CN116964882A - 激光装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
激光装置取得激光的目标频率,检测与激光透过第一频率滤波器后的激光的强度对应的第一强度,检测与激光透过第二频率滤波器后的激光的强度对应的第二强度,检测激光的强度,取得与第一强度相对于激光的强度之比相当的第一比、以及与第二强度相对于激光的强度之比相当的第二比,根据第一比、第二比、作为第一比与第二比之和的第三比、以及作为第一比与第二比之差的第四比中的任一比来设定与相当于激光的频率的频率当量对应的监测值,基于第一比至第四比中的该任一比,来取得相当于所述目标频率的目标值,以使目标值与监测值之差的绝对值变小的方式调整控制量。
Description
技术领域
本发明涉及激光装置及其控制方法。
背景技术
公开了在使输出的激光的频率可变的激光装置中使用两个以上的频率滤波器来控制激光的频率的技术,该两个以上的频率滤波器具有透过率相对于输入的光的频率而周期性变化的透过特性(专利文献1)。该两个以上的频率滤波器被设计为相位互相偏移。在该控制下,在激光的控制目标的频率处,将相对于频率的变化而产生的透过率的变化大的一方的频率滤波器的透射光使用于控制。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2019-140304号公报
发明内容
发明要解决的课题
具有相对于频率而周期性变化的透过特性的频率滤波器在其透过特性的极值的附近的频带中,相对于频率的变化而产生的透过率的变化小,控制的精度降低。这样的频带也被称作不灵敏带。
在专利文献1的技术中,将两个以上的频率滤波器设定为相位互相偏移,选择在控制目标的频率处不是不灵敏带的频率滤波器,由此能够抑制控制精度的降低。
然而,即便使用了专利文献1的技术,当频率滤波器的透过特性由于非意图的原因而产生沿周波轴向偏移、所谓的横向偏移时,控制目标的频率也有可能与所选择出的频率滤波器的不灵敏带非意图地重叠。由此控制的精度有可能降低。作为这样的非意图的原因,考虑频率滤波器的温度的变动、随时间变化。
本发明是鉴于上述情况而完成的,其目的在于提供能够抑制激光的频率的控制精度的降低的激光装置及其控制方法。
用于解决课题的方案
为了解决上述的课题,达成目的,本发明的一方案的激光装置具备:激光部,其具备使输出的激光的频率可变的光源部、以及用于取得与相当于所述激光的频率的频率当量对应的监测值的监测部;以及控制部,其通过向所述激光部供给与控制量对应的电力来控制所述激光的频率,所述监测部至少具备:第一频率滤波器及第二频率滤波器,它们具有透过率相对于输入的光的频率而周期性变化的透过特性、且相位相对偏移;第一检测部,其检测与所述激光透过所述第一频率滤波器后的激光的强度对应的第一强度;以及第二检测部,其检测与所述激光透过所述第二频率滤波器后的激光的强度对应的第二强度,所述控制部取得成为所述激光的频率的控制目标的目标频率,所述控制部取得与所述第一强度相对于所述激光的强度之比相当的第一比、以及与所述第二强度相对于所述激光的强度之比相当的第二比,所述控制部将所述第一比、所述第二比、作为所述第一比与所述第二比之和的第三比、以及作为所述第一比与所述第二比之差的第四比中的任一比设定为相当于所述激光的频率的监测值,所述控制部基于所述第一比、所述第二比、所述第三比及所述第四比中的该任一比,来取得相当于所述目标频率的目标值,所述控制部以使所述目标值与所述监测值之差的绝对值变小的方式控制所述控制量。
也可以是,所述控制部对所述第一强度、所述第二强度或所述激光的强度适用修正系数来算出所述第一比或所述第二比。
也可以是,所述控制部将所述第一强度、所述第二强度及所述激光的强度变换为数字信号,并通过数字运算来算出所述第一比或所述第二比。
也可以是,所述第一频率滤波器的透过率及第二频率滤波器的透过率相对于频率的变化而呈正弦函数地变化。
也可以是,所述控制部根据所述第一强度或所述第二强度、以及所述激光的强度,将表示所述第一频率滤波器的透过特性或所述第二频率滤波器的透过特性的频率的函数变换为频率的正弦函数,算出所述第一比或所述第二比。
也可以是,所述激光部利用游标效应而使所述激光的频率可变。
也可以是,所述控制部通过向所述激光部供给与所述控制量对应的电力来控制所述激光的频率。
也可以是,所述激光装置还具备温度控制器,该温度控制器具有设置所述光源部、第一频率滤波器及第二频率滤波器的设置面,所述光源部、所述第一频率滤波器及第二频率滤波器设置于所述温度控制器的同一所述设置面。
也可以是,所述控制部在所述第一比、所述第二比、所述第三比及所述第四比中,基于相对于所述目标值处的频率变化而言的比的变化率而对设定为与所述激光的频率相当的监测值的比赋予优先级,来选择比。
也可以是,所述控制部在所述第一比、所述第二比、所述第三比及所述第四比中,基于相对于所述目标值处的频率变化而言的比的S/N而对设定为与所述激光的频率相当的监测值的比赋予优先级,来选择比。
也可以是,所述控制部在所述第一比、所述第二比、所述第三比及所述第四比中,基于相对于所述目标值处的频率变化而言的比的变化率及S/N而对设定为与所述激光的频率相当的监测值的比赋予优先级,来选择比。
也可以是,所述激光装置还具备温度控制器,该温度控制器具有设置所述光源部、所述第一频率滤波器及第二频率滤波器的设置面,所述控制部以将所述第一频率滤波器及第二频率滤波器的透过特性的横向偏移或纵向偏移抵消的方式修正所述温度控制器的控制温度、以及所述第一比或第二比或监测值。
也可以是,所述激光装置还具备:温度控制器,其具有设置所述光源部、第一频率滤波器及第二频率滤波器的设置面;以及环境温度传感器,其检测所述第一频率滤波器及第二频率滤波器的环境温度,所述控制部基于所述环境温度传感器检测到的所述环境温度,以将所述第一频率滤波器及第二频率滤波器的透过特性的由环境温度引起的变化抵消的方式修正所述温度控制器的控制温度、以及所述第一比或第二比或监测值。
本发明的一方案的激光装置的控制方法具备使输出的激光的频率可变的光源部,其中,所述激光装置的控制方法包括如下步骤:第一取得步骤,取得成为所述激光的频率的控制目标的目标频率;检测步骤,检测与所述激光透过第一频率滤波器及第二频率滤波器中的所述第一频率滤波器后的激光的强度对应的第一强度,检测与所述激光透过所述第二频率滤波器后的激光的强度对应的第二强度,并检测所述激光的强度,所述第一频率滤波器及所述第二频率滤波器具有透过率相对于输入的光的频率而周期性变化的透过特性、且相位相对偏移;第二取得步骤,取得与所述第一强度相对于所述激光的强度之比相当的第一比、以及与所述第二强度相对于所述激光的强度之比相当的第二比;设定步骤,根据所述第一比、所述第二比、作为所述第一比与所述第二比之和的第三比、以及作为所述第一比与所述第二比之差的第四比中的任一比来设定与相当于所述激光的频率的频率当量对应的监测值;第三取得步骤,基于所述第一比、所述第二比、所述第三比及所述第四比中的该任一比,来取得相当于所述目标频率的目标值;以及调整步骤,以使所述目标值与所述监测值之差的绝对值变小的方式调整控制量。
发明效果
根据本发明,起到能够抑制激光的频率的控制精度的降低这样的效果。
附图说明
图1是表示实施方式1所涉及的激光装置的结构的图。
图2是表示光源部的结构的图。
图3是表示实施方式1所涉及的控制部的结构的框图。
图4是表示频率鉴别曲线的图。
图5是富余度的说明图。
图6是表示φ与富余度之间的关系的图。
图7是表示比较形态的频率鉴别曲线的温度依存变化的图。
图8是表示实施方式中的频率鉴别曲线的温度依存变化的图。
图9是表示由实施方式1所涉及的控制部进行的控制方法的流程图。
图10是表示进行与环境温度相应的修正的情况下的控制方法的流程图。
图11是表示第四变形例的激光装置中的控制方法的流程图。
图12是表示第四变形例的激光装置中的控制方法的别的一例的流程图。
图13是表示第四变形例的进一步变形的变形例的激光装置中的控制方法的一部分的流程图。
图14是表示第四变形例的进一步变形的变形例的激光装置中的控制方法的一部分的流程图。
具体实施方式
以下,参照附图,来说明本具体实施方式(以下称作实施方式)。需要说明的是,本发明并不由以下说明的实施方式限定。进一步地,在附图的记载中,对同一部分适当标注同一附图标记。另外,附图是示意性的附图,各要素的尺寸的关系、各要素的比率等有时与现实不同。进一步地,在附图相互之间,也有时包含互相的尺寸的关系、比率不同的部分。另外,在图中适当示出xyz坐标轴,由此说明方向。
(实施方式1)
〔激光装置的简要结构〕
图1是表示实施方式1所涉及的激光装置的结构的图。
激光装置1具备被模块化的激光部2、以及执行对该激光部2的动作进行控制的控制步骤的控制部3。
需要说明的是,在图1中,将激光部2与控制部3分体构成,但将激光部2与控制部3模块化为一体也无妨。
