JP2501484B2 - Wavelength stabilization laser device - Google Patents

Wavelength stabilization laser device

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JP2501484B2
JP2501484B2 JP21416890A JP21416890A JP2501484B2 JP 2501484 B2 JP2501484 B2 JP 2501484B2 JP 21416890 A JP21416890 A JP 21416890A JP 21416890 A JP21416890 A JP 21416890A JP 2501484 B2 JP2501484 B2 JP 2501484B2
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wavelength
optical
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light
interferometer
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義久 界
至 横浜
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

[産業上の利用分野] 本発明は、例えばコヒーレント光通信や光計測におけ
る波長基準として用いて好適な波長安定化レーザ装置に
関し、特に原子または分子気体の共鳴線および吸収線の
波長や光干渉計の波長を基準波長とし、この基準波長に
同期させたレーザ光を発振し得る波長安定化レーザ装置
に関するものである。 [従来の技術] 第4図は、従来の波長安定化レーザ装置の構成を示す
ブロック図である。第4図において符号1は半導体レー
ザ、2は波長基準媒体、3は受光器、4はロックインア
ンプ、5は発振器である。半導体レーザ1は発振器5に
より微小量、直接変調(周波数変調)される。この変調
された半導体レーザ1の一端面からの出射光6は波長基
準媒体2を通過し、受光器3において光電変換されて電
気信号に変えられる。この電気信号は、ロックインアン
プ4により発振器5の出力信号と比較、処理されて誤差
信号が得られる。この誤差信号は半導体レーザ1にフィ
ードバックされ、誤差信号に基づいて半導体レーザ1の
駆動電流を変えることによって、上述の波長基準媒体2
の基準波長に半導体レーザ1の中心発振波長を同期させ
てレーザ光の安定化を図るようにしている。ここで、上
述の波長基準媒体としては、クリプトンなどの原子の共
鳴線やアンモニアなどの分子の吸収線、光ファブリペロ
干渉計等の光干渉計などが用いられている。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a wavelength-stabilized laser device suitable for use as a wavelength reference in, for example, coherent optical communication or optical measurement, and particularly to wavelengths of resonance lines and absorption lines of atomic or molecular gas and optical interferometer The present invention relates to a wavelength-stabilized laser device capable of oscillating laser light synchronized with the reference wavelength. [Prior Art] FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a conventional wavelength stabilized laser device. In FIG. 4, reference numeral 1 is a semiconductor laser, 2 is a wavelength reference medium, 3 is a light receiver, 4 is a lock-in amplifier, and 5 is an oscillator. A small amount of the semiconductor laser 1 is directly modulated (frequency modulated) by the oscillator 5. The modulated emitted light 6 from one end surface of the semiconductor laser 1 passes through the wavelength reference medium 2 and is photoelectrically converted by the light receiver 3 to be converted into an electric signal. This electric signal is compared with the output signal of the oscillator 5 by the lock-in amplifier 4 and processed to obtain an error signal. This error signal is fed back to the semiconductor laser 1, and the drive current of the semiconductor laser 1 is changed based on the error signal, whereby the above-mentioned wavelength reference medium 2 is supplied.
The central oscillation wavelength of the semiconductor laser 1 is synchronized with the reference wavelength of 1 to stabilize the laser light. Here, as the above-mentioned wavelength reference medium, resonance lines of atoms such as krypton, absorption lines of molecules such as ammonia, and optical interferometers such as an optical Fabry-Perot interferometer are used.

【発明が解決しようとする課題】[Problems to be Solved by the Invention]

しかしながら、かかる従来の波長安定化レーザ装置で
は、波長基準媒体として、一般に波長間隔の大きい原子
の共鳴線を用いた場合、光通信等で使用される限られた
波長帯の範囲において数本の共鳴線しか利用できない欠
点があった。 また、多数の吸収線が存在する分子の吸収スペクトル
を利用する場合には、波長間隔が比較的大き過ぎて、レ
ーザ光の波長を吸収スぺクトル中の任意の波長に設定す
ることはできない欠点もあった。 さらに、ファブリペロ干渉計を用いる場合において
は、共振器長の設定によって任意の波長に設定できる
が、周囲温度の変化等の外乱によって、その光路長が変
化し、共振点がシフトするなど共振特性の変化してしま
う欠点があった。このように干渉計を用いた場合には、
原子の共鳴線や分子の吸収線を利用する場合と比較し
て、安定性にかける問題がある。 本発明の目的は、上述の技術的課題を解決すべく、レ
ーザ光を任意の波長で安定化できる波長安定化レーザ装
置を提供することにある。
However, in such a conventional wavelength-stabilized laser device, when a resonance line of an atom having a large wavelength interval is generally used as a wavelength reference medium, several resonances are used within a limited wavelength band used in optical communication and the like. There was a drawback that only lines could be used. Further, when utilizing the absorption spectrum of a molecule having a large number of absorption lines, the wavelength interval is relatively large and the wavelength of the laser beam cannot be set to an arbitrary wavelength in the absorption spectrum. There was also. Furthermore, when using a Fabry-Perot interferometer, it can be set to any wavelength by setting the resonator length, but the optical path length changes due to disturbance such as changes in ambient temperature, and the resonance point shifts. It had the drawback of changing. When using an interferometer like this,
There is a problem with stability as compared with the case of using the resonance line of atoms or the absorption line of molecules. An object of the present invention is to provide a wavelength stabilized laser device capable of stabilizing laser light at an arbitrary wavelength in order to solve the above technical problem.

