JP7516059B2 - レーザ装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ装置およびその制御方法に関する。

バーニア効果を利用して、出力するレーザ光の周波数を可変とするレーザ装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のレーザ装置は、バーニア効果を利用してレーザ光の周波数を可変とする光源部と、当該光源部から出力されるレーザ光の周波数に対して周期的な透過特性を有する光フィルタと、当該光フィルタを透過したレーザ光の強度を取得する受光素子と、当該光源部の動作を制御する制御装置とを備える。

制御装置は、受光素子が取得したレーザ光の強度に基づいて、当該レーザ光の周波数に対応するモニタ値を算出する。そして、制御装置は、モニタ値が制御目標値に収束するように、光源部の動作を制御する。制御装置は、制御量に対応する電力を光源部に供給することによってレーザ光の周波数を制御する。制御量は、制御のために調整される量であり、たとえば電流である。電力は、光源部においてレーザ光の周波数を可変とするために設けられたヒータに供給される。

特許第６２４１９３１号公報

ここで、レーザ光の周波数の制御に関連する構成が、レーザ光の周波数を制御する際に用いる設定値またはモニタ値に対してレーザ光の周波数が非線形に変化する特性を有する場合、収束時間の増大、発振、またはオーバーシュートやアンダーシュートなどが発生し、周波数の制御が不安定になってしまう場合があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザ光の周波数を制御する際に、より好適な制御を実現することができるレーザ装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様は、出力するレーザ光の周波数を可変とする光源部と、前記レーザ光の周波数に相当する周波数相当量に対応するモニタ値を取得するモニタ部と、を備えるレーザ部と、設定値に応じて制御量を前記光源部に供給することによって前記レーザ光の周波数を制御する制御部と、前記設定値または前記モニタ値に応じて、前記制御量を決定するための制御定数を複数記憶する記憶部と、を備え、前記レーザ部は、前記レーザ光の周波数を制御する際に用いる前記設定値または前記モニタ値に対して前記レーザ光の周波数が非線形に変化する特性を有し、前記制御部は、前記設定値または前記モニタ値に応じて、前記記憶部を参照して所定の制御定数を設定し、前記設定値または前記モニタ値の変化に対する前記レーザ光の周波数または周波数相当量の変化の傾きに関して、前記設定値または前記モニタ値が取り得る互いに異なる範囲である第１範囲と第２範囲において、前記傾きの絶対値が小さい方の範囲における前記制御定数を、前記傾きの絶対値が大きい方の範囲における前記制御定数よりも大きく設定するレーザ装置である。

前記設定値または前記モニタ値は、前記制光源部に供給される電流値でもよい。

前記モニタ部は、入力する光の周波数に対して透過率が周期的に変化する周波数フィルタと、前記レーザ光の強度に対応するレーザ光の第１強度を検出する第１検出部と、前記レーザ光が前記周波数フィルタを透過した後のレーザ光の強度に対応する第２強度を検出する第２検出部とを備え、前記設定値または前記モニタ値は、に相当する値を含んでもよい。

前記モニタ部は、前記レーザ光の強度に対応するレーザ光の第１強度を検出する第１検出部と、を有し、前記設定値または前記モニタ値は、前記第１強度に対する前記第２強度の比に相当する値でもよい。

前記制御部は、前記レーザ光の周波数または周波数相当量を第１設定値から第２設定値に変化させる変化制御を行う際に、前記変化制御の開始時刻からの経過時間、または前記第１設定値から前記第２設定値までの到達割合に応じて前記制御定数を設定してもよい。

前記制御部は、前記レーザ光の周波数または周波数相当量を第１設定値から第２設定値に変化させる変化制御を行う際に、前記第１設定値から前記第２設定値に変化させる間に前記傾きの変化の符号が変化する場合には、前記符号の変化する点を含む所定範囲において、前記所定範囲の範囲外における前記制御定数よりも小さい前記制御定数を設定してもよい。

前記制御定数は、比例制御における比例定数でもよい。

前記光源部は、バーニア効果を利用して前記レーザ光の周波数が可変とされていてもよい。

本発明の一態様は、出力するレーザ光の周波数を可変とする光源部と、前記レーザ光の周波数に相当する周波数相当量に対応するモニタ値を取得するためのモニタ部と、を有するレーザ部を備えるレーザ装置の制御方法であって、設定値に応じて制御量を前記レーザ部に供給することによって前記レーザ光の周波数を制御する制御ステップを含み、前記光源部は、前記レーザ光の周波数を制御する際に用いる前記設定値または前記モニタ値に対して前記レーザ光の周波数が非線形に変化する特性を有し、前記制御ステップは、前記設定値または前記モニタ値に応じて、前記制御量を決定するための制御定数を複数記憶する記憶部を参照して所定の制御定数を設定する設定ステップを含み、前記設定ステップにおいて、前記設定値または前記モニタ値の変化に対する前記レーザ光の周波数または周波数相当量の変化の傾きに関して、前記設定値または前記モニタ値が取り得る互いに異なる範囲である第１範囲と第２範囲において、前記傾きの絶対値が小さい方の範囲における前記制御定数を、前記傾きの絶対値が大きい方の範囲における前記制御定数よりも大きく設定するレーザ装置の制御方法である。

本発明によれば、レーザ光の周波数を制御する際に、より好適な制御を実現することができるという効果を奏する。

図１は、実施形態１に係るレーザ装置の構成を示す図である。 図２は、レーザ部の構成を示す図である。 図３は、レーザ光の周波数の調整の説明図である。 図４は、実施形態１に係る制御部の構成を示すブロック図である。 図５は、周波数とＰＤ比との関係に基づく弁別カーブの説明図である。 図６は、Ｐｈａｓｅ電流とレーザ光の周波数との関係の一例を示す図である。 図７は、Ｐｈａｓｅ電流の範囲に対する比例定数の設定の一例を示す図である。 図８は、ＰＤ比の変化制御の開始時刻からの経過時間に対する比例定数の設定の一例を示す図である。 図９は、実施形態１に係る制御部による制御方法を示すフローチャートである。 図１０は、実施形態２に係る制御部の構成を示すブロック図である。 図１１は、実施形態２に係る制御部による制御方法を示すフローチャートである。 図１２は、実施形態３に係る制御部の構成を示すブロック図である。 図１３は、ＰＤ比の目標ＰＤ比への到達割合に対する比例定数の設定の一例を示す図である。 図１４は、実施形態３に係る制御部による制御方法を示すフローチャートである。 図１５は、実施形態４に係る制御部の構成を示すブロック図である。 図１６は、ＰＤ比の変化制御の開始の設定値と目標の設定値との間に傾きの符号が変わる箇所が有る場合の一例の説明図である。 図１７は、実施形態４に係る制御部による制御方法を示すフローチャートである。

以下に、図面を参照して、本発明を実施するための形態（以下、実施形態）について説明する。なお、以下に説明する実施形態によって本発明が限定されるものではない。さらに、図面の記載において、同一の部分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、各要素の比率等は、現実と異なる場合がある。さらに、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。また、図中で適宜ｘｙｚ座標軸を示し、これにより方向を説明する。

（実施形態１）
〔レーザ装置の概略構成〕
図１は、実施形態１に係るレーザ装置の構成を示す図である。
レーザ装置１は、モジュール化されたレーザ部２と、当該レーザ部２の動作を制御する制御ステップを実行する制御部３と、を備える。
なお、図１では、レーザ部２と制御部３とを別体で構成しているが、一体にモジュール化しても構わない。

〔光源部の構成〕
レーザ部２は、制御部３による制御の下、出力するレーザ光の周波数を複数の周波数のうちいずれか周波数のレーザ光に可変とし、当該周波数のレーザ光を出力する。このレーザ部２は、光源部４と、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier：ＳＯＡ）５と、平面光波回路（Planar Lightwave Circuit：ＰＬＣ）６と、光検出部７と、温度センサ８と、温度調節器９と、を備える。平面光波回路６と光検出部７とはモニタ部１０を構成する。

図２は、レーザ部の構成を示す図である。
光源部４は、たとえばバーニア効果を利用したレーザであり、制御部３による制御の下、レーザ光Ｌ１を出力する。この光源部４は、出力するレーザ光Ｌ１の周波数を可変とするレーザ本体部４１と、変更部４２と、を備える。変更部４２は、制御部３から供給される電力に応じて発熱する３つのマイクロヒータを有し、レーザ本体部４１を局所的に加熱することで、レーザ本体部４１から出力されるレーザ光Ｌ１の周波数を変更する。

レーザ本体部４１は、共通の基部Ｂ１上にそれぞれ形成された第１，第２の導波路部４３，４４を備える。ここで、基部Ｂ１は、たとえばｎ型ＩｎＰからなる。そして、基部Ｂ１の裏面には、たとえばＡｕＧｅＮｉを含んで構成され、当該基部Ｂ１とオーミック接触するｎ側電極４５が形成されている。

