JPH03109787A - 半導体アレーレーザの周波数安定化装置 - 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、半導体アレーレーザを使用した光周波数多重
伝送用送信光源において、各レーザ素子の発振光周波数
を所定の等周波数間隔で安定化させる半導体アレーレー
ザの周波数安定化装置に関する。

〔従来の技術〕

複数の半導体レーザの発振光周波数を等周波数間隔で安
定化させる方法として、例えば特願昭６２１７１１２７
号に記載の方法が提案されている。

すなわち、それぞれ等周波数間隔で発振する半導体レー
ザを各々異なる低周波信号で変調し、各出射光を合波し
た後に、光透過出力の周波数特性が等周波数間隔でピー
クを持つ光素子（例えば、リング共振器）に入射するこ
とにより、各ピーク周波数に対する各半導体レーザの発
振光周波数のシフト量が光強度の変化として取り出され
る。この光素子の出力をフォトダイオードで受信した後
に、各変調周波数ごとにホモダイン検波することにより
、各半導体レーザの周波数シフト量が分離される。その
結果を各半導体レーザのバイアス電流に個々に負帰還す
ることにより、各半導体レーザの発振光周波数を光素子
の等周波数間隔で並ぶ各ピーク周波数に安定化させる方
法である。

第５図は、このような複数の半導体レーザの周波数安定
化方法を適用した従来の周波数安定化装置の構成を示す
ブロック図である。

なお、この周波数安定化装置は、複数のレーザ素子を集
積化した半導体アレーレーザの周波数安定化にも適用す
ることができる。

図において、低周波発振器２１．．２１□、・・・２１
ゎが出力する低周波信号ＦＳ、　、ＦＳ２、・・・ＦＳ
、ｌおよび各バイアス回路２３．．２３□、・・・２３
７の出力は、各加算器２５．．２５□、・・・２５、を
介して半導体レーザ２７１．２７２、・・・２７゜に入
力される。それぞれ等周波数間隔の発振光周波数ｆ　ｓ
　Ｉ　、ｆ　ｓ　２　、・・・　ｆｓ、、を有する各半
導体レーザ２７１〜２７．．は、それぞれ異なる低周波
信号ＦＳ、〜ＦＳ、、で変調され、その各出射光が各単
一モード光ファイバ２９．　　２９□、・・・、２９．
を介して合波器３１に入射される。

合波器３１の出力は、光ファイバ２９゜を介してリング
共振器３３に入射される。リング共振器３３は、光透過
出力の周波数特性が、各半導体レーザ２７．〜２７、の
発振光周波数に対応する等周波数間隔でピークを持つよ
うに調整される。

したがって、リング共振器３３の出力には、各半導体レ
ーザ２７１〜２７、の発振光周波数が各ピーク周波数に
対するシフト量に応じた光強度の変化として取り出され
、かつ各半導体レーザ２７゜〜２７ｆｉを変調信号成分
（ＦＳ、〜ＦＳ、、）ごとに、各周波数シフト量を重畳
したものとしてフォトダイオード３５に受信される。

フォトダイオード３５の出力は、増幅器３７を介して増
幅した後にミキサ３９．．３９□、・・・３９、ｌに入
力される。各ミキサ３９□〜３９．．では、低周波発振
器４１．．４１□、・・・、４１．、が出力する低周波
信号（半導体レーザの変調信号成分）ＦＳ、　、ＦＳ２
　、・・・、ＦＳ、、と混合してそれぞれホモダイン検
波することにより′、各半導体レーザ２７．〜２７１の
周波数シフト量がそれぞれ分離して検波される。

各ミキサ３９１〜３９．の出力は、低周波通過フィルタ
４３１．４３□、・・・、４３．、を介して検波信号の
高周波雑音が除去され、各半導体レーザ２７、〜２７゜
のバイアス電流を制御するバイアス回路２３．　　２３
□、・・・、２３□に負帰還される。各バイアス回路２
３１〜２３１１では、各半導体レーザ２７．〜２７．．
の周波数シフト量に応した各ミキサ出力によりそれぞれ
バイアス電流を制御し、各半導体レーザ２７１〜２７．
の発振光周波数が、リング共振器３３の等周波数間隔で
並ぶ各ピーク周波数にそれぞれ一致するように安定化さ
れる。

