(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度調節手段を備えた半導体レーザの放射光が所定の出射点から出射された出射光の一部を直接受光して電気信号に変換する第１光電変換手段と、前記出射光の一部を直接入射しその波長に依存して透過率が連続的に変化する波長フィルタと、前記波長フィルタを透過した光を受光して電気信号に変換する第２光電変換手段と、前記波長フィルタの側端面部分に照射された前記出射光が前記波長フィルタを介して前記第１光電変換手段に入射するのを防止する迷光防止手段と、を少なくとも有し、
前記迷光防止手段が、前記波長フィルタの側端面を、前記出射点と前記波長フィルタの前記出射光が入射する入射面の縁端部とを結ぶ直線及びその延長部と交差しないように加工した迷光防止波長フィルタを用いるものである波長安定化ユニット。
【請求項２】
温度調節手段を備えた半導体レーザの放射光が所定の出射点から出射された出射光の一部を直接受光して電気信号に変換する第１光電変換手段と、前記出射光の一部を直接入射しその波長に依存して透過率が連続的に変化する波長フィルタと、前記波長フィルタを透過した光を受光して電気信号に変換する第２光電変換手段と、前記波長フィルタの側端面部分に照射された前記出射光が前記波長フィルタを介して前記第１光電変換手段に入射するのを防止する迷光防止手段と、
前記出射光を平行光束に変換する光束平行化手段と、を少なくとも有し、
前記第１光電変換手段は前記平行光束の一部を直接受光するようにし、前記波長フィルタは前記平行光束の一部を直接入射するようにし、
前記迷光防止手段が、前記波長フィルタの側端面を、前記平行光束に照射されないように加工した迷光防止波長フィルタを用いるものであり、
前記迷光防止波長フィルタは、少なくとも前記平行光束が照射される前記波長フィルタの側端面を前記平行光束が入射する入射面の縁端部を通る前記平行光束の光軸に平行な直線と交差しないように加工したものである波長安定化ユニット。
【請求項３】
温度調節手段を備えた半導体レーザの放射光が所定の出射点から出射された出射光の一部を直接受光して電気信号に変換する第１光電変換手段と、前記出射光の一部を直接入射しその波長に依存して透過率が連続的に変化する波長フィルタと、前記波長フィルタを透過した光を受光して電気信号に変換する第２光電変換手段と、前記波長フィルタの側端面部分に照射された前記出射光が前記波長フィルタを介して前記第１光電変換手段に入射するのを防止する迷光防止手段と、
前記出射光を平行光束に変換する光束平行化手段と、を少なくとも有し、
前記第１光電変換手段は前記平行光束の一部を直接受光するようにし、前記波長フィルタは前記平行光束の一部を直接入射するようにし、
前記迷光防止手段が、前記波長フィルタの前記平行光束が入射する入射面の前記光軸に最も近い第１縁端部と前記光束平行化手段との距離を、前記入射面の前記光軸から最も遠い第２縁端部と前記光束平行化手段との距離よりも大きくし、且つ前記波長フィルタを前記平行光束の光軸と交差しないように実装することによるものである波長安定化ユニット。
【請求項４】
温度調節手段を備えた半導体レーザの放射光が所定の出射点から出射された出射光の一部を直接受光して電気信号に変換する第１光電変換手段と、前記出射光の一部を直接入射しその波長に依存して透過率が連続的に変化する波長フィルタと、前記波長フィルタを透過した光を受光して電気信号に変換する第２光電変換手段と、前記波長フィルタの側端面部分に照射された前記出射光が前記波長フィルタを介して前記第１光電変換手段に入射するのを防止する迷光防止手段と、を少なくとも有し、
前記迷光防止手段が、前記波長フィルタの側端面に少なくとも無反射膜及び光吸収膜を含む材料の中から選択した所定材料のコーティング膜を付着せしめた迷光防止波長フィルタを用いるものである波長安定化ユニット。
【請求項５】
温度調節手段を備えた半導体レーザの放射光が所定の出射点から出射された出射光の一部を直接受光して電気信号に変換する第１光電変換手段と、前記出射光の一部を直接入射しその波長に依存して透過率が連続的に変化する波長フィルタと、前記波長フィルタを透過した光を受光して電気信号に変換する第２光電変換手段と、前記波長フィルタの側端面部分に照射された前記出射光が前記波長フィルタを介して前記第１光電変換手段に入射するのを防止する迷光防止手段と、を少なくとも有し、
前記迷光防止手段が、前記波長フィルタの側端面に反射膜をコーティングし、且つ前記側端面での反射光が前記第１光電変換素子に照射されないようにした迷光防止波長フィルタを用いるものである波長安定化ユニット。
【請求項６】
温度調節手段を備えた半導体レーザの放射光が所定の出射点から出射された出射光の一部を直接受光して電気信号に変換する第１光電変換手段と、前記出射光の一部を直接入射しその波長に依存して透過率が連続的に変化する波長フィルタと、前記波長フィルタを透過した光を受光して電気信号に変換する第２光電変換手段と、前記波長フィルタの側端面部分に照射された前記出射光が前記波長フィルタを介して前記第１光電変換手段に入射するのを防止する迷光防止手段と、を少なくとも有し、
前記迷光防止手段が、前記波長フィルタの側端面に粗面加工を施し、前記側端面を凹凸面にした迷光防止波長フィルタを用いるものである波長安定化ユニット。
【請求項７】
前記出射光を平行光束に変換する光束平行化手段を更に有し、前記第１光電変換手段は前記平行光束の一部を直接受光するようにし、前記波長フィルタは前記平行光束の一部を直接入射するようにした請求項１、４乃至６いずれか１項に記載の波長安定化ユニット。
【請求項８】
前記光束平行化手段がレンズであり、このレンズから出射した単一の平行光束の一部が直接前記第１光電変換手段に入射し、他の一部が直接前記波長フィルタに入射するようにしたことを特徴とする請求項２、３乃至７いずれか１項に記載の波長安定化ユニット。
【請求項９】
前記平行光束の平行度が±２°以内とされたことを特徴とする請求項２、３乃至７いずれか１項に記載の波長安定化ユニット。
【請求項１０】
前記迷光防止手段が、前記波長フィルタの側端面と前記平行光束が入射する入射面とが成す角度を、前記入射面と前記平行光束の光軸の前記波長フィルタよりも第１光電変換手段側の部分とが成す角度よりも小さくした迷光防止波長フィルタを用いるものである請求項２、３乃至７いずれか１項に記載の波長安定化ユニット。
【請求項１１】
前記波長フィルタが、前記半導体レーザが安定化の目標とする基準波長を含む波長帯域内で透過率が波長に依存して単調に増大又は減少する透過特性を有するものである請求項１乃至１０いずれか１項に記載の波長安定化ユニット。
【請求項１２】
前記波長フィルタが、入射角の調節によって、波長に依存する透過率変化の勾配を変化させ得るものである請求項１乃至１０いずれか１項に記載の波長安定化ユニット。
【請求項１３】
前記波長フィルタが、前記基準波長を含まない波長帯域において透過率が最大となるか又は最小となる単峰性の透過特性を有するものである請求項１乃至１０いずれか１項に記載の波長安定化ユニット。
【請求項１４】
前記波長フィルタが、透明基板上に誘電体多層膜が形成された多層膜フィルタである請求項１乃至１０いずれか１項に記載の波長安定化ユニット。
【請求項１５】
前記波長フィルタが、一定波長間隔で透過率が極大と極小とを繰り返す透過率周期を有するエタロン型フィルタである請求項１乃至１４いずれか１項に記載の波長安定化ユニット。
【請求項１６】
前記波長フィルタが、石英ガラスより高い屈折率を有する透明基材から形成された請求項１乃至１５いずれか１項に記載の波長安定化ユニット。
【請求項１７】
前記透明基材がシリコン（Ｓｉ）である請求項１６に記載の波長安定化ユニット。
【請求項１８】
前記第１光電変換手段と第２光電変換手段とが同一保持基板上に並列され、アレイ状の光検出器を形成した請求項１乃至１７いずれか１項に記載の波長安定化ユニット。
【請求項１９】
前記第１光電変換手段の受光面が、入射光の光軸から傾斜して配置された請求項１乃至１８いずれか１項に記載の波長安定化ユニット。
【請求項２０】
半導体レーザと、この半導体レーザの温度を調節する温度調節手段と、前記半導体レーザの発振波長を安定化する波長安定化ユニットを備え、前記波長安定化ユニットが請求項１乃至１９のいずれか１項に記載のものであることを特徴とする波長安定化レーザモジュール。
【請求項２１】
前記半導体レーザが、電界吸収型半導体光変調器と集積された素子構造を有するものである請求項２０に記載の波長安定化レーザモジュール。
【請求項２２】
前記温度調整手段が、ペルチェ素子である請求項２０又は２１に記載の波長安定化レーザモジュール。
【請求項２３】
前記波長安定化ユニットが、前方から信号用レーザ光を出力する前記半導体レーザの後方出力光を前記半導体レーザの後方出力端を出射点とする出射光として受光するように配置された請求項２０乃至２２いずれか１項に記載の波長安定化レーザモジュール。
