JP2010141090A

JP2010141090A - 光送信モジュール

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Publication number: JP2010141090A
Application number: JP2008315424A
Authority: JP
Inventors: Yoichiro Igarashi; 陽一郎五十嵐; Hiroyasu Sasaki; 博康佐々木; Takeshi Yamashita; 武山下; Hideo Arimoto; 英生有本
Original assignee: Opnext Japan Inc
Current assignee: Opnext Japan Inc
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2010-06-24

Abstract

【課題】波長制御を安定的に行う。
【解決手段】光送信モジュール１０は、光半導体増幅器１０２と、波長選択ミラー１１０と、光半導体増幅器１０２と波長選択ミラー１１０との間に配置された透過波長帯域が周期的に設けられた波長選択フィルタ１０６と、を含むレーザ共振器１００と、レーザ共振器１００から発光されたレーザ光の出力を検出する光出力検出素子１２２と、レーザ共振器１００から発光されたレーザ光を波長ロッカフィルタ１２４に透過させた後の出力を検出する光出力検出素子１２６と、光出力検出素子１２２により検出した出力と、光出力検出素子１２６により検出した出力との比に基づいて、レーザ共振器１００により発光するレーザ光が所期の発振波長となるように制御する制御部１３０と、を含み、波長選択フィルタ１０６の透過波長帯域のうち所期の発振波長に最も近いピークが所期の発振波長よりも短波長側にある。
【選択図】図１

Description

本発明は、光送信モジュールに関する。

ネットワーク回線容量の増加に伴い波長の多重数も増加し、通信の波長多重化が進んでいる。こうした波長多重通信においては、国際電気通信連合の規定した波長（ＩＴＵグリッド波長）を精度良く選択することが要求される。

レーザ光の発振波長を選択可能な波長可変レーザ光源には、例えば下記の特許文献１に記載されているような、波長可変フィルタと半導体型の利得媒体とを組み合わせた外部共振器型の波長可変レーザ光源がある。こうした波長可変レーザ光源では、レーザ共振器を、利得媒体と、位相調整領域と、回折格子による波長可変フィルタと、レーザ共振器内にＩＴＵグリッド波長を透過波長とする波長選択フィルタ（ＩＴＵグリッドフィルタ）とを含み構成されており、レーザ共振器内の波長可変フィルタの透過波長を所期のＩＴＵグリッド波長に合わせることで発振波長を選択している。従来では、レーザ光の発振波長とＩＴＵグリッド波長とを一致させるため、位相調整領域に正負に微小な電流を流し光出力が最大となる波長を検出する、いわゆるピークサーチを行っている。
特開２００７−２３４９１６号公報

しかしながら、上記のような位相調整電流ディザによるピークサーチを行うと、ピーク位置がモードホップ境界（キャビティモードが隣りに遷移する境界）の近傍にあることから、波長変化がモードホップ領域近傍に達することがあり波長制御を安定的に行えないことがあった。

本発明の目的の一つは、波長制御を安定的に行うことができる光送信モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る光送信モジュールは、光増幅器と、ミラーと、前記光増幅器と前記ミラーとの間に配置された透過波長帯域が周期的に設けられた第１のエタロンフィルタと、を含むレーザ共振器と、前記レーザ共振器から発光されたレーザ光の出力を検出する第１の光出力検出手段と、前記レーザ共振器から発光されたレーザ光を第２のエタロンフィルタに透過させた後の出力を検出する第２の光出力検出手段と、前記第１の光出力検出手段により検出した出力と、前記第２の光出力検出手段により検出した出力との比に基づいて、前記レーザ共振器により発光するレーザ光が所期の発振波長となるように制御する制御手段と、を含み、前記第１のエタロンフィルタの透過波長帯域のうち前記所期の発振波長に最も近いピークが当該所期の発振波長よりも短波長側にあることを特徴とする。