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

本発明は、第1の半導体レーザと、該第1の半導体レ
ーザからの出射光の一部を周波数変調する第1の光周波
数変調手段と、該光周波数変調手段による周波数変調光
のうち所定の波長の光のみを吸収する媒体と、該媒体を
透過した光を光電変換する第1の光検出器と、該光検出
器からの入力信号と前記第1の光周波数変調手段からの
参照信号とに基づいて前記第1の光周波数変調手段を制
御して、前記第1の半導体レーザの出射光の波長を前記
媒体の吸収波長に同期させる第1のロックインアンプと
を備えた基準レーザ部と、複数の共振波長ピークを有し
かつ前記媒体の吸収波長に同期した前記第1の半導体レ
ーザからの出射光を受光する光干渉計と、該光干渉計の
光路長を調節する手段と、前記光干渉計からの透過光を
光電変換する第2の光検出器と、該光検出器からの入力
信号と前記基準レーザ部の第1の光周波数変調手段から
の参照信号とに基づいて前記光路長調節手段を制御し
て、前記第1の半導体レーザの出射光の波長に前記光干
渉計の共振波長ピークのいずれか1つの波長を同期させ
る第2のロックインアンプとを備えた干渉計部と、第2
の半導体レーザと、該第2の半導体レーザからの出射光
の一部を前記第1の光周波数変調手段と異なる周波数に
周波数変調する第2の光周波数変調手段と、前記干渉計
部の光干渉計を透過した前記第2の半導体レーザからの
出射光の残部が前記第2の光検出器により光電変換され
て得られる入力信号と前記第2の光周波数変調手段から
の参照信号とに基づいて前記第2の光周波数変調手段を
制御して、前記干渉計部の光干渉計の共振波長ピークの
いずれか1つの波長に前記第2の半導体レーザからの出
射光の波長を同期させる第3のロックインアンプとを備
えたことを特徴とする。 [作用] 本発明においては、分子の吸収線を用いて光干渉計を
安定化し、この安定化された光干渉計を使って、従来、
安定化できなかった、光干渉計の共振波長ピーク中の任
意の波長に半導体レーザの発振波長を安定化できる。 [実施例] 以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説
明する。 第1図は本発明の波長安定化レーザ装置の一実施例の
構成を示すブロック図である。この例の波長安定化レー
ザ装置は、第1図に示すように、光吸収媒体の吸収波長
でレーザ光を発振する基準レーザ部8と、この基準レー
ザ部8からのレーザ光の波長に光干渉計の共振波長ピー
クのいずれか1つの波長を同期、安定化させるととも
に、光干渉計の温度調節を行うことにより光路長を維持
して光干渉計の共振波長ピークを安定化する干渉計部9
と、この安定化された光干渉計の共振波長ピークの何れ
かの波長でレーザ光を発振する安定化レーザ部10とから
概略構成されている。 基準レーザ部8は、半導体レーザ11と、この半導体レ
ーザ11からの出射光のうち所定の波長λの光のみを吸
収する波長基準媒体14と、この波長基準媒体14を透過し
た透過光を光電変換する光検出器111と、上述の半導体
レーザ11を直接変調する発振器113と、上述の光検出器1
11からの電気信号と上述の発振器113からの参照信号と
を比較して上述の半導体レーザ11からの出射光の波長が
上述の波長基準媒体14の吸収波長λとなるように上述
の発振器111を制御するロックインアンプ15とから構成
されている。 上述の波長基準媒体14としては、通常のアセチレンガ
ス,アンモニアガス,メタンガス,二酸化炭素等、ある
いは同位体置換アセチレンガス等の光吸収性ガスが好適
に用いられる。いずれのガスを用いても発振波長安定化
を図ることができる。 また、干渉計部9は、複数の共振波長ピークを有する
とともに上述の半導体レーザ11からの出射光を光カップ
ラ110を介して受光するリング共振器13と、このリング
共振器13の温度環境を調節してリング共振器13の光路長
を調節する温度調節器(光路長調節手段)18と、上述の
リング共振器1を透過した透過光を光電変換して電気信
号に変える光検出器112と、この光検出器112からの電気
信号のうち、上述の半導体レーザ11からの出射光の波長
に対応する電気信号のみを選別する電気フィルタ115
と、この電気フィルタ115で選別された電気信号と上述
の基準レーザ部8の発振器113からの参照信号とを比較
して上述のリング共振器13の共振波長ピークの1つが半
導体レーザ11からの出射光の波長λに同期するように
温度調節器18を制御し、この制御によりリング共振器13
の光路長を安定化させるロックインアンプ16とから構成
されている。 さらに、安定化レーザ部10は、第2の半導体レーザ12
と、この半導体レーザ12からのレーザ光を周波数変調す
る外部変調器19と、この外部光変調器19を駆動する上述
の発振器113と異なる周波数をもつ発振器114と、上述の
第2の半導体レーザ12からの出射光が上述の光カップラ
110を介して上述のリング共振器13を透過し、その透過
光を光電変換して得た電気信号のうち、波長λ以外の
リング共振器13の共振波長ピーク中の波長λに対応す
る電気信号のみを選別する電気フィルタ116と、この電
気フィルタ116で選別された電気信号と上述の発振器114
からの参照信号とを比較して半導体レーザ12からの出射
光の波長がリング共振器13の共振波長ピーク中の波長λ
に同期するように発振器114を制御する第3のロック
インアンプ17とから構成されている。 上述の基準レーザ部8と安定化レーザ部10の両片端光
出力は、上述したように光カップラ110で重ね合わされ
干渉計部9に送られている。 次に、上述した構成からなる波長安定化レーザ装置の
動作を第1に従って説明する。 半導体レーザ11は発振器113で直接変調され、その出
射光は周波数変調されている。その一部の出射光118は
波長基準媒体14を透過して、その透過光は、第2図
(a)に示すように、波長λの光のみが吸収される。
この透過光は受光器111で光電変換され、その電気信号
は入力信号としてロックインアンプ15に送られる。この
ロックインアンプ15には、一方で発振器113からの参照
信号が与えられる。ロックインアンプ15では、上述の入
力信号と参照信号とを比較し、波長基準吸収線とのずれ
が誤差信号として検出される。この誤差信号は半導体レ
ーザ11にフィードバックされ、出射光が波長λとなる
ように発振波長が安定化される。このようにして得られ
