JP6377300B2 - 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し、特に、波長可変レーザを備えた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・大容量化が進んでいる。その中核技術として、１本の光ファイバで光多重伝送する波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing, WDM）方式が普及している。以下、波長分割多重を、ＷＤＭと呼ぶ。このＷＤＭシステムにおいては、安定的な運営を実施するため、予期せぬ信号光源の停止に備えて、発振波長が同一の予備信号光源を確保しておく必要がある。そのため、保守コストが増加する。この保守コストを抑えるため、１つの信号光源で複数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。当該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。そのため、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のもの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。そのため、半導体レーザからの出射光をモニタするための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から、ビームスプリッタなどで、一部の光を取り出して、取り出した光を、エタロンから構成された光フィルタに入射する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、半導体基板に並列に形成された２つ以上の半導体レーザから出射されたレーザ光の波長をモニタする波長モニタにおいて、各半導体レーザの出射光位置を不等間隔に配置することが提案されている。当該波長モニタにおいては、各半導体レーザから半導体基板の後面方向へ出射される出射光を、エタロンから構成された光フィルタに入射する（例えば、特許文献２参照）。

さらに、光フィルタの実装精度を緩和するために、２つのレーザ光を正負対称な角度で、エタロンから構成された光フィルタに入射する構造が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００２−１８５０７４号公報 特開２０１２−１２９２５９号公報 特開２０１５−３５５５３号公報

上述したように、特許文献１〜３においては、光フィルタとしてエタロンを使用している。このように、波長モニタにおいて光フィルタとして用いられるエタロンは、光の入射角度によって、その透過特性が変化する。そのため、所望の透過特性を得るためには、高精度な実装角度アライメントが必要という課題がある。特許文献３に記載のように、２つのレーザ光を正負対称な角度でエタロンに入射する構造は、エタロンの角度実装ばらつきによるエタロン透過特性の変動を抑制することができ、上記の課題を解決する手法である。しかしながら、この従来の手法では、エタロン表面で反射した２つのレーザ光は、それぞれ、互いのレーザ光の入射角度と同じ角度で伝搬することになる。そのため、半導体レーザの出射光をコリメートするために配置されたレンズを通って、半導体レーザに再入射してしまうという問題がある。この現象は、一般的に、反射戻り光と呼ばれる。反射戻り光は、半導体レーザの動作状態を不安定化させるため、極力回避する必要がある。この問題を解決する方法として、光の進行方向によって透過率が異なる光素子であるアイソレータを、半導体レーザとエタロンとの間に挿入することが考えられる。しかしながら、その場合には、余分な部品であるアイソレータが必要となり、デバイス全体の大型化と高コスト化が避けられない。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、複数のレーザ光を同時に光フィルタに入射することで、光フィルタの透過特性の変動を抑制して、光フィルタの実装精度を緩和し、且つ、反射戻り光の影響の抑制を図ることが可能な、波長モニタおよび光モジュールを提供することを目的とする。

本発明は、同一波長のレーザ光を出射する複数の出射ポートを有する波長可変レーザと、前記波長可変レーザの前記複数の出射ポートから出射される前記レーザ光をコリメートして出射するコリメートレンズと、入射される光の周波数に対して周期的な透過率を有し、前記コリメートレンズから出射されたレーザ光が入射される光フィルタと、前記光フィルタを透過した前記レーザ光を受光して、前記レーザ光の光強度を検出する光検出器とを備え、後述する式（１）の左辺の値が予め設定された範囲内になるという条件を満たすように、前記コリメートレンズと前記光フィルタとがそれぞれ配置され、ここで、ｍは、前記光フィルタに入射される前記レーザ光の番号、ｎは前記光フィルタの屈折率、ｄは前記光フィルタの長さ、Ｒは前記光フィルタの両端に形成される反射膜のパワー反射率、Ｅ_mはｍ番目の前記レーザ光の電界強度比、θ_mはｍ番目の前記レーザ光の前記光フィルタへの入射角、ｃ₀は真空中の光速、ｆは前記レーザ光の光周波数を示す、波長モニタである。

本発明の波長モニタによれば、複数のレーザ光を同時に光フィルタに入射する波長モニタにおいて、後述する式（１）の左辺の値が予め設定された範囲内になるという条件を満たして、各レーザ光が光フィルタに入射されるように、コリメートレンズおよび光フィルタを配置するようにしたので、光フィルタの透過特性の変動を抑制して、光フィルタの実装精度を緩和し、且つ、反射戻り光の影響の抑制を図ることができる。

本発明の実施の形態１に係る波長モニタおよびそれを用いた光モジュールの構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態１に係る波長モニタにおけるエタロン角度と式（１）との関係を示した図である。 図２の部分拡大図である。 本発明の実施の形態１に係る波長モニタにおけるエタロン透過特性を示す説明図である。 図４と比較するための従来の波長モニタにおけるエタロン透過特性を示す説明図である。 本発明の実施の形態２に係る波長モニタにおけるエタロン角度と式（６）との関係を示した図である。 図６の拡大図である。 本発明の実施の形態２と比較するための比較例におけるエタロン角度と式（１）との関係を示した図である。 図８の部分拡大図である。 本発明の実施の形態２に係る波長モニタにおけるエタロン角度と式（１）との関係を示した図である。 本発明の実施の形態２に係る波長モニタにおいて、２つの光線の特性を合算したエタロン透過特性を示した図である。 図１１の部分拡大図である。 本発明の実施の形態３に係る波長モニタの構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態４に係る波長モニタの構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態５に係る波長モニタの構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態６に係る波長モニタの構成を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る波長モニタおよびそれを用いた光モジュールの構成を示した構成図である。