【請求項２４】
レーザ光出力手段として光ファイバを有すると共に、少なくとも前記半導体レーザと前記温度調節手段と前記波長安定化ユニットとが単一ケース内に収納されてなることを特徴とする請求項２０乃至２３いずれか１項に記載の波長安定化レーザモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は波長安定化レーザモジュールに関し、特に出射するレーザ光の波長を高精度に安定化することができ且つ構造が簡単で小型化が可能な、波長安定化ユニット及びこの波長安定化ユニットを用いた波長安定化レーザモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ通信システムの光源として、従来から半導体レーザが用いられている。特に数１０km以上の光ファイバ通信には波長分散の影響を抑えるためにＤＦＢ（distributed feedback）レーザなど単一軸モードの半導体レーザが用いられている。ところで例えば前記ＤＦＢレーザは、単一の波長で発振するとはいえ、その発振波長は温度や注入電流によって変化する。また光ファイバ通信システムにおいては、光源の出力強度が一定であることも重要であるので、これまでの光ファイバ通信システムにおいては、一般に半導体レーザの温度及び光出力を一定にするような制御が行われてきた。基本的には半導体レーザの温度と注入電流とを一定に維持すれば光出力と発振波長とは一定に保たれる。しかし、半導体レーザが長期間の使用により劣化すると、光出力を一定に保持するための注入電流が上昇し、これに伴って発振波長が変化するようになる。ただ、この波長の変化量は僅かなので、従来の光ファイバ通信システムではほとんど問題にならなかった。
【０００３】
最近になると、１本の光ファイバに多数の波長の光を導入する高密度波長分割多重方式（以下「ＤＷＤＭ」という）の光ファイバ通信システムが主流になりつつあり、使用される複数の発振波長の間隔も１００ＧHz、或いは５０ＧHzと非常に狭くなってきている。この場合、光源となる半導体レーザに要求される波長安定度は例えば２×１０5 時間（約２５年）で波長変化±１ｎｍ以下の特性が求められおり、従来の素子温度一定、光出力一定という制御による波長安定化では不十分になってきた。また、素子温度を一定にする制御を行っても、半導体レーザモジュールの環境温度が変化すると発振波長が僅かに変化し、この僅かな変化量が問題になる場合も増えてきた。
【０００４】
半導体レーザの発振波長の変動を抑え安定化するために、従来から特開平１０−２０９５４６号公報、特開平４−１５７７８０号公報、特開平９−２１９５５４号公報、特開平１０−７９７２３号公報或いは特開平９−１２１０７０号公報等にいくつかの波長安定化装置が提案されている。しかし、これら従来の半導体レーザの波長安定化装置は、いずれも部品点数が多く、所要スペースが大きくなり、従来から一般に用いられている半導体レーザモジュールのケース内に収納することが困難であるばかりでなく、安定化の目標とする基準波長の設定が非常に難しく、製作コストが増大するなどの課題があった。
【０００５】
本発明の出願人は、これらの課題を解決した波長安定化レーザモジュールを発明し、特願２０００−６７６０６号として既に出願済みである。図１０は、この特願２０００−６７６０６号に添付された明細書及び図面（以下、先願明細書とする）に記載された波長安定化レーザモジュールの例を示す構成図である。図１０の波長安定化レーザモジュールは、ケース８０９内に半導体レーザ８０１と、この半導体レーザから拡散放射される後方出射光を平行光束に変換するレンズ８０２と、このレンズを透過した平行光束の一部を直接受光して電気信号に変換する第１光電変換素子８０５と、レンズ８０２を透過した平行光束の一部を入射するエタロン型フィルタ８３１と、このエタロン型フィルタ８３１を透過した光を受光して電気信号に変換する第２光電変換素子８０６とを有している。
【０００６】
半導体レーザ８０１は、ペルチェ素子を備えた基板８０７に装着されて駆動中の温度が調節できるようになっている。エタロン型フィルタ８３１は、図示しない角度調節機構によって入射角が調節できるようになっている。また第１光電変換素子８０５と第２光電変換素子８０６とは、図１１に示すように、保持基板８４９上に並列され、アレイ状の光検出器８０４を形成している。この光検出器８０４は、半導体レーザへの反射戻り光が生じないように、入射光の光軸に対して傾斜して設置されている。
【０００７】
このような構成により、前述の波長安定化レーザモジュールは、高精度でありながら部品点数が少なく、スペース効率が良好で従来から用いられている半導体レーザモジュールのケース内に収容できる程度に極めてコンパクトに構成することができ、製作時には組み立ても調整も簡単であるから製造コストが大幅に低減できるという効果を得ている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、本発明の出願人による先願明細書に記載された波長安定化レーザモジュールで顕著な効果が得らることが分かった。しかし、本発明の発明者等が、その後種々実験を行った結果、更に改良の余地があることが判明した。
【０００９】
以下、具体的に説明する。まず、図１２は、半導体レーザの発振波長λを横軸とし、この半導体レーザの出射光の一部を光電変換素子に入射したとき光電変換素子に流れるモニタＰＤ電流Ｉｍを縦軸したときの模式的なグラフで、出射光を直接光電変換素子に入射したときの強度モニタＰＤ電流（実線部）と、出射光を例えばエタロン型のような所定のフィルタを通過させた後光電変換素子に入射したときの波長モニタＰＤ電流とを示している。また、先願明細書の段落「００４１」にも記載されているとおり、半導体レーザの発振波長は、図１３に示すように、素子の温度ばかりでなく半導体レーザの注入電流を変化させることでも変化し、逆に、光出力は注入電流ばかりでなく温度を変化させたときにも変化する。従って、この半導体レーザについて、図１２のグラフに基づき、半導体レーザの光出力を一定に保ちながら発振波長を基準波長λ0 に制御する場合を考えると、例えば検出された強度モニタＰＤ電流Ｉpd１と波長モニタＰＤ電流Ｉpd２とを、（Ｉpd１＋Ｉpd２）及び（Ｉpd１−Ｉpd２）が一定になるように半導体レーザを制御すれば発振波長と光出力とを同時に制御できる。これは、図１２から分かるように、半導体レーザの注入電流と温度との少なくとも一方を制御することにより実現できる。
【００１０】
しかし、発明者等は種々実験を重ねた結果、図１０の波長安定化レーザモジュールにおける発振波長の安定度を更に向上させることができることを見いだした。すなわち、図１０の波長安定化レーザモジュールでは、強度モニタＰＤ電流である第１光電変換素子８０５の電流が図１２のＱ１〜Ｑ４部のように波長により不安定な変化を示していた。そして、このＱ１〜Ｑ４部を抑制し、第１光電変換素子８０５の電流の波長依存性を図１２の実線で示される強度モニタ電流の波長依存性に近付けることができれば、発振波長の制御を高精度化できることが分かった。そこで、Ｑ１〜Ｑ４部発生の原因を詳細に調査した結果、フィルタ８３１の側端面８３３に入射した平行光束の一部を側端面８３３で反射した反射光８５０及び側端面８３３から入射しフィルタ８３１内を多重反射した後出射された多重反射光８５２を含む迷光が第１光電変換素子８０５に入射しているため、図１２のＱ１〜Ｑ４部のように不安定な強度モニタＰＤ電流の波長依存性を生じることが分かった。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、レーザ光強度をモニタする光電変換素子への迷光を抑制して強度モニタＰＤ電流を安定化し、半導体レーザの発振波長を一層高精度で安定化できると共に、従来から用いられている半導体レーザモジュールのケース内に収納できる程度に極めてコンパクトで、部品点数が少なく、しかも製作時には安定化の目標とする基準波長を極めて容易にかつ高精度に設定することができる、低コストの波長安定化ユニット及びこの波長安定化ユニットを用いた波長安定化レーザモジュールを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために本発明の波長安定化ユニットは、温度調節手段を備えた半導体レーザの放射光が所定の出射点から出射された出射光の一部を直接受光して電気信号に変換する第１光電変換手段と、前記出射光の一部を直接入射しその波長に依存して透過率が連続的に変化する波長フィルタと、前記波長フィルタを透過した光を受光して電気信号に変換する第２光電変換手段と、前記波長フィルタの側端面部分に照射された前記出射光が前記波長フィルタを介して前記第１光電変換手段に入射するのを防止する迷光防止手段と、を少なくとも有して構成され、前記第１光電変換手段及び第２光電変換手段からの電気信号を演算して得られた前記出射光の波長安定化のための制御信号を前記半導体レーザ及び前記温度調節手段の少なくとも一方にフィードバックして前記半導体レーザが安定化の目標とする基準波長のレーザ光を安定して出力できるようにしている。
