JP6241931B2

JP6241931B2 - 波長可変レーザの制御方法

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Publication number: JP6241931B2
Application number: JP2013271616A
Authority: JP
Inventors: 充宜宮田
Original assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Current assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2017-12-06
Anticipated expiration: 2033-12-27
Also published as: JP2015126196A

Description

本発明は、波長可変レーザに関するものである。

出力波長を選択可能な波長可変レーザが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−０２６９９６号公報

波長可変レーザは、指定された波長で発振させるだけでなく、さらにその波長を微調整すること（ここではファインチューニングと称する）が要求される場合がある。エタロンを備える波長ロッカを用いてファインチューニングを行う場合、エタロンの周期的な光透過特性を利用する。しかしながら、この場合、十分なファインチューン範囲が得られない場合がある。

そこで、ファインチューン範囲を拡大させることができる、波長可変レーザを提供することを目的とする。

本願１の発明は、エタロンを有する波長検知部による波長検知結果と、目標波長に対応してメモリに格納された目標値との差に基づいたフィードバック動作によって、発振波長を制御する制御部を備え、前記メモリには、波長に対応して交互に配置される前記目標値の可変範囲の下端を含む第１範囲および前記目標値の可変範囲の上端を含む第２範囲によって生成された複数の前記目標波長に対応する前記目標値が格納されてなる波長可変レーザである。

上記発明によれば、ファインチューン範囲を拡大させることができる。

実施例１に係る波長可変レーザの全体構成を示すブロック図である。半導体レーザの全体構成を示す模式的断面図である。初期設定値およびフィードバック制御目標値を示す表である。グリッドレス制御における要求波長と基本波長との関係を表す図である。グリッドレス制御の原理を示す図である。補正係数を示す図である。ファインチューン範囲を表す図である。（ａ）はファインチューニングを表す図であり、（ｂ）はフィードバック制御目標値の比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１の変化を表す図である。（ａ）および（ｂ）はターゲット変更方式だけを採用する場合のファインチューン範囲を示す図であり、（ｃ）および（ｄ）はターゲット変更方式とエタロン温度変更方式とを併用した場合のファインチューン範囲を示す図である。ファインチューニングを行う際のフローチャートの一例である。実施例２に係る波長可変レーザの全体構成を示すブロック図である。

[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。

本願発明は、（１）エタロンを有する波長検知部による波長検知結果と、目標波長に対応してメモリに格納された目標値との差に基づいたフィードバック動作によって、発振波長を制御する制御部を備え、前記メモリには、波長に対応して交互に配置される前記目標値の可変範囲の下端を含む第１範囲および前記目標値の可変範囲の上端を含む第２範囲によって生成された複数の前記目標波長に対応する前記目標値が格納されてなる波長可変レーザである。
（２）前記制御部は、前記メモリに格納された目標波長とは異なる波長を出力する要求を受けた場合、前記目標波長を選択し、前記目標波長と要求された波長との差分に応じた前記目標値を変更する演算を行い、演算された更新目標値を用いて前記フィードバック動作をなしてもよい。
（３）前記制御部は、前記目標値を変更する演算とともに、前記エタロンの温度を変更する演算を実施し、これらの演算結果をもって、前記要求された波長に応じた前記フィードバック動作をなしてもよい。
（４）前記制御部は、前記メモリに格納された目標波長とは異なる波長を出力する要求を受けた場合、前記目標波長を選択し、前記目標波長と要求された波長との差分に応じた前記エタロンの温度を変更する演算を行い、演算されたエタロン温度において、前記フィードバック動作をなしてもよい。

［本願発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る波長可変レーザの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

図１は、実施例１に係る波長可変レーザ１００の全体構成を示すブロック図である。図１に示すように、波長可変レーザ１００は、レーザデバイスとして、波長を制御可能な半導体レーザ３０（チューナブル半導体レーザ）を備えている。本実施例の半導体レーザ３０は、レーザ領域に連結してＳＯＡ（ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＯｐｔｉｃａｌＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）となる領域が設けられている。このＳＯＡは、光出力制御部として機能する。ＳＯＡは光出力の強度を任意に増減させることができる。また光出力の強度を実質的にゼロに制御することもできる。さらに波長可変レーザ１００は、検知部５０、メモリ６０、コントローラ７０などを備える。検知部５０は、出力検知部および波長ロッカ部として機能する。コントローラ７０は、波長可変レーザ１００の制御を行うものであり、その内部にはＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）を備えている。

図２は、本実施例における半導体レーザ３０の全体構成を示す模式的断面図である。図２に示すように、半導体レーザ３０は、ＳＧ−ＤＦＢ（ＳａｍｐｌｅｄＧｒａｔｉｎｇＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄｂａｃｋ）領域Ａと、ＣＳＧ−ＤＢＲ（ＣｈｉｒｐｅｄＳａｍｐｌｅｄＧｒａｔｉｎｇＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ）領域Ｂと、ＳＯＡ（ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＯｐｔｉｃａｌＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）領域Ｃとを備える。すなわち、半導体レーザ３０は、半導体構造内に波長選択ミラーを有するレーザである。

