JPH11238946A

JPH11238946A - レーザ・モジュールおよびその波長および光パワーを同時に安定化させる方法

Info

Publication number: JPH11238946A
Application number: JP10357216A
Authority: JP
Inventors: Douglas S Burbidge; ダグラス・エス・バービッジ; Daniel Gariepy; ダニエル・ガリーピー
Original assignee: Northern Telecom Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1997-12-24
Filing date: 1998-12-16
Publication date: 1999-08-31
Also published as: EP0926789A2; EP0926789A3; CA2254305A1; US6101200A; EP0926789B1; DE69805745T2; DE69805745D1; CA2254305C

Abstract

(57)【要約】【課題】レーサ゛の波長およびハ゜ワーを同時に制御できるよう
にする。【解決手段】レーサ゛のト゛ライフ゛電流を調節してレーサ゛出力を目
標光ハ゜ワーレヘ゛ルにロックさせる外部自動ハ゜ワー制御(APC)モシ゛ュール
と、レーサ゛の動作温度を調節して動作温度を目標温度レヘ゛ル
に到達させる外部自動温度制御(ATC)モシ゛ュールに接続され
ており、半導体レーサ゛と、レーサ゛の温度を調節する熱冷却機
(TEC)と、TECをATCモシ゛ュールの出力に接続する手段と、レーサ
゛をAPCモシ゛ュールのト゛ライフ゛電流出力に接続する手段と、レーサ゛
出力の光ハ゜ワーレヘ゛ルを示す光ハ゜ワーレヘ゛ル信号を生成する手段
と、光ハ゜ワーレヘ゛ル信号をAPCモシ゛ュールに伝える手段と、レーサ゛
出力の波長エラーを示す波長エラー信号を生成する手段と、波
長エラー信号から見かけ温度レヘ゛ル信号を導き出す手段と、
見かけ温度レヘ゛ル信号をATCモシ゛ュールに伝える手段とを備
え、見かけ温度レヘ゛ル信号が所与の温度レヘ゛ルに達したこと
を示すまでレーサ゛温度を変化させることでレーサ゛出力波長を
調節するレーサ゛モシ゛ュール。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光電気通信のスイ
ッチに使用される半導体レーザの波長および出力パワー
の安定化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザのモジュールは、通信シス
テムにおいて信号送信機として使用されることができ
る。このように使用されるとき、これらのモジュール
は、しばしば波長および出力パワーを監視して訂正する
外部制御ループと一緒に動作する。このようなループ
は、レーザの動作温度およびレーザに与えられるドライ
ブ電流を変化させることにより、どのように波長および
出力パワーを制御するかを規定する周知の関係に依存す
る。こうして、波長およびパワーは、レーザ・モジュー
ルの外部にあるモジュールを使用して、多くのレーザに
おいて安定化される。これらの外部モジュールは、以下
に挙げる種類の制御ループを実現する。

【０００３】（１）自動温度制御（ＡＴＣ）ループ：こ
れは、レーザ・モジュールから温度レベル信号を受け取
り、それを使用して、レーザの動作温度を所望のレベル
に適合させる。（２）自動パワー制御（ＡＰＣ）ループ：これは、レー
ザ・モジュールから出力パワーレベル信号を受け取り、
それを使用して、出力パワーが所望のレベルになるよう
レーザの入力ドライブ電流を調節する。

【０００４】波長エラーは、多くのレーザ・カードにお
いて直接には測定も調整もされない。このような測定
は、ＡＰＣおよびＡＴＣモジュールの適切な機能がパワ
ーおよび温度への制御を提供することにより、上記述べ
た関係に従って波長へも十分な制御をも提供するという
仮定に基づいて省略される。

【０００５】この仮定は、波長を、モードの跳び(mode-
hops)が生じるのを防ぐのに必要な程度にさえ制御すれ
ばよいときは、正当化される。しかし、最近では、波長
をより厳密に制御するのが望ましくなってきている。よ
り具体的には、既存のレーザ・モジュールを、光ファイ
バー伝送システムにおける高密度波長分割多重方式（de
nse wavelength division multiplexing:ＤＷＤＭ）の
レーザ・モジュールに向上させることが望まれてきてい
る。これらのモジュールのこの動作は、チャネル間の波
長間隔を減らすことを必要とし、また波長エラーを直接
に測定も訂正もしないシステムで利用するよりも、より
程度の高い波長安定化を必要とする。波長エラーを測定
および訂正するための制御ループが、ＤＷＤＭのサポー
トを実現するのに必要である。また、パワーを測定して
制御するための制御ループを同時に維持するのが望まし
い。

【０００６】パワーおよび波長の両方を同時に制御する
既知のデバイスがある。それらのデバイスは、レーザへ
のドライブ電流を調節することにより、出力パワーとは
別に、波長エラーにおける何らかの変動を直接訂正する
よう改良されたＡＰＣモジュールに依存する。また、Ａ
ＴＣモジュールを使用して、ＤＷＤＭ以前のカードで行
われるように、温度を制御する。さらに、ＡＴＣモジュ
ールの温度目標を調節することにより、出力パワーを最
小にする。たとえば、米国特許番号第4、821、273号（198
9年4月11日発行）および第5、042、042号（1989年8月20日
発行）に参照することができる。

【０００７】このアプローチの欠点は、入力として波長
エラー信号を使用するよう設計された専用の温度制御回
路が必要なことであり、したがって波長制御の実現を既
存のシステムに挿入することができない。

【０００８】このアプローチの他の問題点は、常に接続
され、その入力はパワーレベル信号を受け取り、その出
力はレーザ電流を出力するようになっているＡＰＣモジ
ュールの通常の動作を排除することである。

