JPH0247568A - 半導体発光装置の周波数変調特性検出方法 - Google Patents

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】 ［ｉ要コ 半導体レーザのような半導体発光装置から発せられる光
の周波数変調特性を検出する半導体発光装置の周波数変
調特性検出方法に関し、半導体発光装置の周波数変調特
性を高精度で簡便に検出することかできる半導体発光装
置の周波数変調特性検出方法を提供することを目的とし
、半導体発光装置から発せられる光の周波数変調特性を
検出する半導体発光装置の周波数変調特性検出方法にお
いて、前記半導体発光装置を所定の変調周波数で間欠的
に変調し、出力光に変調部分と非変調部分とを交互に生
じさせ、前記半導体発光装置からの出力光を部分し、部
分された先の−方の光の変調部分と他方の光の非変調部
分とが重なり合うように、部分された光の間に相対的に
光路差を発生させ、相対的に光路差が発生された２つの
光を混合し、混合された光を検出し、光の検出信号に基
づいて前記半導体発光装置から発せられる光の周波数変
調特性を検出するように構成する。

「産業上の利用分野］ 本発明は半導体レーザのような半導体発光装置から発せ
られる光の周波数変調特性を検出する半導体発光装置の
周波数変調特性検出方法に関する。

従来の光通信は光のオンオフを’ＩＪ　　”０１に対応
させてデジタル情報を伝送していた。近年、光通信の大
容量化と高感度化等のためにコヒーレント光通信が注目
されている。コヒーレント光通信というのは光をオンオ
フさせることなく一定にしておいて、ある周波数の光を
変調するか否かにより「ＩＪ　「０」の情報を伝送する
ものである。

半導体発光装置をコヒーレント光通信の光源として用い
る場合には、半導体発光装置の周波数変調特性を知る必
要がある。例えば、半導体発光装置に流す電流をどの位
変化させれば周波数がどの位変化するかという周波数変
調効率を測定する必要がある。しかしながら、光の周波
数は１０１４ｔｌｚ程度と非常に高周波であるため、受
光器で電気的に直接検出することができず、゛間接的な
方法で半導体発光装置の周波数変調特性を検出しなくて
はならない。

［従来の技術］ 従来、レーザのような半導体発光装置の周波数変調効率
を測定する方法として次のようなものがあった。

第１の方法は、マイケルソン干渉計による光の干渉を利
用して、光の周波数変化を光の強度変化に変換し、これ
により半導体発光装置の周波数変調効率を測定しようと
するものである（参考文献：菊池和朗池、「１．３μｍ
帯ＤＦＢレーザのＦ　Ｍ変調度対ＡＭ変調度比の測定」
、電子情報通信学会、技術研究報告０ＱＥ８６−７６＞
。半導体発光装置を周波数変調した場合でも光の強度が
一定であれば、この第１の方法により正確に測定できる
。しかしながら、例えばレーザの場合には周波数変調に
よりレーザ光の強度が一定ではなく変化してしまうため
、高精度の測定が困難であった。

第２の方法は、ファプリーペロー干渉計のような高分解
能の分光器を用いて変調時の光のスペクトルを求め、こ
の光スペクトルの形状から変調効率を求めるものである
（参考文献：　Ｃ，ｔｌａｒｄｅｒｅｔ、　　ａｌ　　
”Ｈｅａｓｕｒｅｎｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｎｅｗ
ｉｄｔｈｅｎｈａｎｃｅ＋＋＋ｅｎｔ　ｆａｃｔｏｒ　
　ａ　　ｏｆ　５ｅ１１ｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒａｓｅｒ
ｓ”、＾ｐａ１．　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　４２ｆ４
）、１５　Ｆｅｂｒｕａｒｙ１９８３　）。周波数変調
された光のスペクトルは中心周波数のまわりに変調周波
数による側帯波ができ、この側帯波の大きさから変調効
率を求めることができる。光の場合、中心周波数が１０
１４オーダーで、変調周波数が５桁低い１０９オーダー
であるため、この方法で変調効率を精度良く求めるため
には、５桁以上の高分解能の分光器が必要なことになる
。しかしながら、そのような高分解能を実現するために
はファプリーベロー干渉計のような分光器でも超精密な
調整が必要であり、簡単に測定することができなかった
。

