JP7105550B2 - LASER DEVICE AND SEMICONDUCTOR LASER DEVICE CONTROL METHOD - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ装置及び半導体レーザ素子の制御方法に関するものである。 The present invention relates to a laser device and a method of controlling a semiconductor laser element.
光通信等において、半導体レーザ素子を備えたレーザ装置が用いられている。一般的に、半導体レーザ素子は、素子温度が高い程、出力されるレーザ光の波長（レーザ発振波長）が長くなる。この現象は、素子温度を制御することによってレーザ発振波長を制御する際に利用される（特許文献１参照）。レーザ発振波長を制御する方法として、半導体レーザ素子の近傍にサーミスタ等の温度センサを配置し、この温度センサが検知した温度が目標温度になるように、半導体レーザ素子の温度を調節する温度調節素子の駆動状態をフィードバック制御する方法が知られている。 2. Description of the Related Art In optical communication and the like, a laser device having a semiconductor laser element is used. In general, the higher the element temperature of a semiconductor laser element, the longer the wavelength of laser light output (laser oscillation wavelength). This phenomenon is utilized when controlling the laser oscillation wavelength by controlling the element temperature (see Patent Document 1). As a method of controlling the laser oscillation wavelength, a temperature sensor such as a thermistor is arranged near the semiconductor laser element, and the temperature of the semiconductor laser element is adjusted so that the temperature detected by this temperature sensor becomes the target temperature. There is known a method of feedback-controlling the drive state of a motor.
ところで、例えば光通信において用いられる半導体レーザ素子について、レーザ発振波長の高精度の制御が要求される場合がある。高精度な制御の要求例として、半導体レーザ素子がレーザ光を出力している状態で、レーザ発振波長が要求波長を含む所定の範囲内に収まるように半導体レーザ素子の駆動状態を制御する要求がある。 By the way, for semiconductor laser devices used in optical communications, for example, there are cases where highly accurate control of the laser oscillation wavelength is required. As an example of the demand for high-precision control, there is a demand to control the driving state of the semiconductor laser element so that the laser oscillation wavelength is within a predetermined range including the required wavelength while the semiconductor laser element is emitting laser light. be.
ここで、例えば半導体レーザ素子の立ち上げ時に、半導体レーザ素子に供給される駆動電流の値がゼロの状態から駆動電流の供給を開始する、すなわち半導体レーザ素子をオフ状態からオン状態にすると、半導体レーザ素子のジャンクション温度は駆動電流の供給に迅速に応答して上昇する。ジャンクション温度の上昇に伴いレーザ発振波長も長くなる。ところが、温度センサは、ジャンクション温度の上昇から遅れて、ジャンクション温度の上昇による半導体レーザ素子の温度上昇を検知する。その結果、温度調節素子のフィードバック制御にも遅れが生じ、この遅れの間にレーザ発振波長が所定の範囲から外れてしまうおそれがある。 Here, for example, when the semiconductor laser device is started up, the supply of the drive current to the semiconductor laser device is started from a state where the value of the drive current supplied to the semiconductor laser device is zero, that is, the semiconductor laser device is turned on from an off state. The junction temperature of the laser element rises quickly in response to the supply of drive current. As the junction temperature increases, the laser oscillation wavelength also increases. However, the temperature sensor detects the temperature rise of the semiconductor laser element due to the junction temperature rise after the junction temperature rise. As a result, feedback control of the temperature control element is also delayed, and the laser oscillation wavelength may deviate from the predetermined range during this delay.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、半導体レーザ素子をオン状態にする際にレーザ発振波長を所定の範囲から外れないようにすることができるレーザ装置及び半導体レーザ素子の制御方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above, and is a laser device and a method of controlling a semiconductor laser element that can prevent the laser oscillation wavelength from deviating from a predetermined range when the semiconductor laser element is turned on. intended to provide
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係るレーザ装置は、レーザ光を出力する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子の温度を調節する温度調節素子と、前記半導体レーザ素子の近傍に配置された第１温度センサと、前記半導体レーザ素子に駆動電流を供給して前記半導体レーザ素子の駆動状態を制御し、前記半導体レーザ素子に駆動電流が供給されている間、前記第１温度センサが検知した温度が目標温度になるように前記温度調節素子の駆動状態を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記駆動電流の値を、ゼロから目標電流値に変更する際に、前記レーザ光の波長が所定の範囲内に収まるように前記駆動電流の値を変化させながら前記目標電流値に近づけることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a laser device according to an aspect of the present invention includes a semiconductor laser element that outputs laser light, a temperature control element that adjusts the temperature of the semiconductor laser element, and a first temperature sensor disposed near a semiconductor laser element; supplying a driving current to the semiconductor laser element to control the driving state of the semiconductor laser element; and a control unit for controlling the drive state of the temperature control element so that the temperature detected by the first temperature sensor becomes the target temperature, the control unit changing the value of the drive current from zero to the target current. When changing the target current value, the value of the drive current is changed so that the wavelength of the laser light falls within a predetermined range, and the value of the drive current is brought closer to the target current value.
