JPS62244184A - 半導体レ−ザ−の発振周波数・発振出力安定化装置 - 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） 本発明は、単一発振モードで発振する半導体レーザー（
レーザーダイオード；ＬＤともいう）の発振周波数・発
振出力を安定化させることのできる半導体レーザーの発
振周波数・発振出力安定化装置に関する。

（従来の技術） 近時、半導体レーザーは、入力エネルギーに対する出力
エネルギーの変換効率が大きいことから光学系を備えた
各種の機器に使用されつつある。

ところで、この半導体レーザーは、その発振周波数、発
振出力がその半導体レーザーの動作温度の変化に依存し
て変化するという性質を有している。

また、発振周波数１発振出力は、半導体レーザーの注入
電流を供給する電流供給源の注入電流の変動によっても
変動する（電子通信学会技術研究報告；０ＱＥ８２−９
５〜１０６（発行年月日；１９８３年１月１７日）の信
学技報ＶｏＬ、８２　Ｎｏ、２１８号の０ＱＥ−９９の
ＧａＡｌＡｓ半導体レーザーの光ガルバノ効果による発
振周波数・発振出力の安定化という研究報告を参照のこ
と。）。

すなわち、半導体レーザーの発振波長λの変動量Δλと
その発振出力Ｐの変動量ΔＰとは、注入電流工の変動量
Δ工と、半導体レーザーの動作温度Ｔ７の変動量ΔＴと
の関数として表されるものである。

その関係式を下記に示す。

ここで、ｄＴ／ｄＩは、半導体レーザーに注入される注
入電流工によって半導体レーザーが自己発熱した分の温
度上昇に基づく変動分である。

上記の研究報告には、発振周波数・発振出力の安定化を
図るために、発振出力の変動を動作温度に帰還しかつ発
振周波数の変動を注入電流に帰還する手段と、発振出力
の変動を注入電流に帰還しかつ発振周波数の変動を動作
温度に帰還する手段とが示されている。しかしながら、
上記の手段によって周波数の安定化を行うと、半導体レ
ーザーの出力はフリーランニング時に比較して変動が大
きくなるので好ましくない。

ところで、Ｔ＝一定（”　ｃｏｎｓｔ）とすると、ΔＴ
＝Ｏ，ｄＴ／ｄ　Ｉ＝Ｏ，ＢＰ／３Ｔ＝Ｏとなるから、
（Ａ）式と（Ｂ）式とは。

Ｉ Ｐ ΔＰ＝　−・ΔＩ）ｙ−ｍ　　　　　　　　　　　　・
・・（Ｂ′）８工 という式に変形できる。

この（Ａ′）式、（Ｂ′）式は１発振出力Ｐの変動量Δ
Ｐを一定にすると、注入電流Ｉの変動量Δ工が抑制され
、注入電流工の変動量Δ工が抑制されると発振波長の変
動量Δλが抑制され、もって半導体レーザーの発振周波
数が安定化することが原理的に示される。

（発明が解決しようとする問題点） このようなわけで、半導体レーザーの発振周波数・発振
出力を安定化させるためには、半導体レーザーの動作温
度Ｔ７を一定に維持したうえで、注入電流工の変動ΔＩ
を抑制することが望ましい。

そこで、この半導体レーザーの動作温度を設定温度に保
つために、熱電効果型素子としてのペルチェ素子を有す
る温度制御装Ｗ（特開昭５３−１７８２号公報参照）を
温度安定化装置として用いることが考えられるが、半導
体レーザーの場合には、その注入電流によって半導体レ
ーザーそのものが発熱するために、半導体レーザーの動
作温度と設定温度との温度差に基づいて、設定温度に動
作温度を近づけるように熱電効果型素子を制御するもの
とすると、半導体レーザーの発熱によって環境温度Ｔ、
の変化によって設定温度から動作温度がずれるという問
題点に加えて、半導体レーザー素子の熱抵抗の経時的変
化及び温度制御装置を構成する素子の経時的変化等によ
り動作温度を長期的安定させにくいという問題点がある
。

上記した問題点について以下に説明する。

第１図は、半導体レーザー１の動作温度の安定化を図る
ための動作温度制御部の構成を示し、第２図はその動作
温度の安定化を図るための熱電変換装置６の構成を示す
もので、熱電変換装置６はそのペルチェ効果型素子７の
一側に半導体レーザー１を設け、その他側に放熱板８を
設け２、サーミスタ９を内蔵して構成されている。

