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JP5083306B2 - 波長変換レーザ装置 - Google Patents
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本発明は、波長変換レーザ装置に関し、さらに詳しくは、環境温度が変動しても半導体レーザ駆動電流を極小値にするか又は光出力強度を極大値にすることが出来る波長変換レーザ装置に関する。
従来、半導体レーザと、偏波保持型光ファイバと、波長変換素子と、偏波保持型光ファイバの温度を一定に制御する温度制御手段とを具備する波長変換レーザ装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2005−181509号公報
上記従来の波長変換レーザ装置では、偏波保持型光ファイバの温度を一定に制御することにより、環境温度の影響を抑制している。
しかし、偏波保持型光ファイバの温度を一定に制御しても、偏波保持型光ファイバ以外の部品に対する環境温度の影響があるため環境温度の影響を充分に抑制できず、光出力強度(P)を一定に制御している場合は環境温度の影響によって半導体レーザ駆動電流(I)が増加したり、半導体レーザ駆動電流(I)を一定に制御している場合は環境温度の影響によって光出力強度(P)が減少したりする問題点があった。
そこで、本発明の目的は、環境温度が変動しても半導体レーザ駆動電流(I)を極小値にするか又は光出力強度(P)を極大値にすることが出来る波長変換レーザ装置を提供することにある。
第1の観点では、本発明は、基本波光を発振する半導体レーザと、前記半導体レーザの出射側で光結合された偏波保持型光ファイバと、前記偏波保持型光ファイバの出射側に配置された波長選択素子と、前記波長選択素子を透過した光を波長変換する波長変換素子と、前記波長変換素子で波長変換された光を分岐する光分岐素子と、前記光分岐素子によって分岐された光の一つを強度信号Pに変換する光センサと、前記強度信号Pが一定になるように前記半導体レーザの駆動電流Iを制御する駆動電流制御手段とを具備し、前記半導体レーザと前記偏波保持型光ファイバの一部が同一筐体に納められ、前記筐体と前記偏波保持型光ファイバが一つの基板上に配置され、さらに定常運転時の前記駆動電流Iがあらかじめ定められた値以上に増加すると該駆動電流Iが極小値になるように前記基板の温度をチューニングする温度制御手段を具備することを特徴とする波長変換レーザ装置を提供する。
上記第1の観点による波長変換レーザ装置では、出力光強度Pが一定になるように半導体レーザの駆動電流Iを制御している状態において、温度制御手段は、半導体レーザの駆動電流Iを監視し、あらかじめ定められた値以上に増加すると、半導体レーザ駆動電流Iが極小値になるように、半導体レーザと偏波保持型光ファイバの一部が納められた筐体および偏波保持型光ファイバが配置された基板の温度チューニングを行う。これにより、環境温度が変動しても、半導体レーザ駆動電流Iを極小値にすることが出来る。
第2の観点では、本発明は、基本波光を発振する半導体レーザと、前記半導体レーザの出射側で光結合された偏波保持型光ファイバと、前記偏波保持型光ファイバの出射側に配置された波長選択素子と、前記波長選択素子を透過した光を波長変換する波長変換素子と、前記波長変換素子で波長変換された光を分岐する光分岐素子と、前記光分岐素子によって分岐された光の一つを強度信号Pに変換する光センサと、前記半導体レーザの駆動電流Iを一定に制御する駆動電流制御手段とを具備し、前記半導体レーザと前記偏波保持型光ファイバの一部が同一筐体に納められ、前記筐体と前記偏波保持型光ファイバが一つの基板上に配置され、さらに定常運転時の前記強度信号Pがあらかじめ定められた値以上に減少すると該強度信号Pが極大値になるように前記基板の温度をチューニングする温度制御手段を具備することを特徴とする波長変換レーザ装置を提供する。
上記第2の観点による波長変換レーザ装置では、半導体レーザ駆動電流Iが一定になるように制御している状態において、温度制御手段は、出力光強度Pを監視し、あらかじめ定められた値以上に減少すると、出力光強度Pが極大値になるように、半導体レーザと偏波保持型光ファイバの一部が納められた筐体および偏波保持型光ファイバが配置された基板の温度チューニングを行う。これにより、環境温度が変動しても、出力光の強度を極大値にすることが出来る。
