JP6522772B2 - 半導体レーザの発振波長及び出力パワーの独立制御 - Google Patents

半導体レーザの発振波長及び出力パワーの独立制御 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年３月６日に出願された米国仮特許出願第６２／１２９，６０７号の利益を主張し、その開示の全体が、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
本件は一般に、半導体レーザを駆動するための方法に、より詳細には、このレーザの発振波長及び出力パワーを独立的に制御することに関する。
半導体レーザは幅広い用途に対して有用である場合があり、いくつかの事例では、線幅が狭く単一周波数で発振する波長可変レーザを有することが望ましい場合がある。これらの用途は、線幅が極端に狭く単一周波数で発振する波長可変レーザから利益を受けることができる。
狭い線幅及び広い調整範囲を実現するために、外部共振器レーザ（ＥＣＬ）システム、分布ブラッグ反射器レーザ、又は組み込まれた調整要素を有する分布フィードバックレーザを採用できる。しかしながら、これらのシステム及びレーザの性能は、望まれない機械的可動部品、遅い反応時間、狭い調整範囲、及びレーザ出力の非線形の歪みによって限定され得る。
本件は、組み込まれた調整要素を有する波長可変半導体レーザを駆動するための方法に関する。本方法は、レーザ発振波長及び出力パワーが独立的に制御可能となるように、調整電流及びレーザ注入電流を変調することを含み得る。いくつかの例では、調整電流及びレーザ注入電流は、同時に変調される。いくつかの例では、これらの電流の一方又は両方は、正弦波的に変調される。いくつかの例では、発振波長を調整しながら一定の出力パワーを実現できる。いくつかの例では、本開示の例により、調整電流及び注入電流が同時に変調されないレーザと比較して、より大きい調整範囲を実現できる。いくつかの例では、出力パワー及び調整は線形の関係に従い得る。いくつかの例では、目標とする出力パワー及び調整波形を実現するのに必要な注入電流駆動波形及び調整要素駆動波形は、目標とする出力パワーと実際の出力パワーとの間の及び目標とする調整波形と実際の調整波形との間の適合度に基づく最適化を通して実現できる。
本開示の例が実装され得る例示のシステムを図示している。 本開示の例による、外部共振器レーザシステムの図を図示している。 本開示の例による、例示の分布ブラッグ反射器レーザを長手方向に見た図を図示している。 本開示の例による、例示の分布フィードバックレーザを長手方向に見た図を図示している。 本開示の例による、レーザの断面図を図示している。 本開示の例による、組み込まれた調整要素を有する例示のレーザを図示している。 本開示の例による、組み込まれた調整要素を有するレーザに関する例示の熱関連の時間遅延を図示している。 本開示の例による、調整要素電極上で駆動された矩形波に応じた光出力パワーの例示のプロットを図示しており、熱関連の時間遅延の違いに起因して、立上り及び立下り時間が非対称である。 本開示の例による、レーザ注入電流とレーザ出力パワーとの間の例示の関係を図示している。 本開示の例による、レーザ駆動力と発振波長又は波数との間の例示の関係を図示している。 本開示の例による、注入電流とレーザ電圧との間の例示の関係を図示している。 本開示の例による、活性領域の温度と熱ロールオーバー電力との間の例示の関係を図示している。 本開示の例による、調整要素電力とレーザ出力パワーとの間の例示の関係を図示している。 本開示の例による、調整要素電力と発振波長又は波数との間の例示の関係を図示している。 本開示の例による、調整要素駆動電流と調整要素電圧との間の例示の関係を図示している。 本開示の例による、レーザからの発振波長及び出力パワーの同時変調及び動的調節のための例示の機構を図示している。 本開示の例による、レーザの調整要素に適用される例示の正弦波的に変調された駆動波形、及び導波路に適用される一定の駆動波形を図示している。 本開示の例による、レーザの電極に適用される例示の正弦波的に変調された駆動波形を図示している。 本開示の例による、レーザからの例示の正弦波的に変動する波長シフト、及び熱ロールオーバー電力を下回る一定の出力パワーを図示している。 本開示の例による、レーザからの例示の正弦波的に変動する波長シフト、及び熱ロールオーバー電力と同じか又はこれに近い出力パワーを図示している。 本開示の例による、例示の正弦波的に変動する波長シフト、及びシステム要求値に等しい一定の出力パワーを図示している。 本開示の例による、レーザの電極に適用される例示の非正弦波的に変調された駆動波形を図示している。 本開示の例による、発振波長の例示の線形ランプを図示しており、レーザからの一定の出力パワーは、熱ロールオーバー電力を下回っている。 本開示の例による、熱ロールオーバー電力と同じか又はこれに近い発振波長及び出力パワーの例示の線形ランプを図示している。 本開示の例による、レーザからの例示の変動可能な波長シフト及び変動可能な出力パワーを図示している。 本開示の例による、注入電流及び調整要素電流を最適化するための例示のプロセスフローを図示している。 本開示の例による、注入電流及び調整要素電流を最適化するための例示のプロセスフローを図示している。
以下の例の説明では、実施され得る具体的な例が例示として示されている添付の図面を参照する。様々な実施例の範囲から逸脱することなく、他の実施例を使用することができ、構造上の変更を実施することができることを理解されたい。
様々な技法及びプロセスフローのステップについて、添付の図面において図示されるような例を参照して詳細に記載する。以下の説明では、本明細書において記載又は言及される１つ以上の態様及び／又は特徴を完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が明記される。ただし当業者には、本明細書において記載又は言及される１つ以上の態様及び／又は特徴が、これらの具体的な詳細の一部又は全てを伴わずに実施されてよいことが明らかであろう。他の事例では、本明細書において記載又は言及される態様及び／又は特徴の一部を不明瞭にしないように、よく知られているプロセスステップ及び／又は構造は詳細に記載していない。
