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JP2003258372A - 発光モジュール - Google Patents

発光モジュール

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Publication number
JP2003258372A
JP2003258372A JP2002060882A JP2002060882A JP2003258372A JP 2003258372 A JP2003258372 A JP 2003258372A JP 2002060882 A JP2002060882 A JP 2002060882A JP 2002060882 A JP2002060882 A JP 2002060882A JP 2003258372 A JP2003258372 A JP 2003258372A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light emitting
wavelength
output
temperature
predetermined value
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2002060882A
Other languages
English (en)
Inventor
Moriyasu Ichino
守保 市野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority to JP2002060882A priority Critical patent/JP2003258372A/ja
Publication of JP2003258372A publication Critical patent/JP2003258372A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学素子の温度変化によるロック波長シフト
を抑制して、高精度に波長制御を行うことが可能な発光
モジュールを提供すること。 【解決手段】 電源投入時、半導体発光素子31から出
力される光の波長が目標の波長近辺になるまで、CPU
61にて構成される切替手段SWは第1設定値Vref
1の方を選択し、目標波長相当の温度モニタ電圧(F
(T)の出力)が第1設定値Vref1になるように1
重のフィードバック回路で制御する。半導体発光素子3
1から出力される光の波長が目標の波長近辺となると、
切替手段SWを切替え、更に目標波長相当の波長モニタ
電圧(G(T)の出力)が第2設定値Vref2になる
ように2重のフィードバック回路で制御する。CPU6
1は、サーミスタ39にて得られたの温度情報に基づい
て、エタロン34の温度特性を補償するように第2設定
値Vref2の値を補正する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信システム等
に使用される発光モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】発光モジュールは、たとえば複数の波長
成分を用いる波長多重(WDM)伝送システムに使用され
る。1.55μm帯のWDMシステムにおいては、隣接
するグリッドの波長間隔は約0.8nm(100GHz)
とされる。この波長間隔を実現するためには、発光モジ
ュールからの光の発光波長は、グリッド波長に対して±
0.03nm以内の範囲に制御する必要がある。
【0003】現在用いられている発光モジュールの多く
は、半導体発光素子、光検出器、及び温度調整器を有す
る。半導体発光素子の光反射面から僅かに放射されるレ
ーザ光の波長を光検出器によりモニタし、モニタ結果に
基づいて半導体発光素子の温度が調整され、レーザ光の
波長が制御される。ここで、波長変動を精度良く検出す
るため、半導体発光素子と光検出器との間に波長依存性
を有した光学素子(たとえば、エタロン等)を設け、特
定の波長を有するレーザ光成分がモニタされる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明者等の調査研究
の結果、上述した構成の発光モジュールは以下の問題点
を有していることが判明した。
【0005】エタロンを用いた発光モジュールにおいて
は、発光モジュールから放射される光の波長は以下のよ
うに制御される。図6(a),(b)は、半導体発光素子か
ら出力される光の波長と光検出器の出力電流との関係を
示す模式図である。図6(a)に示す通り、光検出器の出
力電流の波形W1は、波長λの増大に従って周期的に変
化する。ここで、WDMシステムで使用されるグリッド
波長をλ0とする。また、波長λ0の光が光検出器に入射
したときに光検出器から出力される出力電流の電流値を
0とする。このとき、出力電流を電流値I0にロック
(制御)することにより、グリッド波長λ0もまたロック
される。しかしながら、発光モジュールの使用中に使用
