JP7428658B2 - レーザダイオードドライバ - Google Patents

Description

本発明は、レーザダイオードの分野に関する。特に、高出力レーザダイオードの出力フィールド内のノイズを低減するのに適した改良型レーザダイオード駆動システムが記載されている。

当技術分野で知られているレーザダイオードシステムが、図１に概略的に示されている。このレーザダイオードシステム１は、ケーブル４によって遠隔配置されたレーザダイオードドライバ３に接続された高出力レーザダイオード２を具え、ケーブル４は典型的に数メートルの長さを有する。レーザダイオード２から高出力フィールド５（典型的に数十から数百ワットの範囲）を生成するために、レーザダイオードドライバ３が低ノイズ定電流源として使用され、数十から１００アンペアの領域の電気駆動電流をレーザダイオード２に提供する。これらの高電流レベルを伝送するために、ケーブル４は、ヘビーゲージケーブル、すなわち断面積が５ｍｍ^２より大きく典型的には１０ｍｍ^２のオーダーのケーブルが必要である。

高出力レーザダイオード２は、量子レベル、あるいはレーザダイオードドライバ３によって生成される電気駆動電流に関連するノイズレベルをはるかに超える光ノイズを生成することが知られている。出力フィールド５内のノイズレベルを低減するために、レーザダイオードシステム１は、パラメトリック周波数変換の前または後の出力フィールド５の一部がフォトダイオード７でサンプリングされるフィードバック制御ループ６を組み込むことが知られている。次に、フォトダイオード７からの電気出力を用いてエラー信号を生成し、レーザダイオードドライバ３の修正フィードバック信号を生成する。このフィードバック信号は、出力フィールド５内に存在する光ノイズを低減するために、レーザダイオードドライバ３によって生成される電気駆動電流を変更する。

フィードバック制御ループ６の応答時間、利得、および帯域幅は、出力フィールド５内の光ノイズを、レーザダイオード２の任意の特定の動作周波数で低減できるレベルを決定する。高出力レーザダイオード２は、通常、数ＭＨｚまでの過剰ノイズを発生させ、これを超えると量子限界まで減少させる。したがって、効果的にするには、フィードバック制御ループ６は数ＭＨｚの有効帯域幅を有する必要がある。

レーザダイオード２内の半導体利得媒体は、上記の電流および電力レベルを確実に処理できるように設計されるが、これらの設計は、それらの利用可能な帯域幅を制限する傾向がある。

出願人はまた、いくつかの要因が、レーザダイオードドライバ３によって提供される高電流源の帯域幅を制限し、したがって、フィードバック制御ループ６が、図１の従来技術のレーザダイオードシステム１で生成される出力フィールド５に存在するノイズレベルを低減する能力に作用することを発見した。

レーザダイオード２の理想的な電流源は、すべての周波数で無限の出力インピーダンスを示し、レーザダイオード２に要求される電流を確立するために必要な電圧を瞬時に生成する必要がある。しかしながら、レーザダイオードドライバ３が高電流源（～５０アンペア）として用いられるため、主に容量性の出力インピーダンスを有し、これが必要な電流の変化に応じて出力「コンプライアンス」電圧が変化できる速度を制限し、そのため、高周波数の外乱に対しては、ますます精度の低い電流源となってしまう。

レーザダイオードドライバ３を高出力レーザダイオード２に接続するヘビーゲージケーブル４は、主に誘導特性を示すことが見出されている。高出力レーザダイオード２によって示される低インピーダンスレベルと組み合わせて、これは、高出力レーザダイオード２のノイズ周波数スペクトルにわたって重要なローパス周波数フィルタを効果的に形成する。

レーザダイオードドライバ３のキャパシタンスとヘビーゲージケーブル４のインダクタンスも共振回路を形成する傾向があり、電流ノイズのスペクトルおよびフィードバック制御ループ６の動作をさらに複雑にする。したがって、レーザダイオードドライバ３の高い出力キャパシタンスとヘビーゲージケーブル４の高いインダクタンスが組み合わさり、レーザダイオード電流がレーザダイオードドライバ３によって提供される高電流の変化に応答できる帯域幅が大幅に制限される。

