JPH01205486A - 半導体レ−ザの波長安定化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、半導体レーザの波長を安定Ｃヒする装置に
関するもので、詳細には時間的に変動する波長に対して
特性の異なる２組の干渉計を組合わせ、時間経過により
切り替えていずれか適応する一方を使用するものである
。

［従来の技術］ 最近急速に進歩している半導体レーザは、従来のガスレ
ーザ管などに比して小型で消費電力が少なく通信、計測
など各方面に広く利用されている。

しかしながら、半導体レーザは温度、注入電流により発
振波長が変動する欠点があり、このままでは波長の変動
が許されない計測、例えは干渉計またはこれを用いた測
長器には使用できない。このような波長変動を排除して
安定化を計るには、変動を検出し、その出力を温度およ
び注入電流の制御にフィードバックすることが必要であ
る。

フィードバックの方法には従来から種々の試みがなされ
ており、第３図は一殻に行われている方法の基本構成図
である。図において、半導体レーザ］より投射されるレ
ーザビームは集光レンズ２により適当に集束されてハー
フミラ３により分割され、直進するビームは干渉計５に
おいて干渉縞が形成される。この干渉縞の一点の光を受
光器６−２で受光して電圧■２が出力される。一方、ハ
ーフミラ−３による反射ビームはミラー４を経て受光器
６−１に入力し、電圧Ｖ１が出力される。各電圧は除算
器７において電圧比Ｖ　２　／　Ｖ　１が算出され、さ
らに＝１ンバレータ８により一定の参照電圧ｖｏを閾値
としてこれを越える部分が干渉縞信号として演算部９に
入力する。演算部９においては、波長変動により生ずる
干渉縞の移動による干渉縞信号の変ｆヒを検出し、Ｔ・
め知られた半導体レーザの波長対注入電流特性にもとす
いて注入電流の制御数値を演算して注入電流源１０に与
え、半導体レーザの波長か一定に保持される。なお、図
示しないが温度制御に対しても同様に行われる。また以
上において電圧比をとった理由は、半導体レーザの光出
力レベルか変動するので、干渉縞信号の強度を光出力レ
ベルの変動に無関係とするもので、また閾値■。てオフ
セントするのは干渉縞信号に含まれる直流分を除いて測
定精度を向上するためである。

第３図における干渉計５としては、従来専らファブリ・
ペロー干渉計が使用されている。ファブリ・ペロー干渉
計は公知の広く使用されているものであるが、この発明
の理解を助けるため一応説明する。第４図はファブリ、
ペロー干渉計の原理と動作の説明図で、図（ａ）におい
て、面光源５ａの一点Ｐ１よりのレーザビームは２枚の
半透明ミラー５ｂ−１，５ｂ−２よりなるエタロン５ｂ
において、透過、反射を繰り返して多数の光線となり、
これらは集光レンズ５Ｃにより集束されて投影面５ｄに
焦点Ｐ２を結ぶ。この場合、集束された各光線は互いに
干渉し合い、エタロンに対する入射角θ、ミラーの間隔
ｄおよび波長λにより決まる干渉縞を作り、入射角θを
同一とする面光源コの各点のレーザビームが投影面に焦
点を結んで干渉縞リングを形成する。いま、波長が変動
すると干渉縞リングの間隔、位置が変化し、従って点Ｐ
２における光強度が変ずヒするので、適当な位置に受光
器６を設けて干渉縞信号を取り出すものである。

第４図（ｂ）は波長λまたは周波数ｆに対する上配子渉
縞リングの強度■を、波長λまたは周波数ｆを横軸とし
た曲線を示すもので、波長間隔へλ（または周波数間隔
Δｆ）としてピークが並び、いわゆるスペクトル線をな
している。ここで、ピーク波形の特性を表す指標として
、半値全幅εと波長間隔Δ＾（または周波数間隔Δｆ）
がある。

半値全幅εはエタロンミラーの反射率Ｒにより決まるも
ので次式により表される。

ε−２（１−Ｒ）／ｒπ、−−−−・・（１）図（ｂ）
において、実線の曲線はＲが約０．６の場合で、点線は
０．０５の場合を示す。後者は波形の立ち上がりが鈍く
て隣接ピークが分離し難いので、精密な測定のためにＲ
を大きくとって鋭いピークとするのが通常である。

