JPWO2011048869A1 - 波長可変レーザ装置、光モジュールおよび波長可変レーザの制御方法 - Google Patents

Abstract

省電力で、かつ信頼性の高い波長可変レーザ装置を提供する。本発明の波長可変レーザ装置１０は、光源１１１と波長可変機構１１２、１１３とを含むレーザ共振器と光損失制御手段１１４ａ、１１４ｂとを含む波長可変レーザ１１と、波長可変レーザ１１の温度を検知する温度検知素子１２と、制御部１３とを含み、制御部１３が、温度検知素子１２から波長可変レーザ１１の温度情報ａを取得し、温度情報ａに基づき波長可変制御パラメータｄ、ｅおよび光損失制御パラメータｂ１、ｂ２を算出し、波長可変制御パラメータｄ、ｅに基づき波長可変機構１１２、１１３を制御し、光損失制御パラメータｂ１、ｂ２に基づき光損失制御手段１１４ａ、１１４ｂを制御することを特徴とする。

Description

本発明は、波長可変レーザ装置、光モジュールおよび波長可変レーザの制御方法に関する。

近年、急速なインターネットの普及に伴い、通信トラフィックの大容量化が求められている。この求めに応えて、システム単チャンネルあたりの伝送速度の向上、および波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）化によるチャンネル数の拡大が進んでいる。前記ＷＤＭは、異なる搬送波長（チャンネル）に割り当てられる複数の光信号を同時に伝送でき、チャンネル数に応じて通信容量を増大可能である。前記ＷＤＭでは、各チャンネル波長が十分に隔てられている。例えば、１チャンネルあたり１０ギガビット／秒で変調して、１００チャンネル分を１つの共通な光ファイバで伝送することによって、通信容量は１テラビット／秒に達する。

近年の中長距離光通信では、光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：エルビウム・ドープ・ファイバ・アンプリファイヤ）で増幅することのできるＣ帯（１５３０〜１５７０ｎｍ）が、広く用いられている。前記ＷＤＭでは、例えば、光通信で用いられる１００チャンネルに対して、それぞれに応じた１００品種のレーザ装置が必要となる。このため、レーザ装置の在庫管理や棚卸し等のコストが増大する。この問題の解決のために、中長距離通信では、前述のＣ帯を１台のレーザ装置で全てカバーできる波長可変レーザ装置が求められている。

前記波長可変レーザ装置の光源としては、例えば、半導体光増幅器（ＳＯＡ：セミコンダクター・オプティカル・アンプリファイヤ）と、波長可変フィルタと、反射鏡とから構成される光源（外部共振器型波長可変レーザ等）がある。前記波長可変フィルタは、フィルタ部の屈折率（フィルタ部の材料の屈折率）を変化させてレーザの発振波長を制御する。このような光源を備える波長可変レーザ装置が記載された公知文献としては、例えば、特許文献１から４があげられる。

特開平３−９５８７号公報 特開２００８−２４２３６６号公報 特表２００７−５３３１５１号公報 特開２０００−１２４５４１号公報

フィルタ部の屈折率（フィルタ部の材料の屈折率）の変化には、例えば、電流によるキャリアプラズマ効果、電圧印加による電気光学効果、ヒータ加熱による熱光学効果等が用いられる。前述の熱光学効果による屈折率の変化は、波長可変レーザの素子全体の温度変化によっても起こりうる。この変化を避けるために、波長可変レーザの素子全体の温度を、熱電クーラ（ＴＥＣ：Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ）によって、例えば、０．０１Ｋの精度で制御する。

しかしながら、ＴＥＣは、その消費電力が波長可変レーザの消費電力と比較して大きい。一例として、波長可変レーザの消費電力が０．２Ｗ程度であるのに対し、ＴＥＣの温度を７５℃から２５℃まで５０℃下げるためには、２Ｗ程度の電力が必要である。すなわち、現状の波長可変レーザ装置の消費電力は、ＴＥＣによりほぼ決定される。したがって、ＴＥＣを必要としない、またはＴＥＣの消費電力を削減可能な波長可変レーザ装置を実現できれば、光出力モジュールの消費電力を大幅に低減できる。

前述の特許文献１から４には、ＴＥＣによる温度制御以外の方法で波長可変レーザを制御する装置が開示されている。具体的には、以下のとおりである。特許文献１には、方向性結合器を用いた反射率制御機構を備える装置が開示されている。また、特許文献２には、方向性結合器を用いた出力光強度制御機構を備える装置が開示されている。また、特許文献３には、波長可変レーザの温度を測定し、その温度に応じて波長可変レーザに印加するバイアスを調整する機構を備える装置が開示されている。また、特許文献４には、電界吸収部に流れる光電流をモニタし、この光電流値を一定に保持することで一定光強度レベルの前方光出力を得る機構を備える装置が開示されている。

しかしながら、特許文献１、２および４に記載の装置では、レーザの波長を決定する波長可変フィルタが、温度変化により屈折率が変化して発振波長が変化してしまう。このため、一定温度に制御する場合に比べて、波長可変レーザの動作が不安定になるという問題がある。

また、特許文献１から３に記載の装置では、レーザ素子の温度が上昇すると、活性層における利得ピーク波長の長波化と利得低下とが起こり、レーザ光出力が低下する。このため、温度が変化しても一定の出力を得るには、高温になるほど高い電流密度でレーザを駆動させる必要がある。この結果、素子寿命劣化（信頼性劣化）をまねくおそれがある。

