JP5333238B2 - 波長可変レーザ装置及びその波長切替方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、光通信システムに適用可能な波長可変レーザ装置及びその波長切替方法に関する。

現在、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）光通信システムでは、同一光源で使用波長を任意に選択可能な広帯域波長可変レーザが用いられるようになってきている。このような広帯域波長可変レーザは、光源品種を削減できるため、小型かつ低コストに製造することができる。近年では、更なるシステム自由度の向上のために、リングトポリジーを利用したＷＤＭ光通信システムの開発が進められている。そのシステムでは、ＲＯＡＤＭ（Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexing）機能など、波長可変レーザによる波長の任意切替が積極的に利用されようとしている。

但し、これらＷＤＭシステムで波長可変レーザを利用する場合、レーザは、次の二つの特性を満足しなければならない。第１に、高精度波長制御である。レーザの発振波長に必要な精度は、システムで使用される標準チャネルの波長（以下、ＩＴＵ（International Telecommunication Union）グリッドと称する）に対して、チャネル間隔±５％以下の波長にあわせなければならない。第２に、レーザの波長切替時、既にシステムで使用されているＩＴＵグリッドに干渉することなく、波長切替ができなければならない（ダークチューニングと称する）。この要求を満足するためには、波長可変レーザは、望むらくは、モードホップフリーで、次善としては、グリッドホップフリーで、所望のチャネルへ発振波長を切り替えることができる必要がある。

前記２つの特性要求に対し、様々な構造の波長可変レーザモジュールの開発が進められている。特許文献１には、レーザ共振器内の周期的な透過／反射特性を有するフィルタにより、レーザの発振波長をＩＴＵグリッドに合わせ、高精度波長制御を実現する波長可変レーザが開示されている。特許文献１に記載の外部共振器型波長可変レーザ（ＥＣＴＬ：External Cavity Wavelength Tunable Laser）は、周期的な透過特性を有するエタロンフィルタ、位相調整領域（ＰＣ領域）が集積された半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）及び液晶波長可変ミラー（ＬＣミラー）を備える。ＥＣＴＬは、ＬＣミラーの反射ピーク波長と、共振器モードの位相を、エタロンの周期的な固定透過ピーク波長の１つに合わせるよう制御する。エタロンの周期的なピーク波長は、エタロンの角度と温度を調整することでＩＴＵグリッドに高精度に合わせることができる。

しかし、特許文献１に記載の波長可変レーザには、波長切替時のダークチューニングに大きな課題が存在した。図６を用いて以下に説明する。図６は、波長切替時のＳＯＡ電流６０１、光出力６０２、ＳＯＡ活性層温度６０３、ＳＯＡ活性層温度６０３の変化による位相のずれ６０４及び発振波長６０７の時間変化を同一の時間軸に対して比較して示したグラフである。

波長切替は通常、図６に示すように、以下の（１）〜（３）の工程で行う。
（１）ＳＯＡへの印加電流（ＳＯＡ電流６０１）を減少、最終的に０ｍＡにし、光出力６０２をＯＦＦにする。
（２）ＬＣミラー電圧を制御し、反射ピーク波長を所望の波長に設定。これと同時に位相調整領域への印加電流（ＰＣ電流）を設定電流（ＳＯＡ電流６０１が所望の駆動値になったときモードが安定化される電流値）に調整する。
（３）ＳＯＡ電流６０１を駆動条件値（例えば２００ｍＡ）にまで上昇させ、光出力６０２をＯＮ状態にする。

上記（１）〜（３）の過程で、ＳＯＡ電流値６０１が大きく変化（０ｍＡ→２００ｍＡ）する。このように大きなＳＯＡ電流６０１の変化を伴う場合、大きな位相のずれ６０４が生じる。この位相のずれ６０４により位相が最適な状態から半周期分（π）ずれると、発振波長６０７にモードホップが生じてしまう。このモードホップは往々にしてグリッドホップを伴い、ダークチューニングの実現には、何らかの対策を講じる必要があった。

ここで、位相のずれ６０４が生じる要因は、図６に示すように、ＳＯＡ電流６０１による発熱である。この発熱はＳＯＡ電流６０１の約２乗に比例し、発熱によりＳＯＡ活性層温度６０３が変化する。このＳＯＡ活性層温度６０３の変化により、半導体の熱光学効果で半導体光増幅器領域（ＳＯＡ領域）の屈折率が変動する（正の屈折率変化）。この屈折率変動が、位相変動すなわち位相のずれ６０４を引き起こす。通常用いる２００ｍＡと大きなＳＯＡ電流６０１では、図６に示すように、波長切替時に位相がπ以上大きく変化してしまう。上記課題に対し、特許文献２には、レーザの外部に波長をモニタする機構を用意し波長変動分を抽出、この変動分を負帰還して波長制御する方法が提案されている。
特願２００５−２０４１９５号 特開平７−１１１３５４号公報

