(57)【要約】【課題】  半導体レーザが劣化して駆動電流が変化しても、波長安定化の制御性能を維持する波長安定化半導体レーザ装置を得る。【解決手段】  光出力パワーが一定になるように半導体レーザ２の駆動電流を制御するパワー制御部６と、予め保持された光出力波長の一定条件での駆動電流対駆動電圧特性に基づいて、パワー制御部６により制御される駆動電流に応じた駆動電圧の目標値を決定し、駆動電圧がその目標値となるように半導体レーザ２の温度を制御する発熱制御部９とを備えた。半導体レーザ２の光共振器の発振波長は、駆動電流に依存したキャリア密度変化および温度に依存した温度光学効果による屈折率変化により変化するが、半導体レーザ２が劣化して駆動電流が変化した場合に、光出力波長を一定に制御する上でその駆動電流の変化を加味した最適な駆動電圧に制御し、波長安定化の制御性能を維持することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動電流および駆動電圧の基準とする関係が既知である半導体レーザと、
上記半導体レーザの光出力パワーを検出する光出力パワー検出部と、
上記光出力パワー検出部により検出される光出力パワーが一定になるように上記半導体レーザの駆動電流を制御する駆動電流制御部と、
上記駆動電流制御部から上記半導体レーザに供給される駆動電流を検出する駆動電流検出部と、
上記駆動電流制御部から上記半導体レーザに供給される駆動電圧を検出する駆動電圧検出部と、
上記駆動電流および駆動電圧の基準とする関係に基づいて、上記駆動電流検出部により検出される駆動電流に応じた駆動電圧の目標値を決定し、上記駆動電圧検出部により検出される駆動電圧がその目標値となるように上記半導体レーザの温度を制御する温度制御部とを備えた波長安定化半導体レーザ装置。
【請求項２】
温度制御部は、
半導体レーザの温度の制御を、発熱体の発熱量を変化させることで行うことを特徴とする請求項１記載の波長安定化半導体レーザ装置。
【請求項３】
発熱体は、
半導体レーザのチップ上に集積化された抵抗であることを特徴とする請求項２記載の波長安定化半導体レーザ装置。
【請求項４】
発熱体は、
半導体レーザのチップ上に集積化されたダイオードであることを特徴とする請求項２記載の波長安定化半導体レーザ装置。
【請求項５】
発熱体は、
半導体レーザを搭載するヒートシンク上に配置されたことを特徴とする請求項２記載の波長安定化半導体レーザ装置。
【請求項６】
温度制御部は、
半導体レーザの温度の制御を、発熱体による発熱量の変化および冷却器による冷却量の変化で行うことを特徴とする請求項１記載の波長安定化半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、経時変化に関わらず半導体レーザの光出力波長を安定化する波長安定化半導体レーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の波長安定化半導体レーザ装置としては、半導体レーザの光出力パワーが一定になるように駆動電流を制御する第１の制御装置と、半導体レーザを搭載したヒートシンクの温度を検出する温度検出器と、半導体レーザの活性層および温度検出器間の温度誤差を補正するために、半導体レーザの駆動電流および端子電圧から消費電力を求め、設定温度を求められた消費電力に応じて温度補正する第２の制御装置と、温度検出器により検出される温度が第２の制御装置により補正された設定温度になるように、半導体レーザの加熱および冷却が可能なぺルチェ素子を制御する第３の制御装置とを備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
次に動作について説明する。
半導体レーザは、第１の制御装置により光出力パワーが一定になるように駆動電流が制御される。また、半導体レーザが搭載されたヒートシンクの温度は、そのヒートシンク上に実装された温度検出器により検出された温度を用いて第３の制御装置によりフィードバック制御される。温度検出器の温度と半導体レーザの活性層の温度との温度誤差は、半導体レーザの活性層からヒートシンクまでの熱抵抗が一定であり外部からの熱流入が無ければ、半導体レーザの消費電力に比例すると考えられる。第２の制御装置では、半導体レーザの駆動電流および端子電圧から消費電力を求め、設定温度をその消費電力により温度補正して、第３の制御装置に温度の目標値として出力することで、結果的に半導体レーザの活性層の温度が一定に保たれ、光出力波長が安定化される。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２８３７９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の波長安定化半導体レーザ装置は以上のように構成されているので、半導体レーザの活性層の温度が一定に保たれることで、光出力波長が安定化されるが、半導体レーザが劣化して駆動電流が変化しても、温度の目標値は、温度検出器の温度と半導体レーザの活性層の温度との温度誤差が補正されるだけで、基本的にはその駆動電流の変化を加味せずに温度一定制御されるので、駆動電流の変化に応じたキャリア密度変化により光出力波長が僅かにずれ、波長安定化の上で制御性能が低下する課題があった。
