JPS62252984A - 半導体レ−ザ波長安定化装置 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、￥導体レーザの出力光を特定の波長の光を吸
収する吸収セルに入射し、この吸収セルの出力光の強度
に関連する信号を前記半導体レーザに帰還してその波長
を安定化する半導体レーザ波長安定化装置の特性の改善
に関するものである。

（従来の技術） 第１４図は従来の半導体レーザ波長安定化装置を示す構
成ブロック図である。半導体レー！アＬＤの電流に周波
数ｆ１の変調信号を１督してレーザ出力の発振波長を変
調し、この変調した出力光をビームスプリッタ８８で２
つに分岐した光の一方を特定の波長で吸収を起こす標準
物質を封入した吸収セルＯＬに入射する。ビームスプリ
ッタ８８で２つに分けた他方の光はミラーＭで反射され
て出力光となる。吸収セルｃ　Ｌからの出射光は光検出
器ＰＤで電気信号に変換され、ロックインアンプＬＡで
同１ｎ整流される。制御手段ＣＴでロックインアンプＬ
Ａの出力が一定１直となるように半導体レーザＬＤの電
流を制御することにより、この半導体レーザＬＤの波長
を吸収セルＣＬ内の原子の吸収線にロックすることがで
きる。

（発明が解決しようとする問題点） しかしイ【がら上記のような構成の半導体レーザ波長安
定化装置では、低周波成分に対してのみフィードバック
が行なわれているので、中心波長は非常に高安定なもの
が得られるが、半導体レーザ固有の位相ゆらぎによりス
ペクトル線幅は半導体レーザ単体のものと同じとなり、
半値全幅は通常数１０Ｍ＋−１２にも達する。また、変
調周波数ｆ。

でも周波数が変動しており、発振周波数の瞬時値は安定
ではない。

これに対し、半導体レーザ波長安定化装置をコヒーレン
ト通信や精度の高い光計測器に使用するためにはスペク
トル線幅を狭めて高純度化しなければならないという要
求がある。半導体レーザの出力光をファブリ・ベロー・
エタロンに通して、位相ゆらぎ（周波数ゆらぎ）を振幅
ゆらぎに変換し広帯域でフィードバックしスペクトルを
細くすることは既に行なわれている（古田島、大津：注
入電流制御による１、５μｍｒｍＧａＡｓＰレーザの発
振線幅狭帯域化、信学技報０ＱＥ８４−１３０）。しか
しこの場合には波長安定化のループの伯にファブリ・ベ
ロー・エタロンが必要で、構成が複雑となるという問題
がある。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたも
ので、ファブリーベロー・エタロンを用いずに簡単な構
成で狭帯域化を図った半導体レーザ波長安定化装置を実
現することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明は半導体レーザの出力光を特定の波長の光を吸収
する吸収セルに入射し、この吸収セルの出力光強度に関
連する信号を前記半導体レーザに帰還してその波長を安
定化する半導体レーザ波長安定化装置に係るもので、そ
の特長とするところは半導体レーザの出力光を周波数変
調する変調手段と、前記半導体レーザの前記変調手段で
変調したまたは変調しない出力光が入射され、特定の波
長で吸収を起こす標準物質を封入した吸収セルと、この
吸収セルの透過光を電気信号に変換する光検出器ど、こ
の光検出器の出力電気信号に関連する電気信号を入力し
て前記変調手段の変調周波数またはその整数倍の周波数
で同期整流するロックインアンプと、このロックインア
ンプの出力が一定１直となるように前記半導体レーザの
電流または温度を制御する制御手段とを隔え、前記半導
体ループの出力光に含まれる位相ノイズ成分が前記吸収
セルで変換されて生じる振幅変調信号に関連する信号を
前記半導体レーザの電流に負帰還するように構成した点
にある。

