JP5333236B2 - 波長可変光源、光モジュールおよび波長可変光源の制御方法 - Google Patents

波長可変光源、光モジュールおよび波長可変光源の制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、多重リング共振器を用いて光の波長を変えることができる波長可変光源に関し、特に該波長可変光源においてより安定した波長の出力光を得ることに関する。
インターネットの急成長、特に動画や音声などの大容量コンテンツの利用の増大などによって、近年ネットワークトラフィックが劇的に増加している。波長分割多重(WDM:Wavelength Division Multiplexing)光通信は、一本の光ファイバで複数波長の光を伝送可能なため、近年のネットワークにおいて要求される大容量伝送に適している。最近では、さらに多くの波長の異なる光を伝送する高密度波長分割多重(DWDM:Dense
Wavelength Division Multiplexing)通信の需要が高まっている。
WDM通信システムにおいては各波長に対応した光源が必要となるが、ネットワークの大容量化に伴い、さらに多くの波長が必要となるため、汎用の固定波長半導体レーザでは対応しきれない状況となりつつある。そのため、1つの光源で複数の波長を出力することが可能である波長可変レーザ光源が、次世代の光通信におけるキーデバイスとして期待されている。
汎用のWDM通信の光源としては、活性層全体に沿って回折格子が形成されている分布帰還型(DFB:Distributed Feed-Back)レーザや活性領域と分布反射領域が同一素子内に形成された分布反射器(DBR:Distributed
Bragg Reflector)レーザがよく使われてきた。しかしながら、可変波長範囲はDFBレーザで3nm以内、DBRレーザで10nm以内であり、実際にWDM装置に適用するためには不十分である。
DBRレーザを改良し、回折格子周期を周期的に変化させた構造を配置したSampled-Grating-DBRレーザでは、バーニア効果を利用して数十nmオーダの可変波長動作が可能である。しかし、同一素子内に活性領域と分布反射領域が形成されたDBRレーザでは、素子サイズが大きくならざるを得ず、複雑な製造工程を必要とする。さらに、長期的に電流を注入することで分布反射領域の欠陥が増加するため、注入電流に対する屈折率変動の割合が大きく変化し、長期信頼性を確保するのが非常に困難である。このように、今まで多くの可変波長半導体レーザが提案されているものの、未だ多くの問題を抱えており、実用化が困難な状況にある。
図18は、特許文献1に記載されたリング共振器を利用した波長可変レーザ光源300の構成を示す概念図である。図18に示す波長可変レーザでは、SOA(半導体光増幅器)321で発振された光がリング共振器301〜302に入力され、終端のループミラー322で反射されてSOA321に戻ってきて出力される。
その際、リング共振器301〜202に取り付けられたヒータ311〜312に通電することでリング導波路の温度を変化させ、実効屈折率を変化させることで、出力光が所望の波長にチューニングされる。そのため、電流を直接注入する制御方式よりも長期的な特性変化が小さい。また、共振円周の僅かに異なったリング共振器を複数段にすることで、単体リング共振器での1nmの間隔である共振ピーク波長が、バーニア効果により数十nmの広い間隔で1波長でのみ一致する。
したがって、この波長で非常に良好な単一モード発振を実現でき、発振波長は各リングのヒータ電力を調整することで選択できる。このようなPLC(Planer Lightwave Circuit)素子とSOAによる波長可変レーザ光源は、特性面、量産性の面で他の波長可変レーザに比べて優れており、今後の発展が期待できる。
その他、波長可変光源に関連する特許文献として、特許文献2には、モニタ用の受光素子の直前の光導波路でモニタ光を適正な強度にまで減衰させるという技術が開示されている。
特開2006−245346号公報 特開2003−233047号公報
しかしながら、図18に示した複数段のリング共振器による波長可変レーザでは、まずITU(International Telecommunication Union)グリッド間隔に対応した共振円周を持ち発振波長を決める基準となるリングを決め、他の僅かに共振周回長の異なるリング共振器の共振ピーク波長を、ヒータ電力を調整することで基準リングの共振ピーク波長に合わせる。そこで、各リングの共振ピークを正確に合わせないと、基準リング波長からの乖離やモード飛び(波長飛び)が発生する。
本発明の目的は、波長飛びを起こさずに安定した出力光波長を得ることのでき、かつ意図しない高出力の光が放出されることのない波長可変光源、光モジュール、および波長可変光源の製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明に係る波長可変光源は、互いに異なる光路長を有するとともに互いに連結された複数のリング共振器を含む多重共振器と、リング共振器の出力はドロップポートとスルーポートからなり、複数の共振器のそれぞれのスルーポートを経て出力される光パワーを検出する複数の光検出部と、複数のリング共振器のそれぞれ独立に作用して多重共振器の透過率を変化させる複数の光可変部と、多重共振器へ光を供給するとともに当該多重共振器から戻って来た光を外部へ出射する光入出力部と、光検出部で検出された光パワーに基づいて複数の光可変部を制御する制御部とを備えた波長可変光源において、スルーポートと光検出部との間に、光検出部を構成する各々の受光素子で検出された光パワーが概略等しくなるように、スルーポートから出射された光を減衰させて各々の受光素子に入射させる光減衰部を複数のリング共振器と同一の基板上に一括して形成すると共に、制御部は、複数の光検出部受光素子で検出された光パワーの和を求める光パワー加算手段と、この光パワー加算手段で求めた光パワーの和が最小となるように複数の光可変部を制御する光可変部制御手段とを備えることを特徴とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る光モジュールは、波長可変光源と、波長可変光源を収納したケースと、波長可変光源から出射された光をケース外部に導く光導通部とを有し、波長可変光源は、互いに異なる光路長を有するとともに互いに連結され、スルーポートを備えた複数のリング共振器を含む多