環境等の理由により、例えば、エタロンの温度がT0
らT1へ上昇すると、図6(b)に示す通り、出力電流の
波形W1は波形W2へと長波長側にシフトしてしまう。
これは、エタロンの温度が上昇すると、エタロンが熱膨
張するためであり、また、エタロンを構成する材料の屈
折率が変化するためである。このような波長シフトのた
め、電流値I0のロックにより波長λ0でロックされるべ
きグリッド波長(以下、ロック波長)は波長λ1へシフト
してしまう。ロック波長シフト量Δλ=λ1−λ0は、通
常使用される一般的な光学ガラスでエタロンを構成した
場合には、0.013nm/℃程度の温度依存性を有す
る。
【0006】一方、半導体発光素子の劣化により光出力
が低下するため、APC(Auto Power Control)回路に
よって半導体発光素子の光出力が一定になるように半導
体発光素子の駆動電流を補正(増加補正)している。こ
の場合、半導体発光素子から出力される光の波長は長波
長側にシフトするため、温度調整器により半導体発光素
子の温度を下げて、波長がシフトするのを防いでいる。
しかしながら、温度調整器により半導体発光素子の温度
を下げた場合、半導体発光素子の近傍に配置されるエタ
ロンの温度も下がってしまうことがあり、ロック波長す
なわち光検出器の出力がずれてしまい、波長制御の精度
が低下してしまう。
【0007】本発明は上述の点に鑑みてなされたもの
で、光学素子の温度変化によるロック波長シフトを抑制
して、高精度に波長制御を行うことが可能な発光モジュ
ールを提供することを課題とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明に係る発光モジュ
ールは、半導体発光素子と、波長依存性を有し、半導体
発光素子からの光を透過させる光学素子と、光学素子を
透過した光を受けて半導体発光素子の光の波長をモニタ
するための光検出器と、光学素子の温度を検知するため
の温度検出器と、半導体発光素子及び光学素子の温度を
調整可能に配置される温度調整手段と、温度検出器の出
力に基づいて当該温度検出器の出力を第1所定値と一致
させるように温度調整手段を制御するための温度制御手
段と、光検出器の出力と第2所定値とに基づいて第1所
定値を決定するための所定値決定手段と、温度検知器の
出力に基づいて光学素子の波長依存性における温度特性
を補償するように第2所定値を補正するための所定値補
正手段と、を備えることを特徴としている。
【0009】本発明に係る発光モジュールでは、温度制
御手段により温度検出器の出力に基づいて当該温度検出
器の出力を第1所定値と一致させるように温度調整手段
が制御される際に、第1所定値を決定するための第2所
定値が所定値補正手段により温度検知器の出力に基づい
て光学素子の波長依存性における温度特性を補償するよ
うに補正される。これにより、半導体発光素子の劣化に
伴い駆動電流を増加補正して、光学素子の温度が変化し
た場合においてもロック波長の変動が抑制されることと
なる。したがって、高精度な波長制御を行うことができ
る。
【0010】また、所定値補正手段は、補正値を記憶し
た記憶手段を含み、記憶手段から温度検知器の出力に対
応する補正値を読み出して、当該補正値を第2所定値に
設定することが好ましい。このように構成した場合、記
憶手段から補正値を読み出すことで第2所定値の設定が
容易に行うことができ、所定値補正手段等に処理能力の
遅いCPUを用いることができる。
【0011】また、所定値補正手段は、温度検知器の出
力に基づいて補正値を算出し、当該補正値を第2所定値
に設定することが好ましい。このように構成した場合に
は、所定値補正手段等を記憶容量の少ないシステム構成
とした場合おいても第2所定値の設定を容易に行うこと
ができる。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
による発光モジュールの好適な実施形態について詳細に
説明する。
【0013】図1は、本施形態の発光モジュール1を示
す概略構成図である。図1を参照すると、発光モジュー
ル1は、発光モジュール主要部10と、ハウジング11
とを備える。ハウジング11は、発光モジュール主要部
10を収納する本体部11a、光ファイバ12を発光モ
ジュール主要部10に導く筒状部11b、及び複数のリ
ードピン11cを備える。
【0014】発光モジュール主要部10は、温度調節手
段としての熱電子冷却器21を有する。この熱電子冷却
器21としては、例えば、ペルチェ効果を利用した温度
制御素子を利用できる。熱電子冷却器21上には、半導
体発光素子31、コリメータレンズ32、光検出器33
a、33b、及び波長依存性を有した光学素子としての
エタロン34が直接的又は間接的に搭載される。
【0015】半導体発光素子31は、光出射面31a及
び光反射面31bを備える。光出射面31aは、レンズ
を含む光学部13によって、ハウジング11の筒状部1
1bに導かれる光ファイバ12と光学的に結合されてい
る。そのため、光出射面31aから放射される光は、光
学部13を通って光ファイバ12へ導入される。一方、
