JP7088609B2 - 波長可変レーザ装置の制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は波長可変レーザ装置の制御方法に関するものである。
光学デバイスとしてレーザ発振に対する利得機能と波長選択機能とを備える波長可変レーザ装置が知られている(特許文献1など)。例えば、共振器内の光導波路に設けた回折格子などの光学的機能領域の屈折率を変化させることで、損失・反射および利得の波長特性を変化させ、発振波長を選択する。
特開平8-056030号公報
波長選択のために、半導体レーザの温度を変化させることがある。例えば、反射スペクトルのピーク波長が周期的に分布するSG-DBR(Sampled Grating Distributed Bragg Reflector)領域を備える半導体レーザなどにおいて、光導波路の温度を変化させる。温度変化に伴う屈折率の変化により、波長選択が行われる。
しかしながら、温度が所定の範囲内となる前に、利得領域に電流が注入され、意図しない発振波長のレーザ光が出力される恐れがある。そこで、所望の波長以外の波長での発振を抑制することが可能な波長可変レーザ装置の制御方法を提供することを目的とする。
本発明に係る波長可変レーザ装置の制御方法は、利得領域と、前記利得領域と光結合されてなり、第1ヒータが設けられてなる反射領域と、を備える波長可変レーザ、および前記波長可変レーザが搭載され、前記波長可変レーザの温度を制御する熱電冷却器を備える波長可変レーザ装置の制御方法であって、所定の駆動条件に基づいて、前記第1ヒータおよび前記熱電冷却器を駆動するステップと、前記第1ヒータおよび前記熱電冷却器それぞれの制御値が所定の範囲内となったか否か判定するステップと、前記制御値が前記所定の範囲内となった後に、前記利得領域を駆動するステップと、を有するものである。
本発明に係る波長可変レーザ装置の制御方法は、利得領域と、前記利得領域と光結合され、かつ第1ヒータが設けられてなる反射領域と、を備える波長可変レーザ、および前記波長可変レーザが搭載され、前記波長可変レーザの温度を制御する熱電冷却器を備える波長可変レーザ装置の制御方法であって、第1の波長に対応する第1の駆動条件に基づいて、前記第1ヒータおよび前記熱電冷却器を駆動するステップと、前記第1ヒータおよび前記熱電冷却器それぞれの制御値が所定の範囲内となったか否か判定するステップと、前記制御値が前記所定の範囲内となった後に、前記利得領域を駆動するステップと、前記波長可変レーザから前記第1の波長のレーザ光を出力するステップと、レーザ光の波長を前記第1の波長から第2の波長に切り替える際に波長情報を取得するステップと、前記波長可変レーザから前記第1の波長のレーザ光の出力を停止するステップと、前記利得領域の駆動を停止するステップと、前記第2の波長に対応する第2の駆動条件に基づいて、前記第1ヒータおよび前記熱電冷却器を駆動するステップと、前記第1ヒータおよび前記熱電冷却器それぞれの制御値が所定の範囲内となったか否か判定するステップと、前記制御値が前記所定の範囲内となった後に、前記第2の駆動条件に基づいて、前記利得領域を駆動するステップと、を有する。
上記発明によれば、所望の波長以外の波長での発振を抑制することが可能である。
図1は実施例1に係る波長可変レーザ装置の全体構成を示すブロック図である。 図2は実施例1における半導体レーザの全体構成を示す模式的断面図である。 図3は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4(a)はCSG-DBR領域Bの反射スペクトルを示す図である。図4(b)はSG-DFB領域Aの利得スペクトルを示す図である。図4(c)は半導体レーザの発振波長を示す図である。 図5はコントローラが実行する制御を例示するフローチャートである。 図6はコントローラが実行する制御を例示するフローチャートである。 図7は実施例3における半導体レーザの全体構成を示す模式的断面図である。 図8はコントローラが実行する制御を例示するフローチャートである。 図9は実施例4における半導体レーザの全体構成を示す模式的断面図である。 図10はコントローラが実行する制御を例示するフローチャートである。
[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。
本願発明の一形態は、(1)利得領域と、前記利得領域と光結合されてなり、第1ヒータが設けられてなる反射領域と、を備える波長可変レーザ、および前記波長可変レーザが搭載され、前記波長可変レーザの温度を制御する熱電冷却器を備える波長可変レーザ装置の制御方法であって、所定の駆動条件に基づいて、前記第1ヒータおよび前記熱電冷却器を駆動するステップと、前記第1ヒータおよび前記熱電冷却器それぞれの制御値が所定の範囲内となったか否か判定するステップと、前記制御値が前記所定の範囲内となった後に、前記利得領域を駆動するステップと、を有する波長可変レーザ装置の制御方法である。制御値が所定の範囲内となることで、利得領域および反射領域の温度が適切な範囲内となる。その後に利得領域が駆動することで、所望の波長以外の波長でのレーザ発振が抑制される。
(2)前記反射領域は複数の前記第1ヒータを有するCSG-DBRであり、前記複数の第1ヒータの制御値が前記所定の範囲内となった後に、前記利得領域を駆動するステップが行われてもよい。複数の第1ヒータを駆動することで、CSG-DBRの温度が適切な範囲内となる。その後、利得領域が駆動するため、所望の波長以外の波長でのレーザ発振が抑制される。
