JPS6074687A - 半導体レ−ザ−の波長安定化方式及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は半導体レーザーの波長安定化方式とその装置
に関する。

半導体レーザーの波長安定化装置あるいは波長制御装置
についてはすでに各種方式のものが提案され研究されて
いる。これらの研究は周波数基準源あるいは干渉光源の
開発を目標としており、波長安定度が最も重要な要因で
あシ、その形状ならびに価格については、二義的要因と
なっている。

すなわち、従来の半導体レーザーの波長安定化装置は、
例えば第１図に示すよう々構成で成っている。

第１図において、ＰＳは定電流源、ＬＤは半導体レーザ
ー、ＦＰはＦ−Ｐ（ファブリ子（ロー）干渉計、Ｌｌは
半導体レーデ−ＬＤよシ出射されたレーザー光、Ｌ２は
Ｆ−Ｐ干渉計を通過した後のレーザー光、ＰＤは光検出
器、ＬＡはロックインアンプ、Ｏ８は発振器、ＥＤはＦ
−Ｐ干渉計に取付けられた電歪素子を駆動するための電
歪素子駆動装置、ＴＣは半導体レーザーと熱的に結合さ
れたペルチェ素子、ＣＵはペルチェ素子に流す電流を制
御する制御ユニッ）、ＰＡは電力増幅器である。

第１図に示す従来例はレーザー素子の温度によシ、発振
波長を制御する方式であｐ、Ｆ−Ｐ干渉計ＦＰの一方の
鏡を電歪素子に取シ付け、電歪素子駆動装置ＥＤを用い
てＦ−Ｐ干渉計ＦＰの一対の銹の間隔を振動させて入射
レーザー光Ｌ１を振動させることによｐ、Ｆ−Ｐ干渉計
ＦＰから出射されるレーザー光Ｌ２の波長をＦＭ変調さ
ｎた状態としてからロックインアンプＬＡで同期検波し
、それによシ得られるＦ−Ｐ干渉計の一次微分信号を用
いて制御ユニッ）ＣＵでペルチェ素子ＴＣに流す電流方
向を決定してペルチェ素子を加熱モーＰあるいは冷却モ
ード圧制御し、半導体レーザーＬＤの発振波長をＦ−Ｐ
干渉計ＦＰの透過波長に固定するものである０ 上記従来例は周波数基準源あるいは干渉光源の開発を目
標としたものであり、半導体レーザーの発振波長の安定
度は良好であるが、複雑かつ脆弱な機構のＦ−Ｐ干渉計
の使用によシ装置が膨大であり高価なものであって、例
えば測距装置のレーザー光源用の波長安定化装置として
は不適である。

この発明の目的とするところは、例えば測距装置用のレ
ーザー光源として要求される波長安定度を充足しながら
、当該測距装置に組込み可能な程に小型で且つ安価に構
成できる半導体レーザーの波長安定化装置を提供すると
ころにある。

上記目的のため、この発明では、半導体レーザーの発振
波長を固定する基準要素として、前記従来例のＦ−Ｐ干
渉計の代わ夛に光学フィルターを使用し、半導体レーザ
ー素子が出射するレーザー光の周辺部の一部のレーデ−
光を上記基準要素（光学フィルター）に導くように構成
されている。

第２図はこの発明の実施例を示す構成図である。

この図において、Ｏ８は発振器、ＰＳは外部（発振器Ｏ
Ｓ）よシ変調信号を受けて、被変調電流を発生する他に
、この被変調電流の電流量を外部（出力制御ユニッ）Ｐ
Ｃ）より制御可能な電流源、ＬＤは半導体レーザー素子
、ＭＲは半導体レーザー素子ＬＤから出射されたレーザ
ー光の周辺部の一部（出射光軸Ａから外れた成分を反射
するよう（５） に配置した反射鏡、ＬＮは半導体レーザー素子ＬＤから
のレーザー光を平行光線に変換して空間に投射するコリ
メートレンズ、ＩＦＩ、ＦＰ２は反射鏡ＭＲからの反射
レーザー光を受けるように位置した光学フィルター、Ｐ
ＤＩ、ＥＤ２は光検出器、ＴＣは半導体レーデ−素子Ｌ
Ｄと熱的に結合されたベルチェ素−ＦＸＳＤ１−８Ｄ２
は同期検波器、ＤＦは引算器、ＷＣはペルチェ素子ＴＣ
に流す電流を制御する波長制御ユニッ）、ＰＡは電力増
幅器、ＡＤは加算器、ＰＣは半導体レーザー素子ＬＤか
らの出射レーザー光の光強度が一定となるように電流源
ｐｓの電流を制御する出力制御ユ゛ニットである。

