JPH01276786A

JPH01276786A - 半導体レーザの自動周波数制御方法及び装置

Info

Publication number: JPH01276786A
Application number: JP1053980A
Authority: JP
Inventors: Piero Gambini; ピエロ・ガンビニ
Original assignee: CSELT Centro Studi e Laboratori Telecomunicazioni SpA
Current assignee: TIM SpA
Priority date: 1988-03-31
Filing date: 1989-03-08
Publication date: 1989-11-07
Anticipated expiration: 2009-01-26
Also published as: CA1281367C; EP0336308A3; IT1219165B; US4918700A; IT8867288A0; EP0336308A2; JPH067615B2; DE68909824T2; EP0336308B1; DE68909824D1; DE336308T1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、半導体レーザにかかわり、更に特定するに、
かかるレーザでの周波数を自動的に制御する方法及び装
置にかかわる。

半導体レーザの放射周波数は、特に能動領域における温
度変動に依存した変動を受ける。例えば光フアイバ上で
の可干渉性の通信のような多くの応用において、かかる
変動はかなり狭い範囲内に制御されなければならず、こ
こから、かかるレーザは周波数を自動的に制御するため
の装置に連動されている。

最も広く使用されている制御装置は、レーザ注入電流又
は温度を制御するのに使用されるエラー信号を発生する
電子回路に連動された周波数弁別器としてのファプリー
・ベロー干渉計を使用している。１つの例は、１９８０
年１２月発行＋　Ｖｏｌ、１９＋Ｎｏ、ｌ　２　＋　Ｊ
ａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅ
ｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ＋ページＬ７２１〜Ｌ７２４．Ｈ，
ツチダ、Ｓ、サンペイ。

門、オーツ、Ｔ、カトウによるＦｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓ
ｔａｂｉｌｉｔｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏ　ｆ
ｅｅｄｂａｃｋ　５ｔａｂｉｌｚｅｄ　ＡｌＧａＡｓ　
ＤＨ１ａｓｅｒｓ　’“という題名の文献において記述
されている。この装置において、光電子増倍管は、高い
安定性を有するファプリーベロー干渉計を通して通過さ
れた後にそのレーザから放射され、その長さが正弦状信
号により圧電的に変調されるビームを集め、ロック・イ
ン増幅器は変調用発振に同期して光電子増倍管の出力信
号を検出することにより干渉計スペクトルの第１の導関
数を発生する。かかる導関数は、その放射周波数が公称
“１′°にあるときに零になり、他の場合には零から異
なっている。かくして、その直線部分における導関数の
瞬間的値にあるエラー信号が得られ、かかる信号はレー
ザ温度を制御するために使用される。

この周知のシステムは多くの欠点を持っている。

干渉計によって実行される走査は非常に短く（実際には
、２つの屈曲点間に含まれる光検出器出力ピークの部分
に対応している）、結果的に、そこには、周波数ロック
が生じる非常に小さな範囲があり、ここから、そのシス
テムは制限された修正力を持つことになる。その上、も
しレーザライン幅すなわち放射電力が変化するならば、
含まれた曲線部分の勾配も変わり、それは制御システム
の性能を左右する。干渉計長さ変調技術のために、その
信号導関数は、ロック−イン増幅器のような高価な手段
によってのみ得られる。最後に、この周知のシステムは
、多チヤネル伝送システムにおいて要求されるような複
数の信号源を制御するために使用できない、実際に、光
電子増倍管の出力ピークの最大値付近における小さな周
波数範囲がそれにより調べられるエラー信号を発生する
ために採用される技術では、かかるシステムによって要
請される周波数空間を持つ一連のピークを分析すること
ができない。

後者の問題については、１９８７年９月発行、Ｖｏｌ、
ＬＴ５．　Ｎｏ、９．　”Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌｉ
ｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌ−ｏｇｙ”、ページ１
３０１〜１３０Ｂ、に、ノス、Ｈ，ドパ。

