DE3643629C2

DE3643629C2 - Vorrichtung zur Stabilisierung der Wellenlänge eines Halbleiterlasers

Info

Publication number: DE3643629C2
Application number: DE3643629A
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: 1995-11-23
Anticipated expiration: 2006-12-20
Also published as: DE3643629A1; GB2187592A; US4833681A; GB8627744D0; GB2187592B

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Stabilisierung der Wellenlänge ei nes Lasers nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

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

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisators. Modulations signale mit einer Frequenz fm werden überlagert mit einem elektrischen Strom von einem Halbleiterlaser LD, wodurch die Oszillationswellenlänge des Laserausgangs moduliert wird. Mittels eines Strahlteilers BS wird ein Lichtstrahl abgespalten, der auf eine Absorptionszelle CL auftrifft, in der eine Norm- bzw. Vergleichssubstanz ein geschlossen ist, die eine Absorption bei einer gegebenen Wellenlänge bewirkt. Ein anderer, von dem Strahl teiler 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 gleich gerichtet. Es ist möglich, durch Steuerung des elektri schen 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-Verstär kers LA durch eine Steuereinrichtung CT auf einen be stimmten Wert gebracht werden.

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

Aus der US PS 3 593 189 ist bereits ein Laser-Wellenlängensta bilisator bekannt, wie er in den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruch 1 angegeben ist. Dieser Laser-Wellenlängenstabilisator dient dort zur Wellenlängenstabilisierung eines Gaslasers. Dabei wird der vom Laser erzeugte Lichtstrahl in zwei Teil strahlen aufgespalten, von denen der eine zur Frequenzerfassung nach frequenzmäßiger Modulation in einem einen elektrooptischen Kristall aufweisenden Frequenzmodulator auf eine Absorptions zelle gerichtet wird und ein nachgeschalteter Fotodetektor die Intensität des durch die Absorptionszelle hindurchgelangenden Lichts ermittelt. Darüber hinaus ist bei diesem bekannten Laser-Wellenlängenstabilisator eine Frequenzverschiebeeinrich tung zwingend erforderlich, die dazu dient, eine Verschiebung der Laserstrahlfrequenz auf die Absorptionsfrequenz zu errei chen. Desweiteren ist es bei dieser bekannten Anordnung nicht möglich gleichzeitig sowohl eine niedrige Modulationsfrequenz und eine hohe Frequenzverschiebung einzusetzen, so daß eine ausreichende Stabilisierung der Laserwellenlänge nicht immer gewährleistet ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannte Vorrichtung zur Stabilisierung der Wellenlänge eines Lasers so weiterzubilden, daß sie bei einfachem Aufbau auf die Stabilisierung eines Halbleiterlasers anwendbar ist.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Laser-Wellen längenstabilisator durch die kennzeichnenden Merkmale des An spruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprü che.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeich nungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Halblei terlaser-Wellenlängenstabilisators;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine Ansicht der Hyperfeinstruktur des 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 darge stellten Vorrichtung;

Fig. 7 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines wesent lichen Teils einer zweiten Ausführungsform der Erfin dung;

Fig. 8 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines wesent lichen Teils eines optischen Systems einer dritten Aus führungsform der Erfindung;

Fig. 9 ein Blockschaltbild einer vierten Ausführungs form der Erfindung:

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

Fig. 11 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines we sentlichen Teils einer fünften Ausführungsform der Er findung;

Fig. 12 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines wesent lichen Teils einer sechsten Ausführungsform der Erfin dung;

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

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

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

Fig. 16 ein Blockschaltbild eines Beispiels, bei dem eine unterkritische (evanescent) Absorption des Lichts in einer neunten Ausführungsform der Erfindung verwen det 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 ei ner zwölften Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 22 ein Blockschaltbild einer dreizehnten Ausfüh rungsform 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 Ausfüh rungsform der Erfindung;

Fig. 26, 27 Ansichten zur Darstellung des Ausgangs signals des Lock-in-Verstärkers der in Fig. 25 dar gestellten Vorrichtung;

Fig. 28 ein Blockschaltbild einer siebzehnten Ausfüh rungsform der Erfindung;

Fig. 29 ein Blockschaltbild einer achtzehnten Ausfüh rungsform der Erfindung;

Fig. 30 ein Blockschaltbild eines wesentlichen Teils ei ner 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 zwan zigsten Ausführungsform der Erfindung, bei der der Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisator in der Schal tung 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 Bei spiels nach Fig. 34;

Fig. 38 bis 40 Teilschnittansichten des in Fig. 34 dar gestellten Beispiels;

Fig. 41 eine Draufsicht auf den Aufbau einer einund zwanzigsten Ausführungsform der Erfindung, wobei die in Fig. 34 dargestellte Vorrichtung noch engere Spek tren aufweist;

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

Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Wellenlängen stabilisators. Mit dem Bezugszeichen LD1 ist ein Halb leiterlaser gekennzeichnet. Mit dem Bezugszeichen PE1 ist ein Peltier-Element zum Abkühlen oder Aufheizen des Halbleiterlasers LD1 gekennzeichnet. Mit CT1 ist eine Temperatursteuereinrichtung zur Steuerung der Tempe ratur des Halbleiterlasers LD1 auf einen bestimmten Wert durch Steuerung des Peltier-Elements gekennzeich net. Mit TB1 ist ein Konstanttemperaturofen zur Ver minderung der Temperaturfluktuationen gekennzeichnet, in dem der oben beschriebene Halbleiterlaser LD1 und das Peltier-Element PE1 untergebracht sind. Mit BS1 ist ein Strahlteiler zur zweiseitig gerich teten Aufteilung des vom Halbleiterlaser emittierten Ausgangslichts gekennzeichnet. UM1 steht für eine be kannte opto-akustische bzw. akusto-optische Ablenkvorrichtung (AOD), auf die ein vom Strahlteiler austretender Licht strahl auftrifft. Diese opto-akustische Ablenkvor richtung stellt eine Modulationseinrichtung dar. Mit CL1 ist eine Absorptionszelle gekennzeichnet, auf die das Beugungslicht von der opto-akustischen Ablenkvorrichtung UM1 auftrifft. Die Absorptionszelle CL1 schließt eine Vergleichs- bzw. Normsubstanz (im nachfolgenden wird Cs impliziert) ein, die das Licht bei einer bestimm ten Wellenlänge absorbiert. Mit PD1 ist ein Fotode tektor gekennzeichnet, auf den das von der Absorptions zelle CL1 durchgelassene Licht auftrifft. Mit dem Be zugszeichen A1 ist ein Verstärker gekennzeichnet, dem die elektrischen Ausgangssignale des Fotodetektors PD1 eingegeben werden. Mit LA1 ist ein Lock-in-Ver stärker, dem die elektrischen Ausgangssignale des Verstärkers A1 eingegeben werden, und mit CT2 ein PID-Regler gekennzeichnet, der eine Regelschaltung des elektrischen Stroms darstellt, dem die Ausgangs signale des Lock-in-Verstärkers LA1 eingegeben werden und der den elektrischen Strom des Halbleiterlasers LD1 regelt. Mit dem Bezugszeichen SW1 ist ein Schal ter, dessen eines Ende mit der opto-akustischen Ab lenkvorrichtung UM1 verbunden ist, und mit SG1 ein Signalgenerator gekennzeichnet, der die Ausgangssignale so aussendet, daß der Schalter SW1 mit der Frequenz fm (beispielsweise 2 kHz) ein- und ausgeschaltet wird.

Mit dem Bezugszeichen SG2 ist ein zweiter Signalgene rator gekennzeichnet, mit dem das andere Ende des Schalters SW1 verbunden ist. Dieser zweite Signalgene rator SG2 hat eine Frequenz f_D (beispielsweise 80 MHz).

