かせない。

そこで従来、エタロンの温度特性による波長ずれを、熱膨張を利用した入射角変化手段を用いて、エタロンの入射角特性としての波長ずれで補償する波長ロッカがある(例えば、特許文献１)

特開２００２−３５３５５８号公報

上記した従来の波長ロッカは、温度変化に対して熱膨張によるレンズホルダの位置ずれを利用してエタロンへの入射光ビームの光軸方向を制御している。しかし、熱膨張という機械的な変化を利用しているため、材料の熱膨張係数のばらつき管理や固定位置を決める工作精度の管理が厳密に必要であるという課題があった。また、レンズ、レンズホルダ、レンズホルダ設置部分の各々の熱膨張係数が異なるため、構成部品間で歪みを生じ再現性が得られ難いという課題もあった。また、構成部品数が多く構造も複雑であるため、低コストでの提供が困難であるという課題もあった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、簡易な構造によりエタロンの温度特性によるロック波長のずれを正確に補償し、レーザ光(光ビーム)の発振波長を高精度に安定化できる波長ロッカモジュールを低コストで提供することを目的とする。

この発明は、発光素子の発振波長を固定するために前記発光素子からの入射光ビームのエタロンの透過前と透過後の光を検知し、検知信号を前記発光素子の発振波長制御部へフィードバック信号として送る波長ロッカモジュールであって、温度変化に従って透過波長が変わる透過波長の温度特性を有する前記エタロンと、前記エタロンの入射面側に設けられ、温度変化に従って屈折率が変わる屈折率の温度特性を有し、前記発光素子からの入射光ビームを屈折させて前記エタロンに出射し、前記エタロンと同じ温度変化において、出射光の前記エタロンへの入射光角度が前記エタロンの温度特性を打ち消す入射光角度となる頂角を有するプラスチック材料のプリズムと、を備えたことを特徴とする波長ロッカモジュールにある。

この発明では、簡易な構造によりエタロンの温度特性によるロック波長のずれを正確に補償し、光ビームの発振波長を高精度に安定化できる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における波長ロッカモジュールの構成図である。図１において、１は透過波長の選択機能を有する(レーザ光の任意に設定された周波数で発振するファブリペロ共振器の機能を有する)水晶エタロン、２は水晶エタロン１への入射角度を変化させるプラスチック材のプリズム、３は水晶エタロン１透過後の光を入射、検知して電気信号に変換する第１の受光素子、４は水晶エタロン１透過前の光を入射、検知して電気信号に変換する第２の受光素子、６はプラスチック材のプリズム２の入射面側に形成された、第２の受光素子４への分岐光を得るための光分岐フィルタ、７は水晶エタロン１、プラスチック材のプリズム２、第１及び第２の受光素子３，４、光分岐ファイル６等の構成品をそれぞれ所望の位置に固定支持するためのブロック、９は入射光ビーム、１０は入射光ビーム９を出射する例えば半導体レーザ素子からなる発光素子、１１は第１及び第２の受光素子３，４で検知されたフィードバック信号である光検知信号の出力比に従って発光素子１０の発振波長を制御する発振波長制御部(例えば発光素子の温度調整による)である。水晶エタロン１とプラスチック材のプリズム２はブロック７上で互いに近傍の位置に設けられる。光分岐フィルタ６はプラスチック材のプリズム２の出射面側に形成してもよい。

すなわち、発光素子１０から出射されたレーザ光である入射光ビーム９からなる入射光を屈折させたプラスチック材のプリズム２の出射光が水晶エタロン１に入射され、水晶エタロン１で選択された透過波長の出射光が第１の受光素子３に入射され、一方、プリズム２の入射面側の光分岐フィルタ６で分岐された分岐光が第２の受光素子４に入射される。第１、第２の受光素子３，４で検知された光検知信号はフィードバック信号として発振波長制御部１１に送られる。

次に動作について説明する。通常波長ロッカではエタロンが利用され、エタロン透過後及び透過前の光を別々の第１の受光素子３、第２の受光素子４で検知し、そのフィードバック信号が発振波長制御部１１に送られ、発振波長制御部１１により発光素子１０の発振波長を制御する。実施の形態１に示す波長ロッカモジュールではそのエタロンに水晶エタロン１を用いている。

