JP4159985B2 - 波長可変レーザの制御システム - Google Patents

Description

本発明は、レーザ・システムに関し、より詳細には、外部共振型ダイオード・レーザのような波長可変レーザの運転を制御および監視するための電子コントローラに関する。

波長可変外部共振型ダイオード・レーザ（ＥＣＤＬ）は、光計測試験装置において広く使用され、波長分割多重方式（ＷＤＭ）による音声およびデータ通信の急速に拡大する分野における不可欠な要素として認識されるようになっている。これらの分野における多くの装置が、様々な性能仕様を呈する。しかしながら、通常の仕様は、小型の光学機械式装置および制御システムと、波長のサーボ制御と、線幅を広げるための可聴域（例えば１００Ｈｚ〜３０ｋＨｚ）における制御可能な周波数変調（ＦＭ）、と言ったものである。なお、本出願の国際調査、又は対応米国出願の米国での審査において、下記の文献が発見されている。
米国特許第６２８２２１５号明細書 国際公開第９８／０５１０５号パンフレット 国際公開第０１／０４９９９号パンフレット

外部共振型ダイオード・レーザの運転に対する所望の制御を達成するために、様々な機能を実施する電子コントローラが通常は提供される。この機能は、レーザへ電流を供給する電流源、固定波長同調機能、変調源、および波長可変レーザの運転を正確に制御、監視するための様々な機能を有してよい。通常、電子コントローラによって、適切な効率および比較的小さい波形率で波長可変レーザの広汎な制御が可能である事が望ましい。さらに、システム内の電気ノイズ、および様々な測定機能に対する電気ノイズの影響を最小限にする事が通常は望ましい。

レーザ装置の様々な機能を監視および制御するためのレーザ制御システムが提供される。一実施形態において、レーザ装置は同調可能な外部共振器レーザを備える。レーザ・コントローラは、外部共振器の波長の調節および固定のために波長同調回路を備えていて良い。同調回路は、選択された送信部材に変調信号を供給するための変調信号発生器を備えていて良く、選択された送信部材は、レーザの外部共振器の光路の対応する変調を引き起こす。波長の固定は、光路の微小の変調により変化する透過特性を監視する事により達成されて良い。そのような透過特性は、例えばゲイン媒体の両端の電圧変化、または、レーザの外部共振器に関する光の強度変化を検知することにより監視されて良い。外部共振器の光路長さを調節するための誤差信号を生成するために、同調回路は、透過特性を示すデータ上に高速フーリエ変換のようなフーリエ変換を実行するマイクロプロセッサのような信号プロセッサを備えて良い。

様々な監視および制御機能を実行するために、コントローラは、温度を示す信号および（または）フォト・ダイオードのような光検出器からの信号のような、レーザの運転に関連した様々なパラメタの監視のために回路構成を備えて良い。コントローラは、ゲイン媒体の両端の電圧のような他のパラメタを更に検知しても良い。一実施形態において、そのようなパラメタを検知する事は、外部共振器レーザの運転を制御するための様々な制御信号の生成と同期して実行される。制御信号は、外部共振器経路長さの調節のために、および変調信号の生成のための信号を含んでいて良い。制御信号は、プログラマブルロジックデバイスによって生成されるパルス幅変調された信号であって良い。一実施形態において、サーミスタのような温度依存性抵抗素子が、レーザ装置の様々な部品の温度を示す信号を提供するために使用されても良い。選択された温度依存性抵抗素子に関する温度を検知するべく、スイッチング回路が、選択された温度依存性抵抗素子と共通計測パスとを接続するために使用されても良い。更に他の実施形態において、変調出力信号を生成するための制御回路が、プッシュプル式の構成を有する増幅器回路に接続された一次コイルを含むトランスを備えて良い。レーザ電流源は、ドライブ・トランジスタを経由してレーザ装置に供給される電流のレベルを制御する制御回路と、制御回路とドライブ・トランジスタの制御端子の間に接続されたゲート共通またはベース共通構成を持つトランジスタを備えて良い。レーザ・コントローラは、レーザの遠隔制御を可能にするためのネットワーク・インターフェースを備えていて良い。

本発明がさまざまな変更および他の形態を採ることが可能である一方、特定の実施形態が例証として図示され、本願明細書において詳述される。しかしながら、図面および詳細な説明が、開示された特定の形態に本発明を限定することを目的としておらず、本発明は、添付の特許請求の範囲に記載の本発明の精神と範囲に属する全ての変更、均等物および修正を包含している、という事が理解されなければならない。

本願において用いられる用語「外部共振器レーザ」は、少なくとも一つの外部反射要素が光学フィードバックをゲイン媒体にもたらすために用いられる任意のレーザ装置も含む事を意図する。「外部反射部材」とは、ゲイン媒体の一部でも無く、ゲイン媒体と統合されてもいない反射部材を意図する。

図１は、波長可変外部共振器レーザ装置１０の一実施形態の様々な様態を例証する。装置１０は、ゲイン媒体１２およびエンド即ち外部反射部材１４を備える。ゲイン媒体１２は、反射防止（ＡＲ）コーティングが施された裏面１６および一部反射する正面１８を有する従来のファブリーペロー型ダイオード・エミッタ・チップを備えていても良い。装置１０は、正面１８および外部反射部材１４によって境界が定められる。外部共振器の光軸と同一直線上に整列される光路２２を画定するために、ゲイン媒体１２は、コヒーレントなビームを裏面１６から放射し、放射されたビームはレンズ２０によってコリメートされる。同様に、ゲイン媒体１２の裏面と正面１６、１８は、外部共振器の光軸と心合する。エンドミラー１４に反射された光は、光路２２に沿って、ゲイン媒体１２へとフィードバックされる。外部共振器レーザ１０の出力を光ファイバ（図示されない）へカップリングするために、従来の出力光学カプラ（図示されない）が正面１８に対応付けられてもよい。

外部共振器の透過特性は、ゲイン媒体１２の両端の電圧を監視することにより検証または評価する事が出来る。この点において、第１電極２４および第２電極２６が隣接して設けられ、ゲイン媒体１２に操作可能なように接続されても良い。ゲイン媒体１２の両端の電圧が検知され得る場合、第１電極２４は導体２８を経由してコントローラ４８に操作可能なように接続される。第２電極２６は導体３０を経由して接地される。もしくは、様々な他の実施形態において、外部共振器レーザに関する光の一部を受信するために配置され得る１つ以上のフォト・ダイオード１５（または他の種類の光検出器）の出力を監視することにより、外部共振器の透過特性が評価され得る事が注目されよう。例えば、一実施形態では、フォト・ダイオードは部分的に反射するエンドミラー１４を貫通して伝搬する光を検知するために配置されても良い。他の実施形態において、フォト・ダイオードは、ゲイン媒体１２の正面１８を貫通して伝搬する光を検知するために配置されても良い。 フォト・ダイオードは、要望に応じて、他の特定の場所で外部共振器レーザに関する光を検知するために配置されても良い。

誤差信号は、外部共振器に関する透過特性を修正または調整するために、計測されたゲイン媒体１２の両端の電圧に由来して良い。この機能の実施に関しては、後に詳述される。

外部共振器に関連した他の送信部材は、グリッド・ジェネレータ部材およびチャネルセレクタ部材を含んでいて良く、これらは、ゲイン媒体１２およびエンドミラー１４の間の光路２２中に位置するグリッド・エタロン３４およびウェッジ・エタロン３６として図１にそれぞれ示される。通常、グリッド・エタロン３４は、光路２２中においてウェッジ・エタロン２６の前方に位置する。グリッド・エタロン３４は干渉フィルタとして作用し、グリッド・エタロン３４の屈折率と光学厚さによって、例えばＩＴＵ（国際電気通信連合）グリッドの様な選択された波長グリッドの中央部分の波長と一致する波長において、通信帯域内における複数の最小値が生じる。もしくは、他の波長グリッドが選択されても良い。従って、グリッド・エタロン３４は、ＩＴＵグリッドもしくは他の選択されたグリッドのグリッド線間の間隔に対応する自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を有する。従って、グリッド・エタロン３４は波長グリッドのグリッドラインのそれぞれを中心とする複数の通過帯域を供給するように作動する。グリッド・エタロン３４は、波長グリッドの各チャネル間の外部共振器レーザの隣接するモードを抑制するようなフィネス（自由スペクトル領域÷半値全幅（ＦＷＨＭ））を有する。