本発明の一態様に係るレーザ装置は、前記制御部は、前記駆動電流の値を多段ステップ状、直線状、又は曲線状に変化させることを特徴とする。 A laser device according to an aspect of the present invention is characterized in that the controller changes the value of the drive current in a multi-step, linear, or curved manner.
本発明の一態様に係るレーザ装置は、前記第１温度センサよりも前記半導体レーザ素子から離間した位置に配置され、前記半導体レーザ素子の環境温度を検知する第２温度センサをさらに備え、前記制御部は、前記第２温度センサが検知した温度に基づいて、前記駆動電流の値の変化の形状を変更することを特徴とする。 The laser device according to an aspect of the present invention further includes a second temperature sensor arranged at a position spaced apart from the semiconductor laser element more than the first temperature sensor, and detecting an environmental temperature of the semiconductor laser element. The part changes the shape of change in the value of the drive current based on the temperature detected by the second temperature sensor.
本発明の一態様に係るレーザ装置は、前記制御部は、前記第１温度センサが検知した温度に基づいて、フィードバック制御によって前記駆動電流の値を変更することを特徴とする。 A laser device according to an aspect of the present invention is characterized in that the controller changes the value of the drive current by feedback control based on the temperature detected by the first temperature sensor.
本発明の一態様に係るレーザ装置は、前記目標温度は、前記レーザ光に対する波長の設定値を実現する温度であることを特徴とする。 A laser device according to an aspect of the present invention is characterized in that the target temperature is a temperature that achieves a wavelength setting value for the laser light.
本発明の一態様に係るレーザ装置は、前記制御部は、前記駆動電流の値がゼロのときに、前記第１温度センサが検知した温度が前記目標温度よりも低くなるように前記温度調節素子の駆動状態を制御し、前記駆動電流の値がゼロより大きくなったら、前記第１温度センサが検知した温度が目標温度になるように前記温度調節素子の駆動状態を制御することを特徴とする。 In the laser device according to an aspect of the present invention, the controller controls the temperature control element so that the temperature detected by the first temperature sensor is lower than the target temperature when the value of the drive current is zero. and controlling the driving state of the temperature control element so that the temperature detected by the first temperature sensor becomes the target temperature when the value of the driving current becomes greater than zero. .
本発明の一態様に係る半導体レーザ素子の制御方法は、レーザ光を出力する半導体レーザ素子に供給する駆動電流を、ゼロから目標電流値に変更する際に、前記レーザ光の波長が所定の範囲内に収まるように前記駆動電流の値を変化させながら前記目標電流値に近づけるステップと、前記半導体レーザ素子に駆動電流が供給されている間、前記半導体レーザ素子の周囲温度が目標温度になるように、前記半導体レーザ素子の温度を調節するステップと、を含むことを特徴とする。 A control method for a semiconductor laser device according to an aspect of the present invention provides a method for controlling a semiconductor laser device that outputs a laser beam, when changing a driving current supplied to a semiconductor laser device that outputs a laser beam from zero to a target current value, the wavelength of the laser beam is within a predetermined range. bringing the value of the drive current closer to the target current value while changing the value of the drive current so as to fall within the range of the target current value; and a step of adjusting the temperature of the semiconductor laser device.
本発明の一態様に係る半導体レーザ素子の制御方法は、前記駆動電流の値を多段ステップ状、直線状、又は曲線状に変化させることを特徴とする。 A method of controlling a semiconductor laser device according to an aspect of the present invention is characterized by changing the value of the drive current in a multi-step, linear, or curved manner.
本発明の一態様に係る半導体レーザ素子の制御方法は、前記半導体レーザ素子の環境温度に基づいて、前記駆動電流の値の変化の形状を変更することを特徴とする。 A method of controlling a semiconductor laser device according to an aspect of the present invention is characterized by changing a shape of change in a value of the drive current based on an environmental temperature of the semiconductor laser device.
本発明の一態様に係る半導体レーザ素子の制御方法は、前記半導体レーザ素子の周囲温度に基づいて、前記駆動電流の値をフィードバック制御することを特徴とする。 A method of controlling a semiconductor laser device according to an aspect of the present invention is characterized by feedback-controlling a value of the drive current based on an ambient temperature of the semiconductor laser device.
本発明の一態様に係る半導体レーザ素子の制御方法は、前記目標温度は、前記レーザ光に対する波長の設定値を実現する温度であることを特徴とする。 A control method for a semiconductor laser device according to an aspect of the present invention is characterized in that the target temperature is a temperature that achieves a wavelength setting value for the laser light.
本発明の一態様に係る半導体レーザ素子の制御方法は、前記駆動電流の値がゼロのときに、前記半導体レーザ素子の周囲温度が前記目標温度よりも低くなるように前記半導体レーザ素子の温度を制御するステップをさらに含むことを特徴とする。 A control method for a semiconductor laser device according to an aspect of the present invention adjusts the temperature of the semiconductor laser device so that the ambient temperature of the semiconductor laser device is lower than the target temperature when the value of the drive current is zero. It is characterized by further comprising a step of controlling.
本発明によれば、半導体レーザ素子をオン状態にする際にレーザ発振波長を所定の範囲に収めることができるという効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to keep the laser oscillation wavelength within a predetermined range when turning on the semiconductor laser element.