一例として、半導体レーザ３０において、フロント側からリア側にかけて、ＳＯＡ領域Ｃ、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂがこの順に配置されている。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、利得を有しサンプルドグレーティングを備える。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂは、利得を有さずにサンプルドグレーティングを備える。ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂが図１のレーザ領域に相当し、ＳＯＡ領域Ｃが図２のＳＯＡ領域に相当する。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、基板１上に、下クラッド層２、活性層３、上クラッド層６、コンタクト層７、および電極８が積層された構造を有する。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂは、基板１上に、下クラッド層２、光導波層４、上クラッド層６、絶縁膜９、および複数のヒータ１０が積層された構造を有する。各ヒータ１０には、電源電極１１およびグランド電極１２が設けられている。ＳＯＡ領域Ｃは、基板１上に、下クラッド層２、光増幅層１９、上クラッド層６、コンタクト層２０、および電極２１が積層された構造を有する。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域ＢおよびＳＯＡ領域Ｃにおいて、基板１、下クラッド層２、および上クラッド層６は、一体的に形成されている。活性層３、光導波層４、および光増幅層１９は、同一面上に形成されている。ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡとＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂとの境界は、活性層３と光導波層４との境界と対応している。

ＳＯＡ領域Ｃ側における基板１、下クラッド層２、光増幅層１９および上クラッド層６の端面には、端面膜１６が形成されている。本実施例では、端面膜１６はＡＲ（ＡｎｔｉＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）膜である。端面膜１６は、半導体レーザ３０のフロント側端面として機能する。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ側における基板１、下クラッド層２、光導波層４、および上クラッド層６の端面には、端面膜１７が形成されている。本実施例では、端面膜１７はＡＲ膜である。端面膜１７は、半導体レーザ３０のリア側端面として機能する。

基板１は、例えば、ｎ型ＩｎＰからなる結晶基板である。下クラッド層２はｎ型、上クラッド層６はｐ型であり、それぞれ例えばＩｎＰによって構成される。下クラッド層２および上クラッド層６は、活性層３、光導波層４、および光増幅層１９を上下で光閉込めしている。

活性層３は、利得を有する半導体により構成されている。活性層３は、例えば量子井戸構造を有しており、例えばＧａ_０．３２Ｉｎ_０．６８Ａｓ_０．９２Ｐ_０．０８（厚さ５ｎｍ）からなる井戸層と、Ｇａ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ａｓ_０．４７Ｐ_０．５３（厚さ１０ｎｍ）からなる障壁層が交互に積層された構造を有する。光導波層４は、例えばバルク半導体層で構成することができ、例えばＧａ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ａｓ_０．４７Ｐ_０．５３によって構成することができる。本実施例においては、光導波層４は、活性層３よりも大きいエネルギギャップを有する。

光増幅層１９は、電極２１からの電流注入によって利得が与えられ、それによって光増幅をなす領域である。光増幅層１９は、例えば量子井戸構造で構成することができ、例えばＧａ_０．３５Ｉｎ_０．６５Ａｓ_０．９９Ｐ_０．０１（厚さ５ｎｍ）の井戸層とＧａ_０．１５Ｉｎ_０．８５Ａｓ_０．３２Ｐ_０．６８（厚さ１０ｎｍ）の障壁層が交互に積層された構造とすることができる。また、他の構造として、例えばＧａ_０．４４Ｉｎ_０．５６Ａｓ_０．９５Ｐ_０．０５からなるバルク半導体を採用することもできる。なお、光増幅層１９と活性層３とを同じ材料で構成することもできる。

コンタクト層７，２０は、例えばｐ型Ｇａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ結晶によって構成することができる。絶縁膜９は、窒化シリコン膜（ＳｉＮ）または酸化シリコン膜（ＳｉＯ）からなる保護膜である。ヒータ１０は、チタンタングステン（ＴｉＷ）で構成された薄膜抵抗体である。ヒータ１０のそれぞれは、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの複数のセグメントにまたがって形成されていてもよい。

電極８，２１、電源電極１１およびグランド電極１２は、金（Ａｕ）等の導電性材料からなる。基板１の下部には、裏面電極１５が形成されている。裏面電極１５は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域ＢおよびＳＯＡ領域Ｃにまたがって形成されている。

端面膜１６および端面膜１７は、１．０％以下の反射率を有するＡＲ膜であり、実質的にその端面が無反射となる特性を有する。ＡＲ膜は、例えばＭｇＦ_２およびＴｉＯＮからなる誘電体膜で構成することができる。なお、本実施例ではレーザの両端がＡＲ膜であったが、端面膜１７を有意の反射率を持つ反射膜で構成する場合もある。図２における端面膜１７に接する半導体に光吸収層を備えた構造を設けた場合、端面膜１７に有意の反射率を持たせることで、端面膜１７から外部に漏洩する光出力を抑制することができる。有意の反射率としては、たとえば１０％以上の反射率である。なお、ここで反射率とは、半導体レーザ内部に対する反射率を指す。

回折格子（コルゲーション）１８は、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの下クラッド層２に所定の間隔を空けて複数箇所に形成されている。それにより、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにサンプルドグレーティングが形成される。ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおいて、下クラッド層２に複数のセグメントが設けられている。ここでセグメントとは、回折格子１８が設けられている回折格子部と回折格子１８が設けられていないスペース部とが１つずつ連続する領域のことをいう。すなわち、セグメントとは、両端が回折格子部によって挟まれたスペース部と回折格子部とが連結された領域のことをいう。回折格子１８は、下クラッド層２とは異なる屈折率の材料で構成されている。下クラッド層２がＩｎＰの場合、回折格子を構成する材料として、例えばＧａ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ａｓ_０．４７Ｐ_０．５３を用いることができる。

