JPH07111453B2 - 半導体レーザから成るシステムのパラメータ測定方法 - Google Patents

半導体レーザから成るシステムのパラメータ測定方法

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JPH07111453B2 JP63192203A JP19220388A JPH07111453B2 JP H07111453 B2 JPH07111453 B2 JP H07111453B2 JP 63192203 A JP63192203 A JP 63192203A JP 19220388 A JP19220388 A JP 19220388A JP H07111453 B2 JPH07111453 B2 JP H07111453B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、半導体レーザにおける電気的又は光学的変化
の検出方法に関する。
[従来技術] 半導体レーザの動作パラメータにおける電気的又は光学
的な小さな変化の検出を必要とする多数の応用例があ
る。これらパラメータの測定は、レーザ出力を直接検出
してレーザを所定の温度及び出力パワーで動作させるこ
とにより行われるのが一般的である。また、所定の出力
パワーは一般に自動パワー制御(APC)により維持され
る。
パラメータ測定動作の適用で重要なものは、半導体レー
ザの信頼性、即ち寿命の決定である。寿命測定はほとん
ど全てのレーザ応用装置にとって重要であるが、特にレ
ーザ交換が困難で高コストとなる海底ケーブルのような
光通信応用システムにとって重要である。
寿命測定は、一般に加速エージング(accelerated agin
g)と呼ばれる技術によって行われる。加速エージング
は、半導体レーザを正規の動作温度より高い温度で長期
間動作させることにより行われる。レーザの電気的入力
パワーの変化は、光出力パワーを一定に維持することで
検出される。この技術は多くの目的に完全に適している
が、高温動作での劣化メカニズムが意図した使用温度で
の劣化メカニズムと同じであるとは限らないという難点
を有している。このために、得られた寿命には不確定要
素が存在することとなる。
しかも、非線形光共振器効果によりレーザAPCシステム
に不安定性が生じることが分かり、半導体レーザパラメ
ータの測定は更に困難となっている。従って、パラメー
タ測定の精度は、その制御システムの安定性によって制
限される。
制御システムは、閉ループ制御システムの解としての平
衡点をいくつか有しており、システムが一つの平衡点に
最終的に到達すると、そのシステムは安定状態になると
考えられる。この安定性の概念は、実際には、一つの平
衡点近傍での制御システムの動作を意味する概念であ
る。しかしながら、もし全システムが単一の非線形要素
を有しているとすれば、平衡点のない領域が存在する可
能性がある。また、多数の平衡点間を動揺してSN比が劣
化するレーザも存在する。例えば、電流に対する光出力
の特性曲線で不連続点が複数存在し得るものがある。
この様な状況は、不可避的に発生する小さな乱れがシス
テムの平衡点を変動させパラメータ測定における一時的
な不連続性を生じさせるときに、更に悪化する。従っ
て、測定精度は、テスト中のデバイスの不安定性である
か、制御システムの不安定性であるかを識別する能力に
よっても制限される。この様に、パラメータ測定及び算
出された寿命における不確定性は必然的に生じてしま
う。
[発明の概要] 半導体レーザにおける小さな電気的及び光学的変化は変
調技術を用いて検出されることが知られている。この変
調技術は、第1のレーザ面からの光出力を一定に維持し
つつ、温度のような動作パラメータを変化させることに
よって出力波長を周期的に変化させるものである。この
変調技術によって、例えばレーザの出力波長及びしきい
値電流の変化を生じさせることができる。一定の光出力
は、例えば自動パワー制御によって維持される。また、
第1又は第2のレーザ面からの出力は光回路の光共振器
に出会い、周期的な温度変調によって、光共振器から生
じる半導体レーザ出力を振幅変調及び位相変調する。位
相変調信号はローパスフィルタによって除去され、残り
の振幅変調信号はレーザの電気的及び/又は光学的特性
変化を示す信号を取り出すために使用される。
[実施例] 以下、本発明の実施例を図面を参照しながら詳細に説明
する。
第1図は、本発明による方法の一実施例に適した装置の
概略的プロック図である。
第1図において、本装置は、レーザ等の光源1、温度制
御部3、パワー制御部5及び検出システム7から成り、
検出システム7は例えば光ファイバ9等の手段を用いて
光源1と光学的に接続され、パワー制御部5及び光源1
との間にはフィードバックループが構成されている。
パワー制御部5は、レーザの第1面からの光出力をモニ
タする手段を有し、レーザへ供給する電流を調整して前
記第1面からの光出力を一定レベルに維持する。ここで
は、自動パワー制御(APC)によって光出力パワーの維
持が行われる。
光源1は一般的には半導体レーザであるが、勿論他の種
