JP6319721B2 - 波長可変レーザの制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、波長可変レーザの制御方法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
特許文献１の技術は、ITU-T（International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector）によって定められたグリッド波長を得るための制御条件をメモリに格納し、この格納された制御条件を基にグリッド波長の何れかの波長で発振させる制御を実施するものである。このような波長可変レーザに対して、指定された波長で発振させるだけでなく、任意の波長を得る動作（グリッドレス制御と称する）が要求される場合がある。１つの方式でグリッドレス制御を行うと、自由度が低くなる。
本発明は、自由度の高いグリッドレス制御を実現することができる波長可変レーザの制御方法を提供することを目的とする。
本願１の発明は、第１波長で発振するための駆動条件を格納したメモリを有し、エタロンを有する波長検知部による波長の検知結果と目標値との差に基づいて発振波長を制御する波長可変レーザの制御方法であって、前記第１波長と異なる第２波長の情報と、前記第１波長からの波長差分を示す情報と、前記駆動条件のうち前記エタロンの第１目標設定値および前記エタロンの波長特性を定める第１制御値を取得する第１ステップと、前記波長差分と、前記第１目標設定値と、前記第１制御値とに基づいて、前記第２波長に対応した前記エタロンの第２目標設定値を算出するか、前記第２波長に対応した前記エタロンの波長特性を定める第２制御値を算出するか、あるいは前記第２目標設定値および前記第２制御値の両方を算出するかを選択して実行する第２ステップと、前記第２ステップで前記第２目標設定値を算出することが選択された場合に、前記第２目標設定値を前記波長検知部によって得られる波長検知結果の制御目標値に定めて前記波長可変レーザの波長を制御する第３ステップと、を含む波長可変レーザの制御方法である。
上記発明によれば、自由度の高いグリッドレス制御を実現することができる。
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図である。 各チャネルの基本波長と目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１との関係を示す図である。 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方式を示す図である。 補正係数を示す図である。 グリッドレス制御の方式を示す図である。 グリッドレス制御の方式を示す図である。 グリッドレス制御について整理した表である。 グリッドレス制御を行う際のフローチャートの一例である。
[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）第１波長で発振するための駆動条件を格納したメモリを有し、エタロンを有する波長検知部による波長の検知結果と目標値との差に基づいて発振波長を制御する波長可変レーザの制御方法であって、前記第１波長と異なる第２波長の情報と、前記第１波長からの波長差分を示す情報と、前記駆動条件のうち前記エタロンの第１目標設定値および前記エタロンの波長特性を定める第１制御値を取得する第１ステップと、前記波長差分と、前記第１目標設定値と、前記第１制御値とに基づいて、前記第２波長に対応した前記エタロンの第２目標設定値を算出するか、前記第２波長に対応した前記エタロンの波長特性を定める第２制御値を算出するか、あるいは前記第２目標設定値および前記第２制御値の両方を算出するかを選択して実行する第２ステップと、前記第２ステップで前記第２目標設定値を算出することが選択された場合に、前記第２目標設定値を前記波長検知部によって得られる波長検知結果の制御目標値に定めて前記波長可変レーザの波長を制御する第３ステップと、を含む波長可変レーザの制御方法である。
（２）前記第１波長から前記第２波長への波長差分の符号に応じて、前記第２ステップの選択を行ってもよい。
（３）前記エタロンの波長特性を定める制御値は、前記エタロンの温度であり、前記エタロンの温度は、ペルチェ素子を含む温度制御装置によって制御され、前記第２ステップにおいて、前記温度制御装置の消費電力が小さい方を選択してもよい。
（４）前記第２ステップの前記第２目標設定値および前記第２制御値の両方を算出する方法において、前記第２目標設定値は、前記温度制御装置の消費電力が小さくなる方にシフトさせてもよい。
（５）前記第２ステップの前記第２目標設定値および前記第２制御値の両方を算出する方法において、前記第２目標設定値の変更できる波長差分を超えた場合に前記第２制御値を算出してもよい。
（６） 前記エタロンの温度と、前記エタロンの周囲温度との関係に応じて、前記第２ステップの選択を行ってもよい。
［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制御方法の具体例を、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（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）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（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を備えている。波長可変レーザ１００の各部は、筐体８０内に配置されている。