第3の観点では、本発明は、前記第1または第2の観点による波長変換レーザ装置において、前記基板上に前記波長選択素子を配置したことを特徴とする波長変換レーザ装置を提供する。
上記第3の観点による波長変換レーザ装置では、波長選択素子を基板上に配置するため、波長選択素子の温度をも含めて、温度チューニングを行うことが出来る。
本発明の波長変換レーザ装置によれば、環境温度が変動しても、半導体レーザ駆動電流(I)を極小値にするか、又は、光出力強度(P)を極大値にすることが出来る。
実施例1に係る波長変換レーザ装置を示す構成説明図である。 異なる環境温度における基板温度の変化に対する駆動電流の変化を示すグラフである。 実施例1に係る基板温度制御処理を示すフロー図である。 実施例1に係る基板温度制御をした場合の動作を示す説明図である。 基板温度を一定に制御した場合の動作を示す説明図である。 実施例2に係る波長変換レーザ装置を示す構成説明図である。 異なる環境温度における基板温度の変化に対する出力光強度の変化を示すグラフである。 実施例2に係る基板温度制御処理を示すフロー図である。 実施例2に係る基板温度制御をした場合の動作を示す説明図である。 基板温度を一定に制御した場合の動作を示す説明図である。
以下、図に示す実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
−実施例1−
図1は、実施例1に係る波長変換レーザ装置100を示す説明図である。
この波長変換レーザ装置100において、基本波光を発振する半導体レーザ1の後端面は高反射率コートが施され、前端面は低反射率コートが施されている。
半導体レーザ1の前面を出射した光は、最適な状態で偏波保持型光ファイバ2に結合される。
半導体レーザ1と偏波保持型光ファイバ2の導光部は筐体17内に収められ、偏波保持型光ファイバ2は筐体17の内部で保持される。
偏波保持型光ファイバ2の終端部3を出射した光は、レンズ4aによって所望のビームに変換され、波長選択素子5に導かれる。
波長選択素子5は、第一選択波長の光の一部を選択的に反射し、これが再び偏波保持型光ファイバ2を通って半導体レーザ1に帰還される。
この帰還によって、半導体レーザ1は波長選択素子5の反射中心波長の近傍で発振を開始する。
波長選択素子5を透過した光は、レンズ4bで所望のビームに変換され、波長変換素子6によって波長が変換される。
波長変換された光は、波長分岐素子8によって、その一部が光センサ9に導光され、強度信号Pに変換される。
制御器11は、強度信号Pが一定値Poになるような制御を行うことで、出射される波長変換光の光出力を一定強度に保つ。
筐体17と偏波保持型光ファイバ2と波長選択素子5は、同一の基板10上に配置されている。
半導体レーザ1は、サーモモジュール7aによって温度制御される。
制御器11は、半導体レーザ1の温度Taを、波長選択素子5による波長の引き込みが安定に行われる温度範囲に設定する。
基板10は、サーモモジュール7bによって温度制御される。
制御器11は、基板10の温度Tbを、波長変換素子5に入射する偏波面の消光比が最大になる温度すなわち駆動電流Iが極小値になる温度に設定する。そして、定常運転時の駆動電流Iを監視し、あらかじめ定められた値ΔI以上に増加すると、駆動電流Iが極小値になる温度に再設定する。この基板温度制御処理については図3を参照して後述する。
波長変換素子6は、サーモモジュール7cによって温度制御される。
制御器11は、波長変換素子6の温度Tcを、波長選択素子5によって選択された波長の光を最も効率よく波長変換する温度に設定する。
制御器11以外の部品は、シャーシ18に収容される。
シャーシ18が置かれた環境温度をTsとする。
図2の(a)は、環境温度Ts=TA(例えば0℃)における基板温度Tbの変化に対する駆動電流Iの変化を示すグラフである。
環境温度Ts=TAでは、基板温度Tb=T3(例えば30℃)とすれば駆動電流Iを極小値I1にすることが出来る。
図2の(b)は、環境温度Ts=TB(例えば20℃)における基板温度Tbの変化に対する駆動電流Iの変化を示すグラフである。
環境温度Ts=TBでは、基板温度Tb=T2(例えば28℃)とすれば駆動電流Iを極小値I1にすることが出来る。
図2の(c)は、環境温度Ts=TC(例えば50℃)における基板温度Tbの変化に対する駆動電流Iの変化を示すグラフである。
