JP2013211394A - Semiconductor laser control method, semiconductor laser control device and semiconductor laser device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体レーザの制御方法、半導体レーザの制御装置および半導体レーザ装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor laser control method, a semiconductor laser control device, and a semiconductor laser device.
従来、半導体レーザのスペクトル幅を制御する方法として、半導体レーザから出力されるレーザ光の一部の周波数帯域の光パワーを取り出し、その光パワーを基にしてバイアス電流を制御する方法(特許文献1参照)や、半導体レーザと並列に接続したキャパシタに、ノイズとなる高周波信号をバイパスさせて、半導体レーザへの影響を低減する方法(特許文献2参照)が開示されている。これらの方法は、半導体レーザから出力されるレーザ光のFM雑音特性とスペクトル幅には相関があり、FM雑音レベルを低減するとスペクトル幅が狭くなるという理論に基づいている。また、半導体レーザのバイアス電流の揺らぎは、レーザ光にFM雑音として重畳されるため、スペクトル幅を狭くするには、バイアス電流を安定させることが重要である。 Conventionally, as a method of controlling the spectral width of a semiconductor laser, a method of taking out optical power in a partial frequency band of laser light output from a semiconductor laser and controlling bias current based on the optical power (Patent Document 1) And a method of reducing the influence on the semiconductor laser by bypassing a high-frequency signal that becomes noise in a capacitor connected in parallel with the semiconductor laser (see Patent Document 2). These methods are based on the theory that there is a correlation between the FM noise characteristics of the laser light output from the semiconductor laser and the spectrum width, and the spectrum width becomes narrower when the FM noise level is reduced. Further, since fluctuation of the bias current of the semiconductor laser is superimposed on the laser light as FM noise, it is important to stabilize the bias current in order to narrow the spectrum width.
ところで、特許文献1のように、特定の周波数帯の光パワーを用いてバイアス電流を制御する方法において、従来は10kHz程度の低い周波数帯がバイアス電流制御に用いている。しかしながら、近年の大容量伝送に用いられる光通信方式の光源として用いられる半導体レーザとしては、より高い周波数までFM雑音レベルを低減するために、より高周波帯の光パワーを用いてバイアス電流を制御することが好ましい。
By the way, in a method of controlling a bias current using optical power in a specific frequency band as in
しかしながら、後述するように、制御に用いる周波数帯が不適切であると、かえってFM雑音レベルが増大する場合がある。 However, as will be described later, if the frequency band used for control is inappropriate, the FM noise level may increase.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザ光のFM雑音レベルをより適切に低減することができる半導体レーザの制御方法、半導体レーザの制御装置および半導体レーザ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and provides a semiconductor laser control method, a semiconductor laser control device, and a semiconductor laser device capable of appropriately reducing the FM noise level of laser light. Objective.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザの制御方法は、バイアス電流によって半導体レーザを駆動するレーザ駆動工程と、前記半導体レーザから出力されるレーザ光の周波数変動を強度変動に変換する周波数弁別工程と、前記変換した強度変動に基づいて、該強度変動が抑制されるように前記バイアス電流をフィードバック制御する電流制御工程と、を含み、前記電流制御工程において、前記バイアス電流の電流変動の位相と該電流変動による前記レーザ光の周波数変動の位相との差の位相が反転する位相反転周波数以下の第1周波数帯での強度変動に基づいて前記フィードバック制御を行うことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a semiconductor laser control method according to the present invention includes a laser driving process for driving a semiconductor laser with a bias current, and a frequency variation of laser light output from the semiconductor laser. In the current control step, a frequency discrimination step of converting the bias current into a fluctuation in intensity and a current control step in which the bias current is feedback-controlled based on the converted fluctuation in intensity so as to suppress the fluctuation in intensity. The feedback control is performed based on an intensity fluctuation in a first frequency band equal to or lower than a phase inversion frequency at which a phase of a difference between a phase of current fluctuation of the bias current and a phase of frequency fluctuation of the laser light due to the current fluctuation is reversed. It is characterized by that.
本発明に係る半導体レーザの制御方法は、前記フィードバック制御するバイアス電流に含まれる、第2周波数よりも高い周波数の変動成分を遮断する遮断工程をさらに含み、前記第2周波数は前記第1周波数帯の範囲内であることを特徴とする。 The method of controlling a semiconductor laser according to the present invention further includes a blocking step of blocking a fluctuation component having a frequency higher than a second frequency included in the bias current to be feedback-controlled, wherein the second frequency is the first frequency band. It is in the range of.
