JP6229474B2 - 半導体レーザ装置、光アンプおよび判定方法 - Google Patents
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Description
(実施の形態1にかかる半導体レーザ装置)
図1Aは、実施の形態1にかかる半導体レーザ装置の一例を示す図である。図1Bは、図1Aに示した半導体レーザ装置における光および電気の流れの一例を示す図である。図1A,図1Bに示すように、実施の形態1にかかる半導体レーザ装置100は、半導体レーザ110と、判定装置120と、を備える。
図1Eは、実施の形態1にかかる光アンプの一例を示す図である。図1Fは、図1Eに示した光アンプにおける光および電気の流れの一例を示す図である。図1E,図1Fにおいて、図1A,図1Bに示した部分と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。図1E,図1Fに示すように、実施の形態1にかかる光アンプ130は、半導体レーザ110と、判定装置120と、光増幅媒体131(Optical Gain Medium)と、を備える。
図1Iは、実施の形態1にかかる光アンプの他の例(半導体光増幅器)を示す図である。図1Jは、図1Iに示した光アンプ(半導体光増幅器)における光および電気の流れの一例を示す図である。図1I,図1Jにおいて、図1A,図1Bに示した部分と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。図1I,図1Jに示すように、実施の形態1にかかる光アンプ150は、半導体光増幅器151と、判定装置120と、を備える。
検出部121は、たとえば、出射光(またはASE光)の波長の初期状態からの短波長側への移動量に応じた値を取得する。波長の移動量に応じた値は、たとえば、波長の移動量を直接的または間接的に示す値であってもよいし、波長の移動量に応じて増減する値であってもよい。これにより、出射光(またはASE光)の波長が初期状態から短波長側へある程度移動した場合に、半導体レーザ110や半導体光増幅器151の頓死の予兆があると判定することができる。
また、たとえば半導体レーザ装置100や光アンプ130は、半導体レーザ110を複数備えてもよい。複数の半導体レーザ110は、それぞれ別のチップとして形成されていてもよいし、1つのチップに複数の電極および活性層を設けることによって形成されてもよい。そして、半導体レーザ装置100や光アンプ130は、判定部122によって頓死の予兆があると判定された場合に、複数の半導体レーザ110のうちの駆動する半導体レーザを切り替える制御部を備えてもよい。
活性層にアルミを含み、または活性層の材料がヒ素ガリウムである場合のLDやSOAの頓死の予兆の判定について説明したが、上述した判定方法の対象の半導体光デバイスは、活性層にアルミまたはヒ素ガリウムを含むLDやSOAに限らない。たとえば、上述した判定方法は、経年劣化によって結晶周期構造を乱す要因となる材料を活性層に含み、結晶周期構造の乱れに応じて出力光の波長が短波長側にシフトする半導体光デバイスに用いることができる。
(実施の形態2にかかる判定装置)
図2Aは、実施の形態2にかかる判定装置の一例を示す図である。図2Bは、図2Aに示した判定装置における光および電気の流れの一例を示す図である。図2A,図2Bに示すように、実施の形態2にかかる判定装置200は、分岐器201と、光フィルタ202と、第1PD203と、第2PD204と、時系列データ格納部205と、短波側シフト演算部206と、判定部207と、を備える。
図3Aは、光フィルタの波長透過特性の一例を示す図である。図3Aにおいて、横軸は波長[nm]を示し、縦軸は抑圧比[dB]を示す。図2Aに示した光フィルタ202は、たとえば図3Aに示す波長透過特性300を有する。波長透過特性300は、波長ごとの抑圧比(透過率)を示す。
図4Aは、GaInAsP系の結晶層を有するLDにおけるエネルギバンドギャップ形状の一例を示す図である。図4Bは、AlGaInAs系の結晶層を有するエネルギバンドギャップ形状における特性の一例を示す図である。
図5Aは、結晶欠陥と波長シフトの因果関係の一例を示す図である。図5Aに示す符号501〜513は、活性層にアルミまたはヒ素ガリウムを含むLDの活性層における各現象等を示している。まず、アルミ部分の酸化や応力ストレスなどの様々な要因によって結晶欠陥が発生する(符号501)。そして、アルミ部分の酸化や応力ストレスなどの様々な要因によって結晶欠陥が進行(増長および増大)する(符号502)。結晶欠陥の進行(符号502)について、たとえば電流、温度、活性層材料中のアルミ酸化がさらなる加速要因となる。