【００１３】
このとき、前記半導体レーザの出射光を平行光束に変換する光束平行化手段を更に有し、前記第１光電変換手段は前記平行光束の一部を直接受光すようにし、前記波長フィルタは前記平行光束の一部を直接入射するようにしてもよく、更に前記光束平行化手段をレンズであってよい。
【００１４】
また、前記平行光束の平行度、すなわち光軸に対する偏倚角は±２°以内であることが好ましい。
【００１５】
これによって波長フィルタの部位によって入射角が異なることによる透過特性への悪影響が最小化され、極めて高精度な波長安定化が達成できるようになる。
【００１６】
前記迷光防止手段としては、前記出射点と前記波長フィルタの前記出射光が入射する入射面の縁端部とを結ぶ直線及びその延長部と前記波長フィルタの側端面が交差しないように加工した迷光防止波長フィルタを用いることができる。
【００１７】
また、光束平行化手段を有している場合の前記迷光防止手段としては、前記平行光束が入射する入射面の前記光軸に最も近い第１縁端部と前記光束平行化手段との距離を、前記入射面の前記光軸から最も遠い第２縁端部と前記光束平行化手段との距離よりも大きくし、且つ前記平行光束の光軸と交差しないように前記波長フィルタを実装してもよい。或いは、前記波長フィルタの側端面を、前記平行光束に照射されないように加工した迷光防止波長フィルタを用いることもできる。このとき、前記迷光防止波長フィルタは、少なくとも前記平行光束が照射される前記波長フィルタの側端面を前記平行光束が入射する入射面の縁端部を通る前記平行光束の光軸に平行な直線と交差しないように加工してもよい。また、前記迷光防止波長フィルタの側端面と前記平行光束が入射する入射面とが成す角度を、前記入射面と前記平行光束の光軸の前記迷光防止波長フィルタよりも第１光電変換手段側の部分とが成す角度よりも小さくするようにしてもよい。
【００１８】
また、前記迷光防止手段として、前記波長フィルタの側端面に少なくとも無反射膜及び光吸収膜を含む材料の中から選択した所定材料をコーティング膜として付着せしめた迷光防止波長フィルタ、或いは前記波長フィルタの側端面に反射膜をコーティングし、且つ前記側端面での反射光が前記第１光電変換素子に照射されないようにした迷光防止波長フィルタを用いることもできる。更に、前記波長フィルタの側端面を粗面加工が施された凹凸面にした迷光防止波長フィルタを用いてもよい。
【００１９】
前記波長フィルタは、前記半導体レーザが安定化の目標とする基準波長を含む波長帯域内で透過率が波長に依存して単調に増大又は減少する透過特性を有するものであることが好ましい。
【００２０】
前記基準波長を含む波長帯域内で波長の変化に伴う透過率変化、すなわち透過スペクトルの勾配が単調に増大又は減少している波長フィルタを選択すれば、基準波長に対して長波長側又は短波長側に変動するレーザ光の波長を、フィルタ透過光の明側変化又は暗側変化として第２光電変換手段が直ちに検知することができる。
【００２１】
前記波長フィルタは、入射角の調節によって波長に依存する透過率変化の勾配を変化させ得るものであることが好ましい。
【００２２】
入射角の調節によって波長に依存する透過率変化の勾配を変化させることができれば、前記勾配を急峻にすることによって波長変動に関する検知感度を向上させ高精度の波長安定化が可能になり、一方勾配を緩徐にすれば変動を検知し得る波長帯域幅を拡大することができる。
【００２３】
前記波長フィルタは、前記基準波長を含まない波長帯域において透過率が最大となるか又は最小となる単峰性の透過特性を有するものであることが好ましい。基準波長が透過特性の最大透過帯又は最小透過帯にあると、波長変動に対する感度が著しく低下する。波長フィルタの透過特性が単峰性であれば、半導体レーザの発振し得る波長帯域内で、存在したとしても僅かな帯域である最大透過帯又は最小透過帯を除いて、広い波長帯域で高感度の波長検出が可能となる。
【００２４】
前記波長フィルタは、透明基板上に誘電体多層膜が形成された多層膜フィルタを用いてもよい。
【００２５】
多層膜フィルタはガラス基板の厚さを任意に設定することができるので、基板を薄くしてコンパクトな構成にできる利点がある。
【００２６】
また前記波長フィルタは、一定波長間隔で透過率が極大と極小とを繰り返す透過率周期を有するエタロン型フィルタを用いることもできる。
【００２７】
エタロン型フィルタは半導体レーザの発振し得る波長帯域内に複数の極大点と極小点とを有するので、各極大点と極小点とを結ぶスペクトルの勾配にそれぞれ基準波長を設定することができ、単一の装置で波長可変型半導体レーザを光源として用いる多重光伝送システムにおける複数の基準波長の安定化を実現させることができる。
【００２８】
前記半導体レーザは、温度に依存して複数の波長を発振し得る波長可変型のものであり、且つ前記エタロン型フィルタの透過率周期の波長間隔は、下記の式１に従って設定されていることが好ましい。
【００２９】
Ｄ＝（１−Ｔetalon／ＴLD）×Ｄ0       …式１
前記式１中、Ｄはエタロン型フィルタの透過率周期の波長間隔、D0は前記半導体レーザが発振する複数の波長の間隔、Ｔetalonはエタロン型フィルタの温度が１℃変化したときの中心波長の変化量、ＴLDは前記半導体レーザの温度が１℃変化したときの発振波長の変化量である。但し、前記中心波長とは、透過率が最大となるある一つの波長を示す。
【００３０】
温度に依存して波長を変化させ得る半導体レーザを用い、前記式１に従って前記エタロン型フィルタの透過率周期の波長間隔を設定すれば、多重光伝送システムに用いられる複数の基準波長が前記透過率周期の極大点と極小点とを結ぶスペクトル勾配に配位するように設定することができ、これによって半導体レーザが発振する各波長を単一の波長安定化装置で安定化することができる。
【００３１】
前記フィルタは、石英ガラスより高い屈折率を有する透明基材から形成されていることが好ましい。この石英ガラスより屈折率が高い透明基材はＳｉであることが好ましい。
【００３２】
例えばエタロン型フィルタや多層膜フィルタの基材として従来から用いられている石英ガラスより屈折率が高い透明基材を用いれば、フィルタの厚さをより薄くすることができ、装置の所要スペースを一層縮小することができる。Ｓｉは透明で屈折率が石英ガラスより高く、且つ半導体分野で広く用いられている比較的安価な基材であるから、本発明に用いるフィルタの基材として好適である。
【００３３】
前記第１光電変換手段と第２光電変換手段とは保持基板上に並列され、アレイ状の光検出器を形成していることが好ましい。
【００３４】
本発明の波長安定化ユニットにおいては、第１光電変換手段と第２光電変換手段との間で煩雑な角度合わせを必要としないので、これらを同じ保持基板上に並列した光検出器として用いれば部品点数も組立て工数も削減され製造コストを低減することができる。
【００３５】
前記第１光電変換手段の受光面は、入射光の光軸から傾斜して配置されていることが好ましい。
【００３６】
これによって、第１光電変換手段の受光面から半導体レーザへの反射戻りが排除され、戻り光による半導体レーザの発振特性の変化を抑制することができる。
【００３７】
本発明の波長安定化レーザモジュールは、半導体レーザと、この半導体レーザの温度を調節する温度調節手段と、前記半導体レーザの発振波長を安定化する波長安定化ユニットを備え、この波長安定化ユニットとして上記のいずれかの波長安定化ユニットを用いることができる。
【００３８】
このとき、前記半導体レーザは、電界吸収型半導体光変調器と集積された素子構造を有するものを用いることができる。
【００３９】
半導体レーザが電界吸収型半導体光変調器と集積されていると、一般に用いられているＤＦＢレーザと外部変調器とを別個のモジュールとして構成する場合に比べ、光伝送システム全体をコンパクトに構成できるようになる。
【００４０】
また、前記温度調整手段は、ペルチェ素子であることが好ましい。ペルチェ素子は任意の温度範囲で電子制御によって温度を精密に設定できると共に、肉薄に構成されているのでモジュール基板と密着してケース内にコンパクトに収容できる。
【００４１】
また、本発明の波長安定化レーザモジュールは、レーザ光出力手段として光ファイバを有すると共に、少なくとも前記半導体レーザと温度調節手段と上述したいずれかの波長安定化ユニットとが単一ケース内に収納されてなることが好ましい。
【００４２】
上述した本発明の波長安定化ユニット及びこれを用いた波長安定化レーザモジュールは、波長安定化ユニットの部品点数が少なく調整も容易であることから、従来用いられていた波長安定化ユニットを付属していない半導体レーザモジュールの小型ケース内にも容易に組み込むことができる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について図面を参照して説明する。尚、以下の説明において同一参照符号は同一構成要素を示すものとし、重複して出てきたときの説明は、適宜省略する。
