JP6124731B2 - 波長モニタおよび光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、波長モニタおよび光モジュールに関する。

近年、光通信の分野において、光伝送方式の高速・大容量化が進んでおり、その中核技術として、波長が異なる複数の光信号を１本の光ファイバで多重に伝送する波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing, ＷＤＭ）方式が普及している。ＷＤＭ方式を用いて安定した通信システムを運営するためには、予期せぬ信号光源の停止に備えて、予備の光源を確保する必要がある。しかしながら、多重化される光信号の波長各々について予備の光源を確保すると、予備の光源の数が多くなり、これらの光源を保守するためのコストが増加してしまう。そこで、このコストを抑えるため、１つの信号光源で複数波長のレーザ光を出力できる波長可変光源の需要が高まっている。

代表的な波長可変光源として、半導体レーザの温度を変化させることで発振波長を可変にする方式が提案されている。本方式の半導体レーザの発振波長の可変幅は動作温度範囲によって決定され、高々２〜３ｎｍ程度でしかないため、波長可変幅を大きくするために複数個の半導体レーザを設けた構造が多く用いられている。

波長可変光源は、光信号の波長が長期にわたって安定していることが要求されるため、半導体レーザからの出射光をモニタする波長モニタの機能を設けた光源が開発されている。波長可変光源の波長モニタに関する代表的な従来技術として、半導体レーザの前面から出射して光ファイバへ出力される光を、ビームスプリッタなどで一部取り出してエタロンなどの光フィルタに入射する構造が提案されている（特許文献１）。また、出射光位置を不等間隔に配置した複数の半導体レーザから後面方向への出射光を光フィルタに入射する構造が提案されている（特許文献２）。

特開２００２−１８５０７４号公報 特開２０１２−１２９２５９号公報

光フィルタとしてのエタロンは、光の入射角度に依存してその透過特性が周波数方向にシフトするものであることから、所望の特性を得るためには、特許文献１，２のいずれの波長モニタにおいても、高精度な実装角度アライメント（エタロンの実装角度ずれは例えば０．０５°以下）が必要であるという課題がある。

特に、波長可変半導体レーザの後面方向への出射光を用いて波長モニタする特許文献２では、アレイ状に配置された半導体レーザのうち端に位置する半導体レーザで、出射光位置がレンズの中心軸から大きくシフトするため、レンズ透過後のコリメートビーム伝搬角が傾き、エタロンへの光線入射角度が大きくなる。エタロンは伝搬光の内部多重反射の干渉によって周期的な透過率の周波数依存性をもつフィルタとして機能するため、エタロンへの光線入射角度が大きくなると、角度ばらつきが生じたときの干渉光の位置変化が大きくなり、エタロン透過特性のばらつきも増大する。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、光フィルタの実装角度精度を緩和できる波長モニタ及び光モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る波長モニタは、レーザ光源から出射されてコリメートレンズを介したレーザ光の波長をモニタするものであり、光フィルタと光検出器とを備える。光フィルタは、レーザ光源の一対の出射ポートから出射されてコリメートレンズを透過した同一波長の一対のコリメート光が正負対称な入射角度で入射するように配置され、周波数に対して周期的な透過率を有する。光検出器は、光フィルタを透過した一対のコリメート光を受光して光強度を検出する。

本発明によれば、光フィルタに対して同一波長の一対のコリメート光が正負対称な入射角度で入射されるので、光フィルタの実装角度ずれが生じた場合でも、シフトした光フィルタ透過特性がキャンセルされ、光フィルタの実装角度ずれが無いときと同じピーク周波数とする光フィルタ透過特性を得ることができ、光フィルタの実装角度精度を緩和できる。

本発明の実施の形態１に係る波長モニタの構成図である。 従来の波長モニタの構成図である。 従来の波長モニタ特性を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る波長モニタ特性を示す図である。 波長モニタ特性のシフトを示す図である。 本発明の実施の形態２に係る波長モニタの構成図である。 本発明の実施の形態３に係る波長モニタの構成図である。 本発明の実施の形態４に係る波長モニタの構成図である。 本発明の実施の形態５に係る波長モニタの構成図である。 従来の波長モニタの構成図である。 従来の波長モニタにおいてエタロン実装ずれが無い場合のエタロン透過特性を示す図である。 従来の波長モニタにおいてエタロン角度が０．１°ずれた場合のエタロン透過特性を示す図である。 本発明の実施の形態５に係る波長モニタにおいてエタロン実装ずれが無い場合のエタロン透過特性を示す図である。 本発明の実施の形態５に係る波長モニタにおいてエタロン角度が０．１°ずれた場合のエタロン透過特性を示す図である。 本発明の実施の形態６に係る波長モニタの構成図である。 本発明の実施の形態６に係る波長モニタにおいてエタロン温度が６０℃の場合の波長モニタ特性を示す図である。 本発明の実施の形態６に係る波長モニタにおいてエタロン温度を調整することで波長モニタ特性が一致することを示す図である。 本発明の実施の形態７に係る波長モニタの構成図である。 観測面における光の干渉結果を示す図である。 本発明の実施の形態８に係る波長モニタの構成図である。

以下、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。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る波長可変光モジュールＯＭは、図１に示すように、発振波長を任意に変化できるレーザ光源ＬＳと、レーザ光源ＬＳからのレーザ光をコリメートするコリメートレンズ２と、コリメート光の波長をモニタする波長モニタＷＭとを内蔵している。

この波長モニタＷＭは、図１に示すように、コリメート光の一部を分岐するビームスプリッタ３と、この分岐されたコリメート光が入射される光フィルタとしての水晶製のエタロン４と、エタロン４を透過したコリメート光の光強度を検出する光検出器５とで構成される。