(3)前記反射領域はSG-DBRでもよい。SG-DBRの温度が適切な範囲内となることで、所望の波長以外の波長でのレーザ発振が抑制される。
(4)前記利得領域はSG-DFBでもよい。熱電冷却器を駆動することで、SG-DFBの温度が適切な範囲内となる。その後、利得領域を駆動するため、所望の波長以外の波長でのレーザ発振が抑制される。
(5)前記利得領域は、第2ヒータを有するTDA-DFBであり、前記第1ヒータ、および前記熱電冷却器を駆動するステップにおいて前記第2ヒータを駆動し、前記第1ヒータ、前記第2ヒータおよび前記熱電冷却器それぞれの制御値が所定の範囲内となった後に、前記利得領域を駆動するステップを行ってもよい。第1ヒータ、第2ヒータおよび熱電冷却器を駆動することで、TDA-DFBおよび反射領域の温度が適切な範囲内となる。このため、所望の波長以外の波長でのレーザ発振が抑制される。
(6)前記第1ヒータの制御値は、前記第1ヒータに供給される電力値でもよい。電力値が所定範囲内となった後に利得領域を駆動することで、所望の波長以外の波長でのレーザ発振が抑制される。
(7)前記波長可変レーザ装置は、前記熱電冷却器に搭載された温度検知素子をさらに備え、前記熱電冷却器の制御値は、前記熱電冷却器に供給される電力値であり、前記熱電冷却器は、前記温度検知素子の検知結果に基づいて、制御されてもよい。温度が所定範囲内となった後に利得領域を駆動することで、所望の波長以外の波長でのレーザ発振が抑制される。
(8)前記第2ヒータの制御値は、前記第2ヒータに供給される電力値でもよい。電力値が所定範囲内となった後に利得領域を駆動することで、所望の波長以外の波長でのレーザ発振が抑制される。
(9)前記波長可変レーザ装置は、前記波長可変レーザの出力波長を検知する波長ロッカ部をさらに備え、前記熱電冷却器の制御値は、前記熱電冷却器に供給される電力値であり、前記熱電冷却器は、前記波長ロッカ部の検知結果に基づいて、制御されてもよい。これにより所望の波長以外の波長でのレーザ発振が抑制される。
(10)利得領域と、前記利得領域と光結合され、かつ第1ヒータが設けられてなる反射領域と、を備える波長可変レーザ、および前記波長可変レーザが搭載され、前記波長可変レーザの温度を制御する熱電冷却器を備える波長可変レーザ装置の制御方法であって、第1の波長に対応する第1の駆動条件に基づいて、前記第1ヒータおよび前記熱電冷却器を駆動するステップと、前記第1ヒータおよび前記熱電冷却器それぞれの制御値が所定の範囲内となったか否か判定するステップと、前記制御値が前記所定の範囲内となった後に、前記利得領域を駆動するステップと、前記波長可変レーザから前記第1の波長のレーザ光を出力するステップと、レーザ光の波長を前記第1の波長から第2の波長に切り替える際に波長情報を取得するステップと、前記波長可変レーザから前記第1の波長のレーザ光の出力を停止するステップと、前記利得領域の駆動を停止するステップと、前記第2の波長に対応する第2の駆動条件に基づいて、前記第1ヒータおよび前記熱電冷却器を駆動するステップと、前記第1ヒータおよび前記熱電冷却器それぞれの制御値が所定の範囲内となったか否か判定するステップと、前記制御値が前記所定の範囲内となった後に、前記第2の駆動条件に基づいて、前記利得領域を駆動するステップと、を有する波長可変レーザ装置の制御方法である。これにより、所望の波長以外でのレーザ発振が抑制される。
[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装置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。
(波長可変レーザ装置)
図1は実施例1に係る波長可変レーザ装置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、波長可変レーザ装置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(波長可変レーザ)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。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装置100は、出力検知部40、波長ロッカ部50、メモリ60、コントローラ70などを備える。コントローラ70は、波長可変レーザ装置100の制御を行うものである。
(半導体レーザ)
図2は実施例1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、部分回折格子活性領域(SG-DFB:Sampled Grating Distributed Feedback)Aと、CSG-DBR(Chirped Sampled Grating Distributed Bragg Reflector)領域Bと、SOA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チューナブル半導体レーザ素子である。