重共振器と、複数のリング共振器のそれぞれのスルーポートを経て出力される光パワーを検出する複数の光検出部と、複数のリング共振器のそれぞれ独立に作用して多重共振器の透過率を変化させる複数の光可変部と、多重共振器へ光を供給するとともに当該多重共振器から戻って来た光を外部へ出射する光入出力部と、光検出部で検出された光パワーに基づいて複数の光可変部を制御する制御部と、スルーポートと光検出部との間に複数のリング共振器と同一の基板上に一括して形成され、光検出部を構成する各々の受光素子で検出された光パワーが概略等しくなるようにスルーポートから出射された光を減衰させて光検出部に入射させる光減衰部を有すると共に、制御部は、複数の光検出部受光素子で検出された光パワーの和を求める光パワー加算手段と、この光パワー加算手段で求めた光パワーの和が最小となるように複数の光可変部を制御する光可変部制御手段とを備えることを特徴とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る波長可変光源の制御方法は、互いに異なる光路長を有するとともに互いに連結された複数のリング共振器を含む多重共振器と、複数のリング共振器のそれぞれのスルーポートを経て出力される光パワーを各スルーポートで検出する複数の受光素子と、複数の共振器の少なくとも二つに独立に作用して多重共振器の透過率を変化させる複数の光可変部と、多重共振器へ光を供給するとともに当該多重共振器から戻って来た光を外部へ出射する光入出力部と備え、複数の受光素子で検出された光パワーの和が最小となるように複数の光可変部を制御する波長可変光源の制御方法であって、複数のリング共振器と同一の基板上に一括して形成された光減衰部によってスルーポートから出射された光を光検出部を構成する各々の受光素子で検出された光パワーが概略等しくなるように減衰させて複数の受光素子に入射させることを特徴とする。
本発明は、スルーポートから出射された光を減衰させて複数の受光素子に入射させるように構成したので、極端に出力の大きい特定のスルーポートが合成特性において支配的になるという現象が生じない。これによって、波長飛びを起こさずに安定した出力光波長を得ることができ、かつ意図しない高出力の光が放出されることがなくすることができる。
まず初めに、本願発明の背景となる重要技術について説明する。図14は、本願発明の背景となる波長可変光源200の構成を示す概念図である。波長可変光源200では、各リング共振器のスルーポートの出力特性をモニタし、全リングのスルーポート光出力の合計が最小となるような各調整リングのヒータ電力を投入する。こうすることで、リング共振器のドロップ光が最も強くなる条件に設定できるため、単一で長期的に安定した発振モードを得ることが出来る。
図14の波長可変光源200は、互いに異なる光路長を有するとともに互いに連結されたリング共振器21、22、23を含む多重リング共振器20と、リング共振器21、22、23からスルーポート11t、25t、27tを経て出力される光パワーを検出する光検出部としての受光素子21p、22p、23pと、リング共振器22、23に独立に作用して多重リング共振器20の透過率を変化させる複数の光可変部としての膜状のヒータ22h、23hと、多重リング共振器20へ光を供給するとともに多重リング共振器20から戻って来た光を外へ出射する光入出力部としてのSOA17と、受光素子21p〜23pで検出された光パワーに基づいてヒータ22h、23hを制御する制御部18とを備えている。
受光素子21p、22p、23pは、リング共振器21、22、23のスルーポート11t、25t、27tにそれぞれ設けられている。制御部18は、受光素子21p〜23pで検出された光パワーの和が最小となるように、ヒータ22h、23hを制御する。受光素子21p〜23pは、受光面に照射された光のパワーに応じて電気信号を出力する。
リング共振器21〜23は、互いに異なる光路長を有するリング状導波路からなり、方向性結合器24〜27および導波路28、29を介して連結されている。多重リング共振器20は、リング共振器21〜23の他に、リング共振器21に方向性結合器11を介して一端が接続された入出力側導波路12と、リング共振器23に方向性結合器13を介して一端が接続された反射側導波路14と、リング共振器21〜23、入出力側導波路12および反射側導波路14が形成されたPLC基板15と、反射側導波路14の他端に設けられた高反射膜16とを備えている。
ヒータ22h、23hは、リング共振器22、23上に形成された円弧状の例えばアルミニウム膜であり、円弧の両端が通電用の電極になっている。換言すると、ヒータ22h、23hは、PLC基板15上に例えば金属膜を蒸着や付着によって形成可能であり、材質としてはアルミニウム、白金、クロムなどが用いられる。ヒータ22h、23hは、薄膜でも厚膜でもよい。SOA17は、位相制御領域17aを有し、光入出力端17bが入出力側導波路12の他端に接続されている。
なお、リング共振器21にも、リング共振器22および23と同様にヒータが、発振波長をITUグリッドと概略一致するように調整するために装備されている。しかしながら、リング共振器21の共振波長は、発振波長を概略調整した後は原則固定される。従って、リング共振器21に装備されるヒータは、以後で説明する共振波長の調整とは直接関係しないので、図示および説明を省略している。
受光素子21p〜23pは、フォトダイオードを用いている。また、PLC基板15は、温度調節手段としてのペルチェ素子(図示せず)の上に設けられている。このペルチェ素子は、リング共振器21のFSR(Free Spectral Range)がITUグリッドに一致するように、PLC基板15の温度を一定に保つ。SOA17は、無反射膜(図示せず)を介して入出力側導波路12の他端に結合されている。高反射膜16は、例えばPLC基板15の側面に誘電体多層膜を蒸着や貼り付けによって形成したものである。高反射膜16の代わりに、導波路からなるループミラー等を用いてもよい。
SOA17から出射された光は、SOA17→入出力側導波路12→方向性結合器11→多重リング共振器20→方向性結合器13→反射側導波路14→高反射膜16→反射側導波路14→方向性結合器13→多重リング共振器20→方向性結合器11→入出力側導波路12→SOA17、という経路を通って戻ってくる。この戻り光は、多重リング共振器20の共振波長であるとき、最も強くなる。その理由は、多重リング共振器20を構成する各リング共振器21〜23はFSRが僅かに異なっているため、各リング共振器21〜23で発生している反射(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反射が発生するからである。