回折格子１８は、２光束干渉露光法を使用したパターニングにより形成することができる。回折格子１８の間に位置するスペース部は、回折格子１８のパターンをレジストに露光した後、スペース部に相当する位置に再度露光を施すことで実現できる。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおける回折格子１８のピッチと、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおける回折格子１８のピッチとは、同一でもよく、異なっていてもよい。本実施例においては、一例として、両ピッチは同一に設定してある。また、各セグメントにおいて、回折格子１８は同じ長さを有していてもよく、異なる長さを有していてもよい。また、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの各回折格子１８が同じ長さを有し、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの各回折格子１８が同じ長さを有し、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡとＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂとで回折格子１８の長さが異なっていてもよい。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおいては、各セグメントの光学長が実質的に同一となっている。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおいては、少なくとも２つのセグメントの光学長が、互いに異なって形成されている。それにより、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの波長特性のピーク同士の強度は、波長依存性を有するようになる。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａのセグメントの平均光学長とＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂのセグメントの平均光学長は異なっている。このように、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ内のセグメントおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂのセグメントが半導体レーザ３０内において共振器を構成する。

ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂそれぞれの内部においては、反射した光が互いに干渉する。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａには活性層３が設けられており、キャリア注入されると、ピーク強度がほぼ揃った、所定の波長間隔を有する離散的な利得スペクトルが生成される。また、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおいては、ピーク強度が異なる、所定の波長間隔を有する離散的な反射スペクトルが生成される。ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおける波長特性のピーク波長の間隔は異なっている。これら波長特性の組み合わせによって生じるバーニア効果を利用して、発振条件を満たす波長を選択することができる。

図１に示すように、半導体レーザ３０は、第１温度制御装置３１上に配置されている。第１温度制御装置３１は、ペルチェ素子を含み、ＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｏｌｅｒ）として機能する。第１サーミスタ３２は、第１温度制御装置３１上に配置されている。第１サーミスタ３２は、第１温度制御装置３１の温度を検出する。第１サーミスタ３２の検出温度に基づいて、半導体レーザ３０の温度を特定することができる。

波長可変レーザ１００においては、検知部５０が半導体レーザ３０のフロント側に配置されている。検知部５０が波長ロッカ部として機能することから、波長可変レーザ１００は、フロントロッカタイプと呼ぶことができる。検知部５０は、第１受光素子４２、ビームスプリッタ５１、エタロン５２、第２温度制御装置５３、第２受光素子５４、および第２サーミスタ５５を備える。

ビームスプリッタ４１は、半導体レーザ３０のフロント側からの出力光を分岐する位置に配置されている。ビームスプリッタ５１は、ビームスプリッタ４１からの光を分岐する位置に配置されている。第１受光素子４２は、ビームスプリッタ５１によって分岐された２つの光の一方を受光する位置に配置されている。エタロン５２は、ビームスプリッタ５１によって分岐された２つの光の他一方を透過する位置に配置されている。第２受光素子５４は、エタロン５２を透過した透過光を受光する位置に配置されている。

エタロン５２は、入射光の波長に応じて透過率が周期的に変化する特性を有する。本実施例においては、エタロン５２としてソリッドエタロンを用いる。なお、ソリッドエタロンの当該周期的な波長特性は、温度が変化することによって変化する。エタロン５２は、ビームスプリッタ５１によって分岐された２つの光の他方を透過する位置に配置されている。また、エタロン５２は、第２温度制御装置５３上に配置されている。第２温度制御装置５３は、ペルチェ素子を含み、ＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｏｌｅｒ）として機能する。

第２受光素子５４は、エタロン５２を透過した透過光を受光する位置に配置されている。第２サーミスタ５５は、エタロン５２の温度を特定するために設けられている。第２サーミスタ５５は、例えば第２温度制御装置５３上に配置されている。本実施例では、第２温度制御装置５３の温度を第２サーミスタ５５で検出することで、エタロン５２の温度を特定している。

メモリ６０は、書換え可能な記憶装置である。書き換え可能な記憶装置としては、典型的にはフラッシュメモリが挙げられる。コントローラ７０は、中央演算処理装置（ＣＰＵ：ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、電源などを備える。ＲＡＭは、中央演算処理装置が実行するプログラム、中央演算処理装置が処理するデータなどを一時的に記憶するメモリである。

メモリ６０は、波長可変レーザ１００の各部の初期設定値およびフィードバック制御目標値をチャネルに対応させて記憶している。チャネルとは、半導体レーザ３０の発振波長に対応する番号である。各チャネルの波長は、波長可変レーザ１００の波長可変帯域内において、離散的に定められている。例えば、各チャネルは、ＩＴＵ−Ｔ（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＵｎｉｏｎＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＳｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎＳｅｃｔｏｒ）のグリッド波長（５０ＧＨｚ間隔）に対応している。または、ＩＴＵ−Ｔグリッドの間隔よりも狭めた間隔で、初期設定値を用意してもよい。本実施例においては、各チャネルの波長が基本波長と定義される。

図３は、上記初期設定値およびフィードバック制御目標値を示す表である。図３に示すように、上記初期設定値は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの電極８に供給される初期電流値Ｉ_ＬＤ、ＳＯＡ領域Ｃの電極２１に供給される初期電流値Ｉ_ＳＯＡ、半導体レーザ３０の初期温度値Ｔ_ＬＤ、エタロン５２の初期温度値Ｔ_{Ｅｔａｌｏｎ}、および各ヒータ１０に供給される初期電力値Ｐ_{Ｈｅａｔｅｒ１}〜Ｐ_{Ｈｅａｔｅｒ３}を含む。これら初期設定値は、チャネルごとに定められている。上記フィードバック制御目標値は、コントローラ７０のフィードバック制御を行う際の目標値である。フィードバック制御目標値は、第１受光素子４２が出力する光電流の目標値Ｉ_ｍ１、および第１受光素子４２が出力する光電流Ｉ_ｍ１に対する第２受光素子５４が出力する光電流Ｉ_ｍ２の比の目標値Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１を含む。制御目標値も、チャネルごとに定められている。なお、これらの各値は、波長可変レーザ１００の出荷前に、波長計を使ったチューニングによって個体ごとに取得される。

