JP5638676B2 - 光素子の波長制御方法および波長制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、光素子である、光ファイバ通信用光源および光計測用光源として用いられる波長可変半導体レーザの波長制御方法および波長制御装置に関し、特に光通信における光波長（周波数）多重システム用光源、および広帯域波長帯をカバーする光計測用光源の波長制御方法および波長制御装置に関するものである。

光ファイバ通信における波長多重通信方式では、規格で定められた間隔で異なる複数の周波数（波長）のレーザ光を一つの光ファイバで伝送する。一つ一つの周波数をチャンネルと呼び、高速なチャンネル切り替えのために高速に発振周波数の切り替えが可能な波長可変レーザが求められている。

通信用のレーザでは、単一モードレーザと呼ばれる一つの波長で発振するレーザが用いられており、単一モードを得るためには、例えば導波路に周期的に凹凸を設けた回折格子が用いられている。回折格子が形成された半導体光導波路は、回折格子の周期Λと光導波路の等価屈折率ｎより決まるブラッグ波長λ_Bで選択的に反射する分布反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）となる。λ_BとΛ、ｎの関係は、以下に示す（１）式で表される。

また、分布反射器に利得を持たせて作製したレーザのことを分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feedback）レーザと呼ぶ。

上述した（１）式から、分布反射器の等価屈折率ｎを変化させることで、ブラッグ波長を変化させることができることがわかる。すなわち選択的に反射する波長を変化させることができ、分布反射器を用いた共振器を構成すれば、等価屈折率の変化により発振波長を変化させることのできる波長可変レーザを構成することが可能となる。回折格子を利用した波長可変レーザとしては、均一な回折格子のＤＢＲを用いたＤＢＲレーザや、ＳＧ（Sampled Grating）‐ＤＢＲレーザ、ＳＳＧ（Super Structure Grating）‐ＤＢＲレーザなどが知られている。

また、連続的に波長を変化させることのできる分布活性（ＴＤＡ‐）ＤＦＢレーザがある。ここで、分布活性ＤＦＢレーザの基本構造の断面を図５に示す。図５に示すように、分布活性ＤＦＢレーザは、下部クラッド１０１上に、活性導波路層１０２と非活性導波路層（波長制御領域）１０３とがそれぞれ一定の長さＬａ，Ｌｔで交互に周期的に縦続接続された構造となっている。活性導波路層１０２および非活性導波路層１０３の上には上部クラッド１０４が形成され、活性導波路層１０２および非活性導波路層１０３と上部クラッド１０４との間には凹凸、すなわち回折格子１０５が形成されている。更に、上部クラッド１０４上には、活性導波路層１０２、非活性導波路層１０３に対応して活性領域電極１０６、波長制御領域電極１０７がそれぞれ設けられている。また、下部クラッド１０１の下方には共通の電極１０８が設けられている。この分布活性ＤＦＢレーザにおいては、活性導波路層１０２へ電流Ｉａを注入することにより発光するとともに利得が生じるが、それぞれの導波路には回折格子１０５が形成されており、回折格子１０５の周期に応じた波長のみ選択的に反射されてレーザ発振が起こる。一方、非活性導波路層１０３へ電流Ｉｔを注入することによりキャリア密度に応じてプラズマ効果により屈折率が変化するため、非活性導波路の回折格子の光学的な周期は変化する。非活性導波路層の等価屈折率が変化し、１周期の長さに対する波長制御領域の長さの割合分だけ共振縦モード波長が短波長側にシフトする。活性領域長をＬａ、波長制御領域長をＬｔとすれば、繰り返し構造の１周期の長さはＬａ+Ｌｔとなり、共振縦モード波長の変化の割合Δλｒ／λｒは、以下に示す（２）式となる。

一方、複数の反射ピークの各波長も、電流注入による等価屈折率の変化の結果、短波長側にシフトする。反射ピーク波長は繰り返し構造１周期内の平均等価屈折率変化に比例するので、反射ピーク波長の変化の割合Δλｓ／λｓは、以下の（３）式で表される。

（２）式、（３）式より、反射ピーク波長と共振縦モード波長とは同じ量だけシフトする。したがって、このレーザでは、最初に発振したモードを保ったまま連続的に波長が変化する。

その他、光導波路をリング状にしたリング共振器などの場合でも、リングの物理的長さと等価屈折率との積である光学長により共振波長が決まるため、等価屈折率の変化により共振波長を変化させることができることが知られている。

半導体の等価屈折率を動的に変化させる方法は、温度を変化させる方法、電流注入により変化させる方法、などがある。温度による屈折率変化は比較的遅く、安定するまでに数秒かかる。一方で、電流注入による屈折率の変化はプラズマ効果などに起因し、数ナノ秒で屈折率変化が生じることが知られている。