また、本発明の一態様では、レーザ光の予め定められた発振波長毎に、前記第１の光出力検出手段により検出される出力と、前記第２の光出力検出手段により検出される出力との比を予め関連づけて記憶する記憶手段をさらに含み、前記制御手段は、前記第１の光出力検出手段により検出した出力と、前記第２の光出力検出手段により検出した出力との比が、前記所期の発振波長に関連づけて前記記憶手段に記憶された比となるように前記レーザ共振器により発光するレーザ光の発振波長を制御することとする。

また、本発明の一態様では、前記第１のエタロンフィルタと第２のエタロンフィルタとは、同じ透過波長帯域のエタロンフィルタにより構成され、それぞれのレーザ光の光軸に対する設置角度が異なることとする。

また、本発明の一態様では、前記レーザ共振器は、前記光増幅器と前記ミラーとの間に配置された透過波長帯域が可変である波長可変フィルタをさらに含み、前記所期の発振波長は、前記波長可変フィルタの透過波長帯域と前記第１のエタロンフィルタの透過波長帯域との組み合わせに応じて選択されることとする。

また、本発明の一態様では、前記光増幅器は、光増幅部と、入力された信号に応じて屈折率が変化する位相調整部と、を含み、前記制御手段は、前記第１の光出力検出手段により検出した出力と、前記第２の光出力検出手段により検出した出力との比に基づいて、前記位相調整部に入力する信号を制御して、前記レーザ共振器により発光するレーザ光の発振波長を制御することとする。

本発明の一態様によれば、波長制御の際にモードホップの発生を抑制して波長制御を安定的に行うことができる。

本発明の一態様によれば、予め記憶された出力比に応じてレーザ光の発振波長を制御できる。

本発明の一態様によれば、第１のエタロンフィルタの透過光の波長帯域に対して第２のエタロンフィルタの透過光の波長帯域をシフトさせることができる。

本発明の一態様によれば、レーザ光の発振波長を、波長可変フィルタを変化させることで選択した発振波長に合わせることができる。

本発明の一態様によれば、位相調整部への入力信号を制御することでレーザ光の発振波長を制御できる。

以下、本発明を実施するための好適な実施の形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１には、本実施形態に係る光送信モジュール１０の構成図を示す。図１に示されるように、光送信モジュール１０は、レーザ共振器１００、波長ロッカー１２０、制御部１３０、光ファイバ１４０、及びコリメータレンズ１０４，１１２、ビームスプリッタ１１４，１１６、集光レンズ１１８等の光学系素子を含み構成される。

レーザ共振器１００は、外部共振器型のレーザ共振器１００であり、光半導体増幅器１０２、コリメータレンズ１０４、波長選択フィルタ１０６、波長可変フィルタ１０８、及び波長選択ミラー１１０を含み構成される。

光半導体増幅器１０２は、利得媒体により構成される光増幅部１０２Ａと、屈折率が入力される信号（位相調整信号）に応じて変化する位相調整部１０２Ｂとを含み構成される。光増幅部１０２Ａは、光ファイバ１４０側の右端面に低反射膜がコーティングされており、この低反射膜により右端面でレーザ光の一部を反射する。また、位相調整部１０２Ｂは、制御部１３０から入力される位相調整信号（電流信号）に応じて屈折率が変化し、レーザ共振器１００の真空換算の経路長が変化することで、レーザ共振器１００によるレーザ光の発振波長が変化する。

光半導体増幅器１０２のレーザ共振器１００の内部側の、光半導体増幅器１０２を介してコリメータレンズ１１２と対向する位置には、コリメータレンズ１０４が配置されており、このコリメータレンズ１０４は光半導体増幅器１０２から出射される拡散光を平行光に変換する。コリメータレンズ１０４により平行光に変換された光は、波長選択フィルタ１０６に入射する。

