WO2007111140A1 - 波長変換装置 - Google Patents

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WO2007111140A1
WO2007111140A1 PCT/JP2007/055131 JP2007055131W WO2007111140A1 WO 2007111140 A1 WO2007111140 A1 WO 2007111140A1 JP 2007055131 W JP2007055131 W JP 2007055131W WO 2007111140 A1 WO2007111140 A1 WO 2007111140A1
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current
wavelength
light
signal
circuit
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Inventor
Satomi Kusanagi
Hiroshi Miyazawa
Junji Yumoto
Original Assignee
Ntt Electronics Corporation
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/068—Stabilisation of laser output parameters
    • H01S5/0683—Stabilisation of laser output parameters by monitoring the optical output parameters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S5/0092—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping for nonlinear frequency conversion, e.g. second harmonic generation [SHG] or sum- or difference-frequency generation outside the laser cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor

Definitions

  • the present invention relates to a wavelength conversion device that performs wavelength conversion using a nonlinear optical effect.
  • Nonlinear optical crystals are, for example, KH PO, LiNbO, LilO, Ag As
  • a nonlinear optical crystal that generates second harmonics outputs light (wavelength converted light) in which the frequency of incident light (excitation light) is doubled (wavelength is 1Z2).
  • the nonlinear optical crystal has a characteristic that the light intensity of the wavelength-converted light is proportional to the square of the light intensity of the excitation light.
  • the wavelength conversion device is required to stabilize the light intensity of the wavelength-converted light.
  • FIG. 1 shows a block diagram of the structure of a conventional wavelength converter 101 that performs feedback control.
  • the wavelength converter 101 includes a differential amplifier 11, a current drive circuit 12, a semiconductor laser 13, a nonlinear optical crystal 14, an optical branching device 15, a photodiode 16, and a feedback signal circuit 17.
  • FIG. 1 shows the wavelength conversion device 101 in the case where the electric signal and feedback control with external power are voltages, the electric signal and feedback control are not limited to voltage but may be current or power.
  • the differential amplifier 11 has two input terminals and one output terminal.
  • the differential amplifier 11 amplifies the voltage difference of the signal input to the input terminal and outputs it from the output terminal.
  • the current drive circuit 12 is an electric circuit that supplies a drive current to cause the semiconductor laser to generate laser light. Although the current drive circuit 12 can directly convert an electric signal having an input side force into a drive current, the current drive circuit 12 has a built-in current source circuit and controls the current source circuit with an electric signal from the input side to supply the drive current. You can do it.
  • the semiconductor laser 13 generates pumping light 13b having a wavelength at which the wavelength-converted light wavelength-converted by the nonlinear optical crystal 14 has a desired wavelength.
  • the semiconductor laser 13 is, for example, an 1110 & 8 3 compound laser having a wavelength of 0.98 m or a wavelength of 1.006 111, and a ⁇ compound laser having a wavelength of 1.3 m or a wavelength of 1.5 ⁇ m. .
  • the optical splitter 15 is an optical element that splits incident light into an output light 15a and a monitor light 15b and outputs them in different directions.
  • the optical branching device 15 is, for example, a prism or a noise mirror.
  • the photodiode 16 converts the light intensity of the monitor light 15b into an electric signal and outputs it. Since the sensitivity varies depending on the wavelength of the received light, a type of photodiode suitable for the wavelength of the wavelength-converted light is selected.
  • the feedback signal circuit 17 is an electric circuit that outputs the magnitude of the input current as a feedback signal.
  • the feedback signal circuit 17 is a resistor circuit.
  • the wavelength conversion device 101 outputs the output light 15a as described below.
  • the electric signal 10a from the outside passes through the differential amplifier 11 and is input to the current drive circuit 12 as the differential signal 11a.
  • the current drive circuit 12 uses the voltage value V of the input differential signal 11a as the drive current 12
  • G2 is a constant.
  • the semiconductor laser 13 that has received the drive current 12a outputs excitation light 13b.
  • the nonlinear optical crystal 14 converts the wavelength of the excitation light and outputs wavelength converted light 14a.
  • the light intensity P of the pumping light 13b output from the semiconductor laser 13 varies with the threshold current I of the semiconductor laser 13.
  • Equation 2 The PUMP th conversion efficiency ⁇ is expressed by Equation 2. [Equation 2]
  • the light intensity of the wavelength-converted light output from the nonlinear optical crystal that generates the second harmonic is proportional to the square of the light intensity of the input excitation light.
  • Equation 3 This is expressed by Equation 3 using the light intensity of the pumping light of the semiconductor laser 13 and the conversion efficiency ⁇ .
  • Equation 2 the relationship between the light intensity P of the wavelength converted light 14a and the current value I of the drive current 12a Leads to the number 5 which is
  • the wavelength-converted light 14 a is branched into two by the optical splitter 15, and one is output to the outside as the output light 15 a of the wavelength converter 101.
  • the wavelength conversion device 101 performs feedback control of the output light 15a as follows.
  • Equation 6 One of the optical branching devices 15 branched from the wavelength-converted light 14a at a constant ratio is received by the photodiode 16 as the monitor light 15b and is photoelectrically converted as shown in Equation 6.
  • G5 is a constant
  • P is the light intensity of the monitor light 15b
  • I is the photoelectric output from the photodiode 16.
  • the current value I of the photoelectric conversion current 16a is calculated by the feedback signal circuit 17 as shown in the equation (7).
  • Equation 7 G6 is a constant and V is the voltage value of the feedback signal 17a.
  • V FB G6 x I P D
  • the feedback signal 17a is fed back to the input side of the wavelength converter 101 and input to the differential amplifier 11.
  • the differential amplifier 11 has an indication value V of the external electric signal 10a and a voltage of the feedback signal 17a.
  • the difference voltage from the value V is amplified and output to the current drive circuit 12 as a difference signal l la.