本発明の目的は、省電力で、かつ信頼性の高い波長可変レーザ装置、光モジュールおよび波長可変レーザの制御方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の波長可変レーザ装置は、
波長可変レーザと、温度検知素子と、制御部とを含み、
前記波長可変レーザが、光源と波長可変機構とを含むレーザ共振器と、光損失制御手段とを含み、
前記温度検知素子が、前記波長可変レーザに熱的に接続され、かつ前記制御部に電気的に接続され、
前記制御部が、前記波長可変機構と前記光損失制御手段とに電気的に接続され、
前記温度検知素子が、前記波長可変レーザの温度を検知し、
前記制御部が、
前記温度検知素子から前記波長可変レーザの温度情報を取得し、
前記温度情報に基づき波長可変制御パラメータおよび光損失制御パラメータを算出し、
前記波長可変制御パラメータに基づき前記波長可変機構を制御し、
前記光損失制御パラメータに基づき前記光損失制御手段を制御することを特徴とする。

また、本発明の光モジュールは、
前記本発明の波長可変レーザ装置を含むことを特徴とする。

また、本発明の波長可変レーザの制御方法は、
前記本発明の波長可変レーザ装置を使用し、
前記温度検知素子により前記波長可変レーザの温度を検知する工程と、
前記制御部により前記温度検知素子から前記波長可変レーザの温度情報を取得する工程と、
前記制御部により前記温度情報に基づき波長可変制御パラメータおよび光損失制御パラメータを算出する工程と、
前記制御部により前記波長可変制御パラメータに基づき前記波長可変機構を制御する工程と、
前記制御部により前記光損失制御パラメータに基づき前記光損失制御手段を制御する工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、省電力で、かつ信頼性の高い波長可変レーザ装置、光モジュールおよび波長可変レーザの制御方法を提供できる。

本発明の波長可変レーザ装置における一例（実施形態１）の構成を示すブロック図である。 （ａ）は、前記実施形態１の波長可変レーザ装置に用いられる吸収領域の構成を示すブロック図である。（ｂ）は、前記吸収領域における注入電流と光吸収損失との関係を示すグラフである。 （ａ）は、前記実施形態１の波長可変レーザ装置に用いられる光反射率可変ミラーの構成を示す模式図である。（ｂ）は、前記光反射率可変ミラーにおける印加電圧を光反射率との関係を示すグラフである。 前記実施形態１の波長可変レーザ装置におけるＴＥＣを省略した例の構成を示すブロック図である。 （ａ）は、結合量子井戸における利得幅の温度による変化を説明するグラフである。（ｂ）は、通常の量子井戸における利得幅の温度による変化を説明するグラフである。 本発明の波長可変レーザ装置におけるその他の例（実施形態２）の構成を示すブロック図である。 本発明の波長可変レーザ装置におけるさらにその他の例（実施形態３）の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の波長可変レーザ装置、光モジュールおよび波長可変レーザの制御方法について、詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されない。なお、以下の図１から図７において、同一部分には、同一符号を付している。また、本発明において、数値限定により発明を特定する場合は、厳密にその数値でも良いし、約その数値でも良い。

（実施形態１）
図１に、本実施形態の波長可変レーザ装置の構成を示す。図示のとおり、この波長可変レーザ装置１０は、波長可変レーザ１１と、温度検知素子１２と、制御部１３とを主要な構成要素として含む。前記波長可変レーザ１１は、光源である利得領域１１１と波長可変機構である波長安定化領域１１２および波長可変フィルタ領域１１３とを含むレーザ共振器と、光損失制御手段である吸収領域１１４ａおよび光反射率可変ミラー１１４ｂとを含む。前記吸収領域１１４ａおよび前記光反射率可変ミラー１１４ｂは、前記利得領域１１１の光出射端面側に配置されている。前記波長安定化領域１１２および前記波長可変フィルタ領域１１３は、前記利得領域１１１の前記光出射端面とは反対面の側に配置されている。前記波長可変レーザ１１と前記温度検知素子１２とは、適切な間隔をあけてサブキャリア１４上に実装され、かつ熱的に接続されている。前記波長可変レーザ１１は、前記サブキャリア１４を介して、熱電クーラ（ＴＥＣ）１５上に搭載されている。ＴＥＣ１５は、波長可変レーザ１１の温度を制御する「温度制御部」に相当する。前記制御部１３は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）を含む回路１３ａと、前記回路１３ａに電気的に接続された電流分配回路１３ｂとを含む。前記温度検知素子１２は、前記回路１３ａに電気的に接続されている。前記電流分配回路１３ｂは、前記吸収領域１１４ａ、前記光反射率可変ミラー１１４ｂ、前記利得領域１１１、前記波長安定化領域１１２、前記波長可変フィルタ領域１１３および前記ＴＥＣ１５に、電気的に接続されている。この波長可変レーザ装置１０は、さらに、ビームスプリッタ１６とフォトディテクタ１７とを含む。前記フォトディテクタ１７は、前記回路１３ａに電気的に接続されている。この波長可変レーザ装置１０は、ヒートシンク１８上に搭載されている。