【０００９】このアプローチの最後の問題点は、レーザ
の前部へき開面(front facet)からの光を用い、光スプ
リッターの使用を介して、波長監視装置の提供を含んで
いることである。これは、その装置が、ファイバに到達
する信号のパワーレベルを下げるので、問題である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】したがって、米国特許
番号第4、821、273号および5、042、042号のような波長およ
びパワーを同時に制御する既存の制御ループを、すでに
ある既存のＡＰＣおよび／またはＡＴＣモジュールの実
行に影響を及ぼすことなく既存のレーザ・カード上に実
現することができない。ＡＴＣおよびＡＰＣモジュール
のみを備える多くのＤＷＤＭ以前のカードがあるので、
既存のレーザ・カードのレイアウトに対しても、またす
でにある既存のＡＴＣおよびＡＰＣモジュールの現在の
実行に対しても変更を必要としないよう、新しいＤＷＤ
Ｍのレーザ・モジュールを実装するのが望ましい。すな
わち、新しい波長制御機能が、レーザ・モジュールの中
に内蔵されており、すでにある既存のＡＰＣおよびＡＴ
Ｃモジュールの実行を妨害しないようにするのが望まし
い。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、ＤＷＤ
Ｍ以前の外部制御モジュールと互換性のあるモジュール
において出力および波長のロッキング(locking)を同時
に提供することである。

【００１２】本発明のさらなる目的は、カード上にすで
に実装されている外部制御モジュールのいずれかへのア
クセス、または外部制御モジュールのいずれかの知識を
必要とすることなく、上記の目的を達成することであ
る。

【００１３】他の目的は、外部の自動パワー制御（ＡＰ
Ｃ）モジュールおよび外部の自動温度制御（ＡＴＣ）モ
ジュールへの接続のためのレーザ・モジュールにより達
成される。ここで、ＡＰＣモジュールは、レーザのドラ
イブ電流を調節するよう構成され、レーザの出力が目標
の光パワーレベルにロックされるようにする。ＡＴＣモ
ジュールは、レーザの動作温度を調節するよう構成さ
れ、目標の温度レベルに動作温度が達するようにする。
前記レーザ・モジュールは、レーザの温度を上方および
下方に調節を行う熱電冷却機（ＴＥＣ）と、熱電冷却機
をＡＴＣモジュールの出力に接続する第１の端子手段
と、レーザをＡＰＣモジュールのドライブ電流の出力に
接続する第２の端子手段と、レーザ出力のパワーレベル
を示す光パワーレベル信号を生成する手段と、レーザ出
力の波長エラーを示す波長エラー信号を生成する手段
と、光パワーレベル信号をＡＰＣモジュールに伝える第
３の端子手段と、波長エラー信号から見かけ温度レベル
信号を導き出す手段と、見かけ温度レベル信号をＡＴＣ
モジュールに伝える第４の端子手段とを備え、所与の温
度レベルに到達したことを、見かけ温度レベル信号が示
すまで、レーザの温度を変化させることにより、レーザ
出力の波長を調節するようにする。

【００１４】前記見かけ温度レベル信号を導き出す手段
は、可変抵抗を備えることができる。可変抵抗は、サー
ミスタと、波長エラー信号により制御される第２の熱冷
却機とを備えることができ、第２の熱冷却機は、レーザ
およびサーミスタの間に温度差を作ることにより、サー
ミスタの抵抗値を制御するのに使用される。第２の熱冷
却機はサーミスタに接して置くこともでき、またはサー
ミスタの周辺に置くこともできる。さらに、第２の熱冷
却機を、サーミスタと共にモノシリックに集積化するこ
とができる。

【００１５】本発明の実施形態によると、可変抵抗は、
その抵抗値が前記波長エラー信号により制御される制御
可能な抵抗と、制御可能な抵抗に並列に配置されたサー
ミスタとを備え、波長エラー信号により行われる制御可
能な抵抗に対する調節により、制御可能な抵抗および該
サーミスタを組み合わせた等価な抵抗値が判断されるよ
うにすることができる。さらに、制御可能な抵抗がMOSF
ETを備え、波長エラー信号がMOSFETのゲートに印加さ
れ、サーミスタがMOSFETのドレインおよびソースに並列
に接続されるよう構成することもできる。

【００１６】さらに本発明の他の実施形態によると、可
変抵抗は、その抵抗値が波長エラー信号により制御され
る制御可能な抵抗と、制御可能な信号に直列に配置され
たサーミスタとを備え、波長エラー信号により行われる
制御可能な抵抗に対する調節により、制御可能な抵抗お
よび該サーミスタを組み合わせた等価な抵抗値が判断さ
れるようにすることができる。さらに、制御可能な抵抗
がMOSFETを備え、波長エラー信号がMOSFETのゲートに印
加され、サーミスタがMOSFETのドレインまたはソースに
直列に接続されるよう構成することもできる。

【００１７】本発明の他の実施形態によると、可変抵抗
は、その抵抗値が波長エラー信号により制御される制御
可能な抵抗を備えるのが好ましい。制御可能な抵抗がMO
SFETを備え、波長エラー信号がMOSFETのゲートに印加さ
れるようにすることができる。

【００１８】本発明の実施形態によると、レーザ出力の
波長エラーを示す波長エラー信号を生成する手段は、波
長弁別の要素に関連して配置された２つの光検出器を備
えて、２つの検出器のスペクトル応答を異なるように
し、２つの検出器により生成される差分信号を、波長エ
ラー信号を示すのに使用することができる。さらに、レ
ーザ出力のパワーレベルを示す光パワーレベル信号を生
成する手段が、波長エラー信号を生成する手段から分離
されている光検出器を備えることができる。または、レ
ーザ出力のパワーレベルを示す光パワーレベル信号を生
成する手段が、波長エラー信号を生成するのに使用され
る２つの光検出器のうちの１つを備えることができる。
この場合、２つの光検出器は、レーザの後部へき開面か
ら出る光を感知する。

【００１９】他の側面によると、本発明は、半導体レー
ザの波長および光パワーの両方を同時に安定化させるシ
ステムを提供する。このシステムは、レーザの光パワー
を監視して、光パワーレベル信号を導き出す手段と、光
パワーレベル信号を最小にするため、レーザのドライブ
電流を調節する手段と、レーザの波長を監視して、波長
エラー信号を導き出す手段と、レーザの温度を感知する
温度センサと、レーザの温度を上方および下方に調節を
行う熱電冷却機と、熱電冷却機および温度センサに接続
され、温度センサから予め定められた出力を維持するよ
う構成される温度制御ユニットと、波長エラー信号に温
度センサの出力特性を調節させ、温度制御ユニットが、
実際のレーザ温度を調節して、温度センサから最初の予
め定められた出力を維持することにより、波長エラー信
号を減少させるようにする手段とを備える。