［発明が解決しようとする課題］ このように第１の方法では半導体発光装置の変調特性を
高精度で検出することが原理的に困芦であるという問題
があった。また、第２の方法によれば原理的に高精度の
検出が可能であるが、高分解能であるとされる従来の分
光器を用いても高精度の検出が困難であった。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、半導体発
光装置の周波数変調特性を高精度で簡便に検出すること
ができる半導体発光装置の周波数変調特性検出方法を提
供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記目的は、半導体発光装置から発せられる光の周波数
変調特性を検出する半導体発光装置の周波数変調特性検
出方法において、前記半導体発光装置を所定の変調周波
数で間欠的に変調し、出力光に変調部分と非変調部分と
を交互に生じさせ、前記半導体発光装置からの出力光を
部分し、部分された光の一方の光の変調部分と他方の光
の非変調部分とが重なり合うように、部分された光の間
に相対的に光路差を発生させ、相対的に光路差が発生さ
れた２つの光を混合し、混合された光を検出し、光の検
出信号に基づいて前記半導体発光装置から発せられる光
の周波数変調特性を検出することを特徴とする半導体発
光装置の周波数変調特性検出方法によって達成される。

し作用〕 本発明によれば、半導体発光装置を所定の変調周波数で
間欠的に変調し、出力光に変調部分と非変調部分とを交
互に生じさせ、半導体発光装置の出力光を部分し、部分
された光の一方の光の変調部分と他方の光の非変調部分
とが重なり合うように、部分された光の間に相対的に光
路差を発生させ、これら光を混合する。混合された光の
検出信号に基づいて半導体発光装置からの光の周波数変
調特性を検出する。

［実施例］ 以下、図示の実施例に基づいて本発明を説明する。

（ａ）第１の実施例 第１図に本発明の第１の実施例による半導体発光装置の
周波数変調特性検出装置を示す。

本実施例においては、半導体発光装置として半導体レー
ザ１０の周波数変調特性が検出される。

この半導体レーザ１０には駆動のために負荷抵抗１２を
介して直流電圧が印加されている。周波数ωｎ１の交流
発振器１４は半導体レーザ１０を周波数変調するために
設けられ、負荷抵抗１２と半導体レーザ１０の中間点に
コンデンサ１６及びスイッチ１８を介して接続されてい
る。これにより半導体レーザ１０は交流発振器１４によ
る微小な高周波電流か重畳された電流により駆動される
。

本実施例では、半導体レーザ１０のレーザ光の周波数を
１０１４Ｈｚ程度とし、交流発振器１４の周波数ωｍを
１０９１１ｚ程度とする。

スイフチ１８を所定の周波数ωＳでオンオフすることに
より、半導体レーザ１０から出力されるレーザ光Ａが間
欠的に周波数変調される。すると、第２図（ａ）に示す
ようにレーザ光Ａに変調部分と非変調部分とか交互に生
ずるようになる。

ハーフミラ−２０，２２とミラー２・１．２６により構
成される光学系によりこのレーザ光Ａは分され、互いに
光路差ΔＬが生ずるようにされた後混合される。ずなわ
ち、レーザ光Ａはハーフミラ−２０により部分される。

ハーフミラ−２０を透過する一方のレーザ光Ｂはそのま
まハーフミラ−２２を透過する。ハーフミラ−２０で反
射された他方のレーザ光Ｃはミラー２４．２５で反射さ
れた後、ハーフミラ−２２でも反射される。このように
レーザ光Ｃの方かレーザ光Ｂに比べて経路が長いため、
相対的に光路差ΔＬが生ずる。