また、方向性結合器11、25、27のスルーポート11t、25t、27tを通過する光は、多重リング共振器20の共振波長であるときに最も少なくなる。したがって、スルーポート11t、25t、27tにおける光量を受光素子21p〜23pで検出することにより、多重リング共振器20の共振波長を検出することができる。
一方、共振波長すなわち周期の一致する波長は、各リング共振器21〜23の円周長と導波路屈折率変化とにより大きく変わる。この導波路屈折率は熱光学効果によって変えることができる。すなわち、リング共振器22、23の温度特性を利用して、ヒータ22h、23hの投入電力を制御することにより、多重リング共振器20の共振波長を変化させることが可能である。
すなわち、図14の波長可変光源200は、円周の僅かに異なるリング共振器21〜23を三個直列に接続して多重リング共振器20を構成し、これにより発生するバーニア効果を巧みに利用している。
リング共振器21〜23の円周長(光路長)を適正に設定すれば、ヒータ22hは微調整用の光可変部として動作し、ヒータ23hは粗調整用の光可変部として動作する。図15において、基準用のリング共振器21の中心に「R(Reference)」、微調整用のリング共振器22の中心に「F(Fine)」、粗調整用のリング共振器23の中心に「C(Coarse)」をそれぞれ付す。
制御部18は、例えばDSPなどのマイクロコンピュータおよびそのプログラムを中心に構成され、受光素子21p〜23pで検出された光パワーの和が最低となるように、すなわち所望の共振波長が一定になるように、ヒータ22h、23hへの投入電力を制御する。なお、制御部18は、位相制御領域17aへの通電量を制御して波長を制御する機能も有している。例えば数10pm程度の波長制御は、SOA17の位相制御領域17aへ電流を流すことによって実行する。
図15は、図14で示した多重リング共振器20の発振波長と各ヒータへの投入電力との関係を示すグラフである。図16および図17は各ヒータへの投入電力と受光素子の光パワーとの関係を示すグラフである。図16〜17の各データは、ヒータ23h、22hへの投入電力を各軸に示す値に固定にして、位相制御領域17aへの通電量を制御することにより、受光素子21p〜23pの光電流の和を最小にしたときのデータである。
図15は、横軸が発振波長であり、縦軸が投入電力であり、粗調整用のヒータ23hへの投入電力を白丸(○)で示し、微調整用のヒータ22hへの投入電力を黒丸(●)で示す。つまり、図15は、粗調整用のヒータ23hおよび微調整用のヒータ22hのどちらか一方の投入電力を固定し他方の投入電力を変化させた結果である。当然のことながら、同じ投入電力に対する共振波長の変化は、粗調整用のヒータ23hでは大きく、微調整用のヒータ22hでは小さい。
この図からわかるように、約18mW間隔で各波長チャネルが並んでいる。ヒータ23h、22hへの投入電力の許容されるズレ量は、2mW程度しかない。このため、効率的に投入電力条件を決定することにより、様々な要因で発生する最適な投入電力条件のズレを補正することが必要である。
図16および図17は、図14で示した各ヒータ22h、23hへの投入電力と受光素子の光パワーとの関係、すなわち波長可変光源200のある波長におけるTO(Thermo Optics effect)トレランス(tolerance)特性を示したものであり、グラフの中心が最も安定な投入電力条件である。図17では、リング共振器21、22、23のスルーポート11t、25t、27tから出力された光を受光素子21p、22p、23pで電流値に変換して合計した値(以下「3PDMUX」という。)を示している。
図17では、SOA17から波長可変光源200の外へ出力された光を受光素子(図示せず)で電力値に変換したその値(以下「光出力」という。)を示している。また、図16および図17では、粗調整用のヒータ23hへの投入電力を「TOcoarse」として示し、微調整用のヒータ22hへの投入電力を「TOfine」として示す(以下同じ。)。つまり、図16および図17は、粗調整用のヒータ23hと微調整用のヒータ22hとを同時に制御した結果である。
これらの図からわかるように、光出力の最大点と3PDMUXの最小点との位置は完全に一致しており、それぞれの凸凹が逆転した形になっている。物理的には、3PDMUXが小さいということは、PLCの光フィルタすなわち多重リング共振器20の損失が小さいということを意味している。したがって、3PDMUXが最小となるとき、光出力も最大になるので、これら二つの最適点は一致する。この点を最適TO点301ということにする。この特性を利用して投入電力条件を最適化する。
図16に示すように、3PDMUXの強度はTOcoarseおよびTOfineに対して最適TO点301を中心とする等高線状の形状のプロファイルを構成する。図17には複数の最適TO点301が存在し、それぞれ別の出力光波長における最適値を示す。以後、各々の最適TO点301を中心とする区画を発振波長チャネルという。
最適TO点301は、本来一つの発振波長チャネルの中央付近にあるべきものである。しかしながら、各スルーポートからの光出力はそのリングの配置に依存してその強度が異なる。そのため、受光素子21p〜23pで検出される3つのポート出力値のどれか一つが極端に大きい場合、全リングのスルーポートの合成特性においてその極端に出力の大きいスルーポートが支配的になる。その結果、最適TO点301が隣接する他の発振波長チャネルとの境界の近くに偏ってしまう。これによって、出力光波長が隣接する発振波長チャネルの周波数になってしまう「波長飛び」と呼ばれる現象が起こる。
また、本構成の波長可変レーザではリング共振器の位相、もしくはSOAの位相を制御することで発振モードを制御する。しかしながら、発振波長切り替え等位相調整時およびスルーポートへの受光素子の軸調整時等に、位相条件がずれ、意図した通りの発振にならないことがある。その際、スルーポートから高出力の光が放出され、その高出力の光を受けた受光素子を破壊する恐れもある。