レーザ光源ＬＳは、同強度、同波長の光が出射する一対の出射ポート１０，１１を有する波長可変レーザ１を備える。図１では、２つの出射ポート１０，１１から出射した光線６０，６１と、ビームスプリッタ３によって分岐した光線６２，６３とを概念的に示している。出射ポート１０，１１間の距離は、コリメートレンズ２を透過した後の光線６０，６１のなす角が２°に設定されている。

コリメートレンズ２は、２つの出射ポート１０，１１から出射した拡散光を平行光に変換するレンズである。コリメートレンズ２はその中心Ｏが出射ポート１０，１１の中心線ＣＬと一致するように配置されている。

ビームスプリッタ３は、コリメートレンズ２を透過したコリメート光の一部を反射させてエタロン４へ分岐させ、それ以外のコリメート光が透過する光学素子である。

エタロン４は、透過率が波長依存性を有する波長フィルタである。エタロン４は、コリメートレンズ２を透過した同一波長の２つの光線６２，６３の入射角度が正負対称となるように配置されている。ここでは、出射ポート１０，１１間の距離が光線６０，６１のなす角を２°とするように設定されているため、エタロン４の入射面の法線ＮＬに対して光線６２，６３の入射角度が１°で対称となっている。

光検出器５は、エタロン４を透過したコリメート光を受光して光強度を検出するフォトダイオードである。エタロン４の透過率は周期的な周波数依存性をもつため、光検出器５にて検出される光強度は、波長可変レーザ１から出射された光の周波数に依存する。例えば、光検出器５にて検出される光強度と光の周波数の関係が記憶テーブルなどのメモリに予め記憶され、光検出器５にて検出される光強度を記憶テーブルに適用することで、波長可変レーザ１から出射されているレーザ光の波長（＝光速／周波数）を特定できる。よって、光検出器５にて光強度を検出することでその波長をモニタすることができる。

ここで本実施の形態１の波長モニタ特性のシミュレーション結果を示す。比較のためにまず、従来構造における波長モニタ特性のエタロン実装角度依存性をシミュレーションする。図２に、シミュレーションに用いた従来の波長モニタの構造を示す。従来の波長モニタは、本実施の形態１に対して、波長可変レーザ１の出射ポートが１つである点と、エタロン４がビームスプリッタ３によって分岐された光線６４に対して約１°傾いて配置されている点とが異なり、それ以外は同じである。

コリメートレンズ２は、波長可変レーザ１から０．７ｍｍ離れた位置に設置された焦点距離が０．７ｍｍのレンズである。ビームスプリッタ３は、コリメート光６０の約１０％を光検出器５へ分岐する。エタロン４は、反射戻り光を抑えるため、ビームスプリッタ３によって分岐された光線６４に対して約１°傾き、且つビームスプリッタ３から１．５ｍｍだけ離れて設置され、ＦＳＲ(Free Spectrum Range)が５０ＧＨｚ、屈折率が約１．５２としている。光検出器５は、エタロン４から１．０ｍｍだけ離れた位置に、且つ、十分な受光効率を得るためにエタロン４を透過した光線６４に対して受光面が８０°〜９０°となる角度で配置され、その受光面積が２５０μｍ角の正方形のフォトダイオードである。

波長可変レーザ１から出射されたレーザ光がコリメートレンズ２とエタロン４を透過して光検出器５にて検出される光強度の波長依存性を図３に示す。図３に示すように、曲線Ａ１はエタロン４に角度ずれが無い場合の波長モニタ特性、曲線Ａ２はエタロン４が入射光に対して＋０．１°ずれて設置された場合の波長モニタ特性、曲線Ａ３はエタロン４が入射光に対して−０．１°ずれて設置された場合の波長モニタ特性をそれぞれ示す。従来例では、エタロン４の実装角度ずれによって、波長モニタ特性が周波数方向にばらついていることがわかる。

次に、本実施の形態１の波長モニタ特性をシミュレーションする。本実施の形態１の波長モニタＷＭでは、波長可変レーザ１は２つの出射ポート１０，１１を備え、コリメートレンズ２を透過した同一波長の２つの光線６２，６３がエタロン４に対して正負対称な入射角度（１°）で入射するようにこのエタロン４を配置している。図４に、エタロン実装角度による波長モニタ特性のばらつきを示す。曲線Ｂ１はエタロン４に角度ずれが無い場合の波長モニタ特性、曲線Ｂ２はエタロン４が入射光に対して＋０．１°ずれて設置された場合の波長モニタ特性、曲線Ｂ３は曲線Ｂ２と重なっているが、エタロン４が入射光に対して−０．１°ずれて設置された場合の波長モニタ特性をそれぞれ示す。本実施の形態では、エタロン実装角度ずれが生じても、波長モニタ特性のピーク強度は低下するものの、周波数方向のばらつきを抑制できていることがわかる。そして、光検出器５では、波長を精度よくモニタするために、モニタ周波数におけるエタロン４の透過特性Ｂ１〜Ｂ３において、ピークやボトムではなく、スロープ部分（例えば波長モニタ特性の０．２〜０．５の範囲内のスロープ部分）の光強度を観測する。

その原理について説明する。本実施の形態１では、２つの光線６２，６３は、エタロン４に対して正負対称な角度で入射する。したがって、エタロン４の実装角度ずれが生じた場合、例えば片方の光線６２のエタロン入射角度は正方向に、もう一方の光線６３は負方向にずれが生じる。図５に、このときの波長モニタ特性のシフトの様子を示す。図中の曲線Ｃ１は光線６２によって生じる波長モニタ特性、曲線Ｃ２は光線６３によって生じる波長モニタ特性を、曲線Ｃ３は曲線Ｃ１，Ｃ２のスペクトルの平均をそれぞれ示す。エタロンの実装角度ずれが小さいとき、曲線Ｃ１，Ｃ２のエタロン透過特性のシフト量はほぼ同じになるため、スペクトルの和をとると各シフトが相殺されてピーク周波数は変化しないことがわかる。