しかしながら、波長はステップ的に変わるのではなく、連続的に変化するため、ある波長（チャネル）から次の波長（チャネル）に変化する際に、その間の波長もわずかな時間ながら出力されることになる。そのため、一般的には、波長可変レーザの出力側に半導体光増幅器（ＳＯＡ）を設け、波長が切り替わるまでの間はＳＯＡに電流を流さずに吸収体とすることで、レーザからの光出力をカットする、いわゆるブランキング動作を行うなどの方法が行われている。

また、一般的に半導体中では電流が流れることにより抵抗成分のために発熱する。通常、素子温度を一定にするためにペルチェ素子などを用いるが、チャンネル切替時には、電流量が変化することで発熱量が変わるため半導体レーザチップの温度が変化する。電流注入による屈折率変化が生じると同時に、温度変化によりゆっくりと屈折率変化が生じるため、チャンネル切り替え直後に設定周波数と比べて数ＧＨｚから数十ＧＨｚ程度のズレが生じ、ゆっくりと設定周波数に近づいていくというドリフト現象が現れる。このドリフト現象は熱的要因で生じ、数ミリ秒以上の時間がかかる。この現象は、チップ温度の変化に起因するので、ＳＯＡのＯＮとＯＦＦでブランキング動作を行うと、電流が変化し、ブランキング直後にもドリフト現象で周波数がゆっくりと変化してしまうことになる。

波長可変レーザの波長切替時の電流変動による熱波長ドリフトを抑制するために、特許文献１、２、３では、波長可変レーザの波長制御領域に隣接して熱補償用の電極を用意し、制御層の電流が変化するタイミングに合わせ、熱補償用の電極に流す電流も変化させることで熱補償を行っている。

特許第３１６８８５５号 特許第３２５７１８５号 特開２００８−２１８９４７号公報

波長可変レーザにおいて、設定波長以外の波長の光が出力されてしまうことを防ぐため、ブランキング動作を行うが、電流のＯＮとＯＦＦを切り替えるため電流変化量が大きく熱ドリフトが発生する。波長切替時の熱ドリフトを抑制するための熱補償の方法が開示されているが、レーザに平行に熱補償用の電極を設ける必要があった。

以上のことから、本発明は上述した課題を解決するために為されたものであって、所望の波長以外の波長が出力されるのを防ぐためにブランキング動作をしつつ、波長切り替え時の電流変化に起因する熱変動による波長ドリフトを抑制し、波長安定性を高める光素子の波長制御方法および波長制御装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決する第１の発明に係る光素子の波長制御方法は、
光素子の波長制御方法であって、
前記光素子として、制御電流を注入して屈折率を制御する波長制御領域と、利得電流を注入して利得を制御する活性層領域とを有する電流制御型の波長可変半導体レーザが複数並列に配置された波長可変レーザアレイ素子と、半導体光増幅器とが集積された集積半導体レーザアレイ素子を用い、
所定の波長で光出力のあるチャンネル１状態と、
前記半導体光増幅器の電流を遮断することにより光出力を遮断した光遮断状態と、
前記チャンネル１状態とは異なる波長の光出力のあるチャンネル２状態
とを制御する波長制御過程において、
前記光遮断状態中に、前記チャンネル２状態で前記半導体光増幅器に流す電流または電力と同じ値の電流または電力を、前記チャンネル２状態で動作する波長可変半導体レーザ以外の一つまたは複数個の波長可変半導体レーザの前記波長制御領域と前記活性層領域のいずれかまたは両方に投入し、
前記光遮断状態中に、前記チャンネル２状態で動作する前記波長可変半導体レーザの波長制御領域に注入する制御電流と同じ値の制御電流を、前記チャンネル２状態で動作する前記波長可変半導体レーザの波長制御領域に注入し、
前記光遮断状態中に、前記チャンネル２状態で動作する前記波長可変半導体レーザの活性層領域に注入する利得電流と同じ値の利得電流を、前記チャンネル２状態で動作する前記波長可変半導体レーザの活性層に注入する
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第２の発明に係る光素子の波長制御方法は、
第１の発明に係る光素子の波長制御方法であって、
前記光遮断状態中に投入する前記チャンネル２状態で前記半導体光増幅器に流す電流相当または電力相当の電流を、前記チャンネル２状態で動作する波長可変半導体レーザには隣接しない波長可変半導体レーザに投入する
ことを特徴とする。

また、上述した課題を解決する第３の発明に係る光素子の波長制御方法は、
第１又は第２の発明に係る光素子の波長制御方法であって、
前記光遮断状態を１ミリ秒以上で制御する
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第４の発明に係る光素子の波長制御方法は、
第１乃至第３の発明の何れか１つに係る光素子の波長制御方法であって、
前記チャンネル１状態を、光出力が無く、かつ、前記チャンネル２状態とは電流量が異なる状態に制御する
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第５の発明に係る光素子の波長制御方法は、
第１乃至第４の発明の何れか１つに係る光素子の波長制御方法であって、
前記可変半導体レーザとして、分布活性分布帰還型半導体レーザを用いる
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第６の発明に係る光素子の波長制御方法は、
第１乃至第５の発明の何れか１つに係る光素子の波長制御方法を実施する光素子の波長制御装置であって、
所望の波長の光出力に応じてチャンネルを選択すると共に、注入電流量を調整する制御部を備える
ことを特徴とする。

