JPH09283829A - 周波数安定化半導体レーザ光源 - Google Patents

周波数安定化半導体レーザ光源

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JPH09283829A
JPH09283829A JP9224196A JP9224196A JPH09283829A JP H09283829 A JPH09283829 A JP H09283829A JP 9224196 A JP9224196 A JP 9224196A JP 9224196 A JP9224196 A JP 9224196A JP H09283829 A JPH09283829 A JP H09283829A
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JP
Japan
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temperature
semiconductor laser
frequency
output
signal
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Application number
JP9224196A
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English (en)
Inventor
Yasuyuki Suzuki
泰幸 鈴木
Mamoru Arihara
守 在原
Yoshihiro Sanpei
義広 三瓶
Yoshihiko Tachikawa
義彦 立川
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】動作温度範囲が広く、しかも長期にわたって周
波数を安定に制御できる周波数安定化半導体レーザ光源
を実現する。 【解決手段】特定の周波数で吸収線を持つ吸収セルを透
過した半導体レーザの光信号を半導体レーザを電流変調
する変調周波数で同期検波することにより半導体レーザ
の発振周波数と吸収セルの周波数との周波数差を得て、
この周波数差が零になるように半導体レーザの駆動電流
を制御する駆動電流制御部と、半導体レーザの温度を制
御する温度制御部より構成され、周波数を安定化する周
波数安定化半導体レーザ光源において、温度制御部を、
予め設定した温度制御点の信号と、半導体レーザの温度
を検出する温度センサからの出力と、周波数差の信号に
基づいて、半導体レーザの温度を制御する信号を出力す
るように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、周波数安定化半導
体レーザ光源に関し、特に半導体レーザの温度制御にお
いて動作温度範囲を拡張するための改善に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】従来の周波数安定化半導体レーザ光源の
一例を図5に示す。図5において、1は半導体レーザ、
2は半導体レーザ1の出力光を2つに分けるビームスプ
リッタ、3は例えばC22分子等の標準物質を封入した
吸収セル、4は吸収セル3を通過した光を検出する受光
素子、5は半導体レーザ1の電流変調信号を発生する発
振器、6は同期検波回路、7は半導体レーザ1の発振周
波数を制御する電流制御回路、8は半導体レーザ1の温
度を検出する温度センサ、9は温度センサ8の出力を参
照して半導体レーザ1の温度を制御する温度制御回路で
ある。10は恒温槽であり、ここには半導体レーザ1と
温度センサ8とが収納される。
【0003】このような構成において、半導体レーザ1
の出力光はビームスプリッタ2で2分され、入射光の一
部は出力光として出力され、入射光の残りは反射されて
吸収セル3に入射する。吸収セル3を透過すると、吸収
セル内に封入されている標準物質(例えばC22分子)
により特定周波数に吸収が生じる。この透過光は受光素
子4により検出され電気信号に変換される。
【0004】同期検波回路6は、電流変調周波数である
発振器5の出力信号に基づき前記受光素子4の出力信号
を同期検波することにより微分波形が得られる。更に詳
述すれば、図6の(A)に示すような吸収特性を持つ吸
収セル3を透過した光信号(受光素子4の出力信号)を
同期検波回路6で同期検波すると同図(B)に示すよう
な微分波形の信号が出力される。
【0005】この信号(電圧信号)は、半導体レーザ1
の発振周波数が吸収線周波数の中心と一致しているとき
は零となり、半導体レーザ1の発振周波数が吸収線周波
数の中心から外れるとその高低に応じて正負の電圧出力
となる。要するにこの同期検波回路6を含む回路部分で
周波数弁別を行っている。
【0006】前記微分波形の変曲点に半導体レーザ1の
発振周波数を制御すれば、発振周波数が標準物質の吸収
線の中心に制御され、周波数の安定化を実現することが
できる。電流制御回路7は同期検波回路6の出力に対応
した電流を発振器5からの出力周波数で変調して出力す
る。この電流信号は半導体レーザ1に供給され、半導体
レーザ1の発振周波数を制御する。すなわち、電流制御
回路7は半導体レーザ1をその発振周波数が前記微分波
形の変曲点に、換言すれば吸収線周波数の中心に、一致
するよう電流駆動する。
【0007】半導体レーザ1および温度センサ8は恒温
槽10の内部に配設されている。温度センサ8は半導体
レーザ1の温度を検出し、その出力は温度制御回路9に