このように従来の周波数安定化装置では、光透過率に周
期性を有する光素子を利用して、複数の半導体レーザの
発振光周波数を所定の周波数間隔で安定化させていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、従来の周波数安定化装置では、各半導体
レーザ２７．〜２７．ｌごとにそれぞれの周波数シフト
量を検出する構成であったので、各半導体レーザ２７．
〜２７．．に対応して、変調に用いる低周波発振器２１
．〜２１゜、検波に用いる低周波発振器４１□〜４１．
および高周波雑音を除去する低周波通過フィルタ４３．
〜４３．が必要であった。したがって、半導体レーザの
個数の増加に応じてこれらの付加装置が増加し、装置構
成の複雑化および大型化をもたらし、コスト増加が避け
られなかった。

また、複数の半導体レーザ２７．〜２７１の各出射光を
リング共振器３３に入射するためには、その前段で合波
する必要があるが、このとき生じる合波損失は半導体レ
ーザ数とともに増加し、フォトダイオード３５の受信信
号のＳ／Ｎ比を劣化させる。すなわち、半導体レーザ数
の増加に応して、各周波数シフト量を正確に検出できな
くなり、各バイアス回路２３１〜２３□への帰還が適切
に行なわれなくなる。したがって、動作が不安定になり
、十分な周波数安定化を図ることができなくなることが
あった。

さらに、各半導体レーザ２７．〜２７．．の発振光周波
数は、リング共振器３３の光透過率の周期性を利用して
制御されるために、各発振光周波数の周波数間隔はリン
グ共振器３３のピーク周波数間隔の調整範囲で制約され
る。例えば、ピーク周波数間隔が５Ｇｔｌｚで製作され
たリング共振器では、ピーク周波数間隔の調整範囲は３
．５　Ｇ　Ｈｚ〜６．５　Ｇ　ｆｉｚ程度である。すな
わち、各半導体レーザの発振光周波数の周波数間隔に合
わせて、対応するリング共振器３３を用意する必要があ
った。

本発明は、このような点を解決するためのものであり、
複数のレーザ素子を集積化した半導体アレーレーザにお
いて、レーザ素子数に依存しない筒型な構成および正確
かつ安定した動作が可能であり、さらに各発振光周波数
の広範囲な周波数間隔に適応できる半導体アレーレーザ
の周波数安定化装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、単一縦モードで発振する複数のレーザ素子が
集積化された半導体アレーレーザと、複数のレーザ素子
の各発振光周波数を等周波数間隔に設定する駆動手段と
、複数のレーザ素子の何れか１つのレーザ素子の出射光
の一部あるいは全部を取り込み、その発振光周波数に応
じた光強度に変換する光弁別手段と、光弁別手段が送出
する出力光を受信する受信手段と、受信手段が出力する
受信信号強度と、一つのレーザ素子の所定の発振光周波
数に対応する基準信号強度とを比較し、この所定の発振
光周波数に対する一つのレーザ素子の発振光周波数の周
波数シフト量を検出する検出手段と、検出手段の出力に
基づいて、一つのレーザ素子の駆動手段に対してその発
振光周波数を所定の発振光周波数に制御する帰還をかけ
、複数のレーザ素子の他のレーザ素子の各駆動手段に対
して、１つのレーザ素子の特性に対する他のレーザ素子
の特性に応じて、他のレーザ素子の各発振光周波数をそ
れぞれ所定の発振光周波数に制御する帰還をかける帰還
手段とを備えて構成する。

〔作　用〕

半導体アレーレーザの各レーザ素子は、駆動手段により
各発振光周波数が所定の等周波数間隔で設定される。光
弁別手段では、一つのレーザ素子の出力光を取り込み、
その発振光周波数に応した光強度に変換し、受信手段を
介して検出手段に送出する。

検出手段では、この受信信号強度と所定の発振光周波数
に対する基準信号強度とを比較し、一つのレーザ素子に
おける所定の発振光周波数に対する周波数シフト量を検
出する。

帰還手段では、検出された一つのレーザ素子の周波数シ
フト量に基づいて、その発振光周波数（受信信号強度）
と所定の発振光周波数（基準信号強度）とが一致するよ
うに駆動手段を制御する。

さらに、その一つのレーザ素子と他のレーザ素子の各特
性の所定の関係に応じて、他のレーザ素子のそれぞれに
対応する駆動手段に対して、それぞれ所定の発振光周波
数となるように市制御する。

