JP6510895B2 - 波長可変レーザアレイ及び波長可変レーザアレイの波長制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、波長可変レーザアレイ及び波長可変レーザアレイの波長制御方法に関し、より詳細には、波長可変半導体レーザにおいて波長の変更を行う際、実際の発振波長と目標の発振波長のずれを校正する波長可変レーザアレイ及び波長可変レーザアレイの波長制御方法に関する。

波長可変レーザは波長多重伝送、光測定、光周波数掃引型ＯＣＴ、レーザ光分光、光感度計測等の幅広い分野に利用される有用な光源である。これまでに、要求される発振波長領域、出力強度、波長安定性、スペクトル線幅等に応じて種々多様な波長可変レーザが開発されてきた。波長可変レーザは、例えば、レーザの発振媒体の種類によって分類すると、ガスレーザ、液体（色素）レーザ、固体レーザ、半導体レーザ等の種類がある。

いずれの種類の波長可変レーザも、励起エネルギー供給源（光、電気等）、利得（発振）媒体、共振器から構成されている。その中でも、利得媒体として半導体を用いた波長可変レーザは消費電力が低く、小型で取り扱いが簡単であるため、様々な分野において広く用いられる。そのため、今まで多くの種類の波長可変半導体レーザが開発されてきた。波長可変半導体レーザの特性を決める性能指数としては、出力、波長可変幅、モード安定性、隣接モード抑制比（ＳＭＳＲ：Ｓｉｄｅ Ｍｏｄｅ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｒａｉｔｏ）、寿命、及び発振線幅等がある。すべての性能において特性が秀でているレーザが望ましいが、通常はすべてを同時に満たすことは難しいので、使い方に応じた性能を向上させるようレーザのチューニングを行っていく。例えば波長選択型スイッチに用いられるような波長可変半導体レーザとしては、波長可変幅が広く、高速に波長切替ができるものが要求される。

波長可変半導体レーザを、高密度波長多重送信（ＤＷＤＭ；Ｄｅｎｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）において用いようとすると、通常は単一の波長可変半導体レーザのレーザ素子だけでは必要な波長域をカバーしきれない。そのため、必要な波長域をカバーするための方法として、レーザの自由スペクトル領域（ＦＳＲ；Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ）の違う２つ以上の共振器を設け、バーニア効果を使って発振波長域を広げるという試みが行われている。代表的なものとしてはＳＳＧ−ＤＢＲ（ＳｕｐｅｒＳｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザが挙げられる。このレーザは利得媒体の前後にＦＳＲの異なる２種類の回折格子を配置し、そこに電流を印加させる事によって屈折率を変化させＦＳＲの値を変化させる事によって、広帯域を確保している。バーニア効果を用いたレーザは比較的小さな駆動電流で制御することができるのが特徴であるが、原理的にモード飛びが起こってしまうということと、２つのＦＳＲの異なる回折格子を同時に制御しなければいけないため制御が複雑になるという、２つの欠点がある。

必要な波長域をカバーするためのもうひとつの試みとしては、発振波長域の異なるレーザをアレイ状に並べることにより、発振波長領域を拡張したレーザがある。その１つがＤＦＢレーザアレイである。ＤＦＢレーザアレイの特徴は、発振波長域の異なるＤＦＢレーザをアレイ状に並べる事で広い波長域で発振することにある。

またＤＦＢレーザアレイを改良したのが分布活性型（ＴＤＡ：Ｔｕｎａｂｌｅ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）ＤＦＢレーザアレイである。ＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイの特徴は、モード飛びすることなく、４０ｎｍ以上の広い波長域で発振することにある。ＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイの構造は、λ／４位相シフタを挟んで両側に利得を得るための活性層と波長制御を行う制御層が交互に配置されている。モード飛びを回避するためにλ／４位相シフタの両側のユニット長を変えている（非特許文献１参照）。

ＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイの各ＬＤは７〜８ｎｍ程度の波長可変範囲を持ち、ＬＤ毎に７〜８ｎｍ程度波長領域をずらしているため、結果として４０ｎｍ以上の波長可変領域を得ることが出来る。従って７〜８ｎｍ程度の波長可変領域の範囲で使うのであれば、ＬＤアレイの中の単独のＬＤを用いて波長可変動作を実現する事が可能であるし、更に広い波長可変範囲で使用する場合には、ＬＤアレイの中の複数のＬＤを用いる事によって波長可変範囲を拡大することが出来る。