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（Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）領域Ａと、ＣＳＧ−ＤＢＲ（Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）領域Ｂと、ＳＯＡ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）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、基板上１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（Ａｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）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Ｇａ０．３２Ｉｎ０．６８Ａｓ０．９２Ｐ０．０８（厚さ５ｎｍ）からなる井戸層と、Ｇａ０．２２Ｉｎ０．７８Ａｓ０．４７Ｐ０．５３（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Ｇａ０．２２Ｉｎ０．７８Ａｓ０．４７Ｐ０．５３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Ｇａ０．３５Ｉｎ０．６５Ａｓ０．９９Ｐ０．０１（厚さ５ｎｍ）の井戸層とＧａ０．１５Ｉｎ０．８５Ａｓ０．３２Ｐ０．６８（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Ｇａ０．４４Ｉｎ０．５６Ａｓ０．９５Ｐ０．０５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Ｇａ０．４７Ｉｎ０．５３Ａｓ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ＭｇＦ２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Ｇａ０．２２Ｉｎ０．７８Ａｓ０．４７Ｐ０．５３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（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｏｌｅｒ）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（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｏｌｅｒ）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：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、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。
筐体８０には、温度検知部８１が配置されている。半導体レーザ３０の温度は、半導体レーザ３０の発振波長に応じて制御される。この半導体レーザ３０が熱源となり、第１温度制御装置３１からの排熱が筐体８０に伝導する。したがって、半導体レーザ３０の発振波長に応じて筐体８０の温度が変化する。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。
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（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｕｎｉｏｎ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ Ｓｅｃｔｏｒ）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図である。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ＩＬＤ、ＳＯＡ領域Ｃの電極２１に供給される初期電流値ＩＳＯＡ、半導体レーザ３０の初期温度値ＴＬＤ、エタロン５２の初期温度値ＴＥｔａｌｏｎ、および各ヒータ１０に供給される初期電力値ＰＨｅａｔｅｒ１〜ＰＨｅａｔｅｒ３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Ｉｍ１、および第１受光素子４２が出力する光電流Ｉｍ１に対する第２受光素子５４が出力する光電流Ｉｍ２の比の目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１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。
図４は、各チャネルの基本波長と目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１との関係を示す図である。図４において、横軸は波長（周波数）を示し、縦軸は目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１（エタロン５２の透過率）を示す。エタロン５２の透過特性において、谷（ボトム）から高周波数側の山（ピーク）へのスロープと、当該谷（ボトム）から低周波数側の山（ピーク）へのスロープとを用いることができる。そこで、一例として、ＦＳＲ／２が各チャネル間の周波数差（例えば５０ＧＨｚ）となるエタロン５２を用意することが考えられる。なお、片側のスロープだけを用いる場合には、ＦＳＲ＝５０ＧＨｚのエタロン５２を用いればよい。なお、ＦＳＲとは、自由スペクトル領域のことである。図４の例では、基本波長λａ〜λｄのいずれにおいても、目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１は一定値（Ｔ１）に設定されている。なお、目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１は、波長の微調整を行うため図３のように各基本波長に応じて変化させてもよい。発振波長を基本波長に合わせる制御を、以下、グリッド制御と称する。
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５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５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６（ａ）は、グリッドレス制御のうちエタロン温度変更方式を示す図である。図６（ａ）において、横軸は波長（周波数）を示し、縦軸は目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１（エタロン５２の透過率）を示す。図６（ａ）において、実線は、エタロン５２の初期温度値ＴＥｔａｌｏｎ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によって低下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目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１がフィードバック制御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ＴＥｔａｌｏｎ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、目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１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、目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１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。図６（ａ）の例では、基本波長λｂから要求波長λ１へと発振波長をシフトさせることができる。