たλの波長をもつ安定化光119は半導体レーザ11から
光ファイバおよび光フィバカップラ110を介してリング
共振器13に入射される。 リング共振器13は、第2図(b)に示すように、その
共振器長に対応した周波数毎に、吸収特性をもつ。ここ
では、複数の吸収線のうちの1つの吸収線を第2図
(a)の吸収線の波長λに合わせられる。すなわち、
波長λに安定化された半導体レーザ11の出力光119は
リング共振器13を透過し、その透過光は受光器112で光
電変換され、その信号だけ電気フィルタ115によって選
択され、ロックインアンプ16に送られる。このロックイ
ンアンプ16には、一方で上述の発振器113からの出力信
号が参照信号として与えられる。したがって、ロックイ
ンアンプ16では、第2図(a)の吸収線からのずれが、
誤差信号としてロックイン検出される。この誤差信号
は、ロックインアンプ16からリング共振器13の温度調節
器18に送られ、第2図(a)に示した吸収線の1本の波
長が第2図に示す波長λとなるようにリング共振器13
の温度環境を調節してその光路長が制御され、安定化さ
れる。 このようにして安定化されたリング共振器13を用いて第
2の半導体レーザ12の発振波長を安定化する。すなわ
ち、半導体レーザ12の片側出射光は、発振器113と異な
る周波数の発振器114により駆動される外部周波数変調
器19を用いて第1の半導体レーザ11の場合と同様に周波
数変調される。この変調光は光カップラ110を通り、リ
ング共振器13に入射される。このリング共振器13からの
透過光は、受光器112で光電変換され、その信号は電気
フィルタ116で上述のリング共振器13の共振波長ピーク
の1つの波長λに対応する信号のみが選択される。こ
の選択された信号とリング共振器13の共振周波数とのず
れは誤差信号としてロックインアンプ17でロックイン検
出される。この誤差信号は半導体レーザ12にフィードバ
ックされ、これにより例えば第2図(b)の波長λ
半導体レーザ12の発振波長を同期、安定化させる。ま
た、第2図(b)の共振周波数のどの共振点でも安定化
することが可能である。 上述の実施例では、第1図に示すように半導体レーザ
11の変調に発振器113による直接変調方式を用い、また
半導体レーザ12の変調に外部光変調方式を用いたが、各
半導体レーザにいずれの変調方式を用いても本発明の目
的、効果を達成することができる。なお、外部光変調器
としては、例えば音響光学変調器、LiNbO3変調器,電気
光学変調器などの変調器を用いても同様の効果を得るこ
とができる。 また、上述の実施例では、リング共振器13の光路長調
節手段として温度調節器18を用いたが、これに限らず、
リング共振器13の光路長を調節し得る手段であれば如何
なる手段をも使用することができる。 さらに、上述の実施例では、基準レーザ部8と安定化
レーザ部10の両片端光出力を光カップラ110で重ね合わ
され干渉計部9に送るように構成したが、これら3つの
構成要素を相互に光学的に結合する手段であれば、上述
のような光カプラに限らず、光ファイバ等の他の光学的
結合手段を用いて結合してもよい。 (実験例) 第1図に示した装置において、半導体レーザ11,12と
して波長1.5500μmで発振するInGaAsP系の分布帰還型
半導体レーザ(DFB型LD)をそれぞれ使用した。セル長5
cmの吸収セル14に、光吸収媒体として同位体置換アセチ
レンガス(13C2H2)を10Torr封入した。第3図はアセチ
レンガスと同位体置換アセチレンガスの吸収特性をそれ
ぞれ示した図である。セル長を10cmとし、圧力を760Tor
rとした。同位体置換アセチレンガスの吸収線のうち、
波長1.54949μmの吸収線(半値全幅800MHz,吸収強度10
%)に前記半導体レーザ11を波長同期させた。発振器11
3の周波数を10kHzとし、第1図の構成系を使って半導体
レーザ11の中心発振波長の変動を1×10-5cm(光周波数
にして1MHz)以下に迎えた。 このようにして得た波長安定化光を光ファイバカップ
ラ110を介してリング共振器13に入射した。ここでリン
グ共振器13として、直系が13mm、損失が0.04dB/cm、フ
ィネスが30の石英系導波路形リング共振器を用いた。こ
のリング共振器の共振周波数間隔は5GHzである。また、
温度による屈折率変化は10-5/℃で1℃につき1.25GHz
の共振波長ピークのシフトが可能である。半導体レーザ
11の10kHzの変調光の成分を、10kHzのバンドパス特性を
もつ電気フィルタ115に通し、ロックインアンプ16でロ
ックイン検出し、リング共振器13の共振器長を安定化し
た。 この構成系において、リング共振器13の共振ピークの
1本を波長1.54949μm(光周波数にして193612GHz)の
吸収線に合わせた。共振ピークの周波数安定性は1MHzが
得られた。 さらに、半導体レーザ12の片側出力光を音響光学変調
器19に入射し、100kHzで変調幅120NHzの周波数変調を与
え、安定化されたリング共振器13に入射した。半導体レ
ーザ12の100kHzの変調光の成分を、100kHzのバンドパス
特性をもつ電気フィルタ116に通し、ロックインアンプ1
7でロックイン検出し、リング共振器13の1本の共振ピ
ーク、波長1.54953μm(光周波数にして193607GHz)で
安定化した。この構成系を用いることにより、半導体レ
ーザ12の中心発振波長の変動を1×10-5cm(光周波数に
して1MHz)以下に抑えることができた。 この実験例では、リング共振器の共振周波数間隔を5G
Hzとしたので、5GHzごとの任意の周波数において半導体
レーザの発振波長を安定化することが可能である。さら
に、リング共振器の共振器長を任意に選ぶことにより、
任意の波長において安定化も可能である。 特に、光吸収媒体として同位体置換アセチレンガスに
加えて第3図に示したアセチレンガスをも用いれば、1.
50μmから1.56μmの広範囲にわたって局在する吸収線
間の連続な波長で安定化が可能である。これにより1本
の吸収線を使う場合に発生するリング共振器の波長分散
特性の影響による周波数誤差を除去することが可能であ
る。 以上、本発明を実施例にもとづき具体的に説明した
が、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、
その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である