波長選択スイッチにＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイを用いて波長可変を実現するためには、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイの制御層へ注入する電流を変化させる。制御電流が数十ｍＡ程度の比較的大きな電流を必要とする場合、波長選択スイッチの切替時の波長変化自体はキャリア−プラズマ効果で起こるため、波長はスイッチの切替時から数ｎｓで変化する。しかし、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイの制御層に印加した電流が変化することにより、局所的な温度変化が発生してしまう。温度変化による波長変動のために切替時から波長が安定するまで数ｍｓ程度かかり高速応答性に問題が生じる。このような熱による波長変動を抑制するためにレーザアレイに隣接して熱補償用に電極を導入し、熱補償用の電極に対して波長制御電流と相補的な電流を印加することで、レーザチップ全体の温度変化を抑制し、結果として波長変動を抑制してきた（特許文献１）。

また、波長変動を抑制する他の方法として、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイ内の一つのレーザから、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイの他のレーザに切り替えてレーザ光を出力させる場合、すなわち利得電流の切り替えを行う場合、発振を行っているＴＤＡ−ＤＦＢレーザ以外のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御電極に対して、予め電流を印加しておくことで、発振するＴＤＡ−ＤＦＢレーザが切り替わった際のＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイのチップ温度の変動を抑え、レーザ切り替え時の発振波長変動を抑制している（非特許文献２参照）。

特許第４８５０７５７号公報

布谷伸浩、石井啓之、伊賀龍三 ＮＴＴ技術ジャーナル 高速波長可変分布活性ＤＦＢレーザの開発 （２０１２ Ｖｏｌ．２４ Ｎｏ．１０ ｐｐ．４８−５２） 下小園真、金井拓也、石井啓之 TDA-DFBレーザアレイを用いた多チャンネル切替の予備検討 （２０１５年 電子情報通信学会総合大会 Ｃ―４―２１）

しかしながら、発振を担っているＴＤＡ−ＤＦＢレーザ以外のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層に追加的に電流を加えると、結果としてＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイ全体のチップ温度を上昇させてしまう。ここで、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイ全体のチップ温度が変化してしまうと、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイの収束後の発振波長がずれてしまう。そのため、熱補償を行わずにレーザ発振を行った場合に出力される発振波長と同じ値の発振波長を得ることができない。すなわち、熱補償を行わずにレーザ発振を行った場合の発振波長を目標の発振波長とすると、実際の発振波長と目標となる発振波長との間にずれが生じてしまう。そうすると、波長選択型スイッチにおいて、変更後の発振波長が、スイッチを構成するバンドパスフィルタの中心波長から外れてしまうという問題が生じる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザの発振波長の変動を少なくし、かつ、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザの熱補償を行った場合でも、発振波長を目標となる発振波長とのずれを少なくできる波長可変レーザアレイ及び波長可変レーザアレイの波長制御方法である。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、複数の波長可変レーザの出力波長を変更して可変制御する波長可変レーザアレイであって、基板上に形成され、独立に電流を印加できる活性層及び制御層を有する電流制御型の複数の波長可変レーザであって、複数の波長可変レーザのうちの発振を行っている第１の波長可変レーザの動作中に、隣接する第２の波長可変レーザの制御層に電流を印加して、２つの波長可変レーザに印加する電流の合計値が、可変制御を行う前後で同一となるようにする第１の熱補償と、前記第１および前記第２の波長可変レーザ以外のすべての波長可変レーザの制御層に電流を印加して、前記複数の波長可変レーザに印加する電流の合計値が、可変制御を行う前後で同一となるようにする第２の熱補償とが行われる、波長可変レーザと、前記基板上に設けられたペルチェ素子であって、前記第１および前記第２の熱補償を行ったときの前記波長可変レーザアレイから出力されるレーザ光の実際の発振波長が、前記第２の熱補償を行わなかったときの目標の発振波長となるように、前記実際の発振波長と前記目標の発振波長との差分から求められた、前記基板の温度を調整するための温度の校正値に対応した電流が印加されている、ペルチェ素子とを備えることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、独立に電流を印加できる活性層及び制御層を有する電流制御型の複数の波長可変レーザと、ペルチェ素子とを備え、前記複数の波長可変レーザの出力波長を変更して可変制御する、波長可変レーザアレイの波長を制御する方法であって、前記複数の波長可変レーザのうち発振を行っている第１の波長可変レーザの動作中に、隣接する第２の波長可変レーザの制御層に電流を印加して、２つの波長可変レーザに印加する電流の合計値が、可変制御を行う前後で同一となるようにする第１の熱補償と、前記第１および前記第２の波長可変レーザ以外のすべての波長可変レーザの制御層に電流を印加して、前記複数の波長可変レーザに印加する電流の合計値が、可変制御を行う前後で同一となるようにする第２の熱補償とを行うことと、前記第１および前記第２の熱補償を行ったときの前記波長可変レーザアレイから出力されるレーザ光の実際の発振波長と、前記第２の熱補償を行わなかったときの目標の発振波長との差分を求め、前記実際の発振波長が前記目標の発振波長となるように、前記差分から前記波長可変レーザアレイのチップ温度を調整するためのチップ温度の校正値を算出することと、前記ペルチェ素子に、前記校正値に対応した値の電流を印加し、前記校正値の分だけ前記波長可変レーザアレイのチップ温度を調整することとを含むことを特徴とする。