しかしながら、特許文献２に開示された技術においても、装置の大型化や、負帰還制御という制御の複雑化などの課題があった。

本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであり、波長切替時にグリッドホップの無い波長可変レーザ装置及びその波長切替方法を提供することを目的とする。

本発明に係る波長可変レーザ装置は、半導体光増幅器と、周期的な波長選択フィルタと、前記半導体光増幅器に印加する電流と、波長可変レーザの位相調整とを同時にオープンループ制御する位相制御部とを備えることを特徴とするものである。

本発明に係る波長可変レーザ装置の波長切替方法は、半導体光増幅器に印加する電流と、波長可変レーザの位相調整とを同時にオープンループ制御して光出力を減少させ、前記半導体光増幅器に印加する電流を調整して波長を設定し、前記半導体光増幅器に印加する電流と、波長可変レーザの位相調整とを同時にオープンループ制御して光出力を増加させるものである。

本発明によれば、波長切替時にグリッドホップの無い波長可変レーザ装置及びその波長切替方法を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態の波長可変レーザ装置の構成を示す図である。 ＰＣ領域の位相特性を示す図である。 本発明の第１の実施の形態の波長可変レーザ装置の波長切替時の各種パラメータの変化を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態の波長可変レーザ装置の構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態の波長可変レーザ装置の波長切替時の各種パラメータの変化を示すグラフである。 関連技術の波長可変レーザ装置の波長切替時の各種パラメータの変化を示すグラフである。

符号の説明

１０１ 波長可変レーザ装置
１０２ ＳＯＡ
１０３ ＰＣ領域
１０４ 増幅領域
１０５ コリメートレンズ
１０６ エタロンフィルタ
１０７ ＬＣミラー
１０８ 温度検出器
１０９ サブキャリア
１１０ 温度制御器
１１１ ＣＰＵ
１１２ メモリ

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

第１の実施の形態
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１に、本発明の第１の実施の形態に係る波長可変レーザ装置１０１の構成図を示す。波長可変レーザ装置１０１は、例えば、外部共振器型レーザである。波長可変レーザ装置１０１は、ＳＯＡ１０２、一対のコリメートレンズ１０５ａ、１０５ｂ、エタロンフィルタ１０６、液晶波長可変ミラー（ＬＣミラー）１０７、温度検出器１０８、サブキャリア１０９、温度制御器１１０、ＣＰＵ１１１及びメモリ１１２を備える。

ここで、ＳＯＡ１０２は位相調整（ＰＣ）領域１０３と増幅領域１０４とを備える。これにより、位相調整機能を実現している。ここで、能動素子からなる増幅領域１０４は、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）で構成されており、電流の注入に応じて光を発生・増幅するものである。ＰＣ領域１０３は、レーザ発振波長よりも短波長側にバンドギャップを有するバルク組成からなる。図２に示すように、電流注入による負の屈折率変化を用いたプラズマ効果で位相を調整する。集積されたＰＣ領域を用いることで、波長可変レーザの小型化が実現している。

本実施の形態に係る波長可変レーザ装置１０１では、図１に示すように、ＳＯＡ１０２の左端面から出射したレーザ光がコリメートレンズ１０５ｂにより平行光に変換されて出力される。

ＳＯＡ１０２の光出力の反対側には、コリメートレンズ１０５ａが配置されている。コリメートレンズ１０５ａは、ＳＯＡ１０２の右端面から出射した光ビームを平行光に変換する。

そして、コリメートレンズ１０５ａで平行になったビームは次にＬＣミラー１０７にあたって反射され、ＳＯＡ１０２にフィードバックされる。ＬＣミラー１０７は、電圧を印加して液晶の屈折率を変化させて、反射ピーク波長を変化させることができる。

コリメートレンズ１０５ａと、ＬＣミラー１０７の間には、エタロンフィルタ１０６が配置されている。エタロンフィルタ１０６は、使用する波長域において、波長に対して周期的な透過特性を有するものである。

上記ＳＯＡ１０２、コリメートレンズ１０５ａ、１０５ｂ、エタロンフィルタ１０６及びＬＣミラー１０７は、光線が直線的に進行するように共通のサブキャリア１０９上に配置されている。また、サーミスタ等からなる温度検出器１０８がサブキャリア１０９上の適切な位置に配置されている。さらに、サブキャリア１０９が温度制御器１１０上に搭載され、温度検出器１０８により検出される温度をモニタすることにより一定温度に制御されている。

