JP3783822B2 - 周波数安定化光源 - Google Patents
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【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザの発振周波数の安定化に関し、特に光出力の長期安定化を図った周波数安定化光源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザの発振周波数は主に動作温度と動作電流に依存する。したがって、何らかの方法で半導体レーザの発振周波数を測定し、その値が一定になるように動作温度または動作電流を制御すれば、半導体レーザの発振周波数を安定化することができる。
【０００３】
しかし、動作温度による制御は応答速度が遅いため、特に短期安定度が重要な場合には、動作温度は一定とし動作電流により発振周波数を制御している。また、発振周波数を測定する方法としては、エタロンやガスの吸収線が用いられる。
【０００４】
図３はガスの吸収線を用いた従来例を示すブロック構成図である。
図３において、半導体レーザＬＤ(以下、単にＬＤという)１は温度調節器１０で一定温度に保たれている。このＬＤから出射した光は光アイソレータ２，ビームスプリッタ３を経て光出力の一部がガスセル４に導かれる。
【０００５】
ガスセル４を透過した光は受光素子ＰＤ（以下、単にＰＤという）５に入射する。ＰＤ５で電気信号に変換された出力はロックインアンプ６に入力され、発振器９の出力により同期検波され、制御回路７に入力される。
【０００６】
ガスセル４はＬＤ１の発振周波数の近傍に図４の（Ａ）に示すような吸収特性を待っている。ロックインアンプ６でＰＤ５の出力を同期検波すると、図４の（Ｂ）に示すような微分波形が出力される。制御回路７はこの微分波形を用い、ガスセル４の吸収線の中心にＬＤ１の発振周波数を制御するようにＬＤ駆動回路８に制御信号を出力する。
【０００７】
即ち、この従来例では、ＬＤ１の動作電流を発振器９の変調信号で変調し、得られたＰＤ出力をロックインアンプ６で同期検波し、ガスセル４の透過光量が最少となる点を検知している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような従来の周波数安定化装置において、何らかの原因でＬＤの発振周波数がドリフトすると、それを打ち消すようにＬＤの動作電流が変化する。ＬＤの動作電流が変化すると発振周波数だけでなくＬＤの光出力も変動してしまい、発振周波数は安定であるが、光出力が使用できる光出力範囲から外れるとういう問題があった。
【０００９】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、光出力の長期安定化を図った周波数安定化光源を実現することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために本発明では、請求項１においては、
温度と注入電流により発振周波数が変化する半導体レーザと、特定の周波数の光を吸収又は透過する周波数弁別器を用い、出力光の周波数を安定化する周波数安定化光源において、前記周波数弁別器の出力を電気信号に変換する光電変換手段と、この光電変換手段の出力を同期検波する同期検波手段と、この同期検波された信号のうち低周波成分を取り出すローパスフィルタと、高周波成分を取り出すハイパスフィルタと、前記低周波成分を用いて前記半導体レーザの動作温度を制御する制御手段と、前記高周波成分を用いて前記半導体レーザの動作電流を制御する制御手段と、からなり、
前記ローパスフィルタの帯域と前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数は前記半導体レーザの駆動電流制御と動作温度制御が干渉しない程度に設定した。
【００１１】
請求項２においては、
温度と注入電流により発振周波数が変化する半導体レーザと、特定の周波数の光を吸収又は透過する周波数弁別器を用い、出力光の周波数を安定化する周波数安定化光源において、