この光路差ΔＬは、レーザ光Ｂとレーザ光Ｃの関係が第
２図（ｂ）に示す関係になるように定められる。すなわ
ち、レーザ光Ｂの変調部分とレーザ光Ｃの非変調部分が
重なり合い、かつレーザ光Ｂの非変調部分とレーザ光Ｃ
の変調部分が重なり合うように、光路差を定める。この
ためには、レーザ光ＢとＣの光路差Δし、スイフチ１８
のオンオフ周期ωＳ、レーザ光の遠度Ｃの間に次式のよ
うな関係が成立すればよい。

ωＳ−πＣ／ΔＬ このような光路差ΔＬになるように、ハーフミラ−２０
，２２とミラー２４．２６の位置関係を定める。このよ
うな光路差ΔＬを有するレーザ光ＢとＣはハーフミラ−
２２により混合される。

ハーフミラ−２２で混合されたレーザ光ＢとＣの混合レ
ーザ光は光検出器２８により検出される。

光検出器２８の検出信号はスペクトラムアナライザ３０
によりスペクトラムが収られ後述する検出原理により分
析され、半導体レーザ１０の周波数変調効率が求めるら
れる。

次に本実施例の検出原理を説明する。

スペクトルから　　　レー　の 周波数変調されたレーザ光のスペクトルは、第３図に示
すように中心周波数ω０に対して変調周波数をωｍとし
て、周波数ω０±ωｍ、ω０±２ωｍ、ω０±３ωｍ、
・・・・・・の所にペンセル関数で表現できるような強
度分布で側帯波ができる。この側帯波の強度Ｐ１は周波
数変調効率に関係しているなめ、中心周波数の強度ＰＯ
と側帯波の強度Ｐ１の比Ｐ　１／Ｐ　Ｏから周波数変調
効率η「Ｈを次のようにして求めることができる。

比Ｐ　１／Ｐ　Ｏが測定されると次式から周波数変調指
数βが求められる。

Ｐ１／ＰＯ＝　［Ｊ、　（β）　”　＋　ｎｌ”　／４
ＸＪｌ　（β）２］／［Ｊｌ（β）　２＋　ｒａ２／１
６（Ｊ　ｏ　（β）−Ｊ２（β））２］ただし、Ｊ、（
ｉ）、Ｊ、（β）、、Ｊ、、（β）はそれぞれ０次、１
次、２次のベッセル関数である。また、ｍは駆動電流を
変化させることにより生ずる光の振部変調の変調指数で
ある。これは、駆動電流を変化させて半導体レーザを周
波数変調した場合には、周波数変調と同時にＦＡ陽変調
もかかるからである。

レーザ光の強度か第４図に示すように平均光強度Ｐに対
して振幅２ΔＰで変調された場合に、強度変調指数ｍは
ΔＰ／Ｐとなる。

上式から求められたβを用いると周波数変調効率η［Ｍ
は次式の如くなる。

ηＦＭ＝（βｘωｍ／　２　ｙｒ　）　／　（ΔＩ、−
、／２）ただし、ωｍは変調周波数であり、ΔＩ　ｐ−
ｐは駆動電流のうちの変調電流成分のピーク対ピーク値
である。

このように、半導体レーザ１０から出力されるレーザ光
の中心周波数の強度ＰＯと側帯波の強度Ｐ１の比Ｐ　１
／Ｐ　Ｏが分かれば、上述のようにして周波数変調効率
ηＦＨを求めることができる。

しかしながら、直接レーザ光のスペクトルを測定したの
では、中心周波数が１０１”１オーダーであり、変調周
波数が５桁低い１０９オーダーであるため、極めて高精
度の分光計でなければ比Ｐ１／ＰＯを求めることができ
ない。本発明はこれを解決するものである。