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(a)のレーザ領域に相当し、SOA領域Cが図1(a)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(第1ヒータ)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は無反射(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Ga0.32In0.68As0.920.08(厚さ5nm)からなる井戸層と、Ga0.22In0.78As0.470.53(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Ga0.22In0.78As0.470.53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Ga0.35In0.65As0.990.01(厚さ5nm)の井戸層とGa0.15In0.85As0.320.68(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Ga0.44In0.56As0.950.05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および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および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素子の両端が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Ga0.22In0.78As0.470.53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内においてレーザ領域(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(熱電冷却器)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。
図1の波長可変レーザ装置100はフロントロッカタイプであり、出力検知部40および波長ロッカ部50は半導体レーザ30のフロント側に配置されている。波長ロッカ部50を半導体レーザ30のリア側に配置し、波長可変レーザ装置100をリアロッカタイプとしてもよい。
出力検知部40は、ビームスプリッタ41および第1受光素子42を備える。波長ロッカ部50は、ビームスプリッタ51、エタロン53、第2温度制御装置54、第2受光素子55、および第2サーミスタ56を備える。
ビームスプリッタ51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41は、ビープスプリッタ51で分岐された光の一方を、さらに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41によって分岐された光の一方を受光する位置に配置されている。
エタロン53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53として固定エタロン(ソリッドエタロン)を用いる。なお、固定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53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53は、第2温度制御装置54上に配置されている。第2温度制御装置54は、ペルチェ素子を含み、TECとして機能する。
第2受光素子55は、エタロン53を透過した透過光を受光する位置に配置されている。すなわち、エタロン53を透過していない光を第1受光素子42で受光し、エタロン53を透過した光を第2受光素子55で受光する。第2サーミスタ56は、エタロン53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56は、例えば第2温度制御装置54上に配置されている。本実施例では、第2温度制御装置54の温度を第2サーミスタ56で検出することで、エタロン53の温度を特定している。なお、エタロン53の温度は、ある温度範囲に入っていればよく、第1温度制御装置31上に配置されていてもよい。
メモリ60は、書き換え可能な記憶装置であり、書き換え可能な記憶装置を用いる。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。
メモリ60は、波長可変レーザ装置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各チャネルに対応させて記憶している。図3で後述するチャネルとは、半導体レーザ30の各発振波長に対応する番号である。例えば、各チャネルは、ITU-T(International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector)により定められたグリット波長に対応する。
(レーザ発振)
図3は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53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、発振波長に対応した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2受光素子55が出力する光電流Im2とIm1との比の目標値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、波長可変レーザ装置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。
