(57)【要約】【課題】半導体レーザの低温領域における緩和振動周波数の低下を抑制する。【解決手段】半導体レーザ装置は、半導体レーザの出力値をモニタするモニタ部と、環境温度を検出する温度検出部と、環境温度に基づいて出力値の指令値を生成する温度変化抑制部と、環境温度が低温領域において、非低温領域に比べて半導体レーザの出力が大きくなるように指令値を生成する制御部とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザと、
前記半導体レーザの出力値をモニタするモニタ部と、
環境温度を検出する温度検出部と、
前記環境温度に基づいて前記出力値の指令値を生成する温度変化抑制部と、
前記環境温度が所定の基準よりも低い低温領域において、前記環境温度が前記低温領域よりも高い非低温領域に比べて前記半導体レーザの出力が大きくなるように前記指令値を生成する制御部
とを具備する半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記半導体レーザはＤＦＢレーザである
請求項１に記載された半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記低温領域において、前記環境温度に比例して、より低温になるほど前記出力が大きくなるように、前記指令値を生成する
請求項１又は２に記載された半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザの制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速光通信や長距離光通信においては、光トランシーバモジュールが用いられる。典型的な光トランシーバモジュールは、半導体レーザおよびその駆動回路と、フォトダイオードおよびその増幅回路と、それらを制御する回路と、光ファイバとの接続のためのコネクタと、電気接続のためのインターフェースとを備える。
【０００３】
光トランシーバで用いられる半導体レーザは、一般に、環境温度による特性変動が大きいことが知られている。電気−光変換に関し、特性を示す指標として、レーザ発振するために必要な閾値電流（Ｉｔｈ）と、発振閾値以上の電流において電気−光変換効率を示す微分効率（ＳＥ）が用いられる。所望の光出力（Ｐｆ）を得るためには、Ｉｏｐの電流が必要であり、以下の関係を満たす。
【数１】
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【０００４】
光トランシーバの光出力Ｐｆは、用いられる環境温度範囲内において、ある範囲内に収める必要がある。ＳＥとＩｔｈは温度の関数であるため、環境温度の変化に応じて、Ｉｏｐを適切な値に制御する必要が生じる。
【０００５】
半導体レーザにおいては、一般に温度上昇にともない、Ｉｔｈが高くなりＳＥが低下する。したがって、Ｐｆを一定に保つためには、低温時にはＩｏｐを低下させ、高温時にはＩｏｐを上昇させる必要がある。半導体レーザの技術分野では、この制御を精度よく行なうことで、温度の変化によるＰｆの変動を小さく抑えている。
【０００６】
一方で、近年普及が著しい１０Ｇｂｐｓを超えるような高速変調モジュールにおいては、より高い緩和振動周波数（ｆｒ）を得る必要がある。ｆｒは、式（２）で表記される。
【数２】
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Ｓは光子密度、ｄｇ／ｄｎは半導体レーザの微分利得、τは光子の寿命時間を示す。高いｆｒを得るためには、以下の対策が考えられる。（ａ）Ｓの高い条件で駆動する。（ｂ）ｄｇ／ｄｎの高い半導体レーザを用いる。（ｃ）τが小さくなる構造の半導体レーザを用いる。
【０００７】
Ｓの高い条件で駆動することとは、閾値以上の電流を増やすこと、つまり、Ｉｏｐを高く設定することを意味する。前記のとおり、トランシーバモジュールにおいては、環境温度によらずＰｆを一定とするためには、特に低温においてＩｏｐを低下させる必要がある。そのため、高いｆｒを得ることが困難になるという問題があった。
