JPH0346288A

JPH0346288A - 安定化光源

Info

Publication number: JPH0346288A
Application number: JP18035389A
Authority: JP
Inventors: Hisao Sonobe; 久雄園部; Shigeru Obo; 茂於保; Junichi Makino; 牧野　淳一
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-07-14
Filing date: 1989-07-14
Publication date: 1991-02-27

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〕本発明は安定化光源の改良に係り、特に、光フアイバジ
ャイロに最適なレーザダイオードを用いた安定化光源に
関する。

〔従来の技術〕

従来のレーザの周波数安定化装置は、特開昭５８−５２
８９１号公報に記載のように１周波数を安定化するよう
になっていたが、光パワーの安定化については考慮され
ていなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は光パワーの安定化について考慮されてお
らず、光パワーが変動する問題があった。

本発明の目的は波長と光パワーの両方が安定した安定化
光源を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、レーザダイオードの駆動電流制御手段と、
レーザダイオードの温度制御手段と、光パワー制御手段
を設け、それぞれを独立させて動作させることによって
達成される。

〔作用〕

駆動電流制御手段によってレーザダイオードの発熱量を
一定にし、温度制御手段によってベースの温度を一定に
することにより、レーザダイオードの発光部、及び、そ
の周辺の温度を一定にして波長を安定化し、さらに、光
パワー制御手段、例えば、可変減衰器によって光パワー
を一定に保つことができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図によって説明する。ま
ず、レーザダイオードｌを出た光波を空間、あるいは、
光ファイバを介して可変減衰器３に入れ、さらに、この
可変減衰器３を出た光波を偏光子４を介して光カプラ５
に入れて二分割し、その片方を光出力Ｐｏｕｉとして出
力し、他の片方Ｐ’ｏｗｉは光電変換部６に加える。ま
た、電流制御器７の出力Ｉｒをレーザダイオードｌに加
え、さらにこの出力Ｉｌを変換部８で電圧Ｅ１に変換し
、電流制御器７に負帰還する。また、レーザダイオード
１のベースを冷却器２に熱的に接続し、冷却器２を温度
制御器９によって制御する。また、温度センサ１２の出
力を温度検出部１０によって電圧Ｅ２に変換し、温度制
御器９に負帰還している。

また、光パワー制御器１１を可変減衰器３に接続し、光
電変換部６の電圧Ｅ８を光パワー餠御器１１に負帰還し
ている。

ここで、電流制御器７と変換部８から成る部分がレーザ
ダイオード１の電流制御手段であり、冷却器２と温度制
御器９と温度検出部１０と温度センサ１２から成る部分
がレーザダイオード１のベースの温度制御手段であり、
可変減衰器３と偏光子４と光カプラ５と光電変換部６と
光パワー制御器１１から成る部分が光パワー制御手段で
ある。

さらに、個々の部品について詳細に説明する。

レーザダイオード１は干渉性のそれ程高くない一般のレ
ーザダイオード、または、超発光形のレーザダイオード
（スーパールミネッセントダイオード）などであり、冷
却器２は熱電素子、例えば、ペルチェ素子である。可変
減衰器３は、例えば、光ファイバの７マイクロベンド効
果を用いたものや電子シャッタ、他に結合損失を可変と
するようなものであり、減衰量を電気信号によって変え
られるものである。

ここで、可変減衰器３の一例として、マイクロベント効
果を応用したものについて説明する。第２図にマイクロ
ベント形の可変減衰器３の説明図を示す０図において、
光ファイバ２０を凹凸板２１と凹凸板２２によってはさ
み、電歪素子２３によって凹凸板２２を加圧して光ファ
イバ２０を微小な半径で曲げ、光ファイバ２０を伝播す
る光波に対してマイクロベント効果により故意に損失を
与えている。その損失量、すなわち、減衰量は電歪素子
２３の電極２４と電極２５の間に印加する電圧にほぼ比
例する。なお、支持具２６は各部品を支持し、力のルー
プを形成し電歪素子２３は正または負の直流電圧を印加
することによって、図中の矢印の方向に伸縮する。偏光
子４は光フアイバ形の偏光子、または、一般の偏光子、
光カプラ５は光出力Ｐｏｕｉ　ををモニタするための光
分岐器であり、その場合、光電変換部６に入射する光量
Ｐ　’ｏｕｔを少なくした方が光出力Ｐｏｕｔが増すた
め、効果的である。しかし１本実施例の安定化光源を光
フアイバジャイロ、特に、位相変調式光フアイバジャイ
ロの光源として利用するとき、この光カプラ５は光フア
イバジャイロの光カプラと共用することができ、その場
合、光カプラ５の分岐比は一対一であることが好ましい
、光電変換部６はホトダイオードと電流電圧変換器から
成るもの、電流制御器７は主として電圧比較器と電力増
幅器から成り、基準値Ｅｃに見合ってレーザダイオード
ｌに一定の電流、あるいは、一定の電力を加えるもの、
変換部８はレーザダイオードｌの駆動電流を電圧に変換
するもの、あるいは、レーザダイオードの順方向電圧と
駆動電流の積に比例した電圧、すなわち、レーザダイオ
ード１の駆動電力に比例した電圧を出すもの、温度制御
器９は電流制御器７と同様に電圧比較器と電力増幅器か
ら成り。