なお、本発明において、「上に（upper side）」は、特に断らない限り、上面に直接接触している状態（on）に限定されず、間に他の構成要素等が存在し、直接接触していない状態（above）も含む。同様に、「下に（lower side）」は、特に断らない限り、下面に直接接触している状態（on）でも良いし、間に他の構成要素等が存在し、直接接触していない状態（below）でも良い。また、「上面に（on the upper surface）」は、上面に直接接触している状態を指す。同様に、「下面に（on the lower surface）」は、下面に直接接触している状態を指す。「片面側に（at the one side）」は、特に断らない限り、片面側に直接接触している状態でも良いし、間に他の構成要素等が存在し、直接接触していない状態でも良い。「両面側に（at the both side）」も、同様とする。「片面に（on the one side）」は、片面に直接接触している状態を指す。「両面に（on the both side）」も、同様とする。

また、本実施形態の波長可変レーザ装置では、光損失制御手段として、吸収領域および光反射率可変ミラーの両方を含むが、本発明は、この例に限定されず、吸収領域または光反射率可変ミラーのいずれか一方を備えていてもよいし、別の光損失制御手段を備えてもよい。前記別の光損失制御手段としては、例えば、レーザ光より狭いバンドギャップ波長組成の半導体をコア層とする光導波路等があげられる。この光導波路は、例えば、公知のバットジョイント技術等により、前記利得領域に光学的に接続される。ただし、この接続は、バットジョイント技術に限定されない。

本実施形態の波長可変レーザにおいて、前記波長可変レーザ１１の能動素子（光源）である前記利得領域１１１は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）である。前記半導体光増幅器には、多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）が形成されている。前記多重量子井戸により、電流の注入に応じて光が発生・増幅される。

前記波長可変レーザ１１の受動素子である前記波長安定化領域１１２は、バルク組成または多重量子井戸で構成され、かつレーザ発振光を吸収しない程度にバンドギャップが広く設定されている領域である。前記波長安定化領域１１２は、電流の注入または電圧の印加に応じて、その領域の屈折率が変化する。前記利得領域１１１と前記波長安定化領域１１２とは、例えば、公知のバットジョイント技術、公知の選択成長技術、公知の装荷結合技術等を用いて作製することができる。前記両領域は、十分に電気的に離れている。前記両領域間には、例えば、１ｋΩ以上の分離抵抗があり、互いに電流が干渉しないようにされている。

前記波長可変レーザ１１は、前述のとおり、波長可変機構である前記波長安定化領域１１２と前記波長可変フィルタ領域１１３とを含む。これらにより、発振波長を制御可能である。前記波長可変フィルタ領域１１３としては、例えば、リング型共振器、ディスク型共振器、分布反射型（ＤＢＲ）フィルタ等があげられる。

図２（ａ）に、前記吸収領域１１４ａの一例の構成を示す。同図における矢印は、光の伝搬方向を示す。前記吸収領域１１４ａでは、半導体２１が通電用電極２２ａおよび２２ｂに挟持されている。前記吸収領域１１４ａでは、図２（ｂ）に示すように、前記通電用電極２２ａおよび２２ｂによる通電（電流注入）に伴う自由キャリア吸収効果により、光吸収損失が増大する。前記吸収領域に通電（電流注入）して光吸収損失を増大させることで、半導体レーザの発振しきい値を一定に保つことが可能となる。これにより、例えば、温度低下による半導体レーザ発振しきい値の低下を防止することができる。

図３（ａ）に、前記光反射率可変ミラー１１４ｂの構成の一例を示す。前記光反射率可変ミラー１１４ｂは、通電用電極３１と方向性結合器３２と反射鏡３３とを含む。前記方向性結合器３２は、光導波路３４ａおよび３４ｂの一端に光学的に接続されている。前記光導波路３４ａの他端は、前記利得領域１１１に光学的に接続されている。

前記光反射率可変ミラー１１４ｂでは、前記利得領域１１１から出射されたレーザ光が、前記光導波路３４ａを介して前記方向性結合器３２に入射される。前記入射したレーザ光は、前記反射鏡３３により反射される。この反射光のうち、一定の割合の光は、前記光導波路３４ａを介して前記利得領域１１１側に帰還される。それ以外の光は、前記光導波路３４ｂを介して外部に出射される。図３（ａ）に示すように、前記光導波路３４ｂの他端が、機能素子３５に光学的に接続されている場合には、前記光は、前記機能素子３５により、例えば、変調、減衰、波長変換等を受ける。前記利得領域１１１側に帰還させる光の割合は、例えば、前記方向性結合器３２の光路長を変化させることで調整可能である。前記通電電極３１による通電に伴うキャリアプラズマ効果により、前記方向性結合器３２における屈折率を変化させることで、前記方向性結合器３２の光路長を変化させることができる。この結果、図３（ｂ）に示すように、光源である前記利得領域の光出射端面の光反射率を制御することができる。

前述のとおり、前記温度検知素子１２は、前記波長可変レーザ１１に熱的に接続されている。この熱的接続により、前記波長可変レーザ１１の温度を検知可能である。前記温度検知素子１２は、前記波長可変レーザ１１が駆動している間、その温度をモニタする。前記温度検知素子１２としては、例えば、サーミスタ等があげられる。

前記ＤＳＰを含む回路１３ａは、前記温度検知素子１２から前記波長可変レーザ１１の温度情報を取得し、この温度情報に基づいて、各種制御パラメータを算出する。詳細は後述する。前記電流分配回路１３ｂは、前記各種制御パラメータに基づき、前記吸収領域１１４ａ、前記光反射率可変ミラー１１４ｂ、前記利得領域１１１、前記波長安定化領域１１２、前記波長可変フィルタ領域１１３および前記ＴＥＣ１５を制御する。詳細は後述する。