グリッド・エタロン３４は固体、液体、または気体の平行平板によって離間されたエタロンであって良く、温度制御による熱膨張と収縮によって面間の光学厚さの正確な寸法を画定することによって同調されて良い。もしくは、グリッド・エタロン３４は、面３８、４０の間の光学厚さを変えるために傾斜させる事により同調されても良いし、あるいは電気光学的エタロン材料へ電界を印加する事により同調されても良い。様々な他のグリッドを生成する部材は当業者とって公知であり、グリッド・エタロン３４の代替として使用されても良い。外部共振器レーザ１０の運転中の熱の変動によって発生し得る選択されたグリッド中の変化を防ぐために、グリッド・エタロン３４の温度を温度コントローラ（ＴＥＣ）を使用して制御しても良い。もしくは、グリッド・エタロン３４は能動的に同調されても良い。

グリッド・エタロン３４と同様、ウェッジ・エタロン３６もまた干渉フィルタとして機能するが、平行では無い反射面４２、４４によってテーパ状の形状を有する。後に詳述されるように、例えば、ウェッジ・エタロン３６は、テーパ状の透過基板、隣接した透過基板の反射面間のテーパ状のエアギャップ、あるいは薄膜のウェッジ干渉フィルタを備えても良い。

幾つかの例における外部共振器レーザ１０の様々な光学要素間の相対的なサイズ、形状、および距離は、明瞭性を保つために誇張して示されている場合があり、必ずしも等縮尺であるとは限らない。外部共振器レーザ１０は、焦点を合わせる要素、およびコリメーション要素と言った追加の送信部材（図示されず）を備えても良く、外部共振器レーザ１０の様々な要素に関連した偽フィードバックを除去するように構成される偏光光学系を備えていても良い。グリッド・ジェネレータ３４およびチャネルセレクタ３６の位置は図１に示される場所と異なっても良い。

ウェッジ・エタロン３６は、グリッド・エタロン３４によって画定される通過帯域よりも実質的に広い通過帯域を画定し、その一周期は、グリッド・エタロン３４によって画定される最短波長のチャネルと最長波長のチャネルの間の波長との差と実質的に対応する。換言すれば、ウェッジ・エタロン３６の自由スペクトル領域は、グリッド・エタロン３４によって画定された波長の全ての波長領域と対応する。ウェッジ・エタロン３６は、特定の選択されたチャネルに隣接するチャネルを抑制するようなフィネスを有する。

ウェッジ・エタロン３６は、ウェッジ・エタロン３６の面４２、４４間の光学厚さを変える事により、複数の通信チャネルの中から１つを選択するために使用されても良い。これは、ウェッジ・エタロン３６のテーパの方向と平行かつ光路２２および外部共振器レーザ１０の光軸に対して垂直な方向にウェッジ・エタロン３６を変位させることにより達成される。ウェッジ・エタロン３６によって画定される通過帯域のそれぞれによってチャネルが選択可能となり、また、ウェッジが光路２２中に押し込まれる方向に変位するにつれて、光路２２に沿って移動するビームはウェッジ・エタロン３６のより厚い部分を貫通することになり、これによって、より長い波長チャネルにおける、相対する面４２、４４間の建設的干渉が得られる。ウェッジ・エタロン３６が光路２２から引き出される方向に変位するにつれて、ビームはウェッジ・エタロン３６より薄い部分を貫通し、より短い波長チャネルに対応する光路２２用の通過帯域を露出する。上述したように、ウェッジ・エタロン３６の自由スペクトル領域は、グリッド・エタロン３４の完全な波長の範囲に対応している。その結果、全ての波長グリッドの領域において、通信帯域内の単一のロスミニマムが同調される事が可能である。グリッド・エタロン３４およびウェッジ・エタロン３６からゲイン媒体１２への統合化されたフィードバックによって、選択されたチャネルの中心波長においてレーザ光線を発することを可能にする。全同調レンジに渡って、ウェッジ・エタロン３６の自由スペクトル領域はグリッド・エタロン３４の自由スペクトル領域より広い。

ウェッジ・エタロン３６は、選択されたチャンネルに応じてウェッジ・エタロン３６を調整可能に位置決めするように構成・構築された駆動部材４６を含む同調装置により位置を変えられることによって同調される。駆動部材４６は、ウェッジ・エタロン３６の精密並進運動に好適なハードウェアと共に例えばステッパーモータを備えても良い。もしくは、駆動部材は、直流サーボモーター、ソレノイド、ボイスコイル・アクチュエーター、圧電アクチュエータ、超音波ドライバ、形状記憶デバイス、または同様の往復型アクチュエータのように、様々なタイプのアクチュエータを含んでも良い。アクチュエータの種類は上記されてものに限定されない。

駆動部材４６はコントローラ３８に動作可能なように接続され、コントローラ３８は、駆動部材４６経由でウェッジ・エタロン３６の位置決めを制御する信号を供給する。コントローラ３８はデータ処理装置およびメモリ（図１には示されない）を備えて良く、選択可能なチャネル波長に対応するウェッジ・エタロン３６の位置情報のルックアップテーブルが内部に保存される。

外部共振器レーザ１０がある通信チャネルから別の通信チャネルに同調される時、コントローラ３８はルックアップテーブル中の位置データに応じて駆動部材４６に信号を送り、駆動部材４６はウェッジ・エタロン３６を正確な位置まで移動させ、光路２２中に位置するウェッジ・エタロン３６の位置における光学厚さが、選択されたチャネルのための建設的干渉が得られるようになされる。ドライバ３６によってウェッジ・エタロン３６を正確・確実に位置調整するために、直線エンコーダのような位置検出器５０がウェッジ・エタロン３６および駆動部材４６に関して使用されてもよい。若しくは、システムの初期化の最中にウェッジ・エタロン３６に関する「ホーム」ポジションを確認するために、シングルポイント電気光学検出器が供給されても良い。

また、電気光学的に活性化された変調素子５８が、光路２２中のエンドミラー１４の前方に位置して示される。図１の実施形態において、エンドミラー１４は、変調素子５８の電気光学材料の直上の反射コーティングとして成形される。従って、エンドミラー１４および変調素子５８は単一の部品へ統合される。他の実施形態において、エンドミラー１４は、変調素子５８と別々の部材によって形成されても良い。変調素子５８の機能に関しては、後に詳述される。

グリッド・エタロン３４、ウェッジ・エタロン３６、および正面１８とエンドミラー１４によって画定される外部共振器の通過帯域の関係を示すグラフが図２に示され、外部共振器通過帯域ＰＢ１、グリッド・エタロン通過帯域ＰＢ２およびウェッジ・エタロン通過帯域ＰＢ３を示す。相対ゲインが縦軸に、波長が横軸に示される。図から明らかなように、ウェッジ・エタロン３６の自由スペクトル領域（ＦＳＲ_{Ｃｈａｎｎｅｌ Ｓｅｌ}）は、グリッド・エタロン３４の自由スペクトル領域（ＦＳＲ_{Ｇｒｉｄ Ｇｅｎ}）より大きく、グリッド・エタロン３４の自由スペクトル領域（ＦＳＲ_{Ｇｒｉｄ Ｇｅｎ}）は、外部共振器の自由スペクトル領域（ＦＳＲ_{Ｃａｖｉｔｙ}）より大きい。外部共振器通過帯域ＰＢ１のピークは、グリッド・エタロン３４の波長グリッドによって画定された通過帯域ＰＢ２の中心波長と周期的に一致する。全ての波長グリッドの通過帯域ＰＢ２に渡って広がるウェッジ・エタロン３６の通過帯域ＰＢ３のピークは１つである。図２に示される特定の例において、波長グリッドは、０．５ｎｍ（６２ＧＨｚ）間隔で離間し、最短波長チャネルが１５３２ｎｍ、最長波長チャネルが１５６３．５ｎｍであって、６４個のチャネルに渡って延長している。

グリッド・エタロン３４およびウェッジ・エタロン３６のフィネスは、隣接しているモードまたはチャネルの減衰を決定する。上述されたように、フィネスは、自由スペクトル領域を半値全幅で割った値と等しい。即ち、フィネス＝ＦＳＲ／ＦＷＨＭである。グリッド・エタロン通過帯域ＰＢ２の半値全幅が図２ｂに示され、ウェッジ・エタロン通過帯域ＰＢ３の半値全幅が図２ｃに示される。外部共振器内におけるグリッド・エタロン３４およびウェッジ・エタロン３６の位置の調整によって、サイドモード抑圧比が向上する。

１５４９．５ｎｍおよびそれに隣接する１５５０ｎｍに中心が合わせられたチャネル間におけるウェッジ・エタロン３６の通過帯域ＰＢ３の同調の例が、図３のグラフによって示される。また、グリッド・エタロン３４によって生成されたチャネルの選択と、隣接するチャネルまたはモードの減衰も示されている。図２に示される外部共振器の通過帯域ＰＢ１は、明瞭性を保つために図３においては省略される。グリッド・エタロン３４は、グリッド・チャネル間隔に対応する外部共振器の周期的な縦モードを選択する一方で、隣接するモードは拒絶する。ウェッジ・エタロン３６は、該波長グリッド中の特定のチャネルを選択し、他の全てのチャネルを拒絶する。選択されたチャネルあるいはレーザ光線のモードは、チャネル間隔のプラスマイナス約半分の範囲のフィルタ・オフセットにより、１つの特定のチャネルに画定される。チャネルのオフセットがより大きい場合、レーザ光線のモードは隣接するチャネルへとジャンプする。