〔実施例〕

第１図は、本発明の実施例構成を示すブロック図である
。

図において、半導体アレーレーザ１０は、単一縦モード
発振するｎ個のレーザ素子（ＬＤ）１０．．１０□、・
・・、１０１．を集積化した構成であり、各発振光周波
数はそれぞれｆｌｚｆ２、・・・　Ｉ７である。各レー
ザ素子１０１−ＩＯ，，には、対応するバイアス回路（
駆動手段）１１１，１１ｇ、・・・１１、からバイアス
電流が注入される。レーザ素子１０１の出射光は、光フ
ァイバ１２ｏを介して光方向性結合器１３に入射され、
その一部が光ファイバ１２＋を介して光弁側回路（光弁
別手段）Ｉ４に入射される。光弁側回路１４の出力は、
フォトダイオード（受信手段）１５に受信され、その出
力が検出回路（検出手段）１６に入力される。

検出回路１６の出力は、帰還回路１７に入力される。帰
還回路エフの各レーザ素子に対応する出力は、それぞれ
対応するバイアス回路１１．〜１１１に入力される。

なお、光弁側回路１４は、入射される光周波数に応じて
透過率が変化する光素子（例えばファブリペローエタロ
ン、リング共振器）を用い、温度その他を適当に設定す
ることで所定の光周波数範囲で光透過率が単調増加する
ように調整される。

したがって、その出力光は、レーザ素子１０１の発振光
周波数に応じた光強度に変換される。

また、検出回路１６は、フォトダイオード１５から出力
される受信信号強度と、レーザ素子１０゜の所定の発振
光周波数に対応する基準信号強度とを比較し、レーザ素
子１０．の発振光周波数の周波数シフト量に対応した検
出信号り、を出力する。

以下、半導体アレーレーザ１０の特性に対する実験デー
タを示す第２図〜第４図を参照して、本発明実施例の周
波数安定化装置の動作について説明する。

半導体アレーレーザ１０の各レーザ素子１０゜〜１０７
は、各バイアス回路１１によりバイアス電流が個々に調
整され、所定の等周波数間隔の発振光周波数ｒ＋、ｆｚ
、・・・　Ｉ７に設定される。

各レーザ素子１０１〜１０．０発振光周波数を等周波数
間隔に調整することは、適当な素子構造を有する半導体
アレーレーザでは比較的容易である。例えば、分布帰還
形（ＤＦＢ）半導体レーザを集積化したものでは、各レ
ーザ素子の回折格子間隔を変えることにより、第２図に
示すように同一のバイアス電流で等波長間隔、すなわち
等周波数間隔（波長間隔と周波数間隔は比例する）で発
振する半導体アレーレーザ１０を製作することが可能で
ある。

第２図に示す例は、４個のレーザ素子１０１〜１０４に
対して、同一のバイアス電流１００ｍＡを注入したとき
の各発振波長であり、その波長間隔は０．９３３ｎｍ、
周波数間隔に換算すると１１７ＧＨｚとなる。なお、現
在では、レーザ素子数が２０個の半導体アレーレーザが
製作されている（Ｍ、Ｎａｋａ。

ｅｔ　ａｌ、、　”　１．５５μｍ　ＤＦＢ　Ｌａｚｅ
ｒ　ａｒｒａｙ　ｗｉｔｈ　λ／４−５ｈｉｆｔｅｄ　
ｆｉｒｓｔ−ｏｒｄｅｒ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｆａｂｒｉ
ｃａｔｅｄ　ｂｙ　Ｘ−Ｒａｙ　ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈ
ｙ”、ＥＩｅｃｔｒｏｎ、Ｌｅｔ、１９８９．ｖｏｌ、
２５＋ｐｐ、１４８〜１４９）。また、各レーザ素子は
、バイアス電流を調整することにより波長を２ｎｍ程度
変化できるので、バイアス電流値を個々に変えれば任意
の周波数間隔で発振させることが可能となる。

このような所定の等周波数間隔の発振光周波数を有する
半導体アレーレーザ１０において、所定の発振光周波数
を有する一つのレーザ素子（本実施例では１０１）の出
射光の一部が、光ファイバ１２゜、光方向性結合器１３
および光ファイバ１２Ｉを介して光弁側回路１４に入射
される。

