JP2750460B2 - 出力光の周波数変化を線形化した三角波変調半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体レーザを三角波電流により周波数変
調を行ったレーザ装置，さらに詳しく言えば、距離測定
装置などの測定精度の高精度化を図るため、出力光の周
波数変化を線形化した三角波変調半導体レーザ装置に関
する。

（従来の技術） 従来、距離測定装置などにレーザ光を用いる場合は、
しばしば半導体レーザを三角波電流により周波数変調し
た出力光が用いられている。

第９図は、このような変調を行なう装置例を示す系統
図である。

第９図に示すように、発振器16において通常の三角波
電流を発生し、半導体レーザ駆動回路２において、一定
駆動電流（第10図（ａ）のバイアス電流20）に前記三角
波電流を重畳して変調電流（第10図（ａ）の変調電流2
1）とし、この変調電流21によって半導体レーザ３を駆
動し周波数変調を行っている。

（発明が解決しようとする課題） 最近、半導体レーザは、その特長を生かして各方面に
用いられている。

そして、距離測定装置など半導体レーザを用いた各種
測定装置は、ますます高精度化が求められる傾向にあ
る。

もし、この高精度化が実現できれば、その利用範囲は
さらに広汎なものになると思われる。

本件発明者等は、半導体レーザ３を周波数変調を行っ
て使用する場合、変調の応答に遅れがあり、この遅れが
高精度化を妨げるという欠点に着目した。

半導体レーザの三角波変調を用いた距離測定装置を例
にとると、従来の装置では、半導体レーザ３を、発振器
16より出力された通常の三角波電流により周波数変調を
行っているので、第10図（ａ）に示すように、バイアス
電流20の電流値I₀を中心として最大値がI₀＋Im,最小値
がI₀−Imの変調電流21が線形で歪のないものであって
も、半導体レーザ３の応答の遅れにより、第10図（ｂ）
に示すように周波数変化の実測値23は、周波数の最大値
f₀＋Δｆと最小値f₀−Δｆの間が理想値22のように直線
にはならず歪のあるものとなる。

そして、このような周波数変化の非線形性が距離の測
定誤差の要因となる。

半導体レーザの三角波変調を用いた距離測定方法の一
例を以下に示す。第６図（ａ）に示すような三角波状の
変調電流で周波数を変調した半導体レーザの出力光をレ
ンズを介して測定面に照射すると、反射光の一部は再び
半導体レーザに戻り（戻り光）、自己混合効果により周
波数のモードホップを引き起こし、このとき出力光もこ
れに同期して第６（ｂ）図に示すような不連続的変化
（ホッピング）を生じる。このホッピングは、半導体レ
ーザ出力端面と測定面が構成する外部共振器の自由スペ
クトル域の周波数間隔毎に生じるので、ホッピングの周
期ｔの測定により測定面までの距離が求められる。

ところが，半導体レーザの変調出力光に前述のような
周波数変化の非線形性があると、ホッピングの周期ｔは
一定にならず変動するので測定誤差を生じる。

本発明の目的は、このような欠点を解消するために，
変調出力光の周波数変化の歪を取り除いて、周波数変化
を線形化した三角波変調半導体レーザ装置を提供するこ
とにある。

（課題を解決するための手段） 前記の目的を達成するため、本発明による出力光の周
波数変化を線形化した三角波変調半導体レーザ装置は、 半導体レーザと、発振器内蔵波形整形回路と、前記波
形整形回路の出力により前記半導体レーザを駆動する半
導体レーザ駆動回路とを含み、半導体レーザの出力光の
周波数変化が三角波状となるように一定の駆動電流に三
角波電流を重畳して変調電流とする三角波変調半導体レ
ーザ装置において、 前記半導体レーザの発振光と前記発振光が外部共振器
で共振した光との相互作用によって発生する共振ピーク
の間隔をずれを検出して共振ピークの間隔が等しくなる
ようにするか、または、 前記半導体レーザの発振光と前記発振光が外部共振器
で共振した光との相互作用によって発生するモードホッ
ピング間隔を検出して前記モードホッピング間隔が等し
くなるように、 前記整形回路出力を設定するように構成されている。

前記駆動電流の三角波の立ち上がりは凸に、立ち下が
りは凹になるように前記整形回路出力を設定するように
構成することができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳し
く説明する。