様々なエタロンがある中、水晶エタロン１を適用した理由は、まず、透過波長の温度特性(温度変化によるビーム光の各周波数での透過率の変化、すなわち温度変化による透過波長の変化)が小さい点である。水晶は熱膨張係数がガラス並みに大きいが、一方で屈折率の温度特性(ｄｎ／ｄＴ)が大きな負の値であるため、各々の特性が打ち消しあい温度特性が改善される。よって水晶エタロン１の透過波長の温度特性は図２示すように４ｐｍ／℃程度となり、これは同じソリッドエタロンである石英エタロンと比較し約１／３程度の温度特性である。価格的に水晶エタロン１と石英エタロンは同程度であることから、水晶エタロン１はコスト対性能に優れる。

また、温度特性が小さいエタロンとしてエアギャップエタロンも考えられる。しかし、エアギャップエタロンは気圧による特性変化が大きく気密パッケージに適さない。また、ある程度の大きさが必要となり小型化にも適さない。それに対し水晶エタロン１は、波長１．５５μｍ帯において透過波長周期性の周波数間隔を５０ＧＨｚとするとエタロン長は２ｍｍ程度であり、小型モジュール内蔵に最適である。なおこの発明ではエタロンの透過波長周期性の周波数間隔は例えば２５ＧＨｚ、５０ＧＨｚ、１００ＧＨｚ等を想定しており、相当な効果を奏する。

以上に示した通り水晶エタロン１には４ｐｍ／℃程度の透過波長の温度特性があるが、一方、水晶エタロン１には図３に示すような透過波長の入射光角度依存性がある。例えば反射戻り光対策のために入射光に対する水晶エタロン１の初期設定角度を３°とすると、図４に示す通り入射光角度特性(入射光角度による透過波長変化)は−６３０ｐｍ／ｄｅｇ程度となる。入射角度が大きくなると透過波長が短波長側にシフトするため、水晶エタロン１における温度特性による透過波長の長波長側へのシフトを、水晶エタロン１への入射光角度の増加により補償できる。例えば温度が常温(２５℃)に対して１０℃上昇すると水晶エタロン１の透過波長が４０ｐｍ長波長側にシフトするので、０．０６°入射角度を大きくすればよい。
この発明におけるエタロンは例えば、透過波長の温度特性が４ｐｍ／℃以上７ｐｍ／℃以下の水晶エタロンであり、かつ入射光角度０．５°以上３．０°以下の範囲において、−１００ｐｍ／ｄｅｇ以下−７００ｐｍ／ｄｅｇ以上の入射光角度特性を持つことを想定している。

このように温度変化に対して入射角度を大きく変化させる手段として、水晶エタロン１の入射面と対向してプラスチック材料のプリズム２を設置し、プリズム２からの出射光を水晶エタロン１の入射面で受ける。プリズム２は、例えば材料に日本ゼオン株式会社のＺＥＯＮＥＸ(商標登録)を用いて作製したプリズムであり、波長１．５５μｍ帯における屈折率ｎ＝１．５１３、また屈折率の温度特性(ｄｎ／ｄＴ)＝−１．１３３×１０^−４である。
この発明におけるプラスチック材料のプリズムは、屈折率の温度特性(ｄｎ／ｄＴ)(但し、ｎは屈折率、Ｔは温度(Ｋ))の絶対値が１．０×１０^−５／Ｋ以上１．０×１０^−３／Ｋ以下であることを想定している。

図５にプラスチック材料のプリズム２の温度変化による出射光角度変化すなわち屈折率変化の様子を示す。プリズム２の光の透過方向に沿った断面は、直角と角度θの頂角を有する三角形となっている。図５に示すような頂角θのプリズムからの出射角θ’は、材料の屈折率の温度特性(ｄｎ／ｄＴ)を用いて簡単に計算でき、θ’＝{ｎ＋(ｄｎ／ｄＴ)δＴ}θ(但し、ｎは屈折率、屈折率の温度特性(ｄｎ／ｄＴ)、δＴは温度変化量(℃))となる。よって水晶エタロン１と同じ温度上昇において、プリズム２からの出射光が適切に水晶エタロン１の温度特性を打ち消す入射角度になるようプリズム２の頂角θを設計する。例えば、上記と同じく水晶エタロン１が常温(２５℃)に対して１０℃上昇した場合、水晶エタロン１とプリズム２は同一の金属またはセラミックのブロック７上の近傍に設置しており、温度はほぼ同じく１０℃上昇する。プラスチック材料を用いたプリズム２の、波長１．５５μｍでの屈折率をｎ＝１．５１３、また屈折率の温度特性(ｄｎ／ｄＴ)＝−１．１３３×１０^−４とすると、プリズム２の頂角θ＝３２°のときに０．０６°の出射角度変化となる。つまり、水晶エタロン１の温度特性による長波長側への４０ｐｍの透過波長シフトが入射角度特性による短波長側への４０ｐｍの透過波長シフトで相殺され、温度補償が可能となる。