光弁側回路１４では、レーザ素子１０．の出射光をその
発振光周波数に応じた光強度に変換して出射する。例え
ば、温度等を調整してレーザ素子１０、の所定の発振光
周波数に対する透過率を５０％に設定する七、その出力
光強度は、レーザ素子１０＋　の出射光の光周波数ゆら
ぎに応じて入射光強度の５０％を中心に変化する。した
がって、光弁側回路１４は所定の発振光周波数の近傍で
その透過率が単調増加するように調整すればよく、等周
波数間隔で透過率のピークを合わせる必要がない。

この出力光は、フォトダイオード１５で電気信号に変換
されて、検出回路１６に入力される。検出回路１６は、
レーザ素子１０．の所定の発振光周波数に応じた基準信
号強度と、フォトダイオード１５に受信された実際の発
振光周波数に応じた受信信号強度とが比較され、その周
波数シフト量Δｆ１に応じた検出信号Ｄｆを算出する。

このようにして算出された周波数シフト量Δｆに応じて
、検出信号り、が「０」になるようにバイアス回路１１
１に帰還がかけられ、レーザ素子１０、のバイアス電流
がΔ■１だけ変化する。他のレーザ素子１０ｚ〜１０．
、のバイアス電流の制御は、レーザ素子ｔＯ，の周波数
シフト量Δｆ。

に基づいて行われる。

以下、他のレーザ素子１０□〜１０．、のバイアス電流
の制御について説明する。

他のレーザ素子１０□〜１０ｆｉのバイアス電流の変化
量ΔＩ２〜ΔＩ、は、各レーザ素子の素子特性に応じて
、 Δ１．＝に、ＸΔＩ、　　　・−−一−−−−−−−・
・・−・・・　（１）の関係で、対応するバイアス回路
１１２〜１１゜に設定される。ここで、ｋｌ　（２≦ｉ
≦ｎ）は任意定数である。

ここで、任意定数ｋ、の決定方法について説明する。

半導体アレーレーザ１０は、微小面積にレーザ素子１０
．〜１０７を集積化している（上述した半導体アレーレ
ーザでは、２．５ｍ　ｍ　Ｘ３００μｍの面積に２０個
のレーザ素子を集積化している）ために、温度ゆらぎが
同一とみなせる。この場合に、第３図に示すように、レ
ーザ素子１０＋　の周波数シフト量Δｆ、と他のレーザ
素子１０＝　　（ｉ＝２〜ｎの整数）の周波数シフト量
Δｆ、の間には、Δｆ、＝αえ×Δｆ、　　　　−−一
−−・・−・−・−−−−−−−（２）の比例関係が存
在する。ここで、α、は比例定数である。

なお、第３図において、実線はレーザ素子１０゜を示し
、点線はレーザ素子１０３を示し、−点鎖線はレーザ素
子１０４を示す。

さらに、各レーザ素子１０＝　　（ｊ＝１〜ｎの整数）
ごとに、バイアス電流の変化量Δ■、と、バイアス電流
の変化に応じた発振波長の変化を示す波長シフト量Δλ
、とは、微小範囲において第４図に示すような比例関係
があり、 ΔＩ、＝β４×Δλ□　　　−・−・・−・・・−・−
（３）となる。ここで、β、は比例定数である。

また、同様にこの微小範囲においては、周波数シフト量
ΔｆＪと波長シフト量Δλｊには比例関係があり、（３
）式は（２）式を用いてΔＩ、＝β、×（Ａ×Δｆｉ） ＝β□×（Ａ×α、×Δｆｔ） ・−−−−−−−−−−−−−−−−−・・（４）と変
形される。ここで、Ａは、周波数シフト量Δｆ１と波長
シフト量Δλ１の比例定数である。

（２）弐〜（４）式に基づいて、（１）式の任意定数に
、は、βＨＸ　　（ＡＸα、×Δλｌ　） ＝（βｉ／βｔ）Ｘα、　　−・−一一一−−・・・・
・・−（５）となる。

（１）式、（５）式より、比例定数αｉ、βｉが得られ
れば、各レーザ素子１０４へのバイアス電流を計算する
ことができることがわかる。

実際に、第２図に示した半導体アレーレーザ１０を同一
バイアス電流で駆動し、周波数間隔１１７ＧＨｚで周波
数安定化するための各実験データは、α＝＝１（ｉ＝２
〜４）、 β＋＝０．０５０　（ｎｍ／ｍＡ］、βｚ　＝　０．０
２６　（ｎｍ／ｍＡ　）、βｓ＝０．０１９　（ｎｍ／
ｍＡ：ｌ　、β４＝０．０３８　（ｎｍ／ｍ＾〕、とな
り、任意定数ｋ、は、 ｋｚ’＝０．５２、ｋ、＝０．３８、ｋ、＝０．７６と
決定される。