〔激光部的结构〕
激光部2在由控制部3进行的控制下,使输出的激光的频率可变为多个频率中的任意频率的激光,并输出该频率的激光。该激光部2具备光源部4、半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier:SOA)5、平面光波回路(Planar Lightwave Circuit:PLC)6、光检测部7、温度传感器8及温度控制器9。平面光波回路6和光检测部7构成监测部10。
图2是表示光源部的结构的图。
光源部4例如是利用了游标效应的激光器,在由控制部3进行的控制下,输出激光L1。该光源部4具备使输出的激光L1的频率可变的激光主体部41、以及变更部42。变更部42具有根据从控制部3供给的电力来发热的3个微型加热器,通过对激光主体部41局部地加热,来变更从激光主体部41输出的激光L1的频率。
激光主体部41具备在共用的基部B1上分别形成的第一波导部43、第二波导部44。在此,基部B1例如由n型InP构成。而且,在基部B1的背面形成有例如包含AuGeNi而构成、且与该基部B1欧姆接触的n侧电极45。
第一波导部43具有埋入波导构造。该第一波导部43具有波导部431、半导体积层部432及p侧电极433。
波导部431在半导体积层部432内沿着z方向延伸而形成。
另外,在第一波导部43内配置有增益部431a、以及DBR(DistributedBraggReflector)型的衍射光栅层431b。
在此,增益部431a是具有由InGaAsP构成的多量子阱构造和光限制层的活性层。另外,衍射光栅层431b通过由InGaAsP和InP构成的采样衍射光栅而构成。
半导体积层部432通过将InP系半导体层层叠而构成,相对于波导部431具备包覆部的功能等。
p侧电极433在半导体积层部432上沿着增益部431a配置。需要说明的是,在半导体积层部432上形成有SiN保护膜(省略图示)。而且,p侧电极433经由在该SiN保护膜形成的开口部(省略图示)而接触于半导体积层部432。
在此,作为微型加热器的DBR加热器421在半导体积层部432的SiN保护膜上沿着衍射光栅层431b配置。而且,DBR加热器421根据从控制部3供给的电力而发热,将衍射光栅层431b加热。另外,控制部3控制向DBR加热器421供给的电力,由此衍射光栅层431b的温度变化,其折射率变化。
第二波导部44具备2分支部441、2个臂部442、443、以及环状波导444。
2分支部441由包含1×2型的多模干涉型(MMI)波导441a的1×2型的分支型波导构成,2端口侧分别连接于2个臂部442、443,并且1端口侧连接于第一波导部43侧。即,通过2分支部441,2个臂部442、443的一端合并,与衍射光栅层431b光学耦合。
臂部442、443均沿着z方向延伸,并夹着环状波导444配置。这些臂部442、443利用与环状波导444均相同的耦合系数κ与环状波导444光学耦合。κ的值例如是0.2。而且,臂部442、443和环状波导444构成环形谐振器滤波器RF1。另外,环形谐振器滤波器RF1和2分支部441构成反射镜M。
在此,作为微型加热器的RING(环型)加热器422呈环状,配置于以覆盖环状波导444的方式形成的SiN保护膜(省略图示)上。而且,RING加热器422根据从控制部3供给的电力而发热,将环状波导444加热。另外,通过控制部3控制向RING加热器422供给的电力,环状波导444的温度变化,其折射率变化。
上述的2分支部441、臂部442、443、及环状波导444均具有由InGaAsP构成的光波导层44a被由InP构成的包覆层夹着的高台面波导路构造。
在此,作为微型加热器的Phase(相位)加热器423配置于臂部443的一部分的SiN保护膜(省略图示)上。该臂部443中的Phase加热器423的下方的区域作为使光的相位变化的相位调整部445发挥功能。而且,Phase加热器423根据从控制部3供给的电力发热,将相位调整部445加热。另外,通过控制部3控制向Phase加热器423供给的电力,相位调整部445的温度变化,其折射率变化。
以上说明的第一波导部43、第二波导部44构成由互相光学连接的衍射光栅层431b和反射镜M构成的光谐振器C。另外,增益部431a和相位调整部445配置于光谐振器C内。
衍射光栅层431b生成以规定的频率间隔具有周期性的反射特性的第一梳状反射光谱。另一方面,环形谐振器滤波器RF1生成以规定的频率间隔具有周期性的反射特性的第二梳状反射光谱。
在此,第二梳状反射光谱具有比第一梳状反射光谱的峰值的半值全宽窄的半值全宽的峰值,以与第一梳状反射光谱的频率间隔不同的频率间隔具有周期性的反射特性。
当关于各梳状反射光谱的特性进行例示时,第一梳状反射光谱的峰值间的频率间隔(自由光谱区域:FSR)是373GHz。另外,各峰值的半值全宽是43GHz。另一方面,第二梳状反射光谱的峰值间的频率间隔(FSR)是400GHz。另外,各峰值的半值全宽是25GHz。即,第二梳状反射光谱的各峰值的半值全宽(25GHz)比第一梳状反射光谱的各峰值的半值全宽(43GHz)窄。
在光源部4中,为了实现激光振荡,使第一梳状反射光谱的峰值之一与第二梳状反射光谱的峰值之一构成为在频率轴上能够重合。这样的重合通过使用DBR加热器421、RING加热器422中的至少一个加热器进行如下处理中的至少任一方而能够实现,该处理是指,由DBR加热器421对衍射光栅层431b加热并通过热光学效果使其折射率变化而使第一梳状反射光谱在频率轴上整体移动而变化、以及利用RING加热器422对环状波导444进行加热使其折射率变化而使第二梳状反射光谱在频率轴上整体移动而变化。
另一方面,在光源部4中存在基于光谐振器C的谐振器模式。而且,在光源部4中,谐振器模式的间隔(纵模式间隔)以成为25GHz以下的方式设定有光谐振器C的谐振器长度。在该设定的情况下,光谐振器C的谐振器长度成为1800μm以上,能够期待进行振荡的激光的窄线宽化。需要说明的是,光谐振器C的谐振器模式的频率通过使用Phase加热器423将相位调整部445加热使其折射率变化而使谐振器模式的频率在频率轴上整体移动,从而能够微调整。即,相位调整部445是用于主动地控制光谐振器C的光路长度的部分。
光源部4构成为当通过控制部3从n侧电极45及p侧电极433向增益部431a注入电流使增益部431a发光时,以第一梳状反射光谱的光谱成分的峰值、第二梳状反射光谱的光谱成分的峰值及光谐振器C的谐振器模式中的一个一致的频率例如193.4THz进行激光振荡,输出激光L1。
在光源部4中,能够利用游标效应使激光L1的频率变化。即,当调整从控制部3供给的电力而控制DBR加热器421时,其梳状反射光谱在频率轴上移动。同样地,当控制RING加热器422时,其梳状反射光谱在频率轴上移动。同样地,当控制Phase加热器423时,其光谱在频率轴上移动。
例如首先,形成以DBR的反射峰值、光谐振器C的谐振器模式及RING的反射峰值一致的频率f1进行激光振荡的状态。为了形成该状态,DBR加热器421及RING加热器422基于被供给的电力,分别设定DBR、RING的反射光谱成为峰值的频率位置。另外,Phase加热器423基于被供给的电力,来设定谐振器模式成为峰值的频率位置。当从以频率f1进行激光振荡的状态起通过各加热器的控制使DBR的反射峰值、光谐振器C的谐振器模式及RING的反射峰值一致的频率为频率f2时,能够将激光L1的频率调整为频率f2。需要说明的是,向各加热器供给的电力能够将电流控制为控制量。即,控制部3通过向光源部4供给与作为控制量的电流对应的电力,来控制激光L1的频率。
在将激光L1的频率从第一频率变更为第二频率的情况下,例如首先以使DBR及RING的梳状反射光谱在第二频率处重合的方式对DBR加热器421及RING加热器422进行前馈控制,之后以使谐振器模式中的任一模式与第二频率一致方式对Phase加热器423进行反馈控制。但是,控制的方法不限定于此。
返回图1继续说明。半导体光放大器5具有埋入波导构造,该埋入波导构造具备由与第一波导部43同样的材料及构造构成的活性芯层,关于该埋入波导构造的具体的图示省略。但是,未设置衍射光栅层431b。该半导体光放大器5通过空间耦合光学系统(省略图示)相对于光源部4光学耦合。而且,从光源部4输出的激光L1向半导体光放大器5输入。半导体光放大器5当从控制部3供给电流时,将激光L1放大而作为激光L2输出。需要说明的是,半导体光放大器5也可以在基部B1上与光源部4一体构成。
平面光波回路6通过空间耦合光学系统(省略图示)与臂部442光学耦合。而且,与激光L1同样地通过光源部4中的激光振荡产生的激光L3的一部分经由臂部442向平面光波回路6输入。需要说明的是,激光L3具有与激光L1的频率同一频率,并具有与激光L1的强度对应的强度。该平面光波回路6具备光分支部61、光波导62、具有作为环形谐振器型滤光器的频率滤波器63a的光波导63、以及具有作为环形谐振器型滤光器的频率滤波器64a的光波导64。频率滤波器63a是第一频率滤波器的一例,频率滤波器64a是第二频率滤波器的一例。
