JP2018147993A - レーザー駆動回路、レーザー光源およびレーザー加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】面発光レーザーのオン／オフ制御が高速に可能であり、安定性に優れるレーザー駆動回路を提供すること。【解決手段】レーザー駆動回路１００は、定電流源１０６と、定電流源１０６からの電流の通電を切り替える二つのスイッチ素子１０３、１０４と、スイッチ素子１０３またはスイッチ素子１０４に直列に接続された２つの面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ１０１、１０２）と、を備え、二つのスイッチ素子１０３、１０４は、一方がオン状態の場合に他方がオフ状態となるように排他制御される。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー駆動回路、レーザー光源およびレーザー加工機に関する。

コンピュータの高速処理化に伴い通信速度の更なる高速化が望まれている。近年１０Ｇｂｐｓの高速光通信も開発されてきており、半導体レーザーとしては垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が用いられてきている。ＶＣＳＥＬは、端面発光のレーザーと比較して、発光閾値電流が低く、低消費電流化が可能である。

ＶＣＳＥＬを用いる高速光通信の制御技術として、スイッチ素子によって、定電流源からの電流を通電、非通電、バイアス通電などの状態に切り替えて印加する方式が開発されている（例えば、特許文献１乃至３）。

しかしながら、これらの先行技術では、スイッチ素子のオン／オフ切り替え時において定電流源からみた負荷インピーダンスが異なるため、スイッチ素子の切り替え時に過渡的な発振が生じて安定した光パルスが得られない。このような場合、スイッチ素子切り替え部にフィルターを挿入するなど対応が行われるが、パルス出力性能はフィルターによって制限され、数ピコ秒のパルス幅制御は困難になるという問題があった。

本発明は、面発光レーザーのオン／オフ制御が高速に可能であり、安定性に優れるレーザー駆動回路を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係るレーザー駆動回路は、定電流源と、前記定電流源からの電流の通電を切り替える二つのスイッチ素子と、各スイッチ素子に直列に接続された２つの面発光レーザーと、を備え、前記二つのスイッチ素子は、一方がオン状態の場合に他方がオフ状態となるように排他制御されることを特徴とする。

本発明によれば、面発光レーザーのオン／オフ制御が高速に可能であり、安定性に優れるレーザー駆動回路を提供することができる。

実施形態１のレーザー駆動回路の構成例を説明する図である。 ウェハー（半導体基板）とチップとの関係を説明する図である。 ＭＯＰＡファイバーレーザーの構成例を説明する図である。 レーザー駆動回路を搭載するレーザー加工機の構成例を説明する図である。 実施形態２のレーザー駆動回路の構成例を説明する図である。

以下、実施形態について、図面を参照しながら説明する。説明の明確化のため、以下の記載および図面は、適宜、省略または簡略化がなされている。各図面において同一の構成または機能を有する構成要素および相当部分には、同一の符号を付し、その説明を省略する。
本発明に係る一実施形態のレーザー駆動回路は、半導体基板上において互いに近い位置に形成される２つの面発光レーザーについて、定電流源からの電流を、スイッチ素子を切り替えて一方がオンの場合に他方がオフとなるようにオン／オフ制御（排他制御）できるように構成する。これにより、２つの面発光レーザーに交互に通電し、短パルス幅（数ピコ秒など）で安定したオン／オフ制御を可能とする。
以下、図面を参照して一実施形態のレーザー駆動回路を説明する。各実施形態では、面発光レーザーの一例としてＶＣＳＥＬを用いて説明する。

実施形態１．
図１に、実施形態１のレーザー駆動回路の構成を示す。
レーザー駆動回路１００は、ＶＣＳＥＬ１０１、１０２、スイッチ素子１０３、１０４、差動論理ＩＣ（Integrated Circuit）１０５、定電流源１０６、インダクタ１０７、１０８、抵抗器１０９、１１０、および定電圧源１１１を備える。
ＶＣＳＥＬ１０１、１０２は、スイッチ素子１０３またはスイッチ素子１０４に直列に接続される。
スイッチ素子１０３とスイッチ素子１０４とは、定電流源１０６からインダクタ１０７を経由して並列に接続され、差動論理ＩＣ１０５によって、どちらか一方がオン状態になるように制御される。
定電流源１０６からの電流は、インダクタ１０７を経由して、スイッチ素子１０３またはスイッチ素子１０４に通電され、ＶＣＳＥＬ１０１またはＶＣＳＥＬ１０２のどちらか一方に通電されて、インダクタ１０８を経由して、定電圧源１０８からＧＮＤに至る。