図３ａにおいて、ウェッジ・エタロン通過帯域ＰＢ３のピークは、１５４９．５ｎｍのグリッド・チャネルに合わせられている。１５４９．５ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関する相対ゲインは高いが、その一方で隣接している１５４９．０ｎｍおよび１５５０．０ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関する相対ゲインレベルは、選択された１５４９．５ｎｍのチャネルに比べて抑圧されている。１５５０．５ｎｍおよび１５４８．５ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関するゲインは一層抑圧されている。１点鎖線は、ウェッジ・エタロン３６によって抑圧されていない状態の通過帯域ＰＢ２の相対ゲインを示す。

図３ｂはウェッジ・エタロン通過帯域ＰＢ３が、チャネル切り替えの最中に１５４９．５ｎｍおよび１５５０．０ｎｍのチャネルの間に位置する状態を示す。１５４９．５ｎｍおよび１５５０．０ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関する相対ゲインは両方とも高く、どちらも抑制されていない。１５４９．０ｎｍおよび１５５０．５ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関する相対ゲインのレベルは、１５４９．５ｎｍおよび１５５０．０ｎｍのチャネルに比べれば抑圧されている。１点鎖線は、ウェッジ・エタロン３６によって抑圧されていない状態の通過帯域ＰＢ２の相対ゲインを示す。

図３ｃは、ピークが１５５０．０ｎｍのグリッド・チャネルに合わせられているウェッジ・エタロン通過帯域ＰＢ３を示し、１５５０．０ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関する相対ゲインは高いが、その一方で隣接している１５４９．５ｎｍおよび１５５０．５ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関する相対ゲインレベルは、選択された１５２０．０ｎｍのチャネルに比べて抑圧されており、１５５１．０ｎｍおよび１５４９．０ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関するゲインは更に抑圧されている。再び、１点鎖線は、ウェッジ・エタロン３６によって抑圧されていない状態の通過帯域ＰＢ２の相対ゲインを示す。

図２および図３に示されるように、チャネルセレクタ３６、エンドミラー１４および（または）グリッド・ジェネレータ３４の位置調整あるいは同調が最適に成されない場合、通過帯域ＰＢ１、ＰＢ２およびＰＢ３のミスアライメントが発生し、外部共振器レーザ１０からの光出力強度の減衰を生じさせるであろう。電圧センサ３２がゲイン媒体１２の両端の電圧を監視することによって、そのような外部共振器の透過特性がレーザ運転中に調査または評価されることが出来る。その後、エンドミラー１４、ウェッジ・エタロン３６、および（または）グリッド・エタロン３４を適切に再配置または調整する事によって、通過帯域ＰＢ１、ＰＢ２およびＰＢ３が相互に最適にアライメントされるように、監視された電圧に由来した誤差信号が外部共振器の運転中に送信プロファイルを調節する際に、またはサーボ機構によって制御する際に使用される事が出来、これによって、正確に波長を同調し、安定性を保たせることが出来る。もしくは、前述されたように、様々な他の実施形態において、このような誤差信号は１つ以上のフォト・ダイオード１５によって取得されても良い。

図１に示される電気光学変調素子５８は、周波数のディザによる信号変調を提供する。信号変調が、光路２２中の素子５８が存在することによって、外部共振器レーザ５６の光路長へ導入されても良い。変調素子５８は、ニオブ酸リチウムのような、屈折率が電圧によって調整可能な電気光学材料のエタロンを含んで良い。信号変調は、例えば、約２０ＫＨｚの周波数変調を含んで良い。同調素子の電気光学材料の両端の電圧調整によって、変調素子５８の有効な光学厚さを変更し、従って、外部共振器レーザ５６の外部共振器を横断する全光学経路長ｌ（ダイオード面１８とエンドミラー１４の間の距離）をも変更する。従って、電気光学変調素子５８は、（ｉ）外部共振器に対する周波数変調信号またはディザ、および（ｉｉ）変調素子５８の両端に印加された電圧によって外部共振器光路長を同調または調節するメカニズム、の双方を提供して良い。もしくは、電気光学変調素子５８は音響光学装置、機械的装置あるいは外部共振器の出力に検知可能な周波数のディザあるいは変調信号を導入することが出来る他の装置を備えても良い。

素子５８によって導入された周波数のディザによる光路長ｌを変調することによって、外部共振器から光学フィードバックの結果、ゲイン媒体１２の両端で監視された電圧中に検出可能な外部共振器レーザ５６の出力電力における強度変化が生成される。レーザ共振器モードが、グリッド・ジェネレータ３４およびチャネルセレクタ３６によって画定された通過帯域の中心波長と一致して行くにつれて、これらの強度変化の振幅とフェーズエラーが減少して行くであろう。換言すれば、通過帯域ＰＢ１、ＰＢ２およびＰＢ３が図２ａ〜図２ｃに示されるように最適にアライメントされていれば、変調信号における強度変化およびフェーズエラーは最小、またはゼロである。誤差信号の判断に関して変調信号の強度変化およびフェーズエラーを使用することは、図５を参照して後に詳述される。

同調アーム７４が、コントローラ４８からの入力に従ってエンドミラーの位置を調節するために更に用いられても良い。同調アーム７４が、アルミニウム、または他の金属か合金のような高い熱膨張率を有する材料で作られていて良い。コントローラ４８は、配線８０によって、熱電コントローラ７８に操作可能に接続される。熱電コントローラ７８は同調アームに接続され、アーム７４の温度を調節するように構成される。エンドミラー１４の位置、およびエンドミラーとゲイン媒体１２の前面１８によって画定される外部共振器の光路長さｌを最適の位置に制御するために、本実施形態において、コントローラ４８からの信号による同調アーム７４の熱制御（加熱または冷却）が用いられても良い。

上述されたように、変調素子５８によって導入された周波数変調は、コントローラ４８がゲイン媒体１２の両端の電圧、または１つ以上のフォト・ダイオード１５からの信号を監視することによって検知可能であり、また、周波数変調は、グリッド・ジェネレータ３４およびチャネルセレクタ３６によって画定された通過帯域の中心波長に対するレーザ共振器モードのアラインメントを示す振幅の変動およびフェーズエラーを含む。コントローラ４８は、周波数のディザによって導入された変調から誤差信号を導出し、熱電コントローラ７８に補償信号を伝達するように構成されて良く、従って、誤差信号を無効にするべく、エンドミラー１４を位置決めして外部共振器の光路長さｌを調整するために、熱電コントローラ７８が同調アーム７４を加熱または冷却する。

図４は、コントローラ４８の一実施形態の様態を例示する機能ブロック図である。図４のコントローラは、同調回路８４、配線２８によってゲイン媒体１２に操作可能に接続された電流源８６、配線６８によって熱電コントローラ６６に操作可能に接続されたグリッド・コントローラ８８、および、配線７０によって駆動部材４６に操作可能に接続されたチャネル・コントローラ９０を備える。電流源８６は、ゲイン媒体１２に供給される電力を制御する。グリッド・コントローラ８８は、要求に応じてグリッド・エタロン３４を加熱または冷却するための熱電コントローラ６６を用いるグリッド・エタロン３４に対する熱制御によって、グリッド・エタロン３４の参照一貫性を維持する。チャネル・コントローラ９０は、グリッド・エタロン３４によって画定されたグリッド中の所望の透過帯域を選択するためのチャネルセレクタ３６を位置決めまたは調整するために、駆動部材４６を制御する。

同調回路８４は、信号プロセッサ９４、検電器９６、経路長アジャスタ１００および変調信号発生器１０２を含む。変調信号発生器１０２は、選択された負荷部材（例えば変調素子５８）に周波数のディザ即ち変調信号を供給し、これに対応して、レーザの外部共振器の光路ｌの変調が生じる。変調周波数と振幅は、例えば、有効結合効率を増加させるために選択されて良い。ゲイン媒体１２の両端の電圧（または、前述されたように、フォト・ダイオード１５に由来した信号）は、検電器９６によって検知され、信号処理回路９４に伝達されて良い。信号処理回路９４は、外部共振器の通過帯域ＰＢ１（図２および図３）、グリッド・エタロン３４の通過帯域ＰＢ２およびチャネルセレクタ３６の通過帯域ＰＢ３のアライメントを画定し、かつ対応する誤差情報を生成するために構成されて良い。