光分支部61将输入的激光L3分支为3个激光L4、L5、L6。光波导62将激光L4向光检测部7中的后述的PD(Photo Diode)73波导。光波导63将激光L5向光检测部7中的后述的PD71波导。光波导64将激光L6将光检测部7中的后述的PD72波导。
在此,频率滤波器63a具有透过率相对于输入的光的频率而周期性变化的透过特性,并以与激光L5的频率相应的透过率透过激光L5。而且,透过了频率滤波器63a的激光L5向PD71输入。即,频率滤波器63a是波导型的频率滤波器。需要说明的是,作为频率滤波器63a,也可以使用相对于输入的光的频率具有周期性的透过特性的标准具滤波器、MZI(Mach-Zehnder Interferometer)滤波器。
同样地,频率滤波器64a具有透过率相对于输入的光的频率而周期性变化的透过特性,以与激光L6的频率相应的透过率透过激光L6。而且,透过了频率滤波器64a的激光L6向PD72输入。作为频率滤波器64a,也可以使用相对于输入的光的频率具有周期性的透过特性的标准具滤波器、MZI滤波器。
频率滤波器63a、64a的透过特性优选是互相相同的周期。另外,如之后详细叙述的那样,频率滤波器63a、64a的透过特性的相位相对偏移。
光检测部7具备PD71、72、73,并执行检测步骤。PD73接受激光L4(与从光源部4输出的激光L1具有同一频率,并具有与激光L1的强度对应的强度),向控制部3输出与该激光L4的强度相应的电信号。PD71接受透过了频率滤波器63a的激光L5,并向控制部3输出与该激光L5的强度相应的电信号。PD72接受透过了频率滤波器64a的激光L6,并向控制部3输出与该激光L6的强度相应的电信号。而且,从PD71、72、73分别输出的电信号用于由控制部3进行的频率锁定控制(用于使从光源部4输出的激光L1的频率为目标频率的控制)。
PD71是检测第一强度的第一检测部的一例,该第一强度是与激光L1透过频率滤波器63a后的强度相当的激光L5的强度。PD72是检测第二强度的第二检测部的一例,该第二强度是与激光L1透过频率滤波器64a后的强度相当的激光L6的强度。PD73是检测第三强度的第三检测部的一例,该第三强度是与激光L1的强度对应的激光L4的强度。
温度传感器8由例如热敏电阻等构成,并且载置于温度控制器9的设置面91上,检测光源部4及平面光波回路6的周围温度。需要说明的是,作为温度传感器8,配置于温度控制器9的外部,检测配置激光装置1的环境的温度作为周围温度也无妨。温度传感器8将包含检测到的温度的信息在内的电信号向控制部3输出。
温度控制器9由例如包含帕尔贴元件的TEC(Thermo Electric Cooler)等构成。在该温度控制器9载置光源部4、半导体光放大器5、平面光波回路6、光检测部7及温度传感器8。而且,温度控制器9根据供给的电力来控制光源部4、半导体光放大器5、平面光波回路6、光检测部7及温度传感器8的温度。在该情况下,控制部3基于温度传感器8检测到的温度的信息,主要以使光源部4成为一定的温度的方式控制向温度控制器9供给的电力。在抑制激光L1的频率的依存于动作条件、外部环境温度产生的变动方面,优选主要以使光源部4成为一定的温度的方式进行控制。
需要说明的是,在温度控制器9中,将载置光源部4、半导体光放大器5、平面光波回路6、光检测部7及温度传感器8的设置面91划分为载置光源部4及半导体光放大器5的第一区域Ar1、以及载置平面光波回路6及光检测部7的第二区域Ar2这2个区域的情况下,温度传感器8也可以载置于第一区域Ar1。此时,温度传感器8也可以接近光源部4而配置、或载置于光源部4上。另外,温度传感器8也可以载置于第二区域Ar2,接近平面光波回路6而配置。
〔控制部的结构〕
接着,说明控制部3的结构。图3是表示控制部的结构的框图。控制部3与具备例如用户接口的上位的控制装置(省略图示)连接,按照经由该上位的控制装置的来自用户的指示来控制光源部4的动作。
需要说明的是,以下,主要说明作为本发明的主要部分的由控制部3进行的频率锁定控制。另外,在图3中,为了便于说明,作为控制部3的结构,主要图示出执行频率锁定控制的结构。
控制部3具备模拟/数字转换器(ADC)31、32、33、34、运算部35、存储部36及电流源37。
ADC31将从PD71输入的模拟的电信号变换为数字信号(电压信号)而向运算部35输出。ADC32将从PD72输入的模拟的电信号变换为数字信号(电压信号)而向运算部35输出。ADC33将从PD73输入的模拟的电信号变换为数字信号(电压信号)而向运算部35输出。ADC34将从温度传感器8输入的模拟的电信号变换为数字信号(电压信号)而向运算部35输出。
进行数字运算的运算部35进行用于控制部3执行的控制的各种运算处理,例如由CPU(Central Processing Unit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)构成。存储部36具备保存为了运算部35进行运算处理而使用的各种程序、数据等的由例如ROM(Read OnlyMemory)构成的部分、以及为了将运算部35进行运算处理时的作业空间、运算部35的运算处理的结果等存储等而使用的由例如RAM(Random Access Memory)构成的部分。控制部3的控制功能通过运算部35和存储部36的功能而在软件上实现。
电流源37基于来自运算部35的指示,向光源部4供给用于激光L1的频率的控制的电力。在本实施方式中,运算部35向电流源37作为控制量而指示电流值。电流源37向光源部4供给被指示出的电流值的电流。
接着,详细叙述运算部35的结构。运算部35作为功能部而具备目标频率设定部351、鉴别曲线选择部352、目标值取得部353、监测值算出部354、差量取得部355、PID控制部356及DBR/RING电力设定部357。这些功能部通过软件与硬件资源协同配合来实现。
目标频率设定部351根据来自例如上位的控制装置的指示,进行取得目标频率并将其设定为激光L1的频率的控制中的目标值的第一取得步骤。
鉴别曲线选择部352取得所设定的目标频率,并基于目标频率,来选择第一频率鉴别曲线、第二频率鉴别曲线、第三频率鉴别曲线及第四频率鉴别曲线中的任一频率鉴别曲线。第一频率鉴别曲线与频率滤波器63a的透过特性相当。第二频率鉴别曲线与频率滤波器64a的透过特性相当。第三频率鉴别曲线由第一频率鉴别曲线与第二频率鉴别曲线之和示出。第四频率鉴别曲线由第一频率鉴别曲线与第二频率鉴别曲线之差示出。
振幅值以在-1至1之间变化的方式进行了归一化的第一频率鉴别曲线、第二频率鉴别曲线在相对于频率的变化而呈正弦函数变化的情况下,能够由例如以下的式(1)、(2)这样的正弦函数(余弦函数)表现。需要说明的是,θ=2πf/F。f是光的频率。F是鉴别曲线的周期或FSR(Free Spectral Range),与频率滤波器63a及频率滤波器64a的周期相等。另外,φ是对应于频率滤波器63a与频率滤波器64a的相对的相位偏移的相位差。
sinθ··· (1)
sin(θ+φ)··· (2)
振幅值以在-1至1之间变化的方式进行了归一化的第三频率鉴别曲线、第四频率鉴别曲线以例如以下的式(3)、(4)表示。需要说明的是,Δ=φ-π/2。
sin(θ+π/4+Δ/2)··· (3)
sin(θ-π/4+Δ/2)··· (4)
图4是表示振幅值以在-1至1之间变化的方式进行了归一化的第一频率鉴别曲线C1、第二频率鉴别曲线C2、第三频率鉴别曲线C3、第四频率鉴别曲线C4的图。横轴是频率,以鉴别曲线的半周期成为1的方式进行了归一化。纵轴是关于第一频率鉴别曲线C1、第二频率鉴别曲线C2、第三频率鉴别曲线C3、第四频率鉴别曲线C4,分别与第一比、第二比、第三比、第四比相当的比。需要说明的是,在图4中将相位偏移φ设定为π/2。需要说明的是,在第一频率鉴别曲线、第二频率鉴别曲线的相位偏移φ不是π/2的情况下,在第一频率鉴别曲线、第二频率鉴别曲线的振幅大致相等时,第三频率鉴别曲线与第四频率鉴别曲线的相位偏移也成为π/2。
区域C11、C21、C31、C41在第一频率鉴别曲线C1~第四频率鉴别曲线C4中,与不灵敏带不同,是比(ratio)相对于频率的变化率大并能够提高控制精度的区域。区域C11、C21、C31、C41以频率互不重合的方式设定。
鉴别曲线选择部352基于目标频率,来选择与包含目标频率的区域C11、C21、C31、C41中的任一区域对应的频率鉴别曲线。例如在目标频率包含于区域C11的情况下,鉴别曲线选择部352选择第一频率鉴别曲线C1。在频率鉴别曲线的选择中,优选的是,选择比相对于频率的变化率较大的频率鉴别曲线。在图4的情况下,优选的是,选择多个频率鉴别曲线中的在目标频率处比的绝对值小的频率鉴别曲线。