また、抵抗器１０９と抵抗器１１０とは、スイッチ素子１０３またはスイッチ素子１０４がオフ状態であるときに、ＶＣＳＥＬ１０１とＶＣＳＥＬ１０２で生じる順方向電圧の差に応じた電流を、スイッチ素子がオフ状態側のＶＣＳＥＬに通電する。これにより、ＶＣＳＥＬ１０１またはＶＣＳＥＬ１０２のオフ状態時の順方向電圧を一定レベルまで持ち上げて、オン状態時の順方向電圧との電圧差を小さくすることができる。
図中には示していないが、配線パターンやスイッチ素子１０３、１０４およびＶＣＳＥＬ１０１、１０２には容量成分がある。このため、２つのスイッチ素子１０３、１０４のうち、オフ状態であるスイッチ素子に接続するＶＣＳＥＬに対して、抵抗器１０９または抵抗器１１０によってバイアス電流を通電して、２つのＶＣＳＥＬ１０１、１０２のオン／オフ切り替え時の電位差を小さくする。これにより、容量成分による遅延を少なくし、より高速な動作を可能とする。このような理由により、抵抗器１０９、１１０を配置することが好ましい。

また、本実施形態では、差動論理ＩＣ１０５は、ＣＭＬ（Current Mode Logic）を用いることを想定している。ＣＭＬは、出力電圧範囲が狭く、スイッチ素子１０３、１０４を制御するために、定電圧源１１１を用いてスイッチ素子１０３、１０４のＧ−Ｓ電位を調整している。

さらに、本実施形態において、図中に示している電流ＩＮと電流ＯＵＴには、先に述べた配線パターンやスイッチ素子１０１、１０２およびＶＣＳＥＬ１０１、１０２の容量成分による遅延によって、スイッチ切り替え時にひずみが生じる。２つのスイッチ素子のオン／オフ切り替え時の僅かな不整合に対して、インダクタ１０７、１０８をフィルターとして機能させ、定電流源の出力を安定させることができる。このような理由により、少なくともインダクタ１０７、１０８のどちらか一方を挿入することが好ましい。

また、レーザー駆動回路１００において、２つのＶＣＳＥＬ１０１、１０２は、半導体基板（ウェハー）上で互いに近い位置に形成されることが好ましく、また、同一のチップ上（１つのチップ内）で互いに近い位置に形成されることが好ましい。さらに、２つのＶＣＳＥＬ１０１、１０２は、半導体基板上または同一チップ上で隣接していることがより好ましい。さらに、２つのＶＣＳＥＬ間の距離が短いことが好ましい。これは、ＶＣＳＥＬが通電すると発熱する性質をもっているからである。
熱的な特性が似通っている半導体基板上または同一チップ上において、互いに近い位置に形成される２つのＶＣＳＥＬを用いることにより、安定的な動作が実現できる。特に、２つのＶＣＳＥＬを隣接する２素子とすることにより，２つのＶＣＳＥＬの温度や電気特性を概等しくすることができるため、定電流源からみた負荷の状態を一定に近づけることが可能になる。

ここで、図２を参照して、ウェハー２０とチップ２１の関係を説明する。１枚のウェハー２０から複数のチップ２１が切り出される。例えば、１枚のウェハー２０から３１００チップ２１（３１００チップ／ウェハー）が作製される。また、１つのチップ２１には複数のＶＣＳＥＬ素子が形成される。例えば、１つのチップ２１に１６個のＶＣＳＥＬ素子（１６素子／チップ）が形成される。

以上説明したように、本実施形態のレーザー駆動回路１００は、定電流源１０６から２つのスイッチ素子１０３、１０４の分岐点までは、電流変動が無く、配線パターン長によるインダクタンスに影響されず、また、２つのＶＣＳＥＬ１０１、１０２のカソードからＧＮＤまでは、配線パターン長の影響を受けないという特徴を有する。
また、２つのＶＣＳＥＬ１０１、１０２の特性を概等しくすることにより、スイッチ素子１０３、１０４のオン／オフ切り替え時のインピーダンス変動を抑えて過渡的な発振などを抑制することができる。
従って、本実施形態のレーザー駆動回路によれば、ＶＣＳＥＬのオン／オフ状態いずれにおいても定電流源からみた負荷インピーダンスを一定に近づけることができること、および、スイッチ素子のオン／オフ切り替え時の不安定な状態を低減できることにより、より短い幅のパルス出力が可能になる。