【００４４】
図１は、本発明の波長安定化ユニットの第１の実施形態を説明するための図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ主要構成を模式的に示す構成図と（ａ）のＰ１部の拡大図である。また、図２は本実施形態の変形例を説明するための図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ主要構成を模式的に示す構成図と（ａ）のＰ２部の拡大図であり、更に図３は本実施形態の波長安定化ユニット及び半導体レーザ（以下、ＬＤとする）を同一容器に組み込んだ波長安定化レーザモジュールの構成の一例を示す構成図である。図１，２は、いずれも図示されいないＬＤが他のモジュールに組み込まれ、その放射光を光ファイバ１４により波長安定化ユニットに導入する場合の一例の構成図である。
【００４５】
図１を参照すると、本実施形態の波長安定化ユニット１１０は、波長に依存して透過率が連続的に変化する波長フィルタ３１と、光検出器４を備えており、これらは基板７１上に搭載されてケース９１内に収納されている。光検出器４は、図１１の光検出器８０４と同様の構成で、第１光電変換素子５と第２光電変換手段６とを保持基板４９上に並列してアレイ状に備え、第１光電変換素子５はケース９１内に導入されている光ファイバ１４の端部を出射点５８として、この出射点５８から拡散放射される半導体レーザからの出射光５６の一部を直接受光して電気信号Ａに変換し、第２光電変換素子６は同じく出射光５６の一部で波長フィルタ３１の透過光を受光して電気信号Ｂに変換し、それぞれの電気信号Ａ，Ｂを演算回路８に出力する。また、波長フィルタ３１は、図示されていない角度調節機構によって入射角が調節できるようになっており、更にその側端面が、出射点５８と入射面３１１の縁端部とを結ぶ直線と交差しないように加工されている。具体的には、例えば図１（ｂ）のように出射点５８と縁端部３１７を結ぶ直線と入射面３１１との間の角度をα度、側端面３１３と入射面３１１との間の角度をβ度としたとき、（１８０−α）≧βとなるように側端面３１３を例えば研削等により加工してある。図示されていない他の側端面の少なくとも出射光５６が照射される部分については全て同様の加工が施されている。
【００４６】
また、波長フィルタ３１と光検出器４は、出射点５８への反射戻り光が生じないように出射光５６の光軸に直交する面に対して傾斜して設置されている。但し、いずれも出射光５６の光軸と交差しない場合は、必要に応じて出射光５６の光軸に直交する面と平行に設置することもできる。
【００４７】
本実施形態の波長安定化ユニット１１０は、図示されていないＬＤの放射光が光ファイバ１４を介して、出射点５８より出射光５６としてケース９１内に放射され、その一部が第１光電変換素子５に直接入射して対応する電気信号Ａに変換される。また出射光５６の他の一部は波長フィルタ３１に入射し、波長フィルタ３１は、この入射した光の波長に依存して強度が変化した光を出射し、この波長フィルタ３１からの出射光が第２光電変換素子６に入射して対応する電気信号Ｂに変換される。従って電気信号Ａは、ＬＤのその時点での光出力情報を担っており、電気信号Ｂは、ＬＤのその時点での光出力情報とその時点でＬＤが発振している光の波長情報とが共に含まれた情報を担っている。このとき波長フィルタ３１の入射面３１１の角度を光軸に対して適切に調節すれば、電気信号Ｂは、安定化の目標とする基準波長λ0 を中心としてその前後の波長変動の情報を所望の感度で担うことができる。
【００４８】
波長安定化ユニット１１０は、電気信号Ａと電気信号Ｂとを、演算回路８に出力する。演算回路８は、電気信号Ａと電気信号Ｂの和と差から、ＬＤの光出力の変動と発振波長の変動を検知し、それぞれ所望の光出力と安定化の目標とする基準波長λ0 とから定まる所定の値になるように制御信号８５を図示されていないＬＤの注入電流調節装置及び温度調節装置の少なくとも一方に連続的にフィードバックし、ＬＤの光出力及び発振波長を安定化させる。
【００４９】
本実施形態の波長安定化ユニット１１０は、波長に依存した信号と波長に依存しない信号とを得るために従来用いられていたビームスプリッタなどの部品を用いる必要がないので、部品点数が少なく、スペース効率が良好で、従来から用いられている半導体レーザモジュールのケース内に収容できる程度に極めてコンパクトに構成することができ、製作時には組み立ても調整も容易であるから製造コストが大幅に低減できる利点を保ちながら、更に、上述のとおり波長フィルタ３１の側端面の少なくとも出射光５６が照射される部分は、出射点５８と波長フィルタ３１の入射面３１１の縁端部とを結ぶ直線と交差しないように加工されているので、側端面から入射した多重反射光及び側端面での反射光を含む迷光が生じることはなく、光出力と発振波長を一層高精度に安定化できる利点がある。
【００５０】
次に、本実施形態の変形例について説明する。図２を参照すると、本実施形態の変形例の波長安定化ユニット１１０ａは、波長フィルタ３２の出射光５６の光軸に近い第１縁端部３２７と出射点５８との間の光軸に沿った距離ｈ１が光軸より遠い第２縁端部３２８と出射点５８との間の光軸に沿った距離ｈ２よりも大きくなるように波長フィルタ３２を配置しており、入射面３２１に対して側端面３２３を含む各側端面を通常の加工状態である直角に加工しておいても、少なくとも側端面３２３が出射点５８と波長フィルタ３２の入射面３２１の縁端部とを結ぶ直線と交差することはなく、波長安定化ユニット１１０の場合と同様の効果が得られる。
【００５１】
次に、この波長安定化ユニット１１０及びＬＤを同一容器に組み込んだ図３に示す波長安定化レーザモジュール１００について説明する。尚、波長安定化ユニット１１０ａについても全く同様であるので、以下は波長安定化ユニット１１０を代表として説明する。図３を参照すると、この波長安定化モジュール１００は、ケース９２内にＬＤ１と、波長安定化ユニット１１０とを備え、第１光電変換素子５はこのＬＤ１の後方出力光の出力端である出射点５８Ｌから拡散放射される出射光５６の一部を直接受光して電気信号に変換し、第２光電変換素子６は波長フィルタ３１を透過した出射光５６の一部を受光して電気信号に変換する。ＬＤ１は、例えばペルチェ素子を備えた基板７２に装着されて駆動中の温度が調節できるようになっている。この波長フィルタ３１及び光検出器４は、出射点５８Ｌすなわちこの場合はＬＤ１への反射戻り光が生じないように、出射光５６の光軸と直交する平面に対して傾斜して設置されている。
【００５２】
また、基板７２上には、光ファイバ結合用レンズ１８、光アイソレータ２７、温度検出用のサーミスタ２９などが搭載され、ＬＤ１、波長安定化ユニット１１０と共に、従来の半導体レーザモジュールと同様なサイズのケース９２内に組み込まれ、これに接続された光ファイバ１４０から光通信用の信号光を出射する構成となっている。基板７２は付属するペルチェ素子によって温度制御可能とされていて、ＬＤ１の温度を制御して発振波長を安定化する共に、ケース９２内の全ての光学部品を一定の温度に制御する。この波長安定化レーザモジュール１００における発振波長安定化の動作は、上述した波長安定化ユニット１１０の動作と同一であるので説明は省略するが、制御信号８５は、ＬＤ１の図示されていない注入電流調節装置及び温度調節装置であるペルチェ素子にフィードバックされるようになっている。
【００５３】
この波長安定化レーザモジュールは、ＬＤ１と共に波長安定化ユニット１１０を組み込むことで、光出力と発振波長を一層高精度に安定化しながら、波長に依存した信号と波長に依存しない信号とを得るために従来用いられていたビームスプリッタなどの部品を用いる必要がないので、部品点数が少なく、スペース効率が良好で、従来から用いられている半導体レーザモジュールのケース内に収容できる程度に極めてコンパクトに構成することができ、製作時には組み立ても調整も容易であるから製造コストが大幅に低減できる利点がある。
【００５４】
次に、本発明の波長安定化ユニットの第２の実施形態を説明する。
【００５５】
図４は、本発明の波長安定化ユニットの第２の実施形態を説明するための図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ主要構成を模式的に示す構成図と（ａ）のＰ３部の拡大図である。また、図５は、本実施形態の第１の変形例を説明するための図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ主要構成を模式的に示す構成図と（ａ）のＰ４部の拡大図であり、更に図６は、本実施形態の第２の変形例を説明するための図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ主要構成を模式的に示す構成図と本実施形態の波長安定化ユニットに用いられる波長フィルタの一例の模式的な斜視図である。また、図７は図６（ｂ）のＸ−Ｘ’線に沿った断面とＹ−Ｙ’線に沿った断面を模式的に示す図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ側端面に所定材料のコーティング膜を付着せしめた場合と側端面を粗面加工した場合の断面図である。図８も、この第２の変形例を説明するための図である。更に、図９は本実施形態の波長安定化ユニット及びＬＤを同一容器に組み込んだ波長安定化レーザモジュールの構成の例を示す構成図である。図４，５，６は、いずれも第１の実施形態の場合と同様、図示されいないＬＤが他のモジュールに組み込まれ、その放射光を光ファイバ１４により波長安定化ユニットに導入する場合の一例の構成図である。
