JP5737777B2 - 波長可変レーザアレイ素子の制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ通信用光源および光計測用光源として用いられる波長可変レーザアレイ素子の制御方法および制御装置に関し、特に光通信における光波長（周波数）多重システム用光源、および広帯域波長帯をカバーする光計測用光源の波長制御方法および制御装置に関するものである。

光ファイバ通信における波長多重通信方式では、規格で定められた間隔で異なる複数の周波数（波長）のレーザ光を一つの光ファイバで伝送する。一つ一つの周波数をチャンネルと呼び、高速なチャンネル切り替えのために高速に発振周波数の切り替えが可能な波長可変レーザが求められている。

通信用のレーザでは、単一モードレーザと呼ばれる一つの波長で発振するレーザが用いられており、単一モードを得るためには、例えば導波路に周期的に凹凸を設けた回折格子が用いられている。回折格子が形成された半導体光導波路は、回折格子の周期Λと光導波路の等価屈折率ｎより決まるブラッグ波長λ_Bで選択的に反射する分布反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）となる。λ_BとΛ、ｎの関係は、以下に示す（１）式で表される。

また、分布反射器に利得を持たせて作製したレーザのことを分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feedback）レーザと呼ぶ。

上述した式（１）から、分布反射器の等価屈折率ｎを変化させることで、ブラッグ波長を変化させることができることがわかる。すなわち選択的に反射する波長を変化させることができ、分布反射器を用いた共振器を構成すれば、等価屈折率の変化により発振波長を変化させることのできる波長可変レーザを構成することが可能となる。回折格子を利用した波長可変レーザとしては、均一な回折格子のＤＢＲを用いたＤＢＲレーザや、ＳＧ（Sampled Grating）−ＤＢＲレーザ、ＳＳＧ（Super Structure Grating）−ＤＢＲレーザなどが知られている。

また、連続的に波長を変化させることのできる分布活性（ＴＤＡ‐）ＤＦＢレーザがある。ここで、分布活性ＤＦＢレーザの基本構造の断面を図８に示す。図８に示すように、分布活性ＤＦＢレーザは、下部クラッド１０１上に、活性導波路層１０２と非活性導波路層（波長制御領域）１０３とがそれぞれ一定の長さＬａ，Ｌｔで交互に周期的に縦続接続された構造となっている。活性導波路層１０２および非活性導波路層１０３の上には上部クラッド１０４が形成され、活性導波路層１０２および非活性導波路層１０３と上部クラッド１０４との間には凹凸、すなわち回折格子１０５が形成されている。更に、上部クラッド１０４上には、活性導波路層１０２、非活性導波路層１０３に対応して活性領域電極１０６、波長制御領域電極１０７がそれぞれ設けられている。また、下部クラッド１０１の下方には共通の電極１０８が設けられている。この分布活性ＤＦＢレーザにおいては、活性導波路層１０２へ電流Ｉａを注入することにより発光するとともに利得が生じるが、それぞれの導波路には回折格子１０５が形成されており、回折格子１０５の周期に応じた波長のみ選択的に反射されてレーザ発振が起こる。一方、非活性導波路層１０３へ電流Ｉｔを注入することによりキャリア密度に応じてプラズマ効果により屈折率が変化するため、非活性導波路の回折格子の光学的な周期は変化する。非活性導波路層の等価屈折率が変化し、１周期の長さに対する波長制御領域の長さの割合分だけ共振縦モード波長が短波長側にシフトする。活性領域長をＬａ、波長制御領域長をＬｔとすれば、繰り返し構造の１周期の長さはＬａ+Ｌｔとなり、共振縦モード波長の変化の割合Δλｒ／λｒは、以下に示す（２）式となる。

一方、複数の反射ピークの各波長も、電流注入による等価屈折率の変化の結果、短波長側にシフトする。反射ピーク波長は繰り返し構造１周期内の平均等価屈折率変化に比例するので、反射ピーク波長の変化の割合Δλｓ／λｓは、以下に示す（３）式で表される。

（２）式、（３）式より、反射ピーク波長と共振縦モード波長とは同じ量だけシフトする。したがって、このレーザでは、最初に発振したモードを保ったまま連続的に波長が変化する。

その他、光導波路をリング状にしたリング共振器などの場合でも、リングの物理的長さと等価屈折率との積である光学長により共振波長が決まるため、等価屈折率の変化により共振波長を変化させることができることが知られている。

半導体の等価屈折率を動的に変化させる方法は、温度を変化させる方法、電流注入により変化させる方法、などがある。温度による屈折率変化は比較的遅く、安定するまでに数秒かかる。一方で、電流注入による屈折率の変化はプラズマ効果などに起因し、数ナノ秒で屈折率変化が生じることが知られている。

しかしながら、一般的に半導体中では電流が流れることにより抵抗成分のために発熱する。チャンネル切り替え時には波長制御電流量が変化することで発熱量が変わるため、半導体レーザチップの温度が変化する。しかしながら、電流注入による屈折率変化が生じると同時に、温度変化によりゆっくりと屈折率変化が生じるため、チャンネル切り替え直後に設定周波数と比べて数ＧＨｚから数十ＧＨｚ程度のズレが生じ、ゆっくりと設定周波数に近づいていくというドリフト現象が現れる。このドリフト現象は熱的要因で生じ、数ミリ秒以上の時間がかかるため、電流注入によるプラズマ効果の高速性を十分に発揮するためには、熱ドリフト現象を抑制することが必要となる。

波長可変レーザの熱による波長ドリフトを抑制するために、特許文献１、２、３では、波長可変レーザの波長制御領域に隣接して熱補償用の電極を用意し、制御層の電流が変化するタイミングに合わせ、熱補償用の電極に流す電流も変化させることで熱補償を行っている。

また、特許文献３では、６個の波長可変レーザ（ＬＤ）を２０μｍ間隔で並列に配置し、結合器（カプラ）と半導体光増幅器（ＳＯＡ）を集積した素子において、常に投入電力の総和が一定となるように、発光しているＬＤ以外のＬＤの制御領域にも電流を流し、チップ全体の熱量が一定となるように制御する方法が示されている。