Ｋ、イバシタによる“０ｐｔｉｃａｌ　ＦＤＭ　ｔｒａ
ｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ”という題名の
論文において論議されており、その文献は、周波数分割
多重化光学通信システムにおいて信号源として使用され
る複数のレーザの周波数を自動的に制御するための装置
を開示している。この装置において、そのビート、すな
わち、うなりは通常の方法で安定化され且つ基準として
使用されるレーザの１つの出力信号と、そして他のレー
ザによって放射される信号との間で発生され、中心の唸
り周波数はファプリー・ベロー干渉計により決定され、
かくして得られた周波数はディジタルの電気的信号に変
換され、その信号からは、アナログ形式への変換後に、
他のレーザに対する制御信号が得られる。周知の装置は
、１つが基準として使用されるレーザのために使用され
、他の１つが残りのレーザのために使用される２つの安
定化システムを必要とするので非常に複雑であり、その
上、前記残りのレーザの安定度はその基準レーザの安定
度に依存するので、そのシステム性能は基準の安定化精
度に依存している。

前述の欠点は、スペクトル分析に対して必要な干渉計変
調のために採用される技術のおかげで、高価な装置の使
用を必要とせず、そのライン幅や電力に無関係な制御を
実施し、その周波数振動を広範囲に補償し、１つのレー
ザの良好な安定度に依存せずしかも二重制御システムを
必要とすることなく複数のレーザを制御するために適用
できる本発明の方法及び装置により克服される。

本発明の第１の局面によると、半導体レーザの周波数を
自動的に制御する方法が与えられ、そこでは、レーザに
より放射される光信号のスペクトル分析が行われ、その
スペクトルを表わしている信号が電気的信号に変換され
、かかる電気的信号の導関数が発生され、エラー信号が
その導関数から抽出されてレーザ駆動装置に配送され、
その方法は、前述のスペクトル分析が傾斜電圧信号によ
り制御され、傾斜期間内での導関数の零交差が検出され
、その零交差がレーザの実際の放射周波数を識別し、そ
の傾斜信号が導関数の零交差に一致して標本化され、得
られたサンプルがレーザの公称の放射周波数に依存して
基準信号と代数学的に加え合わされ、その代数和から生
じた信号が前記エラー信号を形成していることを特徴と
している。

本発明の第２の局面によると、その放射が周波数多重化
される複数の半導体レーザを含む光信号源の周波数を自
動的に制御する方法が与えられ、そこでは、信号源によ
り放射される光信号のスペクトル分析が行われ、そのス
ペクトルを表わしている信号が電気的信号に変換され、
かかる電気的信号の導関数が決定され、各レーザに対す
るエラー信号がその導関数から得られてそれぞれのレー
ザを駆動する手段に配送され、その方法は、前記スペク
トル分析が傾斜電圧信号によって制御され、傾斜期間に
おける導関数零交差が検出され、前記零交差がレーザの
１つの各実際の放射周波数を識別し、その傾斜信号がそ
の導関数の各零交差に一致して標本化され、得られた各
サンプルがそれぞれのレーザの公称の放射周波数に依存
してそれぞれの基準信号に代数学的に加え合わされ、そ
の代数和から生じる信号が前記エラー信号を形成してい
ることを特徴としている。

本発明の第１の局面の方法を実施するための装置は、前
記信号源によって放射された信号のスペクトル分析を行
いそしてそのスペクトルを表わしている電気的信号を供
給するための手段と、前記電気的信号の導関数を計算す
るための手段と、レーザに対するエラー信号を前記導関
数から得るための手段とを含み、スペクトル分析のため
の手段が傾斜電圧信号発生器により制御され、前記導関
数計算手段が微分回路からなり、エラー信号を得るため
の手段が、傾斜信号期間内での導関数信号の零交差を検
出するための回路と、導関数零交差の検出に一致してパ
ルスを発生するためのパルス発生器と、前記パルス発生
器によって制御され、前記導関数零交差に一致してその
傾斜信号を標本化するための手段と、レーザの公称の放
射周波数に依存して、傾斜信号サンプルと基準信号とを
代数学的に加え合わせるための手段とを含み、前記加算
手段の出力信号がそのエラー信号を形成していることを
特徴としている。

