JPH04298708A - 光伝送用レーザダイオード・モジュール - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光ファイバ通信系等
において、電気信号を光信号に変換し伝送する装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は例えばレーザダイオード・モジュ
ールの構成図である。図において、１はレーザダイオー
ド、３は光ファイバ、４はレーザダイオード１の出射光
を平行ビームにするコリメートレンズ、５はこの平行ビ
ームを光ファイバ３に集光する集光レンズ、６は光ファ
イバ３からの反射光がレーザダイオード１に戻るのを防
ぐ光アイソレータ、１１は透過率が波長に依存して周期
的に変化する性質を有するエタロン、１２はレーザダイ
オード１の温度制御手段、７は上記各部品を固定してい
るレーザダイオード・モジュール・パッケージである。

【０００３】次に動作について説明する。レーザダイオ
ード１の出射光は、コリメートレンズ４により平行ビー
ムにされた後、エタロン１１、アイソレータ６を通過し
、集光レンズ５により光ファイバ３に結合される。光ア
イソレータ６は光ファイバ３等で生じる反射光がレーザ
ダイオード１に戻るのを防いでいるので、光ファイバ３
にはレーザダイオード１の特性がそのまま反映されて結
合される。エタロン１１は、図５に示すように、その透
過率が通過する光の波長に対し周期的に変化する性質を
有し、以下に述べるようにレーザダイオード１の発振時
に生じる変調歪を低減している。また、レーザダイオー
ド１の発振波長は図６に示すような温度特性を持ってい
るので、レーザダイオードの温度制御手段１２により温
度を制御し発振波長を一定に保っている。即ち、エタロ
ン１１を通過した光の変調歪を最小にするような波長を
温度制御手段１２により設定している。この時、設定す
る温度としてはできるだけ室温に近い値を選んでいる。 これはレーザダイオードを高い温度で駆動すると寿命が
短くなり、低い温度で駆動すると周囲温度が高くなった
時に冷却が困難になるからである。

【０００４】ここでレーザダイオードの変調歪について
述べる。図７にレーザダイオード１の一般的な特性を示
す。図において、Ｉはレーザダイオード１に流れる電流
、Ｌはレーザダイオード１の光出力で、Ｌ−Ｉ曲線８は
発振閾値電流Ｉｔｈ以上の電流で急激に立上り、電流が
増加するにつれてわずかに上に凸の形をした非線形な特
性を持っている。バイアス電流Ｉｂにおいて、電流変化
△Ｉに対する光出力変化△Ｌを多項式展開すると次式の
ように表わせる。 △Ｌ＝Ｌ１　△Ｉ＋Ｌ２　△Ｉ２　　　……………（１
）ここで、Ｌ１　は電流変化△Ｉの１次係数、Ｌ２　は
電流変化△Ｉの２次係数で３次以上の高次の項は小さな
値なので無視している。（１）式におけるＬ２　は非線
形な特性により生じる二次の変調歪の大きさを示し、Ｌ
−Ｉ曲線８が図７に示したような上に凸の形をしている
ので、Ｌ２は負の値を持っている。このように、Ｌ−Ｉ
曲線８は飽和特性を示しているので、変調電流波形９に
対し光強度波形１０は歪んだ形となり、変調歪が生じる
。