以下、それらの問題点を改善した内容について説明する。図1は、上記の問題を解決する原理について示す概念図である。図14に示した波長可変光源200では、リング共振器のスルーポートからの出力光を直接受光素子に入力していた。これに対して以下の内容では、リング共振器1のスルーポート1tからの出力光を、結合導波路2の入力端2iによって、2系統の出力端2oおよび2pに分岐させ、かつ、2系統の出力端2oおよび2pのうちの一方のみを、フォトダイオードなどの受光素子3に入射させるように構成した点に特徴を有する。
このような構造を、波長可変光源200が有する3つのリング共振器のすべてが有することによって、各スルーポートからの光出力を減衰させ、受光素子21p〜23pで検出される3つのポート出力値を均等にし、ポート出力のうちどれか一つが極端に大きいということをなくす。従って、最適TO点が偏ってしまう現象は発生しないので、波長飛びも発生しない。また、スルーポートから高出力の光が放出された場合にも、その光が減衰させられてから受光素子に入射されるので、受光素子の破壊も発生しにくい。
図2は、本実施の形態に係る波長可変光源10の構成を示す概念図である。図2の波長可変光源10は、図14の波長可変光源200と共通する構成を多く含むので、ここではそれらの間の相違点のみを説明し、両者で共通する構成要素には同一の参照番号を付して説明を省略する。
波長可変光源10では、リング共振器21に装備された方向性結合器11のスルーポート11tに、結合導波路91の入力端91iが接続される。結合導波路91の2系統の出力端のうち一方91oからの出力が、受光素子21pに入射する。一方、リング共振器22に装備された方向性結合器25のスルーポート25tに、結合導波路92の入力端92iが接続される。結合導波路92の2系統の出力端のうち一方92oからの出力が、受光素子22pに入射する。そして、リング共振器23に装備された方向性結合器27のスルーポート27tに、結合導波路93の入力端93iが接続される。結合導波路93の2系統の出力端のうち一方93oからの出力が、受光素子23pに入射する。
各々のリング共振器21〜23は、SOA17からPLC基板15に入る方向(行き方向)と、逆にSOA17へ向かう方向(帰り方向)にそれぞれ1つずつ計2つのスルーポートを持つ。たとえばリング共振器21は、行き方向側にスルーポート11tと、帰り方向側にスルーポート24tとを持つ。リング共振器22は、行き方向側にスルーポート25tと、帰り方向側にスルーポート26tとを持つ。リング共振器23は、行き方向側にスルーポート27tと、帰り方向側にスルーポート13tとを持つ。
行き方向と帰り方向のスルーポートのうちどちらか一方のみをモニタするようにすることで、受光素子に入射される光出力を下げることができる。図2で示す波長可変光源10では、行き方向側のスルーポート11t、25t、27tに受光素子21p〜23pを設け、帰り方向側のスルーポート24t、26t、13tには受光素子を設けていない。そして、先に述べたように行き方向側のスルーポート11t、25t、27tからの出力を結合導波路91〜93に入射させることにより、さらに受光素子21p〜23pに入射するポート出力値を減衰させる。
ただし、受光素子21p〜23pで検出される3つのポート出力値は、それらのうちどれか一つが極端に大きいということがなければよいので、厳密に均等である必要はない。従って、波長可変光源10の設計段階で、試作用サンプルに対する評価などに基づいて、各々の結合導波路91〜93のタップ率(分岐比)などのパラメータを決定するとよい。
図3は、図2に示した結合導波路91〜93におけるDC長(結合導波路長)とタップ率の関係を示すグラフである。横軸にDC長、縦軸にタップ率を示している。DC長の変化によって、図3に示すようにタップ率を決定することができる。図3に示す例では、タップ率が光出力の減衰率を表す。
波長可変光源10の設計段階で、結合導波路91〜93を挿入していない状態で3PDMUXが最小となる電力条件において、各々のポート出力値を測定する。最もポート出力値の低いポートの出力値に、他の2つのポート出力値を合わせるように、結合導波路91〜93のタップ率を決定して挿入する。以後は、決定されたタップ率などのパラメータに基づいて波長可変光源10を製造すればよい。
そして、結合導波路91〜93の、受光素子21o〜23oに入射しない側の出力端91p〜93pから出力された光が、迷光としてPLC基板15内部に紛れ込んだり、受光素子21p〜23pのいずれかに受光されたりする恐れがある。これは、波長可変光源10の動作に意図しない不具合を与える恐れがあるので、出力端91p〜93pから出力される光をPLC基板15外部に逃がすとよい。同様に、帰り方向側のスルーポート24t、26t、13tからの出力光も、PLC基板15外部に逃がすとよい。
以上述べたように、本実施の形態に係る波長可変光源10は、リング共振器21〜23とSOA17を組み合わせた波長可変光源10において、リング共振器のスルーポートに出力低減構造を導入することにより、最適TO点の偏りに伴う波長飛びを起こさずに安定した出力光波長を得ることができ、かつ意図しない高出力の光が放出されることによって受光素子が破損することを防ぐことができる。
図4は、図2に示した波長可変光源10において結合導波路91〜93の代替として利用することの可能な出力低減構造の例を示す概念図である。スルーポート11t、25t、27tからの出力光を減衰させることが可能な手段であれば、結合導波路91〜93の代替として利用することが可能である。かつ、その減衰量を設計上のパラメータとして製造できるものであればより望ましい。
より具体的には、たとえば図4(a)に示す交差導波路94、図4(b)に示すギャップ95、図4(c)に示す軸ずれ構造96などを利用することができる。軸ずれ構造96を利用する場合、通常の導波路に対して軸ずれを与えると、少しの軸ずれ量の変化で大きく減衰量が変化するので、減衰量の細かい調整には不向きである。そのため、導波路の先端を広げた構造を設けて、それによって減衰量の細かい調整を容易にしている。
製造された波長可変光源10の動作は、図14に示す波長可変光源200と同一である。従って、以後はその動作の概要を記すにとどめる。
図5および図6は、図2に示すヒータ22h、23hへの投入電力の最適値からのズレと光出力および3PDMUXとの関係、すなわち投入電力に対するトレランスを光出力と3PDMUXとについて比較した結果である。図5および図6における横軸の0が投入電力の最適値である。図5に示す(++0)方向とは、ヒータ22h、23hへの投入電力を同じだけ増減する操作をいう。図6に示す(+−0)方向とは、ヒータ22h、23hへの投入電力を反対に動かす操作をいう。