ことは言うまでもない。 [発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、半導体レーザ
の発振波長を極めて高精度で任意の波長に同期させ、安
定化させることができることから、コヒーレント光通信
における波長標準光源や光計測における光源として利用
できる利点がある。
The present invention relates to a first semiconductor laser, a first optical frequency modulation means for frequency-modulating a part of light emitted from the first semiconductor laser, and a predetermined one of frequency-modulated light by the optical frequency modulation means. A medium that absorbs only light of a wavelength, a first photodetector that photoelectrically converts light that has passed through the medium, an input signal from the photodetector, and a reference signal from the first optical frequency modulation means. And a first lock-in amplifier for synchronizing the wavelength of the emitted light of the first semiconductor laser with the absorption wavelength of the medium by controlling the first optical frequency modulation means based on An optical interferometer having a plurality of resonance wavelength peaks and receiving light emitted from the first semiconductor laser synchronized with the absorption wavelength of the medium; a means for adjusting an optical path length of the optical interferometer; The second that photoelectrically converts the transmitted light from the optical interferometer The optical path length adjusting means is controlled on the basis of a detector, an input signal from the photodetector, and a reference signal from the first optical frequency modulating means of the reference laser section, and the optical path length adjusting means is controlled. An interferometer unit including a second lock-in amplifier that synchronizes any one of the resonance wavelength peaks of the optical interferometer with the wavelength of the emitted light;
Optical semiconductor laser, second optical frequency modulating means for frequency-modulating a part of light emitted from the second semiconductor laser to a frequency different from that of the first optical frequency modulating means, and optical interference of the interferometer section. Based on the input signal obtained by photoelectrically converting the remaining part of the light emitted from the second semiconductor laser that has passed through the meter by the second photodetector and the reference signal from the second optical frequency modulation means. A third optical frequency modulating means is controlled to synchronize the wavelength of the emitted light from the second semiconductor laser with one of the resonance wavelength peaks of the optical interferometer of the interferometer section. It is characterized by having a lock-in amplifier. [Operation] In the present invention, the optical interferometer is stabilized by using the absorption line of molecules, and the stabilized optical interferometer is used in the conventional method.
