JP4570562B2 - 半導体レーザの駆動制御装置及び駆動制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザの駆動制御装置及び駆動制御方法に関し、より詳しくは、レーザ加工、切断、物理計測、光サンプリング等に使用される短光パルスを出力させる半導体レーザの駆動制御装置及び駆動制御方法に関する。

半導体レーザをステップ状の電流で駆動すると、半導体レーザの発振開始時に緩和振動が発生する。この緩和振動の１周期が終わった時点で電流注入を停止することにより短光パルスを半導体レーザから出力させることができる。そして、この過程を繰り返すことにより、周期的に短光パルスを発生させることができる。

そのような半導体レーザの注入電流の変化により半導体レーザの利得を急激に変化させて発振の開始と停止を行う方法は、利得スイッチングと呼ばれている。利得スイッチング効果により短光パルスを発生させるためには、半導体レーザの利得が大きくなる周期が緩和振動の１周期とほぼ等しくなるようにレーザ駆動電流を最適化する必要がある。

半導体レーザから短光パルスを出力させるためのレーザ駆動電流としてパルス電流を使用すると、そのパルス電流よりも狭いパルス幅の短光パルスを出力できることが下記の特許文献１などに記載されている。

最適条件での短光パルスのパルス幅は緩和振動周波数で決まり、例えばレーザ駆動電流のパルス幅が数百ピコ秒（ｐｓ）の場合に、それより短い数十ｐｓのパルス幅を持つ短光パルスを半導体レーザから出力させることができる。

例えば、発振閾値電流が数十ｍＡ、中心波長が１５５０ｎｍのＤＦＢ（distributed feedback）半導体レーザを有するレーザモジュールを用いて利得スイッチング効果により発生させた短光パルスの波形は、図１１に示すようになり、そのパルス幅は約３０ｐｓであった。この場合のレーザ駆動条件は、半導体レーザに注入する直流のバイアス電流が１０ｍＡであり、バイアス電流に重畳させるパルス電流の振幅が４０ｍＡ、パルス電流のパルス幅が４００ｐｓであり、さらにパルス電流の繰り返し周期が５００ＭＨｚであった。

短光パルスの発生周期は、パルス電流の繰り返し周期を変えることにより制御することができる。
特開２００３−３１５４５６号公報

しかし、バイアス電流の大きさとパルス電流の振幅及びそのパルス幅を一定にして半導体レーザを駆動しても、短光パルスの波形はパルス電流の繰り返し周期の違いによって図１２（ａ）〜（ｄ）のように異なってくる。図１２（ａ）〜（ｄ）の短光パルスは、半導体レーザに注入するバイアス電流を１５ｍＡとし、半導体レーザに注入するパルス電流の振幅を４０ｍＡ、そのパルス幅を４００ｐｓに設定した条件であって、パルス電流の繰り返し周波数だけを変えて出力された。

図１２（ａ）、（ｂ）に示すようにパルス電流の繰り返し周波数が１０ＭＨｚ、１００ＭＨｚの場合には、短光パルスの振幅が小さく、短光パルスの立ち上がりは遅く、かつ緩和振動後にも光出力が長く続いている。

また、図１２（ｃ）、（ｄ）に示すようにパルス電流の繰り返し周波数が２５０ＭＨｚ、５００ＭＨｚと高い場合には、光パルスの立ち上がりが速く、緩和振動後の光出力の減衰時間が短く、短光パルスの振幅が大きい。

しかし、図１２（ｃ）、（ｄ）に示す短光パルスは、その裾引き部分のエネルギーが大きく、好ましい波形ではない。従って、最適な波形の短光パルスを半導体レーザから出力させるための条件を探す必要がある。
これに対して、短光パルスの波形を見ながら最適な条件を見つけることも可能であるが、これでは時間がかかりすぎて現実的ではない。しかも、半導体レーザの特性が経年変化により異なることも予想され、この場合には改めて最適条件を探す必要がある。

