JP2007158092A - レーザ発光装置およびレーザ駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化によらず出力特性を一定に維持することができるレーザ発光装置およびレーザ駆動方法を提供する。
【解決手段】本実施例のレーザ発光装置は、複数のモードのレーザ光を出射するレーザ素子１と、レーザ素子１へバイアス電流Ｉ-biasと変調電流Ｉ-modとを重畳させた駆動電流Ｉを供給する駆動装置４と、レーザ素子１から出射されたレーザ光の外側の部分を受光する光検出素子３とを有する。駆動装置４は、光検出素子３により検出された光量に基づいて変調電流Ｉ-modを制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ発光装置およびレーザ駆動方法に関し、特に、発振モードが多モードのレーザ素子を用いたレーザ発光装置およびレーザ駆動方法に関する。

光通信において、半導体レーザ素子が用いられている。５００ｍ以下の短距離通信では、主として安価な面発光レーザ素子が用いられている。面発光レーザ素子の発振モードは、多モードのものが多い。

図６（ａ）は、従来のレーザ発光装置の概略構成を示す図であり、図６（ｂ）は駆動電流を説明するための図である。

レーザ発光装置は、レーザ素子１０１と、駆動装置１０２と、ビームスプリッタ１０３と、フォトダイオード１０４とを有する。駆動装置１０２から駆動電流Ｉがレーザ素子１０１に供給されると、駆動電流Ｉに応じた出射光がレーザ素子１０１から出射される。駆動電流は、バイアス電流（直流電流）Ｉ-biasにモデュレーション電流Ｉ-modを重畳させたものである。レーザ素子１０１からの出射光の一部は、ビームスプリッタ１０３を介してフォトダイオード１０４に受光される。フォトダイオード１０４による検出光の光量が一定となるように、駆動装置１０２によりバイアス電流Ｉ-biasが調整される。バイアス電流Ｉ-biasの調整はＡＰＣ（Automatic Power Control）制御と呼ばれる。これにより、レーザ光の平均光出力は一定に維持される。

しかしながら、半導体レーザ素子の光出力は温度依存性がある。図７（ａ）は、１０℃〜７０℃の間における駆動電流Ｉと光出力Ｐｏとの関係を示す図である。Ｃ１は、１０℃のときのデータであり、Ｃ２は２０℃のときのデータであり、Ｃ３は３０℃のときのデータであり、Ｃ４は４０℃のときのデータであり、Ｃ５は５０℃のときのデータであり、Ｃ６は６０℃のときのデータであり、Ｃ７は７０℃のときのデータである。図７（ｂ）は、駆動電流を示し、図７（ｃ）は光出力を示す図である。

図７に示すように、半導体レーザ素子の電流―出力特性の微分効率は高温時において減少する傾向にある。このため、温度が上昇すると、ＡＰＣ制御により平均光出力は一定に維持できるが、消光比が減少するため（図７（ｃ）参照）、信号品質が劣化してしまう。

この問題に対処するため、図８（ａ）に示すように、ＡＰＣ制御に加えて、サーミスタ等の温度センサ１０５でレーザ素子１０１の周辺温度を測定し、これに基づいてモデュレーション電流Ｉ-modを調整する技術が開示されている（特許文献１，２参照）。より詳細には、温度が上昇した場合には、モデュレーション電流Ｉ-modの振幅を増加させる（図８（ｂ）参照）。あるいは、駆動装置１０２内のメモリにレーザ特性情報を記憶させて、温度センサからの検出温度に基づいて、適正温度を決定するようにした技術が開示されている（特許文献３参照）。
特開２０００−２６１０９０号公報 特開平１０−２７０７８３号公報 特開２００２−１５８３８３号公報

しかしながら、半導体レーザ素子は、特別な選別をしない限り、素子間の特性ばらつきが比較的大きく、温度による出力特性変動にもばらつきがある。このため、温度センサ１０５からの検出温度に基づいてモデュレーション電流Ｉ-modを調整しても、完全な信号品質を維持することができない。