レー　　　の　　１　　゛　　の　　　ＰＯ゛　の本実
施例では上述の所定の光路差ΔＬであるレーザ光Ｂとレ
ーザ光Ｃを混合することにより、中心周波数ωＱをレー
ザ光本来の１０１４１１ｚから光検出器２８により検出
可能な周波数まで下げて測定するものである。

レーザ光Ｂとレーザ光Ｃは同一の半導体レーザ１０から
出力されたちのであるため、中心周波数ω０や変調周波
数ωｍがずれても、レーザ光Ｂとレーザ光Ｃの間で相対
的にずれることがない。したがって、レーザ光Ｂとレー
ザ光Ｃが第２図（ｂ）に示すように常に一方だけか変調
されていると、混合レーザ光は常に変調されていないレ
ーザ光と変調されたレーザ光が混合されたしのとなる。

レーザ光Ｂの周波数をωＢ振幅をＢ、レーザ光Ｃの周波
数をωＣ振幅をＣとすると、各レーザ光Ｂ及びＣの式は
、 ＥＢ　＝Ｂ　５ｉｎ（ωＢ　ｔ） ＥＣ＝Ｃ５ｉｎ（ωｃ　ｔ） となる。なお、一般的には各レーザ光Ｂ、Ｃの位相は異
なるが、半導体レーザ１０を微調整することにより同一
位相にすることができるため、位相成分は省略している
３ これらレーザ光Ｂ及びＣを混合したレーザ光の式は、 ＥＨ＝ＥＢ　＋ＥＣ Ｂ　　５ｉｎ（ωＢ　ｔ）士Ｃ５ｉｎ（ωｃ　ｔ）とな
る。

光検出器２８はこの混合レーザ光のパワーに比例した信
号を出力する。混合レーザ光のパワーＰＨは次式の如く
なる。

ＰＭ　　　（ＥＢ　＋ＥＣ）　２ ＥＢ　　＋ＢＣ２＋２ＥＢ　ＥＣ −（Ｂ　　５ｉｎ（ωＢ　ｔ　）　）　２±（Ｃ３１ｎ
（ωＣｔ））２ ±２ＢＣ５ｉｎ（ωＢ　ｔ）　　５ｉｎ（ωｃ　ｔ）＝
　（Ｂ　５ｉｎ（ωＢ　ｔ　）　）　２＋　（Ｃ５ｉｎ
（ωｃ　ｔ　）　）　”＋ＢＣ（ｃｏｓ（ωＢ＋ωＣ＞
ｔ ＣＯＳ　（ωＢ　−ωＣ）ｔ＋ 今、レーザ光Ｂが周波数変調されていて周波数ωＢ＝ω
０＋ωｍとし、レーザ光Ｃか主端数変調されていなくて
周波数ωＣ−ωＯとすると、上式のパワーＰＨは次のよ
うになる。

Ｐ８　（ＢＳｉｎ（（ω０＋ωｍ）ｔ））２士（Ｃ５ｉ
ｎ（ωｏｔ）　）　２ ＋ＢＣ（ｃｏｓ（２ωｏ＋ωｍ）ｔ ＣＯＳ　（０ｍ）ｔ） 光検出器２８はレーザ光本来の１０１４Ｈ２の周波数ω
０に対しては早すぎて応答しないが、変調周波数ωｍの
１０９Ｈ２には応答する。したがって、上式の第１項、
第２項及び第３項中の第１項の交流成分に応答せず直流
成分のみに応答し、交流成分としては第３項中の第２項
にのみ応答することになる。したがって、光検出器２８
の出力信号のスペクトルをとると、第５図に示すように
中心周波数ωＯのピークが周波数Ｏの所に位置し、側帯
波が周波数ωｍ、２ωｍ、３ωｍ、・・・の所に位置す
るようになる。第５図からレーザ光の中心周波数の強度
ＰＯと側帯波の強度Ｐ１を測定し、比Ｐ１、／ＰＯを求
め、最終的には周波数変調効率を求める。