本発明の目的は、短光パルスを好ましい波形で発生させることができる半導体レーザの駆動制御装置及び駆動制御方法を提供することにある。

上記の課題を解決するための本発明の第１の態様は、半導体レーザに光パルスを発生させるレーザ駆動電流として所定の繰り返し周波数を有するパルス成分と直流バイアス成分を含む電流を注入する駆動電流制御部と、前記半導体レーザの光出力を監視する光電変換素子と、前記光電変換素子の出力信号に基づいて前記半導体レーザの前記光出力を監視するレーザ出力モニタ部と、前記レーザ出力モニタ部の出力に基づく出力量を前記パルス成分の前記繰り返し周波数で除算することにより算出された光パルス１個当たりのエネルギー値が予め設定された目標値になるように前記直流バイアス成分の電流の値を設定し、該設定された直流バイアス成分を含むレーザ駆動電流を前記半導体レーザに注入するように前記駆動電流制御部を制御する制御部と、を有することを特徴とする半導体レーザの駆動装置である。

本発明の第２の態様は、第１の態様の半導体レーザの駆動制御装置において、前記レーザ出力モニタ部の出力に基づく前記出力量は、前記繰り返し周波数が０における前記直流バイアス電流と前記レーザ出力モニタ部の出力量との関係を用いて補正された量であることを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様の半導体レーザの駆動制御装置において、前記半導体レーザからの前記光出力は、前記半導体レーザのバックファセットから出力される光であることを特徴とする。

本発明の第４の態様は、第１乃至第３の態様のいずれか１つの半導体レーザの駆動制御装置において、前記繰り返し周波数は１０ＭＨｚ以上であることを特徴とする。

本発明の第５の態様は、所定の繰り返し周波数を有するパルス成分と直流バイアス成分を含むレーザ駆動電流を半導体レーザに注入することにより前記半導体レーザから出力される出力光をモニタにより監視し、前記モニタの出力に基づく出力量を前記繰り返し周波数で除算することにより算出された光パルス１個当たりのエネルギー値が予め設定された目標値になるように前記直流バイアス成分の電流の値を設定し、該設定された直流バイアス成分を含むレーザ駆動電流を前記半導体レーザに注入すること、を特徴とする半導体レーザの駆動制御方法である。

本発明の第６の態様は、第５の態様の半導体レーザの駆動制御方法において、前記光出力に基づく出力量は、前記繰り返し周波数を０より大きい所定の数値に設定した状態の前記光出力に基づく前記モニタの第１の出力量から、前記繰り返し周波数を０にした状態の前記光出力に基づく前記モニタの第２の出力量を引いた量であることを特徴とする。

本発明によれば、半導体レーザの出力光を監視するモニタの出力に基づく出力量をパルス電流の繰り返し周波数で除算した値が所定値になるように直流バイアス電流を設定するようにしたので、短光パルス１個当たりのエネルギーを所定量に設定することができ、バイアス電流の最適値の設定により安定した好ましい波形の短光パルスを得ることが可能になった。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体レーザ駆動制御装置の構成図を示している。

図１において、レーザモジュール１０のケーシング１１内には、前端から短光パルスを出射し得る半導体レーザ１２と、半導体レーザ１２の後端から出る光を受光する位置に配置されてその光を電流（電気信号）に変換する光電変換素子であるフォトダイオード１３と、半導体レーザ１２の温度を調整するペルチェ素子等のＴＥＣ（thermoelectric cooler）１４と、半導体レーザ１２の温度を検出するサーミスタ１５と、半導体レーザ１２のｎ側電極（カソード）に一端が接続されるインピーダンスマッチング用抵抗１６と、そのｎ側電極に一端が接続されるバイアスＴ用インダクタ１７とを有している。半導体レーザ１２として例えばＤＦＢ半導体レーザが使用されている。