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７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ＴＥｔａｌｏｎ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、目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１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。
エタロン温度変更方式では、エタロン５２の温度を変更すれば発振波長をシフトさせることができるため、波長シフト可能範囲が大きいという利点がある。一方で、エタロン５２の温度を変更する際に、第２温度制御装置５３の消費電力が大きくなる場合がある。具体的には、エタロン５２の温度を、エタロン５２の周囲温度から離す方向に第２温度制御装置５３を制御する場合には、消費電力が大きくなってしまう。そこで、基本波長から要求波長へとグリッドレス制御する際にエタロン５２の温度が温度検知部８１の検知温度に近づく場合に、エタロン温度変更方式を採用することが好ましい。
例えば、半導体レーザ３０の温度が高い場合、第１温度制御装置３１からの排熱が筐体８０に伝導する。この場合、エタロン５２の温度を低下させる場合に、第２温度制御装置５３の消費電力が大きくなる。本実施例に係る半導体レーザ３０では、高い周波数側へエタロン５２の透過特性をシフトする場合に、第２温度制御装置５３の温度を低下させる必要がある。そこで、基本波長から要求波長へシフトさせる場合に周波数が低くなる場合に、エタロン温度変更方式を採用することが好ましい。
次に、グリッドレス制御のうちターゲット変更方式について説明する。ターゲット変更方式とは、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方式である。すなわち、目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１を変化させる。図６（ｂ）は、ターゲット変更方式を表す図である。
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、グリッドレス制御における波長変化量に対する目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１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、グリッドレス制御の要求波長における目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１であり、Ｔａｒｇｅｔ＿Ｂ［Ａ．Ｕ．］は、基本波長における目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１である。なお、ターゲット補正係数Ｂ１は、図７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）
ターゲット変更方式では、エタロン５２の温度を変更しなくてもよいという利点がある。一方で、目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１の変更可能範囲は、エタロン５２の透過特性の谷から山へのスロープの所定範囲に限られるため、波長シフト可能範囲が限定される。エタロン５２の透過特性の谷（ボトム）および山（ピーク）付近では、波長に対する波長検出値の変化の極性が入れ替わる領域であるため、目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１の変更可能範囲として、谷（ボトム）および山（ピーク）付近を除いた斜面部分を用いることが好ましい。
ターゲット変更方式は、基本波長から要求波長への波長差分が所定値以下の小さい場合に採用することが考えられる。なお、エタロン５２の温度を温度検知部８１の検知温度から離れる場合に、ターゲット変更方式を採用することが好ましい。本実施例においては、基本波長から要求波長へシフトさせる場合に周波数が高くなる場合に、ターゲット変更方式を採用することが好ましい。
図８は、エタロン温度変更方式およびターゲット変更方式のいずれかを単独で用いる場合を示す図である。図８に示すように、基本波長λｂから要求波長λ２への波長差分が小さい場合には、目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１をＴ１からＴ３へと変更するだけで、要求波長λ２を得ることができる。また、エタロン５２の透過特性を高温側へシフトさせれば要求波長λ２を得ることができるため、エタロン５２の温度制御により、特性Ａから特性Ｃへとシフトさせてもよい。
次に、エタロン温度変更方式およびターゲット変更方式を併用することが考えられる。例えば、波長差分をエタロン温度変更方式およびターゲット変更方式で分担することが考えられる。また、ターゲット変更方式だけでは波長差分が不足する場合に、エタロン温度変更方式で補うことが考えられる。さらに、エタロン温度変更方式でエタロン５２の温度を周囲温度にできるだけ近づけておいて、ターゲット変更方式で要求波長に調整することも考えられる。
図９（ａ）は、エタロン温度変更方式およびターゲット変更方式を併用する１例について示す図である。図９（ａ）の例で、波長λ１での発振波長を実現する場合、目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１がグリッド制御時と同じＴ１であった場合、透過特性Ｃが必要である。この場合、エタロン５２の温度の低下幅が大きくなるため、第２温度制御装置５３の消費電力が大きくなる。そこで、図９（ａ）の例では、目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１をＴ２に変更する。不足する波長差分を補うため、エタロン５２の透過特性を特性Ａ〜特性Ｂへとシフトさせる。この場合、目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１をＴ２に変更したことで、第２温度制御装置５３の低温側への駆動量を低減できる。
