JPH07307516A - 波長可変半導体レーザ装置 - Google Patents
波長可変半導体レーザ装置Info
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- JPH07307516A JPH07307516A JP12334294A JP12334294A JPH07307516A JP H07307516 A JPH07307516 A JP H07307516A JP 12334294 A JP12334294 A JP 12334294A JP 12334294 A JP12334294 A JP 12334294A JP H07307516 A JPH07307516 A JP H07307516A
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- Japan
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- waveguide
- wavelength
- semiconductor laser
- bandpass filter
- tunable semiconductor
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Abstract
(57)【要約】
【目的】その発振波長が外部の温度変化に対して安定
で、かつレーザ部と波長制御部を同じ材料系で構成し集
積化に適した構造の波長可変半導体レーザ装置を提供す
る。 【構成】波長可変半導体レーザの出力の一部を２分岐し
て、一方は所望の発振波長より長い波長を中心波長とす
る第１光バンドパスフィルタに、他方は所望の発振波長
より短い波長を中心波長とする第２バンドパスフィルタ
に入射し、フィルタからの出力光の差信号によって波長
可変半導体レーザの発振波長を制御して発振波長を安定
化する波長可変半導体レーザ装置において、発振波長の
基準器である光バンドパスフィルタとして同方向性結合
器型フィルタを用い、さらにそれを同じ材料系で形成す
ることにより、発振波長が外部の温度変化に対して安定
で、装置が小形化される。
で、かつレーザ部と波長制御部を同じ材料系で構成し集
積化に適した構造の波長可変半導体レーザ装置を提供す
る。 【構成】波長可変半導体レーザの出力の一部を２分岐し
て、一方は所望の発振波長より長い波長を中心波長とす
る第１光バンドパスフィルタに、他方は所望の発振波長
より短い波長を中心波長とする第２バンドパスフィルタ
に入射し、フィルタからの出力光の差信号によって波長
可変半導体レーザの発振波長を制御して発振波長を安定
化する波長可変半導体レーザ装置において、発振波長の
基準器である光バンドパスフィルタとして同方向性結合
器型フィルタを用い、さらにそれを同じ材料系で形成す
ることにより、発振波長が外部の温度変化に対して安定
で、装置が小形化される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光加入者通信などの光通
信における高密度波長多重通信光源に関するものであ
る。
信における高密度波長多重通信光源に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】例えば、エルビウムドープのファイバレ
ーザ増幅器が利用できる1.55μｍ帯での波長多重の場合
には、ファイバレーザ増幅器の増幅帯域が３０数ｎｍで
あるから、２ｎｍの波長間隔で１６波長の波長多重が、
１ｎｍの波長間隔で３２波長の波長多重が可能となる。
ところで、光通信の光源となる分布帰還型（ＤＦＢ）半
導体レーザの発振波長は0.1 ｎｍ／℃の温度変化を示す
ため、仮に３０℃の温度変化があった場合、発振波長は
３ｎｍも変動する。このような波長変動があっては上記
のような高密度波長多重通信を行うことは出来ない。通
常、半導体レーザの発振波長を安定化する手段として広
く使用されている方法は、半導体レーザの温度が一定に
なるようにペルチエ素子を用いて温度制御をするもので
ある。しかし、ペルチエ素子による温度安定化には温度
センサーや温度コントローラ、直流電流電源、熱交換器
が必要であり、光源の小型化や低価格化が困難である。
また、温度による制御では応答速度が遅いという欠点も
ある。
ーザ増幅器が利用できる1.55μｍ帯での波長多重の場合
には、ファイバレーザ増幅器の増幅帯域が３０数ｎｍで
あるから、２ｎｍの波長間隔で１６波長の波長多重が、
１ｎｍの波長間隔で３２波長の波長多重が可能となる。
ところで、光通信の光源となる分布帰還型（ＤＦＢ）半
導体レーザの発振波長は0.1 ｎｍ／℃の温度変化を示す
ため、仮に３０℃の温度変化があった場合、発振波長は
３ｎｍも変動する。このような波長変動があっては上記
のような高密度波長多重通信を行うことは出来ない。通
常、半導体レーザの発振波長を安定化する手段として広
く使用されている方法は、半導体レーザの温度が一定に
なるようにペルチエ素子を用いて温度制御をするもので
ある。しかし、ペルチエ素子による温度安定化には温度
センサーや温度コントローラ、直流電流電源、熱交換器
が必要であり、光源の小型化や低価格化が困難である。
また、温度による制御では応答速度が遅いという欠点も
ある。
【０００３】ペルチエ素子を使用せずに光源の波長を安
定化する方法として特開昭６３−１６０３９１号のよう
に、光源に波長可変半導体レーザを用い、その発振波長
の変化を直接検出し、それを波長可変半導体レーザに帰
還して一定波長で発振させる分布帰還型半導体レーザ装
置が提案されている。図１１にその構成図を示す。１０
１は分布帰還型半導体レーザ、１０２は活性領域、１０
３は位相調整領域、１０４，１０５は可変分布反射器、
１０６はＹ型分岐導波路、１０７，１０８は分布反射
層、１０９，１１０は受光素子、１１１は引算器、１１
２は加算器、１１３は波長制御回路、１１４は光出力制
御回路、１１５は位相制御回路である。その装置は活性
領域１０２と、位相調整領域１０３と、これらに結合さ