厳密にレーザ素子を選別して、素子毎のばらつきを最小限にすれば、検出温度に基づいた調整でも有効となる。しかし、この場合には選別歩留まりを考慮するとコスト面で不利となる。また、レーザ情報をメモリで記憶するタイプでは、素子毎の単独情報をもたせることも不可能ではない。しかしこの方法は工程上の負荷が大きくコスト増を招いてしまう。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、温度変化によらず出力特性を一定に維持することができるレーザ発光装置およびレーザ駆動方法を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明のレーザ発光装置は、複数のモードのレーザ光を出射するレーザ素子と、前記レーザ素子へバイアス電流と変調電流とを重畳させた駆動電流を供給する駆動手段と、前記レーザ素子から出射された前記レーザ光の外側の部分を受光する第１光検出素子とを有し、前記駆動手段は、前記第１光検出素子により検出された光量に基づいて前記変調電流を制御する。

上記の本発明のレーザ発光装置では、レーザ素子から出射されたレーザ光の外側の部分が第１光検出素子により検出される。すなわち、この第１光検出素子によりレーザ素子の遠視野像の外側の部分がモニタされる。第１光検出素子により検出される光量に基づいて、駆動手段により変調電流が制御される。

上記の目的を達成するため、本発明のレーザ駆動方法は、バイアス電流と変調電流を重畳させた駆動電流を前記レーザ素子へ供給して、複数のモードのレーザ光を出射させるステップと、出射された前記レーザ光うちの外側の部分を検出するステップと、検出された光量に基づいて、前記レーザ素子へ供給する前記変調電流を調整するステップとを有する。

上記の本発明のレーザ駆動方法では、レーザ素子から出射されたレーザ光の外側の部分を検出する。すなわち、レーザ素子の遠視野像の外側の部分をモニタする。そして、検出された光量に基づいて、レーザ素子へ供給する変調電流を調整する。

本発明のレーザ発光装置およびレーザ駆動方法によれば、温度変化によらず出力特性を一定に維持することができる。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、中距離〜短距離通信のレーザ光源として使用されている面発光半導体レーザ素子のファーフィールドパターン（遠視野像）である。中距離〜短距離通信の例としては企業内ネットワークがある。図１（ａ）は１０℃の場合の遠視野像であり、図１（ｂ）は３０℃の場合の遠視野像であり、図１（ｃ）は７０℃の場合の遠視野像である。各図（ａ）〜（ｃ）では、種々の駆動電流Ｉを採用した場合、すなわち種々の光出力における遠視野像を示す。Ｐ１は０．２ｍＷの遠視野像、Ｐ２は０．５ｍＷの遠視野像、Ｐ３は１．０ｍＷの遠視野像、Ｐ４は１．５ｍＷの遠視野像、Ｐ５は２．０ｍＷの遠視野像、Ｐ６は２．５ｍＷの遠視野像を示す。

通信用途に使用される面発光半導体レーザのほとんどは、多モード発振タイプであり、図２に示すように、通常３モード（０次、１次、２次）程度で同時発振している。図２では、７０℃、２．５ｍＷの場合の遠視野像を示す。光出力分布は、０次光Ｄ０、１次光Ｄ１、２次光Ｄ２を重ね合わせたものとなる。

従って、遠視野像の外側の高次モード（Ｄ１，Ｄ２）の強度変化をモニタし、これをもう１つのループ（温度補償ループ）として駆動装置にフィードバックすることにより、温度によらず高品質な信号品質を保つことができる。以下に、本発明の実施例について説明する。

図３は、実施例１に係るレーザ発光装置の断面図である。

本実施例のレーザ発光装置は、レーザ素子１と、光検出素子（第２検出素子）２と、光検出素子（第１検出素子）３と、駆動装置４と、ビームスプリッタ５とを有する。ビームスプリッタ５は、本発明の光学部材の一例である。