本発明によれば、波長可変レーザアレイに特別な構造を付加することなく、ブランキング時の電流変化により生じる発熱量の変化を抑えることができ、発振波長を安定化することができる。

本発明の第一番目の参考例に係る光素子の波長制御方法で制御する分布活性ＤＦＢレーザ構造の説明図であって、図１（ａ）にその上面を示し、図１（ｂ）に図１（ａ）のｘ−ｘ’断面を示し、図１（ｃ）に図１（ａ）のｙ−ｙ’断面を示す。 第一番目の参考例に係る光素子の波長制御方法で制御するＤＢＲレーザ構造の説明図である。 本発明の第二番目の参考例に係る光素子の波長制御方法で制御する集積半導体レーザ素子の説明図である。 本発明の第一番目の実施形態に係る集積半導体レーザ素子の説明図である。 分布活性ＤＦＢレーザの構造を説明する図である。

本発明に係る光素子の波長制御方法および波長制御装置について、各参考例及び実施形態で具体的に説明する。

［第一番目の参考例］
第一番目の参考例に係る光素子の波長制御方法および波長制御装置について、図１を参照して説明する。本参考例では、光素子として波長可変半導体レーザを用い、この波長可変半導体レーザの波長を制御する場合について説明する。

波長可変半導体レーザは、図１（ｂ）に示すように、第一のレーザ部Ａ₁、位相シフト領域２０、第２のレーザ部Ａ₂からなり、図中右から、この順に直列に接続されたものである。

第一のレーザ部Ａ₁においては、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド（半導体基板）２１上に形成された、発振波長帯に対して光学的利得を有し、ＧａＩｎＡｓＰからなる長さＬ_a1の活性導波路層（活性領域、活性層）２２_a1と、光学的利得を持たず、活性導波路層２２_a1とは組成の異なるＧａＩｎＡｓＰからなる長さＬ_t1の非活性導波路層（非活性領域、波長制御領域、制御層）２３_t1とが、光の伝搬方向に沿って、周期Ｌ₁で交互に複数繰り返して縦続接続された周期構造となっている。

第二のレーザ部Ａ₂においては、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド（半導体基板）２１上に形成された、発振波長帯に対して光学的利得を有し、ＧａＩｎＡｓＰからなる長さＬ_a2の活性導波路層（活性領域、活性層）２２_a2と、光学的利得を持たず、活性導波路層２２_a2とは組成の異なるＧａＩｎＡｓＰからなる長さＬ_t2の非活性導波路層（非活性領域、波長制御層、制御層）２３_t2とが、光の伝搬方向に沿って、周期Ｌ₂で交互に複数繰り返して縦続接続された周期構造となっている。

また、図１（ｃ）に示すように、活性導波路層２２（２２_a1，２２_a2）及び非活性導波路層２３（２３_t1，２３_t2）からなるコア層３３の両脇に、Ｆｅをドーピングして高抵抗としたＩｎＰからなる電流ブロック層２４が形成される。

これら層２２_a1，２３_t1，２２_a2，２３_t2の上には、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示すように、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド２５が形成され、これら層２２_a1，２３_t1，２２_a2，２３_t2と上部クラッド２５の間には、周期的な凹凸を形成して導波路の等価屈折率を周期変調させた回折格子２６が形成されている。位相シフト領域２０においては、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド２１上に回折格子２６の位相をλ／４位相する位相シフト部２７が形成され、位相シフト部２７上にｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド２５が形成されている。これにより、第一のレーザ部Ａ₁と第二のレーザ部Ａ₂の回折格子２６はλ／４位相がシフトしている。

さらに、上部クラッド２５の上にはオーミックコンタクトのために高ドープのｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２８を設け、このコンタクト層２８の上に活性領域電極２９及び波長制御領域電極３０を形成している。活性領域電極２９、波長制御領域電極３０に対応してコンタクト層２８を２つに分離することにより、活性領域電極２９と波長制御領域電極３０とが互いに独立して電流を注入できるようにしている。活性領域電極２９として、活性層導波路層２２_a1，２２_a2の領域の上方にこれら領域に対応して活性領域電極２９_a1，２９_a2がそれぞれ設けられ、全ての活性領域電極２９_a1，２９_a2同士が互いに素子上で短絡して構成されている。波長制御領域電極３０として、非活性導波路層２３_t1，２３_t2の領域の上方にこれら領域に対応して波長制御領域電極３０_t1，３０_t2がそれぞれ設けられ、全ての波長制御領域電極３０_t1，３０_t2同士が互いに素子上で短絡して構成されている。また、下部クラッド２１の下部には共通の下部電極３１を形成している。なお、電極同士を素子上で短絡しているので、活性領域電極２９の下層においては、活性層領域２２の上方の領域にのみコンタクト層２８が形成され（図１（ａ）の電極幅の広い部分）、非活性導波路層２３の上方の領域には絶縁層３２が形成されている（図１（ａ）の電極幅の狭い部分、図１（ｃ）参照）。同様に、波長制御領域電極３０が非活性導波路層２３のみに電流を注入できるように、波長制御領域電極３０の下層においても、非活性導波路層２３の上方の領域にのみコンタクト層２８が形成され（図１（ａ）の電極幅の広い部分）、活性導波路層２２の上方の領域には絶縁層３２が形成されている（図１（ａ）の電極幅の狭い部分、図１（ｃ）参照）。