経路長アジャスタ１００は、変調信号と強度信号の関係を最適化するべく外部共振器の光路長ｌを調節するために使用される誤差修正または補償信号を、信号処理９４によって供給される誤差情報から生成する。外部共振器モード即ち通過帯域ＰＢ１とグリッド・ジェネレータ３４およびチャネルセレクタ３６によって生成されたＰＢ２およびＰＢ３とのアライメントが取れている場合、図５に関して後に詳述されるように、コヒーレントなビームの光路２２における変調周波数（またはその奇数倍の倍数）の強度変化は実質的に最小化される。同時に、電圧信号の強度は変調周波数の２倍の周波数で変動する。これらの検知可能な効果のいずれか、または双方が、エンドミラー１４、グリッド・ジェネレータ３４およびチャネルセレクタ３６の位置決めまたは相互関係に関する損失特性に関する外部共振器損失を評価し、かつ、変調信号と強度信号が最適化されるように共振器損失の特性の調整に使用可能な誤差信号を生成するのに使用可能である。前述されたように、一実施形態において、光路長さｌの調整は、エンドミラー１４を、同調アーム７４および温度コントローラ７８と連携した熱による位置決めによって実行されて良い。他の実施形態において、経路長アジャスタ１００は、外部共振器レーザの光路長さｌを調節する他の部材を制御しても良い。

ここで図５を参照して、外部共振器へ導入されたディザ変調信号とゲイン媒体１２の両端において検知される電圧変調との関係が、波長−相対強度のグラフとして示される。図５は、グリッド・エタロン通過帯域ＰＢ２、および外部共振器レーザ・モード１０６Ａ、１０６Ｂおよび１０６Ｃのそれぞれに対応する周波数またはディザ変調信号１０４Ａ、１０４Ｂ、および１０４Ｃを示す。周波数変調信号１０４Ａ〜１０４Ｃが、上述された様態の電気光学素子５８の電圧変調によってレーザの外部共振器に導入される。図６に示されるように、レーザ・モード１０６Ａは、通過帯域ＰＢ２の中心に対して、通過帯域ＰＢ２の短波長側に偏っており、中心から外れている。また、レーザ・モード１０６Ｂは通過帯域ＰＢ２の中心波長に対応して位置している。また、レーザ・モード１０６Ｃは通過帯域ＰＢ２に対して長波長側に位置する。レーザ・モード波長１０６Ｂは波長固定位置に対応し、外部共振器の最適の損失プロファイルを示す。レーザ・モード１０６Ａおよび１０６Ｃは通過帯域ＰＢ２に関して中心から外れており、外部共振器の損失プロファイルは最適とはならず、前述されたように、電気光学素子５８の有効光学厚さを調整するか、エンドミラー１４を位置決めするかのいずれかによって、外部共振器長さｌを調整する必要がある。

ディザ信号１０４Ａ、１０４Ｂおよび１０４Ｃに対する、検電器９６によって検出されたゲイン媒体１２両端の電圧のそれぞれが、図６の右端にある電圧変調信号１０８Ａ、１０８Ｂおよび１０８Ｃによって示され、電圧変調信号１０８Ａ、１０８Ｂおよび１０８Ｃはレーザ・モード波長１０６Ａ、１０６Ｂおよび１０６Ｃにそれぞれ対応する。レーザ・モード１０６Ａの位置が通過帯域ＰＢ２の中心波長より短い波長に対応しているので、電圧信号１０８Ａの位相はディザ変調信号１０４Ａと同相になる。レーザ・モード１０６Ｃの位置が通過帯域ＰＢ２の中心波長より長い波長に対応しているので、電圧信号１０８Ｃの位相はディザ変調信号１０４Ｃの位相に対してずれている。

通過帯域ＰＢ２の傾斜に対応する各レーザ・モード波長の位置は、対応する電圧信号の振幅に影響する。従って、通過帯域ＰＢ２の比較的険しい斜面上のレーザ・モード１０６Ａの波長に対応する電圧信号１０８Ａの振幅は比較的大きいが、通過帯域ＰＢ２の比較的傾斜の緩い斜面上のレーザ・モード１０６Ｃの波長に対応する電圧信号１０８Ｃの振幅は比較的小さい。ディザ変調信号１０４Ｂの周期が通過帯域ＰＢ２の中心波長に関して対称的に生じるので、中心が合わせられたレーザ・モード１０６Ｂに対応する電圧信号１０８Ｂの変調振幅は最小である。この例において、電圧信号１０８Ｂの支配的な強度の周波数は、ディザ変調信号１０４Ｂの周波数の２倍である。

図５より、ゲイン媒体１２の両端の電圧として検知された変調の振幅がレーザの外部共振器に必要な補正あるいは調整の大きさを示し、電圧信号変調の位相が調整の方向を示す、と言う事が理解されよう。ディザ変調信号１０４Ａ〜１０４Ｃの振幅は、波長が固定される際に電圧信号変調の強度の変動が外部共振器レーザの特定の使用に対して許容レベルに保持されるように選択される。ディザ変調の周波数は、コヒーレンス制御を提供出来る程度には充分高いが、送信の際に外部共振器レーザによって提供される搬送波信号に変調された情報に対する干渉を防止する程度には充分低くなるように選定される。

図６は、図４に示されるようなコントロール・システムの機能を実施するために構成され得るレーザ・コントローラの一実施形態の様々な様態を例示するハードウェア・ブロック線図である。先に図１を参照して記述された装置１０のようなレーザ装置の様々な特徴も、図６において例証される。単純性と明瞭性を保つために、図１および図４の特徴に対応する特徴に対しては、同一の参照番号が付される。他の実施形態において、後述されるような図６のレーザ・コントローラの様々な特徴が、レーザ装置の他の構成と共に使用されてもよいことが注目される。更に、そのようなコントローラおよびレーザ装置は、図１〜５を参照して記述されたような様々な機能を省略しても良い。

図６のレーザ・コントローラは、読み取り専用記憶装置（ＲＯＭ）６０４に相互接続バス６１０を経由して接続されたマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）６０２と、ランダムアクセス記憶装置（ＲＡＭ）６０６と、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）６０８を備える。ＦＰＧＡ６０８は、ステッパーモーター・ドライバ６１２、アンプ６１４〜６１６およびローパスフィルタ６１８に接続される。図示されるように、ＦＰＧＡ６０８は、Ｄ−Ａ変換器６２０、アナログ・インターフェース・ユニット６２２およびＡ−Ｄ変換器６２４に更に接続されている。また、図示されるように、レーザ電流源６２６は、Ｄ−Ａ変換器６２０の出力に接続されている。

図６に示された例証されたレーザ・コントローラの部品への電力は、電源６３０によって供給される。一実施形態において、電源６３０には５ボルトの電力が供給され、コントローラ６００の部品に電力を適切に供給するために、異なる電圧の電力を出力する。電源６３０は高効率スイッチングレギュレータ回路を使用して実施されて良い。

マイクロプロセッサ６０２およびＦＰＧＡ６０８は、図４に示されるような機能、および後述されるような様々な機能を実行するために同時に相互に協力して作動する。マイクロプロセッサ６０２によって実行されるオペレーションは、ＲＯＭ６０４内に格納されたソフトウェア・コードの実行に応じて行われ得る、と言う事が注目される。一実施形態において、マイクロプロセッサ６０２は、モトローラＭＣＦ５２０６ｅマイクロプロセッサのような汎用マイクロプロセッサを使用して実施される。他の実施形態において、デジタル・シグナル・プロセッサあるいは他の専用ハードウェアが、マイクロプロセッサ６０２の代わりに使用され得る、と言う事が注目される。他の実施形態において、ＣＰＬＤ（コンプレックス・プログラマブル・ロジック・デバイス）のような他のプログラマブルロジックデバイスが、ＦＰＧＡ６０８の代替として使用され得る、と言う事が更に注目される。もしくは、１つ以上のＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）を使用しても良い。単一の装置としてここに記述されるようなマイクロプロセッサ６０２およびＦＰＧＡ６０８の様々な機能を統合するような、更に追加の実施形態が考えられる。

概して言えば、マイクロプロセッサ６０２およびＦＰＧＡ６０８は、レーザ装置１０の運転に関連した様々なパラメタを測定・処理し、かつ様々な制御機能を実行するために、集合的に作動する。１つの具体例において、マイクロプロセッサ６０２およびＦＰＧＡ６０８のクロックは４０ＭＨｚである。