続いて、図1~図3を参照しつつ、グリット波長のいずれかを出力するための波長可変レーザ装置100の動作について説明する。まず、コントローラ70は、外部から要求チャネルの情報を取得する。コントローラ70は、要求チャネルの情報に基づいて、メモリ60から要求チャネルに応じた初期設定値およびフィードバック制御目標値を取得して、内蔵されたRAMに読み出す。コントローラ70は、半導体レーザ30の電極8に、チャネルに対応する初期電流値ILDに応じた電流を供給する。
また、コントローラ70は、チャネルに対応する初期温度値TLDが実現されるように、第1温度制御装置31に電力を供給する。それにより、半導体レーザ30の温度が初期値に制御される。また、コントローラ70は、各ヒータ10に、チャネルに対応する初期電力値PHeater1~PHeater3の電力を供給する。それにより、各ヒータ10にそれぞれ所定の温度で発熱させることができる。ヒータ10に供給する電力の制御によりCSG-DBR領域Bの各セグメントの温度を制御し、各セグメントの等価屈折率を変化させる。これにより、セグメントの反射特性が変化する。
第1温度制御装置31による温度制御および各ヒータ10による温度制御により、半導体レーザ30は、要求チャネルに対応するグリット波長での発振条件に設定される。また、コントローラ70は、SOA領域Cの電極21に、チャネルに対応する初期電流値ISOAの電流を供給する。それにより、半導体レーザ30のフロントから出力されるレーザ光の光強度を初期値に制御することができる。このように設定された各初期値に基づき、半導体レーザ30はレーザ発振する。ただし、この状態では選択されたグリット波長に一致していること、あるいは所定の出力光強度が実現されていることを保証できるとは限らない。このため、波長および出力光強度のフィードバック制御が実施される。なお、要求波長がグリッド波長でない場合であっても、コントローラ70は、チャネル(グリッド波長)に対応する初期設定値から要求波長(グリッドレス波長)の設定値を演算して求めることができる。このように要求波長がグリッド波長でない場合であっても、要求波長で発振させることができる。また、チャネルがグリッド波長でなくてもよい。チャネル自体がグリッドレス波長で設定されていてもよい。
このようなフィードバック制御のためにコントローラ70は、自動出力制御(APC:Auto Power Control)および自動波長制御(AFC:Auto Frequency Control)を行う。具体的には、コントローラ70は、自動出力制御として、第1受光素子42が出力する光電流値がチャネルに対応する目標値Im1となるように、SOA領域Cの電極21に供給する電流ISOAをフィードバック制御する。これにより、半導体レーザ30の出力光強度がチャネルに対応する所望の値に制御される。また、コントローラ70は、自動波長制御として、光電流Im1に対する第2受光素子55が出力する光電流Im2の比Im2/Im1が目標値Im2/Im1となるように、半導体レーザ30の温度を制御する。それにより、半導体レーザ30の出力光波長がチャネルに対応する波長に制御される。具体的には、半導体レーザ30の温度の制御は、第1温度制御装置31に電力を供給し第1温度制御装置31の温度を制御することでなされる。また、半導体レーザ30の温度の制御は、半導体レーザ30に搭載されているヒータを制御することでなされる。
なお、コントローラ70は、チャネルに対応する初期温度値TEtalonが実現されるように、第2温度制御装置54の駆動電力を制御している。第2温度制御装置54に供給する電力は、第2サーミスタ56の検知結果に基づくフィードバック制御がなされており、エタロン53の温度は所定の値に制御される。以上の制御により、所望の波長において半導体レーザ30にレーザ発振させることができる。なお、エタロン53の温度は、ある温度範囲に入っていればよく、第1温度制御装置31上に配置されていてもよい。
(スペクトル)
図4(a)はCSG-DBR領域Bの反射スペクトルを示す図である。CSG-DBR領域Bの反射スペクトルは、セグメントごとの反射スペクトルを重ね合わせることによって得られる。複数のセグメントが互いに異なる光学的長さを有することから、セグメントの反射スペクトルのピーク周期が互いに異なる。これらの反射スペクトルを重ね合わせることで、図4(a)に示すように、波長ごとに反射強度が異なる、釣鐘状の包絡線が形成される。波長範囲をさらに拡げると、複数の釣鐘を並べたような包絡線が形成される。このように、CSG-DBR領域Bにおいては、反射強度に波長依存性が現れる。
図4(b)はSG-DFB領域Aの利得スペクトルを示す図である。SG-DFB領域Aにおいては各セグメントの光学的長さが実質的に同一であり、かつ第1温度制御装置31によって各セグメントの温度が一定に制御されることから、ピーク波長ごとに強度はほとんど同じになる。
図4(c)は半導体レーザ30の発振波長を示す図である。本実施例に係る半導体レーザ30では、図4(c)に実線で示すように、波長λ0においてレーザ発振する。波長λ0は、CSG-DBR領域Bの反射スペクトルのうち反射強度が大きい波長とSG-DFB領域Aの利得スペクトルのいずれかの波長とが一致する波長である。したがって、CSG-DBR領域Bの波長-反射強度特性を変化させることによって、レーザ発振波長を選択することができる。すなわち、前述のように、CSG-DBR領域Bの複数のヒータ10および第1温度制御装置31の駆動により半導体レーザ30の温度を所望の範囲内に制御することで、レーザ発振波長を波長λ0とすることができる。