活性導波路層２２（２２_a1，２２_a2）としてバンドギャップ波長１．５５μｍのＧａＩｎＡｓＰを用いた場合、非活性導波路層２３（２３_t1，２３_t2）としてはそれより短波のバンドギャップ波長、例えば、１．４μｍのバンドギャップ波長のＧａＩｎＡｓＰを用いることにより、レーザ発振の利得に寄与しないために、キャリア密度が一定にならない。これにより、電流注入により大きく屈折率を変化させることができる。

活性導波路層２２及び非活性導波路層２３はバルク材料でなくともよく、例えば、量子井戸構造、もしくは、量子井戸をバリア層で挟んで重ねた多層量子井戸構造や、さらに低次元の量子井戸構造を備えたものであっても良い。また、活性層への光閉じ込めやキャリア閉じ込めを高めるなどのために、活性層とクラッド層の間に中間の屈折率を持つ層を導入する分離閉じ込めへテロ構造などを導入しても良い。

本素子に用いる半導体は、ＩｎＰとＧａＩｎＡｓＰの組み合わせに限定することなく、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓなど、その他の半導体を用いても良いし、活性導波路層２２と非活性導波路層２３のバンドギャップ波長の組み合わせも上記に限定するものではない。

第一のレーザ部Ａ₁と第二のレーザ部Ａ₂では、活性導波路層２２と非活性導波路層２３の繰り返し周期は、それぞれＬ₁＝５０μｍ、Ｌ₂＝７０μｍと異なるが、活性導波路層２２と非活性導波路層２３の割合（Ｌ_a1／Ｌ_t1、および、Ｌ_a2／Ｌ_t2）は同じである。本参考例では、この割合を１／２とした。第一のレーザ部Ａ₁と第二のレーザ部Ａ₂の間において、回折格子２６の位相をλ／４波長変化させている。これにより、第一のレーザ部Ａ₁での反射波と第二のレーザ部Ａ₂での反射波の位相を、発振条件を満たすように整合させている。

活性導波路層２２及び波長制御用の非活性導波路層２３の上部に設けられる活性領域電極２９及び波長制御領域電極３０は互いに分離されており、図１（ａ）に示すように、活性導波路層２２上の活性領域電極２９_a1，２９_a2同士及び非活性導波路層２３上の波長制御領域電極３０_t1，３０_t2同士は素子上で短絡されており、櫛型の電極形状になっている。このように素子上で各々の領域の電極同士を短絡しておくことにより、金属製のボンディング・ワイヤをどこか一か所ずつ接着させるだけで、各領域に電流を注入することができる。

ここで、上述した構成の分布活性ＤＦＢレーザの作製方法について簡単に説明する。
（１）最初に有機金属気相エピタキシャル成長法と、これによる選択成長法を用いて、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド２１上に活性導波路層（活性層）２２（２２_a1，２２_a2）と非活性導波路層（波長制御層）２３（２３_t1，２３_t2）とを作製する。
（２）その後、塗布したレジストに、電子ビーム露光法を用いて回折格子２６のパターンを転写し、転写パターンをマスクとしてエッチングを行い、回折格子２６を形成する。
（３）次に、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド２５及びｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２８を成長した後、横モードを制御するために、幅１．２μｍのストライプ状に導波路を加工し、その両側にＦｅをドーピングしたＩｎＰ（半絶縁体）からなる電流ブロック層２４を成長する。
（４）そして、活性領域電極２９及び波長制御領域電極３０を形成した後、活性層駆動用の活性領域電極２９と波長制御用の波長制御領域電極３０とを電気的に分離するために、それらの電極間のコンタクト層２８を除去する。
なお、電極同士を素子上で短絡すると共に、活性領域電極２９が活性導波路層２２のみに電流を注入できるように、活性領域電極２９を形成する前に、活性導波路層２２の上方の領域にコンタクト層２８を形成し、非活性導波路層２３の上方の領域に絶縁層３２を形成し、それらの上層に活性領域電極２９を形成している。同様に、電極同士を素子上で短絡すると共に、波長制御領域電極３０が非活性導波路層２３のみに電流を注入できるように、波長制御領域電極３０を形成する前に、非活性導波路層２３の上方の領域にコンタクト層２８を形成し、活性導波路層２２の上方の領域に絶縁層３２を形成し、それらの上層に波長制御領域電極３０を形成している。その後、下部クラッド２１の下部に下部電極３１を形成している。