波長選択フィルタ１０６は、周期的な透過波長帯域を有するエタロンフィルタ（第１のエタロンフィルタ）である。図２Ａには、波長選択フィルタ１０６による透過波長帯域の特性の一例を示した。図２Ａにおいて、横軸は波長であり、縦軸は透過率である。図２Ａにおいて、（１）は波長選択フィルタ１０６の透過波長特性を示し、（２）は国際電気通信連合で規定された波長に合わせたＩＴＵグリッドフィルタの透過波長特性を示している。図２Ａに示されるように、波長選択フィルタ１０６は、国際電気通信連合で規定された波長（ＩＴＵグリッドフィルタ）に対して、最も近い透過ピークが短波長側となるよう設定される。例えば波長選択フィルタ１０６は、ＩＴＵグリッドフィルタを、レーザ共振器１００内のレーザ光の光軸に対して傾けて設置することにより透過波長をシフトさせることとしてよい。なお、本実施形態における波長選択フィルタ１０６の波長間隔は約４００ｐｍである。波長選択フィルタ１０６を透過した光は、波長可変フィルタ１０８に入射する。

波長可変フィルタ１０８は、レーザ共振器１００により発振するレーザ光の波長帯域について、透過する１つのピーク波長を有し、そのピーク波長を制御部１３０から入力される波長設定信号に応じて制御可能なフィルタである。図２Ｂには、波長可変フィルタ１０８の透過波長帯域の一例を示した。図２Ｂにおいて、横軸は波長であり、縦軸は透過率である。図２Ｂに示される波長可変フィルタ１０８のピーク波長の位置が、波長設定信号に応じてシフトするものである。波長可変フィルタ１０８の透過特性は、透過ピークの半値である波長幅（半値幅）が、波長選択フィルタ１０６の透過帯域の周期間隔の２倍よりも狭いこととするのが好適である。波長可変フィルタ１０８の透過ピークを、所期のＩＴＵグリッド波長に合わせることで、発振波長が選択される。

レーザ共振器１００は、光半導体増幅器１０２と波長選択ミラー１１０をそれぞれ端として構成されている。一方の端である波長選択ミラー１１０は、光軸に対して垂直に配置され、波長可変フィルタ１０８を透過した光は波長選択ミラー１１０により反射されて、波長可変フィルタ１０８、波長選択フィルタ１０６、コリメータレンズ１０４を通って再び光半導体増幅器１０２に戻る。そして、光半導体増幅器１０２の右端面で一部の光が反射して再度レーザ共振器１００内で反射を繰り返すことで光の共振が起こる。ここで、光半導体増幅器１０２の光増幅部１０２Ａの利得がレーザ共振器１００内での損失を上回れば、レーザ共振器１００は共振しレーザ光が発光する。

レーザ共振器１００から発光されるレーザ光の発振波長は、レーザ共振器１００の真空換算の経路長により決まるものであり、図２Ｃにはレーザ共振器１００が取りうる発振波長に対応するキャビティモード（共振器モード）の一例を示した。図２Ｃにおいて、横軸は波長であり、縦軸は光の強度である。図２Ｃに示されるように、レーザ共振器１００の発振波長は飛び飛びの値を取り、この飛び飛びの値のいずれかがレーザ共振器１００による発振波長となる。上述したように、発振波長はレーザ共振器１００の真空換算の経路長により決まるため、位相調整信号により位相調整部１０２Ｂの屈折率を変えることにより、発振波長も変化する。

レーザ共振器１００による発振波長は、図２Ａ乃至Ｃに示した３つの要素、すなわち、波長選択フィルタ１０６の透過特性、波長可変フィルタ１０８の透過特性、キャビティモードにより定められる。複数あるキャビティモードと波長選択フィルタ１０６の透過特性と波長可変フィルタ１０８の透過特性とを足し合わせたものが、このレーザ共振器１００による発振波長の特性となり、発振波長はレーザ共振器１００の真空換算の経路長に変化がなければ、波長可変フィルタ１０８の透過ピーク位置を変化させることで光信号のチャネルを選択することができる。ただし、レーザ共振器１００の真空換算の経路長は、温度等の影響で変化してしまうため、位相調整部１０２Ｂの屈折率を変化、すなわち位相調整部１０２Ｂに入力する位相電流を変化させて発振波長のずれを補正する。

