JPH07109917B2 - レーザ回路及びその制御方法 - Google Patents

レーザ回路及びその制御方法

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JPH07109917B2
JPH07109917B2 JP1345132A JP34513289A JPH07109917B2 JP H07109917 B2 JPH07109917 B2 JP H07109917B2 JP 1345132 A JP1345132 A JP 1345132A JP 34513289 A JP34513289 A JP 34513289A JP H07109917 B2 JPH07109917 B2 JP H07109917B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はレーザ放射発信源に関し、特にレーザ制御の方
法及び装置に関する。
半導体レーザには2つの明確な動作領域がある。電流が
小さい時には、光出力Lの入力電源I曲線に対する比η
が小さく、レーザの帯域幅も小さい。入力電流Iが増
加してしきい値電流(Ith)に到達すると、装置はレー
ザモードとなり、このモードにおける比ηはηより
もはるかに大きくなる。しきい値を超えると、レーザの
帯域幅は非常に大きくなり得る。ディジタル技術からみ
れば、L−I曲線上の2つの最重要動作点は理論0及び
理論1の光出力レベルL0及びL1である。光通信の場合
は、ピーク出力レベルL1と「消光比」(ε=L1/L0)を
制御し、レーザの切り替え帯域幅をできるだけ大きくす
ることが望ましい。
高速アプリケーションでは、帯域幅、ターンオン遅延、
分光純度などの重要要因は、論理0動作点I0のしきい値
電流(Ith)レベルに対する近接度にかかっている。こ
れらの高周波数アプリケーションでは、論理0の動作点
の精密な位置設定が重大であり、また低価格のアプリケ
ーションでは、レーザの冷却が行われないので、装置の
特性、温度、時間の各範囲にわたってレーザバイアスと
変調電流の両パラメータの正確な制御を可能にする何等
かの形式のレーザ安定化対策が極めて重要である。
従来技術による制御回路では1987年 7月14日、R.G.Swar
tzi付与された米国特許第4,680,810号に述べるように、
レーザバイアス電流をIthに近く設定するか、あるいは1
977年 2月22日、D.D.Se11に付与された米国特許第4,00
9,385号に述べるようにレーザの平均出力レベルを予め
設定されたレベルに保持するなどの手段が講じられてい
る。
特に、Sellの特許では単一ループのフィードバック制御
で平均光出力レベルを保持することになっている。レー
ザのバイアスは、基準レベルから生ずる信号とレーザ光
出力から生ずる信号との差に反応して発生する。
別の周知のバイアス方式では、しきい値トラッキングを
使用し、モニタ回路を使って直流バイアス電流をIthに
固定する。例えば、前述のSwartz特許は、レーザを通る
電流に対するレーザ両端の電圧の2階または3階の導関
数、すなわちd2V/dI2またはd3V/dI3、を使って間接にL0
を制御する安定化技術を開示している。d2V/dI2曲線は
2つの最小値を示す。しきい値電流Ithのときと、低バ
イアス電流のときである。d2V/dI2を使用することによ
ってしきい値電流(Ith)トラッキングが改善される
が、一方、2つの最小値が存在することによってバイア
ス電流I0をしきい値電流Ith以下に設定することが困難
になる。
信頼性のあるレーザのバイアスが常に問題になってい
る。特に、高性能を要するアプリケーションとレーザ温
度に対して制御手段がないためレーザパラメータのばら
つきの範囲が広い低価格のアプリケーションではそうで
ある。そのうえ、アプリケーションによっては、温度や
時間によるIthだけでなく傾斜ηの変化を制御する必
要が生じる。従来技術手法ではこの両パラメータの変化
に対処できていない。
[発明の概要] レーザを通る入力電流(I)に対するレーザの光出力