The oscillation wavelength of the semiconductor laser can be stabilized at an arbitrary wavelength within the resonance wavelength peak of the optical interferometer, which could not be stabilized. [Examples] Hereinafter, the present invention will be described in detail based on Examples shown in the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an embodiment of the wavelength stabilized laser device of the present invention. As shown in FIG. 1, the wavelength-stabilized laser device of this example has a reference laser section 8 that oscillates a laser beam at the absorption wavelength of a light absorbing medium and an optical interference between the wavelength of the laser beam from the reference laser section 8. An interferometer unit 9 that synchronizes and stabilizes any one of the resonance wavelength peaks of the meter and maintains the optical path length by adjusting the temperature of the optical interferometer to stabilize the resonance wavelength peak of the optical interferometer.
And a stabilizing laser unit 10 that oscillates laser light at any wavelength of the resonance wavelength peaks of the stabilized optical interferometer. The reference laser unit 8 photoelectrically converts the semiconductor laser 11, a wavelength reference medium 14 that absorbs only light of a predetermined wavelength λ 1 out of the light emitted from the semiconductor laser 11, and the transmitted light that has passed through the wavelength reference medium 14. A photodetector 111 for conversion, an oscillator 113 for directly modulating the semiconductor laser 11 described above, and the photodetector 1 described above.
The electric signal from the oscillator 11 is compared with the reference signal from the oscillator 113 so that the wavelength of the emitted light from the semiconductor laser 11 becomes the absorption wavelength λ 1 of the wavelength reference medium 14 described above. And a lock-in amplifier 15 for controlling the. As the wavelength reference medium 14 described above, a light absorbing gas such as ordinary acetylene gas, ammonia gas, methane gas, carbon dioxide, or isotope-substituted acetylene gas is preferably used. The oscillation wavelength can be stabilized by using any of the gases. The interferometer unit 9 has a ring resonator 13 having a plurality of resonance wavelength peaks and receiving the emitted light from the semiconductor laser 11 via the optical coupler 110, and adjusts the temperature environment of the ring resonator 13. A temperature controller (optical path length adjusting means) 18 for adjusting the optical path length of the ring resonator 13, and a photodetector 112 for photoelectrically converting the transmitted light transmitted through the ring resonator 1 into an electric signal. Among the electric signals from the photodetector 112, the electric filter 115 that selects only the electric signal corresponding to the wavelength of the emitted light from the semiconductor laser 11 described above.
Then, the electric signal selected by the electric filter 115 is compared with the reference signal from the oscillator 113 of the standard laser unit 8 and one of the resonance wavelength peaks of the ring resonator 13 is emitted from the semiconductor laser 11. The temperature controller 18 is controlled so as to be synchronized with the wavelength λ 1 of the emitted light, and the ring resonator 13 is controlled by this control.
The lock-in amplifier 16 stabilizes the optical path length of the. Further, the stabilizing laser unit 10 includes a second semiconductor laser 12
An external modulator 19 for frequency-modulating the laser light from the semiconductor laser 12, an oscillator 114 having a different frequency from the oscillator 113 for driving the external light modulator 19, and the second semiconductor laser 12 for the above. The light emitted from the optical coupler
It corresponds to the wavelength λ 2 in the resonance wavelength peak of the ring resonator 13 other than the wavelength λ 1 in the electric signal obtained by photoelectrically converting the transmitted light through the ring resonator 13 via 110. An electric filter 116 for selecting only electric signals, an electric signal selected by the electric filter 116, and the oscillator 114 described above.