更に、プロセスステップ又は方法ステップは逐次的な順序で記載することができるが、そのようなプロセス又は方法は、任意の好適な順序で機能するように構成することができる。言い換えれば、本開示において記載され得るステップのどのような任意のシーケンス又は順序も、これらのステップがその順序で行われることが必要であるとそれ自体で示すものではない。更に、一部のステップは、（例えば、あるステップが他のステップの後に述べられていることにより）同時に起こらないものとして述べられるか又は示唆されていても同時に実行される場合もある。更に、図面における描写によるプロセスの例示は、例示されたプロセスがそれに対する他の変形や修正を排除することを示唆しておらず、例示されたプロセス又はそのステップのうちのいずれかが例のうちの１つ以上にとって必要であることを示唆しておらず、例示されたプロセスが好ましいことを示唆していない。
本開示は、組み込まれた調整要素を有する波長可変半導体レーザを駆動するための方法に関する。調整電流及びレーザ注入電流は、レーザ発振波長及び出力パワーが独立的に制御可能となるように、変調することができる。独立的に制御可能な発振波長及び出力パワーを用いて、（調整電流及び注入電流が同時に変調されないレーザと比較して）より広い調整範囲を実現でき、このレーザは、実質的に一定の出力パワーで発振でき、同時に発振波長が調整される。更に、望まれない機械的可動部品、並びに遅い反応時間及び非線形の歪みなどのレーザの性能の低下が、回避又は低減され得る。
本開示による方法及び装置の代表的な用途が、本項目内に記載されている。これらの例は単に、状況を追加し、記載された例の理解を助けるために提供されている。したがって当業者には、記載された例が、具体的な詳細の一部又は全てを伴わずに実施されてよいことが明らかであろう。他の適用例が可能であり、それゆえ以下の実施例は、限定的なものとして解釈されるべきではない。
図１は、本開示の例が実装され得る例示のシステムを図示している。微量気体検出システム１１０は、ディスプレイ１１２、レーザ１１４、及び検出器１１６を含み得る。レーザ１１４は、後で開示するような方法及び波形のいずれかを用いて、設定可能に動作可能とすることができる。
微量気体検出、環境モニタリング、生物医学診断法、電気通信、及び工業工程制御などの多くの用途に関して、波長可変半導体レーザが必要とされている。これらの用途は、特に、線幅が狭いか又は極端に狭い、単一周波数で発振する波長可変レーザから利益を受けることができる。
通常は大型のかさ張るシステムにおいて使用されるものの、波長可変半導体レーザは、可搬型電子デバイスにおいて多くの使用を見ることができる。例えば、壁装着可能な微量気体検出システム１１０を使用者の車庫内に配置し、この車庫内に停車した自動車からの排気が安全なレベルを超えたかどうかを検出するために使用することができる。壁装着可能な微量気体検出システム１１０は、ディスプレイ１１２上に警告を提供し、この情報を携帯電話機に追加的に送信することができる。それに応じて、携帯電話機はこの危険について使用者に警告でき、使用者が車庫に入るのを防止することができる。
広い調整範囲を実現するための１つの方法は、外部共振器レーザ（ＥＣＬ）システムを使用することである。図２Ａは、本開示の例による、外部共振器レーザシステムの図を図示している。ＥＣＬシステム２０８は、利得媒体２００、レンズ２０２、及び回折格子２０４を含み得る。ＥＣＬシステム２０８の発振波長は、回折格子２０４を回転させることによって調整することができる。ＥＣＬシステム２０８は広い調整範囲を実現できるが、システムは肉眼で見える機械的可動部品を含む可能性があり、したがって、調整速度が限定されている可能性があり、精密な位置合わせを必要とする可能性があり、機械的振動の影響を受け易い可能性があり、かつモードホップを呈する傾向を有する可能性がある。外部共振器レーザアーキテクチャは、既に検討した用途の多くにとって、特に可搬型電子デバイスにおいて使用されるとき、実用的でない可能性がある。
広い調整範囲及び狭い線幅を実現するための別の方法は、半導体レーザ内に周期的構造を組み込むことによるものである。組み込まれた周期構造を有する２つの種類のレーザは、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザ及び分布フィードバック（ＤＦＢ）レーザである。
図２Ｂは、本開示の例による、例示のＤＢＲレーザを長手方向に見た図を図示している。ＤＢＲレーザ２１０は、利得区域２１４とは別個とすることができる格子区域２１２内に配置された、１つ以上の回折格子を備え得る。いくつかの例では、ＤＢＲレーザ２１０は、デバイス（図示せず）の両端部に配置された格子区域、例えば格子区域２１２を含み得る。回折格子は、活性領域２１６上に又はこの上方に配置することができ、光を空洞内へと反射して戻して共振器を形成するための、光学的フィードバックを提供するように採用され得る。格子は、波長の狭帯域のみを反射して単一縦モード波長を生成するように構成することができ、格子の周期は、特定のレーザ発振波長を実現するように調節することができる。
図２Ｃは、本開示の例による、例示のＤＦＢレーザを長手方向に見た図を図示している。ＤＦＢレーザ２２０は格子区域２２２内に配置された回折格子を備えることができ、これらは活性領域２２６内に組み込むか又は活性領域２２６上に配置することができる。ＤＦＢレーザの回折格子の構造及び機能性は、ＤＢＲレーザのものと同様とすることができる。しかしながら、格子区域２１２が利得区域２１４とは別個であるＤＢＲレーザとは異なり、ＤＦＢレーザは、格子区域と一致する利得区域を有し得る。ＤＦＢレーザの利得区域は格子区域２２２と同じ領域内に配置され得るので、ＤＦＢレーザはより短い空洞長さを有し得る。加えて、ＤＦＢレーザは、モードホップの影響をより受けにくい可能性がある。