ケーシング１１の一側部と他側部にはそれぞれピン２０ａ〜２０ｍが間隔をおいて取り付けられている。
ケーシング１１内の一側部において、第１、第２ピン２０ａ，２０ｂにはＴＥＣ１４の２つの端子がそれぞれ接続され、第３、第４ピン２０ｃ，２０ｄにはフォトダイオード１３の２つの端子がそれぞれ接続され、第５ピン２０ｅにはバイアスＴ用インダクタ１７の他端が接続され、さらに、第６、第７ピン２０ｆ，２０ｇにはサーミスタ１５の２つの端子がそれぞれ接続されている。

また、ケーシング１１内の他側部において、第１１ピン２０ｋには半導体レーザ１２のｐ側電極（アノード）が接続され、第１２ピン２０ｍにはインピーダンスマッチング抵抗１６の他端が接続されている。

レーザーモジュール１０の各ピン２０ａ〜２０ｍは、それぞれ外部の回路に接続されている。即ち、第１、第２ピン２０ａ，２０ｂはＴＥＣ制御部３１の出力端に接続され、第６、第７ピン２０ｆ、２０ｇはＴＥＣ制御部３１の入力端に接続されている。また、第３、第４ピン２０ｃ，２０ｄはレーザバックファセット電流（ＢＦＣ：back facet current ）モニタ部３２の入力端に接続され、第５ピン２０ｅはレーザバイアス電流制御部３３の出力端に接続されている。また、第１２ピン２０ｍは、カップリングコンデンサ１８を介してパルス電流源３４の出力端に接続されている。パルス電流源３４とバイアス制御部３３は、半導体レーザ１２を駆動するための駆動電流制御部である。

なお、第８、第９ピン２０ｈ，２０ｉと第１１ピン２０ｋには定電圧Ｖccが印加されており、半導体レーザの１２のｐ側電極とケーシング１１の電圧を定電圧に保持している。

レーザバイアス電流制御部３３は、制御部３０からの制御信号によって設定される大きさを有する直流のバイアス電流Ｉ_ｂを第５ピン２０ｅ及びバイアスＴ用インダクタ１７を介して半導体レーザ１２のカソードに注入するように構成されている。

パルス電流源３４は、制御部３０からの制御信号によって設定される繰り返し周波数、パルス幅（デューティー比）、振幅を持つパルス電流Ｉ_ｐをカップリングコンデンサ１８及びインピーダンスマッチング抵抗１６を介して半導体レーザ１２のカソードに注入するように構成されている。これにより、パルス電流Ｉ_ｐはレーザバイアス電流Ｉ_ｂに重畳される。

レーザＢＦＣモニタ部３２は、半導体レーザ１２の後端からの光を電流に変換するフォトダイオード１３から出力される電流、即ちバックファセット電流Ｉ_ＢＦを電圧信号に変換し、これをモニタ値として制御部３０に出力するように構成されている。バックファセット電流Ｉ_ＢＦは、半導体レーザ１２の前端から出射される光のパワー（単位はμＷ）と比例関係があり、光のパワーのエネルギーとして制御部３０により変換される。また、レーザＢＦＣモニタ部３２の動作帯域は、１ｋＨｚ程度であってパルス電流源３４から出力されるパルス電流Ｉ_ｐの繰り返し周波数に比べて十分に小さいので、バックファセット電流Ｉ_ＢＦに基づくモニタ値は半導体レーザ１２から出力される光の平均パワーに相当する。

ＴＥＣ制御部３１は、サーミスタ１５によって検出された半導体レーザ１２の温度データを入力する一方、その温度データに基づいてＴＥＣ１４の温度を目標値になるように調整するように構成されている。ＴＥＣ制御部３１の温度の目標値は、制御部３０から出力される制御信号に基づいて設定される。

なお、第８、第９、第１１ピン２０ｈ，２０ｉ，２０ｋには、定電圧源により電圧Ｖccが印加され、これにより半導体レーザ１２のアノードは定電圧になり、また、第８、第９ピン２０ｈ，２０ｉに接続されるケーシング１１も電圧Ｖccになる。