以上説明したように、本発明の実施の形態１に係る波長モニタＷＭによれば、波長可変レーザ１の一対の出射ポート１０，１１から出射されてコリメートレンズ２を透過した同一波長の２つの光線６２，６３がエタロン４に対して正負対称な入射角度で入射するようにこのエタロン４を配置する。従って、エタロン４の実装角度ずれが生じた場合でも、シフトしたエタロン透過特性がそれぞれキャンセルされ、エタロン４の実装角度ずれが無いときと同じピーク周波数とするエタロン透過特性Ｂ２，Ｂ３（図４参照）を得ることができ、このエタロン透過特性Ｂ２，Ｂ３のスロープ部分を用いて光検出器５で光強度が検出されるので、エタロン４の実装角度精度を緩和できる。

実施の形態１のその他の効果について、以下に説明する。本発明の実施の形態１では、コリメートレンズ２は、その中心Ｏが２つの出射ポート１０，１１の中心線ＣＬと一致するように配置されている。つまり、波長可変レーザ１の２つの出射ポート１０，１１の位置はコリメートレンズ２の中心に対して対称になっている。対称になっている一対の出射ポート１０，１１の波長可変レーザ１を駆動してアクティブにコリメートレンズ2の位置調整を行う。詳しくは、一対の出射ポート１０，１１の波長可変レーザ１を光検出器５で受光しながら、コリメートレンズ２を出射ポート１０，１１の並び方向に往復移動させ、光ビームプロファイルをリアルタイムで観測して、コリメートレンズ２の中心Ｏが２つの出射ポート１０，１１の中心線ＣＬに合う位置にコリメートレンズ２を位置調整する。これにより、コリメートレンズ２の調芯（光軸調整作業）を容易にすることができる。

また、実施の形態１では、光線６０，６１のなす角を２°に設定しており、エタロン４へ入射する角度が±１°となるので、エタロン４の表面で反射したレーザ光が波長可変レーザ１へ戻る割合を約−５０ｄＢ以下にすることができる。これにより、戻り光による半導体レーザ１の他モード発振を抑制でき、波長可変レーザ１の動作を安定させることができる。

この効果は、光線６０，６１のなす角を１．４°以上に設定する場合にも得られる。つまり、光線６０，６１のなす角が１．４°以上になるように出射ポート１０，１１間の距離を設定することで、エタロン４へ入射する角度が±０．７°以上になり、エタロン４の表面で反射したレーザ光が波長可変レーザ１へ戻る割合を約−５０ｄＢ以下にすることができる。これにより、戻り光による半導体レーザ１の他モード発振を抑制でき、波長可変レーザ１の動作を安定させることができる。

なお、本実施の形態１では、波長可変レーザ１の出射ポート１０，１１からは同じ強度の光が出射するとしたが、厳密に同強度である必要はなく、例えば１：２程度ないしそれ以上の比を有する場合においても、同強度に比べて効果は低下するものの、類似の効果を得ることができる。

（実施の形態２）
続いて、本発明の実施の形態２に係る波長モニタＷＭについて説明する。なお、以下の説明において、実施の形態１と共通する構成要素等については、同一の符号を付す。

実施の形態２に係るレーザ光源ＬＳは、図６に示すように、半導体基板１２に、半導体レーザ１０１〜１１２と光導波路１２０１〜１２１２と光合分波器１３と出射導波路１０Ａ，１１Ａ（出射ポート１０，１１）と光増幅器１４１，１４２とを備える半導体レーザアレイ型としている。

半導体レーザ１０１〜１１２は、半導体基板１２上に複数（ここでは１２個）並列に形成され、同一温度において発振波長の異なるレーザ光をそれぞれ生成するものである。光導波路１２０１〜１２１２は、半導体レーザ１０１〜１１２に光学的に接続され、半導体レーザ１０１〜１１２から出射した光を伝搬させる１２個の導波路である。

光合分波器１３は、光導波路１２０１〜１２１２に光学的に接続され、１２個の入射光路を２個の出射光路に合分波する。例えば１２×２ ＭＭＩ（Multi Mode Interferometer）である。出射導波路１０Ａ，１１Ａ（出射ポート１０，１１）は、光合分波器１３に光学的に接続され、出射した２つの光を半導体基板１２の端部へ導く。光増幅器１４１，１４２は、出射導波路１０Ａ，１１Ａ上に形成され、導波光の強度を増幅する機能を持つ例えばＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier）である。

なお本実施の形態２では、出射導波路１０Ａ，１１Ａ（出射ポート１０，１１）間の距離はコリメートレンズ２の透過後の光線６０，６１のなす角が１．４°以上になるように設定されている。また、コリメートレンズ２はその中心Ｏが出射導波路１０Ａ，１１Ａの中心線と一致するように配置されている。また、エタロン４は光線６２，６３の入射角度が正負対称となるように配置されている。

以上説明したように、本発明の実施の形態２に係る波長モニタＷＭによれば、１２個の光導波路１２０１〜１２１２を２つの出射導波路１０Ａ，１１Ａ（出射ポート１０，１１）に合分波する光合分波器１３を備えるレーザ光源ＬＳの場合においても、コリメートレンズ２を透過した同一波長の２つの光線６２，６３がエタロン４に対して正負対称な入射角度で入射するようにこのエタロン４を配置している。従って、エタロン４の実装角度ずれが生じた場合でも、前記実施の形態１と同様にエタロン４の実装角度精度を緩和できる。

なお本実施の形態２では、半導体基板１２に１２個の半導体レーザ１０１〜１１２を配置したが、４個や８個など１２個以下としたり、１２個以上としたりする場合には、光合分波器１３の光導波路をその数に合わせ、２つの出射導波路１０Ａ，１１Ａとすればよい。

（実施の形態３）
続いて、本発明の実施の形態３に係る波長モニタＷＭについて説明する。なお、以下の説明において、実施の形態２と共通する構成要素等については、同一の符号を付す。