以下に、図面を参照して実施形態について説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一又は対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。 Embodiments will be described below with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment. Moreover, in the description of the drawings, the same or corresponding elements are given the same reference numerals as appropriate. Also, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship of dimensions of each element, the ratio of each element, and the like may differ from reality. Even between the drawings, there are cases where portions with different dimensional relationships and ratios are included.
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係るレーザ装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、レーザ装置１００は、筐体１と、温度調節素子である熱電冷却素子２と、サブマウント３と、半導体レーザ素子４と、第１温度センサであるサーミスタ５と、コリメータレンズ６と、集光レンズ７と、光ファイバ８と、を備える半導体レーザモジュールと、第２温度センサである温度センサ９と、制御部１０と、を備えている。制御部１０は、ＴＥＣ（Thermo-Electric Cooler）電流制御部１１と、ＬＤ（Laser Diode）電流制御部１２とを備えている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a laser device according to
筐体１は、熱電冷却素子２と、サブマウント３と、半導体レーザ素子４と、サーミスタ５と、コリメータレンズ６と、集光レンズ７と、を少なくとも収容し、光ファイバ８が取り付けられている。
A
図２は、図１におけるＡ矢視図であって、熱電冷却素子２、サブマウント３、半導体レーザ素子４、及びサーミスタ５を示している。図１、２に示すように、熱電冷却素子２は、サブマウント３を搭載している。また、サブマウント３は、半導体レーザ素子４とサーミスタ５とを搭載している。
FIG. 2 is a view taken along arrow A in FIG. As shown in FIGS. 1 and 2, the
熱電冷却素子２は、例えばペルチェ素子である。熱電冷却素子２は、制御部１０のＴＥＣ電流制御部１１から駆動電流であるＴＥＣ電流Ｃ１が供給されることによって、サブマウント３を介して半導体レーザ素子４を冷却又は加熱して、半導体レーザ素子４の温度を調節することができる。
The
サブマウント３は、例えば熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋと高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるが、ＡｌＮに限らず、ＣｕＷ、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ダイヤモンドなどの熱伝導率が高い材料でもよい。
The
半導体レーザ素子４は、例えば分布帰還（ＤＦＢ）型のレーザダイオード素子である。半導体レーザ素子４は、制御部１０のＬＤ電流制御部１２から駆動電流であるＬＤ電流Ｃ２が供給されて、単一モードのレーザ光Ｌを出力する。レーザ発振波長は例えば１．５５μｍの波長帯に含まれる。
The semiconductor laser element 4 is, for example, a distributed feedback (DFB) type laser diode element. The semiconductor laser element 4 is supplied with an LD current C2, which is a drive current, from the LD current control section 12 of the
サーミスタ５は、サブマウント３上において半導体レーザ素子４の近傍に配置されている。サーミスタ５は、半導体レーザ素子４の周囲温度を検知するためのものであり、検知した温度に対応する電気信号Ｓ１をＴＥＣ電流制御部１１に出力する。サーミスタ５は、その検知する温度が、半導体レーザ素子４の素子温度と略見なせる程度に、半導体レーザ素子４の近傍に配置されることが好ましい。
The
コリメータレンズ６は、半導体レーザ素子４から出力されたレーザ光Ｌを平行光に変換する。集光レンズ７は、平行光に変換されたレーザ光Ｌを集光して光ファイバ８に入力させる。光ファイバ８はレーザ光Ｌを所定の装置等まで伝送する。
The
なお、コリメータレンズ６と集光レンズ７の間のレーザ光Ｌの光路又は光路の周辺には、公知の光アイソレータや、制御部１０による公知の波長ロック制御（レーザ光Ｌを所望の波長及び強度にするための制御）を行うためのビームスプリッタ、フォトダイオード、エタロンフィルタ等が適宜配置されていてもよい。
The optical path of the laser light L between the
温度センサ９は、サーミスタ５よりも半導体レーザ素子４から離間した位置である筐体１の外部に設けられており、半導体レーザ素子４の環境温度としてのケース温度を検知するためのものである。温度センサ９は、検知した温度に対応する電気信号Ｓ２を制御部１０に出力する。温度センサ９は、例えば制御部１０に設けられた、制御部１０の温度を測定するための温度センサであってもよい。
The temperature sensor 9 is provided outside the
制御部１０は、演算部と、記憶部とを備えている。演算部は、制御部１０が実行する制御のための各種演算処理を行うものであり、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）で構成される。記憶部は、演算部が演算処理を行うために使用する各種プログラムやデータ等が格納される、たとえばＲＯＭ（Read Only Memory）で構成される部分と、演算部が演算処理を行う際の作業スペースや演算部の演算処理の結果等を記憶する等のために使用される、たとえばＲＡＭ（Random Access Memory）で構成される部分とを備えている。ＴＥＣ電流制御部１１及びＬＤ電流制御部１２は、制御部１０が備える演算部と記憶部の機能によりソフトウェア的に実現される。
The
ＴＥＣ電流制御部１１は、サーミスタ５から入力された電気信号Ｓ１に基づいて、サーミスタ５が検知した温度が所定の温度になるように、熱電冷却素子２にＴＥＣ電流Ｃ１を供給して、熱電冷却素子２の駆動状態をフィードバック制御する。このフィードバック制御は、例えば周知のＰＩＤ制御を用いて実行される。
Based on the electric signal S1 input from the