また、温度検出器を用いることにより、構成が煩雑になる課題があった。
さらに、半導体レーザからある程度離れたヒートシンク上の温度を測定して温度安定化を行うために、半導体レーザとヒートシンクとの間に温度差が生じる。半導体レーザと温度検出器との温度差は、外部からペルチェ素子上面への熱流入が無い場合には半導体レーザの消費電力に比例近似させることができるが、ケースからの輻射熱や構造物を介した熱流入がある場合はこの熱量に応じたペルチェ素子面上の温度分布変化が生じ、比例近似からずれが生じ、波長変動が発生する課題があった。
【０００６】
さらに、上記特許文献１には、半導体レーザ装置として一般的に使用されているセラミックパッケージ内に、加熱および冷却を行う数ミリ角のペルチェ素子を搭載し、そのペルチェ素子上にレーザチップとサーミスタとを搭載したものが示されている。この半導体レーザ装置では、ペルチェ素子上の温度を一定に制御した上、外部とペルチェ素子上面の間は空気で断熱されてある種の恒温槽となっており、ペルチェ素子上の温度が一定に保たれて熱流入量がある程度安定化されるため、サーミスタの温度とレーザチップの活性層の温度との温度誤差をレーザチップの消費電力で比例近似することが可能となる。
【０００７】
しかしながら、ペルチェ素子と温度検出器とを搭載したモジュールは、一般に部材が高価であり、低コスト化が困難となる課題があった。
また、ペルチェ素子を用いた温度安定化制御は、ペルチェ素子の効率が低いために大きな消費電力が必要となり、低消費電力化が困難となる課題があった。
さらに、ペルチェ素子の応答は通常遅く、秒単位の制御時間が必要となる課題があった。
さらに、ペルチェ素子を用いない一般的なペルチェレス光モジュールの場合、ＣＡＮ型（ＣＡＮ  ＰＡＣＫＡＧＥ）の低価格パッケージが使用されるが、ピン数が限定されるために温度検出器の搭載は困難である。仮に、ペルチェレス光モジュールの内部のヒートシンク上に温度検出器を搭載した場合には、環境温度が大きく変動した時に、外部からの熱流入量が変化すると、温度検出器と半導体レーザの活性層との温度差は、半導体レーザ消費電力との比例関係からずれ、波長変動が発生する課題があった。
【０００８】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、半導体レーザが劣化して駆動電流が変化しても、光出力波長を一定にする上で駆動電流の変化を加味した最適な駆動電圧に制御し、波長安定化の制御性能を向上する波長安定化半導体レーザ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る波長安定化半導体レーザ装置は、駆動電流および駆動電圧の基準とする関係に基づいて、半導体レーザへの駆動電流に応じた駆動電圧の目標値を決定し、半導体レーザへの駆動電圧がその目標値となるように半導体レーザの温度を制御するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、半導体レーザの光共振器の発振波長は、駆動電流に依存したキャリア密度変化による屈折率変化、および温度に依存した温度光学効果による屈折率変化により変化するが、半導体レーザが劣化して駆動電流が変化した場合に、光出力波長を一定に制御する上でその駆動電流の変化を加味した最適な駆動電圧（温度）に制御することができ、すなわち、キャリア密度変化および温度光学効果の両者を最適に制御することができ、波長安定化の制御性能を向上させることができる。
また、温度検出器を用いることなく、構成を簡単にすることができる。
さらに、光出力波長を一定に制御する上で温度を検出しないので、温度分布変化等を考慮する必要が無く、波長安定化の上で制御性能の低下を防ぐことができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による波長安定化半導体レーザ装置を示すブロック図であり、図において、半導体レーザ装置１は、駆動電流を流すことで光出力し、活性層の温度変化で光出力波長が変化する半導体レーザ２と、その半導体レーザ２の近傍に設けられ、供給電流量に応じて発熱量を変化させ、半導体レーザ２の活性層の温度を制御する発熱体３と、フォトダイオード等により構成され、半導体レーザ２からの光出力の一部を受光して電流信号に変換する受光器（光出力パワー検出部）４とからなるものである。