前記半導体レーザの発振周波数を前記動作電流で制御すると共に、動作電流の範囲（上限と下限）を設定しておき、前記動作電流が限界（上限または下限）に達した場合、前記動作電流範囲の中央の動作電流で所定の発振周波数が得られるように、動作温度の設定値を変更する。
【００１２】
請求項３においては、請求項２記載の周波数安定化光源において、
動作温度の設定値の変更を、前記動作電流による発振周波数制御の応答時間に比べ十分長い時間をかけ徐々に行う。
請求項４においては、請求項２項または３項記載の周波数安定化光源において、
動作温度の設定値の変更が行われる場合、動作温度の変更が終了するまで、または所定の時間、異常信号を出力する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。
図１は本発明の実施形態の一例を示す概略構成図である。なお、図３と同一要素には同一符号を付している。１１はローパスフィルタ、７ａは温度調節器１０の制御回路、１２はハイパスフィルタ、７ｂはＬＤ駆動回路８の制御回路である。
【００１４】
上記の構成において、ロックインアンプ６から出力される発振周波数偏差信号はローパスフィルタ１１に入力されて低周波成分が取り出される。この低周波成分は制御回路７ａ及び温度調節器１０によりＬＤ１の動作温度を制御する。ローパスフィルタの帯域としては、例えばＤＣ〜０．１Ｈｚとする。
【００１５】
一方、ロックインアンプ６から出力される発振周波数偏差信号はハイパスフィルタ１２に入力されて高周波成分が取り出される。この高周波成分は制御回路７ｂ及びＬＤ駆動回路８によりＬＤ１の動作電流を制御する。ハイパスフィルタのカットオフ周波数としては、例えば１０Ｈｚとする。
【００１６】
なお、上述ではローパスフィルタ１１の帯域をＤＣ〜０．１Ｈｚとし、ハイパスフィルタのカットオフ周波数１０Ｈｚとしたが、これらの周波数はＬＤ１の駆動電流制御と動作温度制御が干渉しない程度に設定すればよく実施例に限定するものではない。
【００１７】
上記の構成によれば、動作電流へのフィードバックは高周波ループとなりＤＣ成分が含まれないため、長期的に動作電流は一定に保たれる。したがって、ＬＤの光出力は変動しない。
【００１８】
図２は請求項２にかかる実施例を示すブロック構成図である。なお、図３と同一要素には同一符号を付している。
この実施例においては、制御回路７で生成されるＬＤ駆動回路８への出力（動作電流値）をＣＰＵ２０にも入力し温度調節器１０の温度設定値を補正する。
【００１９】
即ち、動作電流の範囲を設定し、発振周波数のドリフトにより動作電流が設定した範囲の限界に達すると、発振周波数のドリフトを補償するように動作温度を変更し、設定した範囲の中央の動作電流で所定の発振周波数が得られるようにする。
【００２０】
これにより発振周波数ドリフトが増加しても、動作電流は設定範囲内に留まる。したがって、所望の光出力が得られるように動作電流範囲を設定すれば、光出力が使用範囲から外れることはない。
【００２１】
例えば、光出力の動作電流依存性が０．５ｍＷ／ｍＡ、発振周波数の動作電流依存性が−３GHz／ｍＡ、発振周波数の温度依存性が−３０GHz／℃のＬＤを、ＬＤの初期動作電流を５０ｍＡ、初期光出力を１０ｍＷ、動作電流の範囲を４０〜６０ｍＡ、初期動作温度を２５℃で使用する場合を例に説明する。
【００２２】
ＬＤの発振周波数が＋３０GHzドリフトしたとすると、制御回路７を介したＬＤ駆動回路８への動作電流のフィードバックによりこれを補正するため、ＬＤの動作電流は１０ｍＡ増加し上限の６０ｍＡとなり、このとき、光出力は５ｍＷ増加し１５ｍＷとなる。
【００２３】
ＬＤの動作電流が６０ｍＡになると、ＣＰＵ２０は動作電流が上限値になったと判断し、発振周波数ドリフト（＋３０GHz）を動作温度で補正するため、動作温度を１℃上昇させ２６℃とする。
これにより動作電流による補正が不要となるため、動作電流は５０ｍＡに戻り、光出力も１０ｍＷに戻る。
【００２４】
逆に発振周波数が−３０GHzドリフトした場合には、動作電流が下限の40mA、光の出力が５ｍＷになる。この場合ＣＰＵ２０は動作温度を1℃減少させて２４℃とし、動作電流を５０ｍＡ、光出力を１０ｍＷに戻す。上記の動作によりＬＤは予め定めた動作電流の範囲内で安定した周波数で発振することとなる。
【００２５】