本発明の第２の局面の方法を実施するための装置は、信
号源により放射される信号についてのスペクトル分析を
行い、そのスペクトルを表わしている電気的信号を供給
するための手段と、前記電気的信号の導関数を計算する
ための手段と、各レーザに対するエラー信号を前記導関
数から得るための手段と゛を含み、スペクトルを分析す
るための前記手段が傾斜電圧信号発生器によって制御さ
れ、前記導関数計算手段が微分回路からなり、エラー信
号を得るための前記手段が、その傾斜信号の期間におけ
る導関数の零交差を検出するための回路と、前記導関数
の各零交差の検出に一致してパルスを発生するためのも
ので、各パルスがそれらレーザのうちの１つに関係して
いるパルス発生器と、前記パルス発生器によって制御さ
れ、各々がレーザの１つと連動され、その連動されてい
るレーザの放射周波数に対応する導関数の零交差に一致
してその１１Ｊ！斜信号を標本化する複数のサンプラと
、各々が前記サンプル及びホールド回路に接続されてい
て、その連動されているレーザの公称の放射周波数に依
存して前記傾斜信号のサンプルをそれぞれの基準信号と
代数学的に加え合わせるための複数の加算回路とを含み
、各加算回路から出される信号がその連動されているレ
ーザに対するエラー信号を形成していることを特徴とし
ている。

本発明の上述の及び他の目的、構成及び利点は、添付図
面を参照しての以下の詳細な記載から一層明瞭に理解さ
れよう。

第１図は、変調器２と光フアイバ伝送ライン２′とでも
って代表的に示されている光学通信システムにおいて信
号源として使用される半導体レーザｌの注入電流を調整
するための本発明による装置を示している。

光学的信号路は点線により示され、そして電気的信号路
は実線にり示されている。レーザ１は、例えば分散型フ
ィードバックレーザであり、特に、それらのライン幅特
性のおかげで、可干渉性の通信システムで使用するのに
適している。ブロック１には通常の温度制御装置が含ま
れていて、参照数字３は注入電流源を示している。

レーザ１により放射される光学的信号は、ビーム分割器
４と鏡５とにより略示されている光学システムを通して
、変調器２と、そして１００として総称的に示されてい
る制御装置とに向けて供給される。

従来のシステムにおけるように、制御装置１００に向け
られたビームは、光学的隔絶装置７と、減衰器８と、レ
ンズ９により代表されている集束光学システムとを通し
て、ファプリー・ベロー走査干渉計からなる周波数弁別
器すなわちスペクトル分析装置６に与えられる。干渉計
６での鏡開の距離は傾斜電圧発生器１１の出力を受信す
る圧電装ＷＩＯにより修正される。この様に、干渉計の
共振周波数は印加されるその電圧に直線状に依存してい
る。好都合なことに、その傾斜は、その干渉計のいわゆ
る重ならないスペクトル範囲まで干渉計の長さを変える
ような特性を有している。

干渉計６の出力において、検出器１２はその光学的信号
を電気的信号に変換し、それらを、増幅器１３を通して
、そ導関数を計算する微分回路１４に供給する。比較器
１５は、そのレーザの実際の中心放射周波数を識別する
導関数信号の零交差点を検出して、その検出を示す信号
を出力する。

かかる信号は、パルス発生器１６により、サンプル及び
ホールド回路１７の制御入力に印加される短いパルスに
変換される。また、サンプル及びホールド回路１７は、
傾斜電圧発生器１１からの、適切に減衰されている傾斜
信号を受信している。

かくして、その傾斜信号は干渉計スペクトル導関数の零
交差に一致して標本化される０回路１７から出力される
サンプルは、サンプル及びホールド回路１７のサンプリ
ング期間よりもはるかに長い時定数でもつ低域フィルタ
１８において濾波され、そして差動増幅器１９において
、レーザの公称発震周波数に依存して基準信号ＶＲと比
較される。

