JP5157347B2 - 制御装置、レーザ装置、波長切替方法およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、例えばＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）伝送システム等に用いられる波長可変光源の波長切替動作に関する。

ブロードバンド時代を迎え、光ファイバの効率的な活用に向け、一台で複数の光波長の通信が可能なＷＤＭ伝送システムの導入が進んでいる。近年、数十の光波長を多重化し、より高速な伝送を可能にするＤＷＤＭ装置（高密度波長分割多重装置）の活用も拡がっている。これに伴い、各ＷＤＭ伝送システムには光波長毎に対応した光源が必要となり、高多重化に伴いその必要数は飛躍的に増加している。

最近では、任意波長を各ノードでＡｄｄ／ＤｒｏｐするＲＯＡＤＭ（Reconfigurable optical add/drop multiplexers）が、商用化を目指して検討されつつある。このＲＯＡＤＭシステムを導入すれば、波長多重による伝送容量の拡大に加え、波長を変えることによる光路切り換えが可能となるので、光ネットワークの自由度が飛躍的に高まる。

ＷＤＭ伝送システム用の光源としては、これまで単一軸モード発振するＤＦＢ−ＬＤ（Distributed feedback laser diode：分布帰還型半導体レーザ）がその使いやすさ及び信頼性の高さから幅広く使われてきた。ＤＦＢ−ＬＤは、共振器全域に深さ３０ｎｍ程度の回折格子が形成されており、回折格子周期と等価屈折率の二倍との積に対応した波長で安定した単一軸モード発振が得られる。しかし、動作温度によって発振波長を制御するＤＦＢ−ＬＤでは、発振波長の広範囲に渡るチューニングが不可能であるので、ＩＴＵグリッド毎に波長のみが異なった製品を用いて、ＷＤＭ伝送システムを構成している。このため、棚管理コストが上昇したり、故障対応のための余剰な在庫が必要になったりしていた。更に、波長により光路を切り換えるＲＯＡＤＭでは、通常のＤＦＢ−ＬＤを使用してしまうと、温度変化で変えられる３ｎｍ程度の波長範囲に可変幅が制限されてしまう。したがって、波長資源を積極的に使用するＲＯＡＤＭの特長を活かしたフレキシブルな光ネットワークの構築が困難であるとの問題があった。

これら現状のＤＦＢ−ＬＤのもつ課題を克服し、広い波長範囲で単一軸モード発振を実現すべく、波長可変光源としての波長可変レーザの研究が昨今精力的に行われている。

しかしながら、波長可変レーザにおいては波長切替時に出力される光出力が不安定になりやすい問題がある。あるｃｈの安定動作条件から、別のｃｈの安定動作条件へ切り替える間に必ず不安定な動作条件での動作が必要であるためである。このため波長切替時または切替直後に異常発振動作の不具合を起こしやすい問題があった。

本発明は、波長可変光源の波長切替時にも発振波長を安定させるために最適な動作条件を維持し続ける制御を行なう技術に関する。

本発明のようなＰＬＣ型の波長可変光源に関して開発が進められてきた（例えば、特許文献１、２参照）。

このような波長可変光源に関する構成図を図８に示す。

このレーザを実現する多重共振器は、互いに異なる光路長を有する第一乃至第三の共振器が光学的結合手段を介して連結されて成るものである。そして、第一の共振器の光路長がＬ０、第二の共振器の光路長がＬ１、第三の共振器の光路長がＬ２である。

各共振器は、後述するリング共振器の他に、例えば、エタロンフィルタ、マッハツェンダ干渉計、複屈折率結晶など、共振器になり得るものであればどのようなものでもよい。多重共振器を構成する各共振器は、光路長差に起因してＦＳＲ（free spectral range）が僅かに異なっている。そのため、各共振器で発生している光透過の周期的な変化が一致した波長（共振波長）において更に大きな光透過が発生する。このように、本発明では、光路長の僅かに異なる共振器を複数直列に接続して多重共振器を構成し、これにより発生するバーニヤ効果を巧みに利用している。

第一乃至第三の共振器は、互いに異なる光路長を有するリング状導波路から成る第一乃至第三のリング共振器、とすることができる。このとき、この多重共振器と、第一乃至第三のリング共振器の一つに光学的結合手段を介して一端が接続された入出側導波路と、第一乃至第三のリング共振器の他の一つに光学的結合手段を介して一端が接続された反射側導波路と、多重共振器、入出側導波路及び反射側導波路が形成された基板と、反射側導波路の他端に設けられた光反射器と、入出側導波路の他端に無反射膜を介して光入出力端が接続された光増幅手段と、多重共振器によって当該波長可変光源の共振波長を変化させる波長可変手段と、を備えた波長可変光源を構成することができる。