本実施形態の波長可変レーザ装置では、前述のとおり、前記波長可変レーザ１１は、前記サブキャリア１４を介して素子温度を制御する前記ＴＥＣ１５に搭載されている。本発明では、ＴＥＣ（温度制御部）は必ずしも必要はないが、例えば、以下のような場合が想定されるため、ＴＥＣを備えていることが好ましい。すなわち、後述の光吸収損失および光反射率の制御による波長可変レーザの制御範囲は有限であるため、利得領域の駆動電流を一定に制御できる温度範囲も有限である。前記波長可変レーザの温度が、前述の光吸収損失および光反射率による制御により利得領域の駆動電流を一定に制御できる温度範囲内にある間は、例えば、前記ＴＥＣを作動させないでおく。一方、その温度範囲を超えた場合には、前記ＴＥＣを作動させて、前記波長可変レーザの温度を前述の温度範囲内となるようにする。このようにすることで、本実施形態の波長可変レーザ装置の全駆動時間における消費電力の平均を大幅に低減可能となる。この結果、本実施形態の波長可変レーザ装置は、省電力である。本実施形態の波長可変レーザ装置は、例えば、通常の使用環境温度範囲では、前記ＴＥＣを作動させる必要がなく、極めて低温または高温でのみ、一時的に前記ＴＥＣを作動させる装置でもよい。

また、前記波長可変レーザの温度を、例えば、前記ＴＥＣにより前述の温度範囲内とする必要のない用途に、本発明の波長可変レーザ装置を用いる場合には、図４に示すように、前記ＴＥＣを備えなくともよい。このようにすれば、低コストで、かつ小型な装置とすることができる。

前記波長可変レーザ１１から出射されるレーザ光Ａは、前記ビームスプリッタ１６により、その一部が光出力モニタ用として光パワーＢに分岐される。前記光パワーＢは、光出力モニタ用の前記フォトディテクタ１７に受光される。これにより、前記ビームスプリッタ１６の分岐比から、光出力の光パワーを知ることができる。前記フォトディテクタ１７としては、例えば、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード等があげられる。

つぎに、図１から３に基づき、本実施形態の波長可変レーザ装置を使用した波長可変レーザの制御方法を説明する。

本実施形態の波長可変レーザ装置の可動時において、前記温度検知素子１２は、前記波長可変レーザ１１の温度をモニタしている。このモニタにより得られた前記波長可変レーザ１１の温度情報ａは、前記回路１３ａに出力される。前記回路１３ａは、前記温度情報ａに基づき、前記吸収領域１１４ａを制御するための吸収領域制御パラメータ、および前記光反射率可変ミラー１１４ｂを制御するための光反射率可変ミラー制御パラメータを算出する。前記吸収領域制御パラメータとしては、前記吸収領域１１４ａに注入される電流（Ｉｍａ）、前記吸収領域１１４ａに印加される電圧（Ｖｍａ）等があげられる。前記吸収領域制御パラメータは、一種類を単独で用いてもよいし、複数種類を併用してもよい。前記光反射率可変ミラー制御パラメータとしては、前記光反射率可変ミラー１１４ｂ（方向性結合器３２）に注入される電流（Ｉｍｂ）、前記光反射率可変ミラー１１４ｂ（方向性結合器３２）に印加される電圧（Ｖｍｂ）等があげられる。前記光反射率可変ミラー制御パラメータは、一種類を単独で用いてもよいし、複数種類を併用してもよい。

なお、前記両パラメータの算出には、前記温度情報ａに加えて、前記フォトディテクタ１７を介して取得する光出力情報Ｃを参照してもよい。また、前記吸収領域または前記光反射率可変ミラーのいずれか一方のみを用いる場合には、前記両パラメータもいずれか一方のみでよい。

ついで、前記吸収領域制御パラメータに基づき前記電流分配回路１３ｂから、前記通電用電極２２ａおよび２２ｂを通じて前記吸収領域１１４ａに電流（Ｉｍａ、図１における矢印ｂ１）を注入し、前記吸収領域１１４ａの光吸収損失を制御する。前記光反射率可変ミラー制御パラメータに基づき前記電流分配回路１３ｂから、前記通電用電極３１を通じて前記光反射率可変ミラー１１４ｂ（方向性結合器３２）に電圧（Ｖｍｂ、図１における矢印ｂ２）を印加し、前記光反射率可変ミラー１１４ｂによる光反射率を制御する。このようにすることで、本実施形態の波長可変レーザ装置では、前記波長可変レーザ１１から出射されるレーザ光Ａの出力光強度を所望の値にすることができる。

本発明の波長可変レーザ装置では、波長可変レーザの温度が変化した場合でも、レーザ理論に基づき、その発振しきい値および効率を一定にできるため、前述の効果が得られる。以下、前記レーザ理論について、数式を用いて説明する。ただし、以下の数式は理論式であり、本発明の波長可変レーザ装置における実際の現象は、下記数式およびその説明と完全には一致しない場合がある。また、数値は例示であり、本発明を何ら限定しない。