特許第３１６８８５５号 特許第３２５７１８５号 特開２００８−２１８９４７号公報

電流制御型の波長可変レーザにおいて、熱ドリフトを抑制するために、レーザに平行に熱補償用の電極を設ける必要があった。また、複数の波長可変レーザを並列に配置した波長可変レーザアレイの場合、発振させている波長可変レーザ以外の波長可変レーザの制御層に電流を流し熱補償することが可能であるが、レーザの間隔を２０μｍ程度に近接させる必要があった。

しかしながら、各種ＤＢＲレーザや、分布活性ＤＦＢレーザなどの場合、利得を生じさせる活性導波路層への電流と、波長を制御するための非活性導波路層への電流が必要なため、電極の引き出し、引き回しスペースが必要となる。特に分布活性ＤＦＢレーザにおいては、交互に活性導波路と非活性導波路が並び、かつ、活性導波路同士、非活性導波路同士はそれぞれ電極が接続されているため、電極は共振器方向に対して左右に引き出す必要があり、電極を片側に寄せることが非常に困難である。したがって、レーザに近接して熱補償用の電極を設けたり、レーザアレイのレーザ間隔を狭くしたりすることは困難である。

以上のことから、本発明は上述した課題を解決するために為されたものであって、波長可変レーザアレイのレーザ間隔が比較的広い場合においても、特別な構造を付加することなく、波長切り替え時の電流変化に起因する熱変動による波長ドリフトを抑制し、波長安定性を高める波長可変レーザアレイ素子の制御方法および制御装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決する第１の発明に係る波長可変レーザアレイ素子の制御方法は、
活性領域と、熱補償電流が流れる波長制御領域を有する電流制御型の波長可変半導体レーザを複数並列に配置した波長可変レーザアレイ素子の制御方法であって、
前記複数の波長可変半導体レーザのうち任意の動作中の波長可変半導体レーザから次に動作する波長可変半導体レーザに切替える際に、
前記動作中の波長可変半導体レーザがまだ動作している切替前に、前記次に動作する波長可変半導体レーザの波長制御領域に予め熱補償電流を流し、
前記次に動作する波長可変半導体レーザの切替後の動作条件における波長制御領域に流す波長制御電流量をＩ_ｔ、および前記次に動作する波長可変半導体レーザの切替後の動作条件における全電流量をＩ_ａｌｌとして、前記次に動作する波長可変半導体レーザの波長制御領域に切替前に予め流す熱補償電流量Ｉを、前記Ｉ_ｔより大きく、前記Ｉ_ａｌｌより小さくなる範囲で制御する
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第２の発明に係る波長可変レーザアレイ素子の制御方法は、
第１の発明に係る波長可変レーザアレイ素子の制御方法であって、
前記動作中の波長可変半導体レーザと、次に動作する波長可変半導体レーザ以外の波長可変半導体レーザのいずれかの波長制御領域とに熱補償電流を流すことにより、前記複数の波長可変半導体レーザの全電流の合計量、またはその全電力の合計量を、動作中の波長可変半導体レーザから次に動作する波長可変半導体レーザに切り替わる前後で同一に制御する
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第３の発明に係る波長可変レーザアレイ素子の制御方法は、
第２の発明に係る波長可変レーザアレイ素子の制御方法であって、
前記複数の波長可変半導体レーザの全電流の合計量、またはその全電力の合計量を、次に動作する波長可変半導体レーザに隣接しない波長可変半導体レーザの波長制御領域を用いて保存する
ことを特徴とする。

また、上述した課題を解決する第４の発明に係る波長可変レーザアレイ素子の制御装置は、
活性領域と、熱補償電流が流れる波長制御領域を有する電流制御型の波長可変半導体レーザを複数並列に配置した波長可変レーザアレイ素子の制御装置であって、
前記複数の波長可変半導体レーザのうち任意の動作中の波長可変半導体レーザから次に動作する波長可変半導体レーザに切替える際に、
前記動作中の波長可変半導体レーザがまだ動作している切替前に、前記次に動作する波長可変半導体レーザの波長制御領域に予め熱補償電流を流し、
前記次に動作する波長可変半導体レーザの切替後の動作条件における波長制御領域に流す波長制御電流量をＩ_ｔ、および前記次に動作する波長可変半導体レーザの切替後の動作条件における全電流量をＩ_ａｌｌとして、前記次に動作する波長可変半導体レーザの波長制御領域に切替前に予め流す熱補償電流量Ｉを、前記Ｉ_ｔより大きく、前記Ｉ_ａｌｌより小さくなる範囲で制御する第１の熱補償制御部を備える
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第５の発明に係る波長可変レーザアレイ素子の制御装置は、
第４の発明に係る波長可変レーザアレイ素子の制御装置であって、
前記動作中の波長可変半導体レーザと、次に動作する波長可変半導体レーザ以外の波長可変半導体レーザのいずれかの波長制御領域とに熱補償電流を流すことにより、
前記複数の波長可変半導体レーザの全電流の合計量、またはその全電力の合計量を、動作中の波長可変半導体レーザから次に動作する波長可変半導体レーザに切り替わる前後で同一に制御する第２の熱補償制御部をさらに備える
ことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、波長可変レーザアレイに特別な構造を付加することなく、波長を制御するための電流変化により生じる発熱量の変化を抑えることができ、発振波長を安定化することができる。

本発明の第一番目の実施形態に係る波長可変レーザアレイ素子の制御装置で制御する波長可変レーザアレイ素子の一例を示す図である。 波長可変レーザアレイ素子が具備する分布活性ＤＦＢレーザの構造を説明するための図であって、図２（ａ）にその上面を示し、図２（ｂ）にその断面を示す。 図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線の断面図である。 波長可変レーザアレイ素子において、同一分布活性ＤＦＢレーザ内で波長を切り替えたときの切替直後の発振周波数の特性を示すグラフであって、図４（ａ）に補償電流が無い場合を示し、図４（ｂ）に補償電流が有る場合を示す。 波長可変レーザアレイ素子において、異なる分布活性ＤＦＢレーザ間で波長を切り替えたときの切替直後の発振周波数の特性を示すグラフであって、図５（ａ）に補償電流が無い場合を示し、図５（ｂ）に補償電流が有る場合を示し、図５（ｃ）に熱補償電流と局所熱補償電流とが有る場合を示す。 本発明の第二番目の実施形態に係る波長可変レーザアレイ素子の制御装置で制御するＤＢＲ型波長可変半導体レーザの構造の一例を説明するための図である。 ＤＢＲ型波長可変半導体レーザの構造の他例を説明する図である。 分布活性ＤＦＢレーザの構造を説明するための図である。