環境温度Ts=TCでは、基板温度Tb=T1(例えば24℃)とすれば駆動電流Iを極小値I1にすることが出来る。
図3は、基板温度制御処理を示すフロー図である。
ステップR1では、制御器11は、所定温度範囲(例えば10℃〜40℃)内で基板温度Tbを変化させて駆動電流Iが極小値になる基板温度Tbに設定する。
ステップR2では、駆動電流Iを、定常運転時の駆動電流値として記憶する。
ステップR3では、記憶した駆動電流Iよりも現在の駆動電流IがΔI以上増加したならステップR1に戻る。
図4は、基板温度制御処理による効果を示す説明図である。
図4の(a)に示すように、制御器11は、強度信号Pが一定値Poになるように制御を行っている。
図4の(d)に示すように、環境温度Tsが変動したものとする。
図4の(c)に示すように、環境温度Ts=TAのとき、制御器11は基板温度Tb=T3とする。図4の(b)に示すように、駆動電流I=I1となる(図2のステップR1,R2)。
時刻t1から環境温度Tsが上昇し始めると、強度信号Pを一定値Poに保つために駆動電流Iが増加し始める。時刻t2で、駆動電流Iの増加がΔIになると、制御器11は駆動電流Iを極小値I1に戻すように基板温度Tbを再設定する(図2のステップR3,R1)。制御器11は、環境温度Tsが変化している間、基板温度Tbの再設定を頻繁に行う。
図4の(c)に示すように、時刻t3になって環境温度Ts=TBで安定すると、制御器11は基板温度Tb=T2とする。図4の(b)に示すように、駆動電流I=I1となる。
同様に、時刻t4からt6まで環境温度Tsが変化している間、制御器11は基板温度Tbの再設定を頻繁に行う。時刻t6になって環境温度Ts=TCで安定すると、制御器11は基板温度Tb=T1とし、駆動電流I=I1となる。
同様に、時刻t7からt9まで環境温度Tsが変化している間、制御器11は基板温度Tbの再設定を頻繁に行う。時刻t9になって環境温度Ts=TBで安定すると、制御器11は基板温度Tb=T2とし、駆動電流I=I1となる。
実施例1の波長変換レーザ装置100によれば次の効果が得られる。
(1)駆動電流Iが定常値からΔI以上増加する毎に温度チューニングが行われるため、駆動電流Iの定常値を極小にすることが出来る。換言すると、環境温度Tsの変化による基本波消光比の低下を温度チューニングにより吸収し、半導体レーザ1の駆動電流Iの増加を抑制することが出来る。
(2)半導体レーザ1の駆動電流Iが上限値Imaxに達することがないため、出力低下を生じない。
−比較例1−
図5は、(c)に示すように基板温度Tb=T3に保つ制御を行った場合を示す説明図である。
図5の(a)に示すように、制御器11は、強度信号Pが一定値Poになるように制御を行っている。
図5の(d)に示すように、環境温度Tsが変動したものとする。
図5の(b)に示すように、環境温度Ts=TAのとき、駆動電流I=I1となる。
時刻t1から環境温度Tsが上昇し始めると、強度信号Pを一定値Poに保つために駆動電流Iが増加し始める。
時刻t3になって環境温度Ts=TBで安定すると、駆動電流I=I2となる。
時刻t4から環境温度Tsが上昇し始めると、強度信号Pを一定値Poに保つために駆動電流Iが増加し始める。
時刻t5になると、駆動電流I=Imax(上限値)に達し、これ以上は駆動電流Iを増やすことが出来ない。このため、強度信号Pを一定値Poに保つことが出来ず、強度信号Pは低下してしまう。
時刻t7から環境温度Tsが下降し、時刻t8になると、駆動電流I=Imaxで強度信号Pを一定値Poに保つことが出来るようになる。
時刻t9になって環境温度Ts=TBで安定すると、駆動電流I=I2となる。
比較例1のような基板温度一定制御では、次のようになる。
(1)環境温度Tsの変化による基本波消光比の低下により、半導体レーザ1の駆動電流Iが増加する。
(2)半導体レーザ1の駆動電流Iが上限値Imaxに達することがあるため、出力低下を生じることがある。
−実施例2−
図6は、実施例2に係る波長変換レーザ装置200を示す説明図である。
この波長変換レーザ装置200において、基本波光を発振する半導体レーザ1の後端面は高反射率コートが施され、前端面は低反射率コートが施されている。
半導体レーザ1の前面を出射した光は、最適な状態で偏波保持型光ファイバ2に結合される。
半導体レーザ1と偏波保持型光ファイバ2の導光部は筐体17内に収められ、偏波保持型光ファイバ2は筐体17の内部で保持される。