本実施例に係る波長可変レーザ１００は、要求波長が基本波長と一致しなくても、当該要求波長を出力することができる。基本波長と異なる波長での出力を可能とする制御のことを、以下、グリッドレス制御と称する。図４は、グリッドレス制御における要求波長と基本波長との関係を表す図である。図４に示すように、グリッドレス制御においては、要求波長は、基本波長と隣接する他の基本波長との間の波長である。なお、要求波長は、基本波長と一致していてもよい。

図５は、グリッドレス制御の原理を示す図である。図５において、横軸は波長を示し、縦軸は比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１（エタロン５２の透過率）の正規化値を示す。図５において、実線は、エタロン５２の初期温度値Ｔ_{Ｅｔａｌｏｎ}に対応する波長特性である。また、点線は、エタロン５２の温度を第２温度制御装置５３によって上昇させた場合の波長特性である。ここで、実線上の黒丸における比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１がフィードバック目標値として採用されている場合、エタロン５２が初期温度値Ｔ_{Ｅｔａｌｏｎ}であると、基本波長で発振することになる。一方、エタロン５２が点線で示される波長特性に対応した温度であると、比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１が基本波長を得るための値（点線上の黒丸）であっても、実際の発振波長はエタロン特性の変更分だけ、その基本波長からシフトする。つまり、要求波長と基本波長との波長差だけエタロン特性をシフトすることで、フィードバック目標値である比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１はそのままで、要求波長を実現することができる。すなわち、要求波長と基本波長との波長差分ΔＦに基づき、エタロン温度を変更するための演算をし、これをエタロン温度として適用することで、要求波長を実現することができる。

上記したように、エタロン５２の波長特性は、その温度にしたがってシフトする。エタロン５２における周波数変動量／温度変化量［ＧＨｚ／℃］を、エタロン５２の温度補正係数Ｃ１と称する。なお、ここでは波長を周波数で表現している。温度補正係数Ｃ１は、波長可変レーザの駆動条件の波長変化に対する変化率に相当する。温度補正係数Ｃ１は、メモリ６０に格納されている。図６は、メモリ６０に格納されている温度補正係数Ｃ１の例である。本実施例においては、温度補正係数Ｃ１は、図３の各チャネルに共通の値である。

グリッドレス制御の要求波長を実現するためのエタロン５２の設定温度をＴｅｔｌｎ＿Ａ［℃］とする。また、エタロン５２の初期温度、すなわち選択された基本波長に対応したエタロン５２の温度をＴｅｔｌｎ＿Ｂ［℃］とする。Ｔｅｔｌｎ＿ＢはＴ_{Ｅｔａｌｏｎ}に相当し、メモリ６０から取得される。さらに、基本波長とグリッドレス制御の要求波長との波長差分（絶対値）をΔＦ１［ＧＨｚ］とする。この場合、各パラメータの関係は、下記式（１）のように表すことができる。式（１）に基づいてグリッドレス制御の要求波長を得るために必要な設定温度Ｔｅｔｌｎ＿Ａを求めることができる。
Ｔｅｔｌｎ＿Ａ＝Ｔｅｔｌｎ＿Ｂ＋ΔＦ１／Ｃ１（１）
第２温度制御装置５３の温度を設定温度Ｔｅｔｌｎ＿Ａに制御することによって、比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１をそのまま利用して、グリッドレス制御の要求波長を得ることが可能となる。

以上の動作を実行することにより、図５に示すように、エタロン５２の特性がシフトした分だけ、基本波長からシフトした波長（要求波長）によって半導体レーザ３０をレーザ発振させることができる。前述したグリッドレス制御の要求波長は、メモリ６０に記録された条件での発振によって得られる波長（基本波長）以外の波長である。しかしながら、グリッドレス制御の要求波長での発振を得るためには、基本波長を出力する場合と同様、レーザ発振を停止させた状態から実行する必要がある。

一方、波長可変レーザの性能として、基本波長あるいは要求波長を問わず、一旦発振した出力波長を微調整（ファインチューニング）する機能を搭要した。たとえば、このファインチューニングを採用すれば、ユーザがそれぞれの通信回線で波長を最適化することができる。したがって、このファインチューニングには、波長可変レーザ１００が発振状態を維持したままで、その発振波長を変更する動作が必要となる。

ここで、ファインチューン範囲について整理する。図７は、ファインチューン範囲を表す図である。図７に示すように、例えば基本波長Ｃｈ１におけるグリッドレス範囲をＣｈ１グリッドレス範囲とし、Ｃｈ２におけるグリッドレス範囲をＣｈ２グリッドレス範囲とする。Ｃｈ１グリッドレス範囲とＣｈ２グリッドレス範囲との境界は、基本波長Ｃｈ１と基本波長Ｃｈ２との中間の波長である。要求波長を実現するためのファインチューニングを行う際には、Ｃｈ１グリッドレス範囲ではＣｈ１の近似式を用い、Ｃｈ２グリッドレス範囲ではＣｈ２の近似式を用いる。

ファインチューニングを実現するためには、発振波長を示すパラメータの他に、ファインチューニングのためのパラメータが波長可変レーザに入力される必要がある。典型的な波長可変レーザの入力パラメータは、例えば、表１のように、指定された発振波長（基本波長あるいは要求波長）と、ファインチューニング値によって示される。ファインチューニング値は、指定された発振波長からの差分波長（ΔＦ２［ＧＨｚ］）によって示される。