  • Equation 8 is an expression showing the voltage value V of the differential signal l la.
  • G1 is a constant.
  • VCOMP G 1 X (V IN -V FB )
  • the feedback signal 17a has variation information of the light intensity P of the wavelength converted light 14a, the difference
  • the signal l la also has variation information of the light intensity P of the wavelength converted light 14a.
  • Current drive
  • the wavelength conversion device 101 can perform feedback control of the output light 15a by inputting the drive current 12a obtained by converting the differential signal l la in the circuit 12 to the semiconductor laser 13.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 08-102564
  • Figure 2 shows the I L characteristics of the wavelength converter, with the horizontal axis representing the current value I of the drive current 12a and the vertical axis representing the light intensity P of the wavelength converted light 14a.
  • a curve 21 is an IL characteristic of the wavelength conversion device 101, and a broken line is a linear approximation line 22 of the curve 21.
  • the threshold current I of the semiconductor laser 13 is negligibly small or zero
  • Equations (1) and (5) to (9) can be derived, and the light intensity P of the wavelength-converted light 14a output from the wavelength converter has a relationship proportional to the square of the voltage value V of the differential signal lla.
  • Figure 4 shows the relationship between the light intensity P of the long converted light 14a and the voltage value V of the differential signal lla.
  • the light intensity received and the current output after photoelectric conversion are in a proportional relationship as shown in Equation 6. That is, from the equations 6 and 7, the wavelength converted light 14a and the feedback signal 17a are in a proportional relationship. Since the feedback signal 17a becomes the differential signal 11a in the differential amplifier 11, the voltage value V of the differential signal 11a is the light of the wavelength converted light 14a.
  • the wavelength-converted light 14a is proportional to the square of the fluctuation of the light intensity P by feedback control.
  • the wavelength conversion device 101 performs feedback control according to the linear approximation line 22 shown by the broken line in FIG. 2 on the optical output having the characteristic as the curve 21 in FIG. There is a problem that proper correction cannot be made for fluctuations in light intensity.
  • the difference with B increases. Therefore, if the differential amplifier 11 does not have sufficient gain, the output is saturated, and the wavelength conversion device 101 cannot correct the fluctuation of the light intensity of the wavelength converted light, and cannot obtain the desired light intensity. .
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and can appropriately correct the fluctuation of the light intensity by feedback control using a feedback signal proportional to the light intensity, so that the stable light intensity can be obtained.
  • An object of the present invention is to provide a wavelength conversion device capable of obtaining the wavelength-converted light.
  • a wavelength converter provides a current drive circuit that outputs a drive current for driving a semiconductor laser, and an input signal that inputs the drive current to the current drive circuit. Proportional to the square root of the voltage, current or power value
  • the present invention provides a semiconductor laser that outputs excitation light, a nonlinear optical crystal that converts the wavelength of the excitation light from the semiconductor laser and outputs the wavelength converted light, and the nonlinear optical crystal.
  • An optical branching device for branching a part of the wavelength-converted light output by the optical branching device, an optical intensity detection circuit for detecting the intensity of the wavelength-converted light branched by the optical branching device and outputting it as a feedback signal, and an external A differential amplifier circuit that amplifies the difference between the indicated value of the electrical signal and the value of the feedback signal from the light intensity detection circuit and outputs the difference signal, and the differential signal from the differential amplifier circuit
  • a wavelength conversion device comprising: a current drive circuit that converts the current into a drive current proportional to the square root of the value of the difference signal and outputs the drive current to the semiconductor laser.
  • the light intensity of the wavelength-converted light from the wavelength conversion device is proportional to the square of the drive current as described in Equation 5.
  • the light intensity of the light output from the wavelength converter is It is proportional to the difference signal.
  • the feedback control of the feedback signal proportional to the fluctuation of the light intensity of the wavelength-converted light will correct the wavelength-converted light in proportion to the fluctuation of the light intensity, thereby avoiding the problems described in the prior art. be able to.
  • the present invention provides light intensity by feedback control using a feedback signal proportional to light intensity. Accordingly, it is possible to provide a wavelength conversion device that can appropriately correct the fluctuation of the wavelength and can obtain wavelength-converted light with stable light intensity.
  • the present invention provides an offset addition circuit for adding an offset signal to the electrical signal so that a threshold current / value current of the semiconductor laser is added to the drive current output from the current drive circuit. Further, it may be provided.
  • the offset adding circuit adds an offset signal to an electric signal of an external force.
  • the offset signal is converted into a current value corresponding to the threshold current of the semiconductor laser via the differential amplifier and the current driving circuit.
  • the threshold current equivalent is added to the drive current, and it is not necessary to consider the semiconductor laser threshold current I in Equation 5. .
  • the wavelength conversion device can perform accurate feedback control by inputting the difference signal having the fluctuation information of the light intensity of the wavelength converted light to the current driving circuit. .
  • a wavelength converter can be provided.
  • the present invention may further include a value current adding circuit for adding a threshold current / threshold current of the semiconductor laser to the driving current output from the current driving circuit.
  • the threshold current adding circuit adds a current corresponding to the threshold current of the semiconductor laser to the driving current. Since the threshold current value adding circuit can directly supply a threshold current to the semiconductor laser without passing through the nonlinear differential amplifier, the wavelength conversion device including the threshold current adding circuit further includes: Accurate feedback control is possible.
  • a wavelength converter can be provided.
  • the light intensity of the output light is proportional to the square of the drive current. Even with this relationship, it is possible to correct the fluctuation of the light intensity appropriately by feedback control using a feedback signal proportional to the light intensity, and to obtain wavelength-converted light having a stable light intensity.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a conventional wavelength converter.
  • FIG. 2 is a graph of IL characteristics of the wavelength converter.
  • FIG. 3 This is a graph of the V–I characteristics of the current drive circuit used in the conventional wavelength converter.