図３は、本開示の例による、レーザの断面図を図示している。レーザ３００は、基板３１０、クラッド層３１２、絶縁クラッド３１８、活性領域３１４、及び電極３１６を備え得る。レーザ３００は、サブマウント３２０上に装着されるか、又はこれに触れている。レーザ３００は、例えば、注入電流ＩLを供給するソース３２４によって駆動され得る。レーザ３００の発振波長を調整するために、活性領域３１４の温度又は注入電流ＩLを調節することができる。いくつかの例では、温度を調節して発振波長を大まかに調整することができ、より精確な調整のために注入電流ＩLを調節することができる。
活性領域３１４の温度を調節するために、熱電冷却器（ＴＥＣ）３２２によりサブマウント３２０に熱を加えることができる。熱は電極３１６、基板３１０、及びクラッド層３１２を通過して活性領域３１４に至ることができ、このことは、（活性領域３１４上に又はその上方に配置された）格子の屈折率を変化させ得る。屈折率の変化は、発振波長の変化につながり得る。したがってレーザ３００の発振波長を、ＴＥＣ３２２を通して加えられる熱を変えることによって調整できる。しかしながら、加えられる熱を通した調整に関して、いくつかの問題が存在し得る。レーザの加熱は、ＴＥＣ３２２に大きな電力を要求する場合がある。大きな電力が必要であることは、可搬性及びサイズ要件に起因する厳しい電力制約を有する、可搬型電子デバイスなどの特定のデバイスにとって、実用的でない場合がある。加えて、ＴＥＣ３２２を用いたレーザ３００の加熱は、ＴＥＣ３２２がレーザ３００、サブマウント３２０、及びヒートシンク（図示せず）を冷却及び加熱する必要がある場合があるので、遅い反応につながって結果的に遅い調整速度をもたらし得る。この結果、熱の印加と目標とする発振波長の達成との間の時間遅延は秒のオーダーとなる可能性があり、多くの用途ではレーザ発振波長のより迅速な調節が必要な場合がある。
レーザ３００を調整する別の方法は、注入電流ＩLを通したものであり得る。電極３１６を通してレーザを駆動するために、注入電流ＩLを使用することができる。加熱器３２２を使用するのと同様に、注入電流ＩLは、活性領域３１４の温度を上げることができ、この結果、発振波長が変化する。注入電流を使用する調整は、波長のより精密な調節を提供する場合があるものの、この方法を使用する場合、調整範囲が限定される可能性がある。その理由は、温度を実質的に上げるために必要な高い注入電流においては、レーザ効率が下がる場合があるからである。例えば、調整範囲は、公称波長から約０．２％のオーダーであり得る。これは、９μｍレーザに関して０．０３６μｍの調整範囲しかもたらすことができず、これは分光法などの用途には不十分である場合がある。更に、出力パワー及び発振波長の両方が注入電流の影響を受ける可能性があるので、レーザ出力パワー及び発振波長の独立制御が可能でない場合がある。
ＴＥＣを通して又は注入電流を通して調整するときに直面するこれらの問題を克服するための１つの方法は、組み込まれた調整要素を使用することであり得る。図４Ａは、本開示の例による、組み込まれた調整要素を有する例示のレーザを図示している。レーザ４５０は、基板４６０、クラッド層４６２、絶縁クラッド４６３、活性領域４６４、電極４５６、４６６、及び４６８、並びに抵抗性クラッド４６１を備え得る。レーザ４５０は、２つの別個の構造４８０及び４８２を備え得る。例えば、構造４８０は調整要素とすることができ、構造４８２はレーザ構造とすることができる。ソース４７４は、レーザ４５０を駆動するための注入電流ＩLを提供するために、レーザ構造４８２の頂部電極４５６及び底部電極４６８に接続することができる。調整要素又は構造４８０は、構造４８２と密に近接している電気的に接触した構造とすることができる。ソース４７６は、調整要素又は構造４８０を駆動するための調整電流ＩTを提供するために、頂部電極４６６に接続することができる。１つの実施形態では、トレンチ４７８が、ソース４７６によって電流が提供されるときに熱を生成する電気抵抗器を形成する。図４Ａはソース４７４及び４７６を電流源として示しているが、当業者であれば、任意の種類のソースを接続できることを理解するであろう。本開示の例としては、加熱、プラズマ分散効果、電気光学効果、又は組み合わせを通してレーザ導波路のモード屈折率を変更するソース４７６が挙げられるが、これらに限定されない。
ソース４７４は、注入電流ＩLを通してレーザを駆動して目標とする出力パワーを実現することができ、ソース４７６は、調整電流ＩTを通して活性領域４６４の温度を調節して目標とする発振波長を実現することができる。しかしながら、注入電流ＩLの調節は、活性領域４６４の温度に影響する可能性があり、調整電流ＩTの調節は、レーザ４５０の利得に影響する可能性がある。注入電流ＩL及び調整電流ＩTは完全には分離されないので、注入電流ＩLの調節及び調整電流ＩTの調節は、レーザの光学的損失又は電気特性に悪影響を与えることなく発振波長を最適化する場合に、柔軟性が限定されている可能性がある。
レーザは、図４Ｂに示すように、複数の熱関連の時間遅延も含み得る。経路４９０及び４９６は、調整要素電流又はソース４７６によって誘起される熱と関連付けることができる。経路４９２及び４９４は、ＴＥＣ４２２によって誘起される加熱又は冷却と関連付けることができる。経路４９０に沿った熱は、レーザ構造中の調整要素から活性領域４６４へと拡散して、数百μｓのオーダーであり得る時間遅延につながる可能性がある。経路４９６に沿った熱は、絶縁クラッド４６３、基板４６０、及び電極４６８を通って、ＴＥＣ４２２へと拡散する可能性がある。経路４９４に沿った熱は、サブマウント（図示せず）及び基板４６０から活性領域４６４へと拡散してレーザリッジを加熱し、経路４９２に沿った熱は、レーザリッジから基板４６０及びサブマウントへと拡散してレーザリッジを冷却する。経路４９２及び４９４からの時間遅延は、約１〜１００ｍｓであり得る。経路４９０及び経路４９２／４９４の時間遅延の間の大きな違いにより、ソース４７６及び４７４をＴＥＣ４２２とともに使用することは、非線形の歪み及び長い反応時間につながり得る。図４Ｃは、本開示の例による、熱関連の時間遅延の違いに起因する、調整要素ソース４７６の矩形波変調に対する出力パワー応答の例示のプロットを図示している。