半導体の成長法としては、有機金属気相エピタキシャル成長法に限らず、分子線エピタキシャル成長法やその他の手段を用いてもよい。回折格子の形成方法も電子線露光法に限らず、二束干渉露光法やそのほかの手段を用いてもよい。

電流ブロック層２４は、ＦｅをドーピングしたＩｎＰ層に限定することなく、Ｒｕなどのその他のドーパントをドーピングして高抵抗化したＩｎＰ層を用いても良い。また、ｐ型半導体とｎ型半導体を交互に重ねた多層構造としてもよい。

また、導波路構造は、本参考例では埋め込み構造を採用しているが、一般的なリッジ構造やハイメサ構造などでも本発明の原理を用いることができる。

本参考例では、第一のレーザ部Ａ₁及び第二のレーザ部Ａ₂における活性導波路層２２と非活性導波路層２３の繰り返しの数をそれぞれ６としている。第一のレーザ部Ａ₁と第二のレーザ部Ａ₂では同じ結合係数の回折格子２６を用いているので、活性導波路層２２と非活性導波路層２３の繰り返し周期の長い第二のレーザ部Ａ₂の方が結合係数と長さの積が大きくなるため反射率は高くなる。したがって、繰り返し数を同数とした場合、自然に出力は非対称となり、反射率の低い第一のレーザ部Ａ₁からの出力が反射率の高い第二のレーザ部Ａ₂からの出力に比べて大きくとれるため、第一のレーザ部Ａ₁側から出力を効率よく取り出すことができる。なお、活性導波路層２２と非活性導波路層２３の繰り返しの数は６に限らず、また繰り返し数が第一のレーザ部Ａ₁と第二のレーザ部Ａ₂で同じである必要もないため、必要な反射率に応じて繰り返し周期や繰り返し数を設計すればよい。

本参考例の波長可変半導体レーザでは、図１（ａ）および図１（ｃ）に示す活性領域電極２９と下部電極３１との間に電流を流すことによりレーザ光が発振する。このときの発振波長は、図１（ｂ）で示した第一のレーザ部Ａ₁および第二のレーザ部Ａ₂の回折格子２６により決まる波長となる。また、図１（ａ）および図１（ｃ）に示す波長制御領域電極３０へ電流注入することにより、非活性導波路層２３の等価屈折率が変化し、共振縦モード波長が短波長側にシフトさせることができ、それに伴い、発振波長も短波長側にシフトする。

＜制御方法＞
ここで、上述した分布活性ＤＦＢレーザにて、発振のＯＮ／ＯＦＦ時にて熱補償するための制御方法について説明する。
ＬＤ内で活性層電流Ｉａ＝７５ｍＡ、波長制御電流Ｉｔ＝１．５６ｍＡのチャンネル１（状態）からＩａ＝７５ｍＡ、Ｉｔ＝５２．３ｍＡのチャンネル２（状態）に切り替えることを考える。チャンネル１からチャンネル２に切り替える際には、一度、出力をＯＦＦすることで、余分な波長の光を出力しないようにする。これは活性層電流をＯＦＦすることにより実現できる。つまり、以下の表１に示すように動作させる。

しかしながら、状態１から状態２に切り替える際には、７６．５６ｍＡの電流変化があり、状態２から状態３に切り替える際には、１２７．３ｍＡの電流変化がある。この電流変化により、大きく発熱量が異なるためチップの温度変化が生じ、状態３に切り替わるときには、２０ＧＨｚ程度の波長ズレが生じ、１ＧＨｚ以内のずれになるまでに３ミリ秒程度の時間が必要であった。これを回避するために、以下の表２に示すように動作させる。

これにより、状態２と状態３の電流量が等しくなるため、チップ全体の発熱量がほぼ等しくなり、チップ全体の発熱量の変動を抑えることが可能となる。すなわち、状態番号を添え字であらわし、以下の（４）式となればよい。

これにより、状態３に切り替えた直後の波長ズレは２ＧＨｚ以下に抑えることが可能となり、状態３に切り替えてから１ｍｓ以下で１ＧＨｚ以下の波長ズレまで安定化させることが可能となる。遮断動作中に制御電流を流しても、制御層は回折格子のブラッグ波長から大きく離れているため、適切な反射を得ることが無いため、発振することは無い。

本参考例では、簡単に効果を確かめるために電流量が等しくなるように制御したが、より正確には、発熱量が一定となるように制御すればよい。すなわち、電圧と電流の積の合計、つまり、投入電力が一定になるようにすれば良い。

また、電流量を完全に一致させなくとも本参考例の効果を得ることができる。例えば、以下の表３に示すように動作させたところ、波長ズレを６ＧＨｚ以下に抑えることができた。

逆に制御電流量を状態３の電流合計値よりも大きくしたところ、負の波長ズレが生じた。したがって、効果を得るためには、遮断動作中にも制御電流を流すことが必要で、状態３の制御電流値以上で、状態３の全電流以下の電流とすれば良い。すなわち、状態番号を添え字であらわして、以下の（５）式となるように制御すればよい。

