JPH02262387A - 波長可変レーザおよびその波長制御方法ならびに光検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光通信、光応用計測等に用いる先の出力及び
波長の校正に関するものであり、特にその際光源として
用いる波長可変型レーザの発振波長の制御方法、その方
法を実施するに適した光検出装置及び波長可変レーザに
関するものである。

［従来の技術］ 光ファイバーを用いた長距離、大容量伝送を目的とする
光通信システムでは、光ファイバーの波長分散によるパ
ルス幅の拡がりが伝送帯域上問題となる。このため、高
速変調時においても単一縦モードのスペクトラムで発振
する動的単一モードレーザがいくつか提案されている。

また、更なる大容量伝送を可能にする方式として波長多
重方式、コヒーレント通信方式が提案されているが、こ
れらを実現するには発振波長の制御及び安定化が必要と
なる。

従来、半導体レーザの発振波長を制御するには、動作温
度を制御する方法が一般的であった。

しかしながら、温度による制御は応答速度が遅く、また
使用環境に影響され易い欠点を有している。そこで、電
気的に発振波長を制御できる光源として、ブラッグ波長
制御領域、位相調整領域をもち、１０ｎｍの範囲で波長
可変の動的単一モードレーザが報告されている（　Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ１９８８　Ｖｏｌ
、２４　Ｎｏ、ｌＯＰ、５７７−５７９）。この波長可
変レーザは、可変分布反射器用電極へ電流注入すること
によりバンド間吸収とプラズマ吸収の分散のために媒質
の屈折率が変化し、導波路の伝搬定数が変化してブラッ
グ波長を制御でき、また位相調整領域への注入電流量も
同時に制御して安定にブラッグ波長発掘を起こしている
。このように広い可変波長域をもつ動的単一モードレー
ザは、波長安定化のためばかりでなく、波長多重化や周
波数変調への応用にも好適である。

［発明が解決しようとしている課題］ 上記従来例では、波長の制御が非常に重要であるが、発
振波長の制御には、従来分光器、ファブリベロー干渉計
等の大型システムを用いており、小型化が強く望まれて
いた。

本発明の目的は、システム全体の小型化が可能な波長可
変型レーザの波長制御方法と、その方法を実施するに適
した光検出装置及び波長可変レーザを提供することにあ
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、波長可変レーザに、入力する電気信号を変化
させることによりブラッグ波長が変化しかつ電気信号と
ブラッグ波長の相関が明らかにされている分布反射器を
光学的に結合し、さらに光の強度を検出できる光検出器
を光学的に結合し、波長可変レーザの所望の発振波長λ
１が決められたとき、この所望の波長と等しい値の分布
反射器のブラッグ波長に対応して該相関から分布反射器
の設定電気信号１１を決め、この設定電気信号より小さ
な電気信号ΔＩ（ΔＩ≦Ｉ＋）を決め、設定電気信号１
．と電気信号ΔＩとの和信号１．＋ΔＩと設定電気信号
と微小電気信号との差信号■１−ΔＩとの間で分布反射
器に入力する電気信号を周期的に変化させながら光検出
器によって光の強度を検出し、該和信号のときの光の強
度と該差信号のときの光の強度との差をとり、波長可変
レーザの発振波長を変化させてこの差がゼロとなるよう
にすることにより、波長可変レーザの発振波長を所望の
発振波長に合わせることを特徴とする波長可変レーザの
波長制御方法である。

また、この方法を実施するために特に好適な装置として
、本発明は入力する電気信号を変化させることによりブ
ラッグ波長が変化する分布反射器と、光の強度を検出で
きる光検出器が光学的に結合され、電気的には独立に形
成されてなる光検出装置、および波長可変レーザとこの
光検出装置が同一基板上にモノリシックに形成され、か
つ該波長可変レーザ、該光検出装置の分布反射器および
該光検出装置の光検出器がこの順に光学的に結合されて
なる光検出装置を備えた波長可変レーザも包含する。