【００５６】
図４を参照すると、本実施形態の波長安定化ユニット１１２は、出射光５６を平行光束にする光束平行化手段であるレンズ２と、波長に依存して透過率が連続的に変化する波長フィルタ３３と、光検出器４を備えており、これらは基板７３上に搭載されてケース９３内に収納されている。レンズ２は、ケース９３内に導入されている光ファイバ１４の端部を出射点５８として、この出射点５８から拡散放射される半導体レーザからの出射光５６を平行光束５７にし、第１光電変換素子５はこの平行光束５７の一部を直接受光して電気信号Ａに変換し、第２光電変換素子６は同じく平行光束５７の一部で波長フィルタ３３の透過光を受光して電気信号Ｂに変換し、それぞれの電気信号Ａ，Ｂを演算回路８に出力する。また、波長フィルタ３３は、図示されていない角度調節機構によって入射角が調節できるようになっており、更にその側端面が、波長フィルタ３３の入射面３３１の縁端部を通り平行光束５７の光軸５５に平行な直線と交差しないように加工されている。具体的には、例えば図４（ｂ）のように光軸５５と入射面３３１との間の角度をα度、側端面３３３と入射面３３１との間の角度をβ度としたとき、（１８０−α）≧βとなるように側端面３３３を例えば研削等により加工してある。図示されていない他の側端面の少なくとも平行光束５７が照射される部分については全て同様の加工が施されている。また、波長フィルタ３３と光検出器４は、出射点５８への反射戻り光が生じないように光軸５５に直交する面に対して傾斜して設置されている。
【００５７】
本実施形態の波長安定化ユニット１１２は、第１の実施形態の波長安定化ユニット１１０の出射点５８と波長フィルタ３１との間に光束平行化手段であるレンズ２を追加した点と、波長フィルタ３３の側端面を波長フィルタ３３の入射面３３１の縁端部を通り平行光束５７の光軸５５に平行な直線と交差しないように加工した点が第１の実施形態と異なっているのみで、その波長安定化動作は第１の実施形態と同様である。
【００５８】
すなわち、本実施形態の波長安定化ユニット１１２は、図示されていないＬＤの放射光が光ファイバ１４を介して、出射点５８よりケース９３内に放射された出射光５６をレンズ２により平行化して平行光束５７を出射し、その一部が第１光電変換素子５に直接入射して対応する電気信号Ａに変換される。また平行光束５７の他の一部は波長フィルタ３３に入射し、波長フィルタ３３は、この入射した光の波長に依存して強度が変化した光を出射し、この波長フィルタ３３からの出射光が第２光電変換素子６に入射して対応する電気信号Ｂに変換される。従って電気信号Ａは、ＬＤのその時点での光出力情報を担っており、電気信号Ｂは、ＬＤのその時点での光出力情報とその時点でＬＤが発振している光の波長情報とが共に含まれた情報を担っている。このとき波長フィルタ３３の入射面３３１の角度を光軸に対して適切に調節すれば、電気信号Ｂは、安定化の目標とする基準波長λ0 を中心としてその前後の波長変動の情報を所望の感度で担うことができる。
【００５９】
波長安定化ユニット１１２は、電気信号Ａと電気信号Ｂとを、演算回路８に出力する。演算回路８は、電気信号Ａと電気信号Ｂの和と差から、ＬＤの光出力の変動と発振波長の変動を検知し、それぞれ所望の光出力と安定化の目標とする基準波長λ0 とから定まる所定の値になるように制御信号８５を図示されていないＬＤの注入電流調節装置及び温度調節装置の少なくとも一方に連続的にフィードバックし、ＬＤの光出力及び発振波長を安定化させる。
【００６０】
本実施形態の波長安定化ユニット１１２は、実質的に第１の実施形態の波長安定化ユニット１１０に出射光５６を平行光束化するレンズ２のような平行光束化手段を追加するのみで構成でき、光出力を一定に保ちながら、迷光を防止して発振波長を一層安定化しながら、従来から用いられている半導体レーザモジュールのケース内に収容できる程度に極めてコンパクトに構成することができ、製作時には組み立ても調整も容易であるから製造コストが大幅に低減できる利点がある。更に出射光５６を平行光束５７にすることで、電気信号Ａ，Ｂの信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）をより大きくでき、第１の実施形態に比べて発振波長をより安定化できるという効果が得られる。
【００６１】
次に、本実施形態の第１の変形例について簡単に説明する。図５を参照すると、本実施形態の第１の変形例の波長安定化ユニット１１２ａは、波長フィルタ３４の光軸５５に近い第１縁端部３４７と光束平行化手段であるレンズ２との間の距離ｈ１が光軸５５より遠い第２縁端部３４８とレンズ２との間の距離ｈ２よりも大きくなるように波長フィルタ３４を配置しており、入射面３４１に対して側端面３４３を含む各側端面を通常の加工状態である直角に加工しておいても、少なくとも側端面３４３が波長フィルタ３４の入射面３４１の縁端部を通り光軸５５に平行な直線と交差することはなく、波長安定化ユニット１１２の場合と同様の効果が得られる。
【００６２】
次に、図６，７，８を参照して、本実施形態の第２の変形例について説明する。本実施形態の第２の変形例の波長安定化ユニット１１２ｂは、波長フィルタの構造以外の構成は、波長安定化ユニット１１２と同じであるので、以下波長フィルタの構造についてのみ説明し、他は省略する。
【００６３】
本変形例の波長安定化ユニット１１２ｂに用いられる波長フィルタ３５は、その側端面に図７（ａ）のように所定材料のコーティング膜３８０を付着せしめる或いは、図７（ｂ）の各側端面３５３ｂ，３５４ｂ，３５５ｂ，３５６ｂのように粗面加工を施してある。
【００６４】
まず、図７（ａ）のようにコーティング膜３８０を付着せしめる場合、その材料としては、チタン酸化膜（ＴｉＯ２膜）、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）及びこれらを積層した多層膜を含む無反射膜、アルミニウムを含む金属蒸着膜のような反射膜、並びに例えば黒アルマイト処理のような側端面を黒化する処理を施した光吸収膜等の中から選択すればよい。また、図７（ｂ）のような粗面加工としては、例えば側端面をサンドブラスト処理することでもよい。但し、側端面に反射膜を付着せしめる場合、図８の反射光５７１ように第１光電変換素子５に反射光が照射される可能性がある場合は、当該側端面３５３を側端面３５３ｃのように加工し、反射光５７５のように第１光電変換素子５を照射しないようにしておけばよい。また、この変形例の上記説明では、波長フィルタ３５の側端面の全周についてコーティング膜３８０を付着せしめる或いは粗面加工する例を示したが、少なくとも光が照射される領域について上記処理が施されていればよい。また、この第１、第２の変形例は、他の実施形態及びその変形例と任意に組み合わせることもできる。
【００６５】
本変形例の波長安定化ユニット１１２ｂは、波長フィルタ３５の側端面を上記のように処理することで、側端面に光が照射されて反射光が生じない或いは、乱反射されて第１光電変換素子５に届く反射光を著しく低減できるという効果が得られ、側端面を研削等により加工することなく、迷光を大幅に低減できる。
【００６６】
次に、この波長安定化ユニット１１２及びＬＤを同一容器に組み込んだ図９（ａ）に示す波長安定化レーザモジュール１０２について説明する。尚、波長安定化ユニット１１２を波長安定化ユニット１１２ａ，１１２ｂに置き換えても全く同じであるので、図９（ｂ）に図６（ａ）に示す波長安定化ユニット１１２ｂ及びＬＤを同一容器に組み込んだ場合の模式図を示すが、これらについての説明は省略し、以下は波長安定化ユニット１１２を代表として説明する。図９（ａ）を参照すると、この波長安定化モジュール１０２は、ケース９４内にＬＤ１と、波長安定化ユニット１１２とを備え、第１光電変換素子５はこのＬＤ１の後方出力光の出力端である出射点５８Ｌから拡散放射された出射光５６をレンズ２で平行化した平行光束５７の一部を直接受光して電気信号Ａに変換し、第２光電変換素子６は波長フィルタ３３を透過した平行光束５７の一部を受光して電気信号Ｂに変換する。また、ＬＤ１は、例えばペルチェ素子を備えた基板７４に装着されて駆動中の温度が調節できるようになっている。この波長フィルタ３３及び光検出器４は、出射点５８Ｌすなわちこの場合はＬＤ１への反射戻り光が生じないように、平行光束５７の光軸５５と直交する平面に対して傾斜して設置されている。
