CN101350497B - 半导体激光器的控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种对具有可用加热器调节折射率的波长选择部的半导体激光器进行控制的方法，该方法包括：启动过程，其包括调节所述加热器的发热值直至加热器的发热值到达规定值的第一步骤；以及波长控制过程，其包括在所述启动过程之后根据对所述半导体激光器的振荡波长的检测结果校正所述半导体激光器的波长的第二步骤。

Description

半导体激光器的控制方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器的控制方法。
背景技术
波长可调半导体激光器是一种光器件。波长可调半导体激光器具有对激光振荡的增益，并选择波长。作为选择波长的方法，有这样的方法：通过调节谐振器中的光波导中的衍射光栅等的光学功能区域的折射率来调节损耗、反射或增益的波长特性。
调节折射率的方法不需要机械可动部分，这与调节机械角度或机械长度的方法不同。因此，此方法在可靠性和生产成本上具有优势。作为调节光波导的折射率的方法，有这样的方法：调节光波导的温度的方法、通过电流注入来调节光波导中的载流子密度的方法等。作为采用调节光波导温度的方法的波长可调激光器的实例，提出了一种具有反射峰值的峰值波长周期地出现的取样光栅分布布拉格反射器(Sampled GratingDistributed Bragg Reflector(SG-DBR))和增益谱的峰值波长周期地出现的取样光栅分布反馈(Sampled Grating Distributed Feedback(SG-DFB)的半导体激光器。
该半导体激光器控制SG-DBR和SG-DFB的反射谱之间的相关关系，利用游标效应(vernier effect)选择波长，并发出激光。即，半导体激光器在两个谱重叠并且反射强度达到最大的一个波长处振荡。因此能够通过控制两个反射谱的相关关系来控制振荡波长。
日本专利申请公开NO.9-92934(此后称为文献1)公开了一种通过控制光波导的折射率来控制振荡波长的半导体激光器。在文献1中，采用加热器作为光波导的折射率的控制部分。利用加热器控制光波导的温度以控制波长。
在使用加热器进行光波导的折射率控制的情况下，加热器的劣化是一个问题。当加热器的电阻由于加热器的劣化而变化时，即使向加热器施加恒定电流，加热器的发热值也会改变。特别地，在由彼此具有不同波长特性的光波导的组合(例如SG-DFB和SG-DBR的组合)的光器件中，各个光波导之间的温度差很重要，而预料之外的发热值变化是致命的。
用于控制光波导的温度的加热器的温度范围宽度(ΔT)约为40度。加热器的温度相对较低。因此，未考虑加热器的劣化。
在连续使用半导体激光器的情况下，较难暴露出加热器的劣化。图1示出加热器的温度与半导体激光器的振荡波长之间的关系。图1的横轴代表加热器的温度。图1的纵轴表示半导体激光器的振荡波长。例如，半导体激光器在SG-DBR区域和SG-DBF区域的两个反射谱重叠的波长处振荡。因此，半导体激光器的振荡波长按预定的波长间隔分布。在图1中，平坦部分(λ1到λ4)是半导体激光器可振荡的波长。
加热器的温度设定在图1所示的温度范围R内，以将半导体激光器的振荡波长设定为λ2。例如，向加热器提供电流以使得加热器的温度处于温度范围R中间的温度T。然而，如果加热器劣化，加热器的电阻改变。在此情况下，加热器的发热值改变。即，当加热器的温度偏离温度T时，半导体激光器可在不同于λ2的波长处振荡。
然而，采用反馈系统以检测输出波长并校正该波长的半导体激光器具有用于校正半导体激光器的输出波长的波长锁定器。波长锁定器控制温度控制装置的温度并改变SG-DFB区域的增益谱以与期望的波长λ2匹配。因此，即使当加热器劣化并且加热器的温度与温度T不同时，当加热器的温度在温度范围R内时半导体激光器的振荡波长保持为λ2。即，当连续校正波长时，即使加热器逐渐劣化，也因为输出波长是稳定的而难以暴露出加热器的劣化。
另一方面，当系统关闭以进行维护时就暴露出问题。当系统重新启动时从查询表中加载加热器的电流值和温度控制装置的温度。查询表的设定值是在加热器未劣化的条件下的初始值。因此，如果加热器劣化，则加热器的温度与温度T不同。另一方面，查询表的温度值是初始值。因此，SG-DFB区域的增益谱不同于波长锁定器对波长进行校正时的增益谱。