しかし、温度が所望の範囲内に制御できない場合、CSG-DBR領域Bの波長-反射強度特性が変化するなどして、レーザ発振波長が所望の波長λ0から外れてしまうことがある。この状態でSG-DFB領域Aを駆動させると、半導体レーザ30から、意図しない波長λ1の光が出力される。特に複数のヒータ10および第1温度制御装置31の設定値が異なるため、それぞれが目標の値に達するまで時間がかかる。したがって温度が安定しないことがある。この場合、λ0以外の波長での発振が起こりやすい。本実施例では、所望の波長以外での発振を抑制する。
(制御)
図5はコントローラ70が実行する制御を例示するフローチャートである。図5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、図示しない外部入出力装置からの入力によるものであり、図3のチャンネルのいずれかに対応する波長である。
コントローラ70は、要求波長に対応する制御の条件をメモリ60から抽出する(ステップS2)。コントローラ70は、要求波長に対応した初期設定値とフィードバック制御目標値をメモリ60から取得してRAMに格納する。
次に、コントローラ70は、第1温度制御装置31(TEC1)を駆動させる(ステップS3)。コントローラ70は、例えば図3に示した制御条件の電流を第1温度制御装置31に注入する。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S4)。TH1の範囲とは、目標温度TLDを中心とする所定範囲であり、例えばTLD±0.1℃程度である。ステップS4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が所定範囲内となるように第1温度制御装置31に供給される電流値を変更する。
ステップS4で「Yes」と判定された場合、コントローラ70は、CSG-DBR領域Bのヒータ10を駆動させる(ステップS5)。例えば図3に示した制御条件に基づいた電力を各ヒータ10に注入する。コントローラ70は、ヒータ10に供給する電力値が設定範囲内にあるか否かを判定する(ステップS6)。電力値の設定範囲とは、制御条件の電力値を中心とした所定の範囲であり、例えばPHeater1±0.05mWなどの範囲である。また、制御の開始からステップS6までは、SG-DFB領域Aの電極8に電流は注入されておらず、半導体レーザ30は駆動していない。
次に、コントローラ70は、ステップS4で定められた初期設定値とフィードバック制御目標値とに基づいて、電極8に電流を注入し、SG-DFB領域Aを駆動させる(ステップS7)。これにより半導体レーザ30が発振する。コントローラ70は、SG-DFB領域Aに注入する電流値が設定範囲内であるか否かを判定する(ステップS8)。電流値の設定範囲とは、制御条件の電流値ILDを中心とした所定範囲であり、例えばILD±0.1mAなどである。このとき、コントローラ70は、ステップS2で選択された要求波長の初期設定値を用いて半導体レーザ30を駆動させ、エタロン53の温度については、第2温度制御装置54に供給する電力で駆動させることにより、ステップS3で算出された設定温度TEtalonに制御する。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S9)。ここでTLDの範囲とは、目標温度TLDを中心とする所定範囲であり、ステップS4の範囲よりも狭く、例えばTLD±0.05℃程度である。ステップS9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が初期温度値TLDに近づくように第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S9と並行して、第2サーミスタ56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S10)。この場合の設定範囲は、設定温度TEtalonに基づいて決定され、例えば設定温度TEtalonを中心とする所定範囲とすることができる。ステップS10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56の検出温度TH2が設定温度TEtalonに近づくように第2温度制御装置54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S9およびステップS10の両方で「Yes」と判定されるまで待機する。ステップS9およびステップS10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S11)。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から要求波長のレーザ光が出力される。なお、上記シャッターオープンの動作の後は、SOA領域Cの駆動電流は、出力検知部40の検知結果に基づいて、ISOAが所定値に維持されるようにフィードバック制御される。コントローラ70は、第1温度制御装置31によるTLDを制御目標とした温度制御を終了する(ステップS12)。