サーミスタ９は、半導体レーザー１の動作温度Ｔ７を検
出し、その動作温度Ｔ７は、温度電圧変換回路３２で動
作温度変換電圧Ｅ７に電圧変換される。

この動作温度変換電圧Ｅ７は、オペアンプ１０の一端子
に入力される。このオペアンプ１０の他端子には、基準
電源１１によって設定温度Ｔ、に対応する基準電圧Ｅ、
が入力される。オペアンプ１０は、この基準電圧Ｅ８と
その動作温度変換電圧Ｅ７とを比較してその差分出力を
トランジスタ１２に向かって出力する。トランジスタ１
２は、トランジスタ１２ａとトランジスタ１２ｂとから
構成され、そのトランジスタ１２によってベルチェ効果
型素子７の通電方向を切り換えて、Ｅ、＞、Ｅ、（Ｔア
〉Ｔ、）の時には、ベルチェ効果型素子７によって半導
体レーザー１が冷却されるようにトランジスタ１２を通
電制御し。

Ｅ、＜Ｅ、　（Ｔ、＜Ｔ、）の時には、ベルチェ効果型
素子７によって半導体レーザー１が加熱されるようにト
ランジスタ１２を通電制御し、これによって、半導体レ
ーザー１の動作温度Ｔ、が設定温度Ｔ、に近づく方向に
制御され、平衡状態に達し、平衡温度Ｔｅとなる。

しかしながら、この動作温度制御部では、環境温度Ｔ、
の変動、半導体レーザー１の発熱量に基づいて動作温度
Ｔ７の変動があるのである。

たとえば、ベルチェ効果型素子７は、第３図に示す特性
を有している。この第３図に示す特性図は、小松エレク
トロニクス製のＫＳＭ−０２１１のベルチェ効果型素子
７についてのものである。

この第３図において、縦軸はこのベルチェ効果型素子７
に加わる熱負荷としての熱量Ｑを示し、横軸はこのベル
チェ効果型素子７に流れる平衡電流工：を示し、パラメ
ータ八Ｔは、平衡状態に達したときの動作温度Ｔ、（こ
のとき、Ｔ、＝Ｔｓ）とベルチェ効果型素子７の放熱側
の温度としての環境温度Ｔ、との温度差であり、 ΔＴミＴｅ−Ｔ。

である。温度差ΔＴ＝Ｏは、平衡温度Ｔｅが環境温度Ｔ
、に等しいことを意味する。

ところで、第３図から明らかなように、発熱体（Ｑ＋Ｏ
）の場合には、たとえ、温度差ΔＴ＝０℃のときであっ
ても、熱量Ｑを放散するために。

ベルチェ効果型素子７に平衡電流工；が流れていること
になる。ここで、動作温度Ｔ７が平衡温度Ｔ。

に達したときの動作温度変換電圧Ｅ１を平衡温度対応電
圧Ｅｅとする。また、第１図に示す動作温度制御部の電
圧・電流変換係数をαとすると、熱平衡状態のときの半
導体レーザー１の平衡温度Ｔｅに対応する平衡温度対応
電圧Ｅａは、■、＠＝α（Ｅｅ−Ｅ、）の式を変形して
。

。。＝Ｅ、＋　”・　　　　　　−（１）α によって求められる。

ただし、工、ｅは、設定温度Ｔ、と環境温度Ｔｈとを等
しく制御しようとしたときにベルチェ効果型素子７に流
れる電流であり、　このとき基準電圧Ｅ８と環境温度対
応電圧Ｅｈとの間には、Ｅ、＝Ｅ。

の関係がある。

また、この平衡電流工：と熱量Ｑとは、第３図に示すよ
うに熱量Ｑが小さい範囲ではリニアの関係にあるから、
変換係数をβとすると熱量Ｑは、Ｑ＝β・工、ｅ　　　
　　　　　　　・・・　（２）によって表される。

そこで、（１）式と（２）式とによって、平衡温度対応
電圧Ｅｅは、 Ｅ　ｅ＝　Ｅ　、　＋　−、・・（３）α・β によって表わされる。

この（３）式は、Ｑ＝Ｏのときには、基準電圧Ｅ、を環
境温度対応電圧Ｅ、に等しく設定しておくと、制御回路
がＥ、−Ｅ、＝Ｅ、−Ｅｅ＝Ｏとなるように制御を行う
ため、Ｅａ＝Ｅ、（ΔＴ＝Ｏ）となることを示している
が、Ｑ）Ｏのときには、たとえ、設定温度Ｔ、を環境温
度Ｔ、に等しくしようとしてＥ、＝Ｅ、に設定したとし
ても、 Ｅｅ（Ｅ、　　　　　　　　　　　　　　・・・（４）
であることを示している。すなわち、この（３）式は、
半導体レーザー１のような発熱体の場合には、平衡温度
Ｔｅに対応する平衡温度対応電圧Ｅｅは、設定温度Ｔ、
に対応する基準電圧Ｅ、に一致せず、この動作温度安定
化回路では、熱量Ｑの大きさに比例した量、すなわち、
Ｑ／（α・β）に相当する分だけ平衡温度Ｔｅが設定温
度Ｔ、に対してシフトすることになる。なお、熱量Ｑは
、半導体レーザー１の注入電流工に比例する。