第１の導波路部４３は、埋め込み導波路構造を有している。この第１の導波路部４３は、導波路部４３１と、半導体積層部４３２と、ｐ側電極４３３と、を備える。
導波路部４３１は、半導体積層部４３２内にｚ方向に延伸するように形成されている。
また、第１の導波路部４３内には、利得部４３１ａと、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）型の回折格子層４３１ｂとが配置されている。

ここで、利得部４３１ａは、ＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸構造と光閉じ込め層とを有する活性層である。また、回折格子層４３１ｂは、ＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰとからなる標本化回折格子で構成されている。

半導体積層部４３２は、ＩｎＰ系半導体層が積層して構成されており、導波路部４３１に対してクラッド部の機能等を備える。

ｐ側電極４３３は、半導体積層部４３２上において、利得部４３１ａに沿うように配置されている。なお、半導体積層部４３２上には、ＳｉＮ保護膜（図示略）が形成されている。そして、ｐ側電極４３３は、当該ＳｉＮ保護膜に形成された開口部（図示略）を介して半導体積層部４３２に接触している。

ここで、マイクロヒータであるＤＢＲヒータ４２１は、半導体積層部４３２のＳｉＮ保護膜上において、回折格子層４３１ｂに沿うように配置されている。そして、ＤＢＲヒータ４２１は、制御部３から供給される電力に応じて発熱し、回折格子層４３１ｂを加熱する。また、制御部３がＤＢＲヒータ４２１に供給する電力を制御することによって回折格子層４３１ｂの温度が変化し、その屈折率が変化する。

第２の導波路部４４は、２分岐部４４１と、２つのアーム部４４２，４４３と、リング状導波路４４４と、を備える。

２分岐部４４１は、１×２型の多モード干渉型（ＭＭＩ）導波路４４１ａを含む１×２型の分岐型導波路で構成され、２ポート側が２つのアーム部４４２，４４３のそれぞれに接続されるとともに１ポート側が第１の導波路部４３側に接続されている。すなわち、２分岐部４４１により、２つのアーム部４４２，４４３は、その一端が統合され、回折格子層４３１ｂと光学的に結合される。

アーム部４４２，４４３は、いずれもｚ方向に延伸し、リング状導波路４４４を挟むように配置されている。これらアーム部４４２，４４３は、リング状導波路４４４といずれも同一の結合係数κでリング状導波路４４４と光学的に結合している。κの値は、たとえば０．２である。そして、アーム部４４２，４４３とリング状導波路４４４とは、リング共振器フィルタＲＦ１を構成している。また、リング共振器フィルタＲＦ１と２分岐部４４１とは、反射ミラーＭ１を構成している。

ここで、マイクロヒータであるＲＩＮＧヒータ４２２は、リング状であり、リング状導波路４４４を覆うように形成されたＳｉＮ保護膜（図示略）上に配置されている。そして、ＲＩＮＧヒータ４２２は、制御部３から供給される電力に応じて発熱し、リング状導波路４４４を加熱する。また、制御部３がＲＩＮＧヒータ４２２に供給する電力を制御することによってリング状導波路４４４の温度が変化し、その屈折率が変化する。

上述した２分岐部４４１、アーム部４４２，４４３、およびリング状導波路４４４は、いずれも、ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波層４４ａがＩｎＰからなるクラッド層によって挟まれたハイメサ導波路構造を有している。

ここで、マイクロヒータであるＰｈａｓｅヒータ４２３は、アーム部４４３の一部のＳｉＮ保護膜（図示略）上に配置されている。当該アーム部４４３のうちＰｈａｓｅヒータ４２３の下方の領域は、光の位相を変化させる位相調整部４４５として機能する。そして、Ｐｈａｓｅヒータ４２３は、制御部３から供給される電力に応じて発熱し、位相調整部４４５を加熱する。また、制御部３がＰｈａｓｅヒータ４２３に供給する電力を制御することによって位相調整部４４５の温度が変化し、その屈折率が変化する。

以上説明した第１，第２の導波路部４３，４４は、互いに光学的に接続された回折格子層４３１ｂと反射ミラーＭ１とにより構成される光共振器Ｃ１を構成している。また、利得部４３１ａと位相調整部４４５とは、光共振器Ｃ１内に配置される。

回折格子層４３１ｂは、所定の周波数間隔で周期的な反射特性を有する第１の櫛状反射スペクトルを生成する。一方、リング共振器フィルタＲＦ１は、所定の周波数間隔で周期的な反射特性を有する第２の櫛状反射スペクトルを生成する。

ここで、第２の櫛状反射スペクトルは、第１の櫛状反射スペクトルのピークの半値全幅よりも狭い半値全幅のピークを有し、第１の櫛状反射スペクトルの周波数間隔とは異なる周波数間隔で周期的な反射特性を有する。

各櫛状反射スペクトルの特性について例示すると、第１の櫛状反射スペクトルのピーク間の周波数間隔（自由スペクトル領域：ＦＳＲ）は３７３ＧＨｚである。また、各ピークの半値全幅は４３ＧＨｚである。一方、第２の櫛状反射スペクトルのピーク間の周波数間隔（ＦＳＲ）は４００ＧＨｚである。また、各ピークの半値全幅は２５ＧＨｚである。すなわち、第２の櫛状反射スペクトルの各ピークの半値全幅（２５ＧＨｚ）は、第１の櫛状反射スペクトルの各ピークの半値全幅（４３ＧＨｚ）より狭い。

光源部４では、レーザ発振を実現するために、第１の櫛状反射スペクトルのピークの一つと第２の櫛状反射スペクトルのピークの一つとを周波数軸上で重ね合わせ可能に構成されている。このような重ね合わせは、ＤＢＲヒータ４２１，ＲＩＮＧヒータ４２２の少なくとも一つを用いて、ＤＢＲヒータ４２１により回折格子層４３１ｂを加熱して熱光学効果によりその屈折率を変化させて第１の櫛状反射スペクトルを周波数軸上で全体的に移動させて変化させる、および、ＲＩＮＧヒータ４２２によりリング状導波路４４４を加熱してその屈折率を変化させて第２の櫛状反射スペクトルを周波数軸上で全体的に移動させて変化させる、の少なくともいずれか一つを行うことにより、実現することができる。

一方、光源部４において、光共振器Ｃ１による共振器モードが存在する。そして、光源部４において、共振器モードの間隔（縦モード間隔）は、２５ＧＨｚ以下となるように光共振器Ｃ１の共振器長が設定されている。この設定の場合、光共振器Ｃ１の共振器長は、１８００μｍ以上となり、発振するレーザ光の狭線幅化を期待することができる。なお、光共振器Ｃ１の共振器モードの周波数は、Ｐｈａｓｅヒータ４２３を用いて位相調整部４４５を加熱してその屈折率を変化させて共振器モードの周波数を周波数軸上で全体的に移動させることにより微調整することができる。すなわち、位相調整部４４５は、光共振器Ｃ１の光路長を能動的に制御するための部分である。

光源部４は、制御部３により、ｎ側電極４５およびｐ側電極４３３から利得部４３１ａへ電流を注入し、利得部４３１ａを発光させると、第１の櫛状反射スペクトルのスペクトル成分のピーク、第２の櫛状反射スペクトルのスペクトル成分のピーク、および光共振器Ｃ１の共振器モードの一つが一致した周波数、たとえば１９３．４ＴＨｚでレーザ発振し、レーザ光Ｌ１を出力するように構成されている。

光源部４では、バーニア効果を利用してレーザ光Ｌ１の周波数を変化させることができる。図３は、レーザ光の周波数の調整の説明図である。上段は、回折格子層４３１ｂ（ＤＢＲ）の第１の櫛状反射スペクトルを示し、中段は、反射ミラーＭ１（ＲＩＮＧ）の第２の櫛状反射スペクトルを示し、下段は、共振器モードのスペクトルを示す。

供給する電力を調整してＤＢＲヒータ４２１を制御すると、その櫛状反射スペクトルは、太矢線で示すように、実線で示す形状から破線で示す形状に周波数軸上でシフトする。同様に、ＲＩＮＧヒータ４２２を制御すると、その櫛状反射スペクトルは実線で示す形状から破線で示す形状に周波数軸上でシフトする。同様に、Ｐｈａｓｅヒータ４２３を制御すると、そのスペクトルは実線で示す形状から破線で示す形状に周波数軸上でシフトする。

実線に示す状態では、ＤＢＲの反射ピークと光共振器Ｃ１の共振器モードとＲＩＮＧの反射ピークとが一致した周波数ｆ１でレーザ発振している。この状態にするために、ＤＢＲヒータ４２１およびＲＩＮＧヒータ４２２は、供給される電力に基づいて、ＤＢＲ、ＲＩＮＧの反射スペクトルがピークとなる周波数位置を各々設定する。また、Ｐｈａｓｅヒータ４２３は、供給される電力に基づいて、共振器モードがピークとなる周波数位置を設定する。各ヒータの制御によって破線に示す状態にすると、ＤＢＲの反射ピークと光共振器Ｃ１の共振器モードとＲＩＮＧの反射ピークとが一致する周波数を周波数ｆ２とできるので、レーザ光Ｌ１の周波数を周波数ｆ２に調整できる。なお、各ヒータへ供給する電力は電流を制御量として制御することができる。すなわち、制御部３は、制御量である電流に対応する電力を光源部４に供給することによってレーザ光Ｌ１の周波数を制御する。電流または電力は制御量の一例である。