このように上記の要因が組み合わさり、フィードバック制御ループ６を使用してレーザダイオードドライバ３に生成される駆動電流を調整するノイズキャンセリングシステムの帯域幅が制限され、したがって、出力フィールド５内で達成できる光ノイズ低減が制限される。

本発明の実施形態の目的は、レーザダイオードの出力フィールド内のノイズを低減するための方法および装置における上記不都合を取り除くか、少なくとも軽減することである。

本発明のさらなる目的は、当技術分野で知られているレーザダイオードドライバと比較した場合の、高出力レーザダイオードの出力フィールド内のノイズレベルを低減することができる高出力レーザダイオード用のレーザダイオード駆動システムを提供することである。

本発明の第１の態様によれば、レーザダイオードに駆動電流を提供するのに適したレーザダイオード駆動システムが提供され、当該レーザダイオード駆動システムは、
第１のケーブルによって前記レーザダイオードに接続され、駆動電流源を前記レーザダイオードに提供する第１のレーザダイオードドライバと、
第２のケーブルによって前記レーザダイオードに接続され、前記レーザダイオードへの駆動電流源のための低電流シンクを提供する第２のレーザダイオードドライバと、
前記レーザダイオードの出力フィールドの一部をサンプリングし、前記第２のレーザダイオードドライバにフィードバック信号を提供するように構成されたフィードバック制御ループとを具える。

前記レーザダイオード駆動システムは、消費電力が非常に少ないノイズ低減技術を提供するが、過剰な光ノイズを１ＭＨｚで少なくとも１桁低減するのに十分なフィードバック制御ループ帯域幅を作成することができる。

最も好ましくは、前記第２のレーザダイオードドライバは、前記レーザダイオードと電気的に並列に接続される。

最も好ましくは、前記第２のケーブルの長さは、前記第１のケーブルの長さよりもはるかに短い。前記第１のケーブルは、ヘビーゲージケーブルを含み得る。

前記フィードバック制御ループは、好ましくは、前記出力フィールドの一部のサンプルを電気的エラー信号に変換するように構成されたフォトダイオードを具える。前記フィードバック制御ループは、好ましくは、電気的エラー信号をフィードバック信号に変換するために使用されるループ帯域幅コントローラをさらに具える。好ましくは、前記フィードバック制御ループは、前記フォトダイオードと前記ループ帯域幅コントローラとの間に配置された増幅器をさらに具える。

最も好ましくは、前記第２のレーザダイオードドライバは、前記第１のレーザダイオードドライバによって生成された駆動電流の０．１％～２０％をシンクするように構成される。任意選択で、前記第２のレーザダイオードドライバは、前記第１のレーザダイオードドライバによって生成された駆動電流の０．１％～５％をシンクするように構成される。

本発明の第２の態様によれば、駆動電流をレーザダイオードに提供する方法は、
第１のレーザダイオードドライバを第１のケーブルによって前記レーザダイオードに接続して、駆動電流源を前記レーザダイオードに提供するステップと、
第２のレーザダイオードドライバを第２のケーブルによって前記レーザダイオードに接続して、前記レーザダイオードへの駆動電流源のための低電流シンクを提供するステップと、
前記レーザダイオードの出力フィールドの一部から、前記第２のレーザダイオードドライバのフィードバック信号を生成するステップとを含む。

最も好ましくは、前記第２のレーザダイオードドライバは、前記レーザダイオードと電気的に並列に接続される。

前記フィードバック信号を生成するステップは、フォトダイオードを使用して、前記出力フィールドの一部のサンプルを電気的エラー信号に変換するステップを含み得る。前記フィードバック信号を生成するステップは、ループ帯域幅コントローラを用いて前記電気的エラー信号をフィードバック信号に変換するステップをさらに含み得る。任意選択で、前記フィードバック信号を生成するステップは、前記電気的エラー信号を増幅するステップを含む。

最も好ましくは、前記第２のレーザダイオードドライバは、前記第１のレーザダイオードドライバによって生成される駆動電流の０．１％～２０％をシンクするように構成される。任意選択で、前記第２のレーザダイオードドライバは、前記第１のレーザダイオードドライバによって生成された駆動電流の０．１％～５％をシンクするように構成される。