基準値Ｅｔに見合って冷却器２に最適な大きさの電流を
流し、レーザダイオード１のベースの温度を一定に制御
するもの、温度検出部１０は温度センサ１２の出力を処
理して、温度検出端の温度に比例した電圧を得るもの、
温度センサ１２は一般のサーミスタ、または、熱電対の
ようなもの、光パワー制御器１１は電流制御器７、及び
、温度制御器９と同様に電圧比較器と電力増幅器（可変
減衰器が電子シャッタのような場合には高電圧出力形の
増幅器）から成り、基準値Ｅｐに見合って光出力Ｐｏｕ
ｔの光パワーを一定に保つものである。

以上の構成において、まず、駆動電流制御手段では、レ
ーザダイオード１の駆動電流、あるいは。

駆動電力に関する電圧Ｅ１と基準値Ｅｃを電流制御器７
で比較し、その偏差を増幅してレーザダイオードｌに一
定の駆動電流、あるいは、一定の駆動電力を加・えてい
る。その結果、レーザダイオード１の発熱量は一定にな
る。また、温度制御手段では、レーザダイオードｌのベ
ースの温度に関する電圧Ｅ２と基準値Ｅｔを温度制御器
９で比較し、その偏差を増幅して冷却器２に電流を流し
、電流の向きと大きさによって最適な冷却作用、または
、加熱作用をさせ、最終的に、レーザダイオード１のベ
ースの温度が一定になる。ここで、レーザダイオードの
発光部からベースまでの熱抵抗は変化が少なく、はぼ、
一定である。なお、温度差は熱抵抗に発熱量を乗じた値
になる。従って、レーザダイオード１のベースの温度と
発熱量をそれぞれ一定にすることによって発光部の温度
が一定になり、また、レーザダイオード１の電流１１も
一定であるため、レーザダイオード１の出射光の波長が
安定する。また、レーザダイオード１と光ファイバとの
結合器をレーザダイオード１のベースに近接させること
により、結合器内の集光レンズや光ファイバの端面など
によって形成される外部共振器の共振状態が温度変化に
よって変動し、光出力Ｐｏｕｔの波長特性が変動するこ
とがなくなる。

ただし、外部共振器の共振状態、及び、レーザダイオー
ドエの発振状態は温度変化に対して階段状に変化する性
質があるため、段差部より極力離れた温度になるように
基準値Ｅｃと基準値Ｅ、を定めることが好ましい。

ここまでの構成によると、光出力のＰｏｕｔの波長特性
は安定するが、光パワーはレーザダイオード１の発光効
率や偏光状態の変動、戻り光による発振状態の変動、及
びレーザダイオード１と光ファイバの結合効率の変化な
どによって大幅に変動する。

光パワー制御手段は、光出力Ｐ’Ｏｕｔの光パワーに比
例した電圧Ｅ８と基準値Ｅｐを光パワー制御器１１で比
較し、その偏差を増幅して可変減衰器３に加えて減衰量
を調節し、最終的に、光出力Ｐｏｕｔの光パワーを一定
にしている。