【０００８】
以下に、先行技術の例を挙げる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−３０２８７４
【特許文献２】特開２００３−１７４２２７
【特許文献３】特開２００５−１５０２７０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題を説明するための参考技術として、通信用半導体レーザモジュールの一例を挙げる。本参考例における通信用半導体レーザモジュールは、少なくとも、発光素子である半導体レーザと、その前方出射光を集光させるレンズと、集光された出射光を伝送するための光ファイバと、後方出射光を受光し電気信号に変換する受光素子と、それらを保持する台座および電気端子から構成される。
【００１１】
一般に、半導体レーザの前方出射光（Ｐｏｆ）と後方出射光（Ｐｏｒ）とは比例関係にある。また、受光素子から出力されるモニタ電気信号（Ｉｍ）は、後方出射光の強度に比例する。したがって、理想的には、Ｉｍは光出力Ｐｆに比例する。そのため、Ｉｍを得ることは、間接的にＰｆを得ることと等価である。ｋを定数とすると、理想的な条件では、以下を満たす。
【数３】
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以上から、理想的な状態では、Ｉｍを一定に維持するような制御を行なえば、Ｐｆを一定にすることが可能である。
【００１２】
しかしながら、光モジュールにおいては、環境温度が変化したときに式（３）で示した係数ｋが変動をする。そのため、Ｉｍを一定に維持するような制御を行っても、Ｐｆが一定にならない。これをトラッキングエラーと呼ぶ。後述する先行技術文献では、このトラッキングエラーを小さく抑えることや、トラッキングエラーそのものを、あらかじめ与えられたトラッキングエラーの情報を用いて補正することを目的としている。
【００１３】
半導体レーザの中で、ＤＦＢ（分布帰還型）レーザの発振スペクトルには、回折格子間隔に依存する発振ピーク（λｐ）と、利得に拠るピーク（λｇ）が現れる。ここで、両者の差をデチューニング（Δλ）と呼び、以下の式ように定義する。
【数４】
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【００１４】
１．３１ｕｍ帯の半導体レーザの場合、λｐとλｇは、それぞれ、約０．１ｎｍ／℃と約０．４ｎｍ／℃の温度係数を持つ。従って、両者の温度係数の違いから、Δλは低温になると正の方向に、高温になると負の方向に変化する。
【００１５】
半導体レーザでは、Δλが負のとき微分利得が高く、Δλが正になると微分利得が低くなる。その結果、同一駆動条件の場合、低温時にはΔλが正になり、微分利得が低くなることから、式（２）で示したとおり、得られるｆｒが低減し高速変調に不利になる。特に１０Ｇｂｐｓを超えるような高速変調の用途において、このような問題を解決することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一側面において、半導体レーザ装置は、半導体レーザと、半導体レーザの出力値をモニタするモニタ部と、環境温度を検出する温度検出部と、環境温度に基づいて出力値の指令値を生成する温度変化抑制部と、環境温度が所定の基準よりも低い低温領域において、環境温度が低温領域よりも高い非低温領域に比べて半導体レーザの出力が大きくなるように指令値を生成する制御部とを備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、半導体レーザの低温領域における緩和振動周波数の低下を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、光トランシーバモジュールの構成を示す。
【図２】図２は、光送信部の構成を示す。
【図３】図３は、一実施形態における温度と光出力の関係を示す。