そして、このファインチューニング値は、波長可変レーザ１００が発振している間も変更可能であり、それに応じて、波長可変レーザ１００はその発振波長を変更できる必要がある。

ファインチューニングで波長を微調整する場合においても、エタロン５２の温度を変化させることによって波長を変更することが考えられる。図８（ａ）は、この場合のファインチューニングを表す図である。ファインチューニングの要求波長を実現するためのエタロン５２の設定温度をＴｅｔｌｎ＿Ｃ［℃］とする。また、グリッドレス制御の要求波長を実現するためのエタロン５２の設定温度は、上述したように、Ｔｅｔｌｎ＿Ａ［℃］である。グリッドレス制御の要求波長とファインチューニングの要求波長との波長差分（絶対値）をΔＦ２［ＧＨｚ］とする。この場合、各パラメータの関係は、下記式（２）のように表すことができる。式（２）に基づいてファインチューニングの要求波長を得るために必要な設定温度Ｔｅｔｌｎ＿Ｃを求めることができる。
Ｔｅｔｌｎ＿Ｃ＝Ｔｅｔｌｎ＿Ａ＋ΔＦ２／Ｃ２（２）
第２温度制御装置５３の温度を設定温度Ｔｅｔｌｎ＿Ｃに制御することによって、比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１をそのまま利用して、ファインチューニングの要求波長を得ることが可能となる。なお、温度補正係数Ｃ２は、図６に示すように、メモリ６０に格納されている。温度補正係数Ｃ２は、温度補正係数Ｃ１と同じ値であってもよいが、ファインチューニング用に温度補正係数Ｃ１と異なる値に設定されていてもよい。

あるいは、ファインチューニングの際にエタロン５２の温度を変化させず（一定値に保持し）、ＡＦＣ制御の光透過率ターゲットを変化させることが考えられる。すなわち、フィードバック制御目標値の比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１を変化させる。図８（ｂ）は、フィードバック制御目標値の比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１の変化を表す図である。

エタロン５２の波長と透過率との関係を取得することによって、ファインチューニングにおける波長変化量に対する比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１の変化量を求めることができる。例えば、エタロン５２の波長と透過率との関係を下記式（３）で近似することができる。下記式（３）において、Ｔａｒｇｅｔ＿Ａ［Ａ．Ｕ．］は、ファインチューニングの要求波長における比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１であり、Ｔａｒｇｅｔ＿Ｂ［Ａ．Ｕ．］は、グリッドレス制御の要求波長における比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１である。なお、ターゲット補正係数Ｂ１は、図６に示すように、メモリ６０に格納されている。下記式（３）は１次式で近似されているが、高次式で近似してもよい。
Ｔａｒｇｅｔ＿Ａ＝Ｔａｒｇｅｔ＿Ｂ＋ΔＦ２／Ｂ１（３）

このように、ファインチューニングを行う場合、エタロン５２の温度を変更する方式（以下、エタロン温度変更方式とも称する）と、フィードバック制御目標値の比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１を変化させる方式（ターゲット変更方式）とを用いることができる。

図８（ｂ）で説明したターゲット変更方式を採用すれば、エタロン５２の温度は変わらないため、第２温度制御装置５３の温度値の制御が不要となる。しかしながら、ターゲット変更方式では、光透過特性の山と谷の間の限られた可変範囲でしか連続的に周波数を変更することができない。すなわち、ターゲット変更方式だけを用いると、十分なファインチューン範囲が得られないおそれがある。そこで、本実施例においては、エタロン温度変更方式とターゲット変更方式とを併用することによって、ファインチューン範囲を拡大させる。

具体的には、ファインチューン開始時の波長からの波長シフト量の符号が一方を示す場合にはエタロン温度変更方式を採用し、他方を示す場合にはターゲット変更方式を採用する。それにより、ファインチューン範囲を拡大させることができる。

ターゲット変更方式におけるファインチューン範囲を拡大させるために、ファインチューニング開始時の波長の位置をターゲット可変範囲の中央からどちらか一方側にシフトさせ、片側のターゲット可変範囲を広くすることが好ましい。反対側のターゲット可変範囲は狭くなるため、この方向にはエタロン温度変更方式を用いる。例えば、各チャネルの基本波長の位置をターゲット可変範囲の中央からどちらか一方側に設定し、グリッドレス制御の際にはエタロン温度変更方式を採用してもよい。または、グリッドレス制御の際に、要求波長の位置がターゲット可変範囲の中央からどちらか一方側となるように、エタロン５２の温度およびフィードバック制御目標値の比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１の更新設定値を算出してもよい。なお、ファインチューニング開始時の波長をターゲット可変範囲の端にシフトさせることによって、上記片側のファインチューン範囲を２倍に拡大することができる。

図９（ａ）は、ターゲット変更方式だけを採用する場合のファインチューン範囲を示す図である。この例は、ＡＦＣ制御においてターゲットに引き込める範囲（キャプチャーレンジ）をエタロン５２の透過特性のＦＳＲ（自由スペクトル領域）の１６％（±８％）程度に設定し、そのうちの±６％よりも外側にターゲット可変範囲の端を設定した例である。白丸がグリッドレス制御の要求波長を示し、黒丸がターゲット可変範囲の端の波長を示す。なお、グリッドレス制御の要求波長は、ターゲット可変範囲の中央に設定してある。図９（ｂ）に示すように、基本波長＝１９１．３０００ＴＨｚにおけるターゲット値が０．５４７である場合において、ターゲット値が０．４６８〜０．６５７のターゲット可変範囲を設定した場合、ファインチューン範囲は、１９１．２９７０ＴＨｚ〜１９１．３０３０ＴＨｚの６ＧＨｚのみとなる。

