JP2018148239A - 波長可変レーザの波長切り替え方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 波長可変レーザの波長切り替え開始後、外部へ光出力を行うまでの時間を短くすることのできる、波長可変レーザの波長切り替え方法を提供する。【解決手段】 エタロンの温度を制御する温度制御装置を備え、エタロンの前後の光強度比によって波長可変レーザの出力波長を特定する波長検知部を持ち、その検知結果に基づいて波長可変レーザの波長を目標波長に制御する方法であって、波長可変レーザを第１波長で駆動し、第２波長を出力する命令に応じて波長可変レーザの光出力を抑制し、第２波長に対応した第２エタロン温度に向けて温度制御装置の制御を開始し、エタロンが第２エタロン温度に到達する前に、エタロンが、波長可変レーザの出力波長が第２波長に対応した許容範囲に対応した温度範囲に到達したことを検知して、波長可変レーザの光出力の抑制を解除し、温度制御装置が、第２エタロン温度に到達したことを検知する。【選択図】 図１０

Description

本発明は、波長可変レーザの波長切り替え方法に関するものである。

出力波長を選択可能な波長可変レーザが開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の技術では、ITU-T（International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector）によって定められたグリッド波長を得るための制御条件をメモリに格納し、この格納された制御条件を基にグリッド波長の何れかの波長で発振させる制御を実施するものである。

特開２００９−０２６９９６号公報

光伝送に利用される帯域の利用効率を向上するために、波長可変レーザの出力波長を切り替える制御が必要とされる。波長可変レーザが波長の切り替えを行う期間は、波長可変レーザから外部への光出力は抑制される。波長可変レーザが波長の切り替えを開始してから、再び外部へ光出力がなされるまでの期間を短くすることは、ユーザの利便性に寄与する。

そこで、波長可変レーザの波長切り替え開始後、外部へ光出力を行うまでの時間を短くすることのできる、波長可変レーザの波長切り替え方法を提供することを目的とする。

本発明に係る波長可変レーザの波長切り替え方法は、エタロンの温度を制御する温度制御装置を備え、前記エタロンに入力される光強度と前記エタロンから出力される光強度の比によって波長可変レーザの出力波長を特定する波長検知部を持ち、前記波長検知部の検知結果に基づいて、前記波長可変レーザの波長を目標波長に制御する方法であって、前記波長可変レーザを第１波長で駆動する第１ステップと、前記第１ステップの後、前記第１波長とは異なる第２波長を出力する命令に応じて、前記波長可変レーザの光出力を抑制する第２ステップと、前記第２ステップの後、前記第１波長に対応した第１エタロン温度とは異なる第２波長に対応した第２エタロン温度に向けて、前記温度制御装置の制御を開始する第３ステップと、前記エタロンが前記第２エタロン温度に到達する前に、前記エタロンが、前記波長可変レーザの出力波長が前記第２波長に対応した許容範囲に対応した温度範囲に到達したことを検知して、前記波長可変レーザの光出力の抑制を解除する第４ステップと、を含む。

上記発明によれば、波長可変レーザの波長切り替え開始後、短時間で光出力を外部へ提供することができる。

実施例１に係る波長可変レーザの全体構成を示すブロック図である。 半導体レーザの全体構成を示す模式的断面図である。 初期設定値およびフィードバック制御目標値を示す図である。 温度補正係数を表すテーブルである。 グリッドレス制御における要求波長と基本波長との関係を表す図である。 グリッドレス制御の原理を示す図である。 第２温度制御装置の温度と発振波長との関係を示す図である。 ユーザが要求波長を入力してから半導体レーザの駆動が開始されるまでの工程を説明するフローチャートである。 図８のフローの後の半導体レーザの駆動動作を説明するフローチャートである。 波長切り替え動作の一例を説明するフローチャートである。

[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
（１）波長可変レーザの波長切り替え方法は、エタロンの温度を制御する温度制御装置を備え、前記エタロンに入力される光強度と前記エタロンから出力される光強度の比によって波長可変レーザの出力波長を特定する波長検知部を持ち、前記波長検知部の検知結果に基づいて、前記波長可変レーザの波長を目標波長に制御する方法であって、前記波長可変レーザを第１波長で駆動する第１ステップと、前記第１ステップの後、前記第１波長とは異なる第２波長を出力する命令に応じて、前記波長可変レーザの光出力を抑制する第２ステップと、前記第２ステップの後、前記第１波長に対応した第１エタロン温度とは異なる第２波長に対応した第２エタロン温度に向けて、前記温度制御装置の制御を開始する第３ステップと、前記エタロンが前記第２エタロン温度に到達する前に、前記エタロンが、前記波長可変レーザの出力波長が前記第２波長に対応した許容範囲に対応した温度範囲に到達したことを検知して、前記波長可変レーザの光出力の抑制を解除する第４ステップと、を含む。
（２）前記温度制御装置が、前記第２エタロン温度に到達したことを検知する第５ステップを含んでいてもよい。
（３）前記第５ステップにおいて、前記エタロンの温度が、前記第２エタロン温度を含み前記温度範囲よりも狭い範囲に到達したことをもって、前記第２エタロン温度に到達したと検知してもよい。
（４）前記第４ステップにおいて、前記エタロンの温度が前記温度範囲に所定期間収まることを確認した後に、前記波長可変レーザの光出力の抑制を解除してもよい。