入力される。温度制御回路9は予め設定した設定温度と
温度センサ8での検出温度との差を検出し、温度差が零
になるように恒温槽10の温度を制御する。
【0008】一般に半導体レーザ1の発振周波数は温度
に影響され易く、温度に比例して発振周波数も変化す
る。そのため半導体レーザ1を恒温槽10内に設け、恒
温槽10の温度を温度センサ8で検出し、この検出温度
に基づいて温度制御回路9により半導体レーザ1の温度
を制御することにより、発振周波数がより安定化された
出力光を得ることができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな周波数安定化半導体レーザ光源では、半導体レーザ
1と温度センサ8の間の熱抵抗が大きい場合、制御点
(設定温度)と半導体レーザの温度との誤差は大きくな
る。半導体レーザの発振周波数は温度変化に大きく影響
されるため、周囲温度が大きく変化すると周波数偏差も
大きくなり、電流による半導体レーザの周波数制御の範
囲を越えてしまい周波数の安定化が困難となる。
【0010】そこで、周囲温度をモニタし、周囲温度の
変化に対して制御点を補正する回路を設ければ、動作温
度範囲を広くすることができることが分かる。これを実
現するための方式として、周囲温度変化に応じて温度制
御点を補正するために温度センサを付加する方式を本願
出願人は出願した(特開平6−73126)。しかしな
がらこの場合、周囲温度変化に対して周波数制御量がど
のくらい変化するのか予め測定し、補償量を決める必要
がある。また、補償量は使用する半導体レーザによりば
らつきがあり、各光源ごとに測定する必要があり、問題
である。
【0011】また、半導体レーザは一定の温度、注入電
流の動作であっても波長が経時変化するため、長期にわ
たって吸収線に周波数制御できないという問題がある。
【0012】本発明の目的は、このような点に鑑み、周
囲温度変化によりドリフトする半導体レーザの注入電流
に対する制御量により温度制御点を補正する回路を付加
することにより、動作温度範囲が広く、しかも長期にわ
たって周波数を安定に制御できる周波数安定化半導体レ
ーザ光源を実現することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明では、特定の周波数で吸収線を持つ吸収
セルを透過した半導体レーザの光信号を半導体レーザを
電流変調する変調周波数で同期検波することにより前記
半導体レーザの発振周波数と前記吸収セルの特定の周波
数との周波数差を得て、この周波数差が零になるように
前記半導体レーザの駆動電流を制御する駆動電流制御部
と、前記半導体レーザの温度を制御する温度制御部より
構成され、周波数を安定化する周波数安定化半導体レー
ザ光源において、前記温度制御部は、予め設定した温度
制御点の信号と、前記半導体レーザの温度を検出する温
度センサからの出力と、前記周波数差の信号に基づい
て、半導体レーザの温度を制御する信号を出力するよう
に構成されたことを特徴とする。
【0014】温度制御部は、半導体レーザの周囲温度と
温度制御点との差を考慮して温度制御するだけでなく、
駆動電流制御部で検出された周波数差も併せて考慮して
温度制御する。これにより、周囲温度変動によりレーザ
の発振周波数の変化があっても温度制御の方に振り替え
られて制御されるため、半導体レーザへの注入電流の制
御量が制御範囲を越えて周波数制御ができなくなるとい
う事態は避けられる。
【0015】
【発明の実施の形態】以下図面を用いて本発明を詳しく
説明する。図1は本発明に係る周波数安定化半導体レー
ザ光源の一実施例を示す構成図である。なお、図5と同
等部分には同一符号を付してある。
【0016】図において、1は半導体レーザ、2はビー
ムスプリッタ、3は例えばHCN分子を封入した吸収セ
ル、4は受光素子、5は発振器である。6は同期検波回
路であり、受光素子4の出力を発振器5の出力で同期検
波し、半導体レーザ1の周波数と吸収セル3の吸収線の
中心周波数との誤差信号を出力する。
【0017】6aは電流制御用のPID(比例・積分・
微分)回路、7は半導体レーザ1の注入電流を制御する
電流制御回路、8は半導体レーザ1の温度をモニタする
温度センサ、10は恒温槽、13は注入電流の制御信号
の周波数帯域を調整して温度制御系に加えるための低域
ろ波器、14はPID回路、9aは温度センサ8とPI
D回路14の出力から半導体レーザ1の温度を制御する
温度制御回路である。
【0018】温度制御回路9aにおいて、16は電流
源、18は帰還抵抗17を有する第1の増幅器、20は
電圧源、23は帰還抵抗22を有する第2の増幅器、2
4は制御回路である。増幅器18には温度センサ8の出
力と電流源16の電流が入力され、その出力は抵抗19
を介して増幅器23に加えられる。増幅器23にはまた
抵抗21を介して電圧源20の電圧が印加されると共に
抵抗15を介してPID回路14の出力が加えられる。
【0019】なお、ここでは、吸収セル3、受光素子
4、発振器5、同期検波回路6、PID回路6aから成
る部分を駆動電流制御部という。また、温度制御回路9
aと低域ろ波器13、PID回路14、抵抗15から成
る部分を温度制御部と呼ぶ。
【0020】このような構成における動作を図2ないし
図4を参照して次に説明する。図5に示す従来例では、
温度センサ8の測定点が一定の温度になるように制御さ
れるため、周囲温度が変化すると半導体レーザ1と温度
センサ8の間の熱抵抗により半導体レーザ1の温度は図
2に示すように制御点(TLD0)に対して誤差を生じ
