DE3643629A1

DE3643629A1 - Verfahren zur stabilisierung der wellenlaenge eines halbleiterlasers und halbleiterlaser-wellenlaengenstabilisators

Info

Publication number: DE3643629A1
Application number: DE19863643629
Authority: DE
Inventors: Koji Akiyama; Akira Ohte; Hideto Iwaoka
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1985-12-26
Filing date: 1986-12-19
Publication date: 1987-07-02
Anticipated expiration: 2006-12-20
Also published as: GB8627744D0; GB2187592A; DE3643629C2; US4833681A; GB2187592B

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator zur Stabilisierung der Wellenlänge eines Halbleiterlasers, indem diese mit der Absorptionslinie von Atomen und Molekülen in Einklang gebracht wird.

Zum besseren Verständnis des Ausgangspunktes der Erfindung wird bereits an dieser Stelle auf die Zeichnungen Bezug genommen.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisators. Modulationssignale mit einer Frequenz fm werden überlappt mit einem elektrischen Strom von einem Halbleiterlaser LD, wodurch die Oszillationswellenlänge des Laserausgangs moduliert wird. Mittels eines Lichtstrahlverteilers BS wird ein Lichtstrahl abgespalten, der auf eine Absorptionszelle CL auftrifft, in der eine Norm- bzw. Vergleichssubstanz eingeschlossen ist, die eine Absorption bei einer gegebenen Wellenlänge bewirkt. Ein anderer, von dem Lichtstrahlverteiler BS abgespaltener Lichtstrahl wird an einem Spiegel M reflektiert und wird dann zum Ausgangslicht. Das von der Absorptionszelle CL austretende Licht wird durch einen Fotodetektor PD in elektrische Signale umgewandelt und die so umgewandelten Signale werden dann synchron bei einer Frequenz fm mittels eines Lock-in-Verstärkers bzw. Einfang- oder Phaseneinrastverstärkers LA gleichgerichtet. Es ist möglich, durch Steuerung des elektrischen Stroms des Halbleiterlasers LD die Wellenlänge des Halbleiterlasers auf die Absorptionslinie der in der Absorptionszelle vorhandenen Atome einrasten zu lassen, so daß die Ausgangssignale des Lock-in-Verstärkers LA durch eine Steuereinrichtung CT auf einen bestimmten Wert gebracht werden.

Beim bekannten Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator rastet jedoch eine Mittenfrequenz des Ausgangslichts des Halbleiterlasers auf die Absorptionslinie der Vergleichssubstanz ein, wodurch der Mittenfrequenz Stabilität verliehen wird. Die Frequenz unterliegt jedoch beständig Fluktuationen mit der Modulationsfrequenz fm, was insofern zu einem Fehler führt, daß der Augenblickswert der Oszillationsfrequenz unstabil ist.

Demgegenüber besteht die Hauptaufgabe der Erfindung darin, die bekannten Probleme zu vermeiden und einen Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator zu beschaffen, bei dem auch der Augenblickswert der Oszillationsfrequenz stabil ist.

Dies wird dadurch erreicht, daß das vom Halbleiterlaser emittierte modulationsfreie Licht auf eine Absorptionszelle auftrifft, Frequenzmodulationssignale in Amplitudenmodulationssignale des Ausgangslichts mittels einer Modulationseinrichtung unter Verwendung der Absorptionseigenschaften der Absorptionszelle umgewandelt werden, das von der Absorptionszelle durchgelassene Licht mittels eines Lock-in-Verstärkers synchron gleichgerichtet wird, der elektrische Strom des Halbleiterlasers so gesteuert wird, daß das Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers einen bestimmten Wert erhält und die Wellenlänge des Ausgangslichts auf die Absorptionslinie einer Vergleichssubstanz eingerastet wird, wodurch die Oszillationsfrequenz auch hinsichtlich des Augenblickswerts stabil gemacht wird.

Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen 1 bis 22 beschrieben.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Halbleiterlaser- Wellenlängenstabilisators;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine Ansicht einer Infinitesimalstruktur eines Energieniveaus eines Cs-Atoms;

Fig. 4 eine Ansicht zur Darstellung der durch die Cs- Atome verursachten Absorption;

Fig. 5 eine erläuternde Ansicht zur Darstellung der Betriebsweise der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 6 ein zweites charakteristisches Kurvendiagramm zur Darstellung der Betriebsweise der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 7 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines wesentlichen Teils einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines wesentlichen Teils eines optischen Systems einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 9 ein Blockschaltbild einer vierten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 10 eine Darstellung der Ausgangssignale eines Lock-in-Verstärkers der in Fig. 9 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 11 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines wesentlichen Teils einer fünften Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 12 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines wesentlichen Teils einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 13 ein Blockschaltbild zur Darstellung des wesentlichen Teils einer siebten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 14 eine Schnittansicht zur Darstellung eines wesentlichen Teils einer achten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 15 eine Darstellung zur Erläuterung der Betriebsweise der in Fig. 14 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 16 ein Blockschaltbild eines Beispiels, bei dem eine unterkritische (evanescent) Absorption des Lichts einer neunten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;

Fig. 17 eine Ansicht zur Erläuterung der Betriebsweise der in Fig. 16 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 18 ein Blockschaltbild eines wesentlichen Teils einer zehnten Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Teil der in Fig. 16 dargestellten Vorrichtung etwas modifiziert ist;

Fig. 19 ein Blockschaltbild einer elften Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 20 eine Ansicht zur Erläuterung der Betriebsweise der in Fig. 19 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 21 ein Blockschaltbild eines wesentlichen Teils einer zwölften Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 22 ein Blockschaltbild einer dreizehnten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 23 ein Blockschaltbild eines wesentlichen Teils einer vierzehnten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 24 ein Blockschaltbild eines wesentlichen Teils einer fünfzehnten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 25 ein Blockschaltbild einer sechzehnten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 26, 27 Ansichten zur Darstellung des Ausgangssignals des Lock-in-Verstärkers der in Fig. 25 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 28 ein Blockschaltbild einer siebzehnten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 29 ein Blockschaltbild einer achzehnten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 30 ein Blockschaltbild eines wesentlichen Teils einer neunzehnten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 31 bis 33 Ansichten zur Darstellung eines Aspekts der Zeeman-Trennung des Energieniveaus des Cs-Atoms;

Fig. 34 ein Blockschaltbild zur Darstellung einer zwanzigsten Ausführungsform der Erfindung, bei der der Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator in der Schaltung integriert ist;

Fig. 35 eine Tabelle zur Darstellung einer konkreten Methode zur Verwirklichung einzelner Komponenten der in Fig. 34 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 36, 37 perspektivische Ansichten zur Darstellung des wesentlichen Teils eines weiteren konkreten Beispiels nach Fig. 34;

Fig. 38 bis 40 Teilschnittansichten des in Fig. 34 dargestellten Beispiels;

Fig. 41 eine Draufsicht auf den Aufbau einer einundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung, wobei die in Fig. 34 dargestellte Vorrichtung noch engere Spektren aufweist;

Fig. 42, 43 Ansichten zur Darstellung des wesentlichen Teils eines weiteren konkreten Beispiels der in Fig. 41 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 44 ein Blockschaltbild einer zweiundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 45 eine Darstellung zur Erläuterung der Betriebsweise der in Fig. 44 dargestellten Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisators. Mit dem Bezugszeichen LD 1 ist ein Halbleiterlaser gekennzeichnet. Mit dem Bezugszeichen PE 1 ist ein Peltier-Element zum Abkühlen oder Aufheizen des Halbleiterlasers LD 1 gekennzeichnet. Mit CT 1 ist eine Temperatursteuereinrichtung zur Steuerung der Temperatur des Halbleiterlasers LD 1 auf einen bestimmten Wert zur Steuerung des Peltier-Elements gekennzeichnet. Mit TB 1 ist ein Konstanttemperaturofen zur Verminderung der Temperaturfluktuationen gekennzeichnet, in dem der oben beschriebene Halbleiterlaser LD 1 und das Peltier-Element PE 1 untergebracht sind. Mit BS 1 ist ein Lichtstrahlverteiler zur zweiseitig gerichteten Aufteilung des vom Halbleiterlaser emittierten Ausgangslichts gekennzeichnet. UM 1 steht für eine bekannte opto-akustische bzw. akusto-optische Ablenkvorrichtung (AOD), auf die ein vom Lichtstrahlverteiler austretender Lichtstrahl auftrifft. Diese opto-akustische Ablenkvorrichtung stellt eine Modulationseinrichtung dar. Mit CL 1 ist eine Absorptionszelle gekennzeichnet, auf die das Beugungslicht von der opto-akustischen Ablenkvorrichtung UM 1 auftrifft. Die Absorptionszelle CL 1 schließt eine Vergleichs- bzw. Normsubstanz (im nachfolgenden wird Cs impliziert) ein, die das Licht bei einer bestimmten Wellenlänge absorbiert. Mpt PD 1 ist ein Fotodetektor gekennzeichnet, auf den das von der Absorptionszelle CL 1 durchgelassene Licht auftrifft. Mit dem Bezugszeichen A 1 ist ein Verstärker gekennzeichnet, dem die elektrischen Ausgangssignale des Fotodetektors PD 1 eingegeben werden. Mit LA 1 ist ein Lock-in-Verstärker, dem die elektrischen Ausgangssignale des Verstärkers A 1 eingegeben werden, und mit CT 2 ein PID-Regler gekennzeichnet, der eine Regelschaltung des elektrischen Stroms darstellt, dem die Ausgangssignale des Lock-in-Verstärkers LA 1 eingegeben werden und der den elektrischen Strom des Halbleiterlasers LD 1 regelt. Mit dem Bezugszeichen SW 1 ist ein Schalter, dessen eines Ende mit der opto-akustischen Ablenkvorrichtung UM 1 verbunden ist, und mit SG 1 ein Signalgenerator gekennzeichnet, der die Ausgangssignale so aussendet, daß der Schalter SW 1 mit der Frequenz fm (beispielsweise 2 kHz) ein- und ausgeschaltet wird. Mit dem Bezugszeichen SG 2 ist ein zweiter Signalgenerator gekennzeichnet, mit dem das andere Ende des Schalters SW 1 verbunden ist. Dieser zweite Signalgenerator SG 2 hat eine Frequenz f _D (beispielsweise 80 MHz).

Die Betriebsweise des oben beschriebenen Halbleiterlaser- Wellenlängenstabilisators wird im nachfolgenden beschrieben. Die Temperatur des Halbleiterlasers LD 1 wird mittels des Peltier-Elements PE 1 auf einen festen Wert geregelt, indem durch die Regelschaltung CT 1 Temperaturdetektorsignale in den Konstanttemperaturofen TB 1 eingegeben werden. Das Ausgangslicht des Halbleiterlasers LD 1 wird mittels des Lichtstrahlverteilers BS 1 zweiseitig aufgespalten. Das reflektierte Licht wird das Ausgangslicht zur Umgebung hin und das durchgelassene Licht wird zum Einfall auf die opto-akustische Ablenkvorrichtung UM 1 gebracht. Da die opto-akustische Ablenkvorrichtung UM 1 bei eingeschaltetem Schalter SW 1 durch die Ausgangssignale des Signalgenerators SG 2 mit der Frequenz f _D gesteuert wird, wird die Mehrheit des einfallenden Lichts bei einer Frequenz γ ₀ abgelenkt und dann einer Frequenz-(Doppler)-Verschiebung unterzogen. Das Licht mit einer Frequenz γ ₀ + f _D, das als Primär-Beugungslicht definiert wird, trifft auf die Absorptionszelle CL 1 auf. Wenn der Schalter SW 1 ausgeschaltet ist, trifft das Licht mit der Frequenz γ ₀, das als Null-Dimensions-Beugungslicht definiert wird, auf die Absorptionszelle CL 1. Der Schalter SW 1 wird mit einer Taktfrequenz fm gesteuert, die durch den Signalgenerator SG 1 geliefert wird. Damit wird das auf die Absorptionszelle CL 1 auftreffende Licht einer Frequenzmodulation mit der Modulationsfrequenz fm und dem Modulationsgrad bzw. der Modulationstiefe f _D unterzogen.