図９（ｂ）は、エタロン温度変更方式およびターゲット変更方式を併用する他の例について示す図である。図９（ｂ）の例では、基本波長λｂから要求波長λ２への波長差分が小さい。したがって、特性Ａの条件下で、目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１をスロープに沿って大きくするだけでも、波長λ２を得ることができる。しかしながら、消費電力低減の観点からすれば、エタロン５２の温度をできるだけ周囲温度に近づけることが好ましい。本実施例においては、エタロン５２の温度をできるだけ高温へシフトさせることが好ましい。そこで、エタロン５２の特性を特性Ａから特性Ｃへとシフトさせれば要求波長λ２を実現できるところ、さらに特性Ｄまでシフトさせ、目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１をスロープに沿って小さくすることが考えられる。この場合、エタロン５２の透過特性を特性Ａから特性Ｃへとシフトさせる場合と比較して、第２温度制御装置５３の消費電力をより低減することができる。
図１０は、グリッドレス制御について整理した表である。図１０に示すように、エタロン温度変更方式では、目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１を変更せずに、エタロン５２の温度を変更する。基本波長からの波長差分については、大きくても小さくてもよい。低周波数側への波長シフトの際に、エタロン５２の温度を初期設定値よりも高くでき、第２温度制御装置５３の消費電力を低減できる。したがって、低周波数側への波長シフトの際に用いることが好ましい。
次に、ターゲット変更方式では、エタロン５２の温度を変更せずに、目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１を変更する。基本波長からの波長差分については、エタロン５２のスロープの所定範囲内に限定されるため、小さい。エタロン温度を変更しなくてもよいため、高周波数側への波長シフトの際に第２温度制御装置５３の消費電力を大きくしなくてもよいという効果が得られる。したがって、高周波数側への波長シフトの際に用いることが好ましい。
次に、両方式併用の場合では、エタロン５２の温度および目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１の両方を変更する。基本波長からの波長差分については、大きくても小さくてもよい。高周波数側への波長シフトの際には、エタロン５２の温度だけでシフトさせる場合と比較して、エタロン５２の冷却度を小さくできる。それにより、消費電力を低減することができる。低周波数側への波長シフトの際には、エタロン５２の温度を初期設定値よりも高くでき、第２温度制御装置５３の消費電力を低減することができる。なお、図９（ｂ）のようにエタロン５２の透過特性をシフトすることによって、第２温度制御装置５３の消費電力を大幅に低減することができる。
なお、エタロン５２の初期設定値を比較的低い側に設定できる場合には、表９と逆方向への波長シフトの方が消費電力低減につながる場合がある。そこで、表９では、カッコ書きで周波数シフトを記載してある。
このように、グリッドレス制御を行う場合、エタロン温度変更方式およびターゲット変更方式のいずれか一方または両方を用いることができる。コントローラ７０は、これらの方式のいずれかを選択して実行する。それにより、自由度の高いグリッドレス制御を実現することができる。
図１１は、グリッドレス制御を行う際のフローチャートの一例である。図１１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。典型的にはＲＳ２３２Ｃ規格に対応した入出力装置が採用される。
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、基本波長を選択する（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。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）。
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）。ステップＳ４においては、コントローラ７０は、上述したエタロン温度変更方式およびターゲット変更方式のいずれか、または両方を用いるかを選択する。エタロン温度変更方式を選択する場合には、コントローラ７０は、エタロン５２の温度の更新設定値を算出する。ターゲット変更方式を選択する場合には、コントローラ７０は、目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１の更新設定値を算出する。エタロン温度変更方式およびターゲット変更方式の併用を選択する場合には、コントローラ７０は、エタロン５２の温度および目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１の両方の更新設定値を算出する。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ＩＬＤ、初期温度値ＴＬＤ、および初期電力値ＰＨｅａｔｅｒ１〜ＰＨｅａｔｅｒ３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ＴＬＤの範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ７）。ここでＴＬＤの範囲とは、更新設定値の温度値ＴＬＤ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ＴＬＤ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。エタロン５２の温度を変更しない場合には、上記設定範囲は、初期設定値Ｔｅｔｌｎ＿Ｂを中心とする所定範囲となる。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ＩＳＯＡ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ＴＬＤ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、目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１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Ｉｍ２／Ｉｍ１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、目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１がステップＳ２で選択された基本波長における目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１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、フローチャートの実行が終了する。