図5Bは、活性層のキャリア密度の増加と波長シフトの因果関係の一例を示す図(その1)である。図5Cは、活性層のキャリア密度の増加と波長シフトの因果関係の一例を示す図(その2)である。図5Bの電子分布521は、正常品のLDにおける電子の分布を示している。図5Cの電子分布521は、相対的に頓死に至る直前のLDにおける電子の分布を示している。電子分布521は、上準位E2以上のエネルギとなる。
図5Dは、LDの活性層に生じるダークラインの一例を示す図である。判定装置200による判定対象は、たとえば図5Dに示すLDチップ540とすることができる。LDチップ540は、活性層541にアルミを含むLDチップである。
図6は、発振波長のシフトの一例を示す図である。図6において、横軸は波長[nm]を示し、縦軸は光パワー[dBm]および透過率[dB]を示す。スペクトル611は、LDの発振光の初期状態におけるスペクトルを示している。
図7Aは、初期状態の発振光と光フィルタの波長透過特性との関係の一例を示す図である。図7Aにおいて、図3Aまたは図6に示した部分と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。図7Aに示すように、波長透過特性300は、たとえば、LDの発振光の初期状態におけるスペクトル611が、短波長側ほど透過率が連続的に低くなる帯域(たとえば図3Aに示した波長帯域311)に含まれる特性とすることができる。
図8は、波長シフト時の透過率の変化の一例を示す図である。図8において、図7A,図7Bに示した部分と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。また、図8においては、図7Bに示したように、LDの発振光の初期状態におけるスペクトル611が、波長透過特性300のフラットな帯域に含まれる特性とした場合について説明するが図7Aに示した場合においても同様である。
図9Aは、波長シフトによる第1PDによる受光パワーの低下の一例を示す図である。図9Aにおいて、図3Aに示した部分と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。図9Aにおいて、横軸は波長[nm]を示し、縦軸は光フィルタ202の抑圧比[dB](透過率)を示す。
図10は、PDのダイナミックレンジの一例を示す図である。図10において、縦軸は第1PD203および第2PD204における受光パワー[dBm]を示している。ダイナミックレンジ1011は、たとえば加入者系ポート(距離)に応じた受光パワー変動分のダイナミックレンジ(たとえば15[dB])を示している。ダイナミックレンジ1012は、波長シフトによる受光パワー変動分のダイナミックレンジ(たとえば10[dB])を示している。
図11は、時間経過による発振波長の変化の一例を示す図(その1)である。図11において、横軸は時間の経過を示し、縦軸はLDの発振波長[nm]および光出力[mW]を示している。図11においては、活性層にアルミまたはヒ素ガリウムを含むLDが運用開始から7年目で頓死する場合について説明する。
図12は、時間経過による発振波長の変化の一例を示す図(その2)である。図12において、横軸は時間の経過を示し、縦軸はLDの発振波長[nm]を示している。図12においては、活性層にアルミまたはヒ素ガリウムを含むLDが運用開始から2年目で頓死する場合と、活性層にアルミまたはヒ素ガリウムを含むLDが運用開始から7年目で頓死する場合と、について説明する。
図13は、判定装置による処理の一例を示すフローチャートである。判定装置200の短波側シフト演算部206および判定部207は、たとえば図13に示す各ステップを繰り返し実行する。まず、短波側シフト演算部206が、時系列データ格納部205に格納された時系列データを取得する(ステップS1301)。
図14Aは、判定装置を適用した通信システムの一例を示す図である。図14Bは、図14Aに示した通信システムにおける光および電気の流れの一例を示す図である。図14A,図14Bに示す光通信システム1400は、OLT(Optical Line Terminal:収容局側端末)と複数のONU(Optical Network Unit:加入者側端末)とがカプラによって接続されたPONシステムである。
図15Aは、OLTの変形例1を示す図である。図15Aにおいて、図14Aに示した部分と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。たとえば図14Aに示したスプリッタ1403が、図15Aに示す分岐カプラ1521,1522によって実現されているとする。
(実施の形態3にかかる光アンプ)