【図４Ａ】図４Ａは、参考技術による動作点での、低温時１０ＧｂＥマスクマージン試験結果である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、一実施形態による動作点での、低温時１０ＧｂＥマスクマージン試験結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、実施形態について説明する。
高速変調（例えば１０Ｇｂｐｓ以上）に用いる半導体レーザでは、低温時にデチューニングが正に向かうことから、微分利得が低くなる。その結果、同一駆動条件において得られる緩和振動周波数(ｆｒ)が減少し、十分な高速変調特性が得られない可能性がある。この問題を解決するために、低温環境下において、通信規格が定める範囲内で光出力を上昇させる。その結果、より高いｆｒを得ることができ、十分な高速変調が得られる。
【００２０】
図１は、一実施形態に係る光トランシーバモジュールの構成を示す。光トランシーバモジュール１は、光受信部２と、光送信部３と、制御部４と、温度検出部１６と、記憶部１７とを備える。光受信部２は入力端子と出力端子とを備える。入力端子から入力した入力光信号５は、光受信部２によって入力電気信号６に変換されて出力端子から出力される。光送信部３は入力端子と出力端子とを備える。入力端子から入力した出力電気信号７は、光送信部３によって出力光信号８に変換されて出力端子から出力される。制御部４は光受信部２と光送信部３の動作を制御する。
【００２１】
温度検出部１６は、サーミスタに例示される温度検出装置であり、光送信部３の近く、好ましくはＬＤモジュール９の近くに設置され、ＬＤモジュール９の環境温度を検出する。温度検出部１６が検出した環境温度を示す温度データは、制御部４のマイコンに入力される。
【００２２】
図２は、光送信部３の構成を示す。光送信部３は、ＬＤモジュール９と、ＬＤドライバ１４とを備える。ＬＤモジュール９は半導体レーザ１０を備える。半導体レーザ１０はＬＤドライバ１４によって駆動される。半導体レーザ１０の前方出射光１２は、光送信部３に接続される光ファイバに出力光信号８を出力する。ＬＤモジュール９は更に、モニタＰＤ（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）１１を備える。モニタＰＤ１１は、半導体レーザ１０の後方出射光１３の出力をモニタし、その出力に比例するモニタ電流８−１を生成する。
【００２３】
モニタＰＤ１１が検出した後方出射光１３の強度を示すモニタ電流８−１は、制御部４に入力する。制御部４は、温度検出部１６が検出した温度データと、モニタ電流８−１の電流値に基づき、更に記憶部１７に格納されたデータを参照して、半導体レーザ１０を制御するための制御値８−２を生成して、ＬＤドライバ１４に出力する。その結果、半導体レーザ１０の出力光強度をクローズドループで制御するＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御が実行される。
【００２４】
図３は、本実施形態に拠る光トランシーバモジュールの平均光出力を示す。実際には、変調されているが、以下の説明ではすべて、平均パワーで表記する。本実施形態では、半導体レーザモジュールの光出力を、通信規格に規定された範囲内において、低温側で特に高くなるような制御を行なう。そのような制御について説明するための前提として、まず光出力を一定とする制御について説明する。
【００２５】
規格上、光トランシーバモジュールに要求される光出力の上限と下限を、それぞれＰｆ＿ｍａｘ（図３の上限規格）とＰｆ＿ｍｉｎ（図３の下限規格）とする。一般に、光トランシーバのＰｆは設計余裕を考慮し、全温度において、（Ｐｆ＿ｍａｘ＋Ｐｆ＿ｍｉｎ）／２の値で一定になるよう設計される。
【００２６】