ＬＤ電流制御部１２は、半導体レーザ素子４にＬＤ電流Ｃ２を供給する。ＬＤ電流制御部１２は、ＬＤ電流Ｃ２の値（以下、ＬＤ電流値と記載する）を調整することによって、半導体レーザ素子４の駆動状態を制御する。半導体レーザ素子４は、ＬＤ電流値がゼロの場合は、レーザ光Ｌを出力せず、ＬＤ電流値が半導体レーザ素子４のしきい値電流より大きい場合は、ＬＤ電流値に応じたパワーのレーザ光Ｌを出力する。半導体レーザ素子４をオン状態とする指令や、レーザ光Ｌのパワーの設定値（以下、適宜パワー設定値と記載する）の指令は、例えばレーザ装置１００の外部の装置（レーザ装置１００が組み込まれるシステムの制御装置等）から制御部１０に入力される。ＬＤ電流制御部１２は、指令されたパワー設定値を実現するために必要なＬＤ電流値を算出し、算出した値を目標電流値として、半導体レーザ素子４にＬＤ電流Ｃ２を供給する。なお、或るパワー設定値を実現するために必要なＬＤ電流値は、半導体レーザ素子４の素子温度、より正確にはジャンクション温度にも依存する。制御部１０は、電気信号Ｓ１に基づいてサーミスタ５で検知される温度も考慮して、ＬＤ電流値を算出する。
The LD current control section 12 supplies an LD current C2 to the semiconductor laser device 4 . The LD current control section 12 controls the driving state of the semiconductor laser element 4 by adjusting the value of the LD current C2 (hereinafter referred to as LD current value). When the LD current value is zero, the semiconductor laser element 4 does not output the laser light L. Light L is output. A command to turn on the semiconductor laser element 4 and a command to set the power of the laser beam L (hereinafter referred to as a power set value) are issued by, for example, a device external to the laser device 100 (a device in which the
また、レーザ光Ｌの波長であるレーザ発振波長は、半導体レーザ素子４の素子温度、より正確にはジャンクション温度に依存して変化する。制御部１０の記憶部には、レーザ発振波長と、そのレーザ発振波長のときにサーミスタ５で検知される温度との関係が予め記憶されている。そして、レーザ発振波長を或る値に設定する場合は、そのレーザ発振波長が実現される温度が目標温度に設定される。そして、ＴＥＣ電流制御部１１は、サーミスタ５が検知した温度が目標温度になるように熱電冷却素子２の駆動状態をフィードバック制御する。半導体レーザ素子４に対するレーザ発振波長の設定値（以下、適宜波長設定値と記載する）の指令は、例えばレーザ装置１００の外部の装置から制御部１０に入力される。
Also, the laser oscillation wavelength, which is the wavelength of the laser light L, varies depending on the element temperature of the semiconductor laser element 4, more precisely, the junction temperature. The storage unit of the
次に、レーザ装置１００において、半導体レーザ素子４のＬＤ電流値をゼロから目標電流値に変更する際に、制御部１０が実行する制御について、図３に示す制御フローを参照して説明する。このような制御は、例えば半導体レーザ素子４の立ち上げ時に実行されるものであり、例えば波長設定値の指令が制御部１０に入力された後で、半導体レーザ素子４をオン状態とする指令が制御部１０に入力されたときにスタートする。また、図３に示す制御フローを実行している間は、サーミスタ５が検知した温度が、波長設定値が実現される目標温度になるようにする熱電冷却素子２のフィードバック制御は実行され続ける。
Next, the control executed by the
はじめに、制御部１０は、ステップＳ１０１において、半導体レーザ素子４をオン状態とする条件（ＬＤオン条件）が成立しているか否かを判定する。ＬＤオン条件は、例えば、サーミスタ５が検知した温度が目標温度以下であること、及び、半導体レーザ素子４に供給されているＬＤ電流値がゼロである（すなわち半導体レーザ素子４がオフ状態である）ことが含まれる。ＬＤオン条件が成立していないと判定した場合（ステップＳ１０１、Ｎｏ）は、ステップＳ１０１を繰り返し実行する。ＬＤオン条件が成立していると判定した場合（ステップＳ１０１、Ｙｅｓ）は、制御はステップＳ１０２に進む。
First, in step S101, the
ステップＳ１０２において、ＬＤ電流制御部１２は、ＬＤ電流値を制御する。具体的には、ＬＤ電流値をゼロから目標電流値に変更する際に、レーザ発振波長が所定の範囲内に収まるようにＬＤ電流Ｃ２の値を変化させながら目標電流値に近づける。これにより、レーザ発振波長が所定の範囲から外れないようにすることができる。なお、所定の範囲は、例えばレーザ装置１００の仕様において、波長設定値等に応じて決められているものである。
In step S102, the LD current control section 12 controls the LD current value. Specifically, when the LD current value is changed from zero to the target current value, the value of the LD current C2 is changed so that the laser oscillation wavelength falls within a predetermined range while approaching the target current value. Thereby, it is possible to prevent the laser oscillation wavelength from deviating from the predetermined range. Note that the predetermined range is determined according to the wavelength setting value, etc., in the specifications of the
レーザ発振波長が所定の範囲から外れないようにするためには、半導体レーザ素子４のジャンクション温度が急上昇することを防止する必要がある。ジャンクション温度の急上昇を防止するために、ＬＤ電流値は、例えば、時間に対してＬＤ電流値を段階的に上昇させる多段ステップ状に変化させたり、時間に対してＬＤ電流値を比例的に上昇させる直線状に変化させたり、曲線状に変化させたり、又はこれらの変化を適宜組み合わせた形状とすることが好ましい。このようなＬＤ電流値の変化の形状は、レーザ発振波長が所定の範囲から外れないような形状として、予め実験やシミュレーション計算等により求めておき、制御部１０の記憶部に記憶されていることが好ましい。なお、半導体レーザ素子４に或る値のＬＤ電流Ｃ２を供給したときの半導体レーザ素子４のジャンクション温度の変化は、半導体レーザ素子４の環境温度等を含めた使用環境にも依存する。従って、ＬＤ電流値の変化の形状は、少なくともレーザ装置１００の使用環境下で、レーザ発振波長が所定の範囲から外れないような形状とする必要がある。