(L)の2階導関数d2L/dI2を利用して、レーザの光出
力パラメータ(L0、L1)を制御するレーザのバイアスの
安定化を図る回路と方法を発見した。d2L/dI2には最小
点が1点あるだけなので、制御フィードバックループで
容易に検出して予め定められた値に設定することができ
る。
本発明によれば、d2L/dI2フィードバックループを使用
してバイアス電流I0をしきい値電流Ithに近接するレベ
ルに安定化させ、さらに第2の平均出力フィードバック
ループが変調電流IMを制御する。このような2重ループ
構成では、論理0の光レベルがしきい値電流Ithに対応
する値に安定化され、また論理1の光レベルは、温度、
劣化などの原因によるレーザ装置パラメータのばらつき
をできるだけ少なくするようにプリセットされた平均出
力レベルによって制御される。
[実施例] 第1図はレーザ光度(luminosity)Lをレーザ電流の関
数として示したL−I曲線、L−I曲線の1階導関数
(dL/dI)及びL−I曲線の2階導関数(d2L/dI2)を各
々示すグラフである。レーザの基本パラメータはL−I
曲線に示されており、Ith、Ith以下のL−I曲線の傾斜
η及びIthを超えるL−I曲線のηを含んでいる。
L−I曲線の上には代表的な動作点I0、L0及びI1、L1
示されるが、ここでI1はI0+IMで、ディジタル変調電流
信号の振幅となる。
前述したように、ある変調電流(IM)について消光比、
ε=L1/L0が大きくなると、光信号の検出が増大する。
従って、最高の消光比を要するアプリケーションでは下
位しきい値バイアスI01<Ith(第1図のI01参照)を必
要とする。しかし、最高の動作速度を要するアプリケー
ションではレーザ電流I02はしきい値Ithの上になければ
ならない。(第1図のI02参照) レーザの動作温度の上昇に伴って、レーザの発光しきい
値が増大し、傾斜ηは減少することは周知である。そ
の結果、L−I曲線は屈曲が温度上昇に伴って緩やかに
なる。良好なレーザ動作を保証するためには、動作条件
(レーザの劣化、温度、データのデューティサイクル及
びデータ速度の変化)に関わりなく、バイアス電流をし
きい値周辺に保持することが必要である。従って、レー
ザのバイアスポイントはI0これらのパラメータの変化に
伴って自動的に再調整されねばならない。I0の再調整に
はレーザの動作パラメータの変化量に伴って、しきい値
Ithが容易に検出可能であることが必要である。しか
し、L−I曲線の屈曲の鋭さが動作パラメータによって
大幅に変化するので、(dL/dI)はしきい値Ithの変化を
検出するのに適した特性を有していない。
前述したように、ビットレート、データのデューティサ
イクル及びレーザの動作温度のばらつきの全てがしきい
値Ithの上と下のdL/dIの値の変化に反映し、安定(I0
バイアス動作点の位置設定を不可能でないまでも困難に
する。
しかし、dL/dI曲線の傾斜(第1図のS1及びS2参照)が
しきい値の上下で0に近接した位置にとどまるので、こ
れらのパラメータのばらつきd2L/dI2にはほとんど影響
しないことを発見した。d2L/dI2曲線は、明瞭なピーク
(第1図のP)をその特徴としていることも発見した。
このピークは、しきい値電流(Ith)の位置と、(レー
ザによっては)ピークの両側での鋭い遷移、即ち曲線が
しきい値の上下でゼロレベル近くまで急降下するような
遷移を示す。従って、d2L/dI2のピークPは容易に検出
でき、しきい値Ithの位置を識別できると共に、レーザ
バイアスの制御に使用可能である。
さらに、パラメータのばらつきに伴って大幅に変化する
d2L/dI2の唯一の特性はしきい値(Ith)でのピークPの
大きさである。特に、Pは温度上昇に伴って下降する。
しかし、d2L/dI2が閉ループフィードバック回路の一部
として検出されると、検出されたd2L/dI2ピークの大き
さはフィードバック回路のゲインによって増大される。
従って、フィードバックループのゲインを増大すること