図３Ａには、レーザ共振器１００の理論上の波長特性と、光強度特性とを示した。図３Ａにおいて、横軸は位相電流を表し、縦軸は光強度、又は波長を表している。

図３Ａに示されるように、位相調整部１０２Ｂに入力する位相調整電流を変化させることで、発振波長と光強度が変化し、位相が変化すると発振波長は線形に変化し、波長選択フィルタ１０６の透過ピーク波長で最大の光出力となり、さらに位相を変化させると隣のキャビティモードに変移する。従って、レーザ共振器１００の波長特性は周期的なのこぎり波状となり、また、光強度特性は周期的な半円弧状となる。図中に表された隣のキャビティモードに変移する変移領域はモードホップ領域と呼ばれ、このモードホップ領域の近傍で位相を変化させると、レーザ共振器１００の定在波の波の個数が不連続に変化し、レーザ発振スペクトルでサイドモードが大きくなったり、マルチモードになったりして発振信号が劣化してしまう。また、図３Ｂには、レーザ共振器１００の１つのキャビティモードに係る波長と光強度特性との関係を表した。図３Ｂにおいては、横軸を波長に、縦軸を光強度としている。波長に対する光出力のピークから波長がずれると光出力は低下する。波長はある範囲内で変化し、その境界はモードホップ境界となっている。

ただし、実際の光半導体増幅器１０２において、利得変化と屈折率変化とには相関があり、位相変化に対する波長変化と光強度変化は、光強度のピークに対して非対称となる。なお、利得変化と屈折率変化の比は、αパラメータと呼ばれるものである。図４Ａの実線は、αパラメータが０でない場合のレーザ共振器１００の波長特性と光強度特性を示したものであり、参考のため図４Ａでは破線でαパラメータが０の場合のレーザ共振器１００の波長特性と光強度特性を示している。また、図４Ｂには、同様にαパラメータが０でない場合のレーザ共振器１００における波長と光強度の関係と、αパラメータが０である場合の同関係を示した。図４Ｂに示されるように、αパラメータが０でない場合のレーザ共振器１００では、位相変化に対する光強度と波長との変化が、光強度のピークに対して非対称となり、ピーク位置からモードホップ境界までが近くなっている。一例としては、ＩＴＵグリッドフィルタの波長の周期を４００ｐｍ、実行フィネスを３とした場合に、モードホップ境界間の波長幅が４０ｐｍに対して、ピーク位置から低波長側のモードホップ境界までの波長幅ｄが１０ｐｍとなる。従って、位相調整電流ディザによるピークサーチを行うと、位相調整の変化に対する波長変化がモードホップ領域の近傍に達してしまい、光信号が劣化することがある。

そこで、本実施形態においては、波長選択フィルタ１０６のピークを所期の発振波長（ＩＴＵグリッドフィルタのピーク）に対して低波長側にずらし、波長ロッカー１２０により検出される情報に基づいて所期の発振波長に合わせることとしている。以下、具体的な波長制御の処理について説明する。

図１に示されるように、波長ロッカー１２０は、レーザ共振器１００から出力されたレーザ光の光出力を検出する光出力検出素子１２２（第１の光出力検出手段）と、透過波長帯域が周期的に設けられた波長ロッカフィルタ１２４（第２のエタロンフィルタ）と、波長ロッカフィルタ１２４を透過したレーザ光の光出力を検出する光出力検出素子１２６（第２の光出力検出手段）とを含み構成される。光出力検出素子１２２へは、レーザ共振器１００から出射されるレーザ光の光路上に配置されたビームスプリッタ１１６により反射されたレーザ光が入射し、また、波長ロッカフィルタ１２４及び光出力検出素子１２６へは、同じ光路上に配置されたビームスプリッタ１１４により反射されたレーザ光が入射する。光出力検出素子１２２及び光出力検出素子１２６により検出された光電流はＡ／Ｄ変換された後に、それぞれの電流値Ｉ１及びＩ２の値は制御部１３０に入力される。