レーザ素子１は、発振モードが多モード（複数モード）のレーザ素子であり、例えば面発光半導体レーザである。なお、本発明は多モードのレーザ素子であれば、いかなるレーザ素子にも適用可能である。面発光半導体レーザからの出射光の波長は、例えば８５０ｎｍである。レーザ素子１は、バイアス電流Ｉ-biasとモデュレーション電流Ｉ-modとが重畳された駆動電流Ｉに基づいて、レーザ光を出射する。

ビームスプリッタ５は、レーザ素子１からのレーザ光の一部を光検出素子２および光検出素子３に向けて反射させる。ビームスプリッタ５により反射された光を参照光ＲＬとする。ビームスプリッタ５を透過した光は、信号に用いられる出射光Ｌとなる。

光検出素子２は、参照光ＲＬの中央付近に配置されている。光検出素子３は、参照光ＲＬの外側（周辺部）に配置されている。光検出素子２，３は、例えばフォトダイオードからなる。光検出素子２となるフォトダイオードの周囲に、光検出素子３となるフォトダイオードをリング状に形成してもよい。

光検出素子２は、参照光ＲＬの中央部の光量を検出して、この検出信号を駆動装置４へ出力する。光検出素子２からの検出信号Ｓ２は、ＡＰＣ制御に用いられる。

光検出素子３は、参照光ＲＬの外側部分の光量を検出して、この検出信号を駆動装置４へ出力する。光検出素子３からの検出信号Ｓ３は、温度補償制御に用いられる。

駆動装置４は、光検出素子２からの検出信号Ｓ２に基づいてバイアス電流Ｉ-biasを調整し、光検出素子３からの検出信号Ｓ３に基づいてモデュレーション電流Ｉ-modを調整する。例えば、光検出素子２により検出される光量が一定となるように、バイアス電流Ｉ-biasを調整する。また、光検出素子３により検出される光量に応じてモデュレーション電流Ｉ-modを調整する。バイアス電流Ｉ-biasは一般的なＡＰＣ制御で検出される光量＝一定のコントロールでよいが、モデュレーション電流Ｉ-modは検出される光量に応じてコントロール量を駆動装置４であらかじめ定めておく。このため、駆動装置４内のメモリには、光検出素子３により検出される光量と、設定すべきモデュレーション電流Ｉ-modとの関係を示すデータを予め格納しておく。例えば、光検出素子３により検出される光量が増加した場合には、温度が上昇しているため（図１参照）、モデュレーション電流Ｉ-modを増加させる。

上記の実施例１のレーザ駆動方法について説明する。

まず、駆動装置４によりバイアス電流Ｉ-biasとモデュレーション電流Ｉ-modとを重畳させた駆動電流Ｉがレーザ素子１に供給される。レーザ素子１から、駆動電流Ｉに基づいた出力のレーザが出射される。

レーザ素子１から出射されたレーザ光の一部は、ビームスプリッタ５により反射されて、光検出素子２，３に受光される。光検出素子２により検出される光量が一定となるように、駆動装置４によりバイアス電流Ｉ-biasが調整される（ＡＰＣ制御）。このＡＰＣ制御により、出射光Ｌの平均光出力は一定に保たれる。

光検出素子３により検出される光量に応じて、駆動装置４によりモデュレーション電流Ｉ-modが調整される（温度補償制御）。この温度補償制御により、出射光Ｌの消光比は一定に保たれる。

上記の実施例１では、レーザ素子１からのレーザ光の一部を参照光ＲＬとして分離し、この参照光ＲＬの外側部分を光検出素子３により検出している。このため、光検出素子３は、レーザ素子１の遠視野像の外側の部分をモニタしていることになる。遠視野像の外側部分の強度は、高次モードの強度変化に起因して変化する。光検出素子３により、遠視野像の外側の強度をモニタして、この遠視野像の外側の部分の強度に応じてモデュレーション電流Ｉ-modを調整することにより、温度変化に基づく消光比の劣化を抑制することができる。