第１図は、本発明による装置の一実施例を示す構成系
統図である。

第２図は、第１図の実施例の半導体レーザ駆動回路２
の出力である変調電流31の一例を示す波形図である。

第１図において、発振器内蔵波形整形装置１は、三角
波電流を発生する発振器を内蔵し、これに波形整形回路
を付加して、所要の波形に整形された擬似三角波電流を
出力する。

半導体レーザ駆動回路２は、従来の第９図に示すもの
と同様にバイアス電流20を発生し、これに前記擬似三角
波電流を重畳して第２図に示す変調電流31として出力す
る。この変調電流により半導体レーザ３の周波数変調を
行なう。

つぎに発振器内蔵波形整形装置１内の波形整形回路の
回路および部品定数を決定する方法について説明する。

第３図は、このような目的に使用される半導体レーザ
出力光の周波数変化の測定系を示すブロック図である。

この測定系は、第１図に示した三角波変調半導体レー
ザ装置と、半導体レーザ３からレンズ４を介して出力さ
れたレーザ光を共振させるためのファイバ・ファブリペ
ロー光共振器（以下単にファイバ・ファブリペローとい
う）５と、ファイバ・ファブリペロー５の透過光をモニ
タするフォトダイオード６により構成されている。

ファイバ・ファブリペロー５の両端には、共振器の性
能を高めるために、高反射率の反射増加膜をコーティン
グしている。

この測定系において半導体レーザの周波数変調を行っ
た場合、ファイバ・ファブリペロー５に入射したレーザ
光は、光速をC,ファイバ・ファブリペロー５の光学的な
光路長をＬとすると、ファイバ・ファブリペロー５の自
由スペクトル域であるC/（2L）の周波数間隔ごとに共振
を起こす。その結果、フォトダイオード６でモニタして
いるファイバ・ファブリペロー５の透過光量24はいくつ
かの共振ピークを持つ共振特性を示す。第４図（ｂ）
は、第４図（ａ）の変調電流21に対応する透過光量24の
波形を示している。

共振ピークの間隔は、C/（2L）の周波数変化に相当す
るので、この間隔がすべて等しければ半導体レーザ３の
出力光の周波数は線形に変化していることになる。半導
体レーザ３を、通常の三角波電流により周波数変調した
場合は、周波数変化が、第10図（ｂ）の実測値23のよう
に非線形となるため、共振ピークの間隔は不均一とな
る。そこで発振器内蔵波形整形装置１の発振器に付加し
た波形整形回路を調整して、共振ピークの間隔が等しく
なるようにすればよい。

前記の半導体レーザ３の出力光の周波数変化の測定法
は、前述した距離測定方法の応用によっても可能であ
る。

その測定系は、第５図に示すように第３図のファイバ
・ファブリペロー５の代わりに、半導体レーザ３の出力
端面と、これに対向しレーザ光の反射面となるターゲッ
ト７により外部共振器を構成する。ターゲットからの戻
り光による自己混合効果により、半導体レーザの周波数
は、外部共振器の自由スペクトル域の周波数間隔ごとに
モードホッピングを生じ、その結果、半導体レーザ３の
出力光もこれに同期したホッピングを示す。これを半導
体レーザ内蔵のフォトダイオード８でモニタする。第６
図（ｂ）は、第６図（ａ）の変調電流21に対応する半導
体レーザ３の出力光25の波形例を示す。

この出力光のホッピングh,hの周期ｔがいずれも等し
くなるように、発振器内蔵波形整形装置１の波形整形回
路を調整すればよい。

このような方法によって第２図に示すような整形され
た変調電流31が得られ、この変調電流によって変調され
た半導体レーザ３の出力光の周波数変化は、第10図
（ｂ）に示す理想値22に極めて近い線形化されたものと
なる。

なお、本実施例の装置では、高精度化された特性を維
持するため、第７図に示すように、半導体レーザ３の温
度を一定に保つ回路を設けている。

半導体レーザ３の温度は、温度センサ13によって検出
され、温度制御回路15がこれを受けて、ペルチェ素子
（冷却素子）14に送る電流を制御し、半導体レーザ３の
温度を常に一定に保つように働く。

つぎに本実施例の使用例について述べる。

本実施例を使用した距離測定装置の一つに、前述した
ような半導体レーザの自己混合効果により生じた出力光
のホッピング周期の測定により距離を求める装置があ
る。装置の構成は第５図とほぼ同様である。この装置に
おいて、半導体レーザを通常の三角波電流で変調した場
合測定精度は悪いが、本実施例の波形整形した擬似三角
波形電流で変調した場合は測定誤差が改善され、より高
精度な距離測定が行える。