【００６７】
また、基板７４上には、光ファイバ結合用レンズ１８、光アイソレータ２７、温度検出用のサーミスタ２９などが搭載され、ＬＤ１、波長安定化ユニット１１２と共に、従来の半導体レーザモジュールと同様なサイズのケース９４内に組み込まれ、これに接続された光ファイバ１４０から光通信用の信号光を出射する構成となっている。基板７４は付属するペルチェ素子によって温度制御可能とされていて、ＬＤ１の温度を制御して発振波長を安定化する共に、ケース９４内の全ての光学部品を一定の温度に制御する。この波長安定化レーザモジュール１０２における発振波長安定化の動作は、上述した波長安定化ユニット１１２の動作と同一であるので説明は省略するが、制御信号８５は、ＬＤ１の図示されていない注入電流調節装置及び温度調節装置であるペルチェ素子にフィードバックされるようになっている。
【００６８】
この波長安定化レーザモジュール１０２は、ＬＤ１と共に波長安定化ユニット１１２を組み込むことで、光出力を一定に保ちつつ発振波長の一層の安定化を達成しながら、波長に依存した信号と波長に依存しない信号とを得るために従来用いられていたビームスプリッタなどの部品を用いる必要がないので、部品点数が少なく、スペース効率が良好で、従来から用いられているＬＤモジュールのケース内に収容できる程度に極めてコンパクトに構成することができ、製作時には組み立ても調整も容易であるから製造コストが大幅に低減できる利点がある。
【００６９】
以上説明した各実施形態において、波長フィルタ３１〜３６としては、光の干渉によって非常に狭い波長幅の光だけを透過する特性を持つエタロン型フィルタ、或いは誘電体多層膜をガラス基板上に形成した多層膜フィルタを用いることができる。多層膜フィルタを用いる場合、ガラス基板の厚さを任意に設定することができるので、基板を薄くしてコンパクトな構成にできる利点がある。
【００７０】
ここで、エタロン型フィルタ及びその作用について詳しく説明する。エタロン型フィルタは、ファブリーペロー干渉計とも言われるように、光の干渉によって非常に狭い波長幅の光だけを透過する特性を持っている。基本構造は、図１４に示すように入出射面３５０が高精度（1/100 波長程度）に平面研磨された厚さｄの平行な光学ガラスである。光は屈折率ｎのガラス内部で多重反射を起こす。ここで反射光と透過光が干渉することにより、図１５に示すように波長に対して透過率が高い部分と低い部分を繰り返す透過特性を持つフィルタとなる。このフィルタを透過した光を光電変換素子で受光したとき光電変換素子に流れる光電流値も全く同じ波形となるので、以下の説明においては透過率として、透過率に相当する換算値である光電流値を適宜用いる。図１５に示す透過率ピークの間隔はＦＳＲ（自由スペクトル間隔：Free  Spectral Range）と呼ばれている。このＦＳＲの大きさを周波数の単位で表すと、光が垂直に入射するとき、エタロン型フィルタの厚さｄ、屈折率ｎ、光速ｃを用いて、
ＦＳＲ＝c/2nd     …式２
と表すことができる。従って、ガラスの屈折率ｎ、厚さｄを選択することによってエタロン型フィルタのＦＳＲを任意に設定することができる。
【００７１】
波長安定化制御を行うに際しては、図１６に示すように、エタロン型フィルタの透過率が単調に減少する波長帯域、又は単調に増大する波長帯域に安定化の目標とする基準波長λ0 が位置するように設定する。透過率スペクトル上でこの基準波長λ0 が位置する点を波長安定化点Ｓと呼ぶことにする。
【００７２】
図１６に矢印で示したように、いまある透過率ピークの右肩で単調に透過率が減少している帯域の中間に波長安定化点Ｓを設定する場合を考える。このとき、基準波長λ0 となる波長安定化点Ｓでのエタロン型フィルタの透過率をＩ0 とすると、ＬＤの出射光の波長が基準波長λ0 よりも長いときは透過率がＩ0 よりも小さくなり、逆に基準波長λ0 よりも短いときは透過率がＩ0 よりも大きくなる。このように波長安定化点Ｓ付近のある波長帯域内であれば、透過率（Ｉ）の増減から、その時点におけるＬＤの出射光の波長を検知することができる。そして、透過率（Ｉ）が常にＩ0 を保つように制御することによって、ＬＤの出射波長を安定化させることができる。
【００７３】
ここで例えば本発明の波長安定化ユニットを用いた波長安定化ＬＤモジュールのＬＤ１の前方光出力が２０mWとなるように、第１光電変換素子５で検出される光電流の基準値を設定し、常にこの基準値となるようにＬＤ１の注入電流を制御しておく。この状態では光出力一定モードとなっている。更に、図１６に矢印で示した波長安定化点Ｓに対して、第２光電変換素子６の光電流が基準電流値（すなわち基準透過率）Ｉ0 となるようにＬＤ１の温度を制御すれば波長安定化が実現される。この場合の制御方法はアナログ電子回路でフィードバックループを形成してもよいし、ＡＤコンバータでデジタルデータに変換しコンピュータ上で制御回路を構築するソフトウエアフィードバックを用いてもよい。
【００７４】
また、図１３（ａ），（ｂ）に示すように、ＬＤの発振波長は、ＬＤ素子の温度ばかりでなくＬＤの注入電流を変化させることでも変化し、逆に、光出力は注入電流ばかりでなく温度を変化させたときにも変化する。従って、第１光電変換素子５の光電流を制御して光出力を一定に制御するために、注入電流と素子温度とを同時に制御するフィードバックループを用いてもよい。同様に第２光電変換素子６の光電流を制御して発振波長を一定にするために、注入電流と素子温度を同時に制御するフィードバックループを用いてもよい。
【００７５】
前記のように、波長安定化レーザモジュールの波長制御性は、エタロン型フィルタの透過特性に大きく依存している。特に図１７に示すように、波長安定化点Ｓを含む透過率周期の肩の部分の勾配、すなわちdＩ／dλの大きさは、波長安定化のフィードバックループの利得に影響するので非常に重要である。エタロン型フィルタを用いた場合の透過特性の特徴としては、図１７のように、エタロン型フィルタの入出射面反射率に大きく依存する。すなわち入出射面の反射率が大きい場合はデルタ関数に近い急峻なピークを持つ透過特性となり、波長安定化点Ｓ1 での勾配dＩ／dλは大きくなる。但し、このとき波長安定化が可能な波長幅は狭くなる。一方、エタロン型フィルタの入出射面反射率が小さい場合はサインカーブ的な緩やかな透過特性となり、波長安定化が可能な波長幅は広くなる。但し、このとき波長安定化点Ｓ2 での勾配dＩ／dλは小さくなる。そこで、反射率を大きくすることは特に高精度の波長安定度が必要な場合に適している。反射率を小さくすることは波長安定度よりも安定化可能な波長帯域幅を大きくしたい場合に適している。
【００７６】
尚、上記の波長安定化が可能な波長帯域幅を調整するためにはエタロン型フィルタのＦＳＲを調整することが有効である。波長安定化が可能な波長幅を広くするためには、ＦＳＲを大きくし、なおかつエタロン型フィルタの入射面反射率を小さくすればよい。勾配dＩ／dλが波長安定化を行うのに十分な大きさであれば、本発明の波長安定化レーザモジュールにおいては、任意のＦＳＲを有するエタロン型フィルタを用いることができる。
【００７７】
本発明の波長安定化レーザモジュールでは、エタロン型フィルタの透過特性を入射角の調節のみで自由に変化させることができる。例えば図１８（ａ）に示すように、予めエタロン型フィルタのＦＳＲを１００ＧHz（０．８nm）と非常に狭い値に設定し、入出射面の反射率も６０％程度と高めに設定して、エタロン型フィルタ３０受光面への平行光束の入射角を０°とすると、波長安定化点Ｓa における勾配は非常に大きくなる。ここで、エタロン型フィルタの入射角を次第に傾斜させると、エタロン型フィルタのＦＳＲは図１８（ｂ）、（ｃ）のようにシフトし、更に強くエタロン型フィルタを傾斜させると、図１８（ｄ）のようにピークがＦＳＲの幅（１周期分）だけシフトするに至る。このとき、入射角の増加に伴ってエタロン型フィルタの入出射面反射率が低下することなどの理由から、透過特性の振幅が小さくなり、図１８（ｅ）に示すように波長安定化点Ｓe での勾配が小さくなる。このように本発明の波長安定化レーザモジュールでは全く同一の部品構成で、単にエタロン型フィルタ３０の角度を調整するだけで、安定化する基準波長の設定ばかりでなく、波長安定化のためのフィードバックループにおいて重要なパラメータである波長安定化点Ｓでの勾配の調整も行うことができる。
【００７８】
エタロン型フィルタ３０の角度を変化させても、光検出器４への光軸はずれないので、安定化する基準波長λ0 を設定するためには、エタロン型フィルタ３０の入射角を調整するだけでよく、光検出器４の位置などは調整不要である。また、本発明の構成ではそれぞれの光電変換素子５，６の信号を独立に演算回路８に出力するので、波長安定化レーザモジュールのケース内で二つの信号のレベル調整を行う必要がない。すなわち、光検出器４の位置ずれなどに対する許容幅が大きくなる。