  • ⁇ 4 A diagram showing the relationship between the light intensity of the wavelength-converted light and the difference signal of the conventional wavelength converter.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a wavelength conversion device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph of VI characteristics of a current drive circuit used in the wavelength converter according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the light intensity of the wavelength-converted light and the difference signal of the wavelength converter according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a wavelength conversion device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a wavelength conversion device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is an example of a square root circuit included in the current driving circuit 52.
  • the embodiment includes a semiconductor laser that outputs excitation light, a nonlinear optical crystal that converts the wavelength of the excitation light from the semiconductor laser and outputs the wavelength converted light, and the wavelength-converted light that is output from the nonlinear optical crystal.
  • An optical branching device for branching a part, an optical intensity detection circuit for detecting the intensity of the wavelength-converted light branched by the optical branching device and outputting it as a feedback signal, an indication value of an electric signal from the outside, and the A differential amplifier circuit that amplifies a difference from the value of the feedback signal from the light intensity detection circuit and outputs the difference signal, and the difference signal from the differential amplifier circuit is used as a square root of the value of the difference signal.
  • a wavelength conversion device comprising: a current drive circuit that converts the drive current to a proportional drive current and outputs the drive current to the semiconductor laser.
  • the wavelength converter 105 includes a differential amplifier 11, a current drive circuit 52, a semiconductor laser 13, a nonlinear optical crystal 14, an optical branching device 15, a photodiode 16, and a feedback signal circuit 17.
  • the same reference numerals as those used in FIG. 1 are the same and have the same functions and operations.
  • the difference between the wavelength conversion device 105 and the wavelength conversion device 101 of FIG. 1 is that the wavelength conversion device 105 includes a current drive circuit 52 instead of the current drive circuit 12.
  • the current drive circuit 52 is an electric circuit having a square root circuit that supplies a drive current 52 a that causes the semiconductor laser 13 to generate laser light.
  • the characteristic of the current drive circuit 52 is that, as shown in Equation 10, the average of the voltage value V of the differential signal 11a input by the current value I of the drive current 52a.
  • the difference signal 1 la is converted to the drive current 52a so as to be proportional to the root.
  • Figure 6 shows the relationship of Equation (10).
  • Q1 to Q4 indicate transistors.
  • the In a circuit such as Figure 10 if the sum of the base-emitter voltage of Q1 and the base-emitter voltage of Q2 is equal to the sum of the base-emitter voltage of Q3 and the base-emitter voltage of Q4, the collector current of Q1 and the collector of Q2 The product of the current is equal to the product of the collector current of Q3 and the collector current of Q4.
  • the collector current of Q3 is equal to the input current I and Q
  • the collector current of 4 is equal to the input current I.
  • the output current I is the collector of Q1 and Q2.
  • the output current I is the input current I and the input out A force current I.
  • the current drive circuit 52 has an output current I proportional to the square root of the current value.
  • the current drive circuit 52 has a built-in current source circuit, and controls the current source circuit with the output current I to drive the drive out.
  • a current may be output.
  • Equation 12 can be derived from Equation 5 and Equation 10 th
  • the light intensity P of the wavelength-converted light 14a output from the wavelength converter is the voltage of the differential signal 11a.
  • the relationship is proportional to the value V.
  • the light intensity P of the wavelength-converted light 14a and the power of the difference signal 11a are proportional to the value V.
  • Figure 7 shows the relationship with the pressure value V.
  • the wavelength converter 105 outputs the output light 15a to the outside as described in the wavelength converter 101 of FIG. 1, and the feedback signal 17a proportional to the light intensity P of the wavelength converted light 14a is a differential amplifier. Enter 1
  • the voltage value V of the differential signal 11a varies with the light intensity P of the wavelength-converted light 14a.
  • the wavelength converter 105 uses the feedback signal 17a proportional to the fluctuation of the light intensity P of the wavelength-converted light 14a to provide an accurate signal.
  • the wavelength conversion device 105 can obtain the stable light intensity by avoiding the problems described in the conventional wavelength conversion device 101. For this reason, the output light 15a generates little distortion even if the electrical signal 10a of external power has a pulse waveform! /.
  • the present embodiment implements an offset addition circuit that adds an offset signal to the electrical signal so that a threshold current of the semiconductor laser is added to the drive current output from the current drive circuit.
  • the wavelength converter described in the first embodiment is further provided.
  • FIG. 8 A block diagram of the structure of the wavelength converter 108 according to the present invention is shown in FIG. In FIG. 8, the same reference numerals as those used in FIG. 5 have the same configuration and the same functions and operations. The difference between the wavelength conversion device 108 and the wavelength conversion device 105 of FIG. 5 is that the wavelength conversion device 108 is further provided with an offset addition circuit 80.
  • the offset adding circuit 80 is configured to add an electric signal 10a from the outside so that the current value I of the threshold current of the semiconductor laser 13 is added to the driving current 52a output from the current driving circuit 52.
  • the offset adder circuit 80 can be any suitable offset adder circuit 80.
  • the voltage value V of the offset signal 80a is the indicated value of the electric signal 10a of the external force.
  • the voltage value V of the offset signal 80a is equal to the voltage in off of the feedback signal 17a.
  • the drive current 52a has a current value I and a force threshold current I.
  • the wavelength converter 108 includes an offset addition circuit 80, and adds the voltage value V of the offset signal 80a to the indicated value V of the electrical signal 10a from the outside, whereby the wavelength conversion device 108 is supplied to the semiconductor laser 13.
  • the value current can be always input.
  • the device 108 can perform accurate feedback control with a feedback signal proportional to the light intensity, and can obtain a stable light intensity.
  • a threshold current adding circuit for adding the threshold current of the semiconductor laser to the driving current output from the current driving circuit is further added to the wavelength conversion device described in the first embodiment. I have.