また、プリズム２の入射面側には、第２の受光素子４への入射光を分離するための光分離フィルタ６が構成されている。水晶エタロン１透過後の光を検知する第１の受光素子３と水晶エタロン２透過前の光を検知する第２の受光素子４の出力比により波長制御を行う。

以上の実施の形態１の構成により、水晶エタロンの温度特性に伴う透過波長のずれを補償し、レーザ光からなる光ビームの発振波長を高精度に安定化できる。実施の形態１では温度変化に伴うプリズム２の屈折率変化を利用した構成となっており、機械的ではなく光学的な変化により制御しているため、水晶エタロン１とプリズム２を一度正確に設置すれば、精度、再現性ともに優れた温度補償が可能となる。また、部品数が少なく、モジュール内部は非常に簡易な構造であることから、波長ロッカモジュールの小型化および低コストでの提供が可能となる。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２における波長ロッカモジュールの構成図である。上記実施の形態と同一もしくは相当部分は同一符号で示し説明を省略する。図６の波長ロッカモジュールは、図１に示す波長ロッカモジュールにおいて、プリズム２の入射面に対向して光軸調整用プリズム５を配置した構造であり、さらにプリズム２の入射面側に形成されていた光分岐フィルタ６を、光軸調整用プリズム５の出射面側に形成している。その他の構成は、上記実施の形態１の場合と同様である。水晶エタロン１とプラスチック材のプリズム２と光軸調整用プリズム５はブロック７上で互いに近傍の位置に設けられる。光分岐フィルタ６は光軸調整用プリズム５の入射面側に形成してもよい。

すなわち、入射光が光軸調整された光軸調整用プリズム５の出射光がプリズム２に入射され、一方、光軸調整用プリズム５の出射面側の光分岐フィルタ６で分岐された分岐光が第２の受光素子４に入射される。

プリズム２は屈折率の大きなプラスチック材料のプリズムであるのに対し、光軸調整用プリズム５はガラスのプリズムであり、その頂角はプリズム２と同じ頂角θである。上記実施の形態１の場合は、プリズム２に対して斜めの角度から光を入射する必要があったが、光軸調整用プリズム５の挿入により、光軸調整用プリズム５への入射光の光軸方向と、第１の受光素子３への入射光の光軸方向とが統一されるため、モジュールを構成しやすい。また光分岐フィルタ６を光軸調整用プリズム５に構成するため、プリズム２に構成する場合と比較してプリズム２の温度に対する入射角度特性を補償しやすく、より精度の良い波長ロッカモジュールの提供が可能となる。

実施の形態３．
図７は、この発明の実施の形態３における波長ロッカモジュールの構成図である。上記実施の形態と同一もしくは相当部分は同一符号で示し説明を省略する。図７の波長ロッカモジュールは、図１に示す波長ロッカモジュールにおいて、プリズム２と水晶エタロン１の間にそれぞれに対向してビームスプリッタ８を配置した構造である。水晶エタロン１とプラスチック材のプリズム２とビームスプリッタ８はブロック７上で互いに近傍の位置に設けられる。

すなわち、入射光を屈折させたプラスチック材のプリズム２の出射光がビームスプリッタ８に入射され、ビームスプリッタ８で光路分岐された第１の光路の出射光は水晶エタロン１へ入射され、選択された透過波長の光が水晶エタロン１を透過して出射して第１の受光素子３へ入射される。また、第２の光路の出射光は第２の受光素子４へ入射するように出射される。

図１及び図６では、プリズム２入射前における光のパワーをモニタしているが、図７に示す波長ロッカモジュールでは、プリズム２出射後の光をビームスプリッタ８を用いて第１の光路および第２の光路に分岐し、第１の光路の光は水晶エタロン１を透過後、第１の受光素子３へ入射される。また、第２の光路の光は第２の受光素子４へ入射される。実施の形態３の構成により、プリズム２の温度変化に伴う光パワーの減衰が生じたとしても、それを無視して第１の受光素子３と第２の受光素子４の出力比で正確に波長を制御できる。またビームスプリッタ８は入手が容易でかつ安価なため、低コストで提供可能である。