In order to keep the laser oscillation wavelength from deviating from the predetermined range, it is necessary to prevent the junction temperature of the semiconductor laser element 4 from rising sharply. In order to prevent a sudden rise in junction temperature, the LD current value is changed, for example, in a multi-step manner in which the LD current value is increased stepwise with respect to time, or the LD current value is increased proportionally with respect to time. It is preferable that the shape is linearly changed, curved, or an appropriate combination of these changes. The shape of such a change in the LD current value is obtained in advance by experiments, simulation calculations, etc. as a shape that does not deviate from the predetermined range of the laser oscillation wavelength, and is stored in the storage unit of the
つづいて、ステップＳ１０３において、制御部１０は、ＬＤ電流値が目標電流値に到達したか否かを判定する。目標電流値に到達していないと判定した場合（ステップＳ１０３、Ｎｏ）は、制御はステップＳ１０２に戻る。目標電流値に到達したと判定した場合（ステップＳ１０３、Ｙｅｓ）は、本制御を終了する。
Subsequently, in step S103, the
なお、ＬＤ電流値が目標電流値に到達するまでの時間が長いと、半導体レーザ素子４をオン状態とする指令が入力されてからレーザ発振波長が設定波長になるまでの時間が、レーザ装置１００の仕様等を満たさなくなる場合がある。従って、ＬＤ電流値の変化の形状は、ＬＤ電流値をゼロから目標電流値に変更する制御を開始してから目標電流値に到達するまでの時間が、仕様等に定められた目標時間内に収まるように設定することが好ましく、できるだけ迅速に目標電流値に到達するように設定することがより好ましい。
If the time required for the LD current value to reach the target current value is long, the time required for the laser oscillation wavelength to reach the set wavelength after the command to turn on the semiconductor laser element 4 is longer than the
半導体レーザ素子をオン状態にする際のレーザ発振波長の変動は、例えばオン状態における半導体レーザ素子のレーザ発振波長を、温度調節によって所望の波長に変化させる場合よりも、所定の範囲を超えやすい。これに対して、以上説明したように、実施形態１に係るレーザ装置１００によれば、半導体レーザ素子４をオン状態にする際にレーザ発振波長を所定の範囲に収めることができる。
Fluctuations in the laser oscillation wavelength when the semiconductor laser element is turned on tend to exceed a predetermined range, for example, when the laser oscillation wavelength of the semiconductor laser element in the on state is changed to a desired wavelength by temperature control. In contrast, as described above, according to the
（実施例１、比較例）
実施例１として、実施形態１に係るレーザ装置１００と同様の構成のレーザ装置を作製し、半導体レーザ素子を立ち上げる際にＬＤ電流値をゼロから多段ステップ状に変化させて目標電流値に変更する制御を行った。一方、比較例として、レーザ装置１００と同様の構成のレーザ装置を作製し、半導体レーザ素子を立ち上げる際にＬＤ電流値をゼロから直接目標電流値に変更する制御を行った。実施例１、比較例のいずれにおいても、サーミスタが検知した半導体レーザ素子の周囲温度が、レーザ発振波長の設定値を実現する目標温度になるように熱電冷却素子を制御した。そして、半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の波長を測定した。
(Example 1, Comparative Example)
As Example 1, a laser device having a configuration similar to that of the
図４は、実施例１、比較例のレーザ装置の特性を説明する図である。横軸はＬＤ電流値の変更を開始した時間を基準とする時間を示す。左縦軸は測定したレーザ発振波長とレーザ発振波長の設定値との差（Δ波長）を示す。なお、Δ波長には上限値及び下限値が設定されている。右縦軸はＬＤ電流値を示す。 FIG. 4 is a diagram for explaining the characteristics of the laser devices of Example 1 and Comparative Example. The horizontal axis indicates the time based on the time when the change of the LD current value is started. The left vertical axis indicates the difference (Δ wavelength) between the measured laser oscillation wavelength and the set value of the laser oscillation wavelength. An upper limit value and a lower limit value are set for the Δ wavelength. The right vertical axis indicates the LD current value.