このようにして、各レーザ素子ＩＯ１〜１０．。

について、第３図および第４図に示す比例定数α８、β
えを測定しておけば、１つのレーザ素子１０゜の周波数
シフト量を基にして、すべてのレーザ素子１０．〜１０
．の発振光周波数の安定化を図ることができる。

なお、本実施例では、光ファイバ１２゜に導かれたレー
ザ素子１０Ｉの出射光の一部を光方向性結合器１３を介
して分岐しているが、周波数安定化用としてレーザ素子
１０１を設定し、光ファイバ１２゜を光弁別画路１４に
そのまま結合し、すべての出射光を制御用に帰還させて
も、同様に周波数安定化回路を構成することができる。

〔発明の効果〕

上述したように、本発明によれば、一つのレーザ素子の
周波数シフト量を用いて、半導体アレーレーザを構成す
るすべてのレーザ素子の発振光周波数の安定化を図るこ
とができ、レーザ素子数に依存しない装置構成とするこ
とができる。したがって、レーザ素子数が増加しても装
置構成が簡略であり、小型化することができるとともに
、安価な周波数安定化装置を提供することができる。

また、一つのレーザ素子の出射光のみを用いて発振光周
波数の安′定化のための帰還側′４ｆｆＨを行っている
ので、レーザ素子数が増加しても合波損失による受信信
号の劣化がなく、正確かつ安定した動作が可能となる。

さらに、一つのレーザ素子の発振光周波数の周波数シフ
ト量を検出する構成であるので、各レーザ素子の発振光
周波数の周波数間隔の制約はなく、広範囲の周波数間隔
を有する半導体アレーレーザの周波数安定化に適応可能
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例構成を示すブロック図。 第２図は同一バイアス電流における各レーザ素子の発振
波長を示す図。 第３図は半導体アレーレーザの各レーザ素子の周波数シ
フトＭの関係を示す図。 第４図は実験により求めた半導体アレーレーザの発振波
長と注入電流との関係を示す図。 第５図は複数の半導体レーザの周波数安定化装置の従来
例構成を示すブロック図。 １０・・・半導体アレーレーザ、１１・・・バイアス回
路、１２・・・光ファイバ、１３・・・光方向性結合器
、１４・・・光弁側回路、１５．３５・・・フォトダイ
オード、１６・・・検出回路、１７・・・帰還回路、２
１．４１・・・低周波発振器、２３・・・バイアス回路
、２５・・・加算器、２７・・・半導体レーザ、２９・
・・光ファイバ、３１・・・合波器、３３・・・リング
共振器、３７・・・増幅器、 ３つ・・・ミキサ、 ３・・・低周波通過フィルタ。 第 図 第 ２ 図 電流（ｍＡ） 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）単一縦モードで発振する複数のレーザ素子が集積
   化された半導体アレーレーザと、前記複数のレーザ素子
   の各発振光周波数を等周波数間隔に設定する駆動手段と
   、 前記複数のレーザ素子の何れか１つのレーザ素子の出射
   光の一部あるいは全部を取り込み、その発振光周波数に
   応じた光強度に変換する光弁別手段と、 前記光弁別手段が送出する出力光を受信する受信手段と
   、 前記受信手段が出力する受信信号強度と、前記一つのレ
   ーザ素子の所定の発振光周波数に対応する基準信号強度
   とを比較し、この所定の発振光周波数に対する前記一つ
   のレーザ素子の発振光周波数の周波数シフト量を検出す
   る検出手段と、前記検出手段の出力に基づいて、前記一
   つのレーザ素子の駆動手段に対してその発振光周波数を
   前記所定の発振光周波数に制御する帰還をかけ、前記複
   数のレーザ素子の他のレーザ素子の各駆動手段に対して
   、前記１つのレーザ素子の特性に対する他のレーザ素子
   の特性に応じて、他のレーザ素子の各発振光周波数をそ
   れぞれ所定の発振光周波数に制御する帰還をかける帰還
   手段と を備えたことを特徴とするアレーレーザの周波数安定化
   装置。