本発明に係る波長可変レーザアレイ素子の制御方法および制御装置について、各実施形態で具体的に説明する。

［第一番目の実施形態］
本発明の第一番目の実施形態に係る波長可変レーザアレイ素子の制御方法および制御装置について、図１〜図５を参照して説明する。

本実施形態に係る波長可変レーザアレイ素子（波長可変レーザアレイ、光集積素子）１０は、図１に示すように、同一基板の上に設けられたものであり、図中左から順に、発振波長の異なる６個の分布活性ＤＦＢレーザ（波長可変半導体レーザ、ＬＤ１〜ＬＤ６）１１ａ〜１１ｆからなる６チャンネル分布活性ＤＦＢレーザアレイ（ＬＤ部）１１と、それらの出力光がそれぞれ導波する導波路１２ａ〜１２ｆからなる導波路部１２と、導波路部１２を導波した出力光をひとつに合波する光結合器である多モード干渉（ＭＭＩ：Multi-Mode Interferometer）結合器（カプラ）１３と、最終段で出力光の強度を調整する半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）１４とから構成されている。６個の分布活性ＤＦＢレーザ１１ａ〜１１ｆは隣接する分布活性ＤＦＢレーザ同士の間隔Ｌ_LDが６０μｍで並列に配置される。また、上述した波長可変レーザアレイ素子１０には制御装置１５が設けられる。制御装置１５は、次に動作する波長可変半導体レーザの制御領域に流す電流量Ｉを、当該次に動作する波長可変半導体レーザの動作条件における制御電流量Ｉ_tより大きく、その全電流量Ｉ_allより小さくなる範囲で制御する第１の熱補償制御部、複数の波長可変半導体レーザの全電流の合計量、またはその全電力の合計量を、動作中の波長可変半導体レーザから次に動作する波長可変半導体レーザに切り替わる前後で同一に制御する第２の熱補償制御部、光制御素子への注入電流の電流変化量もしくは電力変化量に応じて、動作していない波長可変半導体レーザの制御領域の電流量もしくは電力量を変化させる第３の熱補償制御部を備える。制御装置１５により、６個の分布活性ＤＦＢレーザ（ＬＤ１〜ＬＤ６）の後述する活性領域電極及び制御領域電極へ投入される電流もしくは電力を後述の制御方法でそれぞれ制御している。

まず、６チャンネル分布活性ＤＦＢレーザアレイ１１に集積された分布活性ＤＦＢレーザの基本構造を説明する。

分布活性ＤＦＢレーザは、図２（ｂ）に示すように、第一のレーザ部Ａ₁、位相シフト領域２０、第２のレーザ部Ａ₂からなり、図中右から、この順に直列に接続されたものである。

第一のレーザ部Ａ₁においては、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド（半導体基板）２１上に形成された、発振波長帯に対して光学的利得を有し、ＧａＩｎＡｓＰからなる長さＬ_a1の活性導波路層（活性領域、活性層）２２_a1と、光学的利得を持たず、活性導波路層２２_a1とは組成の異なるＧａＩｎＡｓＰからなる長さＬ_t1の非活性導波路層（非活性領域、波長制御領域、制御層）２３_t1とが、光の伝搬方向に沿って、周期Ｌ₁で交互に複数繰り返して縦続接続された周期構造となっている。

第二のレーザ部Ａ₂においては、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド（半導体基板）２１上に形成された、発振波長帯に対して光学的利得を有し、ＧａＩｎＡｓＰからなる長さＬ_a2の活性導波路層（活性領域、活性層）２２_a2と、光学的利得を持たず、活性導波路層２２_a2とは組成の異なるＧａＩｎＡｓＰからなる長さＬ_t2の非活性導波路層（非活性領域、波長制御層、制御層）２３_t2とが、光の伝搬方向に沿って、周期Ｌ₂で交互に複数繰り返して縦続接続された周期構造となっている。

また、図３に示すように、活性導波路層２２（２２_a1，２２_a2）及び非活性導波路層２３（２３_t1，２３_t2）の両脇に、Ｆｅをドーピングして高抵抗としたＩｎＰからなる電流ブロック層２４が形成される。

これら層２２_a1，２３_t1，２２_a2，２３_t2の上には、図２（ｂ）および図３に示すように、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド２５が形成され、これら層２２_a1，２３_t1，２２_a2，２３_t2と上部クラッド２５の間には、周期的な凹凸を形成して導波路の等価屈折率を周期変調させた回折格子２６が形成されている。位相シフト領域２０においては、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド２１上に回折格子２６の位相をλ／４位相する位相シフト部２７が形成され、位相シフト部２７上にｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド２５が形成されている。これにより、第一のレーザ部Ａ₁と第二のレーザ部Ａ₂の回折格子２６はλ／４位相がシフトしている。

さらに、上部クラッド２５の上にはオーミックコンタクトのために高ドープのｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２８を設け、このコンタクト層２８の上に活性領域電極２９及び波長制御領域電極３０を形成している。活性領域電極２９、波長制御領域電極３０に対応してコンタクト層２８を２つに分離することにより、活性領域電極２９と波長制御領域電極３０とが互いに独立して電流を注入できるようにしている。活性領域電極２９として、活性層導波路層２２_a1，２２_a2の領域の上方にこれら領域に対応して活性領域電極２９_a1，２９_a2がそれぞれ設けられ、全ての活性領域電極２９_a1，２９_a2同士が互いに素子上で短絡して構成されている。波長制御領域電極３０として、非活性導波路層２３_t1，２３_t2の領域の上方にこれら領域に対応して波長制御領域電極３０_t1，３０_t2がそれぞれ設けられ、全ての波長制御領域電極３０_t1，３０_t2同士が互いに素子上で短絡して構成されている。また、下部クラッド２１の下部には共通の下部電極３１を形成している。なお、電極同士を素子上で短絡しているので、活性領域電極２９の下層においては、活性層領域２２の上方の領域にのみコンタクト層２８が形成され（図２（ａ）の電極幅の広い部分）、非活性導波路層２３の上方の領域には絶縁層３２が形成されている（図２（ａ）の電極幅の狭い部分、図３参照）。同様に、波長制御領域電極３０が非活性導波路層２３のみに電流を注入できるように、波長制御領域電極３０の下層においても、非活性導波路層２３の上方の領域にのみコンタクト層２８が形成され（図２（ａ）の電極幅の広い部分）、活性導波路層２２の上方の領域には絶縁層３２が形成されている（図２（ａ）の電極幅の狭い部分、図３参照）。