次に、コントローラ70は、第1温度制御装置31による自動波長制御を開始する。(ステップS13)。つまり、第1温度制御装置31の温度が、比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53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S9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。第1温度制御装置31に供給される電流値の制御は、所定の刻み値(固定値)によって実行される。コントローラ70は、比Im2/Im1を目標値Im2/Im1に近づけるための温度制御符号を発生する。温度制御符号は、温度上昇を示す符号、温度下降を示す符号、温度変更が不要な場合の符号を含む。この符号に基づいて、前記刻み値だけ、第1温度制御装置31へ供給する電流値を増大あるいは減少させる制御がなされる。あるいは比Im2/Im1が目標値Im2/Im1に対して所定の範囲内に遷移した場合には、温度制御不要の符号がコントローラ70から出力され、第1温度制御装置31の電流量は変更されない。
コントローラ70は、比Im2/Im1がステップS2で選択された要求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、ロックフラグを出力する(ステップS14)。なお、半導体レーザ30の起動後にそれとは異なる要求波長を実現する際には、まずSOA領域Cの制御を行うことで、シャッタクローズ動作を実施する。その後、前記ステップS1から起動動作を実施すればよい。
実施例1によれば、第1温度制御装置31およびヒータ10を駆動させ、温度TH1が所定範囲内かつ電力値が所定範囲内となった後に、SG-DFB領域Aを駆動させる。言い換えれば、SG-DFB領域AおよびCSG-DBR領域Bの温度が適切な範囲となった後に、SG-DFB領域Aを駆動させる。一方、温度TH1および電力値が所定範囲外ならば、SG-DFB領域Aを駆動させない。このため、所望の波長以外の波長でのレーザ発振が抑制され、波長可変レーザ装置100は図4(c)のλ0のように所望の波長で発振する。
半導体レーザの反射領域はCSG-DBR領域Bであり、複数のヒータ10を有する。図3に示すように、波長選択のためにヒータ10ごとに電力値の初期設定値が異なることがある。このため、すべてのヒータ10の電力値が所定範囲内となり、温度が安定するまでに時間がかかる。特に、温度変更幅の大きいヒータ10の温度が安定するまでに時間がかかる。この間にSG-DFB領域Aに電流が注入されると、意図しない波長でレーザ発振が開始されてしまう。本実施形態では、すべてのヒータ10の電力値が所定範囲内となってからSG-DFB領域Aを駆動させる。したがって、図4(a)に示した包絡線状の反射スペクトルのうち、強度が大きい波長を所望の波長λ0とすることができる。この結果、所望の波長以外の波長でのレーザ発振が抑制され、所望の波長でのレーザ発振が可能である。
半導体レーザ30の利得領域はSG-DFB領域Aである。温度TH1および電力値がそれぞれ所定の範囲内となった後に、電極8への電流の注入を行い、SG-DFB領域Aを駆動させる。これにより所望の波長以外の波長でのレーザ発振が抑制される。
第1温度制御装置31の温度制御のうち、ステップS4の温度範囲はTLD±0.1℃であり、ステップS9の温度範囲TLD±0.05℃よりも大きい。温度範囲の大きいステップS4が速やかに行われることで、制御の時間短縮が可能である。なお、ステップS4およびS9において、TH1を同じ温度範囲に制御してもよい。
実施例2においては、第1温度制御装置31の駆動と、ヒータ10の駆動とを並行して行う。実施例1と同じ構成については説明を省略する。
図6はコントローラ70が実行する制御を例示するフローチャートである。図6に示すように、コントローラ70は、ステップS1~S3およびステップS5を行う。その後、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し(ステップS4a)、並行してヒータ10に供給する電力値が設定範囲内にあるか否かを判定する(ステップS6a)。
コントローラ70は、ステップS4aおよびステップS6aの両方で「Yes」と判定されるまで待機する。ステップS4aおよびステップS6aの両方で「Yes」と判定された場合、コントローラ70はステップS7~S14を行う。
実施例2によれば、実施例1と同様に、所望の波長以外の波長でのレーザ発振が抑制される。またステップS4aおよびステップS6aを並行して行うため、処理が速くなる。
実施例3では、半導体レーザ30に代えて、TDA-DFB(Tunable Distributed Amplified-DFB)領域を有する半導体レーザ33を利用する。実施例1と同じ構成については説明を省略する。図7は実施例3における半導体レーザ33の全体構成を示す模式的断面図である。図7に示すように、半導体レーザ33はTDA-DFB領域Dと、CSG-DBR領域Bと、SOA領域Cとを備える。フロント側からリア側にかけて、SOA領域C、TDA-DFB領域D、CSG-DBR領域Bが順に配置されている。