Fig. 3 zeigt die Energieniveaus der Cs-Atome. Wenn Licht mit einer Wellenlänge von 852,112 nm auf die Cs-Atome auftrifft, so werden Ladungsträger von 6S_1/2 auf 6P_3/2 angeregt und das Licht verliert seine Energie, wodurch Absorption stattfindet. In diesem Fall bestehen die Niveaus 6S_1/2 bzw. 6P_3/2 aus 2 bzw. 4 Teilen von Infinitesimalstrukturen. Genau genommen tritt daher die Absorption bezüglich des Lichts mit sechs Arten von Wellenlängen (oder Frequenzen) zwischen diesen Energieniveaus auf. Da jedoch die Absorptionsspektrumsbreite mehrere 100 MHz wegen der Doppler-Verbreiterung aufweist, kann üblicherweise keine Infinitesimalstruktur mit dem Niveau von 6P_3/2 beobachtet werden. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, wird beobachtet, daß zwei Arten von Absorptionen (a) und (b) auf einer Absorptionsspektrallinie vorhanden sind. Die in Fig. 4 dargestellten Absorptionssignale (a) betreffen die von F 4 (vgl. Fig. 4) ausgesendeten Signale, während die Absorptionssignale (b) die von F 3 (vgl. Fig. 3) ausgesendeten Signale betreffen.

Wenn das von der opto-akustischen Ablenkvorrichtung UM 1 modulierte Licht auf die Absorptionszelle CL 1 auftrifft, wie es in der die Betriebsweise darstellenden Ansicht nach Fig. 5 dargestellt ist, scheint das durch die durchgelassene Lichtmenge gegebene Ausgangssignal allein an der Stelle der Absorptionssignale (beispielsweise (a) nach Fig. 4) moduliert zu sein. Wenn dieses Signal mittels des Fotodetektors PD 1 in ein elektrisches Signal umgewandelt und das so umgewandelte Signal dann bei einer Frequenz fm im Lock-in-Verstärker LA 1 mittels des Verstärkers A 1 synchron gleichgerichtet wird, so wird eine Primär-Differentialwellenform erhalten, die in dem die Frequenzcharakteristik darstellenden Kurvendiagramm nach Fig. 6 dargestellt ist. Wenn die Ausgänge des Lock-in-Verstärkers LA 1 auf die Mitte der oben erwähnten Primär-Differentialwellenform einrasten bzw. eingeregelt werden, so hat das Ausgangslicht des Halbleiterlasers eine stabile Frequenz von γ _s-f _D/2.

Da die Oszillationsfrequenz des Lasers nicht moduliert wird, ist die Lichtquelle des so aufgebauten Halbleiterlaser- Wellenlängenstabilisators mit einer hohen Stabilität auch bezüglich des Augenblickswerts ausgestattet.

Selbst wenn der Beugungswirkungsgrad der opto-akustischen Ablenkvorrichtung UM 1 verändert wird, nimmt eine optische Komponente (Null-Dimensions-Beugungslicht), die nicht zur Modulation beiträgt, in der Größe zu, während die Signalintensität nur abnimmt und es wird kein Einfluß auf die Mittenwellenlänge ausgeübt.

Es ist hier anzumerken, daß die Modulationsfrequenz fm als Bezugsfrequenz des Lock-in-Verstärkers LA 1 in der oben beschriebenen Ausführungsform verwendet wurde. Es können jedoch auch ungeradzahlige Vielfache dieser Frequenz verwendet werden.

Anstelle von Cs kann als Vergleichssubstanz in der Absorptionszelle GL 1 auch beispielsweise Rb, NH₃ oder H₂O verwendet werden.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird eine opto-akustische Ablenkvorrichtung als Modulationseinrichtung verwendet. Die Anmeldung ist jedoch nicht auf diese Einrichtung beschränkt. So kann beispielsweise auch ein Phasenmodulator verwendet werden, bei dem ein opto-elektronisches Element verwendet wird. Dieses umfaßt beispielsweise einen Longitudinal-Modulator, einen Lateral-Modulator und einen Wanderwellen-Modulator (Amnon Yarif: Fundamentals of Optical Electronics, veröffentlicht by Maruzen Books, P 247-P 253).

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird der elektrische Strom des Halbleiterlasers durch die Ausgangssignale der Regelungseinrichtung geregelt. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht begrenzt. So kann beispielsweise auch die Temperatur des Halbleiterlasers geregelt werden.

Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild eines wesentlichen Teils einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform ist gegenüber der Vorrichtung nach Fig. 2 dahingehend unterschiedlich, daß ein FM- Modulator FM 1 durch einen Sinuswellengenerator SG 20 (beispielsweise mit einer Modulationsfrequenz fm = 2 kHz) geregelt wird, wodurch die opto-akustische Ablenkvorrichtung UM 1 durch Sinuswellen moduliert wird.

Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild eines wesentlichen Teils eines optischen Systems einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Gegenüber der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung bestehen folgende Unterschiede. Mit dem Bezugszeichen HM 1 ist ein Halbspiegel gekennzeichnet, der das Ausgangslicht des Halbleiterlasers LD 1 zweiseitig aufteilt und das reflektierte Licht von einer Richtung auf die opto-akustische Ablenkvorrichtung UM 1 auftreffen läßt. Mit dem Bezugszeichen M 1 ist ein Spiegel gekennzeichnet, auf dem das durch den Halbspiegel HM 1 hindurchtretende Licht reflektiert wird, wobei das reflektierte Licht von einer anderen Richtung auf die opto-akustische Ablenkvorrichtung UM 1 auftrifft. Wenn der Schalter SW 1 ausgeschaltet ist, durchläuft das vom Halbspiegel HM 1 reflektierte Licht die opto-akustische Ablenkvorrichtung UM 1 und trifft dann auch die Absorptionszelle CL 1 mit der Frequenz q ₀ auf. Wenn der Schalter SW 1 eingeschaltet ist, wird das vom Spiegel M 1 reflektierte Licht durch die opto-akustische Ablenkvorrichtung UM 1 abgelenkt bzw. gebeugt und trifft dann auf die Absorptionszelle CL 1 mit der Frequenz γ ₀ + f _D auf.

Der so aufgebaute Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator hat den Vorteil, daß der Lichtweg innerhalb der Absorptionszelle unbeweglich ist. Wenn jedoch ein Phasenmodulator verwendet wird, der ein opto-elektrisches Element als Modulationseinrichtung verwendet, so tritt diese Notwendigkeit nicht auf, da die Richtung des Ausgangslichts unveränderlich ist.

Bei der in Fig. 9 dargestellten vierten Ausführungsform der Erfindung trifft ein Teil der Strahlen bzw. des Strahlenflusses des aus der opto-akustischen Ablenkeinrichtung UM 1 austretenden Lichts - als Pumplicht - auf die Absorptionszelle auf, während der andere Teil der schmalen Strahlen bzw. des schmalen Strahlenflusses des austretenden Lichts - als Probenlicht - von der entgegengesetzten Richtung auf die Absorptionszelle auftrifft, wodurch gesättigte Absorptionssignale erhalten werden. Mittels der Sättigungs-Absorptionsspektroskopie (T. Yabuzaki, A. Hori, M. Kitano und T. Ogawa: Frequency Stabilization of Diode Lasers Using Doppler-Free Atomic Spectra, Proc. Ict. Conf. Laser's 83) verschwindet die Doppler-Verbreiterung. Damit ist es möglich, die Infinitesimalstruktur zu unterschieden, die oben in Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert wurde. Da die auf der Infinitesimalstruktur basierenden Ausgangssignale des Lock-in-Verstärkers, wie sie in Fig. 10 dargestellt sind, erhalten werden, ist es möglich, einen noch stabileren Halbleiterlaser- Wellenlängenstabilisator durch Einrasten auf irgendeine der Frequenzen davon zu erreichen, beispielsweise auf γ ₁ nach Fig. 10. Der in Fig. 9 gestrichelt dargestellte Teil ist von dem in Fig. 2 verschieden. So sind insbesondere Lichtstrahlverteiler BS 5 bis BS 9. Lichtaufnahmeelemente PD 11 und PD 2 sowie ein Differenzverstärker DA 1 vorgesehen und der Ausgang des Differenzverstärkers DA 1 ist mit dem Lock-in-Verstärker LA 1 verbunden. In diesem Fall ist es tatsächlich günstig, den Aufbau nach Fig. 8 anzunehmen, damit die Richtung des Ausgangslichts der opto- akustischen Ablenkvorrichtung UM 1 sich überhaupt nicht ändert.

Fig. 11 zeigt ein Blockschaltbild eines wesentlichen Teils einer fünften Ausführungsform der Erfindung, die sich teilweise von der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform unterscheidet. In Fig. 11 ist nur der die Absorptionszelle CL 1 umgebende Teil dargestellt. Mit den Bezugszeichen 1 und 2 sind Reflektionsteile und mit dem Bezugszeichen 3 ein Lichtweg für das Ausgangslicht der opto-akustischen Ablenkvorrichtung UM 1 gekennzeichnet, wobei dieses Licht das Nulldimensions- Beugungslicht und das Primär-Beugungslicht subsumiert. Das Ausgangslicht der opto-akustischen Ablenkvorrichtung UM 1 durchläuft die Absorptionzelle CL 1 und wird dann am Reflektionsteil 2 reflektiert. Das so reflektierte Licht tritt noch einmal durch die Absorptionszelle CL 1 hindurch und wird in ähnlicher Weise am Reflektionsteil 1 reflektiert. Nach dem Hindurchtreten durch die Absorptionszelle CL 1 trifft das Ausgangslicht auf den Fotodetektor PD 1 auf. Da das Licht die Absorptionszelle CL 1 dreimal durchläuft, bleibt das Maß der Absorption gleich, wenn die Länge der Absorptionszelle um den Faktor 3 vermindert wird.

Fig. 12 ist ein ähnliches Blockschaltbild wie Fig. 11 und zeigt den wesentlichen Teil einer sechsten Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform werden die Breite der Absorptionszelle CL 1 und der Reflektionsteile 1 und 2 in der Absicht verbreitert, um mehrere Male Reflektionen des Lichts zu bewirken. Das von der opto-akustischen Ablenkvorrichtung UM 1 emittierte Ausgangslicht wird auf den Reflektionsteilen 1 bzw. 2 reflektiert und trifft dann auf den Fotodetektor PD 1 auf. Das heißt, das Ausgangslicht durchläuft die Absorptionszelle fünfmal und es ist möglich, die Länge der Absorptionszelle proportional dazu zu vermindern. Es ist möglich, die Zahl der Durchgänge des Lichts durch die Absorptionszelle CL 1 durch Einstellen der Breiten der Absorptionszelle CL 1 als auch der Reflektionsteile 1 und 2 sowie eines Winkels, mit dem das Ausgangslicht auf die Absorptionszelle CL 1 auftrifft, beliebig einzustellen.