このように、本実施例によると、光出力Ｐ。ｕｔの波長
と光パワーの両方を安定にする効果がある。

また、光フアイバジャイロの光カプラとこの安定化光源
の部品を共用することができ、構成部品を省略できる効
果がある。また、ファブリペロ−干渉計などの波長選択
性の強い共振、器を使用していないため、多モータ発振
の状態を維持し、かつ、そのすべてのモードを安定にす
ることができ、光ファイバジャ口に最適な多モード発振
、すなわち、可干渉距離が極端に短い可干渉性光源を実
現できる。また、主要部品を半導体と光ファイバで作る
ことができるため、小形軽量にできる効果がある。

一方、他の実施例として、第１図に示した実施例の温度
センサー１２を第３図に示すように、レーザダイオード
エの順方向電圧を検出する回路に置き換え、その順方向
電圧の温度依存性を逆に利用してもよい。その場合、温
度センサ１２を省略できるのみならず、温度の検出端が
レーザダイオードｌの発光部になるので、発光部の温度
がさらに安定し、光出力の波長がより安定する。ただし
。

この実施例では、レーザダイオード１の駆動電流を一定
に保った方が、制御上の問題が少ない、第３図において
、抵抗３１．３２とオペアンプ３３とからなる部分は、
レーザダイオード１の駆動電流Ｉ工が所定の値で、かつ
、所定の温度例えば常温２５℃のときのレーザダイオー
ド１の順方向電圧Ｅ４を消去し、電圧増幅するものであ
る。Ｅｓは差し引き電圧であり、Ｅ　ｓ　”　−Ｅ−で
ある。

また、第１図に示した実施例では、光カプラ５を光ファ
イバを用いたエバネセント効果による光カプラにしてい
るが、これを、例えば、半透鏡を用いたビームスプリッ
タにしてもよく、それによって実施例の効果が変ること
はない。

また、第１図に示した実施例では、偏光子４を設けてい
るが、レーザダイオード１が無偏光の光出力を出す超発
光形のレーザダイオードの場合などには、偏光子４を省
略してもよい。

以上の実施例において、レーザダイオード１の干渉性は
それ程高くないことが一つの条件であったが、レーザダ
イオード１の干渉性が高い場合には第４図に示すように
変調器４０を設け、レーザダイオード１の駆動電流■１
を高周波で断続し、レーザ発振を多モード化して干渉性
を低くすることにより、部品の接続部からの反射光や負
荷側からの戻り光によってレーザダイオード１の発振が
不安定になることを防止することができるため。

一般の機器、例えば、コンパクトディスクプレイヤなど
の光源にこの方法が採用されている。しかし、我々の実
験によると、このような安定化光源を戻り光に連続的な
交流成分が含まれる負荷、例えば、光波を交流の変調信
号によって変調する位相変調式光フアイバジャイロや位
相変調式マツハツエンダ干渉計に使用した場合、安定化
光源と負荷とによって共振器が形成され、特定の温度（
数置間隔で多数存在する）において、変調信号の周波数
の整流倍の周波数の共振現象が生じ、安定化光源の光出
力Ｐｏｕ’ｔの光パワーに約数％の交流成分が発生する
。この交流成分は、例えば、位相変調式光フアイバジャ
イロの本来の出力信号を振幅変調するように作用し、出
力誤差を生じる原因になる。この不具合は第１図に示し
た可変減衰器３と光パワー制御器１１と光電変換部６を
高速応答性のものにすることにより、安定化光源の光出
力Ｐｏｕｔの光パワーは高周波に関しても基準値Ｅｐに
忠実に追従させることができ、その結果、光出力Ｐｏｕ
ｔの光パワーの交流成分を小さくすることができる。こ
こで、高速応答性の程度について説明する。まず１位相
変調式光ファイバジャイロの位相変調周波数は約２０〜
２００　ｋ　Ｈｚ程度であり、この周波数の約十倍程度
まで特性が安定していることが必要である。ただし、こ
のような高速な制御系は発振し易いため、制御ループの
一部に発振防止のための位相調節回路を付ける必要があ
る。この実施例によると、高価で、かつ、寿命の短い超
発光形のレーザダイオードを使用する必要がないため、
信頼性が高く安価な安定化光源を実現できる。

また、第４図に示すように、電流制御器７′と変換部８
と光電変換部６の部分を高速応答性のものにして、バイ
パスフィルタ４１と位相調節器４２を介して光出力Ｐ’
ｏｕｉの光パワーの交流成分ＥＡＣを負帰還してもよく
、前述の実施例と同様に戻り光によって生じる交流成分
を小さくすることができる。