ところで、環境温度Ｔゎは、恒常的ではなく、変化する
ものであり、設定温度Ｔ、と環境温度Ｔ。

とは必ずしも一致していない。平衡温度Ｔｅが環境温度
Ｔ、と異なる場合（ＡＴ　＝　Ｔ　ｅ　　Ｔ　ｈ　Ｓ　
Ｏ）には、発熱体でないときであっても、ベルチェ効果
型素子７には、第３図に示すように平衡電流１、ｅが流
れる。第４図は、Ｑ＝ＯのときのΔＴ＝Ｔｅ−ＴＩ、と
平衡電流工２ｅとの関係を示すベルチェ効果型素子７の
特性図であり、平衡温度対応電圧Ｅｅは、ｌ２ｅ＝　ａ
　（Ｅｅ　−Ｅ、）より、α ここで、平衡温度Ｔｅと環境温度Ｔ６との温度差ΔＴが
小さい部分（ΔＴ≦１５℃）では、温度差ΔＴと平衡電
流工２ｅとは、リニアな関係にある。

そこで、温度差ΔＴは、 ΔＴ＝−γ・工、ｅ　　　　　　　　　・・・（６）た
だし、ベルチェ効果型素子７に流れる平衡電流工２ｅの
流れの方向は、試料としての半導体レーザー１を冷却す
る方向に流れる場合を正とし、γは変換係数である。

この（６）式を用いて、（５）式を変形し、平衡温度対
応電圧Ｅｅを温度差ΔＴの関数として表すと、 Ｅｅ−Ｅ、−ＡＴ　　・・・（７） α　１　γ となる。

したがって、第１図に示す動作温度制御部を使用すると
、設定温度Ｔ８と環境温度Ｔ、とが一致していない場合
に、平衡温度Ｔｅに対応する平衡温度対応電圧Ｅｅが、
基準電圧Ｅ、に一致しないことになり、その差Ｅｅ−Ｅ
、は平衡温度Ｔｅが設定温度Ｔ、に対してＡＴに比例し
た量だけシフトすることになる。

すなわち、設定温度Ｔ、を一定にしても、環境温度Ｔ、
が変化すると温度差ΔＴが変化するため、平衡温度Ｔｅ
が環境温度Ｔｈの影響を受けて変化することになり、動
作温度Ｔ７が一定しないことになる。

次に、発熱体であって、かつ、環境温度Ｔ、と設定温度
Ｔ、とが一致してない場合には、平衡電流工：は、重畳
の原理により、 Ｑ　　　ＡＴ Ｇ　＝工、ｅ＋工、ｅ＝　　−−・・・（８）β　　　
　γ によって表される。

この（８）式を（１）式によって変形すると、Ｇ　　　
　　Ｑ　　　　　ＡＴ Ｅ　ｅ　−Ｅ　、　＝　　　　　＝　　□α　　　α・
β　　α−β となり、 Ｑ　　　　　　ＡＴ Ｅｅ＝Ｅ、＋　　　　　−・・・（９）α０β　　　　
α０γ を得る。このように半導体レーザーの発熱量Ｑ及び設定
温度Ｔ、を環境温度Ｔ、との差ΔＴの変化によって平衡
温度（対応電圧Ｅｅ）が変化することとなる。

したがって、このような動作温度制御部では、動作温度
Ｔ７の長期的な安定化を図ることは期待できない。また
仮りに、サーミスタ９が内蔵されている箇所の動作温度
Ｔ７が一定であるとしても、サーミスタ９と半導体レー
ザー１との間での熱抵抗の経時的変化、サーミスタ９そ
のものの経年変化等があるため、半導体レーザー１の動
作温度Ｔ？が長期的に安定であるという保証はなく、発
振出力Ｐの変動を考慮して動作温度Ｔ７を制御するもの
でもないから、発振出力Ｐそのものが安定であるという
保証もない。