この結果、実施例１のレーザ発光装置およびレーザ駆動方法によれば、幅広い温度範囲において高品質な伝送特性を維持することができる。

図４は、実施例２に係るレーザ発光装置の断面図である。

本実施例のレーザ発光装置は、レーザ素子１と、光検出素子（第２検出素子）２と、光検出素子（第１検出素子）３と、駆動装置４と、光導波路６と、ビームスプリッタ７とを有する。光導波路６およびビームスプリッタ７は、本発明の光学部材の一例である。

レーザ素子１は、発振モードが多モードのレーザ素子であり、例えば面発光半導体レーザである。なお、本発明は多モードのレーザ素子であればいかなるレーザ素子にも適用可能である。面発光半導体レーザからの出射光の波長は、例えば８５０ｎｍである。レーザ素子１は、バイアス電流Ｉ-biasとモデュレーション電流Ｉ-modとが重畳された駆動電流Ｉに基づいて、レーザ光を出射する。

光導波路６は、多モードのレーザ光を伝播できるマルチモード導波路であり、分岐路（Ｙ分岐路）６ａを備える。また、光導波路６の途中にビームスプリッタ７が設けられている。分岐路６ａは、光導波路６に入射したレーザ光のうち外側の部分のみを光検出素子３へ導く。光検出素子３へ受光される光を参照光ＲＬ３とする。光導波路６は、伝播距離が長くなるにつれて伝播する光のモードを保持できなくなる。従って、光導波路６の信号入射端の近傍に分岐路６ａを設けることが好ましい。

ビームスプリッタ７は、光導波路６を導波するレーザ光の一部を光検出素子２に向けて反射させる。光検出素子２に向けて反射された光を参照光ＲＬ２とする。ビームスプリッタ７を通過した光は、信号に用いられる出射光Ｌとなる。

光検出素子２は、参照光ＲＬ２の光量を検出して、この検出信号を駆動装置４へ出力する。光検出素子２は、例えばフォトダイオードからなる。光検出素子２からの検出信号Ｓ２は、ＡＰＣ制御に用いられる。

光検出素子３は、参照光ＲＬ３の光量を検出して、この検出信号を駆動装置４へ出力する。光検出素子３からの検出信号Ｓ３は、温度補償制御に用いられる。

駆動装置４は、光検出素子２からの検出信号Ｓ２に基づいてバイアス電流Ｉ-biasを調整し、光検出素子３からの検出信号Ｓ３に基づいてモデュレーション電流Ｉ-modを調整する。例えば、光検出素子２により検出される光量が一定となるように、バイアス電流Ｉ-biasを調整する。また、光検出素子３により検出される光量に応じてモデュレーション電流Ｉ-modを調整する。例えば、光検出素子３により検出される光量が増加した場合には、温度が上昇しているため（図１参照）、モデュレーション電流Ｉ-modを増加させる。このため、駆動装置４内のメモリには、光検出素子３により検出される光量と、設定すべきモデュレーション電流Ｉ-modとの関係を示すデータを予め格納しておくことが好ましい。

上記の実施例２のレーザ駆動方法について説明する。

まず、駆動装置４によりバイアス電流Ｉ-biasとモデュレーション電流Ｉ-modとを重畳させた駆動電流Ｉがレーザ素子１に供給される。レーザ素子１から、駆動電流Ｉに基づいた出力のレーザが出射される。

レーザ素子１から出射されたレーザ光は光導波路６内を伝播する。ここで、光導波路６内を伝播するレーザ光のうちの外側の部分は、分岐路６ａを通って光検出素子３に受光される。また、光導波路６を伝播するレーザ光の一部は、ビームスプリッタ７により反射されて、光検出素子２に受光される。

光検出素子２により検出される光量が一定となるように、駆動装置４によりバイアス電流Ｉ-biasが調整される（ＡＰＣ制御）。このＡＰＣ制御により、出射光Ｌの平均光出力は一定に保たれる。

光検出素子３により検出される光量に応じて、駆動装置４によりモデュレーション電流Ｉ-modが調整される（温度補償制御）。この温度補償制御により、出射光Ｌの消光比は一定に保たれる。