本発明に係る半導体レーザの制御装置は、半導体レーザを駆動するためのバイアス電流を発生するバイアス電流発生部と、前記半導体レーザから出力されるレーザ光の一部を分岐する分岐部と、前記分岐したレーザ光の周波数変動を強度変動に変換する周波数弁別部と、前記周波数変動が強度変動に変換されたレーザ光を検出する検出部と、前記検出部が検出したレーザ光の前記強度変動に基づいて、該強度変動が抑制されるように前記バイアス電流をフィードバック制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記バイアス電流の電流変動の位相と該電流変動による前記レーザ光の周波数変動の位相との差の位相が反転する位相反転周波数以下の第1周波数帯での強度変動に基づいて前記フィードバック制御を行うことを特徴とする。 The semiconductor laser control device according to the present invention includes a bias current generating unit that generates a bias current for driving the semiconductor laser, a branching unit that branches a part of laser light output from the semiconductor laser, and the branch A frequency discriminating unit that converts the frequency variation of the laser beam into an intensity variation, a detection unit that detects the laser beam in which the frequency variation is converted into an intensity variation, and the intensity variation of the laser beam detected by the detection unit A control unit that feedback-controls the bias current so that the intensity variation is suppressed, and the control unit is configured to control the phase variation of the bias current and the frequency variation of the laser light due to the current variation. The feedback control is performed based on intensity fluctuation in a first frequency band equal to or lower than a phase inversion frequency at which the phase of the difference from the phase is inverted.
本発明に係る半導体レーザの制御装置は、前記制御部と前記半導体レーザとの間に設けられ、前記第1周波数帯内のカットオフ周波数を有する低域通過フィルタをさらに備えることを特徴とする。 The semiconductor laser control device according to the present invention further includes a low-pass filter provided between the control unit and the semiconductor laser and having a cutoff frequency within the first frequency band.
本発明に係る半導体レーザの制御装置は、前記バイアス電流の電流変動による前記レーザ光の周波数変動の利得が極小値になる周波数の近傍の周波数の変調電力を発生する変調電力発生部をさらに備えることを特徴とする。 The semiconductor laser control device according to the present invention further includes a modulation power generation unit that generates modulation power of a frequency in the vicinity of a frequency at which a gain of frequency variation of the laser light due to current variation of the bias current becomes a minimum value. It is characterized by.
本発明に係る半導体レーザの制御装置は、前記変調電力の周波数は、前記利得が許容値以下となる周波数であることを特徴とする。 In the semiconductor laser control device according to the present invention, the frequency of the modulation power is a frequency at which the gain is equal to or less than an allowable value.
本発明に係る半導体レーザ装置は、半導体レーザと、本発明の半導体レーザの制御装置とを備えることを特徴とする。 A semiconductor laser device according to the present invention includes a semiconductor laser and a semiconductor laser control device according to the present invention.
本発明に係る半導体レーザ装置は、前記半導体レーザと並列接続されたキャパシタを備え、前記キャパシタの容量は、該キャパシタと微分抵抗を有する前記半導体レーザとで構成される低域通過CR回路のカットオフ周波数が、前記第1周波数帯内になるように設定されていることを特徴とする。 A semiconductor laser device according to the present invention includes a capacitor connected in parallel with the semiconductor laser, and the capacitance of the capacitor is a cutoff of a low-pass CR circuit including the capacitor and the semiconductor laser having a differential resistance. The frequency is set to be within the first frequency band.
本発明によれば、レーザ光のFM雑音レベルをより適切に低減することができるという効果を奏する。 According to the present invention, there is an effect that the FM noise level of laser light can be more appropriately reduced.
以下に、図面を参照して本発明に係る半導体レーザの制御方法、半導体レーザの制御装置および半導体レーザ装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。 Hereinafter, embodiments of a semiconductor laser control method, a semiconductor laser control device, and a semiconductor laser device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. Moreover, in each drawing, the same code | symbol is attached | subjected suitably to the same or corresponding element.
(実施の形態)
図1は、実施の形態1に係る半導体レーザ装置の模式的な構成図である。図1に示すように、本実施の形態1に係る半導体レーザ装置10は、半導体レーザ11と、光分岐部12と、周波数弁別部13と、光強度検出部14と、制御部15とを備えている。光分岐部12、周波数弁別部13、光強度検出部14、および制御部15は半導体レーザ11の制御装置を構成している。
(Embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the semiconductor laser device according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the
半導体レーザ11は、たとえば波長1520nm〜1620nmのいずれかの波長のレーザ光L11を出力する。半導体レーザ11は、たとえばDFB(Distributed Feedback)レーザ、DBR(Distributed Bragg Reflector)レーザ、FP(Fabry-Perot)レーザ、または外部共振器レーザなどである。レーザ光L11はFM雑音を含んでいる。
The
光分岐部12は、半導体レーザ11から出力されるレーザ光L11の一部(例えば1%〜20%)を分岐レーザ光L13として分岐し、残りを出力レーザ光L12として出力する。光分岐部12は光カプラやハーフミラーなどを用いて実現される。出力レーザ光L12は光通信の信号光などとして使用される。
The
周波数弁別部13は、分岐レーザ光L13の周波数変動を強度変動に変換し、変換された強度変動を含む変換レーザ光L14を出力する。周波数弁別部13は、FP干渉計、MZ(Mach-Zehnder)干渉計、またはMichelson干渉計などを用いて実現される。周波数弁別部13は、半導体レーザ11のパッケージに収容して一緒にモジュール化しても良いし、パッケージの外部に設けても良い。
The frequency
光強度検出部14は、変換レーザ光L14を受光し、これを強度変動を含む電気信号E11に変換して出力する。光強度検出部14は、Pin-PD(Photo Diode)、APD(Avalanche Photo Diode)などを用いて実現される。
The
制御部15は、電気信号E11に含まれる強度変動に基づいて、この強度変動が抑制されるようにフィードバック制御されたバイアス電流E12を発生し、半導体レーザ11に出力する。すなわち、本実施の形態1では、バイアス電流発生部は制御部15に含まれている。半導体レーザ11はかかるフィードバック制御されたバイアス電流E12によってフィードバック駆動される。制御部15は、アナログ回路またはデジタル回路を用いて構成されるが、その構成には特に限定はない。
The
制御部15が行う半導体レーザ11の制御方法(駆動方法)についてより具体的に説明する。図2は、典型的な半導体レーザの特性の周波数応答特性を示す図である。横軸はバイアス電流の変動(揺らぎ)の周波数を示している。縦軸の規格化強度とは、バイアス電流変動がレーザ光の周波数変動として重畳される強度を、周波数が104Hz(10kHz)での値で規格化したものである。また、縦軸の位相とは、バイアス電流変動の位相とレーザ光の周波数変動の位相との差の位相、すなわち、バイアス電流変動を基準とした、レーザ光の周波数変動の位相遅れを示している。領域S1はサーマル要因が支配的な領域、領域S2はキャリア要因が支配的な領域である。
A control method (driving method) of the
図2に示すように、位相遅れについては、低周波側では約180度であるが、周波数が高くなるにつれて位相遅れが減少し、約5MHzでは90度よりも小さくなる。 As shown in FIG. 2, the phase delay is about 180 degrees on the low frequency side, but the phase delay decreases as the frequency increases, and becomes smaller than 90 degrees at about 5 MHz.
約5MHzよりも低周波側のように位相遅れが180度から90度まででは、バイアス電流が増加するように変動した場合は、レーザ光の強度が減少するように変動する。したがって、バイアス電流の増加を抑制するようにフィードバック制御すれば、レーザ光の周波数変動も抑制される。 When the phase delay is from 180 degrees to 90 degrees, such as on the low frequency side of about 5 MHz, when the bias current varies so as to increase, the intensity of the laser light varies so as to decrease. Therefore, if feedback control is performed so as to suppress an increase in the bias current, the frequency variation of the laser light is also suppressed.
しかしながら、位相遅れが90度より小さくなると、バイアス電流変動の位相とレーザ光周波数変動の位相との差の位相が反転し、バイアス電流が増加するように変動した場合に、レーザ光の強度も減少するように変動する。このような位相反転後の周波数帯での強度変動に基づいてフィードバック制御を行うと、位相反転前の周波数帯においてはかえってレーザ光の周波数変動が増幅されてしまう。 However, if the phase lag is less than 90 degrees, the phase of the difference between the bias current fluctuation phase and the laser light frequency fluctuation phase is reversed, and the laser light intensity also decreases when the bias current fluctuates to increase. To fluctuate. When feedback control is performed based on such intensity fluctuation in the frequency band after phase inversion, the frequency fluctuation of the laser light is amplified in the frequency band before phase inversion.
本実施の形態1に係る制御部15は、バイアス電流E12の電流変動の位相とこれによるレーザ光L11の周波数変動の位相との差の位相が反転する位相反転周波数以下の第1周波数帯での強度変動に基づいてフィードバック制御を行うようにしている。これによって、この第1周波数帯の周波数変動が確実に抑制されるようなフィードバック制御が実現される。その結果、レーザ光L11のFM雑音レベル(周波数変動)が低下し、スペクトル幅が狭幅化される。このスペクトル幅の狭幅化に伴いレーザ光L11のコヒーレンシーが向上し、コヒーレント長も長くなる。
The
具体的には、レーザ光の強度変動を含む電気信号E11から、周波数フィルタを用いて第1周波数帯の電力成分を取り出して、この電力成分に基づいてフィードバック制御を行えばよい。 Specifically, the power component in the first frequency band may be extracted from the electrical signal E11 including the intensity fluctuation of the laser beam using a frequency filter, and feedback control may be performed based on this power component.
なお、第1周波数帯としては、位相反転周波数以下であれば特に限定されないが、できるだけ高い周波数であることが好ましく、位相反転周波数とすることがより好ましい。たとえば、図2に示す周波数応答特性の半導体レーザの場合は、約5MHzとすることがより好ましい。 The first frequency band is not particularly limited as long as it is equal to or lower than the phase inversion frequency, but is preferably as high as possible, and more preferably the phase inversion frequency. For example, in the case of the semiconductor laser having the frequency response characteristic shown in FIG.