実施の形態３に係る波長モニタＷＭは、図７に示すように、実施の形態２において、温度調整可能なペルティエ素子７を備え、エタロン４をペルティエ素子７上に設けている。また、波長モニタＷＭは、光検出器５による光強度に基づいて、エタロン４の波長モニタ特性がレーザ光源ＬＳの発振波長における波長モニタ特性の設計値と一致するようにペルティエ素子７を制御する温度制御部２０を備えている。実施の形態１、２の波長モニタＷＭを製造する場合、製造精度に依存して波長モニタ特性のばらつきが生じることが想定される。本実施の形態３はこの製造ばらつきによる波長モニタ特性の劣化を抑制するものであり、温度制御部２０からの制御信号に基づいてペルティエ素子７がエタロン４の温度を調整して、波長モニタ特性を基準の波長モニタ特性に一致させることで製造ばらつきを補正できる。

具体的には、エタロン４の温度を±２０℃の範囲で調整することで、許容されるコリメートレンズ２の位置ずれは約±２．５μｍとなる。なお、このエタロン温度の調整範囲は±２０℃に限る必要は無い。

以上説明したように、本発明の実施の形態３に係る波長モニタＷＭによれば、ペルティエ素子７によりエタロン４の温度を調整することで、エタロン４の製造ばらつきを補正できる。

（実施の形態４）
続いて、本発明の実施の形態４に係るレーザ光源ＬＳについて説明する。なお、以下の説明において、実施の形態３と共通する構成要素等については、同一の符号を付す。

実施の形態４に係るレーザ光源ＬＳは、図８に示すように、集光レンズ８と二分岐光ファイバ９とを備える。集光レンズ８は、ビームスプリッタ３を透過した２つのコリメート光（平行光）を集光するレンズである。二分岐光ファイバ９は、集光レンズ８で集光された２つのレーザ光が、２つのコア９ａ，９ｂを途中まで束ねた一括部９ｃの端面の各コア９ａ，９ｂにそれぞれ入射されるものである。

二分岐光ファイバ９の２つのコア９ａ，９ｂは、半導体基板１２の２つの出射導波路１０Ａ，１１Ａ（出射ポート１０，１１）と光学的に結合しており、二分岐光ファイバ９は途中で２つの光ファイバに分岐する形状である。

例えばデジタルコヒーレント技術を用いた長距離光通信用のトランシーバ等には、従来であれば例えば信号光源と局発光源のような２つの光モジュールを用いていたが、実施の形態４のレーザ光源ＬＳによれば、１つの光モジュールＯＭでその役割（信号光源と局発光源）を果たすことができる。例えば、２つの出射導波路１０Ａ，１１Ａの一方を信号光源、他方を局発光源として使用できる。これにより、システム全体の小型化、コスト低減を実現することができる。

（実施の形態５）
続いて、本発明の実施の形態５に係る波長可変光モジュールＯＭについて説明する。

実施の形態５に係る波長可変光モジュールＯＭは、図９に示すように、レーザ光源ＬＳと波長モニタＷＭとを備える。レーザ光源ＬＳは、半導体基板１２上に、半導体レーザ１０１〜１１２と光導波路１２０１〜１２１２と光合分波器１３と出射導波路１０Ａと光増幅器１４とを備える。

半導体レーザ１０１〜１１２は、半導体基板１２上に複数（ここでは１２個）並列に形成され、同一温度において発振波長の異なるレーザ光をそれぞれ生成するものである。例えば、ＩＴＵ−Ｔで規定される波長グリッドと同一波長のレーザ光となるように回折格子の周期が決定されている。光導波路１２０１〜１２１２は、半導体レーザ１０１〜１１２に光学的に接続され、半導体レーザ１０１〜１１２の前面から出射した光を伝搬させる１２個の導波路である。

光合分波器１３は、光導波路１２０１〜１２１２に光学的に接続され、１２個の入射光路を１個の出射光路に合波する、例えば１２×１ ＭＭＩ（Multi Mode Interferometer）である。出射導波路１０Ａは、光合分波器１３に光学的に接続され、出射光を半導体基板１２の端部へ導く前面側の導波路である。光増幅器１４は、出射導波路１０Ａ上に形成され、導波光の強度を増幅する機能を持つ、例えばＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier）である。また、出射導波路１０Ａから出射した拡散光がコリメートレンズ２により平行光に変換される。

波長モニタＷＭは、半導体基板１２上に配設された光導波路１５０１〜１５１２、光合分波器１６及び後面出射導波路１７０１〜１７１２と、コリメートレンズ１８と、エタロン４と、光検出器５とを備える。

光導波路１５０１〜１５１２は、半導体レーザ１０１〜１１２の光導波路１２０１〜１２１２と反対側に光学的に接続され、半導体レーザ１０１〜１１２の後面から出射した光を伝搬させる導波路である。光合分波器１６は、光導波路１５０１〜１５１２が光学的に接続され、１２個の入射光路を１２個の出射光路に合分波する例えば１２×１２ ＭＭＩ（Multi Mode Interferometer）である。後面出射導波路１７０１〜１７１２は、光合分波器１６に光学的に接続され、１２個の出射光を半導体基板１２の出射導波路１０Ａと反対側の端部へ導く導波路である。

コリメートレンズ１８は、後面出射導波路１７０１〜１７１２から出射した拡散光を平行光に変換する。エタロン４は、コリメートレンズ１８を透過したコリメート光が入射するように半導体基板１２の後方面側に配置された、周期的な透過率の周波数依存性を有するエタロンである。光検出器５は、エタロン４を透過した光を受光して光強度を検出する。