本発明の第２の態様の実施形態は、本発明の第１の態様の好ましいまたは任意の特徴を実施するための特徴を含むことができ、またはその逆も可能である。

ここで、例としてのみ、図面を参照しながら本発明の様々な実施形態を説明する。
図１は、当技術分野で公知のレーザダイオードシステムの概略図を示す。 図２は、本発明の実施形態による、レーザダイオード駆動システムを組み込んだレーザダイオードシステムの概略図を示す。 図３は、図２のレーザダイオード駆動システムのフィードバック制御ループの概略図を示す。 図４は、図１および２のレーザダイオードシステムのノイズ対動作周波数の理論グラフを示す。 図５は、図１および２のレーザダイオードシステムのノイズ対動作周波数の実験グラフを示す。

以下の説明では、明細書および図面全体で同じ部品に同じ符号が付されている。図面は必ずしも原寸に比例しておらず、本発明の実施形態の詳細および特徴をよりよく説明するために、特定の部品の比率が誇張されている。

最初に図２を参照すると、本発明の実施形態によるレーザダイオード駆動システム９を組み込んだレーザダイオードシステム８の概略図が示されている。レーザダイオードシステム８は、ここでも高出力レーザダイオード２を具えている。本明細書に記載の実施形態では、レーザダイオード駆動システム９は、図１のレーザダイオードシステム１に関連して上述したものと同様にヘビーゲージケーブル４によって高出力レーザダイオード２に接続される第１のレーザダイオードドライバ３を具える。ただし、ここに説明する実施形態では、レーザダイオード駆動システム９は、レーザダイオード２への駆動電流源のための低電流シンクを提供するために、レーザダイオード２と電気的に並列に接続された第２のレーザダイオードドライバ１０をさらに具える。以下の記載から明らかになる理由から、第２のレーザダイオードドライバ１０をレーザダイオード２と並列に接続する電気ケーブルは、第２のレーザダイオードドライバ１０が第１のレーザダイオードドライバ３よりもレーザダイオード２に物理的に近くに位置できるように、ヘビーゲージケーブル４よりもはるかに短いことが好ましい。

図２のレーザダイオードシステム８と図１に示すものとの別の違いは、フィードバック制御ループ１２の形式であり、その概略図を図３に示す。フィードバック制御ループ１２は、ここでもフォトダイオード７を用いて高出力レーザダイオード２の出力フィールド５の一部をサンプリングする。次に、フォトダイオード７からの電気出力がエラー信号１３として使用され、これが増幅器１５およびループ帯域幅コントローラ１６によって第２のレーザダイオードドライバ１０のフィードバック信号１４に変換される。したがって、フィードバック信号１４は、第２のレーザダイオードドライバ１０によって生成される低電流シンクを変更するための手段を提供する。

レーザダイオードシステム８のレーザダイオードドライバ３および１０の両方が動作しているとき、第２のレーザダイオードドライバ１０によって生成される低電流は、第１のレーザダイオードドライバ３によって生成される電気駆動電流から効果的に差し引かれる。実際には、第２のレーザダイオードドライバ１０を通る電流量は、出力フィールド５内の光ノイズをキャンセルするために必要なピークツーピーク電流よりわずかに高く設定する必要がある。この過剰な光ノイズは、量子限界をはるかに超えているにも拘わらず、一般的には、有意な動作帯域幅で０．１％のオーダーである。したがって、第２のレーザダイオードドライバ１０は、第１のレーザダイオードドライバ３によって生成された電気駆動電流の０．１％よりいくらか多くをシンクするだけでよく、第２のレーザダイオードドライバ１０が線形に動作するのに十分なマージンを残す。実際には、第２のレーザダイオードドライバは、第１のレーザダイオードドライバによって生成される駆動電流の０．１％～２０％をシンクするように構成することができる。任意選択で、第２のレーザダイオードドライバは、第１のレーザダイオードドライバによって生成される駆動電流の０．１％～５％をシンクするように構成される。