Die Betriebsweise des oben beschriebenen Halbleiterla ser-Wellenlängenstabilisators wird im nachfolgenden beschrieben. Die Temperatur des Halbleiterlasers LD1 wird mittels des Peltier-Elements PE1 auf einen festen Wert geregelt, indem durch die Regelschaltung CT1 Tem peraturdetektorsignale in den Konstanttemperaturofen TB1 eingegeben werden. Das Ausgangslicht des Halblei terlasers LD1 wird mittels des Strahlteilers BS1 zweiseitig aufgespalten. Das reflektierte Licht wird als Ausgangslicht zur Umgebung hin und das durch gelassene Licht wird zum Einfall auf die opto-akusti sche Ablenkvorrichtung UM1 gebracht. Da die opto-aku stische Ablenkvorrichtung UM1 bei eingeschaltetem Schalter SW1 durch die Ausgangssignale des Signalge nerators SG2 mit der Frequenz f_D gesteuert wird, wird die Mehrheit des einfallenden Lichts der Frequenz γ₀ abgelenkt und dabei einer Frequenz-(Doppler-)Ver schiebung unterzogen. Das Licht mit einer Frequenz γ₀ + f_D, das als Primär-Beugungslicht definiert wird, trifft auf die Absorptionszelle CL1 auf. Wenn der Schalter SW1 ausgeschaltet ist, trifft das Licht mit der Frequenz γ₀, das als Null-Dimensions-Beugungslicht definiert wird, auf die Absorptionszelle CL1. Der Schalter SW1 wird mit einer Taktfrequenz fm gesteuert, die durch den Signalgenerator SG1 geliefert wird. Damit wird das auf die Absorptionszelle CL1 auftreffende Licht einer Frequenzmodulation mit der Modulationsfrequenz fm und dem Modulationsgrad bzw. der Modulationstiefe f_D un terzogen.

Fig. 3 zeigt die Hyperfeinstruktur des Energieniveaus eines Cs-Atoms. Wenn Licht mit einer Wellenlänge von 852,112 nm auf die Cs-Atome auftrifft, so werden Ladungsträger von 6²S_1/2 auf 6²P_3/2 angeregt, und das Licht verliert seine Energie, wodurch Absorption stattfindet. In diesem Fall bestehen die Niveaus 6²S_1/2 bzw. 6²P_3/₂ aus 2 bzw. 4 Termen. Daher tritt die Ab sorption bezüglich des Lichts mit sechs Arten von Wel lenlängen (oder Frequenzen) zwischen diesen Energieni veaus auf. Da jedoch die Absorptionsspektrumsbreite meh rere 100 MHz wegen der Doppler-Verbreiterung aufweist, kann üblicherweise keine Hyperfeinstruktur von 6²P_3/2 beobachtet werden. Wie in Fig. 4 dar gestellt ist, wird beobachtet, daß zwei Arten von Ab sorptionen (a) und (b) auf einer Absorptionsspektral linie vorhanden sind. Die in Fig. 4 dargestellten Ab sorptionssignale (a) betreffen die von F4 (vgl. Fig. 3) ausgesendeten Signale, während die Absorptionssignale (b) die von F3 (vgl. Fig. 3) ausgesendeten Signale be treffen.

Wenn das von der opto-akustischen Ablenkvorrichtung UM1 modulierte Licht auf die Absorptionszelle CL1 auf trifft, 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 (beispiels weise (a) nach Fig. 4) moduliert zu sein. Wenn dieses Signal mittels des Fotodetektors PD1 in ein elektri sches Signal umgewandelt und das so umgewandelte Signal dann bei einer Frequenz fm im Lock-in-Verstärker LA1 mittels des Verstärkers A1 synchron gleichgerichtet wird, so wird eine erste Ableitung er halten, die in dem die Frequenzcharakteristik dar stellenden Kurvendiagramm nach Fig. 6 dargestellt ist. Wenn die Ausgänge des Lock-in-Verstärkers LA1 auf die Mitte der oben erwähnten ersten Ableitung einrasten bzw. eingeregelt werden, so hat das Aus gangslicht 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 Halblei terlaser-Wellenlängenstabilisators mit einer hohen Sta bilität auch bezüglich des Augenblickswerts ausgestat tet.

Selbst wenn der Beugungswirkungsgrad der opto-akusti schen Ablenkvorrichtung UM1 verändert wird, nimmt eine optische Komponente (Null-Dimensions-Beugungslicht), die nicht zur Modulation beiträgt, in der Größe zu, wäh rend 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 LA1 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 Ab sorptionszelle GL1 auch beispielsweise Rb, NH₃ oder H₂O verwendet werden.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird der elektrische Strom des Halbleiterlasers durch die Aus gangssignale 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 FM1 durch einen Sinuswellengenerator SG20 (beispielsweise mit einer Modulationsfrequenz fm = 2 kHz) geregelt wird, wodurch die opto-akustische Ab lenkvorrichtung UM1 durch Sinuswellen moduliert wird.

Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild eines wesentlichen Teils eines optischen Systems einer dritten Ausführungs form der Erfindung. Gegenüber der in Fig. 2 dargestell ten Vorrichtung bestehen folgende Unterschiede. Mit dem Bezugszeichen HM1 ist ein Halbspiegel gekenn zeichnet, der das Ausgangslicht des Halbleiterlasers LD1 zweiseitig aufteilt und das reflektierte Licht von einer Richtung auf die opto-akustische Ablenk vorrichtung UM1 auftreffen läßt. Mit dem Bezugszeichen M1 ist ein Spiegel gekennzeichnet, auf dem das durch den Halbspiegel HM1 hindurchtretende Licht reflektiert wird, wobei das reflektierte Licht von einer anderen Richtung auf die opto-akustische Ablenkvorrichtung UM1 auftrifft. Wenn der Schalter SW1 ausgeschaltet ist, durchläuft das vom Halbspiegel HM1 reflektierte Licht die opto-akustische Ablenkvorrichtung UM1 und trifft dann auch die Absorptionszelle CL1 mit der Fre quenz γ₀ auf. Wenn der Schalter SW1 eingeschaltet ist, wird das vom Spiegel M1 reflektierte Licht durch die opto-akustische Ablenkvorrichtung UM1 abgelenkt bzw. gebeugt und trifft dann auf die Absorptionszelle CL1 mit der Frequenz γ₀ + f_D auf.

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

Bei der in Fig. 9 dargestellten vierten Ausführungs form der Erfindung trifft ein Teil der Strahlen bzw. des Strahlenflusses des aus der opto-akustischen Ab lenkeinrichtung UM1 austretenden Lichts - als Pumplicht - auf die Absorptionszelle auf, während der andere Teil der schmalen Strahlen bzw. des schmalen Strahlenflus ses des austretenden Lichts - als Probenlicht - von der entgegengesetzten Richtung auf die Absorptions zelle auftrifft, wodurch gesättigte Absorptionssignale erhalten werden. Mittels der Sättigungs-Absorptions spektroskopie (T. Yabuzaki , A. Hori , M. Kitano und T. Ogawa: Frequency Stabilization of Diode Lasers Using Doppler-Free Atomic Spectra, Proc. Int. Conf. Laser′s 83) verschwindet die Doppler-Verbreiterung. Damit ist es möglich, die Hyperfeinstruktur zu unterscheiden, die oben in Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert wurde. Da so die auf der Hyperfeinstruktur basierenden Ausgangssignale des Lock-in-Verstär kers, wie sie in Fig. 10 dargestellt sind, erhalten werden, ist es möglich, einen noch stabileren Halb leiterlaser-Wellenlängenstabilisator durch Einrasten auf irgendeine der Frequenzen davon zu erreichen, bei spielsweise auf γ₁ nach Fig. 10. Der in Fig. 9 ge strichelt dargestellte Teil ist von dem in Fig. 2 verschieden. So sind insbesondere Lichtstrahlver teiler BS5 bis BS9, Lichtaufnahmeelemente PD11 und PD2 sowie ein Differenzverstärker DA1 vorgesehen, und der Ausgang des Differenzverstärkers DA1 ist mit dem Lock-in-Verstärker LA1 verbunden. In diesem Fall ist es tatsächlich günstig, den Aufbau nach Fig. 8 anzu nehmen, damit die Richtung des Ausgangslichts der opto akustischen Ablenkvorrichtung UM1 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 Ausfüh rungsform unterscheidet. In Fig. 11 ist nur der die Absorptionszelle CL1 umgebende Teil dargestellt. Mit den Bezugszeichen 1 und 2 sind Reflexionsteile und mit dem Bezugszeichen 3 ein Lichtweg für das Ausgangs licht der opto-akustischen Ablenkvorrichtung UM1 ge kennzeichnet, wobei dieses Licht das Nulldimensions- Beugungslicht und das Primär-Beugungslicht subsumiert. Das Ausgangslicht der opto-akustischen Ablenkvorrich tung UM1 durchläuft die Absorptionszelle CL1 und wird dann am Reflexionsteil 2 reflektiert. Das so reflek tierte Licht tritt noch einmal durch die Absorptions zelle CL1 hindurch und wird in ähnlicher Weise am Re flexionsteil 1 reflektiert. Nach dem Hindurchtreten durch die Absorptionszelle CL1 trifft das Ausgangs licht auf den Fotodetektor PD1 auf. Da das Licht die Absorptionszelle CL1 dreimal durchläuft, bleibt das Maß der Absorption gleich, wenn die Länge der Absorp tionszelle um den Faktor 3 vermindert wird.