  • FIG. 9 A block diagram of the structure of the wavelength conversion device 109 according to the present invention is shown in FIG. In FIG. 9, the same reference numerals as those used in FIG. 5 have the same configuration and the same functions and operations.
  • the difference between the wavelength converter 109 and the wavelength converter 105 of FIG. 5 is that the wavelength converter 109 is further provided with a threshold current adding circuit 90.
  • the threshold current adding circuit 90 adds an offset current I corresponding to the threshold current value I of the semiconductor laser 13 to the driving current 52a output from the current driving circuit 52.
  • the threshold current adding circuit 90 adds the offset signal 90a to the current value I of the drive current 52a.
  • the wavelength conversion device 109 can obtain the same effects as those described for the wavelength conversion device 108.
  • the threshold current adding circuit 90 directly supplies the threshold current of the current value I to the semiconductor laser 13 without passing through the nonlinear differential amplifier 11.
  • the wavelength conversion device 109 can perform more accurate feedback control.
  • the wavelength converter 105 in FIG. 5, the wavelength converter 108 in FIG. 8, and the wavelength converter 109 in FIG. 9 describe the case where an external electric signal and feedback control are voltages. Not only voltage but also current and power may be used.
  • the wavelength converter of the present invention can be used for IJ as a laser light source for communication, optical recording, and measurement.

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Abstract

　従来の波長変換装置は入力する信号の二乗と出力する波長変換光の光強度とが比例することに対し、フィードバック制御においては波長変換光の光強度と帰還信号とが比例関係にあるため、波長変換光の光強度の制御性に課題を有していた。そこで、本発明に係る波長変換装置は、半導体レーザを駆動する駆動電流を出力する電流駆動回路において、前記駆動電流を前記電流駆動回路に入力する入力信号の電圧、電流又は電力の値の平方根に比例させることとした。本発明は光強度に比例する帰還信号でフィードバック制御を行い、安定した光強度を得ることができる波長変換装置である。

Description

明 細 書
波長変換装置
技術分野
[0001] 本発明は、非線形光学効果を利用して波長変換を行う波長変換装置に関する。
背景技術
[0002] 波長が 0. 5 μ mから 0. 6 μ mの領域の光を発生させる半導体レーザは、未だに実 現されていない。そのため、波長変換装置は前記波長領域のレーザ光を得るために 、非線形光学結晶による赤外領域の光の第二高調波発生を利用している (例えば、 特許文献 1参照)。非線形光学結晶は、例えば、 KH PO、 LiNbO、 LilO、 Ag As
2 4 3 3 3 s等である。
3
[0003] 第二次高調波を発生する非線形光学結晶は、入射する光 (励起光)の周波数を 2 倍 (波長が 1Z2)とした光 (波長変換光)を出力する。また、前記非線形光学結晶は、 波長変換光の光強度が励起光の光強度の二乗に比例する特性を有する。このような 特性の前記非線形光学結晶において、励起光の光強度に変動があると、波長変換 光の光強度の変動量は励起光の光強度の変動量の 2倍となる。そのため、波長変換 装置は波長変換光の光強度の安定化が求められている。
[0004] 波長変換装置は出力する波長変換光の光強度を安定させるため、波長変換光の 光強度を電気信号に変換して波長変換装置の入力側に帰還させるフィードバック制 御をしている。フィードバック制御を行っている従来の波長変換装置 101の構造のブ ロック図を図 1に示す。波長変換装置 101は差動増幅器 11、電流駆動回路 12、半 導体レーザ 13、非線形光学結晶 14、光分岐器 15、フォトダイオード 16及び帰還信 号回路 17を備える。なお、図 1には、外部力もの電気信号及びフィードバック制御が 電圧の場合の波長変換装置 101を記載しているが、電気信号及びフィードバック制 御は電圧に限らず電流や電力の場合もある。