レーザ光Ｌ１の周波数を第１周波数から第２周波数に変更する場合には、たとえば、まずＤＢＲおよびＲＩＮＧの櫛状反射スペクトルが第２周波数において重なり合うようにＤＢＲヒータ４２１およびＲＩＮＧヒータ４２２をフィードフォワード制御し、その後に共振器モードのいずれか一つが第２周波数と一致するようにＰｈａｓｅヒータ４２３をフィードバック制御する。ただし制御の方法はこれに限られない。

図１に戻って説明を続ける。半導体光増幅器５は、具体的な図示は省略したが、第１の導波路部４３と同様の材料および構造からなる活性コア層を備える埋め込み導波路構造を有する。但し、回折格子層４３１ｂは設けられていない。この半導体光増幅器５は、空間結合光学系（図示略）により光源部４に対して光学的に結合している。そして、光源部４から出力されたレーザ光Ｌ１は、半導体光増幅器５に入力される。半導体光増幅器５は、レーザ光Ｌ１を増幅してレーザ光Ｌ２として出力する。なお、半導体光増幅器５は、基部Ｂ１上に、光源部４とモノリシックに構成されていてもよい。

平面光波回路６は、空間結合光学系（図示略）によりアーム部４４２に光学的に結合している。そして、レーザ光Ｌ１と同様に光源部４におけるレーザ発振により発生したレーザ光Ｌ３の一部は、アーム部４４２を介して平面光波回路６に入力される。なお、レーザ光Ｌ３は、レーザ光Ｌ１の周波数と同一の周波数を有し、レーザ光Ｌ１の強度と対応する強度を有する。この平面光波回路６は、光分岐部６１と、光導波路６２と、リング共振器型光フィルタである周波数フィルタ６３ａを有する光導波路６３と、を備える。

光分岐部６１は、入力したレーザ光Ｌ３を２つのレーザ光Ｌ４，Ｌ５に分岐する。
そして、光導波路６２は、レーザ光Ｌ４を光検出部７における後述するＰＤ（Photo Diode）７１に導波する。また、光導波路６３は、レーザ光Ｌ５を光検出部７における後述するＰＤ７２に導波する。

ここで、周波数フィルタ６３ａは、入力する光の周波数に対して透過率が周期的に変化する特性を有し、レーザ光Ｌ５をレーザ光Ｌ５の周波数に応じた透過率で透過する。そして、周波数フィルタ６３ａを透過したレーザ光Ｌ５は、ＰＤ７２に入力する。すなわち、周波数フィルタ６３ａは、導波路型の周波数フィルタである。なお、周波数フィルタ６３ａとして、入力する光の周波数に対して周期的な透過特性を有するエタロンフィルタやＭＺＩ（Mach-Zehnder Interferometer）フィルタを用いてもよい。

光検出部７は、ＰＤ７１，７２を備える。ＰＤ７１は、レーザ光Ｌ４（光源部４から出力されたレーザ光Ｌ１と同一の周波数を有し、レーザ光Ｌ１の強度と対応する強度を有する）を受光し、当該レーザ光Ｌ４の強度に応じた電気信号を制御部３に出力する。ＰＤ７２は、周波数フィルタ６３ａを透過したレーザ光Ｌ５を受光し、当該レーザ光Ｌ５の強度に応じた電気信号を制御部３に出力する。そして、ＰＤ７１，７２からそれぞれ出力された電気信号は、制御部３による周波数ロック制御（光源部４から出力されるレーザ光Ｌ１の周波数を目標周波数にするための制御）に用いられる。

ＰＤ７１は、レーザ光Ｌ１の強度に対応するレーザ光Ｌ４の強度である第１強度を検出する第１検出部の一例である。ＰＤ７２は、レーザ光Ｌ１が周波数フィルタ６３ａを透過した後の強度に相当するレーザ光Ｌ５の強度である第２強度を検出する第２検出部の一例である。

温度センサ８は、たとえばサーミスタ等で構成され、光源部４および平面光波回路６の周囲温度を検出する。なお、温度センサ８としては、温度調節器９の外部に配置し、レーザ装置１が配置される環境の温度を周囲温度として検出しても構わない。温度センサ８は、検出した温度の情報を含む電気信号を制御部３に出力する。

温度調節器９は、たとえばペルチェ素子を含むＴＥＣ（Thermo Electric Cooler）等で構成されている。この温度調節器９には、光源部４、半導体光増幅器５、平面光波回路６、光検出部７、および温度センサ８が載置される。そして、温度調節器９は、供給された電力に応じて光源部４、半導体光増幅器５、平面光波回路６、光検出部７、および温度センサ８の温度を調節する。この場合、制御部３は、温度センサ８が検出した温度の情報に基づいて、主に光源部４が一定の温度となるように、温度調節器９に供給する電力を制御する。主に光源部４が一定の温度となるよう制御を行った方が、レーザ光Ｌ１の周波数の、動作条件や外部環境温度に依存する変動を抑制する上で好ましい。

なお、温度調節器９において、光源部４、半導体光増幅器５、平面光波回路６、光検出部７、および温度センサ８が載置される設置面９１を、光源部４および半導体光増幅器５が載置される第１の領域Ａｒ１と、平面光波回路６および光検出部７が載置される第２の領域Ａｒ２の２つの領域に区画した場合には、温度センサ８は、第２の領域Ａｒ２に載置される。すなわち、温度センサ８は、平面光波回路６に近接して配置されている。ただし、温度センサ８は、第１の領域Ａｒ１に載置され、光源部４に近接して配置されていてもよい。

〔制御部の構成〕
つぎに、制御部３の構成について説明する。図４は、制御部の構成を示すブロック図である。制御部３は、たとえばユーザインターフェースを備えた上位の制御装置（図示略）と接続されており、当該上位の制御装置を介したユーザからの指示にしたがって、レーザ部２の動作を制御する。

なお、以下では、本発明の要部である制御部３による周波数ロック制御を主に説明する。また、図４では、説明の便宜上、制御部３の構成として、周波数ロック制御を実行する構成を主に図示している。

制御部３は、アナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）３１、３２と、演算部３３と、記憶部３４と、電流源３５と、を備える。

ＡＤＣ３１は、ＰＤ７２から入力されたアナログの電気信号をデジタル信号に変換して演算部３３に出力する。ＡＤＣ３２は、ＰＤ７１から入力されたアナログの電気信号をデジタル信号に変換して演算部３３に出力する。

演算部３３は、制御部３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）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）で構成される。記憶部３４は、演算部３３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３３が演算処理を行う際の作業スペースや演算部３３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。制御部３の制御機能は、演算部３３と記憶部３４との機能によりソフトウェア的に実現される。

電流源３５は、演算部３３からの指示に基づいて、光源部４にレーザ光Ｌ１の周波数の制御のための電力を供給する。本実施形態では、演算部３３は電流源３５に制御量として電流値を指示する。電流源３５は指示された電流値の電流を光源部４に供給する。

つぎに、演算部３３の構成について詳述する。演算部３３は、機能部として、ＰＤ比算出部３３１と、目標周波数設定部３３２と、目標ＰＤ比設定部３３３と、差分取得部３３４と、電流取得部３３５と、制御定数決定部３３６と、ＰＩＤ制御部３３７と、ＤＢＲ／ＲＩＮＧ電力設定部３３８と、を備えている。これらの機能部はソフトウェアとハードウェア資源とが協働することによって実現される。

ＰＤ比算出部３３１は、ＡＤＣ３１，３２から入力されたデジタル信号からＰＤ比を算出する。ＰＤ比は、ＰＤ７１が検出した第１強度に対するＰＤ７２が検出した第２強度の比である。このＰＤ比はモニタ値であり、モニタＰＤ比とも呼ばれる。

ＰＤ比について説明する。図５は、周波数とＰＤ比との関係に基づく弁別カーブの説明図である。ＰＤ比は、周波数フィルタ６３ａの透過特性に対応して、周波数に対して周期的に変化する。なお、図５に示す例では、ＰＤ比が０から１の間で変化するように規格化してあるが、ＰＤ比が－１から＋１の間で変化するように規格化されていてもよい。さらには、ＰＤ７２が検出した、周波数フィルタ６３ａを透過した第２強度のみからモニタ値を算出するようにしてもよい。尚この様な場合においても、当該モニタ値をＰＤ比として以降の処理を実施することができる。加えて、各周波数におけるＰＤ７１でのモニタ値を事前に取得し記憶部３４等に格納しておき、ＰＤ比算出の際に目標周波数の値または範囲等に応じて、事前に取得したＰＤ７１のモニタ値を用いてＰＤ比を算出するようにしてもよい。このように、設定値またはモニタ値は、第２強度に相当する値を含んでもよい。