Fig. 13 zeigt ein Blockschaltbild - ähnlich dem nach Fig. 12 - eines wesentlichen Teils einer siebten Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind die Reflektionsteile 1 und 2 nicht individuell vorgesehen. Stattdessen ist als Reflektionsteil ein metallischer Dünnfilm 4 durch Aufdampftechnik oder andere ähnliche Verfahren auf der Absorptionszelle CL 1 ausgebildet. Mit dieser Ausführungsform ist es möglich, die Vorrichtung hinsichtlich der Größe noch weiter zu vermindern.

Bei den in Fig. 11 bis 13 dargestellten Ausführungsformen, bei denen die Größe der Absorptionszelle gleich ist wie bei der herkömmlichen Vorrichtung, kann die Länge des Lichtwegs gegenüber der herkömmlichen Vorrichtung erhöht werden. Dies hat zur Folge, daß der Absorptionsgrad zunimmt und die Stabilität der Wellenlänge des Ausgangslichts verbessert wird.

Fig. 14 zeigt eine Schnittansicht eines wesentlichen Teils einer achten Ausführungsform der Erfindung, wobei diese Schnittansicht entlang der durch die Zentralachse der Absorptionszelle CL 1 in der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung verläuft. Mit dem Bezugszeichen 5 ist ein Gefäß der Absorptionszelle, mit dem Bezugszeichen 6 die Ebene des einfallenden Lichts, mit dem Bezugszeichen 7 die Ebene des austretenden Lichts, mit dem Bezugszeichen 8 eine abgedichtete Öffnung und mit dem Bezugszeichen 9 die Zentralachse der Absorptionszelle CL 1 gekennzeichnet. Sowohl die Einfallsebene 6 als auch die Austrittsebene 7 sind um den Winkel R gegenüber der Ebene senkrecht zur Zentralachse 9 geneigt.

Fig. 15 zeigt einen Aspekt der Multireflektion des Lichts auf der Einfallsebene 6. Mit dem Bezugszeichen 10 ist ein Strahlungsfluß des einfallenden Lichts, mit dem Bezugszeichen 11 ein weiterer Strahlungsfluß des einfallenden Lichts innerhalb des Gefäßes 5 der Absorptionszelle, mit dem Bezugszeichen 12 ein Strahlungsfluß des durchgelassenen Lichts, mit dem Bezugszeichen 13 ein Strahlungsfluß des mehrfach reflektierten Lichts innerhalb des Gefäßes 5 und mit 14 ein weiterer Strahlungsfluß des mehrfach reflektierten Lichts gekennzeichnet, der aus dem Gefäß 5 austritt. Da die Einfallsebene 6 nicht parallel zu der, zur Zentralachse des Gefäßes 5 senkrechten Ebene verläuft, werden die mehrfach reflektierten Lichtstrahlenflüsse 13 und 14 des einfallenden Lichtstrahls 10, der parallel zur Zentralachse einfällt, in einer zur Richtung des einfallenden Lichtflusses 10 verschiedenen Richtung reflektiert. Aus diesem Grund interferrieren der einfallende Lichtstrahl 11 und der mehrfach reflektierte Lichtstrahl 13 überhaupt nicht miteinander und der einfallende Lichtstrahl 10, der durchgelassene Lichtstrahl 14 interferrieren in ähnlicher Weise ebenfalls nicht miteinander. Damit wird keine Störung infolge Interferenz verursacht und die Intensität des durchgelassenen Lichts fluktuiert nicht mit der Frequenz, wodurch Stabilität erreicht wird. Das oben für die Einfallsebene 6 Gesagte gilt in ähnlicher Weise für die Austrittsebene 7. Der schräge Winkel R ändert sich entsprechend der Dicke des Gefäßes 5, des Strahlungsdurchmessers des einfallenden Lichts oder dergleichen, jedoch sind zwei bis drei Grad in einem normalen Fall ausreichend. Bei der beschriebenen Ausführungsform weist das Gefäß 5 einen kreisförmigen Zylinder auf. Es kann jedoch auch eine andere Gestalt aufweisen, auch eine winklige Gestalt. Kurz gesagt sind die Einfallsebene und die Austrittsebene flach und es ist lediglich erforderlich, daß sie einander gegenüber angeordnet sind. Die Einfalls- und Austrittsebenen 6 und 7 des Gefäßes 5 können aus lichtdurchlässigem Material bestehen und andere Teile können lichtundurchlässig sein. Darüber hinaus müssen nicht beide Seiten des Gefäßes 5, also die Innen- und Außenseite, notwendigerweise Neigungen der Einfalls- und Austrittsebenen 6 bzw. 7 aufweisen. Es ist ausreichend, wenn eine davon geneigt ist.

Fig. 16 zeigt ein Blockschaltbild einer neunten Ausführungsform der Erfindung, bei der eine unterkritische Absorption des Lichts verwendet wird. Dabei sind die gegenüber der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform gleichen Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und es wird deren Beschreibung der Einfachheit halber weggelassen. Mit FB 1 ist eine einwellige optische Faser gekennzeichnet, in die das Ausgangslicht des Halbleiterlasers LD 1 einfällt, und mit CP 1 ist ein Faserkoppler gekennzeichnet, dem das Ausgangslicht der optischen Faser FB 1 eingegeben wird. Mit FB 2 ist eine weitere einwellige optische Faser gekennzeichnet, in die ein Strahlungsfluß des Ausgangslichts des Faserkopplers CP 1 einfällt. Mit FB 3 ist eine weitere einwellige optische Faser gekennzeichnet, in die ein weiterer Strahlungsfluß des Ausgangslichtes des Faserkopplers CP 1 eingeleitet wird. Mit dem Bezugszeichen UM 11 ist eine opto-akustische Ablenkvorrichtung mit Wellenleiterdurchgang gekennzeichnet, der das Ausgangslicht der optischen Faser FB 3 eingegeben wird. Mit dem Bezugszeichen FB 4 ist eine weitere einwellige optische Faser gekennzeichnet, in die das Ausgangslicht der opto-akustischen Ablenkvorrichtung UM 11 eingeleitet wird und die das Licht an den Fotodetektor PD 1 emittiert. Mit dem Bezugszeichen CL 1 ist eine Absorptionszelle gekennzeichnet, durch die die optische Faser FB 4 hindurchläuft. Diese Absorptionszelle weist eine Vergleichssubstanz (im nachfolgenden wird Cs angenommen) auf, die das Licht bei einer gegebenen Wellenlänge absorbiert. Mit dem Bezugszeichen a ist ein Kernabschnitt gekennzeichnet, der dadurch gebildet wird, daß ein Überzugsteil der optischen Faser FB 4 entfernt wird.

Die Betriebsweise eines derartigen Halbleiterlaser- Wellenlängenstabilisators wird im nachfolgenden beschrieben. Das Ausgangslicht des bezüglich der Temperatur geregelten Halbleiterlasers LD 1 wandert über die optische Faser FB 1 und wird dann mittels des Faserkopplers CP 1 in zwei Richtungen aufgeteilt. Ein Flußstrahl des so abgezweigten Ausgangslichts emittiert über die optische Faser FB 2 nach außen. Der andere Strahlungsfluß des Ausgangslichts trifft über die optische Faser FB 3 auf die opto-akustische Ablenkvorrichtung UM 11 des Wellenleiterdurchgangstyps auf. Das duch die opto-akustische Ablenkvorrichtung U 11 modulierte Licht wandert durch die optische Faser FB 4 und durchläuft dann die Absorptionszelle CL 11. Innerhalb der Absorptionszelle CL 11 wird, wie es in Fig. 17 dargestellt ist, eine unterkritische Welle in einem Teil erzeugt, in dem das sich fortpflanzende Licht aus dem Kernbereich der optischen Faser FB 4 austritt. Ein elektrisches Feld in diesem Bereich wirkt gegenseitig auf das Umgebungsgas Cs, wodurch die Absorption bei der bestimmten Wellenlänge stattfindet. Wenn daher das Ausgangssignal der optischen Faser FB 4 mittels des Fotodetektors PD 1 festgestellt wird, so werden Absorptionssignale geliefert. Durch Rückführung des Ausgangssignals zum Lock-in-Verhältnis LA 1 und dergleichen zurück zum Halbleiterlaser LD 1 kann - wie bei der herkömmlichen Vorrichtung - die Oszillationsfrequenz des Halbleiterlasers in einem Bereich in der Nähe der Absorptionsmitte geregelt werden.

Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlaser- Wellenlängenstabilisators ergeben sich die gleichen Vorteile wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2. Zusätzlich dazu besteht das gesamte optische System aus optischen Fasern und es ist daher kein Positionierungsvorgang erforderlich, wodurch die Einstellung vereinfacht und eine Miniaturisierung der Vorrichtung erreicht wird.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird eine einwellige Faser als optische Faser FB 4 verwendet, die durch die Absorptionszelle CL 11 hindurchtritt. Es ist jedoch anzumerken, daß auch eine Multimode- Faser verwendbar ist.

Fig. 18 zeigt ein Blockschaltbild des wesentlichen Teils einer zehnten Ausführungsform der Erfindung, bei der das in Fig. 16 dargestellte Teil 100 hinsichtlich der Form verändert ist und bei der ein Sättigungsabsorptionsverfahren verwendet wird. Mit dem Bezugszeichen FB 5 ist eine einwellige optische Faser zur Fortpflanzung des Ausgangslichts der opto-akustischen Ablenkvorrichtung UM 11 gekennzeichnet. Mit CP 2 ist ein Faserkoppler gekennzeichnet, dessen eines Ende mit der optischen Faser FB 5 verbunden ist. Mit dem Bezugszeichen FB 6 ist eine weitere einwellige optische Faser gekennzeichnet, die mit dem anderen Ende des Faserkopplers CP 2 verbunden ist. Mit dem Bezugszeichen b ist ein Kernteil gekennzeichnet, der dadurch gebildet wird, daß ein Überzugteil der optischen Faser FB 6 innerhalb der Absorptionszelle CL 2 entfernt wird. Mit dem Bezugszeichen 15 ist die mit einem Halbspiegel überzogene Endfläche der optischen Faser FB 6 gekennzeichnet. Mit PD 21 ist ein erster Fotodetektor zum Feststellen des von der Endfläche 15 übertragenen Lichts gekennzeichnet. Mit PD 11 ist ein zweiter Fotodetektor zum Feststellen des reflektierten Lichts von der Endfläche 15 der optischen Faser FB 6 mittels des Faserkopplers CP 2 gekennzeichnet. Mit A 11 ist ein Differenzverstärker gekennzeichnet, dem die Ausgangssignale der Fotodetektoren PD 21 und PD 11 zugeführt und dessen Ausgang mit dem Lock-in-Verstärker LA 1 verbunden ist.