偏波保持型光ファイバ2の終端部3を出射した光は、レンズ4aによって所望のビームに変換され、波長選択素子5に導かれる。
波長選択素子5は、第一選択波長の光の一部を選択的に反射し、これが再び偏波保持型光ファイバ2を通って半導体レーザ1に帰還される。
この帰還によって、半導体レーザ1は波長選択素子5の反射中心波長の近傍で発振を開始する。
波長選択素子5を透過した光は、レンズ4bで所望のビームに変換され、波長変換素子6によって波長が変換される。
波長変換された光は、波長分岐素子8によって、その一部が光センサ9に導光され、強度信号Pに変換される。
制御器11は、半導体レーザ1の駆動電流Iが一定値Ioになるように制御を行っている。
筐体17と偏波保持型光ファイバ2と波長選択素子5は、同一の基板10上に配置されている。
半導体レーザ1は、サーモモジュール7aによって温度制御される。
制御器11は、半導体レーザ1の温度Taを、波長選択素子5による波長の引き込みが安定に行われる温度範囲に設定する。
基板10は、サーモモジュール7bによって温度制御される。
制御器11は、基板10の温度Tbを、波長変換素子5に入射する偏波面の消光比が最大になる温度すなわち駆動電流Iが極小値になる温度に設定する。そして、定常運転時の強度信号Pを監視し、あらかじめ定められた値ΔP以上に減少すると、強度信号Pが極大値になる温度に再設定する。この基板温度制御処理については図8を参照して後述する。
波長変換素子6は、サーモモジュール7cによって温度制御される。
制御器11は、波長変換素子6の温度Tcを、波長選択素子5によって選択された波長の光を最も効率よく波長変換する温度に設定する。
制御器11以外の部品は、シャーシ18に収容される。
シャーシ18が置かれた環境温度をTsとする。
図7の(a)は、環境温度Ts=TA(例えば0℃)における基板温度Tbの変化に対する強度信号Pの変化を示すグラフである。
環境温度Ts=TAでは、基板温度Tb=T3(例えば30℃)とすれば強度信号Pを極大値P1にすることが出来る。
図7の(b)は、環境温度Ts=TB(例えば20℃)における基板温度Tbの変化に対する強度信号Pの変化を示すグラフである。
環境温度Ts=TBでは、基板温度Tb=T2(例えば28℃)とすれば強度信号Pを極大値P1にすることが出来る。
図7の(c)は、環境温度Ts=TC(例えば50℃)における基板温度Tbの変化に対する強度信号Pの変化を示すグラフである。
環境温度Ts=TCでは、基板温度Tb=T1(例えば24℃)とすれば強度信号Pを極大値P1にすることが出来る。
図8は、基板温度制御処理を示すフロー図である。
ステップS1では、制御器11は、所定温度範囲(例えば10℃〜40℃)内で基板温度Tbを変化させて強度信号Pが極大値になる基板温度Tbに設定する。
ステップS2では、強度信号Pを、定常運転時の強度信号値として記憶する。
ステップS3では、記憶した強度信号Pよりも現在の強度信号PがΔP以上減少したならステップS1に戻る。
図9は、基板温度制御処理による効果を示す説明図である。
図9の(a)に示すように、制御器11は、駆動電流Iが一定値Ioになるように制御を行っている。
図9の(d)に示すように、環境温度Tsが変動したものとする。
図9の(c)に示すように、環境温度Ts=TAのとき、制御器11は基板温度Tb=T3とする。図9の(b)に示すように、強度信号P=P1となる(図8のステップS1,S2)。
時刻t1から環境温度Tsが上昇し始めると、駆動電流Iを一定値Ioに保っているために強度信号Pが減少し始める。時刻t2で、強度信号Pの減少がΔPになると、制御器11は強度信号Pを極大値P1に戻すように基板温度Tbを再設定する(図8のステップS3,S1)。制御器11は、環境温度Tsが変化している間、基板温度Tbの再設定を頻繁に行う。
図9の(c)に示すように、時刻t3になって環境温度Ts=TBで安定すると、制御器11は基板温度Tb=T2とする。図9の(b)に示すように、強度信号P=P1となる。
同様に、時刻t4からt6まで環境温度Tsが変化している間、制御器11は基板温度Tbの再設定を頻繁に行う。時刻t6になって環境温度Ts=TCで安定すると、制御器11は基板温度Tb=T1とし、強度信号P=P1となる。
同様に、時刻t7からt9まで環境温度Tsが変化している間、制御器11は基板温度Tbの再設定を頻繁に行う。時刻t9になって環境温度Ts=TBで安定すると、制御器11は基板温度Tb=T2とし、強度信号P=P1となる。