また、第８図に示すようにマイケルソン干渉型の光学
系において、測定対象（ターゲット）７からの反射光と
リファレンスのミラー12からの反射光をビームスプリッ
タ11を介し，そのビートを外部のフォトダイオード９を
用いて測定し、ビート周波数より距離を求める。この距
離測定装置でも、測定誤差の要因が半導体レーザの周波
数変化の非線形性にあるため、本実施例の使用により測
定誤差が減少し、より高精度な距離測定が可能となる。
ここで、第８図の10はアイソレータである。

なお、前述の２つの距離測定装置において、変調電流
に不等辺三角波電流を用いた場合にも、本実施例の使用
により精度の向上が可能である。

（発明の効果） 以上詳しく説明したように本発明は、バイアス電流に
三角波電流を重畳して変調電流とする三角波変調半導体
レーザ装置において、前記三角波電流に半導体レーザの
変調の応答の遅れを補正する波形整形を行なうことによ
り、三角波変調された半導体レーザ出力光の周波数変化
が線形化されるという効果がある。

したがって、本実施例を使用する場合は、距離測定装
置、その他の計測装置において、装置の高精度化が十分
期待でき、さらに他の分野においても半導体レーザ装置
の応用範囲が従来よりはるかに拡大されるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による出力光の周波数変化を線形化し
た三角波変調半導体レーザ装置の一実施例を示す構成系
統図である。 第２図は、第１図の実施例の半導体レーザ駆動回路の出
力の変調電流を示す波形図である。 第３図は、第１図の実施例の半導体レーザ出力光の周波
数変化の測定系の一例を示す構成図である。 第４図は、第３図の構成による測定系において、半導体
レーザの変調電流と、これに対応するファイバ・ファブ
リペローの透過光量の変化の一例を示す波形図である。 第５図は、第１図の実施例の半導体レーザ出力光の周波
数変化の測定系の他の一例であり、かつ本実施例の使用
例を示す構成図である。 第６図は、第５図の構成による測定系において、半導体
レーザの変調電流と、これに対応する出力光の変化の一
例を示す波形図である。 第７図は、第１図の実施例半導体レーザの温度を一定に
保つ方法の一例を示す回路図である。 第８図は、本実施例の他の使用例を示す構成図である。 第９図は、従来の三角波変調半導体レーザ装置の例を示
す構成系統図である。 第10図は、第９図の従来例の変調電流と出力光の光周波
数の実測値と理想値の関係を示す波形図である。 １……発振器内蔵波形整形装置 ２……半導体レーザ駆動回路 ３……半導体レーザ ４……レンズ ５……ファイバ・ファブリペロー 6,9……フォトダイオード ７……ターゲット ８……内蔵フォトダイオード 10……アイソレータ 11……ビームスプリッタ 12……ミラー 13……温度センサ 14……ペルチェ素子 15……温度制御回路 16……発振器 20……バイアス電流 21……変調電流 22……光周波数の理想値 23……光周波数の実測値 24……ファイバ・ファブリペローの透過光量 25……出力光 30……波形整形されない変調電流 31……波形整形された変調電流

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西出 健一 東京都狛江市和泉本町１丁目35番１号 東京航空計器株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−96582（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−219583（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−185474（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−147206（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−83686（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体レーザと、発振器内蔵波形整形回路
   と、前記波形整形回路の出力により前記半導体レーザを
   駆動する半導体レーザ駆動回路とを含み、半導体レーザ
   の出力光の周波数変化が三角波状となるように一定の駆
   動電流に三角波電流を重畳して変調電流とする三角波変
   調半導体レーザ装置において、 前記半導体レーザの発振光と前記発振光が外部共振器で
   共振した光との相互作用によって発生する共振ピークの
   間隔をずれを検出して共振ピークの間隔が等しくなるよ
   うにするか、または、 前記半導体レーザの発振光と前記発振光が外部共振器で
   共振した光との相互作用によって発生するモードホッピ
   ング間隔を検出して前記モードホッピング間隔が等しく
   なるように、 前記整形回路出力を設定するように構成した出力光の周
   波数変化を線形化した三角波変調半導体レーザ装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の装置において、前記駆動電
   流の三角波の立ち上がりは凸に、立ち下がりは凹になる
   ように前記整形回路出力を設定するように構成した出力
   光の周波数変化を線形化した三角波変調半導体レーザ装
   置。