図５において、黒丸で示す点Ｐ３のように、レーザ光Ｌ１の周波数がｆ３である場合に、ＰＤ比算出部３３１において算出されるＰＤ比はＲ３であることを示している。このことは、ＰＤ比がＲ３になるように光源部４を制御すれば、レーザ光Ｌ１の周波数をｆ３にロックする周波数ロックが実現されることを意味する。ＰＤ比はレーザ光Ｌ１の周波数に相当する量であり、周波数相当量に対応するモニタ値の一例である。点Ｐ３はレーザ光Ｌ１の周波数をｆ３に制御する際の制御目標点であり、ロック点とも呼ばれる。

なお、弁別カーブは周期的に変化するため、異なる周波数に対して同じＰＤ比を取る場合がある。このレーザ装置１では、目標周波数が設定されると、その周波数に応じてＤＢＲヒータ４２１およびＲＩＮＧヒータ４２２のそれぞれにその目標周波数に対応した電力が供給される。その結果、目標周波数を含む周波数範囲で第１の櫛状反射スペクトルと第２の櫛状反射スペクトルとが重なり合い、レーザ発振が可能な周波数範囲が制限される。

図４に戻って説明を続ける。目標周波数設定部３３２は、たとえば上位の制御装置からの指示により、レーザ光Ｌ１の周波数の目標値として目標周波数を設定する。レーザ光Ｌ１の周波数の目標値は設定値の一例である。設定値はそれに応じて制御量が決定されるものである。

目標ＰＤ比設定部３３３は、目標周波数設定部３３２が設定した目標周波数をもとに、目標周波数相当量である目標ＰＤ比を設定する。目標ＰＤ比の設定は、記憶部３４に記憶されている周波数とＰＤ比との対応関係を示すテーブルデータや関係式などを用いて行われる。この対応関係は、周波数フィルタ６３ａが生成する弁別カーブに基づいて定められている。

差分取得部３３４は、ＰＤ比算出部３３１が算出したモニタＰＤ比と目標ＰＤ比設定部３３３が設定した目標ＰＤ比との差分を算出して取得する。

電流取得部３３５は、後述するＰＩＤ制御部３３７が設定した設定値としての電流値を取得し、または電流源３５が流している電流値をモニタ値として取得し、取得した電流値を制御定数決定部３３６に出力する。

制御定数決定部３３６は、電流値と目標周波数（または目標ＰＤ比）とに応じて、制御量を決定するための制御定数を設定する設定ステップを行う。本実施形態１では、光源部４に指示する制御量である電流値を決定するための比例制御における比例定数Ｋｐを設定することとする。なお、記憶部３４が、設定値またはモニタ値に応じて制御量を決定するための制御定数を複数記憶している。制御定数決定部３３６は記憶部３４から適正な制御定数を読み出して参照し、設定を行う。

ＰＩＤ制御部３３７は、モニタＰＤ比と目標ＰＤ比との差分に対応した微分定数Ｋｄおよび積分定数Ｋｉと、制御定数決定部３３６が決定した比例定数Ｋｐと、に基づいて電流値を設定し、その電流値の指示を電流源３５に出力し、比例積分微分（ＰＩＤ）制御を行うことができる。ただし、本実施形態ではＰＩ制御を行うものとする。

ＤＢＲ／ＲＩＮＧ電力設定部３３８は、目標周波数設定部３３２が設定した目標周波数をもとに、ＤＢＲヒータ４２１およびＲＩＮＧヒータ４２２のそれぞれに供給する電力を設定する。ＤＢＲ／ＲＩＮＧ電力設定部３３８は、設定した電力に基づいて電流値を設定し、その電流値の指示を電流源３５に出力し、ＤＢＲヒータ４２１およびＲＩＮＧヒータ４２２のフィードフォワード制御を行うことができる。

〔制御方法〕
つぎに、レーザ装置１において実行される制御方法について説明する。レーザ部２は、レーザ光Ｌ１の周波数を制御する際に用いる設定値またはモニタ値に対してレーザ光Ｌ１の周波数が非線形に変化する特性を有している。

図６は、設定値またはモニタ値の一例としてのＰｈａｓｅ電流と、レーザ光Ｌ１の周波数との関係の一例を示す図である。ここでＰｈａｓｅ電流とは、Ｐｈａｓｅヒータ４２３に供給される電流である。図６に示すように、レーザ光Ｌ１の周波数はＰｈａｓｅ電流に対して非線形に変化する特性を有する。その理由としては、たとえばＰｈａｓｅヒータ４２３の電流値に対する発熱量、発熱量に対する共振器モードの周波数の変化量、またはこの発熱量と変化量との相関関係が非線形である可能性がある。

ここで、制御定数、たとえば比例定数Ｋｐについて、全ての電流値に対して１つの値を適用した場合、たとえば図６中、破線ＤＬより左側である領域Ａでは電流値の変化に対する周波数の変化の傾きの絶対値が小さいので、目標周波数に制御するための収束時間が増大する場合がある。また、図６中、破線ＤＬより右側である領域Ｂでは、電流値の変化に対する周波数の変化の傾きの絶対値が大きいので、発振、またはオーバーシュートやアンダーシュートが発生する場合がある。

そこで、本制御方法では、取り得る電流値の範囲に応じて異なる比例定数Ｋｐを設定する。図７に示す例では、互いに異なる電流値の範囲Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４に対して、互いに異なる比例定数Ｋｐ１、Ｋｐ２、Ｋｐ３、Ｋｐ４を設定する。図７の場合は、範囲Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４は、いずれも周波数が１ＧＨｚだけ変化する範囲であるが、非線形性のために範囲Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４は互いに大きさが異なっている。

このとき、範囲Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４では、曲線の傾きの絶対値がこの順番で徐々に大きくなっている。そこで、比例定数Ｋｐ１、Ｋｐ２、Ｋｐ３、Ｋｐ４については、Ｋｐ１＞Ｋｐ２＞Ｋｐ３＞Ｋｐ４となるように値が設定される。

すなわち、電流値が取り得る互いに異なる範囲である範囲Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４から任意に第１範囲と第２範囲とを選ぶと、傾きの絶対値が小さい方の範囲における制御定数が、傾きの絶対値が大きい方の範囲における制御定数よりも大きく設定されている。たとえば、第１範囲における傾きの絶対値が第２範囲における傾きの絶対値よりも小さい場合は、第１範囲における比例定数を第２範囲における比例定数よりも大きく設定されている。これにより、制御量である電流値の変化量に対する周波数の変化量の、電流値の範囲に対する依存性を低減することができるので、収束時間の増大、発振、またはオーバーシュートやアンダーシュートの発生が抑制される。その結果、レーザ光の周波数を制御する際に、より好適な制御が実現される。

図７では、周波数の変化が等しく１ＧＨｚに対応する電流値の範囲としているが、周波数の変化は範囲毎に異なっていてもよい。また、電流値の範囲の幅が互いに等しくてもよい。

さらに、本制御方法では、レーザ光Ｌ１の周波数または周波数相当量を第１設定値から第２設定値に変化させる変化制御を行う際に、変化制御の開始時刻からの経過時間に応じて比例定数を設定する。

図８は、周波数相当量であるＰＤ比の変化制御の開始時刻からの経過時間に対する比例定数の設定の一例を示す図である。本例では、ＰＤ比を第１設定値である現在のＰＤ比から第２設定値である目標ＰＤ比まで変化させる際に、時間ｔ１の経過までは比例定数としてＫｐｔ１を設定し、時間ｔ１の経過後はＫｐｔ２を設定する。たとえば、Ｋｐｔ１は現在のＰｈａｓｅ電流値から決定でき、Ｋｐｔ２は目標周波数または目標周波数相当量である第２設定値から決定できる。

上述したように、弁別カーブは周期的に変化するため、急激にＰＤ比を変化させるとロック点が弁別カーブ上で規定された周波数範囲を超えてオーバーシュートしてしまい、目標周波数とは異なる周波数でロックされる場合がある。そこで、Ｋｐｔ２をＫｐｔ１よりも小さく設定すれば、ＰＤ比が目標ＰＤ比に近いときの急激なＰＤ比の変化を抑制できるので、オーバーシュートの発生と異なる周波数での周波数ロックの発生とを抑制できる。なお、本例では時間ｔ１の経過の前後で比例定数の設定値を変えているが、さらに比例定数の設定値を変える基準となる時間を時間ｔ１の他にも設定して、より多数の段階で設定値を変えてもよい。

〔フローチャート〕
図９は、上述した制御部３による、レーザ光Ｌ１の周波数または周波数相当量を第１設定値（現在の設定された周波数または現在のＰＤ比）から第２設定値（目標周波数または目標ＰＤ比）に変化させる変化制御の制御方法を示すフローチャートである。