例如，当加热器几乎没有劣化并且加热器的初始温度在温度范围R内时，半导体激光器可在预期的波长λ2处振荡。然而，因为加热器的劣化而未获得温度T，因此，半导体激光器会在另一波长处振荡。例如，如果未精确地向激光器芯片给出温度控制装置的初始温度值和SG-DFB的初始电流值，半导体激光器可在与波长λ2不同的波长处振荡。即，振荡波长对于参数移动是敏感的。
当加热器劣化并且加热器的温度位于温度范围R之外时，即使其他参数得以精确控制，半导体激光器也可能不在波长λ2处振荡。无论如何，如果加热器劣化，在重新启动时难以获得期望的波长。
发明内容
本发明是在考虑了上述情况下做出的，提供了一种即使加热器劣化时仍获得期望的波长的控制半导体激光器的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种控制半导体激光器的方法，该半导体激光器具有波长选择部，该波长选择部的折射率可通过加热器控制，该方法包括：启动过程，包括调节所述加热器的发热值直至所述加热器的发热值达到规定值的第一步骤；以及波长控制过程，包括在所述启动过程之后根据对所述半导体激光器的振荡波长的检测结果校正所述半导体激光器的波长的第二步骤。
用此方法，在波长控制过程之前精确地校正加热器的发热值。在此情况下，即使加热器劣化，波长选择部的光学特性也与加热器几乎不劣化的情况基本相同。因此，能够获得期望的振荡波长。
附图说明
结合附图阅读以下详细说明，可以更好地理解本发明的其他目的、特征和优点，其中：
图1示出加热器的温度与半导体激光器的振荡波长之间的关系；
图2示出根据第一实施方式的半导体激光器和具有该半导体激光器的激光器件的结构；
图3示出查询表的示例；
图4示出激光器件控制方法的一个示例的流程图；以及
图5示出在暗调(dark-tune)半导体激光器的情况下控制方法的一个示例的流程图。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明的实施方式。
第一实施方式
图2示出根据第一实施方式的半导体激光器10与具有半导体激光器10的激光器件100的结构。如图2所示，激光器件100具有半导体激光器10、温度控制装置20、波长检测器30、输出检测器40以及控制器50。半导体激光器10安装在温度控制装置20上。下面将描述各个部件。
半导体激光器10具有SG-DBR区域11、SG-DBF区域12以及半导体放大器(SOA：半导体光放大器)区域13依次耦合的结构。SG-DBR区域11具有按规定间隔设置了光栅的光波导。即，SG-DBR区域11的光波导具有包含衍射光栅的第一区域以及与第一区域光连接、并用作隔离部(spacer)的第二区域。SG-DBR区域11的光波导由具有与激光振荡波长相比位于短波长侧的吸收边缘波长的半导体晶体构成。加热器14位于SG-DBR区域11上。
SD-DFB区域12具有按规定间隔提供了光栅的光波导。即，SG-DFB区域12的光波导具有包含光栅的第一区域以及与第一区域光连接、并用作隔离部的第二区域。SG-DFB区域12的光波导由放大期望的激光振荡波长的光的半导体晶体构成。电极15设置在SG-DFB区域12上。SOA区域13具有由通过电流控制来放大光或吸收光的半导体晶体构成的光波导。电极16设置在SOA区域13上。SG-DBR区域11的光波导、SG-DFB区域12的光波导以及SOA区域13的光波导彼此光连接。
半导体激光器10安装在温度控制装置20上。用于检测温度控制装置20的温度的热敏电阻(未示出)设置在温度控制装置20上。波长检测器30具有用于检测激光强度的光接收元件以及透过标准具(etalon)并具有波长特性的用于检测激光强度的光接收元件。输出检测器40具有用于检测通过SOA区域13的激光的强度的光接收元件。在图2中，波长检测器30设置在SG-DBR区域11一侧，而输出检测器40设置在SOA区域13一侧。然而，半导体激光器10的结构不限于此。例如，各个检测器可相反地设置。
控制器50具有包括中央处理单元(CPU)、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等以及电源的控制部分。控制器50的ROM存储半导体激光器10的控制信息和控制程序。控制信息例如存储于查询表51中。图3示出查询表51的示例。
如图3所示，查询表51包括每个通道中的初始设定值和反馈控制目标值。初始设定值包括SG-DFB区域12的初始电流值ILD、SOA区域13的初始电流值ISOA、加热器14的初始电流值IHeater以及温度控制装置20的初始温度值TLD。反馈控制目标值包括输出检测器40的反馈控制目标值Im1、波长检测器30的反馈控制目标值Im3/Im2以及加热器14的电功率的反馈控制目标值PHeater。