れ光の進行方向に回折格子を有する１個以上の可変分布
反射器１０４，１０５からなる分布帰還型半導体レーザ
１０１からの出力の一部をＹ分岐型導波路１０６によっ
て、可変分布反射器１０４，１０５のブラッグ波長より
若干長いブラッグ波長を有する分布反射器１０７と、可
変分布反射器１０４，１０５より若干短いブラッグ波長
を有する分布反射器１０８に導き、さらに分布反射器１
０７，１０８からの出力を受光素子１０９，１１０にそ
れぞれ結合させる構成になっている。その動作は、引算
器１１１によって作成された受光素子１０９，１１０か
らの出力の差信号で波長制御回路１１３を介して可変分
布反射器１０４，１０５を制御することにより発振波長
を制御するものである。すなわち、分布反射器１０７，
１０８は、それらの透過率が図１２（ａ）の実線と破線
の曲線で表される光バンドパスフィルタとして作用し、
第１光バンドパスフィルタ（分布反射器１０７）と第２
光バンドパスフィルタ（分布反射器１０８）の差は同図
（ｂ）のようになりブラッグ波長近傍でレーザの発振波
長に比例したものになる。また、本装置では、受光素子
１０９，１１０の和信号により光出力制御回路１１４を
介して活性領域１０２を制御することにより光出力を制
御することが出来る。
定化する方法として特開昭６３−１６０３９１号のよう
に、光源に波長可変半導体レーザを用い、その発振波長
の変化を直接検出し、それを波長可変半導体レーザに帰
還して一定波長で発振させる分布帰還型半導体レーザ装
置が提案されている。図１１にその構成図を示す。１０
１は分布帰還型半導体レーザ、１０２は活性領域、１０
３は位相調整領域、１０４，１０５は可変分布反射器、
１０６はＹ型分岐導波路、１０７，１０８は分布反射
層、１０９，１１０は受光素子、１１１は引算器、１１
２は加算器、１１３は波長制御回路、１１４は光出力制
御回路、１１５は位相制御回路である。その装置は活性
領域１０２と、位相調整領域１０３と、これらに結合さ
れ光の進行方向に回折格子を有する１個以上の可変分布
反射器１０４，１０５からなる分布帰還型半導体レーザ
１０１からの出力の一部をＹ分岐型導波路１０６によっ
て、可変分布反射器１０４，１０５のブラッグ波長より
若干長いブラッグ波長を有する分布反射器１０７と、可
変分布反射器１０４，１０５より若干短いブラッグ波長
を有する分布反射器１０８に導き、さらに分布反射器１
０７，１０８からの出力を受光素子１０９，１１０にそ
れぞれ結合させる構成になっている。その動作は、引算
器１１１によって作成された受光素子１０９，１１０か
らの出力の差信号で波長制御回路１１３を介して可変分
布反射器１０４，１０５を制御することにより発振波長
を制御するものである。すなわち、分布反射器１０７，
１０８は、それらの透過率が図１２（ａ）の実線と破線
の曲線で表される光バンドパスフィルタとして作用し、
第１光バンドパスフィルタ（分布反射器１０７）と第２
光バンドパスフィルタ（分布反射器１０８）の差は同図
（ｂ）のようになりブラッグ波長近傍でレーザの発振波
長に比例したものになる。また、本装置では、受光素子
１０９，１１０の和信号により光出力制御回路１１４を
介して活性領域１０２を制御することにより光出力を制
御することが出来る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述の特開昭６３−１
６０３９１号に記述されている分布反射器１０７，１０
８の透過率の特性（図１２（ａ））は、実は誤りで、図
１２（ａ）の縦軸は反射率にしなければならない。すな
わち、図１３（ａ）のような回折格子はブラッグ波長で
反射器として作用するバンドエリミネイションフィルタ
となる。もし、図１２（ａ）のような透過率の特性を得
るためには、図１３（ｂ）のように回折格子の中央付近
で回折格子の位相を１８０度、光の位相に換算して９０
度（４分の１波長）ずらした回折格子を用いなければな
らない。このような回折格子が用いられたものとして以
下の説明をする。
６０３９１号に記述されている分布反射器１０７，１０
８の透過率の特性（図１２（ａ））は、実は誤りで、図
１２（ａ）の縦軸は反射率にしなければならない。すな
わち、図１３（ａ）のような回折格子はブラッグ波長で
反射器として作用するバンドエリミネイションフィルタ
となる。もし、図１２（ａ）のような透過率の特性を得
るためには、図１３（ｂ）のように回折格子の中央付近
で回折格子の位相を１８０度、光の位相に換算して９０
度（４分の１波長）ずらした回折格子を用いなければな
らない。このような回折格子が用いられたものとして以
下の説明をする。
【０００５】第１光バンドパスフィルタ（分布反射器１
０７）のブラッグ波長λ1Bは次式で与えられる。
０７）のブラッグ波長λ1Bは次式で与えられる。
【数１】 λ1B＝２ｎ1 Λ1 （１） ここで、ｎ1 は分布反射器１０７の等価屈折率、Λ1 は
回折格子のピッチを表す。この時のλ1Bの温度特性はΛ
1 の熱膨脹の影響を無視して
回折格子のピッチを表す。この時のλ1Bの温度特性はΛ
1 の熱膨脹の影響を無視して
【数２】 δλ1B／δＴ≒２Λ1 δｎ1 ／δＴ （２） である。同様に第２光バンドパスフィルタ（分布反射器
１０８）のブラッグ波長λ2Bの温度特性も
１０８）のブラッグ波長λ2Bの温度特性も
【数３】 δλ2B／δＴ≒２Λ2 δｎ2 ／δＴ （３） と書ける。Λ2 は回折格子のピッチ、ｎ2 は分布反射器
１０８の導波路の等価屈折率である。
１０８の導波路の等価屈折率である。
【０００６】一方、図１１の分布帰還型半導体レーザの
発振波長λ0 の温度変化は可変分布反射器の回折格子の
ピッチをΛ0 、その導波路の等価屈折率をｎ0 として、
活性領域１０２、位相調整領域１０３の影響はあるもの
の近似的には
発振波長λ0 の温度変化は可変分布反射器の回折格子の
ピッチをΛ0 、その導波路の等価屈折率をｎ0 として、
活性領域１０２、位相調整領域１０３の影響はあるもの
の近似的には
【数４】 δλ0 ≒２Λ0 δｎ0 ／δＴ （４） と書かれる。