メモリ１１２には、各チャネルの、動作時と光出力ＯＦＦ時のＰＣ電流値Ｉ_{ＰＣ，ＯＮ}とＩ_{ＰＣ，ＯＦＦ}が記録されている。ＣＰＵ１１１は、メモリ１１２に記録された情報に基づいて、波長切替時にオープンループで、ＳＯＡ電流とＰＣ電流とを同時に制御できる機構となっている。

ここで、Ｉ_{ＰＣ，ＯＦＦ}は、以下の方法で事前に見積もることができる。
まず、発振波長のＳＯＡ電流依存性から発振波長の周期的な変動成分を評価する。その周期の回転数からＳＯＡ１０２の電流増減に伴う位相変化量Δφ_ＳＯＡを見積もる。そして、図２の位相電流と位相ずれの関係からＩ_{ＰＣ，ＯＦＦ}がわかる。

なお、本実施の形態では、メモリ１１２に、Ｉ_{ＰＣ，ＯＮ}及びＩ_{ＰＣ，ＯＦＦ}のみを記録しているが、他の情報を記録してもよい。例えば、Δφ_ＳＯＡのＳＯＡ電流依存性と、図２の関係をそれぞれ近似曲線で近似し、その係数をメモリ１１２に記録することも可能である。この場合、動作時のＳＯＡ電流や、ＰＣ電流が変動した場合でも、ＣＰＵ１１１によりＩ_{ＰＣ，ＯＦＦ}を見積もることが可能である。

本実施の形態の作用を、図３を用いて以下に説明する。図３は、波長切替時のＳＯＡ電流３０１、光出力３０２、ＳＯＡ活性層温度３０３、ＳＯＡ活性層温度３０３の変化による位相のずれ３０４、ＰＣ電流３０５、位相のずれ３０６及び発振波長３０７の時間変化を同一の時間軸に対して比較して示したグラフである。ここで、図３におけるＳＯＡ電流３０１、光出力３０２、ＳＯＡ活性層温度３０３、ＳＯＡ活性層温度３０３の変化による位相のずれ３０４を示すグラフは、各々図６におけるＳＯＡ電流６０１、光出力６０２、ＳＯＡ活性層温度６０３、ＳＯＡ活性層温度６０３の変化による位相のずれ６０４を示すグラフと同一であると考えてよい。

図３に示すように、第１の実施の形態に係る波長可変レーザ装置１０１でのチャネル１からチャネル２への波長切替時のフローは次のようになる。
（１）光出力を減少→ＯＦＦ
ＳＯＡ電流３０１をＩ_{ＳＯＡ、ＯＮ、Ｃｈ１}から０ｍＡまで減少させ、光出力３０２をＯＦＦにする。同時に、ＰＣ電流３０５もＩ_{ＰＣ、ＯＮ、Ｃｈ１}から、ＳＯＡ活性層温度３０３の変化に起因する位相のずれ３０４を補償しながらＩ_{ＰＣ、ＯＦＦ、Ｃｈ１}まで減少させる。
（２）波長設定
チャネル２のＬＣミラーの反射ピーク波長に調整する。また、ＰＣ電流３０５をＩ_{ＰＣ、ＯＦＦ、Ｃｈ２}に設定する。
（３）光出力を増大→ＯＮ
ＳＯＡ電流３０１をＩ_{ＳＯＡ、ＯＮ、Ｃｈ２}まで増加させ、光出力３０２をＯＮにする。同時に、ＰＣ電流３０５もＩ_{ＰＣ、ＯＦＦ、Ｃｈ２}から、ＳＯＡ活性層温度３０３の変化に起因する位相のずれ３０４を補償しながらＩ_{ＰＣ、ＯＮ、Ｃｈ２}まで上昇させる。

上記フローにより、波長切替時の位相のずれ３０６がπ／２以下と小さくなり、発振波長３０７のグリッドホップを抑えることが可能となる。なお、ＳＯＡ電流３０１による位相ずれは、発熱のため、ミリ秒単位の応答時間となるため、ＳＯＡ電流３０１の減少・増加する時間（（１）、（３）各動作時間）は１秒で行っている。なお、ＷＤＭ通信システムでは、波長切替時間は１０秒程度となっており、（１）と（２）と（３）の動作合計時間は、１ミリ秒以上から１０秒以下で行うことが望ましい。