本実施例においては、グリッドレス制御を行う場合に、エタロン温度変更方式およびターゲット変更方式のいずれか、または両方の併用を選択して実行することができる。それにより、自由度の高いグリッドレス制御を実現することができる。また、波長差分ΔＦの符号に応じて方式を選択することに決めておくことによって、判定基準が簡略化される。
また、グリッドレス制御において、半導体レーザ３０の発振周波数を増加させる場合にターゲット変更方式を採用することによって、第２温度制御装置５３の消費電力の増加を回避することができる。一方、発振周波数を低下させる場合にエタロン温度変更方式を採用することによって、第２温度制御装置５３の消費電力を低下させることができる。
また、グリッドレス制御において、エタロン５２の温度を周囲温度に近づける場合にエタロン温度変更方式を採用することによって、第２温度制御装置５３の消費電力を低下させることができる。エタロン５２の温度を周囲温度から離す必要がある場合にターゲット変更方式を採用することによって、第２温度制御装置５３の消費電力の増加を回避することができる。
上記例では、エタロン５２としてソリッドエタロンを採用したが、それ以外のエタロンを用いることもできる。例えば、ミラー間に液晶層が介在する液晶エタロンをエタロン５２として用いてもよい。この場合、液晶に印加される電圧を制御することによって、液晶エタロンの波長特性をシフトさせることができる。また、印加電圧に応じてミラー間のギャップ長を変更可能なエアギャップエタロンをエタロン５２として用いてもよい。この場合、印加電圧を制御することによって、エアギャップエタロンの波長特性をシフトさせることができる。これら液晶エタロンあるいはエアギャップエタロンのいずれの場合であっても、第２温度制御装置５３によって温度制御がなされる。ただし、この場合の温度制御は波長特性のシフトのためではなく、温度要因による波長特性の変動を防止するためである。このため温度は一定に制御される。
なお、上記各例において、選択された基本波長を第１波長と称することができる。また、要求波長を第２波長と称することができる。目標値Ｉｍ２／Ｉｍ１をエタロン５２の目標設定値と称することができる。エタロン５２の温度を、エタロン５２の波長特性を定める制御値と称することができる。
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 (5)

  1. 第１波長で発振するための駆動条件を格納したメモリを有し、エタロンを有する波長検知部による波長の検知結果と目標設定値との比較結果に基づいて発振波長を制御する波長可変レーザの制御方法であって、
    前記第１波長から前記第１波長と異なる第２波長までの波長差分を示す情報と、前記第１波長に対応した前記目標設定値を第１目標設定値として取得するとともに、前記エタロンの波長特性を定める第１制御値を取得する第１ステップと、
    前記波長差分と、前記第１目標設定値と、前記第１制御値とに基づいて、前記第２波長に対応した、前記波長検知部の出力と比較するための第２目標設定値を算出するか、あるいは前記第２波長に対応した前記エタロンの波長特性を定める第２制御値を算出するかを選択して実行する第２ステップと、
    前記第２ステップの選択結果に基づき、前記エタロンの波長特性を前記第１制御値によって制御しつつ、前記波長検知部による波長の検知結果と前記第２目標設定値との比較結果に基づいて発振波長を制御するか、あるいは前記エタロンの波長特性を前記第２制御値によって制御しつつ、前記波長検知部による波長の検知結果と前記第１目標設定値との比較結果に基づいて発振波長を制御するか何れかの制御を実施する第３ステップと、を含む波長可変レーザの制御方法。
  2. 第１波長で発振するための駆動条件を格納したメモリを有し、エタロンを有する波長検知部による波長の検知結果と目標設定値との比較結果に基づいて発振波長を制御する波長可変レーザの制御方法であって、
    前記第１波長から前記第１波長と異なる第２波長までの波長差分を示す情報と、前記第１波長に対応した前記目標設定値を第１目標設定値として取得するとともに、前記エタロンの波長特性を定める第１制御値を取得する第１ステップと、
    前記波長差分と、前記第１目標設定値と、前記第１制御値とに基づいて、前記第２波長に対応した、前記波長検知部の出力と比較するための第２目標設定値を算出するとともに、前記第２目標設定値において、前記第２波長が実現されるための前記エタロンの波長特性を定める第２制御値を算出する第２ステップと、
    前記エタロンの波長特性を前記第２制御値によって制御しつつ、前記波長検知部による波長の検知結果と前記第２目標設定値との比較結果に基づいて発振波長を制御する第３ステップと、を含む波長可変レーザの制御方法。
  3. 前記エタロンの波長特性を定める制御値は、前記エタロンの温度であり、
    前記エタロンの温度は、ペルチェ素子を含む温度制御装置によって制御され、
    前記第２ステップにおいて、前記温度制御装置の消費電力が小さい方を選択する、請求項１記載の波長可変レーザの制御方法。
  4. 前記第２制御値は、前記第１制御値よりも前記温度制御装置の消費電力が小さくなる値である、請求項３記載の波長可変レーザの制御方法。
  5. 前記第１制御値による前記エタロンの波長特性において、前記第２目標設定値の変更のみで前記第２波長が実現できる場合は、前記第２ステップでは前記第２制御値の算出は行わず、前記第２目標設定値の変更のみで前記第２波長が実現できない場合には、前記第２目標設定値の算出とともに、前記第２制御値の算出を実施する、請求項２記載の波長可変レーザの制御方法。
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