例えば、レーザダイオード２が、第１のレーザダイオードドライバ３によって生成された５０アンペアの電気駆動電流で駆動される場合、第２のレーザダイオードドライバ１０は、約１００ミリアンペアをシンクするだけでよい。この電流の「奪取」は、レーザダイオード２への電流にのみ影響し、電気駆動電流を供給する第１のレーザダイオードドライバ３は、レーザダイオード２への元の駆動電流を維持するためにその出力レベルをわずかに増加させる必要があることを除いて、影響を受けないままであることが当業者によって理解されるであろう。

フィードバック信号１４は、フォトダイオード７によって検出される光レベルの瞬間的な増加が第２のレーザダイオードドライバ１０を通る電流の瞬間的な増加をもたらし、レーザダイオード駆動電流ひいては出力フィールド５のパワーが低減されるように、適切な極性で第２のレーザダイオードドライバ１０の制御入力に印加される。重要なことに、フィードバック信号１４を第２のレーザダイオードドライバ１０に局所的に生成することにより、第１のレーザダイオードドライバ３をレーザダイオード２に接続するヘビーゲージケーブル４のインピーダンスの影響を受けない。ケーブル１１のインピーダンスもまた、それらをヘビーゲージケーブル４の長さに比べて短く保つことによって最小化される。

上記のレーザダイオードシステム１および８から得られた理論的および実験的ノイズ対動作周波数の結果を、それぞれ図４および５に示す。これらの結果を得るために使用された高出力レーザダイオード２は、８０８ｎｍの動作波長で４０ワットの出力を有する連続波出力フィールド５を提供するように設計された伝導冷却シングルバーレーザダイオードである。開ループの結果（すなわち、第１のレーザダイオードドライバ３のみがあるときに得られた結果）が「ｘ」と符号１７が付された線で表され、閉ループの結果（すなわち、第１のレーザダイオードドライバ３と第２のレーザダイオードドライバ１０の両方の存在下で得られた結果）がマークのない線および符号１８で表されている。

これらの図の両方からわかるように、図２のレーザダイオードシステム８によって生成された出力フィールド５のノイズレベルは、図１のレーザダイオードシステム１のノイズレベルと比較して大幅に減少している。これらのノイズレベルが減少した理由は、レーザダイオードシステム１のフィードバック制御ループ６の上記の帯域幅制限が、ヘビーゲージケーブル４の端部でレーザと並列に制御可能な第２のレーザダイオードドライバ１０を配置することによって本発明で低減されるという事実にある。この構成は、第２のレーザダイオードドライバ１０と第１のレーザダイオードドライバ３の出力キャパシタンスの間にインダクタンスを効果的に追加する。ヘビーゲージケーブル４のインピーダンスは周波数とともに増加するため、制御可能なレーザダイオードドライバ１０と高出力レーザダイオード２を第１のレーザダイオードドライバ３の出力キャパシタンスから電気的に絶縁するようにも作用する。全体的な結果として、制御可能な第２のレーザダイオードドライバ１０の帯域幅は、減少するのではなく増加する。

図４の結果を得るために用いられた理論的シミュレーションは、典型的なヘビーゲージケーブル４の特性（つまり、断面積が１０ｍｍ^２のケーブル）に基づいており、レーザダイオードシステム８で利用可能な数十ＭＨｚの制御帯域幅を示している。

制御可能な第２のレーザダイオードドライバ１０が第１のレーザダイオードドライバ３の上に直接配置された場合、その帯域幅は第１のレーザダイオードドライバ３の出力キャパシタンスに大きく影響され、したがってここでもレーザダイオードシステム８に利用可能な制御帯域幅が制限されることに留意されたい。

実際には、上記のレーザダイオード駆動システム９は、電力をほとんど消費しないが、過剰な光ノイズを１ＭＨｚで少なくとも１桁低減するのに十分なフィードバック制御ループ帯域幅を作り出すことができるノイズ低減技術を提供する。レーザダイオード駆動システム９は、大電流レーザダイオードドライバ３の動作特性への相互作用または依存を最小限に抑えて、図１のレーザダイオードシステム１に容易に組み込むことができることが理解されよう。