【０００７】従って、図１１に示される構成の装置が特
開昭６３−１６０３９１号に述べられているような、例
えば、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料で集積化して製作された
場合
開昭６３−１６０３９１号に述べられているような、例
えば、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料で集積化して製作された
場合
【数５】 Λ0 ≒Λ１≒Λ２ （５） であり、また屈折率の温度変化も、それぞれほぼ等しい
ことから、半導体レーザ１０１の発振波長の温度変化と
第１光バンドパスフィルタ（分布反射器１０７）、第２
光バンドパスフィルタ（分布反射器１０８）のブラッグ
波長（透過特性）の温度変化は同じ特性を示すことにな
る。すなわち、波長の基準器たるべき分布反射器１０
７，１０８が分布帰還型半導体レーザと同程度の温度変
化をしていたのでは半導体レーザの発振波長を正確に測
定していることにはならない。図１２（ａ）の実線と破
線で示されている曲線の、例えばピーク値に対応する波
長差は温度変化に対して一定であっても、二つの光バン
ドパスフィルタ（分布反射器）の出力差が０になる波長
は温度とともに変化することになる。
ことから、半導体レーザ１０１の発振波長の温度変化と
第１光バンドパスフィルタ（分布反射器１０７）、第２
光バンドパスフィルタ（分布反射器１０８）のブラッグ
波長（透過特性）の温度変化は同じ特性を示すことにな
る。すなわち、波長の基準器たるべき分布反射器１０
７，１０８が分布帰還型半導体レーザと同程度の温度変
化をしていたのでは半導体レーザの発振波長を正確に測
定していることにはならない。図１２（ａ）の実線と破
線で示されている曲線の、例えばピーク値に対応する波
長差は温度変化に対して一定であっても、二つの光バン
ドパスフィルタ（分布反射器）の出力差が０になる波長
は温度とともに変化することになる。
【０００８】装置を集積化によって小型化し、経済化を
はかるためには、レーザ部と波長変化を検出する光バン
ドパスフィルタ部が同じ材料系で構成されなければなら
ない。通常、そのような場合、上で述べたようにレーザ
部と光バンドパスフィルタ部の波長特性は同じ温度依存
性を示す。両者を同じ材料系で構成した上で、尚且つ、
制御部（分布反射器）の温度特性を半導体レーザのそれ
よりも格段に優れたものにしなければ装置として全く意
味をなさない。
はかるためには、レーザ部と波長変化を検出する光バン
ドパスフィルタ部が同じ材料系で構成されなければなら
ない。通常、そのような場合、上で述べたようにレーザ
部と光バンドパスフィルタ部の波長特性は同じ温度依存
性を示す。両者を同じ材料系で構成した上で、尚且つ、
制御部（分布反射器）の温度特性を半導体レーザのそれ
よりも格段に優れたものにしなければ装置として全く意
味をなさない。
【０００９】本発明は、上記従来技術の問題点を解決す
るためになされたもので、その発振波長が外部の温度変
化に対して安定で、かつレーザ部と波長制御部を同じ材
料系で構成し集積化に適した構造の波長可変半導体レー
ザ装置を提供することを目的とする。
るためになされたもので、その発振波長が外部の温度変
化に対して安定で、かつレーザ部と波長制御部を同じ材
料系で構成し集積化に適した構造の波長可変半導体レー
ザ装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明による波長可変半導体レーザ装置は、第１光
バンドパスフィルタとして、そこへの入力光を導波する
第１導波路と、第１導波路と平行に近接する第３導波路
と、第１導波路と第３導波路に近接して平行に分布し、
回折格子の格子ベクトルの絶対値が第１導波路の伝搬定
数と第３導波路の伝搬定数の差の絶対値に等しくなる波
長を波長可変半導体レーザの所望の発振波長より長くし
た第１回折格子で構成される第１同方向性結合器型フィ
ルタと、第２光バンドパスフィルタとして、そこへの入
力光を導波する第２導波路と、第２導波路と平行に近接
する第４導波路と、第２導波路と第４導波路に近接して
平行に分布し、回折格子の格子ベクトルの絶対値が第２
導波路の伝搬定数と第４導波路の伝搬定数の差の絶対値
に等しくなる波長を波長可変半導体レーザの所望の発振
波長より短くした第２回折格子で構成される第２同方向
性結合器型フィルタを用いることにより、極めて温度特
性の優れた波長基準器としての光バンドパスフィルタを
形成し、これによって波長可変半導体レーザの発振波長
が外部の温度変化に対して安定で、かつレーザ部と光バ
ンドパスフィルタ部を同じ材料系で構成することにより
集積化に適した構造を実現している。
に、本発明による波長可変半導体レーザ装置は、第１光
バンドパスフィルタとして、そこへの入力光を導波する
第１導波路と、第１導波路と平行に近接する第３導波路
と、第１導波路と第３導波路に近接して平行に分布し、
回折格子の格子ベクトルの絶対値が第１導波路の伝搬定
数と第３導波路の伝搬定数の差の絶対値に等しくなる波
長を波長可変半導体レーザの所望の発振波長より長くし
た第１回折格子で構成される第１同方向性結合器型フィ
ルタと、第２光バンドパスフィルタとして、そこへの入
力光を導波する第２導波路と、第２導波路と平行に近接
する第４導波路と、第２導波路と第４導波路に近接して
平行に分布し、回折格子の格子ベクトルの絶対値が第２
導波路の伝搬定数と第４導波路の伝搬定数の差の絶対値
に等しくなる波長を波長可変半導体レーザの所望の発振
波長より短くした第２回折格子で構成される第２同方向
性結合器型フィルタを用いることにより、極めて温度特
性の優れた波長基準器としての光バンドパスフィルタを
形成し、これによって波長可変半導体レーザの発振波長
が外部の温度変化に対して安定で、かつレーザ部と光バ
ンドパスフィルタ部を同じ材料系で構成することにより
集積化に適した構造を実現している。
【００１１】
【実施例】以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。