図２は半導体レーザ装置の外観を示す斜視図であり、図において、半導体レーザ２のチップ上には、駆動電流が入力される半導体レーザ駆動電流電極２ａが薄膜状に集積化され、その内部には駆動電流の入力に応じて光出力する活性層２ｂが集積化されている。また、半導体レーザ２のチップ上で活性層２ｂの近傍には、発熱体３としての抵抗からなる薄膜ヒータが集積化され、さらに、発熱体供給電流電極３ａが薄膜状に集積化されている。
【００１２】
図１において、パワーモニタ（光出力パワー検出部）５は、受光器４からの電流信号を扱いやすい光出力パワー信号に変換するものである。例えば、受光器４から入力される電流信号を光出力パワーを示す電圧信号に変換するインピーダンス変換回路等により構成されたものであり、電流信号を線形に電圧信号に変換するリニア変換を用いても良いし、微弱な電流信号に重み付けをするログ変換を用いても良い。
パワー制御部（駆動電流制御部）６は、パワーモニタ５から入力される光出力パワー信号が一定になるように半導体レーザ２への駆動電流を制御するものである。電流モニタ（駆動電流検出部）７は、半導体レーザ２に供給される駆動電流を検出し、電圧モニタ（駆動電圧検出部）８は、半導体レーザ２に供給される駆動電圧を検出するものである。
発熱制御部（温度制御部）９は、予め保持された半導体レーザ２の光出力波長の一定条件での駆動電流対駆動電圧特性に基づいて、電流モニタ７により検出される駆動電流に応じた駆動電圧の目標値を決定し、電圧モニタ８により検出される駆動電圧がその目標値となるように発熱体３への供給電流を制御し、半導体レーザ２の活性層２ｂの温度を制御するものである。
【００１３】
次に動作について説明する。
図１において、半導体レーザ２は、パワー制御部６から供給される駆動電流が流れることにより光出力する。受光器４は、その光出力の一部を受光し、電流信号に変換する。すなわち、半導体レーザ２から発生される光出力パワーを電流信号に変換する。パワーモニタ５は、その電流信号を光出力パワー信号に変換し、パワー制御部６に出力する。パワー制御部６は、入力される光出力パワー信号が一定になるように、すなわち、半導体レーザ２から発生される光出力パワーが一定になるように駆動電流を制御し、半導体レーザ２に供給する。例えば、経時変化等により半導体レーザ２が劣化した場合や、環境温度が変化した場合には、駆動電流を変化させることにより光出力パワーが一定になるように制御する。
【００１４】
電流モニタ７は、その駆動電流を検出し、電圧モニタ８は、その時の半導体レーザ２への駆動電圧を検出し、発熱制御部９に出力する。
発熱制御部９は、電流モニタ８で検出された駆動電流に応じた半導体レーザ２の駆動電圧の目標値を決め、電圧モニタ９で検出される駆動電圧がその目標値になるように発熱体３に出力する供給電流を制御し、半導体レーザ２の活性層２ｂの温度を制御する。
発熱体３は、例えば、図２に示したように、半導体レーザ２のチップ上で活性層２ｂの近傍に、抵抗からなる薄膜ヒータとして集積化されたものを用いる。この薄膜ヒータでは、供給電流の大小で発熱量が変化し、半導体レーザ２の活性層２ｂの温度を制御することができる。このような半導体レーザ２のチップ上の薄膜ヒータは、低コストで、熱効率が高く消費電力を低減でき、波長制御の動作速度を速くすることができる。
【００１５】
図３および図４は駆動電流対光出力パワー特性および駆動電流対駆動電圧特性を示す特性図である。
発熱制御部９における駆動電流に応じた駆動電圧の目標値を決定は、図３に示すように、半導体レーザ２の光出力波長の一定条件での駆動電流対駆動電圧特性を用いて行う。すなわち、図３において、光出力パワーがＰｃ一定で、光出力波長がλｃ一定で制御されている場合に、電流モニタ７で検出される駆動電流がＩｃであった場合に、その時に光出力波長がλｃ一定で安定化させるための駆動電圧の目標値を、駆動電流対駆動電圧特性を用いてＶｃと決定する。
また、例えば、経時変化等により半導体レーザ２が劣化した場合や、環境温度が変化した場合には、図４に示すように、光出力パワーがＰｃ一定で、光出力波長がλｃ一定で制御されるための電流モニタ７で検出される駆動電流が、ＩｃからＩｃ＋αに変化するが、その時に光出力波長がλｃ一定で安定化させるための駆動電圧の目標値を、駆動電流対駆動電圧特性を用いてＶｃ＋βと決定する。