目标值取得部353通过将目标频率适用于由鉴别曲线选择部352选择出的频率鉴别曲线,来进行取得目标值的第三取得步骤。例如在图4中,在目标频率为f_tgt的情况下,适用于第一频率鉴别曲线C1而取得目标值R_tgt。
监测值算出部354根据从ADC31、32、33输入的数字信号来进行取得第一比、第二比的第二取得步骤,并且进行算出第三比或第四比的步骤。而且,进行将第一比、第二比、第三比及第四比中的任一比设定为与激光L1的频率相当的监测值R_mon的设定步骤。监测值R_mon是频率当量的一例。需要说明的是,示出目标频率和激光L1的频率位于相同的区域(例如区域C11)的例子,但监测值R_mon与目标值R_tgt在相同的频率鉴别曲线上设定即可。
第一比是PD71检测到的第一强度相对于PD73检测到的第三强度之比。另外,作为与该比相当的比,第一比也可以是对PD71检测到的第一强度适用修正系数后的强度相对于对PD73检测到的第三强度适用修正系数后的强度之比。另外,作为与该比相当的量,第一比也可以使用对第一强度或第三强度的任一方适用修正系数后的强度来算出比。以下,第一比有时记载为PD1/PD3。
第二比是PD72检测到的第二强度相对于PD73检测到的第三强度之比。另外,作为与该比相当的比,第二比也可以是对PD72检测到的第二强度适用修正系数后的强度相对于对PD73检测到的第三强度适用修正系数后的强度之比。另外,作为与该比相当的量,第二比也可以使用对第二强度或第三强度的任一方适用修正系数后的强度来算出比。以下,第二比有时记载PD2/PD3。
对第一强度、第二强度或第三强度的修正系数通过实验等预先取得,以表数据、关系式等形式存储于存储部36,由监测值算出部354适当读出并使用。修正系数也可以根据例如激光装置1的动作条件、温度传感器8检测到的温度等而确定。另外,也可以是,修正系数以适合适用于归一化后的频率鉴别曲线的方式确定。对第一强度、第二强度或第三强度的修正系数的适用例如是通过加法运算、减法运算、乘法运算、除法运算中的任意运算进行的适用。
第三比是第一比与第二比之和。第四比是第一比与第二比之差。因此,第三比或第四比也能够包含对第一强度、第二强度或第三强度的修正系数。
差量取得部355算出目标值取得部353取得的目标值R_tgt与监测值算出部354算出的监测值R_mon的差量而取得该差量。
PID控制部356基于目标值R_tgt与监测值R_mon的差量来算出电流值的指示值,并向电流源37输出该指示值,执行比例积分微分(PID)控制、PI控制等反馈控制。即,PID控制部356执行以使目标值R_tgt与监测值R_mon之差的绝对值变小的方式调整电流值(控制量)的调整步骤。
DBR/RING电力设定部357基于目标频率设定部351设定出的目标频率,来设定向DBR加热器421及RING加热器422分别供给的电力。DBR/RING电力设定部357能够基于设定出的电力来设定电流值,并向电流源37输出该电流值的指示,进行DBR加热器421及RING加热器422的前馈控制。
在这样构成的激光装置1中,抑制控制目标的频率与不灵敏带非意图地重叠这一情况,因此能够抑制激光的频率的控制精度的降低。
以下,关于发生了横向偏移时的控制目标的频率与不灵敏带的不易重叠度,导入成为“富余度”的参数来进行说明。富余度是成为频率监测·控制系统的对横向偏移的耐性的评价指标的参数。
图5是富余度的说明图。在图5中,示出振幅值以在-1至1之间变化的方式进行了归一化的正弦函数即第五频率鉴别曲线C5、第六频率鉴别曲线C6。区域C51、C61是在第五频率鉴别曲线C5、第六频率鉴别曲线C6中,与不灵敏带不同的、比相对于频率的变化率大而能够提高控制精度的区域。区域C51、C61以频率互不重合的方式设定。
在图5中,富余度能够定义为两个频率鉴别曲线的切换点处的最接近极值的点与不灵敏带的中心即频率鉴别曲线的极值(在图5中为极小值)之间的频率差。富余度越大,则可以说越能够在频率上远离不灵敏带的区域进行激光L1的频率的监测,因此可以说对横向偏移的耐性越高。需要说明的是,在切换图5那样的两个频率鉴别曲线而进行频率控制的情况下,富余度是φ/2。
图6是表示φ与富余度的关系的图。线M1表示使用了式(1)、(2)所示的第一频率鉴别曲线及第二频率鉴别曲线这两个频率鉴别曲线的情况下的φ与富余度的关系。线M2表示使用了式(1)~(3)所示的第一频率鉴别曲线~第三频率鉴别曲线这三个频率鉴别曲线的情况下的φ与富余度的关系。线M2在φ为90度以下与线M1重合。线M3表示使用了式(1)、(2)、(4)所示的第一频率鉴别曲线、第二频率鉴别曲线、第四频率鉴别曲线这三个频率鉴别曲线的情况下的φ与富余度的关系。线M3在φ为90度以上与线M1重合。线M4表示使用了式(1)~(4)所示的第一频率鉴别曲线~第四频率鉴别曲线这四个频率鉴别曲线的情况下的φ与富余度的关系。线M4在φ为60度以下与线M3重合,在120度以上与线M2重合。
如图6所示那样,在使用了第一频率鉴别曲线~第四频率鉴别曲线这四个频率鉴别曲线的情况下,能够确认到在任一φ中富余度均高、频率监测·控制系统对横向偏移的耐性均高。
接着,图7是表示比较形态下的频率鉴别曲线的温度依存变化的图。作为比较形态,是在激光装置1中仅使用第一频率鉴别曲线及第二频率鉴别曲线来进行频率控制的形态。
在图7中,与图5同样地示出第五频率鉴别曲线C5、第六频率鉴别曲线C6。但是,第五频率鉴别曲线C5与第六频率鉴别曲线C6的相位偏移设为π/2。在此,在区域C51,用实线的白圆圈示出与例示的四个目标频率对应的第五频率鉴别曲线C5上的点。另一方面,频率鉴别曲线C5A示出根据温度变化而第五频率鉴别曲线C5向正的周波侧横向偏移了的状态,频率鉴别曲线C5B示出根据温度变化而第五频率鉴别曲线C5向负的周波侧横向偏移了的状态。区域C5F、C5AF、C5BF分别表示第五频率鉴别曲线C5、频率鉴别曲线C5A、频率鉴别曲线C5B中的不灵敏带。
在由于横向偏移而成为了频率鉴别曲线C5A的状态的情况下,如虚线的白圆圈所示那样,四个目标频率中的最负侧的点由于横向偏移而与不灵敏带C5AF重叠。另外,在由于横向偏移而成为了频率鉴别曲线C5B的状态的情况下,如虚线的白圆圈所示那样,四个目标频率中的最正侧的点由于横向偏移而与不灵敏带C5BF重叠。这表示在比较形态的情况下对横向偏移的耐性低。
另一方面,图8是表示实施方式中的频率鉴别曲线的温度依存变化的图。在图8中,与图4同样地示出第一频率鉴别曲线C1~第四频率鉴别曲线C4。在此,在区域C11中,用实线的白圆圈示出与例示的三个目标频率对应的第一频率鉴别曲线C1上的点。另一方面,频率鉴别曲线C1A示出根据温度变化而第一频率鉴别曲线C1向正的周波侧横向偏移了的状态,频率鉴别曲线C1B示出根据温度变化而第一频率鉴别曲线C1向负的周波侧横向偏移了的状态。区域C1F、C1AF、C1BF分别示出第一频率鉴别曲线C1、频率鉴别曲线C1A、频率鉴别曲线C1B中的不灵敏带。
在实施方式的情况下,即便在由于横向偏移而成为了频率鉴别曲线C1A的状态的情况下,也如虚线的白圆圈所示那样,三个目标频率中的任意点均不与不灵敏带C1AF重叠。另外,即便在由于横向偏移而成为了频率鉴别曲线C1B的状态的情况下,也如虚线的白圆圈所示那样,三个目标频率中的任意目标频率均不与不灵敏带C1BF重叠。这表示在实施方式的情况下对横向偏移的耐性高。
〔控制方法〕
接着,关于在激光装置1中执行的控制方法,参照图9的流程图进行说明。
首先,在步骤S101中,目标频率设定部351将目标频率设定为激光L1的频率的目标值。接下来,DBR/RING电力设定部357基于目标频率设定部351设定出的目标频率,来设定向DBR加热器421及RING加热器422分别供给的电力,并对电流源37将与该电力相当的电流值的指示值向电流源37输出,该情况省略图示。
接下来,在步骤S102中,鉴别曲线选择部352基于目标频率,来选择第一频率鉴别曲线、第二频率鉴别曲线、第三频率鉴别曲线及第四频率鉴别曲线中的任一频率鉴别曲线。例如,也可以选择第一频率鉴别曲线、第二频率鉴别曲线、第三频率鉴别曲线及第四频率鉴别曲线中的在步骤S101中设定的目标频率处的变化率最大的频率鉴别曲线,在任意频率鉴别曲线均以振幅值在-1至1之间变化的方式进行了归一化之后,选择在目标频率处绝对值最小的频率鉴别曲线。
在选择了第一频率鉴别曲线的情况下(步骤S102、曲线1),在步骤S103中,目标值取得部353基于第一频率鉴别曲线,来取得并决定与目标频率对应的目标值R_tgt。接下来,在步骤S104中,监测值算出部354基于第一频率鉴别曲线,来算出并设定与激光L1的频率相当的监测值R_mon。之后流程前进至步骤S111。