次に、上述した半導体レーザ駆動装置を使用して半導体レーザ１２から出力される短光パルスの制御について説明する。なお、以下に説明する半導体レーザ１２として、発振閾値電流が数十ｍＡ、中心波長が１５５０ｎｍのＤＦＢ半導体レーザを使用しているが、これに限られるものではない。

図１に示すレーザモジュール１０内の半導体レーザ１２に注入される電流のうちパルス電流Ｉ_p の繰り返し周期を５０８ＭＨｚ、そのパルス幅を１３０ps、パルス振幅を６０ｍＡとし、さらにバイアス電流Ｉ_bの値を３．０ｍＡ、４．０ｍＡ、５．０ｍＡ、６．０ｍＡ、６．５ｍＡと変えたところ、半導体レーザ１２から出射される短光パルスの波形は図２（ａ）〜（ｅ）に示すようになった。

それらの波形によれば、バイアス電流Ｉ_b を６．０ｍＡ以上にすると短光パルスの裾引き部分の振幅が大きくなり、要求されるパルス形状以外の無駄なエネルギーの比率が高くなり、また、３．０ｍＡ、４．０ｍＡでは短光パルスのパルス自体の振幅が不十分な大きさである一方、バイアス電流Ｉ_bとして５．０ｍＡ又はその付近の場合に短光パルスの波形の裾引き部分が極めて小さく、しかもパルス振幅も十分な大きさとなる。

このように、半導体レーザ１２に注入されるバイアス電流Ｉ_b には、短光パルスの裾引き部分を最も小さくし且つパルス自体の振幅を大きくするための最適値があることがわかる。また、その最適値は、パルス電流Ｉ_pの繰り返し周波数によっても異なる。
そこで、バイアス電流Ｉ_b の最適化について以下に説明する。

まず、図１に示すレーザモジュール１０内のインピーダンスマッチング抵抗１６、バイアスＴ用インダクタ１７等を介して半導体レーザ１２にパルス電流Ｉ_p とバイアス電流Ｉ_b を注入し、それらの電流のうちバイアス電流Ｉ_bを変化させることにより半導体レーザ１２の出力光パワーがどのように変化するかを調べた。

ここで、レーザモジュール１０に接続されるレーザＢＦＣモニタ部３２から出力される信号のモニタ値は、フォトダイオード１３から出力されるバックファセット電流Ｉ_BFを平均化した値と等価であり、フォトダイオード１３により受光される半導体レーザ１２からの光パワーと比例関係にある。従って、モニタ値は、半導体レーザ１２から出力される光パワーの平均値に換算できる。

従って、半導体レーザ１２から出力される光パルスの１個当たりのエネルギーＰ(t) （単位はμＪ）は、次式によって算出できる。但し、式（１）において、Ｅは、半導体レーザ１２から出力される光の平均パワー（単位はμＷ）、ｆは、パルス電流Ｉ_pの繰り返し周波数（単位は１／秒）であって短光パルスの周波数と等しい。
Ｐ(t) ＝Ｅ／ｆ （１）

図３は、パルス電流Ｉ_p の繰り返し周波数を５０８ＭＨｚ、その振幅を６０ｍＡ、パルス幅を１３０ｐｓとした場合において、バイアス電流Ｉb とバックファセット電流Ｉ_BFの関係を示す特性図である。なお、図３の縦軸のバックファセット電流は平均化された値である。

図３によれば、バイアス電流Ｉ_ｂを増加させるにつれてバックファセット電流Ｉ_ＢＦも増加して互いに比例関係にある。このことは、バイアス電流Ｉ_ｂを増加させるにつれて光パルス１個当たりのエネルギーが増加していることを意味している。
光パルス１個当たりのエネルギーが最適な値となるように、即ちバックファセット電流Ｉ_ＢＦを繰り返し周波数ｆで割ることによって算出された光パルス１個当たりのエネルギー値が予め設定された目標値となるようにバイアス電流Ｉ_ｂを制御すれば、最適な波形の短光パルスを得ることが可能になる。