以上説明したように、本実施の形態1に係る半導体レーザ装置10は、レーザ光のFM雑音レベルをより適切かつ効果的に低減することができる。
As described above, the
なお、上記実施の形態1では、位相遅れが、低周波側では約180度から開始しているので、位相遅れが90度になったときに位相が反転している。しかしながら、低周波側の位相遅れの開始角度は約180度に限られない。この開始角度は位相の基準の取り方に依存する。したがって、たとえば、低周波側の位相遅れの開始角度が約0度であったとすると、位相関係が反転する角度−90度である。このように、低周波側でのバイアス電流の増減の方向とレーザ光の周波数の増減の方向との関係が、周波数を増加させていった場合に途中で反転するような周波数が、位相反転周波数である。 In the first embodiment, since the phase delay starts from about 180 degrees on the low frequency side, the phase is inverted when the phase delay reaches 90 degrees. However, the start angle of the phase delay on the low frequency side is not limited to about 180 degrees. This starting angle depends on how the phase reference is taken. Therefore, for example, if the start angle of the phase delay on the low frequency side is about 0 degrees, the angle at which the phase relationship is inverted is -90 degrees. In this way, the frequency at which the relationship between the increase / decrease direction of the bias current on the low frequency side and the increase / decrease direction of the laser light frequency is reversed halfway when the frequency is increased is the phase inversion frequency. It is.
(実施の形態2)
図3は、本発明の実施の形態2に係る半導体レーザ装置の模式的な構成図である。図3に示すように、本実施の形態2に係る半導体レーザ装置20は、半導体レーザ21と、光分岐部としての光カプラ22と、周波数弁別部としてのエタロンフィルタ23と、光強度検出部としてのフォトダイオード24と、バイアス電流発生部および制御部としてのバイアス回路25とを備えている。光カプラ22、エタロンフィルタ23、フォトダイオード24、およびバイアス回路25は半導体レーザ21の制御装置を構成している。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the
図4は、エタロンフィルタ23の透過スペクトルの一例を示す図である。横軸は光の周波数を示している。図4の例ではエタロンフィルタ23のFSR(Free Spectral Range)は100GHzであり、光ファイバ通信で良く使用される特性のものである。なおエタロンフィルタ23のFSRは特に限定はなく、たとえば50GHzのものでもよい。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a transmission spectrum of the
図4に示すように、透過スペクトルが周波数に対して傾斜している領域では、周波数が幅f1で変動すると、透過率が幅T1で変動する。したがって、エタロンフィルタ23は入力された光の周波数変動を強度変動に変換することができる。
As shown in FIG. 4, in the region where the transmission spectrum is inclined with respect to the frequency, when the frequency varies with the width f1, the transmittance varies with the width T1. Therefore, the
この半導体レーザ装置20は、実施の形態1に係る半導体レーザ装置10と同様に動作する。すなわち、半導体レーザ11は、バイアス電流E22によって駆動されてレーザ光L21を出力する。光カプラ22は、レーザ光L21の一部を分岐レーザ光L23として分岐し、残りを出力レーザ光L22として出力する。エタロンフィルタ23は、分岐レーザ光L23の周波数変動を強度変動に変換し、変換された強度変動を含む変換レーザ光L24を出力する。フォトダイオード24は、変換レーザ光L24を受光し、これを強度変動を含む電気信号E21に変換して出力する。バイアス回路25は、電気信号E21に含まれる強度変動に基づいて、この強度変動が抑制されるようにフィードバック制御されたバイアス電流E22を半導体レーザ21に出力する。半導体レーザ21はかかるフィードバック制御されたバイアス電流E22によってフィードバック駆動される。
The
このとき、バイアス回路25は、バイアス電流E22の電流変動の位相とこれによるレーザ光L21の周波数変動の位相との差の位相が反転する位相反転周波数以下の第1周波数帯での強度変動に基づいてフィードバック制御を行う。その結果、レーザ光L21のFM雑音レベルが低下し、スペクトル幅が狭幅化される。
At this time, the
ここで、フィードバック制御に用いる第1周波数帯の決定方法について説明する。はじめに、半導体レーザ21の周波数応答特性を測定する。ここでは、半導体レーザ21の一例として、4つのDFBレーザであって、それぞれが出力するレーザ光の波長を、1.55μm帯の互いに異なる波長に設定したものの周波数応答特性を測定した。
Here, the determination method of the 1st frequency band used for feedback control is demonstrated. First, the frequency response characteristic of the
図5は、各半導体レーザの利得の周波数応答特性を示す図である。図6は、各半導体レーザの位相の周波数応答特性を示す図である。ここで、図5の縦軸の利得は、バイアス電流変動がレーザ光の周波数変動として重畳される際の利得を意味する。なお、縦軸の周波数変動量に相当する値に周波数弁別手段の変換係数[mW/Hz]を乗算すると強度変動量相当値となる。また、図6の位相は、バイアス電流変動を基準とした、各レーザ光の周波数変動の位相の遅れを示している。図5、6では、およそ107Hzまでの測定結果を示している。図5、6に示すように、DFBレーザの周波数応答特性は、波長が互いに異なるDFBレーザ間であまり変化がなかった。 FIG. 5 is a diagram showing frequency response characteristics of gain of each semiconductor laser. FIG. 6 is a diagram showing the frequency response characteristic of the phase of each semiconductor laser. Here, the gain on the vertical axis in FIG. 5 means the gain when the bias current fluctuation is superimposed as the frequency fluctuation of the laser beam. Note that when the value corresponding to the frequency fluctuation amount on the vertical axis is multiplied by the conversion coefficient [mW / Hz] of the frequency discriminating means, the intensity fluctuation amount equivalent value is obtained. Moreover, the phase of FIG. 6 shows the delay of the phase of the frequency fluctuation of each laser beam based on the bias current fluctuation. 5 and 6 show the measurement results up to approximately 10 7 Hz. As shown in FIGS. 5 and 6, the frequency response characteristics of the DFB laser did not change much between DFB lasers having different wavelengths.