本参考例では、分布活性ＤＦＢレーザについて説明したが、通常のＤＢＲレーザなど他の電流注入型の波長可変半導体レーザに適用することも可能である。ＤＢＲレーザは、図２に示すように、下部クラッド４１の上に形成された、長さＬ_t1の第一の非活性導波路層４３_t1と、長さＬ_aの活性導波路層４２と、長さＬ_t2の第二の非活性導波路層４３_t2とが、図中右から、この順に縦続接続された構造となっている。活性導波路層４２及び非活性導波路層４３_t1，４３_t2の上には、上部クラッド４４が形成され、これら層４３_t1，４３_t2と上部クラッド４４の間には、周期的な凹凸、すなわち回折格子４５がそれぞれ形成されている。上部クラッド４４の上には、活性導波路層４２、第一，第二の非活性導波路層４３_t1，４３_t2に対応して、活性領域電極４６、非活性領域電極４７_t1，４７_t2がそれぞれ形成されている。下部クラッド４１の下に下部電極４８が形成されている。このような他の電流注入型の波長可変半導体レーザに適用した場合であっても、活性層以外の電流注入領域を用いて、発熱量を制御すればよい。

分布活性ＤＦＢレーザでは、更に、制御層が分布して存在しているため、熱分布が生じにくいという利点がある。素子の構造によっては、チップ全体の発熱量変化が生じないように制御したとしても、電流注入領域の位置が遮断状態（状態２）のときと、動作状態（状態３）のときとで大きく異なると、チップ内の熱分布が生じてしまう。これにより、状態３に切り替えた際に熱の流れが生じ、熱ドリフトが発生することになる。しかしながら、分布活性ＤＦＢレーザでは、制御層がおよそ３０μｍ以下の間隔で、共振器全体にわたって分布しているため、熱が均等に伝わる。これにより、遮断状態と動作状態とで熱分布の差が小さくなり、熱ドリフトをより抑制することが可能となる。

熱ドリフト抑制制御を行っていない場合に１ＧＨｚのズレに入るまでに３ミリ秒程度の時間が必要であり、これは電流注入による温度変化が安定するまでの時間だと考えられるので、状態２の時間は３ミリ秒程度あれば十分である。また、熱ドリフト抑制制御を行っていない場合、２ミリ秒であれば１．５ＧＨｚ程度のずれ、１ミリ秒であったとしても、２ＧＨｚ程度のずれである。したがって、熱ドリフト抑制制御をする際に状態２を２ミリ秒、１ミリ秒としても、抑制効果は現れることになり、目標の数値に応じて、最低時間を定めればよい。例えば、２．５ＧＨｚ程度のズレまでが許容範囲であれば、状態２の時間は１ミリ秒でよい。

［第二番目の参考例］
第二番目の参考例に係る光素子の波長制御方法および波長制御装置について、図３を参照して説明する。本参考例では、光素子として、分布活性ＤＦＢレーザとＳＯＡとを集積した集積半導体レーザ素子を用い、この集積半導体レーザ素子の波長を制御する場合について説明する。

集積半導体レーザ素子は、図３に示すように、同一半導体基板上に、レーザ部５１、導波路部５２、半導体光増幅器（ＳＯＡ）５３を集積した素子である。

レーザ部５１は、活性分布ＤＦＢレーザであって、下部クラッド（半導体基板）６１上に形成された、発振波長に対して光学的利得を有し、長さＬ_aの活性導波路層（活性層）６２と、光学的利得を持たず、長さＬ_tの非活性導波路層（非活性領域、波長制御領域、制御層）６３とが、光の伝搬方向に沿って交互に複数繰り返して縦続接続された周期構造となっている。これら層６２，６３の上には、上部クラッド６４が形成され、これら層６２，６３と上部クラッド６４との間には、周期的に凹凸、すなわち回折格子６５がそれぞれ形成されている。上部クラッド６４の上には、活性導波路層６２、非活性導波路層６３に対応して、活性領域電極６７、非活性領域電極６８がそれぞれ形成されている。下部クラッド６１の下には下部電極６９が全面に亘って形成されている。このような構成のレーザ部５１の共振器の長手方向略中央に前後でλ／４位相をシフトする位相シフト領域６６が形成されている。

導波路部５２は、下部クラッド（半導体基板）６１上に形成され、レーザ部５１から発振した出力光が導波する導波部７１と、導波部７１の上に形成された上部クラッド６４とで構成されている。

ＳＯＡ５３は、下部クラッド（半導体基板）６１上に形成され、導波部７１を導波した出力光の強度を増幅する増幅部８１と、増幅部８１の上に形成された上部クラッド６４と、上部クラッド６４の上に形成された増幅部用電極８２とを備えている。

