JP2008153320A

JP2008153320A - 光源システム

Info

Publication number: JP2008153320A
Application number: JP2006337735A
Authority: JP
Inventors: Masafumi Kiguchi; 雅史木口; Hirokazu Atsumori; 洋和敦森; Daiki Sato; 大樹佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2008-07-03

Abstract

【課題】レーザの可干渉性に起因して、モニタ光検出器出力がレーザ出力光と比例しない現象が生じ、レーザ出力強度制御または補正の精度を低下させていた。
【解決手段】光源と、前記光源から出力された光を検出する光検出器と、前記光源と前記光検出器の光路の間に配置された光散乱体と、前記光検出器の検出結果を用いて前記レーザの出力を制御または、前記光源の出力変動を補正する制御/補正部とを有することを特徴とする光源システムを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザなどを光源として用いる光通信、光記録、光計測分野に属する。

半導体レーザを始めとするレーザ光源の出力は一般に不安定である。そのため、安定な光強度が必要な用途では、光検出器を用いてレーザ出力をモニタし、そのモニタ信号を用いてレーザ駆動を制御して光出力を安定化するオートパワーコントロール（ＡＰＣ）が用いられることが多い。また、直接駆動制御を行わずに、モニタ信号で本来の信号を割り算するなどして、光源強度補正をすることも一般に行われている。特に半導体レーザの場合は、パッケージの中にレーザチップとモニタ用のフォトダイオードを設けたものが広く使われている。

特許文献１には、レーザ光源の安定化を目的として、レーザとモニタフォトダイオードの間に素子を挿入する発明が開示されている。これは、半導体レーザと電界吸収型変調器とが集積化された光半導体素子と、半導体レーザ側からの背面光の出力を、波長透過依存性を有した光フィルタを介してモニタフォトダイオードに入力させ、モニタフォトダイオードの出力に応じて温度制御を行うとともに、電界吸収型変調器の出力に基づいて半導体レーザの電流を制御するレーザダイオードモジュールを得るものである。しかしながら、モニタフォトダイオードの前に挿入するものが、フィルタであり、後述する本発明とは構成も、原理も効果も異なるものである。

特開２００２−３１４１８７号

レーザは可干渉性が高いために、モニタ用光検出器の検出面上でスペックルと呼ばれる干渉パターンが生じることがある。これはレーザ出力光の反射戻り光がある時などは生じやすい。例えば、環境温度変化やレーザ駆動電流変化などによりレーザの温度が変化すると、レーザ出力光の波長が変化する。波長変化が生じると、前記干渉パターンの空間パターンが変化するため、モニタ用光検出器に入射する光量が変化する。つまり、例えレーザ出力光強度が変化していなくても、波長変化に伴ってもモニタ用光検出器出力が変化することになり、これを用いてＡＰＣ動作を行うと、レーザ出力光強度が変化し、逆に出力光強度の不安定性を招く。ここでは、これをＡＰＣ誤動作と呼ぶ。
ＡＰＣ誤動作は、特に光計測装置など、レーザ光強度を高精度に制御或いは検出する必要がある分野では問題となる。

この問題を解決するために、モニタ用光検出器の前面に光散乱体を設ける。つまり、光源と、前記光源から出力された光を検出する光検出器と、前記光源と前記光検出器の光路の間に配置された光散乱体と、前記光検出器の検出結果を用いて前記レーザの出力を制御または、前記光源の出力変動を補正する制御/補正部とを有することを特徴とする光源システムを提供する。
光散乱体の散乱係数と厚みに依存して、光散乱体を通過した光は干渉性が低下する。そのため、モニタ用光検出器の検出面上の干渉パターンを消失することができるか、或いは、干渉パターンサイズやコントラストを小さくすることができる。

温度変化や反射戻り光強度変化など擾乱に伴う干渉パターンの動きに伴う光検出量変化が所望の変動幅より小さくなるように、干渉パターンの大きさを小さくするか、あるいはコントラストを小さくするように、光散乱体の散乱係数と厚みを設定する。これにより、擾乱が生じても干渉パターンの変化に基づくモニタ用光検出器への入射光量変化を低減することが可能となり、ＡＰＣ誤動作を防止或いは低減可能となる。散乱係数を調整するためには、表面の粗さを調整する方法や、内部にレーザ波長と同程度かあるいはレーザ波長より小さな気泡や微小体を混入し、その大きさや濃度を調整する方法がある。尚、光散乱体に当該レーザ波長において吸収があるとモニタ光強度が減少することになり、モニタ信号の信号雑音比を低下させる原因となる。光散乱体材料としては、当該レーザ波長において吸収がないか、或いは所望のモニタ信号の信号雑音比が得られる大きさとなる材料を選択する。

このとき、光散乱体は光検出器の検出面より大きくしておくと、レーザ光あるいは反射戻り光が光散乱体を透過せずに光検出器に入射することを防ぐことができ、干渉パターンの消失、減少にはより有効である。

前記光検出器の検出結果を用いて前記レーザの出力を制御または、前記光源の出力変動を補正する制御/補正部について説明する。ＡＰＣのように実時間でレーザ駆動に帰還をかけて出力制御を行う方法の他にも、モニタ用光検出器でレーザ出力光強度を検出し、その値を用いて信号強度、例えば吸光度計測の場合には試料を透過した光強度を割り算するなどして、レーザーの出力変動を補正する方法もよく使われる。この場合にも同様の問題が生じるので、本発明は有効である。また、レーザ以外にも、スーパールミネッセンスダイオードのように、可干渉性が比較的高い光源についても、本発明は有効である。