以下に原理を示す。

まず、可変分布反射器の入力電気信号、ここでは注入電
流とブラッグ波長との関係について示しておく。周知の
ようにプラズマ効果のため、屈折率はキャリアの注入に
より減少し、その屈折率の減少量δ。はキャリア密度Ｎ
に比例する。たとえ０．８５μｍのＡｌＧａＡｓ系の場
合 δ。ニー１．３　　ｘｌＯ−”　　Ｎ １．３　μｔｎのＩｎＧａＡｓＰ系の場合δ、、ニー３
．７　ｘｌＯ−”　Ｎ である。注入する電流を増すとキャリア密度が高くなり
、したがって屈折率は小さくなる。

回折格子のブラッグ反射の条件は、格子ピッチΔ、回折
次数ｍ、等偏屈折率ｎとするとブラッグ波長λＢは、 λ８＝２ｎＡ となる。すなわち、屈折率が大きいほどブラッグ波長は
長くなる。

これらのことにより、電流注入の増大はブラッグ波長λ
８を小さくすることになる。このため、あらかじめ注入
電流■、を決めておけば、ブラッグ波長の設定が可能と
なる。

さて、第２図に示したように、波長λ１にチューニング
したい被検出光（波長λ′Ｉ）が、本発明の光検出装置
へ人力する場合について説明する。このとき、光検出器
の前部（被検出光入射側）に設けた可変分布反射器に電
流ＩＩを注入しブラッグ波長をλ１としλ１の波長光の
透過光を最大となるように１１をあらかじめ設定してお
く。

可変分布反射器への注入電流が時間的に変化する信号を
もつような発振波長の制御方法は、その信号に応じてさ
まざまな方法が考えられるが、例えば、第４図（ａ）に
示すように、所望のブラッグ波長を得るための注入電流
■、を中心に１．＋ΔＩと１．−ΔＩの３値を光源のデ
ータ信号よりも十分長く、各信号ごとのデータパルス数
の差が小さい程度の周期時間的に繰り返す場合が考えら
れる。このとき注入電流が１．−Δｒ、ｒ、。

■、＋Δ■のときの分布反射器のブラッグ波長はλ１＋
Δλ、λ１．λ１−Δλにそれぞれ対応する。被検出光
の波長λ′がλ１〈λ°くλ１＋Δλにずれている場合
、光検出器の出力は第４図（ｂ）に示すように、注入電
流１１−ΔＩと１．＋ΔＩのときの光出力レベルには差
が生じる。そこでこの差をゼロにするように光源の発振
波長を修正していくと第４図（ｂ）の右側のようにそれ
らの差は減少していき出力は等しくなり、それと同時に
注入電流！、のときの光出力レベルは増加していきある
レベルに達することになる。このような状態になったと
き、被検出光の波長は所望の波長λ、に一致している。

そして、その後注入電流１．での光出力レベルを所望の
光出力に合わせるべく光源の光出力を波長を変化させな
いように増加させるわけである。

しかし、このときやはり波長もずれてしまうため、前述
の操作をくり返してフィードバックをかけながら必要な
光出力と波長に制御することになる。

このように分布反射器への注入電流を時間的に変化させ
て、この信号と光検出器の出力信号から、被検出光の光
出力と波長のずれを検知でき、光源側へ帰還させること
によりそれらの制御が可能である。

［実施例］ 第１図は本発明の光検出器を具備した波長可変分布ブラ
ッグ反射型（ＤＢＲ）レーザの共振方向断面の概略図で
ある。ＤＢＲレーザは活性領域［Ｉ］９位相調整領域［
■コ、ＤＢＲ領域［ｍ］と、本発明の光検出装置の分布
ブラッグ反射領域［ＩＶ］および光検出領域［Ｖ］から
構成される。

全ての領域は光学的に結合されＤＢＲレーザの前側出力
端面は第１図中左側である。また、それぞれの領域は電
気的に分離されており、光学的には分離されないように
形成しである。共振方向に垂直な方向については電流及
び光の閉じ込めが有効になされており、屈折率導波型と
なっていれば全てのレーザ構造が用いられる。