によって、測定ピーク値を検出容易な値に調整すること
ができる。さらに、制御理論で周知のように、総合オー
プンループゲインが十分大きければ、その精密値は重要
ではない。従って、ループのフィードバック安定化動作
点(I0)に目立つ変化がなく、ピークにおいて幅の広い
ばらつきがあっても許容される。それゆえ、d2L/dI2
ークPは検出容易で安定した性質を有し、レーザのI0
イアスポイントを設定するための基準として利用可能で
ある。
本発明によれば、電子的なアルゴリスムを利用して、フ
ィードバックループの必要応答時間に比べて短い時間で
d2L/dI2特性を正確に測定する。本発明の観点から、そ
のアルゴリズムは集積回路の形式で安価に実現すること
ができる。
これらの条件に適合するアルゴリズムは前述のSwartz特
許で開示されている。しかし、Swartz特許の場合には、
このアルゴリズムはレーザバイアス電流に関するレーザ
の電圧の導関数(例えばd2L/dI2)を発生するのに使用
されている。Swartz特許の第2図に示すように、d2L/dI
2曲線にはしきい値電流(Ith)には空白(ヌル)または
ノッチ(A、B)があり、下位バイアス電流には曲線
(D)に空白またはディップがある。空白が2つあるた
めに、しきい値電流Ithを検知することがより困難にな
る。従って、Swartz特許で述べているように(第8欄、
第53−57行に)、一般的に単純なフィードバック方式で
はd2L/dI2だけでレーザのバイアスポイントを最適設定
することはできない。本発明では、レーザのバイアス電
流に関するレーザの光出力の2階導関数(即ちd2L/d
I2)がしきい値(Ith)で唯一の明瞭なピーク点を有
し、レーザの動作特性(即ち、バイアスしきい値I0)ピ
ーク光出力L、または変調レベル)を制御するのに使用
可能である、ことを認めている。
第2図の2重ループレーザ安定化回路について説明す
る。第1のループは、本発明によってバイアス電流I0
制御するのに使用されるd2L/dI2を決定する手段を有す
る。決定手段は、クロック200、分周器201、加算器20
2、トランスコンダクタンス回路203、インダクタンス20
4、レーザ205、光検出器206、ローパスフィルタ220、ト
ランスインピーダンス増幅器207、排他的論理和回路20
8、乗算回路209及びローパスフィルタ215で構成されて
いる。d2L/dI2信号は、レーザのバイアス電流I0を制御
するフィードバックループの一部としての制御回路(21
5、216、217、218、219)によって発生され使用され
る。d2L/dI2バイアス電流ループは、試験電流It、ゼネ
レータ構成部分200−203、インダクタ204、レーザ205、
光検出器206、ローパスフィルタ220、増幅器207及びバ
イアス電流制御回路208、209、215−219で構成される。
第2のフィードバックループはレーザ205の平均出力を
使用してレーザ変調電流IM設定し制御する。第2のフィ
ードバックループは図に示すように、レーザ205、光検
出器206、ローパスフィルタ220、増幅器207、変調電流
制御回路210−214で構成される。
本実施例の動作の詳細を述べる前に、第1図と第2図を
参照して回路の一般動作を説明する。第2図に示す本実
施例では、前述したように、d2L/dI2特性を使用してバ
イアス電流I0(第1図参照)を制御し、平均出力ループ
を使用して変調電流IMを制御する。(第2図の)基準電
圧V1とV3がバイアス電流I0を設定する。I0定常電流は基
準電圧V1とV3の差(即ち、V3−V1)に比例する。t=0
(即ち、電源投入時)の初期バイアス電流I0は基準電圧
V3に比例する。基準電圧V1とV3は独立なので、初期電流
と定常電流はそれぞれ別個に設定される。
第2図の本実施例では、増幅器218のゲインと基準電圧V
3を設定することによって、レーザ205はしきい値Ith
上か下のどちらかにバイアスされうる。電源が回路に最
初に投入される時の下位しきい値バイアスモードでは、
バイアス電流I0はゼロから開始し、第1図に示すように