【００２０】他の側面によると、本発明は、半導体レー
ザの波長およびパワーの出力を同時に安定化させる方法
を提供する。方法は、光パワーレベルを検出して光パワ
ーレベル信号を生成するステップと、光パワーレベル信
号を自動パワー制御（ＡＰＣ）モジュールに送り、該モ
ジュールがレーザに送り込まれるドライブ電流を調節し
て、光パワーレベル信号を予め定められたレベルに設定
するステップと、波長エラーを検出して波長エラー信号
を生成するステップと、波長エラー信号を使用して温度
センサの動作を調節し、温度センサから予め定められた
出力を維持するよう構成された自動温度制御（ＡＴＣ）
モジュールが、実際のレーザの温度を調節して波長エラ
ー信号を最小にするようにするステップとを含む。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は３つのモジュール、レーザ
・モジュール１、自動パワー制御（ＡＰＣ）モジュール
２および自動温度制御（ＡＴＣ）モジュール３を示し、
これらは高密度波長分割多重方式（ＤＷＤＭ）の実現に
先立つレーザ・カード上に見られる。レーザ・モジュー
ル１は、逆バイアスされたピンダイオード（ＰＩＮ）
４、負の温度係数（ＮＴＣ）のサーミスタ５、加熱モー
ドまたは冷却モードで動作させることができる熱電冷却
機（ＴＥＣ）６およびレーザ７を備える。

【００２２】図１は、ＤＷＤＭ以前のカード上のレーザ
・モジュール１、ＡＰＣモジュール２およびＡＴＣモジ
ュール３の間でやりとりされる信号を示す。ＡＰＣモジ
ュール２は、入力として後部へき開面（back-facet)モ
ニター（ＢＦＭ）の電流、すなわち下記のパワーレベル
信号を受け取る。この信号は、レーザ７の光出力のパワ
ーに比例し、逆バイアスされたピンダイオード４により
供給される。ピンダイオード４は光検出器として働き、
レーザ７から発光された後部へき開面の光の一部を受け
取るよう配置される。ＡＰＣモジュール２は、出力とし
てレーザのドライブ電流を生成し、ドライブ電流は、光
パワー（ＢＦＭのピンダイオード４の光電流で示され
る）が所与のレベルにロックするよう調節される。ＡＰ
Ｃモジュール２は、ピンダイオード４に接続されるべき
２つのピンアウト(pin-out)を必要とし、さらにレーザ
電流を調節するのに１つのピンアウトを必要とする。

【００２３】ＡＴＣモジュール３は、入力として温度レ
ベル信号を受け取る。ＡＴＣモジュール３は、サーミス
タ５の両端の電圧を読みとることにより、温度レベルを
判断する。サーミスタ５は、温度に伴って変化する抵抗
を持ち、定電流源により供給される。ＡＴＣモジュール
３は、サーミスタ５の両端の電圧の変化に反応し、それ
を温度の変化として解読する。ＴＥＣ６のドライブ電流
を変化させることにより、サーミスタ５の両端の電圧が
所望のレベルに達するまで、レーザ７を加熱または冷却
するようにする。ＡＴＣモジュール３は、サーミスタ５
の両端の電圧を測定することで温度を測定するのに、レ
ーザ・モジュール１から２つのピンアウトを必要とし、
さらに必要な温度変化を示す電流をＴＥＣ６に送るのに
２つのピンアウトを必要とする。ＤＷＤＭ以前のカード
に挿入することのできる任意のＤＷＤＭ（すなわち、波
長ロッキング）のレーザ・モジュールは、図１のレーザ
・モジュール１により生成されて受け取られる信号と実
質的に同様の信号を生成して受け取ることができなけれ
ばならない。

【００２４】図２は、本発明の好ましい実施形態に従っ
て、カード上の他のモジュールにいかなる変化も及ぼす
ことなく、波長およびパワーのロッキングがどのように
してＤＷＤＭのレーザ・モジュールの内部に実現される
かを示す。この実施形態は、以下を除いて、図１に見ら
れるのと同じモジュールを備える。

【００２５】１．ＢＦＭのピンダイオード４は、レーザ
７の後部へき開面とは対称的に、レーザ７の前部へき開
面から出てくる光を受け取る場所に、再位置づけされ
る。２．光スプリッター８が加えられており、レーザ７の前
部へき開面から出る光の一部を、再位置づけされたピン
ダイオード４に向けて送る。３．見かけ温度レベル（ＡＴＬ）信号発生器９および波
長弁別器１０が加えられている。波長弁別器１０は、レ
ーザ７の後部へき開面から出力光ビームを受け取り、そ
れらを処理して、波長エラー信号をひとまとめに含む２
つの信号を生成し、それをＡＴＬ信号発生器９に送る。
ＡＴＬ信号発生器９は、波長エラー信号を使用してサー
ミスタ５を操作し、サーミスタ５が、見かけ温度レベル
信号を生成して、それをＡＴＣモジュール３に出力する
ようにする。

【００２６】波長レベル信号とは対照的に、波長エラー
信号が、波長弁別器１０により生成される。これは、変
更されていないＡＰＣモジュール２も、また変更されて
いないＡＴＣモュール３も、所望の波長の値を知ること
ができず、どちらも波長をロックするよう設計されてい
ないので、レベル信号だけを与えられても、どちらも所
望の波長にロックすることができないからである。

【００２７】図２のレーザ・モジュール１により生成さ
れる見かけ温度レベル信号は、図１のレーザ・モジュー
ル１により生成される温度レベル信号と間違えられるこ
とはない。図１において送り出される温度レベル信号
は、ＡＴＣモジュール３に、レーザ７の実際の動作温度
を示す。図２において送り出される見かけ温度信号は、
ＡＴＣモジュール３に、レーザ７の実際の温度に関係な
く、光出力の波長が所望の値λ_０で保持される限り、温
度が一定に保たれていることを示す。波長がλ_０からは
ずれる場合には、ＡＴＬ信号発生器９は、サーミスタ５
に見かけ温度レベル信号を調節させて、ＡＴＣモジュー
ル３に、温度レベル変化が生じたと信じさせるようにす
る。ＡＴＬ信号発生器９により報告された見かけ温度変
化が判断され、波長がλ_０にリセットされるよう、レー
ザ７の実際の動作温度に変化を生じさせる。したがっ
て、見かけ温度レベル信号が受け取られるとき、ＡＴＣ
モジュール３（温度変化が実際に生じたと信じている）
は、ＴＥＣ６の熱出力を変化させ、レーザ７の光出力の
波長がλ_０に戻るまで、レーザ７の実際の温度が調節さ
れるようにする。