図6から、106Hz(1MHz)近傍で位相が90度となり、位相が反転することが確認されるので、この場合は3dB帯域が1MHzである帯域を第1周波数帯として決定することができる。 Since it is confirmed from FIG. 6 that the phase is 90 degrees near 10 6 Hz (1 MHz) and the phase is inverted, in this case, the band where the 3 dB band is 1 MHz can be determined as the first frequency band. .
位相が反転する周波数は、半導体レーザによってたとえば1MHz〜5MHzの範囲で異なるが、以上のように、予め用いる半導体レーザの周波数応答特性を測定し、その周波数応答特性から、位相反転周波数以下の第1周波数帯を決定することができる。 The frequency at which the phase is inverted varies depending on the semiconductor laser, for example, in the range of 1 MHz to 5 MHz. However, as described above, the frequency response characteristic of the semiconductor laser used in advance is measured. A frequency band can be determined.
図7は、本実施の形態2の半導体レーザ装置において、図6に示す特性に基づいて第1周波数帯の3dB帯域を1MHz近傍に設定した場合の、半導体レーザの有効線幅の周波数特性の模式図である。ここで、有効線幅とは、FM雑音のPSD(Power Spectral Density)を規格化した指標である。なお、比較のために、従来のように10kHz程度の周波数帯でのレーザ光強度が安定するように電流一定制御を行った半導体レーザの有効線幅の周波数特性を破線で示している。 FIG. 7 is a schematic diagram of the frequency characteristics of the effective line width of the semiconductor laser when the 3 dB band of the first frequency band is set in the vicinity of 1 MHz based on the characteristics shown in FIG. 6 in the semiconductor laser device of the second embodiment. FIG. Here, the effective line width is an index that standardizes PSD (Power Spectral Density) of FM noise. For comparison, the frequency characteristic of the effective line width of a semiconductor laser in which constant current control is performed so that the laser beam intensity in the frequency band of about 10 kHz is stabilized as in the prior art is indicated by a broken line.
図7に示すように、第1周波数帯の3dB帯域を1MHz近傍とした場合に、破線で示す従来例と比較して、1MHz以下のFM雑音レベルが抑制される。 As shown in FIG. 7, when the 3 dB band of the first frequency band is in the vicinity of 1 MHz, the FM noise level of 1 MHz or less is suppressed compared to the conventional example indicated by the broken line.
(実施の形態3)
図8は、本発明の実施の形態3に係る半導体レーザ装置の模式的な構成図である。図3に示すように、本実施の形態3に係る半導体レーザ装置30は、半導体レーザ部31と、光カプラ22と、エタロンフィルタ23と、フォトダイオード24と、バイアス回路25と、低域通過フィルタ36とを備えている。光カプラ22、エタロンフィルタ23、フォトダイオード24、バイアス回路25、および低域透過フィルタ36は半導体レーザ部31の制御装置を構成している。
(Embodiment 3)
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a semiconductor laser device according to Embodiment 3 of the present invention. As shown in FIG. 3, the
半導体レーザ部31は、実施の形態2の半導体レーザ21とキャパシタとが並列に接続された構成を有する。半導体レーザは微分抵抗を有するので、これをキャパシタと並列接続することによって、バイアス電流に対する低域透過CR回路が構成される。キャパシタの容量は、低域透過CR回路のカットオフ周波数が、フィードバック制御のために用いる第1周波数帯域内の周波数になるように設定されている。カットオフ周波数をたとえば1MHzとするには、半導体レーザ21の微分抵抗値が5Ωの場合には、容量が30000pFのキャパシタを並列接続すればよい。
The
また、低域透過フィルタ36は、バイアス回路25と半導体レーザ部31との間に設けられ、フィードバック制御のために用いる第1周波数帯内のカットオフ周波数を有する。たとえば、低域透過フィルタ36はRC回路で構成することができる。カットオフ周波数をたとえば1MHzとするには、抵抗値が1KΩの抵抗と容量が1500pFのキャパシタでRC回路を構成して、低域透過フィルタ36として用いることができる。
The low-
すなわち、この半導体レーザ装置30は、実施の形態2の半導体レーザ装置20の半導体レーザ21にキャパシタを並列接続して半導体レーザ部31とし、かつ低域通過フィルタ36を付加した構成を有する。
That is, the