[0005] 差動増幅器 11は二つの入力端子及び一つの出力端子を持つ。差動増幅器 11は 前記入力端子に入力された信号の電圧の差分を増幅して前記出力端子から出力す る。 [0006] 電流駆動回路 12は半導体レーザにレーザ光を発生させるために駆動電流を供給 する電気回路である。電流駆動回路 12は入力側力もの電気信号を直接駆動電流に 変換することもできるが、電流源回路を内蔵し、入力側からの電気信号で前記電流 源回路を制御して前記駆動電流を供給してもよ ヽ。
[0007] 半導体レーザ 13は非線形光学結晶 14で波長変換された波長変換光が所望の波 長となる波長の励起光 13bを発生させる。半導体レーザ 13は、例えば、波長 0. 98 m又は波長 1. 06 111の1110&八3ィ匕合物レーザぁるぃは波長1. 3 m又は波長 1 . 5 μ mの ΙηΡ系化合物レーザである。
[0008] 光分岐器 15は入射する光を出力光 15aとモニタ光 15bとに 2分岐して異なる方向 へ出力する光学素子である。光分岐器 15は、例えば、プリズムやノヽーフミラーである
[0009] フォトダイオード 16はモニタ光 15bの光強度を電気信号に変換して出力する。受け る光の波長により感度が異なるため、波長変換光の波長に適した種類のフォトダイォ ードが選択される。
[0010] 帰還信号回路 17は入力する電流の大きさを帰還信号して出力する電気回路であ る。例えば、電流の大きさを電圧として出力する場合には、帰還信号回路 17は抵抗 回路である。
[0011] 波長変換装置 101は、以下の説明のように出力光 15aを出力する。外部からの電 気信号 10aは差動増幅器 11を経由し、差分信号 11aとして電流駆動回路 12に入力 される。電流駆動回路 12は入力された差分信号 11aの電圧値 V を駆動電流 12
COMP
aに変換して出力する。数 1に電流駆動回路 12における差分信号 1 laの電圧値 V
CO
と駆動電流 12aの電流値 I との関係を示す。なお、 G2は定数である。
MP LD
[数 1]
ILD― G2 VCOMP
[0012] 駆動電流 12aを受けた半導体レーザ 13は励起光 13bを出力する。非線形光学結 晶 14は前記励起光を波長変換し、波長変換光 14aを出力する。半導体レーザ 13か ら出力される励起光 13bの光強度 P は、半導体レーザ 13のしきい値電流 I と変
PUMP th 換効率 αを用いて数 2で表される。 [数 2]
PpUMP— ( I|_D― Ith ) ( I|_D > Ith )
[0013] また、第二次高調波を発生する非線形光学結晶から出力する波長変換光の光強 度は入力する励起光の光強度の二乗に比例するため、波長変換光 14aの光強度 P
し は半導体レーザ 13の励起光の光強度と変換効率 βを用いて数 3で表される。
Ν
[数 3]
P|_N = P (PpUMP) "
[0014] 従って、数 3に数 2を代入し、定数部分を数 4の波長変換効率 7?に置換することで、 波長変換光 14aの光強度 P と駆動電流 12aの電流値 I との関係である数 5を導く
LN LD
ことができる。
画
77 = 2 β
[数 5] LN = V ( ILD - Ith ) 2 ( ILD > Ith )
[0015] 波長変換光 14aは光分岐器 15で 2分岐され、一方が波長変換装置 101の出力光 15aとして外部へ出力される。
[0016] また、波長変換装置 101は、以下のように出力光 15aのフィードバック制御を行う。
光分岐器 15が波長変換光 14aを一定比率で分岐した一つは、モニタ光 15bとしてフ オトダイオード 16で受光され、数 6のように光電変換される。なお、数 6において、 G5 は定数、 P はモニタ光 15bの光強度、 I はフォトダイオード 16から出力される光電
PD PD
変換電流 16aの電流値である。
[数 6]
Figure imgf000005_0001
[0017] 光電変換電流 16aの電流値 I は帰還信号回路 17で数 7のように帰還信号 17a〖こ
PD
変換される。なお、数 7において G6は定数、 V は帰還信号 17aの電圧値である。 [数 7]
VFB = G6 x IPD
[0018] 帰還信号 17aは波長変換装置 101の入力側へ帰還され、差動増幅器 11に入力さ れる。差動増幅器 11は外部からの電気信号 10aの指示値 V と帰還信号 17aの電圧
in
値 V との差分の電圧を増幅し、差分信号 l laとして電流駆動回路 12に出力する。
FB
数 8は差分信号 l laの電圧値 V を示す式である。なお、 G1は定数である。
COMP
[数 8]
VCOMP = G 1 X (VIN - VFB)
[0019] 帰還信号 17aは波長変換光 14aの光強度 P の変動情報を有しているため、差分
LN
信号 l laも波長変換光 14aの光強度 P の変動情報を有することになる。電流駆動
LN
回路 12で差分信号 l laが変換された駆動電流 12aが半導体レーザ 13に入力するこ とで、波長変換装置 101は出力光 15aのフィードバック制御を行うことができる。 特許文献 1：特開平 08 - 102564号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0020] 波長変換装置力 出力される波長変換光 14aの光強度 P は数 5のように表され、
LN
二次曲線的な I - L特性を有して 、る。波長変換装置につ 、て横軸に駆動電流 12a の電流値 I 、縦軸に波長変換光 14aの光強度 P として表した I L特性を図 2に示
LD LN
す。図 2において、曲線 21は波長変換装置 101の I—L特性であり、破線は曲線 21 の直線近似線 22である。
[0021] 一方、電流駆動回路 12は数 1の関係を有するため、差分信号 l laの電圧値 V
COMP
と駆動電流 12aの電流値 I とは図 3に示すような比例関係にある。
LD
[0022] ここで、半導体レーザ 13のしきい値電流 I が無視可能な程度微小又は 0とすれば
th
、数 1及び数 5から数 9を導くことができ、波長変換装置から出力される波長変換光 1 4aの光強度 P は差分信号 l laの電圧値 V の二乗に比例する関係になる。波
LN COMP
長変換光 14aの光強度 P と差分信号 l laの電圧値 V との関係を図 4に示す。
LN COMP
[数 9] PLN = (G2 x VCO M P) 2