所望の光出力を得るのに必要な利得領域への駆動電流は、発振しきい電流と効率により決定される。前記発振しきい電流は、発振しきい利得ｇｔｈと相関があり、下記数式（１）で表される。

αＭ＋αｉ＝Γｇｔｈ＝Γ（Ｎ−Ｎｇ）ｄｇ／ｄＮ≒ΓＮｄｇ／ｄＮ （１）

Γ：光閉じ込め係数
αＭ：波長可変レーザのミラー損失
αｉ：内部損失
Ｎ：キャリア密度
Ｎｇ：透明キャリア密度
ｄｇ／ｄＮ：微分利得

また、前記波長可変レーザの効率は、外部微分量子効率ηｄと相関があり、下記数式（２）で表される。

ηｄ＝ηｉαＭ／（αＭ＋αｉ） （２）

ηｉ：内部微分量子効率

例えば、利得領域にＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系材料を用いた場合、温度が２０Ｋ上昇すると、ｄｇ／ｄＮは５．４％減少し、ηｄは７．４％減少する。例えば、温度変化前のαＭが２０ｃｍ^−１、αｉが２０ｃｍ^−１であり、温度が２０Ｋ上昇する場合は、光反射率可変ミラーの光反射率低下によりαＭを２２．６ｃｍ^−１まで増大させる。また、吸収領域の電流注入量を減らすことによる光吸収損失減少によりαｉを１９．５ｃｍ^−１まで減少させる。このようにすることで、ｇｔｈとηｄとを一定に保つことができる。この結果、利得領域への駆動電流を一定に保つことが可能となる。

以上のとおり、本発明の波長可変レーザ装置では、波長可変レーザの制御が容易であり、かつ高温時においても利得領域の駆動電流を上昇させる必要がないため、素子寿命の劣化をまねくことがなく、信頼性が高い。

本実施形態の波長可変レーザ装置では、前記両パラメータと共に、前記回路１３ａは、前記温度情報ａに基づき、前記波長安定化領域１１２を制御するための波長安定化領域制御パラメータ、および前記波長可変フィルタ領域１１３を制御するための波長可変フィルタ領域制御パラメータを算出する。前記波長安定化領域制御パラメータとしては、例えば、前記波長安定化領域１１２に注入される電流（ＩＰＣ）等があげられる。前記波長可変フィルタ領域制御パラメータとしては、例えば、前記波長可変フィルタ領域１１３に注入される電流（ＩＦ）等があげられる。なお、これらのパラメータの算出には、前記温度情報ａに加えて、前記フォトディテクタ１７を介して取得する光出力情報Ｃを参照してもよい。

ついで、前記波長安定化領域制御パラメータに基づき前記電流分配回路１３ｂから、前記波長安定化領域１１２に電流（ＩＰＣ、図１における矢印ｄ）を注入して、前記波長安定化領域１１２を制御する。前記波長可変フィルタ領域制御パラメータに基づき前記電流分配回路１３ｂから、前記波長可変フィルタ領域１１３に電流（ＩＦ、図１における矢印ｅ）を注入して、前記波長可変フィルタ領域１１３を制御する。このようにすることで、本実施形態の波長可変レーザ装置では、発振波長を所望の波長とすることができる。このため、温度変化による波長可変フィルタの屈折率変化等による発振波長の変化により、波長可変レーザの動作が不安定になることがない。この結果、本実施形態の波長可変レーザ装置は、信頼性が高い。また、本実施形態の波長可変レーザ装置では、波長可変機構および光損失制御手段の両方を、温度検知素子から得られる波長可変レーザの温度情報に基づく、前述の制御機構により制御可能である。このため、例えば、前記波長可変機構および前記光損失制御手段を別々の制御機構により制御する場合と比較して、その装置構造が単純である。

本実施形態の波長可変レーザ装置では、前述のパラメータに加えて、前記回路１３ａは、前記温度情報ａに基づき、前記利得領域１１１を制御するための利得領域制御パラメータを算出する。本発明では、この制御パラメータは、任意のパラメータであるため、算出しなくともよいが、算出することが好ましい。前記利得領域制御パラメータとしては、例えば、前記利得領域１１１に注入される電流（ＩＳＯＡ）等があげられる。なお、このパラメータの算出には、前記温度情報ａに加えて、前記フォトディテクタ１７を介して取得する光出力情報Ｃを参照してもよい。

ついで、前記利得領域制御パラメータに基づき前記電流分配回路１３ｂから、前記利得領域１１１に電流（ＩＳＯＡ、図１における矢印ｃ）を注入して、前記利得領域１１１を制御する。このようにすることで、例えば、前記波長可変レーザ１１から出射されるレーザ光Ａの出力光強度を、より高精度に所望の値に制御することができる。

本実施形態の波長可変レーザ装置では、前述のパラメータに加えて、前記回路１３ａは、前記温度情報ａに基づき、前記ＴＥＣ１５を制御するためのＴＥＣ制御パラメータ（温度制御部制御パラメータ）を算出する。本発明では、この制御パラメータは、任意のパラメータであるため、算出しなくともよいが、算出することが好ましい。前記ＴＥＣ制御パラメータとしては、例えば、前記ＴＥＣ１５に注入される電流（ＩＴＥＣ）等があげられる。なお、前記ＴＥＣ制御パラメータの算出には、前記温度情報ａに加えて、前記フォトディテクタ１７を介して取得する光出力情報Ｃを参照してもよい。