Fig. 12 ist ein ähnliches Blockschaltbild wie Fig. 11 und zeigt den wesentlichen Teil einer sechsten Ausfüh rungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform werden die Breite der Absorptionszelle CL1 und der Reflexionsteile 1 und 2 in der Absicht verbreitert, um mehrere Male Reflexionen des Lichts zu bewirken. Das von der opto-akustischen Ablenkvorrichtung UM1 emittierte Ausgangslicht wird auf den Reflexions teilen 1 bzw. 2 reflektiert und trifft dann auf den Fotodetektor PD1 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 Durch gänge des Lichts durch die Absorptionszelle CL1 durch Einstellen der Breiten der Absorptionszelle CL1 als auch der Reflexionsteile 1 und 2 sowie auch eines Winkels, mit dem das Ausgangslicht auf die Absorptions zelle CL1 auftrifft, beliebig einzustellen.

Fig. 13 zeigt ein Blockschaltbild - ähnlich dem nach Fig. 12 - eines wesentlichen Teils einer siebten Aus führungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind die Reflexionsteile 1 und 2 nicht individuell vorgesehen. Statt dessen ist als Reflexionsteil ein metallischer Dünnfilm 4 durch Aufdampftechnik oder an dere ähnliche Verfahren auf der Absorptionszelle CL1 ausgebildet. Mit dieser Ausführungsform ist es möglich, die Vorrichtung hinsichtlich der Größe noch weiter zu vermindern.

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

Fig. 14 zeigt eine Schnittansicht eines wesentlichen Teils einer achten Ausführungsform der Erfindung, wobei diese Schnittansicht entlang der durch die Zentral achse der Absorptionszelle CL1 in der in Fig. 2 darge stellten Vorrichtung verläuft. Mit dem Bezugszeichen 5 ist ein Gefäß der Absorptionszelle, mit dem Bezugszei chen 6 die Ebene des einfallenden Lichts, mit dem Be zugszeichen 7 die Ebene des austretenden Lichts, mit dem Bezugszeichen 8 eine abgedichtete Öffnung und mit dem Bezugszeichen 9 die Zentralachse der Absorptions zelle CL1 gekennzeichnet. Sowohl die Einfallsebene 6 als auch die Austrittsebene 7 sind um den Winkel θ gegenüber der Ebene senkrecht zur Zentralachse 9 ge neigt.

Fig. 15 zeigt einen Aspekt der Multireflexion 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 Absorp tionszelle, 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 Strah lungsfluß des mehrfach reflektierten Lichts gekennzeich net, der aus dem Gefäß 5 austritt. Da die Einfalls ebene 6 nicht parallel zu der, zur Zentralachse des Gefäßes 5 senkrechten Ebene verläuft, werden die mehr fach reflektierten Lichtstrahlenflüsse 13 und 14 des einfallenden Lichtstrahls 10, der parallel zur Zentral achse einfällt, in einer zur Richtung des einfallenden Lichtflusses 10 verschiedenen Richtung reflektiert. Aus diesem Grund interferieren der einfallende Licht strahl 11 und der mehrfach reflektierte Lichtstrahl 13 überhaupt nicht miteinander und der einfallende Licht strahl 10, der durchgelassene Lichtstrahl 12 und der mehrfach reflektierte Lichtstrahl 14 interferieren 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 θ ändert sich entsprechend der Dicke des Gefäßes 5, des Strahlendurchmessers des einfallenden Lichts oder der gleichen, jedoch sind zwei bis drei Grad in einem nor malen Fall ausreichend. Bei der beschriebenen Ausführungs form weist das Gefäß 5 einen kreisförmigen Zylinder auf. Es kann jedoch auch eine andere Gestalt aufweisen, auch eine winklige Gestalt. Kurz gesagt, sind die Einfalls ebene und die Austrittsebene flach, und es ist ledig lich erforderlich, daß sie einander gegenüber angeord net 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 Ge fäßes 5, also die Innen- und Außenseite, notwendiger weise Neigungen der Einfalls- und Austrittsebenen 6 bzw. 7 aufweisen. Es ist ausreichend, wenn eine davon geneigt ist.

Fig. 16 zeigt ein Blockschaltbild einer neunten Ausfüh rungsform 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 gekenn zeichnet, und es wird deren Beschreibung der Einfach heit halber weggelassen. Mit FB1 ist eine einwellige optische Faser gekennzeichnet, in die das Ausgangslicht des Halbleiterlasers LD1 einfällt, und mit CP1 ist ein Faserkoppler gekennzeichnet, dem das Ausgangslicht der optischen Faser FB1 eingegeben wird. Mit FB2 ist eine weitere einwellige optische Faser gekennzeichnet, in die ein Strahlungsfluß des Ausgangslichts des Faser kopplers CP1 einfällt. Mit FB3 ist eine weitere einwel lige optische Faser gekennzeichnet, in die ein weite rer Strahlungsfluß des Ausgangslichtes des Faserkopp lers CP1 eingeleitet wird. Mit dem Bezugszeichen UM11 ist eine opto-akustische Ablenkvorrichtung mit Wellen leiterdurchgang gekennzeichnet, der das Ausgangslicht der optischen Faser FB3 eingegeben wird. Mit dem Bezugs zeichen FB4 ist eine weitere einwellige optische Faser gekennzeichnet, in die das Ausgangslicht der opto-aku stischen Ablenkvorrichtung UM11 eingeleitet wird und die das Licht an den Fotodetektor PD1 emittiert. Mit dem Bezugszeichen CL11 ist eine Absorptionszelle gekenn zeichnet, durch die die optische Faser FB4 hindurch läuft. Diese Absorptionszelle weist eine Vergleichs substanz (im nachfolgenden wird Cs angenommen) auf, die das Licht bei einer gegebenen Wellenlänge absor biert. Mit dem Bezugszeichen a ist ein Kernabschnitt gekennzeichnet, der dadurch gebildet wird, daß ein Überzugsteil der optischen Faser FB4 entfernt wird.

Die Betriebsweise eines derartigen Halbleiterlaser- Wellenlängenstabilisators wird im nachfolgenden be schrieben. Das Ausgangslicht des bezüglich der Tem peratur geregelten Halbleiterlasers LD1 wandert über die optische Faser FB1 und wird dann mittels des Fa serkopplers CP1 in zwei Richtungen aufgeteilt. Ein Flußstrahl des so abgezweigten Ausgangslichts emittiert über die optische Faser FB2 nach außen. Der andere Strahlungsfluß des Ausgangslichts trifft über die op tische Faser FB3 auf die opto-akustische Ablenkvor richtung UM11 des Wellenleiterdurchgangstyps auf. Das durch die opto-akustische Ablenkvorrichtung UM11 mo dulierte Licht wandert durch die optische Faser FB4 und durchläuft dann die Absorptionszelle CL11. Inner halb der Absorptionszelle CL11 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 FB4 austritt. Ein elektrisches Feld in diesem Bereich wirkt gegen seitig auf das Umgebungsgas Cs, wodurch die Absorption bei der bestimmten Wellenlänge stattfindet. Wenn daher das Ausgangssignal der optischen Faser FB4 mittels des Fotodetektors PD1 festgestellt wird, so werden Absorp tionssignale geliefert. Durch Rückführung des Ausgangs signals zum Lock-in-Verstärker LA1 und dergleichen zurück zum Halbleiterlaser LD1 kann - wie bei der her kömmlichen Vorrichtung - die Oszillationsfrequenz des Halbleiterlasers in einem Bereich in der Nähe der Ab sorptionsmitte geregelt werden.

Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halb leiterlaser-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 Po sitionierungsvorgang erforderlich, wodurch die Ein stellung vereinfacht und eine Miniaturisierung der Vorrichtung erreicht wird.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird eine einwellige Faser als optische Faser FB4 verwendet, die durch die Absorptionszelle CL11 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 Sättigungsabsorp tionsverfahren verwendet wird. Mit dem Bezugszeichen FB5 ist eine einwellige optische Faser zur Fortpflan zung des Ausgangslichts der opto-akustischen Ablenkvor richtung UM11 gekennzeichnet. Mit CP2 ist ein Faser koppler gekennzeichnet, dessen eines Ende mit der op tischen Faser FB5 verbunden ist. Mit dem Bezugszeichen FB6 ist eine weitere einwellige optische Faser gekenn zeichnet, die mit dem anderen Ende des Faserkopplers CP2 verbunden ist. Mit dem Bezugszeichen b ist ein Kern teil gekennzeichnet, der dadurch gebildet wird, daß ein Überzugteil der optischen Faser FB6 innerhalb der Absorp tionszelle CL2 entfernt wird. Mit dem Bezugszeichen 15 ist die mit einem Halbspiegel überzogene Endfläche der optischen Faser FB6 gekennzeichnet. Mit PD21 ist ein erster Fotodetektor zum Feststellen des von der End fläche 15 übertragenen Lichts gekennzeichnet. Mit PD11 ist ein zweiter Fotodetektor zum Feststellen des re flektierten Lichts von der Endfläche 15 der optischen Faser FB6 mittels des Faserkopplers CP2 gekennzeichnet. Mit A11 ist ein Differenzverstärker gekennzeichnet, dem die Ausgangssignale der Fotodetektoren PD21 und PD11 zugeführt und dessen Ausgang mit dem Lock-in-Verstärker LA1 verbunden ist.

Bei der in Fig. 18 dargestellten Ausführungsform fällt das Ausgangslicht der akusto-optischen Ablenkvorrich tung UM11 über die optische Faser FB5 auf den Faserkopp ler CP2 und wandert durch die optische Faser FB6. Danach werden außerhalb des Kernbereichs b unterkritische Wel len erzeugt, die - als Pumplicht - die Lichtabsorption der Vergleichssubstanz (beispielsweise Cs) in der Nähe des Kernbereichs sättigen. Der größere Teil (beispiels weise 90%) des durch die optische Faser FB6 wandernden Lichts trifft über die Endfläche 15 auf den Fotodetek tor PD21 auf. Andererseits wird der Rest (beispiels weise 10%) des Lichts an der Endfläche 15 reflektiert und wandert durch die optische Faser FB6 in entgegen gesetzter Richtung, wobei seine unterkritischen Wellen, die als Probenlicht definiert sind und mit dem oben er wähnten Pumplicht überlappen, die Absorption mit sich bringen. Dieses Probenlicht wird über den Faserkoppler CP2 und eine optische Faser FB7 zum Fotodetektor PD11 geleitet. Da die Ausgangssignale der Fotodetektoren PD21 und PD11 vom Differenzverstärker A11 voneinander sub trahiert werden, werden die von der Doppler-Verbreite rung resultierenden Absorptionssignale gelöscht bzw. unterdrückt, so daß Sättigungsabsorptionssignale mit einem scharfen Absorptionsspektrum an den Lock-in-Ver stärker ausgegeben werden. Aufgrund der Rückkopplungs schleife ist es ebenso wie in Fig. 16 möglich, die Oszillationsfrequenz des Halbleiterlasers LD1 mit ho her Stabilität mittels der Spitzen des Sättigungsab sorptionsspektrums 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 opti schen Fasern FB6 angeordnet werden.

Fig. 19 zeigt ein Blockschaltbild einer elften Ausfüh rungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Wellen längenlängenstabilisators. Im nachfolgenden werden nur einige Punkte erwähnt, die sich gegenüber der Ausfüh rungsform nach Fig. 2 unterscheiden. Mit dem Bezugs zeichen 16 ist ein Verstärker mit veränderlicher Ver stärkung gekennzeichnet, dem die Ausgangssignale des Verstärkers A1 eingegeben und dessen Ausgangssignale dem Lock-in-Verstärker LA1 eingegeben werden. Mit dem Bezugszeichen 17 ist ein Vergleicher mit einer inver tierenden Eingangsklemme gekennzeichnet, der das Aus gangssignal des Verstärkers A1 zugeführt wird. Mit dem Bezugszeichen 18 ist eine Einstellspannungsquelle ge kennzeichnet, die zwischen der nicht invertierenden Eingangsklemme des Vergleichers 17 und dem gemein samen elektrischen Potentialpunkt geschaltet ist. Die Verstärkung des Verstärkers 16 wird durch den Verglei cher 17 geregelt.

Bei einem derartigen Aufbau ergibt sich eine Resonanz absorption der Absorptionszelle CL1, wie sie in Fig. 20 dargestellt ist. Wenn die Frequenz des Ausgangslichts der akusto-optischen Ablenkvorrichtung UM1 auf einen Punkt P positioniert wird, so steigt der Betrag des durchgelassenen Lichts an. Der Ausgang des Verstärkers A1 wird stark in negativer Richtung gelenkt. Der Aus gang des Vergleichers 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 A1 allmählich zu nimmt. An einem Punkt Q ist das Ausgangssignal des Verstärkers A1 größer als die Einstellspannungsquelle 18, kommt der Ausgang des Komparators 17 auf niedrigen Pegel und wird die Verstärkung des veränderlichen Ver stärkers 16 erhöht, wodurch das Ausgangssignal des Halbleiterlasers LD1 an einem Punkt R mit hoher Sta bilität 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 Änderung der Verstärkung des veränderlichen Verstärkers 16 mehr fach vorgesehen. Mit den Bezugszeichen 171, 172 und 173 sind Komparatoren gekennzeichnet. Der Ausgang des Ver stärkers A1 ist mit jeder der Inversionseingangsklemmen der Komparatoren verbunden, deren Ausgänge den Ausgang des veränderlichen Verstärkers 16 regeln. Mit den Be zugszeichen 181, 182 und 183 sind Einstellspannungs quellen gekennzeichnet, die jeweils mit den nicht in vertierenden Eingangsklemmen der Komparatoren 171, 172 bzw. 173 verbunden sind. Obwohl hier nicht dargestellt, ist der Ausgang des Fotodetektors PD1 mit dem Verstär ker A1 verbunden und der Ausgang des veränderlichen Verstärkers 16 ist mit dem Eingang des Lock-in-Verstär kers LA1 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, sta bil an den Punkt R mit hoher Geschwindigkeit zusammen zulaufen und es ist hier anzumerken, daß die Verstär kung des Verstärkers 16 fortlaufend bzw. konsekutiv ge regelt werden kann.

Fig. 22 zeigt ein Blockschaltbild einer dreizehnten Aus führungsform der Erfindung, bei der die zweite Ableitung des Ausgangssignals des Verstärkers A1 als Eingangs signal des Komparators der Vorrichtung nach Fig. 19 verwendet wird. Die gegenüber Fig. 19 verschiedenen Punkte werden im nachfolgenden näher erläutert. Der Signalgenerator SG1 führt bezüglich des Signalgenerators SG2 eine Frequenzmodulation mit Sinus- oder Chopper-Wellen durch. Die Ausgangssignale des Ver stärkers A1 werden dem Lock-in-Verstärker LA2 und dem veränderlichen Verstärker 16 zugeführt. Der Lock-in- Verstärker LA2 wird mittels des Signalgenerators SG1 beaufschlagt, der Ausgangssignale mit einer Frequenz von 2 fm erzeugt, die doppelt so groß ist wie die Mo dulationsfrequenz des Signalgenerators SG2, wodurch das Ausgangssignal synchron gleichgerichtet wird. Auf diese Weise kann die zweite Ableitung des Ausgangssignals des Ver stärkers A1 erhalten werden. Die Ausgangssignale des Lock-in-Verstärkers LA2 werden dem invertierenden Ein gang 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 LA1 verbunden. Mit dem Bezugszei chen 18 ist die Einstellspannungsquelle gekennzeich net, die mit dem nicht invertierenden Eingang des Komparators 17 verbunden ist.