図５Ａ〜図５Ｃは、本開示の例による、レーザに適用される注入電流の変更の例示の効果を図示している。図５Ａは、本開示の例による、レーザ注入電流とレーザ出力パワーとの間の例示の関係を図示している。一定のサブマウント温度に対して、レーザ出力パワーは、レーザ閾値電流超では注入電流に線形依存し得る。レーザのスロープ効率は、この線形依存性に基づいて決定され得る。高い注入電流では、この線形依存が活性領域の温度の上昇に起因して破綻して、内部量子効率の低下につながる可能性があり、この結果、出力パワーの飽和（すなわち熱ロールオーバー）が引き起こされる可能性がある。
図５Ｂは、本開示の例による、レーザ駆動力と発振波長又は波数との間の例示の関係を図示している。一定のサブマウント温度に対して、発振波長又は波数は、レーザ駆動電力に線形依存し得る。示されるように、発振波長は、駆動電力の増加とともに赤方偏移し得る。上で検討したように、活性領域の温度の変化は屈折率の変化、及びしたがって発振波長の変化につながり得る。
図５Ｃは、本開示の例による、注入電流とレーザ電圧との間の例示の関係を図示している。熱調整の結果生じる発振波長のシフトは、レーザ内部での電力消散に比例する可能性があり、これは電圧及び電流の積と関連し得る。図に図示された注入電流とレーザ電圧との間の関係に起因して、発振波長は、注入電流に直接比例しない場合がある。
図５Ｄは、本開示の例による、活性領域の温度と熱ロールオーバー電力との間の例示の関係を図示している。上で検討したように、注入電流の増加はより高い出力パワーにつながり得るが、活性領域の温度が上がる可能性がある。ある注入電流を超えると、活性領域の温度が非常に高くなる可能性があり、この結果、レーザの効率の低下、及び線形依存性（又は図５Ａに図示されたプロットのスロープ）からの逸脱が生じ得る。出力パワーは、レーザの安全動作範囲内の最大出力パワー（すなわち熱ロールオーバー電力、又は注入電流に対するパワーの導関数がゼロであるところ）まで飽和し得る。最大出力パワー又は熱ロールオーバー電力は、限定するものではないが、ヒートシンク又は基板温度、調整電流又は加熱器電流、デバイス長さ、及びデバイス設計を含む、多くの要因に依存し得る。熱ロールオーバー電力は、図に示されるように、活性領域の温度が上がるにつれて減少し得る。結果として、熱ロールオーバー電力は、同じレーザデバイスに関して動作条件に依存して変動し得る。
図５Ｅ〜図５Ｇは、本開示の例による、レーザの調整要素の変更の例示の効果を図示している。図５Ｅは、本開示の例による、調整要素電力とレーザ出力パワーとの間の例示の関係を図示している。一定のレーザ注入電流に対して、レーザ出力パワーは、調整要素電力に線形依存し得る。図に示されるように、レーザ出力パワーは、調整電力が大きくなるにつれ減少し得る。
図５Ｆは、本開示の例による、調整要素電力と発振波長又は波数との間の例示の関係を図示している。一定のレーザ注入電流に対して、発振波長は、調整要素駆動電力にほぼ線形依存し得る。図に示されるように、レーザ出力パワーは、調整要素駆動電力が大きくなるにつれ減少し得る。
図５Ｇは、本開示の例による、調整要素駆動電流と調整要素電圧との間の例示の関係を図示している。調整要素のＩＶ曲線は、高い調整要素電流では非線形となる場合がある。この非線形の関係により、レーザ出力パワー及び発振波長は、調整要素電流に関して知られている関係（例えば二次依存性）を有することから乖離される可能性がある。知られている関係からの乖離に起因して、並びに発振波長及び出力パワーとの注入電流と調整要素電流との間の結合のせいで、発振波長及び出力パワーの同時の最適化は困難なものとなり得る。加えて、レーザの性能（例えば、調整範囲及び出力パワー）が限定され得る。
図６は、本開示の例による、レーザの発振波長及び出力パワーの同時変調及び動的調節のための機構を図示している。この機構はレーザ６００を含み得る。レーザ６００としては、ＤＦＢ又はＤＢＲ半導体レーザ、例えば量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）、バンド間カスケードレーザ（ＩＣＬ）、又はタイプ−Ｉレーザなどが挙げられるが、これらに限定されない。いくつかの例では、レーザは、近赤外線及び中赤外線を含むいくつかの波長範囲で動作し得る。レーザ６００は、２つの別個の電極６６４及び６６６を備え得る。一方の電極、例えば電極６６４は、調整要素（図４Ａに図示された構造４８０など）に結合され得る。他方の電極、例えば電極６６６は、レーザ構造（図４Ａに図示された構造４８２など）に結合され得る。
２つのソースは電極に結合されて、電極を独立的に駆動させ得る。例えば、ソース６７６を調整要素の電極６６６に結合することができ、ソース６７４をレーザの電極６６４に結合することができる。レーザ６００の出力６７２をレンズ６３０に向けることができ、この出力６７２はミラー６３２で反射される。ビームスプリッタ６３４は、この光学ビームを、２つの異なる経路６４０及び６４２へと分割することができる。経路６４０は、検出器６４４に向けることができる。経路６４２はミラー６３６に向けることができ、ミラー６３６は検出器６４６へと光を反射することができる。検出器６４４はレーザ出力パワーを測定でき、検出器６４６は発振波長を測定できる。いくつかの例では、経路６４２内のミラー６３６と検出器６４６との間に、エタロンを含めることができる。いくつかの例では、発振波長を測定するために光学分光計を使用できる。検出器６４４及び６４６からの検出された信号は、コンピュータ又は制御装置６５０に入力される。