在选择了第二频率鉴别曲线的情况下(步骤S102、曲线2),在步骤S105中,目标值取得部353基于第二频率鉴别曲线,来取得并决定与目标频率对应的目标值R_tgt。接下来,在步骤S106中,监测值算出部354基于第二频率鉴别曲线,来算出并设定与激光L1的频率相当的监测值R_mon。之后流程前进至步骤S111。
在选择了第三频率鉴别曲线的情况下(步骤S102、曲线3),在步骤S107中,目标值取得部353基于第三频率鉴别曲线,来取得并决定与目标频率对应的目标值R_tgt。接下来,在步骤S108中,监测值算出部354基于第三频率鉴别曲线,来算出并设定与激光L1的频率相当的监测值R mon。之后流程前进至步骤S111。
在选择了第四频率鉴别曲线的情况下(步骤S102、曲线4),在步骤S109中,目标值取得部353基于第四频率鉴别曲线,来取得并决定与目标频率对应的目标值R_tgt。接下来,在步骤S110中,监测值算出部354基于第四频率鉴别曲线,来算出并设定与激光L1的频率相当的监测值R_mon。之后流程前进至步骤S111。
接下来,在步骤S111中,差量取得部355算出并取得目标值R_tgt与监测值R_mon的差量(目标值R_tgt-监测值R_mon)。
接下来,在步骤S112中,PID控制部356算出目标值R_tgt与监测值R_mon之差的绝对值变小这样的电流值的指示值。
接下来,在步骤S113中,PID控制部356向电流源37输出所算出的指示值。
接下来,在步骤S114中,PID控制部356判定作为差的绝对值的|目标值R_tgt-监测值R_mon|是否是目标误差内。在判定为不是目标误差内的情况下(步骤S114,否),控制前进至步骤S115。
在步骤S115中,控制部3确认鉴别曲线选择部352选择出的鉴别曲线。在确认到选择了第一频率鉴别曲线的情况下(步骤S115、曲线1),流程返回步骤S104。在确认到选择了第二频率鉴别曲线的情况下(步骤S115、曲线2),流程返回步骤S106。在确认到选择了第三频率鉴别曲线的情况下(步骤S115、曲线3),流程返回步骤S108。在确认到选择了第四频率鉴别曲线的情况下(步骤S115、曲线4),流程返回步骤S110。
另一方面,在步骤S114中PID控制部356判定为|目标值R_tgt-监测值R_mon|是目标误差内的情况下(步骤S114,是),控制结束。
如以上所说明那样,在激光装置1中,抑制控制目标的频率与不灵敏带非意图地重叠这一情况,因此能够抑制激光的频率的控制精度的降低。
另外,在激光装置1中,利用两个频率滤波器63a、64a来生成四个频率鉴别曲线,因此与使频率滤波器的数量增加的情况相比,抑制激光装置的结构、控制的繁杂度的增大。另外,针对频率鉴别曲线,在某种程度上共用检测激光的强度的检测部,因此不需要每当切换频率鉴别曲线时就切换检测部。其结果是,抑制在切换频率鉴别曲线时控制变得不稳定这一情况。
另外,在激光装置1中,能够对第一强度、第二强度或第三强度适用修正系数而算出第一比或第二比。由此,能够根据激光装置1的动作条件、温度传感器8检测到的温度、向频率鉴别曲线适用的适当性,来算出第一比或第二比,进一步算出第三比、第四比。具体而言,能够根据温度传感器8检测到的温度,来以修正依存于温度的频率滤波器的横向偏移的方式设定修正系数、以修正依存于温度的频率滤波器的纵向偏移的方式设定修正系数。在此,频率滤波器的纵向偏移是指频率滤波器的透过特性沿透过率轴向偏移。纵向偏移可能成为不能对目标频率进行控制、设定不能达成的目标值的原因。另外,也可以在例如频率滤波器63a、64a的透过特性不是频率的正弦函数的情况下,使用修正系数,将第一强度、第二强度或第三强度以适用于作为频率的正弦函数的频率鉴别曲线的方式进行修正。需要说明的是,也可以是,将温度传感器8载置于第一区域Ar1,相对于该温度传感器8(第一温度传感器)另外地载置第二温度传感器,并在基于该温度传感器8检测到的温度的信息来控制向温度控制器9供给的电力的情况下,基于由第二温度传感器检测到的温度的信息,以对频率滤波器的横向偏移及纵向偏移中的至少一方进行修正的方式设定修正系数。此时,第二温度传感器也可以载置于第二区域Ar2,也可以相比于接近光源部4而接近平面光波回路6地载置。除此之外也可以载置于与激光部2不同的场所(例如,在激光部2保存于壳体内的情况下,载置于该壳体外)。
另外,在频率滤波器63a、64a的透过特性为不是频率的正弦函数的周期函数的情况下,也可以使用快速傅里叶变换(FFT)和快速傅里叶逆变换(IFFT)推导并使用用于变换为正弦函数的函数。例如将由ADC31、32变换出的数字信号蓄积1周期以上,将其进行FFT后除去频率滤波器63a、64a的FSR以外的成分,进行IFFT,由此能够变换为正弦函数。使用这样导出的函数,变换为正弦函数。需要说明的是,MZI滤波器的频率透过特性能够作为相对于频率的变化而呈正弦函数变化进行处理,因此在将MZI滤波器用作频率滤波器63a、64a的情况下,也可以不进行基于FFT及IFFT向正弦函数的变换。在作为频率滤波器63a、64a而使用环形谐振器型滤波器时,在该滤波器的频率透过特性的Q值小的情况下,能够作为相对于频率的变化而呈正弦函数变化进行处理。
另外,在激光装置1中,利用一个温度控制器9来进行光源部4和平面光波回路6这两方的温度控制,因此与在光源部4和平面光波回路6分别设置温度控制器相比能够实现低消耗电力、低成本。然而,当控制部3主要通过以使光源部4成为一定的温度的方式控制向温度控制器9供给的电力、控制向光源部4供给的电力来控制光源部4输出的激光的振荡频率时,有时平面光波回路6的频率滤波器63a、64a容易产生依存于温度的横向偏移。与此相对,激光装置1具备对横向偏移的耐性高的结构,因此对于抑制控制精度的降低而言是适宜的。
另外,在激光装置1中,第三比及第四比包含反映了频率滤波器63a的特性的第一比及反映了频率滤波器64a的特性的第二比这两方的信息。这意味着:在ADC31、32、33变换出的数字信号中,只要第一比及第二比中的某个比的电压值相对于频率例如变化1bit,就能够检测该变化。即,意味着假设在由于横向偏移等而目标值、监测值进入不灵敏带、相位偏移φ接近0或π的情况下,也能够进行监测值的变化的检测,因此能够执行频率控制。
另外,在激光装置1中,对第一强度、第二强度或第三强度适用修正系数而算出第一比或第二比,但也可以在目标值取得部353根据目标频率取得目标值时适用修正系数。该修正系数通过实验等预先取得并存储于存储部36,能够根据激光装置1的动作条件、温度传感器8或第二温度传感器检测到的温度而设定。另外,在根据目标频率取得目标值时,也可以使用与使用FFT和IFFT从正弦函数以外变换为正弦函数的方法同样的方法,根据目标频率取得目标值。
另外,在激光装置1中,通过运算部35的数字运算进行用于算出第三比、第四比的和、差的运算,但也可以通过模拟电路进行和、差的运算。若使用数字运算,则能够削减使用元件数、回路规模,且实现低成本化。另外,若使用模拟电路,则能够防止发生由数字化时的量化引起的信息的缺损。
(变形例)
另外,在激光装置1的第一变形例中,也可以还具备检测频率滤波器63a及频率滤波器64a的环境温度的温度传感器。而且,运算部35也可以基于环境温度传感器检测到的环境温度,以将频率滤波器63a及频率滤波器64a的透过特性的由环境温度引起的变化抵消的方式修正温度控制器9的控制温度及第一比或第二比。
环境温度传感器例如由热敏电阻等构成。需要说明的是,关于环境温度传感器,只要配置于能够检测频率滤波器63a及频率滤波器64a的环境温度的位置即可,其位置不特别限定,在例如激光部2保存于壳体内的情况下,环境温度传感器也可以配置于该壳体外,也可以设置于例如控制部3。环境温度传感器将包含检测到的温度的信息的电信号向控制部3的ADC输出。ADC将从环境温度传感器输入的模拟的电信号变换为数字信号并将该数字信号向运算部35输出。
当环境温度变化时,即便以使光源部4成为一定的温度的方式控制温度控制器9,频率滤波器63a及频率滤波器64a的温度也变化,第一频率鉴别曲线至第四频率鉴别曲线也横向偏移或纵向偏移。
同样的纵向偏移或横向偏移也可能由于其他因素而产生。作为其他因素,例如存在半导体光放大器5的发热量(SOA发热量)伴随激光L2的强度变更的变化、频率滤波器63a及频率滤波器64a伴随激光装置1的长期间的使用的随时间变化。频率滤波器63a及频率滤波器64a的频率特性伴随激光装置1被长期间使用而接近产品寿命,可能随时间变化。以后将这样的长期间的非意图的频率滤波器63a及频率滤波器64a的特性的随时间变化称作劣化。以后主要叙述伴随环境温度的变化的横向偏移或纵向偏移和其修正,但关于由其他因素引起的横向偏移或纵向偏移,也同样能够修正。