活性導波路層２２（２２_a1，２２_a2）としてバンドギャップ波長１．５５μｍのＧａＩｎＡｓＰを用いた場合、非活性導波路層２３（２３_t1，２３_t2）としてはそれより短波のバンドギャップ波長、例えば、１．４μｍのバンドギャップ波長のＧａＩｎＡｓＰを用いることにより、レーザ発振の利得に寄与しないために、キャリア密度が一定にならない。これにより、電流注入により大きく屈折率を変化させることができる。

活性導波路層２２及び非活性導波路層２３はバルク材料でなくともよく、例えば、量子井戸構造、もしくは、量子井戸をバリア層で挟んで重ねた多層量子井戸構造や、さらに低次元の量子井戸構造を備えたものであっても良い。また、活性層への光閉じ込めやキャリア閉じ込めを高めるなどのために、活性層とクラッド層の間に中間の屈折率を持つ層を導入する分離閉じ込めへテロ構造などを導入しても良い。

本素子に用いる半導体は、ＩｎＰとＧａＩｎＡｓＰの組み合わせに限定することなく、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓなど、その他の半導体を用いても良いし、活性導波路層２２と非活性導波路層２３のバンドギャップ波長の組み合わせも上記に限定するものではない。

第一のレーザ部Ａ₁と第二のレーザ部Ａ₂では、活性導波路層２２と非活性導波路層２３の繰り返し周期は、それぞれＬ₁＝５０μｍ、Ｌ₂＝７０μｍと異なるが、活性導波路層２２と非活性導波路層２３の割合（Ｌ_a1／Ｌ_t1、および、Ｌ_a2／Ｌ_t2）は同じである。本実施形態では、この割合を１／２とした。第一のレーザ部Ａ₁と第二のレーザ部Ａ₂の間において、回折格子２６の位相をλ／４波長変化させている。これにより、第一のレーザ部Ａ₁での反射波と第二のレーザ部Ａ₂での反射波の位相を、発振条件を満たすように整合させている。

活性導波路層２２及び波長制御用の非活性導波路層２３の上部に設けられる活性領域電極２９及び波長制御領域電極３０は互いに分離されており、図２（ａ）に示すように、活性導波路層２２上の活性領域電極２９_a1，２９_a2同士及び非活性導波路層２３上の波長制御領域電極３０_t1，３０_t2同士は素子上で短絡されており、櫛型の電極形状になっている。このように素子上で各々の領域の電極同士を短絡しておくことにより、金属製のボンディング・ワイヤをどこか一か所ずつ接着させるだけで、各領域に電流を注入することができる。

ここで、上述した構成の分布活性ＤＦＢレーザの作製方法について簡単に説明する。
（１）最初に有機金属気相エピタキシャル成長法と、これによる選択成長法を用いて、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド２１上に活性導波路層（活性層）２２（２２_a1，２２_a2）と非活性導波路層（波長制御層）２３（２３_t1，２３_t2）とを作製する。
（２）その後、塗布したレジストに、電子ビーム露光法を用いて回折格子２６のパターンを転写し、転写パターンをマスクとしてエッチングを行い、回折格子２６を形成する。
（３）次に、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド２５及びｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２８を成長した後、横モードを制御するために、幅１．２μｍのストライプ状に導波路を加工し、その両側にＦｅをドーピングしたＩｎＰ（半絶縁体）からなる電流ブロック層２４を成長する。
（４）そして、活性領域電極２９及び波長制御領域電極３０を形成した後、活性層駆動用の活性領域電極２９と波長制御用の波長制御領域電極３０とを電気的に分離するために、それらの電極間のコンタクト層２８を除去する。
なお、電極同士を素子上で短絡すると共に、活性領域電極２９が活性導波路層２２のみに電流を注入できるように、活性領域電極２９を形成する前に、活性導波路層２２の上方の領域にコンタクト層２８を形成し、非活性導波路層２３の上方の領域に絶縁層３２を形成し、それらの上層に活性領域電極２９を形成している。同様に、電極同士を素子上で短絡すると共に、波長制御領域電極３０が非活性導波路層２３のみに電流を注入できるように、波長制御領域電極３０を形成する前に、非活性導波路層２３の上方の領域にコンタクト層２８を形成し、活性導波路層２２の上方の領域に絶縁層３２を形成し、それらの上層に波長制御領域電極３０を形成している。その後、下部クラッド２１の下部に下部電極３１を形成している。

半導体の成長法としては、有機金属気相エピタキシャル成長法に限らず、分子線エピタキシャル成長法やその他の手段を用いてもよい。回折格子の形成方法も電子線露光法に限らず、二束干渉露光法やそのほかの手段を用いてもよい。

電流ブロック層２４は、ＦｅをドーピングしたＩｎＰ層に限定することなく、Ｒｕなどのその他のドーパントをドーピングして高抵抗化したＩｎＰ層を用いても良い。また、ｐ型半導体とｎ型半導体を交互に重ねた多層構造としてもよい。