[0023] 一方、図 1で説明したフォトダイオード 16において、受光する光強度と光電変換し て出力される電流とは数 6に示すように比例関係である。すなわち、数 6と数 7とから 波長変換光 14aと帰還信号 17aとは比例関係である。帰還信号 17aは差動増幅器 1 1で差分信号 11aとなるため、差分信号 11aの電圧値 V は波長変換光 14aの光
COMP
強度 P の変動に比例して変動する。しかし、波長変換装置 101には数 9の関係があ
LN
るため、フィードバック制御で波長変換光 14aは光強度 P の変動の二乗に比例する
LN
ネ ΐ正がされること〖こなる。
[0024] 従って、波長変換装置 101は、図 2の曲線 21ような特性の光出力に対して図 2の破 線で示した線形近似線 22に従ったフィードバック制御を行うことになり、波長変換光 の光強度の変動に対して適正な補正をすることができないという課題がある。
[0025] 図 2の区間 Βのように同一駆動電流に対する線形近似線 22と曲線 21との光強度の 差が大きい場合、外部からの電気信号 10aの指示値 Vと帰還信号 17aの電圧値 V
in F
Bとの差が大きくなる。そのため、差動増幅器 11に十分なゲインがなければ出力が飽 和してしまい、波長変換装置 101は波長変換光の光強度の変動を補正できず、所望 の光強度を得ることができな 、。
[0026] さらに、図 2の区間 A及び区間 Cでは、線形近似線 22の傾き (ループゲイン）と曲線 21の傾き（駆動電流 12aの電流値 I に対する波長変換光 14aの光強度 P である
LD LN
光ゲイン）とが異なっている。線形近似線 22に従ったフィードバック制御をすれば、図 2の区間 Aではループゲインに対し光ゲインが小さくなる。そのため、波長変換光の 光強度が変動した場合、波長変換装置 101が行う補正は光強度の変動に対して遅 れを生じる。一方、区間 Cではループゲインに対し光ゲインが大きい。そのため、波長 変換装置 101が行う補正は光強度の変動に対してオーバーシュートを発生しやすい
[0027] 具体的には、波長変換装置 101に外部からの電気信号 10aとしてパルス波形を入 力した場合、外部力もの電気信号 10aのパルス波形の強度により出力光 15aのパル ス形状は歪むことがある。
[0028] 図 2の区間 A及び区間 Cにおける前記補正の不具合に対しては、フィードバック制 御の時定数を大きくする手段が考えられるが、高速なフィードバック制御ができなくな ると 、うデメリットを有して 、る。
[0029] 本発明は上記課題を解決するためになされたもので、光強度に比例する帰還信号 によるフィードバック制御で光強度の変動に対して適正な補正をすることができ、安 定した光強度の波長変換光を得ることができる波長変換装置を提供することを目的と する。
課題を解決するための手段
[0030] 前記目的を達成するために、本発明に係る波長変換装置は、半導体レーザを駆動 する駆動電流を出力する電流駆動回路において、前記駆動電流を前記電流駆動回 路に入力する入力信号の電圧、電流又は電力の値の平方根に比例させることとした
[0031] 具体的には、本発明は、励起光を出力する半導体レーザと、前記半導体レーザか らの前記励起光を波長変換して波長変換光として出力する非線形光学結晶と、前記 非線形光学結晶が出力する前記波長変換光の一部を分岐する光分岐器と、前記光 分岐器で分岐された前記波長変換光の強度を検出し、帰還信号として出力する光 強度検出回路と、外部からの電気信号の指示値と前記光強度検出回路からの前記 帰還信号の値との差分を増幅し、前記差分信号として出力する差動増幅回路と、前 記差動増幅回路からの前記差分信号を前記差分信号の値の平方根に比例する前 記駆動電流へ変換し、前記半導体レーザへ前記駆動電流を出力する電流駆動回路 と、を備える波長変換装置である。
[0032] 波長変換装置からの波長変換光の光強度は数 5で説明したように駆動電流の二乗 に比例する。前記電流駆動回路が前記電流駆動回路に入力する前記差分信号の 電圧、電流又は電力の値の平方根に比例する駆動電流を出力することで、波長変 換装置から出力される光の光強度は前記差分信号に比例することになる。すなわち 、波長変換光の光強度の変動に比例した帰還信号のフィードバック制御で波長変換 光は光強度の変動に比例する補正がされることになり、従来技術で説明したような不 具合を回避することができる。
[0033] 従って、本発明は、光強度に比例する帰還信号によるフィードバック制御で光強度 の変動に対して適正な補正をすることができ、安定した光強度の波長変換光を得るこ とができる波長変換装置を提供することができる。
[0034] 本発明は、前記電流駆動回路から出力される前記駆動電流に前記半導体レーザ のしき!/、値電流が加算されるように、前記電気信号にオフセット信号を加算するオフ セット加算回路をさらに備えてもよい。
[0035] 前記オフセット加算回路は、オフセット信号を外部力もの電気信号に加算する。ォ フセット信号は、前記差動増幅器及び前記電流駆動回路を経由して前記半導体レ 一ザのしきい値電流に相当する電流の値に変換される。前記オフセット信号を前記 電気信号に加算することで、前記しきい値電流相当分が前記駆動電流に加算される ことになり、数 5において半導体レーザしきい値電流 I を考慮することが不要になる。
th
すなわち、数 9の精度が高まるため、前記波長変換光の光強度の変動情報を有する 前記差分信号を前記電流駆動回路に入力することで、波長変換装置は正確なフィ ードバック制御をすることができる。
[0036] 従って、本発明は、光強度に比例する帰還信号によるフィードバック制御で光強度 の変動に対して適正な補正をすることができ、安定した光強度の波長変換光を得るこ とができる波長変換装置を提供することができる。
[0037] 本発明は、前記電流駆動回路から出力される前記駆動電流に前記半導体レーザ のしき!/ヽ値電流を加算するしき 、値電流加算回路をさらに備えてもょ ヽ。
[0038] 前記しきい値電流加算回路は、前記半導体レーザのしきい値電流に相当する電流 を前記駆動電流に加算する。前記しき!、値電流加算回路は非線形な前記差動増幅 器を経由せず前記半導体レーザにしきい値電流を直接供給することができるため、 前記しきい値電流加算回路を備える波長変換装置はさらに正確なフィードバック制 御をすることができる。
[0039] 従って、本発明は、光強度に比例する帰還信号によるフィードバック制御で光強度 の変動に対して適正な補正をすることができ、安定した光強度の波長変換光を得るこ とができる波長変換装置を提供することができる。