【００７９】
ところで、本発明の波長安定化レーザモジュールがＤＷＤＭに適用される場合には、特に高い波長精度を確保することが求められる。そして高い波長精度を得るためには、前記のように波長安定化点Ｓにおける勾配を大きくすることが有効である。すなわち本発明に用いるフィルタの透過特性の振幅（ＯＮ／ＯＦＦ比）を大きくする必要がある。ここで、例えば図１９に示すように、レンズ２により収束された平行光束の平行度が悪く、すなわち平行からのビーム偏倚角が大きく、ビームが広がり（又は狭まり）を持つ場合、第２光電変換素子６が受光する光には異なる角度でフィルタに入射した光が含まれることになる。一方、例えばエタロン型フィルタには透過特性の入射角依存性があるので、光の入射角に幅がある場合にはフィルタ透過光の波長に帯域幅が生じることになる。いまこの帯域幅を「受光波長幅」と呼ぶと、波長精度を向上しようとすればこの受光波長幅を狭くする必要があることになる。受光波長幅は、例えば１００pmを越えると、精度の点でＤＷＤＭ用の波長安定化装置には適用が困難になることが実験の結果分かった。そこで、受光波長幅が例えば１００pm以下となるような光の平行度が求められることになる。
【００８０】
図２０に前記のビーム偏倚角と受光波長幅との関係の一例を示す。図２０は、第２光電変換素子６の受光径が0.05mmであり、受光面の中心位置がレンズの中心から0.2mmずれて配置され、またレンズ２の主面位置から受光面までの距離が1mmあり、フィルタは光軸Ｘに対して垂直に配置された場合の例を示している。図２０から明らかなように、ＤＷＤＭ用の波長安定化装置に適用するために受光波長幅を１００pm以下にしようとすれば、レンズ２により収束された平行光束の平行度（ビーム偏倚角β）は±２°以内とされることが望ましいことが分かる。ところで平行度が±２°以内となるように実装することは、例えば光ファイバに集光するレンズの実装精度などに比べるとはるかに容易であり、非球面レンズなどの高価な光学部材を用いることなく容易に実現することができる。
【００８１】
例えば、第２の実施形態の波長安定化ユニットを用いた波長安定化レーザモジュールは、図９（ａ）に示すように、基板７４上に光ファイバ結合用レンズ１８、光アイソレータ２７、温度検出用のサーミスタ２９などが搭載され、ＬＤ１、レンズ２、波長フィル３３、二つの光電変換素子５，６を備えた光検出器４と共に、従来のＬＤモジュールと同様なサイズのケース９４内に組み込まれ、これに接続された光ファイバ１４０から光通信用の光を出射する構成となっており、波長フィルタ３３をエタロン型フィルで構成できる。尚、波長安定化ユニットとして本実施形態の変形例を用いた場合は、それぞれの波長安定化ユニットを構成している波長フィルタをエタロン型フィルタで構成できることは言うまでもない。
【００８２】
基板７４は付属する図示されていないペルチェ素子によって温度制御可能とされていて、ＬＤ１の温度を制御して発振波長を安定化する共に、ケース内の全ての光学部品を一定の温度に制御する。
【００８３】
このように本発明の波長安定化ユニットを用いた波長安定化レーザモジュールは、従来のＬＤモジュールのケースに収納可能な非常にコンパクトな構成となっている。
【００８４】
尚、本発明の波長安定化ユニットを用いた波長安定化レーザモジュールのＬＤ１として、電界吸収型半導体光変調器と集積された素子構造を有するＬＤ、或いは波長可変型ＬＤ等を用いることができる。
【００８５】
まず、電界吸収型半導体光変調器と集積されたＬＤを用いた場合、一般に用いられているＤＦＢレーザと外部変調器とを別個のモジュールとして構成する場合に比べ、光伝送システム全体をコンパクトに構成することができる利点がある。
【００８６】
また、波長可変型ＬＤを用いた場合、波長の異なる複数のチャンネルをカバーすることができ、ＤＷＤＭシステムにおけるバックアップコストを低減できるという利点がある。波長可変型ＬＤは、一つのレーザ素子でありながら発振波長を変化させることができるものである。近年、急速に広まっているＤＷＤＭシステムでは、波長の異なるチャンネル毎に異なるＬＤを含む光源ユニットが必要である。またバックアップ用にも同数のユニットが必要となり、ＤＷＤＭシステムのチャンネル数の増大により、バックアップのコストが膨大化する傾向にある。一つの波長可変レーザで複数のチャンネルのバックアップを行うことができれば、コストはその分だけ軽減される。このような用途を中心として、２乃至４チャンネル、又はそれ以上のチャンネルをカバーするような波長可変型ＬＤの需要が高まってきている。最も一般的な構造で、実用化に近いものは、従来のＤＦＢレーザの温度を変化させることにより発振波長を変化させるタイプの波長可変型ＬＤである。通常、波長１．５５ミクロン帯のＤＦＢレーザは、素子温度を１０℃変化させると、発振波長が約１nm変化する。すなわち、図２１に示すように、±１２℃だけ素子温度を変化させることによって、１００ＧHz（０．８nm）間隔で４チャンネル分に相当する２．４nmをカバーすることができる。
【００８７】
以下、第２の実施形態の波長安定化ユニット１１２を組み込んだ図９（ａ）の波長安定化レーザモジュール１０２のＬＤ１として、上述した４チャンネルをカバーする波長可変型ＬＤを組み込み、波長フィルタ３３としてＦＳＲが９０GHzのエタロン型フィルタを用いた例について具体的に説明する。
【００８８】
このように同一間隔の複数の波長で安定化制御を行うためには、ＦＳＲがこの波長間隔と同一のエタロン型フィルタを用い、安定化する基準波長毎に異なる透過率周期を検出する構造にすればよい。但し、実際にはエタロン型フィルタの素材として用いられる一般的な石英ガラスには透過率周期に温度依存性が存在する。例えば、単に一つの基準波長を安定化する場合であれば、制御する温度範囲は±１℃以内程度でよい。しかし波長可変型ＬＤを組み込んでＬＤの素子温度を２４℃も変化させる場合は、エタロン型フィルタの温度特性の影響が無視できなくなる。図２２の上段に示すように、一般的なエタロン型フィルタでは温度が１０℃変化する毎に中心波長の位置が０．１nmだけシフトする。
【００８９】
本例の波長安定化レーザモジュール１０２では、波長フィルタ３３とＬＤ１は同一の温調基板７４上に実装し、同一温度になるようにして温度制御を行うようにしているので、ＬＤ１の発振波長の変化に伴って基板７４の温度が変化する場合、エタロン型フィルタを用いた波長フィルタ３３の透過率は温度変化に伴って、図２２の下段に示すような波長依存性を示すようになる。すなわち、実装時のＦＳＲは元のＦＳＲよりも広がる。これを実効的なＦＳＲと呼ぶ。そこでこの実効的なＦＳＲをＤＷＤＭシステムの波長間隔である１００ＧHz（０．８nm）に整合するように設計すれば、各チャンネルで波長安定化を行うことができるようになる。
【００９０】
波長フィルタ３３として用いるエタロン型フィルタにおける元のＦＳＲと実効的なＦＳＲとは、このエタロン型フィルタの温度特性とＬＤの発振波長の温度特性を使って次のように表すことができる。
Ｄ＝（１−Ｔetalon／ＴLD）×Ｄ0      …式１
式１中、Ｄはエタロン型フィルタの透過率周期の波長間隔、D0は前記ＬＤが発振する複数の波長の間隔、Ｔetalonはエタロン型フィルタの温度が１℃変化したときの中心波長の変化量、ＴLDは前記ＬＤの温度が１℃変化したときの発振波長の変化量である。但し、前記中心波長とは、透過率が最大となるある一つの波長を示す。
【００９１】
次に、波長可変型ＬＤにおいて、複数の基準波長を安定化する方法について説明する。
【００９２】
図２１において、ch１からch４までの波長（ここでは１５５５．７５nm〜１５５８．１７nmに設定する）で作動する波長可変型ＬＤを用いる。一方、ch１からch４までの作動温度は図２１に示すように、１８℃、２６℃、３４℃、及び４２℃である。このときＴLDは約０．１nm／℃、Ｔetalonは約０．０１nm／℃となるので、実効的なＦＳＲを１００ＧHzにするためには、エタロン型フィルタの元のＦＳＲを９０ＧHzにすればよいことが分かる。その上でこのエタロン型フィルタの角度を調整すれば、各温度での透過率の波長依存性は図２２上段のようになり、実効的なＦＳＲは図２２の下段のように１００ＧHzとほぼ等しくすることができる。このように設定したエタロン型フィルタを波長モニタ用の第２光電変換素子６の前に設置することで、各チャンネルにおいて単一の基準波長を安定化するのと同様に波長安定化を行うことができる。
【００９３】
前記の例では、エタロン型フィルタの透過率周期の右肩部分の傾斜を用いて波長の安定化を行っているが、透過率周期の左肩を使用しても同様の結果が得られることは言うまでもない。更に、透過率周期の左右双方の肩を用いて、ＦＳＲの半分の間隔、ここでは５０ＧHz間隔で波長安定化を行うことも可能である。但し、この場合は、チャンネル毎にフィードバックループにおいて制御方向が反転するので、波長安定化レーザモジュール中で補正する必要がある。