また、導波路構造は、本実施形態では埋め込み構造を採用しているが、一般的なリッジ構造やハイメサ構造などでも本発明の原理を用いることができる。

本実施形態では、第一のレーザ部Ａ₁及び第二のレーザ部Ａ₂における活性導波路層２２と非活性導波路層２３の繰り返しの数をそれぞれ６としている。第一のレーザ部Ａ₁と第二のレーザ部Ａ₂では同じ結合係数の回折格子２６を用いているので、活性導波路層２２と非活性導波路層２３の繰り返し周期の長い第二のレーザ部Ａ₂の方が結合係数と長さの積が大きくなるため反射率は高くなる。したがって、繰り返し数を同数とした場合、自然に出力は非対称となり、反射率の低い第一のレーザ部Ａ₁からの出力が反射率の高い第二のレーザ部Ａ₂からの出力に比べて大きくとれるため、第一のレーザ部Ａ₁側から出力を効率よく取り出すことができる。なお、活性導波路層２２と非活性導波路層２３の繰り返しの数は６に限らず、また繰り返し数が第一のレーザ部Ａ₁と第二のレーザ部Ａ₂で同じである必要もないため、必要な反射率に応じて繰り返し周期や繰り返し数を設計すればよい。

本実施形態の波長可変半導体レーザでは、図２（ａ）および図２（ｂ）に示す活性領域電極２９と下部電極３１との間に電流を流すことによりレーザ光が発振する。このときの発振波長は、図２で示した第一のレーザ部Ａ₁および第二のレーザ部Ａ₂の回折格子２６により決まる波長となる。また、図２（ａ）および図２（ｂ）に示す波長制御領域電極３０へ電流注入することにより、非活性導波路層２３の等価屈折率が変化し、共振縦モード波長が短波長側にシフトさせることができ、それに伴い、発振波長も短波長側にシフトする。この際、後述するように、動作中の波長可変レーザの他に、動作中の波長可変レーザの次に動作する波長可変レーザの制御領域に電力を投入したり、動作中の波長可変レーザの次に動作する波長可変レーザに隣接しない波長可変レーザの制御領域に電力を投入したりするような制御を行った。

＜制御方法＞
波長可変レーザアレイにおいて、チャンネルを変更する場合、二つのパターンがある。第一は、発振させているＬＤは同じで、波長制御電流Ｉｔの変化のみでチャンネルが変わる場合である。第二は、異なるＬＤ間でチャンネルが切り替わる場合である。

同一ＬＤ内でのチャンネル切替の場合は、活性層電流Ｉａはほぼ一定に保ち、制御電流Ｉｔのみで発振波長が変化する。例えば、ＬＤ１内でＩａ＝７５ｍＡ、Ｉｔ＝１．５６ｍＡのチャンネル１からＩａ＝７５ｍＡ、Ｉｔ＝５２．３ｍＡのチャンネル２に切り替えることを考える。この場合、チャンネル１とチャンネル２では、全電流量では約５０ｍＡの差がある。二つのチャンネル間で総発熱量が一定となれば波長の温度ドリフトは生じず、純粋にキャリアのプラズマ効果などで決まる数ｎｓでの誤差のない波長切替が可能となる。そこで、チャンネル１とチャンネル２では使用しないＬＤ２の波長制御領域に電流を流す。より厳密には、電圧などを測定し、投入電力が一定となるように制御する必要があるが、単純には、ＬＤ２の波長制御電流を熱補償電流としてチャンネル１動作時には５２．３ｍＡ、チャンネル２動作時には１．５６ｍＡと、ＬＤ１の波長制御電流とは逆に電流に流すことにより、全電流量を一定とし、発熱量をおよそ一定とすることができる。これにより、チップ温度変化を抑制し、温度変化による屈折率変化を抑制することが可能となる。

ここで、ＬＤ１にてチャンネル１とチャンネル２を１００ｍｓ周期で切り替えたときの切替直後の発振周波数ズレを測定した結果を図４に示す。図４の横軸は時間を示し切り替えたときを０としている。図４の縦軸は発振周波数の連続動作時の周波数からのズレを示している。すなわち、チャンネル２の動作条件で連続的に動作させたときの周波数を０としている。図４（ａ）は、ＬＤ２の熱補償電流を用いなかった場合の切替の結果であり、図４（ｂ）は、ＬＤ２の熱補償電流を用いた場合の切替の結果である。熱補償電流を用いなかった場合、図４（ａ）に示すように、設定した周波数（連続動作時の周波数）からのズレは５ＧＨｚ以上あり、周波数ズレが１ＧＨｚ以内になるまでに２ｍｓ以上の時間がかかるが、熱補償電流を用いることにより、図４（ｂ）に示すように、周波数ズレは２ＧＨｚ程度以下に抑えられるとともに、１ＧＨｚ以内の周波数ズレに０．２ｍｓ以下で到達することが可能となり、切替時間は１桁改善された。

チップ温度の安定化のためには、必ずしも隣接するＬＤを使用する必要は無く、必要に応じてＬＤ２に流す電流量を、他のＬＤ（例えば、ＬＤ３、ＬＤ４、ＬＤ５、またはＬＤ６）に投入（分配）しても良い。

一方で、異なるＬＤ間でのチャンネル切替の場合は、活性層電流Ｉａ、波長制御電流Ｉｔともに変化する。例えば、ＬＤ６のＩａ＝７５ｍＡ、Ｉｔ＝１．１４ｍＡで動作するチャンネル３から、ＬＤ５のＩａ＝７５ｍＡ、Ｉｔ＝１７．４７ｍＡで動作するチャンネル４の切替を考えると、チップ全体での電流量の変化は１６．３３ｍＡであり、上述した同一ＬＤ内でのチャンネル切替時よりも小さい。しかしながら、ＬＤ内での電流変化は活性層電流Ｉａの変化も加わるため、局所的には、ＬＤ６で７６．１４ｍＡ、ＬＤ５で９２．４７ｍＡの電流が切り替わることになる。一般的に、安定して発振動作を得るために、活性層電流Ｉａを波長制御電流Ｉｔよりも多くすることが多いため、同一ＬＤ内でのチャンネル切り替えの場合には、ＬＤ内での電流量の変化は半分以下であるが、ＬＤ間のチャンネル切替では、活性層電流Ｉａと波長制御電流Ｉｔの合計値が一度に切り替わるので、補償電流を用いてチップ全体の投入電力を一定としても局所的には大きな変動となる。例えば、全電流量だけ一定としようとした場合、単純には、ＬＤ６、ＬＤ５ともにチャンネル３とチャンネル４のときにも波長制御電流Ｉｔを流し続ければよい。すなわち、活性層電流Ｉａのみをチャンネル３と４でＬＤ６からＬＤ５に切り替えればよい。これにより全電流量は一定となるので、総発熱量はほぼ一定となる。