それゆえに、半導体レーザー１の発振周波数と発振波長
との双方の長期的な安定化を図ることが困戴である。

（発明の目的） そこで、本発明の目的は、半導体レーザーの発振周波数
と発振出力との長期的な安定化を図ることのできる半導
体レーザーの発振周波数・発振出力安定化装置を提供す
ることにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明に係る半導体レーザーの発振周波数・発振出力安
定化装置の特徴は、単一発振モードで発振する半導体レ
ーザーに注入電流を供給する注・入電流供給源と、前記
半導体レーザーの発振出力の一部を受光して発振出力の
変動を検出する発振出力変動検出部と、前記半導体レー
ザーの発振出力の一部を前記半導体レーザーの発振波長
領域で分光特性が変化する光学素子を介して受光する受
光部並びに該受光部の出力及び前記発振出力変動検出部
の出力に基づいて前記半導体レーザーの発振波長の変動
を求める処理部を有する発振波長変動検出部と、前記半
導体レーザーの発熱量を検出する発熱量検出部と、前記
半導体レーザーに設けられてその動作温度を検出する動
作温度検出部、前記半導体レーザーとの間で熱の授受を
行う熱電効果型素子、及び設定温度に対応する基準信号
と前記発熱量検出部の出力と前記発振出力変動検出部の
出力に基づいて前記発振出力を一定に保ちつつ前記設定
温度に前記動作温度が一致するように前記熱電効果型素
子を制御する動作温度制御部とからなる動作温度安定化
部と、前記発振波長変動検出部の出力に基づいて発振波
長が一定となるように前記注入電流源の注入電流を制御
する注入電流制御部とを有しているところにある。

（作用） 本発明に係る半導体レーザーの発振周波数・発振出力安
定化装置によれば、動作温度安定化回路が半導体レーザ
ーの発振出力の一部を受光して発振出力の変動を検出す
る発振出力変動検出部の出力と、設定温度に対応する基
準電圧と発熱量検出部の出力とに基づいて、その発振出
力を一定に保ちつつその設定温度にその動作温度が一致
するように熱電効果型素子を制御すると共に、注入電流
制御部がその半導体レーザーの発振出力の一部を受光し
て発振波長の変動を検出する発振波長変動検出部の出力
に基づいて発振波長が一定となるようにその注入電流供
給源の注入電流を制御する。

（実施例） 以下に１本発明に係る半導体レーザーの発振周波数・発
振出力安定化装置の実施例を図面を参照しつつ説明する
。

第５図は、半導体レーザーの発振周波数・発振出力安定
化装置の要部構成を示す図であって、半導体レーザーの
発振周波数・発振出力安定化装置は、動作温度安定化部
１３と、注入電流制御部１４と、注入電流供給源１５と
、発振出力変動検出部１６と、発振波長変動検出部４４
とを有している０発振出力変動検出部１６は、半導体レ
ーザー１の発振出力の一部を受光してその発振出力の変
動を検出する機能を有している。この発振出力変動検出
部１６は。

ビームスプリッタ１８と、コンデンサーレンズ１９と、
受光素子２０と、オペアンプ２１とから大略構成されて
いる。そのオペアンプ２１の一端子には、基準電源２２
の基準電圧ｖ８が印加され、その他端子には受光素子２
０の出力ｖｙが印加されている。その基準電圧ｖ８は、
半導体レーザー１の所定の出力レベルに対応しており、
半導体レーザー１が所定のレベルの出力をしているとき
にオペアンプ２１の出力が零となるように設定される。

ところで、ファブリペロ−共振構造を有する通常の半導
体レーザーの場合、第６図に示すように動作温度Ｔ７の
変化に基づいて、モードジャンプを生じ、発振波長λが
シフトする特性を有している。この半導体し一ザーのモ
ードジャンプ特性はヒステリシスをもっている。である
から、半導体レーザー１を安定して発振させる場合には
、設定温度Ｔ、をこのモードジャンプが生じにくい安定
な領域に選んでおくことが好ましい。オペアンプ２１は
、その基準電圧Ｖ、と出力Ｖ、との差分の出力ΔＶを動
作温度制御部１７に向かって出力するものである。

動作温度安定化部１３は、動作温度制御部１７と。

熱電効果素４に相当するベルチェ効果型素子７と、動作
温度検出部に相当するサーミスタ３３．３５とを有して
いる。動作温度制御部１７は、第８図に示すように、後
述する機能を有する差分補正用出力発生回路２３と、後
述する機能を有する発熱分補正用出力発生回路２４と、
熱電効果型素子としてのベルチェ効果型素子７を制御す
る熱電効果型素子制御部２５とを有している。この熱電
効果型素子制御部２５は、オペアンプ２６ａと、オペア
ンプ２６と、オペアンプ２７と、オペアンプ２８ａとを
有している。オペアンプ２６ａの一端子は、接地されて
おり、その他端子には、発熱分補正用電圧Ｅ′。と差分
補正用電圧Ｅ″、が入力され補正用電圧Ｅ、を出力する
。