図16Aは、実施の形態3にかかる光アンプの一例を示す図である。図16Bは、図16Aに示した光アンプにおける光および電気の流れの一例を示す図である。図16A,図16Bにおいて、図2A〜図2Dに示した部分と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。図16A,図16Bに示す光アンプ1600は、EDFを用いたEDFA(EDF Amplifier:エルビウム添加ファイバ増幅器)である。
図17は、駆動電流に対する発振波長の温度ごとの特性の一例を示す図である。図17において、横軸はLD1621へ供給される駆動電流[mA]を示し、縦軸はLD1621の発振中心波長[nm]を示す。
図19Aは、LDを切り替え可能なLDチップの一例を示す図である。図19Bは、図19Aに示したLDチップの構成における光および電気の流れの一例を示す図である。図19A,図19Bにおいて、図2A,図2Bに示した部分と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
図20Aは、駆動回路およびLDチップの一例を示す図である。図20Bは、図20Aに示した駆動回路およびLDチップにおける光および電気の流れの一例を示す図である。図20A,図20Bにおいて、図19A,図19Bに示した部分と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
図21Aは、電気スイッチ回路の一例を示す図である。図20A,図20Bに示した電気スイッチ回路2013は、たとえば、図21Aに示すように、入力端子2111,2112と、切替回路2113と、トランジスタTr1〜Tr3と、抵抗R1〜R3と、を備える。
図21Bは、電気スイッチ回路の切替回路の動作の一例を示す図である。図21Aに示した電気スイッチ回路2013の切替回路2113は、たとえば図21Bに示す状態テーブル2150にしたがって動作する。
(実施の形態4にかかる光アンプ)
図22Aは、実施の形態4にかかる光アンプの一例を示す図である。図22Bは、図22Aに示した光アンプにおける光および電気の流れの一例を示す図である。図22A,図22Bに示すように、実施の形態4にかかる光アンプ2200は、アイソレータ2201と、分岐器2202と、SOA2203と、分岐器2204と、アイソレータ2205と、を備える。また、光アンプ2200は、入力モニタ用受光器2206と、出力モニタ用受光器2207と、SOA制御回路2208と、判定装置200と、を備える。SOA制御回路2208は、たとえばDSPやFPGAなどのデジタル回路によって実現することができる。
図24Aは、SOAにおける信号光およびASE光の一例を示す図である。図24Aにおいて、図3Aに示した部分と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。図24Aにおいて、横軸は波長[nm]を示し、縦軸は抑圧比[dB]および光パワー[dBm]を示す。スペクトル2401は、SOA2203による増幅対象の信号光を示す。スペクトル2402は、SOA2203におけるASE光を示す。
図24Bは、波長シフト時の透過率の変化の一例を示す図である。図24Bにおいて、図24Aに示した部分と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。SOA2203のASE光の波長が短波長側にシフトすると、SOA2203のASE光のスペクトル2402は、たとえば図24Bに示すようにシフトする。
上述した判定方法は、光通信システムの運用中にかぎらず、たとえばLDベンダーのLDの出荷試験時のスクリーニングに適用することもできる。このスクリーニングは、たとえば、LDベンダーでの出荷前に、頓死品を事前に見極め、取り除くための試験として実施される。上述した判定方法によれば、LDの頓死の予兆を早期に判定することができるため、たとえばLDの光出力特性の劣化をモニタする場合に比べて短時間の通電で、将来の頓死品を検出することが可能になる。
前記半導体レーザからの出射光の波長の短波長側への移動を検出する検出部と、
前記検出部による検出結果に基づいて前記半導体レーザの頓死の予兆を判定する判定部と、
を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
前記光フィルタを透過した光を受光する受光部と、
を備え、
前記検出部は、前記受光部による受光強度に基づいて前記出射光の波長の短波長側への移動を検出する、
ことを特徴とする付記1に記載の半導体レーザ装置。
前記受光部(「第1受光部」と称する。)と異なる、前記分岐部によって分岐された光の一方を受光する第2受光部と、
を備え、
前記光フィルタは、前記分岐部によって分岐された光の他方を透過させ、