説明する。
【００１２】
【実施例１】図１は、本発明の一実施例の装置の斜視図
であって、１は波長可変半導体レーザ、２は活性領域、
３は回折格子、４は波長可変制御領域、５，６は波長可
変制御領域４に電流を流すための電極、７，６は活性領
域２に電流を流すための電極、８はレーザ１からの出
力、９はレーザ１のもう一つの端面からの出力を導く導
波路、１０はＹ型光分岐導波路、１１，１２はＹ型光分
岐導波路１０で分岐された第１導波路と第２導波路、１
３は第１導波路１１に平行に近接した第３導波路、１４
は第２導波路１２に平行に近接した第４導波路、１５は
第１導波路１１と第３導波路１３と近接して平行に分布
する第１回折格子、１６は第２導波路１２と第４導波路
１４と近接して平行に分布する第２回折格子、１７，１
８は第３導波路１３と第４導波路１４にそれぞれ光学的
に結合している第１受光素子，第２受光素子である。１
９，２０は受光素子１７の電極、２１，２２は受光素子
１８の電極、２３は第１受光素子１７の出力と第２受光
素子１８の出力の差信号を作成し、それによって波長可
変半導体レーザ１の波長可変制御領域４にフィードバッ
クする制御電流を発生する波長可変制御回路、２４は第
１受光素子１７の出力と第２受光素子１８の出力の和信
号を作り、それによって波長可変半導体レーザ１の活性
領域２にフィードバックする制御電流を発生する光出力
制御回路、２５は第４導波路１４に電流注入もしくは電
界を印加するための位相整合波長制御回路、２６，２７
はそのための電極である。
であって、１は波長可変半導体レーザ、２は活性領域、
３は回折格子、４は波長可変制御領域、５，６は波長可
変制御領域４に電流を流すための電極、７，６は活性領
域２に電流を流すための電極、８はレーザ１からの出
力、９はレーザ１のもう一つの端面からの出力を導く導
波路、１０はＹ型光分岐導波路、１１，１２はＹ型光分
岐導波路１０で分岐された第１導波路と第２導波路、１
３は第１導波路１１に平行に近接した第３導波路、１４
は第２導波路１２に平行に近接した第４導波路、１５は
第１導波路１１と第３導波路１３と近接して平行に分布
する第１回折格子、１６は第２導波路１２と第４導波路
１４と近接して平行に分布する第２回折格子、１７，１
８は第３導波路１３と第４導波路１４にそれぞれ光学的
に結合している第１受光素子，第２受光素子である。１
９，２０は受光素子１７の電極、２１，２２は受光素子
１８の電極、２３は第１受光素子１７の出力と第２受光
素子１８の出力の差信号を作成し、それによって波長可
変半導体レーザ１の波長可変制御領域４にフィードバッ
クする制御電流を発生する波長可変制御回路、２４は第
１受光素子１７の出力と第２受光素子１８の出力の和信
号を作り、それによって波長可変半導体レーザ１の活性
領域２にフィードバックする制御電流を発生する光出力
制御回路、２５は第４導波路１４に電流注入もしくは電
界を印加するための位相整合波長制御回路、２６，２７
はそのための電極である。
【００１３】図２、図３は図１の装置の構造を分かりや
すくするために描いた断面図である。図２は図１の一点
鎖線ａ−ａ′に沿った断面図を示している。２８は波長
可変半導体レーザ１からの出力光、２９の斜線部分は第
４導波路１４から出射した出力光の広がりを表してい
る。そ一部が第２受光素子１８で検出される。図３は図
１の一点鎖線ｂ−ｂ′に沿った断面図を示している。
すくするために描いた断面図である。図２は図１の一点
鎖線ａ−ａ′に沿った断面図を示している。２８は波長
可変半導体レーザ１からの出力光、２９の斜線部分は第
４導波路１４から出射した出力光の広がりを表してい
る。そ一部が第２受光素子１８で検出される。図３は図
１の一点鎖線ｂ−ｂ′に沿った断面図を示している。
【００１４】ここで、図１〜図３を参照しながら装置の
動作を説明する。半導体レーザは、通常、ダイオードの
両端面から出力光が得られることから、波長可変半導体
レーザ１の一方からの出力８を送信に用い、他方からの
出力光２８を波長可変制御と光出力制御に用いる。出力
光２８は導波路９、Ｙ型光分岐導波路１０を経て第１導
波路１１と第２導波路１２に等分に分岐される。
動作を説明する。半導体レーザは、通常、ダイオードの
両端面から出力光が得られることから、波長可変半導体
レーザ１の一方からの出力８を送信に用い、他方からの
出力光２８を波長可変制御と光出力制御に用いる。出力
光２８は導波路９、Ｙ型光分岐導波路１０を経て第１導
波路１１と第２導波路１２に等分に分岐される。
【００１５】今、第１導波路１１に分岐された光の振る
舞いについて考えて見る。図４は図１から導波路部分の
みを抽出して描いたものである。ここで更に第１導波路
１１、第１回折格子１５、第３導波路１３の断面を図５
（ａ）に模式的に描いた。波長がλa の時、第１導波路
１１の等価屈折率をＮ1 、第３導波路１３の等価屈折率
をＮ3 とすれば、各々の伝搬定数β1 ，β3 は
舞いについて考えて見る。図４は図１から導波路部分の
みを抽出して描いたものである。ここで更に第１導波路
１１、第１回折格子１５、第３導波路１３の断面を図５
（ａ）に模式的に描いた。波長がλa の時、第１導波路
１１の等価屈折率をＮ1 、第３導波路１３の等価屈折率
をＮ3 とすれば、各々の伝搬定数β1 ，β3 は
【数６】 β1 ＝２πＮ1 ／λa （６）
【数７】 β3 ＝２πＮ3 ／λa （７） で与えられる。第１回折格子１５のピッチをΛa とすれ
ば格子ベクトルの絶対値Ｋ1 は
ば格子ベクトルの絶対値Ｋ1 は
【数８】 Ｋ1 ＝２π／Λa （８） である。波長がλa の時
【数９】 ｜β1 −β3 ｜＝Ｋ1 （９） なる位相整合条件を満たしているものとする。この様子
を図５（ｂ）に示した。
を図５（ｂ）に示した。
【００１６】Ｎ1 ，Ｎ3 は波長の関数であり波長λがλ
ａからずれると（９）式の条件を満たさなくなる。位相
整合条件からのずれを
ａからずれると（９）式の条件を満たさなくなる。位相
整合条件からのずれを