Entsprechend den Ausführungsformen 19, 21 und 22 be steht für den Fall, daß das Ausgangslicht des Halb leiterlasers weit vom voreingestellten Wert abweicht, keine Möglichkeit, den voreingestellten Wert zu über springen, und es ist daher möglich, das Ausgangslicht des Halbleiterlasers mit hoher Stabilität auf dem vor eingestellten Wert zu halten. Aufgrund dieses Vorteils ist es selbst dann, wenn das Ausgangslicht des Halb leiterlasers stark vom voreingestellten Wert abweicht, möglich, auf den voreingestellten Wert zu konvergie ren und gleichzeitig wird der Effekt erreicht, daß die Wellenlänge sehr stabil bleibt.

In den in Fig. 19, 21 und 22 dargestellten Ausführungs formen ist der veränderliche Verstärker 16 hinter dem Verstärker A1 angeordnet. Es ist jedoch auch mög lich, den Verstärker 16 hinter dem Lock-in-Verstärker A1 und dem PID-Regler CT2 anzuordnen. Es kann nämlich 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 CL1 auf einen festen Wert in der in Fig. 2 dargestellten Vor richtung eingeregelt wird. Mit dem Bezugszeichen 19 ist ein von einem adiabatischen Material umgebener Konstanttemperaturofen gekennzeichnet, in dessen In nerem die Absorptionszelle CL1 angeordnet ist und der außerdem mit einem Durchgangspfad für das Ausgangs licht der opto-akustischen Ablenkungsvorrichtung UM1 versehen ist. Mit dem Bezugszeichen 20 ist ein Tempe raturmeßelement gekennzeichnet, das innerhalb des Konstanttemperaturofens 19 angeordnet ist, wobei der Ausgang dieses Temperaturmeßelements 20 mit dem Ein gang 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 Temperaturmeßele ment 20, der Temperatureinstellvorrichtung 21 und dem Heizelement 22. Die Temperatur innerhalb des Konstant temperaturofens 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 Absorptions menge entsprechend den Abmessungen der Absorptions zelle groß ist und die zweite Ableitung bzw. das Differential zweiter Ordnung ein Maximum wird. Wenn die Vergleichssubstanz Cs ist, so ist die Absorptions menge bei einer Temperatur von weniger als 20°C klein und es besteht der geeignetste Wert der zweiten Ableitung der Absorptionsmenge in der Nähe von 40°C.

Entsprechend der oben beschriebenen Konfiguration wird die Temperatur der Absorptionszelle selbst dann kon stant gehalten, wenn die Umgebungstemperatur sich än dert. Damit ergibt sich keine Veränderung sowohl in der Absorptionsmenge als auch in der zweiten Ableitung, so daß die Stabilität der Wellen länge des Ausgangslichts bei Fluktuationen in der Um gebungstemperatur überhaupt nicht beeinträchtigt wird. Darüber hinaus können die Temperaturen, bei denen die Absorptionsmengen der Absorptionszellen sich erhöhen sollen, unabhängig von der Umgebungstemperatur ausge wählt werden, und es ist daher möglich, eine ver gleichsweise große Absorptionsmenge selbst bei einer kleinen Absorptionszelle zu erhalten, wodurch die Mi niaturisierung der Vorrichtung erreicht wird. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung innerhalb eines weiten Bereichs der Umgebungstemperaturen ver wendbar.

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

Das Temperaturmeßelement 20 und die Temperatureinstell einrichtung 21 können weggelassen werden, indem ein PTC-Thermistor oder ein Posistor, dessen Widerstands wert 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 Außenmag netfeld in der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung aus gesetzt ist. Mit dem Bezugszeichen 23 ist eine Weich magnetplatte, wie etwa Permalloy oder dergleichen ge kennzeichnet. Mit dem Bezugszeichen 24 ist ein adia batisches Material gekennzeichnet, das so angeordnet ist, daß es die Absorptionszelle CL1 sicher für den Durchgang des Ausgangslichts der opto-akustischen Ab lenkeinrichtung UM1 umgibt. Mit dem Bezugszeichen 201 ist ein Temperaturmeßelement zum Messen einer Tempe ratur um das Absorptionselement CL1 herum gekennzeich net. 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 Weichmagnet platte 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 bezüg lich der Veränderungen in der Umgebungstemperatur sta bil und der Magnetschirm wird mittels der Weichmagnet platte verwirklicht. Damit ergibt sich keine Möglich keit, bei der das Absorptionsspektrum eine Zeeman-Auf teilung aufgrund des Außenmagnetfelds zur Folge hat und die Frequenz des Ausgangslichts dadurch verändert wird. Auch die Kurvenform wird nicht verzerrt und Ein flüsse 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 Weichmagnet platten 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 überein ander angeordnet werden. Wenn in diesem Fall die dün nen Weichmagnetplatten 23 und die adiabatischen Schich ten 24 alternativ laminiert werden, so kann der Magnet schirmeffekt verbessert werden.

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

Fig. 25 zeigt ein Blockschaltbild einer sechzehnten Aus führungsform der Erfindung, bei der die zu den Ausgängen der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung gehörenden Wel lenlängen mehrfach eingesetzt sind. Der Aufbau ist so, daß der Strahlungsfluß des Ausgangslichts der Halb leiterlaser LD1 und LD2 durch die Lichtstrahlverteiler BS1 und BS2 aufgeteilt wird und ein Teil davon als Licht ausgänge verwendet wird. Der Rest des so aufgeteilten Lichtflusses wird in die entsprechenden opto-akustischen Ablenkvorrichtungen UM1 bzw. UM2 eingeleitet. Die Aus gänge der opto-akustischen Ablenkvorrichtungen UM1 und UM2 werden unter Verwendung der Lichtstrahlverteiler BS3 und BS4 miteinander kombiniert und dann in die Ab sorptionszelle CL1 eingeführt. In der Absorptionszelle CL1 ist eine Substanz enthalten, die die Laserstrahlen mit mehrfachen Wellenlängen absorbiert, wobei die Sub stanz beispielsweise Cäsium (Cs), Rubidium (Rb), Ammo nium (NH₃) oder Wasser (H₂O) betrifft. Das heißt eine Vielzahl von Absorptionsspektren werden in dem Licht geschaffen, das die Absorptionszelle CL1 durchläuft. Die die Absorptionszelle CL1 durchlaufenden Laserstrah len werden vom lichtempfangenden Element PD1 in elek trische Signale entsprechend der empfangenen Licht leistung umgewandelt. Die so umgewandelten elektri schen Signale werden den Lock-in-Verstärkern LA11 und LA12 eingegeben und auch den Steuerschaltungen CT21 und CT22 für den elektrischen Strom hinzugefügt. Die Ausgänge der Steuerschaltungen CT21 und CT22 für den elektrischen Strom werden den Halbleiterlasern LD1 und LD2 zugeführt. Da der anzulegende elektrische Strom durch die Signale vorgeschrieben wird, die von den entsprechenden Steuerschaltungen CT21 und CT22 für den elektrischen Strom anliegen, werden die Oszilla tionsfrequenzen der Halbleiterlaser LD1 und LD2 durch diese Werte des elektrischen Stroms bestimmt. Ein Os zillator SG2 (die Frequenz f_D ist beispielsweise 80 MHz) ist über die Schalter SW1 bzw. SW2 mit den oben genann ten opto-akustischen Ablenkvorrichtungen UM1 bzw. UM2 verbunden. Die Ausgänge der Oszillatoren SG11 bzw. SG12 (beispielsweise fm₁ = 2 kHz bzw. fm₂ = 2,5 kHz) sind mit den Schaltern SW1 bzw. SW2 verbunden. Damit wird die Oszillationswellenlänge des durch die opto-aku stischen Modulatoren UM1 bzw. UM2 hindurchgetretenen Lichts mit der Frequenz fm₁ bzw. fm₂ moduliert. Die Ausgänge der Oszillatoren SG11 bzw. SG12 sind mit den Lock-in-Ver stärkern LA11 bzw. LA12 verbunden und werden dann mit der Frequenz fm₁ bzw. fm₂ synchron gleichgerichtet. Eine Steuereinrichtung besteht aus der Steuerschaltung CT21 bzw. CT22 für den elektrischen Strom und dem Lock-in- Verstärker LA11 bzw. LA12.

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

Beim nachfolgenden Beispiel wird Cäsium (Cs) als Absorp tionssubstanz in der Absorptionszelle CL1 verwendet.