光反射面31bはコリメータレンズ32と光学的に結合
され、光反射面31bから光がコリメータレンズ32に
入射する。半導体発光素子31としては、例えば分布帰
還型(DFB)又はファブリペロー型の半導体レーザ素子
を用いることができる。以下の説明では、半導体発光素
子31はレーザ光を放射する半導体レーザ素子とする。
【0016】コリメータレンズ32は、半導体発光素子
31の光反射面31bと光学的に結合されている。光反
射面31bから放射された光は、発散光であり、コリメ
ータレンズ32を透過することにより平行光となる。コ
リメータレンズ32を透過した平行光は、対応する光検
出器33a、33bに出力される。
【0017】光検出器33aは、コリメータレンズ32
を透過した平行光を受光できるように配置される。光検
出器33aは、受光した平行光の強度に応じた信号を出
力する。
【0018】エタロン34は、コリメータレンズ32を
介して、半導体発光素子31の光反射面31bと光学的
に結合している。エタロン34において、光入射面34
a及び光出射面34bは、微小な角度を成して相対的に
傾斜している。ここで角度は、エタロン34に入射した
光が光入射面34aと光出射面34bとの間で多重干渉
を起こし得る範囲に設定される。具体的には、角度は
0.01度以上0.1度以下であると好適である。光入
射面34a及び光出射面34bが互いに傾斜しているた
め、これらの面34a,34bの間隔は傾斜方向に沿っ
て変化している。そのため、エタロンの透過波長が傾斜
方向に沿って変化することとなる。また、エタロン34
は、その光入射面34a及び光出射面34bに多層反射
膜を有してよい。この多層反射膜により光入射面34a
及び光出射面34bの反射率が調整される。
【0019】光検出器33bは、エタロン34の光出射
面34bから放射される光を受光できるように配置され
る。光検出器33bとエタロン34との相対的な位置関
係は、エタロン34からの所定のグリッド波長λ0の光
が光検出器33bにより所定の電流値で検出されるよう
に決定される。この電流値でロックすることにより、半
導体発光素子31から放射されるレーザ光の波長がグリ
ッド波長λ0でロックされる。具体的には、これらの信
号に基づいて熱電子冷却器21の温度を調整することに
より、半導体発光素子31の温度が調整され、レーザ光
の波長が一定化される。
【0020】なお、光検出器33a,33bは、例え
ば、InP基板上に形成されたInGaAs半導体層を
受光窓とするInGaAs−pin型フォトダイオード
であってよい。
【0021】熱電子冷却器21上には、サーミスタ39
が直接的又は間接的に搭載される。サーミスタ39は、
半導体発光素子31及びエタロン34の温度を検出する
温度検出器として機能する。
【0022】また、発光モジュール主要部10は、光検
出器33aからの出力信号に基づいて半導体発光素子3
1を駆動するための半導体発光素子駆動回路42等を構
成するドライバIC41と、サーミスタ39からの出力
信号に基づいて熱電子冷却器21を駆動するための熱電
子冷却器駆動回路52等を構成するカスタムIC51
と、発光モジュール1全体の動作を制御するためのCP
U61とを備える。発光モジュール主要部10、ドライ
バIC41、カスタムIC51及びCPU61は、基板
71に実装されている。
【0023】図2は、本施形態の発光モジュール1を示
すブロック図である。
【0024】カスタムIC51は、電流電圧変換回路5
3,54、自動温度制御回路(ATC)55、熱電子冷
却器駆動回路(TEC Drv)52、自動出力制御回
路(APC/ACC)56等を含むように構成される。
【0025】電流電圧変換回路53は、光検出器33a
の出力電流を電圧に変換する。電流電圧変換回路54
は、光検出器33bの出力電流を電圧に変換する。自動
温度制御回路55は、サーミスタ39からの出力信号に
基づいて熱電子冷却器21の温度を制御するため制御信
号を生成、出力する。熱電子冷却器駆動回路52は、自
動温度制御回路55からの制御信号に基づいて、熱電子
冷却器21に供給する電流を調整する。自動出力制御回
路56は、電流電圧変換回路53を介して入力された光
検出器33aの出力に基づいて、半導体発光素子31か
ら出力される光の強度を制御するための制御信号を生
成、出力する。この自動出力制御回路56からの制御信
号に基づいて、半導体発光素子駆動回路42は半導体発
光素子31に供給する電流を調整する。
【0026】自動温度制御回路55及び自動出力制御回
路56は、デジタルアナログ変換回路57を介してCP
U61に接続されている。CPU61は、ROM62、
RAM63を含み、ROM62に記憶されたプログラム
に基づいた処理を行う。また、CPU61には、サーミ
スタ39からの出力信号及び電流電圧変換回路54から
の出力信号がアナログデジタル変換回路58を介して接
続されている。なお、CPU61は、ROM62及びR
AM63を含まないものでもよく、バス等によりROM
及びRAMと接続されるものでもよい。
【0027】次に、図3に基づいて、CPU61にて実