図９（ｃ）は、ターゲット変更方式とエタロン温度変更方式とを併用した場合のファインチューン範囲を示す図である。この場合、まず、グリッドレス制御の要求波長の位置をターゲット可変範囲の端にシフトさせてある。したがって、図９（ｄ）の例では、グリッドレス制御の要求波長＝１９１．３０００ＴＨｚにおけるターゲット値が上限の０．６５７にシフトさせてある。まず、ターゲット値が０．４６８〜０．６５７のターゲット可変範囲を設定した場合、１９１．３０００ＴＨｚ〜１９１．３０６０ＴＨｚの周波数範囲を利用することができる。さらに、エタロン５２の温度を変更することによって、１９１．３０００ＴＨｚよりも低い周波数までファインチューン範囲を広げることができる。このように、波長に対応して交互に配置されるターゲット値の可変範囲の下端および上端によって生成される範囲をターゲット値の制御範囲とすることによって、ファインチューン範囲を拡大させることができる。なお、上端には所定の範囲があり、この範囲を第１範囲と称することもできる。また、下端にも所定の範囲があり、この範囲を第２範囲と称することもできる。

なお、ターゲット変更方式とエタロン温度変更方式とを併用する際に、第２温度制御装置５３の消費電力を考慮してもよい。第２温度制御装置５３の温度を周囲温度と離れる方向に制御する場合、第２温度制御装置５３の消費電力が増大する。本実施例においては、第２温度制御装置５３の周囲温度として、半導体レーザ３０の温度（第１温度制御装置３１の温度）を用いることができる。

本実施例においては、フィードバック制御目標値の比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１を一定に維持した状態でエタロン５２の温度を下げると、ＡＦＣ制御において半導体レーザ３０の発振周波数は大きくなる。また、半導体レーザ３０は、高温（例えば８０℃）で動作しており、その高温の影響を回避するためにエタロン５２の温度は第２温度制御装置５３により冷却される。したがって、半導体レーザ３０の発振周波数を大きくするためにエタロン５２の温度を下げようとすると（例えば４０℃→３０℃）、第２温度制御装置５３の温度は、周囲温度から離れる方向に制御される。その結果、第２温度制御装置５３の消費電力が増加することになる。

そこで、本実施例においては、発振周波数を増加させるファインチューニングを行う場合にはターゲット変更方式を用い、発振周波数を減少させるファインチューニングを行う場合にはエタロン温度変更方式を用いる。具体的には、図９（ｃ）に示すように、ファインチューニング開始時の周波数の位置をターゲット可変範囲の中央から低周波数側にシフトさせ、当該波長よりも高周波数側ではターゲット変更方式を用い、当該要求波長よりも低周波数側においてはエタロン温度変更方式を用いる。

図１０は、ファインチューニングを行う際のフローチャートの一例である。図１０に示すように、コントローラ７０は、波長要求を受ける（ステップＳ１）。この要求波長は、グリッドレス制御の要求波長であり、図示しない外部入出力装置からの入力によるものである。一例として、１９６．１０７０［ＴＨｚ］が要求波長として指示されたとする。典型的にはＲＳ２３２Ｃ規格に対応した入出力装置が採用される。また、外部入出力装置からの入力情報にファインチューニングの要求波長情報があってもよい。

グリッドレス制御の要求波長は、メモリ６０に格納されている基本波長同士の間の波長帯域の全域にわたって受容される。つまり、入力された要求波長が基本波長に該当しなくても、その入力は拒否されない。また、波長可変レーザ１００は、入力された要求波長が基本波長から最大で隣接する基本波長に一致するための間の波長全域にわたって、波長制御可能に構成される。このためには、エタロン５２の波長特性のシフト幅が、隣接する基本波長の差の範囲にわたって可変であればよい。また、メモリ６０には、図３の基本波長のうち、最大値または最小値となる波長（スタートグリッド）および基本波長間の波長差（グリッド波長間隔）が記録されている。

次に、コントローラ７０は、要求波長に応じて、基本波長を選択し、当該基本波長の初期設定値およびフィードバック制御目標値をメモリ６０から読み込む（ステップＳ２）。例えば、コントローラ７０は、要求波長とスタートグリッド波長との差を求め、これをグリッド波長間隔で除した整数部を、チャネル番号Ｃｈとして採用する。コントローラ７０は、得られたチャネル番号Ｃｈに対応する基本波長を選択する。例えば、チャネル番号Ｃｈとして得られた値にグリッド波長間隔を乗じた値をスタートグリッド波長に加算することによって得られる。一例として、選択された基本波長が１９６．１０００［Ｔｈｚ］であったとする。また、基本波長は、ターゲット可変領域の中央から低周波側にシフトして設定してある。

次に、コントローラ７０は、基本波長とグリッドレス制御の要求波長との波長差分ΔＦ１を算出する（ステップＳ３）。上記例では、ΔＦ１＝＋７．０［ＧＨｚ］である。次に、コントローラ７０は、波長差分ΔＦ１に基づいて、更新設定値を算出する（ステップＳ４）。初期設定値として格納されているエタロン温度Ｔｅｔｌｎ＿Ｂが３６．０００［℃］であり、温度補正係数Ｃ１が−１．８００［ＧＨｚ／℃］だとすると、Ｔｅｔｌｎ＿Ａは３２．１１１［℃］となる。また、コントローラ７０は、グリッドレス制御の要求波長での半導体レーザ３０の駆動条件を演算する。例えば、コントローラ７０は、メモリ６０から図示しない補正係数を参照し、初期電流値Ｉ_ＬＤ、初期温度値Ｔ_ＬＤ、および初期電力値Ｐ_{Ｈｅａｔｅｒ１}〜Ｐ_{Ｈｅａｔｅｒ３}と、波長差分ΔＦ１とから更新設定値を演算する。