［本願発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る波長可変レーザの波長切り替え方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

図１は、実施例１に係る波長可変レーザ１００の全体構成を示すブロック図である。図１に示すように、波長可変レーザ１００は、レーザデバイスとして、波長を制御可能な半導体レーザ３０（チューナブル半導体レーザ）を備えている。本実施例の半導体レーザ３０は、レーザ領域に連結してＳＯＡ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）となる領域が設けられている。このＳＯＡは、光出力制御部として機能する。ＳＯＡは光出力の強度を任意に増減させることができる。また光出力の強度を実質的にゼロに制御することもできる。さらに波長可変レーザ１００は、検知部５０、メモリ６０、コントローラ７０などを備える。検知部５０は、出力検知部および波長ロッカ部として機能する。コントローラ７０は、波長可変レーザ１００の制御を行うものであり、その内部にはＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を備えている。

図２は、本実施例における半導体レーザ３０の全体構成を示す模式的断面図である。図２に示すように、半導体レーザ３０は、ＳＧ−ＤＦＢ（Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）領域Ａと、ＣＳＧ−ＤＢＲ（Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）領域Ｂと、ＳＯＡ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）領域Ｃとを備える。すなわち、半導体レーザ３０は、半導体構造内に波長選択ミラーを有するレーザである。

一例として、半導体レーザ３０において、フロント側からリア側にかけて、ＳＯＡ領域Ｃ、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂがこの順に配置されている。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、利得を有しサンプルドグレーティングを備える。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂは、利得を有さずにサンプルドグレーティングを備える。ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂが図１のレーザ領域に相当し、ＳＯＡ領域Ｃが図２のＳＯＡ領域に相当する。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、基板１上に、下クラッド層２、活性層３、上クラッド層６、コンタクト層７、および電極８が積層された構造を有する。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂは、基板１上に、下クラッド層２、光導波層４、上クラッド層６、絶縁膜９、および複数のヒータ１０が積層された構造を有する。各ヒータ１０には、電源電極１１およびグランド電極１２が設けられている。ＳＯＡ領域Ｃは、基板１上に、下クラッド層２、光増幅層１９、上クラッド層６、コンタクト層２０、および電極２１が積層された構造を有する。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域ＢおよびＳＯＡ領域Ｃにおいて、基板１、下クラッド層２、および上クラッド層６は、一体的に形成されている。活性層３、光導波層４、および光増幅層１９は、同一面上に形成されている。ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡとＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂとの境界は、活性層３と光導波層４との境界と対応している。

ＳＯＡ領域Ｃ側における基板１、下クラッド層２、光増幅層１９および上クラッド層６の端面には、端面膜１６が形成されている。本実施例では、端面膜１６はＡＲ（Ａｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）膜である。端面膜１６は、半導体レーザ３０のフロント側端面として機能する。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ側における基板１、下クラッド層２、光導波層４、および上クラッド層６の端面には、端面膜１７が形成されている。本実施例では、端面膜１７はＡＲ膜である。端面膜１７は、半導体レーザ３０のリア側端面として機能する。

基板１は、例えば、ｎ型ＩｎＰからなる結晶基板である。下クラッド層２はｎ型、上クラッド層６はｐ型であり、それぞれ例えばＩｎＰによって構成される。下クラッド層２および上クラッド層６は、活性層３、光導波層４、および光増幅層１９を上下で光閉込めしている。

活性層３は、利得を有する半導体により構成されている。活性層３は、例えば量子井戸構造を有しており、例えばＧａ_０．３２Ｉｎ_０．６８Ａｓ_０．９２Ｐ_０．０８（厚さ５ｎｍ）からなる井戸層と、Ｇａ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ａｓ_０．４７Ｐ_０．５３（厚さ１０ｎｍ）からなる障壁層が交互に積層された構造を有する。光導波層４は、例えばバルク半導体層で構成することができ、例えばＧａ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ａｓ_０．４７Ｐ_０．５３によって構成することができる。本実施例においては、光導波層４は、活性層３よりも大きいエネルギギャップを有する。