ここで、ＣＰＵ２０における動作温度の設定値の変更は、動作電流による発振周波数制御の応答時間に比べ十分長い時間をかけ、徐々に行われるようにプログラムしておくものとする。その結果、動作温度を変更している間においても発振周波数は安定に保たれる。
【００２６】
なお、動作温度が変更される間は、発振周波数の安定性が劣化する可能性がある。例えば半導体装置のステッパの動きを測定しているような場合、発振周波数の安定性の劣化が無視できないこともある。そのような場合は予めＣＰＵ２０に周波数安定化光源を使用する装置に異常信号を出力するようにプログラムしておき、システムとして対応を取れるようにすることができる。
【００２７】
本発明の以上の説明は、説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。例えば吸収セル３は実施例ではガスの吸収特性を利用したものであるが、同様の周波数弁別特性を有するものであればガス以外を使用したものであっても良い。
【００２８】
また、請求項２の説明において、動作温度の設定値の変更は動作電流が設定範囲の限界に達したときにのみ行なわれているが、限界に達する前に定期的に行ってもよい。
【００２９】
したがって本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、変形をなし得ることは当業者に明らかである。
特許請求の範囲の欄の記載により定義される本発明の範囲は、その範囲内の変更、変形を包含するものとする。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、温度と注入電流により発振周波数が変化する半導体レーザと、特定の周波数の光を吸収又は透過する周波数弁別器を用い、出力光の周波数を安定化する周波数安定化光源において、前記周波数弁別器の出力を電気信号に変換する光電変換手段と、この光電変換手段の出力を同期検波する同期検波手段と、この同期検波された信号のうち低周波成分を取り出すローパスフィルタと、高周波成分を取り出すハイパスフィルタと、前記低周波成分を用いて前記半導体レーザの動作温度を制御する制御手段と、前記高周波成分を用いて前記半導体レーザの動作電流を制御する制御手段と、からなり、
前記ローパスフィルタの帯域と前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数は前記半導体レーザの駆動電流制御と動作温度制御が干渉しない程度に設定したので、動作電流の長期安定化を図った周波数安定化光源を実現することができた。
【００３１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の周波数安定化光源の実施形態の一例を示すブロック構成図である。
【図２】本発明の他の周波数安定化光源の実施形態の一例を示すブロック構成図である。
【図３】従来の周波数安定化光源の一例を示すブロック構成図である。
【図４】ガスセルの吸収特性とロックインアンプの出力特性を示す図である。
【符号の説明】
１ 半導体レーザ（ＬＤ）
２ 光アイソレータ
３ ビームスプリッタ
４ ガスセル
５ 受光素子（ＰＤ）
６ ロックインアンプ
７，７ａ，７ｂ 制御回路
８ ＬＤ駆動回路
９ 発振器
１０ 温度調節器
１１ ローパスフィルタ
１２ ハイパスフィルタ
２０ ＣＰＵ
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザの発振周波数の安定化に関し、特に光出力の長期安定化を図った周波数安定化光源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザの発振周波数は主に動作温度と動作電流に依存する。したがって、何らかの方法で半導体レーザの発振周波数を測定し、その値が一定になるように動作温度または動作電流を制御すれば、半導体レーザの発振周波数を安定化することができる。
【０００３】
しかし、動作温度による制御は応答速度が遅いため、特に短期安定度が重要な場合には、動作温度は一定とし動作電流により発振周波数を制御している。また、発振周波数を測定する方法としては、エタロンやガスの吸収線が用いられる。
【０００４】
図３はガスの吸収線を用いた従来例を示すブロック構成図である。