なお、図３および図４における２本線の特性は、光出力パワーＰｃの一定条件での駆動電流対駆動電圧特性である。
【００１６】
一般に、半導体レーザの光共振器の発振波長は、駆動電流に依存したキャリア密度変化による屈折率変化、および温度に依存した温度光学効果による屈折率変化により変化する。この実施の形態１では、温度変化やキャリア密度変化を包含した状態で、光出力波長の一定条件での駆動電流対駆動電圧特性を発熱制御部９が保持し、その時の駆動電流に応じた駆動電圧の目標値になるように半導体レーザ２の温度を制御することで、半導体レーザ２が劣化して駆動電流が変化した場合に、光出力波長を一定に制御する上でその駆動電流の変化を加味した最適な駆動電圧（温度）に制御することができ、すなわち、キャリア密度変化および温度光学効果の両者を最適に制御することができ、波長安定化の制御性能を向上させることができる。
図３および図４に示したような駆動電流対駆動電圧特性は、予め半導体レーザ２毎にデータを取得し、データテーブルとして発熱制御部９が保持して参照するようにしても良いし、一般的に成立する関係式を発熱制御部９が保持して求めるようにしても良い。なお、データの取得法として最も単純には、温度をパラメータとして変化させて駆動電流対駆動電圧特性を取得するようにすれば良い。
【００１７】
なお、上記実施の形態１では、図２に示したように、半導体レーザ２のチップ上で活性層２ｂの近傍に、発熱体３として抵抗からなる薄膜ヒータが集積化されたものを用いたが、発熱体３として抵抗ではなく、ダイオードを集積化しても良く、この場合、半導体レーザ２自体は半導体で構成されているので、その活性層２ｂの極近傍にダイオードを形成することは容易であり、チップ上に集積化することにより、低コストで、また、半導体レーザ２の活性層２ｂの極近傍に発熱体３を形成できることから、熱効率が高く消費電力を低減でき、波長制御の動作速度を速くすることができる。さらに、小型に形成できるため、半導体レーザ装置１を小型化することができる。
また、上記実施の形態１では、半導体レーザ装置１に発熱体３を用いたが、仮にペルチェ素子等の冷却機能を持った温度コントローラが小型および低コストで実現可能であれば、発熱体３の代わりに用いても良い。
【００１８】
以上のように、この実施の形態１によれば、光出力波長の一定条件での駆動電流対駆動電圧特性に基づいて、半導体レーザ２への駆動電流に応じた駆動電圧の目標値を決定し、半導体レーザ２への駆動電圧がその目標値となるように半導体レーザ２の温度を制御するようにしたので、半導体レーザ２が劣化して駆動電流が変化した場合に、光出力波長を一定に制御する上でその駆動電流の変化を加味した最適な駆動電圧（温度）に制御することができ、すなわち、キャリア密度変化および温度光学効果の両者を最適に制御することができ、波長安定化の制御性能を向上させることができる。
また、温度検出器を用いることなく、構成を簡単にすることができる。
さらに、光出力波長を一定に制御する上で温度を検出しないので、温度分布変化等を考慮する必要が無く、波長安定化の上で制御性能の低下を防ぐことができる。
さらに、発熱体３を用いるようにしたので、ペルチェ素子等を用いるよりも、低コスト化、低消費電力化および応答性を高速化することができ、さらに、発熱体は小型に形成できるため、半導体レーザ２を小型化することができる。
さらに、温度検出器を用いることなく、発熱体３を用いるようにしたので、安価なＣＡＮ型等のモジュールパッケージを適用することができ、さらに低コスト化することができる。
さらに、半導体レーザ２のチップ上に抵抗からなる薄膜ヒータを形成することで発熱体３を構成したので、チップ上の薄膜ヒータは、低コストで、熱効率が高く消費電力を低減でき、波長制御の動作速度を速くすることができる。さらに、小型に形成できるため、半導体レーザ装置１を小型化することができる。
【００１９】
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２による半導体レーザ装置の外観を示す斜視図であり、図において、ヒートシンク１１上に半導体レーザ２を搭載すると共に、発熱体１２および発熱体供給電流電極１２ａを配置したものである。その他の構成については、図２と同等である。
【００２０】
次に動作について説明する。
上記実施の形態１では、半導体レーザ２のチップ上に、発熱体３および発熱体供給電流電極３ａが薄膜状に集積化されたものを示したが、この実施の形態２では、半導体レーザ２を搭載するヒートシンク１１上に、発熱体１２および発熱体供給電流電極１２ａを配置したものである。