はじめに、ステップＳ１０１において、目標周波数設定部３３２が、レーザ光Ｌ１の周波数の目標値として目標周波数を設定する。

つづいて、ステップＳ１０２において、制御定数決定部３３６は、目標周波数設定部３３２が設定した目標周波数をもとに比例定数Ｋｐｔ２を決定する。

つづいて、ステップＳ１０３において、ＤＢＲ／ＲＩＮＧ電力設定部３３８は、目標周波数設定部３３２が設定した目標周波数をもとに、ＤＢＲヒータ４２１およびＲＩＮＧヒータ４２２のそれぞれに供給する電力を設定する。

つづいて、ステップＳ１０４において、電流取得部３３５は、現在のＰｈａｓｅ電流値（設定値またはモニタ値）を取得する。

つづいて、ステップＳ１０５において、制御定数決定部３３６は、電流取得部３３５が取得した現在のＰｈａｓｅ電流値をもとに、比例定数Ｋｐｔ１を決定する。尚、Ｐｈａｓｅ電流値を制御するために既に用いられている比例定数をＫｐｔ１として決定してもよい。このＫｐｔ１は、たとえばＰｈａｓｅ電流が図７で示した範囲Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４のいずれの範囲に含まれるかに応じて、Ｋｐ１、Ｋｐ２、Ｋｐ３、Ｋｐ４のいずれかと等しくなるように決定される。

つづいて、ステップＳ１０６において、目標ＰＤ比設定部３３３は、ステップＳ１０１において目標周波数設定部３３２が設定した目標周波数をもとに、目標周波数相当量である目標ＰＤ比を設定する。

つづいて、ステップＳ１０７において、ＰＤ比算出部３３１は、モニタＰＤ比を算出して取得する。

つづいて、ステップＳ１０８において、差分取得部３３４は、目標ＰＤ比とモニタＰＤ比との差分（目標ＰＤ比－モニタＰＤ比）を取得する。

つづいて、ステップＳ１０９において、ＰＩＤ制御部３３７は、変化制御の開始時刻からの経過時間がｔ１（例えば、１秒）以上であるか否かを判定する。ｔ１未満であると判定した場合（ステップＳ１０９、Ｎｏ）、ステップＳ１１０において比例定数としてＫｐｔ１を設定する。ｔ１以上であると判定した場合（ステップＳ１０９、Ｙｅｓ）、ステップＳ１１１において比例定数としてＫｐｔ２を設定する。

つづいて、ステップＳ１１２において、ＰＩＤ制御部３３７は、Ｋｐｔ１またはＫｐｔ２と、予め設定されていた積分定数Ｋｉを用いて、差分の絶対値である｜目標ＰＤ比－モニタＰＤ比｜が小さくなるように、Ｐｈａｓｅ電流に関するＰＩ制御を行う。

つづいて、ステップＳ１１３において、ＰＩＤ制御部３３７は、｜目標ＰＤ比－モニタＰＤ比｜が目標誤差内であるか否かを判定する。目標誤差内ではないと判定した場合（ステップＳ１１３、Ｎｏ）、制御はステップＳ１０７に戻る。目標誤差内であると判定した場合（ステップＳ１１３、Ｙｅｓ）、制御は終了する。

（実施形態２）
つぎに、実施形態２に係るレーザ装置について説明する。実施形態２に係るレーザ装置は、実施形態１のレーザ装置１の制御部３を制御部３Ａに置き換えた構成を有する。以下では制御部３Ａについて詳述する。

〔制御部の構成〕
図１０は、実施形態２に係る制御部３Ａの構成を示すブロック図である。制御部３Ａは、たとえばユーザインターフェースを備えた上位の制御装置（図示略）と接続されており、当該上位の制御装置を介したユーザからの指示にしたがって、レーザ部２の動作を制御する。

制御部３Ａは、制御部３の演算部３３を演算部３３Ａに置き換えた構成を有する。演算部３３Ａは、演算部３３の構成から電流取得部３３５を削除した構成をする。

上述したように、周波数とＰＤ比との関係において、ＰＤ比は、周波数フィルタ６３ａの透過特性に対応して、周波数に対して周期的にかつ滑らかに変化する弁別カーブの特性を有する。このような弁別カーブは、周波数によって曲線の傾きが異なる。すなわち、レーザ光Ｌ１の周波数を制御する際に用いる設定値またはモニタ値であるＰＤ比に対してレーザ光Ｌ１の周波数が非線形に変化する。

そこで、制御部３Ａにおける制御では、設定値である目標ＰＤ比またはモニタ値であるモニタＰＤ比に応じて、対応する弁別カーブの傾きが異なることを利用して、目標ＰＤ比またはモニタＰＤ比に応じて制御定数を設定する。

たとえば、目標ＰＤ比またはモニタＰＤ比が取り得る互いに異なる範囲である第１範囲と第２範囲において、傾きの絶対値が小さい方の範囲における制御定数を、傾きの絶対値が大きい方の範囲における制御定数よりも大きく設定する。たとえば、第１範囲における傾きの絶対値が第２範囲における傾きの絶対値よりも小さい場合は、第１範囲における制御定数を第２範囲における制御定数よりも大きく設定する。たとえば、図５において、ＰＤ比がたとえば０．７の場合は、弁別カーブの傾きの絶対値が、ＰＤ比が０．５の場合の傾きの絶対値よりも小さいので、比例定数を、ＰＤ比が０．５の場合の比例定数よりも大きく設定する。このようなＰＤ比と比例定数の設定との関係は、テーブルデータや関係式として記憶部３４に記憶されており、制御定数決定部３３６が適宜呼び出して使用する。

これにより、ＰＤ比に対する周波数の変化量の、ＰＤ比に対する依存性を低減することができるので、収束時間の増大、発振、またはオーバーシュートやアンダーシュートの発生が抑制される。その結果、レーザ光の周波数を制御する際に、より好適な制御が実現される。

〔フローチャート〕
図１１は、上述した制御部３Ａによる、レーザ光Ｌ１の周波数または周波数相当量を第１設定値（現在の設定された周波数または現在のＰＤ比）から第２設定値（目標周波数または目標ＰＤ比）に変化させる変化制御の制御方法を示すフローチャートである。

はじめに、ステップＳ２０１において、目標周波数設定部３３２が、レーザ光Ｌ１の周波数の目標値として目標周波数を設定する。

つづいて、ステップＳ２０２において、目標ＰＤ比設定部３３３は、ステップＳ２０１において目標周波数設定部３３２が設定した目標周波数をもとに、目標周波数相当量である目標ＰＤ比を設定する。

つづいて、ステップＳ２０３において、制御定数決定部３３６は、目標ＰＤ比設定部３３３が設定した目標ＰＤ比をもとに比例定数Ｋｐｔ２を決定する。比例定数Ｋｐｔ２は目標ＰＤ比における弁別カーブの傾きに基づいて設定された比例定数である。

なお、ステップＳ２０１の実行後からステップＳ２０４の実行前のいずれかのタイミングにおいて、ＤＢＲ／ＲＩＮＧ電力設定部３３８は、目標周波数設定部３３２が設定した目標周波数をもとに、ＤＢＲヒータ４２１およびＲＩＮＧヒータ４２２のそれぞれに供給する電力を設定する。

つづいて、ステップＳ２０４において、ＰＤ比算出部３３１は、現在のＰＤ比としてモニタＰＤ比を算出して取得する。

つづいて、ステップＳ２０５において、制御定数決定部３３６は、ＰＤ比算出部３３１が取得したモニタＰＤ比をもとに、比例定数Ｋｐｔ１を決定する。尚、Ｐｈａｓｅ電流値を制御するために既に用いられている比例定数をＫｐｔ１として決定してもよい。比例定数Ｋｐｔ１はモニタＰＤ比における弁別カーブの傾きに基づいて設定された比例定数である。

つづいて、ステップＳ２０７において、差分取得部３３４は目標ＰＤ比とモニタＰＤ比との差分（目標ＰＤ比－モニタＰＤ比）を取得する。

つづいて、ステップＳ２０８において、ＰＩＤ制御部３３７は、変化制御の開始時刻からの経過時間がｔ１（例えば、１秒）以上であるか否かを判定する。ｔ１未満であると判定した場合（ステップＳ２０８、Ｎｏ）、ステップＳ２０９において比例定数としてＫｐｔ１を設定する。ｔ１以上であると判定した場合（ステップＳ２０８、Ｙｅｓ）、ステップＳ２１０において比例定数としてＫｐｔ２を設定する。

つづいて、ステップＳ２１１において、ＰＩＤ制御部３３７は、Ｋｐｔ１またはＫｐｔ２と、予め設定されていた積分定数Ｋｉを用いて、差分の絶対値である｜目標ＰＤ比－モニタＰＤ比｜が小さくなるように、Ｐｈａｓｅ電流に関するＰＩ制御を行う。