本発明は波長可変レーザアレイを構成する波長可変レーザに対して、切替時間を短縮化するために印加した追加制御電流によって生じたチップの温度上昇に伴い生じた波長ずれ（長波長化）を補正する事が出来るため、レーザを正確な波長で動作させることができる。また、波長選択型光パケットスイッチや光バーストスイッチのような高速切替のアプリケーションにおいて中心波長からのずれを低減できるので、有効な波長可変光源として適用する事が出来る。

本発明の１実施形態に係るレーザアレイを示す平面図である。 波長を変更するために制御層に印加する電流の値を変化させたときの、発振周波数の時間的変化を示す図である。 図１のレーザアレイのチップ温度と発振波長との関係を示す図である。 図１のレーザアレイにおける、非特許文献２に記載の方法により熱補償を行った場合のレーザ活性層及びレーザ制御層の設定電流である。 図１のレーザアレイ中の任意の１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザにおける、波長変更を行う際の制御電流と安定後の発振波長との関係を示す図である。

［レーザアレイの構成］
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態にかかる波長選択スイッチのレーザアレイ１００を示す上面図である。レーザアレイ１００は、電流制御型の波長可変レーザであるＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイであり、半導体基板１１０と、半導体基板１１０上に設けられたレーザ活性層１１１ａ〜４１６ａ、１１１ｂ〜１１６ｂ、１１１ｃ〜１１６ｃと、半導体基板１１０上に設けられたレーザ制御層１２１ａ〜１２６ａ、１２１ｂ〜１２６ｂ、１２１ｃ〜１２６ｃとを備える。レーザ活性層１１１ａ〜１１１ｃとレーザ制御層１２１ａ〜１２１ｃとは、それぞれが基板上に設けられ、半導体基板１１０上において交互に配置されＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０１を形成する。レーザ活性層１１２ａ〜１１６ａ、１１２ｂ〜１１６ｂ、１１２ｃ〜１１６ｃとレーザ制御層１２２ａ〜１２６ａ、１２２ｂ〜１２６ｂ、１２２ｃ〜１２６ｃとについても、半導体基板１１０上において交互に配置されＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０２〜１０６を形成する。ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０１〜１０６は、それぞれ並列に配置されている。

また、レーザアレイ１００は、レーザ活性層１１１ａ〜１１６ａ、１１１ｂ〜１１６ｂ、１１１ｃ〜１１６ｃとそれぞれ接続された電極１３１〜１３６と、電極１３１〜１３６にそれぞれ接続された増幅器１８１〜１８６と、増幅器１８１〜１８６にそれぞれ接続されたＤＡコンバータ１７１〜１７６とを備える。また、レーザアレイ１００は、レーザ制御層１２１ａ〜１２６ａ、１２１ｂ〜１２６ｂ、１２１ｃ〜１２６ｃとそれぞれ接続された電極１４１〜１４６と、電極１４１〜１４６にそれぞれ接続された増幅器１９１〜１９６と、増幅器１９１〜１９６にそれぞれ接続されたＤＡコンバータ１５１〜１５６と、ＤＡコンバータ１７１〜１７６及びＤＡコンバータ１５１〜１５６に接続された制御装置１７０とを備える。レーザ活性層１１１ａ〜１１１ｃはＤＡコンバータ１７１から増幅器１８１及び電極１３１を介して制御装置１７０からの信号が変換された電流が印加されレーザ光を発振する。レーザ活性層１１２ａ〜１１６ｃもそれぞれＤＡコンバータ１７２〜１７６から増幅器１８２〜１８６及び電極１３２〜１３６を介して制御装置１７０からの信号が変換された電流が印加されレーザ光を発振する。