【０００５】次に、レーザダイオード１の非線形な応答
特性が線形に補償される原理について述べる。図５はエ
タロン１１の波長に対する透過特性を示し、レーザダイ
オード１の発振波長は、短波長側への発振波長変化に対
してエタロン１１の透過率が増加する領域に設定してあ
る。例えば、この設定位置（動作点）をＡ点とし、エタ
ロンの透過特性における動作点の位相をφＡとする。な
お、図２のようにエタロンの波長に対する透過特性を考
えた時、ピークの間幅をフリー・スペクトラル・レンジ
（ＦＳＲ）と呼び、反射面間の光路長（距離と屈折率の
積）により決まる。この透過曲線をレーザダイオード１
の発振波長であるＡ点において、Ａ点からの波長変化△
λで多項式展開し、高次の項は小さいので無視すると、
透過率ｔは次式で表わされる。 ｔ＝ｔ０　＋ｔ１△λ＋ｔ２　△λ２　　　　…………
（２）ここで、△λはレーザダイオード１の発振波長λ
０　からの波長変化である。また、ｔ０は波長変化△λ
の０次係数、ｔ１は波長変化△λの１次係数、ｔ２は波
長変化△λの２次係数であり、１次係数ｔ１　は、レー
ザダイオード１の短波長側への波長変化に対し透過率が
増加するＡ点近傍では、負の値を有している。ところで
、レーザダイオードはその発振波長が電流の変化に対し
て変化する性質を有しており、次式の関係がある。 △λ＝Ｋ△Ｉ　　　　………………（３）ここで、Ｋは
比例定数であり、発振波長が電流の増加に対して長波長
側に変位する場合は正、発振波長が電流の増加に対して
短波長側に変位する場合は負の符号を有する。レーザダ
イオードは、１ＭＨｚ　以上の高い周波数の信号電流に
おいて、電流の増加に対して短波長側に変位する特性を
有し、Ｋの符号は負である。エタロン１１の透過特性は
、（３）式を（２）式に代入し高次の項を無視すると、
次式のように表わされる。 　　　　　　ｔ＝ｔ０　＋ｔ１　Ｋ△Ｉ＋ｔ２Ｋ２　△
Ｉ２……………　　（４）以上より、エタロン１１を挿
入した時の電流変化△Ｉに対する光出力変化△ＰはＬと
ｔの積で表され次式のようになる。 △Ｐ＝△Ｌｔ＝Ｐ１　△Ｉ＋Ｐ２　△Ｉ２　　………　
（５）ここで、電流変化△Ｉの各係数はそれぞれ次式で
表わされる。 Ｐ１　＝Ｌ１　ｔ０　　　……………………………（６
）Ｐ２　＝Ｌ１　ｔ１　Ｋ＋Ｌ２　ｔ０　　……………
　　（７）先に示したように、レーザダイオードの光出
力波形が歪む原因は、電流変化に対する光出力の応答特
性に高次の係数が含まれているからである。エタロン１
１を透過したレーザダイオードの光出力の電流変化に対
する応答特性の２次係数Ｐ２は、（７）式で表わされた
。ここでレーザダイオードの応答特性の２次係数Ｌ２の
符号は負であるので、（７）式の第２項の符号は負であ
る。一方、エタロン１１の透過特性の１次係数ｔ１　の
符号は負であり、電流変化に対する波長変化の比例係数
Ｋは負であるので、（７）式の第１項の符号は正である
。従って（７）式の第１項と第２項は打ち消し合うため
、定数を適当に選ぶことにより２次係数Ｐ２　を零に近
づけることができる。即ち、エタロン１１の動作点を最
適に合わせることにより、レーザダイオード１の変調歪
を低減することができる。

【０００６】以上のように、レーザダイオード１の変調
歪を低減するのには、レーザダイオード１の短波長側へ
の波長変化に対してエタロン１１の透過率が増加する領
域で、エタロン１１の最適な動作点を設定すればよい。 次にエタロン１１の動作点を最適に合わせる方法につい
て述べる。エタロン１１の波長に対する透過特性を詳し
く書くと、次式のようになる。

【０００７】

【数１】 エタロン１１の動作点、即ち（８）式におけるφを調整
する方法として、エタロン１１のＦＳＲを変える方法と
レーザダイオード１の波長を変える方法の２通りがある
。エタロン１１のＦＳＲを変える方法として、エタロン
１１への光の入射角を変える方法やエタロン１１の温度
を変える方法がある。しかし、前者の場合、エタロン１
１の角度を微妙に調節しなければならず組立てが困難で
あり、後者の場合、エタロン１１の温度を変える手段が
必要となり高価になる。一方、レーザダイオード１の波
長を変える方法としては、その温度を変えれば容易に達
成できる。図６に波長１３００ｎｍのＤＦＢレーザダイ
オードの発振波長の温度特性を示す。従って、従来のレ
ーザダイオード・モジュールでは、図４に示すようにレ
ーザダイオード１の温度を、エタロン１１の動作点が最
適になるように温度制御手段１２により設定している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の光伝送用レーザ
ダイオード・モジュールは以上のように構成されている
ので、レーザダイオード・モジュールの周囲温度が変化
した場合、エタロン１１の材質の熱膨張と屈折率の変化
により、エタロンの反射面間の光路長即ちエタロン１１
のＦＳＲが変化し、図５に示したエタロン１１の透過特
性における動作点の位相がレーザダイオード１の非線形
な応答特性を補償するφＡ　からずれて、安定的にレー
ザダイオード１の変調歪を低減できなくなるという問題
点があった。また、エタロン１１を温度制御する時に、
レーザダイオード１とエタロン１１を各々別個に温度制
御することも可能であるが、構造が複雑になると共に高
価になるため望ましくない。そこで、エタロン１１をレ
ーザダイオード１と同一の温度制御手段上に設置すれば
よいが、エタロン１１の動作点を最適値に合わせる場合
、その温度を室温付近に設定しなければならない。これ
は上述したように、レーザダイオード１を高い温度で駆
動すると寿命が短くなり、低い温度で駆動しようとする
と、周囲温度が上昇した時に冷却が困難になるからであ
る。