類のレーザであっても良い。また、レーザは単一縦モー
ドレーザ、即ち単一周波数レーザである必要はないが、
マルチ縦モードレーザを用いるならば最大パワーモード
が振幅検出に支配的に貢献する。より詳しく言えば、本
発明による方法は、個々のスペクトルラインの動きより
もそれらライン群の中心の動きに依存しているので、マ
ルチ縦モード出力レーザを用いて実施される。
温度制御部は、例えばレーザの温度を周期的に変化させ
る熱電部を有している。適当な周期や振幅の選択につい
ては後述する。
温度制御部によって、レーザ光の波長を変化させ共振器
からの光の振幅の変化を生じさせる。電流のような他の
パラメータを変化させ、光の波長の変化を生じさせるこ
とも可能である。この場合には、温度パラメータの場合
より波長変化が小さい。なお,勿論この場合には温度制
御部のかわりに電流制御部が必要である。
検出システムは光検出器及び電子回路を有し、この電子
回路は光検出器で吸収されたフォトンにより発生した電
気信号に対して必要な処理を行う。信号処理については
後述する。
周知の光ファイバ又は他のタイプの導波路を用いて、光
源のいずれかの面を検出システムと光学的に接続する。
全ての実施例において、光源,検出システム及びAPCシ
ステムは光回路を通して結合され、光回路は例えばフリ
ースペースで形成された光共振器を含んでもよい。この
自由空間は、レーザと光ファイバとの間にキャビティを
容易に形成できるために、共振器媒体として望ましいも
のである。加えて、レーザパッケージ内での光源から反
射面までの任意の距離により共振器を形成し得る。本発
明による方法は、固有の条件を満足するような反斜面の
光源からの距離を正確に測定するために使用され得る。
第2図は、温度に対する共振器からの光出力の変化を示
すグラフであり、縦軸及び横軸は共に任意の単位であ
る。
温度変調の範囲は、温度に依存する波長変化と容易に得
られる温度変化の大きさとにより決定される。勿論、そ
の温度変化は波長を十分に変化させる程度であり、更に
その波長変化は共振器からの光強度を十分に変化させる
程度である。また、温度変化速度は現実的且つ合理的に
定める必要がある。即ち、適当な時間内にデータが得ら
れ、しかもレーザパッケージに部分的な温度差があると
きに生じ得る外乱を防止できるように定める必要があ
る。
パワー制御部(APC)は自動システムであり、光検出器
を用いてレーザの第1面(裏面)からの光出力を測定し
フィードバックループをスタートさせる。そして光検出
器によって測定されたレーザ出力パワーを参照信号と比
較することでエラー信号を生成し、そのエラー信号に基
づいてパワーアンプがレーザを駆動する。即ち、制御シ
ステムは、前記アンプが発生させたレーザバイアス電流
を前記エラー信号を最小にするように調整する。所望の
動作点は前記最小エラー信号が得られたときに確定す
る。
非線形システムの制御性はキャリア変調を導入すること
によって改善される。この変調は、例えばレーザ温度を
正規の温度付近で変化させることによってレーザ動作波
長を周期的に変化させる本発明により達成される。この
変調技術は、レーザ波長を変化させるだけでなく、しき
い値電流及びいくつかの実施例ではファイバーレーザ間
調整又は他の光共振器の幾何学的形状をも変調するとい
う利点を有する。しきい値電流、光波長及びファイバー
レーザ間調整(もし存在すれば)の検出を有効なものに
するためには、数℃程度の温度変化で十分である。な
お、出射光の波長は、温度を一定に維持して周期的に変
化させ得る電流のような他のパラメータにも依存する。
最終的に取り出される必要のある信号はレーザパッケー
ジの対象となる動作パラメータの変動である。長期間の
寿命を検査するためには、検出システムは、これらの動
作パラメータの長期間に渡る漸近的な劣化を検出する必
要がある。所望信号は、位相変調により生じた高調波成
分を除去するために変調周波数でのローパスフィルタを
使用することにより取り出し得る。この方法は、変調さ
れた出力信号のベースバンド成分を取り出す。そして、
キャリア信号は局部発振器として温度信号を用いた線形
重畳(linear superposition)によって除去され、これ
によってキャリア周波数付近でノッチフィルタリング動
作が効率的に得られる。勿論、局部的発振及び変調信号
の位相は、重畳を有効にするために同期している必要が
ある。フィルタはキャリア周波数で位相遅延を有するた
めに、局部的発振信号は同等のフィルタによって処理さ
れ、位相同期が維持される。
信号はデジタル信号処理技術により処理されるのが望ま
しい。再帰形フィルタはバターワース、チェビシェフ、
エリプティック又はベッセル特性を有するように構成さ
れる。これらは当業者にとって明らかであるから詳細は
説明しない。所望の振幅特性は容易に達成され得る。
時間的に連続な信号はサンプリングによって時間的に離
散的な信号へ変換される。理想的なサンプリング関数
は、無限に続く等間隔パルス即ちディラックデルタ関数
である。これによってサンプラ出力はサンプリングされ
た関数値に等しい振幅を有する時系列等間隔パルスとな
る。ここで元の信号の帯域がその周波数の少なくとも2