ここで図５（ａ）には、波長ロッカフィルタ１２４の透過特性を示した。本実施形態に係る波長ロッカフィルタ１２４は、ＩＴＵグリッドフィルタと同じ縦軸波長方向に繰り返し周期をもつ透過特性を有するエタロンフィルタを用いて構成されたものであり、搭載角度を光軸に対して回転させることで透過波長をＩＴＵグリッドフィルタにより規定された波長からシフトさせている。図５（ｂ）に示されるように、従来の位相調整電流ディザにおける制御中心は光強度特性のＡに示されるピークであるのに対して、本実施形態においてはＢに示される位置に制御中心を設定している。このＢに示される制御中心は、波長ロッカフィルタ１２４の特性のスロープ上にあるＤに対応し、この点をロックポイントとして位相制御を行う。

制御部１３０は、集積回路として構成されるものであり、波長設定信号、光増幅信号の設定を行うとともに、光出力信号の入力に応じて位相調整信号を位相調整部１０２Ｂに出力して波長制御を行う。制御部１３０は、設定された所期のチャネルに対応するＩＴＵグリッド波長λ_Ｌからロックポイントを読み出し、読み出したロックポイントを制御目標として位相調整信号の制御を行う。制御部１３０は、リファレンスとして光出力検出素子１２２により検出された電流値Ｉ１と、波長ロッカフィルタ１２４を介して光出力検出素子１２６により検出された電流値Ｉ２との比が、上記読み出したロックポイントとなるように、波長可変フィルタ１０８に入力する電圧及び位相調整部１０２Ｂに入力する位相電流を制御して、発振波長を所期のＩＴＵグリッド波長に合わせる。ここで、ロックポイントとチャネル（ＩＴＵグリッド波長）との関係は、図６に示したように、チャネル毎にロックポイントを予め定めた設定波長テーブルに基づいて決定することとしてよく、この設定波長テーブルは、光送信モジュール１０に備えられたＲＯＭに格納しておくこととしてよい。各チャネルに対応する波長の値は予め保持しておくこととしてよい。

波長ロッカフィルタ１２４は、透過波長特性と光線のエタロンへの入射角度に依存性があり、波長ロッカフィルタ１２４の搭載時に搭載角度を回転させ、ある一つのＩＴＵグリッド波長（例えば中央のチャネル等）に合わせて初期設定ロックポイントを設定する（例えばＩＴＵグリッド波長＝１９２ＴＨｚに対してロックポイント＝０．６）。このように波長ロッカフィルタ１２４の透過特性スロープを使い初期設定ロックポイントを設定するが、スロープはエタロンフィネスにより急峻さが変わり、必要な感度に応じてエタロンフィネスを決めることとしてよい。なお、ロックポイントとチャネル（ＩＴＵグリッド波長）との関係は、上述したものに限られず、例えば初期設定ロックポイント以外の設定波長テーブルは数点測定して計算式を出して求めることとしても構わない。

以上説明したように、本実施形態に係る光送信モジュール１０によれば、波長選択フィルタ１０６の透過ピークをＩＴＵグリッド波長に対して低波長側にシフトさせ、波長ロッカー１２０を用いてＩＴＵグリッド波長に合わせることにより、モードホップ領域を回避して波長制御を安定動作させることができる。また、本実施形態に係る光送信モジュール１０では、モードホップの発生を回避するために、光半導体増幅器１０２のαパラメータを０に近づける必要がないため、光半導体増幅器１０２のαパラメータに関する制約が少なく設計が容易となる。

また、外部共振型のレーザ共振器１００では、共振器長が長くスペクトル線幅が狭くなるため、光ファイバ１４０に数ｄＢｍ以上のパワーで、かつ、線幅が狭いスペクトルの光線を入射した場合に大部分のパワーが入射側に戻されてしまうという誘導ブルリアン散乱（ＳｔｉｍｕｌａｔｅｄＢｒｉｌｌｏｕｉｎＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＳＢＳ）と呼ばれる現象が発生し易い。そのため、このＳＢＳの発生を回避するために、１０ｋ〜１００ｋＨｚ程度のＦＭ変調を位相調整信号に重畳させることがあり、従来のピークサーチによる波長制御ではこうした場合にもモードホップが発生し易いという問題があったが、本実施形態に係る光送信モジュール１０では、モードホップ領域から離れた位置に制御中心を設けたためこうしたＦＭ変調をかけた場合にもモードホップが発生し難く、ＳＢＳ対策という点からも有効である。