【０００９】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、レーザダイオード・モジュール
の周囲温度が変化しても、レーザダイオードの変調歪を
安定的に低減すると共に、レーザダイオードとエタロン
の制御温度をできるだけ室温に近い温度に設定できるレ
ーザダイオード・モジュールを得ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明に係る伝送用レ
ーザダイオード・モジュールは、レーザダイオードと透
過率が波長に依存して変化するエタロンを、共通の温度
制御手段により制御し、かつ、エタロンとして、温度変
化に対する反射面間の光路長の変化の符号が負となるエ
タロンを用いたものである。

【００１１】

【作用】レーザダイオードと透過率が波長に依存して変
化するエタロンを、共通の温度制御手段で制御すること
により、エタロンの動作点の変動を小さくし、また、エ
タロンとして、温度変化に対する反射面間の光路長の変
化の符号が負となるエタロンを用いることにより、室温
付近でエタロンの動作点を最適値に調整することができ
る。

【００１２】

【実施例】実施例１ 図１はこの発明の一実施例を示す光伝送用レーザダイオ
ード・モジュールの構成図で、１、３〜７、１１は従来
のレーザダイオード・モジュールにおける同一符号のも
のと同様の機能を果すものである。また、２はレーザダ
イオード１及びエタロン１１の温度を制御する手段であ
る。

【００１３】次に動作について説明する。レーザダイオ
ード、モジュールの周囲温度が変化しても、エタロン１
１はレーザダイオード１と共に温度制御手段２上に設置
されているので、一定温度に保たれる。このためエタロ
ン１１の動作点は変わらず、周囲温度が変化しても安定
的にレーザダイオード１の変調歪を保証することができ
る。

【００１４】次に温度制御手段２の温度を周囲温度付近
に設定する方法について述べる。温度制御手段２の設定
温度を変えると、レーザダイオード１の発振波長が変わ
ると共にエタロン１１の反射面間の光路長も変化する。 この時、エタロン１１の透過特性を示す（８）式におけ
る位相の変化△φは次式で表わされる。

【００１５】

【数２】 （９）式｛　　｝内第１項は、エタロン１１の材質の熱
膨張係数と屈折率の温度係数の和で表わされ、温度変化
にともなうエタロン１１の反射面間の光路長の変化を表
し、（９）式｛　　｝内第２項は、温度変化にともなう
レーザダイオード１の発振波長の変化を表している。通
常、（９）式｛　　｝内第２項の符号は正である。エタ
ロン１１の材質として（９）式｛　　｝内第１項の符号
が正となるもの、即ち、温度に対するエタロン１１の反
射面間の光路長の変化の符号が正となるものを用いた場
合、（９）式｛　　｝内の絶対値は小さくなり、温度を
変えた時の動作点の変化が小さくなるため、エタロン１
１の動作点を調整する時は、室温付近より大きく温度を
変える必要がある。一方、（９）式｛　　｝内第１項の
符号が負の場合には、（９）式｛　　｝内第１項と第２
項の符号が同じになり、（９）式｛｝内の絶対値は大き
くなるので、エタロン１１の動作点を最適位置に合わせ
るのに、室温付近からわずかに温度を変えれば良いこと
になる。