さらに、制御可能な第２のレーザダイオードドライバ１０を通る静止電流は、安全な電力散逸と矛盾することなく、任意のレベルに設定できることが理解されよう。例えば、５０Ａのダイオード電流ドライブで１０Ａに設定すると、高電流源や接続ケーブルの特性に関係なく、レーザダイオード電流の非常に高い帯域幅の深い変調を提供するのに利用可能である。フィードバック信号（適切に処理された）を第１のレーザダイオードドライバ３および第２のレーザダイオードドライバ１０の両方に送信することによっても同様の結果を得ることができる。この実施形態では、深い変調を含むフィードバック信号の低帯域幅要素は、第１のレーザダイオードドライバ３にフィードバック信号を提供するように構成され、一方でフィードバック信号の高帯域幅要素は、第２のレーザダイオードドライバ１０にフィードバック信号を提供するように構成される。この実施形態は、第１のレーザダイオードドライバ３と第２のレーザダイオードドライバ１０との間で多くの相互作用を必要とするが、高電流源と接続ケーブルの特性とは無関係に、レーザダイオード電流を変調する効率的で効果的な方法を提供する。

フィードバック制御ループ１２および第２のレーザダイオードドライバ１０をレーザダイオード２の近くに配置すると、第１のレーザダイオードドライバ３を直接変調することによって得られるよりも高い帯域幅が提供される。本発明はまた、ケーブル４のインピーダンスによって制限されるのではなく、接続ケーブル４のインダクタンスを利用して、より高い帯域幅を実現することができる。したがって、レーザダイオード駆動システム９は、第１のレーザダイオードドライバ３および接続ケーブル４の特性から高い独立性を提供し、フィードバックループをレーザダイオード２に局所化する。

レーザダイオードの駆動電流を生成するためのレーザダイオード駆動システムが記載されている。このレーザダイオード駆動システムは、第１のケーブルによってレーザダイオードに接続され、レーザダイオードに駆動電流源を提供する第１のレーザダイオードドライバを具える。次に、第２のレーザダイオードドライバが第２のケーブルによってレーザダイオードに接続され、レーザダイオードに低電流シンクを提供する。フィードバック制御ループを使用して、レーザダイオードの出力フィールドのサンプルから第２のレーザダイオードドライバにフィードバック信号を提供する。このレーザダイオード駆動システムは、低い消費電力である一方で、第１のレーザダイオードドライバのみを有するレーザダイオード駆動システムと比較して、過剰な光ノイズを１ＭＨｚで少なくとも１桁低減するのに十分なフィードバック帯域幅を作り出す。

明細書を通して、文脈上別段の要求がない限り、「具える（comprise）」または「含む（include）」という用語や、「comprises」または「comprising」、「includes」または「including」などの変形は、記載された整数または整数のグループを含むことを意味すると理解されるが、他の整数または整数のグループを排除するものではない。

さらに、説明における先行技術への言及は、当該先行技術が一般的な一般知識の一部を形成していることを示すものと解釈されるべきではない。

本発明の前述の説明は、例示および説明の目的で提示されており、網羅的であること、または本発明を開示された正確な形態に限定することを意図するものではない。記載された実施形態は、本発明の原理およびその実際の適用を最もよく説明するために選択および説明され、それにより、当業者が様々な実施形態において、企図される特定の使用に適した様々な修正を加えて本発明を最もよく利用できるようにするものである。したがって、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、さらなる修正または改善を組み込むことができる。

Claims (15)