【００２８】図２は、図１のＤＷＤＭ以前のレーザ・カ
ードで行われるように、パワーレベル信号がＡＰＣモジ
ュール２に送り込まれることを示す。また図２は、図１
のＤＷＤＭ以前のレーザ・カード上で行われるように、
ＡＰＣモジュール２が、レーザ７のドライブ電流を訂正
することによりパワーレベル信号に応答することを示
す。ピンダイオード４は、レーザ７から十分な光を吸収
することができる領域に置かれなければならない。ピン
ダイオード４により使用される光が遮られず、その電
流、すなわちドライブ電流特性が、レーザ７の出力パワ
ーを表すようにすることが重要である。

【００２９】ＡＴＣモジュール３が、波長ロッキングを
生じさせるよう使用されるので、図２のレーザ・カード
上には、温度レベル信号を直接分析するいかなる装備も
無い。それにもかかわらず、間接的な温度安定化が、以
下のメカニズムを介して図２のレーザカード上で起こ
る。ＡＰＣモジュール２は、連続的にレーザ電流を調節
して所望のレベルにパワーをロックするので、レーザの
温度に影響を及ぼし、究極的には波長に影響を及ぼす。
ＡＴＣモジュール３（ＡＰＣモジュール２に比べてより
遅く動作するので、ＡＰＣモジュール２により選択され
たドライブ電流を、所与のものとして得る）は、連続的
に温度を調節して所与の波長にロックする。ロックする
既存のパワーレベルおよび所望の波長が与えられたとす
ると、ＡＴＣモジュール３は、温度を１つの可能な値に
設定できさえすればよい。したがって、波長およびパワ
ーが直接的に安定化される限り、光出力が所望のパワー
レベルおよび波長を持つために必要ないかなる温度レベ
ルにおいても、温度は間接的に十分安定化される。

【００３０】図３は、波長弁別器１０の詳細な図を示
し、これは波長エラー信号を生成する責任を持つ。波長
弁別器１０のこの実現は、米国特許出願番号第08/680,2
84号（1996年７月１１日出願）に詳細に記載されてい
る。この係属中の出願の開示を、ここで参照により取り
入れる。図３では、光学レンズ１１が、レーザ７の出力
ビームの発散を制御する。ビームは、レンズ１１から狭
帯域波長選択透過フィルタ要素１２に渡される。フィル
タ要素１２は、ファブリ−ペロエタロン(Fabry-Perot(F
P) etalon)であることが好ましく、これは、２つの高反
射層の間にはさまれたスペーサー(spacer)層を備える構
造である。例えば、マルチレイヤー・シングル空洞フィ
ルタ（多層構造で、１つの空洞フィルタを持つ）の種類
のように構成され、この場合、すべてが誘電性であるミ
ラー／スペーサー／ミラー構造が、ガラス基板上に堆積
される。また代わりに、固体のエタロンの種類を使用す
ることができ、この場合ミラーは、ガラスのスペーサー
・プレートの両側に堆積される。どちらの実現を使用す
るにせよ、エタロン１２を介して許容されるビームの強
度は、エタロン１２に送られるビームの波長の関数であ
る。

【００３１】エタロン１２から出る伝送ビームは、第１
および第２の類似した共面（coplanar；コプレーナ）の
光検出器、ピンダイオード１３およびピンダイオード１
４に送られる。ピンダイオード１３および１４は、それ
ぞれ固有の直径を持ち、それぞれ分離されており、図３
に対称的に示されるように、ＦＰエタロン１２からある
一定の距離に置かれた共通の支持１５上に配置される。
レーザ７から出るビームの波長の変動が、エタロン１２
により透過変化に変換され、レーザビームの波長変化
が、２つの検出器のピンダイオード１３および１４によ
りパワー変化として検出される。

【００３２】ピンダイオード１３および１４は、一方の
ピンダイオードが、他方のピンダイオードよりわずかに
高い波長において最大の強度応答を持つよう位置付けら
れる。低い方の波長のピンダイオード、すなわちピンダ
イオード１３を「ブルー・ピン(blue PIN)」と呼び、高
い方の波長のピンダイオード、すなわちピンダイオード
１４を「レッド・ピン(red PIN)」と呼ぶ。図４(a)は、
レーザ７により発光されるビームの波長の関数として、
２つのピンダイオード１３および１４によりそれぞれ生
成される透過曲線Ｉ_PIN1およびＩ_PIN２をグラフにした
ものである。Ｉ_P _IN1からＩ_PIN2を減じた時に得られる差
分信号を図４(b)に示す。弁別器１０が調整され、ピン
ダイオードの電流が等しい時点の波長λ_０が、ロックさ
れた波長とみなされるようにする。

【００３３】両方のピンダイオード１３および１４によ
り検出される透過がλ_０において同じであるよう調整す
ることにより、予め定められたロックされる波長におい
て差分信号をゼロに設定することができる。このよう
に、差分信号を波長エラー信号として使用することがで
きる。レーザ７の波長が変化してもはやλ_０に等しくな
い場合には、２つのピンダイオード１３および１４によ
り生成される差分信号は、ゼロでない値に変化する。こ
うして、ピンダイオードの電流間の差分信号を波長エラ
ー信号として使用することができ、波長エラー信号は、
波長をλ_０にするのにどのようにレーザ７の温度を調節
すべきかを示すことができる。Ｉ_PIN２＞Ｉ_PIN１である
とき、レーザ７はレッド・シフトされており(red-shift
ed)、波長エラー信号が送り出されて、結果的に見かけ
温度レベル信号を上昇させる。サーミスタ５はＮＴＣサ
ーミスタであり、また結果としてＡＴＣモジュール３は
報告された温度の増加に応答して実際の温度レベルを下
げるよう設計されているので、見かけ温度レベルの上昇
は、結果的にピンダイオードの電流が等しくなるまで温
度を低下させる。Ｉ_PIN１＞Ｉ_PIN２であるとき、レーザ
はブルー・シフトされており(blue-shifted)、波長エラ
ー信号が送り出されて、結果的に見かけ温度信号を低下
させ、ピンダイオードの電流が等しくなるまで温度を上
昇させる。ピンダイオードの電流が等しいとき、波長エ
ラー信号はゼロであり、レーザ・モジュール１はすでに
成功裡に所望の波長λ_０にロックされており、いかなる
温度または波長の変化も生じない。当該技術分野の当業
者には、波長エラー信号を生成するいくつかの別の手段
を利用できることが明らかである。