つづいて、ステップＳ２１２において、ＰＩＤ制御部３３７は、｜目標ＰＤ比－モニタＰＤ比｜が目標誤差内であるか否かを判定する。目標誤差内ではないと判定した場合（ステップＳ２１２、Ｎｏ）、制御はステップＳ２０６に戻る。目標誤差内であると判定した場合（ステップＳ２１２、Ｙｅｓ）、制御は終了する。

（実施形態３）
つぎに、実施形態３に係るレーザ装置について説明する。実施形態３に係るレーザ装置は、実施形態１のレーザ装置の制御部３を制御部３Ｂに置き換えた構成を有する。以下では制御部３Ｂについて詳述する。

〔制御部の構成〕
図１２は、実施形態３に係る制御部３Ｂの構成を示すブロック図である。制御部３Ｂは、たとえばユーザインターフェースを備えた上位の制御装置（図示略）と接続されており、当該上位の制御装置を介したユーザからの指示にしたがって、レーザ部２の動作を制御する。

制御部３Ｂは、制御部３の演算部３３を演算部３３Ｂに置き換えた構成を有する。演算部３３Ｂは、演算部３３の構成に、機能部としての補償量決定部３３９を追加した構成を有する。

実施形態２の説明で述べたように、レーザ光Ｌ１の周波数を制御する際に用いる設定値またはモニタ値であるＰＤ比に対してレーザ光Ｌ１の周波数が非線形に変化する。

制御部３Ｂにおける制御では、制御部３Ａにおける制御と同様に、目標ＰＤ比またはモニタＰＤ比に応じて、弁別カーブの傾きが異なることを利用して、目標ＰＤ比またはモニタＰＤ比に応じて制御定数を設定する。たとえば、目標ＰＤ比またはモニタＰＤ比が取り得る互いに異なる範囲である第１範囲と第２範囲において、傾きの絶対値が小さい方の範囲における制御定数を、傾きの絶対値が大きい方の範囲における制御定数よりも大きく設定する。たとえば、第１範囲における傾きの絶対値が第２範囲における傾きの絶対値よりも小さい場合は、第１範囲における制御定数を第２範囲における制御定数よりも大きく設定する。たとえば、図５において、ＰＤ比がたとえば０．７の場合は、弁別カーブの傾きの絶対値が、ＰＤ比が０．５の場合の傾きの絶対値よりも小さいので、比例定数を、ＰＤ比が０．５の場合の比例定数よりも大きく設定する。

ただし、実施形態３の制御部３Ｂにおいては、比例定数の設定は、制御部３Ａにおける制御とは異なる。たとえばＰＤ比が０．５の場合の比例定数を基準比例定数としてのＫｐとすると、Ｋｐに対して、補償量αを決定し、ＰＤ比の範囲に応じてαを加算、除算、乗算または減算をして、ＰＤ比がたとえば０．７の場合の比例定数を設定する。たとえば、αが正数である場合は、弁別カーブの傾きの絶対値が小さくなるにつれて、比例定数をＫｐ、Ｋｐ＋α、Ｋｐ＋２α、・・・のように設定してもよい。このような、ＰＤ比と、決定すべきαやその加減乗除などの演算と、の関係は、テーブルデータや関係式として記憶部３４に記憶されており、補償量決定部３３９や制御定数決定部３３６が適宜呼び出して使用する。

これにより、ＰＤ比に対する周波数の変化量の、ＰＤ比に対する依存性を低減することができるので、収束時間の増大、発振、またはオーバーシュートやアンダーシュートの発生が抑制される。その結果、レーザ光の周波数を制御する際に、より好適な制御が実現される。なお、基準比例定数としてのＫｐを、実施形態１で示す制御方法により、現在のＰｈａｓｅ電流または目標周波数に対応するＰｈａｓｅ電流の設定値に応じて定めるようにしてもよい。

さらに、本制御方法では、レーザ光Ｌ１の周波数または周波数相当量を第１設定値から第２設定値に変化させる変化制御を行う際に、第１設定値から第２設定値までの到達割合に応じて比例定数を設定する。

図１３は、周波数相当量であるＰＤ比の変化制御の開始時刻からの経過時間に対する比例定数の設定の一例を示す図である。本例では、ＰＤ比を第１設定値である現在のＰＤ比から第２設定値である目標ＰＤ比まで変化させる際に、ＰＤ比が目標ＰＤ比の５０％に到達するまでは比例定数としてＫｐ％１を設定し、５０％の到達後はＫｐ％２を設定する。なお、ＰＤ比が現在のＰＤ比である場合は到達割合が０％であり、目標ＰＤ比である場合は到達割合が１００％である。たとえば、Ｋｐ％１は現在のＰｈａｓｅ電流値の値から決定でき、Ｋｐ％２は目標周波数または目標周波数相当量である第２設定値から決定できる。

Ｋｐｔの場合と同様に、Ｋｐ％２をＫｐ％１よりも小さく設定すれば、ＰＤ比が目標ＰＤ比に近いときの急激なＰＤ比の変化を抑制できるので、オーバーシュートの発生と異なる周波数での周波数ロックの発生とを抑制できる。なお、本制御では到達割合が５０％の前後で比例定数の設定値を変えているが、さらに比例定数の設定値を変える基準となる到達割合を５０％の他にも設定して、より多数の段階で設定値を変えてもよい。

〔フローチャート〕
図１４は、上述した制御部３Ｂによる、レーザ光Ｌ１の周波数または周波数相当量を第１設定値（現在の設定された周波数または現在のＰＤ比）から第２設定値（目標周波数または目標ＰＤ比）に変化させる変化制御の制御方法を示すフローチャートである。

はじめに、ステップＳ３０１において、目標周波数設定部３３２が、レーザ光Ｌ１の周波数の目標値として目標周波数を設定する。

つづいて、ステップＳ３０２において、制御定数決定部３３６は、目標周波数設定部３３２が設定した目標周波数をもとに比例定数Ｋｐ％２を決定する。

つづいて、ステップＳ３０３において、ＤＢＲ／ＲＩＮＧ電力設定部３３８は目標周波数設定部３３２が設定した目標周波数をもとに、ＤＢＲヒータ４２１およびＲＩＮＧヒータ４２２のそれぞれに供給する電力を設定する。

つづいて、ステップＳ３０４において、電流取得部３３５は、現在のＰｈａｓｅ電流値（設定値またはモニタ値）を取得する。

つづいて、ステップＳ３０５において、制御定数決定部３３６は、電流取得部３３５が取得した現在のＰｈａｓｅ電流値をもとに、比例定数Ｋｐ％１を決定する。尚、Ｐｈａｓｅ電流値を制御するために既に用いられている比例定数をＫｐ％１として決定してもよい。このＫｐ％１は、たとえばＰｈａｓｅ電流が図７で示した範囲Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４のいずれの範囲に含まれるかに応じて、Ｋｐ１、Ｋｐ２、Ｋｐ３、Ｋｐ４のいずれかと等しくなるように決定される。

つづいて、ステップＳ３０６において、目標ＰＤ比設定部３３３は、ステップＳ３０１において目標周波数設定部３３２が設定した目標周波数をもとに、目標周波数相当量である目標ＰＤ比を設定する。

つづいて、ステップＳ３０７において、ＰＤ比算出部３３１は、モニタＰＤ比を算出して取得する。

つづいて、ステップＳ３０８において、補償量決定部３３９は、目標ＰＤ比またはモニタＰＤ比に応じて補償量αを設定する。

つづいて、ステップＳ３０９において、制御定数決定部３３６は、補償量αを用いてＫｐ％１、Ｋｐ％２を補償する。

つづいて、ステップＳ３１０において、差分取得部３３４は目標ＰＤ比とモニタＰＤ比との差分（目標ＰＤ比－モニタＰＤ比）を取得する。

つづいて、ステップＳ３１１において、ＰＩＤ制御部３３７は、到達割合が５０％未満であるか否かを判定する。５０％未満であると判定した場合（ステップＳ３１１、Ｙｅｓ）、ステップＳ３１２において比例定数としてＫｐ％１を設定する。５０％以上であると判定した場合（ステップＳ３１１、Ｎｏ）、ステップＳ３１２において比例定数としてＫｐ％２を設定する。

つづいて、ステップＳ３１４において、ＰＩＤ制御部３３７は、Ｋｐ％１またはＫ％２と、予め設定されていた積分定数Ｋｉを用いて、差分の絶対値である｜目標ＰＤ比－モニタＰＤ比｜が小さくなるように、Ｐｈａｓｅ電流に関するＰＩ制御を行う。

つづいて、ステップＳ３１５において、ＰＩＤ制御部３３７は、｜目標ＰＤ比－モニタＰＤ比｜が目標誤差内であるか否かを判定する。目標誤差内ではないと判定した場合（ステップＳ３１５、Ｎｏ）、制御はステップＳ３０７に戻る。目標誤差内であると判定した場合（ステップＳ３１５、Ｙｅｓ）、制御は終了する。