実施例2の波長変換レーザ装置200によれば次の効果が得られる。
(1)強度信号Pが定常値からΔP以上減少する毎に温度チューニングが行われるため、強度信号Pの定常値を極大にすることが出来る。換言すると、環境温度Tsの変化による基本波消光比の低下を温度チューニングにより吸収し、強度信号Pの減少を抑制することが出来る。
−比較例2−
図10は、(c)に示すように基板温度Tb=T3に保つ制御を行った場合を示す説明図である。
図10の(a)に示すように、制御器11は、駆動電流Iが一定値Ioになるように制御を行っている。
図10の(d)に示すように、環境温度Tsが変動したものとする。
図10の(b)に示すように、環境温度Ts=TAのとき、強度信号P=P1となる。
時刻t1から環境温度Tsが上昇し始めると、駆動電流Iを一定値Ioに保っているために強度信号Pが減少し始める。
時刻t3になって環境温度Ts=TBで安定すると、強度信号P=P2となる。
時刻t4から環境温度Tsが上昇し始めると、駆動電流Iを一定値Ioに保っているために強度信号Pが減少し始める。
時刻t6になって環境温度Ts=TCで安定すると、強度信号P=P3となる。
時刻t7から環境温度Tsが下降し始めると、駆動電流Iを一定値Ioに保っているために強度信号Pが増加し始める。
時刻t9になって環境温度Ts=TBで安定すると、強度信号P=P2となる。
比較例2のような基板温度一定制御では、環境温度Tsの変化による基本波消光比の低下により、強度信号Pが減少する。
−実施例3−
実施例1,実施例2における基板10の温度チューニングと同様に、半導体レーザ1の温度チューニングや、波長変換素子6の温度チューニングを行ってもよい。
−実施例4−
波長選択素子5に専用のサーモモジュールを設けて、実施例1,実施例2における基板10の温度チューニングと同様に、波長選択素子5の温度チューニングを行ってもよい。
本発明の波長変換レーザ装置は、バイオエンジニアリング分野や計測分野で利用できる。
1 半導体レーザ
2 偏波保持型光ファイバ
5 波長選択素子
6 波長変換素子
7a,7b,7c サーモモジュール
8 光分岐素子
9 光センサ
10 基板
11 制御器
17 筐体
18 シャーシ
100,200 波長変換レーザ装置

Claims (3)

  1. 基本波光を発振する半導体レーザと、前記半導体レーザの出射側で光結合された偏波保持型光ファイバと、前記偏波保持型光ファイバの出射側に配置された波長選択素子と、前記波長選択素子を透過した光を波長変換する波長変換素子と、前記波長変換素子で波長変換された光を分岐する光分岐素子と、前記光分岐素子によって分岐された光の一つを強度信号Pに変換する光センサと、前記強度信号Pが一定になるように前記半導体レーザの駆動電流Iを制御する駆動電流制御手段とを具備し、前記半導体レーザと前記偏波保持型光ファイバの一部が同一筐体に納められ、前記筐体と前記偏波保持型光ファイバが一つの基板上に配置され、さらに定常運転時の前記駆動電流Iがあらかじめ定められた値以上に増加すると該駆動電流Iが極小値になるように前記基板の温度をチューニングする温度制御手段を具備することを特徴とする波長変換レーザ装置。
  2. 基本波光を発振する半導体レーザと、前記半導体レーザの出射側で光結合された偏波保持型光ファイバと、前記偏波保持型光ファイバの出射側に配置された波長選択素子と、前記波長選択素子を透過した光を波長変換する波長変換素子と、前記波長変換素子で波長変換された光を分岐する光分岐素子と、前記光分岐素子によって分岐された光の一つを強度信号Pに変換する光センサと、前記半導体レーザの駆動電流Iを一定に制御する駆動電流制御手段とを具備し、前記半導体レーザと前記偏波保持型光ファイバの一部が同一筐体に納められ、前記筐体と前記偏波保持型光ファイバが一つの基板上に配置され、さらに定常運転時の前記強度信号Pがあらかじめ定められた値以上に減少すると該強度信号Pが極大値になるように前記基板の温度をチューニングする温度制御手段を具備することを特徴とする波長変換レーザ装置。
  3. 請求項1または請求項2に記載の波長変換レーザ装置において、前記基板上に前記波長選択素子を配置したことを特徴とする波長変換レーザ装置。
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