光増幅層１９は、電極２１からの電流注入によって利得が与えられ、それによって光増幅をなす領域である。光増幅層１９は、例えば量子井戸構造で構成することができ、例えばＧａ_０．３５Ｉｎ_０．６５Ａｓ_０．９９Ｐ_０．０１（厚さ５ｎｍ）の井戸層とＧａ_０．１５Ｉｎ_０．８５Ａｓ_０．３２Ｐ_０．６８（厚さ１０ｎｍ）の障壁層が交互に積層された構造とすることができる。また、他の構造として、例えばＧａ_０．４４Ｉｎ_０．５６Ａｓ_０．９５Ｐ_０．０５からなるバルク半導体を採用することもできる。なお、光増幅層１９と活性層３とを同じ材料で構成することもできる。

コンタクト層７，２０は、例えばｐ型Ｇａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ結晶によって構成することができる。絶縁膜９は、窒化シリコン膜（ＳｉＮ）または酸化シリコン膜（ＳｉＯ）からなる保護膜である。ヒータ１０は、チタンタングステン（ＴｉＷ）で構成された薄膜抵抗体である。ヒータ１０のそれぞれは、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの複数のセグメントにまたがって形成されていてもよい。

電極８，２１、電源電極１１およびグランド電極１２は、金（Ａｕ）等の導電性材料からなる。基板１の下部には、裏面電極１５が形成されている。裏面電極１５は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域ＢおよびＳＯＡ領域Ｃにまたがって形成されている。

端面膜１６および端面膜１７は、１．０％以下の反射率を有するＡＲ膜であり、実質的にその端面が無反射となる特性を有する。ＡＲ膜は、例えばＭｇＦ_２およびＴｉＯＮからなる誘電体膜で構成することができる。なお、本実施例ではレーザの両端がＡＲ膜であったが、端面膜１７を有意の反射率を持つ反射膜で構成する場合もある。図２における端面膜１７に接する半導体に光吸収層を備えた構造を設けた場合、端面膜１７に有意の反射率を持たせることで、端面膜１７から外部に漏洩する光出力を抑制することができる。有意の反射率としては、たとえば１０％以上の反射率である。なお、ここで反射率とは、半導体レーザ内部に対する反射率を指す。

回折格子（コルゲーション）１８は、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの下クラッド層２に所定の間隔を空けて複数箇所に形成されている。それにより、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにサンプルドグレーティングが形成される。ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおいて、下クラッド層２に複数のセグメントが設けられている。ここでセグメントとは、回折格子１８が設けられている回折格子部と回折格子１８が設けられていないスペース部とが１つずつ連続する領域のことをいう。すなわち、セグメントとは、両端が回折格子部によって挟まれたスペース部と回折格子部とが連結された領域のことをいう。回折格子１８は、下クラッド層２とは異なる屈折率の材料で構成されている。下クラッド層２がＩｎＰの場合、回折格子を構成する材料として、例えばＧａ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ａｓ_０．４７Ｐ_０．５３を用いることができる。

回折格子１８は、２光束干渉露光法を使用したパターニングにより形成することができる。回折格子１８の間に位置するスペース部は、回折格子１８のパターンをレジストに露光した後、スペース部に相当する位置に再度露光を施すことで実現できる。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおける回折格子１８のピッチと、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおける回折格子１８のピッチとは、同一でもよく、異なっていてもよい。本実施例においては、一例として、両ピッチは同一に設定してある。また、各セグメントにおいて、回折格子１８は同じ長さを有していてもよく、異なる長さを有していてもよい。また、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの各回折格子１８が同じ長さを有し、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの各回折格子１８が同じ長さを有し、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡとＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂとで回折格子１８の長さが異なっていてもよい。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおいては、各セグメントの光学長が実質的に同一となっている。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおいては、少なくとも２つのセグメントの光学長が、互いに異なって形成されている。それにより、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの波長特性のピーク同士の強度は、波長依存性を有するようになる。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａのセグメントの平均光学長とＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂのセグメントの平均光学長は異なっている。このように、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ内のセグメントおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂのセグメントが半導体レーザ３０内において共振器を構成する。

ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂそれぞれの内部においては、反射した光が互いに干渉する。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａには活性層３が設けられており、キャリア注入されると、ピーク強度がほぼ揃った、所定の波長間隔を有する離散的な利得スペクトルが生成される。また、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおいては、ピーク強度が異なる、所定の波長間隔を有する離散的な反射スペクトルが生成される。ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおける波長特性のピーク波長の間隔は異なっている。これら波長特性の組み合わせによって生じるバーニア効果を利用して、発振条件を満たす波長を選択することができる。

図１に示すように、半導体レーザ３０は、第１温度制御装置３１上に配置されている。第１温度制御装置３１は、ペルチェ素子を含み、ＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｏｌｅｒ）として機能する。第１サーミスタ３２は、第１温度制御装置３１上に配置されている。第１サーミスタ３２は、第１温度制御装置３１の温度を検出する。第１サーミスタ３２の検出温度に基づいて、半導体レーザ３０の温度を特定することができる。