なお図９では、出射導波路１０Ａから出射した光線６０と、後面出射導波路１７０１〜１７１２から出射した光線７０１〜７１２を概念的に示している。

コリメートレンズ１８は、その中心Ｏが後面出射導波路１７０１〜１７１２（出射ポート）の中心線ＣＬと一致するように配置されている。

エタロン４は、光線７０１〜７１２の入射角度の平均が０度と等しくなるようにそれぞれ配置している。

本実施の形態では、エタロン４は、光線７０１〜７１２のエタロン４内の光線伝搬角度（屈折角度）が次の式（１）の解となり、且つ、エタロン４に入射する光線７０１〜７１２の入射角度が全て正負対称の組が形成されるように配置されている。また、光線７０１〜７１２の位置が後面出射導波路１７０６，１７０７の中心を通る半導体基板１２の端面の垂線を軸にして対称になるように後面出射導波路１７０１〜１７１２を不等間隔に設定している。

但し、θ_ｋはｋ番目の半導体レーザから出射されたレーザ光のエタロン４内の光線伝播角度(rad)、ｍ_ｋは干渉次数（ｋごとに任意の自然数）、ｃは光速、ｎ_λは波長λにおけるエタロン４の屈折率、Ｌetalonはエタロン４の長さ、ｆ_ｋはエタロン４の透過率がピークとなる周波数をそれぞれ示す。また、ｆ_ｋは全てのｋにおいて、任意のモニタしたい周波数ｆ_ＭＯＮから、エタロン４の透過率がピークとなる周波数と、エタロン４の透過率がピークとボトムの中間となる周波数との差Ｆを加算した値となる。

具体的には、ｆ_ｋは、モニタしたい周波数をｆ_ＭＯＮ（例えばＩＴＵ−Ｔで規定される波長グリッドなど）とし、ｆ_ＭＯＮ＋７．５ＧＨｚとする。つまり、エタロン４の透過率がピークとなる周波数と、ピークとボトムの中間となる周波数との差Ｆを７．５ＧＨｚとした。波長を精度よくモニタするためには、モニタ周波数におけるエタロン４の透過特性は、ピークやボトムではなく、スロープ部分となる必要がある。ＩＴＵ−Ｔの波長グリッドがスロープ部分に位置するからである。そのため本実施の形態では、任意のピーク周波数ｆ_ｋとモニタ周波数ｆ_ＭＯＮを７．５ＧＨｚずらして設定した。ここで示した７．５ＧＨｚは一例であり、この値に限定する必要はない。

半導体レーザ１０１〜１１２のうちの1つから出射されたレーザ光は、光合分波器１６によって１２個の同強度の光に分割され、コリメートレンズ１８によってそれぞれ伝搬角度が異なる平行光に変換される。エタロン４を透過した後、光検出器５にて光強度が検出される。エタロン４の透過率は周期的な周波数依存性を有するため、光検出器５にて検出される光強度は、半導体レーザ１０１〜１１２から出射した光の周波数に依存する。

例えば、光検出器５にて検出される光強度と光の周波数の関係が記憶テーブルなどのメモリに予め記憶され、光検出器５にて検出される光強度を記憶テーブルに適用することで半導体レーザ１０１〜１１２から出力されているレーザ光の波長（＝光速／周波数）を特定できる。よって、光検出器５にて光強度を検出することでその波長をモニタすることができる。ここで、全ての半導体レーザ１０１〜１１２からの出射光のエタロン４内の光線伝搬角度が式（１）となる場合、異なる角度で伝搬する光線７０１〜７１２に対する、エタロン４の全ての透過特性のピーク、ボトムの周波数が一致する（後述する図１１参照）ため、本構造のように全ての光の透過特性の和が光検出器５にて検出される場合でも、エタロン透過率の周期的な周波数依存性は維持され、高精度な波長モニタが可能となる。

また、エタロン４に入射される光線７０１〜７０６と光線７０７〜７１２とがエタロン４に対してそれぞれ正負対称な角度で入射するため、実施の形態１と同様の原理によって、エタロン４に実装ずれが生じた場合でも、波長モニタ特性の周波数方向へのばらつきを抑えることができる。

ここで本実施の形態５の波長モニタ特性のシミュレーションを示す。比較のためにまず、従来構造における波長モニタ特性のエタロン実装角度依存性をシミュレーションする。図１０に、シミュレーションに用いた従来の波長モニタの構造を示す。従来の波長モニタは、本実施の形態５の光導波路１５０１〜１５１２と光合分波器１６と後面出射導波路１７０１〜１７１２とを備えておらず、半導体レーザ１０１〜１１２から後面側に出射されたレーザ光がエタロン４を透過して光検出器５にて検出されるものである。

半導体基板１２は、表1のように半導体レーザ１０１〜１１２が配置されている。

コリメートレンズ１８は、半導体レーザ１０６と半導体レーザ１０７の中心の延長上にレンズ中心が位置し、且つ半導体レーザ１０６と半導体レーザ１０７から０．７ｍｍ離れた位置に設置された焦点距離が０．７ｍｍのレンズである。

エタロン４は、その入射面の法線と半導体レーザ１０１〜１１２の並び方向となす角が９０°になるように、且つコリメートレンズ１８から３．０ｍｍだけ離れて設置され、ＦＳＲ(Free Spectrum Range)が５０ＧＨｚ、屈折率が約１．５２としている。

光検出器５は、その検出面の法線と半導体レーザ１０１〜１１２の並び方向とが垂直になるように、かつエタロン４から１．０ｍｍだけ離れて配置された、受光面積が２５０μｍ角の正方形のフォトダイオードである。