【数１０】 ２δ1 ＝（β1 −β3 ）−Ｋ1 （１０） とすれば、第１導波路１１への入力光の強度をＩ0 とし
て、その入力光が第１回折格子１５を介して同方向的に
第３導波路１３に結合し、第３導波路１３から得られる
光出力の強度Ｉ3 は次のように書かれる。
て、その入力光が第１回折格子１５を介して同方向的に
第３導波路１３に結合し、第３導波路１３から得られる
光出力の強度Ｉ3 は次のように書かれる。
【数１１】 Ｉ3 ／Ｉ0 ＝（κ13Ｌ1)2 ／｛（κ13Ｌ1)2 ＋（δ1 Ｌ1)2 ｝ × sin2 ［｛（κ13Ｌ1)2 ＋（δ1 Ｌ1)2 ｝1/2 ］ （１１） ただし、Ｌ1 は導波路の長さ、κ13は第１回折格子１５
を介した第１導波路１１と第３導波路１３の結合係数で
ある。今、Ｌ1 が、δ1 ＝０の時の光パワーの移行が起
きる条件
を介した第１導波路１１と第３導波路１３の結合係数で
ある。今、Ｌ1 が、δ1 ＝０の時の光パワーの移行が起
きる条件
【数１２】 κ13Ｌ1 ＝π／２ （１２） を満たしている時、δ1 Ｌ1 に対して（１１）式をプロ
ットしたものが図６である。δ1 Ｌ1 をλa からの波長
のずれΔλと対応ずければ、λa の近傍で
ットしたものが図６である。δ1 Ｌ1 をλa からの波長
のずれΔλと対応ずければ、λa の近傍で
【数１３】 Δλ≒λa Λa （δ1 Ｌ1 ）／πＬ1 （１３） となる。すなわち、図５（ａ）のような構成の同方向性
結合器の第３導波路１３の出力Ｉ3 はバンドパスフィル
タの特性を示す。このような構成の光フィルタを同方向
性結合器型フィルタと呼ぶ。
結合器の第３導波路１３の出力Ｉ3 はバンドパスフィル
タの特性を示す。このような構成の光フィルタを同方向
性結合器型フィルタと呼ぶ。
【００１７】ここで、位相整合条件である（９）式を
（６）〜（８）を用いて書きあらためると
（６）〜（８）を用いて書きあらためると
【数１４】 λa ＝｜Ｎ1 −Ｎ3 ｜Λa （１４） となる。これより、このフィルタ特性の温度依存性は
【数１５】 δλa ／δＴ＝（δＮ1 ／δＴ−δＮ3 ／δＴ）Λa ＋（Ｎ1 −Ｎ3 ）δΛa ／δＴ （１５） で与えられる。上式右辺の第２項は材料の熱膨張係数を
αとすれば
αとすれば
【数１６】 （Ｎ1 −Ｎ3 ）αΛa （１６） と表される。（１５）式の第１項に含まれる等価屈折率
の温度変化はＩｎＧａＡｓＰ系の場合
の温度変化はＩｎＧａＡｓＰ系の場合
【数１７】 δＮ／δＴ＝３×１０-4（１／℃） （１７） であり、熱膨張係数αは
【数１８】 α＝４．５×１０-6（１／℃） （１８） の大きさであるから（１７）式に比べて２桁小さいため
これを無視すると、（１５）式は
これを無視すると、（１５）式は
【数１９】 δλa ／δＴ≒（δＮ1 ／δＴ−δＮ3 ／δＴ）Λa （１９） と近似される。
【００１８】Ｎ1 ，Ｎ3 は凡そ３．５程度の値をとる
が、具体的な数値例としてＮ1 −Ｎ3＝０．１、Ｌ1 ＝
１ｍｍ、Λa ＝１５μｍは妥当であると考えられ、Ｎ1
−Ｎ3＝０．１ということは第１導波路１１、第３導波
路１３は同じInGaAsP 系の材料でほぼ同じ組成と構造を
持っているものと考えてよい。従って、その等価屈折率
の温度変化はほぼ等しく
が、具体的な数値例としてＮ1 −Ｎ3＝０．１、Ｌ1 ＝
１ｍｍ、Λa ＝１５μｍは妥当であると考えられ、Ｎ1
−Ｎ3＝０．１ということは第１導波路１１、第３導波
路１３は同じInGaAsP 系の材料でほぼ同じ組成と構造を
持っているものと考えてよい。従って、その等価屈折率
の温度変化はほぼ等しく
【数２０】 δＮ1 ／δＴ≒δＮ3 ／δＴ （２０） が成り立つ。（２０）式を考えれば（１９）式は
【数２１】 δλa ／δＴ≒0 （２１） になる。すなわち、同方向性結合器型フィルタの温度特
性は、同じ材料系の二つの導波路の等価屈折率の温度変
化の差になるから、仮にそれらに温度変化があっても差
がとられことにより温度変化は相殺される。このこと
は、従来技術の光バンドパスフィルタ（分布反射器）の
温度特性を表す（２）式と比較して格段に優れた温度特
性であることを示しており、これを波長の基準器として
使うことにより従来技術の温度特性の問題点が克服され
ることになる。
性は、同じ材料系の二つの導波路の等価屈折率の温度変
化の差になるから、仮にそれらに温度変化があっても差
がとられことにより温度変化は相殺される。このこと
は、従来技術の光バンドパスフィルタ（分布反射器）の
温度特性を表す（２）式と比較して格段に優れた温度特
性であることを示しており、これを波長の基準器として
使うことにより従来技術の温度特性の問題点が克服され
ることになる。
【００１９】全く同様の議論を第２導波路１２、第４導
波路１４、第２回折格子１６で構成される第２同方向性
結合器フィルタに適用する。波長がλb の時、第２導波
路１２の等価屈折率をＮ2 、第４導波路１４の等価屈折
率をＮ4 とすれば、各々の伝搬定数β2 ，β4 は
波路１４、第２回折格子１６で構成される第２同方向性
結合器フィルタに適用する。波長がλb の時、第２導波
路１２の等価屈折率をＮ2 、第４導波路１４の等価屈折
率をＮ4 とすれば、各々の伝搬定数β2 ，β4 は
【数２２】 β2 ＝２πＮ2 ／λb （２２）
【数２３】 β4 ＝２πＮ4 ／λb （２３） で与えられる。第２回折格子１６のピッチをΛb とすれ
ば格子ベクトルの絶対値Ｋ2 は
ば格子ベクトルの絶対値Ｋ2 は
【数２４】 Ｋ2 ＝２π／Λb （２４） である。波長がλb の時
【数２５】 ｜β2 −β4 ｜＝Ｋ2 （２５） なる位相整合条件を満たしているものとする。
【００２０】Ｎ2 ，Ｎ4 は波長の関数であり波長λがλ
b からずれると（２５）の条件を満たさなくなる。位相
整合条件からのずれを
b からずれると（２５）の条件を満たさなくなる。位相
整合条件からのずれを
【数２６】 ２δ2 ＝（β2 −β4 ）−Ｋ2 （２６） とすれば、第２導波路１２への入力光の強度をＩ0 とし
て、その入力光が第２回折格子１６を介して同方向的に