また、ＰＣ電流の調整を以下のように行うことで、より高精度に位相補償が可能となり、位相変化をπ／１０以下まで抑えることが可能となる。
まず初めに、光出力ＯＮとＯＦＦ時のＳＯＡ電流の時間変化時の位相変化の時間依存性を見積もる。
次に、図２からその位相変化量を打ち消すのに必要なＰＣ電流値の時間依存性を求め、その近似関数をメモリ１１２に記録する。
そして、波長切替時に、メモリ１１２に記録してある近似関数に基づいてＰＣ電流を制御する。

第２の実施の形態
第１の実施の形態におけるＰＣ領域１０３への電流注入による位相制御では、制御できる位相の範囲に限界があり、通常０〜６π程度である。しかも大きな位相変化を必要とする場合にはＰＣ領域１０３へ注入する電流が大きくなるため、キャリアプラズマ損失の増大を招くなど、高出力化に課題もある。

上記課題に対して、通常動作時の位相調整をＰＣ電流で行い、波長切替時の位相調整機能をＳＯＡ１０２の温度調整で行う方法がある。このような構成を、第２の実施の形態として図４に示す。

第２の実施の形態に係る波長可変レーザ装置１０１では、第１の実施の形態と同様に、ＰＣ領域１０３と増幅領域１０４とを備えるＳＯＡ１０２、一対のコリメートレンズ１０５ａ、１０５ｂ、エタロンフィルタ１０６、ＬＣミラー１０７及びサーミスタである温度検出器１０８がサブキャリア１０９上に搭載されている。さらに、このサブキャリア１０９がペルチェ素子である温度制御器１１０上に搭載される。

第１の実施の形態と異なり、第２の実施の形態では、上記温度検出器１０８と温度制御器１１０により、ＳＯＡ１０２の温度調整による位相調整を行う。メモリ１１２には、動作温度Ｔ_ＯＮと波長切替時の温度Ｔ_ＯＦＦが記録され、波長切替時にオープンループでＳＯＡ１０２の温度制御を行う機構となっている。

なお、ＳＯＡ１０２の電流増減に伴う温度変化量ΔＴ_ＳＯＡは、ＳＯＡ１０２の熱光学効果による位相変化量とＳＯＡ１０２自体の温度特性から見積もることができ、Ｔ_ＯＦＦはＴ_ＯＮ＋ΔＴ_ＳＯＡで表される。今回、動作時の温度Ｔ_ＯＮとして、低消費電力と高出力特性の両立が期待できる３０℃を用いた。

本実施の形態の作用を、図５を用いて以下に説明する。図５は、波長切替時のＳＯＡ電流５０１、光出力５０２、ＳＯＡ活性層温度５０３、ＰＣ電流５０５、位相のずれ５０６、発振波長５０７及びＳＯＡ温度５０８の時間変化を同一の時間軸に対して比較して示したグラフである。ここで、図５におけるＳＯＡ電流５０１、光出力５０２を示すグラフは、各々図３におけるＳＯＡ電流３０１、光出力３０２を示すグラフと同一であると考えてよい。

このＳＯＡ１０２の温度調整による位相補償を用いたチャネル１からチャネル２への波長切替時のフローは次のようになる。
（１）光出力を減少→ＯＦＦ
サブキャリア１０９すなわちＳＯＡ１０２の温度５０８をＴ_ＯＮからＴ_ＯＦＦへΔＴ_ＳＯＡ上昇させる。その温度変化に合わせてＳＯＡ電流５０１を下げて位相補償を行い、光出力５０２をＯＦＦにする。
（２）波長設定
液晶波長可変ミラーの反射ピーク波長と、ＰＣ電流５０５による位相を調整。
（３）光出力を増大→ＯＮ
サブキャリア１０９すなわちＳＯＡ１０２の温度５０８をＴ_ＯＦＦからＴ_ＯＮへ下げる。その温度変化に合わせてＳＯＡ電流５０１を上げて位相補償をかけながら光出力５０２をＯＮにする。

ＳＯＡ温度５０８の変化に合わせたＳＯＡ電流５０１の位相補償を実現するため、（１）光出力ＯＦＦと、（３）光出力ＯＮ時の温度変化は、ペルチェ素子による温度制御の最適化により、３秒で線形に温度が変化し、その後安定するようにした。そして、ＳＯＡ電流５０１も３秒で変化するようにＣＰＵ１１１で時間制御を行った。