波長可変レーザ１００においては、検知部５０が半導体レーザ３０のフロント側に配置されている。検知部５０が波長ロッカ部として機能することから、波長可変レーザ１００は、フロントロッカタイプと呼ぶことができる。検知部５０は、第１受光素子４２、ビームスプリッタ５１、エタロン５２、第２温度制御装置５３、第２受光素子５４、および第２サーミスタ５５を備える。

ビームスプリッタ４１は、半導体レーザ３０のフロント側からの出力光を分岐する位置に配置されている。ビームスプリッタ５１は、ビームスプリッタ４１からの光を分岐する位置に配置されている。第１受光素子４２は、ビームスプリッタ５１によって分岐された２つの光の一方を受光する位置に配置されている。エタロン５２は、ビームスプリッタ５１によって分岐された２つの光の他一方を透過する位置に配置されている。第２受光素子５４は、エタロン５２を透過した透過光を受光する位置に配置されている。

エタロン５２は、入射光の波長に応じて透過率が周期的に変化する特性を有する。本実施例においては、エタロン５２としてソリッドエタロンを用いる。なお、ソリッドエタロンの当該周期的な波長特性は、温度が変化することによって変化する。エタロン５２は、ビームスプリッタ５１によって分岐された２つの光の他方を透過する位置に配置されている。また、エタロン５２は、第２温度制御装置５３上に配置されている。第２温度制御装置５３は、ペルチェ素子を含み、ＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｏｌｅｒ）として機能する。

第２受光素子５４は、エタロン５２を透過した透過光を受光する位置に配置されている。第２サーミスタ５５は、エタロン５２の温度を特定するために設けられている。第２サーミスタ５５は、例えば第２温度制御装置５３上に配置されている。本実施例では、第２温度制御装置５３の温度を第２サーミスタ５５で検出することで、エタロン５２の温度を特定している。

メモリ６０は、書換え可能な記憶装置である。書き換え可能な記憶装置としては、典型的にはフラッシュメモリが挙げられる。コントローラ７０は、中央演算処理装置（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、電源などを備える。ＲＡＭは、中央演算処理装置が実行するプログラム、中央演算処理装置が処理するデータなどを一時的に記憶するメモリである。

メモリ６０は、波長可変レーザ１００の各部の初期設定値およびフィードバック制御目標値をチャネルに対応させて記憶している。チャネルとは、半導体レーザ３０の発振波長に対応する番号である。各チャネルの波長は、波長可変レーザ１００の波長可変帯域内において、離散的に定められている。例えば、各チャネルは、ＩＴＵ−Ｔ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｕｎｉｏｎ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ Ｓｅｃｔｏｒ）のグリッド波長（５０ＧＨｚ間隔）に対応している。または、ＩＴＵ−Ｔグリッドの間隔よりも狭めた間隔で、初期設定値を用意してもよい。本実施例においては、各チャネルの波長が基本波長と定義される。

図３は、上記初期設定値およびフィードバック制御目標値を示す図である。図３に示すように、上記初期設定値は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの電極８に供給される初期電流値Ｉ_ＬＤ、ＳＯＡ領域Ｃの電極２１に供給される初期電流値Ｉ_ＳＯＡ、半導体レーザ３０の初期温度値Ｔ_ＬＤ、エタロン５２の初期温度値Ｔ_{Ｅｔａｌｏｎ}、および各ヒータ１０に供給される初期電力値Ｐ_{Ｈｅａｔｅｒ１}〜Ｐ_{Ｈｅａｔｅｒ３}を含む。これら初期設定値は、チャネルごとに定められている。上記フィードバック制御目標値は、コントローラ７０のフィードバック制御を行う際の目標値である。フィードバック制御目標値は、第１受光素子４２が出力する光電流の目標値Ｉ_ｍ１、および第１受光素子４２が出力する光電流Ｉ_ｍ１に対する第２受光素子５４が出力する光電流Ｉ_ｍ２の比の目標値Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１を含む。制御目標値も、チャネルごとに定められている。なお、これらの各値は、波長可変レーザ１００の出荷前に、波長計を使ったチューニングによって個体ごとに取得される。また、図４に示すようにメモリ６０には、温度補正係数Ｃ１が格納されている。温度補正係数Ｃ１の詳細については後述する。本実施例においては、温度補正係数Ｃ１は、各チャネルに共通の値である。