この図からわかるように、(++0)方向でも(+−0)方向でも、上に凸の光出力では、投入電力に対する変動比率が小さいため、投入電力がずれたときの感度も小さい。これに対し、下に凸の3PDMUXでは、投入電力に対する変動比率が大きいため、投入電力がずれたときの感度が大きい。このため、制御方式としては3PDMUXの方が都合良い。特に光出力の変動比率は発振条件によってはほとんど変化しない場合もあるので、発振条件によらず大きな感度が得られる3PDMUXの方が投入電力の最適化には都合が良い。
本実施形態の波長可変光源10によれば、リング共振器21〜23のスルーポート11t、25t、27tから出力された光パワーの和が最小となるようにヒータ22h、23hを制御する際に、スルーポート11t、25t、27tにそれぞれ受光素子21p、22p、23pを設け、受光素子21p、22p、23pで検出された光パワーの和を求めることにより、光学的にではなく電気的に光パワーの和を求めることになるので、干渉による光パワーの検出精度の低下を防ぐことができ、装置の大型化等を招くことなく光パワーの検出精度を向上できる。
図7は、図2の波長可変光源10における制御部のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。制御部18は、マイクロコンピュータ40を中心に、A/D変換器21a、22a、23a、D/A変換器22d、23d等から構成されている。A/D変換器21a〜23aは、受光素子21p〜23pから出力されたアナログ信号をディジタル信号に変換してマイクロコンピュータ40へ出力する。D/A変換器22d、23dは、ヒータ23h、22hのドライバを兼ねており、マイクロコンピュータ40からの制御信号(ディジタル信号)に応じてヒータ23h、22hへ投入電力(アナログ信号)を供給する。
マイクロコンピュータ40はDSPなどの一般的なものであり、CPU41、ROM42、RAM43、入出力インタフェース44等を備えている。CPU41はRAM43に格納されているプログラムの命令を取り出して解読し実行する。入出力インタフェース44は、CPU41と外部のコンピュータ等との間での通信機能も有する。受光素子21p〜23pから出力された電気信号としての光電流の和は、A/D変換器21a〜23aおよびマイクロコンピュータ40によってディジタル的に求められる。同時に制御部18は、位相制御領域17a(図2)やペルチェ素子(図示せず)を制御する機能も有している。
図8は、図2の波長可変光源10における制御部の機能構成の一例を示すブロック図である。図9は、図8における複数組み合わせ作成手段の動作の一部を示す説明図である。図10は、図8における再収束判定手段の動作の一部を示す説明図である。
制御部18は、受光素子21p〜23pで検出された光パワーの和を求める光パワー加算手段18aと、光パワー加算手段18aで求めた光パワーの和が最小となるようにヒータ22h、23hを制御する光可変部制御手段18bとを有する。光可変部制御手段18bは、複数組み合わせ作成手段31、第二組み合わせ抽出手段32、第一組み合わせ作成手段33、動作終了判定手段34、再収束判定手段35等を備えている。
複数組み合わせ作成手段31は、複数の光可変部に対する各制御入力の値同士の第一の組み合わせについて、少なくとも一つの制御入力の値を変えた複数の組み合わせを作成する。第二組み合わせ抽出手段32は、複数の組み合わせおよび第一の組み合わせに従って複数の光可変部を制御して、光検出部で検出された光パワーの和が最小になる組み合わせを第二の組み合わせとする。第一組み合わせ作成手段33は、第二の組み合わせの各制御入力の値に第一の組み合わせの各制御入力の値を近づけて、これを新たな第一の組み合わせとして複数組み合わせ作成手段31へ出力する。
ここで、図2に示すように、複数のリング共振器はリング共振器21、22、23であり、光検出部はリング共振器21、22、23のそれぞれのスルーポート11t、25t、27tに設けられた受光素子21p、22p、23pであり、複数の光可変部はリング共振器22に設けられたヒータ22hとリング共振器23に設けられたヒータ23hとであるとする。すると、複数組み合わせ作成手段31は、ヒータ22h、23hに対する各投入電力の値同士の第一の組み合わせについて、少なくとも一つの投入電力の値を変えた複数の組み合わせを作成する機能を有する。
第二組み合わせ抽出手段32は、複数の組み合わせおよび第一の組み合わせに従ってヒータ22h、23hを制御して、受光素子21p〜23pで検出された光パワーの和が最小になる組み合わせを第二の組み合わせとする機能を有する。第一組み合わせ作成手段33は、第二の組み合わせの各投入電力の値に第一の組み合わせの各投入電力の値を近づけて、これを新たな第一の組み合わせとして複数組み合わせ作成手段31へ出力する機能を有する。
このときの各手段は、更に次のように具体化してもよい。複数組み合わせ作成手段31は、図9に示すように、ヒータ23h、22hに対する各投入電力の値同士の組み合わせである第一の組み合わせ(x1、y1)について、電力振り幅ΔPで増減させた八通りの組み合わせ(x1−ΔP、y1−ΔP)、(x1−ΔP、y1)、(x1−ΔP、y1+ΔP)、(x1、y1+ΔP)、(x1+ΔP、y1+ΔP)、(x1+ΔP、y1)、(x1+ΔP、y1−ΔP)および(x1、y1−ΔP)を作成する機能を有する。第二組み合わせ抽出手段32は、八通りの組み合わせおよび第一の組み合わせに従ってヒータ23h、22hを制御して、受光素子21p〜23pで検出された光パワーの和が最小になる組み合わせを第二の組み合わせ(x2、y2)とする機能を有する。
第一組み合わせ作成手段33は、第二の組み合わせの各投入電力の値と第一の組み合わせの各投入電力の値との和の半分の値((x1+x2)/2、(y1+y2)/2)を新たな第一の組み合わせとし、電力振り幅ΔPの半分の値ΔP/2を新たな電力振り幅とし、新たな第一の組み合わせおよび新たな電力振り幅を複数組み合わせ作成手段31へ出力する波長切替機能を有する。動作終了判定手段34は、新たな電力振り幅が一定値以下になったときに複数組み合わせ作成手段31、第二組み合わせ抽出手段32および第一組み合わせ作成手段33の動作を終了させる波長切替機能を有する。また、第一の組み合わせ(x1、y1)の初期値は、多重リング共振器20の共振波長に対応する値として予め定められたものである。