次に、波長間隔Δλおよび周波数間隔Δｆはエタロンミ
ラーの間隔ｄにより決まるもので、それぞれ次式により
表される。

Δλ＝λ”／　２　ｎ　ｄ　　　　　　　　　−−・−
（２）Δｆ　＝　ｃ　／　２　ｎ　ｄ　、　　　　　　
　　−−１３）ここで、ｎはミラー間の媒体の屈折率、
Ｃは光速度である。

いま、光源の発振波長が変動するとピーク列が右または
左に移動して受光器の出力電圧は波形に従って変化する
。図（Ｃ）に示すように波長がδλ変動して曲線の波形
が時間とともに実線から点線に移動するときは、点ｐに
対する強度■、から点ｑに対する強度丁２への電圧変化
が検出され、これが制御用に使用されるのである。この
場合もし波長変動の変動量が大きいときは、多数のピー
ク列が順次受光器に入力するので、−Ｊ二連した電圧変
化の検出が不都合となる。これに対しては、波長間隔Δ
λが十分大きい干渉計を使用することが必要であり、ま
たこのような場合は半値幅εがむしろ大きい方がレベル
変化が検出し易いとも考えられる。これに対して、波長
変動が狭い範囲で緩慢な場合は、Δλ、εがともに小さ
い干渉計による方が変動を精密に捕捉できることとなる
。

しかしながら、ファブリ　ペロー干渉計は元来、スペク
トルの微細構造を精密に調べる場合には極めて効果的な
もので、εの値をかなり狭く固定して分解能を良好とし
、またΔλを変えるには機械的な方法により間隔ｄを調
整するものである。これに対して生産現場で使用する測
長器などに用いられる半導体レーザにおいては、波長の
変動幅がかなり大きい上、変動速度が絶えず変ｆヒする
ことを前提とするので上記のような間隔ｄの調整は困難
である。そこで、特性の異なるファブリ　ペロー干渉計
を２ないし３組組合わせて使用することが考えられる。

さて、ファブリ　ベロー干渉計のエタロンミラーに代わ
ってオプチカルファイバを使用した干渉計が、この発明
の発明者により提案され、特願「半導体レーザの波長変
動モニタＪとしてこの発明と同時出願されている。以下
概要を説明する。

第５図（ａ）は該特願による波長変動モニタの構成国で
、半導体レーザ１よりのレーザビームは集光レンズ１で
集光されてハーフミラ−１１ａに入射して２分割され、
一方はオプチカルファイバ１２ａを、また他方はオプチ
カルファイバ＋２ｂを通り、両者はハーフミラ−１１ｂ
により合成される。オブヂカルファイノ箇１ａとＩｌｂ
の光路長１−　ａおよびＬｂには一定の光路差ΔＬをな
しておき、合成されたビームは互いに干渉する。この干
渉波を適当な集光レンズ２“により受光器７に受光して
干渉縞信号を作り、波長の変動を監視するものである。

ただしこの場合の干渉縞の曲線はファブリ　ベロー干渉
計と異なるもので、これを説明する。

上記提案のオプチカルファイバ形式における干渉縞の強
度丁は、次式により余弦変化する。

Ｉ＝Ａ　　−ト　Ｂ　　＋　　２　　（−）Ｖ−丁ｒ　
ｃ　ｏ　ｓ　（Φ　ｏ−２π　Δ　Ｌ　Δ　Φ　〉−・
−・−・（４） Δ　Φ　＝　Δ　λ／λ　。　　　　　　　　　　　　
　　・・−−１５）ここで、Ａ、Ｂは２つのビームの強
度、＾。は基準波長、Φ。は基準波長λ０における両者
の位相角である。この場合、２本のオプチカルファイバ
の出力レベルはほぼ同一とすることができるから（２）
式は次式となる。