尚、上記発振器Ｏ８は出射レーザー光に輝度変調をかけ
るためのもので、前記従来例の電歪素子を振動させるた
めの発振器Ｏ８とは機能が異なるものである。

次に動作について説明する。発振器Ｏ８の変調信号で変
調された電流源ｐｓの被変調電流を半導体レーザー素子
ＬＤに注入すると半導体レーザー素子ＬＤは上記被変調
電流で輝度変調されたレーザー光をコリメートレンズＬ
Ｎの方向に出射する。

（６） このレーザー光の中、周辺部の一部すなわち、光軸Ａか
ら外ｎたレーザー光の一部を反射鏡ＭＲによシ光学フィ
ルターＩＦＩ　、ＩＦ２に導く。

半導体レーザー素子ＬＤは謂わば点光源であり、そこか
らの出射レーザー光は円錐状に放射されるので、上記の
ようにその出射レーザー光の周辺部を反射鏡ＭＲによっ
て捉えることができる。尚、本来の目的のレーザー光は
コリメートレンズＬＮで平行光線に変換されて放射さｎ
るＯ 光学フィルターＩＦＩ　、ＩＦ２は透過スペクトル特性
が狭帯域であることが望ましく、このような光学フィル
ターとしては干渉フィルターがある（以下の説明では干
渉フィルターを例とする。）。

第３図（ａ）は干渉フィルターＩＦＩ　、ＩＦ２の透過
スペクトル曲線であシ、横軸は波長λ、縦軸は透過率Ｔ
を表わしている。干渉フィルターＩＦＩ　。

ＩＦ２はそれぞれの透過スペクトル曲線が、相似してお
り、互いの透過スペクトル曲線がいずれかで交差するよ
うに設定されている。また、互いの透過中心波長λ４．
λ２が半値幅Ｘと同程度に隔つているように設定すれば
（ｘ＝ｙとする。）、はぼ最大透過率Ｔｒ１１ａｘ　の
半値１／２Ｔｒｒｌａｘにて互いの透過スペクトル曲線
が交差し、その交差点に於いて透過スペクトル曲線の勾
配が最も急になるので、後述の固定すべき発振波長λ。

の検知に好都合であるＯ 干渉フィルターＩＦＩ　、ＩＦ２の透過レーザー光は、
それぞｎ光検出器ＰＤＩ　、ＰＤ２により検出さｎ１電
気信号に変換されて出力さｎ１同期検波器ＳＤＩ　、Ｓ
Ｏ２によシ変調信号に同期して検波される。同期検波器
ＳＤＩ　、８Ｄ２の同期検波信号は引算器ＤＦに入力さ
れる。

第３図６）は引算器ＤＦの出力レベルＴＤを縦軸に半導
体レーザー素子ＬＤの発振波長λを横軸として表わした
ものである。このスペクトル曲線は干渉フィルターＩＦ
Ｉの透過率から干渉フィルターＩＦ２の透過率を差し引
いた値を波長について表わした曲線に比例している。

すなわち、半導体レーザー素子ＬＤの発振波長が固定す
べき波長λ。から偏移すれば、引算器ＤＦはその偏移量
に対応した正又は負の出力レベルの信号を出力する。

前述のように半導体レーザー素子ＬＤの発振波長には温
度依存性があり、例えばＧａＡｔＡｓ半導体レーザー累
しでは正の温度係数をもっているので、当該レーザー素
子ＬＤを加熱すれば発振波長は長波長側に、冷却すれば
短波長側にそれぞれ移動する。波長制御ユニツ）ＷＣは
、前記減算器ＤＦの出力信号を受けこの出力レベルがゼ
ロになるように、すなわち、半導体レーザー素子ＬＤの
発振波長が第３図（ｂ）に示した波長λＯに固定される
ように、当該半導体レーザー素子ＬＤと熱的に結合され
たペルチェ素子ＴＣに流す電流を制御する。

ペルチェ素子Ｔ′ｃは周知のように流れる電流の方向に
よって温度が上昇したり（加熱モード）、下降したり（
冷却モード）する素子であシ、温度の上昇又は下降速度
は流れる電流の大きさに、上昇又は下降によって達する
温度は流れる電流量（電流の大きさと流れる時間の積）
にそれぞれ依存している。そこで、上記ペルチェ素子Ｔ
Ｃに流（９） す電流の制御方法は電流の大きさを一定としてその流れ
る方向を切換（逆転）制御するとともに流れる時間を制
御する方法（加熱モードと冷却モードの切換制御）と、
この方法に加えて流れる電流の大きさも制御する方法等
が採用できる。