前記吸収領域１１４ａおよび前記光反射率可変ミラー１１４ｂによる制御可能な温度範囲より、例えば、前記波長可変レーザ１１の温度が上昇した場合、前記ＴＥＣ制御パラメータに基づき前記電流分配回路１３ｂから、前記ＴＥＣ１５に電流（ＩＴＥＣ、図１における矢印ｆ）を注入して前記ＴＥＣ１５を作動させる。これにより、前述の温度範囲内まで前記波長可変レーザの温度を低下させる。このようにすることで、例えば、前述の温度範囲を超えるような場合でも、前記波長可変レーザ１１から出射されるレーザ光Ａの波長および出力光強度を所望の値にすることができる。この結果、例えば、本実施形態の波長可変レーザ装置の信頼性が、より高くなる。

本実施形態の波長可変レーザ装置は、例えば、光モジュールの光源として用いることができる。このようにすることで、省電力で、かつ信頼性の高い光モジュールを得ることができる。

本実施形態の波長可変レーザ装置では、前記波長可変レーザにおける利得領域は、例えば、結合量子井戸構造を含んでもよい。前記結合量子井戸構造は、特に制限されないが、例えば、２から５種類の異なる利得ピーク波長を有する量子井戸が、少なくとも各種類２つ以上連続して積層されており、その間に存在する障壁層の少なくとも一つの層厚が２ｎｍから５ｎｍであることを特徴とする量子構造である。前記結合量子井戸構造は、閾値電流などの特性を劣化させることなく、例えば、６０ｎｍ以上の広い利得帯域を得ることができる。このため、必要な波長可変範囲を保持できる。

利得領域は、ある限られた利得帯域を有する。この利得帯域により発振波長範囲は制限される。この利得帯域は、温度上昇と共に長波長側にシフトする。利得帯域は、電流密度が一定の条件下では、例えば、１℃あたり約０．４ｎｍ長波長側にシフトする。このため、ある温度範囲で波長可変レーザを動作させる場合、動作温度の下限から上限までで重なる波長可変範囲が狭くなるか、最悪の場合、重なりが存在しなくなる。図５（ｂ）に示すように、通常の量子井戸構造の利得帯域は、例えば、４０ｎｍ程度である。このため、温度が５０℃変化した場合の利得帯域の重なりは、４０−２０＝２０ｎｍとなる。この結果、例えば、前述のＣ帯におけるフルバンド駆動が困難となる。一方、図５（ａ）に示すように、前述の結合量子井戸構造の利得帯域は、例えば、６０ｎｍ以上である。このため、温度が５０℃変化した場合の利得帯域の重なりは、６０−２０＝４０ｎｍとなる。この結果、例えば、前述のＣ帯におけるフルバンド駆動が可能となる。したがって、結合量子井戸構造を用いれば、例えば、より信頼性を高めることができる。

前記結合量子井戸構造は、例えば、それぞれ、異なる利得ピークを有する量子井戸構造を３種類準備し、これらの量子構造を一つのユニットとして用いる。

１つ目の量子井戸構造は、井戸を１．６３μｍ組成圧縮歪ＩｎＧａＡｓＰの５．５ｎｍ幅、障壁は１．２５μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰとし、４つの量子井戸を積層する。そのうち、1番目と２番目の量子井戸の間、および３番目と４番目の量子井戸の間の障壁層の厚さを４ｎｍとし、２番目と３番目の間の障壁層の厚さを１０ｎｍとする。すなわち、１番目と２番目、３番目と４番目の量子井戸をそれぞれ結合化する。

２つ目の量子井戸構造は、井戸を１．５２μｍ組成圧縮歪ＩｎＧａＡｓＰの５ｎｍ幅、障壁は１．２５μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰとする。障壁層の厚さは、１つ目の量子井戸構造と同じとする。

３つ目の量子井戸構造は、井戸を１．５２μｍ組成圧縮歪ＩｎＧａＡｓＰの４．５ｎｍ幅、障壁は１．２５μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰとする。障壁層の厚さは、１つ目の量子井戸構造と同じとする。

これらの量子井戸構造を、例えば、３つ目、２つ目、１つ目の順に成長圧力９８．６ｋＰａ、成長温度６２５℃で成長させる。このようにして、結合量子井戸構造を形成可能である。また、この量子井戸構造の前後に、ＳＣＨ（分離閉じこめヘテロ構造）を配置することで、半導体光増幅器（ＳＯＡ）を形成することができる。

（実施形態２）
図６に、本実施形態の波長可変レーザ装置の構成を示す。図６に示すとおり、この波長可変レーザ装置６０では、吸収領域１１４ａおよび光反射率可変ミラー１１４ｂの前記利得領域１１１側とは反対側に、機能素子６１がモノリシック集積されている。この点を除き、この波長可変レーザ装置６０は、図１に示す実施形態１の波長可変レーザ装置と同様の構成である。なお、ＴＥＣは、任意の構成であり、必ずしも備えなくともよいが、前述の実施形態１と同様に、備えることが好ましい。