Ｉ＝２［］→−ｃｏｓ　（ΦＯ−２πΔＬΔΦ）　］、
−（６）ただし、Ａ、　＝　Ｂ−］としこの曲線を第５
図（ｂ）に示す。

ファブリ・ペローの場合は、前述したように繰り返し反
射による多数の光線が集束されているので、反射、率Ｒ
を大きくとると干渉縞の半値全幅εが狭くでき、波形は
鋭いピークとなる。これに対して、オプチカルファイバ
の場合は、単に２波の干渉であるので余弦波となるわけ
である。この場合の変化は式（４）または〈６）により
、２πΔＬΔΦ＝２πｍ、（ｍ・整数）・・・・・−げ
）により周期変化するもので、周期ずなわち波長間隔Δ
λまたは周波数間隔Δｆは、ｍを１として△ＬΔΦ−１
より求められる。式（７）により、波長の間隔Δλと光
路差ΔＩ−は周期に対して反比例の関係にあり、波長間
隔へλを大きくするには、光路差△Ｌを小さくし、また
この反対を行うことにより、任意の波長間隔とすること
ができるものである。そこで上記の特願においては、異
なる光路差を有する２組または３組段」二のオプチカル
ファイバを使用して複数の干渉計のセットを組合わせた
ものを提案している。このような方式は、用途を生産現
場の測長器などに使用する半導体レーザ対しては、−に
記のオプチカルファイバ方式の余弦波曲線の干渉縞でも
十分波長変動が監視、測定が可能であるとされている。

［発明の目的］ この発明は以上の事情に鑑み、半導体レーザに対して２
組の干渉計によりそれぞれの干渉縞信号を検出し、波長
の変動幅に応じて随時に一方の干渉縞信号から他方に移
行し、いずれかにより効果的に波長変動による信号の変
化を捕捉して、精度の高い注入電流および温度制御を行
い、これにより発振波長の安定化を計る装置を提供する
ことを目的とするものである。

［問題点を解決するための手段］ この発明は、半導体レーザよりのレーザビームを干渉計
に入力して干渉縞を発生させ、干渉縞の強度変化を帰還
して半導体レーザの発振波長の安定化を行う装置であっ
て、レーザビームを第１、第２および第３のハーフミラ
−で逐次分割して第１、第２および第３の３木のビーム
とし、第１のビームを受光した第１の受光器の出力電圧
を基準電圧■１とする。第２および第３のビームをそれ
ぞれ、異なる干渉縞の波長間隔△ｆ、およびΔｆ２を有
する第１および第２の干渉計に人力して、それぞれによ
り検出された干渉縞ビームを受光した第２および第３の
受光器の出力電圧をＩ２およびＩ３とし、これらを第］
および第２の除算器において基準電圧■１で除算した電
圧比Ｖ２／ＶｌおよびＶ　３　／　Ｖ　１を演算部に与
える。これを演算部において監視し、時間の経過による
発振波長の変動幅に応じて一方の電圧比から他方の電圧
比に移行し、発振波長を一定値に保持するための半導体
レーザの注入電流および温度に対する制御電流の制御数
値を演算して出力し、この制御数値により注入電流源よ
り半導体レーザに注入電流を供給し、また温度制御電流
源より温度調整器に温度制御電流を供給するものである
。

上記に対する］実施態様として、第１および第２の干渉
計として、ファブリ−ぺＩ７−型干渉計を使用する。ま
た他の実施態様として、レーザビームを２分割し、それ
ぞれのビームを光路長が互いに異なる２本のオプチカル
ファイバを通して再合成し、合成により生ずる干渉縞を
検出するオプチカルファイバ形式の干渉計を上記の第１
および第２の干渉計として使用するものである。

「作用］ 以上の構成による半導体レーザの安定化装置においては
、ファブリ・ペロー型またはオプチカルファイバ形式の
２組の干渉計により、半導体レーザの波長の時間変動に
対して、変動幅が未知または大きい場合には波長間隔の
大きい方の干渉縞信号により波長の制御信号を作り、変
動幅が小さい場合には波長間隔の小さい方の干渉縞信号
により制御信号を作るものである。これを測長器に組み
込まれた半導体レーザについて適用する場合は、時間的
に波長変動幅が変化するときは、演算部による干渉縞信
号の監視により変動状態に適当する特性を持つ方の干渉
縞信号に随時に移行するもので、従来のように羊にＬＭ
の干渉計による安定ｆＬ装置に比較してより精度の高い
制御信号が得られて良好な波長の安定化が期待されるも
のである。