この発明の実施の形態１による波長ロッカモジュールの構成図である。この発明による波長ロッカモジュールの水晶エタロンの透過波長の温度特性による波長シフトを示す図である。この発明による波長ロッカモジュールの水晶エタロンの入射角度依存性による波長シフトを示す図である。この発明による波長ロッカモジュールの水晶エタロンの初期設定角度を変化させた場合の入射角度依存性による波長シフトを示す図である。この発明による波長ロッカモジュールのプラスチック材料のプリズムの温度変化による出射光角度変化を示す図である。この発明の実施の形態２による波長ロッカモジュールの構成図である。この発明の実施の形態３による波長ロッカモジュールの構成図である。

符号の説明

１水晶エタロン、２プラスチック材料のプリズム、３第１の受光素子、４第２の受光素子、５光軸調整用プリズム、６光分岐フィルタ、７ブロック、８ビームスプリッタ、９入射光ビーム、１０発光素子、１１発振波長制御部。

Claims

発光素子の発振波長を固定するために前記発光素子からの入射光ビームのエタロンの透過前と透過後の光を検知し、検知信号を前記発光素子の発振波長制御部へフィードバック信号として送る波長ロッカモジュールであって、
温度変化に従って透過波長が変わる透過波長の温度特性を有する前記エタロンと、
前記エタロンの入射面側に設けられ、温度変化に従って屈折率が変わる屈折率の温度特性を有し、前記発光素子からの入射光ビームを屈折させて前記エタロンに出射し、前記エタロンと同じ温度変化において、出射光の前記エタロンへの入射光角度が前記エタロンの温度特性を打ち消す入射光角度となる頂角を有するプラスチック材料のプリズムと、を備えたことを特徴とする波長ロッカモジュール。
前記エタロンに入射される前の前記入射光ビームの光の一部を分岐させる光分岐手段と、
前記エタロンを透過した光を検知する第１の受光素子と、
前記光分岐手段で分岐された光を検知する第２の受光素子と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の波長ロッカモジュール。
前記光分岐手段が、前記プラスチック材料のプリズムの入射面側又は出射面側に形成された光分岐フィルタからなることを特徴とする請求項２に記載の波長ロッカモジュール。
前記プラスチック材料のプリズムの入射側に設けられ前記入射光ビームを光軸調整して前記プラスチック材料のプリズムに出射する光軸調整用プリズムを備え、前記光分岐手段が前記光軸調整用プリズムの出射面側又は入射面側に形成された光分岐フィルタからなることを特徴とする請求項２に記載の波長ロッカモジュール。
前記光分岐手段が、前記プラスチック材料のプリズムとエタロンとの間に挿入されたビームスプリッタからなることを特徴とする請求項２に記載の波長ロッカモジュール。
前記エタロンと前記プラスチック材料のプリズム又はさらに光軸調整用プリズム又はさらに前記ビームスプリッタを同一ブロック上の近傍に設けたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の波長ロッカモジュール。
前記エタロンの透過波長周期性の周波数間隔が２５ＧＨｚ、５０ＧＨｚ、１００ＧＨｚのいずれかであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の波長ロッカモジュール。
前記エタロンは、透過波長の温度特性が４ｐｍ／℃以上７ｐｍ／℃以下の水晶エタロンであり、かつ入射光角度０．５°以上３．０°以下の範囲において、−１００ｐｍ／ｄｅｇ以下−７００ｐｍ／ｄｅｇ以上の入射光角度特性を持つことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の波長ロッカモジュール。
前記プラスチック材料のプリズムは、屈折率の温度特性(ｄｎ／ｄＴ)(但し、ｎは屈折率、Ｔは温度(Ｋ))の絶対値が１．０×１０^−５／Ｋ以上１．０×１０^−３／Ｋ以下であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の波長ロッカモジュール。
前記エタロンの透過波長の温度特性による透過波長シフトに対し、入射光角度特性により温度特性による前記透過波長シフトを補償する方向にシフトする入射角度θ’となるように、θ’＝[ｎ＋(ｄｎ／ｄＴ)δＴ]θ(但し、ｎは屈折率、屈折率の温度特性(ｄｎ／ｄＴ)、δＴは温度変化量(℃))の式より求まるθに基づき、前記プラスチック材料のプリズムの頂角θが設定されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の波長ロッカモジュール。