この補正用電圧Ｅ。は、半導体レーザー１の熱量Ｑ及び
環境温度Ｔ１と設定温度Ｔ、との温度差ΔＴに比例する
物理量であり、その補正用電圧　Ｅ。

の詳細については後述する。オペアンプ２８ａの一端子
には、オペアンプ２１の出力ΔＶが入力され、その他端
子には基準電源２８ｂの基準電圧Ｖｚが入力されている
。比較器２８ａはその基準電圧Ｖｚとオペアンプ２１の
出力ΔＶとの差分の出力Ｅ、１をオペアンプ２６ｂへ出
力する。この基準電圧Ｖｚは設定温度Ｔｓに対応してい
る。出力Ｅｌｉをオペアンプ２６ｂへ出力する。オペア
ンプ２６ｂは、出力Ｅ、１と補正用電圧Ｅ、との差ｒＥ
、ｉ−Ｅ、Ｊに相当する補正基準電圧Ｅ、をオペアンプ
２７の他端子に向がって出力する。オペアンプ２７は、
その一端子に入力されている動作温度変換電圧ＥＴ１と
その補正基準電圧Ｅ、２とを比較し、その差分の出力に
よりトランジスタ１２を制御し、そのトランジスタ１２
によって動作温度Ｔ７が平衡状態に達するようにペルチ
ェ効果型素子７を通電制御する。

この制御によって、動作温度Ｔ？が平衡状態に達したと
すると、（９）式は補正基準電圧Ｅ、２を用いて、 Ｑ　　　　ＡＴ Ｅｅ＝Ｅ、、＋　　　　　−・・・（１０）α９β　　
　　α６γ と表現できる。

Ｅ、２＝Ｅ、□−Ｅ１であるから、（１０）式は、Ｑ　
　　　　ＡＴ Ｅｅ＝Ｅ、、−Ｅ、＋　　　　　−−（１１）α０β　
　　　α０γ という式に変形できる。

平衡温度Ｔｅが設定温度Ｔ、と一致するためには、基準
電圧Ｅ３、と平衡温度対応電圧Ｅａとの差が「０」でな
ければならない。

この条件のもとで、　（１１）式を変形すると、Ｑ　　
　　ＡＴ −＝Ｏ Ｅｅ−Ｅ、□＝−Ｅ、＋ α０β　　　α０γ の式から、 Ｑ　　　　ＡＴ　　　　　・・・（１２）Ｅ、＝ α・β　　　α０γ という式をうる。

そこで、　（１２）式において。

Ｅ＠’＝　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・　
（１３）α　・　β ＡＴ　　　　　　　　・・・（１４） Ｅ　、　ｎ　＝　　− α０　γ とおく。

すなわち、Ｅ、＝　Ｅ、’＋Ｅ、”である。

この記号Ｅ、′は半導体レーザー１の発熱量に基づいて
動作温度Ｔ７と設定温度Ｔ、とがずれることを補正する
ために必要とする発熱量補正用電圧を物理的に意味し、
記号Ｅ　、ｊ″は、動作温度Ｔ７と設定温度Ｔ、どの差
分に基づいて動作温度Ｔ７と設定温度Ｔ８とがずれるこ
とを補正するための差分補正用電圧を物理的には意味し
ている。そこで、この補正用電圧Ｅ、′、Ｅ　、　ｎを
制御電圧Ｅ１として加えれば、動作温度Ｔ７が平衡状態
に達したときの平衡温度Ｔｅを設定温度Ｔ、に一致させ
ることかできることになる。

発熱量補正用出力発生回路２４は、その発熱量補正用電
圧Ｅ　ｃｌを発生させる機能を有するもので、オペアン
プ２９ａ、２９ｂを有している。オペアンプ２９ａには
、発熱量検出部３０からの検出出力が入力されている。

発熱量検出部３０は、固定抵抗器Ｒ。

を有している。固定抵抗器Ｒ１の電位降下Ｖは、半導体
レーザー１の発熱量Ｑが、第１０図に示すように、注入
電流工に比例しており、半導体レーザー１に注入電流工
を供給する注入電流供給源１５と半導体レーザー１とを
含む直列回路の途中に固定抵抗器Ｒ，を設けることにす
ると、注入電流工に比例する。

このことを数式を用いて表現すると、 Ｑ＝Ｃ−Ｉ、、、Ｖ＝Ｒ，−ＩＬ、から。

Ｖ＝Ｒ，・　　　　　　　　　　　　・・・（１５）で
ある。ただし、記号Ｃは変換係数である。

この電圧Ｖをオペアンプ２９ａ、２９ｂの一端子に入力
し、可変抵抗器Ｒｖによって、その増幅率ｍを調整する
。

オペアンプ２９ｂから出力される出力電圧を発熱量補正
用電圧Ｅ６′として利用するものであるから、Ｅ　、　
’　＝　ｍ　Ｖであり、この式と（１３）式、（１５）
式によって、 増幅率ｍは、 Ｒ，α・β となる。この（１６）式において、右辺の項に含まれて
いる物理量は全て定数とみなすことができるので、増幅
率ｍは、一義的に決定される。