在产生由环境温度变化引起的横向偏移或纵向偏移的情况下,在激光装置1中执行的控制方法中,运算部35基于环境温度传感器检测到的频率滤波器63a及频率滤波器64a的环境温度,来设定将光源部4的周围温度的目标温度(温度控制器9的控制目标温度)修正的温度修正系数。频率滤波器63a及频率滤波器64a以根据温度控制器9的控制而温度变化的状态配置。其结果是,通过修正目标温度而温度控制器9对频率滤波器63a及频率滤波器64a在热量方面赋予的影响变化,因此频率滤波器63a及频率滤波器64a的温度也变化。针对该温度的变化,以将频率滤波器63a及频率滤波器64a的透过特性的由环境温度引起的变化抵消的方式设定温度修正系数,由此能够减少第一鉴别曲线至第四鉴别曲线的由环境温度引起的横向偏移或纵向偏移。在此,所谓抵消,不限定于将第一鉴别曲线至第四鉴别曲线的由环境温度引起的横向偏移或纵向偏移完全抵消的情况,也包含以与不修正目标温度的情况相比横向偏移或纵向偏移减少的方式抵消,所谓的削减。另外,修正系数的适用例如是通过加法运算、减法运算、乘法运算、除法运算中的任意运算进行的适用。
将环境温度与温度修正系数的关系的一例示于表1。它们的关系例如在激光装置1的制造时、出厂时、维护时等校准时取得。在表1中,将温度修正系数表示为LD(LaserDevice:激光装置)偏置温度。在表1所示的例子中,设想环境温度在-5℃至80℃变动。例如针对光源部4的目标温度是比35℃高且比80℃低的规定的值。在环境温度为35℃的情况下,LD偏置温度是0℃。在环境温度为-5℃的情况下,LD偏置温度是ΔT1[℃]。在环境温度为80℃的情况下,LD偏置温度是ΔT2[℃]。ΔT1、ΔT2均通过对目标温度进行加法运算而利用于修正。ΔT1例如是正值,ΔT2例如是负值。这样的关系作为环境温度与温度修正系数的第一关系信息存储于存储部36。第一关系信息包括环境温度与温度修正系数建立了对应关系的表数据或关系式。需要说明的是,关于环境温度为-5℃、35℃、80℃以外的值的情况下的LD偏置温度,也可以作为表数据或关系式而存储于存储部36,也可以根据环境温度为-5℃、35℃、80℃的值的情况下的LD偏置温度通过插补来运算。以下有时将LD偏置温度为0℃的情况下的环境温度记载为基准温度。在表1的情况下,基准温度为35℃。
(表1)
在产生由SOA发热量的变化、频率滤波器63a及频率滤波器64a的劣化引起的横向偏移或纵向偏移的情况下也能够进行同样的应对。针对由SOA发热量的变化引起的偏移,同样地确定SOA发热量或SOA电流值(向半导体光放大器5供给的电流的值)与温度修正系数的关系,由此决定温度修正系数。针对由频率滤波器63a及频率滤波器64a的劣化引起的偏移,通过同样地确定反映劣化程度的某些量与温度修正系数的关系来决定温度修正系数。所谓反映劣化程度的某些量,例如是环境温度的变动的次数、且是在超过规定的范围的宽度下温度变动了的累计的次数。或者是时间、且是激光装置1成为规定的范围的动作条件的累计的时间。或者也可以是,将对环境温度的变动的次数、激光装置1成为了规定的动作条件的累计的时间等的量分别进行加权后的规定的函数设为劣化函数,作为反映劣化程度的量而使用劣化函数的输出值。
也可以将按横向偏移或纵向偏移的每个因素决定出的温度修正系数相加来作为对最终的温度控制器9的目标温度的修正系数。
而且,如图4所示那样的鉴别曲线由于环境温度变化等不仅沿频率轴向偏移,有时沿比轴向偏移。这样的也称作纵向偏移的偏移的发生成为频率锁定的精度降低的原因。
于是,运算部35也可以根据环境温度来设定比修正系数,并利用比修正系数来修正第一比或第二比。在该情况下,存储部36存储表示环境温度与比修正系数的关系的第二关系信息。第二关系信息包含环境温度与比修正系数建立了对应关系的表数据或关系式。运算部35参照存储部36来设定比修正系数。比修正系数以将与环境温度相应的纵向偏移抵消的方式设定。由此,能够抑制频率锁定的精度的降低。例如比修正系数也可以以频率滤波器63a或64a的透过特性的极大点或极小点为基准来设定。作为具体例,也可以以使纵向偏移后的第一频率鉴别曲线或第二频率鉴别曲线处的极点与基准温度处的第一频率鉴别曲线或第二频率鉴别曲线处的极点一致的方式设定比修正系数。这意味着:通过比修正系数的适用而使纵向偏移后的频率鉴别曲线的振幅与本来的频率鉴别曲线相对准。需要说明的是,极点是指极大点或极小点。另外,比修正系数的适用例如是通过加法运算、减法运算、乘法运算、除法运算中的任意运算进行的适用,但在纵向偏移以曲线的振幅和曲线的偏置这两方发生了的情况下,比修正系数被设定为振幅的修正系数与偏置的修正系数的组合。作为具体例,以使纵向偏移后的第一频率鉴别曲线或第二频率鉴别曲线的一对极大值·极小值、和与其对应的基准温度处的第一频率鉴别曲线或第二频率鉴别曲线的一对极大值·极小值一致的方式设定比修正系数。
另外,运算部35也可以根据SOA发热量来设定比修正系数,并利用比修正系数来修正第一比或第二比。在该情况下,存储部36存储表示SOA发热量与比修正系数的关系的第三关系信息。第三关系信息包含SOA发热量与比修正系数建立了对应关系的表数据或关系式。运算部35参照存储部36来设定比修正系数。比修正系数以将与SOA发热量相应的纵向偏移抵消的方式设定。由此,能够抑制频率锁定的精度的降低。例如比修正系数也可以以频率滤波器63a或64a的透过特性的极大点或极小点为基准来设定。作为具体例,也可以以使纵向偏移后的第一频率鉴别曲线或第二频率鉴别曲线处的极点与基准SOA发热量处的第一频率鉴别曲线或第二频率鉴别曲线处的极点一致的方式设定比修正系数。这意味着通过比修正系数的适用使纵向偏移后的频率鉴别曲线的振幅与本来的频率鉴别曲线相对准。需要说明的是,极点是指极大点或极小点。另外,基准SOA发热量是指激光L2为基准强度时的SOA发热量,例如在激光装置1的制造时、出厂时、维护时等校准时取得。另外,比修正系数的适用例如是通过加法运算、减法运算、乘法运算、除法运算中的任意运算进行的适用,但在纵向偏移以曲线的振幅和曲线的偏置这两方发生的情况下,比修正系数被设定为振幅的修正系数和偏置的修正系数的组合。作为具体例,以使纵向偏移后的第一频率鉴别曲线或第二频率鉴别曲线的一对极大值·极小值、和与其对应的基准SOA发热量处的第一频率鉴别曲线或第二频率鉴别曲线的一对极大值·极小值一致的方式设定比修正系数。
另外,运算部35也可以根据反映劣化程度的量来设定比修正系数,并利用比修正系数来修正第一比或第二比。在该情况下,存储部36存储表示反映劣化程度的量与比修正系数的关系的第四关系信息。第四关系信息包括反映劣化程度的量与比修正系数建立了对应关系的表数据或关系式。运算部35参照存储部36来设定比修正系数。比修正系数以将伴随频率滤波器63a及频率滤波器64a的劣化产生的纵向偏移抵消的方式设定。由此,能够抑制频率锁定的精度的降低。例如比修正系数也可以以频率滤波器63a或64a的透过特性的极大点或极小点为基准来设定。作为具体例,也可以以使由于劣化而纵向偏移后的第一频率鉴别曲线或第二频率鉴别曲线处的极点与激光装置1的制造时的第一频率鉴别曲线或第二频率鉴别曲线处的极点一致的方式设定比修正系数。这意味着通过比修正系数的适用使由于劣化而纵向偏移后的频率鉴别曲线的振幅与本来的频率鉴别曲线相对准。需要说明的是,极点是指极大点或极小点。另外,比修正系数的适用例如是通过加法运算、减法运算、乘法运算、除法运算中的任意运算进行的适用,但在纵向偏移以曲线的振幅和曲线的偏置这两方发生的情况下,比修正系数被设定为振幅的修正系数与偏置的修正系数的组合。作为具体例,以使纵向偏移后的第一频率鉴别曲线或第二频率鉴别曲线的一对极大值·极小值、和与其对应的激光装置1的制造时的第一频率鉴别曲线或第二频率鉴别曲线的一对极大值·极小值一致的方式设定比修正系数。
也可以分别依次适用按纵向偏移的每个因素决定的比修正系数,由此同时修正由多个因素引起的纵向偏移。
在进行用于将横向偏移抵消的温度修正系数的设定和用于将纵向偏移抵消的比修正系数的设定这两方的情况下,在设定比修正系数后设定温度修正系数这一做法能够更有效地抑制频率锁定的精度的降低。
图10是表示进行与环境温度相应的修正的情况下的控制方法的流程图。图10的流程图是对图9的流程图追加了步骤S201~S203的流程图,因此以下关于步骤S201~S203进行说明,关于步骤S101~S115省略说明。
在图10所示的控制方法中,相对于步骤S101而接下来在步骤S201中控制部3取得环境温度。接下来,在步骤S202中,控制部3取得目标温度。接下来,在步骤S203中,控制部3设定修正系数即温度修正系数及比修正系数。之后,控制前进至步骤S102。
根据基于激光装置1的变形例及图10的流程图的控制方法,特别是即便环境温度变化也始终能够适用基准温度下的频率控制,因此优选,特别是对起因于环境温度的变化的横向偏移、纵向偏移的耐性进一步提高。