増幅器１９から出る信号は、注入電流源３に供給される
エラー信号であって、放射される周波数の変動を補償す
るようにその電流を変えるために使用される。

第２図は傾斜信号期間内での検討すべき信号を示し、曲
線ａ）は検出器１２から出る信号であり、曲線ｂ）は信
号ａ）の導関数であり、Ｃ）はサンプリングパルスであ
り、最後のスケッチｄ）は傾斜信号サンプル（１７によ
り示されている）の発生と、基準信号ＶＲとの比較結果
としての、１９で示されているエラー信号の発生とを示
している。

上述の記載から明らかなように、本発明による回路は従
来の欠点を除去している。つまり、中心のレーザ周波数
を識別するための導関数零交差についての認識は、その
システム動作を、導関数の勾配に影響するライン幅や電
力に無関係にさせ、その導関数が簡単な微分回路によっ
て得られるので、高価な装置を不必要にする。また、そ
の干渉計は、その傾斜特性を適当に選択することにより
、その振幅がいわゆる重ならないスペクトル範囲に到達
する走査を実行できる。

第３図は、各々が対応する注入電流源３ａ。

３ｂ・・・３ｎにより確立されるそれ自体の放射周波数
を有している複数のレーザ１ａ、ｌｂ・・・１ｎの周波
数を自動的に制御するための本発明の実施例を示してい
る。レーザ１ａ、ｌｂ・・・１ｎにより放射される信号
は、周波数分割光学通信システム（示されていない）に
おいて使用される単一のビームを発生するための結合装
置２０に送られる。

この図において、制御装置は全体として２００で示され
、第１図の実施例で見られる装置は同じ参照数字により
表わされている。簡素化のために、干渉計６の上流にお
ける素子については示していない。

制御装置２００において、干渉計６は、装置１００にお
けるのと同様に、圧電装置ＩＯを介して傾斜電圧発生器
１１により変調され、その後段には、検出器１２、増幅
器１３、微分回路１４、比較回路１５及びパルス発生器
１６が設けられている。しかしながら、この場合、干渉
計６に送られるビームは複数の周波数を含むので、検出
器１２からの信号は、各々がレーザ１ａ、ｌｂ・・・１
ｎの１つのスペクトルラインに対応している一連のピー
ク（第４ａ図）を傾斜信号期間内に含んでいる。従って
、微分回路１４の出力には第２図に示されているのと同
様な波形が複数個（第４ｂ図）含まれている。比較器１
５は第４ｂ図の波形の各々の零交差を示す信号を供給し
、パルス発生器１６は比較器１５から出る信号の各前縁
においてパルス（第４Ｃ図）を供給する。しかしながら
、比較器１５によって出力される信号は、第４ｂ図の波
形の零への戻りに一敗して偽のパルスが出力されるのを
避けるために、各ピークの導関数と基本的に同じ期間を
有していることに注意されたい。

パルス発生器６は、該パルス発生器１６から出力された
パルスを計数するためのカウンタ２１と、該カウンタ２
１の出力信号を制御信号として受信するデマルチプレク
サ２２とに接続されている。

デマルチプレクサ２２は、各々が対応するサンプル及び
ホールド回路１７ａ、１７ｂ・・・１７ｎに接続された
ｎ個の出力を持ち、カウンタ２１の計数に依存して、そ
の入力におけるパルスをかかる出力の１つに転送する。

例えば、第４ａ図におけるピークＡ、　Ｂ、・・・Ｎが
レーザ１ａ、ｌｂ・・・１ｎの放射ラインにそれぞれ対
応しているものと仮定すると、パルス発生器１６からの
第１のパルスはサンプリングパルスとしてサンプル及び
ホールド回路１７ａに供給され、同様にして、第２のパ
ルスは回路１７ｂに、そして最後のパルスは回路１７ｎ
に供給されることになる。