レーザ制御層１２１ａ〜１２１ｃはＤＡコンバータ１５１から増幅器１９１及び電極１４１を介して、制御装置１７０からの信号が変換された電流が印加され、屈折率を変化させることにより出力光の波長が制御される。レーザ制御層１２２ａ〜１２６ｃもそれぞれＤＡコンバータ１５２〜１５６から増幅器１９２〜１９６及び電極１４２〜１４６を介して、制御装置１７０からの信号が変換された電流が印加され、屈折率を変化させることにより出力光の波長が制御される。

また、レーザアレイ１００は、各ＴＤＡ−ＤＦＢレーザからの出力光を導波する導波路１６１〜１６６と、導波路１６１〜１６６を導波した出力光を合波する光結合器であるＭＭＩ（多モード干渉）カプラ１６７と、最終段で出力光の強度を調整するＳＯＡ（半導体増幅器）１６８と、ＳＯＡ１６８からの出力光を導波して出力する導波路１６９と、ＳＯＡ１６８に接続された電極１３７とを備える。各ＴＤＡ−ＤＦＢレーザの発振光は、後段に配置された導波路１６１〜１６６を介してＭＭＩカプラ１６７により１つに合波され、ＳＯＡ１６８を経た後に、出力光として導波路１６９から出力される。ＳＯＡ１６８は、電極１３７を介して、外部から電流が供給される。

また、レーザアレイ１００は、半導体基板１１０に設けられた温度検出装置１５７及びペルチェ素子１５８と、温度検出装置１５７に接続された電極１４７と、ペルチェ素子１５８に接続された電極１４８と、電極１４７及び１４８に接続された制御装置１５９とを備える。

［レーザアレイの熱補償］
次に、本実施例における波長選択スイッチのレーザアレイの発振光の波長制御の方法について説明する。波長選択スイッチのＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイにおいて波長を変更する場合、波長の範囲に応じて２種類の方法がある。第１の方法は、発振を行っている第１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの可変波長範囲内で波長を変化させる場合である。この場合は第１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層に印加する電流のみを変化させる。この方法では制御層に印加する電流の変化量と正の相関を持つ周波数変動が観測される。従って制御電流変化量が大きい、すなわち波長を大きく変動させる場合には、波長を変更してから波長が安定するまでの時間が遅くなってしまうが、これについては発振を行う第１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザに隣接する第２のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層に電流を印加することにより熱補償を用いれば、波長ドリフトを低減でき、結果として波長を変更してから波長が安定するまでの時間を短くすることが出来る。

第２の方法は、比較的波長の変化量が大きい場合、即ち発振を行っている第１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの可変波長範囲を超えた波長変化をさせる場合であるが、このような場合には第１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザから他の第３のＴＤＡ−ＤＦＢレーザに発振を切り替えることにより発振光の波長を切り替える。第１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザから第３のＴＤＡ−ＤＦＢレーザに発振を切り替える場合、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層に印加する電流だけでなく、活性層に印加する電流の変化も伴うため、第１の方法に比べて各ＴＤＡ−ＤＦＢレーザの電流変化量が大きい、すなわち波長ドリフトも大きい。従って、結果として波長を変更してから波長が安定するまでの時間も大きくなってしまう。この場合、非特許文献２において、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイのすべてのＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層に予め電流を印加して、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザにおいて発生する発熱量を波長変更前後において一定とすることにより、半導体基板における温度変化を抑制し、温度変化による屈折率変化を抑制する。

非特許文献２においては、波長選択スイッチのＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイにおいて波長を変更する際に、変更する波長の値が決定していない場合に、第１の方法による波長の変更を行う場合、及び第２の方法により波長の変更を行う場合の双方の場合における温度変化による屈折率変化に対応するために、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイの熱補償を行い、波長ドリフトを低減し、波長が安定するまでの時間を短縮する。

具体的には、波長の変更による熱補償を行うために、発振を行う第１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザ以外のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層すべてに対し、追加的に予め電流を印加して、半導体基板（チップ）内の熱分布を緩和する。