図３において、半導体レーザＬＤ(以下、単にＬＤという)１は温度調節器１０で一定温度に保たれている。このＬＤから出射した光は光アイソレータ２，ビームスプリッタ３を経て光出力の一部がガスセル４に導かれる。
【０００５】
ガスセル４を透過した光は受光素子ＰＤ（以下、単にＰＤという）５に入射する。ＰＤ５で電気信号に変換された出力はロックインアンプ６に入力され、発振器９の出力により同期検波され、制御回路７に入力される。
【０００６】
ガスセル４はＬＤ１の発振周波数の近傍に図４の（Ａ）に示すような吸収特性を待っている。ロックインアンプ６でＰＤ５の出力を同期検波すると、図４の（Ｂ）に示すような微分波形が出力される。制御回路７はこの微分波形を用い、ガスセル４の吸収線の中心にＬＤ１の発振周波数を制御するようにＬＤ駆動回路８に制御信号を出力する。
【０００７】
即ち、この従来例では、ＬＤ１の動作電流を発振器９の変調信号で変調し、得られたＰＤ出力をロックインアンプ６で同期検波し、ガスセル４の透過光量が最少となる点を検知している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような従来の周波数安定化装置において、何らかの原因でＬＤの発振周波数がドリフトすると、それを打ち消すようにＬＤの動作電流が変化する。ＬＤの動作電流が変化すると発振周波数だけでなくＬＤの光出力も変動してしまい、発振周波数は安定であるが、光出力が使用できる光出力範囲から外れるとういう問題があった。
【０００９】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、光出力の長期安定化を図った周波数安定化光源を実現することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために本発明では、請求項１においては、
温度と注入電流により発振周波数が変化する半導体レーザと、特定の周波数の光を吸収又は透過する周波数弁別器を用い、出力光の周波数を安定化する周波数安定化光源において、前記周波数弁別器の出力を電気信号に変換する光電変換手段と、この光電変換手段の出力を同期検波する同期検波手段と、この同期検波された信号のうち低周波成分を取り出すローパスフィルタと、高周波成分を取り出すハイパスフィルタと、前記低周波成分を用いて前記半導体レーザの動作温度を制御する制御手段と、前記高周波成分を用いて前記半導体レーザの動作電流を制御する制御手段と、からなり、
前記ローパスフィルタの帯域と前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数は前記半導体レーザの駆動電流制御と動作温度制御が干渉しない程度に設定した。
【００１１】
請求項２においては、
温度と注入電流により発振周波数が変化する半導体レーザと、特定の周波数の光を吸収又は透過する周波数弁別器を用い、出力光の周波数を安定化する周波数安定化光源において、
前記半導体レーザの発振周波数を前記動作電流で制御すると共に、動作電流の範囲（上限と下限）を設定しておき、前記動作電流が限界（上限または下限）に達した場合、前記動作電流範囲の中央の動作電流で所定の発振周波数が得られるように、動作温度の設定値を変更する。
【００１２】
請求項３においては、請求項２記載の周波数安定化光源において、
動作温度の設定値の変更を、前記動作電流による発振周波数制御の応答時間に比べ十分長い時間をかけ徐々に行う。
請求項４においては、請求項２項または３項記載の周波数安定化光源において、
動作温度の設定値の変更が行われる場合、動作温度の変更が終了するまで、または所定の時間、異常信号を出力する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。
図１は本発明の実施形態の一例を示す概略構成図である。なお、図３と同一要素には同一符号を付している。１１はローパスフィルタ、７ａは温度調節器１０の制御回路、１２はハイパスフィルタ、７ｂはＬＤ駆動回路８の制御回路である。
【００１４】
上記の構成において、ロックインアンプ６から出力される発振周波数偏差信号はローパスフィルタ１１に入力されて低周波成分が取り出される。この低周波成分は制御回路７ａ及び温度調節器１０によりＬＤ１の動作温度を制御する。ローパスフィルタの帯域としては、例えばＤＣ〜０．１Ｈｚとする。