図６に示されるように、レーザ装置１０は、ゲイン媒体１２の近傍に配置されるレーザ温度センサ６３１、グリッド・エタロン３４の近傍に配置されるグリッド・ジェネレータ温度センサ６３２、同調アーム７４の近傍に配置される共振器長さアクチュエータ温度センサ６３３、および周囲温度センサ６３４を備えていて良い。センサ６３１〜６３４のそれぞれは、サーミスタを使用して実施されても良いが、他の実施形態においては、他の温度依存デバイスが使用されても良い。レーザ装置１０は、外部共振器レーザの運転に関する光を受信するために、レーザ装置の選択された位置に配置される１つ以上のフォト・ダイオード１５を更に備えても良い。図示された実施形態において、ＦＰＧＡ６０８は、センサ６３１〜６３４、フォト・ダイオード１５および（または）ゲイン媒体１２のそれぞれ関する信号を、アナログ・インターフェース６２２およびＡ−Ｄ変換器６２４を経由して周期的に検知するようにプログラムされて良い。この目的のために、アナログ・インターフェース６２２はマルチプレクサ６５０〜６５２およびアンチエイリアス・フィルタ６５３を備える。信号検出のため、センサ６３１〜６３４、スプリット検出器６５８、およびゲイン媒体１２の中から選択された１つの装置に関する信号を周期的に接続するために、マルチプレクサ６５０〜６５２はＦＰＧＡ６０８の管理下で作動する。これらの運転は、後に詳述される。

ＦＰＧＡ６０８はレーザ装置１０の様々な機能を制御するための制御信号を生成するためにさらに構成される。より詳細には、図６の実施形態において、ＦＰＧＡ６０８は、ステッパーモーター・ドライバ６１２（図１の駆動部材４６を集合的に表現している）によってチャネルセレクタ・ステッパーモーター４６ａの位置制御用の制御信号を生成するために構成される。前述されたように、ＦＰＧＡ６０８に接続された位置指示器５０は、駆動部材４６の位置表示（または駆動部材が何時ホームポジションに位置するかの表示）を提供しても良い。ステッパーモータ４６ａの位置制御用にＦＰＧＡ６０８によって生成された制御信号は、ＦＰＧＡ６０８の記憶装置内に格納された管理値に従って決定される。この記憶装置は、マイクロプロセッサ６０２によって実行される命令を実行する事によって周期的に新しい値に更新されて良い。

更に、ＦＰＧＡ６０８は、グリッド・エタロン３４の温度を調節するグリッド・ジェネレータ温度コントローラ（ＴＥＣ）６６を制御するための制御信号を生成するために構成されても良い。同様に、ＦＰＧＡ６０８は、同調アーム７４の温度を調節する共振器長さアクチュエータ温度コントローラ７８と、ゲイン媒体１２の温度を調節するレーザ温度コントローラ７９を制御するための制御信号を生成しても良い。一実施形態において、温度コントローラ６６、７８および７９のそれぞれは、ＦＰＧＡ６０８によって生成されるパルス幅変調（ＰＷＭ）信号によって制御される。温度コントローラのそれぞれは、ペルチェ装置を使用して実施されても良い。１つの具体例において、パルス幅変調された信号は、２００ｋＨｚの繰返し速さで生成される。アンプ６１４〜６１６はＦＰＧＡ６０８によって生成されたＰＷＭ信号を増幅するために提供される。他の実施形態において、レーザ装置１０の選択された機能を制御するために、他の形式の制御信号が生成されても良い、と言う事が注目される。

更に、ＦＰＧＡ６０８は変調素子５８の制御用の変調信号を生成するために構成されても良い。この目的のために、ＦＰＧＡ６０８は、ローパスフィルタ６１８へ入力されるパルス幅変調された信号を生成するために構成されて良い。この時、パルス幅変調された信号に対応するアナログ変調信号がアンプ６１９に転送される。１つの具体例において、ローパスフィルタ６１８の出力から供給される変調信号は、２０ｋＨｚの正弦波形状を有する。ＦＰＧＡ６０８によって生成されたＰＷＭ信号の周波数は、ＦＰＧＡ６０８によって生成された他のＰＷＭ信号の周波数と一致しても良い。例えば、一実施形態において、ＰＷＭ信号の周波数は２００ｋＨｚである。変調素子５８を制御するための変調信号の生成に関しては、後に詳述される。

センサ６３１〜６３４、フォト・ダイオード１５および（または）ゲイン媒体１２に関する信号のサンプリングは、ローパスフィルタ６１８に供給されるＰＷＭ信号と同様に、温度コントローラ６６、７８および７９を制御するＰＷＭ制御信号の生成と同期して実行されても良い。制御信号を検出信号に正確にタイミングを合わせ、同期を取る事によって、基本成分が０またはＤＣまで低減されるので、潜在的なノイズ源をＤＣオフセットまで低減させる事が出来る。ＤＣオフセットは、当該信号から除されて良い。

図５を参照して先述されたように、ゲイン媒体１２の両端の電圧によって検知された変調の振幅がレーザの外部共振器に必要な補正または調整の強度を示す一方で、電圧信号変調の位相が調整の方向を示す。従って、一実施形態において、ゲイン媒体１２の両端の電圧は、アナログ・インターフェース６２２およびＡ−Ｄ変換器６２４を経由してＦＰＧＡ６０８によって周期的に測定される。電圧信号は、アナログ・インターフェース６２２内の単段プリアンプで増幅された後に、マルチプレクサ６５０によって多重化され、共通アンチエイリアス・フィルタ６５３に入力されても良い。マルチプレクサ６５２は、Ａ−Ｄ変換器６２４にアンチエイリアス・フィルタ６５３の出力を供給するように設定されている。

１つの具体例において、ＦＰＧＡ６０８が、ゲイン媒体１２の両端の電圧に対応する信号をＡ−Ｄ変換器６２４へ伝達するようにマルチプレクサ６５０および６５２を設定してから所定の時間が経過した後、ＦＰＧＡ６０８は、例えばゲイン媒体１２の両端の電圧に関する５０個の連続する電圧読取値のバーストを実行する。Ａ−Ｄ変換器６２４によって生成されたディジタル・データ形式の電圧読取値のそれぞれは、ＦＰＧＡ６０８の内に一時的に格納され、その後ＲＡＭ６０６へ転送されても良い。ＦＰＧＡ６０８がＡ−Ｄ変換器６２４からデータを受信した後、ＦＰＧＡ６０８からＲＡＭ６０６までのデータの転送を行うために、ＦＰＧＡ６０８は、内部ダイレクト・メモリ・アクセス制御機構を信号に応答して起動するマイクロプロセッサ６０２に信号を送信しても良い。

ゲイン媒体１２の両端の電圧を示すデータをＲＡＭ６０６内に格納した後、マイクロプロセッサ６０２は、直流項、基本項および（または）高調波項を分離するために、一時データを周波数領域へ変換するためにフーリエ変換を実行する。一実施形態において、マイクロプロセッサ６０２は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）ルーチンを実行する。ＦＦＴルーチンは、Ａ−Ｄ変換器６２４から供給される整数入力データのために最適化されても良いし、基本項の様な、所望される特定の出力項のみを計算するために構成されても良い。前述されたように、例えば基本項の大きさおよび位相を計算する事によって、誤差信号が共振器長さを調節するために生成されても良い。従って、誤差信号を計算した後、マイクロプロセッサ６０２は、共振器長さアクチュエータ温度コントローラ７８を制御するためにアンプ６１６に供給されるＰＷＭ信号のパルス幅を制御するＦＰＧＡ６０８の内部のある箇所に、誤差信号から導出された値を書き込む。他の実施形態において、共振器長さを調節するレーザ装置内の他のメカニズムを制御するために誤差信号が使用されても良い、と言う事が注目される。もしくは、他の実施形態において、誤差信号を導出するために、１つ以上のフォト・ダイオード１５（あるいは他の光検出器）から同様の測定値が得られ得る、と言う事がさらに注目される。様々な実施形態および所望される信号に応じて、マルチプレクサ６５０および（または）アナログ・インターフェース６２２のアンチエイリアス・フィルタ６５３が省略されても良い。