另外,在该变形例及控制方法中,起到根据第一比和第二比的运算而得到的第三比及第四比即便是不准备单独的修正系数也被最优修正这样的效果。由此,仅通过第一比和第二比的简易的修正,即便环境温度变化也能够实现与基准温度同等的频率控制。
另外,也可以对第一比和第二比分别设定不同的修正系数。由此,在第一比和第二比中即便杂散光的影响等不同也能进行最优的修正。
另外,也可以代替对第一比或第二比适用比修正系数,而是对监测值适用监测修正系数。该监测系数以将与环境温度相应的纵向偏移抵消的方式设定。
另外,在图10的流程图中,执行步骤S201~S203的步骤的位置不限定于上述。通过步骤S201~S203的执行,频率鉴别曲线的偏移被修正而与基准温度处的频率鉴别曲线一致。因此,与这样的偏移的修正相关的步骤只要在步骤S104、S106、S108、或S110即算出并设定与激光L1的频率相当的监测值R_mon的步骤之前进行就可获得效果。
(进一步的变形例)
在图9的流程图中,描述了可以选择第一比至第四比中的目标频率处的变化率最大的频率鉴别曲线,也可以选择第一比至第四比中的在将频率鉴别曲线的振幅归一化后在目标频率处绝对值最小的频率鉴别曲线。与此相对,在激光装置1的第二变形例中,控制部3也可以在第一比至第四比中,基于相对于目标值处的频率变化而言的比的变化率而对设定为与激光的频率相当的监测值的比赋予优先级,来选择比。
另外,在激光装置1的第三变形例中,控制部3也可以在第一比至第四比中,基于相对于目标值处的频率变化而言的比的S/N(信号噪声比)而对设定为与激光的频率相当的监测值的比赋予优先级,来选择比。
即,在透过了频率滤波器63a的激光L5、从输入了激光L5的PD71输出的电信号中,有时因杂散光、电噪声的影响而载入噪声、S/N恶化。同样地,在透过了频率滤波器64a的激光L6、从输入了激光L6的PD72输出的电信号中,有时因杂散光、电噪声的影响而载入噪声、S/N恶化。另外,有时因劣化而杂散光相对于激光L5或激光L6的相对强度随时间变化,S/N恶化。当S/N恶化时激光的频率不稳等,有时频率稳定性降低。于是,例如即便是比的变化率大的频率鉴别曲线,对于S/N差的频率鉴别曲线也降低选择的优先级,若如此则能够防止或抑制S/N的恶化,因此能够防止或抑制频率稳定性的降低。
另外,在激光装置1的第四变形例中,控制部3也可以在第一比至第四比中,基于相对于目标值处的频率变化而言比的变化率及S/N而对设定为与激光的频率相当的监测值的比赋予优先级,来选择比。由此,能够进行更适当的频率鉴别曲线的选择。
赋予优先级的方法,能够排序为例如变化率大于与变化率相关的第一阈值、且S/N高于与S/N相关的第二阈值的频率鉴别曲线的优先级最高,变化率为第一阈值以下但S/N高于第二阈值的频率鉴别曲线的优先级第二高等。另外,也可以例如使对作为参数的变化率和S/N分别进行加权后的规定的函数为评价函数,按评价函数的值从大到小的顺序赋予优先级。这样的排序的规则例如能够根据对激光装置的要求规格来设定。需要说明的是,S/N的程度能够换算成激光的频率的不稳的范围(频率稳定性)而定量地评价。
上述的3种类(变化率、S/N、S/N及变化率)的优先级赋予例如在第二变形例~第四变形例的激光装置1的制造时、出厂时的校准时取得,并作为表数据等而存储于存储部36。另外,也可以在变形例的激光装置1的维护时重写。S/N也能够通过监测从PD71输出的电信号、从PD72输出的电信号来取得。另外,S/N也能够根据激光L1的频率稳定性的测定来取得。
图11是表示第四变形例的激光装置中的控制方法的一部分的流程图。该流程图仅示出对图9所示的流程图的步骤S101、S102进行置换的部分。在图11的返回后,控制流程进行图9的步骤S103~S115。
在步骤S301中,目标频率设定部351将目标频率设定为激光L1的频率的目标值。
接下来,在步骤S302中,鉴别曲线选择部352从存储于存储部36的表数据,取得基于“目标频率处的变化率”的优先级信息。在此,表数据T1保存有基于“目标频率处的变化率”的优先级信息。在表数据T1中,频率与频道编号(CH)建立了对应关系,在此设为目标频率与频道n对应。此时,在频道n中,曲线4(第四频率鉴别曲线)的优先级为第1号,之后,按曲线2(第二频率鉴别曲线)、曲线3(第三频率鉴别曲线)、曲线1(第一频率鉴别曲线)的顺序赋予优先级。
接下来,在步骤S303中,鉴别曲线选择部352从存储部36取得目标频率处的各曲线的S/N。杂散光相对于激光L5或激光L6的相对强度有时依存于激光装置1的动作条件、温度,另外也有时随时间变化。为了考虑这些依存性、随时间变化对S/N的影响,也可以不仅使用从存储部36取得的S/N也使用动作条件、温度传感器8检测到的温度、环境温度、劣化情况等信息来估计当前的各曲线的S/N,并在以后的步骤中使用。在此,所谓动作条件,具体而言,包括向DBR加热器421、RING加热器422、Phase加热器423供给的电力的条件、半导体光放大器5的动作的条件等。
接下来,在步骤S304中,鉴别曲线选择部352将S/N的程度换算为频率稳定性。
接下来,在步骤S305中,鉴别曲线选择部352判定是否作为优先级第1位的曲线的曲线4的频率稳定性为容许范围(或比规定的阈值高)。在是容许范围内的情况下(步骤S305,是),在步骤S306中,鉴别曲线选择部352选择作为优先级第1位的曲线的曲线4,并返回。在不是容许范围内的情况下(步骤S305,否),流程前进至步骤S307。
在步骤S307中,鉴别曲线选择部352判定是否作为优先级第2位的曲线的曲线2的频率稳定性为容许范围。在是容许范围内的情况(步骤S307,是)下,在步骤S308中,调换优先级第1位与优先级第2位的曲线的位次,并前进至步骤S306。在步骤S306中,鉴别曲线选择部352选择作为调换后的优先级第1位的曲线的曲线2,并返回。
在不是容许范围内的情况下(步骤S307,否),流程前进至步骤S309,运算部35转移至错误状态,并结束流程。
需要说明的是,在步骤S308中调换优先级的结果也可以是覆写于存储部36。
图12是表示第四变形例的激光装置中的控制方法的别的一例的一部分的流程图。该流程图是将图11所示的流程图的步骤S302置换为步骤S402a、S402b、S402c而得到的流程图。其他步骤S301、S301~S309与图11相同,因此省略说明。
在步骤S402a中,鉴别曲线选择部352从保存于存储部36的表数据T2取得目标频率(频道n)的周边的曲线1、曲线2的控制目标值数据。需要说明的是,所谓控制目标值数据,与第一比、第二比对应。
接下来,在步骤S402b中,鉴别曲线选择部352以4个曲线中各个曲线来算出控制目标值(比)的变化率。
接下来,在步骤S402c中,鉴别曲线选择部352以变化率越大则设定越高的优先级的方式对各曲线设定优先级,并赋予优先级。之后,适当执行步骤S303~S309。
(第四变形例的进一步的变形例)
在第四变形例中,描述了也可以不仅使用从存储部36取得的S/N也使用动作条件、温度传感器8检测到的温度、环境温度、劣化情况等信息来估计当前的各曲线的S/N,并将S/N的程度换算为频率稳定性,决定曲线的优先级。与此相对,控制部3在第四变形例的进一步的变形例中,也可以测定当前的激光L1的频率稳定性,准确地评价S/N的程度而对第一比至第四比赋予优先级来选择。通过使用不是频率稳定性的推定值而是测定值,对于要求规格,能够进行更适当的基于S/N的排序、频率鉴别曲线的选择。另外,能够更可靠地防止或抑制频率稳定性的降低。当前的频率稳定性能够通过监测从PD71输出的电信号、从PD72输出的电信号的不稳的程度来取得。
图13、14是表示第四变形例的进一步的变形例的激光装置中的控制方法的一部分的流程图、且是基于变化率及S/N来赋予优先级的流程图。图13的流程图仅示出对图9所示的流程图的步骤S101、S102进行置换的部分。在图13的返回后,控制流程进行图9的步骤S104、S106、S108或S110、及S111~S113。图14仅示出对图9所示的流程图的步骤S114、S115及“结束”进行置换的部分。
首先,关于图13进行说明时,在步骤S501中,目标频率设定部351将目标频率设定为激光L1的频率的目标值。
接下来,在步骤S502中,鉴别曲线选择部352从存储于存储部36的表数据,取得基于“目标频率处的变化率”的优先级信息。在此,表数据T3保存有基于“目标频率处的变化率”的优先级信息。在表数据T3中,频率与频道编号(CH)建立了对应关系,在此设为目标频率与频道n对应。此时,在频道n中,曲线4(第四频率鉴别曲线)的优先级是第1号,之后,按曲线2(第二频率鉴别曲线)、曲线3(第三频率鉴别曲线)、曲线1(第一频率鉴别曲线)的顺序赋予优先级。
接下来,在步骤S503中,鉴别曲线选择部352选择作为优先级第1位的曲线的曲线4,并返回。