TDA-DFB領域Dは、基板1上に、下クラッド層2、活性層3、および上クラッド層6が積層された構造を有する。上クラッド層6上には、コンタクト層7および電極8が積層された領域と、絶縁膜9上にヒータ22(第2ヒータ)が積層された領域とが、それぞれ複数設けられている。ヒータ22には、図示しない電源電極およびグランド電極が設けられている。電極8とヒータ22とは、互いに異なる駆動源に接続され、独立して電力の供給が行われる。
図8はコントローラ70が実行する制御を例示するフローチャートである。図8に示すように、コントローラ70は、ステップS1~S4を行う。その後、コントローラ70は、CSG-DBR領域Bのヒータ10およびTDA-DFB領域Dのヒータ22を駆動させる(ステップS5a)。コントローラ70は、ヒータ10および22に供給する電力値が設定範囲内にあるか否かを判定する(ステップS6)。
ステップS6で「Yes」と判定された場合、コントローラ70は、TDA-DFB領域Dを駆動させる(ステップS7a)。その後、コントローラ70はステップS8~S14を行う。
半導体レーザ33は、CSG-DBR領域Bの複数のヒータ10、およびTDA-DFB領域Dの複数のヒータ22を有する。実施例3によれば、TDA-DFB領域Dを駆動する前に、ヒータ10および22を駆動し、電力値を設定範囲内とする。このため、実施例1および2と同様に、所望の波長以外の波長でのレーザ発振が抑制される。
なお、実施例3と実施例2とを組み合わせ、図6のステップS6aにおいて、ヒータ10および22それぞれの電力値が設定範囲内か否か、コントローラ70が判定してもよい。
実施例4では半導体レーザ30に代えて半導体レーザ34を用いる。実施例1と同じ構成については説明を省略する。図9は実施例4における半導体レーザ34の全体構成を示す模式的断面図である。図9に示すように、半導体レーザ33は、SG-DBR領域B1およびB2と、SOA領域Cと、利得領域Eと、位相調整領域Fとを備える。フロント側からリア側にかけて、SOA領域C、SG-DBR領域B1、利得領域E、位相調整領域F、およびSG-DBR領域B2が順に配置されている。
SG-DBR領域B1はヒータ10aを有し、SG-DBR領域B2はヒータ10bを有する。利得領域E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。位相調整領域Fは、基板1上に、下クラッド層2、光導波層4f、コンタクト層7、および電極8fが積層された構造を有する。
SG-DBR領域B1を構成する複数のセグメントは、実質的に同一の光学長を有する。SG-DBR領域B2を構成する複数のセグメントは、実質的に同一の光学長を有する。SG-DBR領域B1のセグメントの光学長は、SG-DBR領域B2のセグメントの光学長とは異なる。SG-DBR領域B1のヒータ10a、およびSG-DBR領域B2のヒータ10bには独立に電力が供給される。電力供給によって、2つのSG-DBR領域B1およびB2のセグメントの波長特性のピークが制御される。両方のピークが一致した波長で発振波長が選択される。また、利得領域Eの電極8への電流注入によって、利得が制御される。
図10はコントローラ70が実行する制御を例示するフローチャートである。図10に示すように、コントローラ70は、ステップS1~S4を行う。その後、コントローラ70は、SG-DBR領域B1のヒータ10aおよびSG-DBR領域B2のヒータ10bを駆動させる(ステップS5b)。コントローラ70は、ヒータ10aおよび10bに供給する電力値が設定範囲内にあるか否かを判定する(ステップS6)。ステップS6で「Yes」と判定された場合、コントローラ70は、利得領域Eを駆動させる(ステップS7b)。その後、コントローラ70はステップS8~S14を行う。
半導体レーザ34は、SG-DBR領域B1およびB1のヒータ10aおよび10bを有する。これらのヒータは互いに異なる電力値の設定値を有し、温度が安定するまでに時間がかかる。実施例4によれば、利得領域Eを駆動する前に、ヒータ10aおよび10bを駆動し、電力値を設定範囲内とする。このため、実施例1~3と同様に、所望の波長以外の波長でのレーザ発振が抑制される。
なお、実施例4と実施例2とを組み合わせ、図6のステップS6aにおいて、ヒータ10aおよび10bそれぞれの電力値が設定範囲内か否か、コントローラ70が判定してもよい。
実施例1~4では、反射領域のヒータ10または10aおよび10bの制御値は、各ヒータに供給される電力値である。第1温度制御装置31の制御値は、第1温度制御装置31の温度TH1である。また、実施例3において、TDA-DFB領域Dのヒータ22の制御値は電力値である。コントローラ70は、これらの制御値を調整し、所定範囲内とする。これにより温度が適切な範囲となる。その後、利得領域を駆動することで、所望の波長以外の波長でのレーザ発振が抑制される。なお、各制御値として他のパラメータを用いてもよい。また、第1温度制御装置31はペルチェ素子を含むTECとしたが、第1温度制御装置はペルチェ素子以外の装置を利用してもよい。波長可変レーザはITU-Tグリット波長以外の波長において発振してもよい。
また、図示していないが、波長を切り替える際にも実施例1~4と同様の動作することで、実施例1~4と同様に、所望の波長以外の波長でのレーザ発振が抑制される。具体的には、シャッタを閉じた後、波長可変レーザの駆動条件を変更して異なる波長でレーザを発振させる。波長可変レーザを駆動させたまま、TECまたは波長可変レーザのヒータまたは利得領域を変更すると、所望の波長以外の波長でのレーザ光が出力される恐れがある。一方、本実施例においては、波長可変レーザの利得領域への供給電流を停止することで、波長可変レーザの発振が停止する。その後、実施例1~4と同様の動作することで、所望の波長以外の波長でのレーザ発振が抑制される。