この実施例では、ＩｎＰ系、埋込み型レーザ構造を採用
している。

その製造方法はまず、ｎ−１ｎＰよりなる基板上に、Ｇ
ａ１ｎＡｓＰからなる活性層！、検出器用の吸収層５．
　Ｇａ１ｎＡｓＰもしくはＩｎＰからなる保護膜を工ピ
タキシャル成長する。この際、活性層１、検出器用吸収
層５は同一組成でも構わないので、−度の成長で同時に
形成できる。

次に、フォトレジストによるパターンニングとエツチン
グにより活性層１と光検出器用吸収層５に相当する部分
を残して上記エピタキシャル層を取り去る。

次に、可変分布反射器［Ｉ［１］、　　［ＩＶ］に対す
る位置で基板に所定のピッチのグレーティングを形成す
る。［ＩＩ［］と［ｒＶ］のグレーティングのピッチは
同じでよい。

次に、基板上にＩｎＧａＡｓＰからなり発振波長に対し
て透明である導波路層（２，３，４）　、　ｐ−１ｎＰ
から成るクラッド層を順次エピタキシャル成長する。次
にフォトレジストによるパターンニングと反応性イオン
ビームエツチングによりメサ構造にエツチング除去し、
更に、埋込み構造を得るようにブロック層ＩｎＰをメサ
の両側にエピタキシャル成長する。

その後、各領域の電気的分離を得るように上部クラッド
層の中まで分離溝を作り込み、１−ＩｎＰを再度埋込む
。

最後に、第１図に示すように活性領域［工］。

位相調整領域［■］、可変分布反射器［■］。

［■］、検出器［Ｖ］を電気的に絶縁・分離するように
、それぞれの領域に電極を付は分離形成すると、本発明
の光検出装置付き波長可変ＤＢＲレーザが得られる。

さて上記ＤＢＲレーザにおいて、可変分布反射器は注入
電流制御器２３により半導体からなる導波路に電流を注
入することにより、バンド間吸収とプラズマ吸収の分散
のために媒質の屈折率が変わり、導波路３の伝搬定数が
変化することを用いて、そのブラッグ波長を電気的に変
えることができる。また、位相調整領域［１１］におい
ても同様の原理を用い注入電流制御器２２により導波路
２の伝搬定数を変化させ位相を制御できる。このため、
ＤＢＲ領域［ｍ］と位相調整領域［Ｉｒ］への注入電流
量をしきい電流が最小になるよう制御することにより、
結果として発振波長を電気的に制御でき、安定な動的単
一モードで発振させることができる。

さて、共振器より発生したレーザ光は第１図左側活性領
域端面から出射するが、後側は可変分布反射器［ｒＶ］
を通過する。レーザ光の波長をλ。

とすると、光検出部の可変分布反射器［ｒｔ／］への注
入電流は！、のときブラッグ波長人！で透過率が最大と
なるため、検出器の信号は最大となる。

今、レーザ光（被検出光）の波長をλ゛１とし、所望の
波長λ１から第２図に示すようにずれていると仮定する
。また、可変分布反射器［ＩＶ］への注入電流を１１を
中心に■１−ΔＩからＩ、＋ΔＩの範囲において注入し
た場合、光導波路の媒体の屈折率はプラズマ効果とバン
ド端のシフトのためにブラッグ波長はλ１＋Δλからλ
。

Δλ１まで直線的に変化し、注入電流■１−ΔＩ。

！　、、！　、＋Δ■に対する分布反射器［１’ｔ／］
の透過率の波長依存性は第３図に示すＢ、Ａ、Ｃとなる
。以下では、注入電流として第４図（ａ）のように、■
、＋ΔＩ、１．．Ｉ、−Δ■の３値を光源のデータ信号
よりも十分長い周期で繰り返す場合について説明する。