一般に半導体レーザモジュールには、その添付データとして、動作温度範囲の上限下限およびその中間である室温における諸特性値が添付されている。その特性の一つに、モニタＰＤ１１が後方出射光１３を検出することによって生成するモニタ電流値（Ｉｍ）がある。低温、室温、高温時の温度をそれぞれＴＬ、ＴＲ、ＴＨとし、温度がＴＬ、ＴＲ、ＴＨにおけるＩｍをそれぞれＩｍ＿Ｌ、Ｉｍ＿Ｒ、Ｉｍ＿Ｈとする。これらの値は、予め記憶部１７に登録しておく。ＴＬとＴＨの間の任意の温度ＴにおけるＩｍをＩｍ（Ｔ）とする。
【００２７】
光トランシーバモジュール１の環境温度は、温度検出部１６により検出できる。光送信部３の外部モジュールである温度検出部１６に替えて、内部に実装されたサーミスタなどの検出値を用いてもよい。環境温度が室温よりも高いときには、ＴＲとＴＨにおけるＩｍ＿ＲとＩｍ＿Ｈを用いて、直線近似により、温度Ｔにおいて必要なＩｍ（Ｔ）を式（５）から得ることができる。
【数５】
2013168580.tif 000007
同様にして、温度が室温より低いときには、ＴＲとＴＬにおけるＩｍ＿ＲとＩｍ＿Ｈを用いて、直線近似により、温度ＴにおけるＩｍ（Ｔ）を得ることができる。
【００２８】
制御部４は、温度検出部１６が検出した温度と、予め登録されたＴＲ、ＴＨ、Ｉｍ＿Ｒ、Ｉｍ＿Ｈに基づいて、Ｉｍ（Ｔ）を算出してＬＤドライバ１４に出力する。ＬＤドライバ１４がこのＩｍ（Ｔ）に基づいて半導体レーザ１０を制御することにより、概ね前方出射光１２を一定とする制御が行われる。
【００２９】
本実施形態においては、ＬＤモジュール９（半導体レーザ１０）の環境温度が所定の基準より低い低温領域において、緩和振動周波数の低下を抑制するためにＰｆを上げる制御を行う。このような制御は、次のように実現できる。所定の温度よりも低い低温領域において、低温になるほどＰｆが大きくなるように直線近似する。低温領域の下限温度において、ｎ×（Ｐｆ＿ｍａｘ＋Ｐｆ＿ｍｉｎ）／２となるよう直線近似を行って制御する。ｎの値は、その下限温度において光出力が上限規格よりも小さくなるように決定され、予め記憶部１７に登録される。
【００３０】
非低温領域では、光出力が上限規格と下限規格の間に入るように制御すればよいが、制御の安定性の点からは、規格上の上限値と下限値との平均値で光出力が一定となるように制御することが望ましい。
【００３１】
具体的には、制御部４は、記憶部１７に格納されたＩｍ＿Ｌ、Ｉｍ＿Ｒ、ＴＬ、ＴＲ、ｎの値、及び下記に説明する計算式に基づいて、温度検出部１６が検出した温度Ｔに応じて、Ｉｍ（Ｔ）を算出する。低温領域では、上記のＩｍ（Ｔ）算出式（５）においてＩｍ＿Ｌに替えて、係数ｎ（ｎ＞１）を掛けたｎ×Ｉｍ＿Ｌを用いた次式（６）を用いて直線近似を行う。
【数６】
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このような処理により、低温領域において、環境温度に比例して、より低温になるほど出力が大きくなるように、半導体レーザの出力指令値が生成される。
【００３２】
このような光トランシーバモジュール１により得られる効果について、より詳細に説明する。上述の制御により、低温領域において式（２）のＳを大きくすることができるため、緩和振動周波数の低下を抑制することができ、高速変調性能を向上することができる。
【００３３】
しかしながら、本実施形態における制御が特に効果的であるのは、ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ＦｅｅｄＢａｃｋ）レーザの場合である。ＤＦＢレーザでは、そのデチューニングΔλが温度特性をもち、低温時にΔλは正に向かう。結果として微分利得が低下する。動作電流が同一条件であれば、得られる緩和振動周波数が低下し、高速変調に不利な条件となる。
【００３４】
半導体レーザのＩｔｈ、ＳＥには温度特性がある。低温時には、Ｉｔｈが低下し、ＳＥが増加する。したがって、Ｐｆ＝ＳＥ×（Ｉｂｉａｓ−Ｉｔｈ）の関係から、Ｐｆを一定に制御する仕様の半導体レーザにおいては、低温時にはＩｂｉａｓが低下する。
【００３５】