光増幅手段から出射された光は、光入出力端→無反射膜→入出側導波路→多重共振器→反射側導波路→光反射器→反射側導波路→多重共振器→入出側導波路→無反射膜→光入出力端、という経路を通って戻ってくる。この光学回路はフィルタとして機能しており、ある特定の波長の光のみが戻ってくる。各リング共振器で発生している共振周波数の周期的な変化が一致した波長（共振波長）において最も大きな反射が発生するからである。

この周期の一致する波長は各リング共振器の円周長と導波路屈折率変化の組み合わせにより大きく変わるため、効率の良い波長可変動作が得られる（特許文献１参照）。この導波路屈折率は例えば熱光学効果によって変えることができる。熱光学効果とは、熱によって材料の屈折率が増加する現象であり、通常どのような材料も持っている。すなわち、複数のリング共振器の温度特性を利用して、多重共振器の共振波長を変化させることが可能である。なお、熱光学効果以外の屈折率制御方法や円周長の制御によっても、波長を変動させることができる。具体的にはＦＰエタロンフィルタを縦列に組み合せて温度などで各エタロンの共振周波数や位相を制御するなどの方法がある。

波長可変手段は、例えば、膜状ヒータのようにリング共振器を加熱するものでも、リング共振器を冷却するものでもよく、また、光材料の屈折率を変化させるどのような手法でもよいし、機械的に導波路長を変化させるものでもよい。光増幅手段は、後述する半導体光増幅器（以下「ＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier）」という。）の他に、光ファイバ増幅器などの光増幅器でもよいし、半導体レーザ（レーザダイオード）などの光源でもよい。導波路は、石英ガラスやニオブ酸リチウムなど、どのような材料で形成してもよい。

このような波長可変光源を稼動させる上で波長をロックする機構は大変重要である。波長可変光源は発振波長を全体で５ＴＨｚ程度動かすことができるが、一旦波長を設定したら±２．５ＧＨｚの範囲で２０年間程度動作し続けることが要求されている。可変範囲に対する波長精度は１／１０００以上であり波長可変光源の各成部品の屈折率は４桁以上の精度で維持し続けることが出来ないといけない。一方化合物半導体など実際に使うデバイス材料で４桁以上の光学屈折率安定性を長期にわたって維持するのは大変難しい。そこで屈折率変動に追従して動作条件を最適化する制御を実施し続ける必要がある。

従来、リング共振器型波長可変光源においては発振波長を安定させるためにＳＯＡの位相電流に対してディザー制御を行ってきた。図９に位相電流最適化手法を示す。

図９に示すように波長可変光源ではＳＯＡ(Semiconductor Optical Amplifier)に設けられた位相制御領域にある周波数の正弦波で変調された位相電流を投入し、スルーポートに設けたＰＤに出力されるＰＤ電流出力のＡＣ振幅を最小にするような制御を行っている。

この位相制御領域は光導波路の注入電流によって化合物半導体のバンドギャップを変化させる原理で、屈折率を制御できる。スルーポートに出力される光出力が最小になるように位相電流のＤＣ成分を制御して、安定なレーザ動作条件への最適化を行う。

すなわち、ＳＯＡの位相制御領域にレーザから発振させる光出力が所定の周波数変動（１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚ）程度になるようなＡＣ振幅を掛けて動作させたとき、安定して動作するポイントはスルーＰＤ出力のＡＣ成分が最小になる条件である。そのような最適動作点に適合するようにＳＯＡ位相電流のＤＣ値を常に調整し続ける。

このような制御を位相電流ディザー制御とよんでおり、この最適制御を行うことでレーザを安定した動作条件で長期にわたって動作させる。

本発明のような可変共振器を用いた波長可変光源ではレーザ動作時にＳＯＡの劣化やＰＬＣの屈折率変動が内部でと最適な動作位相電流の値が次第に変化していく。特性が劣化したときの位相特性の一例を図９に示す。ＳＯＡが劣化するとＳＯＡ内の屈折率が微妙に変化するため、図１０のように最適動作するＳＯＡ位相電流値も変化してくる。このため特性劣化に追随するためディザー制御は必須である。