【００３４】波長エラー信号が生成されると、波長エラ
ー信号は、ＡＴＣモジュール３への入力に適切な見かけ
温度レベル信号に変換される。これは、サーミスタ５か
らＡＴＣモジュール３に送られる信号のパラメータ（た
とえば、電流、電圧）を、レーザ７の実際の温度ではな
く波長エラーを反映する値に設定することを伴う。

【００３５】ＡＴＣモジュール３の「みせかけ(trickin
g)」は、図５に示される回路設計を使用して、ＡＴＬ信
号発生器９により達成される。ＡＴＬ信号発生器９は、
電流電圧変換器１５、差動増幅器１６、積分器１７およ
びｎチャネルのエンハンスメント形MOSFET(metal-oxide
-semiconductor field-effect transistor)１８を備え
る。分圧器１９は、差動増幅器１６および積分器１７に
隣接している。また図５は、２つのピンダイオード１３
および１４を示し、これらは波長弁別器１０の一部であ
る。

【００３６】差動増幅器１６がその入力に電圧を必要と
するので、電流電圧変換器１５が必要とされる。変換器
１５は、周知の標準的な設計をもつ。入力段における抵
抗Ｒ _ｄの選択は、それぞれのピンダイオードが、適切に
動作するのに１．２５Ｖより大きいバイアスを必要とす
るという仮定に基づく。また、それぞれのピンダイオー
ドからの最大の光電流が４ｍＡであると仮定する。７５
０Ωの抵抗は、最大の光電流の状態において、１．２５
Ｖ以上のバイアスを与える。この方法で調整された電流
電圧変換器１５は、電圧Ｖ_１（これは、ピンダイオード
１３の光電流に直接関連する）および電圧Ｖ_２（これ
は、ピンダイオード１４の光電流に直接関連する）を生
じる。

【００３７】光電流が、電流電圧変換器１５により電圧
に変換されると、差動増幅器１６は電圧の差、ひいては
ピンダイオード１３、１４の光電流間の差を計算する。
差動増幅器１６は、２つの電圧入力を得て、以下の式
（１）による出力を与える。

【００３８】

【数１】

【００３９】両方の入力抵抗、Ｒ_１およびＲ_３が同じ値
を持つことが重要である。Ｒ_１＝Ｒ _２＝Ｒ_３＝Ｒ_４であ
るとき、差動増幅器１６の出力は、Ｖ_ｏ＝Ｖ_ref＋（Ｖ
_２−Ｖ_１）である。波長は、Ｖ_１＝Ｖ_２すなわちＶｏ＝
Ｖ_refであるとき、ロックされるとみなされる。

【００４０】基準電圧Ｖ_refは、分圧器１９を使用して
設定される。制御ループが適切に動作するようＶ_ref＞
０と設定することが重要である。

【００４１】積分器１７は、ＡＴＬ発生器９における次
の段である。積分器１７の目的は、定常状態誤差を最小
にすることである。積分器１７におけるキャパシタＣ_１
の値および抵抗Ｒ₁₁およびＲ₁₂の値は、既知の方法を使
用して選択され、振動を減少させつつ最も速い応答を達
成するようにする。積分器１７の基準電圧は、上記に述
べた起動時の考慮点に鑑み、差動増幅器１６で使用され
る同じ分圧器１９により設定される。

【００４２】積分器１７の出力は、MOSFET１８のゲート
に送り込まれる。MOSFET１８は、積分器１７の出力を、
波長エラーを反映する見かけ温度レベル信号に変換す
る。ＡＴＣモジュール３の「見せかけ」は、以下のよう
にして達成される。MOSFET１８は、サーミスタ５に並列
に接続されるドレインおよびソースを持つ。ソースおよ
び基板は接地され、図５に示すようにサーミスタ５のア
ース線に接続される。このようにMOSFET１８をサーミス
タ５に接続することにより、ＡＴＣモジュール３から見
る抵抗Ｒ_eqが、サーミスタの抵抗Ｒ_thに従ってもっぱら
変化することを可能にする代わりに、Ｒ_eqは、レーザ７
の出力の実際の波長および所望の波長λ_０の間の差に従
って変化するよう作られる。

【００４３】より具体的には、サーミスタ５の抵抗Ｒ_th
だけでなく、MOSFET１８の順方向の相互コンダクタンス
Ｒ_dsを変化させることにより、Ｒ_eqを変化させることが
できる。Ｒ_dsは、積分器１７の出力Ｖ_o（これは、波長
エラー信号に関連する）を、MOSFET１８のゲートに送り
込むことにより変化させることができる。これが行われ
るとき、Ｒ_dsはそのゲート・ソース間電圧（これは、Ｖ
oに関連する）に伴って変化し、また積分器１７の制御
ループが、入力電圧Ｖ₁およびＶ₂が等しくなるまでＶ_o
を調節し続けるので、Ｒ_eqはＶ₁およびＶ₂間の差の関数
となる。前述したように、この差は波長エラー信号に比
例し、波長エラー信号が消えてなくなるまで（すなわ
ち、レーザ７の波長が所望のレベルλ_０になるまで）Ａ
ＴＣモジュール３から見るＲ_eqが調節されることを意味
する。このようにして、波長エラー信号に実際関連する
見かけ温度レベル信号が、ＡＴＣモジュール３に伝達さ
れる。MOSFET１８が、ゲートにおいてナノアンペア(nan
oamp)より小さく電流を低下させ、それがMOSFETをこの
種の低パワー応用について理想にすることに注意すべき
である。

【００４４】多くの二次的な設計の考慮点を、ＡＴＣお
よびＡＰＣモジュールの入力信号を生成するのに関連す
るものとは別に念頭におかなければならない。例えば、
高いＲ_ds(off)を持ち、システムに電源が入るときＲ_eq
がＲ_thに等しくなるようにするのが望ましい。こうして
温度制御ループは、電源が入るとき、最初にＲ_thのみを
感知し、適切な動作レベルにレーザの温度を設定する。
レーザ７がよりパワーを出力し始めるにつれて、波長制
御ループはピンダイオードの電流を使用して動作できる
ようになり、Ｒ_eqは波長エラーの関数となって、単にＲ
_thに等しくならなくなる。