次に、コントローラ７０は、更新設定値を自身のＲＡＭに書き込む（ステップＳ５）。次に、コントローラ７０は、ＲＡＭに書き込まれた更新設定値を用いて半導体レーザ３０を駆動させる（ステップＳ６）。なお、ＳＯＡ領域Ｃについては、この時点では半導体レーザ３０から光が出力されないように制御する。次に、コントローラ７０は、第１サーミスタ３２の検出温度ＴＨ１がＴ_ＬＤの範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ７）。ここでＴ_ＬＤの範囲とは、更新設定値の温度値Ｔ_ＬＤを中心とする所定範囲である。ステップＳ７において「Ｎｏ」と判定された場合、コントローラ７０は、第１サーミスタ３２の検出温度ＴＨ１が温度値Ｔ_ＬＤ近づくように第１温度制御装置３１に供給される電流値を変更する。

コントローラ７０は、ステップＳ７と並行して、第２サーミスタ５５の検出温度ＴＨ２が設定範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ８）。この場合の設定範囲は、更新設定値に含まれる設定温度Ｔｅｔｌｎ＿Ａに基づいて決定される。例えば、上記設定範囲は、設定温度Ｔｅｔｌｎ＿Ａを中心とする所定範囲とすることができる。ステップＳ８において「Ｎｏ」と判定された場合、コントローラ７０は、第２サーミスタ５５の検出温度ＴＨ２が設定温度Ｔｅｔｌｎ＿Ａに近づくように第２温度制御装置５３に供給される電流値を変更する。

コントローラ７０は、ステップＳ７およびステップＳ８の両方で「Ｙｅｓ」と判定されるまで待機する。ステップＳ７およびステップＳ８の両方で「Ｙｅｓ」と判定された場合、コントローラ７０は、シャッタオープンの動作を行う（ステップＳ９）。具体的には、ＳＯＡ領域Ｃの電極２１に供給される電流を初期電流値Ｉ_ＳＯＡに制御する。それにより、半導体レーザ３０から更新設定値に基づく更新波長のレーザ光が出力される。

次に、コントローラ７０は、第１温度制御装置３１による温度値Ｔ_ＬＤを制御目標とした温度制御を終了する（ステップＳ１０）。次に、コントローラ７０は、第１温度制御装置３１によるＡＦＣ制御を開始する（ステップＳ１１）。つまり、第１温度制御装置３１の温度が、フィードバック制御目標値の比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１を満たすようにフィードバック制御される。エタロン５２の入力光と出力光の比（前後比）は、半導体レーザ３０の発振波長を示している。また、第１温度制御装置３１は半導体レーザ３０の波長を制御するパラメータである。すなわちステップＳ１１では、前後比がＩ_ｍ２／Ｉ_ｍ１になるように第１温度制御装置３１の温度をフィードバック制御することで、半導体レーザ３０の波長を制御する。それにより、要求波長が実現される。

コントローラ７０は、比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１がステップＳ２で選択された基本波長における目標値Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１を中心とする所定範囲内にあることを確認すると、ＡＦＣロックフラグを出力する（ステップＳ１２）。その後、ファインチューニングの要求波長を受けた場合、コントローラ７０は、ファインチューニングの要求波長に応じてファインチューニングの方式を選択する（ステップＳ１３）。

第２温度制御装置５３の温度が周囲温度よりも低く制御されるため、第２温度制御装置５３の電力消費量は、第２温度制御装置５３の温度を上げる側に制御する場合に少なくすむ。そこで、発振周波数を減少させるファインチューニングを行う場合には、エタロン温度変更方式を用いる。エタロン５２の温度にファインチューニングによる変化分である例えば−１ＧＨｚ分の補正をしたエタロン５２の温度が更新設定値として格納される。具体的には、コントローラ７０は、ファインチューニングの要求波長が実現されるように、上記式（２）に従ってエタロン５２の温度を変更する（ステップＳ１４）。例えば、ΔＦ２＝−１ＧＨｚであり、温度補正係数Ｃ２が−１．８００［ＧＨｚ／℃］であり、設定温度Ｔｅｔｌｎ＿Ａが５０．０００［℃］であったとすると、設定温度Ｔｅｔｌｎ＿Ｃは、５０．５５６［℃］となる。

ステップＳ１３において、発振周波数を増加させるファインチューニングを行う場合には、ターゲット変更方式を用いる。具体的には、コントローラ７０は、ファインチューニングの要求波長が実現されるように、上記式（３）に従ってフィードバック制御目標値を変更する（ステップＳ１５）。例えば、ΔＦ２＝＋１ＧＨｚであり、補正係数Ｂ１＝−３１．８［ＧＨｚ］であり、Ｔａｒｇｅｔ＿Ｂ＝０．６５７であるとすると、Ｔａｒｇｅｔ＿Ａは、０．６２６となる。

ステップＳ１４またはステップＳ１５の実行により半導体レーザ３０の発振波長が変化し、これがファインチューニングの要求波長あるいはその値に対する所定の幅を持った範囲に入ることが確認されれば、コントローラ７０は、ＡＦＣロックフラグを再度出力する（ステップＳ１６）。その後、フローチャートの実行が終了する。