このように、ディザー制御によって最適な位相電流値に追従がかかっているため、ＳＯＡやＰＬＣが経年変化によって劣化しても発振波長が飛んだりするようなことはない。

このため波長可変光源が同一波長で動作し続けていれば問題は発生しないが、波長可変光源が劣化する程度の期間連続動作を続けてきた状態で波長チャンネルの切り替えを行うと、劣化によってずれた位相成分の分を補正していかないと不安定な位相電流の条件でレーザ発振をしてしまう。

具体的に、ディザーロックがうまく動作しない例を、図１１を参照して説明する。横軸にＳＯＡ位相電流ＤＣ成分量、縦軸にスルーＰＤのＡＣ振幅をプロットしたグラフである。

矢印(正しい波長ロック)に指し示す条件に当たるＤＣ位相電流値に調整することで最適な制御ができる。

しかし、矢印（異常ロック）に示すようにＡＣ振幅の位相特性にはローカルなミニマム値が凹型の形状を示す条件が存在するため矢印で示した以外の条件に最適化されてしまう場合がある。すなわち、ディザー振幅特性の形状は必ずしも綺麗な形状ではないため、波長切り替え時の初期値によっては異常なロック点でロックがかかったと判定してしまう可能性がある。ここでは、本来ａの位置でロックをかけなければならないが、ｂまたはｃの位置でロックがかかってしまう。

このような位相条件にロックされてしまうと所望以外の波長で発振したり、波長は所望どおりであっても非常に品質の悪い（化合物半導体に非線形減少に起因する強度変調がかかってしまう）光が出力されたりするという問題がある。
特開２００６−１９６５５４号公報 特開２００６−２１６７９１号公報

典型的な波長可変光源では上記のような波長切替の間、異常な光がファイバに入らないようにシャッターを下ろして遮光する。通常動作時シャッターは開いたままである。このため波長切替の間だけは異常特性の光が出力されても問題ない。

このような問題を回避するために波長ロッカのような波長を実際にモニタできる光素子を設ける手法もあるが、その分コストが上昇してしまう。また、位相特性を一回走査測定して位相形状を完全に明らかにする手法もあるが、正確な位相特性の形状を得るためには高い測定精度の測定を行う必要があり、切り替えに大変長い時間がかかってしまい不都合である。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、コストや時間をかけずに異常な発振波長への誤ロックを防ぐことを目的とする。

本願発明に係る制御装置は、発振波長を安定化させる位相変調がかけられた波長可変光源の波長切替えを制御する制御装置であって、位相変調は波長可変光源の位相制御領域の位相電流を制御するものであり、波長を切り替える場合に、位相電流のAC成分の振幅（位相変調振幅）を波長切替え前の数倍の振幅に設定した状態で位相電流のDC成分を調整し、位相電流のAC成分の振幅（位相変調振幅）を波長切替え前の振幅に戻した状態で位相電流のDC成分を再調整する特徴を有している。

また、本願発明に係るレーザ装置は、本発明は、発振波長を安定化させる位相変調がかけられた波長可変光源の波長切替えを制御する制御手段を含み、位相変調は波長可変光源の位相制御領域の位相電流を制御するものであり、波長を切り替える場合に、制御手段は位相電流のAC成分の振幅を波長切替え前の数倍の振幅に設定した状態で位相電流のDC成分を調整し、前記位相電流のAC成分の振幅を波長切替え前の振幅に戻した状態で位相電流のDC成分を再調整する特徴を有している。

また、本願発明に係る波長切替え方法は、発振波長を安定化させる位相変調がかけられた波長可変光源の波長切替え方法であって、位相変調は波長可変光源の位相制御領域の位相電流を制御するものであり、波長を切り替える場合に、位相電流のAC成分の振幅を波長切替え前の数倍の振幅に設定した状態で位相電流のDC成分が調整され、位相電流のAC成分の振幅を波長切替え前の振幅に戻した状態で位相電流のDC成分が再調整される特徴を有している。

本発明によれば、コストや時間をかけずに異常な発振波長への誤ロックを防ぐことができる。

以下、本発明の実施の形態の波長切替方法について図面を参照して詳細に説明する。

図１１の矢印(正しい波長ロック)に指し示す条件に当たるＤＣ位相電流値に調整することで最適な制御ができるが、矢印（異常ロック）に示すようにＡＣ振幅の位相特性にはローカルなミニマム値が凹型の形状を示す条件が存在するため矢印で示した以外の条件に最適化されてしまう場合があり、このような条件に最適化されないようにするための工夫が必要になる。

図１、２に示すように、ＡＣ振幅の値は振り幅の範囲の最大・最小値の差なので、ディザー振幅の振り幅を通常動作時の振り幅より大きくすると丁度平均化処理がかかったようになり、凹形状の谷のへこみを小さくすることができる。