第４導波路１４に結合し、第４導波路１４から得られる
光出力の強度Ｉ4 は次のように書かれる。
て、その入力光が第２回折格子１６を介して同方向的に
第４導波路１４に結合し、第４導波路１４から得られる
光出力の強度Ｉ4 は次のように書かれる。
【数２７】 Ｉ4 ／Ｉ0 ＝（κ24Ｌ2)2 ／｛（κ24Ｌ2)2 ＋（δ2 Ｌ2)2 ｝ ×sin2［｛（κ24Ｌ2)2 ＋（δ2 Ｌ2)2 ｝1/2 ］ （２７） ただし、Ｌ2 は導波路の長さ、κ24は第２回折格子１６
を介した第２導波路１２と第４導波路１４の結合係数で
ある。今、Ｌ2 が、δ2 ＝０の時の光パワーの移行が起
きる条件
を介した第２導波路１２と第４導波路１４の結合係数で
ある。今、Ｌ2 が、δ2 ＝０の時の光パワーの移行が起
きる条件
【数２８】 κ24Ｌ2 ＝π／２ （２８） を満たしている時、δ2 Ｌ2 に対して（２７）式をプロ
ットすれば図６と同じ特性が得られる。
ットすれば図６と同じ特性が得られる。
【００２１】第２同方向性結合器型フィルタの（１４）
式に対応する式は
式に対応する式は
【数２９】 λb ＝｜Ｎ2 −Ｎ4 ｜Λb （２９） となる。λa ＞λb として第１受光素子１７の出力と第
２受光素子１８の出力の差を波長に対してプロットした
ものが図７の実線の曲線である。今、出力差が０になる
波長を波長可変半導体レーザ１の所望の発振波長λc と
すれば、出力差が０になるように波長可変制御回路２３
を通して波長可変半導体レーザ１に制御電流をフィード
バックして、レーザを波長λc で発振させることが出来
る。
２受光素子１８の出力の差を波長に対してプロットした
ものが図７の実線の曲線である。今、出力差が０になる
波長を波長可変半導体レーザ１の所望の発振波長λc と
すれば、出力差が０になるように波長可変制御回路２３
を通して波長可変半導体レーザ１に制御電流をフィード
バックして、レーザを波長λc で発振させることが出来
る。
【００２２】第１および第２同方向性結合器型フィルタ
の中心波長（λa ，λb ）とフィルタのプロファイルは
所望の発振波長λc と要求される波長の制御範囲から設
計される。λc の微調整は、位相整合波長制御回路２５
から例えば第４導波路１４に電流注入するか逆バイアス
による電界を印加して屈折率を変化し位相整合波長λb
を変えて行うことが出来る。波長可変半導体レーザ１の
光出力は第１受光素子１７の出力と第２受光素子１８の
出力の和信号を作り、それによって光出力制御回路２４
より半導体レーザの活性領域２へ制御電流をフィードバ
ックすることにより一定に保つことが出来る。
の中心波長（λa ，λb ）とフィルタのプロファイルは
所望の発振波長λc と要求される波長の制御範囲から設
計される。λc の微調整は、位相整合波長制御回路２５
から例えば第４導波路１４に電流注入するか逆バイアス
による電界を印加して屈折率を変化し位相整合波長λb
を変えて行うことが出来る。波長可変半導体レーザ１の
光出力は第１受光素子１７の出力と第２受光素子１８の
出力の和信号を作り、それによって光出力制御回路２４
より半導体レーザの活性領域２へ制御電流をフィードバ
ックすることにより一定に保つことが出来る。
【００２３】波長可変半導体レーザ１の一例として、こ
こではＴＴＧレーザ（例えば、文献Electronics Lette
r, vol.26, no.1, pp.46-47, Jan. 1990, S.Illek et a
l.,"over 7nm(875GHz) Continuous Wavelength Tuning
by Tunable Twin-guide(TTG)Laser Diode"を参照) を用
いている。これは、基本的に、回折格子を内蔵した分布
帰還型半導体レーザであるが、活性領域２に平行に導波
路４があり導波路４に電流注入して導波路４の屈折率を
変え、それによって発振波長となる回折格子３のブラッ
グ波長を連続的に変化させ、チューニングを行なうもの
である。
こではＴＴＧレーザ（例えば、文献Electronics Lette
r, vol.26, no.1, pp.46-47, Jan. 1990, S.Illek et a
l.,"over 7nm(875GHz) Continuous Wavelength Tuning
by Tunable Twin-guide(TTG)Laser Diode"を参照) を用
いている。これは、基本的に、回折格子を内蔵した分布
帰還型半導体レーザであるが、活性領域２に平行に導波
路４があり導波路４に電流注入して導波路４の屈折率を
変え、それによって発振波長となる回折格子３のブラッ
グ波長を連続的に変化させ、チューニングを行なうもの
である。
【００２４】次に、この波長可変半導体レーザ装置の製
造法を図８及び図９を用いて説明する。まず、図８
（ａ）に示すようにp-InP 基板５１上にp-InP 層５２、
第３，第４導波路となるp-InGaAsP 層５３，p-InP 層５
４、第１回折格子１５，第２回折格子１６となるp-InGa
AsP 層５５を順次エピタキシャル成長する。p-InGaAsP
層５３，５５は発振波長に対して十分透明である組成を
選ぶ。必要な幅とピッチの回折格子をエッチングで形成
する（図８（ｂ））。その後、回折格子を埋め込むため
のp-InP 層５６、波長可変制御領域４であり第１，第２
導波路１１，１２となるn-InGaAsP 層５７，n-InP 層５
８、活性領域２となるInGaAsP 層５９、波長可変半導体
レーザの回折格子を作るためのp-InGaAsP 層６０を成長
する。そこで、p-InGaAsP 層６０に回折格子を形成した
後、その上にp-InP ６１を成長する（図８（ｃ））。そ
れから２回のエッチングプロセスを経て図９（ａ）のよ
うに波長可変半導体レーザ部１とそれに続く導波路部を
形成する。続いて、図９（ｂ）に示すごとく埋め込み用
n-InP 層６２、オーミックコンタクト用のn-InGaAsP 層
６３、第１，第２受光素子１７，１８用のn-InGaAs層６