また、再収束判定手段35は、動作終了判定手段34によって複数組み合わせ作成手段31、第二組み合わせ抽出手段32および第一組み合わせ作成手段33の動作が終了した後に、図10に示すように、第一の組み合わせ(x1、y1)の初期値を(x10、y10)とし、電力振り幅ΔPの初期値よりも小さい電力値をΔpとしたとき、第二の組み合わせの各投入電力の値と第一の組み合わせの各投入電力の初期値との差L=√{(x2−x102+(y2−y102}が一定値以上になった場合に、(x10−Δp{(x2−x10)/L}、y10−Δp{(y2−y10)/L})を新たな第一の組み合わせとし、電力振り幅ΔPの初期値を新たな電力振り幅とし、新たな第一の組み合わせおよび新たな電力振り幅を複数組み合わせ作成手段31へ出力する。
更に、第一組み合わせ作成手段34は、前述の波長切替機能とは別に、第二の組み合わせの各投入電力の値と第一の組み合わせの各投入電力の値との和の半分の値((x1+x2)/2、(y1+y2)/2)を新たな第一の組み合わせとし、新たな第一の組み合わせを複数組み合わせ作成手段31へ出力する定常状態機能を有する。動作終了判定手段34は、前述の波長切替機能とは別に、複数組み合わせ作成手段31、第二組み合わせ抽出手段32および第一組み合わせ作成手段33の動作を繰り返し実行させる定常状態機能を有する。
図11は、図8に示した制御部18による波長切替動作の一例を示すフローチャートである。まず、多重リング共振器20の共振波長に対応する値として予め定められた初期値(x10、y10)を入力し、これを第一の組み合わせ(x1、y1)とする(ステップ101)。続いて、図9に示すように、ヒータ23h、22hに対する各投入電力の値同士の組み合わせである第一の組み合わせ(x1、y1)について、電力振り幅ΔPで増減させた八通りの組み合わせ(x1−ΔP、y1−ΔP)、(x1−ΔP、y1)、(x1−ΔP、y1+ΔP)、(x1、y1+ΔP)、(x1+ΔP、y1+ΔP)、(x1+ΔP、y1)、(x1+ΔP、y1−ΔP)および(x1、y1−ΔP)を作成する(ステップ102)。
続いて、八通りの組み合わせおよび第一の組み合わせに従ってヒータ23h、22hを制御する(ステップ103)。このとき、ヒータ23h、22hへの投入電力を各組み合わせの値に固定にして、位相制御領域17aへの通電量を制御することにより、受光素子21p〜23Pの光電流の和を最小にする。そして、受光素子21p〜23pで検出された光パワーの和が最小になる組み合わせを第二の組み合わせ(x2、y2)とする(ステップ104)。
続いて、第二の組み合わせの各投入電力の値と第一の組み合わせの各投入電力の値との和の半分の値((x1+x2)/2、(y1+y2)/2)を新たな第一の組み合わせとし、電力振り幅ΔPの半分の値ΔP/2を新たな電力振り幅とする(ステップ105)。
続いて、新たな電力振り幅が一定値以下になったか否かを判断し(ステップ106)、新たな電力振り幅が一定値以下になっていれば、目標とする波長になったと判断して終了する。一方、新たな電力振り幅が一定値以下になっていなければ、新たな第一の組み合わせおよび新たな電力振り幅を持って、ステップ102へ戻る。
この波長切替動作によれば、最適な投入電力値がありそうな座標上の位置を予想して、その付近の領域で集中的に投入電力を変化させるので、効率的かつ短時間に最適な投入電力値が得られる。なお、ステップ102で作成する組み合わせは、八通りに限らず、複数であれば何通りでもよい。また、ステップ105でΔPを割る数値は、「2」に限らず「1」以上であればどのような値でもよく、常に一定ではなく変化(例えば徐々に減少又は増加)するようにしてもよい。
図12は、図8に示した制御部18による定常状態動作の一例を示すフローチャートである。まず、図11の波長切替動作によって得られた多重リング共振器20の共振波長に対応する初期値(x10、y10)を入力し、これを第一の組み合わせ(x1、y1)とする(ステップ111)。続いて、図9に示すように、ヒータ23h、22hに対する各投入電力の値同士の組み合わせである第一の組み合わせ(x1、y1)について、電力振り幅ΔPで増減させた八通りの組み合わせ(x1−ΔP、y1−ΔP)、(x1−ΔP、y1)、(x1−ΔP、y1+ΔP)、(x1、y1+ΔP)、(x1+ΔP、y1+ΔP)、(x1+ΔP、y1)、(x1+ΔP、y1−ΔP)および(x1、y1−ΔP)を作成する(ステップ112)。
続いて、八通りの組み合わせおよび第一の組み合わせに従ってヒータ23h、22hを制御する(ステップ113)。このとき、ヒータ23h、22hへの投入電力を各組み合わせの値に固定にして、位相制御領域17aへの通電量を制御することにより、受光素子21p〜23Pの光電流の和を最小にする。そして、受光素子21p〜23pで検出された光パワーの和が最小になる組み合わせを第二の組み合わせ(x2、y2)とする(ステップ114)。
続いて、第二の組み合わせの各投入電力の値と第一の組み合わせの各投入電力の値との和の半分の値((x1+x2)/2、(y1+y2)/2)を新たな第一の組み合わせとし、ステップ111へ戻る(ステップ115)。これにより、以上のステップ112〜115が繰り返されるが、次のステップを付け加えてもよい。
ステップ112〜115の動作を繰り返し実行させ、終了の指示を受けたときにこれらの動作を終了させる(ステップ116)。
この定常状態動作によれば、最適な投入電力値がありそうな座標上の位置を予想して、その付近の領域で集中的に投入電力を変化させるので、効率的かつ短時間に最適な投入電力値が得られる。また、波長可変光源10の動作中に、常にステップ112〜115を繰り返すことにより、投入電力の最適値の経時変化にも対応することができる。なお、ステップ112で作成する組み合わせは、八通りに限らず、複数であれば何通りでもよい。
図13は、図8に示した制御部18による再収束動作の一例を示すフローチャートである。図11のステップ106で「イエス」となった場合に、以下の再収束動作を追加してもよい。ここで、第一の組み合わせ(x1、y1)の初期値を(x10、y10)とし、電力振り幅ΔPの初期値ΔP0よりも小さい電力値をΔpとする。