この増幅率ｍは、ｍ　＜　１であって非反転増幅を直接
行うことができないため、実施例においては、反転増幅
を、２回行うことにしている。

差分補正用出力発生回路２３は、その差分補正用電圧Ｅ
、′を発生させる機能を有している。この差分補正用出
力発生回路２３は、オペアンプ３１を有している。サー
ミスタ３３の検出出力は温度−電圧変換回路３２によっ
て電圧ＩＥｔｘに変換されオペアンプ３１の一端に入力
され、またサーミスタ３５の検出出力は温度−電圧変換
回路３４によって電圧Ｅ？２に変換されオペアンプの他
端に入力される。サーミスタ３３は、第１Ｏ図に示すよ
うに半導体レーザー１に内蔵され、サーミスタ３５は放
熱板８に取付けられて、熱電変換器６を構成している。

そのサーミスタ３３は半導体レーザー１の動作温度ＴＴ
を検出する動作温度検出部として機能する。そのサーミ
スタ３５は環境温度Ｔ、を検出する環境温度検出部とし
て機能する。検出出力Ｅ７□は動作温度Ｔ７に対応し、
検出出力Ｅ７□は、環境温度Ｔ、に対応している。オペ
アンプ３１は、環境温度Ｔ、と動作温度Ｔ７との温度差
ΔＴに比例した電圧ｖ０を発生する機能を有する。

ここで、温度・電圧変換係数をｎとすると、ΔＴと電圧
ｖ０との関係を、 Ｖ、＝＝ｎ・ΔＴ　　　　　　　　・・・（１７）式で
表すことができる。

そこで、オペアンプ３１に接続された可変抵抗器Ｒｖｔ
によってその増幅率ｍ′を調整することにすると、 ΔＴ Ｅ、”＝　−＝　ｍ’　・Ｖ、＝　ｍ’　−ｎ壷ΔＴα
　１　γ よって、増幅率ｍ′は、 ΔＴ ｍ　＝−・・・（１８） ｎＩｌ　α　１　γ そこで、増幅率ｍ、ｍ’の調整を行うと、半導体レーザ
ー１の発熱量Ｑ、環境温度Ｔ、と動作温度Ｔ、どの温度
差ΔＴに基づく動作温度Ｔ７の変動を除去できることに
なる。

この動作温度安定化回路１３は、半導体レーザー１の発
振出力Ｐが経時的に変化を受けると、オペアンプ２１及
びオペアンプ２８ａによってその発振出力Ｐの変化に応
じて出力Ｅ、ｉを変化させる。オペアンプ２６．２７は
この出力Ｅ８□に基づいて、発熱量と温度差ΔＴとの補
正分を考慮しつつ発振出力Ｐを一定に保つようにトラン
ジスタ１２を制御する。

一方第５図において、発振波長変動検出部４４は、受光
部４５と処理部４１とを有している。

この受光部４５はビームスプリッタ３７と、半導体レー
ザーの発振波長領域で分光特性が変化する干渉フィルタ
ー等の光学素子３８とコンデンサレンズ３９と、受光素
子４０とを有しているにの受光素子４０は半導体レーザ
ー１の発振出力の一部を光学素子３８を介して受光する
。処理部４１は、割算器等で構成され半導体レーザー１
の発振出力の一部を受光する受光素子２０の出力Ｖ、と
半導体レーザー１の発振出力の一部を光学素子３８を介
して受光する受光素子４０の出力Ｖａとを受は取りｖａ
／ｖ、（：ｖｃ）なる演算を行い半導体レーザー１の発
振波長の変動を求めＶｃとして出力する。

光学素子３８には、ここでは、干渉フィルタが使用され
ている。第１１図はこの干渉フィルタの波長に対する透
過率曲線を示す図である。この干渉フィルタは、所定の
波長領域の光を透過させる機能を有しており、立ち上が
りと立ち下がりの鋭い干渉フィルタが用いられている。

この第１１図において、λ□〜λ２は、その立ち上がり
範囲の波長領域であり、λ１′〜λ２′はその立ち下が
り範囲の波長領域を示している。干渉フィルタは、この
波長領域λ□〜λ２、波長領域λ１′〜λ２′で、略直
線的に立ち上がると共に立ち下がっている。ここで、Δ
λ＝λ１〜λ２．Δλ＝λ□′〜λ２′は、５０〜９０
人である。そこで、半導体レーザー１の発振波長λを、 に設定しておくと、発振波長λが変動した場合にその光
学素子３８を透過して受光素子４０に導かれる発振出力
Ｐが大きく変動することになり、この光学素子３８を通
過する発振出力Ｐの変動を検出することによって発振波
長λの変動を高い精度でモニターできることになる。