Das Ausgangslicht des Halbleiterlasers LD1 wird durch den Lichtstrahlverteiler BS1 zweiseitig aufgespalten. Das Reflexionslicht wird zu dem nach außen emittierenden Ausgangslicht, während das durchgelassene Licht auf die opto-akustische Ablenkvorrichtung UM1 auftrifft. Wie im Falle der in Fig. 2 beschriebenen Vorrichtung wird das Ausgangslicht des Halbleiterlasers LD1 mit der Frequenz γ₁ mittels der opto-akustischen Ablenkvorrichtung UM1 einer Frequenzmodulation unterzogen, wobei die Modula tionsfrequenz fm₁ und der Modulationsgrad f_D ist. Danach trifft das so modulierte Ausgangslicht auf die Absorp tionszelle CL1 auf. In ähnlicher Weise wird das Ausgangs licht mit der Frequenz γ₂, das vom Halbleiterlaser LD2 emittiert wird, mittels der opto-akustischen Ablenk vorrichtung UM2 einer Frequenzmodulation unterzogen, wobei die Modulationsfrequenz fm₂ und der Modulations grad f_D sind. Danach trifft das Ausgangslicht auf die Absorptionszelle CL1.

Wenn das Licht mit den Frequenzen γ₁ und γ₂ durch die in der Absorptionszelle CL1 vorhandenen Cs-Atome hin durchtritt, so ergeben sich bezüglich der Menge des durchgelassenen Lichts die in Fig. 4 dargestellten Absorptionssignale, die den Veränderungen von γ₁ bzw. γ₂ entsprechen. Folglich nehmen die Ausgangswellenfor men der Lock-in-Verstärker LA11 bzw. LA12 die in den Fig. 26 bzw. 27 dargestellten Kurven an, wobei die von dem lichtempfangenden Element PD1 ausgesendeten Signale (Fig. 4) differenziert werden.

Wenn Licht mit der Frequenz γ₁ mit der Modulations frequenz fm₁ und Licht mit der Frequenz γ₂ in ähnli cher Weise mit der Modulationsfrequenz fm₂ moduliert werden, und wenn die Lock-in-Verstärker LA11 bzw. LA12 synchron mit der Modulationsfrequenz fm₁ bzw. fm₂ (da bei werden fm₁ bzw. fm₂ so eingestellt, daß die Formel k·fm₁ ≠ n·fm₂ (k, n sind dabei ganze Zahlen) gilt) syn chron gleichgerichtet werden, so ist der Einfluß des Lichts mit der Frequenz γ₁ im Ausgang des Lock-in- Verstärkers LA11 nicht vorhanden und in ähnlicher Weise tritt der Einfluß des Lichts mit der Frequenz γ₂ im Ausgang des Lock-in-Verstärkers LA12 nicht auf. Somit nehmen die Ausgänge der Lock-in-Verstärker LA11 bzw. LA12 individuell die in den Fig. 26 (Ausgang des Lock-in-Verstärkers LA11) bzw. 27 (Ausgang des Lock in-Verstärkers LA12) dargestellten Kurvenformen an. Wenn die Oszillationsfrequenzen der Halbleiterlaser LD1 bzw. LD2 durch die Steuerschaltungen CT21 bzw. CT22 für den elektrischen Strom so gesteuert werden, daß der Ausgang des Lock-in-Verstärkers LA11 auf dem Punkt A nach Fig. 26 und der Ausgang des Lock-in-Verstärkers LA12 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 er halten werden, die voneinander um 9,2 GHz unterschied lich sind.

In dem so gestalteten Halbleiterlaser-Wellenlängensta bilisator ist es bei einem einfachen Aufbau unter Ver wendung einer Absorptionszelle möglich, die Laserstrah len mit einer Vielzahl von stabilen Wellenlängen aus zugeben.

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 γ₁ und die Frequenz, bei der die Absorption von F = 2 bewirkt wird, sei γ₂. Damit gilt

Δγ = γ₁ - γ₂

was definiert ist als eine Differenz zwischen γ₁ und γ₂, 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 er gibt 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 be schränkt. Wenn die Laser zahlenmäßig zunehmen, so kön nen sie hinsichtlich des Typs durch Kombination mit den oben beschriebenen Frequenzen diversifiziert werden. In einem solchen Fall müssen die opto-akustische Ablenk vorrichtung, der Lock-in-Verstärker, der Oszillator und die Steuerschaltung für den elektrischen Strom ent sprechend 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 verschwin det, möglich, die im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrie bene Hyperfeinstruktur zu unterscheiden. Folglich wird ein Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers erhal ten, wie es der in Fig. 10 dargestellt ist, so daß Δγ weiter vermindert werden kann, in Abhängigkeit von der Stellung, an der die Einrastung erfolgen soll. Der gestrichelt darge stellte Teil in Fig. 28 ist von Fig. 25 verschieden. Es handelt sich dabei um Lichtstrahlverteiler BS5 bis BS9, Lichtaufnahmeelemente PD11 bzw. PD2 und einen Differenzverstärker DA1. Die Ausgänge dieses Diffe renzverstärkers DA1 werden den Lock-in-Verstärkern LA11 bzw. LA12 zugeführt.

Die höhere Harmonische der Frequenz fm₁ oder dergleichen kann als Frequenz eines Signals verwendet werden, das dem in Fig. 25 dargestellten Lock-in-Verstärkers zuge führt wird. Wenn in diesem Fall eine Dreifach-Harmo nische 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 Polarisationslichtstrahlteiler anstelle des Strahlteilers in Fig. 25 verwendet wird, so erhalten die Laserausgangsstrahlen orthogonale po larisierte Kurvenformen.

Fig. 29 zeigt ein Blockschaltbild einer achtzehnten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Laseraus gangswellenlänge so verändert wird, daß sie dem Ein gangssignal entspricht. Eine Spule CI1, die von Fig. 2 verschieden ist, stellt eine Magneteinrichtung dar. Diese Spule CI1 weist zwei Enden auf, denen ein wellen längenvariables Eingangssignal Sin zugeführt wird, wo bei die Spule CI1 um die Absorptionszelle CL1 gewickelt ist. Wie im Falle der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung wird das Ausgangslicht des Halbleiterlasers durch eine stabile Frequenz von γ_s - f_D/2 gesteuert. Bei Anle gung des wellenlängenvariablen Eingangssignals Sin an beide Enden der Spulen CI1 fließt der elektrische Strom durch die Spule CI1, wodurch ein Magnetfeld erzeugt wird, dessen Größe dem Signal Sin entspricht. Aufgrund dieses Magnetfelds bewirkt das Absorptionsspektrum der Ver gleichssubstanz innerhalb der Absorptionszelle CL1 die Zeeman-Trennung, wodurch die Absorptionswellenlänge ver ändert wird. Entsprechend den Änderungen der Absorp tionswellenlänge ändert sich die Ausgangswellenlänge des Halbleiterlasers LD1, der mit dem Absorptionsstrahl eingerastet ist. Es ist deshalb möglich, die Wellen länge des vom Strahlteiler BS1 ausgegebenen La serausgangslichts mittels des wellenlängenveränderli chen 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 beispiels weise die relative Position dadurch verändert werden, daß ein Permanentmagnet in der Nähe der Absorptions zelle CL1 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 Linearab sorption wie in Fig. 29 bewirkt wird. Das von der opto akustischen Ablenkvorrichtung UM1 modulierte Licht trifft - als Pumplicht - über den Strahlleiter BS10 auf die Absorptionszelle CL1 und das durch die Absorp tionszelle CL1 hindurchgetretene Licht wird dann an ei nem Spiegel M2 reflektiert und kehrt auf den vorher gehenden Lichtweg zurück. Das so zurückgekehrte, als Probenlicht dienende Licht trifft noch einmal auf die Absorptionszelle CL1 auf. Das übertragene Licht re flektiert am Strahlteiler BS10, wodurch das Sättigungsabsorptionssignal mittels des Fotodetektors PD12 festgestellt wird. Die anderen Vorgänge sind die gleichen wie bei der in Fig. 29 dargestellten Vorrich tung.