ここで、波長切り替えの時に位相振幅の振り幅を通常動作時の設定値より大きく振るようにすると異常な位相条件での波長ロックは発生しにくくなる。この特性を利用して異常な波長ロックでの動作を抑制する。

図１に示すように、ＳＯＡ位相振幅を、例えば、『位相変調振幅（ディザー）の振り幅２００ＭＨｚ相当から５００ＭＨｚ相当というように大幅に拡大する。すると、スルーＰＤのＡＣ成分も全体に増大し、正常動作点でないミニマム点が消失する。このため異常なロック点で動作することがなくなる。このため安定な位相ロック動作を実現するためには比較的大きなＳＯＡ位相振幅幅に設定したほうが都合が良い。

しかし通常動作中にＳＯＡの位相振幅を大きくするのは都合が悪い。これはＳＯＡの位相振幅は発振波長の品質に大きな影響を与えるためである。例えば、『位相変調振幅（ディザー）の振り幅１００ＭＨｚ相当以下のように振り幅を小さくしすぎると誘導ブリルアン散乱と呼ばれる光学非線形現象に起因する非線形劣化を引き起こし、光ファイバー中での信号波形が大きく崩れてしまい伝送特性が劇的に劣化する。また『位相変調振幅（ディザー）の振り幅５００ＭＨｚ相当以上のように大きすぎるとＰＬＣ光フィルタの透過特性形状の影響を受けて残留ＡＭと呼ばれる光出力変動が光出力に乗ってしまう。この光出力変動が発生するとやはり伝送距離を大きく制限してしまう。このような位相振幅は波長可変光源を使用するシステムベンダーが設計した伝送装置の仕様に併せて変調値を決定するため、波長可変光源が勝手に変えることはできない。

一方異常出力の問題が発生するのは多くの場合波長切替時であることと、光シャッターやＶＯＡ（Variable optical attenator：可変光減衰器）のような外部に光を漏らさない機構を波長可変光源に設けていることから、波長切替の間だけディザーの位相振幅を増大させるのであれば、光伝送特性を劣化させること無く安定な波長切替を実施できる。このように波長切替時に何らかの手法で遮光し、大きな位相変調を光出力に掛けつつ波長切替を行い、切替が完了したら位相変調量を元に戻すという制御方式が本発明である。

なお、光シャッターはＯＮ／ＯＦＦを切り替えるデバイス、ＶＯＡは光出力を調整することが出来るデバイスを一般に示す。ＶＯＡでも出力を最初まで絞ればほとんど光が出なくなるため光シャッターとしても使うことが出来る。

次に、３段リング共振器型フィルタを備えるレーザ装置のＣＰＵ等の制御手段が制御する本実施の形態の波長切替方法を図面を参照して説明する。

まず、図３を参照すると、３段リング共振器型フィルタが通常動作にある状態から、波長切り替えが開始される（ステップＳ０１）。

そして、ＶＯＡにより外部への光信号出力を停止する（ステップＳ０２）。ディザー振幅を大きくして最適化調整を行っている間は不安定な位相条件での動作になってしまうので所望の波長以外の波長が出力される可能性が高い。すなわち、ディザー振幅を拡大すると出力される光の品質も劣化する。そこで、ディザー振幅を拡大したまま光出力をアウトプットしてはいけなく、波長切り替え時には何らかの光の遮蔽装置、所謂ＶＯＡ（Variable Optical Attenator）又は光シャッターを設けて、ＭＤＬから光が漏れないようにする必要がある。光のシャッターを用いてさえいれば、ディザー振幅を大きくしようが小さくしようが自由に調整可能である。なお、ここでＴＬＳは通常通りに動作している。

次に、図４を参照すると、位相変調振幅（ディザー）を拡大する（ステップＳ０３）。すなわち、ＳＯＡ位相電流に印加している電流のＡＣ振幅を拡大する。

位相変調振幅幅を拡大したことでスルーＰＤから出力される位相変調量も拡大する（ステップＳ０４）。すなわち、ＳＯＡ位相電流のＡＣ振幅拡大に対応してスルーＰＤのＡＣ振幅も拡大する。