注入電流がＩ、−ΔＩ、Ｉ、、Ｉ、＋ΔＩのときの分布
反射器のブラッグ波長はλ１＋Δλ。

λ１．λ１−Δλにそれぞれ対応する。被検出光の波長
λ′がλ、くλ°〈λ１＋Δλにずれている場合、光検
出器の出力は第４図（ｂ）に示すように注入電流■１−
ΔＩと１．＋ΔＩのときの先出力レベルには差が生じて
しまう。そこでこの差をゼロにするように光源の波長を
修正していくと第４図（ｂ）の右側のようにそれらの差
は減少していき出力、は等しくなり、それと同時に注入
電流１１の時間に対する光出力レベルは増加していき、
あるレベルに達することになる。この方法では、波長可
変型レーザのＤＢＲ領域［Ｉ１１］の注入電流を変化さ
せることになる。このような状態になったとき、被検出
光の波長は所望の波長λ１に一致している。

そして、その後注入電流１１での光出力レベルを所望の
光出力に合わせるべく光源の光出力を波長を変化させな
いように増加させるわけである。

しかし、このときやはり波長もずれてしまうため、前述
の操作をくり返してフィードバックをかけながら必要な
光出力と波長に制御することになる。

次に第５図（ａ）に示すように、分布反射器［ＩＶ］へ
の注入電流をＩ、＋ΔＩ、Ｉ、−ΔＩの２値を周期的に
繰り返す場合について説明する。

この場合も上記注入電流の変調の周期はデータ信号に比
べて十分大きいものとする。被検出光の波長λ°１が所
望の波長λ、かうずれているとき、注入電流１１＋ΔＩ
、Ｉ、−ΔＩの時の分布反射器［ｒＶ］の透過率の波長
依存性は、第３図に示すＣとＢにそれぞれ対応する。そ
のためλ°１がλ１〈λ°１＜λ１＋Δλに変化した場
合、注入電流１１＋ΔＩのとき光検出器の出力は小さく
、注入電流１１−Δ■のとき光検出器の出力は大きくな
る。

この２つの状態における光出力を等しくすることが被検
出光の波長をλ°宜からλ１に等しくすることであるか
ら、波長可変型レーザのＤＢＲ領域［ｍ］への注入電流
の値を変化させて両者の光出力を時間的に一定となるよ
うに制御する。この−定になった光出力はレーザ素子の
発振している光出力に対応するから、これにより光出力
制御が可能である。

また、第６図（ａ）に示すように、分布反射器［ｒｔ／
］への注入電流が連続的に変化する場合でも本発明は可
能である。可変分布領域［ＩＶ］への注入電流をＩ、＋
ΔＩと！、−Δ■間で直線的に変化させる場合、光検出
器の出力特性は、第６図（ｂ）に示すように被検出光の
波長に一致する分布反射器のブラッグ波長の時に出力は
最大となり、■、±ΔＩのときに極小値をとる。これら
の極小値の出力レベルを等しくするように波長可変型レ
ーザのＤＢＲ領域［ｍ］への注入キャリア量を変化させ
て帰還すれば被検出光は所望の波長λ１に近づいていく
。また、検出器の光出力レベルの最大値は被検出光の波
長がλ、−Δλからλ１＋Δλの間にあれば必ず生じる
が、このレベルから被検出光の全光出力が検出できるの
で上記レーザのＡＰＣ駆動も可能である。

本実施例の波長可変型ＤＢＲレーザを用いると、λ１か
らλ２に設定波長を変えても安定化させることが容易で
ある。この際あらかじめ可変分布反射器［ｒＶ］のブラ
ッグ波長がλ２になるようそこへの注入電流をＩ２に設
定しておく。大きく数十メートル程度波長を変化させる
場合、ＤＢＲレーザ側への注入電流もおおよそわかって
いるので、いったんレーザ発振させてから、その出力光
モ後部の検出部を用いてλ２にしぼり込むことになる。

以上のように本発明の光検出装置を備えた波長可変型Ｄ
ＢＲレーザ装置によれば、波長調整手段が集積化された
波長可変型レーザが得られる。分布反射器［ＩＶ］への
注入電流信号と光検出器の出力信号からレーザの可変分
布反射器［ｍ］の導波路に流す電流を制御することによ
り、容易に発振波長を電気的に制御できる。また、同時
に光出力をも検出できるので、光出力制御も容易である
。