続いて、本実施形態のレーザー駆動回路１００を適用する装置例を説明する。
本実施形態のレーザー駆動回路１００は、レーザー光源に適用することができる。また、レーザー光源は、金属を加工するパルスレーザー加工機や、レーザーメスなどの医療用機器に用いることができる。さらに、レーザー光源は、分光装置、分析装置、センシング装置、レーザーライダー等、種々の装置への応用が可能である。
以下に、本実施形態のレーザー駆動回路の適用例として、ＭＯＰＡファイバーレーザーおよびレーザー加工機について説明する。

ＶＣＳＥＬは、端面発光のレーザーと比較して、発光閾値電流が低く、低消費電流化が可能である。加えて、レーザー光のフィールドパターンもほぼ円形であるのでファイバーとの光学的な結合も容易であり、ＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）ファイバーレーザーのシード光源に好適である。
図３を参照して、ＭＯＰＡファイバーレーザーの構成例を説明する。
ＭＯＰＡファイバーレーザー３００は、シード光源３０１がMaster Oscillatorであり、数ピコ秒〜数ナノ秒幅の光パルスを出力する。この光パルスをPump LD３１１およびYbファイバー３１２によるPreAmp３１０と、Pump LD３２１ａ〜３２１ｄおよびYbファイバー３２２によるMainAmp３２０の２段アンプで光増幅して出力するPower Amplifierである。

ＭＯＰＡファイバーレーザー３００は、数ピコの光パルス幅においては波高値のエネルギーが非常に高く、対象物への印加エネルギーは小さいので表面の微細加工などに特化することができ、また、パルス幅を広げていくと対象物への印加エネルギーが大きく切断等の加工に特化することができる、という特徴を備える。
従って、本実施形態のレーザー駆動回路を備えるレーザー光源を用いることにより、数ピコ秒の光パルス幅を繰り返し安定して出力できるＭＯＰＡファイバーレーザーを提供することが可能となる。

次に、本実施形態のレーザー駆動回路を備えるレーザー光源をレーザー加工機に応用した適用例を、図４を参照して説明する。
レーザー加工機４００は、制御部９、レーザー出力部１０、レーザー走査部１１、ワーク搬送部１２、複数の反射ミラー１６、１７、１８、およびｆθレンズ２８を有している。
複数の反射ミラー１６、１７、１８は、レーザー出力部１０から出射されたレーザー光束Ｌ’の光路を形成する。
ｆθレンズ２８は、レーザー光束Ｌ’を照射位置Ｑへ向けて収束させるための集光レンズである。
レーザー出力部１０は、レーザー装置２００と、レーザー装置２００から出射されたレーザー光束Ｌ’のビーム径を変化させるビームエキスパンダ１４とを有している。レーザー装置２００は、レーザー光源（光源部）２を備え、レーザー光を出力する。

レーザー走査部１１は、後述する主走査直動ステージ２７と、副走査直動ステージ２６とによってＸＹ平面上を移動可能に支持され、レーザー出力部１０から出射されたレーザー光束Ｌ’の照射位置Ｑを移動させる走査手段である。レーザー走査部１１は、レーザー光束Ｌ’の入射側の端部に配置された回折光学素子１９を有している。回折光学素子１９は、レーザー光束Ｌ’の結像位置での強度分布やスポット形状を変換する回折光学素子であり、トップハット分布や矩形形状等を任意に設定することができる。レーザー走査部１１は、主走査方向たるＸ軸方向に移動可能なように、主走査直動ステージ２７に搭載されたキャリッジ２５に支持される。主走査直動ステージ２７は、副走査方向たるＹ方向に移動可能なように、副走査直動ステージ２６に支持される。

ワーク搬送部１２は、一対の搬送ローラであって、被加工物たる対象物としてのワーク３５を挟み込んで移動させる搬送部である。
制御部９は、シードレーザーＬ１〜Ｌｎを互いに独立したパルス発振となるようにレーザー光源２を制御する。また、図１のレーザー駆動回路１００を用いる場合には、制御部９は、差動論理ＩＣ１０５を制御することにより、発振するパルスの振幅を調整することができる。

レーザー装置２００のレーザー光源２に、本実施形態のレーザー駆動回路１００を適用することにより、数ピコ秒の光パルス幅を繰り返し安定して出力するレーザー光源を提供し、レーザー加工機の微細加工の精度を向上させることできる。