発明の効果
[0040] 本発明に係る波長変換装置は、出力する光の光強度が駆動電流の二乗に比例す る関係であっても、光強度に比例する帰還信号によるフィードバック制御で光強度の 変動に対して適正な補正をすることができ、安定した光強度の波長変換光を得ること ができる。
図面の簡単な説明
[0041] [図 1]従来の波長変換装置の構成を示すブロック図である。
[図 2]波長変換装置の I L特性のグラフである。
[図 3]従来の波長変換装置に用いられていた電流駆動回路の V— I特性のグラフであ る。
圆 4]従来の波長変換装置の波長変換光の光強度と差分信号との関係を示したダラ フである。
[図 5]本発明の一の実施形態に係る波長変換装置の構成を示すブロック図である。
[図 6]本発明の実施形態に係る波長変換装置に用いられる電流駆動回路の V— I特 '性のグラフである。
[図 7]本発明の実施形態に係る波長変換装置の波長変換光の光強度と差分信号と の関係を示したグラフである。
[図 8]本発明の他の実施形態に係る波長変換装置の構成を示すブロック図である。
[図 9]本発明の他の実施形態に係る波長変換装置の構成を示すブロック図である。
[図 10]電流駆動回路 52が有する平方根回路の一例である。
符号の説明
[0042] 図面にお 、て使用されて 、る符号は以下の通りである。
101、 105、 108、 109 波長変換装置
10a 外部からの電気信号
11 差動増幅器
11a 差分信号
12、 52 電流駆動回路
12a、 52a 駆動電流
13 半導体レーザ
13a 励起光 14 非線形光学結晶
14a 波長変換光
15 光分岐器
15a 出力光
15b モニタ光
16 フォトダイオード
16a 光電変換電流
17 帰還信号回路
17a 帰還信号
21 曲線
22 線形近似線
80 オフセット加算回路
80a オフセット信号
90 しきい値電流加算回路
90a オフセット信号
I
LD 駆動電流 12a又は駆動電流 52aの電流値
P 波長変換光 14aの光強度
LN
I 光電変換電流 16aの電流値
PD
P 参照光 15bの光強度
PD
V 帰還信号 17aの電圧値
FB
V 外部からの電気信号 10aの指示値
in
V 差分信号 1 laの電圧値
COMP
A, B, C 区間
I 半導体レーザ 13のしきい値電流の値 th
V オフセット信号 80aの電圧値
off
I オフセット電流 90aの電流値
off
Q1から Q4 トランジスタ
発明を実施するための最良の形態 [0043] 添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の 形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるもので はない。
[0044] (実施の形態 1)
本実施形態は、励起光を出力する半導体レーザと、前記半導体レーザからの前記 励起光を波長変換して波長変換光として出力する非線形光学結晶と、前記非線形 光学結晶が出力する前記波長変換光の一部を分岐する光分岐器と、前記光分岐器 で分岐された前記波長変換光の強度を検出し、帰還信号として出力する光強度検 出回路と、外部からの電気信号の指示値と前記光強度検出回路からの前記帰還信 号の値との差分を増幅し、前記差分信号として出力する差動増幅回路と、前記差動 増幅回路からの前記差分信号を前記差分信号の値の平方根に比例する前記駆動 電流へ変換し、前記半導体レーザへ前記駆動電流を出力する電流駆動回路と、を 備える波長変換装置である。
[0045] 本発明に係る波長変換装置 105の構造のブロック図を図 5に示す。波長変換装置 105は差動増幅器 11、電流駆動回路 52、半導体レーザ 13、非線形光学結晶 14、 光分岐器 15、フォトダイオード 16及び帰還信号回路 17を備える。図 5において、図 1 で使用した符号と同じ符号は同じものであり、同じ機能及び動作をする。波長変換装 置 105と図 1の波長変換装置 101との違いは、波長変換装置 105が電流駆動回路 1 2ではなく電流駆動回路 52を備えていることである。
[0046] 電流駆動回路 52は、半導体レーザ 13にレーザ光を発生させる駆動電流 52aを供 給する平方根回路を有する電気回路である。電流駆動回路 52の特徴は、数 10に示 すように、駆動電流 52aの電流値 I が入力する差分信号 11aの電圧値 V の平
LD COMP
方根に比例するように差分信号 1 laを駆動電流 52aへ変換していることである。数 10 の関係を示した図を図 6に示す。
[数 10]
I|_D = \ COMP
[0047] 平方根回路の一例を図 10に示す。図 10において、 Q1から Q4はトランジスタを示 す。図 10のような回路では、 Q1のベースェミッタ間電圧と Q2のベースェミッタ間電 圧との和が Q3のベースェミッタ間電圧と Q4のベースェミッタ間電圧との和と等しい 場合、 Q1のコレクタ電流と Q2のコレクタ電流との積は Q3のコレクタ電流と Q4のコレ クタ電流との積と等しくなる性質を持つ。 Q3のコレクタ電流は入力電流 Iと等しく、 Q
A
4のコレクタ電流は入力電流 Iと等しい。また、出力電流 I は Q1及び Q2のコレクタ
B out
電流と等しい。そのため、図 10の平方根回路は、出力電流 I が入力電流 I及び入 out A 力電流 I
Bの積の平方根に等しい数 11のような関係を有する。従って、図 10の平方根 回路は入力電流 I又は入力電流 Iの一方を固定値とすることで他方の電流の平方
A B
根に比例する出力電流 I
outを得ることができる。
[数 11]
Figure imgf000013_0001
[0048] 入力側力 の電気信号が電流である場合は電流のまま、前記電気信号が電力や 電圧である場合には前記電気信号を電流に変換した後、前記電流は前記平方根回 路の入力電流 I
A又は入力電流 I
Bとして入力される。電流駆動回路 52は前記電流の 値の平方根に比例する出力電流 I
outを駆動電流として出力する。また、電流駆動回 路 52は電流源回路を内蔵し、出力電流 I で前記電流源回路を制御して前記駆動 out
電流を出力してもよい。
[0049] ここで、数 5のしきい値電流 I を 0とすると、数 5及び数 10から数 12を導くことができ th
、波長変換装置から出力される波長変換光 14aの光強度 P は差分信号 11aの電圧
LN
値 V に比例する関係になる。波長変換光 14aの光強度 P と差分信号 11aの電