この光学素子３８は、以下に説明するようにして、セッ
トするものである。前述したモードジャンプは、第７図
に示すように、注入電流工の変化によっても生じる。

そこで、このようなモードジャンプが生じない領域で注
入電流工。を設定する。ファブリペローアタロン板、原
子分子吸収スペクトルを用いて波長にロックをかける方
式のものにあっては、モードジャンプの生じ易い領域で
ロックがかかることがあるが、本発明に係る発振周波数
・発振出力安定化装置では、モードジャンプの生じにく
い安定した領域を選択できる。半導体レーザー１は、そ
の注入電流工と動作温度Ｔ７とが安定領域で発振するよ
うにすでに設定されているので、半導体レーザー１を発
振させ、光学素子３８をビームスプリッタ３７とコンデ
ンサーレンズ３９との間に挿入しない状態での受光素子
４０の出力Ｖ、を求める。次に、光学素子３８をビーム
スプリッタ３７とコンデンサーレンズ３９との間に挿入
する。この光学素子３８は、半導体レーザーの発振波長
λ。よりも。

、：′・＋１・ が、はんの少し長波長の側になるように設計しておく。

この挿入の際に、光学素子３８を光路に対して少しずつ
傾けると、透過率曲線がその形状を保ちつつ波長が短く
なる側にシフトする。′であるから、この光学素子３８
を傾けることによって、受光素子４０の出力Ｖ、がり、
Ｐ、となる箇所を選ぶことができる。なお、ここで、ｈ
ｏは、発振出力Ｐが略１／２となる値であり、受光素子
４０の出力Ｐ０は、他の手段によって測定を行う。この
状態で、オペアンプ４２の出力が「零」となるように、
基準電源４３の調整を行う。この光学素子３８を用いた
ものは、波長基準としてエタロン板、ＪＪＫ子、分子吸
収スペクトルのような大型の波長基準のものを使用しな
くとも、そのエタロン板、原子１分子吸収スペクトル等
と略同等の機能を奏し、小型、かつ、安価に製作できる
メリットがある。また、発振波長λが異なる半導体レー
ザー１を使用する場合にあっても、光学素子３８の設計
値を変更し、その光学素子３８を傾斜させるのみで、適
正にセットできるメリットもある。

この実施例では、透過率曲線のうち波長が短い側の立上
り部分を用いたが、波長が長い側の立ちさがり部分を用
いることもできる。

この光学素子３８の透過率曲線も、環境温度、湿度等に
よって変化するが、その変化は、動作温度の変化に基づ
く半導体レーザー１の発振波長の変動に較べてほとんど
問題にならないくらいに小さい。しいて、この透過率曲
線の変化を神髄じたい場合には、温度安定化回路を用い
て光学素子３８の温度を一定に保つ工夫をしたリカバー
ガラスで防湿対策をとればよい。

注入電流制御部１４は、オペアンプ４２及び基準電源４
３により構成され処理部４１の出力Ｖｃに基づいて発振
波長が一定となるように注入電流源１５の注入電流工を
制御する。

オペアンプ４２の一端子には、処理部４１の出力Ｖｃが
入力されその他端子には基準電源４３の基準電圧ｖＡが
印加されている。

この基準電圧■、は半導体レーザーが所定の波長及び所
定の出力を維持しているときの処理部４１の出力Ｖｃと
等しいレベルに調整する。

オペアンプ４２は処理部４１の出力Ｖｃ基準電圧■、の
差分を注入電流供給源１５へ出力する。

注入電流供給源１５はオペアンプ４２の出力Ｖｃに応じ
た値の注入電流を半導体レーザー１に供給するように構
成されている。よって、半導体レーザーの発振波長λが
変動するとオペアンプ４２はその変動を抑制する方向の
出力を注入電流供給源１５に出力し、発振波長の変動が
小さくなる方向に注入電流を迅速に制御することになる
。

したがって、本発明に係る半導体レーザーの発振周波数
・発振出力安定化装置は、何らかの原因で発振局゛波数
が変化すると、その変化に応じて注入電流Ｉが迅速に増
減され、発振周波数が安定に保たれる。その際、その注
入電流工の変動によって２発振出力Ｐが変動することに
なるが、その発振出力Ｐの変動が発振出力変動検出部１
６によって検出され、動作温度制御部１７がその変動が
小さくなる方向に動作温度Ｔ、を制御する。この場合に
、動作温度制御部１７には、少なくとも注入電流工に基
づく発熱量を補正しつつ設定温度Ｔ、に近づくようにバ
イアスが加えられているから、たとえ。

ペルチェ効果型素子７の応答速度が遅いとしても発振出
力Ｐがスムーズに安定に保たれることになる。

何らかの原因で、半導体レーザー１の発振出力Ｐが変動
した場合には、動作温度安定化部１３が、発振出力Ｐを
安定に保つように動作温度Ｔ７を制御する。動作温度制
御部１７には、設定温度Ｔ、に近づくようにバイアスが
加えられているから、たとえ、ペルチェ効果型素子７の
応答速度が遅いとしても発振出力Ｐがスムーズに安定に
保たれる。