まず、図10に示すように、第二の組み合わせの各投入電力の値と第一の組み合わせの各投入電力の初期値との差L=√{(x2−x102+(y2−y102}を求める(ステップ121)。そして、Lが一定値以上であるか否かを判断し(ステップ122)、Lが一定値未満であれば、目標とする波長のチャネルに収束したと判断して終了する。一方、Lが一定値以上であれば、別の波長のチャネルに収束したと判断して、(x10−Δp{(x2−x10)/L}、y10−Δp{(y2−y10)/L})を新たな第一の組み合わせとし、電力振り幅ΔPの初期値を新たな電力振り幅とする(ステップ123)。そして、新たな第一の組み合わせおよび新たな電力振り幅を持って、ステップ102へ進む。
ステップ122で「イエス」となった場合は、目標とは別の波長チャネルに収束するエラーが発生したと判断する。このエラーの原因として、図11のステップ101における初期値(x10、y10)が別の波長チャネルにおける第二の組み合わせの最終値に近過ぎたことが考えられる。そこで、この第二の組み合わせの最終値から離れる方向に初期値(x10、y10)をずらした点を第一の組み合わせとして、図11におけるステップ102以降の動作を実行する。このように、この再収束動作によれば、目標とは別の波長チャネルに収束しても、目標とする波長チャネルに的確に収束することができる。
なお、図11〜13に示した各ステップに係る処理は、波長可変光源10の動作そのものであり、制御部18の各手段としてマイクロコンピュータ40を機能させるプログラムとして実現することができる。
以上で説明した実施の形態において、波長可変光源10はリング共振器21〜23によって構成されていたが、連結される共振器の数は3個に限定されるものではなく、2個もしくは4個以上であってもよい。各共振器同士を、方向性結合器のみで直結させて構成することも可能である。
光入出力部は、SOAに限らず、光ファイバ増幅器などでもよい。光可変部は、熱的に波長を変えるヒータに限らず、例えば電気的、機械的に波長を変えるものにしてもよい。光可変部の個数は、2個に限らず、3個以上としてもよい。各受光素子で検出された光パワーの和を光学的に求めて、光パワー加算手段を省略するものとしてもよい。
なお、以上の実施形態では、波長可変光源として構築する場合を説明したが、図2に示す波長可変光源を用いて光モジュールとして構築してもよいものである。この場合、光モジュールは図2に示すように、波長可変光源と、前記波長可変光源を収納したケース100と、前記波長可変光源から出射された光を前記ケース100の外部に導く光導通部101とを有する構成として構築する。
前記波長可変光源は図2に示すように、互いに異なる光路長を有するとともに互いに連結され、スルーポート11t,25t,27tを備えた複数のリング共振器21,22,23を含む多重共振器20と、前記複数のリング共振器のそれぞれのスルーポート11t,25t,27tを経て出力される光パワーを検出する複数の光検出部21p,22p,23pと、前記複数のリング共振器のそれぞれ独立に作用して前記多重共振器の透過率を変化させる複数の光可変部22h,23hと、前記多重共振器へ光を供給するとともに当該多重共振器から戻って来た光を外部へ出射する光入出力部17と、前記光検出部21p,22p,23pで検出された前記光パワーに基づいて前記複数の光可変部を制御する制御部18と、前記スルーポートと前記光検出部21p,22p,23pとの間に、前記スルーポートから出射された光を減衰させて前記光検出部に入射させる光減衰部92,93を有する構成として構築すればよいものである。
これまで本発明について図面に示した特定の実施の形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られたいかなる構成であっても採用することができることは言うまでもないことである。
この出願は2008年2月1日に出願された日本出願特願2008−022811を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
本発明は、極端に出力の大きい特定のスルーポートが合成特性において支配的になるという現象を回避することによって、波長飛びを起こさずに安定した出力光波長を得ることに貢献できるものである。
本発明の実施の形態の原理を示す概念図である。 本実施の形態に係る波長可変光源の構成を示す概念図である。 図2に示した結合導波路におけるDC長(結合導波路長)とタップ率の関係を示すグラフである。 図2の波長可変光源において結合導波路の代替として利用することの可能な出力低減構造の例を示す概念図である。 図2の波長可変光源における各ヒータへの投入電力の最適値からのズレと受光素子の光パワーとの関係を示すグラフ(その1)である。 図2の波長可変光源における各ヒータへの投入電力の最適値からのズレと受光素子の光パワーとの関係を示すグラフ(その2)である。 図2の波長可変光源における制御部のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 図2の波長可変光源における制御部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図8における複数組み合わせ作成手段の動作の一部を示す説明図である。 図8における再収束判定手段の動作の一部を示す説明図である。 図8の制御部による波長切替動作の一例を示すフローチャートである。 図8の制御部による定常状態動作の一例を示すフローチャートである。 図8の制御部による再収束動作の一例を示すフローチャートである。 本願発明の背景となる波長可変光源の構成を示す概念図である。 図14の波長可変光源における多重リング共振器の発振波長と各ヒータへの投入電力との関係を示すグラフである。 図14の波長可変光源における各ヒータへの投入電力と受光素子の光パワーとの関係を示すグラフ(その1)である。 図14の波長可変光源における各ヒータへの投入電力と受光素子の光パワーとの関係を示すグラフ(その2)である。 関連技術に係る波長可変光源の構成を示す概念図である。
符号の説明
10 波長可変光源
11、13、24、25、26、27 方向性結合器
11t、25t、27t、24t、26t、13t スルーポート
12 入出力側導波路
14 反射側導波路
15 PLC基板(基板)
16 高反射膜(光反射部)
17 SOA(光入出力部)
17a 位相制御領域
18 制御部
18a 光パワー加算手段
18b 光可変部制御手段
20 多重リング共振器(多重共振器)
21、22、23 リング共振器(共振器)
21p、22p、23p 受光素子(光検出部)
22h、23h ヒータ(光可変部)