前記検出部は、前記第1受光部および前記第2受光部による各受光強度の比較結果に基づいて前記出射光の波長の短波長側への移動を検出する、
ことを特徴とする付記2に記載の半導体レーザ装置。
前記判定部は、前記検出部によって取得された値に基づいて前記予兆を判定する、
ことを特徴とする付記1〜4のいずれか一つに記載の半導体レーザ装置。
前記判定部は、前記検出部によって取得された値に基づいて前記予兆を判定する、
ことを特徴とする付記1〜5のいずれか一つに記載の半導体レーザ装置。
前記検出部は、前記取得部によって取得された情報に基づいて補正した前記出射光の波長の短波長側への移動を検出する、
ことを特徴とする付記1〜6のいずれか一つに記載の半導体レーザ装置。
前記検出部は、前記取得部によって取得された情報に基づいて補正した前記出射光の波長の短波長側への移動を検出する、
ことを特徴とする付記1〜7のいずれか一つに記載の半導体レーザ装置。
前記判定部によって前記頓死の予兆があると判定された場合に、前記半導体レーザのうちの駆動する半導体レーザを切り替える制御部を備える、
ことを特徴とする付記1〜8のいずれか一つに記載の半導体レーザ装置。
入射光と前記半導体レーザからの出射光とを通過させることで前記入射光を増幅して出射する光増幅媒体と、
前記半導体レーザからの出射光の波長の短波長側への移動を検出する検出部と、
前記検出部による検出結果に基づいて前記半導体レーザの頓死の予兆を判定する判定部と、
を備えることを特徴とする光アンプ。
前記半導体光増幅器からの自然放出光の波長の短波長側への移動を検出する検出部と、
前記検出部による検出結果に基づいて前記半導体光増幅器の頓死の予兆を判定する判定部と、
を備えることを特徴とする光アンプ。
前記出射光の波長の短波長側への移動の検出結果に基づいて前記半導体レーザの頓死の予兆を判定する、
ことを特徴とする判定方法。
前記自然放出光の波長の短波長側への移動の検出結果に基づいて前記半導体光増幅器の頓死の予兆を判定する、
ことを特徴とする判定方法。
前記検出部による検出結果に基づいて、前記出射光の波長の短波長側への移動の検出結果に基づいて前記半導体レーザの頓死の予兆を判定する判定部と、
を備えることを特徴とする判定装置。
前記検出部による検出結果に基づいて、前記自然放出光の波長の短波長側への移動の検出結果に基づいて前記半導体光増幅器の頓死の予兆を判定部と、
を備えることを特徴とする判定装置。
110,430 半導体レーザ
120,200 判定装置
121 検出部
122,207 判定部
130,150,1600,2200 光アンプ
131 光増幅媒体
151 半導体光増幅器
201,1601,1606,2202,2204,2301 分岐器
202,1412,1413,1432,1433,1607,1622,1951 光フィルタ
203 第1PD
204 第2PD
205 時系列データ格納部
206 短波側シフト演算部
300 波長透過特性
311 波長帯域
431,432 ミラー
433,541,2031〜2033 活性層
521 電子分布
522 分布中心
540,1910 LDチップ
542 端面
543 ダークライン
611〜616,801,911〜915,2401,2402 スペクトル
621 波長範囲
622,623 シフト
921〜924,1811,1812 グラフ
1011,1012 ダイナミックレンジ
1111,1112 光出力変化
1121,1122,1211,1212,1221〜1223 発振波長変化
1400 光通信システム
1402 伝送路
1403 スプリッタ
1410 OLT
1411,1431,1621,2141〜2143 LD
1414,1602,1605,2201,2205 アイソレータ
1415 制御部
1416,1511 ポート
1421〜1424 ONU
1434,1608,1609,1623 PD
1521,1522 分岐カプラ
1603 合波器
1604 EDF
1610 出力/利得制御部
1620 励起光源
1624 温度モニタ
1625,1940 駆動回路
1626 補正演算部
1701 基準点
1702 測定点
1711〜1715 LD特性
1901 光ファイバ
1911〜1913 信号電極
1920 レンズアレイ
1921〜1923 マイクロレンズ
1930 集光レンズ
1952 受光器
1953 電気回路
2011 電源
2012 ドライバ回路
2013 電気スイッチ回路
2040 接地電極
2111,2112 入力端子
2113 切替回路
2131〜2133 電極
2140 グランド
2150 状態テーブル
2203 SOA
2206 入力モニタ用受光器
2207 出力モニタ用受光器
2208 SOA制御回路
2302 光バンドパスフィルタ
Claims (9)
- 活性層にアルミまたはヒ素ガリウムを含む半導体レーザと、