本実施例に係る波長可変レーザ１００は、基本波長と一致しない要求波長を出力することができる。基本波長と異なる要求波長での出力を可能とする制御のことを、以下、グリッドレス制御と称する。図５は、グリッドレス制御における要求波長と基本波長との関係を表す図である。図５に示すように、グリッドレス制御においては、要求波長は、基本波長と隣接する他の基本波長との間の波長である。なお、要求波長は、基本波長と一致していてもよい。

図６は、グリッドレス制御の原理を示す図である。図６において、横軸は波長を示し、縦軸は比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１（エタロン５２の透過率）の正規化値を示す。図６において、実線は、エタロン５２の初期温度値Ｔ_{Ｅｔａｌｏｎ}に対応する波長特性である。また、点線は、エタロン５２の温度を第２温度制御装置５３によって上昇させた場合の波長特性である。ここで、実線上の黒丸における比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１がフィードバック制御目標値として採用されている場合、エタロン５２が初期温度値Ｔ_{Ｅｔａｌｏｎ}であると、基本波長で発振することになる。一方、エタロン５２が点線で示される波長特性に対応した温度であると、比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１が基本波長を得るための値（点線上の黒丸）であっても、実際の発振波長はエタロン特性の変更分だけ、その基本波長からシフトする。つまり、要求波長と基本波長との波長差分だけエタロン特性をシフトすることで、フィードバック制御目標値である比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１はそのままで、要求波長を実現することができる。すなわち、要求波長と基本波長との波長差分ΔＦに基づき、エタロン温度を変更するための演算をし、これをエタロン温度として適用することで、要求波長を実現することができる。

上記したように、エタロン５２の波長特性は、その温度にしたがってシフトする。エタロン５２における周波数変動量／温度変化量［ＧＨｚ／℃］を、エタロン５２の温度補正係数Ｃ１と称する。なお、ここでは波長を周波数で表現している。温度補正係数Ｃ１は、波長可変レーザの駆動条件の波長変化に対する変化率に相当する。

要求波長の制御を実現するためのエタロン５２の設定温度をＴｅｔｌｎ＿Ａ［℃］とする。またエタロン５２の初期温度、すなわち選択された基本波長に対応したエタロン５２の温度をＴｅｔｌｎ＿Ｂ［℃］とする。Ｔｅｔｌｎ＿ＢはＴ_{Ｅｔａｌｏｎ}に相当し、メモリ６０から取得される。さらに、基本波長と要求波長との波長差分（絶対値）をΔＦ［ＧＨｚ］とする。この場合、各パラメータの関係は、下記式（１）のように表すことができる。式（１）に基づいて要求波長を得るために必要な設定温度Ｔｅｔｌｎ＿Ａを求めることができる。
Ｔｅｔｌｎ＿Ａ＝Ｔｅｔｌｎ＿Ｂ＋ΔＦ／Ｃ１ （１）

第２温度制御装置５３の温度を設定温度Ｔｅｔｌｎ＿Ａに制御することによって、比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１をそのまま利用して、要求波長を得ることが可能となる。以上の動作を実行することにより、図６に示すように、エタロン５２の特性がシフトした分だけ、基本波長からシフトした波長（要求波長）によって半導体レーザ３０をレーザ発振させることができる。

次に、波長可変レーザ１００の波長切り替え動作について説明する。波長切り替えを行う命令がコントローラ７０へ入力された場合、コントローラ７０は、外部への光出力を抑制する制御を実施する。図１の例では、ＳＯＡに逆バイアスを印加してＳＯＡを光吸収器として機能させることで、外部への光出力を抑制する。外部への光出力が抑制された後、コントローラ７０は、次に出力するべき発振波長に対応した駆動条件の演算を行う。この演算は、前記した手順と同じ手順が採用できる。

新たな駆動条件が得られた後、コントローラ７０は、波長可変レーザ１００の各部の制御を開始する。この際、最も時間を要する制御は、第２温度制御装置５３の温度制御である。グリッドレス制御を行わない場合、グリッド波長の間隔でエタロンのＦＳＲ（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｒａｎｇｅ）を定めれば、第２温度制御装置５３の温度は各グリッド波長において同じにすることができる。しかし、グリッドレス制御を実施する場合には、第２温度制御装置５３の温度を変更する必要がある。温度制御は、所定の熱容量を持った部品の温度を制御することから、半導体レーザ３０の電流や電圧の制御に比べて、制御にかかる時間が長くなる。このため、グリッドレス制御を行う場合は、波長切り替えにおける時間が、グリッドレス制御を行わない場合に比べて長くなってしまう。

図７は、第２温度制御装置５３の温度と発振波長との関係を示す図である。図７は、次に出力するべき発振波長に対応した駆動条件を与えた状態で、第２温度制御装置５３の温度を変化させた場合に得られる発振波長を示している。図７においてＴａは、波長切り替えを行う前の波長λ１を実現するために第２温度制御装置５３にセットされていた温度である。一方、Ｔｂは、波長切り替え後の新たな発振波長λ２を実現するために必要な第２温度制御装置５３の温度である。