Bei der in Fig. 18 dargestellten Ausführungsform fällt das Ausgangslicht der opto-elektronischen Ablenkvorrichtung UM 11 über die optische Faser FB 5 auf den Faserkoppler CP 2 und wandert durch die optische Faser FB 6. Danach werden außerhalb des Kernbereichs b unterkritische Wellen erzeugt, die - als Pumplicht - die Lichtabsorption der Vergleichssubstanz (beispielsweise Cs) in der Nähe des Kernbereichs sättigen. Der größere Teil (beispielsweise 90%) des durch die optische Faser FB 6 wandernden Lichts trifft über die Endfläche 15 auf den Fotodetektor PD 21 auf. Andererseits wird der Rest (beispielsweise 10%) des Lichts an der Endfläche 15 reflektiert und wandert durch die optische Faser FB 6 in entgegengesetzter Richtung, wobei seine unterkritischen Wellen, die als Probenlicht definiert sind und mit dem oben erwähnten Pumplicht überlappen, die Absorption mit sich bringen. Dieses Probenlicht wird über den Faserkoppler CP 2 und eine optische Faser FB 7 zum Fotodetektor PD 11 geleitet. Da die Ausgangssignale der Fotodetektoren PD 21 und PD 11 vom Differenzverstärker A 11 voneinander subtrahiert werden, werden die von der Doppler-Verbreiterung resultierenden Absorptionssignale gelöscht bzw. unterdrückt, so daß Sättigungsabsorptionssignale mit einem scharfen Absorptionsspektrum an den Lock-in-Verstärker ausgegeben werden. Aufgrund der Rückkopplungsschleife ist es ebenso wie in Fig. 16 möglich, die Oszillationsfrequenz des Halbleiterlasers LD 1 mit hoher Stabilität mittels der Spitzen des Sättigungsabsorptionsspektrums zu steuern.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Endfläche 15 mit einem Halbspiegel beschichtet. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. So kann beispielsweise der Halbspiegel auch zwischen den optischen Fasern FB 6 angeordnet werden.

Fig. 19 zeigt ein Blockschaltbild einer elften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Wellenlängenlängenstabilisators. Im nachfolgenden werden nur einige Punkte erwähnt, die sich gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheiden. Mit dem Bezugszeichen 16 ist ein Verstärker mit veränderlicher Verstärkung gekennzeichnet, dem die Ausgangssignale des Verstärkers A 1 eingegeben und dessen Ausgangssignale dem Lock-in-Verstärker LA 1 eingegeben werden. Mit dem Bezugszeichen 17 ist ein Vergleicher mit einer invertierenden Eingangsklemme gekennzeichnet, der das Ausgangssignal des Verstärkers A 1 zugeführt wird. Mit dem Bezugszeichen 18 ist eine Einstellspannungsquelle gekennzeichnet, die zwischen der nicht invertierenden Eingangsklemme des Vergleichers 17 und dem gemeinsamen elektrischen Potentialpunkt geschaltet ist. Die Verstärkung des Verstärkers 16 wird durch den Vergleicher 17 geregelt.

Bei einem derartigen Aufbau ergibt sich eine Resonanzabsorption der Absorptionszelle CL 1, wie sie in Fig. 20 dargestellt ist. Wenn die Frequenz des Ausgangslichts der opto-akustischen Ablenkvorrichtung UM 1 auf einen Punkt P positioniert wird, so steigt der Betrag des durchgelassenen Lichts an. Der Ausgang des Verstärkers A 1 wird stark in negativer Richtung gelenkt. Der Ausgang des Vergleicher 17 nimmt hohen Pegel an und die Verstärkung des veränderlichen Verstärkers 16 vermindert sich. Damit verschiebt sich ein sich bewegender Punkt langsam vom Punkt P zum Boden der Resonanzabsorption, das heißt in Richtung der Frequenz γ _s. Gleichzeitig nimmt die Menge des durchgelassenen Lichts ab, während das Ausgangssignal des Verstärkers A 1 allmählich zunimmt. An einem Punkt Q ist das Ausgangssignal des Verstärkers A 1 größer als die Einstellspannungsquelle 18, kommt der Ausgang des Komparators 17 auf niedrigen Pegel und wird die Verstärkung des veränderlichen Verstärkers 16 erhöht, wodurch das Ausgangssignal des Halbleiterlasers LD 1 an einem Punkt R mit hoher Stabilität gehalten wird.

Fig. 21 zeigt ein Blockschaltbild eines wesentlichen Teils einer zwölften Ausführungsform der Erfindung, bei der mehrere Komparatoren in der Vorrichtung nach Fig. 19 verwendet werden. Dabei ist der Mechanismus zur Veränderung der Verstärkung des veränderlichen Verstärkers 16 mehrfach vorgesehen. Mit den Bezugszeichen 171, 172 und 173 sind Komparatoren gekennzeichnet. Der Ausgang des Verstärkers A 1 ist mit jeder der Inversionseingangsklemmen der Komparatoren verbunden, deren Ausgänge den Ausgang des veränderlichen Verstärkers 16 regeln. Mit den Bezugszeichen 181, 182 und 183 sind Einstellspannungsquellen gekennzeichnet, die jeweils mit den nicht invertierenden Eingangsklemmen der Komparatoren 171, 172 bzw. 173 verbunden sind. Obwohl hier nicht dargestellt, ist der Ausgang des Fotodetektors PD 1 mit dem Verstärker A 1 verbunden und der Ausgang des veränderlichen Verstärkers 16 ist mit dem Eingang des Lock-in-Verstärkers LA 1 verbunden. Bei einem derartigen Aufbau nehmen die Komparatoren 171, 172 und 173 individuelle niedrige Pegel bei den Punkten S, T und Q nach Fig. 20 an und die Verstärkung des veränderlichen Verstärkers 16 nimmt allmählich zu. Mit diesem Schritt ist es möglich, stabil an den Punkt R mit hoher Geschwindigkeit zusammenzulaufen und es ist hier anzumerken, daß die Verstärkung des Verstärkers 16 fortlaufend bzw. konsekutiv geregelt werden kann.

Fig. 22 zeigt ein Blockschaltbild einer dreizehnten Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Sekundär-Differentialkurvenform des Verstärkers A 1 als Eingangsignal des Komparators der Vorrichtung nach Fig. 19 verwendet wird. Die gegenüber Fig. 19 verschiedenen Punkte werden im nachfolgenden näher erläutert. Der Signalgenerator SG 1 führt bezüglich des Signalgenerators SG 2 eine Frequenzmodulation mit Sinus- oder Chopper-Wellen durch. Die Ausgangssignale des Verstärkers A 1 werden dem Lock-in-Verstärker LA 2 und dem veränderlichen Verstärker 16 zugeführt. Der Lock-in- Verstärker LA 2 wird mittels des Signalgenerators SG 1 beaufschlagt, der Ausgangssignale mit einer Frequenz von 2 fm erzeugt, die doppelt so groß ist, wie die Modulationsfrequenz des Signalgenerators SG 2, wodurch das Ausgangssignal synchron gleichgerichtet wird. Auf diese Weise kann das Sekundärdifferential des Verstärkers A 1 erhalten werden. Die Ausgangssignale des Lock-in-Verstärkers LA 2 werden dem invertierenden Eingang des Komparators 17 zugeführt, dessen Ausgang den veränderlichen Verstärker 16 steuert. Der Ausgang des veränderlichen Verstärkers 16 ist mit dem Eingang des Lock-in-Verstärkers LA 1 verbunden. Mit dem Bezugszeichen 18 ist die Einstellspannungsquelle gekennzeichnet, die mit dem nicht invertierenden Eingang des Komparators 17 verbunden ist.

Entsprechend den Ausführungsformen 19, 21 und 22 besteht für den Fall, daß das Ausgangslicht des Halbleiterlasers weit vom voreingestellten Wert abweicht, keine Möglichkeit, den voreingestellten Wert zu überspringen, und es ist daher möglich, das Ausgangslicht des Halbleiterlasers mit hoher Stabilität auf dem voreingestellten Wert zu halten. Aufgrund dieses Vorteils ist es selbst dann, wenn das Ausgangslicht des Halbleiterlasers stark vom voreingestellten Wert abweicht, möglich, auf den voreingestellten Wert zu konvergieren und gleichzeitig wird der Effekt erreicht, daß die Wellenlänge sehr stabil bleibt.

In den in Fig. 19, 21 und 22 dargestellten Ausführungsformen ist der veränderliche Verstärker 16 hinter dem Verstärker A 1 angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, den Verstärker 16 hinter dem Lock-in-Verstärker A 1 und dem PID-Regler CT 2 anzuordnen. Es kann allmählich jeder Platz innerhalb der Rückkopplungsschleife gewählt werden.

Fig. 23 zeigt ein Blockschaltbild eines wesentlichen Teils einer vierzehnten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Temperatur der Absorptionszelle CL 1 auf einen festen Wert in der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung eingeregelt wird. Mit dem Bezugszeichen 19 ist ein von einem adiabatischen Material umgebener Konstanttemperaturofen gekennzeichnet, in dessen Innerem die Absorptionszelle CL 1 angeordnet ist und der außerdem mit einem Durchgangspfad für das Ausgangslicht der opto-akustischen Ablenkungsvorrichtung UM 1 versehen ist. Mit dem Bezugszeichen 20 ist ein Temperaturmeßelement gekennzeichnet, das innerhalb des Konstanttemperaturofens 19 angeordnet ist, wobei der Ausgang dieses Temperaturmeßelements 20 mit dem Eingang einer Temperatureinstellvorrichtung 21 verbunden ist. Die Ausgänge der Temperatureinstellvorrichtung 21 sind mit den Eingängen eines Heizelements 22 verbunden. Damit besteht die Temperaturregelungseinrichtung aus einem Konstanttemperaturofen 19, dem Temperaturmeßelement 20, der Temperatureinstellvorrichtung 21 und dem Heizelement 22. Die Temperatur innerhalb des Konstanttemperaturofens 19 wird durch das Temperaturmeßelement 20 gemessen und das Heizelement 22 wird so durch die Temperatureinstellvorrichtung 21 gesteuert, daß die Temperatur innerhalb des Konstanttemperaturofens 19 unveränderlich gehalten wird. Die Temperatur wird auf einen solchen Wert eingestellt, daß die Absorptionsmenge entsprechend den Abmessungen der Absorptionszelle groß ist und das Sekundärdifferential bzw. das Differential zweiter Ordnung ein Maximum wird. Wenn die Vergleichssubstanz Cs ist, so ist die Absorptionsmenge bei einer Temperatur von weniger als 20°C klein und es besteht der geeignetste Wert des Sekundärdifferentials der Absorptionsmenge in der Nähe von 40°C.

Entsprechend der oben beschriebenen Konfiguration wird die Temperatur der Absorptionszelle selbst dann konstant gehalten, wenn die Umgebungstemperatur sich ändert. Damit ergibt sich keine Veränderung sowohl in der Absorptionsmenge als auch in der Menge des Sekundärdifferentials, so daß die Stabilität der Wellenlänge des Ausgangslichts bei Fluktuationen in der Umgebungstemperatur überhaupt nicht beeinträchtigt wird. Darüber hinaus können die Temperaturen, bei denen die Absorptionsmengen der Absorptionszellen sich erhöhen sollen, unabhängig von der Umgebungstemperatur ausgewählt werden, und es ist daher möglich, eine vergleichsweise große Absorptionsmenge selbst bei einer kleinen Absorptionszelle zu erhalten, wodurch die Miniaturisierung der Vorrichtung erreicht wird. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung innerhalb eines weiten Bereichs der Umgebungstemperaturen verwendbar.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird allein ein Heizelement zur Steuerung der Temperatur verwendet. Es ist jedoch auch möglich, zusätzlich eine Kühleinrichtung für den Fall zu verwenden, daß die zu steuernde Temperatur sich der Umgebungstemperatur nähert. Darüber hinaus kann aber auch eine Einrichtung ähnlich der eines Peltier-Elements anstelle des Heizelements 22 verwendet werden, das zum Aufheizen und Abkühlen geeignet ist.