４、p-InGaAs層６５を成長する。最後に、エッチングで
第１受光素子１７，第２受光素子１８を形成し、亜鉛を
領域６６に拡散してから電極付けを行なう（図９
（ｃ））。導波路の伝搬定数（あるいは等価屈折率）の
設計値は導波路の組成（屈折率）、幅、厚さ等によって
実現出来る。
造法を図８及び図９を用いて説明する。まず、図８
（ａ）に示すようにp-InP 基板５１上にp-InP 層５２、
第３，第４導波路となるp-InGaAsP 層５３，p-InP 層５
４、第１回折格子１５，第２回折格子１６となるp-InGa
AsP 層５５を順次エピタキシャル成長する。p-InGaAsP
層５３，５５は発振波長に対して十分透明である組成を
選ぶ。必要な幅とピッチの回折格子をエッチングで形成
する（図８（ｂ））。その後、回折格子を埋め込むため
のp-InP 層５６、波長可変制御領域４であり第１，第２
導波路１１，１２となるn-InGaAsP 層５７，n-InP 層５
８、活性領域２となるInGaAsP 層５９、波長可変半導体
レーザの回折格子を作るためのp-InGaAsP 層６０を成長
する。そこで、p-InGaAsP 層６０に回折格子を形成した
後、その上にp-InP ６１を成長する（図８（ｃ））。そ
れから２回のエッチングプロセスを経て図９（ａ）のよ
うに波長可変半導体レーザ部１とそれに続く導波路部を
形成する。続いて、図９（ｂ）に示すごとく埋め込み用
n-InP 層６２、オーミックコンタクト用のn-InGaAsP 層
６３、第１，第２受光素子１７，１８用のn-InGaAs層６
４、p-InGaAs層６５を成長する。最後に、エッチングで
第１受光素子１７，第２受光素子１８を形成し、亜鉛を
領域６６に拡散してから電極付けを行なう（図９
（ｃ））。導波路の伝搬定数（あるいは等価屈折率）の
設計値は導波路の組成（屈折率）、幅、厚さ等によって
実現出来る。
【００２５】以上の実施例においては波長可変半導体レ
ーザとしてＴＴＧレーザを用いて説明してきたが、本発
明は同様の機能を有する波長可変半導体レーザに適用す
ることが出来る。また、InGaAsP 系の材料によって説明
してきたがAlGaAs系など他の半導体材料系に適用するこ
とが出来る。同方向性結合器の部分で第３，第４導波路
１３，１４を図４のように積層状の構成で説明してきた
が、図１０のように第１，第２回折格子７１，７２と第
３，第４導波路７３，７４を同一平面に構成することも
出来る。
ーザとしてＴＴＧレーザを用いて説明してきたが、本発
明は同様の機能を有する波長可変半導体レーザに適用す
ることが出来る。また、InGaAsP 系の材料によって説明
してきたがAlGaAs系など他の半導体材料系に適用するこ
とが出来る。同方向性結合器の部分で第３，第４導波路
１３，１４を図４のように積層状の構成で説明してきた
が、図１０のように第１，第２回折格子７１，７２と第
３，第４導波路７３，７４を同一平面に構成することも
出来る。
【００２６】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、波長可変半
導体レーザの出力の一部を２分岐して、一方は所望の発
振波長より長い波長を中心波長とする第１光バンドパス
フィルタに、他方は所望の発振波長より短い波長を中心
波長とする第２バンドパスフィルタに入射し、フィルタ
からの出力光を受光素子で検出し、それらの出力の差信
号によって波長可変半導体レーザの発振波長を制御して
発振波長を安定化する波長可変半導体レーザ装置におい
て、本発明では、発振波長の基準器である光バンドパス
フィルタとして同方向性結合器型フィルタを用いること
により、さらにそれを同じ材料系で形成することによ
り、発振波長が外部の温度変化に対して安定で、かつ半
導体レーザ部と波長変化を検出する光バンドパスフィル
タ部が同じ材料系で構成できるため、波長可変半導体レ
ーザ、光分岐導波路、第１および第２同方向性結合器型
フィルタ、そして第１および第２受光素子が同一基板上
に集積化可能になり装置が小型化され、経済的な高密度
波長多重通信用光源が実現出来るなど顕著な利点が得ら
れる。これによって、より高密度で経済的な波長多重に
よる光ファイバ通信を可能にする。
導体レーザの出力の一部を２分岐して、一方は所望の発
振波長より長い波長を中心波長とする第１光バンドパス
フィルタに、他方は所望の発振波長より短い波長を中心
波長とする第２バンドパスフィルタに入射し、フィルタ
からの出力光を受光素子で検出し、それらの出力の差信
号によって波長可変半導体レーザの発振波長を制御して
発振波長を安定化する波長可変半導体レーザ装置におい
て、本発明では、発振波長の基準器である光バンドパス
フィルタとして同方向性結合器型フィルタを用いること
により、さらにそれを同じ材料系で形成することによ
り、発振波長が外部の温度変化に対して安定で、かつ半
導体レーザ部と波長変化を検出する光バンドパスフィル
タ部が同じ材料系で構成できるため、波長可変半導体レ
ーザ、光分岐導波路、第１および第２同方向性結合器型
フィルタ、そして第１および第２受光素子が同一基板上
に集積化可能になり装置が小型化され、経済的な高密度
波長多重通信用光源が実現出来るなど顕著な利点が得ら
れる。これによって、より高密度で経済的な波長多重に
よる光ファイバ通信を可能にする。
【図１】本発明の１実施例の装置の斜視図である。
【図２】図１の一点鎖線ａ−ａ′に沿った断面図であ
る。
る。
【図３】図１の一点鎖線ｂ−ｂ′に沿った断面図であ
る。
る。
【図４】図１の波長可変半導体レーザ部を除いた導波路
部分の斜視図である。
部分の斜視図である。
【図５】図１の実施例の一部断面構成を示す模式図
（ａ）とその動作状態を示す図（ｂ）である。
（ａ）とその動作状態を示す図（ｂ）である。
【図６】図１の実施例の動作を説明するための特性図で
ある。
ある。
【図７】図１の実施例の動作を説明するための特性図で
ある。
ある。
【図８】本発明装置の製造プロセスを説明するための断
面図である。
面図である。
【図９】本発明装置の製造プロセスを説明するための断
面図である。