図７のうち点線で示される特性Ａは波長λ１で発振するための駆動条件であり、実線で示される特性Ｂは波長λ２で発振するための駆動条件である。波長切り替えの命令により、半導体レーザ３０の電流や電圧が変更されると、半導体レーザ３０の特性が特性Ａから特性Ｂへ変化する。この時点では、半導体レーザ３０の共振器内部は、波長λ２’で示される波長に対応した状態に定められているといえる。

次に、第２温度制御装置５３の温度がＴａからＴｂへと遷移するにしたがって、半導体レーザ３０の共振器内部の状態が、特性Ｂに従って変化する。図７のＷａは、発振波長λ２をユーザが要求した場合に許容される許容波長の範囲を示している。図７に示すように、第２温度制御装置５３の温度がＴｂ１〜Ｔｂ２の範囲であれば、発振波長がＷａの範囲で得られることが理解できる。すなわち、波長切り替え前の温度Ｔａから波長切り替え後の温度Ｔｂへの温度変化の期間において、第２温度制御装置５３の温度がＴｂ１に到達すれば、波長可変レーザ１００の光出力の抑制を解除することができる。

たとえば、Ｔｂ１からＴｂへの温度変化に要する時間が１秒であった場合、温度Ｔｂ１に到達した時点でＳＯＡの出力上昇（シャッタＯＮ）を行えば、温度Ｔｂに到達する１秒前からＳＯＡからの光出力を実行することができる。このため、検知部５０およびコントローラ７０による波長制御も１秒早く開始できるため、波長の切り替え時間を短縮することができる。ユーザが波長切り替えに許容する期間は数秒であり、これを短くできることは、ユーザの利便性に寄与する。

図７において特性ＡあるいはＢは、直線で近似でき、その傾きもほぼ一定である。そこで、ユーザが許容する許容波長の範囲が分かれば、第２温度制御装置５３の目標温度に対し、光出力の抑制を解除できる温度は計算によって求めることができる。光出力の抑制を解除できる温度は、目標温度に対する温度差で示すことができるので、この温度差をメモリ６０に記憶しておけば、いずれの目標波長においても、光出力の開始時間を短縮することができる。

次に、本実施例による波長可変レーザの制御フローについて説明する。図８は、ユーザが要求波長を入力してから半導体レーザ３０の駆動が開始されるまでの工程を説明するフローチャートである。図８に示すように、コントローラ７０は、要求波長の入力を受ける（ステップＳ１）。要求波長として、波長または周波数の実数値が入力される場合と、少なくとも２種類以上のパラメータを含む間接的な情報が入力される場合とがある。例えば、基準周波数（スタートグリッド波長）、チャネル番号、およびグリッド間隔が入力される場合がある。例えば、基準周波数ＦＣＦ（Ｆｉｒｓｔ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）、グリッド間隔Ｇｒｉｄ、およびチャネル番号ＣＨから、要求波長を算出することができる。具体的には、下記式（２）にしたがって、周波数Ｆを求め、当該周波数Ｆから要求波長を算出することができる。入力された情報が間接的な情報であれば、コントローラ７０は、下記式（２）などに従って要求波長を算出する。
Ｆ＝ＦＣＦ＋（ＣＨ−１）×Ｇｒｉｄ （２）

次に、コントローラ７０は、要求波長に基づいて、基本波長を選択する（ステップＳ２）。次に、コントローラ７０は、基本波長と要求波長との差を波長差分ΔＦとして算出する（ステップＳ３）。次に、コントローラ７０は、ステップＳ２で選択された基本波長に係る初期設定値およびフィードバック制御目標値をメモリ６０から読み出し、波長差分ΔＦを用いてエタロン７２の設定温度Ｔｅｔｌｎ＿Ａを更新設定値として算出する（ステップＳ４）。次に、コントローラ７０は、波長差分ΔＦを用いて半導体レーザ３０の更新設定値を算出する（ステップＳ５）。半導体レーザ３０の更新設定値とは、図３の初期設定値と波長差分ΔＦとから算出される半導体レーザ３０の設定値である。次に、コントローラ７０は、エタロン７２の更新設定値および半導体レーザ３０の更新設定値を自身のＲＡＭに書き込む（ステップＳ６）。次に、コントローラ７０は、ＲＡＭに書き込んだ更新設定値を駆動条件として用いて半導体レーザ３０を駆動する（ステップＳ７）。