【００４５】さらに、ＤＷＤＭ以前のＡＴＣおよびＡＰ
Ｃモジュール２、３とインターフェースをとることがで
きるという条件の結果として、回路の設計に課される主
な制限の１つは、そのパワー源のみが、２つのピンダイ
オード１３、１４を逆バイアスするのに使用される１つ
の供給電圧であるということである。従って、回路は、
０Ｖから４．５Ｖの範囲内で動作しなければならず、さ
らに動的フィードバック応答を提供しなければならな
い。この装置では、波長制御ループの出力が０Ｖから
４．５Ｖの間であるので、ｎチャネルMOSFETが必要とさ
れる。また、前述したように起動時に高いＲ_ds(off)を
提供するためには、MOSFET１８はエンハンスメントモー
ドでなければならない。

【００４６】留意すべき他の二次的な設計の考慮点は、
サーミスタ５が、当該技術分野で標準であるような負の
温度係数を持つ場合には、レーザ・モジュール１により
報告される見かけ温度が、予め設定された基板温度Ｔ_s
（これは、MOSFET１８がオフ(off)の時に、レーザ・モ
ジュール１がロックする）より高い温度に制限されるこ
とである。Ｔ_sは、この制限を念頭において設定されな
ければならない。

【００４７】特に本発明の記述した実施形態に対する他
の二次的な設計の考慮点は、ゲート・ソース間電圧およ
びＲ_dsの間の非線形な関係から生じ、この関係を図６に
示す。サーミスタ５に並列なMOSFET１８を用いた波長ロ
ッキングでは、結果的にＲ_dsが適切な値に落ち着き、固
定されたパワーおよび温度の設定について波長をロック
する。こうして、R_dsがゲート・ソース間電圧に依存す
るので、ゲート・ソース間電圧もまた、特定の値に落ち
着く。ゲート・ソース間電圧に対するＲ_dsの非線形の関
係は、異なるゲート・ソース間電圧のロッキングの値、
ひいては異なるλ_０のロッキングの値について、ロッキ
ングループが異なったように応答するということを意味
する。

【００４８】図２から５にまとめて記述されたレーザ・
カードによりいくつかの利点が理解される。カードは、
ＤＷＤＭ以前のカードについて設計された既存のＡＴＣ
モジュールおよびＡＰＣモジュールを使用し、モジュー
ルのどちらのセットに対しても変更を必要とせず、また
どちらのセットに対しても特別なアクセスまたは知識を
必要とせずに、レーザ・カードの寿命をそのままにし
て、波長およびパワーを所望のレベルに同時にロックす
ることができる。新規の波長ロッキングのカードにより
必要とされるＡＴＣモジュール３へのアクセスのみが、
サーミスタ５のすでにある既存のピンアウトを介して起
こる。ＡＰＣモジュール２は、ＤＷＤＭ以前のカードで
アクセスされるのと同様にアクセスされる。こうして、
両方のモジュールが、ＤＷＤＭのカードに先立つ動作の
それらの通常モードで実行することができる。これは、
ＡＰＣモジュール２およびＡＴＣモジュール３に対する
破壊を最小にする。

【００４９】レーザ・カードの出力の波長が、温度およ
びパワーの変化のような外部の要因とは無関係なエージ
ング(aging)のために、λ_０から離れてドリフトすると
き、レーザ・カードは波長を自己修正する。

【００５０】サーミスタ５に並列にMOSFET１８を置くこ
とは、MOSFET１８も含めて制御ループのいずれか一部が
機能しなくなるという場合の防護策を提供する。MOSFET
１８がオフ状態、すなわちオープン回路になる場合に
は、Ｒ_eqはＲ_thに等しくなり、温度制御ループはレーザ
の温度をＴ_sに設定する。Ｔ_sがレーザ７の動作温度の範
囲内にある限り、最悪の結果は波長ロッキング機能の損
失である。

【００５１】本発明の大きな改良および様々なやり方が
上記の技術に鑑みて可能である。したがって、特許請求
の範囲の範囲内において、ここで記述したのとは別に本
発明を実行できるということが理解される。ある１つの
やり方は、サーミスタとは別の温度センサを使用できる
ことである。

【００５２】本発明の他の実施形態においては、図３の
波長弁別器１０を、ＤＷＤＭ以前のＡＴＣモジュール３
のための波長エラー信号に加え、ＤＷＤＭ以前のＡＰＣ
モジュール２のための光パワーレベル信号を生成するの
に使用できる。これは、ＡＰＣモジュール２がレーザ７
の光パワーを監視するのを可能にさせるＢＦＭ電流を、
弁別器１０により使用されるピンダイオード１４から生
成することを伴う。これは、エタロン１２を通過するビ
ーム、したがって２つのピンダイオード１３および１４
から出る電流が、レーザ７から出るビームの波長の関数
であるだけでなく、それらのビームのパワーの関数でも
あるので、可能となる。

【００５３】ピンダイオード１４を使用して光パワーを
正確に監視するには、パワーロッキング動作への、波長
弁別器１０の波長ロッキング機能の影響を考慮すること
が必要である。ピンダイオード１３、１４の出力電流間
の通常の関係を図４(a)に示す。この関係は、エタロン
１２による波長の弁別の影響のために、ピンダイオード
の電流が、波長の値全体についてレーザ出力のパワー強
度に線形にも直接にも関係していないことを示す。波長
弁別器１０により生成されるピンダイオードの電流を使
用しているＡＰＣモジュール２は、レーザのドライブ電
流に伴って単調に光検出器の応答が変化する領域におい
てピンダイオード１４が動作するとき（すなわち、λ₁
およびλ₂間）に得られる読みとり値にのみ依存しなけ
ればならない。波長がこの範囲にあるとき、ピンダイオ
ード１４は、出力パワーの変化に伴って線形に変化する
光電流を生じる。ピンダイオード１４が、通常のＡＰＣ
モジュール２による予想通り、検出されるパワーレベル
に伴って直接的に変化する光電流を生じるので、ピンダ
イオード１３ではなくてピンダイオード１４が、好まし
い実施形態においてパワーレベル信号を生成するのに使
用される。図３に示される波長弁別器１０の場合におい
て、図４(a)に示されるその出力（たとえばピンダイオ
ード１４）は、λ₁およびλ₂間に広がるピンダイオード
の電流−波長曲線の所望の範囲において正の勾配を常に
持ち、そのためピンダイオード１４は、レーザ・カード
上の光パワーレベル信号のソース（源）として指定され
る。