接着,关于图14进行说明时,在步骤S514中,PID控制部356判定作为差的绝对值的|目标值R_tgt-监测值R_mon|是否是目标误差内。在判定为是目标误差内的情况下(步骤S514,是),控制前进至步骤S515。需要说明的是,在判定为不是目标误差内的情况下(步骤S514,否),控制前进至后述的步骤S519。
在步骤S515中,鉴别曲线选择部352判定作为优先级第1位的曲线的曲线4的频率稳定性是否为容许范围(或比规定的阈值高)。在是容许范围内的情况下(步骤S515,是),结束流程。在不是容许范围内的情况下(步骤S515,否),流程前进至步骤S516。
在步骤S516中,鉴别曲线选择部352判定是否最初执行该步骤。在不是最初的情况下(步骤S516,否),流程前进至步骤S517,运算部35转移至错误状态,结束流程。
另一方面,在是最初的情况下(步骤S516,是),在步骤S518中,调换优先级第1位与优先级第2位的曲线的位次,并前进至步骤S519。在步骤S519中,鉴别曲线选择部352选择作为调换后的优先级第1位的曲线的曲线2。接下来,在步骤S520中,目标值取得部353基于选择出的曲线2,来取得并决定与目标频率对应的目标值R_tgt。之后,流程根据选择出的曲线2而返回步骤S106。
需要说明的是,本发明并不由上述实施方式限定。使上述的各构成要素适当组合而构成的发明也包含于本发明。另外,能够由本领域技术人员容易地导出进一步的效果、变形例。因而,本发明的更广范围的方案并不限定于上述的实施方式,能够进行各种各样的变更。
附图标记说明:
1 激光装置
2 激光部
3 控制部
4 光源部
5 半导体光放大器
6 平面光波回路
7 光检测部
8 温度传感器
9 温度控制器
10 监测部
31、32、33、34 ADC
35 运算部
36 存储部
37 电流源
41 激光主体部
42 变更部
43 第一波导部
44 第二波导部
44a 光波导层
45 n侧电极
61 光分支部
62、63、64 光波导
63a、64a 频率滤波器
91 设置面
351 目标频率设定部
352 鉴别曲线选择部
353 目标值取得部
354 监测值算出部
355 差量取得部
356 PID控制部
357 DBR/RING电力设定部
421 DBR加热器
422 RING加热器
423 Phase加热器
431 波导部
431a 增益部
431b 衍射光栅层
432 半导体积层部
433 p侧电极
441a 波导
442、443 臂部
444 环状波导
445 相位调整部
Ar1 第一区域
Ar2 第二区域
B1 基部
C 光谐振器
C1 第一频率鉴别曲线
C2 第二频率鉴别曲线
C3 第三频率鉴别曲线
C4 第四频率鉴别曲线
C5 第五频率鉴别曲线
C6 第六频率鉴别曲线
C5A、C5B 频率鉴别曲线
C11、C21、C31、C41、C51、C61、C1F、C1AF、C1BF、C5F、C5AF、C5BF 区域
L1、L2、L3、L4、L5、L6 激光
M 反射镜
M1、M2、M3、M4 线
RF1 环形谐振器滤波器。
Claims (14)
1.一种激光装置,其中,
所述激光装置具备:
激光部,其具备使输出的激光的频率可变的光源部、以及取得与相当于所述激光的频率的频率当量对应的监测值的监测部;以及
控制部,其通过向所述激光部供给控制量来控制所述激光的频率,
所述监测部至少具备:第一频率滤波器及第二频率滤波器,它们具有透过率相对于输入的光的频率而周期性变化的透过特性、且相位相对偏移;第一检测部,其检测与所述激光透过所述第一频率滤波器后的激光的强度对应的第一强度;以及第二检测部,其检测与所述激光透过所述第二频率滤波器后的激光的强度对应的第二强度,
所述控制部取得成为所述激光的频率的控制目标的目标频率,
所述控制部取得与所述第一强度相对于所述激光的强度之比相当的第一比、以及与所述第二强度相对于所述激光的强度之比相当的第二比,
所述控制部将所述第一比、所述第二比、作为所述第一比与所述第二比之和的第三比、以及作为所述第一比与所述第二比之差的第四比中的任一比设定为相当于所述激光的频率的监测值,
所述控制部基于所述第一比、所述第二比、所述第三比及所述第四比中的该任一比,来取得相当于所述目标频率的目标值,
所述控制部以使所述目标值与所述监测值之差的绝对值变小的方式控制所述控制量。
2.根据权利要求1所述的激光装置,其中,
所述控制部对所述第一强度、所述第二强度或所述激光的强度适用修正系数来算出所述第一比或所述第二比。
3.根据权利要求1或2所述的激光装置,其中,
所述控制部将所述第一强度、所述第二强度及所述激光的强度变换为数字信号,并通过数字运算来算出所述第一比或所述第二比。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的激光装置,其中,
所述第一频率滤波器的透过率及第二频率滤波器的透过率相对于频率的变化而呈正弦函数地变化。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的激光装置,其中,
所述控制部根据所述第一强度、所述第二强度及所述激光的强度,将表示所述第一频率滤波器的透过特性或所述第二频率滤波器的透过特性的频率的函数变换为频率的正弦函数,来算出所述第一比或所述第二比。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的激光装置,其中,
所述激光部利用游标效应而使所述激光的频率可变。
7.根据权利要求1~6中任一项所述的激光装置,其中,
所述控制部通过向所述激光部供给与所述控制量对应的电力来控制所述激光的频率。
8.根据权利要求7所述的激光装置,其特征在于,
所述激光装置还具备温度控制器,该温度控制器具有设置所述光源部、所述第一频率滤波器及第二频率滤波器的设置面,
所述光源部、所述第一频率滤波器及第二频率滤波器设置于所述温度控制器的同一所述设置面。
9.根据权利要求1~8中任一项所述的激光装置,其中,
所述控制部在所述第一比、所述第二比、所述第三比及所述第四比中,基于相对于所述目标值处的频率变化而言的比的变化率而对设定为与所述激光的频率相当的监测值的比赋予优先级,来选择比。
10.根据权利要求1~8中任一项所述的激光装置,其中,
所述控制部在所述第一比、所述第二比、所述第三比及所述第四比中,基于相对于所述目标值处的频率变化而言的比的S/N而对设定为与所述激光的频率相当的监测值的比赋予优先级,来选择比。
11.根据权利要求1~8中任一项所述的激光装置,其中,
所述控制部在所述第一比、所述第二比、所述第三比及所述第四比中,基于相对于所述目标值处的频率变化而言的比的变化率及S/N而对设定为与所述激光的频率相当的监测值的比赋予优先级,来选择比。
12.根据权利要求1~11中任一项所述的激光装置,其中,
所述激光装置还具备温度控制器,该温度控制器具有设置所述光源部、所述第一频率滤波器及第二频率滤波器的设置面,
所述控制部以将所述第一频率滤波器及第二频率滤波器的透过特性的横向偏移或纵向偏移抵消的方式修正所述温度控制器的控制温度、以及所述第一比或第二比或监测值。
13.根据权利要求1~11中任一项所述的激光装置,其中,
所述激光装置还具备:温度控制器,其具有设置所述光源部、所述第一频率滤波器及第二频率滤波器的设置面;以及环境温度传感器,其检测所述第一频率滤波器及第二频率滤波器的环境温度,
所述控制部基于所述环境温度传感器检测到的所述环境温度,以将所述第一频率滤波器及第二频率滤波器的透过特性的由环境温度引起的变化抵消的方式修正所述温度控制器的控制温度、以及所述第一比或第二比或监测值。
14.一种激光装置的控制方法,该激光装置具备使输出的激光的频率可变的光源部,其中,
所述激光装置的控制方法包括如下步骤:
第一取得步骤,取得成为所述激光的频率的控制目标的目标频率;
检测步骤,检测与所述激光透过第一频率滤波器及第二频率滤波器中的所述第一频率滤波器后的激光的强度对应的第一强度,检测与所述激光透过所述第二频率滤波器后的激光的强度对应的第二强度,并检测所述激光的强度,所述第一频率滤波器及所述第二频率滤波器具有透过率相对于输入的光的频率而周期性变化的透过特性、且相位相对偏移;
第二取得步骤,取得与所述第一强度相对于所述激光的强度之比相当的第一比、以及与所述第二强度相对于所述激光的强度之比相当的第二比;
设定步骤,根据所述第一比、所述第二比、作为所述第一比与所述第二比之和的第三比、以及作为所述第一比与所述第二比之差的第四比中的任一比来设定与相当于所述激光的频率的频率当量对应的监测值;
第三取得步骤,基于所述第一比、所述第二比、所述第三比及所述第四比中的该任一比,来取得相当于所述目标频率的目标值;以及
调整步骤,以使所述目标值与所述监测值之差的绝对值变小的方式调整控制量。
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