【００１５】
一方、ロックインアンプ６から出力される発振周波数偏差信号はハイパスフィルタ１２に入力されて高周波成分が取り出される。この高周波成分は制御回路７ｂ及びＬＤ駆動回路８によりＬＤ１の動作電流を制御する。ハイパスフィルタのカットオフ周波数としては、例えば１０Ｈｚとする。
【００１６】
なお、上述ではローパスフィルタ１１の帯域をＤＣ〜０．１Ｈｚとし、ハイパスフィルタのカットオフ周波数１０Ｈｚとしたが、これらの周波数はＬＤ１の駆動電流制御と動作温度制御が干渉しない程度に設定すればよく実施例に限定するものではない。
【００１７】
上記の構成によれば、動作電流へのフィードバックは高周波ループとなりＤＣ成分が含まれないため、長期的に動作電流は一定に保たれる。したがって、ＬＤの光出力は変動しない。
【００１８】
図２は請求項２にかかる実施例を示すブロック構成図である。なお、図３と同一要素には同一符号を付している。
この実施例においては、制御回路７で生成されるＬＤ駆動回路８への出力（動作電流値）をＣＰＵ２０にも入力し温度調節器１０の温度設定値を補正する。
【００１９】
即ち、動作電流の範囲を設定し、発振周波数のドリフトにより動作電流が設定した範囲の限界に達すると、発振周波数のドリフトを補償するように動作温度を変更し、設定した範囲の中央の動作電流で所定の発振周波数が得られるようにする。
【００２０】
これにより発振周波数ドリフトが増加しても、動作電流は設定範囲内に留まる。したがって、所望の光出力が得られるように動作電流範囲を設定すれば、光出力が使用範囲から外れることはない。
【００２１】
例えば、光出力の動作電流依存性が０．５ｍＷ／ｍＡ、発振周波数の動作電流依存性が−３GHz／ｍＡ、発振周波数の温度依存性が−３０GHz／℃のＬＤを、ＬＤの初期動作電流を５０ｍＡ、初期光出力を１０ｍＷ、動作電流の範囲を４０〜６０ｍＡ、初期動作温度を２５℃で使用する場合を例に説明する。
【００２２】
ＬＤの発振周波数が＋３０GHzドリフトしたとすると、制御回路７を介したＬＤ駆動回路８への動作電流のフィードバックによりこれを補正するため、ＬＤの動作電流は１０ｍＡ増加し上限の６０ｍＡとなり、このとき、光出力は５ｍＷ増加し１５ｍＷとなる。
【００２３】
ＬＤの動作電流が６０ｍＡになると、ＣＰＵ２０は動作電流が上限値になったと判断し、発振周波数ドリフト（＋３０GHz）を動作温度で補正するため、動作温度を１℃上昇させ２６℃とする。
これにより動作電流による補正が不要となるため、動作電流は５０ｍＡに戻り、光出力も１０ｍＷに戻る。
【００２４】
逆に発振周波数が−３０GHzドリフトした場合には、動作電流が下限の40mA、光の出力が５ｍＷになる。この場合ＣＰＵ２０は動作温度を1℃減少させて２４℃とし、動作電流を５０ｍＡ、光出力を１０ｍＷに戻す。上記の動作によりＬＤは予め定めた動作電流の範囲内で安定した周波数で発振することとなる。
【００２５】
ここで、ＣＰＵ２０における動作温度の設定値の変更は、動作電流による発振周波数制御の応答時間に比べ十分長い時間をかけ、徐々に行われるようにプログラムしておくものとする。その結果、動作温度を変更している間においても発振周波数は安定に保たれる。
【００２６】
なお、動作温度が変更される間は、発振周波数の安定性が劣化する可能性がある。例えば半導体装置のステッパの動きを測定しているような場合、発振周波数の安定性の劣化が無視できないこともある。そのような場合は予めＣＰＵ２０に周波数安定化光源を使用する装置に異常信号を出力するようにプログラムしておき、システムとして対応を取れるようにすることができる。
【００２７】
本発明の以上の説明は、説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。例えば吸収セル３は実施例ではガスの吸収特性を利用したものであるが、同様の周波数弁別特性を有するものであればガス以外を使用したものであっても良い。
【００２８】
また、請求項２の説明において、動作温度の設定値の変更は動作電流が設定範囲の限界に達したときにのみ行なわれているが、限界に達する前に定期的に行ってもよい。
【００２９】