ＳＯＡ５３は光出力の調整に用いられるだけでなく、ＳＯＡ５３のＯＮとＯＦＦにより光遮断動作が行われる。この場合もＳＯＡ５３のＯＮとＯＦＦにより電流量が大きく変化するため、チップ温度が大きく変わり、熱ドリフトが生じる。すなわち、通常、ＳＯＡを用いて光遮断する場合の動作は、以下の表４に示すように、チャンネル１からチャンネル２に移行する過程でＳＯＡの電流をＯＦＦし、光出力を遮断している。

ＳＯＡ５３は電流を流さなければ光吸収体として働くため、レーザ部５１からの光を十分遮断することが可能である。しかしながら、上記のような動作を行うと、状態２と状態３の間でＳＯＡ５３の電流の分だけ電流量が変化してしまい、熱波長ドリフトが生じてしまう。実際に、上記動作を行ったところ２５ＧＨｚ程度の波長ドリフトが生じた。
これを回避するために、以下の表５に示すように制御した。

このように制御することにより、状態２と状態３の間での電流量を一定として、チップ温度を安定化させることが可能となる。ここでは、ＳＯＡ５３の電流の１５０ｍＡのうち、活性層電流に５０ｍＡ、制御電流に１００ｍＡ振り分けた。これにより、３ＧＨｚまで波長ドリフトを抑制することができた。

ＳＯＡの電流の振り分け先、配分は、上記に限定することはなく、活性層電流に１００ｍＡ、制御電流に５０ｍＡなどとしてもよいし、制御電流のみに１５０ｍＡとしても良い。しかしながら、例えば、活性層に１５０ｍＡ振り分けると、状態３で必要な１５０ｍＡと合わせて３００ｍＡとなり通常動作時の２倍の電流となる。電流量が多いと素子の劣化も早くなることが懸念されるため、電流値を振り分けることは素子劣化を防ぐという目的で有効である。また、より素子劣化を防ぐという目的では、電流密度が一定となるように振り分ける方法が考えられる。

上述した第一番目の参考例と同様に、より正確には、投入電力が一定となるように制御することでより波長安定性が高まり、波長ドリフトをより抑制することが可能となる。

［第一番目の実施形態］
第一番目の実施形態に係る光素子の波長制御方法および波長制御装置について、図４を参照して説明する。本実施形態では、光素子として、分布活性ＤＦＢレーザが複数並列に配置された波長可変レーザアレイ素子と、半導体光増幅器とを集積した集積半導体レーザ素子を用い、この集積半導体レーザ素子の波長を制御する場合について説明する。

本実施形態に係る集積半導体レーザ素子９０は、図４に示すように、同一基板の上に設けられたものであり、図中左から順に、発振波長の異なる６個の分布活性ＤＦＢレーザ（波長可変半導体レーザ、ＬＤ１〜ＬＤ６）９１ａ〜９１ｆからなる６チャンネル分布活性ＤＦＢレーザアレイ（ＬＤ部）９１と、それらの出力光がそれぞれ導波する導波路９２ａ〜９２ｆからなる導波路部９２と、導波路部９２を導波した出力光をひとつに合波する光結合器である多モード干渉（ＭＭＩ：Multi-Mode Interferometer）結合器（カプラ）９３と、最終段で出力光の強度を調整する半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）９４とから構成されている。６個の分布活性ＤＦＢレーザ９１ａ〜９１ｆは隣接する分布活性ＤＦＢレーザ同士の間隔Ｌ_LDが６０μｍで並列に配置される。また、上述した集積半導体レーザ素子９０には制御装置９５が設けられる。制御装置９５は、所望の波長の光出力に応じてチャンネルを選択すると共に、注入電流量を調整する制御部を備える。制御装置９５により、６個の分布活性ＤＦＢレーザ（ＬＤ１〜ＬＤ６）の後述する活性領域電極及び制御領域電極へ投入される電流もしくは電力を後述の制御方法でそれぞれ制御している。

本実施形態においても、ＳＯＡ９４を用いて光遮断を行うことが可能である。この場合は、上述した第二番目の参考例よりもＳＯＡ９４の電流の振り分け先の候補が多くなり、発振動作させるレーザ以外のレーザにも電流を振り分けることが可能となる。例えば、以下の表６に示すように電流を振り分けることができる。

遮断動作中に、他のレーザの制御層に均等に電流を分配することも可能である。また、隣接ＬＤ間隔が狭いときには、隣接ＬＤの電流変化による局所的な発熱の変化が動作ＬＤの温度に影響を与えることが考えられる。その場合は、以下の表７に示すように電流を振り分けることができる。

局所的な熱分布が影響しないように、もっとも遠いＬＤや、熱分布の影響が無い距離だけ離れたＬＤに電流を流せばよい。また、遮断中は、ＳＯＡ９４で光を吸収するため、チャンネル２で使用するＬＤ以外のＬＤの活性層に電流を流してもよいので、制御層だけでなく活性層にも分配してもよい。