図６Ａは、波長を固定するためのアルゴリズムの一実施形態を例証する。図６Ａに示される波長を固定するためのアルゴリズムは、マイクロプロセッサ６０２内で、およびここに記述されるように、ＦＰＧＡ６０８の制御と共に実行されるコードによって実施されて良い。起動時、アルゴリズムは、オフセットを計算し、変数を初期化し、初期位置に共振器長さアクチュエータ７８を配置することにより開始される（ステップ６７０および６７１）。次に、アルゴリズムは固定するためのループに入り、共振器長さアクチュエーター・センサ６３３が測定され、固定の精度が画定される。固定の精度は、減衰する誤差信号の積分の計算によって判断されて良い。共振器長さアクチュエーター・センサが所定の範囲内の温度を示す場合、かつステップ６７２において判断される固定の精度が充分高い場合、変調データがステップ６７３において取得される。前述されたように、変調データはゲイン媒体１２の両端の電圧に関する読取値の形式であっても良いし、１つ以上のフォト・ダイオード１５から得られた読取値に関していても良い。最新のゲイン媒体の電位の計測時における基本変調項が、共振器長さエラーを計算するために利用され得（ステップ６７４）、基本項を最小化するためのコンペンセーターに適用される。前述されたように、基本変調項は、マイクロプロセッサ６０２によって実行されるＦＦＴルーチンによって計算されても良い。もしくは、他の実施形態において、ゲイン媒体電圧またはフォト・ダイオード電流の他の高調項が、誤差信号を計算するためにさらに画定され、使用されても良い。誤差信号に関するスルーレートは、ステップ６７５において制限されて良い。ステップ６７６において、マイクロプロセッサ６０２は、共振器長さを設定されるべき値に補正させる共振器長さアクチュエータ温度コントローラ７８へのＰＷＭ信号の生成を制御するＦＰＧＡ６０８の対応する記憶場所に、値を書き込んで良い。もし共振器長さアクチュエーター・センサ６３３が所定の範囲外の温度を示した場合、または固定の精度が悪い場合（ステップ６７２）場合、固定のためのアルゴリズムはこれらのステップを繰り返す。誤差信号の積分されたエラー項はステップ６７８においてリセットされても良く、また、共振器長さアクチュエータ（例えば、同調アーム７４）はステップ６７７において最初の開始位置に戻されても良い。固定のためのループがその後再投入され、変調データがステップ６７３に置いて取得される。

図６に戻って、レーザ装置１０はＥＥＰＲＯＭ（電気的消去可能なプログラム可能読み取り専用記憶装置）８３あるいはレーザ装置１０に特定の情報を格納するための他の不揮発性記憶装置を備えていて良い。ＥＥＰＲＯＭ８３は、ゲイン媒体１２を備える外部共振器レーザ装置を形成する要素を備えた同一のベース上または同一のハウジング内で、かつ、例えばコントローラ６００に関するハードウェアがマウントされるプリント基板からは離間するように配置されて良い。データは、波長校正、温度また配置等の同調に際しての手がかり、識別番号、および運転データに関連する情報を含むＥＥＰＲＯＭ８３に格納されて良い。運転データは例えば、時間−電流プロファイルのようなレーザ寿命に関係する情報を含んでいて良い。レーザ装置１０に統合された一部分として提供され得るＥＥＰＲＯＭ８３内にこれらの情報を格納する事によって、デバイス特有のデータを保持する一方で、光学装置とコントローラ基盤との間の互換性が得られる。

１つの具体例において、センサ６３１〜６３４に関する校正係数がＥＥＰＲＯＭ８３内に格納される。校正係数は、センサ６３１〜６３４の公称値からの偏差を示しても良い。例えば、センサ６３１〜６３４のそれぞれは、周囲温度における公称抵抗値が相互に同一であって良い。しかしながら、特定の装置の変動により、センサ６３１〜６３４に関する実効値は公称値からずれている可能性がある。校正係数は、各々が等しい周囲温度で測定される際のセンサ６３１〜６３４の相互の抵抗値の相対的な相違を示し得る。これらの校正係数はレーザ装置の製造後にＥＥＰＲＯＭ８３に格納され、また後述されるように、センサ６３１〜６３４から得られた温度測定値を測定するために使用されて良い。

レーザ・コントローラは、遠隔に接続している装置によってレーザ機能を制御し得るイーサネット（登録商標）インターフェースのようなネットワーク・インターフェースを更に備えていて良い。一実施形態において、イーサネット（登録商標）機能は、ＨＴＴＰインターフェースをサポートするために使用されてもよい。さらに、マイクロプロセッサ６０２のオペレーションを制御するコードは、例えばＲＳ−２３２またはイーサネット（登録商標）インターフェースのようなインターフェースを経由してダウンロードすることによりアップグレードされても良い。この機能は、高速アップグレードを含んでいて良い。同様に、ＦＰＧＡ６０８（あるいは他の任意のプログラマブルロジックデバイス）のロジック構成は、ＲＳ−２３２またはイーサネット（登録商標）インターフェースのようなインターフェースを経由して修正されて良い。

図７は、レーザ電流源６２６の一実施形態を例証する。図７のレーザ電流源は、ゲイン媒体１２に低ノイズの電流を合理的な効率で供給するために構成される事が好ましい。さらに後述されるように、レーザ電流源６２６は、異常状態の場合にレーザ出力を停止するメカニズムを更に備えて良い。

ゲイン媒体１２内を流れる電流は、トランジスタ７０２および抵抗７０４に流れる。トランジスタ７０２はＭＯＳＦＥＴ（酸化金属半導体電界効果トランジスタ装置）を用いて実施されて良い。ＬＣＲフィルタとして実施され得るフィルタ７０６は、電源Ｖｃｃにおける高周波ノイズをフィルタリングするために提供される。Ｄ−Ａ変換器６２０は、ゲイン媒体１２内を流れる電流を設定するマイクロプロセッサ６０２からプログラムされた値を受信するために提供される。

オペレーショナルアンプ７１６は、抵抗７１７およびコンデンサ７１９によって形成されたＲＣフィルタを通過して入力され得るＤ‐Ａ変換器６２０の出力を、トランジスタ７０２を通過して検出された電流に依存するノード７２１の信号と比較することにより、トランジスタ７０２に流れる電流を調節する。抵抗７１７およびコンデンサ７１９によって形成されたＲＣフィルタは、中〜高周波数における残留ノイズを減衰させ得る。トランジスタ７０２を流れる電流は、検出抵抗７０４およびオペレーショナルアンプ７２２に従って検出される。より詳細には、オペレーショナルアンプ７２２は抵抗７０４の両端の電圧を測定することにより、トランジスタ７０２を流れる電流を検知するように構成される。オペレーショナルアンプ７２２の出力はトランジスタ７２５を使用して、接地電圧に基づく電圧まで落とされ、トランジスタ７２５は、抵抗７０４の両端の電圧に従って抵抗器７２３を流れる電流を調節する。従って、ノード７２１の電圧は、接地電圧に基づいてトランジスタ７０２を流れる電流を示す電圧である。図７の回路構成によって、ゲイン媒体１２の１つのノード（例えばカソード）が接地される事が可能である、と言う事が注目される。

図７の電流源は、ノード７１０とトランジスタ７０２のゲート間に、ゲート共通構成で接続されるトランジスタ７０８をさらに備える。図示された実施形態において、トランジスタ７０８はＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を使用して実施される。他の実施形態において、トランジスタ７０８は、ベース共通構成で接続されたバイポーラトランジスタを使用して実施されても良い。トランジスタ７０８のドレンに現れる高い出力インピーダンスにより、ノード７１２の電源のより低周波数のノイズがトランジスタ７０２のゲート上に反映され、その結果、Ｖ_ＧＳは一定に保たれる。トランジスタ７０８は、電源電圧に大きく依存する事無く、トランジスタ７０２のゲートまでのレベル変換を提供する。従って、トランジスタ７０２を流れる電流は、オペレーショナルアンプ７１６の出力によって制御されるノード７１０の電圧に依存し得るが、トランジスタ７０２の出力電流は、ノード７１２の電源上の低周波ノイズに余り影響を受けない。オペレーショナルアンプ７１６はプログラムされたレベルにＤＣ電流を維持する。

ＦＥＴまたはバイポーラトランジスタのようなトランジスタを使用して実施され得るスイッチ７３０によって、ユーザーは瞬時にレーザの運転を停止出来る。スイッチ７３０は低電圧閾値を有し得、従って、最悪の場合でも、比較的低い電圧であっても、トランジスタを導電状態にし、電流源をゲイン媒体１２から迂回させるのに充分である事が望ましい。マイクロプロセッサ６０２のオペレーションとは独立にスイッチ７３０の制御が行なわれ得る、と言う事が注目される（図５）。従って、マイクロプロセッサ６０２による命令の実行に関して誤動作が生じた場合でも、レーザが停止され得る。

他の実施形態において、ゲイン媒体１２に電流を供給するのに、他の特定の電流源回路が使用され得ることが注目される。このような他の回路構成は、ノイズの効果を低減させる為に、レーザ装置に電流を供給するためのドライブ・トランジスタ、レーザ装置に供給される電流のレベルを制御するための制御回路、および制御回路とドライブ・トランジスタの制御端子の間に接続されたゲート共通トランジスタ（あるいはベース共通トランジスタ）を使用して良い。このような回路は、レーザ装置から電流を迂回させるために、追加のスイッチを使用しても良い。