制御装置６５０は、検出された信号と目標とする信号又は応答波形との間のずれをモニタできる。これらのずれに基づいて、制御装置６５０は、駆動波形６１３及び６１５を生成できる。駆動波形６１３及び６１５は、これらのずれを最小化又は低減するための、新しい波形又は調節された波形とすることができる。御装置６５０によって生成された信号又は波形をデジタル信号からアナログ信号へと変換するために、制御装置６５０並びにソース６７４及び６７６に、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）６５２及び６５４を結合できる。
図７Ａ〜図７Ｂ及び図７Ｆは、本開示の例による、レーザの電極に適用される例示の駆動波形を図示している。図７Ｃ〜図７Ｅ、図７Ｇ〜７Ｉは、本開示の例による、レーザの例示の出力波形を図示している。図７Ａに示すように、調整電流７０２を正弦波的に変調することができ、一方、レーザ注入電流７０４は一定とすることができる。いくつかの例では、（図７Ｂに示すように）調整電流７０２及びレーザ注入電流７０４の両方を正弦波的に変調することができる。いくつかの例では、レーザ注入電流７０４は、変調する調整電流７０２の正弦の平方根に比例し得る。
例示の結果的な出力波形が図７Ｃに示されており、ここでは、レーザの波長シフト７０６は正弦波的に変動し得る。加えて、レーザは、一定の又は実質的に一定の出力パワー７０８で発振し得る。この例は、波長を調整しながら実質的に一定の出力パワーを実現できることを示している。注入電流が閾値電流よりも大きい場合、出力パワーは、所与の調整範囲又は波長シフトの範囲に対して、熱ロールオーバー電力よりも小さい可能性がある。結果として、出力パワーを、所望の調整範囲を実現するように変動（増加又は減少）させることができる。波長を調整しながら一定の出力パワーを実現することは、波長変調分光法などの用途にとって有用であり得る。
図７Ｄは、本開示の例による、出力パワーが熱ロールオーバー電力に近くなるようにレーザを動作させることのできる例示の波形を図示している。レーザは、電流対出力パワーのスロープが線形の関係から逸脱し始める出力パワーで（すなわち熱ロールオーバー電力の近くで）動作させることができる。いくつかの例では、レーザは、出力パワーが熱ロールオーバー電力と実質的に等しくなるように動作させることができるが、これは、出力パワー７０８が実質的に熱ロールオーバー電力７１０よりも小さいときと比較して調整範囲の低減につながる。いくつかの例では、レーザは、線形の関係からの逸脱と、ロールオーバー電力（すなわち、電流に対する出力パワーの導関数がゼロである電力）との間の出力パワーで動作させることができる。本開示の例は、レーザの動作条件を、活性領域温度が所与である場合に、電流に対する出力パワーの導関数がゼロになるように調節することを含む。出力パワー７０８が熱ロールオーバー電力７１０に実質的に等しいか又は近くなるようにレーザを動作させることは、基準検出器に正規化される波長変調分光測定などの用途にとって有用であり得る。
いくつかの例では、出力パワーを下げることによって、より大きい調整範囲が実現できる。いくつかの例では、レーザが採用されるシステム又は用途にとって必要な要件に出力パワーが基づき得るように、レーザを動作させることができる。図７Ｅに図示されるように、システムの光パワー要件７１１が満たされるがこれらの用件を実質的に超えないような条件でレーザを動作させることにより、上記のシステム要件を超えてレーザを動作させるときの調整範囲と比較して、より大きい調整範囲又は波長シフトが実現され得る。例えば、使用者の車庫内に配置された（上で検討し図１に図示された）微量気体検出システムを、検出された４００ｐｐｍ未満の一酸化炭素レベルが安全レベル内にあるように構成することができる。システム要件は、４００ｐｐｍの一酸化炭素が検出される動作条件によって規定され得る。微量気体検出システムと関連付けられたレーザ（図１に図示されたレーザ１１４など）はその場合、システム要件が満たされ、４００ｐｐｍの一酸化炭素が検出され、（システム要件を超えるようにレーザを動作させるよりも）更に広い調整範囲が実現されるような値で動作し得る。いくつかの例では、この値は、システム要件の１〜１０％超でのシステム動作と等しくすることができる。
いくつかの例では、調整電流７０２、レーザ注入電流７０４、及び波長シフト７０６の間の異なる位相の量は、変調の周波数に依存し得る。いくつかの例では、レーザ注入電流７０４と波長シフト７０６との間の位相差は、０°又は１８０°とすることができる。本開示は調整機構として熱的加熱を含むが、本開示の例としては、限定するものではないが、キャリア濃度変調などの他の調整機構を挙げることができる。
図７Ｆは、本開示の例による、レーザの電極に適用される例示の非正弦波的に変調された駆動波形を図示している。図に示されるように、調整電流７１２を変調することができるが、図７Ａの調整電流７０２とは異なり、調整電流７１２は、上で検討した非線形性及び熱時間定数などの非線形性及び熱時間定数の補正を行うために、非正弦波的であり得る。加えて、レーザ注入電流７１４は非正弦波的であり得る。結果として、正弦波的に変動する出力波長及び一定である出力パワーがもたらされ得る。
図７Ｇは、本開示の例による、発振波長の例示の線形ランプを図示しており、レーザからの一定の出力パワーは、熱ロールオーバー電力を下回っている。この例は、レーザの出力パワーに影響することなく発振波長を調整できることも示している。熱ロールオーバー電力７３０未満である一定の出力パワーを実現しながらレーザを線形に調整することは、直接吸収分光法などの用途にとって上側フレームであり得る。
いくつかの例では、レーザは、図７Ｈに図示されているように、出力パワー波形が熱ロールオーバー電力と同じ形状を有するように動作させることができる。図７Ｈは、本開示の例による、熱ロールオーバー電力に近い出力パワーを有する発振波長の例示の線形ランプを図示している。レーザは、波長シフト７２６を線形に変化させながら出力パワー７２８が熱ロールオーバー電力７３０と実質的に等しくなるような条件で動作させることができる。発振波長のそのような線形の変化は、基準検出器に正規化される直接吸収分光法などの用途にとって有用であり得る。