上記フローにより、波長切替時のＳＯＡ活性層温度５０３をほぼ一定に制御することが可能となる。そのため、位相のずれ５０６をπ／２以下と小さく抑えられ、発振波長３０７のグリッドホップを抑えることができる。また、図５に示すように、動作温度３０℃で、動作時の各チャネルのＰＣ電流５０５を１〜３ｍＡと比較的低電流で使用することで、ＳＯＡ電流５０１が２００ｍＡである時の光出力５０２が１３ｄＢｍ以上という高出力動作を実現している。

ただし、ＳＯＡ電流の調整方法、メモリ１１２に記録する情報は今回の方法に限らない。例えば、位相ずれが最小となるようにＳＯＡ電流の時間変化を事前に評価し、その時間プロファイルをメモリ１１２に記録、使用することも可能である。

なお、本発明では、位相補償手段としてＰＣ電流調整と、温度調整を用いているが、別のパラメータを用いて位相補償を行うことも可能である。例えば、ＭＥＭＳやピエゾ素子を用いた位相補償等も考えられる。ただし、これらの手法でも利用できる位相範囲は、やはり限定的である。

そこで、通常動作時の位相調整はＰＣ電流によって行い、波長切替時の位相調整は温度による位相調整を行うという、位相制御の併用（ハイブリッド的利用）が最も有効と考えられる。さらに、温度による位相補償を用いる今回の手法は、使用する位相電流を十分低い値に維持できるため、高出力化に有利という利点もある。なお、今回の発明はＤＢＲレーザなどの他の波長可変レーザでも用いることができる。

以上説明したとおり、本発明により、波長可変レーザの波長切替時にＳＯＡ電流と同時に位相も制御することで、グリッドホップの無いモジュールを実現した半導体装置を提供することができる。また、位相調整にＳＯＡに集積したＰＣ領域への電流制御を用いることで、小型のモジュールを実現することができる。

さらに、通常動作時の位相調整をＰＣ電流制御とし、波長切替時の位相制御をＳＯＡの温度調整制御とすることで、小型モジュールで、且つ、ＰＣ領域での損失が少なく高出力特性を実現した半導体装置を提供することができる。

この出願は、２００８年２月１５日に出願された日本出願特願２００８−３４５３６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、光通信や光測定装置に適用可能である。

Claims (10)

1. 増幅領域を有する半導体光増幅器と、
   周期的な波長選択フィルタと、
   前記増幅領域に印加する電流を制御するとともに、位相補償を行う制御部とを備え、
   前記制御部は、
   前記増幅領域に印加する電流を減少させることにより光出力を減少させつつ、オープンループ制御により波長可変レーザの位相補償を行い、
   ダークチューニングにより波長を切替え、
   前記増幅領域に印加する電流を増加させることにより光出力を増加させつつ、オープンループ制御により波長可変レーザの位相補償を行う、波長可変レーザ装置。
2. 前記制御部は、前記半導体光増幅器に形成された位相調整領域に印加する電流を調整して前記ダークチューニングを行うことを特徴とする請求項１に記載の波長可変レーザ装置。
3. 前記制御部は、波長切替時に、前記半導体光増幅器に形成された位相調整領域への印加電流を制御することにより位相補償を行うことを特徴とする請求項１に記載の波長可変レーザ装置。
4. 前記制御部は、波長切替時に、前記半導体光増幅器を温度制御することより位相補償を行うことを特徴とする請求項１に記載の波長可変レーザ装置。
5. 前記制御部は、非波長切替時には、前記半導体光増幅器に形成された位相調整領域への印加電流を制御することにより位相補償を行うことを特徴とする請求項４に記載の波長可変レーザ装置。
6. 外部共振器型であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長可変レーザ装置。
7. 半導体光増幅器に印加する電流を減少させることにより光出力を減少させつつ、オープンループ制御により波長可変レーザの位相補償を行い、
   ダークチューニングにより波長を切替え、
   前記半導体光増幅器に印加する電流を増加させることにより光出力を増加させつつ、オープンループ制御により波長可変レーザの位相補償を行う、波長可変レーザ装置の波長切替方法。
8. 前記半導体光増幅器に形成された位相調整領域に印加する電流を調整して前記ダークチューニングを行うことを特徴とする請求項７に記載の波長可変レーザ装置の波長切替方法。
9. 光出力の減少、及び光出力の増加の際、前記半導体光増幅器に形成された位相調整領域への印加電流を制御することにより位相補償を行うことを特徴とする請求項７に記載の波長可変レーザ装置の波長切替方法。
10. 光出力の減少、及び光出力の増加の際、前記半導体光増幅器を温度制御することより位相補償を行うことを特徴とする請求項７に記載の波長可変レーザ装置の波長切替方法。

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