この動作温度Ｔアが変動することによって、発振波長λ
に影響を及ぼすが、注入電流制御部１４は、その所定の
発振波長λを保つように注入電流工を迅速に制御してい
る。

（発明の効果） 本発明に係る半導体レーザーの発振周波数・発振出力安
定化装置は、以上説明したように、単一発振モードで発
振するその半導体レーザーに注入電流を供給する注入電
流供給源と、その半導体レーザーの発振出力の一部を受
光して発振出力の変動を検出する発振出力変動検出部と
、半導体レーザーの発振出力の一部を半導体レーザーの
発振波長領域で分光特性が変化する光学素子を介して受
光する受光部並びにその受光部の出力及び発振出力変動
検出部の出力に基づいて半導体レーザーの発振波長の変
動を求める処理部を有する発振波長変動検出部と、半導
体レーザーの発熱量を検出する発熱量検出部と、半導体
レーザーに設けられてその動作温度を検出する動作温度
検出部、半導体レーザーとの間で熱の授受を行う熱電効
果型素子、及び設定温度に対応する基準信号と発熱量検
出部の出力と発振出力変動検出部の出力に基づいて半導
体レーザーの発振出力を一定に保ちつつ設定温度に動作
温度が一致するように熱電効果型素子を制御する動作温
度制御部とからなる動作温度安定化部と、発振波長変動
検出部の出力に基づいて半導体レーザーの発振波長が一
定となるように注入電流源を注入電流を制御する注入電
流制御部とを有しているから、半導体レーザーの発振周
波数と発振出力との双方の長期的な安定化を図ることが
できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】 第１図は従来の動作温度制御部の構成を示す図、第２図
は従来の熱電変換器の概略構成を示す図、第３図はペル
チェ効果型素子の熱量とそのペルチェ効果型素子に流れ
る平衡電流との関係を示す特性図、第４図は、熱量が「
零Ｊの条件の下で、動作温度と環境温度とに温度差があ
る場合の平衡電流と温度差との関係を示す特性図、第５
図は本発明に係る半導体レーザーの発振周波数・発振出
力安定化装置の全体概略構成を示す−、第６図、第７図
は本発明に係る半導体レーザーのモードジャンプ特性を
示す図、第８図は第５図に示す動作温度制御部の詳細構
成を示す図、第９図は第５図に示す半導体レーザーの注
入電流と熱量との関係を示す特性図、第１０図は本発明
に係る熱電変換器の構成を示す図、第１１図は第５図に
示す光学素子の透過率曲線の特性図である。 １・・・半導体レーザー ７・・・ペルチェ効果型素子 １２・・・トランジスタ １３・・・動作温度安定化部 １４・・・注入電流制御部 １５・・・注入電流供給源 １６・・・発振出力変動検出部 １７・・・動作温度制御部 ３０・・・発熱量検出部 ３３・・・サーミスタ（動作温度検出部）３８・・・光
学素子 ４１・・・処理部 ４４・・・発振波長変動検出部 ４５・・・受光部 Ｔ７・・・動作温度 Ｔｓ・・・設定温度 第１図 第２図 第４図 第５図　　　４４ 第６図 第７図 λ １！９　　図 第１１図 Δ人　　　ム人 ＄　１０　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）単一発振モードで発振する半導体レーザーに注入
   電流を供給する注入電流供給源と、 前記半導体レーザーの発振出力の一部を受光して発掘出
   力の変動を検出する発振出力変動検出部と、 前記半導体レーザーの発振出力の一部を前記半導体レー
   ザーの発振波長領域で分光特性が変化する光学素子を介
   して受光する受光部並びに該受光部の出力及び前記発振
   出力変動検出部の出力に基づいて前記半導体レーザーの
   発振波長の変動を求める処理部を有する発振波長変動検
   出部と、前記半導体レーザーの発熱量を検出する発熱量
   検出部と、 前記半導体レーザーに設けられてその動作温度を検出す
   る動作温度検出部、前記半導体レーザーとの間で熱の授
   受を行う熱電効果型素子、及び設定温度に対応する基準
   信号と前記発熱量検出部の出力と前記発振出力変動検出
   部の出力に基づいて前記発振出力を一定に保ちつつ前記
   設定温度に前記動作温度が一致するように前記熱電効果
   型素子を制御する動作温度制御部とからなる動作温度安
   定化部と、 前記発振波長変動検出部の出力に基づいて発振波長が一
   定となるように前記注入電流源の注入電流を制御する注
   入電流制御部とから成る半導体レーザーの発振周波数・
   発振出力安定化装置。