図１に示すように、実施の形態１に係る波長モニタは、波長可変レーザ１と、コリメートレンズ２０，２１と、光フィルタ４と、光検出器５とで構成されている。

また、実施の形態１に係る光モジュールは、上述した波長モニタとビームスプリッタ３とから構成されている。ビームスプリッタ３は、入力される光線を分岐し、分岐された一部の光線を波長モニタに導入し、他の光線を光モジュールの出力とする。すなわち、実施の形態１に係る光モジュールは、波長可変レーザ１からの出射光をモニタする波長モニタの機能を有した光源である。実施の形態１に係る光モジュールは、波長可変レーザ１からの出射光の一部をとって、波長モニタによりモニタするため、光信号の波長が長期にわたって安定しているか否かを確認することができる。

以下に、波長モニタおよび光モジュールを構成している各構成要素について説明する。

波長可変レーザ１は、同一波長の光を出射する２つの出射ポート１０，１１を有している。波長可変レーザ１は、出射光の波長を任意に変化させることができる。そのため、波長可変レーザ１は、ユーザから設定された所望の波長の光を出射する。なお、ここでは、波長可変レーザ１の出射ポートの個数を２個としているが、この場合に限らず、３以上の出射ポートを設けるようにしてもよい。

コリメートレンズ２０，２１には、波長可変レーザ１の出射ポート１０，１１から出射した拡散光がそれぞれ入射される。コリメートレンズ２０，２１は、当該拡散光をコリメートして出力する。なお、「コリメートする」とは、拡散光を平行光に変換することである。これらの平行光を、以下では、コリメート光と呼ぶ。なお、実施の形態１においては、コリメートレンズの個数を、波長可変レーザ１の出射ポートの個数と同数としている。

ビームスプリッタ３には、コリメートレンズ２０，２１から出射されたコリメート光が入射される。ビームスプリッタ３は、当該コリメート光の一部を光フィルタ４へ分岐する。

光フィルタ４は、例えばエタロンなどの、透過率が波長依存性を有する材質から構成されている。従って、光フィルタ４は、入射されるレーザ光の周波数に対して、周期的な透過率を有する。光フィルタ４は、ビームスプリッタ３から、複数のレーザ光が入射されるように配置されている。以下では、光フィルタ４を、エタロン４と呼ぶこととする。

光検出器５は、エタロン４を透過した光を受光して当該光の光強度を検出する。

なお、図１には、一例として、２つの出射ポート１０，１１から出射した光線の経路６０，６１、および、ビームスプリッタ３によって分岐した光線６２，６３を概念的に示している。

実施の形態１では、コリメートレンズ２０，２１を透過してビームスプリッタ３で分岐された光線６２，６３が、以下の式（１）を満足して、エタロン４に入射されるように、コリメートレンズ２０，２１とエタロン４とを配置している。

ここで、ｍは、エタロン４に入射するレーザ光の番号である。実施の形態１では、ｍは０と１の２種類である。また、ｎはエタロン４の屈折率、ｄはエタロン４の長さ、Ｒはエタロン４の両端に形成される反射膜のパワー反射率、Ｅ_mはｍ番目のレーザ光の電界強度比、θ_mはｍ番目のレーザ光のエタロン４への入射角、ｃ₀は真空中の光速、および、ｆは波長可変レーザ１から出射されるレーザ光の光周波数である。なお、ここで、「エタロン４の長さｄ」とは、レーザ光の進行方向に沿ったエタロン４の長さであり、「エタロン４の両端に形成される反射膜のパワー反射率Ｒ」とは、レーザ光が入射するエタロン４の入射端に形成される反射膜、および、レーザ光が出射するエタロン４の出射端に形成される反射膜のパワー反射率のことである。

なお、式（１）を満足するということは、すなわち、式（１）の左辺の値が、０に一致することである。式（１）を満足させるように、コリメートレンズ２０，２１とエタロン４とを配置することにより、必然的に、反射戻り光の影響を抑制することができる。

次に、本発明の実施の形態１に係る波長モニタの動作について説明する。

図１に示すように、波長可変レーザ１の出射ポート１０，１１から出射した光は、コリメートレンズ２０，２１によってコリメートされる。コリメートレンズ２０，２１から出射したコリメート光は、ビームスプリッタ３で分岐され、コリメート光の一部である光線６２，６３がエタロン４に入射される。光線６２，６３は、エタロン４を透過した後、光検出器５に入射される。光検出器５は、光線６２，６３の光強度を検出する。

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、エタロン４が出射した光線６２，６３の周波数に依存する。従って、光検出器５にて検出される光強度と光の周波数との関係が予め分かっていれば、光検出器５にて検出される光強度を観測することで、波長可変レーザ１から出射された光の波長（＝光速／光の周波数）をモニタすることが可能になる。

そのため、実施の形態１においては、上述したように、コリメートレンズ２０，２１を透過してビームスプリッタ３で分岐された光線６２、６３が、式（１）を満足させてエタロン４に入射するように、コリメートレンズ２０，２１とエタロン４とを配置している。そうすることで、光検出器５で観測される波長モニタ特性に対する、エタロン４の実装角度ばらつきの影響を抑制することが可能となる。