半導体レーザ１０１〜１１２から出射されたレーザ光が、コリメートレンズ１８とエタロン４を透過して光検出器５にて検出される光強度の波長依存性を図１１に示す。半導体レーザ１０１〜１１２は異なる波長の光を出射するが、図では横軸を５０ＧＨｚの整数倍シフトさせることで規格化し、ＩＴＵ−Ｔグリッドとの相対位置を維持したまま各半導体レーザ１０１〜１１２のグラフが重なるように表示した。曲線Ｄ１〜Ｄ１２は、半導体レーザ１０１〜１１２の波長モニタ特性である。図１１に示すように、従来例でも、エタロン４の実装ずれが無い場合には、全ての半導体レーザ１０１〜１１２の波長モニタ特性を示す曲線Ｄ１〜Ｄ１２のピーク、ボトム周波数がほぼ一致し、曲線Ｄ１〜Ｄ１２がそのピークとボトム間のスロープ部分が一致し、このスロープ部分にＩＴＵ−Ｔの波長グリッドが位置するため、高精度な波長モニタが可能なことがわかる。一方、同じ構造で、エタロン角度が０．１°ずれた時の波長モニタ特性を図１２に示す。図１２に示すように、従来構造ではエタロン４の角度ずれが生じると、各半導体レーザ１０１〜１１２に対する波長モニタ特性を示す曲線Ｄ１〜Ｄ１２は、実装ずれが無場合の波長モニタ特性を中心として正負の周波数方向にシフトしてばらついており、波長モニタ精度が劣化することがわかる。特に、半導体レーザ１０１と１１２は、半導体基板１２のアレイ状配置の両端に位置しており、エタロン４への入射角度が大きいため、この半導体レーザ１０１と１１２の波長モニタ特性である曲線Ｄ１とＤ１２は、周波数方向のシフト量が大きい。

次に、本実施の形態５の波長モニタ特性をシミュレーションする。図１３に、エタロン実装角度ずれが無い場合の光検出器５で観測される波長モニタ特性を、図１４に、エタロン角度が０．１°ずれたときの波長モニタ特性をそれぞれ示す。従来の形態では、１つの半導体レーザが動作したときは、光線７０１〜７１２のうちの対応する１つのレーザ光しか出射されないのに対し、本実施の形態５では光合分波器１６により、どの半導体レーザ１０１〜１１２が動作した時でも、等しく全ての光線７０１〜７１２が出射される。したがって、図１３、図１４ともに波長モニタの曲線Ｅ１は１つであり、それぞれ、図１１，図１２の全ての曲線Ｄ１〜Ｄ１２の平均をとった特性と等しくなる。図１３、図１４より、エタロン実装角度ずれが生じた場合でも、波長モニタ特性のピーク強度は低下するものの、周波数方向のばらつきを抑制できていることがわかる。

以上説明したように、本発明の実施の形態５に係る波長モニタＷＭによれば、エタロン４に入射される光線７０１〜７０６と光線７０７〜７１２とがエタロン４に対してそれぞれ正負対称な角度で入射するため、実施の形態１と同様の原理によって、エタロン４に実装ずれが生じた場合でも、波長モニタ特性の周波数方向へのばらつきを抑えることができる。つまり、シフトしたエタロン透過特性がそれぞれキャンセルされ、エタロン４の実装角度ずれが無いときと同じピーク周波数とするエタロン透過特性Ｅ１（図１４参照）を得ることができ、このエタロン透過特性Ｅ１のスロープ部分を用いて光検出器５で光強度が検出される。よって、エタロン４の実装角度精度を緩和できる。

実施の形態５のその他の効果について、以下に説明する。本発明の実施の形態５では、表１に示すように複数ある半導体レーザ１０１〜１１２からの出射光のエタロン内伝搬角の少なくとも１対以上の角度（ここでは６対全ての角度）が、正負対称になっている。対称になっている１対の半導体レーザを駆動してアクティブにコリメートレンズ１８の位置調整を行う。詳しくは、最外側の半導体レーザ１０１と半導体レーザ１１２とからの出射光、つまり、後面出射導波路１７０１，１７１２からのレーザ光を光検出器５で受光しながら、コリメートレンズ１８を半導体レーザ１０１〜１１２の並び方向に往復移動させ、光ビームプロファイルをリアルタイムで観測して、コリメートレンズ１８の中心Ｏが２つの後面出射導波路１７０６，１７０７の中心線ＣＬに合う位置にコリメートレンズ１８を位置調整する。これにより、精度よくコリメートレンズ１８の調整作業ができる。

また、表１に示すように、全ての半導体レーザ１０１〜１１２から出射された光は、エタロン内伝搬角度が±０．７°以上になっているので、エタロン表面で反射した光が半導体レーザへ戻る割合を約−５０ｄＢ以下にすることができ、戻り光による半導体レーザの他モード発振を抑制することが可能になり、半導体レーザ１０１〜１１２の動作を安定させることができる。

半導体基板１２では半導体レーザは１２個配置したが、４個や８個など、１２個以下でも良いし、１２個以上であってもよい。

（実施の形態６）
続いて、本発明の実施の形態６に係る波長モニタＷＭについて説明する。なお、以下の説明において、実施の形態５と共通する構成要素等については、同一の符号を付す。

実施の形態６に係る波長モニタＷＭは、図１５に示すように、実施の形態５において、温度調整可能なペルティエ素子７を備え、エタロン４をペルティエ素子７上に設けている。また、波長モニタＷＭは、光検出器５による光強度に基づいて、エタロン４の波長モニタ特性がレーザ光源ＬＳの発振波長における波長モニタ特性の設計値と一致するようにペルティエ素子７を制御する温度制御部２０を備えている。実施の形態５の波長モニタＷＭを製造する場合、製造精度に依存して波長モニタ特性のばらつきが生じることが想定される。実施の形態６はこの製造ばらつきによる波長モニタ特性の劣化を抑制するものであり、温度制御部２０からの制御信号に基づいてペルティエ素子７がエタロン４の温度を調整して、波長モニタ特性を一致させることで製造ばらつきを補正できる。