まず、波長選択スイッチのＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイにおいて第１の値の波長を出力するために、発振を行うＴＤＡ−ＤＦＢレーザである第１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの活性層及び制御層に所望の値の電流を印加する。次に、その後のＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイにおける波長変更において上記第１の方法により波長変更が行われる場合に対応するために、第１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザに隣接する第２のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層に、所望の電流を印加する。第２のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層に電流を印加することにより、第１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの可変波長範囲内で波長を変更する場合（上記第１の方法による波長変更）に、第１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの熱補償を行うことができるため、波長を変更してから波長が安定するまでの時間を短縮することができる。

さらに、第１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザ及び第２のＴＤＡ−ＤＦＢレーザ以外のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層にも、電流を印加する。その後のＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイにおける波長変更において上記第２の方法により波長変更が行われる場合に対応するためである。ここで、第１及び第２のＴＤＡ−ＤＦＢレーザ以外のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層には、すべて同一の電流値を設定する。各レーザに同一の電流値を設定することにより、発振を行うレーザ付近のみに偏ってしまうチップ内の熱を広範囲に分布して波長の変更に対する熱補償を行うことができ、第１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザ以外の他の任意のＴＤＡ−ＤＦＢレーザ（第３のＴＤＡ−ＤＦＢレーザとする）に発振を切り替えて波長を変更する場合（上記第２の方法による波長変更）にも、波長を変更してから波長が安定するまでの時間を短縮することが可能となる。

次に、波長選択スイッチのＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイにおいて波長を変更して、第２の値の波長を出力するが、このとき、第１の方法により波長を変更する場合、発振を行っている第１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層に印加する電流値を変更することにより、波長を変更する。また、このとき、第１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザに隣接する第２のＴＤＡ−ＤＦＢレーザに印加する電流も変更して、波長変更前の第１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層に印加する電流値と第２のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層に印加する電流値との合計が、波長変更後の第１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層に印加する電流値と第２のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層に印加する電流値との合計と、同一になるようにする。第１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザに隣接する第２のＴＤＡ−ＤＦＢレーザに電流を印加することにより、さらなる第１の方法による波長変更に対する熱補償を行うためである。なお、第１及び第２のＴＤＡ−ＤＦＢレーザ以外のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層に印加する電流値は、波長変更前と同一である。さらなる第２の方法による波長変更に対する熱補償を行うためである。

一方で、第２の方法により波長を変更する場合、第１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザから第３のＴＤＡ−ＤＦＢレーザに切り替えて発振を行うために、第３のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの活性層及び制御層に電流を印加する。また、熱補償を行うための第３のＴＤＡ−ＤＦＢレーザに隣接するＴＤＡ−ＤＦＢレーザ（第４のＴＤＡ−ＤＦＢレーザとする）の制御層にも電流を印加する。

ここで、切替先の第３のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの活性層には第１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザに印加した電流の値と同一の値の電流を印加する。また、第４のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層に印加する電流値は、発振を行う第３のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層の電流値に対して相補的な値に設定して、第３のＴＤＡ−ＤＦＢレーザを熱補償用に用いる。具体的には、第３のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層に印加する電流値と第４のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層に印加する電流値の合計が、チャネル１において第１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザ制御層に印加した電流値と第２のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層に印加した電流値との合計値となるように設定する。さらなる第１の方法による波長変更に対する熱補償を行うためである。また、第３のＴＤＡ−ＤＦＢレーザおよび第４のＴＤＡ−ＤＦＢレーザ以外のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層にも電流を印加する。さらなる第２の方法による波長変更に対する熱補償を行うためである。印加する電流値は、チャネル１において第１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザ及び第２のＴＤＡ−ＤＦＢレーザ以外のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層に印加した電流値と同一の電流値とする。

非特許文献２においては、チャネル１とチャネル２では全ての活性層電流と制御電流の和が一定になるように設定する。これは、チャネル１とチャネル２の総電流の合計値が変わってしまうと、チップ温度が安定せず振動してしまうことにより、発振波長も安定しないためである。また、印加電流を一定としているが、印加する電力を一定としてもよい。

なお、第１及び第２（又は第３及び第４）のＴＤＡ−ＤＦＢレーザ以外のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層追加的に印加する電流は、すべて同一の電流値でなくとも、発振を行うレーザ付近のみに偏ってしまうチップ内の熱を広範囲に分布できるように設定できれば良い。例えば、発振しているレーザから離れているレーザほど、制御層に印加する電流の値を大きくしても良い。

［レーザアレイの温度校正］
非特許文献２においては、このように各ＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層に印加する電流値を設定することで、発振を行うレーザ付近だけでなく、チップ（半導体基板）全体に熱を加えることができ、さらに任意のＴＤＡ−ＤＦＢレーザに発振を切り替えて波長を変更したときにも、波長を変更してから波長が安定するまでの時間を短縮することが可能となる。