The wavelength of the light emitted from the semiconductor laser 12 is compared with the reference signal from the
The third lock-in amplifier 17 controls the oscillator 114 so as to synchronize with the second lock-in amplifier 2. The light output from both ends of the reference laser section 8 and the stabilization laser section 10 are superposed by the optical coupler 110 as described above and sent to the interferometer section 9. Next, the operation of the wavelength stabilized laser device having the above-mentioned configuration will be described according to the first. The semiconductor laser 11 is directly modulated by the oscillator 113, and the emitted light is frequency-modulated. A part of the emitted light 118 passes through the wavelength reference medium 14, and the transmitted light absorbs only the light having the wavelength λ 1 as shown in FIG. 2 (a).
This transmitted light is photoelectrically converted by the light receiver 111, and its electric signal is sent to the lock-in amplifier 15 as an input signal. On the other hand, the lock-in amplifier 15 is supplied with the reference signal from the oscillator 113. The lock-in amplifier 15 compares the above-mentioned input signal with the reference signal, and detects the deviation from the wavelength reference absorption line as an error signal. This error signal is fed back to the semiconductor laser 11, and the oscillation wavelength is stabilized so that the emitted light has the wavelength λ 1 . The stabilized light 119 having a wavelength of λ 1 obtained in this way is incident on the ring resonator 13 from the semiconductor laser 11 via the optical fiber and the optical fiber coupler 110. The ring resonator 13 has an absorption characteristic for each frequency corresponding to the resonator length, as shown in FIG. Here, one of the plurality of absorption lines is adjusted to the wavelength λ 1 of the absorption line of FIG. 2 (a). That is,
The output light 119 of the semiconductor laser 11 stabilized at the wavelength λ 1 is transmitted through the ring resonator 13, the transmitted light is photoelectrically converted by the light receiver 112, and only the signal is selected by the electric filter 115, and the lock-in amplifier 16 Sent to. On the other hand, the lock-in amplifier 16 is supplied with the output signal from the above-mentioned oscillator 113 as a reference signal. Therefore, in the lock-in amplifier 16, the deviation from the absorption line in FIG.
Lock-in is detected as an error signal. This error signal is sent from the lock-in amplifier 16 to the temperature controller 18 of the ring resonator 13, and one wavelength of the absorption line shown in FIG. 2 (a) becomes the wavelength λ 1 shown in FIG. As ring resonator 13
The optical path length is controlled and stabilized by adjusting the temperature environment of. The ring resonator 13 thus stabilized is used to stabilize the oscillation wavelength of the second semiconductor laser 12. That is, the light emitted from one side of the semiconductor laser 12 is frequency-modulated in the same manner as in the case of the first semiconductor laser 11 by using the external frequency modulator 19 driven by the oscillator 114 having a frequency different from that of the oscillator 113. This modulated light passes through the optical coupler 110 and enters the ring resonator 13. The transmitted light from the ring resonator 13 is photoelectrically converted by the light receiver 112, and the signal thereof is selected by the electric filter 116 only the signal corresponding to one wavelength λ 2 of the resonance wavelength peaks of the ring resonator 13 described above. It The deviation between the selected signal and the resonance frequency of the ring resonator 13 is lock-in detected by the lock-in amplifier 17 as an error signal. This error signal is fed back to the semiconductor laser 12, whereby the oscillation wavelength of the semiconductor laser 12 is synchronized and stabilized with the wavelength λ 2 of FIG. 2B, for example. Further, it is possible to stabilize at any resonance point of the resonance frequency shown in FIG. In the embodiment described above, as shown in FIG.