［実施例］ 第１図（ａ）′はこの発明による半導体レーザの波長安
定化装置の実施例における構成図を示すもので、半導体
レーザ１より投射されるレーザビームはハーフミラ−１
３により分割されて、一方の反射ビームＭはこのレーザ
ビームを使用する測長器などに供給される。他方の直進
ビームは第１のハーフミラ−Ｉ４により分割されて、直
進ビームは第１の受光器６−１に受光され、基準電圧■
１がえられる。第］のハーフミラ−の反射ビームは第２
のハーフミラ−１５−１および第３のハーフミラ−１５
−２により逐次に分割されて、それぞれの反射ビームは
、第１の干渉計５刊および第２の干渉計５−２に入力し
てそれぞれの干渉波が出力され、ついで各干渉波は第２
および第３の受光器６−２および６−３に受光されて、
干渉縞信号電圧ｖ２およびＩ３が出力される。次に、除
算器７−１．７−２により電圧比Ｖ２　／Ｖｌ　、Ｉ３
　／Ｖｌが算出され、それぞれがコンパレータ８−１．
８−２において　値Ｖ。、　Ｖ　Ｏ′により不必要な直
流分が除かれて演算部９に取り込まれる。

以−」二までの構成は基本的には、第３図で説明した従
来の波長安定化装置と同様なもので、ただし干渉計５−
１と５−２にはすでに詳述したファプリーペロー型また
はオプチカルファイバ形式の２個を使用する。各干渉計
は異なる特性、特に波長間隔（ファプリーペロー干渉計
の場合は、自由スペク１ヘル領域という）が異なる八λ
、およびΔλ２を存するものとし、これらに対して必要
なハーフミラ−５受光器、除算器およびコンパレータが
それぞれ配設されている。

演算部９においては、上記の電圧比のデータより波長変
動の状態を検出して、測定に適当する一方のデータを採
るもので、これを第１図（ｂ）により説明する。区は前
記したオプチカルファイバ形式の干渉計による正弦波曲
線の干渉縞信号を示す。

いま曲線（イ）において、波長が図示の実線より点線に
δλ１だけ変化したとすると、δλ１が間隔へλ１の２
分の１　（Ｓ］）より小さい場合は、電圧の変化は一義
的に読み取ることができる。しかし、鎖線のように変動
幅が８１より大きいときは、波形の隣接部分に亘るので
正しい値を知ることができない。その場合はより長い波
長間隔の干渉計によることが必要である。また、波長変
化が８１より非常に小さいδλ２のときは、曲線（旧に
示す小さい波長間隔Δλ２の区間Ｓ２において電圧変化
を検出することにより、精度がより高い測定がなされる
。この発明はこの考え方を基礎とするもので、波長変動
の状態により２つの干渉計を使い分け、波長変動が時間
的に変化する半導体レーザに対して、適当する方に随時
移行して総合的に高精度の波長の安定化を計るものであ
る。

以上の考え方により演算Ｍ９においては、２個の干渉計
の出力電圧比を選択して移行する。選択の方法としては
、電圧比の時間変化、周期性などを検出して行うことが
できる。選択された電圧比により、予めの測定によりえ
られた波長変化に対する電圧比の変化、注入電流および
温度制御電流の関係データにもとすいて制御数値を算出
し、これを注入電流源１０および温度制御電流源１６に
与える。これにより注入電流源１０より半導体レーザ１
に適切な電流が注入され、また温度制御電流源１６より
温度調整器１７に温度制御電流が供給されて、半導体レ
ーザの温度が制御されて半導体の発振波長が一定値に保
持され安定化される。なお、温度調整器１７は温度制御
効率の良好なベルチェ素子１７ａを、熱伝率の良いヒー
トシンク１７ｂを介して半導体レーザ１に接触さぜなも
のである。

第２図は、第１図（ａ）の第１の干渉計５−１および第
２の干渉計５−２として前記のオプチカルファイバ形式
のものを使用した場合の構成図で、レーザビームはハー
フミラ−１４，ｌｌ−１，１１−２１および１１−３に
より分割され、第５図（ａ）に倣ってそれぞれオプチカ
ルファイバ＋　２−］　、　＋　２−２およびＩ　２−
３　、　］　２−４を通してそれぞれハーフミラ−１１
−４および１１−５により合成されて干渉ビームが出力
される。ここで、各オプチカルファイバの光路差、Ｌａ
−Ｌｂ−ΔＬ　ｌとＬｃ−Ｌｄ−ΔＬ２は異なるものと
し、また受光器７以下は第１図（ａ）で説明した通りで
ある。