しかし、波長を変更してから波長が安定するまでの時間を短縮するためにレーザアレイ１００の全体のチップ温度を上昇させて熱補償を行った場合の発振波長は、熱補償を行わない場合の発振波長と異なることがある。熱補償を行わずにＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層に電流を印加した場合の発振波長を目標の発振波長と考えた場合、熱補償を行った場合の実際の発振波長と、目標の発振波長との間で、ずれが生じてしまう。この発振波長（発振周波数）のずれについて説明する。

まず、電流注入による波長（周波数）の変更を行った場合の任意のＴＤＡ−ＤＦＢレーザの実際の周波数の変動について説明する。図２は、上記第１の方法又は第２の方法により波長を変更するために、制御層に印加する電流の値を変化させたときの、発振周波数の時間的変化を示す図である。図２において、発振周波数の時間的変化は実線２０１により表され、制御電流の時間的変化は一点鎖線２０２により表されている。切替前の制御電流値をＡ１、切替後の制御電流値をＡ２で示している。一方、切替前の発振周波数Ｈ１は制御電流がＡ１からＡ２切り替わることにより（切替２１１）、図２に示すような変動を経る。この時、まずキャリア効果によって一度高周波側に大きく変動し、目標の発振周波数（熱補償を行わない場合の発振周波数）Ｈ２を上回り、Ｈ３になる。このとき、最大周波数値と目標周波数値との差（Ｈ３−Ｈ２）に相当する値ΔＨｍａｘを最大周波数ずれと呼ぶ。その後、熱の発生に伴い徐々に低周波数側に周波数変動が起こり、一定の発振周波数の値Ｈ４に安定する。ここで、最終的にＨ４は切替後の目標の発振周波数値Ｈ２を下回る場合があり、切り替え後の目標周波数と収束周波数値との差（Ｈ２−Ｈ４）に相当する値ΔＨｃｏｎを、収束周波数ずれと呼んでいる。

本発明においては、この収束周波数ずれを低減するために、レーザアレイ１００のチップ上にペルチェ素子１５８を配置し、ペルチェ素子１５８を使用してチップ温度の校正を行ない、目標の発振周波数（波長）を得る。図３は、レーザアレイ１００のチップ温度と発振波長との関係を示す図である。レーザアレイ１００の発振波長はチップ温度が上昇するのに伴って長波長側に変化する。すべてのＴＤＡ−ＤＦＢレーザに制御電流を印加することによって、図３において、チップ温度はＢ１となる。このとき、レーザアレイ１００の発振波長の値はＩ１である。ここで、レーザアレイ１００の発振波長の値を、目標の発振波長Ｉ２に戻すため、レーザアレイ１００のチップ温度をＢ２に下げなければならない。レーザアレイ１００のチップ温度を下げるためには、レーザアレイ１００のチップ上に設けられたペルチェ素子１５８に電圧を印加することにより、レーザアレイ１００のチップを冷却することができる。従って、レーザアレイ１００のチップ上に設けられたペルチェ素子１５８に電圧を印加することにより、レーザアレイ１００のチップ温度をＢ２に校正し、所望の発振波長Ｉ２を発振するように制御することができる。この場合、制御装置１５９において収束周波数ずれΔＨｃｏｎを算出する。一方で、温度検出装置１５７によりレーザアレイ１００のチップ温度を検出して、制御装置１５９に送信する。制御装置１５９において、収束周波数ずれΔＨｃｏｎとレーザアレイ１００のチップ温度とから、レーザアレイ１００のチップを調整（冷却）する温度の校正値を算出する。次に、算出した調整（冷却）の温度だけ、ペルチェ素子１５８がチップを調整（冷却）するために、調整（冷却）温度に対応した、ペルチェ素子１５８に印加すべき電流値を算出・設定した上で、ペルチェ素子１５８に設定した電流を印加してチップ温度を調整（冷却）する。

チップ温度を校正した上で上述の通り第１の方法及び第２の方法で波長の変更を行うことにより、レーザアレイ１００の収束周波数ずれを低減することができる。

なお、レーザアレイ１００から出力される発振波長の収束値が、目標の発振波長に満たない場合（発振周波数が、目標の周波数よりも大きい場合）は、ペルチェ素子１５８に電流を印加して、チップ温度を上昇させ、目標の発振波長を得ることができる。