d2L/dI2のピーク値の直下のI0まで増加する。この下位
しきい値バイアスモードでは、増幅器218のゲインは+
1に、基準電圧V3は0に、基準電圧V1は0未満にそれぞ
れ設定される。
上位しきい値バイアスモードは、増幅器218のゲインを
反転すると共に、V3をゼロを超える値にすることによっ
て設定される。この上位しきい値モードでは、電源投入
時バイアス電流はIthを超える電流から開始し、d2L/dI2
のピーク値がI02に近くなるまで下降する。バイアス電
流I0をI01からI02のどちらかで安定するように設定でき
るので、第2図に示すレーザバイアス安定化回路を帯域
幅(I02)または消光比(I01)のそれぞれに対して最適
化することができる。
別の実施例(図示せず)では、基準電圧V1を別のローパ
スフィルタ215の次に置き、比較器216の正の入力として
の基準電圧V3と結合することもできる。
バイアス電流I0の設定後は、変調電流ループがt3のとき
(第2図の213参照)イネーブルされる。変調電流IM
レーザ205の所望の平均動作出力に到達するまで上昇す
る。平均レーザ動作出力は変調電流IMを制御する比較器
211の電圧V2を使用して設定される。
第2図の本実施例では、d2L/dI2ループの時定数(T1=R
1xC1)は平均出力ループの時定数(T2=R2xC2)よりも
短い。従って、動作条件に変化が生じると、回路は先ず
バイアス電流I0を安定化し、次に変調電流IMを調整す
る。
第2図において、バイアス電流I0を制御するd2L/dI2
ープと変調電流IMを制御する平均出力ループとを使用す
る2重ループレーザ安定化回路の詳細を本発明に従って
説明する。Swartz特許の第5図に類似する回路を用い
て、回路200−203で試験電流(It)を発生させる。発振
器またはクロック200を用いて、50%デューティサイク
ルの周波数f1でクロック信号を発生する。ディジタル分
周回路201はクロック信号f1を分周して信号f2を発生す
る。別の発振回路を使ってf2を発生することもできる。
ディジタル信号f1とf2は加算器202でアナログ合計さ
れ、出力電圧はトランスコンダクタンス回路203によっ
て試験電流(It)に変換される。試験電流Itはインダク
タ204を経由してレーザ205に投入される。インダクタは
通常、低周波のトランスコンダクタンス増幅器203、217
を高周波変調器214から分離するのに使用される。最適
設計では省略可能である。
レーザ205からの光出力はモニタ用光検出器206に結合さ
れる(coupled)。光検出器206はレーザ205からの光を
モニタし、レーザ205からの瞬時光出力に比例する電流I
pを出力する。ローパスフィルタ220は増幅器207の飽和
を避けるために、高周波データ変調信号を除去する。本
発明では、光検出器206のフィルタされた出力電流Ip
第1(平均出力)及び第2(d2L/dI2)の2重フィード
バックループの両方で使用される。トランスインピーダ
ンス増幅器207は光検出器206からのフィルタされた光電
流Ipを電圧Vpに変換する。
排他的論理回路208を使って、ディジタル信号f1とf2
ら部分積φNを生成する。2重平衡混合器または乗算器
209を使用して、検出された光電流Ipに比例する電圧Vp
をφNとアナログ乗算する。混合器209の出力は加算回
路219によって基準電圧V1に加算される。合計出力は増
幅器218によってバッファされてから、時定数T1=R1xC1
のローパスフィルタ215を通される。回路200−209、21
5、218−220に関連するこれらの手順によって、ローパ
スフィルタ215の出力として2階導関数d2L/dI2信号が発
生する。フィルタ215はフィールドバック制御ループを
安定化する信号路に基本ポールも設定する。
2階導関数d2L/dI2信号は比較器216によって基準信号V3
と比較される。フィードバックループはレーザのバイア
ス電流I0を調整し、検出されたd2L/dI2の値がしきい値
直下のバイアス(I01)または直上のバイアス(I02)の