＝１７− ［発明の効果］ 以上の説明により明らかなように、この発明による半導
体レーザの波長安定化装置においては、干渉縞の波長間
隔の異なる２組の干渉計を組み合わせ、波長変動範囲の
広、狭に従って適当する方の干渉波曲線を随時選択して
移行することにより、変動量の検出を高精度として半導
体の注入電流および温度を制御するもので、従来１組の
干渉計による場合に必要とされた干渉計の波長間隔調整
が不必要となる。また、実施例においては構造が簡易で
取り扱いの容易なオプチカルファイバ形式の干渉計が導
入されており、これらにより生産現場で使用される測長
器などに対する半導体レーザの波長安定化に寄与する効
果には大きいものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および＜ｂ）は、この発明による半導体レ
ーザの波長安定化装置の実施例のブロック構成図および
動作説明図、第２図は第１図（ａ）の干渉計としてオプ
チカルファイバ形式を使用した場合の実施例の構成図、
第３図は干渉計による従来の半導体レーザの波長安定化
装置の構成図、第４図（ａ）、（ｂ）、および（Ｃ）は
ファプリーペロー干渉計の原理と干渉縞の特性を説明す
る曲線図、第５図（ａ）および（ｂ）は特許［半導体レ
ーザの波長変動モニタ」の基本構成図である。 ］−半導体レーザ素子、２．２”・・・集光レンズ、３
．４．　、　ＩＩ、＋３．＋４．１５−・−ハーフミラ
−５５−干渉計、５ａ・−面光源、５ｂ・・・エタＶ７
ン、５ｃ−集光レンズ、５ｄ−投影面、６−受光器、７
・・・除算器、８−　コンパレータ、９−演算部、１０
・・・注入電流源、　　Ｉ２−・・オプチカルファイバ
、１６・・−温度制御電流源、　１７−・・温度調整器
、１７ａ　−−−ペルチェ素子、　＋７ｂ・−ピー１〜
シンク。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）、半導体レーザ素子（以下単に半導体レーザとい
   う）よりのレーザビームを干渉計に入力して干渉縞を発
   生させ、該干渉縞の強度変化を帰還して半導体レーザの
   発振波長の安定化を行う装置において、上記レーザビー
   ムを第１、第２および第３のハーフミラーで逐次分割し
   て第１、第２および第３の３本のビームとし、第１のビ
   ームを受光した第１の受光器の出力電圧を基準電圧ｖ＿
   １とし、第２および第３のビームをそれぞれ、異なる干
   渉縞の波長間隔Δλ＿１、Δλ＿２を有する第１および
   第２の干渉計に入力して、それぞれにより検出された干
   渉縞ビームを受光した第２および第３の受光器の出力電
   圧ｖ＿２およびｖ＿３を、第１および第２の除算器にお
   いて上記基準電圧ｖ＿１により除算してえられる電圧比
   ｖ＿２／ｖ＿１およびｖ＿３／ｖ＿１を演算部において
   監視し、時間の経過による発振波長の変動範囲に応じて
   一方の該電圧比から他方の電圧比に移行し、該発振波長
   を一定値に保持するための半導体レーザの注入電流およ
   び温度に対する制御電流の制御数値を演算して出力し、
   該制御数値により注入電流源より上記半導体レーザに注
   入電流を供給し、また温度制御電流源より温度調整器に
   温度制御電流を供給することを特徴とする、半導体レー
   ザの波長安定化装置。
2. （２）、ファブリ・ペロー型干渉計を上記第１および第
   ２の干渉計とする、特許請求の範囲第１項記載の半導体
   レーザの波長安定化装置。
3. （３）、レーザビームを２分割し、それぞれのビームを
   光路長が互いに異なる２本のオプチカルファイバを通し
   て再合成し、該合成により生ずる干渉縞を検出するオプ
   チカルファイバ形式の干渉計を上記第１および第２の干
   渉計とする、特許請求の範囲第１項記載の半導体レーザ
   の波長安定化装置。