もちろん本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、この分野の通常の知識を有する当業者によって多様な変更、変形又は置換が可能であることはいうまでもない。

本実施形態に係る光送信モジュールの構成図である。波長選択フィルタによる透過波長帯域の特性の一例を示す図である。波長可変フィルタの透過波長帯域の一例を示す図である。レーザ共振器のキャビティモードの一例を示す図である。レーザ共振器の理論上の波長特性と、光強度特性とを示す図である。レーザ共振器の１つの共振器モードに係る波長と光強度特性との関係を表す図である。レーザ共振器の実際の波長特性と、光強度特性とを示した図である。レーザ共振器の１つの共振器モードに係る波長と光強度特性との関係を表す図である。波長ロッカフィルタの透過特性、及び本実施形態における制御中心を説明する図である。設定波長テーブルの一例を示す図である。

符号の説明

１０光送信モジュール、１００レーザ共振器、１０２光半導体増幅器、１０２Ａ光増幅部、１０２Ｂ位相調整部、１０４コリメータレンズ、１０６波長選択フィルタ、１０８波長可変フィルタ、１１０波長選択ミラー、１１２コリメータレンズ、１１４，１１６ビームスプリッタ、１１８集光レンズ、１２０波長ロッカー、１２２光出力検出素子、１２４波長ロッカフィルタ、１２６光出力検出素子、１３０制御部、１４０光ファイバ。

Claims

光増幅器と、ミラーと、前記光増幅器と前記ミラーとの間に配置された透過波長帯域が周期的に設けられた第１のエタロンフィルタと、を含むレーザ共振器と、
前記レーザ共振器から発光されたレーザ光の出力を検出する第１の光出力検出手段と、
前記レーザ共振器から発光されたレーザ光を第２のエタロンフィルタに透過させた後の出力を検出する第２の光出力検出手段と、
前記第１の光出力検出手段により検出した出力と、前記第２の光出力検出手段により検出した出力との比に基づいて、前記レーザ共振器により発光するレーザ光が所期の発振波長となるように制御する制御手段と、を含み、
前記第１のエタロンフィルタの透過波長帯域のうち前記所期の発振波長に最も近いピークが当該所期の発振波長よりも短波長側にある
ことを特徴とする光送信モジュール。
レーザ光の予め定められた発振波長毎に、前記第１の光出力検出手段により検出される出力と、前記第２の光出力検出手段により検出される出力との比を予め関連づけて記憶する記憶手段をさらに含み、
前記制御手段は、前記第１の光出力検出手段により検出した出力と、前記第２の光出力検出手段により検出した出力との比が、前記所期の発振波長に関連づけて前記記憶手段に記憶された比となるように前記レーザ共振器により発光するレーザ光の発振波長を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の光送信モジュール。
前記第１のエタロンフィルタと第２のエタロンフィルタとは、同じ透過波長帯域のエタロンフィルタにより構成され、それぞれのレーザ光の光軸に対する設置角度が異なる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光送信モジュール。
前記レーザ共振器は、前記光増幅器と前記ミラーとの間に配置された透過波長帯域が可変である波長可変フィルタをさらに含み、
前記所期の発振波長は、前記波長可変フィルタの透過波長帯域と前記第１のエタロンフィルタの透過波長帯域との組み合わせに応じて選択される
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光送信モジュール。
前記光増幅器は、光増幅部と、入力された信号に応じて屈折率が変化する位相調整部と、を含み、
前記制御手段は、前記第１の光出力検出手段により検出した出力と、前記第２の光出力検出手段により検出した出力との比に基づいて、前記位相調整部に入力する信号を制御して、前記レーザ共振器により発光するレーザ光の発振波長を制御する
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光送信モジュール。