この半導体レーザ装置30では、半導体レーザ部31は、バイアス電流E33によって駆動されてレーザ光L31を出力する。光カプラ22は、レーザ光L31の一部を分岐レーザ光L33として分岐し、残りを出力レーザ光L32として出力する。エタロンフィルタ23は、分岐レーザ光L33の周波数変動を強度変動に変換し、変換された強度変動を含む変換レーザ光L34を出力する。フォトダイオード24は、変換レーザ光L34を受光し、これを強度変動を含む電気信号E31に変換して出力する。バイアス回路25は、電気信号E31に含まれる強度変動に基づいて、この強度変動が抑制されるようにフィードバック制御されたバイアス電流E32を出力する。低域通過フィルタ36は、バイアス電流E32に含まれるカットオフ周波数よりも高い周波数の変動成分を遮断し、バイアス電流E33として半導体レーザ部31に出力する。半導体レーザ部31はかかるフィードバック制御されたバイアス電流E33によってフィードバック駆動される。
In this
このとき、バイアス回路25は、バイアス電流E33の電流変動の位相とこれによるレーザ光L31の周波数変動の位相との差の位相が反転する位相反転周波数以下の第1周波数帯での強度変動に基づいてフィードバック制御を行う。その結果、レーザ光L31のFM雑音レベルが低下し、スペクトル幅が狭幅化される。
At this time, the
また、半導体レーザ部31において構成される低域通過CR回路と低域通過フィルタ36とによって、それぞれのカットオフ周波数よりも高い周波数の変動成分が遮断されるので、レーザ光L31のFM雑音レベルが、第1周波数よりも高周波側でも低下する。これによって、レーザ光L31のスペクトル幅がさらに狭幅化される。
In addition, since the low-pass CR circuit and the low-
図9は、本実施の形態3の半導体レーザ装置において、フィードバック制御に用いる第1周波数帯の3dB帯域を1MHz近傍に設定し、かつ低域通過CR回路および低域通過フィルタのカットオフ周波数をいずれも1MHzとした場合の、半導体レーザの有効線幅の周波数特性の模式図である。なお、比較のために、従来のように10kHz程度の周波数帯でのレーザ光強度が安定するように電流一定制御を行った半導体レーザの有効線幅の周波数特性を破線で示している。 FIG. 9 shows that in the semiconductor laser device of the third embodiment, the 3 dB band of the first frequency band used for feedback control is set near 1 MHz, and the cutoff frequency of the low-pass CR circuit and the low-pass filter is any FIG. 6 is a schematic diagram of frequency characteristics of an effective line width of a semiconductor laser when 1 MHz is also used. For comparison, the frequency characteristic of the effective line width of a semiconductor laser in which constant current control is performed so that the laser beam intensity in the frequency band of about 10 kHz is stabilized as in the prior art is indicated by a broken line.
図9に示すように、第1周波数帯の3dB帯域を1MHz近傍とし、低域通過CR回路および低域通過フィルタのカットオフ周波数をいずれも1MHzとした場合に、破線で示す従来例と比較して、1MHz以下、および1MHz以上の両方のFM雑音レベルが抑制される。 As shown in FIG. 9, when the 3 dB band of the first frequency band is close to 1 MHz and the cutoff frequencies of the low-pass CR circuit and the low-pass filter are both 1 MHz, compared with the conventional example shown by the broken line. Thus, both FM noise levels below 1 MHz and above 1 MHz are suppressed.
ところで、半導体レーザ装置では、たとえば制御部は、高周波の変調電力の発生原となる回路等が搭載されている場合がある。たとえば、半導体レーザをペルチェ素子で温度制御して駆動する場合には、制御部にはペルチェ素子をPWM(Pulse Width Modulation)制御するPWM制御回路が搭載されるが、このPWM制御回路はPWMの変調周波数での変調電力を発生する。また、制御部がデジタル回路で構成される場合には、電流制御のためのCPU等の基準クロックを発生するための基準クロック発生器が搭載され、これが変調電力の発生源となる。 By the way, in the semiconductor laser device, for example, the control unit may be mounted with a circuit or the like that generates high-frequency modulated power. For example, when a semiconductor laser is driven by controlling the temperature with a Peltier element, the control unit is equipped with a PWM control circuit that performs PWM (Pulse Width Modulation) control on the Peltier element. Generate modulation power at frequency. In addition, when the control unit is configured by a digital circuit, a reference clock generator for generating a reference clock such as a CPU for current control is mounted, and this becomes a generation source of modulation power.