る。
【0021】一般に半導体レーザ1の温度と発振周波数
は図3に示すように比例関係にあり、制御点(TLD
0)との誤差は周波数偏差となって電流制御の制御偏差
となる。したがって、周囲温度が大きく変化すると制御
偏差も大きくなり、半導体レーザ1の周波数安定化が困
難となる。また、電流制御のPID出力(VPID)は図
4に示すように周囲温度に対してほぼ比例関係になる。
この場合半導体レーザ1の発振周波数ドリフトによる誤
差成分も含む。
【0022】さて、図1において、温度センサ8からは
恒温槽10内の温度(絶対温度)に比例した電流が出力
され、増幅器18により電圧に変換される。このとき、
増幅器18の出力が摂氏に比例した電圧となるように電
流源16で入力電流を調整する。
【0023】他方、電圧源20の出力電圧により制御点
(TLD0)を設定し、増幅器23により制御点との誤
差信号を出力する。制御回路24は増幅器23の出力に
より半導体レーザ1の温度をPID制御する。PID回
路6aの出力は、温度制御に適切な周波数帯域だけを取
り出す低域ろ波器13と利得調整と制御のためのPID
回路14を通して、温度制御の加算点(増幅器23の入
力端)に抵抗15経由で加えられる。
【0024】抵抗15の大きさは必要な温度補償量から
抵抗19と21との大きさの関係で求められる。温度補
償は周囲温度変動によって発生する温度偏差を打ち消す
方向に行われる。したがって、注入電流の制御量は温度
制御に振り替えられるので、半導体レーザ1の発振周波
数の変化があっても電流の制御量が制御範囲を越えるこ
とはない。
【0025】なお、本発明の以上の説明は、説明および
例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎな
い。したがって本発明はその本質から逸脱せずに多くの
変更、変形をなし得ることは当業者に明らかである。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、周
囲温度変化に対して半導体レーザの温度制御点を補正す
る回路を付加したことによって動作温度範囲を拡張する
ことができ、外乱に対する余裕が大きくなるという効果
がある。また、長期にわたる安定な周波数制御も可能で
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る周波数安定化半導体レーザ光源の
一実施例を示す構成図
【図2】半導体レーザの温度特性を示す図
【図3】半導体レーザの周波数特性を示す図
【図4】PID回路の周囲温度に対する出力特性を示す
【図5】従来の周波数安定化半導体レーザ光源の一例を
示す構成図
【図6】吸収信号と同期検波出力の関係を示す特性曲線
図である。
【符号の説明】
1 半導体レーザ 2 ビームスプリッタ 3 吸収セル 4 受光素子 5 発振器 6 同期検波回路 6a PID回路 7 電流制御回路 8 温度センサ 9a 温度制御回路 10 恒温槽 13 低域ろ波器 14 PID回路 15 抵抗 16 電流源 17,19,21,22 抵抗 18,23 増幅器 20 電圧源 24 PID回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 立川 義彦 東京都武蔵野市中町2丁目9番32号 横河 電機株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】特定の周波数で吸収線を持つ吸収セルを透
    過した半導体レーザの光信号を半導体レーザを電流変調
    する変調周波数で同期検波することにより前記半導体レ
    ーザの発振周波数と前記吸収セルの特定の周波数との周
    波数差を得て、この周波数差が零になるように前記半導
    体レーザの駆動電流を制御する駆動電流制御部と、前記
    半導体レーザの温度を制御する温度制御部より構成さ
    れ、周波数を安定化する周波数安定化半導体レーザ光源
    において、 前記温度制御部は、予め設定した温度制御点の信号と、
    前記半導体レーザの温度を検出する温度センサからの出
    力と、前記周波数差の信号に基づいて、半導体レーザの
    温度を制御する信号を出力するように構成されたことを
    特徴とする周波数安定化半導体レーザ光源。
  2. 【請求項2】前記温度制御部は、温度制御に適した周波
    数帯域だけの信号を取り出す低域ろ波器と利得調整と制
    御のためのPID回路を備え、前記低域ろ波器とPID
    回路を通して周波数差の信号を取り込むように構成した
    ことを特徴とする請求項1記載の周波数安定化半導体レ
    ーザ光源。
JP9224196A 1996-04-15 1996-04-15 周波数安定化半導体レーザ光源 Pending JPH09283829A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114138030A (zh) * 2021-10-29 2022-03-04 西安北方华创微电子装备有限公司 温度控制方法和半导体工艺设备

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114138030A (zh) * 2021-10-29 2022-03-04 西安北方华创微电子装备有限公司 温度控制方法和半导体工艺设备

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