本実施形態では、低温時のＰｆをｎ倍としているため、本来必要なＩｂｉａｓよりも大きな電流で駆動することになる。結果として、低温時により高い緩和振動周波数が得られ、より良好な高速変調特性を得ることが可能となる。
【００３６】
具体的数値として、ＩＥＥＥ８０２．３ａｅ＿ｔａｂｌｅ５２−１２に規定される１０Ｇ−ＢＡＳＥ−ＬＲにのっとり例示する。
Ｐｆ＿ｍａｘ＝０．５ｄＢｍ（&#8776;３．１ｍＷ（ミリワット））
Ｐｆ＿ｍｉｎ＝−８．２ｄＢｍ（&#8776;０．１５ｍＷ）
ここで、（Ｐｆ＿ｍａｘ＋Ｐｆ＿ｍｉｎ）／２として、計算容易化のため−３．０ｄＢｍ（&#8776;０．５０ｍＷ）を設定する。また、ｎとして１．５を選択する。
その結果、低温時のＰｆとして、１．５×０．５０ｍＷ＝０．７５ｍＷ&#8776;−１．２ｄＢｍが得られる。
【００３７】
次に、半導体レーザモジュールの一例として、以下の添付データのものを参照する。
Ｉｔｈ（２５℃）＝５．８ｍＡ
ＳＥ（２５℃）＝０．０３４３Ｗ／Ａ
Ｉｍ（２５℃）＝０．３３３ｍＡ
Ｉｔｈ（−４０℃）＝２．７ｍＡ
ＳＥ（−４０℃）＝０．０４２６Ｗ／Ａ
Ｉｍ（−４０℃）＝０．３１０ｍＡ
室温（２５℃）においては、Ｉｂｉａｓ＝Ｉｔｈ＋Ｐｆ／ＳＥ＝５．８＋０．７５／０．０４３＝２３．２ｍＡ
【００３８】
低温（−４０℃）においては、従来例による制御では、Ｉｂｉａｓ＝Ｉｔｈ＋Ｐｆ／ＳＥ＝２．７＋０．５０／０．０４２６＝１４．４ｍＡとなり、本実施形態による制御では、Ｉｂｉａｓ＝Ｉｔｈ＋Ｐｆ／ＳＥ＝２．７＋０．７５／０．０４２６＝２０．３ｍＡとなる。
【００３９】
本実施形態による制御を行なうため、Ｉｍ（−４０℃）として、１．５×０．３１０＝０．４６５ｍＡを得る。Ｉｍ（２５℃）＝０．３３３ｍＡとＩｍ（−４０℃）＝０．４６５ｍＡを用いることで、低温時に任意の温度Ｔにおける設定すべきＩｍ（Ｔ）が、以下のように一次近似により得られる。
Ｉｍ（Ｔ）&#8776;０．００２０３×Ｔ＋０．３８３８ｍＡ
【００４０】
本実施形態により、結果として、前述の参考技術と比較して、低温時により高いｆｒが得られ、より良好な高速変調特性が得られた。高速変調特性は、たとえばＩＥＥＥ８０２．３ａｅ＿Ｆｉｇｕｒｅ５２−８で規定されるマスクマージン試験結果により比較することが可能である。図４Ａ、図４Ｂに、参考技術による動作点および、本実施形態に拠る動作点での、１０ＧｉｇａｂｉｔＥｔｈｅｒｎｅｔ（１０ＧｂＥ）条件でのマスクマージン試験結果を示す。本実施形態により、より大きいマスクマージンを得ることが可能である。
【００４１】
上記式（６）による制御は、本実施形態を実行するための一例である。制御部４が図３に示したように低温領域で光出力を大きくする制御を実行できるならば、他の制御方法を用いてもよい。例えば（６）と異なる関数を用いて、図３に示すようにＩｍ（Ｔ）が所定温度以上の領域では規格上の上限値と下限値の中間付近の値を取り、所定温度以下の低温領域では上限値以下の範囲で上昇するように制御することができる。又は、図３のような検出された温度と光出力の設定値との対応テーブルを記憶部１７に格納することで、同様の制御を実現することができる。更に、式（５）で示したような温度変化に対して光出力一定の制御を行うための出力指令値を生成し、その後、低温領域において出力指令値を大きくする補正を適用してもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１  光トランシーバモジュール
２  光受信部
３  光送信部
４  制御部
５  入力光信号
６  入力電気信号
７  出力電気信号
８  出力光信号
８−１  モニタ電流
８−２  制御値
９  ＬＤモジュール
１０  半導体レーザ
１１  モニタＰＤ
１２  前方出射光
１３  後方出射光
１４  ＬＤドライバ
１６  温度検出部
１７  記憶部
１８  光ファイバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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