上記の実施例２では、分岐路６ａを備えた光導波路６により、レーザ素子１からのレーザ光の外側部分（参照光ＲＬ３）を光検出素子３により検出している。このため、光検出素子３により、レーザ素子１の遠視野像の外側の部分がモニタされる。遠視野像の外側部分の強度は、高次モードの強度変化に起因して変化する。光検出素子３により、遠視野像の外側の強度をモニタして、この遠視野像の外側の部分の強度に応じてモデュレーション電流Ｉ-modを調整することにより、温度変化に基づく消光比の劣化を抑制することができる。

この結果、実施例２のレーザ発光装置およびレーザ駆動方法によれば、幅広い温度範囲において高品質な伝送特性を維持することができる。

図５は、実施例３に係るレーザ発光装置の断面図である。

本実施例のレーザ発光装置は、レーザ素子１と、光検出素子（第２検出素子）２と、光検出素子（第１検出素子）３と、駆動装置４と、ビームスプリッタ８と、プリズム９とを有する。ビームスプリッタ８およびプリズム９は、本発明の光学部材の一例である。

レーザ素子１は、発振モードが多モードのレーザ素子であり、例えば面発光半導体レーザである。なお、本発明は多モードのレーザ素子であればいかなるレーザ素子にも適用可能である。面発光半導体レーザからの出射光の波長は、例えば８５０ｎｍである。レーザ素子１は、バイアス電流Ｉ-biasとモデュレーション電流Ｉ-modとが重畳された駆動電流Ｉに基づいて、レーザ光を出射する。

ビームスプリッタ８は、レーザ素子１からのレーザ光の一部を光検出素子２に向けて反射させる。ビームスプリッタ８により反射された光を参照光ＲＬ２とする。ビームスプリッタ８を透過した光は、信号に用いられる出射光Ｌとなる。

プリズム９は、出射光Ｌの外側の部分のみを光検出素子３へ導く。プリズム９により取り出された光を参照光ＲＬ３とする。

光検出素子２は、参照光ＲＬ２の光量を検出して、この検出信号を駆動装置４へ出力する。光検出素子２は、例えばフォトダイオードからなる。光検出素子２からの検出信号Ｓ２は、ＡＰＣ制御に用いられる。

光検出素子３は、参照光ＲＬ３の光量を検出して、この検出信号を駆動装置４へ出力する。光検出素子３からの検出信号Ｓ３は、温度補償制御に用いられる。

駆動装置４は、光検出素子２からの検出信号Ｓ２に基づいてバイアス電流Ｉ-biasを調整し、光検出素子３からの検出信号Ｓ３に基づいてモデュレーション電流Ｉ-modを調整する。例えば、光検出素子２により検出される光量が一定となるように、バイアス電流Ｉ-biasを調整する。また、光検出素子３により検出される光量に応じてモデュレーション電流Ｉ-modを調整する。例えば、光検出素子３により検出される光量が増加した場合には、温度が上昇しているため（図１参照）、モデュレーション電流Ｉ-modを増加させる。このため、駆動装置４内のメモリには、光検出素子３により検出される光量と、設定すべきモデュレーション電流Ｉ-modとの関係を示すデータを予め格納しておくことが好ましい。

上記の実施例３のレーザ駆動方法について説明する。

まず、駆動装置４によりバイアス電流Ｉ-biasとモデュレーション電流Ｉ-modとを重畳させた駆動電流Ｉがレーザ素子１に供給される。レーザ素子１から、駆動電流Ｉに基づいた出力のレーザが出射される。

レーザ素子１から出射されたレーザ光の一部（ＲＬ２）は、ビームスプリッタ８により反射されて、光検出素子２に受光される。ビームスプリッタ８を透過した出射光Ｌの外側の部分（ＲＬ３）は、プリズム９により取り出されて光検出素子３に受光される。

光検出素子２により検出される光量が一定となるように、駆動装置４によりバイアス電流Ｉ-biasが調整される（ＡＰＣ制御）。このＡＰＣ制御により、出射光Ｌの平均光出力は一定に保たれる。