［実施例］
ここで、本発明のレーザアレイの発振光の波長制御の具体的な例（実施例）を説明する。まず、非特許文献２に記載の方法により、レーザ制御層に追加的に電流を印加してＴＤＡ−ＤＦＢレーザの熱補償を行う場合の設定電流について説明する。

図４は、図１のレーザアレイ１００における、非特許文献２に記載の方法により熱補償を行った場合のレーザ活性層及びレーザ制御層の設定電流である。

まず、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０３のレーザ活性層１１３に８０ｍＡの電流を印加し、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０３のレーザ制御層１２３に１０ｍＡの電流を印加する。この際各ＴＤＡ−ＤＦＢレーザの熱補償を行うために、まずは隣接のＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０４のレーザ制御層１２４に対して３５ｍＡの電流を印加する。これは、その後のＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイにおける波長変更において上記第１の方法により波長変更が行われる場合の熱補償を行うために必要な電流である。このときのＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０４の発振周波数は１９２．０ＴＨｚ（チャネル１）であった。

更にＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０３および１０４以外のＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０１〜１０２、１０５〜１０６のレーザ制御層１２１〜１２２、１２５〜１２６に予め１０ｍＡの電流を印加する。その後のＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイにおける波長変更において上記第２の方法により波長変更が行われる場合に対応するためである。レーザ制御層１２１〜１２２、１２５〜１２６に予め同一の電流値を設定することにより、発振を行うレーザ付近のみに偏ってしまうチップ内の熱を広範囲に分布してチップ内の熱分布を予め緩和しておくことができ、上記第２の方法による波長の変更に対する熱補償を行うことができる。

次に、波長選択スイッチのＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイ１００において波長の変更を行うが、上記第２の方法により波長を変更する。ここで選択されるＴＤＡ−ＤＦＢレーザはＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０５である。まず、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０５のレーザ活性層１１５に８０ｍＡの電流を印加し、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０５のレーザ制御層１２５に１５ｍＡの電流を印加する。このときのＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０５の発振周波数は１９３．３ＴＨｚ（チャネル２）であった。また、更なるＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイにおける波長変更において上記第１の方法により波長変更が行われる場合に対応するためにＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０５の熱補償を行う。熱補償は、隣接するＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０４の制御層１２４に対して３０ｍＡの電流を印加するが、この電流値は、発振を行うＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０５の制御層に印加する電流の設定値に対し、相補的な値に設定する必要がある。具体的には、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０５の制御層１２５に印加する電流値とＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０４の制御層１２４に印加する電流値との合計値が、チャネル１においてＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０３の制御層１２３に印加した電流値とＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０４の制御層１２４に印加した電流値との合計値と同一になるように設定する。

次に、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０５および１０４以外の各ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０１〜１０３、１０６のレーザ制御層１２１〜１２３、１２６に予め１０ｍＡの電流を印加する。さらなるＴＤＡ−ＤＦＢレーザアレイにおける波長変更において上記第２の方法により波長変更が行われる場合に対応するためである。

次に、レーザアレイ１００のチップ温度の校正を行う。図５は、レーザアレイ１００中の任意の１のＴＤＡ−ＤＦＢレーザにおける、波長変更を行う際の制御電流と安定後の発振波長との関係を示す図である。ここで、実線５０１は熱補償を行うために各ＴＤＡ−ＤＦＢレーザの制御層に追加的に電流を印加した場合を示し、破線５０２は熱補償を行わない場合を示している。

本実施例において、ある電流値Ｃ１を、任意のＤＦＢレーザの制御層に印加する際、上述の非特許文献２に記載の方法により熱補償を行なうと、一定時間経過後、発振周波数はＢ１に安定した。一方、熱補償を行なわずに、ある電流値Ｃ１を、任意のＤＦＢレーザの制御層に印加すると、一定時間経過後、発振周波数はＢ２に安定した。このときの発振周波数の数値の差（周波数ずれ：Ｊ１−Ｊ２）は、２ＧＨｚあった。このとき、ペルチェ素子に電流を印加して、レーザアレイ１００のチップ温度を下げるための温度を算出する。ここで、２ＧＨｚの周波数差は、波長差に換算すると０．１６ｎｍに相当する。半導体レーザの発振波長は１℃上昇すると０．１ｎｍ長波長（低周波数）にシフトする事から、０．１６ｎｍの波長ずれは１．６℃温度が上昇した事に相当する。従って、ペルチェ素子の設定値を１．６℃下げるようにペルチェ素子に電流を印加する。そうすると、発振周波数は、Ｂ２となった。従って、本実施例において、校正温度は１．６℃とした。