図９は、図８のフローの後の半導体レーザ３０の駆動動作を説明するフローチャートである。図９に示すように、コントローラ７０は、第１サーミスタ３２の検出温度ＴＨ１がＴ_ＬＤの範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ２１）。ここでＴ_ＬＤの範囲とは、駆動条件の温度値Ｔ_ＬＤを中心とする所定範囲である。ステップＳ２１において「Ｎｏ」と判定された場合、コントローラ７０は、第１サーミスタ３２の検出温度ＴＨ１が温度値Ｔ_ＬＤ近づくように第１温度制御装置３１に供給される電流値を変更する。

コントローラ７０は、ステップＳ２１と並行して、第２サーミスタ５５の検出温度ＴＨ２が設定範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ２２）。この場合の設定範囲は、駆動条件に含まれるエタロン７２の設定温度に基づいて決定される。例えば、上記設定範囲は、エタロン７２の設定温度を中心とする所定範囲とすることができる。ステップＳ２２において「Ｎｏ」と判定された場合、コントローラ７０は、第２サーミスタ５５の検出温度ＴＨ２がエタロン７２の設定温度に近づくように第２温度制御装置５３に供給される電流値を変更する。

コントローラ７０は、ステップＳ２１およびステップＳ２２の両方で「Ｙｅｓ」と判定されるまで待機する。ステップＳ２１およびステップＳ２２の両方で「Ｙｅｓ」と判定された場合、コントローラ７０は、シャッタオープンの動作を行う（ステップＳ２３）。具体的には、ＳＯＡ領域Ｃの電極２１に供給される電流を初期電流値Ｉ_ＳＯＡに制御する。それにより、半導体レーザ３０から駆動条件に基づく波長のレーザ光が出力される。

次に、コントローラ７０は、第１温度制御装置３１による温度値Ｔ_ＬＤを制御目標とした温度制御を終了する（ステップＳ２４）。次に、コントローラ７０は、第１温度制御装置３１によるＡＦＣ制御を開始する（ステップＳ２５）。つまり、第１温度制御装置３１の温度が、フィードバック制御目標値の比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１を満たすようにフィードバック制御される。エタロン５２の入力光と出力光の比（前後比）は、半導体レーザ３０の発振波長を示している。また、第１温度制御装置３１は半導体レーザ３０の波長を制御するパラメータである。すなわちステップＳ２５では、前後比がＩ_ｍ２／Ｉ_ｍ１になるように第１温度制御装置３１の温度をフィードバック制御することで、半導体レーザ３０の波長を制御する。それにより、要求波長が実現される。コントローラ７０は、比Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１がステップＳ２で選択された基本波長における目標値Ｉ_ｍ２／Ｉ_ｍ１を中心とする所定範囲内にあることを確認すると、ＡＦＣロックフラグを出力する（ステップＳ２６）。その後、フローチャートの実行が終了する。

次に、波長切り替えの動作について説明する。図９に示す動作により、ＡＦＣロックフラグが出力されて、要求波長における波長出力がなされているときに、ユーザが波長切り替えの命令を発行した場合、コントローラ７０は、図１０に示す波長切り替え動作を実行する。図１０は、本実施例における波長切り替え動作の一例を説明するフローチャートである。

図１０に示すように、ユーザが波長切り替えの実行を命令する（ステップ５１）と、光出力を抑制するために、シャッター（ＳＯＡ）を閉じる動作が実行される（ステップ５２）。光出力の抑制のためには、ＳＯＡを光吸収器として利用する方法が典型的である。また、マイクロマシンを利用したメカニカルシャッタや液晶を利用したシャッタを駆動する方式も考えられる。次に、ユーザが入力した切り替えるべき目標波長に対応した駆動条件の算出を実行する（ステップＳ５３）。この算出にあたっては、図８に示したステップＳ１からＳ６と同じ作業が実行される。

次に、コントローラ７０は、ＲＡＭに書き込まれた駆動条件に従って波長可変レーザ１００を駆動する（ステップＳ５４）。駆動が開始された後は、波長可変レーザ１００の各部に対する電圧や電流条件は、速やかに指定された条件に到達する。一方、第１温度制御装置３１および第２温度制御装置５３の温度については、その温度が指定値に到達するまでフィードバック制御の実施が必要である（ステップＳ５５、Ｓ５６）。

本実施例では、第２温度制御装置５３の温度検出値ＴＨ２を２段階に分けて管理する。まず、ステップＳ５６においては、図７で説明した許容範囲Ｗａに対応した温度Ｔｂ１〜Ｔｂ２の範囲に達したことを検知する。ここで、温度Ｔｂ１〜Ｔｂ２の範囲を第１設定値とする。第１温度制御装置３１は、半導体レーザ３０の温度を制御するものであるが、この温度は半導体レーザ３０の基本温度を定めるものであるので、大きな変更は行われることは無い。一方、第２温度制御装置５３の温度は、エタロンの波長特性を変更する必要があることから、収束に要する時間が長くなる場合がある。このため、ステップＳ５６がステップ５５よりも後に収束する場合が典型的である。