前記機能素子６１は、前記波長可変レーザ１１と同じサブキャリア（半導体基板）１４上にモノリシック集積されているが、例えば、別途準備した素子を組合せてもよい。また、前記機能素子６１は、例えば、図３（ａ）に示すように、前記光反射率可変ミラー３２を介して折り返した形で前記波長可変レーザ１１に光学的に接続されてもよいし、前記波長可変レーザ１１の光出射端面に直接光学的に接続されてもよい。前記機能素子６１としては、例えば、前記波長可変レーザから出射されるレーザ光を変調する光変調器、レーザ光を減衰する光可変減衰器、レーザ光を波長変換する波長変換素子等があげられる。前記機能素子は、一種類を単独で用いてもよいし、複数種類を併用してもよい。

本実施形態の波長可変レーザ装置では、以下の点を除き、例えば、図１に示す実施形態１の波長可変レーザ装置を使用した場合と同様に、波長可変レーザを制御可能である。

ＤＳＰを含む回路１３ａは、前記波長可変レーザ１１の温度情報ａに基づき、前記機能素子６１を制御するための機能素子制御パラメータを算出する。前記機能素子制御パラメータとしては、例えば、前記機能素子６１に注入される電流（Ｉｍｃ）等があげられる。なお、前記機能素子制御パラメータの算出には、前記温度情報ａに加えて、フォトディテクタ１７を介して取得する光出力情報Ｃを参照してもよい。

ついで、前記機能素子制御パラメータに基づき前記電流分配回路１３ｂから、前記機能素子６１に電流（Ｉｍｃ、図６における矢印ｇ）を注入し、前記機能素子６１を制御する。このようにすることで、前述の実施形態１の効果に加えて、例えば、レーザ光に対する変調や可変光出力減衰（シャッタ）等の機能を追加することができる。なお、前記機能素子制御パラメータに基づく機能素子の制御は、例えば、他の制御パラメータに基づく制御と独立して行ってもよい。

（実施形態３）
図７に、本実施形態の波長可変レーザ装置の構成を示す。図７に示すとおり、この波長可変レーザ装置７０は、波長可変レーザ１１の吸収領域１１４ａおよび光反射率可変ミラー１１４ｂ側とは反対側に、ダミー電流注入領域７１をさらに含む。ダミー電流注入領域７１は、波長可変レーザ１１に印加される全電力を一定にする電流経路の一部に相当する。この点を除き、この波長可変レーザ装置７０は、図６に示す実施形態２の波長可変レーザ装置と同様の構成である。なお、ＴＥＣは、任意の構成であり、必ずしも備えなくともよいが、前述の実施形態１と同様に、備えることが好ましい。

本実施形態の波長可変レーザ装置では、以下の点を除き、例えば、図６に示す実施形態２の波長可変レーザ装置を使用した場合と同様に、波長可変レーザを制御可能である。

ＤＳＰを含む回路１３ａは、前記波長可変レーザ１１の温度情報ａに基づき、前記ダミー電流注入領域７１を制御するためのダミー電流注入領域制御パラメータ（電流経路制御パラメータ）を算出する。前記ダミー電流注入領域制御パラメータとしては、例えば、前記ダミー電流注入領域７１に注入されるトータル投入電力制御電流（ＩＤ）等があげられる。なお、前記ダミー電流注入領域制御パラメータの算出には、前記温度情報ａに加えて、フォトディテクタ１７を介して取得する光出力情報Ｃを参照してもよい。

ついで、前記ダミー電流注入領域制御パラメータに基づき前記電流分配回路１３ｂから、前記ダミー電流注入領域７１にトータル投入電力制御電流（ＩＤ、図７における矢印ｈ）を注入して、前記ダミー電流注入領域７１を制御する。このようにすることで、前述の実施形態１および２の効果に加えて、ダミー電力と素子制御電力との総量と、素子内部での発熱量とヒートシンクを介した外部への放熱とを釣り合わせることができる。この結果、前記波長可変レーザ１１の温度制御を行わない場合に起こり得る、各種制御パラメータに基づくトータル投入電力の増減による素子温度の発散を防止可能である。

以上のとおり、本発明の波長可変レーザ装置は、省電力で、かつ信頼性が高い。従って、本発明の波長可変レーザ装置は、例えば、幹線系、アクセス系に使用される波長多重通信用の中長距離光源に適用することができる。ただし、その用途は限定されず、広い分野に適用可能である。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

この出願は、２００９年１０月２２日に出願された日本出願特願２００９−２４３９１４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１０、６０、７０ 波長可変レーザ装置
１１ 波長可変レーザ
１２ 温度検知素子
１３ 制御部
１３ａ ＤＳＰを含む回路
１３ｂ 電流分配回路
１４ サブキャリア
１５ ＴＥＣ
１６ ビームスプリッタ
１７ フォトディテクタ
１８ ヒートシンク
２１ 半導体
２２ａ、２２ｂ、３１ 通電用電極
３２ 方向性結合器
３３ 反射鏡
３４ａ、３４ｂ 光導波路
３５、６１ 機能素子
７１ ダミー電流注入領域
１１１ 利得領域（光源）
１１２ 波長安定化領域（波長可変機構）
１１３ 波長可変フィルタ領域（波長可変機構）
１１４ａ 吸収領域（光損失制御手段）
１１４ｂ 光反射率可変ミラー（光損失制御手段）

Claims (17)