比較例において、実線で示すように時間ゼロにおいてＬＤ電流値をゼロから直接目標電流値に変更する制御をした場合は、破線で示すようにＬＤ電流値の変更を開始した直後にΔ波長が急上昇して上限値を超えてしまい、その後ゼロに収束した。一方、実施例１において、一点鎖線で示すようにＬＤ電流値をゼロから多段ステップ状に変化させて目標電流値に変更する制御をした場合は、点線で示すようにΔ波長が上限値を超えず、上限値と下限値との間の範囲に収まりつつ、ゼロに収束した。 In the comparative example, when control is performed to directly change the LD current value from zero to the target current value at time zero as shown by the solid line, the Δ wavelength sharply increases immediately after starting to change the LD current value as shown by the broken line. and exceeded the upper limit, and then converged to zero. On the other hand, in Example 1, when the LD current value is changed in multiple steps from zero to the target current value as indicated by the dashed line, the Δ wavelength exceeds the upper limit value as indicated by the dotted line. It converged to zero while staying within the range between the upper and lower limits.
なお、上記実施形態１の変形例として、ＬＤ電流制御部１２が、温度センサ９が検知したケース温度に基づいて、ＬＤ電流Ｃ２の値の変化の形状を変更してもよい。上述したように、半導体レーザ素子４のジャンクション温度の変化は、半導体レーザ素子４の使用環境にも依存する。従って、温度センサ９が検知したケース温度に基づいて、ＬＤ電流値の変化の形状を変更することで、使用環境に応じてより適切な変化形状を用いて、目標温度への到達時間の最適化、短縮化等の、より適切な制御を行うことができる。この場合、制御部１０は、例えば予め実験やシミュレーション計算等により求めておいた、ケース温度とそのケース温度に適した変化形状との組み合わせを記憶部に記憶しており、検知したケース温度に応じて使用する変化形状を読み出し、制御に使用する。また、環境温度としてレーザ装置１００の外気温度を取得して、外気温度に基づいて、ＬＤ電流Ｃ２の値の変化の形状を変更してもよい。
As a modification of the first embodiment, the LD current control section 12 may change the shape of change in the value of the LD current C2 based on the case temperature detected by the temperature sensor 9. FIG. As described above, the change in the junction temperature of the semiconductor laser device 4 also depends on the usage environment of the semiconductor laser device 4 . Therefore, by changing the shape of the change in the LD current value based on the case temperature detected by the temperature sensor 9, the time to reach the target temperature is optimized using a more appropriate change shape according to the usage environment. , shortening, etc. can be performed. In this case, the
（実施形態２）
図５は、実施形態２に係るレーザ装置の構成を示す模式図である。図５に示すように、レーザ装置１００Ａは、図１に示すレーザ装置１００において、制御部１０を制御部１０Ａに置き換えた構成を備えている。制御部１０Ａは、制御部１０においてＬＤ電流制御部１２をＬＤ電流制御部１２Ａに置き換え、かつ、サーミスタ５からの電気信号Ｓ１がＬＤ電流制御部１２Ａにも入力されるようにした構成を備えている。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of a laser device according to
レーザ装置１００Ａでは、ＴＥＣ電流制御部１１は実施形態１の場合と同様に熱電冷却素子２の制御を行う。しかし、ＬＤ電流制御部１２Ａは、半導体レーザ素子４の制御の際に、サーミスタ５が検知した温度に基づいて、ＬＤ電流値が目標電流値になるようにフィードバック制御することによって、ＬＤ電流値を変更する。このフィードバック制御は、例えば周知のＰＩＤ制御を用いて実行される。これによって、例えばケース温度が急に変動する等の突発的な事態が生じたとしても、半導体レーザ素子４をオン状態にする際に、レーザ発振波長を所定の範囲に収める制御をより適切かつ柔軟に実行することができる。また、様々な変化形状を制御部１０Ａに記憶させておかなくてもよいので、より適切な制御を実行可能でありつつ、制御部１０Ａの記憶容量を節約することができる。
In the
レーザ装置１００Ａにおいて、ＬＤ電流値をゼロから目標電流値に変更する際に、制御部１０Ａが実行する制御については、図３の制御フローと同様である。この制御フローを実行している間は、サーミスタ５が検知した温度が、波長設定値を実現する目標温度になるようにする熱電冷却素子２のフィードバック制御は実行され続ける。そして、ＬＤ電流制御部１２Ａは、レーザ発振波長が所定の範囲内に収まるようにフィードバック制御を行う。
In the
（実施例２）
実施例２として、実施形態２に係るレーザ装置１００Ａと同様の構成のレーザ装置を作製し、半導体レーザ素子を立ち上げる際にまずＬＤ電流値をゼロから初期値に変更し、その後ＰＩＤフィードバック制御により変化させて目標電流値に変更する制御を行った。なお、初期値は、半導体レーザ素子のジャンクション温度が急激に上昇しない程度の値とした。実施例２において、サーミスタが検知した半導体レーザ素子の周囲温度が、レーザ発振波長の設定値を実現する目標温度になるように熱電冷却素子を制御した。そして、半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の波長を測定した。
(Example 2)
As Example 2, a laser device having a configuration similar to that of the
図６は、実施例２のレーザ装置の特性を説明する図である。横軸はＬＤ電流値の変更を開始した時間を基準とする時間を示す。左縦軸は測定したレーザ発振波長とレーザ発振波長の設定値との差（Δ波長）を示す。なお、Δ波長には上限値及び下限値が設定されている。右縦軸はＬＤ電流値を示す。なお、図６では、参考のために図４で示した比較例の特性も図示している。 FIG. 6 is a diagram for explaining the characteristics of the laser device of Example 2. FIG. The horizontal axis indicates the time based on the time when the change of the LD current value is started. The left vertical axis indicates the difference (Δ wavelength) between the measured laser oscillation wavelength and the set value of the laser oscillation wavelength. An upper limit value and a lower limit value are set for the Δ wavelength. The right vertical axis indicates the LD current value. 6 also shows the characteristics of the comparative example shown in FIG. 4 for reference.