接着，将描述激光器件100的控制方法。图4示出半导体激光器10的控制方法的流程图。如图4所示，控制器50查阅查询表51并获得初始电流值ILD、初始电流值ISOA、初始电流值IHeater以及初始温度值TLD(步骤S1)。
接着，控制器50根据在步骤S1获得的初始设定值启动半导体激光器10的激光振荡(步骤S2)。具体地，控制器50控制温度控制装置20以使得温度控制装置20的温度被控制为初始温度值TLD。并且半导体激光器10的温度被控制为初始温度值TLD附近的恒定值。结果，  SG-DFB区域12的光波导的等效折射率得以控制。接着，控制器50向电极15提供初始电流值ILD的电流。并且在SG-DFB区域12的光波导中产生光。在SG-DFB区域12中产生的光在SG-DBR区域11和SG-DFB区域12的光波导中反复反射并放大。这就导致激光振荡。接着，控制器50向加热器14提供初始电流值IHeater的电流。因此，SG-DBR区域11的光波导的等效折射率被控制为规定值。接着，控制器50向电极16提供初始电流值ISOA的电流。通过该控制，半导体激光器10以与设定的通道对应的初始波长发射激光。
然后，控制器50根据由加热器14两端施加的电压和向加热器14提供的电流得到的电功率确定加热器14的发热值是否在要求的范围内(步骤S3)。具体地，控制器50从查询表51取得反馈控制目标值PHeater。随后，控制器50确定由检测到的加热器14的电压和向加热器14提供的电流得到的电功率是否在包括反馈控制目标值PHeater的规定范围内。
如果步骤S3中确定加热器14的发热值不在所要求的范围内，则控制器50校正加热器14的温度(步骤S7)。改变向加热器14提供的电流、并改变由向加热器14提供的电流和向加热器14两端之间施加的电压得到的电功率时，校正了加热器14的温度。此后，控制器50再次执行步骤S3。通过此循环，对加热器14的发热值进行反馈控制，以使其保持在要求的范围内。
接着，控制器50根据波长检测器30的检测结果确定激光的波长是否在要求的范围内(步骤S4)。具体地，控制器50从查询表51取得反馈控制目标值Im3/Im2、取得波长检测器30中的两个光接收元件的比例Im3/Im2，并确定比例Im3/Im2是否在包括反馈控制目标值Im3/Im2的规定范围内。
如果步骤S4中确定激光的波长不在要求的范围内，则控制器50校正温度控制装置20的温度(步骤S8)。在此情况下，SG-DFB区域12的光波导的增益谱的峰值波长改变。之后，控制器50再次执行步骤S4。通过此循环，对激光的波长进行反馈控制，以使其保持为期望的恒定值。
如果步骤S4中确定激光的波长在要求的范围内，则控制器50确定激光的光强是否在要求的范围内(步骤S5)。具体地，控制器50从查询表51取得反馈控制目标值Im1，取得输出检测器40的光接收元件的检测结果Im1，并确定检测结果Im1是否在包括反馈控制目标值Im1的规定范围内。
如果步骤S5中确定激光的光强不在要求的范围内，则控制器50校正向电极16提供的电流(步骤S9)。之后，控制器50再次执行步骤S5。通过此循环，对激光的光强进行反馈控制，以将其控制为期望的恒定值。
如果步骤S5中确定激光的光强位于要求的范围内，则控制器50确定加热器1 4的发热值是否在要求的范围内(步骤S6)。具体地，控制器50从查询表51取得目标值PHeater，取得向加热器14的两端之间施加的电压，并确定利用向加热器14提供的电压和电流所计算出的电功率是否在包括反馈控制目标值PHeater的要求范围内。
如果步骤S6中确定加热器14的发热值不在要求的范围内，则控制器50校正向加热器14提供的电功率(步骤S10)。在此情况下，当电流和电压中的至少一项被校正时，电功率得到校正。在本实施方式中，控制器50通过增加或减小向加热器14提供的电流值来校正电功率。通过此循环，对向加热器14提供的电功率进行反馈控制以将其控制在要求的范围内。如果步骤S6中确定向加热器14提供的电功率位于要求的范围内，则控制器50再次执行步骤S4。
在本实施方式中，在用波长检测器30控制波长之前，精确地校正加热器14的发热值。在此情况下，即使加热器14劣化，加热器14的发热值也与加热器几乎不劣化的情况基本相同。因此，SG-DBR区域11的光学特性与加热器几乎不劣化的情况基本相同。这就产生了与初始设定值相应的期望波长。