【００１６】エタロン１１の材質として（９）式｛　　
｝内第１項の符号が正となるＢＫ７、また符号が負とな
る水晶を用いた場合について、エタロン１１の動作点を
最適位置に合わせるのに必要な温度変化量の計算例を示
す。図２に上記各材質の物性値を示す。例えばレーザダ
イオードとして、波長１３００ｎｍのＤＦＢレーザダイ
オードを用いた場合、（９）式｛　　｝内第２項は

【０
０１７】

【数３】 となる。また、エタロン１１の材質として一般的であり
、（９）式｛　　｝内第１項の符号が正となるＢＫ７の
場合、エタロン１１の透過率を１周期変化させるのに必
要な室温からの温度変化量△Ｔは、ＦＳＲを１ｎｍとす
ると、 △Ｔ＝±８．４（℃） となる。一方、エタロン１１の材質として水晶を用いて
、水晶の光学軸に垂直にしかもレーザダイオード１から
の出射光が異常光として透過するようにした場合、（９
）式｛　　｝内第１項の符号は負となり、エタロン１１
の透過率を１周期変化させるのに必要な室温からの温度
変化量△Ｔは、ＦＳＲを１ｎｍとすると、△Ｔ＝±４．
２（℃） となり、ＢＫ７の場合に比べ、約半分の温度変化でエタ
ロン１１の動作点の調整ができる。

【００１８】実施例２ なお、上記においては、ソリッドタイプのエタロンにつ
いて説明を行ったが、エアギャップタイプのエタロンに
ついても全く同じ効果が得られる。図３は、この発明の
他の実施例に係るエアギャップタイプのエタロンの断面
図である。図において、１３は１５の基板Ｃに対向する
面に反射面を有する基板Ａ、１４は１３の基板Ａに対向
する面に１５の基板Ｃが張り付けられている基板Ｂ、１
５は１３の基板Ａに対向する面に反射面を有する基板Ｃ
、１６は１３の基板Ａと１４の基板Ｂを固定するスペー
サである。この図に示したエタロンの場合、反射面間の
距離及びその熱変化は、スペーサ１６と１５の基板Ｃの
厚みの差及びそれらの熱膨張の差で表される。また、屈
折率及びその熱変化は、空気の屈折率及びその熱変化で
ある。そこで、次式を用いることにより９式はそのまま
エアギャップタイプのエタロンにもあてはまる。なお、
空気の屈折率及びその熱変化は定数なので、スペーサ１
６と１５の基板Ｃのそれぞれの材質及び厚みを変えるこ
とにより、この発明に係るエアギャップタイプのエタロ
ンは実現できる。

【００１９】

【数４】

【００２０】

【発明の効果】以上のように、この発明によればレーザ
ダイオードと透過率が波長に依存して変化するエタロン
を、共通の温度制御手段により制御しているため、簡単
な構造で、周囲温度の変化に対し安定に変調歪の補償が
できるという効果がある。また、エタロンとして温度変
化に対する反射面間の光路長の変化の符号が負となるエ
タロンを使用しているため、温度制御手段の設定温度を
室温付近に設定でき、レーザダイオードの寿命が長くな
る効果や、高度の冷却能力を備えた温度制御手段を用い
る必要がなくなるといった効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１及び実施例２を示す伝送用
レーザダイオード・モジュールの構成図である。

【図２】エタロンの物性値を示す図である。

【図３】この発明の実施例２によるエアギャップタイプ
のエタロンの構成図である。

【図４】従来の伝送用レーザダイオード・モジュールの
構成図である。

【図５】エタロンの透過特性図である。

【図６】レーザダイオードの発振波長の温度特性図であ
る。

【図７】レーザダイオードの光出力の応答特性図である
。

【符号の説明】

１　　レーザダイオード ２　　温度制御手段 ３　　光ファイバ １１　　エタロン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　透過率が波長に依存して変化するエタ
   ロンを有し、電気信号をレーザダイオードにより光信号
   に変換して光ファイバ伝送路に結合するレーザダイオー
   ド・モジュールにおいて、上記レーザダイオードと温度
   変化に対する反射面間の光路長の変化の符号が負となる
   上記エタロンを共通の温度制御手段により制御するよう
   にしたことを特徴とする光伝送用レーザダイオード・モ
   ジュール。