図７Ｉは、本開示の例による、レーザからの例示の変動可能な波長シフト及び変動可能な出力パワーを経時的に図示している。図に示されるように、出力パワー７４８及び波長シフト７４６の両方が、正弦波的に変動し得る。いくつかの例では、出力パワー７４８及び波長シフト７４６はいずれも非調和的な関係の周波数で変動し得る。出力パワー及び発振波長の両方の同時の正弦波的変調は、波長変調分光法などの用途にとって有用であり得る。
当業者であれば、上記した例示の図が目標とする波形を表し得ることを理解するであろう。いくつかの例では、結果的な出力波形は、非線形性（図示せず）に起因して、目標とする波形とは異なっている可能性がある。
図８Ａ〜８Ｂは、本開示の例による、注入電流及び調整要素電流を最適化するための例示のプロセスフローを図示している。プロセス８００は、時間間隔を一連のサンプル点へと分割することで始まり得る（ステップ８０２）。いくつかの例では、プロセス８００を、プロセッサ又は制御装置（図６の制御装置６５０など）によって行うことができる。いくつかの例では、時間間隔は、所望の電力及び波長応答波形の繰り返し周期に基づき得る。制御装置は、各サンプル点における目標の出力パワー及び発振波長を決定することができ（ステップ８０４）、このことから、期待される光ダイオード信号を計算できる（ステップ８０６）。期待される光ダイオード信号は、光ダイオードの応答曲線、エタロンの長さ、エタロンの光学特性、分光器の応答、又は任意の組み合わせなどの要因に基づき得る。
制御装置は、調整要素電流及びレーザ駆動電流を初期値に設定できる（ステップ８０８）。いくつかの例では、調整要素をゼロに設定でき、レーザ駆動電流を、閾値（すなわちレーザがオンにされる値）を上回る一定値に設定できる。代替として、レーザを、所定の波形を使用して駆動できる。いくつかの例では、所定の波形は、レーザからの以前の特徴化データに基づき得る。所定の波形としては、様々な注入電流及び調整要素電流に関する光ＩＶ曲線、並びに注入電流の乱れのステップ応答を挙げることができるが、これらに限定されない。制御装置又は信号取得システムは、出力信号の検出及び時間間隔にわたるデジタル化が可能である（ステップ８１０）。いくつかの例では、時間間隔は１つの時間間隔とすることができる。いくつかの例では、出力信号は、図６の検出器６４４及び６４６などの検出器からの、測定された信号とすることができる。
出力信号又は波形から、適合度を計算できる（ステップ８１２）。適合度（ＧＯＦ）は、出力パワー及び発振波長を含む、目標とするレーザ出力又は波形と、測定されたレーザ出力又は波形との間の差異を定量化するための性能指数とすることができる。例えば、ＧＯＦを以下のように定義できる。
Figure 0006522772
 ここで、Ｗ（ｔ）は時間ｔにおいて測定された波長であり、ＷT（ｔ）は時間ｔにおける目標とする波長であり、Ｐ（ｔ）は時間ｔにおいて測定された出力パワーであり、ＰT（ｔ）は時間ｔにおける目標とする出力パワーであり、ｗ1及びｗ2は重み付け値であり、Ｐは時間間隔内のサンプル点の数である。
制御装置は、駆動注入電流又は調整要素電流又は両方を最適化できる（ステップ８１４）。図８Ｂのプロセス８５０は、駆動注入電流又は調整要素電流を最適化する例示のフロー図を図示している。制御装置は、時間間隔内の最初のサンプル点から始めることができる（ステップ８５２）。制御装置は、レーザ注入電流又は調整要素電流又は両方を第１の方向に変化させ（ステップ８５４）、次いで出力波形を検出し（ステップ８５６）、第１の方向への変化から第１のＧＯＦを計算する（ステップ８５８）ことができる。制御装置は、レーザ注入電流又は調整要素電流又は両方を第２の方向に変化させ（ステップ８６０）、次いで出力波形を検出し（ステップ８６２）、第２の方向への変化から第２のＧＯＦを計算する（ステップ８６４）ことができる。いくつかの例では、第１の方向は、第２の方向の反対とすることができる。例えば、図８Ａのステップ８０８において設定された注入電流よりも、第１の方向は値を１段サイズ高くすることができ、第２の方向は値を１段サイズ低くすることができる。ステップ８６８では、第１のＧＯＦ及び第２のＧＯＦを比較することができる。（他方のＧＯＦと比較して）どちらのＧＯＦが最低値を有するかに、又は所定の若しくは目標とするＧＯＦからの逸脱に基づいて、駆動波形を調節できる。
制御装置は、サンプル点の全てが試験されたかどうかを判定できる（ステップ８７０）。されていなければ、制御装置は次のサンプル点に移り（ステップ８７２）、その次のサンプル点に対して調節プロセスを繰り返す。全てのサンプル点が試験されていれば、駆動波形をメモリに保存できる（ステップ８７４）。
いくつかの例では、プロセス８００及び８５０を、特定のＧＯＦ値が達成されるまで繰り返すことができる。いくつかの例では、プロセス８００及び８５０は、連続的に又は増大する周期で進行することができ、この間レーザは、時間にわたってソース特性のどのようなドリフトも能動的に補正するように動作している。
上記した機能の１つ以上を、例えば、メモリに保存されプロセッサ又は制御装置（図６の制御装置６５０など）によって実行されるファームウェアによって行うことができる。ファームウェアはまた、コンピュータ−ベースのシステム、プロセッサを含むシステム、又は命令実行システム、装置、若しくはデバイスから命令をフェッチしその命令を実行できる他のシステムなどの、命令実行システム、装置、若しくはデバイスによって、又はそれらに関連して使用するための、任意の非一時的コンピュータ可読記憶媒体内で、保存及び／又は伝送することもできる。本文書のコンテキストでは、「非一時的コンピュータ−可読記憶媒体」は、命令実行システム、装置、又はデバイスによって、又はそれらに関連して使用するためのプログラムを包含又は保存できる、（信号を除く）任意の媒体とすることができる。