エタロン４には、屈折率の波長依存性に起因する、ＦＳＲの波長依存性が存在する。図１６に示すように、エタロン４の温度が６０℃で、波長が１．５７μｍ（曲線Ｆ１）、１．５９μｍ（曲線Ｆ２）、１．６１μｍ（曲線Ｆ３）のときの実施の形態５の波長モニタ特性のシミュレーション結果を示す。なお、横軸を５０ＧＨｚの整数倍シフトさせることで規格化し、ＩＴＵ−Ｔグリッドとの相対位置を維持したまま各半導体レーザのグラフが重なるように表示した。図１６に示すように、波長によってエタロンの屈折率が若干異なり、波長モニタ特性が周波数方向にばらつくことがわかる。図１７に示すように、波長が１．５７μｍでエタロン温度が５８℃（曲線Ｆ１）、波長が１．５９μｍでエタロン温度が６０℃（曲線Ｆ２）、波長が１．６１μｍでエタロン温度が６２℃（曲線Ｆ３）の波長モニタ特性のシミュレーション結果を示す。エタロン温度を調整することで、どの波長範囲でも、波長モニタ特性を一致させることができる。

（実施の形態７）
続いて、本発明の実施の形態７に係る波長モニタＷＭについて説明する。なお、以下の説明において、実施の形態５と共通する構成要素等については、同一の符号を付す。

実施の形態７に係る波長モニタＷＭは、図１８に示すように、実施の形態５，６の光検出器５の受光面５ａが、後面出射導波路１７０１〜１７１２の並列方向と同方向に長くした長方形としている。半導体基板１２上の半導体レーザ１０１〜１１２の集積数が増加すると、アレイ状配置（一次元状配置）された後面出射導波路１７０１〜１７１２のうちで外側の導波路の出射位置は、コリメートレンズ１８の中心軸との位置ずれ量が大きくなるため、コリメート光の伝搬角度が大きくなるという課題がある。光検出器５の受光面５ａを長方形構造とすることで、伝搬角度が大きなコリメート光も、光検出器５にて検出することができるようになる。図１９に、コリメートレンズ１８から約３ｍｍ離れた位置に観測面１９を設け、そこでの光線７０１〜７１２の光の干渉を計算した結果を示す。なお、各光線７０１〜７１２の位相はランダムに設定した。図１９より、１２本の光線７０１〜７１２の干渉は複雑な光分布を形成し、これを正確に受光するためには、単一な長方形の受光面５ａをもつ光検出器５が適していることがわかる。

以上説明したように、本発明の実施の形態７に係る波長モニタＷＭによれば、光検出器５の受光面５ａは、複数の半導体レーザ１０１〜１１２が並列配置されている方向が長手方向となる長方形に形成されているので、エタロン４内の光線伝搬角度が大きなコリメート光も光検出器５にて検出することができる。

なお、光検出器５の受光面５ａは、複数の半導体レーザ１０１〜１１２からのレーザ光が漏れなく受光できる大きさであれば、長方形以外の形状（例えば、正方形、円形、菱形など）としてもよい。

（実施の形態８）
続いて、本発明の実施の形態８に係る波長モニタＷＭについて説明する。なお、以下の説明において、実施の形態１と共通する構成要素等については、同一の符号を付す。

実施の形態８に係る波長モニタＷＭは、図２０に示すように、実施の形態５〜７の光検出器５として、複数（ここでは４個）の光検出領域５１〜５４を半導体レーザ１０１〜１１２の並び方向と同じ方向にアレイ状に配置（一次元配置）する構造としている。半導体基板１２上の半導体レーザ１０１〜１１２の集積数が増加すると、アレイ状配置（一次元状配置）された後面出射導波路１７０１〜１７１２のうちで外側の導波路はコリメートレンズ１８との偏芯量が大きくなるため、コリメート光の伝搬角度が大きくなるという問題がある。光検出部５を前記構造とすることで、伝搬角度が大きなコリメート光も光検出領域５１〜５４にて検出することができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態８に係る波長モニタＷＭによれば、光検出器５は複数（ここでは４個）の光検出領域５１〜５４を備え、複数の光検出領域５１〜５４は、複数の半導体レーザ１０１〜１１２が並列配置されている方向にアレイ状に配置されているので、エタロン４内の光線伝搬角度が大きなコリメート光も光検出器にて検出することができる。

なお、実施の形態８では光検出器５の光検出領域数は４つとしたが、この数に限ることは無く、コリメート光の伝搬角度によって適切に設定すればよい。

なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の変更は勿論可能である。

なお、実施の形態５〜８では、光合分波器１６は、半導体レーザ１０１〜１１２と同数の１２個の後面出射導波路１７０１〜１７１２に合分波しているが、２以上の偶数で且つ半導体レーザ１０１〜１１２の数未満に合分波してもよい。例えば、２個（一対）、４個（二対）、６個（三対）、８個（四対）、１０個（五対）としてもよい。

また、前述した各実施の形態では、波長可変レーザ１や半導体レーザ１０１〜１１２、コリメートレンズ２，１８、ビームスプリッタ３、光フィルタ（エタロン４）、光検出器５の数値や形状、素材、位置関係は、各実施の形態に限る必要はないことに注意されたい。

また、実施の形態１〜４のコリメートレンズ２、実施の形態５〜８のコリメートレンズ１８の焦点距離は０．７ｍｍをとしているが、０．７ｍｍ以外としても良い。

また、前述した各実施の形態では、エタロン４の材料は水晶としているが、石英などでも良いし、エアギャップエタロンでも良い。また、エタロン４は周期的な透過率の周波数依存性を有するフィルタであれば良いので、例えばＳｉやＧａＡｓ、ＩｎＰなどの半導体基板、ポリマーやガラス基板上に形成された共振器などでも良い。

また、光検出器５は、受光面積が２５０μｍ角の正方形のフォトダイオードである必要は無く、受光面積が２５０μｍ角以上でも以下でも良いし、長方形以外、例えば正方形や円形等の受光部をしていても良い。