このような変調電力発生部が制御部またはそれ以外の半導体レーザ装置内に搭載されている場合には、当該変調電力発生部における変調周波数を、バイアス電流の電流変動によるレーザ光の周波数変動の利得が極小値になる(すなわち低感度の)周波数の近傍の周波数に設定することが好ましい。このように変調周波数を設定すれば、変調電力発生部が発生する変調電力がバイアス電流の電流変動に重畳したとしても、レーザ光の周波数変動に重畳される程度を最小限に抑制することができる。ここで、利得が極小値になる周波数の近傍の周波数とは、利得が極小値になる周波数を含めて、利得が許容値以下となるような周波数の範囲を意味する。利得の許容値は、たとえば半導体レーザ装置で許容されるFM雑音レベルの要求仕様等にもとづいて決定される。 When such a modulation power generation unit is mounted in a control unit or other semiconductor laser device, the modulation frequency in the modulation power generation unit is set to the gain of the frequency fluctuation of the laser beam due to the current fluctuation of the bias current. Is preferably set to a frequency in the vicinity of a frequency at which becomes a minimum value (that is, low sensitivity). By setting the modulation frequency in this way, even if the modulation power generated by the modulation power generator is superimposed on the current fluctuation of the bias current, the degree of superposition on the frequency fluctuation of the laser light can be minimized. . Here, the frequency in the vicinity of the frequency at which the gain becomes the minimum value means a frequency range in which the gain is not more than the allowable value including the frequency at which the gain becomes the minimum value. The allowable gain is determined based on, for example, the required specification of the FM noise level allowed in the semiconductor laser device.
バイアス電流の電流変動によるレーザ光の周波数変動の利得は、図2または5のように、半導体レーザの周波数応答特性を測定することで求めることができる。図5に示す例では、変調電力発生部が発生する変調電力の周波数を1MHz近傍とすれば、レーザ光への重畳を最小限に抑制することができる。 The gain of the frequency fluctuation of the laser light due to the current fluctuation of the bias current can be obtained by measuring the frequency response characteristic of the semiconductor laser as shown in FIG. In the example illustrated in FIG. 5, if the frequency of the modulation power generated by the modulation power generation unit is in the vicinity of 1 MHz, superimposition on the laser light can be suppressed to a minimum.
図10は、本発明の実施の形態3の変形例に係る半導体レーザ装置の模式的な構成図である。図10に示す半導体レーザ装置30Aは、実施の形態3に係る半導体レーザ装置30のバイアス回路25をバイアス回路35に置き換えた構成を有する。バイアス回路35は、変調周波数を、バイアス電流の電流変動によるレーザ光の周波数変動の利得が極小値になる周波数の近傍の周波数に設定した変調電力発生部35aを備える。変調電力発生部35aはたとえば基準クロック発生器やPWM制御回路である。バイアス回路35は、変調電力発生部35aの変調周波数の成分が重畳されたバイアス電流E32Aを出力するが、変調成分がレーザ光の周波数変動に重畳される程度は小さい。また、低域通過フィルタ36のカットオフ周波数を、変調周波数よりも低くすれば、バイアス電流E32Aの変調成分は低域通過フィルタ36によって大幅に遮断されて、低域通過フィルタ36からバイアス電流E33Aとして出力されるので、変調成分がレーザ光の周波数変動に重畳される程度はきわめて小さくなる。
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a semiconductor laser device according to a modification of the third embodiment of the present invention. A
(実施の形態4)
図11は、本発明の実施の形態4に係る半導体レーザ装置の模式的な構成図である。図11に示すように、本実施の形態4に係る半導体レーザ装置30は、半導体レーザ部31と、光サーキュレータ42と、FBG43と、フォトダイオード24と、バイアス回路25と、低域通過フィルタ36とを備えている。光サーキュレータ42およびFBG43が光分岐部を構成しており、FBG43が周波数弁別部を構成している。光サーキュレータ42、FBG43、フォトダイオード24、バイアス回路25、および低域通過フィルタ36は半導体レーザ31の制御装置を構成している。
(Embodiment 4)
FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a semiconductor laser device according to Embodiment 4 of the present invention. As shown in FIG. 11, the
図12は、FBG43の透過スペクトルの一例を示す図である。横軸は光の周波数を示している。図12に示すように、透過スペクトルが周波数に対して傾斜している領域では、周波数が幅f2で変動すると、透過率(あるいは反射率)が幅T2で変動する。したがって、FBG23は入力された光の周波数変動を強度変動に変換することができる。
FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a transmission spectrum of the
この半導体レーザ装置40では、半導体レーザ部31は、バイアス電流E43によって駆動されてレーザ光L31を出力する。光サーキュレータ42は、レーザ光L31をFBG43へ透過する。FBG43は、レーザ光L31の周波数変動を強度変動に変換し、その一部を、変換された強度変動を含む変換反射レーザ光L44として光サーキュレータ42側に反射により分岐し、残りを出力レーザ光L32として出力する。光サーキュレータ42は、変換反射レーザ光L44をフォトダイオード24へと出力する。フォトダイオード24は、変換反射レーザ光L44を受光し、これを強度変動を含む電気信号E41に変換して出力する。バイアス回路25は、電気信号E41に含まれる強度変動に基づいて、この強度変動が抑制されるようにフィードバック制御されたバイアス電流E42を出力する。低域通過フィルタ36は、バイアス電流E42に含まれるカットオフ周波数よりも高い周波数の変動成分を遮断し、バイアス電流E43として半導体レーザ部31に出力する。半導体レーザ部31はかかるフィードバック制御されたバイアス電流E43によってフィードバック駆動される。