非一時的コンピュータ−可読記憶媒体としては、電子的な、磁気的な、光学的な、電磁的な、赤外線の、若しくは半導体のシステム、装置、若しくはデバイス、ポータブルコンピュータディスケット（磁気式）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）（磁気式）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）（磁気式）、消去可能プログラム可能読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）（磁気式）、ＣＤ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ、ＤＶＤ−Ｒ、若しくはＤＶＤ−ＲＷなどのポータブル光学ディスク、又はコンパクトフラッシュカード、ＳＤカード、ＵＳＢメモリデバイス、メモリスティックなどのフラッシュメモリ、などを挙げることができるが、これらに限定されない。本文書のコンテキストでは、「伝送媒体」は、命令実行システム、装置、若しくはデバイスによって、又はそれらに関連して使用するためのプログラムを、通信、伝搬、若しくは伝送することが可能な、任意の媒体とすることができる。伝送可読媒体としては、電子的な、磁気的な、光学的な、電磁的な、又は赤外線の、有線又は無線の伝播媒体を挙げることができるが、これらに限定されない。
いくつかの例では、調整要素及び導波路を有するレーザを駆動する方法が開示される。方法は、レーザの調整要素に第１の波形を適用することと、レーザの導波路に第２の波形を適用することと、第２の波形を変調するのと同時に第１の波形を変調することであって、レーザの発振波長及び出力パワーを独立的に制御可能である、変調することと、を含み得る。上で開示された１つ以上の例に加えて又はその代替として、他の例では、第１の波形は、第２の波形とは異なっている。上で開示された１つ以上の例に加えて又はその代替として、他の例では、方法は、第１の波形及び第２の波形を非調和的な周波数で変調することを更に含む。上で開示された１つ以上の例に加えて又はその代替として、他の例では、第１の波形及び第２の波形の少なくとも一方は、正弦波的である。上で開示された１つ以上の例に加えて又はその代替として、他の例では、第１の波形及び第２の波形の少なくとも一方は、非正弦波的である。上で開示された１つ以上の例に加えて又はその代替として、他の例では、方法は、第１の波形及び第２の波形を、発振波長を正弦波的に変動させるように変調することを更に含む。上で開示された１つ以上の例に加えて又はその代替として、他の例では、方法は、第１の波形及び第２の波形を、出力パワーを一定値に維持するように変調することを更に含む。上で開示された１つ以上の例に加えて又はその代替として、他の例では、レーザがある要件を伴うシステム内に含まれている場合、方法は、第２の波形を、システムがその要件で動作しているように変調することを更に含む。上で開示された１つ以上の例に加えて又はその代替として、他の例では、方法は、第２の波形を、注入電流に対する出力パワーの導関数がゼロになるように変調することを更に含む。上で開示された１つ以上の例に加えて又はその代替として、他の例では、方法は、第１の波形及び第２の波形を、出力パワーが少なくとも部分的に正弦波的に変動するように変調することを更に含む。上で開示された１つ以上の例に加えて又はその代替として、他の例では、第２の波形は、発振波長からの０°又は１８０°の位相シフトを含む。上で開示された１つ以上の例に加えて又はその代替として、他の例では、方法は、第１の波形及び第２の波形を、発振波長が一定となるか又は線形に変動するように変調することを更に含む。上で開示された１つ以上の例に加えて又はその代替として、他の例では、方法は、第１の波形及び第２の波形を、注入電流に対する出力パワーの導関数がゼロになるように変調することを更に含む。上で開示された１つ以上の例に加えて又はその代替として、他の例では、方法は、第１の波形及び第２の波形を、発振波長が線形に変動しかつ出力パワーが一定となるように変調することを更に含む。上で開示された１つ以上の例に加えて又はその代替として、他の例では、方法は、第１の波形及び第２の波形を、発振波長が一定となりかつ出力パワーが正弦波的に変動するように変調することを更に含む。上で開示された１つ以上の例に加えて又はその代替として、他の例では、方法は、発振波長を検出することと、出力パワーを検出することと、検出された発振波長と目標とする波長との間の第１の差異を判定することと、出力パワーと目標とするパワーとの間の第２の差異を判定することと、第１の波形及び第２の波形の少なくとも一方を、第１の差異及び第２の差異の少なくとも一方を低減するように調節することと、を更に含む。
いくつかの例では、非一時的コンピュータ可読記憶媒体が開示される。非一時的コンピュータ−可読記憶媒体は１つ以上のプログラムを保存してよく、この１つ以上のプログラムは、デバイスによって実行されるとそのデバイスに、第１の波形をレーザの第１の電極に適用することであって、第１の電極がレーザの調整要素に結合されている、適用することと、第２の波形をレーザの第２の電極に適用することであって、第２の電極がレーザの導波路に結合されている、適用することと、第２の波形を変調するのと同時に第１の波形を変調することと、を含む方法を実行させる命令を含む。
いくつかの例では、デバイスが開示される。デバイスは、第１の電極及び第２の電極を含むレーザであって、第１の電極が第１の波形によって駆動され、第２の電極が第２の波形によって駆動される、レーザと、第１の波形及び第２の波形を同時に変調するよう構成されているロジックであって、レーザの発振波長及び出力パワーの少なくとも一方が第１の波形及び第２の波形の同時変調に基づく、ロジックと、を備えてよい。上で開示された１つ以上の例に加えて又はその代替として、他の例では、レーザの調整範囲は、レーザの中心波長の少なくとも０．２％である。上で開示された１つ以上の例に加えて又はその代替として、他の例では、レーザは、分布フィードバック（ＤＦＢ）又は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザである。上で開示された１つ以上の例に加えて又はその代替として、他の例では、レーザは、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）、バンド間カスケードレーザ（ＩＣＬ）、又はタイプ−Ｉレーザである。上で開示された１つ以上の例に加えて又はその代替として、他の例では、第１の電極は調整要素の一部を形成しており、第２の電極はレーザ構造の一部を形成しており、調整要素はレーザ構造に熱的に結合されている。