前記半導体レーザからの出射光を分岐する分岐部と、
前記分岐部によって分岐された光の一方を受光する第1受光部と、
前記分岐部によって分岐された光の他方を透過させ、前記出射光の初期の波長帯域での透過率と、前記初期の波長帯域より短い波長帯域での透過率と、が異なる光フィルタと、
前記光フィルタを透過した光を受光する第2受光部と、
前記第1受光部および前記第2受光部による各受光強度の比較結果に基づいて、前記出射光の波長の短波長側への移動を検出する検出部と、
前記検出部による検出結果に基づいて前記半導体レーザの頓死の予兆を判定する判定部と、
を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。 - 前記検出部は、前記出射光の波長の初期状態からの短波長側への移動量に応じた値を取得し、
前記判定部は、前記検出部によって取得された値に基づいて前記予兆を判定する、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ装置。 - 前記検出部は、前記出射光の波長の単位時間あたりの短波長側への移動量に応じた値を取得し、
前記判定部は、前記検出部によって取得された値に基づいて前記予兆を判定する、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体レーザ装置。 - 前記半導体レーザの温度を示す情報を取得する取得部を備え、
前記検出部は、前記取得部によって取得された情報に基づいて補正した前記出射光の波長の短波長側への移動を検出する、
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の半導体レーザ装置。 - 前記半導体レーザの駆動電流の大きさを示す情報を取得する取得部を備え、
前記検出部は、前記取得部によって取得された情報に基づいて補正した前記出射光の波長の短波長側への移動を検出する、
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の半導体レーザ装置。 - 前記半導体レーザを複数備え、
前記判定部によって前記頓死の予兆があると判定された場合に、前記半導体レーザのうちの駆動する半導体レーザを切り替える制御部を備える、
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の半導体レーザ装置。 - 活性層にアルミまたはヒ素ガリウムを含む半導体レーザと、
入射光と前記半導体レーザからの出射光とを通過させることで前記入射光を増幅して出射する光増幅媒体と、
前記出射光を分岐する分岐部と、
前記分岐部によって分岐された光の一方を受光する第1受光部と、
前記分岐部によって分岐された光の他方を透過させ、前記出射光の初期の波長帯域での透過率と、前記初期の波長帯域より短い波長帯域での透過率と、が異なる光フィルタと、
前記光フィルタを透過した光を受光する第2受光部と、
前記第1受光部および前記第2受光部による各受光強度の比較結果に基づいて、前記出射光の波長の短波長側への移動を検出する検出部と、
前記検出部による検出結果に基づいて前記半導体レーザの頓死の予兆を判定する判定部と、
を備えることを特徴とする光アンプ。 - 活性層にアルミまたはヒ素ガリウムを含む半導体光増幅器と、
前記半導体光増幅器からの自然放出光を分岐する分岐部と、
前記分岐部によって分岐された光の一方を受光する第1受光部と、
前記分岐部によって分岐された光の他方を透過させ、前記自然放出光の初期の波長帯域での透過率と、前記初期の波長帯域より短い波長帯域での透過率と、が異なる光フィルタと、
前記光フィルタを透過した光を受光する第2受光部と、
前記第1受光部および前記第2受光部による各受光強度の比較結果に基づいて、前記自然放出光の波長の短波長側への移動を検出する検出部と、
前記検出部による検出結果に基づいて前記半導体光増幅器の頓死の予兆を判定する判定部と、
を備えることを特徴とする光アンプ。 - 活性層にアルミまたはヒ素ガリウムを含む半導体レーザからの出射光を分岐し、
分岐した光の一方を第1受光部により受光し、
分岐した光の他方を、前記出射光の初期の波長帯域での透過率と、前記初期の波長帯域より短い波長帯域での透過率と、が異なる光フィルタに透過させ、
前記光フィルタを透過した光を第2受光部により受光し、
前記第1受光部および前記第2受光部による各受光強度の比較結果に基づいて、前記出射光の波長の短波長側への移動を検出し、
前記出射光の波長の短波長側への移動の検出結果に基づいて前記半導体レーザの頓死の予兆を判定する、
ことを特徴とする判定方法。
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