どちらかに一致するようにする。I01またはI02の選択
は、バッファ増幅器218のゲインの極性によって、及び
基準電圧V3によって制御され、その結果回路への電源投
入時のバイアス電流の値が決定される。
本発明の別の態様によれば、2重フィールドバックルー
プ間の干渉を防止する回路が設けられている。この回路
に最初に電源が投入されると、バイアス電流を設定する
d2L/dI2ループは、データ変調電流がIM入力される前
に、I01またはI02のしきい値近くで先ず安定化されう
る。これが必要なのはデータ変調電流IMがI001−IM
バイアス電流で下位しきい値ピークの誤りを発生させる
ことがあり、これが初期しきい値ロッキングを不能にす
るからである。t=0で電源がd2L/dI2ループに投入さ
れる一方で、回路213は(平均出力)変調電流IMループ
を無効にしておく。d2L/dI2ループが直流バイアス電流I
0を設定するのに十分な時間(t=T3)が経過すると、
回路213は平均出力フィードバックループを動作可能に
する。平均出力フィードバックループは適切な平均出力
が得られるまでIMを調整する(第1図)。その間、d2L/
dI2ループは直流バイアスI0をしきい値に保持する。
上記の平均出力フィードバックループの動作によってレ
ーザ205の変調電流IMを調整し、その結果、レーザの温
度、データ信号などの変動に対して最適の変調電流IM
設定する。
第2フィードバックループは光電流Ipの平均値を測定す
る。電圧Vpは検出された光電流Ipに比例し、時定数T=
R2xC2のフィルタ210でフィルタされる。フィルタ210はI
tに比例する低周波試験信号を排除し、また平均出力フ
ィードバックループの安定性を保証する。フィルタ210
の出力はレーザ205の平均出力に比例する。比較器211は
フィルタされた電圧Vpを基準電圧V2と比較する。比較器
211の出力はトランスコンダクタンス回路212によって電
流IMに変換される。基準電圧V2はその直流レベルがデー
タ信号230のデューティサイクルに比例して変化するよ
うにデューティサイクル補償がなされる。第1図に示す
ように、基準電圧V2を使用して変調電流IMをL1の光出力
のピーク値に一致する値に設定する。従って、レーザ電
流は論理ゼロのデータ信号に対してはI0であり、論理1
のデータ信号に対してはI0+IMとなる。
d2L/dI2と平均出力ループとの干渉を防止するために、I
0ループ(d2L/dI2ループ)の時定数T1がIMループ(平均
出力ループ)の時定数T2よりもはるかに小さくする必要
がある。
本発明のアナログ回路及びディジタル回路はシリコンバ
イポーラ技術またはFET技術と非シリコン技術(例えば
ガリュウムひ素FETまたはバイポーラ)による周知の離
散回路または集積回路を使用して実現することができ
る。
上記の記述は本発明の原理の実施例を具体的に説明した
ものであって、他にも各種の機器や回路を本発明の精神
及び範囲を逸脱することなく、この技術に精神する当業
者によって実現可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図は、レーザ電流(I)の関数としてのレーザ光
度、L−I曲線の1階導関数(dL/dI)、及びL−I曲
線の2階導関数(d2L/dI2)の各々を示すグラフ; 第2図は、バイアス電流及び変調電流を制御するために
本発明を組込んだ2重ループレーザ安定回路の一例を示
すブロック図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−233938(JP,A) 特開 昭57−97691(JP,A)

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】レーザを通る電流(I)に関する前記レー
    ザからの光出力(L)の2階導関数(d2L/dI2)の関数
    である2階導関数信号を決定する決定手段と、 前記2階導関数信号に応答して、前記2階導関数信号が
    所定のレベルに等しくなるようにするバイアス電流を設