開示された例について添付の地面を参照して十分に記載してきたが、様々な変更及び修正が当業者には明らかとなるであろうことに留意されたい。そのような変更及び修正は、付属の特許請求の範囲によって規定されるような開示された例の範囲内に含まれているものと理解されたい。

Claims (20)

  1. 調整要素及び導波路を有する半導体レーザを駆動する方法であって、
    抵抗性クラッドを含む前記半導体レーザの前記調整要素に第１の波形を適用する処理であって、前記抵抗性クラッドが前記調整要素内において縮減された厚さで形成されたトレンチを有し、前記厚さにより前記第１の波形に応答して熱を発生する抵抗器を形成し、発生した熱は前記半導体レーザの導波路に影響を与える、当該処理と、
    前記半導体レーザの前記導波路に第２の波形を適用する処理と、
    前記第２の波形を適用するのと同時に前記第１の波形を適用して、前記半導体レーザの発振波長及び出力パワーを変化させ、１つの変化が他の変化とは独立している、当該処理と、
    を含む方法。
  2. 前記第１の波形が前記第２の波形とは異なっている、請求項１に記載の方法。
  3. 前記第１の波形及び前記第２の波形を非調和的な周波数で適用する処理を更に含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記第１の波形及び前記第２の波形の少なくとも一方が正弦波的である、請求項１に記載の方法。
  5. 前記第１の波形及び前記第２の波形を、前記発振波長を正弦波的に変動させるように適用する処理を更に含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記第１の波形及び前記第２の波形を、前記出力パワーを一定値に維持するように適用する処理を更に含む、請求項５に記載の方法。
  7. 前記半導体レーザが光学パワー要件を伴うシステム内に含まれている場合、前記第１の波形及び前記第２の波形を、前記システムが前記光学パワー要件で動作しているように適用する処理を更に含む、請求項５に記載の方法。
  8. 前記第１の波形及び前記第２の波形を、注入電流に対する前記出力パワーの導関数がゼロになるように適用する処理を更に含む、請求項５に記載の方法。
  9. 前記第１の波形及び前記第２の波形を、前記出力パワーが少なくとも部分的に正弦波的に変動するように適用する処理を更に含む、請求項５に記載の方法。
  10. 前記第２の波形が前記半導体レーザの前記発振波長からの０°又は１８０°の位相シフトを含む、請求項１に記載の方法。
  11. 前記第１の波形及び前記第２の波形を、前記発振波長が一定となるか又は線形に変動するように適用する処理を更に含む、請求項１に記載の方法。
  12. 前記第１の波形及び前記第２の波形を、注入電流に対する前記出力パワーの導関数がゼロになるように適用する処理を更に含む、請求項１に記載の方法。
  13. 前記第１の波形及び前記第２の波形を、前記発振波長が線形に変動しかつ前記出力パワーが一定となるように適用する処理を更に含む、請求項１に記載の方法。
  14. 前記第１の波形及び前記第２の波形を、前記発振波長が一定となりかつ前記出力パワーが正弦波的に変動するように適用する処理を更に含む、請求項１に記載の方法。
  15. 前記発振波長を検出する処理と、
    前記出力パワーを検出する処理と、
    前記検出された発振波長と目標とする波長との間の第１の差異を判定する処理と、
    前記出力パワーと目標とするパワーとの間の第２の差異を判定する処理と、
    前記第１の波形及び前記第２の波形の少なくとも一方を、前記第１の差異及び前記第２の差異の少なくとも一方を低減するように調節する処理と、
    を更に含む、請求項１に記載の方法。
  16. 第１の電極及び第２の電極を含む半導体レーザであって、
    前記第１の電極が第１の波形によって駆動され、前記第２の電極が第２の波形によって駆動され、
    縮減された厚さで形成されたトレンチを有する抵抗性クラッドを含む、
    前記半導体レーザと、
    前記第１の波形及び前記第２の波形を同時に適用して、前記半導体レーザの発振波長及び出力パワーを変化させ、１つの変化が他の変化とは独立していることを実行するよう構成されているロジックと、
    を備え、
    前記抵抗性クラッドの前記縮減された厚さにより、前記第１の波形に応答して熱を発生する抵抗器を形成し、発生した熱は前記半導体レーザの導波路に影響を与え、
    前記半導体レーザの発振波長及び出力パワーが、前記第１の波形及び前記第２の波形の同時適用に基づいていることを特徴とした、デバイス。
  17. 前記半導体レーザの調整範囲が前記半導体レーザの公称波長から少なくとも０．２％である、請求項１６に記載のデバイス。
  18. 前記半導体レーザが分布フィードバック（ＤＦＢ）又は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）半導体レーザである、請求項１６に記載のデバイス。
  19. 前記半導体レーザが、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）、バンド間カスケードレーザ（ＩＣＬ）、又はタイプ−Ｉ半導体レーザである、請求項１６に記載のデバイス。
  20. 前記第１の電極が調整要素の一部を形成しており、前記第２の電極がレーザ構造の一部を形成しており、前記調整要素が前記レーザ構造に熱的に結合されている、請求項１６に記載のデバイス。
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