Wenn das wellenlängenvariable Eingangssignal Sin an beide Enden der Spule CI1 - wie im Falle der in Fig. 29 dar gestellten Vorrichtung - angelegt wird, bewirkt das Absorptionsspektrum der Vergleichssubstanz innerhalb der Absorptionszelle CL1 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 entsprechen den 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 Hyperfeinstruktur 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 Hyperfeinstruktur von F = 3, bei der der Grundzustand von Cs bei 6²S_1/2 liegt. Wenn bei spielsweise die Frequenz des Halbleiterlasers LD1 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 Ab sorptionszelle CL1 zu niedrigeren Frequenzen hin. Dies hat zur Folge, daß die Oszillationsfrequenz des Halb leiterlasers LD1 gleichzeitig zu den unteren Frequenzen hin verschoben wird.

Bei der so aufgebauten Vorrichtung ist außer den Merk malen, die in der in Fig. 29 dargestellten Vorrichtung inhärent sind, ein zusätzliches Merkmal darin zu sehen, daß die Veränderungen in der Sättigungsabsorptionsfre quenz 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 Hyperfeinstruktur eingeregelt werden kann. Folglich wird die Empfindlichkeit kleiner als bei der in Fig. 30 dargestellten Ausführungsform.

Fig. 34 zeigt ein Blockschaltbild einer zwanzigsten Aus führungsform 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 derglei chen gekennzeichnet. Bauteile, die auf diesem Substrat ausgebildet sind, werden nachfolgend beschrieben. LD10 stellt einen Halbleiterlaser dar. Mit dem Bezugszeichen 31 ist ein Lichtwellenleiterweg gekennzeichnet, auf den das Ausgangslicht des Halbleiterlasers fällt. Mit UM10 ist ein opto-akustisches Ablenkteil (Ultraschallablenk teil) gekennzeichnet, auf dem das vom Lichtwellenleiter weg 31 austretende Licht auftrifft. Mit dem Bezugszei chen 32 ist ein weiterer Lichtwellenleiterweg gekenn zeichnet, in den das Ausgangslicht des opto-akustischen Ablenkteils UM10 eingeleitet wird. CL10 stellt ein Ab sorptionsteil dar, in dem eine Vergleichssubstanz (es han delt sich hier um Cs) enthalten ist, die Licht mit einer bestimmten Wellenlänge absorbieren kann. Das vom Licht wellenleiterweg 32 austretende Licht trifft auf dieses Absorptionsteil CL10 auf. Mit PD10 ist ein Lichtaufnahme teil gekennzeichnet, auf das das vom Absorptionsteil CL10 austretende Licht auftrifft. Mit dem Bezugszeichen 33 ist ein Steuerteil zur Eingabe der elektrischen Aus gangssignale des Lichtaufnahmeteils PD10 gekennzeichnet. Im Steuerteil 33 stellt LA10 eine Lock-in-Verstärker schaltung, deren Eingang mit dem Ausgang des Lichtauf nahmeteils PD10 verbunden ist, und CT20 eine Steuer schaltung für den elektrischen Strom dar, die eine PID- Reglerschaltung aufweist, deren Eingang mit dem Ausgang der Lock-in-Verstärkerschaltung LA10 und deren Ausgang mit dem Injektionseingang für den elektrischen Strom des oben erwähnten Halbleiterlasers LD10 verbunden ist. SG10 stellt eine Signalgeneratorschaltung (Oszillationsschal tung) mit einer Frequenz fm (beispielsweise 2 kHz) dar. Der eine Ausgang der Signalgeneratorschaltung SG10 dient als Bezugssignaleingang der oben beschriebenen Lock-in-Verstärkerschaltung LA10. Mit SG20 ist eine zweite Signalgeneratorschaltung (Oszillationsschaltung) mit einer Frequenz f_D (beispielsweise 80 MHz) gekenn zeichnet, deren Ausgang mit dem oben erwähnten opto- akustischen Ablenkteil UM10 verbunden und die durch die Ausgänge der ersten Signalgeneratorschaltung SG10 modu liert wird.

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

Der so aufgebaute Halbleiterlaser-Wellenlängenstabilisa tor weist das Merkmal auf, daß eine Integration in einen Chip möglich und damit die Vorrichtung hinsichtlich der Größe vermindert werden kann, wodurch die Massenproduk tion 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 Siliziumsubstrats. In anderen Fällen gehört sie zu einem Hybridaufbau. Zur besseren Beschreibung werden im nachfolgenden kon krete Erklärungen gemacht.

Fig. 36 zeigt eine perspektivische Ansicht eines wesent lichen Teils eines konkreten Beispiels, bei dem der Halbleiterlaser LD10 auf 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 LD10 be strahlt. In Fig. 38 ist das Ausgangslicht des Halblei terlasers LD10 so angeordnet, daß es über ein Prisma PR in den Wellenleiterweg 31 eingeführt wird.

Fig. 39 stellt eine Schnittansicht eines konkreten Bei spiels 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 thermi sche Oxidation 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 CL10 eingeschlos sen ist.

Fig. 40 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren kon kreten Beispiels des Absorptionsteils CL10 bezüglich der in Fig. 34 dargestellten Vorrichtung. Dabei wird ein Wellenleiterweg 32 auf dem Substrat 30 ausgebildet, das aus GaAs oder LiNbO₃ besteht. Mit tels unterkritischer Effekte ist die Vergleichssubstanz, die von der auf den Wellenleiterweg 32 angeordneten Be deckung 36 eingeschlossen ist, so angeordnet, daß das durch den Wellenleiterweg 32 hindurchtretende Ausgangs licht des Halbleiterlasers absorbiert wird. Dieses Bei spiel ist insofern vorteilhaft, daß gegenüber der in Fig. 39 dargestellten Vorrichtung die Herstellung er leichtert wird.

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

Fig. 41 zeigt eine Draufsicht auf den Aufbau der ein undzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung, wobei das Spektrum im Vergleich zu der in Fig. 34 dargestell ten Vorrichtung kleiner gemacht wurde. Auf dem Foto- IC-Substrat 30 sind zusätzlich vorgesehen: ein Licht verzweigungsteil OB1 zur Abzweigung eines Teils des Lichtflusses des Ausgangslichts des Halbleiterlasers LD10, ein Lichtresonanzteil FP1, das aus einem Fabry- Perot-Etalon besteht, das das mittels des Lichtverzwei gungsteils OB1 abgezweigte Ausgangslicht verarbeitet, ein zweites Fotodetektorteil PD3, auf dem das Ausgangs licht des Lichtresonanzteils FP1 auftrifft, und ein Breitbandbereich-Verstärkungsteil A2 zur Verstärkung der elektrischen Ausgangssignale des Fotodetektorteils PD3 und Rückführung der so verstärkten Ausgangssignale zum elektrischen Injektionsstrom bzw. Speisestrom des Halbleiterlasers LD10. Bei diesem Beispiel ist das Breit band-Verstärkungsteil A2 (dies ist in Fig. 41 der Ein fachheit halber nur grob dargestellt) im Steuerteil 330 vorgesehen. Eine Resonanzkurve - eine von der Mitten frequenz abweichende Stelle - des Lichtresonanzteils FP1 wird mit einer Oszillationswellenlänge des Halbleiter lasers LD10 in Übereinstimmung gebracht. Im Ausgangs licht des Halbleiterlasers LD10 enthaltene Phasenstö rungen werden durch den Fotodetektor PD3 nach deren Um wandlung in amplitudenmodulierte Signale festgestellt und die elektrischen Ausgangssignale davon werden über den Breitbandbereichverstärker A2 mit einem Bandbereich breiter als die Breite des Spektrums des Halbleiterla serstrahls negativ zum Speisestrom (Injektionsstrom) des Halbleiterlasers LD10 zurückgeführt, wodurch die Phasenstörungen des Halbleiterlasers LD10 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 FP1, der auf einem Foto-IC-Sub strat 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 ausge bildet, der auf dem Substrat 300 vorgesehen ist. Zwei Flächen 81, die teilweise die Öffnung 70 bilden und ein ander gegenüber angeordnet sind, sind mit Reflexions schichten 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 End flächen 82 dieser Stege 62 sind einander gegenüber an geordnet 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 do tiert, 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 FP1 in der in Fig. 42(C) dargestell ten 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 be schriebenen Elektroden 90 anliegenden elektrischen Stro mes verändert wird. Als weiteres Mittel zur Einstellung der Resonanzfrequenz gibt es ein Verfahren, bei dem ein Dünnfilmwiderstand für ein Heizelement in enger Nachbar schaft zum Lichtresonanzteil auf dem Substrat ausgebil det ist und bei dem die Länge des Resonators mittels thermischer Expansion verändert wird. Zusätzlich dazu wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine ferro elektrische Substanz, also ein Material mit hohem Bre chungsindex, dotiert und der Brechungsindex mittels ei nes anliegenden elektrischen Felds im gleichen Aufbau wie in Fig. 43 verändert wird.