したがって本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、変形をなし得ることは当業者に明らかである。
特許請求の範囲の欄の記載により定義される本発明の範囲は、その範囲内の変更、変形を包含するものとする。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、温度と注入電流により発振周波数が変化する半導体レーザと、特定の周波数の光を吸収又は透過する周波数弁別器を用い、出力光の周波数を安定化する周波数安定化光源において、前記周波数弁別器の出力を電気信号に変換する光電変換手段と、この光電変換手段の出力を同期検波する同期検波手段と、この同期検波された信号のうち低周波成分を取り出すローパスフィルタと、高周波成分を取り出すハイパスフィルタと、前記低周波成分を用いて前記半導体レーザの動作温度を制御する制御手段と、前記高周波成分を用いて前記半導体レーザの動作電流を制御する制御手段と、からなり、
前記ローパスフィルタの帯域と前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数は前記半導体レーザの駆動電流制御と動作温度制御が干渉しない程度に設定したので、動作電流の長期安定化を図った周波数安定化光源を実現することができた。
【００３１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の周波数安定化光源の実施形態の一例を示すブロック構成図である。
【図２】本発明の他の周波数安定化光源の実施形態の一例を示すブロック構成図である。
【図３】従来の周波数安定化光源の一例を示すブロック構成図である。
【図４】ガスセルの吸収特性とロックインアンプの出力特性を示す図である。
【符号の説明】
１ 半導体レーザ（ＬＤ）
２ 光アイソレータ
３ ビームスプリッタ
４ ガスセル
５ 受光素子（ＰＤ）
６ ロックインアンプ
７，７ａ，７ｂ 制御回路
８ ＬＤ駆動回路
９ 発振器
１０ 温度調節器
１１ ローパスフィルタ
１２ ハイパスフィルタ
２０ ＣＰＵ
Claims (4)
- 温度と注入電流により発振周波数が変化する半導体レーザと、特定の周波数の光を吸収又は透過する周波数弁別器を用い、出力光の周波数を安定化する周波数安定化光源において、前記周波数弁別器の出力を電気信号に変換する光電変換手段と、この光電変換手段の出力を同期検波する同期検波手段と、この同期検波された信号のうち低周波成分を取り出すローパスフィルタと、高周波成分を取り出すハイパスフィルタと、前記低周波成分を用いて前記半導体レーザの動作温度を制御する制御手段と、前記高周波成分を用いて前記半導体レーザの動作電流を制御する制御手段と、からなり、
前記ローパスフィルタの帯域と前記ハイパスフィルタのカットオフ周波数は前記半導体レーザの駆動電流制御と動作温度制御が干渉しない程度に設定したことを特徴とする周波数安定化光源。 - 温度と注入電流により発振周波数が変化する半導体レーザと、特定の周波数の光を吸収又は透過する周波数弁別器を用い、出力光の周波数を安定化する周波数安定化光源において、前記半導体レーザの発振周波数を動作電流で制御すると共に、動作電流の範囲（上限と下限）を設定しておき、前記動作電流が限界（上限または下限）に達した場合、
前記動作電流範囲の中央の動作電流で所定の発振周波数が得られるように、動作温度の設定値を変更することを特徴とする周波数安定化光源。 - 動作温度の設定値の変更が、前記動作電流による発振周波数制御の応答時間に比べ十分長い時間をかけ、徐々に行われることを特徴とする請求項２記載の周波数安定化光源。
- 動作温度の設定値の変更が行われる場合、前記動作温度の変更が終了するまで、または所定の時間、異常信号を出力するようにしたことを特徴とする請求項２または３記載の周波数安定化光源。
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| JP3783822B2 true JP3783822B2 (ja) | 2006-06-07 |
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