実施の形態１の効果について計算例を示す。図２は、下記の＜実施例１＞に示すように、各パラメータの値を設定したときのエタロン角度と式（１）の左辺の値との関係について計算した結果である。図２において、横軸はエタロン角度（degree）であり、縦軸は式（１）の左辺の値（ＧＨｚ／°）である。図２では、１９０６８１ＧＨｚ〜１９０７０１ＧＨｚの範囲の９種類の光周波数で、式（１）の左辺の値を計算している。なお、９種類は、単なる例であり、特に光周波数の個数は限定されない。ここで、「エタロン角度」とは、エタロン４の実装角度のことであり、ｍ＝０，１のレーザ光のエタロン４への入射角が正負対称となる時のエタロン４の実装角度を０°としている。

＜実施例１＞
ｍ＝０，１、ｎ≒１．５、ｄ≒２ｍｍ、Ｒ＝０．１８、Ｅ₀ ²＝０．３１、Ｅ₁ ²＝０．６９、θ_m＝（−１）^m×１．４３°＋θ_etalon、
ここで、θ_etalonは、エタロン４のエタロン角度である。

なお、上記の説明においては、式（１）の左辺の値を０に一致させるとしたが、完全に０に一致させることは事実上難しい。そのため、実施の形態１では、エタロン４の実装精度を緩和させた条件として、０の前後に幅を持たせ、−５ＧＨｚ／°〜５ＧＨｚ／°を許容範囲とした。従って、実施の形態１では、エタロン４の実装精度を緩和させた条件として、式（１）の左辺の値が、−５ＧＨｚ／°〜５ＧＨｚ／°の範囲に入るという条件を設定した。以下では、この条件を、式（１）の条件と呼ぶ。

図２のグラフに示した９種類の結果のうち、光周波数１９０６９１．６ＧＨｚの計算結果において、エタロン角度θ_etalonが０．６°〜０．９３°の範囲の領域１においては、式（１）の左辺の値が−５ＧＨｚ／°〜５ＧＨｚ／°の範囲に入っており、式（１）の条件を満足している。

図３に、図２の領域１の拡大図を示す。図３において、横軸はエタロン角度（degree）であり、縦軸は式（１）の左辺の値（ＧＨｚ／°）である。図３における濃色で塗りつぶした領域が、図２の領域１に対応している。図３に示すように、光周波数１９０６９１．６ＧＨｚの計算結果において、エタロン角度が０．６°〜０．９３°の範囲で、式（１）の左辺の値が、−５ＧＨｚ／°〜５ＧＨｚ／°の範囲に入っている。

また、領域１の条件における、２つの光線の特性を合算したエタロン透過特性を図４に示す。また、参考のために、従来の１光線だけを用いたときのエタロン透過特性を図５に示す。

図４において、円１で示した部分が、式（１）を満足する部分である。図４を図５の従来例と比較すると、図４においては、エタロン角度の変化に対してエタロン透過パワーの変動が小さく抑えられていることがわかる。

なお、実施の形態１においては、式（１）の左辺の値が、−５ＧＨｚ／°〜５ＧＨｚ／°の範囲になるという条件を設定したが、その導出根拠を以下に記す。エタロン透過率をＩ（ｆ，θ）とすると、以下の式（４）が成り立つ。

ここで、Δθ_etalonは、補償したいエタロン４の実装ずれ許容角度幅を示し、Δｆ_monitorは波長モニタの目標精度を示す。ここで、波長モニタの目標精度とは、波長モニタにおける必要な波長モニタ精度、すなわち、ユーザから要求される要求読み取り精度である。また、エタロン４の実装ずれ許容角度幅とは、波長可変レーザ１から出射される複数のレーザ光のエタロン４への入射角度の変化許容幅である。式（４）を変形すると、以下の式（５）となり、式（１）は、式（５）の左辺に相当する。従って、式（１）の左辺の値は、波長モニタの目標精度Δｆ_monitorを、レーザ光のエタロン４への入射角度の変化許容幅Δθ_etalonで除算した値以下になる。

実施の形態１では、波長モニタの目標精度を±０．０５ＧＨｚ、抑えたいエタロン４の実装ずれを０．０１°と仮定したため、実施の形態１においては、それらの条件を満たすために、式（１）の左辺の値の許容範囲を−５ＧＨｚ／°〜５ＧＨｚ／°の範囲に設定している。

以下では、その他の効果について説明する。まず、本実施の形態１において、エタロン４に対するｍ番目の入射光のエタロン入射角θ_mを計算すると、以下のようになる。

はじめに、０番目の入射光について計算する。いま、エタロン角度θ_etalonが０．６°〜０．９３°であるので、θ_etalon＝０．６°とθ_etalon＝０．９３°とをそれぞれθ_m＝（−１）^m×１．４３°＋θ_etalonに代入すると、
θ₀＝（−１）⁰×１．４３＋０．６ ＝２．０３
θ₀＝（−１）⁰×１．４３＋０．９３＝２．３６
となる。

同様に、１番目の入射光について計算する。θ_etalon＝０．６°とθ_etalon＝０．９３°とをそれぞれθ_m＝（−１）^m×１．４３°＋θ_etalonに代入すると、
θ₁＝（−１）¹×１．４３＋０．６ ＝−０．８３
θ₁＝（−１）¹×１．４３＋０．９３＝−０．５
となる。