【００５４】当該技術分野の当業者には、より困難な実
現が生じるとしても、ＡＰＣモジュール２が、パワー制
御についてピンダイオード１３の光電流を使用すること
が可能であることを理解するであろう。

【００５５】上記述べた技術的限界が克服されるとして
も、この代替的な実施形態の下では、ＡＰＣモジュール
２とインターフェースをとるのに使用されるピンダイオ
ードは、図１に示されるピンダイオード４のような通常
のＢＦＭのピンダイオードのようにはもはや正確には動
作しない。これは、ＡＰＣモジュール２の実現の何らか
の知識が、この実施形態を実現するのに必要であること
を意味する。さらに、パワーおよび波長のロッキングル
ープのダイナミックレンジが減少する。

【００５６】光パワーレベルのピンダイオードとして波
長弁別器１０の２つのピンダイオード１３、１４のうち
の１つを使用して得られる利点が、再位置づけされるピ
ンダイオード４のためにレーザ・モジュール上に空間を
見つける必要がないことに関連し、また図２の再位置づ
けされるピンダイオード４およびスプリッター８の両方
を含むことのコストを招く必要がないことに関連するの
は当然である。また、波長弁別器１０のピンダイオード
１３、１４のみを使用することは、レーザ７の前部へき
開面から出る光の進路を変えるのにいかなるタップ(ta
p)も使用されないことを意味し、これはまた、ファイバ
ーに達する光パワーレベルが減少しないことを意味す
る。これらの利点に関する事項を持つこの代替的な実施
形態は、特許請求の範囲から出ることはない。

【００５７】他の実施形態では、サーミスタ５に並列に
MOSFET１８を置くことのほかに、ＡＴＣモジュール３を
だまして波長を調整する方法は、サーミスタ５を完全に
取り除いてMOSFET１８のみを持ち、またはサーミスタ５
の代わりに何らかの他の電圧制御型抵抗を持つことであ
る。この配置において考慮しなければならない危険は、
ＡＴＣモジュール３が、オフ状態にあるMOSFET１８に直
接接続された場合に見るであろう大きいＲ_eqを見た場合
に、起動の間に生じるオーバーヒート（過熱）である。

【００５８】波長エラー信号に伴ってＲ_eqを変化させる
他の方法は、サーミスタ５に直列にMOSFET１８を配置す
ることである。この配置を使用することができるけれど
も、３つの問題がある。第１に、波長制御ループの範囲
が、FETの最小Ｒ_dsによりある程度制限されることであ
る。第２に、FETがオープン回路になる時はいつでも、
Ｒ_eqが高くなり、温度制御ループは基板温度が非常に低
いと考えるので、温度制御ループが起動されるときはい
つでもレーザ７の過熱が生じる。第３に、MOSFET１８の
ゲート・ソース間電圧が非常に小さな範囲を持ち、これ
がロッキングループの動作範囲を制限する。

【００５９】サーミスタ５について波長依存型の熱制御
の何らかの手段を置くことにより、Ｒ_eqを変化させるこ
とも可能である。これは、サーミスタ５の中へ、または
外へ流れる熱に基づいたＲ_thの変動を可能にする。しか
し、この技術には、前述したものより劣るいくつかの不
利な点がある。第１に、ここで記述した任意の他の方法
に比べより多くのパワーを必要とする。第２に、熱の流
れに対する増加した依存のために、時間応答がより遅く
なる。最後に、サーミスタ５への熱の流れが、サーミス
タ５に隣接して他のＴＥＣを直接置くことにより制御さ
れる場合には、小さくて高価な構成要素、またはレーザ
・モジュール１の著しい再設計が必要なかさばる構成要
素が必要となる。

【００６０】さらに、上記述べたのとは別の様々な形態
が可能である。

【００６１】

【発明の効果】本発明によれば、すでにある既存のＡＰ
ＣおよびＡＴＣモジュールの実行に影響を及ぼすことな
く、既存のレーザ・カード上に波長およびパワーを同時
に制御する制御ループを実装することができ、レーザの
波長およびパワーの出力を同時に安定化することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザ・モジュールおよびＡＰＣ、ＡＴＣモジ
ュール間のインターフェースを示し、ＤＷＤＭがサポー
トされていない高レベルブロック図。

【図２】ＤＷＤＭのレーザ・モジュールおよびＡＰＣ、
ＡＴＣモジュール間のインターフェースを示す高レベル
ブロック図。

【図３】米国特許出願番号第08/680、284号に開示されて
いる波長弁別器の概念図。

【図４】図３に示される弁別器により生成されるレーザ
の波長の関数として２つのピンダイオードの電流および
対応する差分信号を示す図。

【図５】ＡＴＬ信号発生器の回路図。

【図６】ｎチャネル・エンハンスメント形ＭＯＳＦＥ
ＴのＲ_ds対Ｖ_gsを示すグラフ。

【符号の説明】

１レーザ・モジュール２ＡＰＣモジュール３ＡＴＣモジュール４ピンダイオード５サーミスタ６熱冷却機７半導体レーザ９ＡＴＬ信号発生器１０弁別器１３、１４ピンダイオード

フロントページの続き (71)出願人 390023157 ＴＨＥＷＯＲＬＤＴＲＡＤＥＣＥＮＴＲＥＯＦＭＯＮＴＲＥＡＬ，ＭＯＮＴＲＥＡＬ，ＱＵＥＢＥＣＨ２Ｙ３Ｙ４，ＣＡＮＡＤＡ (72)発明者ダニエル・ガリーピーカナダ、ジー０エー、４ピー０、ケベック、ケベック・シティ、ストーンハム、デュ・ラック・エスト 158