（実施形態４）
つぎに、実施形態４に係るレーザ装置について説明する。実施形態４に係るレーザ装置は、実施形態３のレーザ装置の制御部３Ｂを制御部３Ｃに置き換えた構成を有する。以下では制御部３Ｃについて詳述する。

〔制御部の構成〕
図１５は、実施形態４に係る制御部３Ｃの構成を示すブロック図である。制御部３Ｃは、たとえばユーザインターフェースを備えた上位の制御装置（図示略）と接続されており、当該上位の制御装置を介したユーザからの指示にしたがって、レーザ部２の動作を制御する。制御部３Ｃは、制御部３Ｂの演算部３３Ｂを演算部３３Ｃに置き換えた構成を有する。演算部３３Ｂと演算部３３Ｃとは同様の構成を有するが、実行する制御方法が互いに異なる。

実施形態２の説明で述べたように、レーザ光Ｌ１の周波数を制御する際に用いる設定値またはモニタ値であるＰＤ比に対してレーザ光Ｌ１の周波数が非線形に変化し、目標ＰＤ比またはモニタＰＤ比に応じて、対応する弁別カーブの傾きが異なる。

図１６は、ＰＤ比の変化制御の開始の設定値と目標の設定値との間に傾きの変化の符号が変わる箇所が有る場合の一例の説明図である。図１６では、横軸を周波数とする弁別カーブにおいて、現在のＰＤ比の値である現在値を示す点Ｐ５から、目標ＰＤ比の値である点Ｐ６まで、中間値のＰＤ比である点Ｐ７を経由して変化制御が行われる場合を示している。また、このように周波数を変化させる変化制御は、太矢印で示すように横軸を時間ｔとして表すと、点Ｐ５から点Ｐ６まで、点Ｐ７を経由して変化制御が行われる場合に対応する。

図１６に示すように、点Ｐ５、Ｐ６での弁別カーブの傾きの絶対値は、点Ｐ７での弁別カーブの傾きの絶対値よりも小さい。このことは、第１設定値に相当する点Ｐ５から第２設定値に相当する点Ｐ６までＰＤ比を変化させる間に、弁別カーブの傾きの変化の符号が変化することに相当する。図１６に示す例では、点Ｐ５から周波数が高くなるにしたがって傾きは負値かつ絶対値が大きくなるように変化し、傾きの変化は負値であるが、点Ｐ７の付近から点Ｐ６までは、周波数が高くなるにしたがって傾きは負値かつ絶対値が小さくなるように変化し、傾きの変化は正値である。すなわち弁別カーブは点Ｐ５から点Ｐ６までの間に変曲点を有する。

このように第１設定値から第２設定値に変化させる間に傾きの変化の符号が変化すると、以下の状況が生じる場合がある。すなわち、第１設定値および第２設定値では弁別カーブの傾きが比較的小さく、制御定数が比較的大きく設定される方がよい。しかしながら、変曲点の付近では弁別カーブの傾きが第１設定値および第２設定値における場合よりも大きく、制御定数が比較的小さく設定されることがよい。その結果、変曲点の付近において、第１設定値または第２設定値に対して適する制御定数をそのまま使用して制御すると、制御定数が適する値よりも大きくなり、オーバーシュートやアンダーシュートの発生などの、制御の不安定が生じる場合がある。

そこで、本例方法では、変化制御において、第１設定値から第２設定値に変化させる間に、弁別カーブの傾きの変化の符号が変化する場合には、符号の変化する点を含む所定範囲において、所定範囲外における制御定数よりも小さい制御定数を設定する。所定範囲は、たとえば弁別カーブが正弦曲線であり、値が０から１まで変化するように規格化されている場合、たとえば０．４～０．６の範囲である。変曲点は０．５であるので、０．４～０．６は弁別カーブの振幅に対して変曲点から±１０％の範囲である。

なお、所定範囲において、範囲外における制御定数よりも小さい制御定数を設定する場合には、所定範囲内と範囲外とで別個に設定された制御定数を用いてもよいし、同一の制御定数に対して補償量を適用したものを用いてもよい。

〔フローチャート〕
図１７は、上述した制御部３Ｃによる、レーザ光Ｌ１の周波数または周波数相当量を第１設定値（現在の設定された周波数または現在のＰＤ比）から第２設定値（目標周波数または目標ＰＤ比）に変化させる変化制御の制御方法を示すフローチャートである。

はじめに、ステップＳ４０１において、目標周波数設定部３３２が、レーザ光Ｌ１の周波数の目標値として目標周波数を設定する。

つづいて、ステップＳ４０２において、制御定数決定部３３６は、目標周波数設定部３３２が設定した目標周波数をもとに比例定数Ｋｐ％２を決定する。

つづいて、ステップＳ４０３において、ＤＢＲ／ＲＩＮＧ電力設定部３３８は目標周波数設定部３３２が設定した目標周波数をもとに、ＤＢＲヒータ４２１およびＲＩＮＧヒータ４２２のそれぞれに供給する電力を設定する。

つづいて、ステップＳ４０４において、電流取得部３３５は、現在のＰｈａｓｅ電流値（設定値またはモニタ値）を取得する。

つづいて、ステップＳ４０５において、制御定数決定部３３６は、電流取得部３３５が取得した現在のＰｈａｓｅ電流値をもとに、比例定数Ｋｐ％１とＫｐ％３を決定する。尚、Ｐｈａｓｅ電流値を制御するために既に用いられている比例定数をＫｐ％１、Ｋｐ％３として決定してもよい。このＫｐ％１は、たとえばＰｈａｓｅ電流が図７で示した範囲Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４のいずれの範囲に含まれるかに応じて、Ｋｐ１、Ｋｐ２、Ｋｐ３、Ｋｐ４のいずれかと等しくなるように決定される。また、Ｋｐ％３については、目標周波数と現在のＰｈａｓｅ電流値とに基づいて決定することができる。

つづいて、ステップＳ４０６において、目標ＰＤ比設定部３３３は、ステップＳ３０１において目標周波数設定部３３２が設定した目標周波数をもとに、目標周波数相当量である目標ＰＤ比を設定する。

つづいて、ステップＳ４０７において、ＰＤ比算出部３３１は、モニタＰＤ比を算出して取得する。

つづいて、ステップＳ４０８において、補償量決定部３３９は、目標ＰＤ比またはモニタＰＤ比に応じて補償量αを設定する。

つづいて、ステップＳ４０９において、制御定数決定部３３６は、補償量αを用いてＫｐ％１、Ｋｐ％２、Ｋｐ％３を補償する。

つづいて、ステップＳ４１０において、差分取得部３３４は目標ＰＤ比とモニタＰＤ比との差分（目標ＰＤ比－モニタＰＤ比）を取得する。

つづいて、ステップＳ４１１において、ＰＩＤ制御部３３７は、モニタＰＤ比が０．４～０．６の範囲内であるか否かを判定する。０．４～０．６の範囲内であると判定した場合（ステップＳ４１１、Ｙｅｓ）、ステップＳ４１２において比例定数としてＫｐ％３を設定する。０．４～０．６の範囲外であると判定した場合（ステップＳ４１１、Ｎｏ）、フローはステップＳ４１３に進む。

ステップＳ４１３において、ＰＩＤ制御部３３７は、到達割合が５０％未満であるか否かを判定する。５０％未満であると判定した場合（ステップＳ４１３、Ｙｅｓ）、ステップＳ４１４において比例定数としてＫｐ％１を設定する。５０％以上であると判定した場合（ステップＳ４１３、Ｎｏ）、ステップＳ４１５において比例定数としてＫｐ％２を設定する。

つづいて、ステップＳ４１６において、ＰＩＤ制御部３３７は、Ｋｐ％１、Ｋ％２またはＫｐ％３と、予め設定されていた積分定数Ｋｉを用いて、差分の絶対値である｜目標ＰＤ比－モニタＰＤ比｜が小さくなるように、Ｐｈａｓｅ電流に関するＰＩ制御を行う。

つづいて、ステップＳ４１７において、ＰＩＤ制御部３３７は、｜目標ＰＤ比－モニタＰＤ比｜が目標誤差内であるか否かを判定する。目標誤差内ではないと判定した場合（ステップＳ４１７、Ｎｏ）、制御はステップＳ４０７に戻る。目標誤差内であると判定した場合（ステップＳ４１７、Ｙｅｓ）、制御は終了する。

なお、上記のいずれの実施形態においても、変化制御の場合の制御定数の設定においては、経過時間および到達割合のいずれか一方または両方に応じて設定してもよい。また、変化制御の場合の制御定数の設定においては、経過時間および到達割合ではなく、現在の周波数と目標周波数とに基づいて、多段階に制御定数を設定してもよい。また、上記の実施形態ではフィードバック制御がＰＩ制御であり、制御定数が比例定数である場合について説明したが、フィードバック制御がＰＩＤ制御でもよいし、積分定数や微分定数に対して上記の制御定数の設定を適用してもよい。