倍の周波数によりサンプリングされると、サンプリング
による歪みを回避することができる。これがナイキスト
基準であり、最小サンプリングレートを示している。
寿命の検査に加えて、本発明の方法は、次の例に示すよ
うに短い距離を測定する点でも有用である。
波長λの光源に結合した長さdのキャビティによる共振
条件は次式で与えられる。
d=λ(λ+Δλ)/2Δλ Δλが波長λより十分小さいならば、上式は次のように
簡略化される。
d=λ2/2Δλ ここで、δλ/δTをレーザ光源の温度−波長係数とし
て、Δλを(δλ/δT)τによって近似すると、τは
振幅最大値間の1周期あたりの温度(℃)となる。従っ
て、キャビティ長は次式により表現される。
波長1.3ミクロンでのレーザ発振のために、δλ/δT
は一般に約0.75オングストローム/℃、波長は13000オ
ングストロームである。従って、d=1.127/τ(cm)と
なる。τが0.1℃であればdは約11cmとなり、τが約10
℃であればdは約0.1cmとなる。こうして、振幅最大値
間の間隔を測定することで、精度良くこれらの距離又は
その変化を決定することができる。
温度変調の他の適用例としては、各レーザパッケージの
ファブリーペロー反射器を調べて、0.5Gbit/sec程度又
はそれ以上の高速光通信システムにおける安定性を決定
する場合がある。レーザへの光フィードバックにより強
度変化が生じ、受信器においてパワーが損失する。ファ
ブリーペロー反射器はシステム性能を低下させ、反射に
よって生じた大きな振幅変化を有するパッケージが固定
される。こうして静的測定は動的性能特性を特徴付ける
のに有用である。
微小な機械的変位は、例えばファイバ端にファブリーペ
ローのエタロン又は干渉計キャビティを形成することに
よって測定される。温度変調による波長走査は強度変化
を生じさせる。しかしながら、キャビティの寸法が圧力
や振動等によって変化すると、バイアス電流が温度に対
して変化したときに、振幅最大値が新しい位置へシフト
する。この場合、APCが動作するが、温度に伴うバイア
ス電流の変化は測定される。
この適用例を理解するために次の場合を考える。このレ
ーザは、APCを用いた温度変調によって動作する。制御
電流における振幅変化が測定される。これらの振幅変化
は、次に示すエアリ(Airy)の式によって合理的に且つ
正確に与えられる。
i/imax=1/{1+F2sin(δ/2)} ここで、i及びimaxは各々検出された光電流及びその最
大値である。F=4R/(1−R)であり、Rは反射率
である。δ=4πnd cosθ/λであり、nは屈折率、d
は間隔、θは入射角及びλは波長である。仮定であるが
現実的な状況として、Rが約1%、i/imaxが約4%とす
ると、変化を容易に検出できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明による方法の一実施例に適した装置の
概略的ブロック図、 第2図は、温度に対する共振器からの光出力の変化を示
すグラフである。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体レーザの放射波長を周期的に変化さ
    せるステップと、 前記レーザの第1面からの光パワーをモニタするステッ
    プと、 前記第1面からの光パワーを一定レベルに維持するため
    のフィードバック制御システムを使用するステップと、 前記レーザからの光を前記半導体レーザの一面に光学的
    に結合された光キャビティへ放射するステップと、 前記システムの特性を測定するステップとを有すること
    を特徴とする半導体レーザから成るシステムのパラメー
    タ測定方法。
  2. 【請求項2】上記レーザの放射波長を周期的に変化させ
    るステップは、当該レーザの温度を周期的に変化させる
    ことを特徴とする請求項1記載の測定方法。
  3. 【請求項3】上記測定ステップは上記光キャビティから
    の光信号強度を検出するステップを有することを特徴と
    する請求項2記載の測定方法。
  4. 【請求項4】上記測定ステップは上記レーザを流れるバ
    イアス電流を測定することを特徴とする請求項1記載の
    測定方法。
  5. 【請求項5】上記測定ステップは強度最大値間の距離を
    測定してキャビティ寸法を決定するステップを更に有す
    ることを特徴とする請求項1記載の測定方法。
  6. 【請求項6】上記変化ステップは上記レーザを流れるバ
    イアス電流を変化させることを特徴とする請求項1記載
    の測定方法。
JP63192203A 1987-08-14 1988-08-02 半導体レーザから成るシステムのパラメータ測定方法 Expired - Lifetime JPH07111453B2 (ja)

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US085448 1993-06-30

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