そのような制御は、図１に示した半導体レーザ駆動制御装置の制御部３０において図４、図５に示すフローに従って行われる。
まず、バイアス電流Ｉ_b の最適値の判定に要求される判定繰返回数cnt と適正判定回数nをカウントする双方のカウンタをリセットし（図４のS1）、予め設定された繰り返し周波数を有するパルス電流Ｉ_pとバイアス電流Ｉ_b とを半導体レーザ１２に注入する。なお、カウンタの計数は、時間の計測をも意味する。

次に、図５に示すフローに従って光パルス１個当たりのエネルギーＰ(ｔ)を算出する（図４のS2、図５のS12,S13）。即ち、レーザＢＦＣモニタ部３２は、半導体レーザ１２の後端から出力された光を受光したフォトダイオード１３の出力電流を取得し、これを電圧に変換してＢＦＣのモニタ値Ｂ(ｔ)として制御部３０へ出力する（図５のS12）。制御部３０は、モニタ値Ｂ(ｔ)とパルス電流Ｉ_ｐの繰り返し周波数ｆから、次式（２）により光パルス１個当たりのエネルギーＰ(ｔ)を算出する（図４のS2、図５のS13）。

Ｐ(ｔ)＝Ｂ(ｔ)／ｆ （２）

この場合、モニタ値Ｂ(t) は、フォトダイオード１３の出力値を電圧に変換した値であって、電圧の平均値は半導体レーザ１２の前端から出射される光パワーの平均値に対応しており、モニタ値Ｂ(t) は制御部３０において光パワーのエネルギーに換算された値（単位はμＷ）で示される。

次に、算出した光パルス１個当たりのエネルギーＰ(t)を、光パルス１個当たりのエネルギーの目標値Ｐ₀と比較し、その差をΔＰとして次式（３）により算出する（図４のS3）。
ΔＰ＝Ｐ₀ −Ｐ(t) （３）

そして、エネルギー差ΔＰを所定範囲にするため又は所定値に一致させるため、即ち、光パルス１個当たりのエネルギーＰ(t)を目標値Ｐ₀ に近づけるために、実際に半導体レーザ１２に流すバイアス電流Ｉ_b の設定値をＩ(t) として、Ｉ(t) をΔＰを考慮した次式（４）により設定し直す（図４のS4）。ただし、ｋは任意の定数である。
Ｉ(t) ＝Ｉ(t) ＋ｋ・ΔＰ （４）

さらに、エネルギー差ΔＰの絶対値が許容値ａに比べて小さいか否かを判定し（図４のS5）、小さい場合には適正判定回数ｎのカウンタに１を加えてｎ＝ｎ＋１とする（図４のS6）。以上のような式（２）〜（４）を繰り返して行い、エネルギー差ΔＰが許容値ａより小さくなる適正判定回数ｎが２００に達した時点で（図４のS7のＹ）、最終的に演算された値Ｉ(t) をバイアス電流Ｉ_b として設定する（図４のS8）。なお、本実施例は適正判定回数ｎを２００回としたが、これに限定されるものではない。

また、エネルギー差ΔＰの絶対値が許容値ａに比べて大きい場合には、適正判定回数ｎを０にリセットするとともに、判定繰返回数cnt に１を加えてcnt＝cnt＋１とする（図４のS5 のＮ、S9)。
なお、エネルギー差ΔＰの絶対値が許容値ａに比べて小さくて、しかも適正判定回数ｎが所定回数、例えば２００に達しない場合には判定繰返回数cnt に１を加えてcnt＝cnt＋１とする（図４のS7 のＮ、S10）。
そのような判定繰返回数cnt のカウント後に以上のような式（２）〜（４）を繰り返すフローに戻る。