このように、図３では、０番目の光線が２．０３°〜２．３６°、１番目の光線が−０．５°〜−０．８３°であり、いずれも絶対値が０．５°を超えている。このことは、上記の式（２）に示される通りである。そのため、各光線の入射光と当該入射光がエタロン４の表面で反射した反射光とのなす角は１．０°以上となり、反射戻り光を５０ｄＢ以下と十分に抑えることができる。また、０番目の光線の入射光と１番目の光線の反射光とのなす角、および、１番目の光線の入射光と０番目の光線の反射光とのなす角は、いずれも、１．２０°以上である。従って、反対側の出射ポートへの反射戻り光も十分に抑えることができる。また、各光線のエタロン入射角θ_mの絶対値どうしの差を求め、当該差の絶対値をとると、その値は、０．５°を超えている。実施の形態１では、光線の個数が２本であるが、光線の個数が３以上の場合にも、２つの光線のいずれの組み合わせにおいても、各光線のエタロン入射角θ_mの絶対値どうしの差の絶対値は、０．５°を超えている。このことは、上記式（３）に示される通りである。これらにより、反射戻り光による半導体レーザの発振モードの不安定化を抑制することが可能になる。

なお、波長可変レーザ１、コリメートレンズ２０，２１、ビームスプリッタ３、エタロン４、および、光検出器５における、数値、形状、素材、および、位置関係は、実施の形態１で説明した値に限る必要はないことに注意されたい。例えば、エタロン４の材質として、水晶製エタロンまたは石英製エタロンなどのガラス材を想定し、屈折率をｎ＝１．５としたが、それに限定する必要はない。エタロン４として使用する光フィルタは、周期的な透過率の周波数依存性をもつフィルタであれば良い。従って、例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの半導体基板、ＬｉＮｂＯ３などの強誘電体材料、あるいは、ポリマーやガラス基板上に形成された共振器などから構成された光フィルタを、エタロン４の代わりに用いても良い。

また、実施の形態１においては、波長可変レーザが出射する光線の個数を２つとしたが、式（１）〜（３）の条件を満足する限り、光線の個数は３つでも４つでも、あるいは、それ以上でも同様の効果が得られる。従って、光線の個数は任意の個数としてよい。

また、エタロン長さｄ、パワー反射率Ｒ、入射光の電界強度Ｅ_m、光線入射角θ_mの定義、および、式（１）に対する許容範囲なども、必要に合わせて適宜設定することができる。

また、実施の形態１では、波長可変レーザ１の出射ポート１０，１１からの２つの出射光をビームスプリッタ３で分岐した光をエタロン４に入射したが、それに限定されない。例えば、波長可変レーザ１の出射ポート１０，１１を「第１の出射ポート」とすると、当該第１の出射ポートに加えて、別途、第２の出射ポートを波長可変レーザ１に設け、当該第２の出射ポートからの出射光を光モジュール出力に導入してもよい。なお、第２の出射ポートから出射されるレーザ光の波長は、第１の出射ポートから出射されるレーザ光の波長と同一とする。第２の出射ポートを設けた場合には、出射ポート１０，１１から出射された出射光をビームスプリッタ３で分岐する必要はない。すなわち、出射ポート１０，１１からの出射光を、コリメートレンズ２０，２１から、直接、エタロン４に入射する。なお、第２の出射ポートの個数は任意の個数としてよい。

以上のように、実施の形態１に係る波長モニタおよび光モジュールにおいては、２つのレーザ光を同時に光フィルタに入射することで、エタロン４の角度実装ばらつきによるエタロン４の透過特性の変動を抑制して、エタロン４の実装精度を緩和している。また、実施の形態１においては、式（１）の左辺の値が−５ＧＨｚ／°〜５ＧＨｚ／°の範囲に入るという条件を満たすように、コリメートレンズ２０，２１とエタロン４とを配置することで、反射戻り光の影響の抑制を図っている。そのため、反射戻り光の影響を抑制するためのアイソレータ等の余分な部品を設ける必要がないため、デバイス全体の大型化及び高コスト化を防ぐことができる。

実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１の変形例であり、上記の式（１）〜（３）に加え、下記の式（６）も条件に加えることを特徴とする。すなわち、実施の形態２においては、式（１）の左辺の値が−５ＧＨｚ／°〜５ＧＨｚ／°の範囲になり、式（６）の左辺が０．０２以上となることが条件である。

ここで、各変数の定義は、実施の形態１と同じである。本実施の形態の効果を説明するため、式（６）を満足する時の計算結果と、満足しない時の計算結果を比較する。図６および図７に、実施の形態１で示した上記＜実施例１＞に示すように各パラメータを設定した場合における、式（６）の左辺の値の角度依存性を示す。図６および図７において、縦軸は、式（６）の左辺の値（ＧＨｚ^-1）であり、横軸はエタロン角度（degree）である。また、図７は、図６の拡大図である。図６においては、横軸のエタロン角度が、−１〜１の範囲を示しているのに対し、図７は横軸のエタロン角度が、０．５〜１の範囲を示していることに留意されたい。なお、図６および図７の縦軸は、共に、−０．０４〜０．０４の範囲である。