在图4所示流程图中，控制振荡波长和发射光的强度。然而，此流程图不限于此。其他微控制器可执行步骤S4到步骤S8的循环或步骤S8到S9的循环。
接着，将描述在暗调的情况下控制激光装置100的方法。暗调是禁止光输出直至激射波长达到要求的波长范围的方法。在本实施方式中，在向SOA区域13施加反向电压并且禁止光输出的条件下调节半导体激光器10的激射波长。
图5示出激光器件100的暗调示例的流程图。如图5所示，控制器50查阅查询表51并取得初始电流值ILD、初始电流值ISOA，初始电流值IHeater以及初始温度值TLD(步骤S11)。
接着，控制器50根据步骤S11中取得的初始设定值启动半导体激光器10的激光振荡(步骤S12)。具体地，控制器10控制温度控制装置20以使得温度控制装置20的温度控制为初始温度值TLD。接着，控制器50向电极15提供初始电流值ILD的电流。接着，控制器50向加热器14提供初始电流值IHeater的电流。然后，SG-DFB区域12中产生的光在SG-DBR区域11和SG-DFB区域12的光波导中反复地反射并放大。这就产生激光振荡。
接着，控制器50确定加热器14的发热值是否在要求范围内(步骤S13)。具体地，控制器50从查询表51取得反馈控制目标值PHeater。之后，控制器50确定由检测到的加热器14的电压和向加热器14提供的电流得到的电功率是否在包括反馈控制目标值PHeater的规定范围内。
如果步骤S13中确定加热器14的发热值不在要求的范围内，则控制器50校正加热器14的温度(步骤S19)。之后，控制器再次执行步骤S3。
接着，控制器50根据波长检测器30的检测结果确定激光的波长是否在要求的范围内(步骤S14)。具体地，控制器从查询表51取得反馈控制目标值Im3/Im2，取得波长检测器30中的两个光接收元件的比例Im3/Im2，并确定比例Im3/Im2是否在包括反馈控制目标值Im3/Im2的规定范围内。
如果步骤S14中确定激光的波长不在要求范围内，则控制器50校正温度控制装置20的温度(步骤S20)。此后，控制器50再次执行步骤S14。
如果步骤S14中确定激光的波长在要求范围内，则控制器50向电极16提供初始电流值ISOA的电流(步骤S15)。因此，半导体激光器10发射与设定通道相应的初始波长的激光。
接着，与步骤S14类似，控制器50根据波长检测器30的检测结果确定激光的波长是否在要求的范围内(步骤S16)。如果步骤S16中确定激光的波长不在要求范围内，则控制器50校正温度控制装置20的温度(步骤S21)。之后，控制器50再次执行步骤S16。
如果步骤S16中确定激光的波长在要求范围内，则控制器50确定激光的光强是否在要求范围内(步骤S17)。具体地，控制器50从查询表51取得反馈控制目标值Im1，取得输出检测器40中的光接收元件的检测结果Im1，并确定检测结果Im1是否在包括反馈控制目标值Im1的规定范围内。
如果步骤S17中确定激光的光强不在要求范围内，则控制器50校正向电极16提供的电流(步骤S22)。之后，控制器50再次执行步骤S17。
如果步骤S17中确定激光的光强在要求范围内，则与步骤S13类似，控制器50确定加热器14的发热值是否在要求的范围内(步骤S18)。如果步骤S18中确定加热器14的发热值不在要求的范围内，则控制器50校正向加热器14提供的电功率(步骤23)。之后，控制器50再次执行步骤S18。如果步骤S18中确定向加热器14的发热值提供的电功率在要求的范围内，则控制器50再次执行步骤S16。
按照图5的流程图，在用波长检测器30控制波长之前，精确地校正加热器14的发热值。在此情况下，即使加热器14劣化，加热器14的发热值也与加热器14几乎不劣化的情况基本相同。因此，SG-DBR区域11的光学特性与加热器14几乎不劣化的情况基本相同。这产生与初始设定值相应的期望波长。
在本实施方式中，半导体激光器具有SG-DBR区域和SG-DFB区域的组合。然而，该结构不限于此。例如，本发明可应用于这样的半导体激光器：其中用作增益区域的有源区域位于一对SG-DBR区域之间。在此情况下，加热器设置在每个SG-DBR区域上或一个SG-DBR区域上。在此情况下，如果热敏电阻检测各加热器的温度，能够进行反馈控制以使得加热器的发热值在要求的范围内。