1. レーザダイオードから連続波（ＣＷ）光出力フィールドを生成するために、前記レーザダイオードに駆動電流を提供するのに適したレーザダイオード駆動システムであって、当該レーザダイオード駆動システムは、
   第１のケーブルによって前記レーザダイオードに接続され、駆動電流源を前記レーザダイオードに提供する第１のレーザダイオードドライバと、
   第２のケーブルによって前記レーザダイオードと電気的に並列に接続され、前記レーザダイオードへの駆動電流源のための、前記駆動電流源よりも低電流の電流シンクを提供する第２のレーザダイオードドライバと、
   前記レーザダイオードのＣＷ光出力フィールドの一部をサンプリングし、前記ＣＷ光出力フィールドのノイズを低減するために前記第２のレーザダイオードドライバに電気的フィードバック信号を提供するように構成されたフィードバック制御ループとを具える、レーザダイオード駆動システム。
2. 請求項１に記載のレーザーダイオード駆動システムにおいて、前記第１のケーブルの長さは数メートルであり、前記第２のケーブルの長さは、前記第１のケーブルの長さよりも短い、レーザダイオード駆動システム。
3. 請求項１または２に記載のレーザーダイオード駆動システムにおいて、前記第１のケーブルは、５ｍｍ^２より大きな断面積を有するケーブルを含む、レーザダイオード駆動システム。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザーダイオード駆動システムにおいて、前記第１のケーブルは、１０ｍｍ^２より大きな断面積を有するケーブルを含む、レーザダイオード駆動システム。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のレーザーダイオード駆動システムにおいて、前記フィードバック制御ループは、前記ＣＷ光出力フィールドの一部のサンプルを電気的エラー信号に変換するように構成されたフォトダイオードを具える、レーザダイオード駆動システム。
6. 請求項５に記載のレーザーダイオード駆動システムにおいて、前記フィードバック制御ループは、前記電気的エラー信号を前記電気的フィードバック信号に変換するために使用されるフィードバック信号発生器をさらに具える、レーザダイオード駆動システム。
7. 請求項６に記載のレーザーダイオード駆動システムにおいて、前記フィードバック制御ループは、前記フォトダイオードと前記フィードバック信号発生器との間に配置された増幅器をさらに具える、レーザダイオード駆動システム。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載のレーザーダイオード駆動システムにおいて、前記第２のレーザダイオードドライバは、前記第１のレーザダイオードドライバによって生成された駆動電流の０．１％～２０％の電流シンクを提供する、レーザダイオード駆動システム。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載のレーザーダイオード駆動システムにおいて、前記第２のレーザダイオードドライバは、前記第１のレーザダイオードドライバによって生成された駆動電流の０．１％～５％の電流シンクを提供する、レーザダイオード駆動システム。
10. レーザダイオードから連続波（ＣＷ）光出力フィールドを生成するために、駆動電流を前記レーザダイオードに提供する方法であって、
    第１のレーザダイオードドライバを第１のケーブルによって前記レーザダイオードに接続して、駆動電流源を前記レーザダイオードに提供するステップと、
    第２のレーザダイオードドライバを第２のケーブルによって前記レーザダイオードと電気的に並列に接続して、前記レーザダイオードへの駆動電流源のための、前記駆動電流源よりも低電流の電流シンクを提供するステップと、
    前記レーザダイオードのＣＷ光出力フィールドの一部から、前記ＣＷ光出力フィールドのノイズを低減するために前記第２のレーザダイオードドライバの電気的フィードバック信号を生成するステップと、を含む方法。
11. 請求項１０に記載の駆動電流をレーザダイオードに提供する方法において、前記電気的フィードバック信号を生成するステップは、フォトダイオードを使用して、前記ＣＷ光出力フィールドの一部のサンプルを電気的エラー信号に変換するステップを含む、方法。
12. 請求項１１に記載の駆動電流をレーザダイオードに提供する方法において、前記電気的フィードバック信号を生成するステップは、フィードバック信号発生器を用いて前記電気的エラー信号を前記電気的フィードバック信号に変換するステップをさらに含む、方法。
13. 請求項１２に記載の駆動電流をレーザダイオードに提供する方法において、前記電気的フィードバック信号を生成するステップは、前記電気的エラー信号を増幅するステップを含む、方法。
14. 請求項１０乃至１３のいずれかに記載の駆動電流をレーザダイオードに提供する方法において、前記第２のレーザダイオードドライバは、前記第１のレーザダイオードドライバによって生成される駆動電流の０．１％～２０％の電流シンクを提供するように構成される、方法。
15. 請求項１０乃至１４のいずれかに記載の駆動電流をレーザダイオードに提供する方法において、前記第２のレーザダイオードドライバは、前記第１のレーザダイオードドライバによって生成された駆動電流の０．１％～５％の電流シンクを提供するように構成される、方法。

Images