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、8f 電極
9 絶縁膜
10、10a,10b ヒータ
11 電源電極
12 グランド電極
16、17 端面膜
19 光増幅層
30、33、34 半導体レーザ
31 第1温度制御装置
32 第1サーミスタ
40 出力検知部
41 ビームスプリッタ
42 第1受光素子
50 波長ロッカ部
51 ビームスプリッタ
53 エタロン
54 第2温度制御装置
55 第2受光素子
56 第2サーミスタ
60 メモリ
70 コントローラ
100 波長可変レーザ装置
A SG-DFB領域
B CSG-DBR領域
B1、B2 SG-DBR領域
C SOA領域
D TDA-DFB領域
E 利得領域
F 位相調整領域

Claims (8)

  1. 利得領域と、前記利得領域と光結合されてなり、第1ヒータが設けられてなる反射領域と、を備える波長可変レーザ、および前記波長可変レーザが搭載され、前記波長可変レーザの温度を制御する熱電冷却器を備える波長可変レーザ装置の制御方法であって、
    所定の駆動条件に基づいて、前記第1ヒータおよび前記熱電冷却器を駆動するステップと、
    前記第1ヒータおよび前記熱電冷却器それぞれの制御値が所定の範囲内となったか否か判定するステップと、
    前記制御値が前記所定の範囲内となった後に、前記利得領域を駆動するステップと、を有し、
    前記利得領域は、第2ヒータを有するTDA-DFBであり、
    前記第1ヒータ、および前記熱電冷却器を駆動するステップにおいて前記第2ヒータを駆動し、
    前記第1ヒータ、前記第2ヒータおよび前記熱電冷却器それぞれの制御値が所定の範囲内となった後に、前記利得領域を駆動するステップを行う波長可変レーザ装置の制御方法。
  2. 前記反射領域は複数の前記第1ヒータを有するCSG-DBRであり、
    前記複数の第1ヒータの制御値が前記所定の範囲内となった後に、前記利得領域を駆動するステップが行われる請求項1に記載の波長可変レーザ装置の制御方法。
  3. 前記反射領域はSG-DBRである請求項1に記載の波長可変レーザ装置の制御方法。
  4. 前記第1ヒータの制御値は、前記第1ヒータに供給される電力値である請求項1からのいずれか一項に記載の波長可変レーザ装置の制御方法。
  5. 前記波長可変レーザ装置は、前記熱電冷却器に搭載された温度検知素子をさらに備え、
    前記熱電冷却器の制御値は、前記熱電冷却器に供給される電力値であり、
    前記熱電冷却器は、前記温度検知素子の検知結果に基づいて、制御されてなる請求項1からのいずれか一項に記載の波長可変レーザ装置の制御方法。
  6. 前記第2ヒータの制御値は、前記第2ヒータに供給される電力値である請求項に記載の波長可変レーザ装置の制御方法。
  7. 前記波長可変レーザ装置は、前記波長可変レーザの出力波長を検知する波長ロッカ部をさらに備え、
    前記熱電冷却器の制御値は、前記熱電冷却器に供給される電力値であり、前記熱電冷却器は、前記波長ロッカ部の検知結果に基づいて、制御されてなる請求項1からのいずれか一項に記載の波長可変レーザ装置の制御方法。
  8. 利得領域と、前記利得領域と光結合され、かつ第1ヒータが設けられてなる反射領域と、を備える波長可変レーザ、および前記波長可変レーザが搭載され、前記波長可変レーザの温度を制御する熱電冷却器を備える波長可変レーザ装置の制御方法であって、
    第1の波長に対応する第1の駆動条件に基づいて、前記第1ヒータおよび前記熱電冷却器を駆動するステップと、
    前記第1ヒータおよび前記熱電冷却器それぞれの制御値が所定の範囲内となったか否か判定するステップと、
    前記制御値が前記所定の範囲内となった後に、前記利得領域を駆動するステップと、
    前記波長可変レーザから前記第1の波長のレーザ光を出力するステップと、
    レーザ光の波長を前記第1の波長から第2の波長に切り替える際に波長情報を取得するステップと、
    前記波長可変レーザから前記第1の波長のレーザ光の出力を停止するステップと、
    前記利得領域の駆動を停止するステップと、
    前記第2の波長に対応する第2の駆動条件に基づいて、前記第1ヒータおよび前記熱電冷却器を駆動するステップと、
    前記第1ヒータおよび前記熱電冷却器それぞれの制御値が所定の範囲内となったか否か判定するステップと、
    前記制御値が前記所定の範囲内となった後に、前記第2の駆動条件に基づいて、前記利得領域を駆動するステップと、を有し、
    前記利得領域は、第2ヒータを有するTDA-DFBであり、
    前記第1の駆動条件に基づいて前記第1ヒータ、および前記熱電冷却器を駆動するステップにおいて前記第2ヒータを駆動し、
    前記第2の駆動条件に基づいて前記第1ヒータ、および前記熱電冷却器を駆動するステップにおいて前記第2ヒータを駆動し、
    前記第1ヒータ、前記第2ヒータおよび前記熱電冷却器それぞれの制御値が所定の範囲内となった後に、前記利得領域を駆動するステップを行う波長可変レーザ装置の制御方法。
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