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。

１ レーザ装置
２ レーザ部
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ 制御部
４ 光源部
５ 半導体光増幅器
６ 平面光波回路
７ 光検出部
８ 温度センサ
９ 温度調節器
１０ モニタ部
３３、３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ 演算部
３４ 記憶部
３５ 電流源
４１ レーザ本体部
４２ 変更部
４３ 第１の導波路部
４４ 第２の導波路部
４４ａ 光導波層
４５ ｎ側電極
６１ 光分岐部
６２、６３ 光導波路
６３ａ 周波数フィルタ
９１ 設置面
３３１ ＰＤ比算出部
３３２ 目標周波数設定部
３３３ 目標ＰＤ比設定部
３３４ 差分取得部
３３５ 電流取得部
３３６ 制御定数決定部
３３７ ＰＩＤ制御部
３３８ ＤＢＲ／ＲＩＮＧ電力設定部
３３９ 補償量決定部
４２１ ＤＢＲヒータ
４２２ ＲＩＮＧヒータ
４２３ Ｐｈａｓｅヒータ
４３１ 導波路部
４３１ａ 利得部
４３１ｂ 回折格子層
４３２ 半導体積層部
４３３ ｐ側電極
４４１ａ 導波路
４４２、４４３ アーム部
４４４ リング状導波路
４４５ 位相調整部
Ａ、Ｂ 領域
Ａｒ１ 第１の領域
Ａｒ２ 第２の領域
Ｂ１ 基部
Ｃ 光共振器
Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４ 範囲
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５ レーザ光
Ｍ１ 反射ミラー
ＲＦ１ リング共振器フィルタ

Claims (9)

1. 供給される電流または電力である制御量に応じて出力するレーザ光の周波数が変わる光源部と、前記レーザ光の周波数に相当する周波数相当量に対応する周波数モニタ値を取得するモニタ部と、を備えるレーザ部と、
   目標周波数に応じた設定値である周波数設定値に応じて前記制御量を前記光源部に供給することによって前記レーザ光の周波数を制御する制御部と、
   前記制御量の設定値もしくはモニタ値、または前記周波数設定値もしくは前記周波数モニタ値に応じて、前記制御量を決定するための制御定数を複数記憶する記憶部と、
   を備え、
   前記制御定数は、フィードバック制御における比例定数、積分定数または微分定数であり、
   前記レーザ部は、前記レーザ光の周波数を制御する際に用いる前記制御量の設定値またはモニタ値に対して前記レーザ光の周波数が非線形に変化する特性を有し、
   前記制御部は、
   前記制御量の設定値またはモニタ値に応じて、前記記憶部を参照して所定の制御定数を設定し、
   前記制御量の設定値またはモニタ値の変化に対する前記レーザ光の周波数または周波数相当量の変化の傾きに関して、前記制御量の設定値またはモニタ値が取り得る互いに異なる範囲である第１範囲と第２範囲において、前記傾きの絶対値が小さい方の範囲における前記制御定数を、前記傾きの絶対値が大きい方の範囲における前記制御定数よりも大きく設定する
   レーザ装置。
2. 供給される電流または電力である制御量に応じて出力するレーザ光の周波数が変わる光源部と、前記レーザ光の周波数に相当する周波数相当量に対応する周波数モニタ値を取得するモニタ部と、を備えるレーザ部と、
   目標周波数に応じた設定値である周波数設定値に応じて前記制御量を前記光源部に供給することによって前記レーザ光の周波数を制御する制御部と、
   前記制御量の設定値もしくはモニタ値、または前記周波数設定値もしくは前記周波数モニタ値に応じて、前記制御量を決定するための制御定数を複数記憶する記憶部と、
   を備え、
   前記制御定数は、フィードバック制御における比例定数、積分定数または微分定数であり、
   前記レーザ部は、前記レーザ光の周波数を制御する際に用いる前記周波数設定値または前記周波数モニタ値に対して前記レーザ光の周波数が非線形に変化する特性を有し、
   前記制御部は、
   前記周波数設定値または前記周波数モニタ値に応じて、前記記憶部を参照して所定の制御定数を設定し、
   前記周波数設定値または前記周波数モニタ値の変化に対する前記レーザ光の周波数または周波数相当量の変化の傾きに関して、前記周波数設定値または前記周波数モニタ値が取り得る互いに異なる範囲である第１範囲と第２範囲において、前記傾きの絶対値が小さい方の範囲における前記制御定数を、前記傾きの絶対値が大きい方の範囲における前記制御定数よりも大きく設定する
   レーザ装置。
3. 前記モニタ部は、入力する光の周波数に対して透過率が周期的に変化する周波数フィルタと、前記レーザ光が前記周波数フィルタを透過した後のレーザ光の強度に対応する第２強度を検出する第２検出部とを備え、
   前記周波数設定値または前記周波数モニタ値は、前記第２強度に相当する値を含む、
   請求項１または２に記載のレーザ装置。
4. 前記モニタ部は、前記レーザ光の強度に対応するレーザ光の第１強度を検出する第１検出部と、を有し、
   前記設定値または前記モニタ値は、前記第１強度に対する前記第２強度の比に相当する値である
   請求項３に記載のレーザ装置。
5. 前記制御部は、前記レーザ光の周波数または周波数相当量を第１設定値から第２設定値に変化させる変化制御を行う際に、前記変化制御の開始時刻からの経過時間、または前記第１設定値から前記第２設定値までの到達割合に応じて前記制御定数の設定値を変える
   請求項１～４のいずれか一つに記載のレーザ装置。
6. 前記制御部は、前記レーザ光の周波数または周波数相当量を第１設定値から第２設定値に変化させる変化制御を行う際に、前記第１設定値から前記第２設定値に変化させる間に前記傾きの変化の符号が変化する場合には、前記符号の変化する点を含む所定範囲において、前記所定範囲の範囲外における前記制御定数よりも小さい前記制御定数を設定する
   請求項１～５のいずれか一つに記載のレーザ装置。
7. 前記光源部は、バーニア効果を利用して前記レーザ光の周波数が可変とされている
   請求項１～６のいずれか一つに記載のレーザ装置。
8. 供給される電流または電力である制御量に応じて出力するレーザ光の周波数が変わる光源部と、前記レーザ光の周波数に相当する周波数相当量に対応する周波数モニタ値を取得するためのモニタ部と、を有するレーザ部を備えるレーザ装置の制御方法であって、
   目標周波数に応じた設定値である周波数設定値に応じて前記制御量を前記レーザ部に供給することによって前記レーザ光の周波数を制御する制御ステップを含み、
   前記光源部は、前記レーザ光の周波数を制御する際に用いる前記制御量の設定値またはモニタ値に対して前記レーザ光の周波数が非線形に変化する特性を有し、
   前記制御ステップは、
   前記制御量の設定値またはモニタ値に応じて、前記制御量を決定するための制御定数を複数記憶する記憶部を参照して所定の制御定数を設定する設定ステップを含み、
   前記設定ステップにおいて、前記制御量の設定値またはモニタ値の変化に対する前記レーザ光の周波数または周波数相当量の変化の傾きに関して、前記制御量の設定値またはモニタ値が取り得る互いに異なる範囲である第１範囲と第２範囲において、前記傾きの絶対値が小さい方の範囲における前記制御定数を、前記傾きの絶対値が大きい方の範囲における前記制御定数よりも大きく設定し、
   前記制御定数は、フィードバック制御における比例定数、積分定数または微分定数である、
   レーザ装置の制御方法。
9. 供給される電流または電力である制御量に応じて出力するレーザ光の周波数が変わる光源部と、前記レーザ光の周波数に相当する周波数相当量に対応する周波数モニタ値を取得するためのモニタ部と、を有するレーザ部を備えるレーザ装置の制御方法であって、
   目標周波数に応じた設定値である周波数設定値に応じて制御量を前記レーザ部に供給することによって前記レーザ光の周波数を制御する制御ステップを含み、
   前記光源部は、前記レーザ光の周波数を制御する際に用いる前記周波数設定値または前記周波数モニタ値に対して前記レーザ光の周波数が非線形に変化する特性を有し、
   前記制御ステップは、
   前記周波数設定値または前記周波数モニタ値に応じて、前記制御量を決定するための制御定数を複数記憶する記憶部を参照して所定の制御定数を設定する設定ステップを含み、
   前記制御定数は、フィードバック制御における比例定数、積分定数または微分定数であり、
   前記設定ステップにおいて、前記周波数設定値または前記周波数モニタ値の変化に対する前記レーザ光の周波数または周波数相当量の変化の傾きに関して、前記周波数設定値または前記周波数モニタ値が取り得る互いに異なる範囲である第１範囲と第２範囲において、前記傾きの絶対値が小さい方の範囲における前記制御定数を、前記傾きの絶対値が大きい方の範囲における前記制御定数よりも大きく設定する
   レーザ装置の制御方法。

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