実施例２の場合は、点線で示すようにΔ波長が上限値を超えず、上限値と下限値との間の範囲に収まりつつ、ゼロに収束した。 In the case of Example 2, as indicated by the dotted line, the Δ wavelength did not exceed the upper limit, but converged to zero while being within the range between the upper limit and the lower limit.
なお、上記実施形態１、２において、ＴＥＣ電流制御部１１は以下のような制御を行ってもよい。すなわち、ＬＤ電流値がゼロのときに、サーミスタ５が検知した温度が目標温度よりも低くなるように熱電冷却素子２の駆動状態を制御し、ＬＤ電流値がゼロより大きくなったら、サーミスタ５が検知した温度が目標温度になるように熱電冷却素子２の駆動状態を制御する。これらの制御は、例えばＰＩＤフィードバック制御である。これにより、ＬＤ電流値がゼロより大きくなってジャンクション温度が上昇しても、目標温度よりも低い温度から上昇を開始するので、実施形態１、２のように上昇を開始する温度が目標温度である場合よりも、レーザ発振波長を所定の範囲から外れないようにすることが容易にできる。
In the first and second embodiments described above, the TEC
また、上記実施形態１、２では、半導体レーザ素子はＤＦＢ型であるが、半導体レーザ素子の型式は特に限定されず、分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）型、分布反射（ＤＲ）型等の半導体レーザ素子の、他の単一モード型の半導体レーザ素子でもよい。また、特許文献１に示すような、半導体レーザアレイを備え、波長可変レーザ素子として動作可能な集積型の半導体レーザ素子でもよい。
In the first and second embodiments, the semiconductor laser element is of the DFB type, but the type of the semiconductor laser element is not particularly limited. However, other single-mode semiconductor laser devices may be used. Alternatively, an integrated semiconductor laser device having a semiconductor laser array and capable of operating as a wavelength tunable laser device, as disclosed in
また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した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。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。 Moreover, the present invention is not limited by the above embodiments. The present invention also includes those configured by appropriately combining the respective constituent elements described above. Further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Therefore, broader aspects of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible.
１ 筐体
２ 熱電冷却素子
３ サブマウント
４ 半導体レーザ素子
５ サーミスタ
６ コリメータレンズ
７ 集光レンズ
８ 光ファイバ
９ 温度センサ
１０、１０Ａ 制御部
１１ ＴＥＣ電流制御部
１２、１２Ａ ＬＤ電流制御部
１００、１００Ａ レーザ装置
Ｃ１ ＴＥＣ電流
Ｃ２ ＬＤ電流
Ｌ レーザ光
Ｓ１、Ｓ２ 電気信号
1
Claims (8)
前記半導体レーザ素子の温度を調節する温度調節素子と、
前記半導体レーザ素子の近傍に配置された第１温度センサと、
前記第１温度センサよりも前記半導体レーザ素子から離間した位置に配置され、前記半導体レーザ素子の環境温度を検知する第２温度センサと、
前記半導体レーザ素子に駆動電流を供給して前記半導体レーザ素子の駆動状態を制御し、前記半導体レーザ素子に駆動電流が供給されている間、前記第１温度センサが検知した温度が目標温度になるように前記温度調節素子の駆動状態を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記半導体レーザ素子をオン状態とするＬＤオン条件が成立しているときに、前記駆動電流の値を、ゼロから目標電流値に変更する際に、前記レーザ光の波長が所定の範囲内に収まるように前記駆動電流の値を変化させながら前記目標電流値に近づけ、
前記ＬＤオン条件は、前記第１温度センサが検知した温度が目標温度以下であること、および、前記駆動電流の値がゼロであること、を含 み、
前記制御部は、前記駆動電流の値を多段ステップ状、直線状、又は曲線状に変化させ、
前記制御部は、前記第２温度センサが検知した温度に基づいて、前記駆動電流の値の変化の形状を変更し、
前記変化の形状は、前記レーザ光の波長が前記所定の範囲から外れない形状として、かつ前記第２温度センサが検知した温度に対応して、予め実験またはシミュレーション計算により求めたものが、前記制御部の記憶部に記憶されている
ことを特徴とするレーザ装置。 a semiconductor laser element that outputs laser light;
a temperature adjustment element for adjusting the temperature of the semiconductor laser element;
a first temperature sensor arranged near the semiconductor laser element;
a second temperature sensor arranged at a position farther from the semiconductor laser element than the first temperature sensor and detecting an environmental temperature of the semiconductor laser element;
A driving current is supplied to the semiconductor laser element to control the driving state of the semiconductor laser element, and the temperature detected by the first temperature sensor reaches a target temperature while the driving current is being supplied to the semiconductor laser element. a control unit that controls the driving state of the temperature control element as follows;
with
When the LD-on condition for turning on the semiconductor laser element is satisfied, the control unit controls the wavelength of the laser light when changing the value of the drive current from zero to a target current value. Approach the target current value while changing the value of the drive current so that it falls within the range of
The LD ON condition includes that the temperature detected by the first temperature sensor is equal to or lower than a target temperature, and that the value of the drive current is zero. fruit,
The control unit changes the value of the drive current in a multi-step, linear or curved manner,
The control unit changes a shape of change in the value of the drive current based on the temperature detected by the second temperature sensor,
The shape of the change is a shape in which the wavelength of the laser light does not deviate from the predetermined range and is obtained in advance by experiments or simulation calculations in correspondence with the temperature detected by the second temperature sensor. stored in the internal memory
A laser device characterized by:
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。 2. The laser device according to claim 1, wherein the controller changes the value of the drive current by feedback control based on the temperature detected by the first temperature sensor.
ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。 3. The laser device according to claim 1, wherein the target temperature is a temperature that achieves a wavelength setting value for the laser light.
前記駆動電流の値がゼロより大きくなったら、前記第１温度センサが検知した温度が目標温度になるように前記温度調節素子の駆動状態を制御する
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載のレーザ装置。 The control unit controls the drive state of the temperature control element so that the temperature detected by the first temperature sensor is lower than the target temperature when the value of the drive current is zero,
The driving state of the temperature control element is controlled so that the temperature detected by the first temperature sensor becomes a target temperature when the value of the driving current becomes greater than zero. 1. A laser device according to claim 1.
前記制御部が、 前記ＬＤオン条件が成立しているときに、前記半導体レーザ素子に供給する駆動電流の値を、ゼロから目標電流値に変更する際に、前記レーザ光の波長が所定の範囲内に収まるように前記駆動電流の値を変化させながら前記目標電流値に近づけるステップと、
前記制御部が、 前記半導体レーザ素子に駆動電流が供給されている間、前記半導体レーザ素子の周囲温度が目標温度になるように、前記半導体レーザ素子の温度を調節するステップと、
を含み、
前記ＬＤオン条件は、前記周囲温度が目標温度以下であること、および、前記駆動電流の値がゼロであること、を含 み、
前記制御部が、前記駆動電流の値を多段ステップ状、直線状、又は曲線状に変化させ、
前記制御部が、前記半導体レーザ素子の環境温度に基づいて、前記駆動電流の値の変化の形状を変更し、
前記変化の形状は、前記レーザ光の波長が前記所定の範囲から外れない形状として、かつ前記半導体レーザ素子の環境温度に対応して、予め実験またはシミュレーション計算により求めたものが、前記制御部の記憶部に記憶されている
ことを特徴とする半導体レーザ素子の制御方法。 The control unit a step of determining whether or not an LD ON condition for turning ON a semiconductor laser element that outputs laser light is satisfied;
The control unit When the value of the drive current supplied to the semiconductor laser element is changed from zero to a target current value when the LD ON condition is established, the wavelength of the laser light is adjusted to fall within a predetermined range. a step of approaching the target current value while changing the value of the drive current;
The control unit adjusting the temperature of the semiconductor laser element so that the ambient temperature of the semiconductor laser element reaches a target temperature while the drive current is being supplied to the semiconductor laser element;
including
The LD ON condition includes that the ambient temperature is equal to or lower than the target temperature, and that the value of the drive current is zero. fruit,
The control unit changes the value of the drive current in a multi-step, linear or curved manner,
wherein the control unit changes the shape of change in the value of the drive current based on the environmental temperature of the semiconductor laser element;
The shape of the change is determined in advance by experiments or simulation calculations so that the wavelength of the laser light does not deviate from the predetermined range and in correspondence with the environmental temperature of the semiconductor laser element. stored in memory
A method of controlling a semiconductor laser device, characterized by:
ことを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ素子の制御方法。 6. The method of controlling a semiconductor laser device according to claim 5 , further comprising feedback-controlling the value of the drive current based on the ambient temperature of the semiconductor laser device.
ことを特徴とする請求項５または６に記載の半導体レーザ素子の制御方法。 7. The method of controlling a semiconductor laser device according to claim 5 , wherein the target temperature is a temperature that achieves a wavelength setting value for the laser light.
ことを特徴とする請求項５～７のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子の制御方法。 5. The method further comprises the step of controlling the temperature of the semiconductor laser device so that the ambient temperature of the semiconductor laser device is lower than the target temperature when the value of the drive current is zero. 8. The control method of the semiconductor laser device according to any one of 7 .
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