［第二番目の実施形態］
第二番目の実施形態に係る光素子の波長制御方法および波長制御装置について以下に説明する。本実施形態では、光出力が無い状態から光出力がある状態に変化する際に適用した場合について説明する。
上述した第一番目，第二番目の参考例及び第一番目の実施形態において、チャンネル１から光遮断動作を経て、チャンネル２に移る際の制御方法について説明した。これらは、電源ＯＮから温度安定化動作を経て、光を出力する際などにも応用できる。すなわち、光出力が無い状態から、光出力のある状態に変化する際に適応可能であって、光出力を得る数ミリ秒前から電流を流すようにすれば良い。

具体的には、第一番目の参考例の状態を装置の電源を入れた際の動作に適応することを考えると、以下の表８に示すように制御すれば良い。

本実施形態では、状態１のペルチェ温度安定待ち後、状態２を１００ミリ秒として、状態３に切り替えた。これにより、上述した第一番目の参考例と同様の効果が得られた。通常、電源ＯＮからペルチェ温度安定待ちには数秒から数十秒必要であるため、本実施形態では、消費電力の観点から状態１と状態２を分離し、状態２を１００ミリ秒としたが、状態１と状態２は同時に行っても同様の効果が見込める。また、逆に第一番目の参考例で説明したように、状態２の時間が１ミリ秒であったとしても十分効果が現れる。

本発明に係る光素子の波長制御方法および波長制御装置によれば、所望の波長以外の波長が出力されるのを防ぐためにブランキング動作をしつつ、波長切り替え時の電流変化に起因する熱変動による波長ドリフトを抑制し、波長安定性を高めることができるため、通信産業などで有益に利用することができる。

２０ 位相シフト領域
２１ 下部クラッド
２２ 活性導波路層
２３ 非活性導波路層
２４ 電流ブロック層
２５ 上部クラッド
２６ 回折格子
２７ 位相シフト部
２８ コンタクト層
２９ 活性領域電極
３０ 非活性領域電極
３１ 下部電極
３２ 絶縁層
３３ コア層
４２ 活性導波路層
４３ 非活性導波路層
４６ 活性領域電極
４７ 非活性領域電極
５１ レーザ部
５２ 導波路部
５３ 半導体光増幅器（ＳＯＡ）
７１ 導波層
８１ 増幅部
８２ ＳＯＡ用電極
９０ 集積半導体レーザ素子
９１ ＬＤ部
９２ 導波路部
９３ 結合器
９４ 半導体光増幅器（ＳＯＡ）
９５ 制御装置

Claims (6)

1. 光素子の波長制御方法であって、
   前記光素子として、制御電流を注入して屈折率を制御する波長制御領域と、利得電流を注入して利得を制御する活性層領域とを有する電流制御型の波長可変半導体レーザが複数並列に配置された波長可変レーザアレイ素子と、半導体光増幅器とが集積された集積半導体レーザアレイ素子を用い、
   所定の波長で光出力のあるチャンネル１状態と、
   前記半導体光増幅器の電流を遮断することにより光出力を遮断した光遮断状態と、
   前記チャンネル１状態とは異なる波長の光出力のあるチャンネル２状態
   とを制御する波長制御過程において、
   前記光遮断状態中に、前記チャンネル２状態で前記半導体光増幅器に流す電流または電力と同じ値の電流または電力を、前記チャンネル２状態で動作する波長可変半導体レーザ以外の一つまたは複数個の波長可変半導体レーザの前記波長制御領域と前記活性層領域のいずれかまたは両方に投入し、
   前記光遮断状態中に、前記チャンネル２状態で動作する前記波長可変半導体レーザの波長制御領域に注入する制御電流と同じ値の制御電流を、前記チャンネル２状態で動作する前記波長可変半導体レーザの波長制御領域に注入し、
   前記光遮断状態中に、前記チャンネル２状態で動作する前記波長可変半導体レーザの活性層領域に注入する利得電流と同じ値の利得電流を、前記チャンネル２状態で動作する前記波長可変半導体レーザの活性層に注入する
   ことを特徴とする光素子の波長制御方法。
2. 請求項１に記載の光素子の波長制御方法であって、
   前記光遮断状態中に投入する前記チャンネル２状態で前記半導体光増幅器に流す電流相当または電力相当の電流を、前記チャンネル２状態で動作する波長可変半導体レーザには隣接しない波長可変半導体レーザに投入する
   ことを特徴とする光素子の波長制御方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光素子の波長制御方法であって、
   前記光遮断状態を１ミリ秒以上で制御する
   ことを特徴とする光素子の波長制御方法。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の光素子の波長制御方法であって、
   前記チャンネル１状態を、光出力が無く、かつ、前記チャンネル２状態とは電流量が異なる状態に制御する
   ことを特徴とする光素子の波長制御方法。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の光素子の波長制御方法であって、
   前記波長可変半導体レーザとして、分布活性分布帰還型半導体レーザを用いる
   ことを特徴とする光素子の波長制御方法。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の光素子の波長制御方法を実施する光素子の波長制御装置であって、
   所望の波長の光出力に応じてチャンネルを選択すると共に、注入電流量を調整する制御部を備える
   ことを特徴とする光素子の波長制御装置。

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