Das Temperaturmeßelement 20 und die Temperatureinstelleinrichtung 21 können weggelassen werden, indem ein PTC-Thermistor oder ein Posistor, dessen Widerstandswert im Verhältnis zur ansteigenden Temperatur zunimmt, anstelle des Heizelements 22 verwendet werden.

Fig. 24 zeigt ein Blockschaltbild eines wesentlichen Teils einer fünfzehnten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Absorptionszelle nicht nur den Einflüssen der Umgebungstemperatur, sondern auch einem Außenmagnetfeld in der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung ausgesetzt ist. Mit dem Bezugszeichen 23 ist eine Weichmagnetplatte, wie etwa Permalloy oder dergleichen gekennzeichnet. Mit dem Bezugszeichen 24 ist ein adiabatisches Material gekennzeichnet, das so angeordnet ist, daß es die Absorptionszelle CL 1 sicher für den Durchgang des Ausgangslichts der opto-akustischen Ablenkeinrichtung UM 1 umgibt. Mit dem Bezugszeichen 201 ist ein Temperaturmeßelement zum Messen einer Temperatur um das Absorptionselement CL 1 herum gekennzeichnet. Der Ausgang des Temperaturmeßelements 201 wird dem Eingang einer Temperatureinstelleinrichtung 211 zugeführt. Ein Heizelement 221 wird durch die Ausgänge der Temperatureinstelleinrichtung 211 beaufschlagt. Die Temperatur des Luftraums, der von der Weichmagnetplatte 23 und dem adiabatischen Material umschlossen ist, wird mittels des Temperaturmeßelements 201, der Temperatureinstelleinrichtung 211 und des Heizelements 221 so gesteuert, daß sie unveränderlich ist.

Beim oben beschriebenen Aufbau wird der Ausgang bezüglich der Veränderungen in der Umgebungstemperatur stabil und der Magnetschirm wird mittels der Weichmagnetplatte verwirklicht. Damit ergibt sich keine Möglichkeit, bei der das Absorptionsspektrum eine Zeeman-Aufteilung aufgrund des Außenmagnetfelds zur Folge hat und die Frequenz des Ausgangslichts dadurch verändert wird. Auch die Kurvenform wird nicht verzerrt und Einflüsse des Magnetismus werden nicht ausgeübt. Da es nicht erforderlich ist, daß die gesamte Vorrichtung in einem Magnetschirmgehäuse angeordnet ist, ist es möglich, die Vorrichtung hinsichtlich der Größe klein zu halten.

Bei der in Fig. 24 dargestellten Ausführungsform ist die Anordnung so, daß zwei Schalen aus Weichmagnetplatten 23 und eine Schale aus adiabatischem Material 24 vorgesehen werden. Jedoch ist auch eine Schale aus der Weichmagnetplatte 23 zur Vorsorge zulässig und eine Vielzahl von gleichen Platten 23 können übereinander angeordnet werden. Wenn in diesem Fall die dünnen Weichmagnetplatten 23 und die adiabatischen Schichten 24 alternativ laminiert werden, so kann der Magnetschirmeffekt verbessert werden.

Wenn sich die Umgebungstemperatur nicht zu sehr ändert, so kann das Heizelement 221 weggelassen werden.

Fig. 25 zeigt ein Blockschaltbild einer sechzehnten Ausführungsform der Erfindung, bei der die zu den Ausgängen der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung gehörenden Wellenlängen mehrfach eingesetzt sind. Der Aufbau ist so, daß der Strahlungsfluß des Ausgangslichts der Halbleiterlaser LD 1 und LD 2 durch die Lichtstrahlverteiler BS 1 und BS 2 aufgeteilt wird und ein Teil davon als Lichtausgänge verwendet wird. Der Rest des so aufgeteilten Lichtflusses wird in die entsprechenden opto-akustischen Ablenkvorrichtungen UM 1 bzw. UM 2 eingeleitet. Die Ausgänge der opto-akustischen Ablenkvorrichtungen UM 1 und UM 2 werden unter Verwendung der Lichtstrahlverteiler BS 3 und BS 4 miteinander kombiniert und dann in die Absorptionszelle CL 1 eingeführt. In der Absorptionszelle CL 1 ist eine Substanz enthalten, die die Laserstrahlen mit mehrfachen Wellenlängen absorbiert, wobei die Substanz beispielsweise Cäsium (Cs), Rubidium (Rb), Ammonium (NH₃) oder Wasser (H₂O) betrifft. Das heißt eine Vielzahl von Absorptionsspektren werden in dem Licht geschaffen, das die Absorptionszelle CL 1 durchläuft. Die die Absorptionszelle CL 1 durchlaufenden Laserstrahlen werden vom lichtempfangenden Element PD 1 in elektrische Signale entsprechend der empfangenen Lichtleistung umgewandelt. Die so umgewandelten elektrischen Signale werden den Lock-in-Verstärkern LA 11 und LA 12 eingegeben und auch den Steuerschaltungen CT 21 und CT 22 für den elektrischen Strom hinzugefügt. Die Ausgänge der Steuerschaltungen CT 21 und CT 22 für den elektrischen Strom werden den Halbleiterfasern LD 1 und LD 2 zugeführt. Da der anzulegende elektrische Strom durch die Signale vorgeschrieben wird, die von den entsprechenden Steuerschaltungen CT 21 und CT 22 für den elektrischen Strom anliegen, werden die Oszillationsfrequenzen der Halbleiterlaser LD 1 und LD 2 durch diese Werte des elektrischen Stroms bestimmt. Ein Oszillator SG 2 (die Frequenz f _D ist beispielsweise 80 MHz) ist über die Schalter SW 1 bzw. SW 2 mit den oben genannten opto-akustischen Ablenkvorrichtungen UM 1 bzw. UM 2 verbunden. Die Ausgänge der Oszillatoren SG 11 bzw. SG 12 (beispielsweise fm ₁ = 2 kHz bzw. fm ₂ = 2,5 kHz) sind mit den Schaltern SW 1 bzw. SW 2 verbunden. Damit wird die Oszillationswellenlänge des durch die opto-akustischen UM 1 bzw. UM 2 hindurchgetretenen Lichts mit der Frequenz fm ₁ bzw. fm ₂ moduliert. Die Ausgänge der Oszillatoren SG 11 bzw. SG 12 sind mit den Lock-in-Verstärkern LA 11 bzw. LA 12 verbunden und werden dann mit der Frequenz fm ₁ bzw. fm ₂ synchron gleichgerichtet. Eine Steuereinrichtung besteht aus der Steuerschaltung CT 21 bzw. CT 22 für den elektrischen Strom und dem Lock-in- Verstärker LA 11 bzw. LA 12.

Die Betriebweise des oben beschriebenen Halbleiterlaser- Wellenlängenstabilisators wird nachfolgend beschrieben.

Beim nachfolgenden Beispiel wird Cäsium (Cs) als Absorptionssubstanz in der Absorptionszelle CL 1 verwendet.

Das Ausgangslicht des Halbleiterlasers LD 1 wird durch den Lichtstrahlverteiler BS 1 zweiseitig aufgespalten. Das Reflektionslicht wird zu dem nach außen emittierenden Ausgangslicht, während das durchgelassene Licht auf die opto-akustische Ablenkvorrichtung UM 1 auftrifft. Wie im Falle der in Fig. 2 beschriebenen Vorrichtung wird das Ausgangslicht des Halbleiterlasers LD 1 mit der Frequenz q ₁ mittels der opto-akustischen Ablenkvorrichtung UM 1 einer Frequenzmodulation unterzogen, wobei die Modulationsfrequenz fm ₁ und der Modulationsgrad f _D ist. Danach trifft das so modulierte Ausgangslicht auf die Absorptionszelle CL 1 auf. In ähnlicher Weise wird das Ausgangslicht mit der Frequenz q ₂, das vom Halbleiterlaser LD 2 emittiert wird, mittels der opto-akustischen Ablenkvorrichtung UM 2 einer Frequenzmodulation unterzogen, wobei die Modulationsfrequenz fm ₂ und der Modulationsgrad f _D sind. Danach trifft das Ausgangslicht auf die Absorptionszelle CL 1.

Wenn das Licht mit den Frequenzen γ ₁ und γ ₂ durch die in der Absorptionszelle CL ₁ vorhandenen Cs-Atome hindurchtritt, so ergeben sich bezüglich der Menge des durchgelassenen Lichts die in Fig. 4 dargestellten Absorptionssignale, die den Veränderungen von γ ₁ bzw. γ ₂ entsprechen. Folglich nehmen die Ausgangswellenformen der Lock-in-Verstärker LA 11 bzw. LA 12 die in den Fig. 26 bzw. 27 dargestellten Kurven an, wobei die von dem lichtempfangenden Element PD 1 ausgesendeten Signale (Fig. 4) differenziert werden.

Wenn Licht mit der Frequenz γ ₁ mit der Modulationsfrequenz fm ₁ und Licht mit der Frequenz γ ₂ in ähnlicher Weise mit der Modulationsfrequenz fm ₂ moduliert werden, und wenn die Lock-in-Verstärker LA 11 bzw. LA 12 synchron mit der Modulationsfrequenz fm ₁ bzw. fm ₂ (dabei werden fm ₁ bzw. fm ₂ so eingestellt, daß die Formel k · fm ₁ ≠≠ n · fm ₂ (k, n sind dabei ganze Zahlen) gilt) synchron gleichgerichtet werden, so ist der Einfluß des Lichts mit der Frequenz γ ₁ im Ausgang des Lock-in- Verstärkers LA 11 nicht vorhanden und in ähnlicher Weise tritt der Einfluß des Lichts mit der Frequenz γ ₂ im Ausgang des Lock-in-Verstärkers LA 12 nicht auf. Somit nehmen die Ausgänge der Lock-in-Verstärker LA 11 bzw. LA 12 individuell die in den Fig. 26 (Ausgang des Lock-in-Verstärkers LA 11) bzw. 27 (Ausgang des Lock- in-Verstärkers LA 12) dargestellten Kurvenformen an. Wenn die Oszillationsfrequenzen der Halbleiterlaser LD 1 bzw. LD 2 durch die Steuerschaltungen CT 21 bzw. CT 22 für den elektrischen Strom so gesteuert werden, daß der Ausgang des Lock-in-Verstärkers LA 11 auf dem Punkt A nach Fig. 26 und der Ausgang des Lock-in-Verstärkers LA 12 auf dem Punkt B nach Fig. 27 liegt, so sind die von den Ausgängen abgenommenen Laserstrahlen dadurch gekennzeichnet, daß ihre Wellenlänge etwa bei 852,112 nm liegt, wobei zwei Lichtflüsse mit zwei Wellenlängen erhalten werden, die voneinander um 9,2 GHz unterschiedlich sind.

In dem so gestalteten Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator ist es bei einem einfachen Aufbau unter Verwendung einer Absorptionszelle möglich, die Laserstrahlen mit einer Vielzahl von stabilen Wellenlängen auszugeben.

Es wird nun ein Fall beschrieben, bei dem Rb anstelle von Cs verwendet wird. Wie im Falle von Cs hat das Basisniveau eine Infinitesimalstruktur mit F = 1 bzw. F = 2. Die Frequenz, bei der die Absorption von F = 1 bewirkt wird, sei γ ₁ und die Frequenz, bei der die Absorption von F = 2 bewirkt wird, sei γ ₂. Damit gilt

Δγ = γ ₁-γ ₂

was definiert ist als eine Differenz zwischen γ ₁ und γ ₂, wobei Δγ = 6,8 GHz im Falle von 87_Rb und Δγ ≈ 3 GHz im Falle von 85_Rb ist. Unter Verwendung von D₁- Strahlen (eine Anregung vom Niveau 5S_1/2 auf das Niveau 5P_3/2 impliziert 794,7 nm) von Rb und D₂ Strahlen (eine Anregung von einem Niveau 5S_1/2 auf ein Niveau 5P_1/2 impliziert 780,0 nm) von Rb, gilt die Gleichung Δλ = 14,7 nm. Beim Hindurchtreten durch Cs und Rb ergibt sich der Ausdruck

Δλ = 852,1-780 (oder 794,7) = 72,1 (oder 57,4) nm.