図８は、レーザ装置１０内の温度測定用アナログ・インターフェース６２２の一実施形態を例証する。図６の回路部分に対応する回路部分には、同一の参照番号が付される。図９は温度測定の方法を示すフローチャートである。

図６、図８および図９をまとめて参照して、ＦＰＧＡ６０８は、ＦＰＧＡ６０８におけるデータ収集のために、温度センサ６３１〜６３４のうちの１つによって生成された信号、または他の入力をＡ−Ｄ変換器６２４へ選択的に転送するモードにマルチプレクサ６５１および６５２を設定する。追加のマルチプレクサ６５１の入力は、接地基準８０２および精密基準８０４を含む。精密基準入力８０４は、精密抵抗を使用して実施されて良い。ＦＰＧＡ６０８によって制御されるマルチプレクサ６５１のモードに応じて、ある時点における１つの入力が、マルチプレクサ６５１の出力に接続され、マルチプレクサ６５１は続いて固定抵抗８０６を経由して固定基準電源に接続される。従って、温度センサ６３１〜６３４あるいは精密基準８０４のうちの１つは、分圧器の低電圧側を形成するために接続されて良い。例えば、ＦＰＧＡ６０８が、温度センサ６３１をマルチプレクサ６５１の出力に接続するようなモードにマルチプレクサ６５１を設定する際、固定基準電源から抵抗８０６および温度センサ６３１に流れる電流とノード８０８の電圧が測定される。前述されたように、ノード８０８の電圧は、共通計測パスを経由し、マルチプレクサ６５２を通過してＡ−Ｄ変換器６２４に伝達され、ＦＰＧＡ６０８によってサンプリングされ得るデジタル量に変換される。ＦＰＧＡ６０８は、対応する計測を行う為に、センサ６３１〜６３４、接地基準８０２あるいは精密基準８０４のうちの特定の１つを選択するようにマルチプレクサ６５１および６５２を設定しても良い。

ＤＣオフセットおよび温度計測回路に関するゲインを補正するために、接地基準８０２および精密基準８０４に関する測定が実行される。図９に示されるように、一実施形態において、ステップ９０２においてＦＰＧＡ６０８がマルチプレクサ６５１のすべての入力に関連した電圧読み取り値を得た後、マイクロプロセッサ６０２は、接地基準８０２および（または）精密基準８０４に関する基準値をフィルタリングし（ステップ９０４）、補正されたセンサ値を計算するために（ステップ９０６）、メモリ内（例えばＲＡＭ６０６内）に格納されたコードを実行しても良い。続いて、マイクロプロセッサ６０２は、ＥＥＰＲＯＭ８３の内に格納された校正係数を使用して、センサ値を測定するためのコードを実行しても良い（ステップ９０８）。

ルックアップテーブルは、様々な補正された電圧読み取り値を温度と関連付けるメモリ（例えばＲＡＭ６０６）内に提供されても良い。従って、ステップ９１０において、マイクロプロセッサ６０２は、温度センサの測定値のそれぞれに対応する温度を決定するためにルックアップテーブル内のエントリーにアクセスしても良い。１つの具体例において、マイクロプロセッサ６０２は、ルックアップテーブルの結果の分析能を増加させるために線形補間を実行しても良い。

最後に、図１０を参照して、電気光学変調素子５８を制御する変調信号を生成するためのアンプ回路６１９の一実施形態を例証する回路図が示される。単純性と明瞭性を保つために、図６の回路部分に対応する回路部分には、同一の参照番号が付される。

図６および１０をまとめて参照して、ＦＰＧＡ６０８は、配線６１７上にパルス幅変調された信号を生成するようにプログラムされても良い。この際、該信号は、ローパスフィルタ６１８に供給される。１つの具体例において、パルス幅変調された信号は、２０ｋＨｚの正弦波に近似する変化量に従って変調される。パルス幅変調された信号は、マイクロプロセッサ６０２によって提供されてＦＰＧＡ６０８内に格納される値に従って生成されても良い。１つの具体例において、配線６１７上のパルス幅変調された信号に関する特定の変調を制御するために、１０個の値がＦＰＧＡ６０８の内に格納される。

ローパスフィルタ６１８は配線６１７上のパルス幅変調された信号をフィルタリングする。従って、２０ｋＨｚの正弦波がローパスフィルタ６１８から出力されて良い。図１０に示されるように、アンプ回路６１９は、プッシュプル構成（またはブリッジ接続負荷とも称される）で接続された一次側を有するトランス１００４を備える。増幅された変調信号は、第１オペレーショナルアンプ１００６によって反転させられ、第２オペレーショナルアンプ１００８によって再び反転させられる。従って、オペレーショなるアンプ１００８の出力は、オペレーショナルアンプ１００６と同様の正弦波信号に対して１８０度位相がずれている正弦波の形状を有する。

他の実施形態において、ＦＰＧＡ６０８のデジタル出力を変換するのに、ローパスフィルタ６１８の代替として他の種類のアナログフィルターのような他の変換回路が使用されても良い、という事が注目される。他の実施形態において、他の形式のアンプ回路が、トランス１００４の一次側のプッシュプル式の構成で接続され得る、と言う事が更に注目される。例えば、一実施形態において、クラスＤアンプが、ローパスフィルタ６１８およびオペレーショナルアンプ１００６および１００８を含む増幅器回路の代替として使用されても良い。クラスＤアンプの出力は、ＬＣフィルターを経由してトランス１００４の一次側を制御するために接続されて良く、また、プッシュプル構成中に接続されても良い。

プッシュプル式の構成の結果、およそ２Ｖｃｃのピークトゥーピーク振幅の電圧（電源電圧の２倍）が、トランス１００４の一次側に生成されて良い。トランス１００４の一次側を流れる帰還電流は、接地させるよりはむしろ、オペレーショナルアンプ１００８を通過する。接地基準上に２０ｋＨｚの変調信号を生成する事によって発生するノイズは、これによって低減され得る。一実施形態において、トランス１００４は１２０対１のコイル比率を有し、変調素子５８を制御するために、トランス１００４の二次側出力で１０００ボルト以内のピークトゥーピークの電圧を生成する。

上記の実施形態が非常に詳細に記載されてきたが、上記の開示を全て理解すれば、多数の変更および修正が当業者にとっては明白となるであろう。添付の特許請求の範囲が全てのこの種の変更および修正を包含するべく解釈されることを意図している。

波長可変外部共振器レーザの様々な様態を例証するブロック図である。 外部共振器レーザに関する通過帯域の関係を例証する図である。 外部共振器レーザに関する通過帯域の関係を例証する図である。 レーザ・コントローラの一実施形態の様態を例証する機能ブロック図である。 ゲイン媒体の両端で検知された電圧変調に対する変調信号の関係を例証する図である。 レーザ・コントローラの一実施形態の様々な様態を例証するハードウェア・ブロック線図である。 は、波長を固定するためのアルゴリズムの一実施形態を例証するフローチャートである。 レーザ電流源の一実施形態を例証する回路図である。 アナログ・インターフェースの一実施形態を例証する回線図である。 温度測定を実行する方法を例証するフローチャートである。 変調信号を生成するためのアンプ回路の一実施形態を例証する回路図である。

Claims (32)