ここで、ＬＤ６で動作するチャンネル３とＬＤ５で動作するチャンネル４を１００ｍｓ周期で切り替えたときの切替直後の発振周波数ズレを測定した結果を図５に示す。図５の横軸は時間を示し切り替えたときを０としている。図５の縦軸は発振周波数の連続動作時の周波数からのズレを示している。すなわち、チャンネル４の動作条件で連続的に動作させたときの周波数を０としている。図５（ａ）は、熱補償電流を用いずに切り替えた場合の結果である。図５（ａ）に示すように、切替直後に約４ＧＨｚ程度の周波数ズレが生じ、周波数ズレが１ＧＨｚ以内になるのに１ｍｓ以上の時間がかかる。図５（ｂ）は、前述の単純に全電流量を一定にする切替動作の結果であり、ＬＤ６、ＬＤ５ともに両チャンネルで波長制御電流Ｉｔを流し続け、活性層電流Ｉａのみ切り替えている。これにより、切替直後の周波数ズレは２ＧＨｚ程度に抑制され、１ＧＨｚ以内に入るには０．３ｍｓ程度に短縮されており、熱補償電流の効果が得られている。特に、切替直後の急激な変化の後のだらだらと変化する周波数ズレは大きく改善している。

しかしながら、切替直後の波長ズレは同一ＬＤ内のチャンネル切替に比べて大きく、また、それが１ＧＨｚ以内のズレに入るまでに時間もかかり、完全に熱補償がされているとは言い難い。この原因は、チップ総熱量は補償され、チップの平均的な温度は安定しているものの、ＬＤ内の電流量の変化量が増大しているため、チャネル切替直後には局所的に熱分布が発生しているためである。すなわち、図５（ｂ）では、ＬＤ５の波長制御電流Ｉｔを一定としており、活性層電流Ｉａを切り替えているため、ＬＤ５だけで電流量を見ると、活性層電流７５ｍＡだけ電流量が増加している。そのため、切替直後にはＬＤ５で発生する熱量は増大する。これは、ＬＤの間隔にも起因している。これまで報告されている２０μｍ以下の間隔でヒータ用メサを形成したり、２０μｍ程度の間隔でレーザアレイを形成したりしたものでは、ヒータ用メサや隣接ＬＤからも熱が伝わり動作ＬＤの温度が安定していたが、これに比べ、本実施形態ではＬＤ間隔が６０μｍと広い。そのため、隣接ＬＤを熱補償用として用いたとしても、そこで発生した熱が動作中のＬＤに十分伝わらない。これにより、チップ内で温度分布が生じるとともに、動作するＬＤが安定した温度になるまでに時間がかかる。

これを解決するために、動作中のＬＤの次に動作するＬＤの波長制御電流Ｉｔをより大きく流すことにより、予め次に動作するＬＤを適切な温度にしておく。すなわち、局所的に熱補償するための電流を流す。具体的には、チャンネル３動作時は、ＬＤ６にＩａ＝７５ｍＡ、Ｉｔ＝１．１４ｍＡ、ＬＤ５にＩｔ＝６５ｍＡ、ＬＤ３にＩｔ＝２７．４７ｍＡ流し、チャンネル４動作時には、ＬＤ６にＩｔ＝１．１４ｍＡ、ＬＤ５にＩａ＝７５ｍＡ、Ｉｔ＝１７．４７ｍＡ、ＬＤ３にＩｔ＝７５ｍＡ流した。ＬＤ３の波長制御領域には、全電流量が一定となるために電流を流した。図５（ｃ）がその結果である。本測定は時間分解能４０μｓで行ったが、その範囲内では１ＧＨｚ以上の波長ズレは観測されなかった。また、ＬＤ５に予め流す制御電流量を変えて実験した結果、６０ｍＡ以下の電流量では、図５（ｂ）のように正の周波数ズレが生じ、７０ｍＡ以上の電流量では、負の周波数ズレが生じた。ＬＤ５の全電流量よりも低い電流量で局所的な熱補償が行えるのは、隣接するＬＤからの熱の影響による。すなわち、隣接するＬＤとの距離が重要であるとともに、隣接するＬＤとの距離が変わっても、電流量を調整することで適切な局所的な熱補償を行えることを意味している。すなわち、周囲から伝わる熱量Ｐ１と自身が発生する熱量Ｐ２との総和が一定となるように制御する。

このことは、単純には、次に動作するＬＤの制御層の電流量Ｉｔを調整する範囲を、次に動作するＬＤの動作条件が活性層電流Ｉａ０、制御領域電流Ｉｔ０とすると、Ｉｔ０＜Ｉｔ＜Ｉａ０＋Ｉｔ０となるようにすれば実現できる。また、より詳細には、次に動作するＬＤの波長制御領域の電圧Ｖｔ、次に動作するＬＤの動作条件時の活性層電圧Ｖａ０、Ｖｔ０も合わせて考え、Ｖｔ０×Ｉｔ０＜Ｖｔ×Ｉｔ＜Ｖａ０×Ｉａ０＋Ｖｔ０×Ｉｔ０となるようにすればよい。

本実施形態では、制御の単純化のために電流量一定として説明したが、より厳密には電力を一定とすることにより、さらに制御精度を向上させることができる。本発明の重要な点は、それに加え、ＬＤ間隔が離れた場合であっても、局所的熱補償電流を適切に使用することにより、より制御精度を向上させるものである。

また、チップ総電流を補償するために、ＬＤ３を用いているが、ＬＤ６からは１８０μｍ、ＬＤ５からは１２０μｍ離れている。チップ総熱量の補償のためには、必ずしも隣接ＬＤを使用する必要がないことを示している。むしろ、隣接ＬＤからの発熱は、局所的熱補償の電流量に影響を与えるため、条件によっては、チップ総熱量の補償のためには、離れたＬＤを利用した方が望ましい場合も多い。