Darüber hinaus können auch Molekularabsorptionsstrahlen von H₂O und NH₃ oder dergleichen verwendet werden.

Die Zahl der Halbleiterlaser ist nicht auf zwei beschränkt. Wenn die Laser zahlenmäßig zunehmen, so können sie hinsichtlich des Typs durch Kombination mit den oben beschriebenen Frequenzen diversifiziert werden. In einem solchen Fall müssen die opto-akustische Ablenkvorrichtung, der Lock-in-Verstärker, der Oszillator und die Steuerschaltung für den elektrischen Strom entsprechend hinzugefügt werden.

Bei Verwendung des in Fig. 28 dargestellten Aufbaus, der die siebzehnte Ausführungsform der Erfindung darstellt, ist es, da die Doppler-Verbreiterung aufgrund der oben erwähnten Sättigungsabsorptionsspektroskopie verschwindet, möglich, die im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebene Infinitesimalstruktur zu unterscheiden. Folglich wird das Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers erhalten, das auf der in Fig. 10 dargestellten Infinitesimalstruktur basiert, so daß Δγ weiter vermindert werden kann, in Abhängigkeit von der Stellung, an der die Einrastung erfolgen soll. Der gestrichelt dargestellte Teil in Fig. 28 ist von Fig. 25 verschieden. Es handelt sich dabei um Lichtstrahlverteiler BS 5 bis BS 9, Lichtaufnahmeelemente PD 11 bzw. PD 2 und einen Differenzverstärker DA 1. Die Ausgänge dieses Differenzverstärkers DA 1 werden den Lock-in-Verstärkern LA 11 bzw. LA 12 zugeführt.

Die höhere Harmonische der Frequenz fm ₁ oder dergleichen kann als Frequenz eines Signals verwendet werden, das dem in Fig. 25 dargestellten Lock-in-Verstärkers zugeführt wird. Wenn in diesem Fall eine Dreifach-Harmonische verwendet wird, so ergibt sich der Effekt, bei dem die Vorspannungskomponenten der in den Fig. 26 bzw. 27 dargestellten Lock-in-Verstärker verschwinden.

Wenn ein Polarisationslichtstrahlverteiler anstelle des Lichtstrahlverteilers in Fig. 25 verwendet wird, so erhalten die Laserausgangsstrahlen orthogonale polarisierte Kurvenformen.

Fig. 29 zeigt ein Blockschaltbild einer achzehnten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Laserausgangswellenlänge so verändert wird, daß sie dem Eingangssignal entspricht. Eine Spule CI 1, die von Fig. 2 verschieden ist, stellt eine Magneteinrichtung dar. Diese Spule CI 1 weist zwei Enden auf, denen ein wellenlängenvariables Eingangssignal Sin zugeführt wird, wobei die Spule CI 1 um die Absorptionszelle CL 1 gewickelt ist. Wie im Falle der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung wird das Ausgangslicht des Halbleiterlasers durch eine stabile Frequenz von q _s-f _D/2 gesteuert. Bei Anlegung des wellenlängenvariablen Eingangssignals Sin an beide Enden der Spulen CI 1 fließt der elektrische Strom durch die Spule CI 1, wodurch ein Magnetfeld erzeugt wird, dessen Größe dem Signal Sin entspricht. Aufgrund dieses Magnetfelds bewirkt das Absorptionsspektrum der Vergleichssubstanz innerhalb der Absorptionszelle CL 1 die Zeeman-Trennung, wodurch die Absorptionswellenlänge verändert wird. Entsprechend den Änderungen der Absorptionswellenlänge ändert sich die Ausgangswellenlänge des Halbleiterlasers LD 1, der mit dem Absorptionsstrahl eingerastet ist. Es ist deshalb möglich, die Wellenlänge des vom Lichtstrahlverteiler BS 1 ausgegebenen Laserausgangslichts mittels des wellenlängenveränderlichen Eingangssignals Sin zu verändern.

Die so gebildete wellenlängenvariable Laserlichtquelle hat den besonderen Vorteil, daß die Wellenlänge variabel gemacht wird, während ein stabiler Zustand (stabil auch für den Augenblickswert) beibehalten wird, in dem das Halbleiterlaser-Ausgangslicht mit dem Absorptionssignal der Vergleichssubstanz einrastet.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird eine Spule als Magneteinrichtung verwendet. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. So kann beispielsweise die relative Position dadurch verändert werden, daß ein Permanentmagnet in der Nähe der Absorptionszelle CL 1 oder entfernt davon angeordnet ist, und ein entsprechendes Eingangssignal Sin anliegt.

Fig. 30 zeigt ein Blockschaltbild eines wesentlichen Teils einer neunzehnten Ausführungsform der Erfindung, bei der der Teil A (vgl. Fig. 29) so angeordnet ist, daß eine Sättigungsabsorption anstelle einer Linearabsorption wie in Fig. 29 bewirkt wird. Das von der opto- akustischen Ablenkvorrichtung UM 1 modulierte Licht trifft - als Pumplicht - über den Lichtstrahlverteiler BS 10 auf die Absorptionszelle CL 1 und das durch die Absorptionszelle CL 1 hindurchgetretene Licht wird dann an einem Spiegel M 2 reflektiert und kehrt auf den vorhergehenden Lichtweg zurück. Das so zurückgekehrte, als Probenlicht dienende Licht trifft noch einmal auf die Absorptionszelle CL 1 auf. Das übertragene Licht reflektiert am Lichtstrahlverteiler BS 10, wodurch das Sättigungsabsorptionssignal mittels des Fotodetektors PD 12 festgestellt wird. Die anderen Vorgänge sind die gleichen wie bei der in Fig. 29 dargestellten Vorrichtung.

Wenn das wellenlängenvariable Eingangssignal Sin an beide Enden der Spule CL 11 - wie im Falle der in Fig. 29 dargestellten Vorrichtung - angelegt wird, bewirkt das Absorptionsspektrum der Vergleichssubstanz innerhalb der Absorptionszelle CL 1 die Zeeman-Trennung, wodurch die Sättigungsabsorptionslänge sich ändert. In den Fig. 31 bis 33 (m _F ist der Name des Energieniveaus, an dem die Zeeman-Trennung durch Magnetmodulation durchgeführt wird) sind Aspekte der Zeeman-Trennung der entsprechenden Energieniveaus von Cs dargestellt. Fig. 31 zeigt ein Diagramm mit einer Kennlinie der Zeeman-Trennung beim Anregungsniveau 6²P_3/2 von Cs. Fig. 32 zeigt ein Diagramm einer Kennlinie der Zeeman-Trennung bei einem Niveau einer Infinitesimalstruktur von F = 4, bei der der Basiszustand von Cs = 6²S_1/2 ist. Fig. 33 zeigt ein Diagramm einer Kennlinie der Zeeman-Trennung bei einem Niveau einer Infinitesimalstruktur von F = 3, bei der der Grundzustand von Cs bei 6²S_1/2 liegt. Wenn beispielsweise die Frequenz des Halbleiterlasers LD 1 auf das Absorptionsspektrum eingeregelt wird, das bei einer Verschiebung von F = 3 von 6²S_1/2 auf F = 2 bei 6²P_3/2 erhalten wird, verschiebt sich das Absorptionsspektrum zum Zeitpunkt des Anlegens des Magnetfelds an die Absorptionszelle CL 1 zu niedrigeren Frequenzen hin. Dies hat zur Folge, daß die Oszillationsfrequenz des Halbleiterlasers LD 1 gleichzeitig zu den unteren Frequenzen hin verschoben wird.

Bei der so aufgebauten Vorrichtung ist außer den Merkmalen, die in der in Fig. 29 dargestellten Vorrichtung inhärent sind, ein zusätzliches Merkmal darin zu sehen, daß die Veränderungen in der Sättigungsabsorptionsfrequenz bezüglich Änderungen in der Größe des Magnetfelds groß sind und damit die Empfindlichkeit zunimmt. Dies bedeutet, daß, da die Breite des Absorptionsspektrums in der in Fig. 29 im Vergleich zu der nach Fig. 30 groß ist, die Ausgangsfrequenz nur auf den Mittelwert der Energieniveaus (beispielsweise F = 3 bis 5 nach Fig. 31) der Infinitesimalstruktur eingeregelt werden kann. Folglich wird die Empfindlichkeit kleiner als bei der in Fig. 30 dargestellten Ausführungsform.

Fig. 34 zeigt ein Blockschaltbild einer zwanzigsten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Schaltungen des Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisators integriert sind, was im nachfolgenden als IC-Formation bezeichnet wird. Mit dem Bezugszeichen 30 ist ein Substrat eines Foto-ICs bestehend aus beispielsweise GaAs oder dergleichen gekennzeichnet. Bauteile, die auf diesem Substrat ausgebildet sind, werden nachfolgend beschrieben. LD 10 stellt einen Halbleiterlaser dar. Mit dem Bezugszeichen 31 ist ein Lichtwellenleiterweg gekennzeichnet, auf den das Ausgangslicht des Halbleiterlasers fällt. Mit UM 10 ist ein opto-akustisches Ablenkteil (Ultraschallablenkteil) gekennzeichnet, auf dem das vom Lichtwellenleiterweg 31 austretende Licht auftrifft. Mit dem Bezugszeichen 32 ist ein weiterer Lichtwellenleiterweg gekennzeichnet, in den das Ausgangslicht des opto-akustischen Ablenkteils UM 10 eingeleitet wird. CL 10 stellt ein Absorptionsteil dar, das eine Vergleichssubstanz (es handelt sich hier um Cs) enthalten ist, die Licht mit einer bestimmten Wellenlänge absorbieren kann. Das vom Lichtwellenleiterweg 32 austretende Licht trifft auf dieses Absorptionsteil CL 10 auf. Mit PD 10 ist ein Lichtaufnahmeteil gekennzeichnet, auf das das vom Absorptionsteil CL 10 austretende Licht auftrifft. Mit dem Bezugszeichen 33 ist ein Steuerteil zur Eingabe der elektrischen Ausgangssignale des Lichtaufnahmeteils PD 10 gekennzeichnet. Im Steuerteil 33 stellt LA 10 eine Lock-in-Verstärkerschaltung, deren Eingang mit dem Ausgang des Lichtaufnahmeteils PD 10 verbunden ist, und CT 20 eine Steuerschaltung für den elektrischen Strom dar, die eine PID- Reglerschaltung aufweist, deren Eingang mit dem Ausgang der Lock-in-Verstärkerschaltung LA 10 und deren Ausgang mit dem Injektionseingang für den elektrischen Strom des oben erwähnten Halbleiterlasers LD 10 verbunden ist. SG 10 stellt eine Signalgeneratorschaltung (Oszillationsschaltung) mit einer Frequenz fm (beispielsweise 2 kHz) dar. Der eine Ausgang der Signalgeneratorschaltung SG 10 dient als Bezugssignaleingang der oben beschriebenen Lock-in-Verstärkerschaltung LA 10. Mit SG 20 ist eine zweite Signalgeneratorschaltung (Oszillationsschaltung) mit einer Frequenz f _D (beispielsweise 80 MHz) gekennzeichnet, deren Ausgang mit dem oben erwähnten opto- akustischen Ablenkteil UM 10 verbunden und die durch die Ausgänge der ersten Signalgeneratorschaltung SG 10 moduliert wird.