同期検波ＳＤＩ　、ＳＯ２の同期検波信号は、また加算
器ＡＤにも入力される。

第３図（１）は加算器ＡＤの出力レベルＴＡを縦軸に、
半導体レーザー素子ＬＤの発振波長λを横軸にとって表
わしたものである。このスペクトル曲線は干渉フィルタ
ーＩＦＩの透過率と干渉フィルターＩＦ２の透過率を加
えた値を波長について表わした曲線と比例している・半
導体レーザー素子ＬＤの発振波長が波長λＯに固定され
れば、加算器ＡＤの出力レベルは第３図（Ｃ）のＡ点の
値となシ、このＡ点の値をもつ出力レベルは半導体レー
ザー素子ＬＤの規定発振波長での発光出力に比例してい
る。出力制御ユニッ）ＰＣは、予め設定された基準レベ
ルと上記加算器ＡＤの出力レベルとの比較の結果により
、電流源ＰＳの半導体レーザー素（１０） 子ＬＤへの注入電流の大きさを制御することにょシ、半
導体レーザー素子ＬＤの発光出力を一定に制御している
。この半導体レーザー素子ＬＤの発光出力安定化の機能
は、半導体レーザーの発光出力が温度の影響を強く受け
ることから、波長安定化装置の応用面において必要とさ
れる。

すなわち、ペルチェ素子ＴＣによる熱的制御で半導体レ
ーザー素子ＬＤの発振波長を固定波長λ０に制御した場
合、上記ペルチェ素子ＴＣの温度変化によって半導体レ
ーザー素子ＬＤからの発光出力が変化するので、上記の
ようにして半導体レーザー素子ＬＤへの注入電流の大き
さを変化させて上記発光出力の変化が零となるように制
御する必要が生ずる。このように半導体レーザーの発振
波長の変動は半導体レーザー素子ＬＤに熱的結合された
ペルチェ素子ＴＣの温度制御によシ、又、発振波長の制
御に伴う半導体レーザーの発光出力の変動は半導体レー
ザー素子ＬＤへの注入電流の制御によシ、それぞれ排除
される。

また、上記実施例は当該波長安定化装置が例えば測距装
置に応用した場合の特性（例えばＳＮ比）改善の目的の
ために同期検波方式を採用しているが、検波方式はこれ
に限定されるものではなく、例えばＳＮ比がある程度低
くてもよいような場合には、同期検波器ＳＤＩ、ＳＤ２
を整流器に置き換えて実施してもよい。

また、上記実施例に於いて、半導体レーザー菓子ＬＤか
ら出射されるレーザー光に変調をかける構成は、この発
明の波長安定化装置を測距装置に応用した場合に、当該
測距装置の機能（レーザー光の反射光と背景光とを区別
し、反射光のみを検出する機能）のために必要なことで
あり、この発明の波長安定化装置のみを考える場合にお
いては無変調であっても何ら差し支え無い。この場合に
は、第２図における発振器Ｏ８と同期検波器ＳＤＩ。

Ｓｎ２　（同期検波を必要としない場合の整流器）は不
要である。

第４図は、この発明の光学系の機構の一実施例である。

この図において、ＳＩ、１は干渉フィルターＩＦ１の前
方に位置する元通路、同様にＳｂ２は干渉フィルターＩ
Ｆ２の前方に位置する元通路であ夛、その他の符号は第
２図と同一符号相当部分を表わす・ この発明の光学系の機構は半導体レーザー素子ＬＤと、
これと熱伝導体を介して熱的に結合されたペルチェ素子
ＴＣと、前記半導体レーザー素子ＬＤの出射するレーザ
ー光の中、周辺部の一部を反射させる反射鏡ＭＲと、こ
の反射鏡による反射光を検出する一対の光検出器ＰＤＩ
　、ＰＤ２と、これらの光検出器ＰＤＩ、ＰＤ２の前方
に位置し、光検出器ＰＤ１．ＰＤ２に対する上記反射光
の視野絞シの役割をする一対の光通路８Ｌ１　、Ｓｂ２
と、これらの光通路ＳＬＩ　、Ｓｂ２と光検出器ＰＤ１
．ＰＤ２の間に位置する一対の干渉フィルターＩＦＩ　
、ＩＦ２とで構成されている。

反射鏡ＭＲは発振波長の制御のために使用される半導体
レーザーの進路を折曲させて装置の小形化を図るもので
ある。

また、反射鏡ＭＲによる反射レーザー光は中空円筒状態
となるので、この反射レーザー光を常時（１３） 一定の範囲に絞って光検光器ＰＤＩ、ＰＤ２に入射され
るようにするために光通路ＳＬＩ　、Ｓｂ２が使用され
る。この光通路ＳＬ１．ＳＬ２は例えば通過させるべき
反射レーザー光の進路に円形のスリットを設けた部材で
構成される。