ステップ５５およびステップ５６が収束したことを検知すると、コントローラ７０は、シャッターを開いて光出力の抑制を解除する（ステップＳ５７）。これにより図７における許容波長の範囲Ｗａの波長で外部へ光出力される。この間も第２温度制御装置は、第１設定値の範囲から、第２設定値である図７の温度Ｔｂに向けて温度制御を継続している。

ステップＳ５７において光出力の抑制が解除されると、第１温度制御装置３１の温度制御が、目標温度ＴＨ１に向けた制御ではなく、エタロンの前後比が所定の範囲に到達するための制御、つまり自動周波数制御に切り替えられる（ステップＳ５８，Ｓ５９）。この後、第２温度制御装置５３の温度が第２設定値であるＴｂに対応した所定の範囲に到達したこと、エタロンの前後比が所定の範囲に到達したことを検知（ステップＳ６０）した後、ＡＦＣロックフラグを出力（ステップＳ６１）して、切り替え動作が終了する。なお、ステップＳ６０において、第２設定値であるＴｂに対応した所定の範囲とは、Ｔｂを含みＴｂ１〜Ｔｂ２よりも狭い範囲である。

以上説明した本実施例によれば、第２温度制御装置５３の温度が最終的な目標であるＴｂに到達する前に光出力を行うことができる。このため、エタロンの前後比を利用した波長の制御の開始を早めることができ、波長切り替え動作にかかる時間の短縮が実現できる。

なお、図１０のフローチャートのステップＳ５６では、第２温度制御装置５３の温度が温度Ｔｂ１〜Ｔｂ２の範囲に達したことを検知しているが、それに限られない。第２温度制御装置５３の温度を温度Ｔａから温度Ｔｂに制御する際に、許容波長の範囲Ｗａに対応する温度範囲Ｔｂ１〜Ｔｂ２のうち、温度Ｔｂよりも温度Ｔａ側の温度Ｔｂ１（手前の温度）に到達することを検知することで、シャッターを開いてもよい。ただし、第２温度制御装置５３の温度が温度範囲Ｔｂ１〜Ｔｂ２に規定期間収まることを確認することによって、オーバーシュートなどの影響を回避することができる。

１ 基板
２ 下クラッド層
３ 活性層
４ 光導波層
６ 上クラッド層
７ コンタクト層
８ 電極
９ 絶縁膜
１０ ヒータ
１１ 電源電極
１２ グランド電極
１５ 裏面電極
１６ 端面膜
１７ 端面膜
１８ 回折格子
１９ 光増幅層
２０ コンタクト層
２１ 電極
３０ 半導体レーザ
３１ 第１温度制御装置
３２ 第１サーミスタ
４１ ビームスプリッタ
４２ 第１受光素子
５０ 検知部
５１ ビームスプリッタ
５２ エタロン
５３ 第２温度制御装置
５５ 第２サーミスタ
６０ メモリ
７０ コントローラ
１００ 波長可変レーザ

Claims (3)

1. エタロンの温度を制御する温度制御装置を備え、前記エタロンに入力される光強度と前記エタロンから出力される光強度の比によって波長可変レーザの出力波長を特定する波長検知部を持ち、前記波長検知部の検知結果に基づいて、前記波長可変レーザの波長を目標波長に制御する方法であって、
   前記波長可変レーザを第１波長で駆動する第１ステップと、
   前記第１ステップの後、前記第１波長とは異なる第２波長を出力する命令に応じて、前記波長可変レーザの光出力を抑制する第２ステップと、
   前記第２ステップの後、前記第１波長に対応した前記エタロンの第１の設定温度から、前記第１の設定温度とは異なる前記第２波長に対応した前記エタロンの第２の設定温度に向けて、前記温度制御装置の制御を開始する第３ステップと、
   前記エタロンの温度が前記第２の設定温度に到達する前であって、前記波長可変レーザの波長が前記第２波長を含む所定の許容範囲に到達したことを検知し、前記波長可変レーザの光出力の抑制を解除する第４ステップと、を含む波長可変レーザの波長切り替え方法。
2. 前記波長可変レーザの波長が前記第２波長を含む所定の許容範囲へ到達したことの検知は、前記温度制御装置の温度が前記第２波長を含む所定の許容範囲に対応した前記エタロンの第２の設定温度あるいはその許容範囲に到達したことによりなす、請求項１記載の波長可変レーザの波長切り替え方法。
3. 前記温度制御装置の温度が前記第２の設定温度の許容範囲に対応する温度範囲に所定期間収まることを確認した後に、前記波長可変レーザの前記第２波長への切り替え動作を終了する、請求項１記載の波長可変レーザの波長切り替え方法。

Images