Die Betriebsweise der so aufgebauten Vorrichtung ist gleich wie die des Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisators nach Fig. 2.

Der so aufgebaute Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator weist das Merkmal auf, daß eine Integration in einen Chip möglich und damit die Vorrichtung hinsichtlich der Größe vermindert werden kann, wodurch die Massenproduktion ermöglicht und die Einstellung leicht gemacht wird.

Fig. 35 zeigt eine Tabelle einer konkreten Methode zur Verwirklichung der entsprechenden Komponenten der in Fig. 34 dargestellten Vorrichtung. Beispielsweise besteht eine Steuerschaltung für den elektrischen Strom aus einem monolithischen Aufbau in Falle eines Silikonsubstrats. In anderen Fällen gehört sie zu einem Hybridaufbau. Zur besseren Beschreibung werden im nachfolgenden konkrete Erklärungen gemacht.

Fig. 36 zeigt eine perspektivische Ansicht eines wesentlichen Teils eines konkreten Beispiels, bei dem der Halbleiterlaser LD 10 mit einem Foto-IC-Substrat 30 auf der Basis eines monolithischen Aufbaus verwirklicht ist. Fig. 38 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren Beispiels. In Fig. 37 wird die auf dem Foto-IC-Substrat 30 ausgebildete Endfläche des Wellenleiterwegs 31 direkt mit dem Ausgangslicht des Halbleiterlasers LD 10 bestrahlt. In Fig. 38 ist das Ausgangslicht des Halbleiterlasers LD 10 so angeordnet, daß es über ein Prisma PR in den Wellenleiterweg 31 eingeführt wird.

Fig. 39 stellt eine Schnittansicht eines konkreten Beispiels dar, bei dem - in der Vorrichtung nach Fig. 34 - eine Ausnehmung durch Ätzen oder ähnliche Verfahren in der Oberfläche des Foto-IC-Substrats 30 ausgebildet ist. Ein Glasfilm 34 ist durch Glasbeschichtung oder thermische Oxydation auf dem Substrat 30 ausgebildet, eine Vergleichssubstanz befindet sich in der Ausnehmung und die Ausnehmung ist mit einer Glasplatte 35 mittels einer Schmelzverbindung (fusion bonding) bedeckt, so daß die Vergleichssubstanz im Absorptionsteil CL 10 eingeschlossen ist.

Fig. 40 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren konkreten Beispiels des Absorptionsteils CL 10 bezüglich der in Fig. 34 dargestellten Vorrichtung. Dabei wird ein Wellenleiterweg 32 auf dem Substrat 30 ausgebildet, das aus GaAs oder LiNbO₃ oder dergleichen besteht. Mittels unterkritischer Effekte ist die Vergleichssubstanz, die von der auf dem Wellenleiterweg 32 angeordneten Bedeckung 36 eingeschlossen ist, so angeordnet, daß das durch den Wellenleiterweg 32 hindurchtretende Ausgangslicht des Halbleiterlasers absorbiert wird. Dieses Beispiel ist insofern vorteilhaft, daß gegenüber der in Fig. 39 dargestellten Vorrichtung die Herstellung erleichtert wird.

Es ist hier anzumerken, daß das Fotodetektorteil bei allen oben beschriebenen Beispielen in den monolithischen Aufbau oder den Hybridaufbau eingebracht werden kann.

Fig. 41 zeigt eine Draufsicht auf den Aufbau der einundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung, wobei das Spektrum im Vergleich zu der in Fig. 34 dargestellten Vorrichtung kleiner gemacht wurde. Auf dem Foto- IC-Substrat 30 sind zusätzlich vorgesehen: ein Lichtverzweigungsteil OB 1 zur Abzweiung eines Teils des Lichtflusses des Ausgangslichts des Halbleiterlasers LD 10, ein Lichtresonanzteil FP 1, das aus einem Fabry- Perot-Etalon besteht, das das mittels des Lichtverzweigungsteils OB 1 abgezweigte Ausgangslicht verarbeitet, ein zweites Fotodetektorteil PD 3, auf dem das Ausgangslicht des Lichtresonanzteils FP 1 auftrefft, und ein Breitbandbereich-Verstärkungsteil A 2 zur Verstärkung der elektrischen Ausgangssignale des Fotodetektorteils PD 3 und Rückführung der so verstärkten Ausgangssignale zum elektrischen Injektionsstrom bzw. Speisestrom des Halbleiterlasers LD 10. Bei diesem Beispiel ist das Breitband- Verstärkungsteil A 2 (dies ist in Fig. 41 der Einfachheit halber nur grob dargestellt) im Steuerteil 330 vorgesehen. Eine Resonanzkurve - eine von der Mittenfrequenz abweichende Stelle - des Lichtresonanzteils FP 1 wird mit einer Oszillationswellenlänge des Halbleiterlasers DL 10 in Übereinstimmung gebracht. Im Ausgangslicht des Halbleiterlasers LD 10 enthaltende Phasenstörungen werden durch den Fotodetektor PD 3 nach deren Umwandlung in amplitudenmodulierte Signale festgestellt und die elektrischen Ausgangssignale davon werden über den Breitbandbereichverstärker A 2 mit einem Bandbereich breiter als die Breite des Spektrums des Halbleiterlaserstrahls negativ zum Speisestrom (Injektionsstrom) des Halbleiterlasers LD 10 zurückgeführt, wodurch die Phasenstörungen des Halbleiterlasers LD 10 so begrenzt werden, daß das Spektrum noch enger wird (M. Ohtsu und S. Kotajima; IEEE Journal of Quantum Electronics Vol. QE-21, No. 12 December, 1985).

Fig. 42(A) und 42(B) zeigen perspektivische Ansichten eines wesentlichen Teils eines konkreten Beispiels des Fabry-Perot-Resonators FP 1, der auf einem Foto-IC-Substrat 300 in der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung vorgesehen ist. Fig. 42(C) zeigt eine Draufsicht auf diesen wesentlichen Teil. In Fig. 42(A) ist eine Öffnung 70 in einem Teil eines Wellenleiterwegs 61 ausgebildet, der auf dem Substrat 300 vorgesehen ist. Zwei Flächen 81, die teilweise die Öffnung 70 bilden und einander gegenüber angeordnet sind, sind mit Reflexionsschichten bedeckt, wodurch ein Resonator gebildet wird. In Fig. 42(B) sind zwei als Wellenleiterwege dienende Stege 62 so im Abstand zueinander angeordnet, daß sie in Reihe auf dem Substrat 300 plaziert sind. Die Endflächen 82 dieser Stege 62 sind einander gegenüber angeordnet und sind mit Reflexionsschichten bedeckt, die Resonatoren darstellen. In Fig. 42(C) ist ein Material mit einem hohen Brechungsindex in einen Teil des auf dem Substrat 300 ausgebildeten Wellenleiterwegs 63 dotiert, wodurch ein Resonanzteil 83 gebildet wird.

Fig. 43 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Aufbaus eines konkreten Beispiels des wesentlichen Teils einer Vorrichtung zur Einstellung der Resonanzfrequenz des Lichtresonanzteils FP 1 in der in Fig. 42(C) dargestellten Vorrichtung. In Fig. 43 sind auf beiden Seiten des auf dem Substrat 300 ausgebildeten Resonanzteils 83 Elektroden 90 vorgesehen, wobei die effektive Länge des Resonanzteils 83 durch Änderung des Brechungsindexes des Resonanzteils 83 mittels des zwischen den oben beschriebenen Elektroden 90 anliegenden elektrischen Stromes verändert wird. Als weiteres Mittel zur Einstellung der Resonanzfrequenz gibt es ein Verfahren, bei dem ein Dünnfilmwiderstand für ein Heizelement in enger Nachbarschaft zum Lichtresonanzteil auf dem Substrat ausgebildet ist und bei dem die Länge des Resonators mittels thermischer Expansion verändert wird. Zusätzlich dazu wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine ferroelektrische Substanz, also ein Material mit hohem Brechungsindex, dotiert und der Brechungsindex mittels eines anliegenden elektrischen Felds im gleichen Aufbau wie in Fig. 43 verändert wird.

Im Falle der Steuerung der Temperatur des Halbleiterlasers LD 10 und des Lichtresonanzteils FP 10 auf einen voreingestellten Weg werden die Dünnfilmwiderstände entsprechend als Heizelemente verwendet. In diesem Fall ist es wünschenswert, daß die Heizelemente so weit voneinander entfernt wie möglich angeordnet sind, so daß sie sich gegenseitig nicht stören.

Bei den in den Fig. 34 bis 43 dargestellten Ausführungsformen wird die Linearabsorptionsmethode zur Stabilisierung der Laserwellenlänge verwendet. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, die Vorrichtung unter Verwendung der Sättigungsabsorptionsmethode in die IC- Formation einzubringen.

Fig. 44 zeigt ein Blockschaltbild eines Aufbaus einer zweiundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Absorptionswellenlänge der Vergleichssubstanz mittels des Magnetfelds moduliert wird. Im nachfolgenden werden die Punkte beschrieben, die gegenüber der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung unterschiedlich sind. CI 1 stellt eine um die Absorptionszelle CL 1 gewickelte Spule dar, also eine ein Magnetfeld erzeugende Einrichtung. Der Ausgang des vom Lichtstrahlverteiler BS 1 durchgelassenen Lichts trifft auf die Absorptionszelle CL 1. Die Ausgänge des Signalgenerators SG 1, der dazu da ist, daß ein elektrischer Strom fließt, der durch die oben erwähnte Spule CI 1 mit der Frequenz fm (beispielsweise 2 kHz) moduliert wird, dienen als Bezugssignale für den Lock-in-Verstärker LA 1. Bei Anlegen der Ausgänge des Signalgenerators SG 1 an die beiden Enden der Spulen CI 1 beginnt ein durch die Spule CI 1 modulierter elektrischer Strom zu fließen, wodurch ein Magnetfeld erzeugt wird, dessen Intensität mit der Frequenz fm variiert. Entsprechend den Änderungen dieses Magnetfelds ändert sich die Absorptionswellenlänge der Vergleichssubstanz innerhalb der Absorptionszelle CL 1 durch die Zeeman-Trennung. Als Ergebnis treffen Laserstrahlen auf die Absorptionszelle CL 1, wobei am Ausgang Signale anliegen, wenn die Menge des durchgelassenen Lichts nur an der Stelle des Absorptionssignals moduliert ist, wie es erläuternd in Fig. 45 dargestellt ist. Es wird hier angenommen, daß das Magnetfeld in einem Bereich von 0 bis zu einem bestimmten Wert bei der Frequenz fm moduliert wird. γ _s ist die Absorptionsfrequenz, wenn der elektrische Ausgangsstrom 0 ist, das heißt, das Magnetfeld 0 ist. F _D ist der Grad, mit dem sich die Absorptionsfrequenz mit der Zeit des Anlegens des Magnetfelds ändert. Dieses Signal wird mittels des Fotodetektors PD 1 in ein elektrisches Signal umgewandelt und wird dann mit der Frequenz fm im Lock-in-Verstärker LA 1 über den Verstärker A 1 synchron gleichgerichtet, wodurch eine Primär-Differentialkurvenform erhalten wird, wie sie in der Kennlinie nach Fig. 6 dargestellt ist. Wie im Falle der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung liefert der Ausgang des Halbleiterlasers eine stabile Frequenz von γ _s-f _D/2, wenn der Ausgang des Lock-in-Verstärkers LA 1 mit der Mitte der oben beschriebenen Primär-Differentialkurvenform einrastet bzw. auf diese eingeregelt wird. Entsprechend dem oben beschriebenen Halbleiterlaser- Wellenlängenstabilisator wird keine opto-akustische Ablenkeinrichtung verwendet und es ist daher auch möglich, nicht modulierte Ausgangssignale zu erhalten, die eine Kennlinie von hoher Stabilität auch für Augenblickswerte in einer kompakten Vorrichtung zeigen, die mit niedrigen Kosten hergestellt werden kann. Da keine opto-akustische Ablenkeinrichtung verwendet wird, ergeben sich Vorteile insofern, als sich nur eine geringe Wärmemenge entwickelt und die verbrauchte Leistung vermindert werden kann.