上述の実施例においては、ＩｎＰ系の埋め込み型半導体
レーザについて説明してきたが、本発明は、ＧａＡｌＡ
ｓ系等の他の化合物半導体材料にも適用され、レーザ構
造もリッジ導波路型等の屈折率導波型金てに適用できる
ことは言うまでもない。

また、動的単一モードレーザとして、ここでは分布ブラ
ッグ反射型構造を用いたが、分布帰還型構造でも他の構
造でも波長可変であれば適用できる。

本実施例では、可変分布反射器の導波路の伝搬定数を変
化させる手段として電流を注入しキャリア密度を変化さ
せてバンド間吸収とプラズマ効果による媒質の屈折率変
化のために伝搬定数が変化することを用いてブラッグ波
長を制御したが、電気光学効果を用いて導波路の屈折率
を変えても良い。

本発明の光検出装置は、単体素子としても用いることが
可能で、通信システムのマスターの光制御用に波長の標
準化、光出力の標準化のために前述と同様に用いること
ができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、波長制御手段が
容易に半導体レーザ素子に一体集積化することができ、
発振波長及び光出力を制御可能なシステムをコンパクト
に構成できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

東１図は、本発明を実施した波長制御用光検出装置付き
波長可変型ＤＢＲレーザ装置の共振方向断面図の模式図
及び電気制御回路図、 第２図は、被検出光の波長スペクトル、第３図は可変分
布反射器の透過波長スペクトル、第４図（ａ）、第５図
（ａ）および第６図（ａ）は可変分布反射器への注入電
流波形図、 第４図（ｂ）、第５図（ｂ）右よび第６図（ｂ）は被検
出光λ゛１の光検出器における出力信号図である。 ［工］・−波長可変型ＤＢＲレーザの活性領域［■］・
−波長可変型ＤＢＲレーザの位相調整領域 ［Ｉ［１］・−波長可変型ＤＢＲレーザの可変分布反射
領域 ［ｒＶ］・・・光検出装置の可変分布反射領域［Ｖ］・
・・光検出装置の光検出領域 １・・・利得導波路 ２・・・光導波路 ３．４・・・ＤＢＲ導波路 ５・・・吸収導波路 １１〜１５・・・各領域の電極 ２１〜２４・・・注入電流制御器 ２５・・・光検出制御器 特許出願人　　キャノン株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、波長可変レーザに、入力する電気信号を変化させる
   ことによりブラッグ波長が変化しかつ電気信号とブラッ
   グ波長の相関が明らかにされている分布反射器を光学的
   に結合し、さらに光の強度を検出できる光検出器を光学
   的に結合し、波長可変レーザの所望の発振波長が決めら
   れたとき、この所望の波長と等しい値の分布反射器のブ
   ラッグ波長に対応して該相関から分布反射器の設定電気
   信号を決め、この設定電気信号より小さな電気信号を決
   め、設定電気信号と該電気信号との和信号と、設定電気
   信号と該電気信号との差信号との間で分布反射器に入力
   する電気信号を周期的に変化させながら光検出器によっ
   て光の強度を検出し、該和信号のときの光の強度と該差
   信号のときの光の強度との差をとり、波長可変レーザの
   発振波長を変化させてこの差がゼロとなるようにするこ
   とにより、波長可変レーザの発振波長を所望の発振波長
   に合わせることを特徴とする波長可変レーザの波長制御
   方法。 ２、電流注入が可能なように電極が形成されており、入
   力する電気信号を変化させることによりブラッグ波長が
   変化する回折格子が形成された光導波路からなる分布反
   射器と、光の強度を検出できる電気信号検出のための電
   極が形成された光検出器が光学的に結合され、電気的に
   は独立に形成されてなる光検出装置。 ３、波長可変レーザと請求項２に記載の光検出装置が同
   一基板上にモノリシックに形成され、かつ該波長可変レ
   ーザ、該光検出装置の分布反射器および該光検出装置の
   光検出器がこの順に光学的に結合されて電気的に独立に
   形成されてなる光検出装置を備えた波長可変レーザ。