本実施例においては、ファインチューニング開始時の周波数から周波数を増減させる場合の一方ではエタロン温度変更方式が採用され、他方ではターゲット変更方式が採用される。それにより、ファインチューン範囲を拡大させることができる。ターゲット変更方式におけるファインチューン範囲を拡大させるために、ファインチューニング開始時の波長の位置をターゲット可変範囲の中央からどちらか一方側にシフトさせ、片側のターゲット可変範囲を広くすることが好ましい。また、ターゲット変更方式とエタロン温度変更方式とを併用する際に、第２温度制御装置５３の消費電力を考慮することが好ましい。具体的には、発振周波数を増加させるファインチューニングを行う場合にはターゲット変更方式を用い、発振周波数を減少させるファインチューニングを行う場合にはエタロン温度変更方式を用いることが好ましい。

エタロン５２の周囲温度が必ずしも半導体レーザ３０の温度と一致しない場合もある。そこで、波長可変レーザ１００の各部が配置される筐体の温度をエタロン５２の周囲温度としてもよい。図１１は、実施例２に係る波長可変レーザ１００ａの全体構成を示すブロック図である。波長可変レーザ１００ａが図１の波長可変レーザ１００と異なる点は、波長可変レーザ１００ａの各部が筐体８０内に配置され、筐体８０に温度検知部８１が配置されている点である。温度検知部８１は、筐体８０の温度を検出し、コントローラ７０に伝える。温度検知部８１はコントローラ７０に内蔵されていてもよい。エタロン５２は、筐体８０の温度の影響を受ける。そのため、筐体８０の温度は、エタロン５２の周囲温度とみなすこともできる。

温度検知部８１が検出する温度がエタロン５２の温度よりも高い場合、第２温度制御装置５３の温度を低下させようとすると第２温度制御装置５３の消費電力が増大する。そこで、この場合においては、実施例１と同様に、発振周波数を増加させるファインチューニングを行う場合にはターゲット変更方式を用い、発振周波数を減少させるファインチューニングを行う場合にはエタロン温度変更方式を用いる。また、好ましくは、ファインチューニング開始時の周波数の位置をターゲット可変範囲の中央から低周波数側にシフトさせ、当該波長よりも高周波数側ではターゲット変更方式を用い、当該要求波長よりも低周波数側においてはエタロン温度変更方式を用いる。

一方、温度検知部８１の検知温度がエタロン５２の温度よりも低い場合、第２温度制御装置５３の温度を上昇させようとすると第２温度制御装置５３の消費電力が増大する。そこで、この場合においては、発振周波数を低下させるファインチューニングを行う場合にはターゲット変更方式を用い、発振周波数を増加させるファインチューニングを行う場合にはエタロン温度変更方式を用いる。また、好ましくは、ファインチューニング開始時の周波数の位置をターゲット可変範囲の中央から高周波数側にシフトさせ、当該波長よりも低周波数側ではターゲット変更方式を用い、当該要求波長よりも高周波数側においてはエタロン温度変更方式を用いる。

なお、グリッドレス制御の際に、要求波長の位置がターゲット可変範囲の中央からどちらか一方側となるように、エタロン５２の温度およびフィードバック制御目標値の比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１の更新設定値を算出してもよい。また、メモリ６０に、各チャネルに対応して各チャネルの基本波長の位置をターゲット可変範囲の中央から両側にシフトさせた値を設定し、温度検知部８１の検知温度に応じて、いずれかを選択してもよい。

実施例１，２では、グリッドレス制御の後にファインチューニングを行う場合について説明したが、グリッドレス制御を行わずにファインチューニングを行ってもよい。この場合、実施例１，２と同様の手法により、基本波長から周波数を増減させる場合の一方ではエタロン温度変更方式を採用し、他方ではターゲット変更方式を採用する。それにより、ファインチューン範囲を拡大させることができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１基板
２下クラッド層
３活性層
４光導波層
６上クラッド層
７コンタクト層
８電極
９絶縁膜
１０ヒータ
１１電源電極
１２グランド電極
１５裏面電極
１６，１７端面膜
１８回折格子
１９光増幅層
２０コンタクト層
２１電極
３０半導体レーザ
３１第１温度制御装置
３２第１サーミスタ
４１ビームスプリッタ
４２第１受光素子
５０検知部
５１ビームスプリッタ
５２エタロン
５３第２温度制御装置
５５第２サーミスタ
６０メモリ
７０コントローラ
８０筐体
８１温度検知部
１００波長可変レーザ

Claims

エタロンを有する波長検知部による波長検知結果と目標値との差に基づいたフィードバック動作によって、発振波長を制御する制御部を備え、指定された第１波長および前記第１波長からの波長シフト量で指示された第２波長が与えられる波長可変レーザの制御方法であって、
前記第１波長に対して前記第２波長が長波長側あるいは短波長側のいずれか一方へシフトする際には、前記エタロンの波長特性を固定し、かつ前記波長検知結果に対する前記目標値を変更して前記第２波長を実現し、他方へシフトする際には、前記波長検知結果に対する前記目標値を固定し、かつ前記エタロンの波長特性を定める値を変化させることで前記第２波長を実現する動作を行う、波長可変レーザの制御方法。
前記第１波長は、メモリに格納された前記波長可変レーザの制御値および前記エタロンの波長特性を与える制御値によって実現される基本波長とは異なる波長であり、前記エタロンの波長特性を与える制御値を変更することで実現される波長である、請求項１記載の波長可変レーザの制御方法。
前記エタロンの波長特性を固定し、かつ前記波長検知結果に対する目標値を変更する動作においては、前記エタロンの波長特性を前記メモリに格納された制御値よりも長波長側あるいは短波長側のいずれかに変更する動作が実施される、請求項２に記載の波長可変レーザの制御方法。