COMP LN
圧値 V との関係を図 7に示す。
COMP
[数 12]
PLN = TJ (G2 x VCOMP ) 2 = η X G2 2 X VCOMP
[0050] 波長変換装置 105は、図 1の波長変換装置 101で説明したように出力光 15aを外 部へ出力し、波長変換光 14aの光強度 P に比例する帰還信号 17aを差動増幅器] 1へ入力する。
[0051] 前述のように、差分信号 11aの電圧値 V は波長変換光 14aの光強度 P の変
COMP LN
動に比例して変動する。電流駆動回路 52に数 10の関係があるため、波長変換装置 105は波長変換光 14aの光強度 P の変動に比例した帰還信号 17aで精度のよいフ
LN
イードバック制御ができる。
[0052] 従って、波長変換装置 105は従来の波長変換装置 101で説明した不具合を回避 して安定した光強度を得ることができる。そのため、出力光 15aは外部力もの電気信 号 10aがパルス波形であっても、歪の発生が少な!/、。
[0053] (実施の形態 2)
本実施形態は、前記電流駆動回路から出力される前記駆動電流に前記半導体レ 一ザのしき 、値電流が加算されるように、前記電気信号にオフセット信号を加算する オフセット加算回路を、実施の形態 1で説明した波長変換装置にさらに備えている。
[0054] 本発明に係る波長変換装置 108の構造のブロック図を図 8に示す。図 8において、 図 5で使用した符号と同じ符号は同じ構成であり、同じ機能及び動作をする。波長変 換装置 108と図 5の波長変換装置 105との違いは、波長変換装置 108にオフセット 加算回路 80がさらに備えられて 、ることである。
[0055] オフセット加算回路 80は、電流駆動回路 52から出力される駆動電流 52aに半導体 レーザ 13のしきい値電流の電流値 I が加算されるように、外部からの電気信号 10a
th
の指示値 V にオフセット信号 80aを加算する。例えば、オフセット加算回路 80は数 1
m
3に示すようなオフセット信号 80aの電圧値 V を外部力もの電気信号 10aの指示値
Off
V に加算する。すなわち、オフセット信号 80aの電圧値 V は帰還信号 17aの電圧 in off
値 V 及び外部からの電気信号 10aの指示値 V 力 SOのときに電流駆動回路 52から
FB in
の駆動電流 52aの電流値 I 力しきい値電流 I となるような値である。
LD th
[数 13]
[0056] 波長変換装置 108は、オフセット加算回路 80を備え、外部からの電気信号 10aの 指示値 V にオフセット信号 80aの電圧値 V を加算することで半導体レーザ 13へし 、値電流を常時入力することができる。
[0057] 従って、数 5においてしきい値電流の値 I を考慮する必要が無くなり、波長変換装
th
置 108は、光強度に比例する帰還信号で正確なフィードバック制御ができ、安定した 光強度を得ることができる。
[0058] (実施の形態 3)
本実施形態は、前記電流駆動回路から出力される前記駆動電流に前記半導体レ 一ザのしきい値電流を加算するしきい値電流加算回路を、実施の形態 1で説明した 波長変換装置にさらに備えている。
[0059] 本発明に係る波長変換装置 109の構造のブロック図を図 9に示す。図 9において、 図 5で使用した符号と同じ符号は同じ構成であり、同じ機能及び動作をする。波長変 換装置 109と図 5の波長変換装置 105との違いは、波長変換装置 109にしきい値電 流加算回路 90がさらに備えられて 、ることである。
[0060] しきい値電流加算回路 90は、電流駆動回路 52から出力される駆動電流 52aに半 導体レーザ 13のしきい値電流の値 I 分のオフセット電流 I を加算する。
th off
[0061] しきい値電流加算回路 90が駆動電流 52aの電流値 I にオフセット信号 90aの電
LD
流値 I を加算することで、数 5において半導体レーザのしきい値電流の値 I の考慮 off th が不要になる。そのため、波長変換装置 109は波長変換装置 108で説明した効果と 同様の効果を得ることができる。また、しきい値電流加算回路 90は非線形な差動増 幅器 11を経由せず半導体レーザ 13に電流値 I のしき ヽ値電流を直接供給すること
th
ができるため、波長変換装置 109はさらに正確なフィードバック制御をすることができ る。
[0062] なお、図 5の波長変換装置 105、図 8の波長変換装置 108及び図 9の波長変換装 置 109は外部からの電気信号及びフィードバック制御が電圧の場合を記載している 力 これらは電圧に限らず電流や電力の場合もある。
産業上の利用可能性
[0063] 本発明の波長変換装置は、通信用、光学記録用及び計測用のレーザ光源として 禾 IJ用することがでさる。

Claims

請求の範囲
[1] 励起光を出力する半導体レーザと、
前記半導体レーザからの前記励起光を波長変換して波長変換光として出力する非 線形光学結晶と、
前記非線形光学結晶が出力する前記波長変換光の一部を分岐する光分岐器と、 前記光分岐器で分岐された前記波長変換光の強度を検出し、帰還信号として出力 する光強度検出回路と、
外部からの電気信号の指示値と前記光強度検出回路からの前記帰還信号の値と の差分を増幅し、前記差分信号として出力する差動増幅回路と、
前記差動増幅回路からの前記差分信号を前記差分信号の値の平方根に比例する 前記駆動電流へ変換し、前記半導体レーザへ前記駆動電流を出力する電流駆動回 路と、
を備える波長変換装置。
[2] 前記電流駆動回路から出力される前記駆動電流に前記半導体レーザのしきい値 電流が加算されるように、前記電気信号にオフセット信号を加算するオフセット加算 回路をさらに備えることを特徴とする請求項 1に記載の波長変換装置。
[3] 前記電流駆動回路から出力される前記駆動電流に前記半導体レーザのしきい値 電流を加算するしきい値電流加算回路をさらに備えることを特徴とする請求項 1に記 載の波長変換装置。
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CN103995173A (zh) * 2013-02-18 2014-08-20 Ls产电株式会社 均方根检波器及使用所述均方根检波器的断路器

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