行される制御プログラムについて説明する。
【0028】まず、電源投入又は波長切替がなされる
(S101にて「YES」)と、CPU61は、第1設
定値Vref1をデジタルアナログ変換回路57へ出力
する(S103)。このとき、デジタルアナログ変換回
路57に出力された第1設定値Vref1は、電流信号
に変換されて自動温度制御回路55に送られ、自動温度
制御回路55はサーミスタ39からの出力信号が第1設
定値Vref1と一致するようにフィードバック制御す
る。これにより、CPU61及び自動温度制御回路55
は温度制御手段を構成することとなる。
【0029】そして、CPU61は、サーミスタ39か
らの出力信号をアナログデジタル変換回路58を介して
読み込み(S105)、第1設定値Vref1と比較し
てサーミスタ39からの出力信号と第1設定値Vref
1との差が所定範囲内であるか否かを判定する(S10
7)。サーミスタ39からの出力信号と第1設定値Vr
ef1との差が所定範囲内である場合(S107にて
「YES」)、CPU61は、半導体発光素子31から
出力される光の波長が安定していると判断して、エタロ
ン34の波長依存性における温度特性を補償するように
第2設定値Vref2を算出する(S109)。これに
より、CPU61は、所定値補正手段として機能し、第
2設定値Vref2は第2所定値に相当する。
【0030】CPU61における第2設定値Vref2
の算出は、以下のようにして行うことができる。
【0031】ROM62は、エタロン34の波長依存
性における温度特性を補償するための補正値がサーミス
タ39からの出力信号に対応して記憶された補正テーブ
ル62aを有しており、CPU61は、補正テーブル6
2aを参照してサーミスタ39からの出力信号に対応す
る補正値を読み出して、当該補正値を第2設定値Vre
2に設定する。補正テーブル62aは、たとえば、図
4に示されるように、サーミスタ39からの出力信号の
値にそれぞれ対応して補正値が記憶されて構成されてい
る。ここで、ROM62は記憶手段として機能する。
【0032】CPU61は、補正する領域を限定し、
当該領域での特性が線形であると考えることで、下記
(1)式にて表される補正計算式に基づいた演算を行な
い、サーミスタ39からの出力信号に基づいて、エタロ
ン34の波長依存性における温度特性を補償するための
補正値を求め、当該補正値を第2設定値Vref2に設
定する。 V=α(S−S0)+V0 … (1) ここで、 V:補正値 α:エタロン34の温度係数 S:サーミスタ39からの出力信号 S0:波長調整時でのサーミスタ39からの出力信号 V0:波長調整時での第2設定値Vref2
【0033】第2設定値Vref2を算出すると、CP
U61は、電流電圧変換回路54の出力信号、すなわち
光検出器33bの出力信号をアナログデジタル変換回路
58を介して読み込む(S111)。そして、CPU6
1は、第2設定値Vref2と電流電圧変換回路54の
出力信号(光検出器33bの出力信号)との差を算出し
て出力値を決定し(S113)、決定した出力値をデジ
タルアナログ変換回路57へ出力する(S115)。こ
れにより、CPU61は、所定値決定手段として機能
し、出力値が第1所定値に相当する。デジタルアナログ
変換回路57に出力された出力値は、電流信号に変換さ
れて自動温度制御回路55に送られ、自動温度制御回路
55はサーミスタ39からの出力信号が出力値と一致す
るようにフィードバック制御する。
【0034】一方、サーミスタ39からの出力信号と第
1設定値Vref1との差が所定範囲内にない場合(S
107にて「NO」)、CPU61は、半導体発光素子
31から出力される光の波長が不安定であると判断し
て、S105に戻る。これにより、自動温度制御回路5
5において、第1設定値Vref1に基づいたフィード
バック制御が継続することとなる。
【0035】続いて、図5に基づいて、発光モジュール
1の動作を説明する。
【0036】図5において、C(t)は利得を含んだ電
気回路(熱電子冷却器駆動回路52等)と熱電子冷却器
21で構成され、入力信号を熱ΔTに変換する。F
(T)は半導体発光素子31近傍にあるサーミスタ39
で構成され、環境温度Taと熱ΔTの和を感知し、温度
モニタ電圧として出力する。mは環境温度Taと熱ΔT
によって半導体発光素子31の温度が決定され、任意の
波長λを出力することを意味する。最後に、G(T)は
波長依存性をもったエタロン34と光検出器33b、そ
して光検出器33bの電流を電圧に変換する電流電圧変
換回路54で構成され、波長λに応じた波長モニタ電圧
が出力される。
【0037】電源投入時、半導体発光素子31から出力
される光の波長が目標の波長近辺になるまで、CPU6
1にて構成される切替手段SWは第1設定値Vref1
の方を選択し、目標波長相当の温度モニタ電圧(F
(T)の出力)が第1設定値Vref1になるように1
重のフィードバック回路で制御する。
【0038】また、半導体発光素子31から出力される
光の波長が目標の波長近辺となると、切替手段SWを切