本発明によれば、簡便かつ安価にレーザ出力光強度を高精度に制御または補正することができる。

本発明の一実施例を、図１を用いて説明する。半導体レーザチップ101とその後方にモニタフォトダイオード102がＣＡＮパッケージ103内に設けられている。レーザ出力光104は、光ファイバ105に入射する。光ファイバ105から戻る反射、散乱光106はＣＡＮパッケージ内に戻り、レーザの後方出射光107と干渉しながらフォトダイオード102上で干渉パターンをつくることになる。図１では、レーザ101とフォトダイオード102の間に光散乱体としてデルリン108を配置している。光散乱体を通過した光は可干渉性がなくなっているため、スペックルパターンはできず、温度変化等に伴う干渉パターンのずれがなくなり、ＡＰＣ誤動作を防ぐことができる。

図２に、本発明の図１のレーザ光源を制御する補正部200の一例として、一般的なＡＰＣ駆動回路の概念図を示す。モニタフォトダイオード102出力電流をプリアンプ202を用いて電流−電圧変換した後、負帰還回路203を用いて、レーザ駆動回路201の電流値を調整して、レーザ出力光強度を一定となるように制御する。負帰還回路はアナログ回路でもよいし、アナログデジタル変換後にデジタル演算処理した後、デジタルアナログ変換をしてもよい。

ここでは、補正部としてリアルタイムで帰還をかける方式について述べたが、レーザは定電流駆動とし、モニタフォトダイオード出力を記録して、その値を用いてリアルタイム処理で、または後処理としてデータを補正する方式の場合にも有効である。例えば、吸光度計に本発明を応用する場合について図３を用いて説明する。光源103はレーザ駆動回路306を用いて定電流駆動されている。光源から出射した光は、ファイバ105を用いて運ばれ、レンズ301にてコリメートされ、試料302を通過した後、光検出器303に入射する。光検出器303の計測信号電圧は、光源強度と試料の透過率の積に比例するため、光源強度が変動する場合には、これを補正する必要がある。そのため、補正部304を用いて、計測信号電圧を、モニタフォトダイオードにより計測したレーザ光源強度電圧で、リアルタイム処理、または後処理として割算した結果を出力ポート305より出力する。このとき、本発明を用いれば、モニターフォトダイオード出力はレーザ強度に正しく比例するため、正確な補正が可能となる。

ここではファイバからの反射光を例に挙げたが、レンズなどの光学素子を配置した場合でも同様のことが生じる。また、ファイバ等の端面を斜めにして反射戻り光を減らす、或いは無くしても、フォトダイオード面にできる干渉パターンは完全にはなくなるわけではないので、本発明は有効である。
実施例では光散乱体としてデルリンを用いたが、すりガラスや、表面をすりガラス状に加工した樹脂、あるいは内部に空気泡や微小粒子を有する樹脂やガラスなどでも良い。また、図１では、光散乱体と光受光器とは密着させているが、光散乱体を透過しない光が光受光器に入らない程度の空隙は設けても良い。また、図１ではレーザと光散乱体と光検出器が一直線上に配置されているが、光散乱体を通過した光は全面に出射するため、光検出器はこの直線上にある必要はなく、配置が容易な構成あるいは、反射戻り光が直接入射しないように９０度の角度を有して配置してもよい。

モニタフォトダイオードをもちいてＡＰＣ駆動した半導体レーザにおいて、光散乱体を用いた場合と用いない場合の出力光強度の温度依存性の比較を図４に示す。左図は光散乱体を配置しない従来の半導体レーザの出力であり、右図は光散乱体を配した図１と２の構成の光源の出力である。これにより、レーザ出力光強度の安定化が実現できていることがわかる。

光散乱体とモニタフォトダイオードを有する半導体レーザパッケージ。ＡＰＣ駆動回路。本発明を応用した吸光度計。ＡＰＣ駆動時の出力光強度の安定性の光散乱体の有無による比較。

符号の説明

１０１：半導体レーザー
１０２：モニタフォトダイオード
１０３：ＣＡＮパッケージ
１０４：レーザ出力光
１０５：光ファイバ
１０６：反射光または散乱光
１０７：後方出射光
１０８：光散乱体
２００：レーザ光出力制御部
２０１：レーザ駆動回路
２０２：モニタフォトダイオード用プリアンプ
２０３：負帰還回路
３０１：レンズ
３０２：試料
３０３：光検出器
３０４：補正部
３０５：出力ポート
３０６：レーザ駆動回路。

Claims

光源と、
前記光源から出力された光を検出する光検出器と、
前記光源と前記光検出器の光路の間に配置された光散乱体と、
前記光検出器の検出結果を用いて前記光源の出力を制御または、前記光源の出力変動を補正する制御/補正部とを有することを特徴とする光源システム。
前記光散乱体は、前記光検出器の検出面より広い面積を有することを特徴とする請求項１記載の光源システム。
前記光散乱体は、内部に前記光源の波長と同程度あるいは前記光源の波長より小さい気泡又は微小体を混入せしめたことを特徴とする請求項１記載の光源システム。
前記光散乱体は、前記光源の波長において吸収が無いか又は、モニタ信号の信号雑音比が得られる程度の吸収を有する材料であることを特徴とする請求項１記載の光源システム。
前記光散乱体は、デルリン、すりガラス、表面をすりガラス状に加工した樹脂、あるいは内部に空気泡又は微小粒子を有する樹脂又はガラスであることを特徴とする請求項１記載の光源システム。
前記光源と、前記光検出器は密着していることを特徴とする請求項１記載の光源システム。
前記光源と、前記光散乱体と、前記光検出器はこの順に直線上に設けられていることを特徴とする請求項１記載の光源システム。
前記光源は、レーザー又は、スーパールミネッセンスダイオードであることを特徴とする請求項１記載の光源システム。
ＣＡＮパッケージ中に封入されていることを特徴とする請求項１記載の光源システム。