図６及び図７に示すグラフのうち、濃色で塗りつぶした領域１，２が、式（６）を満たす領域である。図６及び図７に示されるように、実施の形態１で示した光周波数１９０６９１．６ＧＨｚにおけるエタロン角度０．６°〜０．９３°の範囲では、いずれも式（６）の条件を満たすことがわかる。すなわち、実施の形態１で示した上記＜実施例１＞に示すように各パラメータを設定した場合には、光周波数１９０６９１．６ＧＨｚにおけるエタロン角度０．６°〜０．９３°の範囲で、式（１）〜（３）及び式（６）の条件を満たす。

一方、比較のために、実施の形態１における式（１）〜（３）を満足するが、式（６）を満足しない例を、図８に示す。図８は、下記の＜実施例２＞としたときのエタロン角度と式（１）の左辺の値との関係について計算した結果である。図８において、横軸はエタロン角度（degree）であり、縦軸は式（１）の左辺の値（ＧＨｚ／°）である。図８では、１９０６５０ＧＨｚ〜１９０６７０ＧＨｚの範囲の複数の光周波数で、式（１）の左辺の値を計算している。

＜実施例２＞
ｍ＝０，１、ｎ≒１．５、ｄ≒２ｍｍ、Ｒ＝０．０２、Ｅ₀ ²＝０．２７、Ｅ₁ ²＝０．７３、θ_m＝（−１）^m×１．４３°＋θ_etalon、
ここで、θ_etalonは、エタロン４のエタロン角度である。

図９に、図８の領域１の拡大図を示す。図９において、横軸はエタロン角度（degree）であり、縦軸は式（１）の左辺の値（ＧＨｚ／°）である。図９において濃色で塗りつぶした領域が、図８の領域１に対応している。

図８及び図９のグラフ中に示した、光周波数１９０６５７．５ＧＨｚにおけるエタロン角度０．３０°〜０．３５°の領域２および同光周波数におけるエタロン角度０．３６°〜０．８０°の領域１が、式（１）の値が−５ＧＨｚ／°〜５ＧＨｚ／°の範囲になるという条件を満足する。当該条件は、エタロン４の実装精度を緩和するための条件である。一方、このときの式（６）左辺の角度依存性を図１０に示す。図１０において、横軸はエタロン角度（degree）であり、縦軸は式（６）の左辺の値（ＧＨｚ^-1）である。

図１０のグラフのうち、濃色で塗りつぶした領域１，２が式（６）を満足する領域である。本実施の形態で示した光周波数１６０６５７．５ＧＨｚにおけるエタロン角度０．３０°〜０．３５°、０．３６°〜０．８０°において、式（６）の条件を満足する角度は存在しない。＜実施例２＞における２つの光線の特性を合算したエタロン透過特性を図１１，１２に示す。図１２は、図１１を拡大したものである。

図１２において、円１で示した部分が式（１）を満足する部分である。図１２を図５の従来例と比較すると、図１２においては、エタロン角度変化に対して、エタロン透過パワーの変動が小さく抑えられていることがわかる。しかしながら、エタロン透過パワーの光周波数依存性に着目すると、円１の光周波数において、その傾きが大きく変化している。波長を検出するには、光周波数の変動をエタロン透過パワーの変動に変換する必要があるため、エタロン透過パワースペクトルの傾きが小さいと、十分な波長検出精度が得られない。図１２において十分な波長検出精度が得られるエタロン角度条件はなく、これは、実施の形態２で示した式（６）の条件に一致する。

以上のように、本実施の形態２においても、上記の実施の形態１と同様の効果が得られる。さらに、実施の形態２においては、式（１）〜（３）に加え、式（６）も満たすように、コリメートレンズ２０，２１とエタロン４とを配置するようにしたので、エタロン角度に対してエタロン透過パワーの変動が小さく抑えられる光周波数におけるエタロン透過パワースペクトルの傾きを、十分な波長検出精度が得られる程度に大きくすることができる。

実施の形態３．
図１３に、本発明の実施の形態３に係る波長モニタおよびそれを用いた光モジュールの構成を示す。実施の形態３は、実施の形態１，２の変形例である。実施の形態１，２においては、２つのコリメートレンズ２０，２１が設けられていたが、実施の形態３においては、図１３に示すように、１つのコリメートレンズ２が設けられている。他の構成については、基本的に実施の形態１、２と同じであるため、ここでは、その説明を省略する。

コリメートレンズ２は、波長可変レーザ１の２つの出射ポート１０，１１から出射した各拡散光をそれぞれ平行光に変換する。コリメートレンズ２の直径は、出射ポート１０と出射ポート１１との間の距離に比べて十分に大きい。そのため、１つのコリメートレンズで、同時に、複数の拡散光を平行光に変換することができる。

実施の形態３においては、このように、コリメートレンズの大きさを適宜選択することで、コリメートレンズを１つにすることができる。また、実施の形態１，２では、２つのコリメートレンズ２０，２１の物理的な干渉が律速となり、出射ポート１０，１１間の距離を十分に小さくできなかったが、実施の形態３では、上記の律速要因が無くなり、出射ポート１０，１１間の距離を小さくすることができる。その結果、波長可変レーザ１を小型化、および、低コスト化することができる。それにより、波長モニタ、および、光モジュールについても、小型化、および、低コスト化することができる。

以上のように、実施の形態３においても、実施の形態１，２と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態３においては、コリメートレンズの個数を１つにしたため、コリメートレンズ間の物理的な干渉が無い。その結果、出射ポート１０，１１間の距離を小さくすることができ、波長モニタおおび光モジュールの小型化および低コスト化を図ることができる。