なお、本実施例では上述のごとく被測定光を分し、一方
を遅延させた後混合して、部分した光の間に唸りを生じ
させて、変調周波数を検出しているのて′、自己による
ホモダイン、すなわち自己ホモタインということができ
る。

二のように、本実施例によれば、スペクトラムアナライ
ザ３０としては１０９１１ｚの変調周波数ωｍに応答で
きる程度の感度で十分に測定が可能であり、簡便に半導
体レーザの周波数変調効率の検出が可能である。

ｆｂ）第２の実施例 第６図に本発明の第２の実施例による半導体発光装置の
周波数変調特性検出装置を示す。第１図に示す第１の実
施例と同一の構成要素には同一の符号をけし、説明を省
略する。

本実施例では半導体レーザ１０から出力されるレーザ光
を光ファイバにより案内している。すなわち、半導体レ
ーザ１０にはアイソレータ３２を介して光ファイバ３４
か設けられている。アイソレータ３２は一旦出力された
レーザ光が反射して半導体レーザ１０に戻ることを防止
するために設けられている。

光ファイバ３４には光フアイバカプラ３６が設けられて
いる。光ファイバ３４を案内された光は、この光フアイ
バカプラ３６により部分され、２本の光ファイバ３８．
４０に導かれる。これら光ファイバ３８．４０は光混合
用の光フアイバカプラ４２に接続されている。

光フアイバカプラ３６と４２間の光ファイバ４０の長さ
を光ファイバ３８より長くして、これら光ファイバ３８
と４０を通過した光に光路差ΔＬを生ずるようにする。

この光路差ΔＬは変調周波数ωＳとの間で第１の実施例
とほぼ同様に次式のように定める。

ΔＬ−πＣ／　ｎ　ｘωＳ ここで、ｎは光ファイバの屈折率である。このように光
路差ΔＬを定めると、第１の実施例と同様に一方のレー
ザ光の変調部分と被変調部分とが常に重なり合うように
なる。

本実施例では光ファイバ３８の途中に光変調器４４を挿
入している。この光変調器４４により光ファイバ３８を
案内されるレーザ光が周波数ω八〇で変調される。例え
ば、１０′：）Ｈｚの周波数ω＾０で変調する。これに
より光ファイバカグラ４２で混合された光のスペクトル
が第７図に示すように全体的に周波数ωＡＯたけシフト
され、測定がより簡単になる。これは、第５図に示すよ
うに中心周波数のピークが周波数０に位置から少しシフ
トした方がスペクトラムアナライザ３０の画面上で観測
し易いからである。この場合には混合する周波数が異な
るので自己によるヘテロダイン、すなわち自己ヘテロダ
インということかできる。

また、光ファイバ４０の途中に位相シフタ４６を挿入し
ている。位相シフタ４６は印加する電圧を変化させると
内部の物質の屈折率が変化するものである。これにより
位相シフタ４６を通るレーザ光の位相をシフトさせる。

位相シフタ４６に印加する電圧を変化させることにより
１．光ファイバ３８と光ファイバ４０を通るレーザ光の
位相差を互いに強め合うように調節する。

光フアイバカプラ４２により混合されたレーザ光は、第
１の実施例と同様に光検出器２８により検出され、スペ
クトラムアナライザ３０により測定される。

このように本実施例によれば光スペクトラムの中心周波
数のピークをずらすので容易に高精度の検出が可能であ
る。

（ｃ）変形例 本発明は上記実施例に限らず種々の変形が可能である。

例えば、第２の実施例においては光ファイバ４０の方を
光ファイバ３８より長くしたが、逆に短くしてもよい。

また光変調器４４を光ファイバ３８に挿入し、位相シフ
タ４６を光ファイバ４０に挿入したが、これら光変調器
４４と位相シフタ４６をどちらの光ファイバ３８又は４
０に挿入してもよい。また、光変調器４４や位相シフタ
４６を設けなくてもよい。