In this
このとき、バイアス回路25は、バイアス電流E43の電流変動とこれによるレーザ光L31の周波数変動との間の位相関係が反転する位相反転周波数以下の第1周波数帯での強度変動に基づいてフィードバック制御を行う。その結果、レーザ光L31のFM雑音レベルが低下し、スペクトル幅が狭幅化される。
At this time, the
また、半導体レーザ部31において構成される低域通過CR回路と低域通過フィルタ36とによって、それぞれのカットオフ周波数よりも高い周波数の変動成分が遮断されるので、レーザ光L31のFM雑音レベルが、第1周波数帯よりも高周波側でも低下する。これによって、レーザ光L31のスペクトル幅がさらに狭幅化される。
In addition, since the low-pass CR circuit and the low-
なお、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上記各実施形態の各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。たとえば、実施の形態2の半導体レーザ装置20に、実施の形態3の低域通過フィルタ36を設けてもよいし、バイアス回路25を、実施の形態3の変形例の変調電力発生部35aを備えるバイアス回路35に置き換えても良いし、エタロンフィルタ23をMZ干渉計やMichelson干渉計に置き換えても良い。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
The present invention is not limited to the above embodiment. What comprised each component of each said embodiment combining suitably is also contained in this invention. For example, the
10、20、30、30A、40 半導体レーザ装置
11、21 半導体レーザ
12 光分岐部
13 周波数弁別部
14 光強度検出部
15 制御部
22 光カプラ
23 エタロンフィルタ
24 フォトダイオード
25、35 バイアス回路
31 半導体レーザ部
35a 変調電力発生部
36 低域通過フィルタ
40 半導体レーザ装置
42 光サーキュレータ
E11、E21、E31、E41 電気信号
E12、E22、E32、E32A、E33、E33A、E42、E43 バイアス電流
f1、f2、T1、T2 幅
L11、L21、L31 レーザ光
L12、L22、L32 出力レーザ光
L13、L23、L33 分岐レーザ光
L14、L24、L34 変換レーザ光
L44 変換反射レーザ光
S1、S2 領域
10, 20, 30, 30A, 40
Claims (8)
前記半導体レーザから出力されるレーザ光の周波数変動を強度変動に変換する周波数弁別工程と、
前記変換した強度変動に基づいて、該強度変動が抑制されるように前記バイアス電流をフィードバック制御する電流制御工程と、
を含み、前記電流制御工程において、前記バイアス電流の電流変動の位相と該電流変動による前記レーザ光の周波数変動の位相との差の位相が反転する位相反転周波数以下の第1周波数帯での強度変動に基づいて前記フィードバック制御を行うことを特徴とする半導体レーザの制御方法。 A laser driving step of driving the semiconductor laser with a bias current;
A frequency discrimination step of converting the frequency fluctuation of the laser beam output from the semiconductor laser into an intensity fluctuation;
A current control step of feedback-controlling the bias current based on the converted intensity fluctuation, so that the intensity fluctuation is suppressed;
In the current control step, the intensity in the first frequency band below the phase inversion frequency at which the phase of the difference between the phase of the current fluctuation of the bias current and the phase of the frequency fluctuation of the laser light due to the current fluctuation is reversed. A method of controlling a semiconductor laser, wherein the feedback control is performed based on fluctuation.
前記半導体レーザから出力されるレーザ光の一部を分岐する分岐部と、
前記分岐したレーザ光の周波数変動を強度変動に変換する周波数弁別部と、
前記周波数変動が強度変動に変換されたレーザ光を検出する検出部と、
前記検出部が検出したレーザ光の前記強度変動に基づいて、該強度変動が抑制されるように前記バイアス電流をフィードバック制御する制御部と、
を備え、前記制御部は、前記バイアス電流の電流変動の位相と該電流変動による前記レーザ光の周波数変動の位相との差の位相が反転する位相反転周波数以下の第1周波数帯での強度変動に基づいて前記フィードバック制御を行うことを特徴とする半導体レーザの制御装置。 A bias current generator for generating a bias current for driving the semiconductor laser;
A branching portion for branching a part of the laser light output from the semiconductor laser;
A frequency discriminator for converting frequency fluctuations of the branched laser light into intensity fluctuations;
A detection unit for detecting laser light in which the frequency fluctuation is converted into intensity fluctuation;
A control unit that feedback-controls the bias current based on the intensity variation of the laser light detected by the detection unit so that the intensity variation is suppressed;
The control unit includes an intensity fluctuation in a first frequency band equal to or lower than a phase inversion frequency at which a phase of a difference between a phase of a current fluctuation of the bias current and a phase of a frequency fluctuation of the laser light due to the current fluctuation is reversed. The semiconductor laser control apparatus is characterized in that the feedback control is performed based on the above.
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