本発明のレーザアレイで用いている分布活性ＤＦＢレーザの構造は、本実施形態の構造のみに限らず、活性層と波長制御層を均一な周期で繰り返したものや、活性層と波長制御層の周期の組み合わせが２種類以上のものであっても良い。分布活性ＤＦＢレーザの場合、活性層と波長制御層とが交互に並んでおり、局所的に熱補償をするのに適した構造となっている。活性領域は共振器方向の前後に隣接する波長制御領域により温められるため、活性領域の長さＬ_a1もしくはＬ_a2の半分が、レーザ間隔よりも短ければ局所的熱補償の効果が得られる。本実施形態で説明したレーザ構造の場合、図２（ｂ）に示したように、第一のレーザ部Ａ₁の端面側は活性導波路層２２_a1となっており、制御領域２３_t1に挟まれた構造とはなっておらず、前後両側から温めることができない。しかしながら、本レーザでは、第一および第二のレーザ部Ａ₁，Ａ₂で各々６周期の活性層２２と制御層２３の繰り返しとしているため、第一のレーザ部Ａ₁の端面側の活性導波路層２２_a1の占める割合は全活性導波路層２２に対して１／１２以下であって小さいため、上記で説明したように、活性領域２２は共振器方向の前後に隣接する制御領域２３により温められるため、活性領域２２の長さＬ_a1もしくはＬ_a2の半分が、レーザ間隔よりも短ければ局所的熱補償の効果が得られる、としても差し支えない。

また、波長可変レーザアレイ素子の場合、レーザの構造によっては各レーザの間に分離溝を形成することがある。その場合、レーザ間隔が狭かったとしても、隣接するレーザから伝わる熱量は分離溝がない場合に比べて小さくなる。そのような場合に対しても本発明は効果がある。

本実施形態では、図１のように、複数個の波長可変半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ６と、結合器１３、ＳＯＡ１４による構成を説明したが、本発明を実現するためにはレーザが少なくとも２個以上並列に配置されていれば良い。すなわち、結合器１３もＭＭＩ結合器でなくともよく、ファネル型など他の結合器でも良い。また、結合器１３やＳＯＡ１４を集積せずに、半導体レーザアレイからの光をレンズで結合したり、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を用いて光路を変更したりする場合でも、半導体レーザアレイに本発明を適用可能である。

ＳＯＡなどと集積した集積波長可変レーザアレイ素子の場合、電流を流す領域はレーザ部だけではない。例えば、出力を一定に保つためにＳＯＡにも電流を流すが、チャンネルを切り替えることで、出力を調整する必要がある場合もある。その場合、ＳＯＡの電流量が変わるためチップ全体の発熱量が変化する。これを補償するために、ＳＯＡにおける電流の変化量分も波長可変レーザ部の制御領域を用いて補償することにより、チップ温度を安定化させることができる。また、その他の電流を流す素子、例えば、可変アッテネーターなどの光遮断素子、位相制御素子、光スイッチなど光の出力を制御する光制御素子を集積した場合であっても、ＳＯＡと同様に電流値の差分を波長可変レーザの制御領域で補償することができる。すなわち、チップ全体の電流量、より正確には発熱量を一定になるように制御することにより、温度安定化が図られ、正確な波長切替動作を行うことができる。

［第二番目の実施形態］
本実施形態に係る波長可変レーザアレイ素子の制御方法および制御装置について、図６および図７を参照して説明する。

上述した第一番目の実施形態の波長可変レーザアレイ素子で用いられる波長可変半導体レーザは、分布活性ＤＦＢレーザであったが、他の電流注入により制御する波長可変半導体レーザにおいても適用可能である。波長可変半導体レーザの波長を制御する領域と局所的に温度を安定化させたい部分の距離の最大値が、並列に配置された別の波長可変半導体レーザとの間隔よりも小さければ本発明が有効である。本実施形態では、波長可変半導体レーザとしてＤＢＲレーザを用いた場合を説明する。

ＤＢＲレーザは、図６に示すように、下部クラッド６１の上に形成された、長さＬ_t1の第一の非活性導波路層６３_t1と、長さＬ_aの活性導波路層６２と、長さＬ_t2の第二の非活性導波路層６３_t2とが、図中右から、この順に縦続接続された構造となっている。活性導波路層６２及び非活性導波路層６３_t1，６３_t2の上には、上部クラッド６４が形成され、これら層６３_t1，６３_t2と上部クラッド６４の間には、周期的な凹凸、すなわち回折格子６５がそれぞれ形成されている。上部クラッド６４の上には、活性導波路層６２、第一，第二の非活性導波路層６３_t1，６３_t2に対応して、活性領域電極６６、非活性領域電極６７_t1，６７_t2がそれぞれ形成されている。このような構成のＤＢＲレーザを複数集積したＤＢＲレーザアレイの場合、波長制御領域である第一，第二の非活性導波路層６３_t1，６３_t2を局所ヒータとして用いる。局所的には、レーザ共振器の温度が安定化すればよいが、活性導波路層６２は両端の第一の非活性導波路層６３_t1と第二の非活性導波路層６３_t2の両方により温度安定化が図られるため、片側の非活性導波路は、活性導波路層６２の半分を温めればよい。この場合、隣接するレーザの間隔Ｌ_LDよりも、第一の非活性導波路層６３_t1と第二の非活性導波路層６３_t2に挟まれた活性導波路層６２の長さの半分の方が短ければ（Ｌ_LD＞Ｌ_a／２）、局所ヒータとしての効果が現れる。逆にＬ_LD＜Ｌ_a／２であれば、隣接するＬＤの制御領域をヒータとして用いた方が効率よく活性導波路の中央部を温めることができる。

また、ＤＢＲレーザの構成によっては、位相調整を行うための回折格子を形成していない非活性導波路が、例えば回折格子形成領域と活性導波路層の間など、共振器内に設置される場合があるが、これも非活性導波路層なので、局所ヒータとして用いることができる。