面図である。
【図１０】図４に示す同方向性結合器型フィルタの別の
実施例を示す斜視図である。
実施例を示す斜視図である。
【図１１】波長可変半導体レーザ装置の従来例の斜視図
である。
である。
【図１２】図１０に示す従来例の動作原理を説明するた
めの特性図である。
めの特性図である。
【図１３】通常の回折格子の構造を示す略図（ａ）と４
分の１波長シフト回折格子の構造を示す略図（ｂ）であ
る。
分の１波長シフト回折格子の構造を示す略図（ｂ）であ
る。
１ 波長可変半導体レーザ ２ 活性領域 ３ 回折格子 ４ 波長可変制御領域 ５ 電極 ６ 電極 ７ 電極 ８ レーザ１からの出力光 ９ 導波路 １０ Ｙ型光分岐導波路 １１ 第１導波路 １２ 第２導波路 １３ 第３導波路 １４ 第４導波路 １５ 第１回折格子 １６ 第２回折格子 １７ 第１受光素子 １８ 第２受光素子 １９ 電極 ２０ 電極 ２１ 電極 ２２ 電極 ２３ 波長可変制御回路 ２４ 光出力制御回路 ２５ 位相整合波長制御回路 ２６ 電極 ２７ 電極 ２８ レーザ１からの出力光 ２９ 第４導波路１４から出射する出力光 ５１ p-InP 基板 ５２ p-InP 層 ５３ p-InGaAsP層 ５４ p-InP 層 ５５ p-InGaAsP 層 ５６ p-InP 層 ５７ n-InGaAsP 層 ５８ n-InP 層 ５９ InGaAsP 層 ６０ p-InGaAsP 層 ６１ p-InP 層 ６２ n-InP 層 ６３ n-InGaAsP層 ６４ n-InGaAs層 ６５ p-InGaAs層 ６６ 亜鉛拡散領域 ７１ 第１回折格子 ７２ 第２回折格子 ７３ 第３導波路 ７４ 第４導波路 １０１ 分布帰還型半導体レーザ １０２ 活性領域 １０３ 位相調整領域 １０４ 可変分布反射器 １０５ 可変分布反射器 １０６ Ｙ型分岐導波路 １０７ 分布反射層 １０８ 分布反射層 １０９ 受光素子 １１０ 受光素子 １１１ 引算器 １１２ 加算器 １１３ 波長制御回路 １１４ 光出力制御回路 １１５ 位相制御回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 笠 史郎 東京都新宿区西新宿二丁目３番２号 国際 電信電話株式会社内
Claims (3)
- 【請求項１】 波長可変半導体レーザと、該波長可変半
導体レーザの出力光の一部を導波し２分岐する光分岐導
波路と、該光分岐導波路の一方の導波路の出力光が入射
し該波長可変半導体レーザの所望の発振波長より長い波
長を中心波長とする第１光バンドパスフィルタと、該光
分岐導波路の他方の導波路の出力光が入射し該波長可変
半導体レーザの所望の発振波長より短い波長を中心波長
とする第２光バンドパスフィルタと、該第１および第２
バンドパスフィルタからの出力光を検出するための第１
受光素子および第２受光素子と、該第１および第２受光
素子からの出力の差信号によって該波長可変半導体レー
ザの発振波長を制御する制御回路とにより構成される波
長可変半導体レーザ装置において、該第１光バンドパス
フィルタとして、該第１光バンドパスフィルタへの入力
光を導波する第１導波路と、該第１導波路と平行に近接
する第３導波路と、該第１導波路と該第３導波路に近接
して平行に分布し回折格子の格子ベクトルの絶対値が該
第１導波路の伝搬定数と該第３導波路の伝搬定数の差の
絶対値に等しくなる波長を該波長可変半導体レーザの所
望の発振波長より長くした第１回折格子で構成される第
１同方向性結合器型フィルタと、該第２光バンドパスフ
ィルタとして、該第２バンドパスフィルタへの入力光を
導波する第２導波路と、該第２導波路と平行に近接する
第４導波路と、該第２導波路と該第４導波路に近接して
平行に分布し回折格子の格子ベクトルの絶対値が該第２
導波路の伝搬定数と該第４導波路の伝搬定数の差の絶対
値に等しくなる波長を該波長可変半導体レーザの所望の
波長より短くした第２回折格子で構成された第２方向性
結合器型フィルタを具備することを特徴とする波長可変
半導体レーザ装置。 - 【請求項２】 前記第１および第２同方向性結合器型フ
ィルタにおいて、該第１導波路と該第３導波路、該第２
導波路と該第４導波路、および各導波路を埋め込んでい
る領域が同じ材料系で形成されていることを特徴とする
請求項１に記載の波長可変半導体レーザ装置。 - 【請求項３】 前記第１および第２同方向性結合器型フ
ィルタと、前記波長可変半導体レーザと、前記光分岐導
波路と、前記第１および第２受光素子が同一基板上に集
積化されていることを特徴とする請求項１に記載の波長
可変半導体レーザ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12334294A JPH07307516A (ja) | 1994-05-13 | 1994-05-13 | 波長可変半導体レーザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12334294A JPH07307516A (ja) | 1994-05-13 | 1994-05-13 | 波長可変半導体レーザ装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07307516A true JPH07307516A (ja) | 1995-11-21 |
Family
ID=14858200
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12334294A Pending JPH07307516A (ja) | 1994-05-13 | 1994-05-13 | 波長可変半導体レーザ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07307516A (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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