ここで、バイパスフィルタ４１と位相調節器４２は、例
えば、単なるコンデンサと抵抗の組合せ回路である。な
お、レーザダイオード１の酩動電流工１を一定に保ち、
かつ、光出力Ｐ’ｏｕｔの直流成分をバイパスフィルタ
４１によって除去して負帰還している理由は、直流成分
が帰還されることによって光パワーを一定にする作用が
生じ、レーザダイオード１の駆動電流Ｉｚが温度変化な
どに伴って緩慢に変り、それに沿って波長が変動する現
象を防ぐためである。

また、この安定化光源を光フアイバジャイロに使用する
場合、光フアイバジャイロに内蔵しているコンピュータ
によって各種の補正が容易にできるため、レーザダイオ
ードｌのベースの温度を監視して温度変化による波長変
動を補正することにより温度制御器９を省略することが
でき、また、温度変化による緩慢な光パワーに変動があ
ってもこの変動の補正は容易にできるため、可変減衰器
３、光パワー制御器１１、偏光子４を省略することがで
きる。この実施例によると、最も簡単な構成であるにも
かかわらず、光フアイバジャイロ、特に、位相変調式光
フアイバジャイロ用の性能を満足する安定化光源を実現
できる。

また、第４図において、電流制御器７′と光電変換部６
の部分を高速応答性のものにし、変換部８とバイパスフ
ィルタ４１を省略し、光出力の光パワーの直流成分と交
流成分を位相調節器４２を介して電流制御ＷＩ７’　に
負帰還してもよく、その場合、前述のように光出力の波
長は多少変化し易くなるが、戻り光の影響で光出力ｐｏ
ｕｔに交流成分が発生する現象を防ぐことができる。

以上の実施例において、光出力Ｐｏｕｔのモニタ光Ｐ′
。。、は光カプラ５を使用して取り出しているが、本発
明はこれに限らず、レーザダイオード１のモニタ光を光
電変換部６に入れてもよく、また、レーザダイオードｌ
にモニタ用のホトダイオードが付いている場合、それを
利用してもよく、その場合、光カプラ５を省略すること
でき、構成が簡単になる効果がある。

また、第４図に示した実施例の温度センサ１２と温度検
出部１０の部分を第３図に示した回路にしてもよく、そ
の場合、より正確にレーザダイオード１の発光部の温度
を監視できるため、波長変動の補正を精密にすることが
できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、光出力の波長と光パワーの両方が安定
した安定化光源を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
可変減衰器の説明図、第３図は温度検出回路図、第４図
は光フアイバジャイロに適用した実施例のブロック図で
ある。ｌ・・・レーザダイオード、２・・・冷却器、３・・・
可変減衰器、７・・・電流制御器、９・・・温度制御器
、１１・・・光パワー制御器、２０・・・光ファイバ、
２１．２２・・・凹凸板、２３・・・電歪素子、４１・
・・バイパスフイ聰第図第２図Ａ

Claims

【特許請求の範囲】１、レーザダイオードと、前記レーザダイオードの電流
制御手段と、前記レーザダイオードの温度制御手段と、
光パワー制御手段とを含み、光出力の波長と光パワーを
それぞれ一定に保つことを特徴とする安定化光源。２、請求項１において、前記光パワー制御手段は、可変
形の減衰器で構成したことを特徴とする安定化光源。３、請求項１において、前記電流制御手段は、前記レーザダイオードの駆動電力
を一定に保つことを特徴とする安定化光源。４、請求項１において、前記電流制御手段は、前記レーザダイオードの駆動電流
を一定に保つことを特徴とする安定化光源。５、請求項１において、前記温度制御手段の温度検出方
法は、前記レーザダイオードの順方向電圧の温度依存性
を利用したことを特徴とする安定化光源。６、請求項１において、前記光パワー制御手段は、高速
応答性であることを特徴とする安定化光源。７、レーザダイオードと、前記レーザダイオードの高速
応答性の電流制御手段と、高速応答性の光パワー検出手
段とを備え、光パワーの交流成分を前記電流制御手段に
負帰還することを特徴とする安定化光源。８、レーザダイオードと、前記レーザダイオードの高速
応答性の電流制御手段と、高速応答性の光パワー検出手
段とを備え、光パワーの直流成分と交流成分を位相調節
器を介し、前記高速応答性の電流制御手段に負帰還する
ことを特徴とする安定化光源。