（実施例） 以下本発明を図面を用いて詳しく説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す構成ブロック図である
。ＬＤｌは半導体レーザ、ＰＥＩはこの半導体レーザＬ
Ｄ１を冷却または加熱するベルチェ素子、ＣＴＩはこの
ベルチェ索子ＰＥ１を駆動して前記半導体レーザＬＤ１
の温度を一定に制御する温度制御手段、ＴＢｌはこれら
を格納して温度変動を減少させる恒温槽、ＢＳｌは前記
半導体レーザＬＤ１の出力光を２方向に分岐するビーム
スプリッタ、ＵＭｌはこのビームスプリッタＢＳ１の透
過光が入射される変調手段を構成する音響光学変調器、
ＣＬｌはこのｇ響光学変調器ｔＪＭ１の光出力が入射さ
れる特定の波長の光を吸収する標準物質（ここではＣｓ
）を封入した吸収セル、ＰＤｌはこの吸収セルＣＬ１の
透過光が入射される光検出器、Ａ１はこの光検出器ＰＤ
１の出力電気信号が入力される増幅器、ＬＡＩはこの増
幅器Ａ１の電気出力が入力されるロックインアンプ、Ｃ
ｒ２はこのロックインアンプＬＡＩの出力が入力され、
前記半導体レーザＬＤ１の電流を制御する制御手段を構
成するＰｒＤコントローラ、ＳＷｌは前記音響光学変調
器ＵＭＩにその一端が接続されるスイッチ、ＳＧ１はそ
の出力で前記スイッチＳＷ１を周波数ｆｍ（例えば２　
ｋ　ｔ−１ｚ　）でオンオフザる信号発生器、ＳＧ２は
前記スイッチＳＷ１の他端に接続される周波数ｆｏ　　
（例えば８０Ｍ１１Ｚ〉の第２の信号発生器、ＢＳ２は
前記ビームスプリッタＢＳ１の反射光を入射して２方向
に分岐するビームスプリッタ、Ｍｌはこのビームスプリ
ッタＢＳ２の反射光を反射するミラー、ＰＤ２はこのミ
ラーＭ１の反射光が前記吸収セルＣＬ　１を介して入射
されるＰＩＮフォトダイオードやアバランシェ・フォト
ダイオードなどからなる高速の第２の光検出器、Ａ２は
この光検出器ＰＤ２の出力電気信ｑを増幅し、その出力
が半導体レーザＬＤ１の電流に重畳される広帯域の増幅
器である。

上記のような構成の半導体レーザ波長安定化装置の動作
を以下に詳しく説明する。半導体レーザＬＤＩは恒温槽
ＴＢｌ内に配置され、この恒温槽の温度信号が入力され
る制御手段ＣＴ１によりベルチェ素子ＰＥ１を駆動して
一定温度に制御されている。半導体レーザＬＤ１の出力
光はビームスプリッタＢＳ１で２方向に分岐され、透過
光は音響光学変調器ＵＭ１に入射される。スイッチＳｗ
１がオンの時、音響光学変調器ＵＭＩは信号発生器ＳＧ
２の周波数ｆｏの出力で駆動されるので、周波数ν０の
入射光の大部分は回折して周波数（ドツプラ）シフトを
受け、１次回折光として周波数νｏ＋ｆｏの光が吸収セ
ルＣＬ１に入射される。スイッチＳＷ１がオフのときは
入射光は全てＯ次回折部として周波数ν０で吸収セルＣ
Ｌ１に入射される。この際、１次回折光とＯ次回折部と
は回折により多少進行方向が異なるが、ともに光検出器
ＰＤ１で検出できるように構成されている。

スイッチＳＷ１は信号発生器ＳＧ１の周波数ｆ亀のクロ
ックで駆動されるので、吸収しルＣＬ１に入射される光
は変調周波数ｆｔ、変調深さｆ、の周波数変調を受ける
ことになる。

第２図は吸収セルに封入された標準物質として用いられ
たＣｓ原子のエネルギ一単位を示す説明図で、第３図の
スペクトル吸収線図に示すように８５２．１１２ｎｍ付
近の波長で９．２ＧＨｚ離れた位置に２本の吸収スペク
トルを有する。吸収セルＣＬ１に音響光学変調器ＵＭＩ
で変調された光が入射すると、第４図の動作説明図に示
すように吸収信号の箇所でのみ透過光量が変調を受けて
出力に信号が現れる。この信号を光検出３ＰＤ　１で電
気信号に変換し増幅器△１を介してロックインアンプＬ
Ａ１において周波数ｆ、で同期整流づれば、第５図の周
波数特性曲線図に示すような１数機分波形が得られる。