次に、図５を参照すると、スルーＡＣ成分が平均化される（ステップＳ０５）。

そして、ＴＯへの投入電力を制御して波長を切り替える（ステップＳ０６）。

次に、図６を参照すると、適切なＳＯＡ位相電流初期値から始めて最適値にチューニングする（ステップＳ０７）。

そして、位相変調振幅（ディザー）を通常動作条件に戻して最適化条件に合わせる（ステップＳ０８）。

次に、図７を参照すると、ＶＯＡを開いて光出力を再開する（ステップＳ０９）。

その後、定常動作に復帰する（ステップＳ１０）。

このように波長可変光源の波長の切り替え動作を行う間にディザー振幅を制御することで安定な波長切り替え動作を実現する。

本実施の形態は、エタロンフィルタやサンプルグレーティングを用いたチューナブル光源にも同様に適用可能である。

なお、上述する各実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更実施が可能である。例えば、レーザ装置の機能を実現するためのプログラムを装置に読込ませて実行することにより装置の機能を実現する処理を行ってもよい。さらに、そのプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体であるＣＤ−ＲＯＭまたは光磁気ディスクなどを介して、または伝送媒体であるインターネット、電話回線などを介して伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。

本発明の実施の形態に係るディザー振幅拡大時の位相特性を示す図である。 本発明の実施の形態に係るディザー振幅拡大を説明する図である。 本発明の実施の形態に係る波長切り替えの処理フローを説明する図である。 本発明の実施の形態に係る波長切り替えの処理フローを説明する図である。 本発明の実施の形態に係る波長切り替えの処理フローを説明する図である。 本発明の実施の形態に係る波長切り替えの処理フローを説明する図である。 本発明の実施の形態に係る波長切り替えの処理フローを説明する図である。 従来からの波長可変光源に関する構成図である。 従来からのディザーロックのしかけを説明する図である。 従来からの特性が劣化した時の位相特性を示す図である。 従来のディザーロックがうまく動作しない例を説明する図である。

Claims (7)

1. 発振波長を安定化させる位相変調がかけられた波長可変光源の波長切替えを制御する制御装置であって、
   前記位相変調は前記波長可変光源の位相制御領域の位相電流を制御するものであり、
   波長を切り替える場合に、
   前記位相電流のAC成分の振幅を波長切替え前の数倍の振幅に設定した状態で前記位相電流のDC成分を調整し、
   前記位相電流のAC成分の振幅を波長切替え前の振幅に戻した状態で前記位相電流のDC成分を再調整する
   ことを特徴とする制御装置。
2. 前記位相電流のAC成分の振幅を波長切替え前の数倍の振幅に設定する前に、外部への光出力を遮蔽し、
   前記位相電流のAC成分の振幅を波長切替え前の振幅に戻した状態で前記位相電流のDC成分を再調整した後に、外部への光出力を再開する
   ことを特徴とする請求項１記載の制御装置。
3. 発振波長を安定化させる位相変調がかけられた波長可変光源の波長切替えを制御する制御手段を含み、
   前記位相変調は前記波長可変光源の位相制御領域の位相電流を制御するものであり、
   波長を切り替える場合に、前記制御手段は、
   前記位相電流のAC成分の振幅を波長切替え前の数倍の振幅に設定した状態で前記位相電流のDC成分を調整し、
   前記位相電流のAC成分の振幅を波長切替え前の振幅に戻した状態で前記位相電流のDC成分を再調整する
   ことを特徴とするレーザ装置。
4. 前記制御手段は
   前記位相電流のAC成分の振幅を波長切替え前の数倍の振幅に設定する前に、外部への光出力を遮蔽し、
   前記位相電流のAC成分の振幅を波長切替え前の振幅に戻した状態で前記位相電流のDC成分を再調整した後に、外部への光出力を再開する
   ことを特徴とする請求項３記載のレーザ装置。
5. 発振波長を安定化させる位相変調がかけられた波長可変光源の波長切替え方法であって、
   前記位相変調は前記波長可変光源の位相制御領域の位相電流を制御するものであり、
   波長を切り替える場合に、
   前記位相電流のAC成分の振幅を波長切替え前の数倍の振幅に設定した状態で前記位相電流のDC成分が調整され、
   前記位相電流のAC成分の振幅を波長切替え前の振幅に戻した状態で前記位相電流のDC成分が再調整される
   ことを特徴とする波長切替え方法。
6. 前記位相電流のAC成分の振幅を波長切替え前の数倍の振幅に設定する前に、外部への光出力が遮蔽され、
   前記位相電流のAC成分の振幅を波長切替え前の振幅に戻した状態で前記位相電流のDC成分を再調整した後に、外部への光出力を再開される
   ことを特徴とする請求項５記載の波長切替え方法。
7. コンピュータシステムに請求項１から４のいずれか１項に記載の機能を実現させること
   を特徴とするプログラム。

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