Im Falle der Steuerung der Temperatur des Halbleiter lasers LD10 und des Lichtresonanzteils FP10 auf einen voreingestellten Weg werden die Dünnfilmwiderstände entsprechend als Heizelemente verwendet. In diesem Fall ist es wünschenswert, daß die Heizelemente so weit von einander entfernt wie möglich angeordnet sind, so daß sie sich gegenseitig nicht stören.

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

Claims

1. Vorrichtung zur Stabilisierung der Wellenlänge eines Lasers mit Hilfe einer Absorptionsspektrallinie einer in einer Absorptionszelle (CL1; CL10; CL11) vorhandenen absorbierenden Vergleichssubstanz, mit einem ersten und einem zweiten Signalgenerator (SG1, SG2; SG20, SG1; SG11, SG2; SG10, SG20) zum Erzeugen eines Signals einer ersten bzw. einer zweiten Frequenz (f_m, f_D; f_m1, f_D), einer Treibereinrichtung (SW1; FM1; SW) zum Ansteuern eines Modulators (UM1; UM11; UM10), der eine Frequenzmodulation eines Teils des vom Laser abgegebenen Lichts bewirkt, mindestens einem Fotodetektor (PD1; PD2, PD11; PD11, PD21; PD10; PD3, PD10) zum Umsetzen des vom Modulator (UM1; UM11; UM10) abgegebenen, durch die Absorptionszelle (CL1; CL10; CL11) hindurchgetretenen Lichts in elektrische Signale, und einer Steuereinrichtung (LA1, CT2; LA11, CT21; LA10; CT20) zum Steuern einer Oszillationswellenlänge des Lasers in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen des mindestens einen Fotodetektors (PD1; PD2, PD11; PD11, PD21; PD10; PD3, PD10), wobei die Steuereinrichtung (LA1, CT2; LA11, CT21; LA10; CT20) die Steuerung der Oszillationswellenlänge des Lasers in Abhängigkeit von einem gleichgerichteten Ausgangssignal durchführt, das durch synchrone Gleichrichtung des elektrischen Ausgangssignals des mindestens einen Fotodetektors (PD1; PD2, PD11; PD11, PD21; PD10; PD3, PD10) mit der ersten Frequenz (f_m; f_m1) oder mit einer Frequenz eines ungeradzahligen Vielfachen hiervon erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein Halbleiterlaser (LD1; LD10) und der Modulator (UM1; UM11; UM10) ein akusto-optischer Modulator ist, daß die Treibereinrichtung (SW1; FM1; SW) den akusto-optischen Modulator (UM1; UM11; UM10) mit einem modulierten Signal ansteuert, das durch Frequenzmodulation des Ausgangssignales des zweiten Signalgenerators (SG2; SG1; SG20) durch das Ausgangssignal des ersten Signalgenerators (SG1; SG20; SG11; SG10) erhalten ist, daß der mindestens eine Fotodetektor (PD1; PD2, PD11; PD11, PD21; PD10; PD3, PD10) sowohl das Beugungslicht erster Ordnung als auch das Beugungslicht nullter Ordnung, das von dem akusto-optischen Modulator (UM1; UM2; UM11; UM10) abgegeben wird, nach Durchstrahlung der Absorptionszelle (CL1, CL10, CL11) empfängt und in elektrische Signale umsetzt, daß die absorbierende Vergleichssubstanz eine Absorptionslinie bei der Frequenz der Laserstrahlung des Halbleiterlasers (LD1; LD10) aufweist, und daß die Frequenz des Ausgangssignales des ersten Signalgenerators (SG1; SG20; SG11; SG10) sehr viel kleiner ist als die Frequenz des Ausgangssignales des zweiten Signalgenerators (SG2; SG1; SG20), so daß sie sich auf die Absorption in der Vergleichssubstanz nicht auswirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Rb oder Cs als Vergleichssubstanz verwendet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Reflexionsteile (1, 2; 4) für einen mehrfachen Durchlauf der Laserstrahlung durch die Absorptionszelle (GL1) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Absorptionszelle (CL1) aus lichtdurchlässigem Material besteht, wobei die Oberfläche der Zelle (CL1), auf die das Licht einfällt, und die Oberfläche, von der das Licht austritt, in einem vorbestimmten Winkel (θ) zu einer Ebene senkrecht zur Zentralachse (9) der Zelle (CL1) geneigt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der modulierten Ausgangsstrahlung des Halbleiterlasers (LD1) in einer optischen Faser (FB4) durch die Vergleichssubstanz in der Absorptionszelle (CL11) läuft, wobei die sich fortpflanzende Strahlung teilweise aus dem Kernbereich der optischen Faser (FB4) austritt und mit der Vergleichssubstanz wechselwirkt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Fotodetektor (PD1) ein Verstärker (16) nachgeordnet ist, dessen Verstärkung durch die Ausgangssignale des Fotodetektors (PD1) gesteuert wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperatursteuereinrichtung (21; 211) zur Steuerung der Temperatur der Absorptionszelle (CL1) auf einen vorbestimmten Wert vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionszelle (CL1) mindestens mit einer Folie oder einer Schicht (23) aus weichmagnetischem Material und einer adiabatischen Schicht (24) überzogen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (CI1) zum Anlegen eines Magnetfeldes an die Absorptionszelle (CL1) vorgesehen ist, wobei die Größe des Magnetfeldes durch ein variables Eingangssignal (S_in) gesteuert wird und die Absorptionswellenlänge der Vergleichssubstanz durch den Zeeman-Effekt verändert wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens einen weiteren Halbleiterlaser (LD2) und einen diesem zugeordneten Modulator (UM2), der einen Teil der Ausgangsstrahlung des weiteren Halbleiterlasers (LD2) einer Frequenzmodulation mit einer von der ersten Frequenz (f_m) verschiedenen Modulationsfrequenz (f_m2) unterzieht, eine Absorptionszelle (CL1) mit einer Vergleichssubstanz, durch die die von den Modulatoren (UM1, UM2) einfallende Strahlung einer Absorption bei verschiedenen Wellenlängen unterzogen wird, und mindestens eine weitere Steuereinrichtung (LA12, CT22), die dem mindestens einen weiteren Halbleiterlaser (LD2) zugeordnet ist, zur Steuerung der Oszillationswellenlänge des Halbleiterlasers (LD2) durch Signale, die auf den elektrischen Ausgangssignalen des mindestens einen Fotodetektors (PD1; PD2, PD11) basieren.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (UM10), die Absorptionszelle (CL10), der Fotodetektor (PD1) und die Steuereinrichtung (LA10, CT20) auf einem gemeinsamen Substrat (30) angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionszelle (CL10) von einem Glasfilm (34) gebildet wird, der auf einer in der Oberfläche des Substrats (30) gebildeten Ausnehmung durch Glasbeschichtung (34) oder Oxidation aufgebracht ist, und daß die Absorptionszelle (CL10) die Vergleichssubstanz mittels einer Glasplatte (35) einschließt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (LA10, CT20) einen Lock-in-Verstärker (LA10) aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat (30) vorgesehen sind:
ein Lichtverzweigungsteil (OB1) zum Abzweigen eines Teils des Ausgangslichts des Halbleiterlasers (LD10),
ein Lichtresonanzteil (FP1), auf das das vom Lichtverzweigungsteil (OB1) abgezweigte Ausgangslicht einfällt,
ein zweiter Fotodetektor (PD3), auf den das Ausgangslicht des Lichtresonanzteils (FP1) auftrifft, und
ein Breitband-Verstärker (A2) zum Verstärken des elektrischen Ausgangssignals des Fotodetektors (PD3) und Rückführen des elektrischen Ausgangssignals zum Injektions- bzw. Speisestrom des Halbleiterlasers (LD10).