ＰＩＤコントローラＣＴ２により半導体レーザＬＤ１の
電流を制御して、ロックインアンプＬＡ１の前記１数機
分波形出力が一定直となるようにロック（制ｍ＞すれば
、半導体レーザの出力光は例えばνＳ　　’Ｄ／’２の
安定な周波数となる。このとき半導体レーザＬＤ１の発
掘周波数は変調されておらず、瞬時的にも非常に安定な
光源となる。

一方ビームスプリッタＢＳ１で反射された光はビームス
プリッタＢＳ２に入射しその透過光は外部への出力光と
なり、反射光はミラーＭ１で反射され図の縦方向から吸
収セルＣＬＩに入射する。

このとき入射光には半導体レーザのスペクトル拡がりに
よる位相ゆらぎがある。前述のように半導体レーザ出力
が周波数νｓｆｏ／２にロックされていると、この位相
ゆらぎは第６図の動作説明図に示すように吸収信号の肩
で光パワーゆらぎに変換され、光検出器ＰＤ２の出力ゆ
らぎとなる。

これを広帯域の増幅器Ａ２で増幅した後半導体レーザＬ
Ｄ１の電流に負帰還となるように重畳することにより、
半導体レーザＬＤ１のスペクトル拡がりを小さくし狭帯
域化することができる。

第７図は第１図装置の変形例を示す要部構成ブロック図
である。第１図装置と相違する部分は、正弦波信号発生
器５Ｇ２０　（例えば変調周波数ｆｔ＝２ｋＨ２）でＦ
Ｍ変調器ＦＭ１を制御することにより正弦波で音響光学
変調器ＬＩＭ１を変調する点にある。

第８図は本発明の第２の実施例の光学系部分を示す要部
構成ブロック図である。第１図装置と異なる部分のみに
ついて以下に説明する。［３Ｓ３は半導体レー’ｆＬＤ
１の出力光を２方向に分岐してその反射光を一方向から
音響光学変調器ＵＭＩに入射するビームスプリッタ、Ｍ
２はこのビームスプリッタＢＳ３を透過した光を反ｕ］
してその反射光を別方向からｆｆ！光学変調器ＵＭＩに
入射するミラーである。スイッチＳＷ１がＡフのとぎは
ビームスプリッタ［３Ｓ３で反０４　した光は？Ｊ、　
ｔＢ光学変調器ＵＭＩを透過して周波数ν。で吸収セル
ＣＬ１に入射する。スイッチＳＷ１がＡンのどきはミラ
ー〜１２で反射した光が音響光学変調器ＬＩＭＩで回折
し、周波数ν。＋ｆ、で吸収セルＣＬ１に入射する。こ
のような構成の半導体レーザ波長安定化装置によれば、
吸収セル内で光路が動かないという利点がある。

第９図に本発明の第３の実施例を示す。なお第１図と同
じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。この実施
例は信号発生器ＳＧ１の出力を半導体レーザＬＤ１に入
力してその出力光を変調する様にしたちのである。すな
わら、信号発生器ＳＧ１の出力は抵抗Ｒを介して半導体
レーザＬＤ１に入力されてその出力光を変調し、またＰ
ＩＤコントローラＣＴ２の出力はローパスフィルタＬＰ
Ｆを介して半導体レーザＬＤＩに入力されてロックイン
アンプＬ△１の出力が一定になるように制御され、さら
に増幅器Ａ２の出力はバイパスフィルタＨＰ　Ｆを介し
て半導体レー１Ｆに負帰還される。