本发明可应用于CSG-DBR(啁啾取样光栅分布布拉格反射器(Chirped Sampled Grating Distributed Bragg Reflector))。在CSG-DBR中，连接光栅的隔离区域具有彼此不同的的长度，这与SG-DBR区域不同。因此，在CSG-DBR区域的反射谱的峰值强度中存在波长依赖性。在此情况下，在规定的波长范围内反射谱的峰值强度大。因此，如果使用具有相对较高强度的波长范围中的波长作为激射波长，则能够在与期望波长不同的波长处抑制振荡。在使用CSG-DBR的情况下，如果在由光栅和隔离部分构成的各个段上设置各个加热器，则能够分别控制每个段的温度。
在上述实施方式中，通过利用电压计、电流计或电功率计检测向加热器提供的电功率来检测加热器的发热值。然而，该结构不限于此。例如，可利用热敏电阻检测加热器的发热值。
在图4的流程图中，步骤S3对应于第一步骤。步骤S1到步骤S3对应于启动过程。步骤S4对应于第二步骤。步骤S4到S6对应于波长控制过程。步骤S6对应于第三步骤。在图5的流程图中，步骤S13对应于第一步骤。步骤S11到S15对应于启动过程。步骤S16对应于第二步骤。步骤S16到S18对应于波长控制过程。步骤S18对应于第三步骤。
本发明不限于上述具体公开的实施方式，而包括不脱离本发明范围的其他实施方式和改变。
本发明基于2007年7月19日提交的日本专利申请No.2007-188880，其全部内容通过引用结合于此。

Claims (10)

1.一种控制半导体激光器的方法，该半导体激光器具有第一波长选择部和第二波长选择部，所述第一波长选择部的折射率可通过加热器控制，所述第二波长选择部不具有加热器，所述半导体激光器设置在温度控制装置上，利用所述温度控制装置对振荡波长进行反馈控制，以使其为期望的恒定值，该方法包括：
温度控制过程，用于利用所述温度控制装置将所述半导体激光器的温度控制为规定值；
发热值调节过程，用于调节所述加热器的发热值直至所述加热器的发热值达到规定值；以及
波长控制过程，用于在所述发热值调节过程之后根据对所述半导体激光器的振荡波长的检测结果校正所述半导体激光器的振荡波长。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述发热值调节过程中通过调节向所述加热器提供的电功率来调节所述加热器的发热值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中在所述发热值调节过程中，通过调节向所述加热器提供的电流、直至由所述加热器两端的电压和向所述加热器提供的电流得到的电功率达到规定值，来调节所述加热器的发热值。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在所述发热值调节过程中，通过调节向所述加热器提供的电功率、直至设置于所述加热器附近的温度检测器的输出达到规定值，来调节所述发热值。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述波长控制过程包括控制所述加热器的发热值以将所述波长校正为预定值的步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体激光器具有用于检测振荡波长的波长检测器。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体激光器具有包含衍射光栅的有源区域和光连接到所述有源区域且具有衍射光栅的光波导，所述光波导的等效折射率可用所述加热器调节。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述有源区域和所述光波导具有包括衍射光栅的第一区域以及与第一区域连接并用作隔离部的第二区域。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体激光器具有有源区域和分别光连接到所述有源区域的两端的一对光波导，所述光波导中至少其中之一具有用于控制其等效折射率的加热器。
10.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
暗调过程，在抑制向外部的光输出的条件下，执行所述发热值调节过程和所述波长控制过程；以及
光输出过程，保持所述暗调过程中选择的波长而向外部输出光。
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