回路１７ａ、１７ｂ・・・１７ｎはすべて、傾斜電圧発
生器１１に接続されていて、対応するサンプリングパル
スによって示される瞬間におけるその傾斜を標本化する
。第１図の回路１００におけるように、各サンプルは、
それぞれの低域フィルタ１８ａ、１８ｂ・・・１８ｎに
おいて濾波され、そして差動増幅器１９ａ、１９ｂ・・
・１９ｎにおいて、それぞれの基準電圧ＶＲａ、ＶＲｂ
・・・ＶＲｎと比較される。

かくして、個々のレーザの注入電流源３ａ、３ｂ・・・
３ｎに供給されるべきエラー信号（第４図ｄ。

ｅ、ｆ）が得られる。

複数の信号源を制御するために採用される本発明の実施
例は、第１図に関連して記述された利点、すなわち動作
の融通性、性能の改善及び簡単な電子回路という利点を
有している。更に、レーザは互いに無関係に制御される
ので、そのシステムの性能は基準として使用される１つ
のレーザの安定度に依存しなくなり、結果的に、周波数
弁別器を各々に必要とする異なる型式の２つの安定化回
路は不要になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、単一の信号源を制御するための本発明による
装置のブロック図であり；第２図は、第１図の各種ブロックから出る信号の形状を
示している図であり；第３図は、複数の信号源を制御するための装置のブロッ
ク図であり；第４図は、第３図の実施例に関連した第２図と同様の波
形図である。１：半導体レーザ　　　　３：電流注入源６：スペクト
ル分析装置１０：圧電装置１１：傾斜電圧発生器　　１
２；光検出器１４：微分回路　　　　　１５：比較器１
６：パルス発生器　　　１７：サンプラ１日：低域フィ
ルタ　　　１９：差動増幅器代理人の氏名　　　川原１
）−穂