このようにすることにより、第２の信号発生器の出力を
スイッチングする必要がなくなり、またスイッチＳＷ１
を省けるという利点がある。

ｍ１０図および第１２図に第４および第５の実施例を示
す。なＪヲ第１図と同じ要素には同一符号を付し、説明
を省略する。これらの実施例は半導体レーザＬＤＩの出
力光を周波数シフトさせないで、さらに光検出器ＰＤ１
の出力を増幅器Ａ２を介して半導体レーザＬＤＩに負帰
還するようにしたものである。そのため、音響光学変調
器Ｕ　Ｍ　１および第２の光検出器ＰＤ２を省くことが
出来る。

第１０図の実施例はビームスプリッタ［３８１の透過光
を直接吸収セルＣＬＩに入射し、かつロックインアンプ
ＬＡＩを信号発生器ＳＧ１の出力周波数ｆ、の２倍の周
波数で同期整流し、２次微分波形にロックさせるように
したものである。第１０図において、ＤＢは入力周波数
を２倍にして出力する倍加器である。ロックインアンプ
ＬＡＩはこの倍加器Ｄ［３の出力である２ｆｔの周波数
で同期整流され、吸収セルＣＬ１のスペクトル吸収線図
の２次微分波形が出力される。第１１図から明らかなよ
うに、２次微分波形のゼロ点はスペクトル吸収線図の肩
部分に一致するため、音響光学変調器ＵＭＩで周波数シ
フトしなくてもよい。また、第１２図実施例はロックイ
ンアンプＬＡ１の出力に安定な直流電圧を加算するよう
にしたものである。第１２図において、Ｒｖは安定な直
流電圧源であり、この直流電圧源ＲＶの出力およびロッ
クイン７ンブＬＡ１の出力は加東器へ〇Ｄで加算される
。この加算された出力を半導体レーザＬＤ１に負帰還す
るようにする。第１３図かられかるように、ロックイン
アンプＬＡ１の出力である１次微分波形のゼロ点はスペ
クトル吸収線図の中心周波数に一致するが、それをｅｓ
だけシフトしたものはスペクトル吸収線図の肩部分にな
り、そのため周波数シフ！へを行う必要がない。

このよ）な構成の半導体レーザ波長安定化装置によれば
、波長安定化とスペクトル幅の狭帯域化を同時に行うこ
とができる。ファブリ・ペロー・エタロンが不要なので
構成も簡単である。

また第１図および第９図実施例においてｇ響光学変調器
ＬＩＭＩの回折効率が変化しても、変調に寄与しない光
の成分（０次回折部）が増えて信号強度が下がるのみで
、中心波長には影響しない。

なお上記の実施例ではロックインアンプＬＡ１の参照周
波数として変調周波数ｆ、を（のまま用いたがその整数
倍の周波数としてもよい。

また吸収セルＣＬ１の標準物質としては、Ｃｓのほかに
例えばＲｂ　、　Ｎｆ−Ｉ３．　ｌ−１２０などを用い
てもよい。

また上記の実施例では変調手段として音響光学変調器を
用いているが、これに限らず、例えば電気光学素子を用
いた位相変調器を用いてもよい。

これには例えば縦型変調器、横型変調器、進行波形変調
器などがある（Ａｍｎｏｎ　　Ｙａｒｉｖ：光エレクト
ロニクスの基礎（丸首）、　ｐ２４７〜ｐ２５３）　　
。

また位相ゆらぎに関するフィードバック径路の光学系を
ミラー等を用いずに光ファイバ等で構成してもよい。

また、これらの実施例では半導体レーザＬＤ１の電流を
変化させるようにしたが、その温度を変化させるように
してもよい。

なお上記の各実施例において音響光学変調器ＵＭ１の出
射光の一部をポンプ光として吸収セルに入射し、他の一
部を反対の方向から細い光束でプローブ光として吸収セ
ルに入射して飽和吸収信号を得る飽和吸収法（ｌ１４え
ば；堀、角田、北野、藪崎、小川：飽和吸収分光を用い
た半導体レーザの周波数安定化、信学技報０ＱＥ８２−
１１６）を用いれば、より安定な半導体レーザ波長安定
化装置を実現することができる。また位相ずれに関する
フィードバック系に飽和吸収法を用いることもできる。