なお、実施の形態３は、実施の形態１および実施の形態２のいずれの構成にも適用可能である。

実施の形態４．
図１４に、本発明の実施の形態４に係る波長モニタおよびそれを用いた光モジュールの構成を示す。実施の形態４は、実施の形態１，２，３の変形例である。実施の形態４においては、図１４に示すように、エタロン４が温度調整素子７上に配置されている。この点が、実施の形態１，２，３との相違点である。他の構成については、基本的に、実施の形態１，２，３と同じであるため、ここでは、その説明を省略する。

温度調整素子７は、例えばＴＥＣ（Thermo-electric Cooler）などのペルチェ素子に代表される、温度調整のための素子である。温度調整素子７は、エタロン４からの発熱を吸収して空気中に発散することができるため、エタロン４の温度を任意の値に保つことができる。エタロン４は、温度変化により、屈折率の熱光学効果が変動するとともに、線膨張係数による膨張・収縮により透過特性が変動することが知られている。実施の形態４では、エタロン４に対して温度調整素子７を設けるようにしたので、エタロン４の温度を一定値に保つことができるので、エタロン４の熱光学効果および透過特性が変動することを防止することができる。

実施の形態１，２では、エタロン角度によるエタロン透過パワーの変動を抑えることができる光周波数は、任意には決まらない。しかしながら、実際に、光通信で使用される光周波数は、５０ＧＨｚの整数倍（規格によっては、１００ＧＨｚであったり、３２．５ＧＨｚであったり、６．２５ＧＨｚであったりする）である。このように、実使用上は、上記の光周波数に、エタロン角度によるエタロン透過パワーの変動を抑えることができる光周波数を合わせ込む必要がある。実施の形態３では、温度調整素子７によりエタロン温度を調整することで、エタロン透過パワーの特性を光周波数方向にシフトできるため、光周波数を最適に調整することができる。

以上のように、実施の形態４においても、実施の形態１〜３と同様の効果を得ることができる。さらに、実施の形態４においては、温度調整素子７によりエタロン４の温度を調整するようにしたので、エタロン透過パワーの特性を光周波数方向にシフトでき、光周波数を最適に調整することができる。

なお、図１４においては、実施の形態４の温度調整素子７を、実施の形態３の構成に適用する例を示しているが、その場合に限らず、実施の形態４は、実施の形態１，２のいずれの構成にも適用可能である。

実施の形態５．
図１５に、本発明の実施の形態５に係る波長モニタおよびそれを用いた光モジュールの構成を示す。実施の形態５は、実施の形態１〜４の変形例である。実施の形態５においては、実施の形態１〜４で示した波長可変レーザ１の代わりに、半導体レーザアレイ型の波長可変レーザ１Ａが設けられている。この点が、実施の形態１〜４との相違点である。他の構成については、基本的に、実施の形態１〜４と同じであるため、ここでは、その説明を省略する。

波長可変レーザ１Ａは、図１５に示すように、半導体基板１００と、複数の半導体レーザ１０１〜１１２と、光導波路１２０１〜１２１２と、光合分波器１３と、光増幅器１４１，１４２と、出射ポート１０，１１とから構成されている。

複数の半導体レーザ１０１〜１１２は、半導体基板１００上に形成されている。半導体レーザ１０１〜１１２は、図１５に示すように、１つの配列方向に向かって、並列に、順に配置されている。当該配列方向は、半導体レーザ１０１〜１１２の出射方向に対して垂直な方向である。また、これらの半導体レーザ１０１〜１１２は、一定間隔で配置されている。従って、隣接する２つの半導体レーザ間には、一定の距離の空隙が設けられている。一方、光検出器５は、矩形形状を有している。具体的には、光検出器５は、長方形である。光検出器５は、光検出器５の長手方向が、半導体レーザ１０１〜１１２の配列方向に対応するように配置されている。半導体レーザ１０１〜１１２は、同一波長の光を出射する。なお、図１５の例では、半導体レーザ１０１〜１１２の個数は１２個であるが、任意の個数としてよい。また、半導体レーザ１０１〜１１２から出射されるレーザ光の波長は、可変である。

光導波路１２０１〜１２１２は、半導体レーザ１０１〜１１２に光学的に接続されている。光導波路１２０１〜１２１２は、半導体レーザ１０１〜１１２から出射された光を伝搬する。なお、図１５の例では、光導波路１２０１〜１２１２の個数は１２個であるが、任意の個数としてよい。

光合分波器１３は、光導波路１２０１〜１２１２に光学的に接続されている。光合分波器１３は、光導波路１２０１〜１２１２で伝播された１２個の光を、出射ポート１０，１１の個数に合わせて、合分波する。ここでは、出射ポート１０，１１が２個であるため、光合分波器１３は、光導波路１２０１〜１２１２で伝播された１２個の光を２つの光に合分波する。光合分波器１３は、例えば、１２×２ＭＭＩ（Multi Mode Interferometer）などから構成される。

光増幅器１４１，１４２は、光合分波器１３と出射ポート１０，１１との間に光学的に接続されている。光増幅器１４１，１４２は、光合分波器１３から出射された２つの光の強度を増幅して、出射ポート１０，１１に入射する。光増幅器１４１，１４２は、例えば、ＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier）などから構成される。