エネルギー差ΔＰの絶対値が許容値ａに比べて小さいか否かの判定は、誤差が所望の値ａよりも小さい適正判定回数ｎが例えば２００回以上連続して続かずに、且つ判定繰返回数cnt がトータルで例えば１００００回計数された時点で、バイアス電流Ｉ_b の値の設定は行われずに、設定処理を終了させる（図４のS11）。
なお、光パルス１個当たりのエネルギーＰ(t)を目標値Ｐ₀ に近づけるためのバイアス電流の制御として上記以外の方法を採用してもよい。

以上のようなフローに従って、バイアス電流Ｉ_b を制御して、さらにパルス電流Ｉ_p の繰り返し周波数を２５ＭＨｚ〜１ＧＨｚに変化させて半導体レーザから出射される光パルスのピーク高さとパルス幅を測定したところ、図６に示す結果が得られた。

図６によれば、図４、図５に示すフローによりバイアス電流Ｉ_b を制御することにより、バイアス電流Ｉ_b を周波数によらず一定とする従来技術に比べて、光パルスのピーク高さと光パルスのパルス幅が周波数によらずにほぼ一定となった。
また、パルス電流の繰り返し周波数を２５ＭＨｚ、５０ＭＨｚ、１００ＭＨｚ、２００ＭＨｚ、４００ＭＨｚ、１ＧＨｚとした場合の光パルスの波形は図７に示すようになり、光パルスの裾引き部の高さが大幅に抑えられた。なお、図７の各波形図における縦軸、横軸のスケールは等しい。

以上述べたように本実施形態によれば、上記したフローに従って短光パルス１個当たりのエネルギーを所定範囲に設定するようにバイアス電流の最適値を設定したところ、パルス電流の繰り返し周波数によらず安定した波形の短光パルスを得ることが可能になった。

ところで、図６によれば、１００ＭＨｚより低い繰り返し周波数においては、繰り返し周波数が低くなるにつれて短光パルスのピーク高さが小さく、しかもパルス幅が大きくなる傾向が見られた。これは、パルス電流Ｉ_p の繰り返し周波数が低くなると、半導体レーザ１２から出力される光の平均パワーのモニタ値において、半導体レーザ１２の自然放出光雑音（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）等の光パルス以外の成分に起因する部分が増加するためである。
そこで、パルス電流Ｉ_p の繰り返し周波数が１００ＭＨｚより低くても、短光パルスのピーク高さとパルス幅を所定の大きさに設定できる方法を第２の実施の形態として以下に説明する。

（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２実施形態における半導体レーザの駆動方法におけるバイアス電流の最適値を設定するためのフローチャートのうち光パルス１個当たりのエネルギーを算出するフローである。そのフローチャートは、第１実施形態について示した図４のS2に示すＰ(t) を算出するための別の方法を示している。

まず、パルス電流Ｉ_pの繰り返し周波数を‘０’とした状態で、図３のようなバイアス電流Ｉ_bとバックファセット電流Ｉ_BFの関係を取得する。この場合のレーザＢＦＣモニタ部３２のモニタ値をＢ₀(t) とする。このモニタ値Ｂ₀(t) は、制御部３０により光パワーに換算される。

次に、第１実施形態と同様に、判定繰返回数cnt と適正判定回数nをカウントする双方のカウンタをリセットし（図４のS1）、予め設定された繰り返し周波数ｆを有するパルス電流Ｉ_pとバイアス電流Ｉ_b とを半導体レーザ１２に注入する。バイアス電流Ｉ_b を所定の値Ｉ(t) に設定して半導体レーザ１２から光パルスを出力させ、その光パルスをフォトダイオード１３により受光して電気信号に変換し、さらにフォトダイオード１３からの電流をレーザＢＦＣモニタ部３２によりモニタし、そのモニタ値をＢ(t) とする（図８のS21）。モニタ値Ｂ(t) は、制御部３０によって半導体レーザ１２から出力される光パワーを平均のエネルギーに換算した値でもある。