Darüber hinaus ist es praktikabel, die Sättigungsabsorption anstelle der Linearabsorption durch Anwendung des in Fig. 30 dargestellten Aufbaus auf den Teil B nach Fig. 44 anzuwenden. Die Vorrichtung mit einem derartigen Aufbau führt - außer den Merkmalen der in Fig. 44 dargestellten Vorrichtung - zu dem Vorteil, daß das Sättigungsabsorptionsspektrum selbst in einem schwachen Modulationsmagnetfeld verändert werden kann, da die Änderungen in der Sättigungsabsorptionsfrequenz bezüglich der Änderungen in der Größe des Magnetfelds groß sind, das heißt die Empfindlichkeit der Änderungen des Magnetfelds ist groß.

Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß es mit der Erfindung möglich ist, mit einem einfachen Aufbau einen Halbleiterlaser zu verwirklichen, bei dem die Oszillationsfrequenz bezüglich des Augenblickswerts hochstabil ist.

Claims

1. Verfahren zur Stabilisierung der Wellenlänge eines Halbleiterlasers durch Steuerung bzw. Einrasten der Wellenlänge auf eine Absorptionslinie einer Vergleichs- bzw. Normsubstanz, dadurch gekennzeichnet,
daß das vom Halbleiterlaser emittierte modulationsfreie Licht auf eine Absorptionszelle auftrifft,
daß das von der Absorptionszelle durchgelassene Licht auf der Basis eines von einer Modulationseinrichtung erzeugten Frequenzmodulationssignals aufgrund der Absorptionseigenschaften der Absorptionszelle amplitudenmoduliert wird,
daß das von der Absorptionszelle durchgelassene Licht mittels eines Fotodetektors in elektrische Signale umgewandelt wird und
daß eine Steuervorrichtung auf diesen Signalen basierende Signale vom Halbleiterlaser zuführt, durch die die Oszillationswellenlänge des Halbleiterlasers gesteuert wird.

2. Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator zur Stabilisierung der Wellenlänge eines Halbleiterlasers durch Steuerung bzw. Einrasten der Wellenlänge auf eine Absorptionsspektrallinie einer Vergleichs- bzw. Normsubstanz, dadurch gekennzeichnet, daß sie aufweist:
eine Modulationseinrichtung (UM 1), auf die ein Teil des Ausgangslichts des Halbleiterlasers (LD 1) auftrifft und die diesen Teile einer Frequenzmodulation unterzieht,
eine Absorptionszelle (CL 1) mit einer Vergleichssubstanz, durch die das von der Modulationseinrichtung (UM 1) einfallende Licht einer Absorption unterzogen wird,
ein Fotodetektor (PD 1) zur Umwandlung des durchgelassenen Lichts in elektrische Signale und
eine Steuereinrichtung (SG 1, SG 2, SW 1) zur Steuerung der Oszillationswellenlänge des Halbleiterlasers, wobei auf den elektrischen Ausgangssignalen des Fotodetektors PD 1 basierende Signale eingegeben werden.

3. Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er aufweist:
einen Lock-in-Verstärker (LA 1), dem elektrische Signale entsprechend den elektrischen Ausgangssignalen des Fotodetektors (PD 1) eingegeben werden und der eine synchrone Gleichrichtung bei einer Modulationsfrequenz der Modulationseinrichtung (SG 1, SG 2, SW 1) oder bei einer Frequenz mit einem ungeradzahligen Vielfachen davon durchführt, und
eine Steuerschaltung zur Steuerung des elektrischen Stroms oder der Temperatur des Halbleiterlasers derart, daß das Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers (LA 1) einen bestimmten Wert annimmt.

4. Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine opto-akustische Ablenkvorrichtung als Modulationseinrichtung verwendet wird.

5. Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasenmodulator mit einem opto-elektrischen Element als Modulationseinrichtung verwendet wird.

6. Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Rb oder Cs als Vergleichs- oder Normsubstanz verwendet werden.

7. Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reflexionsteil zur Reflexion des die Absorptionszelle durchlaufenden Lichts vorgesehen ist, mittels dem das Licht noch einmal zum Einfall auf die Absorptionszelle gebracht wird.

8. Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Absorptionszelle aus einem Gefäß aus lichtdurchlässigem Material besteht, wobei die Oberfläche des Gefässes, auf die das Licht einfällt, und die Oberfläche, von der das Licht austritt, in einem vorbestimmten Winkel zu einer Ebene senkrecht zur Zentralachse des Gefässes geneigt sind.

9. Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Ausgangslichts des Halbleiterlasers zum Einfall auf eine optische Faser gebracht wird, die die Vergleichssubstanz innerhalb der Absorptionszelle durchläuft und daß unterkritische Teile des durch die optische Faser wandernden Lichts verwendet werden.

10. Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Fotodetektor und dem Halbleiterlaser ein veränderlicher Verstärker angeordnet ist, der durch Signale bezüglich der Ausgangssignale des Fotodetektors gesteuert wird.

11. Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperatursteuereinrichtung zur Steuerung der Temperatur der Absorptionszelle auf einen vorbestimmten Wert vorgesehen ist.

12. Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionszelle mindestens mit einer Folie bzw. Blatt einer Schicht aus magnetischem Material und einer Folie bzw. Blatt einer adiabatischen Schicht überzogen ist.

13. Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zum Anlegen eines Magnetfelds mit einer Größe entsprechend einem Eingangssignal der Absorptionszelle vorgesehen ist und daß der Laserstrahl, dessen Wellenlänge sich entsprechend dem Eingangssignal ändert, ausgegeben wird.

14. Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator zur Stabilisierung der Wellenlänge eines Halbleiterlasers durch Steuerung bzw. Einrasten der Wellenlänge auf eine Absorptionsspektrallinie einer Vergleichs- bzw. Normsubstanz, dadurch gekennzeichnet, daß sie aufweist:
eine Vielzahl von Modulationseinrichtungen, auf die Teile der Strahlungsflüsse des Ausgangslichtes einer Vielzahl von Halbleiterlasern auftreffen und die diese Teile einer Frequenzmodulation mit verschiedenen Modulationsfrequenzen unterziehen,
eine Absorptionszelle mit einer Vergleichssubstanz, durch die das von einer Vielzahl von Modulationseinrichtungen einfallende Ausgangslicht einer Absorption bei einer Vielzahl von bestimmten Wellenlängen unterzogen wird,
ein Fotodetektor zum Umwandeln des von der Absorptionszelle durchgelassenen Lichts in elektrische Signale und
eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Oszillationswellenlänge des Halbleiterlasers durch Eingabe von Signalen, die auf den elektrischen Ausgangssignalen des Fotodetektors basieren.

15. Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator zur Stabilisierung der Wellenlänge eines Halbleiterlasers durch Steuerung bzw. Einrasten der Wellenlänge auf eine Absorptionsspektrallinie einer Vergleichs- bzw. Normsubstanz, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem gleichen Substrat angeordnet sind:
eine Modulationseinrichtung, auf die über einen Lichtwellenleiterweg das Ausgangslicht des Halbleiterlasers auftrifft und die das Ausgangslicht des Halbleiterlasers extern moduliert,
ein Absorptionsteil mit einer Vergleichssubstanz, die eine Absorption bei einer bestimmten Wellenlänge bewirkt, wobei das Ausgangslicht der Modulationseinrichtung über einen Lichtwellenleiterweg auf das Absorptionsteil auftrifft,
ein Fotodetektorteil zum Umwandeln des vom Absorptionsteil durchgelassenen Lichts in elektrische Signale und eine Steuereinrichtung zum Steuern des elektrischen Stroms oder der Temperatur des Halbleiterlasers derart, daß sie den elektrischen Signalen bezüglich der elektrischen Ausgangssignale des Fotodetektorteils entsprechen.

16. Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsteil von einem Glasfilm gebildet wird, der auf einer in der Oberfläche des Substrats gebildeten Ausnehmung durch Glasbeschichtung oder Oxydation aufgebracht ist, und daß das Absorptionsteil die Vergleichssubstanz mittels einer Glasplatte einschließt.

17. Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsteil einen auf einem Glassubstrat vorgesehenen Wellenleiterweg aufweist und das auf dem Ausgangslicht des Halbleiterlasers basierende Licht infolge der unterkritischen Wirkungen von der im Wellenleiterweg angeordneten Vergleichssubstanz absorbiert wird.

18. Halbleiter-Wellenlängenstabilisator nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen Lock-in-Verstärker aufweist, der eine synchrone Gleichrichtung bei einer Frequenz relativ zur Modulationsfrequenz der Modulationseinrichtung bewirkt.

19. Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine opto-akustische Ablenkvorrichtung als Modulationseinrichtung verwendet wird.

20. Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasenmodulator mit einem opto-elektrischen Element als Modulationseinrichtung verwendet wird.

21. Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat vorgesehen sind:
ein Lichtverzweigungsteil zum Abzweigen eines Teils des Ausgangslichts des Halbleiterlasers,
ein Lichtresonanzteil, auf das das vom Lichtverzweigungsteil abgezweigte Ausgangslicht einfällt,
ein zweites Fotodetektorteil, auf das das Ausgangslicht des Lichtresonanzteils auftrifft, und
ein Breitband-Verstärkungsteil zum Verstärken des elektrischen Ausgangssignals des Fotodetektorteils und Rückführen des elektrischen Ausgangssignals zum Injektions- bzw. Speisestrom des Halbleiterlasers.

22. Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator zur Stabilisierung der Wellenlänge eines Halbleiterlasers durch Steuerung bzw. Einrasten der Wellenlänge auf eine Absorptionsspektrallinie einer Vergleichs- bzw. Normsubstanz, dadurch gekennzeichnet, daß sie aufweist:
eine Absorptionszelle mit einer Vergleichssubstanz, die bei einer bestimmten Wellenlänge eine Absorption des Lichts bezüglich des Ausgangslichts des Halbleiterlasers bewirkt,
eine Einrichtung zum Anlegen eines Magnetfeldes an die Absorptionszelle,
eine Modulationseinrichtung zur Veränderung der Intensität des Magnetfelds von der Magnetfeldeinrichtung bei einer bestimmten Frequenz und
einen Fotodetektor zum Umwandeln des von der Absorptionszelle durchgelassenen Lichts in elektrische Signale, wobei der elektrische Strom oder die Temperatur des Halbleiterlasers durch Signale gesteuert werden, die sich auf elektrische Ausgangssignale des Fotodetektors beziehen.