Although the direct modulation method by the oscillator 113 was used for the modulation of 11 and the external light modulation method was used for the modulation of the semiconductor laser 12, the object and effect of the present invention can be achieved by using any modulation method for each semiconductor laser. be able to. The same effect can be obtained by using a modulator such as an acousto-optic modulator, a LiNbO 3 modulator, or an electro-optic modulator as the external light modulator. Further, in the above-mentioned embodiment, the temperature controller 18 is used as the optical path length adjusting means of the ring resonator 13, but not limited to this,
Any means that can adjust the optical path length of the ring resonator 13 can be used. Further, in the above-described embodiment, the one-sided optical outputs of the reference laser unit 8 and the stabilizing laser unit 10 are superposed by the optical coupler 110 and sent to the interferometer unit 9. However, these three components are mutually connected. The optical coupling means is not limited to the above-mentioned optical coupler, and other optical coupling means such as an optical fiber may be used for coupling. (Experimental Example) In the device shown in FIG. 1, as the semiconductor lasers 11 and 12, InGaAsP-based distributed feedback semiconductor lasers (DFB LDs) oscillating at a wavelength of 1.5500 μm were used. Cell length 5
An isotope-substituted acetylene gas ( 13 C 2 H 2 ) as a light absorption medium was filled in a cm absorption cell 14 at 10 Torr. FIG. 3 is a diagram showing absorption characteristics of acetylene gas and isotope-substituted acetylene gas, respectively. Cell length 10 cm, pressure 760 Tor
It was r. Of the absorption lines of isotope-substituted acetylene gas,
Absorption line with wavelength 1.54949μm (full width at half maximum 800MHz, absorption intensity 10
%) To the wavelength of the semiconductor laser 11. Oscillator 11
The frequency of 3 was set to 10 kHz, and the fluctuation of the central oscillation wavelength of the semiconductor laser 11 was adjusted to 1 × 10 -5 cm (optical frequency of 1 MHz) or less by using the configuration system of FIG. The wavelength-stabilized light thus obtained was made incident on the ring resonator 13 via the optical fiber coupler 110. Here, as the ring resonator 13, a silica-based waveguide ring resonator having a direct line of 13 mm, a loss of 0.04 dB / cm, and a finesse of 30 was used. The resonance frequency interval of this ring resonator is 5 GHz. Also,
Change in refractive index with temperature is -5 GHz at 10 -5 / ° C per 1 ° C
It is possible to shift the resonance wavelength peak of. Semiconductor laser
The 11-kHz modulated light component of 11 was passed through an electric filter 115 having a 10-kHz bandpass characteristic, and lock-in detection was performed by a lock-in amplifier 16 to stabilize the resonator length of the ring resonator 13. In this system, one of the resonance peaks of the ring resonator 13 was aligned with the absorption line having a wavelength of 1.54949 μm (optical frequency: 193612 GHz). The frequency stability of the resonance peak was 1MHz. Further, the one-sided output light of the semiconductor laser 12 was made incident on the acousto-optic modulator 19, frequency-modulated with a modulation width of 120 NHz at 100 kHz, and made incident on the stabilized ring resonator 13. The 100 kHz modulated light component of the semiconductor laser 12 is passed through an electric filter 116 having a 100 kHz bandpass characteristic, and the lock-in amplifier 1
Lock-in detection was performed at 7, and stabilization was performed at one resonance peak of the ring resonator 13, at a wavelength of 1.54953 μm (optical frequency 193607 GHz). By using this configuration system, the fluctuation of the central oscillation wavelength of the semiconductor laser 12 could be suppressed to 1 × 10 −5 cm (optical frequency of 1 MHz) or less. In this experimental example, the resonance frequency interval of the ring resonator is 5G.
Since the frequency is set to Hz, it is possible to stabilize the oscillation wavelength of the semiconductor laser at any frequency of 5 GHz. Furthermore, by arbitrarily selecting the resonator length of the ring resonator,
Stabilization at any wavelength is also possible. In particular, if the acetylene gas shown in FIG. 3 is used as the light absorbing medium in addition to the isotope-substituted acetylene gas, 1.
Stabilization is possible with continuous wavelengths between absorption lines localized over a wide range from 50 μm to 1.56 μm. As a result, it is possible to eliminate the frequency error due to the influence of the chromatic dispersion characteristic of the ring resonator, which occurs when using one absorption line. Although the present invention has been specifically described based on the above examples, the present invention is not limited to the above examples,
It goes without saying that various modifications can be made without departing from the spirit of the invention. [Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the oscillation wavelength of the semiconductor laser can be synchronized with an arbitrary wavelength with extremely high accuracy and can be stabilized, so that a wavelength standard light source in coherent optical communication or There is an advantage that it can be used as a light source in optical measurement.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の波長安定化レーザ装置の一実施例を示
す構成ブロック図、 第2図は光吸収性ガスおよびリング共振器を透過した光
の光強度を示すグラフ、 第3図はアセチレンガスおよび同位体置換アセチレンガ
スの光吸収特性を示すグラフ、 第4図は従来の光吸収セルを用いた波長安定化レーザ装
置を示す構成ブロック図である。 1……半導体レーザ、2……吸収セル(波長基準媒
体)、3……受光器、4……ロックインアンプ、5……
発振器、8……基準レーザ部、9……干渉計部、10……
安定化レーザ部、11……第1の半導体レーザ、12……第
2の半導体レーザ、13……リング共振器(光干渉計)、
14……吸収セル(波長基準媒体)、15……第1のロック
インアンプ、16……第2のロックインアンプ、17……第
3のロックインアンプ、18……温度調節器(光路長調節
手段)、19……外部変調器(光周波数変調手段)、110
……光カップラ、111……受光器(第1の光検出器)、1
12……受光器(第2の光検出器)、113……発振器(光
周波数変調手段)、114……発振器(光周波数変調手
段)、115,116……電気フィルタ。
FIG. 1 is a structural block diagram showing an embodiment of a wavelength stabilized laser device of the present invention, FIG. 2 is a graph showing the light intensity of light transmitted through a light absorbing gas and a ring resonator, and FIG. 3 is acetylene. A graph showing the light absorption characteristics of gas and isotope-substituted acetylene gas, and FIG. 4 is a configuration block diagram showing a wavelength-stabilized laser device using a conventional light absorption cell. 1 ... Semiconductor laser, 2 ... Absorption cell (wavelength reference medium), 3 ... Photoreceiver, 4 ... Lock-in amplifier, 5 ...