そして、次式（５）に示したように、パルス電流Ｉ_pの繰り返し周波数を０とした場合のバイアス電流Ｉ_bのときのモニタ値Ｂ₀(t) を、繰り返し周波数ｆを初期の値とした場合のモニタ値Ｂ(t) から差し引いた値をＢ’(t) とする（図８のS22）。
Ｂ’(t) ＝Ｂ(t) −Ｂ₀(t) （５）
Ｂ’(t) は、Ｂ(t) をＡＳＥ成分に起因する成分を用いて補正したモニタ値である。

続いて、第１実施形態と同様に、光パルス１個当たりのエネルギーＰ(t) を次式（６）により算出する（図８のS23、図４のS2）。
Ｐ(t) ＝Ｂ’(t)／ｆ （６）

その値Ｐ(t) の算出後には、第１実施形態と同様な処理によって、エネルギー差ΔＰを算出し（図４のS3）、バイアス電流値I_bを変更し（図４のS4）、エネルギー差ΔＰ の絶対値が所定の連続回数ｎで繰り返して所定値ａより小さい場合にそのバイアス電流値I_b を最適値として設定し（図４のS5〜S8）、それ以外の場合にはエネルギー差ΔＰ の算出を所定回数繰り返した後に、バイアス電流の最適値の設定処理を終える（図４のS9〜S11）。

以上のような方法により、半導体レーザ１２に供給するバイアス電流Ｉ_b の最適値を求め、パルス電流Ｉ_p の繰り返し周波数ｆを１０ＭＨｚ〜１ＧＨｚで短光パルスを発生させ、短光パルスのピーク高さとパルス幅を測定したところ図９に示す結果が得られた。この場合の１０ＭＨｚ、２５ＭＨｚ、５０ＭＨｚ、１００ＭＨｚ、２００ＭＨｚ、４００ＭＨｚ、１ＧＨｚのそれぞれについての波形を図１０に示す。なお、図１０の各波形図における縦軸、横軸のスケールは等しい。

図９、図１０によれば、繰り返し周波数の１０ＭＨｚ〜１ＧＨｚの広い帯域で、ピーク高さ、パルス幅がほぼ一定の短光パルスが得られることができた。
以上述べたように本実施形態によれば、図４、図８に示すフローに従って、短光パルス以外の成分に起因する部分を除いて短光パルスの１個当たりのエネルギーを所定範囲又は所定量に設定するようにしたところ、パルス電流の繰り返し周波数のより広い範囲で安定した波形の短光パルスを得ることが可能になった。

ところで、上記した実施形態では半導体レーザ１２の後端から出力される光をレーザＢＦＣモニタ部３２によりモニタしてバイアス電流Ｉ_b を制御したが、そのバックファセット電流に基づくモニタ値の代わりに半導体レーザ１２の先端の光出力パワーをモニタ値として採用してもよい。

また、上記した実施形態では、バイアス電流をフィードバックしてバイアス電流を制御したが、バイアス電流の代わりにパルス電流の振幅を制御することや、パルス電流の発生に使用する正弦波電流の振幅を制御することによって短光パルスの最適化が可能である。
さらに、上記した実施形態では、直流バイアス電流成分とパルス電流成分を分けて半導体レーザに注入したが、それらを重畳した電流を使用してもよい。