替え、更に目標波長相当の波長モニタ電圧(G(T)の
出力)が第2設定値Vref2になるように2重のフィ
ードバック回路で制御する。しかし、この場合、エタロ
ン34による波長依存性に温度特性を持つため、波長モ
ニタ電圧も温度特性を持ち、結果として、波長がずれ
る。そこで、CPU61は、サーミスタ39にて得られ
た温度情報に基づいて、エタロン34の温度特性を補償
するように第2設定値Vref2の値を補正する。これ
によって、半導体発光素子31の劣化により一定光出力
を得るために半導体発光素子31への供給電流が増加し
た場合に、大きく半導体発光素子31の設定温度が変わ
った場合においても、高精度の波長制御が可能となる。
【0039】以上のことから、本実施形態に係る発光モ
ジュール1では、CPU61及び自動温度制御回路55
によりサーミスタ39の出力に基づいて当該サーミスタ
39の出力を出力値と一致させるように熱電子冷却器2
1が制御される際に、出力値を決定するための第2設定
値Vref2がCPU61によりサーミスタ39の出力
に基づいてエタロン34の波長依存性における温度特性
を補償するように補正される。これにより、エタロン3
4の温度が変化した場合においてもロック波長の変動が
抑制されることとなる。したがって、高精度な波長制御
を行うことができる。
【0040】また、CPU61は、補正値を記憶したR
OM62(補正テーブル62a)を含み、ROM62か
らサーミスタ39の出力に対応する補正値を読み出し
て、当該補正値を第2設定値Vref2に設定してい
る。このように構成した場合、ROM62から補正値を
読み出すことでROM62の設定が容易に行うことがで
き、CPU61として処理能力の遅いCPUを用いるこ
とができる。
【0041】また、CPU61は、サーミスタ39の出
力に基づいて補正値を算出し、当該補正値を第2設定値
Vref2に設定している。このように構成した場合に
は、CPU61を記憶容量の少ないシステム構成とした
場合おいても第2設定値Vref2の設定を容易に行う
ことができる。
【0042】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、半導体発光素子の劣化により駆動電流が増加
し、設定温度が異なるが、光学素子の温度変化によるロ
ック波長シフトを抑制して、高精度に波長制御を行うこ
とが可能な発光モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態に係る発光モジュールを示す概略構
成図である。
【図2】本実施形態に係る発光モジュールを示すブロッ
ク図である。
【図3】本実施形態に係る発光モジュールに含まれるC
PUにて実行される制御プログラムを説明するためのフ
ローチャートである。
【図4】補正テーブルの構成を示す図である。
【図5】本実施形態に係る発光モジュールを説明するた
めの機能ブロック図である。
【図6】図6(a),(b)は、半導体発光素子からの光の
波長と光検出器の出力電流との関係を示す模式図であ
る。
【符号の説明】
1…発光モジュール、10…発光モジュール主要部、1
2…光ファイバ、21…熱電子冷却器、31…半導体発
光素子、33a,33b…光検出器、34…エタロン、
39…サーミスタ、42…半導体発光素子駆動回路、5
2…熱電子冷却器駆動回路、55…自動温度制御回路、
56…自動出力制御回路、62a…補正テーブル。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体発光素子と、 波長依存性を有し、前記半導体発光素子からの光を透過
    させる光学素子と、 前記光学素子を透過した光を受けて前記半導体発光素子
    の光の波長をモニタするための光検出器と、 前記光学素子の温度を検知するための温度検出器と、 前記半導体発光素子及び前記光学素子の温度を調整可能
    に配置される温度調整手段と、 前記温度検出器の出力に基づいて当該温度検出器の出力
    を第1所定値と一致させるように前記温度調整手段を制
    御するための温度制御手段と、 前記光検出器の出力と第2所定値とに基づいて前記第1
    所定値を決定するための所定値決定手段と、 前記温度検知器の出力に基づいて前記光学素子の波長依
    存性における温度特性を補償するように前記第2所定値
    を補正するための所定値補正手段と、を備えることを特
    徴とする発光モジュール。
  2. 【請求項2】 前記所定値補正手段は、補正値を記憶し
    た記憶手段を含み、前記記憶手段から前記温度検知器の
    出力に対応する補正値を読み出して、当該補正値を前記
    第2所定値に設定することを特徴とする請求項1に記載
    の発光モジュール。
  3. 【請求項3】 前記所定値補正手段は、前記温度検知器
    の出力に基づいて補正値を算出し、当該補正値を前記第
    2所定値に設定することを特徴とする請求項1に記載の
    発光モジュール。
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