【００９４】
前記の例では元のエタロン型フィルタのＦＳＲとして９０ＧHzの例を示したが、この値はエタロン型フィルタの温度特性によって最適値が異なるので、エタロン型フィルタの温度特性を求めた後にＦＳＲを設定する必要がある。また、実効的なＦＳＲを複数の基準波長の間隔と合わせる際には、通常、±３％程度の精度があればよい。但し、安定化可能な波長帯域、安定化する波長チャンネル数などに大きく依存し、安定化可能な波長帯域が狭い場合や安定化する波長チャンネル数が多い場合は、より高い精度が必要となる。
【００９５】
以上例示した各実施形態において、第１及び第２の光電変換素子は、二つの受光面を持つ集積化されたアレイ状の光検出器４として示したが、第１及び第２の光電変換素子はそれぞれ単体の素子を並列して設置してもよい。単体であれ、アレイ状の光検出器であれ、これら第１及び第２の光電変換素子は特性や受光面積が同じであっても異なっていてもよい。また、波長フィルタの入射面の外形形状は、例えば図６（ｂ）のように四角形のものを例示したが、これに限定されるものでなく、側端面が各実施形態で説明した条件を満たすように加工され、出射点からの出射光或いはそれを平行化した平行光束の一部が第１光電変換素子に直接入射し、他の一部が波長フィルタを透過して第２光電変換素子に入射するようにしておけば、任意の形状であってよい。また、波長フィルタの形状に合わせて、出射光又は平行光束の一部が第１光電変換素子に入射するようにし、他の一部が上記各実施形態で説明した波長フィルタに直接入射して透過し、その透過光のみが第２光電変換素子に入射するように光検出器を構成すれば、光検出器の形状も何ら限定されず、任意の形状であってよい。
【００９６】
また、エタロン型フィルタは、通常石英基材のものが用いられているが、石英基材は高価であるので、これを材料費、加工費の安いＳｉ基材に置き換えることができる。Ｓｉは光通信に用いる１．３ミクロン乃至１．６ミクロン帯ではほとんど透明であり、低損失のフィルタとして十分な特性がある。またＳｉは、近年成熟しつつあるマイクロマシン技術が適用できる可能性が大きく、マイクロマシン技術によってＳｉ基板フィルタの角度調整や位置調整の高精度制御が可能になる可能性がある。更に、Ｓｉは石英ガラスよりも屈折率が約２倍高いので、フィルタの厚さを薄くすることができる。特に、ＦＳＲを５０ＧHz以下程度の小さい値に設定する場合、石英ガラス基板のエタロン型フィルタでは厚さが２mm以上になり、フィルタのエッジでの回折光が第１光電変換素子５に入射して誤動作を招く可能性がある。このときフィルタ基板としてＳｉを用いると、ＦＳＲが５０ＧHzの場合でもフィルタの厚さは１mm程度となり前記の問題が抑制される。
【００９７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の波長安定化ユニット及びこの波長安定化ユニットを用いた波長安定化レーザモジュールは、光出力と発振波長を高精度に安定化しながら、部品点数が少なく、スペース効率が良好で従来から用いられているＬＤモジュールのケース内に収容できる程度に極めてコンパクトに構成することができ、製作時には組み立ても調整も簡単であるから製造コストが大幅に低減できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の波長安定化ユニットの第１の実施形態を説明するための図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ主要構成を模式的に示す構成図と（ａ）のＰ１部の拡大図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の変形例を説明するための図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ主要構成を模式的に示す構成図と（ａ）のＰ２部の拡大図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の波長安定化ユニット及びＬＤを同一容器に組み込んだ波長安定化レーザモジュールの構成の一例を示す構成図である。
【図４】本発明の波長安定化ユニットの第２の実施形態を説明するための図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ主要構成を模式的に示す構成図と（ａ）のＰ３部の拡大図である。
【図５】本発明の第２の実施形態の第１の変形例を説明するための図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ主要構成を模式的に示す構成図と（ａ）のＰ４部の拡大図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の第２の変形例を説明するための図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ主要構成を模式的に示す構成図と本実施形態の波長安定化ユニットに用いられる波長フィルタの一例の模式的な斜視図である。
【図７】図６（ｂ）のＸ−Ｘ’線に沿った断面とＹ−Ｙ’線に沿った断面を模式的に示す図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ側端面に所定材料のコーティング膜を付着せしめた場合と側端面を粗面加工した場合の断面図である。
【図８】本発明の第２の実施形態の第２の変形例を説明するための図である。
【図９】本発明の第２の実施形態の波長安定化ユニット及びＬＤを同一容器に組み込んだ波長安定化レーザモジュールの構成の例を示す図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ図４（ａ）の波長安定化ユニットの場合と図６（ａ）の波長安定化ユニットの場合の構成図である。
【図１０】特願２０００−６７６０６号に添付された明細書及び図面に記載された波長安定化レーザモジュールの例を示す構成図である。
【図１１】図１０における光検出器を示す平面図である。
【図１２】半導体レーザの強度モニタＰＤ電流と波長モニタＰＤ電流の模式的なグラフである。
【図１３】半導体レーザの光出力及び波長の変動要因を示す図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ注入電流依存性と温度依存性を示す模式的なグラフである。
【図１４】エタロン型フィルタの基本構造の一例を示す模式的な斜視図である。
【図１５】エタロン型フィルタの波長と透過率との関係を示す透過スペクトル図である。
【図１６】エタロン型フィルタにおける波長安定化作用を説明するための透過スペクトル図である。
【図１７】エタロン型フィルタの透過特性を説明するための透過スペクトル図である。
【図１８】エタロン型フィルタにおけるピーク波長の変化を説明するための透過スペクトル図である。
【図１９】レンズ透過光の平行度を示す概念図である。
【図２０】ビーム偏倚角と受光波長幅pmとの関係を示すグラフである。
【図２１】エタロン型フィルタの透過特性の温度依存性を説明するための透過スペクトル図である。
【図２２】エタロン型フィルタの透過特性の温度依存性を説明するための透過スペクトル図である。
【符号の説明】
１    ＬＤ
２    レンズ
４    光検出器
５    第１光電変換素子
６    第２光電変換素子
８    演算回路
１４，１４０    光ファイバ
１８    光ファイバ結合用レンズ
２７    光アイソレータ
２９    サーミスタ
３１，３２，３３，３４，３５    波長フィルタ
４９    保持基板
５５    光軸
５６    出射光
５７    平行光束
５８，５８Ｌ    出射点
７１，７２，７３，７４    基板
８５    制御信号
９１，９２，９３，９４    ケース
１００，１０２    波長安定化レーザモジュール
１１０，１１２    波長安定化ユニット
３１１，３３１，３４１    入射面
３１３，３３３，３４３，３５３ｂ，３５４ｂ，３５５ｂ，３５６ｂ    側端面
３１７    縁端部
３２７，３４７    第１縁端部
３２８，３４８    第２縁端部
３５０    入出射面
３８０    コーティング膜
【図１】
0004656614.tif 000002
【図２】
0004656614.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
0004656614.tif 000019
【図１９】
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【図２０】
0004656614.tif 000021
【図２１】
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【図２２】
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