    定する制御手段とからなるレーザ回路であって、前記決
    定手段が、 試験電流を前記バイアス電流と合体させる手段と、 前記レーザからの光出力に比例する光信号を発生する検
    出手段と、 第1および第2の周波数の信号の和に比例する前記試験
    電流を発生する試験電流発生手段と、 前記第1および第2の周波数の信号の積に比例する積信
    号を発生する積信号発生手段と、 前記光信号と前記積信号を混合する信号混合手段と、 前記信号混合手段の出力をフィルタリングして前記2階
    導関数信号を生成するローパスフィルタ手段とからなる
    ことを特徴とするレーザ回路。
  2. 【請求項2】前記制御手段が、 前記2階導関数信号と基準信号とを比較して前記バイア
    ス電流を設定する比較手段を有し、 前記基準信号の初期レベルおよび最終レベルが別個に設
    定されるように前記基準信号が経時変化することを特徴
    とする請求項1レーザ回路。
  3. 【請求項3】前記初期基準信号は、起動時の初期レーザ
    バイアス電流が前記レーザのしきい値電流を超えるよう
    なレベルに設定されることを特徴とする請求項2のレー
    ザ回路。
  4. 【請求項4】前記初期基準信号は、起動時の初期レーザ
    バイアス電流が前記レーザのしきい値電流以下であるよ
    うなレベルに設定されることを特徴とする請求項2のレ
    ーザ回路。
  5. 【請求項5】前記光出力に応答して、レーザを通る変調
    電流を制御して前記レーザの平均出力を所定のレベルに
    設定するフィードバック手段をさらに有することを特徴
    とする請求項1のレーザ回路。
  6. 【請求項6】前記フィードバック手段は、前記光出力を
    基準信号と比較し、かつ前記比較結果に従って前記変調
    電流を調整する第2の手段を含むことを特徴とする請求
    項5のレーザ回路。
  7. 【請求項7】前記基準信号が前記レーザへの入力データ
    信号のデューティサイクルに比例することを特徴とする
    請求項6のレーザ回路。
  8. 【請求項8】バイアス電流を前記レーザに印加した後、
    所定の時間、変調電流と前記バイアス電流との合体を不
    能にする手段をさらに有することを特徴とする請求項1
    のレーザ回路。
  9. 【請求項9】前記決定手段および前記制御手段は、前記
    レーザの動作特性のいかなる変化に対してもバイアス電
    流を安定化するバイアス電流フィールドバックループ手
    段を形成することを特徴とする請求項1のレーザ回路。
  10. 【請求項10】レーザを通る電流(I)に関する前記レ
    ーザからの光出力(L)の2階導関数(d2L/dI2)の関
    数である2階導関数信号を決定する決定ステップと、 前記2階導関数信号に応答して、前記2階導関数信号が
    所定のレベルに等しくなるようにバイアス電流を設定す
    るステップとからなることを特徴とするレーザ回路の制
    御方法において、前記決定ステップが、 試験電流を前記バイアス電流と合体させるステップと、 前記レーザからの光出力に比例する光信号を発生するス
    テップと、 第1および第2の周波数の信号の和に比例する前記試験
    電流を発生するステップと、 前記第1および第2の周波数の信号の積に比例する積信
    号を発生するステップと、 前記光信号と前記積信号を混合する混合ステップと、 前記混合ステップの出力をフィルタリングして前記2階
    導関数信号を生成するステップとからなることを特徴と
    するレーザ回路制御方法。
  11. 【請求項11】フィードバック手段によって前記レーザ
    を通る変調電流を制御し、前記レーザの平均出力を所定
    のレベルに保持するステップをさらに有することを特徴
    とする請求項10の方法。
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