また、上記第１及び第２の実施例では中心周波数の強度
ＰＯと側帯波の強度Ｐ１を求めるのにスペクトラムアナ
ライザ３０を用いたが、スペクトラムアナライザ３０の
代わりに選択レベルメータを用いてもよい、第２の実施
例の場合であれば選択しベルメータの周波数をωＡＯ２
ω＾０＋ωｍに合わせることにより、中心周波数のピー
クのレベルと側帯波のレベルを直読することができる。

さらに、上記実施例では半導体レーザの周波数変調効率
を検出したが、変調効率以外の他の変調特性を検出する
ようにしてもよい。

また、第２の実施例ではレーザ光を混合するのに光フア
イバカプラを用いたが、例えば内部にハーフミラ−を有
する光結合器により混合しても良い。

さらに、上記実施例では半導体レーザの周波数変調特性
を検出したが、半導体レーザ以外の半導体発光装置の周
波数変調特性を検出するようにしてもよい。

なお、本発明による検出装置全体を光ＩＣとして構成す
るようにしてもよい。そのようにすれば、検出装置を精
度よく作ることができ、かつ小形化が可能である。

［発明の効果１ 以上の通り、本発明によれは超精密な光学系を用いるこ
となく十分に高精度の周波数変調特性の検出か可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による半導体発光装置の
周波数変調特性検出装置を示す図、第２図は同周波数変
調特性検出装置における光路差の決定方法を説明するた
めのグラフ、第３図は周波数変調されたレーザ光のスペ
クトラムを示すグラフ、 第４図は周波数変調時のレーザ光の振幅変調を示すグラ
フ、 第５図は自己ホモダインによる混合レーザ光のスペクト
ラムを示すグラフ、 第６図は本発明の第２の実施例による半導体発光装置の
周波数変調特性検出装置を示す図、第７図は自己ヘテロ
ダインによる混合レーザ光のスペクトラムを示すグラフ
である。 図において、 １０・・・半導体レーザ、１２・・負荷抵抗、１・１・
・交流発振器、１６・・・コンデンサ、１８・・・スイ
・ｌチ、２０．２２・・・ハーフミラ−１２４，２６・
・ミラー２８・・光検出器、３０・・・スペクトラムア
ナライザ、３２・・・アイソレータ、３　Ｚｌ、３８、
−１０・・光ファイバ、３６．４２・・・光フアイバカ
プラ、４４・・・光変調器、４６・・・位相シフタ。 の周波数変凋行性検出畏置奮ホす口 筒１図 τ （α） （ｂ） 尤距岸のミ夫定万涛を説明するグラフ 第２図 −一 周波数皮調さ札たレープ尤のズ公りトラ△第　３　図 闇波数変謂同Φレーザ光の根輻莢謬ト示ずグラフ第４図 ０　　　ωＩＩ２ωＩｌｌＩＪｍ間又数ｗ自己不ｔダイ
ンＬａｃ！ｒろ；見合ループ尤のスτクトラ△第　５　
図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体発光装置から発せられる光の周波数変調特性
   を検出する半導体発光装置の周波数変調特性検出方法に
   おいて、 前記半導体発光装置を所定の変調周波数で間欠的に変調
   し、出力光に変調部分と非変調部分とを交互に生じさせ
   、前記半導体発光装置からの出力光を二分し、二分され
   た光の一方の光の変調部分と他方の光の非変調部分とが
   重なり合うように、二分された光の間に相対的に光路差
   を発生させ、相対的に光路差が発生された２つの光を混
   合し、混合された光を検出し、光の検出信号に基づいて
   前記半導体発光装置から発せられる光の周波数変調特性
   を検出することを特徴とする半導体発光装置の周波数変
   調特性検出方法。