出射ポート１０，１１は、光増幅器１４１，１４２から入射された光をコリメートレンズ２に向けて出射する。このように、実施の形態５においても、出射ポート１０，１１は、実施の形態１〜４と同様に、同一波長の２つの光を出射する。

次に、波長可変レーザ１Ａの動作について説明する。まず、複数の半導体レーザ１０１〜１１２が、同一波長の光をそれぞれ出射する。次に、光導波路１２０１〜１２１２が、半導体レーザ１０１〜１１２から出射された光を、光合分波器１３まで伝搬する。光合分波器１３は、光導波路１２０１〜１２１２で伝播された１２個の光を、２つの光に合分波して、光増幅器１４１，１４２に入射する。光増幅器１４１，１４２は、光合分波器１３から出射された２つの光の強度を増幅して、出射ポート１０，１１に入射する。出射ポート１０，１１は、当該光を、コリメートレンズ２に向けて出射する。

次に、実施の形態５の効果について説明する。実施の形態５においては、波長可変レーザとして、上述したような半導体レーザアレイ型のレーザを用いている。そのため、出射ポートが１つの通常の波長可変レーザとほぼ同じ消費電力で、同等の出射パワーを得ることが可能となる。これは、光合分波器１３の動作原理によるものである。通常の１出射ポートの波長可変レーザで適用される１２×１ＭＭＩも、実施の形態５の２出射ポート波長可変レーザで適用される１２×２ＭＭＩも、構造は、１２×１２ＭＭＩと同様であることに起因する。１２×１２ＭＭＩでは、出射光は、入射光の１／１２のパワーになって分割される。１２×１ＭＭＩでは、そのうちの１つを出射導波路に結合させ、１２×２ＭＭＩでは、そのうちの２つを出射導波路に結合させる。したがって、本構造を用いれば、出射ポートが増えた場合でも、出射ポートが１つの場合と同様の出射パワーを得ることができる。ただし、光増幅器は出射ポートごとに必要なため、出射ポートが増えると、光増幅器の分だけ消費電力は増加する。

以上のように、実施の形態５においても、実施の形態１〜４と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態５においては、波長可変レーザとして、半導体レーザアレイ型のレーザを用いるようにしたので、出射ポートが１つの通常の波長可変レーザとほぼ同じ消費電力で、同等の出射パワーを得ることが可能である。

なお、実施の形態５では、半導体基板１００上に、半導体レーザを１２個配置したが、半導体レーザの個数は、４個または８個など、１２個以下でも良いし、あるいは、１２個以上であってもよい。

また、図１５においては、実施の形態５の波長可変レーザ１Ａを、実施の形態４の構成に適用する例を示しているが、その場合に限らず、実施の形態５の波長可変レーザ１Ａは、実施の形態１〜３のいずれの構成にも適用可能である。

また、図１５においては、光検出器５を１個設けた例を示しているが、その場合に限らず、光検出器５を、少なくとも２つ以上の光検出器から構成するようにしてもよい。その場合には、それらの光検出器を、半導体レーザ１０１〜１１２の配列方向に対応させて、１列に配置する。あるいは、それらの光検出器を、半導体レーザ１０１〜１１２の配列方向に対応させて、アレイ状に配置するようにしてもよい。

実施の形態６．
図１６に、本発明の実施の形態６に係る波長モニタおよびそれを用いた光モジュールの構成を示す。実施の形態６は、実施の形態１〜５の変形例である。

図１６に示すように、実施の形態６に係る波長モニタは、波長可変レーザ１Ａと、コリメートレンズ２と、光フィルタ４と、光検出器５と、温度調整素子７Ａとで構成されている。

また、図１６に示すように、実施の形態６に係る光モジュールは、上述した波長モニタと、ビームスプリッタ３と、集光レンズ８と、光ファイバ部９とから構成されている。

波長可変レーザ１Ａの構成については、実施の形態５で説明したため、ここでは、その説明は省略する。また、コリメートレンズ２については、実施の形態３で説明したため、ここでは、その説明を省略する。また、ビームスプリッタ３と、光フィルタ４と、光検出器５とについては、実施の形態１で説明したため、ここでは、その説明を省略する。

温度調整素子７Ａは、例えばＴＥＣ（Thermo-electric Cooler）などのペルチェ素子から構成される。温度調整素子７Ａは、エタロン４および光検出器５に対して設けている。実施の形態６では、エタロン４および光検出器５に対して温度調整素子７Ａを設けるようにしたので、エタロン４および光検出器５の温度を一定値に保つことができる。

集光レンズ８は、ビームスプリッタ３の後段に設けられている。集光レンズ８には、ビームスプリッタ３で分岐された一部の光が入射される。この入射光は、コリメートレンズ２から出射された平行光である。集光レンズ８は、入射された平行光を集光する。

光ファイバ部９は、少なくとも２以上のコア部と、当該コア部に接続された光ファイバとから構成されている。光ファイバ部９のコア部は、半導体基板１００の２つの出射ポート１０，１１と光学的に結合されている。光ファイバ部９には、コリメートレンズ２、ビームスプリッタ３、及び、集光レンズ８を介して、出射ポート１０，１１からのレーザ光が入射される。光ファイバ部９は、入射されたレーザ光を、途中で、２以上の光ファイバに分岐する。