1. 波長可変レーザと、温度検知素子と、制御部とを含み、
   前記波長可変レーザが、光源と波長可変機構とを含むレーザ共振器と、光損失制御手段とを含み、
   前記温度検知素子が、前記波長可変レーザに熱的に接続され、かつ前記制御部に電気的に接続され、
   前記制御部が、前記波長可変機構と前記光損失制御手段とに電気的に接続され、
   前記温度検知素子が、前記波長可変レーザの温度を検知し、
   前記制御部が、
   前記温度検知素子から前記波長可変レーザの温度情報を取得し、
   前記温度情報に基づき波長可変制御パラメータおよび光損失制御パラメータを算出し、
   前記波長可変制御パラメータに基づき前記波長可変機構を制御し、
   前記光損失制御パラメータに基づき前記光損失制御手段を制御することを特徴とする波長可変レーザ装置。
2. 前記光損失制御手段が、吸収領域および光反射率可変ミラーの少なくとも一方であり、
   前記吸収領域は、前記レーザ共振器の光吸収損失を制御可能であり、
   前記光反射率可変ミラーは、前記レーザ共振器の光出射端面の光反射率を制御可能であり、
   前記吸収領域を制御する前記光損失制御パラメータが、吸収領域制御パラメータであり、
   前記光反射率可変ミラーを制御する前記光損失制御パラメータが、光反射率可変ミラー制御パラメータであることを特徴とする請求の範囲１記載の波長可変レーザ装置。
3. 前記吸収領域制御パラメータが、前記吸収領域に注入される電流、および前記吸収領域に印加される電圧の少なくとも一方であることを特徴とする請求の範囲２記載の波長可変レーザ装置。
4. 前記光源が、利得領域を含み、
   前記利得領域が、結合量子井戸構造を含むことを特徴とする請求の範囲１から３のいずれか一項に記載の波長可変レーザ装置。
5. 前記波長可変機構が、波長可変フィルタ領域および波長安定化領域を含むことを特徴とする請求の範囲１から４のいずれか一項に記載の波長可変レーザ装置。
6. 前記光反射率可変ミラーが、通電用電極と方向性結合器と反射鏡とを含むことを特徴とする請求の範囲２から５のいずれか一項に記載の波長可変レーザ装置。
7. さらに、前記波長可変レーザの温度を制御する温度制御部を含むことを特徴とする請求の範囲１から６のいずれか一項に記載の波長可変レーザ装置。
8. さらに、変調器、光可変減衰器および波長変換素子からなる群から選択される少なくとも一つの機能素子を含むことを特徴とする請求の範囲１から７のいずれか一項に記載の波長可変レーザ装置。
9. さらに、前記波長可変レーザに印加される全電力を一定にする電流経路を含むことを特徴とする請求の範囲１から８のいずれか一項に記載の波長可変レーザ装置。
10. 請求の範囲１から９のいずれか一項に記載の波長可変レーザ装置を含むことを特徴とする光モジュール。
11. 請求の範囲１から９のいずれか一項に記載の波長可変レーザ装置を使用し、
    前記温度検知素子により前記波長可変レーザの温度を検知する工程と、
    前記制御部により前記温度検知素子から前記波長可変レーザの温度情報を取得する工程と、
    前記制御部により前記温度情報に基づき波長可変制御パラメータおよび光損失制御パラメータを算出する工程と、
    前記制御部により前記波長可変制御パラメータに基づき前記波長可変機構を制御する工程と、
    前記制御部により前記光損失制御パラメータに基づき前記光損失制御手段を制御する工程とを含むことを特徴とする波長可変レーザの制御方法。
12. 前記吸収領域を制御する前記光損失制御パラメータが、吸収領域制御パラメータであり、
    前記光反射率可変ミラーを制御する前記光損失制御パラメータが、光反射率可変ミラー制御パラメータであることを特徴とする請求の範囲１１記載の波長可変レーザの制御方法。
13. 前記吸収領域制御パラメータが、前記吸収領域に注入される電流、および前記吸収領域に印加される電圧の少なくとも一方であることを特徴とする請求の範囲１２記載の波長可変レーザの制御方法。
14. 請求の範囲４から９のいずれか一項に記載の波長可変レーザ装置を使用し、
    前記制御部により前記温度情報に基づき利得領域制御パラメータを算出する工程と、
    前記制御部により前記利得領域制御パラメータに基づき前記利得領域を制御する工程とをさらに含むことを特徴とする請求の範囲１１から１３のいずれか一項に記載の波長可変レーザの制御方法。
15. 請求の範囲７から９のいずれか一項に記載の波長可変レーザ装置を使用し、
    前記制御部により前記温度情報に基づき温度制御部制御パラメータを算出する工程と、
    前記制御部により前記温度制御部制御パラメータに基づき前記温度制御部を制御する工程とをさらに含むことを特徴とする請求の範囲１１から１４のいずれか一項に記載の波長可変レーザの制御方法。
16. 請求の範囲８または９記載の波長可変レーザ装置を使用し、
    前記制御部により前記温度情報に基づき機能素子制御パラメータを算出する工程と、
    前記制御部により前記機能素子制御パラメータに基づき前記機能素子を制御する工程とをさらに含むことを特徴とする請求の範囲１１から１５のいずれか一項に記載の波長可変レーザの制御方法。
17. 請求の範囲９記載の波長可変レーザ装置を使用し、
    前記制御部により前記温度情報に基づき電流経路制御パラメータを算出する工程と、
    前記制御部により前記電流経路制御パラメータに基づき前記電流経路を制御する工程とをさらに含むことを特徴とする請求の範囲１１から１６のいずれか一項に記載の波長可変レーザの制御方法。

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