図１は、本発明の実施形態に係る半導体レーザの駆動制御装置の回路図である。 図２は、半導体レーザから短光パルスを発生させるためのパルス電流と直流バイアス電流のうち、直流バイアス電流の大きさを異ならせて得られる短光パルスの波形図である。 図３は、本発明の実施形態に係る半導体レーザの駆動制御装置を用いて得られるバックファセット電流と直流バイアス電流の関係を示す特性図である。 図４は、本発明の半導体レーザの駆動制御方法を示すフローチャートである。 図５は、本発明の第１実施形態に係る半導体レーザの駆動制御方法における短光パルス１個当たりのエネルギーの演算方法を示すフローチャートである。 図６は、本発明の第１実施形態に係る半導体レーザの駆動制御装置及び駆動制御方法により得られる短光パルスのピーク高さ及びパルス幅とパルス電流の繰り返し周波数の関係を示す特性図である。 図７は、本発明の第１実施形態に係る半導体レーザの駆動制御装置及び駆動制御方法により得られる短光パルスの波形図である。 図８は、本発明の第２実施形態に係る半導体レーザの駆動制御方法における短光パルス１個当たりのエネルギーの演算方法を示すフローチャートである。 図９は、本発明の第２実施形態に係る半導体レーザの駆動制御装置及び駆動制御方法により得られる短光パルスのピーク高さ及びパルス幅とパルス電流の繰り返し周波数の関係を示す特性図である。 図１０は、本発明の第２実施形態に係る半導体レーザの駆動制御装置及び駆動制御方法により得られる短光パルスの波形図である。 図１１は、半導体レーザから出力される短光パルスの一例を示す波形図である。 図１２は、半導体レーザから短光パルスを出力させるために半導体レーザに注入するパルス電流の繰り返し周波数を異ならせた場合の短光パルスの波形図である。

符号の説明

１０：レーザモジュール
１１：ケーシング
１２：半導体レーザ
１３：フォトダイオード
１４：ＴＥＣ
１５：サーミスタ
１６：インピーダンスマッチング抵抗
１７：バイアスＴ用インダクタ
１８：カップリングコンデンサ
３０：制御部
３１：ＴＥＣ制御部
３２：レーザＢＦＣモニタ部
３３：レーザバイアス電流制御部
３４：パルス電流源

Claims (6)

1. 半導体レーザに光パルスを発生させるレーザ駆動電流として所定の繰り返し周波数を有するパルス成分と直流バイアス成分を含む電流を注入する駆動電流制御部と、
   前記半導体レーザの光出力を監視する光電変換素子と、
   前記光電変換素子の出力信号に基づいて前記半導体レーザの前記光出力を監視するレーザ出力モニタ部と、
   前記レーザ出力モニタ部の出力に基づく出力量を前記パルス成分の前記繰り返し周波数で除算することにより算出された光パルス１個当たりのエネルギー値が予め設定された目標値になるように前記直流バイアス成分の電流の値を設定し、該設定された直流バイアス成分を含むレーザ駆動電流を前記半導体レーザに注入するように前記駆動電流制御部を制御する制御部と、
   を有することを特徴とする半導体レーザの駆動装置。
2. 前記レーザ出力モニタ部の出力に基づく前記出力量は、前記繰り返し周波数が０における前記直流バイアス電流と前記レーザ出力モニタ部の出力量との関係を用いて補正された量であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザの駆動装置。
3. 前記半導体レーザからの前記光出力は、前記半導体レーザのバックファセットから出力される光であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体レーザの駆動装置。
4. 前記繰り返し周波数は１０ＭＨｚ以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の半導体レーザの駆動装置。
5. 所定の繰り返し周波数を有するパルス成分と直流バイアス成分を含むレーザ駆動電流を半導体レーザに注入することにより前記半導体レーザから出力される出力光をモニタにより監視し、
   前記モニタの出力に基づく出力量を前記繰り返し周波数で除算することにより算出された光パルス１個当たりのエネルギー値が予め設定された目標値になるように前記直流バイアス成分の電流の値を設定し、該設定された直流バイアス成分を含むレーザ駆動電流を前記半導体レーザに注入すること、
   を特徴とする半導体レーザの駆動制御方法。
6. 前記光出力に基づく出力量は、前記繰り返し周波数を０より大きい所定の数値に設定した状態の前記光出力に基づく前記モニタの第１の出力量から、前記繰り返し周波数を０にした状態の前記光出力に基づく前記モニタの第２の出力量を引いた量であることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザの駆動方法。

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