２，１８ コリメートレンズ、３ ビームスプリッタ、４ エタロン（光フィルタ）、５ 光検出器、７ ペルティエ素子（温度調整素子）、８ 集光レンズ、９ 二分岐光ファイバ、１０，１１ 出射ポート、１０Ａ，１１Ａ 出射導波路（出射ポート）、１２ 半導体基板、１３ 光合分波器（第１光合分波器）、１６ 光合分波器（第２光合分波器）、２０ 温度制御部、５１〜５４ 光検出領域、１０１〜１１２ 半導体レーザ、１４１，１４２ 光増幅器、ＣＬ 中心線、Ｏ 中心、ＯＭ 波長可変光モジュール（光モジュール）、ＬＳ レーザ光源、ＷＭ 波長モニタ

Claims (11)

1. レーザ光源から出射されてコリメートレンズを介したレーザ光の波長をモニタする波長モニタであって、
   前記レーザ光源の一対の出射ポートから出射されて前記コリメートレンズを透過した同一波長の一対のコリメート光が正負対称な入射角度で入射するように配置され、周波数に対して周期的な透過率を有する光フィルタと、
   前記光フィルタを透過した一対のコリメート光を受光して光強度を検出する光検出器と、
   を備える、
   ことを特徴とする波長モニタ。
2. 前記コリメートレンズはその中心が前記一対の出射ポート間の中心線と一致するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の波長モニタ。
3. 前記一対の出射ポートから出射される２つのレーザ光の強度が１：２から１：１の比率であることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長モニタ。
4. 前記レーザ光源は、
   半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成された、波長の異なるレーザ光を出力する複数の半導体レーザと、
   前記半導体基板上に形成された前記複数の半導体レーザのうちの１つから出射されたレーザ光を２つの出射導波路に同一波長の光に合分波する光合分波器と、
   前記２つの出射導波路上にそれぞれ形成された２つの光増幅器と、
   を備え、
   前記出射導波路が前記出射ポートを備えることにより前記２つの出射導波路が前記一対の出射ポートとなる、
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の波長モニタ。
5. 前記コリメートレンズを透過した２つのコリメート光を、前記光フィルタに入射される光と出射光とに分岐するビームスプリッタと、
   前記ビームスプリッタを通過した２つのコリメート光を集光する集光レンズと、
   前記集光レンズで集光された２つのレーザ光が、２つのコアを途中まで束ねた一括部の端面の各コアにそれぞれ入射される二分岐光ファイバと、
   を備える、
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の波長モニタ。
6. レーザ光源から出射されてコリメートレンズを介したレーザ光の波長をモニタする波長モニタであって、
   前記レーザ光源の特定数対の出射ポートから出射されて前記コリメートレンズを透過した同一波長の前記特定数対のコリメート光がその対ごとに正負対称な入射角度で入射するように配置され、周波数に対して周期的な透過率を有する光フィルタと、
   前記光フィルタを透過した前記特定数対のコリメート光を受光して光強度を検出する光検出器と、
   を備え、
   前記レーザ光源は、
   半導体基板と、
   前記半導体基板に並列に形成された、波長の異なるレーザ光を出力する複数の半導体レーザと、
   前記半導体基板上に形成された前記複数の半導体レーザから出射する全てのレーザ光を単一の第１出射導波路に合分波する第１光合分波器と、
   前記複数の半導体レーザのうちの１つから、前記第１光合分波器とは反対側に出射されたレーザ光を、２以上の偶数で且つ前記半導体レーザの数以下であって前記特定数対の２倍の数の第２出射導波路へと同一波長の光に合分波する第２光合分波器と、
   を備え、
   前記コリメートレンズは、前記第２出射導波路の出力端が前記出射ポートであり、前記特定数対の出射ポートから出射される前記特定数対のレーザ光をコリメートし、これらの出射ポートの配置幅の中央を通る中心線が該コリメートレンズの中心と一致するように配置され、
   前記光フィルタは、前記第２出射導波路から出射したレーザ光の該光フィルタ内の光線伝搬角度が下記の数式の解となり、前記光フィルタに入射する複数のコリメート光の入射角度が全て正負対称の組が形成されるように配置される、
   ことを特徴とする波長モニタ。
   但し、θ_ｋはｋ番目の半導体レーザから出射されたレーザ光の前記光フィルタ内の光線伝播角(rad)、ｍ_ｋは干渉次数（ｋごとに任意の自然数）、ｃは光速、ｎ_λは波長λにおける前記光フィルタの屈折率、Ｌetalonは前記光フィルタの長さ、ｆ_ｋは前記光フィルタの透過率がピークとなる周波数をそれぞれ示し、ｆ_ｋは全てのｋにおいて、任意のモニタしたい周波数ｆ_ＭＯＮから、前記光フィルタの透過率がピークとなる周波数と、前記光フィルタの透過率がピークとボトムの中間となる周波数との差Ｆを加算した値となる。
7. 前記光フィルタに入射する複数のコリメート光が、前記光フィルタに対して絶対角が０．７°以上の入射角であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の波長モニタ。
8. 前記光フィルタの温度を調整する温度調整素子と、
   前記光フィルタの波長モニタ特性が前記レーザ光源の発振波長における波長モニタ特性の設計値と一致するように前記温度調整素子を制御する温度制御部と、
   を備える、
   ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の波長モニタ。
9. 前記光検出器の受光面は、前記複数の半導体レーザが並列配置されている方向が長手方向となる長方形に形成されていることを特徴とする請求項４又は６に記載の波長モニタ。
10. 前記光検出器は複数の光検出領域を備え、
    前記複数の光検出領域は、前記複数の半導体レーザが並列配置されている方向にアレイ状に配置されている、
    ことを特徴とする請求項４又は６に記載の波長モニタ。
11. 請求項１乃至１０の何れか一項に記載の波長モニタを備えた光モジュール。