Claims

【特許請求の範囲】

（１）レーザ（１）により放射された光信号のスペクト
ル分析を行い、そのスペクトルを表わしている信号を電
気的信号に変換し、その電気的信号の導関数を求め、そ
の導関数から得られたエラー信号を前記レーザ（１）の
駆動手段（３）に供給することにより、半導体レーザ（
１）の周波数を自動的に制御する方法であって、前記ス
ペクトル分析が傾斜電圧信号により制御され；前記レー
ザ（１）の実際の発光周波数を識別する導関数零交差が
傾斜周期中に検出され；その導関数の零交差時点で前記
傾斜信号が標本化され；得られたサンプルが前記レーザ
（１）の公称の発光周波数に依存して基準信号に代数学
的に加え合わされ；その代数和から生じる信号がエラー
信号を形成していることを特徴とする方法。
（２）複数の半導体レーザ（１ａ・・・１ｎ）からなる
発光周波数多重化光信号源の周波数を自動的に制御する
方法であって、前記信号源によって放射された光信号の
スペクトル分析を行い、そのスペクトルを表わしている
信号を電気的信号に変換し、かかる電気的信号の導関数
を求め、前記導関数から得られた各レーザに対するエラ
ー信号が前記レーザ（１ａ・・・１ｎ）の各駆動手段（
３ａ・・・３ｎ）に送られるようになっている方法にお
いて：前記スペクトル分析が傾斜電圧信号によって制御
され；前記各レーザ（１ａ・・・１ｎ）の実際の発光周
波数を識別するそれぞれの導関数零交差が傾斜周期中に
検出され、前記導関数の各零交差時点で前記傾斜信号が
標本化され；得られた各サンプルがそれぞれのレーザ（
１ａ・・・１ｎ）の公称の発光周波数に依存してそれぞ
れの基準周波数に代数学的に加え合わされ；その代数和
から生じた信号が前記エラー信号を形成していることを
特徴とする方法。
（３）半導体レーザ（１）の周波数を自動的に制御する
ための装置であって、そのレーザにより放射された信号
のスペクトルを分析するための手段（６、１０、１１）
と前記スペクトル分析手段（６、１０、１１）から出力
された信号を電気的信号に変換するための光検出器（１
２）と、かかる電気的信号の導関数を計算するための手
段（１４）と、レーザ駆動手段（３）に供給するエラー
信号を前記導関数から得るための手段（１５、１６、１
７、１８、１９）とを有している装置において：前記ス
ペクトル分析手段（６、１０、１１）が傾斜電圧信号発
生器（１１）により制御され；前記導関数計算手段（１
４）が微分回路からなり；エラー信号を得るための前記
手段（１５、１６、１７、１８、１９）が前記傾斜信号
の１周期におけるその導関数信号の零交差を検出するた
めの回路（１５）と、その導関数の零交差の検出時にパ
ルスを発生するためのパルス発生器（１６）と、前記パ
ルス発生器により制御されて、その導関数の零交差に一
致して傾斜信号を標本化するための手段（１７）と、前
記レーザの公称の放射周波数に依存して、傾斜信号のサ
ンプルと基準信号（ＶＲ）とを代数的に加え合わせるた
めの手段（１９）とから成っており；前記加算手段（１
９）から出力された信号がエラー信号を形成しているこ
とを特徴とする装置。
（４）複数の半導体レーザ（１ａ・・・１ｎ）を含む発
光周波数多重化光信号源の周波数を自動的に制御するた
めの装置であって、前記信号のスペクトルを分析するた
めの手段（６、１０、１１）と、前記スペクトル分析手
段（６、１０、１１）から出力された信号を電気的に変
換するための光検出器（１２）と、かかる電気的信号の
導関数を計算するための手段（１４）と、各レーザ（１
ａ・・・１ｎ）に対するエラー信号を前記導関数から得
るための手段（１５、１６、２１、２２、１７ａ・・・
１７ｎ、１８ａ・・・１８ｎ、１９ａ・・・１９ｎ）と
を有している装置において：前記スペクトル分析手段（
６、１０、１１）が傾斜電圧信号発生器（１１）により
制御され：前記導関数計算手段（１４）が微分回路から
なり；エラー信号を得るための前記手段（１５、１６、
２１、２２、１７ａ・・・１７ｎ、１８ａ・・・１８ｎ
、１９ａ・・・１９ｎ）が、前記各レーザ（１ａ・・・
１ｎ）の実際の発光周波数を識別するための導関数信号
零交差を傾斜信号の１周期中に検出する回路（１５）と
、前記導関数の各零交差の検出時に、各対応レーザに関
連するパルスを発生するパルス発生器（１６）と、各レ
ーザに関係した導関数の零交差に一致してその傾斜信号
を標本化するために各レーザにそれぞれ対応した複数の
標本化回路（１７ａ・・・１７ｎ）に接続されていて、
その各対応しているレーザの公称の発光周波数に依存し
て、前記傾斜信号のサンプルをそれぞれの基準信号（Ｖ
Ｒａ・・・ＶＲｎ）に代数的に加え合わせるための複数
の加算回路（１９ａ・・・１９ｎ）とを含み；各加算回
路（１９ａ・・・１９ｎ）から出力される信号がその対
応レーザに対するエラー信号を形成していることを特徴
とする装置。
（５）前記パルス発生器とサンプル及びホールド回路（
１７ａ・・・１７ｎ）との間に設けられていて、前記パ
ルス発生器（１６）により出力される個々のパルスを、
パルスが関与する各レーザ（１ａ・・・１ｎ）に対応し
ている前記サンプル及びホールド回路（１７ａ・・・１
７ｎ）に供給するための手段（２１、２２）を更に含ん
でいることを特徴とする請求項４記載の装置。
（６）前記傾斜信号発生器（１１）は、前記スペクトル
分析手段の走査範囲を該手段の重ならないスペクトル範
囲に等しくさせることを特徴とする請求項３又は４記載
の装置。