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザのドライブ電流を調節するよう構成
され、該レーザの出力が目標の光パワーレベルにロック
されるようにする外部自動パワー制御モジュール、およ
びレーザの動作温度を調節するよう構成され、該動作温
度が目標の温度レベルに達するようにする外部自動温度
制御モジュールへの接続のためのレーザ・モジュールで
あって、半導体レーザと、前記レーザの温度を上方または下方に調節を行う熱冷却
機と、前記熱冷却機を前記外部自動温度制御モジュールの出力
に接続する第１の端子手段と、前記レーザを前記外部自動パワー制御モジュールのドラ
イブ電流出力に接続する第２の端子手段と、前記レーザ出力の光パワーレベルを示す光パワーレベル
信号を生成する手段と、前記光パワーレベル信号を前記外部自動パワー制御モジ
ュールに伝える第３の端子手段と、前記レーザ出力の波長エラーを示す波長エラー信号を生
成する手段と、前記波長エラー信号から見かけ温度レベル信号を導き出
す手段と、前記見かけ温度レベル信号を前記外部自動温度制御モジ
ュールに伝える第４の端子手段とを備え、所与の温度レベルに達したことを、前記見かけ温度レベ
ル信号が示すまで、前記レーザの温度を変化させること
により、前記レーザ出力の波長を調節するレーザ・モジ
ュール。
【請求項２】前記見かけ温度レベル信号を導き出す手段
が、可変抵抗を備える請求項１に記載のレーザ・モジュ
ール。
【請求項３】前記可変抵抗が、サーミスタと、前記波長
エラー信号により制御される第２の熱冷却機とを備え、
前記レーザおよび前記サーミスタの間に温度差を作るこ
とにより、前記サーミスタの抵抗値を制御するのに該第
２の熱冷却機を使用する請求項２に記載のレーザ・モジ
ュール。
【請求項４】前記第２の熱冷却機が、前記サーミスタに
接しており、または前記サーミスタの周辺に置かれる請
求項３に記載のレーザ・モジュール。
【請求項５】前記第２の熱冷却機が、前記サーミスタと
共にモノシリックに集積化される請求項４に記載のレー
ザ・モジュール。
【請求項６】前記可変抵抗が、その抵抗値が前記波長エ
ラー信号により制御される制御可能な抵抗と、該制御可
能な抵抗に並列に配置されたサーミスタとを備え、前記
波長エラー信号により行われる該制御可能な抵抗に対す
る調節により、該制御可能な抵抗および該サーミスタを
組み合わせた等価な抵抗値が判断されるようにした請求
項２に記載のレーザ・モジュール。
【請求項７】前記制御可能な抵抗がMOSFETを備えてお
り、前記波長エラー信号が該MOSFETのゲートに印加さ
れ、前記サーミスタが該MOSFETのドレインおよびソース
に並列に接続される請求項６に記載のレーザ・モジュー
ル。
【請求項８】前記可変抵抗が、その抵抗値が前記波長エ
ラー信号により制御される制御可能な抵抗と、該制御可
能な抵抗に直列に配置されたサーミスタとを備え、前記
波長エラー信号により行われる該制御可能な抵抗に対す
る調節により、該制御可能な抵抗および該サーミスタを
組み合わせた等価な抵抗値が判断される請求項２に記載
のレーザ・モジュール
【請求項９】前記制御可能な抵抗がMOSFETを備えてお
り、前記波長エラー信号が該MOSFETのゲートに印加さ
れ、前記サーミスタが該MOSFETのドレインまたはソース
に直列に接続される請求項８に記載のレーザ・モジュー
ル。
【請求項１０】前記可変抵抗が、その抵抗値が前記波長
エラー信号により制御される制御可能な抵抗を備える請
求項２に記載のレーザ・モジュール。
【請求項１１】前記制御可能な抵抗がMOSFETを備えてお
り、前記波長エラー信号が該MOSFETのゲートに印加され
る請求項１０に記載のレーザ・モジュール。
【請求項１２】前記レーザ出力の波長エラーを示す波長
エラー信号を生成する手段が、波長弁別要素に関連して
配置された２つの光検出器を備え、該２つの検出器のス
ペクトル感度が異なるようにし、該２つの検出器により
生成される差分信号を、前記波長エラー信号を示すのに
使用することができるようにした請求項１に記載のレー
ザ・モジュール。
【請求項１３】前記レーザ出力のパワーレベルを示す光
パワーレベル信号を生成する手段が、前記波長エラー信
号を生成する手段から分離されている光検出器を備える
請求項１に記載のレーザ・モジュール。
【請求項１４】前記レーザ出力のパワーレベルを示す光
パワーレベル信号を生成する手段が、前記波長エラー信
号を生成するのに使用される２つの光検出器のうちの１
つを備える請求項１２に記載のレーザ・モジュール。
【請求項１５】前記２つの光検出器が、前記レーザの後
部へき開面から出る光を感知する請求項１４に記載のレ
ーザ・モジュール。
【請求項１６】レーザの光パワーを監視して、光パワー
レベル信号を導き出す手段と、目標の光パワーレベルに前記光パワーレベル信号を設定
するため、レーザのドライブ電流を調節する手段と、前記レーザの温度を感知する温度センサと、前記レーザの温度を上方または下方に調節を行う熱冷却
機と、前記熱冷却機および前記温度センサに接続され、前記温
度センサから予め定められた出力を維持するよう構成さ
れる温度制御ユニットと、前記レーザの波長を監視して、波長エラー信号を導き出
す手段と、前記波長エラー信号に、前記温度センサの出力特性を調
節させ、前記温度制御ユニットが、前記温度センサから
最初の予め定められた出力を維持するよう実際のレーザ
温度を調節することにより、前記波長エラー信号を減少
させるようにする手段と、を備える半導体レーザの波長および光パワーの両方を同
時に安定化させるシステム。
【請求項１７】光パワーレベルを検出して、光パワーレ
ベル信号を生成するステップと、前記光パワーレベル信号を外部自動パワー制御モジュー
ルに送って、レーザに送り込まれるドライブ電流を調節
し、目標レベルに前記光パワーレベル信号を設定するス
テップと、波長エラーを検出して、波長エラー信号を生成するステ
ップと、前記波長エラー信号を使用して温度センサの動作を調節
し、該温度センサから予め定められた出力を維持するよ
う構成された外部自動温度制御モジュールが、実際のレ
ーザの温度を調節して前記波長エラー信号を最小にする
ようにするステップと、を含む半導体レーザの波長およびパワーの出力を同時に
安定化する方法。