レーザアレイ１００のチップ温度の校正値を１．６℃として、ペルチェ素子の設定値を１．６℃下げるように電流を印加したうえで、さらに、図３の通りにＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０３への電流印加とＴＤＡ−ＤＦＢレーザ１０５への電流印加とを１ｍｓごとに切替え、１９２．０ＴＨｚの発振周波数（チャネル１）と１９３．３ＴＨｚの発振周波数（チャネル２）とを交互に得る。切替えたときから目標周波数の１０ＧＨｚ内に入った時間を切り替え時間と定義した場合、本制御方法では、切り替え時間は３８μｓ、この時の切替後１ｍｓにおける目標周波数に対する収束周波数ずれは２０ＭＨｚとなり、大幅な低減を図る事が出来た。

波長可変レーザ（ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ）の発振波長を高速かつ正確に変化させることができるため、光パケットスイッチや光バーストスイッチのような、波長の高速切替が要求されるアプリケーションへ適用可能な波長可変レーザを実現することができる。

１００ レーザアレイ
１０１〜１０６ ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ
１１０ 半導体基板
１１１ａ〜１１６ｃ レーザ活性層
１２１ａ〜１２６ｃ レーザ制御層
１３１〜１３７、１４１〜１４８ 電極
１４１〜１４６、１８１〜１８６ 増幅器
１５１〜１５６、１７１〜１７６ ＤＡコンバータ
１５７ 温度検出装置
１５８ ペルチェ素子
１６１〜１６６、１６９ 導波路
１６７ ＭＭＩカプラ
１６８ ＳＯＡ
１５９、１７０ 制御装置

Claims (2)

1. 複数の波長可変レーザの出力波長を変更して可変制御する波長可変レーザアレイであって、
   基板上に形成され、独立に電流を印加できる活性層及び制御層を有する電流制御型の複数の波長可変レーザであって、複数の波長可変レーザのうちの発振を行っている第１の波長可変レーザの動作中に、隣接する第２の波長可変レーザの制御層に電流を印加して、２つの波長可変レーザに印加する電流の合計値が、可変制御を行う前後で同一となるようにする第１の熱補償と、前記第１および前記第２の波長可変レーザ以外のすべての波長可変レーザの制御層に電流を印加して、前記複数の波長可変レーザに印加する電流の合計値が、可変制御を行う前後で同一となるようにする第２の熱補償とが行われる、波長可変レーザと、
   前記基板上に設けられたペルチェ素子であって、前記第１および前記第２の熱補償を行ったときの前記波長可変レーザアレイから出力されるレーザ光の実際の発振波長が、前記第２の熱補償を行わなかったときの目標の発振波長となるように、前記実際の発振波長と前記目標の発振波長との差分から求められた、前記基板の温度を調整するための温度の校正値に対応した電流が印加されている、ペルチェ素子と
   を備えることを特徴とする波長可変レーザアレイ。
2. 独立に電流を印加できる活性層及び制御層を有する電流制御型の複数の波長可変レーザと、ペルチェ素子とを備え、前記複数の波長可変レーザの出力波長を変更して可変制御する、波長可変レーザアレイの波長を制御する方法であって、
   前記複数の波長可変レーザのうち発振を行っている第１の波長可変レーザの動作中に、隣接する第２の波長可変レーザの制御層に電流を印加して、２つの波長可変レーザに印加する電流の合計値が、可変制御を行う前後で同一となるようにする第１の熱補償と、前記第１および前記第２の波長可変レーザ以外のすべての波長可変レーザの制御層に電流を印加して、前記複数の波長可変レーザに印加する電流の合計値が、可変制御を行う前後で同一となるようにする第２の熱補償とを行うことと、
   前記第１および前記第２の熱補償を行ったときの前記波長可変レーザアレイから出力されるレーザ光の実際の発振波長と、前記第２の熱補償を行わなかったときの目標の発振波長との差分を求め、前記実際の発振波長が前記目標の発振波長となるように、前記差分から前記波長可変レーザアレイのチップ温度を調整するためのチップ温度の校正値を算出することと、
   前記ペルチェ素子に、前記校正値に対応した値の電流を印加し、前記校正値の分だけ前記波長可変レーザアレイのチップ温度を調整することと
   を含むことを特徴とする波長可変レーザアレイの波長を制御する方法。