実施の形態６では、上述のように構成されているので、例えば、信号光源と局発光源のように、従来であれば２つ光モジュールが必要であったものが、１つの光モジュールで役割を果たせるようになり、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。

以上のように、実施の形態６においても、実施の形態５と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態６においては、ビームスプリッタ３の後段に、集光レンズ８と光ファイバ部９とを備えたので、従来であれば２つ光モジュールが必要であったものが、１つの光モジュールで役割を果たせるようになり、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。

なお、ここでは、実施の形態６を実施の形態５の構成に適用させた例を挙げて説明したが、その場合に限らず、実施の形態６は、実施の形態１〜４のいずれの構成にも適用可能である。

Claims (16)

1. 同一波長のレーザ光を出射する複数の出射ポートを有する波長可変レーザと、
   前記波長可変レーザの前記複数の出射ポートから出射される前記レーザ光をコリメートして出射するコリメートレンズと、
   入射される光の周波数に対して周期的な透過率を有し、前記コリメートレンズから出射されたレーザ光が入射される光フィルタと、
   前記光フィルタを透過した前記レーザ光を受光して、前記レーザ光の光強度を検出する光検出器と
   を備え、
   下記の第１の式の値が予め設定された範囲内になるという条件を満たすように、前記コリメートレンズと前記光フィルタとがそれぞれ配置され、
   

   

   ここで、ｍは、前記光フィルタに入射される前記レーザ光の番号、ｎは前記光フィルタの屈折率、ｄは前記光フィルタの長さ、Ｒは前記光フィルタの両端に形成される反射膜のパワー反射率、Ｅ_mはｍ番目の前記レーザ光の電界強度比、θ_mはｍ番目の前記レーザ光の前記光フィルタへの入射角、ｃ₀は真空中の光速、ｆは前記レーザ光の光周波数を示す、
   波長モニタ。
2. 前記波長可変レーザの前記複数の出射ポートから出射された各前記レーザ光の前記光フィルタへの入射角度の絶対値は、すべて、０．５°以上である、
   請求項１に記載の波長モニタ。
3. 前記波長可変レーザの前記複数の出射ポートから出射された各前記レーザ光の前記光フィルタへの入射角度の絶対値どうしの差の絶対値は、各前記レーザ光の全ての組み合わせで、０．５°以上である、
   請求項１または２に記載の波長モニタ。
4. 前記第１の式の値に対して設定された前記範囲は、
   前記波長モニタの目標精度を、前記レーザ光の前記光フィルタへの入射角度の変化許容幅で除算した値以下の範囲に設定される、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の波長モニタ。
5. 前記レーザ光は、前記光フィルタに、下記の第２の式で示される条件を満たすように入射される、
   

   

   請求項１に記載の波長モニタ。
6. 前記コリメートレンズは、複数個のコリメートレンズから構成されている、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の波長モニタ。
7. 前記コリメートレンズは、１個のコリメートレンズから構成され、
   前記コリメートレンズの直径は、前記波長可変レーザの前記出射ポート間の距離に対して大きい、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の波長モニタ。
8. 前記光フィルタに対して設けられ、前記光フィルタの温度を調整する温度調整素子を備えた、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載の波長モニタ。
9. 前記波長可変レーザは、
   半導体基板と、
   前記半導体基板に設けられ、同一の波長のレーザ光を出射する、複数の半導体レーザと、
   前記半導体基板に設けられ、前記半導体レーザから出射された前記レーザ光を前記出射ポートの個数に合わせて合分波する光合分波器と、
   前記光合分波器から出射された前記レーザ光を増幅して前記出射ポートに入射する光増幅器と
   を有している、
   請求項１から８までのいずれか１項に記載の波長モニタ。
10. 前記光検出器は矩形形状を有し、
    前記光検出器は、前記複数の半導体レーザの配列方向に前記光検出器の長手方向を対応させて配置されている、
    請求項９に記載の波長モニタ。
11. 前記光検出器は、少なくとも２つ以上の光検出器で構成され、それらの光検出器は、前記複数の半導体レーザの配列方向に対応させて配置されている、
    請求項９に記載の波長モニタ。
12. 前記光フィルタは、石英製エタロンから構成されている、
    請求項１から１１までのいずれか１項に記載の波長モニタ。
13. 前記光フィルタは、水晶製エタロンから構成されている、
    請求項１から１１までのいずれか１項に記載の波長モニタ。
14. 請求項１から１３までのいずれか１項に記載の波長モニタと、
    前記コリンメートレンズから出射される前記レーザ光を分岐するビームスプリッタと
    を備えた光モジュールであって、
    前記ビームスプリッタで分岐された前記レーザ光のうち、一方のレーザ光が前記波長モニタに導入され、他方のレーザ光が前記光モジュールからの出力として外部に出力される、
    光モジュール。
15. 前記ビームスプリッタで分岐された前記他方のレーザ光を集光する集光レンズと、
    少なくとも２つ以上の光ファイバから構成され、前記集光レンズで集光された前記レーザ光を前記光ファイバに分岐する光ファイバ部と
    を備えた、請求項１４に記載の光モジュール。
16. 前記波長可変レーザは、
    前記光検出器に導入される前記レーザ光を出力する前記出射ポートに加えて、同一波長のレーザ光を出射する第２の出射ポートをさらに備え、
    前記第２の出射ポートから出射された前記レーザ光が、前記光モジュールからの出力として外部に出力される、
    請求項１４または１５に記載の光モジュール。

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