実施形態２．
実施形態１のレーザー駆動回路１００は、レーザー光源の設計条件などに応じて変形することができる。
図５は、実施形態２のレーザー駆動回路の構成例を説明する図である。
レーザー駆動回路５００は、図１に示したレーザー駆動回路１００から、インダクタ１０７、１０８および抵抗器１０９、１１０を除いた構成である。
レーザー駆動回路５００は、ＶＣＳＥＬ１０１がスイッチ素子１０３と、ＶＣＳＥＬ１０２がスイッチ素子１０４と直列に接続され、オン／オフ状態が排他制御されることにより、定電流源１０６からみた負荷インピーダンスを一定に近づけることができる。これにより、スイッチ素子１０３、１０４のオン／オフ切り替え時の不安定な状態を低減できるので、より幅の短いパルス出力が可能になる。
加えて、実施形態１のレーザー駆動回路１００と同様に、レーザー駆動回路５００において、２つのＶＣＳＥＬ１０１、１０２は、半導体基板上または１つのチップ内において、互いに近い位置、特に隣接する２素子として形成されることが好ましい。これにより、ＶＣＳＥＬの温度や電気特性をほぼ等しくすることが可能になり、定電流源からみた負荷の状態を、より一定に近づけるという効果を奏する。

このように、本実施形態のレーザー駆動回路によれば、ＶＣＳＥＬのオン／オフ状態いずれの状態においても定電流源からみた負荷インピーダンスを一定に近づけることができること、および、スイッチ素子のオン／オフ切り替え時の不安定な状態を低減できることにより、より幅の短いパルス出力ができる。

また、レーザー駆動回路５００に、実施形態１で説明したインダクタ１０７、インダクタ１０８の一方または両方を追加する構成も可能である。これにより、実施形態１と同様に、定電流源の出力をより安定させる効果を奏することができる。
さらに、レーザー駆動回路５００に、実施形態１で説明した抵抗器１０９、１１０を追加する構成も可能である。これにより、実施形態１と同様に、２つのＶＣＳＥＬのオン／オフ切り替え時の電位差を小さくして容量成分による遅延を、より少なくする効果を奏することができる。

なお、上記各実施形態では、ＶＣＳＥＬをレーザー光源として用いる場合を説明したが、ＶＣＳＥＬと同様の温度特性を有する半導体レーザーに適用することも可能である。

以上のように、本発明に係る好適な実施形態によれば、２つのＶＣＳＥＬがほぼ同一の特性である場合、定電流源から見た負荷インピーダンスはほぼ一定になり、スイッチ切り替え時の電圧変動を小さくすることできる。これにより、ＶＣＳＥＬのオン／オフ制御が高速に可能であり、数ピコ秒のパルス幅を安定して出力する安定性に優れるレーザー駆動回路を提供することができる。
なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

１００、５００ レーザー駆動回路
１０１、１０２ ＶＣＳＥＬ
１０３、１０４ スイッチ素子
１０５ 差動論理ＩＣ
１０６ 定電流源
１０７、１０８ インダクタ
１０９、１１０ 抵抗器
１１１ 定電圧源
２００ ＭＯＰＡファイバーレーザー
４００ レーザー加工機

特開２０１５−５９７１号公報 特開２０１１−２４９４１３号公報 特開２００６−２６９９８１号公報

Claims (8)

1. 定電流源と、
   前記定電流源からの電流の通電を切り替える二つのスイッチ素子と、
   各スイッチ素子に直列に接続された２つの面発光レーザーと、を備え、
   前記二つのスイッチ素子は、一方がオン状態の場合に他方がオフ状態となるように排他制御されるレーザー駆動回路。
2. 前記２つの面発光レーザーは、同一のチップ上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザー駆動回路。
3. 前記２つの面発光レーザーは、半導体基板上で隣接して配置されることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザー駆動回路。
4. 前記２つの面発光レーザーは、前記チップ上で隣接して配置されることを特徴とする請求項２に記載のレーザー駆動回路。
5. 前記定電流源と前記二つのスイッチ素子との間にインダクタを接続することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のレーザー駆動回路。
6. 前記２つのスイッチ素子のそれぞれの入出力間に抵抗器を接続して、スイッチ素子がオフ側の半導体レーザーにもバイアス電流が流れるようにしたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のレーザー駆動回路。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載のレーザー駆動回路を備えるレーザー光源。
8. 請求項７に記載のレーザー光源を備えるレーザー加工機。