1. 波長可変レーザ用のコントローラであって、
   前記波長可変レーザの外部共振器長さを変調する変調素子を制御するための変調信号を生成する変調信号生成回路と、
   前記変調素子の変調に応じた前記外部共振器の透過特性を、前記波長可変レーザのゲイン媒体の両端の電圧を測定することによって検知する検知回路と、
   前記変調信号および前記透過特性に応じた、前記外部共振器長さを調節するための誤差信号を生成する同調回路と
   を備える、コントローラ。
2. 波長可変レーザ用のコントローラであって、
   前記波長可変レーザの外部共振器長さを変調する変調素子を制御するための変調信号を生成する変調信号生成回路と、
   前記変調素子の変調に応じた前記外部共振器の透過特性を、温度を示す電圧を測定することによって検知する検知回路と、
   前記変調信号および前記透過特性に応じた、前記外部共振器長さを調節するための誤差信号を生成する同調回路と
   を備える、コントローラ。
3. 波長可変レーザ用のコントローラであって、
   前記波長可変レーザの外部共振器長さを変調する変調素子を制御するための変調信号を生成する変調信号生成回路と、
   前記変調素子の変調に応じた前記外部共振器の透過特性を検知する検知回路と、
   前記変調信号および前記透過特性に応じた、前記外部共振器長さを調節するための誤差信号を生成する同調回路と、
   前記波長可変レーザ中のチャネル選択部材を制御する制御信号を生成するチャネル制御回路と
   を備える、コントローラ。
4. 波長可変レーザ用のコントローラであって、
   前記波長可変レーザの外部共振器長さを変調する変調素子を制御するための変調信号を生成する変調信号生成回路と、
   前記変調素子の変調に応じた前記外部共振器の透過特性を検知する検知回路と、
   前記変調信号および前記透過特性に応じた、前記外部共振器長さを調節するための誤差信号を生成する同調回路と、
   前記波長可変レーザ中のグリッド選択部材を制御する制御信号を生成するグリッド制御回路と
   を備える、コントローラ。
5. 前記波長可変レーザの光路長を制御する光路長制御信号を生成する制御回路を更に備える、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のコントローラ。
6. 前記変調信号が、パルス幅変調された信号である、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のコントローラ。
7. 前記パルス幅変調された信号が、前記波長可変レーザの前記外部共振器長さを変調する、請求項６に記載のコントローラ。
8. 前記光路長制御信号を、前記波長可変レーザの前記外部共振器長さを調節する部材に供給する、請求項５に記載のコントローラ。
9. 前記電圧が、サーミスタの抵抗の関数として変化する、請求項２に記載のコントローラ。
10. 前記透過特性を、前記波長可変レーザの出力強度を測定する光検出器によって生成される信号を検知することにより検知する、請求項３または請求項４に記載のコントローラ。
11. 前記光検出器が、フォト・ダイオードである、請求項１０に記載のコントローラ。
12. 前記変調信号生成回路および前記同調回路が、プログラマブルロジックデバイス内に包含される回路を備える、請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載のコントローラ。
13. 前記波長可変レーザを同調する為に使用される電気機械的な位置調整デバイスの位置を制御するための制御信号を生成する位置制御回路を更に備える、請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載のコントローラ。
14. 遠隔装置を経由したコントローラとのインタラクションを可能にするリモート・インタフェースを更に備える、請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載のコントローラ。
15. 波長可変レーザを制御する方法であって、
    前記波長可変レーザの外部共振器長さを変調する変調素子を制御するための変調信号を生成するステップと、
    前記変調素子の変調に応じた前記外部共振器の透過特性を、前記波長可変レーザのゲイン媒体の両端の電圧を測定することによって検知するステップと、
    前記変調信号および前記透過特性に応じた、前記外部共振器長さを調節するための誤差信号を生成するステップと
    を備える、方法。
16. 波長可変レーザを制御する方法であって、
    前記波長可変レーザの外部共振器長さを変調する変調素子を制御するための変調信号を生成するステップと、
    前記変調素子の変調に応じた前記外部共振器の透過特性を、温度を示す電圧を測定することによって検知するステップと、
    前記変調信号および前記透過特性に応じた、前記外部共振器長さを調節するための誤差信号を生成するステップと
    を備える、方法。
17. 波長可変レーザを制御する方法であって、
    前記波長可変レーザの外部共振器長さを変調する変調素子を制御するための変調信号を生成するステップと、
    前記変調素子の変調に応じた前記外部共振器の透過特性を検知するステップと、
    前記変調信号および前記透過特性に応じた、前記外部共振器長さを調節するための誤差信号を生成するステップと、
    前記波長可変レーザ中のチャネル選択部材を制御する制御信号を生成するステップと
    を備える、方法。
18. 波長可変レーザを制御する方法であって、
    前記波長可変レーザの外部共振器長さを変調する変調素子を制御するための変調信号を生成するステップと、
    前記変調素子の変調に応じた前記外部共振器の透過特性を検知するステップと、
    前記変調信号および前記透過特性に応じた、前記外部共振器長さを調節するための誤差信号を生成するステップと、
    前記波長可変レーザ中のグリッド選択部材を制御する制御信号を生成するステップと
    を備える、方法。
19. 前記変調信号が、パルス幅変調された信号である、請求項１５乃至請求項１８のいずれかに記載の方法。
20. 前記変調信号および前記誤差信号を、プログラマブルロジックデバイスによって生成する、請求項１５乃至請求項１９のいずれかに記載の方法。
21. 前記誤差信号を、前記透過特性を示すデータのフーリエ変換を使用して生成する、請求項１５乃至請求項２０のいずれかに記載の方法。
22. 波長可変レーザのコントローラであって、
    前記波長可変レーザの外部共振器長さを変調する変調素子を制御するための変調信号を生成する手段と、
    前記変調素子の変調に応じた前記外部共振器の透過特性を、前記波長可変レーザのゲイン媒体の両端の電圧を測定することによって検知する手段と、
    前記変調信号および前記透過特性に応じた、前記外部共振器長さを調整するための誤差信号を生成する手段と
    を備える、コントローラ。
23. 波長可変レーザのコントローラであって、
    前記波長可変レーザの外部共振器長さを変調する変調素子を制御するための変調信号を生成する手段と、
    前記変調素子の変調に応じた前記外部共振器の透過特性を、温度を示す電圧を測定することによって検知する手段と、
    前記変調信号および前記透過特性に応じた、前記外部共振器長さを調整するための誤差信号を生成する手段と
    を備える、コントローラ。
24. 波長可変レーザのコントローラであって、
    前記波長可変レーザの外部共振器長さを変調する変調素子を制御するための変調信号を生成する手段と、
    前記変調素子の変調に応じた前記外部共振器の透過特性を検知する手段と、
    前記変調信号および前記透過特性に応じた、前記外部共振器長さを調整するための誤差信号を生成する手段と、
    前記波長可変レーザ中のチャネル選択部材を制御する制御信号を生成する手段と
    を備える、コントローラ。
25. 波長可変レーザのコントローラであって、
    前記波長可変レーザの外部共振器長さを変調する変調素子を制御するための変調信号を生成する手段と、
    前記変調素子の変調に応じた前記外部共振器の透過特性を検知する手段と、
    前記変調信号および前記透過特性に応じた、前記外部共振器長さを調整するための誤差信号を生成する手段と、
    前記波長可変レーザ中のグリッド選択部材を制御する制御信号を生成する手段と
    を備える、コントローラ。
26. 前記変調信号が、パルス幅変調された信号である、請求項２２乃至請求項２５のいずれかに記載のコントローラ。
27. 温度制御信号を生成する手段を更に備える、請求項２２乃至請求項２６のいずれかに記載のコントローラ。
28. レーザ・システムであって、
    ゲイン媒体を備える波長可変レーザと、
    前記波長可変レーザに接続されたコントローラと
    を備え、
    前記コントローラが、
    前記波長可変レーザの外部共振器長さを変調する変調素子を制御するための変調信号を生成する変調信号生成回路と、
    前記変調素子の変調に応じた前記外部共振器の透過特性を、前記ゲイン媒体の両端の電圧を測定することによって検知する検知回路と、
    前記変調信号および前記透過特性に応じた、前記外部共振器長さを調節するための誤差信号を生成する同調回路と
    を備える、レーザ・システム。
29. レーザ・システムであって、
    波長可変レーザと、
    前記波長可変レーザに接続されたコントローラと
    を備え、
    前記コントローラが、
    前記波長可変レーザの外部共振器長さを変調する変調素子を制御するための変調信号を生成する変調信号生成回路と、
    前記変調素子の変調に応じた前記外部共振器の透過特性を、温度を示す電圧を測定することによって検知する検知回路と、
    前記変調信号および前記透過特性に応じた、前記外部共振器長さを調節するための誤差信号を生成する同調回路と
    を備える、レーザ・システム。
30. レーザ・システムであって、
    波長可変レーザと、
    前記波長可変レーザに接続されたコントローラと
    を備え、
    前記コントローラが、
    前記波長可変レーザの外部共振器長さを変調する変調素子を制御するための変調信号を生成する変調信号生成回路と、
    前記変調素子の変調に応じた前記外部共振器の透過特性を検知する検知回路と、
    前記変調信号および前記透過特性に応じた、前記外部共振器長さを調節するための誤差信号を生成する同調回路と、
    前記波長可変レーザ中のチャネル選択部材を制御する制御信号を生成するチャネル制御回路と
    を備える、レーザ・システム。
31. レーザ・システムであって、
    波長可変レーザと、
    前記波長可変レーザに接続されたコントローラと
    を備え、
    前記コントローラが、
    前記波長可変レーザの外部共振器長さを変調する変調素子を制御するための変調信号を生成する変調信号生成回路と、
    前記変調素子の変調に応じた前記外部共振器の透過特性を検知する検知回路と、
    前記変調信号および前記透過特性に応じた、前記外部共振器長さを調節するための誤差信号を生成する同調回路と、
    前記波長可変レーザ中のグリッド選択部材を制御する制御信号を生成するグリッド制御回路と
    を備える、レーザ・システム。
32. 前記変調信号が、パルス幅変調された信号である、請求項２８乃至請求項３１のいずれかに記載のレーザ・システム。

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