また、図７に示すように片側を端面ミラーとしたＤＢＲレーザを適用することも可能である。ＤＢＲレーザは、図７に示すように、下部クラッド７１上に形成された、長さＬ_aの活性導波路層７２と、長さＬ_t1の非活性導波路層７３とが、図中左から、この順に縦続接続された構造となっている。活性導波路層７２及び非活性導波路層７３の上には、上部クラッド７４が形成され、これら層７３と上部クラッド７４の間には、周期的な凹凸、すなわち回折格子７５が形成されている。上部クラッド７４の上には、活性導波路層７２及び非活性導波路層７３に対応して、活性領域電極７６及び非活性領域電極７７がそれぞれ形成されている。このような構成のＤＢＲレーザでは、活性導波路層７２を共振器の方向に対して両側から温めることができないため、Ｌ_LD＞Ｌ_aの場合に、局所ヒータとしての効果が現れる。すなわち、熱補償に用いる制御領域から局所的に熱を与えたい箇所までの距離が波長可変レーザアレイのアレイ間隔よりも短ければよい。このように考えれば、ＤＢＲレーザに限らず、その他の電流注入型の波長可変半導体レーザにおいても、本発明を適用できるか出来ないかを判断することができる。

本発明に係る波長可変レーザアレイ素子の制御方法および制御装置によれば、波長可変レーザアレイのレーザ間隔が比較的広い場合においても、特別な構造を付加することなく、波長切り替え時の電流変化に起因する熱変動による波長ドリフトを抑制し、波長安定性を高めることができるため、通信産業などで有益に利用することができる。

１０ 波長可変レーザアレイ素子
１１ ＬＤ部
１２ 導波路部
１３ 多モード干渉結合器
１４ 半導体光増幅器（ＳＯＡ）
１５ 制御装置
２０ 位相シフト領域
２１ 下部クラッド
２２ 活性導波路層
２３ 非活性導波路層（波長制御領域）
２４ 電流ブロック層
２５ 上部クラッド
２６ 回折格子
２７ 位相シフト部
２８ コンタクト層
２９ 活性領域電極
３０ 波長制御領域電極
３１ 下部電極
３２ 絶縁層
３３ コア層
６１ 下部クラッド
６２ 活性導波路層
６３ 非活性導波路層
６４ 上部クラッド
６５ 回折格子
６６ 活性領域電極
６７ 非活性領域電極
６８ 下部電極
７１ 下部クラッド
７２ 活性導波路層
７３ 非活性導波路層
７４ 上部クラッド
７５ 回折格子
７６ 活性領域電極
７７ 非活性領域電極
７８ 下部電極

Claims (5)

1. 活性領域と、熱補償電流が流れる波長制御領域を有する電流制御型の波長可変半導体レーザを複数並列に配置した波長可変レーザアレイ素子の制御方法であって、
   前記複数の波長可変半導体レーザのうち任意の動作中の波長可変半導体レーザから次に動作する波長可変半導体レーザに切替える際に、
   前記動作中の波長可変半導体レーザがまだ動作している切替前に、前記次に動作する波長可変半導体レーザの波長制御領域に予め熱補償電流を流し、
   前記次に動作する波長可変半導体レーザの切替後の動作条件における波長制御領域に流す波長制御電流量をＩ_ｔ、および前記次に動作する波長可変半導体レーザの切替後の動作条件における全電流量をＩ_ａｌｌとして、前記次に動作する波長可変半導体レーザの波長制御領域に切替前に予め流す熱補償電流量Ｉを、前記Ｉ_ｔより大きく、前記Ｉ_ａｌｌより小さくなる範囲で制御する
   ことを特徴とする波長可変レーザアレイ素子の制御方法。
2. 請求項１に記載の波長可変レーザアレイ素子の制御方法であって、
   前記動作中の波長可変半導体レーザと、次に動作する波長可変半導体レーザ以外の波長可変半導体レーザのいずれかの波長制御領域とに熱補償電流を流すことにより、前記複数の波長可変半導体レーザの全電流の合計量、またはその全電力の合計量を、動作中の波長可変半導体レーザから次に動作する波長可変半導体レーザに切り替わる前後で同一に制御する
   ことを特徴とする波長可変レーザアレイ素子の制御方法。
3. 請求項２に記載の波長可変レーザアレイ素子の制御方法であって、
   前記複数の波長可変半導体レーザの全電流の合計量、またはその全電力の合計量を、次に動作する波長可変半導体レーザに隣接しない波長可変半導体レーザの波長制御領域を用いて保存する
   ことを特徴とする波長可変レーザアレイ素子の制御方法。
4. 活性領域と、熱補償電流が流れる波長制御領域を有する電流制御型の波長可変半導体レーザを複数並列に配置した波長可変レーザアレイ素子の制御装置であって、
   前記複数の波長可変半導体レーザのうち任意の動作中の波長可変半導体レーザから次に動作する波長可変半導体レーザに切替える際に、
   前記動作中の波長可変半導体レーザがまだ動作している切替前に、前記次に動作する波長可変半導体レーザの波長制御領域に予め熱補償電流を流し、
   前記次に動作する波長可変半導体レーザの切替後の動作条件における波長制御領域に流す波長制御電流量をＩ_ｔ、および前記次に動作する波長可変半導体レーザの切替後の動作条件における全電流量をＩ_ａｌｌとして、前記次に動作する波長可変半導体レーザの波長制御領域に切替前に予め流す熱補償電流量Ｉを、前記Ｉ_ｔより大きく、前記Ｉ_ａｌｌより小さくなる範囲で制御する第１の熱補償制御部を備える
   ことを特徴とする波長可変レーザアレイ素子の波長制御装置。
5. 請求項４に記載の波長可変レーザアレイ素子の制御装置であって、
   前記動作中の波長可変半導体レーザと、次に動作する波長可変半導体レーザ以外の波長可変半導体レーザのいずれかの波長制御領域とに熱補償電流を流すことにより、
   前記複数の波長可変半導体レーザの全電流の合計量、またはその全電力の合計量を、動作中の波長可変半導体レーザから次に動作する波長可変半導体レーザに切り替わる前後で同一に制御する第２の熱補償制御部をさらに備える
   ことを特徴とする波長可変レーザアレイ素子の制御装置。
   

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