尚、この実施例では、反射鏡ＭＲは光軸Ａを中心とする
同心円の帯状で、大部分のレーザー光を通過させるよう
に中心部に開口部を有するものであるが、容易に分るよ
うに、反射鏡は第４図の点Ｐｉ　、Ｐ２の部分のみにあ
れば良く、この条件を満たすものであれば、反射鏡ＭＲ
の形状は、この実施例と同じでちる必要はない。

以上、説明したように、この発明は発振波長を固定する
ための基準要素として、光学フィルター（干渉フィルタ
ー）を使用することによシ、安価で且つ小型の波長安定
化装置を実現し、特に、例えばレーザーレーダー等の測
距装置のレーザー光源として組込みを可能にしたもので
ある。

また、上記測距装置ではＳＮ比改善のために目的物から
の反射レーザー光を検出する光検出器の（１４） 前にレーザー光の発振波長を透過域にもつ光学フィルタ
ーが使用されるが、この光学フィルター透過帯域が狭け
れば狭い程、背景光の入射量低減によるＳＮ比改善効果
が大きい０本発明に係る波長安定化装置を上記測距装置
に組込めばレーザー光の波長安定度が高いことによシ上
記光学フィルターを狭帯域の例えば干渉フィルターとす
ることができるので距離装置のＳＮ比改善効果を極めて
高いものとすることができる。

更には、この発明の機構を採ることによ＃）波長安定化
制御のために、本来の目的のだめのレーザー光（コリメ
ートレンズで平行光線となった成分）を使用することが
ないので、半導体レーザー素子からの出射レーザー光を
有効に空間に投射することが可能であるため、測距装置
のレーザー光源として実用上多大の効果が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体レーザーの波長安定化装置の略構
成図、第２図はこの発明の一実施例を示す略構成図、第
３図（、）は一対の干渉フィルターＩＦＩ　、ＩＦ２の
透過スペクトル特性を示す図、第３図（ｂ）は引算器Ｄ
Ｆの出力レベルと半導体レーザー素子ＬＤの発振波長の
関係を示す図、第３図（ｃ）は加算器ＡＤの出力レベル
と半導体レーザー素子ＬＤの発振波長の関係を示す図、
第４図はこの発明の光学系の機構の一実施例を示す図で
ある。 ＬＤ・・・半導体レーザー素子 ＴＣ・・・ペルチェ素子　ＭＲ・・・反射鏡ＩＦ１．Ｉ
Ｆ２・・・干渉フィルター ＰＤ１．ＰＤ２・・・光検出器ＤＦ・・・引算器ＡＤ・
・・加算器　ＷＣ・・・波長制御ユニットＰＣ・・・出
力部制御ユニット ｐｓ・・・電流源　ＳＬｌ、ＳＬ２・・・光通路。 第３図 第４図 １し

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　半導体レーザーを光学フィルターに導き、この光
   学フィルターを透過した半導体レーザーの強度を検出し
   、この検出強度によって半導体レーザー素子を熱的に制
   御してその発振波長を一定に固定するようにしたことを
   特徴とする半導体レーザーの波長安定化方式。 ２、半導体レーザー素子と、この半導体レーザー素子と
   熱的に結合したベルチェ素子と、上記半導体レーザー素
   子の出射光軸から外れたレーザー光の進路に設けた光学
   フィルターと、この光学フィルターからの透過レーザー
   光の強度を検出する光検出器と、この光検出器からの検
   出出力で上記ベルチェ素子に流れる電流を制御して上記
   ベルチェ素子の温度制御を行う制御回路でなることを特
   徴とする半導体レーザーの波長安定化装置。 ３、光学フィルターと光検出器の組合せを１対（２組）
   とし、２個の光学フィルターはそｎぞｎの透過中心波長
   が互に異なる単色フィルターであって、それぞれの透過
   スペクトル曲線が半導体レーザーの固定すべき波長で交
   差するように設定した特許請求の範囲第２項に記載の半
   導体レーザーの波長安定化装置。 ４、光学フィルターが干渉フィルターである特許請求の
   範囲第２項又は第３項に記載の半導体レーザーの波長安
   定化装置。 ５、半導体レーザー素子と光学フィルターの間に、レー
   ザー光の進路を折曲させる反射鏡を含む特許請求の範囲
   第２項又は第３項に記載の半導体レーザーの波長安定化
   装置。 ６、反射鏡と光学フィルターの間に、反射鏡による反射
   レーザー光の投射視野絞シ手段を含む特許請求の範囲第
   ４項に記載の半導体レーザーの波長安定化装置。