Oscillator, 8 ... Reference laser section, 9 ... Interferometer section, 10 ...
Stabilizing laser unit, 11 ... first semiconductor laser, 12 ... second semiconductor laser, 13 ... ring resonator (optical interferometer),
14 ... Absorption cell (wavelength reference medium), 15 ... First lock-in amplifier, 16 ... Second lock-in amplifier, 17 ... Third lock-in amplifier, 18 ... Temperature controller (optical path length) Adjusting means), 19 ... External modulator (optical frequency modulating means), 110
...... Optical coupler, 111 …… Receiver (first photodetector), 1
12 ... Photoreceiver (second photodetector), 113 ... Oscillator (optical frequency modulation means), 114 ... Oscillator (optical frequency modulation means), 115,116 ... Electrical filters.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】第1の半導体レーザと、該第1の半導体レ
ーザからの出射光の一部を周波数変調する第1の光周波
数変調手段と、該光周波数変調手段による周波数変調光
のうち所定の波長の光のみを吸収する媒体と、該媒体を
透過した光を光電変換する第1の光検出器と、該光検出
器からの入力信号と前記第1の光周波数変調手段からの
参照信号とに基づいて前記第1の光周波数変調手段を制
御して、前記第1の半導体レーザの出射光の波長を前記
媒体の吸収波長に同期させる第1のロックインアンプと
を備えた基準レーザ部と、 複数の共振波長ピークを有しかつ前記媒体の吸収波長に
同期した前記第1の半導体レーザからの出射光を受光す
る光干渉計と、該光干渉計の光路長を調節する手段と、
前記光干渉計からの透過光を光電変換する第2の光検出
器と、該光検出器からの入力信号と前記基準レーザ部の
第1の光周波数変調手段からの参照信号とに基づいて前
記光路長調節手段を制御して、前記第1の半導体レーザ
の出射光の波長に前記光干渉計の共振波長ピークのいず
れか1つの波長を同期させる第2のロックインアンプと
を備えた干渉計部と、 第2の半導体レーザと、該第2の半導体レーザからの出
射光の一部を前記第1の光周波数変調手段と異なる周波
数に周波数変調する第2の光周波数変調手段と、前記干
渉計部の光干渉計を透過した前記第2の半導体レーザか
らの出射光の残部が前記第2の光検出器により光電変換
されて得られる入力信号と前記第2の光周波数変調手段
からの参照信号とに基づいて前記第2の光周波数変調手
段を制御して、前記干渉計部の光干渉計の共振波長ピー
クのいずれか1つの波長に前記第2の半導体レーザから
の出射光の波長を同期させる第3のロックインアンプと
を備えたことを特徴とする波長安定化レーザ装置。
1. A first semiconductor laser, a first optical frequency modulation means for frequency-modulating a part of light emitted from the first semiconductor laser, and a predetermined one of frequency-modulated light by the optical frequency modulation means. Medium for absorbing only the light of the wavelength, a first photodetector for photoelectrically converting the light transmitted through the medium, an input signal from the photodetector, and a reference signal from the first optical frequency modulation means. And a first lock-in amplifier for synchronizing the wavelength of the emitted light of the first semiconductor laser with the absorption wavelength of the medium on the basis of An optical interferometer having a plurality of resonance wavelength peaks and receiving emitted light from the first semiconductor laser synchronized with the absorption wavelength of the medium, and means for adjusting an optical path length of the optical interferometer,
A second photodetector for photoelectrically converting the transmitted light from the optical interferometer, an input signal from the photodetector, and a reference signal from the first optical frequency modulating means of the reference laser section. An interferometer including a second lock-in amplifier that controls the optical path length adjusting means to synchronize any one of the resonance wavelength peaks of the optical interferometer with the wavelength of the emitted light of the first semiconductor laser. Section, a second semiconductor laser, a second optical frequency modulation means for frequency-modulating a part of light emitted from the second semiconductor laser to a frequency different from that of the first optical frequency modulation means, and the interference. Reference from the second optical frequency modulator and an input signal obtained by photoelectrically converting the remaining part of the emitted light from the second semiconductor laser that has passed through the optical interferometer of the measuring section by the second photodetector. And the second optical frequency change based on the signal A third lock-in amplifier for controlling the adjusting means to synchronize the wavelength of the light emitted from the second semiconductor laser with one of the resonance wavelength peaks of the optical interferometer of the interferometer section. A wavelength-stabilized laser device characterized by the above.
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