31 複数組み合わせ作成手段
32 第二組み合わせ抽出手段
33 第一組み合わせ作成手段
34 動作終了判定手段
35 再収束判定手段
91、92、93 結合導波路(光減衰部)
91i、92i、93i 入力端
91o、92o、93o 出力端
94 交差導波路
95 ギャップ
96 軸ずれ構造

Claims (8)

  1. 互いに異なる光路長を有するとともに互いに連結された、スルーポートを備えた複数のリング共振器を含む多重共振器と、前記複数のリング共振器のそれぞれのスルーポートを経て出力される光パワーを検出する複数の光検出部と、前記複数のリング共振器のそれぞれ独立に作用して前記多重共振器の透過率を変化させる複数の光可変部と、前記多重共振器へ光を供給するとともに当該多重共振器から戻って来た光を外部へ出射する光入出力部と、前記光検出部で検出された前記光パワーに基づいて前記複数の光可変部を制御する制御部とを備えた波長可変光源において、
    前記スルーポートと前記光検出部との間に、前記光検出部を構成する各々の受光素子で検出された前記光パワーが概略等しくなるように、前記スルーポートから出射された光を減衰させて前記各々の受光素子に入射させる光減衰部を前記複数のリング共振器と同一の基板上に一括して形成すると共に、
    前記制御部は、前記複数の光検出部受光素子で検出された前記光パワーの和を求める光パワー加算手段と、この光パワー加算手段で求めた前記光パワーの和が最小となるように前記複数の光可変部を制御する光可変部制御手段とを備える
    ことを特徴とする波長可変光源。
  2. 前記光減衰部が、結合導波路、交差導波路、ギャップ手段、軸ずれ手段のうちいずれか1つ以上を含むことを特徴とする、請求項に記載の波長可変光源。
  3. 前記光減衰部が、前記スルーポートから出射された光を複数の出力系統に分岐する結合導波路によって構成され、前記複数の出力系統のうち1系統の光が前記光検出部に入射され、前記光検出部に入射されない系統の光を外部に逃がすことを特徴とする、請求項に記載の波長可変光源。
  4. 前記光可変部制御手段は、
    前記複数の光可変部に対する各制御入力の値同士の第一の組み合わせについて、少なくとも一つの制御入力の値を変えた複数の組み合わせを作成する複数組み合わせ作成手段と、
    これらの複数の組み合わせおよび前記第一の組み合わせに従って前記複数の光可変部を制御して、前記複数の受光素子で検出された前記光パワーの和が最小になる組み合わせを第二の組み合わせとする第二組み合わせ抽出手段と、
    この第二の組み合わせの各制御入力の値と前記第一の組み合わせの各制御入力の値の半分の値を新たな前記第一の組み合わせとして前記複数組み合わせ作成手段へ出力する第一組み合わせ作成手段とを備えたことを特徴とする請求項に記載の波長可変光源。
  5. 前記複数の光可変部は、前記複数のリング共振器に設けられたそれぞれのヒータであり、
    前記複数組み合わせ作成手段は、前記複数のヒータに対する各投入電力の値同士の第一の組み合わせについて、少なくとも一つの投入電力の値を変えた複数の組み合わせを作成する機能を有し、
    前記第二組み合わせ抽出手段は、これらの複数の組み合わせおよび前記第一の組み合わせに従って前記複数のヒータを制御して、前記複数の受光素子で検出された前記光パワーの和が最小になる組み合わせを第二の組み合わせとする機能を有し、
    前記第一組み合わせ作成手段は、この第二の組み合わせの各投入電力の値に前記第一の組み合わせの各投入電力の値を近づけて、これを新たな前記第一の組み合わせとして前記複数組み合わせ作成手段へ出力する機能を有することを特徴とする請求項に記載の波長可変光源。
  6. 波長可変光源と、前記波長可変光源を収納したケースと、前記波長可変光源から出射された光を前記ケース外部に導く光導通部とを有し、
    前記波長可変光源は、
    互いに異なる光路長を有するとともに互いに連結され、スルーポートを備えた複数のリング共振器を含む多重共振器と、
    前記複数のリング共振器のそれぞれのスルーポートを経て出力される光パワーを検出する複数の光検出部と、
    前記複数のリング共振器のそれぞれ独立に作用して前記多重共振器の透過率を変化させる複数の光可変部と、
    前記多重共振器へ光を供給するとともに当該多重共振器から戻って来た光を外部へ出射する光入出力部と、
    前記光検出部で検出された前記光パワーに基づいて前記複数の光可変部を制御する制御部と、
    前記スルーポートと前記光検出部との間に前記複数のリング共振器と同一の基板上に一括して形成され、前記光検出部を構成する各々の受光素子で検出された前記光パワーが概略等しくなるように前記スルーポートから出射された光を減衰させて前記光検出部に入射させる光減衰部を有すると共に、
    前記制御部は、前記複数の光検出部受光素子で検出された前記光パワーの和を求める光パワー加算手段と、この光パワー加算手段で求めた前記光パワーの和が最小となるように前記複数の光可変部を制御する光可変部制御手段とを備えることを特徴とする光モジュール。
  7. 互いに異なる光路長を有するとともに互いに連結された複数のリング共振器を含む多重共振器と、前記複数のリング共振器のそれぞれのスルーポートを経て出力される光パワーを各スルーポートで検出する複数の受光素子と、前記複数の共振器の少なくとも二つに独立に作用して前記多重共振器の透過率を変化させる複数の光可変部と、前記多重共振器へ光を供給するとともに当該多重共振器から戻って来た光を外部へ出射する光入出力部と備え、前記複数の受光素子で検出された前記光パワーの和が最小となるように前記複数の光可変部を制御する波長可変光源の制御方法であって、
    前記複数のリング共振器と同一の基板上に一括して形成された光減衰部によって前記スルーポートから出射された光を前記光検出部を構成する各々の受光素子で検出された前記光パワーが概略等しくなるように減衰させて前記複数の受光素子に入射させ
    ることを特徴とする波長可変光源の制御方法。
  8. 前記スルーポートから出射された光を複数の出力系統に分岐し、
    前記複数の出力系統のうち1系統の光を前記受光素子に入射させ、前記受光素子に入射されない系統の光を前記波長可変光源の外部に逃がすことを特徴とする、請求項に記載の波長可変光源の制御方法。
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