（発明の効果） 以上述べたように本発明によれば、半導体レーザの出力
光の波長安定化と狭帯域化が簡単な構成で同時に実行で
きるため、装置の構成が簡単にかつ安価になるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示ダ構成ブロック図、第２
図は第１図装置の動作を説明するための説明図、第３図
は第１図装置の動作を説明するための特性曲線図、第４
図および第６図は第１図装置の動作を説明するための動
作説明図、第５図は第１図装置の動作を説明するための
第２の特性曲線図、第７図は第１図装置の変形例を示す
要部構成ブロック図、第８図は本発明の第２の実施例を
示す要部構成ブロック図、第９図は本発明の第３の実施
例を示す構成ブロック図、第１０図、第１２図は本発明
の第４、第５の実施例を示す構成ブロック図、第１１図
；第１３図は・それぞれ第１０図、第１２図実施例の動
作を説明するための特性曲線図、第１４図は従来の半導
体レーザ波長安定化装置を示す構成ブロック図である。 ＬＤｌ・・・半導体レー（ア、ＵＭｌ・・・変調手段、
ＣＬｌ・・・吸収セル、ＰＤｌ・・・光検出器、ＰＯ２
・・・第２の光検出器、ＳＧ１・・・信号発生器、ＳＧ
２・・・第２の信号発生器、ｆ、・・・変調周波数、Ｌ
Ａｌ・・・ロックインアンプ、Ｃ７０・・・制御手段、
Ａ１．Ａ２・・・増幅器、ＤＢ・・・倍加器、ＲＶ・・
・直流電圧源、ＡＤＤ・・・加旧Ｌ ＠／図 第２図　　　　第３図 第９図 箔ｌθ図 田力も 第１１図 第１２図 第１３図 窄１４図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体レーザの出力光を特定の波長の光を吸収す
   る吸収セルに入射し、この吸収セルの出力光強度に関連
   する信号を前記半導体レーザに帰還してこの半導体レー
   ザの出力光の波長を安定化する半導体レーザ波長安定化
   装置において、前記半導体レーザの出力光を周波数変調
   する変調手段と、その内部に特定の波長の光を吸収する
   標準物質が封入され、前記変調手段で変調された前記半
   導体レーザの出力光または変調されない前記半導体レー
   ザの出力光が入射される吸収セルと、この吸収セルの出
   力光の強度を電気信号に変換する光検出器と、この光検
   出器の出力電気信号に関連する電気信号を入力して前記
   変調手段の変調周波数またはその整数倍の周波数で同期
   整流するロックインアンプと、このロックインアンプの
   出力が一定値となるように前記半導体レーザの電流また
   は温度を制御する制御手段とを備え、前記半導体レーザ
   の出力光に含まれる位相ノイズ成分が前記吸収セルで変
   換されて生じる振幅変調信号に関連する信号を前記半導
   体レーザの電流に負帰還するように構成したことを特徴
   とする半導体レーザ波長安定化装置。
2. （２）半導体レーザの出力光の一部を吸収セルに入射さ
   せる光学系と、この光学系からの入射光が前記吸収セル
   を透過した光を受光する第２の光検出器とを備え、この
   第２の光検出器の電気出力に関連する信号を前記半導体
   レーザの電流に負帰還するように構成した特許請求の範
   囲第１項記載の半導体レーザ波長安定化装置。
3. （３）変調手段として音響光学変調器を用いた特許請求
   の範囲第１項記載の半導体レーザ波長安定化装置。
4. （４）変調手段として電気光学素子からなる位相変調器
   を用いた特許請求の範囲第１項記載の半導体レーザ波長
   安定化装置。
5. （５）変調手段として前記半導体レーザの電流を変調す
   る手段を用いた特許請求の範囲第１項記載の半導体レー
   ザ波長安定化装置。
6. （６）標準物質としてＲｂまたはＣｓを用いた特許請求
   の範囲第１項記載の半導体レーザ波長安定化装置。