光検出素子３により検出される光量に応じて、駆動装置４によりモデュレーション電流Ｉ-modが調整される（温度補償制御）。この温度補償制御により、出射光Ｌの消光比は一定に保たれる。

上記の実施例３では、プリズム９により、レーザ素子１からの出射光Ｌの外側部分（参照光ＲＬ３）を取り出して、光検出素子３により検出している。このため、光検出素子３により、レーザ素子１の遠視野像の外側の部分がモニタされる。遠視野像の外側部分の強度は、高次モードの強度変化に起因して変化する。光検出素子３により、遠視野像の外側の強度をモニタして、この遠視野像の外側の部分の強度に応じてモデュレーション電流Ｉ-modを調整することにより、温度変化に基づく消光比の劣化を抑制することができる。

この結果、実施例３のレーザ発光装置およびレーザ駆動方法によれば、幅広い温度範囲において高品質な伝送特性を維持することができる。

本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
レーザ素子１の例として、面発光半導体レーザ素子を挙げたが、発振モードが多モードのレーザ素子１であればよい。また、レーザ素子１の発振波長に限定はない。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

本発明は、例えば光通信やレーザ加工に適用できる。

ファーフィールドパターンの温度依存性を説明するための図である。 多モード発振を説明するための図である。 実施例１に係るレーザ発光装置の構成を示す図である。 実施例２に係るレーザ発光装置の構成を示す図である。 実施例３に係るレーザ発光装置の構成を示す図である。 （ａ）は関連する先行技術におけるレーザ発光装置の構成を示す図であり、（ｂ）は駆動電流を示す図である。 高温時の信号品質の劣化を説明するための図である。 （ａ）は関連する先行技術におけるレーザ発光装置の構成を示す図であり、（ｂ）は光出力を示す図である。

符号の説明

１…レーザ素子、２…光検出素子、３…光検出素子、４…駆動装置、５…ビームスプリッタ、６…光導波路、７…ビームスプリッタ、８…ビームスプリッタ、９…プリズム、１０１…レーザ素子、１０２…駆動装置、１０３…ビームスプリッタ、１０４…フォトダイオード、１０５…温度センサ、Ｉ-mod…モデュレーション電流、Ｉ-bias…バイアス電流

Claims (6)

1. 複数のモードのレーザ光を出射するレーザ素子と、
   前記レーザ素子へバイアス電流と変調電流とを重畳させた駆動電流を供給する駆動手段と、
   前記レーザ素子から出射された前記レーザ光の外側の部分を検出する第１光検出素子と
   を有し、
   前記駆動手段は、前記第１光検出素子により検出された光量に基づいて前記変調電流を制御する
   レーザ発光装置。
2. 前記レーザ素子から出射された前記レーザ光のうち、外側の部分の光を前記第１光検出素子へ導く光学部材をさらに有する
   請求項１記載のレーザ発光装置。
3. 前記光学部材は、前記レーザ素子から出射された前記レーザ光の一部を前記第１光検出素子へ導くビームスプリッタを有し、
   前記第１光検出素子は、前記光の照射領域中の外側に配置された
   請求項２記載のレーザ発光装置。
4. 前記光学部材は、前記レーザ光の外側の部分を前記第１光検出素子へ分岐する分岐路を備えた光導波路を有する
   請求項２記載のレーザ発光装置。
5. 前記レーザ素子から出射された前記レーザ光の一部を検出する第２光検出素子をさらに有し、
   前記駆動手段は、前記第２光検出素子により検出された光量に基づいて前記バイアス電流を制御する
   請求項１記載のレーザ発光装置。
6. バイアス電流と変調電流を重畳させた駆動電流を前記レーザ素子へ供給して、複数のモードのレーザ光を出射させるステップと、
   出射された前記レーザ光のうち外側の部分を検出するステップと、
   前記検出された光量に基づいて、前記レーザ素子へ供給する前記変調電流を調整するステップと
   を有するレーザ駆動方法。
   

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