このように、ヒートシンク１１上に発熱体１２を配置しても、半導体レーザ２の活性層２ｂの近くに発熱体１２を配置すれば、制御性能を維持することができる。
【００２１】
以上のように、この実施の形態２によれば、半導体レーザ装置１のヒートシンク１１上に発熱体１２を配置したので、半導体レーザ２のチップ上に、発熱体３および発熱体供給電流電極３ａを集積化することなく、半導体レーザ２の構成を簡単にすることができる。また、発熱体１２を抵抗からなる薄膜ヒータで形成すれば、低コストで、熱効率が高く消費電力を低減でき、波長制御の動作速度を速くすることができる。さらに、小型に形成できるため、半導体レーザ装置を小型化することができる。
【００２２】
実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３による波長安定化半導体レーザ装置を示すブロック図であり、図において、冷却器２１は、半導体レーザ２の活性層の温度を冷却により制御するものである。冷却制御部（温度制御部）２２は、発熱制御部９からの供給電流に応じて冷却器２１に制御電流を供給し、冷却器２１の冷却量を制御するものである。
図７は半導体レーザ装置の外観を示す斜視図であり、図において、冷却器２１は、図２に示した半導体レーザ２を搭載したヒートシンク１１の下部に配置され、斜線部分を含む３枚の板から構成されるペルチェ素子２１ａと、そのペルチェ素子２１ａの最下部の板上に配置されたペルチェ素子供給電流電極２１ｂとから構成されたものである。その他の構成については、図２と同等である。
【００２３】
次に動作について説明する。
上記実施の形態１および上記実施の形態２では、半導体レーザ２の活性層２ｂの温度制御を、発熱体３の制御だけで行ったが、この実施の形態３では、半導体レーザ２の活性層２ｂの温度制御を、発熱体３と冷却器２１との制御で行い、半導体レーザ２全体の温度を低領域で制御するものである。
図６において、冷却制御部２２は、発熱制御部９からの供給電流に応じて冷却器２１に制御電流を供給し、冷却器２１の冷却量を制御する。
図７に示したように、冷却器２１としてペルチェ素子２１ａを用いた場合には、冷却装置２２の制御によりペルチェ素子供給電流電極２１ｂに供給される電流に応じて半導体レーザ２を冷却する。
一般に、半導体レーザは、動作温度が低いほど故障率が低いことが知られており、制御目標温度を低領域することは信頼性確保のために効果的である。近年高温で動作可能な半導体レーザが実用化されてきているが、冷却器２１との組合せによって信頼性を向上することができる。
なお、ペルチェ素子２１ａを制御電流に応じて動作させるようにしたが、発熱体３への供給電流が一定値以下になった時のみにオンするように制御しても良い。
また、冷却器２１としてペルチェ素子２１ａではなく、放熱フィンを用いても良い。
【００２４】
以上のように、この実施の形態３によれば、発熱体３の他、冷却器２１を用いるようにしたので、制御される目標温度を低く設定することができ、半導体レーザ装置１の故障率を低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明の実施の形態１による波長安定化半導体レーザ装置を示すブロック図である。
【図２】半導体レーザ装置の外観を示す斜視図である。
【図３】駆動電流対光出力パワー特性および駆動電流対駆動電圧特性を示す特性図である。
【図４】駆動電流対光出力パワー特性および駆動電流対駆動電圧特性を示す特性図である。
【図５】この発明の実施の形態２による半導体レーザ装置の外観を示す斜視図である。
【図６】この発明の実施の形態３による波長安定化半導体レーザ装置を示すブロック図である。
【図７】半導体レーザ装置の外観を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  半導体レーザ装置、２  半導体レーザ、２ａ  半導体レーザ駆動電流電極、２ｂ  活性層、３，１２  発熱体、３ａ，１２ａ  発熱体供給電流電極、４  受光器（光出力パワー検出部）、５  パワーモニタ（光出力パワー検出部）、６  パワー制御部（駆動電流制御部）、７  電流モニタ（駆動電流検出部）、８  電圧モニタ（駆動電圧検出部）、９  発熱制御部（温度制御部）、１１  ヒートシンク、２１  冷却器、２１ａ  ペルチェ素子、２１ｂ  ペルチェ素子供給電流電極、２２  冷却制御部（温度制御部）。
【図１】
2006114774.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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